JP6959584B2

JP6959584B2 - ガラス転動体

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Publication number: JP6959584B2
Application number: JP2018523859A
Authority: JP
Inventors: 田中　敦; 浩佑川本
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2016-06-14
Filing date: 2017-06-08
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2037-06-08
Also published as: JPWO2017217321A1; WO2017217321A1

Description

本発明のガラス転動体は、例えば、ベアリングの内輪と外輪の間に位置する球形状のガラス転動体に関し、特に軽量、高強度で製造コストに優れる化学強化ガラスからなるガラス転動体に関する。

軸受装置等に組み込まれる転動体には、ステンレスが広く使用されている。ステンレス製の転動体は、加工し易く、安価に大量生産が可能であるというメリットを有する。その一方で、ステンレス製の転動体は、導電性を有するため、絶縁性が要求される用途（例えば、ファンモーターの軸受装置に組み込まれる転動体）には使用できないというデメリットを有する。

特開２００９−１９０９５９号公報

絶縁性が要求される用途に使用し得る転動体として、窒化珪素等の非酸化物系セラミックが想定されるが、非酸化物系セラミックは、高価であり、また球形状に加工し難い（特許文献１参照）。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、その技術的課題は、安価に作製可能であり、且つ加工性と絶縁性が高い転動体を創案することである。

本発明者は、種々の検討を行った結果、ガラス転動体を採択すると共に、このガラス転動体をイオン交換処理することにより、上記技術的課題を解決し得ることを見出し、本発明として提案するものである。即ち、本発明のガラス転動体は、直径の寸法公差が０．５％以内であり、表面にイオン交換による圧縮応力層を有することを特徴とする。ここで、「直径の寸法公差」は、平均直径に対する寸法公差であり、例えば、周知のマイクロメータにより測定可能である。

ガラスは、絶縁材料であり、更に成形性、加工性が良好である。よって、ガラス転動体は、直径の寸法公差が０．５％以内になるように容易、且つ安価に加工可能である。しかし、ガラスは、脆性材料であるため、軸受装置等に組み込まれる転動体に使用する場合に、高速回転、高摩擦、高荷重等の過酷な条件で破損する虞がある。そこで、本発明のガラス転動体は、表面にイオン交換による圧縮応力層を有している。つまり本発明のガラス転動体は、化学強化ガラスであることを特徴にしている。これにより、機械的強度が向上するため、過酷な条件で使用しても、十分な寿命を確保することができる。

また、本発明のガラス転動体は、表面が研磨面であることが好ましい。このようにすれば、ガラス転動体の直径の寸法公差を低減し易くなる。

また、本発明のガラス転動体は、表面が化学エッチング面であることが好ましい。このようにすれば、球形状に加工する際に表面に付いた研磨傷等を小さくしたり、消失させたりすることができる。結果として、過酷な条件で使用した時でも、ガラス転動体が破損し難くなる。

また、本発明のガラス転動体は、表面の表面粗さＲａが３ｎｍ以下であることが好ましい。このようにすれば、過酷な条件で使用した時でも、ガラス転動体が破損し難くなる。ここで、「表面粗さＲａ」は、ガラス転動体を治具等で固定した状態で、ＪＩＳＢ０６０１：２００１年に準拠した方法で測定することができる。

