DE3924453A1

DE3924453A1 - Sinterkoerper auf siliciumnitrid-grundlage fuer die verwendung als antifriktionslagermaterial

Info

Publication number: DE3924453A1
Application number: DE19893924453
Authority: DE
Inventors: Katsuhisa Yabuta; Masakazu Watanabe; Tomohisa Kito
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1988-07-27
Filing date: 1989-07-24
Publication date: 1990-02-08
Also published as: GB8916608D0; GB2221922A; JP2736387B2; JPH02124771A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sinterkörper auf Siliziumnitrid-Grundlage, der für die Verwendung als Antifriktionslagermaterial geeignet ist, und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Sinterkörper auf Siliziumnitrid-Grundlage mit ausgezeichneter Ermüdungsbeständigkeit als Kugellager- und Walzenlagermaterial und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Kugellager- und Walzenlagermaterials.

Trotz ihrer großen spezifischen Dichte sind bis jetzt in den meisten Fällen Lagerstähle als Lagermaterialien verwendet worden, was dazu führt, daß das Lager insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsrotationen einer großen Zentrifugalkraft ausgesetzt und so die Haltbarkeit verkürzt wird. Daher besteht in letzter Zeit eine Neigung, Sinterkörper auf Siliziumnitrid-Grundlage mit hoher mechanischer Beständigkeit in Verbindung mit ausgezeichneter thermischer und Reibungsbeständigkeit einzuführen.

Im Vergleich mit Lagerstählen weisen die gebräuchlichen Sinterkörper auf Siliziumnitrid-Grundlage jedoch Nachteile auf, beispielsweise große Ungleichmäßigkeit in ihrer Ermüdungsbeständigkeit und geringe Zuverlässigkeit.

Für den Fall, daß der Sinterkörper Poren enthält, werden diese Poren zu Ausgangspunkten für Walzenermüdungsfrakturen. Daher ist es allgemein üblich geworden, als Lagermaterial einen Sinterkörper auf Siliziumnitrid-Grundlage zu verwenden, dessen Poren verkleinert und mittels einer HIP-("hot isostatic pressing", heiße isostatische Druck-)Behandlung ausgemerzt worden sind.

Dennoch sind die HIP-behandelten Sinterkörper hinsichtlich ihrer Walzenermüdungsbeständigkeit immer noch unzureichend, obwohl sie im Vergleich mit Sinterkörpern, die eine große Anzahl von Restporen aufweisen, in einem gewissen Maß verbessert sind, und weisen zusätzlich Ungleichmäßigkeiten bezüglich der Haltbarkeitsdauer auf. Dementsprechend besteht ein Bedürfnis für Sinterkörper mit verbesserter Ermüdungsbeständigkeit und -verläßlichkeit, sowie für ein Verfahren zum Herstellen solcher Sinterkörper.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Antifriktionslagermaterial auf Siliziumnitrid-Grundlage mit ausgezeichneter Ermüdungsbeständigkeit und geringeren Ungleichmäßigkeiten bezüglich der Haltbarkeitsdauer, insbesondere ein Kugellager- und Walzenlagermaterial, sowie ein Verfahren zum Herstellen solcher gesinterter Lagermaterialien bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird ein aus nicht weniger als 70 Gew.-% eines Siliziumnitrid-Bestandteils und nicht mehr als 30 Gew.-% eines Sinterzusatz-Bestandteils zusammengesetzter Sinterkörper auf Siliziumnitrid-Grundlage bereitgestellt, wobei der Sinterkörper im wesentlichen frei von Poren und Aussonderungen von mehr als 10 µm maximaler Ausdehnung ist, die aus mindestens den Sinterzusatz-Bestandteilen der Bestandteile des Sinterzusatzes und Verunreinigungen im Siliziumnitrid gebildet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der oben erwähnte Sinterzusatz mindestens Al₂O₃ oder Y₂O₃ und ein oder mehrere weitere Metalloxide, die aus der Al₂O₃, Y₂O₃, MgO, ZrO₂, Cr₂O₃ und Seltenerdmetalle umfassenden Gruppe ausgewählt werden.

Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Sinterkörpers auf Siliziumnitrid- Grundlage, wie oben beschrieben, bereitgestellt, wobei das Verfahren im wesentlichen die beiden folgenden Schritte umfaßt:
einen ersten Schritt, in dem ein geformter Rohpreßling aus einer Pulvermischung mit nicht weniger als 70 Gew.-% Siliziumnitridpulver und nicht mehr als 30 Gew.-% eines Sinterzusatzpulvers in einer stickstoffhaltigen, nicht oxidierenden Atmosphäre bei einem Druck von nicht mehr als 300 Atmosphären vorläufig gesintert wird; und
einen zweiten Schritt, in dem der vorgesinterte Preßling einer HIP-Behandlung in einer stickstoffhaltigen, nicht oxidierenden Atmosphäre bei einem Druck von nicht weniger als 300 Atmosphären und einer Temperatur von mindestens 200°C oder mehr über einem Niveau, bei dem eine flüssige Phase in dem vorgesinterten Preßling auftritt, unterworfen wird.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Al₂O₃- und Y₂O₃-Pulver als Sinterzusätze verwendet. Das vorläufige Sintern wird in einer Stickstoffatmosphäre bei einem Druck von nicht mehr als 10 Atmosphären durchgeführt, und die HIP-Behandlung wird bei einem Druck von nicht weniger als 1000 Atmosphären und einer Temperatur von nicht weniger als 1650°C durchgeführt.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Al₂O₃-Pulver, Y₂O₃-Pulver und MgO-Pulver oder Y₂O₃- und MgO-Pulver als Sinterzusatz verwendet. Das vorläufige Sintern wird in einer Stickstoffatmosphäre bei einem Druck von nicht mehr als 10 Atmosphären und die HIP-Behandlung bei einem Druck von nicht weniger als 1000 Atmosphären und einer Temperatur von nicht weniger als 1550°C durchgeführt.

Das erfindungsgemäße Kugellager- und Walzenlagermaterial auf Siliziumnitrid-Grundlage zeichnet sich dadurch aus, daß es aus nicht weniger als 70 Gew.-% Siliziumnitrid und nicht mehr als 30 Gew.-% eines Sinterzusatzes zusammengesetzt ist und im wesentlichen frei von Poren und Aussonderungen mit mehr als 10 µm maximaler Ausdehnung ist, die hauptsächlich aus Sinterzusatz-Bestandteilen zusammengesetzt sind.

Wie bereits oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erwähnt worden ist, kann der Sinterkörper in einem zweistufigen Verfahren hergestellt werden, d.h. einem Schritt, in dem ein geformter Preßling aus einer Pulvermischung, die nicht weniger als 70 Gew.-% Siliziumnitrid und nicht mehr als 30 Gew.-% eines Sinterzusatzes enthält, in einer stickstoffhaltigen, nicht oxidierenden Atmosphäre bei einem Druck von nicht mehr als 300 Atmosphären einer vorläufigen Sinterung unterworfen wird, und einem Schritt, in dem der vorgesinterte Preßling einer HIP-Behandlung in einer stickstoffhaltigen, nicht oxidierenden Atmosphäre bei einem Druck von nicht weniger als 300 Atmosphären und einer Temperatur von mindestens 200°C oder mehr über einem Temperaturniveau, bei dem eine flüssige Phase in dem vorgesinterten Preßling auftritt, unterworfen wird.

In dem Fall, in dem der Gehalt an Siliziumnitrid weniger als 70 Gew.-% beträgt, nimmt die Beständigkeit in einem Maße ab, das für ein Walzenlagermaterial ungeeignet ist. Der Sinterzusatz kann nach Wahl beschaffen sein und wird aus einer Vielzahl von Substanzen in Abhängigkeit vom Zweck der Verwendung des Endproduktes ausgewählt werden, und umfaßt normalerweise ein oder mehrere Verbindungen aus der Aluminiumoxid, Yttriumoxid, Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid, Oxide von Seltenerdmetallen und Chromoxid und ähnliche enthaltenden Gruppe.

