白いエッチングクラック
鋼の変形メカニズム
鋼中のMnS介在物におけるWECの発生[1]

ホワイトエッチングクラック（WEC）、または白色構造剥離や脆性剥離は、転がり接触疲労（RCF）損傷の一種で、水素脆化、高応力、不適切な潤滑、高温などの特定の条件下で軸受鋼に発生する可能性があります。WECは、材料の微細構造変化の白い領域が存在することが特徴で、これが小さな亀裂の形成につながる可能性があり、時間の経過とともに成長して伝播し、最終的に軸受の早期故障につながります。WECは、風力タービンのギアボックス、自動車エンジン、その他の重機など、さまざまな用途で確認されています。WEC形成の正確なメカニズムはまだ研究中ですが、相変態や粒界劣化などの微細構造の変化と、周期的荷重の組み合わせに関連していると考えられています。

原因

ホワイトエッチングクラック（WEC）は、1996年に初めて報告されました[2]。これは、軸受鋼の微細構造に発生するクラックであり、分岐した白いクラックのネットワークの形成につながります。[3]これは通常、転がり接触 疲労または加速転がり接触疲労によって故障した軸受で観察されます。 [4]これらのクラックは、風力発電産業およびいくつかの産業用途において、軸受の信頼性と動作寿命を大幅に短縮する可能性があります。[5] [6]

ベアリング部品の概要、ホワイトエッチングクラック（WEC）の位置と外観：a）標準的な深溝玉軸受の模式図、b）ベアリング内輪の表面下に位置するWECを示す二次電子（SE）を使用した低倍率画像、c）b）で強調された領域の後方散乱電子（BSE）を使用した高倍率画像。WECの特徴的な外観を示しています。[7]

WECの正確な原因と、それが転がり軸受の故障に及ぼす影響については、これまで多くの研究と議論が行われてきました。[8] [6]最終的に、WECの形成は、材料、機械的、化学的要因の複雑な相互作用によって影響を受けると考えられています。[3]これには、水素脆化、滑り接触による高応力、介在物、[9]電流、[10]温度などが含まれます。これらはすべて、WECの潜在的な原因として特定されています。[11]

水素脆化

WEC の潜在的な原因として最もよく挙げられるのは、材料、機械、化学的な側面の間の不安定な平衡によって引き起こされる水素脆化です[3]。これは、水素原子が軸受鋼に拡散して微小亀裂を形成するときに発生します。[8]水素は、炭化水素系潤滑剤や水汚染など、さまざまな発生源から発生する可能性があり、WEC を再現するための実験室テストでよく使用されます。[12]潤滑剤から水素が発生するメカニズムは、主に 3 つの要因に起因すると考えられています。新しい金属表面との触媒反応による潤滑剤の分解、摺動面でのせん断による潤滑剤内の分子鎖の切断、および摺動中の発熱による潤滑剤の熱分解です。[13]水素の発生は、潤滑性、摩耗幅、および新しい金属表面の触媒反応によって影響を受けます。[13]

応力の局在

MnS介在物におけるWECの開始。

予想以上に高い応力は、転がり接触疲労を加速させる可能性があり、これはWECの前兆として知られています。[4] WECは、形成初期段階では表面下、特に非金属介在物から発生します。 [14]摺動接触期間が長くなるにつれて、これらの亀裂は表面下領域から接触表面まで広がり、最終的には剥離につながります。さらに、亀裂近傍の微細構造変化の範囲が顕著に増加していることが観察されており、亀裂の存在がこれらの変化の前兆であることを示唆しています。[15] [12]

ベアリング表面の滑り方向は、WECの形成に重要な役割を果たした。牽引力がオーバーローリングの方向と反対の場合（ネガティブ滑りと呼ばれる）、一貫してWECが発生した。逆に、牽引力がオーバーローリングの方向と一致する場合（ポジティブ滑りと呼ばれる）、WECは発生しなかった。滑りの強さはWECの形成に支配的な影響を与えた。滑り対転がり比（SRR）が-30%で実施されたテストでは一貫してWECが発生したが、-5% SRRのテストではWECは観察されなかった。さらに、WECの数は、表面粗さ、転がり速度、潤滑油温度の変化など、接触の厳しさの変動と相関しているようであった。[16]

