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LuDeMa視点の問題解決
Solving a Problem with the LuDeMa* Viewpoint*Lu-lubrication, De-design, Ma-Material.
Also LuDeMa is a person’s name who established the LuDeMa viewpoint.

キーワード

白層剥離・水素脆性・異物油中・低燃費・真空溶解材・潤滑設計・材料軸受事業部

渡辺 孝一 Kouichi Watanabe

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LuDeMa視点の問題解決

要 旨

1. はじめに

転がり軸受は、歯車やボルトと並んで、動力伝達

LuDeMaという言葉は、東大の木村先生が、何かのする機械装置には必ず使われているもので、機能部品講 演 会ないしは学 術 会 議 で 聞いてこられた言 葉として認識されている。言い換えると、軸受としてのということを直接お聞きしたことがある。軸受の設計機能を発揮できないような状況になると、機械装置製造は、そのときまでに得られている多くの知見を反映全体の機能が損なわれてしまうため、機 械装置のして行なわれるが、それでも予期せぬ不具合というものは信頼性には、軸受の信頼性確保は欠かせない。

発生する。そのときの解決方法の目の付け所は、潤滑か軸受に不具合が発生したときの解決の目の付け所は、設計そのものか、または材料しかない、という考え方があり、潤滑か設計そのものか材料しかない、という考え方がそれらの英単語の頭文字をとると、LuDeMaになる。

あり、この視点での改善事例を紹介する。

そのような話をされていたのが、同じ文字の名前をしたルデマという人だった、といわれていた。名前と同一の不具合対策を説明されていたというのが印象に残っている。このような視点も有効な解決方法の一つになってAbstract

いることを、事例をまじえて紹介する。

A roller bearing, along with a gear and/or abolt, is usually used in mechanical equipment thattransmits power, and is recognized as a functional part. In other words, if a bearing is unable toperform its function, the functionality of entire
mechanical equipment will be damaged. Therefore,
ensuring bearing reliability is critical in terms of
securing the reliability of mechanical equipment.
When there is a problem with a bearing, theareas to be examined for resolving the problem
are lubrication, design itself or material. Examplesof improvement are introduced here based on thisviewpoint.

NACHI TECHNICAL REPORT Vol. 41 A2602. 潤滑（Lu）での解決事例
1）早期剥離の発生

2）水素脆性のメカニズム

転がり軸受の世界では、潤滑材を使用するという機械系の方ならご存じであろうが、水素脆性は、遅れのは当然になっている。油が必要な理由は、外力を破壊（delayed fracture）とも呼ばれ、塗装の不十分な受けて接触する二つの金属でできた物体が直接的に橋梁鉄骨などではよくみられ、今日では解明された

触り（金属接触という）、その接触している部分（接触メカニズムになっている。雨などの水滴が鉄 表面に面積と呼ぶ）に、接触に伴う力が作用しながら、相対つき、水分から分解した水素が鉄内部に侵入すると、移動、ずれが発生すると、接触した部分に損傷が発生

水素は原子サイズも小さく、拡散性が良いため、鉄内部にしてしまう危険性を回避することにある。

侵入して集積を繰り返し、そのときに微小亀裂を発生

このような問題は、相当以前から研究されてきている。

させてしまう。その空隙内で炭素が移動すると白層が今日では、弾性流体潤滑（EHL;Elasto-hydrodynamic

生じてしまい、その亀裂が拡大していくと破断に至るlubrication）として一般的に知られていて、この理論メカニズムと考えられている。

計算方法に基づき、軸受使用条件に応じた潤滑剤の従って、非核3原則ではないが、水素脆性を発生特性や軸受の表面仕上げ精度が論じられ、潤滑材のさせないようにするには、水素のもととなるものを、適用可否が決められている。このようにして、必要粘度や持たない、造らない、持ち込まない、が必要になる。

接触面の必要粗さなどの基 準が決められてきたが、

3）白層剥離のメカニズム

これに添加剤などの付加的な要素を取り入れることにより、ほとんどの潤滑問題は解決するようになった。

軸受周辺には、オイルであれグリースであれ、通常はところが、1980年代頃からか、自動車補器軸受に潤滑材がある。潤滑材は、CやHの鎖の連続複合体

短期間で剥離が発生する問題が発生した。剥離の断面をだから、この時点で水素は必ず存在する。従って、潜在的診ると、これまで見たことのないような白い層が見られたではあるが、「持たない」は成立しない。