Die Aussonderungen enthalten normalerweise nicht nur den Sinterzusatz, sondern darüber Verunreinigungsgehalte aus dem Siliziumnitridpulver (beispielsweise Siliziumoxid, das normalerweise in dem Pulver enthalten ist). Die maximale Ausdehnung einer Aussonderung sollte 10 µm nicht überschreiten. Der Begriff "Ausdehnung", so wie er hier verwendet wird, bezeichnet die maximale Länge einer Aussonderung, beispielsweise den größten Durchmesser im Fall einer Aussonderung ellipsoider Form oder die größte diagonale Länge im Fall einer Aussonderung im Fall einer stäbchenförmigen oder rechtwinklig-paralleloiden Form.

Wenn eine Aussonderung eine maximale Länge von mehr als 10 µm aufweist, gehen Frakturen von dort aus und verkürzen so die Haltbarkeit des Lagermaterials. Genauer ereignet sich eine Fraktur auf die folgende Weise. Im Fall eines Antifriktionslagers wird beispielsweise dann, wenn die Rollen mit dem inneren und äußeren Laufring in Berührung kommen, ein Berührungsstreß auf die unter Belastung miteinander in Berü hrung stehenden Teile ausgeübt. Durch wiederholte Belastung entwickelt sich ein Riß in dem Material, der letztendlich eine teilweise Desaggregation oder Abblätterung des Materials verursacht. Es ist vorstellbar, daß dann, wenn das Material Defekte, wie zum Beispiel Poren und Aussonderungen, enthält, eine Belastung sich sehr wahrscheinlich auf defekte Teile konzentriert und so die Walzenermüdungsbeständigkeit des Materials verschlechtert. HIP-behandelte Sinterkörper sind im wesentlichen frei von Poren, aber sie sind empfänglich für Aussonderungen, die als Defekte, die zu einer verkürzten Betriebsdauer führen, betrachtet werden. In diesem Zusammenhang soll gesagt werden, daß mit Substanzen gefüllte Aussonderungen, obwohl sie als Defekte betrachtet werden, auf Belastungskonzentrationen gemäßigter reagieren und weniger beeinflußt werden als Poren. Durch Ermüdungsbeständigkeits-Untersuchungen ist festgestellt worden, daß Aussonderungen mit einer maximalen Länge von nicht mehr als 10 µm nachgewiesenermaßen dem Einfluß einer Belastungskonzentration nicht unterliegen. Die Aussonderung ist zwar eine Art von Defekt, aber sie besteht nicht aus Leerraum, sondern aus einem Teil mit gepacktem Material. Daher ist die Streßbelastung in dieser Aussonderung geringer als in einem Teil mit einer Pore. Und das Ausmaß der Streßbelastung in der Aussonderung ist verteilt, während ein Teil mit einer Pore direkt beeinflußt wird. Selbst dann, wenn ein Zusatz, das nicht zur Herstellung einer flüssigen Phase beiträgt, neben dem Sinterzusatz zugefügt wird, oder wenn eine dritte Phase während des Sinterstadiums durch Reaktion oder Präzipitation eines Teils des Sinterzusatzes gebildet wird, haben Körner geringeren Durchmessers einen geringeren Einfluß auf die Walzenbeständigkeit.

