転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法および推定装置
【課題】 短期間のねじり疲労試験の結果から、転がり軸受用鋼等の転がり接触するせん断疲労強度の高い金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定することができる転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法、推定装置、および推定システムを提供する。
【解決手段】 相対優劣の推定方法は、試験過程（Ｓ１）と、せん断疲労寿命決定過程（Ｓ２）と、相対優劣推定過程（Ｓ３）とを含む。試験過程（Ｓ１）では、超音波ねじり疲労試験によって金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を求める。せん断疲労寿命決定過程（Ｓ２）では、せん断応力振幅と負荷回数の関係から時間強度域におけるせん断疲労寿命を決定する。相対優劣推定過程（Ｓ３）では、決定したせん断疲労寿命が優れている金属材料が、内部起点型はく離寿命の相対優劣が優れていると推定する。
【解決手段】 相対優劣の推定方法は、試験過程（Ｓ１）と、せん断疲労寿命決定過程（Ｓ２）と、相対優劣推定過程（Ｓ３）とを含む。試験過程（Ｓ１）では、超音波ねじり疲労試験によって金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を求める。せん断疲労寿命決定過程（Ｓ２）では、せん断応力振幅と負荷回数の関係から時間強度域におけるせん断疲労寿命を決定する。相対優劣推定過程（Ｓ３）では、決定したせん断疲労寿命が優れている金属材料が、内部起点型はく離寿命の相対優劣が優れていると推定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法および推定装置に関し、実験によって得られるせん断疲労特性から時間強度域におけるせん断疲労寿命を決め、転がり軸受等の転がり接触する機械要素の内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定する方法および装置、並びにこの推定方法を用いた軸受材料の選定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受の内部起点型はく離は、表層内部で振幅が最大となる交番せん断応力（ほぼ両振り)の繰り返しによってき裂が発生，進展して起きると考えられている。引張圧縮疲労試験（軸荷重疲労試験、回転曲げ疲労試験）の場合、１０7 回における疲労強度を疲労限度とすることが慣習的である。それに対し、転がり軸受は、潤滑条件が良好な場合、かなり高い負荷を与えても１０7 回程度の負荷回数では内部起点型はく離は起こらない。せん断応力で疲労破壊させる試験としてねじり疲労試験があるが（例えば、非特許文献１）、油圧サーボ型ねじり疲労試験の負荷周波数は高々１０Ｈｚであり、例えば１０9 回の負荷回数に到達するには３年以上を要し、評価は実質不可能である。
従来、内部起点型はく離寿命を有限時間内で評価するには、実際の使用条件を大きく上回る５ＧＰａ以上もの最大接触面圧を与えて評価されてきた。先行技術では、５．８８ＧＰａの最大接触面圧を与えている（例えば、特許文献１）。その場合でも、内部起点型はく離寿命（例えば、１０％寿命や５０％寿命）は１０７〜１０８回のオーダーである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４４５９２４０号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】森本洋生, 松原幸生 著, トライボロジー会議予稿集, (東京2007-5), 145-146.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
転がり軸受では、使用材料の購入先やロット毎等について、迅速なねじり疲労試験を行って内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定できれば、効率的かつ信頼性向上に効果的である。しかし、従来の技術では、前述のようにねじり疲労試験には長期間を要し、使用材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定は実質不可能であった。
【０００６】
この発明の目的は、短期間のねじり疲労試験の結果から、転がり軸受用鋼等の転がり接触するせん断疲労強度の高い金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定することができる転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法、推定装置、および推定システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法は、転がり接触する金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定する方法であって、
超音波ねじり疲労試験によって金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を求める試験過程（Ｓ１）と、
この求められたせん断応力振幅と負荷回数の関係から時間強度域におけるせん断疲労寿命を、定められた基準に従って決めるせん断疲労寿命決定過程（Ｓ２）と、
このせん断疲労寿命決定過程（Ｓ２）で決定したせん断疲労寿命が優れている金属材料が、前記内部起点型はく離寿命の相対優劣が優れていると推定する相対優劣推定過程（Ｓ３）と、
を含む。
前記超音波ねじり疲労試験は、試験片に対して、正回転方向と逆回転方向のねじりが対称となるねじり振動を与える完全両振りのねじり疲労試験とするのが良い。前記金属材料は、転がり軸受の軌道輪または転動体となる転がり軸受用鋼であっても良い。
【０００８】
前記「内部起点型はく離寿命の相対優劣」とは、内部起点型はく離寿命を数値として示されないまでも、複数の金属材料のうち、比較対象となる金属材料よりも相対的に内部起点型はく離寿命が長く優れているか、劣っているつまり短いかを言う。比較対象となる金属材料は、任意に定める。
前記せん断疲労寿命決定過程で用いる前記の「定められた基準」は、例えば、せん断疲労特性を示す確立された理論の曲線に、試験結果のせん断応力振幅と負荷回数の関係を当てはめた曲線を求め、その曲線からせん断疲労寿命を決める処理とされる。具体的には、日本材料学会の金属材料疲労信頼性評価標準JSMS-SD-6-02の疲労限度型折れ線モデルにあてはめて求めたＳ−Ｎ線図（破壊確率５０％）を用いることができる。疲労限度型折れ線モデルに限らず、連続低下型曲線モデルに当てはめてＳ−Ｎ線図を求めても良い。せん断疲労寿命は任意のせん断応力振幅において上記曲線と交わる寿命とすればよいが、せん断疲労強度が高いものから低いものまでのせん断疲労寿命の優劣を一元に相対比較するためには、せん断応力振幅が７００ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下におけるせん断疲労寿命を求めるのが良い。
せん断疲労寿命決定過程における前記「時間強度域」とは、図１（Ｃ）のＳ−Ｎ線図の斜めの部分、すなわち有限寿命域を指す。
【０００９】
この発明方法によると、疲労試験を超音波ねじり疲労試験で行うため、極めて高速な負荷が可能で、短時間で金属材料の超長寿命域までのせん断応力振幅と負荷回数の関係を求めることができる。このように求めた関係から任意のせん断応力振幅におけるせん断疲労寿命を決める。相対優劣推定過程では、決定したせん断疲労寿命が優れている金属材料が、前記内部起点型はく離寿命の相対優劣が優れていると推定することができる。
【００１０】
なお、材料の疲労破壊を支配する応力は、突き詰めれば垂直応力かせん断応力のどちらかである。垂直応力による疲労特性を高速に評価するため、超音波軸荷重疲労試験機（完全両振り) が市販されてから数年が経つ。それに対し、せん断応力による疲労特性を高速に評価するための超音波ねじり疲労試験の研究はほとんど行われておらず、これまでに評価された材料は最大せん断応力振幅（完全両振り）が２５０ＭＰａ以下で疲労破壊する軟鋼やアルミ合金である。それに対し、転がり軸受の動定格荷重及び定格寿命の規格であるＩＳＯ−２８１：２００７で定められている転がり軸受の疲労限面圧は１５００ＭＰａであり、線接触状態を考えると、そのときに表層内部に作用する最大交番せん断応力振幅はτ０＝３７５ＭＰａである。したがって、３７５ＭＰａ以上の最大せん断応力振幅で評価できる超音波ねじり試験機が必要であるが、このような大きな最大せん断応力振幅で評価できる超音波ねじり試験機は、従来に例がない。そのため、この発明は、超音波ねじり試験機の開発という案出によりなされたものである。
【００１１】
この発明方法において、前記試験過程では、複数回の前記超音波ねじり疲労試験を行って、金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を複数求め、前記せん断疲労寿命決定過程では、前記複数回の試験過程で求めたせん断応力振幅と負荷回数の関係から任意の破壊確率のＰ−Ｓ−Ｎ線図を求め、このＰ−Ｓ−Ｎ線図から、前記せん断疲労寿命を決めてもよい。
【００１２】
この発明方法において、前記超音波ねじり疲労試験は、例えば、交流電力が印加されることで回転中心軸回りの正逆の回転となるねじり振動を発生するねじり振動コンバータと、先端に同心に試験片を取付ける取付部を有し基端でねじり振動コンバータに固定され、基端に与えられた前記ねじり振動コンバータのねじり振動の振幅を拡大する振幅拡大ホーンとを用い、前記試験片の形状，寸法を、前記ねじり振動コンバータの駆動による振幅拡大ホーンの振動に共振する形状，寸法とし、前記ねじり振動コンバータを超音波領域の周波数で駆動し前記試験片を前記振幅拡大ホーンの振動に共振させてせん断疲労破壊させることによって行う。
【００１３】
この発明方法において、前記試験過程では、前記超音波ねじり疲労試験において前記金属材料の試験片の発熱を抑制するために、試験片を強制空冷しても良い。また、試験片の発熱を抑制するために、負荷と休止を交互に繰り返しても良い。前記試験過程で、超音波ねじり疲労試験において前記金属材料の試験片の発熱が問題にならない低負荷域では連続負荷しても良い。小径側端面のねじり角の大径側端面のねじり角に対する比である拡大率が４３倍以上の振幅拡大ホーンを用いても良い。
この発明は、高速に負荷が可能な超音波ねじり疲労試験を用いるようにしており、例えば、加振周波数が２００００Ｈｚと極めて高速な超音波ねじり疲労試験を行う。これにより、連続加振すれば、わずか半日余りで１０9 回の負荷回数に到達する。しかし、ある程度高いせん断応力振幅で連続加振すると試験片が発熱し、精度の良いせん断応力振幅と負荷回数の関係を求めることができない。そのため、試験片を強制空冷することが好ましい。強制空冷だけでは試験片の発熱抑制が不十分な場合は、加振と休止を交互に繰り返すことが好ましい。休止することで実質の負荷周波数は小さくなるが、加振周波数が２００００Ｈｚの超音波ねじり疲労試験機を用いると、休止時間を加振時間の１０倍程度としても２０００Ｈｚ程度と依然高速であり、６日余りで１０9 回の負荷回数に到達する。
【００１４】
この発明の転がり軸受材料の選定方法は、この発明の上記いずれかの構成の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法により決められた時間強度域におけるせん断疲労寿命が、定められたせん断疲労寿命以上である金属材料を、転がり軸受の軌道輪または転動体の材料として使用するものである。
【００１５】
この発明の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法によれば、短時間の疲労試験の結果から、転がり軸受用の金属材料の時間強度域におけるせん断疲労寿命を精度良く決めることができる。そのため、転がり軸受の軌道輪または転動体に使用する材料の試験項目の一つとして時間強度域におけるせん断疲労寿命を採用することができる。実際に疲労試験して決めた時間強度域のせん断疲労寿命が、定められたせん断疲労寿命以上である材料のみを軸受材料として用いることで、転がり軸受の信頼性向上に大きく役立つ。なお、判定基準となる「定められたせん断疲労寿命」は、目的等に応じて適宜設定すれば良い。また、内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定は、例えば、材料のロット毎や、一度に購入した量毎、購入先毎等に行う。
【００１６】
この発明における転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置は、転がり接触する金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定するためにせん断疲労寿命を求める装置であって、
完全両振りの超音波ねじり疲労試験によって金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を、定められた記憶領域に記憶させる入力手段２２と、
この記憶されたせん断応力振幅と負荷回数の関係から時間強度域におけるせん断疲労寿命を、定められた基準に従って決めるせん断疲労寿命決定手段２３と、
を備える。
前記金属材料は、転がり軸受の軌道輪または転動体となる転がり軸受用鋼であっても良い。前記入力手段２２は、キーボート等の手入力を行う入力装置や、記録媒体の読み出し装置、通信ネットワークなどを用いて、例えば、前記金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を纏めたファイルを、後の計算のために、定められた記憶領域、またはその記憶場所が特定できるように記憶させる手段である。
【００１７】
この発明装置によると、この発明方法につき説明したと同様に、極めて高速な負荷が可能な超音波ねじり疲労試験を用いることができて、短期間で転がり軸受用鋼のせん断応力振幅と負荷回数の関係を求め、時間強度域におけるせん断疲労寿命を精度良く決めることができる。
前記せん断疲労寿命決定手段２３におけるせん断応力振幅は、例えば７００ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下とする。
【００１８】
この発明装置において、前記入力手段２２は、複数回の各超音波ねじり疲労試験によって求められた金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を、定められた記憶領域に記憶させる機能を有し、前記せん断疲労寿命決定手段２３は、前記複数回の試験におけるせん断応力振幅と負荷回数の関係から任意の破壊確率のＰ−Ｓ−Ｎ線図を求め、このＰ−Ｓ−Ｎ線図から、せん断疲労寿命を決めるものであっても良い。
