線材の超音波疲労試験片の製造方法

【課題】従来の超音波疲労試験片では、線材の表面ないし表面近傍の疲労特性を正しく評価できず、疲労特性評価の信頼度が低い。
【解決手段】線材６を所定長さに切断して試験片２の素材７とし、該素材の試験片試験部長手方向中央相当部分15の両側の部分を切削加工して溝状空間14となし、ついで前記試験片試験部長手方向中央相当部分を塑性加工により縮径し、該縮径した後の素材を切削、研削、研磨のいずれか１種または２種以上により機械加工して前記試験片の目標形状に仕上げる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、線材の超音波疲労試験片の製造方法に関し、詳しくは、金属線材例えば鋼線材の疲労特性を短期間で評価するための超音波疲労試験に供する試験片を製造するための、線材の超音波疲労試験片の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料に要求される性能として、繰り返し応力の下での金属疲労に対する耐性があり、その試験として疲労試験がある。鉄鋼材料で疲労試験を行うと、疲労試験片は概ね１０００万回程度の繰り返し応力変動を与えることで疲労破断に至る。
このため、短期間で疲労試験を完遂できるように、応力付与サイクルの周期が極めて短時間である超音波疲労試験方法が用いられている。
【０００３】
その際には、正確を期すため、特許文献１に開示されるように温度管理を徹底したり、回転曲げ等の機械式疲労試験による評価との整合性をとるために特許文献２に開示されるように補正を加えたりすることが行われている。
【特許文献１】特開２００２－２８６６０５号公報
【特許文献２】特開２００２－２４３６０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
超音波疲労試験は、図１に概要を示すように、円柱状素材をその長手方向中央が最も細くなる所定の形状に加工してこの加工した部分を試験部３としてなる超音波疲労試験片（略して試験片）２を、超音波加振装置１にて振動させることで、試験部３の長手方向中央に、引張と圧縮の応力を発生させるという方法で行われる。試験片２の試験部３の所定の形状は、超音波加振装置１の超音波出力に共振する形状とされる。
【０００５】
試験片２はその長手方向が上下方向となるように超音波加振装置１にセットされる。セットされた試験片２の上端部４と下端部５は試験部３に比べて十分太い円柱形状を有し、試験中ほとんど伸縮せず、試験部３に引張ないし圧縮荷重を負荷する錘の役割を果たす。
前記所定の形状を有する試験片を作製するには、形状加工精度の点から、JIS Z 2237の3.2に記載される、「試験片を切削又は研削により機械加工する」方法が用いられ、その際、「試験片にむしれや著しい加工ひずみが生じないように」注意が払われる。
【０００６】
直径１０ｍｍ前後の軸受鋼線材についても、試験部の直径が線材の直径より小さい超音波疲労試験片を切削加工により作製していた。通常は、試験部のサイズは、最も細い箇所の直径が２～４ｍｍ程度、長手方向端の直径が１０ｍｍ程度、全長が１００ｍｍ弱程度になるサイズとされる。
この場合、試験片の試験部の最も細い箇所の表面は、線材を表面から線材半径の１/２を大幅に超える深さまで削り落として形成されたものとなる。
【０００７】
ところが、線材をそのまま使用するような用途や、それを加工して使用する用途においては、実質的に線材の表面がそのまま、あるいは、表面をある程度研磨しても線材の表面直下がそのまま残された状態で前記用途に供されている製品の表面となる場合が多い。そして、前記用途に供されている製品に生じる引張ないし圧縮の応力は該製品の表面で最大となることが多いから、疲労破壊は該製品の表面で起きることが多い。
【０００８】
