JP2023080746A - Machine component - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、機械部品に関する。より特定的には、本発明は、焼入れ及び焼戻しの行われた鋼製であり、水素利用機器用の機械部品に関する。 The present invention relates to mechanical parts. More particularly, the present invention relates to hardened and tempered steel mechanical components for hydrogen utilization equipment.
例えば水素ステーション向けの水素利用機器には、軸受が用いられる。水素ステーションの稼働率の増加又は軸受の小型化が進展すると、使用時における転がり軸受の温度が上昇する。 For example, bearings are used in hydrogen utilization equipment for hydrogen stations. As the operation rate of hydrogen stations increases or bearings become smaller, the temperature of rolling bearings increases during use.
焼入れ及び焼戻しが行われた転がり軸受では、使用温度が上昇すると、残留オーステナイトが分解される。その結果、残留オーステナイトの分解に伴う体積膨張により、転がり軸受の構成部品の寸法変化が生じる。なお、転がり軸受の軌道輪の寸法変化率が大きくなると、クリープの発生、軌道面と転動体との間の隙間が減少することに伴う接触面圧の上昇及びそれに起因した早期損傷並びに寸法精度の低下に伴う異音や振動の増大といった問題が生じることがある。 In a quenched and tempered rolling bearing, the residual austenite is decomposed when the operating temperature rises. As a result, due to the volumetric expansion associated with the decomposition of retained austenite, dimensional changes occur in the constituent parts of the rolling bearing. When the dimensional change rate of the bearing ring of the rolling bearing increases, creep occurs, the contact surface pressure increases due to the decrease in the clearance between the raceway surface and the rolling element, and the resulting early damage and dimensional accuracy decrease. Problems such as noise and increased vibration associated with the decrease may occur.
特開2001-99163号公報(特許文献1)には、転がり軸受の軌道輪が記載されている。特許文献1に記載の軌道輪は、焼入れ及び焼戻しが行われた鋼製である。特許文献1に記載の軌道輪では、鋼中の残留オーステナイト量が実質的に0になっている。特許文献1に記載の軌道輪によると、使用に伴う寸法の経時変化が抑制されている。 Japanese Patent Laying-Open No. 2001-99163 (Patent Document 1) describes a bearing ring of a rolling bearing. The bearing ring described in Patent Document 1 is made of steel that has been quenched and tempered. In the bearing ring disclosed in Patent Document 1, the amount of retained austenite in the steel is substantially zero. According to the bearing ring described in Patent Document 1, changes in dimensions with time due to use are suppressed.
しかしながら、特許文献1に記載の軌道輪では、表面における鋼の硬さが752Hv未満になっている。軌道輪の表面における鋼の硬さが低くなると、圧痕起点型の転動疲労寿命が低下する。そのため、特許文献1に記載の軌道輪では、圧痕起点型の転動疲労寿命に改善の余地がある。 However, in the bearing ring described in Patent Document 1, the surface hardness of the steel is less than 752 Hv. When the hardness of the steel on the surface of the bearing ring decreases, the indentation-initiated rolling contact fatigue life decreases. Therefore, in the bearing ring described in Patent Document 1, there is room for improvement in the indentation-initiated rolling contact fatigue life.
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本発明は、寸法の経時変化を抑制可能であるとともに、表面における圧痕起点型の転動疲労寿命を改善可能である水素利用機器用の機械部品を提供するものである。 The present invention has been made in view of the problems of the prior art as described above. More specifically, the present invention provides a mechanical component for hydrogen-utilizing equipment that is capable of suppressing dimensional changes over time and improving the life of indentation-initiated rolling contact fatigue on the surface.
本発明の一態様に係る機械部品は、鋼製であり、表面を有する。機械部品は、水素利用機器用である。鋼は、焼入れ及び焼戻しが行われている。機械部品は、表面にある浸窒層と、表面からの距離が浸窒層よりも離れている芯部とを備える。表面における鋼中の窒素濃度は、0.3質量パーセント以上である。表面における鋼の硬さは、850Hv以上である。芯部における鋼中の残留オーステナイト量は、9体積パーセント以下である。芯部における鋼中の残留オーステナイトの転位密度は、4.0×1014m-2以上である。鋼は、軸受鋼である。 A mechanical component according to one aspect of the present invention is made of steel and has a surface. Mechanical parts are for hydrogen utilization equipment. The steel has been hardened and tempered. The mechanical part comprises a nitrided layer on the surface and a core part which is a greater distance from the surface than the nitrided layer. The nitrogen concentration in the steel at the surface is 0.3 mass percent or more. The hardness of the steel at the surface is 850Hv or higher. The amount of retained austenite in the steel in the core is 9 volume percent or less. The dislocation density of retained austenite in steel in the core is 4.0×10 14 m −2 or more. The steel is bearing steel.
上記機械部品では、表面における鋼中の窒素濃度をX(単位:質量パーセント)とし、表面における鋼中のマルテンサイトの転位密度をY(単位:m-2)とした場合に、934893.48+379.96×X-330.96×Y2-5.41×104×lоgY+783.83×lоgX2≧0との関係が満たされていてもよい。 In the above machine part, when the nitrogen concentration in the steel on the surface is X (unit: mass percent) and the dislocation density of martensite in the steel on the surface is Y (unit: m −2 ), 934893.48+379. The relationship 96×X−330.96×Y 2 −5.41×10 4 ×log Y+783.83×log X 2 ≧0 may be satisfied.