【００１９】
この発明の転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定システムは、転がり接触する金属材料の試験片１について、完全両振りの超音波ねじり疲労試験を行う超音波ねじり疲労試験機本体３と、この超音波ねじり疲労試験機本体３を、入力された試験条件に従って制御する試験機制御装置４と、この発明の上記いずれかの構成の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置５とを備えたシステムである。
このシステムにおいても、この発明方法につき説明したと同様に、極めて高速な負荷が可能な超音波ねじり疲労試験を用いることができて、短期間で転がり軸受用鋼等のせん断応力振幅と負荷回数の関係を求め、時間強度域におけるせん断疲労寿命を精度良く決めることができる。
【発明の効果】
【００２０】
この発明の転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法、推定装置および推定システムは、超音波ねじり疲労試験によって金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を求めるため、極めて高速な負荷が可能な超音波ねじり疲労試験を用いることができて、転がり軸受用鋼等の疲労強度の高い金属材料であっても、短期間でせん断応力振幅と負荷回数の関係を求め、時間強度域におけるせん断疲労寿命を精度良く決定することができる。この決定したせん断疲労寿命が優れている金属材料が、内部起点型はく離寿命の相対優劣が優れていると推定することができ、このため短期間のねじり疲労試験の結果から、転がり軸受用鋼等の転がり接触するせん断疲労強度の高い金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定することができる。
【００２１】
この発明の転がり軸受材料の選定方法は、この発明の上記いずれかの構成のせん断疲労寿命の相対優劣の推定方法により推定されたせん断疲労寿命の相対優劣が、定められたせん断疲労寿命以上である金属材料を、転がり軸受の軌道輪または転動体の材料として使用するため、従来では発想になかった試験項目の採用により、転がり軸受の信頼性向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（Ａ）はこの発明の一実施形態に係る内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法を示す流れ図、（Ｂ）はその内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定システムの概略図、（Ｃ）はS−N線図とせん断疲労寿命を示す説明図である。
【図２】同内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定システムのブロック図である。
【図３】同内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定システムにおける試験機制御装置兼内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置の概念図である。
【図４】内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置の概念構成を示すブロック図である。
【図５】超音波ねじり疲労試験機の本体の正面図である。
【図６】試験片の模式図である。
【図７】試験片の正面図である。
【図８】ねじり角θと表面のせん断応力τ (端面のねじり角θｅｎｄが０．０１ｒａｄの場合)の軸方向分布を示すグラフである。
【図９】静止時の試験片肩部円筒面下端を示す顕微鏡写真である。
【図１０】加振時の試験片肩部円筒面下端を示す顕微鏡写真である。
【図１１】図１０の範囲２ａと端面ねじり角θｅｎｄの関係を示す説明図である。
【図１２】アンプ出力Ｐと端面ねじり角θｅｎｄの関係を示すグラフである。
【図１３】ねじり疲労破壊した試験片の例の顕微鏡写真および試験片全体の説明図である。
【図１４】超音波ねじり疲労試験で得たせん断応力振幅と負荷回数の関係とS−N 線図（実線）とそれから求めた破壊確率１０％のP−S−N 線図（破線）を示すグラフである。
【図１５】線接触状態でＰｍａｘ ＝１５００ＭＰａが作用する場合の接触面下周方向断面の交番せん断応力τｙｚと深さ方向の垂直応力σｚ の分布 (ｙ： 周方向、ｚ： 深さ方向) の説明図である。
【図１６】交番せん断応力の絶対値が最大になる深さ辺りに見られた表面に平行な微小き裂を示す周方向断面の顕微鏡写真である。
【図１７】超音波ねじり疲労試験機の制御装置の試験条件入力画面例を示す説明図である。
【図１８】試験過程の詳細の流れ図である。
【図１９】疲労限度型折れ線S−N線図の決め方に関する疲労試験結果の模式図である。
【図２０】任意の負荷回数における強度分布が正規分布に従い、標準偏差が同一であることを示す模式図である。
【図２１】Ｐ−Ｓ−Ｎ線図の求め方（連続低下型曲線モデルの場合、破壊確率１０％）である。
【図２２】（Ａ）は、Ｓ５３Ｃ素材の高周波焼入れのヒートパターンを示す図、（Ｂ）は、同素材の焼戻しのヒートパターンを示す図である。
【図２３】（Ａ）は、高周波焼入れパターンを概略示す試験片の正面図、（Ｂ）は同試験片の側面図である。
【図２４】ＳＵＪ２ずぶ焼入れ、Ｍ５０ＮｉＬ浸炭、Ｓ５３Ｃ高周波焼入れの試験片のせん断疲労特性を示す図である。
【図２５】転動疲労寿命試験機の模式図である。
【図２６】ＳＵＪ２ずぶ焼入れ、Ｍ５０ＮｉＬ浸炭、Ｓ５３Ｃ高周波焼入れの内部起点型はく離寿命とせん断疲労寿命の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
この発明の一実施形態を図面と共に説明する。以下の説明は、転がり軸受材料の選定方法についての説明をも含む。この転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法は、転がり接触する金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定する方法であって、図１（Ａ）のように、試験過程（Ｓ１）と、せん断疲労寿命決定過程（Ｓ２）と、このせん断疲労寿命決定過程（Ｓ２）で決定したせん断疲労寿命が優れている金属材料が、前記内部起点型はく離寿命の相対優劣が優れていると推定する相対優劣推定過程（Ｓ３）とを含む。前記金属材料は、例えば、転がり軸受の軌道輪または転動体となる転がり軸受用鋼であるが、この他に、転がり接触する機械要素に用いられる金属材料一般に適用できる。
【００２４】
試験過程（Ｓ１）は、完全両振りの超音波ねじり疲労試験によって金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を求める過程である。この試験は、同図（Ｂ）に示す金属材料の試験片１に対して完全両振りの超音波ねじり振動を与える超音波ねじり疲労試験機２を用いる。この超音波ねじり疲労試験機２は、加振周波数が２００００Ｈｚと極めて高速な超音波ねじり疲労試験（完全両振り）を用いることにした。この超音波ねじり疲労試験機２は、市販のものをそのまま使用することができず、種々の改良を施したものである。
【００２５】
せん断疲労寿命決定過程（Ｓ２）は、試験過程（Ｓ１）で求められたせん断応力振幅と負荷回数の関係から時間強度域におけるせん断疲労寿命を、定められた基準に従って決める。せん断疲労寿命決定過程（Ｓ２）で言う上記の「定められた基準」は、例えば、せん断疲労強度を示す確立された理論の曲線に、試験結果のせん断応力振幅と負荷回数の関係を当てはめた曲線を求め、その曲線からせん断疲労強度を求める処理とされる。具体的には、日本材料学会の金属材料疲労信頼性評価標準ＪＳＭＳ−ＳＤ−６−０２の疲労限度型折れ線モデルにあてはめて求めたＳ−Ｎ線図（破壊確率５０％）（同図（Ｃ）参照）を用いることができる。疲労限度型折れ線モデルに限らず、連続低下型曲線モデルに当てはめてＳ−Ｎ線図を求めても良い。せん断疲労寿命は時間強度域において上記曲線と交わる寿命とすればよいが、せん断疲労強度が高いものから低いものまでのせん断疲労寿命の優劣を一元に相対比較するためには、せん断応力振幅が７００ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下におけるせん断疲労寿命を求めるのがよい。
【００２６】
日本材料学会の金属材料疲労信頼性評価標準ＪＳＭＳ−ＳＤ−６−０２の疲労限度型折れ線モデルは、次式にあてはめて回帰する。
σ＝-Ａlog10Ｎ+Ｂ（Ｎ<ＮＷ）
σ＝Ｅ（Ｎ≧ＮＷ）
ここで、Ａ、Ｂ、Ｅ、Ｎｗは定数である。疲労限度（上式のＥ）は、Ｎ＝５×１０６以上の負荷回数における打ち切りデータが１点以上存在する場合、以下のように推定する。破断データ応力最小値σｆ ｍｉｎと、これより低応力の打ち切りデータ応力最大値σｒ ｍａｘの平均値を疲労限度とする（図１９参照）。なお、σｆ ｍｉｎと同じ応力レベルに打ち切りデータがあり、かつこれより低い応力レベルで打切りデータが存在しない場合は、このσｆ ｍｉｎを疲労限度とする。こうして疲労限度を決めた上で、この値を固定して破断データのみから上式中の他のパラメータを推定する。
連続低下型曲線モデルはストロメイヤー（Ｓｔｒｏｍｅｙｅｒ）の基礎式である次式にあてはめて回帰する。
【数１】
ここで、Ａ、Ｂ、Ｄは定数である。
疲労強度、疲労寿命にはバラツキがある。本来、確率疲労特性は、複数の応力振幅で複数個の試験片を評価し、ある破壊確率におけるＰ−Ｓ−Ｎ線図を求めて評価する。しかしながら、Ｐ−Ｓ−Ｎ線図を求めるには多大な工数と時間を要する。金属材料疲労信頼性評価標準ＪＳＭＳ−ＳＤ−６−０２では、Ｓ−Ｎ線図から任意の破壊確率におけるＰ−Ｓ−Ｎ線図を求める方法が提案されている。それは、図２０のように、任意の疲労寿命における強度分布は正規分布に従い、その標準偏差σは一定と仮定する。得られたＳ−Ｎ線図を破壊確率５０％の疲労強度曲線とする。疲労限度型折れ線モデルでは時間強度部（傾斜直線部）の破損データ、連続低下型曲線モデルは全範囲の破損データを対象とする。図２１は連続低下型曲線モデルの例である。直線または曲線に沿って個々の破損データを任意の疲労寿命に平行移動し、それらが正規分布するとして標準偏差を求める。例えば、得られた標準偏差をｓとすると、破壊確率５０％の疲労強度曲線を１．２８２ｓだけ下に平行移動したものが破壊確率１０％のＰ−Ｓ−Ｎ線図となる。
【００２７】
この実施形態の推定方法によると、疲労試験を超音波ねじり疲労試験で行うため、極めて高速な負荷が可能で、短時間で金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を求めることができる。このように求めた関係からせん断疲労寿命を決定する。そして、例えば図２６にて示す相関関係に基づいて、前記決定したせん断疲労寿命が優れている金属材料が、前記内部起点型はく離寿命の相対優劣が優れていると推定でき、ねじり疲労試験の結果から精度よく内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定することができる。このため、前記せん断疲労寿命が強い材質である転がり軸受用鋼の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定を行う場合に、その短時間の試験で済むという効果がより一層効果的に発揮される。
【００２８】
この実施形態では、上記のように、加振周波数が２００００Ｈｚと極めて高速な完全両振りの超音波ねじり疲労試験により、短期間で転がり軸受用鋼のせん断応力振幅と負荷回数の関係を求め、時間強度域におけるせん断疲労寿命を決め、内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定する。例えば、２００００Ｈｚで連続加振すれば、わずか半日余りで１０9 の負荷回数に到達する。しかし、ある程度高いせん断応力振幅で連続加振すると試験片１が発熱するため、試験片１を冷却する必要があり、強制空冷を行う。強制空冷だけでは試験片１の発熱抑制が不十分な場合は、加振と休止を交互に繰り返すようにする。休止することで実質の負荷周波数は小さくなるが、加振周波数が２００００Ｈｚの試験機２であれば、休止時間を加振時間の１０倍程度としても２０００Ｈｚ程度と依然高速であり、６日余りで１０9 回の負荷回数に到達する。
【００２９】
なお、材料の疲労破壊を支配する応力は、突き詰めれば垂直応力かせん断応力のどちらかである。垂直応力による疲労特性を高速に評価するため、超音波軸荷重疲労試験機（完全両振り) が市販されてから数年が経つ。それに対し、せん断応力による疲労特性を高速に評価するための超音波ねじり疲労試験の研究はほとんど行われておらず、これまでに評価された材料は最大せん断応力振幅（完全両振り) が２５０ＭＰａ以下で疲労破壊する軟鋼やアルミ合金である。それに対し、転がり軸受の動定格荷重及び定格寿命の規格であるＩＳＯ−２８１：２００７で定められている転がり軸受の疲労限面圧は１５００ＭＰａであり、線接触状態を考えると、そのときに表層内部に作用する最大交番せん断応力振幅はτ0 ＝３７５ＭＰａである。したがって、３７５ＭＰａ以上の最大せん断応力振幅で評価できる超音波ねじり試験機が必要であるが、このような大きな最大せん断応力振幅で評価できる超音波ねじり試験機は、従来に例がない。そのため、この発明は、超音波ねじり試験機の開発という案出によりなされたものである。
【００３０】
この実施形態の転がり軸受材料の選定方法は、上記いずれかの構成の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法により推定されたせん断疲労寿命が、定められたせん断疲労寿命以上である金属材料を、転がり軸受の軌道輪または転動体の材料として使用するものである。
この実施形態の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法によれば、短時間の疲労試験の結果から、転がり軸受用の金属材料の時間強度域におけるせん断疲労寿命を精度良く決めることができる。そのため、転がり軸受の軌道輪または転動体に使用する材料の試験項目の一つとして時間強度域におけるせん断疲労寿命を採用することができる。実際に疲労試験して求めた時間強度域におけるせん断疲労寿命が、定められたせん断疲労寿命以上である材料のみを軸受材料として用いることで、転がり軸受の信頼性向上に大きく役立つ。なお、判定基準となる「定められたせん断疲労寿命」は、目的等に応じて適宜設定すれば良い。また、内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定は、例えば、材料のロット毎や、一度に購入した量毎、購入先毎等に行う。
