(57)【要約】      （修正有）【課題】電食が発生しやすい場所、例えばインバ−タモ−タ（エアコン、風車、工作機械）や、耐食性が要求されるような特殊環境であっても、要求寿命を低コストで達成できる転動体を提供する。【解決手段】表面層３Ａとそれより内側の内部層３Ｂの二層構造からなる転動体３において、表面層はイットリアを１．５ｍｏｌ％〜５．０ｍｏｌ％含有し，ジルコニア−イットリア：アルミナ＝５０〜９５：５０〜５ｍａｓｓ％の組成で構成される複合酸化物からなり、内部層はジルコニアで構成され、表面層の球半径に対する比率が２０％以上４０％以下であり、表面層に対する内部層の破壊靱性値の比率が１．３〜１．６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】
表面層とそれより内側の内部層の二層構造からなる転動体において、前記表面層はイットリアを１．５ｍｏｌ％〜５．０ｍｏｌ％含有し，ジルコニア−イットリア：アルミナ＝５０〜９５：５０〜５ｍａｓｓ％の組成で構成される複合酸化物からなり、前記内部層はジルコニアで構成され、表面層の球半径に対する比率が２０％以上４０％以下であり、表面層に対する内部層の破壊靱性値の比率が１．３〜１．６であることを特徴とする転動体。
【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、電食が発生しやすい場所、例えばインバータモータ（エアコン、風車、工作機械）や、耐食性が要求されるような特殊環境（水中・酸性・アルカリ性環境）に用いる転がり軸受に好適な転動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
エアコンファンモータ等のモータは、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。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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。特許文献１では、表面層にジルコニアを使用し、それより内側の内部層に鋼を使用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−４７３５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１は、鋼とセラミックスという異種材料の組合わせであり、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、鋼にセラミックスを焼結して結合させるのは困難であるとの問題もある。
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、電食が発生しやすい場所、例えばインバータモータ（エアコン、風車、工作機械）や、耐食性が要求されるような特殊環境であっても、要求寿命を低コストで達成できる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】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明の請求項１に係る転動体は、表面層とそれより内側の内部層の二層構造からなる転動体において、前記表面層はイットリアを１．５ｍｏｌ％〜５．０ｍｏｌ％含有し，ジルコニア-イットリア：アルミナ＝５０〜９５：５０〜５ｍａｓｓ％の組成で構成される複合酸化物からなり、前記内部層はジルコニアで構成され、表面層の球半径に対する比率が２０％以上４０％以下であり、表面層に対する内部層の破壊靱性値の比率が１．３〜１．６であることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
上述のように、本発明に係る転動体によれば、電食が発生しやすい場所、例えばインバータモータ（エアコン、風車、工作機械）や、耐食性が要求されるような特殊環境であっても、要求寿命を低コストで達成できる転動体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る転動体を組み込む転がり軸受の構成を示す断面図である。
【図２】本発明に係る転動体の断面図である。
【図３】本発明に係る転動体の表面層のジルコニアーイットリアの含有率と寿命比との関係を示すグラフである。
【図４】本発明に係る転動体の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５】ＳＥＢＰ法に使用する試験片の形状と寸法の図である。
【図６】試験片幅の半分に対する表面層厚さと破壊靱性値との関係を示すグラフである。
【図７】本発明に係る転動体の破壊靱性値の比と破壊靱性値との関係を示すグラフである。
【図８】本発明に係る転動体の製造方法を示すフローチャートである。
