(57)【要約】【課題】鋼中に侵入する水素による組織変化と、摩耗損傷との両方を抑え、水素ガス中でも十分に使用可能な転がり軸受を提供する。【解決手段】内輪及び外輪の少なくとも１つが、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎ及びＯを特定量含み、残部が鉄及び不可避的不純物を含有する合金鋼で構成されており、かつ、焼入れ焼戻し後における軌道面表層の硬さがＨｖ６５６〜７４３で、金属組織中に含まれる炭化物が、面積率で３％以上であり、極値統計法によって３００００ｍｍ２中に含まれる炭化物の最大サイズを予測したとき、予測最大炭化物の面積の平方根（√area max）が２８μｍ以下であり、金属組織中のマルテンサイト組織に含まれるＣｒ含有量が８質量％以上である転がり軸受。【選択図】図１
2015105434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と外輪との間に、保持器により複数の転動体を転動自在に保持した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１つが、
Ｃ  ：０．３１〜０．８８質量％
Ｓｉ：０．１〜０．９質量％
Ｍｎ：０．２〜１．２質量％
Ｐ  ：０．０３質量％以下（０質量％を含む）
Ｓ  ：０．０３質量％以下（０質量％を含む）
Ｎｉ：０．９質量％以下（０質量％を含む）
Ｃｒ：１０．６〜１５．５質量％
Ｍｏ：０．９質量％以下（０質量％を含む）
Ｃｕ：０．９質量％以下（０質量％を含む）
Ｎ  ：０．４質量％以下（０質量％を含む）
Ｏ  ：０．１９質量ｐｐｍ以下（０質量ｐｐｍを含む）
を含み、残部が鉄及び不可避的不純物を含有する合金鋼で構成されており、かつ、
焼入れ焼戻し後における軌道面表層の硬さがＨｖ６５６〜７４３で、金属組織中に含まれる炭化物が、面積率で３％以上であり、
極値統計法によって３００００ｍｍ２中に含まれる炭化物の最大サイズを予測したとき、予測最大炭化物の面積の平方根（√area max）が２８μｍ以下であり、金属組織中のマルテンサイト組織に含まれるＣｒ含有量が８質量％以上であることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
軌道面の軸方向の粗さが、粗さ曲線の最大高さ（Ｒｐ）で０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
【請求項３】
転動体がセラミックス製であることを特徴とする請求項１または２記載の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部からの侵入水素による寿命低下を抑えた転がり軸受に関し、特に水素ガス雰囲気中での使用に適した転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスコンプレッサに使用される転がり軸受は、通常は大気や窒素雰囲気で使用されており、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であり、例えば、特許文献１には高温焼戻しを行い、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、腐食性ガス中で使用される場合には、耐食性に優れる転がり軸受が必要とされ、例えば特許文献２には、軌道輪をマルテンサイト系ステンレス製とし、転動体をセラミックス製とした耐食性及び耐焼付き性に優れた転がり軸受が開示されている。
【０００４】
