フレッティング疲労の原因と見分け方——はめ合い部の割れを調べて外に頼むとき

フレッティング疲労は「止まっているはずの接触面」で起きる

フレッティングとは、機械構造部品の締結部やはめ合い軸の摺動部など、接触する二つの面の間に生じる微小振幅の相対すべりのことで、外からの繰返し荷重とフレッティングが同時に働く場合の強さをフレッティング疲労強度と呼ぶ^[3]。沼津工業高等専門学校の研究紹介は、フレッティングは摩耗を起こして精度の劣化や振動・騒音の原因になるだけでなく、フレッティング面から微小き裂が早期に発生し、フレッティングのない通常の疲労に比べて著しく強度が低下すると説明している^[3]。

厄介なのは、設計の上では「動かない」と考えている場所で起きることである。鉄道車両の車軸を扱った技術論文は、車軸に車輪を圧入したはめ合い部について、無負荷の状態では車輪と一体に見えても、回転曲げを受けると車軸の曲げ変形に車輪の変形が完全には追随せず、はめ合いの端部の近くで変形の差による微小な相対すべりが生じると説明し、この部分は「フレッティングが避けられない構造」だとしている^[1]。圧入軸、焼きばめ、ボルト締結、スプライン、板ばねの重ね部など、押し付けて固定したつもりの部分が、そのまま発生場所の候補になる。

同じ論文は、フレッティングが長く続くと「ココア」と呼ばれる茶褐色の摩耗粉が接触面に堆積し、一部が接触部から外に出てくる現象をフレッティング・コロージョンと呼び、摩耗の進行と疲労強度の低下を含めた損傷をフレッティング損傷と呼ぶとしている。試験後の車軸の接触面には、微小な凹凸、ピット、摩耗粉の堆積と、微細な疲労き裂が見られたという^[1]。現場で部品を外したときに茶色い粉や変色した帯が接触面の端に沿って残っていれば、それが最初の手がかりになる。

普通の疲労と見分けるための手がかり

疲労で割れた部品を見て、フレッティングが関わっているかどうかを判断するには、き裂の起点がどこにあるかを先に確かめる。普通の疲労は、段付き部の角や穴の縁のように形で応力が集中する場所から出ることが多い。フレッティング疲労は、接触している範囲の端、つまり押し付けている面が途切れる位置の近くから出る。鉄道車軸の例でも、すべりが生じるのははめ合いの端部の近くだと説明されている^[1]。

表の「計算と合わない」は大事な手がかりである。強度計算は材料の疲労限度をもとにしているが、フレッティングのある部位では、その限度そのものが下がっている^[3][4]。長岡技術科学大学の研究成果報告も、フレッティング疲労強度は通常の疲労強度と比べて著しく低く、機械部材の信頼性を確保するには設計の段階で疲労強度と寿命を予測することが重要だと述べている^[4]。

強さを左右する条件

フレッティング疲労の起こりやすさは、材料だけでは決まらない。押し付けの強さ、相手の材料、表面の粗さ、すべりの大きさ、使う環境が重なって決まる。論文や公的機関の報告で示されている傾向を並べると次のようになる。どれも特定の材料と試験条件での結果なので、数字をそのまま自社の部品に当てはめるのではなく、何を確かめるべきかの目安として読む。

このうち接触面圧の二つの行は、一見すると逆のことを言っているように見えるが、扱っている範囲が違う。低い面圧の範囲では面圧を上げるほど急に弱くなり、ある程度を超えると変化が小さくなる^[5]。2006 年の論文は、産業機械のフレッティング疲労破壊は、当たりが不均一で局所的に高い接触圧が生じる場所でしばしば起きるとして、高い面圧の範囲を調べている^[6]。つまり「締め付けを強くすれば止まる」とも「弱くすれば止まる」とも一概には言えない。図面上の締め代や締付けトルクだけでなく、実際の当たりが均一か、端だけ強く当たっていないかを見ることが先になる。

