JP4559160B2 - 高信頼性軸受用鋼の検査方法 - Google Patents
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Description
本発明は、清浄鋼中の大型の非金属介在物（以下、単に「介在物」ともいう。）が存在しないかまたは極めて少ないことを保証した高信頼性鋼に関する。特に、突発的な転動疲労寿命の低下の原因となる大型介在物の存在しない高信頼性軸受用鋼に関する。
鋼の清浄度評価方法としては、鋼中の非金属介在物の評価方法であるＪＩＳ Ｇ０５５５やＡＳＴＭ Ｅ４５等で規定された研磨した試料を顕微鏡を用いて直接観察する顕微鏡法や、希ＨＮＯ３等を用いて鉄マトリックスを分解し、鋼中の介在物を抽出しその抽出した介在物を観察する酸溶解法が用いられてきた。
また、鋼中の介在物を検出するために多用されている一般的方法として、水浸超音波探傷法があり、下記特許文献１には、検出精度を向上させるために、６以上の圧鍛比で圧鍛処理し、かつ焼ならしまたは焼なまし処理を施して試験片を作製し、周波数５〜２５ＭＨｚとした焦点型探触子を用いた水浸超音波探傷により鋼中の介在物を検出する方法が示されている。
また、下記特許文献２には、中心部ポロシティーの存在範囲を介在物評価対象範囲から除外して、清浄度の評価精度を高める方法が示されており、下記特許文献３には、√ＡＲＥＡが１００μｍ超の介在物を１．０×１０５ｍｍ３当たり２個以下に保証した定歪鋼が示めされている。さらに下記特許文献４には、最大剪断応力位置の２倍の深さまでにおける最大介在物径を２００μｍ以下とするパワーローラ軸受の転動体が示されている。
その他、極値統計法によって比較的大型の介在物を評価する方法も用いられている。
しかしながら、軸受用素材鋼中の大型介在物が製品化された軸受の転動面直下に現れることにより、突発的な転動疲労寿命の低下に継がる大型介在物を検出するためには、顕微鏡法では、被検面積が１００〜２００ｍｍ２/個と小さいため√ＡＲＥＡ 約５０μｍ以上の中大型介在物の検出精度が低いという問題があり、また鉄マトリックスを酸溶解して抽出した介在物を顕微鏡により観察する場合は、介在物が酸に溶解・溶損して小径化する場合があり、さらに酸溶解に時間が掛かり処理の迅速性に劣り、製品の量産工程に対応することが困難であるという問題があった。
また、上記特許文献１および２に記載の方法は、周波数５〜２５ＭＨｚの水浸超音波探傷法であるが、製品化された軸受の転動面直下に現れた場合に突発的な転動疲労寿命の低下に継がる大型介在物を素材鋼段階において検出・排除するものではない。
また、上記特許文献３に記載の発明は、√ＡＲＥＡが１００μｍ超の介在物の存在を容認したものであり、本発明の目的とする２５０μｍ超の介在物の存在を皆無とするものではない。また上記特許文献４に記載の発明は、最終製品の所定の位置における最大介在物径を２００μｍ以下にすることを目的とするものであって、本発明の目的とする軸受素材鋼中の２５０μｍ超の介在物の存在を皆無とするものではない。
また、極値統計法によると外挿法により小径介在物の分布から中型の介在物の存在を推定することができても、大型介在物の存在を推定できるとは限らない。
そこで、極めて発生頻度の低い大型介在物を軸受素材鋼の段階において、探傷体積を実質的かつ効率的に増やし、√ＡＲＥＡが１００μｍ超の大型介在物を検出するという２つの条件を満足させた非金属介在物評価方法を使用し、√ＡＲＥＡが２５０μｍ超の非金属介在物の存在する軸受用鋼を排除し、√ＡＲＥＡが２５０μｍ超の非金属介在物が存在しない高信頼性軸受用鋼の提供を可能とする本発明を完成するに至った。
そこで、極めて発生頻度の低い大型介在物を軸受素材鋼の段階において、探傷体積を実質的かつ効率的に増やし、√ＡＲＥＡが１００μｍ超の大型介在物を検出するという２つの条件を満足させた非金属介在物評価方法を使用し、√ＡＲＥＡが２５０μｍ超の非金属介在物の存在する軸受用鋼を排除し、√ＡＲＥＡが２５０μｍ超の非金属介在物が存在しない高信頼性軸受用鋼の提供を可能とする本発明を完成するに至った。
