転がり軸受
【課題】電食を抑える効果により優れ、更には高強度で、音響特性にも優れる転がり軸受を提供する。
【解決手段】内輪と、外輪と、転動体と、保持器とを備える転がり軸受において、前記転動体が、イットリアを１．５モル以上５モル％以下の割合で含むジルコニア・イットリア成分と、アルミナ成分とを、質量比で、アルミナ成分：ジルコニア・イットリア成分＝１０〜３０質量％：７０〜９０質量％の割合で含むアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスからなり、かつ、体積固有抵抗率が１．０×１０１３Ω・ｃｍ以上で、該転動体の表面におけるアルミナ塊の最大径が２０μｍ以下であることを特徴とする転がり軸受。
【解決手段】内輪と、外輪と、転動体と、保持器とを備える転がり軸受において、前記転動体が、イットリアを１．５モル以上５モル％以下の割合で含むジルコニア・イットリア成分と、アルミナ成分とを、質量比で、アルミナ成分：ジルコニア・イットリア成分＝１０〜３０質量％：７０〜９０質量％の割合で含むアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスからなり、かつ、体積固有抵抗率が１．０×１０１３Ω・ｃｍ以上で、該転動体の表面におけるアルミナ塊の最大径が２０μｍ以下であ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】
本発明は転がり軸受に関し、より詳細には、エアコンのファンモータやサーボモータ等のように電食が発生しやすい機器に好適な転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
エアコンのファンモータやサーボモータ等の高周波電流が流れる用途では、回転軸を支持する転がり軸受に電食が発生するおそれがあるため、セラミックス製の転動体を用いる場合がある。セラミックスとして窒化珪素や炭化珪素、窒化アルミニウム、ジルコニア等が多用されているが、特許文献１ではジルコニアにアルミナを加えることで、電食防止に加えて曲げ強度を高めることを提案している。また、特許文献２では、ジルコニアにアルミナと希土類元素を加えることで、電食防止に加えて耐摩耗性や耐久性を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−５１８０号公報
【特許文献２】特許第３８３３４６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、電食防止の更なる向上は必至であり、更にはエアコンのファンモータでは静粛性も要求されるが、従来のセラミックス製転動体を用いた転がり軸受では、音響特性が十分とはいえない。
【０００５】
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、電食を抑える効果により優れ、更には高強度で、音響特性にも優れる転がり軸受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】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明は下記の転がり軸受を提供する。
（１）内輪と、外輪と、転動体と、保持器とを備える転がり軸受において、
前記転動体が、イットリアを１．５モル以上５モル％以下の割合で含むジルコニア・イットリア成分と、アルミナ成分とを、質量比で、アルミナ成分：ジルコニア・イットリア成分＝１０〜３０質量％：７０〜９０質量％の割合で含むアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスからなり、かつ、体積固有抵抗率が１．０×１０１３Ω・ｃｍ以上で、該転動体の表面におけるアルミナ塊の最大径が２０μｍ以下であることを特徴とする転がり軸受。
（２）前記アルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスの曲げ強度が２．０ＧＰａ以上であることを特徴とする上記（１）記載の転がり軸受。
（３）前記アルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスの線膨張係数が８．０×１０−６／℃〜９．０×１０−６／℃であることを特徴とする上記（１）または（２）記載の転がり軸受。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の転がり軸受は、電食を抑える効果により優れ、更には高強度で、音響特性にも優れる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る転がり軸受の一例である玉軸受を示す断面図である。
【図２】体積固有抵抗率とアンデロン値との関係を示すグラフである。
【図３】ジルコニア・イットリア成分の配合比率と寿命比との関係を示すグラフである。
【図４】アルミナ塊の最大径の求め方を説明するための図である。
【図５】アルミナ塊の最大径と寿命比との関係を示すグラフである。