一方、転がり軸受の鋼材に水素が侵入すると、水素によって鋼の組織変化が促進され、寿命が低下することが知られている。本発明者らは、非特許文献１において、水素による軸受の寿命低下のメカニズムが、転動体と軌道輪の接触面圧によって材料内部に作用するせん断応力と、水素による局所的な塑性変形の促進作用の重畳によって生じることを明らかにした。また、水素に対する軸受の長寿命化対策として、潤滑油の分解によって水素が発生することを考慮して、例えば特許文献３〜５にはＣｒ量を増加させた鋼材で軌道輪を構成した転がり軸受が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２７５１３１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
【特許文献５】特開２００１−２２１２３８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ  Ｏｎｌｉｎｅ，Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．２，ｐ．１２３，２０１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、近年、環境問題から、燃料電池等の水素エネルギーを利用する技術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や、水素を循環させるポンプ等が必要とされているが、これらに使用される転がり軸受は水素ガス中で使用される場合があり、大気中での使用に比べて軸受を構成する鋼中に水素が侵入しやくなっている。鋼中に水素が侵入すると、転がり接触によって鋼内部に作用するせん断応力と水素の相互作用により、鋼のマルテンサイト組織に白色組織と呼ばれる組織変化が生じ、転がり軸受の寿命が著しく低下するころが懸念される。
【０００８】
また、水素ガス中で転がり軸受を使用した際、滑りや振動が発生すると、局所的に油膜が切れやすくなり、転動体と軌道輪間に金属接触が生じ、摩耗損傷が発生しやすくなる。通常は金属表面には酸化膜が形成され、この酸化膜によって摩耗損傷が起こり難くなっているが、水素ガス中では酸素が無いため金属表面に酸化膜が形成されにくく、摩耗損傷を起こしやすい。そして、一旦摩耗が生じると、摩耗面が化学的に活性になり、鋼中に水素がより侵入しやすくなり、上記の組織変化が加速する。
【０００９】
このように、水素ガス中で使用される転がり軸受では、鋼中に侵入する水素による組織変化に対する対策と、水素ガス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る。しかし、特許文献１では、鋼中に侵入する水素による組織変化に対する対策も、水素ガス中での摩耗損傷に対する対策も採られておらず、不十分である。また、特許文献２では軌道輪にステンレス鋼を用いているため、水素による組織変化に対する強度は向上しているものの、摩耗損傷に対する対策はなされていない。また、特許文献３〜５では潤滑油の分解によって発生した水素が鋼中に侵入することを想定しているため、水素ガス中のようなより過酷な環境では水素による組織変化に対する強度が不足することが懸念され、更には水素ガス中での摩耗損傷に対する対策も十分ではない。
【００１０】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、鋼中に侵入する水素による組織変化と、摩耗損傷との両方を抑え、水素ガス中でも十分に使用可能な転がり軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、内外輪を構成する鋼材組成及び炭化物分布、更には軌道面粗さを特定することにより、水素ガスコンプレッサ用軸受のように水素ガス中で使用される転がり軸受であっても、鋼中に侵入する水素による組織変化と、摩耗損傷との両方を抑えることができることを見出し、本発明を完成するに至った。即ち、本発明は下記の転がり軸受を提供するものである。
【００１２】
（１）内輪と外輪との間に、保持器により複数の転動体を転動自在に保持した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１つが、
