JP3092800B2 - 微細粒の炭化物を含む緻密な窒化ケイ素セラミック - Google Patents
微細粒の炭化物を含む緻密な窒化ケイ素セラミックInfo
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Description
機関バルブのような耐磨耗や耐熱の目的で使用される窒
化ケイ素に関する。
チタン(TiC)を窒化ケイ素に添加すると、緻密化さ
せたた窒化ケイ素材料が黒色を付与すると記載してい
る。通常の緻密化させた窒化ケイ素材料の色は、種々の
明暗の灰色であるため、TiCを添加して得られる色
は、より均一でより一定した望ましい外観の材料を与え
る。特開平6−172034号公報において、TiC粉
末の平均粒子サイズは約1μmと記載されている。実施
例の例示において、検出可能な最大のTiC粒サイズは
5.5μmを上回り、TiC粒サイズのD50が約1.3
6μmの窒化ケイ素材料を得ている。
料は少量のTiCを含む。この材料の75mm2 を研磨し
た微細組織の分析は、そのD50のTiC粒サイズは約
0.793μmであった。
の手段】本発明者は、窒化ケイ素のベアリング材中の検
出可能な最大のTiC粒サイズを低下させることが、そ
の材料の曲げ強度と回転接触疲労(RCF)寿命を高め
るだけでなく、その磨耗速度を大きく低減することを予
想外に見出した。とりわけ、約0.5重量%のTiCを
含む焼結・HIP処理の窒化ケイ素ベアリング材のL10
RCF寿命(ASTM試験法771によって6.4GPa
で測定)は、最大検出TiC粒サイズが約4.8μmか
ら約2.3μmに低下すると、500万回から7000
万回にも延びることが見出された。同様に、窒化ケイ素
材の磨耗速度も300μm3 /kmから30μm3 /kmに低
下した。さらに、この材料の平均の4点曲げ強度は約7
50MPa から約950MPa に増加した。
0.87μmであり(0.378μmのカットオフを用
いる)、また市販の窒化ケイ素材と比較例の双方におけ
るTiCのD50もほぼ同様であるため、本発明の優れた
特性は、最大の検出可能なTiC粒サイズの低下による
ものと考えられる。最大のTiC粒サイズの低下によっ
てもたらされる曲げ強度の著しい増加は、従来の材料の
中に割合に小さいサイズのTiC粒が存在することから
して驚くべきである。とりわけ、従来の材料におけるT
iC粒のD50は近隣の窒化ケイ素粒とほぼ同様なサイズ
であるばかりか、従来の材料における最大検出TiC粒
(約5μmに過ぎない)は通常の窒化ケイ素材の典型的
な欠陥サイズ(約20〜50μm)よりもかなり小さい
ため、なおさらである。
させる有益な効果は、Si3 N4 マトリックスに炭化物
を添加することに関する従来の教示に照して、驚くべき
である。文献「Buljanら、Amer. Cer. Soc. Bulletin,
66 (2) 347-52 (1987) P349」は、粗めのSiC(8μ
m)の添加が窒化ケイ素の機械的特性を改良する一方
で、小さめのSiC(0.5μm)添加はその靱性を低
下させると記載している。Buljanは、マトリック
スのSi3 N4 粒よりも大きいサイズの粗いSiCの添
加が複合材料の靱性を高めることが期待されると結んで
いる。同様な記載が文献「Lange, J. Amer. Cer. Soc.
