JP2755702B2

JP2755702B2 - 耐摩耗性部材

Info

Publication number: JP2755702B2
Application number: JP1195331A
Authority: JP
Inventors: 章子須山; 豊阿部; 通泰小松
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-07-27
Filing date: 1989-07-27
Publication date: 1998-05-25
Anticipated expiration: 2013-05-25
Also published as: US5098872A; EP0414383B1; EP0414383A3; DE69026773D1; EP0414383B2; KR950005502B1; JPH0360467A; KR910003134A; EP0414383A2; DE69026773T3; DE69026773T2

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は耐摩耗性部材に関し、特に転がり疲労特性に
優れ、転がり軸受用部材に好適な耐摩耗性部材に関す
る。

（従来の技術）窒化ケイ素セラミックスは、優れた耐熱性、耐食性、
耐摩耗性を有するため、苛酷な条件下で使用される産業
用機械部品に用いる材料として期待されており、ベアリ
ングの転動体であるボールやローラの材質として窒化ケ
イ素セラミックス部材の適用が試みられている。

ところで、窒化ケイ素自身は焼結性が極めて悪く、こ
の窒化ケイ素を主成分とするセラミックス焼結体は、添
加物による緻密化焼結、窒化反応を利用する反応焼結な
どの方法によって製造されている。

これらの焼結方法のうち、前者の添加物による緻密化
焼結は各種の焼結方法と組合せての使用が可能であり、
たとえば窒化ケイ素粉末に焼結助剤を添加した混合粉末
を用いて、射出成形法、プレス法などにより成形体を作
製した後、常圧下または雰囲気加圧下で焼結したり、ホ
ットプレス法により成形と焼結とを一工程で行うなど、
製品の形状や用途に応じて、それぞれ適した方法が用い
られる。

また、窒化ケイ素に酸化アルミニウム、酸化イットリ
ウムを添加すると、液相焼結のメカニズムによって焼結
体が高密度化することが発見され、焼結性を高めるため
の焼結助剤の開発が進んでいる。

このような焼結助剤としては、Mg、Al、Ｙ、Sc、La、
Ceなどの酸化物や窒化物などが知られており、単独また
はこれらの組合せで使用されている。

しかし、上述した焼結助剤は、その添加量によっては
セラミックス焼結体中の粒界に非晶質相として残留し、
この非晶質相は高温で軟化するため窒化ケイ素セラミッ
クスの高温強度を低下させる原因ともなる。

このため、焼結助剤の添加量および組成について、種
々の検討がなされている。

また、ベアリング用部材としてセラミックスを用いる
場合、常圧焼結によるものではセラミックス内部に発生
する空孔、いわゆるポアのサイズが大きく耐圧強度が低
下するため、比較的ポアの発生しにくいホットプレス
法、あるいは雰囲気加圧焼結にHIP（熱間静水圧プレ
ス）処理を組合せる方法によって、窒化ケイ素セラミッ
クスの成形を行っている。

（発明が解決しようとする課題）このように、窒化ケイ素の優れた性質を最大限に生か
すような焼結方法が様々な角度から検討されているもの
の、窒化ケイ素を用いて作製された転がり軸受は、原料
の混合具合、焼結時の温度条件など製造プロセス上の諸
因子によって転がり疲労寿命のばらつきが大きく、軸受
にとって重要な性質である転がり疲労特性が低下すると
いう問題がある。

また、セラミックス製の軸受は、金属製軸受を使用で
きない溶融金属の軸受として使用されることが多く、溶
融金属に対する耐食性に優れていることが要求される
が、一般にセラミックス焼結体は添加した焼結助剤部分
から腐食されやすいという問題がある。

したがって、特性のばらつきがなく、耐食性の高い窒
化ケイ素部材が望まれている。

本発明はこのような課題を解決するためになされたも
ので、転がり疲労寿命、耐食性に優れ、しかも部材の特
性にばらつきのない耐摩耗性部材を提供することを目的
とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明の耐摩耗性部材は、窒化ケイ素を主成分とする
セラミックス焼結体からなる耐摩耗性部材であって、こ
のセラミックス焼結体に存在する焼結助剤成分を主とし
て構成される非晶質相の最大偏析部が100μｍ以下であ
ることを特徴としている。

このような偏析部は、焼成によってセラミックス焼結
体の内部から表面まで複数分布して形成されるものであ
り、一つの焼結体において、様々な大きさを有してい
る。

本発明は、この偏析部が摺動特性に及ぼす影響に着目
してなされたものである。

上述したような偏析部が存在する窒化ケイ素セラミッ
クスを、耐摩耗部材、たとえば転がり軸受として使用し
た場合、いずれかの偏析部がある大きさ以上であると、
この部分から剥離が生じ、転がり軸受が破壊される。

