JP2009008154A - 転動部材、転がり軸受および転動部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安価でありながら、十分な耐久性を安定して確保することが可能なβサイアロン焼結体からなる転動部材およびその製造方法、さらに当該転動部材を備えた転がり軸受を提供する。
【解決手段】深溝玉軸受１を構成する外輪１１、内輪１２および玉１３は、βサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成されている。そして、外輪１１、内輪１２および玉１３の転走面である外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転走面１３Ａを含む領域には、内部１１Ｃ，１２Ｃ，１３Ｃよりも緻密性の高い層である外輪緻密層１１Ｂ、内輪緻密層１２Ｂおよび玉緻密層１３Ｂが形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、転動部材、転がり軸受および転動部材の製造方法に関し、より特定的には、βサイアロンを主成分とする焼結体を採用した転動部材、転がり軸受および転動部材の製造方法に関するものである。

窒化珪素やサイアロンなどのセラミックスは、鋼に比べて比重が小さく、かつ耐食性が高いだけでなく、絶縁性を有するという特徴を備えている。そのため、軌道部材および転動体を備えた転がり軸受（ハブユニットを含む）の構成部品、たとえば軌道部材や転動体の素材にセラミックスを採用した場合、軸受の軽量化が可能となるとともに、構成部品の腐食による損傷、電食による転がり軸受の短寿命化などを抑制することができる。

また、転がり軸受の一種であるハブユニットは、内部に水分が浸入するおそれのある環境において使用される場合も多く、潤滑が不十分となる場合がある。セラミックスからなる転動体、軌道部材などの転動部品は、上述のような不十分な潤滑環境下においても損傷しにくいという特徴を有している。そのため、たとえば転動部品の素材にセラミックスを採用することにより、不十分な潤滑環境下において使用されるハブユニットの耐久性を向上させることができる。

しかし、窒化珪素やサイアロンなどのセラミックスは、鋼に比べて製造コストが高いため、転がり軸受の構成部品の素材としてセラミックスを採用すると、転がり軸受の製造コストが大幅に上昇するという問題点があった。

これに対し、近年、セラミックスであるβサイアロンを、燃焼合成法を含む製造工程を採用することにより、低コストで製造する方法が開発された（たとえば特許文献１〜３参照）。そのため、このβサイアロンを構成部品の素材として採用した低価格な転がり軸受の製造が検討され得る。
特開２００４−９１２７２号公報 特開２００５−７５６５２号公報 特開２００５−１９４１５４号公報

しかしながら、上記βサイアロンを転がり軸受の構成部品の素材として採用するためには、βサイアロンからなる転がり軸受の構成部品が十分な転動疲労寿命を有している必要がある。転動疲労寿命は、部材の破壊強度等とは必ずしも一致せず、βサイアロンからなる転がり軸受の構成部品も、必ずしも十分な転動疲労寿命を有しているとはいえない。そのため、βサイアロンからなる構成部品を備えた転がり軸受においても、十分な耐久性を安定して確保することは容易ではないという問題点があった。

そこで、本発明の目的は、安価でありながら、十分な耐久性を安定して確保することが可能なβサイアロン焼結体（βサイアロンを主成分とする焼結体）からなる転がり軸受の構成部品としての転動部材およびその製造方法、さらに当該転動部材を備えた転がり軸受（ハブユニットを含む）を提供することである。

本発明の一の局面における転動部材は、転がり軸受において、軌道部材、または当該軌道部材に接触して円環状の軌道上に配置される転動体である転動部材である。この転動部材は、βサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成されている。そして、他の転動部材と接触する面である転走面を含む領域には、内部よりも緻密性の高い層である緻密層が形成されている。

本発明の他の局面における転動部材は、転がり軸受において、軌道部材、または当該軌道部材に接触して円環状の軌道上に配置される転動体である転動部材である。この転動部材は、βサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成されている。そして、他の転動部材と接触する面である転走面を含む領域には、内部よりも緻密性の高い層である緻密層が形成されている。

本発明者は、βサイアロンを主成分とする転動部材の転動疲労寿命と、転動部材の構成との関係を詳細に調査した。その結果、以下の知見が得られ、本発明に想到した。

すなわち、上述のβサイアロンを主成分とする焼結体からなる転動部材においては、その緻密性が転動部材において最も重要な耐久性の１つである転動疲労寿命に大きく影響する。これに対し、上記本発明の転動部材は、βサイアロンを主成分とする焼結体からなり、転走面を含む領域に内部よりも緻密性の高い層である緻密層が形成されている。その結果、本発明の転動部材によれば、安価でありながら、転動疲労寿命が向上することにより十分な耐久性を安定して確保することが可能なβサイアロンを主成分とする焼結体からなる転動部材を提供することができる。

ここで、緻密性の高い層とは、焼結体において空孔率の低い（密度の高い）層であって、たとえば以下のように調査することができる。まず、転動部材の表面に垂直な断面において転動部材を切断し、当該断面を鏡面ラッピングする。その後、鏡面ラッピングされた断面を光学顕微鏡の斜光（暗視野）にて、たとえば５０〜１００倍程度で撮影し、３００ＤＰＩ（Ｄｏｔ Ｐｅｒ Ｉｎｃｈ）以上の画像として記録する。このとき、白色の領域として観察される白色領域は、空孔率の高い（密度の低い）領域に対応する。したがって、白色領域の面積率が低い領域は、当該面積率が高い領域に比べて緻密性が高い。そして、画像処理装置を用いて記録された画像を輝度閾値により２値化処理した上で白色領域の面積率を測定し、当該面積率により、撮影された領域の緻密性を知ることができる。つまり、上記本発明の転動部材では、転走面を含む領域に内部よりも白色領域の面積率の低い層である緻密層が形成されている。なお、上記撮影は、ランダムに５箇所以上で行ない、上記面積率は、その平均値で評価することが好ましい。また、転動部材の内部における上記白色領域の面積率は、たとえば１５％以上である。

