DE60218549T2

DE60218549T2 - Abriebsbeständiges Siliziumnitridbauteil und Verfahren zur Herstellung des Bauteils

Info

Publication number: DE60218549T2
Application number: DE60218549T
Authority: DE
Inventors: Michiyasu Yokohama-shi Komatsu; Hiroki Yokohama-shi Tonai; Hiroshi Yokohama-shi Komorita
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-01-12
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2022-01-12
Also published as: JP2002326875A; JP4795588B2; US20020136908A1; EP1223150A2; US6784131B2; DE60218549D1; EP1223150A3; EP1223150B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlagerelement, das hauptsächlich aus Siliciumnitrid besteht, und ein Verfahren zur Herstellung dieses Elements, und insbesondere ein Siliciumnitrid-Wälzlagerelement und ein Verfahren zur Herstellung des Elements, das in der Lage ist, eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit aufzuweisen, insbesondere Wälzlebensdauer-Charakteristiken, und als ein Wälzlagerelement geeignet ist, das eine ausgezeichnete Dauerfestigkeit erfordert.
Beschreibung des Stands der Technik
Ein verschleißfestes Element (abrasionsbeständiges Element) wurde auf verschiedenen Gebieten angewandt, wie beispielsweise Lagerelement, verschiedene Wälzelemente zum Wälzbetrieb, Verdichterflügel, Gasturbinenschaufel, Maschinenteile wie beispielsweise Nockenwalze oder dergleichen. Als ein Material zum Bilden des verschleißfesten Materials wurden herkömmlicherweise verschiedene Keramikmaterialien verwendet. Insbesondere ist ein Siliciumnitrid-Sinterkörper ausgezeichnet in der mechanischen Festigkeit und Verschleißfestigkeits-Eigenschaft. Aus diesem Grund wurde der Siliciumnitrid-Sinterkörper bei verschiedenen technischen Gebieten angewandt.
Verschiedene Sinterzusammensetzungen für die Siliciumnitrid-Sinterkörper sind bekannt: wie beispielsweise Siliciumnitrid-/Yttriumoxid-/Aluminiumoxid-System; Siliciumnitrid-/Yttriumoxid-/Aluminiumoxid-/Aluminiumnitrid-System; und Siliciumnitrid-/Yttriumoxid-/Aluminiumoxid-/Titanoxid-System oder dergleichen. Sinterhilfsmittel, die aus den Oxiden von Seltenerdmetallen bestehen, wie beispielsweise Yttriumoxid (Y₂O₃) bei den oben aufgeführten Sinterzusammensetzungen, weisen eine Funktion des Erzeugens einer Korngrenzenphase (flüssige Phase) auf, die aus Si-Seltenerdmetall-Al-O-N oder dergleichen bestehen, während des Sintervorgangs. Deshalb werden die Sinterhilfsmittel zu einer Materialzusammensetzung zur Steigerung der Sintercharakteristiken von Sintermaterialien zugegeben, und erzielen eine hohe Dichte und große Festigkeit der Sinterkörper.
Gemäß des Stands der Technik werden Siliciumnitrid-Sinterkörper im Allgemeinen wie folgt in Massenfertigung hergestellt. Nachdem ein Sinterhilfsmittel, wie oben erwähnt, zu dem Materialpulver aus Siliciumnitrid zugegeben wird, wird die Materialmischung geformt bzw. einem Formgebungsverfahren unterzogen, um einen Presskörper auszubilden. Der auf diese Weise erhaltene Presskörper wird dann in einem Sinterofen bei ungefähr 1.650 bis 1.900°C für einen vorbestimmten Zeitraum gesintert, gefolgt von einem natürlichen Abkühlen (Selbstkühlen) des resultierenden Sinterkörpers in dem Ofen mit einer hohen Abkühlgeschwindigkeit.
Unter den verschiedenen Anwendungen von verschleißfesten Elementen, unter Verwendung des obigen Siliciumnitrid-Sinterkörpers, wurde das Lagerelement im Allgemeinen als ein nützliches Material erkannt. Ein solches Lagerelement wurde bei verschiedenen Anwendungen benutzt, und man fing auch an es als ein wichtiger Schutz von Sicherheitsteilen zu prüfen. Aus diesem Grund wurde von dem aus Siliciumnitrid-Sinterkörper bestehenden Lagerelement, d.h. Wälzkörper wie beispielsweise eine Kugel oder eine Walze, gefordert, die Verlässlichkeit zu weiter verbessern.
Zum Beispiel werden Fehler bzw. Defekte, wie beispielsweise ein Sprung und Riss oder dergleichen, die auf einer Oberfläche des Wälzkörpers ausgebildet sind, zu einem Zerbrechen nicht nur von dem Lagerelement an sich sondern auch von einem gesamten System führen, welches das Lagerelement verwendet. Deshalb wurde ein Herstellungsverfahren eingeführt, zum Ausschließen oder Beseitigen derartiger Fehler so restlos wie möglich. Auf eine ähnliche Art würde eine Pore, die dicht an der Oberfläche des Wälzkörpers existiert, auch eine Ursache der Verschlechterung der Verlässlichkeit des Lagerelements sein, so dass die Pore in einem Prozess entfernt wird, wenn das Element in ein Produkt mit einer Endform verarbeitet wird.
Obwohl der Siliciumnitrid-Sinterkörper, der durch das herkömmliche Verfahren hergestellt wird, eine verbesserte Biegefestigkeit, Bruchzähigkeit und Verschleißfestigkeit erzielt, ist die Verbesserung jedoch ungenügend. Eine Dauerfestigkeit als ein Wälzlagerelement, das eine besonders ausgezeichnete Gleiteigenschaft erfordert, ist unzureichend, so dass eine weitere Verbesserung gefordert wurde.
Heutzutage hat ein Bedarf an Keramikmaterial als Präzisionsvorrichtungselemente zugenommen. Bei diesen Anwendungen werden Vorteile der Keramik genutzt, wie beispielsweise eine hohe Härte und ein leichtes Gewicht zusammen mit einer hohen Korrosionsfestigkeit und einer niedrigen thermischen Ausdehnbarkeitseigenschaft. Insbesondere in Hinblick auf die hohe Härte und die hohe Verschleißfestigkeit hat sich eine Anwendung als ein verschleißfestes Element zum Bilden eines Gleitabschnitts des Lagers oder dergleichen schnell ausgebreitet.
In einem Fall, wo Wälzkugeln von einem Lager oder dergleichen durch das aus Keramik bestehende, verschleißfeste Element gebildet wurden, wenn die Wälzkugeln gerollt wurden, während sie wiederholt mit einem Gegenstück bei einem hohen Spannungs- bzw. Belastungsgrad in Berührung gelangten, war jedoch die Wälzlebensdauer des verschleißfesten Elements noch nicht ausreichend. Deshalb löst sich eine Oberfläche des verschleißfesten Elements ab und das Element bewirkt Risse, so dass das fehlerhafte Element dazu neigte, Vibrationen und Schäden an einer Vorrichtung zu bewirken, die mit dem Lager ausgestattet war. Auf jeden Fall wurde ein Problem aufgeworfen, dass die Dauerfestigkeit und Verlässlichkeit als ein Material zum Bilden der Teile von der Vorrichtung gering waren.
Der durch das herkömmliche Herstellungsverfahren produzierte Siliciumnitrid-Sinterkörper wurde unvermeidlich mit Fehlern ausgebildet, wie beispielsweise Sprünge und Risse, in einem Stadium nach dem Sintervorgang, wobei die Fehler an Abschnitt ausgebildet wurden, die nicht nur die Oberfläche des Sinterkörpers bzw. gesinterten Körpers waren, sondern auch ein tiefer Abschnitt, so dass sich die Fehler zu einem relativ inneren Abschnitt des Sinterkörpers erstrecken. Diese Fehler führen zu fehlerhaften Produkten, oder sogar falls die Fehler nicht zu den fehlerhaften Produkten führen, wurde eine menschliche Arbeitskraft bei der Herstellung zum Erhalten einer Oberfläche mit einer hohen Verlässlichkeit durch ein Entfernen der Risse oder dergleichen, d.h. eine für einen Prozess eines Oberflächenschleifvorgangs erforderliche menschliche Arbeitskraft, bis die Risse oder dergleichen im Wesentlichen beseitigt waren, nachteilig erhöht, was somit zu einem Anstieg der Herstellungskosten der Wälzkörper führt.
Das heißt, wenn ein geformter Siliciumnitrid-Körper gesintert wird, werden ein Teil von Verunreinigungssauerstoff, der in dem Siliciumnitrid-Pulver (Materialpulver) enthalten ist, und ein Teil des Sauerstoffs, der in dem Sinterhilfsmittel enthalten ist, verdampft, wodurch sie eine Gaskomponente bilden. Die Gaskomponente wird gleichzeitig erzeugt, nahezu zu der gleichen Zeit, wenn der geformte Siliciumnitrid-Körper beim Sintervorgang zu schrumpfen beginnt. Beim herkömmlichen Sinterverfahren, da eine Verdichtung an einem Oberflächenabschnitt des Sinterkörpers in Übereinstimmung mit dem Beginn des Schrumpfens des geformten Körpers bzw. Formgebungskörpers beginnt, ist es schwierig, die in dem inneren Abschnitt des Sinterkörpers enthaltene Gaskomponente zu entfernen.
Wenn die obige Gaskomponente in dem Sinterkörper verbleibt, bilden sich Poren in dem Siliciumnitrid-Sinterkörper aus, und Sauerstoff verbindet sich mit Si, wodurch sie als SiO₂ verbleiben. Bei dem herkömmlichen Herstellungsverfahren, da die Gaskomponente nicht ausreichend entfernt werden konnte, verbleiben die Poren und SiO₂, das aus der Gaskomponente resultiert, in einem relativ breiten Bereich, und diese Poren und SiO₂ verursachten einen Riss oder dergleichen, der sich zu dem inneren Abschnitt des Sinterkörpers erstreckt. Um die Risse zu entfernen war es erforderlich, die Oberfläche des Sinterkörpers bis zu einem gewissen Tiefenausmaß zu entfernen, so dass diese Entfernungsvorgänge das Auftreten von Fehlern und einen Anstieg der Herstellungskosten des Sinterkörpers einladen.
Weiterhin, zum Beispiel wenn der Sinterkörper einer HIP-Behandlung ausgesetzt wird, wodurch die Poren mit einer flüssigen Phase ausgefüllt werden, die durch das Sinterhilfsmittel ausgebildet wird, kann der resultierende Siliciumnitrid-Sinterkörper hochverdichtet werden. Jedoch wird eine Segregation der Komponenten der flüssigen Phase nachteilig an einem Abschnitt ausgebildet, wo die Poren vorhanden waren. Die Komponenten der flüssigen Phase weisen eine Festigkeit und Härte auf, die niedriger als diejenige der Siliciumnitrid-Kristallkörner ist, so dass die Segregation der Komponenten der flüssigen Phase zu einem Ausgangspunkt einer Bruchstelle wird, wenn der Siliciumnitrid-Sinterkörper als das verschleißfeste Element verwendet wird. Folglich ist es erforderlich, dass eine derartige angesammelte Substanz entfernt wird.
In jedem Fall wurde bei dem herkömmlichen Herstellungsverfahren des Siliciumnitrid-Sinterkörpers ein Problem aufgeworfen, dass Poren, Risse, Segregationen der flüssigen Phase, die aus der Gaskomponente resultieren, unvermeidlich zu einem gewissen Tiefenausmaß des Sinterkörpers verteilt werden. Diese Fehler würden zu einem fehlerhaften Produkt führen, und auch zu einer Zunahme der Arbeitsspanne (eine durch Arbeiten zu entfernende Tiefe) der Oberfläche des Sinterkörpers führen, zum Zweck des Erhaltens einer guten Oberfläche, die in der Lage ist, die Verlässlichkeit des Wälzkörpers zu erhöhen. Diese Faktoren würden die Herstellungskosten der verschleißfesten Elemente, wie beispielsweise ein Wälzkörper oder dergleichen, erhöhen.
EP 1134204 beschreibt ein verschleißfestes Element aus Siliciumnitrid, und EP 1201623 beschreibt ein Siliciumnitrid-Keramiksubstrat und eine Leiterplatte, die dieses verwendet.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde erzielt, um die zuvor erwähnten Probleme zu lösen. Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Wälzlagerelement und ein Verfahren zur Herstellung des Elements bereitzustellen, das besonders ausgezeichnet bei den Gleitcharakteristiken ist, zusätzlich zu der Eigenschaft einer hohen Festigkeit und einer hohen Zähigkeitseigenschaft.
Insbesondere ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wälzlagerelement und ein Verfahren zur Herstellung des Elements bereitzustellen, das in der Lage ist, einfach die Gaskomponente zu entfernen, die eine Ursache des Anstiegs von Fehlern und der Herstellungskosten ist, und in der Lage ist, die Herstellungskosten zu reduzieren, zusätzlich zum Realisieren verschiedener Charakteristiken, die für das Wälzlagerelement erforderlich sind.
Um die oben beschriebenen Aufgaben zu erreichen, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung die Wirkungen und Einflüsse der Arten von Siliciumnitrid-Pulver, Sinterhilfsmittel und Additive, und die Mengen davon, und die Sinterbedingungen auf die Charakteristika der Endprodukte, das heißt die Sinterkörper, durch ein Durchführen von Experimenten untersucht.
Als ein Ergebnis vermittelten die Experimente die folgenden Erkenntnisse. Das heißt, ein Wälzlagerelement, das aus einem Siliciumnitrid-Sinterkörper gebildet ist, mit einer besonders ausgezeichneten Wälzlebensdauer der Gleiteigenschaft konnte zusätzlich zu der Eigenschaft einer hohen Festigkeit und einer hohen Zähigkeitseigenschaft erhalten werden: wenn bestimmte Menge von einem Seltenerdmetall, Aluminiumoxid, falls notwendig, Magnesium, Aluminiumnitrid, Titanoxid oder dergleichen zu einem feinen Materialpulver aus Siliciumnitrid zugegeben wurden, um eine Materialmischung zuzubereiten; gefolgt durch ein Formen bzw. eine Formgebung der Materialmischung, um einen geformten Presskörper (Formkörper) auszubilden und einem Entfetten des Presskörpers, und wobei der Presskörper einer Desoxidierungsbehandlung (Reduktion des Sauerstoffgehalts) ausgesetzt wurde, durch ein Halten des Presskörpers bei vorbestimmten Bedingungen auf dem Weg zum Sinterschritt, dadurch gefolgt, dass er einem Hauptsinterschritt ausgesetzt wird; oder wenn der Sinterkörper, nach Vollendung des Sintervorgangs, einer heißisostatischen Press-Behandlung (HIP-Behandlung) bei vorbestimmten Bedingungen ausgesetzt wurde.
Wenn der Sinterkörper nach Vollendung des Sintervorgangs moderat gekühlt wurde, mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 100°C pro Stunde und geringer, innerhalb eines Temperaturbereichs von der obigen hohen Sintertemperatur auf eine Temperatur, bei der sich die flüssige Phase, die aus dem Seltenerdmetall während des Sintervorgangs erzeugt wurde, verfestigt, wurde ferner bestätigt, dass eine in der Sinterkörperstruktur auszubildende Porengröße weiter minimiert werden konnte.
Außerdem, vor dem Erlangen einer Temperatur (1.600 bis 1.850°C), bei der ein abschließendes Verdichtungssintern des Siliciumnitrids begonnen wurde, wenn der geformte Presskörper in einem gewissen Ausmaß auf eine Temperatur erwärmt wurde und der Presskörper bei einer derartigen Temperatur für einen vorbestimmten Zeitraum gehalten wurde, so dass in dem Sinterkörper enthaltene Gaskomponenten, wie beispielsweise Sauerstoff und SiO₂, nach außen hin abwandern konnten und aus dem Sinterkörper abgelassen wurden. Hinsichtlich dieser Tatsache wurde herausgefunden, dass der Sauerstoffgehalt von einem äußeren Umfangsabschnitt des Sinterkörpers schließlich erniedrigt werden konnte. Nämlich konnte ein Gehalt der Gaskomponente, die eine Ursache bekam, dass zugelassen wurde, dass die Poren und Risse weiter in einen inneren Abschnitt des Sinterkörpers eindringen, reduziert werden.
Die vorliegende Erfindung wurde auf der Basis der zuvor erwähnten Erkenntnisse erzielt.
