WO2023054611A1 - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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WO2023054611A1
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ceramic ball
ball material
ceramic
circularity
band
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開 船木
勝彦 山田
翔哉 佐野
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株式会社 東芝
東芝マテリアル株式会社
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/584—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride
    • C04B35/587—Fine ceramics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/32—Balls

Definitions

  • the embodiments described later relate to ceramic ball materials, ceramic balls, and methods of manufacturing the same.
  • Ceramic materials have properties such as high hardness, insulation, and wear resistance. Fine ceramics, which have a particularly high degree of purity and a uniform particle size, are used in various fields such as capacitors, actuator materials, and refractory materials. to express its characteristics. Among them, there is a bearing ball application as a product that makes use of wear resistance and insulation, and materials such as aluminum oxide, silicon nitride, zirconium oxide, silicon carbide, and sialon are used.
  • Patent Document 1 and Japanese Patent No. 2764589 Patent Document 2 use a silicon nitride material
  • a method of sintering a compact is used.
  • press molding is generally a method of inserting powder between an upper mold 1 and a lower mold 2 and applying pressure, as shown in FIG.
  • Press molding is generally a method of inserting powder between an upper mold 1 and a lower mold 2 and applying pressure, as shown in FIG.
  • a gap must be provided between the tip portion 3 of the upper mold 1 and the tip portion 4 of the lower mold 2 during press molding.
  • a compact formed by press molding has a spherical portion and a belt-like portion.
  • Japanese Patent No. 4761613 discloses a bearing ball material having a spherical portion and a band-shaped portion.
  • FIG. 2 shows the ceramic ball material described in Patent Document 4.
  • 5 is a ceramic ball material
  • 6 is a spherical portion
  • 7 is a strip portion.
  • a ceramic ball is obtained by polishing a ceramic ball material having a spherical portion 6 and a strip portion 5 . Polished ceramic balls are particularly suitable for use as bearing balls.
  • the ceramic ball material 7 having the spherical portion 6 and the band-shaped portion 5 is sometimes called a bare sphere.
  • the bearing balls are mirror-finished to have a surface roughness Ra of 0.1 ⁇ m or less. Surface plate processing is used for mirror surface processing.
  • Ceramic materials have excellent wear resistance, but because they are brittle and have high hardness, more processes are required for processing compared to metals. In particular, the initial process for increasing the sphericity to the required value often takes up most of the processing time due to the large amount of processing allowance. As the sphericity (circularity) before processing increases, the processing time increases, so it is necessary to reduce the sphericity of the ceramic ball material before processing as much as possible.
  • the present invention solves such problems, and provides a material for ceramic balls with high sphericity that can shorten the processing time of ceramic materials, especially for surface plate processing, during polishing.
  • the ceramic ball material according to the embodiment has a spherical portion and a band-shaped portion. It is characterized in that the circularity C exceeds 0% and falls within the range of 2.5% or less, where C is the circularity observed from the height direction of the band-shaped portion.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a conventional ceramic ball material.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a measurement direction (first measurement direction) in the ceramic ball material according to the embodiment;
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing an image obtained by observing the ceramic ball material according to the embodiment from a first measurement direction;
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a measurement direction (second measurement direction) in the ceramic ball material according to the embodiment;
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing an image obtained by observing the ceramic ball material according to the embodiment from a second measurement direction;
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the width of the band-shaped portion of the ceramic ball material according to the embodiment;
  • a ceramic ball material has a spherical portion and a band-shaped portion.
  • the ceramic ball material has a circularity C of more than 0% and falls within a range of 2.5% or less, where C is the circularity when observed from the height direction of the band-shaped portion. It is something to do.
  • the height direction is a direction perpendicular to the width direction of the strip.
  • the belt-like portion is formed along the circumference. If there is a belt-like portion on a part of the circumference, for example, stress is likely to be concentrated locally during surface plate processing, and there is a risk of cracking or chipping of the ball material. is.
  • the circularity C is a value that satisfies 0.01% or more and 2% or less.
  • the circularity C is small enough to satisfy 2.5% or less, particularly 2% or less, the initial contact area with the surface plate becomes uniform when processing the material for ceramic balls, and the required amount of processing can be reduced. can. Therefore, considering the workability, the smaller the circularity C, the better.
  • the circularity C in order to make the circularity C less than 0.01%, especially 0%, it is necessary to make the belt-shaped portion extremely small and also reduce the circularity of the spherical portion.
  • the belt-like portion itself is made too small in order to reduce the roundness of the compact having the belt-like portion, there is a risk that the granulated powder will not be sufficiently filled at the boundary between the upper mold and the lower mold. Therefore, there is a possibility that the yield will deteriorate. Therefore, considering the yield, it is more preferably 0.01% or more. Further, the roundness C is more preferably 0.01% or more and 1.5% or less with respect to the average value rA of the radius of the ceramic ball material.
  • Fig. 3 shows the ceramic ball material according to the embodiment.
  • 7 is a ceramic ball material
  • 6 is a spherical portion
  • 5 is a belt-like portion.
  • the ceramic ball material 7 includes a spherical portion 6 and a strip portion 5 .
  • the portion where the band-shaped portion 5 exists is for ceramic balls so that the upper spherical portion 61 and the lower spherical portion 62 of the spherical portion 6 are substantially symmetrical with respect to the equatorial plane of the band-shaped portion 5 formed over the circumference. It is preferable that the location includes the equatorial plane of the material 7 .
  • the shape of the belt-like portion 5 is substantially symmetrical with respect to the equatorial plane formed by the belt-like portion 5 .
  • the equatorial plane formed by the band-shaped portion 5 is a plane passing through the center of the width of the band-shaped portion 5 .
  • An image observed from the first measurement direction 8 is shown in FIG.
  • the band-shaped portion 5 and the spherical portion 6 are simultaneously observed in the measurement from the measurement direction.
  • the band-shaped portion 5 exists at a location including the equatorial plane of the ceramic ball material 7 as shown in FIG. Sometimes it becomes.
  • Fig. 5 shows the ceramic ball material according to the embodiment.
  • 7 is a ceramic ball material
  • 6 is a spherical portion
  • 5 is a belt-like portion.
  • the second measurement direction 9 is a direction perpendicular to the equatorial plane defined by the strip 5, that is, the height 11 of the strip 5 (shown in FIG. 8).
  • the schematic diagram of the direction to do is shown.
  • An example of an image seen when observed from this second measurement direction 9 is shown in FIG.
  • FIG. 2 shows the ceramic ball material 7 when observed from the first measurement direction 8, as in FIG.
  • one or more diameters of the belt-like portion 5 of the ceramic ball material 7 are defined as R1
  • one or more diameters of the spherical portion 6 are defined as R2.
  • a line connecting a point on the outer peripheral surface of one belt-shaped portion 5 to a point on the outer peripheral surface of the opposing belt-shaped portion 5 having the maximum length is defined as a diameter. Let it be R1.
  • R1 In the ceramic ball material 7 shown in FIG.
  • a line connecting a point on the outer peripheral surface of the spherical portion 6 to a point on the outer peripheral surface of the spherical portion 6 having the maximum length is defined as a diameter R2. do.
  • the ceramic ball material 7 shown in FIG. 2 is divided into 12 equal intervals by 12 diameters, and the value obtained by dividing each diameter by 2 is defined as the radius.
  • the obtained radii are defined as r1 to r12 according to the divided locations.
  • the average value of the radii r1 to r12 be the average diameter rA. The number of divisions may be changed as long as a sufficient number of samples can be obtained for evaluation of roundness, which will be described later.
  • the measurement magnification is not particularly limited, but the ceramic ball material 7 should occupy an area of 1/10 or more of one field of view, and the entire ceramic ball material 7 should be within one field of view. shall be subject to such conditions. If the ratio of the ceramic ball material 7 to one field of view is less than 1/10, it is not preferable because it is susceptible to errors and the like, and accuracy may decrease. On the other hand, if the entire ceramic ball material 7 is not within one field of view, the center may become unclear and there may be portions where the diameter cannot be determined, which is not preferable.
