JP2019001667A - Production method of glass rolling element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガラス転動体の製造方法に関し、特に機械的強度と寸法精度が高いガラス転動体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a glass rolling element, and more particularly to a method for manufacturing a glass rolling element having high mechanical strength and high dimensional accuracy.
絶縁性が要求される転動体には、窒化珪素が広く使用されている。窒化珪素製の転動体は、絶縁性が高く、高強度であるというメリットを有する。その一方で、窒化珪素製の転動体は、密度が高く、球状に加工し難いというデメリットを有する(特許文献1参照)。 Silicon nitride is widely used for rolling elements that require insulation. A rolling element made of silicon nitride has the advantage of high insulation and high strength. On the other hand, a rolling element made of silicon nitride has a demerit that it has a high density and is difficult to process into a spherical shape (see Patent Document 1).
一方、ガラスは、絶縁材料であり、更に球形状に成形、加工し易いという特長がある。しかし、ガラスは、脆性材料であるため、軸受装置等に組み込まれる転動体に使用する場合に、高速回転、高摩擦、高荷重等の過酷な条件で破損する虞がある。そこで、ガラスをイオン交換処理すると、表面圧縮応力層が形成されて、機械的強度を高めることができる(特許文献2参照)。 On the other hand, glass is an insulating material and has a feature that it can be easily formed and processed into a spherical shape. However, since glass is a brittle material, when it is used for a rolling element incorporated in a bearing device or the like, it may be damaged under severe conditions such as high-speed rotation, high friction, and high load. Therefore, when the glass is subjected to ion exchange treatment, a surface compressive stress layer is formed, and the mechanical strength can be increased (see Patent Document 2).
しかし、球状ガラスをイオン交換処理して転動体を作製する場合、高い寸法精度を得ることが難しいという問題がある。 However, there is a problem that it is difficult to obtain high dimensional accuracy when a rolling element is produced by ion exchange treatment of spherical glass.
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、機械的強度と寸法精度が高いガラス転動体を作製し得る方法を創案することである。 This invention is made | formed in view of the said situation, and is creating a method which can produce a glass rolling element with high mechanical strength and dimensional accuracy.
本発明者は、種々の検討を行った結果、球状ガラスのガラス表面を研磨すると共に、研磨後の球状ガラスのガラス表面をイオン交換処理した後に、化学エッチングすることにより、上記技術的課題を解決し得ることを見出し、本発明として提案するものである。すなわち、本発明のガラス転動体の製造方法は、球状ガラスのガラス表面を研磨する研磨工程と、研磨工程後に、球状ガラスをイオン交換処理し、表面圧縮応力層を有するガラス転動体を得るイオン交換処理工程と、イオン交換処理工程後に、ガラス転動体のガラス表面を化学エッチングする化学エッチング工程と、を備えることを特徴とする。 As a result of various studies, the inventor has solved the above technical problem by polishing the glass surface of the spherical glass and chemically etching after polishing the glass surface of the spherical glass after polishing. The present invention is found and proposed as the present invention. That is, the method for producing a glass rolling element of the present invention includes a polishing step for polishing a glass surface of a spherical glass, and an ion exchange for obtaining a glass rolling element having a surface compressive stress layer by subjecting the spherical glass to an ion exchange treatment after the polishing step. And a chemical etching step of chemically etching the glass surface of the glass rolling element after the ion exchange treatment step.
本発明のガラス転動体の製造方法は、球状ガラスのガラス表面を研磨する研磨工程を備えている。これにより、ガラス転動体の寸法精度を高めることができる。一方、球状ガラスのガラス表面を研磨すると、ガラス表面に研磨傷が残存するため、ガラス転動体が軸受装置等に組み込まれる場合に、高速回転、高摩擦、高荷重等の過酷な条件で使用した時に、研磨傷を起点として、ガラス転動体が破損する虞がある。更に、研磨工程後の球状ガラスをKNO3溶融塩等のイオン交換溶液に浸漬して、イオン交換処理する場合、KNO3溶融塩等に含まれるOH基により球状ガラス中のSi−O−Si結合が切断されて、ガラス転動体のガラス表面に潜傷が現出することがあり、この潜傷を起点として、ガラス転動体が破損する虞がある。 The manufacturing method of the glass rolling element of this invention is equipped with the grinding | polishing process which grind | polishes the glass surface of spherical glass. Thereby, the dimensional accuracy of a glass rolling element can be raised. On the other hand, when the glass surface of the spherical glass is polished, polishing scratches remain on the glass surface. Therefore, when the glass rolling element is incorporated in a bearing device or the like, it was used under severe conditions such as high-speed rotation, high friction, and high load. Sometimes, the glass rolling element may be damaged starting from a polishing scratch. Furthermore, when the spherical glass after the polishing step is immersed in an ion exchange solution such as KNO 3 molten salt and subjected to ion exchange treatment, Si—O—Si bonds in the spherical glass are caused by OH groups contained in the KNO 3 molten salt or the like. May be cut and latent scratches may appear on the glass surface of the glass rolling element, and the glass rolling element may be damaged starting from the latent scratch.
そこで、本発明のガラス転動体の製造方法は、研磨工程後に、球状ガラスをイオン交換処理してガラス転動体を得るイオン交換処理工程を備える。これにより、ガラス転動体に表面圧縮応力層が形成されるため、ガラス転動体の機械的強度を高めることができる。更に、本発明のガラス転動体の製造方法は、イオン交換処理工程後に、ガラス転動体のガラス表面を化学エッチングする化学エッチング工程を備える。これにより、研磨傷や潜傷が浅くなったり、消失したりするため、研磨傷や潜傷を起点とするガラス転動体の破損を防止することができる。 Then, the manufacturing method of the glass rolling element of this invention is equipped with the ion exchange process process which obtains a glass rolling element by ion-exchange-processing spherical glass after a grinding | polishing process. Thereby, since a surface compressive-stress layer is formed in a glass rolling element, the mechanical strength of a glass rolling element can be raised. Furthermore, the manufacturing method of the glass rolling element of this invention is equipped with the chemical etching process of chemically etching the glass surface of a glass rolling element after an ion exchange process process. Thereby, since a grinding | polishing damage | wound and a latent flaw become shallow, or it lose | disappears, the breakage | damage of the glass rolling element starting from a grinding | polishing flaw and a latent flaw can be prevented.
また、本発明のガラス転動体の製造方法において、化学エッチング工程は、ガラス転動体をハロゲン化水素酸水溶液に浸漬する工程であることが好ましい。 Moreover, in the manufacturing method of the glass rolling element of this invention, it is preferable that a chemical etching process is a process of immersing a glass rolling element in hydrohalic acid aqueous solution.
また、本発明のガラス転動体の製造方法において、直径の寸法公差が0.01%以内になるように、球状ガラスのガラス表面を研磨することが好ましい。ここで、「直径の寸法公差」は、少なくとも10か所で測定した直径の平均値に対する寸法公差であり、例えば、周知の接触式測長機により測定可能である。 Moreover, in the manufacturing method of the glass rolling element of this invention, it is preferable to grind | polish the glass surface of spherical glass so that the dimensional tolerance of a diameter may be less than 0.01%. Here, the “diameter dimensional tolerance” is a dimensional tolerance with respect to the average value of the diameters measured at at least 10 locations, and can be measured by, for example, a well-known contact type length measuring machine.
また、本発明のガラス転動体の製造方法において、直径の寸法公差が0.01%以内になるように、ガラス転動体のガラス表面を化学エッチングすることが好ましい。 Moreover, in the manufacturing method of the glass rolling element of this invention, it is preferable to chemically etch the glass surface of a glass rolling element so that the dimensional tolerance of a diameter may be less than 0.01%.
また、本発明のガラス転動体の製造方法において、表面圧縮応力層の応力深さDOLの2〜50%の化学エッチング深さになるように、ガラス転動体のガラス表面を化学エッチングすることが好ましい。 Moreover, in the manufacturing method of the glass rolling element of this invention, it is preferable to chemically etch the glass surface of a glass rolling element so that it may become 2-50% of chemical etching depth of the stress depth DOL of a surface compressive-stress layer. .
また、本発明のガラス転動体の製造方法において、ガラス表面の表面粗さRaが5nm以下になるように、ガラス転動体のガラス表面を化学エッチングすることが好ましい。ここで、「表面粗さRa」は、試料を治具等で固定した状態で、JIS B0601:2001年に準拠した方法で測定することができる。 Moreover, in the manufacturing method of the glass rolling element of this invention, it is preferable to chemically etch the glass surface of a glass rolling element so that surface roughness Ra of the glass surface may be 5 nm or less. Here, the “surface roughness Ra” can be measured by a method based on JIS B0601: 2001 in a state where the sample is fixed with a jig or the like.
また、本発明のガラス転動体の製造方法において、表面圧縮応力層の圧縮応力値CSが100MPa以上になるように、ガラス転動体のガラス表面を化学エッチングすることが好ましい。 Moreover, in the manufacturing method of the glass rolling element of this invention, it is preferable to chemically etch the glass surface of a glass rolling element so that the compressive stress value CS of a surface compressive stress layer may be 100 Mpa or more.
