(57)【要約】  全体に又は少なくとも処理すべき表面の領域にセラミック材料を有するワーク（１１０）を処理するコンセプトであって、処理体（１２０）が設けられており、該処理体（１２０）は、ほぼ衝撃のない押圧力を前記ワーク（１１０）の表面に伝達し、かつセラミック材料を有する前記ワーク（１１０）において残留圧縮応力を発生させる又は高めるように形成されている。
2014502217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
全体に又は少なくとも処理すべき表面の領域にセラミック材料を有するワーク（１１０）を処理する装置（１００）であって、処理体（１２０）を有しており、該処理体（１２０）は、ほぼ衝撃のない押圧力を前記ワーク（１１０）の表面に伝達し、かつセラミック材料を有する前記ワーク（１１０）において残留圧縮応力を発生させる又は高めるように形成されていることを特徴とする、ワークを処理する装置。
【請求項２】
前記処理体（１２０）が、転動時に、前記ワーク（１１０）の表面に前記押圧力を伝達する転動体（１２０）として形成されている、請求項１記載の装置（１００）。
【請求項３】
前記転動体（１２０）はボール又はローラとして形成されている、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記処理体（１２０）は、セラミック材料及び／又は金属材料及び／又は複合材料を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
前記ワーク（１１０）と前記処理体（１２０）との間の相対運動を実施させるためのさらに１つの装置を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
前記処理体（１２０）の前記押圧力が、前記ワーク（１１０）の表面との直接接触により伝達されるように、又は、前記処理体（１２０）の前記押圧力が、前記ワーク（１１０）の表面との、中間材料（１４０）を介した間接的な接触により伝達されるように、形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
全体に又は少なくとも処理すべき表面の領域にセラミック材料を有しているワーク（１１０）の残留圧縮応力を、処理体（１２０）によるほぼ衝撃のない押圧、および前記ワーク（１１０）の表面への押圧力の伝達により高める方法。
【請求項８】
前記押圧力を前記処理体（１２０）から前記ワーク（１１０）の表面に直接伝達し、又は、前記押圧力を中間材料（１４０）から前記ワーク（１１０）の表面に伝達し、前記中間材料（１４０）は、固体又は液体又は気体であって、前記処理体（１２０）からの押圧は前記中間材料（１４０）へと伝達される、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記処理体（１２０）は転動体（１２０）であって、前記ワーク（１１０）と前記転動体（１２０）との間の相対運動による転動によって前記押圧を行う、請求項７又は８記載の方法。
【請求項１０】
前記押圧又は転動は、一回又は繰り返して、同時に又は相前後して、同じ直径の又は異なる直径の、１つの又は複数の処理体又は転動体（１２０）によって、一定の又はほぼ一定の又は所望のように変更された押圧力で行われることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置又は方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体に又は少なくとも処理すべき表面の領域にセラミック材料を有するワーク又は構成部分の機械的処理に関する。
【０００２】
従来技術により、例えば機械構造又は自動車構造における構成部品に使用されるセラミック材料は、その脆弱性及び低延性（高い内部の滑り抵抗）により不都合とされることが公知である。引張応力に応じて、多くの例で、主として材料表面を起点とする損傷が生じる。このような材料の（例えばローラ疲労に対する）静的・動的強度は限定されたものである。
【０００３】
セラミック材料は、高い硬度、強度、剛性を特徴とする。とりわけ酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化ジルコニウムは、重要な構造用セラミックスに数えられる。特に、窒化ケイ素と炭化ケイ素は例えば転がり軸受若しくは滑り軸受の製造に使用される。これらは、摩耗が僅かであるほか、高い耐熱性及び高い耐腐食性を有している。
【０００４】
