鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法およびその試験装置
【課題】 なるべく外乱が少なく、なるべく実機を模擬して、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる転動部品材料等の鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法およびその試験装置を提供する。
【解決手段】 この鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法は、試験油槽１内の潤滑油２に鋼製材料の被試験体３ｂを浸漬して、転がりすべり接触を生じる負荷を与え、被試験体３ｂの転がりすべり疲労寿命の試験を行う。潤滑油２中に水を注入し、潤滑油２中の混入水分濃度を静電容量と油温とによって測定する。被試験体３ｂが転動部品用の材料である場合、転動部品を試験用に模した部品である転動部品模擬体３を、前記被試験体３ｂを構成要素に含めて製作し、この転動部品模擬体３ｂを潤滑油に浸漬して動作させる。
【解決手段】 この鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法は、試験油槽１内の潤滑油２に鋼製材料の被試験体３ｂを浸漬して、転がりすべり接触を生じる負荷を与え、被試験体３ｂの転がりすべり疲労寿命の試験を行う。潤滑油２中に水を注入し、潤滑油２中の混入水分濃度を静電容量と油温とによって測定する。被試験体３ｂが転動部品用の材料である場合、転動部品を試験用に模した部品である転動部品模擬体３を、前記被試験体３ｂを構成要素に含めて製作し、この転動部品模擬体３ｂを潤滑油に浸漬して動作させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転動部品用材料等の鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法、およびその試験方法の実施に使用される試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
軸受などの転動部品は、水が混入する条件下や、すべりを伴う条件下で使用されると、水や潤滑剤が分解して水素が発生し、それが鋼中に侵入することで早期損傷が起きることがある（非特許文献１〜６）。例えば、転動部品の接触面で金属接触が起き、金属新生面が露出すると、水や潤滑剤の分解による水素の発生と、鋼中への水素の侵入が促進される。このことは、水や潤滑油を滴下しながらエメリー紙で転動部品用鋼をアブレシブ摩耗させた後に昇温脱離水素分析を行った結果、鋼中から拡散性水素が明瞭に検出された実験事実によって証明されている( 非特許文献７）。この実験結果によると、潤滑油よりも水を滴下した方が多くの拡散性水素が検出されることから、すべりが生じる条件で用いられる転動部品の潤滑剤に水が混入すると、さらに水素が発生し、鋼中に侵入しやすくなるといえる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１３８３７６号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】エル．グランベルグ（ L. Grunberg）著, Proc. Phys. Soc. (London), B66 (1953) 153-161.
【非特許文献２】エル．グランベルグ、ディ．スコット（ L. Grunberg and D. Scott)著, J. Inst. Petrol., 44 (1958) 406-410.
【非特許文献３】エル．グランベルグ（ L. Grunberg）, ディ. ティ. ジャミソン、ディ．スコット（D. T. Jamieson and D. Scott)著, Philosophical magazine, 8 (1963) 1553-1568.
【非特許文献４】ピー．シャッツベルグ、アイ．エム．フェルセン（ P. Schatzberg and I. M. Felsen)著, Wear, 12 (1968) 331-342.
【非特許文献５】ピー．シャッツベルグ（ P. Schatzberg）著, J. Lub. Tech., 231 (1971) 231-235.
【非特許文献６】ケイ．タマダ、エッチ．タナカ（ K. Tamada and H. Tanaka）著, Wear, 199 (1996) 245-252.
【非特許文献７】谷本啓, 田中宏昌, 杉村丈一, トライボロジー会議予稿集, (2010-5 東京), 203-204.
【非特許文献８】ワイ．マツバラ、エッチ．ハマダ（ Y. Matsubara and H. Hamada)著, Bearing Steel Technology, ASTM STP1465, J. M. Beswick Ed., (2007), 153-166.
【非特許文献９】エッチ．ミカミ、ティ．カワムラ（ H. Mikami and T. Kawamura) 著, SAE Paper, (2007), No. 2007-01-0113.
【非特許文献１０】牧野智昭，学位論文（京都大学），（２０００），１３４ｐ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水素は鋼の疲労強度を著しく低下させるため（非特許文献８）、さほど大きくない最大接触面圧でも水素が鋼中に侵入すれば、転動部品は早期損傷に至る。転がり軸受や歯車などの転動部品は、今後ますます水素が発生しやすい条件で使用される傾向にある。したがって、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬して、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる転動部品の転がりすべり疲労寿命試験方法およびその試験方法の実施に使用される装置の開発が必要であり、それによって使用条件に応じた対策要素を見極める必要がある。
【０００６】
水素脆性起因の早期損傷という点から、鋼材質の耐水素脆性については、鋼中への拡散性水素の侵入濃度を制御して評価することが望ましい。その評価方法として、拡散性水素の濃度が試験片最小径部の中心までほぼ均一になるようにチャージした後、極めて高速な負荷が可能な超音波軸荷重疲労試験を行い、拡散性水素が散逸しないうちに疲労させる評価方法が提案されている（例えば特許文献１）。
また、電流密度を変えて試験片に陰極電解で拡散性水素をチャージした後、超音波軸荷重疲労試験を行った結果では、拡散性水素濃度が増加するにつれて疲労強度が低下し、両者間に直線関係があるという報告がなされている（非特許文献８）。このことは、拡散性水素濃度が疲労強度低下の支配因子であることを意味し、拡散性水素の侵入濃度を制御することで本質的な耐水素脆性評価を行うことが有効であることを示唆している。
【０００７】
このような、先行技術の観点から、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬して、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる転動部品の転がりすべり疲労寿命試験方法が望まれており、これによって、使用条件に応じた対策要素の見極めが可能になることが期待されている。
【０００８】
この発明の目的は、なるべく外乱が少なく、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法、およびその試験方法の実施に使用される装置を提供することである。
この発明の他の目的は、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬して、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法、およびその試験方法の実施に使用される装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明の鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法は、試験油槽内の潤滑油に、鋼製材料の被試験体を浸漬し、前記被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与えて鋼製材料の転がりすべり疲労寿命の試験を行う転がりすべり疲労寿命試験方法であって、前記潤滑油中に水を注入し、潤滑油中の混入水分濃度を静電容量と油温とによって測定することを特徴とする。前記鋼製材料は転動部品用の材料であっても良い。なお、「転がりすべり疲労寿命」とは、すべりを伴う転がり接触を行う部分の疲労寿命をいう。
この試験方法によると、潤滑油に被試験体である転動部品を浸漬して、転がりすべり接触を生じる負荷を与え、潤滑油中に、水素源としての水を注入する。この状態で、潤滑油中の混入水分濃度を、静電容量と油温の測定によって、これらの測定値から求めるようにしている。そのため、なるべく外乱が少なく、水素脆性起因の早期損傷を効率良く起こさせることができる。
【００１０】
この発明方法において、前記鋼製材料が転動部品用の材料である場合、転動部品を試験用に模した部品である転動部品模擬体を、前記転動部品用材料の被試験体を構成要素に含めて製作し、試験油槽内の潤滑油に前記転動部品模擬体を浸漬して前記転動部品模擬体を動作させることにより、被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与えるのが良い。
なお、この明細書において、「転動部品」とは、転がり接触を生じる機械部品を言い、例示すると、転がり軸受や歯車がある。また、ここで言う「転動部品」は、転がり軸受のように、内外の軌道輪や転動体等の複数の構成要素を組み立てたものであっても、またその構成要素である転動体や軌道輪であっても良い。また、前記「転動部品模擬体」は、必ずしも転動部品の形状，寸法まで模したものである必要はなく、構成要素となる被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与えられるように転動部品を試験用に模したものであれば良い。また、試験に用いる前記「転動部品模擬体」は実際の転動部品であっても良い。
この試験方法によると、被試験体を構成要素として含む転動部品模擬体を潤滑油に浸漬して動作させ、潤滑油中に水素源としての水を注入する。この状態で、潤滑油中の混入水分濃度を、静電容量と油温の測定によって、これらの測定値から求める。そのため、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬して、水素脆性起因の早期損傷を効率良く起こさせることができる。
【００１１】
この試験方法において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が油浴潤滑機構であり、試験油槽内の潤滑油中の混入水分濃度を測定するものとしても良い。上記「油浴潤滑機構」は、試験油槽に潤滑油を溜めておき、その溜められた潤滑油で転動部品模擬体を潤滑する機構を言う。
【００１２】
また、この試験方法において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が循環給油機構であり、試験油槽内の潤滑油中の混入水分濃度を測定するものとしても良い。上記「循環給油機構」は、試験油槽内の潤滑油が常に入れ替わるように循環させる機構を言う。
【００１３】
この試験方法において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が循環給油機構であり、この循環給油機構の循環給油部の潤滑油中の混入水分濃度を測定するものとしても良い。
【００１４】
この試験方法において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が循環給油機構であり、この循環給油機構の循環ポンプと前記試験油槽の潤滑油の排出口との間にリザーブタンクを設け、このリザーブタンクに潤滑油を溜めて攪拌し、攪拌した潤滑油中の混入水分濃度を測定するものとしても良い。この場合に、前記リザーブタンク中に溜める潤滑油量は100mL 以下とするのが望ましい。
潤滑油への水の混合状態が良好でない場合、混入水分濃度が高くなるにつれて、静電容量の値が不安定になる。そのため、潤滑油と水がよく混合した状態で静電容量を測定する必要がある。そこで、試験油槽の潤滑油の排出口と循環ポンプとの間にリザーブタンクを設け、そこに潤滑油を溜めて攪拌し、静電容量と温度を測定するのが望ましい。
【００１５】
この試験方法において、前記試験油槽および前記リザーブタンクにおける底角部に、潤滑油の排出口を設けても良い。この場合に、前記試験油槽および前記リザーブタンクの内部を円柱形状とし、それらの底角部に凹部を設けるのが望ましい。
試験油槽およびリザーブタンクにおける底角部に潤滑油の排出口を設けた場合、潤滑油よりも比重が大きい水が、試験油槽やリザーブタンクから排出されやすくなる。また、試験油槽およびリザーブタンクのそれぞれ内部を円柱状とし、それらの底角部に凹部を設けた場合、水よりも比重の大きな添加物質も循環しやすくなる。
【００１６】
この試験方法において、測定した潤滑油中の混入水分濃度をフィードバックし、水注入量を変化させて混入水分濃度を制御するものとしても良い。この場合に、測定した潤滑油の飽和水分濃度に基づき、制御する潤滑油中の混入水分濃度を決めるのが望ましい。
【００１７】
この試験方法において、前記潤滑油中への水の注入を、シリンジポンプを用いて微量注入するものとしても良い。
【００１８】
この試験方法において、前記転動部品模擬体の動作は、接触する転動部品模擬体要素間の運動機構によって接触面にすべりを生じさせるものであっても良い。
この試験方法において、前記転動部品模擬体の動作は、接触する転動部品模擬体要素間の接触面に強制的にすべりを生じさせるものであっても良い。
【００１９】
この試験方法において、前記転動部品模擬体の動作は、損傷が起きるまで一定回転速度で一方向に回転させるものであっても良い。この場合に、前記転動部品模擬体の動作は、試験開始時の加速度を任意に設定できるものとするのが望ましい。
【００２０】
この試験方法において、前記転動部品模擬体の動作は、損傷が起きるまで加減速運転させるものであっても良い。この場合に、前記加減速運転のパターン設定では、少なくとも加速度，高速回転数，高速回転数での保持時間，減速度，低速回転数，低速回転数での保持時間の６パラメータをそれぞれ任意に設定でき、それを１パターンとして繰り返すものとするのが望ましい。
【００２１】
この試験方法において、前記転動部品模擬体の動作は、損傷が起きるまで揺動運動させるものであっても良い。この場合に、前記揺動運動の角度と周波数を任意に設定できるものするのが望ましい。
【００２２】
この試験方法において、前記転動部品模擬体の動作を行わせる駆動源としてサーボモータを用いると共に、転動部品模擬体はスピンドルを有する機構の一部を構成しており、前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを直結させても良い。この場合に、前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを直結させる機構は揺動運動を行う機構であり、かつクランク機構の揺動運動のように三角関数波形の速度変化が設定可能であることが望ましい。
