JP2016078197A - 窒化珪素球状体、窒化珪素球状体の製造方法、および窒化珪素球状体の検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面上の傷や研磨痕などの凹凸が低減されている窒化珪素球状体、窒化珪素球状体の製造方法、および当該窒化珪素球状体を検査する窒化珪素球状体の検査方法を提供する。
【解決手段】主な構成材料が窒化珪素である複数の球状体１と、球状体１よりも低硬度の金属酸化物粉末と、分散媒２とを準備する工程と、複数の球状体１と金属酸化物粉末と分散媒２とを混合することにより球状体１同士を摺接させる工程とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化珪素球状体、窒化珪素球状体の製造方法、および窒化珪素球状体の検査方法に関し、特に軸受用転動体に好適である窒化珪素球状体、窒化珪素球状体の製造方法、および窒化珪素球状体の検査方法に関する。

ベアリング（軸受）用転動体の材料には主に軸受鋼が用いられるが、高速回転、絶縁性、耐熱性、耐腐食性などの特性が要求される用途にはセラミックスが用いられる。一般にベアリング用のセラミックス材料には、高強度、高靱性および高硬度を有するとともに耐熱性および耐食性に優れる窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）が用いられる。

また、転動体に使用される球状体の製造方法は、一般に転動体材料よりも高硬度の材料からなる砥粒または砥石を用いて、転動体の表面を研磨する工程を含んでいる。

特開２０１１−７３０７６号公報には、互いに平面で対向する一対の加工定盤間に複数個のグリーンボールを挟み込み、両加工定盤の対向平面に沿う複数系統の相対移動で、グリーンボールに公転と、各種方向に自転とを行なわせながら、グリーンボールを真球に近い形状に研磨する研磨装置が開示されている。複数系統の相対移動とは、たとえば両加工定盤の互いに偏心した回転や、回転と直進との組み合わせ等である。この研磨装置を用いた研磨方法は、結合材の組成に制約がなく、かつ同時に複数個の加工が可能である。

また、特開平３−１１７５５８号公報には、定盤を用いずに容器に遊離砥粒を分散させた懸濁液とセラミックス球を入れ、懸濁液を撹拌させることによりセラミックス球を加工する方法が開示されている。また、遊離砥粒として、セラミックス球よりも高硬度であるダイヤモンド、緑色炭化珪素（ＧＣ）、白色アルミナ（ＷＡ）を用いることが開示されている。

特開２０１１−７３０７６号公報 特開平３−１１７５５８号公報

しかしながら、窒化珪素を材料とした球状体を上記のような従来の製造方法により製造する場合、窒化珪素よりも高硬度の砥粒で研磨されることから、球状体の表面には砥粒の粒度に応じた傷や研磨痕が残ってしまう。

表面に傷や研磨痕が生じている球状体を軸受用転動体として用いた場合には、軸受寿命が低下する可能性がある。

仮に、粒度の小さい微細砥粒を用いた場合には球状体の表面粗さＲａ値を０．０１μｍ以下とすることはできるが、それでもその表面には粒度に応じた傷や研磨痕が生じることから、このような球状体を軸受用転動体として用いた場合には、軸受寿命が低下する可能性がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものである。本発明の主たる目的は、表面の傷や研磨痕などの凹凸が低減されている窒化珪素球状体、窒化珪素球状体の製造方法、および当該窒化珪素球状体を検査する窒化珪素球状体の検査方法を提供することにある。

本発明の窒化珪素球状体の製造方法は、主な構成材料が窒化珪素である複数の球状体と、前記球状体よりも低硬度の金属酸化物粉末と、分散媒とを準備する工程と、複数の前記球状体と前記金属酸化物粉末と前記分散媒とを混合することにより前記球状体同士を摺接させる工程とを備える。

本発明に依れば、表面上の傷や研磨痕などの凹凸が低減されている窒化珪素球状体、窒化珪素球状体の製造方法、および当該窒化珪素球状体を検査する窒化珪素球状体の検査方法を提供することができる。

実施の形態１に係る窒化珪素球状体の製造方法を説明するための図である。 図１中の矢印ＩＩから見た断面図である。 実施の形態１に係る窒化珪素球状体の製造方法のフローチャートである。 実施の形態２に係る窒化珪素球状体の製造方法のフローチャートである。 実施の形態２に係る窒化珪素球状体の製造方法における球状体の検査方法を説明するための図である。 実施の形態２に係る窒化珪素球状体の製造方法における球状体の検査方法の変形例を説明するための図である。 実施の形態３に係る窒化珪素球状体の検査方法のフローチャートである。 実施例１における比較例の窒化珪素球状体の製造方法を説明するための図である。 実施例１における実施例の窒化珪素球状体のボールミル処理前の顕微鏡像である。 実施例１における実施例の窒化珪素球状体のボールミル処理後の顕微鏡像である。 実施例１における比較例の窒化珪素球状体の撹拌処理前の顕微鏡像である。 実施例１における比較例の窒化珪素球状体の撹拌処理後の顕微鏡像である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。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。

はじめに、本発明の実施の形態の概要を列挙する。
（１）ある実施例において、窒化珪素球状体は、球状体１の表面からの深さが１５０μｍよりも浅い領域において、外形の最大幅が２５μｍ以上の欠陥が無い。

このような球状体１が軸受用転動体として用いられた場合、表面（転動面）からの深さが１５０μｍよりも浅い領域に、軸受使用時の球状体１において最大のせん断応力が作用する領域は含まれている。そのため、球状体１は、このような最大のせん断応力が印加されたときにも、内部欠陥を起点としたクラック等の発生が抑制されている。つまり、表面（転動面）からの深さが１５０μｍよりも浅い領域において、外形の最大幅が２５μｍ以上の欠陥が無い球状体１は、軸受用転動体に好適である。