Es ist ausreichend, die oben erwähnten zwei Schritte in einer stickstoffhaltigen, sauerstofffreien, nicht oxidierenden Atmosphäre durchzuführen, die ein inertes Gas, beispielsweise Helium- oder Argongas, enthalten kann. Eine "stickstoffhaltige" Atmosphäre wird verwendet, um die thermische Zersetzung von Siliziumnitrid zu unterdrücken. Normalerweise wird eine Stickstoffatmosphäre in den beiden Schritten verwendet. Das vorläufige Sintern sollte bei einem Druck von nicht mehr als 300 Atmosphären ausgeführt werden, weil bei mehr als 300 Atmosphären die Poren in dem daraus resultierenden gesinterten Körper dazu neigen würden, selbst während einer folgenden HIP-Behandlung bestehen zu bleiben. Der Druck liegt bevorzugt im Bereich von 1 bis 10 Atmosphären. In diesem Zusammenhang wird berücksichtigt, daß der Druck des vorläufigen Sinterns einen Einfluß auf die Ungleichmäßigkeiten hinsichtlich der Dichte in den vorgesinterten Preßlingen hat, die unter hohem Druck in Folge einer schlechteren Verdichtung in den Mittelteilen der Preßlinge eine größere Anzahl von Poren enthalten. Aus diesem Grunde beträgt der Druck beim Vorsintern bevorzugt nicht mehr als 10 Atmosphären. Drücke von weniger als 1 Atmosphäre sind nicht wünschenswert, da es bei solchen Drücken eher zu einer thermischen Zersetzung von Siliziumnitrid kommen würde.

Weiterhin werden die Poren, wenn der Druck der HIP-Behandlung weniger als 300 Atmosphären beträgt, kaum verkleinert werden und tendenziell in den Produkten bestehen bleiben. Die Temperatur dieser Behandlung liegt bevorzugt um mindestens 200°C oder mehr über dem Temperaturniveau, bei dem eine flüssige Phase auftritt, besonders bevorzugt 250 bis 300°C höher als dieses Niveau. Die "Temperatur, bei der eine flüssige Phase auftritt" bezeichnet ein Niveau, bei dem eine plötzliche Zunahme der Kontraktionsgeschwindigkeit des Preßlings während des Erwärmungsstadiums stattfindet, oder ein Niveau, bei dem eine plötzliche Zunahme der Transposition vom α- zum β-Typ bei dem Siliziumnitrid in dem Preßling auftritt. Die Temperatur dieser Behandlung hängt von der Zusammensetzung der flüssigen Phase ab, beträgt aber normalerweise nicht weniger als ungefähr 1650°C, wenn Aluminiumoxid und Yttriumoxid als Sinterzusätze verwendet werden, und nicht weniger als 1550°C, wenn Magnesium als Sinterzusatz verwendet wird.

Unter Belastung unterliegen die Walzenlager, die sich in Berührung mit dem inneren und äußeren Laufring drehen, einem Berührungsstreß an den jeweiligen Kontaktteilen. In diesem Zustand tritt eine Streßkonzentration auf, wenn das Material Defekte, beispielsweise Poren und Aussonderungen, enthält. Als ein Ergebnis intensiver Studien an HIP-behandelten Siliziumnitrid-Sinterkörpern, die im wesentlichen frei von Poren waren, haben die Erfinder festgestellt, daß die Haltbarkeit durch eine Fraktur oder Frakturen, die von einer Aussonderung einer Größe von mehr als 10 µm ausgehen, erniedrigt wird. Obwohl diese Aussonderungen als Defekte betrachtet werden, sind sie mit Substanzen angefüllt, so daß eine Streßkonzentration gemäßigter stattfindet und weniger Einfluß ausübt als Poren. In Ermüdungstests wurde beobachtet, daß Aussonderungen mit einem größten Durchmesser von nicht mehr als 10 µm keinen Einfluß in dieser Hinsicht haben. Dementsprechend ist der erfindungsgemäße Sinterkörper im wesentlichen frei von Poren und Aussonderungen von mehr als 10 µm maximaler Länge.

