JP2023152624A - 転がり疲労強度の試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より簡便、かつ、より正確に、歯車材の疲労特性を評価することができる転がり疲労強度の試験方法を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係る転がり疲労強度の試験方法は、回転軸を有する評価材と、回転軸を有する、一つまたは複数の相手材と、を備え、評価材の回転面と相手材の回転面とを接触させ、評価材に荷重を作用させつつ、評価材と相手材を互いに逆回転させて、評価材の転がり疲労強度を評価する転がり疲労強度の試験方法であって、焼付き評価パラメータＳＲが９．００以下を満たし、かつ、降伏パラメータＲＤが０．８５以下を満たし、評価材のすべり率σ１２が－３００～－６０％であり、評価材における相手材と接触する接触面、および、相手材における評価材と接触する接触面の二乗平均平方根粗さＲｑが１．００μｍ以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、転がり疲労強度の試験方法に関する。

従来、歯車に使用される表面硬化鋼の転がり疲労強度（ピッチング強度）は、二円筒転がり疲労試験で評価されることが多い。二円筒転がり疲労試験は、ローラ状の試験片と、相手方のローラとを接触させ、接触面の面圧や各ローラの回転数を制御して、試験片の転がり疲労を評価する試験である。

例えば、特許文献１では、試験片である直径が２６ｍｍの小ローラと、直径が１３０ｍｍでありクラウニングが１５０ｍｍの大ローラと、を用い、すべり率を８０％、小ローラの回転数を１０００ｒｐｍ、面圧を２８００ＭＰａまたは３０００ＭＰａとしてピッチング強度の測定が行われている。

特開２０１０－１３２９３６号公報

中原一郎、材料力学下巻、養賢堂、東京（１９７１）、１１６－１３２頁 徳田昌敏、機械設計、Ｖｏｌ.２４、Ｎｏ.１２（１９８０）、２６－３０頁 Tedric A. Harris, "Rolling Bearing Analysis", John Wiley & Sons Inc., p.110-143.

近年、電動車が登場して市場でシェアを増やしつつある。電動車では、従来型のガソリンエンジン車に比べ、歯車にかかる負荷（面圧、回転数、すべり率など）が高くなる傾向があり、歯車の素材となる鋼にも高強度が求められる。その結果、電動車の歯車として用いられる鋼材を評価する場合には、より高い負荷で試験を行う必要が生じている。

従来から用いられている二円筒転がり疲労試験で高強度材の転がり疲労強度を高負荷下で評価する場合、試験中に焼付きが発生することがある。そのため、適切な試験結果が得られなくなる、あるいは焼付きを避けるために試験時の回転速度を下げざるを得ず、長期間を要する試験となるといった課題があった。

また、特に表面硬化処理（特にガス浸炭処理、真空浸炭処理または窒化処理）を前提とする歯車の素材となる鋼材を評価する場合は、歯車と同じ条件で表面硬化処理がなされてから疲労試験に供される。従来から用いられている二円筒転がり疲労試験では、高負荷での試験を行うと、試験中に評価材の内部が塑性変形することがあり、面疲労強度を評価するうえで適切な試験結果が得られなくなるという課題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、二円筒転がり疲労試験を用いた転がり疲労強度の試験方法であって、より簡便、かつ、より正確に、歯車材の疲労特性を評価することができる転がり疲労強度の試験方法を提供することにある。

本発明者らは、鋭意検討を重ね、以下の知見を得た。
（ａ） 二円筒転がり疲労試験では、すべり率を増大することで、試験ローラ（評価材）の表面の接線力が増大し、表面起点のピッチング疲労が生じやすくなる。
（ｂ） 二円筒転がり試験における各ローラの直径を変更することで、試験ローラの内部に生じるせん断応力分布を制御し、高応力領域が試験ローラの表面硬化層に位置することで、芯部硬さ（試験ローラのローラ軸中心付近の硬さ）の影響を小さくすることができる。
（ｃ） すべり率の増大で発熱量が増大してローラ同士が焼付く可能性があるが、各ローラ間の接触面積を制限することで、焼付きを抑制できる。
本発明者らは、上記知見に基づき、転がり疲労強度を評価できる方法を開発した。

上記知見に基づき完成された本発明の要旨は、以下の通りである。
［１］ 本発明の一態様に係る転がり疲労強度の試験方法は、回転軸を有する評価材と、回転軸を有する、一つまたは複数の相手材と、を備え、前記評価材の回転面と前記相手材の回転面とを接触させ、前記評価材に荷重を作用させつつ、前記評価材と前記相手材を互いに逆回転させて、前記評価材の転がり疲労強度を評価する転がり疲労強度の試験方法であって、前記荷重が作用しているときの前記評価材における前記相手材との接触面の、面積Ａ（ｍｍ^２）およびすべり率σ_１２を用いて、式（１）により算出される焼付き評価パラメータＳ_Ｒが９．００以下を満たし、かつ、前記評価材の共役最大せん断応力τ_ｘｙが発生する、前記評価材の前記接触面からの深さ位置Ｄτ_ｘｙを用いて式（２）から算出されるＤτ_ｘｙ’と、前記評価材の有効硬化層深さＤ_ｃと、により式（３）から算出される降伏パラメータＲ_Ｄが０．８５以下を満たし、前記評価材のすべり率σ_１２が－３００～－６０％であり、前記評価材における前記相手材と接触する接触面、および、前記相手材における前記評価材と接触する接触面の二乗平均平方根粗さＲｑが１．００μｍ以下である、ことを特徴とする。
Ｓ_Ｒ=Ａ×（σ_１２／１００）^２ ・・・式（１）
Ｄτ_ｘｙ’＝２Ｄτ_ｘｙ ・・・式（２）
Ｒ_Ｄ＝Ｄτ_ｘｙ’／Ｄ_ｃ ・・・式（３）
［２］ 前記［１］に記載の転がり疲労強度の試験方法では、前記評価材における前記相手材との接触面の形状が楕円形であり、前記面積Ａが長軸半径ａ（ｍｍ）、短軸半径ｂ（ｍｍ）を用いて、式（４）により算出されてもよい。
Ａ＝πａｂ・・・式（４）
［３］ 前記［２］に記載の転がり疲労強度の試験方法では、前記評価材における前記相手材と接触する接触部の半径Ｒ_１１が２～１００ｍｍであってもよい。
［４］ 前記［２］または［３］に記載の転がり疲労強度の試験方法では、前記評価材における前記相手材と接触する接触部のクラウニングＲ_１２が１ｍｍ以上であってもよい。
［５］ 前記［２］～［４］のいずれかに記載の転がり疲労強度の試験方法では、前記一つまたは複数の前記相手材のうち、少なくとも一つの前記相手材における前記評価材と接触する接触部の半径Ｒ_２１が２ｍｍ～１００ｍｍであってもよい。
［６］ 前記［２］～［５］のいずれかに記載の転がり疲労強度の試験方法では、前記一つまたは複数の前記相手材のうち、少なくとも一つの前記相手材における前記接触部のクラウニングＲ_２２が１ｍｍ以上であってもよい。
［７］ 前記［１］に記載の転がり疲労強度の試験方法では、前記評価材における前記相手材との接触面の形状が矩形状であり、前記面積Ａが、主軸方向における接触長さＬ_ｓ、周方向における接触幅２ｗを用いて、式（５）により算出されてもよい。
Ａ＝２ｗＬ_ｓ・・・式（５）
［８］ 前記［７］に記載の転がり疲労強度の試験方法では、前記評価材における前記相手材と接触する接触部の回転軸方向長さｌ_２が１ｍｍ以上であってもよい。
［９］ 前記［７］または［８］に記載の転がり疲労強度の試験方法では、前記一つまたは複数の前記相手材のうち、少なくとも一つの前記相手材における前記評価材と接触する接触面の回転軸方向長さｌ_２１が１ｍｍ以上であってもよい。

本発明の上記態様によれば、より簡便、かつ、より正確に、歯車材の疲労特性を評価することができる。本発明の上記態様は、特に、電動車等に適用される小型の歯車用鋼の転がり疲労特性を評価することができる。

本発明の一実施形態に係る転がり疲労強度の試験方法を説明するための模式図である。 第１の実施形態における評価材の接触面における長軸半径ａおよび短軸半径ｂを説明するための模式図である。 同実施形態における評価材の正面図である。 同実施形態における相手材の正面図である。 第２の実施形態における評価材の正面図である。 同実施形態における相手材の正面図である。 同実施形態における評価材の接触面における接触長さＬ_ｓおよび接触幅２ｗを説明するための模式図である。 評価材の変形例を示す正面図である。 評価材の変形例を示す正面図である。 相手材の変形例を示す正面図である。 相手材の変形例を示す正面図である。 評価材の変形例を示す正面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。