Ｃ  ：０．３１〜０．８８質量％
Ｓｉ：０．１〜０．９質量％
Ｍｎ：０．２〜１．２質量％
Ｐ  ：０．０３質量％以下（０質量％を含む）
Ｓ  ：０．０３質量％以下（０質量％を含む）
Ｎｉ：０．９質量％以下（０質量％を含む）
Ｃｒ：１０．６〜１５．５質量％
Ｍｏ：０．９質量％以下（０質量％を含む）
Ｃｕ：０．９質量％以下（０質量％を含む）
Ｎ  ：０．４質量％以下（０質量％を含む）
Ｏ  ：０．１９質量ｐｐｍ以下（０質量ｐｐｍを含む）
を含み、残部が鉄及び不可避的不純物を含有する合金鋼で構成されており、かつ、
焼入れ焼戻し後における軌道面表層の硬さがＨｖ６５６〜７４３で、金属組織中に含まれる炭化物が、面積率で３％以上であり、
極値統計法によって３００００ｍｍ２中に含まれる炭化物の最大サイズを予測したとき、予測最大炭化物の面積の平方根（√area max）が２８μｍ以下であり、金属組織中のマルテンサイト組織に含まれるＣｒ含有量が８質量％以上であることを特徴とする転がり軸受。
（２）軌道面の軸方向の粗さが、粗さ曲線の最大高さ（Ｒｐ）で０．５μｍ以下であることを特徴とする上記（１）記載の転がり軸受。
（３）転動体がセラミックス製であることを特徴とする上記（１）または（２）記載の転がり軸受。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の転がり軸受は、内外輪を構成する鋼材組成及び炭化物分布、更には軌道面粗さを特定したことにより、鋼中に侵入する水素による組織変化と、摩耗損傷との両方を抑えることができ、水素ガスコンプレッサ用軸受のように水素ガス中で使用される転がり軸受の寿命を大幅に延長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】マルテンサイト中のＣｒ含有量と寿命比との関係を示すグラフである。
【図２】実施例６の転がり疲労試験後の金属組織を撮影した写真である。
【図３】比較例６の転がり疲労試験後の金属組織を撮影した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１６】
本発明の転がり軸受では、内輪及び外輪の少なくとも一方、好ましくは両方を、下記の元素を含み、残部が鉄及び不可避的不純物を含有する合金鋼で形成する。
Ｃ  ：０．３１〜０．８８質量％
Ｓｉ：０．１〜０．９質量％
Ｍｎ：０．２〜１．２質量％
Ｐ  ：０．０３質量％以下（０質量％を含む）
Ｓ  ：０．０３質量％以下（０質量％を含む）
Ｎｉ：０．９質量％以下（０質量％を含む）
Ｃｒ：１０．６〜１５．５質量％
Ｍｏ：０．９質量％以下（０質量％を含む）
Ｃｕ：０．９質量％以下（０質量％を含む）
Ｎ  ：０．４質量％以下（０質量％を含む）
Ｏ  ：０．１９質量ｐｐｍ以下（０質量ｐｐｍを含む）
【００１７】
〔Ｃ：０．３１〜０．８８質量％〕
Ｃは焼入れによって侵入型元素として基地組織に固溶し、転がり疲労寿命に必要な硬さを向上させる元素である、また、Ｃは他の元素と結合して鋼中に硬い炭化物を形成して耐摩耗性を向上させる役割もある。そのため、Ｃ含有量が０．３１質量％未満であると転がり疲労寿命及び耐摩耗性が低下する。また、Ｃ含有量が０．８８質量％を超えると、鋼中に粗大な共晶炭化物が生成しやすくなり、転がり疲労寿命が低下するおそれがある。好ましくは、品質の安定性を考慮して、０．４２〜０．７４質量％とする。
【００１８】
〔Ｓｉ：０．１〜０．９質量％〕
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。また、基地組織を強化し、転がり疲労寿命と耐摩耗性を向上させる。そのため、Ｓｉ量が０．１質量％未満ではこの効果が得られない。また、Ｓｉ含有量が０．９質量％を超えると冷間加工性及び切削性が低下する。好ましくは、安定した冷間加工性と切削性を得るために、０．１〜０．６質量％とする。
【００１９】
〔Ｍｎ：０．２〜１．２質量％〕
