【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転がり軸受，ボールねじ，リニアガイド装置等のような転動装置に係り、特に、腐食性液体又は腐食性気体と接触するような腐食環境下（半導体製造プロセスにおけるウェハ洗浄装置，レジスト塗布・剥離装置，コンデンサーフィルムのエッチング装置等）においても好適に使用可能な転動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような腐食環境下において使用される転動装置を構成する材料には、特に優れた耐食性が要求されることから、耐食性が要求される転動部材を構成する材料として一般的に用いられているステンレス鋼等の鉄鋼材料は使用できず、窒化ケイ素（Ｓｉ３ Ｎ４ ），ジルコニア（ＺｒＯ２ ），炭化ケイ素（ＳｉＣ）等のセラミック材料が使用される。また、近年においては、さらに優れた耐食性を有するアルミナ（Ａｌ２ Ｏ３ ）をベースとした材料で構成された転動装置も提案されている。
【０００３】
例えば、特開平７−１７４１４３号公報には、ＭｇＡｌ２ Ｏ４ スピネル構造体を焼結助剤とすることによって耐食性をさらに向上させた窒化ケイ素材料と、該窒化ケイ素材料で構成された転がり軸受が記載されている。
また、特開平１０−８２４２６号公報には、内輪，外輪，及び転動体を炭化ケイ素で構成し、保持器をフッ素樹脂で構成した転がり軸受が記載されている。
さらに、特開２０００−９１４５号公報には、転動体又は軌道輪を炭化ケイ素で構成した転がり軸受が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、窒化ケイ素材料は、半導体製造工程等で使用されているフッ酸等のような強酸に対する耐食性が十分ではなく、粒界ガラス相腐食や材料を構成する窒化ケイ素自体の腐食によって表面の硬さが減少し、強度も劣化する。そのため、転動部材として必要な耐久性を十分に確保できないという問題があった。また、同様にジルコニアで転動部材を構成した場合にも、前述のような強酸中では腐食が発生して、転がり軸受の寿命を短期化してしまう場合があった。
【０００５】
また、炭化ケイ素は、窒化ケイ素と比較して耐食性は優れるものの強度が低い。また、炭化ケイ自身や他のセラミック材料に対して摺動特性が悪いので、転がり軸受を構成する材料として使用すると、取付状況が悪い場合には、かじりや割れ等の損傷が生じやすく、転がり軸受に回転不具合が生じるという問題点があった。
【０００６】
これらの材料以外の耐食性セラミック材料としては、ケイ素（Ｓｉ）成分の金属換算での含有率を５〜１５０ｐｐｍとして腐食性雰囲気に対する耐久性を向上させたアルミナ焼結体が、特開２０００−２９００６３号公報に提案されている。また、平均粒径が１０μｍ以下のアルミナ結晶相を主相とし、該アルミナ結晶粒内にＴｉＯ２ ，ＭｇＡｌ２ Ｏ４ ，ＦｅＡｌ２ Ｏ４ の群から選ばれる少なくとも１種の結晶相が平均粒径０．３μｍ以下の結晶粒子として全量中１体積％以上の割合で分散してなる焼結体からなるとともに、ボイド含有比率を５％以下として、耐磨耗性と温度安定性を改良したアルミナ材料が、特開平１１−２２８２１５号公報に提案されている。
【０００７】
しかしながら、これらの耐食性セラミック材料は、炭化ケイ素のように摩擦係数はそれ程高くはないものの、アルミナ系材料は概して内部クラックの進展が生じやすく強度が低いので、転がり軸受の使用環境によっては割れ，欠け等の損傷が生じる場合があった。したがって、転がり軸受の構成部材として使用する場合には、適切な強度管理が必要であった。
【０００８】
このようなことから、アルミナ系材料の有する強度の問題が検討されており、該問題を解決して転がり軸受の構成材料として使用した例が開示されている。例えば、特開平１１−１５３１４１号公報，特開平１１−１５３１４２号公報，及び特開平１１−１５３１４３号公報には、内輪，外輪，及び転動体の少なくとも転走面がアルミナを含有する複合セラミック材料で構成された転がり軸受が提案されている。
【０００９】
特開平１１−１５３１４１号公報に記載の転がり軸受の場合は、複合セラミック材料はアルミナと炭化チタン（ＴｉＣ）とからなる主要構成部を有していて、アルミナ含有量は５０〜９０体積％、炭化チタン含有量は５０〜１０体積％である。また、転走面の表面粗さは、平均粗さＲａが０．１μｍ以下で、最大粗さＲｍａｘが０．４μｍ以下である。
【００１０】
また、特開平１１−１５３１４２号公報に記載の転がり軸受の場合は、複合セラミック材料はアルミナとジルコニアとからなる主要構成部を有していて、アルミナ含有量は４０〜９８体積％、ジルコニア含有量は６０〜２体積％である。また、転走面の表面粗さは、平均粗さＲａが０．１μｍ以下で、最大粗さＲｍａｘが０．４μｍ以下である。
【００１１】
さらに、特開平１１−１５３１４３号公報に記載の転がり軸受の場合は、複合セラミック材料はアルミナと炭化ケイ素とからなる主要構成部を有していて、アルミナ含有量は６０〜９５質量％、炭化ケイ素含有量は４０〜５質量％である。また、転走面の表面粗さは、平均粗さＲａが０．１μｍ以下で、最大粗さＲｍａｘが０．４μｍ以下である。
