JP2011153071A

JP2011153071A - セラミックスボール用素材

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Publication number: JP2011153071A
Application number: JP2011062875A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Komorida; 裕小森田; Hiroyoshi Tonai; 弘喜藤内; Isao Ikeda; 功池田; Minoru Takao; 実高尾
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2011-08-11
Anticipated expiration: 2020-09-14
Also published as: US6485830B1; JP5395836B2

Abstract

【課題】容易に加工を行え、かつ加工に用いる研磨材の消耗を抑制することができるセラミックスボール用素材を提供する。
【解決手段】両端部に極径とそれに垂直な方向の極径の比が異なる略球面状の球面部を有し、中央部に円周方向全体にわたる帯状部が形成され、プレス成形したものを焼成してなるセラミックスボール用素材において、前記帯状部の対角径と前記球面部の極径との差が１００μｍ以下、前記帯状部の球面部からの高さが１ｍｍ以下、前記帯状部の幅が５ｍｍ以下、前記球面部の極径が５０ｍｍ以下とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えばベアリング等の製造に用いられるセラミックスボール用素材に関するものである。

セラミックスボールはベアリング等に用いられるものである。セラミックスボールは回転させて用いるため、表面が平坦であり、かつ真球に近いことが重要である。

通常、セラミックスボールは窒化ケイ素や酸化ジルコニウムなどの各種のセラミックス原料粉末を焼結助剤及び添加剤と混合し、解砕し、スプレードライヤー等で造粒し、この造粒された粉末をプレス成形法を用いて球形に成形し、さらにこの成形体を焼成することによりセラミックスボール用素材を形成し、必要に応じ表面加工を施し作製される。

従来のセラミックスボール用素材は図１に示されるように、上部金型１と下部金型２の間に紛体を挿入し、上部金型１と下部金型２に圧力をかけて紛体をプレス成形することによって成形体を作製し、この成形体を焼成することによって得られている。

しかしながら、このようなプレス成形によってベアリングボールを作製する際、金型を保護するためにわずかに上部金型１の先端部分３と下部金型２の先端部分４の間に隙間を設けてプレス成形しなければならない。従って、プレス成形の際、粉末が金型の先端部分３、４の間に入ってしまい、図２に示されるようにセラミックスボール用素材５の外周に帯状部６が環状に形成されてしまう。この帯状部６は、研磨、みがき加工等により除去しなければならない。仮に、金型を接触するようにプレスすると、プレス圧により金型に割れやカケが生じ、すぐに金型が消耗してしまうことになる。従来のセラミックスボール用素材では、真球外周に帯状部６が形成されていたため、帯状部が球より突出したような形状となっており、これが研磨の際に主に研磨材、砥石等と接触し、それらを磨耗、損傷させてしまっていた。

また、セラミックスの硬度が高くなるにつれて、このようなセラミックスボール用素材表面の帯状部による研磨材の磨耗も大きくなるようになった。このため、研磨やみがき加工に用いる部材を長期間使用することができず、特に、窒化ケイ素のような高硬度なもので、かつ小径のものにおいては、このような帯状部が研磨材等に及ぼす影響が一層顕著となり、経済的にも問題となっている。

セラミックスボールは、表面に凹凸がなく、真球であることが好ましい。しかしながら、セラミックスボールを作るためのセラミックスボール用素材は粉末をプレス成形することによって作られており、必然的にセラミックスボール用素材の表面上に帯状部ができてしまう。

通常、これらの帯状部は研磨材等により除去している。しかしながら、近年セラミックスボールの硬度向上等により、研磨材の消耗が激しくなり、研磨材を頻繁に取り替えなければならない等の問題が発生している。特に、窒化ケイ素からなる高硬度で小径なものでは、研磨材の磨耗、損傷は重大な問題となっていた。

本発明は、従来のセラミックスボール用素材よりも容易に加工を行え、かつセラミックスボール用素材の表面を加工する際に用いる研磨材等の磨耗、損傷を抑制することを可能とするベアリングボール用素材の提供を目的としている。

本発明のセラミックスボール用素材は、両端部に極径とそれに垂直な方向の極径の比が異なる略球面状の球面部を有し、中央部に円周方向全体にわたる帯状部が形成され、プレス成形したものを焼成してなるセラミックスボール用素材において、前記帯状部の対角径と前記球面部の極径との差が１００μｍ以下、前記帯状部の球面部からの高さが１ｍｍ以下、前記帯状部の幅が５ｍｍ以下、前記球面部の極径が５０ｍｍ以下であることを特徴とするものである。