揺動運動では、回転の場合とは異なり、損傷が起きても振動が大きく変化しない。クランク機構による揺動運動では、その振動が重畳するため、損傷が起きても振動で検出することが難しい。振動で損傷を精度よく検出できるようにするには、サーボモータの主軸と、転動部品模擬体を構成部品の１つとして持つ試験機構のスピンドルとを直結して揺動運動させることで、重畳する振動成分をなるべく排除する必要がある。さらに、できる限り試験機構のスピンドルなどの剛性を高くする必要がある。揺動運動条件としては、揺動の角度と周波数を任意に設定できることが望ましい。なお、サーボモータの主軸と試験機構のスピンドルを直結すると、クランク機構のような三角関数波形の速度変化を与えることは難しい。それを可能にするためには、シーケンサのプログラムによってサーボモータのアンプを制御すれば良い。
【００２３】
また、前記転動部品模擬体の接触要素間に電流を流して金属接触率を測定し、前記スピンドルの支持軸受にセラミック製の転動体を用い、前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを絶縁カップリングで連結しても良い。
【００２４】
この発明の鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置は、鋼製材料の被試験体を浸漬させた状態に潤滑油を入れる試験油槽と、この試験油槽内で前記被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与える手段と、前記試験油槽の潤滑油中に水を注入する水注入手段と、前記試験油槽の潤滑油の静電容量を測定する静電容量測定手段と、前記試験油槽の潤滑油の油温を測定する油温測定手段と、これら静電容量測定手段で測定した静電容量と油温測定手段で測定した油温から、定められた関係に従って前記潤滑油中の混入水分濃度を計算する水分濃度計算手段とを備える。
この試験装置によると、この発明の試験方法につき前述したと同様に、なるべく外乱が少なく、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる。
【００２５】
この発明の鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置は、被試験体が転動部品材料である場合、次の構成とするのが良い。すなわち、この鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法は、鋼製材料からなる転動部品用材料の被試験体を構成要素に含めて、転動部品を試験用に模した部品である転動部品模擬体を浸漬させた状態に潤滑油を入れる試験油槽と、この試験油槽内で前記転動部品模擬体を動作させる転動部品模擬体駆動装置と、前記試験油槽の潤滑油中に水を注入する水注入手段と、前記試験油槽の潤滑油の静電容量を測定する静電容量測定手段と、前記試験油槽の潤滑油の油温を測定する油温測定手段と、これら静電容量測定手段で測定した静電容量と油温測定手段で測定した油温から、定められた関係に従って前記潤滑油中の混入水分濃度を計算する水分濃度計算手段とを備える。
この試験装置によると、この発明の試験方法につき前述したと同様に、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬して、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる。
【００２６】
前記転動部品模擬体駆動装置は、前記転動部品模擬体の動作を行わせる駆動源としてサーボモータを用い、前記転動部品模擬体はスピンドルを有する機構の一部を構成していて、前記サーボモータの主軸が、前記スピンドルと連結されるものであっても良い。
前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを連結させる機構は揺動運動を行う機構であり、かつこの機構は、三角関数波形の速度変化が設定可能であるのが良い。
【００２７】
この発明装置において、前記転動部品模擬体の接触要素間に電流を流して金属接触率を測定する金属接触率測定手段を設け、前記スピンドルの支持軸受にセラミック製の転動体を用い、前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを絶縁カップリングで連結しても良い。
【００２８】
この発明装置において、前記転動部品模擬体駆動装置は、前記転動部品模擬体の動作として、一定回転速度、一方向回転に加え、加減速運転、揺動運動が可能とするのが良い。 この発明装置において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が、油浴潤滑機構であっても良い。
また、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が循環給油機構であり、この循環給油機構を、前記転動部品模擬体駆動装置における、それぞれが１個または１組の転動部品を動作させる機構部である各ヘッド部に設けても良い。
【発明の効果】
【００２９】
この発明の鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法は、試験油槽内の潤滑油に、鋼製材料の被試験体を浸漬し、前記被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与えて鋼製材料の転がりすべり疲労寿命の試験を行う転がりすべり疲労寿命試験方法であって、前記潤滑油中に水を注入し、潤滑油中の混入水分濃度を静電容量と油温とによって測定する方法であるため、なるべく外乱が少なく、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる。
前記鋼製材料が転動部品用の材料であって、転動部品を試験用に模した部品である転動部品模擬体を、転動部品用材料の被試験体を構成要素に含めて製作し、試験油槽内の潤滑油に前記転動部品模擬体を浸漬して転動部品模擬体を動作させることにより、被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与えるようにした場合は、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬して、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる。
【００３０】
この発明の鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置は、鋼製材料の被試験体を浸漬せた状態に潤滑油を入れる試験油槽と、この試験油槽内で前記被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与える手段と、前記試験油槽の潤滑油中に水を注入する水注入手段と、前記試験油槽の潤滑油の静電容量を測定する静電容量測定手段と、前記試験油槽の潤滑油の油温を測定する油温測定手段と、これら静電容量測定手段で測定した静電容量と油温測定手段で測定した油温から、定められた関係に従って前記潤滑油中の混入水分濃度を計算する水分濃度計算手段とを備えるため、なるべく外乱が少なく、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる。
鋼製材料からなる転動部品用材料の被試験体を構成要素に含めて、転動部品を試験用に模した部品である転動部品模擬体を浸漬させた状態に潤滑油を入れる試験油槽と、この試験油槽内で前記転動部品模擬体を動作させる転動部品模擬体駆動装置と、前記試験油槽の潤滑油中に水を注入する水注入手段と、前記試験油槽の潤滑油の静電容量を測定する静電容量測定手段と、前記試験油槽の潤滑油の油温を測定する油温測定手段と、これら静電容量測定手段で測定した静電容量と油温測定手段で測定した油温から、定められた関係に従って前記潤滑油中の混入水分濃度を計算する水分濃度計算手段とを備える場合は、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬して、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の一実施形態にかかる鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法に用いる試験装置の一例の概念図である。
【図２】同試験方法における加減速運転の最小パターン設定の例を示すパターン図である。
【図３】試験装置の他の例の概念図である。
【図４】試験装置のさらに他の例の概念図である。
【図５】（Ａ）は同試験方法に用いる転動部品模擬体を構成する試験片の一例の正面図、（Ｂ）は同試験片を組み込んだ転動部品模擬体の断面図である。
【図６】図５の転動部品模擬体の試験片の試験に用いる試験装置の断面図である。
【図７】同試験で測定した混入水分量の変化を示すグラフである。
【図８】潤滑油の飽和水分濃度測定に用いる試験装置の模式図である。
【図９】図８の試験装置で測定した混入水分濃度と静電容量の関係を示すグラフである。
【図１０】水混入油の静電容量測定に用いる試験装置の模式図である。
【図１１】図１０の試験装置で測定した混入水分濃度と静電容量の関係を示すグラフである。
【図１２】同試験で測定した油温と静電容量の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
この発明の一実施形態を図１〜図１２と共に説明する。図１にこの試験方法の実施に使用する試験装置の一例を概念図で示す。この鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置は、試験装置本体４０と、この試験装置本体４０を制御する試験装置本体制御装置４１と、水分濃度計算手段４２とで構成される。試験装置本体４０は、転動部品模擬体３を浸漬させた状態に潤滑油２を入れる試験油槽１と、この試験油槽１内で転動部品模擬体３を動作させる転動部品模擬体駆動装置２０と、試験油槽１の潤滑油中に水を注入する水注入手段であるシリンジポンプ４と、試験油槽１の潤滑油２の静電容量を測定する静電容量測定手段である静電容量計５と、試験油槽１の潤滑油２の油温を測定する油温測定手段である熱電対６とを有する。
【００３３】
転動部品模擬体３は、鋼製材料からなる転動部品用材料の被試験体を構成要素に含めて転動部品を試験用に模した部品である。図示の例では、転動部品模擬体３は、転動部品の一種であるスラスト玉軸受を模したものであり、内輪３ａと外輪３ｂとの間にボールからなる転動体３ｃを設けて構成され、外輪３ｂが被試験体となる。この転動部品模擬体における被試験体である外輪３ｂは、円筒形状で端面が転走面となる。また、この転動部品模擬体３は、実際の転動部品であるスラスト軸受に比べて、転動体３ｃのサイズを大きくしてある。模擬の対象となる実際のスラスト軸受では、転動体が小さすぎ、わずかな荷重を与えるだけで接触面の最大面圧がかなり大きくなるため、転動部品模擬体３では転動体３ｃを大きくした。内輪３ａは、そのように大きな転動体３ｃが転動できる溝を有するものを特別に製作して用いる。
【００３４】
水分濃度計算手段４２は、静電容量計５で測定した静電容量と熱電対６で測定した油温から、定められた関係に従って前記潤滑油中の混入水分濃度を計算する手段である。水分濃度計算手段４２は、静電容量と油温と混入水分濃度との関係を、計算式やテーブル等で定めた関係設定手段４３を有し、入力された静電容量と油温とから、関係設定手段４３に定められた関係を用いて混入水分濃度を計算する。
【００３５】
試験装置本体制御装置４１は、転動部品模擬体駆動装置２０を制御する転動部品模擬体動作制御部４４と、シリンジポンプ４を制御するポンプ制御部４５と、試験装置本体４０おけるその他の駆動部分を制御する制御部（図示せず）とを備える。試験装置本体制御装置４１は、コンピュータ式のシーケンサまたは数値制御装置であり、パーソナルコンピュータ等のコンピュータとこれに実行されるプログラムとで構成される。
水分濃度計算手段４２は、パーソナルコンピュータ等のコンピュータとこれに実行されるプログラムとで構成される。水分濃度計算手段４２は、試験装置本体制御装置４１を構成するコンピュータを用いたものであっても、試験装置本体制御装置４１とは独立したコンピュータを用いたものであっても良い。
【００３６】
この実施形態の鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法は、上記構成の試験装置を用いて、次のように行う。試験油槽１に入れた潤滑油２に、転動部品模擬体３を浸漬して動作させ、転動部品模擬体３における被試験体である外輪３ｂの転がりすべり疲労寿命の試験を行う。ここでは、シリンジポンプ４を用いて、前記潤滑油２中に水素源としての水を注入し、静電容量計５で計測した潤滑油２の静電容量と、熱電対６で計測した油温とによって、水分濃度計算手段４２を用いて、潤滑油２中の混入水分濃度を測定する。
【００３７】
同図の試験装置では、試験油槽１に潤滑油２を入れる機構として、油浴潤滑機構を用いており、試験油槽１内の潤滑油２中の混入水分濃度を測定する。上記「油浴潤滑機構」は、試験油槽１に潤滑油を溜めておき、その溜められた潤滑油で転動部品を潤滑する機構を言う。測定した混入水分濃度はシリンジポンプ４にフィードバックし、水注入量を変化させて混入水分濃度を制御する。すなわち、ポンプ制御部４５は、水分濃度計算手段により出力された混入水分濃度に応じて、定められた規則に従い、混入水分濃度が定められた範囲に納まるように、シリンジポンプ４による注入量を変化させる。また、転動部品模擬体３の接触要素間（具体的には一対の軌道輪３ａ，３ｂ間）に、通電手段４７によって電流を流して金属接触率を測定する。転動部品模擬体駆動装置２０における、サーボモータ７Ａの主軸７と、転動部品模擬体３のいずれかの構成要素に結合されて転動部品模擬体３を動作させるスピンドル８とを直結して揺動運動させる。スピンドル８は転動部品模擬体３を構成要素の一つとして持つものであっても良い。サーボモータの主軸７とスピンドル８とは絶縁カップリング３２で連結する。スピンドル８の支持軸受には、セラミック転動体軸受３３を用いている。
転動部品模擬体３は、前述のように、この実施形態ではスラスト玉軸受を模した部品とされ、被試験体となる外輪３ｂは、設置台（図示せず）等に固定設置され、内輪３ａがスピンドル８に固定されている。
【００３８】
上記スピンドル８およびセラミック転動体軸受３３により、転動部品模擬体駆動装置２０のヘッド部４６が構成される。ヘッド部４６は、転動部品模擬体駆動装置２０における、それぞれが１個または１組の転動部品模擬体３を動作させる機構部を言う。この実施形態ではヘッド部４６を１台のみ設けたが、複数のヘッド部４６を設け、複数の転動部品模擬体３を同時に試験するようにしても良い。
【００３９】