【００１２】
しかしながら、これらのアルミナをベースとする複合セラミック材料は、複合される炭化チタン，ジルコニア等の耐食性がアルミナよりも劣る場合には、アルミナよりも耐食性が劣ってしまうという問題があった。
また、アルミナと炭化ケイ素とからなる複合セラミック材料の場合は、アルミナと炭化ケイ素とでは焼結温度が極端に異なるため、アルミナや炭化ケイ素よりも耐食性の劣るＳｉＯ２ 等を使用して粒界相を形成して、強度及び焼結性を改善する必要がある。よって、複合セラミック材料の強度や摺動特性は改善できるものの、十分な耐食性を確保することが困難であった。
【００１３】
このように、アルミナと他の材料とを複合化して強度を改良した場合は、耐食性が低下する傾向があって、強度と耐食性との両立が難しかった。よって、このような複合セラミック材料で構成された転がり軸受は、寿命が十分ではないという問題点を有していた。特に、フッ酸等のような強酸と接触するという極めて厳しい腐食環境下においては、十分な性能を発揮することは困難であった。
【００１４】
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、腐食性環境下で使用されても長寿命な転動装置を提供することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の転動装置は、外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配置された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備え、前記転動体の転動により前記内方部材及び前記外方部材の一方が他方に対して相対的に移動又は回転する転動装置において、前記内方部材，前記外方部材，及び前記転動体のうち少なくとも１つが、酸化アルミニウムを主成分とするセラミック材料で構成されており、このセラミック材料は、アスペクト比が２以上の異方性を有する酸化アルミニウムの結晶粒を面積率で１０〜８０％含有していることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る請求項２の転動装置は、請求項１に記載の転動装置において、前記セラミック材料中の前記酸化アルミニウムの含有量は９９．５質量％以上であることを特徴とする。
このようなセラミック材料は、酸化アルミニウムが本来有する優れた耐食性とともに優れた強度を併せ持っているので、該セラミック材料で構成された本発明の転動装置は、腐食環境下において使用されても長寿命である。
【００１７】
従来の酸化アルミニウムは等方性の結晶粒で構成されているが、本発明においては、等方性を有する結晶粒とともに異方性を有する結晶粒を含有しているので、従来の酸化アルミニウムと比較して内部クラックの進展が生じにくい。つまり、等方性の結晶粒で構成された酸化アルミニウムにおいては、粒界を進展する内部クラックは直線的に進行できるのに対して、組織内部に異方性を有する結晶粒が存在すると、内部クラックは異方性を有する結晶粒を避けながら進行しなければならない。そのため、内部クラックが進展するエネルギーを、その進行方向を変更させることによって消費させることができるので、内部クラックの進展を抑制することができる。よって、前記セラミック材料は、従来の酸化アルミニウムと比べて優れた強度を有している。
【００１８】
内部クラックの進展を効果的に抑制するためには、異方性を有する酸化アルミニウムの結晶粒のアスペクト比（結晶粒の長軸と短軸の比）は２以上である必要がある。また、異方性を有する酸化アルミニウムの結晶粒の含有量は面積率で１０〜８０％である必要がある。含有量が１０％未満であると、内部クラックの進展を抑制することに対して効果的な楔効果を十分に得ることができない。一方、８０％超過であると、結晶の充填が不十分となりセラミック材料の緻密化が阻害されるため、セラミック材料の強度が低下する。
【００１９】
このような酸化アルミニウムを主成分とするセラミック材料は、例えば、以下のような方法により得ることができる。すなわち、バイヤー法で製造された標準純度の水酸化アルミニウムを原料とし、高純度酸化アルミニウム粉砕ボールの摩耗粉等の０．１μｍ以下の微細なα−酸化アルミニウム粉末をα−酸化アルミニウムの種結晶として０．０１〜２０質量％添加した混合物を９００〜１２００℃で仮焼することで得られるα−酸化アルミニウム粉末を熱間静水圧圧縮成形法（ＨＩＰ法：ｈｏｔ ｉｓｏｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｉｎｇ）にて焼結するという方法である（特許第３０４４２９１号明細書を参照）。また、酸化アルミニウム焼結体を焼結温度付近まで加熱しながら機械加工にて応力を加えることにより、焼結体内部の結晶粒を異方成長させる方法でも得ることができる。
【００２０】
ただし、特に厳しい耐食性が要求される用途において使用される場合には、酸化アルミニウムが本来有する優れた耐食性を維持する必要があるので、そのためには酸化アルミニウムを主成分とするセラミック材料中の酸化アルミニウムの含有量は９９質量％以上とすることが好ましく、９９．５質量％以上とすることがより好ましい。