Das heißt, gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Wälzlagerelement bereitgestellt, mit einem Siliciumnitrid-Sinterkörper, der einen äußeren Umfangsabschnitt und einen Mittelabschnitt umfasst und

– 1 bis 10 Masse-% Seltenerdmetalle, ausgedrückt als deren Oxide, als Sintermittel, und
– 6 Masse-% oder weniger Sauerstoff enthält, wobei in dem Siliciumnitrid-Sinterkörper
– der Sauerstoffgehalt in dem äußeren Umfangsabschnitt niedriger als im Mittelabschnitt ist, wobei der Unterschied 0,2 bis 2 Masse-% beträgt,
– die Porosität 0,5 Vol.% oder weniger beträgt und
– die Maximalgröße der Poren, die in der Korngrenzenphase vorliegen, 0,3 μm oder weniger beträgt.

Ferner wird es bei dem obigen Wälzlagerelement bevorzugt, dass der Siliciumnitrid-Sinterkörper eine Drei-Punkt-Biegefestigkeit von 900 MPa oder mehr, und eine Bruchzähigkeit von 6,5 MPa m^1/2 oder mehr aufweist, und wobei eine Wälzlebensdauer als eine Umdrehungsanzahl von Stahlkugeln definiert ist, die entlang einer kreisförmigen Strecke rollen, die auf dem verschleißfesten Element ausgebildet ist, das aus dem Siliciumnitrid-Sinterkörper ausgebildet ist, bis sich eine Oberfläche des Siliciumnitrid-Sinterkörpers ablöst, 1 × 10⁸ oder mehr beträgt, wenn die Wälzlebensdauer derart gemessen wird, dass eine kreisförmige Strecke mit 40 mm Durchmesser auf dem Wälzlagerelement eingerichtet bzw. festgelegt wird, wobei drei Wälzkugeln, von denen jede einen Durchmesser von 9,525 mm aufweist und die aus SUJ2 bestehen, auf der kreisförmigen Strecke vorgesehen sind, und wobei die Wälzkugeln auf der Strecke bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 1.200 U/min bei einer Bedingung rotiert werden, wenn eine Presslast von 400 kg auf sie aufgebracht wird.
Des Weiteren wird es bei dem obigen Wälzlagerelement bevorzugt, dass der Siliciumnitrid-Sinterkörper eine Druckfestigkeit von 200 MPa oder mehr und eine Bruchzähigkeit von 6,5 MPa m^1/2 oder mehr aufweist, und wobei eine Wälzermüdungslebensdauer als ein Zeitraum definiert ist, bis sich eine Oberfläche der Wälzkugeln ablöst, die aus dem Siliciumnitrid-Sinterkörper bestehen, wobei sie entlang einer kreisförmigen Strecke rollen, die auf einer Stahlplatte ausgebildet ist, 400 Stunden oder mehr oder mehr beträgt, wenn die Wälzermüdungslebensdauer derart gemessen wird, dass drei Wälzkugeln, von denen jede einen Durchmesser von 9,525 mm aufweist und die aus dem Siliciumnitrid-Sinterkörper ausgebildet sind, wobei die drei Wälzkugeln auf der kreisförmigen Strecke vorgesehen sind, die einen Durchmesser von 40 mm aufweist, der auf der aus SUJ2 ausgebildeten Stahlplatte eingerichtet ist, und wobei die Wälzkugeln bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 1.200 U/min auf der Strecke bei einer Bedingung rotiert werden, wenn eine Presslast auf sie aufgebracht wird, um eine maximale Kontaktspannung bzw. Kontaktbelastung von 5,9 GPa auf die Kugeln zu übertragen.
In dieser Hinsicht, als ein Messverfahren der Verschleißfestigkeit (Wälzermüdungslebensdauer), in einem Fall, wenn das Wälzlagerelement eine Kugelform aufweist, ist die vorliegende Erfindung durch die Nutzung einer Kugel spezifiziert, die aus dem Siliciumnitrid-Sinterkörper besteht, mit einem Durchmesser von 9,525 mm (3/8 Zoll) als Standardbasis. Das Wälzlagerelement dieser Erfindung ist jedoch nicht auf die Kugel mit der obigen Größe beschränkt.
Zum Beispiel wird, in einem Fall, wenn die Größe der Kugel sich von dem Durchmesser von 9,525 mm (3/8 Zoll) unterscheidet, die Verschleißfestigkeit gemessen, nachdem die maximale Kontaktspannung gemäß der Größe der Kugel geändert wurde. In diesem Fall des Änderns der maximalen Kontaktspannung, kann die maximale Kontaktspannung für die Kugel mit einer unterschiedlichen Größe proportional zu der Größe der Kugel berechnet werden, durch die Nutzung einer Einheitenumrechnungsformel von 1 Pa = 1,02 × 10^–5kgf/cm². Es ist anzumerken, dass, sogar falls sich die Größe der Kugel von der obigen Standardgröße unterscheidet, die Wälzermüdungslebensdauer von 400 Stunden oder mehr erhalten werden kann, solange wie die Kugeln aus dem vorliegenden Siliciumnitrid-Sinterkörper bestehen.
Ferner wird es bei dem Wälzlagerelement gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass der Siliciumnitrid-Sinterkörper höchstens 5 Masse-% von zumindest einem von Aluminium und Magnesium enthält, ausgedrückt als ihre Oxide. Des Weiteren wird es auch bevorzugt, dass der Siliciumnitrid-Sinterkörper höchstens 5 Masse-% Aluminiumnitrid enthält. Außerdem wird es auch bevorzugt, dass der Siliciumnitrid-Sinterkörper höchstens 5 Masse-% von zumindest einem Element enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ti, Hf, Zr, W, Mo, Ta, Nb und Cr besteht, ausgedrückt als ihre Oxide.
Ferner kann bei dem Wälzlagerelement, das aus dem obigen Siliciumnitrid-Sinterkörper besteht, das verschleißfeste Element besonders eine ausgezeichnete Gleiteigenschaft und Dauerfestigkeit aufweisen.
Ferner besteht bei dem Wälzlagerelement gemäß der vorliegenden Erfindung der Siliciumnitrid-Sinterkörper hauptsächlich aus Siliciumnitrid und enthält 6 Masse-% oder weniger Sauerstoff, wobei der Siliciumnitrid-Sinterkörper einen äußeren Umfangsabschnitt umfasst, der einen niedrigeren Sauerstoffgehalt aufweist als derjenige eines Mittelabschnitts, und ein Unterschied der Sauerstoffgehalte zwischen dem äußeren Umfangsabschnitt und dem Mittelabschnitt liegt in einem Bereich von 0,2 bis 2 Masse-%. Des Weiteren wird es bevorzugt, dass der Siliciumnitrid-Sinterkörper eine Vickers-Härte von 1.200 oder mehr aufweist.
Wenn der Sauerstoffgehalt (Sauerstoffkonzentration) an dem äußeren Umfangsabschnitt des Siliciumnitrid-Sinterkörpers reduziert wird, um so niedrig wie oben beschrieben zu sein, kann eine Inversionstiefe (Eindringungstiefe) der Fehler, wie beispielsweise Poren und/oder Risse, erniedrigt werden, so dass sie flach ist. Deshalb kann die Erzeugung eines fehlerhaften Produkts, das aus den Fehlern resultiert, effektiv niedergehalten werden, und die Kosten und die menschliche Arbeitskraft, die zum Oberflächenbearbeiten des Sinterkörpers erforderlich ist, können auch reduziert werden. Hinsichtlich dieser Tatsachen, wenn die Wälzlagerelemente aus dem Siliciumnitrid-Sinterkörper zubereitet sind, können die Herstellungskosten bemerkenswert reduziert werden.
Ferner wird es auch bevorzugt, dass ein Unterschied im Gehalt des Metalls, das in dem äußeren Umfangsabschnitt und dem Mittelabschnitt des Siliciumnitrid-Sinterkörpers, der bei der vorliegenden Erfindung genutzt wird, als ein Sintermittel enthalten ist, 0,2 Masse-% oder weniger beträgt. Wie oben beschrieben, wird bei dem Siliciumnitrid-Sinterkörper, der bei der vorliegenden Erfindung genutzt wird, eine Entfernung von unnötigem Sauerstoff realisiert wird, während eine Verteilung von anderen Metallkomponenten im Wesentlichen die gleiche wie diejenige von herkömmlichen Sinterkörpern ist, so dass inhärente Charakteristiken (Festigkeit und Gleiteigenschaft) als Siliciumnitrid-Sinterkörper beibehalten werden, so dass sie unverändert sind.
Bei dem Siliciumnitrid-Sinterkörper, der bei der vorliegenden Erfindung genutzt wird, wenn der Unterschied der Sauerstoffgehalte des äußeren Umfangsabschnitts und des Mittelabschnitts in dem Bereich von 0,2 bis 2 Masse-% ist, können die obigen Funktionen und Wirkungen erhalten werden. Wenn jedoch der Sauerstoffgehalt von einem gesamten Sinterkörper übermäßig hoch ist, kann es die Befürchtung geben, dass die inhärenten Charakteristiken des Siliciumnitrid-Sinterkörpers verschlechtert werden. Deshalb ist der Sauerstoffgehalt des gesamten Sinterkörpers 6 Masse-% oder weniger. Höchstens 4,5 Masse-% wird besonders bevorzugt.
Ferner wird es bei dem obigen Wälzlagerelement bevorzugt, dass der Siliciumnitrid-Sinterkörper einen Zwischenabschnitt umfasst, dessen Sauerstoffgehalt höchstens 1 Masse-% niedriger als der des Mittelabschnitts ist. Wenn ein derartiger Zwischenabschnitt an dem Sinterkörper vorgesehen wird, kann der Gradient des Sauerstoffgehalts weiter abgemildert werden, wodurch ein Verhältnis der Fehler des Elements und der Kosten, die zur Oberflächenbearbeitung erforderlich sind, weiter niedergehalten werden kann.
Das Verfahren zur Herstellung des Wälzlagerelements gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die folgenden Schritte:

– Zubereiten einer Materialmischung durch Zugeben von 1 bis 10 Masse-%, ausgedrückt als ihre Oxide, eines Seltenerdmetalls zu einem Siliciumnitridpulver, das höchstens 1,5 Masse-% Sauerstoff und 75 bis 97 Masse-% α-Phasen-Siliciumnitrid enthält, das eine mittlere Korngröße von 1,0 μm oder weniger aufweist;
– Formen der Materialmischung, um einen Presskörper auszubilden;
– Entfetten des Presskörpers;
– Erwärmen und Halten des Presskörpers bei 1.250 bis 1.600°C in einem Vakuum von 0,01 Pa oder weniger für 0,5 bis 10 Stunden;
– weiteres Erwärmen und Durchführen eines Hauptsinterns bei 1.650 bis 1.850°C; und
– Abkühlen des Sinterkörpers mit einer Geschwindigkeit von höchstens 100°C/h, bis die Temperatur auf einen Punkt reduziert ist, an dem sich die flüssige Phase, die von dem Seltenerdmetall während des Sinterschritts ausgebildet wird, verfestigt.

Das Wälzlagerelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es aus dem wie oben zubereiteten Siliciumnitrid-Sinterkörper besteht, und ist effektiv an Lagerelementen, wie beispielsweise eine Lagerkugel oder dergleichen. Insbesondere ist das verschleißfeste Element effektiv an einer großen Lagerkugel mit einem Durchmesser von 9 mm oder mehr.
Der Siliciumnitrid-Sinterkörper besteht hauptsächlich aus Siliciumnitrid und enthält 6 Masse-% oder weniger Sauerstoff, und der Siliciumnitrid-Sinterkörper umfasst einen äußeren Umfangsabschnitt, der einen niedrigeren Sauerstoffgehalt aufweist als derjenige eines Mittelabschnitts, und wobei ein Unterschied der Sauerstoffgehalte zwischen dem äußeren Umfangsabschnitt und dem Mittelabschnitt in einem Bereich von 0,2 bis 2 Masse-% liegt. Das heißt, der äußere Umfangsabschnitt ist als ein Bereich mit sauerstoffarmem Gehalt gebildet, dessen Sauerstoffgehalt reduziert ist, um 0,2 bis 2 Masse-% niedriger als derjenige des Mittelabschnitts des Siliciumnitrid-Sinterkörpers zu sein.
2 ist eine Ansicht, die schematisch jeweilige Bereich zeigt, wobei jeder einen unterschiedlichen Sauerstoffgehalt in dem Siliciumnitrid-Sinterkörper, der bei der vorliegenden Erfindung benutzt wird, aufweist. Es ist anzumerken, dass 2 beispielhaft einen Siliciumnitrid-Sinterkörper 2 zeigt, mit einer Kugelform als ein Beispiel, und wobei die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Bei der vorliegenden Erfindung ist ein Bereich, der von einer Mitte O des Siliciumnitrid-Sinterkörpers 2 zu einem Abschnitt reicht, der um einen Abstand von 5% des Radius R neben der Mitte O ist, als ein Mittelabschnitt A definiert. Während ein Bereich, der von einer äußeren Oberfläche S des Siliciumnitrid-Sinterkörpers 2 zu einem Abschnitt reicht, der um einen Abstand von 1% des Radius R neben der äußeren Oberfläche S ist, als ein äußerer Umfangsabschnitt B definiert ist. Mit anderen Worten ist der äußere Umfangsabschnitt B als ein Bereich definiert, der von einem Punkt um einen Abstand von 99% des Radius R neben der Mitte O, bis zu einem Punkt reicht, der um einen Abstand von 100% des Radius R neben der Mitte O ist. In diesem Zusammenhang sind, wenn das verschleißfeste Element eine Plattenform aufweist, die jeweiligen Bereiche auf der Basis von einer Dicke des Elements anstelle des Radius definiert.
Unter der Annahme, dass der Sauerstoffgehalt des Mittelabschnitts A des obigen Siliciumnitrid-Sinterkörpers C₁ Masse-% beträgt und der Sauerstoffgehalt des äußeren Umfangsabschnitts C₂ Masse-% beträgt, fällt der Sauerstoffgehalt C₂ des äußeren Umfangsabschnitts B in einen Bereich von (C₁-2) bis (C₁-0,2). Deshalb erfüllen die Sauerstoffgehalte eine Beziehung von (C₁-2) ≤ C₂ ≤ (C₁-0, 2) < C₁.
Der Unterschied in den Sauerstoffgehalten (Unterschied im Gehalt von 0,2 Masse-% und mehr) zwischen dem Mittelabschnitt A und dem äußeren Umfangsabschnitt B kann durch das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung erzielt werden, wie es oben definiert ist und das später im Detail beschrieben wird. Das heißt, oben wird die unterschiedliche Gehaltsverteilung durch ein Verfahren erreicht, welches das Erwärmen eines geformten Presskörpers aus einem spezifischen Siliciumnitridpulver auf eine Temperatur von 1.250 bis 1.600°C umfasst, vor einem Erlangen einer Temperatur von 1.650 bis 1.850°C, bei der ein endgültiges Verdichtungssintern des Siliciumnitrids durchgeführt wird, und einem Halten des Presskörpers bei dieser Temperatur für 0,5 bis 10 Stunden in einem Vakuum von 0,01 Pa oder weniger, so dass Gaskomponenten, wie beispielsweise Sauerstoff und SiO₂, die in dem Sinterkörper enthalten sind, nach außen hin abwandern und aus dem Sinterkörper abgelassen werden.
Die Bildung des Bereichs mit sauerstoffarmem Gehalt an dem äußeren Umfangsabschnitt B des Siliciumnitrid-Sinterkörpers bedeutet, dass ein Restsauerstoffgehalt in dem äußeren Umfangsabschnitt B und eine Menge von SiO₂, das durch ein Verbinden von Sauerstoff mit Si zu erzeugen ist, klein sind. Folglich kann eine Inversionstiefe (Eindringungstiefe) der Fehler, wie beispielsweise Poren und/oder Risse, die aus den Gaskomponenten, wie beispielsweise Sauerstoff und SiO₂ resultieren, erniedrigt werden, so dass sie flach ist. Deshalb kann die Erzeugung eines fehlerhaften Produkts, das aus diesen Fehlern resultiert, effektiv niedergehalten werden, und die Kosten und die menschliche Arbeitskraft, die zum Oberflächenbearbeiten des Sinterkörpers erforderlich ist, können auch reduziert werden. Hinsichtlich dieser Tatsachen, können die Herstellungskosten des Siliciumnitrid-Sinterkörpers und des verschleißfesten Elements, das den Sinterkörper verwendet, bemerkenswert reduziert werden.
