WO2023234260A1 - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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WO2023234260A1
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ceramic
band
ball material
spherical
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開 船木
英樹 佐藤
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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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    • 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 below relate to ceramic ball materials, ceramic ball manufacturing methods, and ceramic balls.
  • Ceramic materials have properties such as high hardness, insulation, and wear resistance. In particular, fine ceramics with increased purity and uniform particle size are used in various fields such as capacitors, actuator materials, and fireproof materials. Express characteristics. Among the characteristics of ceramic materials, there are products for ball use that take advantage of the wear resistance and insulation properties. Products for ball applications include bearings, jigs, tools, gauges, solenoid valves, check valves, and various valves. Among these, ceramic materials such as aluminum oxide, silicon nitride, and zirconium oxide are used in products for bearing balls. For example, silicon nitride material was used in JP-A No. 6-48813 (Patent Document 1) and Patent No. 2764589 (Patent Document 2), and zirconium oxide material was used in JP-A-60-18620 (Patent Document 3). A bearing ball is disclosed.
  • a method of sintering a molded body is used.
  • press molding using a metal mold is used as a molding method for obtaining the molded body.
  • Press forming generally includes an upper punch 2, a lower punch 3, and a die 4, as shown in FIG. 1, and powder is inserted between the upper punch 2 and the lower punch 3 and pressure is applied. This is a method of multiplying.
  • a gap must be provided between the tip 2a of the upper punch 2 and the tip 3a of the lower punch 3 in order to protect the mold. Therefore, a spherical portion and a band-shaped portion are formed in the molded product obtained by press molding.
  • Patent Document 4 discloses a material for a bearing ball having a spherical part and a band-shaped part, which is obtained by sintering a molded body having a spherical part and a band-shaped part.
  • Figure 2 shows a conventional ceramic ball material.
  • 5 is a ceramic ball material
  • 6 is a spherical part
  • 7 is a band-shaped part.
  • a ceramic ball is obtained by polishing the ceramic ball material 5 having the spherical portion 6 and the band-shaped portion 7 after the sintering process, as shown in FIG.
  • the ceramic ball material 5 having the spherical portion 6 and the band-like portion 7 is sometimes called a raw ball.
  • the ceramic ball material 5 is polished by mirror polishing with an arithmetic mean roughness Ra of 0.1 ⁇ m or less. Surface plate processing is used for mirror finishing.
  • ceramic materials are manufactured by molding ceramic powder and sintering it by heat treatment. Ceramics undergo large shrinkage during sintering, but it is difficult to uniformly shape and sinter ceramic products under ideal conditions, resulting in microstructural unevenness within the ceramic due to uneven density and the creation of pores. It becomes easier to do.
  • the ceramic ball material 5 is formed into a non-spherical shape by powder press molding and then sintered, and then shaped into a true sphere, and its surface is mirror-finished. For this reason, if the inside of the ceramic ball material 5 has microstructural unevenness due to non-uniform molding by powder press molding, this may cause defects in the ceramic ball product.
  • the present invention solves these problems, and uses the ceramic ball material 5 that suppresses microstructural unevenness during sintering of the ceramic material to be powder press-molded, thereby producing a ceramic ball with a high processing yield for polishing. It provides:
  • the ceramic ball material according to the embodiment includes a spherical part and a band-shaped part formed around the circumference of the surface of the spherical part.
  • Rab/Rap which is the ratio of the arithmetic mean roughness Rab of the outer circumferential surface of the band-shaped portion to the arithmetic mean roughness Rap of the outer circumferential surface of the spherical portion, is 0.7 or more and 1.0 or less.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a general mold press molding device.
  • FIG. 1 is an external view showing an example of a ceramic ball material according to an embodiment.
  • FIG. 2 is an external view showing an example of a die of the mold press molding apparatus according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of cold isostatic press rubber mold molding according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a hole shape and a molded body formed in a cold isostatic press rubber mold.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a hole shape and a molded body formed in a cold isostatic press rubber mold according to an embodiment.
  • the ceramic ball material according to the embodiment includes a spherical part and a band-shaped part formed around the circumference of the surface of the spherical part.
  • Rab/Rap which is the ratio of the arithmetic mean roughness Rab of the outer circumferential surface of the band-shaped portion to the arithmetic mean roughness Rap of the outer circumferential surface of the spherical portion, is 0.7 or more and 1.0 or less.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the ceramic ball material according to the embodiment.
  • 5 is a ceramic ball material according to the embodiment
  • 6 is a spherical part
  • 7 is a band-shaped part.
  • 7C is a curve extending in the circumferential direction of the outer circumferential surface (outermost surface) formed by the band-shaped portion 7 and passing through the center of the width W of the outer circumferential surface.
  • 8 indicates two poles (8,8 ⁇ ).
  • the arithmetic mean roughness related to the outer circumferential surface of the band-shaped portion 7 is defined as Rab
  • the arithmetic mean roughness related to the outer circumferential surface of the spherical portion 6, for example, the pole 8, is defined as Rap.
  • the description will be made assuming that the arithmetic mean roughness of the outer peripheral surface of the spherical portion 6 is the arithmetic mean roughness of the pole 8.
  • W is the width of the strip portion 7.
  • the width W of the strip portion 7 is sometimes simply referred to as "width W.”
  • the height and width of the strip portion 7 relative to the spherical portion 6 are illustrated for convenience of explanation.
  • the ceramic ball material 5 has a spherical portion 6 and a band-shaped portion 7.
  • the strip portion 7 is formed over the circumference of the surface of the spherical portion 6.
  • the circumference of the surface of the spherical portion 6 may be any one of a plurality of circumferences of the surface of the spherical portion 6.
  • the surface of the spherical portion 6 may be a quadratic curved surface. Therefore, examples of the spherical portion 6 include a true sphere and an ellipsoid.
  • a band-shaped portion 7 is provided on the circumference of the spherical portion 6.
  • the width W of the band-shaped portion 7 is, for example, the largest width of the band-shaped portion 7, but may be the average value of a plurality of locations.
