JP6075811B2 - 耐磨耗性部材およびこれを備える転がり支持装置ならびに軸封装置 - Google Patents
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Description
本発明は、耐磨耗性部材およびこれを備える転がり支持装置ならびに軸封装置に関するものである。
従来、ボールねじ、リニアガイド、また、風力発電機、建設機械または鉄鋼圧延機等で利用される転がり軸受け等の転がり支持装置や、メカニカルシールリング等の軸封装置において、良好な摺動特性が求められる部分には、セラミック焼結体からなる耐磨耗性部材が用いられている。
このようなセラミック焼結体は、通常、セラミック粉末を成形して焼成した後、熱間等方圧加圧法(HIP法)を用いて緻密化させることによって製造されており、耐磨耗性部材となるセラミック焼結体として、窒化珪素質焼結体が種々検討されている。
例えば、特許文献1では、窒化珪素粒子と、1質量%以上6質量%以下の範囲の希土類元素および0.5質量%以上6質量%以下の範囲のAlを含む焼結助剤成分とを含有し、さらにTi、Zr、Hf、W、Mo、Ta、NbおよびCrから選ばれる少なくとも1種の金属元素を、金属元素の単体または前記金属元素の化合物として0.01質量%以上5質量%以下の範囲で含有する窒化珪素焼結体であって、窒化珪素粒子は、長径Lが10μm以下で、かつ短径Sに対する長径Lの比(L/S)が5以上である針状結晶粒子を、窒化珪素焼結体の結晶組織内に面積比で50%以上80%以下の範囲で有し、窒化珪素焼結体中に存在するボイドの最大径が2μm以下であり、かつボイドの数が30×30μmの範囲内に5個以下である窒化珪素焼結体が提案されている。
転動体または摺動体と、これら転動体と摺動体をそれぞれ保持する部材とにおいては、直接接触するのを抑制するために潤滑剤を使用するが、特許文献1で提案された窒化珪素質焼結体のように、気孔の最大径が2μm以下と小さかったり、その個数が少なかったりしたときには、摺動時において、潤滑剤を保持できる量が少なく、耐磨耗性部材同士、または、耐磨耗性部材とこれを保持する部材とが直接接触しやすくなったり、凝着したりすることによって耐久性が低くなる。
一方で、焼結体の気孔が大きすぎたり、その数が多すぎたりすれば、潤滑剤を保持できる量は多くなり、直接接触しやすくなったり、凝着したりすることはないものの、摺動による発熱量が大きくなって摺動特性を悪化させたり、機械的特性が低いことによって耐久性が低くなる。また、−40℃程度の低温環境下においては、始動時の摺動抵抗が急激に高くなるという問題があった。
そのため、今般においては、潤滑剤を適度に保持することができるとともに、長期間に亘って使用可能な耐磨耗性部材が求められている。
本発明は、上記要求を満たすべく案出されたものであり、潤滑剤の適度な保持性能を有するとともに、耐久性の高い耐磨耗性部材およびこれを備える転がり支持装置ならびに軸封装置を提供することを目的とする。
本発明の耐磨耗性部材は、窒化珪素の柱状結晶を有する窒化珪素質セラミックスからなり、表面に窒化珪素からなる第1の柱状結晶および気孔が存在し、該気孔の内部には前記第1の柱状結晶よりも径の太い窒化珪素からなる第2の柱状結晶が互いに交錯して存在しており、前記表面の1.2mm2面積当たりにおける最大径3μm以上9μm以下の気孔の個数が5個以上28個以下であることを特徴とするものである。
また、本発明の転がり支持装置は、それぞれ軌道面を有する第1部材および第2部材と、複数個の転動体とを備え、前記第1部材および前記第2部材は、対向して配置され、前記転動体は、前記軌道面間に転動自在に配設され、前記転動体が上記構成の耐磨耗性部材からなることを特徴とするものである。
また、本発明の軸封装置は、固定部材と可動部材とからなるメカニカルシールリングを備え、前記固定部材および前記可動部材の少なくとも一方が、上記構成の耐磨耗性部材からなることを特徴とするものである。
本発明の耐磨耗性部材によれば、潤滑剤を適度に保持することができ、かつ高い耐久性を有することから、長期間に亘って使用することが可能である。
また、本発明の転がり支持装置および軸封装置によれば、長期間に亘って使用することが可能であるため、高い信頼性を有する。
以下、本実施形態の一例について詳細に説明する。
本実施形態の耐磨耗性部材は、窒化珪素の柱状結晶を有する窒化珪素質セラミックスからなり、表面に窒化珪素からなる第1の柱状結晶(以下、単に第1の柱状結晶ということがある。)および気孔が存在し、気孔の内部には第1の柱状結晶よりも径の太い窒化珪素からなる第2の柱状結晶(以下、単に第2の柱状結晶ということがある。)が互いに交錯して存在しており、表面の1.2mm2面積当たりにおける最大径3μm以上9μm以下の気孔の個数が5個以上28個以下である。
ここで、窒化珪素質セラミックスとは、セラミックスを構成する全成分のうち、窒化珪素を78質量%以上含有するものであり、含有量は、例えば、定量分析によって得られた窒素(N)若しくは珪素(Si)の値から、窒化珪素(Si3N4)に換算して求めればよい。また、第1の柱状結晶および気孔が存在する表面とは、研磨面であり、かつ、摺動面のことである。なお、摺動面とは、初期状態はもちろんのこと、摺動を開始してから磨耗して新たに出現した面も含めて摺動面という。
本実施形態の耐磨耗性部材は、気孔の内部に第1の柱状結晶よりも径の太い第2の柱状結晶が互いに交錯して存在していることによって、第2の柱状結晶を有していない場合や第2の柱状結晶が交錯していないときよりも、気孔の内部の表面積が大きくなるため、気孔の内部における潤滑剤の保持量が多くなる。そして、表面の1.2mm2面積当たりにおける最大径3μm以上9μm以下の気孔の個数が5個以上28個以下であることにより、耐磨耗性をほとんど損ねることなく、適度な量の潤滑剤を保持することができる。