In diesem Zusammenhang, wenn der Unterschied des Sauerstoffgehalts C₁ des Mittelabschnitts A und des Sauerstoffgehalts C₂ des äußeren Umfangsabschnitts weniger als 0,2 Masse-% beträgt, können Wirkungen, wie der Bereich mit sauerstoffarmem Gehalt, dem äußeren Umfangsabschnitt B nicht verliehen werden. Auf der anderen Seite, bedeutet der Sauerstoffgehaltunterschied, der 2 Masse-% übersteigt, dass der Sauerstoffgehalt des äußeren Umfangsabschnitts B äußerst reduziert ist, so dass es eine Befürchtung geben kann, dass eine Verdichtung des äußeren Umfangsabschnitts B nicht ausreichend vorwärts getrieben werden kann, wodurch die Festigkeit und die Verschleißfestigkeit des äußeren Umfangsabschnitts B nachteilig herabgesetzt werden. In dieser Hinsicht wird es bevorzugt, den Unterschied bei den Sauerstoffgehalten zwischen dem Mittelabschnitt A und dem äußeren Umfangsabschnitt B so festzulegen, dass er in einem Bereich von 0,5 bis 1,5 Masse-% ist.
Bei dem Siliciumnitrid-Sinterkörper, der vorzugsweise bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, weist ferner ein Sauerstoffgehalt Ca eines Zwischenabschnitts (Bereich C in dem Siliciumnitrid-Sinterkörper, der in 1 gezeigt wird) zwischen dem Mittelabschnitt A und dem äußeren Umfangsabschnitt B einen Gehaltsunterschied von höchsten 1 Masse-% bezüglich des Sauerstoffgehalts C₁ des Mittelabschnitts A auf. Wie oben beschrieben, weist der Siliciumnitrid-Sinterkörper, der bei der vorliegenden Erfindung genutzt wird, einen Gehaltsgradienten (Konzentrationsgradienten) auf, bei dem der Sauerstoffgehalt von dem Mittelabschnitt A zu dem äußeren Umfangsabschnitt B hin graduell reduziert wird. Aufgrund dieser Struktur können eine prozentuale Fehlerhaftigkeit des Siliciumnitrid-Sinterkörpers und die Kosten oder menschliche Arbeitskraft, die für das Oberflächenbearbeiten des Sinterkörpers erforderlich ist, weiter niedergehalten werden.
Des Weiteren ist bei dem Siliciumnitrid-Sinterkörper, der bei der vorliegenden Erfindung genutzt wird, der konkrete Sauerstoffgehalt (Gesamtsauerstoffgehalt) 6 Masse-% oder weniger als ein Durchschnittswert in einem gesamten Sinterkörper. Wenn der Gesamtsauerstoffgehalt 6 Masse-% übersteigt, besteht eine große Befürchtung der Verschlechterung der inhärenten Charakteristiken des Siliciumnitrid-Sinterkörpers. Außerdem wird es bevorzugt, dass ein konkreter Sauerstoffgehalt des äußeren Umfangsabschnitts B in einem Bereich von 3 bis 4 Masse-% liegt, hinsichtlich des Niederhaltens bzw. Unterdrückens der Erzeugung von Fehlern, wie beispielsweise Poren und Risse, die aus den Gaskomponenten resultieren, wie beispielsweise Sauerstoff und SiO₂ oder dergleichen. Ferner ist, um auch die Invasionstiefe der Fehler zu reduzieren, der obige Bereich des Gesamtsauerstoffgehalts effektiv. Es wird besonders bevorzugt, dass der obige Sauerstoffgehalt höchstens 4,5 Masse-% beträgt.
Es ist anzumerken, dass jeder der obigen Sauerstoffgehalte des Mittelabschnitts A, des Zwischenabschnitts C und des äußeren Umfangsabschnitts B derart gemessen wird, dass drei Messpunkte aus den jeweiligen Bereichen willkürlich ausgewählt werden, wobei dann an Sauerstoffgehalt an den jeweiligen Messpunkten mittels EPMA (Elektronenstrahlmikroanalysator) gemessen wird, und die Messwerte gemittelt werden, um den Sauerstoffgehalt der jeweiligen Abschnitte zu repräsentieren. Der Gesamtsauerstoffgehalt in dem Sinterkörper ist ein Wert, der mittels eines Sauerstoffanalysators gemessen wird, basierend auf einem Inertgas-Fusions-Infrarotstrahl-Absorptionsverfahren.
Übrigens bezeichnet der Begriff „Gesamtsauerstoffgehalt", der bei der vorliegenden Erfindung spezifiziert wird, eine Gesamtmenge in Form von Gw.% (Masse-%) des Sauerstoffs, der den Siliciumnitrid-Sinterkörper bildet. Folglich ist, wenn der Sauerstoff in dem Siliciumnitrid-Sinterkörper als Zusammensetzungen bzw. Verbindungen wie beispielsweise Metalloxid, oxidiertes Nitrid oder dergleichen vorhanden ist, der Gesamtsauerstoffgehalt nicht eine Menge des Metalloxids (und oxidierten Nitrids), sondern eine Menge des Sauerstoffs in dem Metalloxid (und dem oxidierten Nitrid).
Der Siliciumnitrid-Sinterkörper wird ausgebildet, um einen Unterschied bei den Sauerstoffgehalten zwischen dem Mittelabschnitt A und dem äußeren Umfangsabschnitt B vorzusehen, und um einen Gehaltsgradienten in dem gesamten Sinterkörper aufzuweisen. Bezüglich der anderen Metallkomponenten als Sauerstoff in den Zusammensetzungen, die als das Sinterhilfsmittel zugegeben werden, sind derartige Metallkomponenten jedoch gleichmäßig in dem Sinterkörper verteilt, auf die gleiche Art wie bei dem herkömmlichen Sinterkörper, so dass der Gehaltsunterschied bei den Metallkomponenten zwischen dem Mittelabschnitt A und dem äußeren Umfangsabschnitt B auf 0,2 Masse-% oder weniger festgesetzt ist.
Wie oben beschrieben, wird bei dem Siliciumnitrid-Sinterkörper, der bei der vorliegenden Erfindung genutzt wird, unnötiger Sauerstoff aufs Äußerste entfernt, während die Verteilung der anderen Metallkomponenten als Sauerstoff so festgelegt ist, dass sie die gleiche wie bei dem herkömmlichen Sinterkörper ist. Deshalb wird eine grundlegende Mikrostruktur des Sinterkörpers mit Siliciumnitrid-Kristallkörnern und Korngrenzenphasen (Glassphasen), die zwischen den Kristallkörnern vorhanden sind, so beibehalten wie sie ist, so dass die inhärenten Charakteristika wie beispielsweise Festigkeit, Härte, Bruchzähigkeitswert, Gleiteigenschaft (Wälzlebensdauer-Charakteristika) oder dergleichen des Siliciumnitrid-Sinterkörpers so beibehalten werden wie sie sind.
Hinsichtlich einer für das Wälzlagerelement erforderlichen Härte wird es bevorzugt, dass der Siliciumnitrid-Sinterkörper eine Härte von 1.200 oder mehr ausgedrückt als Vickers-Härte (Hv) aufweist. Wenn die Härte des Siliciumnitrid-Sinterkörpers weniger als 1.200 Hv beträgt, ist die Verschleißfestigkeit beachtlich herabgesetzt. Insbesondere wird es unmöglich, die Gleiteigenschaft (Wälzlebensdauer-Charakteristik) ausreichend zu erfüllen, die für die Lagerkugeln erforderlich ist. Es wird ferner bevorzugt, dass die Härte des Siliciumnitrid-Sinterkörpers 1.300 Hv oder mehr beträgt.
Das Verfahren zur Herstellung des Wälzlagerelements, das aus dem Siliciumnitrid-Sinterkörper der vorliegenden Erfindung besteht, ist oben definiert.
Bei diesem Verfahren ist, wenn der Sinterkörper gemäßigt bzw. moderat mit einer Abkühlgeschwindigkeit von höchstens 100°C pro Stunde abgekühlt wird, bis die Sintertemperatur auf einen Punkt reduziert ist, an dem sich eine flüssige Phase verfestigt, die durch das Seltenerdmetall während des Sinterschritts ausgebildet wurde, die Porengröße reduziert.
Ferner wird es bei dem obigen Herstellungsverfahren bevorzugt, dass höchstens 5 Masse-% von zumindest einem von Aluminium und Magnesium, ausgedrückt als die Menge ihrer Oxide, zu dem Siliciumnitridpulver zugegeben wird. Des Weiteren wird es auch bevorzugt, dass höchstens 5 Masse-% Aluminiumnitrid zu dem Siliciumnitridpulver zugegeben werden. Weiterhin wird es auch bevorzugt, dass höchstens 5 Masse-% von zumindest einem Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ti, Hf, Zr, W, Mo, Ta, Nb und Cr besteht, ausgedrückt als ihre Oxide, zu dem Siliciumnitridpulver zugegeben wird.
Des Weiteren wird es auch bevorzugt, dass das Verfahren ferner einen Schritt des Durchführens einer heißisostatischen Pressbehandlung (HIP) an dem Siliciumnitrid-Sinterkörper in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre von 300 Atm oder mehr bei einer Temperatur von 1.600 bis 1.860°C nach Vollendung des Sinterschritts umfasst.
Gemäß dem obigen Herstellungsverfahren wird der Siliciumnitrid-Sinterkörper, der das Wälzlagerelement bildet, derart zubereitet, dass der geformte Siliciumnitridkörper einem Haltevorgang bei vorbestimmten Bedingungen ausgesetzt wird, dadurch gefolgt, dass er einem Hauptsintervorgang ausgesetzt wird, so dass der Sauerstoffgehalt des Sinterkörpers effektiv erniedrigt wird, und wobei die Erzeugung von Poren, die aus dem Sauerstoff resultieren, niedergehalten wird, wodurch es möglich wird, schließlich die maximale Porengröße zu minimieren.
Ferner werden die Poren, die dazu neigen Ausgangspunkte von Ermüdungsbruchstellen zu sein, zu einem Zeitpunkt, wenn eine Spannung auf sie aufgebracht wird, reduziert, so dass das verschleißfeste Element erhalten werden kann, das ausgezeichnet in der Ermüdungslebensdauer und Dauerfestigkeit ist.
Des Weiteren, sogar falls eine Desoxidierungsfunktion aufgrund des Haltevorgangs voranschreitet, wird die Sintereigenschaft verbessert, wodurch die Poren reduziert werden, so dass ein Siliciumnitrid-Wälzlagerelement bereitgestellt werden kann, bei dem der Gesamtsauerstoffgehalt höchstens 6 Masse-% beträgt, vorzugsweise höchstens 4,5 Masse-%, wobei Korngrenzen, die Seltenerdmetalle oder dergleichen enthalten, in der Siliciumnitrid-Kristallstruktur ausgebildet werden, wobei die maximale Größe der Poren, die in der Korngrenzenphase vorhanden sind, 0,3 μm oder weniger beträgt, wobei eine Drei-Punkt-Biegefestigkeit bei Raumtemperatur 900 MPa oder mehr beträgt, eine Bruchzähigkeit von 6,5 MPa m^1/2 oder mehr und eine Druckfestigkeit 200 MPa oder mehr beträgt, und mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften.
Um gute Sintercharakteristiken, eine hohe Biegefestigkeit, einen hohen Bruchzähigkeitswert und eine lange Wälzlebensdauer des Produkts zu erzielen, enthält das feine Siliciumnitridpulver, das bei dem Verfahren der Erfindung verwendet wird und als eine Hauptkomponente in dem Sinterkörper enthalten ist, der das Keramiksubstrat der Erfindung bildet, höchstens 1,5 Masse-%, vorzugsweise 0,5 bis 1,2 Masse-% Sauerstoff und 75 bis 97 Masse-%, bevorzugter 80 bis 95 Masse-% α-Phasen-Siliciumnitrid, und ferner weist das Pulver feine Körner auf, das heißt eine mittlere Korngröße von höchstens 1,0 μm, bevorzugter 0,4 bis 0,8 μm.
Wenn das Siliciumnitridpulver mit einem Verunreinigungssauerstoffgehalt, der 1,5 Masse-% übersteigt, verwendet wird, obwohl der Sauerstoffgehaltsunterschied zwischen dem Mittelabschnitt und dem äußeren Umfangsabschnitt erhöht ist, sind auch der Sauerstoffgehalt des gesamten Sinterkörpers und die Porosität erhöht, so dass die Festigkeit des Siliciumnitrid-Sinterkörpers dazu neigt, geringer zu sein. Mit anderen Worten, sogar falls das Siliciumnitridpulver einen Verunreinigungssauerstoff bis zu einer Menge von bis zu 1,5 Masse-% enthält, kann die vorliegende Erfindung ausreichende Wirkungen bereitstellen. Deshalb ist es nicht immer notwendig, Siliciumnitridpulver mit einer hohen Reinheit zu verwenden. Auch hinsichtlich dieses Vorteils kann eine Kostenherabsetzung realisiert werden. Der bevorzugtere Sauerstoffgehalt des Siliciumnitrid-Materialpulver ist in einem Bereich von 0,5 bis 1,2 Masse-%.
In diesem Zusammenhang sind als das Siliciumnitrid-Materialpulver zwei Arten von α-Phasen-Si₃N₄-Pulver und β-Phasen-Si₃N₄-Pulver bekannt. Wenn ein Sinterkörper aus dem α-Phasen-Si₃N₄-Pulver ausgebildet wird, gibt es jedoch eine Tendenz, dass eine Festigkeit dazu neigt, unzureichend zu sein. Im Gegensatz dazu, im Fall des β-Phasen-Si₃N₄-Pulvers, obwohl eine hohe Temperatur für den Sintervorgang erforderlich ist, kann ein Sinterkörper mit einer hohen Festigkeit und einer Struktur erhalten werden, bei der eine Anzahl von Siliciumnitridfasern, von denen jede ein großes Längenverhältnis aufweist, auf eine komplizierte Art verwickelt bzw. verheddert. Des wird es bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt, ein α-Phasen-Si₃N₄-Pulver bei einer hohen Temperatur zu sintern, und es in einen Sinterkörper umzuwandeln, der hauptsächlich aus β-Phasen-Si₃N₄-Kristallkörnern besteht.
Ein Grund, warum eine Gemischmenge von α-Phasen-Si₃N₄-Pulver auf einen Bereich von 75 bis 97 Masse-% (Gw.%) beschränkt ist, ist wie folgt. Das heißt, wenn die Menge auf einen Bereich von 75 Masse-% oder mehr festgelegt ist, sind eine Biegefestigkeit, Bruchzähigkeit und Wälzlebensdauer des Si₃N₄-Sinterkörpers stark erhöht, wodurch weiter die ausgezeichneten Charakteristika des Siliciumnitrids verbessert werden. Auf der anderen Seite ist die Menge hinsichtlich der Sintereigenschaft auf höchstens 97 Masse-% beschränkt. Es ist bevorzugter, den Bereich auf 80 bis 95 Masse-% festzulegen. Der Bereich von 85 bis 90 Masse-% ist noch mehr bevorzugt.
Folglich, um gute Sintercharakteristiken, eine hohe Biegefestigkeit, hohe Bruchzähigkeit und lange Wälzlebensdauer des Produkts zu erzielen, als ein Ausgangsmaterialpulver des Siliciumnitrids, wird es bevorzugt, das feine Siliciumnitridpulver zu verwenden, das höchstens 1,5 Masse-%, vorzugsweise 0,5 bis 1,2 Masse-% Sauerstoff und zumindest 90 Masse-% α-Phasen-Siliciumnitrid enthält, und ferner weist das Pulver feine Körner auf, das heißt eine mittlere Korngröße von höchstens 1,0 μm, bevorzugter 0,4 bis 0,8 μm.
Insbesondere erleichtert die Verwendung eines feinen Pulvers aus Siliciumnitrid mit einer mittleren Korngröße von 0,7 μm oder weniger das Ausbilden eines dichten Sinterkörpers mit einer Porosität von höchsten 0,5 Volumen-%, ohne eine große Menge eines Sinterhilfsmittels zu erfordern. Die Porosität des Sinterkörpers kann leicht gemäß einem Archimedischen Verfahren gemessen werden.
