JP2010249215A - 水素雰囲気用転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】水素雰囲気中で使用されても白色組織への組織変化が生じにくいことに加えて摩耗損傷が生じにくく長寿命な転がり軸受を提供する。
【解決手段】深溝玉軸受の内輪１及び外輪２は、炭素の含有量が０．５質量％以上０．９質量％以下、ケイ素の含有量が０．６質量％以上１質量％以下、マンガンの含有量が０．６質量％以上１．２質量％以下、クロムの含有量が６．５質量％以上９．５質量％以下、モリブデンの含有量が１質量％以下で、且つ、残部が鉄及び不可避的不純物である合金鋼で構成されている。また、組織変化抵抗値が１０以上である。さらに、焼入れ及び焼戻しが施されており、軌道面１ａ，２ａの残留オーステナイト量が１０体積％以上２０体積％以下であるとともに、硬さがＨｖ６７４以上７７２以下である。さらに、旧オーステナイト結晶粒度が、粒度番号で７以上１０以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素雰囲気中で好適に使用される転がり軸受に関する。

通常、ガスコンプレッサに組み込まれた転がり軸受は、空気，窒素等の雰囲気中で使用される。よって、この転がり軸受の長寿命化の手法としては、高温環境下での寸法安定性や高速回転時の耐焼付き性の改善などが主なものであった。例えば、特許文献１には、高温焼戻しを施して鋼材の残留オーステナイト量を５質量％以下とした、寸法安定性に優れる転がり軸受が開示されている。

また、腐食性のガス中で使用される転がり軸受は、優れた耐食性が必要とされる。例えば、特許文献２には、軌道輪がマルテンサイト系ステンレス鋼で構成され、転動体がセラミックスで構成された、耐食性及び耐焼付き性に優れる転がり軸受が開示されている。
一方、水素に対する転がり軸受の長寿命化の手法としては、軌道輪を構成する鋼のクロム含有量を多くする方法が従来から知られている（例えば特許文献３〜５を参照）。この手法は、潤滑油の分解によって水素が発生することを考慮したものである。

特開２００６−２７５１３１号公報 特開２００４−１１８９６号公報 特開２００３−３４３５７７号公報 特開２００５−２６４２１６号公報 特開２００１−２２１２３８号公報

近年、環境問題の観点から、水素を利用する技術（例えば燃料電池）の開発が進んでおり、水素ガスを圧縮するためのコンプレッサ（以降は水素ガスコンプレッサと記す）が必要とされている。水素ガスコンプレッサに組み込まれる転がり軸受は、水素雰囲気中で使用される場合があり、転がり軸受を構成する鋼中に水素が侵入しやすい。鋼中に水素が侵入すると、転がり接触によって鋼の内部に作用する剪断応力と水素との相互作用により、鋼のマルテンサイト組織に白色組織と呼ばれる組織への変化が生じ、転がり軸受の寿命が著しく低下するおそれがある。

また、水素ガスコンプレッサには、自動調心ころ軸受や比較的大型の玉軸受が使用される場合が多いが、これらのタイプの転がり軸受は、転動体と軌道輪との間に発生する滑りの量が多く、摩耗損傷が発生しやすい。通常は金属表面には酸化膜が形成されており、酸化膜によって摩耗損傷が生じにくくなっているが、水素雰囲気中では酸素がなく金属表面に酸化膜が形成しにくいため、摩耗損傷が発生しやすい。さらに、一旦摩耗が生じると、摩耗面は化学的に活性であるので、鋼中への水素の侵入が起こりやすく、上記の組織変化が加速する。

これらのことから、水素ガスコンプレッサに組み込まれる転がり軸受は、鋼中に侵入する水素による前記組織変化に対する対策と、水素雰囲気中での摩耗損傷に対する対策との両方を兼ね備える必要がある。
しかしながら、特許文献１に開示された転がり軸受は、鋼中に侵入する水素による前記組織変化に対する対策も、水素雰囲気中での摩耗損傷に対する対策もなされていなかった。また、特許文献２に開示された転がり軸受は、軌道輪がステンレス鋼で構成されているため、鋼中に侵入する水素による前記組織変化に対する対策はなされており、前記組織変化に対する抵抗力が高く、前記組織変化が生じにくくなっているものの、水素雰囲気中での摩耗損傷に対する対策はなされていなかった。