また、耐磨耗性部材同士、または、耐磨耗性部材およびこれを保持する部材との摺動時においては、摺動面間に存在する潤滑剤は、摺動面外に流出しやすくなるが、表面である摺動面に、1.2mm2面積当たりに最大径3μm以上9μm以下の気孔を5個以上28個以下有しており、気孔の内部に第1の柱状結晶よりも径の太い第2の柱状結晶が互いに交錯していることによって、潤滑剤を瞬時に流出させることなく、摺動面に徐々に供給することができる。
それゆえ、本実施形態の耐磨耗性部材は、摺動面において潤滑剤の不足が生じにくくなり、摺動特性を長期間に亘って維持することができることから、高い耐久性を有する。
ここで、第1の柱状結晶よりも第2の柱状結晶の方が径の太い状態とは、次の方法により確認することができる。まず、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて撮影した4000倍〜10000倍の倍率の画像において、表面および気孔内に存在する柱状結晶を例えば5〜10個をそれぞれ選定し、表面に存在する第1の柱状結晶の長手方向の中点における垂直方向(短径方向)の幅(W1)を測定する。また、気孔内に存在する第2の柱状結晶の長手方向の中点における幅(W2)を測定する。そして、W2の平均値がW1の平均値よりも大きい状態を、第1の柱状結晶よりも第2の柱状結晶の方が径が太いという。ここで、W2の平均値は、W1の平均値の1.5倍以上であることが好適である。
第1の柱状結晶よりも第2の柱状結晶の径を太くするには、焼成時の窒素分圧の調整により、気孔の内部に存在している第2の柱状結晶中の粒成長抑制効果を有する金属元素の酸化物を多く揮発させて、第2の柱状結晶を粒成長させればよい。なお、このとき窒化珪素質セラミックスの焼肌面に突出する柱状結晶についても粒成長することとなるが、焼肌面に突出する柱状結晶は研磨により除去されるため、粒成長した柱状結晶は、本実施形態の耐磨耗性部材の表面には突出して存在することはない。また、研磨された表面に存在する第1の柱状結晶は、隣り合う結晶から拘束されているとともに、第1の柱状結晶中の金属元素の酸化物の揮発は少なく、第1の柱状結晶の粒成長は抑制されているので、耐磨耗性部材の機械的強度は維持されている。
また、第2の柱状結晶が互いに交錯している状態とは、4000倍〜10000倍の倍率で撮影したSEMの画像などで、第2の柱状結晶同士が接触し、互いの軸が任意の角度をなして交差している状態をいう。なお、第2の柱状結晶同士は画像上で交錯していれば良く、実際は互いに接触していなくても近接していれば構わない。
また、本実施形態の耐磨耗性部材の表面における気孔は、潤滑剤を保持する機能を有するが、1.2mm2面積当たりにおける最大径3μm以上9μm以下の気孔の個数が5個未満では、保持できる潤滑剤の量が十分ではなく、摺動特性を長期間に亘って維持することができない。一方、1.2mm2面積当たりにおける最大径3μm以上9μm以下の気孔の個数が28個を超えるときには、機械的特性が低く、摺動時に気孔の周囲が欠けたりするなどの不具合が生じ、耐久性が低くなる。また、−40℃程度の低温環境下において、耐磨耗性部材同士、または、耐磨耗性部材およびこれを保持する部材との摺動始動時における摺動抵抗が急激に高くなったりする。
また、本実施形態の耐磨耗性部材は、気孔の最大径の標準偏差を√V、気孔の最大径の平均値をXとしたとき、√V/Xで表される変動係数が0.05以上0.6以下であることが好適である。√V/Xで表される変動係数が0.05以上0.6以下であるときには、潤滑剤に含まれる異物や、摺動時に生じる耐磨耗性部材の磨耗粉等を気孔内に収容することができるとともに、潤滑剤を保持することができるため、摺動特性を長期間に亘って維持することができる。また、表面には異常に大きな気孔が存在しにくくなるので、気孔の輪郭部分が欠けて不具合が生じることが減少して、高い耐久性を有する。
ここで、表面の1.2mm2面積あたりにおける最大径3μm以上9μm以下の気孔の個数、気孔の最大径の平均値(X)、気孔の最大径の標準偏差(√V)の測定方法は、光学顕微鏡を用いて倍率を100倍として、気孔の大きさや分布が平均的に観察される部分を選択し、面積が1.2mm2(例えば、横方向の長さが1.2mm、縦方向の長さが1.0mm)となる範囲の画像を、画像解析ソフト「A像くん」(登録商標、旭化成エンジニアリング(株)製、以下単に画像解析ソフトと記載する。)の粒子解析という手法を適用する。この手法の設定条件である粒子の明度、2値化の方法および小図形除去面積は、それぞれ暗、手動、0μmとし、画像の明暗を示す指標であるしきい値を、画像内の各点(各ピクセル)が有する明るさを示すヒストグラムのピーク値の0.88倍に設定して測定する。
なお、ここで説明した測定方法において、最大径が3μm未満の気孔については、潤滑剤の保持に寄与せず、気孔であるか否かの判断が困難であるため、測定対象としていない。また、「平均的に観察される」というのは、100倍の倍率で観察した領域において、1箇所しかない異常に径が大きい結晶や気孔等が存在する範囲を意図的に選択するということを除外するだけのものである。
このような設定条件による上述した画像解析ソフトを用いた測定により、表面の1.2mm2面積あたりにおける最大径3μm以上9μm以下の気孔の個数、気孔の最大径の平均値(X)および標準偏差(√V)を求めることができる。、そして、変動係数(√V/X)については、標準偏差(√V)を気孔の最大径の平均値(X)で除すことにより求めることができる。なお、本実施形態において、表面における気孔の最大径とは、上記画像解析ソフトを用いて得られたある気孔における最大長さのことである。
また、本実施形態の耐磨耗性部材において、表面における第1の柱状結晶は、アスペクト比の平均値が1.2以上3.5以下であることが好適である。第1の柱状結晶のアスペクト比の平均値が1.2以上3.5以下であるときには、第1の柱状結晶が交錯していることによって破壊靭性が高くなるとともに、緻密化された組織となって硬度が高くなることから、耐磨耗性部材の耐久性が向上する。なお、アスペクト比の平均値が1.8以上3.5以下であるとより好適である。
