(57)【要約】【課題】金属製部品、特に軸受転動体の表面に、緻密なセラミックス被膜を形成可能であり、その生産性にも優れるセラミックス被膜形成装置を提供する。【解決手段】金属製部品６を入れるための密閉容器４と、該密閉容器４を振動させる振動手段５とからなる被膜形成部２と、密閉容器４内にセラミックス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを供給するエアロゾル発生部３とを備えてなるセラミックス被膜形成装置であって、密閉容器４内の金属製部品６は、振動手段５による密閉容器４の振動に伴い、エアロゾルの存在下で金属製部品同士で衝突または摺接して、あるいは、容器壁と衝突または摺接して被膜が形成される。【選択図】図１
2007270234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製部品を入れるための密閉容器と、該密閉容器を振動させる振動手段とからなる被膜形成部と、前記密閉容器内にセラミックス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを供給するエアロゾル発生部とを備えてなるセラミックス被膜形成装置であって、
前記密閉容器内の金属製部品は、前記振動手段による密閉容器の振動に伴い、エアロゾルの存在下で容器壁と衝突または摺接して被膜が形成されることを特徴とするセラミックス被膜形成装置。
【請求項２】
前記金属製部品は複数個であり、前記振動手段による密閉容器の振動に伴い、エアロゾルの存在下で、該金属製部品同士で衝突または摺接して、あるいは、容器壁と衝突または摺接して被膜が形成されることを特徴とする請求項１記載のセラミックス被膜形成装置。
【請求項３】
前記セラミックス微粒子は、窒化ケイ素の微粒子であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のセラミックス被膜形成装置。
【請求項４】
前記金属製部品が、軸受鋼製の軸受用転動体であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載のセラミックス被膜形成装置。
【請求項５】
前記軸受用転動体がボールであることを特徴とする請求項４記載のセラミックス被膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は主に軸受に使用する転動体の表面処理装置、特にセラミック被膜のコーティング処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車、鉄道車両等の各種産業機械には、多くの電気機器が装着されており、これらに用いられる軸受では、漏洩電流等により、軸受転動体と外輪転走面との間または内輪転走面との間で放電が生じ、放電部分に電食を生じることがある。このような電食を防止する有効な手段として、従来、軸受軌道輪の外周面にセラミックス等の絶縁体の溶射被膜を形成することが知られている。
【０００３】
しかしながら、溶射技術を用いて軸受の外周面等にセラミックス層を設ける方法は、熱処理して硬化させた軸受綱の溶射加工時の熱による焼き戻り防止のために、ワークを冷却しながらセラミックス層を成膜せねばならず、非常に煩雑であり、生産性の低下を招いていた。さらに、溶射法で軸受外径面等にセラミックス層を設けようとすると、下地処理としてニッケルアルミ等の層を予め溶射する必要があり、これも生産性の低下を招く原因となっている。
【０００４】
また、溶射法で得られたセラミックス層は、多孔質となるため結露等での水分の侵入による絶縁抵抗の低下を封孔処理で対策する必要がある。封孔処理については合成樹脂、重合性有機溶剤、並びにフッ素系界面活性剤およびパーフルオロ基含有有機ケイ素化合物からなる群から選ばれる少なくとも１種を含有する封孔処理剤を用いる方法（特許文献１参照）や、浸透性良好な絶縁樹脂による封孔処理層を下層とし、浸透性が完全でない絶縁樹脂による封孔処理層を上層とする組合せ層を形成することにより封孔する方法（特許文献２参照）等が知られている。しかし、これらの封孔処理方法を用いる場合は、非常にコスト高となるという問題がある。
【０００５】
一方、電食防止等のため、軸受外周面でなく、ボール等の転動体外表面部にセラミック被膜を形成する方法としては、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の薄膜形成法が知られている（非特許文献１参照）。
しかし、これらのセラミック被膜形成法は、いずれも成膜に必要となる時間が長く、かつ、生産性が非常に悪いものであった。
