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高温下での金属軸受け材料について
- 内部温度が600℃の燃焼タンクの上部から出る内部攪拌用シャフトをガイドするための軸受け材料について教えてください。
- シャフト径が50mmで、シャフトとタンク壁面の材質はSUS304です。
- 高温環境で使用できる軸受け材料や表面処理についても教えてください。
- 金属
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ashiサンの設計品には対応しないと思いますが、 ちなみに小生知見による燃焼炉の構造としては、軸は横配置（水平）で軸径は１００１３０ｍｍ、長さ１５００ｍｍ、先端のファンはインコロイ外形１０００ｍｍ程、軸受けの位置は軸のほぼ中央とファンの反対端に設置、軸受けは６３系汎用性玉軸受け。断熱は基本的にはラビリンス方式で隙間は数ミリ、ハウジングは炉側３００ｍｍ位は断熱材、軸受けハウジングは冷却水が通るようにウオータージャケットとなります。炉内・外のシールは基本的に中央軸受けに封入する耐熱用グリースとなります。状況によって、熱はグリースにまで届くため、グリースが炭化する事もあります。がグリースの給脂を怠らなければ、５年以上持ちます。短いと半年かな？部品として高価なのは軸（ＳＵＳ３１０Ｓ）、ファン位です。 ただし、ashiサンにあるように高温度になる場所での軸受けはハウジング側には必ず冷却水を使用してると思います。場合によっては、軸側にも冷却水を通して、冷却する製品もあります。ユーティリティーが必要になりますが、世の中のこの手の装置（乾燥炉や焼却乾燥釜のような）ではそのほうが、汎用品の部品を使えるので、メンテ性も良いのではないかと考えます。熱膨張率を考慮して同じ材質にこだわる必要もありませんよ。
お礼
数々のアドバイス、本当にありがとうございます。 ６３系汎用性玉軸受けとは初めて聞いたので、調査してみます。 水冷に関しては、グランドパッキン付近の軸内部、ハウジング周囲は水冷構造になっています。ただ、今回の軸受け部分はタンク壁面に設けてあるため、常に600℃になっているため冷却効果がほとんどないと思われること、流量を増やすなどして冷却できたとしてもタンク内温度に影響が出ること（部分的に冷えると問題がある）の理由より水冷はできないと考えています。
フェライト系、マルテンサイト系と異なり、オーステナイト系は、オーステナイト組織自体が高温でも比較的高い強度を示します。 ですから一般的なSUS304でも、確かに常温と比べると低くなりますが、600℃程度でもそこそこの強度はあります。400℃までとのおすぎさんのご意見に対して、フェライト系やマルテンサイト系はそのとおりなのですが、オーステナイト系まで含めるのには、若干抵抗があります。 例として 下記を参照ください。
お礼
返信が遅くなりましたが、アドバイスありがとうございます。 貴重なデータ、ありがとうございます。高温時にこれほどまでに耐力が低下するとは考えていませんでした。早速設計に反映したいと思います。
構造図面がないのでなんともいえませんが、６００度の温度を直に受ける所に軸受けを設けることは、回避できないのでしょうか？鉄・非鉄系産業での燃焼炉では、内部はもっと高温度（千度前後）になりますが、内部循環ファンの軸受けにはその温度は伝わらない構造にしています（回転数は千回転／分ほど）。距離をとったり、断熱、ハウジングの冷却などにより、２００度以下とし、汎用性の軸受け（転がり軸受）を使用し、高温用グリースで潤滑するのが一般的かと思います。これが、低速回転（数十／分）ならば話は別で、「すべり軸受け」を使用すれば千度位でも使用できる物が汎用品でもあるはずです。ただし、定量的な判断（寿命保障）は使用条件や環境により異なるので、やってみないとわからないと思います。
補足
返信、遅くなりました。アドバイスありがとうございます。 早速ですが、数点の補足と質問をさせてください。 まず熱の回避についてですが、一般的な燃焼路ではどのように断熱しているのでしょうか。今回質問した軸受けはタンク壁面に設けるため熱源から距離をとったり断熱は難しいのですが、この軸受け部からモータ側（熱源から離れる方向）のシャフトではタンク内の負圧を維持するためにグランドパッキンでシールしており、このシール部に熱を伝えたくないため、熱源から距離をとる事やシャフトを途中でフランジ取り合いにして、セラミックスを挟み込むなどの断熱対策を検討しております。ただ、セラミックスは割れやすいので非常に難しいです。 次に汎用品の軸受けについてですが、まず回転数は20[rpm]と低速回転です。それで金属の耐熱仕様の軸受けも検討し、700℃まで使用できる金属のすべり軸受け材料（サーマロイといいます）があったのですが、SUS304と熱膨張率が異なることから、精度良く製作することができず、使用できませんでした。詳細として常温時の軸と軸受けの隙間が0.9mm、600℃でも0.4mmと非常に大きいのです。（それ以上隙間を小さくすると、熱膨張によりしまりバメになる可能性があるため、メーカとして保障できないようです。） できれば同じ回転軸と同じ材質であるSUS304に表面加工を施す事も検討しましたが、メッキや窒化は硬化層が剥離する可能性があるので採用しておりません。そのほか、砲金、銅などのやわらかい材料で精度良く作り、熱によって膨張しても削られてなじませる方法も乱暴ではありますが検討中です。
６００℃程度であれば、ＳＵＳ３０４でも持つように思いますが、安全を見るとＳＵＳ３１０Ｓ程度が無難なところでしょうか。腐食環境次第では、これでは不十分でＮｉ基合金までグレードＵＰしなければいけない可能性もあります。 高温かつ腐食環境というのはかなり複雑で、定性的にはどの材料の方が好ましいとは簡単にいえますが、定量的な判断はなかなか難しいところがあります。 心配であれば、材料メーカに直接、詳しく使用環境を伝えて議論（保証を求める？）してください。
お礼
返信、遅くなりました。アドバイスありがとうございます。 熱膨張による影響を考えると、シャフトと同じ材質であるSUS304を使用したいと考えております。 早速材料メーカにも問い合わせて見たいと思います。
お礼
返信が遅くなりましたが、アドバイスありがとうございます。 早速、アルミナイズα処理について調べてみました。耐熱温度は1160℃で、素材との合金層を表面に成形するらしく、懸念していたメッキ膜の剥離についても問題なさそうです。技術資料を取り寄せて、詳細の検討をしてみます。 ありがとうございました。