JP2004002067A

JP2004002067A - 耐摩耗性部材およびその製造方法

Info

Publication number: JP2004002067A
Application number: JP2002156383A
Authority: JP
Inventors: Michiyasu Komatsu; 小松　通泰; Katsutoshi Yoneya; 米屋　勝利; Takeji Meguro; 目黒　竹司; Junichi Tadami; 多々見　純一; Kazunori Noguchi; 野口　和則
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2004-01-08

Abstract

【課題】窒化けい素焼結体からなる耐摩耗性部材において、強度や破壊靭性に加えて、転がり寿命などの摺動特性を向上させると共に、相手金属材料に対する攻撃性が小さい耐摩耗性部材を提供する。
【解決手段】耐摩耗性部材は窒化けい素焼結体から成り、この窒化けい素焼結体は、窒化けい素を７５〜９７質量％、窒化チタン粒子を０．２〜５質量％、およびＳｉ−Ｒ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ化合物（Ｒ：希土類元素）を主として含む粒界相を２〜２０質量％の範囲で含有する。窒化チタン粒子は長軸径が０．１μｍ以下であり、アスペクト比が１．０〜１．２程度の等軸的で球状粒子に近い形態を主とし、その表面は角の無い丸みを帯びた形状とする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化けい素を主成分とする焼結体からなる耐摩耗性部材およびその製造方法に係り、特に転がり寿命特性に優れ、相手金属材に対する攻撃性が少ない窒化けい素製耐摩耗性部材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
耐摩耗性部材は、例えば軸受部材、圧延用などの各種ロール材、コンプレッサ用ベーン、ガスタービン翼、カムローラなどのエンジン部品など、各種の分野で使用されている。このような耐摩耗性部材には、従来からセラミックス材料が用いられている。特に、窒化けい素焼結体は耐摩耗性に優れることから、種々の分野で幅広く使用されている。
【０００３】
窒化けい素は難焼結性の材料であるため、焼結体の作製にあたっては種々の化合物が添加剤として用いられている。従来の窒化けい素焼結体の組成としては、窒化けい素−希土類酸化物−酸化アルミニウム系、窒化けい素−希土類酸化物−酸化アルミニウム−酸化チタン系などが知られている。これらの組成において、希土類酸化物などの焼結助剤は、焼結中にＳｉ−Ｒ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ化合物（Ｒ：希土類元素）などからなる粒界相（ガラス相）を生成し、焼結体を緻密化して高強度化するための成分である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来組成の窒化けい素焼結体においても、曲げ強度や破壊靭性値、耐摩耗性などの向上が図られているものの、必ずしも満足な特性が得られているとは言えない。特に、転がり軸受部材などの耐摩耗性部材については、転がり寿命などの摺動特性向上と合わせて相手金属材料にやさしく傷つけにくいこと、いわゆる相手攻撃性が少ない材料であることが強く求められている。
【０００５】
ここで、窒化けい素焼結体の原料組成に関しては、例えば特開平１−９３４７０号公報に、焼結助剤として希土類酸化物を１〜１０質量％、酸化アルミニウムを１〜１０質量％および酸化チタンを０．１〜５質量％含み、残部が実質的に窒化けい素からなるセラミックス混合物を、成形および焼成してなる焼結体が記載されている。上記公報には、酸化チタンは焼成後には粒界相に窒化チタンなどとして析出し、焼結体の緻密化を促進して耐熱衝撃性の向上などに寄与することが記載されている。
【０００６】
しかしながら、原料混合物に単に酸化チタンを添加して焼成しただけでは、焼成時に酸化チタンから窒化チタン（ＴｉＮ）に急激に変換されるため、窒化チタン粒子の粒子径に大きなばらつきが生じやすく、粗大な窒化チタン粒子が生成されてしまう。窒化けい素焼結体中に粗大な窒化チタン粒子が存在すると、窒化けい素粒子との熱膨張率の違いから逆にクラックの発生起点となって、強度や破壊靭性値などの特性を低下させるおそれがある。
【０００７】
窒化けい素焼結体の耐摩耗性の向上に関しては、例えば特開平６−１２２５６３号公報に、平均粒子径が１０μｍ以下の窒化けい素マトリックス中に、長径と短径の比率（アスペクト比）が２以上のＴｉ化合物を１〜５０質量％の範囲で分散させたセラミックス複合材料が記載されている。ここでは、Ｔｉ化合物としてＴｉＮ、ＴｉＣまたはＴｉＣＮを主成分とするウィスカーが用いられている。
【０００８】
上記公報で用いられているアスペクト比が２以上のＴｉ化合物（例えばＴｉＮウィスカー）は、焼結体の強度や靭性などの向上に対しては効果を示すものの、窒化けい素焼結体を軸受部材などに用いる場合には、逆に転がり寿命などを劣化させるおそれがある。すなわち、形状異方性が大きいＴｉＮウィスカーなどが摺動面に存在するとトゲ状の突起となり、この突起が破壊の起点となり、また相手部材への攻撃性が高まるおそれが大きい。
【０００９】
さらに、特開平５−１７８６６８号公報には、窒化けい素と粒界相とから構成される母相中に、窒化チタンの微粒子を分散させた窒化けい素−窒化チタン複合焼結体が記載されている。この窒化けい素−窒化チタン複合焼結体は、窒化けい素を４５〜９５体積％の範囲で含み、以下に示す製造方法により作製される。まず、チタン元素を含む窒化けい素の有機前駆体に熱処理を施して、窒化けい素と窒化チタンの結晶質複合微粉末を作製する。次いで、この複合微粉末に焼結助剤を添加して混合し、この混合物を焼結することで複合焼結体を得ている。
【００１０】
上記した製造方法により得られる窒化けい素−窒化チタン複合焼結体においては、窒化チタンの微粒子は主として窒化けい素の結晶粒内に分散される。この窒化チタン微粒子は窒化けい素との熱膨張率の違いによって、窒化けい素結晶粒内に残留圧縮応力を発生させる。このような残留圧縮応力はクラックの進展に対して抵抗として作用するため、破壊靭性などが高められる。しかしながら、軸受部材のように継続的に外部応力が印加される用途においては、窒化けい素結晶粒内の残留応力が逆に剥離などの原因となるおそれがある。
【００１１】
さらに、本発明者らの先の出願に係る特開２００１−３２８８６９号公報に記載の窒化けい素焼結体は、窒化けい素を７５〜９７質量％、窒化チタン粒子を０．２〜５質量％、およびＳｉ−Ｒ−ＡＩ−Ｏ−Ｎ化合物（Ｒ：希土類元素）を主として含む粒界相を２〜２０質量％の範囲で含有した焼結体であり、その窒化チタン粒子は長軸径が１μｍ以下、アスペクト比が１．０〜１．２であるような球状粒子を主とし、その表面は角のない丸みを帯びた形状とされている。このような部材を用いることにより窒化けい素自体の耐摩耗性を向上させている。
【００１２】
しかしながら、このような耐磨耗部材を相手材としての金属部材と組合せて使用する場合、相手金属部材への攻撃性を緩和する効果が必ずしも十分とは言えなかった。つまり、窒化けい素焼結体と金属部材の摺動面において、窒化けい素焼結体が金属部材表面を傷つけてしまうため金属部材の方の耐久性を低下させてしまい、結果として耐摩耗性部材から成る摺動部全体の耐久性を低下させてしまうことが判明した。
【００１３】