さらに、特許文献３，４に開示された転がり軸受は、潤滑油の分解によって発生する微量の水素が鋼中に侵入することを想定しているため、水素雰囲気中で転がり軸受が使用されるというような過酷な環境下では、前記組織変化に対する抵抗力が不十分であった。また、水素雰囲気中での摩耗損傷に対する対策も十分ではなかった。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、水素雰囲気中で使用されても白色組織への組織変化が生じにくいことに加えて摩耗損傷が生じにくく長寿命な転がり軸受を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る水素雰囲気用転がり軸受は、軌道面を有する内輪と、前記内輪の軌道面に対向する軌道面を有する外輪と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、水素雰囲気中で使用される転がり軸受において、前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方が下記の４つの条件を満足することを特徴とする。

条件１：炭素の含有量が０．５質量％以上０．９質量％以下、ケイ素の含有量が０．６質量％以上１質量％以下、マンガンの含有量が０．６質量％以上１．２質量％以下、クロムの含有量が６．５質量％以上９．５質量％以下、モリブデンの含有量が１質量％以下で、且つ、残部が鉄及び不可避的不純物である合金鋼で構成されている。
条件２：前記ケイ素の含有量をＳｉ％、前記マンガンの含有量をＭｎ％、前記クロムの含有量をＣｒ％、前記モリブデンの含有量をＭｏ％とし、２．５×Ｓｉ％＋１．５×Ｍｎ％＋Ｃｒ％＋３×Ｍｏ％なる式で算出される組織変化抵抗値が１０以上である。

条件３：焼入れ及び焼戻しが施されており、前記軌道面の残留オーステナイト量が１０体積％以上２０体積％以下であるとともに、硬さがＨｖ６７４以上７７２以下である。
条件４：日本工業規格ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定の方法で測定された旧オーステナイト結晶粒度が、粒度番号で７以上１０以下である。
本発明の水素雰囲気用転がり軸受は、内輪及び外輪の少なくとも一方が、鋼中での水素の拡散を抑制する元素であるケイ素，マンガン，クロム，及びモリブデンを含有する合金鋼で構成されているため、水素雰囲気中で使用されても白色組織への組織変化が生じにくい。よって、本発明の水素雰囲気用転がり軸受は、水素雰囲気中で使用されても長寿命である。

本発明の水素雰囲気用転がり軸受においては、前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方が、前記４つの条件とともにさらに下記の条件５を満足することが好ましい。
条件５：前記軌道面の軸方向の粗さ曲線の最大山高さＲｐが０．２μｍ以下である。
軌道面の軸方向に沿う粗さ曲線の最大山高さＲｐが０．２μｍ以下であるため、金属接触による摩耗が生じにくく、化学的に活性な新生面が生成しにくい。そのため、摩耗損傷が生じにくいことに加えて、鋼中への水素の侵入も抑制される。

また、前記転動体が、クロムの含有量が５質量％以上１８質量％以下の鋼で構成されていることが好ましい。さらに、前記転動体がセラミックスで構成されていることが好ましい。
以下に、本発明における内輪，外輪，転動体，合金鋼等に関する前記各数値（合金鋼に含有される各合金成分の含有量等）の臨界的意義について説明する。

〔炭素の含有量について〕
炭素（Ｃ）は、焼入れによって基地に固溶し、転がり軸受として要求される硬さを得るための元素である。また、他の合金元素と結合して合金鋼中に硬い炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる作用も有する。炭素の含有量が０．５質量％未満であると、転がり寿命と耐摩耗性が不十分となるおそれがある。一方、炭素の含有量が０．９質量％を超えると、合金鋼中に共晶炭化物が生成されやすくなって、転がり寿命が低下するおそれがある。また、冷間加工性及び被削性も低下するおそれがある。合金鋼の品質の安定性を考慮すると、炭素の含有量は０．６質量％以上０．８質量％以下であることが好ましい。