ので、白層剥離と呼ばれた。ちょうどその頃はエンジン

では「造らない」はどうかと考えると、案外と容易にベルトの一本化（サーペンタインと呼ばれていた）の造られてしまう。金属の接触表面がすべりなどで活性化影響であろうか、振動の大きい環境下でもよく見られたしてしまうと、トライボケミカル反応といって、油分子がので、振動剥離とも呼ばれた。グリース潤滑されていた分解され、水素単体が形成されてしまうらしい。この点では、似た部位なのだがほとんど発生しない軸受も形成された水素が、同じく活性化された表面を介してあり、当時としてはとても不可解と思えることが生じて金属内部へ侵入してしまうのが、軸受の白層剥離のいた。

原因の一つと考えられている。この表面の活性化には、今日では、この原因が水素にあることの考え方がすべりの他に、軌道輪の周期的な繰り返し曲げ振動主流になっているが、当時は振動によるもの、静電気なども寄与するといわれている。白層剥離発生原因をによるもの、いろいろな説が出ていた。NACHIでは、水素脆性としたときの発生メカニズムの概略を図1に

特定のグリースでは白層剥離の生じていないことに示す。

着目し、早い段階から水素脆性の一つであろうという仮説を立て、対策を図ってきた。

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高面圧

ミクロクラック発生

振動急加減速油膜切れにより新生面露出
トライボケミカル反応
グリースが分解し水素発生

繰返し応力
カーボンの移動凝集

新生面から水素侵入
ballring
H
H

H

白色層形成

H

H

H

H

H

H

水素膨張
剥離発生

図1

白層剥離の概略発生メカニズム

軸受を潤滑環境で使う以上は、水素発生の可能性はのだ、というのが定説になっている。NACHIでも早くかならず有していることになるので、白層剥離の危険性はからこの見解に達していて、対 策に活かしてきた。

等しくあることになる。されど、同じく、接触面辷りなど

当時は、どのメーカーも高温長寿命グリースの開発にが生じてしまう振動環境下で使われても、白層の発生専念していて、発生水素対策ということまでには思いがしないものもある。それはなぜなのかというと、水素が至っていなかったのだと思われる。

できてしまったとしても、それが金属内部に入らなければいいから、ということになる。それが「持ち込まない」になる。

このようにして、1980年代頃から突如発生してきた

当時は、RoHS指令がまだ適用されていなかった頃

軸受の白層剥離に対しては、これまで発生していなだったため、さび止め添加剤に亜硝酸ソーダの使われてかったメカニズムの仮説を立て、これまでとは異なるいるグリースはまだ多く使用されており、これらのグリースグリースを開発しても、その開発グリースの成分は、では白層剥離はほとんど生じていなかった。当時はその上記と同等のメカニズムが成立しうる組成にすること理由は解明できないでいたが、今日では、添加剤としてにより、白層剥離を対策することができてきている。

入っていた亜硝酸ソーダが金属活性面に張り付き、発生一時は、軸受各メーカーは材料（Ma）にまで踏みした水素の金属内部への侵入を阻止したから、この込んだ対策をしていたが、今日ではそこまでする必要添加剤を含むグリースでは白層剥離が出ていなかったはなく、潤滑（Lu）の対策範囲で納めていることが多い。

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3. 設計（De）での解決事例
何かの問題が生じたときは、設計改善ができうるしていた。そのような中で市場に最初に現れたのが、のであれ ば、実 はそれ が 一 番 効 果 的なことかもクリーンベアリングといって、軸受内部に潤滑用グリースを知れないが、通常は、そのことによる背反がないか、封入し、接触シールで覆って外部からの異物侵入を検証を行なう必要があるため、一旦でき上がって量産防ぐ設計方式のものであった。

流動しているような部品では、設計変更ということはNACHIでもこのような思想のもとに試作評価して簡単に行なうべきではないと考えている。例えば、みた。シールがいつまでも機能を健全に果たしてくれ

