(57)【要約】【課題】ｄｍｎ値が１４０万以上となる高速回転下や潤滑剤を使用できない腐食環境下においても、寿命を十分に長くできる転がり軸受を提供する。【解決手段】玉３を以下の方法で作製する。固体潤滑剤と、複数個の同じセラミックス製の球状体を遊星ボールミルのミルポット内に入れて、遊星ボールミルを作動させるボールミル工程を行う。このボールミル工程で、前記球状体に、ミルポット内に発生する公転に伴う遠心力と自転に伴う遠心力を付与することで、球状体同士を衝突させるとともに球状体をミルポットの内壁へ衝突させて、球状体の表面に残留応力を導入すると同時に、表面に前記固体潤滑剤の被膜を形成する。【選択図】図２
2009197830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遊星ボールミルのミルポット内に、固体潤滑剤と、複数個の同じセラミックス製球状体を入れて、遊星ボールミルを作動させ、前記球状体に、ミルポット内に発生する公転に伴う遠心力と自転に伴う遠心力を付与することで、前記球状体同士を衝突させるとともに前記球状体をミルポットの内壁へ衝突させて、前記球状体の表面に残留応力を導入すると同時に前記固体潤滑剤の被膜を形成するボールミル工程を有することを特徴とするセラミックス製球状体の製造方法。
【請求項２】
遊星ボールミルのミルポット内に、固体潤滑剤と、複数個の同じセラミックス製球状体を入れて、遊星ボールミルを作動させ、前記球状体に、ミルポット内に発生する公転に伴う遠心力と自転に伴う遠心力を付与することで、前記球状体同士を衝突させるとともに前記球状体をミルポットの内壁へ衝突させて、前記球状体の表面に残留応力を導入すると同時に前記固体潤滑剤の被膜を形成するボールミル工程を行って得られたことを特徴とするセラミックス製球状体。
【請求項３】
互いに対向配置される軌道面を備えた第１部材および第２部材と、両部材の軌道面間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより第１部材および第２部材の一方が他方に対して相対移動する転動装置において、
前記転動体は、請求項１記載の方法で得られ、表面に残留応力が均一に導入され、且つ、前記固体潤滑剤の被膜が形成されたセラミックス製球状体であることを特徴とする転動装置。
【請求項４】
請求項１記載の方法で得られ、表面に残留応力が均一に導入され、且つ、前記固体潤滑剤の被膜が形成されたセラミックス製球状体を、転動体として有することを特徴とする転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス製球状体の製造方法、この方法で得られたセラミックス製球状体、この方法で得られたセラミックス製球状体を転動体として有する転動装置に関する。
本発明において、転動装置とは、互いに対向配置される軌道面を備えた第１部材および第２部材と、両部材の軌道面間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより第１部材および第２部材の一方が他方に対して相対移動する装置、具体的には、転がり軸受（ボールベアリング、ローラベアリング等）、ボールねじ、リニアガイド、ボールスプライン、リニアボールベアリング等を指す。
【背景技術】
【０００２】
工作機械主軸用軸受には、下記の特許文献１に記載されているように、ｄｍｎ値（軸受の内径と外径との平均寸法ｄｍ≒転動体のピッチ円の直径（単位：ｍｍ）と、回転速度ｎ（単位：ｍｉｎ-1）との積）が１４０万以上となる高速回転下での寿命を十分に長くすることが求められている。
一方、半導体装置、液晶パネル、ハードディスク等は、製造工程で各種薬品で洗浄されるため、その製造過程で使用する装置に組み込まれた転動装置には、腐食環境下で良好に作動することが要求される。また、潤滑油やグリース等の潤滑剤は、飛散して汚染の原因となる恐れがあるため使用できない。
