JP2003137640A - セラミックボール素球及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 研磨を行う砥石をの摩耗やキズの発生を防止
するとともに、セラミックボール素球自身の欠陥の発生
を防止することができるセラミックボール素球及びその
製造方法を提供すること。 【解決手段】 セラミックボール素球（１）は、直径１
０ｍｍの球状基体（３）の表面の中央（中心軸に対する
最大の半径の円周上：赤道上）に、その円周方向に全体
にわたって、幅４ｍｍ×端部の高さｈ０．１５ｍｍの帯
状部（５）が形成されている。帯状部５は、その幅方向
（図２の左右方向）の両端に、エッジ部（７）が形成さ
れている。このエッジ部（７）は、半径ｒが０．１ｍｍ
以上となるように丸められている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばベアリング
ボールやチェックバルブ等に用いられるセラミックボー
ル素球及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、セラミックボール素球は、外
型の中に配置した上下の擬半球状の金型プレス中に粉末
を入れ、上下方向に圧力を掛けてプレス成形し、その後
静水圧プレス（ＣＩＰ）を行うことによりボール形状の
成形体を製作し、この成形体を焼結することにより製造
されていた。

【０００３】前記セラミックボール素球は、ボール研磨
機等を用いて砥石で挟んで研磨することにより、真球に
近い形状に加工され、研磨球としてベアリングボール等
に用いられていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した製
造方法でセラミックボール素球を製造する場合には、プ
レス加工によりセラミックボール素球の成形体を作成す
るために、どうしても、上下のプレスの間にて、成形体
の周囲に、その円周方向にわたって外側に突出する帯状
部分が形成される。

【０００５】前記帯状部分の幅方向の端部（円周エッ
ジ）は直角に角張っているので、即ち円周エッジは立っ
ているので、この成形体を焼成したセラミックボール素
球の（成形体の帯状部分に対応した）帯状部も、円周エ
ッジが立った形状となる。しかしながら、円周エッジが
立ったセラミックボール素球を、そのままボール研磨機
にかけると、セラミックボール素球が硬質であることか
ら、円周エッジが砥石の表面に当たって、砥石にキズや
摩耗を発生させるという問題があった。

【０００６】また、セラミックボール素球自身も、円周
エッジが砥石に当たって欠けることなどにより、製品で
ある研磨球にもキズ等の欠陥が発生するという問題があ
った。本発明は、前記課題を解決するためになされたも
のであり、研磨を行う砥石をの摩耗やキズの発生を防止
するとともに、セラミックボール素球自身の欠陥の発生
を防止することができるセラミックボール素球及びその
製造方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び発明の効果】（１）請
求項１の発明は、焼結体である略球形のセラミックボー
ル素球において、砥石による研磨前のセラミックボール
素球の表面に、その中央の円周方向全体にわたって外側
に突出する帯状部を備えるとともに、前記帯状部の幅方
向の端部であるエッジ部を丸めたことを特徴とするセラ
ミックボール素球を要旨とする。

【０００８】本発明のセラミックボール素球の表面に
は、その中央（即ち中心軸に対する半径が最大となる外
周：赤道上）の円周方向全体にわたって外側に突出する
帯状部を備えており、特にこの帯状部の幅方向の端部で
あるエッジ部が丸められている。

【０００９】従って、セラミックボール素球を、砥石を
用いた研磨機により研磨する際に、エッジ部が砥石に当
たっても、砥石にキズがついたり砥石に異常摩耗が発生
することが少ない。また、セラミックボール素球自身
も、欠け難くなるので、製品である研磨球にもキズ等の
欠陥が発生し難いという効果がある。更に、エッジ部が
丸くなっているので、研磨球にするための研磨時間が少
なくて済むという利点もある。

【００１０】（２）請求項２の発明は、前記エッジ部の
半径を、０．１ｍｍ以上としたことを特徴とする前記請
求項１に記載のセラミックボール素球を要旨とする。本
発明は、最も効果のあるエッジ部の半径を例示したもの
である。

