JP5653795B2 - 鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法 - Google Patents
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また、電流密度を変えて試験片に陰極電解で拡散性水素をチャージした後、超音波軸荷重疲労試験を行った結果では、拡散性水素濃度が増加するにつれて疲労強度が低下し、両者間に直線関係があるという報告がなされている(非特許文献8)。このことは、拡散性水素濃度が疲労強度低下の支配因子であることを意味し、拡散性水素の侵入濃度を制御することで本質的な耐水素脆性評価を行うことが有効であることを示唆している。
この発明の他の目的は、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬して、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法、およびその試験方法の実施に使用される装置を提供することである。
この試験方法によると、潤滑油に被試験体である転動部品を浸漬して、転がりすべり接触を生じる負荷を与え、潤滑油中に、水素源としての水を注入する。この状態で、潤滑油中の混入水分濃度を、静電容量と油温の測定によって、これらの測定値から求めるようにしている。そのため、なるべく外乱が少なく、水素脆性起因の早期損傷を効率良く起こさせることができる。
なお、この明細書において、「転動部品」とは、転がり接触を生じる機械部品を言い、例示すると、転がり軸受や歯車がある。また、ここで言う「転動部品」は、転がり軸受のように、内外の軌道輪や転動体等の複数の構成要素を組み立てたものであっても、またその構成要素である転動体や軌道輪であっても良い。また、前記「転動部品模擬体」は、必ずしも転動部品の形状,寸法まで模したものである必要はなく、構成要素となる被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与えられるように転動部品を試験用に模したものであれば良い。また、試験に用いる前記「転動部品模擬体」は実際の転動部品であっても良い。
この試験方法によると、被試験体を構成要素として含む転動部品模擬体を潤滑油に浸漬して動作させ、潤滑油中に水素源としての水を注入する。この状態で、潤滑油中の混入水分濃度を、静電容量と油温の測定によって、これらの測定値から求める。そのため、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬して、水素脆性起因の早期損傷を効率良く起こさせることができる。
潤滑油への水の混合状態が良好でない場合、混入水分濃度が高くなるにつれて、静電容量の値が不安定になる。そのため、潤滑油と水がよく混合した状態で静電容量を測定する必要がある。そこで、試験油槽の潤滑油の排出口と循環ポンプとの間にリザーブタンクを設け、そこに潤滑油を溜めて攪拌し、静電容量と温度を測定するのが望ましい。
試験油槽およびリザーブタンクにおける底角部に潤滑油の排出口を設けた場合、潤滑油よりも比重が大きい水が、試験油槽やリザーブタンクから排出されやすくなる。また、試験油槽およびリザーブタンクのそれぞれ内部を円柱状とし、それらの底角部に凹部を設けた場合、水よりも比重の大きな添加物質も循環しやすくなる。
この試験方法において、前記転動部品模擬体の動作は、接触する転動部品模擬体要素間の接触面に強制的にすべりを生じさせるものであっても良い。
揺動運動では、回転の場合とは異なり、損傷が起きても振動が大きく変化しない。クランク機構による揺動運動では、その振動が重畳するため、損傷が起きても振動で検出することが難しい。振動で損傷を精度よく検出できるようにするには、サーボモータの主軸と、転動部品模擬体を構成部品の1つとして持つ試験機構のスピンドルとを直結して揺動運動させることで、重畳する振動成分をなるべく排除する必要がある。さらに、できる限り試験機構のスピンドルなどの剛性を高くする必要がある。揺動運動条件としては、揺動の角度と周波数を任意に設定できることが望ましい。なお、サーボモータの主軸と試験機構のスピンドルを直結すると、クランク機構のような三角関数波形の速度変化を与えることは難しい。それを可能にするためには、シーケンサのプログラムによってサーボモータのアンプを制御すれば良い。
この試験装置によると、この発明の試験方法につき前述したと同様に、なるべく外乱が少なく、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる。
この試験装置によると、この発明の試験方法につき前述したと同様に、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬して、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる。
前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを連結させる機構は揺動運動を行う機構であり、かつこの機構は、三角関数波形の速度変化が設定可能であるのが良い。
この試験装置において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が、油浴潤滑機構であっても良い。
また、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が循環給油機構であり、この循環給油機構を、前記転動部品模擬体駆動装置における、それぞれが1個または1組の転動部品を動作させる機構部である各ヘッド部に設けても良い。
