(57)【要約】【課題】優れた特性を有する転動部材および転がり軸受を提供する。【解決手段】深溝玉軸受１において、外輪２、内輪３、および玉４のうち少なくともいずれか１つは、０．２質量％以上０．８質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．０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、７．０質量％以上１５．０質量％以下のクロムと、０．０５質量％以上０．２０質量％以下の窒素と、０．１質量％以上０．３質量％未満のニッケルと、０．０２質量％以下の硫黄とを含有しており、残部鉄および不可避的不純物からなっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．２質量％以上０．８質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．０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、７．０質量％以上１５．０質量％以下のクロムと、０．０５質量％以上０．２０質量％以下の窒素と、０．１質量％以上０．３質量％未満のニッケルと、０．０２％以下の硫黄とを含有し、残部鉄および不可避的不純物からなる、転動部材。
【請求項２】
炭化物粒子を含み、前記炭化物粒子の最大粒径は５μｍ以下であり、かつ炭化物の面積率は６％以下である、請求項１に記載の転動部材。
【請求項３】
２つの軌道部材と、前記２つの軌道部材の間における円環状の軌道に配置される複数の転動体とを備え、
前記２つの軌道部材のうち一方の軌道部材、他方の軌道部材、および前記転動体のうち少なくともいずれか１つが請求項１または２に記載の転動部材である、転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は転動部材および転がり軸受に関し、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および燃料電池用転がり軸受に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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は特殊な環境で使われるため、種々の優れた特性が要求される。
【０００４】
燃料電池用軸受において軸受内のグリースが溶け出すと、軸受の軌道部材と転動体とが金属接触を起こし、金属接触部では新生面が生じる。そしてこの新生面でグリースが分解し、グリースから水素が発生して軸受中へ浸入する。また燃料電池用軸受は、発電に用いられる水素が多量に存在している環境において使用されるので、これらの水素が軸受中に浸入する。軸受中に水素が浸入すると、疲労強度が著しく低下し、早期剥離を引き起こすという問題が生じやすい。これらの理由から、燃料電池用軸受には優れた耐水素脆性が要求される。
【０００５】
また、燃料電池用軸受において燃料となる水素は、炭化水素やメタノールなどに水を加えて改質した液体から分離、抽出される。この改質の主反応では、水素のほかに一酸化炭素や二酸化炭素が発生するため、これらのガスが原因となり腐食環境が形成される可能性がある。したがって、燃料電池用軸受には優れた耐食性が要求される。
【０００６】
加えて、グリースに水が混入することにより、グリースの潤滑性能が低下し、焼付きや摩耗が生じるといった問題も生じ得る。したがって、燃料電池用転がり軸受には優れた耐焼付き性および耐摩耗性も要求される。
【０００７】
燃料電池用転がり軸受の種々の特性を向上するために、従来、様々な対策がなされている。グリースの材質の面からの対策として、グリースの劣化を防止する方法がある。たとえば特開２００３−２０３６５７号公報（特許文献１）には、フッ素グリース、ウレアグリース、またはリチウムコンプレックスグリースなどのグリースを封入したシール付き軸受が開示されている。
【０００８】
また、鋼材の面からの対策として、鋼にクロムを添加して耐水素脆性および耐食性を向上する方法がある。たとえば特開２０００−２８２１７８号公報（特許文献２）には、炭素の含有率が０．５５重量％以上１．１０重量％以下であり、クロムの含有率が２．０重量％以上９．０重量％以下であり、モリブデンの含有率が１．１重量％以上４．０重量％以下であり、バナジウムの含有率が０．３重量％以上２．０重量％以下である鉄鋼材料が開示されている。特許文献２では、鋼にクロムを多量に添加して鋼表面に不動態膜を形成し、不動態膜によって鋼中への水素の拡散が抑制されている。その結果、耐水素脆性や耐食性が向上されている。
【０００９】
さらに、鋼材の面からの対策として、鋼に含まれる炭素の一部を窒素で置換して耐食性を向上する方法がある。たとえば特開２００２−１０５６００号公報（特許文献３）には、炭素：０．３５〜０．６５ｍａｓｓ％、珪素：２．０ｍａｓｓ％以下、マンガン：１．５ｍａｓｓ％以下、窒素：０．０５０〜０．２０ｍａｓｓ％、クロム：７．０〜１０．０ｍａｓｓ％、ニッケル：０．３〜０．８ｍａｓｓ％、かつ炭素＋窒素≦０．７０ｍａｓｓ％とし、残部鉄および不可避不純物からなる高硬度耐食鋼が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−２０３６５７号公報
