http://support.spring8.or.jp/Report_JSR/PDF_JSR_2019B/2019B1693.pdf

2019B1693

BL46XU

放射光 X 線ラミノグラフィによる形態制御介在物分散材における転動疲労はく離起点介在物の評価
Characterization of Origin Inclusion of Rolling Contact Fatigue Flaking in
the Material with Dispersive Shape-controlled Inclusions by SR X-ray
Laminography
牧野 泰三 a, 根石 豊 a, 中井 善一 b, 塩澤 大輝 b, 菊池 将一 c
Taizo Makinoa, Yutaka Neishia, Yoshikazu Nakaib, Daiki Shiozawab and Shoichi Kikuchica 日本製鉄(株)a

技術開発本部鉄鋼研究所, b 神戸大学大学院工学研究科, c 静岡大学工学部
Nippon Steel Corporation, bKobe University, cShizuoka University.

表面下内部の介在物から発生・進展する転動疲労のメカニズムを解明するために，ラミノグラフ
ィと小型転動疲労試験機を組み合わせた観察手法を用いて，転動き裂の発生およびはく離形成挙動の観察を行っている．これまでに，転動面に対して垂直な方向に配向する円柱形状の介在物（S方向材）や転動面に水平に配向する介在物を有する材料（T 方向材/L 方向材）について，き裂の発生および進展挙動を観察した．本研究では介在物の投影形状による応力集中を緩和する，球状化処理を施した介在物について，き裂の発生および進展挙動に関する調査を行った．本課題実験
では球状化形態制御を行った材料について，S 方向および T 方向に配向した介在物から発生したき裂がはく離を形成するまでの過程の観察を行ったところ，球状化熱処理を施した材料においても転動表面から発生したき裂からフレーキングが発生することが分かった．
キーワード：

転 動 疲 労 （ Rolling Fatigue ） , ラ ミ ノ グ ラ フ ィ （ Laminography ） , 高 強 度 鋼（High-strength Steels）

背景と研究目的：
転動疲労は表面下内部の介在物からき裂が発生・進展するため，き裂進展挙動を観察することが困難である．さらに損傷部ははく離することから，破面観察から得られる情報も限定される．これらのことから，転動疲労の強度向上に必要な介在物寸法や基地組織の高強度化などの，転動疲労メカニズ
ムにおける影響を直接的な観察に基づいて検討したものはほとんどない．本研究では SPring-8 の放射光を用いたイメージングによって転動疲労下における内部介在物からのき裂発生・進展挙動を観察し，転動疲労のメカニズムを解明することを目的とする．本研究では，CT イメージングが適用できない平板状の試料に対しても内部観察が可能な放射光ラミノグラフィ（Synchrotron radiation computedlaminography: SRCL）をき裂の観察手法として適用した[1][2]．これまでに転動面に垂直に配向する円柱状の介在物（S 方向介在物）および，転動面に平行に配向する円柱状の介在物（T 方向：転動方向に垂直に配向，L 方向：転動方向に平行に配向）が存在する場合に対して，介在物の配向形態が転動疲労に与える影響について調査を行っている．観察の結果，転動面付近の介在物を起点として，転動面から深さ方向に進展するき裂（垂直き裂）が発生した後，転動面に平行なせん断型き裂が発生することが明らかとなった[3]-[7]．さらに配向形態に応じて垂直き裂の発生および進展速度が異なることが明らかとなりつつある[8]-[9]．この原因として，はく離形成過程は転動方向への介在物の投影形状と応力状態によって決まる可能性が考えられた．そこで投影形状による応力集中を緩和する球状化処理を施した介在物について，き裂発生および進展挙動の観察を行い，高強度化を達成する介在物制御指針を得ることを目的としている．2018A～2018B 期には球状化処理を行った試験片（球状化介在物材）において，作成した材料の介在物の配向形態を調べた．さらに S 方向に配向した球状化介在物材試験片に対して転動疲労試験を行い，フレーキング部および表面き裂が観察された箇所についてそのき裂の内部分布をラミノグラフィ観察により調べている[10]．2019B 期の本課題実験では，2019A 期から開始している T 方向材のき裂の発生および進展挙動についてラミノグラフィ観察を行った．その結果について報告する．

表 1 供試鋼の代表的な化学成分 (mass%)

