(57)【要約】【課題】転動時に表面剥離が生じ難い球状ガラスを創案する。【解決手段】本発明の球状ガラスは、ビッカース硬度が７５０以上であり、ヤング率が７０ＧＰa以上であるガラスからなることを特徴とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビッカース硬度が７５０以上であり、ヤング率が７０ＧＰa以上であるガラスからなることを特徴とする球状ガラス。
【請求項２】
ガラス組成として、モル％で、ＳｉＯ２  ３０〜５０％、Ａｌ２Ｏ３  ０〜２０％、ＭｇＯ  ５〜４５％、ＴｉＯ２  ０〜２０％、ＺｒＯ２を０〜１０％、Ｙ２Ｏ３を０〜３０％を含有するガラスからなることを特徴とする請求項１に記載の球状ガラス。
【請求項３】
結晶化ガラスからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の球状ガラス。
【請求項４】
直径不同が１．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の球状ガラス。
【請求項５】
表面が研磨面であり、該研磨面の表面粗さＲａが１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の球状ガラス。
【請求項６】
高温粘度１０２．５ｄＰａ・ｓに相当する温度が１６５０℃以下であるガラスからなることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の球状ガラス。
【請求項７】
転動体に用いることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の球状ガラス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球状ガラス及びガラス転動体の製造方法に関し、特に高強度の球状ガラスに関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁性が要求される転動体には、窒化珪素が広く使用されている。窒化珪素製の転動体は、絶縁性が高く、高強度であるというメリットを有する。その一方で、窒化珪素製の転動体は、製造に時間がかかり、高価であるというデメリットを有する。
【０００３】
一方、ガラスは、絶縁材料であり、更に成形性、加工性が良好である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１５１４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ガラスは、脆性材料であるため、軸受装置等に組み込まれる転動体に使用する場合に、高速回転、高摩擦、高荷重等の過酷な条件で破損する虞がある。ガラス転動体は、一般的に転動装置の外輪、内輪に用いられる金属部材に比べて硬度が低い。そのため、ガラス転動体の表面が、転動時に金属部材の表面の微小な凹凸に接触して、局所的に大きな応力を受ける。その結果、ガラス転動体の表面が剥離し、球状ガラスの寸法精度が低下してしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、その技術的課題は、転動時に表面剥離が生じ難い球状ガラスを創案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者等は、球状ガラスのビッカース硬度とヤング率を厳密に規制することにより、上記技術的課題を解決し得ることを見出し、本発明として提案するものである。すなわち、本発明の球状ガラスは、ビッカース硬度が７５０以上であり、ヤング率が７０ＧＰa以上であるガラスからなることを特徴とする。ここで、「ビッカース硬度」は、押し込み荷重を１００ｇｆとし、ＪＩＳ  Ｂ７７２５に準拠した方法により測定可能である。「ヤング率」は、例えば、周知の共振法等で測定可能である。
【０００８】