  • roundness C(5) The roundness of the ceramic ball material 7 when observed from the first measurement direction 8 (roundness C(5)) is obtained by dividing the difference in radius between the inscribed circle and the circumscribed circle of interest by the average value of the radii. Defined using values.
  • the radius of the inscribed circle is the smallest possible radius (r min ) when viewed from the first measuring direction 8 .
  • the difference in radius between the circumscribed circle and the inscribed circle is radii r1 to r12 (12 pieces shown in FIG. 10).
  • radius is the difference between the maximum value (r max ) and the minimum value (r min ). Therefore, the radius of the circumscribed circle is the maximum value (r max ) among r1 to r12. Also, the radius of the inscribed circle is the minimum value (r min ) among r1 to r12. Also, the average value (rA) of the radius is the average value of r1 to r12. Also, as can be seen from the formula (1), the smaller the circularity C value, the closer to a perfect circle. An example of the radius obtained by the measurement at this time is shown in FIG.
  • the circularity C determined by the above formula (1) is a value that exceeds 0% and satisfies 2.5% or less. More preferably, the circularity C is a value that satisfies 0.01% or more and 2% or less.
  • the value of the roundness C is obtained by obtaining the difference between the maximum value (r max ) and the minimum value (r min ) of the radii r1 to r12 (12 radii shown in FIG. 10), and calculating the difference between the radii.
  • the value divided by the average value (rA) is multiplied by 100 to convert to percent (%).
  • the circularity C is small enough to satisfy 2.5% or less, particularly 2% or less, the initial contact area with the surface plate becomes uniform during machining of the ceramic ball material 7, and the necessary machining amount can be reduced. can. Therefore, considering the workability, the smaller the circularity C, the better.
  • the circularity C in order to make the circularity C less than 0.01%, especially 0%, it is necessary to make the belt-shaped portion 5 extremely small and the circularity of the spherical portion 6 small.
  • the upper mold 1 and the lower mold 2 ( 1) may not be sufficiently filled with the granulated powder. Therefore, there is a possibility that the yield will deteriorate. Therefore, considering the yield, it is more preferable that the circularity C is 0.01% or more.
  • the circularity C determined by the above formula (1) is a value of 0.01% or more and 1.5% or less.
  • the roundness C is obtained by obtaining the difference between the maximum value (r max ) and the minimum value (r min ) of r1 to r12 (12 radii shown in FIG. 10), and calculating the difference between the obtained radii as the average value of the radii ( rA) multiplied by 100 to convert to percent (%).
  • the circularity (circularity C′) of the spherical portion 6 (the portion excluding the band-shaped portion) when observed from the first measurement direction 8 may be a value of 0% or more and 1.5% or less. preferable.
  • the circularity C′ of the spherical surface portion 6 is obtained by obtaining the difference between the maximum value (r′ max ) and the minimum value (r′ min ) of r′1 to r′12 (12 radii shown in FIG. 11), The value obtained by dividing the calculated difference in radius by the average value (r'A) of the radius is multiplied by 100 and converted into a percentage (%).
  • the measurement points of only the spherical portion 6 excluding the measured values of the band-shaped portion 5 are measured separately from FIG. and At this time, the average value of the radii excluding the measured values of the band-shaped portion 5 is defined as the average diameter rA'. At this time, the roundness C' of the spherical portion 6 of 0 indicates that the difference is less than the resolution of the device. An example of the radius obtained by the measurement at this time is shown in FIG.
  • the circularity C' of the spherical portion 6 is a value of 0% or more and 1.3% or less.
  • the average value of the radii excluding the measured values of the band-shaped portion 5 is defined as the average diameter rA'.
  • a measurement direction perpendicular to the height direction of the band-shaped portion is defined as a second measurement direction.
  • This second measurement direction is shown as 9 in FIG.
  • FIG. 6 which is a schematic diagram projected from the second measurement direction 9
  • 12 diameters are obtained from FIG. 4 and the same procedure is followed to determine the radius .
  • (r′′ min ) and the average value (rA′′) are derived to obtain the roundness C′′ (%).
  • the average diameter of the ceramic ball material 7 is defined as rA''
  • the roundness is defined as C''.
  • the circularity C′′ be a value of 0% or more and 1.5% or less. It is preferable that the circularity C'' be a value of 0.01% or more and 1.0% or less.
  • the circularity C'' is obtained by calculating the difference between the maximum value ( r''max ) and the minimum value ( r''min ) of r''1 to r''12 (12 radii not shown). , indicates a value obtained by dividing the obtained difference in radius by the average value of the radius (r′′A) and multiplying it by 100 to convert it into a percentage (%).
  • the roundness C'' When the roundness C'' is within this range, the initial contact area with the surface plate becomes uniform during machining of the ceramic ball material 7, and the required amount of machining can be reduced. Further, if the circularity C'' does not fall within this range, the circularity of the other measurement surfaces will also be large, and there is a possibility that the required machining amount will increase.
  • a plane projected from the first measurement direction 8 shown in FIG. 3 is the measurement plane 12 when measured from the first measurement direction 8 .
  • the measurement plane 12 when measured from the first measurement direction 8 is sometimes called the plane 12 .
  • a plane projected from the second measurement direction 9 shown in FIG. 5 is the measurement plane 13 when measured from the second measurement direction 9 .
  • the measurement plane 13 when measured from the second measurement direction 9 is sometimes called a plane 13 .
  • planes 12 and 13 intersect substantially perpendicularly.
  • the ceramic ball material 7 preferably contains at least 85% by mass of any one or more of aluminum oxide, silicon nitride, boron nitride, silicon carbide, zirconium oxide, and sialon in total.
  • the ceramic ball material 7 is made of a ceramic sintered body.
  • the total content of 85% by mass or more of any one or more of aluminum oxide, silicon nitride, boron nitride, and zirconium oxide is the content in the ceramic sintered body.
  • the ceramic sintered body may contain 15% by mass or less of substances other than the above.
  • the total content of two or more types may be 85% by mass or more, such as an Algyl sintered body or a SiAlON sintered body.
  • a bearing ball material made of a silicon nitride sintered body is particularly excellent in wear resistance. Therefore, it is particularly preferable to use a sintered body containing 85% by mass or more of silicon nitride.
  • the aluminum oxide sintered body and the zirconium oxide sintered body have a Vickers hardness of about 1200 or more and 1700 or less, but a toughness value of about 3 MPa ⁇ m 1/2 or more and 6 MPa ⁇ m 1/2 or less.
  • Silicon nitride sintered bodies have high mechanical strength. Therefore, there is also the aspect that the polishing efficiency is very poor. By improving (that is, reducing) the roundness as described above, the cutting allowance can be reduced. By reducing the cutting allowance, it is possible to improve the polishing efficiency even for the ceramic ball material 7 made of a ceramic sintered body having high strength such as a silicon nitride sintered body.
  • the manufacturing method of the ceramic ball material 7 according to the embodiment is not particularly limited as long as it satisfies the above-described configuration, the following manufacturing method can be mentioned as a method for efficient manufacturing.
  • the manufacturing method will be described by taking a silicon nitride sintered body as an example.
  • silicon nitride powder As a raw material, mixed and pulverized, and granulated with a spray dryer. Through this process, a granulated powder of the raw material powder was prepared. Moreover, when the total of the silicon nitride powder and the sintering aid powder is taken as 100% by mass, the silicon nitride powder is preferably 85% by mass or more. Also, the additive is a plasticizer.
  • the solvent is water or an organic solvent or a mixture thereof.
  • organic solvents include compounds containing alcohols, ketones, benzene, and ethers.
  • the alcohols include methanol, ethanol, propanol, butanol, hexanol, heptanol, octanol, phenol, and the like.
  • Ketones include acetone and diethyl ketone.
  • Ether includes diethyl ether, dimethyl ether, and the like.
  • the organic solvent preferably has 25 or less linear carbon chains. If the linear chain number exceeds 25 and is large, volatilization becomes difficult, and it may become difficult to control during the degreasing step.
  • the binder is an organic substance.
  • the amount of the binder to be added is 3% by mass or more and 20% by mass or less.
  • Press molding includes a molding method using an upper mold 1 and a lower mold 2 .
  • the inner spherical shapes of the upper die 1 and the lower die 2 determine the spherical portion 6 of the ceramic ball material 7 .