【特許文献２】特開２０００−２８２１７８号公報
【特許文献３】特開２００２−１０５６００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記の鋼材の面からの対策は未だに不十分であった。特許文献２のようにクロムを多量に添加すると、鋼中の炭化物が粗大化して応力集中源となるので、マトリックス強度そのものが低下するという問題があった。また、クロムの不動態膜は水素の鋼表面への吸着を助長する効果を有しているため、不動態膜表面の水素濃度が高くなる。軸受の運転停止時間が比較的長い場合には、停止時に水素が散逸するため、鋼中への水素の浸入を遅らせることができ、水素起因の早期剥離を防止する効果が得られる一方、軸受が連続運転される場合には、水素が散逸することなく不動態膜表面の水素濃度が高いまま保たれ、鋼中へ高濃度の水素が浸入し得る。その結果、水素起因の早期剥離が引き起こされるおそれがある。また、特許文献３の鋼材も耐水素疲労特性が十分ではなかった。
【００１１】
優れた特性を有する転動部材および転がり軸受を得ることは、燃料電池用のみならず、転動部材および転がり軸受全般に求められていることである。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、優れた特性を有する転動部材および転がり軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明における転動部材は、０．２質量％以上０．８質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．０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、７．０質量％以上１５．０質量％以下のクロムと、０．０５質量％以上０．２０質量％以下の窒素と、０．１質量％以上０．３質量％未満のニッケルと、０．０２質量％以下の硫黄とを含有し、残部鉄および不可避的不純物からなっている。
【００１４】
本発明の転動軸受においては、０．０５質量％以上のＮを鋼が含有することにより、鋼中のＣの一部がＮで置換される。これにより、Ｃｒ含有量が同一であり、かつＮ含有量が０．０５質量％未満の鋼と比較して、耐食性を高め、巨大な炭化物の形成を抑制することができる。また、各成分を適切な範囲に調整することにより、耐水素疲労特性に優れ、転動疲労寿命、耐摩耗性、耐焼付き性などの特性に優れた転動部材を得ることができる。
【００１５】
次に、本発明の転動部材における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。
【００１６】
炭素：０．２質量％以上０．８質量％以下
炭素の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。このため、炭素の含有量は０．８質量％以下である。
【００１７】
一方、炭素は炭化物として直径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。炭素の含有量が０．２質量％未満では、当該炭化物の析出量が少なく、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、炭化物が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。
【００１８】
珪素：０．１５質量％以上２．０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、珪素の含有量を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、珪素の含有量は０．１５質量％以上である。一方、珪素の含有量が２．０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、珪素の含有量が２．０質量％を超えると、転動部材の靭性が低下するおそれもある。そのため、珪素の含有量は２．０質量％以下である。
【００１９】
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、マンガンの含有量を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、マンガンの含有量は０．３質量％以上である。一方、転動部材を構成する鋼のマンガンの含有量が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。
【００２０】
クロム：７．０質量％以上１５．０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。クロムの含有量が７．０質量％未満では、緻密なクロム酸化物の皮膜が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、クロムの含有量が１５．０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。また、耐摩耗性およびスミアリング特性の低下を招く。さらに、クロムの含有量が１５．０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、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、クロムの含有量は、７．０質量％以上１５．０質量％以下である。