〔ケイ素の含有量について〕
ケイ素（Ｓｉ）は、基地に固溶して、焼入れ性を向上させるとともに焼戻し軟化抵抗性を向上させる元素である。また、基地組織を強化し、転がり寿命と耐摩耗性を向上させる作用も有する。ケイ素の含有量が０．６質量％未満であると、これらの作用が十分に得られない。一方、ケイ素の含有量が１質量％を超えると、冷間加工性及び被削性が不十分となるおそれがある。

〔マンガンの含有量について〕
マンガン（Ｍｎ）は、基地に固溶して、焼入れ性を向上させる元素である。また、本発明において重要な表面の残留オーステナイトの形成を助ける作用も有する。マンガンの含有量が０．６質量％未満であると、上記の作用が不十分となるおそれがある。一方、マンガンの含有量が１．２質量％を超えると、焼入後の残留オーステナイト量が多くなり過ぎて、寸法安定性が不十分となるおそれがある。

〔クロムの含有量について〕
クロム（Ｃｒ）は、基地に固溶して、焼入れ性，耐食性等を向上させるとともに、炭素と結合して合金鋼中に硬い炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる元素である。また、本発明において重要な白色組織への組織変化に対する抵抗力を向上させる作用も有する。すなわち、クロムは、水素が合金鋼中に侵入する速度を低下させる作用を有する。さらに、水素が侵入しても基地組織を安定化させることによって、水素による転がり寿命の低下を抑制する作用を有する。クロムの含有量が６．５質量％未満であると、上記の作用が不十分となるおそれがある。一方、クロムの含有量が９．５質量％を超えると、冷間加工性及び被削性が不十分となるとともに、合金鋼中に共晶炭化物が生成されやすくなって転がり寿命が低下するおそれがある。

〔モリブデンの含有量について〕
モリブデン（Ｍｏ）は、基地に固溶して、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性を向上させる作用を有する。また、合金鋼中に硬い炭化物を形成して、耐摩耗性及び転がり寿命を向上させる作用を有する。さらに、クロムと同様に、水素が合金鋼中に侵入する速度を低下させる作用を有する。さらに、水素が侵入しても基地組織を安定化させることによって、水素による転がり寿命の低下を抑制する作用を有する。モリブデンの含有量が１質量％を超えると、冷間加工性及び被削性が不十分となるおそれがある。なお、合金鋼の品質の安定性を考慮すると、モリブデンの含有量は０．５質量％以上１質量％以下であることが好ましい。

〔組織変化抵抗値について〕
ケイ素，マンガン，クロム，及びモリブデンは、置換型元素として金属組織の基地に固溶して金属組織を強化することによって、水素による前記組織変化を抑制する作用を有している。また、上記４つの元素の一部は合金鋼中の炭素と炭化物を形成するが、これらの炭化物は水素を強くトラップするので、合金鋼中の水素が応力集中部に集積することが抑制されて、水素の侵入による白色組織への組織変化が抑制される。

これらの作用の強さは各合金元素によって異なり、合金鋼の前記組織変化に対する抵抗力は、２．５×Ｓｉ％＋１．５×Ｍｎ％＋Ｃｒ％＋３×Ｍｏ％なる式で算出される組織変化抵抗値で規定することができる。この組織変化抵抗値が１０以上であれば、水素雰囲気中で転がり軸受が使用されても前記組織変化が抑制されるため、転がり軸受の転がり寿命の低下が抑制される。

組織変化抵抗値を１０以上とすれば転がり軸受の転がり寿命は水素雰囲気中でも長寿命であるが、組織変化抵抗値を１３以上とすれば、水素圧が常圧以上の厳しい水素雰囲気中においても前記組織変化が抑制されるため、転がり軸受の転がり寿命の低下が抑制される。なお、各合金元素の臨界値に関する前述の理由により、組織変化抵抗値は１６．８以下であることが好ましい。

