(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れによって表面硬化した金属材料に超音波送信センサと超音波受信センサとを接触させ、上記金属材料の表面に剪断水平波である超音波を伝播させて金属材料の疲労を測定する方法であって、
上記金属材料は軸受の内輪であり、
上記超音波送信センサと上記超音波受信センサとは上記金属材料からなる上記内輪の円筒形の軌道面のみに周方向に所定間隔を隔てて線接触しており、
上記軸受の内輪は、上記超音波送信センサの線接触の接触線が延在する方向の寸法が、上記超音波送信センサの線接触の接触線の寸法の２.３倍以上であり、
上記剪断水平波の波形において、振幅の最初のピークの次に最初に振幅が零になる第１ゼロクロス点の次に振幅が零になる第２ゼロクロス点を計時基準にして、上記超音波の伝播時間を測定し、
上記軸受の内輪の残存寿命を求めるべく、上記超音波の伝播速度に基いて、残留圧縮応力を測定して上記金属材料の疲労を測定することを特徴とする金属材料の疲労測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属材料の疲労測定方法に関し、特に、表面が硬化された金属材料の疲労測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属材料の疲労測定方法としては、Ｘ線回折法による半価幅の変化量(減少量)でもって、疲労の進行を測定することが提案されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、たとえば、浸炭熱処理されて表面硬化された金属材料では、疲労が進行しても上記半価幅の変化量が小さいために、Ｘ線回折法で疲労を測定するのが困難であった。
【０００４】
そこで、この発明の目的は、表面硬化された金属材料に適用できる疲労測定方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明の金属材料の疲労測定方法は、浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れによって表面硬化した金属材料に超音波送信センサと超音波受信センサとを接触させ、上記金属材料の表面に剪断水平波である超音波を伝播させて金属材料の疲労を測定する方法であって、
上記金属材料は軸受の内輪であり、
上記超音波送信センサと上記超音波受信センサとは上記金属材料からなる上記内輪の円筒形の軌道面のみに周方向に所定間隔を隔てて線接触しており、
上記軸受の内輪は、上記超音波送信センサの線接触の接触線が延在する方向の寸法が、上記超音波送信センサの線接触の接触線の寸法の２.３倍以上であり、
上記剪断水平波の波形において、振幅の最初のピークの次に最初に振幅が零になる第１ゼロクロス点の次に振幅が零になる第２ゼロクロス点を計時基準にして、上記超音波の伝播時間を測定し、
上記軸受の内輪の残存寿命を求めるべく、上記超音波の伝播速度に基いて、残留圧縮応力を測定して上記金属材料の疲労を測定することを特徴としている。
【０００６】
この請求項１の発明の金属材料の疲労測定方法では、表面硬化した金属材料の表面に超音波を伝播させ、この超音波の伝播速度に基いて、上記金属材料の疲労を測定する。
【０００７】
発明者らは、表面硬化した金属材料では、疲労によって残留圧縮応力が増加し、上記金属材料の表面を伝播する超音波の伝播速度が低下することを発見した。
【０００８】
したがって、この発明によれば、上記超音波の伝播速度を測定することで、上記表面硬化した金属材料の疲労を非破壊で測定できる。
【０００９】
また、請求項１の発明の金属材料の疲労測定方法では、上記金属材料は、浸炭焼入れ、または、浸炭窒化焼入れによって表面硬化されている。
【００１０】
この請求項１の発明の金属材料の疲労測定方法では、浸炭焼入れ、または、浸炭窒化焼入れによって表面硬化された金属材料の表面に伝播させた超音波の伝播速度を測定し、この伝播速度に基いて上記金属材料の疲労を非破壊で測定できる。この発明の疲労測定方法は、上記従来の測定方法と比較した場合、金属材料の表面硬化処理の中でも、浸炭焼入および浸炭窒化焼入した金属材料において、特に、測定精度の向上と安定化に効果的であった。