【００３１】
図２は、上記推定方法に用いる転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定システムの概念構成を示す。この推定システムは、超音波ねじり疲労試験機２と、図１のせん断疲労寿命決定過程（Ｓ２）の処理を行う内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置５とで構成される。
【００３２】
図２において、超音波ねじり疲労試験機２は、試験機本体３と試験機制御装置４とで構成される。試験機本体３は、フレーム６の上部に設置したねじり振動コンバータ７に、下向きに突出する振幅拡大ホーン８を取付け、その先端に試験片１を着脱可能に取付け、ねじり振動コンバータ７で発生した超音波振動を、振幅拡大ホーン８の軸心回りの正逆回転方向の振動として拡大して試験片１に伝えるものである。
【００３３】
試験機制御装置４は、コンピュータ１０と、このコンピュータ１０で実行可能な試験機制御プログラム１１とで構成される。コンピュータ１０は、デスクトップ型等のパーソナルコンピュータであり、中央処理装置１２、メモリ等の記憶手段１３、および入出力インタフェース１４を備える。記憶手段１３に上記試験機制御プログラム１１が記憶され、記憶手段１３の残りの記憶領域が、データ記憶エリア１３ａや作業エリアとなる。この他に、キーボードやマウス等の入力装置１５と、液晶表示装置等の画像を表示する表示装置やプリンタ等の出力装置１６が、コンピュータ１０の一部として、またはコンピュータ１０に接続して設けられている。
試験機制御装置４は、試験機本体３のねじり振動コンバータ７を制御する装置であり、制御出力は、入出力インタフェース１４から、アンプ１７を介して振動コンバータ７に与えられる。この試験機制御装置４は、試験機制御プログラム１１に従って次の処理を行う。まず、図１７に画面例を示すように、試験条件（出力、間欠運転と連続運転のいずれとするか、試験終了条件、データ採取条件等）の入力を促す画面を出力装置１６となる表示装置に出力し、入力装置１５から上記試験条件が入力され、試験開始命令が入力されると、入力された条件に従って試験機本体３を駆動し制御する。なお、最大せん断応力振幅の値は、入力したアンプ出力Ｐ（％）に対し、後述の（９）式によって換算表示される。
【００３４】
図２において、内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置５は、コンピュータ１０と、このコンピュータ１０で実行可能な内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定プログラム１９とで構成される。コンピュータ１０は、試験機制御装置４を構成するコンピュータと同じものであっても良く、また別のものであってよく、中央処理装置１２、メモリ等の記憶手段１３、および入出力インタフェース１４を備える。また上記入力装置１５および出力装置１６が、コンピュータ１０の一部として、またはコンピュータ１０に接続して設けられている。図３は、試験機制御プログラム１１と内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定プログラム１９とを同じコンピュータ１０に記憶させ、試験機制御装置兼内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置９とした例を示す。
【００３５】
内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置５は、コンピュータ１０と前記内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定プログラム１９とで、図４に概念構成で示す各手段が構成されたものである。この内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置５は、転がり接触する金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定するためにせん断疲労寿命を求める装置であって、入力手段２２、せん断疲労寿命決定手段２３を備え、また記憶手段１３、出力手段４Ａが構成されている。
【００３６】
入力手段２２は、完全両振りの超音波ねじり疲労試験によって求められた金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を、記憶手段１３の定められた記憶領域に記憶させる手段である。入力手段２２は、詳しくは、キーボート等の手入力を行う入力装置や、記録媒体の読み出し装置、通信ネットワークなどを用いて、例えば、前記金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を纏めたファイルを、後の計算のために、定められた記憶領域、またはその記憶場所が特定できるように記憶させる手段である。
せん断疲労強度決定手段２３は、前記記憶領域に記憶されたせん断応力振幅と負荷回数の関係から、時間強度域におけるせん断疲労寿命を、定められた基準に従って決める手段である。
【００３７】
次に、超音波ねじり疲労試験機２の詳細、およびこの内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法の詳細を説明する。この超音波ねじり疲労試験機２は、転がり軸受用鋼に極めて高速にせん断疲労が与えられる完全両振りの超音波ねじり疲労試験機として設計したものである。ねじり振動コンバータ７の加振周波数範囲は２００００±５００Ｈｚである。なお、超音波軸荷重疲労試験に用いられる縦振動コンバータには様々な出力のものがあるのに対し、ねじり振動コンバータの市販品は低出力のものしかなく、自作することも実質不可能であった。したがって、振幅拡大ホーン８と試験片１の形状を最適化して高強度な転がり軸受用鋼にねじり疲労を与える必要があった。
【００３８】
振幅拡大ホーン８は、指数関数型であり、ねじり振動コンバータ７に固定する大径側端面の直径は３８ｍｍ、試験片１を固定する小径側端面の直径は１３ｍｍである。なるべく拡大率（小径側のねじり角の大径側のねじり角に対する比）を大きく、かつ２００００Ｈｚ付近で共振するように設計・調整されている。なお、振幅拡大ホーン８の大径側の端面にはねじり振動コンバータに固定するための雄ねじ部が軸方向に突出して設けられ、小径側の端面には試験片を固定するための雌ねじが開けられている。振幅拡大ホーン８の素材はチタン合金である。ヤング率Ｅ、ポアソン比ν、密度ρを実測した結果、それぞれＥ＝１．１６×１０１１Ｐａ、ν＝０．２７、ρ＝４４６０ｋｇ／ｍ３であった。ＦＥＭ解析ソフト（Ｍａｒｃ Ｍｅｎｔａｔ ２００８ ｒ１）（登録商標）を用い、上記のＥ 、ν、ρを物性値として、自由ねじり共振の固有値解析を行った。その結果、拡大率は４３．１倍になった。
【００３９】
図６に試験片の模式図を示す。実際の試験片１の一端には、振幅拡大ホーン８の先端に固定するための雄ネジ部が設けられている。図６において、試験片１はダンベル型で、肩部長さＬ１、半弦長さＬ２、肩部半径Ｒ２、最小半径Ｒ１、円弧半径Ｒで決定される。
【００４０】
試験片１の設計にあたっては、半弦長さＬ２、肩部半径Ｒ２ 、最小半径Ｒ１ を適当に与え（いずれも単位はｍ）、共振周波数f（＝２００００Ｈｚ）、ヤング率E 、ポアソン比ν、密度ρ（標準熱処理した軸受鋼ＳＵＪ２の実測値はＥ＝２．０４×１０１１Ｐａ、ν＝０．２９、ρ＝７８００ｋｇ／ｍ３）とともに、次式（１）〜（６） 式に代入すれば肩部長さＬ１が求まる（単位はｍ）。円弧半径ＲはＲ１，Ｒ２，Ｌ2から求まる。
【００４１】
【数２】
【００４２】
ここで、なるべく大きなせん断応力が試験片最小径部の表面に作用するように事前検討したＬ２＝０．００６５ｍ、Ｒ２＝０．００４５ｍ、Ｒ１＝０．００２ｍ を、上記のｆ、Ｅ、ν、ρとともに（１）〜（６）式に代入するとＬ１＝０．００７５３ｍ となる。しかし、標準焼入焼戻した軸受鋼ＳＵＪ２でＬ１＝０．００７５３ｍとした試験片を製作したところ共振しなかった。そこで、ＦＥＭ解析ソフト（Ｍａｒｃ Ｍｅｎｔａｔ ２００８ ｒ１）（登録商標）を用い、上記のｆ、Ｅ 、ν、ρを物性値として自由ねじり共振の固有値解析を行った。その結果，Ｌ１＝０．００７５３ｍでねじり共振する周波数は１９０６７Ｈｚとなり、ねじり振動コンバータの加振周波数範囲である２００００±５００Ｈｚを外れた。そのため、２００００Ｈｚでねじり共振するＬ１を求めた結果、Ｌ１＝０．００６７７ｍとなった。標準焼入焼戻した軸受鋼ＳＵＪ２でＬ１＝０．００６７７ｍとした試験片を製作したところ２００００Ｈｚ付近で共振した。図７に試験片図面を示す（単位はmm）。
図８は、図７の試験片モデルで自由ねじり共振の固有値解析を行って得たねじり角θと表面のせん断応力τである。図８は端面ねじり角θｅｎｄが０．０１ｒａｄの場合であり、このときの試験片最小径部の表面に作用する最大せん断応力τｍａｘ は５２６．１８ＭＰａとなった。すなわち、線形弾性の範疇では、端面ねじり角θｅｎｄと試験片最小径部における表面の最大せん断応力τｍａｘ の関係は（７）式のようになる。ただし，τｍａｘ の単位はＭＰａ、θｅｎｄは無次元である。
τｍａｘ ＝５２６１８θｅｎｄ （７）
【００４３】
図７の形状の標準焼入焼戻した軸受鋼ＳＵＪ２製の試験片１を３本用い、アンプ出力P（％）を変えて端面ねじり角θｅｍｄを測定した。表１に試験片素材の合金成分を示す。硬さは７２２ＨＶであった。なおＳＵＪ２素材に、焼入れと焼戻しの熱処理を施したものを、「ＳＵＪ２標準」という場合がある。
【００４４】
【表１】
【００４５】
加振中の試験片肩部下端の写真をデジタルマイクロスコープ（キーエンス製ＶＨＸ−９００）にて２００倍で撮影した。それに先立ち、ボール盤で試験片肩部にエメリー研磨(＃５００、＃２０００)とダイヤモンドラッピング（１μｍ）を施して鏡面状態にした。試験片を試験機に取り付けた後、肩部にカラーチェックの現像剤を塗布した。図９は静止時の写真であり、所々に現像剤が塗布されない箇所ができる。それら塗布されない箇所の加振時の挙動を観察した。図９の場合、矢印を付した箇所の挙動に着目した。アンプ出力Ｐを１０％から９０％まで５％刻みで変えて1 秒間加振し、その間にシャッタースピード１／１５ｓｅｃで写真撮影した。図１０はＰ＝５０％で加振中に撮影した写真で、範囲２ａが図９の着目箇所の軌跡である。
【００４６】
アンプ出力Ｐ（％）を変えて測定した範囲２ａから、図１１のように端面ねじり角θｅｎｄ を求めた。その結果、図１２のように、３本の試験片１とも、Ｐとθｅｎｄの間にはほぼ同一の直線関係が見られ、回帰直線として（８）式が得られた。
【００４７】
（７）式と（８）式から、アンプ出力Ｐと試験片最小径部における表面の最大せん断応力振幅τｍａｘの関係は（９）式のようになった。（９）式から、Ｐ＝９０％でτｍａｘ＝９５１ＭＰａとなり、高強度な転がり軸受用鋼にねじり疲労を与えられることが十分に見込める。
【００４８】
【数３】
【００４９】
製作した超音波ねじり疲労試験機２は、図２と共に前述したパーソナルコンピュータ１０および試験機制御プログラム１１で構成した試験機制御装置４で、アンプ１７を制御するようになっている。図１７に、超音波ねじり疲労試験機２の試験条件を入力する画面を示す。図１８は試験過程の詳細の流れ図であり、試験過程では、入力された試験条件に従って、同図のようにアンプ出力の制御や、連続発振または間欠発振を選択した制御、情報取得（周波数とアンプ状態の取得）、試験の終了等の制御等が行われる。
【００５０】
図１７の入力画面例で、計測準備の欄に共振周波数が１９．９７と表示されているのは、アンプ出力１０％で試験片が１９．９７ｋＨｚで共振したことを示しており、ねらいの２００００Ｈｚにほぼ等しい。この試験機制御装置４によると、計測条件の欄にアンプ出力を入力すると、あらかじめ初期設定画面に入力した（９）式の直線の傾きと切片から、最大せん断応力振幅に変換される。同欄では、加振し続ける連続運転か、加振と休止を交互に繰り返す間欠運転のどちらかを選択する。
【００５１】
試験片１にき裂が発生し、ある程度の寸法に成長すると共振周波数が低下する。同欄の周波数変動幅に５０．００ と入力されているのは、共振周波数が試験時よりも５０Ｈｚ以上低下したら疲労破壊したとして試験を停止させるためである。なお、この値は可変であり、試験片材質に応じて適切な値を入力すべきである。図１３にねじり疲労破壊した試験片の例を示す。軸方向のせん断き裂が発生し、ある程度の長さに成長した後、引張型に遷移して斜め方向に逸れていったことを示している。
【００５２】
常温大気中にて標準焼入焼戻した軸受鋼ＳＵＪ２を、加振と休止を交互に繰り返す間欠運転で評価した。最大せん断応力振幅の大小によらず、一貫して加振時間は１１０ｍｓｅｃ、休止時間は１１００ｍｓｅｃとした。試験片は上記の端面ねじり角測定に用いたものと同ロットである。１０10回まで損傷が起きなければ試験を打ち切った。
【００５３】
図１４に超音波ねじり疲労試験で得られたせん断応力振幅と負荷回数の関係を示す。図１４中の実線は、日本材料学会の金属材料疲労信頼性評価標準ＪＳＭＳ−ＳＤ−６−０２の疲労限度型折れ線モデルにあてはめて求めたS−N 線図（破壊確率５０％）である。せん断応力振幅が７００ＭＰａにおけるせん断疲労寿命は５．７０３×１０７回となった。なお、疲労限度型折れ線モデルではなく、連続低下型曲線モデルに当てはめてS−N 線図を求めてもよい。
【００５４】
統計的要因という観点から、複数応力水準で複数本の評価を行ってP−S−N 線図を得ればよい。しかしながら、時間的制約から実施が困難な場合が多いであろう。図１４のＳ−Ｎ線図を求めるためには、日本材料学会の金属材料疲労信頼性評価標準ＪＳＭＳ−ＳＤ−６−０２を用い、疲労限度型折れ線モデルにあてはめた。それには少ないデータ数でP−S−N 線図を得る機能がある。図１４中の破線は、それによって得た破壊確率１０％のP−S−N 線図である。ここでは適当な破壊確率として１０％としたが、超音波ねじり疲労試験片の危険体積と実際の転がり軸受の危険体積を比較するなどし、妥当な破壊確率を考慮すべきである。任意のせん断応力振幅におけるＰ−Ｓ−Ｎ線図との交点をせん断疲労寿命としてもよい。
【００５５】
上記のように、超音波ねじり疲労試験（完全両振り) によって転がり軸受用鋼のせん断応力振幅と負荷回数の関係を求め、それから時間強度域におけるせん断疲労寿命を決め、内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定する方法を示した。
