JP2001335363A

JP2001335363A - 軸受用材料およびその製造方法

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Publication number: JP2001335363A
Application number: JP2000151957A
Authority: JP
Inventors: Tsuneji Kameda; 常治亀田; Kazuyuki Kondo; 和行近藤; Isao Ikeda; 功池田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-05-23
Filing date: 2000-05-23
Publication date: 2001-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】金属の熱膨張率と同等として金属とのマッチン
グを改善して、一層の静粛性向上および精密制御性向上
を図った軸受用材料、および、転がり疲労による相転移
および摩耗を低減できる軸受用材料を得る。また、製造
コスト低減を図った軸受用材料の製造方法を得る。【解決手段】安定化剤としてＭｇＯ、またはＭｇＯを必
須としてＣａ、Ｔｉおよび希土類元素の酸化物の少なく
とも１種を加えて合計２〜１５ｍｏｌ％を含有した実質
的な酸化ジルコニウムが７０〜９９．９５ｖｏｌ％、Ｓ
ｉＣ、ＴｉＣ、ＭｏＣ、ＷＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、Ａｌ_２
Ｏ_３、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＺｎＯまたはＮｉＯの少なくと
も１種が０．０５〜３０ｖｏｌ％、その他の不純物が３
ｖｏｌ％以下からなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軸受用材料および
その製造方法に関するものであり、特に、運転時の高速
性、静粛性、精密制御性が要求される用途、さらに、高
温、腐食雰囲気における用途の軸受等に適用される軸受
用材料およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、軸受は主に工具鋼から製造されて
おり、種々の工業分野で活用されてきた。

【０００３】近年、セラミックスの軽量性および化学的
安定性に優れる長所を活用したセラミックスベアリング
等が開発されており、例えば、高速回転の軸受および腐
食雰囲気下の回転体軸受等に実用化されている。

【０００４】セラミックスの材質は、強度および靭性の
観点から、主として、信頼性の高い窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ
_４）が適用されている。

【０００５】窒化珪素セラミックスは、軽量および化学
的安定性の観点から、軸受への適用が有効な材料であ
り、例えば、高速回転する歯科用小型ドリルの軸受けに
適用されたり、化学プラントにおける腐食性溶液槽内の
転動体軸受に使用されている。

【０００６】また、最近のパーソナルコンピュータに組
み込まれるハードディスクドライブには、稼働時の振動
発生が少ない特性からボールへの適用が見込まれてい
る。さらに、将来に向けて、ハードディスクドライブの
性能向上に伴い、金属との熱膨張率マッチングの良いセ
ラミックス系材料が要求されるが、現在、このような軸
受材料を得られていないのが現状である。

【０００７】窒化珪素以外にも高強度および高靭性セラ
ミックスとして、部分安定化ジルコニアセラミックスな
どが挙げられる。

【０００８】強度に優れたジルコニア質焼結体として、
酸化アルミニウム添加ジルコニア質焼結体（Ｋ．Ｔｓｕ
ｋｕｍａ，Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．Ｂｕｌｌ．，
６４［２］，３１０−３１３（１９８５））などがあ
る。酸化アルミニウム添加ジルコニア質焼結体は、酸化
アルミニウムとジルコニアとを混合してＨＩＰして作製
される。また、ＳｉＣウィスカーとジルコニアとを混合
して加圧、成形および焼結してなるＳｉＣウィスカー／
ジルコニア質焼結体（Ｎ．Ｃｌａｕｓｓｅｎ，Ｊ．Ａ
ｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．，６９［４］，（１９８
６））などが報告されている。

【０００９】さらに、高硬度高強度セラミックスとし
て、特開平１−１８８４６７号公報には、単結晶のβ−
ＳｉＣ粒子を複合化したジルコニア質焼結体が掲載され
ており、また、特開昭６３−１２９０６６号公報には、
酸化ジルコニウム、酸化アルミニウムおよび酸化チタン
等が開示されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、軽量か
つ化学安定性を有するセラミックス材料を適用した場合
には、転がり疲労が生じたり、また、製造コストが高騰
していまうなどの問題を有しており、広範な範囲での適
用に至っていないといった問題を有していた。

【００１１】例えば、ジルコニア系材料を適用した場合
には、顕著な転がり疲労による相転移が問題となり、相
転移による体積変化が生じていた。

【００１２】また、特に、サーメット系材料では摩耗が
生じてしまうなどの問題を有していた。

【００１３】さらに、製造方法に起因して原料価格等が
高価となっていたこと等から、製造コストが上昇してし
まうという問題を有していた。

【００１４】本発明は、これらの問題を解決するために
なされたものであり、金属との熱膨張率を同等として金
属とのマッチングを改善して、一層の静粛性向上および
精密制御性向上を図った軸受用材料を提供することを目
的とする。

【００１５】また、ジルコニア系材料で顕著な転がり疲
労による相転移の問題、サーメット系材料で認められる
摩耗の問題を解決する軸受用材料を提供することを目的
とする。

【００１６】さらに、製造方法に起因した高価な原料価
格等を低減させて、製造コストの低減を図った軸受用材
料の製造方法を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上述した
問題を解決するため種々研究を行った結果、本発明に至
ったものである。