  • the sphere molded by the uniaxial pressure press has variations in the molding density inside the sphere depending on the press vertical and vertical directions and the close distance between the upper mold 1 and the lower mold 2 . Therefore, especially when die press molding and isostatic pressing (CIP treatment, etc.) are combined, the roundness at the time of die molding and the roundness after isostatic pressing show different values.
  • the three-dimensional shape of the spherical portion formed by the mold was changed to an aspherical shape shifted from a true sphere so that the degree of circularity could be improved in the subsequent steps.
  • the ceramic ball material 7 having a better roundness can be molded, so that the roundness C obtained from the above formula (1) exceeds 0% of the average diameter rA and is 2.5% or less. can be accommodated within the range of
  • a molded body obtained by press molding is a molded body having a spherical portion corresponding to the spherical portion 6 and a band-shaped portion corresponding to the band-shaped portion 5 .
  • a removing step may be applied to the belt-shaped portion of the obtained molded body. Any material can be used in this removing step as long as it can remove the belt-like portion. For example, a file such as sandpaper, emery paper, or abrasive paper can be used to remove the belt-like portion.
  • the belt-like portion After press molding and before HIP (Hot Isostatic Pressing). Considering the ease of removal of the belt-like portion, it is preferably performed before sintering, more preferably before degreasing, and even more preferably before cold isostatic pressing (CIP). It is preferred that this strip removal step does not apply too much pressure.
  • HIP Het Isostatic Pressing
  • isotropic pressure molding on the molded body after press molding (including the one that has undergone the step of removing the band-shaped portion, etc.).
  • isotropic pressure molding By performing isotropic pressure molding, the granulated powder in the compact can be uniformly compressed. Thereby, the granulated powder remaining after crushing in the compact can be reduced. By reducing the granulated powder remaining after crushing, the shrinkage ratio in the sintering process can be controlled.
  • FIG. 12 shows an example of a disk-shaped rubber mold.
  • 16 and 17 are disk-shaped rubber molds, and 18 is a space.
  • the disk-shaped rubber molds 16 and 17 have hemispherical holes on both sides that are about 1% to 35% larger than the diameter of the molded body.
  • a space 18 surrounded by the disk-shaped rubber molds 16 and 17 is sealed with the molded body 20 by placing the molded body 20 in the hole and overlapping the disk-shaped rubber molds 16 and 17 . It is assumed that the disk-shaped rubber molds 16 and 17 are subjected to hydrostatic pressure higher than the pressure during molding. Thereby, the compact 20 can be uniformly compressed. This step can reduce the amount of granulated powder remaining after crushing.
  • the belt-like portion of the molding 20 so as to be perpendicular to the plane formed by the cylinders of the disk-shaped rubber molds 16 and 17 .
  • the disk-shaped rubber molds 16 and 17 have a Shore hardness Hs of 30 or more and 50 or less.
  • the roundness C at this time may be measured to adjust the curved surfaces formed by the upper mold 1 and the lower mold 2 during press molding.
  • a degreasing process is performed to degreas the molded body after press molding (including the process of removing the belt-shaped portion and the process of isotropic pressure molding).
  • the degreasing step is a step of heating to a temperature higher than the decomposition temperature of organic components such as binders to remove the organic components.
  • the degreasing step may be performed in a nitrogen atmosphere or an air atmosphere.
  • a degreased body can be obtained by the degreasing step.
  • a sintering process is performed to sinter the degreased body.
  • the sintering process is preferably carried out at 1700° C. or higher and 2000° C. or lower.
  • the sintering step is preferably performed in a nitrogen atmosphere.
  • the pressure during sintering is in the range of atmospheric pressure to 300 MPa.
  • the sintered body obtained by the sintering process may be subjected to HIP (hot isostatic pressing) treatment. Through this process, the ceramic ball material 7 with little density unevenness can be obtained.
  • the ceramic ball material 7 thus obtained is a ceramic sintered body having a theoretical density of 98% or more.
  • a ceramic ball can be manufactured by polishing the ceramic ball material 7 .
  • a typical example of ball polishing is surface plate processing.
  • the ceramic ball material 7 is inserted between surface plates provided in parallel vertically.
  • a method of processing the ceramic ball material 7 into a true sphere by the motion of a polishing platen As a polishing method, fixed abrasive grains of diamond may be used to improve the processing accuracy of the polished surface.
  • a ceramic ball obtained by polishing the ceramic ball material 7 is used for a bearing, it is called a bearing ball here.
  • the surface roughness of the bearing balls is specified in ASFM F2094.
  • Bearing balls are graded according to ASTM F2094, depending on the application. It is polished to an arithmetic surface roughness Ra according to its grade. As the grade increases, some are subjected to mirror finishing with an arithmetic surface roughness Ra of 0.01 ⁇ m or less.
  • the curved surface formed by the spherical portion 6 and the strip portion 5 has a roundness C measured in the first measurement direction 8 of more than 0% and 2.5% or less. It has a range of features. Therefore, the contact with the whetstone such as the polishing surface plate can be a surface contact. As a result, damage to the ceramic ball material 7 during the polishing process can be suppressed. Also, the durability of the polishing surface plate in polishing can be improved. Therefore, providing a ceramic ball as a material for bearing balls with a small cutting allowance can be expected to have the effect of reducing the time and cost required for polishing, as well as the amount of polishing material and the amount of polishing.
  • ceramic balls with improved (smaller) sphericity are particularly suitable for bearing applications that are subjected to polishing.
  • other materials such as SUS may be used for the races of the inner and outer rings, or the outer and inner rings as described above may be made of ceramics.
  • an all-ceramic bearing in which the entire wear-resistant member used for the bearing is made of ceramics, or a bearing in which only the bearing balls are made of ceramics may be used.
  • the races such as the inner ring portion and the outer ring portion may not be made of the same main raw material as the bearing ball, and may be made of the same main raw material. It may be adapted to bearings that do not use grease.
  • Example 3 (Examples 1 to 8, Comparative Examples 1 to 3) A sintering aid, an additive, a solvent, a binder, and the like were added to ceramic powder as a raw material, mixed and pulverized, and granulated with a spray dryer.
  • Examples 1 to 3 and 6 to 8 are silicon nitride sintered bodies
  • Example 4 is aluminum oxide sintered bodies
  • Example 5 is zirconium oxide sintered bodies.
  • the silicon nitride sintered body contains 85% by mass or more of silicon nitride.
  • the aluminum oxide sintered body contains 85% by mass or more of aluminum oxide.
  • the zirconium oxide sintered body contains 85% by mass or more of zirconium oxide.
  • the amount of the binder added is 3 parts by mass or more and 20 parts by mass or less.
  • press molding was performed using the granulated powder.
  • Press molding is die molding using upper and lower dies.
  • isotropic pressure molding was performed.
  • a disk-shaped rubber mold having a Shore hardness Hs of 30 or more and 50 or less was used for the isostatic pressing (shown in FIG. 12).
  • the disk-shaped rubber molds 16 and 17 were formed with hemispherical holes 1% or more and 35% or less larger than the diameter L1 of the molded body 20 on both sides.
  • the belt-like portion of the molding 20 (corresponding to the belt-like portion 5 of the ceramic ball material 7) was arranged perpendicular to the cylindrical direction of the rubber mold. In this state, the isostatic molding process applied a hydrostatic pressure higher than the pressure during molding.
  • the sintering process was performed at 1700° C. or higher and 1900° C. or lower in a nitrogen atmosphere at atmospheric pressure.
  • HIP treatment was performed at 1600° C. or higher and 1900° C. or lower in a nitrogen atmosphere at a pressure of 150 MPa or higher and 300 MPa or lower.
  • the amount of the binder added was 3 parts by mass when the total of the main component and the sintering aid was 100 parts by mass. Also, no isotropic pressure molding was performed after the molding process.