【０００３】
腐食環境下で使用可能な転がり軸受としては、常圧焼結法で製造されたセラミックス製の外輪と、ガス圧焼結法又はＨＩＰ法で製造されたセラミックス製の内輪を備えた耐食性転がり軸受（特許文献２を参照）や、内輪、外輪、および転動体が炭化ケイ素製である転がり軸受（特許文献３を参照）等が知られている。
下記の特許文献４には、セラミックス製品の表面強靱化方法として、硬さが、Ｈｖ（ビッカース硬さ）で５００以上、且つ、対象となるセラミックス製品のＨｖに５０を足した値以下であり、平均粒子サイズが０．１μｍ〜２００μｍであり、表面が凸曲面の微粒子からなる噴射材（ショット）を用いて、セラミックス製品の表面に均一に分布した直線状の転位組織を形成する方法が記載されている。
【０００４】
下記の特許文献５には、駆動力によって回転する公転軸を中心として回転する公転回転アームと、垂直から前記公転軸側へ傾斜した自転軸を介して前記公転回転アームに自転自在に支持されているミルポットと、前記公転軸の周りの全周に亘って前記公転回転アームの上方に固定して配置され、前記公転回転アームの回転に伴って公転する前記ミルポットの外周面が接触して前記ミルポットに自転を生じさせる外周ポット受けと、を有することを特徴とする遊星ボールミが記載されている。
【特許文献１】特開２００５−１６３８９３号公報
【特許文献２】特開平８−１２１４８８号公報
【特許文献３】特開平１０−８２４２６号公報
【特許文献４】特開２００４−１３６３７２号公報
【特許文献５】特開２００６−４３５７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、ｄｍｎ値が１４０万以上となる高速回転下や潤滑剤を使用できない腐食環境下においても、寿命を十分に長くできる転がり軸受等の転動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、遊星ボールミルのミルポット内に、固体潤滑剤と、複数個の同じセラミックス製球状体を入れて、遊星ボールミルを作動させ、前記球状体に、ミルポット内に発生する公転に伴う遠心力と自転に伴う遠心力を付与することで、前記球状体同士を衝突させるとともに前記球状体をミルポットの内壁へ衝突させて、前記球状体の表面に残留応力を導入すると同時に前記固体潤滑剤の被膜を形成するボールミル工程を有することを特徴とするセラミックス製球状体の製造方法を提供する。
【０００７】
本発明の方法は、窒化珪素、アルミナ、炭化珪素、ジルコニア等からなるセラミック製球状体に適用できる。また、焼結助剤等の添加物を含むものやＨＩＰ処理工程を経て作製されたもの等、各種組成・性状のセラミックス製球状体に適用できる。
本発明の方法で使用可能な固体潤滑剤としては、二硫化タングステン、二硫化モリブデン、銅系固体潤滑剤、錫系固体潤滑剤などが挙げられる。
【０００８】
前記球状体の表面に導入する残留応力は−２０００〜−７０ＭＰａ（「−」は圧縮残留応力であることを意味する。よって、圧縮残留応力の絶対値で７０〜２０００ＭＰａ）の範囲である（破壊靭性値が１２ＭＰａ・√ｍ以上である）ことが好ましい。また、前記ボールミル工程で、前記球状体に表面から深さ２０μｍを超えて残留応力を導入することが好ましい。残留応力はＸ線回折法により測定できる。破壊靭性値は硬さ試験機による圧痕とクラックの大きさから測定できる。
【０００９】
本発明のボールミル工程による方法と特許文献４の方法を比較した結果を、得られたセラミックス製球状体の表面からの深さと破壊靱性値（残留応力値と相関関係にある値）との関係を示すグラフにまとめて図１に示す。図１のグラフのNo. １は、後述の実施形態に示す条件で得られた本発明のボールミル工程による結果であり、No. ２は、後述の実施形態に示す条件で得られた特許文献４の方法による結果である。
