(57)【要約】【課題】ターボチャージャー用転がり軸受の転動体を、窒化珪素よりも安価であり、かつ、線膨張係数が窒化珪素よりも軸受を形成する鋼材に近く、温度変化による予圧抜けの防止のために大きな予圧荷重をかける必要もない材料で形成する。【解決手段】粒径１μｍ以下のイットリア含有ジルコニア粒子と、粒径１μｍ以下のアルミナ粒子とを混合して球状に成形した後、ジルコニア粒子及びアルミナ粒子が粒径２μｍ以下の微細粒となるように焼結し、研磨した転動体を備えるターボチャージャー用転がり軸受。【選択図】図１
2011017415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と、外輪との間に、保持器を介して複数の転動体を保持してなるターボチャージャー用転がり軸受において、
前記転動体が、ジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックスからなることを特徴とするターボチャージャー用転がり軸受。
【請求項２】
前記転動体が、１．５〜５モル％のイットリアを含有するジルコニア５０〜９５質量％と、アルミナ５０〜５質量％とからなることを特徴とする請求項１記載のターボチャージャー用転がり軸受。
【請求項３】
前記転動体におけるジルコニア粒子及びアルミナ粒子の粒径が２μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載のターボチャージャー用転がり軸受。
【請求項４】
前記転動体におけるＳｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏの各含有量が、何れも０．３質量％以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のターボチャージャー用転がり軸受。
【請求項５】
前記転動体のビッカ−ス硬度Ｈｖが１３００〜１７００、破壊靭性値が４．５ＭＰａ・ｍ１／２以上、抗折強度が１０００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のターボチャージャー用転がり軸受。
【請求項６】
ターボチャージャー用転がり軸受の製造方法において、
粒径１μｍ以下のイットリア含有ジルコニア粒子と、粒径１μｍ以下のアルミナ粒子とを混合して球状に成形した後、焼結し、研磨して転動体を製造する工程を含むことを特徴とするターボチャージャー用転がり軸受の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボチャージャー用転がり軸受に関し、特にその転動体の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボチャージャー用転がり軸受は高温、高速の環境条件下で使用されるため、硬さ低下による寿命低下、遠心力による転動体荷重の増加を防止するため、転動体に高硬度、軽量のセラミックスを用いられている(例えば、特許文献１参照)。転がり軸受では、転動寿命が最も長いことからセラミックス材料として窒化珪素が一般的であり、ターボチャージャー用転がり軸受においても窒化珪素製の転動体がこれまで使用されている。
【０００３】
しかしながら、窒化珪素は原料コスト及び製造コストとも高く、また定位置予圧方式で使用される場合は外内輪材となる鋼と線膨張係数が大きく異なるため温度変化による予圧の変化（予圧抜け）といった問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３１１０５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで本発明は、ターボチャージャー用転がり軸受の転動体を、窒化珪素よりも安価であり、かつ、線膨張係数が窒化珪素よりも軸受を形成する鋼材に近く、温度変化による予圧抜けの防止のために大きな予圧荷重をかける必要もない材料で形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明は、下記のターボチャージャー用転がり軸受及びその製造方法を提供する。
