JP5601320B2 - 転がり軸受及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばエアコンファンモータやコンプレッサ等のインバータ制御されるモータ用、ＨＤＤのスイングアーム支持用ピボットアーム、サーボモータやステッピングモータ等の揺動運動するモータ用として好適な転がり軸受に関する。

エアコンファンモータや冷蔵庫のコンプレッサ等のモータは、省エネ化のためにインバータ制御されていることが多い。しかし、インバータ回路から高周波の電流が発生してモータ内の軸受の内外輪や転動体にも流れ込むことがあり、それにより転動面（レース面）に電食が発生することがある。

電食を防止するために様々な提案がなされており、例えば、軌道輪の軌道面に合成樹脂や熱可塑性エラストマー、合成ゴム、セラミックスからなる絶縁層を設けることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、セラミックス製の転動体を用いた転がり軸受を用いることでも電食を防止することができるが、セラミックスとして一般的な窒化珪素製転動体を用いた転がり軸受では、音響特性及びトルク性能に改善の余地がある。即ち、窒化珪素製転動体の表面は元々油の濡れ性が悪いために、転がり軸受のトルクを低くするために低粘度の潤滑剤を用いると、転動体の表面に形成される油膜が薄すぎて油膜切れを生じやすくなる。

そのため、低粘度の潤滑剤を用いると、窒化珪素よりも硬度の低い軸受鋼製の軌道面に損傷が生じやすくなる。従って、潤滑剤の供給を定期的に行なうなどのメンテナンスを行なわないと、窒化珪素製転動体を用いた転がり軸受は、高速になると内外輪をなす鋼と転動体をなす窒化珪素に線膨張係数の差により予圧が抜け、隙間が生じる可能性がある（特許文献２）。

また、セラミックスとしてジルコニアも使用されている。ジルコニアは線膨張係数が軸受を構成する鋼に近く、転がり軸受に予圧抜けが生じにくい利点がある。また、ＭｇＯやＣａＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２等の安定化剤を分散させたジルコニアは高強度、高靭性であることから（非特許文献１）、転がり軸受の長寿命化も可能である。更に、ジルコニアの高強度、高靭性を活かし、安価にするためアルミナを添加し、ジルコニア−イットリア：アルミナ＝１００：１〜６０：４０で添加することも行われている（特許文献３）。しかし、低粘度の潤滑剤を用いたときに窒化珪素と同様に油膜切れを起こすことがあり、更には潤滑剤として極性を有するエステル系潤滑油を用いた場合には転動体の摩耗が加速される傾向がある。

日本国特開平０７−３１０７４８号公報 日本国特開２００２−１３９０４８号公報 日本国特開２００２−１０６５７０号公報

宗宮重行、吉村昌弘編、ジルコニアセラミックス９、内田老鶴圃、ｐ４７〜６９及びｐ７３〜７９

そこで本発明は、電食防止効果に優れ、かつ、潤滑剤の使用量を少なくしたり、低粘度の潤滑剤を用いて軸受の低トルク化を図ることが要求される用途に好適で、音響特性や耐久性に優れる転がり軸受を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、下記の転がり軸受及びその製造方法を提供する。
（１）少なくとも内輪、外輪、転動体及び保持器を備える転がり軸受において、
前記転動体が、アルミナ成分と、ジルコニア成分またはイットリアを１．５〜５モル％含有するイットリア−ジルコニア成分とを、質量比で、アルミナ成分：ジルコニア成分またはイットリア−ジルコニア成分＝５〜３０：７０〜９５で含み、アルミナ焼結粒子、ジルコニア焼結粒子またはイットリア−ジルコニア焼結粒子が、何れも平均粒径２μｍ以下であり、かつ、ＳｉＯ _２ 、Ｎａ _２ Ｏ及びＦｅ _２ Ｏ _３ の各含有量が何れも０．３質量％以下であるアルミナ−ジルコニア系複合材料製であることを特徴とする転がり軸受。
（２） 転動体の表面において、１０〜３０μｍのジルコニア塊またはイットリア−ジルコニア塊の個数が５個／３００ｍｍ ^２ 以下であることを特徴とする上記（１）記載の転がり軸受。
（３）転動体のヤング率が２１５〜２８０ＧＰａであることを特徴とする上記（１）または（２）記載の転がり軸受。
（４）転動体の密度が４．５〜６ｇ／ｃｍ ^３ であることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の転がり軸受。
（５）保持器が合成樹脂組成物からなることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の転がり軸受。
（６）内輪及び外輪の少なくとも一方が浸炭窒化処理されていることを特徴とする上記（１）〜（５）の何れか１項に記載の転がり軸受。
（７）４０℃における動粘度が８０ｍｍ ^２ ／ｓ以下であるエステル油、または該エステル油を基油とするグリースを、軸受空間の２０体積％以下となるように封入したことを特徴とする上記（１）〜（６）何れか１項に記載の転がり軸受。
（８）４０℃における動粘度が８０ｍｍ ^２ ／ｓ以下で、分子中に極性基を持たない無極性潤滑油、または該無極性潤滑油を基油とするグリースを、軸受空間の２０体積％以下となるように封入したことを特徴とする上記（１）〜（７）の何れか１項に記載の転がり軸受。
（９）少なくとも内輪、外輪、転動体及び保持器を備える転がり軸受の製造方法において、ＳｉＯ _２ 、Ｎａ _２ Ｏ及びＦｅ _２ Ｏ _３ の各含有量が何れも０．３質量％以下であり、かつ、アルミナ原料粉末と、ジルコニア原料粉末またはイットリアを１．５〜５モル％含有するイットリア−ジルコニア原料粉末とを、質量比で、アルミナ原料粉末：ジルコニア原料粉末またはイットリア−ジルコニア原料粉末＝５〜３０：７０〜９５の割合で混合してなる混合物を、転動体の形状に成形した後、成形物を焼結して、ジルコニア焼結粒子またはイットリア−ジルコニア焼結粒子が何れも平均粒径２μｍ以下である転動体を作製する工程を有することを特徴とする転がり軸受の製造方法。
（１０）アルミナ原料粉末と、ジルコニア原料粉末またはイットリア−ジルコニア原料粉末とを、φ１ｍｍ以下のジルコニア系ビーズとともにビーズミル混合機に投入して粉砕混合することを特徴とする上記（９）記載の転がり軸受の製造方法。

