DE3743625A1

DE3743625A1 - Siliciumnitrid-sinterkoerper mit hoher haerte

Info

Publication number: DE3743625A1
Application number: DE19873743625
Authority: DE
Inventors: Tadaaki Matsuhisa; Issei Hayakawa
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1986-12-27
Filing date: 1987-12-22
Publication date: 1988-07-28
Also published as: SE465318B; JPH0774103B2; SE8705115D0; DE3743625C2; SE8705115L; JPS63166763A; US5015608A

Description

Die Erfindung betrifft einen Siliciumnitrid-Sinterkörper mit hoher Härte und Festigkeit.

In der letzten Zeit sind verschiedene Versuche bezüglich der Anwendung keramischer Werkstoffe als Konstruktionsmaterial für z. B. Maschinen vorangetrieben worden, um keramischen Werkstoffen innewohnende Eigenschaften wie z. B. Leichtheit, Wärmebeständigkeit und Abriebfestigkeit nutzbar zu machen.

Im einzelnen ist bekannt, daß es wichtig ist, eine hohe Lebensdauer eines keramischen Werkstoffs bei der Wälzprüfung anzustreben, wenn der keramische Werkstoff als Lagerwerkstoff verwendet wird. Zur Verbesserung der Lebensdauer bei der Wälzprüfung sind Fortschritte bei der Entwicklung von Werkstoffen mit einer hohen Festigkeit gemacht worden.

Was diesen Sachverhalt anbetrifft, so ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumnitrids mit hoher Dichte durch Umwandlung eines größeren Teils von α-Siliciumnitrid (Si₃N₄) in β-Siliciumnitrid bekannt. Bei Verfahren dieser Art wird die Erzielung von Siliciumnitrid-Erzeugnissen mit hoher Festigkeit angestrebt.

Die Erfinder haben jedoch in bezug auf Lagerwerkstoffe Untersuchungen unter allen Gesichtspunkten durchgeführt und festgestellt, daß es vorteilhaft ist, in den Lagerwerkstoff eine vorgegebene Menge an a-Siliciumnitrid einzubeziehen, um unter den Eigenschaften, die für eine Verwendung als Lagerwerkstoff erforderlich sind, z. B. die Lebensdauer bei der Wälzprüfung zu verbessern. D. h., es ist festgestellt worden, daß die Härte erhöht und die hohe Festigkeit beibehalten werden kann, indem eine vorgegebene Menge an α-Siliciumnitrid einbezogen wird, wobei durch diese synergistische Wirkung zum erstenmal eine verbesserte Lebensdauer bei der Wälzprüfung erzielt wird.

Gegenstand der Erfindung ist ein Siliciumnitrid-Sinterkörper mit hoher Härte, der 10 bis 50%, auf die gesamte Masse des Siliciumnitrids bezogen, α-Siliciumnitrid enthält und eine Knoop-Härte von nicht weniger als 15,5 GPa hat.

Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.

Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung des α-Si₃N₄-Gehalts zur Knoop-Härte und zur Vierpunkt-Biegefestigkeit zeigt, wobei Kurve A die Knoop-Härte und Kurve B die Vierpunkt-Biegefestigkeit zeigt.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem α-Si₃N₄-Gehalt und der Lebensdauer bei der Wälzprüfung zeigt.

In dem erfindungsgemäßen Siliciumnitrid-Sinterkörper beträgt der Gehalt an α-Siliciumnitrid 10 bis 50 Masse-%, vorzugsweise 15 bis 45 Masse-% und insbesondere 26 bis 40 Masse-%. Wenn der Gehalt an α-Siliciumnitrid weniger als 10% beträgt, wird die Knoop-Härte geringer als 15,5 GPa, und es kann kaum ein Siliciumnitrid mit hoher Härte erhalten werden, während die Festigkeit abnimmt, wenn der Gehalt an α-Siliciumnitrid 50% überschreitet. D. h., es wird kaum ein Sinterkörper erhalten, der verbesserte mechanische Haltbarkeits- bzw. Standfestigkeitseigenschaften wie z. B. eine verbesserte Abriebfestigkeit und eine verbesserte Lebensdauer bei der Wälzprüfung hat, wenn der Gehalt an α-Siliciumnitrid außerhalb des im Rahmen der Erfindung festgelegten Bereichs liegt.

Ferner beträgt die Knoop-Härte bei dem erfindungsgemäßen Siliciumnitrid- Sinterkörper nicht weniger als 15,5 GPa, vorzugsweise nicht weniger als 16 GPa und insbesondere nicht weniger als 16,5 GPa. Wenn die Knoop-Härte weniger als 15,5 GPa beträgt, kann eine zufriedenstellende Härte, wie sie für einen Lagerwerkstoff erforderlich ist, nicht erzielt werden.

Des weiteren hat der Sinterkörper vorteilhafterweise eine Biegefestigkeit von nicht weniger als 981 N/mm² und vorzugsweise nicht weniger als 1079 N/mm², weil die Beständigkeit gegen mechanische Spannungen zunimmt und bei der Verwendung kaum Brüche hervorgerufen werden, wenn die Biegefestigkeit nicht weniger als 981 N/mm² beträgt.