また、本発明のガラス転動体の製造方法において、ガラス転動体は、ガラス組成として、質量%で、SiO2 45〜75%、Al2O3 10〜30%、Na2O 5〜25%を含有するガラスからなることが好ましい。 In the method for producing glass rolling elements of the present invention, the glass rolling element, as a glass composition, in mass%, SiO 2 45~75%, Al 2 O 3 10~30%, a Na 2 O 5 to 25% It is preferable to consist of the glass to contain.
また、本発明のガラス転動体の製造方法において、LiNO3溶融塩、NaNO3溶融塩、KNO3溶融塩の一種又はそれらの混合溶融塩に浸漬することにより、球状ガラスをイオン交換処理することが好ましい。 In the method for producing glass rolling elements of the present invention, LiNO 3 molten salt, NaNO 3 molten salt, by immersion in one or mixed molten salts thereof KNO 3 molten salt, it may be ion-exchange treatment the spherical glass preferable.
また、本発明のガラス転動体の製造方法において、表面圧縮応力層の圧縮応力値CSが300MPa以上、且つ応力深さDOLが30μm以上になるように、球状ガラスをイオン交換処理することが好ましい。ここで、「圧縮応力値CS」と「応力深さDOL」は以下のように測定する。球状ガラスと同じ組成、同じ熱履歴を有するガラス板を用意する。次に、球状ガラスと同じ条件で、ガラス板をイオン交換処理して、球状ガラスと同じ表面組成プロファイルを有するガラス板を得る。表面組成プロファイルは、SEM−EDX(例えば日立ハイテクノロジーズ製S4300−SE、堀場製作所製EX−250)によるZAF法のスタンダードレス定量分析を用いることで測定することができる。なお、同じ組成であるガラス同士について、周知のアルキメデス法や重液法で測定した密度を同一とすることで熱履歴を揃えることができる。続いて、表面応力計(例えば、株式会社折原製作所製FSM−6000)によりガラス板の断面を観察し、観察される干渉縞の本数とその間隔から、ガラス板の表面応力層の圧縮応力値CSp、応力深さDOLpを算出する。最後に、得られたCSpを球状ガラスのCS、DOLpを球状ガラスのDOLとして評価する。なお、「圧縮応力値CS」は、複屈折イメージングシステムAbrioを用いて、表面圧縮応力層のレタデーションにより直接的に測定することもできる。 Moreover, in the manufacturing method of the glass rolling element of this invention, it is preferable to ion-exchange a spherical glass so that the compressive stress value CS of a surface compressive-stress layer may be 300 Mpa or more and the stress depth DOL may be 30 micrometers or more. Here, the “compressive stress value CS” and the “stress depth DOL” are measured as follows. A glass plate having the same composition as the spherical glass and the same thermal history is prepared. Next, the glass plate is subjected to ion exchange treatment under the same conditions as the spherical glass to obtain a glass plate having the same surface composition profile as the spherical glass. The surface composition profile can be measured by using a standardless quantitative analysis of the ZAF method by SEM-EDX (for example, S4300-SE manufactured by Hitachi High-Technologies, EX-250 manufactured by Horiba, Ltd.). In addition, about the glass which is the same composition, a heat history can be arrange | equalized by making the density measured by the well-known Archimedes method or the heavy liquid method the same. Subsequently, the cross section of the glass plate is observed with a surface stress meter (for example, FSM-6000 manufactured by Orihara Seisakusho Co., Ltd.), and the compression stress value CSp of the surface stress layer of the glass plate is determined from the number of observed interference fringes and the interval between them. The stress depth DOLp is calculated. Finally, the obtained CSp is evaluated as CS of spherical glass, and DOLp is evaluated as DOL of spherical glass. The “compressive stress value CS” can also be directly measured by the retardation of the surface compressive stress layer using the birefringence imaging system Abrio.
本発明のガラス転動体の製造方法は、上記の通り、球状ガラスのガラス表面を研磨する研磨工程と、研磨工程後に、球状ガラスをイオン交換処理し、表面圧縮応力層を有するガラス転動体を得るイオン交換処理工程と、イオン交換処理工程後に、ガラス転動体のガラス表面を化学エッチングする化学エッチング工程と、を備えることを特徴とする。以下、本発明のガラス転動体の製造方法について、各工程に沿って詳細を説明する。 As described above, the method for producing a glass rolling element of the present invention comprises a polishing step for polishing the glass surface of the spherical glass, and after the polishing step, the spherical glass is subjected to ion exchange treatment to obtain a glass rolling element having a surface compressive stress layer. It comprises an ion exchange treatment step and a chemical etching step for chemically etching the glass surface of the glass rolling element after the ion exchange treatment step. Hereinafter, about the manufacturing method of the glass rolling element of this invention, a detail is demonstrated along each process.
本発明のガラス転動体の製造方法に用いる球状ガラスは、例えば、以下のようにして作製することができる。まず所望のガラス組成になるように調合したガラスバッチを連続溶融炉に投入し、1500〜1600℃で加熱溶融して、溶融ガラスを得た後、清澄容器、攪拌容器を経由して、成形装置に供給した上で球状に成形し、徐冷する。 The spherical glass used for the manufacturing method of the glass rolling element of this invention can be produced as follows, for example. First, a glass batch prepared to have a desired glass composition is put into a continuous melting furnace, heated and melted at 1500 to 1600 ° C. to obtain a molten glass, and then a molding apparatus through a clarification container and a stirring container. And then, it is formed into a spherical shape and slowly cooled.
成形方法として、種々の成形方法を採択することができる。特にマーブル成形法や液滴成形法を採択することが好ましい。このようにすれば、高寸法精度の球状ガラスを成形し易くなる。結果として、ガラス表面を少量の研磨で、直径の寸法公差を低減することができる。 Various molding methods can be adopted as the molding method. In particular, it is preferable to adopt a marble molding method or a droplet molding method. If it does in this way, it will become easy to shape spherical glass with high dimensional accuracy. As a result, the dimensional tolerance of the diameter can be reduced with a small amount of polishing of the glass surface.
本発明に係る球状ガラス(ガラス転動体)は、ガラス組成として、質量%で、SiO2 45〜75%、Al2O3 10〜30%、Na2O 5〜25%を含有することが好ましい。上記のように各成分の含有範囲を限定した理由を以下に説明する。なお、各成分の含有範囲の説明において、以下の%表示は、特段の断りがない限り、質量%を指す。 The spherical glass (glass rolling element) according to the present invention preferably contains, as a glass composition, mass%, SiO 2 45 to 75%, Al 2 O 3 10 to 30%, and Na 2 O 5 to 25%. . The reason for limiting the content range of each component as described above will be described below. In addition, in description of the content range of each component, the following% display points out the mass% unless there is particular notice.
SiO2は、ガラスのネットワークを形成する成分であり、その含有量は、好ましくは45〜75%、45〜70%、45〜65%、45〜63%、特に48〜61%である。SiO2の含有量が多過ぎると、溶融性、成形性、熱膨張係数が低下し易くなる。一方、SiO2の含有量が少な過ぎると、ガラス化し難くなり、またハロゲン化水素酸水溶液による化学エッチングの効率が低下し易くなる。 SiO 2 is a component that forms a glass network, and the content thereof is preferably 45 to 75%, 45 to 70%, 45 to 65%, 45 to 63%, particularly 48 to 61%. When the content of SiO 2 is too large, meltability, moldability, thermal expansion coefficient is liable to lower. On the other hand, when the content of SiO 2 is too small, it becomes difficult to vitrify, and the efficiency of chemical etching with a hydrohalic acid aqueous solution tends to decrease.
Al2O3は、イオン交換性能、歪点、ヤング率を高める成分である。しかし、Al2O3の含有量が多過ぎると、ガラスに失透結晶が析出し易くなって、所望の形状に成形し難くなる。また溶融性、熱膨張係数が低下し易くなる。よって、Al2O3の好適な上限範囲は30%以下、28%以下、24%以下、23%以下、22%以下、21.5%以下、特に21%以下であり、好適な下限範囲は10%以上、12%以上、13%以上、15%以上、17%以上、特に18%以上である。なお、Al2O3の含有量が少な過ぎると、ハロゲン化水素酸水溶液による化学エッチングの効率が低下し易くなる。 Al 2 O 3 is a component that increases ion exchange performance, strain point, and Young's modulus. However, when the content of Al 2 O 3 is too large, devitrification crystal glass becomes easy to precipitate, hardly molded into a desired shape. Further, the meltability and the coefficient of thermal expansion are likely to decrease. Therefore, the preferred upper limit range of Al 2 O 3 is 30% or less, 28% or less, 24% or less, 23% or less, 22% or less, 21.5% or less, particularly 21% or less. 10% or more, 12% or more, 13% or more, 15% or more, 17% or more, particularly 18% or more. Note that if too small content of Al 2 O 3, the efficiency of the chemical etching with a hydrohalic acid aqueous solution tends to decrease.
