JP2013148127A - 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】セラミックス製転動体の製造に際し、転動造粒法を採用して素球に帯状の凸部が形成するのを防止し、更には２種以上の原料粉末をこれまでよりも均一に、かつ、短時間で混合する。また、転がり支持装置としての耐久性を高める。
【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、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する工程と、スラリーを加熱下で回転させながら乾燥して凝集体を調製する工程と、凝集体を転動造粒して成形球を得る工程と、球状体を焼結し、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、並びに前記製造方法で製造されたセラミックス製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。セラミックス製転動体の製造には、例えば特許文献１に記載されているように、球状の金型に原料粉末を充填してプレス成形して成形球とし、成形球を焼結、ＨＩＰ処理して素球とし、素球の表面を研磨する方法が一般的である（図４参照）。そのため、素球の表面には、金型による円周に沿った帯状の凸部が生じるが（図５参照）、成形後に凸部の角に応力集中を受け、金型から離脱する際にクラックが発生しやすい。また、研磨時も、凸部にクラックが発生しやすく、凸部を除去するために研磨代も多くなり、研磨時間も長くなる。

また、特許文献１には、セラミックス製転動体を転動造粒法により製造することも記載されている。この転動造粒法では、原料粉末からなる核粉末を作製し、この核粉末を雪だるま式に大径化させるため、プレス成形法のような帯状の凸部が形成されることはない。しかしながら、原料粉末が１種類の場合には問題はないが、２種以上の原料粉末を用いる場合は、均一に混合しないと核粉末の成長時に組成上のムラができて、得られる素球、更には転動体の内部組織が不均一になる。そのため、十分な時間を掛けて混合しなければならず、製造効率が低下する大きな要因になっている。

特開２００２−７０８７１号公報

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、セラミックス製転動体を製造するに当たり、転動造粒法を採用して素球に帯状の凸部が形成するのを防止し、更には２種以上の原料粉末を混合する際に、これまでよりも均一に、かつ、短時間で混合して製造効率を高めることを目的とする。

また、セラミックス製転動体を備え、電食を防止できる転がり支持装置において、セラミックス製転動体の内部組織を均一化し、クラックの発生も無く、装置全体としての耐久性を高め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、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する工程と、
前記スラリーを加熱下で回転させながら乾燥して凝集体を調製する工程と、
前記凝集体を転動造粒して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たセラミックス製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、セラミックス製転動体を製造するに当たり、転動造粒法を採用することにより、素球に帯状の凸部が形成するのを防止できる。また、２種以上の原料粉末を混合する際に、これまでよりも均一に、かつ、短時間で混合して製造効率を高めることができる。

また、本発明の転がり支持装置は、均一な内部組織を有し、クラックの発生も無く、高強度のセラミックス製転動体を備え、装置全体としての耐久性を高めることができる。

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。 プレス成形法を説明するための模式図である。 比較例で得た素球の表面を撮影した写真である。 実施例で得た素球の表面を撮影した写真である。 比較例で得た素球の凸部を拡大して撮影した写真である。 研磨した後の比較例の素球を撮影した写真である。 （Ａ）比較例で得た玉及び（Ｂ）実施例で得た玉の断面を撮影した写真である。 ボールミルを用いずに原料粉末を混合し、転動造粒して作製した玉の断面を撮影した写真である。

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を以下に示すように転動造粒して製造する。

原料粉末には、得られる玉１３の機械的強度を考慮して、ジルコニア粉末とアルミナ粉末とを用いる。また、安定化剤としてＹ_２Ｏ_３やＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ_２等を加えたジルコニア粉末を使用してもよい。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。

このようなヤング率及び線膨張係数とするには、ジルコニアに、ジルコニアよりもヤング率の高いアルミナを添加する。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、破壊に対して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。

このように、本発明ではジルコニア粉末と、アルミナ粉末とを混合するため、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。そこで、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する。スラリー調製時の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。

尚、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、得られる玉１３の内部組織が緻密になりにくい。

次いで、ボールを取り出し、ジルコニア粉末及びアルミナ粉末を含むスラリーを、加熱下で回転させながら乾燥して凝集体を調製する。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の凝集体を採取する。凝集体が小さすぎると、次工程の転動造粒に時間がかかりすぎるようになる。

次いで、分級した凝集体を転動造粒して大径化する。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、皿型の容器１００に凝集体と水とを入れ、水が蒸発する温度（例えば１２０℃）に加熱しながら容器１００を回転させる。回転数としては、例えば５０〜１５０ｒｐｍの低速で行う。そして、回転とともに、凝集体が雪だるま式に徐々に大径化して成形球となる。成形球には、プレス成形法による素球のような帯状の凸部は見られない。尚、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、回転時間等により調整する。図３は、転動造粒して得た成形球を撮影した写真である。

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１４００〜１６００℃で１〜２時間行う。また、ＨＩＰ処理は、例えばアルゴン雰囲気中、１３００〜１５００℃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。

このようにして得られた玉１３は、素球に帯状の凸部が形成されないため、クラックの発生が無く、研磨代も少なくてすむ。また、ジルコニア粉末とアルミナ粉末とを混合する際も、これまでよりも均一に、かつ、短時間で均一に混合することができる。

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と同様に製造することができる。

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）
原料粉末として、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。

次いで、ボールを取り出し、ジルコニア粉末及びアルミナ粉末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。乾燥後に分級して２００〜３００μｍの凝集体を採取し、採取した凝集体と水とを図２に示す皿型転動造粒装置の容器に入れ、１２０℃、回転数１００ｒｐｍで回転させて粒径６ｍｍの成形球とした。

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。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玉を得た。

（比較例）
実施例と同じ原料粉末を用い、ボールミルを用いて実施例と同様に混合した後、図４に示すように、球状の金型に混合した原料粉末を充填し、成形圧１０００ｋｇ／ｃｍ^２にて成形球とした。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。

（素球の観察）
比較例で得た素球の表面を撮影した写真を図５に、実施例で得た素球の表面を撮影した写真を図６に示すが、比較例の素球には円周に沿った帯状の凸部が見られるが、実施例の素球には凸部が見られない。

（クラック発生率）
実施例及び比較例の各素球１万個について、クラックの発生率を比較したところ、比較例の素球には１％に当たる１００個にクラックが発生していた。また、図７に拡大して示すように、クラックは何れも凸部に発生していた。これに対し、実施例の素球には全くクラックが発生していなかった。

また、実施例及び比較例の各素球５千個を研磨した際、研磨に要する時間を計測したところ、比較例では実施例の約２倍の研磨時間を要した。これは、比較例では帯状の凸部を取り除く分、研磨時間が長くなるためである。図８は、研磨した後の比較例の素球を撮影した写真であるが、帯状の凸部に沿ってクラックが発生しているのがわかる。

（内部組織）
実施例及び比較例の各玉の断面を観察して、内部組織を比較した。図９に示すように、比較例の玉と実施例の玉とで内部組織に変化はなく、転動造粒しても問題がないことが確認された。

（混合条件）
また、ジルコニア粉末とアルミナ粉末とをボールミルを用いずに、図２に示す転動造粒装置にて混合し、実施例と同様に転動造粒、焼結、ＨＩＰ処理及び研磨して作製した玉を用意し、その断面を撮影したところ、図１０に示すように内部組織が不均一であった。このことから、転動造粒しても、原料粉末の混合が本発明に従わないと、良好な玉が得られないことがわかる。

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、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する工程と、
   前記スラリーを加熱下で回転させながら乾燥して凝集体を調製する工程と、
   前記凝集体を転動造粒して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たセラミックス製転動体を備えることを特徴とする転がり支持装置。