【００１１】この範囲内であれば、エッジ部は十分に滑
らかにカーブしているので、上述した請求項１の効果が
一層顕著である。 （３）請求項３の発明は、前記セラミックボール素球は
窒化珪素質材料からなることを特徴とする前記請求項１
又は２に記載のセラミックボール素球を要旨とする。

【００１２】本発明は、セラミックボール素球の材質を
例示したものである。この材料からなるセラミックボー
ル素球を研磨することにより、硬質で耐摩耗制等に優れ
た製品である研磨球（セラミックボール）を得ることが
できる。尚、前記窒化珪素質材料とは、窒化珪素を主成
分とする材料のことであり、この窒化珪素質材料以外
に、（ジルコニアを主成分とする）ジルコニア質材料、
（アルミナを主成分とする）アルミナ質材料を使用する
ことができる。

【００１３】（４）請求項４の発明は、前記請求項１〜
３のいずれかに記載のセラミックボール素球の製造方法
であって、丸いエッジ部に対応する形状を有する金型を
用いて成形体を形成し、その後焼成することにより、前
記丸めたエッジ部を有する帯状部を備えたセラミックボ
ール素球を製造することを特徴とするセラミックボール
素球の製造方法を要旨とする。

【００１４】本発明は、セラミックボール素球の製造方
法を例示したものである。本発明では、金型の形状を予
めエッジ部を丸めるような形状にしておく。よって、こ
の金型を用いてプレス成形することにより（従って焼成
後も）エッジ部を丸めることができる。

【００１５】（５）請求項５の発明は、前記請求項１〜
３のいずれかに記載のセラミックボール素球の製造方法
であって、金型を用いて成形体を形成した後に焼成する
ことにより、前記丸めたエッジ部を有する帯状部を備え
たセラミックボール素球を形成し、その後、バレル研磨
により、更に前記エッジ部を丸めることを特徴とするセ
ラミックボール素球の製造方法を要旨とする。

【００１６】本発明は、セラミックボール素球の製造方
法を例示したものである。本発明では、金型の形状を予
めエッジ部を丸めるような形状にしておくことにより、
プレス成形した際に（従って焼成後も）エッジ部を丸め
ることができるだけでなく、その後バレル研磨すること
により、一層エッジ部を丸めることができる。

【００１７】（６）請求項６の発明は、前記請求項１〜
３のいずれかに記載のセラミックボール素球の製造方法
であって、金型を用いて成形体を形成した後に焼成する
ことにより、前記エッジ部を有する帯状部を備えたセラ
ミックボール素球を形成し、その後、バレル研磨によ
り、前記エッジ部を丸めることを特徴とするセラミック
ボール素球の製造方法を要旨とする。

【００１８】本発明は、セラミックボール素球の製造方
法を例示したものである。本発明では、金型の形状は、
特にエッジ部を丸めるような形状にしないので、プレス
成形した際に（従って焼成後も）エッジ部は丸くなって
いないが、その後バレル研磨することにより、エッジ部
を丸めることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明のセラミックボー
ル素球及びその製造方法の実施の形態の例（実施例）に
ついて説明する。 （実施例１）本実施例では、バレル研磨により、セラミ
ックボール素球のエッジ部を丸めるものである。

【００２０】ａ）まず、本実施例のセラミックボール素
球について説明する。尚、図１はセラミックボール素球
の正面図、図２はセラミックボール素球の要部を拡大し
た断面図である。図１に示す様に、本実施例のセラミッ
クボール素球１は、例えば窒化珪素質材料による略球形
の焼結体であり、直径１０ｍｍの球状基体３の表面の中
央（中心軸に対する最大の半径の円周上：赤道上）に、
その円周方向に全体にわたって、幅４ｍｍ×端部の高さ
ｈ０．１５ｍｍの帯状部５が形成されている。

【００２１】図２に示す様に、帯状部５は、その幅方向
（図２の左右方向）の両端に、エッジ部７が形成されて
いる。このエッジ部７は、半径ｒが０．１ｍｍ以上で滑
らかにカーブするように丸められている。 ｂ）次に、本実施例のセラミックボール素球１の製造方
法について説明する。