【００２１】
このようなセラミック材料を製造するためには、９９．９９質量％以上の高純度酸化アルミニウムと、Ｓｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｍｇ等の微量不純物を含有する通常純度の酸化アルミニウムとを、所望の比率で均一に混合し、該混合物を焼結すればよい。そうすれば、優れた耐食性を有し、且つ内部クラックの進展が生じにくいセラミック材料（アルミナ焼結体）を得ることができる。
【００２２】
なお、本発明は種々の転動装置に適用することができる。例えば、転がり軸受，ボールねじ，リニアガイド装置，直動ベアリング等である。
また、本発明における前記内方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合には内輪、同じくボールねじの場合にはねじ軸、同じくリニアガイド装置の場合には案内レール、同じく直動ベアリングの場合には軸をそれぞれ意味する。また、前記外方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合には外輪、同じくボールねじの場合にはナット、同じくリニアガイド装置の場合にはスライダ、同じく直動ベアリングの場合には外筒をそれぞれ意味する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る転動装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態である深溝玉軸受の構成を示す部分縦断面図である。
この深溝玉軸受は、外面に軌道面１ａを有する内輪１（内方部材）と、内輪１の軌道面１ａに対向する軌道面２ａを有し内輪１の外方に配置された外輪２（外方部材）と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配置された複数の玉３（転動体）と、複数の玉３を保持する保持器４と、を備えており、玉３の転動により内輪１又は外輪２が相対回転するようになっている。
【００２４】
そして、内輪１，外輪２，及び玉３のうち少なくとも１つは、酸化アルミニウムを９９．５質量％以上含有するセラミック材料で構成されている。このセラミック材料は、アスペクト比が２以上の異方性を有する酸化アルミニウムの結晶粒を面積率で１０〜８０％含有している。
このような深溝玉軸受は、前述したような酸化アルミニウムを主成分とするセラミック材料で構成されているので、優れた耐食性を有することに加えて、内部クラックの進展が生じにくい。よって、フッ酸等のような強酸と接触するという極めて厳しい腐食環境下で使用されても長寿命である。
【００２５】
次に、スラスト玉軸受に類似の構造を有する装置を用いて回転試験を行った。この装置１０は、図２に示すように、内輪回転のスラスト玉軸受に類似する構造を有しており、内輪に相当する部材（上部試験片）１１と、外輪に相当する部材（下部試験片）１２と、両部材１１，１２間に転動自在に配設された複数の転動体１３と、複数の転動体１３を円周方向に等配に保持する保持器１４と、で構成されている。
【００２６】
この下部試験片１２は、後述するような酸化アルミニウムを主成分とするセラミック材料で構成されている。また、上部試験片１１及び転動体１３は窒化ケイ素で構成されている。さらに、保持器１４はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成されている。
上部試験片１１，下部試験片１２，及び転動体１３の寸法は、呼び番号５１３０５のスラスト玉軸受（内径２５ｍｍ，外径５２ｍｍ）と同様とし、転動体１３の個数は６個とした。ただし、下部試験片１２は平板状であり軌道溝を有しておらず、その表面粗さＲａは０．２μｍ以下に仕上げてある。
【００２７】
上部試験片１１は主軸２１に取り付けられていて、主軸２１とともに回転するようになっている。また、下部試験片１２は、水が満たされた容器２２の底部に固定されている。この容器２２は、図２において矢印で示すように、図示しないアームによって下方から荷重が負荷されるようになっており、その結果、前記装置１０は、前記荷重を負荷されつつ回転するようになっている。
【００２８】
そして、以下に示すような条件で装置１０の回転試験を行った。ただし、この回転試験は、回転１００時間毎に以下に述べるような操作を行っている。すなわち、回転１００時間毎に回転試験を中断して装置１０を分解し、下部試験片１２を５％フッ化水素水溶液に常温で２４時間浸漬して腐食劣化させた後、装置１０を組み立てて回転試験を再開するという操作である。
【００２９】
〔回転試験の条件〕
回転速度：１０００ｍｉｎ−１
下部試験片１２と転動体１３との最大接触面圧：３ＧＰａ
雰囲気 ：水中
温度 ：常温