  • Rab/Rap which is the ratio of Rab and Rap
  • Rab/Rab is in the range of 0.70 or more and 1.03 or less. It is within.
  • Rap/Rab is within this range, microstructural unevenness of the spherical portion 6 and the strip portion 7 during sintering caused mainly by powder press molding can be suppressed. Further, by suppressing microstructural unevenness during sintering, defects caused by polishing can be reduced. Therefore, Rab/Rap is preferably 0.70 or more and 1.03 or less, more preferably 0.80 or more and 1.00 or less, and even more preferably 0.90 or more and 1.00 or less.
  • Rab/Rap is less than 1.00, the density of the strip portion 7 of the ceramic ball material 5 will be greater than that of the spherical portion 6, and the polishing process (for example, surface plate processing) of the strip portion 7 will be easy. It disappears.
  • Rab/Rap is less than 0.70, polishing of the band-shaped portion 7 will be considerably difficult, and the polishing time will be unnecessarily long (polishing efficiency will deteriorate).
  • Rab/Rap is less than 0.70, brittle fracture is likely to occur when the band portion 7 comes into contact with a grindstone for polishing during polishing. In particular, brittle fracture is likely to occur when the ceramic ball material 5 comes into contact with a surface plate during surface plate processing.
  • the arithmetic mean roughness Ra shall be measured using a surface roughness measuring machine.
  • the surface roughness measuring device shall be SURFCOM2000 manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd., and the evaluation and analysis software of the same device shall be used. Any measuring device may be used as long as it has a function equivalent to this.
  • the measurement distance of the arithmetic mean roughness Ra that is, the reference length U, is 10 to 25% of the diameter of the ceramic ball material 5, and the reference lengths U of the spherical portion 6 and the strip portion 7 are the same.
  • the measurement cutoff wavelength is 0.08 mm
  • the cutoff type is Gaussian
  • the slope correction is least squares linear correction
  • the ⁇ s cutoff ratio is 300
  • the ⁇ s cutoff wavelength is 0.2667 ⁇ m.
  • the measurement area of the arithmetic mean roughness Rap of the pole 8 has a length corresponding to the reference length U at a position centered on the pole 8 on the curve 6C. This is because even if the ceramic ball material 5 is a true sphere or an ellipsoid, similar values can be obtained no matter where the measurement is taken from any position or direction. If it is not possible to measure at pole 8 (or pole 8') due to the presence of defects, etc., measure at a position half the distance from curve 7C to pole 8 (45° position, that is, the center of ceramic ball material 5).
  • Vertex angle means the vertex angle of an isosceles triangle formed when a cone is cut by a plane passing through the axis of rotation.
  • the measurement area of the arithmetic mean roughness Rab on the outer circumferential surface of the strip portion 7 has a length corresponding to the reference length U at an arbitrary position on the curve 7C. Measure along curve 7C or perpendicular to curve 7C. In the latter case, the curve 7C should be located approximately at the center of the measurement area. Note that 10% of one end and 10% of the other end in the width direction of the outer circumferential surface of the band-shaped portion 7 are likely to be susceptible to defects such as chipping, which will affect the measured value, so it is preferable to exclude them from the measurement locations. .
  • the reference length U of the arithmetic mean roughness Ra does not need to be the entirety of the curves 6C and 7C on the outer peripheral surface, but may be a portion of the curves 6C and 7C (for example, about 1 mm to 20 mm).
  • the diameter of the spherical portion 6 of the ceramic ball material 5 is 0.5 mm or more. If the arbitrary diameter of the spherical part 6 is less than 0.5 mm, it becomes difficult to control the powder press mold for forming the band-shaped part 7. For this reason, the diameter of the spherical portion 6 is preferably 1 mm or more. Furthermore, it is preferably 2 mm or more.
  • the ceramic ball material 5 is made of any one of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon carbide (SiC), boron nitride (BN), zirconium oxide (ZrO 2 ), or It is preferable to contain 85% by mass or more of two or more types.
  • the ceramic ball material 5 is made of a ceramic sintered body. Containing 85% by mass or more of any one or more of aluminum oxide, silicon nitride, silicon carbide, boron nitride, and zirconium oxide is the content in the ceramic sintered body. In other words, the ceramic sintered body may contain 15% by mass or less of substances other than the above. Note that the ceramic ball material 5 preferably contains silicon nitride in an amount of 85% by mass or more.
  • aluminum oxide sintered bodies, silicon nitride sintered bodies, boron nitride sintered bodies, zirconium oxide sintered bodies, and aldyl sintered bodies are used as bearing balls.
  • the Algyl sintered body is a sintered body that is a mixture of aluminum oxide and zirconium oxide.
  • bearing balls made of sintered silicon nitride have the best wear resistance.
  • aluminum oxide, zirconium oxide, and algyl have a Vickers hardness of about 1200 to 1700, but a low fracture toughness value of about 3 to 6 MPa ⁇ m 1/2 .
  • the silicon nitride sintered body has a high Vickers hardness of 1400 to 1800 and a high fracture toughness value of 5 to 10 MPa ⁇ m 1/2 .
  • Silicon nitride sintered bodies have both high toughness and Vickers hardness, and have excellent wear resistance from this point of view.
  • the silicon nitride sintered body has a structure mainly composed of ⁇ -type silicon nitride crystal particles.
  • the ⁇ -type silicon nitride crystal particles have an elongated shape, and a high toughness value is achieved by intricately intertwining the elongated crystal particles.
  • the manufacturing method of the ceramic ball material 5 according to the embodiment is not particularly limited as long as it satisfies the above configuration, but the following manufacturing method can be cited as a method for efficiently manufacturing it.
  • a method for manufacturing the ceramic ball material 5 will be described using a silicon nitride sintered body as an example.
  • sintering aids e.g., sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium nitride powder, sodium nitride powder, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium sulfate, sodium
  • Ceramic granulation binders include PVA (polyvinyl alcohol) binders, but they tend to become hard when granulated because their glass transition temperature is a little high at 85°C. For this reason, it is difficult to adjust the granulated powder, which is soft and easily crushed, by lowering the outlet temperature of the spray dryer.
