トライボメーターによる高荷重下のボールベアリングの耐摩耗性

ボールベアリングは、ボールを用いて回転摩擦を減らし、ラジアル荷重とアキシアル荷重を支えます。軌道輪の間を転がるボールは、2つの平面がすべり合う場合に比べてはるかに低い摩擦係数（COF）を生み出します。ボールベアリングは、高い接触応力、摩耗、高温などの過酷な環境条件にさらされることが多くあります。そのため、高荷重や過酷な環境条件下でのボールの耐摩耗性は、ボールベアリングの寿命を延ばし、修理や交換にかかるコストと時間を削減するうえで極めて重要です。

ボールベアリングは、可動部をもつほぼすべての用途に使われています。航空宇宙や自動車などの輸送産業のほか、ハンドスピナーやスケートボードなどを製造する玩具産業でもよく使われています。

ボールベアリングは非常に多くの材料から作られます。よく使われる材料は、ステンレス鋼やクロム鋼などの金属から、炭化タングステン（WC）や窒化ケイ素（Si₃N₄）などのセラミックスまで多岐にわたります。製造したボールベアリングが用途の条件に必要な耐摩耗性をもつことを確かめるには、高荷重下での信頼性の高いトライボロジー評価が必要です。トライボロジー試験は、さまざまなボールベアリングの摩耗挙動を制御・監視された方法で定量化・比較し、目的の用途に最適な候補を選ぶのに役立ちます。

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さまざまな材料のボールベアリングの摩擦係数（COF）と耐摩耗性を、NANOVEAトライボメーターで評価しました。相手材にはP100番手の研磨紙を使用しました。摩耗試験の終了後、ボールベアリングの摩耗痕をNANOVEA 3D非接触プロファイラーで観察しました。試験条件を表1にまとめます。摩耗率Kは式K = V/(F × s)で求めました。ここでVは摩耗体積、Fは垂直荷重、sはすべり距離です。摩耗体積を精密に測定するため、ボールの摩耗痕をNANOVEA 3D非接触プロファイラーで評価しました。

自動の電動ラジアル位置決め機能により、トライボメーターは試験中に摩耗トラックの半径を小さくしていくことができます。この試験モードはスパイラル試験と呼ばれ、ボールベアリングが常に研磨紙の新しい面の上をすべるようにします（図2）。これによりボールの耐摩耗性試験の再現性が大きく向上します。内部速度制御用の高性能20ビットエンコーダーと外部位置制御用の16ビットエンコーダーが精密な速度・位置情報をリアルタイムに提供し、回転速度を連続的に調整して接触部で一定の線すべり速度を実現します。

なお、本研究ではさまざまなボール材料の摩耗挙動を単純化するためにP100番手の研磨紙を使用しましたが、ほかの任意の材料面に置き換えることができます。液中や潤滑剤中など実際の使用条件下で幅広い材料の組み合わせの性能を再現するため、任意の固体材料を使用できます。

摩耗率はボールベアリングの使用寿命を決める重要な要素であり、低いCOFは軸受の性能と効率の向上に望ましいものです。図3は、試験中の研磨紙に対するさまざまなボールベアリングのCOFの推移を比較したものです。Cr鋼ボールは摩耗試験中にCOFが約0.4まで上昇し、SS440とAl₂O₃のボールベアリングはそれぞれ約0.32と約0.28でした。一方、WCボールは摩耗試験を通じて約0.2の一定のCOFを示します。各試験でCOFに目に見える変動がありますが、これは粗い研磨紙の表面に対するボールベアリングのすべり運動による振動に起因します。

図4と図5は、それぞれ光学顕微鏡とNANOVEA非接触光学式プロファイラーで測定したボールベアリングの摩耗痕を比較したもので、表2に摩耗痕解析の結果をまとめます。NANOVEA 3Dプロファイラーはボールベアリングの摩耗体積を精密に求められるため、さまざまなボールベアリングの摩耗率を算出・比較できます。摩耗試験後、Cr鋼とSS440のボールは、セラミックボール（Al₂O₃とWC）に比べてはるかに大きな平坦化した摩耗痕を示しています。Cr鋼とSS440のボールの摩耗率は同程度で、それぞれ3.7×10⁻³と3.2×10⁻³ mm³/N·mです。これに対し、Al₂O₃ボールは7.2×10⁻⁴ mm³/N·mの摩耗率で、より高い耐摩耗性を示します。WCボールには浅い摩耗痕の部分にわずかなスクラッチしか見られず、摩耗率は3.3×10⁻⁶ mm³/N·mと大幅に低くなっています。

図6は、4種類のボールベアリングによって研磨紙上にできた摩耗痕の顕微鏡像です。WCボールは最も激しい摩耗痕を研磨紙上に残し（経路上の砂粒をほぼすべて除去）、最も高い耐摩耗性をもつことは明らかです。これに対し、Cr鋼とSS440のボールは研磨紙の摩耗痕上に大量の金属摩耗粉を残しました。

これらの観察結果は、スパイラル試験の利点の重要性をさらに示しています。スパイラル試験では、ボールベアリングが常に研磨紙の新しい面の上をすべるため、耐摩耗性試験の再現性が大きく向上します。

高い圧力下でのボールベアリングの耐摩耗性は、その使用性能に重要な役割を果たします。セラミック製のボールベアリングは高応力条件下で大幅に高い耐摩耗性をもち、軸受の修理や交換による時間とコストを削減します。本研究では、WCのボールベアリングが鋼製の軸受に比べて大幅に高い耐摩耗性を示し、激しい摩耗が生じる軸受用途に理想的な候補であることがわかりました。

NANOVEAトライボメーターは、最大2000 Nの荷重に対応する高トルク設計と、0.01〜15,000 rpmの回転速度を実現する精密に制御されたモーターを備えています。ISOおよびASTMに準拠した回転・往復モードで再現性のある摩耗・摩擦試験を行え、オプションの高温摩耗モジュールと潤滑モジュールを1台の統合システムで利用できます。この比類ない範囲により、高応力、摩耗、高温など、ボールベアリングのさまざまな過酷な使用環境を再現できます。また、高荷重下での優れた耐摩耗材料のトライボロジー挙動を定量的に評価するための理想的なツールでもあります。

NANOVEA 3D非接触プロファイラーは、摩耗体積を精密に測定し、摩耗痕の詳細な形態を解析するツールとして、摩耗メカニズムの基本的な理解に役立つ情報を提供します。