【００１１】
また、請求項１の発明の金属材料の疲労測定方法では、上記金属材料に伝播させる超音波としての剪断水平波の波形において、第２ゼロクロス点を計時基準にして伝播時間を測定するから、安定でばらつきの少ない計時を行え、したがって、伝播速度を正確に測定できる。なお、上記超音波波形のピークを基準とした場合には、このピーク波形はくずれ易いため、ピーク検出しにくい欠点がある。また、上記超音波波形の第１ゼロクロス点を基準とした場合には、上記ピークからの減衰がゆるやかであることに起因して、第１ゼロクロス点の変動が起り易く誤差が多くなる欠点がある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００１３】
図１(Ａ),(Ｂ)を参照して、この発明の金属材料の疲労測定方法の実施形態としての軸受の内輪１０の疲労測定方法を説明する。この内輪１０は、表面が浸炭窒化焼入れされた軸受鋼からなる。
【００１４】
図１(Ｂ)に示すように、この実施形態では、超音波送信センサ１と超音波受信センサ２を、内輪１０の円筒形の軌道面１０Ａに対して、周方向に所定間隔を隔てて、線接触させた。つまり、この送信センサ１は、その対向面１Ａの軸方向の接触線３で軌道面１０Ａに線接触しており、受信センサ２は、その対向面２Ａの軸方向の接触線５で軌道面１０Ａに軸接触している。
【００１５】
また、上記送信センサ１の接触線３は、対向面１Ａのうちの超音波を発生する有効部分７に含まれており、上記受信センサ２の接触線５は、対向面２Ａのうちの超音波を検知可能な有効部分８に含まれている。
【００１６】
また、図１(Ａ)に示すように、この実施形態では、送信センサ１の軸方向の寸法Ｄ１を内輪１０の軸方向の寸法Ｄ２の３分の１にした。また、受信センサ２の軸方向の寸法を送信センサ１の軸方向の寸法と略同じとした。また、この受信センサ２および送信センサ１は、内輪１０の軌道面１０Ａにおいて、軸方向の略中央に配置した。また、図１(Ｂ)に示すように、この実施形態では、送信センサ１の接触線３と内輪１０の中心Ｐ０とを結ぶ直線Ｌｒと、受信センサ２の接触線５と上記中心Ｐ０とを結ぶ直線Ｌｑとがなす角度２αを４０°とした。
【００１７】
この実施形態によれば、上記送信センサ１が内蔵する圧電素子からなる超音波発振部(図示せず)を駆動することで、対向面１Ａの有効部分７が振動し、接触線３から軌道面１０Ａに超音波が伝播される。この超音波は、軌道面１０Ａに沿って進む横波であり、ＳＨ波(Ｓhear Ｈorizontal Ｗave)と呼ばれる剪断水平波である。
【００１８】
このＳＨ波の伝播速度Ｖは、送信センサ１の接触線３から受信センサ２の接触線５まで伝播するのに要する伝播時間をｔとすると、次式(１)で算出できる。
【００１９】
Ｖ＝２πｒ・(２α/３６０°)÷ｔ                  …(１)
ただし、式(１)において、ｒは軌道面１０Ａの半径(ここでは、ｒ＝１９.２５ｍｍ)、πは円周率である。
【００２０】
また、この実施形態では、内輪１０の軌道面１０Ａに伝播させる超音波であるＳＨ波の波形において、振幅の最初のピークの次に最初に振幅が零になる第１ゼロクロス点の次に振幅が零になる第２ゼロクロス点を計時基準にして、上記超音波の伝播時間ｔを測定した。そして、この測定した伝播時間ｔに基いて、上記超音波の伝播速度Ｖを測定した。したがって、安定でばらつきの少ない計時を行え、したがって、伝播速度を正確に測定できる。なお、上記超音波波形のピークを基準とした場合には、このピーク波形はくずれ易いため、ピーク検出しにくい欠点がある。また、上記超音波波形の第１ゼロクロス点を基準とした場合には、上記ピークからの減衰がゆるやかであることに起因して、第１ゼロクロス点の変動が起り易く誤差が多くなる欠点がある。
【００２１】