【００１８】すなわち、請求項１記載の軸受用材料は、
安定化剤としてＭｇＯ、またはＭｇＯを必須としてＣ
ａ、Ｔｉおよび希土類元素の酸化物の少なくとも１種を
加えて合計２〜１５ｍｏｌ％を含有した実質的な酸化ジ
ルコニウムが７０〜９９．９５ｖｏｌ％、ＳｉＣ、Ｔｉ
Ｃ、ＭｏＣ、ＷＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｍｇ
Ａｌ_２Ｏ_４、ＺｎＯまたはＮｉＯの少なくとも１種が
０．０５〜３０ｖｏｌ％、その他の不純物が３ｖｏｌ％
以下からなることを特徴とする。

【００１９】本発明において、添加する粒子の量が少な
すぎると高強度化に必要なマトリックス粒子の粒成長抑
制効果が無くなり、一方、添加粒子の量が多いと焼結性
を低下させるので、本発明の添加量範囲とすることが好
ましい。本発明のように、焼結体の体積率を規定するこ
とにより、長期の使用に安定なジルコニア焼結体が得ら
れ、転がり疲労による相転移を防止して、疲労寿命を大
幅に向上することができる。

【００２０】請求項２記載の発明は、請求項１記載の軸
受用材料において、安定化剤を含有した実質的な酸化ジ
ルコニウムの焼結体粒径が、３０μｍ以下であることを
特徴とする。

【００２１】請求項１記載の体積率とし、また、本発明
のように添加粒子径を規定することにより、マトリック
ス粒子の粒成長が抑制され微細で緻密な微構造が得られ
ることから、高強度化が達成され軸受用材料として好適
となる。主に、ＭｇＯを安定化剤とした部分安定化ジル
コニアでは、一般に立方晶中に析出したレンズ形状の正
方晶粒子が応力誘起変態するため、高靭性化および高強
度化が達成されている。この正方晶粒子径が小さくなる
と、誘起変態に対してより安定となる。

【００２２】高強度ジルコニア基焼結体は、粒径が３０
μｍ以下に成長が抑制されており、同時に正方晶粒子も
安定化の傾向にあるので、高靭性化のために、適切な焼
結後熱処理等を施すことで含有結晶相比率を適正化する
必要がある。

【００２３】また、粒子の微細化に起因して正方晶が安
定化される傾向のため転がり疲労に対する相転移安定性
にも優れる。さらに熱的特性は、２０〜５００℃におけ
る平均熱膨張係数が８．２×１０^−６Ｋ^−１以上を示
す。

【００２４】なお、本発明では、酸化ジルコニウムの焼
結体粒径を規定しているが、焼結体中のＳｉＣ、Ｔｉ
Ｃ、ＭｏＣ、ＷＣ、ＺｒＣまたはＨｆＣの粒径は５μｍ
以下で、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＺｎＯまたはＮｉＯの粒径は
２μｍ以下である。また、安定化剤を含有した実質的な
酸化ジルコニウムマトリックス部分の焼結体粒界層に
は、ＭｇおよびＳｉの複合酸化物ガラス相が存在してい
る。

【００２５】請求項３記載の軸受用材料は、安定化剤と
してＹ_２Ｏ_３、またはＹ_２Ｏ_３を必須としてＣａ、Ｔｉ
および希土類元素の酸化物の少なくとも１種を加えて合
計２〜１５ｍｏｌ％を含有した実質的な酸化ジルコニウ
ムが７０〜９９．９５ｖｏｌ％、ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ｍｏ
Ｃ、ＷＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＡｌ_２Ｏ
_４、ＺｎＯまたはＮｉＯの少なくとも１種が０．０５〜
３０ｖｏｌ％、その他の不純物が３ｖｏｌ％以下からな
ることを特徴とする。

【００２６】本発明において、安定化剤としてＭｇＯの
代わりにＹ_２Ｏ_３を添加しても良く、Ｙ_２Ｏ_３を添加し
た場合には、本発明のように体積率を規定することによ
り、疲労寿命を大幅に向上させることができる。

【００２７】請求項４記載の発明は、請求項３記載の軸
受用材料において、安定化剤を含有した実質的な酸化ジ
ルコニウムの焼結体粒径が、２μｍ以下であることを特
徴とする。

【００２８】本発明において、酸化ジルコニウムの焼結
体粒径を規定しているが、焼結体中のＳｉＣ、ＴｉＣ、
ＭｏＣ、ＷＣ、ＺｒＣまたはＨｆＣの粒径は１μｍ以
下、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＺｎＯまたはＮｉＯの粒径は２μ
ｍ以下である。

【００２９】請求項５記載の発明は、請求項１または３
記載の軸受用材料において、室温３点曲げ強度が８００
ＭＰａ以上、インデンテーションフラクチャー（ＩＦ）
法による破壊靭性値が６．０ＭＰａ√ｍ以上、ビッカー
ス硬度が１１００以上、弾性率が２００ＧＰａ以上であ
ることを特徴とする。

