JP2021031353A - 窒化珪素質焼結体、ベアリングボール、およびベアリング - Google Patents
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Abstract
【課題】窒化珪素質焼結体のＦｅ含有粒子を確保した上でＦｅ含有粒子の脱粒を抑制し、窒化珪素質焼結体の高温強度の低下を抑制する。【解決手段】主成分として窒化珪素を含有する窒化珪素質焼結体は、β相型の窒化珪素粒子と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、およびＣｒからなる特定元素群より選択される１種類以上の特定元素と、Ｆｅと、を含むＦｅ含有粒子と、少なくとも１種類の希土類元素、Ａｌ、Ｓｉ、およびＯを含む粒界相と、を有し、窒化珪素質焼結体の断面を観察したときに、Ｆｅ含有粒子が占める面積は全体の５％以下であり、かつ、Ｆｅ含有粒子の最大粒径は５μｍ以下であり、Ｆｅを２０００ｐｐｍ以上７０００ｐｐｍ以下含有し、Ｆｅ含有粒子の粒径をＲとし、Ｆｅ含有粒子中におけるＦｅと特定元素との含有率の合計に対するＦｅの含有率の割合をＸとしたときに、０＜Ｒ×Ｘ≦１．０×１０-7（ｍ）を満たす。【選択図】図４
Description
本発明は、窒化珪素質焼結体、ベアリングボール、およびベアリングに関する。
ベアリングボールに用いられる窒化珪素質焼結体が知られている（例えば、特許文献１参照）。窒化珪素質焼結体をベアリングボールとして用いたベアリング（窒化珪素質ベアリング）は、軸受鋼製ベアリングと比較して軽量である。また、窒化珪素質ベアリングは、高強度、耐熱性、耐摩耗性、絶縁性、および低熱膨張といった特性を有し、高速回転でのベアリングボールと金属との耐焼き付き性に優れる。そのため、窒化珪素質ベアリングは、工作機械用スピンドルモータ、ファンモータ、および風力発電用発電機等に広く採用されている。特許文献１には、Ｆｅを３０００ｐｐｍ程度含む窒化珪素球が記載されている。
特許文献１に記載された窒化珪素質焼結体に含まれるＦｅは、原料粉末に含まれる不純物としてのＦｅ粒子に由来している。不純物としてＦｅが原料粉末に３０００ｐｐｍ程度存在すると、Ｆｅ粒子の粒子径が大きいため、焼結後の窒化珪素質焼結体に含まれるＦｅ含有粒子も大きくなる。この場合、Ｆｅ含有粒子が脱粒しやすいことから、当該窒化珪素質焼結体をベアリングボールとして用いた場合の寿命は劣る。
一方、原料粉末に含まれる不純物としてのＦｅ粒子を減らすことで、焼結後に得られる窒化珪素質焼結体に含まれるＦｅ含有粒子は小さくなる。これらの窒化珪素質焼結体をベアリングボールとして用いると、寿命特性が良好になる。ただし、この場合には、窒化珪素質焼結体のＦｅ含有粒子が減ることにより、ベアリングボールの高温強度が低下するおそれがある。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、窒化珪素質焼結体のＦｅ含有粒子を確保した上でＦｅ含有粒子の脱粒を抑制し、窒化珪素質焼結体の高温強度の低下を抑制することを目的とする。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現できる。
（１）本発明の一形態によれば、主成分として窒化珪素を含有する窒化珪素質焼結体が提供される。この窒化珪素質焼結体は、β相型の窒化珪素粒子と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、およびＣｒからなる特定元素群より選択される１種類以上の特定元素と、Ｆｅと、を含むＦｅ含有粒子と、少なくとも１種類の希土類元素、Ａｌ、Ｓｉ、およびＯを含む粒界相と、を有し、前記窒化珪素質焼結体の断面を観察したときに、前記Ｆｅ含有粒子が占める面積は全体の５％以下であり、かつ、前記Ｆｅ含有粒子の最大粒径は５μｍ以下であり、前記Ｆｅを２０００ｐｐｍ以上７０００ｐｐｍ以下含有し、前記Ｆｅ含有粒子の粒径をＲとし、前記Ｆｅ含有粒子中における前記Ｆｅと前記特定元素との含有率の合計に対する前記Ｆｅの含有率の割合をＸとしたときに、