【００２２】原料としては、例えばα率が７０％以上
の窒化珪素粉末を使用し、これに、焼結助剤として、希
土類元素、３Ａ、４Ａ、５Ａ、３Ｂ及び４Ｂ族の元素群
から選ばれる少なくとも１種を、酸化物換算で１〜１５
重量％、好ましくは２〜８重量％の割合で混合する。

【００２３】尚、原料配合時には、これらの元素の酸化
物ほか、焼結により酸化物に転化しうる化合物、例えば
炭酸塩や水酸化物等で配合してもよい。 次に、上記の配合物に、水系溶媒を加えてアトライタ
ーなどの粉砕機により湿式混合（あるいは湿式混合・粉
砕）した泥しょうを、スプレードライなどによって乾燥
させ、成形用素地粉末を得る。

【００２４】上記のようにして得られた成型用素地粉
末を、図３に示す金型プレスによって予備成形体９とす
る。具体的には、成形ダイ１１のダイ孔１３に挿入され
る上下のプレスパンチ１５、１７の各先端面に、半球状
の凹部１９、２１をそれぞれ成形するとともに、凹部１
９、２１の外周に同図の左右方向に平行な平面部２３、
２５を形成する。尚、この平面部２３、２５は、予備成
形体９の赤道近傍での加圧圧力を高めるためのものであ
る。

【００２５】そして、両パンチ１５、１７に、図３の上
下方向に、一軸的に圧力を印加し、両パンチ１５、１７
間で原料粉末を圧縮する。これにより、図４に示す様
に、（後の帯状部５に対応した）帯状成形部２７を備え
た予備成形体９が得られるが、その幅方向の（後のエッ
ジ部７に対応した）エッジ成形部２９は丸まっていな
い。

【００２６】上記金型プレスによって得られた予備成
形体９は、一軸的に圧力印加されるので、密度の高い部
分と低い部分とが生じるので、その密度差を小さくする
ために、図示しないゴム型を用いて乾式ＣＩＰを施す。
これにより、成形体の密度分布が略一定となり、緻密な
成形体が得られる。

【００２７】次に、上記成形体を焼成することによ
り、球状の窒化珪素質焼結体とする。この焼成は、一次
焼成及び二次焼成の２段階焼成により行うことができ
る。例えば一次焼成は、窒素を含む０．１〜１ＭＰａ以
下の非酸化性雰囲気下において、１９００℃以下で行
い、焼結体密度を７８％以上、好ましくは９０％以上と
する。また、二次焼成は、窒素を含む１〜１００ＭＰａ
の非酸化性雰囲気下で、１６００〜１９５０℃で行うこ
とができる。

【００２８】これにより、図５に示す様に、ほぼ図１に
示す様な形状の焼結体３１が得られるが、金型プレスに
起因する（帯状部３に対応する）帯状焼結部３３の（エ
ッジ部５に対応する）エッジ焼結部３５は丸まっていな
い。 次に、焼結体３１のバレル研磨を行う。

【００２９】具体的には、図６に模式的に示すバレル研
磨機（例えば回転研磨機）の研磨容器３７の中に、多数
の焼結体３１と、例えばＧＣ粉末等の研磨剤（メディ
ア）３９と水等を入れ、この状態で研磨容器３７を例え
ば２０ｒｐｍの回転速度で７０時間回転させて、焼結体
３１の表面の研磨を行う。

【００３０】これにより、帯状焼結部３３のエッジ焼結
部３５が研磨されて、半径ｒが０．１ｍｍ以上と丸くな
る。上述した工程により、前記図２に示す様な本実施例
の丸いエッジ部７を有する帯状部５を備えたセラミック
ボール素球１が得られる。

【００３１】尚、回転研磨機以外に、振動研磨機を用い
てもよい。 その後、このセラミックボール素球１を、周知のボー
ル研磨機を用いて研磨を行う。つまり、上下一対の（上
方側が回転する）砥石の間にセラミックボール素球１を
供給するとともに、そのセラミックボール素球１を循環
させて、必要な真円に近い形状にまで研磨を行って、研
磨球を得る。

