JP2007302980A - Rolling member for fuel cell system and rolling bearing for fuel cell system - Google Patents

Rolling member for fuel cell system and rolling bearing for fuel cell system Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide rolling members for a fuel cell system which can suppress hydrogen embrittlement separation while suppressing the increase of production cost, and to provide a rolling bearing for a fuel cell system. <P>SOLUTION: An outer ring, an inner ring and a ball are rolling members for a fuel battery system composing a ball bearing 1 for a fuel cell pivoting a rotary shaft 30 rotating for press-feeding gas freely rotatably to a housing 31 in a gas compressor 3 included in a fuel cell system. Then, the outer ring, inner ring and ball are each made of steel comprising, by mass, 0.25 to 0.65% carbon, 0.15 to 0.35% silicon and 0.6 to 0.9% manganese, and the balance iron with inevitable impurities, and in which the content of chromium is suppressed to ≤0.3%, and a nitrogen-enriched layer is formed on the surface layer part. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受に関し、より特定的には、燃料電池システムに含まれる圧送機において使用される燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受に関するものである。   The present invention relates to a rolling member for a fuel cell system and a rolling bearing for a fuel cell system, and more specifically, a rolling member for a fuel cell system and a rolling for a fuel cell system used in a pressure feeder included in the fuel cell system. It relates to bearings.

近年、自動車用の新たな動力源や分散型発電装置として、燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムにおいては、燃料ガスとしての水素ガスや水素リッチ改質ガス、酸化剤としての空気などを燃料電池セルに輸送する必要がある。このガスの輸送には、たとえばスーパーチャージャ、インペラ型圧送機、スクロール型圧送機、斜板型圧送機、スクリュー型圧送機などの各種の圧送機が使用される。したがって、燃料電池システムにおいて使用される圧送機の内部において、気体を圧送するために回転する回転部材を支持するために用いられる燃料電池システム用転がり軸受は、燃料ガスを起源とする水素を含む雰囲気に曝される場合がある。   In recent years, fuel cell systems have attracted attention as new power sources for automobiles and distributed power generation devices. In a fuel cell system, it is necessary to transport hydrogen gas as a fuel gas, hydrogen-rich reformed gas, air as an oxidant, and the like to the fuel cell. Various types of pumps such as a supercharger, an impeller pump, a scroll pump, a swash plate pump, and a screw pump are used for transporting this gas. Therefore, a rolling bearing for a fuel cell system used to support a rotating member that rotates to pump gas inside a pressure feeder used in the fuel cell system has an atmosphere containing hydrogen originating from the fuel gas. May be exposed.

また、燃料電池システムの中でも、出力密度が高く、かつ低温での作動が可能であるため起動が容易である固体高分子電解質型燃料電池は、自動車等の輸送機械の動力源として有効であると考えられている。この固体高分子電解質型燃料電池においては、高分子膜が固体電解質として機能するように、圧送機から輸送されるガスに水蒸気を混入させて加湿する必要がある。したがって、燃料電池システム用転がり軸受は、水蒸気を含む雰囲気に曝される場合がある。そのため、燃料電池システム用転がり軸受には、水蒸気を起源とする水素が侵入するおそれがある。   Among fuel cell systems, solid polymer electrolyte fuel cells that have high output density and can be operated at low temperatures and are easy to start up are effective as a power source for transport equipment such as automobiles. It is considered. In this solid polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to mix and humidify water vapor into the gas transported from the pressure feeder so that the polymer membrane functions as a solid electrolyte. Therefore, the rolling bearing for the fuel cell system may be exposed to an atmosphere containing water vapor. Therefore, hydrogen originating from water vapor may enter the rolling bearing for the fuel cell system.

また、当該水蒸気に起因して、燃料電池システム用転がり軸受の内部には、水分が侵入する場合がある。この場合、グリースなどの潤滑剤の潤滑性能が劣化して、燃料電池システム用転がり軸受を構成する燃料電池システム用転動部材としての軌道部材と転動体との間に金属接触が生じ、燃料電池システム用転動部材が摩耗する可能性がある。そして、当該摩耗の結果、燃料電池システム用転動部材の転走面に化学的に活性な金属新生面が露出して、当該金属新生面の触媒作用により潤滑材が分解され、これにより発生した水素が転動部材を構成する鋼中に侵入するおそれがある。   In addition, due to the water vapor, moisture may enter the inside of the rolling bearing for the fuel cell system. In this case, the lubrication performance of a lubricant such as grease deteriorates, and metal contact occurs between the race member as the rolling member for the fuel cell system constituting the rolling bearing for the fuel cell system and the rolling element, and the fuel cell There is a possibility that the rolling members for the system wear. As a result of the wear, a chemically active new metal surface is exposed on the rolling surface of the rolling element for the fuel cell system, and the lubricant is decomposed by the catalytic action of the new metal surface. There is a risk of entering the steel constituting the rolling member.

一方、燃料電池システム用転がり軸受においては、使用中に転走面に早期に剥離が発生し、当該剥離の起点付近に白層と呼ばれる組織が観察される場合がある。   On the other hand, in a rolling bearing for a fuel cell system, peeling occurs early on the rolling surface during use, and a structure called a white layer may be observed near the starting point of the peeling.

図１７は、転がり軸受の剥離起点付近に発生した白層の光学顕微鏡写真である。図１７においては、転走面に対して垂直な軌道輪の断面が示されている。図１７を参照して、燃料電池システム用転がり軸受の剥離起点付近に発生する白層について説明する。   FIG. 17 is an optical micrograph of a white layer generated near the separation starting point of the rolling bearing. FIG. 17 shows a cross section of the raceway ring perpendicular to the rolling surface. With reference to FIG. 17, the white layer generated in the vicinity of the separation starting point of the rolling bearing for the fuel cell system will be described.

図１７を参照して、当該写真は、運転中に剥離が発生した軌道輪１００の剥離起点付近を転走面１０１に垂直な断面で切断し、研磨後に断面を硝酸アルコール溶液（ナイタル）にて腐食した後、光学顕微鏡で観察したものである。図１７に示すように、剥離起点付近の亀裂１０３の周辺に白層１０２が観察される。ここで、白層１０２は、一般的な転動疲労によって生じるＷＥＣ（Ｗｈｉｔｅ Ｅｔｃｈｉｎｇ Ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔ）や、一般的な転動疲労によって非金属介在物の周辺に生じるバタフライとは異なり、転動体の転走方向１０４に対して方向性を持たないことが特徴である。   Referring to FIG. 17, the photograph shows that the vicinity of the separation starting point of raceway ring 100 where separation occurred during operation was cut along a cross section perpendicular to rolling contact surface 101, and the cross section was polished with a nitrate alcohol solution (nitral) after polishing. After corrosion, it was observed with an optical microscope. As shown in FIG. 17, the white layer 102 is observed around the crack 103 near the separation starting point. Here, the white layer 102 is different from WEC (White Etching Constituent) generated by general rolling fatigue and butterfly generated around non-metallic inclusions by general rolling fatigue, and the rolling direction of the rolling element It is characterized by having no directionality with respect to 104.

このような白層が発生した軸受を構成する転動部材としての軌道輪や転動体においては、当該転動部材を構成する鋼中の水素含有量が明確に増加している。また、白層内に存在する亀裂は、鋼の結晶粒界に沿って転動部材の内部深くまで進展している。このことから、上述の白層の発生を伴った剥離による軸受の損傷には、水素が関与していることは確実であると考えられる。本明細書、要約書、特許請求の範囲においては、上述の白層を伴った特異な剥離を水素脆性剥離と呼ぶ。   In a bearing ring or a rolling element as a rolling member constituting a bearing in which such a white layer is generated, the hydrogen content in steel constituting the rolling member is clearly increased. Moreover, the crack which exists in a white layer has extended to the deep inside of a rolling member along the grain boundary of steel. From this, it is considered that hydrogen is surely involved in the damage of the bearing due to the peeling accompanied by the generation of the white layer. In the present specification, abstract, and claims, the above-mentioned unique peeling accompanied by the white layer is referred to as hydrogen embrittlement peeling.

上述のように、燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受においては、雰囲気を起源とする水素および潤滑剤を起源とする水素が侵入するおそれがあり、水素脆性剥離への対策が必要である。   As described above, in the fuel cell system rolling member and the fuel cell system rolling bearing, hydrogen originating from the atmosphere and hydrogen originating from the lubricant may enter, and measures against hydrogen embrittlement delamination are present. is necessary.

これに対し、転がり軸受内に所定の化合物を添加したグリースを封入したグリース封入転がり軸受（たとえば特許文献１参照）、軌道輪の転走面に酸化皮膜を形成したグリース封入軸受（たとえば特許文献２参照）、表層部に窒素富化層を有するとともに表層部の球状化炭化物の面積率を所定値以上とした転がり軸受（たとえば特許文献３参照）などが提案されている。これにより、転がり軸受の運転中における水素の発生や転動部材への侵入が抑制される。
特開平５−２６３０９１号公報 特開平２−１９０６１５号公報 特開２００４−２７８７８１号公報 On the other hand, a grease-enclosed rolling bearing in which a grease added with a predetermined compound is encapsulated in a rolling bearing (see, for example, Patent Document 1), and a grease-enclosed bearing in which an oxide film is formed on the rolling surface of a race (for example, Patent Document 2) In addition, a rolling bearing (see, for example, Patent Document 3) having a nitrogen-rich layer in the surface layer portion and an area ratio of the spheroidized carbide in the surface layer portion equal to or greater than a predetermined value has been proposed. Thereby, generation | occurrence | production of hydrogen and the penetration | invasion to a rolling member during the driving | operation of a rolling bearing are suppressed.
JP-A-5-263091 JP-A-2-190615 JP 2004-278781 A

しかしながら、燃料電池システム用転がり軸受の使用環境を考慮すると、特許文献１に開示された潤滑材の改良による水素脆性剥離への対策は、必ずしも十分であるとはいえない。また、特許文献２および３に開示された転動部材の表面処理や転動部材の材質を強化する対策を燃料電池システム用転がり軸受に適用した場合、燃料電池システム用転がり軸受の製造コストの上昇を招来する。そのため、これらの対策も、製品の価格競争力の観点から、必ずしも完全な対策とはいえない。   However, in consideration of the usage environment of the rolling bearing for the fuel cell system, it cannot be said that the countermeasure against hydrogen embrittlement peeling by improvement of the lubricant disclosed in Patent Document 1 is necessarily sufficient. Further, when the measures for strengthening the surface treatment of rolling members and the material of the rolling members disclosed in Patent Documents 2 and 3 are applied to the rolling bearing for the fuel cell system, the manufacturing cost of the rolling bearing for the fuel cell system is increased. Invite Therefore, these measures are not necessarily perfect measures from the viewpoint of price competitiveness of products.

そこで、本発明の目的は、製造コストの上昇を抑制しつつ、水素脆性剥離を十分に抑制することが可能な燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受を提供することである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a rolling member for a fuel cell system and a rolling bearing for a fuel cell system that can sufficiently suppress hydrogen embrittlement separation while suppressing an increase in manufacturing cost.

本発明に従った燃料電池システム用転動部材は、燃料電池システムに含まれる圧送機において、気体を圧送するために回転する回転部材を当該回転部材に対向するように配置される部材に対して回転自在に軸支する燃料電池システム用転がり軸受を構成する燃料電池システム用転動部材である。そして、当該燃料電池システム用転動部材は、０．２５質量％以上０．６５質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、０．６質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部鉄および不可避的不純物からなり、クロム含有量が０．３質量％以下に抑制された鋼から構成されている。そして、表層部には窒素富化層が形成されている。   The rolling member for a fuel cell system according to the present invention is a pumping device included in the fuel cell system, in which a rotating member that rotates to pump gas is arranged to face the rotating member. A rolling member for a fuel cell system that constitutes a rolling bearing for a fuel cell system that is rotatably supported. And the said rolling member for fuel cell systems is carbon of 0.25 mass% or more and 0.65 mass% or less, silicon of 0.15 mass% or more and 0.35 mass% or less, and 0.6 mass% or more. It is made of steel containing 0.9% by mass or less of manganese, the balance being iron and inevitable impurities, and the chromium content being suppressed to 0.3% by mass or less. A nitrogen-enriched layer is formed on the surface layer portion.

一般に、転がり軸受を構成する鋼としては、高炭素クロム軸受鋼であるＪＩＳ ＳＵＪ２が広く用いられている。ＳＵＪ２は、炭素含有量およびクロム含有量が高いため、焼入が容易で、かつ焼入後の硬度が高いため、比較的耐摩耗性に優れている。しかし、水素脆性剥離が問題となるような環境下で使用される燃料電池システム用転がり軸受においては、上述のように転動部材における金属新生面の出現を抑制する必要がある。燃料電池システム用転がり軸受の使用環境を考慮すると、単に素材としてＳＵＪ２を使用するだけでは水素脆性剥離への対策としては不十分である。   Generally, JIS SUJ2, which is a high carbon chrome bearing steel, is widely used as the steel constituting the rolling bearing. Since SUJ2 has a high carbon content and chromium content, it is easy to quench and has high hardness after quenching, so it is relatively excellent in wear resistance. However, in a rolling bearing for a fuel cell system that is used in an environment in which hydrogen embrittlement peeling becomes a problem, it is necessary to suppress the appearance of a new metal surface on the rolling member as described above. Considering the usage environment of the rolling bearing for the fuel cell system, simply using SUJ2 as a material is not sufficient as a countermeasure against hydrogen embrittlement delamination.

