JP2000337386A

JP2000337386A - セラミックス製転動体用素材とその製造方法及びこれを用いた転動体

Info

Publication number: JP2000337386A
Application number: JP11150972A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Tsurumaru; 尚文鶴丸
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2000-12-05

Abstract

(57)【要約】【課題】セラミックス製のベアリングボール等の転動体
は、長時間使用すると外表面に沿ってリング状の摩耗が
発生する。【解決手段】球状部１ａの表面に帯状部１ｂを有するセ
ラミックス製転動体用素材であって、帯状部１ｂは幅が
０．１ｍｍ以上、かつ球状部１ａの直径の１／２以下で
あり、上記帯状部側面から球状部までの高さを０．０５
ｍｍ以上とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ボールベアリング
等に用いるセラミックス製転動体用の素材とその製造方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ボールベアリング材料としては、
鉄やステンレスのような耐摩耗性良好な金属材料が使用
されてきた。加工のし易さと価格の安さから大きなもの
は船舶や車両用のベアリングから、最近では、フロッピ
ーデイスクドライブのベアリング用と多岐に亘って使用
されている。しかしながら、これらの材料は大きな応力
がかかる部位や腐食性雰囲気や高温下では、耐久性の問
題で使用することができなかった。

【０００３】そこで、近年、このような厳しい環境下で
使用できるベアリング材料として、セラミックスが使用
されるようになった。中でも、耐熱性に優れ、高強度で
耐摩耗性が良好な窒化珪素セラミックスが特に注目さ
れ、ベアリングの転動体であるボールやローラー等に使
用されている。

【０００４】前述のように、セラミックス製ボールベア
リングとしての要求特性は、高強度かつ耐摩耗性良好な
ことであるが、そのためには、結晶粒径が小さく緻密質
なセラミックスとする必要がある。しかし、セラミック
スを普通に焼成しただけでは内部に気泡が残ってしま
い、期待通りの性能が得られなかった。

【０００５】緻密なセラミックスの製法として、従来は
ホットプレスが使用されていた。まず、セラミックスを
図５に示すような円柱状体５にプレス成形し、それをカ
ーボン等の型の中に挿入し、上下方向に加圧しながら焼
成することにより緻密質なセラミックスを得てこれを球
状に加工してボールベアリングとしていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ホットプレス
のような一軸加圧により成形焼成した円柱形状体もしく
は立方体形状体から加工したベアリングボールは、長時
間使用すると図４に示すようにベアリングボール４の外
表面に沿ってリング状の摩耗２１が発生することが分か
った。そのため、特に静寂性が必要な部品、たとえばＨ
ＤＤ（ハードディスクドライブ）用ベアリング等では前
記リング状の摩耗２１による騒音や振動が問題になると
いう第一の課題があった。

【０００７】これは、ホットプレスのような一軸加圧に
より成形加圧した円柱形状体もしくは立方体形状体から
加工したベアリングボール４は、プレス面に対し直角方
向中央面が圧力中立面となり顆粒の潰れが悪くなるため
である。圧縮破壊試験、硬度評価等による材質の異方性
は見られないが、摩耗に対し圧力中立面は弱くなるの
で、この付近にリング状の摩耗２１が発生するものと考
えられる。

【０００８】また、ボールベアリングを得るために、例
えば図５に示すような円柱状体５にプレス成形し、その
後ホットプレスにより成形焼成された後、バレル等の手
段により球形に近い形状まで角を潰し球形状に加工する
ため、加工代が多く研磨加工に手間がかかるという第二
の課題があった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者は、第
一の課題の解決手段として、球状部表面に帯状部を有す
るセラミックス転動体用素材であって、帯状部は幅が
０．１ｍｍ以上、かつ球状部の直径の１／２以下であ
り、上記帯状部側面から球状部表面までの高さを０．０
５ｍｍ以上としたことを特徴とする。

