JPH0648813A - セラミックス製転動体 - Google Patents

セラミックス製転動体

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JPH0648813A
JPH0648813A JP4201026A JP20102692A JPH0648813A JP H0648813 A JPH0648813 A JP H0648813A JP 4201026 A JP4201026 A JP 4201026A JP 20102692 A JP20102692 A JP 20102692A JP H0648813 A JPH0648813 A JP H0648813A
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JP
Japan
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rolling
ceramic
residual stress
life
rolling element
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Withdrawn
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JP4201026A
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English (en)
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Shunichiro Tanaka
俊一郎 田中
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 転がり寿命の再現性を高めると共に、寿命の
値自体の向上を図ったセラミックス製転動体を提供す
る。 【構成】 セラミックス焼結体からなるベアリング用の
転動体である。転動体の表面近傍部には、引張り応力が
残留応力として分布している。セラミックス製転動体の
表面残留応力と転がり寿命とは良好な相関を示し、表面
近傍部に引張り残留応力を分布させることにより、良好
な転がり寿命が再現性よく得られる。セラミックス製転
動体の表面近傍部に、引張り残留応力を分布させるに
は、セラミックス焼結体を目的形状に加工する際、例え
ば最終研磨工程にメカノケミカルポリッシングを行えば
よい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、優れた転がり寿命が得
られるセラミックス製転動体に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、セラミックス部材は、構造部品用
材料や電気・電子部品用材料等を初めとして、各種の部
品材料に使用されている。例えば、窒化ケイ素系セラミ
ックスは、優れた耐熱性、耐食性、耐摩耗性等を有する
ことから、苛酷な条件下で使用される機械部品用材料、
例えばベアリングの転動体であるボールやローラの材質
として期待されている。
【0003】ところで、ベアリングの転動体には、各種
の焼結方法を適用したセラミックス焼結体が使用されて
いる。しかし、通常の常圧焼結や雰囲気加圧焼結のみに
よる焼結体では、その内部のポアサイズが大きくなりや
すい(空孔率大)ために、耐圧強度が低くなり、ベアリ
ングの転動体としての十分な転がり寿命が得られないた
め、ポアが発生しにくく、緻密質な焼結体が得られ易い
ホットプレス法等を適用することが一般的であった。ま
た、常圧焼結や雰囲気加圧焼結にHIP(熱間静水圧プ
レス)処理を併用すること等も行われている。
【0004】このように、ホットプレス法やHIP処理
を使用して、高密度化したセラミックス焼結体をベアリ
ングの転動体として用いることにより、転がり寿命をあ
る程度高めることが可能となってきているものの、ロッ
ト内もしくはロット間での転がり寿命のばらつきが大き
く、転がり寿命に優れたセラミックス製転動体を安定し
て供給することができないという問題があった。すなわ
ち、同一組成でかつ同一の焼結密度を有するセラミック
ス焼結体を用い、さらに同程度の加工精度に仕上げた転
動体であっても、特にロット間での転がり寿命のばらつ
きが大きいという問題があった。
【0005】また、セラミックス焼結体を用いた転動体
の場合、焼結体の密度を高めると共に、さらには加工精
度を高めると共に、転がり寿命の向上が図れるため、セ
ラミックス焼結体の高密度化や高精度化が試みられてい
るが、そのばらつきを押さえ、転がり寿命に優れたセラ
ミックス製転動体を安定供給するまでには至っていな
い。さらに、セラミックス製転動体の転がり寿命の値自
体も、より一層高めることが強く望まれている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】セラミックス製転動体
は、金属製転動体では使用不可能な高温下や腐食雰囲気
下等で使用することができる等の利点を有しているもの
の、上述したように転がり寿命のばらつきが大きく、機
械要素として組み込んだ際に、信頼性を低下させる要因
となる等の問題を有していた。また、セラミックス製転
動体の転がり寿命の値自体も、必ずしも満足のいく値ま
でには達していない。
【0007】このようなことから、セラミックス製転動