また、転動部材の転動疲労寿命を一層向上させるためには、上記緻密層は１００μｍ以上の厚みを有していることが好ましい。さらに、上記他の局面における転動部材に採用される焼結助剤としては、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、珪素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、希土類元素の酸化物、窒化物、酸窒化物のうち少なくとも一種類以上を選択することができる。また、上記本発明の一の局面における転動部材と同等の作用効果を奏するためには、焼結助剤は、焼結体のうち２０質量％以下とすることが望ましい。

上記転動部材において好ましくは、緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は７％以下である。

白色領域の面積率が７％以下となる程度に上記緻密層の緻密性を向上させることで、転動部材の転動疲労寿命がより向上する。したがって、上記構成により、本発明の転動部材の転動疲労寿命を一層向上させることができる。

上記転動部材において好ましくは、緻密層の表面を含む領域には、当該緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性の高い層である高緻密層が形成されている。

緻密性のさらに高い高緻密層が緻密層の表面を含む領域に形成されることにより、転動部材の転動疲労に対する耐久性がより向上し、転動疲労寿命が一層向上する。

上記転動部材において好ましくは、高緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は３．５％以下である。

白色領域の面積率が３．５％以下となる程度に上記高緻密層の緻密性を向上させることで、転動部材の転動疲労寿命がより向上する。したがって、上記構成により、本発明の転動部材の転動疲労寿命を一層向上させることができる。

本発明に従った転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される複数の転動体とを備えている。そして、軌道部材および転動体の少なくともいずれか一方は、上記本発明の転動部材である。

本発明の転がり軸受においては、安価でありながら、十分な耐久性を安定して確保することが可能な上記本発明の転動部材を備えていることにより、安価でありながら、十分な耐久性を安定して確保することが可能なβサイアロン焼結体からなる転動部材を備えた転がり軸受を提供することができる。

本発明の一の局面における転動部材の製造方法は、転がり軸受において、軌道部材、または軌道部材に接触して円環状の軌道上に配置される転動体である転動部材の製造方法である。この転動部材の製造方法は、βサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる原料粉末が準備される工程と、原料粉末が転動部材の概略形状に成形されることにより成形体が作製される工程と、当該成形体が、１ＭＰａ以下の圧力下で焼結される工程とを備えている。

本発明の他の局面における転動部材の製造方法は、転がり軸受において、軌道部材、または軌道部材に接触して円環状の軌道上に配置される転動体である転動部材の製造方法である。この転動部材の製造方法は、βサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる原料粉末が準備される工程と、原料粉末が転動部材の概略形状に成形されることにより成形体が作製される工程と、当該成形体が、１ＭＰａ以下の圧力下で焼結される工程とを備えている。

セラミックスの焼結体からなる転動部材の製造方法においては、転動部材の転動疲労寿命を低下させる欠陥の発生を抑制する目的で、熱間静水圧焼結法（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓ；ＨＩＰ）やガス圧焼結法（Ｇａｓ Ｐｒｅｓｓｕｒｅｄ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ；ＧＰＳ）などの加圧焼結法（通常１０ＭＰａ以上の圧力下で焼結を行なう方法）による焼結が採用されるのが一般的である。この従来の製造方法によれば、転動部材の気孔率が低下し、密度の高い転動部材を製造することができる。しかし、加圧焼結法を採用した従来の製造方法は、製造コストの上昇を招来する。さらに、加圧焼結法を採用した製造方法では、転動部材の表層部に材質が変質した異常層が形成される。そのため、転動部材の仕上げ加工において、当該異常層を除去する必要が生じ、転動部材の製造コストが一層上昇する。一方、加圧焼結法を採用しない場合、転動部材の気孔率が増加して欠陥が発生し、転動部材の転動疲労寿命が低下するという問題点があった。

これに対し、本発明者は、βサイアロンからなる成形体を１ＭＰａ以下の圧力下で焼結して転動部材を製造することにより、転動部材の表面に形成される転走面を含む領域に、内部よりも緻密性の高い緻密層を形成可能であることを見出した。上記本発明の転動部材の製造方法においては、βサイアロンを主成分とする成形体が１ＭＰａ以下の圧力下で焼結される工程を含むことにより、加圧焼結の採用に伴う製造コストの上昇を抑制しつつ、転走面（表面）を含む領域に緻密層を形成することができる。その結果、本発明の転動部材の製造方法によれば、十分な耐久性を安定して確保することが可能なβサイアロン焼結体からなる転動部材を、安価に製造することができる。

なお、成形体が焼結される工程は、βサイアロンの分解を抑制するため、０．０１ＭＰａ以上の圧力下で行なうことが好ましく、低コスト化を考慮すると大気圧以上の圧力下で行なうことがより好ましい。また、製造コストを抑制しつつ緻密層を形成するためには、成形体が焼結される工程は１ＭＰａ以下の圧力下で行なうことが好ましい。