電流

WEC の主な原因の 1 つは、ベアリングに電流が流れることです。交流(AC) と直流(DC) はどちらも、メカニズムが若干異なりますが、WEC の形成につながる可能性があります。一般的に、潤滑剤からの水素発生は電流によって加速され、WEC の形成を加速する可能性があります。[17]特定の条件下では、電流密度が低い場合 (1 mA/mm2 未満)、放電によって WEC が発生し、ベアリングの寿命が大幅に短くなる可能性があります。これらの WEC は、放電により 50 時間以内に発生する可能性があります。静電センサーは、WEC によって引き起こされる故障に関連するこれらの重要な放電を早期に検出するのに役立つことが証明されています。[18]分析により、調査した領域で電気の極性に応じて異なる反応層が形成されることが明らかになりました。[10]

交流の場合、急激な極性変化により軸受内の潤滑油膜にプラズマチャネルが形成され、瞬間的に強力なエネルギー放電が発生します。これらの放電に伴う局所的な加熱と急速な冷却は、鋼の微細構造の変化を引き起こし、WEA（微粒界腐食）やWEC（微粒界腐食）の形成につながります。[19]

一方、直流電流はベアリングに電子を一定量流す可能性があります。これは金属の電気化学的溶解、いわゆるフレッティング腐食を引き起こす可能性があります。また、一定電流の流れは局所的な加熱を引き起こし、ベアリング材料内に温度勾配を生じさせます。この温度勾配は、WECの形成につながる応力を引き起こす可能性があります。[19]

微細構造

MnS介在物の化学組成を示すEDAXスペクトル。 [1]

WECは、局所的な微細構造変化によって特徴付けられる表面下の白色亀裂網であり、ホワイトエッチングエリア（WEA）として知られる微細構造変化を特徴とします。[3]「ホワイトエッチング」という用語は、研磨およびエッチングされた鋼サンプルの影響を受け、影響を受けた領域における微細構造の変化が白く見えることを指します。[20] WEAは、オーバーロール時の亀裂面の摩擦によるマルテンサイト微細組織の非晶質化（相変態）によって形成されます。 [21]これらの領域は、エッチング液に対するエッチング反応が低いため、光学顕微鏡下では白く見えます。[22] [23] [24] WECの微細構造は、超微細ナノ結晶、炭化物を含まないフェライト、または高度の結晶方位差を示す炭化物粒子の非常に微細な分布を持つフェライトで構成されています。[25] [26]

WECの伝播は主に粒界伝播であり[27]、特定の劈開面をたどるわけではない[28]。

レースウェイ表面から約200μm下の軸方向断面（圧延方向、紙面奥側/奥側）の電子顕微鏡分析：a）EBSDによる更なる調査のために選択されたWECのBSE像。b）WEMと未変形材料を強調表示したROIの高倍率BSE像。c）ROIのBC EBSDマップ。d）ROIのIPF Z方向マップ。WEMと同様に非インデックス特徴である亀裂は、BSE像から切り出され、白で重ね表示されている。[7]

研究者らは、発生した亀裂の近くで3つの異なるタイプのミクロ構造の変化を観察した。均一な白いエッチング領域(WEA)、暗いエッチング領域(DEA) の薄く細長い領域、およびいくつかの変形した炭化物を含む明るいエッチング領域と暗いエッチング領域の両方を含む混合領域である。[16]繰り返しの応力サイクル中に、亀裂の位置は常にシフトし、フェライト、マルテンサイト、オーステナイト(オーステナイト化による)、および炭化物で構成される強力な塑性変形領域、すなわち、ナノ粒子、つまり WEA が残る。[29] [26]単一応力サイクルでの亀裂面の微視的変位が蓄積して、繰り返しの応力サイクル中にミクロンサイズの WEA を形成する。介在物の周囲に疲労亀裂が最初に発達した後、圧縮応力のサイクル中に亀裂面が互いに擦れ合う。その結果、局所的な強力な塑性変形によって WEA が形成される。また、反対側の亀裂面の部分的な結合と、それらの間の物質移動も引き起こす。その結果、WECは、ストレスが解放されたときの以前の位置と比較してわずかに異なる場所で再開します。[30]