〔軌道面の残留オーステナイト量について〕
残留オーステナイトは、合金鋼の金属組織中に分散して形成され、合金鋼中に侵入した水素を強くトラップして、水素の拡散速度を著しく低下させる作用を有している。したがって、水素が応力集中部に集積することが抑制され、前記組織変化が抑制される。残留オーステナイト量は、合金成分及び熱処理条件によって制御することができる。軌道面の残留オーステナイト量が１０体積％未満であると、上記の作用が不十分となるおそれがある。一方、２０体積％超過であると、寸法安定性が不十分となるおそれがある。

〔軌道面のビッカース硬さＨｖについて〕
軌道面の表面硬さは、転がり軸受の転がり寿命に影響を及ぼす因子であり、Ｈｖ６７４（ＨＲＣ５９）未満であると、転がり軸受の転がり寿命が不十分となるおそれがある。一方、軌道面の表面硬さがＨｖ７７２（ＨＲＣ６３）超過であると、靱性が不十分となるおそれがある。

〔旧オーステナイト結晶粒度について〕
合金鋼中の旧オーステナイト結晶粒の粒径は、水素の侵入による転がり疲労強度及び破壊靱性の低下の度合いに対して影響を及ぼす因子である。旧オーステナイト結晶粒の粒径は、日本工業規格ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定の方法により、旧オーステナイト結晶粒度として測定することができる。

旧オーステナイト結晶粒度が粒度番号で７未満であると、水素の侵入により合金鋼の靱性が低下して、不十分な靱性となるおそれがある。一方、旧オーステナイト結晶粒度が粒度番号で１０超過であると、水素の侵入により前記組織変化が生じやすくなり、転がり疲労強度が不十分となるおそれがある。このような不都合がより生じにくくするためには、旧オーステナイト結晶粒度は粒度番号で８以上９以下とすることが好ましい。

〔軌道面の軸方向の粗さ曲線の最大山高さＲｐについて〕
軌道面に突起がある場合には、軌道面と転動体の転動面との間で金属接触が生じやすくなる。水素雰囲気中で金属接触が起こると、酸化膜が形成されにくいため、金属接触が生じた部分は化学的に活性な新生面となり、凝着摩耗が生じやすくなる。また、新生面からは合金鋼中に水素が侵入しやすいため、前記組織変化の発生も加速される。通常、表面粗さの管理には算術平均粗さＲａが用いられるが、水素雰囲気中での摩耗損傷の生じやすさと算術平均粗さＲａとは高い相関性が得られない。

本発明者らは、鋭意検討の結果、軌道面の突起の高さを表す粗さ曲線の最大山高さＲｐを制御することが、水素雰囲気中での摩耗損傷を抑制することに有効であることを見出した。そして、軌道面の軸方向に沿う粗さ曲線の最大山高さＲｐが０．２μｍ超過であると、突起部で金属接触が発生し、軌道面の凝着摩耗及び合金鋼中への水素の侵入が生じやすいことを見出した。

本発明において用いられる合金鋼は、組織変化抵抗値が高いため、ケイ素，マンガン，クロム，及びモリブデンが硬い炭化物を形成する。これらの硬い炭化物は、研削性を阻害するので、通常の軸受鋼よりも粗さ曲線の最大山高さＲｐが大きくなりやすい。したがって、粗さ曲線の最大山高さＲｐを０．２μｍ以下とするためには、研削加工の際に用いる砥石の種類，切り込み速度，及び周速を好適に選択する必要がある。なお、軌道輪の生産性やコストの面を考慮すると、粗さ曲線の最大山高さＲｐは０．１μｍ以上０．２μｍ以下とすることがより好ましい。

〔転動体を構成する素材について〕
転動体は軌道輪と比べて損傷を受けにくいので、一般的な転がり軸受の転動体を構成する素材である軸受鋼や、浸炭処理又は浸炭窒化処理を施した肌焼鋼を、本発明における転動体を構成する素材として問題なく採用することができる。
ただし、水素圧が常圧以上の厳しい水素雰囲気中で使用される場合、軌道輪と転動体との間の滑りが大きい場合、転がり軸受の回転速度が高速である場合、又は、転がり軸受の受ける荷重が高い場合など、転がり軸受の使用環境が厳しい場合には、転動体を構成する素材として、クロムの含有量が５質量％以上１８質量％以下の鋼を用いることが好ましい。クロムは、水素が鋼中に侵入する速度を低下させる作用を有している。また、水素が侵入したとしても基地組織を安定化させることによって、水素の侵入による転がり寿命の低下を抑制する作用を有している。