Ein Gesamtsauerstoffgehalt, der in dem Siliciumnitrid-Sinterkörper enthalten ist, welcher das verschleißfeste Element der vorliegenden Erfindung bildet, ist auf 6 Masse-% oder weniger spezifiziert. Wenn der Gesamtsauerstoffgehalt in dem Sinterkörper 6 Masse-% übersteigt, wird eine maximale Größe der in der Korngrenzenphase ausgebildeten Pore nachteilig erhöht, und die Pore neigt dazu, ein Ausgangspunkt eines Ermüdungsversagens zu sein, wodurch die Wälz(ermüdungs)lebensdauer des verschleißfesten Elements erniedrigt wird. Ein bevorzugter Bereich des Gesamtsauerstoffgehalts ist 4,5 Masse-% oder weniger.
Übrigens bezeichnet der Begriff „Gesamtsauerstoffgehalt des Sinterkörpers", der bei der vorliegenden Erfindung spezifiziert wird, eine Gesamtmenge in Form von Masse-% des Sauerstoffs, der den Siliciumnitrid-Sinterkörper bildet. Folglich ist, wenn der Sauerstoff in dem Siliciumnitrid-Sinterkörper als Zusammensetzungen wie beispielsweise Metalloxid, oxidiertes Nitrid oder dergleichen vorhanden ist, der Gesamtsauerstoffgehalt nicht eine Menge des Metalloxids (und oxidierten Nitrids), sondern eine Menge des Sauerstoffs in dem Metalloxid (und dem oxidierten Nitrid).
Die maximale Porengröße, die in den Korngrenzen des Siliciumnitrid-Sinterkörpers, der das verschleißfeste Element der vorliegenden Erfindung bildet, ausgebildet ist, ist auf 0,3 μm oder weniger spezifiziert. Wenn die maximale Porengröße 0,3 μμ übersteigt, neigt die Pore dazu, insbesondere ein Ausgangspunkt eines Ermüdungsversagens zu sein, wodurch die Wälz(ermüdungs)lebensdauer des verschleißfesten Elements erniedrigt wird. Ein bevorzugter Bereich der maximalen Porengröße ist 0,2 μm oder weniger.
Beispiele der Seltenerdmetalle, die als ein Sinterhilfsmittel zu einem Siliciumnitridpulver zuzugeben sind, sind Y, Ho, Er, Yb, La, Sc, Pr, Ce, Nd, Dy, Sm und Gd. Ein derartiges Seltenerdmetall kann zu dem Siliciumnitridpulver in der Form eines Oxids davon oder einer Substanz zugegeben werden, die während des Sinterprozesses in ein Oxid davon geändert wird. Zwei oder mehr Arten derartiger Oxide oder Substanzen können zu dem Siliciumnitridpulver zugegeben werden. Ein derartiges Sinterhilfsmittel reagiert mit dem Siliciumnitridpulver, um eine flüssige Phase auszubilden, und dient dadurch als ein Sinterfördermittel.
Die Menge des Sinterhilfsmittels, die zu dem Materialpulver zuzugeben ist, ist festgelegt, dass sie in einem Bereich von 1 bis 10 Masse-% ist, ausgedrückt als ein Oxid davon. Falls die Menge weniger als 1 Masse-% beträgt, verfehlt es der Sinterkörper eine ausreichend hohe Dichte und hohe Festigkeit zu erzielen. Insbesondere, wenn ein Element, das ein großes Atomgewicht aufweist, wie Lanthanoid, als das Seltenerdmetall bei der obigen geringen Menge verwendet wird, wird ein Sinterkörper mit einer relativ niedrigen Festigkeit und einer relativ geringen thermischen Leitfähigkeit ausgebildet.
Auf der anderen Seite, falls die Menge mehr als 10 Masse-% beträgt, wird ein übermäßig großer Abschnitt der Korngrenzenphase ausgebildet, und die Erzeugung von Poren wird erhöht, wodurch die Festigkeit des Sinterkörpers reduziert wird. Aus diesem Grund ist die Menge des Sinterhilfsmittels in dem Bereich, wie er oben beschrieben wurde. Aus dem gleichen Grund, der oben beschrieben wurde, ist der bevorzugtere Bereich eines Sinterhilfsmittels 2 bis 8 Masse-%.
Bei der vorliegenden Erfindung fördert zumindest eines der Oxide (Al₂O₃, MgO) von Aluminium (Al) und Magnesium (Mg), das als eine optionale Zusatz- bzw. Beimischungskomponente zu verwenden ist, eine Funktion des obigen Seltenerdelements als ein Sinterfördermittel, wodurch ermöglicht wird, dass der Sinterkörper bei einem niedrigen Temperaturbereich verdichtet wird. Außerdem weisen Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Magnesiumoxid (MgO) eine Funktion des Steuerns eines Kornwachstums in der Kristallstruktur des Sinterkörpers auf, wodurch die mechanischen Festigkeiten, wie beispielsweise Biegefestigkeit und der Bruchzähigkeitswert des Si₃N₄-Sinterkörpers, erhöht werden.
Deshalb wird zumindest eines der Oxide (Al₂O₃, MgO) zu dem Materialpulver mit einer Menge von höchstens 5 Masse-% zugegeben. Falls die Zusatzmenge von zumindest einem von Al und Mg weniger als 0,2 Masse-%, ausgedrückt als ihre Oxide, beträgt, verfehlt es der Sinterkörper eine ausreichende Zusatz- bzw. Beimischungswirkung zu erzielen. Auf der anderen Seite, falls die Menge übermäßig groß ist, so dass sie 5 Masse-% übersteigt, wird der Sauerstoffgehalt des Sinterkörpers nachteilig erhöht. Aus diesem Grund ist die Zusatzmenge auf 5 Masse-% oder weniger festgelegt, und ein bevorzugter Bereich der Menge des Oxids ist auf 0,2 bis 5 Masse-% festgelegt, bevorzugter auf 0,5 bis 3 Masse-%.
Ferner kann auch Aluminiumnitrid (AlN) als eine optionale Komponente mit einer vorgegebenen Menge zuzugeben werden. AlN weist eine Funktion des Unterdrückens eines Verdampfens des Siliciumnitrids während des Sinterprozesses auf, und fördert weiter die Funktion des obigen Seltenerdmetalls als ein Sinterhilfsmittel. Deshalb wird es bevorzugt, AlN mit einer Menge von 5 Masse-% oder weniger zuzugeben.
Wenn die Zusatzmenge von AlN weniger als 0,1 Masse-% beträgt, wird ein Sintervorgang bei einer höheren Temperatur erforderlich. Auf der anderen Seite, wenn die Zusatzmenge übermäßig groß ist, so dass sie 5 Masse-% übersteigt, wird eine übermäßig große Menge von Korngrenzenphase ausgebildet oder AlN beginnt eine Festauflösung in das Siliciumnitrid, wodurch die Poren nachteilig erhöht werden, und wobei die Porosität des Si₃N₄-Sinterkörpers auch erhöht wird. Aus diesem Grund ist die Zusatzmenge von AlN auf den Bereich von 5 Masse-% oder weniger festgelegt. Insbesondere wird es bevorzugt, um gute Leistungen zusammen mit Sintereigenschaften, Festigkeit und Wälzlebensdauer sicherzustellen, die Zusatzmenge von AlN auf einen Bereich von 0,1 bis 3 Masse-% festzulegen.
Ferner können bei der vorliegenden Erfindung auch Ti, Hf, Zr, W, Mo, Nb und Cr als andere optionale Komponenten mit einer vorbestimmten Menge zugegeben werden. Diese Elemente, die als eine andere Zusatzkomponente zu nutzen sind, werden zu dem Substrat als Oxide, Carbide, Nitride, Silizide und Boride davon zugegeben. Diese Zusammensetzungen fördern die Sinterhilfswirkung des Seltenerdmetalls, und fördern eine Dispersion davon in der Kristallstruktur, um die mechanische Festigkeit des Siliciumnitrid(Si₃N₄)-Sinterkörpers zu steigern. Unter ihnen sind die Zusammensetzungen von Ti und Mo besonders bevorzugt.
Falls die Menge dieser enthaltenen Zusammensetzungen weniger als 0,1 Masse-% beträgt, verfehlt es das Substrat eine ausreichende Zusatzwirkung zu erzielen. Auf der anderen Seite, falls die Menge übermäßig groß ist, so dass sie 5 Masse-% übersteigt, werden die mechanische Festigkeit und Wälzlebensdauer des Sinterkörpers nachteilig erniedrigt. Aus diesem Grund ist der bevorzugte Bereich der Menge von diesen enthaltenen Zusammensetzungen höchsten 5 Masse-%. Insbesondere ist die Menge bevorzugter auf einen Bereich von 0,2 bis 3 Masse-% festgelegt.
Die obigen Zusammensetzungen, wie beispielsweise Ti und Mo oder dergleichen, dienen auch als Lichtblockiermittel (Lichtabschirmungsmittel). Genauer gesagt, färben sie den Siliciumnitrid-Keramiksinterkörper schwarz und versehen ihn somit mit einer Lichtundurchlässigkeit.
Ferner, da die Porosität des Sinterkörpers einen großen Einfluss auf die Wälzlebensdauer und Festigkeit des verschleißfesten Elements hat, so dass der Sinterkörper hergestellt wird, um die Porosität von 0,5 Vol.% oder weniger vorzusehen. Falls die Porosität 0,5 Volumen-% übersteigt, wird die Pore, die ein Ausgangspunkt des Ermüdungsversagens sein wird, schnell erhöht, wodurch die Festigkeit des Sinterkörpers erniedrigt wird und die Wälzlebensdauer des verschleißfesten Elements verkürzt wird.
Um sicherzustellen, dass die Porosität des Siliciumnitrid-Sinterkörpers auf höchstens 0,5 Volumen-% begrenzt ist und eine maximale Größe der Pore, die in der Korngrenzenphase vorhanden ist, welche in der Siliciumnitrid-Kristallstruktur ausgebildet ist, 0,3 μm oder weniger ist, und mit einem Gesamtsauerstoffgehalt von 4,5 Masse-% oder weniger, und eine vorbestimmte Wälzlebensdauer, wenn eine Axial-Wälzabrasions-Prüfmaschine verwendet wird, ist es wichtig, dass ein geformter Siliciumnitrid-Presskörper, der aus dem obigen Material zubereitet wird, entfettet wird, gefolgt durch ein Halten des Presskörpers bei einer Temperatur von 1.250 bis 1.600°C für 0,5 bis 10 Stunden auf dem Weg zu einem Sinterschritt, gefolgt durch ein Sintern des Presskörpers durch ein Normaldruck-Sinterverfahren oder ein unter Druck gesetztes Sinterverfahren bei einer Temperatur von 1.650 bis 1.850°C für ungefähr 2 bis 10 Stunden.
Des Weiteren kann, wenn der Sinterkörper unmittelbar nach dem Sinterschritt gemäßigt abgekühlt wird, bei einer Abkühlgeschwindigkeit von 100°C pro Stunde oder langsamer, die Größe der Pore weiter minimiert werden.
Insbesondere wird, durch ein Halten des geformten Presskörpers bei einer Temperatur von 1.250 bis 1.600°C für 0,5 bis 10 Stunden auf dem Weg zu einem Sinterschritt, eine Sauerstoffkonzentration in der erzeugten flüssigen Phase (Korngrenzenphase) reduziert, wodurch ein Schmelzpunkt der flüssigen Phase ansteigt, so dass die Erzeugung von blasenförmigen Poren, welche bewirkt wird, wenn die flüssige Phase schmilzt, unterdrückt werden kann. Gleichzeitig wird die maximale Größe der Pore minimiert, um fein zu werden, so dass es möglich wird, die Wälzlebensdauer des Sinterkörpers zu verbessern.
Obwohl der obige Haltevorgang des Presskörpers auf dem Weg zu dem Sinterschritt eine bemerkenswerte Wirkung aufweist, wenn der Presskörper der Behandlung in einer Vakuumatmosphäre bei einer Temperatur von 1.350 bis 1.450°C ausgesetzt wird, kann nahezu die gleiche Wirkung auch erhalten werden, wenn der Presskörper der Behandlung in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 1.500 bis 1.600°C ausgesetzt wird.
Außerdem wird, wenn der Sinterkörper bei der Abkühlgeschwindigkeit von 100°C pro Stunde oder langsamer gemäßigt abgekühlt wird, in einem Temperaturbereich von der Sintertemperatur zu einer Temperatur, bei der sich die flüssige Phase verfestigt, die Reduktion der Sauerstoffkonzentration in der flüssigen Phase weiter gefördert, so dass ein Sinterkörper erhalten werden kann, bei dem die Wälzlebensdauer verbessert ist.
Falls die Sintertemperatur niedriger als 1.650°C ist, verfehlt es der Sinterkörper eine ausreichend hohe Dichte zu erzielen; genauer gesagt, wird die Porosität größer als 0,5 Vol.%, wodurch sowohl die mechanische Festigkeit als auch die Wälzlebensdauer des Sinterkörpers auf unerwünschte Grade reduziert werden. Auf der anderen Seite, falls die Sintertemperatur 1.850°C übersteigt, wird es wahrscheinlich, dass die Siliciumnitridkomponente an sich verdampft oder sich zersetzt. Insbesondere können, falls nicht ein Sinterprozess unter Druck durchgeführt wird, sondern der Sinterprozess bei dem Normaldruck durchgeführt wird, die Zersetzung und Verdampfung der Siliciumnitridkomponente bei ungefähr 1.800°C auftreten.
Die Abkühlgeschwindigkeit eines Sinterkörpers unmittelbar bei Vollendung des Sintervorgangs ist ein wichtiger Kontrollfaktor, um eine Reduktion der Porengröße und Kristallisation der Korngrenzenphase zu erzielen. Fall der Sinterkörper schnell abgekühlt wird, bei einer höheren Abkühlgeschwindigkeit als 100°C pro Stunde, wird die Korngrenzenphase der Sinterkörperstruktur eine amorphe Phase (Glasphase), und deshalb wird die Reduktion des Sauerstoffgehalts in der flüssigen Phase, die in dem Sinterkörper ausgebildet wurde, ungenügend. Dadurch wird die Wälzlebensdauercharakteristik des Sinterkörpers nachteilig erniedrigt.
Der ausreichend breite Temperaturbereich, in dem die Abkühlgeschwindigkeit genau gesteuert werden muss, ist von einer vorbestimmten Sintertemperatur (1.650 bis 1.850°C) bis zu dem Erstarrungspunkt der flüssigen Phase, die durch die Reaktion des Sinterhilfsmittels, wie oben beschrieben, ausgebildet wurde. Die flüssige Phase verfestigt sich bei ungefähr 1.600 bis 1.500°C, falls das Sinterhilfsmittel, wie oben beschrieben, verwendet wird.
Durch ein Beibehalten der Abkühlgeschwindigkeit bei 100°C pro Stunde oder langsamer, vorzugsweise 50°C pro Stunde oder langsamer, bevorzugter 25°C pro Stunde oder langsamer, zumindest in einem Temperaturbereich von der obigen Sintertemperatur zu dem Erstarrungspunkt der flüssigen Phase, beträgt der Gesamtsauerstoffgehalt des Sinterkörpers 6 Masse-% oder weniger, die maximale Größe der Pore ist 0,3 μm oder weniger, und die Porosität wird 0,5% oder weniger, womit ein Siliciumnitrid-Sinterkörper erzielt wird, der ausgezeichnet in den Wälzlebensdauercharakteristiken und der Dauerfestigkeit ist. Wenn der obige gemäßigte Kühlvorgang mit dem Haltevorgang, wie oben beschrieben, kombiniert wird, können weitere effektive Ergebnisse erhalten werden.
Ein Siliciumnitrid-Sinterkörper, der das Wälzlagerelement gemäß der vorliegenden Erfindung bildet, kann zum Beispiel durch die folgenden Prozesse produziert werden. Eine Materialmischung wird zubereitet durch ein Zugeben einer vorbestimmten Menge eines Sinterhilfsmittels, eines erforderlichen Additivs, wie beispielsweise ein organisches Bindemittel, und einer Zusammensetzung aus Al, Mg, AlN, Ti oder dergleichen, zu einem feinen Pulver aus Siliciumnitrid, das eine vorbestimmte feine mittlere Korngröße aufweist und eine sehr kleine Menge von Sauerstoff enthält. Die Materialmischung wird dann in einen Presskörper mit einer vorbestimmten Form geformt. Als ein Verfahren der Formgebung der Materialmischung können herkömmliche Formgebungsverfahren angewandt werden, wie beispielsweise ein einachsiges Pressverfahren, das Warmpressverfahren bzw. Gesenkpressverfahren oder Streichverfahren, Gummipressverfahren, CIP(kaltisostatisches Pressen)-Verfahren oder dergleichen.