ここで、表面における第1の柱状結晶のアスペクト比の平均値は、JIS R 1670−2006に準拠して求めればよい。具体的には、SEMで撮影した2000倍の倍率の画像を用いて、表面において柱状結晶の大きさや分布が平均的に観察される領域(面積が2730.5μm2(横方向の長さが63.5μm、縦方向の長さが43μm))を選び、第1の柱状結晶の少なくとも100個を測定の対象とする。そして、対象とした第1の柱状結晶の長径および短径を測定し、アスペクト比(長径/短径)を求め、その平均値を算出すればよい。
また、本実施形態の耐磨耗性部材の表面の観察領域における面積100%のうち、長径が3μm未満である第1の柱状結晶の合計面積が50%以上であり、長径が5μm以上である第1の柱状結晶の合計面積が10%以上であることが好適である。なお、残部の面積は、長径が3μm以上5μm未満の第1の柱状結晶、粒界相および気孔に該当する。そして、上述した範囲を満たしているときには、摺動時の初期に発生するクラックの長さは結晶の粒径に依存するものであるが、長径が3μm未満である第1の柱状結晶の合計面積が50%以上であることにより、生じるクラックとしては微細なクラックとなりやすく、このクラックが進展したとしても、長径5μm以上の大きな柱状結晶の存在によりクラックの進展が止まるため、優れた機械的特性を有するものとなり、耐磨耗性部材は優れた耐久性を有する。
なお、表面の観察領域における面積100%のうちの長径が3μm未満である第1の柱状結晶の合計面積の百分率および長径が5μm以上である第1の柱状結晶の合計面積の百分率は、SEMを用いて1000倍の倍率で観察した面積が24574.5μm2(横方向の長さが190.5μm、縦方向の長さが129μm)の領域から、結晶の分布が平均的に観察される範囲を4箇所選定する。なお、1範囲当たりの面積は、例えば、2730.5μm2(横方向の長さが63.5μm、縦方向の長さが43μm)となるように設定する。そして、各範囲における第1の柱状結晶の長径および短径を測定し、いずれの結晶も楕円形状とみなして面積を算出し、総面積(4×2730.5μm2)を分母とし、長径が3μm未満である第1の柱状結晶の合計面積や長径が5μm以上である第1の柱状結晶の合計面積を分子として百分率で表せばよい。
また、本実施形態の耐磨耗性部材は、表面に、鉄およびタングステンの少なくともいずれかからなる珪化物(以下、単に珪化物という場合がある。)が存在し、円相当径が0.05μm以上5μm以下である珪化物の個数が2.0×104個/mm2以上2.0×105個/mm2以下であることが好適である。
円相当径が0.05μm以上5μm以下である珪化物の個数が2.0×104個/mm2以上2.0×105個/mm2以下であるときには、高温に曝されたときに第1の柱状結晶内にマイクロクラックが生じても、上述した範囲の珪化物の存在により、マイクロクラックの進展を抑制したり、偏向させたりすることができるため、高温において高い破壊靭性を有する。また、焼結の過程において、上述した範囲の珪化物の存在によって、焼結の過程における第1の柱状結晶の成長を妨げることは少なく、第1の柱状結晶同士は交錯して存在することとなるため、優れた機械的特性を有する。
ここで、表面における鉄およびタングステンからなる珪化物の存在は、X線回折装置(XRD)を用いて測定して同定すればよい。また、エネルギー分散型X線分析機器(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy:EDS)を用いた測定において、鉄および珪素またはタングステンおよび珪素が検出されることによっても確認できる。さらに、その点在は、SEMの観察において、これらの珪化物は、窒化珪素の結晶とは色調が異なるものであることから確認できるが、電子線マイクロアナライザ(EPMA)を用いたマッピングにおいて、鉄の存在位置と珪素の存在位置が重なっている、若しくはタングステンの存在位置と珪素の存在位置が重なっていることによっても確認することができる。
また、円相当径が0.05μm以上5μm以下である珪化物の個数は、窒化珪素の結晶との色調差を利用できる。例えば、SEMを用いて2000倍の倍率で、表面において珪化物の存在が平均的に観察される部分を選択し、面積が2730.5μm2となる範囲の画像を画像解析ソフトで解析すればよい。このとき、設定条件としては、粒子の明度を明、2値化の方法を手動、小図形除去面積を0μmとし、画像の明暗を示す指標であるしきい値を200に設定して測定すればよい。
また、上述した珪化物における円形度の平均値が0.6以上0.9以下であることが好適である。珪化物の円形度の平均値が0.6以上0.9以下であるときには、高温に曝されて珪化物に熱応力が生じても、残留応力が分散されやすい形状であるため、珪化物の内部にマイクロクラックが生じにくいとともに、珪化物の周囲を起点とするマイクロクラックも生じにくいことから、高温においても優れた機械的特性を維持することができる。
なお、珪化物の円形度の平均値は、珪化物の個数の測定時と同様に画像解析ソフトで解析して求めればよい。
また、本実施形態の耐磨耗性部材を構成する窒化珪素質セラミックスは、金属元素の酸化物を含有していても構わない。ここで金属元素の酸化物としては、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウムおよび希土類元素(RE)の酸化物の少なくとも1種であり、この金属元素の酸化物は、粒界相および柱状結晶中に存在することとなる。
上述した金属元素の酸化物を含有しているときには、耐磨耗性部材となる窒化珪素質セラミックスの焼結が促進されることとなるので、機械的特性を高めることができる。