本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、高強度および高靭性に加えて、摺動特性に優れた耐摩耗性部材とその製造方法、特に転がり寿命を向上させて軸受部材に好適な特性を付与させると共に相手金属材料を傷つけにくい耐摩耗性部材とその製造方法を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明では、このような課題に対して特に窒化チタン粒子の大きさが重要であり、ナノレベルのサイズまで微細化することによって、それ自体の特性を低下させることなく、相手攻撃性が効果的に緩和されることを見出したものである。本発明の耐摩耗性部材は、このような新規な知見に基づき完成されたものである。
【００１５】
具体的には請求項１に記載したように、窒化けい素を７５〜９７質量％、長軸径が０．１μｍ以下の窒化チタン粒子を０．２〜５質量％、およびＳｉ−Ｒ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ化合物（ただし、Ｒは希土類元素である）を主として含む粒界相を２〜２０質量％の範囲で含有する窒化けい素焼結体から成ることを特徴としている。
【００１６】
本発明に係る耐摩耗性部材において、窒化チタン粒子は窒化けい素焼結体中に単独で粒子分散させることが好ましい。言い換えると、窒化チタンは窒化けい素や粒界相に固溶せずに、窒化チタン粒子として存在しているものである。窒化チタン粒子は、特に主として粒界相中に分散させることが好ましい。
【００１７】
本発明の耐摩耗性部材の製造方法は、請求項１７に記載したように、窒化けい素焼結体から成る耐摩耗性部材の製造方法であって、酸素含有量が１．７質量％以下で、α相型窒化けい素を９０質量％以上含有し、平均粒子径が１．０μｍ以下の窒化けい素粉末に、希土類化合物を酸化物に換算して０．５〜１０質量％、平均粒子径が０．１μｍ以下の窒化チタンまたは焼成により窒化チタンとなるチタン化合物を窒化チタンに換算して０．１〜５質量％、酸化アルミニウムを０．１〜５質量％、および窒化アルミニウムを５質量％以下の範囲で添加して原料混合物を調製する工程と、前記原料混合物を所望の形状に成形する工程と、前記成形工程により得られた成形体を脱脂した後、１３００〜１４５０℃の範囲の温度で熱処理する工程と、前記熱処理工程を経た成形体を１６００〜１９００℃の温度で焼結し、得られた窒化けい素焼結体を耐磨耗性部材に加工する工程とを有することを特徴としている。
【００１８】
また本発明の耐摩耗性部材の製造方法において、窒化チタンまたは焼成により窒化チタンとなるチタン化合物は窒化けい素粉末に複数回に分けて添加することが好ましい。また、原料混合物は平均粒子径が０．１μｍ以下の酸化チタンを窒化チタンに換算して０．１〜５質量％の範囲で含むことが好ましい。本発明の耐摩耗性部材の製造方法において、さらに好ましくは、焼結工程により得られた窒化けい素焼結体に、３０ＭＰａ以上の非酸化性雰囲気下にて１６００〜１８５０℃の温度で熱間静水圧（ＨＩＰ）処理を施す工程を具備することが好ましい。
【００１９】
本発明の耐摩耗性部材においては、窒化けい素焼結体中に、チタン粒子を存在させている。窒化チタン粒子は主として粒界相に存在し、粒界相を強化することで窒化けい素焼結体の強度や破壊靭性などの向上に寄与する。ただし、窒化チタン粒子の粒子径が大きいと、粒界相の繋がりを局所的に分断してクラックの発生原因となり、また窒化けい素粒子との熱膨張率の違いから、窒化チタン粒子と窒化けい素粒子との接触部がクラックの発生起点となる。これらによって、窒化けい素焼結体の強度や破壊靭性などを逆に低下させてしまう。
【００２０】
そこで、本発明では長軸径が０．１μｍ以下の窒化チタン粒子を窒化けい素焼結体中に存在させている。このような微細な窒化チタン粒子は粒界相中に良好に分散されるため、粒界相を再現性よく分散強化することができる。これにより、窒化けい素焼結体の強度、破壊靭性値、摺動特性などを向上させることが可能となる。窒化けい素焼結体中に分散させる窒化チタン粒子はアスペクト比が１．０〜１．２の範囲であることが好ましく、このような窒化チタン粒子を重量比率で８０％以上含むことによって、特に転がり寿命を向上させることができる。さらに、窒化チタン粒子は球状で丸みを帯びた形状を有することが望ましい。
【００２１】
上述したような窒化チタン粒子は、本発明の製造方法を適用することで再現性よく得ることができる。特に、窒化チタンの形成原料として微細な酸化チタンを用いると共に、焼結温度（１６００〜１９００℃）まで昇温する過程で１３００〜１４５０℃の範囲の温度で所定時間保持することによって、窒化けい素焼結体中に分散する窒化チタン粒子の形状や分散状態を制御することができる。これによって、特に転がり寿命に優れた耐摩耗性部材を提供することが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
【００２３】
本発明の耐摩耗性部材は、窒化けい素を７５〜９７質量％、丸みを帯びた長軸径０．１μｍ以下の窒化チタン粒子を０．２〜５質量％、およびＳｉ−Ｒ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ化合物（Ｒは希土類元素）を主として含む粒界相を２〜２０質量％の範囲で含有する窒化けい素焼結体からなる。ここで、本発明で言う窒化けい素焼結体とは、窒化けい素を主成分とする焼結体であり、窒化けい素を７５〜９７質量％の範囲で含有するものである。
【００２４】
焼結体中の窒化けい素の含有量が７５質量％未満であると、相対的に窒化チタンの形成成分を含む焼結助剤の量が多くなりすぎて、焼結体の曲げ強度、破壊靭性、転がり寿命などの摺動特性が劣化する。逆に、窒化けい素の含有量が９７質量％を超える場合には、添加される焼結助剤の量が相対的に少なくなることから、焼結助剤による緻密化効果などを十分に得ることができない。同様の理由で、焼結体中の窒化けい素の含有量は８０〜９５質量％の範囲とすることがさらに好ましい。
【００２５】
耐摩耗性部材として用いる窒化けい素焼結体は、丸みを帯び長軸径が０．１μｍ以下の窒化チタン粒子を０．２〜５質量％の範囲で含有している。窒化チタンの含有量が０．２質量％未満であると、窒化チタンによる特性向上効果を十分に得ることができない。一方、窒化チタンの含有量が５質量％を超えると、焼結体の曲げ強度、破壊靭性、転がり寿命などを逆に低下させてしまう。窒化チタンの含有量は０．５〜４質量％の範囲とすることがさらに好ましい。
【００２６】
窒化チタン粒子は主として焼結体の粒界相中に存在し、粒界相を強化することにより窒化けい素焼結体の特性向上に寄与する。このように、窒化チタンは窒化けい素や粒界相に固溶させることなく、窒化チタン粒子として焼結体中に分散される。窒化チタンが窒化けい素結晶相や粒界相と反応してしまうと、粒子分散強化による焼結体の強度向上効果が得られなくなる。窒化チタンの固溶の有無は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による組織観察により確認可能である。
【００２７】
ただし、窒化チタン粒子の長軸径が０．１μｍを超えると相手金属部材に対する攻撃性が大きくなり、相手材を傷つけ易くなり相手金属部材の摩耗特性が低下する。また、窒化チタン粒子の長軸径が１μｍを超えると、逆に焼結体の曲げ強度、破壊靭性、転がり寿命などが低下してしまう。すなわち、粗大な窒化チタン粒子が存在すると、粒界相の繋がりを局所的に分断してクラックの発生原因となる。さらに、窒化チタンは窒化けい素に比べて熱膨張率が大きいため、粗大な窒化チタン粒子が存在すると、窒化けい素粒子との熱膨張率の違いに基づくクラックなどが発生しやすくなる。このように、粗大な窒化チタン粒子は焼結体の曲げ強度、破壊靭性、転がり寿命などを逆に低下させてしまう。
