JP4699906B2 - ROLLING MEMBER FOR FUEL CELL, ROLLING BEARING FOR FUEL CELL, AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池用転動部材、燃料電池用転がり軸受およびその製造方法に関し、より特定的には、燃料電池装置の内部において回転する部材を保持するために用いられる燃料電池用転動部材、燃料電池用転がり軸受およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a rolling member for a fuel cell, a rolling bearing for a fuel cell, and a manufacturing method thereof, and more specifically, a rolling member for a fuel cell used to hold a member that rotates inside a fuel cell device, The present invention relates to a rolling bearing for a fuel cell and a manufacturing method thereof.
燃料電池は、水素と酸素との化学反応を利用して直接電気を発生させる装置である。この燃料電池は、発電効率が高いだけでなく、有害な排出物や騒音がほとんど発生しないため、次世代のエネルギー源の一つとして期待されている。 A fuel cell is a device that directly generates electricity using a chemical reaction between hydrogen and oxygen. This fuel cell is expected to be one of the next generation energy sources because it not only has high power generation efficiency but also generates almost no harmful emissions and noise.
燃料電池の装置内において回転する部材を保持するためには、軸受が用いられる。この燃料電池用軸受においては、発電に用いられる水素が燃料電池用軸受を構成する燃料電池用転動部材である軌道部材や転動体の内部に侵入し、疲労強度を著しく低下させるという問題がある。また、燃料電池用軸受においては、腐食性を有する液体が付着する可能性もあるため、耐食性も要求される。 In order to hold the rotating member in the fuel cell device, a bearing is used. In this fuel cell bearing, there is a problem that hydrogen used for power generation penetrates into the inside of the race member and the rolling element which are the rolling members for the fuel cell constituting the fuel cell bearing, and the fatigue strength is remarkably reduced. . In addition, in a fuel cell bearing, since corrosion-resistant liquid may be attached, corrosion resistance is also required.
これに対し、所定成分の鉄鋼材料からなり、粒径50nm以上300nm以下のモリブデンおよび/またはバナジウムの炭化物がマトリックス中に分布しているとともに、軌道輪の軌道面および/または転動体の転動面に5nm以上300nm以下の厚さのクロム酸化膜が形成された転がり軸受が提案されている。これにより、クロム酸化膜により軌道輪や転動体への水素の侵入が抑制されるとともに、モリブデンおよび/またはバナジウムの炭化物により水素が吸着される。その結果、潤滑油に侵入した水分が分解することにより水素が発生する環境において、長寿命な転がり軸受を得ることができる(たとえば特許文献1参照)。 On the other hand, molybdenum and / or vanadium carbide composed of a steel material of a predetermined component and having a particle size of 50 nm to 300 nm is distributed in the matrix, and the raceway surface of the raceway and / or the rolling surface of the rolling element. In addition, a rolling bearing in which a chromium oxide film having a thickness of 5 nm to 300 nm is formed has been proposed. Thereby, the chromium oxide film suppresses the entry of hydrogen into the race and the rolling elements, and hydrogen is adsorbed by the molybdenum and / or vanadium carbide. As a result, a long-life rolling bearing can be obtained in an environment where hydrogen is generated by the decomposition of moisture that has entered the lubricating oil (see, for example, Patent Document 1).
また、タングステンおよびコバルトなどの合金元素を含むとともに、各合金元素の含有量が所定の関係を満たす鋼からなり、所定条件の下で焼入焼戻された転がり軸受(転がり支持装置)が提案されている。これにより、耐食性に優れ、かつ十分な硬さを有する転がり軸受が得られ、転がり軸受の転がり寿命を長くすることができる(たとえば特許文献2参照)。 In addition, a rolling bearing (rolling support device) is proposed that includes alloy elements such as tungsten and cobalt, and is made of steel that has a content of each alloy element satisfying a predetermined relationship and is tempered and tempered under a predetermined condition. ing. As a result, a rolling bearing having excellent corrosion resistance and sufficient hardness can be obtained, and the rolling life of the rolling bearing can be extended (for example, see Patent Document 2).
さらに、窒素を含有させることにより耐食性を向上させてクロム含有量を低減可能とし、それにより加工性等を向上させた、転がり軸受に適用可能な高硬度耐食鋼が提案されている(たとえば特許文献3参照)。
しかし、発電に用いられる水素が軌道部材や転動体の内部に侵入する環境で使用される燃料電池用転がり軸受においては、潤滑油に侵入した水分が分解することにより水素が発生する環境と比べて、軌道部材や転動体が曝される水素の濃度が高い場合が多いため、特許文献1に開示された転がり軸受の構成では燃料電池用転がり軸受として必ずしも十分な疲労強度を確保することができるとはいえない。
However, in a rolling bearing for a fuel cell that is used in an environment where hydrogen used for power generation penetrates into the raceway member and the rolling element, compared to an environment where hydrogen is generated by the decomposition of moisture that has entered the lubricating oil. Since the concentration of hydrogen to which the race member and the rolling element are exposed is often high, the configuration of the rolling bearing disclosed in
また、燃料電池の普及のために低コスト化が重要視される中、燃料電池用転がり軸受に対しても低コスト化の要求がある。したがって、高価な合金元素であるタングステンやコバルトなどを含有する鋼からなる特許文献2に開示された転がり軸受の構成では、このような低コスト化の要求に応えることが困難となるおそれがある。
In addition, while cost reduction is regarded as important for the spread of fuel cells, there is a demand for cost reduction for rolling bearings for fuel cells. Therefore, the configuration of the rolling bearing disclosed in
さらに、特許文献3に開示された高硬度耐食鋼を燃料電池用転がり軸受に適用した場合、要求特性の一つである耐食性を満足できる可能性があるが、水素の侵入に対する対策が十分であるとはいえない。 Furthermore, when the high hardness corrosion resistant steel disclosed in Patent Document 3 is applied to a rolling bearing for a fuel cell, there is a possibility that the corrosion resistance which is one of the required characteristics may be satisfied, but a countermeasure against hydrogen intrusion is sufficient. That's not true.
そこで、本発明の目的は、高い耐食性を有するとともに、水素に曝される環境においても高い疲労強度を有する(耐水素疲労強度の高い)燃料電池用転動部材、耐水素疲労強度の高い燃料電池用転がり軸受、およびその製造方法を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell rolling member having high corrosion resistance and high fatigue strength even in an environment exposed to hydrogen (high hydrogen fatigue resistance), and a fuel cell having high hydrogen fatigue strength. A rolling bearing for use, and a manufacturing method thereof.
本発明に従った燃料電池用転動部材は、0.2質量%以上1.2質量%以下の炭素と、0.15質量%以上1.0質量%以下の珪素と、0.3質量%以上1.5質量%以下のマンガンと、6.0質量%以上12.0質量%以下のクロムと、合計で1.0質量%以上6.0質量%以下のバナジウムおよびモリブデンのうち少なくともいずれか一方とを含有し、残部鉄および不可避的不純物からなり、バナジウムおよびモリブデンの合計の含有量に対する炭素の含有量の割合が0.16以上0.24以下である鋼からなっている。そして、当該鋼には、直径10nm以下のバナジウム炭化物およびモリブデン炭化物のうち少なくともいずれか一方が析出している。 The rolling member for a fuel cell according to the present invention comprises 0.2% by mass to 1.2% by mass of carbon, 0.15% by mass to 1.0% by mass of silicon, and 0.3% by mass. More than or equal to 1.5% by mass of manganese, 6.0% by mass to 12.0% by mass of chromium, and 1.0% by mass to 6.0% by mass of vanadium and molybdenum in total And a balance of carbon and the ratio of the carbon content to the total content of vanadium and molybdenum is 0.16 or more and 0.24 or less. And, at least one of vanadium carbide and molybdenum carbide having a diameter of 10 nm or less is deposited on the steel.
本発明の燃料電池用転動部材においては、6.0質量%以上のクロムを含有する鋼からなることにより、燃料電池用転動部材の表面に緻密なクロム酸化物の皮膜が形成される。これにより、耐食性が確保されるとともに、燃料電池用転動部材内部への水素の拡散が抑制され、耐水素疲労強度が向上する。なお、鋼の成分範囲を上述の範囲に限定した理由の詳細については後述する。 In the rolling member for a fuel cell of the present invention, a dense chromium oxide film is formed on the surface of the rolling member for a fuel cell by being made of steel containing 6.0% by mass or more of chromium. Thereby, corrosion resistance is ensured, diffusion of hydrogen into the fuel cell rolling member is suppressed, and hydrogen fatigue resistance is improved. In addition, the detail of the reason which limited the component range of steel to the above-mentioned range is mentioned later.
さらに、本発明の燃料電池用転動部材を構成する鋼には、直径10nm以下のバナジウム炭化物およびモリブデン炭化物のうち少なくともいずれか一方が析出している。これにより、整合析出したバナジウム炭化物やモリブデン炭化物が水素を捕集(トラップ)するトラップサイトとして機能し、水素の拡散が抑制される。その結果、燃料電池用転動部材の耐水素疲労強度が向上する。 Further, at least one of vanadium carbide and molybdenum carbide having a diameter of 10 nm or less is deposited on the steel constituting the fuel cell rolling member of the present invention. Thereby, the vanadium carbide and molybdenum carbide which have been subjected to coherent precipitation function as a trap site for collecting (trapping) hydrogen, and hydrogen diffusion is suppressed. As a result, the hydrogen fatigue strength of the fuel cell rolling member is improved.
以上のように、本発明の燃料電池用転動部材によれば、高い耐食性を有するとともに、耐水素疲労強度の高い燃料電池用転動部材を提供することができる。 As described above, according to the fuel cell rolling member of the present invention, it is possible to provide a fuel cell rolling member having high corrosion resistance and high hydrogen fatigue resistance.
次に、本発明の燃料電池用転動部材を構成する鋼の成分範囲を上述の範囲に限定した理由の詳細について説明する。 Next, details of the reason why the component range of the steel constituting the rolling member for a fuel cell of the present invention is limited to the above range will be described.
炭素量:0.2質量%以上1.2質量%以下
炭素含有量が高くなると、耐食性が低下するとともに、直径100μmを超えるような大型の炭化物(巨大炭化物)が形成されて疲労強度が低下するおそれがある。一方、本発明の燃料電池用転動部材を構成する鋼には、炭素と結合して炭化物を形成するバナジウムおよびモリブデンの少なくともいずれか一方が添加されるため、当該炭化物の形成に鋼中の炭素が消費される。この炭化物の形成による炭素の消費を考慮しても、炭素含有量が1.2質量%を超えると耐食性の低下や巨大炭化物の形成のおそれがあるため、炭素含有量は1.2質量%以下である。
Carbon content: 0.2% by mass or more and 1.2% by mass or less When the carbon content is increased, the corrosion resistance is lowered, and a large carbide (giant carbide) having a diameter exceeding 100 μm is formed and the fatigue strength is lowered. There is a fear. On the other hand, the steel constituting the rolling member for a fuel cell of the present invention is added with at least one of vanadium and molybdenum that combine with carbon to form a carbide. Is consumed. Even considering the carbon consumption due to the formation of this carbide, if the carbon content exceeds 1.2% by mass, the corrosion resistance may be reduced and the formation of giant carbides may occur, so the carbon content is 1.2% by mass or less. It is.