これに対し、ＳＵＪ２製の転動部材の表層部に窒素富化層を形成して、さらに耐摩耗性を向上させる対策が有効であるとも考えられる。しかし、クロム含有量が高く、比較的高価な鋼種であるＳＵＪ２に、さらに窒素富化層を形成するために、たとえば浸炭窒化処理を実施すると、燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受の製造コストが上昇する。さらに、硬度および耐摩耗性の上昇による加工の容易性（加工性）の低下により、製造コストが一層上昇し、一般的な許容範囲を超えるおそれがある。   On the other hand, it is considered that a countermeasure for further improving the wear resistance by forming a nitrogen-enriched layer on the surface layer portion of the rolling member made of SUJ2 is effective. However, for example, when carbonitriding is performed on SUJ2, which is a relatively expensive steel type with a high chromium content, in order to form a nitrogen-enriched layer, rolling members for the fuel cell system and rolling for the fuel cell system are performed. The manufacturing cost of the bearing increases. Furthermore, due to a decrease in ease of processing (workability) due to an increase in hardness and wear resistance, the manufacturing cost further increases, and there is a possibility that it exceeds the general allowable range.

本発明者は、燃料電池システム用転動部材を構成する鋼の組成について詳細に検討するとともに、表面処理との組み合わせにより、製造コストの上昇を抑制しつつ、十分な耐摩耗性を有し、水素脆性剥離を抑制することが可能な燃料電池システム用転動部材について鋭意検討した。その結果、以下のような知見を得た。すなわち、通常、燃料電池システム用転がり軸受を構成する燃料電池システム用転動部材の転走面は、熱処理後の仕上げ工程において、表層部の０．１〜０．２ｍｍの領域が研磨や研削により除去されて形成される。したがって、仕上げ工程において除去される領域よりも深い領域の耐摩耗性を熱処理工程において向上させることが、水素脆性剥離の抑制に有効である。燃料電池システム用転動部材を構成する鋼の炭素量およびクロム量を所定値以下に低減することにより、浸炭窒化処理において、燃料電池システム用転動部材への窒素の侵入が容易となる。そして、浸炭窒化処理の処理時間を延長することなく、十分な窒素濃度と厚みとを有する窒素富化層を形成することが可能となる。その結果、仕上げ工程における研磨や研削を考慮しても、燃料電池システム用転動部材の転走面に十分な耐摩耗性を付与しつつ、製造コストを抑制することができる。さらに、比較的高価な合金元素であるクロムの含有量を低減することにより、素材のコストを抑制することも可能となる。   The inventor examines in detail the composition of steel constituting the rolling member for the fuel cell system, and has sufficient wear resistance while suppressing an increase in manufacturing cost by combining with the surface treatment, The fuel cell system rolling member capable of suppressing hydrogen embrittlement delamination was intensively studied. As a result, the following findings were obtained. That is, normally, the rolling surface of the rolling member for the fuel cell system that constitutes the rolling bearing for the fuel cell system is formed by polishing or grinding the surface layer portion of 0.1 to 0.2 mm in the finishing step after heat treatment. Removed and formed. Therefore, it is effective for suppressing hydrogen embrittlement separation to improve the wear resistance in a region deeper than the region removed in the finishing step in the heat treatment step. By reducing the carbon content and the chromium content of the steel constituting the rolling member for the fuel cell system to a predetermined value or less, nitrogen can easily enter the rolling member for the fuel cell system in the carbonitriding process. And it becomes possible to form the nitrogen enriched layer which has sufficient nitrogen concentration and thickness, without extending the processing time of carbonitriding. As a result, even if polishing and grinding in the finishing process are taken into consideration, the manufacturing cost can be suppressed while providing sufficient wear resistance to the rolling surface of the rolling member for the fuel cell system. Furthermore, by reducing the content of chromium, which is a relatively expensive alloy element, the cost of the material can be suppressed.

つまり、燃料電池システム用転動部材においては、上述の組成を有する鋼から構成されることにより、浸炭窒化処理の処理時間を延長することなく、十分な窒素濃度と厚みとを有する窒素富化層を形成することが可能になるとともに、素材のコストを低減することができる。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。そして、表層部に窒素富化層が形成されていることにより、十分な耐摩耗性を有している。その結果、製造コストの上昇が抑制されつつ、燃料電池システム用転がり軸受の運転時における金属新生面の露出が抑制され、水素脆性剥離を十分に抑制することが可能な燃料電池システム用転動部材を提供することができる。   That is, in the rolling member for the fuel cell system, the nitrogen-enriched layer having a sufficient nitrogen concentration and thickness without extending the treatment time of the carbonitriding process by being composed of the steel having the above-described composition. Can be formed, and the cost of the material can be reduced. In addition, the detail of the reason which limited the component range of steel to the above-mentioned range is mentioned later. And it has sufficient abrasion resistance because the nitrogen-rich layer is formed in the surface layer part. As a result, there is provided a rolling member for a fuel cell system capable of sufficiently suppressing hydrogen embrittlement delamination while suppressing an increase in production cost and suppressing exposure of a new metal surface during operation of the rolling bearing for the fuel cell system. Can be provided.

ここで、表層部とは、転動部材において、表面からの距離が０．２ｍｍ以下である領域をいう。また、窒素富化層とは、転動部材の表層部に形成された転動部材の芯部に比べて窒素含有量が高い層であって、たとえば浸炭窒化、窒化、浸窒などの処理によって形成することができる。また、圧送機とは、上述のように燃料ガスや酸化剤としてのガスを輸送するための装置であって、コンプレッサのほか、ポンプやブロアなどを含む。   Here, the surface layer portion refers to a region in the rolling member whose distance from the surface is 0.2 mm or less. Further, the nitrogen-enriched layer is a layer having a higher nitrogen content than the core part of the rolling member formed on the surface layer part of the rolling member. Can be formed. The pressure feeder is a device for transporting fuel gas or gas as an oxidant as described above, and includes a pump, a blower, etc. in addition to a compressor.

次に、本発明の燃料電池システム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。   Next, the details of the reason why the component range of steel constituting the rolling member for the fuel cell system of the present invention is limited to the above range will be described.

炭素：０．２５質量％以上０．６５質量％以下
炭素含有量が高くなると、転動部材を構成する鋼において、粗大な炭化物（セメンタイト；Ｆｅ３Ｃ）が形成される。この粗大な炭化物は、浸炭窒化処理が実施される時点においても、鋼の素地に固溶せず、転動部材への窒素の侵入を阻害する。炭素量が０．６５質量％を超えると上述の影響が大きくなる。 Carbon: 0.25 mass% or more and 0.65 mass% or less When the carbon content is increased, coarse carbides (cementite; Fe 3 C) are formed in the steel constituting the rolling member. Even when the carbonitriding process is performed, the coarse carbide does not dissolve in the steel base and inhibits nitrogen from entering the rolling member. When the amount of carbon exceeds 0.65% by mass, the above-described influence increases.

一方、炭素量は、鋼の焼入後の硬度に大きな影響を及ぼす。炭素含有量が低い場合、転動部材として機能させるために、転動部材の表層部、特に転走面近傍において炭素濃度を少なくとも０．５質量％以上、好ましくは０．８質量％以上に上昇させる必要がある。炭素量が０．２５質量％未満では、炭素濃度を上昇させるために要する時間が長くなり、製造コストの上昇を招来する。そのため、炭素量は、０．２５質量％以上０．６５質量％以下である。なお、製造コストを一層低減するためには、炭素量は０．５質量％以上であることが好ましい。   On the other hand, the amount of carbon greatly affects the hardness of steel after quenching. When the carbon content is low, in order to function as a rolling member, the carbon concentration is increased to at least 0.5 mass%, preferably 0.8 mass% or more in the surface layer portion of the rolling member, particularly in the vicinity of the rolling surface. It is necessary to let If the amount of carbon is less than 0.25% by mass, the time required to increase the carbon concentration becomes long, leading to an increase in manufacturing cost. Therefore, the carbon content is 0.25 mass% or more and 0.65 mass% or less. In order to further reduce the manufacturing cost, the carbon content is preferably 0.5% by mass or more.

珪素：０．１５質量％以上０．３質量％以下
燃料電池システム用転動部材の使用環境においては、使用中に温度が上昇し、転動部材の硬度が低下するという問題が生じる場合がある。転動部材を構成する鋼が珪素を含有することにより、これを防止する効果（焼戻軟化抵抗）が向上する。転動部材を構成する鋼の珪素含有量が０．１５質量％未満の場合、転動部材の焼戻軟化抵抗が不十分となる場合がある。また、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り、０．１５質量％未満に低減することは製造コスト上昇の原因となる。一方、転動部材を構成する鋼の珪素含有量が０．３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。以上の理由により、珪素量は０．１５質量％以上０．３質量％以下である。 Silicon: 0.15% by mass or more and 0.3% by mass or less In a use environment of a rolling member for a fuel cell system, there may be a problem that the temperature rises during use and the hardness of the rolling member decreases. . When steel which comprises a rolling member contains silicon, the effect (temper softening resistance) which prevents this improves. When the silicon content of the steel constituting the rolling member is less than 0.15% by mass, the temper softening resistance of the rolling member may be insufficient. In addition, silicon is an element added to reduce the content of oxygen harmful to steel characteristics in the steel manufacturing process, and reducing it to less than 0.15% by mass causes an increase in manufacturing cost. It becomes. On the other hand, when the silicon content of the steel constituting the rolling member exceeds 0.3% by mass, the hardness of the material increases and the cold workability decreases. For the above reasons, the silicon content is 0.15 mass% or more and 0.3 mass% or less.

マンガン：０．６質量％以上０．９質量％以下
マンガンは、転動部材を構成する鋼に含有されることにより、転動部材の焼入の容易性を向上させる効果を有している。また、マンガンは、転動部材を構成する鋼に不可避に含有される硫黄と化合して硫化マンガンを形成し、ミクロ組織における硫黄の結晶粒界への偏析を抑制して、転動部材の特性の低下を回避する効果を有している。マンガンの含有量が０．６質量％未満の場合、上述の効果を十分に果たすことができない。一方、転動部材を構成する鋼のマンガン含有量が０．９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、マンガン量は０．６質量％以上０．９質量％以下である。 Manganese: 0.6 mass% or more and 0.9 mass% or less Manganese has an effect of improving the ease of quenching of the rolling member by being contained in the steel constituting the rolling member. In addition, manganese combines with sulfur inevitably contained in the steel constituting the rolling member to form manganese sulfide, and suppresses segregation of sulfur to the crystal grain boundaries in the microstructure, thereby reducing the characteristics of the rolling member. This has the effect of avoiding a decrease in When the manganese content is less than 0.6% by mass, the above effects cannot be sufficiently achieved. On the other hand, when the manganese content of the steel constituting the rolling member exceeds 0.9% by mass, the hardness of the material increases and the cold workability decreases, so that the processing cost increases. Therefore, the amount of manganese is 0.6 mass% or more and 0.9 mass% or less.

クロム：０．３質量％以下
クロムは、浸炭窒化が実施される際、鋼の素地への炭化物の固溶を阻害する。そして、浸炭窒化時に残存する炭化物は、転動部材の内部への窒素の侵入を阻害する。クロム量が０．３質量％を超えると、上記の影響が大きくなるため、クロム量は０．３質量％以下である。なお、浸炭窒化における窒素の侵入を容易にし、より短時間で十分な窒素富化層を形成可能とするためには、クロム量は０．２質量％以下であることが好ましい。 Chromium: 0.3 mass% or less Chromium inhibits solid solution of carbide in the steel base when carbonitriding is performed. And the carbide | carbonized_material remaining at the time of carbonitriding inhibits the penetration | invasion of nitrogen to the inside of a rolling member. When the amount of chromium exceeds 0.3% by mass, the above effect becomes large, so the amount of chromium is 0.3% by mass or less. In order to facilitate nitrogen intrusion during carbonitriding and to form a sufficient nitrogen-enriched layer in a shorter time, the chromium content is preferably 0.2% by mass or less.

また、本発明の燃料電池システム用転動部材を構成する鋼は、ＪＩＳ Ｇ４０５１に規定される機械構造用炭素鋼のうち上述の組成の条件を満たすものであることが好ましい。具体的には、ＪＩＳ Ｓ２８Ｃ、Ｓ３０Ｃ、Ｓ３３Ｃ、Ｓ３５Ｃ、Ｓ３８Ｃ、Ｓ４０Ｃ、Ｓ４５Ｃ、Ｓ４８Ｃ、Ｓ５０Ｃ、Ｓ５３Ｃ、Ｓ５５Ｃ、Ｓ５８Ｃが上述の組成の条件を満たす。規格鋼を採用することにより、素材の入手が容易になり、かつ素材のコストを低減することができる。また、炭素濃度を上昇させるために要する時間が長くなることによる製造コストの上昇を回避するためには、Ｓ５３Ｃ、Ｓ５５ＣまたはＳ５８Ｃを採用することが、より好ましい。   Moreover, it is preferable that the steel which comprises the rolling member for fuel cell systems of this invention satisfy | fills the conditions of the above-mentioned composition among the carbon steel for mechanical structures prescribed | regulated to JISG4051. Specifically, JIS S28C, S30C, S33C, S35C, S38C, S40C, S45C, S48C, S50C, S53C, S55C, and S58C satisfy the above-described composition conditions. By adopting standard steel, it becomes easy to obtain the raw material and the cost of the raw material can be reduced. In order to avoid an increase in manufacturing cost due to an increase in the time required to increase the carbon concentration, it is more preferable to employ S53C, S55C or S58C.

上記燃料電池システム用転動部材において好ましくは、窒素富化層における鋼のオーステナイト粒度番号は１０番を超える範囲にある。これにより、水素脆性剥離の発生する環境下における転動疲労に対する抵抗性が向上するとともに、割れ強度（静的破壊強度）や靭性が向上する。   In the rolling member for a fuel cell system, preferably, the austenite grain size number of the steel in the nitrogen-enriched layer is in a range exceeding 10. Thereby, resistance to rolling fatigue in an environment where hydrogen embrittlement delamination occurs is improved, and crack strength (static fracture strength) and toughness are improved.

