FR2645529A1 - Materiau ceramique pour paliers, procede de fabrication de ce materiau et paliers obtenus a partir de ce materiau - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet un matériau céramique comprenant un volume prédominant de grains de nitrure de silicium ou d'oxynitrure de silicium liés ensemble par une phase intergranulaire, ledit matériau céramique ayant une valeur L1 0 d'au moins quatre millions de cycles dans le test ASPM STP 771 sous une contrainte par contact appliquée de 6,9 GPa. Ce matériau peut être utilisé pour la fabrication de paliers.

Description

26 4 5529-

La présente invention concerne des matériaux destinés à la fabrication de paliers mécaniques et plus particulièrement de paliers à contact de roulements tels que des roulements à billes, des roulements à rouleaux et différents types de roulements à aiguilles. Elle concerne plus particulièrement des matériaux céramiques utilisés à cet effet, composés de grains de nitrure ou d'oxynitrure de silicium, liés en un

ensemble cohérent par une phase intergranulaire qui est composée essen-

tiellement d'oxydes métalliques.

Les matériaux céramiques ont été largement recommandés mais

moins largement utilisés pour les applications comme paliers. En particu-

lier, les céramiques polycristallines à base de nitrure et d'oxynitrure de silicium, qui possèdent une résistance élevée à l'usure, un faible coefficient de dilatation thermique, un point de fusion élevée et une aptitude à la finition fine sur machine ont été largement recommandés pour des paliers à contact de roulements. Un rapport de J. J. McLaughlin, "Alternate Ceramic Materials for Roller Bearings", Final Report on NASC Contract N00019-81-C-0284, publié en novembre 1983, a conclu que le matériau à base de nitrure de silicium densifié sous pression de la société Norton Company, décrit dans le brevet américain 3 836 374 et vendu sous la désignation NC-132 était le meilleur matériau disponible pour des paliers à contact de roulements. Néanmoins, des utilisations effectives de ce matériau pour des paliers ont été relativement peu nombreuses. En particulier, ceci est dû au coût relativement élevé du

matériaum céramique et en partie à la tendance de même les meilleurs ma-

tériaux céramiques précédemment connus, à présenter de façon importante rapidement des défauts mécaniques lorsqu'ils sont utilisés dans des Z/ paliers.

La longue durée de vie des surfaces des pa-

liers réellement utilisés rend le test de durée de vie

dans des conditions de service réelles non économi-

ques. C'est par conséquent une pratique courante dans la technique de se fonder sur des méthodes d'essais accélérées, en particulier celles prévues pour les matériaux céramiques décrites par D. Glover dans ASTM

STP 771. Ces méthodes d'essais font appel à des pres-

sions de contact supérieures & celles normalement ren-

contrées en fonctionnement, afin d'accélérer la ruptu-

re par fatigue des matériaux d'essais. Ces tests uti-

lisent l'analyse statistique des données à partir des

tests relatifs à de nombreux échantillons, et les ré-

sultats sont généralement donnés sous forme d'une va-

riable Lx qui indique le nombre de cycles de contrain-

tes qui provoquent la rupture de X% des échantillons testés à un niveau de contrainte donnée. Les valeurs LlO et L50 sont fréquemment données et la différence entre elles indique la tendance du matériau testé à une rupture précoce, aléatoire lorsqu'il est utilisé

comme surface de palier.

Si la valeur L10 pour un matériau est beau-

coup plus faible que la valeur L50 la durée de vie moyenne des paliers réalisés à partir du matériau peut être appropriée mais l'incidence d'une rupture précoce représentée par une faible valeur de L10 peut exclure du point de vue économique la plupart des utilisations du matériau étant donné le danger important de rupture

prématurée dans de trop nombreux cas.

Les résultats d'essais accélérés de ce type sont utilisés de manière routinière pour prédire la

durée de vie des paliers dans des applications effec-

tives et sont en bon accord avec les durées de vie de service observées, comme démontré par la fiabilité

élevée de la plupart des paliers à contact de roule-

ments métalliques d'usage classique.

Pour îe matériau NC-132 auquel il est fait référence ci-dessus, la valeur L10 dans les tests avec une contrainte de contact de 6,9 GPa est d'environ six

cent mille cycles, alors que la valeur L50 est prati-

quement de huit millions de cycles. Ce rapport relati-

vement important entre les deux nombres est bien en

accord avec le fait que l'on observe une rupture pré-

coce faible mais persistante avec des paliers en ni-

trure de silicium comme cela a déjà été indiqué.

Les recherches menées sous l'égide de H.R.

