JP3853197B2 - セラミックボール素球及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばベアリングボールやチェックバルブ等に用いられるセラミックボール素球及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、セラミックボール素球は、外型の中に配置した上下の擬半球状の金型プレス中に粉末を入れ、上下方向に圧力を掛けてプレス成形し、その後静水圧プレス（ＣＩＰ）を行うことによりボール形状の成形体を製作し、この成形体を焼結することにより製造されていた。
【０００３】
前記セラミックボール素球は、ボール研磨機等を用いて砥石で挟んで研磨することにより、真球に近い形状に加工され、研磨球としてベアリングボール等に用いられていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した製造方法でセラミックボール素球を製造する場合には、プレス加工によりセラミックボール素球の成形体を作成するために、どうしても、上下のプレスの間にて、成形体の周囲に、その円周方向にわたって外側に突出する帯状部分が形成される。
【０００５】
前記帯状部分の幅方向の端部（円周エッジ）は直角に角張っているので、即ち円周エッジは立っているので、この成形体を焼成したセラミックボール素球の（成形体の帯状部分に対応した）帯状部も、円周エッジが立った形状となる。
しかしながら、円周エッジが立ったセラミックボール素球を、そのままボール研磨機にかけると、セラミックボール素球が硬質であることから、円周エッジが砥石の表面に当たって、砥石にキズや摩耗を発生させるという問題があった。
【０００６】
また、セラミックボール素球自身も、円周エッジが砥石に当たって欠けることなどにより、製品である研磨球にもキズ等の欠陥が発生するという問題があった。
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、研磨を行う砥石をの摩耗やキズの発生を防止するとともに、セラミックボール素球自身の欠陥の発生を防止することができるセラミックボール素球及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
（１）請求項１の発明は、
焼結体である略球形のセラミックボール素球において、砥石による研磨前のセラミックボール素球の表面に、その中央の円周方向全体にわたって外側に突出する帯状部を備えるとともに、前記帯状部の幅方向の端部であるエッジ部を丸めたことを特徴とするセラミックボール素球を要旨とする。
【０００８】
本発明のセラミックボール素球の表面には、その中央（即ち中心軸に対する半径が最大となる外周：赤道上）の円周方向全体にわたって外側に突出する帯状部を備えており、特にこの帯状部の幅方向の端部であるエッジ部が丸められている。
【０００９】
従って、セラミックボール素球を、砥石を用いた研磨機により研磨する際に、エッジ部が砥石に当たっても、砥石にキズがついたり砥石に異常摩耗が発生することが少ない。また、セラミックボール素球自身も、欠け難くなるので、製品である研磨球にもキズ等の欠陥が発生し難いという効果がある。更に、エッジ部が丸くなっているので、研磨球にするための研磨時間が少なくて済むという利点もある。
【００１０】
（２）請求項２の発明は、
前記エッジ部の半径を、０．１ｍｍ以上としたことを特徴とする前記請求項１に記載のセラミックボール素球を要旨とする。
本発明は、最も効果のあるエッジ部の半径を例示したものである。
【００１１】
この範囲内であれば、エッジ部は十分に滑らかにカーブしているので、上述した請求項１の効果が一層顕著である。
（３）請求項３の発明は、
前記セラミックボール素球は窒化珪素質材料からなることを特徴とする前記請求項１又は２に記載のセラミックボール素球を要旨とする。
【００１２】
本発明は、セラミックボール素球の材質を例示したものである。
この材料からなるセラミックボール素球を研磨することにより、硬質で耐摩耗制等に優れた製品である研磨球（セラミックボール）を得ることができる。
尚、前記窒化珪素質材料とは、窒化珪素を主成分とする材料のことであり、この窒化珪素質材料以外に、（ジルコニアを主成分とする）ジルコニア質材料、（アルミナを主成分とする）アルミナ質材料を使用することができる。
【００１３】
（４）請求項４の発明は、
前記請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックボール素球の製造方法であって、丸いエッジ部に対応する形状を有する金型を用いて成形体を形成し、その後焼成することにより、前記丸めたエッジ部を有する帯状部を備えたセラミックボール素球を製造することを特徴とするセラミックボール素球の製造方法を要旨とする。
【００１４】
本発明は、セラミックボール素球の製造方法を例示したものである。
本発明では、金型の形状を予めエッジ部を丸めるような形状にしておく。よって、この金型を用いてプレス成形することにより（従って焼成後も）エッジ部を丸めることができる。
【００１５】
（５）請求項５の発明は、