ここで、鋼のオーステナイト粒度番号とは、ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定されたオーステナイト結晶粒（焼入硬化後の旧オーステナイト結晶粒）の粒度番号をいう。   Here, the austenite grain size number of steel refers to the grain size number of austenite crystal grains (old austenite crystal grains after quench hardening) defined in JIS G0551.

上記燃料電池システム用転動部材において好ましくは、転走面から深さ０．０５ｍｍ以内の領域における窒素濃度は、０．１４質量％以上である。   In the fuel cell system rolling member, the nitrogen concentration in a region within a depth of 0.05 mm from the rolling surface is preferably 0.14% by mass or more.

燃料電池システム用転動部材の運転時における金属新生面の出現を抑制する観点から、燃料電池システム用転動部材においては、転走面（最表層）だけでなく、転走面から所定の深さ、具体的には０．０５ｍｍ以内の領域が十分な耐摩耗性を有していることが好ましい。転走面から深さ０．０５ｍｍ以内の領域における窒素濃度を０．１４質量％以上とすることにより、０．０５ｍｍ以内の領域に十分な耐摩耗性を付与することができる。   From the viewpoint of suppressing the appearance of a new metal surface during operation of the rolling member for the fuel cell system, the rolling member for the fuel cell system has a predetermined depth from the rolling surface as well as the rolling surface (outermost layer). Specifically, it is preferable that a region within 0.05 mm has sufficient wear resistance. By setting the nitrogen concentration in the region within a depth of 0.05 mm from the rolling surface to 0.14% by mass or more, sufficient wear resistance can be imparted to the region within 0.05 mm.

ここで、転走面とは、転動部材において、当該転動部材が他の転動部材と接触する表面であり、たとえば転動部材が転がり軸受の軌道輪である場合、転動体と接触する表面をいう。また、たとえば転動部材が玉軸受の玉である場合、玉の表面全体であり、ころ軸受のころである場合、軌道輪の転走面と接触する外周面をいう。   Here, the rolling surface is a surface of the rolling member in which the rolling member comes into contact with another rolling member. For example, when the rolling member is a raceway ring of a rolling bearing, it comes into contact with the rolling element. The surface. For example, when the rolling member is a ball of a ball bearing, it is the entire surface of the ball, and when the rolling member is a roller of a roller bearing, it means the outer peripheral surface that comes into contact with the rolling surface of the race.

上記燃料電池システム用転動部材において好ましくは、転走面の硬度は、６０ＨＲＣ以上である。これにより、水素脆性剥離が問題となる環境下で使用される転動部材の転走面に十分な耐摩耗性を付与することができる。なお、水素脆性剥離を一層抑制するためには、転走面の硬度は６１ＨＲＣ以上であることが好ましい。また、転走面の硬度は、たとえばロックウェル硬度計を使用し、転走面の硬度を５点測定して、その平均値として算出することができる。   In the fuel cell system rolling member, the rolling surface preferably has a hardness of 60 HRC or more. Thereby, sufficient abrasion resistance can be provided to the rolling surface of the rolling member used in an environment where hydrogen brittle peeling becomes a problem. In order to further suppress hydrogen embrittlement separation, the hardness of the rolling surface is preferably 61 HRC or more. Further, the hardness of the rolling surface can be calculated as an average value by, for example, using a Rockwell hardness meter and measuring the hardness of the rolling surface at five points.

本発明に従った燃料電池システム用転がり軸受は、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、上述の燃料電池システム用転動部材である。   A rolling bearing for a fuel cell system according to the present invention includes a race member and a plurality of rolling elements that are in contact with the race member and disposed on an annular raceway. And at least any one of a track member and a rolling element is the above-mentioned rolling member for fuel cell systems.

本発明の燃料電池システム用転がり軸受によれば、製造コストの上昇が抑制されつつ、水素脆性剥離が十分に抑制された上述の燃料電池システム用転動部材を備えているため、製造コストの上昇が抑制されつつ、水素脆性剥離が十分に抑制された燃料電池システム用転がり軸受を提供することができる。なお、一層製造コストの上昇が抑制されつつ、水素脆性剥離が抑制された燃料電池システム用転がり軸受を提供するためには、軌道部材および転動体の両方が上述の燃料電池システム用転動部材であることが好ましい。   According to the rolling bearing for a fuel cell system of the present invention, since the above-mentioned rolling member for a fuel cell system in which an increase in manufacturing cost is suppressed and hydrogen brittle separation is sufficiently suppressed is provided, an increase in manufacturing cost is achieved. It is possible to provide a rolling bearing for a fuel cell system in which hydrogen embrittlement delamination is sufficiently suppressed while suppressing the above. In order to provide a rolling bearing for a fuel cell system in which an increase in manufacturing cost is further suppressed and hydrogen brittle separation is suppressed, both the race member and the rolling element are the above-described rolling members for the fuel cell system. Preferably there is.

以上の説明から明らかなように、本発明の燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受によれば、製造コストの上昇を抑制しつつ、水素脆性剥離を十分に抑制することが可能な燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受を提供することができる。   As is clear from the above description, according to the rolling member for a fuel cell system and the rolling bearing for a fuel cell system of the present invention, it is possible to sufficiently suppress hydrogen embrittlement separation while suppressing an increase in manufacturing cost. A rolling member for a fuel cell system and a rolling bearing for a fuel cell system can be provided.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.

（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である実施の形態１における燃料電池システム用転動部材を備えた燃料電池システム用転がり軸受としての燃料電池用玉軸受が配置された燃料電池システムの圧送機の一例を示す概略断面図である。図１を参照して、実施の形態１に係る圧送機について説明する。 (Embodiment 1)
FIG. 1 shows a pumping of a fuel cell system in which a ball bearing for a fuel cell as a rolling bearing for a fuel cell system provided with a rolling member for a fuel cell system according to the first embodiment of the present invention is arranged. It is a schematic sectional drawing which shows an example of a machine. With reference to FIG. 1, the pressure feeder which concerns on Embodiment 1 is demonstrated.

図１を参照して、圧送機３は、円盤状の形状を有し、かつ翼部４０Ａが外周部に形成されたインペラ４０と、インペラ４０の中心を含む部位に接続され、インペラ４０と一体に軸まわりに回転可能に構成された回転軸３０と、インペラ４０および回転軸３０を取り囲むように配置されたハウジング３１とを備えている。そして、回転軸３０の外周面３０Ａとハウジング３１の内壁３１Ａとの間には１対の燃料電池用玉軸受１が嵌め込まれている。すなわち、燃料電池用玉軸受１は、燃料電池システムに含まれる圧送機３において、気体を圧送するために回転する回転部材としての回転軸３０を、回転軸３０に対向するように配置される部材であるハウジング３１に対して回転自在に軸支する燃料電池システム用転がり軸受である。   Referring to FIG. 1, the pressure feeder 3 is connected to an impeller 40 having a disk shape and having a blade portion 40 </ b> A formed on the outer peripheral portion thereof, and a portion including the center of the impeller 40, and is integrated with the impeller 40. And a housing 31 disposed so as to surround the impeller 40 and the rotating shaft 30. A pair of fuel cell ball bearings 1 is fitted between the outer peripheral surface 30 </ b> A of the rotating shaft 30 and the inner wall 31 </ b> A of the housing 31. That is, the ball bearing 1 for a fuel cell is a member that is disposed so that the rotary shaft 30 as a rotary member that rotates to pump gas in the pump 3 included in the fuel cell system faces the rotary shaft 30. This is a rolling bearing for a fuel cell system that is rotatably supported with respect to the housing 31.

次に、圧送機３の動作について説明する。図示しないガスボンベなどの気体供給源から気体吸入口３２に供給された気体は、矢印αに沿って進行し、インペラ４０に近づく。このとき、インペラ４０が、１対の燃料電池用玉軸受１によりハウジング３１に対して軸支された回転軸３０と一体に、回転軸３０の軸まわりに回転することにより、気体はインペラ４０の径方向外側に加速され、矢印βに沿って進行する。そして、当該気体は、インペラ４０の外周部とハウジング３１の内壁との間の空間である圧縮空間３４において圧縮される。圧縮された気体は、図示しない連通路を通じて気体圧送路３５に供給され、当該気体は矢印γに沿った向きに圧送される。   Next, the operation of the pressure feeder 3 will be described. The gas supplied to the gas inlet 32 from a gas supply source such as a gas cylinder (not shown) travels along the arrow α and approaches the impeller 40. At this time, the impeller 40 rotates around the axis of the rotary shaft 30 integrally with the rotary shaft 30 that is pivotally supported by the pair of fuel cell ball bearings 1 with respect to the housing 31. Accelerated radially outward and proceeds along arrow β. The gas is compressed in a compression space 34 that is a space between the outer peripheral portion of the impeller 40 and the inner wall of the housing 31. The compressed gas is supplied to the gas pumping path 35 through a communication path (not shown), and the gas is pumped in the direction along the arrow γ.

ここで、インペラ４０が配置される空間と、燃料電池用玉軸受１が配置される空間との間は、Ｏリング３７、シール部材３８などによって隔離されている。そのため、圧送される気体は、インペラ４０が配置される空間から燃料電池用玉軸受１が配置される空間へは、基本的には到達しない。しかし、Ｏリング３７やシール部材３８が劣化等した場合、圧送される気体は、圧縮空間３４からインペラ４０と背面板３３との間の空間３６から、Ｏリング３７やシール部材３８とハウジング３１との間の隙間を通じて燃料電池用玉軸受１が配置される空間に到達する可能性がある。このような場合、上述のように、燃料電池用玉軸受１が水蒸気を含む雰囲気に曝される可能性がある。   Here, the space in which the impeller 40 is disposed and the space in which the fuel cell ball bearing 1 is disposed are isolated by an O-ring 37, a seal member 38, and the like. Therefore, the gas to be pumped basically does not reach the space where the fuel cell ball bearing 1 is disposed from the space where the impeller 40 is disposed. However, when the O-ring 37 or the seal member 38 is deteriorated or the like, the pumped gas flows from the space 36 between the impeller 40 and the back plate 33 from the compression space 34 to the O-ring 37, the seal member 38, and the housing 31. There is a possibility of reaching the space where the fuel cell ball bearing 1 is disposed through the gap between the two. In such a case, as described above, the fuel cell ball bearing 1 may be exposed to an atmosphere containing water vapor.

次に、燃料電池用玉軸受１について説明する。図２は、本発明の実施の形態１における燃料電池システム用転がり軸受としての燃料電池用玉軸受（深溝玉軸受）の概略断面図である。また、図３は、図２の要部を拡大して示した概略部分断面図である。図２および図３を参照して、実施の形態１における燃料電池用玉軸受について説明する。   Next, the ball bearing 1 for fuel cells will be described. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell ball bearing (deep groove ball bearing) as a rolling bearing for a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view showing an enlarged main part of FIG. With reference to FIG. 2 and FIG. 3, the ball bearing for fuel cells in Embodiment 1 is demonstrated.

図２を参照して、燃料電池用玉軸受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。さらに、外輪１１と内輪１２との間には、軸方向の両端部において、１対の円環状のシール部材１５が嵌め込まれている。これにより、外輪１１と内輪１２との間の環状の空間は閉じられ、外部からの異物の侵入が抑制されるとともに、内部からグリースなどの潤滑剤の流出が抑制されている。   Referring to FIG. 2, a fuel cell ball bearing 1 includes an annular outer ring 11 as a race member, an annular inner ring 12 as a race member disposed inside the outer ring 11, and an outer ring 11 and an inner ring 12. And a plurality of balls 13 as rolling elements that are disposed between and held by an annular retainer 14. An outer ring rolling surface 11 </ b> A is formed on the inner circumferential surface of the outer ring 11, and an inner ring rolling surface 12 </ b> A is formed on the outer circumferential surface of the inner ring 12. And the outer ring | wheel 11 and the inner ring | wheel 12 are arrange | positioned so that 12A of inner ring | wheel rolling surfaces and 11A of outer ring | wheels may mutually oppose. Further, the plurality of balls 13 are in contact with the inner ring rolling surface 12A and the outer ring rolling surface 11A, and are arranged at a predetermined pitch in the circumferential direction by the cage 14, so that they can roll on an annular track. Is retained. With the above configuration, the outer ring 11 and the inner ring 12 of the fuel cell ball bearing 1 can rotate relative to each other. Further, a pair of annular seal members 15 are fitted between the outer ring 11 and the inner ring 12 at both ends in the axial direction. As a result, the annular space between the outer ring 11 and the inner ring 12 is closed, the entry of foreign matter from the outside is suppressed, and the outflow of a lubricant such as grease is suppressed from the inside.

ここで、実施の形態１の燃料電池システム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、燃料電池装置に含まれる圧送機３において、気体を圧送するために回転する回転部材としての回転軸３０を、回転軸３０に対向するように配置される部材であるハウジング３１に対して回転自在に軸支する燃料電池用玉軸受１を構成する燃料電池システム用転動部材である。そして、図３を参照して、当該燃料電池システム用転動部材は、０．２５質量％以上０．６５質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、０．６質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部鉄および不可避的不純物からなり、クロム含有量が０．３質量％以下に抑制された鋼から構成され、表層部に窒素富化層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂが形成されている。   Here, the outer ring 11 as the race member, the inner ring 12 and the ball 13 as the rolling element, which are the rolling members for the fuel cell system according to the first embodiment, pump gas in the pressure feeder 3 included in the fuel cell device. A fuel cell that constitutes a fuel cell ball bearing 1 that rotatably supports a rotating shaft 30 as a rotating member that rotates to a housing 31 that is a member disposed so as to face the rotating shaft 30. It is a rolling member for systems. And with reference to FIG. 3, the said rolling member for fuel cell systems is 0.25 mass% or more and 0.65 mass% or less carbon, 0.15 mass% or more and 0.35 mass% or less silicon, And 0.6% by mass or more and 0.9% by mass or less of manganese, the balance iron and inevitable impurities, and the chromium content is suppressed to 0.3% by mass or less. Nitrogen-enriched layers 11B, 12B, and 13B are formed.

