JP4992676B2 - 線材の超音波疲労試験片の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、線材の超音波疲労試験片の製造方法に関し、詳しくは、金属線材例えば鋼線材の疲労特性を短期間で評価するための超音波疲労試験に供する試験片を製造するための、線材の超音波疲労試験片の製造方法に関する。

金属材料に要求される性能として、繰り返し応力の下での金属疲労に対する耐性があり、その試験として疲労試験がある。鉄鋼材料で疲労試験を行うと、疲労試験片は概ね１０００万回程度の繰り返し応力変動を与えることで疲労破断に至る。
このため、短期間で疲労試験を完遂できるように、応力付与サイクルの周期が極めて短時間である超音波疲労試験方法が用いられている。

その際には、正確を期すため、特許文献１に開示されるように温度管理を徹底したり、回転曲げ等の機械式疲労試験による評価との整合性をとるために特許文献２に開示されるように補正を加えたりすることが行われている。
特開２００２−２８６６０５号公報 特開２００２−２４３６０４号公報

超音波疲労試験は、図１に概要を示すように、円柱状素材をその長手方向中央が最も細くなる所定の形状に加工してこの加工した部分を試験部３としてなる超音波疲労試験片（略して試験片）２を、超音波加振装置１にて振動させることで、試験部３の長手方向中央に、引張と圧縮の応力を発生させるという方法で行われる。試験片２の試験部３の所定の形状は、超音波加振装置１の超音波出力に共振する形状とされる。

試験片２はその長手方向が上下方向となるように超音波加振装置１にセットされる。セットされた試験片２の上端部４と下端部５は試験部３に比べて十分太い円柱形状を有し、試験中ほとんど伸縮せず、試験部３に引張ないし圧縮荷重を負荷する錘の役割を果たす。
前記所定の形状を有する試験片を作製するには、形状加工精度の点から、JIS Z 2237の3.2に記載される、「試験片を切削又は研削により機械加工する」方法が用いられ、その際、「試験片にむしれや著しい加工ひずみが生じないように」注意が払われる。

直径１０ｍｍ前後の軸受鋼線材についても、試験部の直径が線材の直径より小さい超音波疲労試験片を切削加工により作製していた。通常は、試験部のサイズは、最も細い箇所の直径が２〜４ｍｍ程度、長手方向端の直径が１０ｍｍ程度、全長が１００ｍｍ弱程度になるサイズとされる。
この場合、試験片の試験部の最も細い箇所の表面は、線材を表面から線材半径の１/２を大幅に超える深さまで削り落として形成されたものとなる。

ところが、線材をそのまま使用するような用途や、それを加工して使用する用途においては、実質的に線材の表面がそのまま、あるいは、表面をある程度研磨しても線材の表面直下がそのまま残された状態で前記用途に供されている製品の表面となる場合が多い。そして、前記用途に供されている製品に生じる引張ないし圧縮の応力は該製品の表面で最大となることが多いから、疲労破壊は該製品の表面で起きることが多い。

しかるに、従来の超音波疲労試験片は、上述のように切削加工されているから、線材断面の中心から線材半径の１/２未満の範囲を含むにすぎず、線材の表面ないし表面近傍は含まないものとなる。したがって、従来の超音波疲労試験片では、線材の表面ないし表面近傍の疲労特性を正しく評価できず、疲労特性評価の信頼度が低いことが課題となっていた。

発明者らは、前記課題を解決すべく検討を重ね、素材の試験片試験部長手方向中央相当部分を塑性加工によって縮径することで、試験片試験部長手方向中央部分に素材の表層部を可及的に残すようにすることに着想した。さらに、前記縮径する際の塑性加工による内部割れを生じさせないようにするために、前記縮径する前に、素材の試験片試験部長手方向中央相当部分の両側の部分を同時に塑性加工して溝状空間となすことに着想し、以下の要旨構成になる本発明をなした。

１． 線材の超音波疲労試験片を製造するにあたり、前記線材を所定長さに切断して前記試験片の素材とし、該素材の試験片試験部長手方向中央相当部分の両側の部分を同時に塑性加工して溝状空間となし、ついで前記試験片試験部長手方向中央相当部分を塑性加工により縮径し、該縮径した後の素材を切削、研削、研磨のいずれか１種または２種以上により機械加工して前記試験片の目標形状に仕上げることを特徴とする線材の超音波疲労試験片の製造方法。

