(57)【要約】      （修正有）【課題】特定の部分安定化ジルコニアを主材とすることにより、歯車使用機械類の小型化と高速化に対応した、高い曲げ強度と破壊靱性に、更に優れた耐熱性、耐摩耗性、耐食性等を兼備した歯車を提供する。【解決手段】部分安定化剤として酸化イットリウムを１〜５モル％含有し、全ジルコニア量に対する単斜晶以外のジルコニア量が８０％以上、ジルコニアの平均結晶粒子径が０．２〜２．０μｍ、かさ密度が５．６ｇ／ｃｍ３以上の部分安定化ジルコニアを主材とする歯車であって、且つ該歯車が基準円直径２が２〜１０ｍｍ、歯厚２ｍｍ以下の小歯車であることを特徴とするジルコニア焼結体よりなる歯車１。【選択図】図１
0003190846.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
部分安定化ジルコニアを主材としてなる歯車であって、該部分安定化ジルコニアが全ジルコニア量に対する単斜晶以外のジルコニア量が８０％以上、ジルコニアの平均結晶粒子径が０．２〜２．０μｍ、かさ密度が５．６ｇ／ｃｍ３以上であることを特徴とするジルコニア焼結体よりなる歯車。
【請求項２】
前記部分安定化ジルコニアの部分安定化剤として、酸化イットリウムを１〜５モル％含有させた請求項１に記載のジルコニア焼結体よりなる歯車。
【請求項３】
歯車が、基準円直径２〜１０ｍｍ、歯厚２ｍｍ以下の小歯車である請求項１〜２項記載のジルコニア焼結体よりなる歯車。
【考案の詳細な説明】
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本考案は、部分安定化ジルコニアを主材とする歯車に関し、とりわけプリンター機器や電子部品実装機等の微小で高精度な性能が要求される歯車使用機器類への適用性の高い歯車に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来より、歯車使用機器類においては、高い破壊靭性を有する金属製や樹脂製の歯車が多用されてきた。しかしながら、歯車使用機器類の急速な小型化と高速化に伴い、これまでの金属製歯車では潤滑が不可欠な上に耐摩耗性や耐食性に問題がある一方、樹脂製歯車の場合は強度や耐熱性、耐摩耗性等に問題があるなど、これら従来の金属製や樹脂製の歯車では性能的に応えきれなくなってきたことから、耐熱性、耐摩耗性、耐食性、非磁性等に優れるセラミックス製歯車への切替えを求める声が最近強くなっている。【０００３】  ところで歯車は、他の機構部材や機械要素と異なり、幾つかの厳しい機械的性能を同時に満足しなければならない。その第１は歯の曲げ強度であり、歯底隅肉部での高い繰り返し応力による曲げ疲労が問題となる。また第２に、負荷時の接線力による歯のせん断破壊や接触荷重によって発生する歯面の剥離や欠けの主因となる破壊靭性、更に第３には歯面の摩耗による損傷などがある。【０００４】  こうした歯車特有の様々な要求性能をセラミックス素材で満足させるには、セラミックスの素材の選定とその材料設計が極めて重要である。【０００５】  かかるセラミックス素材を用いた歯車については、ＴｉＣ、ＳｉＣ、アルミナ、ジルコニア及びマグネシアからなる群から選択された歯車（特許文献１）や、アルミナ主材のアルミナ−ジルコニア焼結体からなる摺動部材（特許文献２）が提案されているが、これらいずれの提案も上記歯車特有の要求性能である曲げ強度や破壊靭性、耐摩耗性等を満足させることはできなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３８６０３号公報