Ｍｎは基地に固溶して焼入れ性を向上させる効果がある。そのため、Ｍｎ含有量が０．２質量％未満ではこの効果が得られない。また、１．２質量％を超えると残留オーステナイト量が過多になり、寸法安定性が低下する。好ましくは、残留オーステナイト量を調整して寸法安定性を確保するために、０．２〜０．８質量％とする。
【００２０】
〔Ｐ：０．０３質量％以下（０質量％を含む）〕
Ｐは結晶粒界に偏析して粒界強度や破壊靭性値を低下させるため、鋼材中の含有量は少ない方が好ましい。しかし、更にＰ含有量を少なくしようとすると鋼材の生産性が下がり、鋼材コストが上昇するため、工業上広く利用することが難しくなる。従って、本発明ではＰ含有量を０．０３質量％以下とする。
【００２１】
〔Ｓ：０．０３質量％以下（０質量％を含む）〕
ＳはＭｎＳを形成し、介在物として作用するため、鋼材中の含有量は少ない方が好ましい。しかし、更にＳ含有量を少なくするには鋼材の生産性が下がり、鋼材コストが上昇するため、工業上広く利用することが難しくなる。従って、本発明ではＳ含有量量を０．０３質量％以下とする。
【００２２】
〔Ｎｉ：０．９質量％以下（０質量％を含む）〕
Ｎｉは不純物として鋼中に含まれるが、焼入れ性を向上させる効果とオーステナイトを安定化させる効果とを有し、多量に含有することにより靭性が向上する。しかし、Ｎｉは非常に高価な元素であるため、鋼材コストを上昇させる。従って、本発明ではＮｉを積極的に添加せず、０．９質量％以下とする。
【００２３】
〔Ｃｒ：１０．６〜１５．５質量％〕
Ｃｒは基地に固溶して焼入れ精、耐食性などを向上させるとともに、Ｃと結合して鋼中に固い炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる。また、本発明にとって重要な水素に対する耐久性を向上させる元素であり、水素が鋼中に侵入する速度を低下させる効果がある。更に、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組織変化を遅延し、転がり疲労寿命の低下を抑制する効果がある。そのため、Ｃｒ含有量が１０．６質量％未満になると上記の効果が小さく、水素ガス中では転がり疲労寿命が低下する。また、１５．５質量％を超えると鋼中に粗大な炭化物が生成しやすくなり、転がり疲労寿命が低下するおそれがある。好ましくは、粗大な炭化物の生成を安定的に抑制するため、１０．６〜１３．５質量％とする。
【００２４】
〔Ｍｏ：０．９質量％以下（０質量％を含む）〕
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効果があり、鋼中に硬い炭化物を形成して耐摩耗性及び転がり疲労寿命を向上させる。また、Ｃｒと同様に水素が鋼中に侵入する速度を低下させる効果があり、更には水素が侵入しても基地組織を安定化させることにより、水素による転がり疲労寿命の低下を抑制する効果がある。しかし、Ｍｏは非常に高価な元素であり、また選択的に添加する０．９質量％を超えると冷間加工性や切削性が低下する。好ましくは、コストと品質の安定性を考慮して、０．４質量％以下とする。
【００２５】
〔Ｃｕ：０．９質量％以下（０質量％を含む）〕
Ｃｕは不純物として鋼中に含有しており、含有量が多くなると熱間鍛造性が低下する。従って、本発明ではＣｕ含有量を０．９質量％以下とする。
【００２６】
〔Ｎ：０．４質量％以下（０質量％を含む）〕
ＮはＣと同様に侵入型元素として基地組織中に固溶し、硬さを向上させるので、転がり疲労寿命や耐摩耗性を向上させる。しかし、Ｎ含有量が多くなると他の元素と結合して窒化物あるいは炭窒化物を形成するが、Ｃと他の元素とからなる炭化物と異なり粗大になりにくい。そのため、Ｃ含有量が少なく、硬さが不足する場合には硬さを補うのに効果的であるが、０．４質量％を超えると冷間加工性や切削製が低下する。好ましくは、上記効果をより確実に得るため、０．１〜０．４質量％とする。