【図６】アルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスにおける亀裂の進展形態を説明するための模式図である。
【図７】ジルコニア・イットリア成分の配合比率と曲げ強度との関係を示すグラフである。
【図８】窒化珪素における亀裂の進展形態を説明するための模式図である。
【図９】線膨張係数とアンデロン値との関係を示すグラフである。
【図１０】実施例で得られた、体積固有抵抗率とアンデロン値との関係を示すグラフである。
【図１１】実施例で得られた、ジルコニア・イットリア成分の配合比率と寿命比との関係を示すグラフである。
【図１２】実施例で得られた、アルミナ塊の最大径と寿命比との関係を示すグラフである。
【図１３】実施例で得られた、線膨張係数とアンデロン値との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
図１は、エアコンのファンモータに使用される転がり軸受の一例である玉軸受を示す断面図である。図示されるように、玉軸受１は、内輪１０と外輪１１との間に、保持器１２により複数の玉１３を回動自在に保持してなり、軸受空間Ｓに充填されたグリース組成物（図示せず）をシール１４で封止して構成されている。内輪１０及び外輪１２は、一般的に採用される鉄鋼材料（例えばステンレス鋼や軸受鋼）で形成されている。本発明では、玉１３を、イットリアを１．５モル％以上５モル％以下の割合で含有するジルコニア・イットリア成分と、アルミナ成分とを、質量比で、アルミナ成分：ジルコニア・イットリア成分＝１０〜３０質量％：７０〜９０質量％となるように含有する特定のアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスで形成する。
【００１１】
セラミックス製の玉１３として多用されている窒化珪素は、体積固有抵抗率が１０１２Ω・ｃｍ以上であり、ほぼ十分な電気絶縁性を有する。また、アルミナも多用されており、その体積固有抵抗率は１０１４Ω・ｃｍ以上で、最も電気絶縁性が高いとされている。本発明で用いるアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスは、窒化珪素と同等の体積固有抵抗率を持つジルコニア・イットリアと、アルミナとの複合材料であり、下記の電食試験に示すようにその体積固有抵抗率は１０１３Ω・ｃｍ以上であり、窒化珪素よりも高い電気絶縁性を有し、電食防止効果に優れる。
【００１２】
（電食試験）
日本精工株式会社製軸受「呼び番号６０８」（内輪・外輪はＳＵＪ２）に、表１に示す材料（体積固有抵抗率は表記のとおり）からなる玉を組み込み、試験軸受とした。そして、試験軸受に日本精工株式会社製「ＮＳ７グリース」を封入し、回転数：１８００ｍｉｎ−１、予圧：３０Ｎ、印加電圧：ＡＣ、２０ｋＨｚ、正弦波、負荷電流：１４ｍＡ、試験時間：２００時間にて回転させたときのアンデロン値（Ｈ．Ｂ）を測定した。また、試験後に試験軸受を分解して、軌道面を観察して電食の有無を確信した。結果を表１及び図２に示す。
【００１３】
【表１】
【００１４】
体積固有抵抗率が１０１０Ω・ｃｍ以下では、アンデロン値のバラツキが大きく、高い値を示しており、軌道面にも電食による痕跡が見られる。これに対し体積固有抵抗が１０１２Ω・ｃｍ程度では、アンデロン値のバラツキが見られるものの、電食の発生は無くなる。そして、体積固有抵抗が１０１３Ω・ｃｍ以上になると、アンデロン値のバラツキが見られず、１．５以下の低い値となり、電食の発生も無い。
【００１５】
また、アルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスの剥離形態は、軸受鋼や窒化珪素で見られるような鱗片状の小片が表面から徐々に進行する形態（フィッシュアイ）であるため、割損等の突発的な全損を起こすことがない。但し、下記の寿命試験に示すように、アルミナ成分の配合比率が１０〜３０質量％の範囲外になると、玉１３の表面に剥離や欠けが生じ易くなり、寿命が短くなる。特に、アルミナ成分の配合比率が２０〜３０質量％においてより長寿命となる。
【００１６】
（寿命試験）
アルミナ粒子とジルコニア・イットリア粒子とを、両者の配合比率を変えて混合し、焼結して、アルミナ成分とジルコニア・イットリア成分との配合比率が表１に示すように異なるアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスを作製し、玉径が３／８インチの玉に加工した。この玉を３個、日本精工株式会社製軸受「呼び番号５１３０５」（内輪・外輪はＳＵＪ２製）に組み込み、試験軸受とした。そして、試験軸受を、荷重４４１０Ｎ、回転数１０００ｍｉｎ−１、Ｒ０６８油浴潤滑にて回転させ、寿命比（実寿命／計算寿命）を求めた。結果を表２及び図３に示す。
【００１７】
【表２】
【００１８】