２． 前記縮径する際の被縮径部の目標径を、該縮径後の被縮径部を前記仕上げ機械加工する際の目標径の１．００〜１．０８倍とすることを特徴とする前項１に記載の線材の超音波疲労試験片の製造方法。
３． 前記塑性加工が冷間加工であることを特徴とする前項１または２に記載の線材の超音波疲労試験片の製造方法。

４． 前記冷間加工が転造加工であることを特徴とする前項３に記載の線材の超音波疲労試験片の製造方法。
５． 前記縮径した後の素材を、前記機械加工する前に熱処理することを特徴とする前項１〜４のいずれか一項に記載の線材の超音波疲労試験片の製造方法。

本発明によれば、素材の試験片試験部長手方向中央相当部分（試験片となった後は長手方向で最も細い部分、すなわち、最大応力が発生する部分になる）を塑性加工により縮径するようにしたから、該縮径後の被縮径部位は、線材の表層部がそのまま残ったものとなり、この縮径後の機械加工（切削、研削、研磨）による表層部除去深さを可及的に小さくできて、試験片試験部長手方向中央部の表面を線材の表面に可及的に近くすることができる。また、前記縮径する前に、素材の試験片試験部長手方向中央相当部分の両側の部分を同時に塑性加工して溝状空間となすから、縮径の際に素材に内部割れが発生し難くなる。

したがって、線材の表面ないし表面近傍の疲労特性を正しく評価でき、疲労特性評価の信頼度が向上する。

図２は、本発明の基礎とした技術の一例を示す模式図である。線材６を所定長さに切断して、図１に示した試験片２の素材７とする。次いで、試験片２の試験部３の長手方向中央部位に相当する素材７の長手方向部位を被縮径部位として塑性加工により縮径する。この例における塑性加工は、一枚の歯８を有する転造加工用工具９で素材７を挟みながら被縮径部位を転造加工するものである。これにより、素材７の被縮径部位の断面が塑性加工されて細く縮径される。この後、切削、研磨等の機械加工により所定の試験片形状に仕上げることにより、超音波疲労試験片が完成する。

図３は、本発明の基礎とした技術の別の一例を示す模式図であり、これは、図２に示した例において転造加工の代わりに、金型10で鍛造加工を行い、素材７をその中心軸の周りに回転させつつ被縮径部を縮径するようにしたものである。なお、加工能率の観点からすれば、この鍛造加工よりは、前記転造加工の方が好ましい。
図４には、切削による仕上げ加工部分を示した。従来技術における切削部12（図４（ｂ））は、素材７の、試験片の最も細い部分に相当する部位において、当該部位から表面までを占める。これに対し、本発明の基礎とした技術における切削部11（図４（ａ））は、素材７の、試験片の最も細い部分に相当する部位において、当該部位から縮径後の素材７の被縮径部の表面（線材表面に相当する）までを占めるにすぎないから、試験部３の長手方向中心部では、線材表面からの深さが非常に浅い表層部分が除去されているのみであることが明らかである。

しかしながら、本発明の基礎とした技術では、塑性加工により縮径する過程で、図４（ａ）に示すように、被縮径部（素材７の試験片試験部長手方向中央相当部分）に内部割れ13が発生しやすい。これは、塑性加工によって材料が工具の押し込み部分の両側に押しのけられる際に、押し込まれている部分を軸方向に引張る力を発生させるためと考えられる。

そこで、発明者らはさらに検討を重ね、本発明の基礎とした技術において、素材の試験片試験部長手方向中央相当部分を塑性加工により縮径するに先立ち、この試験片試験部長手方向中央相当部分の両側の部分を同時に塑性加工して溝状空間となすようにする工程を付加することにより、この工程の溝状空間形成時には両側同時の塑性加工が、また、次工程の縮径時には前工程で形成された両側の溝状空間が、それぞれ上述の押し込まれている部分を軸方向に引張る力を大幅に緩和させうることを見出した。