【００１０】また、上記セラミックス製転動体用素材の
製造方法として、加圧面中央部に略球形の凹部を有しそ
の周囲に０．５ｍｍ以上の幅の平坦部を有する上下パン
チと、これらの上下パンチを収納するウスによって形成
される空間にセラミック原料を充填しプレス成形するこ
とによって、球状部の表面に帯状部を有するセラミック
ス成形体を形成し、焼成することを特徴とする。

【００１１】このように、上下のパンチのプレス面に球
状部を形成し、最終製品形状に近いニアネット成形とす
ることによって、成形体の外周面の顆粒潰れが向上し、
周方向に発生する摩耗を抑制できる。また、このような
ニアネット成形により、加工する部分の容積を減らすこ
とが可能となるので、第二の課題についても改善でき
る。

【００１２】また、上記プレス成形の際に、転動体用素
材の帯状部側面から球状部表面までの高さが０．０５ｍ
ｍ以上でなければ、金型の製作、取扱が困難となる。こ
れ以上小さくすると、成型時の摩耗や、成形した生成形
体の脱型の際に破損したり、取扱時の不注意で金型が欠
けてしまう等の問題が発生し易くなる。

【００１３】さらに本発明は、プレス成形後に、冷間等
方性加圧成形（ＣＩＰ）を行った後、焼成し、さらに熱
間等方性加圧（ＨＩＰ）処理することを特徴とする。

【００１４】この方法では、等方的に加圧するため、外
周面全体が加圧面となり圧力中立面が表面に存在しない
ので、リング状の摩耗が発生しなくなる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を説明す
る。

【００１６】図１に示すように、本発明のセラミックス
製転動体用素材１は最終製品の球面に倣った球状部１ａ
の表面に帯状部１ｂを有する形状である。

【００１７】帯状部１ｂは、幅ｈが０．１ｍｍ以上、か
つ球状部１の直径ｄの１／２以下であり、さらに帯状部
１ｂの側面から球状部１ａ表面までの高さｊが０．０５
ｍｍ以上としてある。

【００１８】このような素材１を作製するには、図２に
示したような金型を用いてプレス成形を行う。上パンチ
２は、加圧面中央部が略球形の凹面２ａとなっておりそ
の外周部に０．５ｍｍ以上の幅を持つ平坦部２ｂを有す
しており、下パンチ３も同じ形状となっている。

【００１９】ダイス２０と下パンチ３で形成される空間
に原料粉末を充填した後、上パンチ２と下パンチ３を
０．２〜０．６ｔｏｎ／ｃｍ²の圧力で加圧することに
より、図１に示すように帯状部１ｂを有する成形体を得
る。その後、冷間等方加圧成形（ＣＩＰ）を施したのち
焼成し、さらに熱間等方加圧処理（ＨＩＰ）を施してセ
ラミック転動体用素材１とする。

【００２０】この素材１にて、帯状部１ｂの幅ｈが０．
１ｍｍ以下ではプレス成形時に上パンチ２と下パンチ３
の干渉によりこれらの上下パンチ自身の破損が発生して
成形が困難となる。また、帯状部１ｂの幅ｈがｄ／２を
超えるとスラスト耐久試験において、外周にリング状の
摩耗が発生する。したがって、帯状部１ｂの幅ｈは０．
１ｍｍ以上、ｄ／２以下である必要がある。

【００２１】また、帯状部１ｂの側面から球状部１ａま
での高さｊが０．０５ｍｍ未満では上パンチ２の平坦部
２ｂが細くなりすぎて、金型の製作、取扱が困難であ
り、プレス成形時の上下パンチの摩耗や、脱型する際に
成形体に破損が発生する。そのため、帯状部１ｂの側面
から球状部１ａまでの高さｊは０．０５ｍｍ以上必要で
ある。

【００２２】このようにして得られた素材１は、表面を
研磨して帯状部１ｂを除去し球状体とすることにより、
転動体とする。この時、本発明では予め最終的な転動体
の形状に近いニアネット成形で素材１を形成してあるた
め、焼成後に削除する部分の容積を低減でき、加工費用
を抑え安価なベアリングボールとすることが可能とな
る。

