JP5624067B2 - Silicon nitride sintered body - Google Patents

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Description

本発明は窒化珪素質焼結体に関する。   The present invention relates to a silicon nitride sintered body.

従来、窒化珪素質焼結体は、耐摩耗性、耐熱性、耐熱衝撃性あるいは耐酸化性に優れることから、ベアリングボール等の機械摺動部品、工具、タペット、ターボロータ、ピストンピンやエンジンバルブ等の自動車用部品、さらにはタービンブレードといった耐熱性構造部材への適用が図られている。   Conventionally, silicon nitride-based sintered bodies have excellent wear resistance, heat resistance, thermal shock resistance or oxidation resistance, so machine sliding parts such as bearing balls, tools, tappets, turbo rotors, piston pins and engine valves Application to automotive parts such as automobiles and heat-resistant structural members such as turbine blades is also being made.

特開平11−049571号公報JP 11-045771 A

窒化珪素質焼結体は、一般には窒化珪素質主相粒子と、焼結助剤成分を主体とする粒界相とによって構成されており、例えば耐摩耗性や摺動特性を向上させる方法として、粒界相の結晶化や異種粒子の添加等が試みられてきた。しかしながら、結晶化は処理が難しく、組成によっては結晶相の析出形成が不可能となることもある。また、粒界相は、窒化珪素質主相を結合・保持する重要な役割りを果たす相であるにも拘わらず、構造的には単に結晶化しているか否かのレベルにて定性的なアプローチがなされているに過ぎない。特にガラス化した粒界相(以下、ガラス相ともいう)の場合、原子あるいはイオンがランダムに配列した非晶質構造であるために、窒化珪素質主相を結合する上で不都合な状態が局所的に生じていても、その不都合が何に起因するものであるかを、X線回折等の結晶学的な分析情報に基づいて推論することは事実上不可能だった。例えば、非晶質の構造的な不均一等に起因して、焼結体の耐摩耗性や摺動特性がばらついたり不十分だったりする状況が発生しても、特性の不具合と因果関係を有する材料構造的な要因をそもそも見出すことができず、まして課題解決のための具体的な手段を見出すことは望むべくもなかった。   A silicon nitride sintered body is generally composed of silicon nitride main phase particles and a grain boundary phase mainly composed of a sintering aid component. For example, as a method for improving wear resistance and sliding characteristics. Attempts have been made to crystallize the grain boundary phase and to add different kinds of particles. However, crystallization is difficult to process, and depending on the composition, it may be impossible to form a crystal phase precipitate. In addition, the grain boundary phase is a phase that plays an important role in bonding and holding the silicon nitride main phase, but it is structurally a qualitative approach based on whether it is simply crystallized or not. Is just made. In particular, in the case of a grain boundary phase vitrified (hereinafter also referred to as a glass phase), since it has an amorphous structure in which atoms or ions are randomly arranged, a state inconvenient for bonding the silicon nitride main phase is local. However, it is virtually impossible to deduce what the inconvenience is caused based on crystallographic analysis information such as X-ray diffraction. For example, even if a situation occurs where the wear resistance and sliding properties of the sintered body vary or are insufficient due to amorphous structural non-uniformity, etc. In the first place, it was not possible to find the specific structural means for solving the problems.

本発明の課題は、耐摩耗性を向上でき、またそのばらつきを効果的に抑制することができる窒化珪素質焼結体を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a silicon nitride-based sintered body that can improve wear resistance and can effectively suppress variations thereof.