【００１０】
このグラフから、本発明のボールミル工程による方法では、表面から約２０μｍの深さまで残留応力が導入され、特許文献４の方法では、表面から約１０μｍの深さまで残留応力が導入されていることが分かる。このように、本発明のボールミル工程によれば、特許文献４の方法よりも、セラミックス製球状体の表面の深い位置に残留応力が導入されるため、耐摩耗性および耐焼き付き性により優れたセラミックス製球状体を得ることができる。
【００１１】
本発明の方法のボールミル工程は、例えば、特許文献５に記載の遊星ボールミルを使用して行うことができる。また、ミルポットとしては、ステンレススチール製で、メノー、アルミナ、ジルコニア、クロム鋼、または窒化珪素からなる内張り材が設けてあるものが挙げられる。ミルポットの内張り材は、処理されるセラミック製球状体と同じ材質であることが好ましい。
【００１２】
ミルポットの内壁の硬さは、処理されるセラミック製球状体の硬さと同じかそれより硬いことが好ましく、具体的にはビッカース硬さ（Ｈｖ）１０００以上であることが好ましい。
ミルポットの内壁の表面粗さは、内張り材の有無に関わらず、処理されるセラミック製球状体の初期粗さと同じかそれより細かいことが好ましく、具体的には平均粗さ（Ｒａ）で０．０００５μｍ〜３．２μｍの範囲であることが好ましい。
【００１３】
遊星ボールミルの作動条件としては、公転速度：３００ｒｐｍ以上１０００ｒｐｍ以下（より好ましくは５００ｒｐｍ以上７００ｒｐｍ以下）、自転速度：６００ｒｐｍ以上２０００ｒｐｍ以下（より好ましくは１０００ｒｐｍ以上１４００ｒｐｍ以下）で、回転時間：１時間以上５時間以下（より好ましくは２時間以上３時間以下）が好ましい。
また、ミルポット内へ入れるセラミックス製球状体の量は、最密充填量（ミルポットに最も密に充填した場合に入る量）の１０体積％以上７０体積％以下であることが好ましく、３０体積％以上５０体積％以下であることがより好ましい。ミルポット内へ入れる固体潤滑剤の量は、最密充填量の２０体積％以上６０体積％以下であることが好ましく、３０体積％以上４０体積％以下であることがより好ましい。
【００１４】
このような条件でボールミル工程を行うことで、残留応力を表面から深い位置まで導入することができ、破壊靱性値も高い値にすることができるとともに、表面に固体潤滑剤の被膜を形成することができる。
本発明はまた、互いに対向配置される軌道面を備えた第１部材および第２部材と、両部材の軌道面間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより第１部材および第２部材の一方が他方に対して相対移動する転動装置において、前記転動体は、本発明の方法で得られ、表面に残留応力が均一に導入され、且つ、前記固体潤滑剤の被膜が形成されたセラミックス製球状体であることを特徴とする転動装置を提供する。
【００１５】
本発明はまた、表面に残留応力が均一に導入され、且つ、前記固体潤滑剤の被膜が形成されたセラミックス製球状体を、転動体として有することを特徴とする転がり軸受を提供する。
本発明の転動装置および転がり軸受は、本発明の方法で得られたセラミックス製転動体を備えているため、特許文献４の方法で表面が強靱化されたセラミックス製転動体を備えている転動装置よりも、ｄｍｎ値が１４０万以上となる高速回転下や潤滑剤を使用できない腐食環境下における寿命が長くなる。
【００１６】
本発明の方法で得られたセラミック製球状体は、ショットブラスト等の処理によるものと比較して、１個の球状体の表面各部位における残留応力値のばらつきが少ない。また、ショットブラスト等の処理によるもと比較して、同一ポット内に充填されたセラミック球状体間の残留応力値・寸法精度のばらつきは少ない。また、ポット間の差も、同一処理条件であればほとんど発生しないことも特徴の一つである。