前記請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックボール素球の製造方法であって、金型を用いて成形体を形成した後に焼成することにより、前記丸めたエッジ部を有する帯状部を備えたセラミックボール素球を形成し、その後、バレル研磨により、更に前記エッジ部を丸めることを特徴とするセラミックボール素球の製造方法を要旨とする。
【００１６】
本発明は、セラミックボール素球の製造方法を例示したものである。
本発明では、金型の形状を予めエッジ部を丸めるような形状にしておくことにより、プレス成形した際に（従って焼成後も）エッジ部を丸めることができるだけでなく、その後バレル研磨することにより、一層エッジ部を丸めることができる。
【００１７】
（６）請求項６の発明は、
前記請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックボール素球の製造方法であって、金型を用いて成形体を形成した後に焼成することにより、前記エッジ部を有する帯状部を備えたセラミックボール素球を形成し、その後、バレル研磨により、前記エッジ部を丸めることを特徴とするセラミックボール素球の製造方法を要旨とする。
【００１８】
本発明は、セラミックボール素球の製造方法を例示したものである。
本発明では、金型の形状は、特にエッジ部を丸めるような形状にしないので、プレス成形した際に（従って焼成後も）エッジ部は丸くなっていないが、その後バレル研磨することにより、エッジ部を丸めることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のセラミックボール素球及びその製造方法の実施の形態の例（実施例）について説明する。
（実施例１）
本実施例では、バレル研磨により、セラミックボール素球のエッジ部を丸めるものである。
【００２０】
ａ）まず、本実施例のセラミックボール素球について説明する。尚、図１はセラミックボール素球の正面図、図２はセラミックボール素球の要部を拡大した断面図である。
図１に示す様に、本実施例のセラミックボール素球１は、例えば窒化珪素質材料による略球形の焼結体であり、直径１０ｍｍの球状基体３の表面の中央（中心軸に対する最大の半径の円周上：赤道上）に、その円周方向に全体にわたって、幅４ｍｍ×端部の高さｈ０．１５ｍｍの帯状部５が形成されている。
【００２１】
図２に示す様に、帯状部５は、その幅方向（図２の左右方向）の両端に、エッジ部７が形成されている。このエッジ部７は、半径ｒが０．１ｍｍ以上で滑らかにカーブするように丸められている。
ｂ）次に、本実施例のセラミックボール素球１の製造方法について説明する。
【００２２】
▲１▼原料としては、例えばα率が７０％以上の窒化珪素粉末を使用し、これに、焼結助剤として、希土類元素、３Ａ、４Ａ、５Ａ、３Ｂ及び４Ｂ族の元素群から選ばれる少なくとも１種を、酸化物換算で１〜１５重量％、好ましくは２〜８重量％の割合で混合する。
【００２３】
尚、原料配合時には、これらの元素の酸化物ほか、焼結により酸化物に転化しうる化合物、例えば炭酸塩や水酸化物等で配合してもよい。
▲２▼次に、上記の配合物に、水系溶媒を加えてアトライターなどの粉砕機により湿式混合（あるいは湿式混合・粉砕）した泥しょうを、スプレードライなどによって乾燥させ、成形用素地粉末を得る。
【００２４】
▲３▼上記のようにして得られた成型用素地粉末を、図３に示す金型プレスによって予備成形体９とする。
具体的には、成形ダイ１１のダイ孔１３に挿入される上下のプレスパンチ１５、１７の各先端面に、半球状の凹部１９、２１をそれぞれ成形するとともに、凹部１９、２１の外周に同図の左右方向に平行な平面部２３、２５を形成する。尚、この平面部２３、２５は、予備成形体９の赤道近傍での加圧圧力を高めるためのものである。
【００２５】
そして、両パンチ１５、１７に、図３の上下方向に、一軸的に圧力を印加し、両パンチ１５、１７間で原料粉末を圧縮する。
これにより、図４に示す様に、（後の帯状部５に対応した）帯状成形部２７を備えた予備成形体９が得られるが、その幅方向の（後のエッジ部７に対応した）エッジ成形部２９は丸まっていない。
【００２６】
▲４▼上記金型プレスによって得られた予備成形体９は、一軸的に圧力印加されるので、密度の高い部分と低い部分とが生じるので、その密度差を小さくするために、図示しないゴム型を用いて乾式ＣＩＰを施す。これにより、成形体の密度分布が略一定となり、緻密な成形体が得られる。
【００２７】
▲５▼次に、上記成形体を焼成することにより、球状の窒化珪素質焼結体とする。この焼成は、一次焼成及び二次焼成の２段階焼成により行うことができる。
例えば一次焼成は、窒素を含む０．１〜１ＭＰａ以下の非酸化性雰囲気下において、１９００℃以下で行い、焼結体密度を７８％以上、好ましくは９０％以上とする。また、二次焼成は、窒素を含む１〜１００ＭＰａの非酸化性雰囲気下で、１６００〜１９５０℃で行うことができる。
【００２８】
これにより、図５に示す様に、ほぼ図１に示す様な形状の焼結体３１が得られるが、金型プレスに起因する（帯状部３に対応する）帯状焼結部３３の（エッジ部５に対応する）エッジ焼結部３５は丸まっていない。
▲６▼次に、焼結体３１のバレル研磨を行う。
【００２９】
具体的には、図６に模式的に示すバレル研磨機（例えば回転研磨機）の研磨容器３７の中に、多数の焼結体３１と、例えばＧＣ粉末等の研磨剤（メディア）３９と水等を入れ、この状態で研磨容器３７を例えば２０ｒｐｍの回転速度で７０時間回転させて、焼結体３１の表面の研磨を行う。