本発明の一実施形態に係る転がり疲労強度の試験方法は、図１に示すように、回転軸Ｃ_１を有する円柱状の評価材１の回転面（接触面１１１）と、回転軸Ｃ_２を有する円柱状の相手材２の回転面（接触面２１１）と、を接触させ、相手材２から評価材１に荷重を作用させつつ、評価材１および相手材２とを、各回転軸Ｃ_１、Ｃ_２を回転中心として互いに逆回転させて、評価材１の転がり疲労強度を評価する転がり疲労強度の試験方法である。接触面Ｓは、相手材２の接触面２１１から評価材１の接触面１１１に荷重が作用した状態における評価材１の接触面である。

評価材１と、相手材２とは、接触を保ったまま、それぞれ独立の回転速度で回転させることができる。すなわち、評価材１と相手材２とを、異なる周速度で、互いに逆回転させることで、接触面１１１と接触面２１１との間ですべりを生じさせ、歯車の使用環境で生じるすべりを再現した試験を行うことができる。もちろん、評価材１と相手材２とを、互いに等しい周速度で逆回転させ、すべりのない疲労試験を行うことも可能である。
本実施形態における転がり疲労強度の試験方法では、評価材と相手材との接触面の形状により、後述する焼付き評価パラメータの算出方法が異なる。そのため、以下では、評価材における相手材との接触面の形状毎に本実施形態を説明する。

＜第１の実施形態＞
［焼付き評価パラメータＳ_Ｒが９．００以下］
本実施形態に係る転がり疲労強度の試験方法は、相手材２から荷重が作用したときの評価材１における相手材２との接触面Ｓの面積Ａ（ｍｍ^２）およびすべり率σ_１２により、式（１）から算出されるＳ_Ｒが９．００以下を満たす。Ｓ_Ｒは、評価材１の接触面１１１の焼付きに関するパラメータである。なお、本稿ではＳ_Ｒの単位はｍｍ^２である。

Ｓ_Ｒ=Ａ（σ_１２／１００）^２ ・・・式（１）

相手材２が、例えば、図４に示すように、評価材１と接触する接触部２１が端部から中央に向かって次第に凸となるクラウン状である場合、評価材１における相手材２との接触面Ｓは、図２に示すように、楕円状となる。当該楕円状の接触面Ｓの長軸半径が長軸半径ａ（ｍｍ）であり、当該楕円の短軸半径が短軸半径ｂ（ｍｍ）である。長軸半径ａ（ｍｍ）および短軸半径ｂ（ｍｍ）を用いて、接触面Ｓの面積Ａは、以下の式（２）で表される。接触面Ｓの長軸は、評価材１の回転軸Ｃ_１と平行であり、接触面Ｓの短軸は、接触面Ｓの長軸と接触面Ｓにおいて垂直である。

Ａ＝πａｂ・・・式（２）

長軸半径ａおよび短軸半径ｂは、非特許文献１（中原一郎、材料力学下巻、養賢堂、東京（１９７１）、１１６－１３２頁）に基づいた手法により算出される。

すべり率σ_１２は、相手材２に対する評価材１の相対周速度であり、以下の式（３）で表される。

σ_１２[％]＝（２×π×Ｒ_１１×ｕ_１／６０－２×π×Ｒ_２１×ｕ_２／６０）／（２×π×Ｒ_１１×ｕ_１／６０） ・・・式（３）
ここで、
Ｒ_１１：評価材１における接触部１１の回転軸Ｃ_１に垂直な半径
Ｒ_２１：相手材２における接触部２１の回転軸Ｃ_２に垂直な半径
ｕ_１：評価材１の回転速度[ｒｐｍ]
ｕ_２：相手材２の回転速度[ｒｐｍ]
である。

上記式（３）中、２×π×Ｒ_１１×ｕ_１／６０は、評価材１の接触部１１における最小半径位置の周速度（ｍ／ｓ）を表し、２×π×Ｒ_２１×ｕ_２／６０は、相手材２の接触部２１における最大半径位置の周速度（ｍ／ｓ）を表している。

焼付き評価パラメータＳ_Ｒは、９．００以下である。焼付き評価パラメータＳ_Ｒが９．００超であると、評価材１と相手材２との接触面で生じる摩擦による発熱量が多くなり、油膜切れが生じて評価材１と相手材２との間で焼付きが生じる。焼付き評価パラメータＳ_Ｒは、焼付き防止の観点から、好ましくは、８．５０以下であり、より好ましくは、８．００以下である。焼付き評価パラメータＳ_Ｒの下限は、焼付き防止の観点からは特段制限されないが、焼付き評価パラメータＳ_Ｒが小さいことはすなわち試験負荷が小さいことを意味し、試験時間の長時間化につながる。したがって、焼付き評価パラメータＳ_Ｒは、好ましくは、０．０５以上であり、より好ましくは、０．１０以上である。

上記式（１）～式（３）から、焼付き評価パラメータＳ_Ｒを９．００以下とするためには、長軸半径ａ、短軸半径ｂ、評価材１の接触部１１における回転軸Ｃ_１に垂直な断面の半径Ｒ_１１（図３参照）、相手材２の接触部２１における回転軸Ｃ_２に垂直な断面の半径Ｒ_２１（図４参照）、評価材１の接触部１１における回転速度ｕ_１、および相手材２の接触部２１における回転速度ｕ_２を変更すればよい。

［すべり率σ_１２が－３００～－６０％］
本実施形態では、ここまで述べた通り、焼付き評価パラメータＳ_Ｒを用いて測定条件を設定する。これは、評価材１および相手材２の形状および材質、負荷荷重に基づいて算出される接触面Ｓの長軸半径ａ、短軸半径ｂとの調和を見ながら、すべり率σ_１２を設定することを意味する。すなわち、焼付き評価パラメータＳ_Ｒが９．００以下である範囲内（つまり焼き付きを抑制できる範囲内）で、すべり率σ_１２を小さな値（すべる割合が大きい値）に設定することが可能であり、－６０％よりも数値の小さい（すべる割合が大きい）すべり率σ_１２でかつ高負荷で試験を行った場合も、焼付きを抑制することができる。本開示においてはすべり率σ_１２が最小で－３００％まで問題なく試験を行うことができた。焼付きを抑制する観点では、すべり率σ_１２は好ましくは－２８０％以上であり、より好ましくは－２６０％以上である。

本開示が想定するような、電動車で用いられる歯車であれば、実環境で用いられる歯車に生じるすべり率σ_１２は－１５０％程度と考えられる。上述した通り、本実施形態では、すべり率σ_１２を－６０％以下と設定することにより、実環境の歯車に近い状況での試験を可能としている。歯車の使用環境を模擬した試験をより正確に再現する観点から、すべり率σ_１２は好ましくは－８０％以下であり、より好ましくは－１００％以下、または－１２０％以下である。

既に述べたように、従来の二円筒試験を、表面硬化処理がなされた円筒試験片において、高負荷下で行った場合に、内部で塑性変形を生じ適切な試験ができないことがあった。本発明者らはこの課題につき調査し、従来の二円筒試験では、表面から深い位置にせん断応力が働き、その結果、表面硬化処理の効果が及ばない深い位置で塑性変形を生じているとの知見を得た。本発明者らは、後述する降伏パラメータＲ_Ｄを適切に調整することで、高い負荷の試験でも内部での塑性変形を抑止できることを実現した。

［降伏パラメータＲ_Ｄが０．８５以下］
本実施形態に係る転がり疲労強度の試験方法は、Ｄτ_ｘｙによって式（４）から算出されるＤτ_ｘｙ’と、評価材１の接触部１１における有効硬化層深さＤ_ｃと、により式（５）から算出される降伏パラメータＲ_Ｄが０．８５以下を満たす。Ｄτ_ｘｙは、評価材１において最大共役せん断応力τ_ｘｙが発生する、荷重が作用したときの評価材１の接触部１１における接触面Ｓからの深さ位置である。