また、本発明のガラス転動体は、圧縮応力層の圧縮応力値ＣＳが３００ＭＰａ以上、且つ応力深さＤＯＬが３０μｍ以上であることが好ましい。

「ＣＳ」と「ＤＯＬ」は以下のように測定する。ガラス転動体と同じ組成、同じ熱履歴を有するガラス板を用意する。次に、ガラス転動体と同じ条件で、ガラス板をイオン交換処理して、ガラス転動体と同じ表面組成プロファイルを有するガラス板を得る。表面組成プロファイルは、ＳＥＭ−ＥＤＸ（例えば日立ハイテクノロジーズ製Ｓ４３００−ＳＥ、堀場製作所製ＥＸ−２５０）によるＺＡＦ法のスタンダードレス定量分析を用いることで測定することができる。なお、同じ組成であるガラス同士について、周知のアルキメデス法や重液法で測定した密度を同一とすることで熱履歴を揃えることができる。続いて、表面応力計（例えば、株式会社折原製作所製ＦＳＭ−６０００）によりガラス板の断面を観察し、観察される干渉縞の本数とその間隔から、ガラス板の表面応力層の圧縮応力値ＣＳｐ、応力深さＤＯＬｐを算出する。最後に、得られたＣＳｐをガラス転動体のＣＳ、ＤＯＬｐをガラス転動体のＤＯＬとして評価する。

また、本発明のガラス転動体は、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ_２４５〜７５％、Ａｌ_２Ｏ_３１０〜３０％、Ｎａ_２Ｏ５〜２５％を含有することが好ましい。このようにすれば、イオン交換性能が向上するため、ガラス転動体の機械的強度を高めることができる。

また、本発明のガラス転動体は、液相粘度が１０^４．０ｄＰａ・ｓ以上であることが好ましい。ここで、「液相粘度」とは、液相温度におけるガラスの粘度を指す。「液相温度」とは、標準篩３０メッシュ（篩目開き５００μｍ）を通過し、５０メッシュ（篩目開き３００μｍ）に残るガラス粉末を白金ボートに入れ、温度勾配炉中に２４時間保持した後、結晶が析出する温度を指す。このようにすれば、寸法精度が高いガラス転動体を成形し易くなる。

本発明のガラス転動体は、表面にイオン交換による圧縮応力層を有する。イオン交換により圧縮応力層を形成する方法として、ガラス転動体をイオン交換液に浸漬して、ガラス転動体の表面にイオン半径の大きいアルカリイオンを導入する方法が好ましく、特にＫＮＯ_３溶融塩中のＫイオンとガラス転動体中のＮａ成分とをイオン交換して、ガラス転動体の表面に圧縮応力層を形成することが好ましい。これにより、ガラス転動体の機械的強度を短時間で高めることができる。

本発明のガラス転動体において、直径の寸法公差は０．５％以内であり、好ましくは０．１％以内、０．０５％以内、０．０２％以内、０．０１％以内、特に０．００５％以内である。また、直径の寸法公差は、好ましくは１０μｍ以内、５μｍ以内、３μｍ以内、２μｍ以内、１μｍ以内、０．５μｍ以内、特に０．１μｍ以内である。直径の寸法公差が大き過ぎると、駆動動作等が不安定になり、転動体として使用困難になる。

本発明のガラス転動体において、表面が研磨面であることが好ましい。このようにすれば、直径の寸法公差を低減することができる。研磨工程は、イオン交換処理前及びイオン交換処理後に行うことが好ましい。これにより、機械的強度と寸法精度が高いガラス転動体を作製することが可能になる。なお、研磨処理は、ガラス転動体を回動させながら行うことが好ましい。このようにすれば、直径の寸法公差を低減し易くなる。

また、本発明のガラス転動体において、表面が化学エッチング面であることも好ましい。このようにすれば、表面傷が小さくなったり、消失したりするため、高速回転、高摩擦、高荷重等の過酷な条件で、ガラス転動体が破損し難くなる。化学エッチング処理は、ガラス転動体を回動又は揺動させながら行うことが好ましい。このようにすれば、直径の寸法公差の不当な上昇を防止することができる。なお、化学エッチング処理は、イオン交換処理前に行うことが好ましい。また化学エッチング液として、フッ酸含有水溶液を用いることが好ましい。

本発明のガラス転動体において、表面の表面粗さＲａは、好ましくは３ｎｍ以下、１ｎｍ以下、０．５ｎｍ以下、０．４ｎｍ以下、０．３ｎｍ以下、特に０．２ｎｍ以下である。表面の表面粗さＲａが大き過ぎると、高速回転、高摩擦、高荷重等の過酷な条件で、ガラス転動体が破損し易くなる。