ここで、熱伝導率が高い窒化珪素質セラミックスとするには、希土類元素の酸化物を含むものとし、希土類元素が、エルビウム(Er)、イッテルビウム(Yb)およびルテチウム(Lu)の少なくとも1種であることが好適である。また、希土類元素の酸化物は、温度変化による体積膨張が小さい(熱膨張係数が小さい)ため、含有することによって窒化珪素質セラミックスからなる耐磨耗性部材の耐熱衝撃特性を高くすることができる。
次に、窒化珪素の柱状結晶を有する窒化珪素質セラミックスに、金属元素の酸化物を含有する本実施形態の耐磨耗性部材の構成の一例としては。窒化珪素の含有量が78質量%以上であり、酸化カルシウム、酸化アルミニウムおよび希土類元素の酸化物の合計100質量%のうち、酸化カルシウムの含有量が0.3質量%以上1.5質量%以下、酸化アルミニウムの含有量が14.2質量%以上48.8質量%以下であり、残部が希土類元素の酸化物である。
このように、窒化珪素の含有量と、焼結助剤となる金属元素の酸化物の成分および構成比率を調整することによって、窒化珪素質セラミックスのかさ密度が高くなり、剛性が高い耐磨耗性部材とすることができる。
そして、酸化アルミニウム、酸化カルシウムおよび希土類元素(RE)の酸化物の合計100質量%におけるそれぞれの含有量の構成は、以下のようにして求めることができる。まず、蛍光X線分析装置(XRF)またはICP(Inductively Coupled Plasma)発光分光分析装置(ICP)を用いて、Al、Ca、REの含有量を求め、それぞれ酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化カルシウム(CaO)、希土類元素の酸化物(RE2O3)に換算する。次に、それぞれ酸化物に換算した値を合計し、この合計した値を分母とし、分子をそれぞれの酸化物に換算した値として百分率で表せばよい。なお、それぞれ酸化物に換算した値は、窒化珪素質セラミックスを構成する全成分100質量%のうちの含有量である。
また、窒化珪素(Si3N4)の含有量は、XRFやICPで求めたSiの含有量からSi3N4に換算して求めたり、窒素分析装置で求めたNの含有量からSi3N4に換算して求めればよい。また、窒化珪素質セラミックスに含まれるSiおよびN以外の成分の含有量をXRFやICPで求め、それぞれ酸化物に換算した値を合計し、100質量%からこの合計した値を差し引いた値を窒化珪素の含有量としてもよい。
なお、窒化珪素質セラミックスに窒化珪素の一部が酸化してできる酸化珪素が含まれるときには、酸素分析装置(LECO社製、TC−136型)を用いて窒化珪素質セラミックス中に含まれる全酸素量を測定し、XRFまたはICPで求めたSiおよびN以外の成分の含有量を求め、これらの成分の酸化物の換算に必要とした酸素量の合計を全酸素量から差し引き、残りの酸素(O)の含有量から酸化珪素(SiO2)に換算することによって酸化珪素の含有量を求めればよい。そして、窒化珪素質セラミックスに、酸化珪素が含まれているときには、窒化珪素(Si3N4)の含有量は、XRFやICPで求めたSi(全珪素量)の含有量から、酸化珪素の換算に必要とした珪素の含有量を差し引いた値を用いて換算すればよい。
図1は、本実施形態の転がり支持装置の実施の形態の一例である転がり軸受を示す、(a)は断面図であり、(b)は(a)に示す転がり軸受の保持器を示す斜視図である。
図1(a)に示す例の転がり軸受10は、互いに対向配置される軌道面11a、12aを備えた第1部材(外輪)11および第2部材(内輪)12と、両部材11、12の軌道面11a、12a間に転動自在に配設された複数個の転動体13とを備え、転動体13が転動することにより第1部材(外輪)11および第2部材(内輪)12の一方が他方に対して相対移動するように構成されている。転動体13の大きさとしては、例えば、直径が40mm以上60mm以下の球体である。
なお、第2部材(内輪)12の軌道面における、転動体13の一方側には、第2部材(内輪)12の軌道面12aから傾斜状にカウンタボア12bが形成されている。このカウンタボア12bは、第1部材(外輪)11および第2部材(内輪)12間への転動体13の取り付けを容易にするためのものである。また、図1(b)に示す保持器14は、形状が環状体であって、その円周方向に等間隔に配設されたポケット14aによって、転動体13を保持するものである。
図1に示す例の本実施形態の転がり支持装置(転がり軸受)10において、転動体13が本実施形態の耐磨耗性部材からなる。このように、本実施形態の転がり支持装置10を構成する転動体13が、本実施形態の耐磨耗性部材からなることにより、長期間使用を続けても良好な摺動特性を維持することができるため、長期間継続して使うことができる。また、部材の交換頻度が少なくて済むため、稼働効率を向上させることができる。なお、第1部材(外輪)11および第2部材(内輪)12が、本実施形態の耐磨耗性部材からなることが好適であることはいうまでもない。
図2は、本実施形態の耐磨耗性部材からなるメカニカルシールリングを備える軸封装置の一例を示す断面図である。
この軸封装置20は、環状体である固定部材21aと、凸状部を有する環状体である可動部材21bとからなるメカニカルシールリング21を備え、固定部材21aおよび可動部材21bの少なくとも一方が本実施形態の耐磨耗性部材からなる。
ここで、メカニカルシールリング21は、駆動機構(図示しない)による駆動力を伝達させる回転軸22と、この回転軸22を回転可動に支承するケーシング23との間に取り付けられ、固定部材21aと可動部材21bとの互いの摺動面21as、21bsが回転軸22に対して垂直面を形成するように設置されている。
そして、固定部材21aは、軸封装置20の外枠となるケーシング23の内側に取り付けられた緩衝ゴム27によって支持されている。また、回転軸22には、メカニカルシールリング21に向かって、セットスクリュー28により固定されるカラー26、コイルスプリング25、パッキング24の順に設置され、可動部材21bは、パッキング24によって緩衝的に支持されている。