【００２３】上記素材１を成すセラミックスとしては、
耐摩耗性の観点から窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア等
が使用可能である。

【００２４】このような素材１を窒化珪素質焼結体で製
造するには、主原料として平均粒径が０．２〜１．０μ
ｍのＳｉ₃Ｎ₄粉末９０〜９６重量％に対し、焼結助剤
としてＹ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃等の希土類酸化物を２〜５
重量％と、Ａｌ₂Ｏ₃を２〜５重量％の範囲でそれぞれ
添加し、さらにバインダーと溶媒を添加して回転ミルに
て混合粉砕したあと、スプレードライヤで造粒する。得
られた顆粒をプレス成形機を用い図２に示す金型に充填
し、０．２〜０．６ｔｏｎ／ｃｍ²の成形圧で加圧成形
する。その後、ＣＩＰ（冷間等方性加圧成形）により
０．６〜１．０ｔｏｎ／ｃｍ²で加圧した後、樹脂分を
加熱分解させ、１７５０℃〜１８５０℃程度の焼成温度
で焼成し、さらに１５００℃〜１８００℃程度の温度で
ＨＩＰ（熱間等方性加圧焼成）する。

【００２５】ところで、セラミックス製のベアリングボ
ールは、荷重３．９２ｋＮ、１２００ｒｐｍ、４００時
間のスラスト耐久試験にも耐え得るものでなければなら
ないことから、曲げ強度が８０ｋｇ／ｍｍ²以上で、か
つ破壊靭性値（Ｋ１ｃ）が６ＭＰａｍ^1/2以上、好まし
くは曲げ強度１００ｋｇ／ｍｍ²以上で、かつ破壊靭性
値が６．５ＭＰａｍ^1/2を有する窒化珪素質焼結体とす
ることが好ましい。

【００２６】即ち、焼結体曲げ強度が８０ｋｇ／ｍｍ²
未満では荷重３．９２ｋＮ、１２００ｒｐｍ、４００時
間に耐えられず剥離するからである。また、破壊靭性
（Ｋ１ｃ）が６ＭＰａｍ^1/2未満であると、十分な曲げ
強度を有していたとしても、摩耗が発生し、高速回転に
伴う応力によって摩耗が短期間で進展して破損してしま
うからである。その為、上記特性を有する窒化珪素質焼
結体でベアリングボールを形成すれば、剥離、摩耗の発
生しない高性能なベアリングボールを得ることができ
る。

【００２７】ただし、このような特性を有する窒化珪素
質焼結体を得るには、平均結晶粒子径が０．１μｍ〜１
０μｍで、かつアスペクト比３以上の窒化珪素粒子を６
０％以上含んだ窒化珪素質焼結体により形成することが
必要である。即ち、焼結体を構成する窒化珪素粒子の平
均結晶粒子径が１０μｍより大きくなると窒化珪素質焼
結体の破壊靭性（Ｋ_1c）および曲げ強度が大幅に低下す
るとともに、金型からの脱型において脱粒が発生し易
く、その跡には大きな凹部が形成され、上記凹部の周囲
で更に剥離が進むからである。また、平均結晶粒子径を
０．１μｍ未満とすることは製造上難しい。さらに、平
均粒径０．１μｍ以下の窒化珪素原料は反応性が高く、
大気中ですぐに吸湿して酸化するので、吸湿防止のため
の取り扱いが難しく、また、成形時の生密度が向上し難
くなるので好ましくない。

【００２８】また、上記平均粒子径、アスペクト比の測
定については、材料の破断面をＳＥＭ（走査型電子顕微
鏡）により３０００倍に拡大して撮影したＳＥＭ写真を
画像解析装置（ルーゼックス）で解析することにより求
めた。また、焼結体の組成は、ＩＣＰ発光分光分析によ
り求めた。