また、本発明の球状ガラスは、ガラス組成として、モル％で、ＳｉＯ２  ３０〜５０％、Ａｌ２Ｏ３  ０〜２０％、ＭｇＯ  ５〜４５％、ＴｉＯ２  ０〜２０％、ＺｒＯ２を０〜１０％、Ｙ２Ｏ３を０〜３０％を含有するガラスからなることが好ましい。このようにすれば、ビッカース硬度とヤング率を高め易くなる。
【０００９】
また、本発明の球状ガラスは、結晶化ガラスからなることが好ましい。このようにすれば、ビッカース硬度が高くなり、転動時に表面剥離が生じ難くなる。
【００１０】
また、本発明の球状ガラスは、直径不同が１．５μｍ以下であることが好ましい。このようにすれば、高速の回転、高摩擦、高荷重の過酷な条件で、ガラス転動体が破損し難くなる。ここで、「直径不同」は、接触式又は非接触式測長機、例えばライトマチックＶＬ−５０（ミツトヨ製）によって直径を１０箇所測定し、その最大値と最小値の差を指す。
【００１１】
また、本発明の球状ガラスは、表面が研磨面であり、該研磨面の表面粗さＲａが１０ｎｍ以下であることが好ましい。このようにすれば、高速の回転、高摩擦、高荷重等の過酷な条件で、ガラス転動体が破損し難くなる。ここで、「表面粗さＲａ」は、球状ガラスを治具等で固定した状態で、ＪＩＳ  Ｂ０６０１：２００１年に準拠した方法で測定することができる。
【００１２】
また、本発明の球状ガラスは、高温粘度１０２．５ｄＰａ・ｓに相当する温度が１６５０℃以下であるガラスからなることが好ましい。このようにすれば、球状ガラスの製造負荷を低減し易くなる。ここで、「高温粘度１０２．５ｄＰａ・ｓに相当する温度」は、白金球引き上げ法で測定した値を指す。
【００１３】
また、本発明の球状ガラスは、転動体に用いることが好ましい。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の球状ガラスを構成するガラスは、ビッカース硬度が７５０以上であり、好ましくは８００以上、９００以上、特に１０００〜２５００である。ビッカース硬度が低過ぎると、転動装置の外輪、内輪に用いられる金属部材（例えば、ＳＵＪ２：ビッカース硬度８００）に比べて硬度が低くなる。これにより、ガラス転動体の表面が、転動時に金属部材の表面の微小な凹凸に接触して、ガラス転動体の表面が剥離し易くなる。
【００１５】
ヤング率は７０ＧＰａ以上であり、好ましくは１００ＧＰａ以上、１２０ＧＰａ以上、特に１５０〜３００ＧＰａである。ヤング率が低過ぎると、高荷重下で転動させた場合に、ガラス転動体が変形して、破損し易くなる。
【００１６】
破壊靱性Ｋ１Ｃは、好ましくは０．８ＭＰａ・ｍ０．５以上、０．９ＭＰａ・ｍ０．５以上、特に１．０ＭＰａ・ｍ０．５以上である。このようにすれば、ガラス転動体の強度を高め易くなる。なお、「破壊靱性Ｋ１Ｃ」は、ＪＩＳ  Ｒ１６０７「ファインセラミックスの破壊靱性試験方法」に基づくＳＥＰＢ法を用いて５回測定した時の平均値を指す。
【００１７】
クラックレジスタンスは、好ましくは５０ｇｆ以上、特に１００ｇｆ以上である。このようにすれば、高荷重下で転動させた場合に、ガラス転動体の表面にクラックが生じ難くなり、ガラス転動体の強度を高め易くなる。なお、「クラックレジスタンス」とは、表面にビッカース圧子を押し込み、圧痕のコーナーに生じるラジアルクラックの数を圧痕のコーナーの全数で割った際の割合（＝クラックの発生率）が５０％になるときの荷重を指し、ビッカース圧子の押し込みは少なくとも２０回行うものとする。
【００１８】
高温粘度１０２．５ｄＰａ・ｓに相当する温度は、好ましくは１６５０℃以下、１６００℃以下、１５８０℃以下、１５５０℃以下、１５４０℃以下、特に１５３０℃以下である。高温粘度１０２．５ｄＰａ・ｓに相当する温度が低い程、低温でガラスを溶融することができる。よって、高温粘度１０２．５ｄＰａ・ｓに相当する温度が低い程、溶融窯等のガラス製造設備への負担が小さくなると共に、ガラスの泡品位を高めることができる。
【００１９】
