(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
最終仕上げ後の転がり接触面の表面部の残留応力を、引張り側を正として−１０００〜２５０ＭＰａの範囲に設定し、上記表面部の最表層面部の残留応力を、引張り側を正として−１０００〜０ＭＰａの範囲に設定したことを特徴とするセラミックス製転動部品。
【請求項２】
セラミックス製焼結体の転がり接触面の最終仕上げとして粒度♯５０００以上のダイヤモンド砥粒を用いてラップ加工を施すことにより、転がり接触面の表面部の残留応力を引張り側を正として−１０００〜２５０ＭＰａの範囲に設定するとともに、上記表面部の最表層面部の残留応力を引張り側を正として−１０００〜０ＭＰａの範囲に設定することを特徴とするセラミックス製転動部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
セラミックス製の焼結体を加工して形成されるセラミックス製転動部品およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
近年、セラミックス部材は各種の部品材料として多用されている。例えば、窒化ケイ素系セラミックスは、優れた耐熱性、耐蝕性、耐摩耗性等を有することから、過酷な条件下で使用される機械部品用材料、例えばベアリングの転動体であるボールやローラの材質として用いられている。
【０００３】
一般にセラミックス材料は高価である。したがって、コスト的にみると、素材となるセラミックス製焼結体を研削加工して所要の形状の転動部品を得るときに、削り取る量をできるだけ少なくすることが好ましい。
しかし、焼結仕上げの状態では表面が粗いため、そのままでは転動部品に使用できない。そのため、研削加工が必要となるが、加工方法によっては転動部品の表層の極めて浅い領域に高い残留応力が分布するため、転動部品の疲れ寿命に悪影響を及ぼす。結果として、低コストと長寿命を両立させることが困難であった。
【０００４】
また、セラミックス製の転動体は、同一組成で同一の焼結密度を有するセラミックス焼結体を用いさらに同程度の加工精度に仕上げた転動体であっても、ロット間での転がり寿命のばらつきが大きいため、転がり寿命に優れたものを安定して供給することができず、したがって信頼性が低いという問題があった。
ところで、表面残留応力を引張応力とすることで良好な転がり寿命を得ようとする試みがなされている（例えば特開平６−４８８１３号公報参照）。
【０００５】
しかしながら、所要の形状の転動部品を得るためにセラミックス製焼結体に研削加工を施した場合、通常、最表面で圧縮応力が残留し、深さ１０μｍ程度までの領域には、例えば１０００ＭＰａ程度のかなり高い引っ張り応力が残留するものである。
一方、一般的に、転動部品例えば軌道輪の表面に生ずる剥離のメカニズムは、下記のように考えられている。すなわち、表面の欠陥（表面の傷や材料欠陥等）の部分に、転動体の繰り返し通過による応力集中が起こり、欠陥の部分を起点として亀裂を発生し、これが成長して剥離に至ると考えられている。
【０００６】
このような観点からすると、上記のように高い残留引張応力が分布している場合には、むしろ亀裂の成長を助長するおそれがあり、耐久上好ましくないと考えられる。また、転動部品は圧縮応力を受けて使用されることから、転動部品自体が表面部に過大な残留圧縮応力を有することも耐久上、好ましくない。
そこで、本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、安価で寿命が長く且つ信頼性が高いセラミックス製転動部品およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための課題解決手段として、本発明のセラミックス製転動部品は、最終仕上げ後の転がり接触面の表面部の残留応力を、引張り側を正として−１０００〜２５０ＭＰａの範囲に設定し、上記表面部の最表層面部の残留応力を、引張り側を正として−１０００〜０ＭＰａの範囲に設定したことを特徴とするものである。
【０００８】
このように表面部に残留する応力が引張り側を正として−１０００〜２５０ＭＰａの範囲にあれば、転動軌道下の表面部の欠陥の成長を防止できる為、転がり疲れ寿命に悪影響を与えるおそれがなく、しかも、ロット間での転がり寿命のばらつきが小さい。
なお、過大な圧縮応力は転動体の耐久性を低下することから、残留寿命評価の観点から−１０００Ｍｐａまでの範囲にあることが好ましい。
【０００９】
また、過大な圧縮荷重が負荷された場合に若干の（２５０ＭＰａ以下、好ましくは１００ＭＰａ以下の）引張応力が存在していると、緩衝的な役割を担うので、より転がり疲れ寿命が増す。