しかるに、従来の超音波疲労試験片は、上述のように切削加工されているから、線材断面の中心から線材半径の１/２未満の範囲を含むにすぎず、線材の表面ないし表面近傍は含まないものとなる。したがって、従来の超音波疲労試験片では、線材の表面ないし表面近傍の疲労特性を正しく評価できず、疲労特性評価の信頼度が低いことが課題となっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明者らは、前記課題を解決すべく検討を重ね、素材の試験片試験部長手方向中央相当部分を塑性加工によって縮径することで、試験片試験部長手方向中央部分に素材の表層部を可及的に残すようにすることに着想した。さらに、前記縮径する際の塑性加工による内部割れを生じさせないようにするために、前記縮径する前に、素材の試験片試験部長手方向中央相当部分の両側の部分を切削加工して溝状空間となすことに着想し、以下の要旨構成になる本発明をなした。
【００１０】
１．線材の超音波疲労試験片を製造するにあたり、前記線材を所定長さに切断して前記試験片の素材とし、該素材の試験片試験部長手方向中央相当部分の両側の部分を切削加工して溝状空間となし、ついで前記試験片試験部長手方向中央相当部分を塑性加工により縮径し、該縮径した後の素材を切削、研削、研磨のいずれか１種または２種以上により機械加工して前記試験片の目標形状に仕上げることを特徴とする線材の超音波疲労試験片の製造方法。
【００１１】
２．前記縮径する際の被縮径部の目標径を、該縮径後の被縮径部を前記仕上げ機械加工する際の目標径の１．００～１．０８倍とすることを特徴とする前項１に記載の線材の超音波疲労試験片の製造方法。
３．前記塑性加工が冷間加工であることを特徴とする前項１または２に記載の線材の超音波疲労試験片の製造方法。
【００１２】
４．前記冷間加工が転造加工であることを特徴とする前項３に記載の線材の超音波疲労試験片の製造方法。
５．前記縮径した後の素材を、前記機械加工する前に熱処理することを特徴とする前項１～４のいずれか一項に記載の線材の超音波疲労試験片の製造方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、素材の試験片試験部長手方向中央相当部分（試験片となった後は長手方向で最も細い部分、すなわち、最大応力が発生する部分になる）を塑性加工により縮径するようにしたから、該縮径後の被縮径部位は、線材の表層部がそのまま残ったものとなり、この縮径後の仕上げ機械加工（切削、研削、研磨）による表層部除去深さを可及的に小さくできて、試験片試験部長手方向中央部の表面を線材の表面に可及的に近くすることができる。また、前記縮径する前に、素材の試験片試験部長手方向中央相当部分の両側の部分を切削加工して溝状空間となすから、縮径の際に素材に内部割れが発生し難くなる。
【００１４】
したがって、線材の表面ないし表面近傍の疲労特性を正しく評価でき、疲労特性評価の信頼度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図２は、本発明の基礎とした技術の一例を示す模式図である。線材６を所定長さに切断して、図１に示した試験片２の素材７とする。次いで、試験片２の試験部３の長手方向中央部位に相当する素材７の長手方向部位を被縮径部位として塑性加工により縮径する。この例における塑性加工は、一枚の歯８を有する転造加工用工具９で素材７を挟みながら被縮径部位を転造加工するものである。これにより、素材７の被縮径部位の断面が塑性加工されて細く縮径される。この後、切削、研磨等の機械加工により所定の試験片形状に仕上げることにより、超音波疲労試験片が完成する。
【００１６】
図３は、本発明の基礎とした技術の別の一例を示す模式図であり、これは、図２に示した例において転造加工の代わりに、金型10で鍛造加工を行い、素材７をその中心軸の周りに回転させつつ被縮径部を縮径するようにしたものである。なお、加工能率の観点からすれば、この鍛造加工よりは、前記転造加工の方が好ましい。