Bei dem HIP-Sinterverfahren wird normalerweise ein hoher Gasdruck von 1000 bis 2000 Atmosphären auf das Werkstück ausgeübt, um Poren darin zu beseitigen. Auf der anderen Seite wird Siliziumnitrid, daß selber schwer zu sintern ist, normalerweise mit einem Oxid, beispielsweise Aluminiumoxid oder ähnlichem, als Sinterzusatz versetzt, und durch eine flüssige Phase, die durch Reaktion des Sinterzusatzes mit Siliziumoxid, das als Verunreinigung im Siliziumnitrid enthalten ist, hergestellt wird, gesintert. Daher wird bei der HIP-Behandlung des Sinterkörpers, der aus Siliziumnitrid und den Bestandteilen der flüssigen Phase besteht, der Druck ebenso auf die verflüssigte flüssige Phase wirken und die letztere in die in dem Werkstück enthaltenen Poren drängen, so welche vorhanden sind, und im Ergebnis werden Aussonderungen der Bestandteile der flüssigen Phase gebildet werden. In dem Fall, in dem eine niedrige HIP-Temperatur mit einem niedrigen Ausmaß an Sintern verwendet wird, werden die Poren ausgemerzt, aber der Einfluß der Aussonderungen bleibt erhalten.

Auf der anderen Seite werden in dem Fall, in dem eine hohe HIP-Temperatur und ein hohes Ausmaß von Sintern des Siliziumnitrids durch die flüssige Phase erreicht werden, Kristallisation und Zunahme von Siliziumnitrid in den Poren auftreten, ohne Aussonderungen zu formen.

Erfindungsgemäß wird daher in einer bevorzugten Ausführungsform das vorläufige Sintern bei einem Druck von nicht mehr als 300 Atmosphären durchgeführt, um sicherzustellen, daß die Poren bei der anschließenden HIP-Behandlung leicht ausgemerzt werden. Bei der folgenden HIP-Behandlung wird das Werkstück unter einem Druck von nicht weniger als 300 Atmosphären und einer Temperatur von mindestens 200°C oder mehr über einem Niveau, bei dem eine flüssige Phase auftritt, behandelt, so daß die flüssige Phase in die Poren gedrängt wird, um die maximale Ausdehnung der hergestellten Aussonderung auf nicht mehr als 10 µm zu begrenzen.

Der erfindungsgemäße Sinterkörper, der frei von Poren und Aussonderungen aus Sinterzusatz-Bestandteilen von mehr als 10 µm maximaler Länge ist, d.h., frei von Frakturen, die von Aussonderungen herrühren, stellt ein Kugellager- und Walzenlagermaterial mit ausgezeichneter Ermüdungsbeständigkeit und weniger Ungleichmäßigkeiten bezüglich der Haltbarkeitsdauer zur Verfügung.

Erfindungsgemäß kann ein Kugellager- und Walzenlagermaterial aus einem Siliziumnitrid-Sinterkörper bereitgestellt werden, der die vorstehend beschriebenen Wirkungen hat.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel I

Zu 90 Gewichtsteilen Siliziumnitridpulver mit einer mittleren Korngröße von 0,6 µm wurden 5 Gewichtsteile Aluminiumoxid und 5 Gewichtsteile Yttriumoxid zugesetzt. Nach 24 Stunden Mischen in einer Kugelmühle wurden der resultierenden Mischung 6 Gewichtsteile eines organischen Bindemittels (mikrokristallines Wachs) zugefügt, gefolgt von Sprühtrocknen und Granulieren. Während des Mischstadiums und als Lösungsmittel für das Bindemittel wurde Trichlorethan verwendet. Das so erhaltene Pulver wurde in einer Gußform vorläufig in einer Kugelform gesintert und dann mit einer Gummipresse bei einem Druck von 1 t/cm² gepreßt, um einen kugelförmigen Preßling mit einem Durchmesser von ungefähr 11 mm zu erhalten.