一方、本発明の燃料電池用転動部材においては、炭素は、バナジウムやモリブデンと結合した炭化物として直径10nm以下の大きさに整合析出し、析出硬化により燃料電池用転動部材の硬度を上昇させる機能を果たす。また、当該炭化物は、水素のトラップサイトとしても機能する。炭素含有量が0.2質量%未満では、当該炭化物の析出量が少なく、燃料電池用転動部材において、転動部材として機能を果たすために十分な硬度である58HRC以上の硬度を確保することが困難となるだけでなく、水素のトラップサイトとしての機能を十分に果たすことができないおそれがある。そのため、炭素含有量は0.2質量%以上である。 On the other hand, in the rolling member for a fuel cell according to the present invention, carbon is deposited in a consistent manner with a diameter of 10 nm or less as a carbide combined with vanadium or molybdenum, and the hardness of the rolling member for a fuel cell is increased by precipitation hardening. Fulfills the function. The carbide also functions as a hydrogen trap site. When the carbon content is less than 0.2% by mass, the amount of precipitation of the carbide is small, and in a rolling member for a fuel cell, a hardness of 58HRC or more, which is sufficient hardness to function as a rolling member, is ensured. This may not only be difficult, but may also fail to function sufficiently as a hydrogen trap site. Therefore, the carbon content is 0.2% by mass or more.
珪素量:0.15質量%以上1.0質量%以下
珪素は鋼の製造工程において、鋼の特性に対して有害な酸素の含有量を低下させるために添加される元素である。したがって、0.15質量%未満に低減するためには、酸素の含有量を低下させるために用いる珪素の量を抑制するか、または添加した珪素を再度除去する必要が生じ、製造コスト上昇の原因となる。そのため、珪素量は0.15質量%以上である。一方、燃料電池用転動部材を構成する鋼の珪素含有量が1.0質量%を超える場合、素材の硬度が上昇し、冷間加工性が低下するため、加工コストが上昇する。また、珪素含有量が1.0質量%を超えると、燃料電池用転動部材の靭性が低下するおそれもある。そのため、珪素量は1.0質量%以下である。
Silicon amount: 0.15% by mass or more and 1.0% by mass or less Silicon is an element added to reduce the content of oxygen harmful to steel properties in the steel production process. Therefore, in order to reduce it to less than 0.15% by mass, it is necessary to suppress the amount of silicon used for reducing the oxygen content or to remove the added silicon again, which causes an increase in manufacturing cost. It becomes. Therefore, the amount of silicon is 0.15% by mass or more. On the other hand, when the silicon content of the steel constituting the fuel cell rolling member exceeds 1.0% by mass, the hardness of the material increases and the cold workability decreases, so the processing cost increases. Moreover, when silicon content exceeds 1.0 mass%, there exists a possibility that the toughness of the rolling member for fuel cells may fall. Therefore, the amount of silicon is 1.0% by mass or less.
マンガン:0.3質量%以上1.5質量%以下
マンガンは鋼の製造工程において、珪素と同様に、鋼の特性に対して有害な酸素の含有量を低下させるために添加される元素である。したがって、0.3質量%未満に低減することは、珪素と同様に、製造コスト上昇の原因となる。そのため、珪素量は0.3質量%以上である。一方、燃料電池用転動部材を構成する鋼のマンガン含有量が1.5質量%を超える場合、素材の硬度が上昇し、冷間加工性が低下するため、加工コストが上昇する。そのため、珪素含有量は1.5質量%以下である。
Manganese: 0.3% by mass or more and 1.5% by mass or less Manganese is an element added to lower the content of oxygen harmful to the properties of steel in the manufacturing process of steel, like silicon. . Therefore, the reduction to less than 0.3% by mass causes an increase in manufacturing cost as in the case of silicon. Therefore, the amount of silicon is 0.3% by mass or more. On the other hand, when the manganese content of the steel constituting the fuel cell rolling member exceeds 1.5% by mass, the hardness of the material increases and the cold workability decreases, so the processing cost increases. Therefore, the silicon content is 1.5% by mass or less.
クロム:6.0質量%以上12.0質量%以下
クロムは、本発明の燃料電池用転動部材において耐食性および耐水素転動疲労強度の向上を担う重要な元素である。クロム含有量が6.0質量%未満では、緻密なクロム酸化物の皮膜が燃料電池用転動部材の表面に十分に形成されず、耐食性および耐水素転動疲労強度を十分に向上させることができない。一方、クロム含有量が12.0質量%を超えると、耐食性および耐水素転動疲労強度の向上効果がほぼ飽和するとともに、素材のコストが上昇する原因となる。さらに、クロム含有量が12.0質量%を超えると、鋼中の炭素と結合して巨大炭化物を形成し、燃料電池用転動部材の疲労強度に悪影響を及ぼすおそれがある。そのため、クロム含有量は、6.0質量%以上12.0質量%以下である。なお、耐食性および耐水素転動疲労強度を一層向上させるためには、クロム含有量は8.0質量%以上であることが好ましい。
Chromium: 6.0% by mass or more and 12.0% by mass or less Chromium is an important element responsible for improving corrosion resistance and hydrogen rolling fatigue resistance in the rolling member for a fuel cell of the present invention. If the chromium content is less than 6.0% by mass, a dense chromium oxide film is not sufficiently formed on the surface of the rolling element for the fuel cell, and the corrosion resistance and hydrogen rolling fatigue strength can be sufficiently improved. Can not. On the other hand, if the chromium content exceeds 12.0% by mass, the effect of improving the corrosion resistance and hydrogen rolling fatigue strength is almost saturated and the cost of the material is increased. Furthermore, if the chromium content exceeds 12.0% by mass, it combines with carbon in the steel to form giant carbides, which may adversely affect the fatigue strength of the fuel cell rolling member. Therefore, the chromium content is 6.0% by mass or more and 12.0% by mass or less. In order to further improve the corrosion resistance and hydrogen rolling fatigue strength, the chromium content is preferably 8.0% by mass or more.
バナジウムおよびモリブデンの含有量の合計:1.0質量%以上6.0質量%以下
バナジウムおよびモリブデンは、本発明の燃料電池用転動部材において微細な炭化物として鋼中に整合析出することにより、水素のトラップサイトとしての機能を果たすとともに、析出硬化による硬度向上にも寄与する重要な元素である。含有量が1.0質量%未満では、析出する炭化物の量が不十分であるため、上述のトラップサイトとしての機能および硬度向上の効果が十分発揮されない。一方、含有量が6.0質量%を超えると、これらの効果が飽和するとともに、素材のコストが上昇する。さらに、バナジウムおよびモリブデンは、鋼中において同様の効果を有するため、一方のみが鋼中に含有されていてもよいし、両方が含有されていてもよい。以上より、バナジウムおよびモリブデンの含有量の合計は、1.0質量%以上6.0質量%以下である。なお、トラップサイトとしての機能および硬度向上の効果を一層向上させるためには、バナジウムおよびモリブデンの含有量の合計は3.0質量%以上であることが好ましい。
Total content of vanadium and molybdenum: 1.0% by mass or more and 6.0% by mass or less Vanadium and molybdenum are coherently precipitated in steel as fine carbides in the rolling element for a fuel cell of the present invention. It is an important element that functions as a trap site and contributes to the improvement of hardness by precipitation hardening. When the content is less than 1.0% by mass, the amount of precipitated carbide is insufficient, and thus the above-described function as a trap site and the effect of improving hardness are not sufficiently exhibited. On the other hand, when the content exceeds 6.0% by mass, these effects are saturated and the cost of the material increases. Furthermore, since vanadium and molybdenum have the same effect in steel, only one of them may be contained in the steel, or both may be contained. From the above, the total content of vanadium and molybdenum is 1.0% by mass or more and 6.0% by mass or less. In addition, in order to further improve the function as a trap site and the effect of improving hardness, the total content of vanadium and molybdenum is preferably 3.0% by mass or more.
バナジウムおよびモリブデンの合計の含有量に対する炭素の含有量の割合:0.16以上0.24以下
上述のように、炭素はバナジウムおよびモリブデンと結合して炭化物を形成し、水素のトラップサイトとしての機能を果たすとともに、析出硬化による硬度向上にも寄与する。上記割合が0.16未満では、含有されるバナジウムおよびモリブデンに対して炭素が不足するため、バナジウムおよびモリブデンの炭化物が十分に形成されず、上記効果が十分に発揮されない。一方、上記割合が0.24を超える場合、含有されるバナジウムおよびモリブデンに対して炭素が過剰となる。過剰な炭素は鋼中のクロムと結合してクロム炭化物を形成して鋼中のクロムを消費する。そのため、燃料電池用転動部材の表面にクロム酸化物の皮膜が十分に形成されず、耐食性および耐水素転動疲労強度が低下する。また、クロム炭化物は巨大炭化物を形成して応力集中源となり、燃料電池用転動部材の疲労強度を低下させるおそれもある。以上より、バナジウムおよびモリブデンの合計の含有量に対する炭素の含有量の割合は0.16以上0.24以下である。なお、バナジウムおよびモリブデンに対して炭素を過不足無く含有させる観点から、上記割合は0.18以上0.22以下であることがより好ましい。
Ratio of carbon content to the total content of vanadium and molybdenum: 0.16 or more and 0.24 or less As described above, carbon combines with vanadium and molybdenum to form a carbide, and functions as a hydrogen trap site. And contributes to improved hardness by precipitation hardening. When the ratio is less than 0.16, carbon is insufficient with respect to the contained vanadium and molybdenum, so that carbides of vanadium and molybdenum are not sufficiently formed, and the above effects are not sufficiently exhibited. On the other hand, when the said ratio exceeds 0.24, carbon will become excess with respect to vanadium and molybdenum to contain. Excess carbon combines with chromium in the steel to form chromium carbide and consumes chromium in the steel. For this reason, a chromium oxide film is not sufficiently formed on the surface of the fuel cell rolling member, and the corrosion resistance and hydrogen rolling fatigue strength are reduced. Further, chromium carbide forms a giant carbide and becomes a stress concentration source, which may reduce the fatigue strength of the fuel cell rolling member. From the above, the ratio of the carbon content to the total content of vanadium and molybdenum is 0.16 or more and 0.24 or less. In addition, from the viewpoint of containing carbon without excess or deficiency with respect to vanadium and molybdenum, the ratio is more preferably 0.18 or more and 0.22 or less.
本発明に従った燃料電池用転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される複数の転動体とを備えている。そして、軌道部材および転動体の少なくともいずれか一方は、上述の燃料電池用転動部材である。 A rolling bearing for a fuel cell according to the present invention includes a race member and a plurality of rolling elements that are in contact with the race member and disposed on an annular raceway. At least one of the race member and the rolling element is the above-described fuel cell rolling member.
本発明の燃料電池用転がり軸受によれば、上述の優れた特性を有する燃料電池用転動部材を備えているため、高い耐食性を有するとともに、耐水素疲労強度の高い燃料電池用転がり軸受を提供することができる。なお、耐食性および耐水素疲労強度を一層向上させるためには、軌道部材および転動体の両方が上述の燃料電池用転動部材であることが好ましい。 According to the fuel cell rolling bearing of the present invention, since the fuel cell rolling member having the above-described excellent characteristics is provided, a fuel cell rolling bearing having high corrosion resistance and high hydrogen fatigue resistance is provided. can do. In order to further improve the corrosion resistance and hydrogen fatigue resistance strength, it is preferable that both the race member and the rolling element are the above-described rolling members for a fuel cell.