上記転動部材の製造方法において好ましくは、成形体が焼結される工程では、１５５０℃以上１８００℃以下の温度域で成形体が焼結される。

成形体が焼結される温度が１５５０℃未満では、焼結による緻密化が進みにくいため、成形体が焼結される温度は１５５０℃以上であることが好ましく、１６００℃以上であることがより好ましい。一方、成形体が焼結される温度が１８００℃を超えると、βサイアロン結晶粒の粗大化による焼結体の機械的特性の低下が懸念されるため、成形体が焼結される温度は１８００℃以下であることが好ましく、１７５０℃以下であることがより好ましい。

上記転動部材の製造方法において好ましくは、成形体が焼結される工程では、不活性ガス雰囲気中または窒素と酸素との混合ガス雰囲気中において成形体が焼結される。

不活性ガス雰囲気中において成形体が焼結されることにより、βサイアロンの分解や組織変化を抑制することができる。また、窒素と酸素との混合ガス雰囲気中において成形体が焼結されることにより、βサイアロン焼結体の窒素および酸素の含有量を制御することができる。

上記転動部材の製造方法において好ましくは、成形体が焼結される前に、成形体の表面が加工される工程をさらに備えている。

成形体が焼結されると成形体の硬度が極めて高くなり、加工が困難となる。そのため、焼結後に、たとえば成形体の大幅な加工を行なって転動部材として仕上げる仕上げ工程を採用することは、転動部材の製造コストの上昇を伴う。これに対し、成形体の焼結前に成形体の加工を行なって、仕上げ工程などにおける焼結後の成形体の加工量を抑制することにより、転動部材の製造コストを抑制することができる。特に、加圧焼結法を採用する製造方法では、異常層を除去するために焼結後に比較的大きな加工量が必要となるため、このような工程のメリットは小さいが、本発明の転動部材の製造方法では、βサイアロンからなる成形体を１ＭＰａ以下の圧力下で焼結する工程が採用されているため、異常層を除去するための加工量が抑制されており、上記工程によるメリットは極めて大きい。

上記転動部材の製造方法において好ましくは、焼結された成形体の表面が加工され、当該表面を含む領域が除去される工程をさらに備えている。そして、焼結された成形体の表面が加工される工程において除去される当該成形体の厚みは１５０μｍ以下である。

上記本発明の転動部材の製造方法においては、表面を含む領域に厚み１５０μｍ程度の上述の高緻密層が形成される。そのため、焼結された成形体の表面が加工され、当該表面を含む領域が除去される工程、たとえば仕上げ工程が実施される場合、当該工程において除去される成形体の厚みを１５０μｍ以下とすることにより、転動部材の転走面に高緻密層を残存させることができる。したがって、上記工程を採用することにより、一層転動疲労寿命が向上した転動部材を製造することができる。なお、高緻密層をより確実に残存させるためには、上記工程において除去される焼結された成形体の厚みは、１００μｍ以下とすることがより好ましい。

以上の説明から明らかなように、本発明の転動部材、転がり軸受および転動部材の製造方法によれば、安価でありながら、十分な耐久性を安定して確保することが可能なβサイアロン焼結体からなる転動部材およびその製造方法、さらに当該転動部材を備えた転がり軸受を提供することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である実施の形態１における転がり軸受としての深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。また、図２は、図１の要部を拡大して示す概略部分断面図である。図１および図２を参照して、実施の形態１における転がり軸受としての深溝玉軸受について説明する。

図１を参照して、深溝玉軸受１は、軌道部材としての環状の外輪１１と、外輪１１の内側に配置された軌道部材としての環状の内輪１２と、外輪１１と内輪１２との間に配置され、円環状の保持器１４に保持された転動体としての複数の玉１３とを備えている。外輪１１の内周面には外輪転走面１１Ａが形成されており、内輪１２の外周面には内輪転走面１２Ａが形成されている。そして、内輪転走面１２Ａと外輪転走面１１Ａとが互いに対向するように、外輪１１と内輪１２とは配置されている。さらに、複数の玉１３は、内輪転走面１２Ａおよび外輪転走面１１Ａに玉転走面１３Ａにおいて接触し、かつ保持器１４により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、深溝玉軸受１の外輪１１および内輪１２は、互いに相対的に回転可能となっている。

ここで、図２を参照して、本実施の形態における転動部材としての外輪１１、内輪１２および玉１３は、βサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成されている。そして、外輪１１、内輪１２および玉１３の転走面である外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転走面１３Ａを含む領域には、内部１１Ｃ，１２Ｃ，１３Ｃよりも緻密性の高い層である外輪緻密層１１Ｂ、内輪緻密層１２Ｂおよび玉緻密層１３Ｂが形成されている。この外輪緻密層１１Ｂ、内輪緻密層１２Ｂおよび玉緻密層１３Ｂの断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は７％以下である。そのため、本実施の形態おける深溝玉軸受１は、安価でありながら、十分な耐久性を安定して確保することが可能なβサイアロン焼結体からなる転動部材（外輪１１、内輪１２および玉１３）を備えた転がり軸受となっている。上記不純物は、原料に由来するもの、あるいは製造工程において混入するものを含む不可避的不純物を含む。

