WO2023190467A1

WO2023190467A1 - 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

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Publication number: WO2023190467A1
Application number: PCT/JP2023/012411
Authority: WO
Inventors: 開船木; 英樹佐藤
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Niterra Materials Co Ltd
Priority date: 2022-03-28
Filing date: 2023-03-28
Publication date: 2023-10-05
Anticipated expiration: 2024-09-28
Also published as: US20240191753A1; CN117881643A; JPWO2023190467A1; JP7707388B2; EP4501887A1; EP4501887A4; CN120004599A; CN117881643B; JP7528395B2; JP2024133684A

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。帯状部の外周面に係る粗さ曲線の最大断面高さＲｔｂと、球面部の外周面に係る粗さ最大断面高さＲｔｓとの比であるＲｔｂ／Ｒｔｓが１．０以上である。球面部の任意の直径が０．５ｍｍ以上であることが好適である。また、セラミックスボール用素材は、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種を含むことが好適である。

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型方法は金型を用いたプレス成型が用いられている。プレス成型は、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。プレス成型時に、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。

特開平６－４８８１３号公報特許第２７６４５８９号公報特開昭６０－１８６２０号公報特許第４７６１６１３号公報

　焼結工程後の球面部と帯状部を有するセラミックスボール用素材を研磨加工することによりセラミックスボールになる。球面部と帯状部を有するセラミックスボール用素材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に対して表面粗さ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耐摩耗性に優れるが、脆性材料であるため強い衝撃が加わった際に欠けが生じ易い。曲面は衝撃を逃がしやすいが、角部は衝撃による欠けが生じやすい。このため、帯状部を有したセラミックスボール用素材に定盤加工を行う場合、帯状部の角部である両肩部が選択的に定盤に接触し欠けが生じる可能性を低減するように抑えた加工を行うため研磨時間が長引くことが原因となっていた。

　本発明はこのような課題を解決するものであり、研磨加工時におけるセラミックス材料の損傷を抑制し研磨時間を短縮できるセラミックスボール用素材を提供する。

　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粗さ曲線の最大断面高さＲｔｂと、球面部の外周面に係る粗さ最大断面高さＲｔｓとの比であるＲｔｂ／Ｒｔｓが１．０以上である。

一般的な金型プレス成型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型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型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型に敷設された穴形状と成型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型に敷設された穴形状と成型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。

　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、粗さ曲線の最大断面高さをＲｔのうち、帯状部７の外周面（最外面）に係る粗さ曲線の最大断面高さをＲｔｂとし、球面部６の外周面（最外面）に係る粗さ曲線の最大断面高さをＲｔｓとする。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。

　球面部６の粗さ曲線の最大断面高さをＲｔｓ、帯状部７の粗さ曲線の最大断面高さをＲｔｂとしたときに、ＲｔｂとＲｔｓの比であるＲｔｂ／Ｒｔｓが１．０以上の範囲内である。Ｒｔｓ／Ｒｔｂが、この範囲内であると表面が粗い分だけ帯状部７が研磨材と優先的に接触することにより研磨加工（例えば、定盤加工）が進む。また、焼結体の帯状部７の密度が球面部６に比較して小さくなるため、帯状部７の研磨加工が容易になり、研磨加工時の研磨時間を短くすることができる。このため、Ｒｔｂ／Ｒｔｓは１．０以上、さらには１．１以上であることが好ましく、さらには１．２以上であることが好ましい。

　また、Ｒｔｂ／Ｒｔｓが３．０以下の範囲内であることが好ましい。Ｒｔｂ／Ｒｔｓが３．０を超えると、球面部６の粗さ曲線の最大断面高さＲｔｓを制御できても、帯状部７の粗さ曲線の最大断面高さＲｔｂが大きくなる。これにより帯状部７をもつセラミックスボール用素材５の強度が低下することによる欠け不良が発生する、セラミックスボール用素材５の帯状部７の凸部により研磨定盤に損傷を与える、などの可能性があるためである。