56 (9) 445-50 (1973)」に見られる。
C粒がSiC粒と同じようには作用しない理由として、
これらのかなり異なる熱膨張率(CTE)と硬度が考え
られる。これらの材料のおよその値を下記の表1に示
す。
材の熱膨張率と硬度は若干異なるが、Si3 N4 とTi
Cの熱膨張率と硬度はさらに大きく相異することが分
る。理論に束縛される意図はないが、Si3 N4 粒とT
iC粒の間の熱膨張率の大きな差異(弾性率の30%の
差異を伴う)が、緻密化されたSi3 N4 材の冷却の際
に大きめのTiC粒の周りに応力集中を生じさせ、緻密
化後の低めの曲げ強度をもたらすものと考えられる。要
するに、TiC粒によって生じた応力の影響領域は、T
iC粒そのものよりもかなり大きいのである。これに対
し、SiC粒は、Si3 N4 マトリックス中ではるかに
小さい影響領域を有するのであろう。窒化ケイ素材から
最大のTiC粒を除去することが、これらの差異の効果
を低下させ、それによって、応力集中の影響領域を小さ
くし、Si3 N4 材の曲げ強度を高めると思われる。
iC材をクラックデフレクターとして作用させ、それに
より、窒化ケイ素材の靱性と強度を改良し、より長い回
転接触疲労(RCF)寿命をもたらすものと考えられ
る。例えば、米国特許第5098782号(スヤマ)
は、0.1〜5重量%のTiNが窒化ケイ素材の粒界を
強化すると教示している(第4欄13〜15行を参照さ
れたい。)。従って、TiC粒サイズの低下は強化作用
を小さくし、材料の強度、靱性、RCF寿命を低下させ
るものと考えられた。それにもかかわらず、全く反対の
効果が生じたのである。即ち、本発明による微細なTi
C粒の材料の高められたRCF寿命は、硬度の作用に関
する従来の知見からして全く予想外である。
て、窒化ケイ素の硬度(15GPa )に比較したTiCの
極めて高い硬度(28GPa )が、ベアリング材の表面の
不均一な磨耗をもたらし、TiCが存在しなければ実質
的に均一な窒化ケイ素の磨耗表面から実質的に突き出た
最大のTiC粒をもたらすと考えられる。回転接触時に
おいて、これらの高い硬度の突起が、その軌跡上で小砥
石の作用をセラミック表面に及ぼし、それにより、両者
の摩擦係数を高めることになる。より高い摩擦係数はよ
り大きい磨耗速度をもたらし(ベアリング表面上の接線
方向の力がより大きいため)、より短いRCF寿命をも
たらす(増加した磨耗がスポーリングの可能性と高め
る)。窒化ケイ素材から粗大なTiC粒を除去すること
は、TiC突起の程度を抑えてこの砥石作用を和らげ、
高められた回転接触疲労(RCF)寿命と低められた磨
耗をもたらす。
かの添加材の最大検出粒サイズを小さくすることは、そ
の添加材が、a)かなり高い熱膨張率、b)かなり高い
弾性率(MOE)、又はc)かなり高い硬度、のうちの
少なくとも1つを供するならば、同様に高められたRC
F寿命をもたらすと考えられる。このように、本発明に
よると、a)少なくとも80重量%の窒化ケイ素の結晶
粒、及びb)0.25〜1重量%の添加材としての粒
(以下「添加材粒」という。)であってTiC、WC、
及びTaCからなる群より選択された添加材粒を含んで
なり、その添加材粒の最大検出粒サイズは、窒化ケイ素
材の研磨した75mm2 の微細組織の顕微鏡像で評価して
4μm以下である、焼結された窒化ケイ素セラミック材
が提供される。
添加材として好ましいが、上記の3つの特性の1つを有
する上記の添加材においても、それぞれが本発明の範囲
に含まれる。例えば、TaCやWCのような炭化物添加
材の最大粒サイズをコントロールすることも、望ましい
特長を提供することができるからである。TiCを添加
材として選択した場合、一般に、窒化ケイ素粉末と通常
の焼結助剤粉末を含む原料バッチに粉末として添加され
る。TiCの出発とする粉末が不所望な大きい粒子サイ
ズを有する場合、その粉末はより適当なサイズまで粉砕
することができる。例えば、約4μmのD50と約4.5
μmのD90を有する原料のTiC粉末は、窒化ケイ素媒
体を有いたボールミルやアトリションミルによる粉砕に
約4〜8時間にわたって供し、約0.3μmのD50粒子
サイズと約0.8μmのD90粒子サイズを有する粉砕さ
れたTiC粉末にすることができる。好ましくは、原料
バッチに添加される添加粉末は、約0.2〜0.3μm
のD50粒子サイズと、1.0μm未満で典型的には約
0.6〜0.8μmのD90粒子サイズを有する。添加さ
れる粒子のサイズがこのD90値を上回ると、その焼結生
産品の使用中に砥石作用が見られることがある。従っ
て、本発明によると、 a)少なくとも80重量%の窒化ケイ素粉末、及び b)以下の少なくとも1つの特性を有する0.1〜5重
量%の添加材粉末であって、1.0μm以下のD90を有
する添加材粉末: i)少なくとも25GPa のヌープ硬度(500gの荷重
下) ii)少なくとも6×10-6/Kの熱膨張率(22〜70
0℃で測定)、及び iii )少なくとも600GPa の弾性率 を含むセラミック粉末を含んでなる原料バッチが提供さ
れる。
好ましくは、原料バッチの窒化ケイ素粉末はα形であ
り、約0.4〜0.7μmのD50粒子サイズと約1.0
〜1.2μmのD90粒子サイズを有する。D50粒子サイ
ズがこの範囲を上回ると、焼結性と強度が低下する。D
50粒子サイズがこの範囲を下回ると、緻密化後の材料
が、割合に小さい微細構造と実質的に低めの破壊靱性を
有する傾向にある。好ましい態様において、出発とする
窒化ケイ素粉末はSNE10である(宇部興産社より販
売、ニューヨーク市、ニューヨーク州)。
焼結助剤が、グリーン体の緻密化を促進するのに役立つ
と考えられる。HIP焼結によりグリーン体を緻密化す
るいくつかの態様において、グリーン体は合計で約5.