本発明のセラミックスボール用素材は、ベアリングボール用素材であることが好ましい。

本発明のセラミックスボール用素材は、主として窒化ケイ素からなることが好ましい。

本発明のセラミックスボール用素材は、ビッカース硬度が１４００以上であることが好ましい。

本発明のセラミックスボール用素材は、前記帯状部の対角径と前記球面部の極径との差が６０μｍ以下であることが好ましい。

本発明のセラミックスボール用素材は、１／２インチ、３／８インチ、５／１６インチのいずれか１種のセラミックスボールを作製するためのものであることが好ましい。

本発明のセラミックスボール用素材は、帯状部の対角径と球面部の極径との差を１００μｍ以下とすることにより、球面部より帯状部が突出しない形状とし、セラミックスボール用素材の帯状部及び球面部の極部等が平均して研磨材等に接触し、帯状部の接触による研磨材の磨耗、損傷を抑制することができる。

また、本発明のセラミックスボール用素材では、帯状部の球面部からの高さを１ｍｍ以下とすることによって、研磨の際に帯状部が研磨材を磨耗させることを抑制することができる。

さらに、本発明のセラミックスボール用素材では、前記帯状部の幅を５ｍｍ以下とすることによって、より一層研磨の際の研磨材の磨耗を抑制することができる。

また、本発明のセラミックスボール用素材をベアリングボール用素材として使用することで、転がり寿命等に優れたベアリングボールを容易に作製することができる。本発明のセラミックスボール用素材を主として窒化ケイ素からなるものとすることで、例えばビッカース硬度が１４００以上といった優れた強度を有し、転がり寿命等に優れたベアリングボールを作製することができる。

本発明のセラミックスボール用素材は容易に加工を行え、かつセラミックスボール用素材の加工に用いる研磨材、砥石等の磨耗、損傷を大幅に抑制することができる。

一般的な金型を示した断面図。従来のセラミックスボール用素材を示した断面図。本発明のセラミックスボール用素材の一例を示した断面図。本発明のセラミックスボール用素材の作製に用いられる金型の一例を示した断面図。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図３に本発明のセラミックスボール用素材の断面図を示す。

本発明のセラミックスボール用素材は、両端部に略球面状の球面部を有し、中央部に円周方向全体にわたる帯状部が形成されたもので、前記帯状部の対角径と前記球面部の極径との差を１００μｍ以下としたものである。

ここで、図３中、ｒ_１は帯状部の対角径をあらわし、ｒ_２は略球面状の球面部の極径をあわわすものである。なお、帯状部にテーパが設けられているときは、その断面に対角線を引いた場合に最も長い対角線をｒ_１とする。

つまり、本発明のセラミックスボール用素材では、｜ｒ_１−ｒ_２｜ ≦ １００μｍとするものである。

このように、球面部を完全な真球とせずに略球面状とし、かつ帯状部の対角径と球面部の極径との差を１００μｍ以下とすることによって、帯状部６のみが研磨材等に接触するのを抑制し、セラミックスボール用素材全体を均等に研磨材等に接触させ、研磨材等の磨耗、損傷を抑制するものである。従って、このようなセラミックスボール用素材よりセラミックスボールを作製することで、研磨材等の寿命を延ばし、効率的にセラミックスボールを作製することができる。

また、本発明のセラミックスボール用素材においては、帯状部６の球面部からの高さを１ｍｍ以下とすることによって、帯状部６のみが研磨材等と接触するのを防ぎ、研磨材等の磨耗、損傷を抑制することができる。図３中、Ｈは帯状部の球面部からの高さを表す。

さらに、本発明のセラミックスボール素材においては、帯状部の幅を５ｍｍ以下とすることによって、より一層研磨材等の磨耗、損傷を抑制することができる。これは、帯状部の幅が広すぎると、主に帯状部が研磨材等と接触するため、これらを磨耗、損傷させてしまうからである。図３中、Ｗは帯状部６の幅をあらわす。このような本発明においては、主として窒化ケイ素からなるものが好ましい。窒化ケイ素をセラミックスボール用素材に用いることによって、強度、耐食性に優れたセラミックスボールを作製することが可能となる。

