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軸受材料について知っておくべきことすべて
ベアリング 製造業にとって不可欠なものであり、さまざまな種類の設備や機械に使用されています。基本的な産業機器から複雑な機械まで、ベアリングは摩擦を軽減し、さまざまな種類の荷重に対応できるようにします。したがって、ベアリングの製造プロセスでは、高品質で信頼性の高い材料を使用することが非常に重要です。
さまざまなタイプの高品質ベアリングとその多くのコンポーネントの製造には、さまざまな材料が使用されています。 これらの材料には、ベアリングの寿命と性能を向上させる望ましい特性を得るために特定のプロセスが施されます。 AUB のチームは、ベアリングの製造に使用されるさまざまな材料と、それぞれの材料がベアリングの使用、完全性、機能にどのような影響を与えるかについて話し合うことができます。
ベアリングの性能は、選択した合金の特性とその熱処理によって決まります。 適切な硬度、耐食性、疲労寿命を備えた材料を選択すると、アプリケーションの動作パラメータおよび環境パラメータ内でベアリングが確実に機能することが保証されます。 AUBはさまざまな材料を使用してさまざまなベアリングコンポーネントを製造しています。 これらの材料は、ベアリングの性能と耐用年数を最大化するために、理想的な特性が得られるように処理されています。 ここで説明する材料は最も一般的に使用されるものです。 ベアリング素材は最適な硬度と寸法安定性を実現するために社内で熱処理されています。
最も 共通の素材 精密ボールベアリング、ローラーベアリング、テーパーローラーベアリングの耐荷重部品の製造に使用されるのは、52100 クロム鋼です。これらのコンポーネントは、ベアリングの内輪と外輪、ボール、ローラーを指します。この鋼の化学組成は炭素が多く、約 1.5% のクロムが含まれています。制御された機械加工および熱処理方法を使用して、完成したベアリングコンポーネントは、亀裂に耐える高い強度と、表面下の転がり接触疲労に耐える硬い表面を備えています。この材料で作られたベアリング部品の一般的な表面硬度は、ロックウェル C スケール (Rc) で 60 ～ 64 の範囲です。
許容可能なコスト、高い硬度レベル、より静かな運転音を備えています。 したがって、クロム鋼ベアリングを使用する利点は、高硬度、高耐荷重、低デシベル、幅広いアクセス性です。 ただし、潤滑を維持する必要があり、腐食や化学薬品に対して耐性がありません。 腐食を防ぐために、クロム鋼ベアリングをオイルまたは防錆コーティングで保護することをお勧めします。
ウルトラクリーンな52100クロム鋼
高精度ベアリングの製造に使用される生の鋼は、追加の溶解ステップで処理され、その結果、微細粒子材料の非常に均一な構造を持つ鋼、つまり超清浄な 52100 クロム鋼が得られます。 ベアリングの接触面は非常に滑らかに超仕上げすることができるため、ベアリングは非常に静かに動作します。
クロム鋼の最も一般的な熱処理方法は、雰囲気制御炉内で鋼を焼き入れすることです。 クロム鋼製のベアリングは、最大 120°C の温度で連続動作できます。 より高い温度に遭遇した場合、ベアリングアセンブリを熱的に安定させることができます。 熱処理プロセスを変えることで、220℃以上で使用できる軸受を製造することが可能です。 これらの用途では、軸受部品は動作温度に対応するより高い温度で焼き戻される必要があります。 この焼き戻しの増加は材料の硬度に悪影響を及ぼし、ベアリングの耐荷重能力が低下します。
以下の表からわかるように、クロム鋼の標準的な化学組成は国によって異なります。
ベアリングの製造に使用されるもう 60 つの一般的な材料はステンレス鋼です。ステンレス鋼は、クロムと炭素の含有量が高く、クロム鋼よりも表面腐食に強いため、ベアリングによく選ばれる材料です。ステンレス鋼には XNUMX を超えるグレードがあり、それぞれの組成と物理的特性によって異なります。一般に、ステンレス鋼の組成には、さまざまな量のクロム、炭素、リン、ニッケル、マンガン、モリブデンが含まれています。さらに、グレードは、耐食性、耐温度性、磁気応答、靭性、延性、溶接性、加工硬化などのステンレス鋼合金の特性を説明するのに役立ちます。
ステンレス鋼には少なくとも 18% のクロムが含まれていることに加えて、ニッケルも含まれています。 ステンレス鋼のクロムは酸素にさらされると化学反応し、ベアリング部品の表面に酸化クロムの層を形成します。 この不動態化化学膜はベアリングをさらに保護します。 ただし、ステンレス鋼ベアリングは炭素含有量により硬度が低くなります。 その結果、20 クロム鋼ベアリングよりも耐荷重能力が 52100% 低くなります。