クロムの含有量が５質量％未満であると、上記の作用が不十分となるおそれがある。一方、１８質量％超過であると、粗大な共晶炭化物が形成され、転がり寿命が不十分となるおそれがある。鋼の品質の安定性を考慮すると、クロムの含有量は１２質量％以上１８質量％以下とすることがより好ましい。
また、転動体を構成する素材としてセラミックスを用いることができる。セラミックスは水素による物性低下がなく、耐摩耗性にも優れているので、好適である。

本発明の水素雰囲気用転がり軸受は、水素雰囲気中で使用されても白色組織への組織変化が生じにくいことに加えて摩耗損傷が生じにくく長寿命である。

本発明に係る水素雰囲気用転がり軸受の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。

本発明に係る水素雰囲気用転がり軸受の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る水素雰囲気用転がり軸受の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。
図１の深溝玉軸受は、外周面に軌道面１ａを有する内輪１と、内輪１の軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の転動体３と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動体３を保持する保持器４と、ゴムシール等の密封装置５，５と、を備えている。なお、保持器４及び密封装置５は、備えていなくてもよい。

また、内輪１及び外輪２は、炭素の含有量が０．５質量％以上０．９質量％以下、ケイ素の含有量が０．６質量％以上１質量％以下、マンガンの含有量が０．６質量％以上１．２質量％以下、クロムの含有量が６．５質量％以上９．５質量％以下、モリブデンの含有量が１質量％以下で、且つ、残部が鉄及び不可避的不純物である合金鋼で構成されている（条件１）。

そして、この合金鋼においては、ケイ素の含有量をＳｉ％、マンガンの含有量をＭｎ％、クロムの含有量をＣｒ％、モリブデンの含有量をＭｏ％とすると、２．５×Ｓｉ％＋１．５×Ｍｎ％＋Ｃｒ％＋３×Ｍｏ％なる式で算出される組織変化抵抗値が、１０以上である（条件２）。
さらに、内輪１及び外輪２は、焼入れ及び焼戻しが施されて製造されたものであり、軌道面１ａ，２ａの残留オーステナイト量は１０体積％以上２０体積％以下である。さらに、軌道面１ａ，２ａの表面硬さはＨｖ６７４以上７７２以下（ＨＲＣ５９以上６３以下）である（条件３）。

さらに、内輪１及び外輪２が有する旧オーステナイト結晶粒は、日本工業規格ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定の方法で測定された結晶粒度が、粒度番号で７以上１０以下である（条件４）。
さらに、軌道面１ａ，２ａの軸方向の粗さ曲線の最大山高さＲｐは、０．２μｍ以下であることが好ましい（条件５）。

このような深溝玉軸受は、上記条件１〜５を満たしているので、水素雰囲気中で使用されても白色組織への組織変化が生じにくいことに加えて摩耗損傷が生じにくく長寿命である。よって、水素ガスを圧縮するコンプレッサに組み込まれる転がり軸受のように、水素雰囲気中で使用される転がり軸受として好適である。これらの条件１〜５は、内輪１及び外輪２のうち一方のみが満たしていればよいが、内輪１及び外輪２の両方が満たしていることが好ましい。

さらに、転動体３は、クロムの含有量が５質量％以上１８質量％以下の鋼又はセラミックスで構成されていることが好ましい。
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、水素雰囲気用転がり軸受の例として深溝玉軸受をあげて説明したが、本発明は深溝玉軸受以外の他の種類の様々な転がり軸受に対して適用することができる。例えば、アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受，円筒ころ軸受，円すいころ軸受，針状ころ軸受，自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。