そして、パッキング24と回転軸22との間に設けられたOリング29によるシール作用と、メカニカルシールリング21の摺動面21as、21bsのシール作用とによって、流体30が軸封装置20より外部に漏洩することを防止している。なお、流体30の一部はメカニカルシールリング21の摺動面21as、21bsの間に入り込み潤滑液として作用する。
本実施形態の軸封装置20は、可動部材21bが摺動を開始すると、摺動面21as、21bsの間において動圧が発生し、ここで発生した動圧により、潤滑液は、摺動面1as、21bs外に流出しやすくなるが、表面である摺動面21as、21bsの少なくともいずれかに、1.2mm2面積当たりに最大径3μm以上9μm以下の気孔を5個以上28個以下有しており、気孔の内部に第1の柱状結晶よりも径の太い第2の柱状結晶が互いに交錯していることによって、潤滑液を動圧によって瞬時に流出させることなく、摺動面21as、21bsに徐々に供給することができる。
また、本実施形態の軸封装置20は、本実施形態の耐磨耗性部材からなるメカニカルシールリング21を備えていることから、長期間使用を続けても良好な摺動特性を維持することができるため、長期間継続して使うことができる。また、部材の交換頻度が少なくて済むため、稼働効率を向上させることができる。
次に、本実施形態の耐磨耗性部材の製造方法の一例について説明する。
まず、窒化珪素の粉末と、焼結助剤として酸化カルシウム、酸化アルミニウムおよび希土類元素の酸化物の各粉末とを、バレルミル、回転ミル、振動ミル、ビーズミルまたはアトライター等を用いて湿式混合し、粉砕してスラリーとする。
また、焼結助剤である酸化カルシウム、酸化アルミニウムおよび希土類元素の酸化物の各粉末の合計は、窒化珪素の粉末とこれら焼結助剤の粉末の合計との総和を100質量%としたときに、3質量%以上18.2質量%以下となるように秤量すればよい。そして、各焼結助剤の構成としては、例えば、酸化カルシウム、酸化アルミニウムおよび希土類元素の酸化物の合計100質量%のうち、酸化カルシウムの含有量を0.3質量%以上1.5質量%以下、酸化アルミニウムの含有量を14.2質量%以上48.8質量%以下、残部を希土類元素の酸化物とする。
なお、窒化珪素の粉末は、粒度分布曲線の累積体積の総和を100%としたときの累積体積が90%となる粒径(D90)が3μm以下であるものを用いる、または上述した粉砕において3μm以下となるまで粉砕することが、焼結性の向上および結晶組織の柱状化の点から好ましい。
そして、粉砕後に、パラフィンワックス、ポリビニルアルコール(PVA)およびポリエチレングリコール(PEG)等の有機バインダを、添加した粉末の合計100質量%に対して1質量%以上10質量%以下でスラリーに混合することが、成形性のために好ましい。
次に、ASTM E 11−61に記載されている粒度番号が200のメッシュまたはこのメッシュより細かいメッシュの篩いにスラリーを通した後に噴霧乾燥機を用いることにより顆粒を得る。
ここで、耐磨耗性部材における表面に存在する気孔の最大径は、顆粒の平均粒径によって制御することができ、気孔の最大径を3μm以上9μm以下とするには、顆粒の平均粒径を30μm以上80μm以下とすればよい。また、顆粒の平均粒径は、噴霧乾燥機に備えられた回転型の噴霧器(アトマイザー)の回転速度を調整することで適宜変更すればよい。
次に、得られた顆粒を、成形型に充填し、一軸加圧法により成形した後、冷間等方圧加圧(CIP)法により相対密度が45%以上60%以下の所定形状、例えば、球状、平板状または環状の成形体とする。成形体の密度の向上や顆粒の潰れ性の観点から、一軸加圧法における成形圧力は10〜30MPa、CIP法における成形圧力は50〜100MPaであることが好適である。そして、得られた成形体を、窒素雰囲気中または真空雰囲気中などで脱脂する。脱脂温度は添加した有機バインダの種類によって異なるが、900℃以下がよく、特に500℃以上800℃以下とすることが好適である。
次に、一般的な窒化珪素質成形体の焼成に用いる黒鉛抵抗発熱体が設置された焼成炉内に成形体を配置し、焼成する。温度については、室温から300〜1000℃までは真空雰囲気中にて昇温し、その後、窒素ガスを導入して、窒素分圧を10〜100kPaに維持する。このとき成形体の開気孔率は40〜55%程度であるため、成形体中には窒素ガスが十分充填される。そして、昇温を続け、微細な結晶組織を得るべく、1750℃で1〜2時間保持する。その後、さらに昇温を続け、焼成温度を1800℃以上1860℃以下として、保持時間を3〜5時間で焼成する。あるいは、焼成温度を1730℃以上1750℃以下として、保持時間を12〜16時間として焼成してもよい。
ここで、焼成温度を1800℃以上1860℃以下として、保持時間を3〜5時間とすることにより、粒成長の抑制効果のある第2の柱状結晶中の金属元素の酸化物が多く揮発して、第1の柱状結晶よりも隣り合う結晶から拘束されにくい第2の柱状結晶がより粒成長し、気孔の内部に第1の柱状結晶よりも径の太い第2の柱状結晶が互いに交錯するように複数存在することになる。焼成温度を1730℃以上1750℃以下として、保持時間を12〜16時間としても上述した結果と同じ結果が得られる。
ここで、最大径が3μm以上9μm以下の気孔を、5個以上28個以下の範囲で存在させるには、上記焼成温度で保持したときの窒素の圧力を100kPa以上100kPa以下に制御すればよい。
また、√V/Xで表される変動係数が0.05以上0.6以下である耐磨耗性部材を得るには、焼成した後に熱間等方圧加圧法(HIP法)により150MPa以上250MPa以下の圧力を加えればよい。
また、表面における第1の柱状結晶のアスペクト比の平均値が1.2以上3.5以下である耐磨耗性部材を得るには、焼成温度を1810℃以上1850℃以下とすればよい。