【特許文献２】特開平０９−１１０５１７号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００７】  本考案は、歯車使用機器類の小型化と高速化に対応した、高い曲げ強度と破壊靭性に、更に優れた耐熱性、耐摩耗性、耐食性等を兼備した歯車の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  本考案者等は、上記課題を解決するために、部分安定化ジルコニア特有の応力誘起相変態による強靭化特性に着目し、歯車への応用最適化について鋭意検討したところ、部分安定化ジルコニアの結晶構造と平均結晶粒子径、かさ密度を特定することで、上記歯車の要求特性を満足させることができることを突き止め、本考案を完成させるに至ったものである【０００９】  即ち、本考案のうちの第１の考案は、部分安定化ジルコニアを主材としてなる歯車であって、該部分安定化ジルコニアが全ジルコニア量に対する単斜晶以外のジルコニア量が８０％以上、ジルコニアの平均結晶粒子径が０．２〜２．０μｍ、かさ密度が５．６ｇ／ｃｍ３以上であることを特徴とするジルコニア焼結体よりなる歯車であり、第２の考案は前記第１考案記載の部分安定化ジルコニアが部分安定化剤として、酸化イットリウムを１〜５モル％含有させたことを特徴とするジルコニア焼結体よりなる歯車であり、更に第３の考案は前記第１〜２考案記載の歯車が、基準円直径２〜１０ｍｍ、歯厚２ｍｍ以下の小歯車であることを特徴とするジルコニア焼結体よりなる歯車である。
【考案の効果】
【００１０】  本考案の歯車によれば、その材料設計を特定の結晶構造と平均結晶粒子径及びかさ密度を有する部分安定化ジルコニアを主材としたことで、当該部分安定化ジルコニア特有の応力誘起相変態に基づく強い曲げ強度と破壊靱性が発現するほか、これまでの金属製や樹脂製の歯車では成し得なかった優れた耐熱性、耐摩耗性、耐食性等をも兼備するという数々の優れた効果を奏ぜしめたものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】は、本考案のジルコニア焼結体よりなる平歯車の一例を示す正面図である。
【図２】は、本考案のジルコニア焼結体よりなる平歯車の一例を示す側面図である。
【図３】は、本考案のジルコニア焼結体よりなる平歯車の一例を示す一部正面図である。
【考案を実施するための形態】
【００１２】    以下、本考案について詳しく説明する。
【００１３】  本考案の歯車は、平均粒子径０．１〜２μｍのジルコニア（ＺｒＯ２）粉末に、部分安定化剤として酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）等の少なくとも１種を加え、これにバインダーを加えて混練し、スプレードライヤー等の方法で乾燥して粉末又は顆粒状の原料を作製した後、これを射出成形して歯車形状の成形品となし、更に脱媒、焼成して得られるものである。
【００１４】  本考案において部分安定化剤としては、酸化イットリウムが好ましく、その添加量は１〜５モル％が好ましい。酸化イットリウムの含有量が１モル％未満の場合は、単斜晶ジルコニア量が増加し、焼結体内部にクラックが多発して優れた機械的強度が得られないのに対し、酸化イットリウムの含有量が５モル％を超えると正方晶ジルコニア量が低下して、この場合も優れた機械的強度が得られない。
【００１５】  また、本考案のジルコニア焼結体よりなる歯車は、全ジルコニア量に対する単斜晶以外のジルコニア量が８０％以上であることが必要である。単斜晶以外のジルコニア量が８０％未満の場合は、ジルコニア特有の応力誘起相変態機能があまり期待できず、優れた曲げ強度や破壊靱性が得られない。
【００１６】  ここで、部分安定化ジルコニアの応力誘起相変態とは、ジルコニアの結晶状態には立方晶、正方晶、単斜晶の３つ状態があり、このうち正方晶ジルコニアは外部応力に対し、応力誘起変態を受けて単斜晶ジルコニアに相変態する性質を言うもので、この時に生じる体積膨張によってジルコニアの周囲に微小なマイクロクラックを形成して、外部応力の進行が阻止されるため、ジルコニア歯車の曲げ強度や破壊靭性が高くなるのである。
【００１７】  尚、ジルコニア焼結体中において、全ジルコニア量に対する単斜晶以外のジルコニア量を算出するには、Ｘ線回折により単斜晶ジルコニアのＸ線回折強度と、正方晶ジルコニア及び立方晶ジルコニアのＸ線回折強度をそれぞれ周知の方法で求め、数１により算出すればよい。
【００１８】
【数１】
0003190846.tif 000003