  • the amount of the binder added is within the range of 3 to 20 parts by mass when the total of the silicon nitride powder and the sintering aid powder is 100 parts by mass.
  • the granulated powder By making the granulated powder easier to crush, it becomes easier to crush the granulated powder in the vertical direction of the press than usual. When the granulated powder is easily crushed in the vertical direction, the surface near the extreme portion becomes dense and approaches the surface condition of a band-shaped portion. However, if the granulated powder is simply made easier to crush, the filling performance of the granulated powder into the inside of the press mold may be reduced, which may affect productivity. Therefore, it is necessary to make the granulated powder easier to crush without impairing the filling properties of the granulated powder. In addition to adjusting the binder type described above, there is a method of making the granulated powder more easily crushed by adjusting the average particle diameter.
  • Granulated powder normally obtained with a spray dryer has a generally normal distribution, and shows a distribution that accumulates around the average value. Small particles in this distribution dry quickly and are often hard. For this reason, it is also possible to remove the granulated powder with a small particle size by classification and make the entire granulated powder easier to crush.
  • press molding is performed using the adjusted granulated powder.
  • Examples of press molding include a molding method using an upper punch 2, a lower punch 3, and a die 4 of a mold press molding apparatus shown in FIG.
  • the spherical shape inside the punch becomes the spherical part 6 of the ceramic ball material 5.
  • the tip end 2a of the upper punch 2, the tip end 3a of the lower punch 3, and the planar shape of the inside of the die 4 become the band-shaped portion 7 of the ceramic ball material 5.
  • the inner side of the cross section of the die 4 is straight, it is preferable to have a slightly convex shape as shown in FIG.
  • the height H of the convex portion is preferably 0.01 mm or more and 0.10 mm or less.
  • This convex portion applies pressure to the strip 7 of the ceramic ball material 5 after the sintering process, making it possible to increase the sintered density of the strip 7 and reducing the arithmetic mean roughness.
  • the height of H is less than 0.01, the effect of applying pressure is small. If it is higher than 0.10 mm, the effect of applying pressure will be greater, but the load on the mold will increase and the life of the mold may be shortened.
  • the width W and height of the band 7 of the ceramic ball material 5 are adjusted. can do.
  • the diameter of the molded body 13 in the direction of the spherical portion 14 and the diameter in the direction of the band-shaped portion 15 can be adjusted.
  • the molded body 13 obtained by press molding has a spherical part 14 and a band-shaped part 15.
  • the spherical portion 14 and the strip portion 15 (shown in FIGS. 5 and 6) of the molded body 13 correspond to the spherical portion 6 and the strip portion 7 (shown in FIG. 2) of the ceramic ball material 5 described above, respectively.
  • isostatic pressure molding on the molded body after press molding.
  • the granulated powder in the compact can be compressed uniformly. This makes it possible to reduce the amount of granulated powder remaining after being crushed in the compact. By reducing the granulated powder remaining after crushing, the shrinkage rate in the sintering process can be controlled.
  • FIG. 4 shows an example of a disc-shaped rubber mold 9.
  • 5 is a side view of a state in which the upper rubber mold 10 and the lower rubber mold 11 are overlapped in FIG. 4.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example in which the molded body 13 is arranged in the spherical space 12 in the upper rubber mold 10 and the lower rubber mold 11.
  • the disk-shaped rubber mold 9 has hemispherical holes on both sides that are approximately 1% or more and 35% or less larger than the maximum diameter of the molded body.
  • the molded body 13 is sealed in the spherical space 12 surrounded by the rubber molds.
  • a hydrostatic pressure higher than the pressure during molding shall be applied to the rubber mold.
  • the molded body 13 is arranged so that the strip portion 15 is parallel to the contact surface between the upper rubber mold 10 and the lower rubber mold 11.
  • L1 is the length of the spherical part space 12 in the direction perpendicular to the contact surface
  • L2 is the diameter on the contact surface
  • the sintering density of the spherical part 6 can be lowered, and the arithmetic mean roughness of the spherical part 6 (for example, the arithmetic mean roughness of the poles 8 is Rap) becomes large. Note that the same effect can be obtained even if L1 ⁇ L2 and the strip portion 15 is made perpendicular to the contact surface between the upper rubber mold 10 and the lower rubber mold 11.
  • a degreasing step is performed to degrease the molded body 13.
  • the degreasing process is a process of heating at a temperature higher than the decomposition temperature of organic components such as binders to evaporate the organic components.
  • the degreasing step may be performed in a nitrogen atmosphere or an air atmosphere.
  • a defatted body can be obtained by the defatting step.
  • a sintering process is performed to sinter the degreased body.
  • the sintered body obtained by the sintering process may be subjected to HIP (hot isostatic pressing) treatment. Through this process, the ceramic ball material 5 can be obtained. Further, the ceramic ball material 5 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 5.
  • a typical example of ball polishing is surface plate processing.
  • the ceramic ball material 5 is inserted between surface plates provided vertically in parallel.
  • An example of this is polishing the ceramic ball material 5 into a perfect sphere by the movement of the polishing plate.
  • the surface roughness of bearing balls is defined in ASTM F2094. Bearing balls are graded according to ASTM F2094 depending on the application. It is polished to a surface roughness Ra according to that grade. As the grade increases, some are mirror-finished with a surface roughness Ra of 0.01 ⁇ m or less. Note that ASTM is a standard published by ASTM International. The former name of ASTM International was American Society for Testing and Materials (ASTM).
  • the ceramic ball material 5 according to the embodiment has Rab/Rap, which is the ratio of Rab to Rap, within the range of 0.7 or more and 1.0 or less, polishing of the pole 8 is started at the same level as or preferentially to the band-shaped part 7. do.
  • Rab/Rap which is the ratio of Rab to Rap
  • Rab/Rap which is the ratio of the pole 8 to the strip portion 7 is within the range of 0.7 or more and 1.0 or less.