  • Example 1 is a ceramic ball material for a ceramic ball that becomes 1/4 inch (6.35 mm) after polishing. Also, Example 2 and Comparative Example 1 are ceramic ball materials for 5/16 inch (7.9375 mm) ceramic balls. Examples 3 and 7 are materials for ceramic balls of 1 inch (25.4 mm). Examples 4 and 8 and Comparative Example 2 are ceramic ball materials for 5/8 inch (15.875 mm) ceramic balls. Example 5 and Comparative Example 3 are ceramic ball materials for 3/4 inch (19.05 mm) ceramic balls. Example 6 is a ceramic ball material for a 1-3/8 (11/8) inch (34.925 mm) ceramic ball. Both can be used as bearing balls.
  • Polishing efficiency was evaluated using the ceramic ball materials of Examples and Comparative Examples.
  • the number of batches according to the size of the ceramic ball material was taken as one batch, and the number of batches the surface plate grindstone could withstand was examined. rice field. Polishing was performed so that the surface roughness Ra of the ceramic ball was 0.01 ⁇ m or less.
  • the ratio of occurrence of defects such as chipping of the ceramic ball material during the polishing process (referred to as "material chipping defect rate" in Table 2) was examined.
  • the average value of 10 arbitrary diameter variations which is the deviation of the diameter of the ceramic ball after polishing, was investigated. The difference in diameter was defined as the difference between the minimum diameter and the maximum diameter when measuring the circumference of the spherical surface. Table 2 shows the results. [Table 2]
  • the ceramic ball material according to the example when the ceramic ball material according to the example was polished to obtain a ceramic ball, the durability of the grindstone was improved. In addition, the failure rate of the ceramic ball material was reduced. Furthermore, deviation from the target diameter after polishing was reduced. Therefore, it can be seen that the ceramic ball material according to the embodiment has good polishing efficiency.

Abstract

実施形態にかかるセラミックボール用素材は、球面部と、帯状に形成された帯状部とを有する。当該セラミックボール用素材は、帯状部の高さ方向から観察した場合の真円度をＣとしたとき、真円度Ｃが０％を超えて２．５％以下の範囲に入ることを特徴とする。このセラミックボール用素材は研磨加工したとき、砥石の耐久性を向上させることができる。また、セラミックは酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、酸化ジルコニウムのいずれか１種以上を適用することができる。

Description

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
　後述する実施形態は、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に関する。
　種々のセラミック材料は高硬度、絶縁性、耐摩耗性などの特性を有し、特に純度を高め粒子径を均一化させたファインセラミックスは、コンデンサ、アクチュエータ材料、耐火材など様々な分野に用いられる特性を発現させる。その中で、耐摩耗性、絶縁性を生かした製品としてベアリングボール用途があり、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム、炭化ケイ素、サイアロンなどの材料が用いられている。例えば、特開平６－４８８１３号公報（特許文献１）、特許第２７６４５８９号公報（特許文献２）において窒化ケイ素材料、特開昭６０－１８６２０号公報（特許文献３）において酸化ジルコニウム材料を用いたベアリングボールが開示されている。また、前述のようなセラミックボールは特許第５３３４０４０号公報（特許文献５）に記載のような定盤加工などを用いて、ベアリング用途などといった各用途に適した研磨加工が施されることがある。
　これらのベアリングボール用材料を製造するプロセスにおいては、成形体を焼結する方法が用いられている。また、成型方法は金型を用いたプレス成型が用いられている。プレス成型は、一般的に図１に示されるように、上部金型１と下部金型２の間に粉体を挿入し、圧力をかける方法である。プレス成型時に、金型を保護するために上部金型１の先端部分３と下部金型２の先端部分４の間に隙間を設けてプレス成形しなければならない。このため、プレス成型により生成された成形体には球面部と帯状部が形成されていた。例えば、特許第４７６１６１３号公報（特許文献４）には、球面部と帯状部を有するベアリングボール用素材が開示されている。図２に特許文献４に記載のセラミックボール用素材を示した。図２中、５はセラミックボール用素材、６は球面部、７は帯状部、である。
特開平６－４８８１３号公報 特許第２７６４５８９号公報 特開昭６０－１８６２０号公報 特許第４７６１６１３号公報 特許第５３３４０４０号公報
　球面部６と帯状部５とを有するセラミックボール用素材を研磨加工することによりセラミックボールになる。研磨加工を施されたセラミックボールは特にベアリングボールとしての用途に好適である。球面部６と帯状部５とを有するセラミックボール用素材７を素球と呼ぶこともある。例えば、ベアリングボールは表面粗さＲａが０．１μｍ以下の鏡面加工が行われる。鏡面加工には定盤加工が用いられている。
　セラミック材料は耐摩耗性に優れるが、脆性材料でありさらに高い硬度を有することから、金属と比較して加工に必要な工程が多くなる。特に真球度を必要な値まで高める初期工程は、加工代が多いため全工程の大半を占める加工時間となることが多い。加工前の真球度（真円度）が大きいものほどこの加工時間が延びるため、加工前のセラミックボール用素材の真球度をなるべく小さな値にすることが必要である。
　本発明はこのような課題を解決するものであり、研磨加工の際、特に定盤加工のセラミック材料の加工時間を短縮できる真球度の高いセラミックボール用素材を提供する。
　実施形態にかかるセラミックボール用素材は、球面部と、帯状に形成された帯状部とを有する。帯状部の高さ方向から観察した場合の真円度をＣとしたとき、真円度Ｃが０％を超えて２．５％以下の範囲に入ることを特徴とするものである。
