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技術 セラミック素球の製造方法

出願人 株式会社アテクト
発明者 北村武彦前田信
出願日 2015年8月3日 (5年6ヶ月経過) 出願番号 2015-153398
公開日 2017年2月9日 (4年0ヶ月経過) 公開番号 2017-031011
状態 拒絶査定
技術分野 ころがり軸受 セラミック製品 酸化物セラミックスの組成1 セラミック製品3 材料からの成形品の製造
主要キーワード ベアリング球 ガス抜き部 衝合面 放電加工性 粉末射出成形法 略球面状 母材樹脂 炭素還元
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この項目の情報は公開日時点(2017年2月9日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (2)

課題

炭化ホウ素硬度を損なうことなく放電加工性に優れた炭化ホウ素の焼結体を得る。

解決手段

本発明のセラミック素球1の製造方法は、被焼結材料2とバインダ3とを混合して混合物6を得る混合工程と、混合工程で混合された混合物6を、球状の成形部7を備えた金型8内に射出して、球状の成形体5を得る射出工程と、射出工程で得られた成形体5を焼結することでセラミック素球1を得る焼結工程と、を備えている。なお、被焼結材料2には炭化ホウ素が用いられているのが好ましく、導電性物質気化した雰囲気中で炭化ホウ素の成形体5を焼結するのが好ましい。

概要

背景

従来よりベアリング球としてセラミック製のセラミックボールが用いられている。このセラミックボールは、高い硬度を有するサーメットなどの焼結体素球(セラミック素球)を、焼結後に研磨などにより真球のセラミックボールに加工して製造されている。このようなセラミックボールの製造技術としては、特許文献1や特許文献2のようなものが既に開示されている。

例えば、特許文献1には、中央に円周方向全体にわたって外側に突出する帯状部を有するセラミックボール素球であって、帯状部を除く球状体平坦部が形成されたセラミックボール素球が開示されている。この特許文献1のセラミックボール素球では、上述した帯状部や平坦部を設けることでプレス成形時の離形性が向上するものとされている。
また、特許文献2にも両端部に略球面状の球面部を有し、中央部に円周方向全体にわたる帯状部が形成されたセラミックボール素球が開示されている。この特許文献2には、状部金型と下部金型との間に圧力をかけて粉体をプレス成形する際に、両金型の間に入り込んだ粉体がセラミックボール素球の外周に帯状部として環状に形成されてしまうことが記載されており、帯状部を研磨などにより除去可能な点も開示されている。

概要

炭化ホウ素の硬度を損なうことなく放電加工性に優れた炭化ホウ素の焼結体を得る。本発明のセラミック素球1の製造方法は、被焼結材料2とバインダ3とを混合して混合物6を得る混合工程と、混合工程で混合された混合物6を、球状の成形部7を備えた金型8内に射出して、球状の成形体5を得る射出工程と、射出工程で得られた成形体5を焼結することでセラミック素球1を得る焼結工程と、を備えている。なお、被焼結材料2には炭化ホウ素が用いられているのが好ましく、導電性物質気化した雰囲気中で炭化ホウ素の成形体5を焼結するのが好ましい。

目的

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、焼結後に帯状部を有さないセラミック素球の製造方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
0件

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請求項1

被焼結材料バインダとを混合して混合物を得る混合工程と、前記混合工程で混合された混合物を、球状の成形部を備えた金型内射出して、球状の成形体を得る射出工程と、前記射出工程で得られた成形体を焼結することでセラミック素球を得る焼結工程と、を備えていることを特徴とするセラミック素球の製造方法。

請求項2

前記被焼結材料には、炭化ホウ素が用いられていることを特徴とする請求項1に記載のセラミック素球の製造方法。

請求項3

前記焼結工程は、導電性物質気化した雰囲気中で、前記炭化ホウ素の成形体を焼結することを特徴とする請求項2に記載のセラミック素球の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、ベアリングを構成するベアリング球の元となる素球の製造方法に関するものであり、特に、セラミックで形成されたセラミック素球の製造方法に関するものである。

背景技術

0002

従来よりベアリング球としてセラミック製のセラミックボールが用いられている。このセラミックボールは、高い硬度を有するサーメットなどの焼結体の素球(セラミック素球)を、焼結後に研磨などにより真球のセラミックボールに加工して製造されている。このようなセラミックボールの製造技術としては、特許文献1や特許文献2のようなものが既に開示されている。

0003

例えば、特許文献1には、中央に円周方向全体にわたって外側に突出する帯状部を有するセラミックボール素球であって、帯状部を除く球状体平坦部が形成されたセラミックボール素球が開示されている。この特許文献1のセラミックボール素球では、上述した帯状部や平坦部を設けることでプレス成形時の離形性が向上するものとされている。
また、特許文献2にも両端部に略球面状の球面部を有し、中央部に円周方向全体にわたる帯状部が形成されたセラミックボール素球が開示されている。この特許文献2には、状部金型と下部金型との間に圧力をかけて粉体をプレス成形する際に、両金型の間に入り込んだ粉体がセラミックボール素球の外周に帯状部として環状に形成されてしまうことが記載されており、帯状部を研磨などにより除去可能な点も開示されている。

