JP2008024539A - セラミックス製部品の製造方法、この方法で得られた転動体を有する転がり支持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ｄｍｎ値が１４０万以上となる高速回転下や潤滑剤を使用できない腐食環境下においても、寿命を十分に長くできる転がり軸受を提供する。
【解決手段】玉３を窒化珪素製とし、その表面に、比重が３．０以上で、ビッカース硬さが４００以上で、平均粒径が２００μｍ以上１０００μｍ以下の粒子からなるショットを投射することにより、前記表面をなすセラミックス結晶に転位を導入するショットブラスト工程を行った後に、仕上げ研磨加工を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、セラミックス製部品の製造方法、この方法で得られた転動体を有する転がり支持装置に関する。
本発明において、転がり支持装置とは、互いに対向配置される軌道面を備えた第１部材および第２部材と、両部材の軌道面間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより第１部材および第２部材の一方が他方に対して相対移動する装置、具体的には、転がり軸受（ボールベアリング、ローラベアリング等）、ボールねじ、リニアガイド、ボールスプライン、リニアボールベアリング等を指す。

工作機械主軸用軸受には、下記の特許文献１に記載されているように、ｄｍｎ値（軸受の内径と外径との平均寸法ｄｍ≒転動体のピッチ円の直径（単位：ｍｍ）と、回転速度ｎ（単位：ｍｉｎ^-1）との積）が１４０万以上となる高速回転下での寿命を十分に長くすることが求められている。
一方、半導体装置、液晶パネル、ハードディスク等は、製造工程で各種薬品で洗浄されるため、その製造過程で使用する装置に組み込まれた転がり支持装置には、腐食環境下で良好に作動することが要求される。また、潤滑油やグリース等の潤滑剤は、飛散して汚染の原因となる恐れがあるため使用できない。

腐食環境下で使用可能な転がり軸受としては、常圧焼結法で製造されたセラミックス製の外輪と、ガス圧焼結法又はＨＩＰ法で製造されたセラミックス製の内輪を備えた耐食性転がり軸受（特許文献２を参照）や、内輪、外輪、および転動体が炭化ケイ素製である転がり軸受（特許文献３を参照）等が知られている。
下記の特許文献４には、セラミックス製品の表面強靱化方法として、硬さが、Ｈｖ（ビッカース硬さ）で５００以上、且つ、対象となるセラミックス製品のＨｖに５０を足した値以下であり、平均粒子サイズが０．１μｍ〜２００μｍであり、表面が凸曲面の微粒子からなる噴射材（ショット）を用いて、セラミックス製品の表面に均一に分布した直線状の転位組織を形成する方法が記載されている。

なお、下記の特許文献５には、モータにより一定速度で回転する底部円板と、該円板を底面として周囲に立設された円筒状側壁と、該円筒状側壁の上部開口を閉止する蓋からなり、底部円板内面側と円筒状側壁内面側は、ともに砥粒が付着されて砥材面を形成していると共に、蓋の中央にはホースアダプターが設けられ、加工時、発生する粉塵を吸出するバキュームノズルが接続可能となっていることを特徴とする脆性材料の球体成形加工装置が記載されている。
特開２００５−１６３８９３号公報 特開平８−１２１４８８号公報 特開平１０−８２４２６号公報 特開２００４−１３６３７２号公報 特開２００６−３５３３４号公報

本発明の課題は、ｄｍｎ値が１４０万以上となる高速回転下や潤滑剤を使用できない腐食環境下においても、寿命を十分に長くできる転がり軸受等の転がり支持装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は、セラミックス（窒化珪素、炭化珪素、アルミナ等）製部品の表面に、比重が３．０以上で、ビッカース硬さが４００以上で、平均粒径が２００μｍ以上１０００μｍ以下の粒子からなるショットを投射することにより、前記表面をなすセラミックス結晶に転位を導入するショットブラスト工程を有することを特徴とするセラミックス製部品の製造方法を提供する。

本発明の方法と特許文献４の方法とでは、使用するショットの硬さと平均粒径が異なるため、それ以外の条件を同じにしてショットブラストを行った結果で両者を比較した。その結果を、得られたセラミックス製部品の表面からの深さと破壊靱性値との関係を示すグラフにまとめて図１に示す。図１のグラフのNo. １は、後述の実施形態に示す条件で得られた本発明の方法による結果であり、No. ２は、後述の実施形態に示す条件で得られた特許文献４の方法による結果である。

このグラフから、本発明の方法では、表面から約２０μｍの深さに転位が導入され、特許文献４の方法では、表面から約１０μｍの深さに転位が導入されていることが分かる。このように、本発明の方法によれば、特許文献４の方法よりも、セラミックス製部品の表面の深い位置に転位が導入されるため、耐摩耗性および耐焼き付き性により優れたセラミックス製部品を得ることができる。

