技術報告

介在物周囲の転がり疲れき裂挙動の三次元観察技術の開発
Development of 3-Dimensional Observation Technique for Rolling Contact Fatigue Crack Behavior
Around the Non-Metallic Inclusion
眞鍋 亮太*1 和田 恭学*1 藤松 威史*2
MANABE Ryota, WADA Yoshitaka and FUJIMATSU Takeshi

1.緒言を開発しており，本報ではその技術ならびに三次元観察を通じて得られたき裂の特徴に関する知見について報告する．

近年，カーボンニュートラル化社会実現の機運が世界

2.介在物周囲のき裂挙動の三次元観察の狙い的に高まっており，環境に有益な影響が期待され，軸受が多く使用されている電気自動車（EV），鉄道，風力発電機（以下，風発と略す）などの各種のエコプロダクトのニーズが以下では，当社で進めている介在物の転がり疲れメカ増している．風発用の場合であれば高所作業を伴う設備メ

ニズムの解明に関する現状を示し，それに対し，介在物周ンテナンスの負荷の軽減（メンテナンスフリー化）への寄囲のき裂を三次元的に観察する狙いについて説明する．

与，EV 用や鉄道用に対しては部品の長寿命化や高効率化
2.1.介 在物起点の転がり疲れメカニズム解明に関する当への寄与，といった観点から軸受部品の信頼性向上を通じ社の現状た貢献はこれまで以上に重視されるとみられる．
軸受の寿命を延ばすためには，素材（鋼），部品設計，

転がり疲れは，軸受の軌道表面直下の内部に強く作用す

潤滑の各観点からの適正化が欠かせない．そのなかで当社るせん断応力によって進行する現象である．そのため，外が取り扱う素材（鋼）の観点からみれば，従来からの最も部からの観察では疲労の進行状態の把握が難しい．それを有効な軸受の寿命向上手段として鋼の高清浄度化が挙げら

当社では，人工欠陥を活用した独自の研究手法の開発によりれる．高清浄度化とは，鋼中に不可避的に含有され，軸受ブレークスルーし，
介在物起点転がり疲れ（き裂の発生・伝播，の疲労破壊（転がり疲れによるはく離損傷）の起点となりはく離の挙動など）の詳細な検証を進めている．この手法

得る非金属介在物（以下，介在物と略す）を小径化し，個にて，人工欠陥として空洞 1）や，周囲母相と密着あるいは数を低減させることである．ただし，工業的な観点では鋼隙間を伴う球形アルミナ（Al2O3）粒子 2,3）を用い，転がり疲の清浄度は既に十分なレベルに到達しており，今後の飛躍

れ試験による寿命特性の評価や，試験後の断面観察を通じ的な清浄度向上は難しいと考えられる．一方で，例えば風たき裂挙動の確認を行ってきた．それにより，実鋼材の介在発分野においては発電効率に優れる大型風車の需要が増え

物周囲の一部に散見される隙間（鋼材の塑性加工時に形成）るとみられ，それとともに軸受の大型化も進む．その場合，が転がり疲れに及ぼす影響が明らかとなってきた．また，短転がり疲れの影響を受ける部分の体積が増えることで，寿寿命の原因として想定されつつも，鋼中の存在頻度が低く，命に悪影響を及ぼす比較的大きな介在物を含有しやすくな

検証が困難な大型介在物の挙動の確認も進めている．
人工欠陥を活用した転がり疲れメカニズムに関するこることが予想される．
このような背景に対して，当社では，鋼の製造工程を通れまでの研究成果として，介在物周囲に隙間があると寿命じて含有される介在物が軸受の転がり疲れに影響を及ぼすに対して有害な影響を与えること 1），介在物が周囲と隙間メカニズムをさらに深く理解するために，介在物周囲のきなく密着していると有害性が低くなること 2,4）を見出して裂挙動を明らかにする取り組みを進めている．その狙いは，いる．これらの違いは，二次元断面観察に基づくと，介在鋼の高清浄度化以外の観点からも効果的な長寿命化・高信

