JPH1087363A

JPH1087363A - セラミックス転動体

Info

Publication number: JPH1087363A
Application number: JP8236911A
Authority: JP
Inventors: Shigetaka Wada; 重孝和田; Shunzo Tajima; 俊造田島
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1996-09-06
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 1998-04-07

Abstract

(57)【要約】【課題】焼結体の真球または真円柱状への加工工程が
極めて少なく、空孔が小さく充填密度が高く、耐久性に
優れたセラミックス製転動体。【解決手段】セラミックスを遠心成形法により成形し
た後焼結した焼結体からなることを特徴とするものであ
って、スラリー中の粉体は遠心力により成形空間に均一
に充填されるので、成形体の内部にむらができず、空孔
も少ないセラミックス成形体が得られる。また、成形体
は球状あるいは円柱状等所望の形状に成形できるので、
成形後の加工工数が少なく、耐久性に優れたセラミック
ス転動体である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、性能の優れたセラ
ミックス転動体に関し、更に詳しくは高荷重で長時間の
使用に耐えるセラミックス製ベアリングに適用される球
状または円柱状のセラミックス転動体に関する。

【０００２】

【従来の技術】ベアリング用の球などの転動体には極め
て大きな集中荷重がかかるので、その材質は強靱である
こと、すなわち耐荷重強度の大きいことが要求される。
そのため、従来から例えばＳＵＪ鋼等が使われていた
が、近年、軽量性、耐腐食性などの利点を有するセラミ
ックスも使用されるようになっている。

【０００３】セラミックスは硬さは大きいが脆い性質が
あり、セラミックス転動体としては、その材質において
強度が大きいと共に靱性にも優れていること、局所応力
に耐えるために空孔が小さく、かつ少ないこと、その形
状においては焼結した段階で真球に近いこと等が要求さ
れる。

【０００４】従来、このようなセラミックス転動体に対
する要求を満たすために、セラミックスの種類としては
Ｓｉ₃Ｎ₄を主成分とするいわゆる窒化ケイ素質セラミッ
クスが用いられ、製造方法としてはホットプレス法が用
いられてきた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このホ
ットプレス法では、上下から機械的圧力を加える加工法
であるため、焼結されたセラミックスの形状は板状体に
限られ、この板状体から真球に加工するため多くの工程
を必要とし、非常にコストがかかると共に、セラミック
ス転動体として必要とする強度および靱性が得られない
という問題点があった。

【０００６】そこで、高圧のガス中（約１０００気圧以
上）で焼結するＨＩＰ法（ホット・アイソスタチック・
プレス法）を採用すれば、より緻密な焼結体が得られ
る。このＨＩＰ法では、成形体はガスにより加圧される
ので、焼結される成形体は板状体に限られない。そのた
め、原料粉体を一軸加圧のコールド・プレス法で球状ま
たは円柱状に成形し、焼結することが可能である。

【０００７】しかし、一軸加圧の成形法では、例えば球
状の成形体である場合、図４に示すように筒状の胴型３
０と外周に周縁部４０を有する半球状の凹部３４を設け
た上下のパンチ３６および３８を用いて成形するため、
完全に球状に成形することは不可能であり、図５に示す
ように成形された球状の成形体４４には、上下の型の合
わせ目に、はちまき状の突条４６が形成されることは避
けられず、この突条を除去する加工を必要とする。ま
た、乾式粉末の成形においては、粉体の充填の均一性に
乏しく、焼結体中に１０〜１００μｍ程度の空孔が避け
られない。この空孔を無くすために成形体の密度を上げ
る必要があり、そのため一軸成形後、ＨＩＰ法に先立っ
て、成形体をＣＩＰ法として知られる等方静圧加圧する
必要がある。

【０００８】本発明はセラミックス転動体の製造におけ
る前記のごとき問題点を解決すべくなされたものであっ
て、セラミックス転動体の製造に際しては材質以上に問
題なのは加工コストであることに鑑み、加工工程が少な
く、かつ高荷重で長時間の使用に耐えるセラミックス製
ベアリングに好適な高品質のセラミックス転動体を提供
することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記の問題点を解決する
ためには、焼結体の真球または真円柱状への加工工程を
極めて少なくすること、そのために焼結前の成形体を製
品の形状に近いように成形すること、同時に焼結体中の
空孔を小さくまた少なくするため成形体が均質にかつそ
の充填密度が高くなるように成形すること等が必要であ
ることに着眼し、鋭意研究を重ねた結果、遠心成形法を
採用することによって、前記要件を満足できる成形体が
得られることを新たに知見し本発明を完成するに到っ
た。