なお、上記本実施の形態においては、転動部材としての外輪１１、内輪１２および玉１３は、βサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成されていてもよい。焼結助剤を含むことで、容易に焼結体の気孔率を低下させることが可能となり、十分な耐久性を安定して確保することが可能なβサイアロン焼結体からなる転動部材を備えた転がり軸受を容易に提供することができる。上記不純物は、原料に由来するもの、あるいは製造工程において混入するものを含む不可避的不純物を含む。

さらに図２を参照して、外輪緻密層１１Ｂ、内輪緻密層１２Ｂおよび玉緻密層１３Ｂの表面である外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転走面１３Ａを含む領域には、外輪緻密層１１Ｂ、内輪緻密層１２Ｂおよび玉緻密層１３Ｂ内の他の領域よりもさらに緻密性の高い層である外輪高緻密層１１Ｄ、内輪高緻密層１２Ｄおよび玉高緻密層１３Ｄが形成されている。この外輪高緻密層１１Ｄ、内輪高緻密層１２Ｄおよび玉高緻密層１３Ｄの断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は３．５％以下となっている。これにより、外輪１１、内輪１２および玉１３の転動疲労に対する耐久性がより向上し、転動疲労寿命が一層向上している。

図３は、実施の形態１の変形例における転がり軸受としてのスラストニードルころ軸受の構成を示す概略断面図である。また、図４は、図３のスラストニードルころ軸受が備える軌道輪の要部を拡大して示す概略部分断面図である。また、図５は、図３のスラストニードルころ軸受が備えるニードルころの要部を拡大して示す概略部分断面図である。図３〜図５を参照して、実施の形態１の変形例における転がり軸受としてのスラストニードルころ軸受について説明する。

図３〜図５を参照して、スラストニードルころ軸受２は、基本的には図１に基づいて説明した深溝玉軸受１と同様の構成を有し、同様の効果を奏する。しかし、スラストニードルころ軸受２は、軌道部材および転動体の構成において、深溝玉軸受１とは異なっている。すなわち、スラストニードルころ軸受２は、円盤状の形状を有し、互いに一方の主面が対向するように配置された軌道部材としての一対の軌道輪２１と、転動体としての複数のニードルころ２３と、円環状の保持器２４とを備えている。複数のニードルころ２３は、その外周面であるころ転走面２３Ａにおいて一対の軌道輪２１の互いに対向する主面に形成された軌道輪転走面２１Ａに接触し、かつ保持器２４により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、スラストニードルころ軸受２の一対の軌道輪２１は、互いに相対的に回転可能となっている。

ここで、本変形例における転動部材としての軌道輪２１、およびニードルころ２３は、それぞれ上述の外輪１１または内輪１２、および玉１３に該当し、同様の内部２１Ｃ，２３Ｃ、緻密層（軌道輪緻密層２１Ｂ、ころ緻密層２３Ｂ）および高緻密層（軌道輪高緻密層２１Ｄ、ころ高緻密層２３Ｄ）を有している。そのため、本変形例おけるスラストニードルころ軸受２は、安価でありながら、十分な耐久性を安定して確保することが可能なβサイアロン焼結体からなる転動部材（軌道輪２１、ニードルころ２３）を備えた転がり軸受となっている。

次に、本発明の一実施の形態である実施の形態１における転がり軸受の製造方法について説明する。図６は、本発明の一実施の形態である実施の形態１における転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。また、図７は、本発明の実施の形態１における転がり軸受の製造方法に含まれる転動部材の製造方法の概略を示す図である。

図６を参照して、本実施の形態における転がり軸受の製造方法においては、まず、軌道部材を製造する軌道部材製造工程と、転動体を製造する転動体製造工程とが実施される。具体的には、軌道部材製造工程では、外輪１１、内輪１２、軌道輪２１などが製造される。一方、転動体製造工程では、玉１３、ニードルころ２３などが製造される。

そして、軌道部材製造工程において製造された軌道部材と、転動体製造工程において製造された転動体とを組み合わせることにより、転がり軸受を組立てる組立工程が実施される。具体的には、たとえば外輪１１および内輪１２と、玉１３とを組み合わせることにより、深溝玉軸受１が組立てられる。そして、軌道部材製造工程および転動体製造工程は、たとえば以下の転動部材の製造方法を用いて実施される。

図７を参照して、本実施の形態における転動部材の製造方法においては、まず、βサイアロンの粉末を準備するβサイアロン粉末準備工程が実施される。βサイアロン粉末準備工程においては、たとえば燃焼合成法を採用した製造工程により、安価にβサイアロンの粉末を製造することができる。

次に、βサイアロン粉末準備工程において準備されたβサイアロンの粉末に、焼結助剤を添加して混合する混合工程が実施される。この混合工程は、焼結助剤を添加しない場合、省略することができる。

次に、図７を参照して、上記βサイアロンの粉末またはβサイアロンの粉末と焼結助剤との混合物を、転動部材の概略形状に成形する成形工程が実施される。具体的には、上記βサイアロンの粉末またはβサイアロンの粉末と焼結助剤との混合物に、プレス成形、鋳込み成形、押し出し成形、転動造粒などの成形手法を適用することにより、転動部材である外輪１１、内輪１２、玉１３、軌道輪２１、ニードルころ２３などの概略形状に成形された成形体が作製される。