０＜Ｒ×Ｘ≦１．０×１０-7（ｍ）
を満たす。
０＜Ｒ×Ｘ≦１．０×１０-7（ｍ）
を満たす。
この構成によれば、窒化珪素質焼結体に含まれるＦｅ含有粒子は、窒化珪素質焼結体の断面を観察したときに、断面全体の面積に対して５％以下の割合を占める。さらに、断面に存在するＦｅ含有粒子の最大粒径は、５μｍ以下である。そのため、断面には、５μｍの粒径を超える粗大なＦｅ含有粒子が存在しない。これにより、Ｆｅ含有粒子が脱粒しにくく、窒化珪素質焼結体をベアリングボールとして用いた場合には、転がり寿命が改善して、良好な寿命特性を得ることができる。また、窒化珪素質焼結体中のＦｅは、２０００ｐｐｍ以上７０００ｐｐｍ以下である。すなわち、窒化珪素質焼結体は、一定以上のＦｅを含むため、高温強度の低下を抑制できる。また、本構成によれば、Ｆｅ含有粒子の粒径Ｒと、含有率の割合Ｘとの積は、０よりも大きく１．０×１０-7ｍよりも小さい。そのため、Ｆｅの含有率の割合が例えば大きい値であっても、断面における粒子の最大粒径の粗大化を抑制できる。これにより、窒化珪素質焼結体のＦｅ含有粒子を確保した上でＦｅ含有粒子の脱粒を抑制し、窒化珪素質焼結体の高温強度の低下を抑制できる。
（２）上記態様の窒化珪素質焼結体において、前記断面に含まれる前記窒化珪素粒子の最大径は、１０μｍ以下であり、前記断面に含まれる前記窒化珪素粒子のアスペクト比は、１０以下であってもよい。
この構成によれば、観察される断面において、アスペクト比が１０を超える針状の窒化珪素粒子が含まれず、かつ、針状の窒化珪素粒子の最大径が１０μｍ以下である。この状態は、窒化珪素粒子が過度には発達していない状態を表している。これにより、発達し過ぎた窒化珪素粒子に伴って増加するポアの数を抑制でき、例えばベアリングボールとして窒化珪素質焼結体を用いた場合の転がり寿命が良好になる。
この構成によれば、観察される断面において、アスペクト比が１０を超える針状の窒化珪素粒子が含まれず、かつ、針状の窒化珪素粒子の最大径が１０μｍ以下である。この状態は、窒化珪素粒子が過度には発達していない状態を表している。これにより、発達し過ぎた窒化珪素粒子に伴って増加するポアの数を抑制でき、例えばベアリングボールとして窒化珪素質焼結体を用いた場合の転がり寿命が良好になる。
（３）上記態様の窒化珪素質焼結体において、前記断面において、前記粒界相が占める面積は全体の１５％以下であってもよい。
この構成によれば、窒化珪素粒子よりも脆弱な粒界相が全体に占める割合が１５％以下に抑制されるため、例えばベアリングボールとして窒化珪素質焼結体を用いた場合の転がり寿命が良好になる。
この構成によれば、窒化珪素粒子よりも脆弱な粒界相が全体に占める割合が１５％以下に抑制されるため、例えばベアリングボールとして窒化珪素質焼結体を用いた場合の転がり寿命が良好になる。
（４）本発明の他の一形態によれば、上記記載の窒化珪素質焼結体によって形成されたベアリングボールを備える。
（５）本発明の他の一形態によれば、上記記載のベアリングボールと、該ベアリングボールを挟持する内輪及び外輪と、を備える。
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、窒化珪素質焼結体、摺動部材、耐摩耗性部材、ベアリングボール、ベアリング、およびこれらを備える部品、および窒化珪素質焼結体の製造方法等の形態で実現することができる。
＜実施形態＞
