(57)【要約】      （修正有）【課題】低コストでありながら、全て窒化珪素からなる転がり軸受用転動体と同等の高い耐久性を示す転がり軸受用転動体を提供する。【解決手段】転がり軸受に組み込まれて使用される転動体３において、窒化珪素からなる表面層３Ａと、該表面層の内側の酸化物系複合材からなる内部層３Ｂとで構成され、前記表面層３Ａに含まれる不純物として、Ｆｅの含有量が５０ｐｐｍ以下、Ａｌの含有量が５０ｐｐｍ以下、Ｃａの含有量が１０ｐｐｍ以下であり、好ましくは前記表面層３Ａは、表面から転動体半径の２０％〜６０％の厚さの層であることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
転がり軸受に組み込まれて使用される転動体において、
窒化珪素からなる表面層と、該表面層の内側の酸化物系複合材からなる内部層とで構成され、前記表面層に含まれる不純物として、Ｆｅの含有量が５０ｐｐｍ以下、Ａｌの含有量が５０ｐｐｍ以下、Ｃａの含有量が１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする転がり軸受用転動体。
【請求項２】
前記表面層は、表面から転動体半径の２０％〜６０％の厚さの層であることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受用転動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり軸受に組み込まれて使用される転動体に関し、特に、工作機械の主軸用スピンドル等を支持する転がり軸受や部品装着機などのように高速回転で使用される転がり軸受に好適な転動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械の主軸用スピンドルを支持する転がり軸受は、工作精度の向上や加工効率の向上などの目的により、高速回転が可能で、しかも高精度な回転特性であることが要求されている。転がり軸受を高速で回転させるためには、転がり軸受の回転トルクを低減する必要があり、これを達成する一つの方法として、潤滑油の撹拌抵抗を減少させる方法がある。そして、潤滑油の撹拌抵抗を減少させる方法として、給油量を減少させる方法や、オイルをミスト状にして供給する方法等が用いられている。
【０００３】
また、主軸の回転精度を向上させるために、主軸を支持する軸受に予め軸方向の荷重を負荷し内部隙間を無くして、軸心振れや振動の発生を抑制するという方法が採用される。このとき、転がり軸受の外・内輪軌道面と転動体との間の接触面圧を減少させるために、特に内輪を熱膨張率の低いステンレス鋼で構成して、回転により発生する熱によって軸受部品が熱膨張した場合でも、内部すきまを確保できるようにしてある。
【０００４】
特に、高速で回転する転がり軸受については、転動体を窒化珪素製として、潤滑条件が上記のように制限された場合においても外・内輪を構成する金属材料と焼付きが生じにくいようにしている。また、転動体を窒化珪素製とすると、窒化珪素の熱膨張係数が外・内輪の金属材料よりも小さいため、転がり軸受が発熱した場合でも転がり軸受の内部すきまを確保できる。
【０００５】
さらに、窒化珪素は金属材料に比べて密度が小さいため、転がり軸受が高速で回転した場合でも転動体に発生する遠心力が小さい。すなわち、転がり軸受が高速回転しても転動体と外輪軌道面との接触面圧の増加が小さいので、転がり軸受の回転寿命の低下や軌道面の損傷を助長するおそれがない。
このように、工作機械の主軸用スピンドルを支持する転がり軸受のように高速で回転する転がり軸受は、高速回転下でも安定した軸受回転特性を得られるような工夫が従来からなされている。
【０００６】
特に、窒化珪素製の転動体を用いた転がり軸受は、耐熱性、耐焼付性、剛性、軽量化の効果が期待される用途や、電食が発生しやすい部位［例えばインバータモータ（エアコン、風車、工作機械）］に使用される。
このような、窒化珪素製の転動体に関する技術が、特許文献１〜３に開示されている。特許文献１及び２には、成形核部と、玉表面側ほど高密度で欠陥の少ない凝集層で構成された、転動造粒によって作製した窒化珪素転動体が開示されている。また、特許文献３には、内部が鋼、外殻が鋼に線膨張係数・密度が比較的近いジルコニアセラミックで構成された軸受転動体材料が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１８５９７６号公報