上記機械部品では、160℃で2500時間の保持を行った後の表面における鋼の硬さが、850Hv以上であってもよい。 In the above mechanical component, the hardness of the steel on the surface after holding at 160° C. for 2500 hours may be 850 Hv or more.
上記機械部品では、鋼が、0.95質量パーセント以上1.10質量パーセントの炭素と、1.40質量パーセント以上1.60質量パーセント以下のクロムと、0.30質量パーセント未満のシリコンと、0.50質量パーセント未満のマンガンと、0.0080質量パーセント未満の硫黄とを含有していてもよい。 In the above mechanical component, the steel comprises 0.95 mass percent or more and 1.10 mass percent carbon, 1.40 mass percent or more and 1.60 mass percent or less chromium, less than 0.30 mass percent silicon, and 0 It may contain less than 0.50 weight percent manganese and less than 0.0080 weight percent sulfur.
本発明の機械部品によると、寸法の経時変化を抑制可能であるとともに、表面における圧痕起点型の転動疲労寿命を改善可能である。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the mechanical component of this invention, while being able to suppress the time-dependent change of a dimension, it is possible to improve the rolling contact fatigue life of the indentation origin type|mold on the surface.
本発明の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面では、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さないものとする。 Details of embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings below, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description will not be repeated.
(実施形態に係る機械部品の構成)
以下に、実施形態に係る機械部品の構成を説明する。
(Configuration of mechanical parts according to the embodiment)
The configuration of the mechanical component according to the embodiment will be described below.
実施形態に係る機械部品は、水素利用機器用である。水素利用機器は、例えば水素ステーション向けのボール弁又は圧縮機である。なお、圧縮機の方式は特に限定されない。例えば、圧縮機は、往復式(レシプロ)、回転式(スクリュ)、遠心式又は軸流式のいずれであってもよい。水素利用機器は、燃料電池車向けの高圧水素減圧弁又は水素循環ポンプであってもよい。実施形態に係る機械部品は、水素に曝される用途に用いられるものであればよい。 A mechanical component according to an embodiment is for a hydrogen utilization device. Hydrogen utilization equipment is, for example, a ball valve or a compressor for a hydrogen station. In addition, the system of the compressor is not particularly limited. For example, the compressor may be reciprocating (reciprocating), rotary (screw), centrifugal or axial. The hydrogen utilization device may be a high-pressure hydrogen pressure reducing valve or a hydrogen circulation pump for fuel cell vehicles. The mechanical component according to the embodiment may be used for applications exposed to hydrogen.
実施形態に係る機械部品は、例えば、転がり軸受の軌道輪である。実施形態に係る機械部品は、転がり軸受の転動体であってもよい。この転がり軸受は、例えば、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受又は自動調心ころ軸受である。実施形態に係る機械部品は、シャフト、ボールねじ、滑り軸受等の摺動部材であってもよく、ハウジング等の構造部材であってもよい。ここでは、転がり軸受の内輪10を、実施形態に係る機械部品の例として説明する。
A mechanical component according to the embodiment is, for example, a bearing ring of a rolling bearing. A mechanical component according to the embodiment may be a rolling element of a rolling bearing. This rolling bearing is, for example, a deep groove ball bearing, an angular contact ball bearing, a cylindrical roller bearing, a conical roller bearing or a self-aligning roller bearing. The mechanical component according to the embodiment may be a sliding member such as a shaft, a ball screw, or a sliding bearing, or a structural member such as a housing. Here, the
以下に、内輪10の構成を説明する。
図1は、内輪10の断面図である。図1に示されるように、内輪10は、第1端面10aと、第2端面10bと、内周面10cと、外周面10dとを有している。なお、第1端面10a、第2端面10b、内周面10c及び外周面10dは、内輪10の表面を構成している。内輪10は、リング状である。
The configuration of the
FIG. 1 is a cross-sectional view of the
内輪10の中心軸を、中心軸Aとする。中心軸Aに沿う方向を、軸方向とする。中心軸Aに直交し、かつ中心軸Aを通る方向を、径方向とする。中心軸Aを中心とする円周に沿う方向を、周方向とする。
Let the central axis of the
第1端面10a及び第2端面10bは、軸方向における内輪10の端面である。第2端面10bは、軸方向における第1端面10aの反対面である。
The
内周面10cは、周方向に沿って延在している。内周面10cは、中心軸A側を向いている。内周面10cの軸方向における一方端及び他方端は、それぞれ、第1端面10a及び第2端面10bに連なっている。図示されていないが、内輪10は、内周面10cにおいて軸に嵌め合わされる。
The inner
外周面10dは、周方向に沿って延在している。外周面10dは、中心軸Aとは反対側を向いている。つまり、外周面10dは、径方向における内周面10cの反対面である。外周面10dの軸方向における一方端及び他方端は、それぞれ、第1端面10a及び第2端面10bに連なっている。外周面10dは、軌道面10daを有している。軌道面10daは、転動体(図示せず)に接触する外周面10dの部分である。軌道面10daは、例えば、外周面10dの軸方向における中央に位置している。軌道面10daは、周方向に延在している。断面視において、軌道面10daは、部分円弧状である。
The outer
内輪10は、鋼製である。内輪10を構成している鋼には、焼入れ及び焼戻しが行われている。内輪10を構成している鋼は、軸受鋼であってもよい。軸受鋼とは、炭素濃度が0.90質量パーセント以上1.1質量パーセント以下、クロム濃度が0.3質量パーセント以上2.1質量パーセント以下の高炭素クロム鋼をいう。
The
軸受鋼の具体例としては、JIS規格に規定されているSUJ2、SUJ3、SUJ4及びSUJ5、ASTM規格に規定されている50100、51100、52100及びA485 Grade 1並びにISO規格に規定されている100Cr6、100CrMnSi4-4、100CrMnSi6-4、100CrMo7、100CrMo7-3、100CrMnMoSi8-4-6等が挙げられる。 Specific examples of bearing steel include SUJ2, SUJ3, SUJ4 and SUJ5 specified in JIS standards, 50100, 51100, 52100 and A485 Grade 1 specified in ASTM standards, and 100Cr6 and 100CrMnSi4 specified in ISO standards. -4, 100CrMnSi6-4, 100CrMo7, 100CrMo7-3, 100CrMnMoSi8-4-6 and the like.