次に、上記成形体の表面が加工されることにより、当該成形体が焼結後に所望の転動部材の形状により近い形状になるよう成形される焼結前加工工程が実施される。具体的には、グリーン体加工などの加工手法を適用することにより、上記成形体が焼結後に外輪１１、内輪１２、玉１３、軌道輪２１、ニードルころ２３などの形状により近い形状になるように成形される。この焼結前加工工程は、成形工程において上記成形体が成形された段階で、焼結後に所望の転動部材の形状に近い形状が得られる状態である場合には省略することができる。

次に、図７を参照して、上記成形体が、１ＭＰａ以下の圧力下で焼結される焼結工程が実施される。具体的には、上記成形体が、ヒータ加熱、マイクロ波やミリ波による電磁波加熱などの加熱方法により加熱されて焼結されることにより、外輪１１、内輪１２、玉１３、軌道輪２１、ニードルころ２３などの概略形状を有する焼結体が作製される。焼結は、不活性ガス雰囲気中または窒素と酸素との混合ガス雰囲気中において、１５５０℃以上１８００℃以下の温度域に上記成形体が加熱されることにより実施される。不活性ガスとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素などが採用可能であるが、製造コスト低減の観点から、窒素が採用されることが好ましい。

次に、焼結工程において作製された焼結体の表面が加工され、当該表面を含む領域が除去される仕上げ加工が実施されることにより、転動部材を完成させる仕上げ工程が実施される。具体的には、焼結工程において作製された焼結体の表面を研磨することにより、転動部材としての外輪１１、内輪１２、玉１３、軌道輪２１、ニードルころ２３などを完成させる。以上の工程により、本実施の形態における転動部材は完成する。

ここで、上記焼結工程における焼結により、焼結体の表面から厚み５００μｍ程度の領域には、内部よりも緻密性が高く、断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率が７％以下である緻密層が形成される。さらに、焼結体の表面から厚み１５０μｍ程度の領域には、緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性が高く、断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率が３．５％以下である高緻密層が形成されている。したがって、仕上げ工程においては、除去される焼結体の厚みは、特に転走面となるべき領域において１５０μｍ以下とすることが好ましい。これにより、外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａ、玉転走面１３Ａ、軌道輪転走面２１Ａおよびころ転走面２３Ａを含む領域に、高緻密層を残存させ、転動部材の転動疲労寿命を向上させることができる。

（実施の形態２）
図８は、本発明の一実施の形態である実施の形態２における転がり軸受であるハブユニットの構成を示す概略断面図である。また、図９は、図８の要部を拡大して示す概略部分断面図である。図８および図９を参照して、実施の形態２におけるハブユニットについて説明する。

図８および図９を参照して、ハブユニット３は、基本的には図１に基づいて説明した深溝玉軸受１と同様の構成を有し、同様の効果を奏する。しかし、ハブユニット３は、軌道部材および転動体の構成において、深溝玉軸受１とは異なっている。すなわち、ハブユニット３は、車輪と車体との間に介在して、車輪を車体に対して回転自在に支持する装置である。このハブユニット３は、軌道部材である外輪３１、ハブ輪３２および内輪３３と、転動体としての複数の玉３４とを備えている。

外方部材としての外輪３１は、内周面に２列に形成された転走面３１Ａ１，３１Ａ２を有する環状の軌道部材である。内方部材としてのハブ輪３２は、外輪３１の一方の転走面３１Ａ１に対向する転走面３２Ａを有し、外輪３１にその一部が取り囲まれるように配置される軌道部材である。また、内方部材としての内輪３３は、外輪３１の他方の転走面３１Ａ２に対向する転走面３３Ａを有し、ハブ輪３２の外周面の一部に接触するように嵌め込まれ、かつ固定環３８がハブ輪３２の外周面の一部に接触するように嵌め込まれることによりハブ輪３２に対して固定された円環状の形状を有する軌道部材である。

複数の玉３４は、外輪３１の一方の転走面３１Ａ１と、ハブ輪３２の転走面３２Ａとに接触し、かつ円環状の保持器３９Ａにより周方向に所定のピッチで配置される列と、外輪３１の他方の転走面３１Ａ２と、内輪３３の転走面３３Ａとに接触し、かつ円環状の保持器３９Ｂにより周方向に所定のピッチで配置される列との複列（２列）の円環状の軌道上に転動自在に配置されている。以上の構成により、外方部材としての外輪３１と、内方部材としてのハブ輪３２および内輪３３とは、互いに相対的に回転することが可能となっている。

さらに、ハブ輪３２は、ハブ輪フランジ３５を有しており、ハブ輪フランジ３５にはハブ輪貫通穴３５Ａが形成されている。そして、ハブ輪貫通穴３５Ａに挿入されたボルト３６により、ハブ輪フランジ３５と車輪を構成するホイール（図示しない）とが互いに固定されている。一方、外輪３１は、外輪フランジ３７を有しており、外輪フランジ３７には外輪貫通穴３７Ａが形成されている。そして、外輪貫通穴３７Ａに挿入された図示しないボルトにより、外輪フランジ３７と車体に固定された懸架装置（図示しない）とが互いに固定されている。以上の構成により、ハブユニット３は、車輪と車体との間に介在して、車輪を車体に対して回転自在に支持している。