【００５６】
ところで、図１５に線接触状態でＰｍａｘ ＝１５００ＭＰａが作用する場合の接触面下の周方向断面の交番せん断応力τｙｚと深さ方向の垂直応力σｚ の分布を示す（ｙ： 周方向、ｚ： 深さ方向) 。座標は接触楕円の単軸半径ｂで無次元化してある。交番せん断応力τｙｚは点線の深さで絶対値が最大になる。図１６は、はく離が起きる前に転がり疲労試験を中止し、周方向断面を観察したところ、交番せん断応力の絶対値が最大になる深さ辺りに見られた表面に平行な微小き裂である。表面に平行に進展した駆動力は交番せん断応力と考えられる。つまり、き裂の進展様式はモードII型（面内せん断型）である。図１６に示したように、き裂面に垂直な方向の垂直応力σz は圧縮なので、モードI型（引張型）は有り得ず、かつσｚ はき裂面間を干渉させるため、モードII進展を妨げるように作用する。
【実施例】
【００５７】
ＳＵＪ２ずぶ焼入れ（ＳＵＪ２素材全体を焼入れ）、Ｍ５０ＮｉＬ浸炭、Ｓ５３Ｃ高周波焼入れのせん断疲労特性を評価してせん断疲労寿命を決め、内部起点型はく離寿命と比較した。
【００５８】
表２に、試験片に用いたＳＵＪ２素材の合金成分を示す。
【表２】
【００５９】
上記表２のＳＵＪ２素材を順次、旋削 → 熱処理 → 研削仕上げして試験片を製作した。熱処理条件は加熱（８３０℃×８０ｍｉｎ、ＲＸガス雰囲気） → 油焼入れ → 焼戻し（１８０℃×１８０ｍｉｎ）である。前記ＲＸガス雰囲気とは、ブタン、メタン等の炭化水素系ガスに空気を混合した後、触媒を充填し高温加熱してなるＣＯ，Ｈ２，Ｎ２を主な成分とする雰囲気ガスである。
【００６０】
表３に、試験片に用いたＭ５０ＮｉＬ素材の合金成分を示す。
【表３】
【００６１】
上記表３のＭ５０ＮｉＬ素材を順次、旋削 → 熱処理 → 研削仕上げして試験片を製作した。熱処理条件は、浸炭・拡散（浸炭： ９６０℃×１５ｈ、RXガス雰囲気、カーボンポテンシャルを１．２に保持、拡散： ９６０℃×７４ｈ、RXガス雰囲気） → 油焼入れ → 中間焼鈍（６５０℃×６ｈ）→ 炉冷 → ２次加熱（８５０℃×４０min → １０９０℃×２５min、真空）→ 油焼入れ → サブゼロ（−８０℃×１８０min） → 焼戻し（４５０℃×６０min → ５５０℃×１８０min）である。
【００６２】
表４に、試験片に用いたＳ５３Ｃ素材の合金成分を示す。
【表４】
【００６３】
上記表４のＳ５３Ｃ素材を順次、旋削 → 熱処理 → 研削仕上げして試験片を製作した。この場合の熱処理は、高周波焼入れと焼戻しである。図２２（Ａ）は、Ｓ５３Ｃ素材の高周波焼入れのヒートパターンを示す図であり、同図（Ｂ）は、同素材の焼戻しのヒートパターンを示す図である。図２３（Ａ）は、高周波焼入れパターンを概略示す試験片の正面図であり、同図（Ｂ）は同試験片の側面図である。図２３（Ａ）におけるハッチング部が概略の高周波焼入れパターンである。図２３（Ａ）に示すように、最小径部φｄmin（φｄminは４ｍｍ）は全硬化とする。焼逃げ幅Ｗ（４隅）は３ｍｍ以下とする。端面まで焼抜けても構わない。最小径部φｄminの旧γ結晶粒度は♯８程度にする。
【００６４】
図２４は、ＳＵＪ２ずぶ焼入れ、Ｍ５０ＮｉＬ浸炭、Ｓ５３Ｃ高周波焼入れの試験片のせん断疲労特性を示す図である。同図中の実線は、日本材料学会の金属材料疲労信頼性評価標準ＪＳＭＳ−ＳＤ−６−０２の疲労限度型折れ線モデルにあてはめて求めたS−N線図である。表５に各鋼種のせん断疲労寿命として、せん断応力振幅７００ＭＰａにおけるＳ−Ｎ線図との交点の負荷回数を示す。
【００６５】
【表５】
【００６６】
表６にＳＵＪ２ずぶ焼入れ（９ロット）、Ｍ５０ＮｉＬ浸炭（３ロット）、Ｓ５３Ｃ高周波焼入れ（２ロット）の転動疲労寿命試験結果として、ワイブル解析で得られた５０％寿命の平均値を示す。
【００６７】
【表６】
【００６８】
前記転動疲労寿命試験では、鋼種によって異なるが、試験個数のいくつかには表面起点型の短寿命はく離が起きる。上記表６の５０％寿命の平均値は、内部起点型はく離のものだけを対象としてロット毎にワイブル解析して得られた値を平均したものである。図２５に転動疲労寿命試験機の模式図を示す。試験片は直径１２ｍｍ、長さ２２ｍｍの円筒形状であり、円筒面は超仕上げが施されている。表７に試験条件を示す。
【００６９】
この転動疲労寿命試験機は、駆動ロール２４と、３個の案内ロール２５と、２個の負荷ボール２６とを有する。各案内ロール２５は、軸２７に嵌合された軸受２８，２８により回転可能で各軸心が平行に支持されている。また駆動ロール２４の軸心もこれら案内ロール２５の軸心に平行に設けられる。各案内ロール２５の外周面には、負荷ボールを保持する断面円弧状の環状溝２５ａが形成されている。３個の案内ロール２５が近接して配置されると共に、各負荷ボール２６が、隣接する２個の案内ロール２５にわたって案内される。これら負荷ボール２６と駆動ロール２４との間に試験片Ｗを介在させ、駆動ロール２４を試験条件に基づき回転駆動することで、試験片Ｗが転動するようになっている。
【００７０】
【表７】
【００７１】
図２６は、横軸を表６の５０％寿命の平均値、縦軸を表５のせん断疲労寿命としたグラフであり、両者にはよい直線相関が見られる。超音波ねじり疲労試験片に発生する初期き裂（図１３参照）、内部起点型はく離に先立つ表層に発生する初期き裂（図１６参照）は、ともにせん断応力の作用方向に沿うき裂であることから、等価であるといる。そのため、図２６のように、５０％寿命の平均値とせん断疲労寿命の間にはよい直線関係が見られたといえる。なお、図２６では、内部起点型はく離寿命として、ワイブル解析で得られた５０％寿命としたが、その代わりに１０％寿命などをとってもよい。また、図２６では、せん断疲労寿命として、せん断応力振幅７００ＭＰａにおけるＳ−Ｎ線図との交点の負荷回数としたが、その代わりに、せん断疲労寿命は時間強度域における任意の破壊確率のＰ−Ｓ−Ｎ線図との交点の負荷回数としてもよい。
【００７２】
超音波ねじり疲労試験にて、ＳＵＪ２標準の他、Ｍ５０ＮｉＬ浸炭、Ｓ５３Ｃ高周波焼入れを評価したのは、ＳＵＪ２標準の内部起点型はく離寿命に対し、Ｍ５０ＮｉＬ浸炭のそれは長く、Ｓ５３Ｃ高周波焼入れのそれは短いことがわかっていたためである。図２６のように、３鋼種を一元に相対比較するためには、図２４からわかるように、せん断応力振幅は７００ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下としなければならない。
超音波ねじり試験では、せん断応力は試験片最小径部の表面で最大、中心でゼロになる。したがって、図１３のように、初期き裂は試験片最小径部の表面に発生する。そのため、ずぶ焼入れはもちろんのこと、浸炭焼入れ鋼（今回のＭ５０ＮｉＬ浸炭など）、高周波焼入れ鋼（今回のＳ５３Ｃ高周波焼入れなど）など、広い意味での表面改質材も評価することができる。
【００７３】
なお、超音波軸荷重疲労試験機（島津製作所製ＵＳＦ−２０００、加振速度２００００Ｈｚ、完全両振り）を用い、各種ずぶ焼入鋼の軸荷重疲労特性を求め、時間強度域における垂直疲労寿命と内部起点型はく離寿命を比較したが、相関は見られなかった。
【符号の説明】
【００７４】
１…試験片
２…超音波ねじり疲労試験機
３…試験機本体
４…試験機制御装置
５…内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置
７…ねじり振動コンバータ
８…振幅拡大ホーン
１０…コンピュータ
１１…試験機制御プログラム
１７…アンプ
１９…内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定プログラム
２２…入力手段
２３…せん断疲労寿命決定手段
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法および推定装置に関し、実験によって得られるせん断疲労特性から時間強度域におけるせん断疲労寿命を決め、転がり軸受等の転がり接触する機械要素の内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定する方法および装置、並びにこの推定方法を用いた軸受材料の選定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受の内部起点型はく離は、表層内部で振幅が最大となる交番せん断応力（ほぼ両振り)の繰り返しによってき裂が発生，進展して起きると考えられている。引張圧縮疲労試験（軸荷重疲労試験、回転曲げ疲労試験）の場合、１０7 回における疲労強度を疲労限度とすることが慣習的である。それに対し、転がり軸受は、潤滑条件が良好な場合、かなり高い負荷を与えても１０7 回程度の負荷回数では内部起点型はく離は起こらない。せん断応力で疲労破壊させる試験としてねじり疲労試験があるが（例えば、非特許文献１）、油圧サーボ型ねじり疲労試験の負荷周波数は高々１０Ｈｚであり、例えば１０9 回の負荷回数に到達するには３年以上を要し、評価は実質不可能である。
従来、内部起点型はく離寿命を有限時間内で評価するには、実際の使用条件を大きく上回る５ＧＰａ以上もの最大接触面圧を与えて評価されてきた。先行技術では、５．８８ＧＰａの最大接触面圧を与えている（例えば、特許文献１）。その場合でも、内部起点型はく離寿命（例えば、１０％寿命や５０％寿命）は１０７〜１０８回のオーダーである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４４５９２４０号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】森本洋生, 松原幸生 著, トライボロジー会議予稿集, (東京2007-5), 145-146.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
転がり軸受では、使用材料の購入先やロット毎等について、迅速なねじり疲労試験を行って内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定できれば、効率的かつ信頼性向上に効果的である。しかし、従来の技術では、前述のようにねじり疲労試験には長期間を要し、使用材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定は実質不可能であった。
【０００６】
この発明の目的は、短期間のねじり疲労試験の結果から、転がり軸受用鋼等の転がり接触するせん断疲労強度の高い金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定することができる転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法、推定装置、および推定システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法は、転がり接触する金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定する方法であって、
超音波ねじり疲労試験によって金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を求める試験過程（Ｓ１）と、
この求められたせん断応力振幅と負荷回数の関係から時間強度域におけるせん断疲労寿命を、定められた基準に従って決めるせん断疲労寿命決定過程（Ｓ２）と、
このせん断疲労寿命決定過程（Ｓ２）で決定したせん断疲労寿命が優れている金属材料が、前記内部起点型はく離寿命の相対優劣が優れていると推定する相対優劣推定過程（Ｓ３）と、
を含む。
前記超音波ねじり疲労試験は、試験片に対して、正回転方向と逆回転方向のねじりが対称となるねじり振動を与える完全両振りのねじり疲労試験とするのが良い。前記金属材料は、転がり軸受の軌道輪または転動体となる転がり軸受用鋼であっても良い。
【０００８】
前記「内部起点型はく離寿命の相対優劣」とは、内部起点型はく離寿命を数値として示されないまでも、複数の金属材料のうち、比較対象となる金属材料よりも相対的に内部起点型はく離寿命が長く優れているか、劣っているつまり短いかを言う。比較対象となる金属材料は、任意に定める。
前記せん断疲労寿命決定過程で用いる前記の「定められた基準」は、例えば、せん断疲労特性を示す確立された理論の曲線に、試験結果のせん断応力振幅と負荷回数の関係を当てはめた曲線を求め、その曲線からせん断疲労寿命を決める処理とされる。具体的には、日本材料学会の金属材料疲労信頼性評価標準JSMS-SD-6-02の疲労限度型折れ線モデルにあてはめて求めたＳ−Ｎ線図（破壊確率５０％）を用いることができる。疲労限度型折れ線モデルに限らず、連続低下型曲線モデルに当てはめてＳ−Ｎ線図を求めても良い。せん断疲労寿命は任意のせん断応力振幅において上記曲線と交わる寿命とすればよいが、せん断疲労強度が高いものから低いものまでのせん断疲労寿命の優劣を一元に相対比較するためには、せん断応力振幅が７００ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下におけるせん断疲労寿命を求めるのが良い。
せん断疲労寿命決定過程における前記「時間強度域」とは、図１（Ｃ）のＳ−Ｎ線図の斜めの部分、すなわち有限寿命域を指す。
【０００９】
この発明方法によると、疲労試験を超音波ねじり疲労試験で行うため、極めて高速な負荷が可能で、短時間で金属材料の超長寿命域までのせん断応力振幅と負荷回数の関係を求めることができる。このように求めた関係から任意のせん断応力振幅におけるせん断疲労寿命を決める。相対優劣推定過程では、決定したせん断疲労寿命が優れている金属材料が、前記内部起点型はく離寿命の相対優劣が優れていると推定することができる。
【００１０】
なお、材料の疲労破壊を支配する応力は、突き詰めれば垂直応力かせん断応力のどちらかである。垂直応力による疲労特性を高速に評価するため、超音波軸荷重疲労試験機（完全両振り) が市販されてから数年が経つ。それに対し、せん断応力による疲労特性を高速に評価するための超音波ねじり疲労試験の研究はほとんど行われておらず、これまでに評価された材料は最大せん断応力振幅（完全両振り）が２５０ＭＰａ以下で疲労破壊する軟鋼やアルミ合金である。それに対し、転がり軸受の動定格荷重及び定格寿命の規格であるＩＳＯ−２８１：２００７で定められている転がり軸受の疲労限面圧は１５００ＭＰａであり、線接触状態を考えると、そのときに表層内部に作用する最大交番せん断応力振幅はτ０＝３７５ＭＰａである。したがって、３７５ＭＰａ以上の最大せん断応力振幅で評価できる超音波ねじり試験機が必要であるが、このような大きな最大せん断応力振幅で評価できる超音波ねじり試験機は、従来に例がない。そのため、この発明は、超音波ねじり試験機の開発という案出によりなされたものである。
【００１１】