Baumgartner sur plus de dix ans, dont il est fait état

dans une série de rapports à diverses agences gouver-

nementales, et d'autres recherches antérieures réali-

sées par le demandeur ont visé à améliorer les pro-

priétés du nitrure de silicium pour paliers mais pour

autant que cela soit connu du demandeur aucune amé-

lioration substantielle dans la fiabilité des paliers

par rapport à celle de NC-132 n'a été précédemment ob-

tenue. Baumgartner a très récemment conclu que les

valeurs de L50 pour les matériaux céramiques ne peu-

vent pas être prévues à partir de la résistance méca-

nique des matériaux ("Ceramic Materials in Roller Contact Bearings", Final Report on NASC Contract

N00019-C-0197, Octobre 1976). Egalement dans ce rap-

port, Baumgartner a fait état des hétérogénéités mi-

crostructurelles dans les matériaux céramiques testés mais il n'a trouvé aucune corrélation statistiquement significative- entre les hétérogénéités et soit L50 ou L10. Dans une autre partie de ce travail, la

quantité et la distribution du matériau de phase in-

tergranulaire ont été étudiées comme source possible de rupture précoce mais il n'a pas été possible de trouver une corrélation. Dans le cadre de cette étude, ' des matériaux céramiques à base de nitrure de silicium avec jusqu'à trois fois la quantité normale d'oxyde de

magnésium, un constituant majeur de la phase intergra-

nulaire ont été préparés. Ils ont été décrits comme

ayant des valeurs L10 inférieures à un million de cy-

cles de contrainte même à la contrainte réduite de ,25 GPa.

Baumgartner a conclu que la cause des ruptu-

res précoces dans les paliers céramiques était incon-

nue mais paraissait être distincte de la cause de la durée de vie moyenne des paliers avec les mêmes maté-' riaux. Le brevet américain 4,216,021 décrit des matériaux composites à base de nitrure de silicium fritté à haute résistance qui sont présentés comme

"convenant bien pour des corps dans lesquels la con-

trainte dynamique telle que choc, fatigue, etc., est un facteur important". Cependant ce document ne fait pas référence à l'utilisation des matériaux dans les paliers et il n'y a aucune indication de valeurs L ou x de mesure optique de fissures. L'oxyde d'yttrium et le nitrure de titane ont été décrits comme constituants

nécessaires des matériaux céramiques inventés.

Le brevet U.S. 4,119,475 décrit le frittage de nitrure de silicium mélangé avec un additif à base de magnésium et un additif à base de béryllium. Ce

brevet n'a qu'un rapport très lointain avec la pré-

sente demande., entre autre étant donné qu'il incite à ne pas utiliser un adjuvant de frittage de type oxyde

(colonne 1, lignes 54-58) et utilise un frittage clas-

sique au lieu d'une densification sous pression éle-

vée. De même que le brevet précédent ce brevet ne fait pas référence à l'utilisation dans des paliers ou à des valeurs de L.

Différentes techniques conventionnelles d'é-

tude optique des corps en matériaux céramiques à base

de nitrure de silicium ont été appliquées et rappor-

tées par d'autres chercheurs mais aucun d'entre eux ne

fait état d'une corrélation connue entre un type par-

ticulier de caractéristique optique des matériaux cé-

ramiques polycristallins à base de nitrure de silicium

et leur durée de vie dans des essais de fatigue accé-

lérée pour des applications comme paliers ou dans l'u-

tilisation effective dans des paliers.

La Demanderesse a trouvé que des matériaux pour paliers avec des durées de fonctionnement plus fiablement longues que jamais précédemment obtenues, en particulier avec une valeur L10 de plus de cinq millions de cycles de contrainte à une contrainte de

6,9 GPa, peuvent être obtenues avec des corps en maté-

riau céramique à base de nitrure ou d'oxynitrure de silicium, en contrôlant l'incidence à l'intérieur des corps de fissures optiques d'un type déterminé non considérées comme significatives jusqu'à présent. (Ces fissures ont probablement peu attiré l'attention des chercheurs précédents étant donné qu'elles n'avaient

aucun effet évident sur les propriétés communément me-

surées telles que la résistance moyenne à la courbure,

la dispersion de la résistance à la courbure, l'éner-

gie de fracture pour la résistance à la-détérioration par usinage). Les fissures qui ont été trouvées être déterminantes pour le contrôle de la rupture précoce par fatigue peuvent être détectées par l'examen au

microscope sous lumière incidente à angle faible, lu-

mière réfléchie à fond noir ou lumière polarisée ré-

fléchie examinée à travers un analyseur à polariseur croisé. Si ces fissures sont suffisamment larges elles

peuvent également être visibles sans grossissement.