図１および図２は、本発明の実施形態としての窒化珪素質焼結体１０の断面における画像処理後の断面画像ＩＭ１，ＩＭ２の一例である。本実施形態の窒化珪素質焼結体１０は、β相型の窒化珪素粒子１と、Ｗ（タングステン）などの１種類以上の特定元素およびＦｅ（鉄）を含むＦｅ含有粒子２と、少なくとも１種類の希土類元素、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（珪素）、およびＯ（酸素）を含む粒界相３と、を有する。Ｆｅ含有粒子２に含まれる特定元素は、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｗ、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）、およびＣｒ（クロム）からなる特定元素群から任意に選択される元素である。窒化珪素質焼結体１０が含有しているＦｅの割合は、２０００ｐｐｍ以上７０００ｐｐｍ以下である。
図１および図２は、本発明の実施形態としての窒化珪素質焼結体１０の断面における画像処理後の断面画像ＩＭ１，ＩＭ２の一例である。本実施形態の窒化珪素質焼結体１０は、β相型の窒化珪素粒子１と、Ｗ（タングステン）などの１種類以上の特定元素およびＦｅ（鉄）を含むＦｅ含有粒子２と、少なくとも１種類の希土類元素、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（珪素）、およびＯ（酸素）を含む粒界相３と、を有する。Ｆｅ含有粒子２に含まれる特定元素は、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｗ、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）、およびＣｒ（クロム）からなる特定元素群から任意に選択される元素である。窒化珪素質焼結体１０が含有しているＦｅの割合は、２０００ｐｐｍ以上７０００ｐｐｍ以下である。
図１に示される断面画像ＩＭ１は、球状の窒化珪素質焼結体１０を切断し、切断面を鏡面研磨した後にＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）で５０００倍にて観察した場合の画像である。ただし、窒化珪素質焼結体１０の構造を明確にするための画像処理がなされている。断面画像ＩＭ１は、窒化珪素質焼結体１０が有するβ相型の窒化珪素粒子１について観察する場合の画像である。図２に示される断面画像ＩＭ２は、窒化珪素質焼結体１０を切断し、切断面を鏡面研磨した後にＳＥＭで観察した場合の画像である。ただし、窒化珪素質焼結体１０の構造を明確にするための画像処理がなされている。窒化珪素質焼結体１０が有するＦｅ含有粒子２と、粒界相３とについて観察する場合の画像である。
図１の断面画像ＩＭ１の大部分は、大小様々な窒化珪素粒子１によって占められている。断面画像ＩＭ１における窒化珪素粒子１以外の部分は、Ｆｅ含有粒子２、粒界相３、および空洞（ポア：pore）である。図１に示されるように、複数の窒化珪素粒子１の内の１つである窒化珪素粒子１Ａは、長径ＬＡａ，短径ＬＡｂを有する針状の粒子である。本実施形態では、各窒化珪素粒子１の長径Ｌａの最大値が１０μｍ以下になるように、窒化珪素質焼結体１０が製造されている。また、各窒化珪素粒子１において長径Ｌａを短径Ｌｂで除したアスペクト比の最大値が１０以下になるように、窒化珪素質焼結体１０が製造されている。本実施形態では、得られた断面画像ＩＭ１，ＩＭ２が画像処理ソフト（例えば、ｗｉｎｒｏｏｆ）で解析されることにより、複数の窒化珪素粒子１の内の最大長径および最大のアスペクトが計測されている。製造方法については後述する。
図２の断面画像ＩＭ２は、白抜きで表されたＦｅ含有粒子２の内の最大粒径を有する最大のＦｅ含有粒子２Ａと、グレーで表された粒界相３と、最も濃い黒色で表された窒化珪素粒子１とを含んでいる。本実施形態では、観察断面において、Ｆｅ含有粒子２が占める面積が断面全体の５％以下、かつ、Ｆｅ含有粒子２の最大粒径が５μｍ以下になるように、窒化珪素質焼結体１０が製造されている。また、粒界相３が占める面積は、断面全体の１５％以下である。
