(57)【要約】      （修正有）【課題】高速回転および高荷重条件における摺動性および耐磨耗性に優れたコロ軸受およびコロ転動体の製造方法を提供する。【解決手段】回転中心に対して同心状に配置された内輪４と外輪３との間の環状空間に保持器５を介して複数の転動体１を配設して構成されたコロ軸受において、上記転動体１が窒化けい素焼結体で形成され、この転動体１を構成する窒化けい素粒子の少なくとも一部が転動体１の内部から表面方向に延びるように配向していることを特徴とするコロ軸受。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転中心に対して同心状に配置された内輪と外輪との間の環状空間に保持器を介して複数の転動体を配設して構成されたコロ軸受において、上記転動体が窒化けい素焼結体で形成され、この転動体を構成する窒化けい素粒子の少なくとも一部が転動体の内部から表面方向に延びるように配向していることを特徴とするコロ軸受。
【請求項２】
前記転動体が、β相型窒化けい素を９５質量％以上含有する焼結体で形成されていることを特徴とする請求項１記載のコロ軸受。
【請求項３】
前記転動体の転動表面に露出した窒化けい素焼結体の結晶粒の断面のうち短径に対する長径の比が２以下である断面の面積割合が６０％以上であることを特徴とする請求項１記載のコロ軸受。
【請求項４】
円筒状の成形型内に原料粉末を充填し、加圧成形して円柱状の成形体とした後、この成形体を焼結し、さらに得られた焼結体を円柱状に機械加工することにより窒化けい素焼結体粒子の少なくとも一部が転動体の表面方向に延びるように配向した転動体を製造することを特徴とするコロ転動体の製造方法。
【請求項５】
加圧成形時の加圧力が１５０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項４記載のコロ転動体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コロ軸受およびコロ転動体の製造方法に係り、特に耐久性および耐磨耗性に優れ、長寿命なコロ軸受およびコロ転動体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機器の回転軸を保持する機構として軸受が一般に使用されている。軸受は、回転中心に対して同心状に配置された外輪と内輪との間に形成される環状の空間に、複数の転動体を保持器により等間隔に保持して構成される。
【０００３】
軸受には、例えば球状の転動体を用いた玉軸受や、円柱状の転動体を用いたコロ軸受があるが、同程度の荷重を軸受に受ける場合、玉軸受は点接触で荷重を受ける構造のため２組以上の軸受を必要とする。一般に高荷重用の軸受としては、線接触で荷重を受けるコロ軸受が用いられる。特に、工作機械その他加工機の回転軸用の軸受は、耐荷重性が重視されるため、転動体が点接触で荷重を受ける玉軸受よりも線接触で荷重を受けるコロ軸受の方が有利である。
【０００４】
近年、工作機械も加工精度および加工能率の向上が要求され、コロ軸受も高速回転化が必要とされる傾向にある。コロ軸受の高速回転を実現するために、軽量性、耐摩耗性および摺動性に優れたセラミックス製のコロ転動体を使用したコロ軸受が実用化されている。例えば窒化けい素を主成分とするセラミックス製コロ転動体は、従来の軸受鋼製コロよりも耐久性に優れ、また比重が軸受鋼の１／３程度であるため、機器使用時における遠心力が軽減されるので高速化が可能であり、コスト低減の観点からも有利であり、工作機械の軸受として一般に採用されている。
【０００５】
配向性について記載された従来の一般的なセラミックス転動体としては、ボアサイズが３μｍ以下で結晶組織が実質的に等方性の窒化けい素材からなるセラミックス転動体がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６３−１０１５１９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、セラミックス製のコロ転動体は、耐久性および摺動性に優れている反面、高速回転および高荷重の運転条件で回転運動を行うとコロ転動体の接触面（表面）での摩擦が激しく、そのため、コロ転動体の表面から剥離が生じ円滑な回転が損なわれる場合がある。
【０００８】
このようにコロ転動体表面からの剥離が生じると、コロ転動体の摺動性が低下し、機器の高速回転時における安定性が低下する。そのため、高速回転および高荷重の運転条件においても十分な耐久性および摺動性を備えたコロ転動体を実現することが技術的課題となつていた。