内輪10を構成している鋼中の炭素濃度は、例えば0.95質量パーセント以上1.10質量パーセント以下であってもよい。内輪10を構成している鋼は、1.40質量パーセント以上1.60質量パーセント以下のクロムと、0.30質量パーセント未満のシリコンと、0.50質量パーセント未満のマンガンと、0.0080質量パーセント未満の硫黄とを含有していてもよい。この場合、内輪10を構成している鋼は、シリコン、マンガン及び硫黄を含有していなくてもよい。
The carbon concentration in the steel forming the
内輪10の表面には、浸窒又は浸炭浸窒処理が行われている。すなわち、内輪10は、表面に浸窒層11を有している(内輪10の表面は、浸窒層11になっている)。浸窒層11では、鋼中に窒素が固溶している。浸窒層11よりも表面から離れている内輪10の部分を、芯部12とする。このことを別の観点から言えば、芯部12は、浸窒層11以外の内輪10の内部箇所である。芯部12では、鋼中に窒素が固溶していない。内輪10の表面における鋼中の窒素濃度は、0.3質量パーセント以上である。内輪10の表面における鋼中の窒素濃度は、0.4質量パーセント以上であることが好ましい。内輪10の表面における窒素濃度は、例えば、EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)を用いて測定される。
The surface of the
内輪10の表面における鋼の硬さは、850Hv以上である。160℃で2500時間の保持を行った後の内輪10の表面における鋼の硬さは、850Hv以上であることが好ましい。内輪10の表面における鋼の硬さは、JIS規格(JIS Z 2244:2009)に規定されているビッカース硬さ試験法により行われる。なお、内輪10の表面における鋼の硬さを測定する際の荷重は、300gとされる。内輪10の表面における鋼の硬さは、少なくとも3箇所以上において測定し、得られた測定値を平均化することにより得られる。
The hardness of the steel on the surface of the
芯部12における鋼中の残留オーステナイト量は、9体積パーセント以下である。芯部12における鋼中の残留オーステナイト量は、例えば0.1体積パーセント以上である。
The amount of retained austenite in the steel in the
芯部12における鋼中の残留オーステナイト量は、X線回折法を用いて測定される。芯部12における鋼中の残留オーステナイト量をX線回折法で測定する際、X線の管球は、クロム管球であることが好ましい。芯部12における鋼中の残留オーステナイト量を測定する際、内輪10は、残留オーステナイトが加工誘起変態しないように、電解研磨されることが好ましい。
The amount of retained austenite in the steel in the
芯部12における鋼中の残留オーステナイトの転位密度は、4.0×1014m-2以上である。芯部12における鋼中の残留オーステナイトの転位密度は、好ましくは、6.0×1014m-2以上である。
The dislocation density of retained austenite in the steel in the
内輪10の表面における鋼中の窒素濃度をX(単位:質量パーセント)とし、内輪10の表面における鋼中のマルテンサイトの転位密度をY(単位:m-2)とし、内輪10の表面における鋼の硬さをZ(単位:Hv)とする。この場合、Zは、935743.48+379.96×X-330.96×Y2-5.41×104×lоgY+783.83×lоgX2(式1)により算出することができる。式1は、実験によりX及びYを変化させた際のZの値を求めた上で重回帰分析を行うことにより得られる。式1から、内輪10の表面における鋼の硬さを850Hv以上とするためには、934893.48+379.96×X-330.96×Y2-5.41×104×lоgY+783.83×lоgX2≧0(式2)との関係が満たされればよい。
Let X be the nitrogen concentration in the steel on the surface of the inner ring 10 (unit: mass percent), let Y be the dislocation density of martensite in the steel on the surface of the inner ring 10 (unit: m −2 ), and let the steel on the surface of the
芯部12における鋼中の残留オーステナイトの転位密度及び内輪10の表面における鋼中のマルテンサイトの転位密度は、X線回折法により測定される。より具体的には、第1に、コバルト管球型のX線回折装置を用いてX線回折が行われることにより、X線プロファイルが得られる。第2に、X線プロファイルから得られた半値幅を結晶子サイズとひずみとに分離してWilliamson-Hallの式を適用することにより、芯部12における鋼中の残留オーステナイトの転位密度及び内輪10の表面における鋼中のマルテンサイトの転位密度が算出される。なお、マルテンサイトの転位密度は(110)面、(200)面、(211)面及び(220)面に対応するX線プロファイルのピークをRietveld解析して得られたひずみを用いて算出され、残留オーステナイトの転位密度は(111)面、(200)面、(220)面、(311)面及び(222)面に対応するX線プロファイルのピークをRietveld解析して得られたひずみを用いて算出される。なお、Rietveld解析を用いることで転位密度の測定精度が高まり、Rietveld解析が行われる際に装置定数が考慮されている。
The dislocation density of retained austenite in the steel in the
160℃で2500時間の保持を行った後における内輪10の寸法変化率は、40×10-5以下である。好ましくは、160℃で2500時間の保持を行った後における内輪10の寸法変化率は、15×10-5以下である。内輪10の寸法変化率は、上記の保持後の内輪10の寸法から上記の保持前の内輪10の寸法を減じた値を上記の保持前の内輪10の寸法で除することにより算出される。