【００２７】
〔Ｏ：１９質量ｐｐｍ以下（０質量ｐｐｍを含む）〕
Ｏは不純物として鋼中に含有しており、Ａｌ２Ｏ３等の酸化物系の非金属介在物を形成する。酸化物系の非金属介在物は剥離の起点となり、転がり疲労寿命に影響を及ぼすので少ない方が好ましい。しかし、Ｏ含有量を少なくしようとすると、鋼材の生産性が下がり、鋼材コストが上昇するため、工業上広く利用することが難しくなる。従って、本発明ではＯ含有量を１９質量ｐｐｍ以下とする。
【００２８】
鋼材は上記組成であるが、更に下記の硬さ及び組織的特徴を備える。
【００２９】
〔焼入れ焼戻し後における、軌道面表層の硬さがＨｖ６５６〜７４３〕
水素による組織変化は、転動体と軌道輪との接触面圧によって材料内部に作用するせん断応力と、水素による局所的な塑性変形の促進作用の重畳によって生じる。基地組織の硬さを向上させることは、せん断応力に対して組織変化が生じるのを遅延させる効果がある。そのため、硬さがＨｖ６５６未満では上記の効果が小さくなり、転がり疲労寿命が低下する。また、Ｈｖ７４３を超えると、研削性が低下するようになる。
【００３０】
〔焼入れ焼戻し後における、金属組織中のマルテンサイト組織に含まれるＣｒ含有量が８質量％以上〕
前述したように、Ｃｒは水素による組織変化を遅延させる効果があるが、Ｃと結合して炭化物を形成しやすい。そのため、炭化物に多くのＣｒが取られると、炭化物周囲のマルテンサイト組織に含まれるＣｒ含有量が局所的に減少する。そして、Ｃｒ含有量が減少している部分は、水素による組織変化を遅延させる効果が小さくなるため、水素が侵入すると局所的に組織変化が生じ、そこから微小亀裂が発生、進展して転がり疲労寿命が低下する。従って、本発明では、金属組織中のマルテンサイト組織に含まれるＣｒ含有量を８質量％以上とする。尚、この量は、合金成分に含まれるトータルのＣｒ含有量と、炭化物の分布を焼入れ、焼戻し温度等を管理することにより達成される。
【００３１】
このマルテンサイト組織に含まれるＣｒ含有量は、電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いて軌道輪断面を５ｍｍ以上の距離を線分析で測定し、８質量％未満になっていないことを確認する。
【００３２】
〔焼入れ焼戻し後における、金属組織中に含まれる炭化物が面積率で３％以上〕
前述したように、水素ガス中で軌道輪と転動体とが金属接触して摩耗が生じると、更なる摩耗の加速や、それに伴う鋼中への水素の侵入が生じやすい。炭化物は非常に硬いため、軌道面の耐摩耗性を向上させる効果がある。そのため、炭化物の面積率が３％未満だと上記の効果が小さくなる。但し、炭化物の面積率が高くなると、合金成分中のＣｒが炭化物に使われるため、基地組織であるマルテンサイト中のＣｒ含有量が低下する。この炭化物の含有量は、好ましくは８％以下であり、より好ましくは６％以下である。
【００３３】
〔極値統計法によって３００００ｍｍ２中に含まれる炭化物の最大サイズを予測したとき、予測最大炭化物の面積の平方根（√area max）が２８μｍ以下〕
極値統計法は、正規分布、指数分布、対数分布等に従う集合に対して最大値及び最小値等の極値を予測する手法であり、鋼中に含まれる非金属介在物の最大径を予測する手法として非常に有効である。
【００３４】
前述したように、Ｃは転がり疲労寿命向上や耐摩耗性向上に効果がある。Ｃｒも水素による転がり疲労寿命の低下を抑制するため重要な元素である。しかし、ＣとＣｒが多くなると、ＣとＣｒとが結合して粗大な炭化物を形成しやすくなる。粗大な炭化物は、前述したように、炭化物周辺の基地組織のＣｒ含有量を低下させ、水素による局所的な組織変化を生じさせる原因になる。また、粗大な炭化物は非金属介在物と同様に応力集中源にもなるため、炭化物周辺のせん断応力が高くなることにより更に局所的な組織変化を加速させる。そのため、炭化物周辺の組織変化を抑制するためには、粗大な炭化物を無くする必要がある。