Des fissures du type déterminant pour les valeurs L10 sont montrées sur les dessins. La Figure 1 est une microphotographie avec une grossissement 52 d'une surface finement rectifiée d'un corps en nitrure de silicium classique à travers un polariseur croisé

tout en éclairant avec une lumière polarisée réflé-

chie. Les caractéristiques étendues ramifiées et ex-

trêmement légère, rappelant un peu le veinage du mar-

bre, représenté sur la microphotographie sont les in-

dices des fissures qui sont caractéristiques des corps

en nitrure de silicium ordinaire ayant de faibles va-

leurs de L10. La Figure 2 montre la surface du NC-132 avec le même grossissement et les mêmes conditions d'éclairage que pour la Figure 1. Alors qu'il y a beaucoup moins globalement de réflexions que dans la Figure 1, il y a encore de nombreuses réflexions de lumière contrastantes largement dispersées à travers

la plus grande partie de la surface. La Figure 3a mon-

tre des réflexions dans les mé'mes conditions d'éclai-

rement de la surface d'un nitrure de silicium de type

à haute énergie de fracture et à haute résistance com-

portant 8% d'oxyde d'yttrium ajouté comme adjuvant de

frittage. Des motifs très étendus d'anomalies lumineu-

ses sont présents. La Figure 3b montre en lumière ré-

fléchie la même zone du même échantillon après une très courte exposition à un test d'usure de palier.-Il apparait une érosion significative de la surface selon

un motif étroitement lié à celui de la Figure 3 a.

Les Figures 4, 5 et 6 sont des microphoto-

graphies réalisées dans des conditions semblables à

26455-29

celles de la Figure 1 de surfaces de corps améliorés préparés selon l'invention. Il apparaît que le nombre

total et la taille des anomalies de réflexion est in-

férieur à ceux des précédentes Figures. La Figure 7

-montre la fonction Lx précédemment définie pour plu-

sieurs matériaux céramiques et métalliques à des taux

de contraintes de contact différentes.

Les Tableaux 1 et 2 résument les comporte-

ments en fatigue à contact de roulements et la com-

paraison avec des propriétés optiques et d'autres

propriétés mécaniques pour différents matériaux com-

posites à base de nitrure de silicium.

- Le contrôle de l'incidence des fissures d'un

type contraire à-des valeurs L10 élevées peut être ob-

tenu par plusieurs techniques, y compris l'utilisation de quantités modérément élevées d'additifs formant une phase intergranulaire avant le frittage, des temps de broyage plus longs et l'élimination des agrégats de

grande dimension avant la densification sous pression.

En utilisant les matériaux supérieurs dé-

crits dans la présente demande pour leurs surfaces de rontact à contrainte, il est possible d'obtenir des

paliers qui sont par ailleurs d'une conception conven-

tionnelle mais qui ont de façon Srye une durée de vie

plus grande que ceux précédemment cnnulls.

La préparation de surface des matériaux pour

paliers à contact de roulements doit être soigneuse-

ment contrôlée pour obtenir des résultats reproducti-

bles dans-les essais décrits ci-dessous ou dans l'uti-

lisation effective comme palier. Des rayures, des fi-

nissages grossiers et des détériorations sur la surfa-

ce peuvent tous avoir des conséquences négatives sur

les performances ou les résultats d'essais. Une procé-

dure de finissage optimisée a été développée et décri-

te par J. Lucek and Cowley, Ceramic Materials in Aircarft Engine Bearings", Final Report on Contract NASC N00019-76-C-0251, Juin 1979. Voir la référence McLaughlin, appendice A. Des procédures de fabrication des échantillons d'essais comme décrits dans ce docu- ment ont été utilisées pour tous les essais rapportés ici. Des procédures similaires avec toute modification nécessaire ou appropriée pour les spécialistes dans le domaine de la conception des paliers, sont préférées pour réaliser pratiquement des paliers utiles à partir

des matériaux décrits ici.

Tous les matériaux supérieurs à base de ni-

trure de silicium selon la présente invention se sont avérés être caractérisés par une incidence réduite,

par rapport aux corps en nitrure de silicium classi-

que, de réflexions spéculaires brillantes à partir de

surfaces généralement noires des corps, lorsque ceux-

ci sont éclairés par une lumière ordinaire incidente d'angle faible, une lumière réfléchie à fond noir ou une lumière polarisée réfléchie avec un analyseur

croisé. Ces réflexions sont distinctes de celles pro-

venant des pores ou des défauts de polissage. Les ma-

tériaux supérieurs contiennent de plus petites fissu-

res optiquement réflectrices que les meilleurs maté-

riaux pour paliers à base de nitrure de silicium dis-

ponible dans le commerce. Les petites inclusions qui sont présentes dans les matériaux supérieurs sont plus étroitement uniformément distribués que dans le cas

des céramiques normales à base de nitrure de silicium.

Selon la distribution et la taille de ces anomalies

optiques, le grossissement peut ou ne pas être néces-

saire pour les détecter. Un exemple de réflexions est

représenté sur la Figure 1.