【００２１】
窒素：０．０５質量％以上０．２０質量％以下
窒素は、本発明の転動部材を構成する鋼に含有されることにより、当該鋼の素地中に固溶し、転動部材の耐食性の向上に寄与する。窒素の含有量が０．０５質量％未満では、耐食性向上の効果が小さい。一方、窒素の含有量が０．２０質量％を超えると、当該鋼の製造工程における鋳造の際、鋳塊（インゴット）内に気泡が発生し、燃料電池用転動部材の特性に悪影響を及ぼすおそれがある。したがって、窒素の含有量は０．０５質量％以上０．２０質量％以下である。
【００２２】
ニッケル：０．１質量％以上０．３質量％以下
ニッケルは鉄炭化物に溶けにくいので、炭化物形成に影響を及ぼさないと考えられる。従って、ニッケルの含有量が０．１質量％以上であることにより、スミアリング特性を劣化させることなく耐水素疲労寿命および耐食性を向上することができる。一方、ニッケルの含有量が１．５質量％を越えると、転動疲労寿命および耐摩耗性を向上することができない。また、ニッケルの含有量が０．３質量％以上の場合には、コストが大きくなり、また、０．３質量％以上１．５質量％以下のニッケルを含有させても燃料電池用部材の特性としては０．１質量％の場合と大差がない。したがって、ニッケルの含有量は０．１質量％以上０．３質量％未満である。
【００２３】
硫黄：０．０２質量％以下
転動部材を構成する鋼に含まれる硫黄の含有量を０．０１質量％未満まで減らすことは困難である。一方、硫黄は鋼の熱間加工性を害し機械的性質を劣化させる性質を有している。過度に硫黄を含むことは耐食性および寿命の観点から好ましくない。したがって、硫黄の含有量は０．０２質量％以下である。
【００２４】
本発明の転動部材において好ましくは、炭化物粒子を含み、炭化物粒子の最大粒径は５μｍ以下であり、かつ炭化物の面積率は６％以下である。炭化物粒子の最大粒径を５μｍ以下とすることにより、炭化物粒子を鋼の素地に対して整合して析出させることができる。そのため、鋼の素地が析出硬化されて、転動部材の十分な硬度を確保することができる。また、炭化物の面積率を６％以下とすることにより、過多な炭化物が加工性（研削性）や精度を阻害することを防止することができる。
【００２５】
本発明の転がり軸受は、２つの軌道部材と、２つの軌道部材の間における円環状の軌道に配置される複数の転動体とを備えている。２つの軌道部材のうち一方の軌道部材、他方の軌道部材、および転動体のうち少なくともいずれか１つが上記の軸受部材である。これにより、優れた特性を有する転がり軸受を得ることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、優れた特性を有する転動部材および転がり軸受を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態における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、深溝玉軸受１は、燃料電池用転がり軸受であり、軌道部材としての外輪２および内輪３と、複数の玉４とを備えている。内輪３は外輪２の内側に配置されており、外輪２および内輪３はいずれも環状の形状を有している。複数の玉４の各々は、外輪２と内輪３との間に配置されており、円環状の保持器５に保持されている。
【００２８】
外輪２の内周面には外輪転走面２Ａが形成されており、内輪３の外周面には内輪転走面３Ａが形成されている。そして、内輪転走面３Ａと外輪転走面２Ａとが互いに対向するように、外輪２と内輪３とは配置されている。さらに、複数の玉４は、内輪転走面３Ａおよび外輪転走面２Ａに接触し、かつ保持器５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、外輪２および内輪３は、互いに相対的に回転可能となっている。
【００２９】
本実施の形態の深溝玉軸受１において、外輪２、内輪３、および玉４のうち少なくともいずれか１つは、０．２質量％以上０．８質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．０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、７．０質量％以上１５．０質量％以下のクロムと、０．０５質量％以上０．２０質量％以下の窒素と、０．１質量％以上１．５質量％以下のニッケルと、０．０１質量％以上０．０３質量％以下の硫黄とを含有しており、残部鉄および不可避的不純物からなっている。これにより、耐水素疲労特性に優れ、転動疲労寿命、耐摩耗性、耐焼付き性などの特性に優れた転動部材を得ることができる。
【００３０】
また、外輪２、内輪３、および玉４のうち少なくともいずれか１つは、炭化物粒子を含んでおり、その炭化物粒子の最大粒径は５μｍ以下であり、かつ炭化物の面積率は６％以下である。炭化物粒子の最大粒径を５μｍ以下とすることにより、炭化物粒子を鋼の素地に対して整合して析出させることができる。そのため、鋼の素地が析出硬化されて、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、炭化物の面積率を６％以下とすることにより、過多な炭化物が加工性（研削性）や精度を阻害することを防止することができる。
