JP2008142877A - セラミックス製球状体の製造方法、この方法で得られた転動体を有する転がり支持装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】玉3を以下の方法で作製する。窒化珪素製の球状体を遊星ボールミルのミルポット内に入れて、遊星ボールミルを作動させ、この球状体に、ミルポット内に発生する公転に伴う遠心力と自転に伴う遠心力を付与することで、球状体同士を衝突させるとともに、球状体をミルポットの内壁へ衝突させて、球状体の表面をなすセラミックス結晶に転位を導入するボールミル工程を行った後に、仕上げ研磨加工を行う。ボールミル工程で表層部の圧縮残留応力を500MPa以上にする。
【選択図】図2
Description
本発明において、転がり支持装置とは、互いに対向配置される軌道面を備えた第1部材および第2部材と、両部材の軌道面間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより第1部材および第2部材の一方が他方に対して相対移動する装置、具体的には、転がり軸受(ボールベアリング、ローラベアリング等)、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を指す。
一方、半導体装置、液晶パネル、ハードディスク等は、製造工程で各種薬品で洗浄されるため、その製造過程で使用する装置に組み込まれた転がり支持装置には、腐食環境下で良好に作動することが要求される。また、潤滑油やグリース等の潤滑剤は、飛散して汚染の原因となる恐れがあるため使用できない。
このグラフから、本発明の方法では、表面から約40μmの深さに転位が導入され、特許文献4の方法では、表面から約10μmの深さに転位が導入されていることが分かる。このように、本発明の方法によれば、特許文献4の方法よりも、セラミックス製球状体の表面の深い位置に転位が導入されるため、耐摩耗性および耐焼き付き性により優れたセラミックス製球状体を得ることができる。
遊星ボールミルの作動条件としては、公転速度:300rpm以上1000rpm以下(より好ましくは500rpm以上700rpm以下)、自転速度:600rpm以上2000rpm以下(より好ましくは1000rpm以上1400rpm以下)で、回転時間:1時間以上10時間以下(より好ましくは2時間以上7時間以下)が好ましい。
本発明の方法においては、前記ボールミル工程の後に、仕上げ研磨加工を行うことが好ましい。この仕上げ研磨加工は、特許文献5に記載の球体成形加工装置を使用して行うことができる。この仕上げ研磨加工で例えば表面から深さ3μmの位置まで研磨した場合でも、得られた表面の破壊靱性値は、図1に示すように、特許文献4の方法で得られた表面の破壊靱性値より高くなる。
本発明はまた、互いに対向配置される軌道面を備えた第1部材および第2部材と、両部材の軌道面間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより第1部材および第2部材の一方が他方に対して相対移動する転がり支持装置において、前記転動体はセラミックス製球状体であり、本発明の方法で得られ、表面をなすセラミックス結晶に転位組織が均一に形成されていることを特徴とする転がり支持装置を提供する。
本発明の方法では、遊星ボールミルを用いてセラミックス球状体に転位を導入しているが、セラミックス球状体に転位を導入する攪拌装置としては、通常のボールミル、アトライター、Vブレンダー等も使用できる。
本発明の転がり支持装置は、dmn値が140万以上となる高速回転下や潤滑剤を使用できない腐食環境下における寿命が長い。
〔第1実施形態〕
図2は、本発明の転がり支持装置の実施形態である転がり軸受の構造を示す部分縦断面図である。
この転がり軸受は、呼び番号6000の深溝玉軸受(内径10mm、外径26mm、幅8mm、玉の直径4.762mm)であり、外周面に軌道面1aを有する内輪(第1部材)1と、軌道面1aに対向する軌道面2aを内周面に有する外輪(第2部材)2と、両軌道面1a,2a間に転動自在に配された複数の玉(転動体)3と、玉3を保持する保持器4と、からなる。
