(57)【要約】【課題】水素雰囲気中で使用されても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，ケイ素，マンガン，クロム，モリブデン，イオウ，リン，及び酸素の含有量が所定の範囲内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、浸炭処理又は浸炭窒化処理に続いて焼入れ及び焼戻しが施されることにより、軌道面１ａ，２ａに硬化層が形成されている。硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和は０．９〜１．５質量％で、残留オーステナイト量は２０〜４５体積％である。軌道面１ａ，２ａの表面硬さはＨｖ７００〜７８０で、芯部の硬さはＨｖ５５０以下である。軌道面１ａ，２ａから１００μｍ内側の深さ位置における周方向の圧縮残留応力は、１００〜５００ＭＰａである。軌道面１ａ，２ａの軸方向の粗さ曲線の最大山高さＲｐが０．２μｍ以下である。【選択図】図１
2010248568.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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９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０．１５質量％以上０．３質量％以下、ケイ素の含有量が０．２質量％以上１質量％以下、マンガンの含有量が０．２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、イオウの含有量が０．０２質量％以下、リンの含有量が０．０２質量％以下、酸素の含有量が１２質量ｐｐｍ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：浸炭処理又は浸炭窒化処理に続いて焼入れ及び焼戻しが施されることにより、前記軌道面に硬化層が形成されている。
条件４：前記硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和が０．９質量％以上１．５質量％以下である。
条件５：前記硬化層の残留オーステナイト量が２０体積％以上４５体積％以下である。  条件６：前記軌道面の表面硬さがＨｖ７００以上７８０以下である。
条件７：前記硬化層の内側の芯部の硬さがＨｖ５５０以下である。
条件８：前記軌道面から１００μｍ内側の深さ位置における周方向の圧縮残留応力が１００ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下である。
条件９：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。
【請求項２】
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に記載の水素雰囲気用転がり軸受。
【請求項３】
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に記載の水素雰囲気用転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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３，４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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２７５１３１号公報
【特許文献２】特開２００４−１１８９６号公報
【特許文献３】特開２００３−３４３５７７号公報
【特許文献４】特開２００５−２６４２１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
さらに、白色組織の生成や摩耗損傷によって微小な亀裂が発生すると、亀裂の先端で水素による水素脆化が生じるため、亀裂の進展が容易になる。通常、転がり軸受に発生する亀裂は転がり方向に対して平行に進展して、軌道面が薄く剥がれる剥離を引き起こすが、水素によって亀裂の進展が容易になると、転がり方向に対して垂直な方向、すなわち深さ方向に亀裂が進展する場合がある。亀裂が深さ方向に進展すると、転がり軸受の割損が生じるおそれがある。
【０００８】
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、水素雰囲気中での摩耗損傷に対する対策、及び深さ方向への亀裂の進展に対する対策の３つ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、水素雰囲気中での使用が想定されていないため、上記３つの対策はいずれもなされていなかった。
【０００９】
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及び深さ方向への亀裂の進展に対する対策はいずれもなされていなかった。
【００１０】
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及び深さ方向への亀裂の進展に対する対策も十分ではなかった。
【００１１】
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や深さ方向への亀裂の進展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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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９つの条件を満足することを特徴とする。
【００１３】