本発明に従った燃料電池用転動部材の製造方法は、鋼材準備工程と、成形工程と、熱処理工程とを備えている。鋼材準備工程では、0.2質量%以上1.2質量%以下の炭素と、0.15質量%以上1.0質量%以下の珪素と、0.3質量%以上1.5質量%以下のマンガンと、6.0質量%以上12.0質量%以下のクロムと、合計で1.0質量%以上6.0質量%以下のバナジウムおよびモリブデンのうち少なくともいずれか一方とを含有し、残部鉄および不可避的不純物からなり、バナジウムおよびモリブデンの合計の含有量に対する炭素の含有量の割合が0.16以上0.24以下である鋼からなる鋼材が準備される。 The manufacturing method of the rolling member for fuel cells according to the present invention includes a steel material preparation step, a forming step, and a heat treatment step. In the steel material preparation step, 0.2% by mass to 1.2% by mass of carbon, 0.15% by mass to 1.0% by mass of silicon, and 0.3% by mass to 1.5% by mass of silicon. Containing at least one of manganese, 6.0% by mass to 12.0% by mass of chromium, and a total of 1.0% by mass to 6.0% by mass of vanadium and molybdenum, and the balance iron In addition, a steel material is prepared which is made of steel which is made of unavoidable impurities and has a carbon content ratio of 0.16 to 0.24 with respect to the total content of vanadium and molybdenum.
成形工程では、上記鋼材を成形することにより、転動部材の概略形状に成型された鋼製部材が作製される。さらに、熱処理工程では、当該鋼製部材が熱処理される。 In the forming step, a steel member formed into a schematic shape of the rolling member is produced by forming the steel material. Furthermore, in the heat treatment step, the steel member is heat treated.
そして、熱処理工程は、鋼製部材を1050℃以上1250℃以下の温度からMS点以下の温度に冷却することにより、鋼製部材を焼入れる焼入工程と、焼入工程において焼入れられた鋼製部材を550℃以上650℃以下の温度に加熱することにより焼戻す焼戻工程とを含んでいる。 The heat treatment step is performed by cooling the steel member from a temperature of 1050 ° C. to 1250 ° C. to a temperature not higher than the M S point, thereby quenching the steel member and steel quenched in the quenching step. And a tempering step of tempering the member by heating it to a temperature of 550 ° C. or higher and 650 ° C. or lower.
本発明の燃料電池用転がり軸受の製造方法によれば、上述の成分範囲の鋼が鋼材準備工程において準備される鋼材として採用されることにより、上述のように、燃料電池用転動部材に高い耐食性と高い耐水素疲労強度とを付与することが可能となる。そして、当該鋼材が成形工程において成形された後、熱処理工程で適切な熱処理を施されることにより、高い耐食性と高い耐水素疲労強度とを有する燃料電池用転動部材を製造することができる。 According to the method for manufacturing a rolling bearing for a fuel cell of the present invention, the steel in the above-described component range is adopted as a steel material prepared in the steel material preparation step, so that the fuel cell rolling member is high as described above. It becomes possible to provide corrosion resistance and high hydrogen fatigue strength. And after the said steel material is shape | molded in a formation process, the rolling member for fuel cells which has high corrosion resistance and high hydrogen fatigue strength can be manufactured by performing appropriate heat processing at a heat treatment process.
すなわち、成形工程において作製された鋼製部材を構成する鋼の組織中には、圧延、鍛造等の際に受けた加熱および冷却の履歴に応じた種々の大きさのバナジウム炭化物やモリブデン炭化物が形成されている。熱処理工程に含まれる焼入工程において、鋼製部材が1050℃以上1250℃以下の温度に加熱されることにより、当該バナジウム炭化物やモリブデン炭化物を構成するバナジウム、モリブデンおよび炭素は、鋼の素地中に固溶する。そして、当該温度域から焼入れられた後、焼戻工程において550℃以上650℃以下の温度に加熱されることにより、直径10nm以下のバナジウム炭化物やモリブデン炭化物として再度析出する。 In other words, various sizes of vanadium carbide and molybdenum carbide corresponding to the history of heating and cooling received during rolling, forging, etc. are formed in the steel structure constituting the steel member produced in the forming process. Has been. In the quenching step included in the heat treatment step, when the steel member is heated to a temperature of 1050 ° C. or more and 1250 ° C. or less, vanadium carbide, molybdenum and carbon constituting the vanadium carbide and molybdenum carbide are contained in the steel base. Solid solution. And after quenching from the said temperature range, in a tempering process, it precipitates again as vanadium carbide and molybdenum carbide of diameter 10nm or less by heating to the temperature of 550 degreeC or more and 650 degrees C or less.
このとき、鋼の組織中に析出するバナジウム炭化物やモリブデン炭化物の直径が10nm以下であるため、当該炭化物は鋼の素地に対して整合に析出している。そのため、鋼の素地が析出硬化されて、燃料電池用転動部材の十分な硬度、たとえば58HRC以上の硬度を確保することができる。また、整合析出した当該炭化物は水素の強力なトラップサイトとして機能するため、燃料電池用転動部材内における水素の拡散が強く抑制される。その結果、燃料電池用転動部材に対して高い耐水素疲労強度を付与することができる。 At this time, since the diameter of vanadium carbide or molybdenum carbide precipitated in the steel structure is 10 nm or less, the carbide is precipitated in alignment with the steel base. Therefore, the steel base is deposited and hardened, and a sufficient hardness of the fuel cell rolling member, for example, a hardness of 58 HRC or higher can be ensured. In addition, the carbide that has been deposited in a coordinated manner functions as a strong hydrogen trap site, so that the diffusion of hydrogen in the fuel cell rolling member is strongly suppressed. As a result, high hydrogen fatigue resistance can be imparted to the fuel cell rolling member.
ここで、焼入工程における鋼製部材の加熱温度が1050℃未満では、鋼製部材を構成する鋼が含有するバナジウム、モリブデンおよび炭素が十分に固溶せず、これらの元素を十分に活用できない。そのため、当該加熱温度は1050℃以上とする必要がある。一方、1050℃を超えてさらに当該加熱温度を上昇させても、バナジウム、モリブデンおよび炭素の固溶量はほとんど増加しないため、当該加熱を実施する加熱炉の耐久性や加熱を実施するためのコストを考慮すると、当該加熱温度が1250℃を超えることは好ましいとはいえない。また、当該加熱を実施するためのコスト低減を重視する場合、加熱温度は1050℃以上1100℃以下とすることが好ましい。 Here, when the heating temperature of the steel member in the quenching process is less than 1050 ° C., vanadium, molybdenum and carbon contained in the steel constituting the steel member are not sufficiently dissolved, and these elements cannot be fully utilized. . Therefore, the heating temperature needs to be 1050 ° C. or higher. On the other hand, even if the heating temperature is further increased beyond 1050 ° C., the solid solution amount of vanadium, molybdenum and carbon hardly increases, so the durability of the heating furnace for performing the heating and the cost for performing the heating In view of the above, it is not preferable that the heating temperature exceeds 1250 ° C. Moreover, when importance is attached to cost reduction for performing the heating, the heating temperature is preferably set to 1050 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower.
また、焼戻工程における加熱温度が550℃未満では、焼入工程において鋼製部材を構成する鋼の素地中に固溶したバナジウムおよびモリブデンの炭化物がほとんど析出せず、当該炭化物による上記効果がほとんど得られない。一方、焼戻工程における加熱温度が上昇すると、析出したバナジウムおよびモリブデンの炭化物の直径が大きくなり、その数が減少するとともに、一定の大きさを超えると当該鋼の素地に対して非整合となる。加熱温度が650℃を超えるとこのような現象が顕著となり、当該炭化物による上記効果が小さくなるため、当該加熱温度は650℃以下であることが好ましい。さらに、析出したバナジウムおよびモリブデンの炭化物は、その直径が小さく、かつ数が多いほうが上記効果が大きいため、当該加熱温度は550℃以上600℃以下であることが、より好ましい。 In addition, when the heating temperature in the tempering process is less than 550 ° C., the carbides of vanadium and molybdenum dissolved in the steel base constituting the steel member in the quenching process hardly precipitate, and the above-described effects due to the carbides are hardly obtained. I can't get it. On the other hand, when the heating temperature in the tempering process is increased, the diameters of the precipitated vanadium and molybdenum carbides are increased, the number thereof is decreased, and when the certain size is exceeded, the steel base becomes inconsistent. . Such a phenomenon becomes remarkable when the heating temperature exceeds 650 ° C., and the above-described effect due to the carbide is reduced. Therefore, the heating temperature is preferably 650 ° C. or less. Furthermore, the precipitated vanadium and molybdenum carbides have a smaller diameter and a larger number, so that the effect is greater. Therefore, the heating temperature is more preferably 550 ° C. or higher and 600 ° C. or lower.
さらに、燃料電池用転動部材を構成する鋼には、6.0質量%以上12.0質量%以下のクロムが含有されており、かつバナジウムおよびモリブデンの合計の含有量に対する炭素の含有量の割合が0.16以上0.24以下とされている。そのため、クロム炭化物を形成する過剰な炭素が抑制されているとともに、十分な量のクロムが含有されているため、燃料電池用転動部材の表面に緻密なクロム酸化物の皮膜が十分に形成される。その結果、燃料電池用転動部材の耐食性が向上するとともに、燃料電池用転動部材内部への水素の侵入が抑制されて耐水素疲労強度が向上する。 Furthermore, the steel constituting the fuel cell rolling member contains 6.0% by mass or more and 12.0% by mass or less of chromium, and the carbon content relative to the total content of vanadium and molybdenum. The ratio is 0.16 or more and 0.24 or less. Therefore, excessive carbon forming chromium carbide is suppressed and a sufficient amount of chromium is contained, so that a dense chromium oxide film is sufficiently formed on the surface of the fuel cell rolling member. The As a result, the corrosion resistance of the fuel cell rolling member is improved, and the penetration of hydrogen into the fuel cell rolling member is suppressed, thereby improving the hydrogen fatigue resistance.
以上のように、本発明の燃料電池用転動部材の製造方法によれば、高い耐食性を有するとともに耐水素疲労強度に優れた燃料電池用転動部材を製造することができる。 As described above, according to the method for manufacturing a fuel cell rolling member of the present invention, a fuel cell rolling member having high corrosion resistance and excellent hydrogen fatigue resistance can be manufactured.
本発明に従った燃料電池用転がり軸受の製造方法は、軌道部材を製造する軌道部材製造工程と、転動体を製造する転動体製造工程と、軌道部材製造工程において製造された軌道部材と、転動体製造工程において製造された転動体とを組み合わせることにより、燃料電池用転がり軸受を組立てる組立工程とを備えている。そして、軌道部材製造工程および転動体製造工程の少なくともいずれか一方は、上述の燃料電池用転動部材の製造方法により実施される。 A fuel cell rolling bearing manufacturing method according to the present invention includes a race member manufacturing process for manufacturing a race member, a rolling element manufacturing process for manufacturing a rolling element, a race member manufactured in the race member manufacturing process, and a rolling member. An assembly process for assembling a rolling bearing for a fuel cell by combining the rolling elements manufactured in the moving body manufacturing process. And at least any one of a track member manufacturing process and a rolling element manufacturing process is implemented with the manufacturing method of the rolling member for fuel cells mentioned above.