本発明によれば、窒化珪素製転動体を用いた転がり軸受と同等の電食防止効果を有するとともに、低粘度で、少量の潤滑剤で十分な潤滑性が確保でき、低トルクが要求される用途に好適で、音響特性や耐久性に優れる転がり軸受が提供される。

本発明に係る転がり軸受の一実施形態である玉軸受を示す断面図である。 ビーズミル混合機の一例を示す模式図である。 試験４で得られた、ＳＵＪ２製のボール試験片を用いた場合の摩擦係数の経時変化を示すチャートである。 試験４で得られた、ＳＵＪ２製のボール試験片を用いた場合のディスク試験片の比摩耗量を示すグラフである。 試験４で得られた、アルミナ−ジルコニア系複合材料製のボール試験片を用いた場合の摩擦係数の経時変化を示すチャートである。 試験４で得られた、アルミナ−ジルコニア系複合材料製のボール試験片を用いた場合のディスク試験片の比摩耗量を示すグラフである。 試験４で得られた、アルミナ−ジルコニア系複合材料製のボール試験片の表面状態の経時変化を測定したチャートである。 試験４で得られた、アルミナ−ジルコニア系複合材料製のボール試験片の表面状態の経時変化を測定したチャートである。 試験４で得られた、比摩耗量の比を示すグラフである。 試験５におけるスラスト試験法を説明する模式図である。 試験５で得られた、アルミナ成分とジルコニア成分との比率と寿命比との関係を示すグラフである。 試験６で得られた、酸化鉄の含有量と寿命との関係を示すグラフである。 試験６で得られた、酸化鉄の含有量と振動値との関係を示すグラフである。 試験７で得られた、平均粒径と寿命との関係を示すグラフである。 試験８で得られた、ジルコニア塊の長径寸法と寿命との関係を示すグラフである。 試験９で得られた、転動体表面における種々の大きさのジルコニア塊の個数を求めたグラフである。 試験９で得られた、３００ｍｍ^２当たりの１０〜３０μｍのジルコニア塊の数と寿命との関係を示すグラフである。 試験１０で得られた、３００ｍｍ^２当たりの１０〜３０μｍのジルコニア塊の数と寿命の関係を示すグラフである。 試験１１で得られた、ボール試験片Ｂを用いた軸受の寿命試験の結果を示すグラフである。 試験１１で得られた、ボール試験片Ａの内部組織を撮影したＳＥＭ写真（Ａ）及びボール試験片Ｂの内部組織を撮影したＳＥＭ写真（Ｂ）である。

以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。

本発明の転がり軸受は、例えば、エアコンファンモータやコンプレッサ等のインバータ制御されるモータ用、ＨＤＤのスイングアーム支持用ピボットアーム、サーボモータやステッピングモータ等の揺動運動するモータに使用されるものであれば、転がり軸受の構造には制限はなく、図１に断面図で示すような玉軸受を例示することができる。

図示される玉軸受は、内輪１の外周面に形成された内輪軌道面１ａと、外輪２の内周面に形成された外輪軌道面２ａの間に、複数個の転動体である玉３を保持器４で保持し、シール５により、内輪１と外輪２と玉３とで形成される軸受空間６に充填した潤滑剤Ｇを封止して概略構成されている。尚、符号２ｂは、外輪２に設けたシール嵌合溝である。本発明では、内輪１と外輪２とをＳＵＪ２鋼、ＳＵＳ鋼、１３Ｃｒ鋼等の金属製とし、玉３をアルミナ成分と、ジルコニア成分またはイットリア−ジルコニア成分とを含むアルミナ−ジルコニア系複合材料で形成する。このように内輪１や外輪２と玉３とを異種材料の組み合わせにすることにより、低トルク化のために潤滑剤Ｇの量を減らしたり、低粘度の潤滑剤Ｇを用いた場合でも内輪１と玉３、外輪２と玉３との凝着を防止することができる。また、玉３が、電気絶縁性のアルミナ−ジルコニア系複合材料であるため、電食を防止することもできる。