条件１：炭素の含有量が０．１５質量％以上０．３質量％以下、ケイ素の含有量が０．２質量％以上１質量％以下、マンガンの含有量が０．２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、イオウの含有量が０．０２質量％以下、リンの含有量が０．０２質量％以下、酸素の含有量が１２質量ｐｐｍ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。
【００１４】
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：浸炭処理又は浸炭窒化処理に続いて焼入れ及び焼戻しが施されることにより、前記軌道面に硬化層が形成されている。
【００１５】
条件４：前記硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和が０．９質量％以上１．５質量％以下である。
条件５：前記硬化層の残留オーステナイト量が２０体積％以上４５体積％以下である。  条件６：前記軌道面の表面硬さがＨｖ７００以上７８０以下である。
条件７：前記硬化層の内側の芯部の硬さがＨｖ５５０以下である。
【００１６】
条件８：前記軌道面から１００μｍ内側の深さ位置における周方向の圧縮残留応力が１００ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下である。
条件９：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。
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。また、前記合金鋼中の不純物元素（イオウ，リン，酸素）の含有量、前記軌道面付近の圧縮残留応力、及び前記芯部の硬さが好適値に規定されているため、深さ方向への亀裂の進展が生じにくい。さらに、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。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。
【００１７】
本発明の水素雰囲気用転がり軸受においては、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。また、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。
【００１８】
〔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０．１５質量％未満であると、浸炭処理や浸炭窒化処理において表面の炭素濃度を十分に向上させるために長時間を要するおそれがある。また、芯部の炭素含有量が低すぎて芯部の強度が不十分となる場合がある。一方、炭素の含有量が０．３質量％を超えると、芯部の靱性が不十分となり、深さ方向への亀裂の進展により転がり軸受の割損が生じやすくなるおそれがある。
【００１９】
〔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、基地組織を安定化させて、水素の侵入による組織変化を抑制し、転がり寿命の低下を抑制する作用も有する。ケイ素の含有量が０．２質量％未満であると、これらの作用が十分に得られないおそれがある。一方、ケイ素の含有量が１質量％を超えると、浸炭処理又は浸炭窒化処理の際に炭素の侵入を阻害するため、耐転がり疲労性に必要な軌道面の表面硬さ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、ケイ素の含有量は０．６質量％以上０．８質量％以下であることが好ましい。
【００２０】
〔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。さらに、置換型元素として基地に固溶して基地組織を安定化することによって、水素による前記組織変化を抑制し、転がり寿命の低下を抑制する作用を有している。
【００２１】
マンガンの含有量が０．２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、転がり軸受として必要な硬さが得られないおそれがある。なお、合金鋼の品質の安定性を考慮すると、マンガンの含有量は０．６質量％以上１質量％以下であることが好ましい。
【００２２】
〔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、浸炭処理又は浸炭窒化処理の際に炭素の侵入を阻害するため、耐転がり疲労性に必要な軌道面の表面硬さが不十分となるおそれがある。
【００２３】
〔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、水素の侵入による組織変化を抑制し、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とともに、コストも増加する。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０．２質量％以上０．６質量％以下であることが好ましい。
【００２４】
〔イオウの含有量について〕
イオウ（Ｓ）は硫化マンガン（ＭｎＳ）を形成して介在物として作用するため、合金鋼中のイオウの含有量は少ない方が好ましい。また、イオウは結晶粒界に偏析して、水素が侵入した際に粒界割れを生じやすくし、靱性を低下させるため、深さ方向への亀裂の進展が容易となるおそれがある。イオウの含有量が０．０２質量％を超えると、靱性の低下が著しくなるおそれがある。
【００２５】
〔リンの含有量について〕
リン（Ｐ）は結晶粒界に偏析して、水素が侵入した際に粒界割れを生じやすくし、靱性を低下させるため、深さ方向への亀裂の進展が容易となるおそれがある。リンの含有量が０．０２質量％を超えると、靱性の低下が著しくなるおそれがある。
〔酸素の含有量について〕
酸素（Ｏ）は、転がり寿命に悪影響を及ぼす酸化物系の非金属介在物（例えばＡｌ2 Ｏ3 ）を形成するため、合金鋼中の含有量は少ない方が好ましい。酸素の含有量が１２質量ｐｐｍを超えると、転がり寿命が著しく低下するおそれがある。