In einem Fall, wenn der geformte Presskörper durch das obige Pressformgebungsverfahren zubereitet wird, um insbesondere eine Korngrenze auszubilden, welche kaum die Poren verursacht, wird es bevorzugt, den Formgebungsdruck für die Materialmischung auf 120 MPa oder mehr festzulegen. Wenn der Formgebungsdruck weniger als 120 MPa ist, werden leicht Abschnitte ausgebildet, an welchen ein Seltenerdmetall, das eine Komponente ist, welche hauptsächlich die Korngrenze bildet, agglomeriert, und der Presskörper kann nicht ausreichend verdichtet werden, so dass ein Sinterkörper mit vielen Rissausbildungen erhalten wird.
Ferner neigt der obige agglomerierte Abschnitt der Korngrenze dazu ein Ausgangspunkt des Ermüdungsversagens zu werden, womit die Lebensdauer und Dauerfestigkeit des verschleißfesten Elements erniedrigt werden. Auf der anderen Seite, wenn der Formgebungsdruck auf einen übermäßig großen Wert festgelegt wird, so dass er 200 MPa übersteigt, wird eine Dauerfestigkeit der Formgebungsform nachteilig erniedrigt, und man kann nicht immer sagen, dass die Produktivität gut ist. Deshalb ist der obige Formgebungsdruck vorzugsweise auf einen Bereich von 120 bis 200 MPa festgelegt.
Nach dem obigen Formgebungsprozess wird der Formgebungspresskörper erwärmt und bei 600 bis 800°C für 1 bis 2 Stunden in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre oder bei 400 bis 500°C für 1 bis 2 Stunden in der Luft gehalten, wodurch der Presskörper entfettet wird, das heißt, die organische Bindemittelkomponente wird gründlich entfernt, die in die Materialmischung bei der Vorbereitung des Prozesses zugegeben wurde.
Als nächstes wird auf dem Weg zu dem Schritt des Sinterns des entfetteten Presskörpers ein Druck in einem Sinterofen reduziert, um dadurch eine Vakuumbehandlung durchzuführen.
Das heißt, der entfettete Presskörper wird auf einen Temperaturbereich von 1.250 bis 1.600°C in einem Vakuum von 0,01 Pa oder weniger erwärmt, und dann wird der Presskörper bei der obigen Temperatur von 1.250 bis 1.600°C für 0,5 bis 10 Stunden gehalten. Durch ein Durchführen einer derartigen Vakuumbehandlung können die Gaskomponenten, wie beispielsweise Sauerstoff und SiO₂, die in dem Sinterkörper enthalten sind, nach außen hin wandern und werden aus dem Sinterkörper abgelassen. In diesem Zusammenhang, da das Ablassen der Gaskomponenten zuerst an dem äußeren Umfangsabschnitt des Sinterkörpers verursacht wird, wird es möglich, schließlich den Sauerstoffgehalt an dem äußeren Umfangsabschnitt zu reduzieren.
Wenn die Temperatur für die Vakuumbehandlung weniger als 1.250°C beträgt, kann das Ablassen der Gaskomponenten nicht ausreichend voran gebracht werden, so dass es eine Befürchtung geben kann, dass der Sauerstoffgehalt an dem äußeren Umfangsabschnitt des endgültigen Sinterkörpers nicht ausreichend reduziert werden kann. Auf der anderen Seite, wenn die Temperatur für die Vakuumbehandlung 1.600°C übersteigt, wird die Temperatur im Wesentlichen die gleiche wie diejenige des Hauptsintervorgangs. In diesem Fall wird die Verdichtung von dem äußeren Umfangsabschnitt in einem frühen Stadium des Sintervorgangs begonnen, so dass es einen Fall geben kann, bei dem das Entfernen der Gaskomponenten an einem Zwischenabschnitt oder dergleichen nicht ausgeführt werden kann.
Die gleichen Nachteile werden auch bezüglich einer Haltezeit (Verweilzeit) des Sinterkörpers bei der Vakuumbehandlung hervorgerufen. Wenn die Haltezeit außerhalb des wie oben spezifizierten Bereichs ist, kann es nämlich auch eine Befürchtung geben, dass das Ablassen der Gaskomponenten unzureichend ist, oder das Ablassen der Gaskomponenten übermäßig voran gebracht wird.
Als nächstes, nach der obigen Vakuumbehandlung (Haltevorgang), wird der Presskörper dann gesintert, durch ein Normaldruck-Sinterverfahren oder Sinterverfahren unter Druck bei einer Temperatur von 1.650 bis 1.850°C in einer Sinteratmosphäre mit Inertgas, wie beispielsweise Argongas oder Stickstoffgas. Als das Sinterverfahren unter Druck können verschiedene Presssinterverfahren genutzt werden, wie beispielsweise ein Sinterverfahren mit einer Atmosphäre unter Druck, Heißpressverfahren, HIP(heißisostatisches Pressen)-Verfahren oder dergleichen.
Es ist anzumerken, dass der obige Sinterschritt sukzessiv nach dem Vakuumsbehandlungsschritt ausgeführt werden kann, oder auch derart ausgeführt werden kann, dass die Temperatur des Sinterofens einmal auf eine Raumtemperatur oder eine Temperatur nahe der Raumtemperatur erniedrigt wird, dann Stickstoffgas oder dergleichen in den Ofen eingeführt wird, wonach der Presskörper bis auf die Sintertemperatur erwärmt wird.
Außerdem wird, wenn der Siliciumnitrid-Sinterkörper ferner einer heißisostatischen Pressbehandlung (HIP-Behandlung) bei einer Temperaturbedingung von 1.600 bis 1.850°C, in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre von 300 Atm oder höher, ausgesetzt wird, der Einfluss der Pore, die einen Ausgangspunkt des Ermüdungsversagens des Sinterkörpers bildet, weiter reduziert werden, so dass ein verschleißfestes Element mit einer weiter verbesserten Gleiteigenschaft und Wälzlebensdauercharakteristiken erhalten werden kann.
Insbesondere, wenn der obige Siliciumnitrid-Sinterkörper bei Lagerelementen angewandt wird, wie beispielsweise Lagerkugeln, ist es effektiv, eine HIP-Behandlung (heißisostatische Pressbehandlung) nach der Normaldruck-Sinterbehandlung, oder der Sinterbehandlung unter Druck, auszuführen.
Das verschleißfeste Siliciumnitrid-Element, das durch das obige Verfahren produziert wird, erreicht einen Gesamtsauerstoffgehalt von 6 Masse-% oder weniger, eine Porosität von 0,5% oder weniger, eine maximale Porengröße von 0,3 μm oder weniger, und ausgezeichnete mechanische Charakteristiken, das heißt eine Drei-Punkt-Biegefestigkeit (bei Raumtemperatur) von 900 MPa oder größer.
Ferner kann auch ein verschleißfestes Siliciumnitrid-Element erhalten werden, das eine Druckfestigkeit von 200 MPa oder mehr und eine Bruchzähigkeit von 6,5 MPa m^1/2 oder mehr.
Ferner kann, gemäß dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung, der Siliciumnitrid-Sinterkörper (das Wälzlagerelement dieser Erfindung) erhalten werden, mit einer Härte von 1.200 Hv oder mehr und wobei der äußere Umfangsabschnitt mit einem Sauerstoffgehaltsunterschied versehen ist, d.h. der äußere Umfangsabschnitt, dessen Sauerstoffgehalt 0,2 bis 2 Masse-% niedriger als derjenige des Mittelabschnitts des Sinterkörpers ist, mit einer guten Reproduzierbarkeit.
Gemäß dem Siliciumnitrid-Wälzlagerelement und dem Verfahren zur Herstellung des Elements gemäß der vorliegenden Erfindung, wird der Siliciumnitrid-Sinterkörper derart hergestellt, dass der geformte Presskörper einer vorbestimmten Haltebehandlung auf dem Weg zu dem Sinterschritt ausgesetzt wird, danach einem Hauptsintervorgang ausgesetzt wird, so dass der Sauerstoffgehalt in dem Sinterkörper reduziert wird, und die Erzeugung der Poren effektiv unterdrückt wird, wodurch ermöglicht wird, dass die maximale Porengröße äußerst klein ist. Deshalb kann ein verschleißfestes Element erhalten werden, das eine ausgezeichnete Wälzlebensdauereigenschaft und eine gute Dauerfestigkeit aufweist.
Deshalb können, wenn eine Lagervorrichtung durch die Verwendung dieses Wälzlagermaterials zubereitet wird, gute Gleit-/Wälz- bzw. Rollcharakteristiken für einen langen Zeitraum beibehalten werden, und es kann eine Rotationsmaschine mit einer ausgezeichneten Betriebsverlässlichkeit und Dauerfestigkeit bereitgestellt werden.
Das heißt, der Sinterkörper ist besonders effektiv an einem Material zum Bilden des Wälzlagerelements. Die vorliegende Erfindung ist besonders effektiv bezüglich der Lagerelemente, wie beispielsweise eine Lagerkugel, von welcher eine gesamte Oberfläche einen Gleitabschnitt bildet. Genauer gesagt ist die vorliegende Erfindung signifikant effektiv bei einer Lagerkugel mit einem relativ großen Durchmesser von 9 mm oder mehr.
Nebenbei muss wohl nicht gesagt werden, dass, falls notwendig, der als das Wälzlagerelement zu verwendende Siliciumnitrid-Sinterkörper Fertigbearbeitungen ausgesetzt werden kann, wie beispielsweise einem Oberflächenschleifen oder Beschichtungsbehandlung oder dergleichen. Mit anderen Worten, wenn der Siliciumnitrid-Sinterkörper als das Wälzlagerelement so wie er ist verwendet werden kann, bildet der Siliciumnitrid-Sinterkörper das Wälzlagerelement.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Andere Aufgaben und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden augenscheinlicher aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine Querschnittansicht ist, die eine Axial-Wälzabrasions(-verschleiß)-Prüfmaschine zum Messen von Wälzlebensdauercharakteristiken eines Wälzlagerelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
2 eine Ansicht ist, die schematisch jeweilige Bereiche, von denen jeder einen unterschiedlichen Sauerstoffgehalt aufweist, in dem Siliciumnitrid-Sinterkörper zeigt, der ein Wälzlagerelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Als nächstes werden bevorzugte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung konkreter auf Basis der folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele erklärt.
Beispiele 1-2
Eine Materialpulvermischung für die Beispiele 1-2 wurde zubereitet durch ein Zugeben von 5 Masse-% Y₂O₃(Yttriumoxid)-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 0,9 μm, 5 Masse-% Al₂O₃(Aluminiumoxid)-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 0,7 μm, 2 Masse-% AlN(Aluminiumnitrid)-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 1,0 μm und 2 Masse-% TiO₂(Titanoxid)-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 0,5 μm, als ein Sinterhilfsmittel, zu 86 Masse-% Si₃N₄(Siliciumnitrid)-Materialpulver, das 1,1 Masse-% Sauerstoff und 97 Masse-% α-Phasen-Siliciumnitrid enthält, und das eine mittlere Korngröße von 0,55 μm aufweist, gefolgt durch Nassmischen der Materialien in Ethylalkohol für 96 Stunden unter Verwendung von Pulverisierungskugeln als ein aus Siliciumnitrid ausgebildetes Feinzerkleinerungsmedium, und Trocknen der Mischung, wodurch eine Materialpulvermischung zubereitet wird.
Danach Zugeben einer vorbestimmten Menge eines organischen Bindemittels und eines Lösungsmittels zu der Materialpulvermischung, wodurch ein gemischtes granuliertes Pulver zubereitet wird. Dann wurde das granulierte Pulver pressgeformt bei einem Formgebungsdruck von 130 MPa, wodurch eine Anzahl von geformten Presskörpern zubereitet wurde, von denen jeder eine Abmessung von 50 mm (Länge) × 50 mm (Breite) × 5 mm (Dicke) aufweist, als Proben zum Messen der Biegefestigkeit, und eine Anzahl geformten Presskörpern, von denen jeder eine Abmessung von 80 mm (Durchmesser) × 6 mm (Dicke) aufweist, als Proben zum Messen der Wälzlebensdauer.
Danach wurden die auf diese Art zubereiteten geformten Presskörper in einer Luftfluss-Atmosphäre bei einer Temperatur von 450°C für 4 Stunden entfettet. Dann wurden die Presskörper weiter bis zu einer Temperatur von 1.400°C in Vakuumatmosphäre von 10^–2Pa oder niedriger erwärmt, und in diesem Zustand für zwei Stunden gehalten, um dadurch einen Haltevorgang durchzuführen. Danach wurden die entfetteten geformten Presskörper gesintert und weiter verdichtet, durch Halten der Presskörper in einer Stickstoffgas(N₂)atmosphäre bei einem Druck von 0,7 MPa bei einer Temperatur von 1.750°C für 4 Stunden.
Danach wurden die Sinterkörper gemäßigt abgekühlt, mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 100°C/h, bis die Temperatur in einem Sinterofen auf 1.500°C herunter reduziert war, durch ein Steuern einer Energiemenge, die einer Wärmeeinheit zugeführt wird, die mit dem Sinterofen assoziiert ist.
Dann wurden die auf diese Art erhaltenen Sinterkörper einer heißisostatischen Pressbehandlung ausgesetzt, bei der die Sinterkörper auf eine Temperatur von 1.700°C erwärmt wurden und in einer unter Druck gesetzten Stickstoffatmosphäre von 100 MPa für eine Stunde gehalten wurden, um dadurch eine Anzahl von Siliciumnitrid-Sinterkörper von Beispiel 1 zuzubereiten.
Außerdem, als Beispiel 2, das außerhalb der Erfindung liegt, wurden die Herstellungsschritte unter den gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 1 wiederholt, mit der Ausnahme, dass der Haltevorgang auf dem Weg zu dem Sinterschritt derart durchgeführt wurde, dass der geformte Presskörper in einer Stickstoffgasatmosphäre von 1 × 104 Pa bei einer Temperatur von 1.600°C für zwei Stunden gehalten wurde, um dadurch Siliciumnitrid-Sinterkörper von Beispiel 2 zuzubereiten.
Vergleichsbeispiele 1-3
Als Vergleichsbeispiel 1 wurden die Herstellungsschritte unter den gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 1 wiederholt, mit der Ausnahme, dass der Haltevorgang in Vakuumatmosphäre bei einer Temperatur von 1.400°C nicht auf dem Weg zum Sinterschritt durchgeführt wurde, um dadurch einen Siliciumnitrid-Sinterkörper von Vergleichsbeispiel 1 zuzubereiten.
Als Vergleichsbeispiel 2 (eine Probe, deren Bedingung außerhalb des bevorzugten Bereichs war, der in dieser Erfindung spezifiziert wird) wurden die Herstellungsschritte unter den gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 1 wiederholt, mit der Ausnahme, dass der Haltevorgang auf dem Weg zum Sinterschritt bei einer Temperatur von 1.600°C in einer Stickstoffgasatmosphäre von 1 × 104 Pa für zwei Stunden durchgeführt wurde, und wobei die Abkühlgeschwindigkeit nach dem Sintervorgang auf 500°C/h festgelegt wurde, welches eine herkömmliche natürliche Abkühlgeschwindigkeit war, um dadurch einen Siliciumnitrid-Sinterkörper von Vergleichsbeispiel 2 zuzubereiten.
Als Vergleichsbeispiel 3 wurden die Herstellungsschritte unter den gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 1 wiederholt, mit der Ausnahme, dass das Si₃N₄(Siliciumnitrid)-Materialpulver, welches 1,7 Masse-% Sauerstoff und 91 Masse-% α-Phasen-Siliciumnitrid enthält und eine mittlere Korngröße von 1,5 μm aufweist, verwendet wurde, um dadurch einen Siliciumnitrid-Sinterkörper von Vergleichsbeispiel 3 zuzubereiten.