玉軸受を使用した機械部品で、目標時間よりも早くていればクリーンベアリングになるのかも知れないが、寿 命に達してしまった事例があったとしたら、同一

ひょんなことでシールに損傷ないしは変形が生じてサイズでも負荷容量を大きくできるからと、ころ軸受にしまうと、シール性能が損なわれてしまい、軸受内部に替えてしまえば良い、というような解決方法は安易に異 物が 一旦 入ってしまうと、異 物が 外に出ようと行なうべきではない。その理由は、変化点が多い場合しても、損傷したシールが抱え込んでしまって、軸受内部にに発生しうる背反事象の潰し不足を回避するために異物が残留し、却って軸受内部が傷付きやすくなってある。では、設変は全くダメかというとそうではないが、しまうことが分かってきた。まさしく、シールはロバスト変化点を極力少なくするというのが、流動品に対するでないとシールにはならず、そうでなくなると却って仇設変の原則であり、機能部品に対しては、そのようなになるということが分かり、徹 底したシールとするか、思想をもつことがとても大 切なことだと考えている。

シールということを一切あきらめるか、二者択一の設計

このような考え方で、設計により問題解決した事例はしかない、ということになった。

多くあるが、ここでは、自動車変速機の異物油中で短寿命となってしまった軸受について、設計改善により乗り切った事例を紹介する。

1）密封性能は却って仇になることもある
1990年代の頃だが、マニュアルミッションはそれでもまだ多く使われていた。マニュアルだと、構造 図を見れば、どんなギア同士が噛みあって動力伝達してくれるのかということがよく分かり、機械屋であれば目で見て動力伝達が理解でき安心できたものだが、それだけギア数が多いということであり、その摩耗粉などで変速機内部の潤滑油が汚れていくであろうということは容易に推定つく。
そのような摩耗 粉 や、あるいは、変 速 機の製 造過程で侵入してしまうような異物が軸受内部に侵入すると、転動体の走る軌道面を簡単に傷つけ、早期に剥離に至ってしまうという事象が頻発した。この対策には初期の封入潤滑油だけを清浄にしても追いつかず、軸受 負荷 容量の設計 改善でしのぐしかなかった。
されど、周辺寸法の制約があり、大きい軸受サイズに変える程の寸法余裕はなく、どの軸受メーカーも苦労

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2）シールの挙動特性

3）油は通すが異物は通さないシール

異 物 油中でも機 能を果たせる材 料というのは、以上のシール性能は、軸受のどんな姿勢、どんなその当時はまだ完成していなかった。なので、とられた環境に対しても、ほぼ永続して発揮するようになって方法は、完璧なシールをめざすということであり、まさしくいなければならない。このため、数多くの様々な要素設計行為となった。このため、シールリップの挙動解析を行ない、もし、シールを付けなかったとしたら、解析は、軸シールメーカーも顔負けするくらいにすすんだ

計算寿 命の10 ～ 20%程 度で剥離してしまうようなように思われる。リップ先端の接触角度や接圧量の高濃度の異物環境下でも、計算寿命の5 ～ 10倍程度の解 析は正確な定量解 析にまでは至らなかったかも寿命を達成しうるシール構造として、軸受を構成する知れないが、シールリップ挙動の見える化には大きくことができるようになった。このシールを、MTシールと貢献した。軸受が軸方向に相対移動したときのシール名付けて販売している。

リップ接触変形の見える化の事例を図2に示す。この異物は、その硬さ、大きさ、形状、そして濃度により、ようなことから、リップ追随性という視点が設計初期解放型軸受の寿命に与える影響の程度は異なるが、段階から定着してきており、シール性能は格段に向上完成したこのMTシールは、これらの影響を受けることしてきている。

なく、軸受内部をクリーンな環境に保つことができ、軸受シールには、接触リップで密封機能を果たす

油は通すが異物は通さないシールとして広く認知されることの他に、密封内部の発生圧力の回避（ブリーザ機能に至っている。という）能力も持たさなければならない。この機能が不足すると、軸 受回 転 停止時に軸 受内部の発 熱による膨張空気が外へ逃げていき、常温に戻ったときには軸受内部の空気が不足しリップ接圧が異常に大きくなって、起動時の軸受トルクがとても大きくなってしまう（負圧現象という）。
これを回避するため、軸受シールには空気の流れを確保する溝（ブリーザという）が設けられるが、この溝形状、大きさ、位置が不適切になると、ここからも異物が侵入してきてしまう。NACHIでは、これらに適正値が存在することを確認しており、設計に反映することができている。

接圧 なし

接圧 最小

図2
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接圧 中間MTシールの接圧量によるリップ変形（6206サイズ相当）
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接圧 最大