ＸＴ＋Ｃ；全ジルコニア量に対する単斜晶以外のジルコニア量（％）
ＩＭ  ；単斜晶ジルコニアのＸ線回折強度
ＩＴ＋Ｃ；正方晶ジルコニアのＸ線回折強度＋立方晶ジルコニアのＸ線回折強度
【００１９】  また、ジルコニアの平均結晶粒子径は０．２〜２．０μｍであることが必要である。平均結晶粒子径が０．２μｍ未満では、応力誘起相変態機能が十分発揮されないことから優れた強度や破壊靱性が得られないのに対し、平均結晶粒子径が２．０μｍより大きいと、耐摩耗性や耐衝撃性等の機械的特性が低下する。
【００２０】  本考案において、平均結晶粒子径は焼結体を鏡面仕上げし、熱エッチングを施し、走査電子顕微鏡にて観察し、インターセプト法により１０点平均から求める。算出式としては、Ｄ＝１．５×Ｌ／ｎ〔Ｄ：平均結晶粒径（μｍ）、Ｌ：測定長さ（μｍ）、ｎ：長さＬ当たりの結晶数〕を用いた。
【００２１】  また、かさ密度は５．６ｇ／ｃｍ３以上でなければならない。かさ密度が５．６ｇ／ｃｍ３未満では、この場合も強度や破壊靭性、耐衝撃性等の機械的特性が不十分となる。
【００２２】  また、本考案のジルコニア焼結体よりなる歯車は、種々セラミックスの中でもとりわけ曲げ強度や破壊靭性等の機械的強度に優れた部分安定化ジルコニアを主材とするため、ＪＩＳ  Ｂ  ０１０２に規定する基準円直径が２〜１０ｍｍ、歯厚２ｍｍ以下の小歯車であることが好ましい。これは、基準円直径が２ｍｍ未満では成形が困難で、１０ｍｍを超えると焼結時の収縮が大きくなったり、バックラッシュによる歯車への負荷が大きくなって、寸法精度の悪化やクラック、歯先の剥離・欠け等の発生頻度が高くなるためであり、一方の歯厚も２ｍｍを超えるとクラックや寸法精度に問題が生じやすくなるためである。
【００２３】  本考案のジルコニア焼結体よりなる歯車は、ジルコニアと酸化イットリウムなどの安定化剤以外に、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などを共存させてもよい。これらのようにジルコニアより融点の低いものはその融点が低いことによってジルコニアの焼結温度を下げるので、歯車の製造上有利である。これらはジルコニアと安定化剤の合計に対し、０．０５〜３０ｗｔ％の範囲内で用いることが好ましい。その含有量が３０ｗｔ％より多くなると曲げ強度や破壊靭性、耐摩耗性等が悪化してジルコニア本来の特性が損なわれるためである。
【実施例】
【００２４】  以下、実施例により本考案を具体的に説明するが、本考案はこれらの実施例により限定されるものではない。【００２５】  平均粒子径０．２０μｍのジルコニア粉末に酸化イットリウム粉末を３．０モル％加え、更にバインダーと溶媒を加えて混練乾燥することによりコンパウンド原料を作製した。そしてこのコンパウンド原料を、材料温度１８０℃、金型温度４０℃の条件で射出成形し、脱媒後、１４００℃の大気雰囲気中で２時間程度焼成して、基準円直径が３．９ｍｍ、歯厚０．８ｍｍ、歯幅４．６ｍｍ、歯数１３、歯溝深さ０．７ｍｍの平歯車を作製した。【００２６】  得られた平歯車は、Ｘ線回折で単斜品以外の結晶相（正方晶と立方晶の合計）が９８％であり、ジルコニアの平均結晶粒子径が０．５μｍ、かさ密度が６．０ｇ／ｃｍ３であった。【００２７】  また、上記コンパウンド原料をメカプレス成形法でプレス成形する以外は同様の方法で作製し、切削・研磨して得た３ｍｍ×４ｍｍ×５０ｍｍの角柱体について、ＪＩＳ  Ｒ１６０１に基づく３点曲げ試験により曲げ強度と破壊靭性値を測定したところ、曲げ強度８５０ＭＰａ、破壊靭性値６．７ＭＰａｍ１／２と優れた強度を有していた。【００２８】  更に、得られた平歯車を使用して、駆動側をＳＵＳ４４０Ｃ製の筒歯車とし、従動側を上記ジルコニア製平歯車として５０００万回の噛み合い耐久試験を行った結果、駆動側のＳＵＳ製歯車の摩耗量が０．０１５ｍｍであったのに対し、本ジルコニア製歯車は摩耗量が０．００１ｍｍと極めて軽微で、しかも耐久試験の間、歯車の破損や欠けが無く強度上の問題のないことや、耐熱性、耐食性、耐衝撃性等にも優れたものであることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００２９】  本考案のジルコニア焼結体よりなる歯車は、これまでの金属製や樹脂製歯車では持ち合わすことのできなかった優れた耐熱性や耐摩耗性、耐衝撃性、非磁性等を有するほか、セラミックスの中でも最高級の強度と破壊靭性を兼備するため、平歯車やはずは歯車、やまば歯車、かさ歯車などの歯車として最適で、中でも近年の歯車使用機器類の小型化と高速化に不可欠な小歯車への適応性の高い歯車として極めて実用性に富むものである。