回転試験の際には装置１０に生じる振動値を測定し、回転初期の振動値の３倍の振動値となるまでの時間を寿命とした。なお、回転時の振動値が回転初期の振動値の３倍に達した際には、装置１０を分解して上部試験片１１，下部試験片１２，及び転動体１３の損傷を確認した。そして、振動値の上昇が、下部試験片１２に生じた損傷に起因するものではなく、上部試験片１１や転動体１３に生じた損傷に起因するものであると判断された場合には、寿命とは判定せずに、損傷している部材を新品に交換して回転試験を続行した。
【００３０】
異なる種類のセラミック材料で下部試験片１２を構成した７種（実施例１〜４及び比較例１〜３）の装置１０を用意して、それぞれについて上記のような回転試験を行い寿命を評価した。表１に、酸化アルミニウムを主成分とするセラミック材料の内容（酸化アルミニウムの含有量、アスペクト比が２以上の異方性を有する酸化アルミニウムの結晶粒の含有量）をまとめて示す。
【００３１】
【表１】
【００３２】
結晶粒の形状及び含有量は、以下のようにして求めた。材料を切断しその断面を鏡面研磨した後に、大気中で１０００℃程度に加熱して、結晶粒を表面（断面）に露出させた。そして、金属顕微鏡を用いて２００倍の倍率で前記断面を観察し、任意の観察視野の映像をコンピュータに取り込んで画像解析した。
【００３３】
回転試験による寿命の評価結果を図３のグラフに示す。このグラフの横軸は、セラミック材料中のアスペクト比が２以上の異方性を有する酸化アルミニウムの結晶粒の含有量を示し、縦軸は寿命を示している。また、セラミック材料中の酸化アルミニウムの含有量が９９．５質量％である場合は○印でプロットしてあり、９９質量％である場合は●印でプロットしてある。なお、寿命の数値は、比較例１の寿命を１とした場合の相対値で示してある。
【００３４】
このグラフから、アスペクト比が２以上の異方性を有する酸化アルミニウムの結晶粒の含有量が１０〜８０％の範囲内であれば、寿命が優れていることが分かる。また、実施例２と実施例３との比較から、セラミック材料中の酸化アルミニウムの含有量が９９．５質量％の場合は、９９質量％の場合と比較して寿命がより優れていることが分かる。
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００３５】
例えば、本実施形態においては深溝玉軸受を例示して説明したが、本発明の転動装置は様々な転がり軸受に対して適用することができる。例えば、アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受，円筒ころ軸受，針状ころ軸受，自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。
また、本実施形態においては、転動装置として転がり軸受を例示して説明したが、本発明の転動装置は、他の様々な種類の転動装置に対して適用することができる。例えば、リニアガイド装置，ボールねじ，直動ベアリング等の他の転動装置にも好適に適用可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、アスペクト比が２以上の異方性を有する酸化アルミニウムの結晶粒を面積率で１０〜８０％含有するセラミック材料は、優れた耐食性を有することに加えて、内部クラックの進展が生じにくい。よって、このようなセラミック材料で構成された本発明の転動装置は、優れた耐食性を有しており、腐食性環境下で使用されても長寿命である。
また、セラミック材料中の酸化アルミニウムの含有量を９９．５質量％以上とすれば、さらに長寿命とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である深溝玉軸受の構成を示す部分縦断面図である。
【図２】スラスト玉軸受に類似の構造を有する装置の構造及び回転試験の方法を説明する断面図である。
【図３】アスペクト比が２以上の異方性を有する酸化アルミニウムの結晶粒の含有量と回転試験結果（寿命）との相関を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 内輪
１ａ 軌道面
２ 外輪
２ａ 軌道面
３ 玉
１１ 上部試験片
１２ 下部試験片
１３ 転動体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a rolling device such as a rolling bearing, a ball screw, a linear guide device, and the like, and more particularly, to a corrosive environment where the device comes into contact with a corrosive liquid or corrosive gas (wafer cleaning device, resist in a semiconductor manufacturing process, etc.). Rolling device that can be suitably used also in a coating / peeling device, a capacitor film etching device, and the like.