本発明の方法のショットブラスト工程で、使用するショットの平均粒径は２５０μｍ以上４００μｍ以下であることが好ましい。また、ショットブラスト条件としては、投射圧が０．１ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下（より好ましくは０．２ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下）、投射速度が３０ｍ／ｓ以上９０ｍ／ｓ以下、投射量が２００ｇ／ｍｉｎ以上８００ｇ／ｍｉｎ以下であることが好ましい。

本発明の方法においては、前記ショットブラスト工程の後に、仕上げ研磨加工を行うことが好ましい。この仕上げ研磨加工は、特許文献５に記載の球体成形加工装置を使用して行うことができる。この仕上げ研磨加工で例えば表面から深さ３μｍの位置まで研磨した場合でも、得られた表面の破壊靱性値は、図１に示すように、特許文献４の方法で得られた表面の破壊靱性値より高くなる。

例えば、転がり軸受の転動体とするセラミックス製球体に対してショットブラストを行うと、球体の表面粗さが粗くなったり、真円度が低下したりするが、ショットブラスト工程の後に特許文献５に記載の球体成形加工装置等を使用して仕上げ研磨加工を行うことにより、これらの不具合が解決される。よって、靱性、耐摩耗性、および耐焼き付き性に優れたセラミックス製転動体が得られる。

本発明はまた、互いに対向配置される軌道面を備えた第１部材および第２部材と、両部材の軌道面間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより第１部材および第２部材の一方が他方に対して相対移動する転がり支持装置において、前記転動体はセラミックス製部品であり、本発明の方法で得られ、表面をなすセラミックス結晶に転位組織が均一に形成されていることを特徴とする転がり支持装置を提供する。

本発明の転がり支持装置は、本発明の方法で得られたセラミックス製転動体を備えているため、特許文献４の方法で表面が強靱化されたセラミックス製転動体を備えている転がり支持装置よりも、ｄｍｎ値が１４０万以上となる高速回転下や潤滑剤を使用できない腐食環境下における寿命が長くなる。

本発明の方法によれば、特許文献４の方法よりも、靱性、耐摩耗性、および耐焼き付き性に優れたセラミックス製部品が得られる。
本発明の転がり支持装置は、ｄｍｎ値が１４０万以上となる高速回転下や潤滑剤を使用できない腐食環境下における寿命が長い。

以下、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
図２は、本発明の転がり支持装置の実施形態である転がり軸受の構造を示す部分縦断面図である。
この転がり軸受は、呼び番号６０００の深溝玉軸受（内径１０ｍｍ、外径２６ｍｍ、幅８ｍｍ、玉の直径４．７６ｍｍ）であり、外周面に軌道面１ａを有する内輪（第１部材）１と、軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪（第２部材）２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の玉（転動体）３と、玉３を保持する保持器４と、からなる。

内輪１と外輪２は、Ｍ５０（ＡＩＳＩ規格のモリブデン系高速度鋼）に相当する鋼からなる素材を所定形状に加工し、通常の熱処理を施したものを用いた。
No. １では、Ｈｖ１５００の窒化珪素製素材を直径４．７６ｍｍの球状に加工し、表面粗さ（Ｒａ）を０．００８μｍにした後、硬さがＨｖ１６５０で、平均粒径が３５０μｍで、比重が３．５のジルコンビーズをショットとして用い、投射圧：０．５ＭＰａ、投射速度：５０ｍ／ｓ、投射量：４００ｇ／ｍｉｎ、投射時間：１０ｓの条件でショットブラストを行い、次いで、ボールラップ盤を用いて仕上げ研磨を行った。これを玉３として用いた。この玉３の表面粗さ（Ｒａ）は、ショットブラスト前と同じ０．００８μｍであった。なお、仕上げ研磨前の表面粗さ（Ｒａ）は、ショットブラスト前より０．０２μｍ粗い０．０２８μｍであった。

No. ２では、Ｈｖ１５００の窒化珪素製素材を直径４．７６ｍｍの球状に加工し、表面粗さ（Ｒａ）を０．００８μｍにした後、硬さがＨｖ１５００で、平均粒径が１５０μｍで、比重が３．０のアルミナビーズをショットとして用いた以外はNo. １と同じ条件で、ショットブラストを行った。これを玉３として用いた。この玉３の表面粗さ（Ｒａ）は、ショットブラスト前より０．００８μｍ粗い、０．０１６μｍとなった。