【図９】本発明に係る転動体の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１０】本発明に係る転動体の試験片幅の半分に対する表面層厚さと破壊靱性値との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明に係る転動体の破壊靱性値の比と破壊靱性値との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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、本発明に係る転動体を組み込む転がり軸受の構成を示す断面図である。また、図２は、本発明に係る転動体の断面図である。
【００１１】
＜転がり軸受＞
本実施形態の転動体３は、図１に示す深溝玉軸受等の転がり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。
【００１２】
＜転動体＞
また、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はイットリアを１．５ｍｏｌ％〜５．０ｍｏｌ％含有し，ジルコニア−イットリア：アルミナ＝５０〜９５：５０〜５ｍａｓｓ％の組成で構成される複合酸化物からなり、前記内部層３Ｂはジルコニアで構成され、表面層の球半径に対する比率が２０％以上４０％以下であり、表面層に対する内部層の破壊靱性値の比率が１．３〜１．６である。  
【００１３】
電食が発生しやすい場所、特殊環境用途において、十分要求寿命を満足できるアルミナ−ジルコニアからなる複合酸化物セラミックを用いることで、低コスト化を達成できる。本発明では、転がり疲労時にせん断応力が作用する危険体積内を、複合酸化物セラミック材で構成し、せん断応力の作用が少ない内部域を、同じ酸化物系セラミックのジルコニアで構成しており、エアコンファンモ−タ用途等の電食が発生しやすい用途では、窒化珪素と同等の寿命、さらに低コスト化が可能になる。一方特殊環境用途では従来の酸化物セラミックより、寿命の信頼性が高まる。また、組成の近い酸化物どうしで二層構造を構成するため、焼結しやすく、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。また内部に靭性の高いジルコニアを用いることで、転動体全体の靭性が向上するので、突発的な過大荷重によるクラック発生の防止性が高まる。特にサイズの大きくなるほど、取り扱い時のクラック発生の可能性があるので、効果的である。
【００１４】
＜ジルコニア−イットリア：アルミナ＝５０〜９５ｍａｓｓ％：５０〜５ｍａｓｓ％である理由＞
アルミナ、ジルコニアの複合化による材料強度が向上するメカニズムについて述べる。アルミナ、ジルコニア単体では、焼結を行った際に、隣り合う粉末粒子が同一物質であるため、互いに拡散し、ある程度の粒成長が発生してしまう。そのため、材料そのものの強度が低下し、転がり寿命試験を行った際には脆弱なはく離形態で短寿命ではく離してしまう。しかし、異種セラミック粉末を複合化させることで粒子どうしの拡散、成長が抑制され、粒子の緻密化が促進され、単体のものより材料強度が向上するため、転動体として使用した際には長寿命化を達成できる。また、その他のセラミック複合化による強度向上のメカニズムとしては、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は圧縮、ジルコニア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ということ、また、亀裂は強度の弱いアルミナ粒子を進展するが、ジルコニア−イットリアの相転移（正方晶から単斜晶へ）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ということがあげられる。
【００１５】
本発明において、ジルコニア−イットリアの組成の下限を５０ｍａｓｓ％とする理由は、ジルコニア−イットリアの相転移（正方晶⇒単斜晶）によるアルミナ粒子への圧縮応力の負荷の効果が発現されにくくなり、強度が低下するからである。また、上限を９５ｍａｓｓ％とする理由は、この組成以上にすると粒子成長・凝集が起きやすくなり、異常成長したジルコニア粒子により強度が低下するからである。この請求項の組成のときにアルミナとジルコニアの粉末粒子は均一に分散・混合され、粒子成長・凝集が抑制され、転がり寿命が最も長くなる。
表１、図３にジルコニア−イットリア、アルミナ複合セラミックの組成を変化させて転動体を作製し、転がり寿命試験を行った結果を示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
なお、寿命試験は以下の条件で行った。
荷重：４３１２Ｎ、玉サイズ：３／８ｉｎｃｈ、玉数：３球、回転数：１０００ｍｉｎ−１、
軸受：５１３０５、内輪・外輪：ＳＵＪ２、潤滑：ＲＯ６８油浴潤滑
表１、図２に示すように、ジルコニアの組成が５０ｍａｓｓ％未満、または９５ｍａｓｓ％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、請求項の範囲である５０〜９５ｍａｓｓ％では、寿命比は１以上となり、計算寿命を満足している。以上の理由から、ジルコニア−イットリア：アルミナ=５０〜９５ｍａｓｓ％：５０〜５ｍａｓｓ％と数値限定を行った。ここで、イットリアの含有量を１．５ｍｏｌ%以上５．０ｍｏｌ%以下の割合とする理由は、ジルコニア−イットリアの相転移（正方晶⇒単斜晶）による材料強度の強化機構が発現される組成であるからである。