【００３０】
これにより、帯状焼結部３３のエッジ焼結部３５が研磨されて、半径ｒが０．１ｍｍ以上と丸くなる。
上述した工程により、前記図２に示す様な本実施例の丸いエッジ部７を有する帯状部５を備えたセラミックボール素球１が得られる。
【００３１】
尚、回転研磨機以外に、振動研磨機を用いてもよい。
▲７▼その後、このセラミックボール素球１を、周知のボール研磨機を用いて研磨を行う。つまり、上下一対の（上方側が回転する）砥石の間にセラミックボール素球１を供給するとともに、そのセラミックボール素球１を循環させて、必要な真円に近い形状にまで研磨を行って、研磨球を得る。
【００３２】
ｃ）次に、本実施例の効果について説明する。
本実施例では、セラミックボール素球１の帯状部５のエッジ部７は、半径ｒが０．１ｍｍ以上と丸くなっているので、その後（砥石を用いた）ボール研磨機による研磨を行う際に、エッジ部７が砥石に当たっても、砥石にキズがついたり砥石に異常摩耗が発生することが少ない。
【００３３】
また、セラミックボール素球１自身も、欠け難くなるので、製品である研磨球にもキズ等の欠陥が発生し難いという効果がある。
更に、エッジ部７が丸くなっているので、ボール研磨機による研磨時間が少なくて済むという利点もある。
（実施例２）
次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な箇所の説明は省略する。
【００３４】
本実施例のセラミックボール素球は、金型成形によりエッジ部を丸めた後に、更にバレル研磨によりエッジ部を丸めたものである。ここでは、製造方法に特徴があるので、製造方法について説明する。尚、セラミックボール素球の番号としては、同じ番号を用いた。
【００３５】
▲１▼原料としては、前記実施例１と同様なものを使用し、同様な手法により、成形用素地粉末を得る。
▲２▼次に、この成型用素地粉末を、図７に示す金型プレスによって予備成形体４１とする。
【００３６】
具体的には、上下のプレスパンチ４３、４５の半球状の凹部４７、４９の外周に、セラミックボール素球１の丸いエッジ部７に対応して、それぞれ湾曲部５１、５３を形成した。この湾曲部５１、５３とは、パンチ４３、４５の外側に行くほど互いの距離が近接するように外側に凸となるようにカーブしたものである。
【００３７】
そして、両パンチ４３、４５に一軸的に圧力を印加し、両パンチ４３、４５間で原料粉末を圧縮する。
これにより、図８に示す様に、（後の帯状部５に対応した）帯状成形部５５を備えた予備成形体５７が得られるが、その幅方向のエッジ成形部５９は丸まっている。
【００３８】
▲４▼次に、ゴム型を用いて乾式ＣＩＰを施す。これにより、成形体の密度分布が略一定となり、緻密な成形体が得られる。
▲５▼次に、上記成形体を焼成することにより、球状の窒化珪素質焼結体を得る。
これにより、前記実施例１と類似の形状の焼結体が得られるが、（エッジ部５に相当する）エッジ焼結部（図示せず）は、半径ｒが０．０８ｍｍ程度に丸まっている。
【００３９】
▲６▼次に、焼結体のバレル研磨を行うことにより、前記実施例１と同様に、半径ｒが０．１ｍｍ以上の丸いエッジ部７を有する帯状部５を備えたセラミックボール素球１が得られる。
▲６▼その後、このセラミックボール素球１を、周知のボール研磨機を用いて研磨し、研磨球を得る。
【００４０】
本実施例によっても、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、金型プレスによりある程度（エッジ部７）に相当するエッジ形成部５９が丸まっているので、その後のバレル研磨を短時間で済ますことができるという利点がある。
（実施例３）
次に、実施例３について説明するが、前記実施例１と同様な箇所の説明は省略する。
【００４１】
本実施例のセラミックボール素球は、金型成形によりエッジ部を丸めたものである。
本実施例は、製造方法に特徴があるので、製造方法について説明する。尚、セラミック素球の番号としては、同じ番号を用いた。
【００４２】
▲１▼原料としては、前記実施例１と同様なものを使用し、同様な手法により、成形用素地粉末を得る。
▲２▼次に、この成型用素地粉末を、図９に示す様に、金型プレスによって予備成形体６１とする。
【００４３】
具体的には、前記実施例２と同様なプレスパンチを用いるが、湾曲部６３、６５の形状を変更し、バレル研磨が不要なように、大きく湾曲させておく。
そして、両パンチ６７、６９に一軸的に圧力を印加し、両パンチ６７、６９間で原料粉末を圧縮する。
【００４４】
これにより、図１０に示す様に、（後の帯状部５に対応した）帯状成形部７１を備えた予備成形体６１が得られ、その幅方向のエッジ成形部７３は丸まっている。
▲４▼次に、ゴム型を用いて乾式ＣＩＰを施す。これにより、成形体の密度分布が略一定となり、緻密な成形体が得られる。
【００４５】
▲５▼次に、上記成形体を焼成することにより、球状の窒化珪素質焼結体を得る。これにより、前記実施例１と類似の形状の焼結体が得られるが、（エッジ部７に対応する）エッジ焼結部（図示せず）は、半径ｒが０．１ｍｍ以上と大きく丸まっているので、後のバレル研磨は省略する。
【００４６】
▲６▼その後、このセラミックボール素球１を、周知のボール研磨機を用いて研磨し、研磨球を得る。