本発明の燃料電池用転がり軸受の製造方法によれば、上述の高い耐食性を有するとともに耐水素疲労強度に優れた燃料電池用転動部材を製造可能な電池用転動部材の製造方法により軌道部材製造工程および転動体製造工程の少なくともいずれか一方が実施されるため、耐食性および耐水素疲労強度に優れた燃料電池用転がり軸受を製造することができる。なお、一層耐食性および耐水素疲労強度に優れた燃料電池用転がり軸受を製造するためには、軌道部材製造工程および転動体製造工程の両方が上述の燃料電池用転動部材の製造方法により実施されることが好ましい。 According to the method for manufacturing a rolling bearing for a fuel cell of the present invention, the race member is manufactured by the method for manufacturing a rolling member for a fuel cell capable of manufacturing the above-described high corrosion resistance and excellent fuel cell rolling resistance. Since at least one of the manufacturing process and the rolling element manufacturing process is performed, a fuel cell rolling bearing excellent in corrosion resistance and hydrogen fatigue strength can be manufactured. In order to manufacture a rolling bearing for a fuel cell that is further excellent in corrosion resistance and hydrogen fatigue resistance, both the track member manufacturing process and the rolling element manufacturing process are performed by the above-described manufacturing method of a fuel cell rolling member. It is preferable.
ここで、上述のバナジウム炭化物およびモリブデン炭化物の直径は、たとえば燃料電池用転動部材から、薄膜試料を作成し、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope;TEM)を用いて観察される当該炭化物の幅の最も大きい部分と最も小さい部分との平均値を直径として算出することができる。また、上述のように、バナジウム炭化物および/またはモリブデン炭化物は、耐水素疲労強度向上の観点から、数が多い(数密度が高い)ことが好ましい。具体的には、TEM観察において100万倍(視野面積10000nm2)の条件でたとえば10視野観察し、直径10nm以下のバナジウム炭化物および/またはモリブデン炭化物が平均50個以上(0.005個/nm2以上)確認されることが、耐水素疲労強度の観点から好ましい。 Here, the diameters of the vanadium carbide and the molybdenum carbide described above are the widths of the carbide observed by using a transmission electron microscope (TEM) by making a thin film sample from a rolling member for a fuel cell, for example. The average value of the largest part and the smallest part can be calculated as the diameter. Further, as described above, it is preferable that the vanadium carbide and / or molybdenum carbide has a large number (high number density) from the viewpoint of improving the hydrogen fatigue resistance. Specifically, in TEM observation, for example, 10 visual fields are observed under the condition of 1 million times (visual field area 10,000 nm 2 ), and an average of 50 or more vanadium carbides and / or molybdenum carbides (0.005 / nm 2 ) having a diameter of 10 nm or less. It is preferable from the viewpoint of hydrogen fatigue resistance.
以上の説明から明らかなように、本発明の燃料電池用転動部材および燃料電池用転がり軸受によれば、高い耐食性を有するとともに、耐水素疲労強度の高い燃料電池用転動部材および燃料電池用転がり軸受を提供することができる。また、本発明の燃料電池用転動部材および燃料電池用転がり軸受の製造方法によれば、高い耐食性を有するとともに、耐水素疲労強度の高い燃料電池用転動部材および燃料電池用転がり軸受を製造することができる。 As is clear from the above description, according to the fuel cell rolling member and the fuel cell rolling bearing of the present invention, the fuel cell rolling member and the fuel cell have high corrosion resistance and high hydrogen fatigue resistance. A rolling bearing can be provided. Further, according to the manufacturing method of the rolling member for fuel cell and the rolling bearing for fuel cell of the present invention, the rolling member for fuel cell and the rolling bearing for fuel cell having high corrosion resistance and high hydrogen fatigue resistance are manufactured. can do.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
図1は、本発明の一実施の形態における燃料電池用転動部材を備えた燃料電池用転がり軸受としての燃料電池用深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。図1を参照して、本発明の一実施の形態における燃料電池用転がり軸受としての燃料電池用深溝玉軸受について説明する。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a fuel cell deep groove ball bearing as a fuel cell rolling bearing provided with a fuel cell rolling member according to an embodiment of the present invention. A fuel cell deep groove ball bearing as a fuel cell rolling bearing in an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図1を参照して、燃料電池用深溝玉軸受1は、軌道部材としての環状の外輪11と、外輪11の内側に配置された軌道部材としての環状の内輪12と、外輪11と内輪12との間に配置され、円環状の保持器14に保持された転動体としての複数の玉13とを備えている。外輪11の内周面には外輪転走面11Aが形成されており、内輪12の外周面には内輪転走面12Aが形成されている。そして、内輪転走面12Aと外輪転走面11Aとが互いに対向するように、外輪11と内輪12とは配置されている。さらに、複数の玉13は、内輪転走面12Aおよび外輪転走面11Aに接触し、かつ保持器14により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、燃料電池用深溝玉軸受1の外輪11および内輪12は、互いに相対的に回転可能となっている。
Referring to FIG. 1, a deep
ここで、本実施の形態の燃料電池用転動部材である軌道部材としての外輪11、内輪12、および転動体としての玉13は、0.2質量%以上1.2質量%以下の炭素と、0.15質量%以上1.0質量%以下の珪素と、0.3質量%以上1.5質量%以下のマンガンと、6.0質量%以上12.0質量%以下のクロムと、合計で1.0質量%以上6.0質量%以下のバナジウムおよびモリブデンのうち少なくともいずれか一方とを含有し、残部鉄および不可避的不純物からなり、バナジウムおよびモリブデンの合計の含有量に対する炭素の含有量の割合が0.16以上0.24以下である鋼からなっている。そして、当該鋼には、直径10nm以下のバナジウム炭化物およびモリブデン炭化物のうち少なくともいずれか一方が析出している。
Here, the
本実施の形態の燃料電池用転動部材としての外輪11、内輪12および玉13においては、6.0質量%以上のクロムを含有する鋼からなることにより、表面に緻密なクロム酸化物の皮膜が形成されている。これにより、外輪11、内輪12および玉13の耐食性が確保されるとともに、これらの内部への水素の拡散が抑制され、耐水素疲労強度が向上している。さらに、外輪11、内輪12および玉13を構成する鋼には、直径10nm以下のバナジウム炭化物およびモリブデン炭化物のうち少なくともいずれか一方が析出している。これにより、整合析出したバナジウム炭化物やモリブデン炭化物が水素のトラップサイトとして機能し、外輪11、内輪12および玉13内部での水素の拡散が抑制されている。その結果、外輪11、内輪12および玉13の耐水素疲労強度が向上している。
The
以上のように、本実施の形態の燃料電池用転動部材としての外輪11、内輪12および玉13は、高い耐食性を有するとともに、高い耐水素疲労強度を有している。
As described above, the
さらに、本実施の形態の燃料電池用深溝玉軸受1は、高い耐食性を有するとともに、高い耐水素疲労強度を有している上述の外輪11、内輪12および玉13を備えているため、耐食性および耐水素疲労強度の高い燃料電池用深溝玉軸受となっている。
Furthermore, the fuel cell deep
図2は、本発明の他の実施の形態における燃料電池用転動部材を備えた燃料電池用転がり軸受としての燃料電池用スラストニードルころ軸受の構成を示す概略断面図である。図2を参照して、本発明の他の実施の形態における燃料電池用転がり軸受としての燃料電池用スラストニードルころ軸受について説明する。 FIG. 2 is a schematic sectional view showing the configuration of a fuel cell thrust needle roller bearing as a fuel cell rolling bearing provided with a fuel cell rolling member according to another embodiment of the present invention. A fuel cell thrust needle roller bearing as a fuel cell rolling bearing according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図2を参照して、燃料電池用スラストニードルころ軸受2は、基本的には図1に基づいて説明した燃料電池用深溝玉軸受1と同様の構成を有している。しかし、燃料電池用スラストニードルころ軸受2は、軌道部材および転動体の構成において、燃料電池用深溝玉軸受1とは異なっている。すなわち、燃料電池用スラストニードルころ軸受2は、円盤状の形状を有し、互いに一方の主面が対向するように配置された軌道部材としての一対の軌道輪21と、転動体としての複数のニードルころ23と、円環状の保持器24とを備えている。複数のニードルころ23は、一対の軌道輪21の互いに対向する主面に形成された軌道輪転走面21Aに接触し、かつ保持器24により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、燃料電池用スラストニードルころ軸受2の一対の軌道輪21は、互いに相対的に回転可能となっている。
Referring to FIG. 2, fuel cell thrust
ここで、本発明の他の実施の形態である燃料電池用転動部材である軌道部材としての軌道輪21および転動体としてのニードルころ23は、それぞれ上述の外輪11、内輪12および玉13に該当し、同様の構成を有している。
Here, a
そのため、本発明の他の実施の形態である燃料電池用転動部材としての軌道輪21およびニードルころ23は、高い耐食性を有するとともに、高い耐水素疲労強度を有している。
Therefore, the
さらに、本発明の他の実施の形態である燃料電池用スラストニードルころ軸受2は、高い耐食性を有するとともに、高い耐水素疲労強度を有している上述の軌道輪21およびニードルころ23を備えているため、耐食性および耐水素疲労強度の高い燃料電池用スラストニードルころ軸受となっている。
Furthermore, a fuel cell thrust
次に、本発明の一実施の形態における燃料電池用転動部材および燃料電池用転がり軸受の製造方法について説明する。図3は、本発明の一実施の形態における燃料電池用転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。また、図4は、本発明の一実施の形態における燃料電池用転がり軸受の製造方法に含まれる燃料電池用転動部材の製造方法の概略を示す図である。 Next, the manufacturing method of the rolling member for fuel cells and the rolling bearing for fuel cells in one embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 3 is a diagram showing an outline of a method of manufacturing a fuel cell rolling bearing according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing an outline of a method for manufacturing a fuel cell rolling member included in a method for manufacturing a fuel cell rolling bearing according to an embodiment of the present invention.
