リマニュファクチャリングのための浸炭部品の損傷評価手法
金澤智尚
吉本光宏
ヴィニャス・ダンベルトラン・ダニーロ
1)
3)
2)
2)
田原佑規
畑 典仁
菅原道雄
早川正夫1)
3)
4)

.

評価手法開発の背景

環境に配慮した循環型社会への貢献は，産業界においても喫緊の課題として多種多様な取り組みが行われている．

.

評価手法開発のコンセプト

先行文献では，要素試験後の機械的性質や組織変化を評価するものであり，負荷履歴が不明である稼働機械から回収しその様な中で，リユースに分類されるリマニュファクチャた部品の損傷評価に直接適用することは困難である．例えリング(再生)は，サブパーツの再利用によって省資源効果にば，要素試験片に対しては，X 線回折法(XRD 法)が先行し優れると同時に，他の資源循環手段と比較しても高い経済性ており， XRD 法と渦流探傷測定の非破壊検査を主として，を有することから，経済と環境の両立を可能とする手段とし疲労損傷が増加するにしたがい，残留オーステナイト相て，世界的な注目を集めている(1)．

( gR )が減少した例や，電圧との相関性を示した事例があ近年において再生産業は，航空機，自動車部品，建設・鉱る．また，負荷回数と残留応力( sx )の相関関係から余寿命山機械の順に市場が拡大傾向にある．中でも，建設・鉱山機の予測式を提案されている．他には， X 線回折ピークの半械の分野では，車体が長時間稼働となることからも，定期メ価幅が減少する傾向を見出されている(2)(5)．

ンテナンスが重要となり休車時間やコスト低減が顧客の関心

そこで本評価手法では，図の通り，ローラピッチング試事となっている．その上で，現地調達が容易で新品よりも安

験片および稼働中の機体より回収した歯車を破壊・非破壊手

価な再生品は，部品交換で済むことから短時間の休車となる法にて相対比較しながら，評価を行った．試験条件は表のために需要が高い．しかしながら，再生品の中でも原動機や通りであり，表層・断面組織の観察をマイクロスコープと走減速機などに多用される浸炭部品の歯車やベアリングは，目査型電子顕微鏡( SEM )にて行い，非破壊検査手法として，視判定や寸法測定のみでの再利用判定に留まり，外観で無損XRD (cosa 法)を用いた．本手法では，損傷プロセスを機械傷の状態でも，リスクの回避を優先し，再利用化が進んでい的性質・組織的変化と関連付けることによって，市場回収さない．

れた浸炭部品の再利用判定に科学的根拠を示すものである．

株 と物質・材料研究機構(NIMS)は，そのため，日立建機

要素試験と市場回収済みの歯車から採取した試験片に対し，機械的・組織的な変化を破壊・非破壊の両面から捉えることで，浸炭部品の定量的な損傷評価手法を開発した．

日立建機株式会社1)主任，技師，2)一般，3)部長代理，4)事業部長
国立研究開発法人物質・材料研究機構グループリーダー
Damage Evaluation of Carburizing Gear for Remanufacturing;
Tomohisa Kanazawa, Mitsuhiro Yoshimoto, Dan Vinas,Danilo Beltran, Yuuki Tahara, Norihito Hata, MichioSugawara and Masao Hayakawa(Hitachi Construction
Machinery Co. Ltd. National Institute for MaterialsScience)
2021年10月28日受理[doi:10.2320/materia.61.106]



図1

ローラピッチング試験と各試験片形状．

表1

ローラピッチング試験条件．

新技術・新製品

mm2，面積率( gR の粒子面積の総和÷視野面積)は 25であ.

損傷評価手法の提言

表層・断面組織の評価

ったが，稼働後の歯車では平均面積 0.56 mm2 ，面積率 14 と減少した．ピッチング損傷材では，平均面積0.59 mm2，面積率 5であり，負荷に伴い gR の個数，粒子面積，面積率

ローラピッチング試験前後の表層状態を図に示す．試験が減少した．gR の面積率の関しては，XRD による非破壊検前(a)と同様に面圧2.0 GPa(6.4×104 サイクル， 1.3×106 サ査でもほぼ同様の傾向が得られており，損傷プロセスを反映イクル)の(b)と(c)には，明瞭なクラックは認められなかっしていると考えられる．

た．面圧 3.7 GPa ( 2.6 × 105 サイクル)の( d )では，摺動面に明瞭なクラックが認められ，(e)ではピッチング損傷が顕在

損傷評価手法化した．稼働前の歯車(f)は，試験前材(a)と同様の形態を呈

XRD 法により得られる sx 比と gR 比の関係から歯車の損しており，稼動後の歯車表層(g)には擦れた痕跡があるもの

傷評価の検討を試みる．図の通り，無損傷の領域 A では，の明瞭なクラックやピッチングは認められなかった．したがgR 比の減少に伴って sx 比が増加する傾向があり，本領域って，表層形態のみでは，微視的な損傷挙動の変化を捉えら

では，表層面の観察結果［図 2(b),(c),(g)］からも，マイクれないと言える．

ロクラックは形成されていない．したがって，従来であれば次に，表層断面の SEM 像を図に示す．試験前材( a )で目視判定や寸法測定のみで再利用可能と判定している歯車には，マルテンサイト相の中に単一なコントラストを有する対し， gR 比と sx 比の数値からも，より信頼性の高い評価

gR (白矢印)が認められる．稼働後の歯車(b )は，微細な gRが可能となる．

は見られるものの，幅 2 mm を超える粗大な gR が消失して一方で，損傷を伴う領域 B では，図 2(d)の様なピッチンいる．ピッチング損傷材の表層断面( c )では，微細な gR がグ部以外の摺動面においても， gR 比と sx 比が全面に渡っ消失した．て著しく減少しており，摺動疲労に伴う微視的な変化も捉え