1〜15重量%の希土類酸化物を含む。好ましくは、合
計で約5.1〜10重量%、より好ましくは5.5〜8
重量%の希土類酸化物を含む。ある好ましい態様におい
て、グリーン体は、2〜3重量%のアルミナと所望によ
る0.8〜1.0重量%の窒化アルミニウムを含む。好
ましくは、グリーン体は、約3〜3.5重量%のイット
リア、約4〜5重量%のネオジミア(neodymia)、0.
8〜1.0重量%の窒化アルミニウム、及び2〜3重量
%のアルミナを含む。
かの態様において、十分に緻密な生産品(即ち、理論密
度の少なくとも99.9%)を得るには、粉末処理を注
意してコントロールする必要がある。特に、焼結助剤を
非常に微細なレベルまで粉砕する必要があり(即ち、少
なくとも約30m2 /g)、その粉砕した焼結助剤を、
窒化ケイ素粉末に分散させる前に、原料バッチの液体媒
体に分散させる必要があることがある。微細なサイズに
された焼結助剤を必要とすることは、原料バッチの全体
にわたって焼結助剤が均一に分散されるのを可能にし
(十分な緻密化を助長する)、液体媒体に窒化ケイ素を
添加する前に液体媒体に焼結助剤を添加することは、焼
結助剤が凝集するのを防止する。
リーン体が緻密化されるいくつかの態様において、窒化
ケイ素グリーン体は、先ず理論密度の少なくとも約97
%まで焼結され、次いで理論密度の少なくとも99.9
%までHIP処理される。焼結工程は、通常、1750
〜1780℃で1〜2気圧の窒素雰囲気に60〜120
分間浸すことを伴う。HIP工程は、通常、1800〜
1850℃で1000〜2000気圧の窒素雰囲気に6
0〜120分間浸すことを伴う。
なくとも約80重量%(好ましくは少なくとも85重量
%)の窒化ケイ素を含む。その密度は、理論密度の少な
くとも99%、好ましくは少なくとも99.9%である
べきである。窒化ケイ素の粒サイズは、一般に、約0.
3〜0.7μmのD50と約1.8〜2.1μmのD90で
あることを特徴とする。
〜5重量%の添加材粒を含む。好ましい態様において、
添加材粒は緻密な材料の0.25〜1重量%を構成す
る。1重量%を超えて使用されると、回転接触疲労(R
CF)寿命と曲げ強度が低下することがある。0.25
重量%未満で使用されて添加材粒がTiCである場合、
着色作用が制限され、その材料は不均一な微細構造を有
するように見える。添加材(好ましくはTiC)の最大
検出粒サイズは好ましくは3μm以下であり、より好ま
しくは2μm以下である。添加材の平均D50粒サイズは
好ましくは0.3〜1.5μmであり、より好ましくは
0.3〜1.0μmである。
ケイ素材は、さらに合計で約5.1〜10重量%の希土
類元素を希土類酸化物として含む。好ましくは、合計で
約5.5〜8重量%の希土類元素を希土類酸化物として
含む。いくつかの好ましい態様において、緻密な材料は
さらに2〜3重量%のアルミニウム(アルミナとして)
と所望による0.8〜1.0重量%の窒化アルミニウム
を含む。
のヘルツ接触応力でのASTM標準法771)に供した
とき、本発明の窒化ケイ素材は、約2倍の最大検出Ti
C粒サイズを有する比較材料よりもはるかに長い疲労寿
命を有する。本発明の窒化ケイ素材のRCF寿命は70
00万回を上回ることが見出されたのに対し、より粗い
TiC粒の窒化ケイ素のRCF寿命は1000万回を下
回ることが分った。
い磨耗を呈す(即ち、より粗いTiC粒を有する比較材
料のわずか約1/10のレベル)。とりわけ、磨耗速度
は、比較としての粗いTiC粒の窒化ケイ素での300
μm3 /kmに対して30μm 3 /kmに過ぎない。本発明
の窒化ケイ素は多くの一般的なセラミック用途に使用可
能であり、限定されるものではないが、実質的に球形の
ベアリングボール、ボールベアリング、ローラーベアリ
ング、平らなスライドベアリング、及びその他の構造的
又は磨耗用途が挙げられる。好ましくは、本発明の窒化
ケイ素材は、回転接触用途、とりわけ回転接触疲労が適