物周囲のき裂挙動の違いに起因すると推定している．隙間

頼性化の方策を見出すことである．当社は独自の実験手法を伴う介在物周囲には転がり方向に対し，概ね水平に近いと精度の高い三次元観察技術を組み合わせることで介在物角度でき裂が発生しやすい．このような角度を持つき裂は，周囲の転がり疲れき裂挙動を三次元的に詳細観察する技術

転がり疲れの支配応力と考えられている水平方向のせん断*1*2

研究・開発センター
研究・開発センター

基盤研究室 材料研究グループ
部長 博士（工学）68

Sanyo Technical Report Vol.30 (2023) No.1

介在物周囲の転がり疲れき裂挙動の三次元観察技術の開発

応力の作用で進展しやすい 3）．同様のき裂は空洞周囲にもに関し，当社も中心的役割を担って過去に行われた検証結1）

生じやすいことが分かっており ，空洞を起点とするき裂果を紹介する 6）．検証では，鋼中の介在物もしくは試験片

挙動との類似性が見られている．一方，周囲と密着した介表面に加工したドリルホールを対象とする転がり疲れ試験

在物周囲には最大せん断応力の作用で 45°方向にき裂がが行われ，Fig. 1 に実線で示す下限寿命が見出されている．

2）

発生し，その後は停留に至りやすいことを見出している ．

下限寿命はΔKII ′が小さいほど向上し，期待される介在物

これらの結果から，当社では介在物周囲の隙間の軽減が，小径化による長寿命作用が認められている．なお，上述の鋼の清浄度のみに頼らない効果的な軸受の寿命信頼性向上

空洞に関する考察で用いたΔKII ′は，この検証で提唱され3）たものを踏襲している．一方で，例え介在物の大きさが同策になり得ると考えている ．

程度でも寿命には大きなばらつきがあることが見出されて2.2.介在物周囲のき裂の三次元観察の狙いについている．Fig. 1 に示すように，このばらつきの特徴として，

以上の通り，介在物の転がり疲れメカニズムは概ね把同検証で見出された下限寿命に対し，長寿命となる側に生握ができている．また，空洞（人工的に導入し，介在物とじる傾向があった．

比較可能な大きさを持つ）を起点とする場合に限れば，起このような寿命ばらつきの原因の一つには，上述した点の空洞の大きさと，空洞から生じたはく離の深さにおけ

介在物周囲のき裂角度の影響が考えられる．また，それ以る水平方向せん断応力（モードⅡ型の応力）の大きさか外にも“隙間”を伴う介在物のき裂挙動において，空洞の（ΔKII′=2τ0√（πa），起点
ら見積もった応力拡大係数ΔKII′

場合とは異なる特徴があることも想定される．介在物のき

空洞大きさの半分 a と水平せん断応力振幅 2τ0 から算出）

裂挙動の特徴をさらに深掘りすることで，軸受用鋼の長寿5）と寿命との間に規則的な関係性を見出している ．応力拡命化 ･ 高信頼性化に対し，介在物に固有の転がり疲れメカ

大係数は，き裂先端付近の応力の度合いを表し，き裂の伝ニズムに基づいた過不足の無い対策の立案が可能になるとぱ速度を左右するパラメータとして破壊力学分野で利用さ期待される．なお，二次元断面観察を主体とするこれまでれている．得られた知見として，ΔKII ′が小さいほど寿命の検証方法では，全体的なき裂の情報は得られないため，が向上する傾向が見られている．なお，本来の破壊力学の観察断面からの限られた情報からき裂挙動を推定するより定義では，応力拡大係数（ΔK）は伝ぱによって刻々と変他はなく，隙間を伴う介在物と空洞のき裂挙動に違いがあ化するき裂長さ（この長さの半分が本来の a）から算出するか否かを詳細に知るには限界があった．これをブレークる必要があり，ここで用いたものはそれとは区別するためスルーするためには，従来の二次元断面観察に迫る観察精

添え字のダッシュを付けてΔKII′として表記している．

度を保ちつつ，介在物周囲のき裂挙動を三次元的に観察す

上記の知見から，鋼中に空洞を存在させた場合，空洞ることが必要と考えられる．

は実質的にそれと等価な大きさのき裂として振る舞い，そ3.介在物周囲のき裂挙動の三次元観察のための実験方法の大きさが寿命を左右することが見出される．そのき裂挙
動には，空洞と物理的な性質が類似する“隙間”を伴う介在物の場合と共通する部分があることは上述の通りであ