　Ｒｔｂ／Ｒｔｓが１．０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に比較して大きくなり、帯状部７の研磨加工が容易でなくなり、セラミックスボール用素材５の研磨加工時の研磨時間が長くなる。さらには、セラミックスボール用素材５の研磨加工時に帯状部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。

　ここで、セラミックスボール用素材５の帯状部７の粗さ曲線の最大断面高さをＲｔｂと球面部６の粗さ曲線の最大断面高さＲｔｓとの測定方法について説明する。なお、粗さ曲線の最大断面高さＲｔ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，定義および表面性状パラメータ」によるものとする。

　粗さ曲線の最大断面高さＲｔ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。

　粗さ曲線の最大断面高さＲｔの測定距離、つまり、評価長さ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の評価長さ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とする。なお、測定回数は３回とし、測定値は３回の平均値とする。

　帯状部７の外周面に係る粗さ曲線の最大断面高さＲｔｂの測定エリアは、曲線７Ｃのうち任意の位置で、評価長さＵに対応する長さをもつ。他方、球面部６の外周面に係る粗さ曲線の最大断面高さＲｔｓの測定エリアは、曲線６Ｃ上で曲線７Ｃから最も離れた位置（中心位置、曲線７Ｃから９０°の位置）６Ｄを中心とする位置で、評価長さ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球面部６の中心位置６Ｄ（または、中心位置６Ｄ´）で測定できない場合は、曲線７Ｃから中心位置６Ｄまでの距離の半分の距離にある位置（４５°の位置）６Ｅから中心位置６Ｄまでの球冠外面で測定することも可能である。

　また、帯状部７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７Ｃと、帯状部７の深さ方向の直線とで形成される断面において断面曲線を取得する。そして、その断面曲線から長い波長の形状（うねり曲線）を取り除き、評価長さＵにおける輪郭曲線の山高さの最大値と谷深さの最大値との和を求めることで、帯状部７の外周面に係る粗さ曲線の最大断面高さＲｔｂを取得する。また、球面部６の外周面であって中心位置６Ｄ，６Ｄ´をとおる曲線６Ｃと、球面部６の深さ方向の直線とで形成される断面において断面曲線を取得する。そして、その断面曲線から長い波長の形状（うねり曲線）を取り除き、評価長さＵにおける輪郭曲線の山高さの最大値と谷深さの最大値との和を求めることで、球面部６の外周面に係る粗さ曲線の最大断面高さＲｔｓを取得する。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、粗さ曲線の最大断面高さＲｔの評価長さ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（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ほう素（ＢＮ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）のいずれか１種を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り、８５質量％以上含有することによりセラミックスの物性値を満足することができ、セラミックスボールに必要な物性値を発揮することができる。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、炭化ケイ素焼結体、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・ｍ^１／２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・ｍ^１／２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。窒化ケイ素焼結体は高い機械的強度のために研磨効率が非常に悪いという面もある。しかしながら、前述のように、帯状部７の粗さ曲線の最大断面高さを大きくさせることにより、窒化ケイ素焼結体のように強度の高いセラミックス焼結体からなるセラミックスボール用素材５であっても研磨効率を向上させることができる。

　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、溶媒およびバインダーなどを加え混合、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、バインダーは有機物である。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。

　次に、得られた造粒粉の平均粒径を小さくする。造粒粉の平均粒径が大きいとプレス金型に造粒粉を充填したときに造粒粉間に空間が得られるため造粒粉は潰れやすくなる。これとは逆に平均粒径を小さくすると造粒粉間に空間が少なくなるため潰れにくくなる。このため造粒粉の平均粒径を小さくすることによりパンチからの圧力が小さくなるプレス中央部でつぶれにくくなる。しかしながら、単に造粒粉の平均粒径を小さくした場合は、プレス金型内部への造粒粉の流れ性が低下し、生産性に影響を与える可能性がある。このため、造粒粉の流れ性を損なうことなく平均粒径を小さくする必要がある。

