自転車用ベアリングについて　本当のはなし

第四回　ベアリングの材質について

写真のベアリング球は、奈良県で製造されたG3精度のセラミック球である。十分な破壊靭性を持っていて自転車ハブのベアリング球として最高である。　黒褐色の材料も日本製である。　（価格的にも十分にこなれている）

ベアリングの材料については、クロム鋼、ステンレス鋼、セラミックの３つに大別できる。　まずは金属である２つについて解説したい　どちらも主な元素は鉄(Fe)であってクロム鋼(SUJ2)は、炭素鋼の性質をよりベアリングの使用環境から求められる性能を達成できるようクロム(Cr)を1.5%添加したものだ　クロムを添加することで焼き入れ性が向上、より高硬度(HRC60 程)になる。これは高級なナイフほどの硬さである。

　 一方、ステンレス鋼は、錆びないようにもっと多く17%もクロム(Cr)を添加してある。ステンレスと言っても流し台など水回りで多様されるSUS304のオーステナイト系では、焼きが入らず硬度がでないので炭素を加えたSUS440Cなどマルテンサイト系を使う　硬度はHRC57程度とクロム鋼よりは柔らかくなってしまう。またSUS440Cは錆びにくくなるが絶対錆びないわけではない　※ 次回、ステンレス鋼でもHRC60を達成できる熱処理を紹介します。

一般的には、自転車用ベアリングに耐久性を求めるなら内輪外輪には、より高硬度なクロム鋼を用いるべきである。

ファインセラミックについては、白色のジルコニア(ZrO2)と黒褐色の窒化ケイ素(Si3N4)に大別される　白いZrO2の硬度はHRC70程、黒いSi3N4はHRC75～80程とこれ以上硬い素材を探すのが難しい程に硬い　割れにくさを示す破壊靭性は、ZrO2で10MPa-m1/2程、Si3N4は6～7MPa だからクロム鋼の25MPa と比べれると実に割れやすいことになる。内輪外輪ともフルセラミックのカートリッジベアリングを使っていたら外輪が割れたという事例はこの破壊靭性が低いことが原因だ。　（リングクラックの発生） よって自転車用途でよくあるセラミックベアリングの場合、内輪外輪はクロム鋼で球のみセラミックというハイブリット構成になるわけである。

ベアリング球だけでもセラミック製にする効果はあるのか？　弾性接触理論からみれば特筆すべき効果があるか否か次回以降に解説したい。　まず加工特性からは、セラミックの球は、真球度を高める研磨工程において鋼製より容易に真球度を高めることが出来る。　そして錆びない。　この２つの理由から球のみセラミックを採用する意味が十分にある。

また先に述べた破壊靭性についてもベアリング球は、内輪外輪に比べて梁の長さが小さい事、形状が球であることによって十分な破壊強度があると認識されている。

自転車愛好家のインプレ等でセラミック球にしても大してころがり抵抗は軽減されなかった云々の記事が散見されるが　おそらく計測精度の分解能が粗かったため差異が見いだせなかった事、またグリースレス式のセラミック球ではなかったことが原因ではないだろうか

 

 

インスタ,FaceBook,x などSNSやメルマガなどで連載中の「ベアリングの話」は、工業研究所の先生方の研究成果などをご紹介しながら自動車工業会で長年活動してきた知見を工業技術者という立場で解説しています。

 

【　ベアリングの話　】

第一話　　　シールについて

カートリッジ型ベアリングに装備されている「シール」について　そもそも何故シールが必要なのかを説いた上で接触型と非接触型について解説。自転車の軸受けにとってやはり水は大敵であって　軸受け内部への浸水をどう防いできたのかなど

 

第二話　　　グリースレスについて

　ここ数年間、話題を集めているグリースレスベアリング　2000年初頭にはカンパニョーロ社のカルトベアリングもグリース不要という触れ込みで登場したもののやはり潤滑は必要だったとスタイルを変えた。　これほどまでに魅力的、かつ難しいグリースレスベアリングの利点と難点を解説。　近年のグリースレス型はどんな機構を採用しているのかについても紹介した。

 

第三話　　　凄いグリースについて

　前回、グリースレス型をたっぷり褒めた次は、最新型の高機能グリースについて紹介。　ベアリングが発生させる抵抗のほとんどがグリースによる流体抵抗であった事など驚きの事実が　　最新型の高機能グリースはどうやって流体抵抗を減らしているのか　その仕組みを明らかにする。

第四話　　　ベアリングの材質について

自転車の世界でベアリングの材質と言えばセラミックが中心的だが　そのセラミックとはどんなもの　さらにステンレス鋼、クロム鋼などハイブリッドベアリングについても解説

第五話　　　熱処理の温度　について

　前回、解説したクロム鋼の熱処理について　「わずか50℃の違いが硬さを別ける」　熱処理の温度と金属組織の変化について　新潟県中央技術支援センターの研究成果を基に解説する。

第六話　　　アソビについて

　軸受けの球あたり調整の際、ガタとプリロードの関係は競技用自転車の世界では、メカニックの腕の見せ所とされてきた。その勘所を工業技術者の視点でひも解く　またカップ＆コーン式のハブに発生するスピン摩擦についても解説した。