[0002]
[Prior art]
Since the material constituting the rolling device used in the above-described corrosive environment is required to have particularly excellent corrosion resistance, it is generally used as a material constituting a rolling member requiring corrosion resistance. However, a ceramic material such as silicon nitride (Si 3 N 4 ), zirconia (ZrO 2 ), and silicon carbide (SiC) cannot be used. In recent years, a rolling device made of a material based on alumina (Al 2 O 3 ) having even better corrosion resistance has been proposed.
[0003]
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-174143 discloses a silicon nitride material further improved in corrosion resistance by using a MgAl 2 O 4 spinel structure as a sintering aid, and a rolling bearing composed of the silicon nitride material. Has been described.
Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 10-82426 discloses a rolling bearing in which an inner ring, an outer ring, and a rolling element are made of silicon carbide, and a retainer is made of a fluorine resin.
Furthermore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-9145 describes a rolling bearing in which a rolling element or a race is made of silicon carbide.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, silicon nitride materials do not have sufficient corrosion resistance to strong acids such as hydrofluoric acid used in semiconductor manufacturing processes and the like, and have a surface hardness due to grain boundary glass phase corrosion and corrosion of silicon nitride itself constituting the material. And the strength also deteriorates. Therefore, there is a problem that the durability required for the rolling member cannot be sufficiently secured. Similarly, even when the rolling member is made of zirconia, corrosion may occur in a strong acid as described above, thereby shortening the life of the rolling bearing.
[0005]
Further, silicon carbide is excellent in corrosion resistance but low in strength as compared with silicon nitride. In addition, since the sliding characteristics of silicon carbide itself and other ceramic materials are poor, if it is used as a material that composes a rolling bearing, damage such as galling or cracking is likely to occur if the mounting condition is poor. However, there is a problem in that a rotation problem occurs in the above.
[0006]
As other corrosion resistant ceramic materials other than these materials, an alumina sintered body in which the content of silicon (Si) component in terms of metal is 5 to 150 ppm to improve durability against corrosive atmospheres is disclosed in JP-A-2000-290063. It is proposed in the gazette. The main phase is an alumina crystal phase having an average particle size of 10 μm or less, and at least one crystal phase selected from the group consisting of TiO 2 , MgAl 2 O 4 , and FeAl 2 O 4 is contained in the alumina crystal particles. Alumina material consisting of a sintered body dispersed as crystal particles of 0.3 μm or less at a ratio of 1% by volume or more in the total amount, and having a void content ratio of 5% or less and having improved wear resistance and temperature stability. Has been proposed in JP-A-11-228215.
[0007]
However, although these corrosion-resistant ceramic materials do not have such a high friction coefficient as silicon carbide, alumina-based materials generally have a tendency to develop internal cracks and have low strength, so that they may crack or chip depending on the use environment of the rolling bearing. In some cases, damage such as was caused. Therefore, when used as a component of a rolling bearing, appropriate strength management is required.
[0008]
For this reason, the problem of the strength of the alumina-based material has been studied, and an example of solving the problem and using it as a constituent material of a rolling bearing is disclosed. For example, JP-A-11-153141, JP-A-11-153142, and JP-A-11-153143 disclose a composite ceramic material in which at least a rolling surface of an inner ring, an outer ring, and a rolling element contains alumina. A configured rolling bearing has been proposed.
[0009]
In the case of the rolling bearing described in JP-A-11-153141, the composite ceramic material has a main constituent part composed of alumina and titanium carbide (TiC). The titanium content is 50 to 10% by volume. The surface roughness of the rolling surface is such that the average roughness Ra is 0.1 μm or less and the maximum roughness Rmax is 0.4 μm or less.