体の転がり寿命をさらに高めると共に、そのような転が
り寿命を維持した上で、そのばらつきを小さくすること
が強く望まれていた。すなわち、セラミックス製転動体
の転がり寿命の再現性を高め、優れた特性を有するセラ
ミックス製転動体を安定して供給することを可能にする
ことが強く望まれていた。さらに、これらと関連して、
セラミックス製転動体の転がり寿命を非破壊で予測する
ことが可能となれば、より一層信頼性を高めることが可
能となるため、このような寿命予測方法の出現が望まれ
ていた。
【0008】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、転がり寿命の再現性を高めると共
に、寿命の値自体の向上を図ったセラミックス製転動体
を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明のセラミックス製
転動体は、セラミックス焼結体からなる転動体であっ
て、前記セラミックス焼結体の表面残留応力が引張り応
力であることを特徴としている。
【0010】すなわち本発明は、転動体として用いるセ
ラミックス焼結体の表面近傍部における残留応力が、転
動体の転がり寿命に多大な影響を及ぼし、表面残留応力
を測定することによって、セラミックス製転動体の転が
り寿命を予測することができ、さらには意図的にセラミ
ックス焼結体の表面近傍部に引張り残留応力を分布させ
ることによって、セラミックス製転動体の転がり寿命を
再現性よく高めることができることを見出だしたことに
より成されたものである。
【0011】本発明の転動体に用いるセラミックス焼結
体としては、まず第1に表面残留応力が引張り応力であ
ることが条件となる。セラミックス焼結体の表面残留応
力と転がり寿命とは良好な相関を示すことが、本発明者
の実験によって明らかとなり、表面残留応力が圧縮応力
から引張り応力に変化することによって、セラミックス
製転動体の転がり寿命が再現性よく増大することが判明
した。
【0012】このように、セラミックス製転動体の表面
近傍部に引張り残留応力を分布させる方法として、例え
ば板状のセラミックス焼結体、もしくは目的とする転動
体の近似形状に作製されたセラミックス焼結体を転動体
形状に加工する際、最終研磨工程にメカノケミカルポリ
ッシングを使用する方法が挙げられる。このメカノケミ
カルポリッシングは、微細なCr2 O 3 粒子等をフェノー
ル系樹脂等で固定化した砥石を使用し、メカノケミカル
効果を利用して鏡面研磨等を行う方法である。メカノケ
ミカルとは、 2つの物質が機械的作用によって化学反応
を起こす現象であり、例えばSi3 N 4 とCr2 O 3 粒子と
が擦れて固体どうしが反応し、生成したSiの酸化物が分
子単位で脱離し、研磨が進む現象である。このようなメ
カノケミカルポリッシングを少なくとも最終加工工程に
使用することにより、セラミックス製転動体の表面近傍
部に引張り残留応力を分布させることができる。
【0013】また、上記したメカノケミカルポリッシン
グの前工程としては、一般的なダイヤモンド砥石による
加工を適用することができるが、一般的なダイヤモンド
加工ではセラミックス焼結体の表面に圧縮応力が分布す
るため、最終加工をダイヤモンド加工によって行うと、
表面に圧縮残留応力が分布したセラミックス製転動体と
なってしまう。
【0014】なお、上記メカノケミカルポリッシングを
利用する方法は、セラミックス製転動体の表面近傍部に
引張り残留応力を分布させる一手段であって、本発明に
おいては他の種々の方法を使用することが可能である。
【0015】セラミックス焼結体の表面残留応力の測定
方法としては、各種の方法が知られているが、本発明に
おいては、残留応力の大きさに比例して変化する結晶の
格子面間隔をX線回折によって測定して残留応力を求め
る方法( sin2 ψ法)や、残留応力に起因する密度の変
化を超音波によって測定(V(Z)曲線)して残留応力
を求める(無応力時のV(Z)曲線によって定量化)方
法等を適用することが好ましい。これらの方法によれ
ば、微小部分の表面残留応力を正確にかつ非破壊で測定
することができるためである。
【0016】特に、ベアリング用のボールやローラのよ
うに、曲面を有する試料の表面残留応力を測定する際に
は、X線回折を利用した sin2 ψ法において、X線の照
射領域の径をd、試料の測定曲面の曲率半径の 2倍の値
をDとしたとき、これらの比d/Dを 1/15以下とし
て、残留応力を求めることが好ましい。このように、X
線の照射領域を微小化することによって、曲率半径の影
響を排除することができ、より正確に曲面部の表面残留
応力を測定することができる。
【0017】また、 sin2 ψ法によって表面残留応力を
測定する際に使用する特定X線としては、測定試料すな
わちセラミックス焼結体の種類によっても異なるが、 C
u-Kα線のように、表面からの侵入深さが小さいX線を
用いることが好ましい。これによって、表面残留応力と
転がり寿命とのより正確な相関を得ることができ、転が
り寿命の予測をより適確に行うことが可能となる。
【0018】本発明のセラミックス製転動体において、
上述した表面残留応力の規定以外については、転動体と
しての他の一般的な条件を満足させることが好ましい。
すなわち、表面残留応力が引張り応力であっても、本質
的な材料強度や加工精度が低ければ十分な転がり寿命を
得ることができないことは当然である。
【0019】本発明の転動体に用いるセラミックス材質