また、表面の観察領域における面積100%のうち、、長径が3μm未満である第1の柱状結晶の合計面積が50%以上であり、長径が5μm以上である第1の柱状結晶の合計面積が10%以上である耐磨耗性部材を得るには、累積体積50%となる粒径(D50)が1μm以上2μm以下の窒化珪素の粉末を用い、ビーズミルで5〜10時間湿式混合し、粒径(D50)が、例えば、0.5μm以上2μm以下になるように粉砕してスラリーとすればよい。
また、表面に、鉄およびタングステンの少なくともいずれかからなる珪化物が存在し、円相当径が0.05μm以上5μm以下である珪化物の個数が2.0×104個/mm2以上2.0×105個/mm2以下である耐磨耗性部材を得るには、窒化珪素の粉末および焼結助剤の粉末に、酸化第2鉄の粉末および炭化タングステンの粉末の少なくともいずれかを以下の量添加すればよい。具体的には、窒化珪素の粉末および焼結助剤の粉末の合計100質量部に対し、比表面積が0.5m2/g以上50m2/g以下である酸化第2鉄の粉末を1質量部以上1.7質量部以下、または、比表面積が0.5m2/g以上50m2/g以下である炭化タングステンの粉末を0.6質量部以上0.9質量部以下添加すればよい。
また、鉄の珪化物およびタングステンの珪化物がいずれも点在し、円相当径が0.05μm以上5μm以下である珪化物の個数が2.0×104個/mm2以上2.0×105個/mm2以下である耐磨耗性部材を得るには、0.5m2/g以上50m2/g以下である酸化第2鉄および炭化タングステンの各粉末をそれぞれ0.5質量部以上1質量部以下、0.25質量部以上0.6質量部以下添加すればよい。
このように添加した酸化第2鉄の粉末は、焼成工程で窒化珪素と反応して、酸素を脱離し、鉄の珪化物を生成する。同様に、炭化タングステンの粉末は、焼成工程で窒化珪素と反応して、炭素を脱離し、タングステンの珪化物を生成する。
また、珪化物の円形度の平均値が0.6以上0.9以下である耐磨耗性部材を得るには、添加する酸化第2鉄の粉末および炭化タングステンの粉末の比表面積を0.52m2/g以上0.65m2/g以下とすればよい。
そして、得られた焼結体に、必要に応じて研削加工を施した後、例えば、錫製のラップ盤で、JIS B 0601:2013(ISO 4287:1997、Amd.1:1997)における算術平均高さ(Ra)が0.98μm以下となるように研磨する。
上述した製造方法により、潤滑剤の適度な保持性能を有するとともに、耐久性の高い耐磨耗性部材を得ることができ、転がり支持装置および軸封装置等に好適に用いることができる。
以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
まず、平均粒径が2.6μmである窒化珪素の粉末と、酸化カルシウム、酸化アルミニウムおよび酸化イットリウムの各粉末とを混合して、混合粉末を得た。そして、この混合粉末を溶媒である水とともに振動ミルに投入して、72時間粉砕混合し、スラリーを作製した。
次に、粉砕混合した粉末に対してポリビニルアルコール(PVA)を5質量%添加し、ASTM E 11−61に記載されている粒度番号が200であるメッシュの篩いにスラリーを通して異物を除去した後に、乾燥乾燥機を用いることにより平均粒径が55μmの顆粒を得た。そして、この顆粒を成形型に充填し、一軸加圧法により成形した後、CIP法を用いて相対密度が52.5%の球状の成形体を得た。ここで、一軸加圧法における成形圧力は20MPa、CIP法における成形圧力は75MPaとした。次に、600℃の窒素雰囲気中で脱脂した後、黒鉛抵抗発熱体が設置された焼成炉内に配置し、表1に示す窒素分圧、焼成温度および保持時間で焼成して、球状の焼結体を得た。そして、得られた焼結体を研磨することにより、直径が47.63mmの転動体(試料No.1〜9)を得た。
そして、ICPにより、Si、Ca、Al、Yの含有量を測定し、SiをSi3N4、CaをCaO、AlをAl2O3、YをY2O3に換算したところ、Si3N4が78質量%であり、CaOが0.05質量%であり、Al2O3が8.88質量%であり、Y2O3が12.2質量%であった。
また、表面に存在する柱状結晶および気孔内に存在する柱状結晶について、EDSを用いて測定したところ、SiおよびNが確認され、柱状結晶が窒化珪素からなることが分かった。
また、表面における最大径が3μm以上9μm以下である気孔の個数は、光学顕微鏡を用いた100倍の倍率の画像(面積1.2mm2(横方向の長さ1.2mm、縦方向の長さ1.0mm))を画像解析ソフトの粒子解析という手法を適用することにより求めた。なお、粒子解析における設定条件は、粒子の明度を暗、2値化の方法を手動、小図形除去面積を0μmとし、画像の明暗を示す指標であるしきい値を、画像内の各点が有する明るさを示すヒストグラムのピーク値の0.88倍に設定して測定した。
また、SEMを用いて撮影した6000倍の倍率の画像において、表面に存在する第1の柱状結晶の長手方向の中点における幅をW1、気孔の内部に存在する第2の柱状結晶の長手方向の中点における幅をW2とし、サンプル数をいずれも5個とした。そして、このサンプル数各5個の第1の柱状結晶の幅W1の平均値をM(W1)、第2の柱状結晶の幅W2の平均値をM(W2)とした。
また、SEMを用いて撮影した6000倍の倍率の気孔の内部の画像を観察し、第2の柱状結晶の交錯の有無を確認した。
そして、高炭素クロム軸受鋼材(JIS G 4805−2008に記載されている種類の記号がSUJ2である。)からなる第1部材(外輪)の軌道面および第2部材(内輪)の軌道面間に試料(転動体)が配設された転がり軸受を作製し、疲労試験を行なった。
ここで、疲労試験の条件は、以下の通りとした。
最大接触面圧:3.2GPa
軸受回転数 :3000rpm
潤滑剤 :ポリ−α−オレフィン系グリース
潤滑剤の動粘度(40℃):600mm2/s
温度 :室温