本発明の球状ガラスを構成するガラスは、ガラス組成として、モル％で、ＳｉＯ２  ３０〜５０％、Ａｌ２Ｏ３  ０〜２０％、ＭｇＯ  ５〜４５％、ＴｉＯ２  ０〜２０％、ＺｒＯ２を０〜１０％、Ｙ２Ｏ３を０〜３０％を含有することが好ましい。上記のように各成分の含有範囲を規制した理由を以下に示す。なお、各成分の含有範囲の説明において、％表示はモル％を意味している。
【００２０】
ＳｉＯ２は、ガラスのネットワークを形成する成分である。ＳｉＯ２の含有量は、好ましくは３０〜５０％、特に３５〜４５％である。ＳｉＯ２の含有量が少な過ぎると、ガラス化し難くなり、また熱膨張係数が高くなり過ぎて、耐熱衝撃性が低下し易くなる。一方、ＳｉＯ２の含有量が多過ぎると、溶融性や成形性が低下し易くなる。
【００２１】
Ａｌ２Ｏ３は、ヤング率、ビッカース硬度、歪点を高める成分である。Ａｌ２Ｏ３の含有量は、好ましくは０〜２０％、特に５〜１５％である。Ａｌ２Ｏ３の含有量が多過ぎると、高温粘度が上昇して、溶融性や成形性が低下し易くなる。また、ガラスに失透結晶が析出し易くなって、球状に成形し難くなる。更に耐酸性も低下し、酸処理工程に適用し難くなる。
【００２２】
ＭｇＯは、ヤング率、ビッカース硬度、破壊靱性Ｋ１Ｃを大幅に高める成分であり、また溶融性や成形性を高める成分である。しかし、ＭｇＯの含有量が多過ぎると、耐失透性が低下し易くなる。よって、ＭｇＯの含有量は、好ましくは５〜４５％、１０〜４２％、１５〜４０％、特に２０〜３８％である。
【００２３】
Ａｌ２Ｏ３とＭｇＯの合量は、好ましくは３０〜５５％であり、好ましくは３５〜５０％、特に４０〜５０％である。Ａｌ２Ｏ３とＭｇＯの合量が少な過ぎると、ビッカース硬度とヤング率が低下し易くなる。
【００２４】
モル比ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３は、好ましくは０．９以上、１．２以上、特に１．５〜３．５である。モル比ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３が小さ過ぎると、ビッカース硬度とヤング率を高めつつ、溶融性や成形性を低下させることが困難になる。なお、「ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３」は、ＭｇＯの含有量をＡｌ２Ｏ３の含有量で割った値である。
【００２５】
ＴｉＯ２は、ビッカース硬度、ヤング率を高める成分であり、また高温粘度を低下させる成分であるが、その含有量が多過ぎると、耐失透性や透明性が低下し易くなる。よって、ＴｉＯ２の含有量は、好ましくは０〜２０％、特に５〜１５％である。
【００２６】
ＺｒＯ２は、ヤング率を高めると共に、液相粘度付近の粘性や歪点を高める成分であるが、その含有量が多過ぎると、耐失透性が著しく低下する虞がある。よって、ＺｒＯ２の含有量は、好ましくは０〜１０％、特に１〜５％である。
【００２７】
Ｙ２Ｏ３は、ビッカース硬度、ヤング率を高める成分である。しかし、Ｙ２Ｏ３は、原料自体のコストが高く、また多量に添加すると、耐失透性が低下し易くなる。よって、Ｙ２Ｏ３の含有量は、好ましくは０〜３０％、０．１〜２５％、特に１〜２０％である。
【００２８】
上記成分以外にも、例えば以下の成分を添加してもよい。
【００２９】
Ｂ２Ｏ３は、高温粘度や密度を低下させると共に、ガラスを安定化させて、液相温度を低下させる成分である。しかし、Ｂ２Ｏ３の含有量が多過ぎると、ヤング率が低下し易くなる。よって、Ｂ２Ｏ３の含有量は、好ましくは０〜１５％、０．１〜１０％、１〜７％、特に２〜５％である。
【００３０】
Ｌｉ２Ｏは、高温粘度を低下させて、溶融性や成形性を高める成分であると共に、ヤング率、破壊靱性Ｋ１Ｃを高める成分である。一方、Ｌｉ２Ｏの含有量が多過ぎると、耐失透性が低下し易くなる。よって、Ｌｉ２Ｏの含有量は、好ましくは０〜７％、０〜３％、０〜１．５％、特に０〜１％未満である。
【００３１】