【００２６】
〔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又は炭窒化物を形成するが、これらの炭化物及び炭窒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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、高面圧，高回転速度，高水素圧等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。
【００２９】
〔浸炭処理，浸炭窒化処理について〕
内輪，外輪を製造する際には、例えば、熱間鍛造，旋削加工等により素材を所定の形状に加工して、浸炭処理又は浸炭窒化処理を施した後に、焼入れ及び焼戻しを施し、さらに研削加工を施して仕上げる。本発明において用いられる合金鋼は比較的高合金であるため、浸炭処理，浸炭窒化処理を施した際に、炭素や窒素が合金鋼中に侵入しにくい傾向がある。したがって、浸炭処理，浸炭窒化処理を施す前に、前処理として予備酸化処理を行い、緻密でない酸化膜を表面に形成した後に浸炭処理又は浸炭窒化処理を施すことが好ましい。この予備酸化処理は、酸素が存在する雰囲気中において８００℃以上１０００℃以下で０．５時間以上１時間以下保持することによって行うことが好ましい。
【００３０】
〔硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和について〕
硬化層の炭素と窒素は、転がり軸受に必要な軌道面の表面硬さを付与し、摩耗損傷を抑制する作用と、表面の残留オーステナイト量を増加させて水素の拡散速度を低下させ、前記組織変化を抑制する作用とを有している。硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和が０．９質量％未満であると、軌道面の表面硬さと硬化層の残留オーステナイト量とが不十分となるおそれがある。一方、１．５質量％を超えると、表面にネット状の炭化物が形成して靱性が低下するおそれがある。品質の安定性を考慮すると、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和は１質量％以上１．２質量％以下であることが好ましい。
【００３１】
ただし、本発明において用いられる合金鋼は、前述したように組織変化抵抗値が高いので、炭化物や炭窒化物を形成しやすい傾向にある。よって、通常の浸炭鋼と同じ条件で浸炭処理，浸炭窒化処理を行った場合には、極表面において炭素，窒素が炭化物，炭窒化物を形成するため、内部に炭素，窒素が拡散しにくい。そのため、浸炭処理，浸炭窒化処理を施す際には、雰囲気中の炭素ポテンシャルや窒素ポテンシャルを低くして、表面の炭素濃度と窒素濃度との和を制御することが好ましい。
【００３２】
〔硬化層の残留オーステナイト量について〕
硬化層の残留オーステナイト量は、合金鋼の合金成分及び熱処理条件（浸炭処理，浸炭窒化処理，焼入れ，及び焼戻しの条件）によって制御することができる。
残留オーステナイトは、マルテンサイト中に細かく分散しており、軌道面から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。この作用により、水素が局所的に濃化することが抑制され、前記組織変化が遅延される。
【００３３】
硬化層の残留オーステナイト量が２０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、４５体積％超過であると、表面硬さが不十分となり転がり寿命が低下るおそれがある。品質の安定性を考慮すると、硬化層の残留オーステナイト量は２５体積％以上３５％体積以下であることが好ましい。
【００３４】
〔軌道面の表面硬さ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、Ｈｖ７００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Ｈｖ７８０超過であると、水素の侵入による強度低下が生じやすくなるおそれがある。なお、最表面の硬さの測定は困難であるため、最表面から１００μｍ内側の深さ位置の硬さを測定し、本発明においてはこれを表面硬さとする。この表面硬さの測定の際には、軌道輪を切断して、切断面における前記深さ位置の硬さを測定する。
【００３５】
〔芯部の硬さについて〕
芯部の硬さは、水素の侵入による深さ方向への亀裂の進展に対して影響を及ぼす因子である。芯部の硬さを低くすることにより、水素の侵入による強度低下が生じにくくなる。また、芯部の硬さを低くすることにより破壊靱性値が大きくなるため、深さ方向への亀裂の進展が生じにくくなる。芯部の硬さＨｖが５５０超過であると、上記のような作用が不十分となるおそれがある。
【００３６】
〔圧縮残留応力について〕
周方向の圧縮残留応力は、深さ方向に延びる亀裂の先端を閉じる方向に作用しているため、深さ方向への亀裂の進展を抑制し、転がり軸受の割損を抑制する作用を有する。軌道面には研削加工による圧縮残留応力が付与されているが、軌道面の極表面のみに付与されているため、深さ方向への亀裂の進展を抑制する作用はほとんどない。よって、軌道面から１００μｍ内側の深さ位置に付与されている周方向の圧縮残留応力を規定する必要がある。
【００３７】
軌道面から１００μｍ内側の深さ位置に付与されている周方向の圧縮残留応力が１００ＭＰａ未満であると、深さ方向への亀裂の進展が十分に抑制されないおそれがある。一方、周方向の圧縮残留応力が５００ＭＰａ超過であると、圧縮残留応力とバランスするために軌道輪の内部に発生する引張残留応力が大きくなるので、深さ方向への亀裂の進展が加速される場合がある。
【００３８】
〔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との間には高い相関性がない。
【００３９】
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。