特に、上記表面部の最表層面部の残留応力を、引張り側を正として−１０００〜０の範囲に設定したので、下記の利点がある。すなわち、転動軌道下の最表層面部の欠陥の成長を防止できる為、一層、転がり疲れ寿命に悪影響を与えるおそれがなく、しかも、ロット間での転がり疲れ寿命のばらつきが小さい。
【００１０】
ここで、最表層面部とは最表面から深さ１μｍまでの領域を意味し、表面部とは最表面から深さ１０μｍまでの領域を意味する。また、本発明の転動部品に用いるセラミックス材質としては、特に限定されるものではないが、窒化ケイ素、アルミナ、炭化ケイ素、チタニア、炭化チタン、ムライト、ジルコニア又はこれらの混合物がある。
【００１１】
また、残留応力の測定方法としては、残留応力の大きさに比例して変化する結晶の格子面間隔をＸ線回折によって測定して残留応力を求める方法（sin2φ法) や、残留応力に起因する密度の変化を超音波によって測定して残留応力を求める方法等を適用することが好ましい。これらの方法であれば、微小部分の最表層面部或いは表面部の残留応力を正確且つ非破壊で測定することができる。
【００１２】
そして、上記のセラミックス製転動部品を得るには、セラミックス製焼結体の転がり接触面の最終仕上げとして粒度♯５０００以上のダイヤモンド砥粒を用いてラップ加工を施すことにより、転がり接触面の表面部の残留応力を引張り側を正として−１０００〜２５０ＭＰａの範囲に設定するとともに、上記表面部の最表層面部の残留応力を引張り側を正として−１０００〜０ＭＰａの範囲に設定する製造方法がある。
この場合、ラップ加工の前段階で行われる研削や研磨の量がわずかであって転がり接触面に残留する引張応力が過大となっている場合にも、粒度♯５０００以上のダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工を施すことによって引張り側に残留する応力を少なくすることができ、結果として、材料ロスの低減を通じて製造コストを安価にすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の一実施形態の転動部品としてのボールを含む軸受の断面図であり、鋼製の内輪１と外輪２との間にセラミックス製ボール３を介在させてある。４は保持器である。
【００１５】
このボール３は球面からなる転がり接触面３ａを持っており、本実施形態の特徴とするところは、上記転がり接触面３ａの表面部の残留応力を引張り側を正として−１０００〜２５０ＭＰａの範囲になるように設定したことである。
このボール３を製造する方法は下記である。すなわち、例えば窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）粉末に、焼結助剤および有機バインダを混合して得られる混合粉末を加圧焼結法（ホットプレス法或いはホットアイソスタティックプレス法）      または常圧焼結法にて形成し、セラミックス製焼結体を得る。セラミックス素材としては、特に限定されるものではなく、上記した窒化ケイ素の他、炭化ケイ素、アルミナ、炭化チタン、チタニア、ムライト、ジルコニア又はこれらの複合物を例示することができる。例えば窒化ケイ素と炭化ケイ素の複合焼結体とすることもできる。
【００１６】
また、焼結助剤としては、希土類元素、アルミニウム、マグネシウム等の酸化物又はこれらの複合酸化物があり、具体的には、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 、ＨｆＯ2 、ＡｌＮ、Ｙ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 、Ｌｕ2 Ｏ3 、Ｔｍ2 Ｏ3 等を例示することができる。
次いで、得られたセラミックス製焼結体を研削加工して、ボール３の概略形状の中間体を得る。次いで中間体の表面に対して、粒度♯６００程度のダイヤモンドホイールを用いて精研磨を施した後、最終仕上げとしてのラップ加工を施し、ボール３を製造した。ラップ加工の条件としては、例えば粒度♯５０００以上のダイヤモンド砥粒を用いて５時間以上のラップ仕上げを行う場合を例示することができる。このラップ仕上げによって、転がり接触面３ａの表面部（最表面から深さ１０μｍまでの領域）に残留する応力を引張り側を正として−１０００〜２５０ＭＰａの範囲になるようにした。
【００１７】
本実施形態によれば、最終仕上げとして上記条件のラップ加工を施すことにより、転がり接触面３ａの表面部（最表面から深さ１０μｍまでの領域）に残留する応力を引張り側を正として−１０００〜２５０ＭＰａの範囲に設定したので、転がり疲れ寿命に悪影響を与えるおそれがなく、しかも、ロット間での転がり寿命のばらつきが小さい。したがって、優れた転がり寿命を有する転動部品を安定して供給することが可能となり、信頼性を大幅に向上させることができる。
