JP2015068749A - 転がり軸受の試験方法、並びにそのための試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 そこで、本発明は、試験軸受に電流を流す方法や水素チャージ法に代り、軌道輪や転動体を形成する鋼材への水素の侵入を促進するとともに、白色組織剥離の評価を正確に行う方法、並びにそのための装置を提供する。
【解決手段】水素ガスを密封したチャンバに転がり軸受を収容し、密封状態を維持しながら転動させ、軌道輪及び転動体を形成する鋼材中への水素の侵入を促進させて白色組織剥離を評価する試験方法であって、転がり軸受の内輪及び外輪の少なくとも一方の軌道面、あるいは転動体の表面を算術平均粗さで０．２〜０．５μｍＲａにし、かつ、チャンバ内の水素ガス圧をゲージ圧で０．２〜０．８ＭＰａにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、転がり軸受の白色組織剥離を評価する試験方法、並びにそのための試験装置に関する。

転がり軸受では、荷重が負荷されて長時間使用されることによって金属疲労が生じ、軌道面が剥離する場合がある。そのメカニズムは、従来から「内部起点型剥離」と「表面起点型剥離」がよく知られている。内部起点型剥離は、軌道輪や転動体を形成する鋼材中の非金属介在物周辺に応力が集中し、そこを起点として疲労亀裂が発生・進展して剥離に至る現象である。一方の表面起点型剥離は、潤滑剤中に混入した異物が軌道面や転動体表面に圧痕を生じさせ、圧痕縁に応力が集中し、そこを起点として疲労亀裂が発生・進展して剥離に至る現象である。

また、用途や使用環境によっては、潤滑剤の分解によって水素が発生し、その水素が鋼材中に侵入して金属組織の変化を引き起こす場合がある。金属組織が変化すると、組織変化部と正常部との界面から疲労亀裂が発生・進展して剥離が生じて寿命が著しく低下する。この金属組織変化は、鋼材の基地組織であるマルテンサイトが水素によって微細なフェライト粒に変化する現象であるが、エッチングを行って金属組織が変化した部分を観察すると白く見えることから、この金属組織変化に伴う剥離は「白色組織剥離」とも呼ばれている。

この白色組織剥離に対する耐久性等を評価するためには、白色組織剥離が原因の寿命低下を正確に知ることが必要であるが、その際に、鋼材中に水素を侵入しやすくして短時間で白色組織変化を起こさせることにより評価の効率性を高めることができる。そのために特許文献１〜３では、試験軸受に電流を流して潤滑剤であるグリース組成物の分解を促進して水素の発生を加速させている。また、非特許文献１では試験軸受を酸溶液等に浸漬して強制的に鋼材中に水素を侵入させた後、転動試験を行う「水素チャージ法」を提案している。

特許第４７０４１０２号公報 特許第４７３９９４７号公報 特許第４７３９９４９号公報

Tribology Online, Vol.6, No.2, pp123-132 (2011)

しかしながら、試験軸受に電流を流す方法では、グリース組成物の分解を促進して水素の発生を加速するものの、電食による軌道輪や転動体の表面に荒れが生じて試験中に振動が大きくなる。その結果、振動により軌道輪と転動体とが金属接触を起こして表面起点型の剥離が起こることがある。また、電食による軌道面の荒れによって潤滑不良にもなる。そのため、試験軸受の寿命を測定しても、電食による表面の荒れの影響が加味され、白色組織剥離に対する正確な評価が難しくなる。