構成部分の使用中、主として材料の縁部層が最も強く負荷される。ＤＥ１９６５２８７２Ｃ２号明細書により、脆性硬質材料から製造されたワークの表面における縁部層強度を向上させる方法が公知である。この方法では、ワーク表面の狭く制限された表面領域を工具に接触させ、この工具は、材料を除去することなくこの表面領域を塑性変形させ、ワークの内側に表面近くで残留圧縮応力を発生させる。このために複数のボールを投射する方法が提案されており、これらのボールは、圧縮空気で作動される又は回転ホイール駆動される投射装置によってワーク表面へと駆動され、表面を塑性変形させる。この場合、いわゆる脆性破壊は生じない。縁部層における残留圧縮応力を機械的に発生させるために十分な塑性変形可能性をセラミックも有していることが前提である。
【０００５】
さらに高負荷される構成部分のための先行技術の範囲では、例えば転がり軸受のような疲労負荷される構成部分のために使用される、（均等に）高温でプレスされた窒化ケイ素のようなコストのかかる高負荷セラミックを使用することが公知である。選択的に、安価なセラミック材料の使用に関する文献から、ワークの表面近傍の縁部層における残留圧縮応力を発生させる方法も公知である。この場合、ショットピーニング又はイオン注入等が示唆されている。
【０００６】
ショットピーニング法の欠点は、ワークの脆性破壊が生じる限界を超過しないようにブラストを調節しなければならず、これによりアクセス可能なプロセスウィンドウが狭められることにある。ブラストを生ぜしめ、ボール又は粒子を加速するための圧縮空気又はその他の媒体を使用する方法では、材料への衝撃伝達を正確に調節することは、ブラストにおける粒子の統計的分布に基づき不可能である。粒子は、形状、質量、及び速度に関してある程度互いに異なっているので、その衝撃についても所定の統計的分布が生じる。従って、材料の破壊限界を超過しないために、この限界に対する安全間隔が保たれ、これにより、残留圧縮応力を高めることによる安定化効果を完全に利用することはできない。
【０００７】
そこで本発明の課題は、全体に又は少なくとも処理する表面の領域にセラミック材料を有するワーク又は構成部分を機械的に処理するための改善されたコンセプトを提供することである。
【０００８】
この課題は、独立請求項に記載の装置及び方法により解決される。
【０００９】
本発明の核心を成す思想は、全体に又は少なくとも処理すべき表面の領域にセラミック材料を有するワーク又は構成部分を機械的に処理する装置であって、処理体を有しており、該処理体は、ほぼ衝撃のない押圧力を前記ワークの表面に伝達し、かつセラミック材料を有する前記ワークにおいて残留圧縮応力を発生させる又は高めるように形成されている装置にある。ワーク又は構成部分は従って、完全に又は部分的に、セラミック材料、又は部分セラミック材料、又は複合材料を有していて良い。好ましくは処理体は、処理すべきセラミック若しくは処理すべきワーク又は構成部分の表面よりも高い硬度を有している。押圧力は、セラミック若しくはワーク又は構成部分において塑性変形が生じる程度に高く調節される。処理パラメータは、裂断形成が完全に回避されるか、又は少なくとも、ワーク又は構成部分の使用に関して臨界的ではない程度に僅かにしか行われないように選択される。
【００１０】
本発明の実施例の核心的な思想は、セラミック材料を有するワーク又は構成部分の表面及び縁部近傍の材料区域に、機械的に発生させられた残留圧縮応力を、できるだけ衝撃なしに、又はほぼ衝撃なしに付与することにある。このことはとりわけ、力の伝達が衝撃なしに行われる場合には、例えばセラミックのようなまさに脆性硬質な材料を、破壊限界（脆性破壊限界）の近くで加工若しくは処理することができるという認識に基づいている。押圧力は、衝撃のない又はほぼ衝撃のない処理又は加工により、例えばブラスト法において行われるよりも、より規定されて調節可能である。これにより特に、セラミック材料は、その材料の破壊限界の近くで処理又は加工することができ、全体として改善された安定性が得られる。
【００１１】
衝撃のない若しくはほぼ衝撃のないとは、本記載においては、処理工具からワークへの実質的なインパルス伝達が行われないことを意味する。換言すると、押圧力はワーク表面に伝達されはするが、これはほぼ「インパルスなしに」又は衝撃なしに行われる、ということである。この場合、ワーク表面が処理体による押圧力によって撓まない程度には、処理体からワークへと、衝撃、インパルス、又はエネルギが伝達される。従って処理体はワークに対して、実質的にインパルスを有しておらず、相対速度も有していない。
【００１２】
実施例では、処理体として転動体を使用することができる。このために構成部分又はワークの処理すべき表面上で転動体（例えばボール、円錐体、ローラ、円筒体）が十分な押圧力下で転動する。この場合、有利には同時に、ワーク表面は、例えば粗面先端を破断することにより平滑にされる。