【００１８】
本実施形態では転動部品としてボールを示したが、本発明は、円筒ころ、円錐ころ、針状ころ等の転動体にも適用することができる。また、軸受の外輪や内輪にも適用することができる。何れにしても転がり接触を生ずる部品であれば適用することができる。
また、セラミックス製焼結体の成形についても、上記したプレス成形の他、スリップキャスティング成形、射出成形等を使用することができる。
【００１９】
【実施例】
−実施例１−
窒化ケイ素（Si3N4)粉末に、焼結助剤としてＹ2 Ｏ3 粉末約４重量％およびＡｌ2 Ｏ3 粉末約６重量％を添加し、十分に混合して原料粉末を調製した。次いで、原料粉末に有機バインダを加え、さらに十分に混合した。
【００２０】
次に、プレス成形により軸受のボールと近似形状の成形体を作成した。次いで、この成形体を窒素雰囲気、１気圧の雰囲気圧力のもと焼成し、焼結体を得た。焼結後に、ＨＩＰ（ホットアイソタスクティックプレス）を施した。
次いで、焼結体を研磨加工して概略形状を得た後、粒度♯５０００のダイヤモンド砥粒を用いて５０時間のラップ仕上げを施した実施例１を作成した。
【００２１】
−実施例２−
実施例１に対してラップ仕上げの条件のみが異なる実施例２を作成した。具体的には、粒度♯１００００のダイヤモンド砥粒を用いて５０時間のラップ仕上げを行った。
−比較例１−
実施例１のラップ仕上げに代えて、♯１０００のダイヤモンドホイールにて研磨加工を施し、比較例１を作成した。
【００２２】
−比較例２−
実施例１のラップ仕上げに代えて、♯５０００のダイヤモンドホイールにて研磨加工を施し、比較例２を作成した。
−残留応力測定−
上記の各実施例および各比較例について、転がり接触面の表面部の残留応力をＸ線回折を用いたsin2φ法により測定したところ、図１に示す結果を得た。プラスの値は引張応力、マイナスの値は圧縮応力を示している。
【００２３】
一般的な研磨を施した比較例１では、最表層面部では圧縮応力が残留しているものの、深さ１０μｍ程度までの領域には、１０００ＭＰａ程度のかなり高い引張応力が残留している。また、精研磨を施した比較例２では、表層部に５５０ＭＰａ程度の引張残留応力が分布している。
これに対して、ラップ仕上げを施した実施例１では、１００ＭＰａの引張応力が残留するものの、亀裂の成長を促すおそれのない低いレベルとなっている。
【００２４】
実施例２では引張応力の残留は殆どない。
実施例１と比較例２とではダイヤモンド砥粒の粒度は同じであり表面の粗さはほぼ等しい。この２つの応力分布の違いは加工方法の相違にあるものと考えられる。
−転がり疲れ寿命試験−
各実施例および各比較例のボールをそれぞれ８個、深溝玉軸受（６２０６番）に組み込んで、４２０Ｋｇｆのラジアル荷重を加えながら回転数３０００ｒｐｍで回転軸を回転させ、寿命試験を行った。ボールの剥離の検出は軸受の振動を計測することで行っている。ただし、６００時間に達しても異常のないものについては、その時点を試験を打ち切った。この試験を各５回実施した結果を表１に示す。
【００２５】
【表１】
0003770288.tif 000002
【００２６】
表１から判るように、ラップ仕上げを施して表面部に残留する応力が引張り側を正として１０００〜２５０Ｍｐａの範囲にある実施例１，２は長寿命であった。これに対して、比較例１，２は短寿命であった。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、優れた転がり寿命を有する転動部品を安定して供給することが可能となり、信頼性を大幅に向上させることができる。
また、最終仕上げに粒度♯５０００以上のダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工を用いる場合には、仮にその前段階で過大の引張応力が残留していたとしても、ラップ加工によって残留応力を好ましい範囲にすることができる。結果として、前段階での研削量や研磨量を少なくすることが可能となり、材料ロスを少なくして製造コストを安価にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の転動部品としてのボールを含む軸受の断面図である。
【図２】実施例および比較例の表層部での応力分布を示す図である。
【符号の説明】
３    ボール（転動部品）
３ａ  転がり接触面
【図１】
0003770288.tif 000003
【図２】
0003770288.tif 000004