The dimensional change rate of the
<実施形態に係る転動部材の適用例>
実施形態に係る機械部品は、ボール弁200に用いられる。図2は、ボール弁200の拡大断面図である。図2に示されるように、ボール弁200は、ボディ210と、シートリテーナ220と、ボール230と、ステム231及びステム232と、滑り軸受240とを有している。
<Application Example of Rolling Member According to Embodiment>
A mechanical component according to the embodiment is used for the
シートリテーナ220は、ボディ210の内部に配置されている。シートリテーナ220には、内部空間220aと、流路220b及び流路220cとが形成されている。流路220b及び流路220cは、内部空間220aに接続されている。ボール230は、内部空間220aに配置されている。内部空間220aの壁面は、シール部220aaにおいてボール230の表面に接触している。
ステム231及びステム232は、それぞれ、ボール230の上端及び下端に接続されている。ステム231及びステム232が中心軸回りに回転することにより、ボール230に形成されている貫通穴(図示せず)を介して、流路220b及び流路220cが接続される。ステム231及びステム232は、ボディ210及びシートリテーナ220に形成されている貫通穴に通されている。なお、流路220b、流路220c及びボール230に形成されている貫通穴には、水素が流れる。
滑り軸受240は、筒状になっており、外周面においてボディ210に取り付けられている。滑り軸受240は、ステム231(ステム232)を回転可能に軸支している。滑り軸受240は、実施形態に係る機械部品である。すなわち、滑り軸受240は、表面に浸窒層を有しているとともに、当該浸窒層よりも当該表面から離れている芯部を有している。滑り軸受240における浸窒層及び芯部は、それぞれ、浸窒層11及び芯部12と同様の構成になっている。
The sliding
<実施形態に係る転がり軸受の適用例>
図3は、水素循環ポンプ300の断面図である。水素循環ポンプ300は、モータハウジング310と、ポンプハウジング320と、回転軸331及び回転軸332と、モータステータ341及びモータロータ342と、ギア351及びギア352と、ロータ361及びロータ362と、転がり軸受371、転がり軸受372、転がり軸受373、転がり軸受374、転がり軸受375及び転がり軸受376とを有している。
<Application Example of Rolling Bearing According to Embodiment>
FIG. 3 is a cross-sectional view of the
モータハウジング310は、ポンプハウジング320に取り付けられている。回転軸331の一方端側はモータハウジング310内に配置されており、回転軸331の他方端側はポンプハウジング320内に配置されている。回転軸331の一方端及び他方端は、それぞれ、モータハウジング310内に配置されている転がり軸受371及びポンプハウジング320内に配置されている転がり軸受372により回転可能に軸支されている。回転軸331は、一方端と他方端との間において、ポンプハウジング320内に配置されている転がり軸受373及び転がり軸受374により回転可能に軸支されている。
回転軸332は、ポンプハウジング320内に配置されている。回転軸332の一方端は、ポンプハウジング320内に配置されている転がり軸受375により回転可能に軸支されている。回転軸332は、一方端から離れた位置において、ポンプハウジング320内に配置されている転がり軸受376により回転可能に軸支されている。
The
モータステータ341は、モータハウジング310内に配置されている。モータロータ342は、モータステータ341と対向するように回転軸331に取り付けられている。モータステータ341及びモータロータ342により、回転軸331は回転される。回転軸331及び回転軸332には、それぞれ、ギア351及びギア352が取り付けられている。ギア351及びギア352により、回転軸331の回転が、回転軸332に伝達される。なお、ギア351は転がり軸受373と転がり軸受374との間にあり、ギア352は転がり軸受375と転がり軸受376との間にある。
ポンプハウジング320内には、ポンプ室320aが形成されている。ポンプ室320a内には、ロータ361及びロータ362が配置されている。ロータ361及びロータ362は、それぞれ、回転軸331及び回転軸332に取り付けられている。回転軸331の回転に伴ってロータ361が回転するとともに、回転軸332の回転に伴ってロータ362が回転することにより、ポンプ室320a内に水素が吸入され、ポンプ室320a内から水素が吐出される。
A
転がり軸受371、転がり軸受372、転がり軸受373及び転がり軸受375は、深溝玉軸受である。転がり軸受374及び転がり軸受375は、複列アンギュラ玉軸受である。転がり軸受371、転がり軸受372、転がり軸受373、転がり軸受374、転がり軸受375及び転がり軸受376の構成部品(軌道輪、転動体)は、実施形態に係る機械部品である。すなわち、転がり軸受371、転がり軸受372、転がり軸受373、転がり軸受374、転がり軸受375及び転がり軸受376では、軌道輪及び転動体が表面に浸窒層を有しているとともに、当該浸窒層よりも当該表面から離れている芯部を有している。上記の軌道輪及び転動体における浸窒層及び芯部は、それぞれ、浸窒層11及び芯部12と同様の構成になっている。
Rolling bearing 371, rolling
(実施形態に係る機械部品の製造方法)
以下に、内輪10の製造方法を説明する。
(Manufacturing method of machine part according to embodiment)
A method of manufacturing the
図4は、内輪10の製造方法を示す工程図である。図4に示されるように、内輪10の製造方法は、準備工程S1と、浸窒工程S2と、焼入れ工程S3と、冷却工程S4と、焼戻し工程S5と、後処理工程S6とを有している。