【特許文献２】特開２００１−１４６４７９号公報
【特許文献３】特開平１０−０４７３５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１〜３は、いずれも、欠陥の少ない凝集層の範囲が、転がり疲労時に作用するせん断応力を考慮しておらず、その危険体積内で必要強度を満たさずに高荷重が負荷される過酷な環境下においては、短寿命剥離を引き起こす可能性がある。
特に、特許文献３については、鋼とセラミックという異種材料の組み合わせであり、線膨張係数の違いによる界面での欠陥発生の問題があり、そもそも鋼にセラミックを焼結して結合させるのは事実上困難である。
そこで、本発明は上記の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、高い耐久性を示す転がり軸受用転動体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための本発明の請求項１に係る転がり軸受用転動体は、転がり軸受に組み込まれて使用される転動体において、
窒化珪素からなる表面層と、該表面層の内側の酸化物系複合材からなる内部層とで構成され、上記表面層に含まれる不純物として、Ｆｅの含有量が５０ｐｐｍ以下、Ａｌの含有量が５０ｐｐｍ以下、Ｃａの含有量が１０ｐｐｍ以下であることを特徴としている。
また、本発明の請求項２に係る転がり軸受用転動体は、請求項１に記載の転がり軸受用転動体において、上記表面層は、表面から転動体半径の２０％〜６０％の厚さの層であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
上述のように、本発明に係る転がり軸受用転動体によれば、高い耐久性を示す転がり軸受用転動体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る転がり軸受用転動体の一実施形態における転がり軸受の構成を示す断面図である。
【図２】本発明に係る転がり軸受用転動体の一実施形態における構成を示す断面図である。
【図３】本発明に係る転がり軸受用転動体の一実施形態における表面層の厚さの玉半径に対する比率と寿命比との関係を示すグラフである。
【図４】本発明に係る転がり軸受用転動体の一実施形態における表面層中のＦｅ含有量と寿命比との関係を示すグラフである。
【図５】本発明に係る転がり軸受用転動体の一実施形態における表面層中のＡｌ含有量と寿命比との関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係る転がり軸受用転動体の一実施形態における表面層中のＣａ含有量と寿命比との関係を示すグラフである。
【図７】本発明に係る転がり軸受用転動体の一実施形態における製造方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る転がり軸受用転動体の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る転がり軸受用転動体の一実施形態における転がり軸受の構成を示す断面図である。また、図２は、本発明に係る転がり軸受用転動体の一実施形態における構成を示す断面図である。
【００１３】
＜転がり軸受＞
本実施形態の転がり軸受用転動体３は、図１に示す深溝玉軸受に組み込まれる。この深溝玉軸受は、外周面２ａに軌道面を有する内輪２と、軌道面２ａに対向する軌道面１ａを内周面に有する外輪１と、両軌道面２ａ，１ａ間に転動自在に配された複数の転動体（玉）３と、内輪２及び外輪１の間に複数の転動体３を保持する保持器４と、内輪２及び外輪１の間の隙間の開口をほぼ覆うシール２０，２０とを備えている。
【００１４】
＜転がり軸受用転動体＞
また、転がり軸受用転動体３は、表面層３Ａと、該表面層３Ａの内側の内部層３Ｂとで構成される。表面層３Ａは窒化珪素からなり、内部層３Ｂは酸化物系複合材料からなる。酸化物系複合材料を用いると、窒化珪素より更に低コストにする事が出来る。