ところで、転がりすべり疲労寿命試験による耐水素脆性評価では、鋼中への拡散性水素の侵入濃度は制御できない。また、厳しい条件での加速試験であり、実機条件を模擬するものではない。鋼材質の耐水素脆性評価については、〔発明が解決しようとする課題〕の欄で述べた拡散性水素の侵入濃度を制御しての評価がある。それに対し、潤滑油の種類，潤滑油への添加物，接触要素の接触面への表面処理などの耐水素脆性評価は、この実施形態のように拡散性水素の侵入濃度が制御できない転がりすべり疲労寿命試験で評価する必要がある。したがって、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬した転がりすべり疲労寿命試験によって、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせ、使用条件に応じた対策要素を見極めるのに、この実施形態の転がりすべり疲労寿命試験方法は有効である。なお、ユーザーからの理解を得るという点からは、鋼材質についても、転がりすべり疲労寿命試験による耐水素脆性評価を実施することが望ましい。
【００４０】
水素脆性起因の早期損傷が起きる様々な転動部品の使用条件を鑑みると、以下の（１）〜（５）の機能を有する転がりすべり疲労寿命試験が望ましい。なお、試験装置における各ヘッド部４６間で互いに影響が及ばないように、図１では各ヘッド部に油浴潤滑機構を用いているが、循環給油機構を用いても良い。これにより、各ヘッド部４６で異なる条件の試験も可能になる。
（１）潤滑油２中に水素源としての水を注入する。
（２）潤滑油２中の混入水分濃度を静電容量と油温で監視する。
（３）（２）で監視した混入水分濃度をフィードバックし、水注入量を変化させて混入水分濃度を制御する
（４）一定回転速度，一方向回転だけでなく、加減速運転，揺動運動ができる。
（５）通電ができる。
【００４１】
（１）の機能については、水を混入した潤滑油を定期的に交換する方法もあるが、工数がかかるとか、休日は交換できないなど、効率が悪い。そのため、この実施形態のように、水をシリンジポンプ４で注入したり、チューブポンプで注入するのが望ましい。シリンジポンプ４は微量注入に向いている。ヘッド部４６に油浴潤滑機構を用いている図１の試験装置では、水の注入箇所は試験油槽１であるが、ヘッド部４６に循環給油機構を用いる場合は試験油槽１または循環給油機構の循環給油部とする。
【００４２】
（２）の機能を持たせる場合に、鉱油系で無添加の潤滑油の飽和水分濃度は高々２００重量ppm であることに留意する必要がある。混入水分濃度は静電容量と油温によって測定できるが、静電容量を計測する静電容量計５は次の２タイプに大別される。１つは飽和水分濃度以下までしか測れないものであり、もう１つは飽和水分濃度を超えて白濁状態になっても測れるものである。前者のタイプの方が多いが、後者のものの中には混入水分濃度が１０％以上でも測定できるものもある。上述したように、鉱油系の潤滑油の飽和水分濃度は高々２００重量ppm である。２００重量ppm の濃度の水混入油を定期交換した転がりすべり疲労寿命試験では、水の悪影響は見られないという結果が得られている。鉱油系で無添加の潤滑油の飽和水分濃度は微量だが、合成油系の潤滑油や鉱油系でも添加剤の種類によっては、飽和水分濃度はかなり高くなる。飽和水分濃度以下しか混入水分濃度が測れない静電容量計は、潤滑油２の飽和水分濃度を測るのに用いることができる。混入水分濃度と転がりすべり疲労寿命の関係を求めれば、潤滑油固有の飽和水分濃度が耐水素脆性の１つの指標になり得る可能性がある。
【００４３】
（３）の機能については、潤滑油２中に一定濃度の水を混入し、マクロ的に閉鎖系として転がりすべり寿命試験をしても、混入水分濃度は約３ｈ経過したあたりから大幅に減少する。潤滑油２中に水を一定流量で連続注入した場合も、混入水分濃度が変化することは容易に想像できる。（１）の機能のために水は水素源として注入するが、そのためには、（２）の機能において静電容量と油温によって監視した混入水分濃度をフィードバックし、水注入量を変化させて混入水分濃度を所定の範囲内に保つことが望ましい。
【００４４】
（４）の機能について言えば、実際の転動部品は一定回転速度，一方向回転で用いられることはない。そのため、一定回転速度，一方向回転の他に、加減速運転，揺動運動もできることが望ましい。加減速運転については、少なくとも図２のようなパターン設定ができる必要がある。すなわち、加速度(ｒｍａｘ-ｒｍｉｎ)/ｔａ，高速回転数ｒｍａｘ，高速回転数での保持時間ｔｍａｘ，減速度(ｒｍａｘ-ｒｍｉｎ)/ｔｄ，低速回転数ｒｍａｘ，低速回転数での保持時間ｔｍｉｎの６パラメータをそれぞれ任意に設定でき、それを１パターンとして加減速を繰り返すことである。揺動運動では、回転の場合とは異なり、損傷が起きても振動が大きく変化しない。クランク機構による揺動運動では、その振動が重畳するため、損傷が起きても振動で検出することが難しい。振動で損傷を精度よく検出できるようにするには、図１のようにサーボモータの主軸７と、転動部品模擬体３を構成部品の１つとして持つ試験機構のスピンドル８とを直結して揺動運動させることで、重畳する振動成分をなるべく排除する必要がある。さらに、できる限り試験機構のスピンドル８などの剛性を高くする必要がある。揺動運動条件としては、揺動の角度と周波数を任意に設定できることが望ましい。なお、サーボモータの主軸７と試験機構のスピンドル８を直結すると、クランク機構のような三角関数波形の速度変化を与えることは難しい。それを可能にするためには、シーケンサのプログラムによってサーボモータのアンプを制御すれば良い。
【００４５】
（５）の機能を持たせる目的は次の２点である。
１つは微弱電流を転動部品模擬体３の接触要素間に流して接触面の金属接触率を測定することである。もう１つは１Ａ程度の大電流を接触要素間に流して正極側を摩耗させることである。この現象を利用し、試験片を正極側にすることで、試験片の接触部に金属新生面を積極的に露出させ、水素の発生，侵入を促進することができる。このことは、非特許文献９にも開示されている。
【００４６】
図１の試験装置を用いた鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法では、（１）〜（５）の全ての機能を満たしており、転動部品模擬体３が揺動運転することを前提とし、サーボモータ７Ａの主軸７と試験機構のスピンドル８を直結した機構になっている。なお、揺動運転が不要な場合、高価で定格回転数が高々３０００rpm のサーボモータよりも、安価なインダクションモータなどで試験機構のスピンドル８をベルト駆動するのが良い。この場合、サーボモータ７Ａの駆動をスピンドル８に伝達する駆動伝達径にプーリ機構を設け、プーリ比を変えれば、試験機構のスピンドル８の回転速度を高めることができ、加減速運転の速度差を大きくするのにも有効である。なお、ヘッド部４６に循環給油機構を用いる場合は、比較的給油速度が速いチューブポンプなどを用いるのが良い。この場合、試験油槽１の潤滑油量をなるべく一定に保つように、潤滑油の出入り量を等しくすることが望ましい。
【００４７】
図１に示した試験装置の概念図では、転動部品模擬体３がスラスト軸受型である場合を示したが、スラスト軸受型の場合も鋼球の自転方向と公転方向が異なるため、転動部品模擬体３における試験片と鋼球の接触面ですべりが生じる。さらに積極的に接触面にすべりを与えるには、接触要素の運動機構を工夫すればよい。転動部品模擬体３として歯車材を評価する場合、歯車ではさらに大きなすべりが作用するため、試験片とそれに接触する物体の周速差を強制的に変えるなどし、接触面に大きなすべりを作用させる工夫が必要である。
【００４８】
図３および図４は、この実施形態の鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法に用いる試験装置の他の例を概念図として示している。図３の試験装置では、試験油槽１に潤滑油２を入れる機構として、循環給油機構９を用いている。ここでの循環給油機構９は、循環路１０の途中に循環ポンプ１１、静電容量計５、および熱電対６を設けて構成される。この場合でも、静電容量計５および熱電対６は図１のように試験油槽１に設けても良い。
【００４９】
ここで、潤滑油２への水の混合状態が良好でない場合、混入水分濃度が高くなるにつれて、静電容量の値が不安定になる。そのため、潤滑油２と水がよく混合した状態で静電容量を測定することが望ましい。そこで、図４の試験装置では、図３の試験装置において、試験油槽１の潤滑油２の排出口と循環ポンプ１１との間にリザーブタンク１２を設け、そこに潤滑油２を溜めて磁気式攪拌機１３などで攪拌し、静電容量と温度を測定するようにしている。熱電対６はリザーブタンク１２に設ける。潤滑油２と水を十分に混合させるためには、リザーブタンク１２の容積を小さくして攪拌効果を大きくする方が良い。目安として、潤滑油量は１００ｍＬ以下とすることが望ましい。さらに望ましいことは、潤滑油２よりも比重が大きい水が、試験油槽１やリザーブタンク１２から排出されやすくすることである。そのために、図４の試験装置では、試験油槽１およびリザーブタンク１２のそれぞれの潤滑油２の排出口を底角部１ａ，１２ａ（同図中に○を付して示す）としている。さらに、試験油槽１およびリザーブタンク１２のそれぞれ内部を円柱状とし、底角部１ａ，１２ａの全周に連続して、いわゆるヌスミとなる外角側に凹む溝状の凹部１ａａ，１２ａａを設けることが望ましい。これらの工夫をすることにより、水よりも比重の大きな添加物質も循環しやすくなる。
【００５０】
図１，図３，図４の試験装置を用いた試験方法では、シリンジポンプ４を用いて試験油槽１に水を注入するが、以下には、試験油槽１中の水混入油を定期交換して行った転がりすべり疲労寿命試験方法の具体例を示す。
軸受鋼ＳＵＪ２を用い、図５（Ａ）に示す被試験体であるテーパ形状外輪試験片（熱処理後は研削仕上げ、内径軌道面は面粗さＲq ≒０．０３μｍ）１４を製作した。熱処理は８５０℃のＲＸガス雰囲気中で５０ｍｉｎ加熱してずぶ焼入を施した後、１８０℃で１２０ｍｉｎの焼戻しを施した。試験は、図５（Ｂ）に示すように、テーパ形状外輪試験片１４にアンギュラ玉軸受７３０６Ｂの内輪（ＳＵＪ２標準焼入焼戻品）１５、鋼球（ＳＵＪ２標準焼入焼戻品，１３個）１６、保持器１７を組み合わせて転動部品模擬体３として行った。外輪試験片１４をテーパ形状にしたのは、鋼球１６と接触角をもって回転することにより、鋼球１６がスピンして外輪試験片１４との接触面にすべりが生じるためである。〔発明が解決しようとする課題〕の欄で述べたように、すべりが生じる場合、水素脆性起因の早期損傷が起きる頻度が高くなる。
【００５１】
図６には、この具体的試験方法で用いる試験装置の模式図を示す。同図における左側の機構部が評価側部２０ａ、右側の機構部がダミー側部２０ｂである。同図中において、損傷対象のテーパ形状外輪試験片１４はハッチングして示している。アキシャル荷重Ｆa ＝２．９４ｋＮのみを作用させ、２７３３ｍｉｎ-1で内輪１５を回転させた。潤滑油にはＶＧ１００の無添加タービン油（密度０．８８７ｇ／ｃｍ3 ，動粘度１００．９ｍｍ2 ／ｓ＠４０℃，１１．６８ｍｍ2 ／ｓ＠１００℃）を用い、それに２００重量ppm ，５重量％の純水を混入した。評価側に６０ｍＬの水混入油を入れ、潤滑油の入口（下側）と出口（上側）をチューブ１８でつないで閉鎖系とした。図５（Ｂ）に矢印で示す方向にポンプ作用によって潤滑油の流れが生じるため、水混入油は循環して攪拌される。試験は２０ｈ行い、その間に損傷が起きなければ、新たに作成した水混入油に交換した。損傷が生じるまで２０ｈの試験と水混入油の交換を繰り返した。損傷検出は振動計で行った。なお、図６に示す試験装置における中央の円筒ころ軸受１９はラジアル荷重を作用させるためのもので、今回の試験には無関係である。
【００５２】
アキシャル荷重Ｆa ＝２．９４ｋＮのみを作用させた場合の弾性ヘルツ接触計算での外輪試験片１４と鋼球１６の間の最大接触面圧は３ＧＰａである。なお、弾性ヘルツ接触計算では、ヤング率Ｅとポアソン比νはＳＵＪ２標準焼入焼戻品の実測値であるＥ＝２０４ＧＰａ，ν＝０．３とした。水混入を無視した弾性流体潤滑計算でのテーパ形状外輪試験片１４と鋼球１６の間の油膜パラメータは約３である。ただし、鋼球１６の面粗さは実測値Ｒq ＝０．０１７８μｍで一定とした。テーパ外輪形状試験片１４の単体の計算寿命Ｌ10h は、２円筒モデルに変換して計算すると２６１１ｈである。Ｌ10h の求め方は非特許文献１０に開示されている。ただし、すべりの影響は無視した。
【００５３】
初期混入水分濃度が５重量％の試験中に、定期的に潤滑油を少量サンプリングし、混入水分濃度を電量滴定法で測定して経時変化を調べた。その結果、図７にグラフで示すように、混入水分濃度は約３ｈ経過したあたりから大幅に減少した。上記のように閉鎖系とはいえ、それはマクロ的であって、完全に隙間をなくすことは不可能である。水分は目視ではわからない小さな隙間から蒸発したと考えられる。この転がりすべり疲労寿命試験の結果は、表１に示す通りである。
【００５４】
【表１】
【００５５】
２００重量ppm の水混入油では、試験片５個すべて１０００ｈまで損傷は起きず、試験を打ち切った。一方、５重量％の水混入油では、試験片５個すべてに計算寿命の１／１００のオーダーの早期損傷が生じた。損傷形態は、すべて表層を起点とする内部起点型はく離であった。なお、ＳＵＪ２製鋼球１６にも３ＧＰａの最大接触面圧が作用するが、はく離は生じなかった。鋼球１６はテーパ形状外輪試験片１４に比べて有効負荷体積が大きいためと考えられる。今回用いた潤滑油の飽和水分濃度の上限値程度の水混入では、寿命に及ばず水の影響はないといえる。一方、水が多量に混入する場合、水素が発生し、鋼中に侵入したために極めて早期に内部起点型はく離が起きたと考えられる。表１中には、５重量％の水混入油を態紀伊交換した場合の寿命を、２母数ワイブル分布に当てはめて求めたＬ10，Ｌ50，およびｅ（ワイブルスロープ）を示した。
【００５６】
次に、図１，図３，図４の試験装置のように、試験油槽１中の潤滑油２に水を一定流量で微量注入して行った転がりすべり疲労寿命試験方法の具体例を示す。
前記試験方法の場合と同じ図５に示す試験片１４、および図６に示す試験装置を用い、荷重条件、回転速度も同じとし、同じ潤滑油（水混入なし）６０ｍＬを入れ、潤滑油の入口（下側）と出口（上側）をチューブ１８でつないで閉鎖系とした。試験開始と同時に、シリンジポンプ４（図１）によってチューブ１８の途中から純水の連続注入を開始した。純水の注入速度は０．５ｍＬ／ｈとした。この場合、混入水分濃度の経時変化は測定しなかったが、図７の結果から、この場合も混入水分濃度が変化することは容易に想像できる。この転がりすべり疲労寿命試験の結果は、表２に示す通りである。
【００５７】
【表２】
【００５８】
この場合も試験片６個のすべてに、先の試験方法である５重量％の水混入油を定期交換した場合と同程度の寿命の早期損傷が生じた。損傷形態は、この場合も、すべて表層を起点とする内部起点型はく離であった。また、この場合も、ＳＵＪ２製鋼球１６にも３ＧＰａの最大接触面圧が作用するが、はく離は生じなかった。表２中には、寿命を２母数ワイブル分布に当てはめて求めたＬ10，Ｌ50，およびｅ（ワイブルスロープ）を示した。
【００５９】
次に、静電容量計５による潤滑油の飽和水分濃度と混入水分濃度の測定の具体例を説明する。
先述したように、潤滑油中の混入水分濃度は静電容量と温度によって測定でき、これに用いる静電容量計５は次の２つのタイプに大別される。１つは飽和水分濃度以下までしか測定できないものであり、もう１つは飽和水分濃度を超えて白濁状態になっても測定できるものである。