3.1.三次元観察手法の開発

る．ただし，介在物起点の転がり疲れ挙動は空洞の場合ほ精度の高い三次元観察手法を確立するために，放射光

ど単純では無いことも分かっている．ここで，介在物起点による X 線 CT 観察技術を活用した．物体に X 線を通過させるとき，内部にその物体とは X 線吸収率の異なる異物，

1.0E+09

Life （cycles）

構造，空隙，き裂などが存在した場合は物体を透過する X<Origin of crack>●: Inclusion○: Artificial defect

1.0E+08

線の量に違いが現れる．同手法は，試料を 360°回転させながら回転軸に直交するように X 線を通過させて検出器

1.0E+07で X 線の透過量を捉え，収集した全周方向の X 線透過デー

1.0E+06
1.0E+05
1.0E+04

タをもとに非破壊で物体の内部構造を観察するもので，鋼

L=1.0×108/(⊿KⅡ’)2

内部の観察にも活用されている．特に高エネルギー，高輝⊿KⅡ’=6.6

1

10

度で，なおかつ平行性の高い X 線を利用することで極めて解像度の高い観察像を得ることができる．大型放射光施

100

設 SPring-8 を活用する場合，鋼試料の透過観察に対して⊿KⅡ '（MPa√m）

放射光を用いることによって，直径約0.5 mm 程度の試
Fig.1
Relationshipbetween' andcontact
rollingfatigue
contact
fatigueFig.
1 Relationshipbetween
ΔKⅡ' ΔK
and Ⅱrolling(RCF)
life. Artificial defects
in this6)(RCF)
Artificial6)defects
thisandfiguredrilledholes.
figureare life.
drilledholes.
ΔKII'=2τ0in√(πa),“2τ0”arein thisequationis given as the orthogonal
料サイズの制約はあるものの，最小でサブミクロン程度のΔK '=2τ √(πa), and “2τ0” in this equation is given as
shear IIstress 0range and “a” as the radiusof the nonmetallic inclusion or of the drilled空間分解能のもとで透過観察を行うことができる．
hole.
the orthogonal shear stress range and “a” as the radiusof the nonmetallic inclusion or of the drilled hole.
ここで転がり疲れの影響を受ける領域のサイズについ69

Sanyo Technical Report Vol.30 (2023) No.1

介在物周囲の転がり疲れき裂挙動の三次元観察技術の開発て触れる．そのサイズは，転動体と軌道それぞれの曲率半は隙間が介在物周囲の一部に見られることが多いためであ径（軸受のサイズや形状により変化）と，作用する接触応る．試験片の作製方法は別報 3）で詳しく紹介しているため，力（最大ヘルツ接触応力）の大きさで決まる転動体と軌道

ここでは詳細な説明は省略する．

との接触部（楕円状もしくは円状になる）の大きさに依存

スラスト型転がり疲れ試験は，転動体に直径 9.525

する．当社で転がり疲れ特性評価に利用している森式スラmm の鋼球を用い，最大ヘルツ接触応力 P max が 4.5 GPa

スト型転がり疲れ試験（詳細は後述）では，円盤状の平板となるようにして行った．潤滑は油浴潤滑で行い，潤滑油

試験片と球形の転動体を転がり接触させながら試験を行の粘度グレードは VG68 である．また，Al2O3 埋設部の直い，その円形の接触部の直径は概ね 0.6 ～ 0.7 mm 程度

上に転動体の軌道の中央が配置されるようにした．試験のになる．また，深さ方向にも軌道表面直下の数百 μm 程

停止サイクル数は 1,500 サイクル，および 50,000 サイ

度に渡って疲労領域が形成される．このような疲労領域のクルとした．これらは転がり疲れ寿命に対して極早期もしサイズは，放射光 X 線 CT による観察に適したものとなっ

くは比較的早期の段階である．それらの試験片から三次元ている．ただし，観察実現のためには，X 線 CT で観察可

観察用の試料として，スラスト型転がり疲れ試験の軌道と能な微小な領域内に数十～数百 μm 程度の非金属介在物

内部の Al2O3 を含むように円相当径で直径 0.5 mm 以下とその周囲に生じた転がり疲れき裂を含むように試料を作程度，長さが 13 mm 程度の微小棒状試料を作製した．