実施の形態１の燃料電池システム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、上述の組成を有する鋼から構成されていることにより、具体的には炭素量が０．６５質量％以下、クロム量が０．３質量％以下に抑制されていることにより、浸炭窒化処理の処理時間を延長することなく、十分な窒素濃度と厚みとを有する窒素富化層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂを形成することが可能になっており、かつ素材のコストが低減されている。さらに、表層部に窒素富化層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂが形成されていることにより、十分な耐摩耗性を有している。   The outer ring 11, the inner ring 12 and the ball 13 as the rolling members for the fuel cell system according to Embodiment 1 are made of steel having the above-described composition, so that the carbon content is specifically 0.65 mass. %, And the amount of chromium is suppressed to 0.3% by mass or less, so that the nitrogen-enriched layers 11B, 12B, and 13B having a sufficient nitrogen concentration and thickness can be obtained without extending the time for carbonitriding. Can be formed, and the cost of the material is reduced. Furthermore, since the nitrogen-enriched layers 11B, 12B, and 13B are formed on the surface layer portion, sufficient wear resistance is provided.

さらに、図３を参照して、実施の形態１の燃料電池システム用転動部材としての外輪１１、内輪１２および玉１３は、外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａ、玉転走面１３Ａから深さ０．０５ｍｍ以内の領域における窒素濃度が、０．１４質量％以上となっている。そのため、転走面１１Ａ、１２Ａ、１３Ａだけでなく、転走面１１Ａ、１２Ａ、１３Ａから０．０５ｍｍ以内の領域が十分な耐摩耗性を有している。その結果、水素脆性剥離が一層抑制されている。   Further, referring to FIG. 3, outer ring 11, inner ring 12 and ball 13 as rolling members for the fuel cell system of Embodiment 1 are outer ring rolling surface 11A, inner ring rolling surface 12A and ball rolling surface 13A. The nitrogen concentration in the region within 0.05 mm in depth is 0.14% by mass or more. Therefore, not only the rolling surfaces 11A, 12A, and 13A but also the areas within 0.05 mm from the rolling surfaces 11A, 12A, and 13A have sufficient wear resistance. As a result, hydrogen brittle exfoliation is further suppressed.

さらに、図３を参照して、実施の形態１の燃料電池システム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、転走面１１Ａ、１２Ａ、１３Ａの硬度は、６０ＨＲＣ以上となっている。そのため、燃料電池用玉軸受１の運転中における金属新生面の出現を回避するために最も重要な転走面１１Ａ、１２Ａ、１３Ａの耐摩耗性が向上し、水素脆性剥離が一層抑制されている。   Further, referring to FIG. 3, in outer ring 11, inner ring 12 and ball 13 as the rolling members for the fuel cell system of Embodiment 1, the hardness of rolling surfaces 11A, 12A and 13A is 60 HRC or more. ing. Therefore, the wear resistance of the rolling surfaces 11A, 12A, and 13A, which is the most important for avoiding the appearance of a new metal surface during the operation of the fuel cell ball bearing 1, is improved, and hydrogen brittle separation is further suppressed.

以上のように、実施の形態１の燃料電池システム用転動部材としての外輪１１、内輪１２および玉１３は、製造コストの上昇が抑制されつつ、水素脆性剥離が十分に抑制されている。そして、当該外輪１１、内輪１２および玉１３を備えた燃料電池用玉軸受１は、製造コストの上昇が抑制されつつ、水素脆性剥離が十分に抑制されている。   As described above, the outer ring 11, the inner ring 12 and the balls 13 as the rolling members for the fuel cell system of Embodiment 1 are sufficiently suppressed from hydrogen brittle separation while suppressing an increase in manufacturing cost. And the fuel cell ball bearing 1 provided with the said outer ring | wheel 11, the inner ring | wheel 12, and the ball | bowl 13 has fully suppressed hydrogen embrittlement peeling, while the increase in manufacturing cost is suppressed.

次に、本発明の実施の形態１における燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受の製造方法について説明する。図４は、実施の形態１における燃料電池システム用転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。また、図５は、実施の形態１における燃料電池システム用転がり軸受の製造方法に含まれる燃料電池システム用転動部材の製造方法の概略を示す図である。   Next, the manufacturing method of the rolling member for fuel cell systems and the rolling bearing for fuel cell systems in Embodiment 1 of this invention is demonstrated. FIG. 4 is a diagram showing an outline of a method of manufacturing the rolling bearing for the fuel cell system in the first embodiment. FIG. 5 is a diagram showing an outline of a method for manufacturing a rolling member for a fuel cell system included in the method for manufacturing a rolling bearing for a fuel cell system in the first embodiment.

図４を参照して、実施の形態１における燃料電池システム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、燃料電池システム用転動部材としての外輪１１、内輪１２などが製造される。一方、転動体製造工程では、燃料電池システム用転動部材としての玉１３などが製造される。   Referring to FIG. 4, in the method for manufacturing a rolling bearing for a fuel cell system in the first embodiment, first, a race member manufacturing process for manufacturing a race member and a rolling element manufacturing process for manufacturing a rolling element are performed. The Specifically, in the race member manufacturing process, the outer ring 11 and the inner ring 12 as the rolling members for the fuel cell system are manufactured. On the other hand, in the rolling element manufacturing process, balls 13 and the like as the rolling members for the fuel cell system are manufactured.

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、燃料電池システム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システム用転動部材の製造方法により実施される。   And the assembly process which assembles the rolling bearing for fuel cell systems is implemented by combining the track member manufactured in the track member manufacturing process, and the rolling element manufactured in the rolling element manufacturing process. Specifically, the ball bearing 1 for a fuel cell is assembled by combining the outer ring 11 and the inner ring 12 and the ball 13, for example. And this track member manufacturing process and rolling element manufacturing process are implemented by the manufacturing method of the following rolling members for fuel cell systems, for example.

図５を参照して、実施の形態１における燃料電池システム用転動部材の製造方法においては、まず、０．２５質量％以上０．６５質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、０．６質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部鉄および不可避的不純物からなり、クロム含有量が０．３質量％以下に抑制された鋼から構成され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。   Referring to FIG. 5, in the method of manufacturing the rolling member for the fuel cell system in the first embodiment, first, 0.25% by mass to 0.65% by mass of carbon, and 0.15% by mass to 0%. .35% by mass or less of silicon and 0.6% by mass or more and 0.9% by mass or less of manganese, the balance being iron and inevitable impurities, and the chromium content being suppressed to 0.3% by mass or less. A steel material preparation step for preparing a steel material composed of the steel is performed. Specifically, for example, steel bars or steel wires having the above components are prepared.

次に、図５を参照して、上記鋼材を成形することにより、燃料電池システム用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、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。   Next, referring to FIG. 5, a forming step is performed in which the steel member is formed to produce a steel member formed into a schematic shape of the rolling member for the fuel cell system. Specifically, for example, steel members molded into a schematic shape such as the outer ring 11, the inner ring 12, and the ball 13 are manufactured by performing processing such as forging and turning on the above steel bars and steel wires. The

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、浸炭窒化工程と、冷却工程と、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。   Next, a heat treatment step of heat treating the steel member is performed. The heat treatment process includes a carbonitriding process, a cooling process, and a tempering process. Details of this heat treatment step will be described later.

次に、図５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、実施の形態１における燃料電池システム用転動部材としての外輪１１、内輪１２および玉１３などが完成する。   Next, referring to FIG. 5, a finishing process is performed. Specifically, the outer ring 11, the inner ring 12, the ball 13 and the like are finished by performing a finishing process such as a grinding process on the steel member that has been subjected to the heat treatment process. Thereby, the outer ring 11, the inner ring 12 and the ball 13 as the rolling members for the fuel cell system in the first embodiment are completed.

次に、熱処理工程の詳細について説明する。図６は、実施の形態１における燃料電池システム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６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６を参照して、実施の形態１における燃料電池システム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。   Next, details of the heat treatment step will be described. FIG. 6 is a diagram for explaining the details of the heat treatment step included in the method of manufacturing the rolling member for the fuel cell system in the first embodiment. In FIG. 6, the horizontal direction indicates time, and the time elapses toward the right. In FIG. 6, the vertical direction indicates the temperature, and the higher the temperature, the higher the temperature. With reference to FIG. 6, the details of the heat treatment step included in the method of manufacturing the rolling member for the fuel cell system in the first embodiment will be described.

図６を参照して、まず、鋼製部材をＡ１点以上の温度で浸炭窒化する浸炭窒化工程が実施される。具体的には、成形工程において燃料電池システム用転動部材の概略形状に成形された鋼製部材が、Ａ１点以上の温度である８００℃以上１０００℃以下の温度、たとえば８５０℃に加熱され、６０分間以上３００分間以下の時間、たとえば１５０分間保持される。このとき、ＲＸガスにアンモニア（ＮＨ３）を添加した雰囲気において加熱されることにより、鋼製部材の表層部の炭素濃度および窒素濃度が所望の濃度に調整される。 Referring to FIG. 6, first, a carbonitriding process is performed in which carbon steel is carbonitrided at a temperature of A 1 point or higher. Specifically, the steel member formed into the schematic shape of the rolling member for the fuel cell system in the forming step is heated to a temperature of 800 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, which is a temperature of A 1 point or higher, for example, 850 ° C. For 60 minutes to 300 minutes, for example, 150 minutes. At this time, by heating in an atmosphere in which ammonia (NH 3 ) is added to RX gas, the carbon concentration and the nitrogen concentration in the surface layer portion of the steel member are adjusted to desired concentrations.

次に、浸炭窒化工程において浸炭窒化された鋼製部材を、Ａ１点以上の温度からＭＳ点以下の温度に冷却する冷却工程が実施される。具体的には、鋼製部材が、たとえば油中に浸漬されることにより（油冷）、Ａ１点以上の温度からＭＳ点以下の温度に冷却される。これにより、鋼製部材は焼入硬化される。 Then, the steel member is carbonitrided in the carbonitriding process, the cooling step of cooling from a temperature of more than 1 point A to M S point below the temperature is carried out. Specifically, the steel member, for example by being immersed in oil (oil cooling) is cooled from a temperature of more than 1 point A to M S point or lower. Thereby, the steel member is hardened by hardening.

さらに、図６を参照して、焼入硬化された鋼製部材がＡ１点以下の温度に加熱されることにより焼戻される焼戻工程が実施される。具体的には、焼入硬化された鋼製部材がＡ１点以下の温度である１５０℃以上３５０℃以下の温度、たとえば１８０℃に加熱され、３０分間以上２４０分間以下の時間、たとえば１２０分間保持されて、その後室温の空気中で冷却される（空冷）。以上の手順により、実施の形態１における燃料電池システム用転がり軸受の製造方法に含まれる燃料電池システム用転動部材の熱処理工程は完了する。 Further, referring to FIG. 6, a tempering step is performed in which the hardened and hardened steel member is tempered by being heated to a temperature of A 1 point or less. Specifically, the hardened and hardened steel member is heated to a temperature of 150 ° C. or higher and 350 ° C. or lower, which is a temperature of A 1 or less, for example, 180 ° C., and a time of 30 minutes or longer and 240 minutes or shorter, for example, 120 minutes. Held and then cooled in air at room temperature (air cooling). With the above procedure, the heat treatment process of the rolling member for the fuel cell system included in the method for manufacturing the rolling bearing for the fuel cell system in the first embodiment is completed.

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。 Here, the point A 1 in the case of heating the steel refers to a point that the structure of the steel corresponds to the temperature to start the transformation from ferrite to austenite. Further, the M S point when the steel was austenitized is cooled, it refers to a point corresponding to a temperature to initiate the martensite.

実施の形態１における燃料電池システム用転動部材の製造方法によれば、炭素量が０．６５質量％以下、クロムが０．３質量％以下に抑制された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、熱処理工程において浸炭窒化焼入される。これにより、浸炭窒化処理の処理時間を延長することなく、十分な窒素濃度と厚みとを有する窒素富化層を形成し、十分な耐摩耗性を燃料電池システム用転動部材に付与することが可能になるとともに、素材のコストを低減することができる。その結果、製造コストの上昇を抑制しつつ、水素脆性剥離を十分に抑制することが可能な燃料電池システム用転動部材を製造することができる。そして、本実施の形態１の燃料電池システム用転動部材の製造方法により、燃料電池システム用転動部材の表層部に窒素富化層を形成して、転走面からの深さ０．０５ｍｍ以内の領域における窒素濃度を０．１４質量％以上とし、かつ転走面の硬度を６０ＨＲＣ以上とすることができる。   According to the manufacturing method of the rolling member for a fuel cell system in the first embodiment, the steel in which the carbon amount is suppressed to 0.65 mass% or less and chromium is suppressed to 0.3 mass% or less is prepared in the steel material preparation step. It is adopted as a steel material and is carbonitrided and quenched in the heat treatment process. This makes it possible to form a nitrogen-enriched layer having sufficient nitrogen concentration and thickness without extending the carbonitriding process time, and to impart sufficient wear resistance to the rolling member for the fuel cell system. It becomes possible and the cost of the material can be reduced. As a result, it is possible to manufacture a rolling member for a fuel cell system that can sufficiently suppress hydrogen embrittlement separation while suppressing an increase in manufacturing cost. And by the manufacturing method of the rolling member for fuel cell systems of this Embodiment 1, a nitrogen enriched layer is formed in the surface layer part of the rolling member for fuel cell systems, and the depth from a rolling surface is 0.05 mm The nitrogen concentration in the inner region can be 0.14% by mass or more, and the hardness of the rolling contact surface can be 60 HRC or more.