上記課題を達成するための第１の発明は、探傷周波数を５〜２５ＭＨｚとした焦点型探触子を備え、標準試験片STB−A22の平底孔からの最大反射波強度が80％となるように基準感度を設定し、20dB増感して探傷感度とした水浸超音波探傷装置を用いて、水浸超音波探傷装置の反射波強度が30以上80未満である場合には介在物径が100μm以上250μm未満の介在物の検知に対応し、水浸超音波探傷装置の反射波強度が80以上である場合には介在物径が250μm以上の介在物の検知に対応した水浸超音波探傷を行い、水浸超音波探傷装置の最大反射波強度が80％を超える非金属介在物を有する軸受用鋼を排除することにより、介在物径が100μm以上250μm未満の介在物数が評価総重量5kgあたり10個以下であり、かつ、介在物径が250μm以上の介在物数が評価総重量5kgあたり0個である鋼を選別する、ことを特徴とする高信頼性軸受用鋼の検査方法である。
前記高信頼性軸受用鋼は高信頼性ＣＶＴ（トロイダル無断変速機）用鋼とすることもできる。
第２の発明は、第１の発明において、前記高信頼性軸受用鋼が高炭素クロム軸受鋼であることを特徴とする高信頼性軸受用鋼の検査方法である。
前記高炭素クロム軸受鋼は軸受用肌焼合金鋼、軸受用中炭素鋼とすることもできる。
第３の発明は、第１または第２の発明において、前記水浸超音波探傷における探触子の水中焦点距離が７０〜１８０ｍｍ、鋼中焦点位置における超音波ビームの直径が０.５〜１.５ｍｍ、評価範囲が試験片の外寸である素材の鋼径に対して、中心部の４０％相当部および外周部の１０％相当部ならびに端部と探傷不感帯部の各部を除いた部分であり、評価範囲の総重量と試験片数を掛け合わせた超音波評価総重量が５〜１０ｋｇであることを特徴とする高信頼性軸受用鋼の検査方法である。
第１の発明は、探傷周波数を５〜２５ＭＨｚとした焦点型探触子を用いた水浸超音波探傷において、√ＡＲＥＡが２５０μｍの介在物に対する反射波強度が所定値となるように、前記水浸超音波探傷装置を調整し、該所定の反射波強度を超える非金属介在物を有する軸受用鋼を排除し、上記√ＡＲＥＡが２５０μｍ超の非金属介在物が存在しないことを特徴とする高信頼性軸受用鋼であるから、√ＡＲＥＡが２５０μｍ超の非金属介在物が存在しないことを保証した高信頼性軸受用鋼を提供できるという効果がある。
第２の発明は、√ＡＲＥＡが２５０μｍ超の非金属介在物が存在しないことを保証した高炭素クロム軸受鋼を提供できるという効果がある。
第３の発明は、第１または第２の発明において、前記水浸超音波探傷における探触子の水中焦点距離が７０〜１８０ｍｍ、鋼中焦点位置における超音波ビームの直径が０.５〜１.５ｍｍ、評価範囲が試験片の外寸である素材の鋼径に対して、中心部の４０％相当部および外周部の１０％相当部ならびに端部と探傷不感帯部の各部を除いた部分であり、評価範囲の総重量と試験片数を掛け合わせた超音波評価総重量が５〜１０ｋｇである水浸超音波探傷法を用いるものであるから、確実かつ容易に√ＡＲＥＡが２５０μｍ超の非金属介在物が存在しないことを保証した高信頼性軸受用鋼を提供できるという効果がある。
以下、本発明の実施の形態について、(1)試験片の作製、 (2)超音波探傷、(3)評価に区分して説明する。
(1)試験片の作製
図１は本発明の実施の形態に係る試験片を示す斜視図であり、図２は図１に示す試験片の断面図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。
図１は本発明の実施の形態に係る試験片を示す斜視図であり、図２は図１に示す試験片の断面図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。
まず、図１に示す通り、ポロシティーを圧着して介在物の検出精度を高めるために、６以上の所定の圧鍛比の円柱状のビレットを得、その後に図１に示めす所定の幅（Ｂ）の短円柱に切断し、実線で示す所定の高さ（Ｈ）のブロックを切り出し、このブロックを順次フライス加工（粗加工）、焼ならしまたは焼なまし、研磨（仕上加工）をして所定の寸法に仕上げて試験片２０を作製する。