【特許文献１】特開２００３−１８３８０６号公報
【特許文献２】特許第３００９５１６号公報
【非特許文献１】トライボロジーハンドブック 養賢堂刊  P497〜501
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はこのような問題に対処するためになされたもので、金属製部品、特に軸受転動体の表面に、緻密なセラミックス被膜を形成可能であり、その生産性にも優れるセラミックス被膜形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のセラミックス被膜形成装置は、金属製部品を入れるための密閉容器と、該密閉容器を振動させる振動手段とからなる被膜形成部と、上記密閉容器内にセラミックス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを供給するエアロゾル発生部とを備えてなるセラミックス被膜形成装置であって、上記密閉容器内の金属製部品は、上記振動手段による密閉容器の振動に伴い、エアロゾルの存在下で容器壁と衝突または摺接して被膜が形成されることを特徴とする。
また、上記金属製部品は複数個であり、上記振動手段による密閉容器の振動に伴い、エアロゾルの存在下で、該金属製部品同士で衝突または摺接して、あるいは、容器壁と衝突または摺接して被膜が形成されることを特徴とする。
【０００８】
上記セラミックス微粒子は、窒化ケイ素の微粒子であることを特徴とする。
また、上記金属製部品が、軸受鋼製の軸受用転動体、特にボールであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のセラミックス被膜形成装置は、密閉容器を振動手段により振動させ、エアロゾルの存在下において、金属製部品に衝突または摺接等の機械的衝撃力を連続的に付加することにより、常温で金属製部品表面にエアロゾル中のセラミックス微粒子が積層され緻密な被膜を形成できる。被膜表面と金属製部品表面とを連通することのない緻密なセラミックス被膜であるため、薄い膜厚で高い絶縁性能等を保持できる。
被膜形成対象となる金属製部品を支持する等の必要がないため、表面全面への被膜形成が容易であり、軸受用転動体であるボール等へのセラミックス被膜の形成に好適に利用できる。
また、被膜形成工程は、常温で振動手段による機械的衝撃を連続的に加えるのみであり、被膜形成対象となる金属製部品の前処理等も不要であるため、溶射法、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等と比較して低コストであり、かつ、生産性にも優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の一実施例に係るセラミックス被膜形成装置を図１に基づいて説明する。図１は金属製部品として複数個の軸受用転動体（ボール）を対象とするセラミックス被膜形成装置の構成を示す図である。
図１に示すように、セラミックス被膜形成装置１は、被膜形成部２とエアロゾル発生部３とを備えてなる。被膜形成部２は、金属製部品である軸受鋼製のボール６を入れる密閉容器４と、この密閉容器４を振動させる振動手段５とからなる。エアロゾル発生部３は、容器内に収容されたセラミックス微粒子を、ガス供給設備８より供給される不活性ガス等のガス中に分散させてエアロゾルを発生させる。密閉容器４は、真空ポンプ７等により減圧下に保たれ、エアロゾル発生部３からエアロゾルが導入される。
エアロゾル発生部３から被膜形成部２の密閉容器４に導入された粗大な凝集状態にあるエアロゾルセラミック微粒子は、軸受鋼製のボール６および密閉容器４の壁面との衝突により解砕および粉砕される。その原理は、粉砕媒体となりうるボール６同士、あるいは、密閉容器４の壁面とボール６との摺接による摩擦力と、衝突による衝撃力である。
振動手段５による密閉容器４の振動に伴い、ボール６がランダムに摺動・衝突し合う密閉容器４の内部にエアロゾル状態で導入された粗大な凝集状態にあるセラミック微粒子塊は、上述したように解砕されて１次粒子になり、さらに粉砕されながら以下に示す成膜原理によりボール６の表面上で成膜・膜成長してゆく。
なお、さらに成膜効率を上げるために、図２に示すように被膜形成部２において、同径または異径のセラミック製ボール６ａを媒体として密閉容器４の内部に共存させて成膜してもよい。
【００１１】
本発明のセラミックス被膜形成装置における成膜原理を以下に説明する。