そして、振動検出装置により回転中の転がり軸受の振動を監視し、転動体に破損が発生して転がり軸受の振動が所定値を超えた時点で疲労試験を中止した。試料No.1の運転開始から中止したまでの転動体の寿命を基準値1として相対値を算出した。結果を表1に示す。
最大接触面圧:3.2GPa
軸受回転数 :3000rpm
潤滑剤 :ポリ−α−オレフィン系グリース
潤滑剤の動粘度(40℃):600mm2/s
温度 :室温
そして、振動検出装置により回転中の転がり軸受の振動を監視し、転動体に破損が発生して転がり軸受の振動が所定値を超えた時点で疲労試験を中止した。試料No.1の運転開始から中止したまでの転動体の寿命を基準値1として相対値を算出した。結果を表1に示す。
表1に示す通り、試料No.4〜8は、試料No.1〜3、9よりも寿命が長くなっており、窒化珪素の柱状結晶を有する窒化珪素質セラミックスからなり、表面に第1の柱状結晶および気孔が存在し、気孔の内部には第1の柱状結晶よりも径の太い第2の柱状結晶が互いに交錯して存在しており、表面の1.2mm2面積当たりにおける最大径3μm以上9μm以下の気孔の個数が5個以上28個以下であることにより、耐磨耗性に優れたものとなることが分かった。
実施例1で示した試料No.6と同様の方法により焼成まで行ない、その後、温度を1580℃、時間を1時間として、表2に示す圧力でHIP処理し、得られた焼結体を研磨することにより、直径が47.63mmの転動体(試料No.10〜16)を得た。
そして、√V/Xで表される変動係数は、実施例1に記載した気孔の個数の算出方法と同様の方法により、気孔の最大径の平均値および標準偏差を求め、この平均値および標準偏差から算出した。
また、実施例1と同様の疲労試験を行ない、試料No.10の寿命を基準値1として相対値を算出した。結果を表2に示す。
表2に示す通り、試料No.11〜15は、試料No.10、16よりも寿命が長くなっており、√V/Xで表される変動係数が0.05以上0.6以下であることにより、さらに優れた耐磨耗性を有するものとなることが分かった。
実施例1で示した試料No.6と同様の方法により脱脂まで行ない、その後、表3に示す焼成温度で焼成し、得られた焼結体を研磨することにより、直径が47.63mmの転動体(試料No.17〜23)を得た。
そして、表面における第1の柱状結晶のアスペクト比の平均値は、SEMで撮影した2000倍の倍率の画像を用いて、JIS R1670−2006に準拠して求めた。
また、JIS R 1610−2003に準拠して、ビッカース硬さを求めた。さらに、JIS
R 1607−2010(ISO 15732−2003(MOD))に定める圧子圧入法に準拠して、破壊靭性を求めた。結果を表3に示す。
R 1607−2010(ISO 15732−2003(MOD))に定める圧子圧入法に準拠して、破壊靭性を求めた。結果を表3に示す。
表3に示す通り、試料No.18〜22は、試料No.17よりも破壊靭性が高く、試料No.23よりも硬度が高くなっており、表面における第1の柱状結晶のアスペクト比の平均値が1.2以上3.5以下であることにより、破壊靭性および硬度の優れた耐磨耗性部材となることが分かった。
実施例1で示した試料No.6と同様の混合粉末を用意し、溶媒である水とともにビーズミルに投入して、表4に示す時間で粉砕混合し、スラリーを作製した。その後、研磨後に直径が10mmの球状体が得られる成形体としたこと以外は、実施例1に示した方法と同じ方法で脱脂まで行ない、窒素分圧を600kPa、焼成温度を1740℃、保持時間を14時間として焼成し、得られた焼結体を研磨することにより、直径が10mmの転動体(試料No.24〜27)を得た。
そして、各試料の表面の観察領域における面積100%のうちの長径が3μm未満である第1の柱状結晶の合計面積の百分率および長径が5μm以上である第1の柱状結晶の合計面積の百分率を次のようにして求めた。まず、SEMを用いて1000倍の倍率で観察した面積が24574.5μm2の領域から、結晶の分布が平均的に観察される範囲(1範囲当たりの面積2730.5μm2)を4箇所選定した。そして、各範囲における第1の柱状結晶の長径および短径を測定し、いずれの結晶も楕円形状とみなして面積を算出し、総面積(4×2730.5μm2)を分母とし、長径が3μm未満である第1の柱状結晶の合計面積や長径が5μm以上である第1の柱状結晶の合計面積を分子として百分率で表した。
次に、JIS R 1691−2011に準拠して、試料No.24〜27を用いて磨耗試験を実施した。なお、磨耗試験において、試料と摺接する円板状試験片はSUJ2製、付与する荷重は10N、円板状試験片の摺動速度は0.37m/s、摺動円直径は14mm、摺動距離は2000mとして、潤滑流体にはイオン交換水を用いた。
そして、各試料の比磨耗量を算出して、試料No.27の比磨耗量の基準値1として相対値を算出した。この相対値が小さいほど、比磨耗量が少ないことを意味する。結果を表4に示す。
表4に示す通り、試料No.24〜26は、試料No.27よりも磨耗しにくい結果が得られており、表面の観察領域における面積100%のうち、長径が3μm未満である第1の柱状結晶の合計面積が50%以上であり、長径が5μm以上である第1の柱状結晶の合計面積が10%以上であることにより、耐磨耗性が向上することが分かった。
実施例1で示した試料No.6と同様の混合粉末と、表5に示す比表面積を有する酸化第2鉄の粉末および炭化タングステンの粉末とを用意し、混合粉末100質量部に対する酸化第2鉄の粉末および炭化タングステンの粉末の添加量を表5に示す添加量とした。そして、破壊靭性および機械的強度を測定するための試験片を形成可能な大きさの成形体としたこと以外は、スラリー作製工程から実施例1の試料No.6と同様の方法により作製し、試料No.28〜42を得た。