２１は中心部ポロシティの存在範囲２２、外周部２５、試験片表面の不感帯２４、および端部２３を除外した評価範囲であり、この部位に存在する大型介在物を検出し、清浄度が基準値を超えるものが排除される。
(2)超音波探傷
図３は本発明の実施の形態に係る水浸超音波探傷装置の概念図である。１０は公知の水浸超音波探傷装置であり、焦点型探触子１１、超音波探傷ユニット１２、走査ユニット１３、マイクロプロセッサを備えたＰＣ（パーソナルコンピュータ）１４、映像化ユニット１５から構成されている。
図３は本発明の実施の形態に係る水浸超音波探傷装置の概念図である。１０は公知の水浸超音波探傷装置であり、焦点型探触子１１、超音波探傷ユニット１２、走査ユニット１３、マイクロプロセッサを備えたＰＣ（パーソナルコンピュータ）１４、映像化ユニット１５から構成されている。
探傷周波数を５〜２５ＭＨｚとし、標準試験片（Standard Test Block JIS Z2345）等を使用して感度校正を行ない、最大反射波強度が所定の値（８０％程度）となるように超音波探傷装置の基準感度を設定し、所定量の増感（２０ｄＢ程度）行い探傷感度とする。
試験片２０を水槽にセットした後、ＰＣ１４に測定感度、焦点位置（試験片表面下）、検出範囲２６を入力し、探触子１１を所定の走査ピッチで走査し、介在物の数、位置、大きさ等のデータを取得する。
(3)評価
反射波強度が８０％超で√ＡＲＥＡが２５０μｍ超となる大型介在物の個数が評価総重量（評価範囲の総重量×試験片数、以下同じ。）５ｋｇ当たり皆無であるものを検査合格品とし、上記介在物が１個でも存在するものは検査不合格とする。
(3)評価
反射波強度が８０％超で√ＡＲＥＡが２５０μｍ超となる大型介在物の個数が評価総重量（評価範囲の総重量×試験片数、以下同じ。）５ｋｇ当たり皆無であるものを検査合格品とし、上記介在物が１個でも存在するものは検査不合格とする。
上述の通り、本発明の実施により、軸受素材鋼中の大型の介在物を検出・評価し、軸受鋼中の介在物のうち、突発的な転動疲労寿命の低下に継がる√ＡＲＥＡが１００μｍ超の大型介在物が存在しないかまたは極めて少ないことを保証した高信頼性鋼を提供することができる。特に車両用軸受等向けに√ＡＲＥＡが２５０μｍ超の介在物が存在しないことを保証した高炭素クロム軸受鋼等の高信頼性軸受用鋼を提供することができる。
本実施の形態において、探傷周波数を５〜２５ＭＨｚとしたが、これは５ＭＨｚ以下では本発明の目的とする大型介在物に対する検出能が不十分となり、２５ＭＨｚ以上では鋼中における超音波の減衰のため実質的な探傷体積を大きくとれないからである。
また、水浸超音波探傷としたのは、直接接触法に較べて探触子の走査時の音響結合状態が安定し、試験片の表面の影響が少なく、安定した探傷が可能で、自動測定が容易であるからである。また焦点型（ポイントフォーカス型）の探触子としたのはフラット型、ラインフォーカス型の探触子よりも検出能が優れているからである。
また、焦点位置におけるビーム径は大きいほど探傷ピッチを大きくすることができ、迅速な測定が可能となるが介在物の検出能が低下するので、焦点位置で直径０.５〜１.５ｍｍのビーム径の探触子が好ましく、深さ方向には反射波強度-６ｄＢ（より好ましくは-３ｄＢ）の焦点域（検出範囲）を活用した探傷方法とすることにより良好な検出能を確保することができる。
また、試験片の評価範囲は試験片の外寸（＝ビレットの直径、以下同じ）Ｄの９０％から中心部ポロシティーの存在範囲までとする。中心部には介在物が検出し易い傾向にあり、中心部ポロシティーの存在範囲は鋼種、製造条件によって異なるので、評価範囲を中心部ポロシティーの存在範囲の限界まで広げて、介在物分布の実体に近づけるのが好ましい。本実施の形態に係る軸受用鋼の場合は中心部ポロシティーの存在範囲は試験片の中心部を含む外寸Ｄの４０％の内側である。