製しなければならない．当社は，それを実現する技術とし

放 射 光 X 線 CT に よ る 上 記 試 料 中 の 介 在 物 と そ の 周て，開発済みの人工埋設介在物を利用した転がり疲れ試験

囲のき裂の三次元観察には，SPring-8 のビームライン

2,3）．この技術は，介在物が埋設されていBL24XU を利用した．観察は，X 線のビームエネルギー

る位置や深さを精密に特定して微小な観察試料内に内包さを 37 keV，露光時間を 0.2 s として行い，撮影される透せるのに適している．この技術と放射光 X 線 CT 観察技術

過像の画像サイズは 2048 × 2048 ピクセル，空間分解を組み合わせることにより介在物周囲の転がり疲れき裂を能は 0.65 μm である．取得した透過像は二次元断層像と三次元で精細に観察する技術を確立することができた．

して再構築し，さらにその画像を元にして画像解析ソフト

方法を活用した（Thermo Fisher 社 Avizo ver.2021.1）を用いて三次元画
3.2. ‌人工埋設 Al2O3を活用したき裂挙動の三次元観察像を作成した．これにより，Al2O3 とその周囲の隙間なら確立した技術を利用して，実際に介在物周囲の転がり疲

びにき裂を立体的に可視化した．また，三次元画像の精度

れの三次元観察を行った．本報での実験には，周囲母相との確認のため，介在物とその周辺の二次元断面観察も併せの間に隙間を付与した球形 Al2O3 を含有するスラスト型転て行った．断面観察は，鏡面状態に加工したのちナイター

がり疲れ試験片を準備した．その試験片を用いて転がり疲

ルで腐食してミクロ組織を現出させた状態にして行った．

れ試験を行い，Al2O3 周囲に生じたき裂を三次元で観察した．

4. ‌介在物周囲のき裂挙動の三次元観察結果および考察

円盤形状のスラスト型転がり疲れ試験片の母材として，量産工程で製造された高炭素クロム軸受鋼の SUJ2 を用い，焼入焼戻しで硬さを 62 HRC 程度に調整した．この試験片内には人工介在物として球形 Al2O3 を埋設してい以下では，隙間を伴う球形 Al2O3 からの転がり疲れき

る．Al2O3 を用いたのは，鋼中介在物の代表的な組成の一

裂挙動について疲労サイクル数の異なる 2 つの観察事例つであることと，鋼中で比較的良く観察される粒状の介在を示す．併せて，過去に当社で実施した空洞欠陥に関する物（JIS 規格の JIS G 0555：鋼の非金属介在物の顕微鏡

き裂挙動を対比することにより，介在物から生じるき裂の試験方法では D 系に分類される介在物）に形状が類似す

特徴について検証した．

ることによる．また，形状が比較的単純なため，き裂挙動
4.1. ‌き 裂発生段階付近（1,500サイクル時点）におけるの検証に適している．なお，球形 Al2O3 の大きさとして直Al2O3周囲の三次元き裂挙動

径 250 μm および 150 μm のものを用いた．これは，鋼中の存在頻度は低いものの寿命に有害な比較的大型の介在最初の事例では，き裂発生段階付近での観察を行うこ物の挙動を検証する狙いである．これらの Al2O3 粒子は，とを狙い，周囲に隙間を伴う直径 250 μm 級の Al2O3 に後述したスラスト型転がり疲れ試験条件からみて表面下に対し，1,500 サイクルの転がり疲れを付与したのち，上作用する最大水平せん断応力の少なくとも 97% 以上が粒述の方法で観察用試料を調整し，放射光 X 線 CT による子の直径部周辺に作用する深さに埋設した．また，Al2O3

三次元観察を行った．Fig. 2 に，Al2O3 とその周囲の隙間の周囲には隙間を付与してある．隙間は，後述のスラス

ならびにき裂の三次元画像を示す．画像中で Al2O3 は灰ト型転がり疲れ試験における転動体の移動方向から見て色，周囲の隙間は黒，き裂は黄色にそれぞれ色分けして示Al2O3 の前後の位置に形成されるように，引張加工を利用した．Fig. 2 において介在物周囲には隙間が見られ，試して導入した．隙間を一部に形成させるのは，実鋼材中で験片作製時の意図通りに転がり方向に対して介在物の前後