Ｎａ２Ｏは、高温粘度を低下させて、溶融性や成形性を高める成分である。またＮａ２Ｏは、耐失透性を高める成分である。一方、Ｎａ２Ｏの含有量が多過ぎると、ガラス成分のバランスが崩れて、かえって耐失透性が低下し易くなる。よって、Ｎａ２Ｏの含有量は、好ましくは０〜２０％、特に１〜１０％である。
【００３２】
Ｋ２Ｏは、高温粘度を低下させて、溶融性や成形性を高める成分である。一方、Ｋ２Ｏの含有量が多過ぎると、ヤング率が低下し易くなる。よって、Ｋ２Ｏの含有量は、好ましくは０〜１０％、０〜５％、特に０〜１％である。
【００３３】
ＳｒＯとＢａＯは、高温粘度を低下させて、溶融性や成形性を高めたり、歪点やヤング率を高める成分であるが、それらの含有量が多過ぎると、ビッカース硬度、破壊靱性Ｋ１Ｃが低下し易くなることに加えて、密度や熱膨張係数が高くなったり、ガラスが失透し易くなる。よって、ＳｒＯとＢａＯの好適な含有量は、それぞれ０〜２％、０〜１．５％、０〜１％、０〜０．５％、０〜０．１％、特に０〜０．１％未満である。
【００３４】
ＺｎＯは、低温粘性を低下させずに、高温粘性を低下させる成分である。しかし、ＺｎＯの含有量が多過ぎると、ガラスが分相したり、耐失透性が低下したり、密度が高くなる傾向がある。よって、ＺｎＯの含有量は、好ましくは０〜３％、０〜２％、０〜１％、特に０〜１％未満である。
【００３５】
ＳｎＯ２は、清澄成分であるが、その含有量が多過ぎると、耐失透性が低下し易くなる。よって、ＳｎＯ２の含有量は、好ましくは０〜３％、０．０１〜３％、０．０５〜３％、０．１〜３％、特に０．２〜３％である。
【００３６】
清澄剤として、ＳｎＯ２以外にも、Ｃｌ、ＳＯ３、ＣｅＯ２を合量で０．００１〜０．５％添加してもよい。
【００３７】
Ｆｅ２Ｏ３の好適な含有量は１０００ｐｐｍ未満（０．１％未満）、８００ｐｐｍ未満、６００ｐｐｍ未満、４００ｐｐｍ未満、特に３００ｐｐｍ未満である。Ｆｅ２Ｏ３の含有量が多過ぎると、透明性が低下し易くなる。
【００３８】
Ｇｄ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｌａ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５は、ヤング率と破壊靱性Ｋ１Ｃを高める成分である。しかし、Ｇｄ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｌａ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５は、原料自体のコストが高く、また多量に添加すると、耐失透性が低下し易くなる。よって、Ｇｄ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｌａ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５の好適な含有量は、それぞれ３％以下、２％以下、１％以下、０．５％以下、特に０．１％以下である。
【００３９】
Ａｓ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｆ、Ｂｉ２Ｏ３は、環境的配慮から、実質的に含有させないことが好ましい。「実質的に〜を含有しない」とは、ガラス成分として積極的に明示の成分を添加しないものの、不純物レベルの添加を許容する趣旨であり、具体的には、明示の成分の含有量が０．０５％未満の場合を指す。
【００４０】
本発明の球状ガラスは、結晶化ガラスからなることが好ましく、粒子径が１０ｎｍ以上となる結晶粒子が１個／ｃｍ３以上含まれていることが更に好ましい。これにより、ビッカース硬度が高くなり、転動時に表面剥離が生じ難くなる。
【００４１】
結晶化ガラスは、非晶質の球状ガラスを熱処理することにより、結晶核を形成、成長させることで得ることができる。その熱処理温度は、６００℃以上、７００℃以上、特に８００℃以上であることが好ましい。また熱処理時間は１０分以上、３０分以上、特に６０分以上であることが好ましい。このようにすれば、粒子径が１０ｎｍ以上となる結晶粒子がガラス中に１個／ｃｍ３以上析出し易くなる。なお、熱処理は、１回だけ行ってもよく、熱処理温度と熱処理時間の条件を変えて、複数回行ってもよい。
