技術論文

Crack Behavior around a Nonmetallic Inclusion under Hydrogen Precharged Rolling Contact Fatigue
和田

恭学*1

石橋

いずみ*2 眞鍋

亮太*2

藤松

威史*3

WADA Yoshitaka, ISHIBASHI Izumi, MANABE Ryota and FUJIMATSU Takeshi

Synopsis:	‌Wind power generation is a technology that contributes to the reduction of greenhouse gas emissions andthat is expanding on a global scale. Recent reports have indicated that premature failure accompanied bywhite etching microstructural changes occurs in bearings used in the gearboxes of wind power turbines, thus
necessitating a deep understanding of fatigue behavior and the implementation of countermeasures based on
this understanding. This type of flaking is considered to be related to hydrogen behavior in steel that results in aunique rolling contact fatigue (RCF) process. As fatigue progresses, a needle-like microscopic fatigue structure,
confirmed by nital etching, is likely to appear in the highly stressed region of the matrix of quenched andtempered high-carbon chromium bearing steels. Flaking is thought to occur via the formation of micro-cracks,
the connection of those cracks, and white microstructural changes around the cracks. However, the fatigue
behavior around nonmetallic inclusions in the presence of hydrogen has not yet been elucidated. We conducteda unique experiment to clarify the role of nonmetallic inclusions. An RCF test was conducted after hydrogenprecharging using specimens with artificial inclusions. In this experiment, spherical oxide particles of known
chemical compositions and sizes were used to simulate nonmetallic inclusions, making it possible to easily
observe crack behavior around inclusions under RCF. Here, we report new findings on fatigue crack behavioraround inclusions under hydrogen precharged conditions and the relationship between steel cleanliness andbearing lifetime under these conditions.
	‌This is a translation of the accepted version of an article published in Bearing and Transmission Steels
Technology, ed. J. Beswick. Copyright © 2024 ASTM International, West Conshohocken PA, pages 263–291,
DOI 10.1520/STP164920230011.
	‌本報は ASTM STP 1649 Bearing and Transmission Steels Technology（編集者：J. Beswick）の 263 頁から 291 頁について翻訳を行ったものであり、著作権は 2024 ASTM International（West Conshohocken PA）に帰属する。
Keywords: rolling contact fatigue; hydrogen precharging; crack initiation; crack propagation; Nonmetallic inclusion

１．はじめにの一つに、風力発電や電気自動車といったエコプロダクトの利用拡大が挙げられる。この流れに対し、それらの駆動

近年、地球環境保全のためにカーボンニュートラル社会部の機能を下支えする軸受に対する信頼性はいっそう重視の実現が世界的に望まれており、主要各国から具体的な目されるとみられる。例えば風力発電では、設置環境や風況

標の表明が行われている。その実現に向けた取り組みの柱を考慮して、洋上への設置が世界的に大きく拡大すると予

*1
*2
*3

自動車・産機営業部
研究・開発センター
研究・開発センター

自産機CS室
基盤研究室 材料研究グループ
部長 博士(工学)15

Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

水素環境下転がり疲れにおける非金属介在物周囲のき裂挙動

水素環境下転がり疲れにおける非金属介在物周囲のき裂挙動

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究想されている。一方で、その設置場所へのアクセス性や高て、はく離底やはく離部周辺にWEAが不規則な形状で現所作業を伴う大掛かりなメンテナンスの困難さを考慮すれれる。同じ白色組織変化でも、比較的高温かつ高面圧の環ば、長期に渡って装置を安定に稼働させることが強く望ま境下で生じやすく、軌道面に対して30°もしくは80°程れる。

度の規則的な角度を持ったバンド状を呈する白色組織変化

風力発電機の発電の大まかな仕組みは次のように説明さはWhite bandと称され、WEAとは区別をされている。以れる。まず、風車のブレードを自然風によって回転させ

下では、WEAを伴うタイプの疲労はく離に関する知見のる。続いて、その回転を増速機でさらに高めてから発電機

レビューを行う。

に入力する。それにより発電が起こり、電気エネルギーとWEAを伴うタイプのはく離は、自動車の電装補機用軸して取り出すことができる。風車はそのサイズを大きくす

受（オルタネーター）で発生が見られ2)、この原因には軸るほど発電量を増やせるため、大型風車の設置が世界的に受部品内に侵入した「水素」による鋼の脆化が関与すると増加すると予想される。それに伴い、必然的に大きなサイ考えられている。水素は、炭化水素を含んだ潤滑油、グ

ズの風発用軸受が必要になり、外径が数メートルに及ぶ軸

リースの分解や、潤滑油中の水分に由来して発生し、鋼中受が既に登場している。

に侵入すると推定されている3, 4)。

上述した特徴から、風発用軸受は自動車用軸受等に比べMaedaら 5)は、水素チャージによる実験のもと、WEAて、使用中に転がり疲れを受ける体積（危険体積と称す

型はく離の再現に成功している。転がり疲労に伴う組織変る）が非常に大きい。このことは、軸受用鋼を溶製する工化は、ナイタール腐食後の光学顕微鏡観察において黒色に程を通じて不可避的に鋼中に含有され、転がり疲れ寿命に観察される針状組織として現れ、その構造中に微小き裂が悪影響を及ぼす非金属介在物（以下、介在物と略す）に関発生すると推定している。また、針状組織周辺には局所的し、比較的大型のものが危険体積内に含有されやすいことにWEA（Maedaらの論文ではwhite structureと記載）がを意味する。風力発電機に組み込まれた中・大型軸受に含観察されており、はく離は早期に引き起こされている。

まれる介在物を起点にはく離が生じれば、設備の停止に繋

Hiraokaら 6)は、スラスト型転動疲労試験片に対して水がり、そのメンテナンスが必要となる。望まれる風力発電

素チャージをした後に転動疲労試験を行い、軌道直下のせ

機の長期安定稼働を実現するには、転がり疲れ寿命に及ぼん断応力負荷領域の組織変化の進行を経時的に観察していす介在物の有害性やその疲労メカニズムを明らかにし、介る。その結果に基づき、鋼中に侵入した水素の影響により在物の影響を軽減するための研究が不可欠である。

軌道直下の随所に塑性ひずみの局在化が生じることで、

一方、風力発電機内の増速機用軸受において、水素の関

マトリックスに針状を呈するクラック（2-5µm程度）が与が想定される特異な転がり疲れ現象やそれによるはく離生じ、それらがマイクロクラック（およそ10µm以上）に1)の発生が報告されている 。特徴として、転がり疲れによ転じた後、その存在により静水圧縮応力の高まった箇所でる繰り返しのせん断応力の影響を強く受ける深さ領域内

WEAが形成され、はく離に至ると述べている。

（部品内部に存在）においてWEA（White Etching Area

WEAは10 nm程度の超微細フェライト結晶粒で構成さの略記）と称されるミクロ的な組織変化（白色組織変化）れるとの報告がある7)。 WEAの生成は、転がり疲れに伴の発生が認められる。また、それらの組織変化を随所にう塑性ひずみの局在化とその蓄積に起因し、それらが鋼伴った大型き裂が形成されることで、クリーン潤滑環境での強ひずみ加工によって生じる結晶粒微細化と類似したの使用に比べて早期のはく離を引き起こす場合があり、問現象をもたらすためとの見方が提示されている8)。また、題視されている。