なお、このような球状体１は、表面の傷や研磨痕などの凹凸が十分に低減されているため、後述する球状体１を検査する工程（Ｓ３０）を備える窒化珪素球状体の製造方法、または窒化珪素球状体の検査方法が実施されることにより得られる（選別され得る）。

また、このような球状体１は、表面の傷や研磨痕などの凹凸が十分に低減されているため、軸受用転動体として用いられた場合には当該凹凸に起因して軸受寿命が短くなることを防止することができる。

また、このような球状体１は、表面の傷や研磨痕などの凹凸が十分に低減されているため、軸受用転動体として用いられたときに軸受音響を小さくすることができ、軸受の音響特性を向上することができる。なお、このような球状体１は、上述のような窒化珪素球状体の製造方法が実施されることにより、製造することができる。

（２）別の実施例において、窒化珪素球状体の製造方法は、主な構成材料が窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）である複数の球状体１と、球状体１よりも低硬度の金属酸化物粉末と、分散媒２とを準備する工程（Ｓ１０）と、複数の球状体１と金属酸化物粉末と分散媒２とを混合することにより球状体１同士を摺接させる工程（Ｓ２０）とを備える。

ここで、球状体１の主な構成材料が窒化珪素であるとは、球状体１の５０体積％以上を構成する材料が窒化珪素であるものをいう。言い換えると、球状体１は、５０体積％以上の窒化珪素を含んでおり、たとえば８０体積％以上９８体積％以下の窒化珪素を含んでいる。また、球状体１同士を摺接させるとは、球状体１同士が互いの表面を摺りあいながら接触している状態に置くことをいう。

このようにすれば、摺接させる工程（Ｓ２０）において球状体１は自身より高硬度の材料からなる砥粒で研磨されることがないため、該工程（Ｓ２０）中において球状体１の表面に傷や研磨痕が生じることを抑制することができる。

さらに摺接させる工程（Ｓ２０）において球状体１と金属酸化物粉末とが混合されることにより、球状体１はその表面を金属酸化物粉末に擦過される。さらに、金属酸化物粉末の種類によっては、球状体１はその表面において金属酸化物粉末と化学的な反応を起こす。このような機械的作用および化学的作用により、球状体１の表面の凹凸部を緩和あるいは除去することができる。つまり、準備する工程（Ｓ１０）において所定の形状精度（真球度など）となるように加工され、表面に傷や研磨痕などの凹凸部が形成されている球状体１が準備されても、摺接させる工程（Ｓ２０）において当該凹凸部を緩和、除去することができる。

その結果、本窒化珪素球状体の製造方法によれば、高い寸法精度を有するとともに、表面上の傷や研磨痕などの凹凸が低減されている窒化珪素球状体を製造することができる。

（３）別の実施例において、金属酸化物粉末は、酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、酸化クロム（ＣｒＯ_２）、および酸化セリウム（ＣｅＯ_２）からなる群から選択される少なくとも１つである。

このようにすれば、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＣｒＯ_２、およびＣｅＯ_２はそれぞれ窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）よりも低硬度であるため、上記摺接させる工程（Ｓ２０）において混合される複数の球状体１と金属酸化物粉末と分散媒２とにおいて、窒化珪素を主な構成材料とする球状体１よりも硬度が高い材料が存在しない。そのため、該工程（Ｓ２０）中において球状体１の表面に傷や研磨痕などの凹凸が形成されることを抑制することができる。

さらに、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＣｒＯ_２、およびＣｅＯ_２は、窒化珪素に対してその表面を酸化させる触媒として機能する。これにより、主な構成材料が窒化珪素である球状体１の表面に傷や研磨痕などの凹凸が形成されている場合にも、当該凹凸部を酸化させてＳｉＯ_２層とすることができ、この結果、球状体１同士を摺接させることによって当該凹凸部を容易に除去することができる。つまり、金属酸化物粉末をＦｅ_２Ｏ_３、ＣｒＯ_２、およびＣｅＯ_２からなる群から選択される少なくとも１つとすることにより、より容易に表面上の傷や研磨痕などの凹凸が低減されている窒化珪素球状体を製造することができる。

（４）別の実施例において、摺接させる工程（Ｓ２０）は、球状体１と、金属酸化物粉末と、分散媒２とを容器１０に収容する工程（Ｓ２１）と、容器１０を動かすことにより球状体１と金属酸化物粉末と分散媒２とを混合する工程（Ｓ２２）とを含む。

本願発明者らは、このようにすることで、摺接させる工程（Ｓ２０）において容器１０を動かすことなく撹拌子３１などにより球状体１と金属酸化物粉末と分散媒２とを混合する場合と比べて、製造された窒化珪素球状体の表面の傷や研磨痕などの凹凸および表面粗さＲａ値を低減することができることを見出した。なお、詳細は後述する。

また、混合する工程（Ｓ２２）において、容器１０は、その内部に収容されている複数の球状体１と金属酸化物粉末と分散媒２とを混合しながら球状体１同士を摺接させることができる限りにおいて、任意に動かされ得るが、たとえば回転される。

（５）別の実施例において、容器１０は筒状体であり、混合する工程（Ｓ２２）では、容器１０を回転させることにより球状体１同士を摺接させる。

これにより、容器１０内に主要されている球状体１、金属酸化物粉末および分散媒２を均一に混合することができるとともに、球状体１同士を摺接させることができる。

（６）別の実施例では、摺接させる工程（Ｓ２０）において、金属酸化物粉末は、分散媒２の１Ｌ当たり６０ｇ以上８０ｇ以下の割合で球状体１と分散媒２と混合される。

このようにすれば、高能率かつ低コストで、表面上の傷や研磨痕などの凹凸が低減されている窒化珪素球状体を製造することができる。

（７）別の実施例において、窒化珪素球状体の製造方法は、摺接させる工程（Ｓ２０）の後に、球状体１を検査する工程（Ｓ３０）をさらに備え、球状体１を検査する工程（Ｓ３０）では、球状体１に対して光を照射させ、球状体１の少なくとも一部を透過した光を検出することにより、球状体１の内部欠陥の有無を検査する。