〔実施例〕
以下に述べるような方法により、転がり軸受を製造した。所定の組成の合金鋼を、鍛造及び切削加工又は切削加工のみによって軌道輪の形状に成形加工する。次に、残留オーステナイトを含有するように焼入れ及び焼戻しを施した後に、研磨加工を行って仕上げ、軌道輪を完成した。焼入れは、９５０〜１０５０℃に保持した後に油冷又はガス冷することによって行った。また、焼戻しは、１６０〜２４０℃に保持した後に炉冷又は空冷することによって行った。そして、この軌道輪に、転動体，保持器，シールを組み合わせて転がり軸受とした。

以下に、深溝玉軸受を製造した例を示す。表１の鋼種Ｂの合金鋼を素材として、上記と同様の方法により、呼び番号６３１６の深溝玉軸受用の内輪及び外輪を製造した。転動体としては、表１の鋼種Ｏで構成されたボールを用いた。これらの内輪，外輪，及び転動体を組み立てて、呼び番号６３１６の深溝玉軸受を得た。

この深溝玉軸受の内輪及び外輪の残留オーステナイト量を、Ｘ線回折装置で測定したところ、それぞれ１０体積％及び１５体積％であった。また、軌道面の表面硬さは、それぞれＨｖ７２２及びＨｖ７１７であった。さらに、旧オーステナイト結晶粒度は、いずれも粒度番号で８であった。さらに、軌道面の軸方向の粗さ曲線の最大山高さＲｐは、それぞれ０．１９μｍ及び０．２０μｍであった。

次に、自動調心ころ軸受を製造した例を示す。表１の鋼種Ｂの合金鋼を素材として、上記と同様の方法により、呼び番号２２２１８の自動調心ころ軸受用の内輪及び外輪を製造した。転動体としては、表１の鋼種Ｎで構成されたころを用いた。これらの内輪，外輪，及び転動体を組み立てて、呼び番号２２２１８の自動調心ころ軸受を得た。
この自動調心ころ軸受の内輪及び外輪の残留オーステナイト量を、Ｘ線回折装置で測定したところ、それぞれ１３体積％及び２０体積％であった。また、軌道面の表面硬さは、それぞれＨｖ７１２及びＨｖ７２０であった。さらに、旧オーステナイト結晶粒度は、いずれも粒度番号で８であった。さらに、軌道面の軸方向の粗さ曲線の最大山高さＲｐは、それぞれ０．１８μｍ及び０．１９μｍであった。

次に、スラスト玉軸受を製造した例を示す。表１の鋼種Ａ〜Ｋの合金鋼を素材として、上記と同様の方法により、呼び番号５１３０５のスラスト玉軸受用の内輪及び外輪を製造した。転動体としては、表１の鋼種Ｇ，Ｍ，Ｎ，Ｏ又はセラミックスＰ，Ｑで構成されたボールを用いた。これらの内輪，外輪，及び転動体を組み立てて、呼び番号５１３０５のスラスト玉軸受を得た。ただし、試験条件の面圧の調整のため、ボールの個数は３個とした。

これらのスラスト玉軸受について、水素雰囲気下において下記の３つの試験条件で転がり疲労試験を行い、累積破損確率が５０％となる寿命（Ｌ₅₀）を求めた。
・試験条件Ａ
水素圧 ：０．１２ＭＰａ
面圧 ：３．１ＧＰａ
回転速度：１０００ｍｉｎ^-1
潤滑油 ：ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ ＶＧ６８である潤滑油
・試験条件Ｂ
水素圧 ：０．１２ＭＰａ
面圧 ：３．８ＧＰａ
回転速度：１０００ｍｉｎ^-1
潤滑油 ：ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ ＶＧ３２である潤滑油
・試験条件Ｃ
水素圧 ：０．４ＭＰａ
面圧 ：３．１ＧＰａ
回転速度：１０００ｍｉｎ^-1
潤滑油 ：ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ ＶＧ６８である潤滑油
試験条件Ａでの試験結果を表２に示す。また、合金鋼の組織変化抵抗値及び旧オーステナイト結晶粒度と、軌道面の残留オーステナイト量，表面硬さ，算術平均粗さＲａ，粗さ曲線の最大山高さＲｐとを、表２に併せて示す。なお、表２における寿命は、比較例１の寿命を１とした場合の相対値で示してある。比較例１で用いた合金鋼Ｇは、転がり軸受の素材として一般的に用いられるＳＵＪ２に相当する鋼である。