【００１８】
＜表面複合酸化物層の球半径に対する比率が２０％以上４０％以下＞
本発明は、表面層のみを耐久寿命が優れる上記のジルコニア（−イットリア）−アルミナ材を使用し、内部を靭性に優れるジルコニアで構成している。
ここでは、表面層の複合酸化物（ジルコニア−アルミナ）が、転動体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。
表面層が複合酸化物、内部層をジルコニアからなる転動体を作製し、下記に示す転がり寿命試験を行った。
荷重：４３１２Ｎ、球サイズ：３／８ｉｎｃｈ、球数：３球、回転数：１０００ｍｉｎ−１
軸受：５１３０５、内輪・外輪：ＳＵＪ２、潤滑：ＲＯ６８油浴潤滑
図４、表２に表面層厚さの球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。
【００１９】
【表２】
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【００２０】
図４に示すように、表面層の球半径に対する比率が２０％以上であれば、計算寿命の３倍時点でも球はく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９〜１５)一方、比率が２０％未満では球はく離を生じ、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１〜８）
ここで表面複合酸化物層厚さの球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カバ−できる厚さの設定になっているからである。今回実施した試験条件は、本発明品の対象用途（エアコンファンモ−タ）での軸受稼動条件より過酷な高荷重負荷条件であり、この条件に耐える表面複合酸化物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。
２０％以上であれば、耐久寿命を満足することができるが、寿命は飽和してしまうので、必要最小限の厚ささえあればよい。転動体全体を複合酸化物で構成するのでなく、内部を靭性の高いジルコニアで構成することで、転動体全体として靭性を向上させることができ、突発的な過大荷重に対する抵抗を高めることができる。
【００２１】
この厚さの靭性に対しての最適な範囲を検討するため、図５に示す下記の試験片を別途、焼結、試験片加工して、破壊靭性値を測定した。破壊靱性値は局所的な靭性でなく、試験片全体の靭性を測定できるSEPB法により測定した。
【００２２】
【表３】
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【００２３】
表３、図６に示すように表面層の球半径に対する比率が２０〜４０％未満であれば、破壊靭性値は８．０で安定していることがわかる。(試験片５〜９)４０%以上になると、内部でクラックの進行を遅らせる効果が最適な状態より失われ、破壊靭性値は５０に落ち着くことがわかる。(試験片１０〜１８)この靭性の効果を持たせるためには、表面層の球半径に対する比率は４０％以下とすればよい。また、この程度の厚さを持たせておけば過大荷重に対する割れ発生の安全率の観点からも問題ない。以上のことから、上記数値限定を行った。
【００２４】
＜表面層の複合酸化物セラミック（ジルコニア−アルミナ複合材）に対する内部層ジルコニアとの破壊靱性値の比率が１．３〜１．６＞
ジルコニア−アルミナ複合材とジルコニアの組み合わせにおいて、ジルコニアは組成において相変態する場合があり、その状態・助剤との組成において破壊靭性値の値が異なる。転動体全体として靭性を向上させるためには、異なる材料の破壊靱性値の組み合わせが重要になる。ここではその異なる材料の破壊靱性値の最適な組み合わせについて検討した。図４に示す形状の試験片を別途、焼結・試験片加工して作製し、破壊靭性値を測定した。破壊靱性値は局所的な靭性でなく、試験片全体の靭性を測定できるＳＥＰＢ法により測定した。ここでは、球の半径に対する表面層の比率の最適な割合を検討する際、ＳＥＰＢ法で直接球そのものの靭性値を測定するのは困難であるので、試験片の幅方向での表面層の割合で代用した。ここでは表面層の厚さの影響を排除するため、表面層厚さの球半径に対する比率は３０％に固定して実験を行った。
【００２５】
【表４】
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【００２６】
表４、図７に試験片を構成する各材料（表面層、内部層）の破壊靱性値と試験片全体の破壊靱性値を示す。表面層の複合酸化物に対する内部層ジルコニアとの破壊靱性値の比率が１．３〜であれば、全体として破壊靱性値８．０を達成することができる。（試験片１〜８）ジルコニアの靭性値は、焼結助剤の量をコントロ−ルした部分安定化ジルコニアでも最大８．０が限界レベルである。よって上限は１．６となる。
一方比率が１．３未満では破壊靱性値８．０未満となる。（試験片９〜１４）以上のことから、上記の数値限定を行った。