本実施例によっても、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、金型プレスによりエッジ形成部７３を丸めてしまうので、その後のバレル研磨を省略できるという利点がある。
【００４７】
（実験例）
次に、上述した本発明の範囲の実施例の効果を確認するために行った実験例について説明する。
ａ）まず、各種のセラミックボール素球を製造し、その帯状部のエッジ部の形状を調べた。
【００４８】
具体的には、従来の方法で製造した直径９ｍｍ（図１１参照）及び直径１０ｍｍ（図１４参照）のセラミックボール素球をほぼ中央で切断し、１６倍に拡大してエッジ部の形状を調べたところ、エッジ部はほぼ直角であった。
また、前記実施例１の製造方法、具体的には、約７０時間のバレル研磨を行って製造した直径９ｍｍ（図１２参照）及び直径１０ｍｍ（図１５参照）のセラミックボール素球をほぼ中央で切断し、１６倍に拡大してエッジ部の形状を調べたところ、エッジ部は滑らかにカーブしていた。
【００４９】
更に、前記実施例２の製造方法、具体的には、金型でエッジ成型部を丸め、更に約４０時間のバレル研磨を行って製造した直径９ｍｍ（図１３参照）及び直径１０ｍｍ（図１６参照）のセラミックボール素球をほぼ中央で切断し、１６倍に拡大してエッジ部の形状を調べたところ、エッジ部は極めて滑らかにカーブしており、殆どエッジ部の形状は観察されなかった。
【００５０】
ｂ）次に、エッジ部の加工状態が、研磨機や製品に及ぼす影響を調べた。
具体的には、従来のエッジ部が立ったもの（試料Ｎo.１）と、実施例２の方法で短時間バレル研磨（約７０時間）を行ったもの（試料Ｎo.２）と、実施例２の方法で長時間バレル研磨（約１４０時間）を行ったもの（試料Ｎo.３）と、実施例４の方法で金型にてエッジ部を丸めたもの（試料Ｎo.４）とを、それぞれ１０００個製造した。
【００５１】
そして、各試料に対して、ボール研磨機にて研磨を行う際に、帯状部が消滅するまでの研磨時間（４種のグループの平均の研磨時間）を求め、その比（４種のグループ間の比）を求めた。その結果を下記表１に記す。
また、研磨途中のセラミックボール素球（粗研球）のキズ等の欠陥の状態と、研磨後の研磨球におけるキズ等の欠陥の状態を調べた。この結果も、同じく下記表１に記すが、目視により明らかにキズが発生したと認められたものを、キズ有りとした。
【００５２】
【表１】
【００５３】
この表１から明かな様に、本発明の範囲の思料Ｎo.２〜４のものは、ボール研磨機による研磨の時間が短く、またキズ等の欠陥の発生が少なく好適であった。
それに対して従来技術では、ボール研磨機による研磨の時間が長く、また欠陥が多く好ましくない。
【００５４】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えばセラミックボール素球の材料としては、窒化珪素質材料以外に、ジルコニア質材料、アルミナ質材料を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１のセラミックボール素球の平面図である。
【図２】 実施例１のセラミックボール素球のエッジ部周辺を破断し拡大して示す断面図である。
【図３】 実施例１の金型プレスの方法を示す説明図である。
【図４】 実施例１の予備成形体の形状を示す説明図である。
【図５】 実施例１の焼結体の形状を示す説明図である。
【図６】 実施例１のバレル研磨の状態を示す説明図である。
【図７】 実施例２の金型プレスの方法を示す説明図である。
【図８】 実施例２の予備成形体の形状を示す説明図である。
【図９】 実施例３の金型プレスの方法を示す説明図である。
【図１０】 実施例３の予備成形体の形状を示す説明図である。
【図１１】 従来の直径９ｍｍのセラミックボール素球の断面を拡大して示す拡大鏡写真である。
【図１２】 実施例１の直径９ｍｍのセラミックボール素球の断面を拡大して示す拡大鏡写真である。
【図１３】 実施例２の直径９ｍｍのセラミックボール素球の断面を拡大して示す拡大鏡写真である。
【図１４】 従来の直径１０ｍｍのセラミックボール素球の断面を拡大して示す拡大鏡写真である。
【図１５】 実施例１の直径１０ｍｍのセラミックボール素球の断面を拡大して示す拡大鏡写真である。
【図１６】 実施例２の直径１０ｍｍのセラミックボール素球の断面を拡大して示す拡大鏡写真である。
【符号の説明】
１…セラミックボール素球
３…球状基体
５…帯状部
７…エッジ部
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばベアリングボールやチェックバルブ等に用いられるセラミックボール素球及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、セラミックボール素球は、外型の中に配置した上下の擬半球状の金型プレス中に粉末を入れ、上下方向に圧力を掛けてプレス成形し、その後静水圧プレス（ＣＩＰ）を行うことによりボール形状の成形体を製作し、この成形体を焼結することにより製造されていた。
【０００３】
前記セラミックボール素球は、ボール研磨機等を用いて砥石で挟んで研磨することにより、真球に近い形状に加工され、研磨球としてベアリングボール等に用いられていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した製造方法でセラミックボール素球を製造する場合には、プレス加工によりセラミックボール素球の成形体を作成するために、どうしても、上下のプレスの間にて、成形体の周囲に、その円周方向にわたって外側に突出する帯状部分が形成される。