（１）内輪と、外輪との間に、保持器を介して複数の転動体を保持してなるターボチャージャー用転がり軸受において、前記転動体が、ジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックスからなることを特徴とするターボチャージャー用転がり軸受。
（２）前記転動体が、１．５〜５モル％のイットリアを含有するジルコニア５０〜９５質量％と、アルミナ５０〜５質量％とからなることを特徴とする上記（１）記載のターボチャージャー用転がり軸受。
（３）前記転動体におけるジルコニア粒子及びアルミナ粒子の粒径が２μｍ以下であることを特徴とする上記（１）または（２）記載のターボチャージャー用転がり軸受。
（４）前記転動体におけるＳｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏの各含有量が、何れも０．３質量％以下であることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載のターボチャージャー用転がり軸受。
（５）前記転動体のビッカ−ス硬度Ｈｖが１３００〜１７００、破壊靭性値が４．５ＭＰａ・ｍ１／２以上、抗折強度が１０００ＭＰａ以上であることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載のターボチャージャー用転がり軸受。
（６）ターボチャージャー用転がり軸受の製造方法において、粒径１μｍ以下のイットリア含有ジルコニア粒子と、粒径１μｍ以下のアルミナ粒子とを混合して球状に成形した後、焼結し、研磨して転動体を製造する工程を含むことを特徴とするターボチャージャー用転がり軸受の製造方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のターボチャージャー用転がり軸受におけるジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックス製転動体は、窒化珪素よりも原料コストが低く、製造過程も簡素である。また、ジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックスは、内外輪を形成する鋼材との線膨張係数差が窒化珪素よりも小さいため、大きな予圧荷重をかける必要もない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明のターボチャージャー用転がり軸受の一例（アンギュア玉軸受）を示す断面図である。
【図２】本発明のターボチャージャー用転がり軸受の他の例（複列アンギュラ玉軸受）を示す断面図である。
【図３】試験１で得られたアルミナ含有量と曲げ強度との関係を示すグラフである。
【図４】試験１で得られたアルミナ含有量とビッカース硬さＨｖとの関係を示すグラフである。
【図５】試験１で得られたアルミナ含有量と破壊靭性値との関係を示すグラフである。
【図６】試験２で用いたスラスト軸受回転試験装置を示す概略図である。
【図７】試験２で得られたアルミナ含有量と疲労寿命との関係を示すワイブル図表である。
【図８】試験３で得られたＦｅ２Ｏ３含有量と疲労寿命との関係を示すワイブル図表である。
【図９】試験３で得られたＦｅ２Ｏ３含有量と振動値との関係を示すグラフである。
【図１０】試験３において試験後に転動体（Ｆｅ２Ｏ３含有量０．３５質量％）の転動体表面を撮影した顕微鏡写真である。
【図１１】試験３において試験後に転動体（Ｆｅ２Ｏ３含有量０．５質量％）の転動体表面を撮影した顕微鏡写真である。
【図１２】試験３において試験後に転動体（Ｆｅ２Ｏ３含有量０．１質量％）の転動体表面を撮影した顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明のターボチャージャー用転がり軸受について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
本発明においてターボチャージャー用転がり軸受の構造には制限はなく、例えば図１に示すようなアンギュラ玉軸受を例示することができる。また、図２に示すように、複列化したものであってもよい。更に、図示は省略するが、スラスト軸受であってもよい。
【００１１】