【００２８】
さらに、窒化チタン粒子が凝集していると粒界相に悪影響を及ぼすため、窒化チタン粒子はそれぞれ単独粒子の状態で分散させることが好ましい。凝集している状態とは、窒化チタン粒子同士が直接接触して集合している状態である。窒化チタン粒子は粒界相を強化する機能を有するが、窒化チタン粒子が凝集している箇所が存在すると、耐摩耗性部材として摺動衝撃を受けた際に、応力の受け方にばらつきが生じてしまう。これによって、転がり寿命が低下してしまう。
【００２９】
上述したような窒化チタン粒子の影響を考慮して、本発明では窒化けい素焼結体中に丸みを帯び長軸径が０．１μｍ以下の窒化チタン粒子を分散させている。窒化チタン粒子径は０．０１〜０．０５μｍ以下であることがさらに好ましい。
【００３０】
なお、本発明における長軸径とは、窒化チタン粒子の最も長い対角線の長さを示すものである。立体的に窒化チタン粒子の大きさを測定できれば問題ないが、簡易的には任意の単位面積（例えば１００μｍ×１００μｍ）の拡大写真を撮り、この拡大写真中に存在する窒化チタン粒子の最も長い対角線を長軸径として測定する方法が用いられる。特に、後述する丸みを帯びた窒化チタン粒子の形状測定に対しても、拡大写真を用いた測定方法が有効である。
【００３１】
このような拡大写真を用いた測定は、本発明で規定する窒化チタン粒子の長軸径の測定、アスペクト比の測定、長軸径と短軸径の差の測定、さらには後述する気孔率や最大気孔径の測定に対しても有効である。拡大写真を用いた測定方法に基づく各測定値は、任意の単位面積あたりの測定を少なくとも３ヶ所実施し、その平均値により算出するものとする。測定面積は例えば１００μｍ×１００μｍの範囲とする。拡大写真の倍率は２０００倍以上あれば十分である。
【００３２】
窒化けい素焼結体中に存在する窒化チタン粒子は、長軸径と短軸径との比を示すアスペクト比（長軸径／短軸径）が１．０〜１．２の範囲の粒子を重量比率で８０％以上含むことが好ましい。アスペクト比が１．２を超える細長い粒子の比率が２０％を超えると、粒界相の強化に異方性やばらつきが生じてしまう。これによって、窒化けい素焼結体の転がり寿命特性などが部分的に低下するおそれがある。上記観点から窒化チタン粒子のアスペクト比は１．０〜１．１の範囲であることがより好ましい。また、上記したアスペクト比を有する粒子の重量比率は９０％以上であることがより好ましい。なお、窒化チタン粒子の短軸径とは、前述した長軸径とは逆に最も短い対角線の長さを示すものであり、長軸径と同様の方法で測定可能である。
【００３３】
窒化チタン粒子は、より球状に近い形状を有する窒化チタン粒子を主として粒界相に分散させることによって、焼結体全体としての摺動衝撃に対する耐性などを向上させることができる。従って、窒化けい素焼結体を用いた耐摩耗性部材の転がり寿命などの摺動特性をより一層高めることが可能となる。窒化チタン粒子の長軸径と短軸径の差が大きくなると、窒化チタン粒子の形状が実質的に長楕円形になってしまい、粒界相への影響にばらつきが生じてしまう。これは窒化けい素焼結体の各種特性のばらつきの原因となると共に、転がり寿命などの低下要因となる。
【００３４】
さらに、窒化チタン粒子の表面形状については、角の無い丸みを帯びた形状であることが好ましい。繊維やウィスカーのような角のある窒化チタン粒子は、転がり寿命などの摺動特性に対して逆に悪影響を及ぼすため、角の無い丸みを帯びた形状を有する窒化チタン粒子を焼結体中に分散させることが好ましい。すなわち、従来から繊維強化を行った窒化けい素焼結体が知られており、ガスタービン翼のように直接摺動部（摺動面）を持たない構造材料であれば特に問題はない。しかし、ベアリングボールなどの軸受部材では、窒化けい素焼結体の表面がそのまま摺動面となるため、摺動面に繊維やウィスカーが剥き出しになってしまい、そこが破壊の起点となって、却って転がり寿命を低下させることになる。
【００３５】
ここで、角の無い丸みを帯びた形状とは、窒化チタン粒子を任意の方向から観察した際に、窒化チタン粒子の表面に頂角が９０°以下の鋭角状の凸部がないことを示すものである。通常の粒子は微視的には表面に凹凸が存在し、その中には頂角が９０°以下の鋭角部が存在する。耐摩耗性部材として繰り返し摺動や連続摺動を行った場合、このような鋭角部が存在すると、そこから粒界相に亀裂が入りやくなり、転がり寿命を低下させてしまう。
【００３６】
このようなことから、本発明の耐摩耗性部材においては、実質的に球状の窒化チタン粒子、特に実質的に真球状の窒化チタン粒子を焼結体中に分散させることが望ましい。球状（特に真球状）の窒化チタン粒子によれば、粒界相を均一に強化することができ、さらに摺動衝撃を有効に緩和することができると共に、強化材が逆に破壊の起点となるようなこともないため、転がり寿命などの摺動特性を大幅に向上させることが可能となる。このような窒化けい素焼結体は各種の耐摩耗性部材に適用可能であるが、特にベアリングボールのように全面が摺動部となる軸受部材に有効である。
【００３７】
なお、上述した窒化チタン粒子の鋭角部は、例えば窒化チタン粒子を１００００倍（１μｍを１０ｍｍで表示）に拡大した写真で観察することにより確認することができる。実質的に真球状もしくは真球に近い楕円形状の窒化チタン粒子であれば、どの方向から観察したとしても、頂角が９０°以下の鋭角部は確認されない。本発明の耐摩耗性部材においては、このような窒化チタン粒子を焼結体中に分散させることが望ましい。
【００３８】
角の無い丸みを帯びた窒化チタン粒子は、そのような形状を有する窒化チタン粉末を予め原料混合物中に配合して焼結体中に分散させることもできるが、特に後に詳述するように、チタンの酸化物、炭化物、硼化物、珪化物などのチタン化合物粉末を用い、焼結時に窒化チタン粒子に変換させる方法を適用することによって、角の無い丸みを帯びた窒化チタン粒子を低コストでかつ再現性よく焼結体中に分散させることができる。
【００３９】
特に、酸化チタン粉末は化学的に安定であることから取扱いが容易であり、さらに焼結体の強度向上に対して優れた効果を発揮する。通常、窒化けい素焼結体を焼結する際には、所定形状の窒化けい素成形体を作製した後に焼結することになる。焼結時に酸化チタンが窒化チタンへと変換されることに伴って、不要となった酸化チタンの酸素は粒界相と反応し、粒界相の融点を下げて焼結体の緻密化を促進する。従って、窒化けい素焼結体の強度をさらに向上させることができる。
【００４０】
本発明の耐摩耗性部材を構成する窒化けい素焼結体は、Ｓｉ−Ｒ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ化合物（Ｒ：希土類元素）を主として含む粒界相を２〜２０質量％の範囲で含有している。粒界相の含有量が２質量％未満であると、窒化けい素焼結体が十分に緻密化しないことから、気孔率が増大して曲げ強度や破壊靭性などが低下してしまう。一方、粒界相の含有量が２０質量％を超えると、過剰な粒界相により窒化けい素焼結体の曲げ強度、破壊靭性、転がり寿命などが低下する。粒界相の含有量は５〜１５質量％の範囲であることがより好ましい。
【００４１】
Ｓｉ−Ｒ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ化合物から主としてなる粒界相の形成方法は、特に限定されるものではないが、焼結助剤としてＳｉ−Ｒ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ化合物を形成する成分を添加して粒界相を形成することが好ましい。上記した粒界相を形成するにあたっては、焼結助剤として希土類化合物やアルミニウム化合物を添加することが効果的である。