【００３２】ｃ）次に、本実施例の効果について説明す
る。本実施例では、セラミックボール素球１の帯状部５
のエッジ部７は、半径ｒが０．１ｍｍ以上と丸くなって
いるので、その後（砥石を用いた）ボール研磨機による
研磨を行う際に、エッジ部７が砥石に当たっても、砥石
にキズがついたり砥石に異常摩耗が発生することが少な
い。

【００３３】また、セラミックボール素球１自身も、欠
け難くなるので、製品である研磨球にもキズ等の欠陥が
発生し難いという効果がある。更に、エッジ部７が丸く
なっているので、ボール研磨機による研磨時間が少なく
て済むという利点もある。 （実施例２）次に、実施例２について説明するが、前記
実施例１と同様な箇所の説明は省略する。

【００３４】本実施例のセラミックボール素球は、金型
成形によりエッジ部を丸めた後に、更にバレル研磨によ
りエッジ部を丸めたものである。ここでは、製造方法に
特徴があるので、製造方法について説明する。尚、セラ
ミックボール素球の番号としては、同じ番号を用いた。

【００３５】原料としては、前記実施例１と同様なも
のを使用し、同様な手法により、成形用素地粉末を得
る。 次に、この成型用素地粉末を、図７に示す金型プレス
によって予備成形体４１とする。

【００３６】具体的には、上下のプレスパンチ４３、４
５の半球状の凹部４７、４９の外周に、セラミックボー
ル素球１の丸いエッジ部７に対応して、それぞれ湾曲部
５１、５３を形成した。この湾曲部５１、５３とは、パ
ンチ４３、４５の外側に行くほど互いの距離が近接する
ように外側に凸となるようにカーブしたものである。

【００３７】そして、両パンチ４３、４５に一軸的に圧
力を印加し、両パンチ４３、４５間で原料粉末を圧縮す
る。これにより、図８に示す様に、（後の帯状部５に対
応した）帯状成形部５５を備えた予備成形体５７が得ら
れるが、その幅方向のエッジ成形部５９は丸まってい
る。

【００３８】次に、ゴム型を用いて乾式ＣＩＰを施
す。これにより、成形体の密度分布が略一定となり、緻
密な成形体が得られる。 次に、上記成形体を焼成することにより、球状の窒化
珪素質焼結体を得る。これにより、前記実施例１と類似
の形状の焼結体が得られるが、（エッジ部５に相当す
る）エッジ焼結部（図示せず）は、半径ｒが０．０８ｍ
ｍ程度に丸まっている。

【００３９】次に、焼結体のバレル研磨を行うことに
より、前記実施例１と同様に、半径ｒが０．１ｍｍ以上
の丸いエッジ部７を有する帯状部５を備えたセラミック
ボール素球１が得られる。 その後、このセラミックボール素球１を、周知のボー
ル研磨機を用いて研磨し、研磨球を得る。

【００４０】本実施例によっても、前記実施例１と同様
な効果を奏するとともに、金型プレスによりある程度
（エッジ部７）に相当するエッジ形成部５９が丸まって
いるので、その後のバレル研磨を短時間で済ますことが
できるという利点がある。 （実施例３）次に、実施例３について説明するが、前記
実施例１と同様な箇所の説明は省略する。

【００４１】本実施例のセラミックボール素球は、金型
成形によりエッジ部を丸めたものである。本実施例は、
製造方法に特徴があるので、製造方法について説明す
る。尚、セラミック素球の番号としては、同じ番号を用
いた。

【００４２】原料としては、前記実施例１と同様なも
のを使用し、同様な手法により、成形用素地粉末を得
る。 次に、この成型用素地粉末を、図９に示す様に、金型
プレスによって予備成形体６１とする。

【００４３】具体的には、前記実施例２と同様なプレス
パンチを用いるが、湾曲部６３、６５の形状を変更し、
バレル研磨が不要なように、大きく湾曲させておく。そ
して、両パンチ６７、６９に一軸的に圧力を印加し、両
パンチ６７、６９間で原料粉末を圧縮する。