軸受材料として一般的なセラミック材料である窒化珪素は、針状結晶が絡み合った微細結晶であり、その粒径は最大径で３０〜５０μｍで、アスペクト比２程度である。これに対しアルミナ−ジルコニア系複合材料は、アルミナ成分と、ジルコニア成分またはイットリア−ジルコニア成分とを下記の比率で含み、焼結して得られるアルミナの焼結粒子（以下、アルミナ焼結粒子）、ジルコニアの焼結粒子（以下、ジルコニア焼結粒子）またはイットリア−ジルコニアの焼結粒子（以下、イットリア−ジルコニア焼結粒子）は、何れも平均粒径が２μｍ以下の微細な略球物である。そのため、長時間軸受を稼動すると、玉３の表面の結晶粒が摩耗・脱落するため、表面の凹凸は、粒径の大きい窒化珪素は、粒径の小さいアルミナ−ジルコニア系複合材料よりも大きくなり、軌道面１ａ，２ａの損傷が激しくなる傾向にある。

尚、アルミナ成分と、ジルコニア成分またはイットリア−ジルコニア成分との比率は、質量比で、アルミナ成分：ジルコニア成分またはイットリア−ジルコニア成分＝５〜３０：７０〜９５であり、１０〜３０：７０〜９０であることが好ましく、２０：８０であることがより好ましい。

また、焼結から室温まで冷却される際の体積収縮の差からアルミナ焼結粒子は圧縮し、ジルコニア焼結粒子やイットリア−ジルコニア焼結粒子は引張応力が付与され、残留応力の分布の違いから亀裂が迂回して進展する。更に、亀裂は強度の弱いアルミナ焼結粒子を進展するが、ジルコニア焼結粒子やイットリア−ジルコニア焼結粒子の相転移（正方晶→単斜晶）によるアルミナ粒子への圧縮応力が負荷され、亀裂進展が防止される。

特に、ジルコニア成分またはイットリア−ジルコニア成分が７０質量％未満では、相転移によるアルミナ焼結粒子への圧縮応力の負荷の効果が発現され難く、強度が低下する。また、ジルコニア成分またはイットリア−ジルコニア成分が９０質量％を超えると，粒子成長・凝集が起きやすくなり、異常成長したジルコニア焼結粒子やイットリア−ジルコニア焼結粒子により強度が低下する。

また、イットリア−ジルコニア成分において、イットリアを１．５モル％以上５モル％以下の割合で含み、イットリアの含有量は３モル％であることがより好ましい。ジルコニアにイットリアを添加し固溶させると、構造中に酸素空孔が形成され、立方晶及び正方晶が室温でも安定、または準安定となり強度が向上するが、そのときのジルコニア中のイットリア含有量の適正量が１．５〜５モル％である。イットリア含有量が１．５モル％未満では正方晶からなる焼結体が得られず、５モル％以上では正方晶が減少して立方晶が主体となるため、転移による高強度化が得られない。

玉３を作製するには、アルミナ原料粉末と、ジルコニア原料粉末またはイットリア−ジルコニア原料粉末とを、それぞれ上記の成分比となるように混合し、混合物を球形に成形した後、成形物を脱脂して焼結し、ＨＩＰ処理すればよい。その際、より緻密にするために、各原料粉末に含まれる不純物は少ない方が好ましく、特にＳｉＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｎａ_２Ｏを極力減少させることにより、焼結性を向上させて緻密化に有効となる。更に、不純物に起因する早期剥離も抑えることができる。具体的には、ＳｉＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｎａ_２Ｏの含有量はそれぞれ０．３質量％以下とし、好ましくは０．１質量％以下、より好ましくは０．０２質量％以下である。含有量が０．３質量％を超えると運転時に転動体表面から粒子の微小な脱落が起こり易くなり、転動体表面の粗さの低下、脱落した粒子による軌道面の微細な損傷が発生し、振動が大きくなり音響寿命を短くするおそれがある。また、転動体の疲労寿命も不純物が起点となり早期剥離を引き起こす原因にもなる。

尚、成形方法は圧縮成形が一般的であり、焼結後に素材（素球）を研削、研磨して所定の球形状に調整する。また、ＨＩＰ処理は通常の条件で行うことができる。

また、アルミナ原料粉末と、ジルコニア原料粉末またはイットリア−ジルコニア原料粉末とが均一に混合せず、それぞれの焼結粒子が偏析すると、転がり疲労寿命が低下するようになる。特に、１００μｍを超える焼結粒子が存在すると顕著になる。偏析を防止する方法として均一に混合するだけでなく、強く粉砕する機能を持った混合を実施する必要があり、ボールミル混合機も可能であるが、粉砕メディアがφ１ｍｍ以下のジルコニア系のビ−ズを使用したビ−ズミル混合機が最も有効である。図２はビーズミル混合機の一例を示す模式図であるが、中央に撹拌羽根を配した容器に、アルミナ原料粉末と、ジルコニア原料粉末またはイットリア−ジルコニア原料粉末と、水またはアルコールとを、ビーズとともに投入し、撹拌羽根を回転させることにより、粉砕・混合させる。尚、回転速度は最大で３０００ｒｐｍまで可能であり、混合中は容器内に冷却用水を流通させる。これに対しボ−ルミル混合機では、粉砕メディアがφ１０ｍｍ以上であり、また構造上、回転速度は４００〜１０００ｒｐｍ程度であり、粉砕効率はビ−ズミル混合機の方が遥かに高い。

