産業用深溝玉軸受をハイブリッドセラミック仕様で注文すると、カタログ上の3つの数値が変わります。そのうち1つは、商談で必ずといってよいほど話題になります。残る2つはほとんど注目されず、しかも変化が大きい方は不利な方向へ動きます。
本ガイドは、この用語の検索結果で目立つスポーツ用品市場向けではなく、所定の取付空間に収まる軸受を選定する技術者向けに書いています。2種類のセラミック構造と、各部品に適用される規格を整理したうえで、転動体材料を変えたときに定格荷重と回転速度がどう変化するか、そして今なお鋼製軸受が適する使用条件を解説します。
要点
- 「セラミック軸受」には2種類あります。ハイブリッドは鋼製軌道輪と窒化ケイ素製転動体を組み合わせたものです。フルセラミック軸受は軌道輪もセラミック製で、ハイブリッドとはまったく異なる挙動を示します。
- ISOが定格荷重の算定方法を規定しているのはハイブリッドであり、フルセラミック軸受ではありません。 ISO 20056-1:2017とISO 20056-2:2017は、鋼製軌道輪と窒化ケイ素製転動体を用いた軸受の動・静定格荷重を規定します。ISOの転がり軸受規格群には、全セラミック軸受の定格荷重を規定する規格はありません。
- ハイブリッドは、負荷能力をわずかに下げる代わりに高速性能を確実に高めます。SKFの同一呼び番号3組では、ハイブリッド仕様のCが3.9%～5.5%低下し、C₀は同一のまま、限界回転速度が19%～27%向上します。
- ほとんど公表されない数値が疲労限荷重です。同じ3組では約27%低下しており、ハイブリッドが選ばれる軽荷重・高速条件で用いるISO 281寿命計算に直接入力されます。
- ハイブリッドは高温用軸受ではありません。SKFのハイブリッド深溝玉軸受の軌道輪は少なくとも120 °Cまで寸法安定化処理されていますが、NBRシールの上限は100 °Cです。窒化ケイ素について引用される800 °Cという値は材料特性であり、軸受の定格ではありません。
セラミック軸受とは何か
同じ名称で呼ばれる2種類の製品があり、違いはどの部品がセラミック製かにあります。ハイブリッド軸受は軸受鋼製の軌道輪と窒化ケイ素製の転動体を組み合わせています。フルセラミック軸受は軌道輪もセラミック製で、通常は樹脂製保持器を使用します。
この違いが、その後のほぼすべてを決めます。ハイブリッドでは、数十年の使用実績がある設計の負荷能力、寸法安定性、耐衝撃性を鋼製軌道輪が引き継ぎ、変わるのは転動体材料だけです。フルセラミック軸受ではすべての荷重経路がぜい性材料を通るため、速度限界、荷重限界、損傷形態がすべて同時に変わります。
転がり軸受に関する規格で、転動体材料として扱われているセラミックは窒化ケイ素だけです。ジルコニア、アルミナ、炭化ケイ素はフルセラミック軸受の軌道輪や販売業者の資料には登場しますが、以下の規格には含まれません。見積書に「セラミック」と記載されていたら、最初に2種類のどちらかを確認し、次にセラミックの材質を確認してください。
より広い軸受分類の中で両者がどこに位置するかは、主な軸受の種類と用途をご覧ください。
セラミック軸受には実際にどの規格が適用されるか
セラミック部品を扱う規格が4つ、ハイブリッドの定格荷重を扱う規格が2つありますが、全セラミック軸受の定格荷重を扱う規格はありません。この空白こそ本記事で最も実用的な事実です。公表された定格値をどこまで信頼できるかを左右するためです。
規格のつながりは材料から始まり、定格荷重で終わります。
ISO 26602:2017は材料を規定します。転がり軸受の玉及びころ用に前処理された窒化ケイ素を対象とし、3等級に分類しています。表1は単一値ではなく範囲を示しているため、データシートの物性値を引用する際には注意が必要です。
| 特性 | 最小値 | 最大値 |
|---|---|---|
| 密度（g/cm³） | 3.0 | 3.6 |
| 弾性係数（GPa） | 270 | 330 |
| ポアソン比 | 0.23 | 0.29 |