図3を参照して、本発明の一実施の形態における燃料電池用転がり軸受の製造方法においては、まず、軌道部材を製造する軌道部材製造工程と、転動体を製造する転動体製造工程とが実施される。具体的には、軌道部材製造工程では、燃料電池用転動部材としての外輪11、内輪12、軌道輪21などが製造される。一方、転動体製造工程では、玉13、ニードルころ23などが製造される。
With reference to FIG. 3, in the method of manufacturing a rolling bearing for a fuel cell according to one embodiment of the present invention, first, a race member manufacturing process for manufacturing a race member and a rolling element manufacturing process for manufacturing a rolling element are performed. To be implemented. Specifically, in the track member manufacturing process, the
そして、軌道部材製造工程において製造された軌道部材と、転動体製造工程において製造された転動体とを組み合わせることにより、燃料電池用転がり軸受を組立てる組立工程が実施される。具体的には、たとえば外輪11および内輪12と、玉13とを組み合わせることにより、燃料電池用深溝玉軸受1が組立てられる。そして、この軌道部材製造工程および転動体製造工程は、たとえば以下の燃料電池用転動部材の製造方法により実施される。
And the assembly process which assembles the rolling bearing for fuel cells is implemented by combining the track member manufactured in the track member manufacturing process, and the rolling element manufactured in the rolling element manufacturing process. Specifically, the fuel cell deep
図4を参照して、本発明の一実施の形態における燃料電池用転動部材の製造方法においては、まず、0.2質量%以上1.2質量%以下の炭素と、0.15質量%以上1.0質量%以下の珪素と、0.3質量%以上1.5質量%以下のマンガンと、6.0質量%以上12.0質量%以下のクロムと、合計で1.0質量%以上6.0質量%以下のバナジウムおよびモリブデンのうち少なくともいずれか一方とを含有し、残部鉄および不可避的不純物からなり、バナジウムおよびモリブデンの合計の含有量に対する炭素の含有量の割合が0.16以上0.24以下である鋼からなる鋼材を準備する鋼材準備工程が実施される。具体的には、たとえば上記成分を有する棒鋼が準備される。 Referring to FIG. 4, in the method for manufacturing a rolling element for a fuel cell according to one embodiment of the present invention, first, 0.2% by mass or more and 1.2% by mass or less of carbon, and 0.15% by mass. 1.0% by mass or more of silicon, 0.3% by mass or more and 1.5% by mass or less of manganese, 6.0% by mass or more and 12.0% by mass or less of chromium, and 1.0% by mass in total. It contains at least one of vanadium and molybdenum in an amount of 6.0% by mass or less and consists of the balance iron and inevitable impurities, and the ratio of the carbon content to the total content of vanadium and molybdenum is 0.16. A steel material preparation step of preparing a steel material made of steel having a thickness of 0.24 or less is performed. Specifically, for example, a steel bar having the above components is prepared.
次に、図4を参照して、上記鋼材を成形することにより、転動部材の概略形状に成型された鋼製部材を作製する成形工程が実施される。具体的には、たとえば上記棒鋼に対して鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、外輪11、内輪12、玉13などの概略形状に成型された鋼製部材が作製される。
Next, with reference to FIG. 4, the shaping | molding process which produces the steel member shape | molded by the schematic shape of the rolling member by shape | molding the said steel material is implemented. Specifically, for example, by performing processing such as forging and turning on the steel bar, steel members molded into a schematic shape such as the
次に、上記鋼製部材を熱処理する熱処理工程が実施される。熱処理工程は、鋼製部材を1050℃以上1250℃以下の温度からMS点以下の温度に冷却することにより、鋼製部材を焼入れる焼入工程と、焼入工程において焼入れられた鋼製部材を550℃以上650℃以下の温度に加熱することにより焼戻す焼戻工程とを含んでいる。この熱処理工程の詳細については後述する。 Next, a heat treatment step of heat treating the steel member is performed. Heat treatment step, by cooling the steel member from a temperature of 1050 ° C. or higher 1250 ° C. below M S point below the temperature, the quenching step Ru hardened steel member, the steel member quench is in the quenching process And a tempering step of tempering by heating to a temperature of 550 ° C. or higher and 650 ° C. or lower. Details of this heat treatment step will be described later.
次に、図4を参照して、仕上げ工程が実施される。具体的には、熱処理工程が実施された鋼製部材に対して研削加工などの仕上げ加工が実施されることにより、外輪11、内輪12、玉13などが仕上げられる。これにより、本実施の形態における燃料電池用転動部材としての外輪11、内輪12、玉13、軌道輪21およびニードルころ23などが完成する。
Next, with reference to FIG. 4, a finishing process is implemented. Specifically, the
次に、熱処理工程の詳細について説明する。図5は、燃料電池用転動部材の製造方法に含まれる熱処理工程の詳細を説明するための図である。図5において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図5において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。図5を参照して、燃料電池用転動部材の製造方法に含まれる熱処理工程の詳細について説明する。 Next, details of the heat treatment step will be described. FIG. 5 is a diagram for explaining the details of the heat treatment step included in the method of manufacturing the fuel cell rolling member. In FIG. 5, the horizontal direction indicates time, and the time elapses toward the right. In FIG. 5, the vertical direction indicates the temperature, and the higher the temperature, the higher the temperature. With reference to FIG. 5, the detail of the heat processing process included in the manufacturing method of the rolling member for fuel cells is demonstrated.
図5を参照して、まず、鋼製部材を1050℃以上1250℃以下の温度からMS点以下の温度に冷却することにより、鋼製部材を焼入れる焼入工程が実施される。具体的には、成形工程において作製された鋼製部材がA1点以上の温度である1050℃以上1250℃以下の温度、たとえば1050℃に加熱されて、5分間以上30分間以下の時間、たとえば10分間保持される。これにより、鋼製部材を構成する鋼が含有するバナジウム、モリブデンおよび炭素がオーステナイト化した当該鋼の素地中に固溶する。その後、鋼製部材は、油中に浸漬されることにより、1050℃以上1250℃以下の温度、たとえば1050℃からMS点以下の温度に冷却されて、焼入硬化される(油冷)。これにより、熱処理工程に含まれる焼入工程が完了する。 Referring to FIG. 5, first, by cooling the steel member from the temperature of 1250 ° C. 1050 ° C. or more M S point below the temperature, quenching Ru quenching step is performed to the steel member. Specifically, the steel member produced in the forming step is heated to a temperature of 1050 ° C. or more and 1250 ° C. or less, for example, 1050 ° C., which is a temperature of A 1 point or more, for a time of 5 minutes or more and 30 minutes or less, for example Hold for 10 minutes. As a result, vanadium, molybdenum and carbon contained in the steel constituting the steel member are dissolved in the austenitic base of the steel. Thereafter, the steel member, by being immersed in the oil, 1050 ° C. or higher 1250 ° C. or less temperature, for example, be cooled to M S point below the temperature from 1050 ° C., it is quench-hardened (oil cooling). Thereby, the quenching process included in the heat treatment process is completed.
このとき、鋼製部材が1050℃以上1250℃以下の温度に加熱されることにより、鋼の素地中に固溶したバナジウム、モリブデンおよび炭素は炭化物として析出することなく、マルテンサイト化した当該鋼の素地中に固溶した状態を保っている。 At this time, when the steel member is heated to a temperature of 1050 ° C. or more and 1250 ° C. or less, vanadium, molybdenum, and carbon solid-dissolved in the steel base are not precipitated as carbides, and the martensitic steel is obtained. It remains in a solid solution in the substrate.
なお、鋼の素地中に固溶したバナジウム、モリブデンおよび炭素を炭化物として析出させることなく、上記冷却後においても当該鋼の素地中に固溶した状態を保つためには、鋼製部材が焼入工程においてMS点以下の温度に冷却される際に、当該炭化物が析出する550℃以上の温度域で急冷されている必要がある。そのため、鋼製部材が焼入工程においてMS点以下の温度に冷却される際の冷却速度は、550℃、好ましくは500℃以下になるまでの期間において、500℃/秒以上であることが好ましい。 In order to maintain the solid solution state in the steel substrate even after the cooling without precipitating vanadium, molybdenum and carbon dissolved in the steel substrate as carbides, the steel member must be hardened. When cooling to a temperature below the MS point in the process, it must be quenched in a temperature range of 550 ° C. or higher at which the carbide precipitates. Therefore, the cooling rate when the steel member is cooled to a temperature below the MS point in the quenching process is 550 ° C., preferably 500 ° C./second or more in a period until it becomes 500 ° C. or less. preferable.
ここで、A1点とは鋼を加熱した場合に、鋼の組織がフェライトからオーステナイトに変態を開始する温度に相当する点をいう。また、Ms点とはオーステナイト化した鋼が冷却される際に、マルテンサイト化を開始する温度に相当する点をいう。 Here, the point A 1 in the case of heating the steel refers to a point that the structure of the steel corresponds to the temperature to start the transformation from ferrite to austenite. Further, the M s point means a point corresponding to a temperature at which martensite formation starts when the austenitized steel is cooled.
次に、図5を参照して、焼入工程において焼入れられた鋼製部材を550℃以上650℃以下の温度に加熱することにより焼戻す焼戻工程が実施される。具体的には、焼入工程において焼入硬化された鋼製部材がA1点以下の温度である550℃以上650℃以下の温度、たとえば550℃に加熱されて、30分間以上240分間以下の時間、たとえば120分間保持された後、空気中で放冷される(空冷)。これにより、鋼製部材を構成する鋼の素地中に固溶しているバナジウム、モリブデンおよび炭素が直径10nm以下のバナジウム炭化物およびモリブデン炭化物として当該素地中に微細に析出する。 Next, referring to FIG. 5, a tempering step is performed in which the steel member quenched in the quenching step is heated to a temperature of 550 ° C. or higher and 650 ° C. or lower. Specifically, the steel member quenched and hardened in the quenching step is heated to a temperature of 550 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, which is a temperature of A 1 point or lower, for example, 550 ° C., and is 30 minutes or longer and 240 minutes or shorter. After being held for a period of time, for example 120 minutes, it is allowed to cool in air (air cooling). Thereby, vanadium, molybdenum, and carbon solid-dissolved in the steel base constituting the steel member are finely precipitated in the base as vanadium carbide and molybdenum carbide having a diameter of 10 nm or less.
このとき、鋼製部材が550℃以上650℃以下の温度に加熱されることにより析出したバナジウム炭化物およびモリブデン炭化物は、直径が10nm以下であるため、鋼製部材を構成する鋼の素地中において整合析出している。そのため、当該鋼は析出硬化され、鋼製部材は軸受として機能するために十分な硬度、たとえば58HRC以上の硬度に硬化されている。また、整合析出した当該炭化物は水素の強力なトラップサイトとして機能するため、燃料電池用転動部材内における水素の拡散が強く抑制される。その結果、本実施の形態の燃料電池用転動部材の製造方法により製造された燃料電池用転動部材は高い耐水素疲労強度を有している。以上のようにして、熱処理工程に含まれる焼戻工程が完了する。 At this time, since the diameter of vanadium carbide and molybdenum carbide precipitated by heating the steel member to a temperature of 550 ° C. or higher and 650 ° C. or lower is 10 nm or less, the steel member constituting the steel member is aligned in the base. Precipitates. Therefore, the steel is precipitation hardened, and the steel member is hardened to a hardness sufficient to function as a bearing, for example, a hardness of 58 HRC or higher. In addition, the carbide that has been deposited in a coordinated manner functions as a strong hydrogen trap site, so that the diffusion of hydrogen in the fuel cell rolling member is strongly suppressed. As a result, the fuel cell rolling member manufactured by the method for manufacturing the fuel cell rolling member of the present embodiment has high hydrogen fatigue resistance. As described above, the tempering step included in the heat treatment step is completed.
以上のように、本実施の形態における燃料電池用転動部材の製造方法によれば、6.0質量%以上のクロムを含有する鋼が鋼材準備工程において準備される鋼材として採用されることにより、燃料電池用転動部材の表面に緻密なクロム酸化物の皮膜が形成されるため、燃料電池用転動部材に高い耐食性と高い耐水素疲労強度とを付与することが可能となっている。さらに、当該鋼材が成形工程において成形された後、熱処理工程で適切な熱処理を施されることにより直径10nm以下のバナジウム炭化物および/またはモリブデン炭化物が当該鋼の素地中に析出するため、高い耐食性と高い耐水素疲労強度とを有する燃料電池用転動部材を製造することができる。 As mentioned above, according to the manufacturing method of the rolling member for fuel cells in this Embodiment, steel containing 6.0 mass% or more chromium is employ | adopted as a steel material prepared in a steel material preparation process. Since a dense chromium oxide film is formed on the surface of the fuel cell rolling member, it is possible to impart high corrosion resistance and high hydrogen fatigue strength to the fuel cell rolling member. Furthermore, after the steel material is molded in the molding process, vanadium carbide and / or molybdenum carbide having a diameter of 10 nm or less is precipitated in the base material of the steel by performing an appropriate heat treatment in the heat treatment process. A rolling member for a fuel cell having high hydrogen fatigue strength can be produced.