Nach dem Entfetten wurde der Preßling vorläufig 4 Stunden in einer Stickstoffatmosphäre bei einem Druck von 1 Atmosphäre und einer Temperatur von 1700°C gesintert, um ein vorgesintertes Produkt mit einer relativen Dichte von ungefähr 95% zu erhalten. Das vorgesinterte Produkt wurde dann einer HIP-Behandlung unter den in der Tabelle 1 angegebenen Bedingungen unterworfen, um einen dichten Sinterkörper herzustellen (Nr. 1-4). Die Temperatur, bei der eine flüssige Phase auftrat, lag bei ungefähr 1450°C im Fall dieser besonderen Zusammensetzung, die Behandlungstemperatur in den erfindungsgemäßen Beispielen war jeweils mehr als 200°C höher als dieses Niveau, während sie in den Vergleichsbeispielen weniger als 150°C höher war.

Die Sinterkörper wurden nach der HIP-Behandlung geschliffen (ground) und maschinenbehandelt, um Kugelproben mit einem Durchmesser von 9,52 mm und einer Oberflächenrauheit von 0,01 µmRa zu erhalten. Diese Oberflächenrauheit wird als Mittellinien-Durchschnittsrauheit (Ra) bewertet, die am Äquator der Kugelproben mittels eines Oberflächenprofilometers des Nadelkontakttyps gemessen wird.

Die Proben wurden untersucht, um die Dichte des Sinterkörpers, die Rollenermüdungsbeständigkeit und das Bestehen von Fraktur verursachenden Defekten nach der HIP-Behandlung zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1 gezeigt. Der Ermüdungstest verwendete einen Lagerdauerhaftigkeitstester vom Drucktyp, der eine Belastung auf drei Kugeln ausübte, die auf einer flachen Platte aus Lagerstahl rotiert wurden, insbesondere eine Belastung von 150 kg auf jede mit einer Geschwindigkeit von 2000 UpM rotierte Kugel, die in einem Turbinenölbad eingefettet worden war, ausübte. Der Test wurde bis zu maximal 300 Stunden durchgeführt. Die Defekte wurden mit einem elektrischen Mikroskop mittels EPMA (Elektronenproben-Mikroanalyse) beobachtet. Anomale Teile können von normalen Teilen unterschieden werden, weil zwei Arten von Teilen bei der elektronischen mikroskopischen Beobachtung unterschiedlich aussehen, und die Elementenanalyse der anomalen Teile wurde mittels EPMA durchgeführt.

Gemäß den Ergebnissen dieser Untersuchungen hatten die Kugeln der erfindungsgemäßen Beispiele Nr. 1 und 2 eine beträchtlich verlängerte Lebensdauer und wiesen nach einem Test von 300 Stunden keine Frakturen auf. Auf der anderen Seite traten Frakturen (Abblätterung) bei einer Kugel in beiden der Vergleichsbeispiele Nr. 3 und 4 auf, die eine niedrige HIP-Behandlungstemperatur verwendeten, wobei die Frakturen von einem Defekt, der aus einer Aussonderung von Al- und Y-Elementen des Sinterzusatzes bestand, ausgingen. In jedem Fall hatten die Frakturen begründenden Aussonderungen eine maximale Länge von 15 µm oder mehr, nämlich eine maximale Länge von 20 µm bzw. 15 µm. Insbesondere im Fall der 20 um Aussonderung (Nr. 3) trat eine Abblätterung innerhalb eines kurzen Zeitraumes von 58 Stunden auf; damit ist impliziert, daß eine größere Aussonderung zu einer kürzeren Lebensdauer führen würde.

Beispiel II

In diesem Beispiel wurden die Art und die Zusatzmengen des Sinterzusatzes und die Bedingungen der HIP-Behandlung und des Ermüdungstests verändert.