本発明者によれば、偏析部の最大径が100μｍ以下で
あれば、実用上の支障となる剥離を生じさせることがな
い。

したがって、すべての偏析部の大きさ（最大径）が所
定の大きさ以下（100μｍ以下）である窒化ケイ素焼結
体を用いることによって、窒化ケイ素部材の転がり疲労
特性を向上させることができる。

また、本発明の耐摩耗性部材は、窒化ケイ素を主成分
とするセラミックス焼結体からなる耐摩耗性部材であっ
て、焼結助剤として0.1〜５重量％の酸化イットリウム
と、0.1〜５重量％の酸化チタニウムとを含有すること
を特徴としている。

酸化イットリウムは焼結助剤として、他の成分と混合
して用いることが好ましく、酸化チタニウムと、さらに
酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム
などを0.1〜５重量％の範囲で添加してもよい。

酸化イットリウムの添加量は余り少ないと焼結促進の
効果が得られず、余り多いと窒化ケイ素焼結体の内部で
非晶質相の偏析部が大きくなりやすく、転がり疲労寿命
の低下やばらつきを生じさせる。

酸化イットリウムは、５重量％までで、本発明におけ
る適切な効果をもたらす。

また、酸化チタニウムの添加量は、余り少ないと、転
がり疲労寿命向上の効果が得られず、余り多く添加して
もそれ以上の効果向上はみられない。実用には、５重量
％以下が好ましい。

なお、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハ
フニウムなどは、窒化ケイ素の焼結性を高めるために添
加するのが好ましいが、一方、非晶質相の偏析部を小さ
く抑えるためには、焼結助剤の合計量が少ないほど良
い。

これらを添加する場合には、余り少ないと焼結促進の
効果が得られず、余り多いと焼結助剤としての合計量が
多くなりすぎるため好ましくない。

上述した焼結助剤としての成分の組合せは、作製した
耐摩耗性部材の使用目的に応じて適宜選択される。

（作用）本発明の耐摩耗性部材は、窒化ケイ素焼結体の内部に
存在する非晶質相の偏析部の大きさを、100μｍ以下と
しているため、転がり疲労特性を向上させることができ
る。

これまで、転がり疲労寿命はセラミックス焼結時に生
じるポアの有無によるものと考えられていた。そして、
このようなポアを除去するためにHIP処理を施し、長寿
命の転がり軸受を得ていた。

しかし、ポアのないセラミックスでも転がり疲労寿命
の短いものがあり、セラミックの転がり疲労寿命に影響
する基本的な因子が充分には明らかにされていなかっ
た。

しかし、電子顕微鏡反射電子像による窒化ケイ素セラ
ミックスの組織検査結果から、HIP処理によって、あら
かじめ存在していたポアの内部に焼結助剤が埋まり込
み、この部分で非晶質相を形成していることが判明し
た。

このように非晶質相が局部的に集中した偏析部がセラ
ミックスの表面および内部に存在すると、ほとんどの場
合、その偏析部から剥離を起こし、転がり軸受が破壊し
てしまうのである。

したがって、この偏析部の大きさ（最大径）を所定の
大きさ（100μｍ以下）とすることにより、窒化ケイ素
部材の剥離を防ぎ、転がり軸受の長寿命化を図ることが
できる。

また、本発明の耐摩耗性部材は、焼結助剤として0.1
〜５重量％の酸化イットリウムと、0.1〜５重量％の酸
化チタニウムとを添加しており、上記範囲で焼結助剤を
添加することにより、転がり疲労寿命を向上させ、さら
に耐食性を向上させることができる。

特に、酸化チタニウムの添加によって転がり疲労寿命
を大幅に向上させることができる。

これは、酸化チタニウムが焼結工程において窒化ケイ
素と反応して窒化チタンを生成し、この窒化チタンが粒
界相に分散して粒界相を強化するためと考えられる。

（実施例）次に、本発明の実施例について説明する。

実施例１窒化ケイ素粉末に焼結助剤としてY₂O₃５重量％と、Ti
O₂１重量％と、Al₂O₃２重量％とを添加し、原料粉末を
調製した。

この原料粉末を、750kg/cm²の圧力でプレス成形し、
焼結は5atmの加圧雰囲気下、1750℃、４時間の条件で行
い、さらに窒素ガス中、1000atm、1800℃のHIP処理を施
した。

このような組成を有する焼結助剤を添加して得た転が
り軸受用窒化ケイ素部材について、転がり疲労寿命試験
を複数回行い、ワイブル確率紙を用いて破壊確率のワイ
ブルプロットを行った。これを第１図に実線で示す。