  • unevenness in density and microstructure within the ceramic ball material is less likely to occur, and defects such as holes and abnormal structures can be prevented from occurring on the surface of the bearing ball after processing.
  • Example 1 to 9 Sintering aids, additives, solvents, binders, etc. were added to ceramic powder as a raw material, mixed, crushed, and granulated using a spray dryer.
  • Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 4 are silicon nitride sintered bodies.
  • Example 8 and Comparative Example 5 are aluminum oxide sintered bodies.
  • Example 9 and Comparative Example 6 are silicon carbide 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 silicon carbide sintered body contains silicon carbide in an amount of 85% by mass or more.
  • Paraffin wax and PVA were used as binders.
  • press molding was performed using the obtained granulated powder.
  • Press molding is mold forming using upper and lower molds of the mold press molding apparatus shown in FIG.
  • the press molds used were one with a straight shape without a convex part at the center of the die 4, and one with a convex part.
  • isostatic pressure molding was performed.
  • a disk-shaped rubber mold with Shore hardness Hs of 30 or more and 50 or less was used.
  • the molded body 13 has a lower rubber mold 11 in which a band 15 is arranged approximately perpendicular to the contact surface of the rubber molds 10 and 11 as shown in FIG. 5 ("vertical band" in Table 1), As shown in FIG. 6, the strip-shaped portion 15 was arranged approximately parallel to the contact surface ("horizontal strip” in Table 1). In this state, the isostatic pressure molding process applied a hydrostatic pressure higher than the pressure during molding.
  • the molded body 13 was subjected to a degreasing and sintering process.
  • the sintering process was performed at 1600 to 2000°C in a nitrogen atmosphere at atmospheric pressure.
  • HIP treatment was performed at 1,600 to 2,000° C. in a nitrogen atmosphere and at a pressure of 200 MPa.
  • a ceramic ball material according to the example was produced.
  • PVA was used as the binder
  • a straight press mold with no convex part at the center of the die was used, and the molded body 13 was formed into a band-shaped part in the lower rubber mold 11 as shown in FIG. 15 was placed substantially perpendicular to the contact surface of the rubber molds 10 and 11.
  • Table 1 shows the manufacturing conditions of Examples and Comparative Examples.
  • Examples 1 to 4, 8 to 9 and Comparative Examples 1 and 5 to 6 are ceramic ball materials for ceramic balls that become 3/8 inch (9.525 mm) after polishing. Further, Example 5 and Comparative Example 2 are ceramic ball materials for 7/8 inch (22.225 mm) ceramic balls. Example 6 and Comparative Example 3 are ceramic ball materials for 1-3/16 inch (30.165 mm) ceramic balls. Example 7 and Comparative Example 4 are ceramic ball materials for 1-7/8 inch (47.625 mm) ceramic balls. The ceramic ball materials 5 of Examples 1 to 9 and the ceramic ball materials of Comparative Examples 1 to 6 can both be used as bearing balls.
  • the arithmetic mean roughness of the ceramic ball materials 5 according to Examples 1 to 9 and the arithmetic mean roughness of the ceramic ball materials according to Comparative Examples 1 to 6 were measured.
  • the respective measurement methods are as described above.
  • Rab/Rap which is the ratio of the arithmetic mean roughness Rab of the strip portion to the arithmetic mean roughness Rap of the poles, is outside the range.
  • the polishing efficiency was evaluated using the ceramic ball materials 5 of Examples 1 to 9 and the ceramic ball materials of Comparative Examples 1 to 6.
  • the polishing conditions for processing each ceramic ball material using a ball processing and polishing machine were fixed, and the processing conditions of the band-shaped portions were investigated.
  • the processing conditions were such that the upper surface plate was not pressurized (no pressure was applied), the lower surface plate was rotated, and an abrasive using glycerin as a lubricant was supplied to the diamond for 24 hours.
  • the gap distance with the upper surface plate, the rotation speed of the lower rotation, the amount of ceramic ball material input, and the supply amount of abrasive were made under the same conditions.
  • the rate of occurrence of defects in which the ceramic ball material was chipped after the polishing process was investigated.
  • the defective rate was determined by visually inspecting the entire surface of 100 sampled pieces using an optical microscope, and the rate of occurrence of hole defects was expressed as the defective rate of hole defects [%].
  • the rate at which tissue abnormalities such as discoloration occurred was expressed as defective rate [%] of abnormal tissues. The results are shown in Table 2.
  • the ceramic ball materials 5 according to Examples 1 to 9 As can be seen from Table 2, in the ceramic ball materials 5 according to Examples 1 to 9, the defective rate [%] of hole defects and the defective rate [%] of abnormal structures were reduced. For this reason, the ceramic ball materials 5 according to Examples 1 to 9 that meet the conditions of the embodiment have better polishing workability (polishing It can be seen that the surface condition after polishing is good, although the efficiency (efficiency) is slightly decreased. Even if the polishing processability is slightly suppressed, it is preferable that the conditions of the embodiment are satisfied if priority is given to the surface condition after polishing.
  • the ceramic ball material 5 suppresses the microstructural unevenness during sintering of the ceramic material to be powder press-molded, thereby producing a ceramic material with a high yield for polishing.
  • the ball can be provided.