Tabelle 1

Eine Pulvermischung, umfassend 92 Gewichtsteile Siliziumnitrid, 2 Gewichtsteile Aluminiumoxid, 2 Gewichtsteile Magnesiumoxid und 4 Gewichtsteile Yttriumoxid, wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel I hergestellt. Das Pulver wurde zu Kugel- und Scheiben ähnlichen Formen geformt und der Preßling nach dem Entfetten 2 Stunden in einer Stickstoffatmosphäre bei 1 atm und 1650°C vorläufig gesintert, und dann wurden die Preßlinge einer HIP-Behandlung unter den in der folgenden Tabelle gezeigten Bedingungen unterworfen, um Sinterkörper herzustellen (Nr. 5-8). Die Temperatur, bei der die flüssige Phase bei dieser Zusammensetzung auftrat, lag bei einem Niveau von ungefähr 1350°C, die Behandlungstemperatur in den erfindungsgemäßen Beispielen lag 200°C oder mehr über diesem Niveau, während sie in den Vergleichsbeispielen nur 150°C über diesem Niveau lag.

Die gesinterten Körper wurden maschinenbearbeitet, um kugelförmige Proben von 9,52 mm Durchmesser und Scheiben-ähnliche Proben von 60 mm Durchmesser herzustellen, die in der gleichen Weise wie in Beispiel I zum Feststellen der Dauer der Haltbarkeit untersucht wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Der Test wurde bis zu längstens 1000 Stunden fortgesetzt, wobei die maximale Kontaktbelastung 600 kg/mm² und die Rotationsgeschwindigkeit 1000 UpM betrug.

Den Untersuchungsergebnissen kann entnommen werden, daß die erfindungsgemäßen Proben (Nr. 5-7) alle frei von Frakturen selbst bei einem Langzeittest von 1000 Stunden waren. Andererseits zeigt das Vergleichsbeispiel Nr. 8 mit einer niedrigen HIP-Behandlungstemperatur eine Kugelabblätterung nach 305 Stunden, die von einer Sinterzusatzbestandteil-Aussonderung mit einer maximalen Länge von 30 µm ausging.

Beispiel III

In diesem Beispiel wurden die Art und Zusatzmengen des Sinterzusatzes und die Bedingungen des vorläufigen Sinterns und der HIP-Behandlung verändert.

Eine Pulvermischung, bestehend aus Siliziumnitrid und Sinterzusatz mit dem in Tabelle 2 vorgeschriebenen Verhältnis wurden in der gleichen Weise wie in Beispiel I hergestellt. Das Pulver wurde in Teststückformen von 60×10×30 mm durch Formpressen geformt, und die Preßlinge wurden vorläufig gesintert und dann einer HIP-Behandlung unter den in Tabelle 2 gezeigten Bedingungen zur Erzeugung von Sinterkörpern unterworfen (Nr. 9-15).

Diese Sinterkörper wurden bezüglich ihrer relativen Dichte und der Bindestärke untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. In dem Test wurden die Sinterkörper geschliffen und maschinell zu Proben von 8 mm Breite und 4 mm Dicke mit einem Diamantenschleifstein #160 bearbeitet, und die Bindungsstärke der Proben wurde mittels des Dreipunkt-Bindungsverfahrens bei einer Spannweite von 20 mm und einer Kreuzkopf-Geschwindigkeit von 0,5 mm/min untersucht.

Den Testergebnissen kann entnommen werden, daß die erfindungsgemäßen Proben Nr. 9-12 eine hohe Dichte von 100% und eine große Beständigkeit von 850-1350 MPa aufwiesen, und daß diese Eigenschaften sowohl bei einem Vorsinterdruck von 1 Atmosphäre als auch von 10 Atmosphären ausgezeichnet waren. Auf der anderen Seite zeigten die Vergleichsbeispiele Nr. 13 und 14 nach einem niedrigen HIP-Behandlungsdruck eine niedrige relative Dichte, die nicht ausreichend für die Annahme einer hohen Dichte ist, und in den Proben blieben Löcher zurück. Es ist daher vorstellbar, daß diese Proben eine kurze Haltbarkeitsdauer haben. Die Proben Nr. 13-15 zeigten geringe Beständigkeit, insbesondere Probe Nr. 15, in der der Anteil von Siliziumnitrid 65 Gew.-% betrug; sie wiesen eine hohe Dichte auf, aber zeigten eine niedrige Beständigkeit von 600 MPa. Es ist daher vorstellbar, daß diese Proben Nr. 13-15 (insbesondere Probe Nr. 15) leicht brechen und als Kugellager- und Walzenlagermaterial nicht wünschenswert sind. In den Materialien der Beispiele Nr. 9-12 wurde keine Aussonderung beobachtet und die Strukturen waren jeweils homogen.