La microanalyse par soude électronique, le S

décapage chimique sélectif et l'érosion physique pré-

férentielle pendant la préparation d'un échantillon métallographique standard indiquent que ces régions

optiquement réflectrices appelées ici anomalies, dif-

- fèrent de la matrice de nitrure de silicium disposée

autour. L'analyse microchimique par balayage électro-

nique suggère que ces anomalies qui ne sont pas du ty-

pe des grosses fissures communément associées à une

faiblesse mécanique générale contiennent des concen-

trations plus élevées que la normale, en constituants de phase intergranulaire ajoutés intentionnellement (telles que magnésie et silice) et moins de faibles impuretés réfractraires. Néanmoins, ces anomalies ne peuvent pas être considérées comme équivalentes à la phase intergrarulaire étant donné que ces anomalies occupent une plus large fraction du domaine total des échantillons que la quantité de phase intergranulaire possible au vu des quantités de constituants de cette

phase présente dans les matériaux céramiques.

Les propriétés optiques des anomalies suggè-

rent qu'ils ont une porosité plus élevée, des niveaux accrus de microcraquelures ou une transparence accrue

par rapport à la masse du matériau qui les entoure.

Indépendamment de la raison ou des raisons qui peuvent donner naissance aux anomalies optiques, le contrôle

du niveau de ces anomalies s'est avéré être la meil-

leure technique fiable pour obtenir des matériaux avec

des valeurs élevées de L1.

L'analyse quantitative micrométrique de

ROSIWAL typiquement utilisée pour l'analyse de compo-

sition minéralogique a été utilisée pour chiffrer le volume des constituants réflecteurs dans les matériaux

composites décrits ici. Cette technique classique dé-

crite dans la plupart des textes de microscopie opti-

que et suppose un matériau isotrope. Voir par exemple,

E.W. Heinrich, Microscopic Petrography, 1956, E.E.

Wahlstrom, Igneous Minerals and Rocks, 1950. On a uti-

lisé un microscope Leitz Ortholux équipé avec un mi-

cromètre d'enregistrement Hunt-Wentworth dans un mode

de lumière polarisée réfléchie avec un analyseur croi-

sé pour déterminer la fraction en volume du constitu-

ant microstructural réflecteur à un grossissement de 150. Le comportement mécanique des matériaux sous contrainte peut être prédit par la théorie dite du

chainon le plus faible selon laquelle un matériau pré-

sente une défaillance en son point le plus faible; c'est à dire o la plus grande fissure se produit. Les plus grandes fissures visibles dans le matériau ont été caractérisées en choisissant visuellement, parmi 8 à 10 champs avec un grossissement 150, la fissure la plus grande et en déterminant la taille moyenne de ces

8 à 10 fissures ainsi que la plus grande anomalie dé-

celée. Environ 5 000 à 10 000 fissures ont été échan-

tillonnées par cette analyse, voir par exemple le Ta-

bleau 2. Trois balayages séparés de 12mm de long é-

chantillonnant un total de plus de 500 fissures ré-

flectricts, ont été réalisés avec le microscope pour

chaque détermination volumique rapportée.

La poudre dc nitrure de silicium utilisée -

pour réaliser. les produits selon-l'invention est de

préférence préparée comme décrit dans le brevet amé-

ricain 3,836r374. Un seul lot de poudre de nitrure de

silicium était préparé et utilisé pour tous les exem-

ples rapportés ci-après pour éliminer les variations

de la source.. -

La poudre de nitrure de silicium a été mé-

langée avec des quantités appropriées de constituants il de phase intergranulaire et densifiée comme décrit dans le brevet U.S. 3,836,374 et les échantillons pour les essais de fatigue à contact de roulement ont été découpés à partir de billettes résultantes et ont subi un finissage par des techniques classiques avec un fi- nissage final pour tous les échantillons réalisés sauf indication contraire comme décrit dans l'appendice A

du rapport final déjà cité du contrat NACS N00019-81-

C-0284. Ce procédé a donné une rugosité de surface

entre 0,052 et 0,077 microns en moyenne arithmétique.

Des microphotographies ont été obtenues sur un métallographe dans des conditions d'éclairage Koehler réfléchi, polarisé avec un analyseur croisé

inséré à un grossissement de 52 sauf indication con-

traire. La résistance à la flexion et la résistance à

la fracture avec indentation (valeur K1C) ont été me-

surées avec des méthodes classiques. La pression de contact Hertzian nominalement appliquée a été calculée

de manière classique en ignorant la redistribution hy-

drodynamique de la contrainte par la pellicule lubri-

fiant. Les pourcentages en volume de phase intergranu-

laire ont été calculés en combinant le bioxyde de si-

licium stoechiométriquement équivalent à la teneur en oxygène de la poudre de nitrure de silicium avec les oxydes intergranulaires ajoutés (magnésie et oxyde

d'yttrium) et en calculant le volume résultant à par-

tir des densités de phase déterminées par analyse par rayons X. La durée en fatigue et d'autres données ont

été obtenues pour des corps à base de nitrure de sili-

cium NC-132 du commerce de façon à obtenir des données

de base pour une comparaison avec des exemples ci-a-

près. Les résultats sont donnés dans le Tableau 1 et les Figures 7 et 8 pour la microstructure de NC-132 représentée sur la Figure 2 est caractérisée par une

population bien dispersée d'anomalies optiques infé-

rieures à 20 microns en diamètre. L'anomalie de réfle-

xion optique contigue, unique, la plus large, détectée dans cet échantillon à été de 73 microns de diamètre.

