ターボチャージャー用転がり軸受及びその製造方法
【課題】ターボチャージャー用転がり軸受の転動体を、窒化珪素よりも安価であり、かつ、線膨張係数が窒化珪素よりも軸受を形成する鋼材に近く、温度変化による予圧抜けの防止のために大きな予圧荷重をかける必要もない材料で形成する。
【解決手段】粒径1μm以下のイットリア含有ジルコニア粒子と、粒径1μm以下のアルミナ粒子とを混合して球状に成形した後、ジルコニア粒子及びアルミナ粒子が粒径2μm以下の微細粒となるように焼結し、研磨した転動体を備えるターボチャージャー用転がり軸受。
【解決手段】粒径1μm以下のイットリア含有ジルコニア粒子と、粒径1μm以下のアルミナ粒子とを混合して球状に成形した後、ジルコニア粒子及びアルミナ粒子が粒径2μm以下の微細粒となるように焼結し、研磨した転動体を備えるターボチャージャー用転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ターボチャージャー用転がり軸受に関し、特にその転動体の改良に関する。
【背景技術】
【0002】
ターボチャージャー用転がり軸受は高温、高速の環境条件下で使用されるため、硬さ低下による寿命低下、遠心力による転動体荷重の増加を防止するため、転動体に高硬度、軽量のセラミックスを用いられている(例えば、特許文献1参照)。転がり軸受では、転動寿命が最も長いことからセラミックス材料として窒化珪素が一般的であり、ターボチャージャー用転がり軸受においても窒化珪素製の転動体がこれまで使用されている。
【0003】
しかしながら、窒化珪素は原料コスト及び製造コストとも高く、また定位置予圧方式で使用される場合は外内輪材となる鋼と線膨張係数が大きく異なるため温度変化による予圧の変化(予圧抜け)といった問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第3110588号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
そこで本発明は、ターボチャージャー用転がり軸受の転動体を、窒化珪素よりも安価であり、かつ、線膨張係数が窒化珪素よりも軸受を形成する鋼材に近く、温度変化による予圧抜けの防止のために大きな予圧荷重をかける必要もない材料で形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するために本発明は、下記のターボチャージャー用転がり軸受及びその製造方法を提供する。
(1)内輪と、外輪との間に、保持器を介して複数の転動体を保持してなるターボチャージャー用転がり軸受において、前記転動体が、ジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックスからなることを特徴とするターボチャージャー用転がり軸受。
(2)前記転動体が、1.5〜5モル%のイットリアを含有するジルコニア50〜95質量%と、アルミナ50〜5質量%とからなることを特徴とする上記(1)記載のターボチャージャー用転がり軸受。
(3)前記転動体におけるジルコニア粒子及びアルミナ粒子の粒径が2μm以下であることを特徴とする上記(1)または(2)記載のターボチャージャー用転がり軸受。
(4)前記転動体におけるSiO2、Fe2O3、Na2Oの各含有量が、何れも0.3質量%以下であることを特徴とする上記(1)〜(3)の何れか1項に記載のターボチャージャー用転がり軸受。
(5)前記転動体のビッカ−ス硬度Hvが1300〜1700、破壊靭性値が4.5MPa・m1/2以上、抗折強度が1000MPa以上であることを特徴とする上記(1)〜(4)の何れか1項に記載のターボチャージャー用転がり軸受。
(6)ターボチャージャー用転がり軸受の製造方法において、粒径1μm以下のイットリア含有ジルコニア粒子と、粒径1μm以下のアルミナ粒子とを混合して球状に成形した後、焼結し、研磨して転動体を製造する工程を含むことを特徴とするターボチャージャー用転がり軸受の製造方法。
【発明の効果】
【0007】
本発明のターボチャージャー用転がり軸受におけるジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックス製転動体は、窒化珪素よりも原料コストが低く、製造過程も簡素である。また、ジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックスは、内外輪を形成する鋼材との線膨張係数差が窒化珪素よりも小さいため、大きな予圧荷重をかける必要もない。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本発明のターボチャージャー用転がり軸受の一例(アンギュア玉軸受)を示す断面図である。
【図2】本発明のターボチャージャー用転がり軸受の他の例(複列アンギュラ玉軸受)を示す断面図である。
【図3】試験1で得られたアルミナ含有量と曲げ強度との関係を示すグラフである。