【０００５】
前記帯状部分の幅方向の端部（円周エッジ）は直角に角張っているので、即ち円周エッジは立っているので、この成形体を焼成したセラミックボール素球の（成形体の帯状部分に対応した）帯状部も、円周エッジが立った形状となる。
しかしながら、円周エッジが立ったセラミックボール素球を、そのままボール研磨機にかけると、セラミックボール素球が硬質であることから、円周エッジが砥石の表面に当たって、砥石にキズや摩耗を発生させるという問題があった。
【０００６】
また、セラミックボール素球自身も、円周エッジが砥石に当たって欠けることなどにより、製品である研磨球にもキズ等の欠陥が発生するという問題があった。
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、研磨を行う砥石をの摩耗やキズの発生を防止するとともに、セラミックボール素球自身の欠陥の発生を防止することができるセラミックボール素球及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
（１）請求項１の発明は、
焼結体である略球形のセラミックボール素球において、砥石による研磨前のセラミックボール素球の表面に、その中央の円周方向全体にわたって外側に突出する帯状部を備えるとともに、前記帯状部の幅方向の端部であるエッジ部を丸めたことを特徴とするセラミックボール素球を要旨とする。
【０００８】
本発明のセラミックボール素球の表面には、その中央（即ち中心軸に対する半径が最大となる外周：赤道上）の円周方向全体にわたって外側に突出する帯状部を備えており、特にこの帯状部の幅方向の端部であるエッジ部が丸められている。
【０００９】
従って、セラミックボール素球を、砥石を用いた研磨機により研磨する際に、エッジ部が砥石に当たっても、砥石にキズがついたり砥石に異常摩耗が発生することが少ない。また、セラミックボール素球自身も、欠け難くなるので、製品である研磨球にもキズ等の欠陥が発生し難いという効果がある。更に、エッジ部が丸くなっているので、研磨球にするための研磨時間が少なくて済むという利点もある。
【００１０】
（２）請求項２の発明は、
前記エッジ部の半径を、０．１ｍｍ以上としたことを特徴とする前記請求項１に記載のセラミックボール素球を要旨とする。
本発明は、最も効果のあるエッジ部の半径を例示したものである。
【００１１】
この範囲内であれば、エッジ部は十分に滑らかにカーブしているので、上述した請求項１の効果が一層顕著である。
（３）請求項３の発明は、
前記セラミックボール素球は窒化珪素質材料からなることを特徴とする前記請求項１又は２に記載のセラミックボール素球を要旨とする。
【００１２】
本発明は、セラミックボール素球の材質を例示したものである。
この材料からなるセラミックボール素球を研磨することにより、硬質で耐摩耗制等に優れた製品である研磨球（セラミックボール）を得ることができる。
尚、前記窒化珪素質材料とは、窒化珪素を主成分とする材料のことであり、この窒化珪素質材料以外に、（ジルコニアを主成分とする）ジルコニア質材料、（アルミナを主成分とする）アルミナ質材料を使用することができる。
【００１３】
（４）請求項４の発明は、
前記請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックボール素球の製造方法であって、丸いエッジ部に対応する形状を有する金型を用いて成形体を形成し、その後焼成することにより、前記丸めたエッジ部を有する帯状部を備えたセラミックボール素球を製造することを特徴とするセラミックボール素球の製造方法を要旨とする。
【００１４】
本発明は、セラミックボール素球の製造方法を例示したものである。
本発明では、金型の形状を予めエッジ部を丸めるような形状にしておく。よって、この金型を用いてプレス成形することにより（従って焼成後も）エッジ部を丸めることができる。
【００１５】
（５）請求項５の発明は、
前記請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックボール素球の製造方法であって、金型を用いて成形体を形成した後に焼成することにより、前記丸めたエッジ部を有する帯状部を備えたセラミックボール素球を形成し、その後、バレル研磨により、更に前記エッジ部を丸めることを特徴とするセラミックボール素球の製造方法を要旨とする。
【００１６】
本発明は、セラミックボール素球の製造方法を例示したものである。
本発明では、金型の形状を予めエッジ部を丸めるような形状にしておくことにより、プレス成形した際に（従って焼成後も）エッジ部を丸めることができるだけでなく、その後バレル研磨することにより、一層エッジ部を丸めることができる。
【００１７】
（６）請求項６の発明は、
前記請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックボール素球の製造方法であって、金型を用いて成形体を形成した後に焼成することにより、前記エッジ部を有する帯状部を備えたセラミックボール素球を形成し、その後、バレル研磨により、前記エッジ部を丸めることを特徴とするセラミックボール素球の製造方法を要旨とする。