【００３１】
また、本発明の転がり軸受は、図１に示す深溝玉軸受の他、たとえば図２に示すスラストニードルころ軸受であってもよい。
【００３２】
図２は、本発明の他の実施の形態における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、スラストニードルころ軸受９は、軌道部材および転動体の構成において図１に示す深溝玉軸受１とは異なっている。すなわち、スラストニードルころ軸受９は、軌道部材としての一対の軌道輪６と、転動体としての複数のニードルころ７と、保持器８とを備えている。一対の軌道輪６は、円盤状の形状を有しており、互いに一方の主面が対向するように配置されている。複数のニードルころ７は、一対の軌道輪６の互いに対向する主面に形成された軌道輪転走面６Ａに接触し、かつ円環状の保持器８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、スラストニードルころ軸受９の一対の軌道輪６は、互いに相対的に回転可能となっている。
【００３３】
ここで、２つの軌道輪６およびニードルころ７は、それぞれ図１の外輪２、内輪３および玉４に該当し、同様の構成を有している。このため、図１と同様の効果を得ることができる。
【００３４】
次に、本発明の転動部材の製造方法の一例を説明する。図３は、転動部材の製造方法の一例を示す流れ図である。
【００３５】
図３を参照して、まず工程（Ｓ１００）において、０．２質量％以上０．８質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．０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、７．０質量％以上１５．０質量％以下のクロムと、０．０５質量％以上０．２０質量％以下の窒素と、０．１質量％以上０．３質量％未満のニッケルと、０．０２質量％以下の硫黄とを含有し、残部鉄および不可避的不純物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や鋼線などが準備される。
【００３６】
次に工程（Ｓ２００）において、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形された成形部品を作製する成形工程が実施される。具体的には、たとえば上記棒鋼や鋼線などに対して鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、図１に示される外輪２、内輪３、玉４などの概略形状に成形された成形部品が作製される。
【００３７】
次に工程（Ｓ３００）において、成形部品を熱処理する熱処理工程が実施される。具体的には、成形工程（Ｓ２００）において作製された成形部品に、７７５℃以上１０７５℃以下の範囲で保持した後油冷して焼入れ処理を施すか、または浸炭または浸炭窒化処理後に焼入処理を施し、焼入処理後にさらに、焼戻温度１８０℃以上３００℃以下、好ましくは２２０℃以上３００℃以下、より好ましくは２４０℃以上３００℃以下で焼戻処理される。これにより、鋼の素地中に固溶している炭素が、最大粒径５μｍ以下の炭化物粒子として当該素地中に微細に析出する。この炭化物の面積率は６％以下となる。
【００３８】
次に工程（Ｓ４００）において、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成形部品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２、内輪３、玉４などが仕上げられる。これにより、この発明に係る転動部材としての外輪２、内輪３、玉４などが完成する。
【００３９】
なお、上記実施の形態においては、本発明の転がり軸受の一例として燃料電池用深溝玉軸受および燃料電池用スラストニードルころ軸受について説明したが、本発明の転がり軸受はこれらの限定されるものではなく、本発明の転動部材はこれらの軸受に用いられるものに限定されるものではない。本発明の転がり軸受は、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。また、上記実施の形態においては転動部材の製造方法の一例について説明したが、本発明の転動部材の製造方法はこの方法に限定されるものではない。
【実施例１】
【００４０】
本実施例では本発明の転動部材の耐水素疲労寿命について調べた。まず、試験の対象となる試料の作製方法について説明する。はじめに、表１および表２に示す化学成分を有する鋼材を準備した。表１および表２において、主要化学成分については、炭素（Ｃ）、珪素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、および窒素（Ｎ）の各含有量が質量％で示されている。また表１および表２には示されていないが、試料ＡおよびＢを除く全ての試料は０．０２質量％以下の硫黄をさらに含んでいる。これらの成分の残部は鉄および不可避的不純物である。そして、上記鋼材を試験片の概略形状に成形し、成形部品とした。次に、試験片に対して焼入焼戻を行ない、焼戻後の硬度がＨｖ７００以上（ＨＲＣ６０以上）とした。そして、熱処理後の成形部品に仕上げ加工を実施することにより、試験片を完成させた。