また、本実施形態の転がり軸受用転動体３は、不純物として、Ｆｅの含有量が５０ｐｐｍ以下、Ａｌの含有量が５０ｐｐｍ以下、Ｃａの含有量が１０ｐｐｍ以下で表面層に含まれている。
【００１５】
さらに、表面層３Ａは、転がり軸受用転動体３の表面３ａから、当該転がり軸受用転動体３の半径の２０％〜６０％の厚さの層であることが好ましい。表面層３Ａの厚さをこのように規定することによって、低コスト化を実現できる。
ここで、表面層３Ａは、転がり疲労時にせん断応力が負荷され、この際に損傷を生じない耐久性をもつ材料である必要がある。そのため、表面層３Ａを占めるのは高純度粉末による窒化珪素である必要がある。
【００１６】
ここでは、表面層３Ａの高純度粉末窒化珪素が、転動体３を占める最適な範囲について検討を行うため、以下の実験を行った。
表面層３Ａが高純度のイミド熱分解法粉末による窒化珪素、内部層３Ｂを酸化物系複合材料であるＹ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系酸化物複合体からなる転がり軸受用転動体を作製し、下記に示す転がり寿命試験を行った。
【００１７】
＜寿命試験条件＞
荷重：７１５４Ｎ
玉サイズ：３／８インチ
玉数：３玉
回転数：１０００ｍｉｎ−１
軸受：日本精工株式会社製「呼び番号  ５１３０５」
内輪及び外輪の材料：ＳＵＪ２
潤滑：ＦＢＫオイルＲＯ６８油浴潤滑
【００１８】
図３、及び表１に表面層の厚さの玉半径に対する比率と、寿命比（実寿命／計算寿命）との関係を示す。図３に示すように、表面層の玉半径に対する比率が２０％以上であれば、計算寿命の３倍時点でも玉剥離を生じずに十分に満足して安定した寿命が得られることがわかる。（試験片７〜１３）一方、比率が２０％未満では、玉剥離を生じ、寿命がばらついており、安定した寿命が得られない。（試験片１〜６）
【００１９】
【表１】
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【００２０】
表２に示すように、直接窒化法粉末による窒化珪素では、不純物を多く含み、もともとの耐久寿命が劣るものであるために、表面層の厚さの玉半径に対する比率が２０％以上であっても、計算寿命を満足することができない。（試験片６〜１１）
ここで、表面層の厚さの玉半径に対する比率が２０％以上であれば、安定した寿命が得られる理由としては、今回実施した試験条件で転動体に作用するせん断応力の危険体積を十分に力バーできる厚さの設定になっているからである。
【００２１】
【表２】
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【００２２】
今回実施した試験条件は、本発明品の対象用途（工作機械、エアコンファンモータ）での軸受稼動条件より十分過酷な高荷重負荷条件であり、この条件に耐える表面層の厚さ設定であれば、前述の実際の対象用途でも問題が発生しない仕様であるといえる。ただし、２０％以上では、耐久寿命を満足することができるが、転動体を占める高純度粉末窒化珪素の割合が多くなれば、粉末コストが従来と同等になってしまうため、低コスト化の効果が得られなくなる。
そのため、適度な比率が必要となるが、ここでは過大荷重に対する安全率と、コストの両面を考慮して比率の上限を６０％とすることが好ましい。
【００２３】
＜表面層に含まれる不純物（Ｆｅ、Ａｌ、Ｃａ）の含有量＞
窒化珪素粉末中には、主に、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃａなどの不純物が含有されている。一般に、低コスト品ほど、金属不純物の含有量が多い。これらの不純物は焼結体の粒界に存在し、破壊の起点となる異物、欠陥として短寿命剥離を引き起こし、不純物を多く含む粉末ほど、寿命が劣る結果となる。
【００２４】
表２〜４に示すように、種々の製法によって作製されたそれぞれ不純物の異なる粉末を用いて表面層を作製、転動体を作製した。この際、表面層の最適な不純物量を検討できるようにするため、Ｙ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系酸化物複合体からなる内部層の影響は排除できるよう、せん断応力が内部層へ作用しないように表面層の厚さの比率は３０％以上とした。