更に、特定のアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスは、ジルコニア・イットリア成分の配合比率が高いため、ジルコニア・イットリア粒子の凝集がアルミナ粒子の凝集よりも起こり易く、玉１３の表面にもジルコニア・イットリア粒子の凝集体（ジルコニア・イットリア塊）の出現頻度が高くなる。そのため、アルミナ粒子の凝集体（アルミナ塊）の出現頻度は低くなるが、製造工程（混合・プレス・焼結）の条件管理や環境によってはアルミナ塊が玉１３の表面に出現することがある。しかし、基地組織であるアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスの硬度がＨＶ１５００程度であるのに対し、アルミナ塊の硬度はＨＶ２０００程度で、ジルコニア・イットリア塊の硬さ（ＨＶ１４００程度）よりも大きいため、ジルコニア・イットリア塊よりも応力集中源になり易く、剥離の起点になりやすい。そのため、本発明では、下記のように玉１３の表面におけるアルミナ塊の大きさを規定する。
【００１９】
即ち、上記の（寿命試験）の後、試験軸受を分解して玉の表面をＳＥＭ（２０００倍）で観察し、剥離の起点となったアルミナ塊の最大径を測定した。尚、アルミナ塊は、図４に示すように円または楕円で近似し、その最長部分ａの長さを測定した。結果を表３及び図５に示すが、アルミナ塊の最大径が２０μｍ以下であれば、寿命比が１を超えて長寿命となる。
【００２０】
【表３】
【００２１】
アルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスは、アルミナ粒子とジルコニア・イットリア粒子を混合・焼結して得られるが、焼結後の冷却過程において両者の体積収縮の差からアルミナ粒子には圧縮応力が負荷され、ジルコニア・イットリア粒子には引張応力が負荷される。その際、残留応力の違いから、図６に模式的に示すように亀裂が迂回して進展し、更に亀裂は強度の低いアルミナ粒子を進展する。そのため、アルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスにおけるアルミナ成分が少ない方が亀裂の進展が妨げられ、結果として高い曲げ強度が得られるようになる。アルミナ成分の配合比率が１０〜３０質量％である特定のアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスでは、下記の曲げ強度試験に示すように２．０ＧＰａ以上の曲げ強度が得られ、アルミナ成分の比率が２０質量％のときにより高い曲げ強度が得られる。
【００２２】
（曲げ強度試験）
アルミナ粒子とジルコニア・イットリア粒子とを、両者の配合比率を変えて混合・焼結し、アルミナ成分とジルコニア・イットリア成分との配合比率が表４に示すように異なるアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスを作製した。そして、ＪＩＳ Ｒ１６０１（３点曲げ試験）に準拠するインストロン万能試験機を用いて曲げ強度を測定した。結果を表４及び図７に示す。
【００２３】
【表４】
【００２４】
比較のために、図８に窒化珪素における亀裂の進展形態を示すが、亀裂の進展に際して迂回が少なくなっており、高い曲げ強度が得られない。
【００２５】
また、転動体がセラミックス製で、内外輪がＳＵＪ２等の金属製の転がり軸受では、膨張係数の違いから、温度が高くなるほど転動体と内外輪とのクリアランスが大きくなり、予圧が変化して内外輪・転動体のキズ音が発生したり、保持器音が大きくなるなどして音響特性が低下するようになる。そのため、本発明では、下記に示す音響試験から、アルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスの線膨張係数を８．０×１０−６／℃〜９．０×１０−６／℃とする。
【００２６】
（音響試験）
表５に示すように、異なるセラミックス材料の玉を、日本精工株式会社製軸受「呼び番号６０８」（内輪・外輪はＳＵＪ２製）に組み込み、試験軸受とした。そして、試験軸受を、予圧２０Ｎ、回転数１８００ｍｉｎ−１にて回転させ、保持器音の発生の有無及びアンデロン値（Ｈ．Ｂ）を測定した。また、同じ材料からなる試験片を作製し、線膨張係数を測定した。結果を表５及び図９に示すが、線膨張係数が８．０×１０−６／℃以上であれば、内外輪を金属製にしても保持器音の発生がなく、アンデロン値も低く抑えることができる。
【００２７】
【表５】
【００２８】
尚、アルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスの線膨張係数は、ジルコニア・イトリア成分の割合を多くすると高めることができる。しかし、本発明で用いる特定のアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスでは、ジルコニア・イトリア成分の割合を９０質量％以上に高めることができず、線膨張係数を９．０×１０−６／℃よりも大きくすることは困難である。そのため、線膨張係数の上限を９．０×１０−６／℃とする。
【００２９】
また、ジルコニア−イットリア成分中のイットリアの含有量を、３〜５モル％とすることにより組織の緻密化がより高まり、好ましい。
【００３０】