【図4】試験1で得られたアルミナ含有量とビッカース硬さHvとの関係を示すグラフである。
【図5】試験1で得られたアルミナ含有量と破壊靭性値との関係を示すグラフである。
【図6】試験2で用いたスラスト軸受回転試験装置を示す概略図である。
【図7】試験2で得られたアルミナ含有量と疲労寿命との関係を示すワイブル図表である。
【図8】試験3で得られたFe2O3含有量と疲労寿命との関係を示すワイブル図表である。
【図9】試験3で得られたFe2O3含有量と振動値との関係を示すグラフである。
【図10】試験3において試験後に転動体(Fe2O3含有量0.35質量%)の転動体表面を撮影した顕微鏡写真である。
【図11】試験3において試験後に転動体(Fe2O3含有量0.5質量%)の転動体表面を撮影した顕微鏡写真である。
【図12】試験3において試験後に転動体(Fe2O3含有量0.1質量%)の転動体表面を撮影した顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明のターボチャージャー用転がり軸受について、図面を参照して詳細に説明する。
【0010】
本発明においてターボチャージャー用転がり軸受の構造には制限はなく、例えば図1に示すようなアンギュラ玉軸受を例示することができる。また、図2に示すように、複列化したものであってもよい。更に、図示は省略するが、スラスト軸受であってもよい。
【0011】
また、ターボチャージャー用転がり軸受において、転動体は後述するジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックス製であるが、内輪及び外輪をSUJ2鋼、SUS鋼、13Cr鋼等の通常軸受に使用される金属で形成することにより軸受全体として安価にすることができる。また、内輪及び外輪の軌道面、好ましくは全表面に浸炭窒化処理等の硬化処理を施すことにより、耐摩耗性が向上して好ましい。保持器は金属製でもよいが、軸受全体の軽量化や、転動体との衝突音を低減するために、ポリアミドやポリアセタール、PPS等の耐熱性の樹脂にガラス繊維や炭素繊維等の繊維状補強材を配合してなる樹脂組成物製とすることが好ましい。
【0012】
転動体は、原料粉末としてジルコニア粒子、アルミナ粒子及びイットリア粒子を用意し、混合して球状に成形した後、焼結して得られる。また、原料粉末としてイットリアを含有するジルコニア粒子と、アルミナ粒子とを用いることが好ましい。特に、1.5〜5モル%のイットリアを含有するジルコニア粒子を50〜95質量%、アルミナ粒子を50〜5質量%の配合比にすることにより、機械的強度及び転動体疲労寿命において窒化珪素と遜色のないものが得られる。ジルコニアにイットリアを固溶させると、構造中に酸素空孔が形成されて立方晶あるいは正方晶となり、室温でも安定または準安定となり、強度が向上する。但し、ジルコニア中のイットリア含有量が1.5モル%未満では正方晶からなる焼結体が得られず、5モル%超では正方晶が減少して立方晶が主体となるため、転移による高強度化が得られない。ジルコニア中のイットリア含有量は、3モル%がより好ましい。また、アルミナの含有量は10〜30質量%がより好ましく、さらに好ましくは20質量%である。
【0013】
また、原料粉末における不純物は少ない方が好ましく、特にSiO2、Fe2O3、Na2Oを極力減少させることにより、焼結性が向上してより緻密化することができる。SiO2、Fe2O3、Na2Oはそれぞれ0.3質量%以下であることが好ましく、より好ましくは0.1質量%以下、さらに好ましくは0.02質量%以下である。これらの不純物が0.3質量%を超えると運転時に転動体の表面からセラミックス粒子の脱落が起こり易くなり、転動体表面の粗さの低下、脱落したセラミックス粒子による軌道面の微細な損傷が発生し、振動が大きくなり音響寿命を短くするおそれがある。また、転動体の疲労寿命もこのような不純物が起点となり、早期剥離を引き起こす原因にもなる。
【0014】
特に、アルミナ粒子は、ジルコニア粒子より硬度が高いため、微小な粒子であっても脱落した場合に音響寿命に与える影響が大きい。そのため、原料中の不純物を極力少なくしないとジルコニア粒子とアルミナ粒子との結合力が弱くなり、アルミナ粒子が脱落し易くなる。そのため、不純物量を上記のように極力少なくして転動体表面からのアルミナ粒子の脱落を防止することが好ましい。
【0015】
原料粉末の混合にはアルコール中で湿式混合する方法が好ましいが、1μm以下の粒子を用いた場合は概ね24時間の混合で十分であるのに対し、1μmを超える粒子を使用した場合は概ね100時間以上の混合を擁する。そのため、本発明では、原料粉末に用いる各粒子として粒径1μm以下の微粒子を用いることが好ましい。
【0016】
成形には、金型成形あるいは冷間静水圧加圧(CIP)成形を行うことができる。
【0017】