【００４１】
なお、試料４−３〜試料４−７が本発明例の試料であり、これら以外は比較例の試料である。また、一般的な軸受用鋼である現用の軸受鋼ＪＩＳ  ＳＵＪ２（試料Ａ）と、高硬度のステンレス鋼であるＪＩＳ  ＳＵＳ４４０Ｃ（試料Ｂ）も比較例の試料として併せて評価した。
【００４２】
【表１】
2008075147.tif 000003
【００４３】
【表２】
2008075147.tif 000004
【００４４】
図４は、実施例１において耐水素疲労寿命試験で使用される試験片の構成を示す概略図である。図４を参照して、試験片１０はサーキュラーテーパーダンベル型（砂時計型）と呼ばれる形状である。具体的には、直径φ１２ｍｍ、長さ６８．７４ｍｍの円柱状であり、試験片１０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１１が形成されている。節部１１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１０の一方の端部には、試験片１０を試験機に固定するための長さ１０ｍｍのねじ部１２が形成されており、当該ねじ部１２を含めた試験片の全長は７８．７４ｍｍとなっている。
【００４５】
次に、耐水素疲労寿命試験の試験方法について説明する。図４に示す形状の試験片に水素をチャージした後、負荷応力振幅一定（４５０ＭＰａ）にて引張−圧縮疲労試験を行って、試験片が破断するまでの負荷回数（寿命）を評価した。水素チャージは、表３に示す条件にて行った後、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℃／ｈ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。
【００４６】
【表３】
2008075147.tif 000005
【００４７】
次に、この試験片を軸荷重疲労試験機にセットし、表４に示すような条件にて、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。
【００４８】
【表４】
2008075147.tif 000006
【００４９】
試験片に導入された拡散性水素は、常温でも鋼中を拡散し、時間が経てば散逸してしまう。しかし、この試験は負荷周波数が２０ｋＨｚという高速負荷であり、極短時間で負荷回数が１０8回に達するので拡散性水素が散逸する余地がなく、したがって疲労寿命に及ぼす水素の影響を迅速に評価することができる。
【００５０】
次に、耐水素疲労寿命試験の結果について説明する。図５は、実施例１における同一電流密度（０．３ｍＡ／ｃｍ2）で水素チャージした場合の水素侵入量の変化を示す図である。図５を参照して、クロム以外の成分に関わらず、クロムの含有量が増加するほど水素侵入量は増加している。また、同一のクロム含有量の試料同士で比較すると、ニッケルの含有量が多いほど水素侵入量は増加している。さらに、窒素を含まず炭素の含有量が０．５質量％である試料と、炭素と窒素とを含み炭素の含有量と窒素の含有量との和が０．５質量％の試料とを比較すると、水素浸入量にほとんど差はない。なお、他の電流密度で水素チャージした場合も同様の傾向となった。図５の結果より、クロムおよびニッケルの含有量が多いほど水素が多くトラップされることが分かる。
【００５１】
図６は、実施例１における炭素と窒素とを含み炭素の含有量と窒素の含有量との和が０．５質量％の試料における水素チャージ電流密度と疲労寿命の関係を示す図である。図６を参照して、クロムの含有量が５質量％以上である場合の結果から得られた９本の直線は、クロムの含有量が３質量％である場合の結果から得られた３本の直線に比べて長疲労寿命側にシフトしている。この結果から、水素チャージ電流密度が同じ場合、つまり水素が侵入する環境が同一条件の場合には、クロムの含有量が５質量％以上の試料では、ＳＵＪ２の試料Ａのよりも水素侵入時の疲労寿命が優れていることが分かる。また、クロムの含有量が５質量％以上である場合の９本の直線は互いに接近していることから、クロムの含有量が５質量％以上の場合には、それ以上クロムを増加させても疲労寿命が大きく向上することはなく、いずれもＳＵＳ４４０Ｃ（試料Ｂ）に匹敵する長寿命が得られることが分かる。
【００５２】
また、同一のクロムの含有量でニッケルの含有量が異なるもの同士を比較すると、直線の傾きはほぼ同じであるが、ニッケルの含有量が１．５質量％の場合に最も長寿命となった。この結果は、ニッケルの含有量が多いほど水素は多くトラップされるという効果と、ニッケルの含有量が多いほど残留オーステナイトが増えて硬度が低下し、疲労寿命が低下するという効果との両者の効果が相俟ったものと考えられる。
【００５３】
さらに、結果としては示していないが、窒素を含まず炭素の含有量が０．５質量％である場合にも、他の合金成分が同じ鋼の結果とほとんど差が見られず、同様の傾向を示した。通常、炭素の含有量が少ないほど疲労強度や疲労寿命は低下するが、本実施例では、水素侵入時には炭素の含有量が少なくても、炭素の含有量と窒素の含有量との和が同等であれば疲労寿命の低下には影響しないことが明らかとなった。
【００５４】
本実施例の結果から、ニッケルの含有量を１．５質量％とし、クロムの含有量を５質量％以上にすることにより、耐水素疲労寿命を向上できることが分かった。
【実施例２】
【００５５】