【０００９】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、高速回転および高荷重条件における摺動性および耐磨耗性に優れたコロ軸受およびそのコロ軸受に使用するコロ転動体の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を為し得るために、コロの磨耗特性に影響すると考えられる窒化けい素結晶粒の配向性に着目した。すなわち、一般にセラミックス製コロ転動体を構成する材料として用いられる窒化けい素焼結体の結晶組織には、長い結晶粒が成長し、それら結晶粒が複雑に入り組んで錯綜した組織が形成され、この結晶組織が高強度をもたらすものと考えられている。そして各窒化けい素焼結体の結晶粒子が細長い結晶形状を有するため、焼結体の表面組織には結晶粒の短径方向の断面と長径方向の断面とその中間の断面とが混在することになるが、コロ転動体の接触面（転動面）に露出する窒化けい素焼結体粒子の断面が長い結晶粒の比率が多ければ、剥離が生じやすく、逆に短径方向の断面を露出する結晶粒の比率が多ければ剥離が生じ難いことが、これまでの、ホットプレスにより成形した窒化けい素材料の摩擦・磨耗試験から判明しており、本発明を完成させるための知見として得られている。
【００１１】
ここで焼結体粒子の長径方向の断面とは、観察面における窒化けい素焼結体粒子の断面の最小径に対する最大径の比（アスペクト比）が２を超えるものを指し、また短径方向の断面とは、上記アスペクト比が２以下であるものを示す。
【００１２】
すなわち、この窒化けい素焼結体粒子の配向方向が、コロ転動体のコロ接触面において長径方向の断面または短径方向の断面のいずれの断面を露出するかにより、コロ転動体の耐摩耗性が大きく影響されると判断された。
【００１３】
本発明のコロ軸受は、回転中心に対して同心状に配置された内輪と外輪との間の環状空間に保持器を介して複数の転動体を配設して構成されたコロ軸受において、上記転動体が窒化けい素焼結体で形成され、この転動体を構成する窒化けい素粒子の少なくとも一部が転動体の内部から表面方向に延びるように配向していることを特徴とする。
【００１４】
上記のように窒化けい素焼結体粒子が転動体の内部から表面方向に延びるような構造のコロ転動体は、コロ転動体の転動面に露出した窒化けい素焼結体粒子の断面が短径である粒子が多く、高速回転時および高荷重運転時においてコロ転動体の表面からの剥離が生じにくく、耐摩耗性に優れたコロ転動体とすることが可能である。
【００１５】
一方、前記転動体が、β相型窒化けい素を９５質量％以上含有する焼結体で形成されていることが好ましい。
【００１６】
β相型窒化けい素は、結晶粒が長く、このβ相型窒化けい素の割合が大きい窒化けい素焼結体は、α相型窒化けい素と比較して高強度であり、結晶粒がコロ転動体の内部から表面方向に延びるように構成することにより、コロ表面からの剥離を効果的に防止することが可能である。
【００１７】
また、前記転動体の表面に露出した窒化けい素焼結体の結晶粒の断面のうち短径に対する長径の比が２以下である断面の面積割合が６０％以上であることが好ましい。
【００１８】
コロ転動体の表面に露出した窒化けい素焼結体の各結晶粒の断面は略楕円形状に観察されるが、この略楕円形状の結晶粒の最小幅である短径に対する最大幅である長径の比（アスペクト比）が２以下となるような窒化けい素焼結体の結晶粒の断面積が、コロ転動体の接触面の表面積の６０％以上であることが好ましく、このようにアスペクト比が２以下の結晶粒の断面積比率が６０％以上としたコロ転動体は、コロ転動体の表面からの剥離が、さらに効果的に防止される。
【００１９】
コロ軸受のコロ転動体は、円筒状の成形型内に原料粉末を充填し、加圧成形して円柱状の成形体とした後、この成形体を焼結し、さらに得られた焼結体を円柱状に機械加工することにより製造され、窒化けい素焼結体粒子の少なくとも一部が転動体の内部から表面方向に延びるように配向していることを特徴とする。
【００２０】
また、加圧成形時の加圧力を、円筒状の成形型の軸方向に１５０ＭＰａ以上とすることにより、窒化けい素焼結体粒子を転動体の内部から表面方向に延びるように配向させることが可能である。
【００２１】
また、窒化けい素焼結体製のコロ転動体の製造方法としては、従来ホットプレス法が一般に採用されていたが、ホットプレス法はプレス成形〜焼結法に比較して量産性が低く、製造コストが高い。本発明に係るコロ転動体の製造方法によれば、プレス〜焼結法でも加圧成形時の加圧力を制御することにより、接触面の窒化けい素結晶粒に配向性を持たせることができるため、高品質のコロ転動体を低い製造コストで製造することが可能である。
【００２２】
上記構成に係るコロ軸受およびコロ転動体の製造方法によれば、耐摩耗性が向上し、高速回転時および高荷重運転時における耐久性に優れたコロ軸受およびそのコロ軸受に使用するコロ転動体の製造方法を提供することが可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、以下の実施例および比較例を参照して具体的に説明する。