また、水素チャージ法では、電食の問題はないものの、鋼材中に水素を侵入させてから転動試験を行うため、転動中における水素の侵入のしやすさに関する評価ができない。

そこで、本発明は、試験軸受に電流を流す方法や水素チャージ法に代り、軌道輪や転動体を形成する鋼材への水素の侵入を促進するとともに、白色組織剥離の評価を正確に行う方法、並びにそのための装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、下記を提供する。
（１）水素ガスを密封したチャンバに転がり軸受を収容し、密封状態を維持しながら転動させ、軌道輪及び転動体を形成する鋼材中への水素の侵入を促進させて白色組織剥離を評価する試験方法であって、
転がり軸受の内輪及び外輪の少なくとも一方の軌道面、あるいは転動体の表面を算術平均粗さで０．２〜０．５μｍＲａにし、かつ、
チャンバ内の水素ガス圧をゲージ圧で０．２〜０．８ＭＰａにすることを特徴とする転がり軸受の試験方法。
（２）上記（１）に記載の試験方法を実施するための試験装置であって、
転がり軸受を収容するとともに、水素ガスを密封するためのチャンバと、
チャンバの内部に設置され、転がり軸受の内輪を取り付ける回転軸及び外輪を固定するためのハウジングと、
チャンバの外部に設置され、回転軸を回転させるための回転駆動装置及び転がり軸受に荷重を負荷するための荷重負荷手段と、
を備えるとともに、
回転軸と回転駆動装置とを非接触カップリングで接続したことを特徴とする転がり軸受の試験装置。

本発明の試験方法によれば、電食による荒れや水素チャージ法による他の因子を排除して試験軸受の白色組織剥離について正確に評価できるとともに、軌道輪や転動体を形成する鋼材に水素を侵入しやすくして効率よく評価を行うことができる。また、そのための試験装置も、非接触カップリングによりチャンバ内の密封状態を維持しながら試験軸受を回転させることができ、安定して試験を行うことができる。そのため、本発明は、白色組織剥離が発生する恐れがある用途や水素ガス中で使用される転がり軸受の開発や設計等に有効に活用することができる。

本発明で使用する試験装置の一例を示す概略図である。 試験１で得られた、水素ガス圧と鋼材中の水素侵入量との関係を示すグラフである。 試験２で得られた、外輪の表面粗さと鋼材中の水素侵入量との関係を示すグラフである。

以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明で使用する白色組織剥離の評価を行うための試験装置の一例を示す構成概略図である。図示されるように、この試験装置は、水素ガスが密封されるチャンバ１を備えている。チャンバ１の内部において、第１の回転軸２の一端に、試験軸受であるスラスト玉軸受の内輪３ａを取り付け、他端に非接触カップリングの１種であるマグネットカップリングの内方部材４が取り付けられている。この内方部材４は、チャンバ１の外部に設けられたマグネットカップリングの外方部材５を回転させることにより、非接触で回転する。即ち、マグネットカップリングの内方部材４と外方部材５との間には、チャンバ壁６が存在するため、チャンバ１の内部を密封状態に維持したまま試験軸受を回転させることができる。

また、マグネットカップリングの外方部材５は、チャンバ１の外部に設けられた第２の回転軸７に取り付けられており、この第２の回転軸７には第１のプーリ８が取り付けられている。また、チャンバ１の外部には、第２の回転軸７と、モータ出力軸９とが平行になるようにモータ１０が配設されており、モータ出力軸９には、第１のプーリ８と平行になるように第２のプーリ１１が取り付けられている。そして、第１のプーリ８と第２のプーリ１１とはゴムベルト１２で連結されており、モータ１０の回転を第２の回転軸７に伝達してマグネットカップリングの外方部材５を回転させ、更には内方部材４へと回転を伝達し、最終的に試験軸受の内輪３ａを回転させる。

更に、試験軸受であるスラスト玉軸受の外輪３ｂは固定輪であり、荷重軸１３によってスラスト荷重が負荷される。荷重軸１３は、チャンバ１の底部の穴部を通りスラスト荷重を伝達するようになっており、荷重軸１３とチャンバ１の底部の穴部との間はＯリング１４でシールされている。チャンバ１の底部には、試験軸受の少なくとも転動体３ｃが浸漬する深さで潤滑油１５が貯留されており、試験軸受の回転の潤滑に供される。潤滑油１５が貯留されている部分は密閉されていないが、荷重軸１３は回転しないため、Ｏリング１４と潤滑油１５によって水素ガスの漏れが防止され、チャンバ内部の密封状態は確保される。