La fissure en moyenne la plus large détectée comme dé-

crit ci-dessus a été de 41 microns de diamètre. Le vo-

lume de phase intergranulaire dans ce matériau est

d'environ 5,5% en volume tandis que les anomalies ré-

flectrices occupent 21 à 24% du volume de l'échantil-

lon. Sous une contrainte de contact appliquée de 6,9 GPa, le matériau NC132 a des valeurs L10 et L50 de 0,6 et 7,7 millions de cycles respectivement. Cette différence importante est accentuée par la procédure

d'essai accélérée mais ceci est un indice des problè-

mes observés partiquement lorsqu'on utilise le maté-

riau dans des paliers.

Pour fournir une comparaison complémentaire

pour les matériaux améliorés de l'invention, un maté-

riau en céramique à base de nitrure de silicium à hau-

te résistance, ayant une.résistance améliorée vis-à-

* Vis des détériorations lors de l'usinage et une éner-

gie de fracture plus élevée a été préparée. Des arglu-

ments dont on a fait précédemment état de Baumgartner,

de la Demanderesse et d'autres, suggèrent que les amé-

liorations de ces caractéristiques mécaniques doivent

également améliorer la durée de vie en fatigue à con-

tact de roulement. En réalité, cependant les valeurs

L10 et L50 pour ce nitrure de silicium à haute résis-

tance sont seulement de 0,01 et 0,22 millions de cy-

cles, pas même un dixième des valeurs pour NC-132. Les

Figures 3a et 3b illustrent la relation entre la mi-

crostructure et le comportement dans un environnement de paliers pour ce matériau. La concentration élevée

aux fissures optiques visibles dans 3a et leur coinci-

dence avec les éclats de surface visibles en.3b après

l'essai sont apparents.

Le matériau à haute résistance contient des anomalies optiques avec un diamètre à fissure conti- gue, unique très importante de 233 microns et une moyenne de diamètres de la fissure la plus grande de 147 microns, les deux étant beaucoup plus grands que les valeurs correspondantes pour NC132. La fraction en volume des fissures réflectrices est de 28 à 31%, correspondant à une légère augmentation par rapport à NC-132. Les régions réflectrices dans ce matériau sont très prononcées suggérant une large différence dans les compositions, la densité et/ou le module entre la

plupart du matériau des fissures et le matériau envi-

ronnant.

L'usure par refoulement dans les régions op-

tiquement réfléchissantes détermine la durée de vie en fatigue de ce matériau à haute résistance. L'analyse des ruptures en fatigue précoces de NC-132 montre que

ces anomalies paraissent contrôler la rupture en fati-

gue précoce dans le nitrure de siiicium et le NC-132.

Le comportement amélioré de NC-132 par rapport au ma-

tériau représenté sur les Figures 3a et 3b est consi-

déré comme étant lié à la fois à l'incidence plus fai-

ble -et à la qualité moins gênante des fissures de ce type. Les exemples suivants i]lustrent la présente invention.

EXEMPILE 1

Pour la présente invention, la préparation de NC-132 comme décrit dans le brevet U.S. 3,836,374 a été modifiée en utilisant 3% au lieu de 1% d'addition

d'oxyde de magnésium à la poudre de nitrure de sili-

cium. Ceci a entrainé un volume de phase intergranu-

laire de 7,5% calculé par rapport à la composition chimique du corps. On a supposé que l'une des causes des anomalies optiques trouvées dans le NC132 stan- dard était le mélange suboptimal des constituants de la phase intergranulaire et que trois fois la quantité normale d'additif de magnésie serait-distribuée plus

uniformément que la quantité normale dans des condi-

tions de mélange constant. Que ce soit ou non la cause

exacte, le résultat a été satisfaisant. Les caracté-

ristiques des produits préparés à partir de ce mélange

sont représentés sur la Figure 4. Les fissures réflec-

trices constituent de 14 à 16% du volume du matériau

et comme représenté sur la Figure 4 sont très diffu-

ses, suggérant un gradient de composition plus gra-

duelle près des fissures. Une telle variation graduel-

le de la composition est suceptible de réduire les

contraintes près du matériau réfléchissant.