なお、上記実施の形態においては、本発明の燃料電池用転がり軸受および燃料電池用転動部材の一例として深溝玉軸受、スラストニードルころ軸受およびこれらが備える転動部材について説明したが、本発明の燃料電池用転がり軸受および燃料電池用転動部材はこれらに限られない。たとえば、燃料電池用転動部材である軌道部材は、転動体が表面を転走するように使用される軸や板などであってもよい。すなわち、本発明の燃料電池用転動部材である軌道部材は、転動体が転走するための転走面が形成された部材であればよい。また、本発明の燃料電池用転がり軸受は、スラスト玉軸受であってもよいし、ラジアルころ軸受であってもよい。 In the above embodiment, the deep groove ball bearing, the thrust needle roller bearing, and the rolling member provided therein are described as examples of the fuel cell rolling bearing and the fuel cell rolling member of the present invention. The fuel cell rolling bearing and the fuel cell rolling member are not limited to these. For example, the track member that is a rolling member for a fuel cell may be a shaft or a plate that is used so that the rolling element rolls on the surface. That is, the track member that is the rolling member for the fuel cell according to the present invention may be a member having a rolling surface on which the rolling element rolls. The rolling bearing for a fuel cell of the present invention may be a thrust ball bearing or a radial roller bearing.
以下、本発明の実施例1について説明する。燃料電池用転動部材を構成する鋼の耐食性に及ぼすクロム、炭素、バナジウムおよびモリブデンの影響を調査する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。
まず、試験の対象となる試験片の作製方法について説明する。はじめに、珪素およびマンガンをそれぞれ0.3質量%、炭素を0.2〜1.2質量%、クロム2〜14質量%含有し、残部は鉄である試料と、さらにバナジウムを5.0質量%添加した試料とを作製した。具体的には、上記成分比率となるように原料の金属を調合した後、アーク溶解炉にて溶解し、その後冷却することにより素材となる試料を作成した。そして、当該試料を旋削加工により、直径20mm、高さ10mmのボタン状の形状に加工した。さらに、加工された当該試料に対して、図5に基づいて説明した上述の実施の形態と同様の方法で焼入焼戻を実施することにより硬化した後、表面を研磨することにより、試験片を完成させた。なお、バナジウムを添加していない試料については、1050℃で10分間保持した後、油冷することにより焼入を実施し、その後180℃で120分間保持することにより焼戻を実施した。その後、表面を研磨することにより、試験片を完成させた。 First, a method for producing a test piece to be tested will be described. First, a sample containing 0.3% by mass of silicon and manganese, 0.2 to 1.2% by mass of carbon, 2 to 14% by mass of chromium, the balance being iron, and 5.0% by mass of vanadium. An added sample was prepared. Specifically, a raw material metal was prepared so as to have the above component ratio, then melted in an arc melting furnace, and then cooled to prepare a sample as a raw material. Then, the sample was processed into a button shape having a diameter of 20 mm and a height of 10 mm by turning. Further, the processed sample is cured by quenching and tempering in the same manner as in the above-described embodiment described with reference to FIG. 5, and then the surface is polished to obtain a test piece. Was completed. In addition, about the sample which did not add vanadium, after hold | maintaining for 10 minutes at 1050 degreeC, quenching was implemented by oil-cooling, and tempering was implemented by holding for 120 minutes at 180 degreeC after that. Then, the test piece was completed by grind | polishing the surface.
次に、試験条件について説明する。上述の方法により作製された試験片に対して、25℃の5質量%塩化ナトリウム水溶液を1時間噴霧することにより、塩水噴霧試験を実施した。そして、試験片表面における錆の発生の有無および程度により、試験片の耐食性を評価した。 Next, test conditions will be described. The salt spray test was carried out by spraying a 5 mass% sodium chloride aqueous solution at 25 ° C. for 1 hour on the test piece prepared by the above-described method. And the corrosion resistance of the test piece was evaluated by the presence or absence and the extent of the occurrence of rust on the test piece surface.
図6は、バナジウムを添加しなかった試験片の塩水噴霧試験の結果を示す図である。また、図7は、バナジウムを5質量%添加した試験片の塩水噴霧試験の結果を示す図である。図6および図7において、横軸はクロム(Cr)含有量、縦軸は炭素(C)含有量を示している。また、図中の〇印は錆が確認されなかったこと、△印はわずかな錆の発生が確認されたこと、そして×印は明確に錆が発生したことを示している。図6および図7を参照して、塩水噴霧試験の結果について説明する。 FIG. 6 is a diagram showing the results of a salt spray test of a test piece to which vanadium was not added. Moreover, FIG. 7 is a figure which shows the result of the salt spray test of the test piece which added 5 mass% of vanadium. 6 and 7, the horizontal axis indicates the chromium (Cr) content, and the vertical axis indicates the carbon (C) content. In the figure, ◯ indicates that no rust has been confirmed, Δ indicates that slight rust has been confirmed, and X indicates that rust has clearly occurred. The results of the salt spray test will be described with reference to FIGS.
図6および図7を参照して、バナジウムの添加の有無に関わらず、耐食性は炭素量が低く、クロム量が多いほうが良好な傾向にある。そして、クロム量が6質量%未満では、炭素量およびバナジウムの添加の有無に関わらず、耐食性が不十分となっている。一方、クロムが6質量%以上では、炭素量、およびバナジウムの含有量を適切な範囲とすることにより、良好な耐食性を確保可能となっている。このことから、良好な耐食性を確保するためには、クロム添加量は6質量%以上とする必要があることが分かる。 With reference to FIG. 6 and FIG. 7, the corrosion resistance tends to be better when the carbon content is lower and the chromium content is higher, regardless of whether vanadium is added. When the chromium content is less than 6% by mass, the corrosion resistance is insufficient regardless of the carbon content and the presence or absence of vanadium. On the other hand, when the chromium content is 6% by mass or more, good corrosion resistance can be secured by setting the carbon content and the vanadium content within appropriate ranges. From this, it is understood that the chromium addition amount needs to be 6% by mass or more in order to ensure good corrosion resistance.
また、図6と図7とを比較すると、5質量%のバナジウムが添加されることにより、より高炭素、低クロムの成分においても耐食性が確保されている。これは、鋼中の炭素がバナジウムと結びついてバナジウム炭化物を形成したため、鋼中において耐食性に有害な炭素量が実質的に低下したことと、バナジウム炭化物の形成によりクロム炭化物の形成が抑制され、鋼中に固溶しているクロム量が増加したこととの相乗効果により、耐食性が向上したものと考えられる。 Moreover, when FIG. 6 and FIG. 7 are compared, corrosion resistance is ensured also in the component of higher carbon and low chromium by adding 5 mass% vanadium. This is because the carbon in the steel is combined with vanadium to form vanadium carbide, so the amount of carbon harmful to corrosion resistance in the steel is substantially reduced, and the formation of chromium carbide is suppressed by the formation of vanadium carbide. It is considered that the corrosion resistance has been improved due to a synergistic effect with the increase in the amount of chromium dissolved therein.
なお、上記5質量%のバナジウムに代えて5質量%のモリブデンを添加した場合、およびバナジウムとモリブデンとを合わせて5質量%添加した場合についても上記塩水噴霧試験を実施したところ、図7と同様の結果となった。このことから、実施例1の成分系と同様の成分系の鋼では、モリブデンは耐食性においてバナジウムと同様の効果を有することが分かった。 The salt spray test was carried out when 5% by mass of molybdenum was added instead of 5% by mass of vanadium, and when 5% by mass of vanadium and molybdenum were added together. As a result. From this, it was found that in the steel of the same component system as that of Example 1, molybdenum has the same effect as vanadium in corrosion resistance.
さらに、バナジウムとモリブデンとを合わせて5質量%を超える添加量の場合についても、上記塩水噴霧試験を実施したところ、図7と同様の結果となった。このことから、実施例1の成分系と同様の成分系では、バナジウムおよびモリブデンは合計で5質量%を超えて添加されても、耐食性の向上には寄与しないことが分かった。 Furthermore, when the amount of addition exceeding 5% by mass of vanadium and molybdenum was combined, the above-described salt spray test was performed, and the same results as in FIG. 7 were obtained. From this, it was found that, in the same component system as that of Example 1, even when vanadium and molybdenum were added in a total amount exceeding 5% by mass, they did not contribute to the improvement of corrosion resistance.
以下、本発明の実施例2について説明する。水素のトラップ能に及ぼすクロム、炭素、バナジウムおよびモリブデンの影響を調査する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。
実施例2の実施例および比較例の試験片の作製方法は、実施例1と基本的に同様である。ただし、クロム含有量は1.5〜10質量%、バナジウム含有量は1〜5質量%の範囲で変化させた。また、試験片は直径4mm、長さ10mmの円筒形状とした。そして、当該試験片を1.4g/L(グラム/リットル)のチオ尿酸が添加された0.05mol/L(モル/リットル)の希硫酸中に浸漬し、電流密度0.3mA/cm2の条件で陰極電解法により20時間水素をチャージした。その後、直ちに試験片を昇温水素分析装置にセットし、試験片を180℃/時間の昇温速度で室温から360℃まで昇温した。そして、その間に試験片から離脱した水素量を昇温水素分析装置により測定した。 The production method of the test piece of the example of Example 2 and the comparative example is basically the same as that of Example 1. However, the chromium content was changed in the range of 1.5 to 10% by mass, and the vanadium content was changed in the range of 1 to 5% by mass. Moreover, the test piece was made into the cylindrical shape of diameter 4mm and length 10mm. Then, the test piece was immersed in 0.05 mol / L (mol / liter) dilute sulfuric acid to which 1.4 g / L (gram / liter) thiouric acid was added, and the current density was 0.3 mA / cm 2 . Hydrogen was charged for 20 hours by cathode electrolysis under conditions. Thereafter, the test piece was immediately set in a temperature rising hydrogen analyzer, and the temperature of the test piece was raised from room temperature to 360 ° C. at a temperature rising rate of 180 ° C./hour. Then, the amount of hydrogen released from the test piece during that time was measured by a temperature rising hydrogen analyzer.
なお、通常、水素は鋼中において極めて速く拡散し、鋼から離脱する。したがって、本試験において測定された水素量、すなわち離脱水素量が多いほど、鋼が有する水素のトラップ能が高く、水素の拡散を抑制できるため、耐水素疲労強度の向上に有利な鋼であるといえる。 Normally, hydrogen diffuses very quickly in the steel and leaves the steel. Therefore, as the amount of hydrogen measured in this test, that is, the amount of detached hydrogen is larger, the steel has a higher hydrogen trapping ability and can suppress the diffusion of hydrogen. I can say that.