すなわち、本実施の形態におけるハブユニット３は、車輪と車体との間に介在して、車輪を車体に対して回転自在に支持するハブユニットである。このハブユニット３は、環状の転走面３１Ａ１，３１Ａ２が形成された内周面を有する外方部材としての外輪３１と、外輪３１の転走面３１Ａ１に対向する環状の転走面３２Ａが形成され、外輪３１の内周面に少なくともその一部が取り囲まれるように配置される内方部材としてのハブ輪３２と、外輪３１の転走面３１Ａ２に対向する環状の転走面３３Ａが形成され、外輪３１の内周面に少なくともその一部が取り囲まれるように配置される内方部材としての内輪３３とを備えている。さらに、ハブユニット３は、外輪３１の転走面３１Ａ１，３１Ａ２とハブ輪３２および内輪３３の転走面３２Ａ，３３Ａとに玉転走面３４Ａにおいて接触し、環状の軌道上に配置される複数の玉３４とを備えている。

ここで、図８および図９を参照して、本実施の形態における転動部材としての外輪３１、ハブ輪３２および内輪３３と玉３４とは、それぞれ実施の形態１における外輪１１および内輪１２と玉１３とに該当し、同様の内部３１Ｃ，３２Ｃ，３３Ｃ，３４Ｃ、緻密層（外輪緻密層３１Ｂ、ハブ輪緻密層３２Ｂ、内輪緻密層３３Ｂ、玉緻密層３４Ｂ）および高緻密層（外輪高緻密層３１Ｄ、ハブ輪高緻密層３２Ｄ、内輪高緻密層３３Ｄ、玉高緻密層３４Ｄ）を有している。そのため、本実施の形態おけるハブユニット３は、安価でありながら、十分な耐久性を安定して確保することが可能なβサイアロン焼結体からなる転動部材（外輪３１、ハブ輪３２、内輪３３、玉３４）を備えた転がり軸受となっている。なお、実施の形態２における転がり軸受としてのハブユニット３および当該ハブユニット３が備える転動部材としての外輪３１、ハブ輪３２、内輪３３、玉３４は、実施の形態１の場合と同様に製造することができる。

上記実施の形態においては、本発明の転がり軸受および転動部材の一例として深溝玉軸受、スラストニードルころ軸受およびハブユニットおよびこれらが備える転動部材について説明したが、本発明の転がり軸受はこれらに限られない。たとえば、軌道部材は、転動体が表面を転走するように使用される軸や板などであってもよい。すなわち、本発明の転動部材である軌道部材は、転動体が転走するための転走面が形成された部材であればよい。また、本発明の転がり軸受は、スラスト玉軸受であってもよいし、ラジアルころ軸受であってもよい。

また、上記実施の形態においては、本発明の転がり軸受において軌道部材および転動体の両方がβサイアロンからなる本発明の転動部材である場合について説明したが、本発明の転がり軸受はこれに限られない。本発明の転がり軸受は軌道部材および転動体のうち少なくともいずれか一方が本発明の転動部材であればよい。そして、軌道部材および転動体のいずれか一方が本発明の転動部材である場合、転がり軸受の製造コストを考慮すると、転動体が本発明の転動部材であることが好ましい。

このとき、本発明の転がり軸受における軌道部材の素材は特に限定されず、たとえば鋼、具体的にはＪＩＳ規格ＳＵＪ２などの軸受鋼や、ＳＣＲ４２０、ＳＣＭ４２０などの浸炭鋼を採用することができる。また、本発明の転がり軸受における軌道部材の素材には、窒化珪素などのセラミックスを採用してもよい。

以下、本発明の実施例１について説明する。本発明の転動部材の断面における緻密層および高緻密層の形成状態を調査する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。

はじめに、燃焼合成法で作製した組成がＳｉ_５ＡｌＯＮ_７であるβサイアロンの粉末（株式会社イスマンジェイ製、商品名メラミックス）を準備し、実施の形態１において図７に基づいて説明した転動部材の製造方法と同様の方法で、一辺が約１０ｍｍの立方体試験片を作製した。具体的な製造方法は次のとおりである。まず、サブミクロンに微細化されたβサイアロン粉末と、焼結助剤としての酸化アルミニウム（住友化学株式会社製、ＡＫＰ３０）および酸化イットリウム（Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ社製、Ｙｔｔｒｉｕｍｏｘｉｄｅ ｇｒａｄｅ Ｃ）とをボールミルを用いて湿式混合により混合した。その後、スプレードライヤーにて造粒を実施し、造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で所定の形状に成形し、さらに冷間静水圧成形（ＣＩＰ）で加圧を行ない、成形体を得た。引き続き当該成形体を圧力０．４ＭＰａの窒素雰囲気中で１６５０℃に加熱して焼結することで、上記立方体試験片を製造した。

その後、当該試験片を切断し、切断された面をダイヤモンドラップ盤でラッピングした後、酸化クロムラップ盤による鏡面ラッピングを実施することにより、立方体の中心を含む観察用の断面を形成した。そして、当該断面を光学顕微鏡（株式会社ニコン製、マイクロフォト−ＦＸＡ）の斜光で観察し、倍率５０倍のインスタント写真（フジフイルム株式会社製 ＦＰ−１００Ｂ）を撮影した。その後、得られた写真の画像を、スキャナーを用いて（解像度３００ＤＰＩ）パーソナルコンピューターに取り込んだ。そして、画像処理ソフト（三谷商事株式会社製 ＷｉｎＲＯＯＦ）を用いて輝度閾値による２値化処理を行なって（本実施例での２値化分離閾値：１４０）、白色領域の面積率を測定した。