No. ３では、Ｈｖ１５００の窒化珪素製素材を直径４．７６ｍｍの球状に加工し、表面粗さ（Ｒａ）を０．００８μｍにしたものを、そのまま玉３として用いた。
なお、表面粗さの測定は、Ｈｖ１５００の窒化珪素製で、１０ｍｍ×１０ｍｍで厚さが５ｍｍの板状試験片を用いて行った。すなわち、No. １では、この試験片の表面に対して、上述のNo. １の玉３に対する方法と同じ方法でショットブラストと研磨を行ったものを用いた。No. ２では、この試験片の表面に対して、上述のNo. ２の玉３に対する方法と同じ方法でショットブラストを行ったものを用いた。No. ３では、この試験片をそのまま用いた。

また、これらのNo. １〜３の玉３に対応させた試験片を用いて、破壊靱性値を測定したところ、No. １では１５ＭＰａ・√ｍ、No. ２では１２ＭＰａ・√ｍ、No. ３では６ＭＰａ・√ｍであった。
なお、図１は、No. １および２について、試験片の表面から各深さ位置で破壊靱性値を測定した結果を示すグラフである。図１において、No. １の試験片の表面の破壊靱性値は１５．３ＭＰａ・√ｍであるが、玉３としては仕上げ研磨によりショットブラスト後の表面から３μｍ程度が除去されたものを用いるため、No. １の玉３の表面の破壊靱性値は１５．０ＭＰａ・√ｍとなる。

得られたサンプルNo. １〜３の玉３と、前述の内輪１および外輪３と、フッ素樹脂製の保持器４を用いて、図２に示す転がり軸受を組み立てた。そして、組み立てた各転がり軸受を図３に示す日本精工（株）製の軸受回転試験機にかけて、腐食性液中に浸漬した状態での耐久性を調べた。

この試験機は、試験軸受１０の内輪を先端部１１ａに取り付ける軸１１と、外輪を内挿するハウジング１２を備えている。ハウジング１２の外周部にはプレート１３が固定され、このプレート１３に振動計１４が取り付けられている。ハウジング１２の外周部のプレート１３とは反対の側に、ワイヤー１５の一端が固定されている。このワイヤー１５の他端に、試験軸受１０にラジアル荷重を付与するための重り１６が取り付けられている。

この試験機では、また、容器２０を載せる台３０にアーム３１が固定され、その上に滑車３２が取り付けてある。試験軸受１０は、軸１１とハウジング１２との間に取り付けられた状態で容器２０内に設置する。そして、この状態で、ワイヤー１５を滑車３２を介して台３１の側部に垂下させる。容器２０内には水Ｗが入っている。
また、軸１１の回転装置として、モータ１１１とスピンドル１１２と連結継ぎ手１１３とからなる回転装置１１０を備えている。

この試験機により下記の条件で回転試験を行い、振動値を基準とした軸受寿命を測定した。すなわち、軸受に生じる振動を回転試験中に常時測定し、この振動値が初期値の３倍以上となった時点で試験を中止し、それまでの総回転数を寿命とした。なお、全ての転がり軸受に対してグリースおよび潤滑油による潤滑は行わなかった。

＜回転試験条件＞
雰囲気温度：常温
ラジアル荷重：９Ｎ
回転速度：３０００ｍｉｎ^-1
そして、各試験用軸受の耐久性（回転寿命）を比較するために、サンプルNo. ３の転がり軸受の寿命を「１」とした時の相対値を算出した。その結果、寿命の相対値が、本発明の実施例に相当する方法で作製した玉３を用いたNo. １では「１０」であり、特許文献４の方法で作製した玉３を用いたNo. ２では「３」であった。
このように、本発明の実施例に相当するNo. １の玉３を用いた転がり軸受は、No. ２および３を用いた転がり軸受と比較して、腐食性環境下での寿命が著しく長くなる。

〔第２実施形態〕
図４は、本発明の転がり支持装置の実施形態である転がり軸受の構造を示す部分縦断面図である。
この転がり軸受は、呼び番号７０ＢＮＲ１０Ｔのアンギュラ玉軸受（内径７０ｍｍ、外径１００ｍｍ、幅２０ｍｍ、玉の直径８．７３ｍｍ）であり、外周面に軌道面１ａを有する内輪（第１部材）１と、軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪（第２部材）２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の玉（転動体）３と、玉３を保持する保持器４とからなる。