先ず、飽和水分濃度以下までしか測定できない静電容量計５を用い、潤滑油の飽和水分濃度を測定した。潤滑油は、先の転がりすべり疲労寿命試験の具体例で用いたＶＧ１００の無添加タービン油である。図８（Ａ）に模式図で示すように、静電容量計５を取付けた容器２１（例えば図１の試験装置における試験油槽１に見立てたもの）に潤滑油を入れ、シリカゲル入れを設けた上蓋２２をして、温度調整ができる磁気式攪拌機１３で攪拌しながら１１０℃に熱して１ｈ放置し、その間に油中に混入していた微量水分を蒸発させて、シリカゲルに吸着させた。その後、図８（Ｂ）に模式図で示すように、４０℃に保持して純水をシリンジポンプ４を用いて一定速度０．０５ｍＬ／ｈで注入した。図９には、そのときの静電容量の経時変化をグラフで示している。この静電容量計５は、水分活性として０〜１の値を出力する。「０」は混入水分濃度がゼロの場合、「１」は混入水分濃度が飽和水分濃度以上の場合である。図９のように、１６７重量ppm で測定値が１になったことから、その値が飽和水分濃度になる。混入水分濃度と転がりすべり疲労寿命の関係を調べれば、潤滑油固有の飽和水分濃度が耐水素脆性の１つの指標になり得る可能性がある。
【００６０】
次に、飽和水分濃度を超えて白濁状態になっても測定できる静電容量計５を用い、潤滑油中の水分濃度を変えて静電容量を測定した。潤滑油は、先の転がりすべり疲労寿命試験の具体例で用いたＶＧ１００の無添加タービン油である。図１０（Ａ）に模式図で示すように、１００ｍＬのビーカー３１（例えば図１の試験装置における試験油槽１に見立てたもの）に７０〜８０ｍＬの潤滑油を入れ、純水を混入し、十分に混合するまで温度調整ができる磁気式攪拌機１３で３３℃に保持した状態で攪拌した。その後、図１０（Ｂ）に模式図で示すように、静電容量計５を取付けて静電容量を測定した。その結果を、図１１にグラフで示している。このグラフから、相関が良い混入水分濃度と静電容量の線形関係が得られたことが分かる。さらに、水混入なしの潤滑油について、約２５℃（室温）から約１１５℃まで昇温しながら静電容量を測定した。その結果を、図１２にグラフで示している。このグラフから、相関が良い油温と静電容量の線形関係が得られたことが分かる。図１１，図１２のグラフから分かるように、静電容量は混入水分濃度と油温に依存する。変化し得る混入水分濃度と温度の範囲において、図１１，図１２のような関係を複数求め、目的変数を混入水分濃度、従属変数を静電容量，油温として関数にすれば、静電容量と油温から混入水分濃度を求めることができる。
【００６１】
このように、この実施形態の鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法によると、試験油槽１に溜めた潤滑油２に被試験体である転動部品模擬体３を浸漬して動作させ、潤滑油２中に水を注入し、潤滑油２中の混入水分濃度を静電容量と油温によって測定するようにしているので、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬して、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせ、転動部品模擬体３の使用条件に応じた対策要素が見極められるようになる。
【００６２】
なお、上記実施形態では、鋼製材料が転動部品用の材料である場合につき説明したが、この発明は、鋼製材料一般の転がりすべり疲労寿命試験に適用することができる。また、上記実施形態では、転動部品模擬体３を用いて試験を行うようにしたが、転動部品模擬体３を用いることなく、鋼製材料の被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与えて試験を行うようにしても良い。
【符号の説明】
【００６３】
１…試験油槽
２…潤滑油
３…転動部品模擬体
３ｂ…外輪（被試験体）
４…シリンジポンプ
５…静電容量
６…熱電対
７…サーボモータの主軸
８…スピンドル
９…循環給油機構
１１…循環ポンプ
１２…リザーブタンク
１３…攪拌機
４２…水分濃度計算手段
４１…試験装置本体制御装置
４５…ポンプ制御部
４４…転動部品模擬体動作制御部
４６…ヘッド部
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転動部品用材料等の鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法、およびその試験方法の実施に使用される試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
軸受などの転動部品は、水が混入する条件下や、すべりを伴う条件下で使用されると、水や潤滑剤が分解して水素が発生し、それが鋼中に侵入することで早期損傷が起きることがある（非特許文献１〜６）。例えば、転動部品の接触面で金属接触が起き、金属新生面が露出すると、水や潤滑剤の分解による水素の発生と、鋼中への水素の侵入が促進される。このことは、水や潤滑油を滴下しながらエメリー紙で転動部品用鋼をアブレシブ摩耗させた後に昇温脱離水素分析を行った結果、鋼中から拡散性水素が明瞭に検出された実験事実によって証明されている( 非特許文献７）。この実験結果によると、潤滑油よりも水を滴下した方が多くの拡散性水素が検出されることから、すべりが生じる条件で用いられる転動部品の潤滑剤に水が混入すると、さらに水素が発生し、鋼中に侵入しやすくなるといえる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１３８３７６号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】エル．グランベルグ（ L. Grunberg）著, Proc. Phys. Soc. (London), B66 (1953) 153-161.
【非特許文献２】エル．グランベルグ、ディ．スコット（ L. Grunberg and D. Scott)著, J. Inst. Petrol., 44 (1958) 406-410.
【非特許文献３】エル．グランベルグ（ L. Grunberg）, ディ. ティ. ジャミソン、ディ．スコット（D. T. Jamieson and D. Scott)著, Philosophical magazine, 8 (1963) 1553-1568.
【非特許文献４】ピー．シャッツベルグ、アイ．エム．フェルセン（ P. Schatzberg and I. M. Felsen)著, Wear, 12 (1968) 331-342.
【非特許文献５】ピー．シャッツベルグ（ P. Schatzberg）著, J. Lub. Tech., 231 (1971) 231-235.
【非特許文献６】ケイ．タマダ、エッチ．タナカ（ K. Tamada and H. Tanaka）著, Wear, 199 (1996) 245-252.
【非特許文献７】谷本啓, 田中宏昌, 杉村丈一, トライボロジー会議予稿集, (2010-5 東京), 203-204.
【非特許文献８】ワイ．マツバラ、エッチ．ハマダ（ Y. Matsubara and H. Hamada)著, Bearing Steel Technology, ASTM STP1465, J. M. Beswick Ed., (2007), 153-166.
【非特許文献９】エッチ．ミカミ、ティ．カワムラ（ H. Mikami and T. Kawamura) 著, SAE Paper, (2007), No. 2007-01-0113.
【非特許文献１０】牧野智昭，学位論文（京都大学），（２０００），１３４ｐ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水素は鋼の疲労強度を著しく低下させるため（非特許文献８）、さほど大きくない最大接触面圧でも水素が鋼中に侵入すれば、転動部品は早期損傷に至る。転がり軸受や歯車などの転動部品は、今後ますます水素が発生しやすい条件で使用される傾向にある。したがって、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬して、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる転動部品の転がりすべり疲労寿命試験方法およびその試験方法の実施に使用される装置の開発が必要であり、それによって使用条件に応じた対策要素を見極める必要がある。
【０００６】
水素脆性起因の早期損傷という点から、鋼材質の耐水素脆性については、鋼中への拡散性水素の侵入濃度を制御して評価することが望ましい。その評価方法として、拡散性水素の濃度が試験片最小径部の中心までほぼ均一になるようにチャージした後、極めて高速な負荷が可能な超音波軸荷重疲労試験を行い、拡散性水素が散逸しないうちに疲労させる評価方法が提案されている（例えば特許文献１）。
また、電流密度を変えて試験片に陰極電解で拡散性水素をチャージした後、超音波軸荷重疲労試験を行った結果では、拡散性水素濃度が増加するにつれて疲労強度が低下し、両者間に直線関係があるという報告がなされている（非特許文献８）。このことは、拡散性水素濃度が疲労強度低下の支配因子であることを意味し、拡散性水素の侵入濃度を制御することで本質的な耐水素脆性評価を行うことが有効であることを示唆している。
【０００７】
このような、先行技術の観点から、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬して、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる転動部品の転がりすべり疲労寿命試験方法が望まれており、これによって、使用条件に応じた対策要素の見極めが可能になることが期待されている。
【０００８】
この発明の目的は、なるべく外乱が少なく、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法、およびその試験方法の実施に使用される装置を提供することである。
この発明の他の目的は、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬して、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法、およびその試験方法の実施に使用される装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明の鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法は、試験油槽内の潤滑油に、鋼製材料の被試験体を浸漬し、前記被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与えて鋼製材料の転がりすべり疲労寿命の試験を行う転がりすべり疲労寿命試験方法であって、前記潤滑油中に水を注入し、潤滑油中の混入水分濃度を静電容量と油温とによって測定することを特徴とする。前記鋼製材料は転動部品用の材料であっても良い。なお、「転がりすべり疲労寿命」とは、すべりを伴う転がり接触を行う部分の疲労寿命をいう。
この試験方法によると、潤滑油に被試験体である転動部品を浸漬して、転がりすべり接触を生じる負荷を与え、潤滑油中に、水素源としての水を注入する。この状態で、潤滑油中の混入水分濃度を、静電容量と油温の測定によって、これらの測定値から求めるようにしている。そのため、なるべく外乱が少なく、水素脆性起因の早期損傷を効率良く起こさせることができる。
【００１０】
この発明方法において、前記鋼製材料が転動部品用の材料である場合、転動部品を試験用に模した部品である転動部品模擬体を、前記転動部品用材料の被試験体を構成要素に含めて製作し、試験油槽内の潤滑油に前記転動部品模擬体を浸漬して前記転動部品模擬体を動作させることにより、被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与えるのが良い。
なお、この明細書において、「転動部品」とは、転がり接触を生じる機械部品を言い、例示すると、転がり軸受や歯車がある。また、ここで言う「転動部品」は、転がり軸受のように、内外の軌道輪や転動体等の複数の構成要素を組み立てたものであっても、またその構成要素である転動体や軌道輪であっても良い。また、前記「転動部品模擬体」は、必ずしも転動部品の形状，寸法まで模したものである必要はなく、構成要素となる被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与えられるように転動部品を試験用に模したものであれば良い。また、試験に用いる前記「転動部品模擬体」は実際の転動部品であっても良い。
この試験方法によると、被試験体を構成要素として含む転動部品模擬体を潤滑油に浸漬して動作させ、潤滑油中に水素源としての水を注入する。この状態で、潤滑油中の混入水分濃度を、静電容量と油温の測定によって、これらの測定値から求める。そのため、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬して、水素脆性起因の早期損傷を効率良く起こさせることができる。
【００１１】
この試験方法において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が油浴潤滑機構であり、試験油槽内の潤滑油中の混入水分濃度を測定するものとしても良い。上記「油浴潤滑機構」は、試験油槽に潤滑油を溜めておき、その溜められた潤滑油で転動部品模擬体を潤滑する機構を言う。
【００１２】
また、この試験方法において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が循環給油機構であり、試験油槽内の潤滑油中の混入水分濃度を測定するものとしても良い。上記「循環給油機構」は、試験油槽内の潤滑油が常に入れ替わるように循環させる機構を言う。
【００１３】
この試験方法において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が循環給油機構であり、この循環給油機構の循環給油部の潤滑油中の混入水分濃度を測定するものとしても良い。
【００１４】
この試験方法において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が循環給油機構であり、この循環給油機構の循環ポンプと前記試験油槽の潤滑油の排出口との間にリザーブタンクを設け、このリザーブタンクに潤滑油を溜めて攪拌し、攪拌した潤滑油中の混入水分濃度を測定するものとしても良い。この場合に、前記リザーブタンク中に溜める潤滑油量は100mL 以下とするのが望ましい。
潤滑油への水の混合状態が良好でない場合、混入水分濃度が高くなるにつれて、静電容量の値が不安定になる。そのため、潤滑油と水がよく混合した状態で静電容量を測定する必要がある。そこで、試験油槽の潤滑油の排出口と循環ポンプとの間にリザーブタンクを設け、そこに潤滑油を溜めて攪拌し、静電容量と温度を測定するのが望ましい。
【００１５】
この試験方法において、前記試験油槽および前記リザーブタンクにおける底角部に、潤滑油の排出口を設けても良い。この場合に、前記試験油槽および前記リザーブタンクの内部を円柱形状とし、それらの底角部に凹部を設けるのが望ましい。