玉１３の製造に用いるアルミナ粒子及びジルコニア・イットリア粒子は、共に微細粉であることが好ましく、平均粒径１μｍ以下の微粉であることが好ましい。微細粉、特に平均粒径１μｍ以下の微粉を用いることにより、焼結後のアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスの結晶粒が微細になり、剥離した場合でも剥離面積が小さく、凹凸も小さくなる。
【００３１】
また、アルミナ粒子及びジルコニア・イットリア粒子における不純物は少ないほど好ましく、一般的な不純物であるＳｉＯ２や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０．２質量％、更に好ましくは０．１質量％とする。不純物は焼結性を低下させて機械的強度を低下させ、早期剥離の原因になり疲労寿命を著しく短くする。そのため、それぞれの不純物濃度が０．３質量％を超えると剥離が起こり易くなり、表面粗さが低下して軌道面が損傷しやすくなり、音響寿命を短くするおそれがある。
【００３２】
玉１３を製造するには、アルミナ粒子とジルコニア・イットリア粒子とを所定割合で混合、成形、焼成し、表面研磨して得られるが、成形はＣＩＰ成形（冷間水圧成形）が好ましく、焼結後はＨＩＰ処理（熱間等方加圧）を行うことが好ましい。
【００３３】
本発明の転がり軸受に封入されるグリースには制限はないが、例えば玉１３との親和性を考慮すると、極性を有するエステル系の潤滑油を基油に用いることが好ましい。また、低トルク化を図る必要がある場合は低粘度の基油を用いる。
【実施例】
【００３４】
以下に実施例及び比較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。
【００３５】
（実施例１〜３、比較例１〜１８）
表５に示すように、材質の異なる３／１６インチ径の玉を作製した。尚、実施例１〜３、比較例１１〜１６については、アルミナ成分と、ジルコニア・イットリア成分とを表に示す配合比率とした。また、ジルコニア・イットリア成分中のイットリア含有量は１．５〜５モル％である。更に、セラミックス製の玉の作製では、原料粒子の粉砕、混合、ＣＩＰ成形、ＨＩＰ処理、研削加工、研磨加工の各工程を行った。
【００３６】
また、同一ロッドから試験片を作製し、体積固有抵抗率及び線膨張係数を測定した。
【００３７】
更に、上記の（電食試験）、（寿命試験）、（曲げ試験）及び（音響試験）に従い、寿命比、曲げ強度、電食発生の有無、アンデロン値、保持器音を測定した。
【００３８】
結果を表６及び図１０〜１３に示すが、実施例１〜３のように、アルミナ成分：ジルコニア・イットリア成分＝１０〜３０質量％：７０〜９０質量％の割合で含むアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスは、体積固有抵抗率が１０１３Ω・ｃｍ以上で、線膨張係数が８．０×１０−６／℃〜９．０×１０−６／℃で、曲げ強度も２ＧＰａ以上と高くなっており、同材料からなる玉を用いることで、長寿命で、電食の発生もなく、音響特性にも優れた軸受となる。
【００３９】
これに対し、比較例１〜６のように、体積固有抵抗率が１０１０Ω・ｃｍを下回る材料からなる玉を用いると、電食が発生し、アンデロン値も高くなる。また、比較例７〜９、１８では、体積固有抵抗率が１０１２・ｃｍ程度であり、電食の発生を抑えるには十分であるが、アンデロン値が高くなっている。比較例１０、１７は体積固有抵抗率が高く、電食の発生を抑えるには十分であるが、アンデロン値が高くなっている。また、比較例１１〜１３のようにアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスにおけるアルミナ成分の含有量が本発明の範囲よりも多くなると、寿命が短くなり、曲げ強度も低下する。また、比較例１４〜１６のように、玉の表面に存在するアルミナ塊が２０μｍを超えるようになると、寿命が短くなる。
【００４０】
【表６】
【符号の説明】
【００４１】
１ 玉軸受
１０ 内輪
１１ 外輪
１２ 保持器
１３ 玉
１４ シール
【技術分野】
【０００１】
本発明は転がり軸受に関し、より詳細には、エアコンのファンモータやサーボモータ等のように電食が発生しやすい機器に好適な転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
エアコンのファンモータやサーボモータ等の高周波電流が流れる用途では、回転軸を支持する転がり軸受に電食が発生するおそれがあるため、セラミックス製の転動体を用いる場合がある。セラミックスとして窒化珪素や炭化珪素、窒化アルミニウム、ジルコニア等が多用されているが、特許文献１ではジルコニアにアルミナを加えることで、電食防止に加えて曲げ強度を高めることを提案している。また、特許文献２では、ジルコニアにアルミナと希土類元素を加えることで、電食防止に加えて耐摩耗性や耐久性を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−５１８０号公報