そして、各試料につき、XRDで測定し同定された珪化物名を表5に示した。また、円相当径が0.05μm以上5μm以下である珪化物の個数は、窒化珪素の結晶との色調差を利用し、2000倍の倍率のSEMの画像を画像解析ソフトを用いて解析することにより求めた。なお、設定条件は、粒子の明度を明、2値化の方法を手動、小図形除去面積を0μmとし、画像の明暗を示す指標であるしきい値を200に設定して測定した。
次に、各試料から破壊靭性値および機械的強度を測定するための試験片を切り出し、JIS R 1617−2010に準拠して、500℃における破壊靭性値を測定した。また、JIS
R 1601−2008(ISO 14704−2000(MOD))に準拠して、室温における4点曲げ強度F0を測定した。結果を表5に示す。
R 1601−2008(ISO 14704−2000(MOD))に準拠して、室温における4点曲げ強度F0を測定した。結果を表5に示す。
表5に示す通り、試料No.29〜31、34〜36および39〜41は、試料No.28、33および38よりも高温における破壊靭性値が高く、試料No.32、37および42よりも4点曲げ強度が高くなっており、表面に、鉄およびタングステンの少なくともいずれかからなる珪化物が存在し、円相当径が0.05μm以上5μm以下である珪化物の個数が2.0×104個/mm2以上2.0×105個/mm2以下であることにより、優れた機械的特性を有するものとなることが分かった。
実施例1で示した試料No.6と同様の混合粉末と、表6に示す比表面積を有する酸化第2鉄の粉末および炭化タングステンの粉末とを用意し、混合粉末100質量部に対する酸化第2鉄の粉末および炭化タングステンの粉末の添加量を表6に示す添加量とした。そして、機械的強度を測定するための試験片を形成可能な大きさの成形体としたこと以外は、スラリー作製工程から実施例1の試料No.6と同様の方法により作製し、試料No.43〜60を得た。
そして、実施例5と同様の方法により、珪化物の存在を確認するとともに、珪化物の円形度を測定した。
次に、各試料から機械的強度を測定するための試験片を切り出し、JIS R 1601−2008(ISO 14704−2000(MOD))に準拠した室温における4点曲げ強度F0と、JIS R 1604−2008(ISO 17565−2003(MOD))に準拠した1000℃における4点曲げ強度F1とを測定した。そして、4点曲げ強度F0に対する4点曲げ強度F1の低下率ΔF(=(F0−F1)/F0×100)(%)を算出した。結果を表6に示す。
表6に示す通り、試料No.44〜47、50〜53および56〜59は、試料No.43、48、49、54、55および60よりも低下率ΔFが小さい結果が得られており、表面における珪化物の円形度の平均値が0.6以上0.9以下であることにより、高温においても優れた機械的特性を維持できることが分かった。
10:転がり支持装置(転がり軸受)
11:第1部材(外輪)
12:第2部材(内輪)
13:転動体
14:保持器
20:軸封装置
21:メカニカルシールリング
22:回転軸
23:ケーシング
24:パッキング
25:コイルスプリング
26:カラー
27:緩衝ゴム
28:セットスクリュー
29:Oリング
30:流体
11:第1部材(外輪)
12:第2部材(内輪)
13:転動体
14:保持器
20:軸封装置
21:メカニカルシールリング
22:回転軸
23:ケーシング
24:パッキング
25:コイルスプリング
26:カラー
27:緩衝ゴム
28:セットスクリュー
29:Oリング
30:流体
Claims (8)
- 窒化珪素の柱状結晶を有する窒化珪素質セラミックスからなり、表面に窒化珪素からなる第1の柱状結晶および気孔が存在し、該気孔の内部には前記第1の柱状結晶よりも径の太い窒化珪素からなる第2の柱状結晶が互いに交錯して存在しており、前記表面の1.2mm2面積当たりにおける最大径3μm以上9μm以下の気孔の個数が5個以上28個以下であることを特徴とする耐磨耗性部材。
- 前記気孔の最大径の標準偏差を√V、前記気孔の最大径の平均値をXとしたとき、√V/Xで表される変動係数が0.05以上0.6以下であることを特徴とする請求項1に記載の耐磨耗性部材。
- 前記表面における前記第1の柱状結晶は、アスペクト比の平均値が1.2以上3.5以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の耐磨耗性部材。
- 前記表面の観察領域における面積100%のうち、長径が3μm未満である前記第1の柱状結晶の合計面積が50%以上であり、長径が5μm以上である前記第1の柱状結晶の合計面積が10%以上であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の耐磨耗性部材。
- 前記表面に、鉄およびタングステンの少なくともいずれかからなる珪化物が存在し、円相当径が0.05μm以上5μm以下である前記珪化物の個数が2.0×104個/mm2以上2.0×105個/mm2以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の耐磨耗性部材。
- 前記珪化物は、円形度の平均値が0.6以上0.9以下であることを特徴とする請求項5に記載の耐磨耗性部材。
- それぞれ軌道面を有する第1部材および第2部材と、
複数個の転動体とを備え、
前記第1部材および前記第2部材は、対向して配置され、
前記転動体は、前記軌道面間に転動自在に配設され、
前記転動体が請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の耐磨耗性部材からなることを特徴とする転がり支持装置。 - 固定部材と可動部材とからなるメカニカルシールリングを備え、
前記固定部材および前記可動部材の少なくとも一方が、請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の耐磨耗性部材からなることを特徴とする軸封装置。
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