また、本実施の形態においては、評価総重量は５ｋｇとしたが５ｋｇに限定されるものではなく、検査の迅速性と評価の信頼性の兼合いから評価総重量をＫｇオーダとすればよい。なお、反射波強度が３０〜８０％の介在物の個数（評価総重量５ｋｇ）も補助的評価指数として、これが１０個を超える場合は、反射波強度８０％超の介在物の存在を評価する評価総重量を増やして評価に慎重を期すのが好ましい。
また、試験片はフライス加工の後に、焼ならしまたは焼なましを行い、微細かつ均質な組織とし、機械的性質を改善した試験片とするのが好ましい。さらに平面研磨を行い、超音波の伝達損失をより少ない試験片とするのが好ましい。
なお、図６は顕微鏡法に基づく極値統計を適用して鋼の清浄度を評価し、グラフ表示たものである。グラフ中、直線（イ）は介在物の極めて少ない清浄鋼を、直線（ロ）は一般鋼を示している。検査基準面積が１００ｍｍ２、予測面積が３０,０００ｍｍ２（規準化変数５.７１）で√ＡＲＥＡの最大値が清浄鋼は約１０μｍ、一般鋼は約４６μｍ、検査厚みを１０μｍとして、検査基準面積から、体積、重量を換算して、極値統計法に基づく回帰直線を予測重量１０ｋｇ（規準化変数１４.０）まで外挿すると、１０ｋｇ鋼中の予測最大介在物径は清浄鋼が２０μｍ、一般鋼が１００μｍとなり、本発明に基づく超音波探傷法によって清浄鋼中の１００μ級の大型介在物を検出することができても、極値統計法によっては大型介在物の存在を推定することができるとは限らない。
最初に、ポロシティーを圧着して介在物の検出精度を高めるために、圧鍛比８.５、直径Ｄが１６７ｍｍの円柱状の軸受鋼ＳＵＪ２のビレットを得た。次にこのビレットを図１に示す幅（Ｂ）８０ｍｍの短円柱を切り出し、実線で示すブロックを高さ（Ｈ）４１ｍｍとして切り出し、焼なまし処理を実施し、その後研磨加工をして最終高さ（Ｈ）４０ｍｍの試験片とした。
次に、日本クラウトクレーマー製のＳＤＳ−７７００ＡＳ水浸超音波探傷装置と、周波数１５ＭＨｚとした焦点型探触子（水中焦点距離約１５０ｍｍ、鋼中焦点深度約２０ｍｍ、鋼中焦点におけるビーム径約１.０ｍｍ）を使用し、標準試験片ＳＴＢ−Ａ２２の平底孔（孔径１.５ｍｍ）からの最大反射波強度が８０％となるように基準感度を設定し、２０ｄＢ増感して探傷感度３３ｄＢとした。
また、深さ方向には-６ｄBの焦点域（約２０ｍｍ）を活用し、探傷ピッチ０.２×０.２ｍｍの平面探傷とし、評価範囲を図２に示す中心部ポロシティーの存在域２２と外周部２５を除いた試験片の外寸Ｄの４０〜９０％、即ち寸法Ｌを４２ｍｍとし、表面の不感帯２４、外周部２５、中心部ポロシティーの存在範囲２２および端部２３（約５ｍｍ）は評価範囲から除外し、評価総重量を５Ｋｇとした。
表１は試験片１５個（試験片ＮＯ．１〜１５）の試験結果を一欄表にしたものであり、○印は反射波強度が８０％超の介在物が存在せず、検査合格のものを示し、×印は反射波強度が８０％超の介在物が存在し、検査不合格のものを示している。表１において、反射波強度８０％以上の介在物の個数を集計し左側の欄に示し、これに合わせて反射波強度３０〜８０％の介在物も検出しその個数を右側の欄に示した。
図５は本実施例に係る反射波強度と介在物の大きさの関係を示すグラフであり、表１に示した試験結果中、各試験片から検出された介在物のうち最大のもののみをグラフ表示したものである。即ち試験片ＮＯ.１〜６については反射波強度３０〜８０％の介在物のうちの最大のものを、Ｎｏ.７〜１５については反射波強度８０％超の介在物のうちの最大のものをプロットしている。
一方、表１に示された介在物について、研磨により介在物の形状、大きさを調査した。その結果√ＡＲＥＡが超音波探傷で検出された介在物寸法と同等の大きさの介在物が検出され、本発明の実施により介在物が検出されることが明白となった。
図４は本発明の実施例に係る探傷装置の探傷能力を示したグラフであり、一般鋼と高清浄鋼の介在物の探傷結果について一般鋼の介在物指数を１００として比較したものであるが、高清浄鋼の介在物指数は２０前後であり、本発明の実施により、一般鋼と高清浄鋼で明白な差が見られ、大型介在物を精度よく検出・評価できることが分かった。なお本発明に係る高清浄軸受鋼を使用して作製した軸受の台上耐久強度試験においても突発的な転動疲労寿命の低下のないことが確認された。