| 熱膨張率（× 10⁻⁶/°C、室温～500 °C） | 2.0 | 3.7 |
ISO 26602:2017表1による、前処理された窒化ケイ素の物理的・機械的特性。
ISO 3290-2:2014は完成した玉を規定し、箇条6で材料にISO 26602への適合を要求しています。ISO 12297-2:2018はセラミック製円筒ころについて同等の役割を果たし、ISO 19843:2018は直径3 mm～50 mmの完成セラミック玉について、切欠き玉試験による強度測定方法を規定します。
定格荷重はこのつながりの最後に位置し、ここで適用範囲が狭まります。ISO 20056-1の動定格荷重は、「現代の一般的な高品質焼入れ軸受鋼」で作られた軌道輪と、窒化ケイ素製転動体を用いた軸受を対象とします。静定格荷重はISO 20056-2が扱います。鋼製軌道輪は単なる一例ではなく、適用範囲そのものです。
したがって、フルセラミック軸受にはISOによる定格荷重の算定方法がありません。販売業者は定格値を公表しており、その値に十分な根拠がある場合もありますが、確認可能な規格ではなく、各社独自のモデルに基づいています。これは製品を否定する話ではなく、調達時に把握すべき事実です。
関連する呼び番号の仕組みが必要な場合は、軸受呼び番号の読み方で、ハイブリッドの接尾記号が付加される接頭記号、系列、接尾記号の構造を解説しています。
ハイブリッド軸受の負荷能力は鋼製より低いか
動定格荷重はわずかに低く、静定格荷重は同じで、疲労限荷重は明確に低くなります。その理由は強度ではなく剛性です。
ISO 20056-1は序文でその理由を説明しています。窒化ケイ素は軸受鋼より弾性係数が高いため、同じ荷重でもハイブリッドでは「接触楕円が明らかに小さく」なり、理論上は動負荷能力が低下します。同規格では、セラミック製転動体に300,000 MPa、ISO 281の軸受鋼に207,000 MPaを用いています。
一方、同規格は逆方向の効果も説明しています。接触楕円が小さいことと、セラミックと鋼の材料組合せにより、転がり接触部の「表面せん断応力が明らかに低く」なり、負荷能力が高まります。ISO 20056-1はこれを補うため、表1にあるすべてのハイブリッド玉軸受形式で定格係数bmを1.8に引き上げています。ISO 281:2007では、ラジアル玉軸受及びアンギュラ玉軸受の値は1.3です。その結果、内部形状が同一で鋼製転動体を用いた軸受について、式から「ISO 281で定義されるものと同じ動定格荷重が得られる」とされています。
公表カタログ値は、この意図と完全には一致しません。同一寸法の全鋼製仕様とハイブリッド仕様が用意されているSKF深溝玉軸受3組では、一貫した傾向が見られます。
| 呼び番号 | C | C₀ | 疲労限荷重 | 基準回転速度 | 限界回転速度 |
|---|---|---|---|---|---|
| 6206 | 4,564 lbf | 2,518 lbf | 107 lbf | 24,000 r/min | 15,000 r/min |
| 6206/HC5C3 | 4,384 lbf | 2,518 lbf | 78 lbf | 28,000 r/min | 18,000 r/min |
| 6208 | 7,306 lbf | 4,271 lbf | 180 lbf | 18,000 r/min | 11,000 r/min |
| 6208/HC5C3 | 6,902 lbf | 4,271 lbf | 132 lbf | 22,000 r/min | 14,000 r/min |
| 6212 | 12,432 lbf | 8,093 lbf | 344 lbf | 13,000 r/min | 8,000 r/min |
| 6212/HC5C3 | 11,847 lbf | 8,093 lbf | 252 lbf | 15,000 r/min | 9,500 r/min |
SKFがヤード・ポンド法で公表した製品データ。6206及び6212の行は、対応するSKF製品ページによる。