【００１８】
本発明は、セラミックボール素球の製造方法を例示したものである。
本発明では、金型の形状は、特にエッジ部を丸めるような形状にしないので、プレス成形した際に（従って焼成後も）エッジ部は丸くなっていないが、その後バレル研磨することにより、エッジ部を丸めることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のセラミックボール素球及びその製造方法の実施の形態の例（実施例）について説明する。
（実施例１）
本実施例では、バレル研磨により、セラミックボール素球のエッジ部を丸めるものである。
【００２０】
ａ）まず、本実施例のセラミックボール素球について説明する。尚、図１はセラミックボール素球の正面図、図２はセラミックボール素球の要部を拡大した断面図である。
図１に示す様に、本実施例のセラミックボール素球１は、例えば窒化珪素質材料による略球形の焼結体であり、直径１０ｍｍの球状基体３の表面の中央（中心軸に対する最大の半径の円周上：赤道上）に、その円周方向に全体にわたって、幅４ｍｍ×端部の高さｈ０．１５ｍｍの帯状部５が形成されている。
【００２１】
図２に示す様に、帯状部５は、その幅方向（図２の左右方向）の両端に、エッジ部７が形成されている。このエッジ部７は、半径ｒが０．１ｍｍ以上で滑らかにカーブするように丸められている。
ｂ）次に、本実施例のセラミックボール素球１の製造方法について説明する。
【００２２】
▲１▼原料としては、例えばα率が７０％以上の窒化珪素粉末を使用し、これに、焼結助剤として、希土類元素、３Ａ、４Ａ、５Ａ、３Ｂ及び４Ｂ族の元素群から選ばれる少なくとも１種を、酸化物換算で１〜１５重量％、好ましくは２〜８重量％の割合で混合する。
【００２３】
尚、原料配合時には、これらの元素の酸化物ほか、焼結により酸化物に転化しうる化合物、例えば炭酸塩や水酸化物等で配合してもよい。
▲２▼次に、上記の配合物に、水系溶媒を加えてアトライターなどの粉砕機により湿式混合（あるいは湿式混合・粉砕）した泥しょうを、スプレードライなどによって乾燥させ、成形用素地粉末を得る。
【００２４】
▲３▼上記のようにして得られた成型用素地粉末を、図３に示す金型プレスによって予備成形体９とする。
具体的には、成形ダイ１１のダイ孔１３に挿入される上下のプレスパンチ１５、１７の各先端面に、半球状の凹部１９、２１をそれぞれ成形するとともに、凹部１９、２１の外周に同図の左右方向に平行な平面部２３、２５を形成する。尚、この平面部２３、２５は、予備成形体９の赤道近傍での加圧圧力を高めるためのものである。
【００２５】
そして、両パンチ１５、１７に、図３の上下方向に、一軸的に圧力を印加し、両パンチ１５、１７間で原料粉末を圧縮する。
これにより、図４に示す様に、（後の帯状部５に対応した）帯状成形部２７を備えた予備成形体９が得られるが、その幅方向の（後のエッジ部７に対応した）エッジ成形部２９は丸まっていない。
【００２６】
▲４▼上記金型プレスによって得られた予備成形体９は、一軸的に圧力印加されるので、密度の高い部分と低い部分とが生じるので、その密度差を小さくするために、図示しないゴム型を用いて乾式ＣＩＰを施す。これにより、成形体の密度分布が略一定となり、緻密な成形体が得られる。
【００２７】
▲５▼次に、上記成形体を焼成することにより、球状の窒化珪素質焼結体とする。この焼成は、一次焼成及び二次焼成の２段階焼成により行うことができる。
例えば一次焼成は、窒素を含む０．１〜１ＭＰａ以下の非酸化性雰囲気下において、１９００℃以下で行い、焼結体密度を７８％以上、好ましくは９０％以上とする。また、二次焼成は、窒素を含む１〜１００ＭＰａの非酸化性雰囲気下で、１６００〜１９５０℃で行うことができる。
【００２８】
これにより、図５に示す様に、ほぼ図１に示す様な形状の焼結体３１が得られるが、金型プレスに起因する（帯状部３に対応する）帯状焼結部３３の（エッジ部５に対応する）エッジ焼結部３５は丸まっていない。
▲６▼次に、焼結体３１のバレル研磨を行う。
【００２９】
具体的には、図６に模式的に示すバレル研磨機（例えば回転研磨機）の研磨容器３７の中に、多数の焼結体３１と、例えばＧＣ粉末等の研磨剤（メディア）３９と水等を入れ、この状態で研磨容器３７を例えば２０ｒｐｍの回転速度で７０時間回転させて、焼結体３１の表面の研磨を行う。
【００３０】
これにより、帯状焼結部３３のエッジ焼結部３５が研磨されて、半径ｒが０．１ｍｍ以上と丸くなる。
上述した工程により、前記図２に示す様な本実施例の丸いエッジ部７を有する帯状部５を備えたセラミックボール素球１が得られる。
【００３１】
尚、回転研磨機以外に、振動研磨機を用いてもよい。
▲７▼その後、このセラミックボール素球１を、周知のボール研磨機を用いて研磨を行う。つまり、上下一対の（上方側が回転する）砥石の間にセラミックボール素球１を供給するとともに、そのセラミックボール素球１を循環させて、必要な真円に近い形状にまで研磨を行って、研磨球を得る。
【００３２】
ｃ）次に、本実施例の効果について説明する。
本実施例では、セラミックボール素球１の帯状部５のエッジ部７は、半径ｒが０．１ｍｍ以上と丸くなっているので、その後（砥石を用いた）ボール研磨機による研磨を行う際に、エッジ部７が砥石に当たっても、砥石にキズがついたり砥石に異常摩耗が発生することが少ない。