　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。このため、分級により粒径を変えた２種類の造粒粉を混合することにより流れ性の低下を減らしながら平均粒径を小さくした造粒粉を得ることができる。例えば、金型プレス成型に使用される造粒粉の平均粒径は５０～１５０μｍであるが、平均粒径１２０μｍの造粒粉であれば分級により平均粒径を小さくすることが可能である。造粒粉を分割して６０メッシュ（目開き量：約２５０μｍ）の篩により分級して６０メッシュより小さい造粒粉を得る。また、分割した残りの造粒粉を、１００メッシュ（目開き量：約１５０μｍ）により分級して１００メッシュよりも小さい造粒粉を得る。６０メッシュより小さい造粒粉と１００メッシュよりも小さい分級した造粒粉を一定割合で混合することにより、造粒粉の平均粒径を１２０μｍから９０μｍにすることが可能である。これにより、後述する工程で帯状部７の粗さ曲線の最大断面高さＲｔｂを大きくし易くなる。

　次に、調整した造粒粉を使ってプレス成型を行う。プレス成型は、図１に示す金型プレス成型装置の上部パンチ２、下部パンチ３、ダイス４を用いた成型方法が挙げられる。造粒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、上部パンチ先端部２ａ、下部パンチ先端部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凹形状にすることが好ましい。凹部分の深さを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。この凹部分により、成形体１３の帯状部７に圧力がかかるのを防ぎ、焼結工程後のセラミックスボール用素材５の帯状部７の焼結密度を低くすることができ、帯状部の粗さ曲線の最大断面高さＲｔｂが大きくなる。Ｈの深さが０．０１未満であると、圧力がかかるのを防ぐ効果が小さい。また０．１０ｍｍより深いと圧力がかかるのを防ぐ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。

　プレス成型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、焼結工程後の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。プレス成型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型を行うことが好ましい。等方圧成型を行うことにより、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。

　等方圧成型の一例としてゴム型を用いた等方圧成型方法を説明する。図４に円盤状のゴム型８の一例を示した。図４中、９は上部ゴム型、１０は下部ゴム型、１１は球面部空間、１２は帯状部空間、１３は成形体、１４は成形体の球面部、１５は成形体の帯状部である。また、図５は上部ゴム型９および下部ゴム型１０内の球面部空間１１内に成形体１３を配置した一例を示した断面図である。

　上部ゴム型９および下部ゴム型１０は成形体１３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１１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に示したように帯状部空間１２を設けた上部ゴム型９と下部ゴム型１０で、帯状部空間１２に成形体１３の帯状部１５を設置して等方圧成型を行うことが好ましい。球面部空間１１における上部ゴム型９と成形体１３との距離Ｌ１、帯状部空間１２における上部ゴム型９もしくは下部ゴム型１０と成形体１３との距離Ｌ２とする。このとき、Ｌ１は成形体１３と上部ゴム型９との距離Ｌ１１と、下部ゴム型１０との距離Ｌ１２との合計（Ｌ１１＋Ｌ１２）である。また、Ｌ２は成形体１３と下部ゴム型１０の帯状部空間１２の側面との距離Ｌ２１と距離Ｌ２２との合計（Ｌ２１＋Ｌ２２）である。このとき、Ｌ１＜Ｌ２であると、成形体１３の帯状部１５に圧力がかかるのを防ぎ、帯状部１５の焼結密度を低くすることができ、焼結工程後のセラミックスボール用素材５の粗さ曲線の最大断面高さＲｔｂが大きくなる。なお、帯状部空間１２は、帯状部１５が収納できるのであれば上部ゴム型９と下部ゴム型１０のどちらか一方だけに形成してもよい。