Na2Oは、イオン交換成分であると共に、溶融性や成形性を高める成分である。また耐失透性を改善する成分でもある。しかし、Na2Oの含有量が多過ぎると、体積電気抵抗率が低くなったり、熱膨張係数が不当に高くなるため、耐熱衝撃性が低下し易くなる。またガラス組成のバランスが崩れて、耐失透性が低下する虞がある。よって、Na2Oの含有量は、好ましくは5〜25%、10〜25%、11〜22%、12〜20%、13〜19%、特に14〜18%である。 Na 2 O is an ion exchange component and a component that improves meltability and moldability. It is also a component that improves devitrification resistance. However, when the content of Na 2 O is too large, the volume electrical resistivity is lowered or the thermal expansion coefficient is unduly increased, so that the thermal shock resistance tends to be lowered. Further, the balance of the glass composition may be lost, and the devitrification resistance may be reduced. Therefore, the content of Na 2 O is preferably 5 to 25%, 10 to 25%, 11 to 22%, 12 to 20%, 13 to 19%, particularly 14 to 18%.
上記成分以外にも、例えば、以下の成分を導入してもよい。 In addition to the above components, for example, the following components may be introduced.
P2O5は、イオン交換性能を高める成分であり、特に応力深さDOLを増大させる成分である。上記の通り、イオン交換性能を高めるためには、Al2O3の増量が有効であるが、Al2O3の含有量が多過ぎると、耐失透性が低下し易くなる。よって、Al2O3の導入量には限界がある。しかし、P2O5を導入すると、Al2O3を増量しても、ガラスが失透し難くなるため、Al2O3の導入許容量を高めることができる。結果として、イオン交換性能を飛躍的に高めることができる。一方、P2O5の含有量が多く過ぎると、ガラスが分相したり、耐水性や耐失透性が低下し易くなる。以上の点を踏まえると、P2O5の好適な上限範囲は10%以下、9%以下、8%以下、7%以下、特に6%以下であり、好適な下限範囲は0%以上、0.1%以上、0.5%以上、1%以上、2%以上、3%以上、特に4%以上である。 P 2 O 5 is a component that enhances the ion exchange performance, and particularly a component that increases the stress depth DOL. As described above, increasing the amount of Al 2 O 3 is effective for improving the ion exchange performance. However, if the content of Al 2 O 3 is too large, the devitrification resistance tends to decrease. Therefore, there is a limit to the amount of Al 2 O 3 introduced. However, when P 2 O 5 is introduced, even if the amount of Al 2 O 3 is increased, it becomes difficult for the glass to devitrify, so that the allowable amount of introduction of Al 2 O 3 can be increased. As a result, ion exchange performance can be dramatically improved. On the other hand, if too much amount of P 2 O 5, glass or phase separation, the water resistance and the devitrification resistance tends to decrease. In view of the above points, the preferable upper limit range of P 2 O 5 is 10% or less, 9% or less, 8% or less, 7% or less, particularly 6% or less, and the preferable lower limit range is 0% or more, 0 1% or more, 0.5% or more, 1% or more, 2% or more, 3% or more, particularly 4% or more.
B2O3は、液相温度、高温粘度、密度を低下させる成分であると共に、イオン交換性能、特に圧縮応力値CSを高める成分であるが、その含有量が多過ぎると、イオン交換によってガラス表面にヤケが発生したり、耐水性、液相粘度、応力深さDOLが低下する虞がある。よって、B2O3の含有量は、好ましくは0〜6%、0〜4%、0.1〜3%、0.1〜2%、特に0.5〜1%未満である。 B 2 O 3 is a component that lowers the liquidus temperature, the high-temperature viscosity, and the density, and is a component that increases the ion exchange performance, particularly the compressive stress value CS. There is a possibility that burns may occur on the surface, and water resistance, liquid phase viscosity, and stress depth DOL may decrease. Therefore, the content of B 2 O 3 is preferably 0 to 6%, 0 to 4%, 0.1 to 3%, 0.1 to 2%, particularly 0.5 to less than 1%.
Li2Oは、イオン交換成分であると共に、高温粘度を低下させて、溶融性や成形性を高める成分である。更にヤング率を高める成分である。しかし、Li2Oの含有量が多過ぎると、液相粘度が低下して、ガラスが失透し易くなる。また低温粘性が低下し過ぎて、イオン交換処理の際に応力緩和が生じ易くなり、かえって圧縮応力値CSが低下する虞がある。よって、Li2Oの含有量は、好ましくは0〜10%、0〜8%、0〜5%、0〜3%未満、0〜2%、0〜1%未満、0〜0.1%未満、特に0〜0.01%未満である。 Li 2 O is an ion exchange component and a component that lowers the high-temperature viscosity and improves the meltability and moldability. Furthermore, it is a component that increases the Young's modulus. However, when the content of Li 2 O is too large, and decreases the liquidus viscosity, it tends glass devitrified. Further, the low-temperature viscosity is excessively lowered, and stress relaxation is likely to occur during the ion exchange treatment, and the compressive stress value CS may be lowered. Therefore, the content of Li 2 O is preferably 0 to 10%, 0 to 8%, 0 to 5%, 0 to less than 3%, 0 to 2%, 0 to less than 1%, 0 to 0.1%. Less than, especially 0 to less than 0.01%.
K2Oは、イオン交換を促進する成分であり、特にアルカリ金属酸化物の中では応力深さDOLを増大させる効果が高い成分である。また高温粘度を低下させて、溶融性や成形性を高めたり、耐失透性を改善する成分である。しかし、K2Oの含有量が多過ぎると、熱膨張係数が不当に高くなり、耐熱衝撃性が低下したり、周辺材料と熱膨張係数が整合し難くなる。更に歪点が低下し過ぎたり、ガラス組成のバランスが崩れて、逆に耐失透性が低下する虞がある。K2Oの好適な上限範囲は10%以下、9%以下、8%以下、7%以下、特に6%以下であり、好適な下限範囲は0%以上、0.5%以上、1%以上、2%以上、3%以上、特に4%以上である。 K 2 O is a component that promotes ion exchange, and is a component that has a high effect of increasing the stress depth DOL, particularly among alkali metal oxides. Further, it is a component that lowers the high-temperature viscosity to increase meltability and moldability, and improve devitrification resistance. However, if the content of K 2 O is too large, the thermal expansion coefficient becomes unreasonably high, the thermal shock resistance is lowered, and it is difficult to match the thermal expansion coefficient with the surrounding materials. Furthermore, there is a possibility that the strain point is excessively lowered, the balance of the glass composition is lost, and the devitrification resistance is reduced. The preferable upper limit range of K 2 O is 10% or less, 9% or less, 8% or less, 7% or less, particularly 6% or less, and the preferable lower limit range is 0% or more, 0.5% or more, 1% or more. 2% or more, 3% or more, particularly 4% or more.
Li2O+Na2O+K2Oの好適な上限範囲は30%以下、25%以下、特に22%以下であり、好適な下限範囲は8%以上、10%以上、13%以上、特に15%以上である。Li2O+Na2O+K2Oの含有量が多過ぎると、耐失透性が低下したり、熱膨張係数が不当に高くなって、耐熱衝撃性が低下したり、周辺材料と熱膨張係数が整合し難くなる。一方、Li2O+Na2O+K2Oの含有量が少な過ぎると、イオン交換性能と溶融性が低下し易くなる。なお、「Li2O+Na2O+K2O」は、Li2O、Na2O及びK2Oの合量である。 The preferred upper limit range of Li 2 O + Na 2 O + K 2 O is 30% or less, 25% or less, particularly 22% or less, and the preferred lower limit range is 8% or more, 10% or more, 13% or more, particularly 15% or more. is there. If the content of Li 2 O + Na 2 O + K 2 O is too large, the devitrification resistance is lowered, the thermal expansion coefficient is unduly high, the thermal shock resistance is lowered, and the thermal expansion coefficient matches with the surrounding materials. It becomes difficult to do. On the other hand, if too small content of Li 2 O + Na 2 O + K 2 O, becomes liable to lower the melting property and ion-exchange performance. “Li 2 O + Na 2 O + K 2 O” is the total amount of Li 2 O, Na 2 O and K 2 O.
モル%比K2O/Na2Oは、好ましくは0〜1、0〜0.8、0.05〜0.7、0.1〜0.5、0.15〜0.4、0.15〜0.3、特に0.15〜0.25である。このようにすれば、短時間で圧縮応力値CSと応力深さDOLが大きくなり易い。また、周知の混合アルカリ効果により比較的高い電気抵抗率を得ることができる。なお、「K2O/Na2O」は、K2Oの含有量をNa2Oの含有量で割った値である。 The molar ratio K 2 O / Na 2 O is preferably 0 to 1, 0 to 0.8, 0.05 to 0.7, 0.1 to 0.5, 0.15 to 0.4, 0. 15-0.3, especially 0.15-0.25. In this way, the compressive stress value CS and the stress depth DOL are likely to increase in a short time. Also, a relatively high electrical resistivity can be obtained by the well-known mixed alkali effect. “K 2 O / Na 2 O” is a value obtained by dividing the content of K 2 O by the content of Na 2 O.
MgO+CaO+SrO+BaOの含有量は、好ましくは0〜15%、0〜9%、0.5〜6%、特に1〜5%である。MgO+CaO+SrO+BaOの含有量が多過ぎると、密度や熱膨張係数が不当に高くなったり、耐失透性やイオン交換性能が低下し易くなる。なお、「MgO+CaO+SrO+BaO」は、MgO、CaO、SrO及びBaOの合量である。 The content of MgO + CaO + SrO + BaO is preferably 0-15%, 0-9%, 0.5-6%, especially 1-5%. When there is too much content of MgO + CaO + SrO + BaO, a density and a thermal expansion coefficient will become unreasonably high, or devitrification resistance and ion exchange performance will fall easily. “MgO + CaO + SrO + BaO” is the total amount of MgO, CaO, SrO and BaO.