第１実施形態と同じ方法で作製したNo. １〜３の玉と、Ｍ５０に相当する鋼からなる素材を所定形状に加工し、通常の熱処理を施すことで作製した内輪１および外輪２と、フェノール樹脂製の保持器４を用いて、図４に示す転がり軸受を組み立てた。
そして、組み立てた各転がり軸受を図５に示す試験機にかけて、オイルエアー潤滑での耐焼付き性を調べる試験を行った。この試験機は、ベルト２１で駆動される回転軸２２を有し、この回転軸２２とハウジング２３との間に試験軸受２４として、図４の転がり軸受を取り付ける。また、回転軸２２のベルト２１とは反対側の端部に、サポート軸受２５が取り付けられている。また、各試験軸受２４の軸受空間に向かう流路２６を設け、その入口２６ａに、オイルエアー導入チューブのコネクタを取り付ける。さらに、試験軸受２４の外輪の温度を測定する熱電対２７が設けてある。

この試験機により下記の条件で回転速度を変えて回転試験を行い、２時間後に試験軸受２４の外輪の温度が試験前よりどれくらい上昇するかを調べた。その結果を図６のグラフに示す。

＜回転試験条件＞
雰囲気温度：常温
アキシャル荷重：２００Ｎ
回転速度：５０００ｍｉｎ^-1、１００００ｍｉｎ^-1、１５０００ｍｉｎ^-1、２００００ｍｉｎ^-1、２５０００ｍｉｎ^-1、３００００ｍｉｎ^-1
オイルエアーとして供給した潤滑油：ＶＧ２２（鉱油）
オイルエアー供給量：０．２ミリリットル／ｍｉｎ

図６のグラフから分かるように、本発明の実施例に相当する方法で作製した玉３を用いたNo. １では、特許文献４の方法で作製した玉３を用いたNo. ２よりも外輪温度上昇値が小さかった。よって、本発明の実施例に相当する方法で作製した玉３を用いたNo. １では、特許文献４の方法で作製した玉３を用いたNo. ２よりも、オイルエアー潤滑での耐焼付き性に優れている。

また、本発明の実施例に相当する方法で作製した玉３を用いたNo. １では、回転速度が３００００ｍｉｎ^-1（ｄｍｎ値２５５万に相当）で外輪温度上昇値が２５℃であった。これに対して、特許文献４の方法で作製した玉３を用いたNo. ２では、回転速度が１５０００ｍｉｎ^-1（ｄｍｎ値１２７．５万に相当）で外輪温度上昇値が２５℃であり、回転速度が３００００ｍｉｎ^-1では５０℃であった。

したがって、本発明の実施例に相当するNo. １の玉３を用いた転がり軸受は、No. ２および３を用いた転がり軸受と比較して、ｄｍｎ値が１４０万以上となる高速回転下での寿命を十分長くできることが分かる。

セラミックス試験片の表面に対して本発明の方法と特許文献４の方法でショットブラストした場合の、セラミックス試験片の表面からの深さと破壊靱性値との関係を示すグラフである。 本発明の第１実施形態である転がり軸受の構造を示す部分縦断面図である。 第１実施形態で使用した、腐食性液中に浸漬した状態での耐久性を調べる回転試験機を示す概略構成図である。 本発明の第２実施形態である転がり軸受の構造を示す部分縦断面図である。 第２実施形態で使用した、オイルエアー潤滑での耐焼付き性を調べる回転試験機を示す概略構成図である。 回転速度を変えて回転試験を行い、外輪温度上昇値の変化を調べた結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 内輪（第２部材）
１ａ 軌道面
２ 外輪（第１部材）
２ａ 軌道面
３ 玉（転動体）
４ 保持器
１０ 試験軸受
１１ 軸
１１ａ 軸の先端部
１１０ 回転装置
１１１ モータ
１１２ スピンドル
１１３ 連結継ぎ手
１２ ハウジング
１３ プレート
１４ 振動計
１５ ワイヤー
１６ 重り
２０ 容器
３０ 台
３１ アーム
３２ 滑車
２１ ベルト
２２ 回転軸
２３ ハウジング
２４ 試験軸受
２５ サポート軸受
２６ オイルエアー導入用流路
２６ａ オイルエアー導入口
２７ 熱電対
Ｗ 水

Claims (3)

1. セラミックス製部品の表面に、比重が３．０以上で、ビッカース硬さが４００以上で、平均粒径が２００μｍ以上１０００μｍ以下の粒子からなるショットを投射することにより、前記表面をなすセラミックス結晶に転位を導入するショットブラスト工程を有することを特徴とするセラミックス製部品の製造方法。
2. 前記ショットブラスト工程の後に、仕上げ研磨加工を行うことを特徴とする請求項１記載のセラミックス製部品の製造方法。
3. 互いに対向配置される軌道面を備えた第１部材および第２部材と、両部材の軌道面間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより第１部材および第２部材の一方が他方に対して相対移動する転がり支持装置において、
   前記転動体はセラミックス製部品であり、請求項２記載の方法で得られ、表面をなすセラミックス結晶に転位組織が均一に形成されていることを特徴とする転がり支持装置。

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