JP2010269436A

JP2010269436A - セラミックス球の製造方法ならびに該球よりなる転動体

Info

Publication number: JP2010269436A
Application number: JP2009125339A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Omori; 茂大森
Original assignee: Amatsuji Steel Ball Mfg Co Ltd
Current assignee: Amatsuji Steel Ball Mfg Co Ltd
Priority date: 2009-05-25
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2010-12-02

Abstract

【課題】
セラミックス球の表面に強靱化処理を行うためのピーニング処理の処理量を増加させると共に、処理後の仕上げ研磨加工を容易にする。
【解決手段】
内部に攪拌用のインペラ４を有する多角形のドラム１を用いて、セラミックス球の表面強靱化ピーニング処理を行うにあたり、前記ドラム１の少なくとも内壁２とインペラ４表面を柔軟な樹脂面に形成し、該ドラム１内を回転させ、セラミックス球を攪拌させると共に、攪拌用のインペラ４を前記ドラム１と逆方向に回転させてセラミックス球同士の衝突とセラミックス球と前記ドラム内壁樹脂面との衝突ならびにセラミックス球とインペラ表面樹脂面との衝突によってセラミックス球の表面を強靱化する。
【選択図】図２

Description

本発明は玉軸受，ボールねじ，リニアガイド，ボールスプライン，リニアボールベアリング等の転動体部品として使用される窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄），ジルコニア（ＺｒＯ₂），アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃），炭化珪素（ＳｉＣ）などのセラミックス球の製造方法ならびに同方法より得られた球よりなるセラミックス転動体に関するものである。

従来、セラミックス組合せ転がり軸受として転動体に窒化珪素を使用し、内輪及び外輪に軸受鋼を使用した転がり軸受は一般的に知られており、窒化珪素による優れた特性を有し、窒化珪素の密度が約３．３ｇ／ｃｍ³と比較的小さいので転動体の遠心力による外輪の接触応力の緩和のため工作機械用主軸軸受などに使用されている。

また半導体装置，液晶パネル等はその製造工程において各種薬品で洗浄されるので、その製造装置や搬送装置に組み込まれた転がり軸受は腐食環境下でも良好に作動することが要求されるため内輪，外輪及び転動対にセラミックスを使用したオールセラミックス軸受が存在している。（例えば特許文献１参照）
更に、内燃機関の動弁装置における油圧式のラッシュアジャスタにおいても低圧室と高圧室の間にある弁体に弁口のシート面の摩耗に対応するため窒化珪素を含むセラミックス球が使用されている。（例えば特許文献２参照）
一方、上記の如く用途の拡がりをみせるセラミックス球又はセラミックス製品の物性値を向上させる技術として遊星ボールミルを用い、同じセラミックス球状体同士を衝突させると共に、該球状体を内壁へ衝突させて球状体の表面に残留応力を導入し、耐焼付性の向上を図る方法（例えば特許文献３参照）や、平均サイズが０．１μｍ〜２００μｍである噴射材（ショット）を用いてセラミックス製品の表面に均一に分布した直線状の転位組織を形成させる方法が提案されている。（例えば特許文献４参照）

特開２００５−１６３８９３号公報特開２００４−２１１５８５号公報特開２００８−１６９９９６号公報特開２００４−１３６３７２号公報

しかし、上記提案に係るセラミックス球またはセラミックス製品の物性値向上技術は１回の処理量が少なく、量産するためには多くの装置が必要となり、コスト高になる。また、
これらの方法は処理中に金属性微粉末や異物が発生し、これらがセラミックス球の表面に付着又は食い込むため、処理後に洗浄が必要となり、さらに仕上げ研磨加工での削り代が大きくなるための効率が低下してしまう。また、噴射材を用いて直線状の転位組織を形成させる方法は、板状のセラミックスでは有効であるが、球状のセラミックスでは制御が困難であり、実用に適しない。

本発明は上述の如き実状に対処し、特にセラミックス球の表面に強靱化処理を行うピーニング装置の少なくともドラム内壁とインペラの表面に樹脂被覆を施し、表面の損傷を抑えることによりピーニング処理の処理量を増加させると共に、処理後の仕上げ研磨加工を容易ならしめることを目的とするものである。