ステンレス鋼ベアリングには、マルテンサイト系とオーステナイト系の 30 つの一般的なタイプがあります。 マルテンサイト系ステンレス鋼ベアリング (SV316) は、元の鋼の加工中に劣化することが多く、その結果、材料中の炭素含有量が減少し、窒素含有量が増加します。 その結果、強度、硬度が高く、耐食性が向上した鋼が得られます。 一方、オーステナイト系ステンレス鋼軸受（AISIXNUMX）は、炭素含有量が低いため、非磁性で耐食性に優れています。 ただし、低負荷および低速のアプリケーションにのみ使用できます。
400 シリーズ ステンレス鋼の炭素含有量は十分に高いため、標準的な熱処理方法を使用して Rc58 まで硬化できます。 この材料で作られたベアリングは、硬度が低いため、20 クロム鋼ベアリングよりも耐荷重能力が 52100% 低くなります。 炭素含有量のレベルは、そのコンポーネントが磁性であることを意味します。 440C 材料が真水や穏やかな化学薬品にさらされた場合の耐食性は「良好」です。 この材料はアメリカのベアリングメーカーの間で広く普及しています。
従来の 440C ステンレス鋼で作られた軸受は、軌道の仕上げ加工中に通常粒界に集中する炭化物が露出するため、若干の騒音が発生します。より大きなボアを備えたベアリングは、この状態の影響を受けません。 400 シリーズ ステンレス鋼で作られたベアリングは、クロム鋼よりも高い温度 (最大 250°C) で連続的に動作できます。この材料で作られたベアリングは通常、クロム鋼ベアリングよりも高価です。
AISI 440 ステンレス鋼 – 優れた靭性と硬度、優れた耐食性を備えています。 この材料は、正確な公差と表面仕上げが必要なベアリング用途で広く使用されています。 通常の熱処理は、MIL-H-6875に準拠して行えばよい。 ステンレス鋼ベアリングは、さまざまなステンレス鋼材料グレードと組成で入手できます。 ステンレス鋼ベアリングの利点は次のとおりです。 過酷な腐食条件に耐え、寿命が長くなり、メンテナンスコストと装置のダウンタイムが削減されます。 海水への曝露は、ベアリングの世界で最も過酷な用途の XNUMX つです。 海水用途には特別グレードのステンレス鋼が利用可能です。
マルテンサイト系ステンレス鋼ベアリング – ACD34 / KS440 / X65Cr13
多くのベアリング メーカーは、AISI 440C よりも炭素とクロムの含有量がわずかに少ないステンレス鋼 (ACD34、KS440、X65Cr13 などのさまざまな名前で知られています) をリングとボールに使用しています。 この材料は熱処理すると炭化物が小さくなるため、440C と同等の耐食性を備えながら優れた低騒音特性を発揮します。 一部のメーカーは、この材料から製造されたベアリングについてクロム鋼と同じ定格荷重を公表しています。 これは、Rc 60 までの硬度で厳密に制御された熱処理を使用しているためです。これはボール ベアリングに最も広く使用されているステンレス鋼の XNUMX つですが、この材料には AISI 指定がありません。
マルテンサイト系ステンレス鋼ベアリング – SV30
マルテンサイト系ステンレス鋼は、炭素含有量を減らし、合金元素として窒素を導入することにより、生鋼の加工中に改質できます。窒素はクロムの飽和度を高め、炭化クロムではなく窒化クロムに変化します。その結果、優れた微細構造を備えた高強度、高硬度の鋼が生まれ、用途によっては疲労寿命を最大 100% (5 倍) 延ばすことができます。この材料は耐食性も強化されており、440C および ACD34 よりも 20 倍も優れています。この材料で作られたベアリングは 40 ～ XNUMX% 高価になる場合がありますが、通常、これは優れた性能の利点によって相殺されます。
オーステナイト系ステンレス鋼
非耐荷重部品には300系オーステナイト系ステンレス鋼を使用しています。 300 シリーズ ステンレス鋼材料で作られたベアリング コンポーネントは耐腐食性があり、炭素含有量が低いため非磁性です。ただし、トレードオフとして、この材料は硬化できないため、ベアリングは低い負荷と速度でしか動作できません。ベアリング表面と酸素の化学反応は不動態化プロセスと呼ばれます。表面に形成された不動態皮膜がベアリングを腐食から保護します。水中用途など、ベアリングが液体に完全に浸かっていない場合、耐食性は最高になります。この材料で作られたベアリングは通常、最小限の数量を必要とする特注品です。さらに、高価です。