試験油槽およびリザーブタンクにおける底角部に潤滑油の排出口を設けた場合、潤滑油よりも比重が大きい水が、試験油槽やリザーブタンクから排出されやすくなる。また、試験油槽およびリザーブタンクのそれぞれ内部を円柱状とし、それらの底角部に凹部を設けた場合、水よりも比重の大きな添加物質も循環しやすくなる。
【００１６】
この試験方法において、測定した潤滑油中の混入水分濃度をフィードバックし、水注入量を変化させて混入水分濃度を制御するものとしても良い。この場合に、測定した潤滑油の飽和水分濃度に基づき、制御する潤滑油中の混入水分濃度を決めるのが望ましい。
【００１７】
この試験方法において、前記潤滑油中への水の注入を、シリンジポンプを用いて微量注入するものとしても良い。
【００１８】
この試験方法において、前記転動部品模擬体の動作は、接触する転動部品模擬体要素間の運動機構によって接触面にすべりを生じさせるものであっても良い。
この試験方法において、前記転動部品模擬体の動作は、接触する転動部品模擬体要素間の接触面に強制的にすべりを生じさせるものであっても良い。
【００１９】
この試験方法において、前記転動部品模擬体の動作は、損傷が起きるまで一定回転速度で一方向に回転させるものであっても良い。この場合に、前記転動部品模擬体の動作は、試験開始時の加速度を任意に設定できるものとするのが望ましい。
【００２０】
この試験方法において、前記転動部品模擬体の動作は、損傷が起きるまで加減速運転させるものであっても良い。この場合に、前記加減速運転のパターン設定では、少なくとも加速度，高速回転数，高速回転数での保持時間，減速度，低速回転数，低速回転数での保持時間の６パラメータをそれぞれ任意に設定でき、それを１パターンとして繰り返すものとするのが望ましい。
【００２１】
この試験方法において、前記転動部品模擬体の動作は、損傷が起きるまで揺動運動させるものであっても良い。この場合に、前記揺動運動の角度と周波数を任意に設定できるものするのが望ましい。
【００２２】
この試験方法において、前記転動部品模擬体の動作を行わせる駆動源としてサーボモータを用いると共に、転動部品模擬体はスピンドルを有する機構の一部を構成しており、前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを直結させても良い。この場合に、前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを直結させる機構は揺動運動を行う機構であり、かつクランク機構の揺動運動のように三角関数波形の速度変化が設定可能であることが望ましい。
揺動運動では、回転の場合とは異なり、損傷が起きても振動が大きく変化しない。クランク機構による揺動運動では、その振動が重畳するため、損傷が起きても振動で検出することが難しい。振動で損傷を精度よく検出できるようにするには、サーボモータの主軸と、転動部品模擬体を構成部品の１つとして持つ試験機構のスピンドルとを直結して揺動運動させることで、重畳する振動成分をなるべく排除する必要がある。さらに、できる限り試験機構のスピンドルなどの剛性を高くする必要がある。揺動運動条件としては、揺動の角度と周波数を任意に設定できることが望ましい。なお、サーボモータの主軸と試験機構のスピンドルを直結すると、クランク機構のような三角関数波形の速度変化を与えることは難しい。それを可能にするためには、シーケンサのプログラムによってサーボモータのアンプを制御すれば良い。
【００２３】
また、前記転動部品模擬体の接触要素間に電流を流して金属接触率を測定し、前記スピンドルの支持軸受にセラミック製の転動体を用い、前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを絶縁カップリングで連結しても良い。
【００２４】
この発明の鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置は、鋼製材料の被試験体を浸漬させた状態に潤滑油を入れる試験油槽と、この試験油槽内で前記被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与える手段と、前記試験油槽の潤滑油中に水を注入する水注入手段と、前記試験油槽の潤滑油の静電容量を測定する静電容量測定手段と、前記試験油槽の潤滑油の油温を測定する油温測定手段と、これら静電容量測定手段で測定した静電容量と油温測定手段で測定した油温から、定められた関係に従って前記潤滑油中の混入水分濃度を計算する水分濃度計算手段とを備える。
この試験装置によると、この発明の試験方法につき前述したと同様に、なるべく外乱が少なく、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる。
【００２５】
この発明の鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置は、被試験体が転動部品材料である場合、次の構成とするのが良い。すなわち、この鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法は、鋼製材料からなる転動部品用材料の被試験体を構成要素に含めて、転動部品を試験用に模した部品である転動部品模擬体を浸漬させた状態に潤滑油を入れる試験油槽と、この試験油槽内で前記転動部品模擬体を動作させる転動部品模擬体駆動装置と、前記試験油槽の潤滑油中に水を注入する水注入手段と、前記試験油槽の潤滑油の静電容量を測定する静電容量測定手段と、前記試験油槽の潤滑油の油温を測定する油温測定手段と、これら静電容量測定手段で測定した静電容量と油温測定手段で測定した油温から、定められた関係に従って前記潤滑油中の混入水分濃度を計算する水分濃度計算手段とを備える。
この試験装置によると、この発明の試験方法につき前述したと同様に、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬して、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる。
【００２６】
前記転動部品模擬体駆動装置は、前記転動部品模擬体の動作を行わせる駆動源としてサーボモータを用い、前記転動部品模擬体はスピンドルを有する機構の一部を構成していて、前記サーボモータの主軸が、前記スピンドルと連結されるものであっても良い。
前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを連結させる機構は揺動運動を行う機構であり、かつこの機構は、三角関数波形の速度変化が設定可能であるのが良い。
【００２７】
この発明装置において、前記転動部品模擬体の接触要素間に電流を流して金属接触率を測定する金属接触率測定手段を設け、前記スピンドルの支持軸受にセラミック製の転動体を用い、前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを絶縁カップリングで連結しても良い。
【００２８】
この発明装置において、前記転動部品模擬体駆動装置は、前記転動部品模擬体の動作として、一定回転速度、一方向回転に加え、加減速運転、揺動運動が可能とするのが良い。 この発明装置において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が、油浴潤滑機構であっても良い。
また、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が循環給油機構であり、この循環給油機構を、前記転動部品模擬体駆動装置における、それぞれが１個または１組の転動部品を動作させる機構部である各ヘッド部に設けても良い。
【発明の効果】
【００２９】
この発明の鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法は、試験油槽内の潤滑油に、鋼製材料の被試験体を浸漬し、前記被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与えて鋼製材料の転がりすべり疲労寿命の試験を行う転がりすべり疲労寿命試験方法であって、前記潤滑油中に水を注入し、潤滑油中の混入水分濃度を静電容量と油温とによって測定する方法であるため、なるべく外乱が少なく、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる。
前記鋼製材料が転動部品用の材料であって、転動部品を試験用に模した部品である転動部品模擬体を、転動部品用材料の被試験体を構成要素に含めて製作し、試験油槽内の潤滑油に前記転動部品模擬体を浸漬して転動部品模擬体を動作させることにより、被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与えるようにした場合は、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬して、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる。
【００３０】
この発明の鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置は、鋼製材料の被試験体を浸漬せた状態に潤滑油を入れる試験油槽と、この試験油槽内で前記被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与える手段と、前記試験油槽の潤滑油中に水を注入する水注入手段と、前記試験油槽の潤滑油の静電容量を測定する静電容量測定手段と、前記試験油槽の潤滑油の油温を測定する油温測定手段と、これら静電容量測定手段で測定した静電容量と油温測定手段で測定した油温から、定められた関係に従って前記潤滑油中の混入水分濃度を計算する水分濃度計算手段とを備えるため、なるべく外乱が少なく、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる。
鋼製材料からなる転動部品用材料の被試験体を構成要素に含めて、転動部品を試験用に模した部品である転動部品模擬体を浸漬させた状態に潤滑油を入れる試験油槽と、この試験油槽内で前記転動部品模擬体を動作させる転動部品模擬体駆動装置と、前記試験油槽の潤滑油中に水を注入する水注入手段と、前記試験油槽の潤滑油の静電容量を測定する静電容量測定手段と、前記試験油槽の潤滑油の油温を測定する油温測定手段と、これら静電容量測定手段で測定した静電容量と油温測定手段で測定した油温から、定められた関係に従って前記潤滑油中の混入水分濃度を計算する水分濃度計算手段とを備える場合は、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬して、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の一実施形態にかかる鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法に用いる試験装置の一例の概念図である。
【図２】同試験方法における加減速運転の最小パターン設定の例を示すパターン図である。
【図３】試験装置の他の例の概念図である。
【図４】試験装置のさらに他の例の概念図である。
【図５】（Ａ）は同試験方法に用いる転動部品模擬体を構成する試験片の一例の正面図、（Ｂ）は同試験片を組み込んだ転動部品模擬体の断面図である。
【図６】図５の転動部品模擬体の試験片の試験に用いる試験装置の断面図である。
【図７】同試験で測定した混入水分量の変化を示すグラフである。
【図８】潤滑油の飽和水分濃度測定に用いる試験装置の模式図である。
【図９】図８の試験装置で測定した混入水分濃度と静電容量の関係を示すグラフである。
【図１０】水混入油の静電容量測定に用いる試験装置の模式図である。
【図１１】図１０の試験装置で測定した混入水分濃度と静電容量の関係を示すグラフである。
【図１２】同試験で測定した油温と静電容量の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
この発明の一実施形態を図１〜図１２と共に説明する。図１にこの試験方法の実施に使用する試験装置の一例を概念図で示す。この鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置は、試験装置本体４０と、この試験装置本体４０を制御する試験装置本体制御装置４１と、水分濃度計算手段４２とで構成される。試験装置本体４０は、転動部品模擬体３を浸漬させた状態に潤滑油２を入れる試験油槽１と、この試験油槽１内で転動部品模擬体３を動作させる転動部品模擬体駆動装置２０と、試験油槽１の潤滑油中に水を注入する水注入手段であるシリンジポンプ４と、試験油槽１の潤滑油２の静電容量を測定する静電容量測定手段である静電容量計５と、試験油槽１の潤滑油２の油温を測定する油温測定手段である熱電対６とを有する。
【００３３】
転動部品模擬体３は、鋼製材料からなる転動部品用材料の被試験体を構成要素に含めて転動部品を試験用に模した部品である。図示の例では、転動部品模擬体３は、転動部品の一種であるスラスト玉軸受を模したものであり、内輪３ａと外輪３ｂとの間にボールからなる転動体３ｃを設けて構成され、外輪３ｂが被試験体となる。この転動部品模擬体における被試験体である外輪３ｂは、円筒形状で端面が転走面となる。また、この転動部品模擬体３は、実際の転動部品であるスラスト軸受に比べて、転動体３ｃのサイズを大きくしてある。模擬の対象となる実際のスラスト軸受では、転動体が小さすぎ、わずかな荷重を与えるだけで接触面の最大面圧がかなり大きくなるため、転動部品模擬体３では転動体３ｃを大きくした。内輪３ａは、そのように大きな転動体３ｃが転動できる溝を有するものを特別に製作して用いる。
【００３４】
水分濃度計算手段４２は、静電容量計５で測定した静電容量と熱電対６で測定した油温から、定められた関係に従って前記潤滑油中の混入水分濃度を計算する手段である。水分濃度計算手段４２は、静電容量と油温と混入水分濃度との関係を、計算式やテーブル等で定めた関係設定手段４３を有し、入力された静電容量と油温とから、関係設定手段４３に定められた関係を用いて混入水分濃度を計算する。
【００３５】
試験装置本体制御装置４１は、転動部品模擬体駆動装置２０を制御する転動部品模擬体動作制御部４４と、シリンジポンプ４を制御するポンプ制御部４５と、試験装置本体４０おけるその他の駆動部分を制御する制御部（図示せず）とを備える。試験装置本体制御装置４１は、コンピュータ式のシーケンサまたは数値制御装置であり、パーソナルコンピュータ等のコンピュータとこれに実行されるプログラムとで構成される。
水分濃度計算手段４２は、パーソナルコンピュータ等のコンピュータとこれに実行されるプログラムとで構成される。水分濃度計算手段４２は、試験装置本体制御装置４１を構成するコンピュータを用いたものであっても、試験装置本体制御装置４１とは独立したコンピュータを用いたものであっても良い。
【００３６】
この実施形態の鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法は、上記構成の試験装置を用いて、次のように行う。試験油槽１に入れた潤滑油２に、転動部品模擬体３を浸漬して動作させ、転動部品模擬体３における被試験体である外輪３ｂの転がりすべり疲労寿命の試験を行う。ここでは、シリンジポンプ４を用いて、前記潤滑油２中に水素源としての水を注入し、静電容量計５で計測した潤滑油２の静電容量と、熱電対６で計測した油温とによって、水分濃度計算手段４２を用いて、潤滑油２中の混入水分濃度を測定する。