窒化珪素質焼結体１０では、観察断面においてＦｅ含有粒子２の内の最も大きいＦｅ含有粒子２Ａの粒径をＲとする。この場合に、Ｆｅ含有粒子２中におけるＦｅと特定元素Ａとの含有率の合計に対するＦｅの含有率の割合をＸとしたときに、割合Ｘは、下記式（１）のように表される。
Ｘ＝ＱFe／（ＱFe＋ＱA）・・・（１）
ＱFe：Ｆｅ含有粒子２中のＦｅのｗｔ％
ＱA：Ｆｅ含有粒子２中の特定元素Ａのｗｔ％
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体１０では、粒径Ｒと割合Ｘとの積について下記式（２）が成立している。
０＜Ｒ×Ｘ≦１．０×１０-7（ｍ）・・・（２）
なお、本実施形態では、窒化珪素質焼結体１０を切断し、鏡面研磨した後にＳＥＭにて任意の９箇所を５０００倍にて画像を取得し、それぞれから最も大きいＦｅ含有粒子２を選び、選ばれた９つのＦｅ含有粒子２に対してＥＤＳ（Energy dispersive X-ray spectrometry）測定により、Ｆｅの含有率および特定元素Ａの含有率を計測している。計測された各含有率から割合Ｘが算出される。また、粒径Ｒは、画像処理ソフトで解析されることにより計測される、各９つの断面画像に含まれる９つの最大の粒径の平均値である。
Ｘ＝ＱFe／（ＱFe＋ＱA）・・・（１）
ＱFe：Ｆｅ含有粒子２中のＦｅのｗｔ％
ＱA：Ｆｅ含有粒子２中の特定元素Ａのｗｔ％
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体１０では、粒径Ｒと割合Ｘとの積について下記式（２）が成立している。
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なお、本実施形態では、窒化珪素質焼結体１０を切断し、鏡面研磨した後にＳＥＭにて任意の９箇所を５０００倍にて画像を取得し、それぞれから最も大きいＦｅ含有粒子２を選び、選ばれた９つのＦｅ含有粒子２に対してＥＤＳ（Energy dispersive X-ray spectrometry）測定により、Ｆｅの含有率および特定元素Ａの含有率を計測している。計測された各含有率から割合Ｘが算出される。また、粒径Ｒは、画像処理ソフトで解析されることにより計測される、各９つの断面画像に含まれる９つの最大の粒径の平均値である。
図３は、窒化珪素質焼結体１０の製造方法のフローチャートの一例である。図３に示されるように、この製造方法のフローチャート（以下、単に「製造フロー」とも言う）では、初めに、窒化珪素質焼結体１０の材料が準備される（ステップＳ１）。窒化珪素質焼結体１０の材料は、窒化珪素粉末と、希土類元素を含む焼結助剤と、Ｗの酸化物と、を含んでいる。窒化珪素粉末として、α化率が７０％以上、平均粒径が３μｍ以下、不純物のＦｅ含有量が２０ｐｐｍである高純度な粉末が用いられた。焼結助剤は、希土類酸化物または希土類水酸化物と、アルミニウム源としての酸化アルミニウムとである。Ｗの酸化物は、製造フローにおける焼結性向上および色むら防止を行う。なお、他の実施形態では、Ｗの酸化物の代わりに、Ｗの窒化物、Ｗのケイ化物、およびＷの炭化物が用いられてもよい。ステップＳ１では、上記の材料が、それぞれ所定量に秤量されて、エタノールと共にボールミルに投入される。
ステップＳ１の処理後に、ボールミルに投入された材料に、所定の添加量の硝酸鉄溶液が加えられて、これら材料は、所定時間（例えば２０時間）、粉砕混合される（ステップＳ２）。硝酸鉄溶液は、ボールミル内の材料にＦｅを含有させるためのＦｅイオン溶液である。本実施形態では、製造された窒化珪素質焼結体１０に含まれるＦｅ含有量が３０００ｐｐｍになる量の硝酸鉄溶液が加えられる。ステップＳ２の処理によって得られたスラリーを湯煎乾燥させて粉末を得る。得られた粉末を篩に通して造粒粉末とする。造粒粉末は、金型プレスによりφ１０ｍｍボール形状および５０ｍｍ×１０ｍｍの任意の厚さを有する平板状に仮成形された後、ＣＩＰ（Cold Isostatic Pressing）にて本成形される（ステップＳ３）。成形圧力は、例えば１５０ＭＰａである。