球状体１に照射された光は、窒化珪素の透光性により球状体１の内部を透過して、球状体１の内部欠陥等により反射、吸収、屈折などされる。ここで、球状体１の表面上に傷や研磨痕などの凹凸が形成されている場合には、球状体１の内部を透過して再び球状体１の表面に達した光は当該表面上の凹凸により散乱、減衰などされる。よって、従来の窒化珪素球状体の製造方法により製造された窒化珪素球状体は、表面粗さが大きく、窒化珪素の透光性を利用した内部欠陥評価が可能な領域は表面近傍の領域に限られていた。

これに対し、上述のように、摺接させる工程（Ｓ２０）により得られた窒化珪素球状体は、表面上の傷や研磨痕などの凹凸が低減されているため、このような球状体１に対して照射された光は球状体１の表面上の凹凸に起因して反射、吸収、屈折などされることが抑制されている。そのため、このような球状体１に照射された光のうち、球状体１の少なくとも一部を透過した光（反射光、透過光、屈折光など）は、球状体１の内部から外部に進行する際にも球状体１の表面上の凹凸の影響を受にくい。その結果、従来よりも球状体１内部のより深い位置からの反射光などを検出することができる。このため、このような球状体１の少なくとも一部を透過した光（反射光、透過光、屈折光など）を捉えることにより、球状体１の表面からより深い領域での内部欠陥の有無などの情報を精度良く得ることができる。

つまり、本窒化珪素球状体の製造方法によれば、従来の窒化珪素球状体の製造方法と比べて、より深い領域の内部欠陥についても高い精度で検査がなされた窒化珪素球状体を製造することができる。たとえば、球状体１が軸受用転動体として使用されたときに、球状体１においてせん断応力が最大となる領域の転動面からの深さは約１２０μｍであるが、従来の窒化珪素球状体の製造方法ではこのような深さにある領域の内部欠陥については高い精度で検査された窒化珪素球状体を製造することができなかった。これに対し、本窒化珪素球状体の製造方法では、このような深さにある領域の内部欠陥についても高い精度で検査された窒化珪素球状体を製造することができる。

（８）別の実施例において、球状体１を検査する工程（Ｓ３０）は、光が照射された球状体１を拡大鏡を用いて目視検査することにより実施される。

このようにしても、球状体１の内部欠陥の有無を高精度にかつ容易に検査することができる。

（９）別の実施例において、球状体１を検査する工程（Ｓ３０）は、球状体１にレーザ光を照射したときに生じる反射光から、反射率または吸収率の変化を捉えることにより実施される。

このようにしても、球状体１の内部欠陥の有無を高精度にかつ容易に検査することができる。

（１０）別の実施例において、窒化珪素球状体の検査方法は、主な構成材料が窒化珪素である複数の球状体と、前記球状体よりも低硬度の金属酸化物粉末と、分散媒とを混合して前記球状体同士を摺接させることにより得られた球状体１を準備する工程（Ｓ４０）と、球状体１に対して光を照射させ、球状体１の少なくとも一部を透過した光を検出することにより、球状体１の内部欠陥の有無を検査する工程（Ｓ５０）とを備える。

このようにすれば、検査対象である球状体１の表面の傷や研磨痕などの凹凸が十分に低減されているため、このような球状体１に対して照射された光は球状体１の表面上の凹凸に起因して反射、吸収、屈折などされることが抑制されている。そのため、このような球状体１に照射された光のうち、窒化珪素の透光性により球状体１の少なくとも一部を透過した光（反射光、透過光、屈折光など）は、球状体１の表面上の凹凸により散乱等されることが抑制されている。その結果、従来よりも球状体１内部のより深い位置からの反射光などを検出することができる。このため、このような球状体１の少なくとも一部を透過した光（反射光、透過光、屈折光など）を捉えることにより、球状体１の表面からより深い領域での内部欠陥の有無などの情報を精度良く得ることができる。

つまり、本窒化珪素球状体の検査方法によれば、従来の窒化珪素球状体の検査方法と比べて、窒化珪素球状体に対してより深い領域の内部欠陥についても高い精度で検査することができる。

（実施の形態１）
図１〜図３を参照して、実施の形態１に係る窒化珪素球状体の製造方法について説明する。実施の形態１に係る窒化珪素球状体の製造方法は、主な構成材料が窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）である複数の球状体１と、球状体１よりも低硬度の金属酸化物粉末（図示しない）と、分散媒２とを準備する工程（Ｓ１０）と、複数の球状体１と金属酸化物粉末と分散媒２とを混合することにより球状体１同士を摺接させる工程（Ｓ２０）とを備える。

まず、主な構成材料が窒化珪素である複数の球状体１と、球状体１よりも低硬度の金属酸化物粉末（図示しない）と、分散媒２とを準備する（工程（Ｓ１０））。

球状体１は、たとえば窒化珪素の原料粉末が球状に成形され、当該成形体に対して加圧焼結や常圧焼結などが実施されることにより準備される。球状体１は、さらに、窒化珪素よりも高硬度の砥粒（たとえばダイヤモンド、緑色炭化珪素（ＧＣ）系、白色アルミナ（ＷＡ）系など）により研磨されたものであってもよい。