この発明方法において、前記試験過程では、複数回の前記超音波ねじり疲労試験を行って、金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を複数求め、前記せん断疲労寿命決定過程では、前記複数回の試験過程で求めたせん断応力振幅と負荷回数の関係から任意の破壊確率のＰ−Ｓ−Ｎ線図を求め、このＰ−Ｓ−Ｎ線図から、前記せん断疲労寿命を決めてもよい。
【００１２】
この発明方法において、前記超音波ねじり疲労試験は、例えば、交流電力が印加されることで回転中心軸回りの正逆の回転となるねじり振動を発生するねじり振動コンバータと、先端に同心に試験片を取付ける取付部を有し基端でねじり振動コンバータに固定され、基端に与えられた前記ねじり振動コンバータのねじり振動の振幅を拡大する振幅拡大ホーンとを用い、前記試験片の形状，寸法を、前記ねじり振動コンバータの駆動による振幅拡大ホーンの振動に共振する形状，寸法とし、前記ねじり振動コンバータを超音波領域の周波数で駆動し前記試験片を前記振幅拡大ホーンの振動に共振させてせん断疲労破壊させることによって行う。
【００１３】
この発明方法において、前記試験過程では、前記超音波ねじり疲労試験において前記金属材料の試験片の発熱を抑制するために、試験片を強制空冷しても良い。また、試験片の発熱を抑制するために、負荷と休止を交互に繰り返しても良い。前記試験過程で、超音波ねじり疲労試験において前記金属材料の試験片の発熱が問題にならない低負荷域では連続負荷しても良い。小径側端面のねじり角の大径側端面のねじり角に対する比である拡大率が４３倍以上の振幅拡大ホーンを用いても良い。
この発明は、高速に負荷が可能な超音波ねじり疲労試験を用いるようにしており、例えば、加振周波数が２００００Ｈｚと極めて高速な超音波ねじり疲労試験を行う。これにより、連続加振すれば、わずか半日余りで１０9 回の負荷回数に到達する。しかし、ある程度高いせん断応力振幅で連続加振すると試験片が発熱し、精度の良いせん断応力振幅と負荷回数の関係を求めることができない。そのため、試験片を強制空冷することが好ましい。強制空冷だけでは試験片の発熱抑制が不十分な場合は、加振と休止を交互に繰り返すことが好ましい。休止することで実質の負荷周波数は小さくなるが、加振周波数が２００００Ｈｚの超音波ねじり疲労試験機を用いると、休止時間を加振時間の１０倍程度としても２０００Ｈｚ程度と依然高速であり、６日余りで１０9 回の負荷回数に到達する。
【００１４】
この発明の転がり軸受材料の選定方法は、この発明の上記いずれかの構成の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法により決められた時間強度域におけるせん断疲労寿命が、定められたせん断疲労寿命以上である金属材料を、転がり軸受の軌道輪または転動体の材料として使用するものである。
【００１５】
この発明の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法によれば、短時間の疲労試験の結果から、転がり軸受用の金属材料の時間強度域におけるせん断疲労寿命を精度良く決めることができる。そのため、転がり軸受の軌道輪または転動体に使用する材料の試験項目の一つとして時間強度域におけるせん断疲労寿命を採用することができる。実際に疲労試験して決めた時間強度域のせん断疲労寿命が、定められたせん断疲労寿命以上である材料のみを軸受材料として用いることで、転がり軸受の信頼性向上に大きく役立つ。なお、判定基準となる「定められたせん断疲労寿命」は、目的等に応じて適宜設定すれば良い。また、内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定は、例えば、材料のロット毎や、一度に購入した量毎、購入先毎等に行う。
【００１６】
この発明における転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置は、転がり接触する金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定するためにせん断疲労寿命を求める装置であって、
完全両振りの超音波ねじり疲労試験によって金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を、定められた記憶領域に記憶させる入力手段２２と、
この記憶されたせん断応力振幅と負荷回数の関係から時間強度域におけるせん断疲労寿命を、定められた基準に従って決めるせん断疲労寿命決定手段２３と、
を備える。
前記金属材料は、転がり軸受の軌道輪または転動体となる転がり軸受用鋼であっても良い。前記入力手段２２は、キーボート等の手入力を行う入力装置や、記録媒体の読み出し装置、通信ネットワークなどを用いて、例えば、前記金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を纏めたファイルを、後の計算のために、定められた記憶領域、またはその記憶場所が特定できるように記憶させる手段である。
【００１７】
この発明装置によると、この発明方法につき説明したと同様に、極めて高速な負荷が可能な超音波ねじり疲労試験を用いることができて、短期間で転がり軸受用鋼のせん断応力振幅と負荷回数の関係を求め、時間強度域におけるせん断疲労寿命を精度良く決めることができる。
前記せん断疲労寿命決定手段２３におけるせん断応力振幅は、例えば７００ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下とする。
【００１８】
この発明装置において、前記入力手段２２は、複数回の各超音波ねじり疲労試験によって求められた金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を、定められた記憶領域に記憶させる機能を有し、前記せん断疲労寿命決定手段２３は、前記複数回の試験におけるせん断応力振幅と負荷回数の関係から任意の破壊確率のＰ−Ｓ−Ｎ線図を求め、このＰ−Ｓ−Ｎ線図から、せん断疲労寿命を決めるものであっても良い。
【００１９】
この発明の転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定システムは、転がり接触する金属材料の試験片１について、完全両振りの超音波ねじり疲労試験を行う超音波ねじり疲労試験機本体３と、この超音波ねじり疲労試験機本体３を、入力された試験条件に従って制御する試験機制御装置４と、この発明の上記いずれかの構成の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置５とを備えたシステムである。
このシステムにおいても、この発明方法につき説明したと同様に、極めて高速な負荷が可能な超音波ねじり疲労試験を用いることができて、短期間で転がり軸受用鋼等のせん断応力振幅と負荷回数の関係を求め、時間強度域におけるせん断疲労寿命を精度良く決めることができる。
【発明の効果】
【００２０】
この発明の転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法、推定装置および推定システムは、超音波ねじり疲労試験によって金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を求めるため、極めて高速な負荷が可能な超音波ねじり疲労試験を用いることができて、転がり軸受用鋼等の疲労強度の高い金属材料であっても、短期間でせん断応力振幅と負荷回数の関係を求め、時間強度域におけるせん断疲労寿命を精度良く決定することができる。この決定したせん断疲労寿命が優れている金属材料が、内部起点型はく離寿命の相対優劣が優れていると推定することができ、このため短期間のねじり疲労試験の結果から、転がり軸受用鋼等の転がり接触するせん断疲労強度の高い金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定することができる。
【００２１】
この発明の転がり軸受材料の選定方法は、この発明の上記いずれかの構成のせん断疲労寿命の相対優劣の推定方法により推定されたせん断疲労寿命の相対優劣が、定められたせん断疲労寿命以上である金属材料を、転がり軸受の軌道輪または転動体の材料として使用するため、従来では発想になかった試験項目の採用により、転がり軸受の信頼性向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（Ａ）はこの発明の一実施形態に係る内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法を示す流れ図、（Ｂ）はその内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定システムの概略図、（Ｃ）はS−N線図とせん断疲労寿命を示す説明図である。
【図２】同内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定システムのブロック図である。
【図３】同内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定システムにおける試験機制御装置兼内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置の概念図である。
【図４】内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置の概念構成を示すブロック図である。
【図５】超音波ねじり疲労試験機の本体の正面図である。
【図６】試験片の模式図である。
【図７】試験片の正面図である。
【図８】ねじり角θと表面のせん断応力τ (端面のねじり角θｅｎｄが０．０１ｒａｄの場合)の軸方向分布を示すグラフである。
【図９】静止時の試験片肩部円筒面下端を示す顕微鏡写真である。
【図１０】加振時の試験片肩部円筒面下端を示す顕微鏡写真である。
【図１１】図１０の範囲２ａと端面ねじり角θｅｎｄの関係を示す説明図である。
【図１２】アンプ出力Ｐと端面ねじり角θｅｎｄの関係を示すグラフである。
【図１３】ねじり疲労破壊した試験片の例の顕微鏡写真および試験片全体の説明図である。
【図１４】超音波ねじり疲労試験で得たせん断応力振幅と負荷回数の関係とS−N 線図（実線）とそれから求めた破壊確率１０％のP−S−N 線図（破線）を示すグラフである。
【図１５】線接触状態でＰｍａｘ ＝１５００ＭＰａが作用する場合の接触面下周方向断面の交番せん断応力τｙｚと深さ方向の垂直応力σｚ の分布 (ｙ： 周方向、ｚ： 深さ方向) の説明図である。
【図１６】交番せん断応力の絶対値が最大になる深さ辺りに見られた表面に平行な微小き裂を示す周方向断面の顕微鏡写真である。
【図１７】超音波ねじり疲労試験機の制御装置の試験条件入力画面例を示す説明図である。
【図１８】試験過程の詳細の流れ図である。
【図１９】疲労限度型折れ線S−N線図の決め方に関する疲労試験結果の模式図である。
【図２０】任意の負荷回数における強度分布が正規分布に従い、標準偏差が同一であることを示す模式図である。
【図２１】Ｐ−Ｓ−Ｎ線図の求め方（連続低下型曲線モデルの場合、破壊確率１０％）である。
【図２２】（Ａ）は、Ｓ５３Ｃ素材の高周波焼入れのヒートパターンを示す図、（Ｂ）は、同素材の焼戻しのヒートパターンを示す図である。
【図２３】（Ａ）は、高周波焼入れパターンを概略示す試験片の正面図、（Ｂ）は同試験片の側面図である。
【図２４】ＳＵＪ２ずぶ焼入れ、Ｍ５０ＮｉＬ浸炭、Ｓ５３Ｃ高周波焼入れの試験片のせん断疲労特性を示す図である。
【図２５】転動疲労寿命試験機の模式図である。
【図２６】ＳＵＪ２ずぶ焼入れ、Ｍ５０ＮｉＬ浸炭、Ｓ５３Ｃ高周波焼入れの内部起点型はく離寿命とせん断疲労寿命の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
この発明の一実施形態を図面と共に説明する。以下の説明は、転がり軸受材料の選定方法についての説明をも含む。この転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法は、転がり接触する金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定する方法であって、図１（Ａ）のように、試験過程（Ｓ１）と、せん断疲労寿命決定過程（Ｓ２）と、このせん断疲労寿命決定過程（Ｓ２）で決定したせん断疲労寿命が優れている金属材料が、前記内部起点型はく離寿命の相対優劣が優れていると推定する相対優劣推定過程（Ｓ３）とを含む。前記金属材料は、例えば、転がり軸受の軌道輪または転動体となる転がり軸受用鋼であるが、この他に、転がり接触する機械要素に用いられる金属材料一般に適用できる。
【００２４】
試験過程（Ｓ１）は、完全両振りの超音波ねじり疲労試験によって金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を求める過程である。この試験は、同図（Ｂ）に示す金属材料の試験片１に対して完全両振りの超音波ねじり振動を与える超音波ねじり疲労試験機２を用いる。この超音波ねじり疲労試験機２は、加振周波数が２００００Ｈｚと極めて高速な超音波ねじり疲労試験（完全両振り）を用いることにした。この超音波ねじり疲労試験機２は、市販のものをそのまま使用することができず、種々の改良を施したものである。
【００２５】
せん断疲労寿命決定過程（Ｓ２）は、試験過程（Ｓ１）で求められたせん断応力振幅と負荷回数の関係から時間強度域におけるせん断疲労寿命を、定められた基準に従って決める。せん断疲労寿命決定過程（Ｓ２）で言う上記の「定められた基準」は、例えば、せん断疲労強度を示す確立された理論の曲線に、試験結果のせん断応力振幅と負荷回数の関係を当てはめた曲線を求め、その曲線からせん断疲労強度を求める処理とされる。具体的には、日本材料学会の金属材料疲労信頼性評価標準ＪＳＭＳ−ＳＤ−６−０２の疲労限度型折れ線モデルにあてはめて求めたＳ−Ｎ線図（破壊確率５０％）（同図（Ｃ）参照）を用いることができる。疲労限度型折れ線モデルに限らず、連続低下型曲線モデルに当てはめてＳ−Ｎ線図を求めても良い。せん断疲労寿命は時間強度域において上記曲線と交わる寿命とすればよいが、せん断疲労強度が高いものから低いものまでのせん断疲労寿命の優劣を一元に相対比較するためには、せん断応力振幅が７００ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下におけるせん断疲労寿命を求めるのがよい。
【００２６】
日本材料学会の金属材料疲労信頼性評価標準ＪＳＭＳ−ＳＤ−６−０２の疲労限度型折れ線モデルは、次式にあてはめて回帰する。
σ＝-Ａlog10Ｎ+Ｂ（Ｎ<ＮＷ）
σ＝Ｅ（Ｎ≧ＮＷ）