MgOとCaOは、高温粘度を低下させて、溶融性や成形性を高めたり、歪点やヤング率を高める成分であり、アルカリ土類金属酸化物の中では、イオン交換性能を高める効果が大きい成分である。しかし、MgOとCaOの含有量が多くなると、密度や熱膨張係数が高くなったり、ガラスが失透し易くなる。よって、MgOの含有量は、好ましくは10%以下、8%以下、6%以下、0.5〜5%、特に1〜4%である。CaOの含有量は、好ましくは6%以下、4%以下、2%以下、1%未満、特に0.5%未満である。 MgO and CaO are components that lower high-temperature viscosity to increase meltability and moldability, and increase strain point and Young's modulus. Among alkaline earth metal oxides, MgO and CaO are highly effective in increasing ion exchange performance. It is an ingredient. However, when the contents of MgO and CaO increase, the density and thermal expansion coefficient increase and the glass tends to devitrify. Therefore, the content of MgO is preferably 10% or less, 8% or less, 6% or less, 0.5 to 5%, particularly 1 to 4%. The content of CaO is preferably 6% or less, 4% or less, 2% or less, less than 1%, particularly less than 0.5%.
SrOとBaOは、高温粘度を低下させて、溶融性や成形性を高めたり、歪点やヤング率を高める成分である。しかし、SrOとBaOの含有量が多くなると、密度や熱膨張係数が高くなったり、イオン交換性能が低下し易くなる。よって、SrOの含有量は、好ましくは3%以下、2%以下、1%以下、0.5%以下、特に0.1%未満である。BaOの含有量は、好ましくは3%以下、2%以下、1%以下、0.5%以下、特に0.1%未満である。 SrO and BaO are components that lower the high temperature viscosity to increase the meltability and formability, and increase the strain point and Young's modulus. However, when the contents of SrO and BaO increase, the density and thermal expansion coefficient increase, and the ion exchange performance tends to decrease. Therefore, the content of SrO is preferably 3% or less, 2% or less, 1% or less, 0.5% or less, and particularly less than 0.1%. The content of BaO is preferably 3% or less, 2% or less, 1% or less, 0.5% or less, particularly less than 0.1%.
質量比(MgO+CaO+SrO+BaO)/(Li2O+Na2O+K2O)は、耐失透性を高めるために、好ましくは0.5以下、0.4以下、特に0.3以下である。なお、「(MgO+CaO+SrO+BaO)/(Li2O+Na2O+K2O)」は、MgO、CaO、SrO及びBaOの合量をLi2O、Na2O及びK2Oの合量で割った値である。 The mass ratio (MgO + CaO + SrO + BaO) / (Li 2 O + Na 2 O + K 2 O) is preferably 0.5 or less, 0.4 or less, particularly 0.3 or less, in order to increase the devitrification resistance. “(MgO + CaO + SrO + BaO) / (Li 2 O + Na 2 O + K 2 O)” is a value obtained by dividing the total amount of MgO, CaO, SrO and BaO by the total amount of Li 2 O, Na 2 O and K 2 O. .
ZnOは、イオン交換性能を高める成分である。また低温粘性を低下させずに、高温粘性を低下させる成分である。しかし、P2O5の存在下でZnOを増量すると、ガラスが分相したり、失透し易くなる。よって、ZnOの含有量は、好ましくは8%以下、4%以下、1%以下、0.1%以下、特に0.01%以下である。 ZnO is a component that enhances ion exchange performance. Moreover, it is a component which reduces high temperature viscosity, without reducing low temperature viscosity. However, when ZnO is increased in the presence of P 2 O 5 , the glass is likely to undergo phase separation or devitrification. Therefore, the ZnO content is preferably 8% or less, 4% or less, 1% or less, 0.1% or less, and particularly 0.01% or less.
ZrO2は、イオン交換性能、ヤング率、歪点を高める成分であり、高温粘性を低下させる成分である。しかし、ZrO2の含有量が多くなると、耐失透性が低下し易くなる。よって、ZrO2の含有量は、好ましくは0〜10%、0〜5%、0〜3%、0〜1%未満、0〜0.4%、特に0〜0.1%未満である。 ZrO 2 is a component that increases ion exchange performance, Young's modulus, and strain point, and is a component that decreases high temperature viscosity. However, when the content of ZrO 2 increases, the devitrification resistance tends to be lowered. Therefore, the content of ZrO 2 is preferably 0 to 10%, 0 to 5%, 0 to 3%, 0 to less than 1%, 0 to 0.4%, especially 0 to less than 0.1%.
TiO2は、イオン交換性能を高める成分であり、高温粘性を低下させる成分である。しかし、TiO2の含有量が多くなると、ガラスが着色したり、失透し易くなる。特に溶融雰囲気や原料不純物により、透過率が変動し易くなる。よって、TiO2の含有量は、好ましくは0〜4%、0〜1%未満、0〜0.1%未満、特に0〜0.01%未満である。 TiO 2 is a component that enhances ion exchange performance and is a component that reduces high temperature viscosity. However, when the content of TiO 2 increases, the glass is likely to be colored or devitrified. In particular, the transmittance tends to fluctuate due to the melting atmosphere and the raw material impurities. Therefore, the content of TiO 2 is preferably 0 to 4%, 0 to less than 1%, 0 to less than 0.1%, particularly 0 to less than 0.01%.
SnO2は、イオン交換性能、特に圧縮応力値CSを高める成分である。しかし、SnO2の含有量が多くなると、SnO2に起因する失透が発生したり、ガラスが着色し易くなる。よって、SnO2の含有量は、好ましくは0〜3%、0.01〜2%、0.05〜1%、特に0.1〜0.5%である。 SnO 2 is a component that increases the ion exchange performance, particularly the compressive stress value CS. However, when the content of SnO 2 increases, devitrification due to SnO 2 occurs or glass tends to be colored. Therefore, the content of SnO 2 is preferably 0 to 3%, 0.01 to 2%, 0.05 to 1%, particularly 0.1 to 0.5%.
清澄剤として、As2O3、Sb2O3、CeO2、F、SO3、Clの群から選択された一種又は二種以上を含有させてもよい。但し、環境に対する配慮から、As2O3とSb2O3を添加しないことが好ましく、As2O3とSb2O3の含有量は、それぞれ0.1%未満、特に0.01%未満が好ましい。CeO2の含有量は、透過率を高めるために、0.1%未満、特に0.01%未満が好ましい。Fの含有量は、低温粘性の低下による応力緩和を抑制するため、0.1%未満、特に0.01%未満が好ましい。 As a fining agent, As 2 O 3, Sb 2 O 3, CeO 2, F, may contain SO 3, Cl one or two or more selected from the group of. However, from environmental considerations, it is preferred that no added As 2 O 3 and Sb 2 O 3, the content of As 2 O 3 and Sb 2 O 3 content of each less than 0.1%, particularly less than 0.01% Is preferred. The CeO 2 content is preferably less than 0.1%, particularly preferably less than 0.01%, in order to increase the transmittance. The content of F is preferably less than 0.1%, particularly preferably less than 0.01%, in order to suppress stress relaxation due to a decrease in low-temperature viscosity.
CoO、NiO等の遷移金属酸化物は、ガラスを着色させる成分である。よって遷移金属酸化物の含有量は、好ましくは0.5%以下、0.1%以下、特に0.05%以下である。 Transition metal oxides such as CoO and NiO are components that color glass. Therefore, the content of the transition metal oxide is preferably 0.5% or less, 0.1% or less, particularly 0.05% or less.
Nb2O5、La2O3等の希土類酸化物は、ヤング率を高める成分である。しかし、希土類酸化物の含有量が多くなると、原料コストが高騰し、耐失透性が低下し易くなる。よって、希土類酸化物の含有量は、好ましくは3%以下、2%以下、1%未満、0.5%以下、特に0.1%以下である。 Rare earth oxides such as Nb 2 O 5 and La 2 O 3 are components that increase the Young's modulus. However, when the content of the rare earth oxide increases, the raw material cost increases, and the devitrification resistance tends to decrease. Therefore, the rare earth oxide content is preferably 3% or less, 2% or less, less than 1%, 0.5% or less, particularly 0.1% or less.
PbOとBi2O3の含有量は、環境に対する配慮から、それぞれ0.1%未満が好ましい。 The contents of PbO and Bi 2 O 3 are each preferably less than 0.1% in consideration of the environment.
本発明の球状ガラス(ガラス転動体)は、以下のガラス特性を有することが好ましい。 The spherical glass (glass rolling element) of the present invention preferably has the following glass characteristics.
密度は、好ましくは2.60g/cm3以下、2.55g/cm3以下、2.50g/cm3以下、2.49g/cm3以下、特に2.48g/cm3以下である。密度が低い程、ガラス転動体の軽量化を図ることができる。なお、「密度」とは、周知のアルキメデス法で測定した値を指す。 Density is preferably 2.60 g / cm 3 or less, 2.55 g / cm 3 or less, 2.50 g / cm 3 or less, 2.49 g / cm 3 or less, in particular 2.48 g / cm 3 or less. As the density is lower, the glass rolling element can be reduced in weight. “Density” refers to a value measured by the well-known Archimedes method.