図４には、切削による仕上げ加工部分を示した。従来技術における切削部12（図４（ｂ））は、素材７の、試験片の最も細い部分に相当する部位において、当該部位から表面までを占める。これに対し、本発明の基礎とした技術における切削部11（図４（ａ））は、素材７の、試験片の最も細い部分に相当する部位において、当該部位から縮径後の素材７の被縮径部の表面（線材表面に相当する）までを占めるにすぎないから、試験部３の長手方向中心部では、線材表面からの深さが非常に浅い表層部分が除去されているのみであることが明らかである。
【００１７】
しかしながら、本発明の基礎とした技術では、塑性加工により縮径する過程で、図４（ａ）に示すように、被縮径部（素材７の試験片試験部長手方向中央相当部分）に内部割れ13が発生しやすい。これは、塑性加工によって材料が工具の押し込み部分の両側に押しのけられる際に、押し込まれている部分を軸方向に引張る力を発生させるためと考えられる。
【００１８】
そこで、発明者らはさらに検討を重ね、本発明の基礎とした技術において、素材の試験片試験部長手方向中央相当部分を塑性加工により縮径するに先立ち、この試験片試験部長手方向中央相当部分の両側の部分を切削加工して溝状空間となすようにする工程を付加することにより、この工程の溝状空間形成時には材料を軸方向に引張る力は発生せず、かつ、次工程の縮径時には前工程で形成された両側の溝状空間の存在により、被縮径部の材料を軸方向に引張る力が大幅に緩和されうることを見出した。
【００１９】
図５は、本発明の実施形態の一例を示す模式図である。図５（ａ）は、素材７を切削加工して、被縮径部15とその両側の溝状空間14とを形成する段階(1)であり、図５（ｂ）は、段階(1)に次いで、被縮径部15を、図２に示した一枚歯をもつ転造加工用工具９での転造加工により縮径し、基部から上が二分して両側の溝状空間14内に倒れ込んだ状態の被縮径部15’とする段階(2)であり、図５（ｃ）は、段階(2)に次いで、素材７から仕上げ機械加工により除去される部分16を、切削、研削、研磨のいずれか１種または２種以上により機械加工して除去し、所定の試験片形状に仕上げる段階(3)である。
【００２０】
前記被縮径部の縮径後の直径（目標径）は、試験片２の試験部３の最も細い部分の所定直径Ｄ_０の１．００～１．０８倍となるようにすることが好ましい。目標径がＤ_０より小さいと所定の試験片形状が得られにくく、一方、目標径が１．０８×Ｄ_０より大きいと、仕上げの機械加工段階での表面層除去深さが大きくなって、試験片２の試験部３の最も細い部分の表層部に線材表層部を十分に残すことができなくなるからである。
【００２１】
また、前記塑性加工が熱間加工あるいは温間加工であると、被加工部位の半径が周方向でかなり大きく変動しやすく、その結果、仕上げ機械加工での表層部除去深さをより大きくする必要が生じる場合が少なくない。これに対し冷間加工では、被加工部位の周方向での半径変動は極めて小さい。したがって、前記塑性加工は冷間加工とすることが好ましい。因みに、例えば直径１２．５ｍｍの線材について冷間転造加工または冷間鍛造加工で縮径した場合、図５（ｃ）の仕上げにより除去される部分16の長手方向中央部での切削深さを０．５ｍｍ以下に抑えることができた。
【００２２】
また、疲労特性調査対象とされた線材がその実際の用途において焼入れ等の熱処理を施されるものである場合、前記塑性加工による縮径後の素材に対し、これを仕上げ機械加工する前に、前記用途において施される熱処理と同等な熱処理を施すことが好ましい。これにより、前記用途に供用中の線材の疲労特性をより正しく評価することができる。