【００３０】請求項１または３記載の酸化ジルコニウム
を主成分としたセラミックス焼結体を軸受用材料として
適用した場合、不純物として含有する成分には、Ｓｉ、
ＴｉおよびＦｅの酸化物を含む。また、ＳｉＣ粒子を含
有する場合には、その結晶構造がα型である。さらに、
押し棒式測定法により計測した室温から５００℃におけ
る平均熱膨張係数は、８．２×１０^−６Ｋ^−１以上であ
る。

【００３１】また、請求項１または３記載の焼結体を適
用した軸受用材料は、ベアリングレース材との０〜２０
０℃における平均熱膨張係数の差が、１×１０^−６Ｋ
^−１以内である。

【００３２】請求項６記載の軸受用材料は、ＴｉＣ、Ｚ
ｒＣ、Ｃｒ_３Ｃ_２、ＮｂＣ、ＴｉＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、Ｚ
ｒＮまたはＷＣの中から選ばれた１種以上のセラミック
スを１５〜９０ｗｔ％、Ｎｉ、ＣｏまたはＭｏから選ば
れる１種以上の金属を１０〜８５ｗｔ％含むことを特徴
とする。

【００３３】本発明においては、セラミックス材料と金
属材料とを規定しているが、この他にも、不純物を１０
ｗｔ％以下含んでもよい。

【００３４】本発明のようなセラミックス材料および金
属を組みあわせ、かつ、組成範囲を規定することによ
り、主に、相手構造部材として多く用いられる鉄系合金
に対して摺動摩耗特性に優れ、硬さおよび熱膨張特性を
同等とした軸受用材料を得ることができる。

【００３５】なお、サーメット材料において、平均粒径
０．１〜１５μｍのＴｉＣ粒子を２０〜６０ｗｔ％と、
ＮｉおよびＭｏ金属４０〜８０ｗｔ％と、不純物１０ｗ
ｔ％以下とすると良い。このようなＴｉＣ−Ｎｉ−Ｍｏ
系サーメット材料では、後述するように、主に真空中お
よび不活性ガス中の常圧焼結により焼結することが可能
であることから、製造コストを低減できる等の利点を有
する。

【００３６】請求項７記載の発明は、請求項６記載の軸
受用材料において、ＴｉＣ、ＺｒＣ、Ｃｒ_３Ｃ_２、Ｎｂ
Ｃ、ＴｉＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、ＺｒＮまたはＷＣから選ば
れた１種以上のセラミックス粒子の平均粒径が、０．１
〜１５μｍであることを特徴とする。

【００３７】本発明において、セラミックス粒子の平均
粒径を０．１〜１５μｍの範囲とすることにより、より
好ましい摺動摩耗特性を発現できる。セラミックス粒子
のサイズが小さいと、金属相との結合相厚みの割合が大
きくなるが、金属相との結合相厚みの割合があまりにも
大きいと、強度および靭性が低くなり問題が生じる。ま
た逆に、セラミックス粒子のサイズが大きすぎると、粗
大なポアや粗大化粒子のような欠陥を含みやすくなり、
強度および靭性が低くなるといった問題があることか
ら、本発明において、セラミックス粒子の粒子径を規定
した。

【００３８】請求項８記載の発明は、請求項６記載の軸
受用材料において、室温３点曲げ強度が９００ＭＰａな
いし１８００ＭＰａ、ビッカース硬度が１０００ないし
１４００、弾性率が１５０ＧＰａ以上であることを特徴
とする。

【００３９】本発明において、室温３点曲げ強度はＪＩ
Ｓ−Ｒ１６０１により測定したものである。また、押し
棒式測定法により計測した室温から５００℃における平
均熱膨張係数は７．５×１０^−６Ｋ^−１から１１．０×
１０^−６Ｋ^−１であり、ベアリングレース材との０〜２
００℃における平均熱膨張係数の差は、１×１０^−６Ｋ
^−１以内である。

【００４０】請求項９記載の軸受用材料の製造方法は、
分散粒子、安定化剤またはその他の添加材と、マトリッ
クス成分となる粉末とを混合して原料を得る原料混合工
程と、真空中、Ｎ_２中、不活性雰囲気中またはＯ_２中の
いずれかの環境下において、常圧焼結、ＨＩＰ（等方加
圧焼結）、または常圧焼結とＨＩＰとの組合わせにおい
て焼結を行う焼結工程と、を有することを特徴とする。

【００４１】焼結方法としては、常圧焼結を行った後、
ＨＩＰ（等方加圧焼結）を行い焼結することができる。
ちなみに、添加分散粒子は、焼結工程で、雰囲気ガス、
マトリックス、および／または添加成分の反応が生じ、
所定の分散粒子の形態を形成する反応焼結のプロセスで
形成することも可能である。さらに、主に高靭性化のた
めに、所定条件における焼結後の熱処理を行う必要があ
る。また、この熱処理をＨＩＰプロセスと兼ねて実施す
ることも可能である。さらに、熱処理は、焼結体製品の
粗加工後、または仕上げ加工後に実施することも可能で
ある。

【００４２】例えば、ＴｉＣ−Ｎｉ−Ｍｏ系サーメット
材料では、主に真空中および不活性ガス中の常圧焼結に
より焼結することが可能であることから、製造コストを
大幅に低減することができる。