【００３５】
そこで本発明では、この極値統計法により、面積３００００ｍｍ２に存在する炭化物の最大サイズを予測した際に、予測最大炭化物の面積の平方根（√area max）を２８μｍ以下に規定することにより、転がり疲労寿命や耐摩耗性に影響するような粗大な炭化物が存在しないように規定している。この予測最大炭化物の面積の平方根は、好ましくは１２μｍ以下であり、より好ましくは９μｍ以下である。
【００３６】
尚、炭化物の大きさの管理は、合金成分、製鋼工程、軸受の鍛造工程、軸受の焼入れ焼戻し工程を調整することにより行うことができる。
【００３７】
また、極値統計を行う際には、日本トライボロジー学会の「軸受鋼における非金属介在物の評価法研究会（略称ＥＩＢＳ研究会）」が提案する方法を利用することが好ましい。即ち、鋼材断面の観察面積１００ｍｍ２中に含まれる最大の炭化物の大きさを求め、それを鋼材の３０箇所の断面で行い、統計処理により３００００ｍｍ２に含まれる最大の炭化物の大きさを求めることが好ましい。
【００３８】
本発明の転がり軸受を製造するには、上記した組成の鋼材を用い、熱間加工及び旋削加工により内輪や外輪を完成形状に近づけた後、焼入れ焼戻し処理を行い、仕上げ加工を行う。そして、転動体や保持器とともに、軸受を組み立てる。
【００３９】
尚、焼入れ焼戻し条件は、前記した硬さや組織特性に調整できれば制限はないが、例えば、焼入れは１０００〜１１００℃で所定の時間保持した後、油冷または空冷により急冷却する。標準的な軸受材料であるＪＩＳ−ＳＵＪ２では、８５０℃前後で焼入れを行うが、本発明の鋼材はＣｒ含有量が多く、化学的に安定な炭化物を形成するため、基地組織にＣを固溶させるためにはＳＵＪ２よりも高温で保持することが好ましい。焼入れ温度が低すぎるとＣの固溶が不十分で硬さが不足する。また、焼入れ温度がこれよりも高いと、結晶粒の粗大化による靭性低下や、過剰な残留オーステナイトの形成による寸法安定性の低下が生じる。
【００４０】
焼入れ後には金属組織中に残留オーステナイトが形成しているが、残留オーステナイト量と硬さの調整に、サブゼロ処理を行ってもよい。サブゼロ処理の一例としては、−８０℃程度のドライアイスの融点温度で３０〜６０分程度保持する。このサブゼロ処理により、残留オーステナイトの一部がマルテンサイトに変態し、残留オーステナイトが減少して硬さが増加する。
【００４１】
焼入れ後、またはサブゼロ処理後に焼戻しを行うが、焼戻し温度は１６０〜２４０℃が好ましい。焼戻し温度を変えることにより、残留オーステナイト量と硬さを好適な範囲に調整することができる。焼戻し温度が１６０℃より低いと、硬さが高すぎて靭性の低下や、過剰な残留オーステナイトによる寸法安定性の低下が生じる。焼戻し温度が２４０℃より高いと、硬さと残留オーステナイト量の低下による転がり疲労寿命が低下する。
【００４２】
焼入れ焼戻し後の残留オーステナイト量は３〜２０体積％が好ましい。残留オーステナイトは鋼の金属組織中に分散して形成され、鋼中に侵入した水素を強くトラップして拡散速度を著しく低下させる。従って、水素が局所的に集積するのを防ぎ、組織変化を抑制することができる。そのため、残留オーステナイト量が３体積％以上であると上記の効果が大きくなる。また、残留オーステナイト量が２０体積％以下であると、寸法安定性が低下しにくい。尚、残留オーステナイト量は、合金成分及び熱処理条件を変えることにより制御することができる。
【００４３】
また、得られる軌道面の軸方向の粗さを、粗さ曲線の最大高さ（Ｒｐ）で０．５μｍ以下にすることが好ましい。軌道面に突起があると、金属接触が起こり易くなる。特に水素ガス中で金属接触が起こると、酸化膜が形成されにくいため、金属接触した部分が化学的に活性な新生面になり、凝着摩耗が生じやすくなる。更に、新生面から鋼中に水素が侵入しやすくなるため、組織変化の発生も加速される。通常、粗さの管理には算術平均粗さ（Ｒａ）が用いられるが、水素ガス中での摩耗損傷の生じやすさと算術平均粗さ（Ｒａ）との間に良好な相関が得られない。本発明者らは、突起部の高さを表す「粗さ曲線の最大高さ（Ｒｐ）」を制御することが、水素ガス中での摩耗損傷を制御することに有効であることを見出した。このＲｐが０．５μｍ以下であると突起部で金属接触が発生しにくく、軌道面の凝着摩耗及び鋼中への水素侵入が生じにくくなる。