【特許文献２】特許第３８３３４６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、電食防止の更なる向上は必至であり、更にはエアコンのファンモータでは静粛性も要求されるが、従来のセラミックス製転動体を用いた転がり軸受では、音響特性が十分とはいえない。
【０００５】
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、電食を抑える効果により優れ、更には高強度で、音響特性にも優れる転がり軸受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】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明は下記の転がり軸受を提供する。
（１）内輪と、外輪と、転動体と、保持器とを備える転がり軸受において、
前記転動体が、イットリアを１．５モル以上５モル％以下の割合で含むジルコニア・イットリア成分と、アルミナ成分とを、質量比で、アルミナ成分：ジルコニア・イットリア成分＝１０〜３０質量％：７０〜９０質量％の割合で含むアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスからなり、かつ、体積固有抵抗率が１．０×１０１３Ω・ｃｍ以上で、該転動体の表面におけるアルミナ塊の最大径が２０μｍ以下であることを特徴とする転がり軸受。
（２）前記アルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスの曲げ強度が２．０ＧＰａ以上であることを特徴とする上記（１）記載の転がり軸受。
（３）前記アルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスの線膨張係数が８．０×１０−６／℃〜９．０×１０−６／℃であることを特徴とする上記（１）または（２）記載の転がり軸受。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の転がり軸受は、電食を抑える効果により優れ、更には高強度で、音響特性にも優れる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る転がり軸受の一例である玉軸受を示す断面図である。
【図２】体積固有抵抗率とアンデロン値との関係を示すグラフである。
【図３】ジルコニア・イットリア成分の配合比率と寿命比との関係を示すグラフである。
【図４】アルミナ塊の最大径の求め方を説明するための図である。
【図５】アルミナ塊の最大径と寿命比との関係を示すグラフである。
【図６】アルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスにおける亀裂の進展形態を説明するための模式図である。
【図７】ジルコニア・イットリア成分の配合比率と曲げ強度との関係を示すグラフである。
【図８】窒化珪素における亀裂の進展形態を説明するための模式図である。
【図９】線膨張係数とアンデロン値との関係を示すグラフである。
【図１０】実施例で得られた、体積固有抵抗率とアンデロン値との関係を示すグラフである。
【図１１】実施例で得られた、ジルコニア・イットリア成分の配合比率と寿命比との関係を示すグラフである。
【図１２】実施例で得られた、アルミナ塊の最大径と寿命比との関係を示すグラフである。
【図１３】実施例で得られた、線膨張係数とアンデロン値との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
図１は、エアコンのファンモータに使用される転がり軸受の一例である玉軸受を示す断面図である。図示されるように、玉軸受１は、内輪１０と外輪１１との間に、保持器１２により複数の玉１３を回動自在に保持してなり、軸受空間Ｓに充填されたグリース組成物（図示せず）をシール１４で封止して構成されている。内輪１０及び外輪１２は、一般的に採用される鉄鋼材料（例えばステンレス鋼や軸受鋼）で形成されている。本発明では、玉１３を、イットリアを１．５モル％以上５モル％以下の割合で含有するジルコニア・イットリア成分と、アルミナ成分とを、質量比で、アルミナ成分：ジルコニア・イットリア成分＝１０〜３０質量％：７０〜９０質量％となるように含有する特定のアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスで形成する。
【００１１】
セラミックス製の玉１３として多用されている窒化珪素は、体積固有抵抗率が１０１２Ω・ｃｍ以上であり、ほぼ十分な電気絶縁性を有する。また、アルミナも多用されており、その体積固有抵抗率は１０１４Ω・ｃｍ以上で、最も電気絶縁性が高いとされている。本発明で用いるアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスは、窒化珪素と同等の体積固有抵抗率を持つジルコニア・イットリアと、アルミナとの複合材料であり、下記の電食試験に示すようにその体積固有抵抗率は１０１３Ω・ｃｍ以上であり、窒化珪素よりも高い電気絶縁性を有し、電食防止効果に優れる。
【００１２】
