JP2013147362A - セラミックス製転動体の製造方法及び転がり支持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ジルコニア−アルミナ系セラミックス製転動体をこれまでよりも安価に製造する。
【解決手段】ジルコニア粉末とアルミナ粉末とを水とともに湿式混合し、乾燥してジルコニア粉末とアルミナ粉末との混合粉末を調製する工程と、アルミナ粉末と水とを含むスラリーを加熱下で回転させながら乾燥してアルミナ粉末からなる凝集体を調製する工程と、転動造粒装置に凝集体と水とを投入して転動造粒しつつ、混合粉末を少量ずつ添加してアルミナをコアとし、ジルコニア−アルミナ系セラミックスを外層とする成形球を得る工程と、成形球を焼結し、ＨＩＰ処理を行って素球を製造する工程と、素球の表面を研磨する工程とを備えるセラミックス製転動体の製造方法、並びにアルミナをコアとし、ジルコニア−アルミナ系セラミックスを外層とする転動体を備える転がり支持装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、転がり軸受、リニアガイド、ボールねじ等の転がり支持装置、並びにこれら転がり支持装置用転動体の製造方法に関する。

例えばエアコンや電車、風車、工作機械等ではインバータモータが使用されているが、インバータモータには、軸電圧が発生して、ロータ軸とハウジングとの間に電位差が生じる場合がある。これに伴って、ハウジングやロータ軸からの漏れ電流が、転がり軸受の転動体と軌道輪との間に流れ、軌道輪の軌道面及び転動体の転動面に電食（電気化学的腐食）が生じる恐れがある。この電食が生じると、軌道輪の軌道面および転動体の転動面の精度が低下し、振動が上昇して、軸受の寿命が短くなる。また、リニアモータのガイドでも、同様に電食の問題がある。

この電食を防止するために様々な提案がなされており、セラミックス製の転動体を用いることが行われている。セラミックスとしては、ヤング率が大きく、金属製の軌道輪との線膨張係数差が小さいことなどから、ジルコニア−アルミナ系セラミックスが使用されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−７０８７１号公報

しかしながら、ジルコニアは高価であり、軸受の製造コストを高める要因になっている。そこで本発明は、ジルコニア−アルミナ系セラミックス製転動体をこれまでよりも安価に製造することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は下記を提供する。
（１）転がり支持装置用のセラミックス製転動体を製造する方法であって、
ジルコニア粉末とアルミナ粉末とを水とともに湿式混合し、乾燥してジルコニア粉末とアルミナ粉末との混合粉末を調製する工程と、
アルミナ粉末と水とを含むスラリーを加熱下で回転させながら乾燥してアルミナ粉末からなる凝集体を調製する工程と、
転動造粒装置に前記凝集体と水とを投入して転動造粒しつつ、前記混合粉末を少量ずつ添加してアルミナをコアとし、ジルコニア−アルミナ系セラミックスを外層とする成形球を得る工程と、
成形球を焼結し、ＨＩＰ処理を行って素球を製造する工程と、
素球の表面を研磨する工程と、
を備えることを特徴とするセラミックス製転動体の製造方法。
（２）互いに対向配置される軌道面を備えた第１部材及び第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部材及び第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であって、
上記（１）記載の製造方法で製造され、かつ、アルミナをコアとし、ジルコニア−アルミナ系セラミックスを外層とする転動体を備えることを特徴とする転がり支持装置。

本発明では、ジルコニア−アルミナ系セラミックス製転動体を、アルミナをコアとし、その周囲をジルコニア−アルミナ系セラミックスで覆う２層構造にしたため、ジルコニアの使用量をこれまでよりも大幅に削減することができ、安価にジルコニア−アルミナ系セラミックス製転動体を製造することができる。そのため、本発明の転がり支持装置は、安価でありながらも、電食防止効果を有し、耐久性にも優れたものとなる。

本発明の転がり支持装置の一例を示す玉軸受を示す断面図である。 転動造粒装置の一例を示す写真である。 転動造粒して得られた成形球を示す写真である。 実施例で得られた剥離寿命を示すグラフである。

以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の転がり支持装置の一例を示す玉軸受を示す断面図である。図示される玉軸受１は、内輪１０と外輪１１との間に、保持器１２を介して複数の転動体である玉１３を保持したものであり、内輪１０、外輪１１及び玉１３とで形成される軸受内部空間にグリースＧを封入し、シール１４で封止したものである。内輪１０及び外輪１１は、一般的な熱処理を施したＳＵＪ２材が適当である。また、グリースＧにも制限はないが、セラミックスと金属との両方に親和性を有することが好ましく、例えば。エステル油等の極性の大きい潤滑油を基油とするグリースが好ましい。