[0010]
In the case of the rolling bearing described in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-153142, the composite ceramic material has a main constituent part composed of alumina and zirconia, and has an alumina content of 40 to 98% by volume and a zirconia content. Is 60 to 2% by volume. The surface roughness of the rolling surface is such that the average roughness Ra is 0.1 μm or less and the maximum roughness Rmax is 0.4 μm or less.
[0011]
Further, in the case of the rolling bearing described in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-153143, the composite ceramic material has a main constituent part composed of alumina and silicon carbide, the alumina content is 60 to 95% by mass, and the silicon carbide is silicon carbide. The content is 40 to 5% by mass. The surface roughness of the rolling surface is such that the average roughness Ra is 0.1 μm or less and the maximum roughness Rmax is 0.4 μm or less.
[0012]
However, these alumina-based composite ceramic materials have a problem that when titanium carbide, zirconia, and the like to be composited have lower corrosion resistance than alumina, they have lower corrosion resistance than alumina.
In the case of a composite ceramic material composed of alumina and silicon carbide, since the sintering temperature is extremely different between alumina and silicon carbide, a grain boundary phase is formed using SiO 2 or the like, which has lower corrosion resistance than alumina or silicon carbide. To improve strength and sinterability. Therefore, although the strength and sliding characteristics of the composite ceramic material can be improved, it has been difficult to secure sufficient corrosion resistance.
[0013]
Thus, when alumina and other materials are combined to improve the strength, the corrosion resistance tends to decrease, and it has been difficult to achieve both the strength and the corrosion resistance. Therefore, the rolling bearing made of such a composite ceramic material has a problem that its life is not sufficient. In particular, it has been difficult to exhibit sufficient performance under an extremely severe corrosive environment in which it comes into contact with a strong acid such as hydrofluoric acid.
[0014]
Therefore, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art and to provide a rolling device having a long life even when used in a corrosive environment.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, the present invention has the following configuration. That is, the rolling device according to claim 1 of the present invention has an inner member having a raceway surface on an outer surface, and a raceway surface facing the raceway surface of the inner member, and is disposed outside the inner member. Outer member, and a plurality of rolling elements disposed so as to freely roll between the two raceway surfaces, one of the inner member and the outer member to the other by the rolling of the rolling element In a rolling device that relatively moves or rotates with respect to at least one of the inner member, the outer member, and the rolling element, at least one of a ceramic material containing aluminum oxide as a main component, The ceramic material is characterized by containing aluminum oxide crystal grains having an anisotropy having an aspect ratio of 2 or more in an area ratio of 10 to 80%.
[0016]
The rolling device according to claim 2 of the present invention is characterized in that, in the rolling device according to claim 1, the content of the aluminum oxide in the ceramic material is 99.5% by mass or more. I do.
Since such a ceramic material has both excellent corrosion resistance inherent in aluminum oxide and excellent strength, the rolling device of the present invention made of the ceramic material has a long life even when used in a corrosive environment. It is.
[0017]
Conventional aluminum oxide is composed of isotropic crystal grains, but in the present invention, it contains crystal grains having anisotropy together with crystal grains having isotropic properties. In comparison, internal cracks are less likely to develop. In other words, in aluminum oxide composed of isotropic crystal grains, internal cracks that propagate along the grain boundaries can progress linearly, whereas if anisotropic crystal grains exist inside the structure, Cracks must progress while avoiding anisotropic crystal grains. For this reason, the energy that causes the internal crack to propagate can be consumed by changing the direction in which the internal crack progresses, so that the progress of the internal crack can be suppressed. Therefore, the ceramic material has superior strength as compared with conventional aluminum oxide.
[0018]
In order to effectively suppress the progress of internal cracks, the aspect ratio of the crystal grains of aluminum oxide having anisotropy (the ratio of the major axis to the minor axis of the crystal grains) needs to be 2 or more. Further, the content of crystal grains of aluminum oxide having anisotropy needs to be 10 to 80% in area ratio. If the content is less than 10%, it is not possible to sufficiently obtain an effective wedge effect for suppressing the progress of internal cracks. On the other hand, if it exceeds 80%, the filling of the crystal becomes insufficient and the densification of the ceramic material is hindered, so that the strength of the ceramic material decreases.