次に、試験結果について説明する。図１０は、試験片の上記観察用の断面を光学顕微鏡の斜光で撮影した写真である。また、図１１は、図１０の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理した状態を示す一例である。また、図１２は、図１０の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理する際に、画像処理を行なう領域（評価領域）を示す図である。図１０において、写真上側が試験片の表面側であり、上端が表面である。

図１０および図１１を参照して、本発明の転動部材と同様の製造方法により作成された本実施例における試験片は、表面を含む領域に内部よりも白色領域の少ない層が形成されていることがわかる。そして、図１２に示すように、撮影された写真の画像を試験片の最表面からの距離に応じて３つの領域（最表面からの距離が１５０μｍ以内の領域、１５０μｍを超え５００μｍ以内の領域、５００μｍを超え８００μｍ以内の領域）に分け、領域毎に画像解析を行なって白色領域の面積率を算出したところ、表１に示す結果が得られた。表１においては、図１２に示した各領域を１視野として、無作為に撮影された５枚の写真から得られる５視野における白色領域の面積率の、平均値と最大値とが示されている。

表１を参照して、本実施例における白色領域の面積率は、内部において１８．５％であったのに対し、表面からの深さが５００μｍ以下である領域においては３．７％、表面からの深さが１５０μｍ以下の領域においては１．２％となっていた。このことから、本発明の転動部材と同様の製造方法により作製された本実施例における試験片は、表面を含む領域に内部よりも白色領域の少ない緻密層および高緻密層が形成されていることが確認された。

以下、本発明の実施例２について説明する。本発明の転動部材の転動疲労寿命を確認する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。

まず、試験の対象となる試験軸受の作製方法について説明する。はじめに、燃焼合成法で作製した組成がＳｉ_５ＡｌＯＮ_７であるβサイアロンの粉末（株式会社イスマンジェイ製、商品名メラミックス）を準備し、実施の形態１において図７に基づいて説明した転動部材の製造方法と同様の方法で直径９．５２５ｍｍの３／８インチセラミック球を作製した。具体的な製造方法は次のとおりである。まず、サブミクロンに微細化されたβサイアロン粉末と、焼結助剤としての酸化アルミニウム（住友化学株式会社製、ＡＫＰ３０）および酸化イットリウム（Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ社製、Ｙｔｔｒｉｕｍｏｘｉｄｅ ｇｒａｄｅ Ｃ）とをボールミルを用いて湿式混合により混合した。その後、スプレードライヤーにて造粒を実施し、造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で球体に成形し、さらに冷間静水圧成形（ＣＩＰ）で加圧を行ない球状の成形体を得た。

次に、当該成形体に対して焼結後の加工代が所定の寸法となるようにグリーン加工を行ない、引き続き当該成形体を圧力０．４ＭＰａの窒素雰囲気中で１６５０℃に加熱して焼結することで、焼結球体を製造した。次に、当該焼結球体にラッピング加工を行ない、３／８インチセラミック球（転動体；ＪＩＳ等級 Ｇ５）とした。そして、別途準備した軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）製の軌道輪と組み合わせて、ＪＩＳ規格６２０６型番の軸受を作製した。ここで、上記焼結球体に対するラッピング加工により除去される焼結球体の厚み（加工代）を８段階に変化させ、８種類の軸受を作製した（実施例Ａ〜Ｈ）。一方、比較のため、窒化珪素および焼結助剤からなる原料粉末を用いて加圧焼結法により焼結した焼結球体（日本特殊陶業株式会社製 ＥＣ１４１）に対して、上述と同様にラッピング加工を行ない、別途準備した軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）製の軌道輪と組み合わせて、ＪＩＳ規格６２０６型番の軸受を作製した（比較例Ａ）。ラッピング加工による加工代は０．２５ｍｍとした。

次に、試験条件について説明する。上述のように作製されたＪＩＳ規格６２０６型番の軸受に対し、最大接触面圧Ｐｍａｘ：３．２ＧＰａ、軸受回転数：２０００ｒｐｍ、潤滑：タービン油ＶＧ６８(清浄油)の循環給油、試験温度：室温、の条件の下で運転する疲労試験を行なった。そして、振動検出装置により運転中の軸受の振動を監視し、転動体に破損が発生して軸受の振動が所定値を超えた時点で試験を中止するとともに、運転開始から中止までの時間を当該軸受の寿命として記録した。なお、試験数は実施例、比較例ともに１５個ずつとし、そのＬ_１０寿命を算出した上で、比較例Ａに対する寿命比で耐久性を評価した。

表２に本実施例の試験結果を示す。表２を参照して、実施例の軸受の寿命は、その製造コスト等を考慮するといずれも良好であるといえる。そして、加工代を０．５ｍｍ以下とすることにより転動体の表面に緻密層を残存させた実施例Ｄ〜Ｇの軸受の寿命は、比較例Ａの寿命の１．５〜２倍程度となっていた。さらに、加工代を０．１５ｍｍ以下とすることにより転動体の表面に高緻密層を残存させた実施例Ａ〜Ｃの軸受の寿命は、比較例Ａの寿命の３倍程度となっていた。このことから、本発明の転動部材を備えた転がり軸受は、耐久性において優れていることが確認された。そして、本発明の転動部材を備えた転がり軸受は、転動部材の加工代を０．５ｍｍ以下として、表面に緻密層を残存させることにより寿命が向上し、転動部材の加工代を０．１５ｍｍ以下として、表面に高緻密層を残存させることにより寿命がさらに向上することが分かった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の転動部材、転がり軸受および転動部材の製造方法は、βサイアロンを主成分とする焼結体を採用した転動部材、転がり軸受および転動部材の製造方法に特に有利に適用され得る。