La fissure contigue, unique et la plus gran-

de détectée dans ce matériau avait un diamètre de 48 microns, alors que le diamètre moyen le plus grand était de 35 microns. La durée de vie en fatigue L10 à

6,9 GPa de contrainte était de 10,5 millions de cy-

cles,- pratiquement dix fois supérieure à celle pour NC-132. Des valeurs additionnelles ont été données sur' la Figure 7. La valeur L50, 13,2 millions de cycles, est comparativement proche de celle de NC-132 comme le

sont la résistance et la ténacité.

Lorsque le perfectionnement dans les propri-

étés finales est obtenu comme dans cet Exemple, par accroissement de la quantité de matériau de la phase intergranulaire par rapport à -celle présente dans

NC-132, il est préférable de limiter le volume de pha-

se intergranulaire à pas plus de 10% du volume total du produit final. Des quantités plus élevées de phase

intergranulaire peuvent se séparer de façon indésira-

ble pendant le traitement en température et conduire à des matériaux finals moins fiables.

EXEMPLE 2

Dans cet exemple, on a utilisé 1,5% de ma-

gnésie pour obtenir un volume calculé de phase inter-

granulaire de 6%. La poudre a été broyée pendant vingt-quatre heures, soit deux fois plus longtemps qu'il est normal pour- NC-132, avant d'effectuer un pressage à chaud. Ce temps de broyage supplémentaire a accru la concentration en particules fines de carbure de tungstène dans la poudre plus de trois fois par rapport à la valeur normale pour NC-132. Etant donné

que les inclusions de carbure de tungstène sont con-

nues pour avoir un effet nuisible sur la résistance en

volume, un contraste entre l'effet des fissures en vo-

lume et des anomalies optiques particulières notées

ici a été possible. La résistance critique à la frac-

ture et la sensibilité à l'entaille n'ont pas été ré-

duites pour les produits de cet exemple par rapport à du nitrure de silicium normal mais la résistance a été

légèrement réduite comme cela était attendu. Les pro-

priétés optiques sont représentées sur la Figure 5.

Les fissures dans ce matériau sont grossièrement éga- les en contraste à celles de NC-132 mais sont plus pe-

tites et plus éparpillées, intermédiaires entre les

3a valeurs pour NC-132 et le produit de l'Exemple 1, com-

me indiqué dans le Tableau 2. De façon correspondante, la valeur L1.0 a été trouvée être de 4,53 millions de cycles comme représenté sur la Figure 7. Ce matériau

contient approximativement 20% de matériau réfléchis-

sant avec un diamètre maximum de 38,um et un maximum

moyen de 20,um.

EXEMPLE 3

Dans cet exemple on a suivi la pratique pour la préparation de NC-132 conventionnel, excepté pour l'introduction d'étapes de classification par l'air

après le broyage sous forme de poudre et le séchage.

Ceci élimine tous les agglomérats supérieurs à 5 mi-

crons de diamètre avant la densification. Les produits

résultant avaient une résistance en volume, une résis-

tance à la détérioration par usinage inférieure à cel-

les du NC-132 standard mais une durée de vie en fati-

gue L10 sous une contrainte de 6,9 GPa de 6,07 mil-

l51 lions de cycles, plus de dix fois meilleure que celle

pour le NC-132. Les caractéristiques optiques réflec-

trices sont données à la Figure 6. Les fissures ne sont pas définies de façon aussi nette que pour NC-132 mais de façon plus nette que pour l'Exemple 1. La quantification des réflexions optiques est donnée dans le Tableau 2. Parmi les trois Exemples, celui-ci est le plus proche des résultats obtenus pour NC-132 mais

toujours clairement inférieur. La similarité de ce ré-

sultat avec celui obtenu pour le matériau NC-132 sug-

gère que la procédure de classification par air amé-

liore la performance RCF par un mécanisme séparé, dif-

férent de la population des fissures optiques.

A partir des données du Tableau 2 et d'au-

tres données similaires non fournies en détail, la 3G Demanderesse a conclu que les propriétés améliorées de résistance en fatigue précoce des corps en nitrure de

silicium selon la présente invention peuvent être re-

liées à la taille et au volume des anomalies optiques.

Un procédé pour distinguer les produits selon l'inven-

tion des matériaux de l'art antérieur consiste à mesu-

rer la taille et le volume des anomalies optiques par

les méthodes décrites. L'examen des fissures est réa-

lisés sur une surface polie métallographiquement d'un échantillon du matériau sous l'une des conditions d'é- clairage déjà indiquées. Le diamètre choisi au hasard de la plus grande anomalie réfléchissante pour 8 à 10

champs est mesuré et l'on calcule la valeur moyenne.

La moyenne ainsi déterminée constitue la fissure la

MI plus large en moyenne et si cette moyenne est infé-

rieure à 40 microns, le corps en nitrure de silicium

tombe dans le cadre de la présente invention.