　また、従来は成形体１３とゴム型との距離はＬ１≧Ｌ２であった。これは、上部ゴム型９と下部ゴム型１０が重なってできる球面部空間１１の設計が真球形状（Ｌ１＝Ｌ２）であるためである。さらに、使用するに従って上下ゴム型の間の隙間に粉末などが付着してＬ１＞Ｌ２になりやすかったためである。図６に示したような帯状部空間１２を設けた形状であれば、Ｌ１＜Ｌ２となり、成形体１３の球面部１４に対して帯状部１５への荷重は緩和されるため、焼結工程後のセラミックスボール用素材５の帯状部７の粗さ曲線の最大断面高さＲｔｂは球面部６の粗さ曲線の最大断面高さＲｔｓよりも大きくなり、Ｒｔｂ／Ｒｔｓが１．０以上となる。

　次に、成形体１３を脱脂する脱脂工程を行う。脱脂工程は、バインダーなど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ＡＳＴＭInternationalの発行する標準規格である。ＡＳＴＭ Internationalの旧名称は米国試験材料協会（American Society for Testing and 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は帯状部７の粗さ曲線の最大断面高さＲｔｂが球面部６よりも大きいため、優先的に研磨が開始する。また、帯状部７の焼結密度は球面部６よりも小さいために定盤加工が優先的に進む。そのため、研磨定盤などの砥石への帯状部７の接触を意識することなく定盤加工することができる。これにより、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ことができる。また、研磨定盤の耐久性も向上させることができる。また、研磨速度を上げて研磨時間を短縮させた場合にも損傷抑制効果を維持しつつ研磨加工性（研磨加工効率）を向上させることができる。

　（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、溶剤およびバインダーなどを加え混合、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のセラミックスは窒化ケイ素焼結体である。実施例８および比較例５のセラミックス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のセラミックス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３～２０質量部の範囲内とした。

　次に、造粒粉を２分割して６０メッシュの篩により分級した。また、分割した残りの造粒粉を１００メッシュの篩により分級した。６０メッシュにより分級した造粒粉と６０メッシュに１００メッシュより分級した造粒粉を混合した造粒粉を得た。

　次に、得られた造粒粉を用いてプレス成型を行った。プレス成型は、図１に示す金型プレス成型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、同一のセラミックスボール直径の金型は同一のクリアランスとし、ダイス４中央部に凹部がないストレート形状のものと、凹部があるものを使用した。金型成形後に、等方圧成型を行った。等方圧成型はショア硬さＨｓ３０以上５０以下の円盤状ゴム型を用いた。また、ゴム型８は、球面部空間１１における上部ゴム型９とセラミックスボール用素材５との距離Ｌ１、帯状部空間１２における上部ゴム型９もしくは下部ゴム型１０と成形体１３との距離Ｌ２を等しくした球形状のゴム型（Ｌ１＝Ｌ２）を用意した。また、帯状部空間１２を設けたゴム型（Ｌ１＜Ｌ２）を用意した。このとき、帯状部空間１２を設けたゴム型の距離Ｌ１および距離Ｌ２の比であるＬ１／Ｌ２は１．０５とした。また、プレス成型他はゴム型の円筒方向に対し、成形体１３の帯状部１５が垂直になるように配置した。また、帯状部空間１２があるゴム型では帯状部１５を帯状部空間に配置したものとした。この状態で等方圧成型工程は、成形時の圧力よりも高い静水圧を掛けた。

　次に、脱脂工程を経た後、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５を作製した。また、比較例においては１００メッシュ造粒粉を混合せず（混合率０％）６０メッシュ混合粉だけを使用した。また、比較例においてダイス４には図３に示す凹部を設けなかった。さらに、比較例において帯状部空間１２があるゴム型は使用しなかった。
　実施例および比較例の製造条件を表１に示す。

　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５である。また、実施例５、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５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５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。