【００４２】
本発明の球状ガラスにおいて、直径は、好ましくは１００ｍｍ以下、８０ｍｍ以下、５０ｍｍ以下、特に３０ｍｍ以下であり、また好ましくは１ｍｍ以上、特に３ｍｍ以上である。このようにすれば、転動装置等に組み込まれる転動体に適用し易くなる。直径不同は、好ましくは１．５μｍ以下、１．０μｍ以下、０．５μｍ以下、特に０．１μｍ以下である。直径不同が大き過ぎると、高速の回転、高摩擦、高荷重等の過酷な条件で、ガラス転動体が破損し易くなる。
【００４３】
本発明の球状ガラスは、表面に圧縮応力層を有することが好ましい。これにより、球状ガラスの強度を高めることができる。なお、球状ガラスをイオン交換処理すると、表面に圧縮応力層を形成することができる。
【００４４】
本発明の球状ガラスは、表面が研磨面であることが好ましい。このようにすれば、バリ等の成形欠陥が除去されるため、ガラス転動体の強度と寸法精度を高めることができる。また研磨面の表面粗さＲａは、好ましくは１０ｎｍ以下、５ｎｍ以下、特に３ｎｍ以下である。研磨面の表面粗さＲａが大き過ぎると、高速の回転、高摩擦、高荷重等の過酷な条件で、ガラス転動体が破損し易くなる。
【００４５】
本発明の球状ガラスは、例えば、バルク状のガラスを球形状に研削し、ラッピング研磨、ポリッシュ研磨を行うことで作製することができる。また、マーブル成形法又は液滴成形法によって球状に成形したガラスをラッピング研磨、ポリッシュ研磨することで作製することもできる。
【実施例】
【００４６】
実施例に基づいて、本発明を説明する。但し、本発明は、以下の実施例に何ら限定されない。以下の実施例は、単なる例示である。
【００４７】
表１は、本発明の実施例（Ｎｏ．１〜５）のガラス組成と特性を示している。なお、表中の「Ｎ．Ａ．」は、未測定であることを意味している。
【００４８】
【表１】
2019151506.tif 000002
【００４９】
次のようにして、各試料を作製した。まず、表中のガラス組成となるように、ガラス原料を調合し、白金容器を用いて１５５０℃で４時間溶融した。その後、溶融ガラスをカーボン板上に流し出し、板状に成形した後、各種測定試料となる板状試料を採取した。更に、板状ガラスを球形状に研削し、ラッピング研磨、ポリッシュ研磨を行うことで、直径１０．０００ｍｍ、直径不同０．２μｍ、表面粗さＲａ３ｎｍの球状ガラスを得た。
【００５０】
試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．３、Ｎｏ．４、Ｎｏ．５は、熱処理による結晶化が行われていないが、試料Ｎｏ．２は、結晶化ガラスであり、試料Ｎｏ．１の球状ガラスを８００℃で２時間熱処理した後、更に１０００℃で２時間熱処理することで作製されたものである。
【００５１】
各板状試料を用いて、下記特性を評価した。
【００５２】
ビッカース硬度Ｈｖは、押し込み荷重を１００ｇｆとし、ＪＩＳ  Ｂ７７２５に準拠した方法により測定した値である。
【００５３】
ヤング率Ｅは、周知の共振法によって測定した値である。
【００５４】
破壊靱性Ｋ１Ｃは、ＪＩＳ  Ｒ１６０７「ファインセラミックスの破壊靱性試験方法」に基づくＳＥＰＢ法を用いて５回測定した時の平均値である。
【００５５】
表１から明らかなように、試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５は、ビッカース硬度とヤング率が高いため、転動時に表面剥離が生じ難いものと予測される。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の球状ガラスは、軽量、高強度及び低コストであると共に、加工性に優れる。よって、本発明の球状ガラスは、転動装置の転動体以外に、遊戯球、球状スペーサー等に用いることができる。