金型プレス成型の一例を示す図。 従来のセラミックボール用素材の一例を示す図。 実施形態にかかるセラミックボール用素材において、測定方向（第１の測定方向）を模式的に示す図。 実施形態にかかるセラミックボール用素材を第１の測定方向から観察して得られた像を模式的に示す図。 実施形態にかかるセラミックボール用素材において、測定方向（第２の測定方向）を模式的に示す図。 実施形態にかかるセラミックボール用素材を第２の測定方向から観察して得られた像を模式的に示す図。 実施形態にかかるセラミックボール用素材の帯状部の幅を例示した図。 実施形態にかかるセラミックボール用素材の帯状部の高さを例示した図。 図４に示す像と図６に示す像の位置関係を模式的に示した図。 実施形態にかかるセラミックボール用素材において、真円度Ｃの測定によって得られた半径の一例を示した図。 実施形態にかかるセラミックボール用素材において、真円度Ｃ´の測定によって得られた半径の一例を示した図。 ゴム型等方圧成型の一例を示した図。
実施形態
　実施形態にかかるセラミックボール用素材は、球面部と、帯状に形成された帯状部とを有する。当該セラミックボール用素材は、帯状部の高さ方向から観察した場合の真円度をＣとしたとき、真円度Ｃが０％を超えて２．５％以下の範囲に入ることを特徴とするものである。前記高さ方向とは、帯状部の幅方向に対して垂直となる方向である。
　また、帯状部は円周に渡って形成されていることが好ましい。円周のうち部分的に帯状部が存在していると、例えば定盤加工の際に部分的に応力の集中などが起こりやすく、ボール用素材に対して割れカケなどの発生する虞があるからである。
　また、より好ましくは真円度Ｃが０．０１％以上２％以下を満たす値となることである。真円度Ｃが２．５％以下、特に２％以下を満たす程度に小さいと、セラミックボール用素材の加工時に定盤との初期接触面積が均一になり、必要な加工量を低減することができる。したがって、加工性を考えた場合には、真円度Ｃは小さいほどよいものである。一方、真円度Ｃを０．０１％未満、特に０％とするためには帯状部が極端に小さく、かつ球面部の真円度も小さくする必要がある。帯状部を有した成形体の真円度を小さくするために、帯状部自体を小さくしすぎると上部金型と下部金型との境界部において造粒粉が十分に充填されない虞がある。そのため、歩留まりが悪化する虞がある。したがって、歩留まりを考えると０．０１％以上であることがより好ましい。また、真円度Ｃはセラミックボール用素材の半径の平均値ｒＡに対して０．０１％以上１．５％以下の値となることがさらに好ましい。
　図３に実施形態に係るセラミックボール用素材を示す。７はセラミックボール用素材、６が球面部、５が帯状部、である。セラミックボール用素材７は、球面部６と、帯状部５とを備える。図３に示すセラミックボール用素材７において、帯状部５の為す赤道面に対して水平な方向である第１の測定方向８、すなわち、“帯状部５の高さに沿う高さ方向から見るとき”の測定方向について矢印を用いて模式図中に示した。円周に渡って形成された帯状部５の赤道面に対して球面部６の上部球面部６１と下部球面部６２とが略対称となるように、帯状部５の存在する箇所がセラミックボール用素材７の赤道面を含む箇所であることが好ましい。また、帯状部５の形状が帯状部５の為す赤道面に対して略対称となることが好ましい。帯状部５の為す赤道面とは、帯状部５の幅の中心を通る面である。また、この第１の測定方向８から観察したときに見られる像を図４に示した。また、図４からわかるように、前記測定方向からの測定においては帯状部５と球面部６とが同時に観測されている。また、図４のように帯状部５がセラミックボール用素材７の赤道面を含む箇所に存在している場合、帯状部５の高さ方向から観測した帯状部５の存在箇所は半径が最大となる場合もある。
　図５に実施形態に係るセラミックボール用素材を示す。７はセラミックボール用素材、６が球面部、５が帯状部、である。図５に示すセラミックボール用素材７において、帯状部５の為す赤道面に対して垂直な方向である第２の測定方向９、すなわち、帯状部５の高さ１１（図８に図示）に直交する方向の模式図を示した。この第２の測定方向９から観察したときに見られる像の１例を図６に示した。
　また、図２は、図４と同様に、第１の測定方向８から観察した場合のセラミックボール用素材７を示す。図２に示すように、セラミックボール用素材７の帯状部５にかかる１または複数の直径をＲ１とし、球面部６にかかる１または複数の直径をＲ２とする。図２に示すセラミックボール用素材７において、一方の帯状部５の外周面上の点から、対向する帯状部５の外周面上の点のうち長さが最大となる点までを結ぶ線を直径Ｒ１とする。また、図２に示すセラミックボール用素材７において、球面部６の外周面上の点から、球面部６の外周面上の点のうち長さが最大となる点までを結ぶ線を直径Ｒ２とする。このように、図２に示すセラミックボール用素材７を、１２個の直径により等間隔に１２分割し、それぞれの直径を２で割った値を半径とする。また、得られた半径を分割箇所に応じてｒ１～ｒ１２とする。さらに、半径ｒ１～ｒ１２の平均値を平均径ｒＡとする。後述する真円度の評価の際に十分なサンプル数が得られればこの分割数は変更しても良い。ただし、最低でも等方的に１２分割以上は測定しデータの信頼性を高めることが望ましい。また、図２と図４において、１個の測定方向８から真円度を算出するものであってもよいが、複数の測定方向８から後述する半径を測定し、その最大値、最小値、平均値を算出することで真円度を算出してもよい。
　ここで、半径ｒ１～ｒ１２の測定は非接触式画像寸法測定器を用いるものとする。非接触式画像寸法測定器としては、ＫＥＹＥＮＣＥ社製のＩＭ－７０００またはこれと同等の性能を有するものを使用するものとする。
　また、測定倍率については特に限定するものではないが、セラミックボール用素材７が１視野の１／１０以上の面積を占めるようにし、かつセラミックボール用素材７の全体が１視野内に収まっているような条件にするものとする。セラミックボール用素材７の１視野に対して占める割合が１／１０未満であると、誤差などの影響を受けやすくなり正確性が低下する虞があるため好ましくない。一方、セラミックボール用素材７の全体が１視野内に収まっていない場合は中心が不明瞭になるなどにより、直径が求められない箇所が出てしまう虞があるため好ましくない。
　第１の測定方向８から観察した場合のセラミックボール用素材７の真円度（真円度Ｃ（５））は、対象の内接円と外接円の半径差を半径の平均値で割った値を用いて定義される。内接円の半径とは、第１の測定方向８から観察した場合に、得られる半径の最小値（ｒｍｉｎ）である。他方、外接円とは、第１の測定方向８から観察した場合に、得られる半径の最大値（ｒｍａｘ）である。したがってセラミックボール用素材７の真円度Ｃ（％）は、次の式（１）により求められる。
　真円度Ｃ（％）
　＝（ｒｍａｘ－ｒｍｉｎ）／ｒＡ×１００　…（１）
　例えば、第１の測定方向８から観察したセラミックボール用素材７を等方的に１２分割した場合には、外接円と内接円の半径の差は半径ｒ１～ｒ１２（図１０に示す１２個の半径）の最大値（ｒｍａｘ）と最小値（ｒｍｉｎ）の差である。したがって外接円の半径とは、ｒ１～ｒ１２の中の最大値（ｒｍａｘ）である。また、内接円の半径とはｒ１～ｒ１２の中の最小値（ｒｍｉｎ）である。また、半径の平均値（ｒＡ）はｒ１～ｒ１２の平均値である。また、式（１）から分かるように、真円度Ｃは数値が小さいほど真円に近いことを示している。
　この時に測定によって得られた半径の一例を図１０にセラミックボール用素材真円度測定時の測定によって得られた半径ｒ１～ｒ１２を半径１４で示した。
　セラミックボール用素材７は、球面部６と帯状部５とを有している。帯状部５は球面部６表面の円周に渡って帯状に形成されている。この帯状部５は部分的に凹部を有していてもよい。また、球面部６は、球面であれば良い。そのため、球面部６の形状としては、真円形状や楕円形状が挙げられる。球面部６の円周上に帯状部５が設けられている。
　上記式（１）により求められる真円度Ｃは０％を超えて２．５％以下を満たす値であることが好ましい。またより好ましくは真円度Ｃが０．０１％以上２％以下を満たす値となることである。真円度Ｃの値とは、半径ｒ１～ｒ１２（図１０に示す１２個の半径）の最大値（ｒｍａｘ）と最小値（ｒｍｉｎ）の差を求め、求めた半径の差を半径の平均値（ｒＡ）で割った値に１００をかけパーセント（％）に変換したものを示す。真円度Ｃが２．５％以下特に２％以下を満たす程度に小さいと、セラミックボール用素材７の加工時に定盤との初期接触面積が均一になり、必要な加工量を低減することができる。したがって、加工性を考えた場合には、真円度Ｃは小さいほどよいものである。一方、真円度Ｃを０．０１％未満、特に０％とするためには帯状部５が極端に小さく、かつ球面部６の真円度も小さくする必要がある。帯状部５を備えるセラミックボール用素材７の基となる成形体の真円度を小さくするために、帯状部５自体を小さくしすぎると成形体を成形する上部金型１と下部金型２（図１に図示）との境界部において造粒粉が十分に充填されない虞がある。そのため、歩留まりが悪化する虞がある。したがって、歩留まりを考えると真円度Ｃが０．０１％以上であることがより好ましい。
　また、上記式（１）により求められる真円度Ｃは０．０１％以上１．５％以下の値となることがさらに好ましい。真円度Ｃとは、ｒ１～ｒ１２（図１０に示す１２個の半径）の最大値（ｒｍａｘ）と最小値（ｒｍｉｎ）の差を求め、求めた半径の差を半径の平均値（ｒＡ）で割った値に１００をかけパーセント（％）に変換したものを示す。真円度Ｃをこの範囲にすることにより、さらに研磨加工を行う際、研磨加工が定盤を用いた加工であった場合、定盤との初期接触面積を均一にする効果を上げることができる。さらに、セラミックボール用素材７の表面に生じるカケ、クラック、色ムラなどの欠陥がベアリング表面に発生する割合を抑制することが出来る。