【符号の説明】
【００３０】  １・・・歯車
２・・・基準円直径
３・・・歯幅
４・・・歯厚
５・・・歯溝深さ
【図１】
0003190846.tif 000004
【図２】
0003190846.tif 000005
【図３】
0003190846.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成26年3月7日(2014.3.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
部分安定化剤として酸化イットリウムを１〜５モル％含有し、全ジルコニア量に対する単斜晶以外のジルコニア量が８０％以上、ジルコニアの平均結晶粒子径が０．２〜２．０μｍ、かさ密度が５．６ｇ／ｃｍ３以上の部分安定化ジルコニアを主材とする歯車であって、且つ該歯車が基準円直径２〜１０ｍｍ、歯厚２ｍｍ以下の小歯車であることを特徴とするジルコニア焼結体よりなる歯車。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】  即ち、本考案は、部分安定化剤として酸化イットリウムを１〜５モル％含有し、全ジルコニア量に対する単斜晶以外のジルコニア量が８０％以上、ジルコニアの平均結晶粒子径が０．２〜２．０μｍ、かさ密度が５．６ｇ／ｃｍ３以上の部分安定化ジルコニアを主材とする歯車であって、且つ該歯車が基準円直径２〜１０ｍｍ、歯厚２ｍｍ以下の小歯車であることを特徴とするジルコニア焼結体よりなる歯車である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】  本考案の歯車は、平均粒子径０．１〜２μｍのジルコニア（ＺｒＯ２）粉末に、部分安定化剤として酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）を加え、これにバインダーを加えて混練し、スプレードライヤー等の方法で乾燥して粉末又は顆粒状の原料を作製した後、これを射出成形して歯車形状の成形品となし、更に脱媒、焼成して得られるものである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】  本考案において、部分安定化剤としての酸化イットリウムの添加量は１〜５モル％である。酸化イットリウムの含有量が１モル％未満の場合は、単斜晶ジルコニア量が増加し、焼結体内部にクラックが多発して優れた機械的強度が得られないのに対し、酸化イットリウムの含有量が５モル％を超えると正方晶ジルコニア量が低下して、この場合も優れた機械的強度が得られない。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】  また、本考案のジルコニア焼結体よりなる歯車は、種々セラミックスの中でもとりわけ曲げ強度や破壊靭性等の機械的強度に優れた特定の部分安定化ジルコニアを主材とするため、ＪＩＳ  Ｂ  ０１０２に規定する基準円直径が２〜１０ｍｍ、歯厚２ｍｍ以下の極めて微小な小歯車への適用が可能となる。本考案で言う小歯車とは、基準円直径が２〜１０ｍｍ、歯厚２ｍｍ以下のものであり、基準円直径が２ｍｍ未満では成形が困難で、１０ｍｍを超えると焼結時の収縮が大きくなったり、バックラッシュによる歯車への負荷が大きくなって、寸法精度の悪化やクラック、歯先の剥離・欠け等の発生頻度が高くなる一方、歯厚が２ｍｍを超えるとクラックや寸法精度に問題が生じやすくなる。