Ｄτ_ｘｙ’＝２×Ｄτ_ｘｙ ・・・式（４）
Ｒ_Ｄ＝Ｄτ_ｘｙ’／Ｄ_ｃ ・・・式（５）

接触面Ｓではせん断応力が作用し、接触面Ｓから内部に向かっては当該せん断応力に共役な共役せん断応力が作用する。共役せん断応力によって、接触面Ｓより内部で疲労によるクラックが発生し、評価材１の接触面１１１が剥がれて摩耗する。接触面Ｓにおけるせん断応力は、接触面Ｓの境界近傍で発生し、共役せん断応力は、表面では０であり、ある深さで最大値τ_ｍａｘになる。

すべり率が低い条件で行われる二円筒転がり疲労試験では、歯車に比べて相対的に接線力が小さくなることから、試験面圧を高めて接触部の摩擦力を大きくしないとピッチングを生じない。そのため、面圧を高めた二円筒転がり疲労試験では上述した共役せん断応力の影響が無視できないものとなる。

最大共役せん断応力τ_ｘｙが発生する、接触面Ｓからの深さ位置（最大共役せん断応力位置）Ｄτ_ｘｙは、非特許文献２（徳田昌敏、機械設計、Ｖｏｌ.２４、Ｎｏ.１２（１９８０）、２６－３０頁）に記載されたｚ_０に対応する値である。具体的には、下記式（６）で表される。

上記式（６）中、ｂは、接触面Ｓの短軸半径であり、ｔは下記式（７）で算出される値である。

上記式（７）中、ｂは接触面Ｓの短軸半径、ａは接触面Ｓの長軸半径である。また、上記式（７）は、非特許文献２に示された下記式（８）を変形して得られた式である。なお、上記は接触面Ｓの形状が楕円であることを前提に記載している。接触面Ｓの形状が矩形である場合については後述する。

式（５）中のＤ_ｃは、評価材１の接触部における有効硬化層深さであり、具体形には、評価材１の接触面１１１からビッカース硬さが５１３Ｈｖとなる位置までの深さである。

評価材１の有効硬化層深さＤ_ｃは、以下の方法で算出する。すなわち、評価材１の接触部１１の中心位置から回転軸Ｃ_１に垂直な断面を取得し、各断面において、接触面から深さ方向に０．０３ｍｍの位置を開始点として、０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍ、以降０．０５ｍｍ毎に２．００ｍｍ深さまで、ＪＩＳ Ｚ２２４４：２０２０に準拠し、荷重は０．２０ｋｇｆとしてビッカース硬さＨｖを測定する。測定位置は断面において周方向に１２０度毎に計３か所とし、測定されたビッカース硬さＨｖが５１３Ｈｖとなる位置までの径方向長さ（深さ）の平均値を有効硬化層深さＤ_ｃとする。

式（５）で表される降伏パラメータＲ_Ｄが０．８５超であると、評価材１の有効硬化層に生じる共役せん断応力に対し、当該有効硬化層よりも内部における共役せん断応力が相対的に高すぎるため、評価材１の内部で降伏が生じる。その結果、評価材１の内部が硬化し、当該硬化により、評価材１の内部を起点としたピッチングが生じ、歯車の使用環境を模擬した試験を正確には再現することができない。よって、Ｒ_Ｄは、０．８５以下とする。Ｒ_Ｄは、好ましくは０．７５以下であり、より好ましくは０．７０以下である。

［評価材１］
次いで、評価材１について詳細に説明する。評価材１は、例えば、表面が内部よりも硬化した表面硬化鋼で構成される。表面硬化鋼は、例えば、電動車の歯車等に使用される鋼材である。例えば、表面のＣ濃度が内部のＣ濃度よりも高く、表面が硬化した鋼材や、表面のＮ濃度が内部のＮ濃度よりも高く、表面が硬化した鋼材が評価材１として用いられ、転がり疲労強度が評価される。

表１に、評価材１の一例として、転がり疲労強度が評価される表面硬化鋼のビッカース硬さＨｖの分布を示す。ビッカース硬さＨｖは、ＪＩＳ Ｚ２２４４：２０２０に準拠し、荷重は０．２０ｋｇｆとして、表１に示す表面からの距離で測定した。ガス浸炭、真空浸炭、または窒化により表面硬化した表面硬化鋼では、内部に向かうにつれてビッカース硬さＨｖが小さくなっていることが分かる。なお、表１に示した例では、ガス浸炭により表面硬化処理された表面硬化材の有効硬化層深さＤ_Ｃ（表１におけるＥＣＤ）は、０．７７ｍｍであり、真空浸炭により表面硬化処理された表面硬化材の有効硬化層深さＤ_Ｃ（表１におけるＥＣＤ）は、０．４５ｍｍであり、窒化により表面硬化処理された表面硬化材の有効硬化層深さＤ_Ｃ（表１におけるＥＣＤ）は、０．１４ｍｍである。

続いて、図３を参照して評価材１の形状について詳細に説明する。図３は、評価材１の正面図である。評価材１は、図２に示すように、回転軸Ｃ_１を有する略円柱状であり、回転軸Ｃ_１に沿った方向のいずれの位置においても、回転軸Ｃ_１に垂直な断面の形状は円形である。評価材１は、相手材２と接触する部分である接触部１１と、接触部１１の両端に接続した本体部１２と、を備える。以下では、回転軸Ｃ_１に沿った方向を軸方向と呼称し、回転軸Ｃ_１に垂直な方向を径方向と呼称することがある。

（接触部１１）
接触部１１は、本体部１２よりも小径の部分である。接触部１１には、径方向端部に配された、相手材２と接触する接触面１１１が配されている。接触部１１は、本体部１２と連なるテーパー部１１ａ、１１ａと、テーパー部１１ａ、１１ａとの間において、回転軸Ｃ_１に沿って略同径の円柱部１１ｂから構成される。

評価材１における接触部１１の半径Ｒ_１１は、２～１００ｍｍであることが好ましい。接触部１１の半径Ｒ_１１は、接触部１１における回転軸Ｃ_１に垂直な最小半径をいう。接触部１１の半径Ｒ_１１が２ｍｍ以上であれば、荷重が作用したときの接触面Ｓの面積が小さくなるため、低い荷重で高い面圧を作用させることができる。これにより、最大せん断応力位置Ｄτ_ｘｙを回転軸Ｃ_１側から接触面Ｓ側に移行させることができる。また、低い荷重で高い面圧を作用させることができるため、摩擦による発熱量が小さくなり、焼付きを生じにくくすることができる。一方、接触部１１の半径Ｒ_１１が小さ過ぎると、負荷荷重によってはたわみが生じ、たわみ量が大きくなって曲げ疲労破壊を起こす場合がある。しかしながら、接触部１１の半径Ｒ_１１が２ｍｍ以上であれば、曲げ疲労破壊の発生を抑制することができる。接触部１１の半径Ｒ_１１は、より好ましくは３ｍｍ以上であり、更に好ましくは４ｍｍ以上である。

また、接触部１１の半径Ｒ_１１が大きすぎると、荷重が作用したときの接触面Ｓの面積が大きくなり過ぎるため、大きな荷重を負荷しないと高い面圧を作用させることができないことがある。大きな荷重を負荷すると、最大せん断応力位置Ｄτ_ｘｙを接触面Ｓ側から回転軸Ｃ_１側に移行し、接触部１１の内部で降伏が生じ、加工硬化することがある。また、大きな荷重を負荷すると、摩擦による発熱量が大きくなり、焼付きが生じやすくなる。しかしながら、接触部１１の半径Ｒ_１１を１００ｍｍ以下とすることで、接触部１１の内部における降伏および接触面Ｓでの焼付きを抑制することができる。接触部１１の半径Ｒ_１１は、より好ましくは７５ｍｍ以下であり、更に好ましくは６５ｍｍ以下である。

評価材１における接触部１１のクラウニングＲ_１２は、１ｍｍ以上であることが好ましい。クラウニングＲ_１２は、回転軸Ｃ_１を含む回転軸Ｃ_１に平行な断面の半径Ｒ_１１を有する位置における接触部１１の曲率半径で表される値である。接触部１１のクラウニングＲ_１２が１ｍｍ以上であれば、小さな荷重で高い面圧を接触面１１１に作用させることができる。これにより、最大せん断応力位置Ｄτ_ｘｙを回転軸Ｃ_１側から接触面１１１側に移行させることができる。接触部１１のクラウニングＲ_１２は、より好ましくは１０ｍｍ以上であり、更に好ましくは１００ｍｍ以上である。一方、クラウニングＲ_１２が１ｍｍ未満であると、相手材２との接触による弾性変形や、繰り返し数の増加に伴うクラウニングＲ_１２を有する位置の摩耗により、クラウニングＲ_１２を有する位置以外が相手材２と接触する場合や、クラウニングＲ_１２を有する位置の外側が相手材２と接触し、接触部１１が偏摩耗する恐れがある。