【００４０】
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又は炭窒化物を形成する。これらの硬い炭化物及び炭窒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。
【００４１】
〔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、軸受鋼に浸炭窒化処理を施したものや、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。
【００４２】
ただし、水素圧がより高い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。
【００４３】
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強度低下がないことに加えて、軌道輪との間の摩擦係数が小さく軌道輪の摩耗損傷が生じにくいので、転がり軸受の使用環境がより厳しい場合に特に好適である。セラミックスの種類は特に限定されるものではないが、窒化ケイ素や、アルミナとジルコニアとの複合セラミックスが好ましい。
【発明の効果】
【００４４】
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や深さ方向への亀裂の進展が生じにくく長寿命である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】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。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
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。
【００４７】
また、内輪１及び外輪２は、炭素の含有量が０．１５質量％以上０．３質量％以下、ケイ素の含有量が０．２質量％以上１質量％以下、マンガンの含有量が０．２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、イオウの含有量が０．０２質量％以下、リンの含有量が０．０２質量％以下、酸素の含有量が１２質量ｐｐｍ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）。
【００４８】
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、浸炭処理又は浸炭窒化処理に続いて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には前述のような熱処理により硬化された硬化層（図示せず）が形成されている（条件３）。
【００４９】
この硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和は、０．９質量％以上１．５質量％以下である（条件４）。また、この硬化層の残留オーステナイト量は、２０体積％以上４５体積％以下である（条件５）。さらに、軌道面１ａ，２ａの表面硬さは、Ｈｖ７００以上７８０以下である（条件６）。さらに、前記硬化層の内側には、前述の熱処理によって硬化されていない芯部（図示せず）が配されているが、この芯部の硬さはＨｖ５５０以下である（条件７）。さらに、軌道面１ａ，２ａから１００μｍ内側の深さ位置には、１００ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下の周方向の圧縮残留応力が付与されている（条件８）。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（条件９）。
【００５０】
このような深溝玉軸受は、上記条件１〜９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や深さ方向への亀裂の進展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１〜９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。
【００５１】
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。
【００５２】
〔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。前述の条件１のような組成の合金鋼を、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、予備酸化処理，浸炭処理（又は浸炭窒化処理），焼入れ，及び焼戻しを該順序で施して、残留オーステナイトを含有する硬化層を表面に形成させた後に、研磨加工を行って仕上げ、軌道輪を完成した。
【００５３】
予備酸化処理は、酸素が存在する雰囲気（例えば空気）中において８００〜１０００℃で０．５〜１時間保持することによって行った。また、浸炭処理は、ＲＸガスとエンリッチガスの混合ガス雰囲気中において９００〜１０００℃で４〜２０時間保持した後に、空冷又は油冷することにより行った。さらに、浸炭窒化処理は、ＲＸガス，エンリッチガス，及びアンモニアガスの混合ガス雰囲気中において９００〜１０００℃で４〜２０時間保持した後に、空冷又は油冷することにより行った。
【００５４】
浸炭処理又は浸炭窒化処理の後に施す焼入れは、９５０〜１０５０℃に保持した後に油冷又はガス冷することにより行った。また、この焼入れの後に施す焼戻しは、１６０〜２４０℃に保持した後に炉冷又は空冷することにより行った。そして、このようにして得られた軌道輪（内輪及び外輪）に、転動体，保持器，及びシールを組み合わせて転がり軸受とした。
【００５５】