Der erfindungsgemäße Siliciumnitrid-Sinterkörper hat auch vorteilhafterweise einen Youngschen Modul bzw. Elastizitätsmodul von nicht weniger als 290 GPa, vorzugsweise nicht weniger als 295 GPa und insbesondere nicht weniger als 300 GPa, weil die Abriebfestigkeit in vorteilhafter Weise hoch wird, wenn der Elastizitätsmodul nicht weniger als 290 GPa beträgt.

Der Gehalt an α-Siliciumnitrid in dem erfindungsgemäßen Siliciumnitrid- Sinterkörper kann auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, indem Bedingungen wie z. B. die Temperatur und die Verweilzeit bei der isostatischen Heißpreßbehandlung in dem folgenden Herstellungsschritt, die Temperatur und die Verweilzeit bei dem primären Sinterungsschritt und die Art, die Menge und die Kombination der Zusatzstoffe in geeigneter Weise verändert werden.

Der Gehalt an α-Siliciumnitrid (Si₃N₄) in dem Siliciumnitrid- Sinterkörper wird folgendermaßen gemessen.

Er wird unter Anwendung eines Röntgenbeugungsgeräts aus dem Verhältnis der in der JCPDS-Karte gezeigten Peakhöhen von α- Si₃N₄ (Nr. 9-250) und β-Si₃N₄ (Nr. 9-259) gemäß der folgenden Gleichung ermittelt:

worin I _{α (102)} die Peakhöhe von α-Si₃N₄ (102) ist, I _{α (210)} die Peakhöhe von α-Si₃N₄ (210) ist, I _{β (101)} die Peakhöhe von β- Si₃N₄ (101) ist und I _{β (210)} die Peakhöhe von β-Si₃N₄ (210) ist.

Die erfindungsgemäßen Siliciumnitrid-Sinterkörper können in vorteilhafter Weise nicht nur in einem Lagerteil wie z. B. einem Wälzlager oder einem Gleitlager, sondern auch in einem Gleitteil, das z. B. im Gleitbereich eines Luftventils oder des Bettes einer Drehmaschine eingesetzt wird, sowie als abriebfestes Teil (z. B. als Pebble bzw. Wärmestein oder als Düse), das in einem Bereich eingesetzt wird, wo es mit einem sich bewegenden Gegenstand wie einem Gas, einer Flüssigkeit oder Teilchen in Berührung kommt, verwendet werden.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert.

Beispiele 1 bis 7 und Vergleichsbeispiele 1 bis 3

100 Masseteile eines Si₃N₄-Pulvers mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 µm ( α-Si₃N₄-Gehalt: 96%) wurden mit 7 Masseteilen Y₂O₃, 4 Masseteilen MgO und 1 Masseteil ZrO₂ als Sinterhilfsmittel und ferner mit 100 Masseteilen Wasser vermischt und in einer Chargen-Pulverisiervorrichtung gemischt und pulverisiert. Zu der erhaltenen Aufschlämmung wurden 2 Masseteile Polyvinylalkohol hinzugegeben, worauf aus der Aufschlämmung mit einem Sprühtrockner ein gekörntes Pulver hergestellt wurde. Dieses Pulver wurde dann einer isostatischen Kaltpreßformung unter einem Druck von 49,0 kN/cm² unterzogen, wodurch ein Formkörper mit einem Durchmesser von 65 mm und einer Länge von 50 mm erzeugt wurde.

Danach wurde der Formkörper in einem Heißluftschrank entfettet, indem die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 100°C/h erhöht und der Formkörper 10 h lang bei 500°C gehalten wurde. Der behandelte Formkörper wurde einer drucklosen Sinterung in einer Stickstoffgas-Atmosphäre bei einer Temperatur von 1480°C für eine Verweilzeit von 6 h (primärer Sinterungsschritt) und dann einer isostatischen Heißpreßbehandlung (HIP) unterzogen. Die HIP-Bedingungen waren eine Atmosphäre aus N₂- Gas, ein Druck von 40,53 MPa (400 atm) und eine Temperatur von 1530 bis 1750°C. Es wurden verschiedene Proben mit unterschiedlichem α-Si₃N₄-Gehalt und unterschiedlicher Knoop-Härte erhalten, indem von den HIP-Bedingungen die Temperatur verändert wurde.

Die Eigenschaften der erhaltenen Sinterkörperproben sind in der folgenden Tabelle 1 gezeigt.

Eine aus der HIP-behandelten Probe herausgeschnittene und hochglanzpolierte Scheibe mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 10 mm wurde einer Wälzprüfung unter Anwendung eines Sechskugel-Drucklager-Prüfgeräts bei einer Hertzschen Pressung von 4,90 kN/mm² unterzogen. Die Versuchsergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt.

Durch graphische Darstellung der Ergebnisse von Tabelle 1 wurden Fig. 1 (die die Beziehung des α-Si₃N₄-Gehalts zur Knoop- Härte und zur Vierpunkt-Biegefestigkeit zeigt) und Fig. 2 (die die Beziehung zwischen dem α-Si₃N₄-Gehalt und der Lebensdauer bei der Wälzprüfung zeigt) erhalten.