【００４２】
希土類化合物は特に限定されるものではないが、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、サマリウム（Ｓｍ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、エルビウム（Ｅｒ）などの酸化物、窒化物、硼化物、炭化物、珪化物の少なくとも１種が好ましい。特に、Ｓｉ−Ｒ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ化合物から主としてなる粒界相を形成し易い観点から、Ｙ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｅｒなどの酸化物を用いることが好ましい。
【００４３】
アルミニウム化合物は、アルミニウムを含有していれば特に限定されるものではないが、酸化アルミニウムや窒化アルミニウムを用いることが好ましい。これらのアルミニウム化合物は、焼結時にＳｉ−Ｒ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ化合物を形成しやすい化合物である。特に、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムの両方を添加することによって、Ｓｉ−Ｒ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ化合物から主としてなる粒界相が形成されやすくなる。なお、粒界相の構成成分については、Ｘ線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）などにより測定可能である。
【００４４】
希土類化合物およびアルミニウム化合物の添加量は、最終的に窒化けい素焼結体中のＳｉ−Ｒ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ化合物から主としてなる粒界相の量が２〜２０質量％の範囲となれば特に限定されるものではないが、希土類化合物は酸化物に換算して０．５〜１０質量％の範囲、アルミニウム化合物は０．１〜１０質量％の範囲で添加することが好ましい。アルミニウム化合物として酸化アルミニウムと窒化アルミニウムを併用する場合には、窒化アルミニウムの添加量を５質量％以下とすることが好ましく、さらに好ましくは３質量％以下である。この際の酸化アルミニウムの添加量は０．１〜５質量％の範囲とすることが好ましい。
【００４５】
ここまでは、本発明の耐摩耗性部材を構成する窒化けい素焼結体の必須成分について説明したが、窒化けい素焼結体は他の成分を含有していてもよいことは言うまでもない。例えば、窒化けい素焼結体のさらなる緻密化のために、マグネシウム（Ｍｇ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）などの酸化物、窒化物、硼化物、珪化物などを含有していてもよい。特に、酸化マグネシウムは窒化けい素焼結体の緻密化に対して効果的である。これらの化合物の含有量は総量で０．１〜５質量％の範囲とすることが好ましい。
【００４６】
さらに、本発明に係る耐摩耗性部材を構成する窒化けい素焼結体は、基本的な強度特性や機械的特性を満足させる上で、気孔率が体積比で０．５％以下であることが好ましい。また、気孔の長軸径については２μｍ以下であることが好ましい。窒化けい素焼結体の気孔率が０．５％を超えたり、また気孔の長軸径が２μｍを超えるような場合には、上述した粒界相や窒化チタン粒子の構成を満足させても、基本的な曲げ強度や摺動特性などが低下するおそれがある。
【００４７】
窒化けい素焼結体の気孔率は０．３％以下であることがさらに好ましい。窒化けい素焼結体の気孔率は、通常は実質的に零であることが望ましいが、本発明においては窒化けい素焼結体が０．０１〜０．５％程度の気孔を含んでいても、良好な強度特性や転がり寿命特性を得ることができる。また、気孔の長軸径については１μｍ以下であることがさらに好ましい。
【００４８】
次に、本発明の耐摩耗性部材の製造方法について説明する。本発明の窒化けい素製耐摩耗性部材は、前述したような所定の窒化チタン粒子と粒界相とを含む構成が得られれば特に製造方法は限定されるものではないが、例えば以下に示す製造方法を適用して製造することが有効である。
【００４９】
窒化けい素原料粉末については、α相型のものとβ相型のものとが知られているが、本発明においてはα相型のものが適している。窒化けい素原料粉末はα相を９０質量％以上含むことが好ましい。さらに、α相型窒化けい素を９５質量％以上含む窒化けい素粉末を用いることが望ましい。
【００５０】
さらに、窒化けい素原料粉末は平均粒子径が１μｍ以下で、かつ酸素含有量が１．７質量％以下であることが好ましい。このような微細でかつ不純物の少ない窒化けい素粉末を用いることによって、気孔率および最大気孔径が小さい高強度の窒化けい素焼結体が得易くなる。窒化けい素原料粉末の平均粒子径は０．４〜０．８μｍの範囲であることがより好ましい。また、酸素含有量については０．５〜１．５質量％の範囲であることがより好ましい。
【００５１】
窒化チタン原料としては、最終的に長軸径０．１μｍ以下の丸みを帯びた窒化チタン粒子にできるチタン化合物であれば特に限定されるものではないが、平均粒子径が０．１μｍ以下の原料粉末を用いることが好ましい。窒化チタン原料としては、窒化チタン粉末自体を用いてもよいが、特にチタンの酸化物、炭化物、硼化物、珪化物などの焼成時に窒化チタンとなるチタン化合物を用いることが好ましい。これによって、微細でかつ球状性に優れる窒化チタン粒子（角の無い丸みを帯びた窒化チタン粒子）を安価にかつ再現性よく得ることができる。
【００５２】
焼結時の反応により窒化チタンとなる酸化チタンなどの化合物を、窒化チタン原料として用いる場合には、平均粒子径が０．１μｍ以下の微細な粉末を用いることが好ましい。これによって、最終的に窒化けい素焼結体中の窒化チタン粒子の長軸径を０．１μｍ以下にしやすくなる。窒化チタン粒子の微細化については、後述する焼結時の温度条件なども大きく影響する。焼成時に窒化チタンとなるチタン化合物は、窒化チタンに換算して０．１〜５質量％の範囲で添加する。
【００５３】
希土類化合物やアルミニウム化合物、さらに他の添加物についても、平均粒子径が１μｍ以下の微細な粉末を用いることが好ましい。なお、各原料粉末は繊維やウィスカーのように表面にトゲ状の凸部を有するものではなく、粉末状のものを用いることが好ましい。前述したように、繊維やウィスカーは摺動面に突出して相手部材への攻撃性を高めたり、トゲ状の凸部が破壊起点となって転がり寿命などの耐摩耗性を劣化させる。窒化チタンの形成成分であるチタン化合物については、特に繊維やウィスカーの使用は好ましくない。
【００５４】
上述した各添加物粉末を窒化けい素原料粉末に対して所定量添加し、さらに有機バインダや分散媒などを加えてよく混合した後、一軸プレスやラバープレスなどの公知の成形法を適用して原料混合体を所望の形状に成形する。各原料粉末の混合にあたっては、特にチタン化合物が均一分散されるように混合する。具体的には、チタン化合物粉末を複数回、好ましくは３回以上に分けて添加、混合することが好ましい。これによって、チタン化合物同士の凝集を防ぎ、窒化チタン粒子を単独に分散させた状態、すなわち単一粒子から成る窒化チタンが均一に分散した状態が得られやすくなる。チタン化合物粉末を複数回に分けて添加する際には、それぞれ３０分以上間隔をあけて添加、混合すると効果的である。