【００３３】
また、セラミックボール素球１自身も、欠け難くなるので、製品である研磨球にもキズ等の欠陥が発生し難いという効果がある。
更に、エッジ部７が丸くなっているので、ボール研磨機による研磨時間が少なくて済むという利点もある。
（実施例２）
次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な箇所の説明は省略する。
【００３４】
本実施例のセラミックボール素球は、金型成形によりエッジ部を丸めた後に、更にバレル研磨によりエッジ部を丸めたものである。ここでは、製造方法に特徴があるので、製造方法について説明する。尚、セラミックボール素球の番号としては、同じ番号を用いた。
【００３５】
▲１▼原料としては、前記実施例１と同様なものを使用し、同様な手法により、成形用素地粉末を得る。
▲２▼次に、この成型用素地粉末を、図７に示す金型プレスによって予備成形体４１とする。
【００３６】
具体的には、上下のプレスパンチ４３、４５の半球状の凹部４７、４９の外周に、セラミックボール素球１の丸いエッジ部７に対応して、それぞれ湾曲部５１、５３を形成した。この湾曲部５１、５３とは、パンチ４３、４５の外側に行くほど互いの距離が近接するように外側に凸となるようにカーブしたものである。
【００３７】
そして、両パンチ４３、４５に一軸的に圧力を印加し、両パンチ４３、４５間で原料粉末を圧縮する。
これにより、図８に示す様に、（後の帯状部５に対応した）帯状成形部５５を備えた予備成形体５７が得られるが、その幅方向のエッジ成形部５９は丸まっている。
【００３８】
▲４▼次に、ゴム型を用いて乾式ＣＩＰを施す。これにより、成形体の密度分布が略一定となり、緻密な成形体が得られる。
▲５▼次に、上記成形体を焼成することにより、球状の窒化珪素質焼結体を得る。
これにより、前記実施例１と類似の形状の焼結体が得られるが、（エッジ部５に相当する）エッジ焼結部（図示せず）は、半径ｒが０．０８ｍｍ程度に丸まっている。
【００３９】
▲６▼次に、焼結体のバレル研磨を行うことにより、前記実施例１と同様に、半径ｒが０．１ｍｍ以上の丸いエッジ部７を有する帯状部５を備えたセラミックボール素球１が得られる。
▲６▼その後、このセラミックボール素球１を、周知のボール研磨機を用いて研磨し、研磨球を得る。
【００４０】
本実施例によっても、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、金型プレスによりある程度（エッジ部７）に相当するエッジ形成部５９が丸まっているので、その後のバレル研磨を短時間で済ますことができるという利点がある。
（実施例３）
次に、実施例３について説明するが、前記実施例１と同様な箇所の説明は省略する。
【００４１】
本実施例のセラミックボール素球は、金型成形によりエッジ部を丸めたものである。
本実施例は、製造方法に特徴があるので、製造方法について説明する。尚、セラミック素球の番号としては、同じ番号を用いた。
【００４２】
▲１▼原料としては、前記実施例１と同様なものを使用し、同様な手法により、成形用素地粉末を得る。
▲２▼次に、この成型用素地粉末を、図９に示す様に、金型プレスによって予備成形体６１とする。
【００４３】
具体的には、前記実施例２と同様なプレスパンチを用いるが、湾曲部６３、６５の形状を変更し、バレル研磨が不要なように、大きく湾曲させておく。
そして、両パンチ６７、６９に一軸的に圧力を印加し、両パンチ６７、６９間で原料粉末を圧縮する。
【００４４】
これにより、図１０に示す様に、（後の帯状部５に対応した）帯状成形部７１を備えた予備成形体６１が得られ、その幅方向のエッジ成形部７３は丸まっている。
▲４▼次に、ゴム型を用いて乾式ＣＩＰを施す。これにより、成形体の密度分布が略一定となり、緻密な成形体が得られる。
【００４５】
▲５▼次に、上記成形体を焼成することにより、球状の窒化珪素質焼結体を得る。これにより、前記実施例１と類似の形状の焼結体が得られるが、（エッジ部７に対応する）エッジ焼結部（図示せず）は、半径ｒが０．１ｍｍ以上と大きく丸まっているので、後のバレル研磨は省略する。
【００４６】
▲６▼その後、このセラミックボール素球１を、周知のボール研磨機を用いて研磨し、研磨球を得る。
本実施例によっても、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、金型プレスによりエッジ形成部７３を丸めてしまうので、その後のバレル研磨を省略できるという利点がある。
【００４７】
（実験例）
次に、上述した本発明の範囲の実施例の効果を確認するために行った実験例について説明する。
ａ）まず、各種のセラミックボール素球を製造し、その帯状部のエッジ部の形状を調べた。
【００４８】
具体的には、従来の方法で製造した直径９ｍｍ（図１１参照）及び直径１０ｍｍ（図１４参照）のセラミックボール素球をほぼ中央で切断し、１６倍に拡大してエッジ部の形状を調べたところ、エッジ部はほぼ直角であった。
また、前記実施例１の製造方法、具体的には、約７０時間のバレル研磨を行って製造した直径９ｍｍ（図１２参照）及び直径１０ｍｍ（図１５参照）のセラミックボール素球をほぼ中央で切断し、１６倍に拡大してエッジ部の形状を調べたところ、エッジ部は滑らかにカーブしていた。
【００４９】