なお、転がり疲労寿命の測定は、窒化ケイ素材料自身
の転がり疲労寿命やそのばらつきを調べるために、形状
の単純なスライト型試験機を用いて、作用荷重とその繰
返し数が明確になるように、試料円板と円周３等分に配
置された鋼球との間の転がり疲労寿命を求めることによ
り行った。

転がり疲労寿命は、荷重400kgf、回転数1500r.p.mの
条件下で、窒化ケイ素試料円板が剥離した時点までと
し、鋼球が先に剥離した場合は鋼球のみを交換して試験
を継続した。

この試験結果をプロットして得た直線の傾きからパラ
メータｍを求めた。

パラメータｍから、転がり疲労寿命のばらつきがわか
る。すなわち、パラメータｍの値が大きいと、直線の傾
きが大きく、狭い範囲で転がり疲労寿命が分布している
ということであり、ばらつきが小さいということであ
る。

これとは反対に、パラメータｍの値が小さいと、直線
の傾きが小さい、広い範囲で転がり疲労寿命が分布して
いるということであり、ばらつきが大きいということで
ある。

さらに、Y₂O₃の添加量を５重量％から１重量％の範囲
で変化させて窒化ケイ素部材を上述した条件で作製し、
転がり疲労寿命を測定した。

また、これらの転がり軸受用窒化ケイ素部材の耐食性
試験を行った。

耐食性試験の条件は、HCl、HNO₃、H₂SO₄の３種の溶液
を90℃とし、それぞれの溶液中に転がり軸受用窒化ケイ
素部材を100時間浸漬し、浸漬後の窒化ケイ素部材の重
量減少率と、強度保持率を求めた。

これら転がり疲労試験の結果と耐食性試験の結果を第
１表（試料No.7〜11）に示す。

なお、重量減少率および強度保持率の値は％で示し
た。

この実施例で得た窒化ケイ素部材は、転がり疲労寿命
に優れ、全ての試料板が10⁷サイクルをクリアした。こ
れは、従来の鋼材の10倍以上の値である。

また、耐食性についても良好な結果が得られた。

次いで、この実施例による組成を有する原料粉末を用
い、この原料粉末を金型プレスにより所定形状に成形
し、焼成した後、焼結体を加工して、呼び直径3/8イン
チ（9.525mm）の窒化ケイ素玉軸受を作製した。

得られた窒化ケイ素玉軸受は、上述した試験結果を裏
付けるように転がり疲労寿命および耐食性が高く、転が
り軸受製品として非常に優れたものであった。

比較例１窒化ケイ素粉末に焼結助剤としてY₂O₃５重量％と、Al
₂O₃２重量％とを添加し、原料粉末を調製した。

この転がり軸受用窒化ケイ素部材について、実施例１
と同一条件で転がり疲労寿命試験を行い、ワイブルプロ
ットを行った。

この結果を実施例１の結果と併せて第１図に破線で示
す。

同図から明らかなように、TiO₂を添加しない転がり軸
受用窒化ケイ素部材は、パラメータｍ値が小さく、プロ
ットの直線が横軸に対して小さい傾きで広い範囲で続
き、転がり疲労寿命のばらつきが大きい。

比較例２窒化ケイ素粉末に焼結助剤としてY₂O₃の添加量を20重
量％から６重量％の範囲で変化させ、さらにAl₂O₃を第
１表に示したように５重量％または２重量％と、TiO₂１
重量％とを添加し、原料粉末を調製した（第１表試料N
o.1〜６）。

この原料粉末を、750kg/cm²の圧力でプレス成形し、
焼結は5atmの加圧雰囲気下、1700〜1750℃、の条件で行
い、さらに窒素ガス中、1000atm、1700〜1900℃のHIP処
理を施した。

得られた種々の転がり軸受用窒化ケイ素部材について
転がり疲労寿命試験および耐食性試験を実施例１と同一
条件で行った。

これらの結果を第１表にまとめて示す。

比較例３窒化ケイ素粉末に、焼結助剤としてY₂O₃の添加量を５
重量％、３重量％、１重量％とし、それぞれにAl₂O₃を
２重量％添加した３種類の原料粉末を調製し、上記実施
例１と同一条件で転がり軸受用窒化ケイ素部材を作製
し、転がり疲労寿命試験および耐食性試験を行った。

すると、Y₂O₃の添加量が５重量％の試料においては転
がり疲労寿命の低下がみられ、残りの２種類においては
転がり疲労寿命の平均値は変らないものの、ワイブルパ
ラメータｍ値が非常に小さくなり、ばらつきが大きくな
っていた。