実験：CSiMnPSCr

Fe（１）転動疲労試験機および試験片
1.00
0.35
0.47
0.006
0.049
1.50
Bal.
介在物から発生するき裂を観察するために，転動疲労起点となる主たる介在物が MnS となるように調整した．軸受鋼 SUJ2 鋼をベースとして，多量の S量（0.049 mass%）を含有する鋼（表 1）を，真空溶解炉を用いて 150 kg インゴットとして溶製した．溶製したインゴットは，熱間鍛伸により直径 70 mm の棒鋼に加工し，更に球状化焼鈍処理を施した後，試験片における転動疲労評
価面が，棒鋼の長手方向に対して平行な面（縦断面）となるように板材を粗加工によって切り出した．その後，加熱温度 830 ℃，均熱時間 40 min の焼入れ処理と，加熱温度 180℃，均熱時間 120 min の焼戻し処理を行った．試
験片は厚さ 1 mm，幅 10 mm，長さ 24
図 1 延伸介在物と球状化介在物の配向形態の違い
mm の平板形状である．
（x: T 方向，z:S 方向に対応）
S 方向に配向した円柱状介在物（延伸介在物）および本課題実験で用いた
球状化介在物のラミノグラフィ撮影結果を図 1 に示す．図 1(b) に示したように，球状化処理を施した場合では図1(a) の延伸介在物と比較して，介在物の長さが短い介在物が多いが，介在物が鍛伸方向に連接しているものも見られた．配向形態としては，図 1 に示したように，熱間鍛伸により介在物が転動面に対して垂直方向(z 軸)に分布する（S 方向配向）ように切り出してい図 2 ラミノグラフィ測定装置の外観
る．また T 方向配向では，介在物が転動面に水平（x 軸）に配向するように切り出して，転動方向に対して介在物の配向が垂直になるように試験機に取り付けた．
転動疲労試験は，実験者らが開発した小型転動疲労試験機で行った．本疲労試験機では，森式転動疲労試験機では一方向のみにボールが摺動するのに対して，本疲労試験機ではラミノグラフィの観察部位上をボールが往復する様式である．直径 6.0 mm のセラミック球を用いており，ボールの摺動距
離は 3 mm である．SPring-8 においてラミノグラフィによる測定と表面のレプリカ法による観察，疲労試験を繰り返しながらフレーキング形成過程の連続観察を行った．最大ヘルツ圧 Pmax は 5.39 GPaとした．
（２）ラミノグラフィ観察条件
BL46XU ビームラインにおいて放射光ラミノグラフィの測定を行った．撮影では Si モノクロメータにより単色化した X 線を用いた．測定装置の外観を図 2 に示す．検出器にはビームモニタ BM(x10)と CCD カメラ(C4880-41S) の組み合わせを用いた．検出器は 4 つのピクセルで 1 つの検出要素を構成する 2×2 ビニングモードがあり，この時の有効ピクセルサイズは 0.60 μm であり，4×4 ビニングモードは 1.20 μm となる．ラミノグラフィの回転軸の傾斜角をφ=30 °とした．X 線エネルギを 37 keVとし，0 °から 360 °まで 0.5 °刻みで回転させながら透過像を得た．サンプル-カメラ間距離 L は300 mm とし，露光時間は 2×2 ビニングモードでは 0.6 秒，4×4 ビニングモードでは 4 秒とした．

結果および考察
SPring-8 でのビームタイムでの実験前にあらかじめ転動疲労試験を行い，表面観察によって転動面上のき裂の発生を確認した段階で疲労試験を中断した．観察したき裂の SEM 画像を図 3 に示す．このき裂について，転動疲労試験とラミノグラフィ撮影を繰返しながら進展挙動の 3 次元観察を行った．
繰返し数 N = 4.02107 cycles から 4.13107 cycles までのラミノグラフィ撮影によるき裂進展挙動観察
結果を図 4 および 5 にそれぞれ示す．図 4(a)~(c)は，撮影時期ごとにき裂の色を分けて表示しており，き裂の進展部が分かるようにしている．図 5 では，図 4(c)で示したき裂に対して深さごとに色を分けて表示している．図 4(b)中の矢印で示した位置において深さ方向にき裂が進展していることが確認された．一方でそれ以外の場所では負荷の繰返しに対してき裂の進展がほとんど見られなかった．また
図 5 より，
矢印 A で示した場所では内部でき裂が進展していること，および矢印 B で示した場所では，内部で転動面に対して斜め方向にき裂が進展していることが分かった．このラミノグラフィで観察したき裂を起点として Nf = 4.78107 cycles でフレーキングが生じた．このように球状化介在物においても転動面の表面付近に存在する介在物およびこの介在物から発生したき裂の深さ方向へのき裂進展が生じた後にフレーキングが発生することが分かった．球状化処理によりき裂の発生および進展速度に違いが生じている可能性があることが分かった．

図 3 T 方向材における表面き裂の SEM 画像（N=4.02107 cycles）

図 4 T 方向材における転動き裂の内部進展挙動の観察結果

図 5 はく離の起点となった転動疲労き裂の内部分布形状

今後の課題：
介在物形状の制御による軸受鋼の高強度化への指針を得るために，球状化処理の効果とそのメカニズムに関する検討を行った．本課題実験では，S 方向に介在物を配向した材料に続き，T 方向に配向した場合の転動き裂の進展挙動を把握することができた．球状化処理前のき裂進展挙動と比較することにより，球状化による長寿命化の効果および介在物の配向形態が転動疲労寿命に及ぼす影響の定量的評価を行う予定である．
参考文献：[1] 佐野雄二 他，2011B 期 重点産業利用課題報告書(2012)，2011B1861.
[2] 釣谷浩之 他，マイクロエレクトロニクスシンポジウム論文集(2012), pp.207-210.
[3] 牧野泰三 他，2013A 期 重点産業利用課題報告書(2013)，2013A1786.
[4] 小濵友也 他，日本機械学会 M&M 材料力学カンファレンス(2014), OS2121.
[5] T. Makino et.al. International Journal of Fatigue, vol. 68 (2014), pp. 168-177.
[6] 牧野泰三 他，2014A 期 産業利用課題報告書(2015)，2014A1562.
[7] 齋藤仁史 他，M&M2016 材料力学カンファレンス（2016），pp. 771-772.
[8] 牧野泰三 他，2016B 期 産業利用課題報告書(2017)，2016B1589.
[9] 仁科 多可志 他，M&M2017 材料力学カンファレンス（2017），pp. 516-518.
[10] 倉橋将紀 他，日本材料学会第 68 期学術講演会講演論文集，(2019), pp.75-76.