本成形後の成形体は、高温下で焼成される（ステップＳ４）。焼成時の成形体は、炉内で室温から摂氏１４００度（℃）まで真空（１Ｐａ以下）にて昇温された後、２時間保持される。その後、炉内の雰囲気は、窒素などの非酸化性ガスを用いて０．３〜０．９ＭＰａになるように加圧された後、昇温される。成形体は、昇温後の温度は１６５０〜１９００℃内の任意の温度を保ったままで、４時間保持され、製造フローが終了する。
図３の製造フローにより得られたボール形状の窒化珪素質焼結体１０に対して、図１，２で示される断面画像ＩＭ１，ＩＭ２の観察が行われる。平板状の窒化珪素質焼結体１０は、鏡面に研磨加工された後、寿命試験のサンプルとして用いられる。本実施形態の寿命試験の条件は、サンプルの上に軸受用の玉３個（軸受鋼ＳＵＪ２製、φ９．５２５ｍｍ）と保持器とを組み合わせた状態で、５００ｋｇｆの加重を加えて、油中で軸受用の各玉を１０００ｒｐｍで回転させる。本実施形態の評価基準として、３００時間試験経過後のサンプルに剥離がない場合を合格（○）とし、３００時間試験経過後のサンプルに剥離がある場合に不合格（×）とした。
図４は、実施例１〜２４および比較例１〜４の各サンプルについての試験結果を示す一覧表である。図４には、各サンプルを構成するＦｅ含有粒子２の各パラメータ、窒化珪素粒子１の各パラメータ、および粒界相３の各パラメータが示されている。例えば、図４に示されたパラメータとして、Ｆｅ含有粒子２が断面全体に占める面積比（％）、粒界相３が含む希土類元素の種類、窒化珪素質焼結体１０の製造時にＦｅの添加量を調整するＦｅ添加方法、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）の質量パーセント（ｗｔ％）、焼結助剤としての希土類および酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）のｗｔ％、焼結性向上等のために添加されるＷなどの酸化物などのその他の種類およびｗｔ％、製造フローで粉砕混合する調合時間、および製造フローでの焼成における焼成条件が示されている。これらのパラメータの中で、比較例１のＦｅ添加方法における「粉末」とは、イオン溶液の代わりにＦｅ粉末を用いたことを示している。また、比較例４のＦｅ添加方法における「原料不純物」とは、材料である窒化珪素粉末に含まれる不純物としてのＦｅ含有量を多く含んだ材料を用いたことを示している。比較例４では、材料である窒化珪素粉末は、不純物として１２０００ｐｐｍのＦｅを含んでいる。
図４に示されるように、実施例１と実施例２とでは、製造フローにおける調合時間のみが異なる。実施例３，４では、実施例１に対して焼成条件が異なっている。その結果、実施例１〜４では、Ｆｅ含有粒子２、窒化珪素粒子１、および粒界相３の各パラメータが異なっている。一方で、実施例１〜４の各パラメータでは、Ｆｅの含有率が３０００ｐｐｍ（２０００ｐｐｍ以上７０００ｐｐｍ以下）であり、Ｆｅ含有粒子２が占める面積比が５％以下であり、Ｆｅ含有粒子２の最大の粒径Ｒが５μｍ以下であり、粒径Ｒと割合Ｘとの積が１．０×１０-7以下である。そのため、実施例１〜４の寿命試験結果は、いずれも合格である。