ここで、Ａ、Ｂ、Ｅ、Ｎｗは定数である。疲労限度（上式のＥ）は、Ｎ＝５×１０６以上の負荷回数における打ち切りデータが１点以上存在する場合、以下のように推定する。破断データ応力最小値σｆ ｍｉｎと、これより低応力の打ち切りデータ応力最大値σｒ ｍａｘの平均値を疲労限度とする（図１９参照）。なお、σｆ ｍｉｎと同じ応力レベルに打ち切りデータがあり、かつこれより低い応力レベルで打切りデータが存在しない場合は、このσｆ ｍｉｎを疲労限度とする。こうして疲労限度を決めた上で、この値を固定して破断データのみから上式中の他のパラメータを推定する。
連続低下型曲線モデルはストロメイヤー（Ｓｔｒｏｍｅｙｅｒ）の基礎式である次式にあてはめて回帰する。
【数１】
ここで、Ａ、Ｂ、Ｄは定数である。
疲労強度、疲労寿命にはバラツキがある。本来、確率疲労特性は、複数の応力振幅で複数個の試験片を評価し、ある破壊確率におけるＰ−Ｓ−Ｎ線図を求めて評価する。しかしながら、Ｐ−Ｓ−Ｎ線図を求めるには多大な工数と時間を要する。金属材料疲労信頼性評価標準ＪＳＭＳ−ＳＤ−６−０２では、Ｓ−Ｎ線図から任意の破壊確率におけるＰ−Ｓ−Ｎ線図を求める方法が提案されている。それは、図２０のように、任意の疲労寿命における強度分布は正規分布に従い、その標準偏差σは一定と仮定する。得られたＳ−Ｎ線図を破壊確率５０％の疲労強度曲線とする。疲労限度型折れ線モデルでは時間強度部（傾斜直線部）の破損データ、連続低下型曲線モデルは全範囲の破損データを対象とする。図２１は連続低下型曲線モデルの例である。直線または曲線に沿って個々の破損データを任意の疲労寿命に平行移動し、それらが正規分布するとして標準偏差を求める。例えば、得られた標準偏差をｓとすると、破壊確率５０％の疲労強度曲線を１．２８２ｓだけ下に平行移動したものが破壊確率１０％のＰ−Ｓ−Ｎ線図となる。
【００２７】
この実施形態の推定方法によると、疲労試験を超音波ねじり疲労試験で行うため、極めて高速な負荷が可能で、短時間で金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を求めることができる。このように求めた関係からせん断疲労寿命を決定する。そして、例えば図２６にて示す相関関係に基づいて、前記決定したせん断疲労寿命が優れている金属材料が、前記内部起点型はく離寿命の相対優劣が優れていると推定でき、ねじり疲労試験の結果から精度よく内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定することができる。このため、前記せん断疲労寿命が強い材質である転がり軸受用鋼の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定を行う場合に、その短時間の試験で済むという効果がより一層効果的に発揮される。
【００２８】
この実施形態では、上記のように、加振周波数が２００００Ｈｚと極めて高速な完全両振りの超音波ねじり疲労試験により、短期間で転がり軸受用鋼のせん断応力振幅と負荷回数の関係を求め、時間強度域におけるせん断疲労寿命を決め、内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定する。例えば、２００００Ｈｚで連続加振すれば、わずか半日余りで１０9 の負荷回数に到達する。しかし、ある程度高いせん断応力振幅で連続加振すると試験片１が発熱するため、試験片１を冷却する必要があり、強制空冷を行う。強制空冷だけでは試験片１の発熱抑制が不十分な場合は、加振と休止を交互に繰り返すようにする。休止することで実質の負荷周波数は小さくなるが、加振周波数が２００００Ｈｚの試験機２であれば、休止時間を加振時間の１０倍程度としても２０００Ｈｚ程度と依然高速であり、６日余りで１０9 回の負荷回数に到達する。
【００２９】
なお、材料の疲労破壊を支配する応力は、突き詰めれば垂直応力かせん断応力のどちらかである。垂直応力による疲労特性を高速に評価するため、超音波軸荷重疲労試験機（完全両振り) が市販されてから数年が経つ。それに対し、せん断応力による疲労特性を高速に評価するための超音波ねじり疲労試験の研究はほとんど行われておらず、これまでに評価された材料は最大せん断応力振幅（完全両振り) が２５０ＭＰａ以下で疲労破壊する軟鋼やアルミ合金である。それに対し、転がり軸受の動定格荷重及び定格寿命の規格であるＩＳＯ−２８１：２００７で定められている転がり軸受の疲労限面圧は１５００ＭＰａであり、線接触状態を考えると、そのときに表層内部に作用する最大交番せん断応力振幅はτ0 ＝３７５ＭＰａである。したがって、３７５ＭＰａ以上の最大せん断応力振幅で評価できる超音波ねじり試験機が必要であるが、このような大きな最大せん断応力振幅で評価できる超音波ねじり試験機は、従来に例がない。そのため、この発明は、超音波ねじり試験機の開発という案出によりなされたものである。
【００３０】
この実施形態の転がり軸受材料の選定方法は、上記いずれかの構成の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法により推定されたせん断疲労寿命が、定められたせん断疲労寿命以上である金属材料を、転がり軸受の軌道輪または転動体の材料として使用するものである。
この実施形態の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法によれば、短時間の疲労試験の結果から、転がり軸受用の金属材料の時間強度域におけるせん断疲労寿命を精度良く決めることができる。そのため、転がり軸受の軌道輪または転動体に使用する材料の試験項目の一つとして時間強度域におけるせん断疲労寿命を採用することができる。実際に疲労試験して求めた時間強度域におけるせん断疲労寿命が、定められたせん断疲労寿命以上である材料のみを軸受材料として用いることで、転がり軸受の信頼性向上に大きく役立つ。なお、判定基準となる「定められたせん断疲労寿命」は、目的等に応じて適宜設定すれば良い。また、内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定は、例えば、材料のロット毎や、一度に購入した量毎、購入先毎等に行う。
【００３１】
図２は、上記推定方法に用いる転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定システムの概念構成を示す。この推定システムは、超音波ねじり疲労試験機２と、図１のせん断疲労寿命決定過程（Ｓ２）の処理を行う内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置５とで構成される。
【００３２】
図２において、超音波ねじり疲労試験機２は、試験機本体３と試験機制御装置４とで構成される。試験機本体３は、フレーム６の上部に設置したねじり振動コンバータ７に、下向きに突出する振幅拡大ホーン８を取付け、その先端に試験片１を着脱可能に取付け、ねじり振動コンバータ７で発生した超音波振動を、振幅拡大ホーン８の軸心回りの正逆回転方向の振動として拡大して試験片１に伝えるものである。
【００３３】
試験機制御装置４は、コンピュータ１０と、このコンピュータ１０で実行可能な試験機制御プログラム１１とで構成される。コンピュータ１０は、デスクトップ型等のパーソナルコンピュータであり、中央処理装置１２、メモリ等の記憶手段１３、および入出力インタフェース１４を備える。記憶手段１３に上記試験機制御プログラム１１が記憶され、記憶手段１３の残りの記憶領域が、データ記憶エリア１３ａや作業エリアとなる。この他に、キーボードやマウス等の入力装置１５と、液晶表示装置等の画像を表示する表示装置やプリンタ等の出力装置１６が、コンピュータ１０の一部として、またはコンピュータ１０に接続して設けられている。
試験機制御装置４は、試験機本体３のねじり振動コンバータ７を制御する装置であり、制御出力は、入出力インタフェース１４から、アンプ１７を介して振動コンバータ７に与えられる。この試験機制御装置４は、試験機制御プログラム１１に従って次の処理を行う。まず、図１７に画面例を示すように、試験条件（出力、間欠運転と連続運転のいずれとするか、試験終了条件、データ採取条件等）の入力を促す画面を出力装置１６となる表示装置に出力し、入力装置１５から上記試験条件が入力され、試験開始命令が入力されると、入力された条件に従って試験機本体３を駆動し制御する。なお、最大せん断応力振幅の値は、入力したアンプ出力Ｐ（％）に対し、後述の（９）式によって換算表示される。
【００３４】
図２において、内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置５は、コンピュータ１０と、このコンピュータ１０で実行可能な内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定プログラム１９とで構成される。コンピュータ１０は、試験機制御装置４を構成するコンピュータと同じものであっても良く、また別のものであってよく、中央処理装置１２、メモリ等の記憶手段１３、および入出力インタフェース１４を備える。また上記入力装置１５および出力装置１６が、コンピュータ１０の一部として、またはコンピュータ１０に接続して設けられている。図３は、試験機制御プログラム１１と内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定プログラム１９とを同じコンピュータ１０に記憶させ、試験機制御装置兼内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置９とした例を示す。
【００３５】
内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置５は、コンピュータ１０と前記内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定プログラム１９とで、図４に概念構成で示す各手段が構成されたものである。この内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置５は、転がり接触する金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定するためにせん断疲労寿命を求める装置であって、入力手段２２、せん断疲労寿命決定手段２３を備え、また記憶手段１３、出力手段４Ａが構成されている。
【００３６】
入力手段２２は、完全両振りの超音波ねじり疲労試験によって求められた金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を、記憶手段１３の定められた記憶領域に記憶させる手段である。入力手段２２は、詳しくは、キーボート等の手入力を行う入力装置や、記録媒体の読み出し装置、通信ネットワークなどを用いて、例えば、前記金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を纏めたファイルを、後の計算のために、定められた記憶領域、またはその記憶場所が特定できるように記憶させる手段である。
せん断疲労強度決定手段２３は、前記記憶領域に記憶されたせん断応力振幅と負荷回数の関係から、時間強度域におけるせん断疲労寿命を、定められた基準に従って決める手段である。
【００３７】
次に、超音波ねじり疲労試験機２の詳細、およびこの内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法の詳細を説明する。この超音波ねじり疲労試験機２は、転がり軸受用鋼に極めて高速にせん断疲労が与えられる完全両振りの超音波ねじり疲労試験機として設計したものである。ねじり振動コンバータ７の加振周波数範囲は２００００±５００Ｈｚである。なお、超音波軸荷重疲労試験に用いられる縦振動コンバータには様々な出力のものがあるのに対し、ねじり振動コンバータの市販品は低出力のものしかなく、自作することも実質不可能であった。したがって、振幅拡大ホーン８と試験片１の形状を最適化して高強度な転がり軸受用鋼にねじり疲労を与える必要があった。
【００３８】
振幅拡大ホーン８は、指数関数型であり、ねじり振動コンバータ７に固定する大径側端面の直径は３８ｍｍ、試験片１を固定する小径側端面の直径は１３ｍｍである。なるべく拡大率（小径側のねじり角の大径側のねじり角に対する比）を大きく、かつ２００００Ｈｚ付近で共振するように設計・調整されている。なお、振幅拡大ホーン８の大径側の端面にはねじり振動コンバータに固定するための雄ねじ部が軸方向に突出して設けられ、小径側の端面には試験片を固定するための雌ねじが開けられている。振幅拡大ホーン８の素材はチタン合金である。ヤング率Ｅ、ポアソン比ν、密度ρを実測した結果、それぞれＥ＝１．１６×１０１１Ｐａ、ν＝０．２７、ρ＝４４６０ｋｇ／ｍ３であった。ＦＥＭ解析ソフト（Ｍａｒｃ Ｍｅｎｔａｔ ２００８ ｒ１）（登録商標）を用い、上記のＥ 、ν、ρを物性値として、自由ねじり共振の固有値解析を行った。その結果、拡大率は４３．１倍になった。
【００３９】
図６に試験片の模式図を示す。実際の試験片１の一端には、振幅拡大ホーン８の先端に固定するための雄ネジ部が設けられている。図６において、試験片１はダンベル型で、肩部長さＬ１、半弦長さＬ２、肩部半径Ｒ２、最小半径Ｒ１、円弧半径Ｒで決定される。
【００４０】
試験片１の設計にあたっては、半弦長さＬ２、肩部半径Ｒ２ 、最小半径Ｒ１ を適当に与え（いずれも単位はｍ）、共振周波数f（＝２００００Ｈｚ）、ヤング率E 、ポアソン比ν、密度ρ（標準熱処理した軸受鋼ＳＵＪ２の実測値はＥ＝２．０４×１０１１Ｐａ、ν＝０．２９、ρ＝７８００ｋｇ／ｍ３）とともに、次式（１）〜（６） 式に代入すれば肩部長さＬ１が求まる（単位はｍ）。円弧半径ＲはＲ１，Ｒ２，Ｌ2から求まる。
【００４１】
【数２】
【００４２】
ここで、なるべく大きなせん断応力が試験片最小径部の表面に作用するように事前検討したＬ２＝０．００６５ｍ、Ｒ２＝０．００４５ｍ、Ｒ１＝０．００２ｍ を、上記のｆ、Ｅ、ν、ρとともに（１）〜（６）式に代入するとＬ１＝０．００７５３ｍ となる。しかし、標準焼入焼戻した軸受鋼ＳＵＪ２でＬ１＝０．００７５３ｍとした試験片を製作したところ共振しなかった。そこで、ＦＥＭ解析ソフト（Ｍａｒｃ Ｍｅｎｔａｔ ２００８ ｒ１）（登録商標）を用い、上記のｆ、Ｅ 、ν、ρを物性値として自由ねじり共振の固有値解析を行った。その結果，Ｌ１＝０．００７５３ｍでねじり共振する周波数は１９０６７Ｈｚとなり、ねじり振動コンバータの加振周波数範囲である２００００±５００Ｈｚを外れた。そのため、２００００Ｈｚでねじり共振するＬ１を求めた結果、Ｌ１＝０．００６７７ｍとなった。標準焼入焼戻した軸受鋼ＳＵＪ２でＬ１＝０．００６７７ｍとした試験片を製作したところ２００００Ｈｚ付近で共振した。図７に試験片図面を示す（単位はmm）。