【００５５】
次に、上記のように調製した成形体に脱脂処理を施して脱脂成形体を作製する。この脱脂成形体を１６００〜１９００℃の温度で焼結する際に、まず１３００〜１４５０℃の温度で所定時間保持する。焼結温度まで昇温する前に、このように１３００〜１４５０℃の範囲の温度で熱処理することによって、酸化チタンなどのチタン化合物から窒化チタンへの変換状態のばらつきを抑制することが可能となる。
【００５６】
このように、予め酸化チタンなどのチタン化合物から窒化チタンに変換しておくことによって、粗大な窒化チタン粒子の生成を抑制し、長軸径が０．１μｍ以下の窒化チタン粒子を再現性よく得ることが可能となる。さらに、得られる窒化チタン粒子は角の無い丸みを帯びた形状となる。窒化チタン粒子のアスペクト比や長軸径と短軸径との差についても、前述した条件を満足させることができる。なお、窒化チタン原料として窒化チタン粉末を用いる場合においても、予め１３００〜１４５０℃の温度で保持することによって、窒化チタン粒子の凝集などを防止することができる。
【００５７】
焼結前の熱処理温度が１３００℃未満であると、チタン化合物から窒化チタンへの変換を十分に促進することができず、窒化チタン粒子の形状などにばらつきが生じやすくなってしまう。逆に、熱処理温度が１４５０℃を超えると、本焼結の温度条件と実質的に同一になってしまい、焼結前に熱処理を実施する効果が得られない。これでは粗大な窒化チタン粒子の生成を抑制することができない。
【００５８】
上記した熱処理温度（１３００〜１４５０℃）での保持時間は３０〜１２０分間の範囲とすることが好ましい。保持時間が３０分未満であると、焼結工程前にチタン化合物から窒化チタン粒子に変換される量が不十分となり、粗大な窒化チタン粒子が生成したり、またアスペクト比の大きい窒化チタン粒子の比率が増大したりする難点がある。例えば、酸化チタンなどの窒化反応により窒化チタンを生成する場合、保持温度や保持時間が異なると窒化チタンへの変換状態にばらつきが生じ、窒化けい素焼結体の強度や各種特性を劣化させてしまう。
【００５９】
つまり、所定の温度および時間で焼結前に熱処理を行うことによって、チタン化合物から窒化チタンに良好にかつ均質に変換させることができる。これによって、各窒化チタン粒子の大きさや形状のばらつきを抑制し、窒化チタン粒子の長軸径を０．１μｍ以下にすると共に、丸みを帯びた窒化チタン粒子を再現性よく形成することが可能となる。
【００６０】
なお、焼結前の熱処理は１３００〜１４５０℃の範囲内の一定温度で所定時間保持することに限らず、例えば１３００〜１４５０℃の温度範囲の昇温速度を十分に遅くすることによっても、同様な効果を得ることができる。この際の昇温速度は１００℃／ｈｒ以下とすることが好ましく、より好ましい昇温速度は５０℃／ｈｒ以下である。
【００６１】
さらに、上述した熱処理時の雰囲気は０．１ＭＰａ以下の不活性雰囲気とすることが好ましい。特に、０．０５ＭＰａ以下の不活性雰囲気中で熱処理を行うと、成形体中から不要な気体成分、例えば脱脂処理後に残存した微量の炭素成分が抜け易くなる。これによって、気孔率が小さい窒化けい素焼結体が得られ易くなる。
【００６２】
上述したような熱処理の後に、１６００〜１９００℃で焼結することにより窒化けい素焼結体を得る。この焼結については、常圧焼結、加圧焼結（ホットプレス）、雰囲気加圧焼結、ＨＩＰ（熱間静水圧プレス：ホットアイソスタティックプレス）焼結などの様々な焼結方法が適用可能である。さらに、常圧焼結後にＨＩＰ処理を行うなど、複数の方法を組合せてもよい。特に、本発明の耐摩耗性部材をベアリングボールのような軸受部材に適用する場合には、常圧焼結後にＨＩＰ処理を行うことが有効である。ＨＩＰ処理は３０ＭＰａ以上の圧力下で１６００〜１８５０℃の温度で所定時間保持することにより実施することが好ましい。
【００６３】
本発明に係る耐摩耗性部材は、軸受部材、圧延用などの各種ロール材、コンプレッサ用ベーン、ガスタービン翼、カムローラなどのエンジン部品など、耐摩耗性が要求される各種の部材に適用することができる。特に、ベアリングボールのように全面が摺動部となる軸受部材に対して、本発明の耐摩耗性部材は有効である。
【００６４】
なお、耐摩耗性部材として使用する窒化けい素焼結体には、必要に応じて表面研磨や被覆処理などの仕上げ加工を行ってもよいことは言うまでもない。言い換えると、窒化けい素焼結体がそのまま耐摩耗性部材として使用可能な場合は、窒化けい素焼結体が直接耐摩耗性部材となる。
【００６５】
【実施例】
次に、本発明に係る耐磨耗性部材の具体的な実施例およびその評価結果について説明する。
【００６６】
（実施例１）
酸素含有量が１．３質量％、α相型窒化けい素を９７重量％含む、平均粒子径が０．５５μｍのＳｉ_３Ｎ_４（窒化けい素）原料粉末８６質量％に、焼結助剤として平均粒子径が０．９μｍのＹ_２Ｏ_３（酸化イットリウム）粉末を５質量％、平均粒子径が０．７μｍのＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）粉末を３質量％、平均粒子径が１．０μｍのＡｌＮ（窒化アルミニウム）粉末を３質量％添加した。さらに、平均粒子径が０．０２μｍのＴｉＯ_２（酸化チタン）粉末を窒化チタン換算で３質量％添加した。これらをエチルアルコール中で窒化けい素ボールを用いて９６時間湿式混合した後に乾燥して原料混合物を調製した。なおＴｉＯ_２粉末の添加は湿式混合中３０分間隔で３回に分けて添加した。
【００６７】
次に、得られた原料混合物に有機バインダを所定量添加して調合造粒粉とした後、９８ＭＰａの成形圧力でプレス成形し、曲げ強度測定用サンプルとして５０×５０×５ｍｍの成形体、およびボールオンディスク法による摩耗量測定用サンプルとして直径３０ｍｍ×厚さ５ｍｍの円板状成形体、さらに転がり寿命測定用サンプルとして直径８０ｍｍ×厚さ６ｍｍの円板状成形体をそれぞれ多数製作した。
【００６８】
次に得られた各成形体を４５０℃の空気気流中にて４時間脱脂した後、０．０１ＭＰａの窒素ガス雰囲気中にて１３５０℃×１時間の条件で保持した後、０．７Ｍｐａの窒素ガス雰囲気中にて１７５０℃×４時間の条件で焼結した。次に、得られた焼結体を９８ＭＰａの窒素ガス雰囲気中にて１７００℃×１時間のＨＩＰ処理を行い、実施例１に係る窒化けい素焼結体を作製した。
【００６９】
（比較例１〜５）
比較例１として平均粒子径が１．５μｍのＴｉＯ_２粉末を使用する以外は実施例１と同一条件で窒化けい素焼結体を作製した。比較例２として平均粒子径が０．７μｍのＴｉＯ_２粉末を使用する以外は実施例１と同一条件で窒化けい素焼結体を作製した。
【００７０】
比較例３として平均粒子径が０．３μｍのＴｉＯ_２粉末を使用する以外は実施例１と同一条件で窒化けい素焼結体を作製した。比較例４についてはＴｉＯ_２を添加しない以外は、実施例１と同一条件で窒化けい素焼結体を作製した。比較例５については、酸素含有量が１．７質量％、α相型窒化けい素を９１重量％含み、平均粒子径が１．５μｍのＳｉ_３Ｎ_４（窒化けい素）原料粉末を使用すると共に、ＴｉＯ_２粉末を一度に全部添加する以外は実施例１と同一条件で窒化けい素焼結体を作製した。
【００７１】
このようにして得た実施例１および比較例１〜５による各窒化けい素焼結体の気孔率、最大気孔径、窒化チタン粒子の粒径範囲（長軸径の最小値〜最大値を表示）、アスペクト比が１．０〜１．２の範囲の窒化チタン粒子が占める割合、室温での３点曲げ強度、マイクロインデンテーション法による破壊靭性値をそれぞれ測定した。
【００７２】