FIG. 4 is a process diagram showing a method of manufacturing the
準備工程S1では、加工対象部材20が準備される。図5は、加工対象部材20の断面図である。図5に示されるように、加工対象部材20は、リング状であり、第1端面20aと、第2端面20bと、内周面20cと、外周面20dとを有している。第1端面20a、第2端面20b、内周面20c及び外周面20dは、後処理工程S6の終了後に、それぞれ、第1端面10a、第2端面10b、内周面10c及び外周面10dとなる面である。加工対象部材20は、内輪10と同一の鋼により形成されている。
In the preparation step S1, the
浸窒工程S2では、加工対象部材20に対する浸窒処理が行われる。加工対象部材20に対する浸窒処理は、窒素源を含む雰囲気ガス中において加工対象部材20を加熱保持することにより行われる。浸窒工程S2における加熱温度及び雰囲気ガス中の窒素濃度は、加工対象部材20の表面に化合物層が形成されないように設定される。浸窒工程S2が行われることにより、加工対象部材20の表面から内部に窒素が侵入し、窒素が加工対象部材20中に固溶される。なお、浸窒工程S2は、後処理工程S6が行われた後に内輪10の表面となる位置よりも内部に窒素が達するように行われる。
In the nitriding step S2, the
加工対象部材20に対しては、浸窒工程S2に代えて浸炭浸窒工程が行われてもよい。加工対象部材20に対する浸炭浸窒処理は、加工対象部材を窒素源及び炭素源を雰囲気ガス中において加熱保持することにより行われる。浸炭浸窒工程における加熱温度並びに雰囲気ガス中の炭素濃度及び窒素濃度は、加工対象部材20の表面に化合物層が形成されないように設定される。浸炭浸窒工程が行われることにより、加工対象部材20の表面から内部に炭素及び窒素が侵入し、炭素及び窒素が加工対象部材20中に固溶される。なお、浸炭浸窒工程は、後処理工程S6が行われた後に内輪10の表面となる位置よりも内部に窒素及び炭素が達するように行われる。
The carbonitriding process may be performed on the
焼入れ工程S3では、加工対象部材20に対する焼入れが行われる。加工対象部材20に対する焼入れは、加工対象部材20を、加工対象部材20を構成している鋼のA1変態点以上の温度に加熱して保持し、その後に加工対象部材20を構成している鋼のMs変態点以下の温度に冷却することにより行われる。焼入れ工程S3が行われることにより、加工対象部材20を構成している鋼中にマルテンサイトと残留オーステナイトとが生成される。
In the quenching step S3, the
冷却工程S4では、加工対象部材20に対するサブゼロ処理が行われる。冷却工程S4では、加工対象部材20に対するクライオ処理(超サブゼロ処理)が行われてもよい。サブゼロ処理では、加工対象部材20が-100℃超室温以下の温度に冷却される。クライオ処理では、加工対象部材20が、-100℃以下の温度に冷却される。冷却工程S4が行われることにより、加工対象部材20を構成している鋼中の残留オーステナイトの一部が、マルテンサイトに変態する。
In the cooling step S4, sub-zero processing is performed on the
焼戻し工程S5では、加工対象部材20に対する焼戻しが行われる。加工対象部材20に対する焼戻しは、加工対象部材20を、加工対象部材20を構成している鋼のA1変態点未満の温度に加熱することにより行われる。より具体的には、加工対象部材20に対する焼戻しは、加工対象部材20を180℃程度の温度に加熱することにより行われる。後処理工程S6では、加工対象部材20の表面に対して、研削、研磨等の機械加工が行われる。以上により、図1に示される構造の内輪10が製造される。
In the tempering step S5, the
(実施形態に係る機械部品の効果)
水素利用機器に用いられる転がり軸受の軌道輪では、使用時の温度上昇に伴う鋼中のマルテンサイトの分解による寸法変化によりクリープが生じることがある。焼入れ及び焼戻しが行われた鋼製の軌道輪における寸法の経時変化を抑制するための方策として、高温での焼戻しを行うことにより残留オーステナイト量の低減を図ることが考えられる。しかしながら、高温での焼戻しを行うと、残留オーステナイト量の減少に伴って寸法の経時変化を抑制することが可能になるものの、軌道輪の表面における鋼の硬さが減少してしまう。
(Effects of mechanical parts according to the embodiment)
Bearing rings of rolling bearings used in hydrogen-utilizing equipment may undergo creep due to dimensional changes due to decomposition of martensite in steel due to temperature rise during use. As a measure for suppressing the dimensional change over time in steel bearing rings that have been quenched and tempered, it is conceivable to reduce the amount of retained austenite by performing tempering at a high temperature. However, if tempering at a high temperature is performed, the amount of retained austenite can be reduced and the dimensional change over time can be suppressed, but the hardness of the steel on the surface of the bearing ring is reduced.