このように、本発明の試験装置によれば、試験軸受を収容するチャンバ内を所定の水素ガス圧にて密封状態に維持したまま試験軸受を回転させることができる。水素ガスは、他のガスに比べて分子が小さく、ガス漏れがしやすい。ガス漏れが起こるとチャンバ１の内部圧も変動し、試験結果が不安定になる。また、水素ガスは燃焼しやすく、安全面からもガス漏れを起こさないことが求められる。上記の試験装置は、マグネットカップリングを用いているため、チャンバ１の内部を密封状態に維持して水素ガスの漏洩を防ぐことができる。

そして、本発明では、試験軸受の内輪３ａ、外輪３ｂ及び転動体３ｃを形成する鋼材に水素が侵入しやすい条件を見出すべく、上記の試験装置を用い、試験軸受の軌道輪や転動体の表面粗さを変えるとともに、チャンバ内の水素ガス圧を変えて試験を行った。その結果、軌道輪及び転動体の表面粗さについては算術平均粗さで０．２〜０．５μｍＲａ、チャンバ内の水素ガス圧についてはゲージ圧で０．２〜０．８ＭＰａにすればよいことを見出した。

（水素ガス圧：ゲージ圧で０．２〜０．８ＭＰａ）
鋼材中への水素の侵入は、水素ガス分子が軌道輪や転動体の新生面に吸着し、新生面の触媒作用により分子から原子に分解する過程を経て生じる。このとき、水素ガス圧が高いほど新生面に吸着する水素ガス分子の量が多くなる。そのため、チャンバ内の水素ガス圧がゲージ圧で０．２ＭＰａ未満であると、鋼材中への水素の侵入速度が遅くなり、長い試験時間を要する。一方、チャンバ内の水素ガス圧をゲージ圧で０．８ＭＰａ超にしても鋼材中への水素の侵入速度が飽和し、安全面からもこれ以上の高圧にすることは好ましくない。好ましい水素ガス圧は、ゲージ圧で０．４〜０．８ＭＰａである。

（表面粗さ：０．２〜０．５μｍＲａ）
鋼材中への水素の侵入は、前記のように新生面の触媒作用によって生じる。新生面は、軌道輪と転動体とが金属接触して表面の酸化膜が局所的に剥離することによって生じる。通常、軌道輪と転動体との間にグリースや潤滑油の油膜が形成されて金属接触を防いでいるが、軌道輪や転動体の表面が粗くなるほど、突起部が相手材の表面の酸化膜を剥がして新生面を生じやすくなる。即ち、軌道輪の表面粗さを大きくすると転動体に新生面が生じて水素侵入量が増加し、転動体の水素侵入性に関する評価が可能となる。一方、転動体の表面粗さを大きくすると軌道輪に新生面が生じて水素侵入量が増加し、軌道輪の水素侵入性に関する評価が可能となる。

その際、軌道輪または転動体の表面粗さが０．２μｍＲａ未満では相手材に新生面が生成し難くなり、水素の侵入速度が遅くなり、長い試験時間を要する。但し、表面粗さが０．５μｍを超えると金属接触が多くなりすぎて相手材に摩耗や表面起点型剥離が起こり易くなり、電食の場合と同様に、耐白色組織剥離自体の評価がし難くなる。好ましい表面粗さは、０．３〜０．５μｍＲａである。

尚、軌道輪や転動体の表面粗さを上記範囲にするには、研磨条件を調整したり、研削後にショットピーニング加工し、ショットピーニング加工における噴射材の粒径や噴射時間等を調整すればよい。

また、軌道輪や転動体には硬化処理が施されていてもよい。上記の表面粗さや水素ガス圧を満足し、一般的な硬化処理の範囲であれば、硬化処理を施さない場合と同等の白色組織剥離の促進効果が見られる。