[0019]
Such a ceramic material containing aluminum oxide as a main component can be obtained, for example, by the following method. That is, using a standard purity aluminum hydroxide produced by the Bayer method as a raw material, a fine α-aluminum oxide powder of 0.1 μm or less such as abrasion powder of a high-purity aluminum oxide crushed ball is used as a seed crystal of the α-aluminum oxide. The α-aluminum oxide powder obtained by calcining the mixture containing 0.01 to 20% by mass at 900 to 1200 ° C. is sintered by hot isostatic pressing (HIP method). (See Japanese Patent No. 3044421). Alternatively, the aluminum oxide sintered body can be obtained by a method in which crystal grains inside the sintered body are anisotropically grown by applying stress by mechanical processing while heating the sintered body to around the sintering temperature.
[0020]
However, when used in applications where particularly severe corrosion resistance is required, it is necessary to maintain the excellent corrosion resistance inherent in aluminum oxide. For that purpose, aluminum oxide in a ceramic material containing aluminum oxide as a main component is required. Is preferably 99% by mass or more, more preferably 99.5% by mass or more.
[0021]
In order to manufacture such a ceramic material, a high-purity aluminum oxide of 99.99% by mass or more and a normal-purity aluminum oxide containing trace impurities such as Si, Na, Ca, and Mg are mixed in a desired ratio. And then sintering the mixture. Then, it is possible to obtain a ceramic material (alumina sintered body) having excellent corrosion resistance and hardly causing internal cracks to develop.
[0022]
Note that the present invention can be applied to various rolling devices. For example, there are a rolling bearing, a ball screw, a linear guide device, a linear motion bearing, and the like.
In the present invention, the inner member is an inner ring when the rolling device is a rolling bearing, a screw shaft when the ball screw is the same, a guide rail when the linear guide device is the same, a linear motion bearing. In this case, each axis means. The outer member is an outer ring when the rolling device is a rolling bearing, a nut when the ball screw is the same, a slider when the linear guide device is the same, and an outer cylinder when the linear bearing is the same. Respectively.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a rolling device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a partial longitudinal sectional view showing a configuration of a deep groove ball bearing according to an embodiment of the present invention.
This deep groove ball bearing has an inner race 1 (inner member) having a raceway surface 1a on the outer surface, and an outer race 2 (outer race) having a raceway surface 2a opposed to the raceway surface 1a of the inner race 1 and arranged outside the inner race 1. ), A plurality of balls 3 (rolling elements) rotatably arranged between the two raceway surfaces 1a and 2a, and a retainer 4 for holding the plurality of balls 3. The rolling causes the inner ring 1 or the outer ring 2 to relatively rotate.
[0024]
At least one of the inner ring 1, the outer ring 2, and the balls 3 is made of a ceramic material containing 99.5% by mass or more of aluminum oxide. This ceramic material contains anisotropic aluminum oxide crystal grains having an aspect ratio of 2 or more in an area ratio of 10 to 80%.
Since such a deep groove ball bearing is made of a ceramic material containing aluminum oxide as a main component as described above, in addition to having excellent corrosion resistance, internal cracks hardly develop. Therefore, it has a long life even when used in an extremely severe corrosive environment in which it comes into contact with a strong acid such as hydrofluoric acid.
[0025]
Next, a rotation test was performed using an apparatus having a structure similar to a thrust ball bearing. As shown in FIG. 2, this device 10 has a structure similar to an inner ring rotating thrust ball bearing, and includes a member (upper test piece) 11 corresponding to the inner ring and a member (lower test piece) corresponding to the outer ring. ) 12, a plurality of rolling elements 13 rotatably arranged between the two members 11, 12, and a retainer 14 for holding the plurality of rolling elements 13 equally spaced in the circumferential direction. I have.
[0026]
The lower test piece 12 is made of a ceramic material containing aluminum oxide as a main component as described later. The upper test piece 11 and the rolling elements 13 are made of silicon nitride. Further, the retainer 14 is made of polytetrafluoroethylene (PTFE).
The dimensions of the upper test piece 11, the lower test piece 12, and the rolling elements 13 were the same as those of the thrust ball bearings with the nominal number 51305 (inner diameter 25 mm, outer diameter 52 mm), and the number of the rolling elements 13 was six. However, the lower test piece 12 was flat and had no raceway groove, and had a surface roughness Ra of 0.2 μm or less.
[0027]
The upper test piece 11 is attached to the main shaft 21 and rotates with the main shaft 21. The lower test piece 12 is fixed to the bottom of a container 22 filled with water. As shown by arrows in FIG. 2, the container 22 is loaded with a load from below by an arm (not shown), and as a result, the device 10 rotates while receiving the load. ing.