また、ターボチャージャー用転がり軸受において、転動体は後述するジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックス製であるが、内輪及び外輪をＳＵＪ２鋼、ＳＵＳ鋼、１３Ｃｒ鋼等の通常軸受に使用される金属で形成することにより軸受全体として安価にすることができる。また、内輪及び外輪の軌道面、好ましくは全表面に浸炭窒化処理等の硬化処理を施すことにより、耐摩耗性が向上して好ましい。保持器は金属製でもよいが、軸受全体の軽量化や、転動体との衝突音を低減するために、ポリアミドやポリアセタール、ＰＰＳ等の耐熱性の樹脂にガラス繊維や炭素繊維等の繊維状補強材を配合してなる樹脂組成物製とすることが好ましい。
【００１２】
転動体は、原料粉末としてジルコニア粒子、アルミナ粒子及びイットリア粒子を用意し、混合して球状に成形した後、焼結して得られる。また、原料粉末としてイットリアを含有するジルコニア粒子と、アルミナ粒子とを用いることが好ましい。特に、１．５〜５モル％のイットリアを含有するジルコニア粒子を５０〜９５質量％、アルミナ粒子を５０〜５質量％の配合比にすることにより、機械的強度及び転動体疲労寿命において窒化珪素と遜色のないものが得られる。ジルコニアにイットリアを固溶させると、構造中に酸素空孔が形成されて立方晶あるいは正方晶となり、室温でも安定または準安定となり、強度が向上する。但し、ジルコニア中のイットリア含有量が１．５モル％未満では正方晶からなる焼結体が得られず、５モル％超では正方晶が減少して立方晶が主体となるため、転移による高強度化が得られない。ジルコニア中のイットリア含有量は、３モル％がより好ましい。また、アルミナの含有量は１０〜３０質量％がより好ましく、さらに好ましくは２０質量%である。
【００１３】
また、原料粉末における不純物は少ない方が好ましく、特にＳｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏを極力減少させることにより、焼結性が向上してより緻密化することができる。ＳｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏはそれぞれ０．３質量％以下であることが好ましく、より好ましくは０．１質量％以下、さらに好ましくは０．０２質量％以下である。これらの不純物が０．３質量％を超えると運転時に転動体の表面からセラミックス粒子の脱落が起こり易くなり、転動体表面の粗さの低下、脱落したセラミックス粒子による軌道面の微細な損傷が発生し、振動が大きくなり音響寿命を短くするおそれがある。また、転動体の疲労寿命もこのような不純物が起点となり、早期剥離を引き起こす原因にもなる。
【００１４】
特に、アルミナ粒子は、ジルコニア粒子より硬度が高いため、微小な粒子であっても脱落した場合に音響寿命に与える影響が大きい。そのため、原料中の不純物を極力少なくしないとジルコニア粒子とアルミナ粒子との結合力が弱くなり、アルミナ粒子が脱落し易くなる。そのため、不純物量を上記のように極力少なくして転動体表面からのアルミナ粒子の脱落を防止することが好ましい。
【００１５】
原料粉末の混合にはアルコール中で湿式混合する方法が好ましいが、１μｍ以下の粒子を用いた場合は概ね２４時間の混合で十分であるのに対し、１μｍを超える粒子を使用した場合は概ね１００時間以上の混合を擁する。そのため、本発明では、原料粉末に用いる各粒子として粒径１μｍ以下の微粒子を用いることが好ましい。
【００１６】
成形には、金型成形あるいは冷間静水圧加圧（ＣＩＰ）成形を行うことができる。
【００１７】
その後、大気炉での酸素気流中で脱脂し、焼結を行うが、焼結には熱間静水圧加圧（ＨＩＰ）焼結法が好ましい。また、予備焼結を行った後に、熱間静水圧加圧焼結してもよい。この焼結においても、原料粉末として１μｍ以下の儀粒子を用いることにより、ジルコニア粒子及びアルミナ粒子は粒径２μｍ以下の微細粒になり、より緻密な焼結体となる。より好ましくは５００ｎｍ、特に好ましくは２００ｎｍ以下の微粒子を用いる。これに対し、粒径１μｍを超える粒子を用いた場合、空孔のない緻密な焼結体を得るためには、脱脂及び焼結温度は現行温度よりも２００℃以上高い温度にする必要があり、保持時間も現行の２倍以上を必要とする。更に、脱脂及び焼結は常圧でなく、加圧焼結しないと空孔が残存する。そのため、脱脂及び焼結設備も大がかりになり、連続式でなくバッチ式の焼結にもなるため製造コストが高くなる。