【００３７】
同図の試験装置では、試験油槽１に潤滑油２を入れる機構として、油浴潤滑機構を用いており、試験油槽１内の潤滑油２中の混入水分濃度を測定する。上記「油浴潤滑機構」は、試験油槽１に潤滑油を溜めておき、その溜められた潤滑油で転動部品を潤滑する機構を言う。測定した混入水分濃度はシリンジポンプ４にフィードバックし、水注入量を変化させて混入水分濃度を制御する。すなわち、ポンプ制御部４５は、水分濃度計算手段により出力された混入水分濃度に応じて、定められた規則に従い、混入水分濃度が定められた範囲に納まるように、シリンジポンプ４による注入量を変化させる。また、転動部品模擬体３の接触要素間（具体的には一対の軌道輪３ａ，３ｂ間）に、通電手段４７によって電流を流して金属接触率を測定する。転動部品模擬体駆動装置２０における、サーボモータ７Ａの主軸７と、転動部品模擬体３のいずれかの構成要素に結合されて転動部品模擬体３を動作させるスピンドル８とを直結して揺動運動させる。スピンドル８は転動部品模擬体３を構成要素の一つとして持つものであっても良い。サーボモータの主軸７とスピンドル８とは絶縁カップリング３２で連結する。スピンドル８の支持軸受には、セラミック転動体軸受３３を用いている。
転動部品模擬体３は、前述のように、この実施形態ではスラスト玉軸受を模した部品とされ、被試験体となる外輪３ｂは、設置台（図示せず）等に固定設置され、内輪３ａがスピンドル８に固定されている。
【００３８】
上記スピンドル８およびセラミック転動体軸受３３により、転動部品模擬体駆動装置２０のヘッド部４６が構成される。ヘッド部４６は、転動部品模擬体駆動装置２０における、それぞれが１個または１組の転動部品模擬体３を動作させる機構部を言う。この実施形態ではヘッド部４６を１台のみ設けたが、複数のヘッド部４６を設け、複数の転動部品模擬体３を同時に試験するようにしても良い。
【００３９】
ところで、転がりすべり疲労寿命試験による耐水素脆性評価では、鋼中への拡散性水素の侵入濃度は制御できない。また、厳しい条件での加速試験であり、実機条件を模擬するものではない。鋼材質の耐水素脆性評価については、〔発明が解決しようとする課題〕の欄で述べた拡散性水素の侵入濃度を制御しての評価がある。それに対し、潤滑油の種類，潤滑油への添加物，接触要素の接触面への表面処理などの耐水素脆性評価は、この実施形態のように拡散性水素の侵入濃度が制御できない転がりすべり疲労寿命試験で評価する必要がある。したがって、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬した転がりすべり疲労寿命試験によって、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせ、使用条件に応じた対策要素を見極めるのに、この実施形態の転がりすべり疲労寿命試験方法は有効である。なお、ユーザーからの理解を得るという点からは、鋼材質についても、転がりすべり疲労寿命試験による耐水素脆性評価を実施することが望ましい。
【００４０】
水素脆性起因の早期損傷が起きる様々な転動部品の使用条件を鑑みると、以下の（１）〜（５）の機能を有する転がりすべり疲労寿命試験が望ましい。なお、試験装置における各ヘッド部４６間で互いに影響が及ばないように、図１では各ヘッド部に油浴潤滑機構を用いているが、循環給油機構を用いても良い。これにより、各ヘッド部４６で異なる条件の試験も可能になる。
（１）潤滑油２中に水素源としての水を注入する。
（２）潤滑油２中の混入水分濃度を静電容量と油温で監視する。
（３）（２）で監視した混入水分濃度をフィードバックし、水注入量を変化させて混入水分濃度を制御する
（４）一定回転速度，一方向回転だけでなく、加減速運転，揺動運動ができる。
（５）通電ができる。
【００４１】
（１）の機能については、水を混入した潤滑油を定期的に交換する方法もあるが、工数がかかるとか、休日は交換できないなど、効率が悪い。そのため、この実施形態のように、水をシリンジポンプ４で注入したり、チューブポンプで注入するのが望ましい。シリンジポンプ４は微量注入に向いている。ヘッド部４６に油浴潤滑機構を用いている図１の試験装置では、水の注入箇所は試験油槽１であるが、ヘッド部４６に循環給油機構を用いる場合は試験油槽１または循環給油機構の循環給油部とする。
【００４２】
（２）の機能を持たせる場合に、鉱油系で無添加の潤滑油の飽和水分濃度は高々２００重量ppm であることに留意する必要がある。混入水分濃度は静電容量と油温によって測定できるが、静電容量を計測する静電容量計５は次の２タイプに大別される。１つは飽和水分濃度以下までしか測れないものであり、もう１つは飽和水分濃度を超えて白濁状態になっても測れるものである。前者のタイプの方が多いが、後者のものの中には混入水分濃度が１０％以上でも測定できるものもある。上述したように、鉱油系の潤滑油の飽和水分濃度は高々２００重量ppm である。２００重量ppm の濃度の水混入油を定期交換した転がりすべり疲労寿命試験では、水の悪影響は見られないという結果が得られている。鉱油系で無添加の潤滑油の飽和水分濃度は微量だが、合成油系の潤滑油や鉱油系でも添加剤の種類によっては、飽和水分濃度はかなり高くなる。飽和水分濃度以下しか混入水分濃度が測れない静電容量計は、潤滑油２の飽和水分濃度を測るのに用いることができる。混入水分濃度と転がりすべり疲労寿命の関係を求めれば、潤滑油固有の飽和水分濃度が耐水素脆性の１つの指標になり得る可能性がある。
【００４３】
（３）の機能については、潤滑油２中に一定濃度の水を混入し、マクロ的に閉鎖系として転がりすべり寿命試験をしても、混入水分濃度は約３ｈ経過したあたりから大幅に減少する。潤滑油２中に水を一定流量で連続注入した場合も、混入水分濃度が変化することは容易に想像できる。（１）の機能のために水は水素源として注入するが、そのためには、（２）の機能において静電容量と油温によって監視した混入水分濃度をフィードバックし、水注入量を変化させて混入水分濃度を所定の範囲内に保つことが望ましい。
【００４４】
（４）の機能について言えば、実際の転動部品は一定回転速度，一方向回転で用いられることはない。そのため、一定回転速度，一方向回転の他に、加減速運転，揺動運動もできることが望ましい。加減速運転については、少なくとも図２のようなパターン設定ができる必要がある。すなわち、加速度(ｒｍａｘ-ｒｍｉｎ)/ｔａ，高速回転数ｒｍａｘ，高速回転数での保持時間ｔｍａｘ，減速度(ｒｍａｘ-ｒｍｉｎ)/ｔｄ，低速回転数ｒｍａｘ，低速回転数での保持時間ｔｍｉｎの６パラメータをそれぞれ任意に設定でき、それを１パターンとして加減速を繰り返すことである。揺動運動では、回転の場合とは異なり、損傷が起きても振動が大きく変化しない。クランク機構による揺動運動では、その振動が重畳するため、損傷が起きても振動で検出することが難しい。振動で損傷を精度よく検出できるようにするには、図１のようにサーボモータの主軸７と、転動部品模擬体３を構成部品の１つとして持つ試験機構のスピンドル８とを直結して揺動運動させることで、重畳する振動成分をなるべく排除する必要がある。さらに、できる限り試験機構のスピンドル８などの剛性を高くする必要がある。揺動運動条件としては、揺動の角度と周波数を任意に設定できることが望ましい。なお、サーボモータの主軸７と試験機構のスピンドル８を直結すると、クランク機構のような三角関数波形の速度変化を与えることは難しい。それを可能にするためには、シーケンサのプログラムによってサーボモータのアンプを制御すれば良い。
【００４５】
（５）の機能を持たせる目的は次の２点である。
１つは微弱電流を転動部品模擬体３の接触要素間に流して接触面の金属接触率を測定することである。もう１つは１Ａ程度の大電流を接触要素間に流して正極側を摩耗させることである。この現象を利用し、試験片を正極側にすることで、試験片の接触部に金属新生面を積極的に露出させ、水素の発生，侵入を促進することができる。このことは、非特許文献９にも開示されている。
【００４６】
図１の試験装置を用いた鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法では、（１）〜（５）の全ての機能を満たしており、転動部品模擬体３が揺動運転することを前提とし、サーボモータ７Ａの主軸７と試験機構のスピンドル８を直結した機構になっている。なお、揺動運転が不要な場合、高価で定格回転数が高々３０００rpm のサーボモータよりも、安価なインダクションモータなどで試験機構のスピンドル８をベルト駆動するのが良い。この場合、サーボモータ７Ａの駆動をスピンドル８に伝達する駆動伝達径にプーリ機構を設け、プーリ比を変えれば、試験機構のスピンドル８の回転速度を高めることができ、加減速運転の速度差を大きくするのにも有効である。なお、ヘッド部４６に循環給油機構を用いる場合は、比較的給油速度が速いチューブポンプなどを用いるのが良い。この場合、試験油槽１の潤滑油量をなるべく一定に保つように、潤滑油の出入り量を等しくすることが望ましい。
【００４７】
図１に示した試験装置の概念図では、転動部品模擬体３がスラスト軸受型である場合を示したが、スラスト軸受型の場合も鋼球の自転方向と公転方向が異なるため、転動部品模擬体３における試験片と鋼球の接触面ですべりが生じる。さらに積極的に接触面にすべりを与えるには、接触要素の運動機構を工夫すればよい。転動部品模擬体３として歯車材を評価する場合、歯車ではさらに大きなすべりが作用するため、試験片とそれに接触する物体の周速差を強制的に変えるなどし、接触面に大きなすべりを作用させる工夫が必要である。
【００４８】
図３および図４は、この実施形態の鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法に用いる試験装置の他の例を概念図として示している。図３の試験装置では、試験油槽１に潤滑油２を入れる機構として、循環給油機構９を用いている。ここでの循環給油機構９は、循環路１０の途中に循環ポンプ１１、静電容量計５、および熱電対６を設けて構成される。この場合でも、静電容量計５および熱電対６は図１のように試験油槽１に設けても良い。
【００４９】
ここで、潤滑油２への水の混合状態が良好でない場合、混入水分濃度が高くなるにつれて、静電容量の値が不安定になる。そのため、潤滑油２と水がよく混合した状態で静電容量を測定することが望ましい。そこで、図４の試験装置では、図３の試験装置において、試験油槽１の潤滑油２の排出口と循環ポンプ１１との間にリザーブタンク１２を設け、そこに潤滑油２を溜めて磁気式攪拌機１３などで攪拌し、静電容量と温度を測定するようにしている。熱電対６はリザーブタンク１２に設ける。潤滑油２と水を十分に混合させるためには、リザーブタンク１２の容積を小さくして攪拌効果を大きくする方が良い。目安として、潤滑油量は１００ｍＬ以下とすることが望ましい。さらに望ましいことは、潤滑油２よりも比重が大きい水が、試験油槽１やリザーブタンク１２から排出されやすくすることである。そのために、図４の試験装置では、試験油槽１およびリザーブタンク１２のそれぞれの潤滑油２の排出口を底角部１ａ，１２ａ（同図中に○を付して示す）としている。さらに、試験油槽１およびリザーブタンク１２のそれぞれ内部を円柱状とし、底角部１ａ，１２ａの全周に連続して、いわゆるヌスミとなる外角側に凹む溝状の凹部１ａａ，１２ａａを設けることが望ましい。これらの工夫をすることにより、水よりも比重の大きな添加物質も循環しやすくなる。
【００５０】
図１，図３，図４の試験装置を用いた試験方法では、シリンジポンプ４を用いて試験油槽１に水を注入するが、以下には、試験油槽１中の水混入油を定期交換して行った転がりすべり疲労寿命試験方法の具体例を示す。
軸受鋼ＳＵＪ２を用い、図５（Ａ）に示す被試験体であるテーパ形状外輪試験片（熱処理後は研削仕上げ、内径軌道面は面粗さＲq ≒０．０３μｍ）１４を製作した。熱処理は８５０℃のＲＸガス雰囲気中で５０ｍｉｎ加熱してずぶ焼入を施した後、１８０℃で１２０ｍｉｎの焼戻しを施した。試験は、図５（Ｂ）に示すように、テーパ形状外輪試験片１４にアンギュラ玉軸受７３０６Ｂの内輪（ＳＵＪ２標準焼入焼戻品）１５、鋼球（ＳＵＪ２標準焼入焼戻品，１３個）１６、保持器１７を組み合わせて転動部品模擬体３として行った。外輪試験片１４をテーパ形状にしたのは、鋼球１６と接触角をもって回転することにより、鋼球１６がスピンして外輪試験片１４との接触面にすべりが生じるためである。〔発明が解決しようとする課題〕の欄で述べたように、すべりが生じる場合、水素脆性起因の早期損傷が起きる頻度が高くなる。
【００５１】
図６には、この具体的試験方法で用いる試験装置の模式図を示す。同図における左側の機構部が評価側部２０ａ、右側の機構部がダミー側部２０ｂである。同図中において、損傷対象のテーパ形状外輪試験片１４はハッチングして示している。アキシャル荷重Ｆa ＝２．９４ｋＮのみを作用させ、２７３３ｍｉｎ-1で内輪１５を回転させた。潤滑油にはＶＧ１００の無添加タービン油（密度０．８８７ｇ／ｃｍ3 ，動粘度１００．９ｍｍ2 ／ｓ＠４０℃，１１．６８ｍｍ2 ／ｓ＠１００℃）を用い、それに２００重量ppm ，５重量％の純水を混入した。評価側に６０ｍＬの水混入油を入れ、潤滑油の入口（下側）と出口（上側）をチューブ１８でつないで閉鎖系とした。図５（Ｂ）に矢印で示す方向にポンプ作用によって潤滑油の流れが生じるため、水混入油は循環して攪拌される。試験は２０ｈ行い、その間に損傷が起きなければ、新たに作成した水混入油に交換した。損傷が生じるまで２０ｈの試験と水混入油の交換を繰り返した。損傷検出は振動計で行った。なお、図６に示す試験装置における中央の円筒ころ軸受１９はラジアル荷重を作用させるためのもので、今回の試験には無関係である。
【００５２】
アキシャル荷重Ｆa ＝２．９４ｋＮのみを作用させた場合の弾性ヘルツ接触計算での外輪試験片１４と鋼球１６の間の最大接触面圧は３ＧＰａである。なお、弾性ヘルツ接触計算では、ヤング率Ｅとポアソン比νはＳＵＪ２標準焼入焼戻品の実測値であるＥ＝２０４ＧＰａ，ν＝０．３とした。水混入を無視した弾性流体潤滑計算でのテーパ形状外輪試験片１４と鋼球１６の間の油膜パラメータは約３である。ただし、鋼球１６の面粗さは実測値Ｒq ＝０．０１７８μｍで一定とした。テーパ外輪形状試験片１４の単体の計算寿命Ｌ10h は、２円筒モデルに変換して計算すると２６１１ｈである。Ｌ10h の求め方は非特許文献１０に開示されている。ただし、すべりの影響は無視した。
【００５３】
初期混入水分濃度が５重量％の試験中に、定期的に潤滑油を少量サンプリングし、混入水分濃度を電量滴定法で測定して経時変化を調べた。その結果、図７にグラフで示すように、混入水分濃度は約３ｈ経過したあたりから大幅に減少した。上記のように閉鎖系とはいえ、それはマクロ的であって、完全に隙間をなくすことは不可能である。水分は目視ではわからない小さな隙間から蒸発したと考えられる。この転がりすべり疲労寿命試験の結果は、表１に示す通りである。
【００５４】
【表１】
【００５５】