玉３におけるアルミナ焼結粒子、ジルコニア焼結粒子またはイットリア−ジルコニア焼結粒子は、何れも平均粒径２μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以下がより好ましい。通常、粒子の焼結を行うとある程度成長し、日本国特許第３９１０３１０号に記載されているように、１０μm以上の粒子が存在すると寿命に悪影響が及ぶようになるが、複合化させることで粒子成長・凝集が抑制される効果が発現して粒径は単体のものより小さくなる。

また、玉３の表面において、ジルコニア塊またはイットリア−ジルコニア塊が少ないことが好ましく、１０〜３０μｍのジルコニア塊またはイットリア−ジルコニア塊が５個／３００ｍｍ^２以下であることがより好ましく、３個／３００ｍｍ^２以下であることが更に好ましい。ジルコニア塊またはイットリア−ジルコニア塊が起点となって剥離し、転がり寿命を低下させる。特に、１００μmレベルの塊が存在すると転がり寿命の低下が顕著になる。尚、塊は断面が円形ではないため、塊の大きさは長径部の長さとする。

上記のように焼結粒子を平均粒径２μｍ以下の微粒子とし、表面のジルコニア塊またはイットリア−ジルコニア塊を少なくするには、上記のように不純物が少ない原料粉末を用い、ビーズミル混合機で混合すればよい。

潤滑剤Ｇは、潤滑油でもよいし、潤滑油を基油とするグリースでもよい。また、潤滑油または基油も、鉱油や炭化水素油のように極性基を持たない無極性油でもよく、エステル油のように極性基を有する極性油であってもよい。例えば、無極性油のポリα−オレフィン油は酸化安定性に優れ、耐フレッチング性を有し、更にシール５の腐食を抑える作用がある。一方、極性油のエステル油は、潤滑性能や耐熱性に優れるため、高速回転用の転がり軸受に適している。例えば、モータ用に使用されるグリース組成物では、エステル油を基油にした場合には増ちょう剤には金属石けんを用い、ポリα−オレフィン油を基油にした場合んはウレア化合物を増ちょう剤に用いるのが一般的であるが、音響性能からは金属石けんがウレア化合物よりも優れており、音響性能を重視する場合には基油にエステル油が用いられる。

また、低トルクを実現するために、潤滑油または基油は低粘度であることが好ましく、４０℃における動粘度が８０ｍｍ^２／ｓ以下のものを用いることができる。玉３の表面は、材料に由来して極性物質の吸着力が大きい。そのため、潤滑油または基油に極性油を用いることにより、より低粘度のものを使用できる。

但し、アルミナ−ジルコニア系複合材料は、高温安定相の正方晶（ｔ−ＺｒＯ_２）を室温で準安定化させたものであり、高靱性や高強度を有することが知られている。これは、亀裂先端でのｔ−ＺｒＯ_２から低温安定相の単斜晶（ｍ−ＺｒＯ_２）への応力誘起マルテンサイト型相転移の際の体積膨張により、クラックの進展が妨げられるためであると考えられている。しかしながら、アルミナ−ジルコニア系複合材料は、空気中で２００℃付近の高温に長時間晒されると、強度の劣化が生じるという問題が知られている。これは、ジルコニアと水との化学反応によりＺｒ−Ｏ−Ｚｒ結合が切断され、ｔ−ＺｒＯ_２の応力腐食反応によって相転移が促され、それに伴う体積膨張により微小なクラックが生成されるためであると考えられている。また、この現象は、水だけではなく、アンモニア等の極性を有する溶媒により加速されることが分かっている（非特許文献１を参照）。そのため、局所的に高温、高圧となる摩擦環境下では、極性を有する油分子の表面への吸着は相転移を促進させて表面強度を低下させ、玉３の表面を容易に摩耗する。

このように、アルミナ−ジルコニア系複合材料からなる玉３では、極性分子の表面への吸着は、潤滑効果と摩耗促進効果の二面性を有しており、高温・高圧下で使用される場合には、無極性油を用いることが好ましい。

また、低トルク化のためには潤滑剤Ｇの充填量も少ないことが好ましく、軸受空間６の２０体積％以下であっても十分な潤滑を確保できる。

更に、玉３を形成するアルミナ−ジルコニア系複合材料のヤング率は２１５〜２８０ＧＰａであり、内輪１及び外輪２を形成する金属材料、一般的には軸受鋼のヤング率（２０８ＧＰａ）やＳＵＪ２のヤング率（２０７ＧＰａ）よりも小さいことから、耐圧痕性も向上する。これに対し窒化珪素のヤング率は２５０〜３３０ＧＰａであり、軸受鋼やＳＵＪ２のヤング率よりも大きいことから、耐圧痕性に劣る。