上記のように、軌道輪や転動体の表面粗さ及びチャンバ内の水素ガス圧にして試験軸受を回転させることにより、鋼材中に水素が侵入しやすくなり、他の因子の影響を無くして白色組織剥離に関する評価を短時間のうちに行うことができる。

以上、本発明に関してスラスト軸受を例示して説明したが、本発明では転がり軸受の種類に制限はなく、ラジアル深溝玉軸受等の他の転がり軸受にも適用することができる。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（試験１−水素ガス圧の検証）
スラスト玉軸受５１３０５（ＪＩＳ−ＳＵＪ２製、内径２５ｍｍ、外径５２ｍｍ、幅１８ｍｍ、玉径９．５２５ｍｍ）の内輪及び外輪の各軌道面を、表１に示すように実施例及び比較例とも算術平均粗さで０．２〜０．３μｍＲａになるように研削加工した。また、玉の表面粗さを、何れも０．００６μｍＲａとした。そして、玉３個と保持器とを組み合わせて試験軸受とした。このように、本試験は、軌道輪側の表面粗さを大きくしているため、玉への水素侵入量を評価するものである。

そして、試験軸受を図１に示す試験装置のチャンバに収容し、チャンバ内の水素ガス圧をゲージ圧で０．０５〜０．９ＭＰａとし、潤滑油にＩＳＯ−ＶＧ８８の鉱油を用いて転動試験を行った。試験時間は１６８時間であり、試験後に試験軸受を分解して玉を取り出し、３個の玉それぞれの水素量を測定して平均値を求め、試験前の玉の水素量との差を水素侵入量とした。尚、水素量の測定は、四重極質慮分析装置を用いて行った。また、別途、同一条件にて転動試験を行い、試験後に３個の玉それぞれに断面観察を行い、白色組織剥離の発生の有無を確認した。

結果を表１及び図２に示すが、内輪及び外輪の表面粗さを本発明の範囲内にしても、比較例１、２のように水素ガス圧が０．２ＭＰａ未満では試験時間内では玉への水素侵入量が少なすぎて白色組織剥離も起こっておらず、更なる試験時間を要することが推察される。これに対し、実施例のように水素ガス圧を０．２ＭＰａ以上にすることにより、同一の試験時間内でも玉に白色組織剥離を発生させることができる。但し、図２に示すように、比較例３のように水素ガス圧を０．９ＭＰａにしても水素侵入量が飽和するため、安全面を考慮して０．８ＭＰａ以下とする。

（試験２：表面粗さの検証）
スラスト玉軸受５１３０５（ＪＩＳ−ＳＵＪ２製、内径２５ｍｍ、外径５２ｍｍ、幅１８ｍｍ、玉径９．５２５ｍｍ）の内輪及び外輪の各軌道面を、表２に示すように算術平均粗さで０．０５〜０．７μｍＲａになるように、研削加工後にショットピーニング加工した。その際、ショットピーニング加工における噴射材の粒径や噴射時間を調整して表記の粗さに調整した。但し、比較例１１の表面粗さが０．０５μｍＲａの内輪及び外輪については、研削加工のみとした。また、玉の表面粗さを、何れも０．００６μｍＲａとした。そして、玉３個と保持器とを組み合わせて試験軸受とした。このように、本試験は、軌道輪側の表面粗さを大きくしているため、玉への水素侵入量を評価するものである。

そして、試験軸受を図１に示す試験装置のチャンバに収容し、実施例及び比較例ともチャンバ内の水素ガス圧をゲージ圧で０．５ＭＰａとし、潤滑油にＩＳＯ−ＶＧ８８の鉱油を用いて転動試験を行った。試験時間は１６８時間であり、試験後に試験軸受を分解して玉を取り出し、３個の玉それぞれの水素量を測定して平均値を求め、試験前の玉の水素量との差を水素侵入量とした。尚、水素量の測定は、四重極質慮分析装置を用いて行った。また、別途、同一条件にて転動試験を行い、試験後に３個の玉それぞれに断面観察を行い、白色組織剥離の発生の有無を確認した。