【００１３】
次に本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ワーク又は構成部分を処理する装置の１つの実施例を示した図である。
【図２】ワーク又は構成部分を処理する装置の別の実施例を示した図である。
【００１５】
図１には、ワーク／構成部分１１０を処理する装置１００が示されている。この場合、ワーク／構成部分１１０はセラミック材料を有しており、前記装置１００は処理体１２０を備えており、この処理体１２０は、ほぼ衝撃なしにワーク／構成部分１１０の表面に押圧力を伝達し、セラミックを含むワーク／構成部分１１０において残留圧縮応力を発生させる又は増大させるように構成されている。
【００１６】
処理体１２０は、ワーク／構成部分１１０の処理すべきセラミック材料よりも高い硬度を有することができる。
【００１７】
装置１００はさらに、ワーク１１０を位置固定するために相応の保持装置又は緊締装置を有することができる。保持装置は、ワーク１１０の脆性破壊の限界値を超える力をワーク１１０に加えることがないように構成することができる。従って保持装置は、相応のジョーを有していて良く、又は、ワーク１１０への所定の力を超過しないように一般的に形成することができる。
【００１８】
この場合、ほぼ衝撃のない又はインパルスのない伝達とは、伝達を完全に衝撃なしに行うことができることも意味する。以下に詳しく説明するように、処理においては、特に載着時には、常に衝撃伝達が回避されるわけではない種々様々な処理体１２０の使用が考えられる。しかしながら実際の処理は衝撃なしに行うことができる。
【００１９】
従って、実施例では、セラミック材料を含むワーク１１０において残留圧縮応力を形成する方法が行われる。この方法は、処理体１２０によるほぼ衝撃のない押圧のステップと、押圧力をワーク１１０の表面に伝達するステップとを含む。換言すれば、押圧は一定の又はほぼ一定の力で行うことができる。
【００２０】
実施例では、処理体１２０は、転動の際に押圧力をワーク１１０の表面に伝達する転動体１２０として形成することができる。従って押圧は、ワーク１１０と転動体１２０との相対運動による転動により生じる。この押圧力は転動により伝達することができ、ほぼ一定に維持することができる。転動体１２０は例えばボール又はローラとして形成することができる。図１には例えば、ボール形状の処理体１２０が形成されていることが示されている。原則的には転動体１２０を有する実施例では、転動体が転動又は実質的な転動のために適しているならば、転動体１２０については、ボール、ローラ、円錐体等のような任意の形状が考えられる。相応の方法では、ボール又はローラをワーク１１０上にほぼ衝撃なしに載置するステップも設けることができる。
【００２１】
この実施例は、転動体１２０とワーク１１０の表面との間で滑りが形成される場合も含んでいる。換言するとこの実施例には、処理体１２０が、ワーク１１０の表面に押圧力を加え、かつ平滑化作用を生ぜしめることが含まれていて良い。平滑化作用は例えば表面の粗面先端の除去（研磨）又は破断によって得られる。研磨作用も付加的に処理体１２０によって行うことができる。換言すると、この実施例では、処理体１２０とワーク１１０の表面と直接的な接触により、例えば粗面先端の破断（場合によってはこれは表面の平滑化を伴う）による僅かな材料除去を行うことができる。
【００２２】
実施例では処理体１２０はセラミック及び／又は金属材料を有していて良い。処理体／転動体材料として、金属（例えば、高強度鋼）、セラミック（例えば、ショットピーニング処理された窒化ケイ素）、又は複合材料（例えば、硬質金属：ＷＣ／Ｃｏ）を使用することができる。構成部分／ワーク１１０は特に、ポリマから成るセラミックから形成されていて良く、所定の金属の割合を有していて良い。処理すべき（機能）面は研磨することができ、処理／転動処理後は、所望の粗さを得るための僅かな材料除去により表面処理若しくは表面加工（例えば、ホーニング）することができ、又はそれ以上の最終加工若しくは最終処理なしに直接使用することができる。
【００２３】