【００４４】これにより、図１０に示す様に、（後の帯
状部５に対応した）帯状成形部７１を備えた予備成形体
６１が得られ、その幅方向のエッジ成形部７３は丸まっ
ている。 次に、ゴム型を用いて乾式ＣＩＰを施す。これによ
り、成形体の密度分布が略一定となり、緻密な成形体が
得られる。

【００４５】次に、上記成形体を焼成することによ
り、球状の窒化珪素質焼結体を得る。これにより、前記
実施例１と類似の形状の焼結体が得られるが、（エッジ
部７に対応する）エッジ焼結部（図示せず）は、半径ｒ
が０．１ｍｍ以上と大きく丸まっているので、後のバレ
ル研磨は省略する。

【００４６】その後、このセラミックボール素球１
を、周知のボール研磨機を用いて研磨し、研磨球を得
る。本実施例によっても、前記実施例１と同様な効果を
奏するとともに、金型プレスによりエッジ形成部７３を
丸めてしまうので、その後のバレル研磨を省略できると
いう利点がある。

【００４７】（実験例）次に、上述した本発明の範囲の
実施例の効果を確認するために行った実験例について説
明する。 ａ）まず、各種のセラミックボール素球を製造し、その
帯状部のエッジ部の形状を調べた。

【００４８】具体的には、従来の方法で製造した直径９
ｍｍ（図１１参照）及び直径１０ｍｍ（図１４参照）の
セラミックボール素球をほぼ中央で切断し、１６倍に拡
大してエッジ部の形状を調べたところ、エッジ部はほぼ
直角であった。また、前記実施例１の製造方法、具体的
には、約７０時間のバレル研磨を行って製造した直径９
ｍｍ（図１２参照）及び直径１０ｍｍ（図１５参照）の
セラミックボール素球をほぼ中央で切断し、１６倍に拡
大してエッジ部の形状を調べたところ、エッジ部は滑ら
かにカーブしていた。

【００４９】更に、前記実施例２の製造方法、具体的に
は、金型でエッジ成型部を丸め、更に約４０時間のバレ
ル研磨を行って製造した直径９ｍｍ（図１３参照）及び
直径１０ｍｍ（図１６参照）のセラミックボール素球を
ほぼ中央で切断し、１６倍に拡大してエッジ部の形状を
調べたところ、エッジ部は極めて滑らかにカーブしてお
り、殆どエッジ部の形状は観察されなかった。

【００５０】ｂ）次に、エッジ部の加工状態が、研磨機
や製品に及ぼす影響を調べた。具体的には、従来のエッ
ジ部が立ったもの（試料Ｎo.１）と、実施例２の方法で
短時間バレル研磨（約７０時間）を行ったもの（試料Ｎ
o.２）と、実施例２の方法で長時間バレル研磨（約１４
０時間）を行ったもの（試料Ｎo.３）と、実施例４の方
法で金型にてエッジ部を丸めたもの（試料Ｎo.４）と
を、それぞれ１０００個製造した。

【００５１】そして、各試料に対して、ボール研磨機に
て研磨を行う際に、帯状部が消滅するまでの研磨時間
（４種のグループの平均の研磨時間）を求め、その比
（４種のグループ間の比）を求めた。その結果を下記表
１に記す。また、研磨途中のセラミックボール素球（粗
研球）のキズ等の欠陥の状態と、研磨後の研磨球におけ
るキズ等の欠陥の状態を調べた。この結果も、同じく下
記表１に記すが、目視により明らかにキズが発生したと
認められたものを、キズ有りとした。

【００５２】

【表１】

【００５３】この表１から明らかな様に、本発明の範囲
の試料Ｎo.２〜４のものは、バレル研磨の時間が短く、
またキズ等の欠陥の発生が少なく好適であった。それに
対して従来技術では、バレル研磨の時間が長く、また欠
陥が多く好ましくない。