30〜380℃の温度範囲における熱膨張係数は、好ましくは70×10−7〜110×10−7/℃、75×10−7〜110×10−7/℃、80×10−7〜110×10−7/℃、特に85×10−7〜110×10−7/℃である。上記のように熱膨張係数を規制すれば、高速回転時に発生する熱により周辺の金属部材が膨張したとしても、適正に駆動させることができる。なお、「熱膨張係数」とは、30〜380℃の温度範囲において、ディラトメーターで測定した平均値である。 The thermal expansion coefficient in the temperature range of 30 to 380 ° C. is preferably 70 × 10 −7 to 110 × 10 −7 / ° C., 75 × 10 −7 to 110 × 10 −7 / ° C., 80 × 10 −7 to 110 × 10 −7 / ° C., in particular 85 × 10 −7 to 110 × 10 −7 / ° C. If the coefficient of thermal expansion is regulated as described above, even if the surrounding metal member expands due to heat generated during high-speed rotation, it can be driven properly. The “thermal expansion coefficient” is an average value measured with a dilatometer in a temperature range of 30 to 380 ° C.
歪点は、好ましくは520℃以上、550℃以上、560℃以上、特に570〜750℃である。歪点が高い程、耐熱性が向上する。また歪点が高いと、イオン交換処理時に応力緩和が生じ難くなるため、高い圧縮応力値CSを確保し易くなる。なお、「歪点」は、ASTM C336の方法により測定可能である。 The strain point is preferably 520 ° C. or higher, 550 ° C. or higher, 560 ° C. or higher, particularly 570 to 750 ° C. The higher the strain point, the better the heat resistance. In addition, when the strain point is high, stress relaxation is less likely to occur during the ion exchange process, and thus it is easy to ensure a high compressive stress value CS. The “strain point” can be measured by the method of ASTM C336.
高温粘度102.5dPa・sに相当する温度は、好ましくは1650℃以下、1600℃以下、1580℃以下、1550℃以下、1540℃以下、特に1530℃以下である。高温粘度102.5dPa・sに相当する温度が低い程、低温でガラスを溶融することができる。よって、高温粘度102.5dPa・sに相当する温度が低い程、溶融窯等のガラス製造設備への負担が小さくなると共に、球状ガラスの泡品位を高めることができる。なお、「高温粘度102.5dPa・sに相当する温度」は、白金球引き上げ法で測定可能である。 The temperature corresponding to the high temperature viscosity of 10 2.5 dPa · s is preferably 1650 ° C. or lower, 1600 ° C. or lower, 1580 ° C. or lower, 1550 ° C. or lower, 1540 ° C. or lower, especially 1530 ° C. or lower. The lower the temperature corresponding to the high temperature viscosity of 10 2.5 dPa · s, the more the glass can be melted at a lower temperature. Therefore, as the temperature corresponding to the high temperature viscosity of 10 2.5 dPa · s is lower, the burden on glass production equipment such as a melting kiln is reduced, and the bubble quality of the spherical glass can be improved. The “temperature corresponding to a high temperature viscosity of 10 2.5 dPa · s” can be measured by a platinum ball pulling method.
液相温度は、好ましくは1200℃以下、1150℃以下、1130℃以下、1110℃以下、1090℃以下、特に1070℃以下である。液相温度が高過ぎると、球状に成形し難くなる。なお、「液相温度」は、標準篩30メッシュ(篩目開き500μm)を通過し、50メッシュ(篩目開き300μm)に残るガラス粉末を白金ボートに入れ、温度勾配炉中に24時間保持して、結晶の析出する温度を測定した値を指す。 The liquidus temperature is preferably 1200 ° C. or lower, 1150 ° C. or lower, 1130 ° C. or lower, 1110 ° C. or lower, 1090 ° C. or lower, particularly 1070 ° C. or lower. When the liquidus temperature is too high, it becomes difficult to form a spherical shape. Note that the “liquid phase temperature” is obtained by passing the standard sieve 30 mesh (mesh opening 500 μm) and putting the glass powder remaining at 50 mesh (mesh opening 300 μm) into a platinum boat and holding it in a temperature gradient furnace for 24 hours. The value at which the temperature at which crystals precipitate is measured.
液相粘度は、好ましくは104.0dPa・s以上、104.3dPa・s以上、104.5dPa・s以上、105.0dPa・s以上、特に105.4dPa・s以上である。液相粘度が低過ぎると、球状に成形し難くなる。なお、「液相粘度」は、液相温度におけるガラスの粘度を白金球引き上げ法で測定した値を指す。 Liquidus viscosity, preferably of 10 4.0 dPa · s or more, 10 4.3 dPa · s or more, 10 4.5 dPa · s or more, 10 5.0 dPa · s or more, particularly 10 5.4 dPa · s or more. When the liquidus viscosity is too low, it becomes difficult to form a spherical shape. The “liquid phase viscosity” refers to a value obtained by measuring the viscosity of glass at the liquid phase temperature by a platinum ball pulling method.
液相温度が1200℃以下であり、且つ液相粘度が104.0dPa・s以上であれば、マーブル成形法等で球状に成形可能である。 When the liquidus temperature is 1200 ° C. or less and the liquidus viscosity is 10 4.0 dPa · s or more, it can be formed into a spherical shape by a marble molding method or the like.
本発明のガラス転動体の製造方法は、球状ガラスのガラス表面を研磨する研磨工程を備える。球状ガラスのガラス表面を研磨する方法として、種々の方法を採択することができるが、球状ガラスを回動させながら研磨する方法が、直径の寸法公差を低減する上で好ましい。 The manufacturing method of the glass rolling element of this invention is equipped with the grinding | polishing process of grind | polishing the glass surface of spherical glass. Various methods can be adopted as a method of polishing the glass surface of the spherical glass, but a method of polishing the spherical glass while rotating it is preferable for reducing the dimensional tolerance of the diameter.
研磨工程において、直径の寸法公差が0.01%以内、0.005%以内、0.003%以内、0.002%以内、0.0015%以内、特に0.001%以内になるように、球状ガラスのガラス表面を研磨することが好ましい。球状ガラスの直径の寸法公差が大き過ぎると、イオン交換処理後にガラス転動体の寸法精度が低下し難くなる。 In the polishing process, the dimensional tolerance of the diameter is within 0.01%, within 0.005%, within 0.003%, within 0.002%, within 0.0015%, especially within 0.001%, It is preferable to polish the glass surface of the spherical glass. When the dimensional tolerance of the diameter of the spherical glass is too large, the dimensional accuracy of the glass rolling element is difficult to decrease after the ion exchange treatment.
研磨工程において、直径が100mm以下、80mm以下、50mm以下、30mm以下、20mm以下、特に10mm以下になるように、球状ガラスのガラス表面を研磨することが好ましく、1mm以上、2mm以上、4mm以上、特に5mm以上になるように、球状ガラスのガラス表面を研磨することが好ましい。このようにすれば、軸受装置等に組み込まれる転動体に好適になる。 In the polishing step, it is preferable to polish the glass surface of the spherical glass so that the diameter is 100 mm or less, 80 mm or less, 50 mm or less, 30 mm or less, 20 mm or less, particularly 10 mm or less, 1 mm or more, 2 mm or more, 4 mm or more, In particular, it is preferable to polish the glass surface of the spherical glass so as to be 5 mm or more. If it does in this way, it will become suitable for a rolling element built in a bearing device etc.
本発明のガラス転動体の製造方法は、研磨工程後に、球状ガラスをイオン交換処理し、表面圧縮応力層を有するガラス転動体を得るイオン交換処理工程を有する。 The manufacturing method of the glass rolling element of this invention has an ion exchange treatment process of obtaining the glass rolling element which ion-exchange-processes spherical glass and has a surface compressive-stress layer after a grinding | polishing process.
イオン交換処理に用いるイオン交換溶液は、LiNO3溶融塩、NaNO3溶融塩、KNO3溶融塩の一種又はそれらの混合溶融塩が好ましく、特にKNO3溶融塩は、表面圧縮応力層を効率良く形成し得るため好ましい。 The ion exchange solution used for the ion exchange treatment is preferably one of LiNO 3 molten salt, NaNO 3 molten salt, KNO 3 molten salt or a mixed molten salt thereof, and particularly KNO 3 molten salt efficiently forms a surface compressive stress layer. This is preferable.
表面圧縮応力層の圧縮応力値CSが100MPa以上、300MPa以上、500MPa以上、特に700MPa以上になるように、球状ガラスをイオン交換処理することが好ましい。圧縮応力値CSが大きい程、ガラス転動体の機械的強度が高くなる。しかし、圧縮応力値CSが大き過ぎると、イオン交換処理工程後にガラス表面に潜傷が発生し易くなる。またガラス転動体に内在する引っ張り応力値CTが極端に高くなる虞がある。よって、表面圧縮応力層の圧縮応力値CSは、好ましくは2500MPa以下である。なお、イオン交換時間を短くする、或いはイオン交換温度(イオン交換溶液の温度)を下げると、圧縮応力値CSを大きくすることができる。 The spherical glass is preferably subjected to ion exchange treatment so that the compressive stress value CS of the surface compressive stress layer is 100 MPa or more, 300 MPa or more, 500 MPa or more, particularly 700 MPa or more. The larger the compressive stress value CS, the higher the mechanical strength of the glass rolling element. However, if the compressive stress value CS is too large, latent scratches are likely to occur on the glass surface after the ion exchange treatment step. Moreover, there exists a possibility that the tensile stress value CT inherent in a glass rolling element may become extremely high. Therefore, the compressive stress value CS of the surface compressive stress layer is preferably 2500 MPa or less. Note that the compression stress value CS can be increased by shortening the ion exchange time or lowering the ion exchange temperature (the temperature of the ion exchange solution).