【００１０】本発明の請求項１のセラミックス転動体
は、セラミックスを遠心成形法により成形した後焼結し
た焼結体からなることを要旨とする。本発明の請求項２
のセラミックス転動体は、請求項１の発明において、前
記焼結体に含まれる空孔の等価直径が５μｍ以下であ
り、かつ前記焼結体を構成する結晶の平均粒径が５μｍ
以下であることを要旨とする。

【００１１】本発明の請求項３のセラミックス転動体
は、請求項２の発明において、前記焼結体に含まれる空
孔の等価直径が１μｍ以下であることを要旨とする。本
発明の請求項４のセラミックス転動体は、請求項１乃至
請求項３の発明において、前記セラミックスの主成分が
Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＣ、ＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃から選ばれえる
１種または２種以上およびその固溶体であることを要旨
とする。

【００１２】本発明で用いられる遠心成形法の原理は、
例えば特開平５−６５５０４号公報に示されるような成
形方法であって、セラミックス粉体に水またはアルコー
ル等の溶媒を混合したスラリーを調製し、図２に示すよ
うに円筒状の筒部材５０と、その底部に取り付けられる
円板状の底部材５２からなる成形型５４にこのスラリー
を充填し、図３（ａ）に示すようにこの成形型５４を上
部を遠心機５６の水平回転杆５８の先端に回転自在に取
付けた容器６０に収容し、図３（ｂ）に示すように遠心
機５６の回転により成形型５４の底部材５２が回転中心
と逆の方向を向くように回転し、遠心力により成形型５
４の上部に上澄み液を底部の成形空間にセラミックス成
形体を得るものである。

【００１３】その結果粉体は重力により底部の成形空間
に均一に充填されるので、成形体の内部にむらができ
ず、空孔も少ない。成形される粉体間の空隙は粉体の大
きさに支配されるので、粉体の大きさは数μｍ以下、好
ましくは１μｍ以下であることが望ましい。粉体の充填
密度は遠心力に支配されるので、成形時の遠心力は１０
００Ｇ以上、好ましくは５０００Ｇ以上とする。

【００１４】球や枕状の転動体においては、転動体を収
容する内外周を支持するリング状の構造体と接触する部
分に極めて大きな局部応力がかかる。このためセラミッ
クス転動体に空孔があると、そこに応力が集中して破壊
するので、空孔はできるだけ小さいことが望ましい。５
μｍ以上の空孔があると、低い荷重で破壊するので、空
孔の大きさは空孔の等価直径が５μｍ以下、さらに好ま
しくは１μｍ以下であることが望ましい。

【００１５】セラミックスの強度は一般にセラミックス
を構成する結晶の大きさに逆比例する。それはセラミッ
クスの中には結晶の大きさに比例するような亀裂が入り
やすいためである。亀裂は転動体においてやはり破壊の
起点になるので、セラミックスを構成する結晶の大きさ
は小さいことが好ましく、平均粒径で５μｍ以下である
ことが好ましい。

【００１６】セラミックスの材質としては、比較的強度
が大きく靱性も大きい材質であれば良く、例えば、Ｓｉ
₃Ｎ₄、ＳｉＣ、ＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃等が利用できる。し
かし、ベアリングでは高速で回転したとき、ベアリング
にかかる力は、大きさが同じ場合には、比重に比例する
ので、その点ではこの４種の中ではＳｉ₃Ｎ₄、ＳｉＣ、
Ａｌ₂Ｏ₃の３種が好適である。靱性が大きいという点で
は、Ｓｉ₃Ｎ₄およびＺｒＯ₂が優れている。また、Ｚｒ
Ｏ₂とＡｌ₂Ｏ₃の複合材も利用できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の実施例について従来例お
よび比較例と対比して説明し、本発明の効果を明らかに
する。（実施例１）窒化ケイ素粉末（宇部興産製、Ｅ−１０グ
レード）に焼結助剤として酸化イットリューム５重量％
と酸化アルミニューム３重量％をそれぞれ加えアルコー
ルを溶媒とする通常の方法により混合乾燥した後１２０
０℃で２時間、窒素雰囲気中で仮焼し、この仮焼体をア
ルコールを溶媒として２４時間ボールミルで粉砕乾燥し
て均質な混合粉体を得た。この混合粉体の一部を乾式プ
レス用の粉末として別に分け、残りの混合粉末に溶液と
してイオン交換水３０重量％、分散剤としてポリカルボ
ン酸アンモニウム０．１重量％、結合剤としてアクリル
ポリマー０．１重量％を混合し、ボールミルを用いて１
時間混合して遠心成形用のスラリーを調製した。

