高荷重または高速用途におけるステンレス鋼ベアリングの主な性能制限は何ですか

ステンレスベアリング 優れた耐食性により、食品加工、医療機器、海洋工学などの特殊用途で広く使用されています。ただし、極端な負荷または高速下で使用される場合、ステンレス鋼ベアリング、特に主流のマルテンサイト系ステンレス鋼グレード AISI 440C の固有の材料特性により、性能が制限されます。

I. 高負荷用途における限界: 疲労と脆性

1. 耐荷重と接触疲労寿命

AISI 440C ステンレス鋼軸受は、熱処理により高硬度 (通常 58 ～ 60 HRC) を実現し、優れた耐摩耗性を実現しますが、基本性能の点では標準的な高炭素クロム軸受鋼 (GCr15/52100 など) に劣ります。

動定格荷重: 440C 鋼の動定格荷重は、一般に 52100 鋼の動定格荷重よりも低くなります。これは主に、440C 鋼のクロム含有量が高く、多数の炭化物を形成するためです。マトリックス中に分布するこれらの炭化物粒子は、応力集中領域で亀裂の発生源となり、鋼の内部純度や均一性に影響を与える可能性があります。

接触疲労強度: 高負荷条件下では、軸受軌道は非常に高いヘルツ応力にさらされます。繰り返し高い接触応力にさらされると、440C 鋼の転がり接触疲労寿命は 52100 鋼よりも劣ります。これは、同じ負荷条件下では、440C ベアリングの期待寿命 (L10) が大幅に短くなるということを意味します。

2. 靭性と耐衝撃性

440C は典型的なマルテンサイト系ステンレス鋼です。硬度が高いため、靭性が犠牲になります。

脆性傾向: 440C は炭素含有量が高いため、硬化後に比較的脆い構造になります。衝撃荷重や強い振動がかかる用途では、この材料は特に応力集中領域で脆性破壊や軌道剥離を起こしやすくなります。

耐圧痕性: 440C は硬度が高いにもかかわらず、突然の静的荷重または衝撃荷重を受けた場合、特別に処理された合金鋼ほどブリネリング耐性が劣る可能性があり、高荷重下での幾何学的精度に影響します。

II.高速アプリケーションにおける性能の課題: 温度上昇と寸法安定性

1. 熱放散と動作温度限界

高速動作中、ベアリング内の摩擦により大量の熱が発生します。ステンレス鋼には、次のような熱力学的課題があります。

熱伝導率: ステンレス鋼、特に 440C は通常、通常の軸受鋼よりも熱伝導率が低くなります。この低い熱伝導率により、ベアリング内で発生した熱が急速に放散されにくくなり、急激な温度上昇が生じます。

焼き戻し効果: ベアリングの動作温度が焼き戻し温度の上限である 440℃ (通常は 200℃未満) を超えると、二次軟化が発生し、材料の硬度が低下し、耐摩耗性と耐荷重能力が大幅に低下します。高速回転によって発生する熱は、このタイプの熱故障を簡単に引き起こす可能性があります。

2. 潤滑管理と摩擦特性

高速では潤滑に対する要求が非常に高く、ステンレス鋼ベアリングの特性により潤滑管理がさらに複雑になります。

滑り摩擦：高速になると、玉と軌道面、玉と保持器・保持器の間の滑り摩擦が大きくなります。不十分な潤滑または不適切な潤滑剤の選択は、ステンレス鋼の表面に深刻な凝着摩耗を引き起こす可能性があります。

軸受クリアランス: 通常の軸受鋼と比較した線熱膨張係数 (CTE) の 440℃ の違いと、温度上昇の影響により、高速で動作する軸受の内部クリアランスが予期せず変動する可能性があり、予圧制御の喪失や摩擦の増加につながり、制限速度がさらに制限されます。

3. 複雑な環境における包括的な制限

ステンレス鋼ベアリングは腐食環境でよく使用されます。高負荷、高速、腐食が存在する複雑な動作条件下では、材料の性能はさらに低下します。

腐食疲労の相乗効果: 腐食性媒体により軌道面の孔食が促進されます。この腐食箇所が応力集中源となります。高荷重が繰り返されると、腐食疲労が容易に発生し、ベアリングの早期故障につながります。

非 440C グレードの制限: オーステナイト系ステンレス鋼 (304 や 316 など) は耐食性に優れていますが、硬度と強度が低く、高負荷または高速条件下では耐荷重能力と動作速度が 440C グレードよりもはるかに低くなります。これらは通常、低速、軽負荷、および極度に腐食性の環境にのみ適しており、高負荷または高速のアプリケーションには適していません。