軌道輪の表面と転動体との間に異物が噛み込まれると、軌道輪の表面に圧痕が形成される。図6は、圧痕が形成された軌道輪の表面における形状を示す模式的なグラフである。図6に示されるように、軌道輪の表面は、圧痕の周囲において盛り上がる。図7は、内輪10の表面における鋼の硬さと圧痕の周囲における盛り上がりとの関係を示すグラフである。図7中において、横軸は硬さ(単位:Hv)であり、縦軸は圧痕の周囲における盛り上がり量である。なお、図7中の縦軸は、冷却工程S4が行われない場合における盛り上がり量との比率により示されている。図7に示されるように、内輪10の表面における鋼の硬さが小さくなるに伴って、圧痕の周囲における盛り上がり量が大きくなる。
When a foreign object is caught between the surface of the bearing ring and the rolling elements, an indentation is formed on the surface of the bearing ring. FIG. 6 is a schematic graph showing the shape of the bearing ring surface on which indentations are formed. As shown in FIG. 6, the race surface is raised around the indentation. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the hardness of the steel on the surface of the
圧痕の周囲における盛り上がり量が大きくなると、圧痕の周囲における盛り上がりへの応力集中が生じ、圧痕を起点とする疲労破壊が生じやすくなる。そのため、高温で焼戻しを行って寸法の経時変化を抑制する場合、軌道輪の転動疲労寿命が不十分となるおそれがある。 When the amount of swelling around the indentation increases, stress concentration on the swelling around the indentation occurs, and fatigue fracture starting from the indentation tends to occur. Therefore, when tempering is performed at a high temperature to suppress the dimensional change over time, there is a possibility that the rolling contact fatigue life of the bearing ring may become insufficient.
鋼中の残留オーステナイト量が低く、その残留オーステナイトの周囲を転位密度の高い(すなわち、変形能が乏しい)マルテンサイトが取り囲んでいる状態では、残留オーステナイトがマルテンサイトから拘束又は応力を受けて格子面間隔(格子定数)が小さくなる結果、鋼中の残留オーステナイトの転位密度が高くなる。このような残留オーステナイトは、分解に伴う体積膨張の際も周囲の転位密度が高いマルテンサイトにより拘束されるため、使用に伴って残留オーステナイトが分解されたとしても、当該分解に伴う寸法変化が小さくなる。 In a state where the amount of retained austenite in the steel is low and the retained austenite is surrounded by martensite with a high dislocation density (that is, with poor deformability), the retained austenite is restrained or stressed by the martensite and the lattice plane As a result of the smaller spacing (lattice constant), the dislocation density of retained austenite in the steel increases. Such retained austenite is constrained by the surrounding martensite with a high dislocation density even when the volume expands due to decomposition, so even if the retained austenite decomposes with use, the dimensional change due to the decomposition is small. Become.