本発明のガラス転動体は、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ_２４５〜７５％、Ａｌ_２Ｏ_３１０〜３０％、Ｎａ_２Ｏ５〜２５％を含有することが好ましい。上記のように各成分の含有範囲を限定した理由を以下に説明する。なお、各成分の含有範囲の説明において、以下の％表示は、質量％を指す。

ＳｉＯ_２は、ガラスのネットワークを形成する成分であり、その含有量は、好ましくは４５〜７５％、４５〜７０％、４５〜６５％、４５〜６３％、特に４８〜６１％である。ＳｉＯ_２の含有量が多過ぎると、溶融性、成形性、熱膨張係数が低下し易くなる。一方、ＳｉＯ_２の含有量が少な過ぎると、ガラス化し難くなり、また熱膨張係数が不当に高くなるため、耐熱衝撃性が低下し易くなる。

Ａｌ_２Ｏ_３は、イオン交換性能、歪点、ヤング率を高める成分である。しかし、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が多過ぎると、ガラスに失透結晶が析出し易くなって、所望の形状に成形し難くなる。また溶融性、熱膨張係数が低下し易くなる。よって、Ａｌ_２Ｏ_３の好適な上限範囲は３０％以下、２８％以下、２４％以下、２３％以下、２２％以下、２１．５％以下、特に２１％以下であり、好適な下限範囲は１０％以上、１２％以上、１３％以上、１５％以上、１７％以上、特に１８％以上である。

Ｎａ_２Ｏは、イオン交換成分であると共に、溶融性や成形性を高める成分である。また耐失透性を改善する成分でもある。しかし、Ｎａ_２Ｏの含有量が多過ぎると、熱膨張係数が不当に高くなるため、耐熱衝撃性が低下し易くなる。またガラス組成のバランスが崩れて、耐失透性が低下する虞がある。よって、Ｎａ_２Ｏの含有量は、好ましくは５〜２５％、１０〜２５％、１１〜２２％、１２〜２０％、１３〜１９％、特に１４〜１８％である。

上記成分以外にも、例えば、以下の成分を導入してもよい。

Ｐ_２Ｏ_５は、イオン交換性能を高める成分であり、特に応力深さＤＯＬを増大させる成分である。上記の通り、イオン交換性能を高めるためには、Ａｌ_２Ｏ_３の増量が有効であるが、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が多過ぎると、耐失透性が低下し易くなる。よって、Ａｌ_２Ｏ_３の増量には限界がある。しかし、Ｐ_２Ｏ_５を導入すると、Ａｌ_２Ｏ_３を増量しても、ガラスが失透し難くなるため、Ａｌ_２Ｏ_３の導入許容量を高めることができる。結果として、イオン交換性能を飛躍的に高めることができる。一方、Ｐ_２Ｏ_５の含有量が多く過ぎると、ガラスが分相したり、耐水性や耐失透性が低下し易くなる。以上の点を踏まえると、Ｐ_２Ｏ_５の好適な上限範囲は１０％以下、９％以下、８％以下、７％以下、特に６％以下であり、好適な下限範囲は０．１％以上、０．５％以上、１％以上、２％以上、３％以上、特に４％以上である。

Ｂ_２Ｏ_３は、液相温度、高温粘度、密度を低下させる成分であると共に、イオン交換性能、特に圧縮応力値ＣＳを高める成分であるが、その含有量が多過ぎると、イオン交換によって表面にヤケが発生したり、耐水性、液相粘度、応力深さＤＯＬが低下する虞がある。よって、Ｂ_２Ｏ_３の含有量は、好ましくは０〜６％、０〜４％、０〜３％、０〜２％、特に０〜１％未満である。