としては、特に限定されるものではないが、窒化ケイ素
系焼結体、サイアロン系焼結体、炭化ケイ素系焼結体等
の非酸化物系セラミックスが好適である。
【0020】
【作用】本発明のセラミックス製転動体においては、表
面近傍部に引張り応力が残留応力として分布している。
ここで、セラミックス製転動体をベアリングのボールや
ローラ等として使用した場合、金属もしくはセラミック
ス等からなる枠体と摺接した際に接触応力が働き、転動
体の表面に圧縮応力の分布ができる。このような状態に
対して、本発明のセラミックス製転動体の表面近傍部に
は引張り残留応力が分布しているため、接触によって加
わる圧縮応力を相殺することができる。これによって、
セラミックス製転動体の転がり寿命を大幅に向上させる
ことができる。さらに、予めセラミックス製転動体の表
面残留応力を測定し、かつベアリングとして組み込んだ
際の印加荷重等が分かれば、セラミックス製転動体の転
がり寿命を、非破壊でかつ個々におおよそ予測すること
ができる。
【0021】
【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。
【0022】実施例 まずSi3 N 4 粉末に、焼結助剤として Y2 O 3 粉末 3重
量%およびAl2 O 3 粉末 2重量%をそれぞれ添加し、十
分に混合して原料粉末を調製した。次いで、上記原料粉
末に有機バインダを加え、さらに十分に混合した。
【0023】次に、上記混合粉末を用いて、ラバープレ
ス成形によりベアリングボール近似形状の成形体を作製
した。次いで、この成形体を窒素ガス中にて雰囲気加圧
焼結した。この後、上記焼結体に対して 1000atmの加圧
下にてHIP処理を施し、ベアリングボール用窒化ケイ
素部材を得た。
【0024】次いで、上記ベアリングボール用窒化ケイ
素部材を球状に加工し、セラミックス製ベアリングボー
ルを作製した。加工工程は以下の通りとした。すなわ
ち、まず#200メッシュのダイヤモンド砥石で概略形状に
加工した後、#400メッシュのダイヤモンド砥石および #
1000メッシュのダイヤモンド砥石で、球状に加工した。
この後、Cr2 O 3 粒子をフェノール系樹脂で固定化した
砥石を使用し、メカノケミカル効果を利用しながら鏡面
研磨を行って、目的とするベアリングボールを得た。
【0025】このようにして得た窒化ケイ素製ベアリン
グボールの表面残留応力を、X線回折を利用した sin2
ψ法によって測定した。さらに、この窒化ケイ素製ベア
リングボールの転がり寿命を測定した。また、上記実施
例と同一条件で 100個の窒化ケイ素製ベアリングボール
を作製し、それぞれ同様にして残留応力および転がり寿
命を測定した。その結果、全てのベアリングボールの表
面残留応力は引張り応力であり、また転がり寿命はそれ
ぞれ良好な値を示し、かつそれらのばらつきは小さいも
のであった。
【0026】また、本発明との比較として、上記実施例
と同一条件で作製したベアリングボール用窒化ケイ素部
材を用い、球状に加工する際に、最終の鏡面加工を通常
のラップ加工とする以外は同一条件で、同一の加工精度
を有する窒化ケイ素製ベアリングボールを得た。このベ
アリングボールの残留応力および転がり寿命を測定した
ところ、表面残留応力は圧縮応力で、転がり寿命は上記
実施例に比べて劣るものであった。
【0027】さらに、上記実施例の窒化ケイ素製ベアリ
ングボールの製造工程における加工条件を変化させて、
種々の表面残留応力を有する窒化ケイ素製ベアリングボ
ールを得た。なお、材料強度および加工精度は、上記実
施例と同一とした。これらのベアリングボールの転がり
寿命を同様に測定した。それらの結果を、図1に表面残
留応力と転がり寿命との関係として示す。なお、図1の
横軸の表面残留応力は、プラスの値は引張り応力、マイ
ナスの値は圧縮応力を示している。
【0028】図1から明らかなように、窒化ケイ素製ベ
アリングボールの表面残留応力と転がり寿命とは、極め
て良好な相関を示すことが分かる。このことは、窒化ケ
イ素製ベアリングボールの表面残留応力を制御すること
によって、転がり寿命の向上が図れると共に、予め非破
壊で表面残留応力を測定しておくことによって、おおよ
その転がり寿命が予測可能であることを示している。こ
れらによって、セラミックス製ベアリングの信頼性を大
幅に向上させることが可能となる。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のセラミッ
クス製転動体によれば、優れた転がり寿命が得られると
共に、その再現性を大幅に高めることができるため、優
れた転がり寿命を有するセラミックス製転動体を安定し
て供給することが可能となる。よって、セラミックス製
ベアリングの信頼性を大幅に向上させることが可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例によるセラミックス製転動体の
表面残留応力と転がり寿命との関係を示す図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミックス焼結体からなる転動体であ
    って、前記セラミックス焼結体の表面残留応力が引張り
    応力であることを特徴とするセラミックス製転動体。
JP4201026A 1992-07-28 1992-07-28 セラミックス製転動体 Withdrawn JPH0648813A (ja)