前記鋼製材料が転動部品用の材料であって、転動部品を試験用に模した部品である転動部品模擬体を、転動部品用材料の被試験体を構成要素に含めて製作し、試験油槽内の潤滑油に前記転動部品模擬体を浸漬して転動部品模擬体を動作させることにより、被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与えるようにし、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が循環給油機構であり、この循環給油機構の循環ポンプと前記試験油槽の潤滑油の排出口との間にリザーブタンクを設け、このリザーブタンクに潤滑油を溜めて攪拌し、攪拌した潤滑油中の混入水分濃度を測定するものとしたため、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬して、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる。
水分濃度計算手段42は、パーソナルコンピュータ等のコンピュータとこれに実行されるプログラムとで構成される。水分濃度計算手段42は、試験装置本体制御装置41を構成するコンピュータを用いたものであっても、試験装置本体制御装置41とは独立したコンピュータを用いたものであっても良い。
転動部品模擬体3は、前述のように、この実施形態ではスラスト玉軸受を模した部品とされ、被試験体となる外輪3bは、設置台(図示せず)等に固定設置され、内輪3aがスピンドル8に固定されている。
(1)潤滑油2中に水素源としての水を注入する。
(2)潤滑油2中の混入水分濃度を静電容量と油温で監視する。
(3)(2)で監視した混入水分濃度をフィードバックし、水注入量を変化させて混入水分濃度を制御する
(4)一定回転速度,一方向回転だけでなく、加減速運転,揺動運動ができる。
(5)通電ができる。
1つは微弱電流を転動部品模擬体3の接触要素間に流して接触面の金属接触率を測定することである。もう1つは1A程度の大電流を接触要素間に流して正極側を摩耗させることである。この現象を利用し、試験片を正極側にすることで、試験片の接触部に金属新生面を積極的に露出させ、水素の発生,侵入を促進することができる。このことは、非特許文献9にも開示されている。
軸受鋼SUJ2を用い、図5(A)に示す被試験体であるテーパ形状外輪試験片(熱処理後は研削仕上げ、内径軌道面は面粗さRq ≒0.03μm)14を製作した。熱処理は850℃のRXガス雰囲気中で50min加熱してずぶ焼入を施した後、180℃で120minの焼戻しを施した。試験は、図5(B)に示すように、テーパ形状外輪試験片14にアンギュラ玉軸受7306Bの内輪(SUJ2標準焼入焼戻品)15、鋼球(SUJ2標準焼入焼戻品,13個)16、保持器17を組み合わせて転動部品模擬体3として行った。外輪試験片14をテーパ形状にしたのは、鋼球16と接触角をもって回転することにより、鋼球16がスピンして外輪試験片14との接触面にすべりが生じるためである。〔発明が解決しようとする課題〕の欄で述べたように、すべりが生じる場合、水素脆性起因の早期損傷が起きる頻度が高くなる。
前記試験方法の場合と同じ図5に示す試験片14、および図6に示す試験装置を用い、荷重条件、回転速度も同じとし、同じ潤滑油(水混入なし)60mLを入れ、潤滑油の入口(下側)と出口(上側)をチューブ18でつないで閉鎖系とした。試験開始と同時に、シリンジポンプ4(図1)によってチューブ18の途中から純水の連続注入を開始した。純水の注入速度は0.5mL/hとした。この場合、混入水分濃度の経時変化は測定しなかったが、図7の結果から、この場合も混入水分濃度が変化することは容易に想像できる。この転がりすべり疲労寿命試験の結果は、表2に示す通りである。
先述したように、潤滑油中の混入水分濃度は静電容量と温度によって測定でき、これに用いる静電容量計5は次の2つのタイプに大別される。1つは飽和水分濃度以下までしか測定できないものであり、もう1つは飽和水分濃度を超えて白濁状態になっても測定できるものである。
先ず、飽和水分濃度以下までしか測定できない静電容量計5を用い、潤滑油の飽和水分濃度を測定した。潤滑油は、先の転がりすべり疲労寿命試験の具体例で用いたVG100の無添加タービン油である。図8(A)に模式図で示すように、静電容量計5を取付けた容器21(例えば図1の試験装置における試験油槽1に見立てたもの)に潤滑油を入れ、シリカゲル入れを設けた上蓋22をして、温度調整ができる磁気式攪拌機13で攪拌しながら110℃に熱して1h放置し、その間に油中に混入していた微量水分を蒸発させて、シリカゲルに吸着させた。その後、図8(B)に模式図で示すように、40℃に保持して純水をシリンジポンプ4を用いて一定速度0.05mL/hで注入した。図9には、そのときの静電容量の経時変化をグラフで示している。この静電容量計5は、水分活性として0〜1の値を出力する。「0」は混入水分濃度がゼロの場合、「1」は混入水分濃度が飽和水分濃度以上の場合である。図9のように、167重量ppm で測定値が1になったことから、その値が飽和水分濃度になる。混入水分濃度と転がりすべり疲労寿命の関係を調べれば、潤滑油固有の飽和水分濃度が耐水素脆性の1つの指標になり得る可能性がある。
2…潤滑油
3…転動部品模擬体
3b…外輪(被試験体)
4…シリンジポンプ
5…静電容量
6…熱電対
7…サーボモータの主軸
8…スピンドル
9…循環給油機構
11…循環ポンプ
12…リザーブタンク
13…攪拌機
42…水分濃度計算手段
41…試験装置本体制御装置
45…ポンプ制御部
44…転動部品模擬体動作制御部
46…ヘッド部
Claims (18)
- 試験油槽内の潤滑油に、鋼製材料の被試験体を浸漬し、前記被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与えて鋼製材料の転がりすべり疲労寿命の試験を行う転がりすべり疲労寿命試験方法であって、
前記潤滑油中に水を注入し、潤滑油中の混入水分濃度を静電容量と油温とによって測定するものであり、