一方で、比較例１では、実施例１と比較して、Ｆｅ添加方法が異なり、かつ、調合時間が短い。その結果、比較例１では、粒径Ｒが５．５μｍ（＞５．０μｍ）であり、粒径Ｒと割合Ｘとの積が１．１×１０-7（＞１．０×１０-7）であり、窒化珪素粒子１の長径が１２μｍ（＞１０μｍ）である。比較例２では、焼成条件の焼成温度が実施例１よりも短い。その結果、比較例２では、粒径Ｒが５．７μｍ（＞５．０μｍ）であり、粒径Ｒと割合Ｘとの積が１．７１×１０-7（＞１．０×１０-7）である。比較例３では、実施例１と比較して、材料である窒化珪素粉末のｗｔ％が実施例１よりも小さくなると共にその他のＷＯ3のｗｔ％が大きくなり、かつ、調合時間が短い。その結果、比較例３では、Ｆｅ含有粒子２の面積比が５．８％（＞５％））である。そのため、比較例１〜３の寿命試験結果は、いずれも不合格である。
実施例５，６では、窒化珪素質焼結体１０に含まれる希土類元素が、実施例１のＬａ2Ｏ3と異なる。実施例５に含まれる希土類元素はＹであり、実施例６に含まれる希土類元素はＹｂである。実施例７〜１３では、窒化珪素質焼結体１０に含まれる特定元素Ａが、実施例１のＷと異なる。実施例７〜１３の窒化珪素質焼結体１０に含まれる特定元素Ａのそれぞれは、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｖ，Ｃｒである。実施例１４，１５では、実施例１と比較して、材料の窒化珪素粉末のｗｔ％が第１実施例よりも小さい。その代わり、実施例１４では、希土類元素の酸化物、Ａｌ2Ｏ3、およびその他のｗｔ％が増えている。また、実施例１５では、Ａｌ2Ｏ3およびその他のｗｔ％が増えている。その結果、窒化珪素質焼結体１０中における窒化珪素粒子１のアスペクト比が実施例１よりも小さくなっている。その結果、実施例５〜１５の各パラメータでは、Ｆｅの含有率が３０００ｐｐｍ（２０００ｐｐｍ以上７０００ｐｐｍ以下）であり、Ｆｅ含有粒子２が占める面積比が５％以下であり、Ｆｅ含有粒子２の最大の粒径Ｒが５μｍ以下であり、粒径Ｒと割合Ｘとの積が１．０×１０-7以下である。そのため、実施例５〜１５の寿命試験結果は、いずれも合格である。
比較例４では、実施例１と比較して、Ｆｅ添加方法が異なる。その結果、窒化珪素質焼結体１０に含まれるＦｅの含有量が１２０００ｐｐｍ（＞７０００ｐｐｍ）であり、寿命試験結果が不合格である。
実施例１８〜２２では、実施例１と比較して、Ｆｅ含有率およびＦｅ添加方法が同じで、製造フローにおける材料の組成、調合時間、および焼成条件の少なくとも１つが異なっている。実施例１８では、実施例１と比較して、Ｓｉ3Ｎ4のｗｔ％が減り、その他のｗｔ％が増えている。実施例１９では、実施例１と比較して、調合時間が１０ｈと短くなっている。実施例２０では、実施例１と比較して、Ｓｉ3Ｎ4のｗｔ％が増え、Ａｌ2Ｏ3のｗｔ％が減り、焼成条件の焼成温度が１９００℃と高くなっている。実施例２１では、実施例１と比較して、調合時間が１５ｈと短く、焼成条件の焼成温度が１９００℃と高くなっている。実施例２２の材料では、Ｓｉ3Ｎ4のｗｔ％が減り、希土類元素の酸化物のｗｔ％が増え、その他のｗｔ％が増えている。その結果、実施例１８〜２２の各パラメータでは、Ｆｅの含有率が２０００ｐｐｍ以上７０００ｐｐｍ以下であり、Ｆｅ含有粒子２が占める面積比が５％以下であり、Ｆｅ含有粒子２の最大の粒径Ｒが５μｍ以下であり、粒径Ｒと割合Ｘとの積が１．０×１０-7以下である。そのため、実施例１８〜２２の寿命試験結果は、いずれも合格である。
実施例２３，２４では、実施例１と比較して、Ｓｉ3Ｎ4のｗｔ％が減り、希土類元素の酸化物およびＡｌ2Ｏ3のｗｔ％が増え、調合時間が短い。実施例２３と実施例２４とでは、調合時間が異なる。その結果、実施例２３の各パラメータでは、Ｆｅの含有率が３０００ｐｐｍであり、Ｆｅ含有粒子２が占める面積比が２．２％であり、Ｆｅ含有粒子２の最大の粒径Ｒが３．６μｍであり、粒径Ｒと割合Ｘとの積が０．６４８×１０-7である。一方で、窒化珪素粒子１の長径が１０．５μｍ（＞１０μｍ）であり、粒界相３が切断面に占める面積（図４中の粒界相量）が１５．５％（＞１５％）である。実施例２４の各パラメータでは、Ｆｅの含有率が３０００ｐｐｍであり、Ｆｅ含有粒子２が占める面積比が２．１％であり、Ｆｅ含有粒子２の最大の粒径Ｒが３．