JP4285971B2 - セラミック軸受部品の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、セラミック軸受部品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
摺動軸受用途およびローラ軸受用途では、セラミック軸受部品を組み込むことは周知である。軸受部品では、例えば、ローラ軸受または摺動軸受のローラ体または軸受リングが問題である。
【０００３】
欧州特許０３６６４４３Ｂ１号公報は、セラミック軸受部品および、この種の軸受部品の製造方法を開示する。この軸受部品は３５００ｐｐｍ、または、それ以下の量での金属成分の含有量を持ち、鉄、ニッケル、クロムおよびタングステンを含むセラミック材料から形成されることを特徴とする。開示されたセラミック軸受部品の製造方法では、セラミック原料粉末は軟泥形態に転移される。この軟泥は粒状化され、所望の構成に形成され、焼結される。この方法では、金属成分は３５００ｐｐｍ、または、それ以下の残留値に減少される。
【０００４】
セラミック軸受部品が、例えば、高温度や潤滑剤欠損のような過酷な状況においても比較的長い寿命を有することは、何度も実証されているが、セラミック軸受部品の使用は従来、主に特殊用途の範囲に限定される。これは、周知な製造方法での軸受部品の製造費が明らかに鋼製の比較可能な軸受部品の製造費を越えることに基づく。
【０００５】
【特許文献１】
欧州特許０３６６４４３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、安価で、それにもかかわらず、軸受分野ある高い品質要求を満たすセラミック軸受部品の製造方法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題は、請求項１による方法ステップを持つ方法により満たされる。
【０００８】
この発明による方法では、セラミック軸受部品の製造のために、予備セラミック第一段階および化学反応充填材として有機金属化合物を含む物質混合物が、反応熱分解される。反応熱分解では、セラミック材料中にポリマーの分解が起こる。
【０００９】
この処置は、製造工程が従来の仕方のセラミック軸受部品の製造の場合に比較して、使用される焼結方法および高熱プレス方法を実質的に迅速に進め、実質的にわずかなエネルギー使用を必要とする長所を持つ。さらに、使用される原料は比較的安価である。別の長所は、適切な工程条件では決して凝固収縮しないことにある。
【００１０】
物質混合物は予備セラミック第一段階としての有機ケイ素化合物を含むことができ、その際、ポリシロキサンは、とりわけ、感湿性により損なわれず、その加水分解安定性に特に十分に適する空気中で実行できる加工のため、対応する有効性のために比較的安価に得られる。
【００１１】
化学反応充填材として、金属ケイ化物、特に、鉄ケイ化物を使用できる。さらに、鉄ケイ化物の使用は、この材料が非常に安価に利用できるという長所を持つ。ここでは、例えば、場合により、対応する仕上げに応じて、適切な産業（例えば、鉄鋼産業）上の残さい物の使用を考慮すべきである。化学反応充填材は１μｍのサイズの粒度で粉末形態で加工できる。
【００１２】
さらに、物質混合物は、少なくとも１つの別の化学反応充填材および／または化学不活性充填材を含む。それにより、とりわけ、ポリマー誘導セラミックの振動特性および機械的特性がさらに最適化できる。
【００１３】
反応熱分解は、化学反応ガス中で実施でき、その際、特に、窒素雰囲気が適する。ガス雰囲気により、別の反応相手が利用され、特に、セラミック材料の製造の目的で窒化物基層に基づき特別な窒化ケイ素が利用される。可能で効率的な進行反応の意味で、その際、反応熱分解は雰囲気気圧より高圧で実行されると都合がよい。
【００１４】
反応熱分解は、特に、反応雰囲気での反応性能に関する温度窓開放多孔率を利用するために、多段階の温度制御工程中に行うことができる。中間段階で、約４００℃〜１０００℃の範囲で保持時間１時間程度が選ばれる。典型的には、数時間を越えて保持される熱分解の温度は、１０００℃と１７００℃との間、特に、１２００℃と１５００℃との間である。このことは、質的に特に高価値な、例えば、実際的な残留ポリマーのないセラミック材料が発生されるという長所を持つ。微視的に見たセラミック材料の構成では、場合により、わずかな金属成分の存在が前提であり、適切な有機ケイ素の前駆体を使用した場合、窒化ケイ素や炭素から成る化学反応充填材および窒素雰囲気として金属ケイ化物の存在が前提である。反応相手および工程条件に応じて、酸素保持セラミック材料または酸素のないセラミック材料が製造でき、残留ポリマーでのわずかな成分が複合材料中に保持されて留まる。
【００１５】