表２から分かるように、実施例１〜６は、軌道輪を構成する合金鋼の合金組成、組織変化抵抗値、旧オーステナイト結晶粒度、軌道面の残留オーステナイト量、及び表面硬さが本発明の範囲内であるため、水素雰囲気中で使用されても寿命低下が少なく、摩耗損傷も生じにくかった。そのため、転がり寿命が長寿命であった。特に、実施例１〜３は、合金組成及び旧オーステナイト結晶粒度がより好ましい範囲内にあるため、より長寿命であった。

これに対して、比較例１〜４は、軌道輪を構成する合金鋼の合金組成が本発明の範囲外であるため、短寿命であった。また、比較例５は、合金組成は本発明の範囲内であるが、組織変化抵抗値が１０未満であるため短寿命であった。さらに、比較例６，７は、合金組成は本発明の範囲内であるが、熱処理条件が好適ではない等の理由により軌道面の残留オーステナイト量が本発明の範囲外であるため、短寿命であった。

さらに、比較例８，９は、合金組成は本発明の範囲内であるが、熱処理条件が好適ではない等の理由により旧オーステナイト結晶粒度が本発明の範囲外であるため、短寿命であった。さらに、比較例１０，１１は、合金組成は本発明の範囲内であるが、熱処理条件が好適ではない等の理由により軌道面の表面硬さが本発明の範囲外であるため、短寿命であった。

次に、試験条件Ｂでの試験結果を表３に示す。また、合金鋼の組織変化抵抗値及び旧オーステナイト結晶粒度と、軌道面の残留オーステナイト量，表面硬さ，算術平均粗さＲａ，粗さ曲線の最大山高さＲｐとを、表３に併せて示す。試験条件Ｂの場合は、油膜厚さが薄くなるため、軌道輪と転動体との金属接触が生じやすい。そこで、金属接触を抑制するために、軌道面の表面粗さを制御する必要がある。よって、試験条件Ｂの場合は、表３から分かるように、試験条件Ａとは軌道面の表面粗さが異なる軌道輪を用いている。なお、表３における寿命は、比較例２１の寿命を１とした場合の相対値で示してある。

表３から分かるように、実施例２１〜２６は、軌道輪を構成する合金鋼の合金組成、組織変化抵抗値、旧オーステナイト結晶粒度、軌道面の残留オーステナイト量、表面硬さ、及び粗さ曲線の最大山高さＲｐが本発明の範囲内であるため、水素雰囲気中で使用されても寿命低下が少なく、摩耗損傷も生じにくかった。そのため、転がり寿命が長寿命であった。特に、実施例２１〜２３は、合金組成及び旧オーステナイト結晶粒度がより好ましい範囲内にあるため、より長寿命であった。

また、実施例２７〜２９は、合金組成は本発明の範囲内であるとともに、軌道面の算術平均粗さＲａは実施例２４〜２６よりも小さいが、軌道面の粗さ曲線の最大山高さＲｐが本発明の好ましい範囲から外れているため、比較例よりは長寿命であるものの実施例２４〜２６よりも若干短寿命であった。
これに対して、比較例２１〜２４は、軌道輪を構成する合金鋼の合金組成が本発明の範囲外であるため、短寿命であった。また、比較例２５は、合金組成は本発明の範囲内であるが、組織変化抵抗値が１０未満であるため短寿命であった。さらに、比較例２６，２７は、合金組成は本発明の範囲内であるが、熱処理条件が好適ではない等の理由により軌道面の残留オーステナイト量が本発明の範囲外であるため、短寿命であった。

さらに、比較例２８，２９は、合金組成は本発明の範囲内であるが、熱処理条件が好適ではない等の理由により旧オーステナイト結晶粒度が本発明の範囲外であるため、短寿命であった。さらに、比較例３０，３１は、合金組成は本発明の範囲内であるが、熱処理条件が好適ではない等の理由により軌道面の表面硬さが本発明の範囲外であるため、短寿命であった。