上記転動体を用いて、以下の転がり寿命試験を行った。また、試験前に表面層の不純物量をＩＣＰ発光分析法により玉表面で測定した。
【００２５】
［測定条件］
荷重：７１５４Ｎ
玉サイズ：３／８インチ
玉数：３玉
回転数：１０００ｍｉｎ−１
軸受：日本精工株式会社製「呼び番号  ５１３０５」
内輪・外輪の材料：ＳＵＪ２
潤滑：ＦＢＫオイルＲＯ６８油浴潤滑
【００２６】
図４、５に示すように、Ｆｅ、Ａｌの含有量が５０ｐｐｍ以下であれば、安定して計算寿命の３倍以上の寿命を確保できる。このとき、剥離は生じていない。５０ｐｐｍを超えると、３倍未満で剥離を生じ、寿命が安定していないことがわかる。
図６に示すように、Ｃａ含有量が１０ｐｐｍ以下であれば、安定して計算寿命の３倍以上の寿命を確保できる。このとき、剥離は生じていない。１０ｐｐｍを超えると３倍未満で剥離を生じ、寿命が安定していないことがわかる。
【００２７】
【表３】
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【００２８】
【表４】
2014159848.tif 000006
【００２９】
［窒化珪素粉末の製造方法］
なお、この数値を満たすことのできる窒化珪素粉末の製造方法としては、高温での結晶成長によって粉末粒子を形成させるイミド熱分解法がある。直接窒化法においても、粉末粉砕後の酸処理を徹底・微細フイルターを使用することで、高純度品を得られるが、焼成した塊状物を粉砕して微粉にする製法であるため、粉砕媒体からの不純物の混入は根本的に避けられない。
【実施例】
【００３０】
表５に示すように、実施例１〜５、比較例１〜１２の２種類の窒化珪素からなる表面層と、内部層を酸化物系複合材料であるＹ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系酸化物複合体と、からなる転動体を作製した。
＜作製方法＞
本実施形態の転がり軸受用転動体の作製方法は、図７に示すとおりである。はじめに、成形体内部を構成するＹ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系酸化物複合体を、例えば、Ｙ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系酸化物粉末を用いて転動造粒法によって作製し、その後、例えばイミド熱分解法による高純度粉末を用いて前もって作製した成形体をくるむ形で転動造粒によって作製した。
【００３１】
ここで、転動造粒法を採用するメリットとしては、真円に近い玉状の成形体が得られることが挙げられる。（図７（方法１）参照）また、本発明の内部層を構成する酸化物系複合材は、一例として、上記のようにオキシナイトライドガラス（Ｙ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系）で構成される。本組成は窒化珪素の焼結助剤としても一般的なガラス成分であり、完全な異種材の組み合わせとはならず、結合境界層においてもガラス成分が拡散して結合しているため、強度が問題とならない。このオキシナイトライドガラスの種類としては、上記のＹ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系以外に、下記の組成のものが使用できる。
・Ｓｉ３Ｎ４-ＳｉＯ２-Ａｌ２Ｏ３系
・ＡｌＮ−ＳｉＯ２−Ｙ２Ｏ３系
・Ｓｉ３Ｎ４−ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系
・Ｓｉ３Ｎ４−ＣａＯ−Ｎａ２Ｏ−ＳｉＯ２系
それ以外にも、内部層のみを転動造粒で作製した後に、プレス成形で内部層をくるむ形で成形し、表面層を形成して成形体を得ることができる。プレス成形のほうが、工程を別途設ける必要があるが、転動造粒よりＣＩＰ前の成形体の密度むらが少ない。（図７（方法２）参照）
【００３２】
さらに、ＣＩＰによる等方的圧力をかけることで成形体内部・二層の界面での密度のむらをなくすことができる。  その後、一時焼結、及びＨＩＰによって焼結体を作製する。
【００３３】