【００２９】炭化珪素を使用する場合は、例えば、主原
料として平均粒径０．２〜１．０μｍの炭化珪素粉末９
０〜９６重量％と、焼結助剤としてＢ₄Ｃを２〜４重量
％、Ａｌ₂Ｏ₃を２〜６重量％含有するものを使用する
ことが可能である。さらにバインダーと溶媒を添加して
回転ミルにて混合粉砕したあと、スプレードライヤで顆
粒状に造粒する。得られた顆粒を本発明に係る形状で設
計された金型２に充填したのちプレス成形機を用いて加
圧成形する。その後、ＣＩＰにより０．６〜１．０ｔｏ
ｎ／ｃｍ²で加圧した後、樹脂分を加熱分解させ、１８
５０℃〜１９５０℃程度の焼成温度で焼成する。また、
必要に応じて１８００℃〜１９００℃でさらにＨＩＰを
施しても構わない。

【００３０】ジルコニアを使用する場合、主原料として
平均粒径０．５〜１．０μｍのジルコニア９４〜９７モ
ル％と、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃のような希土類酸化物を
２．５〜６モル％混合して原料とする。さらに外部添加
でＡｌ₂Ｏ₃を０．５〜４重量％、ＳｉＯ₂を０．１〜
１重量％添加しても構わない。混合、造粒および成形工
程は、前記窒化珪素の場合と同様である。得られた球状
体１を、ＣＩＰにより０．６〜１．０ｔｏｎ／ｃｍ²で
加圧した後、樹脂分を加熱分解させ、更に１５００℃〜
１６５０℃程度の焼成温度で焼成する。必要に応じて、
さらに１４５０℃〜１６５０℃で１０００気圧の酸化雰
囲気中においてＨＩＰしても構わない。

【００３１】ジルコニアに関しては、上記組成の共沈原
料を使用しても構わない。共沈原料を使用する場合、焼
成温度は１４００℃〜１６００℃とすることが可能であ
る。より低い温度で焼成し、焼結体の結晶粒径を小さく
することにより、高強度のジルコニア磁器を得ることが
可能となる。

【００３２】ジルコニア分散アルミナを使用する場合、
アルミナ原料としては、平均粒径１μｍ以下の微粒原料
を用いることが好ましい。焼結助剤としては、０．３〜
１重量％のＭｇＯ、０．０５〜２重量％のＳｉＯ₂を添
加する。ＳｉＯ₂については、必ずしも添加しなくて構
わない。また、ジルコニアは、平均粒径２μｍ以下の５
〜２０体積％になるように添加する。これらの原料を混
合した後、前記窒化珪素ボールと同様の方法で加圧成形
・ＣＩＰし、１５００〜１６５０℃で焼成する。必要に
応じて、さらに１４５０℃〜１６００℃で１０００気圧
の酸化雰囲気中でＨＩＰしても構わない。

【００３３】

【実施例】主原料として平均粒径が０．５μｍのＳｉ₃
Ｎ₄粉末９０〜９６重量％に対し、他の助剤としてＹ₂
Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃等の希土類酸化物を２〜５重量％と、
Ａｌ₂Ｏ₃を２〜５重量％の範囲でそれぞれ添加し、さ
らにバインダーと溶媒を添加して回転ミルにて混合粉砕
したのち、スプレードライヤで造粒した。得られた造粒
粒をプレス成形機を用い、本発明に係る形状で設計され
た金型に充填加圧成形した。表１に示したように、帯状
部の幅ｈと球状部の直径ｄの比率が０．０５／１０〜７
／１０の範囲となるもの、および円柱状、立方体状の成
形体を製作した。

【００３４】但し、帯状部の幅ｈが０．１ｍｍ未満のも
の、および帯状部側面から球状部表面までの高さｊが
０．０５ｍｍ未満のものは金型が破損するので成形でき
なかった。

【００３５】こうしてできた成形体を０．８ｔｏｎ／ｃ
ｍ²の油圧式ＣＩＰ（冷間等方加圧装置）で加圧した
後、樹脂分を加熱分解させた。更に、脱脂後、１７５０
℃〜１８５０℃程度の焼成温度で焼成し、１５００℃〜
１８００℃程度の温度でＨＩＰした。こうして準備した
焼結体を研削、バレル加工により球形に仕上げてベアリ
ングボールとした。