社内でできる対策の方向

対策は大きく三つの方向に分けられる。どれか一つで足りることもあれば、組み合わせないと収まらないこともある。

すべりを減らす・止める

フレッティングは微小なすべりが原因なので、すべりの量を小さくできれば起きにくくなる。はめ合いの端で変形の差が出る構造なら、端部の形を変えて剛性の差を小さくする、締結の位置を荷重の流れに合わせて見直す、といった形の工夫が候補になる。鉄道の車軸では、高周波焼入れとあわせて、はめ合い部の形の改良によって高いフレッティング疲労強度を確保してきたと説明されている^[1]。ボルト締結なら、締付けが緩んで接合面がずれていないかを先に確かめる。

接触端の応力集中を下げる

き裂は接触の端から出るので、端での応力と摩擦力の集中を下げる手が効く。440C の研究で相手材を軟らかくすると強さが上がったのは、接触端での摩擦力の集中が小さくなったためだと説明されている^[7]。端の当たりを逃がす逃げ形状、面取り、接触面を両方とも滑らかにすることも同じ考え方に立つ。表面の粗さについては、両方の面を滑らかにすると耐久性が上がったという報告がある^[2]。

表面を強くし、き裂を開かせない

表面処理で強さの低下を抑える方法も研究されている。沼津工業高等専門学校の研究室は、ショットピーニング、イオン窒化、アルマイト、固体潤滑被膜などの表面処理によるフレッティング疲労強度の低下防止策を検討している^[3]。鉄道の車軸の論文は、高周波焼入れした部分では硬さが上がり、大きな圧縮の残留応力が生じるため、フレッティング損傷に対して良好な特性が得られるとし、特に圧縮の残留応力は発生したき裂を開口させないため進展を抑える効果が大きいと述べている^[1]。

ただし、表面処理の効果は材料・処理条件・相手材の組合せで変わる。処理を変えると寸法や相手材の摩耗も変わるので、対策品は同じ条件で試験して比べる必要がある。圧縮の残留応力を入れる処理の考え方はショットピーニングと疲労強度、入った残留応力をどう測るかは残留応力の測定で扱っている。摩耗が主な問題で疲労き裂がまだ出ていない段階なら、機械部品の摩耗対策の切り分けも参考になる。

社内で切り分ける手順

1. 部品を外す前に記録する。 締付けトルクやはめ合いの状態、位置関係を外す前に写真と数値で残す。外した後では、すべっていたのか、外すときに傷が付いたのかが分からなくなる。2. 接触面と破面を洗わずに保管する。 茶褐色の摩耗粉は大事な手がかりで、洗浄や防錆油で消えてしまう。破面同士を突き合わせると起点がつぶれるので、別々に包む。3. 起点の位置を図面と重ねる。 き裂の起点が接触範囲の端にあるか、形の応力集中部にあるかを、図面上の接触範囲と照らし合わせる。4. 同じ箇所に繰り返しているかを見る。 同じ型の別の個体でも同じ位置に摩耗の帯や小さなき裂が出ていれば、構造的にすべりが出ている可能性が高い。5. 荷重と使い方を整理する。 振動・回転曲げ・繰返しの引張りなど、どんな荷重がどれだけの回数かかっているかを書き出す。

ここまでで起点が接触端にあり、摩耗粉が付いていれば、フレッティング疲労の可能性が高い。ただし、腐食が先に進んで起点になっている場合や、加工傷が起点になっている場合もある。腐食が絡んでいそうなら金属の腐食対策も見て、型を分けてから考える。

外に頼むときに渡すもの・受け取るもの

起点の判断がつかない、対策品の効き目を比べたい、設計の段階で強さを見積もりたい、という場合は、破面の観察やフレッティング疲労試験ができる専門の会社や試験機関に頼むほうが早い。フレッティング疲労の試験は、疲労試験片に接触片を押し付けながら繰返し荷重をかける専用の治具が要り^[2]、どこでも同じ条件で試せるわけではない。頼む中身は、次の三つに分けると伝えやすい。