即ち、上記目的に適合する本発明は、内部に攪拌用のインペラを有する多角形のドラムを用いてセラミックス球の表面強靱化処理を行うセラミックス球の製造方法において、前記ドラムの少なくとも内壁とインペラ表面を柔軟な樹脂面に形成し、該ドラム内に多数のセラミックス球を入れて多角形のドラムを回転させ、セラミックス球を攪拌させると共に、攪拌用のインペラを前記ドラムと逆方向に回転させてセラミックス球同士の衝突と、セラミックス球と前記ドラム内壁樹脂面との衝突ならびにセラミックス球とインペラ表面樹脂面との衝突によってセラミックス球の表面を強靱化するピーニング処理を行うことを特徴とする。

請求項２は上記したドラム内壁とインペラ表面を覆っている樹脂としてフェノール樹脂やポリアミド樹脂に代表されるような圧縮弾性率が２ＧＰａを超える樹脂が用いられることを特徴とする。請求項３は上記したピーニング処理工程の後に続いて仕上げ研磨加工を行うことを特徴とする。

請求項４は上記方法により得られたセラミックス球よりなるセラミックス転動体であり、該セラミックス転動体を構成するセラミックス球の特性として表面の圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上、１２００ＭＰａ以下、表面の半価幅が１．３°以上、４．０°以下、破壊靱性値が９ＭＰａ・ｍ^1/2以上の少なくとも１つを均一に分布されて満たすことを特徴とする。

本発明の方法によれば、内部に攪拌用のインペラを有する多角形のドラム内にセラミックス球を複数個入れて強靱化するため、多角形ドラムの大きさと攪拌用のインペラの大きさを変えることで、処理できる個数は容易に変更でき、また、処理時に噴射材（ショット）を投入しなくても、表面の強靱化処理が可能となる。特に柔軟な樹脂面を有するドラム内壁とインペラ表面を用いていため金属製微粉末や、異物を介在させることなく、仕上げ研磨加工を行うことができ、表面の損傷を最小限に抑えることができる。

また、インペラの回転数と処理時間を変更することで、セラミックス球の圧縮残留応力、半価幅及び破壊靱性値を制御することができ、更に破壊靱性値が低い安価なセラミックス球でも、強靱化処理による長寿命化とさらなるコスト削減が可能になる効果もある。

上記本発明は窒化珪素，アルミナ，ジルコニア，βサイアロン等からなるセラミックス球に適用できる外、焼結助剤等の添加を含むものやＨＩＰ処理工程を経て作製されたもの等、各種組成・性状のセラミックス球に適用することができる。

本発明に使用する表面強靱化処理装置の例を示す概略図で、（ａ）は内部構造を示す断面図、（ｂ）は側面図である。本発明に使用する表面強靱化処理装置の別態様を示す概略図で、（ａ）は内部構造を示す断面図、（ｂ）は側面図である。本発明の実施例で処理したセラミックス球の焼付性試験の結果を示すグラフである。本発明の実施例で処理したセラミックス球の圧縮残留応力と焼付性の関係を示すグラフである。本発明の実施例で処理したセラミックス球の半価幅と焼付性の関係を示すグラフである。本発明の実施例で処理したセラミックス球の破壊靱性値と焼付性の関係を示すグラフである。

以下、更に添付図面に基づき本発明の具体的実施形態を説明する。図１（ａ），（ｂ）は本発明に使用する表面強靱化処理装置の１例であり、図において１は多角形、図では八角形のドラムよりなり、その内壁には樹脂製の板２が取り付けられていると共に、投入されたセラミックス球を効率よく攪拌させるための複数のリブ３が取り付けられており、ドラム内部には攪拌用の樹脂製インペラ４が設けられている。

多角形ドラム１と樹脂製インペラ４は樹脂製インペラの軸を中心として回転可能であり、インバータにより適宜、回転数が制約されるようになっているが、多角形ドラム１と樹脂製インペラの回転方向は互いに逆方向であることが効果的である。なお、図１においてはドラム内壁にリブ３が設けられているが、図２（ａ），（ｂ）に示す如くリブ３は必須ではなく、なくても差し支えない。