このｍ値は、Y₂O₃の添加量を５重量％、３重量％、１
重量％とした試料の順に、それぞれ、0.8、5.5、7.3で
あった。

すなわち、Y₂O₃の添加量が５重量％以下であってもTi
O₂を添加しない場合、得られた転がり軸受け用窒化ケイ
素部材の転がり疲労寿命のばらつきが大きく、信頼性に
難点を有することがわかった。

なお、耐食性については実施例１の結果とほぼ同程度
であった。

第１表に示した結果から明らかなように、焼結助剤と
してY₂O₃の添加量を５重量％以下にすることによって、
転がり疲労寿命を大幅に向上させることができ、同時に
耐食性も向上させることができた。

そして、TiO₂を添加することによって、転がり軸受け
用窒化ケイ素部材の転がり疲労寿命のばらつきをより抑
え、信頼性の向上を図ることができた。

なお、この実施例では、TiO₂の添加量を１重量％とし
ているが、0.1〜５重量％の範囲であれば同様の効果が
得られる。

また、Y₂O₃とTiO₂のほかに加える成分としては、この
実施例による酸化アルミニウムに限らず、窒化アルミニ
ウム、酸化ハフニウムなどを使用しても良く、Y₂O₃とTi
O₂のみでも同様の効果を得ることができる。

実施例２窒化ケイ素粉末に焼結助剤としてY₂O₃５重量％と、Al
₂O₃２重量％と、TiO₂１重量％とを添加し、原料粉末を
調製した。

この原料粉末を用いて、成形、焼結、HIPの条件を変
化させ、種々の偏析サイズを有する転がり軸受用窒化ケ
イ素部材を得た。

ここでの偏析サイズとは、窒化ケイ素焼結体内部に存
在する複数の偏析部の中で、最も大きい偏析部の最大径
を意味している。

そして、これらの窒化ケイ素部材について転がり疲労
寿命を測定した。

それぞれの条件は次のとおりである。

成形条件は圧力を1t〜2t/cm²の範囲で変化させ、焼結
条件は加圧範囲で１〜10atm、焼成温度を1700〜1900℃
の範囲で変化させ、HIP条件は1000atmにおいて温度を17
00〜1900℃の範囲で変化させた。

これらの転がり疲労試験結果を第２表に示す。

これらの結果から、偏析サイズが100μｍ以下であれ
ば、長寿命の転がり軸受用窒化ケイ素部材が得られ、偏
析サイズの大きな窒化ケイ素部材と比較すると、その転
がり疲労寿命は10倍以上も長いことが明らかとなった。

次いで、この実施例のように、窒化ケイ素焼結体内部
に存在する偏析サイズが全て100μｍ以下である窒化ケ
イ素部材を用い、呼び直径9.525mmのセラミックス玉軸
受を作製した。

得られたセラミックス玉軸受は、上述した試験結果を
裏付けるように転がり疲労寿命が長く、転がり軸受製品
とし非常に優れたものであった。

なお、焼結助剤として、この実施例による組成以外の
場合、たとえばY₂O₃を多く含有する場合でも、偏析サイ
ズをコントロールすることによって、それ相応の転がり
疲労寿命改善を行うことができた。

さらに、転がり疲労寿命と偏析サイズとの関係が明ら
かになったことから、転がり軸受用窒化ケイ素部材を製
造するにあたって、ある程度の製造条件の指針が得られ
た。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、非晶質相の偏
析部が100μｍ以下である窒化ケイ素セラミックスを使
用することによって、転がり疲労寿命が長く、寿命のば
らつきがない耐摩耗性部材を得ることができる。

また、焼結助剤として酸化イットリウム量を５重量％
以下とし、これに酸化チタニウムを加えることにより、
転がり疲労寿命を向上させることができ、寿命のばらつ
きがない高信頼性の耐摩耗性部材を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、転がり疲労試験の結果をワイブルプロットで
示す図である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化ケイ素を主成分とするセラミックス焼
結体からなる耐摩耗性部材であって、このセラミックス焼結体に存在する焼結助剤成分を主と
して構成される非晶質相の最大偏析部が100μｍ以下で
あることを特徴とする耐摩耗性部材。
【請求項２】前記セラミックス焼結体は、焼結助剤とし
て0.1〜５重量％の酸化イットリウムと、0.1〜５重量％
の酸化チタニウムとを含有し、残部が実質的に窒化ケイ
素からなるセラミックス混合物を成形、焼結してなる請
求項１記載の耐摩耗性部材。
【請求項３】焼結助剤として、0.1〜５重量％の酸化ア
ルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウムからな
る群より選ばれた少なくとも１種を含有する請求項２記
載の耐摩耗性部材。
【請求項４】前記耐摩耗性部材は転がり軸受部材である
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の耐摩耗性部
材。