加えて、アルミナ−ジルコニア系複合材料は、密度が４．５ｇ／ｃｍ^３（アルミナ成分：ジルコニア成分またはイットリア−ジルコニア成分＝５０：５０）〜６ｇ／ｃｍ^３（アルミナ成分：ジルコニア成分またはイットリア−ジルコニア成分＝５：９５）であり、軸受鋼の密度（７．８ｇ／ｃｍ^３）よりも小さい。そのため、軸受回転時の玉３の慣性力が小さく保持器４との衝突音が小さくなる。また、保持器４として鉄製保持器を用いた場合には、保持器４の摩耗が少なく、鉄粉による音響劣化も少なくなる。これに対し窒化珪素の密度は３．２２ｇ／ｃｍ^３であることから、窒化珪素製の玉では保持器４との衝突音及び鉄製保持器を使用したときの摩耗がアルミナ−ジルコニア系複合材料製の玉よりも少なくなるが、軸受組立時の転動体補給の際に飛び出してしまう不具合がある。

更に、アルミナ−ジルコニア系複合材料は白色に近い。そのため、玉３の表面に発生した傷を容易に視認できる。

また、玉精度は、真球度０．０８で、表面粗さ０．０１２μｍ以下（Ｇ３レベルともいう）〜真球度０．１３で、表面粗さ０．０２μｍ以下（Ｇ５レベルともいう）にすることが好ましい。これは、Ｇ５レベルを超えると、音響特性に影響を及ぼすからである。

一方、内輪１及び外輪２はＳＵＪ２鋼、ＳＵＳ鋼、１３Ｃｒ鋼等の金属製であるため安価であり、しかも音響寿命においても有利である。また、少なくとも軌道面１ａ，２ａ、好ましくは全表面に浸炭窒化処理等の硬化処理を施すことにより、耐摩耗性が向上して好ましい。

また、保持器４は金属製でもよいが、軸受全体の軽量化や、玉３との衝突音を低減するために、ポリアミドやポリアセタール、ＰＰＳ等の耐熱性の樹脂に、ガラス繊維や炭素繊維等の繊維状補強材を配合してなる樹脂組成物を成形したものが好ましい。

尚、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、転がり軸受の例として深溝玉軸受を挙げて説明したが、それ以外にもアンギュラ玉軸受、自動調心玉軸受、円筒ころ軸受、円すいころ軸受、針状ころ軸受、自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受、スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受にも適用でき、それぞれの転動体を上記のアルミナ−ジルコニア系複合材料で形成する。

以下に試験例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものはない。尚、下記の試験において、アルミナ−ジルコニア系複合材料製のボール試験片の玉精度をＧ３〜Ｇ５レベルにした。

（試験１）
内輪及び外輪をＳＵＪ２鋼製とし、ボール試験片をアルミナ−ジルコニア系複合材料、窒化珪素またはＳＵＪ２鋼で作製した。尚、アルミナ−ジルコニア系複合材料製のボール試験片は、アルミナ原料粉末とジルコニア原料粉末とを、質量比でアルミナ成分：ジルコニア成分＝２０：８０となるように混合し、焼結したものである。そして、リチウム−エステル油系グリース（ＮＳハイリューブ）を１６０ｍｇ充填して試験軸受とした。尚、このグリース充填量は、軸受空間の２０体積％に相当する。

そして、各試験軸受を雰囲気温度９０℃、６００００ｍｉｎ^−１にて連続回転させ、焼付きに至るまでの時間を計測した。結果を表１に示すが、アルミナ−ジルコニア系複合材料製のボール試験片は、窒化珪素製のボール試験片と比べても焼付き寿命が２倍以上になっており、耐約付き性が大きく向上することがわかる。

（試験２）
試験１で用いたアルミナ−ジルコニア系複合材料製のボール試験片及びＳＵＪ２鋼製のボール紙件片を用いた試験軸受について、室温、６００００ｍｉｎ^−１の条件にて計算寿命で比較したところ、アルミナ−ジルコニア複合材料製のボール試験片を用いた試験軸受では寿命が約１２．８倍も延びている。

（試験３）
試験１で用いた試験軸受に５００万回の往復振動運動を与え、揺動前とのアキシアル方向の振動量比を求めた。結果を表２に示すが、アルミナ−ジルコニア系複合材料製のボール試験片を用いた試験軸受では、耐フレッチング摩耗性が大きく向上することがわかる。

（試験４）
各種潤滑油中で摩擦試験を行い、摩擦係数の経時変化及び比摩耗量を測定した。比摩耗量とは、固体同士を摩擦する際に単位摩擦距離、単位荷重あたりの摩耗体積を示している。この摩擦試験は、以下のようにして行った。ＳＵＪ２製の平板状のディスク試験片の上に、ＳＵＪ２製のボール試験片又はアルミナ−ジルコニア系複合材料製のボール試験片を載置し、ボール試験片に所定の荷重を負荷しながら所定のすべり速度で回転させた。試験条件は、以下の通りである。
・ボール試験片の直径：５／３２インチ
・荷重：４９Ｎ
・すべり速度：５ｍｍ／ｓ