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Abstract

実施形態に係るセラミックスボール用素材は、球面部と、球面部の表面の円周に亘って形成された帯状部とを備える。帯状部の算術平均粗さＲａｂと球面部の極である算術平均粗さＲａｐの比であるＲａｂ／Ｒａｐが０．７以上１．０以下である。また、セラミックスは酸化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ほう素、酸化ジルコニウムのいずれか１種を適用することができる。セラミックスボール用素材は研磨加工することによりセラミックスボールが製造される。

Description

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
　後述する実施形態は、セラミックスボール用素材および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に関する。
　種々のセラミックス材料は高硬度、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。セラミックス材料の特性の中で、耐摩耗性、絶縁性を活かした製品としてボール用途の製品がある。ボール用途の製品には、ベアリング、治具、工具、ゲージ、電磁弁、チェック弁、各種バルブなどがある。このうち、ベアリングボール用途の製品には、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化ジルコニウムなどのセラミックス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。
　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、その成形体を得るための成形方法は金型を用いたプレス成形が用いられている。プレス成形は、一般的に図１に示されるように、上部パンチ２と、下部パンチ３と、ダイス４とを備え、上部パンチ２と下部パンチ３との間に粉体を挿入し、圧力をかける方法である。プレス成形時に、金型を保護するために上部パンチ２の先端部２ａと下部パンチ３の先端部３ａ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、プレス成型で得られる成形体には球面部と帯状部が形成される。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成形体を焼結して得られた、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に従来のセラミックスボール用素材を示した。図２中、５はセラミックスボール用素材、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 特開昭６０－１８６２０号公報 特許第４７６１６１３号
　図２に示す、焼結工程後の球面部６と帯状部７を有するセラミックスボール用素材５を研磨加工することによりセラミックスボールを得る。球面部６と帯状部７を有するセラミックスボール用素材５を素球と呼ぶこともある。例えば、セラミックスボール用素材５に対して算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下の鏡面加工で研磨加工が行われる。鏡面加工には定盤加工が用いられている。
　一般的に、セラミックス材料はセラミックス粉末を成形して加熱処理を行うことにより焼結して製造される。セラミックスは焼結時に大きな収縮を伴うが、セラミックス製品を理想状態で均一に成形し焼結することは難しく、密度の不均一や空孔（ポア）の発生によりセラミックス内部での微構造ムラが発生しやすくなる。セラミックスボール用素材５は粉末プレス成形により真球ではない形状に成形された状態で焼結され、その後に真球に形状加工され、表面が鏡面加工される。このため、セラミックスボール用素材５の内部は粉末プレス成形による不均一な成形に起因する微構造ムラがある場合は製品であるセラミックスボールの不良の原因となっていた。
　本発明はこのような課題を解決するものであり、粉末プレス成形するセラミックス材料の焼結時の微構造ムラが抑制されたセラミックスボール用素材５により、研磨加工に対して加工歩留まりの良いセラミックスボールを提供するものである。
　実施形態に係るセラミックスボール用素材は、球面部と、球面部の表面の円周に亘って形成された帯状部とを備える。前記帯状部の外周面に係る算術平均粗さＲａｂと、球面部の外周面に係る粗さ算術平均粗さＲａｐとの比であるＲａｂ／Ｒａｐが０．７以上１．０以下である。
一般的な金型プレス成形装置の一例を示す断面図。 実施形態に係るセラミックススボール用素材の一例を示す外観図。 実施形態に係る金型プレス成形装置のダイスの一例を示す外観図。 実施形態に係る冷間静水圧プレスゴム型成形の一例を示す断面図。 冷間静水圧プレスゴム型成形に敷設された穴形状と成形体の一例を示す断面図。 実施形態に係る冷間静水圧プレスゴム型成形に敷設された穴形状と成形体の一例を示す断面図。
実施形態
　以下、図面を参照しながら、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の実施形態について詳細に説明する。
　実施形態に係るセラミックスボール用素材は、球面部と、球面部の表面の円周に亘って形成された帯状部とを備える。前記帯状部の外周面に係る算術平均粗さＲａｂと、球面部の外周面に係る粗さ算術平均粗さＲａｐとの比であるＲａｂ／Ｒａｐが０．７以上１．０以下である。
　図２に実施形態に係るセラミックスボール用素材の模式図を示した。図２中、５は実施形態に係るセラミックスボール用素材、６が球面部、７が帯状部である。また、図２中、７Ｃは、帯状部７が形成する外周面（最外面）の円周方向に延び当該外周面の幅Ｗの中心をとおる曲線である。図２中、８は、球面部６の外周面（最外面）のうち、曲線７Ｃから形成される面から最も離れた位置（曲線７Ｃから９０°の位置）にある２つの極（８，８´）のうちの１つである。また、算術平均粗さＲａのうち、帯状部７の外周面に係る算術平均粗さをＲａｂとし、球面部６の外周面、例えば、極８に係る算術平均粗さをＲａｐとする。以下、特に言及しない限り、球面部６の外周面に係る算術平均粗さが、極８の算術平均粗さであるものとして説明する。また、Ｗは帯状部７の幅である。帯状部７の幅Ｗのことを単に「幅Ｗ」ということもある。なお、図３において、球面部６に対する帯状部７の高さおよび幅の大きさは、説明上の便宜を考慮して図示されている。
　セラミックスボール用素材５は、球面部６と帯状部７を有している。帯状部７は球面部６表面の円周に亘って形成されている。球面部６表面の円周とは、球面部６表面の複数の円周のいずれか１つであればよい。球面部６表面は、二次曲面であれば良い。そのため、球面部６としては、真球や楕円体が挙げられる。球面部６の円周上に帯状部７が設けられている。帯状部７の幅Ｗは、例えば、帯状部７の最も大きな幅であるが、複数箇所の平均値であってもよい。