【００１７】
したがって、得られたセラミック製球状体間の、残留応力値・寸法精度の相互差を少ないものとすることができる。このため、特に、転動体数の多い転動装置に適用した場合は、精度の良い転動装置を得ることが可能である。具体的には、転動体数が１０個以上の転動装置に好適である。
なお、セラミックス製球状体を転がり軸受の転動体として使用する場合は、表面粗さをＲａ０．１μｍ以下とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の方法によれば、特許文献４の方法よりも、靱性、耐摩耗性、および耐焼き付き性に優れたセラミックス製球状体が得られる。
本発明の転動装置および転がり軸受は、表面に残留応力が均一に導入されるとともに固体潤滑剤の被膜が形成された転動体を使用しているため、ｄｍｎ値が１４０万以上となる高速回転下や潤滑剤を使用できない腐食環境下における寿命が長い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
図２は、本発明の転動装置の実施形態である転がり軸受の構造を示す部分縦断面図である。
この転がり軸受は、呼び番号６０００の深溝玉軸受（内径１０ｍｍ、外径２６ｍｍ、幅８ｍｍ、玉の直径４．７６２ｍｍ）であり、外周面に軌道面１ａを有する内輪（第１部材）１と、軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪（第２部材）２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の玉（転動体）３と、玉３を保持する保持器４と、からなる。
【００２０】
内輪１と外輪２は、ＳＵＳ４４０Ｃからなる素材を所定形状に加工し、通常の熱処理を施したものを用いた。
No. １では、Ｈｖ１５００の窒化珪素製素材を直径４．７６８ｍｍの球状に加工し、表面粗さ（Ｒａ）を０．００８μｍにした後、下記の方法でボールミル工程を行い、これを玉３として用いた。
【００２１】
＜ボールミル工程条件＞
使用した装置：フリッチュ社製「遊星型ボールミル  Ｐ−５」。ミルポットは、全容積４５ミリリットル（ｃｃ）、クロム鋼製。
ミルポット内へ入れた窒化珪素製球状体の量：ミルポットの最密充填量の３０体積％
ミルポット内へ入れた二硫化タングステン粉末の量：ミルポットの最密充填量の３０体積％
公転速度：５００ｒｐｍ
自転速度：１０００ｒｐｍ
回転時間：３時間
【００２２】
No. ２では、Ｈｖ１５００の窒化珪素製素材を直径４．７６２ｍｍの球状に加工し、表面粗さ（Ｒａ）を０．００８μｍにした後、硬さがＨｖ１５００で、平均粒径が１５０μｍで、比重が３．９８のアルミナビーズをショットとして用い、投射圧：０．５ＭＰａ、投射速度：５０ｍ／ｓ、投射量：４００ｇ／ｍｉｎ、投射時間：１０ｓの条件でショットブラストを行った。これを玉３として用いた。この玉３の表面粗さ（Ｒａ）は、ショットブラスト前より０．００８μｍ粗い、０．０１６μｍとなった。
【００２３】
No. ３では、Ｈｖ１５００の窒化珪素製素材を直径４．７６２ｍｍの球状に加工し、表面粗さ（Ｒａ）を０．００８μｍにしたものを、そのまま玉３として用いた。
なお、表面粗さの測定は、Ｈｖ１５００の窒化珪素製で、１０ｍｍ×１０ｍｍで厚さが５ｍｍの板状試験片を用いて行った。すなわち、No. １では、この試験片の表面に対して、上述のNo. １の玉３に対する方法と同じ方法でボールミル工程と研磨を行ったものを用いた。No. ２では、この試験片の表面に対して、上述のNo. ２の玉３に対する方法と同じ方法でショットブラストを行ったものを用いた。No. ３では、この試験片をそのまま用いた。
【００２４】
また、これらのNo. １〜３の玉３に対応させた試験片を用いて、破壊靱性値を測定したところ、No. １では１５ＭＰａ・√ｍ、No. ２では１２ＭＰａ・√ｍ、No. ３では６ＭＰａ・√ｍであった。また、No. １の玉３の表面には二硫化タングステン被膜が形成されていた。