【００３６】このベアリングボールを荷重３．９２ｋ
Ｎ、回転数１２００ｒｐｍ、潤滑剤としてスピンドルの
油浴を、相手材にＳＵＪ２の平板を、ボールの保持器と
しては黄銅を用いて、４００時間のスラスト耐久試験を
実施し、摩耗の発生状況を観察した。スラスト試験機の
概要を図４に示す。ＳＵＪ２製の平板３１上にある黄銅
製の保持器３２の穴部にベアリングボール３４を３個置
き、その上にＳＵＪ製内輪３３を乗せ、更に３９．２Ｎ
の荷重を掛け、１２００ｒｐｍにて転がり寿命試験を実
施した。潤滑はスピンドル油による浴油である。

【００３７】スラスト耐久試験の条件は、以下に示す通
りである。

【００３８】条件：荷重３．９２ｋＮ回転数１２００ｒｐｍ時間４００時間潤滑油浴（スピンドル油）相手材ＳＵＪ２平板保持器黄銅評価結果は、表１に示す通りである。その結果、帯状部
の幅ｈと球状部の直径ｄの比率が１／２を越えるもの
は、加圧方向に対して垂直な面にリング状の摩耗が発生
した。また、帯状部側面から球状部表面までの高さｊが
０．０５ｍｍ未満のＮｏ．６と帯状部の幅ｈが０．１ｍ
ｍ未満であるＮｏ．１、２は、成形圧を上げられないの
で成形できなかった。

【００３９】これに対し、本発明実施例である帯状部の
幅ｈと球状部の直径ｄの比率が１／２未満、帯状部の幅
ｈが０．１ｍｍ以上で、かつ帯状部側面から球状部まで
の高さｊが０．０５ｍｍ以上であるＮｏ．３〜５、７、
８は、摩耗の発生はなく、優れた結果を示した。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、球状部
の表面に帯状部を有するセラミックス製転動体用素材で
あって、プレス成形により成形され、帯状部は幅が０．
１ｍｍ以上、かつ球状部の直径の１／２以下であり、上
記帯状部側面から球状部表面までの高さが０．０５ｍｍ
以上であるセラミックス製転動体用素材を用いること
で、耐摩耗性の優れたセラミックス製転動体を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックス製転動体用素材を示す側
面図である。

【図２】本発明のセラミック製転動体用素材を製造する
ためのプレス成形用金型を示す断面図である。

【図３】スラスト耐久試験機の概略図である。

【図４】従来のセラミックス製ベアリングボールにおけ
る摩耗の形態を示す斜視図である。

【図５】従来のセラミックス製転動体用素材を示す斜視
図である。

【符号の説明】

１：素材１ａ：球状部１ｂ：円柱部２：上パンチ２ａ：凹部２ｂ：平坦部３：下パンチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】球状部の表面に帯状部を有するセラミック
ス製転動体用素材であって、上記帯状部は幅が０．１ｍ
ｍ以上、かつ球状部の直径の１／２以下であり、上記帯
状部側面から球状部表面までの高さが０．０５ｍｍ以上
であることを特徴とするセラミックス製転動体用素材。
【請求項２】加圧面中央部に略球形の凹部を有しその周
囲に０．５ｍｍ以上の幅の平坦部を有する上下パンチ
と、これらの上下パンチを収納するウスによって形成さ
れる空間にセラミック原料を充填しプレス成形すること
によって、球状部の表面に帯状部を有するセラミックス
成形体を形成し、焼成する工程からなるセラミックス製
転動体用素材の製造方法。
【請求項３】上記プレス成形後のセラミックス成形体に
冷間等方性加圧成形を施した後で焼成し、さらに熱間等
方性加圧処理することを特徴とする請求項２記載のセラ
ミックス製転動体用素材の製造方法。
【請求項４】請求項１記載のセラミックス製転動体用素
材における帯状部を研磨除去してなる転動体。