70

Sanyo Technical Report Vol.30 (2023) No.1

介在物周囲の転がり疲れき裂挙動の三次元観察技術の開発(A)

Ball-moving direction

Gap

(B)

Al2O3

Crack
Unconnected cracks

Unconnected cracks(C)

Ball-moving direction

50 µm

Fig.2 3
 -dimensional CT images around the artificially-introduced spherical Al2O3 accompanied with gaps
fatigue cracks CT
in SUJ2
specimen
after
test. Diameter of the spherical
Al2O3 is aroundµm. RCFaccompaniedFig. 2and3-dimensional
imagesaroundtheRCF
artificially-introduced
Al2O3250
test was interrupted at 1,500 cycles under P max of 4.5 GPa. (A) Observation from the top of the trackand fatigue
cracksin SUJ2 direction,
specimenandafter(C)RCF
test.
Diameterthe Al2O3 is aroundandwith(B) gaps
perpendicular
to theball-moving
fromoutsideof theoftrack

250 µm. RCF test was interrupted at 1,500 cycles under Pmax of 4.5 GPa. (A) Observationfrom the top of the track and (B) perpendicular to the ball-moving direction, and (C) from
られるき裂は，互いに連結していない 2 つの独立したきの位置に形成されていた．また，それ以外の箇所は介在物
outside of the trackと周囲の母相が隙間無く密着していることを確認した．ま裂から構成されていることが分かった．このとき，き裂がた，Fig. 2（A）～（C）より，Al2O3 周囲の隙間の有無に関わ途切れている箇所付近のき裂は周囲に比べて短くなっておらず，ほぼ全周に渡って水平に近い角度のき裂が生じていり，き裂長さが一様ではない様子が見られた．一方，空洞ること，Fig. 2（B），（C）より，き裂は介在物の最大径付の場合は，転がり疲れに伴う引張の主応力は空洞周囲の全近から発生していることが観察された．

周に渡って均等に作用すると推定されている 7）．この推定

筆者ら 1） は，空洞を転がり接触応力を受ける軌道直下

された挙動と対応するように，空洞周囲のき裂面の直接観に配置した場合の CAE 応力解析を行っている．空洞の最察例（Fig. 31））において，P max が 3.95 GPa の条件下で大径周囲には高い引張主応力（モードⅠ型の応力）が作用

50,000 サイクルの途中止めのスラスト型転がり疲れ試験すると推定され，その応力作用面の向き（軌道面に対してを行ったのちの転がり疲れ初期のき裂は，空洞周囲に概ね浅い角度を持つ）と，転がり疲れの極早期に見られる空洞

均等な長さで形成されていることが見出せている．

周囲のき裂角度の特徴が一致することから，き裂の発生に以上に示した三次元観察による情報を考慮すると，空洞

対して引張応力が関わると指摘している．また，Al2O3 にならびに隙間を伴う Al2O3 から生じるき裂の挙動は総じて類ついて周囲母相と密着している場合は，CAE 応力解析と実験による検証から，転がり方向に対して 45°
方向（水平

1

似性がありつつも，細部に違いがあると考えられる．空洞とのき裂挙動の違いについては，後述事例でさらに疲労サイク

せん断応力ではなく，最大せん断応力の作用方向）にき裂

ルが進行した段階での観察による知見を加えて考察を行う．

が生成しやすいと報告している 2）．本実験における周囲の続いて，Fig. 2 の三次元画像で見られた特徴を二次元

一部に隙間を伴う Al2O3 周囲の転がり疲れき裂挙動には，断面観察により確認した．Fig. 4 は，Fig. 2 の観察試料

空洞の場合と共通する特徴が見られる．これは Al2O3 周囲について，軌道に平行な方向の垂直断面における Al2O3 中の隙間が空洞と同様の欠陥として作用することで，空洞と心付近を研磨・腐食して，き裂を直接観察した結果である．