　極８の算術平均粗さをＲａｐ、帯状部７の外周面に係る算術平均粗さをＲａｂとしたときに、ＲａｂとＲａｐの比であるＲａｂ／Ｒａｐが０．７０以上１．０３以下の範囲内である。Ｒａｐ／Ｒａｂが、この範囲内であると球面部６と帯状部７の主に粉末プレス成形に起因する焼結時の微構造ムラを抑制される。また、焼結時の微構造ムラを抑制することにより研磨加工による不良を低減することができる。このため、Ｒａｂ／Ｒａｐは０．７０以上１．０３以下、さらには０．８０以上１．００以下であることが好ましく、さらには０．９０以上１．００以下であることが好ましい。
　Ｒａｂ／Ｒａｐが１．００未満だと、セラミックスボール用素材５の帯状部７の密度が球面部６のそれに比較して大きくなり、帯状部７の研磨加工（例えば、定盤加工）が容易でなくなる。特に、Ｒａｂ／Ｒａｐが０．７０未満だと、帯状部７の研磨加工がかなり容易でなくなり、看過できないほどに研磨加工時の加工時間が長くなる（研磨効率が悪くなる）。さらには、Ｒａｂ／Ｒａｐが０．７０未満だと、研磨加工時に帯状部７が研磨加工の砥石と接触したときに脆性破壊が発生しやすくなる。特に、セラミックスボール用素材５の定盤加工の定盤との接触で脆性破壊が起き易い。
　他方、Ｒａｂ／Ｒａｐが１．０３を超えると、セラミックスボール用素材５の内部での密度・微構造ムラが発生し、研磨加工後のベアリングボール表面にて穴や異常組織などの欠陥が発生する。
　ここで、セラミックスボール用素材５の帯状部７の外周面に係る算術平均粗さＲａｂと極８の算術平均粗さＲａｐとの測定方法について説明する。なお、算術平均粗さＲａについては、ＪＩＳ　Ｂ　０６０１（２０１３）「製品の幾何特性仕様（ＧＰＳ）－表面性状：輪郭曲線方式－用語，定義及び表面性状パラメータ」によるものとする。
　算術平均粗さＲａの測定は表面粗さ測定機を用いるものとする。表面粗さ測定機は、東京精密社製ＳＵＲＦＣＯＭ２０００を使用し、同装置の評価解析ソフトを用いて行うものとする。測定装置は、これと同等の機能を有するものであればよい。
　算術平均粗さＲａの測定距離、つまり、基準長さＵはセラミックスボール用素材５の直径の１０～２５％とし、球面部６および帯状部７の基準長さＵは同じとする。また、測定条件として、測定カットオフ波長が０．０８ｍｍ、カットオフ種別がガウシアン、傾斜補正が最小二乗直線補正、λｓカットオフ比が３００、λｓカットオフ波長が０．２６６７μｍとする。
　極８の算術平均粗さＲａｐの測定エリアは、曲線６Ｃ上の極８を中心とする位置で、基準長さＵに対応する長さをもつ。これにより、セラミックスボール用素材５が真球や楕円体であっても、どの位置、どの方向から測定しても同様な値が得られるためである。欠陥などの存在により極８（または、極８´）で測定できない場合は、曲線７Ｃから極８までの距離の半分の距離にある位置（４５°の位置、つまり、セラミックスボール用素材５の中心点を頂点とする円錐の頂角θが４５°×２である場合の底面）６Ｅから極８までの球冠外面で測定することも可能である。さらに、位置（１５°の位置、つまり、セラミックスボール用素材５の中心点を頂点とする円錐の頂角θが１５°×２である場合の底面）６Ｆから極８までの球冠外面で測定することも可能である。頂角は、円錐を回転軸を通る平面で切断したときにできる二等辺三角形の頂角を意味する。
　帯状部７の外周面に係る算術平均粗さＲａｂの測定エリアは、曲線７Ｃのうち任意の位置で、基準長さＵに対応する長さをもつ。曲線７Ｃに沿って測定する、または、曲線７Ｃに直交するように測定する。後者の場合は、曲線７Ｃが測定エリアの略中央であるようにする。なお、帯状部７の外周面の幅方向における一端部の１０％および他端部の１０％は欠けなどの欠陥が発生しやすく測定値に影響を与えるため測定箇所から除外することが好適である。また、算術平均粗さＲａの基準長さＵは、外周面における曲線６Ｃ，７Ｃの全体である必要はなく、曲線６Ｃ，７Ｃの一部分（例えば、１ｍｍ～２０ｍｍ程度）であってもよい。
　セラミックスボール用素材５は、球面部６の任意の直径が０．５ｍｍ以上であることが好ましい。球面部６の任意の直径が０．５ｍｍ未満であると、帯状部７を形成するための粉末プレス金型の制御が難しくなる。このため、球面部６の直径は１ｍｍ以上が好ましい。さらには２ｍｍ以上であることが好ましい。
　セラミックスボール用素材５は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ほう素（ＢＮ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）のいずれか１種または２種以上を８５質量％以上含有することが好ましい。セラミックスボール用素材５は、セラミックス焼結体からなっている。酸化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ほう素、酸化ジルコニウムのいずれか１種または２種以上を８５質量％以上含有するということは、セラミックス焼結体中の含有量である。言い換えると、セラミックス焼結体は、上記以外の物質を１５質量％以下含有していてもよい。なお、セラミックスボール用素材５は窒化ケイ素を８５質量％以上含有するものであることが好ましい。
　例えば、ベアリングボールとして、酸化アルミニウム焼結体、窒化ケイ素焼結体、窒化ほう素焼結体、酸化ジルコニウム焼結体、アルジル焼結体が使われている。なお、アルジル焼結体とは、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムを混合した焼結体である。この中で窒化ケイ素焼結体からなるベアリングボールは最も耐摩耗性に優れている。例として、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、アルジルはビッカース硬度が１２００～１７００程度であるが、破壊靭性値が３～６ＭＰａ・ｍ１／２程度と低い。対して窒化ケイ素焼結体は、ビッカース硬度が１４００～１８００、破壊靭性値が５～１０ＭＰａ・ｍ１／２と高い。窒化ケイ素焼結体は、高い靭性値とビッカース硬度を両立しており、その点から耐摩耗性に優れる。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長細い形状を有しており、長細い結晶粒子が複雑に絡み合うことにより高い靭性値を達成している。
　次に、セラミックスボール用素材５の製造方法について説明する。実施形態に係るセラミックスボール用素材５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。セラミックスボール用素材５の製造方法について、窒化ケイ素焼結体の場合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する。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、水または有機溶媒である。有機溶媒としてはアルコール、ケトン、ベンゼンなどがある。また、バインダーはパラフィンワックス系バインダーである。他のセラミックス造粒のバインダーにはＰＶＡ（ポリビニルアルコール）系バインダーがあるが、ガラス転移温度が８５℃とやや高いため造粒した場合に固くなりがちである。このため、柔らかく潰れやすい造粒粉をスプレードライヤーの出口温度を下げるなどの調整が難しい。バインダーの添加量は、窒化ケイ素粉末と焼結助剤粉末の合計を１００質量部としたとき、３～２０質量部の範囲内とする。