Ｌｉ_２Ｏは、イオン交換成分であると共に、高温粘度を低下させて溶融性や成形性を高める成分である。更にヤング率を高める成分である。しかし、Ｌｉ_２Ｏの含有量が多過ぎると、液相粘度が低下して、ガラスが失透し易くなる。また低温粘性が低下し過ぎて、イオン交換処理の際に応力緩和が生じ易くなり、かえって圧縮応力値ＣＳが低下する虞がある。よって、Ｌｉ_２Ｏの含有量は、好ましくは０〜１０％、０〜８％、０〜５％、０〜３％未満、０〜２％、０〜１％未満、０〜０．１％未満、特に０〜０．０１％未満である。

Ｋ_２Ｏは、イオン交換を促進する成分であり、特にアルカリ金属酸化物の中では応力深さＤＯＬを増大させる効果が高い成分である。また高温粘度を低下させて、溶融性や成形性を高めたり、耐失透性を改善する成分である。しかし、Ｋ_２Ｏの含有量が多過ぎると、熱膨張係数が不当に高くなり、耐熱衝撃性が低下したり、周辺材料と熱膨張係数が整合し難くなる。更に歪点が低下し過ぎたり、ガラス組成のバランスが崩れて、逆に耐失透性が低下する虞がある。Ｋ_２Ｏの好適な上限範囲は１０％以下、９％以下、８％以下、７％以下、特に６％以下であり、好適な下限範囲は０％以上、０．５％以上、１％以上、２％以上、３％以上、特に４％以上である。

Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏの好適な上限範囲は３０％以下、２５％以下、特に２２％以下であり、好適な下限範囲は８％以上、１０％以上、１３％以上、特に１５％以上である。Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏの含有量が多過ぎると、耐失透性が低下したり、熱膨張係数が不当に高くなって、耐熱衝撃性が低下したり、周辺材料と熱膨張係数が整合し難くなる。一方、Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏの含有量が少な過ぎると、イオン交換性能や溶融性が低下し易くなる。なお、「Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ」は、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ及びＫ_２Ｏの合量である。

モル比Ｋ_２Ｏ／Ｎａ_２Ｏは、好ましくは０〜１、０〜０．８、０．０５〜０．７、０．１〜０．５、０．１５〜０．４、０．１５〜０．３、特に０．１５〜０．２５である。このようにすれば、短時間で圧縮応力値ＣＳと応力深さＤＯＬが大きくなり易い。なお、「Ｋ_２Ｏ／Ｎａ_２Ｏ」は、Ｋ_２Ｏの含有量をＮａ_２Ｏの含有量で割った値である。

ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯの含有量は、好ましくは０〜１５％、０〜９％、０〜６％、特に０〜５％である。ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯの含有量が多過ぎると、密度や熱膨張係数が不当に高くなったり、耐失透性やイオン交換性能が低下し易くなる。なお、「ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ」は、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯの合量である。

ＭｇＯとＣａＯは、高温粘度を低下させて、溶融性や成形性を高めたり、歪点やヤング率を高める成分であり、アルカリ土類金属酸化物の中では、イオン交換性能を高める効果が大きい成分である。しかし、ＭｇＯとＣａＯの含有量が多くなると、密度や熱膨張係数が高くなったり、ガラスが失透し易くなる。よって、ＭｇＯの含有量は、好ましくは１０％以下、８％以下、６％以下、５％以下、特に４％以下である。ＣａＯの含有量は、好ましくは８％以下、６％以下、４％以下、２％以下、特に１％未満である。

ＳｒＯとＢａＯは、高温粘度を低下させて、溶融性や成形性を高めたり、歪点やヤング率を高める成分である。しかし、ＳｒＯとＢａＯの含有量が多くなると、密度や熱膨張係数が高くなったり、イオン交換性能が低下し易くなる。よって、ＳｒＯの含有量は、好ましくは３％以下、２％以下、１％以下、０．５％以下、特に０．１％未満である。ＢａＯの含有量は、好ましくは３％以下、２％以下、１％以下、０．５％以下、特に０．１％未満である。