本発明では、玉１３を、アルミナをコアとし、ジルコニア−アルミナ系セラミックスを外層とする２層構造とする。

ジルコニア−アルミナ系セラミックスは、ヤング率が２５０ＧＰａ以上となり、玉１３の寸法精度を高くすることができる。尚、ヤング率は、軸受寿命及び耐衝撃性を良好にする観点から、４００ＭＰａ以下であることが好ましいが、これはヤング率が高いほど玉１３と内外輪の軌道面との間での最大接触面圧が高くなって軸受寿命が短くなること、最大接触面圧が高くなると、軸受に衝撃が生じた場合に、玉１３の押し付けによって内外輪の軌道面に圧痕が発生し易くなり軸受の耐衝撃性が低くなること、等の理由からである。

また、玉１３の線膨張係数を、０℃から８００℃までの平均値で１２．５×１０^−６／Ｋ以下とすることができ、金属製の内輪１０及び外輪１１の線膨張係数との差が小さくなり、例えば玉１３が窒化珪素の場合のように軸受の温度上昇に伴って予圧が零になることを防止できる。

このような２層構造の玉１３を製造するには、先ず、アルミナ粉末と水とを含むスラリーを、加熱下で回転させながら乾燥してアルミナ粉末からなる凝集体を調製する。この乾燥には、例えば大川原化工機製「スプレードライヤＦＣ−２０」を使用することができ、ディスク回転数を７０００〜１２０００ｒｐｍ、入口温度を１７０〜２００℃、出口温度を７０〜９０℃、原液排出量を１０〜１５ｋｇ／ｈｒとして行うことができる。

乾燥後に分級して、例えば２００〜５００μｍのアルミナ凝集体を採取する。次工程で、アルミナ凝集体を大径化してアルミナコアにするが、コア径が小さすぎるとアルミナコアの生成に時間がかかりすぎるようになる。また、コア径が大きすぎると、得られるアルミナコアが緻密にならず、強度的に好ましくない。

一方で、ジルコニア粉末とアルミナ粉末とを均一に混合して混合粉末を調製する。乾式での混合で十分に均一な混合を行うには長時間を有するため、本発明では、ジルコニア粉末とアルミナ粉末とを、水とともに湿式混合し、ジルコニア粉末とアルミナ粉末とを含むスラリーを調製し、スラリーを乾燥する。混合手段には制限はないが、ボールミルやアトライター、ビーズミル等のように、ボールを粉砕メディアとして使用する混合機を用いることにより短時間で均一な混合を実現でき好ましい。混合条件としては、例えばボールミルを使用する場合、ジルコニア粉末とアルミナ粉末との合計量に対し、ボールを３倍量程度加え、２４時間程度混合する。

また、ジルコニア粉末及びアルミナ粉末ともに、その粒径は０．５〜１．０μｍが適当である。粒径が小さすぎると粉末同士が凝集し易くなり、均一な混合が難しくなる。また、大径の場合は、得られる外層の内部組織が緻密になりにくい。

尚、ジルコニア粉末として、安定化剤としてＹ_２Ｏ_３やＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ_２等を加えたものを使用してもよい。

アルミナは線膨張係数が比較的高いため、ジルコニアに添加してもジルコニアの高い線膨張係数を大きく低下させることがない。また、ジルコニアにアルミナを添加することによって、高強度化するが、その理由としては、焼結から室温まで冷却される際の体積収縮の差から、アルミナ焼結粒子は圧縮し、ジルコニア焼結粒子は引張応力が付与され、残留応力の分布の違いから亀裂が迂回して進展する。更に、ジルコニア結晶粒子の相転移（正方晶→単斜相）によるアルミナ粒子への圧縮応力が負荷され、スパイク効果により亀裂進展が防止される。この効果を十分に得るためには、アルミナを２０質量％以上８０質量％以下となるように添加することが好ましく、２５質量％以上４０質量％以下がより好ましい。ヤング率はアルミナ含有率とほぼ比例関係にあり、アルミナ含有率を２０質量％以上とすることによりヤング率を２５０ＧＰａ以上とすることができる。但し、アルミナ含有率が８０質量％を超えると、ヤング率が４００ＧＰａ以上となり、強度の点からは好ましくない。

そして、転動造粒装置にアルミナ凝集体を水とともに投入して転動造粒し、所定時間経過後に、混合粉末を少量ずつ添加して成形球を得る。転動造粒には、例えば図２に示すような皿型転動造粒装置を使用することができる。図示される皿型転動造粒装置では、アルミナ凝集体と水、更には混合粉末が投入された皿型の容器１００を、水が蒸発する温度（例えば１２０℃）に加熱しながら回転させる。回転数としては、例えば５０〜１５０ｒｐｍの低速で行う。

容器１００の回転とともに、先ずアルミナ凝集体が雪だるま式に徐々に大径化してコアを形成する。次いで、添加された混合粉末がコアの周囲を覆い、雪だるま式に助序に被覆厚を増していく。アルミナコアと外層との比率には制限はないが、コア径：外層の厚さ＝１：１〜４：１とすることが好ましい。コア径が大きくなるほど低コストとなり、外層が厚くなるほどジルコニア−アルミナ系セラミックスが持つ優れた機械的強度や、内外輪との線膨張係数差を小さくする効果がより発現するようになる。尚、アルミナコアと外層との比率は、混合粉末の添加時期及び添加後の造粒時間により調整することができる。

