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セラミックベアリング情報
セラミックボールベアリング は、工業分野で広く使用されているエンジニアリングセラミックスの代表的な例であり、多くのエンジニアから大きな注目を集めています。高速精密ベアリングでは、ベアリングリングはスチールのままで、ホットプレスされたSi3N4セラミックボールを備えたハイブリッドセラミックボールベアリングが最も一般的に使用されています。これらのベアリングは標準化されており、機械構造の変更が最小限で済み、メンテナンスが容易なため、特に高速操作に適しています。これらのベアリングを備えた高速電動スピンドルは、高速、高剛性、高出力、長寿命などの利点があります。
1.耐食性: セラミックころがり軸受は、セラミックがほとんど腐食しないため、腐食性媒体で満たされた過酷な条件での動作に最適です。
2.低密度で軽量セラミックボールは鋼鉄に比べて密度が低いため、回転時に外輪にかかる遠心力が最大 40% まで大幅に低減され、ベアリングの寿命が延びます。
3.熱安定性セラミックは鋼鉄に比べて熱膨張や収縮の影響を受けにくいため、温度変動の大きい環境でもベアリングを動作させることができます。
4.高弾性率: セラミックスは弾性率が高いため、負荷がかかった状態でも変形が少なく、動作速度が向上し、精度が向上します。
ベアリング材質の比較
AISI 52100 (GCr15)、ステンレス鋼 AISI 440 (9Cr18)、窒化ケイ素 (Si3N4)、ジルコニア (ZrO2) のパフォーマンス特性の比較を以下に示します。
| 材料 | 密度（g /cm³） | 熱膨張係数 (10^-6/℃) | ヤング率 (GPa) | 硬さ（HV） | 圧縮強度(MPa) | 曲げ強度（MPa） | 破壊靭性（MPa.m^1/2） | 熱伝導率(W/m・K) | 比熱(J/kg・K) | 最高動作温度 (°C) | 電気絶縁 | 耐久性 |
| GCr15 | 7.8 | 11 | 208 | 800 | 2400 | 20 | 30-40 | 30-40 | 450 | 120 | 非絶縁 | 弱い |
| 9CR18 | 7.9 | 17 | 200 | 700 | 2600 | 25 | 30-40 | 15 | 450 | 150 | 非絶縁 | 穏健派 |
| Si3N4 | 3.2 | 3.2 | 320 | 1700 | 900 | 7.0 | 3.5-5.5 | 15 | 800 | 100 | 絶縁 | 強い |
| ZrO2 | 6.0 | 10.5 | 210 | 1300 | 3500 | 10.5 | 2.5-3.5 | 2.5 | 400 | 800 | 絶縁 | 強い |
セラミックベアリングの種類
フルセラミックベアリングは、磁気絶縁、耐摩耗性、耐腐食性、自己潤滑性、高温および低温耐性を特徴とし、過酷な環境や特殊な作業条件に適しています。リングと転動体にはジルコニア（ZrO2）セラミック材料が使用され、PTFEが標準ケージ材料として使用されています。ガラス繊維強化ナイロン66（RPA66-25）、エンジニアリングプラスチック（PEEK、PI）、ステンレス鋼（AISISUS316）、真鍮（Cu）などの他の材料も使用されています。
窒化ケイ素フルセラミックベアリングは、リングと転動体に窒化ケイ素 (Si3N4) セラミック材料を使用しています。RPA66-25、PEEK、PI、フェノール積層管などの他の材料も使用できます。ZrO2 と比較して、Si3N4 ベアリングは、より高い速度、負荷容量、および環境温度に適しています。高速、高剛性スピンドル用の高精度セラミックベアリングは、P4 から UP グレードまでの精度で利用できます。
フルコンプリメントボールベアリング