3組の基本動定格荷重は、それぞれ3.9%、5.5%、4.7%低下します。基本静定格荷重C₀は3組とも同一です。静定格荷重は軌道面の永久変形限界であり、軌道面自体は変わっていないため、合理的な結果です。
選定時には、この2つの事実を同時に考える必要があります。規格の算定方法は鋼製と同等になるよう調整されていますが、メーカーが公表するこの3寸法の値は数%低くなっています。どちらかが誤りというわけではなく、差も通常は単独で選定を左右するほど大きくありません。選定を左右するのは3つ目の列です。
2種類の定格そのものの違いは動定格荷重と静定格荷重を、複合荷重を計算に入れる方法はアキシアル荷重とラジアル荷重をご覧ください。
見落とされる疲労限荷重という代償
ハイブリッドの疲労限荷重の低下率は、基本動定格荷重の約5～7倍に達します。しかも、一般にハイブリッドが購入される使用条件では、この値が最も重要になります。
疲労限荷重とは、清浄で十分に潤滑された軸受で疲労が発生しないとされる荷重です。ISO 281ではCᵤ、SKFの製品表ではPᵤと表記されます。実荷重と直接比較する定格値ではありません。粘度比、汚染係数、疲労限荷重と軸受等価荷重の比からISO 281が求める寿命修正係数への入力値です。
上記3組では、この値がそれぞれ27.1%、26.7%、26.7%低下します。
3寸法でこれほど一貫していることから、単一製品の偶然ではなく、定格計算に意図的な係数が組み込まれていると考えられます。この結果は、ハイブリッドの一般的な売り方とも逆行します。訴求点は速度であり、実際にハイブリッドは高速性能をもたらします。高速用途は通常、軽荷重です。そして軽荷重こそ、疲労限荷重が寿命計算を支配する領域です。
本記事で一律に言えるのは、変化の方向だけです。影響の大きさは、等価荷重、粘度比、汚染等級によって異なります。メーカーの選定ツールで両製品を同じ条件にかけ、修正定格寿命を比較してください。販促資料の寿命倍率をそのまま受け入れたり、速度で勝るから寿命でもハイブリッドが勝ると決めつけたりしてはいけません。
この係数がモデル化しようとしている疲労と汚染のメカニズムは、軸受が故障する理由で解説しています。
セラミックで実際にどれだけ高速化できるか
同じ呼び番号で限界回転速度が19%～27%、基準回転速度が15%～22%向上します。理由は硬さではなく質量です。
ISO 26602に示される窒化ケイ素の密度範囲は3.0～3.6 g/cm³で、軸受鋼のおよそ7.8 g/cm³を大きく下回ります。軽い玉は高速回転時の外輪軌道面に対する遠心荷重を減らし、接触部の発熱も抑えます。Schaefflerはハイブリッドについて、運転温度を下げながら最大20%高速化できるとしています。これは上記のSKF3組が示す範囲内です。
回転速度には2種類の数値があり、相互に置き換えることはできません。SKFが公表する基準回転速度は熱的な基準点です。一方、限界回転速度は、軸受と用途側に対策を施さない限り超えてはならない機械的限界です。両者の取り違えが、このテーマで最も多い回転速度に関する誤りです。
高速化の利点には、見落としやすい制約が伴います。SKFは、接尾記号MLの軌道輪案内保持器を備えたハイブリッドには油潤滑を推奨し、グリース潤滑の場合はndm値を250,000 mm/min以下に制限しています。配置がグリース潤滑で、この上限がハイブリッド導入時に想定した回転速度を下回るなら、追加された性能を利用できません。
精度等級もこの問題に関係します。ABECとISOの精度等級では、公差等級と高速性能が関係していても同じ意味ではない理由を解説しています。ミニチュア軸受ガイドでは、ハイブリッドが特に多い小径側を扱っています。
温度、腐食、800 °Cという誤解
ハイブリッドでは、セラミックが温度上限を決めることはありません。上限を決めるのは軌道輪、保持器、シール、グリースであり、その順序は多くの人の予想と異なります。