図は gR の粒子面積のヒストグラムであり，図 3 の組織
観 察 を 反 映 し て い る ． 試 験 前 材 で は gR の 平 均 面 積 0.74られていると想定される．よって，目視判定などの簡易評価
では判定が困難な歯車でも， gR 比と sx 比の数値により再利用不可能との判定が，高い精度で可能となる．

図2

図3

ローラピッチング試験片と歯車の表層面の経時変化．

浸炭処理の断面組織の SEM 像焼き戻しマルテンサイ
ト相と残留オーステナイト相(白矢印)．

ま て り あ 第61巻 第 2 号(2022)
Materia Japan

図4

残留オーステナイト相サイズの変化を示すヒストグラム．

図5

損傷評価における残留応力比と残留オーステナイト比の関係．

すなわち，損傷評価の信頼性向上には，目視評価および寸法測定以外に，本手法での評価結果ならびに組織形態を系統的にまとめたデータベース化(DB)が必要となる．しかし実用上は，再利用判定時に破壊検査が出来ないことから， DBの情報に基づき，浸炭部品表層部に対して， gR 比と sx 比の低下域を再利用可否の評価基準とすることが求められる．
以上により，従来手法よりも機械的・組織的な観点を考慮した形で，信頼性の高い損傷評価が，浸炭部品に対して実現可能と期待される．

.

実用化と今後について

図7

鉱山機械 1 台の LC 当たりの歯車部品の CO2 排出量．

本技術は，特開2021103088の通り知財として出願公開されており，日本金属学会誌にも本技術の一部内容が，技術論.

今 後 の 展 開文として掲載されている(6)(7) ．加えて， 2021 年 5 月には，
株 と NIMS の 共同 プレ スリリ ース とし て公 表さ
日 立建 機

リマニュファクチャリングは，新しい産業であることも影れ，日本経済新聞社や日刊工業新聞社などの主要メディアに響し，研究開発事例の報告件数は，他産業と比較し少ない．て掲載されている(8)(9)．

しかしながら，今後の循環型社会の形成において，重要産業

株 において 2021 年度 5 月より日本
実用面では，日立建機の一つとされている(11) ．したがって，研究開発がより活発

国内の拠点にて本手法の導入を開始しており，図の通り，になると予想される中で，本事例の再利用判定技術は，先駆AI 技術も活用した機能向上の検証も進めている．

的な開発事例となり，歯車の他にベアリングなどの部品にもこれまでの実績では，本手法の導入以前で100スクラッ展開が可能と考えられる．他にも，溶接部位の余寿命診断なプとしていた歯車が，導入後はスクラップ率 70 と改善さどにも応用の可能性があり用途は広く，具体的な産業への展れ，約 3 割の歯車が再利用可能となっている．再利用可能

開に関しては，航空・宇宙分野のエンジン，プラントの高圧な部品の増加に伴い，環境面においても貢献している．

配管，自動車のトランスミッションなどへの技術転用も期待

株 の主要拠点で活用され始める
今後，本手法が日立建機

される．と，国内拠点での上述したスクラップ率の実績から鉄のスクラップ量は，約30(ton/年)低減されると試算している．また，

文献LifeCycle Assessment 手法に基づいた鉱山機械一台のライフサイクル( LC )当たりの歯車部品の二酸化炭素の排出量は，図の通り約14(tonCO2/LC)と試算されており，本手法の展開によって，カーボンニュートラルの実現にも大きく寄与することが期待される(10)．

図6



再利用判定のプロセス．

( 1 ) 松本光崇，土屋哲男，板垣宏知エレクトロニクス実装学会誌，24(2021), 17.
( 2 ) 野村 剛，大平隆昌，三田村宣晶，名取理嗣，植田 徹，上光一郎，馬上英信国際特許 WO 2011/074654, ( 2011), 1 35.
( 3 ) T. Kanazawa, M. Hayakawa, D. Beltran, M. Yoshimoto, K.
Saito, Y. Maruyama, M. Uchiyama and T. Sasaki: Mater.
Trans, 62(2021), 135138.
( 4 ) 嘉村直哉，藤田 工，佐々木敏彦材料，67(2018), 694699.
( 5 ) 吉崎正敏，川原正明日本機械学会誌，85(2019), 116.
( 6 ) 金澤智尚，吉本光宏，畑 典仁，早川正夫，目黒 奨，廣戸孝信，松下能孝特開2021
103088, (2021), 119.
( 7 ) 金澤智尚，早川正夫，田原佑規，畑 典仁，吉本光宏，目黒奨，廣戸孝信，松下能孝，菅原道雄日本金属学会誌， 85(2021), 198206.
( 8 ) https: / / www.hitachicm.com / global / jp / news-list _ jp /21-05-20j/，(2021.09.24参照)( 9 ) https: / / www.nikkei.com / article / DGXLRSP610704 _Q1A520C2000000/，(2021.09.24参照)(10) 金澤智尚，松本光崇，吉本光宏，菅原道雄，吉村彰大，松野泰也日本 LCA 学会誌，17(2021), 124135.
(11) 梅 田 靖  サ ー キ ュ ラ ー エ コ ノ ミ ー ， 勁 草 書 房 ， 初 版(2021), 5
8, 26.

新技術・新製品