本実施例では本発明の転動部材の耐食性について調べた。耐食性試験においては、水中に二酸化炭素をバブリング（０．２１／ｍｉｎ，２５℃，ｐＨ４．３）することにより燃料電池の実環境を模擬し、表１および表２に示す試料の試験片をこの水溶液中に入れて試料ごとに腐食電位を測定した。
【００５６】
図７は、実施例２におけるクロムの含有量と腐食電位との関係を示す図である。なお、腐食電位が高いほど耐食性に優れることを意味しており、図中の破線は、ネルンストの式より求めた本条件における鋼の平衡電位である。図７を参照して、Ｃｒの含有量が増加するに従って腐食電位は増加しており、Ｃｒの含有量が１０質量％以上となるとＮｉの含有量に関わらず腐食電位は一定となっている。また、同一のクロムの含有量でニッケルの含有量が異なるもの同士を比較すると、ニッケルの含有量が増加するほど腐食電位は増加している。平衡電位よりも高い電位となれば腐食が起こらないので、ニッケルの含有量が０．１質量％〜１．５質量％であり、かつクロムの含有量が７質量％の場合と、ニッケルの含有量が３．０質量％以上であり、かつクロムの含有量が５質量％の場合とでは、腐食が起こらないことが分かった。
【００５７】
また、炭素の一部を窒素で置換した場合（試料４−１〜試料４−７，試料５−１〜試料５−７，および試料６−１〜６−７の場合）には、窒素を含まない場合（試料１−１〜試料１−７，試料２−１〜試料２−７，および試料３−１〜３−７の場合）に比べて、同一のクロムの含有量同士で比較すると耐食性がさらに向上している。従って窒素を含むことによって耐食性が向上することが分かる。
【実施例３】
【００５８】
本実施例では本発明の転動部材の転動疲労寿命について調べた。転動疲労寿命試験は、表１および表２に示す試料の試験片について、転動疲労寿命試験機を用いて行なわれた。転動疲労寿命試験条件を表５に示す。
【００５９】
【表５】
2008075147.tif 000007
【００６０】
図８および図９は、転動疲労寿命試験機の主要部の構成を示す図である。図８は概略正面図であり、図９は概略側面図である。図８および図９を参照して、転動疲労寿命試験機２０は、駆動ローラ２２と、案内ローラ２３と、鋼球２４とを備えている。そして、転動疲労寿命試験片２１は、駆動ローラ２２によって駆動され、鋼球２４と接触して回転する。鋼球２４は、案内ローラ２３にガイドされて、転動疲労寿命試験片２１との間で高い面圧を及ぼし合いながら転動する。潤滑油は強制循環により給油される。以上のように転動疲労寿命試験機２０を運転し、試験片に剥離が発生するまでの荷重の負荷回数（寿命）を調査した。得られた寿命を統計的に解析し、累積破損確率が１０％となる寿命（Ｌ１０寿命）を算出した。
【００６１】
図１０は、実施例３におけるクロムの含有量と転動疲労寿命（Ｌ１０寿命）との関係を示す図である。図１０を参照して、クロムの含有量が増加するに従って転動疲労寿命は低下している。特に窒素を含有しない場合（試料１−１〜試料１−７，試料２−１〜２−７，および試料３−１〜試料３−７の場合）には、Ｃｒの含有量が１０質量％を越えると転動疲労寿命が著しく低下する。しかし、炭素の一部を窒素（０．１０質量％）で置換することにより、転動疲労寿命の低下が緩やかになっている。窒素を含有する場合には、１５質量％のクロムを含有する場合でも、転動疲労寿命は試料Ｂ（ＳＵＳ４４０Ｃ）の３倍程度まで向上している。この理由としては、窒素を添加することにより、炭素の含有量が少ない分、巨大炭化物の形成が抑制されたことが考えられる。
【００６２】
また、ニッケルの含有量と転動疲労寿命との関係を見ると、ニッケルの含有量が０．１質量％〜１．５質量％の場合には転動疲労寿命はほとんど変化しないが、ニッケルの含有量が３．０質量％の場合には転動疲労寿命が大きく低下している。この理由としてはニッケルの増加に伴なって残留オーステナイトが増えて硬度が低下したためであると考えられる。
【００６３】
本実施例の結果から、ニッケルの含有量を０．１質量％以上１．５質量％以下とし、かつクロムの含有量を１５質量％以下とし、かつ窒素を含むことにより、転動疲労寿命が向上することが分かった。
【実施例４】
【００６４】
本実施例では本発明の転動部材の耐摩耗性について調べた。耐摩耗性試験は、表１および表２に示す試料の試験片について、サバン型摩耗試験機を用いて行なわれた。サバン型摩耗試験条件を表６に示す。
【００６５】
【表６】
2008075147.tif 000008
【００６６】
図１１および図１２は、サバン型摩耗試験機の主要部の構成を示す図である。図１１は概略正面図であり、図１２は概略側面図である。図１１および図１２を参照して、サバン型摩耗試験機４０は、ロードセル４３とエアスライダ４４とを備える。平板形状の摩耗試験片４１はエアスライダ４４に保持され、摩耗試験時に負荷される荷重４２はロードセル４３により検出される。そして、摩耗試験片４１の鏡面研磨された表面と、相手材４５の外周面とを接触させ、相手材４５を回転させる。摩耗試験片４１と相手材４５との接触面には直接潤滑油が供給されず、相手材４５の一部が潤滑油４６に浸漬される。以上のようにサバン型摩耗試験機４０を運転し、相手材を６０分間回転させた後の試験片の摩耗体積を計測することにより、摩耗強度を調査した。
【００６７】