図８は、図７の試験片モデルで自由ねじり共振の固有値解析を行って得たねじり角θと表面のせん断応力τである。図８は端面ねじり角θｅｎｄが０．０１ｒａｄの場合であり、このときの試験片最小径部の表面に作用する最大せん断応力τｍａｘ は５２６．１８ＭＰａとなった。すなわち、線形弾性の範疇では、端面ねじり角θｅｎｄと試験片最小径部における表面の最大せん断応力τｍａｘ の関係は（７）式のようになる。ただし，τｍａｘ の単位はＭＰａ、θｅｎｄは無次元である。
τｍａｘ ＝５２６１８θｅｎｄ （７）
【００４３】
図７の形状の標準焼入焼戻した軸受鋼ＳＵＪ２製の試験片１を３本用い、アンプ出力P（％）を変えて端面ねじり角θｅｍｄを測定した。表１に試験片素材の合金成分を示す。硬さは７２２ＨＶであった。なおＳＵＪ２素材に、焼入れと焼戻しの熱処理を施したものを、「ＳＵＪ２標準」という場合がある。
【００４４】
【表１】
【００４５】
加振中の試験片肩部下端の写真をデジタルマイクロスコープ（キーエンス製ＶＨＸ−９００）にて２００倍で撮影した。それに先立ち、ボール盤で試験片肩部にエメリー研磨(＃５００、＃２０００)とダイヤモンドラッピング（１μｍ）を施して鏡面状態にした。試験片を試験機に取り付けた後、肩部にカラーチェックの現像剤を塗布した。図９は静止時の写真であり、所々に現像剤が塗布されない箇所ができる。それら塗布されない箇所の加振時の挙動を観察した。図９の場合、矢印を付した箇所の挙動に着目した。アンプ出力Ｐを１０％から９０％まで５％刻みで変えて1 秒間加振し、その間にシャッタースピード１／１５ｓｅｃで写真撮影した。図１０はＰ＝５０％で加振中に撮影した写真で、範囲２ａが図９の着目箇所の軌跡である。
【００４６】
アンプ出力Ｐ（％）を変えて測定した範囲２ａから、図１１のように端面ねじり角θｅｎｄ を求めた。その結果、図１２のように、３本の試験片１とも、Ｐとθｅｎｄの間にはほぼ同一の直線関係が見られ、回帰直線として（８）式が得られた。
【００４７】
（７）式と（８）式から、アンプ出力Ｐと試験片最小径部における表面の最大せん断応力振幅τｍａｘの関係は（９）式のようになった。（９）式から、Ｐ＝９０％でτｍａｘ＝９５１ＭＰａとなり、高強度な転がり軸受用鋼にねじり疲労を与えられることが十分に見込める。
【００４８】
【数３】
【００４９】
製作した超音波ねじり疲労試験機２は、図２と共に前述したパーソナルコンピュータ１０および試験機制御プログラム１１で構成した試験機制御装置４で、アンプ１７を制御するようになっている。図１７に、超音波ねじり疲労試験機２の試験条件を入力する画面を示す。図１８は試験過程の詳細の流れ図であり、試験過程では、入力された試験条件に従って、同図のようにアンプ出力の制御や、連続発振または間欠発振を選択した制御、情報取得（周波数とアンプ状態の取得）、試験の終了等の制御等が行われる。
【００５０】
図１７の入力画面例で、計測準備の欄に共振周波数が１９．９７と表示されているのは、アンプ出力１０％で試験片が１９．９７ｋＨｚで共振したことを示しており、ねらいの２００００Ｈｚにほぼ等しい。この試験機制御装置４によると、計測条件の欄にアンプ出力を入力すると、あらかじめ初期設定画面に入力した（９）式の直線の傾きと切片から、最大せん断応力振幅に変換される。同欄では、加振し続ける連続運転か、加振と休止を交互に繰り返す間欠運転のどちらかを選択する。
【００５１】
試験片１にき裂が発生し、ある程度の寸法に成長すると共振周波数が低下する。同欄の周波数変動幅に５０．００ と入力されているのは、共振周波数が試験時よりも５０Ｈｚ以上低下したら疲労破壊したとして試験を停止させるためである。なお、この値は可変であり、試験片材質に応じて適切な値を入力すべきである。図１３にねじり疲労破壊した試験片の例を示す。軸方向のせん断き裂が発生し、ある程度の長さに成長した後、引張型に遷移して斜め方向に逸れていったことを示している。
【００５２】
常温大気中にて標準焼入焼戻した軸受鋼ＳＵＪ２を、加振と休止を交互に繰り返す間欠運転で評価した。最大せん断応力振幅の大小によらず、一貫して加振時間は１１０ｍｓｅｃ、休止時間は１１００ｍｓｅｃとした。試験片は上記の端面ねじり角測定に用いたものと同ロットである。１０10回まで損傷が起きなければ試験を打ち切った。
【００５３】
図１４に超音波ねじり疲労試験で得られたせん断応力振幅と負荷回数の関係を示す。図１４中の実線は、日本材料学会の金属材料疲労信頼性評価標準ＪＳＭＳ−ＳＤ−６−０２の疲労限度型折れ線モデルにあてはめて求めたS−N 線図（破壊確率５０％）である。せん断応力振幅が７００ＭＰａにおけるせん断疲労寿命は５．７０３×１０７回となった。なお、疲労限度型折れ線モデルではなく、連続低下型曲線モデルに当てはめてS−N 線図を求めてもよい。
【００５４】
統計的要因という観点から、複数応力水準で複数本の評価を行ってP−S−N 線図を得ればよい。しかしながら、時間的制約から実施が困難な場合が多いであろう。図１４のＳ−Ｎ線図を求めるためには、日本材料学会の金属材料疲労信頼性評価標準ＪＳＭＳ−ＳＤ−６−０２を用い、疲労限度型折れ線モデルにあてはめた。それには少ないデータ数でP−S−N 線図を得る機能がある。図１４中の破線は、それによって得た破壊確率１０％のP−S−N 線図である。ここでは適当な破壊確率として１０％としたが、超音波ねじり疲労試験片の危険体積と実際の転がり軸受の危険体積を比較するなどし、妥当な破壊確率を考慮すべきである。任意のせん断応力振幅におけるＰ−Ｓ−Ｎ線図との交点をせん断疲労寿命としてもよい。
【００５５】
上記のように、超音波ねじり疲労試験（完全両振り) によって転がり軸受用鋼のせん断応力振幅と負荷回数の関係を求め、それから時間強度域におけるせん断疲労寿命を決め、内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定する方法を示した。
【００５６】
ところで、図１５に線接触状態でＰｍａｘ ＝１５００ＭＰａが作用する場合の接触面下の周方向断面の交番せん断応力τｙｚと深さ方向の垂直応力σｚ の分布を示す（ｙ： 周方向、ｚ： 深さ方向) 。座標は接触楕円の単軸半径ｂで無次元化してある。交番せん断応力τｙｚは点線の深さで絶対値が最大になる。図１６は、はく離が起きる前に転がり疲労試験を中止し、周方向断面を観察したところ、交番せん断応力の絶対値が最大になる深さ辺りに見られた表面に平行な微小き裂である。表面に平行に進展した駆動力は交番せん断応力と考えられる。つまり、き裂の進展様式はモードII型（面内せん断型）である。図１６に示したように、き裂面に垂直な方向の垂直応力σz は圧縮なので、モードI型（引張型）は有り得ず、かつσｚ はき裂面間を干渉させるため、モードII進展を妨げるように作用する。
【実施例】
【００５７】
ＳＵＪ２ずぶ焼入れ（ＳＵＪ２素材全体を焼入れ）、Ｍ５０ＮｉＬ浸炭、Ｓ５３Ｃ高周波焼入れのせん断疲労特性を評価してせん断疲労寿命を決め、内部起点型はく離寿命と比較した。
【００５８】
表２に、試験片に用いたＳＵＪ２素材の合金成分を示す。
【表２】
【００５９】
上記表２のＳＵＪ２素材を順次、旋削 → 熱処理 → 研削仕上げして試験片を製作した。熱処理条件は加熱（８３０℃×８０ｍｉｎ、ＲＸガス雰囲気） → 油焼入れ → 焼戻し（１８０℃×１８０ｍｉｎ）である。前記ＲＸガス雰囲気とは、ブタン、メタン等の炭化水素系ガスに空気を混合した後、触媒を充填し高温加熱してなるＣＯ，Ｈ２，Ｎ２を主な成分とする雰囲気ガスである。
【００６０】
表３に、試験片に用いたＭ５０ＮｉＬ素材の合金成分を示す。
【表３】
【００６１】
上記表３のＭ５０ＮｉＬ素材を順次、旋削 → 熱処理 → 研削仕上げして試験片を製作した。熱処理条件は、浸炭・拡散（浸炭： ９６０℃×１５ｈ、RXガス雰囲気、カーボンポテンシャルを１．２に保持、拡散： ９６０℃×７４ｈ、RXガス雰囲気） → 油焼入れ → 中間焼鈍（６５０℃×６ｈ）→ 炉冷 → ２次加熱（８５０℃×４０min → １０９０℃×２５min、真空）→ 油焼入れ → サブゼロ（−８０℃×１８０min） → 焼戻し（４５０℃×６０min → ５５０℃×１８０min）である。
【００６２】
表４に、試験片に用いたＳ５３Ｃ素材の合金成分を示す。
【表４】
【００６３】
上記表４のＳ５３Ｃ素材を順次、旋削 → 熱処理 → 研削仕上げして試験片を製作した。この場合の熱処理は、高周波焼入れと焼戻しである。図２２（Ａ）は、Ｓ５３Ｃ素材の高周波焼入れのヒートパターンを示す図であり、同図（Ｂ）は、同素材の焼戻しのヒートパターンを示す図である。図２３（Ａ）は、高周波焼入れパターンを概略示す試験片の正面図であり、同図（Ｂ）は同試験片の側面図である。図２３（Ａ）におけるハッチング部が概略の高周波焼入れパターンである。図２３（Ａ）に示すように、最小径部φｄmin（φｄminは４ｍｍ）は全硬化とする。焼逃げ幅Ｗ（４隅）は３ｍｍ以下とする。端面まで焼抜けても構わない。最小径部φｄminの旧γ結晶粒度は♯８程度にする。
【００６４】
図２４は、ＳＵＪ２ずぶ焼入れ、Ｍ５０ＮｉＬ浸炭、Ｓ５３Ｃ高周波焼入れの試験片のせん断疲労特性を示す図である。同図中の実線は、日本材料学会の金属材料疲労信頼性評価標準ＪＳＭＳ−ＳＤ−６−０２の疲労限度型折れ線モデルにあてはめて求めたS−N線図である。表５に各鋼種のせん断疲労寿命として、せん断応力振幅７００ＭＰａにおけるＳ−Ｎ線図との交点の負荷回数を示す。
【００６５】
【表５】
【００６６】
表６にＳＵＪ２ずぶ焼入れ（９ロット）、Ｍ５０ＮｉＬ浸炭（３ロット）、Ｓ５３Ｃ高周波焼入れ（２ロット）の転動疲労寿命試験結果として、ワイブル解析で得られた５０％寿命の平均値を示す。
【００６７】
【表６】
【００６８】
前記転動疲労寿命試験では、鋼種によって異なるが、試験個数のいくつかには表面起点型の短寿命はく離が起きる。上記表６の５０％寿命の平均値は、内部起点型はく離のものだけを対象としてロット毎にワイブル解析して得られた値を平均したものである。図２５に転動疲労寿命試験機の模式図を示す。試験片は直径１２ｍｍ、長さ２２ｍｍの円筒形状であり、円筒面は超仕上げが施されている。表７に試験条件を示す。
【００６９】
この転動疲労寿命試験機は、駆動ロール２４と、３個の案内ロール２５と、２個の負荷ボール２６とを有する。各案内ロール２５は、軸２７に嵌合された軸受２８，２８により回転可能で各軸心が平行に支持されている。また駆動ロール２４の軸心もこれら案内ロール２５の軸心に平行に設けられる。各案内ロール２５の外周面には、負荷ボールを保持する断面円弧状の環状溝２５ａが形成されている。３個の案内ロール２５が近接して配置されると共に、各負荷ボール２６が、隣接する２個の案内ロール２５にわたって案内される。これら負荷ボール２６と駆動ロール２４との間に試験片Ｗを介在させ、駆動ロール２４を試験条件に基づき回転駆動することで、試験片Ｗが転動するようになっている。
【００７０】
【表７】
【００７１】
図２６は、横軸を表６の５０％寿命の平均値、縦軸を表５のせん断疲労寿命としたグラフであり、両者にはよい直線相関が見られる。超音波ねじり疲労試験片に発生する初期き裂（図１３参照）、内部起点型はく離に先立つ表層に発生する初期き裂（図１６参照）は、ともにせん断応力の作用方向に沿うき裂であることから、等価であるといる。そのため、図２６のように、５０％寿命の平均値とせん断疲労寿命の間にはよい直線関係が見られたといえる。なお、図２６では、内部起点型はく離寿命として、ワイブル解析で得られた５０％寿命としたが、その代わりに１０％寿命などをとってもよい。また、図２６では、せん断疲労寿命として、せん断応力振幅７００ＭＰａにおけるＳ−Ｎ線図との交点の負荷回数としたが、その代わりに、せん断疲労寿命は時間強度域における任意の破壊確率のＰ−Ｓ−Ｎ線図との交点の負荷回数としてもよい。
【００７２】
超音波ねじり疲労試験にて、ＳＵＪ２標準の他、Ｍ５０ＮｉＬ浸炭、Ｓ５３Ｃ高周波焼入れを評価したのは、ＳＵＪ２標準の内部起点型はく離寿命に対し、Ｍ５０ＮｉＬ浸炭のそれは長く、Ｓ５３Ｃ高周波焼入れのそれは短いことがわかっていたためである。図２６のように、３鋼種を一元に相対比較するためには、図２４からわかるように、せん断応力振幅は７００ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下としなければならない。
超音波ねじり試験では、せん断応力は試験片最小径部の表面で最大、中心でゼロになる。したがって、図１３のように、初期き裂は試験片最小径部の表面に発生する。そのため、ずぶ焼入れはもちろんのこと、浸炭焼入れ鋼（今回のＭ５０ＮｉＬ浸炭など）、高周波焼入れ鋼（今回のＳ５３Ｃ高周波焼入れなど）など、広い意味での表面改質材も評価することができる。
【００７３】
なお、超音波軸荷重疲労試験機（島津製作所製ＵＳＦ−２０００、加振速度２００００Ｈｚ、完全両振り）を用い、各種ずぶ焼入鋼の軸荷重疲労特性を求め、時間強度域における垂直疲労寿命と内部起点型はく離寿命を比較したが、相関は見られなかった。
【符号の説明】
【００７４】
１…試験片
２…超音波ねじり疲労試験機
３…試験機本体
４…試験機制御装置
５…内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置
７…ねじり振動コンバータ
８…振幅拡大ホーン
１０…コンピュータ
１１…試験機制御プログラム
１７…アンプ
１９…内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定プログラム
２２…入力手段
２３…せん断疲労寿命決定手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
転がり接触する金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定する方法であって、
超音波ねじり疲労試験によって金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を求める試験過程と、
この求められたせん断応力振幅と負荷回数の関係から時間強度域におけるせん断疲労寿命を、定められた基準に従って決めるせん断疲労寿命決定過程と、
このせん断疲労寿命決定過程で決定したせん断疲労寿命が優れている金属材料が、前記内部起点型はく離寿命の相対優劣が優れていると推定する相対優劣推定過程と、
を含む転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項２】