【００４３】ここで得られたＴｉＣ−Ｎｉ−Ｍｏ系サー
メットは、従来の同材料系サーメットに対し、比較的大
きな５μｍサイズのポアを内在するものである。このポ
アは、摺動使用時の主に潤滑剤だまりとなるため好まし
いものである。また、この組織に起因して、従来材に比
較して低硬度となり、この点も摺動特性に優れる要因と
なる。

【００４４】さらに、ここに規定するＴｉＣ−Ｎｉ−Ｍ
ｏ系サーメットは、室温における３点曲げ強度が９００
ＭＰａから１８００ＭＰａ、１ｋｇの荷重で測定したビ
ッカース硬度が１０００から１４００、０〜２００℃に
おける平均膨張係数が７．５×１０^−６Ｋ^−１から１
１．０×１０^−６Ｋ^−１である。本特性の範囲で鉄系金
属との組み合わせにおいて優れた摺動特性が得られると
ともに、熱膨張率が金属と同等であり、鉄系金属とのマ
ッチングが良い。特に、摺動相手部品とのクリアランス
制御が重要な軸受用材料として好適である。

【００４５】本発明によれば、ＨＩＰ処理前の常圧焼結
体の密度が理論密度の９０％以上であり、カプセル法に
よらずにＨＩＰ処理による緻密化が可能である。このＨ
ＩＰにより焼結する場合、ＨＩＰの保持温度および時間
は、１６００〜１８００℃の温度で０．２時間ないし８
時間の範囲とし、ＨＩＰの加圧保持圧力を１０〜５００
ＭＰａとすると良い。また、不活性雰囲気としては、Ａ
ｒまたはＨｅの不活性ガスを適用すると良い。

【００４６】なお、本発明において、成形方法は、一般
の粉末成形方法を適用することができ、調合粉末の金型
プレス成形および／またはＣＩＰ（等方加圧成形）、押
し出し成形、スリップキャスト成形または射出成形から
選定される方法を適用することができる。

【００４７】請求項１０記載の発明は、請求項９記載の
軸受用材料の製造方法において、１６００℃ないし１８
００℃の温度範囲で、０．２時間ないし８時間の範囲内
で常圧焼結を行うことを特徴とする。

【００４８】請求項１１記載の発明は、請求項９記載の
軸受用材料の製造方法において、原料混合工程は、分散
粒子、安定化剤またはその他の添加材と、マトリックス
成分となる粉末とを湿式混合法または乾式の攪拌混合法
により混合することを特徴とする。

【００４９】分散粒子および安定化剤の添加方法は、マ
トリックス成分となる粉末との湿式混合、または超高速
撹拌を基本にした乾式法で十分に可能である。

【００５０】例えば、上述したサーメット材料を適用し
た軸受用材料を製造するには、粉末原料を混合し、プレ
ス成形後、真空中、Ｎ_２中、Ｈｅ・Ａｒの不活性ガス雰
囲気中のいずれかにおいて、常圧焼結、ホットプレス焼
結、ＨＩＰ（等方加圧焼結）、または常圧焼結とＨＩＰ
との組み合わせのいずれかの方法を用いて焼結させるこ
とで製造できる。このため、従来超硬工具材料において
主に実施されてきた真空中でのホットプレス焼結、ＨＩ
Ｐ焼結に限定する必要はない。

【００５１】さらに、工業用構造部材として重要な側面
である材料コスト、および資源量を考慮すると、セラミ
ックス粒子としてＴｉＣを、金属としてＮｉを、基材と
してＭｏを添加した合金を選定することが好ましい。

【００５２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の軸受用材料および
その製造方法について、図１、図２および表１〜表４を
用いて説明する。

【００５３】第１実施形態（図１、表１〜表２）本実施形態においては、ジルコニア（ＺｒＯ_２）を主成
分とした軸受用材料およびその製造方法について説明す
る。

【００５４】図１は、軸受用材料として適用されるセラ
ミックス焼結体の製造工程の概略を説明する流れ図であ
る。

【００５５】図１に示すように、まず、原料１を湿式ま
たは乾式で混合２した後、仮成形３およびＣＩＰ（等方
加圧成形）４する。その後、常圧焼結５を行い、選定す
る材料に応じてＨＩＰ６および熱処理７を行う。このよ
うな手順により、以下に示す実施例１ないし実施例５、
比較例１ないし比較例５の軸受用材料を作製した。

【００５６】実施例１本実施例では、第２添加粒子として平均粒径１．０μｍ
のＳｉＣ粉末を５ｖｏｌ％となるように添加し、残部を
安定化剤であるＭｇＯを１０ｍｏｌ％含有させたジルコ
ニア粉末（Ｚ−ＴＥＣＨ製）とした原料粉末を用いた。

【００５７】原料粉末の混合および粉砕は、ジルコニア
ボールを用いたボールミル中でエタノールを溶媒として
湿式で行った。その後乾燥させて粉末を通篩し、５００
ｋｇ／ｃｍ^２で予備金型成形した後、２ｔｏｎ／ｃｍ^２
のＣＩＰで本加圧成形を行った。

【００５８】成形後、Ａｒ雰囲気中、１７００℃の温度
で５時間保持して常圧焼結を行い、その後、Ａｒ雰囲気
で９８ＭＰａの加圧雰囲気下、１７００℃の温度で２時
間保持してＨＩＰを行った。さらに、Ａｒ雰囲気中、１
０００℃の温度で１６時間保持して熱処理を行い焼結体
を得た。