次に、試験条件Ｃでの試験結果を表４に示す。また、合金鋼の組織変化抵抗値及び旧オーステナイト結晶粒度と、軌道面の残留オーステナイト量，表面硬さ，算術平均粗さＲａ，粗さ曲線の最大山高さＲｐとを、表４に併せて示す。試験条件Ｃの場合は、水素圧が高いため、転動体についても水素対策が必要である。そこで、転動体を構成する素材として、鋼種Ｇ，Ｍ，Ｎ，Ｏ又はセラミックスＰ，Ｑを用いた。なお、表４における寿命は、比較例４１の寿命を１とした場合の相対値で示してある。

表４から分かるように、実施例４１〜４７は、軌道輪を構成する合金鋼の合金組成、組織変化抵抗値、旧オーステナイト結晶粒度、軌道面の残留オーステナイト量、及び表面硬さが本発明の範囲内であるため、水素雰囲気中で使用されても寿命低下が少なく、摩耗損傷も生じにくかった。そのため、転がり寿命が長寿命であった。特に、実施例４１〜４４は、合金組成及び旧オーステナイト結晶粒度がより好ましい範囲内にあるため、より長寿命であった。また、転動体も好ましい素材で構成されているため、転動体に損傷が生じることもなく長寿命であった。

これに対して、比較例４１〜４４は、軌道輪を構成する合金鋼の合金組成が本発明の範囲外であるため、短寿命であった。また、比較例４５は、合金組成は本発明の範囲内であるが、組織変化抵抗値が１０未満であるため短寿命であった。さらに、比較例４６，４７は、合金組成は本発明の範囲内であるが、熱処理条件が好適ではない等の理由により軌道面の残留オーステナイト量が本発明の範囲外であるため、短寿命であった。

さらに、比較例４８，４９は、合金組成は本発明の範囲内であるが、熱処理条件が好適ではない等の理由により旧オーステナイト結晶粒度が本発明の範囲外であるため、短寿命であった。さらに、比較例５０，５１は、合金組成は本発明の範囲内であるが、熱処理条件が好適ではない等の理由により軌道面の表面硬さが本発明の範囲外であるため、短寿命であった。

１ 内輪
１ａ 軌道面
２ 外輪
２ａ 軌道面
３ 転動体

Claims (4)

1. 軌道面を有する内輪と、前記内輪の軌道面に対向する軌道面を有する外輪と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、水素雰囲気中で使用される転がり軸受において、前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方が下記の４つの条件を満足することを特徴とする水素雰囲気用転がり軸受。
   条件１：炭素の含有量が０．５質量％以上０．９質量％以下、ケイ素の含有量が０．６質量％以上１質量％以下、マンガンの含有量が０．６質量％以上１．２質量％以下、クロムの含有量が６．５質量％以上９．５質量％以下、モリブデンの含有量が１質量％以下で、且つ、残部が鉄及び不可避的不純物である合金鋼で構成されている。
   条件２：前記ケイ素の含有量をＳｉ％、前記マンガンの含有量をＭｎ％、前記クロムの含有量をＣｒ％、前記モリブデンの含有量をＭｏ％とし、２．５×Ｓｉ％＋１．５×Ｍｎ％＋Ｃｒ％＋３×Ｍｏ％なる式で算出される組織変化抵抗値が１０以上である。
   条件３：焼入れ及び焼戻しが施されており、前記軌道面の残留オーステナイト量が１０体積％以上２０体積％以下であるとともに、硬さがＨｖ６７４以上７７２以下である。
   条件４：日本工業規格ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定の方法で測定された旧オーステナイト結晶粒度が、粒度番号で７以上１０以下である。
2. 前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方が前記４つの条件とともにさらに下記の条件５を満足することを特徴とする請求項１に記載の水素雰囲気用転がり軸受。
   条件５：前記軌道面の軸方向の粗さ曲線の最大山高さＲｐが０．２μｍ以下である。
3. 前記転動体が、クロムの含有量が５質量％以上１８質量％以下の鋼で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水素雰囲気用転がり軸受。
4. 前記転動体がセラミックスで構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水素雰囲気用転がり軸受。

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