質量比（ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ）／（Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）は、耐失透性を高めるために、好ましくは０．５以下、０．４以下、特に０．３以下である。なお、「（ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ）／（Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）」は、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯの合量をＬｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ及びＫ_２Ｏの合量で割った値である。

ＺｎＯは、イオン交換性能を高める成分である。また低温粘性を低下させずに、高温粘性を低下させる成分である。しかし、Ｐ_２Ｏ_５の存在下でＺｎＯを増量すると、ガラスが分相したり、失透し易くなる。よって、ＺｎＯの含有量は、好ましくは８％以下、４％以下、１％以下、０．１％以下、特に０．０１％以下である。

ＺｒＯ_２は、イオン交換性能、ヤング率、歪点を高める成分であり、高温粘性を低下させる成分である。しかし、ＺｒＯ_２の含有量が多くなると、耐失透性が低下し易くなる。よって、ＺｒＯ_２の含有量は、好ましくは０〜１０％、０〜５％、０〜３％、０〜１％未満、０〜０．４％、特に０〜０．１％未満である。

ＴｉＯ_２は、イオン交換性能を高める成分であり、高温粘性を低下させる成分である。しかし、ＴｉＯ_２の含有量が多くなると、ガラスが着色したり、失透し易くなる。特に溶融雰囲気や原料不純物により、透過率が変動し易くなる。よって、ＴｉＯ_２の含有量は、好ましくは０〜４％、０〜１％未満、０〜０．１％未満、特に０〜０．０１％未満である。

ＳｎＯ_２は、イオン交換性能、特に圧縮応力値ＣＳを高める成分である。しかし、ＳｎＯ_２の含有量が多くなると、ＳｎＯ_２に起因する失透が発生したり、ガラスが着色し易くなる。よって、ＳｎＯ_２の含有量は、好ましくは０〜３％、０．０１〜２％、０．０５〜１％、特に０．１〜０．５％である。

清澄剤として、Ａｓ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｆ、ＳＯ_３、Ｃｌの群から選択された一種又は二種以上を含有させてもよい。但し、環境に対する配慮から、Ａｓ_２Ｏ_３とＳｂ_２Ｏ_３を添加しないことが好ましく、Ａｓ_２Ｏ_３とＳｂ_２Ｏ_３の含有量は、それぞれ０．１％未満、特に０．０１％未満が好ましい。ＣｅＯ_２の含有量は、透過率を高めるために、０．１％未満、特に０．０１％未満が好ましい。Ｆの含有量は、低温粘性の低下による応力緩和を抑制するために、０．１％未満、特に０．０１％未満が好ましい。

ＣｏＯ、ＮｉＯ等の遷移金属酸化物は、ガラスを着色させる成分である。よって遷移金属酸化物の含有量は、好ましくは０．５％以下、０．１％以下、特に０．０５％以下である。

Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｌａ_２Ｏ_３等の希土類酸化物は、ヤング率を高める成分である。しかし、希土類酸化物の含有量が多くなると、原料コストが高騰し、耐失透性が低下し易くなる。よって、希土類酸化物の含有量は、好ましくは３％以下、２％以下、１％未満、０．５％以下、特に０．１％以下である。

ＰｂＯとＢｉ_２Ｏ_３の含有量は、環境に対する配慮から、それぞれ０．１％未満が好ましい。

本発明のガラス転動体は、表面にイオン交換による圧縮応力層を有する。圧縮応力層の圧縮応力値ＣＳは、好ましくは３００ＭＰａ以上、６００ＭＰａ以上、８００ＭＰａ以上、９００ＭＰａ以上、１０００ＭＰａ以上、特に１１００ＭＰａ以上である。圧縮応力値ＣＳが大きい程、ガラス転動体の機械的強度が高くなる。しかし、圧縮応力値ＣＳが大き過ぎると、ガラス転動体に内在する引っ張り応力が極端に高くなる虞がある。よって、圧縮応力層の圧縮応力値ＣＳは、好ましくは２５００ＭＰａ以下である。なお、イオン交換時間を短くしたり、イオン交換温度を下げると、圧縮応力値ＣＳを大きくすることができる。