また、実施の形態１の燃料電池システム用転がり軸受の製造方法によれば、上述の燃料電池システム用転動部材の製造方法により転動部材が製造されるため、製造コストの上昇を抑制しつつ、水素脆性剥離を十分に抑制することが可能な燃料電池システム用転がり軸受を製造することができる。   Moreover, according to the manufacturing method of the rolling bearing for fuel cell systems of Embodiment 1, since a rolling member is manufactured by the manufacturing method of the rolling member for fuel cell systems mentioned above, it is suppressing the raise of manufacturing cost. In addition, it is possible to manufacture a rolling bearing for a fuel cell system capable of sufficiently suppressing hydrogen embrittlement peeling.

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２における燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受について説明する。実施の形態２における燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受と、上述の実施の形態１における燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受とは、基本的には同様の構成を有している。そして、図１〜図３を参照して、実施の形態２における燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受においては、窒素富化層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂにおける鋼のオーステナイト粒度番号が１０番を超える範囲にある。 (Embodiment 2)
Next, a fuel cell system rolling member and a fuel cell system rolling bearing according to Embodiment 2 of the present invention will be described. The fuel cell system rolling member and the fuel cell system rolling bearing in the second embodiment are basically the same as the fuel cell system rolling member and the fuel cell system rolling bearing in the first embodiment. It has the composition of. 1 to 3, in the rolling member for fuel cell system and the rolling bearing for fuel cell system in the second embodiment, the austenite grain size number of the steel in the nitrogen-enriched layers 11B, 12B, and 13B is It is in the range exceeding 10th.

これにより、実施の形態２における燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受においては、水素脆性剥離の発生する環境下における転動疲労に対する抵抗性が向上するとともに、割れ強度（静的破壊強度）や靭性が向上している。   Thereby, in the rolling member for a fuel cell system and the rolling bearing for a fuel cell system according to Embodiment 2, resistance to rolling fatigue in an environment where hydrogen embrittlement delamination occurs is improved, and crack strength (static Fracture strength) and toughness are improved.

次に、実施の形態２における燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受の製造方法について説明する。図７は、実施の形態２における燃料電池システム用転がり軸受の製造方法に含まれる燃料電池システム用転動部材の製造方法の概略を示す図である。また、図８は、実施の形態２における燃料電池システム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８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８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。   Next, the manufacturing method of the rolling member for fuel cell systems and the rolling bearing for fuel cell systems in Embodiment 2 is demonstrated. FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a method for manufacturing a rolling member for a fuel cell system included in a method for manufacturing a rolling bearing for a fuel cell system according to Embodiment 2. FIG. 8 is a diagram for explaining the details of the heat treatment step included in the method of manufacturing the rolling member for the fuel cell system in the second embodiment. In FIG. 8, the horizontal direction indicates time, and the time elapses toward the right. In FIG. 8, the vertical direction indicates the temperature, and the higher the temperature, the higher the temperature.

図４、図５および図７を参照して、実施の形態２における燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受の製造方法と、上述の実施の形態１における燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受の製造方法とは、基本的には同様である。しかし、燃料電池システム用転動部材の製造方法における熱処理工程が、浸炭窒化工程と、第１の冷却工程と、再加熱工程と、第２の冷却工程と、焼戻工程とを含んでいる点において、実施の形態２の燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受の製造方法は、実施の形態１の燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受の製造方法とは異なっている。   Referring to FIGS. 4, 5, and 7, fuel cell system rolling member and fuel cell system rolling bearing manufacturing method according to the second embodiment and fuel cell system rolling according to the first embodiment described above. The manufacturing method of the members and the rolling bearing for the fuel cell system is basically the same. However, the heat treatment step in the method of manufacturing a rolling member for a fuel cell system includes a carbonitriding step, a first cooling step, a reheating step, a second cooling step, and a tempering step. The manufacturing method of the fuel cell system rolling member and the fuel cell system rolling bearing according to the second embodiment is the same as the manufacturing method of the fuel cell system rolling member and the fuel cell system rolling bearing according to the first embodiment. Is different.

すなわち、図８を参照して、実施の形態２における燃料電池システム用転動部材の製造方法における熱処理工程では、まず、鋼製部材をＡ１点以上の温度で浸炭窒化する浸炭窒化工程が実施される。具体的には、成形工程において燃料電池システム用転動部材の概略形状に成形された鋼製部材はＡ１点以上の温度である８００℃以上１０００℃以下の温度Ｔ１、たとえば８５０℃に加熱され、６０分間以上３００分間以下の時間、たとえば１５０分間保持される。このとき、鋼製部材はＲＸガスにアンモニア（ＮＨ３）を添加した雰囲気において加熱されて、表層部の炭素濃度および窒素濃度が所望の濃度に調整される。これにより、浸炭窒化工程が完了する。その後、鋼製部材が、たとえば油中に浸漬されることにより（油冷）、Ａ１点以上の温度からＭＳ点以下の温度に冷却される第１の冷却工程が実施される。これにより、１次焼入が完了する。 That is, referring to FIG. 8, in the heat treatment step in the method for manufacturing the rolling member for the fuel cell system in the second embodiment, first, a carbonitriding step of carbonitriding a steel member at a temperature of A 1 point or higher is performed. Is done. Specifically, the steel member formed into the schematic shape of the rolling member for the fuel cell system in the forming step is heated to a temperature T 1 of 800 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, which is a temperature of one point or higher, for example, 850 ° C. For 60 minutes to 300 minutes, for example, 150 minutes. At this time, the steel member is heated in an atmosphere in which ammonia (NH 3 ) is added to RX gas, and the carbon concentration and nitrogen concentration in the surface layer portion are adjusted to desired concentrations. Thereby, the carbonitriding process is completed. Thereafter, the steel member, for example by being immersed in oil (oil cooling), the first cooling step is cooled from a temperature of more than 1 point A to M S point below the temperature is carried out. Thereby, primary hardening is completed.

さらに、１次焼入が実施された鋼製部材がＡ１点以上の温度である７３０℃以上８３０℃以下の温度Ｔ２、たとえば８１０℃に再び加熱される再加熱工程が実施され、その後３０分間以上１２０分間以下の時間、たとえば５０分間保持される。このとき、浸炭窒化処理において調整された炭素濃度および窒素濃度が所望の濃度となるように、たとえば脱炭を防止するため、たとえばＲＸガスを含む雰囲気において加熱される。さらに、鋼製部材が、たとえば油冷されることにより、Ａ１点以上の温度からＭＳ点以下の温度に急冷されて焼入硬化される第２の冷却工程が実施される。これにより、２次焼入が完了する。 Further, a reheating step is performed in which the steel member subjected to the primary quenching is heated again to a temperature T 2 of 730 ° C. or higher and 830 ° C. or lower, which is a temperature of A 1 point or higher, for example, 810 ° C. It is held for a time not less than 120 minutes and not more than 120 minutes, for example, 50 minutes. At this time, for example, in order to prevent decarburization, heating is performed in an atmosphere containing RX gas so that the carbon concentration and the nitrogen concentration adjusted in the carbonitriding process become the desired concentrations. Furthermore, the steel member is cooled with oil, for example, whereby a second cooling step is performed in which the steel member is rapidly cooled from a temperature of A 1 point or higher to a temperature of M S point or lower and quenched and hardened. Thereby, the secondary quenching is completed.

さらに、２次焼入が完了した鋼製部材はＡ１点以下の温度である１５０℃以上３５０℃以下の温度、たとえば１８０℃に加熱され、３０分間以上２４０分間以下の時間、たとえば１２０分間保持されて、その後冷却される。これにより、焼戻工程が完了する。以上の手順により、実施の形態２における燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受の製造方法に含まれる燃料電池システム用転動部材の熱処理工程は完了する。 Furthermore, the steel member that has been subjected to the secondary quenching is heated to a temperature of 150 ° C. or higher and 350 ° C. or lower, which is a temperature of A 1 or less, for example, 180 ° C., and held for 30 minutes or longer and 240 minutes or shorter, for example, 120 minutes And then cooled. Thereby, the tempering process is completed. By the above procedure, the heat treatment process of the fuel cell system rolling member included in the method for manufacturing the fuel cell system rolling member and the fuel cell system rolling bearing in the second embodiment is completed.

ここで、温度Ｔ２は、オーステナイト結晶粒を小さくする観点から、前述のように７９０℃以上８３０℃以下とすることが望ましい。また、同様の観点から、温度Ｔ２はＴ１よりも低い温度とすることが好ましい。さらに、再加熱工程における鋼製部材の表層部の昇温速度は、Ａ１点において３℃／分以上であることが好ましい。これにより、旧オーステナイト結晶粒の大きさのバラツキが小さい整粒組織を有する鋼からなる転動部材を製造することができる。 Here, the temperature T 2 is desirably 790 ° C. or higher and 830 ° C. or lower as described above from the viewpoint of reducing the austenite crystal grains. From the same viewpoint, temperature T 2 is preferably a temperature lower than T 1. Further, Atsushi Nobori rate of the surface layer portion of the steel member in the reheating step is preferably at a point A is 3 ° C. / min or more. Thereby, the rolling member which consists of steel which has a sized structure with small variation in the size of a prior austenite crystal grain can be manufactured.

なお、上述の再加熱工程における鋼製部材の表層部の昇温速度は、たとえば以下のように測定することができる。すなわち、鋼製部材の表層部に熱電対を接続し、再加熱工程における当該表層部の温度の推移を測定し、記録する。そして、当該表層部の温度が上昇してＡ１点を通過する前後の５℃の範囲における１分間あたりの温度上昇（昇温速度）を算出する。この昇温速度が３℃／分以上であれば、上述の条件、すなわち再加熱工程における鋼製部材の表層部の昇温速度は、Ａ１点において３℃／分以上であること、を満たす。 In addition, the temperature increase rate of the surface layer part of the steel member in the above-mentioned reheating process can be measured as follows, for example. That is, a thermocouple is connected to the surface layer portion of the steel member, and the temperature transition of the surface layer portion in the reheating process is measured and recorded. The calculated temperature increase per minute in the range of 5 ° C. before and after the temperature of the surface layer portion pass through a point A rises to (heating rate). If this heating rate is 3 ° C. / min or more, the above-mentioned conditions, i.e. Atsushi Nobori rate of the surface layer portion of the steel member in the reheating step, satisfy, that is 3 ° C. / min or more at a point A .

実施の形態２における燃料電池システム用転動部材の製造方法によれば、炭素量が０．６５質量％以下、クロムが０．３質量％以下に抑制された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、熱処理工程において浸炭窒化焼入される。これにより、浸炭窒化処理の処理時間を延長することなく、十分な窒素濃度と厚みとを有する窒素富化層を形成し、十分な耐摩耗性を燃料電池システム用転動部材に付与することが可能になるとともに、素材のコストを低減することができる。   According to the manufacturing method of the rolling member for a fuel cell system in the second embodiment, the steel in which the carbon content is suppressed to 0.65 mass% or less and chromium is suppressed to 0.3 mass% or less is prepared in the steel material preparation process. It is adopted as a steel material and is carbonitrided and quenched in the heat treatment process. This makes it possible to form a nitrogen-enriched layer having sufficient nitrogen concentration and thickness without extending the carbonitriding process time, and to impart sufficient wear resistance to the rolling member for the fuel cell system. It becomes possible and the cost of the material can be reduced.

また、実施の形態２における燃料電池システム用転動部材では、第１の冷却工程において一旦ＭＳ点以下の温度に油冷され、再加熱工程において浸炭窒化温度よりも低い再加熱温度に再度加熱され、さらに第２の冷却工程においてＭＳ点以下の温度に冷却される手順が採用されている。そのため、窒素富化層における鋼のオーステナイト粒度番号を、１０番を超える範囲とすることができる。これにより、水素脆性剥離の発生する環境下における転動疲労に対する抵抗性が向上しているとともに、割れ強度（静的破壊強度）や靭性が向上した燃料電池システム用転動部材を製造することができる。 Further, the rolling member for a fuel cell system in the second embodiment, once cooled oil to a temperature below M S point, reheated reheating temperature lower than the carbonitriding temperature in the reheating step in the first cooling step Furthermore, a procedure of cooling to a temperature not higher than the MS point in the second cooling step is adopted. Therefore, the austenite grain size number of the steel in the nitrogen-enriched layer can be in a range exceeding # 10. Accordingly, it is possible to manufacture a rolling member for a fuel cell system having improved resistance to rolling fatigue in an environment where hydrogen embrittlement delamination occurs, and improved crack strength (static fracture strength) and toughness. it can.

以上より、実施の形態２における燃料電池システム用転動部材の製造方法によれば、製造コストの上昇を抑制しつつ、水素脆性剥離を十分に抑制することが可能な燃料電池システム用転動部材を製造することができる。そして、実施の形態２における燃料電池システム用転動部材の製造方法により、燃料電池システム用転動部材の表層部に窒素富化層を形成して、転走面からの深さ０．０５ｍｍ以内の領域における窒素濃度を０．１４質量％以上とし、かつ転走面の硬度を６０ＨＲＣ以上とすることができる。   As mentioned above, according to the manufacturing method of the rolling member for fuel cell systems in Embodiment 2, the rolling member for fuel cell systems which can fully suppress hydrogen embrittlement separation, suppressing the rise in manufacturing cost. Can be manufactured. And by the manufacturing method of the rolling member for fuel cell systems in Embodiment 2, a nitrogen enriched layer is formed in the surface layer part of the rolling member for fuel cell systems, and the depth from the rolling surface is within 0.05 mm In this region, the nitrogen concentration can be 0.14% by mass or more, and the hardness of the rolling surface can be 60 HRC or more.