Un autre critère choisi au hasard met en oeuvre la mesure de la fente la plus large dans 8 à 10

champs et l'extraction de la valeur la plus grande ob-

tenue pour la classification des résultats. Si cela

est 70 microns ou moins le corps en nitrure de sili-

cium tombe également dans le cadre de la présente in-

vention. De préférence la valeur maximum absolue doit

2Q être non supérieure à 50 microns. Le volume des fissu-

res peut être également déterminé comme décrit. Des matériaux avec moins de 20% en volume tombent dans le cadre de la présente invention, des matériaux préférés

satisfont à la fois aux exigences de taille et de vo-

lume.

La Figure 7 montre les performances de durée

de vie en fatigue obtenues statistiquement des maté-

riaux à base de nitrure de silicium les plus impor-

tants décrits ici. Les valeurs L10 sont à l'intersec-

tion de la ligne représentant chaque matériau avec la

ligne horizontale en-pointillé sur la Figure. Une des-

cription détaillée de la méthode d'analyse statistique de la fatigue utilisé pour préparer cette Figure peut

être trouvée dans W. Johnson, The Statistical Treat-

ment of Fatigue Experiments, 1964.

A titre de comparaison une courbe similaire mais à un niveau de contrainte inférieure, pour de

l'acier pour palier CVM-50, matériau de première qua-

lité couramment utilisé industriellement pour les pa-

liers, est représenté sur la Figure en traits pointil-

lés. La pente de la ligne pour cet acier est beaucoup plus grande celle pour les matériaux pour paliers à base de nitrure de.silicium de l'art antérieur mais proche de celle des matériaux produits dans les trois

exemples de la réalisation de la présente invention.

Ainsi, les matériaux fournis par l'invention combinent la haute fiabilité des aciers pour paliers classiques

avec le plus grand avantage de durée de vie des maté-

riaux à base de nitrure de silicium précédemment con-

nus qui sont tous suceptibles d'une rupture précoce pour une fraction importante de leurs applications

totales. La durée de vie moyenne plus grande des ma-

tériaux à base de nitrure de silicium est indiquée par le fait que l'acier représenté sur la Figure ne peut

pas même dépasser quelques cycles à un niveau de con-

trainte de 6,9 GPa, niveau auquel les durées de vie moyenne (L50) de tous les matériaux à base de nitrure

de silicium sont supérieurs à un demi million de cy-

cles.

La présente invention a ainsi également pour

objet un procédé de fabrication d'un matériau cérami-

que comprenant le mélange d'une quantité prédominante de poudre fine de nitrure ou d'oxynitrure de silicium avec une faible quantité d'un matériau liant finement broyé, ledit matériau liant comprenant une quantité

prédominante d'oxyde ou de carbonate de métaux alcali-

no-terreux ou leurs mélanges, le broyage du mélange du matériau céramique et du matériau liant pendant au

moins six heures dans un dispersant liquide, le sécha-

ge de la poudre mélangée, broyée sous une pression et à une température suffisante pour la densifier en un

corps cohérent, caractérisé en ce que la poudre mélan-

gée, broyée, séchée est classifiée en taille avant la

compression de façon à-éliminer de la poudre compres-

sée tout agrégat ayant un diamètre supérieur à 5 mi-

cromètres. La présente invention a aussi également pour

objet un procédé de fabrication d'un matériau cérami-

que comprenant le mélange d'une quantité prédominante de poudre fine de nitrure ou d'oxynitrure de silicium avec une faible quantité d'un matériau liant finement broyé, ledit matériau liant comprenant une quantité

prédominante d'oxyde ou de carbonate de métaux alcali-

no-terreux ou leurs mélanges, le broyage du mélange du matériau céramique et du matériau liant pendant au moins six heures dans un milieu dispersant liquide, le

séchage de la poudre mélangée, broyée et la compres-

sion de la poudre mélangée, broyée, séchée sous une

pression et à une température suffisante pour la den-

sifier en un corps cohérent, caractérisé en ce que ledit broyage du mélange de matériau céramique et de

matériau liant est poursuivi pendant au moins vingt-

quatre heures.

TABLEAU 1

PROPRIETES MECANIOUES ET FATIGUE

COMPORTEMENT DES MATERIAUX A BASE DE NITRURE DE SILICIUM

MATERIAU RESISTANCE RESISTANCE SENSIBILITE CONTRAINTE MILLIONS DE

EN 5LEXION A LA A DE CONTACT CYCLES -

(10 Pa 4 FRACTURE L'ENTAILLE EN FITIGUE L10 L50 point) K1C (MPa yM) % O10Pa

CVM-50 5,2 2,8 5,6

Meilleur Si N du comer- 807 5,5 0,67 5,9 11,8 93,4 ce Pour palier 6, 9 0, 58 7,70 Si N HaAtd résistance 889 7,6 0,93 6,9 0,01 0,22 Exemple A 855 6, 5 0,74 6,9 5,42 14,25 Exemple B 717 5,8 0,67 6,9 4,53 9,74 Exemple C 634 5,5 0,62 6,9 6,07 9,78