【実施例】
【００２７】
本発明の効果を確認するために表５に示すように実施例１〜１０、比較例１〜１７までの表面層を複合酸化物（ジルコニア−アルミナ複合材）、内部層をジルコニアから構成する転動体を作製した。
【００２８】
【表５】
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【００２９】
＜作製方法＞
この転動体の作製方法は、図８に示すように、はじめに成形体内部を構成するジルコニア粉末を転動造粒によって作製し、その後、ジルコニア−アルミナ複合材粉末を用いて前もって作製した成形体を覆う形で転動造粒によって作製した。（方法１）ここで転動造粒法を成形体として用いるメリットとしては、プレス金型成形体ではどうしてもその方法から球状部分以外に帯部が形成されてしまい、二層セラミックを作成した際に内部に帯部を含んだ形で焼結されるため、均一な表面層が形成されないことが上げられる。一方転動造粒法では真円に近い球状の成形体が得られ、こうした問題が発生しないため、転動造粒法により成形した。
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。（方法２）
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、およびＨＩＰによって焼結体を作製する。
表面と内部で材質は違うが、酸化物材を用いており、表面の複合材はジルコニアを多く含有しており、同一の材料と考えてよい。焼結条件もほとんど同様であるので、条件選定が容易である。焼結時には、二層界面において相互に拡散し合う。さらに、線膨張係数について、表面層の複合酸化物は９．２×１０−６／℃、内部のジルコニアは９．８×１０−６／℃であり、表面・内部で線膨張係数の差が少なく、若干内部のほうが値が高いために、二層界面間で圧縮残留応力が作用し、クラックが発生しない効果が発現される。
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。工程の流れを図７に示す。
【００３０】
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。
荷重：４３１２Ｎ、球サイズ：３／８ｉｎｃｈ、球数：３球、回転数：１０００ｍｉｎ−１
軸受：５１３０５、内輪・外輪：ＳＵＪ２、潤滑：ＲＯ６８油浴潤滑
上記の試験結果を表５、図９、１０、１１に示す。実施例１〜５が示すように、表面セラミック層厚さの球半径に対する比率が２０％以上であれば、玉はく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。また、このとき表面層の複合酸化物セラミック（ジルコニア−アルミナ複合材）に対する内部層ジルコニアとの破壊靱性値の比率が１．３〜１．６であり、破壊靱性値８．０という値が得られる。
比較例１〜８が示すように、表面セラミック層厚さの球半径に対する比率が２０％未満であれば球はく離を生じ計算寿命にもばらつきが見られる。
比較例９〜１３が示すように、表面セラミック層厚さの試験片幅の半分に対する比率が４０%を超えると、寿命の問題はないが、破壊靱性値８．０未満となる。このとき、前述のように厳密には玉半径に対する割合ではないが、試験片幅の半分に対する比率で代用できる。
比較例１〜１３が示すように、破壊靭性値の比率が１．３未満のとき、破壊靭性値は８．０未満となって、実施例１〜５が達成できるような破壊靭性値８．０が得られていない。
【００３１】
このように、本発明品は、転がり疲労時にせん断応力が作用する危険体積内を、要求寿命を達成できる複合酸化物で構成し、せん断応力の作用が少ない内部域を、同じ酸化物系セラミックスのジルコニアで構成し、エアコンファンモ−タ用途では、窒化珪素と同等の寿命、さらに低コスト化が可能になる。さらに、特殊環境用途では寿命の信頼性が高まる。また、組成の近い酸化物どうしで二層構造を構成するため、焼結しやすく、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。また内部に靭性の高いジルコニアを用いることで、転動体全体の靭性が向上するので、突発的な過大荷重によるクラック発生の防止性が高まる。
【符号の説明】
【００３２】
１          外輪
１ａ、２ａ  軌道面
２          内輪
３          転動体
３Ａ        表面層
３Ｂ        内部層
４          保持器
２０        シ−ル
【図１】
2014190393.tif 000008
【図２】
2014190393.tif 000009
【図３】
2014190393.tif 000010
【図４】
2014190393.tif 000011
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2014190393.tif 000016
【図１０】
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【図１１】
2014190393.tif 000018