先行技術

0004

特開2013−209283号公報
特開2001−163673号公報

発明が解決しようとする課題

0005

ところで、特許文献1や特許文献2の技術で製造されたセラミックボール素球には、必然的に帯状部(バリなどを含む)が存在することとなる。
しかしながら、このような帯状部は、焼結後に研磨などで除去しなくてはならず、除去に多大な手間が必要なものとなっていた。また、近年は、セラミック素球のセラミックス窒化ホウ素(cBN)や炭化ホウ素(B4C)などの超硬材料が用いられており、より一層帯状部の除去に手間がかかるものとなっていた。

0006

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、焼結後に帯状部を有さないセラミック素球の製造方法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

上記課題を解決するため、本発明のセラミック素球の製造方法は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明のセラミック素球の製造方法は、被焼結材料バインダとを混合して混合物を得る混合工程と、前記混合工程で混合された混合物を、球状の成形部を備えた金型内射出して、球状の成形体を得る射出工程と、前記射出工程で得られた成形体を焼結することでセラミック素球を得る焼結工程と、を備えていることを特徴とする。

0008

なお、好ましくは、前記被焼結材料には、炭化ホウ素が用いられているとよい。
なお、好ましくは、前記焼結工程は、導電性物質気化した雰囲気中で、前記炭化ホウ素の成形体を焼結するとよい。

発明の効果

0009

本発明にかかるセラミック素球の製造方法によれば、焼結後にバリなどを含む帯状部を有さないため、帯状部を除去するための工程を不要とすることが可能となる。

図面の簡単な説明

0010

本実施形態にかかるセラミック素球の製造方法の手順を模式的に示した図である。

実施例

0011

以下、本発明にかかるセラミック素球1の製造方法の実施形態を、図面に基づき説明する。
本実施形態で述べる「セラミック素球1」とは、軸受等に用いられるベアリングを構成するベアリング球の元となる素球(ベアリング素球)のことである。本明細書では、このベアリング素球がセラミックで構成されているため、セラミック素球1と呼ぶ。

0012

図1は、本実施形態のセラミック素球1の製造方法を模式的に示したものである。
図1に示すように、本実施形態のセラミック素球1の製造方法は、被焼結材料2とバインダ3とを混合して混合物6を得る「混合工程」と、混合工程で混合された混合物6を、球状の成形部7を備えた金型8内に射出して、球状の成形体5を得る「射出工程」と、射出工程で得られた成形体5を焼結することでセラミック素球1を得る「焼結工程」と、を備えている。

0013

次に、本実施形態のセラミック素球1の製造方法を構成する「混合工程」、「射出工程」、及び「焼結工程」について説明する。
図1に示すように、混合工程は、被焼結材料2とバインダ3とを混合して混合物6を得る工程であり、本実施形態では混練機4を用いて混合が行われている。
この混合工程で混合される被焼結材料2には、チタンニッケルコバルトニオブタングステンなどを組み合わせたサーメット、窒化ホウ素、炭化ホウ素などを用いることができる。特に好ましくは、炭化ホウ素の粉末粒子を用いるのが良い。例えば、炭化ホウ素の粒子としては、熱炭素還元反応を用いて合成されたものを用いるのが良い。つまり、熱炭素還元反応を用いて、ホウ素源ホウ酸(H3BO3)や酸化ホウ素(B2O3))と炭素源活性炭石油コークスなど)を直接混合し、高温加熱を行えば、本実施形態の製造方法に用いることができるような炭化ホウ素の粒子を得ることが可能となる。なお、炭化ホウ素の粒子には、熱炭素還元反応以外の方法で合成された粒子を用いても良い。

0014

なお、以降では、被焼結材料2に炭化ホウ素の粒子を用いた例を挙げて、本発明のセラミック素球1の製造方法を説明する。
バインダ3は、炭化ホウ素の粒子同士を結着することにより、成形体5における炭化ホウ素の粒子の保形性を向上させるものである。被焼結材料2に炭化ホウ素を用いる場合であれば、バインダ3には、アクリル樹脂ポリスチレン、またはポリプロピレンなどの母材樹脂に、ワックスなどを混合した混合物6が用いられる。

0015

また、ワックスとしては、脂肪酸エステル脂肪酸アミドフタル酸エステルパラフィンワックスマイクロクリスタリンワックスポリエチレンワックスポリプロピレンワックスカルナバワックス、モンタン系ワックス、ウレタン化ワックス、無水マレイン酸変性ワックス、及びポリグリコール化合物から選ばれる少なくとも1種以上を用いることができる。

0016

さらに、これらのワックスに加えて、炭化ホウ素の粒子と母材樹脂との親和性(結着性)を高めるなどの目的で、ポリエチレンアモルファスポリオレフィンエチレン酢酸ビニル共重合体ポリビニルブチラール樹脂グリシジルメタクリレート樹脂などを結着補助剤として加えることもできる。
上述した被焼結材料2とバインダ3との混合に用いられる混練機4には、バッチ式混練機の他、連続式混練機などを用いることができる。混練機4の軸数は1軸でも2軸(多軸)でも良い。このようにして混練が行われた混練物(混合物6)は成形機射出成形機9)に送られる。