Wie aus Tabelle 1 und Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, zeigen die Siliciumnitrid-Sinterkörper, die den im Rahmen der Erfindung festgelegten Werten des Gehalts an α-Siliciumnitrid und der Knoop-Härte genügen, (Beispiele 1 bis 7) eine hohe Lebensdauer bei der Wälzprüfung (nicht weniger als 10⁷ Zyklen), während die Proben, bei denen der α-Si₃N₄-Gehalt und die Knoop-Härte außerhalb der im Rahmen der Erfindung festgelegten Bereiche liegen, (Vergleichsbeispiele 1 bis 3) bei der Wälzprüfung eine niedrige Lebensdauer (nicht mehr als 10⁶ Zyklen) zeigen.

Tabelle 1

Beispiele 8 bis 10 und Vergleichsbeispiele 4 und 5

Zu 100 Masseteilen eines Si₃N₄-Pulvers mit einer mittleren Teilchengröße von 0,3 µm wurden die in der folgenden Tabelle 2 gezeigten Sinterhilfsmittel (Proben Nr. 11 bis 15) und 100 Masseteile Wasser hinzugegeben und 5 h lang in einer Schwingmühle gemischt und pulverisiert. Dann wurde die erhaltene Aufschlämmung in einem Trockner mit konstanter Temperatur getrocknet. Die getrocknete Substanz wurde durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 149 µm hindurchgehen gelassen, wobei ein gekörntes Pulver erhalten wurde. Dieses Pulver wurde dann einer isostatischen Kaltpreßformung unter einem Druck von 29,4 kN/cm² unterzogen, wodurch ein Formkörper mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Länge von 100 mm erhalten wurde. Der Formkörper wurde bei Normaldruck in einer Atmosphäre aus N₂- Gas unter den in Tabelle 2 gezeigten Brennbedingungen gebrannt, wobei ein Sinterkörper erhalten wurde. Die Eigenschaften des erhaltenen Sinterkörpers sind ebenfalls in Tabelle 2 gezeigt.

Aus den drucklos gesinterten Sinterkörpern der Proben Nr. 11 bis 15 herausgeschnittene und mit einem Diamant-Schleifkörper (#140) polierte Scheiben mit einem Durchmesser von 15 mm und einer Länge von 15 mm wurden einer Abriebprüfung unter Verwendung einer Kugelmühle unterzogen, wobei die folgenden Prüfungsbedingungen angewandt wurden: Es wurde ein Behälter aus Aluminiumoxid mit einem Durchmesser von 120 mm verwendet, der mit 120 U/min gedreht wurde. Siliciumcarbidpulver (#100) und Wasser wurden in einem Masseverhältnis von 1 : 1 vermischt, wobei eine Aufschlämmungslösung gebildet wurde, die in den Behälter bis zu seiner halben Höhe eingefüllt wurde. Dann wurden die vorstehend erwähnten 5 Scheiben in die Aufschlämmungslösung gegeben und 24 h lang geprüft.

Der Abriebverlust wurde ermittelt, indem die Masse und die Größe vor und nach der Prüfung gemessen wurden.

Ferner wurden die Knoop-Härte, die Vierpunkt-Biegefestigkeit und der Youngsche Modul bzw. Elastizitätsmodul nach den Verfahren gemäß JIS Z2251, JIS R1601 bzw. JIS R1602 (dynamischer Modul durch ein Überschallwellen- bzw. Superwellen-Impulsverfahren) gemessen.

Tabelle 2

Wie es vorstehend erwähnt wurde, können durch die Erfindung Siliciumnitrid-Sinterkörper mit hoher Härte bereitgestellt werden, die gleichzeitig den Werten der Knoop-Härte und der Biegefestigkeit genügen, die nicht nur für Lagerwerkstoffe, sondern auch für abriebfeste Werkstoffe und für Gleitwerkstoffe erforderlich sind.

Claims

1. Siliciumnitrid-Sinterkörper mit hoher Härte, dadurch gekennzeichnet, daß er 10 bis 50%, auf die gesamte Masse bezogen, α-Siliciumnitrid enthält und eine Knoop-Härte von nicht weniger als 15,5 GPa hat.

2. Siliciumnitrid-Sinterkörper mit hoher Härte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper eine Biegefestigkeit von nicht weniger als 980,7 N/mm² hat.

3. Siliciumnitrid-Sinterkörper mit hoher Härte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper einen Youngschen Modul bzw. Elastizitätsmodul von nicht weniger als 290 GPa hat.

4. Siliciumnitrid-Sinterkörper mit hoher Härte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper durch eine isostatische Heißpreßbehandlung hergestellt wird.

5. Siliciumnitrid-Sinterkörper mit hoher Härte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper als Lagerwerkstoff verwendet wird.

6. Siliciumnitrid-Sinterkörper mit hoher Härte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper als abriebfester Werkstoff verwendet wird.

7. Siliciumnitrid-Sinterkörper mit hoher Härte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper als Gleitwerkstoff verwendet wird.