【００１８】図１に遠心成形用の金型の断面図を示す。
外枠１０は内部に金型を挿入できる空間を有する円筒形
の部材であって、上端および下端内部には留め具が螺入
できるようにネジ山が設けられている。外枠１０の内部
に固定される下型１２は上面に半球状凹部１４をが設け
られている。上型１６は上面に底部が漏斗状になったス
ラリー溜部１８を有し、下面に下型１２と型合わせする
ことにより球形の成形空間１９を形成する半球状凹部２
０を設けると共に半球状凹部２０とスラリー溜部１８を
連通するスラリー通路２２が設けられている。なお、下
型１２に上型１６が正確に型合わせできるように、上型
１６の型合わせ面は凸面となっており、下型１２の型合
わせ面は、この凸面に嵌合する凹面となっている。

【００１９】外枠１０の下端からは円柱形の下部止め具
２４が螺入され下型１２を支承し上端からは円筒形の上
部止め具２６が螺入され上型１６のスラリー溜部１８の
外縁を上から押さえている。この成形型のスラリー溜部
に調製したスラリーを球状の成形空間に粉体が充填され
るに充分な量を充填し、この成形型の上部を遠心機の水
平回転杆の先端に回転自在に取付け、遠心機の回転によ
り成形型の底部が回転中心と逆の方向を向くように回転
し、スラリーに重力倍数０．１、１、１０ｋＧの遠心力
をそれぞれ１０分間作用させたところ、成形空間に３種
類の球状のセラミックス成形体が得られスラリー溜部に
は上澄み液が分離された。

【００２０】上澄み液を排除し成形型を分解し、成形型
から取り出したセラミックス成形体を通常の窒素ガス雰
囲気の炉でガス圧１０気圧温度１７５０℃、２時間焼成
し、セラミックス転動体を得た。これら３種類の転動体
の空孔の等価直径を測定したところ、表１に示すような
結果を得た。なお、本発明において、等価直径とは空孔
の占める空間を球体に丸めた場合のその球体の直径を言
い、その測定方法はセラミックスを切断研磨して電子顕
微鏡などで観察して求める。

【００２１】一方、混合乾燥の際に別にした粉末を乾式
プレス法（一軸加圧法）により球状のセラミックス成形
体を得た。この乾式プレス法に用いた成形型は図４の断
面図に示す。胴型３０は中心に円柱状の貫通孔３２を有
する筒体であって、貫通孔３２の上下からは進入面にそ
れぞれ半球状凹部３４を設けた上パンチ３６および下パ
ンチ３８が挿入される。成形型の内部に挿入された粉体
４２は胴型３０の貫通孔３２および上下のパンチの半球
状凹部３４で囲まれる空間により、図５に示すような球
状の成形体４４が得られる。なお、上下の半球状凹部３
４の周りには金型に一定の強度を確保するため環状の周
縁部４０が設けられている。

【００２２】この乾式プレス法により得られた成形体を
静水圧３０００気圧でプレスした後、通常の窒素ガス雰
囲気の炉でガス圧１０気圧温度１７５０℃、２時間焼成
し、セラミックス転動体を得た。この転動体の空孔の等
価直径を測定したところ、表１に示すような結果を得
た。

【００２３】これら遠心成形法および乾式プレス法で得
られた径が１０ｍｍのセラミックス球をスラスト試験法
により、その耐久性を評価した。このスラスト試験は、
円盤の表面に複数個のベアリング用ボールを転がし、こ
のベアリング用ボールに５０、１００、２００、３０
０、４００ｋｇｆの順次重くなる荷重を印加して各荷重
について１００時間試験し、表面が剥離した荷重を以て
評価した。剥離が発生した荷重を表１に示した。

【００２４】

【表１】

【００２５】表１に示したように、従来例１の乾式プレ
スした転動体は、焼結体中の空孔の等価直径が５０μｍ
と大きく、剥離発生荷重も５０ｋｇｆと低いものであっ
た。また、遠心力が０．１ｋＧと低かった比較例１は、
空孔の等価直径が１５μｍと大きく、剥離荷重が１００
ｋｇｆであった。

【００２６】これに対して本発明の実施例１は、十分な
遠心力を受けて、均一かつ緻密に成形されたので、空孔
の等価直径は３μｍであり、その剥離発生荷重は３００
ｋｇｆであって、優れた耐久性を示した。さらに遠心荷
重の高かった実施例２は、空孔の等価直径は１μｍであ
り、剥離荷重が４００ｋｇｆとさらに優れた耐久性を示
し、本発明の効果が確認された。