その後、大気炉での酸素気流中で脱脂し、焼結を行うが、焼結には熱間静水圧加圧(HIP)焼結法が好ましい。また、予備焼結を行った後に、熱間静水圧加圧焼結してもよい。この焼結においても、原料粉末として1μm以下の儀粒子を用いることにより、ジルコニア粒子及びアルミナ粒子は粒径2μm以下の微細粒になり、より緻密な焼結体となる。より好ましくは500nm、特に好ましくは200nm以下の微粒子を用いる。これに対し、粒径1μmを超える粒子を用いた場合、空孔のない緻密な焼結体を得るためには、脱脂及び焼結温度は現行温度よりも200℃以上高い温度にする必要があり、保持時間も現行の2倍以上を必要とする。更に、脱脂及び焼結は常圧でなく、加圧焼結しないと空孔が残存する。そのため、脱脂及び焼結設備も大がかりになり、連続式でなくバッチ式の焼結にもなるため製造コストが高くなる。
【0018】
そして、焼結後に鏡面研磨して転動体となる。
【0019】
転動体の物性面では、ターボチャージャー用転がり軸受での使用を考慮すると、ビッカ−ス硬度Hvが1300〜1700であることが好ましい。また、破壊靭性値が4.5MPa・m1/2以上であることが好ましい。また、抗折強度が1000MPa以上であることが好ましい。
【0020】
尚、ビッカース硬度H v はJ I S − R − 1 6 1 0 で規定された測定法に準拠し、試験荷重1 9 8 . 1 N で室温( 2 5 ℃ ) にて測定した値である。破壊靭性値 はJIS− R − 1 6 0 7 で規定されたI F 法に基づき測定し、N i i h a r a の式により算出した値である。抗折強度はJ I S − R − 1 6 0 1 で規定された3 点曲げ強さ試験に準じた測定法により測定した値である。
【0021】
上記の如く構成されるターボチャージャー用転がり軸受には、潤滑のために潤滑油やグリースが封入されるが、何れも公知のもので構わないが、耐熱性に優れるエステル油またはエステル油を基油とするグリースが好ましい。
【実施例】
【0022】
以下に試験例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【0023】
(試験1:アルミナ含有量の検証1)
イットリアを3モル%含む一次粒子径が1μm以下のジルコニア粒子と、平均粒子径が1μm以下の高純度(99.99%)アルミナ粒子とを、混合比を変えてアルコ−ルに投入し、アルコール中で24時間湿式混合を行なった後、パラフィンなどの有機バインダ−を1質量%添加し、乾燥造粒工程を経て原料粉末を調整した。次に、得られた原料粉末を使用して所定の形状になるように約25℃、100MPa、約60秒間にてCIP成形を行い、成形体を大気炉(酸素気流中)にて常圧、400〜700℃で1〜3時間処理して脱脂し、その後1気圧の酸素気流下、1400〜1700℃にて1〜2時間予備焼結した。その後、アルゴン気流中にて1300〜1600℃にて1〜2時間、1500気圧のHIP焼結法にて本焼結を行い、ジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックス試験片を得た。この試験片を顕微鏡で観察したところ、ジルコニア粒子及びアルミナ粒子は共に粒径が2μm以下であった。
【0024】
また、比較のために、窒化珪素製の試験片を用意した。
【0025】
そして、アルミナ含有量の異なるジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックス試験片及び窒化珪素製試験片について、(1)JI S − R − 1 6 0 1 で規定された3 点曲げ強さ試験に準じた測定法により抗折強度を求め、(2)J I S − R − 1 6 1 0 で規定された測定法に準拠し、試験荷重1 9 8 . 1 N で室温( 2 5 ℃ ) にて測定してビッカース硬さHvを求め、(3)JIS− R − 1 6 0 7 で規定されたI F 法に基づき破壊靭性値を求めた。
【0026】
図3にアルミナ含有量と曲げ強度との関係を示すが、アルミナ含有量が50質量%未満で窒化珪素(図中イで示す)よりも優れた曲げ強度を有することがわかる。特にアルミナ含有量が20質量%の時に最も優れた抗折強度が得られている。また、図4にアルミナ含有量とビッカース硬さHvとの関係を示すが、アルミナ含有量が5質量%以上で窒化珪素(図中ロで示す)よりも高いビッカース硬度が得られている。また、図5にアルミナ含有量と破壊靭性値との関係を示すが、アルミナ含有量が50質量%以下で窒化珪素(図中ハで示す)と同等以上の破壊靭性値が得られている。
【0027】
(試験2:アルミナ含有量の検証2)
原料粉末を玉状に成形した以外は試験1と同様にして、アルミナ含有量の異なるジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックス製の転動体を作製した。そして、この転動体を用いて呼び番号51305のスラスト軸受(SUJ2)を組み立て、図6に示すようなスラスト軸受回転試験装置を用い、下記の条件で回転させた。そして、転動体に剥離が生じるまでの回転時間を疲労寿命として測定した。