このようにして得られた成形球は、球状の金型に原料粉末を充填して成形を行うプレス成形法で得た成形球のような、円周に沿って帯状に形成される凸部は見られず、凸部への応力集中に伴うクラックの発生もなく、強度や耐久性に優れるという利点もある。尚、図３は、転動造粒して得た成形球を撮影した写真である。

また、成形球の粒径は、玉１３の最終寸法よりも大径であればよく、造粒時間等により調整する。

次いで、成形球を電気炉に入れて焼結した後、ＨＩＰ処理して素球を得る。焼結は、例えば大気中、１５００〜１８００℃で１〜２時間行う。また、ＨＩＰ処理は、例えばアルゴン雰囲気中、１４００〜１７００℃で１〜２時間、１０００〜１５００気圧で行う。

そして、ＨＩＰ処理後に、素球の表面を研磨して玉１３を得る。

以上、本発明に関して玉軸受１を基に説明したが、その他にもリニアガイドやボールねじの転動体を上記の玉１３と同様に、アルミナをコアとし、その周囲をジルコニア−アルミナ系セラミックスで覆う２層構造にすることができる。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（実施例）
平均粒径１μｍのアルミナ粉末と、水とを含むスラリーを大川原化工機製「スプレードライヤＦＣ−２０」を使用し、ディスク回転数１２０００ｒｐｍ、入口温度２００℃、出口温度９０℃、原液排出量を１５ｋｇ／ｈｒにて乾燥した。そして、分級して１００〜２００μｍのアルミナ凝集体を採取した。

また、何れも平均粒径が１μｍのイットリア安定化ジルコニア粉末と、アルミナ粉末とを用い、ジルコニア粉末が８０質量％、アルミナ粉末が２０質量％となるように水とともにボールミルに入れて２４時間混合を行った。尚、粉砕媒体であるボールは、ジルコニア粉末とアルミナ粉末との合計量に対し３倍量とした。そして、ボールを取り出し、乾燥して混合粉末を得た。

そして、図２に示す皿型転動造粒装置の容器にアルミナ凝集体と水とを入れ、１２０℃、回転数１００ｒｐｍで所定時間回転させた後、混合粉末を徐々に添加しながら回転を続けて成形球とした。

次いで、成形球を電気炉に入れて大気中、１５００℃で１時間行焼結した後、アルゴン雰囲気中、１４５０℃で１時間、１０００気圧でＨＩＰ処理して素球を得た。尚、素球におけるアルミナコアのコア径：外層の厚さ＝４：１であった。そして、素球の表面を、表面粗さＲａ＝０．０１μｍとなるように研磨して直径５／３２インチの玉を得た。

（比較例）
実施例と同じジルコニア粉末とアルミナ粉末とを用い、水とともにボールミルに投入して混合、乾燥して混合粉末を得た後、混合粉末を水とともに図２に示す皿型転動造粒装置に投入し、転動造粒して成形球とし、その後は実施例と同様にして焼結、ＨＩＰ処理及び研磨して玉を得た。

（スラスト寿命試験）
呼び番号「５１３０５」に上記で作製した玉を組み込み、試験軸受とした。そして、下記条件により玉の剥離までの時間を計測し、剥離までの時間を耐久寿命とした。

結果を図４に示すが、実施例のように、アルミナコアと、ジルコニア−アルミナ系セラミックスからなる外層との２層構造の玉を用いても、実用に支障が無いことが判明した。

このことから、本発明によれば、転動体全体をジルコニア−アルミナ系セラミックス製とした場合に比べて、転動体、更には転がり支持装置を安価に製造できることが分かる。

１ 玉軸受
１０ 内輪
１１ 外輪
１２ 保持器
１３ 玉
１４ シール

Claims (2)

1. 転がり支持装置用のセラミックス製転動体を製造する方法であって、
   ジルコニア粉末とアルミナ粉末とを水とともに湿式混合し、乾燥してジルコニア粉末とアルミナ粉末との混合粉末を調製する工程と、
   アルミナ粉末と水とを含むスラリーを加熱下で回転させながら乾燥してアルミナ粉末からなる凝集体を調製する工程と、
   転動造粒装置に前記凝集体と水とを投入して転動造粒しつつ、前記混合粉末を少量ずつ添加してアルミナをコアとし、ジルコニア−アルミナ系セラミックスを外層とする成形球を得る工程と、
   成形球を焼結し、ＨＩＰ処理を行って素球を製造する工程と、
   素球の表面を研磨する工程と、
   を備えることを特徴とするセラミックス製転動体の製造方法。
2. 互いに対向配置される軌道面を備えた第１部材及び第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部材及び第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であって、
   請求項１記載の製造方法で製造され、かつ、アルミナをコアとし、ジルコニア−アルミナ系セラミックスを外層とする転動体を備えることを特徴とする転がり支持装置。