【００２７】（実施例２）窒化ケイ素粉末（宇部興産
製、Ｅ−１０グレード）に焼結助剤として酸化イットリ
ューム５重量％と酸化アルミニューム３重量％をそれぞ
れ加え通常の方法により混合乾燥し、さらに１２００℃
で２時間仮焼し、均質な粉体とした。この混合粉末に溶
液としてイオン交換水３０重量％、分散剤としてポリカ
ルボン酸アンモニウム０．１重量％、結合剤としてアク
リルポリマー０．１重量％を混合し、ボールミルを用い
て１時間混合して遠心成形用のスラリーを調製した。

【００２８】調製したスラリーを、図１に示す遠心成形
型のスラリー溜部１８に、球状の成形空間１９に粉体が
充填されるに充分な量を充填し、この成形型を図３
（ａ）に示す遠心機５６の水平回転杆５８の先端に回転
自在に取付けた容器６０に収容し、図３（ｂ）に示すよ
うに遠心機５６の回転により成形型の底部が回転中心と
逆の方向を向くように回転し、上部を遠心機の水平回転
杆の先端に回転自在に取付け、遠心機の回転によりスラ
リーに重力倍数２０ｋＧの遠心力を１５分間作用させた
ところ、成形空間に球状のセラミックス成形体が得ら
れ、スラリー溜部には上澄み液が分離された。

【００２９】上澄み液を排除し成形型を分解し、成形型
から取り出したセラミックス成形体を通常の窒素ガス雰
囲気の炉でガス圧１０気圧において表２に示す各温度
で、２時間焼成し、セラミックス転動体を得た。これら
転動体の結晶の平均粒径を測定したところ表２に示すよ
うな結果を得た。得られたセラミックス転動体から、機
械加工により直径１０ｍｍの球を作製し、実施例１と同
様にスラスト試験法により、転動体の耐久性を評価し
た。得られた結果は表２に併せて示した。

【００３０】

【表２】

【００３１】表２から明らかなように、結晶の平均粒径
の７．４μｍと大きかった比較例２は、剥離発生の荷重
は２００ｋｇｆであって、耐久性に劣った。これに対し
て焼結体の結晶粒径が、５μｍ以下であった実施例３〜
５は、剥離発生荷重が３００〜４００ｋｇｆであって、
結晶粒径が５μｍ以下において、優れた耐久性のセラミ
ック転動体が得られることが確認された。

【００３２】

【発明の効果】本発明のセラミックス転動体は以上詳述
したように、セラミックスを遠心成形法により成形した
後焼結した焼結体からなることを特徴とするものであっ
て、スラリー中の粉体は遠心力により成形空間に均一に
充填されるので、成形体の内部にむらができず、空孔も
少ないセラミックス成形体が得られる。また、成形体は
球状あるいは円柱状等所望の形状に成形できるので、成
形後の加工工数が少なく、耐久性に優れたセラミックス
転動体である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に用いた遠心成形用金型の断面
図である。

【図２】従来の遠心成形型の断面図である。

【図３】遠心成形法を説明するための遠心機の側面図で
ある。

【図４】従来の乾式の一軸プレス法に用いられる成形型
の断面図である。

【図５】図４の成形型で成形された球状成形体の斜視図
である。

【符号の説明】

１０・・・・・外枠１２・・・・・下型１４、２０、３４・・・・・半球状凹部１６・・・・・上型１８・・・・・スラリー溜部１９・・・・・成形空間２２・・・・・スラリー通路３０・・・・・胴型３２・・・・・貫通孔３６・・・・・上パンチ３８・・・・・下パンチ４０・・・・・周縁部４２・・・・・セラミック粉体４６・・・・・突条５４・・・・・成形型５６・・・・・遠心機５８・・・・・水平回転杆６０・・・・・容器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田島俊造広島県広島市西区横川町１丁目７番７号バルミー横川501号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックスを遠心成形法により成形し
た後焼結した焼結体からなることを特徴とするセラミッ
クス転動体。
【請求項２】前記焼結体に含まれる空孔の等価直径が
５μｍ以下であり、かつ前記焼結体を構成する結晶の平
均粒径が５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に
記載のセラミックス転動体。
【請求項３】前記焼結体に含まれる空孔の等価直径が
１μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載のセ
ラミックス転動体。
【請求項４】前記セラミックスの主成分がＳｉ₃Ｎ₄、
ＳｉＣ、ＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃から選ばれる１種または２
種以上およびその固溶体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セラミックス転動
体。