【００５９】実施例２本実施例では、表１に示すように、第２添加粒子として
平均粒径０．８μｍのＭｇＡｌ_２Ｏ_４粉末を１０ｖｏｌ
％となるように添加し、残部をＭｇＯ含有量１０ｍｏｌ
％のジルコニア粉末（Ｚ−ＴＥＣＨ製）とした原料粉末
を用いた。また、焼結、ＨＩＰおよび熱処理のプロセス
条件は、表１に示すように、大気雰囲気中、１７００℃
の温度で４時間保持して常圧焼結した後、Ａｒ雰囲気で
９８ＭＰａ加圧雰囲気中、１７００℃の温度で２時間保
持してＨＩＰし、さらに大気雰囲気中、１０００℃の温
度で８時間保持して熱処理を行い焼結体を得た。その他
の詳細な製造条件は、実施例１と同様とした。

【００６０】実施例３本実施例では、原料粉末に第２添加粒子としてＹ_２Ｏ_３
を３ｍｏｌ％含有する共沈法により作製したジルコニア
粉末（東ソー製）を用いた。焼結、ＨＩＰおよび熱処理
のプロセス条件は、表１に示すように、Ａｒ雰囲気中、
１５５０℃の温度で２時間保持して常圧焼結し、その
後、Ａｒ雰囲気で９８ＭＰａ加圧雰囲気中、１５５０℃
の温度で２時間保持し、ＨＩＰにより焼結体を得た。そ
の他の詳細な製造条件は、実施例１と同様とした。

【００６１】実施例４本実施例では、原料粉末に第２添加粒子としてＹ_２Ｏ_３
を３ｍｏｌ％含有する共沈法により作製したジルコニア
粉末（東ソー製）を用いた。焼結、ＨＩＰおよび熱処理
のプロセス条件は、表１に示すように、Ａｒ雰囲気中、
１５５０℃の温度で２時間保持して常圧焼結し、その
後、Ａｒ雰囲気で、９８ＭＰａ加圧雰囲気中１５５０℃
の温度で２時間保持してＨＩＰし、焼結体を得た。その
他の詳細な製造条件は、実施例２と同様とした。

【００６２】実施例５本実施例では、熱処理条件を、Ａｒ雰囲気中、１１００
℃の温度で８時間保持した以外は、実施例１と同様とし
た。

【００６３】比較例１本比較例では、第２添加粒子を添加せず、ＭｇＯ含有量
１０ｍｏｌ％のジルコニア粉末（Ｚ−ＴＥＣＨ製）とし
た原料粉末を用い、大気雰囲気中、１６５０℃の温度で
５時間保持して常圧焼結を行った。その他の詳細な製造
条件は、実施例１と同様とした。

【００６４】比較例２実施例２に示す焼結体は、焼結条件を大気雰囲気中１６
５０℃で５時間保持の条件で常圧焼結を行った後、Ａｒ
雰囲気で９８ＭＰａ加圧雰囲気下、１６５０℃で２時間
保持してＨＩＰしたものである。その他の詳細な製造条
件は、比較例１と同様とした。

【００６５】比較例３本比較例では、原料粉末に第２添加粒子としてＹ_２Ｏ_３
を３ｍｏｌ％含有する共沈法により作製したジルコニア
粉末（東ソー製）を用い、Ａｒ雰囲気中、１５５０℃の
温度で２時間保持して常圧焼結を行った。その他の詳細
な製造条件は、実施例１と同様とした。

【００６６】比較例４本比較例では、焼結条件を大気雰囲気中、１５５０℃の
温度で２時間保持して常圧焼結を行った後、Ａｒ雰囲気
で９８ＭＰａ加圧雰囲気下、１５５０℃の温度で２時間
保持してＨＩＰを行ったものである。その他の詳細な製
造条件は、比較例１と同様とした。

【００６７】比較例５本比較例では、第２添加粒子として添加されるＳｉＣの
粒径を７．５μｍとした。その他の詳細な製造条件は、
実施例１と同様とした。

【００６８】上述した実施例１〜実施例５および比較例
１〜比較例５により得られた各種焼結体の密度をアルキ
メデス法で評価し、研削加工により各種試験片に加工し
て、焼結体の特性を調査した。なお、研削加工の仕上げ
は＃４００ダイアモンド砥石研削とした。さらに、砥石
研削後、ダイアモンドペーストを用いたバフ研磨により
鏡面まで仕上げて、破壊靭性評価用試験片とした。な
お、強度は３点曲げ強度（ＭＰａ）を測定したもの、靭
性はインデンテーションフラクチャー法により破壊靭性
値を測定したもの、硬度はビッカース硬度を測定したも
のである。また、熱膨張係数は、押し棒式試験機を用い
て評価し、０℃から２００℃における平均の熱膨張係数
を測定したものである。