SKFの基本設計ハイブリッド深溝玉軸受では、軌道輪が少なくとも120 °Cまで寸法安定化処理されています。ハイブリッド円筒ころ軸受及びXLハイブリッド深溝玉軸受は150 °C、受注対応では300 °Cまで寸法安定化処理した軌道輪を選べます。鋼、黄銅、PEEK製保持器の使用温度は、これらの軌道輪と同じです。さらに低い温度で制約となるのがシールです。NBRは−40～+100 °Cで、短時間なら120 °Cまで、FKMは−30～+200 °Cで、短時間なら230 °Cまで使用できます。温度ピークはシールリップ部に生じます。
このテーマで広く引用される800 °Cという数値は、軸受用窒化ケイ素の材料特性です。この数値が軸受にも当てはまるのは、軌道輪もセラミック製の場合に限られます。セラミックの耐熱性だけを根拠に高温用途へハイブリッドを指定することは、現場で繰り返されている代償の大きい選定ミスです。腐食についても同じです。鋼製軌道輪は腐食するため、湿潤環境や薬品環境で使うハイブリッドには、全鋼製軸受と同じく適切なシール又はステンレス鋼仕様が必要です。
こうした環境ではフルセラミック軸受が選択肢になりますが、固有のデメリットも伴います。専門販売業者のSMB Bearingsは、フルセラミック軸受の最高回転速度を全鋼製相当品の20%～25%、最大荷重を鋼製軸受の約65%～75%としています。き裂による突発破損のリスクがあるためです。これは規格ではなく一販売業者の見解として扱うべきですが、「セラミックは高速」という宣伝文句とは逆の傾向を示している点に注意してください。
こうした条件ではシール選定が結論を左右することがよくあります。密封形軸受とシールド形軸受の比較では温度と汚染のトレードオフを、潤滑ガイドではグリースの限界を解説しています。
電気絶縁と、ハイブリッドで解決できないこと
窒化ケイ素製転動体は転がり接触部を通る電流経路を遮断します。そのため、ハイブリッドはインバータ駆動電動機に使われます。ただし、回路そのものが消えるわけではなく、接地の検討も不要にはなりません。
可変周波数駆動装置は、電動機軸に高周波のコモンモード電圧を生じさせます。これが潤滑膜を介して放電すると軌道面が損傷し、マイクロピッチング、フロスティング、軸方向のフルーティング模様が発生します。SKFは試験室でこの損傷を再現し、騒音・振動の増加から早期故障へ進む過程を記録しています。Schaefflerも、電動機、鉄道車両、風力発電機、工作機械のこの用途向けにハイブリッドを位置づけています。
ハイブリッドはこの経路の抵抗を桁違いに高めます。SKF Evolutionは、電動機械用ハイブリッド軸受についてギガオーム級の直流抵抗と、超高速時に4倍を超えるグリース寿命を報告しています。ただし、高抵抗でも放電の影響を完全に排除できるわけではありません。ハイブリッドは唯一の答えではなく、3つの選択肢の1つです。コーティング外輪なら転動体材料を変えずに絶縁でき、軸接地リングなら電流を遮断するのではなく別経路へ逃がせます。防止すべき損傷に対し、3方式の費用対効果を比較してください。
現在、この問題が最も多く現れるのは電気自動車のトラクションモータです。詳しくは自動車用玉軸受ガイドで解説しています。損傷形態そのものは、軸受損傷ガイドでほかの電気的損傷とあわせて扱っています。
ハイブリッドはそのまま置き換えられるか
寸法上は可能ですが、機能上は同等ではありません。主要寸法は鋼製軸受と一致しても、すきま、必要最小荷重、潤滑方式が変わります。
最も見落とされやすいのがすきまです。 SKFのハイブリッド用接尾記号C3Pは、C3の上半分とC4の下半分を組み合わせた特別すきま範囲を示します。単なる丸め処理ではありません。ISO 26602による窒化ケイ素の熱膨張率は2.0～3.7 × 10⁻⁶/°Cで、軸受鋼のおよそ12を大きく下回ります。そのため温度上昇時に玉組の膨張量が軌道輪よりはるかに小さくなり、鋼製軸受で得られる運転すきまと同じにはなりません。温度上昇前の各等級の意味は、ラジアル内部すきま等級をご覧ください。