（電食試験）
日本精工株式会社製軸受「呼び番号６０８」（内輪・外輪はＳＵＪ２）に、表１に示す材料（体積固有抵抗率は表記のとおり）からなる玉を組み込み、試験軸受とした。そして、試験軸受に日本精工株式会社製「ＮＳ７グリース」を封入し、回転数：１８００ｍｉｎ−１、予圧：３０Ｎ、印加電圧：ＡＣ、２０ｋＨｚ、正弦波、負荷電流：１４ｍＡ、試験時間：２００時間にて回転させたときのアンデロン値（Ｈ．Ｂ）を測定した。また、試験後に試験軸受を分解して、軌道面を観察して電食の有無を確信した。結果を表１及び図２に示す。
【００１３】
【表１】
【００１４】
体積固有抵抗率が１０１０Ω・ｃｍ以下では、アンデロン値のバラツキが大きく、高い値を示しており、軌道面にも電食による痕跡が見られる。これに対し体積固有抵抗が１０１２Ω・ｃｍ程度では、アンデロン値のバラツキが見られるものの、電食の発生は無くなる。そして、体積固有抵抗が１０１３Ω・ｃｍ以上になると、アンデロン値のバラツキが見られず、１．５以下の低い値となり、電食の発生も無い。
【００１５】
また、アルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスの剥離形態は、軸受鋼や窒化珪素で見られるような鱗片状の小片が表面から徐々に進行する形態（フィッシュアイ）であるため、割損等の突発的な全損を起こすことがない。但し、下記の寿命試験に示すように、アルミナ成分の配合比率が１０〜３０質量％の範囲外になると、玉１３の表面に剥離や欠けが生じ易くなり、寿命が短くなる。特に、アルミナ成分の配合比率が２０〜３０質量％においてより長寿命となる。
【００１６】
（寿命試験）
アルミナ粒子とジルコニア・イットリア粒子とを、両者の配合比率を変えて混合し、焼結して、アルミナ成分とジルコニア・イットリア成分との配合比率が表１に示すように異なるアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスを作製し、玉径が３／８インチの玉に加工した。この玉を３個、日本精工株式会社製軸受「呼び番号５１３０５」（内輪・外輪はＳＵＪ２製）に組み込み、試験軸受とした。そして、試験軸受を、荷重４４１０Ｎ、回転数１０００ｍｉｎ−１、Ｒ０６８油浴潤滑にて回転させ、寿命比（実寿命／計算寿命）を求めた。結果を表２及び図３に示す。
【００１７】
【表２】
【００１８】
更に、特定のアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスは、ジルコニア・イットリア成分の配合比率が高いため、ジルコニア・イットリア粒子の凝集がアルミナ粒子の凝集よりも起こり易く、玉１３の表面にもジルコニア・イットリア粒子の凝集体（ジルコニア・イットリア塊）の出現頻度が高くなる。そのため、アルミナ粒子の凝集体（アルミナ塊）の出現頻度は低くなるが、製造工程（混合・プレス・焼結）の条件管理や環境によってはアルミナ塊が玉１３の表面に出現することがある。しかし、基地組織であるアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスの硬度がＨＶ１５００程度であるのに対し、アルミナ塊の硬度はＨＶ２０００程度で、ジルコニア・イットリア塊の硬さ（ＨＶ１４００程度）よりも大きいため、ジルコニア・イットリア塊よりも応力集中源になり易く、剥離の起点になりやすい。そのため、本発明では、下記のように玉１３の表面におけるアルミナ塊の大きさを規定する。
【００１９】
即ち、上記の（寿命試験）の後、試験軸受を分解して玉の表面をＳＥＭ（２０００倍）で観察し、剥離の起点となったアルミナ塊の最大径を測定した。尚、アルミナ塊は、図４に示すように円または楕円で近似し、その最長部分ａの長さを測定した。結果を表３及び図５に示すが、アルミナ塊の最大径が２０μｍ以下であれば、寿命比が１を超えて長寿命となる。
【００２０】
【表３】
【００２１】
アルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスは、アルミナ粒子とジルコニア・イットリア粒子を混合・焼結して得られるが、焼結後の冷却過程において両者の体積収縮の差からアルミナ粒子には圧縮応力が負荷され、ジルコニア・イットリア粒子には引張応力が負荷される。その際、残留応力の違いから、図６に模式的に示すように亀裂が迂回して進展し、更に亀裂は強度の低いアルミナ粒子を進展する。そのため、アルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスにおけるアルミナ成分が少ない方が亀裂の進展が妨げられ、結果として高い曲げ強度が得られるようになる。アルミナ成分の配合比率が１０〜３０質量％である特定のアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスでは、下記の曲げ強度試験に示すように２．０ＧＰａ以上の曲げ強度が得られ、アルミナ成分の比率が２０質量％のときにより高い曲げ強度が得られる。
【００２２】
（曲げ強度試験）