結果を表２及び図３に示すが、チャンバ内の水素ガス圧を本発明の範囲内にしても、比較例１１、１２のように内輪及び外輪の両軌道面の表面粗さが０．２μｍＲａ未満では、試験時間内に玉への水素侵入量が少なすぎて白色組織剥離も起こっておらず、更なる試験時間を要することが推察される。これに対し、実施例のように内輪及び外輪の少なくとも一方の軌道面表面粗さが０．２μmＲａ以上になると、同一の試験時間内でも玉に白色組織剥離を発生させることができる。但し、表２に示すように、比較例６、７のように内輪及び外輪の両軌道面の表面粗さが０．５μｍＲａを超えると表面起点型剥離が発生するようになる。

（試験３：鋼材の材料特性の検証）
スラスト玉軸受５１３０５（ＪＩＳ−ＳＵＪ２製、内径２５ｍｍ、外径５２ｍｍ、幅１８ｍｍ、玉径９．５２５ｍｍ）の内輪及び外輪の各軌道面を、算術平均粗さで０．１μｍＲａになるように研削加工し、熱処理条件を表３に示すように変えて表面の硬さ及び残留オーステナイト量（残留γ量）を表記のとおりとした。また、玉の表面粗さを、何れも０．２μｍＲａとした。そして、玉３個と保持器とを組み合わせて試験軸受とした。このように、本試験は、玉側の表面粗さを大きくしているため、内輪及び外輪への水素侵入量を評価するものである。

そして、試験軸受を図１に示す試験装置のチャンバに収容し、チャンバ内の水素ガス圧をゲージ圧で０．４ＭＰａとし、潤滑油にＩＳＯ−ＶＧ８８の鉱油を用いて転動試験を行った。試験時間は１６８時間であり、試験後に試験軸受を分解して玉を取り出し、３個の玉それぞれの水素量を測定して平均値を求め、試験前の玉の水素量との差を水素侵入量とした。尚、水素量の測定は、四重極質慮分析装置を用いて行った。また、別途、同一条件にて転動試験を行い、試験後に３個の玉それぞれに断面観察を行い、白色組織剥離の発生の有無を確認した。

結果を表３に示すが、内輪及び外輪が硬化処理されていても、本発明で規定する表面粗さ及び水素ガス圧を満足していることから、試験時間内で水素侵入量が０．３ｐｐｍ以上になっており、特に０．５ｐｐｍ以上である実施例１８、１９では白色組織剥離が発生している。

１ チャンバ
３ａ 内輪
３ｂ 外輪
４ マグネットカップリングの内方部材
５ マグネットカップリングの外方部材
８ 第１のプーリ
１０ モータ
１１ 第２のプーリ
１２ ゴムベルト
１５ 潤滑油

Claims (2)

1. 水素ガスを密封したチャンバに転がり軸受を収容し、密封状態を維持しながら転動させ、軌道輪及び転動体を形成する鋼材中への水素の侵入を促進させて白色組織剥離を評価する試験方法であって、
   転がり軸受の内輪及び外輪の少なくとも一方の軌道面、あるいは転動体の表面を算術平均粗さで０．２〜０．５μｍＲａにし、かつ、
   チャンバ内の水素ガス圧をゲージ圧で０．２〜０．８ＭＰａにすることを特徴とする転がり軸受の試験方法。
2. 請求項１に記載の試験方法を実施するための試験装置であって、
   転がり軸受を収容するとともに、水素ガスを密封するためのチャンバと、
   チャンバの内部に設置され、転がり軸受の内輪を取り付ける回転軸及び外輪を固定するためのハウジングと、
   チャンバの外部に設置され、回転軸を回転させるための回転駆動装置及び転がり軸受に荷重を負荷するための荷重負荷手段と、
   を備えるとともに、
   回転軸と回転駆動装置とを非接触カップリングで接続したことを特徴とする転がり軸受の試験装置。
   
   
   

Images