反応分解の前に、例えば、プレスまたは鋳造により、物質混合物の最初の大まかな軸受部品に向く成形が実施でき、混合物内に含まれる有機金属化合物の硬化が実施できる。基礎部品のためのこの安定化は、重量損失を伴って起こるか、重量損失を伴わず起こり、特に、約１００℃〜３００℃の温度の下で圧力を受け、熱風により実施される。その代わりに、または、補足的に硬化は放射作用によっても実行でき、また、添加物により促進できる。硬化の枠内で、物質混合物から形状安定した半製品を製造でき、半製品から、反応熱分解の実行の前に、機械加工により軸受部品は、大まかなサイズに仕上げられる。このことは、軸受部品の製造に必要な機械加工が大部分、従来の産業上の通常の方法、例えば、わずかな工具摩耗での切削により、比較的弱い基礎部品で行われ、硬くて脆弱な基礎部品では行われないという長所を持つ。このことは、加工を実質的に軽減し、効率的で安価な仕上げをできる。
【００１６】
物質混合物の成分は、連続的に調整でき、軸受部品は反応熱分解の場合には重要な容積測定の収縮に決して露呈されず、または、制御され、最終の精密加工に向かうわずかな体積変化を受けない。このことは、基礎部品は、ほぼ最終寸法まで加工できるという長所を持つ。それから、反応熱分解の実行後、軸受部品の機械加工を行うことができる。しかし、その際、なお比較的わずかな材料除去だけが必要である。
【００１７】
それで、この発明の方法によると、標準用途並びに特別用途のための軸受部品は、対応する特別な要求に適合でき、場合により、例えば、所定の機械的固有値を目標とする変更された材料特性で製造することができる。
【００１８】
この発明を図示の実施例に基づいて次に詳細に説明する。
【００１９】
単一図面は、この発明による方法経過の図解のためのフロー線図を示す。
【００２０】
この発明による方法に従う軸受部品の仕上げのために、第１ステップでは、有機金属化合物および化学反応充填材を含む物質混合物が製造される。有機金属化合物として、特に、有機ケイ素化合物が適し、その際、次に説明する有利な実施例では、ポリシロキサンを使用する。化学反応充填材のために、特に、金属ケイ化物を使用する。有利な実施例では、体積成分が典型的には４０％の範囲である鉄ケイ化物が使用される。鉄ケイ化物は、この発明による方法の枠内では、μｍ、例えば、１μｍの範囲の適切な粒度の粉末形状に加工できる。小さい粒度は、熱分解ポリマーセラミック分解の場合に生じる密度増加と関連する収縮の制御および最小化にとって本質的なものである。ポリシロキサンは、組成に応じて液状〜粘稠またはパスタ状形状が前提である。物質混合物の混合は、粉砕器、ミキサー、強制ミキサー等により行うことができる。
【００２１】
ステップ１に続くステップ２では、物質混合物は、基礎部品の輪郭を与える型に充填される。例えば、円筒形ローラ体を製造しなくてはならない時は、ロッドが成形できる型が適切である。しかし、この型は、物質混合物が管に成形でき、それから、ローラ軸受または摺動軸受用のリングが製造されるように構成される。原理的には、例えば、ローラ体や軸受リングのような軸受部品または軸受部品の製造のための半製品の一般的に通用する型が実現できる。
【００２２】
ステップ３はステップ２に続く。ステップ３では、型内の物質混合物は、約１００℃〜３００℃の温度で圧力作用を受けて基礎部品に網目状に結合される。その代わりに、網目状結合は、原理的に室温での照射により、または、添加物により実行することもできる。照射は、熱誘導網目状結合の補足のためにも使用できる。この場合、照射は室温以上で行われる。
【００２３】
基礎部品は形状安定であるが、なお、比較的に脆弱であり、簡単に機械的に加工できる。機械加工は、ステップ３に続くステップ４で行われる。例えば、切削加工により、基礎部品から１以上のローラ軸受部品を製造でき、その際、最望の最終サイズを考慮すると、最終精密加工のためのわずかな追加だけが必要である。それで、ロッドから円筒ローラの製造のために、個々の断面部が切断され、回転および／または研削により最望の円筒ローラの大まかなサイズをもたらすことができる。最終サイズおよび最望の表面地形で製造される精密加工は、この方法の後の時点で行われる。
【００２４】
基礎部品の大まかな加工が終了すると、基礎部品は反応熱分解のステップ５へ入り、そのステップにより、網目状結合した基礎部品の物質混合物はセラミックに転移される。反応分解は窒素雰囲気内で行われ、その際、１０バールまでの窒素の雰囲気気圧より高圧が選択される。温度は、約４００℃以上に設定される反応熱分解中、中間段階では約５００℃で約１時間の保持時間後に、典型的には１５００℃で６時間以上となる。原理的には、例えば、１０００℃の低い温度を選択できる。しかし、なお、確実に低下する温度と共に増加する成分が、このようにして製造されるセラミック材料中の残留ポリマーに存在することを考慮しなければならない。質的に高価値なセラミックの製造のために、たいてい、１２００℃〜１５００℃の温度が必要である。しかし、約１７００℃までの高い温度も可能であり、全体として約１０００℃〜１７００℃の温度範囲が問題となる。記載した反応条件の下で、網目状結合したセラミック製品は窒化ケイ素を基礎としたセラミック材料に転移され、含まれる酸素は、十分に追い出される。このようにして製造されたセラミック製品は、顕微鏡的構造で、わずかな多孔率、例えば、数パーセントのサイズの多孔率を有し、その構造は、さらに閉じて非常に微小に分配される。主成分窒化ケイ素と並んで、発生されるセラミック化合物は、特に、炭素および特別に酸化結合される残留酸素の少量と、金属成分の少量とを含む。