球状体１の外径は、任意の大きさとすればよいが、たとえば軸受用転動体としてＪＩＳ規格やＩＳＯ規格などにより標準化された寸法である。本工程（Ｓ１０）では、球状体１は複数個準備される。このとき、複数の球状体１は、それぞれほぼ同寸法であるのが好ましい。

金属酸化物粉末は、球状体１の主な構成材料である窒化珪素よりも低硬度の金属酸化物を粉末状にしたものである。金属酸化物粉末は、球状体１よりも低硬度である。金属酸化物粉末は、たとえば酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、酸化クロム（ＣｒＯ_２）、および酸化セリウム（ＣｅＯ_２）からなる群から選択される少なくとも一つである。金属酸化物粉末の粒子径（粒度）は、たとえば砥粒や遊離砥粒として一般的に扱われている任意の大きさとすればよいが、好ましくは１μｍ以下である。なお、金属酸化物粉末の粒子径の分布（粒度分布）は、金属酸化物粉末が球状体１よりも低硬度であるため、厳しく制限される必要はない。

分散媒２は、金属酸化物粉末が懸濁される液体である。分散媒２は、金属酸化物粉末を懸濁させることができる限りにおいて任意の液体とすることができるが、たとえばＯＨ基をもつ液体であり、水やアルコールなどである。

次に、複数の球状体１と金属酸化物粉末と分散媒２とを混合することにより球状体１同士を摺接させる（工程（Ｓ２０））。

本工程（Ｓ２０）では、まず、先の工程（Ｓ１０）において準備した複数の球状体１、金属酸化物粉末、および分散媒２を、容器１０に収容する（工程（Ｓ２１））。容器１０は、所定量の球状体１、金属酸化物粉末、および分散媒２を収容可能な限りにおいて、任意の形状および寸法を有していればよい。容器１０は、たとえば直径２００ｍｍ、軸方向における長さが２００ｍｍの円筒状であって、容器１０を構成する材料がポリエチレンである。このような容器１０には、たとえば外径が１０．３１８８ｍｍ（１３／３２インチ）の球状体１を３００個と、金属酸化物粉末を１００ｇ、分散媒２を１．５Ｌ収容させることができる。このとき、分散媒２と金属酸化物粉末とは、分散媒２の１Ｌ当たり６０ｇ以上８０ｇ以下の割合で容器１０内に収容され、混合されるのが好ましい。

容器１０は、中心軸Ｃを回転軸とするように、回転可能に設けられている。容器１０は、たとえば水平方向において互いに平行に延びるように配置されている２つのローラ１１上に配置されている。このとき、容器１０の中心軸Ｃは、ローラ１１の回転軸と平行である。２つのローラ１１はたとえば円柱状に設けられている。すなわち、容器１０およびローラ１１は、ボールミルとして構成されていてもよい。

次に、容器１０を動かすことにより球状体１と金属酸化物粉末と分散媒２とを混合する（工程（Ｓ２２））。たとえば、中心軸Ｃを回転軸として容器１０を回転させることにより、容器１０内に収容されている球状体１と金属酸化物粉末と分散媒２とを混合する。すわなち、工程（Ｓ２２）において、球状体１と金属酸化物粉末と分散媒２とは、たとえばボールミルにより均一に混合される。このときの処理条件は、球状体１同士を摺接させることができるように選択される。容器１０の回転数は、任意に選択することができ、たとえば１０ｒｐｍ以上１００ｒｐｍ以下である。

このようにして、本工程（Ｓ２０）では球状体１同士を摺接させることができる。
上記工程（Ｓ１０）〜工程（Ｓ２０）が実施されることにより、窒化珪素球状体が製造され、実施の形態１に係る窒化珪素球状体の製造方法が完了する。

このようにすれば、摺接させる工程（Ｓ２０）において球状体１は自身より高硬度の材料からなる砥粒で研磨されることがないため、該工程（Ｓ２０）中において球状体１の表面に傷や研磨痕が生じることを抑制することができる。

さらに摺接させる工程（Ｓ２０）において球状体１と金属酸化物粉末とが混合されることにより、球状体１はその表面を金属酸化物粉末に擦過される。さらに、金属酸化物粉末の種類によっては、球状体１はその表面において金属酸化物粉末と化学的な反応を起こす。このような機械的作用および化学的作用により、球状体１の表面の凹凸部を緩和あるいは除去することができる。つまり、準備する工程（Ｓ１０）において所定の寸法精度（真球度など）となるように加工され、表面に傷や研磨痕などの凹凸部が形成されている球状体１が準備されても、摺接させる工程（Ｓ２０）において当該凹凸部を緩和、除去することができる。

また、金属酸化物粉末をＦｅ_２Ｏ_３、ＣｒＯ_２、およびＣｅＯ_２からなる群から選択される少なくとも１つとすることにより、主な構成材料が窒化珪素である球状体１の表面に傷や研磨痕などの凹凸が形成されている場合にも、当該凹凸部を酸化させてＳｉＯ_２層とすることができ、この結果、球状体１同士を摺接させることによって当該凹凸部を容易に除去することができる。

また、分散媒２を水とすることにより、摺接させる工程（Ｓ２０）において球状体１の表面に容易にＳｉＯ_２層を形成することができる。すなわち、球状体１同士を酸化鉄などの触媒活性を有しメカノケミカル反応を起こすことができる紛末とともに水中で摺接させることにより、メカノケミカル反応（トライボケミカル反応）を起こすことができる。その結果、主な構成材料が窒化珪素である球状体１の表面に傷や研磨痕などの凹凸が形成されている場合にも、当該凹凸部の窒化珪素と水と金属酸化物粉末とによりＳｉＯ_２層を容易に生成することができ、当該ＳｉＯ_２層を球状体１同士が摺接したときの摩擦によって球状体１の表面から容易に除去することができる。