破面と接触面の観察：電子顕微鏡などで起点の位置、き裂の進み方、摩耗粉の成分を調べ、フレッティングが関わっているかを判断してもらう。応力とすべりの推定：はめ合いや締結の部分を解析して、接触端の応力やすべりの大きさを見積もる。大型の構造ほどすべりが大きくなるので^[4]、部品の実寸に近い条件で見ることが大切になる。対策品の比較試験：表面処理や形状を変えた試験片と元の仕様を、同じ接触条件で疲労試験して比べる。

起点の判断や試験先の選び方で迷ったら、接触部の割れの調べ方を相談できます。

試験の結果を受け取るときは、数字が「何回で折れなかったか」「どの面圧・応力振幅で試したか」と一組になっているかを確かめる。フレッティング疲労の強さは面圧や接触の長さで変わるので^[5]、条件の違う結果を並べても比べられない。疲労試験を依頼するときに何を決めておくかは疲労試験の依頼で決めること、壊れた部品の解析の進め方は故障解析を外に頼むときにまとめている。

よくある質問

締付けを強くすれば、すべらなくなって解決しますか

一概には言えない。面圧を上げるとすべりは減る方向に働くが、研究では面圧が上がるほど疲労限度が下がる範囲があり、ある程度を超えると変化が小さくなったと報告されている^[5]。高い面圧の範囲でも、強さが最小になる面圧があったとされる^[6]。実際の当たりが均一かどうかを確かめてから、試験で比べて決める。

高強度の材料に替えれば止まりますか

材料を強くしても、フレッティングのある部位では強さが大きく下がる^[3]。高強度ステンレス鋼でも、フレッティング条件では疲労寿命と疲労限度が著しく下がったと報告されている^[7]。材料の変更だけでなく、すべりと接触端の応力の両方を見る。

試験片で効いた対策は、実物でも効きますか

すべり量は構造の寸法に比例して大きくなるとされ^[4]、小さな試験片と実物とでは条件が違うことがある。鉄道の車軸では、小型の圧入軸で予測した方法を、実物大の車軸の疲労試験で確かめている^[1]。重要な部品なら、最後は実物に近い形で確かめる計画を立てる。

まとめ

押し付けて固定した部分から疲労き裂が出たら、起点が接触の端にあるか、茶褐色の摩耗粉が付いているかを見て、フレッティング疲労を疑う。強さは接触面圧、相手材の硬さ、表面の粗さ、材料の組合せ（どちらが硬いか）、部品の大きさで変わり、材料を強くするだけでは止まらないことがある。対策は、すべりを減らす、接触端の応力を下げる、表面に圧縮の残留応力を入れる、の組合せで考える。社内で起点が判断できない、対策品を比べたいときは、現品・図面と組立条件・荷重・発生の記録をそろえて、観察と試験のできる専門の会社に頼む。

出典・参考資料

1. 新幹線車両用車軸の疲労特性（牧野泰三・酒井宏樹／新日鉄住金技報 第 395 号／2013 年）
2. フレッティング疲労過程解析に関する研究（白石知久ほか／埼玉県産業技術総合センター研究報告 第 5 巻／2007 年）
3. フレッティング疲労強度に関する研究（西田友久／沼津工業高等専門学校 研究シーズ／高専研究情報）
4. フレッティング摩耗・疲労過程その場観察に基づく摩耗を考慮した疲労寿命予測法の開発 研究成果報告書（武藤睦治／科学研究費助成事業 基盤研究（B）／2012 年）
5. フレッティング疲労強度に及ぼす接触面圧の影響（永田晃則ほか／日本機械学会論文集 A 編 53 巻 486 号／1987 年）
6. 高面圧下のフレッティング疲労強度とその破壊力学による検討（浅井邦夫／材料 55 巻 12 号・日本材料学会／2006 年）
7. 高強度ステンレス鋼のフレッティング疲労特性（武藤睦治ほか／材料 37 巻 417 号・日本材料学会／1988 年）

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