前記鋼製材料が転動部品用の材料であり、この転動部品用の材料の被試験体を構成要素に含めて転動部品を試験用に模した部品である転動部品模擬体を製作し、試験油槽内の潤滑油に前記転動部品模擬体を浸漬して前記転動部品模擬体を動作させることにより、前記被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与えるものとし、
前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が循環給油機構であり、この循環給油機構の循環ポンプと前記試験油槽の潤滑油の排出口との間にリザーブタンクを設け、このリザーブタンクに潤滑油を溜めて攪拌し、攪拌した潤滑油中の混入水分濃度を測定するものとしたことを特徴とする鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。 - 請求項1において、前記リザーブタンク中に溜める潤滑油量を100mL 以下とした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
- 請求項1または請求項2において、前記試験油槽および前記リザーブタンクにおける底角部に、潤滑油の排出口を設けた鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
- 請求項3において、前記試験油槽および前記リザーブタンクの内部を円柱形状とし、それらの底角部に凹部を設けた鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
- 請求項1ないし請求項4のいずれか1項において、測定した潤滑油中の混入水分濃度を、水を注入する手段の制御手段にフィードバックし、水注入量を変化させて混入水分濃度を制御するものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
- 請求項5において、測定した潤滑油の飽和水分濃度に基づき、制御する潤滑油中の混入水分濃度を決めるものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
- 請求項1ないし請求項6のいずれか1項において、前記潤滑油中への水の注入を、シリンジポンプを用いて微量注入とした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
- 請求項1ないし請求項7のいずれか1項において、前記転動部品模擬体の動作は、接触する転動部品模擬体要素間の運動機構によって接触面にすべりを生じさせるものである鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
- 請求項1ないし請求項7のいずれか1項において、前記転動部品模擬体の動作は、接触する転動部品模擬体要素間の接触面に強制的にすべりを生じさせるものである鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
- 請求項1ないし請求項9のいずれか1項において、前記転動部品模擬体の動作は、損傷が起きるまで一定回転速度で一方向に回転させるものである鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
- 請求項9において、前記転動部品模擬体の動作は、試験開始時の加速度を任意に設定できるものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
- 請求項1ないし請求項9のいずれか1項において、前記転動部品模擬体の動作は、損傷が起きるまで加減速運転させるものである鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
- 請求項12において、前記加減速運転のパターン設定では、少なくとも加速度,高速回転数,高速回転数での保持時間,減速度,低速回転数,低速回転数での保持時間の6パラメータをそれぞれ任意に設定でき、それを1パターンとして繰り返すものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
- 請求項1ないし請求項9のいずれか1項において、前記転動部品模擬体の動作は、損傷が起きるまで揺動運動させるものである鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
- 請求項14において、前記揺動運動の角度と周波数を任意に設定できるものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
- 請求項1ないし請求項15のいずれか1項において、前記転動部品模擬体の動作を行わせる駆動源としてサーボモータを用いると共に、転動部品模擬体はスピンドルを有する機構の一部を構成しており、前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを直結させた鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
- 請求項16において、前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを直結させる機構は揺動運動を行う機構であり、かつクランク機構の揺動運動のように三角関数波形の速度変化が設定可能である鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
- 請求項16または請求項17において、前記転動部品模擬体の接触要素間に電流を流して金属接触率を測定し、前記スピンドルの支持軸受にセラミック製の転動体を用い、前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを絶縁カップリングで連結した鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
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