図５には、前記溝状空間の形成に用いる塑性加工用工具として転造加工用工具９の一例を示す。この工具９は二枚の歯８を有し、これを用いた転造加工により、二枚の歯８を食い込ませる素材部分が溝状空間となり、二枚の歯８の間に残す部分が次工程での被縮径部となるようにすることができる。
このとき、二枚の歯８の歯間隔Ａは１．０ｍｍ超５．０ｍｍ未満とするのが好ましい。この範囲を逸脱すると、内部割れの発生頻度が比較的高くなるからである。これは、二枚歯の歯間隔Ａが１．０ｍｍ以下になると、この二枚歯転造加工時の材料内部応力状態がこれを一枚歯転造加工に置き換えた場合のそれにかなり近いものとなるためと考えられる。また、二枚歯の歯間隔Ａが５．０ｍｍ以上になると、歯と歯の間に残る被縮径部の材料が比較的多量になって、次工程の一枚歯転造加工による縮径のとき、材料が歯の両側の溝状空間内に倒れ込む際に被縮径部を軸方向に引張る力が増すためと考えられる。

図６は、本発明の実施形態の一例を示す模式図である。図６（ａ）は、素材７を、図５に示した二枚歯をもつ転造加工用工具９で転造加工して、被縮径部15とその両側の溝状空間14とを形成する段階(1)であり、図６（ｂ）は、段階(1)に次いで、被縮径部15を、図２に示した一枚歯をもつ転造加工用工具９での転造加工により縮径し、基部から上が二分して両側の溝状空間14内に倒れ込んだ状態の被縮径部15’とする段階(2)であり、図６（ｃ）は、段階(2)に次いで、素材７から仕上げ機械加工により除去される部分16を、切削、研削、研磨のいずれか１種または２種以上により機械加工して除去し、所定の試験片形状に仕上げる段階(3)である。

前記被縮径部の縮径後の直径（目標径）は、試験片２の試験部３の最も細い部分の所定直径Ｄ_０の１．００〜１．０８倍となるようにすることが好ましい。目標径がＤ_０より小さいと所定の試験片形状が得られにくく、一方、目標径が１．０８×Ｄ_０より大きいと、仕上げの機械加工段階での表面層除去深さが大きくなって、試験片２の試験部３の最も細い部分の表層部に線材表層部を十分に残すことができなくなるからである。

また、前記塑性加工が熱間加工あるいは温間加工であると、被加工部位の半径が周方向でかなり大きく変動しやすく、その結果、仕上げ機械加工での表層部除去深さをより大きくする必要が生じる場合が少なくない。これに対し冷間加工では、被加工部位の周方向での半径変動は極めて小さい。したがって、前記塑性加工は冷間加工とすることが好ましい。因みに、例えば直径１２．５ｍｍの線材について冷間転造加工または冷間鍛造加工で縮径した場合、図６（ｃ）の仕上げにより除去される部分16の長手方向中央部での切削深さを０．５ｍｍ以下に抑えることができた。

また、疲労特性調査対象とされた線材がその実際の用途において焼入れ等の熱処理を施されるものである場合、前記塑性加工による縮径後の素材に対し、これを仕上げ機械加工する前に、前記用途において施される熱処理と同等な熱処理を施すことが好ましい。これにより、前記用途に供用中の線材の疲労特性をより正しく評価することができる。

従来例では、JIS SUJ2相当の直径１２．５ｍｍの鋼線材を所定長さに切断して素材とし、これを切削および研磨により機械加工して試験片の目標形状に仕上げ、図１に示した超音波疲労試験片を得た。
比較例では、従来例と同じ素材を、一枚歯の転造用工具を用いた転造加工（図２、ただし本例では冷間）により、素材の試験片試験部長手方向中央相当部分が最終仕上げ機械加工での目標直径の１．０５倍の直径になるまで縮径し、次いで、この縮径後の素材を切削および研磨により機械加工して試験片の目標形状に仕上げて、図１に示した超音波疲労試験片を得た。

本発明例では、従来例と同じ素材を、二枚歯の転造用工具（図５）を用いた転造加工（図６（ａ）、ただし本例では冷間）により加工して、素材の試験片試験部長手方向中央相当部分の両側に溝状空間を設けた。このとき二枚歯の歯間隔Ａを種々変えた。また、この二枚歯転造加工での溝状空間の溝底部位の目標直径は、この溝底部位の最終仕上げ機械加工での目標直径の１．０５倍とした。次いで、一枚歯の転造加工用工具を用いた転造加工（図６（ｂ）、ただし本例では冷間）により、素材の試験片試験部長手方向中央相当部分が最終仕上げ機械加工での当該部分の目標直径の１．０５倍の直径になるまで縮径し、次いで、この縮径後の素材を切削および研磨により機械加工（図６（ｃ））して試験片の目標形状に仕上げて、図１に示した超音波疲労試験片を得た。