類似した機構で周囲のき裂が生成することを示唆する．ま三次元観察から推定された通り，Al2O3 の最大断面付近のた，三次元画像を詳細に見ると Al2O3 周囲のほぼ全周に見

周囲母相から概ね水平方向にき裂が発生している．なお，

71

Sanyo Technical Report Vol.30 (2023) No.1

介在物周囲の転がり疲れき裂挙動の三次元観察技術の開発

直接観察で見られたき裂の長さは，三次元画像から予想さのような三次元観察の分解能による制約はあるものの，非れるものよりも長くなっていた．これは，観察されたき裂

破壊で微小領域内に存在するき裂の全体像を掴む方法とし先端の開口幅が小さくなっていたことから，本測定条件にて本手法は非常に優れている．

おける放射光 X 線 CT の空間分解能（0.65 μm）を下回り，
4.2.き 裂発生段階以降（50,000サイクル時点）における一部が捉え難くなったものとみられる．このことは，き裂

Al2O3周囲の三次元き裂挙動の開口幅が空間分解能より小さい場合や，き裂が発生した
のちに何らかの理由で閉口気味になるような場合は，き裂

上述の 1,500 サイクル時点（き裂発生段階付近）に対を三次元的に観察することは難しいことを示している．こし，き裂が伝ぱする段階でのき裂挙動を知るために，隙間

VoidBall-moving direction
Surface of specimen

Fatigue crack

Al2O3
Crack

Forced-fractured surface
Crack

10μm
Gap

Fig. 350 µm

Fig.3 Scanning electron micrograph of the surface of the nearlyScanning electron
micrographof thesurfaceof thethenearly-horizontal
fatiguethehorizontal
fatiguecrackaroundvoid at 80 µm
in crack aroundFig.4
Digital microscopic image around the artificially-introduced
Fig.
4
Digitalimage
around the artificially-introduced
Al2O
3 in a cross-section 60 µm
void at 80 µmdepth
in depth
fromthethesurface
surface of
after
RCF
test-interrupted
specimen at 50,000 microscopic
fromoftrack
track
after
RCF
test-interrupted
Al2O3 in across-section
60 µm away from
thecenter of
1)
away fromAlthe
centerof Al2O3 perpendicular
to the track.
Diameterofthe
the Al1)
specimenat50,000cycles
under
P
of
3.95
GPa.
O
perpendiculartothetrack.
Diameterof
Al22OO33isisaround 250
max
2 3
cycles under Pmax of 3.95 GPa. Specimen was forced-fractured
after RCF test for thisµm. RCF aroundtest was interrupted
1,500test
cyclesunder
Pmax of 4.5 GPa.
Specimen was forced-fractured after RCF test for this250 µm.atRCF
wasinterrupted
at 1,500 cycles
observation. Overrolling direction is left to right.
observation. Overrolling direction is left to right.
under P max of 4.5 GPa.

Ball-moving direction

Ball-moving direction

(A)

(B)

Al2O3

(C)

Ball-moving direction
45° tilted crack

2

3

50 µm
Fig.5 3-dimensional CT images around the artificially-introduced spherical Al2O3 accompanied with gaps
fatigue cracks in SUJ2 specimen after RCF test. Diameter of the Al2O3 is around 150 µm. RCF
Fig. 5 and3-dimensional
CT images around the artificially-introduced spherical Al2O3 accompanied
test was interrupted at 50,000 cycles under P max of 4.5 GPa. (A) Observation from the top of the
with
gaps
in SUJ2
RCF
Diameter of the Al2O3 is around
track
and
(B)andfromfatigue
inside cracksof the track,andspecimen(C) from after
outsideof test.
the track

150 µm. RCF test was interrupted at 50,000 cycles under Pmax of 4.5 GPa. (A) Observationfrom the top of the track and (B) from inside of the track, and (C) from outside of the track
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Sanyo Technical Report Vol.30 (2023) No.1

介在物周囲の転がり疲れき裂挙動の三次元観察技術の開発を伴う直径 150 μm 級の Al2O3 に対して 50,000 サイクと同様の応力作用によって生成したものと推定している．