実施例では、装置１００はさらに、ワーク１１０と処理体１２０との間の相対運動を実施するための装置を有することができる。上述した実施例によれば、この相対運動は処理体１２０の転動により行うことができる。しかしながら別の実施例では、例えば、処理体１２０とワーク１１０の表面との間のマッサージ状の相対運動となることもあり、この場合は転動は必ずしも行われる必要はない。この場合、実施例は相対運動のある特定の運動経過に限定されるものではない。相対運動は例えば、円形に、又はサイン曲線状に、又は鋸歯状に、又は類似の形式で行うことができる。このために処理工具１２０は運動することができ、ワーク１１０を固定することができる。処理工具１２０を固定し、ワーク１１０を可動とすることも考えられる。別の実施例では、処理工具１２０もワーク１１０も可動であることも考えられる。換言すれば、相対運動を行わせるための実施例では、転動体１２０又は構成部分１１０が、又は両者が運動（回転）することができる。同じ直径又は種々異なる直径を有した複数の処理体／転動体１２０を使用することもでき、これら複数の処理体／転動体１２０は、１つの統合された処理工具で一緒に同時的に、又は複数回、個別の装置１００で交換後に時間的に相前後して、その都度（ほぼ）一定の、又は所望のように変更された押圧力のもとで転動され、所望の残留圧縮応力形成（最大、深さ）を得る。同じ又は種々異なる処理体直径及び／又は押圧力における作用を評価することにより、その都度のヘルツ接触に関しての、フォン・ミーゼスの比較応力の深さ分布の算出が可能である。
【００２４】
従って実施例には、押圧又は転動のステップが、一度又は繰り返し、同時に又は相前後して、同じ又は種々異なる直径の単数又は複数の処理体又は転動体１２０によって、一定の又はほぼ一定の又は所望のように変更された押圧力のもとで行われる装置１００又は方法が含まれる。
【００２５】
装置１００は、処理体１２０の押圧力をワーク１１０の表面との直接接触により伝達するように形成することができる。この方法は図１に示されている。押圧力は処理体１２０からワーク１１０の表面に直接伝達される。
【００２６】
図２には別の実施例が示されている。図２にはまず、図１と同じ実施例、即ち装置１００と、ワーク／構成部分１１０と、処理体１２０とが示されている。図１とは異なり、図２の実施例では、ワーク１１０の表面と処理体１２０との間に中間材料１４０が位置している。これは図２では拡大領域１３０によって示されている。この実施例では押圧力は中間材料１４０からワーク１１０の表面へと伝達され、この場合、中間材料１４０は、固体、液体、気体であって良く、処理体１２０からの押圧力は中間材料１４０へと伝達される。図２に示した実施例の利点は、転動処理の際に、中間材料１４０により接触部における摩擦ひいてはエネルギ損失を減じることができることにあり、これによりワーク／構成部分１１０における所望の残留圧縮応力は増大される。
【００２７】
この実施例では、装置１００は、処理体１２０の押圧力をワーク１１０の表面との非直接接触により伝達するように形成することができる。ワーク１１０の表面における残留圧縮応力の増大は、従って、転動体１２０と構成部分表面１１０との直接接触なしに行うことができ、そのために適当な（例えば流体の）中間材料１４０が使用される。この場合、中間材料１４０は固体、液体、又は気体であって良い。
【００２８】
この場合、転動のステップを繰り返し実行する実施例も可能である。従って、実施例には、セラミック材料及び構成部分１１０の表面が処理又は加工される機械的な表面処理の方法が含まれる。この場合、表面には、同じ又は種々異なる直径の１つ又は複数の転動体１２０による同時的な又は相前後して一回又は繰り返し行われる転動によって、気体、液体又は固体の中間材料１４０を介して直接接触なしに、又は、僅かな又はごく僅かな材料除去を伴う直接接触によって、（ほぼ）一定の又は所望のように変化された押圧力で、残留圧縮応力が負荷される。
【００２９】
生じた残留圧縮応力により静的又は動的な強度（例えば、押込み強度又は転動強度）を高めることができる。周期的に負荷を受けるセラミック構成部分の疲労寿命は長くなる。残留圧縮応力を、一種の負荷応力のような残留応力として応力強さファクタに算入することは破壊力学的に有益であり、これは、じん性（亀裂成長に対する抵抗）の向上に相当する。軸受の耐用寿命を向上させるために、例えばセラミックの転がり軸受転動体（例えば、円筒ローラ）又は転がり軸受レースを処理することができる。摩耗抵抗（耐摩耗性）も高くなる。本発明によれば特に有利には、好適なセラミックの種類（例えば、ポリマから製造されたセラミック、酸化アルミニウム）が処理され、これにより、使用中、強く負荷される表面層を安価な方法で強化することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１００  ワークを処理する装置
１１０  ワーク
１２０  処理体
１３０  拡大領域
１４０  中間材料
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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