JP2017031011A - セラミック素球の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 炭化ホウ素の硬度を損なうことなく放電加工性に優れた炭化ホウ素の焼結体を得る。【解決手段】本発明のセラミック素球１の製造方法は、被焼結材料２とバインダ３とを混合して混合物６を得る混合工程と、混合工程で混合された混合物６を、球状の成形部７を備えた金型８内に射出して、球状の成形体５を得る射出工程と、射出工程で得られた成形体５を焼結することでセラミック素球１を得る焼結工程と、を備えている。なお、被焼結材料２には炭化ホウ素が用いられているのが好ましく、導電性物質が気化した雰囲気中で炭化ホウ素の成形体５を焼結するのが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、ベアリングを構成するベアリング球の元となる素球の製造方法に関するものであり、特に、セラミックで形成されたセラミック素球の製造方法に関するものである。

従来よりベアリング球としてセラミック製のセラミックボールが用いられている。このセラミックボールは、高い硬度を有するサーメットなどの焼結体の素球（セラミック素球）を、焼結後に研磨などにより真球のセラミックボールに加工して製造されている。このようなセラミックボールの製造技術としては、特許文献１や特許文献２のようなものが既に開示されている。

例えば、特許文献１には、中央に円周方向全体にわたって外側に突出する帯状部を有するセラミックボール素球であって、帯状部を除く球状体に平坦部が形成されたセラミックボール素球が開示されている。この特許文献１のセラミックボール素球では、上述した帯状部や平坦部を設けることでプレス成形時の離形性が向上するものとされている。
また、特許文献２にも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セラミックボール素球が開示されている。この特許文献２には、状部金型と下部金型との間に圧力をかけて粉体をプレス成形する際に、両金型の間に入り込んだ粉体がセラミックボール素球の外周に帯状部として環状に形成されてしまうことが記載されており、帯状部を研磨などにより除去可能な点も開示されている。

特開２０１３−２０９２８３号公報 特開２００１−１６３６７３号公報

ところで、特許文献１や特許文献２の技術で製造されたセラミックボール素球には、必然的に帯状部（バリなどを含む）が存在することとなる。
しかしながら、このような帯状部は、焼結後に研磨などで除去しなくてはならず、除去に多大な手間が必要なものとなっていた。また、近年は、セラミック素球のセラミックスに窒化ホウ素（cBN）や炭化ホウ素（B4C）などの超硬材料が用いられており、より一層帯状部の除去に手間がかかるものとなっていた。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、焼結後に帯状部を有さないセラミック素球の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のセラミック素球の製造方法は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明のセラミック素球の製造方法は、被焼結材料とバインダとを混合して混合物を得る混合工程と、前記混合工程で混合された混合物を、球状の成形部を備えた金型内に射出して、球状の成形体を得る射出工程と、前記射出工程で得られた成形体を焼結することでセラミック素球を得る焼結工程と、を備えていることを特徴とする。

なお、好ましくは、前記被焼結材料には、炭化ホウ素が用いられているとよい。
なお、好ましくは、前記焼結工程は、導電性物質が気化した雰囲気中で、前記炭化ホウ素の成形体を焼結するとよい。

本発明にかかるセラミック素球の製造方法によれば、焼結後にバリなどを含む帯状部を有さないため、帯状部を除去するための工程を不要とすることが可能となる。

本実施形態にかかるセラミック素球の製造方法の手順を模式的に示した図である。

以下、本発明にかかるセラミック素球１の製造方法の実施形態を、図面に基づき説明する。
本実施形態で述べる「セラミック素球１」とは、軸受等に用いられるベアリングを構成するベアリング球の元となる素球（ベアリング素球）のことである。本明細書では、このベアリング素球がセラミックで構成されているため、セラミック素球１と呼ぶ。

図１は、本実施形態のセラミック素球１の製造方法を模式的に示したものである。
図１に示すように、本実施形態のセラミック素球１の製造方法は、被焼結材料２とバインダ３とを混合して混合物６を得る「混合工程」と、混合工程で混合された混合物６を、球状の成形部７を備えた金型８内に射出して、球状の成形体５を得る「射出工程」と、射出工程で得られた成形体５を焼結することでセラミック素球１を得る「焼結工程」と、を備えている。