更に、前記実施例２の製造方法、具体的には、金型でエッジ成型部を丸め、更に約４０時間のバレル研磨を行って製造した直径９ｍｍ（図１３参照）及び直径１０ｍｍ（図１６参照）のセラミックボール素球をほぼ中央で切断し、１６倍に拡大してエッジ部の形状を調べたところ、エッジ部は極めて滑らかにカーブしており、殆どエッジ部の形状は観察されなかった。
【００５０】
ｂ）次に、エッジ部の加工状態が、研磨機や製品に及ぼす影響を調べた。
具体的には、従来のエッジ部が立ったもの（試料Ｎo.１）と、実施例２の方法で短時間バレル研磨（約７０時間）を行ったもの（試料Ｎo.２）と、実施例２の方法で長時間バレル研磨（約１４０時間）を行ったもの（試料Ｎo.３）と、実施例４の方法で金型にてエッジ部を丸めたもの（試料Ｎo.４）とを、それぞれ１０００個製造した。
【００５１】
そして、各試料に対して、ボール研磨機にて研磨を行う際に、帯状部が消滅するまでの研磨時間（４種のグループの平均の研磨時間）を求め、その比（４種のグループ間の比）を求めた。その結果を下記表１に記す。
また、研磨途中のセラミックボール素球（粗研球）のキズ等の欠陥の状態と、研磨後の研磨球におけるキズ等の欠陥の状態を調べた。この結果も、同じく下記表１に記すが、目視により明らかにキズが発生したと認められたものを、キズ有りとした。
【００５２】
【表１】
この表１から明かな様に、本発明の範囲の思料Ｎo.２〜４のものは、ボール研磨機による研磨の時間が短く、またキズ等の欠陥の発生が少なく好適であった。
それに対して従来技術では、ボール研磨機による研磨の時間が長く、また欠陥が多く好ましくない。
【００５４】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えばセラミックボール素球の材料としては、窒化珪素質材料以外に、ジルコニア質材料、アルミナ質材料を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１のセラミックボール素球の平面図である。
【図２】 実施例１のセラミックボール素球のエッジ部周辺を破断し拡大して示す断面図である。
【図３】 実施例１の金型プレスの方法を示す説明図である。
【図４】 実施例１の予備成形体の形状を示す説明図である。
【図５】 実施例１の焼結体の形状を示す説明図である。
【図６】 実施例１のバレル研磨の状態を示す説明図である。
【図７】 実施例２の金型プレスの方法を示す説明図である。
【図８】 実施例２の予備成形体の形状を示す説明図である。
【図９】 実施例３の金型プレスの方法を示す説明図である。
【図１０】 実施例３の予備成形体の形状を示す説明図である。
【図１１】 従来の直径９ｍｍのセラミックボール素球の断面を拡大して示す拡大鏡写真である。
【図１２】 実施例１の直径９ｍｍのセラミックボール素球の断面を拡大して示す拡大鏡写真である。
【図１３】 実施例２の直径９ｍｍのセラミックボール素球の断面を拡大して示す拡大鏡写真である。
【図１４】 従来の直径１０ｍｍのセラミックボール素球の断面を拡大して示す拡大鏡写真である。
【図１５】 実施例１の直径１０ｍｍのセラミックボール素球の断面を拡大して示す拡大鏡写真である。
【図１６】 実施例２の直径１０ｍｍのセラミックボール素球の断面を拡大して示す拡大鏡写真である。
【符号の説明】
１…セラミックボール素球
３…球状基体
５…帯状部
７…エッジ部
Claims (6)
- 焼結体である略球形のセラミックボール素球において、
砥石による研磨前のセラミックボール素球の表面に、その中央の円周方向全体にわたって外側に突出する帯状部を備えるとともに、前記帯状部の幅方向の端部であるエッジ部を丸めたことを特徴とするセラミックボール素球。 - 前記エッジ部の半径を、０．１ｍｍ以上としたことを特徴とする前記請求項１に記載のセラミックボール素球。
- 前記セラミックボール素球は窒化珪素質材料からなることを特徴とする前記請求項１又は２に記載のセラミックボール素球。
- 前記請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックボール素球の製造方法であって、
丸いエッジ部に対応する形状を有する金型を用いて成形体を形成し、その後焼成することにより、前記丸めたエッジ部を有する帯状部を備えたセラミックボール素球を製造することを特徴とするセラミックボール素球の製造方法。 - 前記請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックボール素球の製造方法であって、
金型を用いて成形体を形成した後に焼成することにより、前記丸めたエッジ部を有する帯状部を備えたセラミックボール素球を形成し、その後、バレル研磨により、更に前記エッジ部を丸めることを特徴とするセラミックボール素球の製造方法。 - 前記請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックボール素球の製造方法であって、
金型を用いて成形体を形成した後に焼成することにより、前記エッジ部を有する帯状部を備えたセラミックボール素球を形成し、その後、バレル研磨により、前記エッジ部を丸めることを特徴とするセラミックボール素球の製造方法。
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