【００６９】また、焼結体特性とともに、ベアリングボ
ール疲労寿命試験を行った。なお、ベアリングボール疲
労寿命試験では、本実施形態の実施例および比較例で使
用した材料を用いて、直径１／４インチのベアリングボ
ールを製造し、転がり疲労寿命試験を実施した。転がり
疲労寿命試験は、図２に示すように、駆動軸８と、この
駆動軸８の下部に相手材９としてのＳＵＪ工具鋼円板と
を配置し、駆動軸８と相手材９との間に保持器１０によ
ってベアリングボール１１を保持して、ベアリングボー
ル１１を相手材９であるＳＵＪ工具鋼円板に押しつけな
がら回転させて、転がり疲労寿命試験を実施したもので
ある。回転数は、図２に示すように、１５００ｒｐｍと
し、潤滑剤としてスピンドル油を用いた。この結果を表
１および表２に示す。

【００７０】

【表１】

【００７１】

【表２】

【００７２】表１に示すように、実施例１ないし実施例
５の焼結体の特性は、室温３点曲げ強度が８００ＭＰａ
以上、破壊靭性値が６．０ＭＰａ√ｍ以上、ビッカース
硬度が１１００以上、弾性率が２００ＧＰａ以上であっ
た。また、表１および表２に示すように、転がり疲労寿
命試験の結果、比較例１ないし比較例５の焼結体では、
４×１０^６回転以下または８×１０^６回転以下でチッピ
ング損傷が生じていたが、実施例１ないし実施例５の焼
結体では、１６×１０^６回転後もベアリングボール１
１、相手材９ともに顕著な損傷は認められなかった。

【００７３】本実施形態によれば、従来相転移安定性の
問題から、軸受用材料に適用が困難であったジルコニア
質焼結体に対して、長期の使用に安定なジルコニア質焼
結体が得られ、転がり疲労による相転移を防止でき、疲
労寿命を大幅に向上させることができる。また、第２添
加粒子の分散により粒成長の抑制が可能であり、その結
果、高強度のジルコニア質セラミックスを得ることがで
きる。これは、ＭｇＯまたはＣａＯに代表される安定化
剤を用いた比較的粒子径の大きいタイプのジルコニア質
焼結体に対して特に顕著である。

【００７４】なお、本実施形態においては、安定化剤と
してＭｇＯまたはＹ_２Ｏ_３を適用したが、ＭｇＯまたは
Ｙ_２Ｏ_３を必須としてＣａ、Ｔｉおよび希土類元素の酸
化物の少なくとも１種を加えても良い。また、本実施形
態においては、第２添加粒子としてＳｉＣまたはＭｇＡ
ｌ_２Ｏ_４を添加したが、これ以外にもＴｉＣ、ＭｏＣ、
ＷＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯまたはＮｉ
Ｏを添加することができる。いずれの場合においても、
本実施形態の実施例１ないし実施例５により得られる焼
結体は、安定化剤を添加した実質的な酸化ジルコニウム
の体積率が７０〜９９．９５ｖｏｌ％、第２添加粒子と
して少なくとも１種の体積率が０．０５〜３０ｖｏｌ％
で、その他の不純物が３ｖｏｌ％であり、このような体
積率を有するジルコニア基セラミック焼結体は軸受用材
料として好適である。

【００７５】第２実施形態本実施形態においては、金属とセラミックス材料とを混
合したサーメット材料を適用した軸受用材料およびその
製造方法について説明する。

【００７６】実施例６本実施例では、セラミックス材料として、平均粒径２．
３μｍのＴｉＣを４０ｗｔ％、金属材料として、Ｎｉを
５５ｗｔ％、Ｍｏを５ｗｔ％としたサーメット材料を用
いた。

【００７７】まず、図１に示すように、ジルコニアボー
ルを用いたボールミル中でエタノールを溶媒として、セ
ラミックス粒子と金属粒子との混合および粉砕を湿式で
行った。乾燥後、粉末を通篩し、５００ｋｇ／ｃｍ^２で
予備金型成形した後、２ｔｏｎ／ｃｍ^２のＣＩＰで本加
圧成形した。

【００７８】その後、Ａｒ雰囲気中、１４００℃の温度
で２時間保持して常圧焼結した。

【００７９】実施例７本実施例では、セラミックス材料として、ＴｉＣを５０
ｗｔ％、金属材料として、Ｍｏを５ｗｔ％、Ｎｉを４５
ｗｔ％としたサーメット材料を用いた。その他の製造条
件は、実施例６と同様とした。

【００８０】実施例８本実施例では、セラミックス材料として、ＴｉＣを３０
ｗｔ％、金属材料として、Ｍｏを５ｗｔ％、Ｎｉを６５
ｗｔ％としたサーメット材料を用いた。その他の製造条
件は、実施例６と同様とした。

【００８１】実施例９本実施例では、セラミックス材料として、ＴｉＣを４０
ｗｔ％、金属材料として、Ｃｏを６０ｗｔ％としたサー
メット材料を用いた。そして、Ａｒ雰囲気中、１４００
℃の温度で２時間常圧焼結し、その後Ａｒ雰囲気で、９
８ＭＰａ加圧雰囲気中、１４００℃の温度で２時間保持
してＨＩＰを行ったものである。その他の詳細な製造条
件は、実施例６と同様とした。