No. 1では、Hv1500の窒化珪素製素材を直径4.768mmの球状に加工し、表面粗さ(Ra)を0.002μmにした後、下記の方法でボールミル工程を行い、次いで、ボールラップ盤を用いて仕上げ研磨を行った。これを玉3として用いた。この玉3の表面粗さ(Ra)は、ボールミル工程前と同じ0.002μmであった。
使用した装置:フリッチュ社製「遊星型ボールミル P−5」。ミルポットは、全容積45ミリリットル(cc)、クロム鋼製。
ミルポット内への窒化珪素製球状体の充填量:ミルポットの内容積の50体積%
公転速度:500rpm
自転速度:1000rpm
回転時間:7時間
なお、表面粗さの測定は、Hv1500の窒化珪素製で、10mm×10mmで厚さが5mmの板状試験片を用いて行った。すなわち、No. 1と2では、この試験片の表面に対して、上述のNo. 1の玉3に対する方法と同じ方法でボールミル工程と研磨を行ったものを用いた。No. 3では、この試験片の表面に対して、上述のNo. 3の玉3に対する方法と同じ方法でショットブラストを行ったものを用いた。No. 4では、この試験片をそのまま用いた。
また、No. 1〜3の玉3に対応させた試験片を用いて、ビッカース硬度(Hv)を測定した結果、No. 1で1590であり、No. 2で1570であり、No. 3で1550でありった。なお、No. 4は処理を行っていないため、1500のままである。
また、窒化珪素製球のX線回折によるピークの半値幅を測定して、破壊靱性値と半値幅との関係を調べたところ、図3のグラフが得られた。X線回折の条件は、CrKα線、電圧40k、電流40mA、無歪回折角2θ0 =125.40°(β−Si3 N4 (411))、コリメータレンズ直径1mm、測定時間120秒である。
転位密度はX線回折ピークの半値幅に比例するため、図3のグラフから破壊靱性値が高いほど転位の導入量が多いことが分かる。
この試験機は、試験軸受10の内輪を先端部11aに取り付ける軸11と、外輪を内挿するハウジング12を備えている。ハウジング12の外周部にはプレート13が固定され、このプレート13に振動計14が取り付けられている。ハウジング12の外周部のプレート13とは反対の側に、ワイヤー15の一端が固定されている。このワイヤー15の他端に、試験軸受10にラジアル荷重を付与するための重り16が取り付けられている。
また、軸11の回転装置として、モータ111とスピンドル112と連結継ぎ手113とからなる回転装置110を備えている。
雰囲気温度:常温
ラジアル荷重:9N
回転速度:3000min-1
このように、本発明の実施例に相当するNo. 1およびNo. 2の玉3を用いた転がり軸受は、No. 3および4を用いた転がり軸受と比較して、腐食性環境下での寿命が著しく長くなる。
図5は、本発明の転がり支持装置の実施形態である転がり軸受の構造を示す部分縦断面図である。
この転がり軸受は、呼び番号70BNR10Tのアンギュラ玉軸受(内径70mm、外径100mm、幅20mm、玉の直径8.73mm)であり、外周面に軌道面1aを有する内輪(第1部材)1と、軌道面1aに対向する軌道面2aを内周面に有する外輪(第2部材)2と、両軌道面1a,2a間に転動自在に配された複数の玉(転動体)3と、玉3を保持する保持器4と、シール5と、からなる。
第1実施形態と同じ方法で作製したNo. 1〜3の玉と、SHX材を用いた以外は第1実施形態と同じ方法で作製した内輪1および外輪2と、フェノール樹脂製の保持器4を用いて、図5に示す転がり軸受を組み立てた。
この試験機により下記の条件で回転速度を変えて回転試験を行い、2時間後に試験軸受24の外輪の温度が試験前よりどれくらい上昇するかを調べた。その結果を図7のグラフに示す。
雰囲気温度:常温
アキシャル荷重:200N
回転速度:5000min-1、10000min-1、15000min-1、20000min-1、25000min-1、30000min-1
オイルエアーとして供給した潤滑油:VG22(鉱油)
オイルエアー供給量:0.2ミリリットル/min