Uyamaら 9)は、WEAがはく離部に隣接して形成される様

このような背景から、内部起点はく離を助長するとみられ子から、転がり疲れにおける水素の役割は、塑性変形を局る比較的大型の介在物の影響に注目しつつ、それに対して在化させ、き裂の形成・進展や組織変化を促進することとさらに水素の影響が重畳する転がり疲れ環境下でのき裂挙指摘している。

動を明らかにする必要が生じている。これらを明らかにする

Evans10)らは、風力発電機のギアボックス軸受においてことは、風発軸受市場のニーズの増大に対応した寿命信頼

度々認められるWEAの生成を伴うはく離について、シリ性の高い材料を提供するうえで重要な課題と考えられる。

アルセクショニングによる組織の三次元観察を利用した調査を行っている。それによると、1～10 µmほどの複合酸

２．水素環境下転がり疲れに関する先行研究

化物（MnS＋oxide）および酸化物系の小さな球状介在物
を応力集中源として生じたバタフライ（特徴的な羽状の組水素が作用する転がり疲れ環境下では、表面近傍のミク織変化領域を形成することから称される）や、水素に起ロ的な組織の変化を伴う特徴的な疲労はく離が生じる。こ因して生じた小さなき裂が連結してWEC（White Etchingのタイプのはく離は、部品内部から開始するため内部起

Crack）を形成し、これらがより大きなネットワーク

点型はく離に位置付けられる。ミクロ的な組織変化としを形成してはく離（論文内ではWSF：White Structure

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Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

水素環境下転がり疲れにおける非金属介在物周囲のき裂挙動

11)は、軸受の早期はく離に関連する研そして、事前の水素チャージを行ってから転動疲労試験を究のレビューを行い、各々のはく離の分類を試みている。

実施することで、水素が作用する環境下における大型介在

それによると上述のWSFはさまざまな条件下で発生する

物周囲のき裂挙動の観察を実現している。

VegterとStadler

可能性があるものの、早期はく離が介在物または鋼中に存

４．実験方法在する水素によって引き起こされると推察している。
以上のようにWEAは水素の存在環境下で実験的に再現され、その発生理由についても推定が行われている。ま

本研究で行ったスラスト型転動疲労試験片の作製から試た、WEAと介在物との関連性を示す研究も見られてい験実施までの一連のフローをFig. 1にまとめた。試験片のる。しかしながら、大型軸受の転がり疲れ領域内には比較

母材には、Table 1の化学成分を有するJIS規格の SUJ2の的大きな介在物が含まれうるにも関わらず、水素が作用す

直径65 mmの圧延棒鋼を用いた。以下では、工程毎に内る転がり疲れ環境下での早期はく離が内部介在物起点で生容を説明する。

じることを示す直接的な証拠は得られていない。これを明まず工程1では、球状化焼なましを行ったSUJ2製の棒らかにするには、水素が作用する環境下で介在物を起点と鋼から、外径60 mm、内径20 mmで厚さ8 mmのスラス

するはく離を再現し、転がり疲れに伴う介在物周囲の疲労

ト型転動疲労試験片を作製した。工程2では、試験片内に状態を可視化する必要があると考える。

鋼中に存在しうる比較的大型の介在物を模擬して100～
260 μmの球形Al2O3を人工的な方法12，13）で埋設した。

３．本研究の目的

埋設に先立ち、試験片表面の直径38.5 mmの円周上（スラスト型転動疲労試験の軌道位置に相当）に微小ドリル穴

本研究は、従来ほとんど明らかにされていない鋼中のマを空けた。穴径は250～350 µmで深さは1.2～1.5 mm

クロ介在物（概ね100 µm以上を想定）が水素の作用環境である。ドリル穴内に球形Al2O3を投入後、試験片を低炭下におけるき裂挙動や、はく離寿命に及ぼす影響を明確化

素鋼製の容器内に密閉し、真空脱気してから熱間等方圧プすることと、その結果に基づいて長寿命化方策を見出すこ

レス（Hot Isostatic Pressing：HIP）を実施し、埋設したとを目的としている。目的遂行にあたって、著者らが確立

Al2O3粒子と母材とを密着させた。

済みの介在物人工埋設手法

12,13)

を応用し、水素チャージ

また、近接して空けた一対のドリル穴内にそれぞれ球状Al2O3を埋設し、最終的に表面直下に複数のAl2O3を転が環境下での転動疲労試験方法の確立を行った。
今回確立した試験方法は、転動疲労試験前には通常知るり方向に対して平行な向きで近接配置させたスラスト型

ことが困難な内部欠陥の種類･大きさ･形状･界面状態を把転動疲労試験片も作製した。埋設するAl2O3径を変化させ握した状態での試験を可能にする。加えて、実鋼材中に観たり、複数のAl2O3を埋設したりするのは、それらの違い察され、転がり疲れに悪影響を及ぼすことが判明しているが転がり疲れき裂挙動や、はく離寿命に及ぼす影響を確認する狙いである。工程3では、試験片に対し865 ℃で1 h
保持後に空冷する焼ならしを施した後、球状化焼なましを

1) Preparing flat washer-shaped specimens from a SUJ2 steel bar行った。工程4では、試験片に引張加工を加えて、Al 2O 3
周囲への人工的な隙間の導入を行った 12,13)。これは、工学的な観点から重要視される有害性が高い状態の介在物にFig. 1‌Proceduresof specimen preparation and thrust-type
RCF test.
Table 1

Fig. 2‌
Schematic
diagram of introducing gaps around theAl2O3 particle.

Chemical compositions of SUJ2 steel (mass%)

Grade

C

Si

Mn

P

S

Ni

Cr

Mo

Al

O

SUJ2

1.00

0.26

0.36

0.015

0.006

0.06

1.41

0.02

0.019

0.0005

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Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

介在物－母相間の隙間の影響 13)も本研究では考慮した。

Flakingと称される）に至ると推定されている。

水素環境下転がり疲れにおける非金属介在物周囲のき裂挙動

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

対しての転がり疲れ挙動の調査を可能にする。なお、工程

動体を挟むように配置した。転動体には直径9.525 mm

4により、Fig. 2に模式的に示すように引張方向に対してのSUJ2製鋼球3個を用い、それらを保持器により試験片

垂直な方向のAl2O3－母相界面に隙間が部分的に形成され上で120°の角度で等分配置した。スラスト型転動疲労る。この工程を実施する狙いは、球状Al2O3と母相との間試験における最大ヘルツ接触応力P maxは4.5 GPaとし、に、圧延棒鋼中の酸化物系介在物の周囲に散見されるよVG68 グレードの油浴中に試験片が浸漬される潤滑条件

うな隙間を形成させることにある。この工夫を通じ、隙のもとで、Al2O3埋設位置の直上を転動体が通過するよう間が関与したき裂挙動の観察が可能になる。工程5では、にして試験を行った。試験は、はく離が生じるまで、あるスラスト型転動疲労試験片に必要硬さを付与するため、

いはき裂挙動の詳細を観察する目的のためにはく離が生じ

835 ℃での焼入れと170 ℃での焼戻しを施し、熱処理後ない任意のサイクル数まで行った。なお、試験中は振動計の試験片硬さがロックウェル硬さで62 HRC程度となるによるモニタリングを行い、はく離による振動を検知した

ように調整した。工程6では、50 MHz-UT（Ultrasonic

場合には直ちに試験を停止した。また、き裂挙動の比較の

testing、超音波探傷）を行い、試験片内のAl 2O 3の座標ためにAl2O3を埋設した試験片に対し、水素未チャージで（位置と深さ）を特定した。その座標情報を元に、工程7の試験も同様の要領で実施した。