自由電子をほとんど持たない共有結合性あるいはイオン結合性が強い原子結合状態にあることで硬度は高いが衝撃に弱い脆性材料である、セラミックス微粒子は、通常いくつかの結晶子が集まった多結晶体から構成されている。
このセラミックス微粒子が、金属製部品表面に非常に高速で衝突した場合、その運動エネルギーによって発生する衝撃でさらに細かく破砕され、例えば、結晶子同士の界面等の壁界面に沿って結晶格子のずれを生じたり、あるいは破砕されたりする現象が起こり、元々内部に存在していたズレ面や破面は原子が剥き出しの状態となり、すなわち新生面が形成される。
その新成面の原子一層の部分は、元々安定した原子結合状態から外力により強制的に不安定な状態にさらされ、表面エネルギーが高い状態となる。すなわち、セラミックス微粒子への機械的衝撃力の付加により表面エネルギーが極度に大きな微細断片粒子が多数生成する。
この高活性の新生面が、隣接した脆性材料表面や同じく隣接した脆性材料の新生面あるいは基板表面と接合して安定状態に移行することで、微細断片粒子表面同士が生成後瞬時に基材と接着あるいは互いに再結合し、焼成を行った場合と類似した緻密質のセラミック構造物を形成する。または、衝突の衝撃により粒子がへき開面に沿って変形して、粒子の一部に新生面を形成し、次いで衝突してきた粒子と再結合したり、粒子間の空孔を埋めて緻密化する。
さらに、外部からの連続した機械的衝撃力の付加により、上記現象を継続的に発生させ、微粒子の変形・破砕等の繰返しにより接合の進展、それによって形成された被膜の緻密化・成長が行われ脆性材料の被膜が金属製部品表面上に形成される。
【００１２】
エアロゾル発生部３は、原料となるセラミックス微粒子を不活性ガス等のガス中に分散させたエアロゾルを発生させる構成部位であり、エアロゾルデポジション法（以下、ＡＤ法と記す）に使用される周知のエアロゾル発生装置等を利用できる。例えば、セラミックス微粒子を容器内に収容し、これに振動装置３ａ等により機械的振動作用を与えて微粒子を攪拌するとともに、ガス供給設備８より不活性ガスを微粒子に吹き付けて微粒子を気流中に舞い上がらせてエアロゾルとする。エアロゾル発生部３で使用可能な不活性ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等が挙げられる。
【００１３】
本発明においてセラミックス被膜を形成するためのエアロゾル原料となるセラミックス微粒子としては、絶縁性、耐摩耗性等に優れ、被膜形成可能なものであれば、任意のセラミックス微粒子を使用できる。例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の酸化物、炭化ケイ素、窒化ケイ素等の微粒子が挙げられる。金属製部品として、軸受用転動体を対象とする場合には、摩擦摩耗特性に優れる窒化ケイ素の微粒子を用いることが好ましい。
なお、原料粉は被膜形成部２において機械的衝撃力により微細な微粒子に解砕されるので、原料調整時における粒子径等は特に限定されない。
【００１４】
密閉容器４の容積および材質は、処理する金属製部品に対応させて適宜決定する。本発明では、金属製部品同士や容器壁との衝突を必須とするので、密閉容器４の容積は、金属製部品の十分な移動を確保できる容積以上で、かつ、衝突頻度を十分に確保できる容積以下とすることが好ましい。具体的には、金属製部品の合計体積と密閉容器容積との比が、1/5 〜 1/3 程度とすることが好ましい。
金属製部品と容器壁との衝突時において、コンタミを防ぐため、密閉容器４の材質は、金属製部品よりも硬い、または、同種材とすることが好ましい。
密閉容器４は、エアロゾル発生部３からのエアロゾルを導入するため、真空ポンプ７等により減圧下に保たれる。エアロゾルは不活性ガスを媒体としているので、減圧下の密閉容器内は完全な不活性ガス雰囲気となり、成膜時の新生面における酸素接触による酸化や水分の吸着、粒子間の凝集等が回避される。
【００１５】
振動手段５は、密閉容器４を内部の金属製部品および容器壁を衝突・摺接させて、上述の成膜原理でセラミックス被膜が形成可能な振動を付与できる手段であればよい。振動方向等は特に限定されない。振動手段５としては、例えば、クランク、振動モータ、打槌器等が挙げられる。
【００１６】
被膜形成部２は、エアロゾル中のセラミック微粒子の解砕機構を有するので、最終的に被膜形成を行なう前段階のエアロゾル解砕部として利用することも可能である。例えば、金属製部品に形成するセラミックス被膜と同種材のセラミック製ボールのみを入れた被膜形成部をエアロゾル解砕部とし、エアロゾル中のセラミック微粒子を微細に解砕し、さらに、被膜形成対象となる金属製部品を入れた被膜形成部をこのエアロゾル解砕部に連結して、上記微細なセラミック微粒子を含むエアロゾルにより被膜形成を行なう。