応力深さＤＯＬは、好ましくは３０μｍ以上、４０μｍ以上、５０μｍ以上、６０μｍ以上、特に７０μｍ以上である。応力深さＤＯＬが大きい程、高速回転時の摩耗や異物により、ガラス転動体の表面に深い傷が付いても、ガラス転動体が割れ難くなる。一方、応力深さＤＯＬが大き過ぎると、ガラス転動体に内在する引っ張り応力が極端に高くなる虞がある。よって、応力深さＤＯＬは、好ましくは５００μｍ以下、３００μｍ以下、２００μｍ以下、特に１５０μｍ以下である。なお、イオン交換時間を長くしたり、イオン交換温度を高めると、応力深さＤＯＬを大きくすることができる。

本発明のガラス転動体において、内部の引っ張り応力値ＣＴは、好ましくは２００ＭＰａ以下、１５０ＭＰａ以下、１００ＭＰａ以下、特に５０ＭＰａ以下である。なお、「内部の引っ張り応力値ＣＴ」は、下記の数式１により算出した値を指す。内部の引っ張り応力値ＣＴが小さい程、内部欠陥によってガラス転動体が破損し難くなるが、内部の引っ張り応力値ＣＴが極端に小さくなると、圧縮応力値ＣＳや応力深さＤＯＬが低下して、ガラス転動体の機械的強度が低下してしまう。よって、内部の引っ張り応力値ＣＴは、好ましくは１ＭＰａ以上、２ＭＰａ以上、３ＭＰａ以上、５ＭＰａ以上、１０ＭＰａ以上、特に１５ＭＰａ以上である。

〔数１〕
ＣＴ＝ＣＳ×ＤＯＬ／（ｔ−２×ＤＯＬ）
ｔ：直径（板厚）
ＣＴ：内部の引っ張り応力値
ＣＳ：圧縮応力値
ＤＯＬ：応力深さ

３０〜３８０℃の温度範囲における熱膨張係数は、好ましくは７０×１０^−７〜１１０×１０^−７／℃、７５×１０^−７〜１１０×１０^−７／℃、８０×１０^−７〜１１０×１０^−７／℃、特に８５×１０^−７〜１１０×１０^−７／℃である。上記のように熱膨張係数を規制すれば、高速回転時に発生する熱により周辺の金属部材が膨張したとしても、適正に駆動させることができる。ここで、「熱膨張係数」とは、３０〜３８０℃の温度範囲において、ディラトメーターで測定した平均値である。

歪点は、好ましくは５２０℃以上、５５０℃以上、５６０℃以上、特に５７０℃以上である。歪点が高い程、耐熱性が向上する。また歪点が高いと、イオン交換処理時に応力緩和が生じ難くなるため、高い圧縮応力値ＣＳを確保し易くなる。

高温粘度１０^２．５ｄＰａ・ｓに相当する温度は、好ましくは１６５０℃以下、１６００℃以下、１５８０℃以下、１５５０℃以下、１５４０℃以下、特に１５３０℃以下である。高温粘度１０^２．５ｄＰａ・ｓに相当する温度が低い程、低温でガラスを溶融することができる。よって、高温粘度１０^２．５ｄＰａ・ｓに相当する温度が低い程、溶融窯等のガラス製造設備への負担が小さくなると共に、ガラス転動体の泡品位を高めることができる。

液相温度は、好ましくは１２００℃以下、１１５０℃以下、１１３０℃以下、１１１０℃以下、１０９０℃以下、特に１０７０℃以下である。液相温度が高過ぎると、球形状に成形し難くなる。