したがって、本発明の実施例に相当するNo. 1および2の玉3を用いた転がり軸受は、No. 3および4を用いた転がり軸受と比較して、dmn値が140万以上となる高速回転下での寿命を十分長くできることが分かる。
呼び番号6206の深溝玉軸受(内径30mm、外径62mm、幅16mm、玉の直径9.525mm)用の内輪と外輪を、SUJ2からなる素材を所定形状に加工し、通常の熱処理を施すことにより作製した。また、玉を以下の方法で作製した。
No. 5では、Hv1450の窒化珪素製素材を直径9.535mmの球状に加工し、表面粗さ(Ra)を0.002μmにした後、下記の方法でボールミル工程を行い、次いで、ボールラップ盤を用いて仕上げ研磨を行った。これを玉として用いた。この玉の表面粗さ(Ra)は、ボールミル工程前と同じ0.002μmであった。
使用した装置:フリッチュ社製「遊星型ボールミル P−7」。ミルポットは、全容積45ミリリットル(cc)、クロム鋼製。
ミルポット内への窒化珪素製球状体の充填量:ミルポットの内容積の50体積%
公転速度:500rpm
自転速度:1000rpm
回転時間:7時間
No. 8では、Hv1450の窒化珪素製素材を直径9.535mmの球状に加工し、No. 9では、Hv1600の窒化珪素製素材を直径9.535mmの球状に加工し、いずれも表面粗さ(Ra)を0.002μmにした後、下記の核方法でボールミル工程を行い、次いで、ボールラップ盤を用いて仕上げ研磨を行った。これを玉として用いた。この玉の表面粗さ(Ra)は、ボールミル工程前と同じ0.002μmであった。
使用した装置:フリッチュ社製「遊星型ボールミル P−7」。ミルポットは、全容積45ミリリットル(cc)、クロム鋼製。
ミルポット内への窒化珪素製球状体の充填量:ミルポットの内容積の50体積%
公転速度:300rpm(No. 8)、800rpm(No. 9)。
自転速度:600rpm(No. 8)、1600rpm(No. 9)。
回転時間:7時間(No. 8)、7時間(No. 9)。
また、これらのNo. 5〜9の玉について、X線回折により圧縮残留応力を測定した。
これらの結果を下記の表2に示す。
この結果から、玉の表層部の圧縮残留応力を500MPa以上にすることで、転がり軸受の寿命を長くできることが分かる。
1a 軌道面
2 外輪(第1部材)
2a 軌道面
3 玉(転動体)
4 保持器
10 試験軸受
11 軸
11a 軸の先端部
110 回転装置
111 モータ
112 スピンドル
113 連結継ぎ手
12 ハウジング
13 プレート
14 振動計
15 ワイヤー
16 重り
20 容器
30 台
31 アーム
32 滑車
21 ベルト
22 回転軸
23 ハウジング
24 試験軸受
25 サポート軸受
26 オイルエアー導入用流路
26a オイルエアー導入口
27 熱電対
W 水
Claims (3)
- 遊星ボールミルのミルポット内に、同じセラミックス製球状体を複数個入れて、遊星ボールミルを作動させ、前記球状体に、ミルポット内に発生する公転に伴う遠心力と自転に伴う遠心力を付与することで、前記球状体同士を衝突させるとともに、前記球状体をミルポットの内壁へ衝突させて、前記球状体の表面をなすセラミックス結晶に転位を導入するボールミル工程を有し、このボールミル工程で表層部の圧縮残留応力を500MPa以上にすることを特徴とするセラミックス製球状体の製造方法。
- 前記ボールミル工程の後に、仕上げ研磨加工を行うことを特徴とする請求項1記載のセラミックス製球状体の製造方法。
- 互いに対向配置される軌道面を備えた第1部材および第2部材と、両部材の軌道面間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより第1部材および第2部材の一方が他方に対して相対移動する転がり支持装置において、
前記転動体はセラミックス製球状体であり、請求項2記載の方法で得られ、表面をなすセラミックス結晶に転位組織が均一に形成されていることを特徴とする転がり支持装置。
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