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（熱処理については、浸炭処理及び浸炭窒化処理のうち浸炭窒化処理を採用した）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。
【００５６】
【表１】
2010248568.tif 000003
【００５７】
この深溝玉軸受の内輪及び外輪の軌道面に前記熱処理によって形成された硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和を、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて測定したところ、それぞれ１．５質量％及び１．２質量％であった。また、硬化層の残留オーステナイト量を、Ｘ線回折装置を用いて測定したところ、それぞれ２５体積％及び３０体積％であった。
【００５８】
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（熱処理については、浸炭窒化処理を採用した）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。
【００５９】
この自動調心ころ軸受の内輪及び外輪の軌道面に前記熱処理によって形成された硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和を、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて測定したところ、それぞれ０．９質量％及び１．１質量％であった。また、硬化層の残留オーステナイト量を、Ｘ線回折装置を用いて測定したところ、それぞれ３０体積％及び３５体積％であった。
【００６０】
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（ＳＵＪ２），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、面圧の調整を容易にするため、ボールの個数は３個とした。
【００６１】
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２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  ＶＧ３２である潤滑油
・試験条件Ｂ
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、熱処理の内容（浸炭処理又は浸炭窒化処理）、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和、硬化層の残留オーステナイト量、軌道面の表面硬さ、芯部の硬さ、軌道面から１００μｍ内側の深さ位置における周方向の圧縮残留応力、軌道面の算術平均粗さＲａ、及び軌道面の粗さ曲線の最大山高さＲｐを、表２に併せて示す。
【００６２】
なお、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和は、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて測定した。また、残留オーステナイト量及び圧縮残留応力は、Ｘ線回折装置を用いて測定した。さらに、表２における寿命は、比較例５の寿命を１とした場合の相対値で示してある。
【００６３】
【表２】
2010248568.tif 000004
【００６４】
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、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和、硬化層の残留オーステナイト量、軌道面の表面硬さ、芯部の硬さ、圧縮残留応力、及び軌道面の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１〜３は、合金組成、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和、及び硬化層の残留オーステナイト量がより好ましい範囲内にあるため、より長寿命であった。
【００６５】
これに対して、比較例１は、軌道輪を構成する合金鋼の炭素含有量が低いため、表層部（硬化層）と芯部との硬さの差が大きくなり、その結果、圧縮残留応力が本発明の範囲外となった。そのため、圧縮残留応力に付随する引張残留応力が芯部に発生するので、転がり寿命が低くなった。
また、比較例２は、軌道輪を構成する合金鋼のケイ素含有量が低く、酸素含有量が高い。そのため、水素の侵入による前記組織変化に対する抵抗力が低く、さらに、酸化物系の介在物の量も多くなるので、短寿命であった。
【００６６】
さらに、比較例３は、軌道輪を構成する合金鋼の炭素含有量及びイオウ含有量が高いため、芯部の靱性が低い。そのため、微小な亀裂が発生した際に、深さ方向への亀裂が進展する速度が速くなり、短寿命であった。さらに、比較例４は、軌道輪を構成する合金鋼の炭素含有量が低いため、水素の侵入による前記組織変化に対する抵抗力が低く、短寿命であった。さらに、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。
【００６７】
さらに、比較例６は、浸炭窒化処理の条件が不適で、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和が高いため、それに伴って軌道面の表面硬さが高くなっている。その結果、水素が侵入した際の強度低下が著しく、短寿命であった。さらに、比較例７は、浸炭処理の条件が不適で、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和が低いため、それに伴って軌道面の表面硬さが低くなっている。その結果、基地組織の転がり疲労強度が低くなり、短寿命であった。
【００６８】