　また、第１の測定方向８から観察した場合の球面部６（帯状部を除いた箇所）の真円度（真円度Ｃ´）は０％以上１．５％以下の値となることが好ましい。球面部６の真円度Ｃ´とは、ｒ´１～ｒ´１２（図１１に示す１２個の半径）の最大値（ｒ´ｍａｘ）と最小値（ｒ´ｍｉｎ）の差を求め、求めた半径の差を半径の平均値（ｒ´Ａ）で割った値に１００をかけパーセント（％）に変換したものを示す。また、この帯状部５の測定値を除いた球面部６のみを測定箇所は最初の測定時の値を用いずに、球面部６のみの箇所を１２分割し、図１０とは別に測定するものとする。この時、帯状部５の測定値を除いた半径の平均値を平均径ｒＡ´とする。この時、球面部６の真円度Ｃ´が０とは装置の分解能以下の値の差であることを示す。
　この時に測定によって得られた半径の一例を図１１に球面部６のみの測定によって得られた半径ｒ´１～ｒ´１２を半径１５で示した。
　また、球面部６の真円度Ｃ´は０％以上１．３％以下の値となることがさらに好ましい。ただし、帯状部５の測定値を除いた半径の平均値を平均径ｒＡ´とする。球面部６の真円度Ｃ´は、次の式（２）により求められる。
　真円度Ｃ´（％）
　＝（ｒ´ｍａｘ－ｒ´ｍｉｎ）／ｒＡ´×１００　…（２）
　また、帯状部の高さ方向の直交方向からの測定方向を第２の測定方向とする。この第２の測定方向は図５に９として示した。第２の測定方向９から投影した模式図である図６に対し図４と１２カ所の直径を得て同様の手順を踏んで半径を求め、半径の最大値（ｒ´´ｍａｘ）、最小値（ｒ´´ｍｉｎ）、平均値（ｒＡ´´）を導くことで真円度真円度Ｃ´´（％）を求める。その場合のセラミックボール用素材７平均径をｒＡ´´、真円度Ｃ´´と定義する。セラミックボール用素材７の真円度Ｃ´´は、次の式（３）により求められる。
　真円度Ｃ´´（％）
　＝（ｒ´´ｍａｘ－ｒ´´ｍｉｎ）／ｒＡ´´×１００　…（３）
　真円度Ｃ´´は０％以上１．５％以下の値となることが好ましい。真円度Ｃ´´は０．０１％以上１．０％以下の値となることが好ましい。また真円度Ｃ´´とは、ｒ´´１～ｒ´´１２（図示省略する１２個の半径）の最大値（ｒ´´ｍａｘ）と最小値（ｒ´´ｍｉｎ）の差を求め、求めた半径の差を半径の平均値（ｒ´´Ａ）で割った値に１００をかけパーセント（％）に変換したものを示す。真円度Ｃ´´がこの範囲内であるとセラミックボール用素材７の加工時に定盤との初期接触面積が均一になり、必要な加工量を低減することができる。また、真円度Ｃ´´がこの範囲に入らない場合、それ以外の測定面での真円度も大きくなり、必要な加工量が増大する可能性がある。
　また、図３に示す第１の測定方向８から投影された平面は第１の測定方向８から測定した際の測定面１２である。第１の測定方向８から測定した際の測定面１２を平面１２と呼ぶこともある。
　また、図５に示す第２の測定方向９から投影された平面は第２の測定方向９から測定した際の測定面１３である。第２の測定方向９から測定した際の測定面１３を平面１３と呼ぶこともある。図９に示すように、平面１２と平面１３は略垂直に交わる。
　セラミックボール用素材７は、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化ジルコニウム、サイアロンのいずれか１種または２種以上を合計で８５質量％以上含有することが好ましい。セラミックボール用素材７は、セラミック焼結体からなっている。酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、酸化ジルコニウムのいずれか１種または２種以上を合計８５質量％以上含有するということは、セラミック焼結体中の含有量である。言い換えると、セラミック焼結体は、上記以外の物質を１５質量％以下含有していてもよい。
　ベアリングボール用素材として、酸化アルミニウム焼結体、窒化ケイ素焼結体、窒化ホウ素焼結体、酸化ジルコニウム焼結体、炭化ケイ素焼結体、サイアロン焼結体、アルジル（酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムとを混合により得られたもので、その含有量の合計値が８５質量％以上のもの）焼結体やサイアロン焼結体などが使われている。したがって、酸化アルミニウム焼結体、窒化ケイ素焼結体、窒化ホウ素焼結体、酸化ジルコニウム焼結体、炭化ケイ素焼結体のように、１種のみで含有量が８５質量％以上を占めていてもよいし、アルジル焼結体やサイアロン焼結体などのように2種以上の合計値としてその含有量が８５質量％以上を占めていてもよい。この中で窒化ケイ素焼結体からなるベアリングボール用素材が特に耐摩耗性に優れている。そのため、特に窒化ケイ素を８５質量％以上含有する焼結体であることが好ましい。
　酸化アルミニウム焼結体、酸化ジルコニウム焼結体はビッカース硬度が１２００以上１７００以下程度であるが、靭性値が３ＭＰａ・ｍ１／２以上６ＭＰａ・ｍ１／２以下程度である。
　一方、窒化ケイ素焼結体は、ビッカース硬度が１４００以上１８００以下程度であり、靭性値が５ＭＰａ・ｍ１／２以上１０ＭＰａ・ｍ１／２以下程度である。
　つまり、窒化ケイ素焼結体はセラミックスの中でも優れた靭性値とビッカース硬度を有している。これらの性質を有しているため、特に窒化ケイ素焼結体は耐摩耗性に優れる。
　窒化ケイ素焼結体は、β型窒化ケイ素結晶粒子が主体となった組織である。β型窒化ケイ素結晶粒子は細長い形状を有している。この細長い結晶粒子が複雑に絡み合っているため、窒化ケイ素焼結体は高い靭性値を有している。
　窒化ケイ素焼結体は高い機械的強度を有している。そのため、研磨効率が非常に悪いという面もある。前述のように真円度を向上（すなわち、小さく）することにより、削り代を減少させることができる。削り代が減ることで窒化ケイ素焼結体のように強度の高いセラミック焼結体からなるセラミックボール用素材７であっても研磨効率を向上させることができるのである。
　次に、セラミックボール用素材７の製造方法について説明する。実施形態にかかるセラミックボール用素材７は上記構成を満たしていれば、特にその製造方法は限定されるものではないが、効率よく製造するための方法として次の製造方法が挙げられる。製造方法については、窒化ケイ素焼結体を例に挙げて説明する。
　まず、原料となる窒化ケイ素に適当量の焼結助剤、添加剤、溶媒及びバインダー等を加え混合、解砕し、スプレードライヤーにて造粒を行う。この工程により、原料粉末の造粒粉を調製した。また、窒化ケイ素粉末と焼結助剤粉末の合計を１００質量％としたとき、窒化ケイ素粉末を８５質量％以上にすることが好ましい。また、添加物は可塑剤である。
　溶媒は、水または有機溶媒またはその混合物である。有機溶媒としてはアルコール類、ケトン類、ベンゼン、エーテル類を含む化合物、などがある。このアルコール類とは、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、フェノール、などである。また、ケトン類はアセトン、ジエチルケトンなどがある。またエーテルはジエチルエーテル、ジメチルエーテルなどがある。また、有機溶媒は炭素の直鎖数が２５以下となるものであることが好ましい。直鎖数が２５を超えて大きいと、揮発しにくくなり、脱脂工程の際にその制御が難しくなる虞がある。また、バインダーは有機物である。窒化ケイ素粉末と焼結助剤粉末の合計を１００質量％としたとき、バインダーの添加量を、３質量％以上２０質量％以下とする。バインダー量の調整及び金型の形状を調整（球面部を非球面形状に）することの組み合わせにより、後述する工程で球面部６および帯状部５を含む面の真円度を小さくすることが出来る。
　次に、造粒粉を使ってプレス成型を行う。プレス成型は、上部金型１と下部金型２を用いた成型方法が挙げられる。上部金型１と下部金型２の内側の球面形状がセラミックボール用素材７の球面部６を決定する。この際、一軸加圧プレスによって成形された球はプレス垂直方向と鉛直方向、および上部金型１と下部金型２の近接距離に依存して球内部の成形密度バラつきが発生する。したがって特に金型プレス成型と、等方圧成型（ＣＩＰ処理など）と組み合わせた場合、金型成型時の真円度と等方圧成型後の真円度は異なった値を示す。そこで、後の工程において真円度を高められるように、金型のなす球面部の立体形状を真球からずらした非球面形状にした。これによって、より良い真円度を持つセラミックボール用素材７を成形することができるため、上記式（１）から求められる真円度Ｃを平均径ｒＡの０％を超えて２．５％以下の範囲に収めることが可能となる。
　プレス成型により得られた成形体は、球面部６に対応する球面部と帯状部５に対応する帯状部とを有する成形体となる。
　得られた成形体の帯状部に対して、除去工程を施しても良い。この除去工程に用いるものは帯状部を除去できればどのようなものであってもよい。帯状部の除去に用いるものは例えば、サンドペーパ・エメリーペーパ・アブレーシブペーパ等のやすりなどがあげられる。