図１３は、実施例４におけるクロムの含有量と摩耗強度比との関係を示す図である。摩耗強度比は、試料Ａ（ＳＵＪ２）の摩耗強度を基準とした値である。図１３を参照して、クロムの含有量が増加するに従って摩耗強度比は低下している。これは、Ｃｒが増加するにつれて炭化物が巨大化するためであると考えられる。しかし、窒素を添加することにより、クロムの含有量が１０質量％以上の場合でも摩耗強度比の減少が緩やかになっている。これは、炭素量が減少しているが窒素が添加されているので硬度が維持されているという理由と、炭素の含有量が減少することにより炭化物サイズが小さくなっているという理由とによるものだと考えられる。
【００６８】
また、ニッケルの含有量と摩耗強度比との関係を見ると、ニッケルの含有量が多いほど摩耗強度比が減少している。特に窒素を含有しており、かつ３．０質量％のニッケルを含有している場合の摩耗強度比は、窒素を含まず０．１質量％のニッケルを含有している場合の摩耗強度比とほぼ同じ水準になっている。この理由としてはニッケルの増加に伴なって残留オーステナイトが増えて硬度が低下したためであると考えられる。
【００６９】
本実施例の結果から、ニッケルの含有量を少なくし、かつクロムの含有量を１５質量％以下とし、かつ窒素を含むことにより、耐摩耗性が向上することが分かった。
【実施例５】
【００７０】
本実施例では本発明の転動部材のスミアリング特性について調べた。スミアリング特性は、表１および表２に示す試料の試験片について、スミアリング試験機を用いて行なわれた。スミアリング試験条件を表７に示す。
【００７１】
【表７】
2008075147.tif 000009
【００７２】
図１４は、スミアリング試験機の主要部の構成を示す模式図である。図１４を参照して、スミアリング試験機６０は、第１軸６３と、第２軸６４と、第１軸側試験片６１と、第２軸側試験片６２とを備えている。第１軸６３と第２軸６４とは互いに平行になるように配置されている。第１軸側試験片６１は、第１軸６３の一方の端部において第１軸６３の軸まわりに回転可能に固定されており、図示しないナットで第１軸６３に固定されている。同様に、第２軸側試験片６２は、第２軸６４の一方の端部において第２軸６４の軸まわりに回転可能に固定されており、図示しないナットで第２軸６４に固定されている。第１軸側試験片６１の外周面と第２軸側試験片６２の外周面とは互いに接触している。第１軸６３の他方の端部には回転速度計６５とスリップリング６６とが取り付けられており、第２軸６４の他方の端部には回転速度計６５とスリップリング６６とが取り付けられている。
【００７３】
そして、第１軸側試験片６１に潤滑油が滴下されつつ、第１軸６３および第２軸６４が回転される。第１軸６３は回転速度が徐々に増加するように回転され、第２軸６４は一定速度で回転される。これにより、第１軸側試験片６１が回転するとともに、第２軸側試験片６２が第１軸側試験片６１と接触しつつ回転する。以上のようにスミアリング試験機６０を運転し、第１軸側試験片６１または第２軸側試験片６２にスミアリングが生じたときの第１軸６３と第２軸６４との相対速度差から摩耗強度を評価した。
【００７４】
図１５は、実施例５におけるクロムの含有量と摩耗強度比との関係を示す図である。摩耗強度比は、試料Ａ（ＳＵＪ２）の摩耗強度を基準とした値である。図１５を参照して、Ｎｉの含有量に関わらず、Ｃｒの含有量の増加に従って摩耗強度比は一旦増加し、その後低下している。Ｃｒの含有量が１０質量％の場合に摩耗強度が最も優れている。これは、Ｃｒの含有量が１０質量％の場合には、耐熱性もある程度あり、かつ炭化物サイズも大きくなりすぎないためであると考えられる。スミアリング損傷は、局部的な過度の温度上昇が原因であるため、耐熱性に優れる材料ほどスミアリングは発生しにくい。クロムは耐焼戻軟化抵抗性が高く耐熱性を向上させる元素であるため、クロムの含有量が多いほどスミアリング特性に優れると予想される。一方、クロムの含有量が多いほど炭化物は巨大化していき応力集中源となるので、スミアリング特性には不利に働く。このため、中間のクロム含有量である１０質量％の場合に最も優れたスミアリング特性が得られたものと考えられる。
【００７５】
また、ニッケルの含有量と摩耗強度比との関係を見ると、ニッケル以外の組成が同一である場合には、ニッケルの含有量が変化しても摩耗強度比はほとんど変化していない。これは、ニッケルは鉄炭化物に溶けにくいので、炭化物形成に影響を及ぼさないためと考えられる。なお、試料Ｂ（ＳＵＳ４４０Ｃ）では試料Ａと同程度のスミアリング特性が得られている。
【００７６】
本実施例の結果から、ニッケルの含有量を０．１質量％以上とし、かつクロムの含有量を７質量％以上１５質量％以下とし、かつ窒素を含むことにより、耐摩耗性が向上することが分かった。
【実施例６】
【００７７】
本実施例では転動部材の成分が転動部材に含まれる炭化物に及ぼす影響について調べた。表１および表２に示す試料の試験片を切り出し、その断面をピクリン酸アルコール溶液（ピクラル）を用いてエッチングした後に、光学顕微鏡により４００倍に拡大して撮影した写真を用いて観察した。そして、任意の４０視野分の写真において、写真中最大の炭化物粒子の粒径を計測することにより、炭化物粒子の最大粒径を求めた。また、炭化物の面積率は、たとえば転動部品を切り出した断面を、ピクリン酸アルコール溶液（ピクラル）を用い腐食した後に、光学顕微鏡（４００倍）で観察し、２０視野分を画像解析し、０．５μｍ以上の粒径を有する炭化物を抽出することにより、炭化物の面積率を求めた。