さらに、比較例８は、焼入れ及び焼戻しの条件が不適であるため、硬化層の残留オーステナイト量及び圧縮残留応力が低い。その結果、水素の侵入による前記組織変化が生じやすく、さらに、発生した微小亀裂も深さ方向へ進展しやすいため、短寿命であった。さらに、比較例９は、焼入れ及び焼戻しの条件が不適であるため、硬化層の残留オーステナイト量が高い。その結果、軌道面の表面硬さが低くなり、短寿命であった。
【００６９】
さらに、比較例１０，１１は、実施例５，６とそれぞれ同種の合金鋼を用い、同一の条件で熱処理を行い、研削加工の条件のみ変更して軌道面の表面粗さ（算術平均粗さＲａ及び粗さ曲線の最大山高さＲｐ）のみ異なるようにしたものである。比較例１０，１１は、実施例５，６よりも算術平均粗さＲａが小さいが、粗さ曲線の最大山高さＲｐは大きい。そのため、水素雰囲気中で摩耗が生じやすくなり、水素の侵入も加速するため、短寿命であった。
【００７０】
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、熱処理の内容（浸炭処理又は浸炭窒化処理）、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和、硬化層の残留オーステナイト量、軌道面の表面硬さ、芯部の硬さ、軌道面から１００μｍ内側の深さ位置における周方向の圧縮残留応力、軌道面の算術平均粗さＲａ、及び軌道面の粗さ曲線の最大山高さＲｐを、表３に併せて示す。
【００７１】
実施例２１〜２６及び比較例２１〜３１の軌道輪は、実施例１〜６及び比較例１〜１１の軌道輪とそれぞれ同一であり、転動体の素材のみ異なる。例えば、実施例１と実施例２１とでは、軌道輪は同一で転動体のみ異なる。
【００７２】
【表３】
2010248568.tif 000005
【００７３】
試験条件Ｂ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Ｍ，Ｎ，Ｏ又はセラミックスＰ，Ｑを用いた。なお、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和は、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて測定した。また、残留オーステナイト量及び圧縮残留応力は、Ｘ線回折装置を用いて測定した。さらに、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。
【００７４】
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、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和、硬化層の残留オーステナイト量、軌道面の表面硬さ、芯部の硬さ、圧縮残留応力、及び軌道面の粗さ曲線の最大山高さＲｐが本発明の範囲内であるため、高圧の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、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和、及び硬化層の残留オーステナイト量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。
【００７５】
これに対して、比較例２１は、軌道輪を構成する合金鋼の炭素含有量が低いため、表層部（硬化層）と芯部との硬さの差が大きくなり、その結果、圧縮残留応力が本発明の範囲外となった。そのため、圧縮残留応力に付随する引張残留応力が芯部に発生するので、転がり寿命が低くなった。
また、比較例２２は、軌道輪を構成する合金鋼のケイ素含有量が低く、酸素含有量が高い。そのため、水素の侵入による前記組織変化に対する抵抗力が低く、さらに、酸化物系の介在物の量も多くなるので、短寿命であった。
【００７６】
さらに、比較例２３は、軌道輪を構成する合金鋼の炭素含有量及びイオウ含有量が高いため、芯部の靱性が低い。そのため、微小な亀裂が発生した際に、深さ方向への亀裂が進展する速度が速くなり、短寿命であった。さらに、比較例２４は、軌道輪を構成する合金鋼の炭素含有量が低いため、水素の侵入による前記組織変化に対する抵抗力が低く、短寿命であった。さらに、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。
【００７７】
さらに、比較例２６は、浸炭窒化処理の条件が不適で、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和が高いため、それに伴って軌道面の表面硬さが高くなっている。その結果、水素が侵入した際の強度低下が著しく、短寿命であった。さらに、比較例２７は、浸炭処理の条件が不適で、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和が低いため、それに伴って軌道面の表面硬さが低くなっている。その結果、基地組織の転がり疲労強度が低くなり、短寿命であった。
【００７８】
さらに、比較例２８は、焼入れ及び焼戻しの条件が不適であるため、硬化層の残留オーステナイト量及び圧縮残留応力が低い。その結果、水素の侵入による前記組織変化が生じやすく、さらに、発生した微小亀裂も深さ方向へ進展しやすいため、短寿命であった。さらに、比較例２９は、焼入れ及び焼戻しの条件が不適であるため、硬化層の残留オーステナイト量が高い。その結果、軌道面の表面硬さが低くなり、短寿命であった。
【００７９】
さらに、比較例３０，３１は、実施例２５，２６とそれぞれ同種の合金鋼を用い、同一の条件で熱処理を行い、研削加工の条件のみ変更して軌道面の表面粗さ（算術平均粗さＲａ及び粗さ曲線の最大山高さＲｐ）のみ異なるようにしたものである。比較例３０，３１は、実施例２５，２６よりも算術平均粗さＲａが小さいが、粗さ曲線の最大山高さＲｐは大きい。そのため、水素雰囲気中で摩耗が生じやすくなり、水素の侵入も加速するため、短寿命であった。
【符号の説明】
【００８０】
１      内輪
１ａ    軌道面
２      外輪
２ａ    軌道面
３      転動体
【図１】
2010248568.tif 000006