4. 材料（Ma）での解決事例
1）対異物材料
前節では、車両内部に発生する異物により、軸受がそれに応じて適 正な焼 入れ 温 度が変わるわけで、想定外に短寿命になってしまうことの対策として、油は相当種類が評価され、量産安定性も考慮し、最終的に通すが異物は通さない、密封性能の優れた設計改善Cr3%とした経緯がある。当時の材料試作者は、10種類を行なった事 例を説 明した。異 物 油中 環 境 で の程度までに開発鋼種を絞りこみ、異物油中環境で効果長寿命化を、密封設計の改善により達成したのだが、検証を行なっている。その当時の、開発鋼種ごとの寿命接触シールを装着しているので、開放 型に比べて、試験結果を図3に示す。このような開発過程の中で、どうしても軸受トルクは大きくなってしまった。

当時の開発者は、ほとんど家にも帰ることはなかったと聞いている。頭の下がる思いがする。

MTシールの量産流動が始まってまもなく、今度は米国でCAFÉ（Corporate Average Fuel Economy）規制の動きが高まった。元々はオイルショックを契機にこうしてできたのがMT21という鋼種で、現在でも始まったものだが、各自動車メーカーに燃費規制が自動車分野以外にも多くご採用いただいている。MTの義務付けられた。

命名は、Multi Tough という人もいれば、当時の軸受

これを軸受の特性に置き換えると、転がり抵抗をおよび鋼材の事業部長であった、前川幹夫、竹内淳の小さくしなければならないということになる。これに伴い、頭文字を採ったという人もいる。21は21世紀につなぐ

ころ軸受は玉軸受に置き換えられ、接触シール付きという意味で、いずれにせよ当時の技術者の執念が軸受は開放型へと置き換えられていった。シールを成功へと導かせた材料だといえる。

使わない異物対策が必要になってきたことになる。
SUJ

NACHIでは材料部門を有しているので成分設計がSUJ＋浸炭窒化

MT21＋浸炭窒化

スラスト円盤試験
4,900Mpa
1,800rpm
異物量0.2gr/l可能であり、既存のSUJ2よりも耐異物に優れた材料を破損率（％）

成分設計段階から開発することになった。異物による当時の標準材SUJ2での早期寿命は、NACHIでの標準試 験では計算寿 命の20%程 度であったので、これを少なくとも計算寿命並みにまでもってくる、つまり、耐力を約5倍程度向上させる、というのが開発目標となった。

浸炭窒化熱処理MT21鋼種の成分は、絞りこまれた10種類の中から、性能と量 産性の両方を兼ねた最良品を選定している

異 物 圧 痕がつくと表面 塑 性 盛り上がりが 生じ、繰返数（n）

そこから亀裂が進展して短寿命に至ることが分かって
図3

くると、塑性盛り上がりの小さくなること、それでもできてしまったとしたら、そのクラックの進展を遅くすること、MT21候補鋼種（10種類）と既存鋼種とのスラスト円盤による異物油中耐久試験を狙いに、主にCr成分を増加し、耐熱性元素を追加し、さらには表面改質熱処理を取り入れて、これらの目標性能を多くの試行錯誤を経て達成することができた。
材料変化は要素機械部品としては変化点が大きいので、既存材料からの変化点を極力すくなくする成分設計がとられた。そのため、配合元素はほとんど変えずに、主に量の適正化を図るようにし、とくにCrの量については、

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2）真空溶解材
材料による問題解決とはいえ成分設計、つまり、この素 材で作られたJC9は 格 段に寿 命 向 上し、単に材料設計ではないかと、いわれる方もいると思う。

他の軸受メーカーの軸受よりも圧倒的に寿命向上した。

されど、NACHIには設計ではなくて、純粋に材料特性

そのため、当時の国鉄からは、全てのころをNACHIでだけで問題を解決した事例がある。それは、1964年製造するよう申し入れがあったと聞いている。それを開業の0系新幹線の車軸に使われていたJC9というお断りして、真空溶解法の技術を広く開示したことが、円筒ころ軸受のころの材料改善であり、業界では有名な軸受各 社の新 幹 線車 軸 軸受の寿 命向上に大きく話になっている。