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JP4201026A JPH0648813A (ja) 1992-07-28 1992-07-28 セラミックス製転動体

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JP4201026A JPH0648813A (ja) 1992-07-28 1992-07-28 セラミックス製転動体

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JPH0648813A true JPH0648813A (ja) 1994-02-22

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JP4201026A Withdrawn JPH0648813A (ja) 1992-07-28 1992-07-28 セラミックス製転動体

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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008528304A (ja) * 2005-01-27 2008-07-31 アトランティック ゲゼルシャフト ミト ベシュレンクテル ハフツング セラミック球を研摩するための方法及び装置
US8298975B2 (en) * 2008-05-23 2012-10-30 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Sintered compact, process for production thereof, and optical element
WO2022138579A1 (ja) 2020-12-24 2022-06-30 株式会社 東芝 セラミックボール用素材およびそれを用いたセラミックボールの製造方法並びにセラミックボール
WO2023003040A1 (ja) 2021-07-21 2023-01-26 株式会社 東芝 冷間等方圧成形用ゴム型、セラミックスボール用素材の製造方法、および、セラミックスボールの製造方法
WO2023054611A1 (ja) 2021-09-29 2023-04-06 株式会社 東芝 セラミックボール用素材およびセラミックボール及びその製造方法
WO2023190467A1 (ja) 2022-03-28 2023-10-05 株式会社 東芝 セラミックスボール用素材およびそれを用いたセラミックスボールの製造方法並びにセラミックスボール

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