図8は、各バナジウム含有量およびクロム含有量における、水素離脱量に及ぼす炭素含有量の影響を示す図である。図8において、横軸は炭素含有量、縦軸は水素離脱量を示している。また、図8において、□印はクロム含有量10質量%、◇印はクロム含有量7質量%、△印はクロム含有量3質量%、×印はクロム含有量1.5質量%の場合を示している。また、図8において、実線はバナジウム含有量5質量%の場合、破線はバナジウム含有量3質量%の場合、一点鎖線はバナジウム含有量1質量%の場合を示している。図8を参照して、各バナジウム含有量およびクロム含有量における、水素離脱量に及ぼす炭素含有量の影響について説明する。 FIG. 8 is a diagram showing the influence of the carbon content on the hydrogen desorption amount in each vanadium content and chromium content. In FIG. 8, the horizontal axis indicates the carbon content, and the vertical axis indicates the hydrogen desorption amount. Further, in FIG. 8, the □ mark indicates that the chromium content is 10% by mass, the ◇ mark indicates that the chromium content is 7% by mass, the Δ mark indicates that the chromium content is 3% by mass, and the X mark indicates that the chromium content is 1.5% by mass. Show. In FIG. 8, the solid line indicates the case where the vanadium content is 5% by mass, the broken line indicates the case where the vanadium content is 3% by mass, and the alternate long and short dash line indicates the case where the vanadium content is 1% by mass. With reference to FIG. 8, the influence of the carbon content on the hydrogen desorption amount in each vanadium content and chromium content will be described.
図8を参照して、バナジウムの含有量が多いほど、水素離脱量が多くなる傾向にあり、炭素含有量が多くなるほど、当該傾向が大きくなっている。これは、バナジウム炭化物を形成するための炭素量が十分である限り、バナジウム含有量の増加にしたがって直径10nm以下の微細なバナジウム炭化物が多く形成され、水素のトラップサイトとして機能するためであると考えられる。 Referring to FIG. 8, the higher the vanadium content, the greater the amount of hydrogen desorption, and the greater the carbon content, the greater the tendency. This is considered to be because, as long as the amount of carbon for forming vanadium carbide is sufficient, fine vanadium carbide having a diameter of 10 nm or less is formed as the vanadium content increases and functions as a hydrogen trap site. It is done.
一方、水素離脱量は炭素含有量に対してはピークを持って変化しており、このピークの位置はバナジウム含有量に対する炭素含有量の割合が0.2となる位置に形成されている。これは、上記割合が0.2以下の場合、当該値が大きくなるほど微細なバナジウム炭化物が多く形成され、水素のトラップサイトが多くなるためであると考えられる。しかし、上記割合が0.2を超えるとバナジウム含有量に対して炭素含有量が過剰となり、過剰な炭素が鋼中のクロムと結合してクロム炭化物を形成する。そのため、クロム酸化物の皮膜を形成するためのクロム量が鋼中において減少する。その結果、上記割合が0.2を超えるとクロム酸化物の皮膜において吸着される水素量が少なくなり、水素離脱量が減少するものと考えられる。したがって、図8を参照して、上記割合が0.16以上0.24以下であることにより水素のトラップ能が高くなり、0.18以上0.22以下とすることが好ましい。さらに、上記割合を0.19以上0.21以下とすることが、水素のトラップ能の観点から最も好ましいといえる。 On the other hand, the hydrogen desorption amount changes with a peak with respect to the carbon content, and the position of this peak is formed at a position where the ratio of the carbon content to the vanadium content is 0.2. This is considered to be because when the ratio is 0.2 or less, more vanadium carbide is formed as the value increases, and hydrogen trap sites increase. However, if the ratio exceeds 0.2, the carbon content becomes excessive with respect to the vanadium content, and excess carbon combines with chromium in the steel to form chromium carbide. Therefore, the amount of chromium for forming a chromium oxide film decreases in the steel. As a result, when the above ratio exceeds 0.2, it is considered that the amount of hydrogen adsorbed in the chromium oxide film decreases and the amount of hydrogen desorption decreases. Therefore, referring to FIG. 8, when the ratio is 0.16 or more and 0.24 or less, the hydrogen trapping ability is increased, and it is preferably 0.18 or more and 0.22 or less. Furthermore, it can be said that the ratio is most preferably 0.19 or more and 0.21 or less from the viewpoint of hydrogen trapping ability.
また、各炭素量およびバナジウム量において、クロム含有量が多いほど水素離脱量が多くなっている。これは、試験片の表面に形成されるクロム酸化物の皮膜において水素が吸着される効果が大きくなったためであると考えられる。このことから、クロム含有量を多くすることで、クロム酸化物の皮膜による水素の吸着効果を大きくし、水素の侵入を抑制することが可能であると考えられる。 Moreover, in each carbon amount and vanadium amount, the amount of hydrogen desorption increases as the chromium content increases. This is considered to be because the effect of adsorbing hydrogen on the chromium oxide film formed on the surface of the test piece was increased. From this, it is considered that by increasing the chromium content, it is possible to increase the effect of adsorbing hydrogen by the chromium oxide film and to suppress the intrusion of hydrogen.
なお、上記1〜5質量%のバナジウムに代えて1〜5質量%のモリブデンを添加した場合、およびバナジウムとモリブデンとを合わせて1〜5質量%添加した場合についても上記水素離脱量を調査する試験を行なったところ、図8と同様の結果となった。このことから、実施例2の成分系と同様の成分系の鋼では、モリブデンは水素のトラップ能においてバナジウムと同様の効果を有することが分かった。 The amount of hydrogen desorption is also investigated when 1 to 5% by mass of molybdenum is added instead of 1 to 5% by mass of vanadium and when 1 to 5% by mass of vanadium and molybdenum are added together. When the test was performed, the same results as in FIG. 8 were obtained. From this, it was found that, in the steel of the component system similar to the component system of Example 2, molybdenum has the same effect as vanadium in the hydrogen trapping ability.
以下、本発明の実施例3について説明する。本発明の燃料電池用転動部材と同様の構成を有する実施例の試験片と、本発明の範囲外の構成を有する比較例の試験片とを作製し、軸荷重疲労試験により耐水素疲労強度を評価した。試験の手順は以下のとおりである。 Embodiment 3 of the present invention will be described below. Example test specimens having the same configuration as the fuel cell rolling member of the present invention and comparative test specimens having a configuration outside the scope of the present invention were produced, and hydrogen fatigue resistance was measured by an axial load fatigue test. Evaluated. The test procedure is as follows.
まず、試験の対象となる試験片の作製方法について説明する。表1は、試験片を構成する鋼の化学成分を示す表である。表1においては、炭素(C)、珪素(Si)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)の含有量が質量%で示されており、記載された成分の残部は鉄および不可避的不純物である。ここで、実施例Aおよび実施例Bにおいては、バナジウム含有量に対する炭素含有量の割合は0.2となっている。また、比較例Aの成分系は、軸受用鋼として最も一般的なJIS SUJ2に該当し、比較例Bの成分系は耐食性軸受用鋼として広く用いられているJIS SUS440Cに該当する。 First, a method for producing a test piece to be tested will be described. Table 1 is a table | surface which shows the chemical component of the steel which comprises a test piece. In Table 1, the contents of carbon (C), silicon (Si), manganese (Mn), chromium (Cr), molybdenum (Mo), vanadium (V) are shown in mass%, and the components described The remainder is iron and inevitable impurities. Here, in Example A and Example B, the ratio of the carbon content to the vanadium content is 0.2. The component system of Comparative Example A corresponds to JIS SUJ2, which is the most common bearing steel, and the component system of Comparative Example B corresponds to JIS SUS440C which is widely used as a corrosion-resistant bearing steel.
まず、表1に示す成分を有する鋼材を試験片の概略形状に加工した。その後、実施例AおよびBの試験片については、図5に基づいて説明した上述の実施の形態と同様の方法で焼入焼戻を実施することにより硬化した後、仕上げ加工を実施することにより、試験片を完成させた。一方、比較例Aの試験片については、850℃で50分間保持した後、100℃の油に浸漬することにより焼入を実施し、その後180℃で120分間保持することにより焼戻を実施した。また、比較例Bの試験片については、850℃で20分間予熱し、1060℃で7分間保持した後、ガスを吹き付けて急冷し、その後170℃で120分間保持することにより焼戻を実施した。その後、仕上げ加工を実施することにより、試験片を完成させた。試験片は、直径12mm、長さ68.74mmの円柱状であり、試験片の軸方向における中央部20mmの範囲には直径の細くなった部分である節部が形成されている。節部の外周面は、軸方向での断面において、半径14.5mmの円弧が軸に対称に向い合う形状となっており、中央部が最も細くなっている。そして、中央部の最も直径の小さい部分の直径は4mmとなっている。さらに、試験片の一方の端部には、試験片を試験機に固定するための長さ10mmのねじ部が形成されており、当該ねじ部を含めた試験片の全長は78.74mmとなっている。 First, a steel material having the components shown in Table 1 was processed into a schematic shape of a test piece. Then, about the test piece of Example A and B, after hardening by implementing quenching and tempering by the method similar to the above-mentioned embodiment demonstrated based on FIG. The test piece was completed. On the other hand, for the test piece of Comparative Example A, after holding at 850 ° C. for 50 minutes, the sample was immersed in 100 ° C. oil, and then tempered by holding at 180 ° C. for 120 minutes. . Further, the test piece of Comparative Example B was preheated at 850 ° C. for 20 minutes, held at 1060 ° C. for 7 minutes, then rapidly blown by gas blowing, and then tempered by holding at 170 ° C. for 120 minutes. . Then, the test piece was completed by implementing finishing. The test piece has a cylindrical shape with a diameter of 12 mm and a length of 68.74 mm, and a node portion, which is a portion with a reduced diameter, is formed in the range of the central portion 20 mm in the axial direction of the test piece. In the cross section in the axial direction, the outer peripheral surface of the node portion has a shape in which an arc having a radius of 14.5 mm faces the axis symmetrically, and the center portion is thinnest. And the diameter of the part with the smallest diameter of the center part is 4 mm. Furthermore, a screw portion having a length of 10 mm for fixing the test piece to the testing machine is formed at one end of the test piece, and the total length of the test piece including the screw portion is 78.74 mm. ing.
次に、試験方法について説明する。上述の作製方法により作製された試験片を軸荷重疲労試験機にセットし、軸方向に引張応力と圧縮応力とを20kHzの負荷速度で交互に負荷し、破断するまでの応力の繰り返し数を調査した。そして、当該調査を種々の応力について実施し、その結果を統計的に解析して応力の繰り返し数が107回で破断すると予測される応力(107回疲労強度)を算出した。具体的には、各実施例および比較例について、それぞれ15個の試験片について上記試験を実施した。そして、連続低下型SN特性に対して用いられる片対数曲線モデルσ=10−Alog10N+B+Dに当てはめて求めたSN回帰曲線上(σ:応力、N:応力繰り返し数、A、B、D:定数;日本材料学会標準JSMS−SD−6−02に記載)において応力繰り返し数が107回となる応力値を107回疲労強度とした。また、各試験片を実施例2と同様の方法で水素チャージし、上述と同様の試験を実施した。 Next, the test method will be described. The test piece produced by the above production method is set in an axial load fatigue testing machine, tensile stress and compressive stress are alternately applied in the axial direction at a load rate of 20 kHz, and the number of repeated stresses until breaking is investigated. did. Then, the investigation was performed on various stresses, the repetition number of results statistically analyzed to stress was calculated stress (10 7 times fatigue strength) that are expected to break at 10 7 times. Specifically, for each of the examples and comparative examples, the above test was performed on 15 test pieces. Then, on the SN regression curve obtained by fitting to the semi -logarithmic curve model σ = 10 −Alog 10 N + B + D used for the continuously decreasing SN characteristic (σ: stress, N: stress repetition number, A, B, D: constant; In the Japan Society of Materials Standard JSMS-SD-6-02), the stress value at which the number of stress repetitions was 10 7 times was defined as 10 7 times fatigue strength. Moreover, each test piece was hydrogen-charged by the same method as Example 2, and the test similar to the above was implemented.