<試験条件>
・球径:3/8インチ
・回転数:1000rpm
・面圧:3GPa
・潤滑油:トラクション油「VG68」
【0028】
測定結果として、ワイブル図表にプロットしたグラフを図7に示すが、アルミナ含有量が5〜50質量%において理論値(図中Lcal)よりも優れた値が得られており、特にアルミナ含有量が20質量%の時に最も良好となっている。
【0029】
(試験3:不純物含有量の検証)
原料粉末として、イットリアの含有率が3.0モル%であるジルコニア−イットリア成分:アルミナ成分=80:20(質量比)で、Fe2 O3 の含有率が0.1、0.3、0.35及び0.50質量%である平均粒径1μm以下の微粉末を用意した。そして、試験2と同様にして転動体を作製した。
【0030】
この転動体を用いて呼び番号51305のスラスト軸受を組み立て、試験2と同様にして疲労寿命を測定した。結果を図8にワイブル図表にプロットしたグラフで示すが、AはFe2O3含有量0.1質量%、BはFe2O3含有量0.3質量%、CはFe2O3含有量0.35質量%、DはFe2O3含有量0.5質量%の結果である。図示されるように、Fe2O3含有量が0.3質量%以下であると、理論値(図中Lcal)よりも優れた値が得られている。
【0031】
また、回転試験を開始する前と回転試験を開始してから100時間毎に、スラスト軸受を振動試験機にかけて振動値を測定した。結果を図9に示すが、Fe2 O3 含有率が0.50質量%の転動体を備えたスラスト軸受では、試験時間が200時間以上になると振動値が急に上昇しているのに対し、Fe2 O3 含有率が0.35質量%及び0.1質量%の転動体を備えたスラスト軸受では試験時間が500時間以内では振動値がそれほど大きく変化しないことが分かる。
【0032】
また、試験後の転動体の表面を撮影した顕微鏡写真を図10〜12に示す。図10はFe2O3含有量が0.35質量%、図11はFe2O3含有量が0.5質量%、図12はFe2O3含有量が0.1質量%の転動体であるが、図10及び図11には、不純物であるFe2O3を起点とする剥離が明確に見られるのに対し、図12にはFe2O3を起点とする剥離が見られない。
【0033】
これらの結果から、不純物であるFe2O3含有量は0.3質量%以下が好ましく、0.1質量%以下がより好ましいといえる。
【0034】
また、SiO2、Na2Oについても同様の結果となった。
【0035】
(試験4:線熱膨張係数の測定)
試験1で作製したイットリアを3モル%含むジルコニア粒子80質量%と、アルミナ粒子20質量%からなる試験片、窒化珪素試験片及びSUJ2鋼の線膨張係数を測定した。結果を下記表に示すが、ジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックス試験片は、窒化珪素試験片に比べて、SUJ2鋼との線膨張係数差が小さくなっている。そのため、温度変化による予圧変化が小さく、予圧抜けの防止のために大きな予圧荷重をかける必要がない。
【0036】
【表1】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ターボチャージャー用転がり軸受に関し、特にその転動体の改良に関する。
【背景技術】
【0002】
ターボチャージャー用転がり軸受は高温、高速の環境条件下で使用されるため、硬さ低下による寿命低下、遠心力による転動体荷重の増加を防止するため、転動体に高硬度、軽量のセラミックスを用いられている(例えば、特許文献1参照)。転がり軸受では、転動寿命が最も長いことからセラミックス材料として窒化珪素が一般的であり、ターボチャージャー用転がり軸受においても窒化珪素製の転動体がこれまで使用されている。
【0003】
しかしながら、窒化珪素は原料コスト及び製造コストとも高く、また定位置予圧方式で使用される場合は外内輪材となる鋼と線膨張係数が大きく異なるため温度変化による予圧の変化(予圧抜け)といった問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第3110588号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
そこで本発明は、ターボチャージャー用転がり軸受の転動体を、窒化珪素よりも安価であり、かつ、線膨張係数が窒化珪素よりも軸受を形成する鋼材に近く、温度変化による予圧抜けの防止のために大きな予圧荷重をかける必要もない材料で形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するために本発明は、下記のターボチャージャー用転がり軸受及びその製造方法を提供する。
