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
【課題】耐食性および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。
【解決手段】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、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。
【解決手段】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、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【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。
【０００４】
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）。
【０００５】
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）。
【０００６】
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）。
【特許文献１】特開２０００−２８２１７８号公報
【特許文献２】特開平１０−２１９４０２号公報
【特許文献３】特開２０００−２８２１８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【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、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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【発明の効果】
【００３８】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【実施例１】
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【実施例２】
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【実施例３】
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
【表１】
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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】
【００９３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】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２】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３】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。
【図４】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。
【図５】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６】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。
【図７】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８】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９】軸荷重疲労試験の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００９５】
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。
【技術分野】
【０００１】
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。
【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。
【０００４】
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）。
【０００５】
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）。
【０００６】
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）。
【特許文献１】特開２０００−２８２１７８号公報
【特許文献２】特開平１０−２１９４０２号公報
【特許文献３】特開２０００−２８２１８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【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、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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【発明の効果】
【００３８】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【実施例１】
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【実施例２】
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【実施例３】
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
【表１】
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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】
【００９３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】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２】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３】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。
【図４】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。
【図５】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６】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。
【図７】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８】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９】軸荷重疲労試験の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００９５】
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。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
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以下である鋼からなり、
前記鋼には、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、燃料電池用転動部材。
【請求項２】
軌道部材と、
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。
【請求項３】
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、
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焼戻工程とを含む、燃料電池用転動部材の製造方法。
【請求項４】
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、
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。
【請求項１】
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、
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以下である鋼からなり、
前記鋼には、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、燃料電池用転動部材。
【請求項２】
軌道部材と、
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。
【請求項３】
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、
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焼戻工程とを含む、燃料電池用転動部材の製造方法。
【請求項４】
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、
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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−１９１７４４（Ｐ２００７−１９１７４４Ａ）
【公開日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−９７４１（Ｐ２００６−９７４１）
【出願日】平成１８年１月１８日（２００６．１．１８）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月１８日（２００６．１．１８）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]