の研削によりAl2O3の深さを後述のスラスト型転動疲労試

続いて、Al 2 O 3 周囲のき裂挙動の観察方法について示

験における水平せん断応力最大深さ付近に調整した。試す。まずAl2O3埋設箇所直上の軌道面の観察を行った。こ験片の表面は最終的に鏡面仕上げして、平均粗さを0.01

れははく離の外観特徴を確認するためである。断面観察μm以下とした。工程8では、0.3%NH4SCN、3%NaCl

は、軌道面に垂直で、転がり方向に平行な断面で切断し、および96.7%H2Oを混合したチオシアン酸アンモニウム

断面を研磨してAl2O3を現出させた。このとき埋設時に計水溶液に試験片を浸漬し、陰極チャージ法により電流密測しておいたAl2O3径をもとに、Al2O3の最大径付近が現れ

2

度0.2 mA/cm の条件で、8 hの水素チャージを行った。

る断面まで研磨を行った。続いて、その断面を鏡面仕上げ

この条件で水素チャージした試験片に対し、昇温脱離分したのち研磨まま、あるいはナイタール腐食を施してか析（TDA）を実施すると水素含有量は約2.5wt-ppmとなら、Al2O3とその周囲のき裂の直接観察を行った。観察にり、水素の作用が十分に及ぶ量であることを確認していは光学顕微鏡、デジタルマイクロスコープ（株式会社キーる。

エンス製：VHX7000）、およびFE-SEM（株式会社エリオニクス製：ERA-8900FE）を使用した。

以上の工程を経た試験片にて、工程9のスラスト型転動疲労試験を行った。試験は試験片への水素チャージ後、

５．結果および考察

1 h以内に開始した。試験機には森式スラスト型転動疲労
試験機を用いた。試験要領として、作製した円盤状のス

以下の構成に従って、結果とそれに基づく考察を以降でラスト型転動疲労試験片を下板とし、型番51305の単式示す。

スラスト型軸受のレースを上板として、それらの間に転Table 2

Detailed information on specimens

Specimen

Diameter of Al2O3
particle [μｍ]Condition of RCF
test

Pmax [GPa]Number of fatigue cycles

Figure No.

A

92

Uncharged

4.5

1.0 × 108 (Interrupted)

Figs. 3, 4, 12, 13

B100

Hydrogenpre-charged

4.5

6.1 × 10

C

169

Uncharged

4.5

1.7 × 107 (Flaking)Figs. 3, 4

168

Hydrogenpre-charged

4.5

2.1 × 106 (Flaking)Figs. 3, 4, 9

5

D
E

6

(Flaking)

Figs. 3, 4, 10, 11

263

Uncharged

4.5

3.3 × 10

(Flaking)

Figs. 3, 4, 17F

263

Hydrogenpre-charged

4.5

2.9 × 105 (Flaking)Figs. 3, 4, 17G

149

Hydrogenpre-charged

4.5

1.5 × 103 (Interrupted)

Fig. 6

H

146

Uncharged

4.5

1.5 × 103 (Interrupted)

Fig. 6

I

122

Hydrogenpre-charged

4.5

3.0 × 10(Interrupted)

Fig. 7

J

151

Uncharged

4.5

3.0 × 105 (Interrupted)

Fig. 8K

150, 150

Hydrogenpre-charged

4.5

1.0 × 10(Interrupted)

Fig. 16L

170, 170

Uncharged

4.5

8.7 × 106 (Interrupted)

Fig. 16

18

5

6

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水素環境下転がり疲れにおける非金属介在物周囲のき裂挙動

らみて十分に長い寿命を持つとみなした。それ以外の試験
片B～Fでは、Fig. 4および後述の断面観察結果の通り、

はく離におけるき裂発生･伝ぱの挙動を調査し、関与応力

人工的に埋設した表面直下のAl2O3を起点にはく離が生じの推定を行う。また、大きさの異なる介在物からのき裂発た。また、Fig. 3から、総じて水素有無に関わらず、介在生・伝ぱ挙動に注目し、その違いについても述べる。関連

物径が小さくなるにつれて寿命が延びる傾向が見られた。

して、近接配置した介在物における水素をチャージした環

介在物径が260 µm級になると、水素チャージ試験片と水境下のき裂挙動を示し、各々の介在物から生じたき裂同士

素未チャージの試験片とで寿命差は認められなかった。

の相互作用について論じる。さらに、これらの観察結果に一方、それよりも小さい直径100～170 µm級のAl2O3

基づいて水素が転がり疲れき裂挙動に及ぼす作用についての場合には、水素チャージ試験片の方が水素未チャージのまとめる。また、考えうる長寿命化の対策について述べ試験片より短寿命傾向となった。なお、断面観察に基づくる。Table 2には本調査の各試験片の詳細情報を示した。

と、試験片B～Fにおける埋設Al2O3の中心の深さはTable
3に示すように111～154 µmの範囲にある。ここで、５．１．

‌水素が作用する環境下におけるはく離寿命に及Fig. 5に、スラスト型転動疲労試験における平板と玉とのぼす介在物径の影響

ヘルツ接触を想定し、Pmaxを4.5GPaとして計算により求Fig. 3に、隙間を伴う直径100～260 µm級のAl2O3がめた試験片表面からの深さと内部水平せん断応力（τ 0）埋設された試験片に対して、事前に水素チャージを行ったとの関係を示す。前述した深さ範囲では、試験応力下にお環境と、比較のための水素未チャージのクリーン潤滑環境

けるτ0の最大値（本試験の平板と玉との接触の場合、面の両条件下で、最大ヘルツ接触応力を4.5 GPaとしてスラ圧4.5 GPaのときで深さ100 µmで最大値になる）の94

スト型転動疲労試験で寿命を評価した結果を示す。Fig. 3～99%程度が作用する。このことから、全ての試験片には各条件1回の試験結果であるが、これらは複数回実施しおいて、内部のAl2O3は転がり疲れの影響を最も強く受けた試験結果の一部であり、複数の結果からも寿命には同様る深さ付近に配置されていたことが確認された。

の傾向が得られたことを補足する。なお、試験片B、D、F

以上の通り、Al2O3を人工埋設したSUJ2鋼試験片を用いは水素チャージ後に、試験片A、C、Eは水素未チャージでた本研究独自の調査を通じ、水素が作用する環境下でマクそれぞれ試験を行った。Fig. 3において埋設 Al2O3 粒子のロ介在物が転がり疲れき裂の起点として作用し、はく離に

直径（µm）を棒グラフの下部に、各試験片のサイクル数至る場合があることを、直接観察結果に基づき初めて明らを上部に示した。Fig. 3の結果のうち試験片Aのみ、試験かにした。さらにマクロ介在物が比較的小径の場合（本8打ち切り目安に定めた1.0×10 サイクルに到達した。こFig. 4のサイクル数に到達すれば、軸受の計算寿命のオーダーか

研究では直径170μm以下）では、水素の作用があるとクリーン潤滑環境の場合よりも短寿命化することも分かった。一方、マクロ介在物が大径の場合（本研究では200μm以上）、水素の存在有無に関わらず、寿命は介在物径dAl2O3 = 100 μm

dAl2O3 = 170 μm

A

C

dAl2O3 = 260μm
E

Uncharged
Al2O3

No flaking

B
Hydrogenpre-charged

Fig. 4
Fig. 3‌Influenceof the diameter of Al2O3 particle with gaps
on RCF lifetime under hydrogen precharged or
uncharged condition. Figure axes show the number offatigue cycles and the Al2O3 particle diameter.