Bezüglich der auf diese Art zubereiteten Siliciumnitrid-Sinterkörper der Beispiele 1-1 und Vergleichsbeispiele 1-3, wurden der Gesamtsauerstoffgehalt, Porosität, maximale Porengröße in der Korngrenze, Drei-Punkt-Biegefestigkeit bei Raumtemperatur, Bruchzähigkeit und Wälzlebensdauer gemessen. Die Bruchzähigkeit wurde durch ein Niihara-System gemessen, basierend auf einem Mikro-Eindrückungsverfahren. Die Messergebnisse werden in Tabelle 1 gezeigt.
Außerdem wurde die Porosität des Sinterkörpers durch ein archimedisches Verfahren gemessen, währen die maximale Porengröße in der Korngrenzenphase wie folgt gemessen wurde. Nämlich wurden drei Bereich, von denen jeder eine Einheitsfläche von 100 μm-Länge × 100 μm-Breite aufweist, willkürlich auf einem Querschnitt des Sinterkörpers festgelegt, der das verschleißfeste Element bildet, dann wurde ein vergrößertes photographisches Bild bezüglich der Bereiche mittels eines Rasterelektronenmikroskops (REM) aufgenommen. Unter den in dem Bild gezeigten Poren wurde eine Pore mit dem größten Durchmesser ausgewählt. Als die maximale Porengröße wurde eine Länge von einer diagonalen Linie angenommen, welche die längste Länge bei den Poren aufweist, die in den vergrößerten Bildern gezeigt werden.
Ferner wurde der Gesamtsauerstoffgehalt in dem Siliciumnitrid-Sinterkörper mittels eines Sauerstoffanalysators gemessen, basierend auf einem Inertgas-Fusions-Infrarotstrahl-Absorptionsverfahren.
Des Weiteren wurde die Drei-Punkt-Biegefestigkeit wie folgt gemessen. Das heißt, Biegeteststücke, von denen jedes eine Abmessung von 40 mm (Länge) × 3 mm (Breite) × 4 mm (Dicke) aufweist, wurden aus den jeweiligen Sinterkörpern zubereitet. Dann wurde der Sinterkörper bei einer Stützweite von 30 mm gestützt, während eine lastaufbringende Geschwindigkeit auf 0,5 mm/min festgelegt wurde. Unter diesen Bedingungen wurde die Drei-Punkt-Biegefestigkeit gemessen.
Ferner wurden die Rollcharakteristiken der jeweiligen Sinterkörper unter Verwendung einer Axial-Wälzabrasions-Prüfmaschine gemessen, die in 1 gezeigt wird. Diese Testmaschine ist dadurch aufgebaut, dass sie folgendes umfasst: einen plattenförmigen Sinterkörper 2, der in einem Maschinenkörper 1 angeordnet ist; eine Vielzahl von Wälzstahlkugeln 3, die an einer oberen Oberfläche des verschleißfesten Elements 2 vorgesehen sind; eine Führungsplatte 4, die an einem oberen Abschnitt von diesen Wälzstahlkugeln 2 vorgesehen ist; eine Antriebsrotationswelle 5, die mit der Führungsplatte 4 verbunden ist; eine Halter 6 zum Regulieren einer Stelle eines Intervalls der Wälzstahlkugeln 3. Ein Schmieröl 7 zum Schmieren eines Wälzabschnitts der Kugeln wird in den Maschinenkörper 1 gegossen. Die obigen Wälzstahlkugeln 3 und die Führungsplatte 4 sind aus kohlenstoffreichem Chromstahl (SUJ2) ausgebildet, der durch JIS G 4805 (japanischer Industriestandard) vorgeschrieben ist. Als das obige Schmieröl 7, kann ein Paraffin-Schmieröl (Viskosität bei 40°C: 67,2 mm²/S) oder Turbinenöl verwendet werden.
Die Wälzlebensdauer der jeweiligen plattenförmigen Sinterkörper von diesen Ausführungsformen wurden derart bestimmt, dass eine kreisförmige Strecke bzw. Bahn, mit einem Durchmesser von 40 mm auf einer oberen Oberfläche des Sinterkörpers 2 eingerichtet bzw. festgelegt wurde, wobei drei Wälzstahlkugeln, jede mit einem Durchmesser von 9,525 mm und aus SUJ2 bestehend, auf der kreisförmigen Strecke vorgesehen wurden, und wobei die Wälzstahlkugeln auf der Strecke mit einer Rotations- bzw. Umdrehungsgeschwindigkeit von 1.200 U/min rotiert wurden, unter einer Bedingung, dass ihnen eine Presslast von 400 kg auferlegt wurde, und einer Bedingung der Schmierung durch ein Ölbad, das mit Turbinenöl gefüllt ist, um dadurch die Wälzlebensdauer zu messen, die als eine Umdrehungsanzahl der Stahlkugeln definiert ist, die entlang der kreisförmigen Strecke rollen, welche auf dem Siliciumnitrid-Sinterkörper ausgebildet ist, bis sich eine Oberfläche davon ablöst. Die Messergebnisse werden in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
Wie aus den in Tabelle 1 gezeigten Ergebnissen klar ist, wurde bei den Beispielen jeder der Sinterkörper derart hergestellt, dass der geformte Presskörper einem vorbestimmten Haltevorgang auf dem Weg zum Sinterschritt ausgesetzt wurde, danach dem Hauptsintervorgang ausgesetzt wurde, so dass der Sauerstoffgehalt in dem Sinterkörper reduziert wurde und die Erzeugung der Pore effektiv unterdrückt wurde, wodurch ermöglicht wurde, dass die maximale Porengröße äußerst klein ausgeführt werden konnte. Deshalb konnten Siliciumnitrid-Sinterkörper mit guten Festigkeitscharakteristiken und einer ausgezeichneten Dauerfestigkeit, derart, dass die Wälzlebensdauer 10⁸ überstieg, erhalten werden.
Auf der anderen Seite war bei Vergleichsbeispiel 1, bei dem der Haltevorgang nicht auf dem Weg zum Sinterschritt durchgeführt wurde, die Wirkung der Reduktion des Sauerstoffgehalts klein, so dass eine große Menge von Poren in dem Sinterkörper verblieben, wodurch die Festigkeitscharakteristika und Wälzlebensdauer nachteilig erniedrigt werden.
Ferner war, wenn die Abkühlgeschwindigkeit zu hoch festgelegt wurde und der Sinterkörper schnell abgekühlt wurde, wie bei Vergleichsbeispiel 2, die Desoxidierungswirkung nicht ausreichend, und die Wirkung der Minimierung der maximalen Porengröße war klein, wodurch die Wälzlebensdauer des verschleißfesten Elements verkürzt wurde.
Des Weiteren, im Fall des Vergleichsbeispiels 3, bei dem der Sauerstoffgehalt in dem Materialpulver übermäßig groß war, sogar falls die Haltebehandlung auf dem Weg zum Sinterschritt und die gemäßigte Abkühlbehandlung durchgeführt wurden, wurde bestätigt, dass die Porosität groß war, und auch die maximale Porengröße wurde groß, so dass sowohl die Festigkeit als auch die Wälzlebensdauer erniedrigt wurden.
Als nächstes werden bevorzugte Ausführungsformen des Siliciumnitrid-Wälzlagerelements gemäß der vorliegenden Erfindung, auf Wälzkugeln eines Lagerelements angewandt, auf der Basis der folgenden Beispiel und Vergleichsbeispiele konkreter erklärt.
Beispiele 1B-2B und Vergleichsbeispiele 1B-3B
Jedes der gemischten granulierten Pulver, wie bei den Beispielen 1-2 und Vergleichsbeispielen 1-3 zubereitet, wurde in die Formgebungsform gepackt und gepresst, um dadurch kugelförmig geformte Primärkörper zuzubereiten. Dann wurde jeder der geformten Primärkörper einer Gummipressbehandlung bei einem Druck von 120 MPa ausgesetzt, um dadurch jeweils kugelförmig geformte Körper als Proben zuzubereiten, jeder mit einem Durchmesser von 11 mm, zum Messen der Druckfestigkeit und Wälzermüdungslebensdauer.
Als nächstes wurden, nachdem die jeweiligen kugelförmig geformten Körper der Entfettungsbehandlung unter den gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 1 ausgesetzt wurden, die entfetteten Körper unter den Bedingungen des Haltevorgangs auf dem Weg zum Sinterschritt, Sinterbedingungen, den Abkühlgeschwindigkeiten nach Vollendung des Sinterschritts und HIP-Bedingungen, wie in Tabelle 2 gezeigt, behandelt. Ferner wurden die auf diese Art erhaltenen Sinterkörper einer Schleifbearbeitung ausgesetzt, um eine Kugelform mit einem Durchmesser von 9,525 mm und eine Oberflächenrauheit von 0,01 μm-Ra vorzusehen, um dadurch die jeweiligen Wälzkugeln für ein Lager als Wälzlagerelemente der Beispiele 1B-2B und Vergleichsbeispiele 1B-3B zuzubereiten.
In diesem Zusammenhang, wurde die obige Oberflächenrauheit als eine arithmetische gemittelte Oberflächenrauheit (Ra) gemessen, die durch Abtasten der Oberfläche auf dem Äquator der Kugel mittels einer Profilometer-Oberflächenrauheits-Messvorrichtung erhalten werden kann.
Bezüglich der auf diese Art zubereiteten Wälzkugeln als die Wälzlagerelemente der Beispiele und Vergleichsbeispiele, wurden der Gesamtsauerstoffgehalt, Porosität, maximale Porengröße in der Korngrenze, Druckfestigkeit, Bruchzähigkeitswert und Wälzermüdungslebensdauer gemessen.
In diesem Zusammenhang wurde die Wälzermüdungslebensdauer der jeweiligen Wälzlagerelemente durch die in 1 gezeigte Axial-Wälzabrasions-Prüfmaschine gemessen. Übrigens war bei dem vorherigen Beispiel 1 oder dergleichen, ein zu bewertender bzw. auszuwertender Gegenstand ein plattenförmiger Siliciumnitrid-Sinterkörper 2, während die auf der Oberfläche des verschleißfesten Elements 2 rollenden Kugeln die Wälzstahlkugeln 3 waren, die aus SUJ2 bestehen. Um die Siliciumnitrid-Wälzkugeln 8 der Beispiele 1B-2B und Vergleichsbeispiele 1B-3B auszuwerten, wurde jedoch eine aus SUJ2 bestehende Lagerstahlplatte 9 vorgesehen, und anstelle des Siliciumnitrid-Sinterkörpers 2 montiert.
Die Wälzermüdungslebensdauer der jeweiligen Wälzkugel wurden derart gemessen, dass drei Wälzkugeln 8, jede mit einem Durchmesser von 9,525 mm, aus dem Siliciumnitrid-Sinterkörper ausgebildet wurden, wobei die drei Wälzkugeln 8 auf der kreisförmigen Strecke mit einem Durchmesser von 40 mm vorgesehen wurden, die auf der oberen Oberfläche der aus SUJ2 ausgebildeten Stahlplatte 9 festgelegt ist, und wobei die Wälzkugeln 8 auf der Strecke mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 1.200 U/min rotiert wurden, unter einer Bedingung, dass ihnen eine Presslast auferlegt wurde, um eine maximale Kontaktspannung von 5,9 GPa auf die Kugeln 8 zu übertragen, und einer Bedingung der Schmierung unter Verwendung eines mit Turbinenöl gefüllten Ölbads, um dadurch die Wälzermüdungslebensdauer zu messen, die als der Zeitraum definiert ist, bis sich eine Oberfläche der aus dem Siliciumnitrid-Sinterkörper bestehenden Wälzkugeln 8 ablöst.
Die Druckfestigkeit wurde unter Verwendung einer Instron-Prüfmaschine gemessen, basierend auf der früheren JIS-B1501, bei der zwei Lagerkugeln, jede mit der gleichen Abmessung, in Längsrichtung angeordnet sind und mit einer Last beaufschlagt werden, bei einer Querkopfgeschwindigkeit von 5 mm/min.
Die Messergebnisse werden in der nachstehenden Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2
Wie aus den in Tabelle 2 gezeigten Ergebnissen klar ist, wurde bei den jeweiligen Siliciumnitrid-Wälzkugeln der Beispiele jeder der Sinterkörper, welche die Wälzkugeln bilden, derart hergestellt, dass der geformte Presskörper einem vorbestimmten Haltevorgang auf dem Weg zum Sinterschritt ausgesetzt wurde, danach dem Hauptsintervorgang ausgesetzt wurde, so dass der Sauerstoffgehalt in dem Sinterkörper reduziert wurde und die Erzeugung der Pore effektiv unterdrückt wurde, wodurch ermöglicht wurde, dass die maximale Porengröße äußerst klein ausgeführt werden konnte. Deshalb konnten Siliciumnitrid-Wälzkugeln erhalten werden, die jeweils eine hohe Druckfestigkeit und eine ausgezeichnete Dauerfestigkeit aufweisen, derart, dass die Wälzermüdungslebensdauer 400 Stunden überstieg.
Auf der anderen Seite war bei Vergleichsbeispiel 1B, bei dem der Haltevorgang nicht auf dem Weg zum Sinterschritt durchgeführt wurde, die Wirkung der Reduktion des Sauerstoffgehalts klein, so dass eine große Menge von Poren in dem Sinterkörper verblieben, wodurch die Druckfestigkeit und Wälzermüdungslebensdauer nachteilig erniedrigt werden.
Ferner war, wenn die Abkühlgeschwindigkeit zu hoch festgelegt wurde und der Sinterkörper schnell abgekühlt wurde, wie bei Vergleichsbeispiel 2B, die Desoxidierungswirkung nicht ausreichend, und die Wirkung der Minimierung der maximalen Porengröße war klein, wodurch die Wälzermüdungslebensdauer des Wälzlagerelements verkürzt wurde.
Des Weiteren, im Fall des Vergleichsbeispiels 3B, bei dem der Sauerstoffgehalt in dem Materialpulver übermäßig groß war, sogar falls die Haltebehandlung auf dem Weg zum Sinterschritt und die gemäßigte Abkühlbehandlung durchgeführt wurden,
wurde bestätigt, dass die Porosität groß war, und auch die maximale Porengröße wurde groß, so dass sowohl die Druckfestigkeit als auch die Wälzermüdungslebensdauer verschlechtert waren.
In diesem Zusammenhang, wenn die Wälzermüdungslebensdauer der Siliciumnitrid-Wälzkugeln gemessen wurde, wurden drei Wälzkugeln, von denen jede einen Durchmesser von 9,525 mm aufweist, verwendet. Sogar falls jedoch andere Kugeln mit unterschiedlichen Durchmessern ausgewählt wurden, oder die Anzahl der vorzusehenden Kugeln geändert wurde, wurde auch bestätigt, dass die Wälzeigenschaften gemäß den Lastbedingungen oder den Wälzbedingungen erhalten werden konnten.
Als nächstes werden bezüglich eines plattenförmigen Sinterkörpers, der mittels anderer Zusammensetzungen oder Behandlungsbedingungen, als diejenigen der vorherigen Beispiele, zubereitet wurde, konkreter unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele erklärt.
Beispiele 3-27
Materialmischungen für die Beispiele 3-27 wurden zubereitet, um Zusammensetzungsverhältnisse wie in Tabelle 3 gezeigt vorzusehen, durch ein Mischen von Y₂O₃-Pulver, Al₂O₃-Pulver, bei Beispiel 1 verwendet, Oxidpulvern verschiedener Seltenerdmetalle mit mittleren Korngrößen von 0,9 bis 1,0 μm, wie in Tabelle 3 gezeigt, MgO-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 0,5 μm, AlN-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 1,0 μm, und Pulvern verschiedener Zusammensetzungen mit mittleren Korngrößen von 0,4 bis 0,5 μm mit Si₃N₄(Siliciumnitrid)-Materialpulver, bei Beispiel 1 verwendet.
Nachdem die auf diese Art erhaltenen jeweiligen Materialmischungen den Formgebungs-/Entfettungsvorgängen unter den gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 1 ausgesetzt wurden, wurden die Presskörper dem Haltevorgang auf dem Weg zum Sinterschritt ausgesetzt, dem Hauptsintervorgang, gemäßigtem Kühlvorgang und HIP-Behandlung unter den in Tabelle 3 gezeigten Bedingungen, um dadurch eine Anzahl von Siliciumnitrid-Sinterkörpern der Beispiele 3-27 zuzubereiten.