また、実施の形態２における燃料電池システム用転がり軸受の製造方法によれば、上述の燃料電池システム用転動部材の製造方法により転動部材が製造されるため、製造コストの上昇を抑制しつつ、水素脆性剥離を十分に抑制することが可能な燃料電池システム用転がり軸受を製造することができる。   Moreover, according to the manufacturing method of the fuel cell system rolling bearing in the second embodiment, since the rolling member is manufactured by the above-described manufacturing method of the rolling member for the fuel cell system, an increase in manufacturing cost is suppressed. In addition, it is possible to manufacture a rolling bearing for a fuel cell system capable of sufficiently suppressing hydrogen embrittlement peeling.

図９は、実施の形態２における燃料電池システム用転動部材の製造方法に含まれる熱処理工程の変形例の詳細を示す図である。図９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９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９を参照して、実施の形態２における燃料電池システム用転動部材の製造方法に含まれる熱処理工程の変形例を説明する。   FIG. 9 is a diagram showing details of a modified example of the heat treatment step included in the method of manufacturing the rolling member for the fuel cell system in the second embodiment. In FIG. 9, the horizontal direction indicates time, and the time elapses toward the right. In FIG. 9, the vertical direction indicates the temperature, and the higher the temperature, the higher the temperature. With reference to FIG. 9, a modified example of the heat treatment step included in the method of manufacturing the rolling member for the fuel cell system in the second embodiment will be described.

図９を参照して、図９に示す熱処理工程と上述の図８に示す熱処理工程とは基本的には温度および時間の条件を含めて同様の工程となっている。しかし、図９の熱処理工程においては浸炭窒化工程に引き続いて油冷を実施して１次焼入を完了するのではなく、まずＡ１変態点以下の温度に冷却した後、室温（常温）まで冷却することなく再びＡ１変態点以上の温度Ｔ２に加熱する点において、図８の熱処理工程とは異なっている。 Referring to FIG. 9, the heat treatment step shown in FIG. 9 and the heat treatment step shown in FIG. 8 described above are basically the same steps including the temperature and time conditions. However, instead of completing the incoming primary sintered to implement the oil cooling subsequent to the carbonitriding process in the heat treatment process of FIG. 9, first, after cooling to a temperature below the A 1 transformation point, to room temperature (room temperature) in that heating to a temperature T 2 of the above the a 1 transformation point again without cooling, it is different from the heat treatment process of FIG.

これにより、一度焼入を実施した後に再度温度Ｔ２まで加熱する場合に比べて再加熱に要する時間およびエネルギーを小さくすることが可能となるため、製造コストを低減し得る点において有利である。なお、浸炭窒化後に引き続く冷却温度はＡ１変態点よりも低い温度、すなわち鉄のオーステナイトからフェライトへの変態点以下の温度であればよく、たとえば６５０℃以上７００℃以下とすることができる。 Thereby, it becomes possible to reduce the time and energy required for reheating compared to the case of heating to a temperature T 2 again after performing once hardened, it is advantageous in that it can reduce the manufacturing cost. The cooling temperature followed after carbonitriding temperature lower than the A 1 transformation point, i.e. may be a temperature below the transformation point from austenite iron to ferrite may be, for example, 650 ° C. or higher 700 ° C. or less.

なお、上記実施の形態１および２においては、本発明の燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受の一例として玉軸受（深溝玉軸受）およびこれが備える転動部材について説明したが、本発明の燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受はこれらに限られない。たとえば、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、転動部材としての軌道部材は、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、本発明の燃料電池システム用転がり軸受は、スラスト玉軸受またはスラストころ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。   In the first and second embodiments, the ball bearing (deep groove ball bearing) and the rolling member included therein are described as an example of the rolling member for the fuel cell system and the rolling bearing for the fuel cell system of the present invention. The rolling member for a fuel cell system and the rolling bearing for a fuel cell system of the present invention are not limited to these. For example, the track member which is a rolling member may be a shaft or a plate used so that the rolling element rolls on the surface. That is, the track member as the rolling member may be a member on which a rolling surface for rolling the rolling element is formed. In addition, the rolling bearing for the fuel cell system of the present invention may be a thrust ball bearing or a thrust roller bearing, or may be a radial roller bearing.

また、上記実施の形態１および２においては、焼戻工程は、たとえば１８０℃の温度に１２０分間保持することにより実施されているが、素材の焼戻軟化抵抗性に応じて焼戻の温度および時間は変更することができる。すなわち、焼戻軟化抵抗性の小さい素材、たとえば珪素の含有量が０．２質量％以下の鋼が素材として採用された場合、焼戻工程はたとえば１５０℃以上１７０℃以下の温度で３０分以上９０分以下の時間保持することにより実施してもよい。   Further, in the first and second embodiments, the tempering step is performed by holding at a temperature of, for example, 180 ° C. for 120 minutes, but the tempering temperature and the tempering resistance according to the temper softening resistance of the material The time can be changed. That is, when a material having a low resistance to temper softening, for example, a steel having a silicon content of 0.2% by mass or less is employed as the material, the tempering step is performed at a temperature of 150 ° C. or higher and 170 ° C. or lower for 30 minutes or longer. You may implement by hold | maintaining the time for 90 minutes or less.

以下、本発明の実施例１について説明する。本発明の燃料電池システム用転動部材の表面硬度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。   Embodiment 1 of the present invention will be described below. The test which investigates the surface hardness of the rolling member for fuel cell systems of this invention was done. The test procedure is as follows.

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。本発明の実施例の転動部材を構成する鋼としてＪＩＳ Ｓ５３Ｃ、比較例の転動部材を構成する鋼としてＪＩＳ ＳＵＪ２を採用した。そして、上記鋼材を転動部材である６３０３型番（ＪＩＳ Ｂ１５１３）の軸受内輪の概略形状に加工した。   First, a method for producing a test piece to be tested will be described. JIS S53C was adopted as the steel constituting the rolling member of the example of the present invention, and JIS SUJ2 was adopted as the steel constituting the rolling member of the comparative example. And the said steel material was processed into the schematic shape of the bearing inner ring | wheel of 6303 model number (JIS B1513) which is a rolling member.

その後、上記軸受内輪に対して、図６に基づいて説明した実施の形態１における熱処理工程と同様の熱処理工程（浸炭窒化を８５０℃で１５０分間、焼戻を１８０℃で１２０分間）により、同一条件で浸炭窒化、焼入および焼戻を実施した。そして、仕上げ加工を実施することにより、軸受内輪を完成させた（浸炭窒化）。   Thereafter, the same bearing inner ring is subjected to the same heat treatment step (carbonitriding at 850 ° C. for 150 minutes and tempering at 180 ° C. for 120 minutes) similar to the heat treatment step in the first embodiment described with reference to FIG. Carbonitriding, quenching and tempering were performed under the conditions. And the bearing inner ring was completed by carrying out finishing (carbonitriding).

また、上記鋼材を６３０３型番の軸受内輪の概略形状に加工した後、図８に基づいて説明した実施の形態２における熱処理工程と同様の熱処理工程（浸炭窒化を８５０℃で１５０分間、１次焼入後、焼戻を１８０℃で１２０分間、再加熱を８１０℃で４０分間、２次焼入後、焼戻を１８０℃で１２０分間）により、同一条件で浸炭窒化、焼入および焼戻を実施したものも作製した。そして、仕上げ加工を実施することにより、軸受内輪を完成させた（浸炭窒化２度焼入）。   Further, after the above steel material is processed into a general shape of a bearing inner ring of 6303 model number, the same heat treatment step as that in the second embodiment described with reference to FIG. 8 (carbonitriding is performed at 850 ° C. for 150 minutes for the first time. After tempering, carbonitriding, quenching and tempering were performed under the same conditions by tempering at 180 ° C. for 120 minutes, reheating at 810 ° C. for 40 minutes, secondary quenching and tempering at 180 ° C. for 120 minutes. What was carried out was also produced. Then, the bearing inner ring was completed by performing finishing (carbonitriding twice quenching).

さらに、浸炭窒化を実施しない場合の硬度を測定するため、ＲＸガスおよびアンモニアガスを添加しない雰囲気中で８５０℃に加熱し、５５分間保持した後油冷し、さらに１８０℃に加熱して１２０分間保持することにより、浸炭窒化を実施しない通常の焼入（ずぶ焼入）を実施した軸受内輪も作製した。   Further, in order to measure the hardness when carbonitriding is not performed, the sample is heated to 850 ° C. in an atmosphere to which RX gas and ammonia gas are not added, held for 55 minutes, then oil cooled, and further heated to 180 ° C. for 120 minutes. By holding, a bearing inner ring that was subjected to normal quenching (submerged quenching) without carbonitriding was also produced.

表１は、各軸受内輪における転走面の硬度の測定結果を示す表である。表１を参照して、ＳＵＪ２から構成されている軸受内輪の硬度は、浸炭窒化の有無に関わらず、内輪の転動疲労寿命の観点から十分な硬度である６０ＨＲＣ以上となっている。   Table 1 is a table | surface which shows the measurement result of the hardness of the rolling surface in each bearing inner ring | wheel. Referring to Table 1, the hardness of the bearing inner ring composed of SUJ2 is 60 HRC or more, which is a sufficient hardness from the viewpoint of the rolling fatigue life of the inner ring, regardless of the presence or absence of carbonitriding.

一方、Ｓ５３Ｃから構成されている軸受内輪の硬度は、浸炭窒化を実施しない場合、６０ＨＲＣ未満となっており、内輪の転動疲労寿命の観点から十分な硬度を確保できているとはいえない。これに対し、浸炭窒化を実施した実施例の内輪では、６１．２ＨＲＣの硬度となっており、内輪の転動疲労寿命の観点から十分な硬度である６０ＨＲＣ以上となっている。さらに、浸炭窒化２度焼入を実施した実施例の内輪では、６２．８ＨＲＣの硬度となっており、内輪の転動疲労寿命の観点から十分な硬度である６０ＨＲＣ以上となっているばかりでなく、ずぶ焼入により作製される一般的なＳＵＪ２製の転動部材の硬度である６２ＨＲＣ以上の硬度となっている。このことから、ずぶ焼入のみでは硬度が不足するＳ５３Ｃであっても、これを素材として採用し、浸炭窒化を施した転動部材は、転動疲労寿命の観点から十分な硬度を確保可能であることが分かる。   On the other hand, the hardness of the bearing inner ring composed of S53C is less than 60 HRC when carbonitriding is not performed, and it cannot be said that sufficient hardness is secured from the viewpoint of the rolling fatigue life of the inner ring. On the other hand, the inner ring of the example in which carbonitriding was performed has a hardness of 61.2 HRC, which is 60 HRC or more, which is sufficient from the viewpoint of the rolling fatigue life of the inner ring. Furthermore, in the inner ring of the embodiment in which the carbonitriding twice quenching is performed, the hardness is 62.8 HRC, which is not only higher than 60 HRC, which is a sufficient hardness from the viewpoint of the rolling fatigue life of the inner ring. The hardness is 62HRC or higher, which is the hardness of a general rolling member made of SUJ2, which is manufactured by sub-quenching. From this, even if it is S53C, which is insufficient in hardness by only quenching, the rolling member adopting this as a raw material and subjected to carbonitriding can secure sufficient hardness from the viewpoint of rolling fatigue life. I understand that there is.

以下、本発明の実施例２について説明する。本発明の燃料電池システム用転動部材の窒素濃度分布を、一般的な軸受用鋼であるＳＵＪ２を素材とし、浸炭窒化が実施された転動部材の窒素濃度分布と比較する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。   Embodiment 2 of the present invention will be described below. A test was performed in which the nitrogen concentration distribution of the rolling member for the fuel cell system according to the present invention was compared with the nitrogen concentration distribution of a rolling member subjected to carbonitriding using SUJ2 which is a general bearing steel. The test procedure is as follows.

実施例１において作製した軸受内輪のうち、浸炭窒化を実施した内輪を転走面に対して垂直な断面で切断し、ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｉｓ）により、転走面から内部に向けて、転走面に垂直な方向における窒素濃度および炭素濃度の推移を測定した。なお、当該測定は、転走面の仕上げ加工前に、すなわち浸炭窒化後に転走面の加工を実施することなく実施した。   Of the bearing inner rings produced in Example 1, the carbonitrided inner ring was cut in a cross section perpendicular to the rolling surface, and EPMA (Electron Probe Micro Analysis) was used to roll the inner ring from the rolling surface to the inside. Changes in nitrogen concentration and carbon concentration in the direction perpendicular to the running surface were measured. In addition, the said measurement was implemented without implementing the processing of a rolling surface before the finishing process of a rolling surface, ie, after carbonitriding.

