軸受鋼を軸受鋼たらしめるもの
転がり軸受の軌道面は、非常に小さな面積に、非常に高い接触応力を、数百万回も繰り返し受けます。一般的な構造用鋼にはこれができず、早期に変形したりピッチングを起こしたりします。軸受鋼はこの用途のために作られています。硬さのための高い炭素含有量、焼入れ性のためのクロム、そして金属内部の弱点が少なくなるよう管理された清浄な組織です。
主力となるのは高炭素クロム鋼です。中国の規格ではGCr15と呼ばれ、広く使われる最も近い相当材は、米国ではAISI 52100、欧州では100Cr6です。化学成分の範囲は規格ごとにわずかに異なるため、正しい表現は「同一」ではなく「相当」であり、正確な規格は発注時に明記します。汎用機械、モーター、車両に使われるリング、玉、ころの大部分に使用されています。
鋼のファミリーと用途
| ファミリー | 例 | 適した場面 |
|---|---|---|
| 高炭素クロム鋼、全体焼入れ | GCr15、52100、100Cr6 | 汎用の標準的なリング、玉、ころ |
| 大断面向けクロム鋼 | 焼入れ性のためにマンガンやケイ素を加えたグレード | 厚肉のリング、大形軸受 |
| 浸炭(肌焼き)鋼 | 機械加工後に浸炭処理する低炭素合金鋼 | 衝撃荷重、円すいころ軸受、耐摩耗シリーズ |
| マルテンサイト系ステンレス | 440C | 腐食にさらされる環境、食品や船舶用 |
浸炭鋼は、低炭素で靭性のある芯材から始まります。機械加工の後、表面に炭素を拡散させて焼入れし、靭性のある芯の上に硬い表面層を作ります。衝撃や重荷重の使用条件で有効で、円すいころ軸受によく使われます。ステンレス軸受鋼の440Cは、疲労寿命の一部を耐食性と引き換えにしています。ステンレス軸受 と 耐摩耗軸受 をご覧ください。
清浄度と介在物
どの鋼にも、製鋼の過程で残った、酸化物、硫化物、ケイ酸塩などの、介在物と呼ばれる微小な非金属粒子が含まれます。繰り返しの接触応力のもとでは、軌道面近くの硬い介在物が、疲労き裂の起点になることがあります。そのため軸受鋼は、精錬し、真空脱ガスし、注意深く鋳造して、介在物を小さく、少なく、よく分散させています。これが、バイヤー様の言う清浄度、すなわち鋼の品質です。
清浄度は、製鋼所での金相学的な評価方法と酸素含有量の測定で確認されます。試験方法と合格水準は買い手と仕入先の間で取り決め、当デスクはミルレポートなしに数値を提示することはありません。実際には、同じ呼び番号で、呼び硬さが同じ2つの軸受でも、寿命が大きく異なることがあります。そのとき、最初に確認すべきことの一つが鋼の清浄度です。
熱処理と硬さ
硬さは、鋼だけではなく熱処理によって生まれます。全体焼入れしたクロム鋼の部品は、加熱、焼入れ、焼戻しの順に処理されます。全体焼入れしたクロム鋼のリングや玉の硬さは、通常58〜65 HRC程度です。正確な目標値と範囲は、部品、サイズ、軸受のタイプによって異なり、工場の図面と規格で定められます。焼戻しは寸法も安定させるため、通常の温度で使用中に、軸受の寸法が変化することはありません。
- 焼入れと焼戻しが硬さと靭性を決めます。ずれが生じると、軟点や脆い部品として現れます。
- 寸法安定化処理は、温度が上がる軸受や、精密等級にとって重要です。
- ミクロ組織の確認では、断面にしたサンプルで、均一な焼入れと炭化物の分布を確かめます。
硬さは、試験と検査 に記載した計画の一環として、完成品をサンプリングして確認します。
材質証明書とトレーサビリティ
ミルシート(材質証明書)には、鋼のロットのグレード、化学成分、溶解番号が記載され、清浄度に関する注記が付くこともあります。溶解ロット番号により、完成したリングや玉のロットを、元になった鋼まで遡ることができます。当デスクが発注ごとに請求できる代表的な書類は次のとおりです。
- グレードと化学成分を、示された規格に照らして示す、鋼のミルシート。
- 完成ロットの熱処理記録。
- 工場による硬さと寸法の検査報告書。
- 案件が求める場合の、RoHSやREACHなどの材料宣言。
書類は発注前に取り決めて書面で確認し、一般的な説明として受け取るのではなく、納入するロットと照合する必要があります。
調達に関する留意点
鋼は、部品に必要な形状で購入します。リングには棒と管、玉ところには線材です。主要な軸受クラスターの工場は、近隣の製鋼所から購入しており、当デスクは価格だけでなく、部品と求められる品質水準に応じて、鋼の供給元と工場を組み合わせます。部品の数量とリードタイムの標準的な目安は、MOQとリードタイム のページにあります。鋼がリングになる過程は、軸受リング を、全体像は 部品ハブ をご覧ください。