本願発明者らは、実施の形態１に係る窒化珪素球状体の製造方法により製造された窒化珪素球状体は、表面粗さＲａが０．００４μｍ未満であって、アンデロン値が低く抑えられていることを確認した（詳細は後述する）。つまり、窒化珪素球状体は、軸受用転動体として好適であり、表面の凹凸に起因して軸受寿命が短くなることが抑制されており、かつ軸受音響を小さく抑えることができる。

（実施の形態２）
次に、図４を参照して、実施の形態２に係る窒化珪素球状体の製造方法について説明する。実施の形態２に係る窒化珪素球状体の製造方法は、基本的には実施の形態１に係る窒化珪素球状体の製造方法と同様の構成を備えるが、摺接させる工程（Ｓ２０）の後に、球状体１を検査する工程（Ｓ３０）をさらに備える点で異なる。

球状体１を検査する工程（Ｓ３０）では、球状体１に対して光を照射させ、球状体１の少なくとも一部を透過した光を検出することにより、球状体１の内部欠陥の有無を検査する。

図５を参照して、球状体１を検査する工程（Ｓ３０）は、光が照射された球状体１を実体顕微鏡２０などの拡大鏡を用いて目視検査することにより実施され得る。

また、図６を参照して、球状体１を検査する工程（Ｓ３０）は、球状体１にレーザ光を照射したときに生じる反射光から、反射率または吸収率の変化を捉えることにより実施されてもよい。このときの検査系は、たとえば光源２１、反射鏡２２、レンズ２３、受光素子２４、および処理装置２５で構成される。光源２１は、球状体１にレーザ光を照射可能に設けられている。反射鏡２２は、球状体１にレーザ光を照射したときに生じる反射光をレンズ２３に入光させ、レンズ２３は当該反射光を受光素子２４上に集光させる。受光素子２４は、当該反射光を受光し、受光信号を処理装置２５に出力する。処理装置２５は、受光素子２４から受けた受光信号を処理し、球状体１の内部欠陥の有無等の処理結果を出力する。

摺接させる工程（Ｓ２０）により得られた窒化珪素球状体は、表面上の傷や研磨痕などの凹凸が低減されているため、このような球状体１に対して照射された光は球状体１の表面上の凹凸に起因して反射、吸収、屈折などされることが抑制されている。そのため、このような球状体１に照射された光のうち、球状体１の少なくとも一部を透過した光（反射光、透過光、屈折光など）は、球状体１の内部から外部に進行する際にも球状体１の表面上の凹凸の影響を受にくい。その結果、このような球状体１の少なくとも一部を透過した光（反射光、透過光、屈折光など）を捉えることにより、球状体１の表面からより深い領域での内部欠陥の有無などの情報を精度良く得ることができる。これにより、実施の形態２に係る窒化珪素球状体の製造方法によれば、従来の窒化珪素球状体の製造方法と比べて、より深い領域の内部欠陥についても高い精度で検査がなされた窒化珪素球状体を製造することができる。

上述のように、球状体１が軸受用転動体として使用されたときに、球状体１においてせん断応力が最大となる領域の転動面からの深さは約１２０μｍであるが、実施の形態２に係る窒化珪素球状体の製造方法では、このような深さにある領域の内部欠陥についても高い精度で検査された窒化珪素球状体を製造することができる。

その結果、摺接させる工程（Ｓ２０）による処理がなされた球状体１のうち、球状体１の表面からの深さが１５０μｍよりも浅い領域において、外形の最大幅が２５μｍ以上の欠陥が無い球状体１と、そうでない球状体１とを選り分けることができる。軸受用転動体に好適である。

（実施の形態３）
次に、図７を参照して、実施の形態３に係る窒化珪素球状体の検査方法について説明する。実施の形態３に係る窒化珪素球状体の検査方法は、主な構成材料が窒化珪素である複数の球状体１と、球状体よりも低硬度の金属酸化物粉末と、分散媒２とを混合して球状体１同士を摺接させることにより得られた球状体１を準備する工程（Ｓ４０）と、球状体１に対して光を照射させ、球状体１の少なくとも一部を透過した光を検出することにより、球状体１の内部欠陥の有無を検査する工程（Ｓ５０）とを備える。

まず、球状体１を準備する（工程（Ｓ１０））。球状体１は、主な構成材料が窒化珪素である複数の球状体と、球状体よりも低硬度の金属酸化物粉末と、分散媒とを混合することにより球状体同士を摺接させることにより得られたものである。このときの球状体１の表面粗さＲａ値は、たとえば０．００４μｍ未満である。また、球状体１は、その表面が透光性を有する材料からなる薄膜により覆われてもよい。この場合、主な構成材料が窒化珪素である球状体および該球状体を覆うように形成された薄膜の表面の傷や研磨痕などの凹凸が十分に低減されている。

次に、球状体１に対して光を照射させ、球状体１の少なくとも一部を透過した光を検出することにより、球状体１の内部欠陥の有無を検査する（工程（Ｓ５０））。

本工程（Ｓ５０）は、実施の形態２に係る窒化珪素球状体の製造方法における、球状体１を検査する工程（Ｓ３０）と同様に実施され得る。具体的には、本工程（Ｓ５０）は、図５に示すように、たとえば光が照射された球状体１を実体顕微鏡などの拡大鏡を用いて目視検査することにより実施され得る。また、本工程（Ｓ５０）は、図６に示すように、球状体１を検査する工程（Ｓ３０）は、球状体１にレーザ光を照射したときに生じる反射光から、反射率または吸収率の変化を捉えることにより実施されてもよい。