[0028]
Then, a rotation test of the apparatus 10 was performed under the following conditions. However, in this rotation test, the following operation is performed every 100 hours of rotation. That is, the rotation test is interrupted every 100 hours of rotation, the device 10 is disassembled, and the lower test piece 12 is immersed in a 5% hydrogen fluoride aqueous solution at room temperature for 24 hours to deteriorate by corrosion. The operation is to restart the test.
[0029]
[Rotation test conditions]
Rotation speed: 1000 min -1
Maximum contact surface pressure between lower test piece 12 and rolling element 13: 3 GPa
Atmosphere: Underwater temperature: At the time of the normal temperature rotation test, the vibration value generated in the device 10 was measured, and the time until the vibration value became three times the vibration value at the beginning of rotation was defined as the life. When the vibration value during rotation reached three times the vibration value at the beginning of rotation, the device 10 was disassembled and damage to the upper test piece 11, the lower test piece 12, and the rolling elements 13 was confirmed. If it is determined that the increase in the vibration value is not due to the damage generated in the lower test piece 12 but to the damage generated in the upper test piece 11 or the rolling element 13, the life is increased. However, the damaged member was replaced with a new one and the rotation test was continued.
[0030]
Seven types (Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3) of the apparatus 10 having the lower test piece 12 made of different types of ceramic materials were prepared, and the rotation test was performed on each of them to evaluate the life. . Table 1 summarizes the contents of the ceramic material containing aluminum oxide as a main component (content of aluminum oxide, content of crystal grains of anisotropic aluminum oxide having an aspect ratio of 2 or more).
[0031]
[Table 1]
[0032]
The shape and content of the crystal grains were determined as follows. After the material was cut and its cross section was mirror-polished, it was heated to about 1000 ° C. in the air to expose crystal grains on the surface (cross section). Then, the cross section was observed at a magnification of 200 times using a metallographic microscope, and an image in an arbitrary observation visual field was taken into a computer and analyzed.
[0033]
FIG. 3 is a graph showing the results of the life evaluation by the rotation test. The horizontal axis of this graph indicates the content of crystal grains of anisotropic aluminum oxide having an aspect ratio of 2 or more in the ceramic material, and the vertical axis indicates the life. In addition, when the content of aluminum oxide in the ceramic material is 99.5% by mass, it is plotted with a mark, and when it is 99% by mass, it is plotted with a mark. The numerical value of the life is shown as a relative value when the life of Comparative Example 1 is 1.
[0034]
From this graph, it can be seen that the life is excellent when the content of aluminum oxide crystal grains having an anisotropy having an aspect ratio of 2 or more is in the range of 10 to 80%. Also, from the comparison between Example 2 and Example 3, it was found that the life was more excellent when the content of aluminum oxide in the ceramic material was 99.5% by mass than when it was 99% by mass. I understand.
Note that the present embodiment is an example of the present invention, and the present invention is not limited to the present embodiment.
[0035]
For example, in the present embodiment, a deep groove ball bearing has been described as an example, but the rolling device of the present invention can be applied to various rolling bearings. For example, radial rolling bearings such as angular ball bearings, self-aligning ball bearings, cylindrical roller bearings, needle roller bearings, and self-aligning roller bearings, and thrust rolling bearings such as thrust ball bearings and thrust roller bearings. is there.
Further, in the present embodiment, a rolling bearing has been described as an example of a rolling device, but the rolling device of the present invention can be applied to various other types of rolling devices. For example, the present invention can be suitably applied to other rolling devices such as a linear guide device, a ball screw, and a linear motion bearing.
[0036]
【The invention's effect】
As described above, a ceramic material containing aluminum oxide crystal grains having an anisotropy having an aspect ratio of 2 or more in an area ratio of 10 to 80% has not only excellent corrosion resistance but also the development of internal cracks. Is unlikely to occur. Therefore, the rolling device of the present invention made of such a ceramic material has excellent corrosion resistance, and has a long life even when used in a corrosive environment.
Further, when the content of aluminum oxide in the ceramic material is 99.5% by mass or more, the life can be further extended.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial longitudinal sectional view showing a configuration of a deep groove ball bearing according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a structure of a device having a structure similar to a thrust ball bearing and a method of a rotation test.
FIG. 3 is a graph showing a correlation between the content of crystal grains of anisotropic aluminum oxide having an aspect ratio of 2 or more and a rotation test result (life).
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inner ring 1a Track surface 2 Outer ring 2a Track surface 3 Ball 11 Upper test piece 12 Lower test piece 13 Rolling element