本発明セラミックス球の製造方法は上記表面強靱化処理装置を用いることによって行われ、該ドラム１内に多数のセラミックス球を入れて多角形ドラム１と、攪拌用インペラ４を互いに逆方向に回転させてドラム１内のセラミックス球同士の衝突，セラミックス球とドラム内壁との衝突，ならびにセラミックス球と攪拌用インペラ４表面との衝突によってセラミックス球の表面強靱化処理のためのピーニング処理を行い、セラミックス球表面を強靱化する。

なお、金属製の表面強靱化処理装置であるピーニング処理装置で処理した場合、通常、金属性微粉末や異物がセラミックスの表面に付着し、または食い込むため、前述の如くピーニング処理装置のドラム内壁とインペラ表面を樹脂で被覆することは頗る重要であり、本発明方法は柔軟な樹脂製のドラム内壁とインペラ表面を用いているため、金属製微粉末や異物を介在させることなく、ピーニング処理の後で、仕上げ研磨加工を容易に行うことができ、表面の損傷を最小限に抑えることができる。なお、ドラム内壁及びインペラ表面の被覆に使用する樹脂としては、例えばフェノール樹脂やポリアミド樹脂に代表されるような圧縮弾性率が２ＧＰａを超える比較的柔軟な樹脂であることがが好ましい。

また処理に際し、多角形の回転数及びインペラの回転数と処理時間を適宜、変更し選定することで強靱化されるセラミックス球の破壊靱性値，圧縮残留応力，半価幅を制御することができ、得られるセラミックス球に転動体として好適な特性を具備させることができる。

本発明における転動体は上記方法により得られ、制御されて所要の特性が付与されたセラミックス球により構成されるものであり、破壊靱性値，圧縮残留応力，半価幅が夫々、下記特性を有することによって特徴づけられる。

ここで、上記破壊靱性値，圧縮残留応力，半価幅のうちでも特に破壊靱性値は転動体として最も好ましい特性であるが、更に圧縮残留応力，半価幅を併せ有することによって、より転動体としての効果が向上する。

強靱化処理後の転動体に用いられるセラミックス球の表面に存在する圧縮残留応力としては、絶対値で２００ＭＰａ以上であることが好ましく、４００ＭＰａ以上、また６００ＭＰａ以上であること、更に８００ＭＰａ以上であることが最も好ましい。また、半価幅は１．３°以上であることが好ましい。これら圧縮残留応力及び半価幅は何れもＸ線回析法により測定することができる。一方、破壊靱性値は９ＭＰａ・ｍ^1/2以上あることが好ましく、１０ＭＰａ・ｍ^1/2以上であることはより好ましい。しかしながら、過度のピーニング処理はセラミックス球にクラック等の有害な欠陥をもたらすため圧縮残留応力は１２００ＭＰａ以下、半価幅は４．０°以下であることが好ましい。

なお、本発明の方法におけるピーニング工程では、セラミックス球同士の衝突及びセラミックス球とドラム内壁、およびセラミックス球とインペラの衝突によって生じるエネルギーを利用してセラミックス球の表面付近に圧縮残留応力を導入するため、セラミックス球が小さすぎると圧縮残留応力が導入されにくい。そのため、好適なセラミックス球の直径は０．３ｍｍ以上であり、より好ましくは０．８ｍｍ以上であり、さらに好ましくは２ｍｍ以上である。また、本発明の方法においては、前記ピーニング工程の後に仕上げ研磨加工を行うことが好ましく、これにより前記ピーニング工程を実施したセラミックス球の表面粗さが粗くなったり真円度が低下したりした場合でも、寸法精度に優れ、耐焼付き性、靱性に優れたセラミックス球が得られる。