図9は、軸荷重疲労試験の結果を示す図である。図9において、横軸は試験片を構成する鋼の種類(鋼種)、縦軸は107疲労強度を示している。また、横軸において、括弧内はチャージされた水素量(各鋼種について試験片を1つ抽出し、実施例2と同様の方法で測定した水素離脱量)を表している。図9を参照して、軸荷重疲労試験の結果について説明する。 FIG. 9 is a diagram showing the results of an axial load fatigue test. 9, the type of steel horizontal axis constituting the test piece (steel type), and the vertical axis represents the 10 7 fatigue strength. On the horizontal axis, the amount of hydrogen charged (the amount of hydrogen desorption measured by the same method as in Example 2 after extracting one specimen for each steel type) is shown in parentheses. The result of the axial load fatigue test will be described with reference to FIG.
図9を参照して、本発明の燃料電池用転動部材を構成する鋼の成分系の範囲外の成分系を有する比較例AおよびBの試験片は、水素がチャージされることにより107疲労強度が大幅に低下し、500MPa以下となっている。これに対し、本発明の燃料電池用転動部材を構成する鋼の成分系の範囲内の成分系を有する実施例AおよびBの試験片は、水素がチャージされても107疲労強度の低下幅は小さく、いずれも800MPa以上の107疲労強度を維持している。これは、実施例AおよびBの試験片においては、試験片を構成する鋼中に整合析出したバナジウム炭化物が、前述のように水素のトラップサイトとして機能することにより、試験片中において疲労強度を低下させる水素の拡散が抑制されたたためであると考えられる。また、バナジウム炭化物の形成に炭素が消費され、応力集中源となって疲労強度を低下させる大型のクロム炭化物の形成が抑制されたことも、疲労強度低下の抑制に寄与しているものと考えられる。 Referring to FIG. 9, the test pieces of Comparative Examples A and B having a component system outside the range of the steel component system constituting the fuel cell rolling member of the present invention are 10 7 by being charged with hydrogen. The fatigue strength is greatly reduced to 500 MPa or less. In contrast, the test pieces of Examples A and B having a component system within the range of the steel component system constituting the rolling member for a fuel cell of the present invention have a reduced fatigue strength of 10 7 even when hydrogen is charged. The width is small, and all of them maintain 10 7 fatigue strength of 800 MPa or more. This is because, in the test pieces of Examples A and B, the vanadium carbide coherently precipitated in the steel constituting the test piece functions as a hydrogen trap site as described above, so that the fatigue strength is increased in the test piece. This is probably because the diffusion of hydrogen to be reduced was suppressed. In addition, the consumption of carbon for the formation of vanadium carbide and the suppression of the formation of large chromium carbide, which becomes a stress concentration source and lowers fatigue strength, is also considered to contribute to the suppression of fatigue strength reduction. .
なお、上記3質量%および4質量%のバナジウムに代えて3質量%および4質量%のモリブデンを添加した場合、およびバナジウムとモリブデンとを合わせて3質量%および4質量%添加した場合についても上記軸荷重疲労試験を実施したところ、図9と同様の結果となった。このことから、実施例3の成分系と同様の成分系の鋼では、モリブデンは耐水素疲労強度においてバナジウムと同様の効果を有することが分かった。 In addition, it replaces with the said 3 mass% and 4 mass% vanadium, also when 3 mass% and 4 mass% molybdenum are added, and also when adding 3 mass% and 4 mass% combining vanadium and molybdenum, the above When an axial load fatigue test was performed, the same results as in FIG. 9 were obtained. From this, it was found that in the steel having the same component system as that of Example 3, molybdenum has the same effect as the vanadium in hydrogen fatigue resistance.
以上の結果より、本発明の燃料電池用転動部材を構成する鋼は、従来の軸受用鋼に比べて耐水素疲労強度に優れていることが確認された。 From the above results, it was confirmed that the steel constituting the fuel cell rolling member of the present invention is superior in hydrogen fatigue resistance compared to conventional bearing steel.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments and examples disclosed herein are illustrative in all respects and should not be construed as being restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明の燃料電池用転動部材、燃料電池用転がり軸受およびその製造方法は、燃料電池装置の内部において回転する部材を保持するために用いられる燃料電池用転動部材、燃料電池用転がり軸受およびその製造方法に特に有利に適用され得る。 A rolling member for a fuel cell, a rolling bearing for a fuel cell, and a manufacturing method thereof according to the present invention include a rolling member for a fuel cell, a rolling bearing for a fuel cell, and a rolling bearing used for holding a member that rotates inside the fuel cell device. It can be applied particularly advantageously to the production method.
1 燃料電池用深溝玉軸受、2 燃料電池用スラストニードルころ軸受、11 外輪、11A 外輪転走面、12 内輪、12A 内輪転走面、13 玉、14,24 保持器、21 軌道輪、21A 軌道輪転走面、23 ニードルころ。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記バナジウムおよび前記モリブデンの合計の含有量に対する前記炭素の含有量の割合が0.16以上0.24以下であり、
クロム含有量が6.0質量%以上8質量%未満の場合は炭素含有量が0.6質量%以下、クロム含有量が8質量%以上10質量%未満の場合は炭素含有量が0.8質量%以下、クロム含有量が10質量%以上12.0質量%以下の場合は炭素含有量が1.0質量%以下である鋼からなり、
前記鋼には、透過電子顕微鏡観察において直径10nm以下のバナジウム炭化物およびモリブデン炭化物のうち少なくともいずれか一方が平均0.005個/nm 2 以上観察されるように析出している、燃料電池用転動部材。 5. 0.2% by mass or more and 1.0 % by mass or less of carbon, 0.15% by mass or more and 1.0% by mass or less of silicon, 0.3% by mass or more and 1.5% by mass or less of manganese, Containing 0 mass% or more and 12.0 mass% or less of chromium, and a total of at least one of vanadium and molybdenum of 1.0 mass% or more and 6.0 mass% or less, and from the remaining iron and inevitable impurities Become
Ri total der ratio of 0.16 or more 0.24 or less of the content of the carbon to the content of the vanadium and the molybdenum,
When the chromium content is 6.0 mass% or more and less than 8 mass%, the carbon content is 0.6 mass% or less, and when the chromium content is 8 mass% or more and less than 10 mass%, the carbon content is 0.8. mass% or less, if the chromium content is 10 mass% or more 12.0 mass% carbon content is from 1.0 wt% or less der Ru steel,
In the steel, a rolling for a fuel cell is deposited such that at least one of vanadium carbide and molybdenum carbide having a diameter of 10 nm or less is observed in an average of 0.005 particles / nm 2 or more in a transmission electron microscope. Element.
前記軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される複数の転動体とを備え、
前記軌道部材および前記転動体の少なくともいずれか一方は、請求項1に記載の燃料電池用転動部材である、燃料電池用転がり軸受。 A track member;
A plurality of rolling elements that are in contact with the raceway member and disposed on an annular raceway,
2. The fuel cell rolling bearing according to claim 1, wherein at least one of the race member and the rolling element is the fuel cell rolling member according to claim 1.
前記バナジウムおよび前記モリブデンの合計の含有量に対する前記炭素の含有量の割合が0.16以上0.24以下であり、クロム含有量が6.0質量%以上8質量%未満の場合は炭素含有量が0.6質量%以下、クロム含有量が8質量%以上10質量%未満の場合は炭素含有量が0.8質量%以下、クロム含有量が10質量%以上12.0質量%以下の場合は炭素含有量が1.0質量%以下である鋼からなる鋼材を準備する鋼材準備工程と、
前記鋼材を成形することにより、転動部材の概略形状に成型された鋼製部材を作製する成形工程と、
前記鋼製部材を熱処理する熱処理工程とを備え、
前記熱処理工程は、
前記鋼製部材を1050℃以上1250℃以下の温度からMS点以下の温度に冷却することにより、前記鋼製部材を焼入れる焼入工程と、
前記焼入工程において焼入れられた前記鋼製部材を550℃以上650℃以下の温度に加熱することにより焼戻すことにより、前記鋼製部材に、透過電子顕微鏡観察において直径10nm以下のバナジウム炭化物およびモリブデン炭化物のうち少なくともいずれか一方が平均0.005個/nm 2 以上観察されるように析出させる焼戻工程とを含む、燃料電池用転動部材の製造方法。 5. 0.2% by mass or more and 1.0 % by mass or less of carbon, 0.15% by mass or more and 1.0% by mass or less of silicon, 0.3% by mass or more and 1.5% by mass or less of manganese, Containing 0 mass% or more and 12.0 mass% or less of chromium, and a total of at least one of vanadium and molybdenum of 1.0 mass% or more and 6.0 mass% or less, and from the remaining iron and inevitable impurities Become
Ri total der ratio of 0.16 or more 0.24 or less of the content of the carbon to the content of the vanadium and the molybdenum, when the chromium content is less than 6.0 mass% to 8 mass% containing carbon When the amount is 0.6 mass% or less and the chromium content is 8 mass% or more and less than 10 mass%, the carbon content is 0.8 mass% or less, and the chromium content is 10 mass% or more and 12.0 mass% or less. and a steel material preparation step of preparing a steel the carbon content is 1.0 wt% or less der Ru steel case,
By forming the steel material, a forming step for producing a steel member formed into a schematic shape of the rolling member;
A heat treatment step of heat treating the steel member,
The heat treatment step includes
By cooling the steel member from a temperature of 1050 ° C. or higher 1250 ° C. below M S point below the temperature, the quenching step Ru quenching the steel member,
The steel member quenched in the quenching step is tempered by heating to a temperature of 550 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, whereby the steel member is subjected to vanadium carbide and molybdenum having a diameter of 10 nm or less in a transmission electron microscope observation. And a tempering step in which at least one of the carbides is precipitated so that an average of 0.005 particles / nm 2 or more is observed .
転動体を製造する転動体製造工程と、
前記軌道部材製造工程において製造された前記軌道部材と、前記転動体製造工程において製造された前記転動体とを組み合わせることにより、燃料電池用転がり軸受を組立てる組立工程とを備え、
前記軌道部材製造工程および前記転動体製造工程の少なくともいずれか一方は、請求項3に記載の燃料電池用転動部材の製造方法により実施される、燃料電池用転がり軸受の製造方法。 A track member manufacturing process for manufacturing the track member;
A rolling element manufacturing process for manufacturing the rolling element;
An assembly process for assembling a rolling bearing for a fuel cell by combining the track member manufactured in the track member manufacturing process and the rolling element manufactured in the rolling element manufacturing process;
The method for manufacturing a rolling bearing for a fuel cell, wherein at least one of the track member manufacturing step and the rolling element manufacturing step is performed by the method for manufacturing a rolling member for a fuel cell according to claim 3.
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