Table 3

D

F

Al2O3

‌
Appearanceof raceways after the RCF test forSpecimens A–F. Specimen A had no flaking, while
Specimens B–F showed flaking that originated fromthe artificially embedded Al2O3 particle just below thesurface. The overrolling direction is from left to right.

Depth from the specimen surface to center of the artificially embedded Al2O3 particle in Specimens B–F
Specimen

B

C

D

E

F

Depth from the specimen surface to thecenter of the Al2O3 particle

135 µm

117 µm111 µm

154 µm

153 µm19

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特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

初めに、水素チャージ環境下のはく離寿命に及ぼすマク
ロ介在物径の影響を述べる。続いて、マクロ介在物起点型

水素環境下転がり疲れにおける非金属介在物周囲のき裂挙動

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

動疲労試験を停止し、介在物周囲のき裂を観察した。

のみに依存することが見出された。クリーン潤滑環境下との寿命挙動に違いが見られる場合があることは、水素が有5．2．2

害な影響を及ぼすことを明確にしている。水素が介在物起

転がり疲れ初期のき裂発生挙動

水素チャージした試験片B、Dと水素未チャージの試験

点での短寿命はく離をもたらす原因については後述する。

片A、Cでは、寿命に差が現れた。この理由を知るため、
5．2．  

‌水素が作用する環境下の介在物起点型はく離メ

まずき裂発生状況を確認した。調査にあたり、隙間を伴う

カニズムの推定のためのき裂挙動の検証

直径150 µm級のAl2O3を人工埋設した試験片に対し、水

5．2．1 ‌従来知見に照らしたはく離メカニズム推定のた素チャージした試験片Gと水素未チャージの試験片Hを用めの着目点

い、1,500サイクルで中断するスラスト型転動疲労試験

Fujimatsu13)はこれまでに、クリーン潤滑環境下におけを行った。このサイクル数は試験片B、Dのはくり寿命のる人工埋設したAl2O3を起点とするき裂の進展挙動を調査

オーダー（106サイクル程度）に比べて1/1,000程度であしている。それによれば、介在物周囲の隙間の有無に応じる。また、Neliasら14)がM50鋼を用いて行った最大ヘルて、介在物から発生するき裂のモードに変化が生じ、それツ接触応力3.5 GPaにおけるツインディスク型転動疲労

が寿命に対して強く影響を及ぼすとしている。介在物が母試験において、早期のき裂発生が見られた105サイクルよ相と密着している場合は、主せん断応力による45°方向

りもさらに早期の段階である。

のき裂発生とそれに続く周辺の白色組織（バタフライ）のFig. 6に、試験片G、Hの軌道に対し垂直断面における形成が生じ、このタイプのき裂は停留しやすいことが見出

人工埋設Al 2 O 3 周囲のFE-SEM観察結果を示す。観察断されており、この場合は長寿命化する傾向にある。

面においてAl2O3は概ね最大直径となっている。Fig. 6よ対して、介在物周囲に隙間がある場合、転がり疲れにり、両試験片でAl2O3周囲のき裂発生が認められ、その角伴って介在物周囲の母相表面に高い引張応力が作用する度は軌道表面に対して概ね水平であった。また、き裂は隙ことが予測され（空洞の応力シミュレーション結果から間を付与したAl2O3の両側（転がり方向からみてAl2O3の前推定）、それに起因してモードⅠ型の概ね水平方向のき裂

方と後方）の最大径付近の母相表面から発生していた。こ発生が起こるとされる。このタイプのき裂はモードIIの水のようなき裂挙動は、Fujimatsuが報告13)した隙間を伴う

平せん断応力の作用による伝ぱを促し、比較的早期のはく人工埋設Al2O3周囲のき裂挙動と類似する。双方のAl2O3の離をもたらすことが判明している。これに倣い、水素が作

両側から生じたき裂の長さはいずれも50 µmほどで同程用する環境下においても、介在物周囲のき裂形態に注目し度であった。また、き裂周辺母相に組織変化は見られなた調査を行うことによって、はく離への関与応力が推測さかった。これらの事実から、転がり疲れ初期のき裂長さはれ、それを元に寿命支配因子が明らかになることが期待さ

水素の有無の影響を受けないこと、き裂発生時点では水素れる。この点に着目し、き裂挙動の詳細な検証を行った。

に起因した組織変化は生じないことが見出せる。このこと

具体的には、Fig.3で水素チャージの有無により寿命差がから、転がり疲れの極初期において、隙間を伴う介在物周見られた試験片（埋設Al2O3直径：100～170μm級）に囲に生じるき裂（表面に対し水平に近い角度で発生）の挙

ついて、その差が介在物周囲のき裂挙動に起因するとの仮動は、水素の有無にはよらないとみる。

定を置き、その検証のため、水素チャージもしくは水素未観察された水平き裂発生の関与応力は、筆者らの従来研

チャージのAl2O3埋設試験片につき、所定のサイクルで転究15)に照らし、モードIの引張主応力と推定される。CAE
解析によって、圧縮応力下で進行する転がり疲れにおいて

Fig. 6

Fig. 5‌Relationshipbetween the depth from the specimen
surface and the internal orthogonal shear stress τ0;
obtained by calculations for Pmax of 4.5 GPa.

20

‌Scanning electron micrographs around the artificiallye m b e d d e d A l 2O 3 p a r t i c l e i n a c r o s s s e c t i o nperpendicular to the raceway of Specimens G and
H. Diameters of both Al2O3 particles are around 150µm. RCF tests were interrupted at 1500 cycles under
P max of 4.5 GPa. (A) Specimen G was hydrogenprecharged and (B) Specimen H was uncharged.

Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

水素環境下転がり疲れにおける非金属介在物周囲のき裂挙動の試験片の寿命より短いのは、き裂発生時期の影響とは考ことが予測されている。したがって、力学的特性が空洞とえにくい。したがって、き裂の伝ぱ段階の挙動の違いが寿類似する“隙間”が介在物周囲に存在することで同様のき命差に影響している可能性がある。そのことを検証するた

裂形成が起こりうる。また、主応力で生成したき裂が水平め、以降では、水素の影響による短寿命化の原因特定に向に近い角度をとることも、CAE解析による応力作用面のけて、伝ぱ段階のき裂挙動への水素の影響に注目し、そ向きから推定されている 13)。本研究での水素チャージ後の影響が顕在化しやすいとみられる105サイクルオーダーの転がり疲れ初期における隙間を伴うAl2O3周囲のき裂挙（ミクロ的な組織変化が生じ始める段階）、およびそれ以動は、クリーン潤滑環境における空洞周囲や隙間を伴う降の106サイクルオーダー（組織変化がさらに発達する段Al2O3周囲のき裂挙動と良く一致している。

階）でのき裂挙動を調査した。

水素に起因して比較的早期に起こる組織変化の例とし
5．2．3て、Hiraokaら 6)は水素チャージ後に最大ヘルツ接触応力
5.3 GPaのもとで行ったSUJ2鋼の転動疲労試験におい介在物を起点としたき裂伝ぱ挙動

き裂伝ぱに対する水素の影響確認のため、水素チャー

5て、母相マルテンサイト組織内に10 サイクルオーダー

ジ後にスラスト型転動疲労試験を行い、3.0×105サイク

程度からミクロ的な組織変化が生じ始めると報告した。

ルで中断した試験片Iに対してAl2O3周囲のき裂観察を行っこの組織変化は、ナイタール腐食後の光学顕微鏡観察にた。なお、試験片Iは、隙間を伴う直径122 µmのAl2O3をおいて黒く腐食された針状の形態で認められる。一方、埋設している。観察結果をFig. 7に示す。Fig. 7Aはデジ