(1)内輪と、外輪との間に、保持器を介して複数の転動体を保持してなるターボチャージャー用転がり軸受において、前記転動体が、ジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックスからなることを特徴とするターボチャージャー用転がり軸受。
(2)前記転動体が、1.5〜5モル%のイットリアを含有するジルコニア50〜95質量%と、アルミナ50〜5質量%とからなることを特徴とする上記(1)記載のターボチャージャー用転がり軸受。
(3)前記転動体におけるジルコニア粒子及びアルミナ粒子の粒径が2μm以下であることを特徴とする上記(1)または(2)記載のターボチャージャー用転がり軸受。
(4)前記転動体におけるSiO2、Fe2O3、Na2Oの各含有量が、何れも0.3質量%以下であることを特徴とする上記(1)〜(3)の何れか1項に記載のターボチャージャー用転がり軸受。
(5)前記転動体のビッカ−ス硬度Hvが1300〜1700、破壊靭性値が4.5MPa・m1/2以上、抗折強度が1000MPa以上であることを特徴とする上記(1)〜(4)の何れか1項に記載のターボチャージャー用転がり軸受。
(6)ターボチャージャー用転がり軸受の製造方法において、粒径1μm以下のイットリア含有ジルコニア粒子と、粒径1μm以下のアルミナ粒子とを混合して球状に成形した後、焼結し、研磨して転動体を製造する工程を含むことを特徴とするターボチャージャー用転がり軸受の製造方法。
【発明の効果】
【0007】
本発明のターボチャージャー用転がり軸受におけるジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックス製転動体は、窒化珪素よりも原料コストが低く、製造過程も簡素である。また、ジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックスは、内外輪を形成する鋼材との線膨張係数差が窒化珪素よりも小さいため、大きな予圧荷重をかける必要もない。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本発明のターボチャージャー用転がり軸受の一例(アンギュア玉軸受)を示す断面図である。
【図2】本発明のターボチャージャー用転がり軸受の他の例(複列アンギュラ玉軸受)を示す断面図である。
【図3】試験1で得られたアルミナ含有量と曲げ強度との関係を示すグラフである。
【図4】試験1で得られたアルミナ含有量とビッカース硬さHvとの関係を示すグラフである。
【図5】試験1で得られたアルミナ含有量と破壊靭性値との関係を示すグラフである。
【図6】試験2で用いたスラスト軸受回転試験装置を示す概略図である。
【図7】試験2で得られたアルミナ含有量と疲労寿命との関係を示すワイブル図表である。
【図8】試験3で得られたFe2O3含有量と疲労寿命との関係を示すワイブル図表である。
【図9】試験3で得られたFe2O3含有量と振動値との関係を示すグラフである。
【図10】試験3において試験後に転動体(Fe2O3含有量0.35質量%)の転動体表面を撮影した顕微鏡写真である。
【図11】試験3において試験後に転動体(Fe2O3含有量0.5質量%)の転動体表面を撮影した顕微鏡写真である。
【図12】試験3において試験後に転動体(Fe2O3含有量0.1質量%)の転動体表面を撮影した顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明のターボチャージャー用転がり軸受について、図面を参照して詳細に説明する。
【0010】
本発明においてターボチャージャー用転がり軸受の構造には制限はなく、例えば図1に示すようなアンギュラ玉軸受を例示することができる。また、図2に示すように、複列化したものであってもよい。更に、図示は省略するが、スラスト軸受であってもよい。
【0011】
また、ターボチャージャー用転がり軸受において、転動体は後述するジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックス製であるが、内輪及び外輪をSUJ2鋼、SUS鋼、13Cr鋼等の通常軸受に使用される金属で形成することにより軸受全体として安価にすることができる。また、内輪及び外輪の軌道面、好ましくは全表面に浸炭窒化処理等の硬化処理を施すことにより、耐摩耗性が向上して好ましい。保持器は金属製でもよいが、軸受全体の軽量化や、転動体との衝突音を低減するために、ポリアミドやポリアセタール、PPS等の耐熱性の樹脂にガラス繊維や炭素繊維等の繊維状補強材を配合してなる樹脂組成物製とすることが好ましい。
【0012】