さらに、摩耗特性の評価として、図１及び図２に示すようにＪＩＳ　Ｒ−１６１３で規定するボールオンディスク法による摩耗試験機１を用いて、各窒化けい素焼結体から成る耐摩耗性部材の摩耗体積を測定した。ここで、上記ボールオンディスク法による摩耗試験機１は、図１に示すように球状試験片２と円板状試験片３とを摩擦〔摺動〕させて各試験片の摩耗量を測定する装置であり、円板状試験片３を保持する円板ホルダーと、それを回転させる駆動装置と、球状試験片２を保持固定する球ホルダー４と、それを円板状試験片３に押し付ける荷重機構と、摩擦力の検出機構と、試験雰囲気制御機構およびその周辺装置から成る。
【００７３】
上記球状試験片（ボール）２と円板状試験片３とを所定条件で摩擦・摺動させた後のボール２の摩耗体積（Ｗｂ）および円板状試験片３の摩耗体積量（Ｗｓ）は図２に示す計算式で算出される。ただし、ボールの直径をｒ、摩耗部の直径をｄ、摩耗高さをｈとする。また、円板状試験片３の摩耗痕の断面積をＳ，摩耗痕の形成半径をＤとする。
【００７４】
本実施例および比較例の焼結体の摩耗特性を評価する際の条件は下記の通りとした。すなわち球状試験片（ボール）２としての相手材がＪＩＳ　Ｇ−４８０５で規定するＳＵＪ２鋼球、荷重５Ｎ、ディスク回転速度０．１ｍ／ｓ，回転半径３ｍｍ，湿度５０±２％，温度２２±１℃，無潤滑乾式条件下で、回転距離５００ｍの試験を行い、ＳＵＪ２鋼球および窒化けい素焼結体（窒化けい素ディスク）の摩耗体積を測定した。
【００７５】
また、各焼結体について図３に示すようなスラスト型転がり摩耗試験装置１０を用いて、転がり寿命特性を測定した。この試験装置１０は、装置本体１１内に配置された平板状の耐摩耗性部材１２と、この耐摩耗性部材１２上面に配置された複数の転動鋼球１３と、この転動鋼球１３の上部に配置されたガイド板１４と、このガイド板１４に接続された駆動回転軸１５と、上記転動鋼球１３の配置間隔を規制する保持器１６とを備えて構成される。装置本体１１内には、転動部を潤滑するための潤滑油１７が充填される。上記転動鋼球１３およびガイド板１４は、日本工業規格（ＪＩＳ　Ｇ　４８０５）で規定される高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）で形成される。上記潤滑油１７としては、パラフィン系潤滑油（４０℃での粘度：６７．２ｍｍ^２／Ｓ）やタービン油が使用される。
【００７６】
本実施例および比較例に係る板状の耐摩耗性部材の転がり寿命を評価する際の条件は下記の通りとした。すなわち、耐摩耗性部材１２の上面に設定した直径４０ｍｍの軌道上に直径が９．３５ｍｍである３個のＳＵＪ２製転動鋼球を相手材として配置し、タービン油の油浴潤滑条件下で、この転動鋼球１３に３９．２ＭＰａの荷重を印加した状態で回転数１２００ｒｐｍの条件下で回転させたときに、上記窒化けい素製耐摩耗性部材１２の表面が剥離するまでの回転数を転がり寿命（繰り返し回数）として測定した。これらの各測定結果を下記表１に示す。
【００７７】
なお、気孔率、最大気孔径、窒化チタンの分散粒子の粒径範囲、アスペクト比が１．０〜１．２の範囲の窒化チタン粒子が占める割合については、任意の単位面積（１００×１００μｍ）として、表面１ヶ所、断面２ヶ所の合計３ヶ所の拡大写真を撮り、各単位面積あたりの測定結果の平均値により示した。
【００７８】
【表１】

【００７９】
表１に示す結果から明らかなように、実施例１の窒化けい素焼結体は３点曲げ強度、破壊靭性値、転がり寿命のいずれも優れた特性を示すと共に、特にボールオンディスク法による相手金属部材の摩耗量が非常に少ない優れた摩耗特性を併せ持つことが判明した。また、窒化チタン粒子同士の凝集も見られず、粒界相はＳｉ−Ｙ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ化合物により形成されていた。さらに、粒界相中に窒化チタンは固溶していなかった。
【００８０】
これに対し比較例１のように窒化チタン粒子を含有していたとしても、その長軸径が１μｍを超えるようなサイズであると、特にボールオンディスク法による摩耗試験において、相手金属部材の摩耗量が非常に多く摩耗特性が低下することが判明した。また、３点曲げ強度、破壊靭性値、転がり寿命のいずれの特性も低下することが確認できた。これは粒界相中に存在する窒化チタン粒子が大き過ぎるためと、粒界相の結合力などに悪影響を与えているためであると考えられる。また、比較例２および３においては３点曲げ強度、破壊靭性値、転がり寿命のいずれの特性も若干低下したに過ぎないが、窒化チタン粒子の長軸径が０．１μｍを超えるサイズであるため、ボールオンディスク法による摩耗試験において、相手金属部材の摩耗量が多く摩耗特性が低下することが判明した。比較例４は窒化チタンを含有していないことから特性が劣っている。
【００８１】
一方、比較例５の窒化けい素焼結体は、窒化けい素原料粉末の平均粒子径が１．５μｍと本発明の好ましい範囲１μｍを超えているため、気孔率が低下する共に最大気孔径が増大したため、窒化チタン粒子の形状が類似していたとしても、特性が劣化してしまったものと考えられる。さらに、原料混合体を調製する際に、一度に全部のＴｉＯ_２粉末を添加、混合したため、一部の窒化チタン粒子が凝集しており、窒化チタン粒子の長軸径は０．１μｍを超え、さらにアスペクト比が１．２を超えたことが特性劣化の原因と考えられる。
【００８２】
なお、表１中には示していないが、実施例１、比較例１、比較例２、比較例３、比較例５による窒化チタン粒子は、いずれも添加した酸化チタンが窒化されたものであるため、角のない丸みを帯びた形状であった。実施例１のものは表１中に示したように窒化チタン粒子のアスペクト比が１．０〜１．２の範囲であった。これはＴｉＯ_２粉末が窒化される際に熱処理（保持処理）を行っているため、ＴｉＯ_２粉末がほぼ均一に窒化されたためであり、これにより窒化チタン粒子が実質的に真球形状もしくは限りなく真球に近い楕円形状になったものと考えられる。
【００８３】
（実施例２）
実施例１と同様に調製した調合造粒粉を使用し、金型で球形に予備成形した後、９８ＭＰａの成形圧でラバープレスを行い、圧砕強度および転がり寿命測定用サンプルとして直径１１ｍｍの球状成形体を多数製作した。この成形体を実施例１と同一条件で脱脂、熱処理（保持処理）、焼結、ＨＩＰ処理を実施し、緻密な焼結体を得た。次に、ＨＩＰ処理後の焼結体を直径が９．５２ｍｍ、表面粗さがＲａで０．０１μｍのボールに研磨加工して、ベアリングボールとして使用可能な窒化けい素製耐摩耗性部材を作製した。表面粗さＲａは触針式表面粗さ測定器によりボールの赤道上を測定して求めた中心線平均粗さである。
【００８４】
（比較例６〜１０）
比較例６として比較例１で調製した調合造粒粉を使用する以外は、実施例２と同一条件で窒化けい素製ボールを作製した。同様に、比較例７として比較例２で調製した調合造粒粉、比較例８として比較例３で調製した調合造粒粉、比較例９として比較例４で調製した調合造粒粉　比較例１０として比較例５で調製した調合造粒粉をそれぞれ使用する以外は、実施例２と同一条件でそれぞれ窒化けい素ボールを作製した。
【００８５】
こうして得られた実施例２および比較例６〜１０に係る窒化けい素製ボールの気孔率、最大気孔径、窒化チタン粒子の粒径範囲（長軸径の最小値〜最大値を表示）、窒化チタン粒子の長軸径と短軸径の差、アスペクト比が１．０〜１．２の範囲の窒化チタン粒子が占める割合、室温での圧砕強度、マイクロインデンテーション法による破壊靭性値をそれぞれ測定した。さらに、スラスト型転がり摩耗試験装置を用いて、相手材としてＪＩＳ　Ｇ−４８０５で規定するＳＵＪ２鋼製の平板上を回転させる方法で、荷重が一球当たりの最大接触応力で５．９ＧＰａ、回転数１２００ｒｐｍ、タービン油の油浴潤滑条件下で、窒化けい素製ボールの表面が剥離するまでの転がり寿命（時間）を測定した。これらの測定結果を表２に示す。