【００８２】実施例１０本実施例では、セラミックス材料として、平均粒径５．
５μｍのＣｒ_３Ｃ_２粒子を５０ｗｔ％、金属材料とし
て、Ｍｏを５ｗｔ％、Ｎｉを４５ｗｔ％としたサーメッ
ト材料を用いた。その他の製造条件は、実施例６と同様
とした。

【００８３】実施例１１本実施例では、セラミックス材料として、平均粒径０．
５μｍのＷＣ粒子を８０ｗｔ％、金属材料として、Ｃｏ
を２０ｗｔ％としたサーメット材料を用いた。その他の
製造条件は、実施例９と同様とした。

【００８４】比較例６本比較例では、セラミックス材料として、平均粒径２．
３μｍのＴｉＣを１０ｗｔ％、金属材料として、Ｎｉを
８５ｗｔ％、Ｍｏを５ｗｔ％としたサーメット材料を用
いた。その他の製造条件は、実施例６と同様とした。

【００８５】比較例７本比較例では、セラミックス材料として、平均粒径２．
３μｍのＴｉＣを９０ｗｔ％、金属材料として、Ｎｉを
５ｗｔ％、Ｍｏを５ｗｔ％としたサーメット材料を用い
た。その他の製造条件は、実施例６と同様とした。

【００８６】比較例８本比較例では、セラミックス材料として、平均粒径０．
５μｍのＷＣを９０ｗｔ％、金属材料として、Ｃｏを２
０％としたサーメット材料を用いた。その他の製造条件
は、実施例１１と同様とした。

【００８７】比較例９本比較例では、セラミックス材料として、平均粒径１８
μｍのＣｒ_３Ｃ_２を９０ｗｔ％、金属材料として、Ｎｉ
を５ｗｔ％、Ｍｏを５ｗｔ％としたサーメット材料を用
いた。その他の製造条件は、実施例６と同様とした。

【００８８】比較例１０本比較例では、セラミックス材料として、平均粒径５．
５μｍのＣｒ_３Ｃ_２を９０ｗｔ％、金属材料として、Ｎ
ｉを５ｗｔ％、Ｍｏを５ｗｔ％としたサーメット材料を
用いた。そして、Ａｒ雰囲気中、１４００℃の温度で２
時間保持して常圧焼結した後、Ａｒ雰囲気で９８ＭＰａ
加圧雰囲気中、１４００℃の温度で２時間保持してＨＩ
Ｐを行った。その他の製造条件は、実施例１１と同様と
した。

【００８９】比較例１１本比較例では、セラミックス材料として、平均粒径３０
μｍのＣｒ_３Ｃ_２を４０ｗｔ％、金属材料として、Ｎｉ
を５５ｗｔ％、Ｍｏを５ｗｔ％としたサーメット材料を
用いた。その他の製造条件は、実施例６と同様とした。

【００９０】上述した実施例６〜実施例１１および比較
例６〜比較例１１により得られた各種焼結体から３×４
×４０ｍｍの試験片を切り出して加工し、焼結体の強度
および熱膨張率を評価した。また、熱膨張係数を押し棒
式試験機で評価し、０℃から２００℃における平均の熱
膨張係数を測定した。さらに、本実施形態の実施例６〜
実施例１１、比較例６〜比較例１１に示した材料を用い
て、直径１／４インチのベアリングボール１１を製造し
て、転がり疲労寿命試験を実施した。なお、転がり疲労
寿命試験の条件は、第１実施形態と同様である。これら
の測定結果を表３および表４に示す。

【００９１】

【表３】

【００９２】

【表４】

【００９３】表４に示すように、比較例７および比較例
８では、ＴｉＣおよびＷＣ等のセラミックス粒子の添加
量を多くすると、焼結体の強度は高くなるが、ベアリン
グボール疲労寿命試験の結果、比較例７では４×１０^６
回転後にチッピング損傷が生じ、また、比較例８では８
×１０^６回転後に相手材の摩耗損傷が生じた。表４に示
す比較例６のように、逆にセラミックス粒子の添加量が
少ないと、焼結体の硬度が低下して熱膨張率が大きくな
るものの、ベアリングボール疲労寿命試験の結果、８×
１０^６回転後に凝着による損傷が生じていた。これに対
して、本発明の範囲内でセラミックス粒子を添加した実
施例６ないし実施例１１では、１６×１０^６回転後にお
いても、ベアリングボール１１および相手材９ともに顕
著な損傷は認められず、長期の使用に安定なサーメット
材料からなる焼結体が得られ、転がり疲労による相転移
を防止して、疲労寿命を大幅に向上させることができ
る。

【００９４】なお、本実施形態においては、セラミック
ス材料としてＴｉＣ、Ｃｒ_３Ｃ_２またはＷＣを適用した
が、このセラミックス材料以外にもＺｒＣ、ＮｂＣ、Ｔ
ｉＮＶＮ、ＮｂＮまたはＺｒＮを適用することもでき
る。

【００９５】従って、本実施形態によれば、従来、凝着
あるいは相手材９の摩耗損傷等の問題を有していたサー
メット材料であっても、組織の制御を行うことにより軸
受材料に好適なものが得られる。