先の工程（Ｓ４０）において準備した球状体１は、表面の傷や研磨痕などの凹凸が低減されている。そのため、このような球状体１に対して照射された光は球状体１の表面上の凹凸に起因して反射、吸収、屈折などされることが抑制されている。また、球状体１は、主な構成材料が窒化珪素であるため透光性を有している。そのため、このような球状体１に照射された光のうち、窒化珪素の透光性により球状体１の少なくとも一部を透過した光（反射光、透過光、屈折光など）は、球状体１の表面上の凹凸により散乱等されることが抑制されている。その結果、このような球状体１の少なくとも一部を透過した光（反射光、透過光、屈折光など）を捉えることにより、球状体１の表面からより深い領域での内部欠陥の有無などの情報を精度良く得ることができる。

つまり、本窒化珪素球状体の検査方法によれば、従来の窒化珪素球状体の検査方法と比べて、窒化珪素球状体に対してより深い領域の内部欠陥についても高い精度で検査することができる。

なお、実施の形態２に係る窒化珪素球状体の製造方法および実施の形態３に係る窒化珪素球状体の検査方法では、図５や図６に示す検査系を例示しているが、これに限られるものではない。球状体１に対して光を照射させ、球状体１の少なくとも一部を透過した光を検出することが可能である限りにおいて、任意の方法を採用し得る。

次に、実施例について説明する。

実施の形態１に係る窒化珪素球状体の製造方法に従って製造された窒化珪素球状体について、表面粗さを評価した。

はじめに、実施の形態１に係る窒化珪素球状体の製造方法の球状体１同士を摺接させる工程（Ｓ２０）において、複数の前記球状体と金属酸化物粉末と分散媒とを混合することにより球状体同士を摺接させる処理方法と、得られた球状体１の表面粗さとの関係を評価した。

まず、窒化珪素の含有率が８０体積％以上９８体積％以下である球状体を複数個準備した。球状体は、砥粒にダイヤモンドを用いて研磨加工されたものとした。球状体の外径は１３/３２インチとした。球状体の表面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａ値は０．００４μｍであった。図９および図１１に、準備した球状体表面の顕微鏡像を示す。準備した球状体の表面には、傷や研磨痕が確認された。
（試料１〜試料３：実施例１）
次に、図１に示すように、実施例として、準備した球状体１をボールミル（容器１０）に収容し、これを回転させることにより球状体１と分散媒２と金属酸化物粉末とを混合させた。具体的には、複数の球状体１と、分散媒２としての水と、金属酸化物粉末としての酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、酸化クロム（ＣｒＯ_２）、および酸化セリウム（ＣｅＯ_２）のいずれか１つとをボールミル容器１０に収容し、表１に示す条件でボールミル処理を行った。ボールミル容器１０は、容器材質をポリエチレンとした。ボールミル容器１０の形状は円筒状であり、容器の寸法は内径Φ２００ｍｍ、軸方向の長さＬ２００ｍとした。金属酸化物粉末に酸化鉄を用いてボールミル処理を行い試料１の球状体１を得た。また、酸化クロムを用いてボールミル処理を行い試料２の球状体１を得た。酸化セリウムを用いてボールミル処理を行い試料３の球状体１を得た。

（試料４、試料５：比較例１）
また、比較例として、複数の球状体と、分散媒としての水と、窒化珪素よりも高硬度の酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）とを上記ボールミル容器に収容し、表１に示す条件でボールミル処理を行い、試料４の球状体を得た。

また、比較例として、複数の球状体と、分散媒としての水とを上記ボールミル容器に収容し、表１に示す条件（金属酸化物粉末の収容量のみ０ｇに変更した）でボールミル処理を行い、試料５の球状体を得た。

（試料６〜試料１０：比較例２）
さらに、図８を参照して、比較例として、上述のように準備した球状体１を内部において撹拌子３１が回転可能に設けられている固定容器３０に収容し、撹拌子３１を回転させることにより球状体１と分散媒２と金属酸化物粉末とを混合させた。具体的には、複数の球状体１と、分散媒２としての水と、金属酸化物粉末としての酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、酸化クロム（ＣｒＯ_２）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、および酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）のいずれか１つとを固定容器３０に収容し、表２に示す条件で撹拌処理を行った。その結果、金属酸化物粉末に酸化鉄を用いて作製された試料６の球状体、酸化クロムを用いて作製された試料７の球状体、酸化セリウムを用いて作製された試料８の球状体、および酸化セリウムを用いて作製された試料９の球状体を得た。

また、比較例として、複数の球状体と、分散媒としての水とを上記固定容器３０に収容し、表２に示す条件（金属酸化物粉末の収容量のみ０ｇに変更した）で撹拌処理を行い、試料１０の球状体を得た。

このようにして得られた試料１〜試料１０の球状体に対し、真球度、直径不同、ロットの直径の相互差、表面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａ、寸法を測定した。表３に、ボールミル処理が施された試料１〜試料５の球状体に対する測定結果を上述したボールミル処理前の球状体の測定結果と合わせて示す。表４に、撹拌処理が施された試料６〜試料１０の球状体に対する該測定結果を上述した撹拌処理前の球状体の測定結果と合わせて示す。

表３に示すように、ボールミル処理により、窒化珪素よりも低硬度の酸化鉄、酸化クロム、または酸化セリウムおよび水とともに混合された試料１〜試料３の球状体は、表面粗さＲａ値がボールミル処理前の０．００４０μｍから０．００１９μｍ以下に低減していた。図１０に、試料２の球状体の表面の顕微鏡像を示す。図９に示すボールミル処理前の被加工物球状体の顕微鏡像と比べて、傷や研磨痕が目立たなくなっていることが確認された。一方で、ボールミル処理の前後で真球度等の形状精度に変化は見られなかった。