接触部１１の軸方向長さ（回転軸Ｃ_１方向の長さ）ｌ_１１は特段制限されず、適宜変更されてよい。例えば、接触部１１の長さｌ_１１は、接触部１１のテーパー部１１ａの回転軸Ｃ_１方向の長さに応じて変更されてよい。

（二乗平均平方根粗さＲｑが１．００μｍ以下）
評価材１における接触面１１１の二乗平均平方根粗さＲｑは、１．００μｍ以下である。接触面１１１が粗すぎると、接触面１１１に存在する大きな凸部が試験中に塑性変形して新たな面が生じ、当該新たな面で焼付きが生じることがある。しかしながら、接触面１１１の二乗平均平方根粗さＲｑが１．００μｍ以下であれば、局所的に大きな凸部が少なく、焼付きを抑制することができる。接触面１１１の二乗平均平方根粗さＲｑは、好ましくは、０．９０μｍ以下であり、より好ましくは０．８０μｍ以下である。一方、接触面１１１の二乗平均平方根粗さＲｑの下限は、小さい方が好ましい。接触面１１１の二乗平均平方根粗さＲｑは、例えば、０．０２μｍ以上であってもよいし、０．０３μｍ以上であってもよい。

二乗平均平方根粗さＲｑは、ＪＩＳ Ｂ０６０１：２０１３に準拠した方法で測定される。

（本体部１２）
本体部１２は、転がり疲労試験を行う際に把持される部分である。本体部１２の直径φおよび軸方向長さｌ_１２は、特段制限されない。

［相手材２］
次いで、図４を参照して相手材２について詳細に説明する。図４は、相手材２の正面図である。相手材２は、図４に示すように、回転軸Ｃ_２を有する円柱状であり、回転軸Ｃ_２に沿った方向のいずれの位置においても、回転軸Ｃ_２に垂直な断面の形状は円形である。相手材２は、評価材１と接触する部分である接触部２１を備える。以下では、回転軸Ｃ_２に沿った方向を軸方向と呼称し、回転軸Ｃ_２に垂直な方向を径方向と呼称することがある。

（接触部２１）
接触部２１には、径方向端部に配された、評価材１と接触する接触面２１１が配されている。接触部２１は、相手材２の回転軸Ｃ_２に垂直な方向から見たときに凸となる凸クラウンを有している。言い換えると、接触部２１は、相手材２の回転軸Ｃ_２に垂直な方向からみたときに、軸方向両端から軸方向中央に向かうにつれて径（回転軸Ｃ_２から接触面２１１までの距離）が大きくなっている。

相手材２における接触部２１の半径Ｒ_２１は、２～１００ｍｍであることが好ましい。接触部２１の半径Ｒ_２１は、接触部２１における回転軸Ｃ_２に垂直な最大半径をいう。接触部２１の半径Ｒ_２１が２ｍｍ以上であれば、接触面Ｓの面積が小さくなるため、小さな荷重で高い面圧を作用させることができる。これにより、評価材１において、最大せん断応力位置Ｄτ_ｘｙを回転軸Ｃ_１側から接触面１１１側に移行させることができる。また、小さな荷重で高い面圧を作用させることができるため、摩擦による発熱量が小さくなり、焼付きを生じにくくすることができる。一方、接触部２１の半径Ｒ_２１が小さ過ぎると、負荷荷重によってはたわみが生じ、たわみ量が大きくなって曲げ疲労破壊を起こす場合があるが、接触部２１の半径Ｒ_２１が２ｍｍ以上であれば、曲げ疲労破壊の発生を抑制することができる。接触部２１の半径Ｒ_２１は、好ましくは３ｍｍ以上であり、より好ましくは４ｍｍ以上である。

また、接触部２１の半径Ｒ_２１が大きすぎると、接触面２１１の面積が大きくなり過ぎるため、高い荷重を負荷しないと高い面圧を作用させることができないことがある。高い荷重を負荷すると、評価材１における最大せん断応力位置Ｄτ_ｘｙを接触面１１１側から軸側に移行し、評価材１の接触部１１の内部で降伏が生じ、加工硬化することがある。また、大きな荷重を負荷すると、摩擦による発熱量が大きくなり、焼付きが生じやすくなる。しかしながら、接触部２１の半径Ｒ_２１を１００ｍｍ以下とすることで、評価材１の接触部１１の内部における降伏、および接触面２１１での焼付きを抑制することができる。接触部２１の半径Ｒ_２１は、好ましくは９０ｍｍ以下であり、より好ましくは８０ｍｍ以下である。

相手材２における接触部２１のクラウニングＲ_２２は、１ｍｍ以上であることが好ましい。クラウニングＲ_２２は、回転軸Ｃ_２を含む回転軸Ｃ_２に平行な断面の半径Ｒ_２１を有する位置における接触部２１の曲率半径で表される値である。接触部２１のクラウニングＲ_２２が１ｍｍ以上であれば、小さな荷重で高い面圧を接触面２１１に作用させることができる。これにより、評価材１における最大せん断応力位置Ｄτ_ｘｙを回転軸Ｃ_１側から接触面１１１側に移行させることができる。接触部２１のクラウニングＲ_２２は、好ましくは１０ｍｍ以上であり、より好ましくは１５ｍｍ以上である。一方、クラウニングＲ_２２が１ｍｍ未満であると、評価材１との接触による弾性変形や、繰り返し数の増加に伴うクラウニングＲ_２２を有する位置の摩耗により、クラウニングＲ_２２を有する位置以外が評価材１と接触する場合や、クラウニングＲ_２２を有する位置の外側が評価材１と接触し、接触部２１が偏摩耗する恐れがある。

相手材２における接触面２１１の二乗平均平方根粗さＲｑは、１．００μｍ以下であることが好ましい。接触面２１１が粗すぎると、接触面２１１に存在する大きな凸部が試験中に塑性変形し、新たな面が生じ、当該新たな面で焼付きが生じることがある。しかしながら、接触面２１１の二乗平均平方根粗さＲｑが１．００μｍ以下であれば、局所的に大きな凸部が少なく、焼付きを抑制することができる。接触面２１１の二乗平均平方根粗さＲｑは、より好ましくは、０．９０μｍ以下であり、さらに好ましくは０．８０μｍ以下である。一方、接触面２１１の二乗平均平方根粗さＲｑは小さい方が好ましい。接触面２１１の二乗平均平方根粗さＲｑは、例えば、０．０２μｍ以上であってもよいし、０．０３μｍ以上であってもよい。

二乗平均平方根粗さＲｑは、ＪＩＳ Ｂ０６０１：２０１３に準拠した方法で測定される。

ここまで、本実施形態に係る転がり疲労の試験方法に用いられる評価材１および相手材２を説明した。転がり疲労試験が実施される際には、相手材２から評価材１に荷重が付与されて、接触面１１１と、相手材２の接触面２１１と、が接触した後、評価材１および相手材２が互いに所定の速度で逆回転する。

上述した評価材１はクラウニングＲ_１２を有し、相手材２はクラウニングＲ_２２を有しているため、後述する第２の実施形態における評価材１Ａおよび相手材２Ａと比較して応力集中が生じにくく、より安定した試験結果を得ることができる。

続いて、本実施形態に係る転がり疲労試験の試験方法に用いられる評価材および相手材の製造方法の一例を説明する。以下に説明する評価材および相手材の製造方法は、あくまでも一例であり、以下の製造方法で製造された評価材および相手材に限らず、上述した特徴を有する評価材および相手材は、本発明における評価材および相手材に当たる。

評価材および相手材は、中間品を製造する中間品製造工程、および中間品を熱処理する熱処理工程を含む。

中間品製造工程では、所定の形状を有する中間品を製造する。例えば、所定の化学組成を有する溶鋼を製造し、当該溶鋼を用いて、連続鋳造法により鋳片（スラブまたはブルーム）を製造する。溶鋼を用いて造塊法によりインゴット（鋼塊）を製造してもよい。次いで、鋳片またはインゴットを熱間加工して、ビレット（鋼片）を製造する。ビレットを熱間加工して、棒鋼または線材を製造する。熱間加工は、熱間圧延でもよいし、熱間鍛造でもよい。熱間鍛造後の組織の結晶粒径を均一化させる目的で、後述する切削加工前にＪＩＳ Ｂ ６９１１：２０１０「鉄鋼の焼ならしおよび焼なまし加工」に準拠した焼きならしや、素材硬さの低減を目的とした等温焼きなまし（ＩＡ）を行ってもよい。製造された棒鋼または線材を冷間鍛造または機械加工して、所定の形状に加工し中間品とする。機械加工は、例えば、切削や穿孔である。中間品の形状は、周知の方法により形成される。