【００８６】
なお、気孔率、最大気孔径、窒化チタンの分散粒子の粒径範囲、アスペクト比が１．０〜１．２の範囲の窒化チタン粒子が占める割合は、実施例１と同様に、任意の単位面積（１００×１００μｍ）として、表面１ヶ所、断面２ヶ所の合計３ヶ所の拡大写真を撮り、各単位面積当たりの測定結果の平均値により示した。破壊靭性値は上下面にポリッシュ加工を施して平面部を形成して測定した。
【００８７】
【表２】

【００８８】
表２に示す結果から明らかなように、実施例２のベアリングボール用窒化けい素製耐摩耗性部材は圧砕荷重、破壊靭性、転がり寿命とも優れた特性を示すことが判明した。また、窒化チタン粒子同士の凝集も見られず、粒界相はＳｉ−Ｙ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ化合物により形成されていた。さらに、粒界相中に窒化チタンは固溶していなかった。これに対し、比較例６、比較例７、比較例８、比較例９、比較例１０はいずれも実施例２より特性が劣っている。これは比較例１〜５と同様な理由によるものである。
【００８９】
このように、本発明の窒化けい素製耐摩耗性部材は、ベアリングボールのような球状の形状を有するものに対しても有効であることが実証された。なお、実施例１および実施例２において、例えば破壊靭性値などの同一の測定項目について、測定値に若干の差が生じているが、これは焼結体の形状の違いによるものである。
【００９０】
（実施例３〜２５および比較例１１〜１９）
実施例３〜２５として、実施例１で使用した窒化けい素原料粉末、Ｙ_２Ｏ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末、ＡｌＮ粉末、ＴｉＯ_２粉末、さらに表３に示す平均粒子径が０．９〜１．０μｍの各種希土類酸化物粉末、平均粒子径が０．５μｍのＭｇＯ粉末、平均粒子径が０．０５〜０．０８μｍの各種チタン化合物粉末を、それぞれ表３に示す組成比となるように調合して原料混合物を調製した。ＴｉＯ_２粉末および各種チタン化合物粉末は、窒化チタンに換算した質量で示している。また、これらは湿式混合中３０分毎に３回に分けて添加、混合した。
【００９１】
次に、得られた各原料混合物を実施例１と同一条件で成形および脱脂処理した後、０．０１ＭＰａの窒素ガス雰囲気中にて表３に示す条件で熱処理（保持処理）し、さらに表３に示す条件で焼結およびＨＩＰ処理を施して、それぞれ実施例３〜２５に係る窒化けい素焼結体を作製した。
【００９２】
一方、比較例１１として、焼結する際に１３００〜１４５０℃の温度による途中保持を実施しないで焼結する以外は、実施例１と同一条件で窒化けい素焼結体を作製した。さらに、表３に示すように比較例１２〜１９として、Ｙ_２Ｏ_３粉末を過少に添加した原料混合物（比較例１２）、Ｙ_２Ｏ_３粉末を過量に添加した原料混合物（比較例１３）、ＴｉＯ_２粉末を過少に添加した原料混合物（比較例１４）、ＴｉＯ_２粉末を過量に添加した原料混合物（比較例１５）、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を添加しない原料混合物（比較例１６）、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を過量に添加した原料混合物（比較例１７）、ＡｌＮを過量に添加した原料混合物（比較例１８）、ＭｇＯを過量に添加した原料混合物（比較例１９）をそれぞれ調製した。
【００９３】
次に、得られた各原料混合物を実施例１と同一条件で成形および脱脂処理した後、０．０１ＭＰａの窒素ガス雰囲気中にて１４００℃×１時間の条件で保持した後、表３に示す各条件で焼結およびＨＩＰ処理を行って、それぞれ比較例１２〜１９に係る窒化けい素焼結体を作製した。
【００９４】
こうして得られた実施例３〜２５および比較例１１〜１９による各窒化けい素焼結体について、実施例１と同一条件で気孔率、最大気孔径、窒化チタンの分散粒子の粒径範囲、アスペクト比が１．０〜１．２の範囲の窒化チタン粒子が占める割合、室温での３点曲げ強度、破壊靭性値、ボールオンディスク法による摩耗体積、およびスラスト型軸受試験機（スラスト型転がり摩耗試験装置）を用いて繰り返し転がり寿命を測定した。これらの測定結果をそれぞれ表３に示す。
【００９５】
【表３】

【００９６】
表３に示す結果から明らかなように、本発明の実施例に係る窒化けい素焼結体は、いずれも優れた特性を有していることが判明した。なお表中には示していないが、粒界相はいずれもＳｉ−Ｒ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ化合物から形成されていた。ＭｇＯを添加した実施例では、粒界相はＳｉ−Ｒ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｏ−Ｎ化合物で形成されていた。また、いずれも窒化チタン粒子の凝集および固溶は確認されず、単独粒子で分散していた。
【００９７】
なお、予め窒化チタン粉末を添加した実施例１７では、チタン化合物の窒化反応が行われないために、原料粉末の粒径に影響を受けることが確認された。このため、チタン化合物として窒化チタンを用いる場合には、予め長軸径を０．１μｍ以下に制御したものを用いることが好ましいことが判明した。
【００９８】
また各実施例の窒化けい素焼結体は、いずれも繰り返し転がり寿命が１×１０^８回以上と優れていることが確認できた。さらに、ボールオンディスク法による相手金属部材の摩耗量が１０×１０^−１２ｍ^３以下と非常に少なく優れた摩耗特性を示すことも判明した。また、破壊靭性値は６．６ＭＰａ・ｍ^１／２以上と高く、３点曲げ強度についても１０５０ＭＰａ以上と高強度のものが得られている。それに対して、各比較例の窒化けい素焼結体はいずれも本発明の窒化けい素焼結体より特性が劣っている。
【００９９】
（実施例２６〜４８および比較例２０〜２８）
実施例３〜２５と同様の原料混合物を用いると共に、実施例３〜２５と同一条件で熱処理、焼結およびＨＩＰ処理を行う以外は実施例２と同様にして、実施例２６〜４８に係わるベアリングボール用窒化けい素焼結体を作製した。
【０１００】
一方、比較例２０〜２８についても、比較例７〜１５と同様の原料混合物を用いると共に、比較例７〜１５と同一条件で熱処理（比較例１６は途中保持処理を実施しない）、焼結およびＨＩＰ処理を行う以外は実施例２と同様にして、ベアリングボール用窒化けい素焼結体を作製した。
【０１０１】
こうして得た実施例２６〜４８および比較例２０〜２８に係る各窒化けい素製ボールについて、実施例２と同一条件で、気孔率、最大気孔径、窒化チタンの分散粒子の粒径範囲、アスペクト比が１．０〜１．２の範囲の窒化チタン粒子が占める割合、圧砕強度、破壊靭性値、および転がり寿命を測定した。それらの結果を下記表４に示す。
【０１０２】
【表４】

【０１０３】
上記表４に示す結果から明らかなように、本発明の実施例に係るベアリングボールはいずれも優れた特性を示すことが確認された。なお表中には示していないが、粒界相はいずれもＳｉ−希土類元素−Ａｌ−Ｏ−Ｎ化合物から形成されていた。ＭｇＯを添加した実施例では、粒界相はＳｉ−希土類元素−Ａｌ−Ｍｇ−Ｏ−Ｎ化合物で形成されていた。いずれも窒化チタン粒子の凝集および固溶は確認されず、窒化チタン粒子は単独粒子の状態で分散していた。