【００７８】
図１６は、実施例６におけるクロムの含有量と、炭化物粒子の最大粒径および炭化物面積率との関係を示す図である。図１６を参照して、炭化物粒子の最大粒径に関しては、窒素を含有しない場合にはクロムの含有量の増加に従って増加しており、窒素を含有する場合にはクロムの含有量が７質量％以上ではほぼ一定となっている。炭化物面積率に関しては、窒素を含有するか否かに関わらず、クロムの含有量が増加してもあまり変化は見られていない。
【００７９】
ここで、同一のクロムの含有量で、窒素を含有する試料としないと試料とを比較すると、窒素を含有するの試料の炭化物面積率の方が小さくなっており、クロムの含有量が７質量％以上１５質量％以下の範囲では、炭化物面積率は６％以下となっている。なお、ニッケルの含有量による炭化物粒子の最大粒径および炭化物面積率の変化は見られなかった。これは、ニッケルが炭化物に影響を及ぼさないためと考えられる。
【００８０】
本実施例の結果から、本発明の転動部材においては、炭化物粒子の最大粒径が５μｍ以下であり、かつ炭化物の面積率は６％以下であることが分かった。炭化物をこのように制御することで、特に燃料電池用転動部材として適する炭化物の形態となる。
【００８１】
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。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明の転動部材および転がり軸受は、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および燃料電池用転がり軸受に適している。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の一実施の形態における深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。
【図２】本発明の他の実施の形態における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３】転動部材の製造方法の一例を示す流れ図である。
【図４】実施例１において耐水素疲労寿命試験で使用される試験片の構成を示す概略図である。
【図５】実施例１における同一電流密度（０．３ｍＡ／ｃｍ2）で水素チャージした場合の水素侵入量の変化を示す図である。
【図６】実施例１における炭素と窒素とを含み炭素の含有量と窒素の含有量との和が０．５質量％の試料における水素チャージ電流密度と疲労寿命の関係を示す図である。
【図７】実施例２におけるクロムの含有量と腐食電位との関係を示す図である。
【図８】転動疲労寿命試験機の主要部の構成を示す概略正面図である。
【図９】転動疲労寿命試験機の主要部の構成を示す概略側面図である。
【図１０】実施例３におけるクロムの含有量と転動疲労寿命（Ｌ１０寿命）との関係を示す図である。
【図１１】サバン型摩耗試験機の主要部の構成を示す概略正面図である。
【図１２】サバン型摩耗試験機の主要部の構成を示す概略側面図である。
【図１３】実施例４におけるクロムの含有量と摩耗強度比との関係を示す図である。
【図１４】スミアリング試験機の主要部の構成を示す模式図である。
【図１５】実施例５におけるクロムの含有量と摩耗強度比との関係を示す図である。
【図１６】実施例６におけるクロムの含有量と、炭化物粒子の最大粒径および炭化物面積率との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
１  深溝玉軸受、２  外輪、２Ａ  外輪転走面、３  内輪、３Ａ  内輪転走面、４  玉、５，８  保持器、６  軌道輪、６Ａ  軌道輪転走面、７  ニードルころ、９  スラストニードルころ軸受、１０  試験片、１１  節部、１２  ねじ部、２０  転動疲労寿命試験機、２１  転動疲労寿命試験片、２２  駆動ローラ、２３  案内ローラ、２４  鋼球、４０  サバン型摩耗試験機、４１  摩耗試験片、４２  荷重、４３  ロードセル、４４  エアスライダ、４５  相手材、４６  潤滑油、６０  スミアリング試験機、６１  第１軸側試験片、６２  第２軸側試験片、６３  第１軸、６４  第２軸、６５  回転速度計、６６  スリップリング。
【図１】
2008075147.tif 000010
【図２】
2008075147.tif 000011
【図３】
2008075147.tif 000012
【図４】
2008075147.tif 000013
【図５】
2008075147.tif 000014
【図６】
2008075147.tif 000015
【図７】
2008075147.tif 000016
【図８】
2008075147.tif 000017
【図９】
2008075147.tif 000018
【図１０】
2008075147.tif 000019
【図１１】
2008075147.tif 000020
【図１２】
2008075147.tif 000021
【図１３】
2008075147.tif 000022
【図１４】
2008075147.tif 000023
【図１５】
2008075147.tif 000024
【図１６】
2008075147.tif 000025