通常、300 シリーズのステンレス鋼ベアリングには、グレード 304 のハウジングとグレード 302 のベアリング リテーナーが付いています。グレード 304 は、耐破壊性に優れ (延性が高く)、耐食性も非常に高くなります。 302 は炭素含有量がわずかに多く、硬度が高く、ベアリング自体のコンポーネントに適しています。 300 シリーズ ステンレス鋼で作られた完全なベアリングの耐荷重能力は、52100 ベアリング鋼で作られたベアリングの約半分です。
AUBは、従来のスチールや316ステンレススチールベアリングと比較して優れた耐食性を備えた440ステンレススチールを使用してベアリングを製造しています。 316 ステンレス鋼は、他の標準的なステンレス鋼よりも大気環境および一般的な腐食条件に対して耐性があります。 316 ステンレス鋼は食品業界や医療業界で広く使用されています。この鋼で作られたベアリングは、液体中で使用したり、低速で乾燥したりすることができます。 316 ステンレス鋼はモリブデンを含むステンレス鋼です。モリブデンは、316 に 304 グレードよりも優れた全体的な耐食性を与え、特に塩化物環境での孔食や隙間腐食に対する高い耐性を与えます。
顕著な特徴：
モリブデン含有量により、海洋環境に対する耐性が向上します。
クリープ強度が高く、高温での耐熱性に優れています。
生体適合性。
製造上の特徴はタイプ 302 および 304 と同様です。
アプリケーション： 食品および医薬品の加工装置、海洋環境、外科用医療装置、およびインク、レーヨン、写真用化学薬品、紙、繊維、漂白剤、ゴムの製造に使用される攻撃的な化学薬品を扱う産業用装置。
耐腐食性： 耐食性は 440c、302、304 ステンレス鋼よりも優れています。 パルプ産業で一般的に使用されるナトリウムおよびカルシウム塩溶液、次亜塩素酸塩溶液、リン酸、亜硫酸塩溶液および亜硫酸に対する耐性があります。
316 ステンレス鋼の材料構成
その他の 300 シリーズ ステンレス鋼ベアリング
ベアリングシールド、シールワッシャー、ボールケージは、適度な耐食性があり、さまざまな形状への成形に適しているため、AISI303 または AISI304 ステンレス鋼で製造されることがあります。
炭素合金鋼ベアリング
炭素鋼材料は軸受のさまざまな部品の製造に使用されており、中炭素合金鋼と低炭素合金鋼の XNUMX つの基本的なタイプがあります。
中炭素合金鋼軸受
中炭素または低炭素合金鋼材料で作られたベアリングは、「半精密」または「商用グレード」ベアリングと呼ばれることがよくあります。 一般的な材料は AISI8620 または AISI4320 です。 内輪と外輪は、肌焼きまたは浸炭と呼ばれる熱処理プロセスで肌焼きされます。 これらの材料で作られたベアリングは高荷重や高速に耐えることができず、耐食性もありません。 これらの材料で作られたベアリングは一般に低コストです。
低炭素合金鋼軸受
軟鋼はベアリングケージ、金属シールド、金属ワッシャーの製造に使用され、その周りにシールとして使用するゴムが成形されます。一般的に使用される材料は AISI C1008 および C1010 です。材料を腐食から保護するには、オイル/グリースコーティング (ケージ) またはメッキ (シールド) が必要です。リテーナーとクロージャーの詳細については、それぞれの技術情報を参照してください。
軸受鋼の熱処理
軸受鋼が柔らかい (硬化していない) 状態にあるとき、冶金学者はその構造をパーライト状態と呼びます。鋼を硬化するには、非常に高温に加熱し、その後非常に急速に冷却する必要があります。 1,750°Fまで加熱すると、 熱処理 炉では、組織がパーライトからオーステナイトとして知られるものに変化します。焼き入れ（急冷）後、組織はオーステナイトからマルテンサイトに変化します。マルテンサイトに変態すると、鋼は非常に硬くなります。ただし、現時点では「熱的に安定している」とは考えられていません。これは、焼入れプロセス中にオーステナイトのすべてがマルテンサイトに変態するわけではないためです。この現象を「残留オーステナイト」といいます。
鋼が熱的に安定していない場合、残留オーステナイトは長期間 (おそらく数年) にわたってマルテンサイトに変態します。 この変態には体積の増加が伴い、冶金学的成長と呼ばれます（熱成長と混同しないでください）。 冶金学的成長により、室温であってもベアリングなどの鋼製コンポーネントのサイズや形状が変化する可能性があります。
この寸法安定性の欠如は、低精度の汎用タイプのベアリングでは問題になりませんが、高精度 (ABEC 5P、7P、9P) のミニチュア ベアリングでは問題を引き起こす可能性があります。 この不要な冶金学的成長を排除するには、鋼を熱的に安定させる必要があります。 これは、-120°F で冷却と焼き戻しを繰り返し、残留オーステナイトの大部分をマルテンサイトに変態させることによって実現されます。