尚、アルミナ−ジルコニア系複合材料製のボール試験片は、アルミナ原料粉末とジルコニア原料粉末とを、アルミナ成分：ジルコニア成分＝２０：８０となるように混合し、焼結したものである。また、潤滑油はポリα−オレフィン（ＰＡＯ）、ポリオールエステル油（ＰＯＥ）、ジエステル油、エーテル油またはグリコール油である。これらの潤滑油の４０℃における動粘度は、何れも３０ｍｍ^２／ｓである。

まず、ＳＵＪ２製のボール試験片を用いた場合の試験結果について、図３、４を参照しながら説明する。図３は摩擦係数の経時変化を示すチャートであり、図４はディスク試験片の比摩耗量を示すグラフである。図４から、金属同士の摩擦の場合には、ＰＯＥ、ジエステル油、エーテル油、グリコール油のような極性を有する潤滑油を用いた方が、摩耗が少ないことが分かる。これは、金属の表面の酸化物に油の分子が吸着することにより、金属間の直接接触が抑制されることが原因であると考えられる。

次に、アルミナ−ジルコニア系複合材料製のボール試験片を用いた場合の試験結果について、図５、６を参照しながら説明する。図５は摩擦係数の経時変化を示すチャートであり、図６はディスク試験片の比摩耗量を示すグラフである。ジルコニア−アルミナは酸化物であるため、上記の金属同士の場合と同様に、極性を有する潤滑油を用いた方が摩耗が少ないと考えられた。しかしながら、図６から分かるように、極性を有する潤滑油であるＰＯＥ、グリコール油を用いた場合には、摩擦係数が大きく、比摩耗量も大きかった。

そこで、アルミナ−ジルコニア系複合材料製のボール試験片の表面状態の経時変化を測定した。結果を図７、８に示す。図７から分かるように、潤滑油が極性を有しないＰＡＯである場合は、試験開始後の初期においては摩耗が少なく、表面状態は殆ど崩れていなかった。これに対して、潤滑油が極性を有するＰＯＥである場合は、図８から分かるように、試験開始後の初期においても摩耗が生じ、表面に凹凸が形成されて粗くなっていた。即ち、ボール試験片の表面に凹凸が形成されることにより、相手材であるディスク試験片を切削する作用が増大し、ディスク試験片の摩耗が増加したと考えられることが分かった。

ＳＵＪ２製のボール試験片を用いた場合の比摩耗量（図４）と、アルミナ−ジルコニア系複合材料製のボール試験片を用いた場合の比摩耗量（図６）との比、即ち、後者を前者で除した値を図９に示す。この数値は、摩耗に及ぼす摩擦材料の影響を示すものであり、潤滑油の潤滑効果の影響を排除したものである。つまり、図９に示す比摩耗量の比が１より大きい潤滑油は、摩耗促進効果を有していると言える。図９のグラフから、アルミナ−ジルコニア系複合材料製のボール試験片を用いた場合は、極性を有する潤滑油を用いると摩耗が大きくなることが分かる。

（試験５）
アルミナ原料粉末とジルコニア原料粉末とを、表３に示す成分比（質量％）にて混合してジルコニア−アルミナ系複合材料製のボール試験片を作製し、下記の条件にてスラスト試験を行った。尚、試験装置は図１０に示すように、軸受を油浴中に浸漬した状態で回転させ、回転中の振動値を求めるとともに、一定時間毎に分解してボール試験片表面の剥離が確認された時点を寿命とした。そして、測定した実寿命と、５１３０５軸受の計算寿命との比を求めた。
・荷重：４５０ｋｇｆ
・ボール試験片の直径：３／８インチ
・玉数：3球
・回転数：１０００ｒｐｍ
・軸受：５１３０５（内輪及び外輪はＳＵＪ２）
・潤滑油：ＲＯ６８

結果を表３及び図１１に示すが、アルミナ成分が１０質量％未満、または３０質量％より大きくなると計算寿命に対する寿命比は１を下回る。しかし、１０〜３０質量％の範囲では、寿命比は１を超えており、寿命向上になっている。

（試験６）
アルミナ原料粉末と、イットリアを３質量％含有するイットリア−ジルコニア原料粉末とを、表４に示す成分比（質量％）にて混合し、焼結してボール試験片を作製した。尚、イットリア−ジルコニア原料粉末は、不純物として酸化鉄を表４に示す量含有するものを用いた。そして、試験５に従い下記の条件にて寿命比を求めた。
・ボール試験片の直径：３／８インチ
・面圧：１ＧＰａ
・回転数：１０００ｒｐｍ
・軸受：５１３０５（内輪及び外輪はＳＵＪ２）
・潤滑油：ＶＧ６８

図１２に寿命を、図１３に振動値の測定結果を示すが、不純物である酸化鉄の含有量が多くなるほど、酸化鉄が起点とする剥離が発生しやすくなり、転動疲労寿命が短くなる。また、ボール試験片の表面の結晶粒の脱落も起こり、振動値も大きくなる。このような傾向は、酸化鉄の含有量が０．３質量％を超えると顕著になる。