熱処理工程では、中間品を熱処理する。例えば、中間品製造工程で製造された中間品に対して、表面硬化熱処理を実施する。さらに、表面硬化熱処理後、中間品に対して焼戻しを実施してもよい。焼入れ後の中間品に対してさらに機械加工（切削加工等）を実施してもよい。表面硬化熱処理は、例えば、ガス浸炭、真空浸炭、窒化等を指す。これらの処理条件は一般的に行なわれている周知の条件により処理される。表面硬化熱処理後の部品表層における圧縮残留応力を高める目的で、ショットピーニングなどの表面硬化処理を行っても良い。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態に係る転がり強度試験方法は、評価材における相手材との接触面Ｓの形状が、正面視で、回転軸と平行になっている点で第１の実施形態と異なる。これは、評価材の形状と相手材の形状が第１の実施形態とは異なることに起因する。以下に、図５～７を参照して、第２の実施形態を説明する。図５は、第２の実施形態における評価材１Ａの正面図である。図６は、本実施形態における相手材２Ａの正面図である。図７は、本実施形態における評価材の接触面Ｓにおける接触長さＬ_ｓおよび接触幅２ｗを説明するための模式図である。

［評価材１Ａ］
評価材１Ａは、図５に示すように、円柱形状であり、軸方向にわたって略同径であり、半径がＲ_１１である。換言すると、評価材１Ａは、第１の実施形態における評価材１とは本体部と接触部とが区分されていない点で、第１の実施形態における評価材１と異なる。したがって、評価材１Ａの軸方向端部以外は接触部１１Ａであると言える。

評価材１Ａにおける相手材２Ａと接触する接触部１１Ａの軸方向長さｌ_２は、１ｍｍ以上であることが好ましい。評価材１Ａは回転軸Ｃ_１に沿った方向にわたって略同径であるため、評価材１Ａの回転軸Ｃ_１方向の長さが接触部１１Ａの軸方向長さｌ_２となる。接触部１１Ａの軸方向長さｌ_２が１ｍｍ以上であれば、接触面積が小さくなることで後述する焼付き評価パラメータＳ_Ｒが小さくなる。加えて、小さな荷重で高い面圧を接触面１１１に作用させることで、最大せん断応力位置Ｄτ_ｘｙを回転軸Ｃ_１側から接触面１１１側に移行させることができる。
相手材２Ａが複数設けられる場合は、接触面２１１Ａの回転軸Ｃ_２方向の長さが最も短い相手材２Ａの当該長さを接触部１１Ａの厚さｔ_１とし、厚さｔ_１が１ｍｍ以上であることが好ましい。

評価材１Ａの軸方向両端には、平面視での曲率半径がＲ_１３である縁部１３、１３を有する。縁部１３の形状は特段制限されず、例えば、Ｒ面取り、Ｃ面取り、または糸面取りとすることができる。縁部１３の形状がＣ面取りまたは糸面取りの場合、曲率半径Ｒ_１３は、面取り部分における両端から同距離の点を曲率円の中心として、当該中心から面取り部分の端部までの距離を曲率半径とする。

［相手材２Ａ］
相手材２Ａは、図６に示すように、円柱形状であり、軸方向にわたって略同径であり、半径がＲ_２２である。換言すると、相手材２Ａは、第１の実施形態における相手材２とは、接触部２１Ａにおける接触面２１１Ａが、相手材２Ａの回転軸Ｃ_２と平行である点で、第１の実施形態における評価材１と異なる。

相手材２Ａは、接触部２１Ａにおける軸方向両端に、曲率半径がＲ_２１である縁部２１ａ、２１ａを有する。この場合、接触面２１１Ａの軸方向長さｌ_２１は、相手材２Ａの軸方向長さをＬ_２として、以下の式（９）で表される。

ｌ_２１≦Ｌ_２－２×Ｒ_２１ ・・・式（９）

縁部２１ａの形状は特段制限されず、例えば、Ｒ面取り、Ｃ面取り、または糸面取りとすることができる。縁部２１ａの形状がＣ面取りまたは糸面取りの場合、曲率半径Ｒ_２１は、面取り部分における両端から同距離の点を曲率円の中心として、当該中心から面取り部分の端部までの距離を曲率半径とする。

接触面２１１Ａの軸方向長さｌ_２１は、１ｍｍ以上であることが好ましい。これにより、接触面積が小さくなることで後述する焼付き評価パラメータＳ_Ｒが小さくなる。加えて、小さな荷重で高い面圧を接触面１１１に作用させることで、最大せん断応力位置Ｄτ_ｘｙを回転軸Ｃ_１側から接触面１１１側に移行させることができる。

上述した評価材１Ａおよび相手材２Ａは、それぞれ第１の実施形態における評価材１および相手材２と比較して単純な形状であるため、それらを準備するための加工が容易である。

［焼付き評価パラメータＳ_Ｒ］
相手材２Ａから評価材１Ａに荷重が作用すると、評価材１Ａにおける相手材２Ａとの接触面Ｓは、図７に示すように、幅２ｗ（ｍｍ）を有する矩形状となる。このときの、荷重が接触したときの評価材１Ａの接触面Ｓにおける回転軸Ｃ_１方向の長さをＬ_ｓ（ｍｍ）とすると接触面Ｓの面積Ａは、以下の式（１０）で表される。

Ａ＝２ｗＬ_ｓ・・・式（１０）

評価材１Ａにおける接触部１１Ａの軸方向長さｌ_２が相手材２Ａにおける接触面２１１Ａの軸方向長さｌ_２１よりも長いとき、相手材２Ａにおける接触面２１１Ａの軸方向長さｌ_２１が接触長さＬ_ｓとなる。評価材１Ａにおける接触部１１Ａの軸方向長さｌ_２が相手材２Ａにおける接触面２１１Ａの軸方向長さｌ_２１よりも短いとき、評価材１Ａにおける接触面１１１Ａの軸方向長さｌ_２が接触長さＬ_ｓとなる。

焼付き評価パラメータＳ_Ｒは、式（１０）により算出された面積Ａを用いて算出される。第２の実施形態においても、焼付き評価パラメータＳ_Ｒは９．００以下である。

［すべり率σ_１２が－３００～－６０％］
評価材１Ａのすべり率σ_１２は、上記式（３）に従って求められる。評価材１Ａのすべり率σ_１２は、第１の実施形態と同様に、－３００～－６０％である。

［降伏パラメータＲ_Ｄが０．８５以下］
非特許文献３に記載されているように、二円筒（評価材１Ａと相手材２Ａ）が線接触している場合、ｂ／ａ＝０（クラウニングＲ１２、Ｒ２２が∞であるため２ａ→∞）であり、上記（５）式より、ｔの値が０．５をとることができないため、式（８）よりｔ＝１．００である。すなわち、共役最大せん断応力τ_ｘｙが発生する、接触面Ｓから深さ方向における位置Ｄτ_ｘｙは、式（６）から０．５ｂとなる。第１の実施形態と区別するために、ｂを便宜的にｗとすると、共役最大せん断応力τ_ｘｙが発生する、接触面Ｓから深さ方向における位置Ｄ_τｘｙは、０．５ｗとなる。
降伏パラメータＲ_Ｄは、上記式（４）、（５）から求められ、第２の実施形態においても０．８５以下である。

評価材１Ａおよび相手材２Ａは、第２の実施形態と同様の方法で製造されてよい。

以上、本発明の一実施形態に基づき、本発明を説明した。第１の実施形態および第２の実施形態のとおり、焼付き評価パラメータＳ_Ｒは式（１）により算出することができる。上述した実施形態はあくまでも例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

＜第１の実施形態の変形例＞
例えば、第１の実施形態において、上述した評価材１は、テーパー部１１ａを有する形状であったが、評価材は、図８示すような形状の評価材１Ｂであってもよい。評価材１Ｂでは、接触部１１Ｂは、評価材１Ｂの回転軸Ｃ_１に垂直な方向からみたときに凹となる凹クラウンを有している。言い換えると、接触部１１Ｂは、評価材１Ｂの回転軸Ｃ_１に垂直な方向からみたときに、軸方向両端から軸方向中央に向かうにつれて径（回転軸Ｃ_１から接触面１１１Ｂまでの距離）が小さくなっている。