【００５４】尚、本発明は前記実施例になんら限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲におい
て種々の態様で実施しうることはいうまでもない。例え
ばセラミックボール素球の材料としては、窒化珪素質材
料以外に、ジルコニア質材料、アルミナ質材料を使用す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１のセラミックボール素球の平面図で
ある。

【図２】 実施例１のセラミックボール素球のエッジ部
周辺を破断し拡大して示す断面図である。

【図３】 実施例１の金型プレスの方法を示す説明図で
ある。

【図４】 実施例１の予備成形体の形状を示す説明図で
ある。

【図５】 実施例１の焼結体の形状を示す説明図であ
る。

【図６】 実施例１のバレル研磨の状態を示す説明図で
ある。

【図７】 実施例２の金型プレスの方法を示す説明図で
ある。

【図８】 実施例２の予備成形体の形状を示す説明図で
ある。

【図９】 実施例３の金型プレスの方法を示す説明図で
ある。

【図１０】 実施例３の予備成形体の形状を示す説明図
である。

【図１１】 従来の直径９ｍｍのセラミックボール素球
の断面を拡大して示す拡大鏡写真である。

【図１２】 実施例１の直径９ｍｍのセラミックボール
素球の断面を拡大して示す拡大鏡写真である。

【図１３】 実施例２の直径９ｍｍのセラミックボール
素球の断面を拡大して示す拡大鏡写真である。

【図１４】 従来の直径１０ｍｍのセラミックボール素
球の断面を拡大して示す拡大鏡写真である。

【図１５】 実施例１の直径１０ｍｍのセラミックボー
ル素球の断面を拡大して示す拡大鏡写真である。

【図１６】 実施例２の直径１０ｍｍのセラミックボー
ル素球の断面を拡大して示す拡大鏡写真である。

【符号の説明】

１…セラミックボール素球 ３…球状基体 ５…帯状部 ７…エッジ部

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3J101 AA02 BA10 DA09 DA11 DA20 EA44 FA31 FA44 GA28 4G001 BA01 BA08 BA12 BA32 BB01 BB08 BB12 BB32 BC23 BC73 BD12 BE31 4G030 AA17 AA36 AA52 BA18 CA07 GA22 GA32

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 焼結体である略球形のセラミックボール
   素球において、 砥石による研磨前のセラミックボール素球の表面に、そ
   の中央の円周方向全体にわたって外側に突出する帯状部
   を備えるとともに、前記帯状部の幅方向の端部であるエ
   ッジ部を丸めたことを特徴とするセラミックボール素
   球。
2. 【請求項２】 前記エッジ部の半径を、０．１ｍｍ以上
   としたことを特徴とする前記請求項１に記載のセラミッ
   クボール素球。
3. 【請求項３】 前記セラミックボール素球は窒化珪素質
   材料からなることを特徴とする前記請求項１又は２に記
   載のセラミックボール素球。
4. 【請求項４】 前記請求項１〜３のいずれかに記載のセ
   ラミックボール素球の製造方法であって、 丸いエッジ部に対応する形状を有する金型を用いて成形
   体を形成し、その後焼成することにより、前記丸めたエ
   ッジ部を有する帯状部を備えたセラミックボール素球を
   製造することを特徴とするセラミックボール素球の製造
   方法。
5. 【請求項５】 前記請求項１〜３のいずれかに記載のセ
   ラミックボール素球の製造方法であって、 金型を用いて成形体を形成した後に焼成することによ
   り、前記丸めたエッジ部を有する帯状部を備えたセラミ
   ックボール素球を形成し、その後、バレル研磨により、
   更に前記エッジ部を丸めることを特徴とするセラミック
   ボール素球の製造方法。
6. 【請求項６】 前記請求項１〜３のいずれかに記載のセ
   ラミックボール素球の製造方法であって、 金型を用いて成形体を形成した後に焼成することによ
   り、前記エッジ部を有する帯状部を備えたセラミックボ
   ール素球を形成し、その後、バレル研磨により、前記エ
   ッジ部を丸めることを特徴とするセラミックボール素球
   の製造方法。