液相粘度は、好ましくは１０^４．０ｄＰａ・ｓ以上、１０^４．３ｄＰａ・ｓ以上、１０^４．５ｄＰａ・ｓ以上、１０^５．０ｄＰａ・ｓ以上、特に１０^５．４ｄＰａ・ｓ以上である。液相粘度が低過ぎると、球形状に成形し難くなる。なお、液相温度が１２００℃以下であり、且つ液相粘度が１０^４．０ｄＰａ・ｓ以上であれば、マーブル成形法等で球形状に成形可能である。

本発明のガラス転動体において、直径は、好ましくは１００ｍｍ以下、８０ｍｍ以下、５０ｍｍ以下、特に３０ｍｍ以下であり、また好ましくは１ｍｍ以上、２ｍｍ以上、４ｍｍ以上、特に５ｍｍ以上である。このようにすれば、軸受装置等に組み込まれる転動体に好適になる。

本発明のガラス転動体は、例えば、以下のようにして作製することができる。まず所望のガラス組成になるように調合したガラスバッチを連続溶融炉に投入し、１５００〜１６００℃で加熱溶融して、溶融ガラスを得た後、清澄容器、攪拌容器を経由して、成形装置に供給した上で球形状に成形し、徐冷する。次に、得られたガラス転動体の表面を回転させながら研磨処理して、直径の寸法公差を低下させる。続いて、ガラス転動体をイオン交換溶液に浸漬して、表面に圧縮応力層を形成する。

成形方法として、種々の成形方法を採択することができる。その中でも、マーブル成形法と液滴成形法を採択することが好ましい。またプレス法を採択することも好ましい。このようにすれば、寸法精度が高いガラス転動体を成形し易くなる。結果として、表面の研磨が少量でも、ガラス転動体の直径の寸法公差を低減することができる。

イオン交換処理前に、機械的強度を高めるために、ガラス転動体の表面を化学エッチングする工程を設けてもよい。化学エッチングは、ガラス転動体を回動又は揺動させながら行うことが好ましい。このようにすれば、ガラス転動体の表層のエッチング深さが均一化されるため、直径の寸法公差を低減することができる。

イオン交換処理は、例えば３６０〜５５０℃の硝酸カリウム溶融塩中にガラス転動体を１〜１００時間浸漬することによって行うことができる。生産効率の観点から、複数のガラス転動体を同時にイオン交換処理することが好ましく、その場合、ガラス転動体同士が接触しないように、ガラス転動体の直径よりもメッシュ幅が小さい金属製治具等に複数のガラス転動体を等間隔に配列し、この治具を積層した状態でイオン交換処理することがより好ましい。

イオン交換処理は、ガラス転動体を回動又は揺動させながら行うことが好ましい。このようにすれば、ガラス転動体の表層のガラス組成が均一化されるため、直径の寸法公差を低減することができる。

イオン交換処理は、複数回行ってもよい。イオン交換処理を複数回行うと、深さ方向のＫイオン濃度の分布曲線を屈曲させることができ、圧縮応力層の圧縮応力値ＣＳと応力深さＤＯＬを増大させつつ、内部に蓄積される引っ張り応力の総量を低減することができる。

イオン交換処理を２回行う場合、イオン交換処理の間に熱処理工程を設けてもよい。このようにすれば、同一の硝酸カリウム溶融塩により、深さ方向のＫイオン濃度の分布曲線を屈曲させることができる。更に一回目のイオン交換処理の時間を短縮することができる。

イオン交換処理後に、直径の寸法公差を低減するために、ガラス転動体の表面を研磨する研磨工程を設けてもよい。

実施例に基づいて、本発明を説明する。但し、本発明は、以下の実施例に何ら限定されない。以下の実施例は、単なる例示である。

表１は、本発明の実施例（Ｎｏ．１〜５）のガラス組成と特性を示している。

次のようにして、表１に記載の各試料を作製した。まず、表中のガラス組成となるように、ガラス原料を調合し、白金容器を用いて１５８０℃で８時間溶融した。その後、溶融ガラスをカーボン板の上に流し出して板状に成形して、ガラス板を得た。また、別途、溶融ガラスをマーブル成形法で球形状に成形した後、回動させながら表面を研磨加工して、表中に示す寸法のガラス転動体を得た。ガラス板とガラス転動体は、同じ熱処理条件でアニールされており、熱履歴が同一になっている。各ガラス板及びガラス転動体について、種々の特性を評価した。