従来例、比較例、本発明例の各方法で作製した試験片をそれぞれ複数本用い、図１に示した要領で超音波疲労試験を行った。超音波加振装置の出力周波数は２０ｋＨｚとした。
各例について超音波疲労試験による疲労破断後の破面を観察し、疲労試験前に潜在していた内部割れを同定し、その発生率（本数率）を求めた。なお、疲労破断するまでの振動繰り返し回数は、内部割れのない健全な試験片では１０^７〜１０^８回の範囲であり、内部割れが潜在した試験片ではこの範囲を大幅に下回った。

さらに、健全な試験片について、疲労破壊の起点およびその存在位置を同定し、試験片中心から表面までを３つに区分する各区域（Ｉ：中心〜半径/２、II：半径/２〜半径×３/４、III：半径×３／４〜表面）における前記起点を計数してその存在度数率を求めた。なお、起点が区域間の境界に存在した場合は境界の両側の区域に１/２個ずつ存在するものと計上した。これらの結果を表１に示す。

表１より、従来例では破壊の起点が主に表面より深い位置に存在するのに対し、本発明例および比較例では主に表面に近い位置に破壊の起点が存在することが明らかである。すなわち、本発明によれば、従来切削等で除去していた線材表層部に疲労特性上問題となる部分があることを正しく把握することができて、疲労特性評価の信頼度が格段に向上するわけである。比較例の製造方法でも、健全な試験片が得られた場合は本発明と同様の効果を奏するのであるが、試験片製造の過程で内部割れが発生する頻度が高すぎるため、試験片製造歩留りの点で本発明に遠く及ばないのである。また、本発明例の中でも、溝状空間を形成する二枚歯転造用工具の歯間隔Ａを１．０ｍｍ超５．０ｍｍ未満の範囲（前述の好適範囲）内としたものは、内部割れ発生率が特に低いことがわかる。

本発明は、試験対象材が概ね線状の形状であれば適用できるので、棒状の材料の表面について疲労特性を知るためにも利用できる。

超音波疲労試験の概要を示す側面図である。 本発明の基礎とした技術の一例を示す模式図である。 本発明の基礎とした技術の別の一例を示す模式図である。 切削による仕上げ加工部分を示す側面図である。 溝状空間の形成に用いる転造加工用工具の一例を示す模式図である。 本発明の実施形態の一例を示す模式図である。

符号の説明

１ 超音波加振装置
２ 試験片（超音波疲労試験片）
３ 試験部
４ 試験片の上端部
５ 試験片の下端部
６ 線材
７ 切断された線材（試験片の素材）
８ 工具の歯
９ 工具（転造加工用工具）
10 金型
11 本発明における切削部
12 従来技術における切削部
13 内部割れ
14 溝状空間
15 縮径前の素材の試験片試験部長手方向中央相当部分（縮径前の被縮径部）
15’ 縮径後の素材の試験片試験部長手方向中央相当部分（縮径後の被縮径部）
16 仕上げ機械加工により除去される部分

Claims (5)

1. 線材の超音波疲労試験片を製造するにあたり、前記線材を所定長さに切断して前記試験片の素材とし、該素材の試験片試験部長手方向中央相当部分の両側の部分を同時に塑性加工して溝状空間となし、ついで前記試験片試験部長手方向中央相当部分を塑性加工により縮径し、該縮径した後の素材を切削、研削、研磨のいずれか１種または２種以上により機械加工して前記試験片の目標形状に仕上げることを特徴とする線材の超音波疲労試験片の製造方法。
2. 前記縮径する際の被縮径部の目標径を、該縮径後の被縮径部を前記仕上げ機械加工する際の目標径の１．００〜１．０８倍とすることを特徴とする請求項１に記載の線材の超音波疲労試験片の製造方法。
3. 前記塑性加工が冷間加工であることを特徴とする請求項１または２に記載の線材の超音波疲労試験片の製造方法。
4. 前記冷間加工が転造加工であることを特徴とする請求項３に記載の線材の超音波疲労試験片の製造方法。
5. 前記縮径した後の素材を、前記機械加工する前に熱処理することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の線材の超音波疲労試験片の製造方法。

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