なお、図１は、No. １および２について、試験片の表面から各深さ位置で破壊靱性値を測定した結果を示すグラフである。
【００２５】
得られたサンプルNo. １〜３の玉３と、前述の内輪１および外輪３と、フッ素樹脂製の保持器４を用いて、図２に示す転がり軸受を組み立てた。そして、組み立てた各転がり軸受を図３に示す日本精工（株）製の軸受回転試験機にかけて、腐食性液中に浸漬した状態での耐久性を調べた。
この試験機は、試験軸受１０の内輪を先端部１１ａに取り付ける軸１１と、外輪を内挿するハウジング１２を備えている。ハウジング１２の外周部にはプレート１３が固定され、このプレート１３に振動計１４が取り付けられている。ハウジング１２の外周部のプレート１３とは反対の側に、ワイヤー１５の一端が固定されている。このワイヤー１５の他端に、試験軸受１０にラジアル荷重を付与するための重り１６が取り付けられている。
【００２６】
この試験機では、また、容器２０を載せる台３０にアーム３１が固定され、その上に滑車３２が取り付けてある。試験軸受１０は、軸１１とハウジング１２との間に取り付けられた状態で容器２０内に設置する。そして、この状態で、ワイヤー１５を滑車３２を介して台３１の側部に垂下させる。容器２０内には水Ｗが入っている。
また、軸１１の回転装置として、モータ１１１とスピンドル１１２と連結継ぎ手１１３とからなる回転装置１１０を備えている。
【００２７】
この試験機により下記の条件で回転試験を行い、振動値を基準とした軸受寿命を測定した。すなわち、軸受に生じる振動を回転試験中に常時測定し、この振動値が初期値の３倍以上となった時点で試験を中止し、それまでの総回転数を寿命とした。なお、全ての転がり軸受に対してグリースおよび潤滑油による潤滑は行わなかった。
＜回転試験条件＞
雰囲気温度：常温
ラジアル荷重：９Ｎ
回転速度：３０００ｍｉｎ-1
【００２８】
そして、各試験用軸受の耐久性（回転寿命）を比較するために、サンプルNo. ３の転がり軸受の寿命を「１」とした時の相対値を算出した。その結果、寿命の相対値が、本発明の実施例に相当する方法で作製した玉３を用いたNo. １では「１０」であり、特許文献４の方法で作製した玉３を用いたNo. ２では「５」であった。
このように、本発明の実施例に相当するNo. １の玉３を用いた転がり軸受は、No. ２および３を用いた転がり軸受と比較して、腐食性環境下での寿命が著しく長くなる。
【００２９】
〔第２実施形態〕
図４は、本発明の転動装置の実施形態である転がり軸受の構造を示す部分縦断面図である。
この転がり軸受は、呼び番号７０ＢＮＲ１０Ｔのアンギュラ玉軸受（内径７０ｍｍ、外径１００ｍｍ、幅２０ｍｍ、玉の直径８．７３ｍｍ）であり、外周面に軌道面１ａを有する内輪（第１部材）１と、軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪（第２部材）２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の玉（転動体）３と、玉３を保持する保持器４と、シール５と、からなる。
【００３０】
第１実施形態と同じ方法で作製したNo. １〜３の玉と、ＳＨＸ材を用いた以外は第１実施形態と同じ方法で作製した内輪１および外輪２と、フェノール樹脂製の保持器４を用いて、図４に示す転がり軸受を組み立てた。
そして、組み立てた各転がり軸受を図５に示す試験機にかけて、オイルエアー潤滑での耐焼付き性を調べる試験を行った。この試験機は、ベルト２１で駆動される回転軸２２を有し、この回転軸２２とハウジング２３との間に試験軸受２４として、図４の転がり軸受を取り付ける。また、回転軸２２のベルト２１とは反対側の端部に、サポート軸受２５が取り付けられている。また、各試験軸受２４の軸受空間に向かう流路２６を設け、その入口２６ａに、オイルエアー導入チューブのコネクタを取り付ける。さらに、試験軸受２４の外輪の温度を測定する熱電対２７が設けてある。