Vergleichsbeispiele 4-9
Die Materialmischungen der Vergleichsbeispiele 4-9 wurden jeweils wie in Tabelle 3 angegeben zubereitet. Genauer gesagt wurde eine übermäßig kleine Menge Y₂O₃ zugegeben (Vergleichsbeispiel 4), eine übermäßige Menge Y₂O₃ wurde zugegeben (Vergleichsbeispiel 5), eine übermäßige Menge TiO₂ wurde zugegeben (Vergleichsbeispiel 6), eine übermäßige Menge Al₂O₃ wurde zugegeben (Vergleichsbeispiel 7), eine übermäßige Menge AlN wurde zugegeben (Vergleichsbeispiel 8), und eine übermäßige Menge MgO wurde zugegeben (Vergleichsbeispiel 9).
Nachdem die auf diese Art erhaltenen jeweiligen Materialmischungen den Formgebungs-/Entfettungsvorgängen unter den gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 3 ausgesetzt wurden, wurden die Presskörper dem Haltevorgang auf dem Weg zum Sinterschritt ausgesetzt, dem Hauptsintervorgang, gemäßigtem Kühlvorgang und HIP-Behandlung unter den in Tabelle 3 gezeigten Bedingungen, um dadurch eine Anzahl von Siliciumnitrid-Sinterkörpern der Vergleichsbeispiele 4-9 zuzubereiten.
Bezüglich der auf diese Art zubereiteten Siliciumnitrid-Sinterkörper der Beispiele und Vergleichsbeispiele, wurden der Gesamtsauerstoffgehalt, Porosität, maximale Porengröße in der Korngrenze, Drei-Punkt-Biegefestigkeit bei Raumtemperatur, Bruchzähigkeit und Wälzlebensdauer unter den gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 1 gemessen. Die Messergebnisse werden in der nachstehenden Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3
Wie aus den in Tabelle 3 gezeigten Ergebnissen klar ist, wurde bei den jeweiligen Siliciumnitrid-Sinterkörpern der Beispiele, von denen jeder derart hergestellt wurde, dass die Materialpulvermischung, die spezifizierte Seltenerdmetalle und Sauerstoff enthält, geformt wurde, um den Presskörper auszubilden, wobei dann der Presskörper der Haltebehandlung unter den vorbestimmten Bedingungen auf dem Weg zum Sinterschritt ausgesetzt wurde, davon gefolgt, dass er dem Hauptsintervorgang ausgesetzt wurde und der Sinterkörper gemäßigt abgekühlt wurde, so dass der Sauerstoffgehalt in den Sinterkörpern effektiv reduziert wurde und die Erzeugung der Pore unterdrückt wurde, wodurch ermöglicht wurde, dass die maximale Porengröße äußerst klein sein kann. Deshalb konnten die Siliciumnitrid-Sinterkörper mit guten Festigkeitscharakteristiken und einer ausgezeichneten Dauerfestigkeit, derart, dass die Wälzlebensdauer 10⁸ überstieg, erhalten werden.
Auf der anderen Seite war bei den Siliciumnitrid-Sinterkörpern, wie bei den Vergleichsbeispielen 4-9 gezeigt, bei denen die Menge von Seltenerdmetallen außerhalb des bevorzugten Bereichs festgelegt wurde, der in der vorliegenden Erfindung spezifiziert ist, sogar falls die Haltebehandlung auf dem Weg zum Sinterschritt, und der gemäßigte Kühlvorgang nach dem Sintervorgang, durchgeführt wurden, die Wälzlebensdauer der Oberfläche des verschleißfesten Elements erniedrigt, und es wurde bestätigt, dass die Sinterkörper der Vergleichsbeispiele nicht einmal eine der erforderlichen Charakteristiken, wie beispielsweise Gesamtsauerstoffgehalt, Porosität, maximale Porengröße, Drei-Punkt-Biegefestigkeit oder dergleichen, erfüllen konnten, die bei der vorliegenden Erfindung spezifiziert wurden.
Als nächstes werden bevorzugte Ausführungsformen der Sinterkörper der obigen Beispiele 3-27 und Vergleichsbeispiele 4-9, bei Wälzkugeln eines Lagerelements angewandt, auf der Basis der folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele konkreter erklärt werden.
Beispiele 3B-27B und Vergleichsbeispiele 4B-9B
Jedes der gemischten granulierten Pulver, wie bei den Beispielen 3-27 und Vergleichsbeispielen 4-9 zubereitet, wurde in die Formgebungsform gepackt und gepresst, um dadurch kugelförmig geformte Primärkörper zuzubereiten. Dann wurde jeder der geformten Primärkörper einer Gummipressbehandlung bei einem Druck von 100 MPa ausgesetzt, um dadurch jeweils kugelförmig geformte Körper als Proben zuzubereiten, jeder mit einem Durchmesser von 11 mm, zum Messen der Druckfestigkeit und Wälzermüdungslebensdauer. Als nächstes wurden, nachdem die jeweiligen kugelförmig geformten Körper der Entfettungsbehandlung unter den gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 1 ausgesetzt wurden, die entfetteten Körper unter den Bedingungen des Haltevorgangs auf dem Weg zum Sinterschritt, Sinterbedingungen, den Abkühlgeschwindigkeiten nach Vollendung des Sinterschritts und HIP-Bedingungen, wie in Tabelle 4 gezeigt, behandelt. Ferner wurden die auf diese Art erhaltenen Sinterkörper einer Schleifbearbeitung ausgesetzt, um eine Kugelform mit einem Durchmesser von 9,525 mm und eine Oberflächenrauheit von 0,01 μm-Ra vorzusehen, um dadurch die jeweiligen Wälzkugeln für ein Lager als Wälzlagerelemente der Beispiele 3B-27B und Vergleichsbeispiele 4B-9B zuzubereiten.
In diesem Zusammenhang, wurde die obige Oberflächenrauheit als eine arithmetische gemittelte Oberflächenrauheit (Ra) gemessen, die durch Abtasten der Oberfläche auf dem Äquator der Kugel mittels einer Profilometer-Oberflächenrauheits-Messvorrichtung erhalten werden kann.
Bezüglich der auf diese Art zubereiteten Wälzkugeln als die Wälzlagerelemente der jeweiligen Beispiele und Vergleichsbeispiele, wurden der Gesamtsauerstoffgehalt, Porosität, maximale Porengröße in der Korngrenze, Druckfestigkeit, Bruchzähigkeitswert und Wälzermüdungslebensdauer gemessen, auf die gleiche Art wie bei Beispiel 1B. Die Messergebnisse werden in der nachstehenden Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4
Wie aus den in Tabelle 4 gezeigten Ergebnissen klar ist, wurde bei den jeweiligen Siliciumnitrid-Sinterkörpern der Beispiele, von denen jeder derart hergestellt wurde, dass die Materialpulvermischung, die spezifizierte Seltenerdmetalle und Sauerstoff enthält, geformt wurde, um den Presskörper auszubilden, wobei dann der geformte Presskörper einem vorbestimmten Haltevorgang auf dem Weg zum Sinterschritt ausgesetzt wurde, danach dem Hauptsintervorgang ausgesetzt wurde und dem gemäßigten Kühlvorgang, nach Vollendung des Sintervorgangs, so dass der Sauerstoffgehalt in den Wälzkugeln der Beispiele effektiv reduziert wurde und die Erzeugung der Pore effektiv unterdrückt wurde, wodurch ermöglicht wurde, dass die maximale Porengröße äußerst klein ausgeführt werden kann. Deshalb konnten die Siliciumnitrid-Wälzkugeln erhalten werden, jede mit einer hohen Druckfestigkeit und einer ausgezeichneten Dauerfestigkeit, derart, dass die Wälzermüdungslebensdauer 400 Stunden überstieg.
Auf der anderen Seite war bei den Siliciumnitrid-Sinterkörpern, wie bei den Vergleichsbeispielen 4B-9B gezeigt, bei denen die Menge von Seltenerdmetallen außerhalb des bevorzugten Bereichs festgelegt wurde, der in der vorliegenden Erfindung spezifiziert ist, sogar falls die Haltebehandlung auf dem Weg zum Sinterschritt, und der gemäßigte Kühlvorgang nach dem Sintervorgang, durchgeführt wurden, die Wälzermüdungslebensdauer der Wälzkugeln erniedrigt, und es wurde bestätigt, dass die Sinterkörper der Vergleichsbeispiele nicht einmal eine der erforderlichen Charakteristiken, wie beispielsweise Gesamtsauerstoffgehalt, Porosität, maximale Porengröße, Drei-Punkt-Biegefestigkeit oder dergleichen, erfüllen konnten, die bei der vorliegenden Erfindung spezifiziert wurden.
Als nächstes werden konkrete Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und Auswertungsergebnisse der Siliciumnitrid-Sinterkörper, die mit Abschnitten ausgebildet sind, welche unterschiedliche Sauerstoffgehalte aufweisen, nachstehend erklärt.
Beispiele 101-105 und Vergleichsbeispiele 101-102
Materialpulvermischungen wurden zubereitet, durch Mischen von Seltenerdmetallpulver, Aluminiumzusammensetzungs- bzw. -verbindungspulver und anderem Metallverbindungspulver, als Sinterhilfsmittel mit Siliciumnitrid(Si₃N₄)-Materialpulver, das 1,2 Masse-% Sauerstoff enthält, um die in Tabelle 5 gezeigten Materialzusammensetzungen bereitzustellen, gefolgt durch Nassmischen der Materialpulvermischungen mittels einer Nass-Kugelmühle, und Trocknen der Materialpulvermischungen.
Nach dem Zugeben einer vorbestimmten Menge eines organischen Bindemittels zu jeder der Materialpulvermischungen, wurden die Mischungen gemäß dem CIP(kaltisostatisches Pressen)-Verfahren (Formgebungsdruck: 100 MPa) pressgeformt, um dadurch die jeweiligen kugelförmig geformten Presskörper zuzubereiten. Danach wurden die auf diese Art zubereiteten geformten Presskörper in einer Luftfluss-Atmosphäre bei einer Temperatur von 450°C entfettet. Dann wurden die Presskörper weiter bis zu einer Temperatur von 1.200 bis 1.500°C in Vakuumatmosphäre von 0,01 Pa oder niedriger erwärmt, und bei dieser Temperatur für zwei bis sechs Stunden gehalten, um dadurch einen Haltevorgang durchzuführen. Danach wurde Stickstoffgas in den Sinterofen eingeführt, und die entfetteten geformten Presskörper wurden bei einer Temperatur von 1.600 bis 1.700°C für 2 bis 5 Stunden gesintert, um dadurch die kugelförmigen Sinterkörper (Siliciumnitrid-Sinterkörper) zu erhalten.
Als Vergleichsbeispiel 101 wurden die Herstellungsschritte unter den gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 102 wiederholt, mit der Ausnahme, dass der geformte Presskörper von einer gewöhnlichen Temperatur erwärmt und in der Stickstoffgasatmosphäre gesintert wurde, ohne den Erwärmungsvorgang und den Haltevorgang in Vakuumatmosphäre auf dem Weg zum Sinterschritt durchzuführen, um dadurch kugelförmige Sinterkörper (Siliciumnitrid-Sinterkörper) des Vergleichsbeispiels 101 zuzubereiten.
Als Vergleichsbeispiel 102 wurden die Herstellungsschritte unter den gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 101 wiederholt, mit der Ausnahme, dass ein Zusammensetzungsverhältnis auf eine Bedingung festgelegt wurde, derart, dass der Gesamtsauerstoffgehalt 6 Masse-% überstieg, um dadurch kugelförmige Sinterkörper (Siliciumnitrid-Sinterkörper) des Vergleichsbeispiels 102 zuzubereiten.
Bezüglich der auf diese Art zubereiteten kugelförmigen Sinterkörper, als die verschleißfesten Elemente der jeweiligen Beispiele 101-105 und Vergleichsbeispiele 101-102, wurden Sauerstoffgehalte eines Mittelabschnitts und eines äußeren Umfangsabschnitts und die Vickers-Härte der kugelförmigen Sinterkörper gemessen.
Der Sauerstoffgehalt wurde derart gemessen, dass drei Messpunkte willkürlich aus jedem des Mittelabschnitts A und des äußeren Umfangsabschnitts B in einem Querschnittbereich des kugelförmigen Sinterkörpers ausgewählt wurden, wobei die Sauerstoffgehalte jeweils an den Messpunkten mittels EPMA (Elektronenstrahlmikroanalysator) gemessen wurden, und diese Messwerte gemittelt wurden. Die Vickers-Härte wurde auf der Basis eines Verfahrens gemessen, das in JIS R-1610 vorgeschrieben ist (Prüflast: 98,07 N).
Ferner wurde ein Gehaltsunterschied von Metallkomponenten, welche die Sinterhilfsmittel bilden, auch an beiden Abschnitten, dem Mittelabschnitt A und dem äußeren Umfangsabschnitt B, der jeweiligen kugelförmigen Sinterkörper gemessen. Des Weiteren wurde auch, bezüglich jedes der kugelförmigen Sinterkörper, eine prozentuale Fehlerhaftigkeit aufgrund von Rissen oder Absplittern der Sinterkörper nach dem Sintervorgang gemessen. Die Messergebnisse werden in der nachstehenden Tabelle 5 gezeigt. Es ist anzumerken, dass die obigen Messvorgänge in einem Zustand durchgeführt wurden, in dem eine sogenannte „Oberfläche wie gesintert" wie sie war auf den Sinterkörpern erhalten blieb. Tabelle 5
Wie aus den in Tabelle 5 gezeigten Ergebnissen klar ist, kann bestätigt werden, dass jeder der Siliciumnitrid-Sinterkörper der Beispiele gemäß der vorliegenden Erfindung einen großen Unterschied im Sauerstoffgehalt zwischen dem Mittelabschnitt und dem äußeren Umfangsabschnitt auf. Ferner war die Sauerstoffmenge, die ein Faktor zur Erzeugung der Fehler ist, an dem äußeren Umfangsabschnitt klein, die prozentuale Fehlerhaftigkeit aufgrund von Rissen oder Absplittern der Sinterkörper wurde als klein festgestellt. Außerdem waren die an dem äußeren Umfangsabschnitt verursachten Fehler klein, so dass es möglich wurde, Arbeitskosten und Herstellungskosten zu reduzieren, die für eine Oberflächenbearbeitung erforderlich sind.
In diesem Zusammenhang, wenn die Gesamtsauerstoffgehalte der jeweiligen Siliciumnitrid-Sinterkörper der Beispiele mittels des Sauerstoffanalysators basierend auf einem Inertgas-Fusions-Infrarotstrahl-Absorptionsverfahren gemessen wurden, betrugen sämtliche der Gesamtsauerstoffgehalte höchstens 6 Masse-%.
Beispiele 106-110 und Vergleichsbeispiel 103
Primärlagerkugeln, die jeweils aus Siliciumnitrid-Sinterkörpern bestehen und jeweils einen Durchmesser von 11 mm aufweisen, wurden zubereitet, um die gleichen Zusammensetzungen wie diejenigen der Beispiele 101-105 und Vergleichsbeispiel 101 vorzusehen. Die Sinterkörper, welche die jeweiligen Primärlagerkugeln bilden, wurden durch ein weiteres Durchführen einer HIP(heißisostatisches Pressen)-Behandlung bezüglich der Sinterkörper der Beispiele 101-105 und Vergleichsbeispiel 101 hergestellt.
Bezüglich der Primärlagerkugeln wurde der Sauerstoffgehalt auf die gleiche Art gemessen, wie bei dem Beispiel 101, an drei Punkten, d.h. einem äußeren Umfangsabschnitt 30 μm auseinander von einer Oberfläche, einem Zwischenabschnitt 1 mm auseinander von der Oberfläche und dem Mittelabschnitt. Die Ergebnisse werden in der nachstehenden Tabelle 6 gezeigt. Des Weiteren wurden die jeweiligen Primärlagerkugeln einer Schleifbearbeitung ausgesetzt, um dadurch fertige Lagerkugeln zuzubereiten, jede mit einem Durchmesser von 9,525 mm und einer Oberflächenrauheit von 0,3 μm-Ra. Tabelle 6
Wie aus den in Tabelle 6 gezeigten Ergebnissen klar ist, kann bestätigt werden, dass jede der Lagerkugeln (fertige Lagerkugeln) der Beispiele gemäß der vorliegenden Erfindung einen Sauerstoffgehaltgradienten aufweist, bei dem der Sauerstoffgehalt, graduell von dem Mittelabschnitt zu dem äußeren Umfangsabschnitt hin, wesentlich reduziert ist.