表面圧縮応力層の応力深さDOLが10μm以上、30μm以上、50μm以上、特に70μm以上になるように、球状ガラスをイオン交換処理することが好ましい。応力深さDOLが大きい程、高回転時の摩耗や異物により、ガラス転動体のガラス表面に深い傷が付いても、ガラス転動体が割れ難くなる。一方、応力深さDOLが大き過ぎると、ガラス転動体に内在する引っ張り応力値CTが極端に高くなる虞がある。よって、応力深さDOLは、好ましくは500μm以下、300μm以下、特に200μm以下である。なお、イオン交換時間を長くする、或いはイオン交換温度を上げると、応力深さDOLを大きくすることができる。 It is preferable to subject the spherical glass to an ion exchange treatment so that the stress depth DOL of the surface compressive stress layer is 10 μm or more, 30 μm or more, 50 μm or more, particularly 70 μm or more. The greater the stress depth DOL, the more difficult the glass rolling element breaks even if the glass surface of the glass rolling element is deeply damaged due to wear or foreign matter during high rotation. On the other hand, if the stress depth DOL is too large, the tensile stress value CT inherent in the glass rolling element may be extremely high. Therefore, the stress depth DOL is preferably 500 μm or less, 300 μm or less, and particularly 200 μm or less. Note that the stress depth DOL can be increased by increasing the ion exchange time or raising the ion exchange temperature.
内部の引っ張り応力値CTが200MPa以下、150MPa以下、100MPa以下、特に50MPa以下になるように、球状ガラスをイオン交換処理することが好ましい。内部の引っ張り応力値CTが小さい程、内部の欠陥によってガラス転動体が破損し難くなるが、内部の引っ張り応力値CTが極端に小さくなると、圧縮応力値CSや応力深さDOLが低下して、ガラス転動体の機械的強度が低下してしまう。よって、ガラス転動体の内部の引っ張り応力値CTが1MPa以上、10MPa以上、特に15MPa以上になるように、イオン交換処理することが好ましい。なお、「内部の引っ張り応力値CT」は、下記の数式1により算出した値を指す。ここでt:ガラス転動体の直径とは、ガラス転動体の直径の内、最も短い測定距離を指す。 The spherical glass is preferably subjected to ion exchange treatment so that the internal tensile stress value CT is 200 MPa or less, 150 MPa or less, 100 MPa or less, particularly 50 MPa or less. The smaller the internal tensile stress value CT, the harder the glass rolling element is damaged by internal defects. However, when the internal tensile stress value CT becomes extremely small, the compressive stress value CS and the stress depth DOL decrease, The mechanical strength of a glass rolling element will fall. Therefore, the ion exchange treatment is preferably performed so that the tensile stress value CT inside the glass rolling element is 1 MPa or more, 10 MPa or more, particularly 15 MPa or more. The “internal tensile stress value CT” refers to a value calculated by the following mathematical formula 1. Here, t: the diameter of the glass rolling element refers to the shortest measurement distance among the diameters of the glass rolling element.
[数1]
CT = CS×DOL/(t×1000−2×DOL)
CT:内部の引っ張り応力値(MPa)
t:ガラス転動体の直径(mm)
CS:圧縮応力値(MPa)
DOL:応力深さ(μm)
[Equation 1]
CT = CS × DOL / (t × 1000-2 × DOL)
CT: Internal tensile stress value (MPa)
t: Diameter of glass rolling element (mm)
CS: Compressive stress value (MPa)
DOL: Stress depth (μm)
イオン交換処理は、360〜500℃(好ましくは370〜430℃)のイオン交換溶液中に球状ガラスを4〜120時間(好ましくは24〜100時間)浸漬することで行うことができる。ガラス転動体の生産効率の観点から、複数の球状ガラスを同時にイオン交換処理することが好ましく、その場合、球状ガラス同士が接触しないように、球状ガラスの直径よりもメッシュ幅が小さい金属製治具等に複数の球状ガラスを等間隔に配列し、この治具を積層した状態でイオン交換処理することがより好ましい。また、球状ガラスを回動又は振動させながら、イオン交換処理を行うことが好ましい。このようにすれば、ガラス表面における表面圧縮応力層の特性ばらつきが低減されるため、ガラス転動体の寸法精度を高めることができる。 The ion exchange treatment can be performed by immersing the spherical glass in an ion exchange solution at 360 to 500 ° C. (preferably 370 to 430 ° C.) for 4 to 120 hours (preferably 24 to 100 hours). From the viewpoint of production efficiency of the glass rolling element, it is preferable to simultaneously ion exchange a plurality of spherical glasses. In this case, a metal jig having a mesh width smaller than the diameter of the spherical glass so that the spherical glasses do not contact each other. More preferably, a plurality of spherical glasses are arranged at equal intervals and the ion exchange treatment is performed in a state where the jig is laminated. Further, it is preferable to perform the ion exchange treatment while rotating or vibrating the spherical glass. By doing so, the variation in characteristics of the surface compressive stress layer on the glass surface is reduced, so that the dimensional accuracy of the glass rolling element can be increased.
本発明のガラス転動体の製造方法において、ガラス転動体のガラス表面のK2O含有量が内部のK2Oの含有量よりも多くなるように、イオン交換処理することが好ましい。このようにすれば、ガラス転動体の機械的強度を高めることができる。ガラス表面のK2Oの含有量と内部のK2Oの含有量の差は、好ましくは1モル%以上、3モル%以上、5モル%以上、7モル%以上、8モル%以上、9モル%以上、特に10モル%以上である。ここで、ガラス表面と内部のK2Oの含有量は、SEM−EDX(例えば日立ハイテクノロジーズ製S4300−SE、堀場製作所製EX−250)によるZAF法によるスタンダードレス定量分析を用いることで測定することができる。「ガラス表面のK2Oの含有量」とは、ガラス表面から2.5μmの深さを前述の方法で分析した値を指す。「内部のK2Oの含有量」とは、イオン交換されていない領域を前述の方法で分析した値を指す。なお、イオン交換溶液として高純度のKNO3溶融塩を用いたり、球状ガラスのガラス組成中のNa2Oの含有量を増加させると、ガラス転動体のガラス表面のK2O含有量が内部のK2Oの含有量よりも多くなり易い。 The method of manufacturing a glass rolling elements of the present invention, as content of K 2 O of the glass surface of the glass rolling element is greater than the content of the interior of K 2 O, it is preferred to ion-exchange treatment. If it does in this way, the mechanical strength of a glass rolling element can be raised. Difference in content between the interior of K 2 O of K 2 O of the glass surface is preferably 1 mol% or more, 3 mol% or more, 5 mol% or more, 7 mol% or more, 8 mol% or more, 9 It is at least 10 mol%, particularly at least 10 mol%. Here, the content of K 2 O on the glass surface and inside is measured by using standardless quantitative analysis by the ZAF method by SEM-EDX (for example, S4300-SE manufactured by Hitachi High-Technologies, EX-250 manufactured by Horiba, Ltd.). be able to. “Content of K 2 O on the glass surface” refers to a value obtained by analyzing a depth of 2.5 μm from the glass surface by the method described above. The “internal K 2 O content” refers to a value obtained by analyzing a region where ions are not exchanged by the above-described method. In addition, when high purity KNO 3 molten salt is used as the ion exchange solution or the content of Na 2 O in the glass composition of the spherical glass is increased, the K 2 O content on the glass surface of the glass rolling element is increased. It tends to be larger than the content of K 2 O.
本発明のガラス転動体の製造方法において、イオン交換処理の前後で150℃における体積電気抵抗率の比Rが10以上、50以上、100以上、200以上、特に300以上になるように、球状ガラスをイオン交換処理することが好ましい。Rの値が大きい程、イオン交換処理により、ガラス転動体の絶縁性が向上し易くなる。 In the method for producing a glass rolling element of the present invention, spherical glass is used so that the volume resistivity ratio R at 150 ° C. before and after ion exchange treatment is 10 or more, 50 or more, 100 or more, 200 or more, particularly 300 or more. Is preferably subjected to ion exchange treatment. The larger the value of R, the easier it is to improve the insulating properties of the glass rolling element by the ion exchange treatment.
