ピーリングのメカニズムを解き明かし、
軸受の状態をより正確に把握する

ピーリングの”タネ”

上述の通りこの実験は、粗面円筒として無処理のものと黒染処理のものの2種類を使って行われた。まずはピーリングを再現できているかを調べるために、転動後の表面粗さが小さい円筒（以下、相手円筒）の表面の状態を光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて観察した。50万回の転動後の結果が図２である。無処理の場合は亀裂のような傷が確認される一方で、黒染処理が施されている場合では全く傷が発生していないのが見てとれる。

そこで長谷川は、この時両者に何が起きているのかを詳しく把握するために、無処理および黒染処理を行った粗面円筒と転がり接触させた相手円筒の試験後の状態をレーザー顕微鏡という分析装置で観察した。レーザー顕微鏡は表面の形状と外観を同時分析できる装置であり、この分析がメカニズム解明のブレークスルーポイントとなった。図3のように、粗面円筒が黒染処理の場合、相手円筒は表面形状がなめらかになっているのに対し、粗面円筒が無処理の場合は、表面に突起物がいくつか確認できた。

この結果について長谷川が説明する。
「無処理の場合で見られるポツポツと浮かび上がっている小さな突出は、ピーリングの”タネ”のようなものだと考えました。というのは、この突出の位置とその後にピーリングが生じている場所が一致していたからです。
また、無処理の場合は絨毯にしわが寄ったような変形が見られますが、黒染処理の場合は表面が試験前よりなめらかになっていました。
つまり、粗面円筒の表面粗さの突起が、相手円筒に押し込まれた（相手円筒を塑性変形させた）と考えられます。無処理の粗面円筒は運転中に突起が丸みをおびる現象（なじみ）が小さいため、相手円筒を変形させる程度が大きくなります。一方、黒染処理の場合、なじみが大きくなるため、相手円筒の変形が小さくなったと考えられます。この時点で黒染処理がなぜピーリング対策として有効なのかがおおよそ分かりました」

しわ→切欠き→亀裂へ

これまでの実験で塑性変形はピーリングに関係がありそうだということが分かった。そこで長谷川は、塑性変形がどのように生じているのかをより詳細に観察するために、無処理で見られたさまざまな傷の状態を観察した。

「無処理の円筒の表面には絨毯のしわのような変形がありました。その部分を数nmの構造まで観察できるSEMで観察しました。大きく分けて図4(a)(b)(c)のような3種類の傷を発見しました。この3種類の傷はそれぞれ別の場所で発見されましたが、(a)(b)(c)の順番でピーリングが生じていく経過だと考えました」

加えて長谷川が、（c）のような亀裂がさらに進行したように見える場所の断面を観察したところ、表面から内部へと亀裂が広がっていることも確認できた。

「これらの結果により、変形が繰り返されることで切り欠きが生じ、そこから亀裂が発生してピーリングに至ることが分かりました。ピーリングが進行する経過を明らかにしたことで、黒染処理による”なじみ”によってピーリングが抑えられるメカニズムも、さらに明確になったと考えています」

もうひとつの研究と、その先にあるもの

なくてはならなかった先行研究

ここまで、長谷川が行った研究の概要を説明してきたが、この研究における応力計算の部分は、先行する別の研究があったことで可能になった。その研究を行ったのが、同じく先端技術研究所の嘉村直哉である。

嘉村の研究は、「Ｘ線回折環分析装置によるピーリング損傷の評価」というものである。嘉村は言う。
「Ｘ線回折という技術によってピーリングを評価する方法は、1980年代から存在しました。しかしその精度にはまだ不十分な部分があったために、より精度の高い評価法を開発するというのが私の研究の目的でした。そして結果として、2012年に新たに開発された装置を使って、より高い精度でピーリングを評価する方法を開発するに至りました」

嘉村は、修士の学生時代からNTNと共同でこの研究に取り組んでいた。その後、嘉村は2013年にNTNに入社、そしてこの研究を継続し、長谷川同様に社会人ドクターも経て、この研究をやり遂げたのだった。

「私の開発したピーリングの評価法は、簡単に言えば、軸受をX線で測定することでピーリングの状態を検知し、その時点での残り寿命を推定するものです。つまりたとえば、『現状でピーリング寿命の50％くらいまで行っているから、同じ条件で使うのであれば、あと同じくらいの期間使えますよ』といったことが伝えられます。ただし、『同じ条件で使う』場合の寿命しか評価できませんでした。それが長谷川さんの研究によって、同じ条件でなく使う場合でも寿命が評価できるようになったのです。これはとても画期的なことです」

10年越しの研究の先に見えるもの

長谷川の研究は、嘉村の研究があったからこそ可能になった。二人の研究をつなげて考えると、今回、長谷川が明らかにしたピーリングの詳細なメカニズムとその寿命推定法は、じつに10年以上の時間をかけて得られた成果であると言える。長谷川は最後にこう話した。

「今回、ピーリングのメカニズムが明らかになり、軸受を設計する段階で寿命を推定することなどもできるようになりました。これにより、今使用している軸受があとどれほどピーリングが発生することなく使えるのか、軸受の交換のタイミングがいつなのかなどが明確に分かり、お客さまの機械の安定稼働に大きく貢献します。さらに、この技術は軸受の開発にも役立てることができます。例えば、過度なピーリング対策を施すのではなく、使用環境に必要なだけの対策を施した商品を提供しコストダウンを図ったり、最終的にはピーリングが全く起きない軸受を作ることだってできると考えています。また、ピーリングが発生しやすい使用条件も明らかになったため、耐ピーリング性の評価試験の時間、ひいては開発期間の短縮にもつなげられます」

その具体的な形は、すでに彼らの中には見えつつあるようだ。

※取材内容、および登場する社員の所属はインタビュー当時のものです。