２μｍであり、粒径Ｒと割合Ｘとの積が０．５７６×１０-7である。また、窒化珪素粒子１の長径が９．７μｍ（＜１０μｍ）であり、かつ、窒化珪素粒子１のアスペクト比が６．１（＜１０）である。一方で、粒界相３が切断面に占める面積が１５．４％（＞１５％）である。実施例２３，２４では、いずれもＦｅの含有率が２０００ｐｐｍ以上７０００ｐｐｍ以下であり、Ｆｅ含有粒子２が占める面積比が５％以下であり、Ｆｅ含有粒子２の最大の粒径Ｒが５μｍ以下であり、粒径Ｒと割合Ｘとの積が１．０×１０-7である。そのため、実施例２３，２４の寿命試験結果は、いずれも合格である。
図５は、窒化珪素質焼結体１０をベアリングボール２１として用いたベアリング２０の概略正面図である。図５に示されるように、ベアリング２０は、外輪２２と、内輪２３と、外輪２２と内輪２３との間に配置される１２個のベアリングボール２１とを備えている。各ベアリングボール２１は、本実施形態の窒化珪素質焼結体１０により構成されている。そのため、ベアリングボール２１は、良好な寿命特性を有し、かつ、高温強度の低下を抑制できる。
本実施例１〜２４の窒化珪素質焼結体１０は、β相型の窒化珪素粒子１と、特定元素ＡとＦｅとを含むＦｅ含有粒子２と、希土類元素を含む粒界相３とを有している。さらに、図４に示されるように、観察断面におけるＦｅ含有粒子２の最大の粒径Ｒが５μｍ以下である。すなわち、窒化珪素質焼結体１０の断面には、５μｍの粒径を超える粗大なＦｅ含有粒子２が存在しない。これにより、Ｆｅ含有粒子２が脱粒しにくく、窒化珪素質焼結体１０を例えばベアリングボール２１として用いた場合には、転がり寿命が改善して、良好な寿命特性を得ることができる。また、窒化珪素質焼結体１０に含まれるＦｅは、２０００ｐｐｍ以上７０００ｐｐｍ以下である。すなわち、窒化珪素質焼結体１０は、一定以上のＦｅを含むため、高温強度の低下を抑制できる。さらに、式（２）で表されるように、Ｆｅ含有粒子２の最大の粒径Ｒと、割合Ｘとの積は、０よりも大きく１．０×１０-7以下である。そのため、Ｆｅの含有率の割合が大きい値であっても断面におけるＦｅ含有粒子２の最大の粒径Ｒの粗大化を抑制できる。これにより、窒化珪素質焼結体１０のＦｅ含有粒子２を確保した上でＦｅ含有粒子２の脱粒を抑制し、窒化珪素質焼結体１０の高温強度の低下を抑制できる。
また、本実施例１〜２２，２４の窒化珪素質焼結体１０では、観察断面において、窒化珪素粒子１の最大の粒径Ｒは１０μｍ以下であり、窒化珪素粒子１のアスペクト比は１０以下である。この状態は、窒化珪素粒子１が過度な針状に発達していない状態を表している。これにより、発達し過ぎた窒化珪素粒子１に伴って増加するポアの数を抑制でき、ベアリングボール２１として窒化珪素質焼結体１０を用いた場合の転がり寿命が良好になる。
また、本実施例１〜２２の窒化珪素質焼結体１０の観察断面における粒界相３が占める面積は、観察断面全体の１５％以下である。そのため、窒化珪素粒子１よりも脆弱な粒界相３が全体に占める割合が抑制されるため、ベアリングボール２１として窒化珪素質焼結体１０を用いた場合の転がり寿命が良好になる。
＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
上記実施例１〜２４は、窒化珪素質焼結体１０の一例であり、Ｆｅの含有率が２０００ｐｐｍ以上７０００ｐｐｍ以下であり、窒化珪素質焼結体１０の切断面においてＦｅ含有粒子２が占める面積比が５％以下であり、Ｆｅ含有粒子２の最大の粒径Ｒが５μｍ以下であり、粒径Ｒと割合Ｘとの積が１．０×１０-7である範囲で、種々変形可能である。例えば、窒化珪素質焼結体１０が有する窒化珪素粒子１の断面における最大径が１０μｍを超えていてもよいし（例えば実施例２３）、窒化珪素粒子１のアスペクト比が１０を超えていてもよい。また、窒化珪素質焼結体１０の粒界相３が断面において占める面積比は、実施例２３，２４のように、１５％を超えていてもよい。