ガラス転動体の150℃における体積電気抵抗率ρは、好ましくは105.0Ω・cm以上、105.5Ω・cm以上、106.0Ω・cm以上、106.5Ω・cm以上、107.0Ω・cm以上、107.5Ω・cm以上、108.0Ω・cm以上、108.5Ω・cm以上、108.7Ω・cm以上、109.0Ω・cm以上、特に109.5Ω・cm以上である。体積電気抵抗率が低いと、ガラス転動体の絶縁性が低下し易くなる。 The volume resistivity ρ at 150 ° C. of the glass rolling element is preferably 10 5.0 Ω · cm or more, 10 5.5 Ω · cm or more, 10 6.0 Ω · cm or more, 10 6.5 Ω · cm. Or more, 10 7.0 Ω · cm or more, 10 7.5 Ω · cm or more, 10 8.0 Ω · cm or more, 10 8.5 Ω · cm or more, 10 8.7 Ω · cm or more, 10 9. It is 0 Ω · cm or more, particularly 10 9.5 Ω · cm or more. When the volume electrical resistivity is low, the insulating property of the glass rolling element tends to be lowered.
イオン交換処理は、複数回行ってもよい。イオン交換処理を複数回行うと、深さ方向のKイオン濃度の分布曲線を屈曲させることができ、表面圧縮応力層の圧縮応力値CSと応力深さDOLを増大させつつ、内部に蓄積される引っ張り応力の総量を低減することができる。 The ion exchange treatment may be performed a plurality of times. When the ion exchange treatment is performed a plurality of times, the distribution curve of the K ion concentration in the depth direction can be bent, and the compressive stress value CS and the stress depth DOL of the surface compressive stress layer are increased and accumulated inside. The total amount of tensile stress can be reduced.
イオン交換処理を二回行う場合、イオン交換処理の間に熱処理工程を設けてもよい。このようにすれば、同一の硝酸カリウム溶融塩により、深さ方向のKイオン濃度の分布曲線を屈曲させることができる。更に一回目のイオン交換処理の時間を短縮することができる。 When the ion exchange treatment is performed twice, a heat treatment step may be provided between the ion exchange treatments. In this way, the K ion concentration distribution curve in the depth direction can be bent by the same potassium nitrate molten salt. Furthermore, the time for the first ion exchange treatment can be shortened.
本発明のガラス転動体の製造方法は、ガラス転動体のガラス表面を化学エッチングする化学エッチング工程を有する。ガラス転動体のガラス表面を化学エッチングする方法として、種々の方法を採択することができるが、化学エッチング溶液に浸漬することによりガラス転動体のガラス表面を化学エッチングすることが好ましい。またガラス転動体の直径の寸法公差を低減するために、ガラス転動体を回動又は揺動させながら、化学エッチングすることが好ましい。 The manufacturing method of the glass rolling element of this invention has a chemical etching process of chemically etching the glass surface of a glass rolling element. Various methods can be adopted as a method of chemically etching the glass surface of the glass rolling element, but it is preferable to chemically etch the glass surface of the glass rolling element by immersing in a chemical etching solution. In order to reduce the dimensional tolerance of the diameter of the glass rolling element, it is preferable to perform chemical etching while rotating or swinging the glass rolling element.
化学エッチング溶液として、種々の薬液が使用可能であり、例えば塩酸水溶液、ハロゲン化水素酸水溶液等を使用することができる。その中でも、ハロゲン化水素酸水溶液、特にフッ酸水溶液が、化学エッチングの効率の点で好ましい。なお、フッ酸水溶液中のフッ酸濃度は、好ましくは0.1〜10質量%、特に0.5〜3質量%である。 Various chemical solutions can be used as the chemical etching solution. For example, an aqueous hydrochloric acid solution, an aqueous hydrohalic acid solution, or the like can be used. Among these, a hydrohalic acid aqueous solution, particularly a hydrofluoric acid aqueous solution is preferable in terms of chemical etching efficiency. The hydrofluoric acid concentration in the hydrofluoric acid aqueous solution is preferably 0.1 to 10% by mass, particularly 0.5 to 3% by mass.
化学エッチング工程において、直径の寸法公差が0.01%以内、0.005%以内、0.003%以内、特に0.001%以内になるように、ガラス転動体のガラス表面を化学エッチングすることが好ましい。ガラス転動体の直径の寸法公差が大き過ぎると、駆動動作等が不安定になり、転動体として使用困難になる。なお、化学エッチング工程において、エッチング温度やエッチング液の濃度を高過ぎると、ガラス転動体の直径の寸法公差が低下する虞がある。 In the chemical etching process, the glass surface of the glass rolling element is chemically etched so that the dimensional tolerance of the diameter is within 0.01%, within 0.005%, within 0.003%, especially within 0.001%. Is preferred. If the dimensional tolerance of the diameter of the glass rolling element is too large, the driving operation or the like becomes unstable, making it difficult to use as a rolling element. In the chemical etching process, if the etching temperature or the concentration of the etching solution is too high, the dimensional tolerance of the diameter of the glass rolling element may be reduced.
化学エッチング深さが表面圧縮応力層の応力深さDOLの2〜50%、5〜40%、特に8〜25%になるように、ガラス転動体のガラス表面を化学エッチングすることが好ましい。化学エッチング深さが小さ過ぎると、ガラス転動体の機械的強度が低下してしまう。一方、化学エッチング深さが大き過ぎると、ガラス転動体の寸法精度が低下し易くなるため、駆動動作等が不安定になる。 It is preferable to chemically etch the glass surface of the glass rolling element so that the chemical etching depth is 2 to 50%, 5 to 40%, particularly 8 to 25% of the stress depth DOL of the surface compressive stress layer. If the chemical etching depth is too small, the mechanical strength of the glass rolling element will decrease. On the other hand, if the chemical etching depth is too large, the dimensional accuracy of the glass rolling element is likely to be lowered, and the driving operation and the like become unstable.
化学エッチング工程において、ガラス表面の表面粗さRaが5nm以下、4nm以下、特に3nm以下になるように、ガラス転動体のガラス表面を化学エッチングすることが好ましい。ガラス表面の表面粗さRaが大き過ぎると、高速の回転、高摩擦、高荷重等の過酷な条件で、ガラス転動体が破損し易くなる。 In the chemical etching step, it is preferable to chemically etch the glass surface of the glass rolling element so that the surface roughness Ra of the glass surface is 5 nm or less, 4 nm or less, particularly 3 nm or less. If the surface roughness Ra of the glass surface is too large, the glass rolling element tends to be damaged under severe conditions such as high-speed rotation, high friction, and high load.
表面圧縮応力層の圧縮応力値CSが100MPa以上、200MPa以上、特に500MPa以上になるように、ガラス転動体のガラス表面を化学エッチングすることが好ましい。化学エッチング工程後の表面圧縮応力層の圧縮応力値CSが小さ過ぎると、ガラス転動体の機械的強度が低下するため、高速の回転、高摩擦、高荷重等の過酷な条件で、ガラス転動体が破損し易くなる。 It is preferable to chemically etch the glass surface of the glass rolling element so that the compressive stress value CS of the surface compressive stress layer is 100 MPa or more, 200 MPa or more, and particularly 500 MPa or more. If the compressive stress value CS of the surface compressive stress layer after the chemical etching process is too small, the mechanical strength of the glass rolling element decreases, so that the glass rolling element under severe conditions such as high-speed rotation, high friction, and high load. Is prone to breakage.
本発明のガラス転動体の製造方法において、寸法精度を高めるために、イオン交換処理工程後、且つ化学エッチング工程前に、研磨工程を設けてもよい。また化学エッチング工程後に、化学エッチング溶液を除去するための洗浄工程を設けてもよい。 In the manufacturing method of the glass rolling element of this invention, in order to improve dimensional accuracy, you may provide a grinding | polishing process after an ion exchange process process and before a chemical etching process. Further, a cleaning step for removing the chemical etching solution may be provided after the chemical etching step.
実施例に基づいて、本発明を説明する。但し、本発明は、以下の実施例に何ら限定されない。以下の実施例は、単なる例示である。 The present invention will be described based on examples. However, the present invention is not limited to the following examples. The following examples are merely illustrative.
表1は、球状ガラスのガラス組成とガラス特性を示している。 Table 1 shows the glass composition and glass properties of the spherical glass.
表1に記載の各試料は次のようにして作製したものである。まず、表中のガラス組成となるように、ガラス原料を調合し、白金容器を用いて1580℃で8時間溶融した。その後、溶融ガラスをカーボン板の上に流し出して板状に成形して、ガラス板を得た。 Each sample described in Table 1 was produced as follows. First, the glass raw material was prepared so that it might become the glass composition in a table | surface, and it melted at 1580 degreeC for 8 hours using the platinum container. Thereafter, the molten glass was poured out on the carbon plate and formed into a plate shape to obtain a glass plate.
次に、球状ガラスに使用したガラスの各種特性を評価した。 Next, various characteristics of the glass used for the spherical glass were evaluated.
密度ρは、周知のアルキメデス法によって測定した値である。 The density ρ is a value measured by the well-known Archimedes method.
熱膨張係数αは、30〜380℃の温度範囲において、ディラトメーターで測定した平均値である。 The thermal expansion coefficient α is an average value measured with a dilatometer in a temperature range of 30 to 380 ° C.
ヤング率Eは、周知の共振法によって測定した値である。 The Young's modulus E is a value measured by a known resonance method.
歪点Ps、徐冷点Taは、ASTM C336の方法によって測定した値である。 The strain point Ps and the annealing point Ta are values measured by the method of ASTM C336.