実施の形態１における深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。 図１の要部を拡大して示す概略部分断面図である。 実施の形態１の変形例におけるスラストニードルころ軸受の構成を示す概略断面図である。 図３のスラストニードルころ軸受が備える軌道輪の要部を拡大して示す概略部分断面図である。 図３のスラストニードルころ軸受が備えるニードルころを拡大して示す概略部分断面図である。 実施の形態１における転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。 実施の形態１における転がり軸受の製造方法に含まれる転動部材の製造方法の概略を示す図である。 実施の形態２におけるハブユニットの構成を示す概略断面図である。 図８の要部を拡大して示す概略部分断面図である。 試験片の観察用の断面を光学顕微鏡の斜光で撮影した写真である。 図１０の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理した状態を示す一例である。 図１０の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理する際に、画像処理を行なう領域（評価領域）を示す図である。

符号の説明

１ 深溝玉軸受、２ スラストニードルころ軸受、３ ハブユニット、１１ 外輪、１１Ａ 外輪転走面、１１Ｂ 外輪緻密層、１１Ｃ，１２Ｃ，１３Ｃ 内部、１１Ｄ 外輪高緻密層、１２ 内輪、１２Ａ 内輪転走面、１２Ｂ 内輪緻密層、１２Ｄ 内輪高緻密層、１３ 玉、１３Ａ 玉転走面、１３Ｂ 玉緻密層、１３Ｄ 玉高緻密層、１４，２４，３９Ａ，３９Ｂ 保持器、２１ 軌道輪、２１Ａ 軌道輪転走面、２１Ｂ 軌道輪緻密層、２１Ｃ，２３Ｃ 内部、２１Ｄ 軌道輪高緻密層、２３ ニードルころ、２３Ａ ころ転走面、２３Ｂ ころ緻密層、２３Ｄ ころ高緻密層、３１ 外輪、３１Ａ１，３１Ａ２，３２Ａ，３３Ａ 転走面、３１Ｂ 外輪緻密層、３１Ｃ，３２Ｃ，３３Ｃ，３４Ｃ 内部、３１Ｄ 外輪高緻密層、３２ ハブ輪、３２Ｂ ハブ輪緻密層、３２Ｄ ハブ輪高緻密層、３３ 内輪、３３Ｂ 内輪緻密層、３３Ｄ 内輪高緻密層、３４ 玉、３４Ａ 玉転走面、３４Ｂ 玉緻密層、３４Ｄ 玉高緻密層、３５ ハブ輪フランジ、３５Ａ ハブ輪貫通穴、３６ ボルト、３７ 外輪フランジ、３７Ａ 外輪貫通穴、３８ 固定環。

Claims (12)

1. 転がり軸受において、軌道部材、または前記軌道部材に接触して円環状の軌道上に配置される転動体である転動部材であって、
   βサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成され、
   他の転動部材と接触する面である転走面を含む領域には、内部よりも緻密性の高い層である緻密層が形成されている、転動部材。
2. 転がり軸受において、軌道部材、または前記軌道部材に接触して円環状の軌道上に配置される転動体である転動部材であって、
   βサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成され、
   他の転動部材と接触する面である転走面を含む領域には、内部よりも緻密性の高い層である緻密層が形成されている、転動部材。
3. 前記緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は７％以下である、請求項１または２に記載の転動部材。
4. 前記緻密層の表面を含む領域には、前記緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性の高い層である高緻密層が形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の転動部材。
5. 前記高緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は３．５％以下である、請求項４に記載の転動部材。
6. 軌道部材と、
   前記軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される複数の転動体とを備え、
   前記軌道部材および前記転動体の少なくともいずれか一方は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の転動部材である、転がり軸受。
7. 転がり軸受において、軌道部材、または前記軌道部材に接触して円環状の軌道上に配置される転動体である転動部材の製造方法であって、
   βサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる原料粉末が準備される工程と、
   前記原料粉末が前記転動部材の概略形状に成形されることにより成形体が作製される工程と、
   前記成形体が、１ＭＰａ以下の圧力下で焼結される工程とを備えた、転動部材の製造方法。
8. 転がり軸受において、軌道部材、または前記軌道部材に接触して円環状の軌道上に配置される転動体である転動部材の製造方法であって、
   βサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる原料粉末が準備される工程と、
   前記原料粉末が前記転動部材の概略形状に成形されることにより成形体が作製される工程と、
   前記成形体が、１ＭＰａ以下の圧力下で焼結される工程とを備えた、転動部材の製造方法。
9. 前記成形体が焼結される工程では、１５５０℃以上１８００℃以下の温度域で前記成形体が焼結される、請求項７または８に記載の転動部材の製造方法。
10. 前記成形体が焼結される工程では、不活性ガス雰囲気中または窒素と酸素との混合ガス雰囲気中において前記成形体が焼結される、請求項７〜９のいずれか１項に記載の転動部材の製造方法。
11. 前記成形体が焼結される前に、前記成形体の表面が加工される工程をさらに備えた、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の転動部材の製造方法。
12. 焼結された前記成形体の表面が加工され、前記表面を含む領域が除去される工程をさらに備え、
    焼結された前記成形体の表面が加工される工程において除去される前記成形体の厚みは１５０μｍ以下である、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の転動部材の製造方法。