密度は、周知のアルキメデス法によって測定した値である。

歪点Ｐｓ、徐冷点Ｔａは、ＡＳＴＭＣ３３６の方法によって測定した値である。

軟化点Ｔｓは、ＡＳＴＭＣ３３８の方法によって測定した値である。

ガラスの粘度１０^４．０ｄＰａ・ｓ、１０^３．０ｄＰａ・ｓ、１０^２．５ｄＰａ・ｓに相当する温度は、白金球引き上げ法によって測定した値である。

熱膨張係数は、３０〜３８０℃の温度範囲において、ディラトメーターで測定した平均値である。

液相温度ＴＬは、標準篩３０メッシュ（篩目開き５００μｍ）を通過し、５０メッシュ（篩目開き３００μｍ）に残るガラス粉末を白金ボートに入れ、温度勾配炉中に２４時間保持して、結晶の析出する温度を測定した値である。

液相粘度ｌｏｇηＴＬは、液相温度における各ガラスの粘度を示している。

続いて、各ガラス板の両表面に光学研磨を施した後、イオン交換処理を行った。イオン交換処理は４４０℃の硝酸カリウム溶融塩中に各ガラス板を６時間浸漬することで行った。同様にして、各ガラス転動体についても、回動させながら上記イオン交換処理を行った。イオン交換処理後、各ガラス板の表面を洗浄し、表面応力計（株式会社折原製作所製ＦＳＭ−６０００）を用いて観察される干渉縞の本数とその間隔から圧縮応力層の圧縮応力値と応力深さを算出した。算出に当たり、各ガラス板の屈折率を１．５２、光学弾性定数を２８［（ｎｍ／ｃｍ）／ＭＰａ］とした。ガラス板とガラス転動体のガラス組成、熱履歴及びイオン交換条件が同一であるため、ガラス板の圧縮応力値をガラス転動体の圧縮応力値ＣＳとし、ガラス板の応力深さをガラス転動体の応力深さＤＯＬとした。

なお、ガラス転動体の表層のガラス組成は、イオン交換処理の前後で微視的に変動するものの、ガラス転動体全体として見た場合、ガラス組成の変動は極めて小さい。

直径とその寸法公差は、各ガラス転動体についてマイクロメータを用いて測定した値である。

表１から分かるように、試料Ｎｏ．１〜５は、直径の寸法公差が良好であり、圧縮応力層の圧縮応力値ＣＳと応力深さＤＯＬが大きいため、軸受装置等に組み込まれる転動体として好適であるものと考えられる。

Claims

ガラス組成として、質量％で、ＳｎＯ _２０．１〜３．０％を含有し、且つ、直径の寸法公差が０．５％以内であり、表面にイオン交換による圧縮応力層を有することを特徴とするガラス転動体。
表面が研磨面であることを特徴とする請求項１に記載のガラス転動体。
表面が化学エッチング面であることを特徴とする請求項１に記載のガラス転動体。
表面の表面粗さＲａが３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のガラス転動体。
圧縮応力層の圧縮応力値ＣＳが３００ＭＰａ以上、且つ応力深さＤＯＬが３０μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のガラス転動体。
ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ_２４５〜７５％、Ａｌ_２Ｏ_３１０〜３０％、Ｎａ_２Ｏ５〜２５％を含有することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のガラス転動体。
液相粘度が１０^４．０ｄＰａ・ｓ以上であることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のガラス転動体。
ガラス組成として、質量％で、Ｐ _２Ｏ _５０．１〜１０％を含有することを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のガラス転動体。