【００２４】
本実施例に係るコロ転動体は、図１に示すように円柱状に形成され、このコロ転動体１の接触面（転動面）２における窒化けい素結晶粒子の断面が長径方向の断面または短径方向の断面であるかにより、コロ転動体の耐久性（耐摩耗性）が影響される。
【００２５】
図２および図３に示すコロ軸受１０は、同心状に設けられた外輪３と内輪４とで形成される環状の空間に、複数のコロ転動体１を保持器５により等間隔に配置して一体に構成される。
【００２６】
本発明者らは、以下の表１に示す加圧条件で、図１に示すようなコロ転動体を作製し、これを使用してコロ軸受を作製し、これらのコロ転動体の摩耗試験を行って比較評価した。
【００２７】
（実施例１）
窒化けい素粉末に、焼結助剤として酸化イットリウムを５質量％、酸化アルミニウムを４質量％、窒化アルミニウムを３質量％、酸化チタンを１．５質量％となるように混合して原料粉末を調製し、これにバインダーを添加してボールミルで湿式混合し、スプレードライヤーにて乾燥噴霧して圧粉成形用粉末を作製した。
【００２８】
この粉末を内径１０ｍｍの円筒金型に充填して、軸方向に１５０ＭＰａの圧力で加圧して成形体を調製し、この成形体を脱脂したのち、１７００〜１８００℃の温度で窒素雰囲気中で焼結し、さらに１７００〜１８００℃の温度で１００〜１５０ＭＰａの静水圧を付加して熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理を行いコロ転動体を作製した。
【００２９】
このコロ転動体の転動面に露出した結晶粒の配向性および耐磨耗性について評価を行った。
【００３０】
結晶粒の配向性評価方法としては、コロ転動体の接触面（加圧方向に対し垂直方向）をラップ処理後、アルカリ溶液中に浸漬し、ケミカルエッチングを実施した後に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて、倍率１００００倍で組織観察し、その観察領域に露出した窒化けい素結晶粒の長径方向の断面と短径方向の断面の面積比率を求めた（図４）。ここで長径方向の断面とは、観察面における窒化けい素焼結体粒子の断面のアスペクト比（長径／短径）が２を超えるものを指し、また短径方向の断面とは、アスペクト比が２以下であるものを示す。
【００３１】
また、耐磨耗性評価方法としては、得られたコロ転動体を研削加工して接触面粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）基準で０．１μｍ以下に加工して軸受用転動体として組み込み、荷重６ＧＰａ、回転数３０００ｒｐｍの運転条件で試験を行い、コロ転動体の表面からの剥離が生じるまでの時間により、コロ軸受の耐磨耗性を評価した。尚、磨耗評価は、加速試験のため、６００時間を目処にした。
【００３２】
（実施例２）
窒化けい素粉末に、焼結助剤として酸化イットリウムを５質量％、酸化アルミニウムを４質量％、窒化アルミニウムを３質量％、酸化チタンを１．５質量％となるように混合して原料粉末を調製し、これにバインダーを添加してボールミルで湿式混合し、スプレードライヤーにて乾燥噴霧して圧粉成形用粉末を作製した。
【００３３】
この粉末を内径１０ｍｍの円筒金型に充填して、軸方向に２００ＭＰａの圧力で加圧して成形体を調製し、この成形体を脱脂したのち、窒素雰囲気中にて１７００〜１８００℃の温度で焼結し、さらに１７００〜１８００℃の温度範囲で１００〜１５０ＭＰａの加圧力でＨＩＰ処理を行いコロ転動体を作製した。
【００３４】
このコロ転動体の転動面に露出した結晶粒の配向性および耐磨耗性について実施例１と同様の方法により評価を行った。
【００３５】
（実施例３）
窒化けい素粉末に、焼結助剤として酸化イットリウムを５質量％、酸化アルミニウムを４質量％、窒化アルミニウムを３質量％、酸化チタンを１．５質量％となるように混合して原料粉末を調製し、これにバインダーを添加してボールミルで湿式混合し、スプレードライヤーにて乾燥噴霧して圧粉成形用粉末を作製した。
【００３６】
この粉末を内径１０ｍｍの円筒金型に充填して、軸方向に２５０ＭＰａの圧力で加圧して成形体を調製し、この成形体を脱脂したのち、窒素雰囲気中にて１７００〜１８００℃の温度で焼結し、さらに１７００〜１８００℃の温度範囲で１００〜１５０ＭＰａの加圧力でＨＩＰ処理を行いコロ転動体を作製した。
【００３７】
このコロ転動体の転動面に露出した結晶粒の配向性および耐磨耗性について実施例１と同様の方法により評価を行った。
【００３８】
（比較例１）