【００１７】
被膜形成対象となる金属製部品としては、絶縁性、耐食性、耐摩耗性等が要求され、セラミックス被膜の形成が望まれる軸受用転動体、その他の各種産業機械の部品である。軸受用転動体としては、図１に示す軸受鋼製のボール、コロ、円錐コロ、ニードルローラおよびスフェリカルローラ等が挙げられる。これらの部品は１個でも複数個であっても被膜形成が可能である。
被膜形成時に金属製部品を支持する必要がないため、ボール等の表面全面への被膜形成が容易である。
【実施例】
【００１８】
実施例１
図１に示すセラミックス被膜形成装置を用い、数Ｔｏｒｒに減圧され、かつ軸受用のＳＵＪ２製ボール（直径8mm）が仕込まれたクランクによる縦型振動式のアルミナ製密閉容器（内容積1000cc）に、窒化ケイ素微粒子（宇部興産社製ＳＮ−Ｅ１０：平均粒径0.55μm）を原料とするエアロゾルをエアロゾル発生部から導入しながら密閉容器を、振動数 10 Hz、ストローク 50 mm の振動条件で加振しながらボール表面に成膜処理した。
なお、このとき同サイズの窒化ケイ素製ボールも容積比で 1：1 の割合で密閉容器中に仕込んだ。トータルのボール容積は、密閉容器の内容積の 1/3 以下となるようにした。エアロゾル搬送ガスとしては、ヘリウムガス（太陽日酸社製 純ヘリウムＧ１）使用した。処理時間は１時間とした。
【００１９】
成膜したボールをエタノール溶液で超音波洗浄後、断面観察したところ緻密な窒化ケイ素セラミック膜が 3μmの厚さで形成していた。
該観察結果より、クランクによる縦型振動式の被膜形成部であるアルミナ製密閉容器内に導入された粗大な凝集状態にある窒化ケイ素エアロゾル微粒子凝集塊が、ボール同士および容器壁面での衝突等により解砕され１次粒子になり、さらに粉砕されながらボール表面上に成膜・膜成長したことが分かる。
【００２０】
実施例２
図１に示すセラミックス被膜形成装置のエアロゾル発生部と被膜形成部との間に、被膜形成部と同一構成のエアロゾル解砕部を設けた。エアロゾル解砕部は、クランクによる縦型振動式のアルミナ製密閉容器（内容積1000cc）に、窒化ケイ素製ボールのみを入れて、振動数 10 Hz、ストローク 50 mm の振動条件で加振して、エアロゾル発生部から導入された窒化ケイ素微粒子（宇部興産社製ＳＮ−Ｅ１０：平均粒径0.55μm）を原料とするエアロゾル中の該微粒子を解砕させたエアロゾルを発生させた。
数Ｔｏｒｒに減圧され、かつ軸受用のＳＵＪ２製ボール（直径8mm）が仕込まれたクランクによる縦型振動式のアルミナ製密閉容器（内容積1000cc）に、上記エアロゾル解砕部からエアロゾルを導入しながら密閉容器を、振動数 10 Hz、ストローク 50 mm の振動条件で加振しながらボール表面に成膜処理した。なお、このとき同サイズの窒化ケイ素製ボールも容積比で 1：1 の割合で密閉容器中に仕込んだ。トータルのボール容積は、密閉容器の内容積の 1/3 以下となるようにした。エアロゾル搬送ガスとしては、ヘリウムガス（太陽日酸社製 純ヘリウムＧ１）使用した。処理時間は１時間とした。
【００２１】
成膜したボールをエタノール溶液で超音波洗浄後、断面観察したところ緻密な窒化ケイ素セラミック膜が 3 μmの厚さで形成していた。
該観察結果より、クランクによる縦型振動式の被膜形成部であるアルミナ製密閉容器内に導入された、エアロゾル解砕部で解砕された窒化ケイ素エアロゾル微粒子が、ボール同士および容器壁面での衝突等により、さらに粉砕されながらボール表面上に成膜・膜成長したことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明のセラミックス被膜形成装置は、金属製部品、特に軸受転動体の表面に、緻密なセラミックス被膜を形成可能であり、その生産性にも優れるので、セラミックス被膜の形成が望まれる各種産業機械部品への成膜処理に好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のセラミックス被膜形成装置の一実施例を示す図である。
【図２】被膜形成部における他の態様を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１    セラミックス被膜形成装置
２    被膜形成部
３    エアロゾル発生部
４    密閉容器
５    振動手段
６    ボール
７    真空ポンプ
８    ガス供給設備
【図１】
2007270234.tif 000003
【図２】
2007270234.tif 000004