TABLEAU 2

COMPORTEMENT EN FATIGUE A CONTACT DE ROULEMENT

CONTRAINTE DE CONTACT HERTZIAN 6.9 GPa

MATERIAU L1 DUREE FISSURES DIAMETRE DIAMETRE

DEOVIE % VOL. MOYEN MAXIMAL

- EN MAXIMAL DES

FATIGUE DES FISSURES FISSURES

Meilleur nitrure de silicium 5,80E+05 21-24 73 41

du com-

merce Haute résis- 1,OOE+04 28-31 233 147 tance Exemple 1 5,42E+06 14-16 48 35 Exemple 2 4,53E+06 16-22 38 20 Exemple 3 6,07E+06 22-27 56 36 NOTE Diamètres des fissures contigues en micromètres E = exposant base 10

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Matériau céramique comprenant un volume

prédominant de grains de nitrure de silicium ou d'oxy-

nitrure de silicium liés ensemble par une phase inter-

granulaire, ledit matériau céramique ayant une valeur L10 d'au moins quatre millions de cycles dans le test ASPM STP 771 sous une contrainte par contact appliquée

de 6,9 GPa.

2. Matériau selon la revendication 1 dans laquelle ladite phase intergranulaire occupe moins

d'un dixième du volume total du matériau.

3. Matériau céramique comprenant une volume

prédominant de granules de nitrure de silicium ou d'o-

xynitrure de silicium liés ensembles par une phase in-

tergranulaire, ledit matériau céramique ayant une plus

grande fissure moyenne de moins de 40 micromètres.

- 4. Matériau céramique comprenant un volume

prédominant de granules de nitrure de silicium ou d'o-

xynitrure de silicium liés entre eux par une phase in-

tergranulaire, ledit matériau céramique ayant des hé-

2Q térogénéités optiques les plus larges ne dépassant pas

micromètres en diamètre.

5. Matériau selon la revendication 4 dans

lequel ladite valeur maximale n'est pas plus de 50 mi-

cromètres.

6. Matériau selon la revendication 2 ne com-

prenant pas plus de 1,5% en poids d'oxyde de magné-

sium. 7. Palier à contact de roulement incorporant

une surface de palier consistant de façon prépondéran-

3 te en un matériau selon la revendication 6.

8. Palier à contact de roulement comprenant une surface de palier consistant de façon prédominante

en un matériau selon la revendication 5.

9. Palier à contact de roulement comprenant une surface de palier consistant de façon prédominante

en un matériau selon la revendication 4.

10. Palier & contact de roulement comprenant une surface de palier consistant de façon prédominante en un matériau selon la revendication 3. 11. Palier à contact de roulement comprenant une surface de palier consistant de façon prédominante

en un matériau selon la revendication 2.

12. Palier à contact de roulement comprenant 1 une surface de palier consistant de façon prédominante

en un matériau selon la revendication 1.

13. Procédé de fabrication d'un matériau cé-

ramique comprenant le mélange d'une quantité prédomi-

nante de poudre fine de nitrure ou d'oxynitrure de si-

licium avec une faible quantité d'un matériau liant finement broyé, ledit matériau liant comprenant une

quantité prédominante d'oxyde ou de carbonate de mé-

taux alcalino-terreux ou leurs mélanges, le broyage du mélange du matériau céramique et du matériau liant

pendant au moins six heures dans un dispersant li-

quide, le séchage de la poudre mélangée, broyée sous une pression et à une température suffisante pour la densifier en un corps cohérent, caractérisé en ce que la poudre mélangée, broyée, séchée est classifiée en taille avant la compression de façon à éliminer de la

poudre compressée tout agrégat ayant un diamètre supé-

rieur à 5 micromètres.

1.4. Procédé de fabrication d'un matériau cé-

ramique comprenant le mélange d'une quantité prédomi-

nante de poudre fine de nitrure ou d'oxynitrure de si-

licium avec une faible quantité d'un matériau liant finement broyé, ledit matériau liant comprenant une

quantité prédominante d'oxyde ou de carbonate de mé-

taux alcalino-terreux ou leurs mélanges, le broyage du mélange du matériau céramique et du matériau liant pendant au moins six heures dans un milieu dispersant liquide, le séchage de la poudre mélangée, broyée et la compression de la poudre mélangée, broyée, séchée sous une pression et à une température suffisante pour la densifier en un corps cohérent, caractérisé en ce que ledit broyage du mélange de matériau céramique et de matériau liant est poursuivi pendant au moins

vingt-quatre heures.

15. Matériau selon la revendication 1 dans lequel le volume d'anomalies optiques est inférieur à

20% du matériau total.