【０１０４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る耐摩耗性部材によれば、窒化けい素焼結体中に所定量の窒化チタン粒子を分散させると共に、その長軸径を０．１μｍ以下に制御しているため、耐摩耗性部材に求められる強度、破壊靭性、転がり寿命などの優れた特性に加え、特にボールオンディスク法による摩耗試験において相手金属部材の摩耗量が非常に少なく、相手金属部材の耐摩耗特性を高めることが可能となる。また、窒化チタン粒子を角の無い丸みを帯びた球状粒子とすることで、転がり寿命などの摺動特性を大幅に向上させることができる。このような本発明の窒化けい素製耐摩耗性部材は種々の用途に有効である。特に、転がり寿命に優れることから、ベアリングボールのように全面を摺動面とする耐摩耗性部材に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る耐摩耗性部材の摩耗特性を測定するためのボールオンディスク法による摩耗試験機の構成を示す斜視図。
【図２】図１に示す摩耗試験機を用いた摩耗試験後において、各試料の摩耗部および摩耗体積の計算式を示す図。
【図３】本発明に係る耐摩耗性部材の転がり寿命特性を測定するためのスラスト型転がり摩耗試験装置の構成を示す断面図。
【符号の説明】
１　ボールオンディスク摩耗試験機
２　球状試験片
３　円板状試験片
４　球ホルダー
１０　スラスト型転がり摩耗試験装置
１１　装置本体
１２　耐摩耗性部材
１３　転動鋼球
１４　ガイド板
１５　駆動回転軸
１６　保持器
１７　潤滑油
１８　転動ボール
１９　軸受鋼板

Claims

窒化けい素を７５〜９７質量％、長軸径が０．１μｍ以下の窒化チタン粒子を０．２〜５質量％、およびＳｉ−Ｒ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ化合物（ただし、Ｒは希土類元素である）を主として含む粒界相を２〜２０質量％の範囲で含有する窒化けい素焼結体から成ることを特徴とする耐摩耗性部材。
請求項１記載の耐摩耗性部材において、前記窒化チタン粒子は、前記窒化けい素焼結体中に単独で粒子分散していることを特徴とする耐摩耗性部材。
請求項１記載の耐摩耗性部材において、前記窒化チタンは、前記窒化けい素および前記粒界相に固溶していないことを特徴とする耐摩耗性部材。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の耐摩耗性部材において、前記窒化チタン粒子は、前記粒界相中に分散していることを特徴とする耐摩耗性部材。
請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の耐摩耗性部材において、前記窒化チタン粒子は、アスペクト比が１．０〜１．２の範囲の粒子を８０質量％以上含むことを特徴とする耐摩耗性部材。
請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の耐摩耗性部材において、前記窒化チタン粒子は、丸みを帯びた形状を有することを特徴とする耐摩耗性部材。
請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の耐摩耗性部材において、前記窒化けい素焼結体は、気孔率が０．５％以下であり、かつ最大気孔径が２μｍ以下であることを特徴とする耐摩耗性部材。
請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の耐摩耗性部材において、前記窒化けい素焼結体は、３点曲げ強度が１０００ＭＰａ以上であり、かつ破壊靭性値が６．５ＭＰａ・ｍ^１／２以上であることを特徴とする耐摩耗性部材。
請求項１ないし請求項８のいずれか１項記載の耐摩耗性部材において、スラスト型軸受試験機を用いて、相手材がＪＩＳ　Ｇ−４８０５で規定するＳＵＪ２鋼球、荷重３９．２ＭＰａ、回転数１２００ｒｐｍの条件下で、前記耐摩耗性部材の表面が剥離するまでの転がり寿命を測定したとき、前記耐摩耗性部材は繰り返し回数で１×１０^８回以上の転がり寿命を有することを特徴とする耐摩耗性部材。
請求項１ないし請求項８のいずれか１項記載の耐摩耗性部材において、ＪＩＳ　Ｒ−１６１３で規定するボールオンディスク型摩耗試験機において、相手材がＪＩＳ　Ｇ−４８０５で規定するＳＵＪ２鋼球、荷重５Ｎ、回転半径３ｍｍ、回転速度０．１ｍ／ｓ、回転距離５００ｍの条件下で、ＳＵＪ２側の摩耗量が１０×１０^−１２ｍ^３以下であることを特徴とする耐摩耗性部材。
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項記載の耐摩耗性部材において、前記耐摩耗性部材は転動ボール材を構成することを特徴とする耐摩耗性部材。
請求項１１記載の耐摩耗性部材において、前記転動ボール材は、圧砕強度が２００ＭＰａ以上であり、かつ破壊靭性値が６．５ＭＰａ・ｍ^１／２以上であることを特徴とする耐摩耗性部材。
請求項１１記載の耐摩耗性部材において、スラスト型軸受試験機を用いて、相手材がＪＩＳ　Ｇ−４８０５で規定するＳＵＪ２鋼板、一球当りの最大接触応力５．９ＧＰａ、回転数１２００ｒｐｍの条件下で、前記転動ボール材の表面が剥離するまでの転がり寿命を測定したとき、前記転動ボール材は４００時間以上の転がり寿命を有することを特徴とする耐摩耗性部材。
請求項１ないし請求項１３のいずれか１項記載の耐摩耗性部材において、前記粒界相は、希土類元素を酸化物に換算して０．５〜１０質量％、酸化アルミニウムを０．１〜５質量％、窒化アルミニウムを５質量％以下の範囲で含むことを特徴とする耐摩耗性部材。
請求項１ないし請求項１４のいずれか１項記載の耐摩耗性部材において、前記窒化けい素焼結体は、マグネシウム、ジルコニウム、ハフニウムおよびタングステンから選ばれる少なくとも１種の化合物を酸化物に換算して０．１〜５質量％の範囲で含有することを特徴とする耐摩耗性部材。
請求項１ないし請求項１５のいずれか１項記載の耐摩耗性部材において、前記耐摩耗性部材は転がり軸受部材であることを特徴とする耐摩耗性部材。
窒化けい素焼結体から成る耐摩耗性部材の製造方法であって、
酸素含有量が１．７質量％以下で、α相型窒化けい素を９０質量％以上含有し、平均粒子径が１．０μｍ以下の窒化けい素粉末に、希土類化合物を酸化物に換算して０．５〜１０質量％、平均粒子径が０．１μｍ以下の窒化チタンまたは焼成により窒化チタンとなるチタン化合物を窒化チタンに換算して０．１〜５質量％、酸化アルミニウムを０．１〜５質量％、および窒化アルミニウムを５質量％以下の範囲で添加して原料混合物を調製する工程と、
前記原料混合物を所望の形状に成形する工程と、
前記成形工程により得られた成形体を脱脂した後、１３００〜１４５０℃の範囲の温度で熱処理する工程と、
前記熱処理工程を経た成形体を１６００〜１９００℃の温度で焼結し、得られた窒化けい素焼結体を耐磨耗部材に加工する工程とを有することを特徴とする耐摩耗性部材の製造方法。
請求項１７記載の耐摩耗性部材の製造方法において、
前記窒化けい素粉末に、前記窒化チタンまたは焼成により窒化チタンとなるチタン化合物を複数回に分けて添加し、混合することを特徴とする耐摩耗性部材の製造方法。
請求項１７または請求項１８記載の耐摩耗性部材の製造方法において、前記原料混合物は、平均粒子径が０．１μｍ以下の酸化チタン粉末を窒化チタンに換算して０．１〜５質量％の範囲で含むことを特徴とする耐摩耗性部材の製造方法。
請求項１７ないし請求項１９のいずれか１項記載の耐摩耗性部材の製造方法において、さらに、前記焼結工程により得られた前記窒化けい素焼結体に、３０ＭＰａ気圧以上の非酸化性雰囲気下にて１６００〜１８５０℃の温度で熱間静水圧加圧（ＨＩＰ）処理を施す工程を具備することを特徴とする耐摩耗性部材の製造方法。