次に、本実施形態のセラミック素球１の製造方法を構成する「混合工程」、「射出工程」、及び「焼結工程」について説明する。
図１に示すように、混合工程は、被焼結材料２とバインダ３とを混合して混合物６を得る工程であり、本実施形態では混練機４を用いて混合が行われている。
この混合工程で混合される被焼結材料２には、チタン、ニッケル、コバルト、ニオブ、タングステンなどを組み合わせたサーメット、窒化ホウ素、炭化ホウ素などを用いることができる。特に好ましくは、炭化ホウ素の粉末粒子を用いるのが良い。例えば、炭化ホウ素の粒子としては、熱炭素還元反応を用いて合成されたものを用いるのが良い。つまり、熱炭素還元反応を用いて、ホウ素源（ホウ酸（Ｈ_３ＢＯ_３）や酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３））と炭素源（活性炭や石油コークスなど）を直接混合し、高温加熱を行えば、本実施形態の製造方法に用いることができるような炭化ホウ素の粒子を得ることが可能となる。なお、炭化ホウ素の粒子には、熱炭素還元反応以外の方法で合成された粒子を用いても良い。

なお、以降では、被焼結材料２に炭化ホウ素の粒子を用いた例を挙げて、本発明のセラミック素球１の製造方法を説明する。
バインダ３は、炭化ホウ素の粒子同士を結着することにより、成形体５における炭化ホウ素の粒子の保形性を向上させるものである。被焼結材料２に炭化ホウ素を用いる場合であれば、バインダ３には、アクリル樹脂、ポリスチレン、またはポリプロピレンなどの母材樹脂に、ワックスなどを混合した混合物６が用いられる。

また、ワックスとしては、脂肪酸エステル、脂肪酸アミド、フタル酸エステル、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックス、カルナバワックス、モンタン系ワックス、ウレタン化ワックス、無水マレイン酸変性ワックス、及びポリグリコール系化合物から選ばれる少なくとも１種以上を用いることができる。

さらに、これらのワックスに加えて、炭化ホウ素の粒子と母材樹脂との親和性（結着性）を高めるなどの目的で、ポリエチレン、アモルファスポリオレフィン、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリビニルブチラール樹脂、グリシジルメタクリレート樹脂などを結着補助剤として加えることもできる。
上述した被焼結材料２とバインダ３との混合に用いられる混練機４には、バッチ式混練機の他、連続式混練機などを用いることができる。混練機４の軸数は１軸でも２軸（多軸）でも良い。このようにして混練が行われた混練物（混合物６）は成形機（射出成形機９）に送られる。

射出工程は、混合工程で混合された混合物６を、球状の成形部７を備えた金型８内に射出して、球状の成形体５を得る工程である。射出工程には、以降に示すような射出成形機９を用いた粉末射出成形法が用いられる。
具体的には、本実施形態の場合であれば、炭化ホウ素の粒子２と、バインダ３とを混合し、得られた混合物６を金型８内に射出成形して、所定の形状の成形体５を成形する。このとき、射出成形機９の金型８は、上金型８Ｕと下金型８Ｄとを上下に組み合わせたものとされ、両金型８Ｕ、８Ｄの衝合面にはセラミック素球１の球形状を象った成形部７が形成される。つまり、上金型８Ｕの衝合面には上半分の半球を象った成形部７が上方に向かって半球状に凹むように形成され、下金型８Ｄの衝合面には下半分の半球を象った成形部７が下方に向かって半球状に凹むように形成される。そして、上金型８Ｕまたは下金型８Ｄのいずれかには、成形部７の内外を結ぶ射出部１０が設けられている。また、金型８の内部には、金型８内のガスを金型８外に排出するガス抜き部（図示略）が形成されているのが好ましい。

このような射出成形機９を用いて射出成形する際は、上金型８Ｕ及び下金型８Ｄを予め上下方向で付き合わせ（衝合させ）ておく。このとき、上金型８Ｕと下金型８Ｄとの間には、上半分の半球を象った成形部７と、下半分の半球を象った成形部７とが組み合わされて、球形の成形部７が形成されている。このような射出成型法を用いれば、金型８同士がはじめから衝合されているため、プレス成形で成形する場合のように帯状部やバリが形成されることがない。そのため、焼結体に対して帯状部やバリを除去するための研磨を別途行う必要もなくなる。