Beispiele 111-113 und Vergleichsbeispiele 104-108
Primärlagerkugeln mit Durchmessern wie in Tabelle 7 angegeben, wurden durch Annehmen der gleichen Zusammensetzung und Herstellungsverfahren, wie bei dem Beispiel 107 verwendet, zubereitet, um dadurch die Kugeln der Beispiele 111-113 zuzubereiten.
Als Vergleichsbeispiel 104 wurden Primärlagerkugeln mit einem Durchmesser von 2 mm zubereitet, durch ein Annehmen der gleichen Zusammensetzung und Herstellungsverfahren, wie bei dem Beispiel 107 verwendet, um dadurch die Kugeln des Vergleichsbeispiels 104 zuzubereiten.
Als Vergleichsbeispiele 105-108 wurden Primärlagerkugeln mit Durchmessern wie in Tabelle 7 angegeben zubereitet, durch ein Annehmen der gleichen Zusammensetzung und Herstellungsverfahren (ohne den Erwärmungsvorgang im Vakuum und den Haltevorgang durchzuführen), wie bei dem Vergleichsbeispiel 103 verwendet, um dadurch die Kugeln der Vergleichsbeispiele 105-108 zuzubereiten.
Bezüglich der Primärlagerkugeln wurde der Sauerstoffgehalt auf die gleiche Art wie bei dem Beispiel 101 gemessen, an drei Punkten, d.h. dem äußeren Umfangsabschnitt, dem Zwischenabschnitt und dem Mittelabschnitt. Des Weiteren wurde auch die prozentuale Fehlerhaftigkeit aufgrund von Rissen oder Absplittern der Sinterkörper nach dem Sintervorgang gemessen.
In diesem Zusammenhang, wurde die prozentuale Fehlerhaftigkeit der Sinterkörper als ein Prozentsatz der fehlerhaften Sinterkörper gemessen, die zumindest einen Riss aufweisen, der in der Lage ist, durch eine visuelle Betrachtung der Oberfläche der Sinterkörper erfasst zu werden. Die Ergebnisse werden in der untenstehenden Tabelle 7 gezeigt. Tabelle 7
Wie aus den in Tabelle 7 gezeigten Ergebnissen klar ist, kann bestätigt werden, dass die Primärlagerkugeln, von denen jede einen Durchmesser von 9 mm oder mehr aufweist, der Beispiele gemäß der vorliegenden Erfindung deutlich einen Unterschied in dem Sauerstoffgehalt zwischen einem Mittelabschnitt und dem äußeren Umfangsabschnitt aufweisen. Ferner wurde die prozentuale Fehlerhaftigkeit dieser Primärlagerkugeln (Siliciumnitrid-Sinterkörper) als klein festgestellt.
Auf der anderen, in dem Fall der Primärlagerkugeln mit jeweils einem Durchmesser von 2 mm, wurde der Sauerstoffgradient kaum bewirkt. Dieser Grund wird wie folgt erwogen. Das heißt, wenn die Kugel klein ist, so dass sie einen Durchmesser von ungefähr 2 mm aufweist, ist ein Volumen der Kugel klein und die Menge von unnötigen Gaskomponenten, die in der Kugel vorhanden sind, ist relativ klein, so dass die Wirkung der Vakuumbehandlung auch sehr gering ist.
Außerdem wurde, wenn die Vakuumbehandlung nicht wie bei den Vergleichsbeispielen 105-108 durchgeführt wurde, bei den resultierenden Primärlagerkugeln (Siliciumnitrid-Sinterkörper) festgestellt, dass sie eine große prozentuale Fehlerhaftigkeit vorsehen. Hinsichtlich dieser Tatsachen wird man leicht verstehen, dass die vorliegende Erfindung besonders effektiv an den Lagerkugeln ist, die jeweils einen Durchmesser von 9 mm oder mehr aufweisen.
In dieser Hinsicht, wie oben beschrieben, war das Vergleichsbeispiel 104 eine Probe, der Durchmesserbedingung außerhalb des bevorzugten Bereichs, der bei dieser Erfindung spezifiziert wurde, festgelegt war, und zeigte, dass der Gradient beim Sauerstoffgehalt nicht in der kleinen Kugel mit einem Durchmesser von 2 mm ausgebildet wurde, sogar falls die geformte Kugel der Vakuumbehandlung ausgesetzt wurde.
Die vorliegende Erfindung beabsichtigt jedoch nicht derartige kleine Lagerkugeln mit einem Durchmesser von ungefähr 2 mm auszuschließen. Zum Beispiel könnte, wie man deutlich aus einem Vergleich des Vergleichsbeispiels 104 mit dem Vergleichsbeispiel 108 versteht, die prozentuale Fehlerhaftigkeit bei dem Vergleichsbeispiel 104, das durch die Vakuumbehandlung hergestellt ist, eher erniedrigt werden als diejenige des Vergleichsbeispiels 108. Hinsichtlich dieser Tatsache kann man sagen, dass die vorliegende Erfindung auch an den kleinen Lagerkugeln mit einem kleinen Durchmesser effektiv ist.
Beispiele 114-115
Eine Materialpulvermischung wurde zubereitet, durch Mischen von 5 Masse-% Yttriumoxid-Pulver, 3 Masse-% Aluminiumoxid-Pulver, 4 Masse-% Aluminiumnitrid-Pulver und 0,8 Masse-% Titanoxid-Pulver mit 87,2 Masse-% Siliciumnitrid(Si₃N₄)-Materialpulver, das 0,8 Masse-% Sauerstoff enthält.
Nach dem Zugeben einer vorbestimmten Menge eines organischen Bindemittels zu der Materialpulvermischung, wurde die Mischung gemäß dem CIP(kaltisostatisches Pressen)-Verfahren (Formgebungsdruck: 100 MPa) pressgeformt, um dadurch die jeweiligen kugelförmig geformten Presskörper zuzubereiten. Danach wurden die auf diese Art zubereiteten geformten Presskörper in einer Luftfluss-Atmosphäre bei einer Temperatur von 450°C entfettet. Dann wurden die Presskörper weiter in einer Vakuumatmosphäre erwärmt, um dadurch eine Vakuumbehandlung unter den in Tabelle 8 angegebenen Bedingungen durchzuführen.
Danach wurde Stickstoffgas in den Sinterofen eingeführt, und die entfetteten geformten Presskörper wurden in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 1.650°C für 5 Stunden gesintert, und ferner einer HIP-Behandlung ausgesetzt, um dadurch die primären und kugelförmigen Lagerkugeln (Siliciumnitrid-Sinterkörper) zu erhalten, jede mit einem Durchmesser von 15 mm.
Bezüglich der auf diese Art erhaltenen primären und kugelförmigen Lagerkugeln, die aus Siliciumnitrid-Sinterkörpern als die Wälzlagerelemente der jeweiligen Beispiele 114-115 bestehen, wurde die prozentuale Fehlerhaftigkeit der Kugeln gemessen, während die Sauerstoffgehalte an drei Punkten, dem äußeren Umfangsabschnitt, dem Zwischenabschnitt und dem Mittelabschnitt, der kugelförmigen Sinterkörper gemessen wurden, auf die gleiche Art wie bei dem Beispiel 101.
Des Weiteren wurde dann, nachdem die jeweiligen Primärlagerkugeln einer Schleifbearbeitung ausgesetzt wurden, um die fertigen Lagerkugeln zuzubereiten, jede mit einer Oberflächenrauheit von 0,1 μm-Ra, der Abrasionstest (Verschleißtest) durchgeführt. Der Abrasionstest wurde unter Verwendung der in 2 gezeigten Axial-Wälzabrasions-Prüfmaschine durchgeführt, und ein Zeitraum, bis sich die Oberfläche der Lagerkugeln ablöste, wurde gemessen. Die Messergebnisse werden in der untenstehenden Tabelle 8 gezeigt. Tabelle 8
Wie aus den in Tabelle 8 gezeigten Ergebnissen klar ist, wurde bestätigt, dass die Lagerkugeln, die aus Siliciumnitrid-Sinterkörpern als die verschleißfesten Elemente der vorliegenden Erfindung bestehen, ausgezeichnet bei der Verschleißfestigkeit waren.
Gemäß dem Siliciumnitrid-Sinterkörper, der zum Beispiel die Wälzlagerelemente der Beispiele bildet, wird es möglich, verschiedene Charakteristika zu erfüllen, die für das Wälzlagerelement erforderlich sind, die prozentuale Fehlerhaftigkeit zu reduzieren, und Kosten zu sparen, die zur Bearbeitung des Sinterkörpers erforderlich sind. Deshalb wird es möglich, wenn die Siliciumnitrid-Sinterkörper der jeweiligen Beispiele verwendet werden, ein verschleißfestes Element bereitzustellen, das ausgezeichnet bei der Verlässlichkeit und den Lebensdauercharakteristiken ist, und in der Lage ist, die Herstellungskosten zu reduzieren.
Wie oben beschrieben, gemäß dem Siliciumnitrid-Wälzlagerelement und dem Verfahren zur Herstellung des Elements der vorliegenden Erfindung, wird der Siliciumnitrid-Sinterkörper derart hergestellt, dass der geformte Presskörper einer vorbestimmten Haltebehandlung auf dem Weg zum Sinterschritt ausgesetzt wird, wobei er danach einen Hauptsintervorgang ausgesetzt wird, so dass der Sauerstoffgehalt in dem Sinterkörper reduziert ist und die Erzeugung der Pore effektiv unterdrückt wird, um dadurch zu ermöglichen, dass die maximale Porengröße äußerst klein ist. Deshalb kann ein Wälzlagerelement mit einer ausgezeichneten Wälzlebensdauereigenschaft und einer guten Dauerfestigkeit erhalten werden.
Deshalb können, wenn das obige Wälzlagerelement als ein Wälzlagermaterial verwendet wird, um eine Lagervorrichtung zusammenzubauen, gute Gleit-/Rollcharakteristiken für einen langen Betriebsdauer-Zeitraum beibehalten werden, und es kann eine Rotationsmaschine mit einer ausgezeichneten Betriebsverlässlichkeit und Dauerfestigkeit bereitgestellt werden.

Claims

Wälzlagerelement mit einem Siliciumnitrid-Sinterkörper, der einen äußeren Umfangsabschnitt und einen Mittelabschnitt umfasst und – 1 bis 10 Masse-% Seltenerdmetalle, ausgedrückt als deren Oxide, als Sintermittel, und – 6 Masse-% oder weniger Sauerstoff enthält, wobei in dem Siliciumnitrid-Sinterkörper – der Sauerstoffgehalt in dem äußeren Umfangsabschnitt niedriger als im Mittelabschnitt ist, wobei der Unterschied 0,2 bis 2 Masse-% beträgt, – die Porosität 0,5 Vol.% oder weniger beträgt und – die Maximalgröße der Poren, die in der Korngrenzenphase vorliegen, 0,3 μm oder weniger beträgt.
Wälzlagerelement gemäß Anspruch 1, bei dem der Siliciumnitrid-Sinterkörper – eine Drei-Punkt-Biegefestigkeit von 900 MPa oder mehr, – eine Bruchzähigkeit von 6,5 MPa m^1/2 oder mehr und – eine Wälzlebensdauer von 1 × 10⁸ oder mehr aufweist, wobei die Wälzlebensdauer als die Umdrehungsanzahl von Stahlkugeln definiert ist, bis sich die Oberfläche des Siliciumnitrid-Sinterkörpers ablöst, gemessen durch Einrichten einer kreisförmigen Strecke mit 40 mm Durchmesser auf einem Wälzlagerelement, das aus dem Siliciumnitrid-Sinterkörper ausgebildet ist, und Rotieren von drei Wälzkugeln mit 9,525 mm Durchmesser, die aus SUJ2 bestehen, auf der Strecke bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 1.200 U/min unter einer Last von 400 kg.
Wälzlagerelement gemäß Anspruch 1, bei dem der Siliciumnitrid-Sinterkörper – eine Druckfestigkeit von 200 MPa oder mehr und – eine Bruchzähigkeit von 6,5 MPa m^1/2 oder mehr – und eine Wälzermüdungslebensdauer von 400 Stunden oder mehr aufweist, wobei die Ermüdungslebensdauer als die Zeit definiert ist, bis sich die Oberfläche des Siliciumnitrid-Sinterkörpers ablöst, gemessen durch Einrichten einer kreisförmigen Strecke mit 40 mm Durchmesser auf einer Stahlplatte, die aus SUJ2 besteht, und Rotieren von drei Wälzkugeln mit 9,525 mm Durchmesser, die aus dem Siliciumnitrid-Sinterkörper ausgebildet sind, auf der Strecke mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 1.200 U/min unter einer Last, bei der auf die Kugeln eine maximale Kontaktspannung von 5,9 GPa übertragen wird.
Wälzlagerelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Siliciumnitrid-Sinterkörper höchstens 5 Masse-%, ausgedrückt als ihre Oxide, von zumindest einem von Aluminium und Magnesium enthält.
Wälzlagerelement gemäß Anspruch 1, bei dem der Siliciumnitrid-Sinterkörper höchstens 5 Masse-% Aluminiumnitrid enthält.
Wälzlagerelement gemäß Anspruch 1, bei dem der Siliciumnitrid-Sinterkörper höchstens 5 Masse-%, ausgedrückt als ihre Oxide, von zumindest einem Element enthält, das aus Ti, Hf, Zr, W, Mo, Ta, Nb und Cr ausgewählt ist.
Wälzlagerelement gemäß Anspruch 1, bei dem der Siliciumnitrid-Sinterkörper eine Vickers-Härte von 1.200 oder mehr aufweist.
Wälzlagerelement gemäß Anspruch 1, bei dem der Unterschied zwischen dem Gehalt des Metalls, das als Sintermittel in dem äußeren Umfangsabschnitt und in dem Mittelabschnitt enthalten ist, 0,2 Masse% oder weniger beträgt.
Wälzlagerelement gemäß Anspruch 1, bei dem der Siliciumnitrid-Sinterkörper einen Zwischenabschnitt umfasst, in dem der Sauerstoffgehalt höchstens 1 Masse-% niedriger als der des Mittelabschnitts ist.
Wälzlagerelement gemäß Anspruch 1, das eine Lagerkugel ist.
Wälzlagerelement gemäß Anspruch 1, mit einem Durchmesser von 9 mm oder mehr.
Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerelements, wie es in einem der vorstehenden Ansprüche definiert ist, umfassend die Schritte: – Zubereiten einer Materialmischung durch Zugeben von 1 bis 10 Masse-%, ausgedrückt als ihre Oxide, eines Seltenerdmetalls zu einem Siliciumnitridpulver, das höchstens 1,5 Masse-% Sauerstoff und 75 bis 97 Masse-% α-Phasen-Siliciumnitrid enthält, das eine mittlere Korngröße von 1,0 μm oder weniger aufweist; – Formen der Materialmischung, um einen Presskörper auszubilden; – Entfetten des Presskörpers; – Erwärmen und Halten des Presskörpers bei 1.250 bis 1.600°C in einem Vakuum von 0,01 Pa oder weniger für 0,5 bis 10 Stunden; – weiteres Erwärmen und Durchführen eines Hauptsinterns bei 1.650 bis 1.850°C; und – Abkühlen des Sinterkörpers mit einer Geschwindigkeit von höchstens 100°C/h, bis die Temperatur auf einen Punkt reduziert ist, bei dem sich die flüssige Phase, die von dem Seltenerdmetall während des Sinterschritts ausgebildet wird, verfestigt.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei höchstens 5 Masse-%, ausgedrückt als ihre Oxide, von zumindest einem von Aluminium und Magnesium zu dem Siliciumnitridpulver zugegeben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei höchstens 5 Masse-% Aluminiumnitrid zu dem Siliciumnitridpulver zugegeben werden.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei höchstens 5 Masse-%, ausgedrückt als ihre Oxide, von zumindest einem Element, das aus Ti, Hf, Zr, W, Mo, Ta, Nb und Cr ausgewählt ist, zu dem Siliciumnitridpulver zugegeben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, ferner umfassend einen Schritt des Durchführens einer heißisostatischen Pressbehandlung (HIP) in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre von 300 Atm oder mehr bei einer Temperatur von 1.600 bis 1.860°C nach Vollendung des Sinterschritts.