ルの転がり疲れ試験を実施したのち，同様の要領で観察用

以上の通り，転がり方向からみて Al2O3 の前後に隙間試料を作製して放射光 X 線 CT による三次元観察を行った．

を伴う場合，転がり疲れき裂は Al2O3 全周に渡って連続し上述のように，1,500 サイクルの時点で既にき裂の発生

たき裂として生じるのではなく，互いに連結していない 2が見られたため，50,000 サイクル時点のき裂は伝ぱ段階

つのき裂として生じる傾向があった．また，転がり疲れのにあると推定される．Fig. 5 に Al2O3 周囲のき裂の三次元進行に伴い，Al2O3 周囲と母相との界面状態の違いに応じ画像を示す．画像の色分けは Fig. 2 と同様にして行った．

て，き裂挙動（き裂の角度）が変化することが示唆された．

Fig. 5 より，介在物周囲の隙間は，Fig. 2 の場合と同様観察事例に基づくと，Al2O3 周囲に隙間がある箇所ではきの位置に観察される．一方，Fig. 2（1,500 サイクル時

裂は水平に近い角度で進展しており，これは空洞の場合と点で途中止め）との違いとして，Fig. 5（50,000 サイク

共通する特徴であった．一方で，Al2O3 が周囲母相と密着ル時点で途中止め）では Al2O3 周辺に隙間が有る部分の水した箇所では，45°方向のき裂が生じて進展していた．ま平き裂がより長く伝ぱしているように見受けられた．これ

た，限定的な観察例ではあるものの，それらの異なる角度

は，両試料で Al2O3 径が異なるため，Al2O3 の大きさに対を有するき裂は三次元的に見れば連続したき裂となっていするき裂の相対的な長さを両試料で比較した場合の特徴でることが見出された．

ある．一方，試料作製段階で Al2O3 と周囲母相が隙間なく
4.3.三 次元観察に基づく隙間を伴う介在物周囲のき裂挙

密着している箇所（転がり方向からみて Al2O3 の左右の箇

動の推定所）においては，Fig. 5 の三次元画像で水平き裂は観察されなかった．代わりに，Fig. 5（C）に 2 つの矢印で示すよ

本報の三次元観察結果から，一部に隙間を伴う Al2O3 周

うに，その密着部近くの概ね水平のき裂とつながるように，

囲の転がり疲れき裂は，転がり疲れ初期における空洞の場

転がり方向に対しておよそ 45°
方向にき裂が生じている様

合に類似したき裂挙動を経て，空洞周囲に生じるき裂（はく子が認められた．なお，この事例でも前例と同じく Al2O3

離をもたらしうる有害な水平き裂）の特徴と，密着介在物

周囲のき裂は，互いに連続していない 2 つのき裂から成周囲に生じるき裂（停留に至りやすく有害性の低い 45°
き裂）る様子が確認された．Fig. 6 には，Al2O3 と周囲母相が密の特徴を併せ持った状態になる場合があることが分かった．

着した箇所付近におけるき裂の角度を確認するための二次寿命に対して有害なき裂と，有害性の低いき裂の特徴が共元断面観察の結果を示す．観察の対象は Fig. 5（C）に黒矢存すると，寿命に対する有害性が軽減されて寿命が長くな印で示したき裂である．その結果，Fig. 6 に示した通りにる可能性があると考えられる．これが上述したように介在

概ね 45°方向のき裂の生成が確認され，また，そのき裂と物を起点とする寿命が経験的に得られる下限寿命値に対し連なるように水平のき裂が観察されており，三次元画像がて長寿命側にばらつく理由の一つとして推定される．なお，

示す通りのき裂挙動が見られた．45°方向のき裂は，上述

鋼材中の介在物が周囲と隙間無く密着している場合には，のように密着した介在物周囲において最大せん断応力の作既に報告しているように，寿命に対する有害性は特に低く用で生じやすいことが既に明らかとなっており，その場合

なり 2），はく離しない場合が起こり得るようになる．
本報で紹介した放射光 X 線 CT を用いた三次元観察方法の開発により，二次元観察のみでは把握が難しいき裂の全体像が掴めたことで，隙間を伴った介在物周囲のき裂挙動に関する固有の特徴をさらに詳細に明らかにすることがSurface of specimen