　実施例に係るセラミックスボール用素材５の粗さ曲線の最大断面高さＲｔおよび比較例に係るセラミックスボール用素材の粗さ曲線の最大断面高さＲｔをそれぞれ、評価長さＵにおいて測定した。それぞれの測定方法は前述した通りである。粗さ曲線の最大断面高さＲｔは、前述のとおり、評価長さＵにおける輪郭曲線の山高さの最大値と谷深さの最大値との和である。また、実施例に係るセラミックスボール用素材５及び比較例に係るセラミックスボール用素材においてそれぞれ、Ｒｔｂ／Ｒｔｓを算出した。実施例および比較例における粗さ曲線の最大断面高さＲｔｂ，Ｒｔｓと、比Ｒｔｂ／Ｒｔｓと、評価長さＵとは、表２に示すとおりである。

　また、比較例１～６はセラミックスボール用素材の帯状部の粗さ曲線の最大断面高さＲｔｂと球面部の粗さ最大断面高さＲｔｓの比であるＲｔｂ／Ｒｔｓが１．０未満であり範囲外のものである。

　実施例のセラミックスボール用素材５および比較例のセラミックスボール用素材を用いて、研磨加工精度（例えば、帯取り加工良品率）および損傷抑制効果（例えば、素材欠け不良率）について評価した。評価は、ボール加工研磨機を使用して各セラミックスボール用素材を研磨加工するための研磨条件を固定して帯状部の加工状態を調べた。研磨加工条件は、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時間研磨加工した。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。研磨加工後に１００個をサンプリングし目視にて帯状部を外観検査して、帯形状が確認できないものを良品として帯取り加工良品率（％）として示した。

　また、上記研磨加工後に、実施例のセラミックスボール用素材５および比較例の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。不良発生率は前述のサンプリングした１００個について光学顕微鏡にて全面を外観検査し、欠けの発生した割合を素材欠け不良率（％）として示した。その結果を表２に示す。

　比較例１～６に係るセラミックスボール用素材では比較的低速の研磨速度では帯取り加工良品率および素材欠け不良率の向上はある程度得られるが、比較的高速の研磨速度では、表２に示すように、帯取り加工良品率および素材欠け不良率は好ましくない。他方、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、比較的高速の研磨速度であっても、比較例１～６に係るセラミックスボール用素材と比較して帯取り加工良品率および素材欠け不良率が向上し、研磨加工精度および損傷抑制効果の向上が得られた。つまり、実施例１～９に係るセラミックスボール用素材５では、研磨加工精度および損傷抑制効果を向上させつつ、帯状部７の研磨加工性も向上したと言える。言い換えれば、実施例１～９に係るセラミックスボール用素材５によれば、研磨加工時間を短縮できることが分かる。

　なお、セラミックスボール用素材５が窒化ほう素焼結体および酸化ジルコニウム焼結体である場合については実施例として例示していない。しかしながら、セラミックスボール用素材５が少なくとも比Ｒｔｂ／Ｒｔｓの条件を満たせば、酸化アルミニウム焼結体、窒化ケイ素焼結体、および炭化ケイ素焼結体の場合と同様に、比較例と比較して研磨加工性および損傷抑制に優れていると考えられる。

　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、研磨加工時におけるセラミックス材料の研磨加工性を向上し損傷を抑制することができる。

　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

　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粗さ曲線の最大断面高さＲｔｂと、前記球面部の外周面に係る粗さ最大断面高さＲｔｓとの比であるＲｔｂ／Ｒｔｓが１．０以上であることを特徴とするセラミックスボール用素材。
　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に記載のセラミックスボール用素材。
　前記セラミックスボール用素材が酸化アルミニウム焼結体、窒化ケイ素焼結体、炭化ケイ素焼結体、窒化ほう素焼結体、酸化ジルコニウム焼結体のいずれか１種からな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。
　前記セラミックスボール用素材が窒化ケイ素を８５質量％以上含有するセラミックス焼結体からな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。
　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。
　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。
　セラミックスボールの表面粗さＲａが０．０１μｍ以下であることを特徴とする請求項６記載のセラミックスボール。