（試験７）
アルミナ原料粉末と、イットリアを３質量％含有するイットリア−ジルコニア原料粉末とを、表５に示す成分比（質量％）にてビーズミル混合機を用い、水にて湿式混合した後、乾燥造粒、成形、脱脂、焼結、ＨＩＰ処理を順次行いアルミナ−ジルコニア系複合材料製の素球を作製した。次いで、素球を研磨し、所定形状の完成球に仕上げた。そして、完成球の切断面をＳＥＭを用いて倍率２００００倍で観察し、焼結粒子の粒径を測定した。視野内にはアルミナ焼結粒子とイットリア−ジルコニア焼結粒子が混在しており、アルミナ焼結粒子とイットリア−ジルコニア焼結粒子とを区別することなく個々の粒径を求め、平均粒径を算出した。また、試験５と同様にして寿命比を求めた。

結果を表５及び図１４に示すが、平均粒径が大きくなるほど寿命も短くなり、特に平均２μｍを超えると顕著になる。また、表５に示すように、平均粒径を２μｍ以下にするには、アルミナ成分が３０質量％以下であればよいことがわかる。

（試験８）
アルミナ原料粉末２０質量％と、ジルコニア原料粉末８０質量％とを混合し、焼結条件を変えて各種のボール試験片を作製し、ボール試験片の表面を観察してジルコニア塊の長径部の寸法を測定した。そして、試験５に従い寿命比を求めた。

結果を表６及び図１５に示すが、１００μｍを超える大径のジルコニア塊が存在すると、寿命が大きく低下することがわかる。

（試験９）
試験８で得られた結果のように、剥離の起点から観察されたジルコニア塊が１００μmを超えると寿命は計算寿命より低下することから、転動体の寿命を保証するためには転動体の表面を観察して１００μmのジルコニア塊がないかを確認することになる。しかし、粉砕・混合・乾燥・造粒といった粉末の製造条件が十分に管理され、作製された転動体の実際の表面では、１００μm以上のジルコニア塊の出現頻度は低く、転動体の表面を全数検査することは労度とコストの点より現実的に困難である。また、実際には転動体表面の直下にあって表面からこれが確認できない場合でも、剥離を生じるため、これを確認するには直接寿命試験を行う必要があった。そこで、ジルコニア塊が転動体の表面にどのようにして存在してるかを把握するために、まず転動体の表面を抜き取りで検査し、ジルコニア塊の分布を調査したところ、ジルコニア塊の大きさと個数の関係は図１６に示すような指数分布に従うことがわかった。尚、図中の数式において、ｙはジルコニア塊の個数、ｘはジルコニア塊の大きさであり、ｃ及びａは実験値として決定される定数である。この指数分布をもとに、実際に観察が容易な出現頻度の１０〜３０μmと１００μmの個数比を求めれば、１０〜３０μmサイズのジルコニア塊の個数から寿命に有害な１００μmサイズの個数を把握できることがわかった。さらに，この寿命に有害な１００μmサイズの推定個数について信頼度を持たせるため、統計的な考えに基づいて観察すべき面積を検討し、３００mm^２観察すれば十分な信頼度が得られることがわかった。そして、この面積中に存在する１０〜３０μｍサイズのジルコニア塊の個数と寿命との関係を調査するために、下記の寿命試験を行った。

即ち、アルミナ原料粉末２０質量％と、ジルコニア原料粉末８０質量％とを混合し、焼結条件を変えて各種のボール試験片を作製し、ボール試験片の表面を観察して３００ｍｍ^２当たりの１０〜３０μｍのジルコニア塊の個数を測定した。そして、試験５に従い寿命比を求めた。
・ボール試験片の直径：３／８インチ
・荷重：７４０ｋｇｆ
・玉数：6球
・回転数：１０００ｒｐｍ
・軸受：５１３０５（内輪及び外輪はＳＵＪ２）
・潤滑油：ＲＯ６８

結果を表７及び図１７に示すが、３００ｍｍ^２当たりに１０〜３０μｍのジルコニア塊が５個を超えて存在すると、寿命が大きく低下することがわかる。

（試験１０）
試験７〜９を踏まえ、表８に示すようにアルミナ成分とジルコニア成分との成分比（質量％）及び焼結条件を変えてボール試験片を作製した。そして、各ボール試験片の切断面を、ＳＥＭを用いて倍率２００００倍で観察し、焼結粒子の粒径を測定して平均粒径を求めた。また、表面における３００ｍｍ^２当たりの１０〜３０μｍのジルコニア塊の個数を測定した。更に、試験９と同様にして寿命比を求めた。

結果を表８及び図１８に示すが、アルミナ成分が１０〜３０質量％であれば、ボール試験片中のアルミナ−ジルコニア複合粒子の粒径を２μｍ以下に抑えることかでき、また３００ｍｍ^２当たりに１０〜３０μｍのジルコニア塊を５個以下に抑えることもでき、長寿命にもなることがわかる。

（試験１１）
アルミナ原料粉末２０質量％と、ジルコニア原料粉末８０質量％とをΦ１０ｍｍのジルコニア製粉砕メディアとともにボールミル混合機に投入し、６００ｒｐｍで混合した。そして、混合物を球状に成形し、焼結した後、直径３／８インチのボール試験片Ａを作製した。