できた．なお，この観察方法は，分解能の問題から開口幅の小さなき裂が明瞭に見えない場合がある点には注意を要

45° tilted crack

し，二次元観察と組合せた調査を行うことによって不足す

45°

る情報を補うことができる．開発した方法を活用しながら，介在物周囲の隙間の状況と介在物のき裂挙動との関係を三次元的に捉える取り組みを行い，疲労の原理をさらに追及することで，軸受の長寿命化やはく離抑制のニーズに対し25 µmて費用対効果を踏まえた介在物周囲の隙間軽減方法の提案
や，それを活用した商品開発につながることが期待される．

Fig.6 Digital microscopic image of the fatigue cracks initiatedfrom theimage
artifiof
ciallyembedded
Al2O3 infrom
a cross-section
Fig. 6 Digital microscopic
the fatigue
cracks initiatedthe artificially embedded Al2O3
110 µm away from the center of Al2O3 perpendicular to
5.結言
in a cross-section 110 µm away from the center of Al2O3 perpendicular to the track. 45° tiltedthe track. 45° tilted-crack in this figure is indicated in Fig.
crack in this figure is indicated in Fig. 5(C) by black arrow. Ball-moving direction on the5(C) by black arrow. Ball-moving direction on the surface
surface is left
to right.
is left
to right.
従来，軸受の介在物起点転がり疲れ現象は，疲労過程

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介在物周囲の転がり疲れき裂挙動の三次元観察技術の開発の直接観察が困難なために詳細な機構解明が阻まれてき7）	‌藤松威史：ふぇらむ 20, 5（2015）, 195-201.

た．当社はそれをブレークスルーする技術として人工介在物埋設手法を保有し，それを活用した疲労試験と二次元観
察を通じて現象解明に迫る知見を見出してきた．さらに，その方法と組み合わせて実現した本報紹介の放射光 X 線
CT を活用した三次元観察技術により，寿命に対して有害性が高いとみている周囲に隙間を伴った介在物に特有のき
裂挙動の特徴をさらに明確にすることができた．
得られた主要な知見として，周囲の一部に隙間を伴う
介在物からは転がり疲れに伴って寿命に対して有害性の高い水平方向のき裂と，有害性が比較的低いとみられる
45°方向のき裂が生じ，それらのき裂が連結して共存している場合があることを見出した．このような複合的なき裂
挙動は，実際の鋼中の介在物周囲においても生じる可能性があり，これを通じて介在物起点の寿命が長くなる場合があることが推定された．なお，介在物の形態として鋼中には粒状介在物以外に，粒子が分散した形状も存在しており，
そのような介在物，および周囲の転がり疲れき裂の状態を捉える方法としても本報の三次元観察技術は利用できる．
鋼の高清浄度化のみに頼らない効果的な軸受の長寿命化方策として想定する介在物周囲の隙間状態の制御に関し，効果的で実現性の高い方策を見出していくために今後も本手法を活用していく予定である．

謝辞
本報で示した放射光を利用した CT 観察の結果は，大型放射光施設 SPring-8 の兵庫県 ID ビームライン BL24XU（課題番号 2022A3254, 2022B3254）の利用成果であり，観察を実施して頂いた公益財団法人ひょうご科学技術協会放射光研究センターの漆原良昌氏に謹んで感謝を申し
上げます．

参考文献
1）	‌藤松威史，平岡和彦，山本厚之：鉄と鋼, 94,1（2008）,
13-20.
2）	‌藤松威史：山陽特殊製鋼技報 , 25, 1（2018）, 31-37.
3）	‌T. Fujimatsu: Bearing Steel Technologies: 12th
Volume, Progress in Bearing Steel Metallurgical
Testing and Quality Assurance, ed. J. Beswick（WestConshohocken, PA）: ASTM International,（2020）,
103-130.
4）	‌橋本和弥，藤松威史，常陰典正，平岡和彦，木田勝之：CAMP-ISIJ, 22（2009）, 1297.
5）	‌藤松威史，中溝利尚，中﨑盛彦，常陰典正：山陽特殊製
鋼技報 , 23, 1（2016）, 47-61.
6）	‌常陰典正，平岡和彦：第 2 回シンポジウム講演予稿集（2012）, 119-120.

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