内輪10は、サブゼロ処理又はクライオ処理が行われることにより、芯部12における鋼中の残留オーステナイト量が減少している。より具体的には、内輪10では、芯部12における鋼中の残留オーステナイト量が9体積パーセント以下になっている。
The
また、内輪10では、サブゼロ処理又はクライオ処理が行われているため、芯部12における鋼中のマルテンサイトの転位密度が高くなり、その結果、芯部12における鋼中の残留オーステナイトの転位密度も高くなっている。より具体的には、内輪10では、鋼中の残留オーステナイトの転位密度が4.0×1014m-2以上になっている。
In addition, since subzero treatment or cryo treatment is performed on the
以上から、芯部12における鋼中では、残留オーステナイトが転位密度の高いマルテンサイトにより取り囲まれている状態が生じているため、内輪10の使用に伴う温度上昇により芯部12における鋼中の残留オーステナイトの分解が生じても、当該分解に伴う体積膨張が周囲の転位密度の高いマルテンサイトにより拘束されるため、寸法変化が生じにくい。このように、内輪10では、使用に伴う寸法の経時変化が抑制されている。
From the above, in the steel in the
また、内輪10に対しては高温での焼戻しが行われていないため、内輪10の表面におけるマルテンサイトの分解の進行は軽微である。また、内輪10の表面における鋼中の窒素濃度が0.3質量パーセント以上になっており、内輪10の表面における鋼は、固溶強化されている。その結果、内輪10の表面における鋼の硬さは、850Hv以上となっている。図7に示されるように、内輪10の表面における鋼の硬さが大きくなるに伴って、圧痕の周囲における盛り上がり量が小さくなる。そのため、内輪10によると、圧痕起点の転動疲労寿命も改善されている。
Further, since the
(硬さの評価試験)
焼入れ及び焼戻しが行われた鋼製の機械部品の表面における硬さ、マルテンサイトの転位密度及び窒素濃度の関係を評価するため、サンプル1からサンプル17が準備された。サンプル1からサンプル17は、内径が54mm、外径が60mm、幅が15mmのリング状である。サンプル1からサンプル17では、表1に示されるように、鋼種、サンプルの表面における鋼中の窒素濃度及びサンプルの表面における鋼のマルテンサイトの転位密度が変化された。表1の「式2の充足」の欄に記載されている「OK」及び「NG」は、それぞれ、上記の式2が充足されている及び上記の式2が充足されていないことを意味する。
(Hardness evaluation test)
Samples 1 to 17 were prepared to evaluate the relationship between hardness, martensite dislocation density and nitrogen concentration on the surface of hardened and tempered steel machine parts. Samples 1 to 17 are ring-shaped with an inner diameter of 54 mm, an outer diameter of 60 mm, and a width of 15 mm. For samples 1 to 17, as shown in Table 1, the steel type, the nitrogen concentration in the steel at the surface of the sample, and the dislocation density of martensite in the steel at the surface of the sample were varied. "OK" and "NG" described in the "Satisfaction of Formula 2" column of Table 1 mean that Formula 2 above is satisfied and Formula 2 above is not satisfied, respectively. .
なお、各サンプルの表面における鋼中の窒素濃度は、浸窒処理又は浸炭浸窒処理における加熱温度及び保持時間を変化させることにより調整された。各サンプルの表面における鋼中のマルテンサイトの転位密度は、サブゼロ処理又はクライオ処理における冷却温度及び保持時間を変化させることにより調整された。 The nitrogen concentration in the steel on the surface of each sample was adjusted by changing the heating temperature and holding time in the nitriding treatment or carbonitriding treatment. The dislocation density of martensite in steel at the surface of each sample was adjusted by varying the cooling temperature and holding time in subzero or cryo treatment.
サンプル1からサンプル5、サンプル7及びサンプル9からサンプル12では、上記の式2が充足されていた。他方で、サンプル6、サンプル8及びサンプル13からサンプル17では、上記の式2が充足されていなかった。 Samples 1 through 5, 7, and 9 through 12 satisfy Equation 2 above. On the other hand, Samples 6, 8 and 13-17 did not satisfy Equation 2 above.
サンプル1からサンプル5、サンプル7及びサンプル9からサンプル12では、サンプルの表面における鋼の硬さが、850Hv以上になっていた。他方で、サンプル6、サンプル8及びサンプル13からサンプル17では、サンプルの表面における鋼の硬さが、850Hv未満であった。 In samples 1 to 5, samples 7, and samples 9 to 12, the hardness of the steel on the surface of the samples was 850 Hv or more. On the other hand, in samples 6, 8 and 13 to 17, the hardness of the steel on the surface of the samples was less than 850 Hv.
この比較から、上記の式2が充足されることにより、機械部品の表面における鋼の硬さが850Hv以上となり、転動疲労寿命が改善されることが明らかになった。このことを別の観点から言えば、機械部品の表面における鋼中の窒素濃度及び機械部品の表面における鋼中のマルテンサイトの転位密度の双方が高められることにより、機械部品の表面における鋼の硬さ、ひいては機械部品の転動疲労寿命が改善されることが明らかになった。 From this comparison, it has been clarified that the hardness of the steel on the surface of the mechanical component becomes 850 Hv or more and the rolling contact fatigue life is improved by satisfying Equation 2 above. From another point of view, both the nitrogen concentration in the steel on the surface of the machine part and the dislocation density of martensite in the steel on the surface of the machine part are increased, thereby increasing the hardness of the steel on the surface of the machine part. It was also found that the rolling contact fatigue life of mechanical parts was improved.