また、図６は、切削加工による溝状空間14形成後の素材７の形状と試験片の目標形状とを互いの軸（中心軸）および被縮径部長手方向中心点を一致させて合成した形状を示す模式図である。同図において、Ｗ，Ｈ，Ａ，Ｂ，Ｃは次の寸法を表す。すなわち、Ｗは試験片試験部の試験片軸方向長さ（ｍｍ）、Ｈは素材７の半径と試験片試験部長手方向中央部分の半径の差（ｍｍ）、Ａは素材７の表面から溝状空間14の溝底までの切削深さ（ｍｍ）、Ｂは溝状空間14形成後の被縮径部15の素材軸方向長さ（ｍｍ）、Ｃは溝状空間の素材軸方向長さ（ｍｍ）である。試験片形状全体は必然的に素材形状の内側に収まっているから、Ａ＜Ｈ、であり、また、被縮径部両側の溝状空間の素材軸方向長さＣが互いに等しい場合、Ｂ＋２×Ｃ＜Ｗであり、等しくない場合、一方をＣ，他方をＣ’とすれば、Ｂ＋Ｃ＋Ｃ’＜Ｗ、である。
【実施例】
【００２３】
従来例では、JIS SUJ2相当の直径１２．５ｍｍの鋼線材を所定長さに切断して素材とし、これを切削および研磨により機械加工して試験片の目標形状に仕上げ、図１に示した超音波疲労試験片を得た。
比較例では、従来例と同じ素材を、一枚歯の転造用工具を用いた転造加工（図２、ただし本例では冷間）により、素材の試験片試験部長手方向中央相当部分が最終仕上げ機械加工での目標直径（４．５ｍｍ）の１．０５倍の直径になるまで縮径し、次いで、この縮径後の素材を切削および研磨により機械加工して試験片の目標形状に仕上げて、図１に示した超音波疲労試験片を得た。
【００２４】
本発明例では、従来例と同じ素材を、切削加工して、素材の試験片試験部長手方向中央相当部分の両側に溝状空間を設けた（図５（ａ）参照）。このとき前記寸法Ａ，Ｂ，Ｃを種々変えた（図６参照）。次いで、一枚歯の転造加工用工具を用いた転造加工（図５（ｂ）参照、ただし本例では冷間）により、素材の試験片試験部長手方向中央相当部分が最終仕上げ機械加工での当該部分の目標直径の１．０５倍の直径になるまで縮径し、次いで、この縮径後の素材を切削および研磨により機械加工（図５（ｃ）参照）して試験片の目標形状に仕上げて、図１に示した超音波疲労試験片を得た。
【００２５】
従来例、比較例、本発明例の各方法で作製した試験片をそれぞれ複数本用い、図１に示した要領で超音波疲労試験を行った。超音波加振装置の出力周波数は２０ｋＨｚとした。
各例について超音波疲労試験による疲労破断後の破面を観察し、疲労試験前に潜在していた内部割れを同定し、その発生率（本数率）を求めた。なお、疲労破断するまでの振動繰り返し回数は、内部割れのない健全な試験片では１０^７～１０^８回の範囲であり、内部割れが潜在した試験片ではこの範囲を大幅に下回った。
【００２６】
さらに、健全な試験片について、疲労破壊の起点およびその存在位置を同定し、試験片中心から表面までを３つに区分する各区域（Ｉ：中心～半径/２、II：半径/２～半径×３/４、III：半径×３／４～表面）における前記起点を計数してその存在度数率を求めた。なお、起点が区域間の境界に存在した場合は境界の両側の区域に１/２個ずつ存在するものと計上した。これらの結果を、寸法Ｗ，Ｈ，Ａ，Ｂ，Ｃ（なお、ここではＣ＝Ｃ’とした）の値とともに、表１に示す。なお、図６を用いて前述したとおり、Ａ＜Ｈ、かつ、Ｃ＜（Ｗ－Ｂ）/２、である。
【００２７】
表１より、従来例では破壊の起点が主に表面より深い位置に存在するのに対し、本発明例および比較例では主に表面に近い位置に破壊の起点が存在することが明らかである。すなわち、本発明によれば、従来切削等で除去していた線材表層部に疲労特性上問題となる部分があることを正しく把握することができて、疲労特性評価の信頼度が格段に向上するわけである。比較例の製造方法でも、健全な試験片が得られた場合は本発明と同様の効果を奏するのであるが、試験片製造の過程で内部割れが発生する頻度が高すぎるため、試験片製造歩留りの点で本発明に遠く及ばないのである。
【００２８】
また、本発明例は、転造による縮径加工に先立って切削により溝状空間を形成していないNo.２よりも減少している。この点について詳細に説明する。