【００１８】
そして、焼結後に鏡面研磨して転動体となる。
【００１９】
転動体の物性面では、ターボチャージャー用転がり軸受での使用を考慮すると、ビッカ−ス硬度Ｈｖが１３００〜１７００であることが好ましい。また、破壊靭性値が４．５ＭＰａ・ｍ１／２以上であることが好ましい。また、抗折強度が１０００ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００２０】
尚、ビッカース硬度Ｈ ｖ はＪ Ｉ Ｓ − Ｒ − １ ６ １ ０ で規定された測定法に準拠し、試験荷重１ ９ ８ ． １ Ｎ で室温（ ２ ５ ℃ ） にて測定した値である。破壊靭性値 はＪＩＳ− Ｒ − １ ６ ０ ７ で規定されたＩ Ｆ 法に基づき測定し、Ｎ ｉ ｉ ｈ ａ ｒ ａ の式により算出した値である。抗折強度はＪ Ｉ Ｓ − Ｒ − １ ６ ０ １ で規定された３ 点曲げ強さ試験に準じた測定法により測定した値である。
【００２１】
上記の如く構成されるターボチャージャー用転がり軸受には、潤滑のために潤滑油やグリースが封入されるが、何れも公知のもので構わないが、耐熱性に優れるエステル油またはエステル油を基油とするグリースが好ましい。
【実施例】
【００２２】
以下に試験例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【００２３】
（試験１：アルミナ含有量の検証１）
イットリアを３モル％含む一次粒子径が１μｍ以下のジルコニア粒子と、平均粒子径が１μｍ以下の高純度（９９．９９％）アルミナ粒子とを、混合比を変えてアルコ−ルに投入し、アルコール中で２４時間湿式混合を行なった後、パラフィンなどの有機バインダ−を１質量％添加し、乾燥造粒工程を経て原料粉末を調整した。次に、得られた原料粉末を使用して所定の形状になるように約２５℃、１００ＭＰａ、約６０秒間にてＣＩＰ成形を行い、成形体を大気炉（酸素気流中）にて常圧、４００〜７００℃で１〜３時間処理して脱脂し、その後１気圧の酸素気流下、１４００〜１７００℃にて１〜２時間予備焼結した。その後、アルゴン気流中にて１３００〜１６００℃にて１〜２時間、１５００気圧のＨＩＰ焼結法にて本焼結を行い、ジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックス試験片を得た。この試験片を顕微鏡で観察したところ、ジルコニア粒子及びアルミナ粒子は共に粒径が２μｍ以下であった。
【００２４】
また、比較のために、窒化珪素製の試験片を用意した。
【００２５】
そして、アルミナ含有量の異なるジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックス試験片及び窒化珪素製試験片について、（１）ＪＩ Ｓ − Ｒ − １ ６ ０ １ で規定された３ 点曲げ強さ試験に準じた測定法により抗折強度を求め、（２）Ｊ Ｉ Ｓ − Ｒ − １ ６ １ ０ で規定された測定法に準拠し、試験荷重１ ９ ８ ． １ Ｎ で室温（ ２ ５ ℃ ） にて測定してビッカース硬さＨｖを求め、（３）ＪＩＳ− Ｒ − １ ６ ０ ７ で規定されたＩ Ｆ 法に基づき破壊靭性値を求めた。
【００２６】
図３にアルミナ含有量と曲げ強度との関係を示すが、アルミナ含有量が５０質量％未満で窒化珪素（図中イで示す）よりも優れた曲げ強度を有することがわかる。特にアルミナ含有量が２０質量％の時に最も優れた抗折強度が得られている。また、図４にアルミナ含有量とビッカース硬さＨｖとの関係を示すが、アルミナ含有量が５質量％以上で窒化珪素（図中ロで示す）よりも高いビッカース硬度が得られている。また、図５にアルミナ含有量と破壊靭性値との関係を示すが、アルミナ含有量が５０質量％以下で窒化珪素（図中ハで示す）と同等以上の破壊靭性値が得られている。
【００２７】
（試験２：アルミナ含有量の検証２）