窒化珪素よりも高硬度の酸化アルミニウムおよび水とともにボールミル処理された試料４の球状体は、表面粗さＲａ値がボールミル処理前の０．００４０μｍから０．００４５μｍに増加していた。これは、主な構成材料が窒化珪素である球状体同士が摺接される際に、球状体の表面を高硬度の酸化アルミニウムが擦過することにより、該表面に傷や研磨痕が生じるためと考えられる。

つまり、実施例１および比較例１の結果から、窒化珪素球状体よりも低硬度の金属酸化物粉末を用いてボールミル処理を行うことにより、球状体１の表面上の傷や研磨痕などの凹凸を十分に低減できることが確認された。また、真球度等の形状精度が十分に高められた球状体をボールミル処理することにより、形状精度が高く、かつ表面上の傷や研磨痕などが十分に低減された球状体を得ることができることが確認された。

また、表４に示すように、撹拌処理により、窒化珪素よりも低硬度の酸化鉄、酸化クロム、または酸化セリウムおよび水とともに混合された試料６〜試料８の球状体は、撹拌処理の前後で表面粗さＲａ値に変化が見られなかった。図１２に、撹拌処理後の試料７の球状体の表面の顕微鏡像を示す。金属酸化物粉末を用いて撹拌処理を行っても、図１１に示す撹拌処理前の被加工物球状体の顕微鏡像と比べて表面の傷や研磨痕を低減できていなかった。

つまり、実施例１および比較例２の結果から、上記撹拌処理では、ボールミル処理に用いることで球状体の表面粗さ低減効果を奏することが確認された窒化珪素よりも低硬度の金属酸化物粉末を用いても、球状体の傷や研磨痕を十分に低減できなかった。これは、ボールミル処理では、球状体１同士が互いの表面を摺りあいながら接触している状態を実現することができるため、球状体の表面において上述した金属酸化物粉末による機械的作用および化学的作用を十分に発現することができ、球状体１の表面の凹凸部を緩和あるいは除去することができると考えられる。これに対し、撹拌処理では、球状体１同士が互いの表面を摺りあいながら接触している状態を実現することが困難であり、球状体の表面において上述した金属酸化物粉末による機械的作用および化学的作用を十分に発現させることができず、球状体１の表面の凹凸部を緩和あるいは除去することが困難であるためと考えられる。

実施の形態１に係る窒化珪素球状体の製造方法に従って製造された窒化珪素球状体について、音響特性を評価した。本実施例では、上述した実施例１において準備した試料１〜試料５の球状体に対し、音響特性を評価した。

試料１〜試料５の球状体に対し、軸受転動体としての音響特性を評価した。具体的には、試料１〜試料５の球状体を用いて軸受（５Ｓ−２ＬＡ−ＨＳＬ０２０ＵＰ）を組み立て、当該軸受の外輪を固定して内輪を一定速度で回転させ、このとき外輪に伝達されるラジアル方向の振動成分をアンデロン値として測定した。アンデロン値の測定にはアンデロンメータ（株式会社菅原研究所）を用いた。アンデロン値の測定条件は、回転数を１８００／分、アキシャル荷重２５００Ｎとした。また、アンデロン値の測定範囲は、Ｌバンド（低周波数帯域、５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下）、Ｍバンド（中周波数帯域、３００Ｈｚ以上１８００Ｈｚ以下）、Ｈバンド（高周波数帯域、１８００Ｈｚ以上１００００Ｈｚ以下）とした。なお、ボールミル処理前の球状体に対しても、同様の測定条件で音響特性を評価した。表３に、該測定結果を上述したボールミル処理前の球状体の測定結果と合わせて示す。

表５に示すように、試料１〜試料３の球状体は、ボールミル処理前の被加工物球状体と比べて、Ｈバンドでのアンデロン値が小さかった。これは、実施例１に示すように、試料１〜試料３の球状体は、表面粗さが十分に小さいため、軸受用転動体として用いられたときに振動を抑制でき、Ｈバンドでの音響特性が向上されていると考えられる。

一方、試料４の球状体はボールミル処理前の被加工物球状体と比べて変化はないものの、試料５の球状体は、ボールミル処理前の被加工物球状体と比べてＨバンドでの音響特性が低下していた。

つまり、本実施例２の結果から、上記実施の形態１に係る窒化珪素球状体の製造方法により製造された窒化珪素球状体は、軸受用転動体として使用した時の音響特性を向上することができることが確認された。

実施の形態３に係る窒化珪素球状体の検査方法に従って、窒化珪素球状体について外観検査を行った。

まず、窒化珪素からなり、外径が１３/３２インチの球状体を４種類準備した。具体的には、複数の球状体は、砥粒にダイヤモンドを用いて研磨加工されたものとした。球状体の表面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａ値は０．００４μｍであった。当該研磨加工後、研磨面（表面）からの深さがそれぞれ５０μｍ、８０μｍ、１２０μｍ、１５０μｍの位置に金属介在物欠陥（外形の最大幅が４５μｍのステンレス（ＳＵＳ）粉を導入し、試料１１〜試料１４の４種類の球状体を準備した。各球状体において金属介在物欠陥が導入された位置は、Ｘ線ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）機器を用いて研磨面から上記深さにあることを確認した。

試料１１〜試料１４の球状体に対し、以下の検査方法により内部欠陥を検出可能であるか否かを評価した。第１の検査方法として、図５に示すように、拡大鏡として実体顕微鏡２０を用いて試料１１〜試料１４の球状体を目視検査する方法を採用した。また、第２の検査方法として、図６に示す検査系を用いて、試料１１〜試料１４の球状体にレーザ光を照射したときに生じる反射光から、吸収率の変化を捉える方法を採用した。