素材となる線材の径は１２．５ｍｍであり、これを最終仕上げ機械加工での目標直径４．５ｍｍの１．０５倍＝４．７２５ｍｍまで転造用工具にて縮径する。よって、縮径量は１２．５－４．７２５＝７．７７５ｍｍである。
【００２９】
この際、図６における長さＢの部位が試験片試験部長手方向中央相当部分であり、転造部位となる。本発明例では、この試験片試験部長手方向中央相当部分の両側の部分を切削加工して溝状空間となしているが、この溝状空間の深さＡが、塑性加工（本実施例では転造加工）時の縮径量に対して小さすぎると、縮径部位における内部割れ発生の抑制効果が減ずる。
【００３０】
No.３～５では、溝状空間の深さＡの影響を調べている。No.３のように溝状空間の深さが２．５ｍｍとすると内部割れ発生率が３３％となり、溝状空間を縮径加工前に設けないNo.２に比較して格段に内部割れ発生率が減少する。さらに、溝状空間の深さＡを３．０ｍｍとすると内部割れ発生率を１％に、溝状空間深さＡを３．５ｍｍとすると内部割れ発生率を０％にできることがわかる。なお、溝状空間についての切削による径の変化量はＡ×２であるから、溝状空間についての切削による径の変化量は、No.３では２．５×２＝５．０ｍｍ、No.４では３．０×２＝６．０ｍｍ、No.５では３．５×２＝７．０ｍｍである。No.３～No.５の本発明例では、塑性加工（本実施例の場合は転造加工）による縮径量に対して、溝状空間についての切削による径の変化量を、それぞれ、No.３では５．０／７．７７５＝０．６４、No.４では６．０／７．７７５＝０．７７、No.５では７．０／７．７７５＝０．９０としており、（溝状空間についての切削による径の変化量）／（塑性加工による縮径量）の値を０．６４以上とすることで、十分に内部割れの発生抑止効果があることがわかる。なお、好ましい（溝状空間についての切削による径の変化量）／（塑性加工による縮径量）の値は０．７７以上であり、さらに好ましくは０．９０以上である。
【００３１】
次に、No.５～７は試験片試験部長手方向中央相当部分（被縮径部15）の素材軸方向長さＢ（以下、試験片試験部長手方向中央相当部分長さＢと言う）の影響を調べたものである。塑性加工時の縮径量に対して長さＢが長すぎると、塑性加工（本実施例の場合は転造加工）による縮径にあたっての、試験片試験部長手方向中央相当部分の両側に溝状空間を設けた効果が減じると予想されるので、長さＢを２．０ｍｍ、２．５ｍｍ、３．０ｍｍと変化させ内部割れ発生率を調査した。すなわち、（試験片試験部長手方向中央相当部分長さ）／（塑性加工による縮径量）の値を、No.５では２．０／７．７７５＝０．２６、No.６では２．５／７．７７５＝０．３２、No.７では３．０／７．７７５＝０．３９としている。いずれも、塑性加工による縮径加工前に溝状空間を形成させなかったNo.２に比べて内部割れの発生率は大きく低減できている。このことから、（試験片試験部長手方向中央相当部分長さ）／（塑性加工による縮径量）の値は０．３９以下とすることが好ましい。（試験片試験部長手方向中央相当部分長さ）／（塑性加工による縮径量）の値を、それぞれ０．２６、０．３２としたNo.５、No.６では、内部割れが全く認められなかったことから、（試験片試験部長手方向中央相当部分長さ）／（塑性加工による縮径量）の値を０．３２以下とすることが特に好ましい。なお、Ｂの下限値は、塑性加工による縮径加工が実施できる程度の大きさとして適宜決定すればよいが、（試験片試験部長手方向中央相当部分長さ）／（塑性加工による縮径量）の値が０．１以上となるようにＢの値を設定すれば塑性加工による縮径加工は可能である。
【００３２】