上述した射出工程が終了した成形体５（射出成形体）に対しては、加熱炉１１を用いて脱脂が行われる。この脱脂は、成形体５からバインダ３を除去するために実施されるが、射出工程で成形された混練物中に入り込んだ空気などのガスや成形体５中に含まれる溶剤などを除く効果も得られる。この脱脂を行うことで、焼結体の膨れやクラックを防止することができる。

この脱脂を行う雰囲気は、窒素やアルゴンなどの不活性ガスや水素ガスのようなガスを用いて行われ、非酸化性のものとなっている。特に好ましくは、この非酸化性の雰囲気としては、大気圧に対して減圧された不活性ガスの雰囲気、大気圧に保持した不活性ガスの雰囲気、あるいは大気圧に保持した水素ガスの雰囲気を用いるのが良い。
また、脱脂は、バッチ式の加熱炉か、ベルト式、プッシャー式、ウォーキング式などの連続式の加熱炉を用いて行うことができる。このようにして脱脂が行われた混練物に対しては、焼結工程が行われる。

焼結工程は、射出工程で得られた成形体５を焼結することでセラミック素球１を得る工程である。焼結工程は、射出工程において金型８により所定の形状に成形された成形体５を高温状態に保持して、成形体５中の炭化ホウ素の粒子同士を結合させる工程である。この焼結工程は、上述した脱脂と同じ加熱炉１１を用いて行われるが、成形体５を処理する温度及び時間が脱脂とは異なっている。

また、焼結工程においては、難焼結性物質である炭化ホウ素の粒子の焼結を促進するために、焼結時の雰囲気中にアルミニウム（導電性物質）が気化されて加えられている。このアルミニウムは、加熱炉１１の炉内に成形体５から距離をあけて設けられていて、焼結時に加熱炉１１の熱により気化するようになっている。つまり、焼結工程においては、アルミニウムは融点を超える温度で加熱されることになるため、大気圧状態での飽和蒸気圧に達するまではガスとして気化し、気化したアルミニウムガスが加熱炉１１内の雰囲気に含まれるようになる。

このような気化したアルミニウムガスの雰囲気中で成形体５を焼結すると、気化したアルミニウムが成形体５の表面に存在するホウ素の酸化物に作用して、炭化ホウ素の焼結反応が促進され、セラミック素球１が製造される。
上述した混合工程、射出工程及び焼結工程を経て製造されたセラミック素球１に対しては、球体研磨機を用いて球体研磨が行われ、ベアリング球として用いられるセラミックボールが製造される。

上述したセラミック素球１の製造方法は、射出成型法を用いて球状の成形体５を成形しているので、プレス成形の場合のように成形体５に帯状部が形成されることがない。そのため、プレス成形で成形された成形体５を焼結した場合のように、焼結体から帯状部を除去するための研磨を行う必要がなく、研磨工程が不要となる分だけ製造工程を簡単なものとして、製造コストの高騰を抑えることが可能となる。

なお、今回開示された実施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。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１ セラミック素球
２ 被焼結材料
３ バインダ
４ 混練機
５ 成形体
６ 混合物
７ 成形部
８ 金型
８Ｕ 上金型
８Ｄ 下金型
９ 射出成形機
１０ 射出部
１１ 加熱炉

Claims (3)

1. 被焼結材料とバインダとを混合して混合物を得る混合工程と、
   前記混合工程で混合された混合物を、球状の成形部を備えた金型内に射出して、球状の成形体を得る射出工程と、
   前記射出工程で得られた成形体を焼結することでセラミック素球を得る焼結工程と、
   を備えていることを特徴とするセラミック素球の製造方法。
2. 前記被焼結材料には、炭化ホウ素が用いられていることを特徴とする請求項１に記載のセラミック素球の製造方法。
3. 前記焼結工程は、導電性物質が気化した雰囲気中で、前記炭化ホウ素の成形体を焼結することを特徴とする請求項２に記載のセラミック素球の製造方法。