　造粒粉を潰れやすくすることにより通常よりもプレス垂直方向で造粒粉を潰れやすくなる。造粒粉が垂直方向で潰れやすくなると極部の表面近傍が緻密になり帯状部の表面状態に近づく。しかしながら、単に造粒粉を潰れやすくした場合は、プレス金型内部への造粒粉の充填性が低下し、生産性に影響を与える可能性がある。このため、造粒粉の充填性を損なうことなく造粒粉を潰れやすくする必要がある。造粒粉を潰れやすくする方法は、前述のバインダー種類で調整する以外には平均粒径で調整する方法がある。スプレードライヤーで通常得られる造粒粉は概ね正規分布であり平均値の付近に集積するような分布を示している。この分布のうち小さな粒は早く乾燥するため固い場合が多い。このため、粒径の小さな造粒粉を分級により取り除き、造粒粉全体を潰れやすくすることも可能である。
　次に、調整した造粒粉を使ってプレス成形を行う。プレス成形は、図１に示す金型プレス成形装置の上部パンチ２、下部パンチ３、ダイス４を用いた成形方法が挙げられる。造立粉末を充填して上部パンチ２と下部パンチ３に垂直方向に圧力を加えることによりパンチの内側の球面形状がセラミックスボール用素材５の球面部６となる。また、上部パンチ２の先端部２ａ、下部パンチ３の先端部３ａ、およびダイス４の内側の平面形状がセラミックスボール用素材５の帯状部７となる。ダイス４の断面の内側は直線であるが、図３に示すように僅かに凸形状にすることが好ましい。凸部分の高さＨとするとＨの大きさは０．０１ｍｍ以上０．１０ｍｍ以下であることが好ましい。この凸部分により、焼結工程後のセラミックスボール用素材５の帯状部７に圧力がかかり、帯状部７の焼結密度を高くすることができ、算術平均粗さが小さくなる。Ｈの高さが０．０１未満であると、圧力がかかる効果が小さい。また０．１０ｍｍより高いと圧力をかける効果は大きくなるが、金型にかかる負荷が大きくなり金型の寿命が短くなる可能性がある。
　プレス成形したときの上部パンチ２の先端部２ａと下部パンチ３の先端部３ａの形状および粉末の充填量を調整することにより、セラミックスボール用素材５の帯状部７の幅Ｗや高さを調整することができる。同様に、成形体１３における、球面部１４方向の直径および帯状部１５方向の直径の調整を行うことができる。
　プレス成形により得られた成形体１３は、球面部１４と帯状部１５を有する。なお、成形体１３の球面部１４と帯状部１５（図５および図６に図示）は、前述のセラミックスボール用素材５の球面部６と帯状部７（図２に図示）にそれぞれ対応する。
　また、プレス成型後の成形体に等方圧成形を行うことが好ましい。等方圧成形を行うことにより、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。
　等方圧成形の一例としてゴム型を用いた等方圧成形方法を説明する。図４に円盤状のゴム型９の一例を示した。図４中、上部ゴム型１０と下部ゴム型１１を重ねた状態の側面図である。また、図５は、上部ゴム型１０および下部ゴム型１１内の球面部空間１２内に成形体１３を配置した一例を示した断面図である。
　円盤状のゴム型９は成形体の最大直径よりも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１３を設置してゴム型を重ねることで、成形体１３をゴム型に囲まれた球面部空間１２に密閉する。そのゴム型に、成形時の圧力よりも高い静水圧を掛けるものとする。また、ゴム型９およびゴム型１０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。ゴム型の硬度をこの範囲内にすることにより、成形体１３表面とゴム型を均一に接触できる変形能を具備することができる。これにより、成形体１３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、図６に示したように成形体１３の配置を帯状部１５が上部ゴム型１０と下部ゴム型１１との接触面と平行となるようにすることが好ましい。このとき、球面部空間１２における、接触面に直交する方向の長さをＬ１、接触面上の直径をＬ２としたときに、Ｌ１＞Ｌ２であると、球面部６に圧力がかかるのを防ぎ、球面部６の焼結密度を低くすることができ、球面部６の算術平均粗さ（例えば、極８の算術平均粗さをＲａｐ）が大きくなる。なお、Ｌ１＜Ｌ２として帯状部１５を上部ゴム型１０と下部ゴム型１１との接触面に直交させても同様の効果が得られる。
　次に、成形体１３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、１６００℃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、セラミックスボール用素材５を得ることができる。また、セラミックスボール用素材５は、理論密度９８％以上のセラミックス焼結体とする。
　セラミックスボール用素材５を研磨加工することによりセラミックスボールを製造することができる。球の研磨加工としては、代表的なものとして定盤加工が挙げられる。例えば、セラミックスボール用素材５を、上下に平行に設けられた定盤間に挿入する。研磨定盤の運動により、セラミックスボール用素材５を真球状に定盤加工することが挙げられる。ベアリングボールの表面粗さはＡＳＴＭＦ２０９４に定められている。ベアリングボールは、用途に応じてＡＳＴＭＦ２０９４に準じたグレードが採用される。そのグレードに準じた表面粗さＲａに研磨される。グレードが上がると表面粗さＲａが０．０１μｍ以下の鏡面加工が施されるものもある。なお、ＡＳＴＭとはＡＳＴＭ Internationalの発行する標準規格である。ＡＳＴＭInternationalの旧名称は米国試験材料協会（American Society for Testingand Materials :ASTM）である。
　実施形態に係るセラミックスボール用素材５はＲａｂとＲａｐの比であるＲａｂ／Ｒａｐが０．７以上１．０以下の範囲内であるため極８の研磨は帯状部７と同等か優先的に開始する。研磨工程でのセラミックスボール用素材５が破損することを抑制するため、研磨定盤などの砥石への帯状部７の接触について注意をしながら加工することが必要である。
　また、実施形態に係るセラミックスボール用素材５は極８と帯状部７の比であるＲａｂ／Ｒａｐが０．７以上１．０以下の範囲内である。これにより、セラミックスボール用素材内部での密度や微構造ムラが発生しにくく、加工後のベアリングボール表面にて穴や異常組織などの欠陥の発生を抑止できる。
　（実施例１～９、比較例１～６）