【００９６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の軸受用材
料およびその製造方法によれば、ジルコニア系材料およ
びサーメット材料を対象として、その組成、組織、特性
を最適化することにより、金属との熱膨張率マッチング
が良く、かつ、静粛性および精密制御性を向上させた軸
受用材料を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を説明する図で、焼結体の製
造工程の手順を示すフローチャート。

【図２】本発明の実施形態を説明する図で、転がり疲労
寿命試験を模式的に示す図。

【符号の説明】

１原料２湿式または乾式混合３仮成形４ＣＩＰ（等方加圧成形）５常圧焼結６ＨＩＰ７熱処理８駆動軸９相手材１０保持器１１ベアリングボール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ２２Ｃ 32/00 Ｃ２２Ｃ 32/00 ＮＰＸＦ１６Ｃ 33/32 Ｆ１６Ｃ 33/32 (72)発明者池田功神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内Ｆターム(参考） 3J101 AA01 AA02 AA62 BA10 EA41 EA42 EA43 EA44 EA80 FA01 FA08 FA31 FA44 GA53 4G031 AA03 AA04 AA08 AA11 AA12 AA23 AA26 AA29 AA37 AA38 BA20 GA04 GA09 GA10 GA11 GA12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】安定化剤としてＭｇＯ、またはＭｇＯを
必須としてＣａ、Ｔｉおよび希土類元素の酸化物の少な
くとも１種を加えて合計２〜１５ｍｏｌ％を含有した実
質的な酸化ジルコニウムが７０〜９９．９５ｖｏｌ％、
ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＭｏＣ、ＷＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、Ａｌ
_２Ｏ_３、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＺｎＯまたはＮｉＯの少なく
とも１種が０．０５〜３０ｖｏｌ％、その他の不純物が
３ｖｏｌ％以下からなることを特徴とする軸受用材料。
【請求項２】請求項１記載の軸受用材料において、安
定化剤を含有した実質的な酸化ジルコニウムの焼結体粒
径が、３０μｍ以下であることを特徴とする軸受用材
料。
【請求項３】安定化剤としてＹ_２Ｏ_３、またはＹ_２Ｏ
_３を必須としてＣａ、Ｔｉおよび希土類元素の酸化物の
少なくとも１種を加えて合計２〜１５ｍｏｌ％を含有し
た実質的な酸化ジルコニウムが７０〜９９．９５ｖｏｌ
％、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＭｏＣ、ＷＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、
Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＺｎＯまたはＮｉＯの少
なくとも１種が０．０５〜３０ｖｏｌ％、その他の不純
物が３ｖｏｌ％以下からなることを特徴とする軸受用材
料。
【請求項４】請求項３記載の軸受用材料において、安
定化剤を含有した実質的な酸化ジルコニウムの焼結体粒
径が、２μｍ以下であることを特徴とする軸受用材料。
【請求項５】請求項１または３記載の軸受用材料にお
いて、室温３点曲げ強度が８００ＭＰａ以上、インデン
テーションフラクチャー（ＩＦ）法による破壊靭性値が
６．０ＭＰａ√ｍ以上、ビッカース硬度が１１００以
上、弾性率が２００ＧＰａ以上であることを特徴とする
軸受用材料。
【請求項６】ＴｉＣ、ＺｒＣ、Ｃｒ_３Ｃ_２、ＮｂＣ、
ＴｉＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、ＺｒＮまたはＷＣの中から選ば
れた１種以上のセラミックスを１５〜９０ｗｔ％、Ｎ
ｉ、ＣｏまたはＭｏから選ばれる１種以上の金属を１０
〜８５ｗｔ％含むことを特徴とする軸受用材料。
【請求項７】請求項６記載の軸受用材料において、Ｔ
ｉＣ、ＺｒＣ、Ｃｒ _３Ｃ_２、ＮｂＣ、ＴｉＮ、ＶＮ、Ｎ
ｂＮ、ＺｒＮまたはＷＣから選ばれた１種以上のセラミ
ックス粒子の平均粒径が、０．１〜１５μｍであること
を特徴とする軸受用材料。
【請求項８】請求項６記載の軸受用材料において、室
温３点曲げ強度が９００ＭＰａないし１８００ＭＰａ、
ビッカース硬度が１０００ないし１４００、弾性率が１
５０ＧＰａ以上であることを特徴とする軸受用材料。
【請求項９】分散粒子、安定化剤またはその他の添加
材と、マトリックス成分となる粉末とを混合して原料を
得る原料混合工程と、真空中、Ｎ_２中、不活性雰囲気中
またはＯ_２中のいずれかの環境下において、常圧焼結、
ＨＩＰ（等方加圧焼結）、または常圧焼結とＨＩＰとの
組合わせにおいて焼結を行う焼結工程と、を有すること
を特徴とする軸受用材料の製造方法。
【請求項１０】請求項９記載の軸受用材料の製造方法
において、１６００℃ないし１８００℃の温度範囲で、
０．２時間ないし８時間の範囲内で常圧焼結を行うこと
を特徴とする軸受用材料の製造方法。
【請求項１１】請求項９記載の軸受用材料の製造方法
において、原料混合工程は、分散粒子、安定化剤または
その他の添加材と、マトリックス成分となる粉末とを湿
式混合法または乾式の攪拌混合法により混合することを
特徴とする軸受用材料の製造方法。