窒化けい素粉末に、焼結助剤として酸化イットリウムを５質量％、酸化アルミニウムを４質量％、窒化アルミニウムを３質量％、酸化チタンを１．５質量％となるように混合して原料粉末を調製し、これにバインダーを添加してボールミルで湿式混合し、スプレードライヤーにて乾燥噴霧して圧粉成形用粉末を作製した。
【００３９】
この粉末を内径１０ｍｍの円筒金型に充填して、軸方向に１００ＭＰａの圧力で加圧して成形体を調製し、この成形体を脱脂したのち、窒素雰囲気中にて１７００〜１８００℃の温度で焼結し、さらに１７００〜１８００℃の温度範囲で１００〜１５０ＭＰａの加圧力でＨＩＰ処理を行いコロ転動体を作製した。
【００４０】
このコロ転動体の転動面に露出した結晶粒の配向性および耐磨耗性について実施例１と同様の方法により評価を行った（図５）。
【００４１】
（比較例２）
窒化けい素粉末に、焼結助剤として酸化イットリウムを５質量％、酸化アルミニウムを４質量％、窒化アルミニウムを３質量％、酸化チタンを１．５質量％となるように混合して原料粉末を調製し、これにバインダーを添加してボールミルで湿式混合し、スプレードライヤーにて乾燥噴霧して圧粉成形用粉末を作製した。
【００４２】
この粉末を内径１０ｍｍの円筒金型に充填して、軸方向に８０ＭＰａの圧力で加圧して成形体を調製し、この成形体を脱脂したのち、窒素雰囲気中にて１７００〜１８００℃の温度で焼結し、さらに１７００〜１８００℃の温度範囲で１００〜１５０ＭＰａの加圧力でＨＩＰ処理を行いコロ転動体を作製した。
【００４３】
このコロ転動体の転動面に露出した結晶粒の配向性および耐磨耗性について実施例１と同様の方法により評価を行った。
【００４４】
上記実施例１〜実施例３および比較例１〜比較例２の評価結果を下記表１にまとめて示す。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
実施例１および比較例１のコロ転動体の表面における窒化けい素焼結体粒子断面の観察写真の模式図を、それぞれ図４および図５に示す。図４と図５の比較により明らかなように、実施例１のコロ転動体は、比較例１のコロ転動体に比較して、アスペクト比が２以下であるような短径方向の窒化けい素結晶粒子断面６の割合が多く、コロ転動体の内部から表面に向かって窒化けい素結晶粒子が延びるように配向することが確認された。
【００４７】
一方、比較例１のコロ転動体の場合、圧粉成形時の加圧力が不十分であるため、短径の窒化けい素結晶粒子断面６より長径方向の窒化けい素結晶粒子断面７の比率が多く、実施例１に比較して配向性が低いことが明白である。
【００４８】
実施例１〜実施例３および比較例１〜比較例２のコロ転動体の表面組織における結晶粒子の配向性を比較すると、表１に示すように、加圧成形時の加圧力を２５０ＭＰａとした実施例３のコロ転動体の配向性は、長径方向の断面と短径方向の断面との面積比が３３：６７と、窒化けい素焼結体粒子の配向性が最も向上しており、また、実施例１および実施例２のコロ転動体との比較により、圧粉成形時の加圧力が増加するに従って、窒化けい素焼結体粒子の配向性が向上することが判明した。
【００４９】
一方、比較例１および比較例２のコロ転動体は、加圧力が１５０ＭＰａ未満であるため、短径方向の断面の面積比率が６０％未満であり、配向性の顕著な改善が見られなかった。
【００５０】
これら実施例１〜実施例３および比較例１〜比較例２のコロ転動体の摩耗試験の試験結果を比較したところ、実施例１〜実施例３のコロ転動体が、いずれも６００時間以上の耐久時間を有するのに対し、比較例１〜比較例２のコロ転動体は、それぞれ３８５時間および２９３時間であることから、実施例のコロ転動体が従来のコロ転動体に比較して耐久性が大幅に向上することが判明した。
【００５１】
【発明の効果】
本発明に係るコロ軸受およびコロ転動体によれば、耐摩耗性が向上され、高速回転時および高荷重運転時における耐久性に優れたコロ軸受を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るコロ軸受に使用するコロ転動体の外形を示す斜視図。
【図２】本発明に係るコロ軸受の側面側の断面図。
【図３】図２に示すコロ軸受の縦断面図
【図４】実施例１のコロ転動体の接触面における窒化けい素焼結体の結晶組織を示すＳＥＭ写真の模式図。
【図５】比較例１のコロ転動体の接触面における窒化けい素焼結体の結晶組織を示すＳＥＭ写真の模式図。
【符号の説明】
１  コロ転動体
２  接触面（転動面）
３  外輪
４  内輪
５  保持器
６  短径の窒化けい素結晶粒子断面
７  長径の窒化けい素結晶粒子断面
１０  コロ軸受
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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