【００４４】
尚、本発明で用いる鋼材は、硬い炭化物を形成して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高さ（Ｒｐ）が大きくなりやすい。従って、Ｒｐを０．５μｍ以下にするためには、研削の際の砥石の種類、切り込む速度及び周速を好適に選択する必要がある。
【００４５】
転動体は軌道輪に比べて損傷を受けにくいため、一般的な軸受鋼や肌焼鋼に浸炭または浸炭窒化処理した鋼材製にすることもできるが、水素ガス圧が高い場合、軌道輪と転動体間の滑りが大きい場合、軸受回転数が高い場合、あるいは軸受が受ける荷重が高い場合など、使用環境が厳しい場合には、Ｃｒを１０．５〜１９．５質量％含有する合金鋼を用いることが好ましい。Ｃｒは、水素が鋼中に侵入する速度を低下させる効果がある。更に、水素が侵入しても基地組織を安定化させて転がり疲労寿命の低下を抑制する効果もある。但し、Ｃｒ含有量が１９．５質量％を超えると、粗大な炭化物が形成して転がり疲労寿命が低下する場合がある。より好ましくは、品質の安定性を考慮して、１０．５〜１３．５質量％とする。
【００４６】
また、転動体を窒化ケイ素やアルミナ−ジルコニア等のセラミックス製とすることも好ましい。これらのセラミックスは水素による強度低下がなく、耐摩耗性にも優れる。
【００４７】
本発明において転がり軸受の種類に制限はなく、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、スラスト玉軸受等の玉軸受、円筒ころ軸受や円錐ころ軸受、自動調心ころ軸受等のころ軸受、あるいはニードル軸受等に適用可能である。
【実施例】
【００４８】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【００４９】
（実施例１〜８、比較例１〜８）
表１の鋼種Ａ〜Ｌの鋼材を用いて、旋削加工でスラスト玉軸受５１３０５のリングの略形状にした。その後、焼入れ温度８４０〜１１００℃、焼戻し温度１６０〜２４０℃の範囲で表２に示すように調整して焼入れ焼戻しを行った。その後、研削加工で５１３０５リングの最終形状に仕上げた。また、各リングの硬さや組織特性、表面粗さを表２に示す。
【００５０】
転動体には、表１の鋼種Ｍで作製したボールを用いた。そして、５１３０５リング２枚と、ホール３個を組み合わせて転がり疲労試験用のスラスト玉軸受を作製し、下記条件１にて転がり疲労試験を行った。その際、各軸受で３〜５回の転がり疲労試験を行い、累積破損確率が５０％となる寿命（Ｌ５０寿命）を求めた。
＜条件１＞
・雰囲気ガス：水素ガス０．３ＭＰａ
・面圧；３．１ＧＰａ
・回転数：１０００ｍｉｎ−１
・潤滑油：ＩＳＯ−ＶＧ６８
【００５１】
転がり疲労試験の結果を表２に、比較例７のＬ５０寿命に対する寿命比で示す。尚、比較例７の鋼種Ｌは軸受に一般に用いられているＪＩＳ−ＳＵＪ２である。また、このＬ５０寿命比と、マルテンサイト中のＣｒ含有量との関係を図１に示す。
【００５２】
【表１】
2015105434.tif 000003
【００５３】
【表２】
2015105434.tif 000004
【００５４】
表１、２に示すように、実施例１〜８は、軌道輪の合金組成、硬さ、マルテンサイト中のＣｒ含有量、炭化物の面積率及び炭化物の予測最大サイズが本発明の範囲内であり、水素による寿命低下が少なく、摩耗損傷も抑制されているため、水素ガス中での転がり疲労寿命が長い。特に、実施例１〜４は、軌道輪の合金組成、炭化物の予測最大サイズ及び残留オーステナイト量がより好ましい範囲にあるため、本試験後にも水素による組織変化が生じておらず、特に優れた特性を示している。尚、実施例１〜８は、本試験において剥離が生じなかったため、試験を途中で打ち切った。