また、例えば、評価材が図９に示すような形状であり、相手材が図１０に示すような形状であってもよい。図９に示す評価材１Ｃでは、接触部１１Ｃは、本体部１２Ｃよりも大径の部分である。評価材１Ｃにおいて、接触部１１Ｃには、本体部１２Ｃと連なるテーパー部１１ｃ、１１ｃと、テーパー部１１ｃ、１１ｃとの間において、回転軸Ｃ_１に沿って略同径の円柱部１１ｄから構成される。一方、図１０に示す相手材２Ｃでは、接触部２１Ｃは、相手材２Ｃの回転軸Ｃ_２に垂直な方向からみたときに凹となる凹クラウンを有している。言い換えると、接触部２１Ｃは、相手材２Ｃの回転軸Ｃ_２に垂直な方向からみたときに、軸方向両端から軸方向中央に向かうにつれて径（回転軸Ｃ_２から接触面２１１Ｃまでの距離）が小さくなっている。なお、接触部１１Ｃが、評価材１Ｃのように本体部１２Ｃよりも大径である場合や、回転軸Ｃ_１に垂直な方向からみたときに凸となる凸クラウンを有している場合、接触部１１Ｃの半径Ｒ_１１は、接触部１１Ｃにおける回転軸Ｃ_１に垂直な最大半径をいう。また、相手材２Ｃのように、接触部２１が、回転軸Ｃ_２に垂直な方向からみたときに凹となる凹クラウンを有している場合、接触部２１Ｃの半径Ｒ_２１は、接触部２１Ｃにおける回転軸Ｃ_２に垂直な最小半径をいう。

また、相手材は、例えば、接触部の軸方向両側に、評価材と接触しない形状の本体部（図示せず。）を有していてもよい。

また、本発明に係る転がり疲労の試験方法では、１つの評価材に接触回転させる相手材は、１つに限らず、複数であってもよい。

＜第２の実施形態の変形例＞
また、例えば、第２の実施形態において、上述した相手材２Ａは、回転軸Ｃ_２方向にわたって略同径であったが、相手材は、図１１示すような形状の相手材２Ｄであってもよい。相手材２Ｄは、正面視で、その接触面２１１Ｄが回転軸Ｃ_２と平行であることは相手材２Ａと同様であるが、接触面２１１Ｄ以外の外周において、段差を有していてもよい。

また、相手材は、例えば、接触部の軸方向両側に、評価材と接触しない形状の本体部（図示せず。）を有していてもよい。

また、接触部の軸方向長さは、評価材における接触面の接触長さが相手材における接触面の接触長さより長い範囲で、適宜変更されてもよい。例えば、評価材の形状は、図１２に示すような、相手材と接触する部分である接触部１１Ｄと、接触部１１Ｄの両端に接続した本体部１２Ｄと、を有する評価材１Ｄであってもよい。接触部１１Ｄは、本体部１２Ｄよりも小径の部分である。接触部１１Ｄには、径方向端部に配された、相手材と接触する接触面１１１Ｄが配されている。接触部１１Ｄは、本体部と連なるテーパー部１１ａ、１１ａの間において、回転軸Ｃ_１に沿って略同径の円柱部１１ｂから構成される。

また、本発明に係る転がり疲労の試験方法では、１つの評価材に接触回転させる相手材は、１つに限らず、複数であってもよい。一つまたは複数の相手材のうち、少なくとも一つの相手材における接触長さｌ_２１は、１ｍｍ以上であることが好ましい。これにより焼き付きを一層抑制することができる。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、以下に説明する実施例は、あくまでも本発明の一例であって、本発明を限定するものではない。

＜実施例１＞
［評価材の製造］
評価材を以下の方法で製造した。ＪＩＳ Ｇ ４０５３規格に準ずる化学成分を有する鋼ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０、ＳＣＭ４３５、ＳＣＭ８２２、ＳＮＣＭ２２０およびＳＡＣＭ６４５を、３００ｋｇ真空溶解炉で溶解して溶鋼を製造し、各溶鋼を鋳造してインゴットを製造した。このインゴットを熱間鍛造して直径２５０ｍｍの丸棒とした。熱間鍛造は１１００℃から１２００℃の間の温度にて行い、鍛造後は大気中で放冷した。各棒鋼（真空溶解材）に対して、ＪＩＳ Ｂ ６９１１：２０１０「鉄鋼の焼ならしおよび焼なまし加工」に準拠した焼きならしを実施した。

次いで、焼ならし後の直径２５０ｍｍの各棒鋼に対して機械加工を実施して、図３および表２に示す形状を有する評価材を作製した。接触部の軸方向両側には直径φが２４ｍｍの本体部を設けた。各本体部の軸方向長さｌ_１２は、６０ｍｍとした。接触部の長さｌ_１１は、２８ｍｍとした。したがって、評価材の長さＬは、１４８ｍｍとした。

作製した各評価材に対して、ガス浸炭、真空浸炭、または窒化による、表面硬化熱処理を実施した。ガス浸炭条件、真空浸炭、および窒化の各条件は以下のとおりとした。すなわち、ガス浸炭処理（ガス浸炭焼入れおよび焼戻し）では、カーボンポテンシャルＣＰが１．０％の雰囲気中において、各評価材を９３０℃で８０分保持した（浸炭工程）。その後、カーボンポテンシャルＣＰを０．８％とし、粗試験片を９３０℃で６０分保持した（拡散工程）。その後、各評価材を８５０℃まで降温し、８５０℃で３０分保持した後、６０℃の油中で冷却した（焼入れ工程）。冷却後の各評価材に対して、焼戻し処理を実施した。焼戻し温度は１８０℃であり、焼戻し温度での保持時間は１２０分であった。真空浸炭処理では、まず１００Ｐａ以下の炉内圧力でアセチレンガスを導入する浸炭工程を実施した。浸炭工程の温度を９３０℃とし、保持時間を３０分とした。浸炭工程後、拡散工程を実施した。拡散工程では、アセチレンガスの導入を停止し、炉内圧力を１０Ｐａ以下とした。拡散工程での温度を９３０℃とし、保持時間を１０分とした。拡散工程後、焼入れ工程を実施した。焼入れ工程では、温度を８５０℃とし、保持時間を３０分とした。保持時間経過後、６０℃の油中で冷却した。焼入れ工程後、焼戻し工程を実施した。焼戻し工程では、温度を１８０℃とし、保持時間を１２０分とした。窒化処理では、大気圧下で炉内にＮＨ_３、Ｈ_２、Ｎ_２の各ガスを導入し、５７０℃で、１８０分保持した。保持時間経過後、６０℃の油中で冷却した。ビッカース硬さＨｖは、評価材の接触部において１０か所の断面を取得し、硬さ分布を測定して行った。詳細には、各断面において、接触面から深さ方向に０．０３ｍｍの位置を開始点として、０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍ、以降０．０５ｍｍ毎に２．００ｍｍ深さまで、ＪＩＳ Ｚ２２４４：２０２０に準拠し、荷重は０．２０ｋｇｆとしてビッカース硬さＨｖを測定する。測定位置は断面１２０度毎に計３か所とし、測定されたビッカース硬さＨｖが５１３Ｈｖとなる位置までの径方向長さ（深さ）の平均値を有効硬化層深さＤ_ｃとした。

［相手材の製造］
相手材を、以下の方法で製造した。ＪＩＳ Ｇ ４０５３：２０１６のＳＣＭ４２０規格を満たす鋼を用いて、一般的な製造工程、つまり「焼きならし→試験片加工→ガス浸炭炉による共析浸炭→低温焼戻し→研磨」の工程によって図４および表２で示される相手材を製造した。

相手材の表面から０．０５ｍｍの位置、すなわち、深さ０．０５ｍｍの位置におけるビッカース硬さＨｖは７４０～７６０で、また、ビッカース硬さＨｖが５１３となる深さは、０．８～１．０ｍｍの範囲にあった。各評価材の深さ０．０５ｍｍの位置におけるビッカース硬さＨｖおよびビッカース硬さＨｖが５１３となる深さは、以下の方法で求めた。すなわち、評価材の接触部の中心位置から回転軸Ｃ_２に垂直な断面を取得し、各断面において、接触面から深さ方向に０．０３ｍｍの位置を開始点として、０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍ、以降０．０５ｍｍ毎に２．００ｍｍ深さまで、ＪＩＳ Ｚ２２４４：２０２０に準拠し、荷重は０．２０ｋｇｆとして、ビッカース硬さを測定した。測定で得られた硬さの値を、測定位置の深さにもとづいてプロットし、各点をつないだ線が対象の値となる位置の値を、ビッカース硬さＨｖが５１３となる深さとして特定した。