図１０は、浸炭窒化を実施した場合の軸受内輪における転走面からの深さと窒素濃度との関係を示す図である。また、図１１は、浸炭窒化を実施した場合の軸受内輪における転走面からの深さと炭素濃度との関係を示す図である。また、図１２は、浸炭窒化２度焼入を実施した場合の軸受内輪における転走面からの深さと窒素濃度との関係を示す図である。また、図１３は、浸炭窒化２度焼入を実施した場合の軸受内輪における転走面からの深さと炭素濃度との関係を示す図である。図１０〜図１３において、横軸は表面からの深さであり、縦軸はそれぞれ窒素濃度および炭素濃度である。また、図１０〜図１３において、Ｓ５３Ｃ製の軸受内輪の測定結果は実線で、ＳＵＪ２製の軸受内輪の測定結果は破線で示されている。図１０〜図１３を参照して、浸炭窒化を実施した軸受内輪の窒素濃度分布について説明する。   FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the depth from the rolling surface in the bearing inner ring and the nitrogen concentration when carbonitriding is performed. Moreover, FIG. 11 is a figure which shows the relationship between the depth from the rolling surface in a bearing inner ring | wheel, and carbon concentration at the time of implementing carbonitriding. FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the depth from the rolling surface in the bearing inner ring and the nitrogen concentration when carbonitriding twice quenching is performed. FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the depth from the rolling surface and the carbon concentration in the bearing inner ring when carbonitriding twice quenching is performed. 10 to 13, the horizontal axis represents the depth from the surface, and the vertical axis represents the nitrogen concentration and the carbon concentration, respectively. 10 to 13, the measurement result of the bearing inner ring made of S53C is shown by a solid line, and the measurement result of the bearing inner ring made of SUJ2 is shown by a broken line. With reference to FIGS. 10 to 13, the nitrogen concentration distribution of the bearing inner ring subjected to carbonitriding will be described.

図１０および図１２を参照して、本発明の実施例であるＳ５３Ｃ製の軸受内輪および比較例であるＳＵＪ２製の軸受内輪における窒素濃度は、基本的には、表面から内部に向かうに従って低下している。そして、最表層部においては、比較例であるＳＵＪ２製内輪の窒素濃度が実施例であるＳ５３Ｃ製内輪の窒素濃度を上回っている。しかし、ＳＵＪ２製内輪の窒素濃度は、内輪の内部では急激に低下し、表面からの深さが０．１５ｍｍを超える領域においては、Ｓ５３Ｃ製内輪の窒素濃度がＳＵＪ２製内輪の窒素濃度を上回っている。これは、以下のような理由によるものであると考えられる。   Referring to FIGS. 10 and 12, the nitrogen concentration in the bearing inner ring made of S53C which is an embodiment of the present invention and the bearing inner ring made of SUJ2 which is a comparative example basically decreases as it goes from the surface toward the inside. ing. And in the outermost layer part, the nitrogen concentration of the inner ring made of SUJ2 which is a comparative example exceeds the nitrogen concentration of the inner ring made of S53C which is an example. However, the nitrogen concentration of the inner ring made of SUJ2 falls sharply inside the inner ring, and in the region where the depth from the surface exceeds 0.15 mm, the nitrogen concentration of the inner ring made of S53C exceeds the nitrogen concentration of the inner ring made of SUJ2. Yes. This is considered to be due to the following reasons.

図１１および図１３を参照して、実施例であるＳ５３Ｃ製内輪の炭素濃度は、内部に向けてほぼ直線的に低下していくのに対し、比較例であるＳＵＪ２製内輪の炭素濃度は最表層部に最も大きなピークを有しており、内部に向けても多くのピークを有している。これは、過共析鋼であるＳＵＪ２のミクロ組織中には炭化物（セメンタイト；Ｆｅ３Ｃ）が存在していることと、ＳＵＪ２は多量のクロム（Ｃｒ）を含有しているため、浸炭窒化処理により表層部にＣｒ炭窒化物が析出していることとに起因している。そして、これらの炭化物および炭窒化物が浸炭窒化処理における窒素の内部への侵入を阻害し、上述のような窒素濃度の急激な低下の原因となったものと考えられる。 Referring to FIGS. 11 and 13, the carbon concentration of the inner ring made of S53C as an example decreases almost linearly toward the inside, whereas the carbon concentration of the inner ring made of SUJ2 as a comparative example is the highest. It has the largest peak in the surface layer part and has many peaks toward the inside. This is because the carbide (cementite; Fe 3 C) exists in the microstructure of SUJ2, which is a hypereutectoid steel, and because SUJ2 contains a large amount of chromium (Cr), it is carbonitrided. This is due to the fact that Cr carbonitride is deposited on the surface layer. And these carbide | carbonized_material and carbonitride inhibit the penetration | invasion of the inside of nitrogen in a carbonitriding process, and it is thought that it was the cause of the above-mentioned rapid fall of nitrogen concentration.

ここで、通常、燃料電池システム用転がり軸受を構成する燃料電池システム用転動部材の転走面は、熱処理後の仕上げ工程において、表層部の０．１〜０．２ｍｍの領域が研削により除去されて形成される。したがって、燃料電池システム用転がり軸受の運転中における金属新生面の出現を抑制するために耐摩耗性が要求される転走面およびその近傍では、本発明の実施例であるＳ５３Ｃ製の内輪の窒素濃度が、比較例であるＳＵＪ２製の内輪の窒素濃度よりも高くなっていることとなる。たとえば、熱処理後の仕上げ工程において、表層部の０．２ｍｍの領域が研削により除去された場合でも、Ｓ５３Ｃ製の内輪では、転走面からの深さ０．０５ｍｍ以内の領域における窒素濃度を０．１４質量％以上とすることが可能である。また、ＳＵＪ２製の内輪の転走面における窒素濃度を上昇させるためには、浸炭窒化時間を長くする対策が考えられるが、その場合、製造コストが上昇するという問題がある。   Here, the rolling surface of the rolling member for the fuel cell system that normally constitutes the rolling bearing for the fuel cell system is removed by grinding the 0.1 to 0.2 mm region of the surface layer in the finishing process after the heat treatment. To be formed. Therefore, the nitrogen concentration of the inner ring made of S53C, which is an embodiment of the present invention, on the rolling surface where wear resistance is required in order to suppress the appearance of a new metal surface during operation of the rolling bearing for the fuel cell system, and its vicinity. However, it is higher than the nitrogen concentration of the inner ring made of SUJ2, which is a comparative example. For example, in the finishing step after heat treatment, even when the 0.2 mm region of the surface layer portion is removed by grinding, the S53C inner ring has a nitrogen concentration of 0 mm or less in the region within a depth of 0.05 mm from the rolling surface. .14% by mass or more. Further, in order to increase the nitrogen concentration on the rolling surface of the inner ring made of SUJ2, a measure to increase the carbonitriding time can be considered, but in that case, there is a problem that the manufacturing cost increases.

以上より、Ｓ５３Ｃを素材として浸炭窒化を実施した本発明の実施例の燃料電池システム用転動部材は、ＳＵＪ２を素材として浸炭窒化を実施した比較例の燃料電池システム用転動部材に比べて、製造コストの上昇を抑制しつつ、転走面近傍の窒素濃度を上昇させることが可能であることが分かる。そして、これにより、本発明の燃料電池システム用転動部材によれば、転走面の耐摩耗性を向上させ、水素脆性剥離を十分に抑制することが可能であると考えられる。   From the above, the rolling member for the fuel cell system of the embodiment of the present invention in which carbonitriding was performed using S53C as a material, compared with the rolling member for a fuel cell system in a comparative example in which carbonitriding was performed using SUJ2 as a material, It can be seen that the nitrogen concentration in the vicinity of the rolling contact surface can be increased while suppressing an increase in manufacturing cost. Thus, according to the rolling member for a fuel cell system of the present invention, it is considered that the wear resistance of the rolling surface can be improved and hydrogen brittle separation can be sufficiently suppressed.

以下、本発明の実施例３について説明する。本発明の燃料電池システム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、超音波疲労試験により水素脆性剥離に対する抵抗性（水素脆性疲労強度）を評価した。試験の手順は以下のとおりである。   Embodiment 3 of the present invention will be described below. Example test specimens having the same configuration as the rolling member for the fuel cell system of the present invention and comparative test specimens having a configuration outside the scope of the present invention were produced, and hydrogen brittle exfoliation was performed by ultrasonic fatigue testing. Resistance to hydrogen (hydrogen brittle fatigue strength) was evaluated. The test procedure is as follows.

図１４は、超音波疲労試験の試験片の構成を示す概略図である。図１４を参照して、超音波疲労試験の試験片の作製方法について説明する。   FIG. 14 is a schematic view showing a configuration of a test piece of an ultrasonic fatigue test. With reference to FIG. 14, the preparation method of the test piece of an ultrasonic fatigue test is demonstrated.

まず、Ｓ５３Ｃからなる鋼材とＳＵＪ２からなる鋼材を試験片の概略形状に加工した。その後、Ｓ５３Ｃからなる試験片のうち一部については、図６に基づいて説明した上述の実施の形態１と同様の方法（浸炭窒化を８５０℃で１５０分間後、焼戻を１８０℃で１２０分間）で浸炭窒化、焼入、および焼戻を実施した後、仕上げ加工を実施することにより、試験片を完成させた（浸炭窒化；本発明の実施例）。また、Ｓ５３Ｃからなる試験片のうち他の一部については、図８に基づいて説明した上述の実施の形態２と同様の方法（浸炭窒化を８５０℃で１５０分間、１次焼入後、焼戻を１８０℃で１２０分間、再加熱を８１０℃で４０分間、２次焼入後、焼戻を１８０℃で１２０分間）で浸炭窒化、焼入、および焼戻を実施した後、仕上げ加工を実施することにより、試験片を完成させた（浸炭窒化２度焼入；本発明の実施例）。   First, a steel material made of S53C and a steel material made of SUJ2 were processed into a schematic shape of a test piece. Thereafter, a part of the test pieces made of S53C was subjected to the same method as in the first embodiment described above with reference to FIG. 6 (carbonitriding was performed at 850 ° C. for 150 minutes, and tempering was performed at 180 ° C. for 120 minutes. ) Was subjected to carbonitriding, quenching, and tempering, followed by finishing to complete a test piece (carbonitriding; examples of the present invention). In addition, for some of the test pieces made of S53C, the same method as in the above-described second embodiment described with reference to FIG. 8 (carbonitriding at 850 ° C. for 150 minutes after first quenching, After carbonitriding, quenching, and tempering at 180 ° C. for 120 minutes, reheating at 810 ° C. for 40 minutes, secondary quenching and tempering at 180 ° C. for 120 minutes), finishing is performed. The test piece was completed by carrying out (carbonitriding twice quenching; examples of the present invention).

一方、Ｓ５３Ｃからなる試験片の残部およびＳＵＪ２からなる試験片については、ＲＸガスおよびアンモニアガスを添加しない雰囲気中で８５０℃に加熱し、５５分間保持した後油冷し、さらに１８０℃に加熱して１２０分間保持することにより、浸炭窒化を実施しない通常の焼入（ずぶ焼入）を実施した。   On the other hand, the remainder of the test piece made of S53C and the test piece made of SUJ2 were heated to 850 ° C. in an atmosphere to which RX gas and ammonia gas were not added, held for 55 minutes, then cooled with oil, and further heated to 180 ° C. For 120 minutes, normal quenching (carbon quenching) without carbonitriding was performed.

図１４を参照して、試験片７は、直径φ１２ｍｍ、長さ６８．７４ｍｍの円柱状であり、試験片７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７１が形成されている。節部７１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７の一方の端部には、試験片７を試験機に固定するための長さ１０ｍｍのねじ部７２が形成されており、当該ねじ部７２を含めた試験片の全長は７８．７４ｍｍとなっている。   Referring to FIG. 14, test piece 7 has a cylindrical shape with a diameter of 12 mm and a length of 68.74 mm. 71 is formed. In the cross section in the axial direction, the outer peripheral surface of the node portion 71 has a shape in which an arc having a radius of 14.5 mm faces the axis symmetrically, and the center portion is thinnest. And the diameter of the part with the smallest diameter of the center part is 4 mm. Furthermore, a screw portion 72 having a length of 10 mm for fixing the test piece 7 to the testing machine is formed at one end of the test piece 7. The total length of the test piece including the screw portion 72 is 78. .74 mm.

図１５は、超音波疲労試験を実施するために使用した超音波疲労試験機の構成を示す概略図である。図１５を参照して、超音波疲労試験の試験方法について説明する。   FIG. 15 is a schematic diagram showing the configuration of an ultrasonic fatigue tester used for carrying out the ultrasonic fatigue test. With reference to FIG. 15, the test method of the ultrasonic fatigue test will be described.

図１５を参照して、超音波疲労試験機５は、試験片７のねじ部７２がねじ込まれることにより、試験片７が固定される試験片保持部５１と、試験片保持部５１に連結されたホーン部５２と、ホーン部５２に接続されたＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）振動子５３と、ＰＺＴ振動子５３に接続された増幅器５４と、増幅器５４に接続されたパーソナルコンピュータなどの制御装置５５とを備えている。さらに、超音波疲労試験機５は、試験片７がセットされた状態において、試験片７のねじ部７２が形成された側とは反対側の端部に対向するように隙間ゲージ５６が配置され、隙間ゲージ５６はオシロスコープ５７に接続されている。   Referring to FIG. 15, the ultrasonic fatigue testing machine 5 is connected to the test piece holding part 51 to which the test piece 7 is fixed and the test piece holding part 51 by screwing the screw part 72 of the test piece 7. The horn unit 52, the PZT (lead zirconate titanate) vibrator 53 connected to the horn part 52, the amplifier 54 connected to the PZT vibrator 53, and a control device such as a personal computer connected to the amplifier 54 55. Further, in the ultrasonic fatigue testing machine 5, the gap gauge 56 is arranged so as to face the end of the test piece 7 opposite to the side on which the screw portion 72 is formed in the state where the test piece 7 is set. The gap gauge 56 is connected to an oscilloscope 57.

以下、超音波疲労試験の具体的手順を説明する。上述の作製方法により作製された試験片７に対して、まず陰極水素チャージにより２質量ｐｐｍの水素を導入した。そして、試験片７の節部７１において最も直径が細くなった部分の表面に、ビッカース硬度計を用いて圧痕を形成した。この圧痕は、破断の起点を試験片７の表面とし、試験片の表層部の水素脆性疲労強度を評価するために形成したものである。   Hereinafter, a specific procedure of the ultrasonic fatigue test will be described. First, 2 mass ppm of hydrogen was introduced into the test piece 7 manufactured by the above-described manufacturing method by cathodic hydrogen charging. Then, an indentation was formed on the surface of the portion having the smallest diameter in the node portion 71 of the test piece 7 using a Vickers hardness meter. This indentation is formed in order to evaluate the hydrogen embrittlement fatigue strength of the surface layer portion of the test piece with the starting point of the break as the surface of the test piece 7.