本実験で行ったより低い試験面圧(最大ヘルツ接触応力

タルマイクロスコープによる軌道に垂直な断面のミクロ観

4.5GPa)ならびにより早期の試験停止サイクル（1,500

察結果であり、Fig. 7Bはその一部を拡大した像である。

サイクル）では、母相中にミクロ的な組織変化は生じない

結果、Al2O3最大径の側方から生じた概ね水平方向のき裂

ものの、隙間を伴うAl2O3周囲のき裂発生は生じている。

が、水平に対して角度がずれた方向へのマクロ的なき裂分

そのき裂挙動（Al2O3周囲のき裂発生位置、き裂の角度や岐を伴いつつ、広範囲に拡がる様子が認められた。また、長さ）に対し、水素チャージの有無で違いは見られず、き裂周辺にはWEAを伴っていた。比較のために同じサイ

Al2O3周囲の初期のき裂の発生は水素によるアシストを必クルで試験を中断した水素未チャージの試験片J（隙間を要としないと推定される。

伴う151 µmAl2O3を埋設）の観察結果をFig. 8に示す。

上記結果によれば、水素チャージした試験片B、Dの寿両者のき裂角度や長さ、組織変化の様子には大きな違いが命が、同程度のサイズのAl2O3を埋設した水素未チャージ

見られており、水素の存在によって介在物周囲のき裂伝ぱFig. 7 Digital‌
microscopic images around the artificially embedded Al2O3 particle
in a cross-section perpendicular to the raceway of hydrogen precharged
Specimen I. Diameter of the Al2O3 particle is 122 µm. The RCF test
was interrupted at 3.0×105 cycles under Pmax of 4.5 GPa. (A) Lowmagnification image and (B) high-magnification image of crack branching.

Fig. 8 Digital‌
microscopic images around the artificially embedded Al2O3 particle
in a cross section perpendicular to the raceway of uncharged Specimen J.
Diameter of the Al2O3 particle is 151 µm. RCF test was interrupted at 3.0
×105 cycles under Pmax of 4.5 GPa.

21

Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

高い引張主応力が発生するためには、空洞の存在が必要な水素環境下転がり疲れにおける非金属介在物周囲のき裂挙動

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究と指摘している。今回観察されたき裂先端の分岐も、この挙動には明らかな変化がもたらされることが分かった。

現象に類似すると考えられる。転がり疲れの負荷過程で上述したき裂の分岐は、水素チャージした試験片D（直6

径168µmのAl2O3を埋設、2.1×10 サイクルではく離）

は、転動体と軌道との接触位置が相対移動することで荷重にも同様に観察された。Fig. 9にデジタルマイクロスコー

を受ける位置も刻々と変化する。それに応じて、転がり疲

プとSEMによる観察結果を示す。Fig. 9Aおよび9Bは、れが作用する軌道面直下のある注目点における応力の作用

軌道面に垂直かつ転がり方向と平行な断面の観察結果であ

方向も刻々と変化するとみられる。ただし、クリーン潤滑

り、それぞれAl2O3の中心から80µm離れた断面、および環境下の転がり疲れはく離の場合、はく離底は軌道に対し中心断面を観察している。また、Fig. 9Cは9Aの一部を拡て概ね平行であることが多く、応力振幅が最大となる両振大している。Fig. 9AではAl2O3粒子は破砕しており、Fig.

りの水平せん断応力が主き裂の伝ぱ方向を決定していると9Bに示す中心断面では研磨工程を経てAl2O3粒子は完全に考えられる。一方、水素の存在する環境下では、き裂先端

脱落していた。観察の結果、水平方向のき裂先端に分岐で複数方向へのき裂の分岐が生じる場合があった。この理が見られ、その周囲にWEAの形成も見られた。分岐した

由は、上述の注目点をき裂先端とした場合、き裂先端の応

き裂の角度は、分岐が生じる前の水平き裂の角度を0°と力が刻々と向きを変えることに応じて、き裂先端近傍に集みなすと、およそ±30°の範囲に分布していた。水平方積した水素の作用によってき裂が進展可能な方向の選択肢

向のき裂の他に、Fig. 9AおよびFig. 9Bに示すように、が増えるためと推測している。このようにき裂進展方向のAl2O3の右上方側から表面に向かい直線状に延びるき裂も選択肢が増えれば、き裂の停留は起こりにくくなると予想見られている。これらのき裂は、以下に示す2つの状況かされる。すなわち、き裂分岐を誘発する水素の作用を通じら二次的に発生したき裂と考えられる。一つは、疲労初て、介在物起点で発生したき裂が大型化しやすいとみてい

期には水平き裂のみが観察されていること（Fig.6）である。この特有のき裂挙動は、介在物起点型はく離寿命が水る。もう一つは、Al2O3が破砕しているために隣接する材素の存在により短くなる要因として考えられる。

料がFig. 9Bに白矢印で示すように移動していることであ
5．2．4

り、これに伴ってき裂が発生した可能性が考えられる。こ高サイクル側で見られるき裂伝ぱ挙動の特徴

れは、Al2O3が破砕されていない疲労の初期段階では起こ

上述のとおり、Al2O3周囲のき裂の伝ぱ挙動には水素のり得ない。二次き裂とみられるこれらのき裂ははく離に関作用が強く影響を及ぼすと推定された。ただし、ここまで与する可能性がある。ただし、観察結果に基づき、転がりの観察では、水素に起因した母相のミクロ的な組織変化と疲れの比較的初期段階におけるき裂伝ぱは主に介在物周囲

き裂伝ぱとの関連性を示す証拠は得られていない。母相の水平き裂の挙動に左右されるとみている。

の組織変化は、サイクル数の増大とともに顕在化してく

16)は、水素の存在下におけるき裂の特徴の一つる。そこで、Al2O3を起点としたき裂の伝ぱと母相の疲労として、進展しているき裂先端付近の塑性変形領域内に水挙動との関係を明らかにするため、さらに高サイクル数で素が集積する過程で、転位やボイドなどの欠陥と水素原子の繰返し疲労を付与した試験片の断面観察を実施した。きとが相互作用を起こすことを通じ、き裂分岐が起こりうる裂挙動の比較は、水素未チャージの試験片A（直径92 µm

NakasaのAl2O3を埋設、1.0×108 サイクル打ち切り）と、水素チャージした試験片B（直径100 µmのAl2O3を埋設、6.1
×106サイクルではく離）について行った。

Fig. 9‌
Digitalmicroscopic images around the artificiallyembedded Al2O3 particle in a cross section of an Al2O3
particle perpendicular to the raceway of hydrogenpre-charged Specimen D. (A) 80 µm away from thecenter and (B) the center of Al2O3 particle. (C) An
enlarged scanning electron micrograph of the boxedarea in (A). Diameter of the Al2O3 particle is 168 µm.
RCF test was interrupted at 2.1×106 cycles under
Pmax of 4.5 GPa.

Fig. 1022‌Digitalmicroscopic image of artificially embedded
Al2O3 particle in a cross-section perpendicular to
the raceway of hydrogen precharged Specimen B.
Diameter of the Al2O3 particle is 100 µm. The flaking
that originated from the Al2O3 particle occurred at
6.1×106 cycles under Pmax of 4.5 GPa.

Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

水素環境下転がり疲れにおける非金属介在物周囲のき裂挙動

Al2O3周囲のき裂は転がり方向に対して主に45°方向に伸
びており、き裂周囲にはバタフライ型の組織変化を伴う

生じた水平方向のき裂にはWEAを伴っていた。加えて、様子が見られた。このとき、Fig. 13に示すように、Al2O3

試験片BではAl 2O 3を起点としたき裂とは別に、せん断応

周囲に事前に付与した隙間は観察時点ではほぼ閉塞した力による繰り返し疲労を受ける領域内の母相に腐食によ状態となっていた。試験片Aで見られた45°き裂の挙動

り黒く見える多数の微小き裂が生成していた。これらのは、上述したAl2O3が周囲母相と密着している場合のき裂

微小き裂は、水素の作用に起因して生じたとみられる。

挙動に類似する。また、転がり疲れ初期に生じたとみられ

一方、水素チャージした試験片Bの16倍強の疲労サイクる水平方向のき裂の周囲には、顕著な組織変化が生じていル数を付与した水素未チャージの試験片Aには同様の疲労た。この挙動は、繰り返しの転がり疲れの負荷に伴うエネによる組織変化は観察されなかった。さらに、Fig. 11にルギーがき裂の進展ではなく、き裂周囲の組織変化に費や試験片BのAl 2O 3を起点とするき裂先端部の観察結果を示されたことを示唆し、結果的にき裂が進展しにくい状態にす。き裂先端には、針状の組織変化が認められた。この組至ったと解釈される。この結果から、水平き裂が生じても織は、水素の作用環境下でWEAに先行して生成し、微小

それが必ずしも伝ぱし続けるとは限らず、き裂が停留し、き裂に変化していくとみられる。そして、この針状組織

長寿命化する場合があることが見出された。このクリーンと、Al2O3を起点に生じたマクロき裂が互いに連結してい潤滑環境下のき裂停留挙動については以降でも論じる。

る様子が認められた。このことは、ミクロ的なき裂挙動の観点からみても、水素がき裂の延長に関与する可能性が高いことを示唆する。なお、水平せん断応力が針状組織の形成に関与しているならば、観察された垂直方向の針状組織（Fig.11）だけでなく、き裂の優先進展方向に近い水平方向の針状組織も形成されやすい可能性がある。これらの針状組織の向きがき裂進展に及ぼす影響の程度についてはFig. 13 Scanning‌electron micrographs of the front- andrear-side cracks of the Al 2 O 3 particle as seenfrom the overrolling direction in Specimen A. The
previously given gaps around the Al2O3 were almost
closed at the observation.

現時点ではまだ明らかではなく、検討の余地がある。
対して水素未チャージの試験片Aでは、水素チャージを行った試験片Bと異なり、母相の疲労組織の形成や水平方向き裂の広範囲の伝ぱは見られなかった（Fig.12）。

5．2．5

水素の関与によるき裂長さの変化に関する考察

水素がき裂伝ぱに及ぼす影響を定量的に把握するため、実験で得られたき裂伝ぱ挙動を元に、サイクル数とAl2O3から発生・伝ぱしたき裂長さとの関係を調べた。得られた結果に対し、水素チャージを行った場合と行っていな

Fig. 11‌
Scanning
electron micrographs of crack tip
originating from Al2O3 particle in Specimen B.

Fig. 14

Fig. 12‌
Digitalmicroscopic image of the artificially embedded
Al2O3 particle in a cross-section perpendicular to the
raceway of uncharged Specimen A. Diameter of the
Al2O3 particle is 92 µm. RCF test was interrupted at
1.0×108 cycles under Pmax of 4.5 GPa.

23

‌
Relationshipbetween the number of cycles andthe length of cracks initiated and propagated froman Al 2 O 3 particle in hydrogen precharged anduncharged specimens. The data were obtained fromeach observation results after RCF tests on Al2O3
particles with diameters of 100-150μm. The crack
angle of the data was within 0°-40° with respect
to the overrolling direction.

Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

Fig. 10に示す通り、試験片Bのはく離はAl2O3を起点に生じたことが明らかである。また、Al2O3最大径付近から

水素環境下転がり疲れにおける非金属介在物周囲のき裂挙動

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

い場合を層別してFig. 14に示す。なお、各データは水響があるとみられる。なお、図中には理解をしやすくする

素チャージの有無によって寿命差が見られた直径100～

ため、き裂分岐によるき裂長さ変化の予測線も示した。こ150 µm級の隙間を伴うAl2O3を含む試験片のき裂観察結の際、分岐が生じる時期は明確には特定できていないが、果に基づく。データには、はく離後、もしくは途中で試験

き裂先端への水素の集積が徐々に進むとの前提に立ち、きを中断した試験片の観察結果を含む。観察は、非破壊では裂分岐に至るまでの過程は曲線で示した。

なく断面を観察する方法によるため、個々のデータは同一

また、上述したように今回得られたデータのうち、ク

試料を連続観察したものではない。また、き裂長さは、伝リーン潤滑環境下で水平に近い角度を有するき裂が高サイ

ぱが顕著に見られる転動体の転がり方向からみてAl2O3のクルでも大きく成長しない場合が見られた。これは進展が後方側のき裂で測定した。また、評価に用いたデータは、極めて遅いか、停留に近い状態にあると推察される。転が水素によるき裂分岐の影響を考慮し、転がり方向に対するり疲れにおける水平せん断応力によるモードII型疲労を想角度が0～40°の範囲にあるき裂の長さとした。なお、定した研究で、モード II型の疲労き裂進展下限界値ΔKIIth

き裂の停留傾向が見られた45°方向のき裂長さはデータ

がいくつか提案されており 17-19)、き裂の停留が想定されには含めていない。

ている。実際に筆者らの研究 13)でも、クリーン潤滑環境

結果、転がり疲れの極初期では、水素チャージの有無に下でAl2O3から発生した45°方向のき裂は停留しやすい傾よるき裂長さの違いは見られなかった。既述の通り、初期向にある。それに加え、本研究からクリーン潤滑環境下でき裂挙動には水素は影響を及ぼさないとみられる。一方、介在物から発生した水平に近いき裂にも、停留の可能性が高サイクルになるにつれて水素チャージ試験片におけるきあることが示された。現時点では十分なデータ数が無いた

裂長さが、水素未チャージの試験片に比べて長くなる傾向

め明確ではないが、転がり疲れ環境下の介在物に対するΔが見られた。特に、マクロ的なき裂分岐が生じた場合に、

KIIthの見出しにつながる事象であり、別途検証を進める予き裂長さが顕著に延長することを見出した。

定である。

ここで、水素環境下で見られたマクロ的な分岐が生じた

対して、き裂先端で繰返し応力と水素との相互作用がき裂について、その伝ぱ挙動をより詳細に知るため、転動ある場合、マクロ的なき裂分岐が誘発されて停留には至方向からみてAl2O3の後方側のき裂に関し、観察サイクル

らず、はく離が促進されやすいとみられた。水素には隙数におけるき裂分岐点までのき裂長さと分岐後を含めたき間を伴う介在物から発生したき裂の伝ぱを促進する作用が裂長さをFig. 15で比較した。データには、Fig.14の一部あり、それが早期のはく離をもたらすことが示唆された。