転動体は、原料粉末としてジルコニア粒子、アルミナ粒子及びイットリア粒子を用意し、混合して球状に成形した後、焼結して得られる。また、原料粉末としてイットリアを含有するジルコニア粒子と、アルミナ粒子とを用いることが好ましい。特に、1.5〜5モル%のイットリアを含有するジルコニア粒子を50〜95質量%、アルミナ粒子を50〜5質量%の配合比にすることにより、機械的強度及び転動体疲労寿命において窒化珪素と遜色のないものが得られる。ジルコニアにイットリアを固溶させると、構造中に酸素空孔が形成されて立方晶あるいは正方晶となり、室温でも安定または準安定となり、強度が向上する。但し、ジルコニア中のイットリア含有量が1.5モル%未満では正方晶からなる焼結体が得られず、5モル%超では正方晶が減少して立方晶が主体となるため、転移による高強度化が得られない。ジルコニア中のイットリア含有量は、3モル%がより好ましい。また、アルミナの含有量は10〜30質量%がより好ましく、さらに好ましくは20質量%である。
【0013】
また、原料粉末における不純物は少ない方が好ましく、特にSiO2、Fe2O3、Na2Oを極力減少させることにより、焼結性が向上してより緻密化することができる。SiO2、Fe2O3、Na2Oはそれぞれ0.3質量%以下であることが好ましく、より好ましくは0.1質量%以下、さらに好ましくは0.02質量%以下である。これらの不純物が0.3質量%を超えると運転時に転動体の表面からセラミックス粒子の脱落が起こり易くなり、転動体表面の粗さの低下、脱落したセラミックス粒子による軌道面の微細な損傷が発生し、振動が大きくなり音響寿命を短くするおそれがある。また、転動体の疲労寿命もこのような不純物が起点となり、早期剥離を引き起こす原因にもなる。
【0014】
特に、アルミナ粒子は、ジルコニア粒子より硬度が高いため、微小な粒子であっても脱落した場合に音響寿命に与える影響が大きい。そのため、原料中の不純物を極力少なくしないとジルコニア粒子とアルミナ粒子との結合力が弱くなり、アルミナ粒子が脱落し易くなる。そのため、不純物量を上記のように極力少なくして転動体表面からのアルミナ粒子の脱落を防止することが好ましい。
【0015】
原料粉末の混合にはアルコール中で湿式混合する方法が好ましいが、1μm以下の粒子を用いた場合は概ね24時間の混合で十分であるのに対し、1μmを超える粒子を使用した場合は概ね100時間以上の混合を擁する。そのため、本発明では、原料粉末に用いる各粒子として粒径1μm以下の微粒子を用いることが好ましい。
【0016】
成形には、金型成形あるいは冷間静水圧加圧(CIP)成形を行うことができる。
【0017】
その後、大気炉での酸素気流中で脱脂し、焼結を行うが、焼結には熱間静水圧加圧(HIP)焼結法が好ましい。また、予備焼結を行った後に、熱間静水圧加圧焼結してもよい。この焼結においても、原料粉末として1μm以下の儀粒子を用いることにより、ジルコニア粒子及びアルミナ粒子は粒径2μm以下の微細粒になり、より緻密な焼結体となる。より好ましくは500nm、特に好ましくは200nm以下の微粒子を用いる。これに対し、粒径1μmを超える粒子を用いた場合、空孔のない緻密な焼結体を得るためには、脱脂及び焼結温度は現行温度よりも200℃以上高い温度にする必要があり、保持時間も現行の2倍以上を必要とする。更に、脱脂及び焼結は常圧でなく、加圧焼結しないと空孔が残存する。そのため、脱脂及び焼結設備も大がかりになり、連続式でなくバッチ式の焼結にもなるため製造コストが高くなる。
【0018】
そして、焼結後に鏡面研磨して転動体となる。
【0019】
転動体の物性面では、ターボチャージャー用転がり軸受での使用を考慮すると、ビッカ−ス硬度Hvが1300〜1700であることが好ましい。また、破壊靭性値が4.5MPa・m1/2以上であることが好ましい。また、抗折強度が1000MPa以上であることが好ましい。
【0020】
尚、ビッカース硬度H v はJ I S − R − 1 6 1 0 で規定された測定法に準拠し、試験荷重1 9 8 . 1 N で室温( 2 5 ℃ ) にて測定した値である。破壊靭性値 はJIS− R − 1 6 0 7 で規定されたI F 法に基づき測定し、N i i h a r a の式により算出した値である。抗折強度はJ I S − R − 1 6 0 1 で規定された3 点曲げ強さ試験に準じた測定法により測定した値である。
【0021】
上記の如く構成されるターボチャージャー用転がり軸受には、潤滑のために潤滑油やグリースが封入されるが、何れも公知のもので構わないが、耐熱性に優れるエステル油またはエステル油を基油とするグリースが好ましい。
【実施例】
【0022】
以下に試験例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【0023】
(試験1:アルミナ含有量の検証1)