切であることが期待される用途に有利に使用可能であ
る。これらの用途において、本材料は、約0.05μm
以下の表面粗さRaを有しかつ実質的に球形であるべき
である。また、セラミックの磨耗速度が問題とされる滑
る用途にも有益に使用されることができる。これらの用
途において、本材料は、約0.05μm以下の表面粗さ
Raを有するべきである。
く適用できると考えられるため、本発明によると、焼結
セラミック材もまた提供され、本焼結セラミック材は、 a)第1ヌープ硬度、第1熱膨張率、及び第1弾性率に
よって特徴づけられる第1相材料からなる少なくとも8
0重量%の粒、及び b)第2相材料からなる0.1〜5重量%の粒、を含ん
でなり、第2相材料は、 i)第1相材料のヌープ硬度を少なくとも50%上回る
第2ヌープ硬度、 ii)第1相材料の熱膨張率を少なくとも100%上回る
第2熱膨張率、 iii )第1相材料の弾性率を少なくとも100%上回る
第2弾性率、の少なくとも1つによって特徴づけられ、
第2相材料の最大検出粒サイズは、その材料を研磨した
75mm2 の微細組織の顕微鏡像による二次元的評価にお
いて4μm以下である。
熱膨張率を少なくとも100%上回る第2熱膨張率によ
って特徴づけられる。また、好ましくは、第1相材料は
窒化物又は炭化物であり(より好ましくは窒化物)、第
2相材料は窒化物又は炭化物である(より好ましくは炭
化物)。
0.3μmのD50と約0.8μmのD90にした。選択し
た焼結助剤成分のイットリア、ネオジミア(neodymi
a)、アルミナ、窒化アルミニウム、及びTiCを液体
媒体中に分散させ、その焼結助剤粉末の粒子サイズを約
13m2 /gから約45m2 /gまで予備的に粉砕し
た。次に、E10α形窒化ケイ素粉末をそのディスパー
ジョンに加え、約3.1重量%のイットリア、約4.6
重量%のネオジミア、約2.6重量%のアルミナ、約
1.0重量%の窒化アルミニウム、及び約0.5重量%
のTiCを含む混合物を作成した。窒化ケイ素の粉砕媒
体を備えたアトリションミルによって、この混合物を脱
イオン水中で4時間にわたって混合した。分散剤とバイ
ンダーもまたアトリションミルの中に入れた。混合物中
の窒化ケイ素は約12〜13m2 /gの平均粒子サイズ
を有した。この混合物は外観上均一であり、見た目に凝
集を含まなかった。
し、60メッシュと140メッシュのスラリーを通して
篩分けし、次いでタイル状に冷間プレスした。このタイ
ル状物を、30000psi で冷間等方プレスし、約65
0℃の空気中で加熱した。次いで、加熱素子を有するバ
ッチ式炉の中に入れたRBSNルツボの中にそのグリー
ン体を収め、そのルツボの残りのスペースに窒化ケイ素
粉末を充填した。炉の温度を、1780℃に達するまで
10〜15℃/分の速度で昇温した。次いで、このグリ
ーン体を、約20psi の窒素圧力下で1780℃にて2
時間にわたって焼結させ、理論密度の98.2%の密度
を得た。
の焼結体を1800℃で1時間にわたってHIP処理し
た。HIP処理工程を終えた後、炉の給電を止め、セラ
ミックを冷却した。この緻密化サイクルは、小さい欠陥
サイズ(約20μm以下)でかつ高密度(理論密度の少
なくとも約99.9%)をもたらした。緻密化したセラ
ミックの微細組織を、β形窒化ケイ素から本質的になる
結晶質窒化ケイ素相とアモルファスガラス粒界相によっ
て評価した。β形窒化ケイ素粒は約0.5〜0.625
μmのD50厚さ(thickness)と約0.75μmのD90厚
さを有した。TiCは、約2.3μmの最大検出粒サイ
ズと約0.87μmのD 50によって特徴づけられた。
た。500g荷重のヌープ硬度は約14GPa であった。
破壊靱性を文献「P. Chantikul et el., in “A Critic
al Evaluation of Indentation Techniques for Measur
ing Fracture Toughness II : Strength Methods”, J.