前記の製造方法を用い、セラミックス球を容量１８リットルのドラムを用い、ドラム容量の２０％（３．６リットル）分のボールを入れて下記条件で処理し、焼付性を評価した。なお、前記特許文献３における遊星ボールミルの容量は４５ミリリットルで、本発明の処理はこれに比し、遙かに大容量の処理である。処理した各実施例の圧縮残留応力，半価幅および破壊靱性値を未処理品と共に表１Ａ〜Ｋに示す。圧縮残留応力値および半価幅はＸ線回析装置（株式会社リガク製ＰＳＰＣ微小部応力）、破壊靱性値は新原の式を用いてビッカース硬さ試験機により測定した。なお、処理後のセラミックス球の圧縮残留応力、破壊靱性値及び表面硬さは研磨を行わずに測定した。
表面強靱化処理条件
多角形ドラム回転数：４２ｒｐｍ
インペラ回転数：７００〜１２００ｒｐｍ
ボールサイズ：１１／３２ｉｎｃｈ
処理時間：１〜２Ｈ

表１から明らかなように、圧縮残留応力と半価幅の増加と共に、破壊靱性値も増加していることが分かる。特に実施例Ｆにおいては、圧縮残留応力値は１０００ＭＰａ、半価幅は３．０°、破壊靱性値は１４．４ＭＰａ・ｍ^1/2まで増加している。しかし、圧縮残留応力が１２００ＭＰａ、半価幅かせ４．０°を超えると表１のＧ，Ｋに示す如くセラミックス球に破損がみられるようになった。

次に前記方法で処理したＧ，Ｋを除く本発明実施品についてセラミックス球の耐焼付性を評価するため、４球式試験を実施した。試験条件は以下の通りである。高千穂精機株式会社製高速４球式試験機を使用し、鋼球３球の上部に前記セラミックス球を配置し、潤滑が乏しい状態で前記セラミックス球を回転させ、トルクが初期トルクの２．５倍に達した時点で試験を終了し、試験開始から試験終了までの試験時間によって焼付性を評価した。
〈焼付性試験条件〉
試験荷重：７３．５Ｎ
回転数：３５００ｒｐｍ
測定機の型式：ＣＨ−ＨＳＦ−１０Ｋ
図３は未処理品の焼付時間を１として各実施例の焼付時間を比で表したものである。図から明らかなように、本発明の方法で作製したセラミックス球の焼付性は最大で８８％向上していることが分かる。

また、図４からセラミックス球の焼付性を少なくとも１０％以上向上させるには、圧縮残留応力は２００ＭＰａ以上であることが好ましいことが分かる。更に図５から明らかなように、セラミックス球の焼付性を少なくとも１０％以上向上させるには、半価幅は１．３°以上であることが好ましいことが分かり、図６から、セラミックス球の焼付性を少なくとも１０％以上向上させるには、破壊靱性値は９ＭＰａ・ｍ^1/2以上であることが好ましいことが分かる。

１：多角形ドラム
２：ドラム内壁
３：リブ
４：インペラ

Claims

内部に攪拌用のインペラを有する多角形のドラムを用いて、セラミックス球の表面強靱化処理を行うにあたり、前記ドラムの少なくとも内壁とインペラ表面を柔軟な樹脂面に形成し、該ドラム内に多数のセラミックス球を入れて多角形のドラムを回転させ、セラミックス球を攪拌させると共に、攪拌用のインペラを前記ドラムと逆方向に回転させてセラミックス球同士の衝突と、セラミックス球と前記ドラム内壁樹脂面との衝突ならびにセラミックス球とインペラ表面樹脂面との衝突によってセラミックス球の表面を強靱化するピーニング処理を行うことを特徴とするセラミックス球の製造方法。
ドラム内壁とインペラ表面を覆っている樹脂がフェノール樹脂やポリアミド樹脂に代表されるような圧縮弾性率が２ＧＰａを超える樹脂である請求項１記載のセラミックスの製造方法。
前記ピーニング処理の後に引き続き仕上げ研磨加工を行う請求項１又は２に記載のセラミックス球の製造方法。
請求項１，２または３記載の方法で得られたセラミックス球よりなり、該球が表面の圧縮残留応力が絶対値で２００ＭＰａ以上、１２００ＭＰａ以下、表面の半価幅が１．３°以上、４．０°以下、破壊強靱値が９ＭＰａ・ｍ^1/2以上の少なくとも１つを満足する球であることを特徴とするセラミックス転動体。