歯車の金属組織学的検査：原理、方法および重要な知識

主な目的と検査項目

• 浸炭硬化深さ：浸炭焼入れギアの摩耗抵抗性における主要指標（ISO 6336規格で規定）。
• 粒径：ギアの強度および靭性に影響を与える（ASTM E112に従って分類）。
• 微細構造：マルテンサイト、残留オーステナイト、炭化物の形態が疲労特性を決定する。
• 表面欠陥：研削焼けや亀裂の検出（AIAG CQI-9規格に準拠）。

基本的な微細構造構成要素

• フェライト（α）：体心立方格子（BCC）構造で、軟らかく靭性があるが硬度は低め（約80HV）。低炭素鋼や純鉄に一般的に存在。
• オーステナイト（γ）：面心立方格子（FCC）構造で、塑性が高く非磁性。304ステンレス鋼や高マンガン鋼などの高温時または高合金鋼中に存在。
• セメンタイト（Fe₃C）：直方晶系の結晶構造を持ち、硬くて脆い（約800HV）ため耐摩耗性を向上させる。白色鋳鉄や高炭素鋼に含まれる。
• マルテンサイト：体心正方格子（BCT）構造で、焼入れによって得られる高硬度組織（500～1000HV）。焼入れ鋼や工具鋼に使用される。

一般的な微細組織の形態

試験工程および標準方法

サンプリングおよび試料調製

• サンプリング位置：歯先（表面硬化効果の評価）、歯元（応力集中領域における微細構造の分析）、断面（浸炭層深さの測定）。
• 主な調製手順：切断 → 固定 → 研削 → 鏡面仕上げ研磨 → エッチング → 顕微鏡観察。
• 固定：エッジ保護のためにエポキシ樹脂を使用（熱影響を避けるため、冷間固定が推奨される）。
• 研磨：ダイヤモンドペーストを使用し、0.05μmの鏡面仕上げまで研磨して傷の干渉を防ぐ。

エッチング剤の選択

主な試験装置

光学顕微鏡（OM）

• 用途：基本的な微細組織観察（例：粒径のグレード分け）。
• 構成要件：500～1000倍の倍率、画像解析ソフトウェア（例：Olympus Stream）付き。

走査型電子顕微鏡（SEM）

• 利点：非金属介在物（例：MnS）の高分解能観察とEDSによる組成分析。
• 事例：風力発電ギアボックスの破断解析において、硫黄の偏析により粒界亀裂が検出された。

マイクロ硬度試験

• 方法：ビッカース硬度（HV0.3～HV1）の勾配試験により、浸炭層硬化深さ曲線を作成。
• 規格：ISO 2639では、表面から基材までの距離で550HV1に達する位置を浸炭層硬化深さと定義している。

微細構造分析

通常の組織

一般的な欠陥とその原因

• 過炭素浸透：表面に網状炭化物が形成され、脆性が増し、歯面剥離のリスクが高まる。
• 研削焼け：酸洗いで現れる焼き色（ASTM E1257）。送り速度の管理およびCBNグラインディングホイールの使用により防止可能。
• 焼入れ割れ：SEMで確認される粒界進展かつ先端が鋭い亀裂。