　原料となるセラミックス粉末に焼結助剤、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１～７、比較例１～４は窒化ケイ素焼結体である。実施例８および比較例５は酸化アルミニウム焼結体である。実施例９および比較例６は炭化ケイ素焼結体である。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。また、炭ケイ素焼結体は炭化ケイ素を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６質量部とした。バインダーはパラフィンワックスとＰＶＡを使用した。
　次に、得られた造粒粉を用いてプレス成形を行った。プレス成形は、図１に示す金型プレス成形装置の上下の金型を使った金型成形である。プレス金型はダイス４中央部に凸部がないストレート形状のものと、凸部があるものを使用した。金型成形後に、等方圧成形を行った。等方圧成形はショア硬さＨｓ３０以上５０以下の円盤状ゴム型を用いた。また、成形体１３は下部ゴム型１１の中で図５のように帯状部１５がゴム型１０，１１の接触面に略垂直に配置されたもの（表１中の「帯縦」）と、図６のように帯状部１５が接触面に略平行に配置されたもの（表１中の「帯横」）とした。この状態で等方圧成形工程は、成形時の圧力よりも高い静水圧を掛けた。
　次に、成形体１３を脱脂・焼結工程を行った。焼結工程は、１６００～２０００℃、窒素雰囲気中、大気圧で行った。その後、１６００～２０００℃、窒素雰囲気中、圧力２００ＭＰａ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スボール用素材を作製した。また、比較例はバインダーにＰＶＡを使用し、プレス金型はダイス中央部に凸部がないストレート形状のものを使用し、成形体１３は下部ゴム型１１の中で図５のように帯状部１５がゴム型１０，１１の接触面に略垂直に配置された。
　実施例および比較例の製造条件を表１に示す。
　［表１］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　実施例１～４、８～９および比較例１、５～６は、研磨加工後に３／８インチ（９．５２５ｍｍ）となるセラミックスボールのためのセラミックスボール用素材である。また、実施例５および比較例２は７／８インチ（２２．２２５ｍｍ）のセラミックスボールのためのセラミックスボール用素材である。実施例６および比較例３は１－３／１６インチ（３０．１６５ｍｍ）のセラミックスボールのためのセラミックスボール用素材である。実施例７および比較例４は、１－７／８インチ（４７．６２５ｍｍ）のセラミックスボールのためのセラミックスボール用素材である。実施例１～９のセラミックスボール用素材５と、比較例１～６のセラミックスボール用素材とは、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。
　実施例１～９に係るセラミックスボール用素材５の算術平均粗さと、比較例１～６に係るセラミックスボール用素材の算術平均粗さを測定した。それぞれの測定方法は前述した通りである。
　また、比較例１～６は帯状部の算術平均粗さＲａｂと極の算術平均粗Ｒａｐの比であるＲａｂ／Ｒａｐが範囲外のものである。
　実施例１～９のセラミックスボール用素材５及び比較例１～６のセラミックスボール用素材を用いて、研磨効率について評価した。ボール加工研磨機を使用して各セラミックススボール用素材を加工するための研磨条件を固定して帯状部分の加工状態を調べた。加工条件は、上側定盤は無加圧（加圧無し）、下側定盤は回転、ダイヤモンドにグリセリンをルブリカントとして使用した研磨剤を供給して２４時間加工した。なお、同一サイズのセラミックスボールは、上側定盤とのギャップ距離、下側回転の回転数、セラミックスボール用素材の投入数量、研磨剤の供給量は同一の条件とした。
　また、上記研磨加工後にセラミックスボール用素材が欠けている状態の不良の発生する割合を調べた。不良率はサンプリングした１００個について光学顕微鏡にて全面を外観検査し、穴欠陥が発生した割合を穴欠陥の不良率［％］として示した。また、変色などの組織異常が発生した割合を異常組織の不良率［％］として示した。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１～９に係るセラミックスボール用素材５では穴欠陥の不良率［％］および異常組織の不良率［％］が低下した。このため、実施形態の条件を満たす実施例１～９に係るセラミックスボール用素材５では、Ｒａｂ／Ｒａｐが１．０３を超える比較例１～６の場合と比較して、研磨加工性（研磨加工効率）はやや低下するものの、研磨加工後の表面状態が良いことが分かる。研磨加工性を少し抑えてでも、研磨加工後の表面状態を優先した場合には実施形態の条件を満たすことが好適である。
　以上、説明したように、セラミックスボール用素材５によれば、粉末プレス成形するセラミックス材料の焼結時の微構造ムラが抑制されたセラミックスボール用素材５により、研磨加工に対して歩留まりの良いセラミックスボールを提供することができる。
　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。

Claims (6)

  1. 　球面部と、
    　前記球面部の表面の円周に亘って形成された帯状部と、
    　を備え、
    　前記帯状部の外周面に係る算術平均粗さＲａｂと、前記球面部の外周面に係る算術平均粗さＲａｐとの比であるＲａｂ／Ｒａｐが０．７０以上１．０３以下であることを特徴とするセラミックスボール用素材。
  2. 　前記球面部の外周面に係る算術平均粗さＲａｐは、前記球面部の外周面のうち、前記帯状部が形成する外周面の円周方向に延び当該外周面の中心をとおる曲線から形成される面から最も離れた位置にある極に係る算術平均粗さである、
    　請求項１に記載のセラミックスボール用素材。
  3. 　前記球面部の任意の直径が０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載のセラミックスボール用素材。
  4. 　前記セラミックスボール用素材が酸化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ほう素、酸化ジルコニウムのいずれか１つを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３のいずれか１項に記載のセラミックスボール用素材。
  5. 　請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の前記セラミックス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スボール。
  6. 　請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の前記セラミックス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スボールの製造方法。
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