これらのベアリングはケージフリー設計を採用しており、セラミックボールを組み込むことで負荷容量を増やし、ケージ材料による制限を回避できます。ただし、高速用途には適していないため、ギャップ側を非軸方向の負荷支持端に向けて取り付ける必要があります。
セラミックボール、特に窒化ケイ素は、低密度、高硬度、低摩擦係数、耐摩耗性、自己潤滑性、剛性を備えており、高速、高精度、長寿命のハイブリッドベアリング（金属製の内輪と外輪を使用）に最適です。内輪と外輪には通常、ベアリング鋼（GCr15）またはステンレス鋼（AISI440C）が使用され、セラミックボールはZrO2、Si3N4、またはSiC材料で作ることができます。
セラミックベアリングの製造工程
セラミックベアリングは、現代の産業で広く使用されているハイテク製品です。その製造プロセスには、原材料の準備、成形、焼結、精密機械加工が含まれます。
原料の準備
主な原料はアルミナと窒化ケイ素です。粉末は厳密にふるい分けられ、適切な粒子サイズと比率が確保されるように測定されます。原材料は乾燥され、ボールミル処理されて、成形時の流動性と充填性が向上します。
混合
セラミック粉末は、性能と加工性を向上させるために他の添加剤と混合されます。粉砕と混合により、均一な粒子サイズと安定した組成が確保されます。
形成
混合した原材料を金型に押し込みます。セラミック製品はプラズマ スプレー製品とプレス/射出成形製品に分けられます。プラズマ スプレー製品は高度な技術要件が必要で、小規模生産ですが、プレス/射出成形製品はプリフォーム ブランクを使用するため、生産効率は高いものの、厳格な品質管理が必要です。
焼結
成形されたセラミックブランクは高温環境で焼結され、緻密な構造を形成し、強度と硬度が向上します。
精密加工
焼結セラミックは表面硬度が高く、耐摩耗性に優れていますが、割れやすいという欠点があります。ベアリングの外観と内部品質を確保するには、精密加工（旋削、研削など）と複数回の検査および研磨が必要です。
アセンブリ
精密機械加工されたセラミック ベアリングは、内輪、外輪、ボールで構成されます。組み立てには専門の設備と徹底した品質チェックが必要で、すべての仕様が満たされていることを確認します。
品質管理
セラミック材料は、強度、耐熱性、耐摩耗性、化学的安定性に優れていますが、脆いという欠点があります。製造時には、X 線検査や金属組織顕微鏡検査などの一般的な方法による厳格な品質管理が不可欠です。
セラミックベアリングの用途
セラミックベアリングは、高温、耐腐食性、電気絶縁性、自己潤滑性、高速性能が要求される環境や条件で使用され、航空宇宙、化学、機械、医療、電子の分野で広く応用されています。
航空宇宙
セラミックベアリングは、航空機、ロケット、衛星のタービン、エンジン、舵機、プロペラなどに使用され、高速かつ大きな負荷を担います。強度、耐摩耗性、耐腐食性に優れ、燃費向上や環境への影響低減に効果があります。
化学工業
セラミックベアリングは、腐食性ガスや液体にさらされる機器に最適です。強酸、強アルカリ、塩水などの環境でも優れた耐腐食性を発揮し、酸洗浄機、ケミカルポンプなどに広く使用されています。
機械製造
機械製造業では、セラミックベアリングはモーター、ポンプ、遠心分離機、高速油圧ポンプ、工作機械などに使用され、騒音を低減し、速度を上げ、寿命を延ばします。高速・高温環境でも安定性を保ち、メンテナンスコストを削減します。また、耐腐食性と耐熱性が強いため、高温炉や真空炉などの特殊設備にも使用されています。
医療分野
セラミックベアリングは、外科用機器や透析装置などさまざまな医療機器に使用されており、精度と信頼性を確保しながらメンテナンスの時間とコストを削減します。
まとめ
セラミックボールベアリングは、金属ベアリングに比べ比類のない性能を持つ重要な機械部品です。さまざまな分野で広く使用されているため、ベアリングの寿命と速度が大幅に向上し、高速高精度の機械を開発するための基礎部品となっています。高温、腐食、絶縁、真空環境での応用でも優れた成果が得られ、将来の開発に大きな活力を与えています。