セラミックスボールの研磨方法には、ラッピング加工など様々な加工方法がある。ラッピング加工などの研磨加工では、様々な粗さ（番数）の砥石が使用されており、セラミックスボールにおいては番数＃８０〜＃６００程度の砥石が使われることが多い。

従来の方法等では、窒化ケイ素からなるものは硬度が高いため、研磨材等を磨耗、損傷させやすかった。特にプレス成形により作製されたものは、外周部に帯状部が存在するため、この帯状部が研磨材等を磨耗、損傷させてしまった。本発明のセラミックスボール用素材では、このような硬度に優れるものを用いることによっても、研磨材等の磨耗、損傷を抑制し、効率的にセラミックスボールを作製することが可能となる。

このような本発明においてより一層研磨材の磨耗、損傷を防ぐには、ｒ_１を帯状部の対角径とし、ｒ_２を略球面状の球面部の極径とした場合、
｜ｒ_１−ｒ_２｜ ≦ ６０μｍ
とすることがよい。

また、Ｈを帯状部の球面部からの高さとし、Ｗを帯状部の幅とした場合、
Ｈ ≦ ０．２ｍｍ
Ｗ ≦ ５ｍｍ
とすることがよい。さらに、上記Ｗの値に関してはｒ_２の１／２以下、つまりはＷ≦ｒ_２／２を満たす構造が好ましい。

このようにすることで、帯状部が研磨材等と接触する割合を減らすことができ、それらの磨耗、損傷をより一層減少させることができる。

また、上記したような帯状部の接触による研磨材等の磨耗、損傷の問題は、セラミックスボールが小さいほど顕著となる。具体的には、セラミックスボール用素材の対角径ｒ_１や略球面部の極径ｒ_２が１０ｍｍ以下の場合、これらの問題の発生が顕著となる。

従って、本発明のセラミックスボール用素材は、セラミックスボール用素材の対角径ｒ_１や略球面部の極径ｒ_２が１０ｍｍ以下のものに対して用いると、特に効果的である。

次に、本発明のセラミックスボール用素材の作製例を示す。

原料となる窒化ケイ素に適当量の焼結助剤、添加剤、溶剤及びバインダー等を加え混合、解砕し、スプレードライヤーにて造粒を行う。

このようにして作製した粉末を、例えば図４に示すような略球面状の凹部７、８を有する金型１、２によりプレス成形し、さらに焼結させて作製する。セラミックスボール用素材の帯状部の対角径ｒ_１や球面部の極径ｒ_２は、この金型１、２の略球面状の凹部７、８の形状を変化させることにより調節することができる。凹部７、８の形状としては、例えば真球をある軸方向に引き伸ばしたような形状のもの、つまりある極径とそれに垂直な方向の極径の比が異なるようなものが挙げられる。また、帯状部の高さＨは、図４における金型１、２の先端部３、４の厚さを変化させることにより調節することができる。さらに、帯状部の幅Ｗはプレス成形する際の金型１、２の先端部３、４の間隔を調整することにより調整することができる。

また、本発明のセラミックスボール用素材よりセラミックスボールを作製する方法としては、例えば上記した条件をみたすセラミックスボール用素材を、上下に平行に設けられた研磨用板の間に挿入し、研磨用板の運動により、セラミックスボール用素材より帯状部を除去して真球状に加工することが挙げられる。

以下、本発明のセラミックスボール用素材の実施例について説明する。

実施例１〜３、比較例１〜３
原料となる窒化ケイ素に焼結助剤、添加剤、溶剤及びバインダー等を加え混合、解砕し、スプレードライヤーにて造粒を行った。

このようにして作製した粉末をプレス成形し、さらに脱脂、焼成を行い、焼結した後のセラミックスボール用素材がｒ_１を帯状部の対角径とし、ｒ_２を略球面状の球面部の極径とした場合、｜ｒ_１−ｒ_２｜ ≦ １００μｍを満たすセラミックスボール用素材を作製した（以下、実施例１〜３とする）。