２００重量ppm の水混入油では、試験片５個すべて１０００ｈまで損傷は起きず、試験を打ち切った。一方、５重量％の水混入油では、試験片５個すべてに計算寿命の１／１００のオーダーの早期損傷が生じた。損傷形態は、すべて表層を起点とする内部起点型はく離であった。なお、ＳＵＪ２製鋼球１６にも３ＧＰａの最大接触面圧が作用するが、はく離は生じなかった。鋼球１６はテーパ形状外輪試験片１４に比べて有効負荷体積が大きいためと考えられる。今回用いた潤滑油の飽和水分濃度の上限値程度の水混入では、寿命に及ばず水の影響はないといえる。一方、水が多量に混入する場合、水素が発生し、鋼中に侵入したために極めて早期に内部起点型はく離が起きたと考えられる。表１中には、５重量％の水混入油を態紀伊交換した場合の寿命を、２母数ワイブル分布に当てはめて求めたＬ10，Ｌ50，およびｅ（ワイブルスロープ）を示した。
【００５６】
次に、図１，図３，図４の試験装置のように、試験油槽１中の潤滑油２に水を一定流量で微量注入して行った転がりすべり疲労寿命試験方法の具体例を示す。
前記試験方法の場合と同じ図５に示す試験片１４、および図６に示す試験装置を用い、荷重条件、回転速度も同じとし、同じ潤滑油（水混入なし）６０ｍＬを入れ、潤滑油の入口（下側）と出口（上側）をチューブ１８でつないで閉鎖系とした。試験開始と同時に、シリンジポンプ４（図１）によってチューブ１８の途中から純水の連続注入を開始した。純水の注入速度は０．５ｍＬ／ｈとした。この場合、混入水分濃度の経時変化は測定しなかったが、図７の結果から、この場合も混入水分濃度が変化することは容易に想像できる。この転がりすべり疲労寿命試験の結果は、表２に示す通りである。
【００５７】
【表２】
【００５８】
この場合も試験片６個のすべてに、先の試験方法である５重量％の水混入油を定期交換した場合と同程度の寿命の早期損傷が生じた。損傷形態は、この場合も、すべて表層を起点とする内部起点型はく離であった。また、この場合も、ＳＵＪ２製鋼球１６にも３ＧＰａの最大接触面圧が作用するが、はく離は生じなかった。表２中には、寿命を２母数ワイブル分布に当てはめて求めたＬ10，Ｌ50，およびｅ（ワイブルスロープ）を示した。
【００５９】
次に、静電容量計５による潤滑油の飽和水分濃度と混入水分濃度の測定の具体例を説明する。
先述したように、潤滑油中の混入水分濃度は静電容量と温度によって測定でき、これに用いる静電容量計５は次の２つのタイプに大別される。１つは飽和水分濃度以下までしか測定できないものであり、もう１つは飽和水分濃度を超えて白濁状態になっても測定できるものである。
先ず、飽和水分濃度以下までしか測定できない静電容量計５を用い、潤滑油の飽和水分濃度を測定した。潤滑油は、先の転がりすべり疲労寿命試験の具体例で用いたＶＧ１００の無添加タービン油である。図８（Ａ）に模式図で示すように、静電容量計５を取付けた容器２１（例えば図１の試験装置における試験油槽１に見立てたもの）に潤滑油を入れ、シリカゲル入れを設けた上蓋２２をして、温度調整ができる磁気式攪拌機１３で攪拌しながら１１０℃に熱して１ｈ放置し、その間に油中に混入していた微量水分を蒸発させて、シリカゲルに吸着させた。その後、図８（Ｂ）に模式図で示すように、４０℃に保持して純水をシリンジポンプ４を用いて一定速度０．０５ｍＬ／ｈで注入した。図９には、そのときの静電容量の経時変化をグラフで示している。この静電容量計５は、水分活性として０〜１の値を出力する。「０」は混入水分濃度がゼロの場合、「１」は混入水分濃度が飽和水分濃度以上の場合である。図９のように、１６７重量ppm で測定値が１になったことから、その値が飽和水分濃度になる。混入水分濃度と転がりすべり疲労寿命の関係を調べれば、潤滑油固有の飽和水分濃度が耐水素脆性の１つの指標になり得る可能性がある。
【００６０】
次に、飽和水分濃度を超えて白濁状態になっても測定できる静電容量計５を用い、潤滑油中の水分濃度を変えて静電容量を測定した。潤滑油は、先の転がりすべり疲労寿命試験の具体例で用いたＶＧ１００の無添加タービン油である。図１０（Ａ）に模式図で示すように、１００ｍＬのビーカー３１（例えば図１の試験装置における試験油槽１に見立てたもの）に７０〜８０ｍＬの潤滑油を入れ、純水を混入し、十分に混合するまで温度調整ができる磁気式攪拌機１３で３３℃に保持した状態で攪拌した。その後、図１０（Ｂ）に模式図で示すように、静電容量計５を取付けて静電容量を測定した。その結果を、図１１にグラフで示している。このグラフから、相関が良い混入水分濃度と静電容量の線形関係が得られたことが分かる。さらに、水混入なしの潤滑油について、約２５℃（室温）から約１１５℃まで昇温しながら静電容量を測定した。その結果を、図１２にグラフで示している。このグラフから、相関が良い油温と静電容量の線形関係が得られたことが分かる。図１１，図１２のグラフから分かるように、静電容量は混入水分濃度と油温に依存する。変化し得る混入水分濃度と温度の範囲において、図１１，図１２のような関係を複数求め、目的変数を混入水分濃度、従属変数を静電容量，油温として関数にすれば、静電容量と油温から混入水分濃度を求めることができる。
【００６１】
このように、この実施形態の鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法によると、試験油槽１に溜めた潤滑油２に被試験体である転動部品模擬体３を浸漬して動作させ、潤滑油２中に水を注入し、潤滑油２中の混入水分濃度を静電容量と油温によって測定するようにしているので、なるべく外乱が少なく、なるべく忠実に実機を模擬して、水素脆性起因の早期損傷を効率よく起こさせ、転動部品模擬体３の使用条件に応じた対策要素が見極められるようになる。
【００６２】
なお、上記実施形態では、鋼製材料が転動部品用の材料である場合につき説明したが、この発明は、鋼製材料一般の転がりすべり疲労寿命試験に適用することができる。また、上記実施形態では、転動部品模擬体３を用いて試験を行うようにしたが、転動部品模擬体３を用いることなく、鋼製材料の被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与えて試験を行うようにしても良い。
【符号の説明】
【００６３】
１…試験油槽
２…潤滑油
３…転動部品模擬体
３ｂ…外輪（被試験体）
４…シリンジポンプ
５…静電容量
６…熱電対
７…サーボモータの主軸
８…スピンドル
９…循環給油機構
１１…循環ポンプ
１２…リザーブタンク
１３…攪拌機
４２…水分濃度計算手段
４１…試験装置本体制御装置
４５…ポンプ制御部
４４…転動部品模擬体動作制御部
４６…ヘッド部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験油槽内の潤滑油に、鋼製材料の被試験体を浸漬し、前記被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与えて鋼製材料の転がりすべり疲労寿命の試験を行う転がりすべり疲労寿命試験方法であって、
前記潤滑油中に水を注入し、潤滑油中の混入水分濃度を静電容量と油温とによって測定することを特徴とする鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項２】
請求項１において、前記鋼製材料が転動部品用の材料である鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項３】
請求項２において、転動部品を試験用に模した部品である転動部品模擬体を、前記転動部品用材料の被試験体を構成要素に含めて製作し、試験油槽内の潤滑油に前記転動部品模擬体を浸漬して前記転動部品模擬体を動作させることにより、前記被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与える鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項４】
請求項３において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が油浴潤滑機構であり、試験油槽内の潤滑油中の混入水分濃度を測定するものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項５】
請求項３において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が循環給油機構であり、試験油槽内の潤滑油中の混入水分濃度を測定するものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項６】
請求項３において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が循環給油機構であり、この循環給油機構の循環給油部の潤滑油中の混入水分濃度を測定するものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項７】
請求項３において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が循環給油機構であり、この循環給油機構の循環ポンプと前記試験油槽の潤滑油の排出口との間にリザーブタンクを設け、このリザーブタンクに潤滑油を溜めて攪拌し、攪拌した潤滑油中の混入水分濃度を測定するものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項８】
請求項７において、前記リザーブタンク中に溜める潤滑油量を100mL 以下とした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項９】
請求項７または請求項８において、前記試験油槽および前記リザーブタンクにおける底角部に、潤滑油の排出口を設けた鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項１０】
請求項９において、前記試験油槽および前記リザーブタンクの内部を円柱形状とし、それらの底角部に凹部を設けた鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項１１】
請求項３ないし請求項１０のいずれか１項において、測定した潤滑油中の混入水分濃度を、水を注入する手段の制御手段にフィードバックし、水注入量を変化させて混入水分濃度を制御するものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項１２】
請求項１１において、測定した潤滑油の飽和水分濃度に基づき、制御する潤滑油中の混入水分濃度を決めるものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項１３】
請求項３ないし請求項１２のいずれか１項において、前記潤滑油中への水の注入を、シリンジポンプを用いて微量注入とした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項１４】
請求項３ないし請求項１３のいずれか１項において、前記転動部品模擬体の動作は、接触する転動部品模擬体要素間の運動機構によって接触面にすべりを生じさせるものである鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項１５】
請求項３ないし請求項１３のいずれか１項において、前記転動部品模擬体の動作は、接触する転動部品模擬体要素間の接触面に強制的にすべりを生じさせるものである鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項１６】
請求項３ないし請求項１５のいずれか１項において、前記転動部品模擬体の動作は、損傷が起きるまで一定回転速度で一方向に回転させるものである鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項１７】
請求項１５において、前記転動部品模擬体の動作は、試験開始時の加速度を任意に設定できるものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項１８】
請求項３ないし請求項１５のいずれか１項において、前記転動部品模擬体の動作は、損傷が起きるまで加減速運転させるものである鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項１９】
請求項１８において、前記加減速運転のパターン設定では、少なくとも加速度，高速回転数，高速回転数での保持時間，減速度，低速回転数，低速回転数での保持時間の６パラメータをそれぞれ任意に設定でき、それを１パターンとして繰り返すものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項２０】
請求項３ないし請求項１５のいずれか１項において、前記転動部品模擬体の動作は、損傷が起きるまで揺動運動させるものである鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項２１】
請求項２０において、前記揺動運動の角度と周波数を任意に設定できるものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項２２】
請求項３ないし請求項２１のいずれか１項において、前記転動部品模擬体の動作を行わせる駆動源としてサーボモータを用いると共に、転動部品模擬体はスピンドルを有する機構の一部を構成しており、前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを直結させた鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項２３】
請求項２２において、前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを直結させる機構は揺動運動を行う機構であり、かつクランク機構の揺動運動のように三角関数波形の速度変化が設定可能である鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項２４】
請求項２２または請求項２３において、前記転動部品模擬体の接触要素間に電流を流して金属接触率を測定し、前記スピンドルの支持軸受にセラミック製の転動体を用い、前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを絶縁カップリングで連結した鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項２５】
鋼製材料の被試験体を浸漬させた状態に潤滑油を入れる試験油槽と、この試験油槽内で前記被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与える手段と、前記試験油槽の潤滑油中に水を注入する水注入手段と、前記試験油槽の潤滑油の静電容量を測定する静電容量測定手段と、前記試験油槽の潤滑油の油温を測定する油温測定手段と、これら静電容量測定手段で測定した静電容量と油温測定手段で測定した油温から、定められた関係に従って前記潤滑油中の混入水分濃度を計算する水分濃度計算手段とを備えた鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置。
【請求項２６】