また、上記実施形態における窒化珪素質焼結体１０の製造フローは、一例であり、これ以外の製造方法によって窒化珪素質焼結体１０が製造されてもよい。例えば、窒化珪素質焼結体１０のＦｅ含有量を調整するために添加される硝酸鉄溶液の代わりに、比較例１および比較例４で用いられたＦｅ粉末および不純物としてのＦｅを多く含む原料粉末が用いられてもよい。この場合であっても、製造された窒化珪素質焼結体１０の各パラメータにおいて、Ｆｅの含有率が２０００ｐｐｍ以上７０００ｐｐｍ以下であり、Ｆｅ含有粒子２が占める面積比が５％以下であり、Ｆｅ含有粒子２の最大の粒径Ｒが５μｍ以下であり、粒径Ｒと割合Ｘとの積が１．０×１０-7以下であればよい。すなわち、窒化珪素質焼結体１０の各パラメータの条件を満たす範囲で、製造方法については種々変形可能である。
以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。
１，１Ａ…窒化珪素粒子
２，２Ａ…Ｆｅ含有粒子
３…粒界相
１０…窒化珪素質焼結体
ＩＭ１，ＩＭ２…断面画像
２０…ベアリング
２１…ベアリングボール
２２…外輪
２３…内輪
Ａ…特定元素
ＬＡａ，Ｌａ…長径
ＬＡｂ，Ｌｂ…短径
Ｒ…粒径
Ｘ…割合
２，２Ａ…Ｆｅ含有粒子
３…粒界相
１０…窒化珪素質焼結体
ＩＭ１，ＩＭ２…断面画像
２０…ベアリング
２１…ベアリングボール
２２…外輪
２３…内輪
Ａ…特定元素
ＬＡａ，Ｌａ…長径
ＬＡｂ，Ｌｂ…短径
Ｒ…粒径
Ｘ…割合
Claims (5)
- 主成分として窒化珪素を含有する窒化珪素質焼結体であって、
β相型の窒化珪素粒子と、
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、およびＣｒからなる特定元素群より選択される１種類以上の特定元素と、Ｆｅと、を含むＦｅ含有粒子と、
少なくとも１種類の希土類元素、Ａｌ、Ｓｉ、およびＯを含む粒界相と、
を有し、
前記窒化珪素質焼結体の断面を観察したときに、前記Ｆｅ含有粒子が占める面積は全体の５％以下であり、かつ、前記Ｆｅ含有粒子の最大粒径は５μｍ以下であり、
前記Ｆｅを２０００ｐｐｍ以上７０００ｐｐｍ以下含有し、
前記Ｆｅ含有粒子の粒径をＲとし、前記Ｆｅ含有粒子中における前記Ｆｅと前記特定元素との含有率の合計に対する前記Ｆｅの含有率の割合をＸとしたときに、
０＜Ｒ×Ｘ≦１．０×１０-7（ｍ）
を満たすことを特徴とする窒化珪素質焼結体。 - 請求項１に記載の窒化珪素質焼結体であって、
前記断面に含まれる前記窒化珪素粒子の最大径は、１０μｍ以下であり、
前記断面に含まれる前記窒化珪素粒子のアスペクト比は、１０以下であることを特徴とする窒化珪素質焼結体。 - 請求項１または請求項２に記載の窒化珪素質焼結体であって、
前記断面において、前記粒界相が占める面積は全体の１５％以下であることを特徴とする窒化珪素質焼結体。 - 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の窒化珪素質焼結体によって形成されたベアリングボール。
- 請求項４に記載のベアリングボールと、該ベアリングボールを挟持する内輪及び外輪と、を備えるベアリング。
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|---|---|---|---|---|
| WO2024162443A1 (ja) * | 2023-02-01 | 2024-08-08 | Ａｇｃ株式会社 | 窒化珪素質焼結体、ベアリング用転動体、窒化珪素質素球、及びベアリング |
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-
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