図２に示すように、内輪１０の疲労度と上記ＳＨ波伝播速度Ｖとの間に高い相関があり、直線Ｚが測定した伝播速度Ｖ(ｍ/秒)と疲労度(％)との関係を表す特性直線である。また、上限の直線ＵＬと下限の直線ＬＬとの間が９５％信頼区間となった。したがって、この実施形態の測定方法によれば、上述の式(１)で算出したＳＨ波の伝播速度Ｖによって、内輪１０の疲労度を非破壊で評価できる。
【００２２】
この疲労度とは、内輪１０の残存寿命を、新品の内輪１０の寿命で除算した値に１００を乗算した値であり、この寿命とは、寿命試験による寿命時間である。この寿命試験の条件は、内輪１０を軸受に組み込んだ状態で、軸受荷重１４.１(ｋＮ)、回転速度４０００(毎分)とし、潤滑としてはタービン油ＶＧ６８を循環させた。この条件で試験して、剥離が発生するまでの時間を寿命時間とした。
【００２３】
次に、図３に、被験体としての内輪１０の軸方向の幅Ｄ２を送信センサ１の軸方向の幅Ｄ１で除算した幅比(Ｄ２/Ｄ１)と上記ＳＨ波の伝播速度Ｖとの関係を実験で得た結果を示す。図３に示すように、測定対象としての内輪１０の幅Ｄ２が送信センサ１の幅Ｄ１の２.３倍以上の範囲では、伝播速度Ｖが略一定(３３４４(ｍ/秒)程度)で安定している。これに対して、上記幅比が２.３未満では、幅比２から幅比１.６にかけて伝播速度が３３２０(ｍ/秒)まで低下する一方、幅比１.６から１.０にかけて伝播速度が３３６０(ｍ/秒)以上まで上昇しており、幅比によって伝播速度Ｖが大きく変動する。この変動の理由は、上記幅比が小さくなると、被験体の幅方向の端での超音波の反射波が非反射波に干渉することに起因すると考えられる。
【００２４】
したがって、この実施形態のように、内輪１０の幅Ｄ２を送信センサ１の幅Ｄ１の２.３倍以上の略３倍に設定すれば、上記幅比にＳＨ波の伝播速度が影響されることなく、ＳＨ波の伝播速度を安定して精度よく測定でき、疲労度の測定精度を向上できる。
【００２５】
尚、上記実施形態では、送信センサ１,受信センサ２を内輪１０の軌道面１０Ａに線接触させた。また、上記実施形態では、浸炭窒化焼入れによって、表面硬化させた内輪を疲労度の測定対象としたが、浸炭焼き入れで表面硬化させた内輪を測定対象としてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上より明らかなように、請求項１の発明の金属材料の疲労測定方法では、表面硬化した金属材料の表面に超音波を伝播させ、この超音波の伝播速度に基いて、上記金属材料の疲労を測定する。したがって、この発明によれば、上記超音波の伝播速度を測定することで、上記表面硬化した金属材料の疲労を非破壊で測定できる。
【００２７】
また、請求項１の発明の金属材料の疲労測定方法では、浸炭焼入れ、または、浸炭窒化焼入れによって表面硬化された金属材料の表面に伝播させた超音波の伝播速度を測定し、この伝播速度に基いて上記金属材料の疲労を非破壊で測定できる。
【００２８】
また、請求項１の発明の金属材料の疲労測定方法では、上記金属材料に伝播させる超音波としての剪断水平波の波形において、第２ゼロクロス点を計時基準にして伝播時間を測定するから、安定でばらつきの少ない計時を行え、したがって、伝播速度を正確に測定でき、疲労を精度良く測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１(Ａ)はこの発明の実施形態である内輪の疲労度測定方法におけるセンサ配置を示す径方向外方から内方に向かって見た様子を示す図であり、図１(Ｂ)は上記配置を軸方向から見た様子を示す図である。
【図２】  上記実施形態における超音波の伝播速度と疲労度との関係を示す特性図である。
【図３】  上記実施形態におけるセンサ幅Ｄ１と内輪幅Ｄ２の幅比(Ｄ２/Ｄ１)と超音波の伝播速度との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１…送信センサ、１Ａ…対向面、２…受信センサ、２Ａ…対向面、
３,５…接触線、７,８…有効部分、１０…内輪、１０Ａ…軌道面。
【図１】
0004023211.tif 000002
【図２】
0004023211.tif 000003
【図３】
0004023211.tif 000004