必要最小荷重は、軽視できるどころか、より重要になります。 SKFはハイブリッド深溝玉軸受とハイブリッド円筒ころ軸受の両方について、必要最小ラジアル荷重の式を公表しています。低騒音で高速運転するため、ハイブリッド深溝玉軸受の組合せ配置には、ばね座金によるアキシアル予圧も適用します。軽い玉を滑らせずに転がすには荷重が必要です。
アキシアル荷重の上限は明示されています。 純アキシアル荷重の場合、SKFはハイブリッド深溝玉軸受を0.5 C₀以下に制限しています。内径12 mm以下の小形軸受と、直径系列8、9、0、1の軽系列では0.25 C₀まで下がります。超過すると耐用期間が短くなります。
衝撃荷重では、直感に反してハイブリッドが不利になります。 鋼製軌道輪はセラミック軌道輪より衝撃に強い一方、SMB Bearingsによれば、急激な衝撃を受けると、はるかに硬いセラミック玉が鋼製軌道面を圧痕させ、急速な摩耗と早期故障につながります。軟らかい軌道面に硬い玉を組み合わせた場合の損傷経路は、ぜい性軌道輪の損傷とは異なります。
ハイブリッド軸受は無潤滑運転を前提としていません。 フルセラミック軸受は無潤滑で運転できます。ハイブリッドはセラミック玉により潤滑不良へある程度対応できますが、低速でない限り、無潤滑運転では鋼製軌道輪が急速に摩耗します。
発注前に接尾記号も確認する必要があります。SKFの体系では次の意味です。
| 接尾記号 | 意味 |
|---|---|
| HC5 | 窒化ケイ素製転動体 |
| S0 | 使用温度150 °Cまで寸法安定化処理した軌道輪 |
| C3P | 特別すきま範囲：C3の上半分とC4の下半分 |
| F1 | 軸受内部自由空間の10%～15%にグリースを充填 |
| VC444 | 高窒素鋼製軌道輪 |
| VA970 | 風力発電機用特殊設計深溝玉軸受 |
標準の深溝玉軸受及び円筒ころ軸受の呼び番号体系に加えて、SKFハイブリッドセラミック軸受で使われる追加接尾記号。
セラミックを選ぶべきでない条件
セラミックが解決する問題と、実際の課題が一致しない場合です。セラミック製転動体から明確な利点を得られる使用条件は3種類で、それ以外では割高な費用を払い、疲労限荷重の低下を受け入れるだけになります。
| 制約条件 | 指定 | 理由 |
|---|---|---|
| インバータ駆動電動機、迷走軸電流 | ハイブリッド、コーティング軌道輪、又は軸接地 | セラミックが転がり接触部の電流経路を遮断するため、ほかの2方式と費用を比較する |
| 軽荷重・超高速で、鋼製軸受の上限を超える | ハイブリッド。ただし先にグリースのndm上限を確認 | 遠心荷重が小さく、公表限界回転速度が高い |
| 酸、アルカリ、海水への浸漬、無潤滑運転、非磁性が必要 | フルセラミック。ISO定格荷重がなく、速度を大幅に下げることを許容 | 鋼製軌道輪が環境に耐えられない |
| 重荷重又は衝撃荷重、中速、一般環境 | 適切なすきま等級とシールを備えた鋼製 | ハイブリッドは疲労限荷重が低下する一方、必要な利点が得られない |
| 連続高温 | 材料を変える前に軌道輪の寸法安定化処理とシール等級を確認 | ハイブリッドの上限を決めるのは玉ではなく軌道輪とシール |
つまり、セラミックは単なる品質向上策ではなく、転動体に関する設計判断です。規格への適合が確認された軸受は、その規格どおりの性能を発揮します。材料の先進性を比べるのではなく、材料を変えたときに計算上のどの数値が変わり、それが用途の制約条件になっているかを確認することが重要です。
重荷重用途の材料選定も同じ考え方に従います。圧延機用軸受材料では、鋼種と、圧延用途でセラミックハイブリッドを選ぶ価値がある条件を解説しています。
よくある質問
ハイブリッドセラミック軸受の負荷能力は鋼製より低いですか？
動定格荷重はわずかに低く、静定格荷重は同じで、疲労限荷重は明確に低くなります。SKF 6208と6208/HC5C3を比較すると、基本動定格荷重は7,306 lbfから6,902 lbfへ、疲労限荷重は180 lbfから132 lbfへ低下します。基本静定格荷重は4,271 lbfのままです。ISO 20056-1の算定方法は、同一形状についてISO 281と同じ動定格荷重になるよう調整されているため、規格の意図とカタログ値には小さな差が生じる場合があります。