0017

射出工程は、混合工程で混合された混合物6を、球状の成形部7を備えた金型8内に射出して、球状の成形体5を得る工程である。射出工程には、以降に示すような射出成形機9を用いた粉末射出成形法が用いられる。
具体的には、本実施形態の場合であれば、炭化ホウ素の粒子2と、バインダ3とを混合し、得られた混合物6を金型8内に射出成形して、所定の形状の成形体5を成形する。このとき、射出成形機9の金型8は、上金型8Uと下金型8Dとを上下に組み合わせたものとされ、両金型8U、8Dの衝合面にはセラミック素球1の球形状を象った成形部7が形成される。つまり、上金型8Uの衝合面には上半分の半球を象った成形部7が上方に向かって半球状に凹むように形成され、下金型8Dの衝合面には下半分の半球を象った成形部7が下方に向かって半球状に凹むように形成される。そして、上金型8Uまたは下金型8Dのいずれかには、成形部7の内外を結ぶ射出部10が設けられている。また、金型8の内部には、金型8内のガスを金型8外に排出するガス抜き部(図示略)が形成されているのが好ましい。

0018

このような射出成形機9を用いて射出成形する際は、上金型8U及び下金型8Dを予め上下方向で付き合わせ(衝合させ)ておく。このとき、上金型8Uと下金型8Dとの間には、上半分の半球を象った成形部7と、下半分の半球を象った成形部7とが組み合わされて、球形の成形部7が形成されている。このような射出成型法を用いれば、金型8同士がはじめから衝合されているため、プレス成形で成形する場合のように帯状部やバリが形成されることがない。そのため、焼結体に対して帯状部やバリを除去するための研磨を別途行う必要もなくなる。

0019

上述した射出工程が終了した成形体5(射出成形体)に対しては、加熱炉11を用いて脱脂が行われる。この脱脂は、成形体5からバインダ3を除去するために実施されるが、射出工程で成形された混練物中に入り込んだ空気などのガスや成形体5中に含まれる溶剤などを除く効果も得られる。この脱脂を行うことで、焼結体の膨れクラックを防止することができる。

0020

この脱脂を行う雰囲気は、窒素アルゴンなどの不活性ガス水素ガスのようなガスを用いて行われ、非酸化性のものとなっている。特に好ましくは、この非酸化性の雰囲気としては、大気圧に対して減圧された不活性ガスの雰囲気、大気圧に保持した不活性ガスの雰囲気、あるいは大気圧に保持した水素ガスの雰囲気を用いるのが良い。
また、脱脂は、バッチ式の加熱炉か、ベルト式プッシャー式、ウォーキング式などの連続式の加熱炉を用いて行うことができる。このようにして脱脂が行われた混練物に対しては、焼結工程が行われる。

0021

焼結工程は、射出工程で得られた成形体5を焼結することでセラミック素球1を得る工程である。焼結工程は、射出工程において金型8により所定の形状に成形された成形体5を高温状態に保持して、成形体5中の炭化ホウ素の粒子同士を結合させる工程である。この焼結工程は、上述した脱脂と同じ加熱炉11を用いて行われるが、成形体5を処理する温度及び時間が脱脂とは異なっている。

0022

また、焼結工程においては、難焼結性物質である炭化ホウ素の粒子の焼結を促進するために、焼結時の雰囲気中にアルミニウム(導電性物質)が気化されて加えられている。このアルミニウムは、加熱炉11の炉内に成形体5から距離をあけて設けられていて、焼結時に加熱炉11の熱により気化するようになっている。つまり、焼結工程においては、アルミニウムは融点を超える温度で加熱されることになるため、大気圧状態での飽和蒸気圧に達するまではガスとして気化し、気化したアルミニウムガスが加熱炉11内の雰囲気に含まれるようになる。

0023

このような気化したアルミニウムガスの雰囲気中で成形体5を焼結すると、気化したアルミニウムが成形体5の表面に存在するホウ素の酸化物に作用して、炭化ホウ素の焼結反応が促進され、セラミック素球1が製造される。
上述した混合工程、射出工程及び焼結工程を経て製造されたセラミック素球1に対しては、球体研磨機を用いて球体研磨が行われ、ベアリング球として用いられるセラミックボールが製造される。

0024

上述したセラミック素球1の製造方法は、射出成型法を用いて球状の成形体5を成形しているので、プレス成形の場合のように成形体5に帯状部が形成されることがない。そのため、プレス成形で成形された成形体5を焼結した場合のように、焼結体から帯状部を除去するための研磨を行う必要がなく、研磨工程が不要となる分だけ製造工程を簡単なものとして、製造コストの高騰を抑えることが可能となる。

0025

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件操業条件、各種パラメータ構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

0026

1セラミック素球
2被焼結材料
3バインダ
4混練機
5成形体
6 混合物
7成形部
8金型
8U上金型
8D下金型
9射出成形機
10射出部
11 加熱炉

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