イットリアを3モル%含む一次粒子径が1μm以下のジルコニア粒子と、平均粒子径が1μm以下の高純度(99.99%)アルミナ粒子とを、混合比を変えてアルコ−ルに投入し、アルコール中で24時間湿式混合を行なった後、パラフィンなどの有機バインダ−を1質量%添加し、乾燥造粒工程を経て原料粉末を調整した。次に、得られた原料粉末を使用して所定の形状になるように約25℃、100MPa、約60秒間にてCIP成形を行い、成形体を大気炉(酸素気流中)にて常圧、400〜700℃で1〜3時間処理して脱脂し、その後1気圧の酸素気流下、1400〜1700℃にて1〜2時間予備焼結した。その後、アルゴン気流中にて1300〜1600℃にて1〜2時間、1500気圧のHIP焼結法にて本焼結を行い、ジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックス試験片を得た。この試験片を顕微鏡で観察したところ、ジルコニア粒子及びアルミナ粒子は共に粒径が2μm以下であった。
【0024】
また、比較のために、窒化珪素製の試験片を用意した。
【0025】
そして、アルミナ含有量の異なるジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックス試験片及び窒化珪素製試験片について、(1)JI S − R − 1 6 0 1 で規定された3 点曲げ強さ試験に準じた測定法により抗折強度を求め、(2)J I S − R − 1 6 1 0 で規定された測定法に準拠し、試験荷重1 9 8 . 1 N で室温( 2 5 ℃ ) にて測定してビッカース硬さHvを求め、(3)JIS− R − 1 6 0 7 で規定されたI F 法に基づき破壊靭性値を求めた。
【0026】
図3にアルミナ含有量と曲げ強度との関係を示すが、アルミナ含有量が50質量%未満で窒化珪素(図中イで示す)よりも優れた曲げ強度を有することがわかる。特にアルミナ含有量が20質量%の時に最も優れた抗折強度が得られている。また、図4にアルミナ含有量とビッカース硬さHvとの関係を示すが、アルミナ含有量が5質量%以上で窒化珪素(図中ロで示す)よりも高いビッカース硬度が得られている。また、図5にアルミナ含有量と破壊靭性値との関係を示すが、アルミナ含有量が50質量%以下で窒化珪素(図中ハで示す)と同等以上の破壊靭性値が得られている。
【0027】
(試験2:アルミナ含有量の検証2)
原料粉末を玉状に成形した以外は試験1と同様にして、アルミナ含有量の異なるジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックス製の転動体を作製した。そして、この転動体を用いて呼び番号51305のスラスト軸受(SUJ2)を組み立て、図6に示すようなスラスト軸受回転試験装置を用い、下記の条件で回転させた。そして、転動体に剥離が生じるまでの回転時間を疲労寿命として測定した。
<試験条件>
・球径:3/8インチ
・回転数:1000rpm
・面圧:3GPa
・潤滑油:トラクション油「VG68」
【0028】
測定結果として、ワイブル図表にプロットしたグラフを図7に示すが、アルミナ含有量が5〜50質量%において理論値(図中Lcal)よりも優れた値が得られており、特にアルミナ含有量が20質量%の時に最も良好となっている。
【0029】
(試験3:不純物含有量の検証)
原料粉末として、イットリアの含有率が3.0モル%であるジルコニア−イットリア成分:アルミナ成分=80:20(質量比)で、Fe2 O3 の含有率が0.1、0.3、0.35及び0.50質量%である平均粒径1μm以下の微粉末を用意した。そして、試験2と同様にして転動体を作製した。
【0030】
この転動体を用いて呼び番号51305のスラスト軸受を組み立て、試験2と同様にして疲労寿命を測定した。結果を図8にワイブル図表にプロットしたグラフで示すが、AはFe2O3含有量0.1質量%、BはFe2O3含有量0.3質量%、CはFe2O3含有量0.35質量%、DはFe2O3含有量0.5質量%の結果である。図示されるように、Fe2O3含有量が0.3質量%以下であると、理論値(図中Lcal)よりも優れた値が得られている。
【0031】
また、回転試験を開始する前と回転試験を開始してから100時間毎に、スラスト軸受を振動試験機にかけて振動値を測定した。結果を図9に示すが、Fe2 O3 含有率が0.50質量%の転動体を備えたスラスト軸受では、試験時間が200時間以上になると振動値が急に上昇しているのに対し、Fe2 O3 含有率が0.35質量%及び0.1質量%の転動体を備えたスラスト軸受では試験時間が500時間以内では振動値がそれほど大きく変化しないことが分かる。
【0032】
また、試験後の転動体の表面を撮影した顕微鏡写真を図10〜12に示す。図10はFe2O3含有量が0.35質量%、図11はFe2O3含有量が0.5質量%、図12はFe2O3含有量が0.1質量%の転動体であるが、図10及び図11には、不純物であるFe2O3を起点とする剥離が明確に見られるのに対し、図12にはFe2O3を起点とする剥離が見られない。
【0033】
これらの結果から、不純物であるFe2O3含有量は0.3質量%以下が好ましく、0.1質量%以下がより好ましいといえる。
【0034】
また、SiO2、Na2Oについても同様の結果となった。
【0035】
(試験4:線熱膨張係数の測定)