［評価］
製造された各評価材の焼付きおよび塑性変形の評価を、次の方法で評価した。熱処理ひずみを除く目的で評価材の本体部の仕上げ加工を行った後、当該評価材および相手材を二円筒転がり疲労試験に供した。評価材の接触面と相手材の接触面とを接触させ、表３に示す面圧ｐ０を加えたうえで表３に示す回転数で互いに逆回転させた。表に示す面圧ｐ０は、非特許文献１の式（６．４９）に示された、以下の式（１１）で算出した。

上記式（１１）中、Ｐは負荷荷重、ａは長軸半径、ｂは短軸半径である。

二円筒転がり疲労試験の打切繰返し回数は、一般的な鋼に要求される疲労限を示す１．０×１０^７回とした。ただし、試験中に振動が発生した場合は、評価材の内部に塑性変形が生じているため、評価材および相手材の回転を停止した。打切繰返し回数まで到達せずに回転を停止した場合は、回転停止後の評価材の接触面を観察し、試験を途中停止せずに上記繰返し回数まで試験が継続された場合は、試験終了後の接触面を観察した。これらの接触面において焼付き痕が確認されなかった場合を焼付き非発生と判定した。なお、振動発生の確認は、試験機に備え付けられた振動計によって行われた。

試験中における評価材内部の塑性変形の発生の確認は、試験前および繰り返し回数が１×１０^６回となった後の評価材の接触部の中心位置から回転軸Ｃ_１に垂直な断面を取得し、硬さ分布を測定して行った。詳細には、各断面において、接触面から深さ方向に０．０５０ｍｍの位置を開始点として、０．０２５ｍｍ毎にΔＨｖ=（１×１０^６回経過後のビッカース硬さ）－（試験前のビッカース硬さ）を算出し、各深さにおけるΔＨｖの平均値を算出した。各深さのΔＨｖの平均値のうち、最も大きな値をΔＨｖ_ｍａｘとし、ΔＨｖ_ｍａｘが５０Ｈｖ未満であれば評価材の内部で塑性変形していないと判定した。なお、試験前の断面硬さ分布測定に供した試験片および１×１０^６回後の断面硬さ分布測定に供した試験片は、互いに異なるものとした。結果を表３に示す。

上記のとおり、荷重が作用しているときの評価材における前記相手材との接触面の、長軸半径ａ、短軸半径ｂおよびすべり率σ_１２を用いて、式（１）により算出される焼付き評価パラメータＳ_Ｒが９．００以下を満たし、かつ、評価材の共役最大せん断応力τ_ｘｙが発生する、前記評価材の前記接触面からの深さ位置Ｄτ_ｘｙを用いて式（４）から算出されるＤτ_ｘｙ’と、前記評価材の有効硬化層深さＤ_ｃと、により式（５）から算出される降伏パラメータＲ_Ｄが０．８５以下を満たす例では、焼付きが発生せず、１×１０^６回繰り返した後の評価材の内部では塑性変形（降伏）が生じていなかった。よって、評価パラメータＳ_Ｒが９．００以下であり、降伏パラメータＲ_Ｄが０．８５以下の二円筒転がり疲労試験では、より簡便かつより正確に、歯車に用いられる表面硬化鋼の転がり疲労強度を評価できることが分かった。

比較例２７は、焼付き評価パラメータＳ_Ｒが９．００を超えていたために、打切繰返し回数までに評価材の接触面に焼付きが生じ、適切な測定結果を得ることができなかった。
比較例２８は、降伏パラメータＲ_Ｄが０．８５を超えていたために、繰り返し回数が１×１０^６回となった後の評価材の内部で塑性変形が生じていた。したがって、打切繰返し回数まで試験を行っても、適切な測定結果を得ることができないと思われる。
比較例２９においては、評価材の半径Ｒ_１１が１ｍｍと小さく、試験中に評価材が破損した結果、測定結果を得ることができなかった。
比較例３０においては、評価材のクラウニングＲ_１２が１ｍｍよりも小さく、クラウニングＲ_１２を有する位置以外が相手材と接触した結果、測定結果を得ることができなかった。
比較例３１においては、相手材の半径Ｒ_２１が１ｍｍと小さく、試験中に相手材が破損した結果、測定結果を得ることができなかった。
比較例３２においては、相手材のクラウニングＲ_２２が１ｍｍよりも小さく、クラウニングＲ_２２を有する位置以外が評価材と接触した結果、測定結果を得ることができなかった。
比較例３３および３４は、それぞれ評価材、相手材において表面粗さが高くなっていた結果、打切繰返し回数までに評価材の接触面に焼付きが生じ、適切な測定結果を得ることができなかった。

＜実施例２＞
［評価材の製造］
評価材を以下の方法で製造した。ＪＩＳ Ｇ ４０５３規格に準ずる化学成分を有する鋼ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０、ＳＣＭ４３５、ＳＣＭ８２２、ＳＮＣＭ２２０およびＳＡＣＭ６４５を、３００ｋｇ真空溶解炉で溶解して溶鋼を製造し、各溶鋼を鋳造してインゴットを製造した。このインゴットを熱間鍛造して直径２５０ｍｍの丸棒とした。熱間鍛造は１１００℃から１２００℃の間の温度にて行い、鍛造後は大気中で放冷した。各棒鋼（真空溶解材）に対して、ＪＩＳ Ｂ ６９１１：２０１０「鉄鋼の焼ならしおよび焼なまし加工」に準拠した焼きならしを実施した。

次いで、焼ならし後の直径２５０ｍｍの各棒鋼に対して機械加工を実施して、図５および表４に示す形状を有する評価材を作製した。

作製した各評価材に対して、ガス浸炭、真空浸炭、または窒化による、表面硬化熱処理を実施した。ガス浸炭条件、真空浸炭、および窒化の各条件は以下のとおりとした。すなわち、ガス浸炭処理（ガス浸炭焼入れおよび焼戻し）では、カーボンポテンシャルＣＰが１．０％の雰囲気中において、各評価材を９３０℃で８０分保持した（浸炭工程）。その後、カーボンポテンシャルＣＰを０．８％とし、粗試験片を９３０℃で６０分保持した（拡散工程）。その後、各評価材を８５０℃まで降温し、８５０℃で３０分保持した後、６０℃の油中で冷却した（焼入れ工程）。冷却後の各評価材に対して、焼戻し処理を実施した。焼戻し温度は１８０℃であり、焼戻し温度での保持時間は１２０分であった。真空浸炭処理では、まず１００Ｐａ以下の炉内圧力でアセチレンガスを導入する浸炭工程を実施した。浸炭工程の温度を９３０℃とし、保持時間を３０分とした。浸炭工程後、拡散工程を実施した。拡散工程では、アセチレンガスの導入を停止し、炉内圧力を１０Ｐａ以下とした。拡散工程での温度を９３０℃とし、保持時間を１０分とした。拡散工程後、焼入れ工程を実施した。焼入れ工程では、温度を８５０℃とし、保持時間を３０分とした。保持時間経過後、６０℃の油中で冷却した。焼入れ工程後、焼戻し工程を実施した。焼戻し工程では、温度を１８０℃とし、保持時間を１２０分とした。窒化処理では、大気圧下で炉内にＮＨ_３、Ｈ_２、Ｎ_２の各ガスを導入し、５７０℃で、１８０分保持した。保持時間経過後、６０℃の油中で冷却した。ビッカース硬さＨｖは、評価材の接触部において１０か所の断面を取得し、硬さ分布を測定して行った。詳細には、各断面において、接触面から深さ方向に０．０３ｍｍの位置を開始点として、０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍ、以降０．０５ｍｍ毎に２．００ｍｍ深さまで、ＪＩＳ Ｚ２２４４：２０２０に準拠し、荷重は０．２０ｋｇｆとしてビッカース硬さＨｖを測定する。測定位置は断面１２０度毎に計３か所とし、測定されたビッカース硬さＨｖが５１３Ｈｖとなる位置までの径方向長さ（深さ）の平均値を有効硬化層深さＤ_ｃとした。

［相手材の製造］
相手材を、以下の方法で製造した。ＪＩＳ Ｇ ４０５３：２０１６のＳＣＭ４２０規格を満たす鋼を用いて、一般的な製造工程、つまり「焼きならし→試験片加工→ガス浸炭炉による共析浸炭→低温焼戻し→研磨」の工程によって図６および表４で示される相手材を製造した。