アルミナ粒子とジルコニア・イットリア粒子とを、両者の配合比率を変えて混合・焼結し、アルミナ成分とジルコニア・イットリア成分との配合比率が表４に示すように異なるアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスを作製した。そして、ＪＩＳ Ｒ１６０１（３点曲げ試験）に準拠するインストロン万能試験機を用いて曲げ強度を測定した。結果を表４及び図７に示す。
【００２３】
【表４】
【００２４】
比較のために、図８に窒化珪素における亀裂の進展形態を示すが、亀裂の進展に際して迂回が少なくなっており、高い曲げ強度が得られない。
【００２５】
また、転動体がセラミックス製で、内外輪がＳＵＪ２等の金属製の転がり軸受では、膨張係数の違いから、温度が高くなるほど転動体と内外輪とのクリアランスが大きくなり、予圧が変化して内外輪・転動体のキズ音が発生したり、保持器音が大きくなるなどして音響特性が低下するようになる。そのため、本発明では、下記に示す音響試験から、アルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスの線膨張係数を８．０×１０−６／℃〜９．０×１０−６／℃とする。
【００２６】
（音響試験）
表５に示すように、異なるセラミックス材料の玉を、日本精工株式会社製軸受「呼び番号６０８」（内輪・外輪はＳＵＪ２製）に組み込み、試験軸受とした。そして、試験軸受を、予圧２０Ｎ、回転数１８００ｍｉｎ−１にて回転させ、保持器音の発生の有無及びアンデロン値（Ｈ．Ｂ）を測定した。また、同じ材料からなる試験片を作製し、線膨張係数を測定した。結果を表５及び図９に示すが、線膨張係数が８．０×１０−６／℃以上であれば、内外輪を金属製にしても保持器音の発生がなく、アンデロン値も低く抑えることができる。
【００２７】
【表５】
【００２８】
尚、アルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスの線膨張係数は、ジルコニア・イトリア成分の割合を多くすると高めることができる。しかし、本発明で用いる特定のアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスでは、ジルコニア・イトリア成分の割合を９０質量％以上に高めることができず、線膨張係数を９．０×１０−６／℃よりも大きくすることは困難である。そのため、線膨張係数の上限を９．０×１０−６／℃とする。
【００２９】
また、ジルコニア−イットリア成分中のイットリアの含有量を、３〜５モル％とすることにより組織の緻密化がより高まり、好ましい。
【００３０】
玉１３の製造に用いるアルミナ粒子及びジルコニア・イットリア粒子は、共に微細粉であることが好ましく、平均粒径１μｍ以下の微粉であることが好ましい。微細粉、特に平均粒径１μｍ以下の微粉を用いることにより、焼結後のアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスの結晶粒が微細になり、剥離した場合でも剥離面積が小さく、凹凸も小さくなる。
【００３１】
また、アルミナ粒子及びジルコニア・イットリア粒子における不純物は少ないほど好ましく、一般的な不純物であるＳｉＯ２や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０．２質量％、更に好ましくは０．１質量％とする。不純物は焼結性を低下させて機械的強度を低下させ、早期剥離の原因になり疲労寿命を著しく短くする。そのため、それぞれの不純物濃度が０．３質量％を超えると剥離が起こり易くなり、表面粗さが低下して軌道面が損傷しやすくなり、音響寿命を短くするおそれがある。
【００３２】
玉１３を製造するには、アルミナ粒子とジルコニア・イットリア粒子とを所定割合で混合、成形、焼成し、表面研磨して得られるが、成形はＣＩＰ成形（冷間水圧成形）が好ましく、焼結後はＨＩＰ処理（熱間等方加圧）を行うことが好ましい。
【００３３】
本発明の転がり軸受に封入されるグリースには制限はないが、例えば玉１３との親和性を考慮すると、極性を有するエステル系の潤滑油を基油に用いることが好ましい。また、低トルク化を図る必要がある場合は低粘度の基油を用いる。
【実施例】
【００３４】
以下に実施例及び比較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。
【００３５】
（実施例１〜３、比較例１〜１８）
表５に示すように、材質の異なる３／１６インチ径の玉を作製した。尚、実施例１〜３、比較例１１〜１６については、アルミナ成分と、ジルコニア・イットリア成分とを表に示す配合比率とした。また、ジルコニア・イットリア成分中のイットリア含有量は１．５〜５モル％である。更に、セラミックス製の玉の作製では、原料粒子の粉砕、混合、ＣＩＰ成形、ＨＩＰ処理、研削加工、研磨加工の各工程を行った。
【００３６】
また、同一ロッドから試験片を作製し、体積固有抵抗率及び線膨張係数を測定した。
【００３７】
更に、上記の（電食試験）、（寿命試験）、（曲げ試験）及び（音響試験）に従い、寿命比、曲げ強度、電食発生の有無、アンデロン値、保持器音を測定した。