原料粉末を玉状に成形した以外は試験１と同様にして、アルミナ含有量の異なるジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックス製の転動体を作製した。そして、この転動体を用いて呼び番号５１３０５のスラスト軸受（ＳＵＪ２）を組み立て、図６に示すようなスラスト軸受回転試験装置を用い、下記の条件で回転させた。そして、転動体に剥離が生じるまでの回転時間を疲労寿命として測定した。
＜試験条件＞
・球径：３／８インチ
・回転数：１０００ｒｐｍ
・面圧：３ＧＰａ
・潤滑油：トラクション油「ＶＧ６８」
【００２８】
測定結果として、ワイブル図表にプロットしたグラフを図７に示すが、アルミナ含有量が５〜５０質量％において理論値（図中Ｌｃａｌ）よりも優れた値が得られており、特にアルミナ含有量が２０質量％の時に最も良好となっている。
【００２９】
（試験３：不純物含有量の検証）
原料粉末として、イットリアの含有率が３．０モル％であるジルコニア−イットリア成分：アルミナ成分＝８０：２０（質量比）で、Ｆｅ２ Ｏ３ の含有率が０．１、０．３、０．３５及び０．５０質量％である平均粒径１μｍ以下の微粉末を用意した。そして、試験２と同様にして転動体を作製した。
【００３０】
この転動体を用いて呼び番号５１３０５のスラスト軸受を組み立て、試験２と同様にして疲労寿命を測定した。結果を図８にワイブル図表にプロットしたグラフで示すが、ＡはＦｅ２Ｏ３含有量０．１質量％、ＢはＦｅ２Ｏ３含有量０．３質量％、ＣはＦｅ２Ｏ３含有量０．３５質量％、ＤはＦｅ２Ｏ３含有量０．５質量％の結果である。図示されるように、Ｆｅ２Ｏ３含有量が０．３質量％以下であると、理論値（図中Ｌｃａｌ）よりも優れた値が得られている。
【００３１】
また、回転試験を開始する前と回転試験を開始してから１００時間毎に、スラスト軸受を振動試験機にかけて振動値を測定した。結果を図９に示すが、Ｆｅ２ Ｏ３ 含有率が０．５０質量％の転動体を備えたスラスト軸受では、試験時間が２００時間以上になると振動値が急に上昇しているのに対し、Ｆｅ２ Ｏ３ 含有率が０．３５質量％及び０．１質量％の転動体を備えたスラスト軸受では試験時間が５００時間以内では振動値がそれほど大きく変化しないことが分かる。
【００３２】
また、試験後の転動体の表面を撮影した顕微鏡写真を図１０〜１２に示す。図１０はＦｅ２Ｏ３含有量が０．３５質量％、図１１はＦｅ２Ｏ３含有量が０．５質量％、図１２はＦｅ２Ｏ３含有量が０．１質量％の転動体であるが、図１０及び図１１には、不純物であるＦｅ２Ｏ３を起点とする剥離が明確に見られるのに対し、図１２にはＦｅ２Ｏ３を起点とする剥離が見られない。
【００３３】
これらの結果から、不純物であるＦｅ２Ｏ３含有量は０．３質量％以下が好ましく、０．１質量％以下がより好ましいといえる。
【００３４】
また、ＳｉＯ２、Ｎａ２Ｏについても同様の結果となった。
【００３５】
（試験４：線熱膨張係数の測定）
試験１で作製したイットリアを３モル％含むジルコニア粒子８０質量％と、アルミナ粒子２０質量％からなる試験片、窒化珪素試験片及びＳＵＪ２鋼の線膨張係数を測定した。結果を下記表に示すが、ジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックス試験片は、窒化珪素試験片に比べて、ＳＵＪ２鋼との線膨張係数差が小さくなっている。そのため、温度変化による予圧変化が小さく、予圧抜けの防止のために大きな予圧荷重をかける必要がない。
【００３６】
【表１】
2011017415.tif 000003
【図１】
2011017415.tif 000004
【図２】
2011017415.tif 000005
【図３】
2011017415.tif 000006
【図４】
2011017415.tif 000007
【図５】
2011017415.tif 000008
【図６】
2011017415.tif 000009
【図７】
2011017415.tif 000010
【図８】
2011017415.tif 000011
【図９】
2011017415.tif 000012
【図１０】
2011017415.tif 000013
【図１１】
2011017415.tif 000014
【図１２】
2011017415.tif 000015