のデータを用いた。き裂分岐が生じる前までは、水素未

き裂伝ぱに対する水素の影響が生じ始める疲労サイクル数

チャージの場合のようにサイクル数が増加してもき裂長さ

や、水素が関与したき裂挙動の特徴は、上述したような関は大きく変わっていなかった。それに対し、き裂挙動への連の従来研究に照らしても矛盾はないと思われる。

5水素の作用が出始める10 サイクルオーダー付近では、分Komataら 20) は、水素の作用環境下での転がり疲れき

岐による急激なき裂の大型化が見られ、その長さは400裂の伝ぱ挙動を調べるため、表面に直径50～100 µmのµm程度に達している。これは、転がり疲れの接触円の大微小ドリル穴（空洞欠陥）を付与したスラスト試験片をきさ（本実験条件のPmax=4.5 GPaでは600 µm程度）と用い、水素チャージ後の転動疲労試験（Pmax：2.3～3.6

同程度のオーダーに達しており、はく離の促進に十分な影GPa）を行っている。結果として、水素がドリル穴表面から生じたき裂（軌道面に対してほぼ平行な向きに発生）の伝ぱを加速させると報告している。水素によるき裂伝ぱの促進という観点では、本研究も同様の結論を導いている。一方で、同研究ではき裂周辺の組織変化（WEA）は観察されておらず、本研究結果とは相違点がある。これは、水平に近い角度を有するドリル穴周囲のき裂は、水平
せん断応力によるき裂伝ぱが比較的容易に起こり、き裂周辺の組織変化の形成のためにエネルギーが消費されにくいためとみられる。対して、Fujimatsu13)が示したように、軌道面直下の隙間を伴う介在物周囲に発生するき裂は、転がり方向に対して完全に水平では無く、若干の傾きを有す
る特徴がある。また、転がり疲れにおける高面圧の付与条

Fig. 15

件下では、硬質介在物自体は空洞欠陥（極端に軟質な欠陥‌
Variationof crack length before and after crack
branching. The dotted curve is based on theestimation.

とみなせる）とは逆の剛体に近い振る舞いをすることが予想される。隙間を伴う介在物は、空洞欠陥に類似したき裂

24

Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

水素環境下転がり疲れにおける非金属介在物周囲のき裂挙動（2つの直径150 µm級Al2O3を埋設、1.0×106サイクル

同じ振る舞いをするとはみなせない。今回の研究は、水素

途中で中断）、Fig. 16Cは水素未チャージの試験片L（2の作用環境下でのマクロ介在物からの転がり疲れき裂挙動

つの直径170 µm級Al2O3を埋設、8.7×106 サイクル途

に関し、クリーン潤滑環境とも異なる特有の挙動があるこ

中で中断）のそれぞれのき裂の観察結果を示している。
水素チャージした試験片Kでは、近接する2つのAl2O3粒とを初めて明らかにしたと考えている。

子間に概ね水平方向のき裂が見られ、各々のAl2O3から生
５．３．

‌水素が作用する環境下の転がり疲れにおける近じたき裂が互いに連結している様子が見られた。また、接した介在物間のき裂挙動

き裂周囲にWEAが観察されたため、水素の作用がこのよ

クリーン潤滑環境下に比べて、水素の作用環境下では介うなき裂挙動をもたらしたとみられる。一方で、水素未在物から生じたき裂の伝ぱが促進され、き裂の範囲が拡がチャージの試験片Lでは、Fig. 16Cに示すように、Al2O3

りやすいことが分かった。一方、鋼材中の実介在物は、単を起点とした概ね45°方向のき裂は見られるが、それら粒子で存在する場合もあれば、複数介在物が比較的近接しはお互いに連結していなかった。水素未チャージの試験片て存在する場合も想定される。その場合に、介在物周りのLが水素チャージした試験片Kの9倍ほどの疲労サイクル数

き裂挙動に変化が生じ、単独の場合より有害性を高める可を経たことを考慮すると、クリーン潤滑環境下ではd/r≒

21)

はFEM計算に基づき、転がり2程度に近接したAl2O 3粒子間でのき裂進展に対する応力方向に対して平行に近接配置した内部介在物のペア（dをの相互作用の影響は軽微であり、各々のAl2O3から生じた

球状介在物の外表面間距離、rを介在物半径とするとき、き裂の連結は生じにくいとみる。このことは、水素の影響

d/r＝0.2となる配置状態）の相互作用は弱いことを示唆を考慮していないCourbonらによる予測結果 21)と符合すしている。本研究でも、水素の作用環境下で同様の介在物る。

能性がある。Courbonら

配置（転がり方向に対して平行に近接配置、d/r≒2）し以上の通り、クリーン潤滑環境とは異なり、水素の作用た場合の隙間を伴う球形Al2O3間のき裂挙動を実際に調査

環境下では介在物が近接して存在するとその間でき裂同士した。

の連結が容易に生じる。そのような介在物が水素存在下のFig. 16に、軌道に平行な垂直断面（Al2O3中心付近）で転がり疲れの負荷領域に存在すれば、き裂の大型化が促進

のき裂観察結果を示す。Fig. 16Aは、観察方向を示す模されるため寿命に対する有害性が高まると考えられる。そ式図である。また、Fig. 16Bは水素チャージした試験片Kの対策として、後述のように鋼の高清浄度化が有効と考え
られる。
５．４．

‌特に大型のマクロ介在物周囲における水素が作用する環境下の転がり疲れき裂挙動

最後に、水素の存在有無に関わらず、はく離寿命に大差がなかった大型介在物（直径200 µm超）の周囲の転がり疲れき裂挙動を確認することで、その理由を考察した。
検証用試験片はFig. 3に示した水素未チャージの試験片E（直径263µmのAl2O3を埋設、3.3×105サイクルではく離）と水素チャージした試験片F（直径263µmのAl2O3を埋設、2.9×105サイクルではく離）である。Fig. 17A、Fig. 16‌
(A)
Schematic illustration indicating observation
direction of specimen. The cross-sectional digital
microscopic images are perpendicular to the
raceway for (B) the hydrogen precharged Specimen
K after 1.0×106 cycles of RCF test and (C) the
uncharged Specimen L after 8.7×106 cycles of
RCF test. Specimens K and L included a pair of
Al2O3 particles with around 150 µm and 170 µm,
respectively.

Fig. 1725‌
Microscopic
images around the artificially embedded
Al2O3 particle in a cross-section perpendicular to the
raceway of Specimens E and F. Diameters of both
Al2O3 particles are 263 µm. The flaking originatedfrom Al2O3 particle occurred at 3.3×105 and 2.9×
105 cycles under Pmax of 4.5 GPa, respectively. (A)Specimen E was uncharged and (B) Specimen F
was hydrogen pre-charged.

Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

挙動を示す場合があるものの、前述した違いのため、全く水素環境下転がり疲れにおける非金属介在物周囲のき裂挙動

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

17Bはそれぞれのはく離部の断面写真である。両者とも、た介在物周囲のき裂先端部で水素に起因したき裂のマクロ

Al 2 O 3 最大径付近から概ね水平方向にき裂が発生してお的な分岐や、母相中に生じた針状組織と介在物を起点とす

り、その特徴はこれまでに示したき裂挙動とも同様であるマクロき裂との連結によって、き裂の伝ぱ範囲が拡がる。

る。この特徴により、水素存在下の転がり疲れではクリー疲労に伴う組織変化は、試験片E、Fのき裂周囲には観ン潤滑環境下の場合とは違ってき裂の停留は起こりにくい

察されなかった。同程度の疲労サイクル数を付与した水とみる。疲労の後期段階では、き裂周囲の至るところで素をチャージした試験片I（122µmのAl 2O 3を埋設、3.0