その後、試験片７のねじ部７２を試験片保持部５１にねじ込むことにより、試験片７を超音波疲労試験機５にセットした。さらに、制御装置５５により出力を制御しつつ、増幅器５４を介してＰＺＴ振動子５３に電力を入力することにより、超音波振動を発生させた。そして、当該超音波振動をホーン部５２および試験片保持部５１を介して試験片７に伝達することにより試験片７を共振させた。このとき、試験片７の節部７１の直径が最も細い部分において、軸方向の引張圧縮の応力振幅が最大となる。一方、オシロスコープ５７に接続された隙間ゲージ５６により、試験片７の振動の状態を管理した。   Then, the test piece 7 was set in the ultrasonic fatigue testing machine 5 by screwing the screw part 72 of the test piece 7 into the test piece holding part 51. Furthermore, ultrasonic vibration was generated by inputting power to the PZT vibrator 53 via the amplifier 54 while controlling the output by the control device 55. And the test piece 7 was made to resonate by transmitting the said ultrasonic vibration to the test piece 7 via the horn part 52 and the test piece holding | maintenance part 51. FIG. At this time, in the portion where the diameter of the node portion 71 of the test piece 7 is the thinnest, the stress amplitude of the tensile compression in the axial direction becomes the maximum. On the other hand, the vibration state of the test piece 7 was managed by the gap gauge 56 connected to the oscilloscope 57.

以上のように試験機を運転し、試験片７が剥離または破断するまでの応力の繰り返し数を調査した。さらに、当該調査を種々の応力について実施し、その結果が正規分布に従うとの仮定の下、当該結果を統計的に解析して１０％の試験片が応力の繰り返し数１０７回で破断すると予測される応力（１０％疲労強度）を算出した。 The test machine was operated as described above, and the number of repeated stresses until the test piece 7 peeled or fractured was investigated. Furthermore, predicted to the survey conducted for various stresses, the result is broken in normal under the assumption that follows the distribution, the results statistically analyzed to 10% of the test piece stress repeated several 10 7 times Stress (10% fatigue strength) was calculated.

図１６は、超音波疲労試験の結果を示す図である。図１６において、縦軸は１０％疲労強度を示している。そして、比較例であるずぶ焼入が実施されたＳＵＪ２製の試験片およびＳ５３Ｃ製の試験片と、本発明の実施の形態１と同様の方法により作製されたＳ５３Ｃ製の本発明の実施例の試験片（図中において「Ｓ５３Ｃ（浸炭窒化）」と表示）と、本発明の実施の形態２と同様の方法により作製されたＳ５３Ｃ製の本発明の実施例の試験片（図中において「Ｓ５３Ｃ（浸炭窒化、２度焼入）」と表示）との１０％疲労強度が並べて示されている。図１６を参照して、超音波疲労試験の結果について説明する。   FIG. 16 is a diagram showing the results of an ultrasonic fatigue test. In FIG. 16, the vertical axis indicates 10% fatigue strength. Then, a SUJ2 test piece and a S53C test piece that have been subjected to submerged quenching, which is a comparative example, and an example of the present invention made of S53C that was produced by the same method as in the first embodiment of the present invention. A test piece (shown as “S53C (carbonitriding)” in the figure) and a test piece of an example of the invention made of S53C produced by the same method as in the second embodiment of the invention (in the figure, “S53C (Carbonitriding, 2 quenching) "and 10% fatigue strength are shown side by side. The result of the ultrasonic fatigue test will be described with reference to FIG.

図１６を参照して、本発明の転動部材と同様の構成を有する「Ｓ５３Ｃ（浸炭窒化）」の試験片は、ずぶ焼入が実施された試験片の１０％疲労強度（水素脆性疲労強度）を大幅に上回っている。たとえば、「Ｓ５３Ｃ（浸炭窒化）」の試験片の１０％疲労強度は、転がり軸受の構成として最も一般的な、ずぶ焼入が実施されたＳＵＪ２製の試験片の１０％疲労強度を３５％程度上回っている。さらに、「Ｓ５３Ｃ（浸炭窒化、２度焼入）」の試験片は、ずぶ焼入が実施されたＳＵＪ２製の試験片の１０％疲労強度を４７％程度上回っており、水素脆性疲労強度が極めて大幅に向上していることが分かる。   Referring to FIG. 16, the test piece of “S53C (carbonitriding)” having the same configuration as the rolling member of the present invention is 10% fatigue strength (hydrogen brittle fatigue strength) of the test piece subjected to continuous quenching. ) Greatly exceeded. For example, the 10% fatigue strength of the “S53C (carbonitriding)” test piece is about 35% of the 10% fatigue strength of the SUJ2 test piece, which is the most common structure of rolling bearings, and which has been subjected to continuous quenching. It has exceeded. Furthermore, the test piece of “S53C (carbonitriding, double quenching)” exceeds the 10% fatigue strength of the SUJ2 test piece that has been subjected to continuous quenching by about 47%, and the hydrogen brittle fatigue strength is extremely high. It turns out that it is improving significantly.

以上の結果より、本発明の燃料電池システム用転動部材によれば、機械構造用炭素鋼などの廉価な素材が採用され、効率よく窒素富化層が表層部に形成されていることにより、従来の燃料電池システム用転動部材に比べて、水素脆性疲労強度が大幅に優れた燃料電池システム用転動部材を提供可能であり、水素脆性剥離の抑制に有効であると考えられる。   From the above results, according to the rolling member for the fuel cell system of the present invention, an inexpensive material such as carbon steel for mechanical structure is adopted, and the nitrogen-enriched layer is efficiently formed in the surface layer portion. Compared to conventional rolling members for fuel cell systems, it is possible to provide a rolling member for fuel cell systems that is significantly superior in hydrogen brittle fatigue strength, and is considered to be effective in suppressing hydrogen brittle peeling.

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。   The embodiments and examples disclosed herein are illustrative in all respects and should not be construed as being restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明の燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受は、燃料電池システムに含まれる圧送機において使用される燃料電池システム用転動部材および燃料電池システム用転がり軸受に特に有利に適用され得る。   The rolling member for a fuel cell system and the rolling bearing for a fuel cell system of the present invention are particularly advantageously applied to a rolling member for a fuel cell system and a rolling bearing for a fuel cell system used in a pressure feeder included in the fuel cell system. Can be done.

実施の形態１における燃料電池システム用転動部材を備えた燃料電池用玉軸受が配置された圧送機の一例を示す概略断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a pressure feeder in which a fuel cell ball bearing provided with a fuel cell system rolling member according to Embodiment 1 is arranged. 実施の形態１における燃料電池システム用転がり軸受としての燃料電池用玉軸受の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a ball bearing for a fuel cell as a rolling bearing for a fuel cell system in Embodiment 1. FIG. 図２の要部を拡大して示した概略部分断面図である。It is the general | schematic fragmentary sectional view which expanded and showed the principal part of FIG. 実施の形態１における燃料電池システム用転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。2 is a diagram showing an outline of a method for manufacturing a rolling bearing for a fuel cell system in Embodiment 1. FIG. 実施の形態１における燃料電池システム用転がり軸受の製造方法に含まれる燃料電池システム用転動部材の製造方法の概略を示す図である。FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a method for manufacturing a rolling member for a fuel cell system included in a method for manufacturing a rolling bearing for a fuel cell system according to Embodiment 1. 実施の形態１における燃料電池システム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。FIG. 5 is a diagram for explaining details of a heat treatment step included in the method for manufacturing a rolling member for a fuel cell system in the first embodiment. 実施の形態２における燃料電池システム用転がり軸受の製造方法に含まれる燃料電池システム用転動部材の製造方法の概略を示す図である。FIG. 10 is a diagram schematically showing a method for manufacturing a rolling member for a fuel cell system included in a method for manufacturing a rolling bearing for a fuel cell system in a second embodiment. 実施の形態２における燃料電池システム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。FIG. 10 is a diagram for explaining details of a heat treatment step included in a method for manufacturing a rolling member for a fuel cell system in a second embodiment. 実施の形態２における燃料電池システム用転動部材の製造方法に含まれる熱処理工程の変形例の詳細を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing details of a modified example of a heat treatment step included in the method for manufacturing a rolling member for a fuel cell system in the second embodiment. 浸炭窒化を実施した場合の軸受内輪における転走面からの深さと窒素濃度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the depth from the rolling surface in a bearing inner ring | wheel and nitrogen concentration at the time of implementing carbonitriding. 浸炭窒化を実施した場合の軸受内輪における転走面からの深さと炭素濃度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the depth from the rolling surface in a bearing inner ring | wheel, and carbon concentration at the time of implementing carbonitriding. 浸炭窒化２度焼入を実施した場合の軸受内輪における転走面からの深さと窒素濃度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the depth from the rolling surface in a bearing inner ring | wheel and nitrogen concentration at the time of implementing carbonitriding twice quenching. 浸炭窒化２度焼入を実施した場合の軸受内輪における転走面からの深さと炭素濃度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the depth from the rolling surface in a bearing inner ring | wheel and carbon concentration at the time of implementing carbonitriding twice quenching. 超音波疲労試験の試験片の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the test piece of an ultrasonic fatigue test. 超音波疲労試験を実施するために使用した超音波疲労試験機の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the ultrasonic fatigue testing machine used in order to implement an ultrasonic fatigue test. 超音波疲労試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of an ultrasonic fatigue test. 転がり軸受の剥離起点付近に発生した白層の光学顕微鏡写真である。It is the optical microscope photograph of the white layer which generate | occur | produced in the vicinity of the peeling start point of a rolling bearing.

符号の説明Explanation of symbols

１ 燃料電池用玉軸受、３ 圧送機、５ 超音波疲労試験機、１１ 外輪、１１Ａ 外輪転走面、１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂ 窒素富化層、１２ 内輪、１２Ａ 内輪転走面、１３ 玉、１３Ａ 玉転走面、１４ 保持器、１５ シール部材、３０ 回転軸、３０Ａ 外周面、３１ ハウジング、３１Ａ 内壁、３２ 気体吸入口、３３ 背面板、３４ 圧縮空間、３５ 気体圧送路、３７ Ｏリング、３８ シール部材、４０ インペラ、４０Ａ 翼部、５１ 試験片保持部、５２ ホーン部、５３ 振動子、５４ 増幅器、５５ 制御装置、５６ 隙間ゲージ、５７ オシロスコープ、７１ 節部、７２ ねじ部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell ball bearing, 3 Pumping machine, 5 Ultrasonic fatigue test machine, 11 Outer ring, 11A Outer ring rolling surface, 11B, 12B, 13B Nitrogen enriched layer, 12 Inner ring, 12A Inner ring rolling surface, 13 ball, 13A Ball rolling surface, 14 Cage, 15 Seal member, 30 Rotating shaft, 30A Outer peripheral surface, 31 Housing, 31A Inner wall, 32 Gas inlet, 33 Back plate, 34 Compression space, 35 Gas feed path, 37 O-ring, 38 Seal member, 40 impeller, 40A wing part, 51 test piece holding part, 52 horn part, 53 vibrator, 54 amplifier, 55 control device, 56 gap gauge, 57 oscilloscope, 71 knuckle part, 72 screw part.

Claims (5)

燃料電池システムに含まれる圧送機において、気体を圧送するために回転する回転部材を前記回転部材に対向するように配置される部材に対して回転自在に軸支する燃料電池システム用転がり軸受を構成する燃料電池システム用転動部材であって、
０．２５質量％以上０．６５質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、０．６質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部鉄および不可避的不純物からなり、クロム含有量が０．３質量％以下に抑制された鋼から構成され、
表層部に窒素富化層が形成されている、燃料電池システム用転動部材。 In a pressure feeder included in a fuel cell system, a rolling bearing for a fuel cell system is provided that rotatably supports a rotating member that rotates to pump gas with respect to a member that is disposed so as to face the rotating member. A rolling member for a fuel cell system,
0.25% by mass to 0.65% by mass of carbon, 0.15% by mass to 0.35% by mass of silicon, and 0.6% by mass to 0.9% by mass of manganese. , Composed of steel with the balance iron and inevitable impurities, the chromium content being suppressed to 0.3 mass% or less,
A rolling member for a fuel cell system, wherein a nitrogen-enriched layer is formed in a surface layer portion. 前記窒素富化層における前記鋼のオーステナイト粒度番号は１０番を超える範囲にある、請求項１に記載の燃料電池システム用転動部材。   The rolling member for a fuel cell system according to claim 1, wherein the austenite grain size number of the steel in the nitrogen-enriched layer is in a range exceeding # 10. 転走面から深さ０．０５ｍｍ以内の領域における窒素濃度は、０．１４質量％以上である、請求項１または２に記載の燃料電池システム用転動部材。   The rolling member for a fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein a nitrogen concentration in a region within a depth of 0.05 mm from the rolling surface is 0.14 mass% or more. 前記転走面の硬度は、６０ＨＲＣ以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム用転動部材。   The rolling member for a fuel cell system according to claim 1, wherein the rolling surface has a hardness of 60 HRC or more. 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１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム用転動部材である、燃料電池システム用転がり軸受。 A track member;
A plurality of rolling elements that are in contact with the raceway member and disposed on an annular raceway,
The rolling bearing for a fuel cell system, wherein at least one of the race member and the rolling element is the rolling member for a fuel cell system according to any one of claims 1 to 4.
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