同様の方法により、比較例として焼結後のセラミックスボール用素材が｜ｒ_１−ｒ_２｜＞１００μｍであるものを作製した（以下、比較例１〜３とする）。

なお、｜ｒ_１−ｒ_２｜の調整は、図４に示されるような金型において略球面状の凹部の形状を変化させて、プレス成形することにより行った。また、ビッカース硬度はいずれも１５００に統一した。

このようにして作製された実施例及び比較例のセラミックスボール用素材を用いて、これらのセラミックスボール用素材が砥石に与える影響について検討を行った。評価は、各セラミックスボール用素材を番数＃１８０の砥石を用いて加工する際、本発明のセラミックスボール用素材１万個を１バッチとし、砥石が何バッチに耐えうるかを調べることにより行った。なお、実施例１及び比較例１は結果的に５／１６インチのセラミックスボールになるための素材であり、実施例２及び比較例２は３／８インチ、実施例３と比較例３は１／２インチのセラミックスボールになるための素材である。

試験の結果を表１に示す。

｜ｒ_１−ｒ_２｜ ≦ １００μｍとした本発明の実施例においては、砥石の磨耗量が少なく、いずれの実施例においても砥石を長持ちさせられることが認められた。

これに対して、｜ｒ_１−ｒ_２｜＞１００μｍとした比較例では、砥石の磨耗が進行し、どれも実施例１〜３の１／３程度しかもたないことが分かった。

以上のことより、帯状部の対角径と、帯状部に垂直な極径との差を１００μｍ以下とすることで、砥石の磨耗を抑え、砥石の寿命を長くできることが確認された。

実施例４、５、比較例４、５
原料となる窒化ケイ素に焼結助剤、添加剤、溶剤及びバインダー等を加え混合、解砕し、スプレードライヤーにて造粒を行った。このようにして作製した粉末をプレス成形し、さらに脱脂、焼成を行い、｜ｒ_１−ｒ_２｜ ≦ １００μｍを満たし、かつ帯状部の球面部からの高さ（Ｈ）が１ｍｍ以下であるものを作製した（以下、実施例４、５とする）。また、同様の方法を用いて、帯状部の球面部からの高さ（Ｈ）を１．０ｍｍ超としたものを作製した（以下、比較例４、５とする）。

なお、各部の調整は、プレス成形する際の金型の凹部の形状及び金型の先端部の厚さを変化させることにより行った。また、ビッカース硬度はいずれも１５００に統一した。

このようにして作製された実施例及び比較例のセラミックスボール用素材を用いて、これらのセラミックスボール用素材が砥石に与える影響について検討を行った。評価は、実施例１と同様の方法によりラッピング加工の砥石の耐久性で調べた。なお、実施例４、５及び比較例４、５はいずれも最終的に５／１６インチのセラミックスボールを形成するための素材とした。

試験の結果を表２に示す。

表２に示される結果から明らかなように、帯状部の球面部からの高さ（Ｈ）を１ｍｍ以下としたものでは、１５回以上の加工まで砥石が耐えられることが分かった。

これに対して、帯状部の球面部からの高さを１ｍｍ超とした比較例では、砥石が７回の加工までしか耐えられないことが分かった。

以上のことより、帯状部の球面部からの高さ（Ｈ）を１．０ｍｍ以下にすることによって、砥石の磨耗を抑制し、砥石の寿命を延ばすことができることが分かった。

実施例６、７、比較例６、７
原料となる窒化ケイ素に焼結助剤、添加剤、溶剤及びバインダー等を加え混合、解砕し、スプレードライヤーにて造粒を行った。このようにして作製した粉末をプレス成形し、さらに脱脂、焼成を行い、焼結した後のセラミックスボール用素材が｜ｒ_１−ｒ_２｜ ≦ １００μｍを満たし、かつ帯状部の幅（Ｗ）が５ｍｍ以下のものを作製した（以下、実施例６、７とする）。また同様の方法により、帯状部の幅（Ｗ）が５ｍｍ超のものを作製した（以下、比較例６、７とする）。

なお、各部の調整は、プレス成形する際の金型の凹部の形状、金型間の間隔等を変化させることにより行った。また、ビッカース硬度はいずれも１５００に統一した。

このようにして作製された実施例及び比較例のセラミックスボール用素材を用いて、これらのセラミックスボール用素材が砥石に与える影響について検討を行った。評価は、実施例１と同様の方法によりラッピング加工の砥石の耐久性で調べた。なお、実施例６、７及び比較例６、７はいずれも５／１６インチのセラミックスボールを形成するための素材である。