軟化点Tsは、ASTM C338の方法によって測定した値である。 The softening point Ts is a value measured by the method of ASTM C338.
高温粘度104.0dPa・s、103.0dPa・s、102.5dPa・sに相当する温度は、白金球引き上げ法によって測定した値である。 The temperature corresponding to the high temperature viscosity of 10 4.0 dPa · s, 10 3.0 dPa · s, 10 2.5 dPa · s is a value measured by the platinum ball pulling method.
液相温度TLは、標準篩30メッシュ(篩目開き500μm)を通過し、50メッシュ(篩目開き300μm)に残るガラス粉末を白金ボートに入れ、温度勾配炉中に24時間保持して、結晶の析出する温度を測定した値である。 The liquid phase temperature TL passes through a standard sieve 30 mesh (a sieve opening of 500 μm), and the glass powder remaining in a 50 mesh (a sieve opening of 300 μm) is put in a platinum boat and kept in a temperature gradient furnace for 24 hours to obtain a crystal. It is the value which measured the temperature which deposits.
イオン交換処理前の体積電気抵抗率ρbは、0.7mm厚の板状試料を測定試料とし、ASTM C657−78に基づいて150℃における値を測定したものである。 The volume resistivity ρb before the ion exchange treatment is a value measured at 150 ° C. based on ASTM C657-78 using a 0.7 mm thick plate-like sample as a measurement sample.
続いて、各ガラス板の両ガラス表面に光学研磨を施した後、イオン交換処理を行った。イオン交換処理は430℃のKNO3溶融塩中に4時間浸漬することで行った。イオン交換処理後、各ガラス板のガラス表面を洗浄し、表面応力計(折原製作所製FSM−6000)を用いて観察される干渉縞の本数とその間隔から表面圧縮応力層の圧縮応力値CSと応力深さDOLを算出した。算出に当たり、各ガラス板の屈折率を1.50、光学弾性定数を30[(nm/cm)/MPa]とした。 Subsequently, after performing optical polishing on both glass surfaces of each glass plate, ion exchange treatment was performed. The ion exchange treatment was performed by immersing in KNO 3 molten salt at 430 ° C. for 4 hours. After the ion exchange treatment, the glass surface of each glass plate is washed, and the compressive stress value CS of the surface compressive stress layer is determined from the number of interference fringes observed using a surface stress meter (FSM-6000 manufactured by Orihara Seisakusho) and the interval between them. The stress depth DOL was calculated. In the calculation, the refractive index of each glass plate was set to 1.50, and the optical elastic constant was set to 30 [(nm / cm) / MPa].
イオン交換処理後の体積電気抵抗率ρaは、0.7mm厚の板状試料を測定試料とし、ASTM C657−78に基づいて150℃における値を測定したものである。 The volume resistivity ρa after the ion exchange treatment is a value measured at 150 ° C. based on ASTM C657-78 using a plate-like sample having a thickness of 0.7 mm as a measurement sample.
イオン交換処理前後の体積抵抗率の比Rは、ρa/ρbの数式により算出したものである。 The ratio R of the volume resistivity before and after the ion exchange treatment is calculated by the formula ρa / ρb.
なお、ガラス表層のガラス組成は、イオン交換処理の前後で微視的に変動するものの、ガラス全体として見た場合、ガラス組成は、実質的に同じであると考えてよい。 In addition, although the glass composition of a glass surface layer fluctuates microscopically before and after an ion exchange process, when it sees as the whole glass, you may think that a glass composition is substantially the same.
表2は、本発明の実施例(試料No.1〜4)と比較例(試料No.5)を示している。 Table 2 shows an example (sample No. 1 to 4) and a comparative example (sample No. 5) of the present invention.
試料Aのガラス組成を有するガラスをサイコロ状に成形し、更にそのガラスを再溶融し、球状に再成形した後、ガラス表面を各種条件で研磨して、表2に示す球状ガラス(試料No.1〜5)を得た。得られた球状ガラスの直径とその寸法公差を表2に示す。なお、試料Aのガラス組成を有する上記ガラス板と球状ガラスは、熱履歴が同一であり、同一のイオン交換条件でイオン交換処理を行った場合、両者の表面組成プロファイルと表面圧縮応力層の状態も同一になる。 The glass having the glass composition of Sample A was formed into a dice shape, and the glass was remelted and reshaped into a spherical shape, and then the glass surface was polished under various conditions to obtain a spherical glass (Sample No. 2) shown in Table 2. 1-5) were obtained. Table 2 shows the diameter of the obtained spherical glass and its dimensional tolerance. The glass plate having the glass composition of sample A and the spherical glass have the same thermal history, and when the ion exchange treatment is performed under the same ion exchange conditions, both the surface composition profile and the surface compressive stress layer state. Will be the same.
球状ガラスの直径及びその寸法公差は、接触式測長機によって測定した値である。具体的には、球状ガラスの直径は、ガラスを回転させながら、少なくとも10箇所の直径を測定し、その平均値を測定値としたものであり、平均値の計算はJIS B1563:2009に準拠している。そして、この時の測定値から直径の寸法公差を算出した。なお、測定時の圧子の測定力は3N未満である。 The diameter of the spherical glass and its dimensional tolerance are values measured by a contact type length measuring machine. Specifically, the diameter of the spherical glass is obtained by measuring at least 10 diameters while rotating the glass and using the average value as a measurement value. The calculation of the average value is based on JIS B1563: 2009. ing. And the dimensional tolerance of the diameter was calculated from the measured value at this time. The measuring force of the indenter at the time of measurement is less than 3N.
続いて、球状ガラスを金網製の治具に固定した後、KNO3溶融塩に浸漬し、球状ガラスを回動させながらイオン交換処理し、ガラス転動体を得た。なお、KNO3溶融塩の温度を380℃、イオン交換処理の時間を72時間とした。 Subsequently, after fixing the spherical glass to a wire mesh jig, the glass was immersed in KNO 3 molten salt and subjected to ion exchange treatment while rotating the spherical glass to obtain a glass rolling element. The temperature of the KNO 3 molten salt was 380 ° C., and the ion exchange treatment time was 72 hours.
KNO3溶融塩からガラス転動体を取り出し、室温雰囲気中で冷却した後、アルカリ性洗剤、純水、アルコール等によってガラス表面を洗浄し、ガラス表面に付着したKNO3溶融塩を除去した。 After the glass rolling element was taken out from the KNO 3 molten salt and cooled in a room temperature atmosphere, the glass surface was washed with an alkaline detergent, pure water, alcohol or the like to remove the KNO 3 molten salt adhering to the glass surface.
続いて、イオン交換処理後の試料No.1〜4について、25℃、1質量%フッ酸水溶液に浸漬することにより、ガラス表面を化学エッチングした。表中の化学エッチング深さになるように、フッ酸水溶液中の浸漬時間を調整した。なお、イオン交換処理後の試料No.5については、ガラス表面を化学エッチングしていない。 Subsequently, the sample No. after the ion exchange treatment. About 1-4, the glass surface was chemically etched by being immersed in 25 degreeC and 1 mass% hydrofluoric acid aqueous solution. The immersion time in the hydrofluoric acid aqueous solution was adjusted so that the chemical etching depth in the table was obtained. In addition, sample No. after ion exchange treatment. Regarding 5, the glass surface was not chemically etched.
ガラス転動体の表面粗さRaは、JIS B0601:2001年に準拠した方法で測定したものである。 The surface roughness Ra of the glass rolling element is measured by a method based on JIS B0601: 2001.
表2から分かるように、試料No.1〜4は、イオン交換処理後に化学エッチング工程を経ているため、研磨傷や潜傷が浅くなっているか、又は消失していた。よって、試料No.1〜4は、高速回転、高摩擦、高荷重等の過酷な条件で使用した時でも破損し難いと考えられる。一方、試料No.5は、イオン交換処理後に化学エッチング工程を経ていないため、多数の研磨傷や潜傷が残存しており、高速回転、高摩擦、高荷重等の過酷な条件で使用した時に、研磨傷や潜傷を起点として破損し易いと考えられる。 As can be seen from Table 2, sample no. In Nos. 1 to 4, since the chemical etching process was performed after the ion exchange treatment, the polishing scratches and latent scratches were shallow or disappeared. Therefore, sample no. 1-4 are considered to be difficult to break even when used under severe conditions such as high-speed rotation, high friction, and high load. On the other hand, sample No. No. 5 has not undergone a chemical etching process after the ion exchange treatment, and thus a large number of polishing scratches and latent scratches remain. When used under severe conditions such as high speed rotation, high friction and high load, the polishing scratches and latent scratches are not detected. It is thought that it is easy to break from the scratch.
なお、表2に係る実験は、試料Aを用いて行ったが、試料B〜Dを用いた場合でも、同様の傾向が認められると考えられる。 In addition, although the experiment which concerns on Table 2 was performed using the sample A, it is thought that the same tendency is recognized also when using the samples BD.
本発明により作製されたガラス転動体は、ベアリング等の軸受装置の内輪と外輪の間に位置する部材に特に好適であり、それ以外にも、レンズ球、遊戯球にも適用可能である。 The glass rolling element produced according to the present invention is particularly suitable for a member positioned between an inner ring and an outer ring of a bearing device such as a bearing, and is also applicable to a lens ball and a play ball.
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