Am. Ceram. Soc. 64 (9), pp. 539-544 (1981) 」に記
載の方法にしたがい、約0.5mm/分のクロスヘッド速
度において、内側スパンの引張面上にビッカース圧痕
(10kgの荷重)を有する3×4×50mmの4点曲げ試
験片の破壊によって評価した。本発明によるセラミック
の平均靱性は約7MPa ・m1/2 であった。
強度を評価した。40mmの外側スパンと20mmの内側ス
パンの試験ジグ(ASTM C1161-90 )の上の3×4×50
mmのB型試験片の方法を用いた。平均の4点曲げ強度を
測定し、約950MPa であった。このワイブル係数(We
ibull modulus)は約20であった。また、緻密化後の材
料をRCFロッドの形状にし、RCFテスト、具体的に
はASTM標準法771に記載の促進ベアリング試験法
に供した。この試験法は、テスト材料の疲労破壊を促進
するために、使用中に通常生じるよりも高い接触圧力を
加えた。この試験は、多数の試験片からのデータを統計
的分析し、その結果は、通常、変数LX として提示さ
れ、これは所定の応力レベルで試験される試験片のうち
のX%の破壊を起こさせる応力サイクルの数を示す。本
発明に関してRCFテストを行うにおいて、AISI5
2100鋼で作製された3つのスレーブバルブを、約
6.4GPa の平均ヘルツ(hertzian)接触応力で、本発
明の窒化ケイ素からなるロッドに負荷を与えた。ロッド
は、電気モーターによって約3600rpm で回転させ
た。スレーブボールとロッドの双方を、約8滴/分の速
度で液滴フィーダーによって供給される潤滑油で潤滑し
た。この試験は、ロッドに深さ約2〜7μmの円周疲労
溝を生じさせた。本発明の窒化ケイ素は、通常の損傷モ
ードと均一な磨耗を呈した。本発明の1つの試験ロッド
の8つの異なるセクションを、順次にRCFテストに供
したところ、最初の破損が約7000万回で生じた。約
0.74のワイブル勾配(slope) であるとすると(即
ち、本発明は従来のベアリング品質の窒化ケイ素と同じ
破壊メカニズムを有するとする)、約7000万回のL
10が本発明で発現する。
離あたりに除去した材料の量を計算することにより行っ
た。磨耗速度は約30μm3 /kmと計算された。比較例
1この比較例は、窒化ケイ素ベアリングの機械的特性と
回転接触性能に及ぼす最大検出TiC粒サイズの効果を
評価する。
リーン体を作成し、焼結とHIP処理を行い、但し、出
発とするTiC粉末は約1.7μmの平均D50粒子サイ
ズと約4μmのD90を有した。この材料を、理論密度の
少なくとも約99.9%の密度まで緻密化させた。得ら
れた微細組織のTiC粒のD50粒サイズは約1μmであ
り、最大検出TiC粒サイズは約4.85μmであっ
た。
して、機械的特性、RCF寿命、磨耗について試験し
た。また、RCFテストを終えた後、その窒化ケイ素材
料を触れると極めて熱く、鋼ボールにかなりの磨耗が観
察された。例1に代表される本発明の優れた機械的特性
を、比較例1に示した。粗いTiCを含む窒化ケイ素セ
ラミックと比較して、下記の表2にまとめて示す。これ
らの結果は、TiC添加材の最大検出粒サイズをコント
ロールする重要性を実証している。
Claims (3)
- 【請求項1】 a)少なくとも80重量%の窒化ケイ素
の結晶粒、及びb)0.25〜1重量%の添加材粒、を
含んでなる焼結窒化ケイ素セラミック材であって、その
添加材粒が、TiC、WC、及びTaCからなる群より
選択され、その添加材粒の最大検出粒サイズが、その窒
化ケイ素材の研磨した75mm2 の微細組織の顕微鏡像で
測定して4μm以下であることを特徴とする焼結窒化ケ
イ素セラミック材。 - 【請求項2】 添加材粒の最大検出粒サイズが3μm以
下である請求項1に記載のセラミック材。 - 【請求項3】 添加材粒が、平均D50粒サイズが0.3
〜1.5μmのTiCである請求項1又は2に記載のセ
ラミック材。
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