貢献したと聞いている。当時を経験された旧国鉄の方からは、今でも感謝の念をいただくことがある。

開業当時のJC9のころは数万キロ走行で剥離に至り、軸受交 換の頻 度がとても高く、営 業 運転に大きい

あまりにも寿命向上したため、当時の国鉄からは支障が出ていた。この改善に軸受各社がとり組んだが、どこまで寿命が延びるのか試したいといわれ、途中でNACHIでは、今日では重要部品への適用は当然に破損すると事故になるからと、当時のNACHI幹部はなっている真空溶解材の適用を考えた。材料清浄度を使用中止を申し入れたそうだが、100万キロ走っても向上することにより信頼性向上を図れることは、そ剥離に至らず、やっとそこで交換してもらえた、と聞いの当時 の 航 空 機 軸 受 のとり組 みから分 かっておている。

り、また材料製鋼部門を自社内に有していたことか溶解法の改善に過ぎないといえばそれまでだが、ら、当時は当然だった大気溶解材を、電極代わりにし当時の材料技術の優れた知見があったこと、材料部門をて再度、真空環境で再溶解する方法（VAR;Vacuum

有していたNACHIだからこそなしえた功績だと考えてArc Remelting）をとった。このことにより、ころの材料いる。

清浄度を各段に改善することができた。適用先であった
車軸軸受JC9の軸受断面図を図4に示す。

ころの端面には、真空溶解剤であることを示すインデックスグルーブがつけられていました

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JB4JC90系新幹線ではレール曲線レール走行時のスラスト受け専用軸受（JB4）が設けられていました

図4

NACHI TECHNICAL REPORT Vol. 41 A20系新幹線車軸の軸受断面図

66φ280210φ130φ125φ26055

5. おわりにここで記したLuDeMaによる改善は、ほとんどが最後の0系新幹線車 軸軸受の功績はあまりにも諸先輩方ないしは協力会社の方々の不断の努力の有名で、軸受解析技術、文献に造詣の深かった、当時の為せる結果だと考えている。ここに、その謝意を述べると

軸 受 技 術 責任 者の 矢 野 勝 雄の発 案によるものと同時に、その方たちの貢献であったことを、尊敬の念を聞いている。非線形の偏微分方程式でも難なく解析もって記しておきたいと思う。

される方で、当時の技術者は誰しも、多くを教わり、尊敬の念を込めて先生と呼んでいた。
NACHIには矢野がいる、白層剥離のLuによる改善は、ENEOS、当時は日本という言葉は業界にもあったらしく、多くの知見を有さ石油であったが、その中央研究所にいらした木下広嗣れていた方だった。その矢野先生が材料部門の同じくさんたちとの協同成果に負うている。NACHIでの技術責任者だった川原蕃（親分肌の方で、蕃（バン）さん、技術改善は、現在も現役の東一夫が担当していた。と呼ばれていた）に、真空溶解のことを伝えられたようで、これ以降は、白層に影響を与える拡散性水素の特定

蕃さんの知り合いのいらっしゃった神戸製鋼のコンセルなどに進展していき、対策の妥当性が確認でき、白層アーク溶解炉を使って、ころ素材を造られたと聞いて剥離に対してさらなるグリース改善へとすすんだが、いる。

とり組みはここからスタートしている。
いずれの技術改善も、優れた技術屋さんが智慧をMTシールと名付けた異物油中接触シールの改善は、絞り、協力しあって成し遂げた成果だと思っている。

当時の軸受技術責任者であった中川修とその配下の残された我々は、その苦労の汗の一滴でも見習わな竹内登志久の設計改善によるもので、変速機の実車ければならない。そうすることが、唯一の恩返しになる、模擬した多くの試験により効果検証がされている。また、そのように思えてくる。

MT21特殊材料は、当時の材料部門の今庄愈正による

NACHIの在る富山県は、越中、越の国で、万葉集数多くの試作、実験検証に負うところが大きく、開発されたには越の文字は、高い志「高志」とも書かれている。

特殊材料を不動のものにしてくれた。今日では、解放型のこれまでに 在 籍した、そして今でもいる多くの低トルク軸受化に、寿命補填する技術として欠かせない技術屋が、協力してなしえてきた、きている技術改善の材料として認知されてきている。このようなことから、

一 例を、LuDeMaの視点でまとめてみた。NACHI

燃費改善のための自動車軸受材料として、多くの自動車技術員たちの高志をご理解いただければ嬉しく思う。

メーカーにご採用いただいている。

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