次に、No.６、No.８およびNo.９を比較すると、塑性加工による縮径に先立って形成させる切削加工による溝状空間の素材軸方向長さＣ（以下、溝状空間長さＣと言う）を変化させ、溝状空間長さが内部割れ発生率に与える影響がわかる。塑性加工時の縮径量に対して長さＣが小さすぎると、試験片試験部長手方向中央相当部分（被縮径部15）を塑性加工により縮径する際に、被縮径部15が二分されても倒れこむべき空間が小さくなり、内部割れの発生を抑制する効果が減ずる。No.６、No.８およびNo.９の本発明例では、（溝状空間長さ）／（塑性加工による縮径量）の値を、それぞれ、No.６では５．０／７．７７５＝０．６４、No.８では４．０／７．７７５＝０．５１、No.９では３．０／７．７７５＝０．３９に設定している。いずれの場合においても、塑性加工による縮径加工前に溝状空間を形成させなかったNo.２に比べて内部割れの発生率は大きく低減できている。このことから、（溝状空間長さ）／（塑性加工による縮径量）の値は０．３９以上とすることが好ましい。No.６、No.８で内部割れ発生率が３％以下に抑えられることから、（溝状空間長さ）／（塑性加工による縮径量）の値を０．５１以上とすることがさらに好ましい。
【００３３】
【表１】

【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、試験対象材が概ね線状の形状であれば適用できるので、棒状の材料の表面について疲労特性を知るためにも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】超音波疲労試験の概要を示す側面図である。
【図２】本発明の基礎とした技術の一例を示す模式図である。
【図３】本発明の基礎とした技術の別の一例を示す模式図である。
【図４】切削による仕上げ加工部分を示す側面図である。
【図５】本発明の実施形態の一例を示す模式図である。
【図６】切削加工による溝状空間14形成後の素材７の形状と試験片の目標形状とを互いの中心軸および被縮径部長手方向中心点を一致させて合成した形状ならびに該形状に係る諸寸法の定義を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３６】
１超音波加振装置
２試験片（超音波疲労試験片）
３試験部
４試験片の上端部
５試験片の下端部
６線材
７切断された線材（試験片の素材）
８工具の歯
９工具（転造加工用工具）
10 金型
11 本発明における切削部
12 従来技術における切削部
13 内部割れ
14 溝状空間
15 縮径前の素材の試験片試験部長手方向中央相当部分（縮径前の被縮径部）
15’ 縮径後の素材の試験片試験部長手方向中央相当部分（縮径後の被縮径部）
16 仕上げ機械加工により除去される部分

【特許請求の範囲】
【請求項１】
線材の超音波疲労試験片を製造するにあたり、前記線材を所定長さに切断して前記試験片の素材とし、該素材の試験片試験部長手方向中央相当部分の両側の部分を切削加工して溝状空間となし、ついで前記試験片試験部長手方向中央相当部分を塑性加工により縮径し、該縮径した後の素材を切削、研削、研磨のいずれか１種または２種以上により機械加工して前記試験片の目標形状に仕上げることを特徴とする線材の超音波疲労試験片の製造方法。
【請求項２】
前記縮径する際の被縮径部の目標径を、該縮径後の被縮径部を前記仕上げ機械加工する際の目標径の１．００～１．０８倍とすることを特徴とする請求項１に記載の線材の超音波疲労試験片の製造方法。
【請求項３】
前記塑性加工が冷間加工であることを特徴とする請求項１または２に記載の線材の超音波疲労試験片の製造方法。
【請求項４】
前記冷間加工が転造加工であることを特徴とする請求項３に記載の線材の超音波疲労試験片の製造方法。
【請求項５】
前記縮径した後の素材を、前記機械加工する前に熱処理することを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の線材の超音波疲労試験片の製造方法。

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

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