アルミナ原料粉末２０質量％と、ジルコニア原料粉末８０質量％とをφ１ｍｍのジルコニア製粉砕メディアとともにビーズミル混合機（図２参照）に投入し、２０００ｒｐｍで混合した。そして、混合物を球状に成形し、焼結した後、直径３／８インチのボール試験片Ｂを作製した。

上記で作製したボール試験片Ａ、Ｂを用い、下記の条件にて寿命試験を行った。そして、下記の条件にてスラスト試験（図１1参照）を行い、一定時間毎に分解してボール試験片表面の剥離が確認された時点を寿命とした。
・ボール試験片の直径：３／８インチ
・面圧：３ＧＰａ
・回転数：１０００ｒｐｍ
・軸受：５１３０５（内輪及び外輪はＳＵＪ２）
・潤滑油：ＶＧ６８

結果を図１９に示すが、ビーズミル混合機を用いて作製したボール試験片Ｂを備える軸受では、目標寿命を超えている。

また、ボール試験片Ａ、Ｂの内部組織のＳＥＭ写真を撮影した。図２０（Ａ）はボールミル混合機を用いて作製したボール試験片Ａの内部組織のＳＥＭ写真、同図（Ｂ）はビーズミル混合機を用いて作製したボール試験片Ｂの内部組織のＳＥＭ写真であるが、ボール試験片Ａでは大きな偏析塊が見られるのに対し、ボール試験片Ｂでは偏析塊が見られない。

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。

本出願は、２００９年５月２１日出願の日本特許出願（特願２００９−１２３０７２）、２０１０年２月１９日出願の日本特許出願（特願２０１０−０３５２１３）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明は、例えばエアコンファンモータやコンプレッサ等のインバータ制御されるモータ用、ＨＤＤのスイングアーム支持用ピボットアーム、サーボモータやステッピングモータ等の揺動運動するモータ用転がり軸受に好適である。

１ 内輪
２ 外輪
３ 玉
４ 保持器
５ シール
６ 軸受空間
Ｇ 潤滑剤

Claims (10)

1. 少なくとも内輪、外輪、転動体及び保持器を備える転がり軸受において、
   前記転動体が、アルミナ成分と、ジルコニア成分またはイットリアを１．５〜５モル％含有するイットリア−ジルコニア成分とを、質量比で、アルミナ成分：ジルコニア成分またはイットリア−ジルコニア成分＝５〜３０：７０〜９５で含み、アルミナ焼結粒子、ジルコニア焼結粒子またはイットリア−ジルコニア焼結粒子が、何れも平均粒径２μｍ以下であり、かつ、ＳｉＯ _２ 、Ｎａ _２ Ｏ及びＦｅ _２ Ｏ _３ の各含有量が何れも０．３質量％以下であるアルミナ−ジルコニア系複合材料製であることを特徴とする転がり軸受。
2. 転動体の表面において、１０〜３０μｍのジルコニア塊またはイットリア−ジルコニア塊の個数が５個／３００ｍｍ ^２ 以下であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
3. 転動体のヤング率が２１５〜２８０ＧＰａであることを特徴とする請求項１または２記載の転がり軸受。
4. 転動体の密度が４．５〜６ｇ／ｃｍ ^３ であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の転がり軸受。
5. 保持器が合成樹脂組成物からなることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の転がり軸受。
6. 内輪及び外輪の少なくとも一方が浸炭窒化処理されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の転がり軸受。
7. ４０℃における動粘度が８０ｍｍ ^２ ／ｓ以下であるエステル油、または該エステル油を基油とするグリースを、軸受空間の２０体積％以下となるように封入したことを特徴とする請求項１〜６何れか１項に記載の転がり軸受。
8. ４０℃における動粘度が８０ｍｍ ^２ ／ｓ以下で、分子中に極性基を持たない無極性潤滑油、または該無極性潤滑油を基油とするグリースを、軸受空間の２０体積％以下となるように封入したことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の転がり軸受。
9. 少なくとも内輪、外輪、転動体及び保持器を備える転がり軸受の製造方法において、
   ＳｉＯ _２ 、Ｎａ _２ Ｏ及びＦｅ _２ Ｏ _３ の各含有量が何れも０．３質量％以下であり、かつ、アルミナ原料粉末と、ジルコニア原料粉末またはイットリアを１．５〜５モル％含有するイットリア−ジルコニア原料粉末とを、質量比で、アルミナ原料粉末：ジルコニア原料粉末またはイットリア−ジルコニア原料粉末＝５〜３０：７０〜９５の割合で混合してなる混合物を、転動体の形状に成形した後、成形物を焼結して、ジルコニア焼結粒子またはイットリア−ジルコニア焼結粒子が何れも平均粒径２μｍ以下である転動体を作製する工程を有することを特徴とする転がり軸受の製造方法。
10. アルミナ原料粉末と、ジルコニア原料粉末またはイットリア−ジルコニア原料粉末とを、φ１ｍｍ以下のジルコニア系ビーズとともにビーズミル混合機に投入して粉砕混合することを特徴とする請求項９記載の転がり軸受の製造方法。

Images