さらに、試料１１〜試料１４の球状体に対し、実施の形態１に係る窒化珪素球状体の製造方法における球状体１同士を摺接させる工程（Ｓ２０）に従ってボールミル処理を行った。なお、ボールミル処理は、複数の球状体と、分散媒としての水と、金属酸化物粉末としての酸化鉄とをボールミル容器に収容し、上記表１に示す条件で行った。ボールミル処理後の試料１１〜試料１４の球状体に対し、ボールミル処理前と同様に上記第１および第２の検査方法により、内部欠陥を検出可能であるか否かを評価した。検査結果を表６に示す。

表６に示すように、金属介在物欠陥の表面深さが８０μｍよりも浅い試料１１および試料１２の球状体に対しては、ボールミル処理前においても第１および第２の検査方法により当該金属介在物欠陥を検出することができた。しかし、金属介在物欠陥の表面深さが８０μｍよりも深い試料１３および試料１４の球状体に対しては、ボールミル処理前では第１および第２の検査方法ともに当該金属介在物欠陥を検出することができなかったのに対し、ボールミル処理後では第１および第２の検査方法によっても当該金属介在物欠陥を検出することができた。これは、上述のようにボールミル処理前の球状体では表面の傷や研磨痕などの凹凸が形成されており、透過光が表面で散乱・減衰等されて表面から深い位置に存在する内部欠陥を検出することが困難であるのに対し、ボールミル処理後の球状体では表面の傷や研磨痕などの凹凸が十分に低減されているため、球状体表面での透過光の散乱・減衰等が抑制され表面から深い位置に存在する内部欠陥を検出することができると考えられる。

つまり、本実施例３の結果から、上記実施の形態３に係る窒化珪素球状体の検査方法により、窒化珪素球状体に対して表面からより深い位置まで内部欠陥の有無を検査することができることが確認された。また、実施の形態３に係る窒化珪素球状体の検査方法が、特に軸受用転動体用の窒化珪素球状体の検査方法として特に好適であることが確認された。具体的には、窒化珪素球状体を軸受用転動体として用いた場合、窒化珪素球状体には転動面から１２０μｍ程度の領域までせん断応力が作用するため、当該領域に金属介在物欠陥などを有する球状体は高信頼性が求められる軸受用転動体には不適である。これに対し、上記実施の形態３に係る窒化珪素球状体の検査方法を実施することにより、転動面からの深さが少なくとも１５０μｍ程度の領域までの内部欠陥の有無を評価することができるため、転動面（球状体の表面）からの深さが少なくとも１５０μｍ程度の領域において、所定の大きさの内部欠陥（たとえば外形の最大幅が２５μｍ以上の欠陥が無い球状体を選別することができる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態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のすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、軸受用転動体に用いられる窒化珪素球状体、窒化珪素球状体の製造方法、および窒化珪素球状体の検査方法に特に有利に適用される。

１ 球状体、２ 分散媒、１０ 容器、１１ ローラ、２０ 実体顕微鏡、２１ 光源、２２ 反射鏡、２３ レンズ、２４ 受光素子、２５ 処理装置、３０ 固定容器、３０ 撹拌子。

Claims (10)

1. 主な構成材料が窒化珪素である球状体であって、
   前記球状体の表面からの深さが１５０μｍよりも浅い領域において、外形の最大幅が２５μｍ以上の欠陥が無い、窒化珪素球状体。
2. 主な構成材料が窒化珪素である複数の球状体と、前記球状体よりも低硬度の金属酸化物粉末と、分散媒とを準備する工程と、
   複数の前記球状体と前記金属酸化物粉末と前記分散媒とを混合することにより前記球状体同士を摺接させる工程とを備える、窒化珪素球状体の製造方法。
3. 前記金属酸化物粉末は、酸化鉄、酸化クロム、および酸化セリウムからなる群から選択される少なくとも１つである、請求項２に記載の窒化珪素球状体の製造方法。
4. 前記摺接させる工程は、前記球状体と、前記金属酸化物粉末と、前記分散媒とを容器に収容する工程と、
   前記容器を動かすことにより前記球状体と前記金属酸化物粉末と前記分散媒とを混合する工程とを含む、請求項２または請求項３に記載の窒化珪素球状体の製造方法。
5. 前記容器は筒状体であり、前記混合する工程では、前記容器を回転させることにより前記球状体同士を摺接させる、請求項４に記載の窒化珪素球状体の製造方法。
6. 前記摺接させる工程において、前記金属酸化物粉末は、前記分散媒１Ｌ当たり６０ｇ以上８０ｇ以下の割合で前記球状体と前記分散媒と混合されている、請求項２〜請求項５のいずれか１項に記載の窒化珪素球状体の製造方法。
7. 前記摺接させる工程の後に、前記球状体を検査する工程をさらに備え、
   前記球状体を検査する工程では、前記球状体に対して光を照射させ、前記球状体の少なくとも一部を透過した前記光を検出することにより、前記球状体の内部欠陥の有無を検査する、請求項２〜請求項６のいずれか１項に記載の窒化珪素球状体の製造方法。
8. 前記球状体を検査する工程は、光が照射された前記球状体を拡大鏡を用いて目視検査することにより実施される、請求項７に記載の窒化珪素球状体の製造方法。
9. 前記球状体を検査する工程は、前記球状体にレーザ光を照射したときに生じる反射光から、反射率または吸収率の変化を捉えることにより実施される、請求項７に記載の窒化珪素球状体の製造方法。
10. 主な構成材料が窒化珪素である複数の球状体と、前記球状体よりも低硬度の金属酸化物粉末と、分散媒とを混合して前記球状体同士を摺接させることにより得られた球状体を準備する工程と、
    前記球状体に対して光を照射させ、前記球状体の少なくとも一部を透過した前記光を検出することにより、前記球状体の内部欠陥の有無を検査する工程とを備える、窒化珪素球状体の検査方法。