【００５５】
これに対し比較例１は、硬さが低いため、転がり疲労試験中に受ける繰り返しのせん断応力によって組織変化が生じてしまい、寿命が短くなっている。
【００５６】
比較例２は、炭化物の面積率が低いため、摩耗が生じやすい、更に、摩耗により軌道面に新生面が形成されて水素が侵入しやすくなり、組織変化が加速する。そのため、摩耗と水素による組織変化が加速して寿命が短くなっている。
【００５７】
比較例３は、炭化物の予測最大サイズが大きい。そのため、炭化物周辺に応力集中が生じる。更には、大きい炭化物が形成することにより炭化物中にＣｒが取り込まれるため、基地組織であるマルテンサイト中のＣｒ含有量が局所的に下がり、水素による組織変化が生じやすくなる。その結果、炭化物による応力集中と組織中のＣｒ含有量の低下により、寿命が短くなっている。
【００５８】
比較例４は、鋼中のＣ含有量が低いため、硬さと炭化物の面積率が低い。そのため、繰り返しのせん断応力に対する抵抗性と耐摩耗性が低いため、寿命が短くなっている。
【００５９】
比較例５は、鋼中のＣｒ含有量が低いため、基地組織であるマルテンサイト中のＣｒ含有量が低い。そのため、水素による組織変化が生じやすくなり、寿命が短くなっている。
【００６０】
比較例６は、鋼中のＣ含有量及びＣｒ含有量が高い。そのため、炭化物が形成されやすく、炭化物の予測最大サイズも大きい。その結果、炭化物周辺の応力集中によって寿命が短くなっている。
【００６１】
比較例７は、汎用のＪＩＳ−ＳＵＪ２製の転がり軸受であり、水素に対する対策をしていないため、著しく寿命が短くなっている。
【００６２】
比較例８は、鋼の合金組成や炭化物分布が本発明の範囲内であるものの、マルテンサイト中のＣｒ含有量が低いため、寿命が短くなっている。
【００６３】
また、実施例及び比較例の幾つかについて、マルテンサイト中のＣｒ含有量と寿命比との関係を調べたところ、図１に示すように、マルテンサイト中のＣｒ含有量が８質量％以上になると寿命比が５倍以上に延びている。
【００６４】
更に、図２に実施例６、図３に比較例６の転がり疲労試験後の金属組織を撮影した写真を示すが、実施例６では黒色の針状の組織が分散して発生しているのに対し、比較例６では炭化物の回りに集中して黒色の針状の組織が密集しており、棒状の白色組織が発生している。黒色の針状組織は組織変化の初期段階であり、白色組織は組織変化が進行したものである。
【００６５】
（実施例９〜１２）
表１に示す鋼種Ｃを用い、粗さ曲線の最大高さ（Ｒｐ）が異なる５１３０５リングを作製した、そして、転動体を全て窒化ケイ素製のボールとし、下記の条件２にて同様の転がり疲労試験を行った。尚、条件２は条件１よりも水素ガス圧が高く、潤滑油の粘度が低いため、鋼中に侵入する水素量が多くなり、厳しい条件である。結果を表３に、比較例７に対する相対寿命で示す。
＜条件２＞
・雰囲気ガス：水素ガス０．６ＭＰａ
・面圧；３．１ＧＰａ
・回転数：１０００ｍｉｎ−１
・潤滑油：ＩＳＯ−ＶＧ３２
【００６６】
【表３】
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【００６７】
表３に示すように、同一材料からなり、算術平均粗さ（Ｒａ）が同等であっても、Ｒｐが変わることにより、転がり疲労試験後における水素による組織変化の発生状況が異なっている。そして、Ｒｐが０．５μｍ以下であれば、転がり疲労試験後における水素による組織変化が起こらず、より好ましい結果が得られている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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