請求項１において、前記超音波ねじり疲労試験は、試験片に対して、正回転方向と逆回転方向のねじりが対称となるねじり振動を与える完全両振りのねじり疲労試験とする転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記金属材料が、転がり軸受の軌道輪または転動体となる転がり軸受用鋼である転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記せん断疲労寿命決定過程におけるせん断応力振幅は、７００ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下である転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記せん断疲労寿命決定過程における、前記時間強度域におけるせん断疲労寿命を決める前記定められた基準は、せん断疲労強度を示す疲労限度型折れ線モデルに、試験結果のせん断応力振幅と負荷回数の関係を当てはめた曲線を求め、その曲線から時間強度域におけるせん断疲労寿命を求める処理である転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記せん断疲労寿命決定過程における、前記時間強度域におけるせん断疲労寿命を決める前記定められた基準は、せん断疲労強度を示す連続低下型曲線モデルに、試験結果のせん断応力振幅と負荷回数の関係を当てはめた曲線を求め、その曲線から時間強度域におけるせん断疲労寿命を求める処理である転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記試験過程では、複数回の前記超音波ねじり疲労試験を行って、金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を複数求め、前記せん断疲労寿命決定過程では、前記複数回の試験過程で求めたせん断応力振幅と負荷回数の関係から任意の破壊確率のＰ−Ｓ−Ｎ線図を求め、このＰ−Ｓ−Ｎ線図から、前記せん断疲労寿命を決める転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記超音波ねじり疲労試験は、交流電力が印加されることで回転中心軸回りの正逆の回転となるねじり振動を発生するねじり振動コンバータと、先端に同心に試験片を取付ける取付部を有し基端でねじり振動コンバータに固定され、基端に与えられた前記ねじり振動コンバータのねじり振動の振幅を拡大する振幅拡大ホーンとを用い、前記試験片の形状，寸法を、前記ねじり振動コンバータの駆動による振幅拡大ホーンの振動に共振する形状、寸法とし、前記ねじり振動コンバータを超音波領域の周波数で駆動し前記試験片を前記振幅拡大ホーンの振動に共振させてせん断疲労破壊させることによって行う転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記試験過程では、前記超音波ねじり疲労試験において前記金属材料の試験片の発熱を抑制するために、試験片を強制空冷する転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか１項において、前記試験過程では、前記超音波ねじり疲労試験において前記金属材料の試験片の発熱を抑制するために、負荷と休止を交互に繰り返す転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項において、前記試験過程では、超音波ねじり疲労試験において前記金属材料の試験片の発熱が問題にならない低負荷域では連続負荷する転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１のいずれか１項において、小径側端面のねじり角の大径側端面のねじり角に対する比である拡大率が４３倍以上の振幅拡大ホーンを用いる転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法により決められた時間強度域におけるせん断疲労寿命が、定められたせん断疲労寿命以上である金属材料を、転がり軸受の軌道輪または転動体の材料として使用する転がり軸受材料の選定方法。
【請求項１４】
転がり接触する金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定するためにせん断疲労寿命を求める装置であって、
完全両振りの超音波ねじり疲労試験によって金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を、定められた記憶領域に記憶させる入力手段と、
この記憶されたせん断応力振幅と負荷回数の関係から時間強度域におけるせん断疲労寿命を、定められた基準に従って決めるせん断疲労寿命決定手段と、
を備えた転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置。
【請求項１５】
請求項１４において、前記金属材料が、転がり軸受の軌道輪または転動体となる転がり軸受用鋼である転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置。
【請求項１６】
請求項１４または請求項１５において、前記入力手段は、複数回の前期超音波ねじり疲労試験によって求められた金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を、定められた記憶領域に記憶させる機能を有し、前記せん断疲労寿命決定手段は、前記複数回の試験におけるせん断応力振幅と負荷回数の関係から任意の破壊確率のＰ−Ｓ−Ｎ線図を求め、このＰ−Ｓ−Ｎ線図から、前記せん断疲労寿命を決めるものである転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置。
【請求項１７】
請求項１４ないし請求項１６のいずれか１項において、前記せん断疲労寿命決定手段におけるせん断応力振幅は、７００ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下である転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置。
【請求項１８】
転がり接触する金属材料の試験片について、完全両振りの超音波ねじり疲労試験を行う超音波ねじり疲労試験機本体と、この超音波ねじり疲労試験機本体を、入力された試験条件に従って制御する試験機制御装置と、請求項１４ないし請求項１７のいずれか１項に記載のせん断疲労寿命決定装置とを備えた転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定システム。
【請求項１】
転がり接触する金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定する方法であって、
超音波ねじり疲労試験によって金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を求める試験過程と、
この求められたせん断応力振幅と負荷回数の関係から時間強度域におけるせん断疲労寿命を、定められた基準に従って決めるせん断疲労寿命決定過程と、
このせん断疲労寿命決定過程で決定したせん断疲労寿命が優れている金属材料が、前記内部起点型はく離寿命の相対優劣が優れていると推定する相対優劣推定過程と、
を含む転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項２】
請求項１において、前記超音波ねじり疲労試験は、試験片に対して、正回転方向と逆回転方向のねじりが対称となるねじり振動を与える完全両振りのねじり疲労試験とする転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記金属材料が、転がり軸受の軌道輪または転動体となる転がり軸受用鋼である転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記せん断疲労寿命決定過程におけるせん断応力振幅は、７００ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下である転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記せん断疲労寿命決定過程における、前記時間強度域におけるせん断疲労寿命を決める前記定められた基準は、せん断疲労強度を示す疲労限度型折れ線モデルに、試験結果のせん断応力振幅と負荷回数の関係を当てはめた曲線を求め、その曲線から時間強度域におけるせん断疲労寿命を求める処理である転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記せん断疲労寿命決定過程における、前記時間強度域におけるせん断疲労寿命を決める前記定められた基準は、せん断疲労強度を示す連続低下型曲線モデルに、試験結果のせん断応力振幅と負荷回数の関係を当てはめた曲線を求め、その曲線から時間強度域におけるせん断疲労寿命を求める処理である転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記試験過程では、複数回の前記超音波ねじり疲労試験を行って、金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を複数求め、前記せん断疲労寿命決定過程では、前記複数回の試験過程で求めたせん断応力振幅と負荷回数の関係から任意の破壊確率のＰ−Ｓ−Ｎ線図を求め、このＰ−Ｓ−Ｎ線図から、前記せん断疲労寿命を決める転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記超音波ねじり疲労試験は、交流電力が印加されることで回転中心軸回りの正逆の回転となるねじり振動を発生するねじり振動コンバータと、先端に同心に試験片を取付ける取付部を有し基端でねじり振動コンバータに固定され、基端に与えられた前記ねじり振動コンバータのねじり振動の振幅を拡大する振幅拡大ホーンとを用い、前記試験片の形状，寸法を、前記ねじり振動コンバータの駆動による振幅拡大ホーンの振動に共振する形状、寸法とし、前記ねじり振動コンバータを超音波領域の周波数で駆動し前記試験片を前記振幅拡大ホーンの振動に共振させてせん断疲労破壊させることによって行う転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記試験過程では、前記超音波ねじり疲労試験において前記金属材料の試験片の発熱を抑制するために、試験片を強制空冷する転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか１項において、前記試験過程では、前記超音波ねじり疲労試験において前記金属材料の試験片の発熱を抑制するために、負荷と休止を交互に繰り返す転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項において、前記試験過程では、超音波ねじり疲労試験において前記金属材料の試験片の発熱が問題にならない低負荷域では連続負荷する転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１のいずれか１項において、小径側端面のねじり角の大径側端面のねじり角に対する比である拡大率が４３倍以上の振幅拡大ホーンを用いる転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定方法により決められた時間強度域におけるせん断疲労寿命が、定められたせん断疲労寿命以上である金属材料を、転がり軸受の軌道輪または転動体の材料として使用する転がり軸受材料の選定方法。
【請求項１４】
転がり接触する金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣を推定するためにせん断疲労寿命を求める装置であって、
完全両振りの超音波ねじり疲労試験によって金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を、定められた記憶領域に記憶させる入力手段と、
この記憶されたせん断応力振幅と負荷回数の関係から時間強度域におけるせん断疲労寿命を、定められた基準に従って決めるせん断疲労寿命決定手段と、
を備えた転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置。
【請求項１５】
請求項１４において、前記金属材料が、転がり軸受の軌道輪または転動体となる転がり軸受用鋼である転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置。
【請求項１６】
請求項１４または請求項１５において、前記入力手段は、複数回の前期超音波ねじり疲労試験によって求められた金属材料のせん断応力振幅と負荷回数の関係を、定められた記憶領域に記憶させる機能を有し、前記せん断疲労寿命決定手段は、前記複数回の試験におけるせん断応力振幅と負荷回数の関係から任意の破壊確率のＰ−Ｓ−Ｎ線図を求め、このＰ−Ｓ−Ｎ線図から、前記せん断疲労寿命を決めるものである転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置。
【請求項１７】
請求項１４ないし請求項１６のいずれか１項において、前記せん断疲労寿命決定手段におけるせん断応力振幅は、７００ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下である転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定装置。
【請求項１８】
転がり接触する金属材料の試験片について、完全両振りの超音波ねじり疲労試験を行う超音波ねじり疲労試験機本体と、この超音波ねじり疲労試験機本体を、入力された試験条件に従って制御する試験機制御装置と、請求項１４ないし請求項１７のいずれか１項に記載のせん断疲労寿命決定装置とを備えた転がり接触金属材料の内部起点型はく離寿命の相対優劣の推定システム。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
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【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２０１３−１５３６７（Ｐ２０１３−１５３６７Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４７２８７（Ｐ２０１１−１４７２８７）
【出願日】平成２３年７月１日（２０１１．７．１）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１日（２０１１．７．１）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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