さらに、WEAはさまざまなプロセスから生じる相の1つであり、転がり接触 疲労における相変態の結果として一般的に観察されることが認識されています。[26] WEAはマトリックスよりも硬く、[29]さらに、WECは予想よりも高い応力によって引き起こされ、ベアリングの転がり接触疲労だけでなく、加速転がり接触疲労によっても発生します。[4]

ベアリング内のWEC（白色腐食物質）は、白色腐食物質（WEM）を伴います。WEMはWECに沿って非対称に形成されます。WEMは母材と比較して炭素含有量が変動し、硬度が上昇しているものの、ひび割れ近傍の未変態材料と母材の間には顕著な微細構造の違いは見られません。2019年の研究では、WEMがひび割れよりも先行して発生する可能性があり、従来のひび割れ摩擦メカニズムに課題があることが示唆されています。[31]

WECのテスト

トリプルディスク転がり接触疲労（RCF）試験装置は、トライボロジーおよび材料科学の分野で、転がり接触を受ける材料の疲労抵抗と耐久性を評価するために使用される特殊な試験装置です。[32]この試験装置は、転がり軸受、ギア、および繰り返し転がりおよび滑り運動を受けるその他の部品など、さまざまな機械システムで発生する条件をシミュレートするために設計されています。この試験装置は通常、特定の構成で配置された3枚のディスクまたはローラーで構成されています。[33]これらのディスクは、転がり軸受などの対象となる相互作用部品を表すことができます。この試験装置は、荷重の大きさ、接触圧力、接触形状など、荷重条件を正確に制御することもできます。[15] [8]

PCSインスツルメンツ社のマイクロピッチングリグ（MPR）は、トライボロジーおよび機械工学の分野で、潤滑された転がり接触および滑り接触系で発生する表面損傷の一種であるマイクロピッチングを研究するための特殊な試験装置です。MPRは、試験片（多くの場合、ギアや転がり軸受）を潤滑条件下で制御された転がり接触および滑り接触に供することにより、実際の動作条件をシミュレートするように設計されています。[16]

インパクト

洋上風力タービンは、腐食性の塩水、強い風力、潜在的な電流などの厳しい環境条件にさらされています。これらの条件はベアリングの故障の一因となり、風力タービンの信頼性とメンテナンスに影響を及ぼす可能性があります。[6] [11]ベアリングの故障につながる可能性のある要因はいくつかあり、腐食、疲労、摩耗、不適切な潤滑、高電流、そして洋上風力タービンのベアリングの寿命と性能を確保するための材料と設計の改良の必要性などがあります。[34] [35] [36] WEC は、風力産業だけでなく、電気モーター、製紙機械、産業用ギアボックス、ポンプ、船舶推進システム、自動車部門など、他のさまざまな産業用途でもベアリングの信頼性に悪影響を及ぼします。[37] [38]風力タービンの故障の 60% は WEC に関連しています。[39] [40] [41]

2018年10月、ドイツ連邦教育研究省（BMBF）の資金提供を受けた若手研究グループが、デュッセルドルフでWECに関するワークショップを開催しました。学界と産業界の代表者が集まり、風力タービンにおけるWEC形成のメカニズム、特にこの現象を引き起こす基本的な材料プロセスについて議論しました。[42]

さらに読む

ウィキメディア コモンズには、ホワイトエッチングクラックに関連するメディアがあります。
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