相手材の表面から０．０５ｍｍの位置、すなわち、深さ０．０５ｍｍの位置におけるビッカース硬さＨｖは７４０～７６０で、また、ビッカース硬さＨｖが５１３となる深さは、０．８～１．０ｍｍの範囲にあった。各評価材の深さ０．０５ｍｍの位置におけるビッカース硬さＨｖおよびビッカース硬さＨｖが５１３となる深さは、実施例１と同様にして測定した。

［評価］
製造された各評価材の焼付きおよび塑性変形の評価を、次の方法で評価した。熱処理ひずみを除く目的で評価材の本体部の仕上げ加工を行った後、当該評価材および相手材を二円筒転がり疲労試験に供した。評価材の接触面と相手材の接触面とを接触させ、表５に示す面圧ｐ０を加えたうえで表５に示す回転数で互いに逆回転させた。表に示す面圧ｐ０は、上記式（１１）におけるπａｂを２ｗＬに置き換えて算出した。

二円筒転がり疲労試験の打切繰返し回数、および試験中の評価材内部の塑性変形の発生の確認は実施例１と同様の方法で行った。結果を表５に示す。

上記のとおり、荷重が作用しているときの評価材における前記相手材との接触面の、主軸方向における接触幅Ｌ、周方向における接触幅ｗ、およびすべり率σ_１２を用いて、式（１）により算出される焼付き評価パラメータＳ_Ｒが９．００以下を満たし、かつ、評価材の共役最大せん断応力τ_ｘｙが発生する、前記評価材の前記接触面からの深さ位置Ｄτ_ｘｙを用いて式（４）から算出されるＤτ_ｘｙ’と、前記評価材の有効硬化層深さＤ_ｃと、により式（５）から算出される降伏パラメータＲ_Ｄが０．８５以下を満たす例では、焼付きが発生せず、１×１０^６回繰り返した後の評価材の内部では塑性変形（降伏）が生じていなかった。よって、評価パラメータＳ_Ｒが９．００以下であり、降伏パラメータＲ_Ｄが０．８５以下の二円筒転がり疲労試験では、より簡便かつより正確に、歯車に用いられる表面硬化鋼の転がり疲労強度を評価できることが分かった。

比較例５９は、焼付き評価パラメータＳ_Ｒが９．００を超えていたために、打切繰返し回数までに評価材の接触面に焼付きが生じ、適切な測定結果を得ることができなかった。
比較例６０は、降伏パラメータＲ_Ｄが０．８５を超えていたために、繰り返し回数が１×１０^６回となった後の評価材の内部で塑性変形が生じていた。したがって、打切繰返し回数まで試験を行っても、適切な測定結果を得ることができないと思われる。
比較例６１においては、評価材の半径Ｒ_１１が１ｍｍと小さく、試験中に評価材が破損した結果、測定結果を得ることができなかった。
比較例６２においては、評価材の最外周厚さが１ｍｍと小さかったため、ピッチングを検出できず、測定結果を得ることができなかった。
比較例６３においては、相手材の半径Ｒ_２１が１ｍｍと小さく、試験中に相手材が破損した結果、測定結果を得ることができなかった。
比較例６４においては、相手材の最外周厚さが１ｍｍと小さかったため、ピッチングを検出できず、測定結果を得ることができなかった。
比較例６５および６６は、それぞれ評価材、相手材において表面粗さが高くなっていた結果、打切繰返し回数までに評価材の接触面に焼付きが生じ、適切な測定結果を得ることができなかった。
比較例７０は、焼付き評価パラメータＳ_Ｒが９．００を超えていたために、打切繰返し回数までに評価材の接触面に焼付きが生じ、適切な測定結果を得ることができなかった。

このように、本発明では、焼付き評価パラメータＳ_Ｒ、降伏パラメータＲ_Ｄ、評価材のすべり率σ_１２、並びに、評価材および相手材の二乗平均平方根粗さＲｑを適切な範囲内で調整しつつ疲労試験条件を設定する。これにより、高い負荷（すべり率、高い面圧および高い回転速度）で試験を行う場合も、評価材表面での焼付きを抑制し、また内部での塑性変形を避けることができ、従来よりも高い負荷下において鋼材の適性を評価することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１，１Ａ，１Ｂ 評価材
１１，１１Ａ，１１Ｂ 接触部
１１ａ，１１ｃ テーパー部
１１ｂ，１１ｄ 円柱部
１２，１２Ａ，１２Ｂ 本体部
１３ 縁部
１１１，１１１Ａ，１１１Ｂ 接触面
１２１，１２１Ａ，１２１Ｂ 表面
２，２Ｂ 相手材
２１，２１Ｂ 接触部
２１ａ 縁部
２１１，２１１Ａ，２１１Ｂ 接触面
Ｃ_１ 回転軸
Ｃ_２ 回転軸
Ｓ 荷重が作用したときの評価材の接触面

Claims (9)

1. 回転軸を有する評価材と、回転軸を有する、一つまたは複数の相手材と、を備え、前記評価材の回転面と前記相手材の回転面とを接触させ、前記評価材に荷重を作用させつつ、前記評価材と前記相手材を互いに逆回転させて、前記評価材の転がり疲労強度を評価する転がり疲労強度の試験方法であって、
   前記荷重が作用しているときの前記評価材における前記相手材との接触面の、面積Ａ（ｍｍ^２）およびすべり率σ_１２を用いて、式（１）により算出される焼付き評価パラメータＳ_Ｒが９．００以下を満たし、かつ、
   前記評価材の共役最大せん断応力τ_ｘｙが発生する、前記評価材の前記接触面からの深さ位置Ｄτ_ｘｙを用いて式（２）から算出されるＤτ_ｘｙ’と、前記評価材の有効硬化層深さＤ_ｃと、により式（３）から算出される降伏パラメータＲ_Ｄが０．８５以下を満たし、
   前記評価材のすべり率σ_１２が－３００～－６０％であり、
   前記評価材における前記相手材と接触する接触面、および、前記相手材における前記評価材と接触する接触面の二乗平均平方根粗さＲｑが１．００μｍ以下である、
   ことを特徴とする、転がり疲労強度の試験方法。
   Ｓ_Ｒ=Ａ（σ_１２／１００）^２ ・・・式（１）
   Ｄτ_ｘｙ’＝２Ｄτ_ｘｙ ・・・式（２）
   Ｒ_Ｄ＝Ｄτ_ｘｙ’／Ｄ_ｃ ・・・式（３）
2. 前記評価材における前記相手材との接触面の形状が楕円形であり、前記面積Ａが長軸半径ａ（ｍｍ）、短軸半径ｂ（ｍｍ）を用いて、式（４）により算出される、請求項１に記載の転がり疲労強度の試験方法。
   Ａ＝πａｂ・・・式（４）
3. 前記評価材における前記相手材と接触する接触部の半径Ｒ_１１が２～１００ｍｍである、請求項２に記載の転がり疲労強度の試験方法。
4. 前記評価材における前記相手材と接触する接触部のクラウニングＲ_１２が１ｍｍ以上である、請求項２または３に記載の転がり疲労強度の試験方法。
5. 前記一つまたは複数の前記相手材のうち、少なくとも一つの前記相手材における前記評価材と接触する接触部の半径Ｒ_２１が２ｍｍ～１００ｍｍである、請求項２または３に記載の転がり疲労強度の試験方法。
6. 前記一つまたは複数の前記相手材のうち、少なくとも一つの前記相手材における接触部のクラウニングＲ_２２が１ｍｍ以上である、請求項２または３に記載の転がり疲労強度の試験方法。
7. 前記評価材における前記相手材との接触面の形状が矩形状であり、前記面積Ａが、前記回転軸方向における前記接触面の接触長さＬ_ｓ、前記接触面において前記回転軸方向に垂直な方向の周方向における接触幅２ｗを用いて、式（５）により算出される、請求項１に記載の転がり疲労強度の試験方法。
   Ａ＝２ｗＬ_ｓ・・・式（５）
8. 前記評価材における前記相手材と接触する接触部の回転軸方向長さｌ_２が１ｍｍ以上である、請求項７に記載の転がり疲労強度の試験方法。
9. 前記一つまたは複数の前記相手材のうち、少なくとも一つの前記相手材における前記評価材と接触する接触面の回転軸方向長さｌ_２１が１ｍｍ以上である、請求項７または８に記載の転がり疲労強度の試験方法。

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