(寸法の経時変化の評価試験)
寸法の経時変化を評価するため、上記のサンプル3、サンプル7及びサンプル10が用いられた。表2には、サンプル3、サンプル7及びサンプル10の芯部12における鋼中の残留オーステナイト量及びサンプル3、サンプル7及びサンプル10の芯部12における鋼中の転位密度が示されている。
(Evaluation test for changes in dimensions over time)
なお、各サンプルの芯部12における鋼中のマルテンサイトの転位密度及び各サンプルの芯部12における鋼中のマルテンサイトの残留オーステナイト量は、サブゼロ処理又はクライオ処理における冷却温度及び保持時間を変化させることにより調整された。
Note that the dislocation density of martensite in the steel in the
サンプルの芯部12における鋼中のマルテンサイトの転位密度が4.0×1014m-2以上であることを、条件Aとする。サンプルの芯部12における鋼中の残留オーステナイト量が9体積パーセント以下であることを、条件Bとする。
Condition A is that the dislocation density of martensite in the steel in the
サンプル3及びサンプル7では、条件A及び条件Bのが満たされていた。他方で、サンプル10では、条件A及び条件Bが満たされていなかった。サンプル3及びサンプル7では、160℃で2500時間の保持を行った後の寸法変化率が、40×10-5以下になっていた。他方で、サンプル10では、160℃で2500時間の保持を行った後の寸法変化率が、50×10-5を超えていた。この比較から、条件A及び条件Bが満たされることにより機械部品の寸法の経時変化が抑制されることが、明らかになった。
In samples 3 and 7, conditions A and B were satisfied. On the other hand, in
サンプルの芯部12における鋼中のマルテンサイトの転位密度が6.0×1014m-2以上であることを、条件Cとする。サンプル3では、条件Cを満たしており、160℃で2500時間の保持を行った後の寸法変化率が15×10-5以下であった。他方で、サンプル7では、条件Cが満たされておらず、160℃で2500時間の保持を行った後の寸法変化率が15×10-5を超えていた。この比較から、条件Cが満たされることにより機械部品の寸法の経時変化がさらに抑制されることが、明らかになった。
Condition C is that the dislocation density of martensite in the steel in the
サンプルの表面における窒素濃度が0.4質量パーセント以上であることを、条件Dとする。サンプル3では、条件Dを満たしており、160℃で2500時間の保持を行った後の表面における硬さが850Hv以上であった。他方で、サンプル7では、条件Cが満たされておらず、160℃で2500時間の保持を行った後の表面における硬さが850Hv未満であった。この比較から、条件Dが満たされることにより、高温環境下で使用された後でも機械部品の表面における硬さが維持されることが、明らかになった。 Condition D is that the nitrogen concentration on the surface of the sample is 0.4% by mass or more. Sample 3 satisfied condition D, and had a surface hardness of 850 Hv or more after being held at 160° C. for 2500 hours. On the other hand, in sample 7, condition C was not satisfied, and the surface hardness was less than 850 Hv after holding at 160° C. for 2500 hours. From this comparison, it became clear that the surface hardness of the mechanical part was maintained even after being used in a high-temperature environment by satisfying the condition D.
以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、上記の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上記の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、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及び範囲内での全ての変更を含むことが意図される。 Although the embodiment of the present invention has been described as above, it is also possible to modify the above embodiment in various ways. Moreover, the scope of the present invention is not limited to the above embodiments. The scope of the present invention is indicated by the scope of claims, and is intended to include all changes within the meaning and scope of equivalence to the scope of claims.
A 中心軸、S1 準備工程、S2 浸窒工程、S3 焼入れ工程、S4 冷却工程、S5 焼戻し工程、S6 後処理工程、10 内輪、10a 第1端面、10b 第2端面、10c 内周面、10d 外周面、10da 軌道面、11 浸窒層、12 芯部、20 加工対象部材、20a 第1端面、20b 第2端面、20c 内周面、20d 外周面、200 ボール弁、210 ボディ、220 シートリテーナ、220a 内部空間、220aa シール部、220b,220c 流路、230 ボール、231 ステム、232 ステム、240 滑り軸受、300 水素循環ポンプ、310 モータハウジング、320 ポンプハウジング、320a ポンプ室、331 回転軸、332 回転軸、341 モータステータ、342 モータロータ、351,352 ギア、361,362 ロータ、371,372,373,374,375,376 転がり軸受。
A central shaft S1 preparation step S2 nitriding step S3 quenching step S4 cooling step S5 tempering step S6
Claims (4)
前記表面にあり、窒素が固溶している浸窒層と、前記浸窒層よりも前記表面から離れた位置にある芯部とを備え、
前記機械部品は、水素利用機器用であり、
前記表面における前記鋼中の窒素濃度は、0.3質量パーセント以上であり、
前記表面における前記鋼の硬さは、850Hv以上であり、
前記芯部における前記鋼中の残留オーステナイト量は、9体積パーセント以下であり、
前記芯部における前記鋼中の残留オーステナイトの転位密度は、4.0×1014m-2以上であり、
前記鋼は、軸受鋼である、機械部品。 A machine part made of hardened and tempered steel and having a surface,
A nitriding layer on the surface, in which nitrogen is solid-dissolved, and a core part located farther from the surface than the nitriding layer,
The mechanical component is for hydrogen utilization equipment,
The nitrogen concentration in the steel at the surface is 0.3% by mass or more,
The hardness of the steel on the surface is 850 Hv or more,
The amount of retained austenite in the steel in the core is 9 volume percent or less,
The dislocation density of retained austenite in the steel in the core is 4.0×10 14 m −2 or more,
A machine part, wherein the steel is a bearing steel.
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