焼結時には、二層界面において相互に拡散し合い、二層界面でのクラックなどの欠陥が発生し難い。焼結して得られた素球を、Ｇ工程、Ｌ工程からなる研磨工程を経て完成球とした。各種の製造方法で得られた窒化珪素粉末を原料粉末とし、上記の方法により作製した転動体を用いて、下記に示す転がり寿命試験を行った。また、試験前に表面層の不純物量を、ＩＣＰ発光分析法により玉表面で測定した。
【００３４】
［測定条件］
荷重：７１５４Ｎ
玉サイズ：３／８インチ
玉数：３玉
回転数１０００ｍｉｎ−１
軸受：日本精工株式会社製「呼び番号  ５１３０５」
内輪・外輪の材料：ＳＵＪ２
潤滑：ＦＢＫオイルＲＯ６８油浴潤滑
上記の試験結果を表５、及び図８に示す。
【００３５】
【表５】
2014159848.tif 000007
【００３６】
表５に示すように、実施例１〜５は、表面層の厚さの玉半径に対する比率２０％以上、かつ表面層の不純物（Ｆｅ、Ａｌ、Ｃａ）の含有量が、それぞれ上記で規定した範囲内であれば、玉剥離を生じず、安定して計算寿命の３倍を満足できることがわかる。
一方、表５に示すように、比較例１〜３は、表面層の厚さの玉半径に対する比率２０％未満であれば玉剥離を生じ、計算寿命にもばらつきが見られる。
また、比較例４〜１２のように、不純物（Ｆｅ、Ａｌ、Ｃａ）の含有量が上記規定範囲外であれば、玉剥離を生じ、計算寿命にもばらつきが見られる。
【００３７】
このとき、表面層の厚さの玉半径に対する比率２０％以上であるが、不純物量が多いと、材料そのものの耐久寿命が劣ってしまうため、短寿命で剥離してしまう。
【００３８】
実施例１〜５の品質を安定して達成する粉末の作製方法としては、イミド熱分解法が挙げられる。イミド熱分解法は、ハロゲン化ケイ素とアンモニアとの反応により生成したシリコンジイミド［Ｓｉ（ＮＨ）２］を熱分解、結晶化させて窒化珪素粉末を合成する方法で、高純度、微粒子、易焼結性という特徴がある。この粉末による窒化珪素は、不純物の少ない、高品質で信頼性の高いものが作製できるが、高温での結晶成長によって粉末粒子を形成させる方法であり、反応時における温度・雰囲気・時間などの厳密な制御が必要となり、必然的にコストが高くなるという問題点がある。そのため、転動体全てをこの粉末による材料で構成するのでなく、せん断応力が作用し、危険となる体積範囲内をこの粉末による窒化珪素で構成し、酸化物系複合材のような低コスト粉末において内部を構成することで、従来の高品質材と同等の安定した耐久寿命を達成することができ、同時に低コスト化が可能になる。
【００３９】
また、実施例１〜５のように、表面層が前述の不純物含有量以下の窒化珪素であれば、内部層は任意の製法で作られた粉末を使用してもよいことになり、酸化物系複合材使用による低コスト化が可能になる。ただし、表面層の窒化珪素との組み合わせにおいて、成形性・焼結性が低下しないような粉末を適宜選択することが必要になる。
以上説明したように、本実施形態によれば、転がり疲労時にせん断応力が作用する危険体積内を、長寿命を達成できる従来の高品質窒化珪素材で構成し、せん断応力の作用が少ない内部域を、従来高品質材よりは低コストの酸化物系複合材にて構成し、従来材の窒化珪素球と同等の寿命、さらに低コスト化が可能になる。また、２種材料の界面では相互に拡散が起こるため界面での欠陥の発生がない。
【００４０】
特に、上述の特許文献１〜３においては、同一の窒化珪素材料にて転動体全体を構成するため、必要寿命を満足する材料であっても、必然的に高品質の材料が要求されるようになり、コストが高くなるが、本実施形態の転がり軸受用転動体は、転がり疲労時にせん断応力が作用し、耐久寿命が必要とされる外殻の表面層のみに従来の高純度の窒化珪素を使用し、せん断応力が特に作用しない内部には寿命が劣っても済む低コスト材を使用して、従来の高品質窒化珪素材と同等の転がり疲労寿命および低コスト化を同時に達成できる。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更が可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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