ハイブリッドセラミック軸受は何°Cまで使用できますか？
上限を決めるのはセラミックではなく軌道輪とシールです。SKFの基本設計ハイブリッド深溝玉軸受の軌道輪は少なくとも120 °C、ハイブリッド円筒ころ軸受の軌道輪は150 °Cまで寸法安定化処理され、受注対応では300 °Cを選べます。NBRシールの上限は100 °C、FKMシールは200 °Cです。窒化ケイ素について引用される800 °Cは材料特性であり、この数値が軸受にも当てはまるのは、軌道輪もセラミック製の場合に限られます。
ハイブリッドセラミック軸受には電気絶縁性がありますか？
あらゆる電流経路をなくすのではなく、転がり接触部を通る電流経路を遮断します。SKF Evolutionは、電動機械用ハイブリッドについてギガオーム級の直流抵抗を報告しています。ハイブリッド、コーティング外輪、軸接地リングという3つの選択肢を比較し、製品区分ではなく、実際に測定した放電現象に基づいて選定してください。
鋼製軸受と同じ取付空間へハイブリッドをそのまま入れられますか？
主要寸法は一致するため、物理的には取り付けられます。ただし周辺仕様が4点変わります。窒化ケイ素の熱膨張量が鋼よりはるかに小さいため、SKFは特別すきま範囲C3Pで供給しています。また、必要最小ラジアル荷重が規定され、組合せ配置ではアキシアル予圧が必要になることが多く、純アキシアル荷重は0.5 C₀、小形・軽系列軸受では0.25 C₀に制限されます。同等品として置き換える前に4点すべてを確認してください。
セラミック軸受にはどのISO規格が適用されますか？
ISO 26602は窒化ケイ素材料、ISO 3290-2は完成した玉、ISO 12297-2はセラミック製円筒ころ、ISO 19843は完成セラミック玉の強度試験を規定します。定格荷重は、動定格をISO 20056-1、静定格をISO 20056-2が扱いますが、どちらも鋼製軌道輪を用いたハイブリッド軸受が適用範囲です。ISOの転がり軸受規格群には、全セラミック軸受の定格荷重を規定する規格はありません。
まとめ
セラミック軸受の選定では、次の5点を確認してください。
- 見積対象が2種類のうちどちらかを確認する。 鋼製軌道輪とセラミック玉の組合せは、転動体だけを変えた鋼製軸受として挙動します。セラミック製軌道輪は、別種の部品です。
- 公表定格の根拠となる規格を確認する。 ISO 20056-1と20056-2はハイブリッドを対象とします。フルセラミック軸受の定格値は販売業者独自のものです。
- Cだけでなく疲労限荷重を確認する。 上記の組合せでは約27%低下し、軽荷重・高速条件の寿命を支配します。
- 温度は軌道輪とシールの問題として扱う。 セラミックの性能は軸受の定格ではなく、通常はシールが最初の制約になります。
- 材料のイメージではなく使用サイクルで判断する。 高速、迷走電流、腐食性の強い媒体には実質的な理由があります。漠然と「より良い軸受」を求めるだけなら理由になりません。
ANDEは鋼製転がり軸受を製造しており、上表の5条件のうち2つでは、それが妥協案ではなく正解です。運転温度に合うすきま等級を指定した深溝玉軸受、予圧と複合荷重が選定を左右するアンギュラ玉軸受、重荷重・中速用の円筒ころ軸受が該当します。当社はフルセラミック軸受を供給していません。使用媒体や温度からフルセラミックが必要な場合は、その旨をお伝えします。荷重、回転速度、温度、電気的使用条件を当社技術チームへお送りください。適用規格に基づいて軸受寸法を選定します。
著者について
Jeff Liは、ANDE Bearingで軸受工学とグローバル調達について執筆しています。自動車、重工業、再生可能エネルギー分野のOEMおよびアフターマーケットのバイヤーと直接連携しています。LinkedInでも情報を発信しています。