　この帯状部の除去はプレス成型後かつＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing）前に行うことが好ましい。帯状部の除去のしやすさを考えると、焼結前に行うことが好ましく、脱脂前に行うことがより好ましく、冷間等方圧成型（ＣＩＰ）前に行うことがさらに好ましい。
　この帯状部の除去工程は、圧力をかけすぎないことが好ましい。
　過剰な圧力によりカケやクラックの発生が誘発されるため、加える圧力を制御する必要がある。また、この帯状部の除去工程を行っても、帯状部を有していた筋状の痕跡を有しているため、帯状部を有していた物であると判断できる。そのため帯状部除去工程を有する場合も帯状部を有するものと定義する。
　また、プレス成型後（帯状部の除去工程などを経たものも含む）の成形体に等方圧成型を行うことが好ましい。等方圧成型を行うことにより、成形体中の造粒粉に均一に圧縮を掛けることができる。これにより、成形体中でつぶれ残った造粒粉を低減することができる。つぶれ残った造粒粉を低減することにより、焼結工程での収縮割合を制御することができる。
　等方圧成型の一例としてゴム型を用いた等方圧成型方法を説明する。図１２に円盤状のゴム型の一例を示した。図中、１６および１７は円盤状ゴム型、１８は空間である。
　円盤状ゴム型１６，１７は成形体の直径よりも１％以上３５％以下程度大きな半球状の穴を両面に敷設している。その穴に成形体２０を設置して円盤状ゴム型１６，１７を重ねることで、成形体２０を円盤状ゴム型１６、１７に囲まれた空間１８を密閉する。その円盤状ゴム型１６，１７に、成形時の圧力よりも高い静水圧をかけるものとする。これにより、成形体２０に対して均一に圧縮をかけることができる。この工程により造粒粉のつぶれ残りを低減することができる。また、円盤状ゴム型１６，１７の円筒のなす平面に対し、成形体２０の帯状部が垂直になるように配置することが好ましい。また、円盤状ゴム型１６，１７はショア硬さＨｓが３０以上５０以下のものを用いることが好ましい。円盤状ゴム型１６，１７の硬度をこの範囲内にすることにより、成形体２０表面と円盤状ゴム型１６，１７を均一に接触できる変形能を具備することができる。また、円盤状ゴム型１６，１７の耐久性も良好である。
　この工程において得られる成形体は等方的に圧力を掛けられるため、焼結後のセラミックボール用素材７と相似な形状を得ることが出来る。この時の真円度Ｃを測定し、プレス成型時の上部金型１と下部金型２のなす曲面を調整しても良い。
　次に、プレス成型後（帯状部の除去工程及び等方圧成型工程などを経たものも含む）の成形体を脱脂する脱脂工程を行う。脱脂工程は、バインダー等の有機成分の分解温度以上で加熱し、有機成分を飛ばす工程である。脱脂工程は、窒素雰囲気、大気雰囲気中で行ってもよい。脱脂工程により脱脂体を得ることができる。
　次に脱脂体を焼結する焼結工程を行う。焼結工程は、１７００℃以上２０００℃以下が好ましい。また、焼結工程は窒素雰囲気中で行うことが好ましい。また、焼結時の圧力は大気圧以上３００ＭＰａ以下の範囲内で行うことが好ましい。なお、大気圧は０．１０１３３ＭＰａ（＝１ａｔｍ）である。また、焼結工程により得られた焼結体に対し、ＨＩＰ（熱間静水圧プレス）処理を行ってもよいものとする。この工程により、密度ムラの少ないセラミックボール用素材７を得ることができる。また、このようにして得られたセラミックボール用素材７は、理論密度９８％以上のセラミック焼結体である。なお、球面部６と帯状部５の調整、つまり、真円度Ｃの調整には、出来上がったセラミックボール用素材７を研磨する方法もある。しかしながら、この方法では研磨工程が増えるため望ましい方法とは言えない。上記のような製造方法が望ましい。
　セラミックボール用素材７を研磨加工することによりセラミックボールを製造することができる。球の研磨加工は、代表的なものとして定盤加工が挙げられる。
　研磨加工は例えば、まずセラミックボール用素材７を、上下に平行に設けられた定盤間に挿入する。次に研磨定盤の運動により、セラミックボール用素材７を真球状に加工する方法が挙げられる。研磨加工方法としてダイヤモンドの固定砥粒を用いて研磨面の加工精度を上げてもよい。また、セラミックボール用素材７を研磨加工して得られたセラミックボールをベアリング用途に用いる場合には、ベアリングボールとここでは呼ぶものとする。
　ベアリングボールの表面粗さはＡＳＦＭ　Ｆ２０９４に定められている。ベアリングボールは、用途に応じてＡＳＴＭ　Ｆ２０９４に準じたグレード採用される。そのグレードに準じた算術表面粗さＲａに研磨される。グレードが上がると算術表面粗さＲａが０．０１μｍ以下の鏡面加工が施されるものもある。
　実施形態に係るセラミックボール用素材７は球面部６と帯状部５とがなす曲面について、第１の測定方向８で測定される真円度Ｃが、０％を超えて２．５％以下の範囲に入る特徴を有している。そのため、研磨定盤などの砥石への接触を面接触にすることができる。これにより、研磨工程でのセラミックボール用素材７が破損することを抑制することができる。また、研磨加工における研磨定盤の耐久性も向上させることができる。したがって、削り代が少ないベアリングボール用素材として、セラミックボールを提供することは研磨加工にかかる時間やコスト、研磨材料および研磨量を減少させる効果が期待できる。
　また、前述のように真球度の向上した（小さい）セラミックボールは特に研磨加工の施されるベアリング用途などに好適である。ベアリング用途に用いられるものとしては、ＳＵＳなどの別の素材のものを内輪や外輪などのレースに使用したものであってもよいし、前述のような外輪部や内輪部もセラミックスでできたものであってもよい。したがって、ベアリングに用いられる耐摩耗性部材全体がセラミックスでできたオールセラミックスベアリングであってもよいし、ベアリングボールのみがセラミックス製のベアリングであってもよい。また、オールセラミックスベアリングの用途に使う際には、内輪部や外輪部といったレースがベアリングボールと同じ主原料でなくてもよく、同じ主原料であってもよい。グリースを用いないベアリングに適応してもよい。
　（実施例）
　（実施例１～８、比較例１～３）
　原料となるセラミック粉末に焼結助剤、添加剤、溶剤及びバインダー等を加え混合、解砕し、スプレードライヤーにて造粒を行った。実施例１～３および６～８は窒化ケイ素焼結体、実施例４は酸化アルミニウム焼結体、実施例５は酸化ジルコニウム焼結体である。窒化ケイ素焼結体は窒化ケイ素を８５質量％以上含有したものである。酸化アルミニウム焼結体は酸化アルミニウムを８５質量％以上含有したものである。酸化ジルコニウム焼結体は酸化ジルコニウムを８５質量％以上含有したものである。それぞれ主成分と焼結助剤の合計を１００質量部としたとき、バインダーの添加量を３質量部以上２０質量部以下とした。
　次に造粒粉を用いてプレス成型を行った。プレス成型は上下の金型を使った金型成形である。金型成形後に、等方圧成型を行った。等方圧成型はショア硬さＨｓ３０以上５０以下の円盤状ゴム型を用いた（図１２に図示）。また、等方圧成型は、円盤状ゴム型１６および１７は成形体２０の直径Ｌ１に対し１％以上３５％以下大きな半球状の穴を両面に設けたものとした。また、ゴム型の円筒方向に対し、成形体２０の帯状部（セラミックボール用素材７の帯状部５に対応）が垂直になるように配置した。この状態で等方圧成型工程は、成形時の圧力よりも高い静水圧を掛けた。
　次に焼結工程を行った。焼結工程は、１７００℃以上１９００℃以下、窒素雰囲気中、大気圧で行った。その後、１６００℃以上１９００℃以下、窒素雰囲気中、圧力１５０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下でＨＩＰ処理を行った。
　この工程により、実施例に係るセラミックボール用素材を作製した。また、比較例は主成分と焼結助剤の合計を１００質量部としたとき、バインダーの添加量を３質量部とした。また、成型工程後の等方圧成型は行わなかった。
　実施例および比較例に係るセラミックボール用素材の形状を測定した。それぞれのサンプルは、帯状部において幅０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下、高さ０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下を有している。帯状部の幅は図７において１０で模式的に示す。また帯状部の高さは図８において１１で模式的に示す。それぞれの測定方法は前述した通りである。その結果を表１に示す。
　［表１］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　実施例１は、研磨加工後に１／４インチ（６．３５ｍｍ）となるセラミックボールのためのセラミックボール用素材である。また、実施例２と比較例１は５／１６インチ（７．９３７５ｍｍ）のセラミックボールのためのセラミックボール用素材である。また実施例３、７は１インチ（２５．４ｍｍ）のセラミックボールのためのセラミックボール用素材である。また実施例４、８と比較例２は５／８インチ（１５．８７５ｍｍ）のセラミックボールのためのセラミックボール用素材である。また実施例５と比較例３は３／４インチ（１９．０５ｍｍ）のセラミックボールのためのセラミックボール用素材である。また実施例６は１－３／８（１１／８）インチ（３４．９２５ｍｍ）のセラミックボールのためのセラミックボール用素材である。いずれもベアリングボールとして使用できるものである。