鋼製材料からなる転動部品用材料の被試験体を構成要素に含めて、転動部品を試験用に模した部品である転動部品模擬体を浸漬させた状態に潤滑油を入れる試験油槽と、この試験油槽内で前記転動部品模擬体を動作させる転動部品模擬体駆動装置と、前記試験油槽の潤滑油中に水を注入する水注入手段と、前記試験油槽の潤滑油の静電容量を測定する静電容量測定手段と、前記試験油槽の潤滑油の油温を測定する油温測定手段と、これら静電容量測定手段で測定した静電容量と油温測定手段で測定した油温から、定められた関係に従って前記潤滑油中の混入水分濃度を計算する水分濃度計算手段とを備えた鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置。
【請求項２７】
請求項２６において、前記転動部品模擬体駆動装置は、前記転動部品模擬体の動作を行わせる駆動源としてサーボモータを用い、前記転動部品模擬体はスピンドルを有する機構の一部を構成していて、前記サーボモータの主軸が、前記スピンドルと連結される鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置。
【請求項２８】
請求項２７において、前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを連結させる機構は揺動運動を行う機構であり、かつこの機構は、三角関数波形の速度変化が設定可能である鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置。
【請求項２９】
請求項２７または請求項２８において、前記転動部品模擬体の接触要素間に電流を流して金属接触率を測定する金属接触率測定手段を設け、前記スピンドルの支持軸受にセラミック製の転動体を用い、前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを絶縁カップリングで連結した鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置。
【請求項３０】
請求項２６ないし請求項２９のいずれか１項において、前記転動部品模擬体駆動装置は、前記転動部品模擬体の動作として、一定回転速度、一方向回転に加え、加減速運転、揺動運動が可能とした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項３１】
請求項２６ないし請求項３０のいずれか１項において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が油浴潤滑機構である鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置。
【請求項３２】
請求項２６ないし請求項３０のいずれか１項において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が循環給油機構であり、この循環給油機構を、前記転動部品模擬体駆動装置における、それぞれが１個または１組の転動部品模擬体を動作させる機構部である各ヘッド部に設けた鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置。
【請求項１】
試験油槽内の潤滑油に、鋼製材料の被試験体を浸漬し、前記被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与えて鋼製材料の転がりすべり疲労寿命の試験を行う転がりすべり疲労寿命試験方法であって、
前記潤滑油中に水を注入し、潤滑油中の混入水分濃度を静電容量と油温とによって測定することを特徴とする鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項２】
請求項１において、前記鋼製材料が転動部品用の材料である鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項３】
請求項２において、転動部品を試験用に模した部品である転動部品模擬体を、前記転動部品用材料の被試験体を構成要素に含めて製作し、試験油槽内の潤滑油に前記転動部品模擬体を浸漬して前記転動部品模擬体を動作させることにより、前記被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与える鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項４】
請求項３において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が油浴潤滑機構であり、試験油槽内の潤滑油中の混入水分濃度を測定するものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項５】
請求項３において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が循環給油機構であり、試験油槽内の潤滑油中の混入水分濃度を測定するものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項６】
請求項３において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が循環給油機構であり、この循環給油機構の循環給油部の潤滑油中の混入水分濃度を測定するものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項７】
請求項３において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が循環給油機構であり、この循環給油機構の循環ポンプと前記試験油槽の潤滑油の排出口との間にリザーブタンクを設け、このリザーブタンクに潤滑油を溜めて攪拌し、攪拌した潤滑油中の混入水分濃度を測定するものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項８】
請求項７において、前記リザーブタンク中に溜める潤滑油量を100mL 以下とした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項９】
請求項７または請求項８において、前記試験油槽および前記リザーブタンクにおける底角部に、潤滑油の排出口を設けた鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項１０】
請求項９において、前記試験油槽および前記リザーブタンクの内部を円柱形状とし、それらの底角部に凹部を設けた鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項１１】
請求項３ないし請求項１０のいずれか１項において、測定した潤滑油中の混入水分濃度を、水を注入する手段の制御手段にフィードバックし、水注入量を変化させて混入水分濃度を制御するものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項１２】
請求項１１において、測定した潤滑油の飽和水分濃度に基づき、制御する潤滑油中の混入水分濃度を決めるものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項１３】
請求項３ないし請求項１２のいずれか１項において、前記潤滑油中への水の注入を、シリンジポンプを用いて微量注入とした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項１４】
請求項３ないし請求項１３のいずれか１項において、前記転動部品模擬体の動作は、接触する転動部品模擬体要素間の運動機構によって接触面にすべりを生じさせるものである鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項１５】
請求項３ないし請求項１３のいずれか１項において、前記転動部品模擬体の動作は、接触する転動部品模擬体要素間の接触面に強制的にすべりを生じさせるものである鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項１６】
請求項３ないし請求項１５のいずれか１項において、前記転動部品模擬体の動作は、損傷が起きるまで一定回転速度で一方向に回転させるものである鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項１７】
請求項１５において、前記転動部品模擬体の動作は、試験開始時の加速度を任意に設定できるものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項１８】
請求項３ないし請求項１５のいずれか１項において、前記転動部品模擬体の動作は、損傷が起きるまで加減速運転させるものである鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項１９】
請求項１８において、前記加減速運転のパターン設定では、少なくとも加速度，高速回転数，高速回転数での保持時間，減速度，低速回転数，低速回転数での保持時間の６パラメータをそれぞれ任意に設定でき、それを１パターンとして繰り返すものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項２０】
請求項３ないし請求項１５のいずれか１項において、前記転動部品模擬体の動作は、損傷が起きるまで揺動運動させるものである鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項２１】
請求項２０において、前記揺動運動の角度と周波数を任意に設定できるものとした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項２２】
請求項３ないし請求項２１のいずれか１項において、前記転動部品模擬体の動作を行わせる駆動源としてサーボモータを用いると共に、転動部品模擬体はスピンドルを有する機構の一部を構成しており、前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを直結させた鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項２３】
請求項２２において、前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを直結させる機構は揺動運動を行う機構であり、かつクランク機構の揺動運動のように三角関数波形の速度変化が設定可能である鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項２４】
請求項２２または請求項２３において、前記転動部品模擬体の接触要素間に電流を流して金属接触率を測定し、前記スピンドルの支持軸受にセラミック製の転動体を用い、前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを絶縁カップリングで連結した鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項２５】
鋼製材料の被試験体を浸漬させた状態に潤滑油を入れる試験油槽と、この試験油槽内で前記被試験体に転がりすべり接触を生じる負荷を与える手段と、前記試験油槽の潤滑油中に水を注入する水注入手段と、前記試験油槽の潤滑油の静電容量を測定する静電容量測定手段と、前記試験油槽の潤滑油の油温を測定する油温測定手段と、これら静電容量測定手段で測定した静電容量と油温測定手段で測定した油温から、定められた関係に従って前記潤滑油中の混入水分濃度を計算する水分濃度計算手段とを備えた鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置。
【請求項２６】
鋼製材料からなる転動部品用材料の被試験体を構成要素に含めて、転動部品を試験用に模した部品である転動部品模擬体を浸漬させた状態に潤滑油を入れる試験油槽と、この試験油槽内で前記転動部品模擬体を動作させる転動部品模擬体駆動装置と、前記試験油槽の潤滑油中に水を注入する水注入手段と、前記試験油槽の潤滑油の静電容量を測定する静電容量測定手段と、前記試験油槽の潤滑油の油温を測定する油温測定手段と、これら静電容量測定手段で測定した静電容量と油温測定手段で測定した油温から、定められた関係に従って前記潤滑油中の混入水分濃度を計算する水分濃度計算手段とを備えた鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置。
【請求項２７】
請求項２６において、前記転動部品模擬体駆動装置は、前記転動部品模擬体の動作を行わせる駆動源としてサーボモータを用い、前記転動部品模擬体はスピンドルを有する機構の一部を構成していて、前記サーボモータの主軸が、前記スピンドルと連結される鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置。
【請求項２８】
請求項２７において、前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを連結させる機構は揺動運動を行う機構であり、かつこの機構は、三角関数波形の速度変化が設定可能である鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置。
【請求項２９】
請求項２７または請求項２８において、前記転動部品模擬体の接触要素間に電流を流して金属接触率を測定する金属接触率測定手段を設け、前記スピンドルの支持軸受にセラミック製の転動体を用い、前記サーボモータの主軸と前記スピンドルを絶縁カップリングで連結した鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置。
【請求項３０】
請求項２６ないし請求項２９のいずれか１項において、前記転動部品模擬体駆動装置は、前記転動部品模擬体の動作として、一定回転速度、一方向回転に加え、加減速運転、揺動運動が可能とした鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験方法。
【請求項３１】
請求項２６ないし請求項３０のいずれか１項において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が油浴潤滑機構である鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置。
【請求項３２】
請求項２６ないし請求項３０のいずれか１項において、前記試験油槽に潤滑油を入れる機構が循環給油機構であり、この循環給油機構を、前記転動部品模擬体駆動装置における、それぞれが１個または１組の転動部品模擬体を動作させる機構部である各ヘッド部に設けた鋼製材料の転がりすべり疲労寿命試験装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１８１１６７（Ｐ２０１２−１８１１６７Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４５９４９（Ｐ２０１１−４５９４９）
【出願日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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