【００３８】
結果を表６及び図１０〜１３に示すが、実施例１〜３のように、アルミナ成分：ジルコニア・イットリア成分＝１０〜３０質量％：７０〜９０質量％の割合で含むアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスは、体積固有抵抗率が１０１３Ω・ｃｍ以上で、線膨張係数が８．０×１０−６／℃〜９．０×１０−６／℃で、曲げ強度も２ＧＰａ以上と高くなっており、同材料からなる玉を用いることで、長寿命で、電食の発生もなく、音響特性にも優れた軸受となる。
【００３９】
これに対し、比較例１〜６のように、体積固有抵抗率が１０１０Ω・ｃｍを下回る材料からなる玉を用いると、電食が発生し、アンデロン値も高くなる。また、比較例７〜９、１８では、体積固有抵抗率が１０１２・ｃｍ程度であり、電食の発生を抑えるには十分であるが、アンデロン値が高くなっている。比較例１０、１７は体積固有抵抗率が高く、電食の発生を抑えるには十分であるが、アンデロン値が高くなっている。また、比較例１１〜１３のようにアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスにおけるアルミナ成分の含有量が本発明の範囲よりも多くなると、寿命が短くなり、曲げ強度も低下する。また、比較例１４〜１６のように、玉の表面に存在するアルミナ塊が２０μｍを超えるようになると、寿命が短くなる。
【００４０】
【表６】
【符号の説明】
【００４１】
１ 玉軸受
１０ 内輪
１１ 外輪
１２ 保持器
１３ 玉
１４ シール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と、外輪と、転動体と、保持器とを備える転がり軸受において、
前記転動体が、イットリアを１．５モル以上５モル％以下の割合で含むジルコニア・イットリア成分と、アルミナ成分とを、質量比で、アルミナ成分：ジルコニア・イットリア成分＝１０〜３０質量％：７０〜９０質量％の割合で含むアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスからなり、かつ、体積固有抵抗率が１．０×１０１３Ω・ｃｍ以上で、該転動体の表面におけるアルミナ塊の最大径が２０μｍ以下であることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
前記アルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスの曲げ強度が２．０ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
【請求項３】
前記アルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスの線膨張係数が８．０×１０−６／℃〜９．０×１０−６／℃であることを特徴とする請求項１または２記載の転がり軸受。
【請求項１】
内輪と、外輪と、転動体と、保持器とを備える転がり軸受において、
前記転動体が、イットリアを１．５モル以上５モル％以下の割合で含むジルコニア・イットリア成分と、アルミナ成分とを、質量比で、アルミナ成分：ジルコニア・イットリア成分＝１０〜３０質量％：７０〜９０質量％の割合で含むアルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスからなり、かつ、体積固有抵抗率が１．０×１０１３Ω・ｃｍ以上で、該転動体の表面におけるアルミナ塊の最大径が２０μｍ以下であることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
前記アルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスの曲げ強度が２．０ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
【請求項３】
前記アルミナ−ジルコニア−イットリア系セラミックスの線膨張係数が８．０×１０−６／℃〜９．０×１０−６／℃であることを特徴とする請求項１または２記載の転がり軸受。
【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１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−２４６９７５（Ｐ２０１２−２４６９７５Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１８０６５（Ｐ２０１１−１１８０６５）
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【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２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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