【００３１】
この試験機により下記の条件で回転速度を変えて回転試験を行い、２時間後に試験軸受２４の外輪の温度が試験前よりどれくらい上昇するかを調べた。その結果を図６のグラフに示す。
＜回転試験条件＞
雰囲気温度：常温
アキシャル荷重：２００Ｎ
回転速度：５０００ｍｉｎ-1、１００００ｍｉｎ-1、１５０００ｍｉｎ-1、２００００ｍｉｎ-1、２５０００ｍｉｎ-1、３００００ｍｉｎ-1
オイルエアーとして供給した潤滑油：ＶＧ２２（鉱油）
オイルエアー供給量：０．２ミリリットル／ｍｉｎ
【００３２】
図６のグラフから分かるように、本発明の実施例に相当する方法で作製した玉３を用いたNo. １では、特許文献４の方法で作製した玉３を用いたNo. ２よりも外輪温度上昇値が小さかった。よって、本発明の実施例に相当する方法で作製した玉３を用いたNo. １では、特許文献４の方法で作製した玉３を用いたNo. ２よりも、オイルエアー潤滑での耐焼付き性に優れている。
【００３３】
また、本発明の実施例に相当する方法で作製した玉３を用いたNo. １では、回転速度が３００００ｍｉｎ-1（ｄｍｎ値２５５万に相当）で外輪温度上昇値が２０℃であった。これに対して、特許文献４の方法で作製した玉３を用いたNo. ２では、回転速度が１５０００ｍｉｎ-1（ｄｍｎ値１２７．５万に相当）で外輪温度上昇値が２０℃であり、回転速度が２５０００ｍｉｎ-1で４０℃であった。
したがって、本発明の実施例に相当するNo. １の玉３を用いた転がり軸受は、No. ２および３を用いた転がり軸受と比較して、ｄｍｎ値が１４０万以上となる高速回転下での寿命を十分長くできることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】セラミックス試験片の表面に対して、ボールミル工程を行った場合と、特許文献４の方法でショットブラストした場合の、セラミックス試験片の表面からの深さと破壊靱性値との関係を示すグラフである。
【図２】本発明の第１実施形態である転がり軸受の構造を示す部分縦断面図である。
【図３】第１実施形態で使用した、腐食性液中に浸漬した状態での耐久性を調べる回転試験機を示す概略構成図である。
【図４】本発明の第２実施形態である転がり軸受の構造を示す部分縦断面図である。
【図５】第２実施形態で使用した、オイルエアー潤滑での耐焼付き性を調べる回転試験機を示す概略構成図である。
【図６】回転速度を変えて回転試験を行い、外輪温度上昇値の変化を調べた結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１  内輪（第２部材）
１ａ  軌道面
２  外輪（第１部材）
２ａ  軌道面
３  玉（転動体）
４  保持器
１０  試験軸受
１１  軸
１１ａ  軸の先端部
１１０  回転装置
１１１  モータ
１１２  スピンドル
１１３  連結継ぎ手
１２  ハウジング
１３  プレート
１４  振動計
１５  ワイヤー
１６  重り
２０  容器
３０  台
３１  アーム
３２  滑車
２１  ベルト
２２  回転軸
２３  ハウジング
２４  試験軸受
２５  サポート軸受
２６  オイルエアー導入用流路
２６ａ  オイルエアー導入口
２７  熱電対
Ｗ  水
【図１】
2009197830.tif 000003
【図２】
2009197830.tif 000004
【図３】
2009197830.tif 000005
【図４】
2009197830.tif 000006
【図５】
2009197830.tif 000007
【図６】
2009197830.tif 000008