試験1で作製したイットリアを3モル%含むジルコニア粒子80質量%と、アルミナ粒子20質量%からなる試験片、窒化珪素試験片及びSUJ2鋼の線膨張係数を測定した。結果を下記表に示すが、ジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックス試験片は、窒化珪素試験片に比べて、SUJ2鋼との線膨張係数差が小さくなっている。そのため、温度変化による予圧変化が小さく、予圧抜けの防止のために大きな予圧荷重をかける必要がない。
【0036】
【表1】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
内輪と、外輪との間に、保持器を介して複数の転動体を保持してなるターボチャージャー用転がり軸受において、
前記転動体が、ジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックスからなることを特徴とするターボチャージャー用転がり軸受。
【請求項2】
前記転動体が、1.5〜5モル%のイットリアを含有するジルコニア50〜95質量%と、アルミナ50〜5質量%とからなることを特徴とする請求項1記載のターボチャージャー用転がり軸受。
【請求項3】
前記転動体におけるジルコニア粒子及びアルミナ粒子の粒径が2μm以下であることを特徴とする請求項1または2記載のターボチャージャー用転がり軸受。
【請求項4】
前記転動体におけるSiO2、Fe2O3、Na2Oの各含有量が、何れも0.3質量%以下であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のターボチャージャー用転がり軸受。
【請求項5】
前記転動体のビッカ−ス硬度Hvが1300〜1700、破壊靭性値が4.5MPa・m1/2以上、抗折強度が1000MPa以上であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載のターボチャージャー用転がり軸受。
【請求項6】
ターボチャージャー用転がり軸受の製造方法において、
粒径1μm以下のイットリア含有ジルコニア粒子と、粒径1μm以下のアルミナ粒子とを混合して球状に成形した後、焼結し、研磨して転動体を製造する工程を含むことを特徴とするターボチャージャー用転がり軸受の製造方法。
【請求項1】
内輪と、外輪との間に、保持器を介して複数の転動体を保持してなるターボチャージャー用転がり軸受において、
前記転動体が、ジルコニア−アルミナ−イットリア系セラミックスからなることを特徴とするターボチャージャー用転がり軸受。
【請求項2】
前記転動体が、1.5〜5モル%のイットリアを含有するジルコニア50〜95質量%と、アルミナ50〜5質量%とからなることを特徴とする請求項1記載のターボチャージャー用転がり軸受。
【請求項3】
前記転動体におけるジルコニア粒子及びアルミナ粒子の粒径が2μm以下であることを特徴とする請求項1または2記載のターボチャージャー用転がり軸受。
【請求項4】
前記転動体におけるSiO2、Fe2O3、Na2Oの各含有量が、何れも0.3質量%以下であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のターボチャージャー用転がり軸受。
【請求項5】
前記転動体のビッカ−ス硬度Hvが1300〜1700、破壊靭性値が4.5MPa・m1/2以上、抗折強度が1000MPa以上であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載のターボチャージャー用転がり軸受。
【請求項6】
ターボチャージャー用転がり軸受の製造方法において、
粒径1μm以下のイットリア含有ジルコニア粒子と、粒径1μm以下のアルミナ粒子とを混合して球状に成形した後、焼結し、研磨して転動体を製造する工程を含むことを特徴とするターボチャージャー用転がり軸受の製造方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【公開番号】特開2011−17415(P2011−17415A)
【公開日】平成23年1月27日(2011.1.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−163738(P2009−163738)
【出願日】平成21年7月10日(2009.7.10)
【出願人】(000004204)日本精工株式会社 (8,378)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成23年1月27日(2011.1.27)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年7月10日(2009.7.10)
【出願人】(000004204)日本精工株式会社 (8,378)
【Fターム(参考)】
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