試験の結果を表３に示す。

帯状部の幅（Ｗ）を５ｍｍ以下とした本発明の実施例においては、砥石の磨耗量が少なく、１０回の加工にまで砥石が耐えられることが分かった。

これに対して、帯状部（Ｗ）を５ｍｍ超とした比較例においては、砥石の磨耗量が多く、砥石が５回の加工までしか耐えられないことが分かった。

以上のことより、帯状部の幅は研磨材の磨耗に大きな影響を与えることが分かり、特に帯状部の幅が５ｍｍを超える場合には、砥石の磨耗が顕著になり、砥石の耐久性を著しく落とすことが分かった。

実施例８〜１１、比較例８〜１１
原料となる窒化ケイ素に焼結助剤、添加剤、溶媒及びバインダー等を加え混合、解砕し、スプレードライヤーにて造粒を行った。このようにして作製した粉末をプレス成形し、さらに脱脂、焼成を行いビッカース硬度の異なるセラミックスボール用素材を作製した（実施例８〜１１）。

なお、セラミックスボール用素材は５／１６インチ用とし、｜ｒ_１−ｒ_２｜を６０μｍ、帯状部の球面部からの高さ（Ｈ）を０．８ｍｍ、帯状部の幅（Ｗ）を２ｍｍに統一した。

また、上記実施例との比較のために、｜ｒ_１−ｒ_２｜を１１０μｍに変え、上記実施例と同様にビッカース硬度を変えたセラミックスボール用素材を作製した（比較例８〜１１）。なお、比較例においては、｜ｒ_１−ｒ_２｜を１１０μｍとした以外は上記実施例と同様の形状とした。

次に、各セラミックスボール用素材に対し、実施例１と同様にラッピング加工を行い砥石の耐久性を確認した。また、ラッピング加工によりベアリングボールを作製し、各ベアリングボールに対して転がり寿命試験を行った。

転がり寿命試験としては、スラスト試験機を用い、相手材がＳＵＪ２鋼製の平板上を回転させる方法で、荷重は１球あたり最大接触応力５．９ＧＰａ、回転数１２００ｒｐｍ、タービン油の油浴潤滑条件下で最高４００時間まで行い、各ベアリングボールの表面が剥離するまでの転がり寿命を測定することにより対応した。各試験結果を表４に示す。なお、表４の転がり寿命試験の結果については、４００時間以上剥離しなかったものを転がり寿命「良好」とし、４００時間未満で剥離したものを「不良」とした。

表４から分かる通り、ビッカース硬度が１４００以上となると、本発明の効果が一層顕著となることが分かる。

また、硬度が低い実施例８および比較例８のセラミックスボール用素材においては、共に砥石の耐久回数を１０回以上とすることができるものの、このようなビッカース硬度の低いものは転がり寿命が十分ではないため、ベアリングボール等の用途に適用することは困難である。

以上のことより、本発明のセラミックスボール用素材は、特に硬度が高く、転がり寿命が必要とされるもの、例えば窒化ケイ素からなるビッカース硬度が１４００以上のベアリングボールの作製に有効であると言える。

５……セラミックスボール用素材
６……帯状部

Claims

両端部に極径とそれに垂直な方向の極径の比が異なる略球面状の球面部を有し、中央部に円周方向全体にわたる帯状部が形成され、プレス成形したものを焼成してなるセラミックスボール用素材において、
前記帯状部の対角径と前記球面部の極径との差が１００μｍ以下、前記帯状部の球面部からの高さが１ｍｍ以下、前記帯状部の幅が５ｍｍ以下、前記球面部の極径が５０ｍｍ以下であることを特徴とするセラミックスボール用素材。
ベアリングボール用素材であることを特徴とする請求項１記載のセラミックスボール用素材。
主として窒化ケイ素からなることを特徴とする請求項１または２記載のセラミックスボール用素材。
ビッカース硬度が１４００以上であることを特徴とする請求項３記載のセラミックスボール用素材。
前記帯状部の対角径と前記球面部の極径との差が６０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセラミックスボール用素材。
１／２インチ、３／８インチ、５／１６インチのいずれか１種のセラミックスボールを作製するためのものであることを特徴とする請求項１記載のセラミックスボール用素材。