WEAの形成を伴いつつ、き裂が大型化し、早期のはく離

5×10 サイクル途中で中断）と異なり、水素チャージしに至る。き裂周辺のWEAはき裂周辺で繰り返しの応力作

た試験片FにおいてWEAが現れないのは、Al2O3径が260

用が局在化し、ミクロ的なマトリクスの疲労が促進されたµm程度と非常に大きく、なおかつ引張加工で導入されることを示す証拠とみられる。

Al2O3周囲の隙間も大きく形成されることで、介在物周囲

上記に加え、水素の作用環境下では介在物が近接してに発生するモードⅠ型の初期き裂が長くなりやすいことが存在するような場合（本研究ではd/r≒2の場合を調査）影響したと考えている。それらにより、空洞欠陥の場合とに、各々の介在物から生じたき裂同士の連結でき裂が大型同じく発生したき裂が進展しやすくなり、水素との相互作化しやすいことも分かり、このようなき裂挙動は、クリー用によるき裂周辺での組織変化にはエネルギーが消費されン潤滑環境下では起こりにくいことも見出された。

にくいと推定する。以上から、鋼中に含まれる介在物径が５．６．

十分に大きい場合、その周囲の水平方向に生じたき裂の伝‌水素が作用する環境下の転がり疲れに対する鋼の長寿命化方策

ぱが十分速いことから、寿命は水素の有無に関わらず欠陥
大きさのみに依存する可能性があるということを見出せ

ここでは、水素の作用環境下における内部介在物起点型

た。

はく離に対する長寿命化方策を、既存の研究結果も踏まえ
て述べる。

５．５．

‌水素が作用する環境下の転がり疲れき裂モデル

従来研究で、例えばBlassら22)が報告したようにWEAのの推定と水素の影響のまとめ

開始点となり得るミクロ介在物（大きさ10µm程度）は高

本研究のまとめとして、水素の作用環境下の転がり疲清浄度鋼であっても無数に存在するため、介在物は寿命にれき裂の推定モデルをサイクル数に応じてFig.18に示

大きく影響しないとみる考え方があった。一方、本研究です。モデルは、それぞれ初期（103サイクルまで）、中期

は軸受早期はく離の原因としてマクロ介在物に焦点を当て

5

6（10 サイクルから10 サイクル）、後期のはく離までをた調査を行い、隙間を伴った介在物の大きさが寿命支配因

分けて示した。

子であることを示した。風力発電機用等の大型軸受への適疲労の初期段階には、まず介在物最大径周囲の隙間の影用を想定した場合には、転がり疲れの危険体積が大きいた

響により、モードⅠの引張主応力の作用で水平き裂が発生

め、その中に比較的大型のマクロ介在物が含有される可能する。なお、鋼中に侵入した水素は、初期段階のき裂長さ性がある。そのような場合に対し、内部介在物起点型はくには影響しない。これは介在物周囲のき裂が極めて低サイ離対策として有効な介在物小径化 23)は、水素の作用環境

クルで発生し、き裂と水素との相互作用が生じにくいため下でも有効な長寿命化対策となり得る。また、高清浄度鋼と考えている。次に、疲労の中期段階では、初期に発生しの活用により、軌道面近傍に介在物が存在する頻度や、複Fig. 18 C‌ rack model under RCF condition where hydrogen acts in this study.

26

Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

水素環境下転がり疲れにおける非金属介在物周囲のき裂挙動

instruments and auxiliary devices,” Wear, 199, 2

れにより軸受鋼の寿命信頼性が向上し、設備のメンテフ(1996), 245-252.
3)

リー化の実現に寄与することが期待される。

T. K a w a m u r a , “ E f f e c t s o f L u b r i c a n t o n

また、水素が作用する環境下における鋼の長寿命化に対Hydrogen-Related Rolling Contact Fatigue Lifeし、介在物の観点以外に、組織変化やき裂先端への水素のImprovement,” NTN TECHNICAL REVIEW, 85

供給を遅延させるような母相の組織制御や成分設計も有効(2017), 84-89.
4)となる可能性がある。これは、今回提示したはく離メカニ

N. Kino and K. Otani, “Influence of Hydrogen

ズムに照らし、き裂先端における母相からの水素の集積や

on Rolling Contact Fatigue Life and Its

水素の作用に起因した母相の組織変化の進行が、介在物起Improvement,” Transactions of Society of

点き裂の大型化を助長するとみられることに基づく。材料

Automotive Engineers of Japan, 34, 3 (2003),

観点での対策の有効性については、本研究手法を活用して

145-149.
5)

検証し、高信頼性軸受用鋼の開発に活かしていきたい。

Tsushima, “A NEW TYPE OF MICROSTRUCTURAL

なお、材料面の長寿命化対策以外にも、鋼中への24)

K. Maeda, K, Tamada, H. Nakashima and N.

やCHANGE DUE TO ROLLING CONTACT FATIGUE,”

Kawamura は、潤滑剤に注目した水素影響軽減対策を報Proceedings of the Japan International Tribology

水素侵 入 を 防 止 す る こ と も 有 効 で あ る 。 E n doら
3)

4)

告している。Kino は、Niメッキ等の表面処理による水素

Conference Nagoya, (1990), 791-796.

侵入防止について報告している。これらの対策と、材料対6)策を併用すれば、さらに効果は高まると考えられる。

K. Hiraoka, T. Fujimatsu, N. Tsunekage and A.
Yamamoto, “Generation Process Observationof Micro-Structural Change in Rolling Contact

６．結論

Fatigue by Hydrogen-Charged Specimens,”
Journal of Japanese Society of Tribologists, 52,

水素の作用環境下でのマクロ介在物を対象とする独自の12 (2007), 888-895.

転動疲労試験方法を用いた調査から、以下の知見を得た。

7)

P. C. Becker, “Microstructural changes around・‌水素の作用環境下での転がり疲れにより、隙間を伴うマ

non-metallic inclusions caused by rolling-

クロ介在物を起点とするはく離が生じ得ることを明らか

contact fatigue of ball-bearing steels,” Metalsにした。その寿命は、クリーン潤滑環境下に比べて短寿Technology, (1981), 234-243.

命となることも示した。これは、水素の影響で介在物か

8)

K. Hiraoka, “White-type Microstructural Change

ら生じたき裂の伝ぱを促す挙動（き裂先端のマクロ的な

in Rolling Contact Fatigue from the Viewpoint of

分岐現象、組織変化により母相に生じた微小き裂との連Severe Plastic Deformation,” Tetsu-to-Hagane,

結現象）がもたらされることによるとみられる。

94, 12 (2008), 636-643.

・‌マクロ介在物の大きさが寿命支配因子として推定され

9)

H. Uyama, H. Yamada, H. Hidaka and N.

た。また、介在物が近接して存在すると、き裂の連結がMitamura, “The Effects of Hydrogen on

促進されることも判明した。それに基づき、非金属介在

Microstructural Change and Surface Originated物の大きさと量を低減するための清浄度向上が有効な長Flaking in Rolling Contact Fatigue,” Tribology

寿命対策として見出せた。

Online, 6, 2 (2011), 123-132.

・‌特に大型の介在物の場合（200μmを超えるようなも

10) M. H. Evans, A. D. Richardson, L. Wang, R. J.

の）、き裂の伝ぱが速く、寿命に対する水素の影響は小K. Wood, “Effect of hydrogen on butterfly andさいとみられることが分かった。

white etching crack (WEC) formation under rolling
contact fatigue (RCF),” Wear, 306, (2013),

７
1)

参考文献

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27

Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

数介在物が近接して存在する場合の頻度を低減できる。こ水素環境下転がり疲れにおける非金属介在物周囲のき裂挙動

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

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藤松 威史

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