上述の通り、探傷周波数を１５ＭＨｚとした焦点型探触子を使用し、評価総重量をｋｇオーダの水浸超音波探傷を行うことにより、√ＡＲＥＡ１００μｍ超の介在物を確実かつ容易に検出できることが確認でき、この検出結果に基づき、√ＡＲＥＡが２５０μｍ超の介在物の存在する軸受鋼は検査不合格として排除することにより、突発的な転動疲労寿命の低下に継がる大型介在物が存在しない軸受鋼を提供することができる。特に車両用等向けの高炭素クロム軸受鋼を提供することができる。
１０・・・超音波探傷装置
１１・・・焦点型探触子
１２・・・超音波探傷ユニット
１３・・・操作ユニット
１４・・・ＰＣ
１５・・・映像化ユニット
２０・・・試験片
２１・・・評価範囲
２２・・・中心部ポロシティー存在範囲
２３・・・端部
２４・・・不感帯
２５・・・外周部
２６・・・検出範囲
Ｂ・・・試験片の幅寸法
Ｄ・・・試験片の外寸(ビレットの直径)
ＷＰ・・・水距離
ＭＰ・・・検出深度
Ｆ１・・・焦点（試験片中）
Ｆ２・・・焦点（水中）
１１・・・焦点型探触子
１２・・・超音波探傷ユニット
１３・・・操作ユニット
１４・・・ＰＣ
１５・・・映像化ユニット
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２２・・・中心部ポロシティー存在範囲
２３・・・端部
２４・・・不感帯
２５・・・外周部
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Ｂ・・・試験片の幅寸法
Ｄ・・・試験片の外寸(ビレットの直径)
ＷＰ・・・水距離
ＭＰ・・・検出深度
Ｆ１・・・焦点（試験片中）
Ｆ２・・・焦点（水中）
Claims (3)
- 探傷周波数を５〜２５ＭＨｚとした焦点型探触子を備え、標準試験片STB−A22の平底孔からの最大反射波強度が80％となるように基準感度を設定し、20dB増感して探傷感度とした水浸超音波探傷装置を用いて、
前記水浸超音波探傷装置の反射波強度が30％以上80％未満である場合には介在物径が100μm以上250μm未満の介在物の検知に対応し、前記水浸超音波探傷装置の反射波強度が80％以上である場合には介在物径が250μm以上の介在物の検知に対応した、水浸超音波探傷を行い、
前記水浸超音波探傷装置の最大反射波強度が80％を超える非金属介在物を有する軸受用鋼を排除することにより、介在物径が100μm以上250μm未満の介在物数が評価総重量5kgあたり10個以下であり、かつ、介在物径が250μm以上の介在物数が評価総重量5kgあたり0個である鋼を選別する、ことを特徴とする高信頼性軸受用鋼の検査方法。 - 前記高信頼性軸受用鋼が高炭素クロム軸受鋼であることを特徴とする請求項１に記載の高信頼性軸受用鋼の検査方法。
- 前記水浸超音波探傷における焦点型探触子の水中焦点距離が７０〜１８０ｍｍ、鋼中焦点位置における超音波ビームの直径が０.５〜１.５ｍｍ、評価範囲が試験片の外寸である素材の鋼径に対して、
中心部の４０％相当部および外周部の１０％相当部ならびに端部と探傷不感帯部の各部を除いた部分であり、評価範囲の総重量と試験片数を掛け合わせた超音波評価総重量が５〜１０ｋｇであることを特徴とする請求項１または２に記載の高信頼性軸受用鋼の検査方法。
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|---|---|---|---|
| JP2004248572A JP4559160B2 (ja) | 2004-08-27 | 2004-08-27 | 高信頼性軸受用鋼の検査方法 |
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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