【００２５】
反応熱分解の枠内で、物質混合物の成分またはポリマーマトリックスの分解フラグメントは、相互に反応し、周辺窒素雰囲気と反応する。それにより、網目状結合した物質化合物のポリマーの密度増加および（炭素除去）水素除去と関連する収縮は、対応する体積増加により、特に、膨張と関連する充填材の化学反応により補正することができ、最後に、全体体積はほぼ変化なく留まる。このために、実質的に特に、化学反応充填材粉末の表面と体積との間で十分な大きさの関係となり、それで、使用される粒度は１μｍの範囲となる。これに関連して、この方法の最適化のために、例えば、ホウ素またはケイ素のような別の化学反応充填材、および、さらに、例えば、炭化ケイ素または窒化ホウ素のような化学不活性充填材を使用できる。
【００２６】
軸受部品の決定的な成形体を製造するために、セラミック体の精密加工が行われるステップ６がステップ５に続き、ステップ７では、最終製品が出る。精密加工では、例えば、収縮工程が重要であり、収縮工程では、軸受部品の寸法は最望の最終値にもたらされ、および／または、特に、ローラ面および滑り面の範囲で最望の表面地形が製造される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のセラミック軸受部品の製造方法よる時間経過を図解するためのフローチャート図である。

Claims (18)

1. プレセラミック前駆体としての有機金属化合物と、化学反応充填材とを含む混合物を製造し、
   該混合物が化学反応充填材として金属ケイ化物を含むものであって、当該混合物を反応熱分解させることを特徴とするセラミック軸受部品の製造方法。
2. 前記混合物は、プレセラミック前駆体として有機ケイ素を含むことを特徴とする請求項１に記載のセラミック軸受部品の製造方法。
3. 前記混合物は、プレセラミック前駆体としてポリシロキサンを含むことを特徴とする請求項２に記載のセラミック軸受部品の製造方法。
4. 前記混合物は、化学反応充填材として鉄ケイ化物を含むことを特徴とする請求項１に記載のセラミック軸受部品の製造方法。
5. 前記化学反応充填材は、サイズ１μｍの粒度の粉末形態で加工されることを特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに記載のセラミック軸受部品の製造方法。
6. 前記混合物は、少なくとも、１つの別の化学反応充填材および／または少なくとも１つの不活性充填材を含むことを特徴とする前記請求項１〜５のいずれかに記載のセラミック軸受部品の製造方法。
7. 前記反応熱分解は、化学反応ガス雰囲気内で実行されることを特徴とする前記請求項１〜６のいずれかに記載のセラミック軸受部品の製造方法。
8. 前記反応熱分解は、窒素雰囲気内で実行されることを特徴とする請求項７に記載のセラミック軸受部品の製造方法。
9. 前記反応熱分解は、雰囲気気圧より高圧を受けて実行されることを特徴とする請求項７に記載のセラミック軸受部品の製造方法。
10. 前記反応熱分解は、１０００℃と１７００℃との間、好ましくは、１２００℃と１５００℃との間の温度で実行されることを特徴とする前記請求項１〜９のいずれかに記載のセラミック軸受部品の製造方法。
11. 前記反応熱分解の枠内で、まず第１に、４００℃〜１０００℃の範囲で少なくとも熱処理が実行されることを特徴とする前記請求項１〜１０のいずれかに記載のセラミック軸受部品の製造方法。
12. 前記熱処理は、１時間の保持時間で実行されることを特徴とする請求項１１に記載のセラミック軸受部品の製造方法。
13. 前記反応熱分解の前に、混合物の軸受部品の大まかな成形が実行され、混合物内でのプレセラミック前駆体としての有機金属化合物が硬化することにより安定化が実現されることを特徴とする前記請求項１〜１２のいずれかに記載のセラミック軸受部品の製造方法。
14. 前記有機金属第１段階の硬化は、１００℃〜３００℃の温度で実行されることを特徴とする請求項１３に記載のセラミック軸受部品の製造方法。
15. 硬化は、圧力を受けて実行されることを特徴とする請求項１３〜請求項１４のいずれかに記載のセラミック軸受部品の製造方法。
16. 硬化の枠内で、混合物から形状安定の半製品が製造され、半製品から、反応熱分解の前に機械加工により軸受部品は、大まかなサイズに仕上げられることを特徴とする請求項１３〜請求項１５のいずれかに記載のセラミック軸受部品の製造方法。
17. 反応熱分解の実行において、大きな体積収縮が生じることなく、または、軸受部品の再加工に向けられる制御された体積変化が達成されるように、混合物の成分は連続して調整されることを特徴とする前記請求項１〜１６のいずれかに記載のセラミック軸受部品の製造方法。
18. 反応熱分解の実行後、軸受部品の機械精密加工が行われることを特徴とする前記請求項１〜１７のいずれかに記載のセラミック軸受部品の製造方法。

Images