Claims

1. Sinterkörper auf Siliziumnitrid-Grundlage für die Verwendung als Antifriktionslagermaterial, der gebildet ist aus nicht weniger als 70 Gew.-% eines Siliziumnitrides und nicht mehr als 30 Gew.-% eines Sinterzusatzes, wobei der Sinterkörper im wesentlichen frei von Poren und Aussonderungen von mehr als 10 µm maximaler Länge ist und diese Aussonderungen mindestens aus Bestandteilen des Sinterzusatzes aus Bestandteilen des Sinterzusatzes und Verunreinigungen im Siliziumnitrid gebildet sind.

2. Sinterkörper auf Siliziumnitrid-Grundlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterzusatz mindestens Al₂O₃ oder Y₂O₃ und ein oder mehrere weitere Metalloxide, ausgewählt aus der Al₂O₃, Y₂O₃, MgO, ZrO₂, Cr₂O₃ und Oxide von Seltenerdmetallen umfassenden Gruppe, enthält.

3. Verfahren zum Herstellen eines für die Verwendung als Antifriktionslagermaterial geeigneten Sinterkörpers auf Siliziumnitrid-Grundlage, wobei das Verfahren umfaßt:
einen ersten Schritt des vorläufigen Sinterns eines geformten Preßlings aus einer Pulvermischung von nicht weniger als 70 Gew.-% Siliziumnitridpulver und nicht mehr als 30 Gew.-% Sinterzusatzpulver in einer stickstoffhaltigen, nicht oxidierenden Atmosphäre bei einem Druck von nicht mehr als 300 Atmosphären; und
einen zweiten Schritt, in dem der vorläufig gesinterte Preßling einer heißen isostatischen Druckbehandlung in einer stickstoffhaltigen, nicht oxidierenden Atmosphäre bei einem Druck von nicht weniger als 300 Atmosphären und einer Temperatur von mindestens 200°C oder mehr über dem Niveau, bei dem eine flüssige Phase in dem vorläufig gesinterten Preßling auftritt, unterworfen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sinterzusatzpulver aus Al₂O₃-Pulver und Y₂O₃-Pulver zusammengesetzt ist und daß das vorläufige Sintern in einer Stickstoffatmosphäre bei nicht mehr als 10 Atmosphären Druck durchgeführt wird und die heiße isostatische Druckbehandlung bei einem Druck von nicht weniger als 1000 Atmosphären und einer Temperatur von nicht weniger als 1650°C durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sinterzusatzpulver aus Al₂O₃-Pulver, Y₂O₃- Pulver und MgO-Pulver zusammengesetzt ist, das vorläufige Sintern in einer Stickstoffatmosphäre unter einem Druck von nicht mehr als 10 Atmosphären durchgeführt wird und die heiße isostatische Druckbehandlung bei einem Druck von nicht weniger als 1000 Atmosphären und einer Temperatur von nicht weniger als 1550°C durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sinterzusatzpulver aus Y₂O₃-Pulver und MgO-Pulver zusammengesetzt ist, das vorläufige Sintern in einer Stickstoffatmosphäre unter einem Druck von nicht mehr als 10 Atmosphären durchgeführt wird und die heiße isostatische Druckbehandlung bei einem Druck von nicht weniger als 1000 Atmosphären und einer Temperatur von nicht weniger als 1550°C durchgeführt wird.