　また、比較例１、２、３は上記式（１）から求められる真円度Ｃが２．５を超え、上記式（２）から求められる真円度Ｃ´が１．５％を超えるものである。また比較例３は上記式（３）から求められる真円度Ｃ´´が１．５％を超えないものの１．０を超えるものである。
　実施例及び比較例のセラミックボール用素材を用いて、研磨効率について評価した。評価は、各セラミックボール用素材を番数＃１８０の定盤砥石を用いて加工する際、セラミックボール用素材のサイズに則った個数を１バッチとし、定盤砥石が何バッチに耐えうるかを調べた。研磨加工はセラミックボールの表面粗さＲａが０．０１μｍ以下になるように研磨した。また、上記研磨加工時にセラミックボール用素材が欠けるといった不良の発生する割合（表２中では「素材カケ不良率」と記載）を調べた。また、目的とする研磨加工後のセラミックボールの直径のずれである任意の１０個の直径不同の平均値を調べた。直径不同は球面全周を測定した時の最小直径と最大直径の差とした。その結果を表２に示す。
　［表２］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　表２から分かる通り、実施例に係るセラミックボール用素材を研磨加工しセラミックボールを得た場合は砥石の耐久性が向上した。また、セラミックボール用素材の不良の発生率が低下した。さらに目的とする研磨加工後の直径からのずれも低減できた。このため、実施形態に係るセラミックボール用素材は研磨効率が良いことが分かる。
　以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態はその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
１…上部金型
２…下部金型
３…上部金型の先端部分
４…下部金型の先端部分
５…帯状部
６…球面部
６１…上部球面部
６２…下部球面部
７…セラミックボール用素材
８…第１の測定方向
９…第２の測定方向
１０…帯状部の幅
１１…帯状部の高さ
１２…第１の測定方向から測定した際の測定面
１３…第２の測定方向から測定した際の測定面
１４…セラミックボール用素材の真円度測定時の測定によって得られた半径
１５…球状部のみの測定によって得られた半径
１６…円盤状ゴム型
１７…円盤状ゴム型
１８…ゴム型の内面形状の空間部分
２０…成形体

Claims (9)

  1. 　球面部と、
    　帯状に形成された帯状部と、
    　を有したセラミックボール用素材であって、
    　前記帯状部の高さ方向から観察した場合の真円度をＣとしたとき、
    　真円度Ｃが０％を超えて２．５％以下の範囲に入ることを特徴とするセラミックボール用素材。
  2. 　前記帯状部の高さ方向から観察した場合の前記球面部の真円度をＣ´としたとき、
    　真円度Ｃ´が０％以上１．５％以下の範囲に入ることを特徴とする請求項１に記載のセラミックボール用素材。
  3. 　前記帯状部の高さ方向から観察した場合の前記球面部の真円度Ｃ´が０％以上１．３％以下の範囲に入ることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックボール用素材。
  4. 　前記帯状部の高さ方向の直交方向から観察した場合の真円度をＣ´´としたとき、
    　真円度Ｃ´´が０％以上１．５％以下の範囲に入ることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか1項に記載のセラミックボール用素材。
  5. 　酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、酸化ジルコニウム、炭化ケイ素、サイアロンのいずれか１種または２種以上を８５質量％以上含有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセラミックボール用素材。
  6. 　窒化ケイ素を８５質量％以上含む焼結体であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のセラミックボール用素材。
  7. 　請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の前記セラミックボール用素材を研磨加工することを特徴とするセラミックボールの製造方法。
  8. 　請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の前記セラミックボール用素材を研磨加工することにより得られたことを特徴とするセラミックボール。
  9. 　請求項８に記載の前記セラミックボールを用いたことを特徴とするベアリング。
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Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6018620A (ja) 1984-04-27 1985-01-30 Toray Ind Inc ベアリング用ボ−ル
JPH02214606A (ja) * 1989-02-15 1990-08-27 Toshiba Corp 球体の製造方法
JPH0648813A (ja) 1992-07-28 1994-02-22 Toshiba Corp セラミックス製転動体
JP2764589B2 (ja) 1988-11-21 1998-06-11 日本特殊陶業株式会社 ベアリング用窒化珪素基焼結体
JP2000337386A (ja) * 1999-05-31 2000-12-05 Kyocera Corp セラミックス製転動体用素材とその製造方法及びこれを用いた転動体
JP2001163673A (ja) * 1999-09-30 2001-06-19 Toshiba Corp セラミックスボール用素材及びセラミックスボールの製造方法
JP2003137640A (ja) * 2001-10-31 2003-05-14 Ngk Spark Plug Co Ltd セラミックボール素球及びその製造方法
JP2011093789A (ja) * 2009-09-30 2011-05-12 Hitachi Metals Ltd セラミックボール素球、セラミックボール素球成形用金型およびセラミックボール素球の製造方法
JP2013209283A (ja) * 2012-02-28 2013-10-10 Kyocera Corp セラミックボール素球
JP5334040B2 (ja) 2008-10-03 2013-11-06 Ｎｔｎ株式会社 球状体の研磨装置、球状体の研磨方法および球状部材の製造方法
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

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6018620A (ja) 1984-04-27 1985-01-30 Toray Ind Inc ベアリング用ボ−ル
JP2764589B2 (ja) 1988-11-21 1998-06-11 日本特殊陶業株式会社 ベアリング用窒化珪素基焼結体
JPH02214606A (ja) * 1989-02-15 1990-08-27 Toshiba Corp 球体の製造方法
JPH0648813A (ja) 1992-07-28 1994-02-22 Toshiba Corp セラミックス製転動体
JP2000337386A (ja) * 1999-05-31 2000-12-05 Kyocera Corp セラミックス製転動体用素材とその製造方法及びこれを用いた転動体
JP2001163673A (ja) * 1999-09-30 2001-06-19 Toshiba Corp セラミックスボール用素材及びセラミックスボールの製造方法
JP4761613B2 (ja) 1999-09-30 2011-08-31 株式会社東芝 セラミックスボールの製造方法
JP2003137640A (ja) * 2001-10-31 2003-05-14 Ngk Spark Plug Co Ltd セラミックボール素球及びその製造方法
JP5334040B2 (ja) 2008-10-03 2013-11-06 Ｎｔｎ株式会社 球状体の研磨装置、球状体の研磨方法および球状部材の製造方法
JP2011093789A (ja) * 2009-09-30 2011-05-12 Hitachi Metals Ltd セラミックボール素球、セラミックボール素球成形用金型およびセラミックボール素球の製造方法
JP2013209283A (ja) * 2012-02-28 2013-10-10 Kyocera Corp セラミックボール素球
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

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