課題を解決するための手段及び作用・効果Means and actions / effects for solving the problems

上記の課題を解決するために、本発明の窒化珪素質焼結体の第一は、
窒化珪素を主成分とする主相結晶粒子が、ガラス質の結合相にて結合した焼結体であって、前記結合相を構成する焼結助剤成分としてAlを含有し、焼結助剤成分を酸化物換算にて1〜5重量%、かつ該焼結助剤成分のうち希土類成分を酸化物換算にて1〜3重量%含有し、炭素量/酸素量のwt%比率が0.5以下である焼結体において、シリコン単結晶試料のラマン分光分析を行ったときの、500〜530cm−1に出現する最強の散乱ピークの強度Xkが2400±200カウントとなるようにビーム強度を設定し、その条件にてシリコン単結晶試料についてラマン分光分析を行ったときの1200cm−1での散乱強度を基準散乱強度レベルX0として、焼結体のラマン分光分析を行ったときに得られるスペクトルプロファイルの、1200cm−1での散乱強度X1の、基準散乱強度レベルX0からの増分にて表した増分散乱強度Y1=X1−X0が1500カウント以上となっていることを特徴とする。なお、本発明において、「主成分」(「主体」あるいは「主に」等も同義)とは、特に断りがない限り、着目している物質において含有率が50重量%以上であることを意味する。
In order to solve the above problems, the first of the silicon nitride sintered bodies of the present invention is:
A main body crystal particle mainly composed of silicon nitride is a sintered body bonded with a glassy binder phase, and contains Al as a sintering aid component constituting the binder phase, and a sintering aid. The component is 1 to 5% by weight in terms of oxide, and the rare earth component in the sintering aid component is 1 to 3% by weight in terms of oxide, and the carbon / oxygen wt% ratio is 0.1. in 5 below der Ru sintered body, beam intensity as the intensity Xk of the strongest scattering peaks appearing in 500~530Cm -1 is 2400 ± 200 counts when subjected to Raman spectroscopic analysis of the silicon single crystal sample Obtained by performing Raman spectroscopic analysis of the sintered body with the scattering intensity at 1200 cm −1 when the Raman spectroscopic analysis is performed on the silicon single crystal sample under the conditions as the reference scattering intensity level X0. Of the spectral profile The scattering intensity X1 at 200 cm -1, the incremental scattering intensity expressed in increments from a reference scattering intensity level X0 Y1 = X1-X0 is characterized in that has a 1500 count or more. In the present invention, the term “main component” (also synonymous with “main component” or “mainly”) means that the content of the material of interest is 50% by weight or more unless otherwise specified. To do.

本発明においては、結晶学的な分析情報では追跡できなかった材料構造情報を検出する手段としてラマン分光分析法を使用するとともに、窒化珪素質焼結体において、β窒化珪素以外のラマン活性物質の相対量を規定することにより、窒化珪素質焼結体の耐摩耗性の向上及びばらつき抑制を図ることを目的としている。ここで、ラマン活性な物質とは、物質中の格子振動が変化したときに分極率に変化を生ずる物質のことであり、特に可視光領域の電磁波によって光学フォノンが誘起される物質であるということもできる。光学フォノンのエネルギー準位は物質構造に固有のものであり、特定波長の電磁波を吸収することにより、その物質固有の振動数の光学フォノンが誘起されるとともに、フォノン誘起に使われたエネルギーだけ波長が長くなる形で電磁波が散乱される(いわゆるラマンシフト)。   In the present invention, Raman spectroscopic analysis is used as a means for detecting material structure information that could not be traced by crystallographic analysis information, and in a silicon nitride sintered body, a Raman active substance other than β silicon nitride is used. The purpose is to improve wear resistance and suppress variation of the silicon nitride sintered body by defining the relative amount. Here, a Raman-active substance is a substance that causes a change in polarizability when the lattice vibration in the substance changes, and in particular, a substance in which optical phonons are induced by electromagnetic waves in the visible light region. You can also. The energy level of an optical phonon is specific to the material structure. Absorption of an electromagnetic wave with a specific wavelength induces an optical phonon with a frequency specific to the material, and the wavelength of the energy used for phonon induction. Electromagnetic waves are scattered in such a way that becomes longer (so-called Raman shift).

本発明においては、ラマン活性な物質の相対量を推定するために、シリコン単結晶試料のラマン散乱スペクトルプロファイルを用いる。シリコン単結晶試料においては、500〜530cm−1、具体的には520cm−1付近に非常に鋭いラマン散乱ピーク(以下、標準ピークという)を示す一方、それ以外の波長帯ではほとんどラマン散乱を生じないことから、低レベルの安定したバックグラウンドレベルを有する。したがって、被測定試料中にラマン活性な物質が存在しているか否かは、散乱スペクトルプロファイル中に、上記試料のバックグラウンドレベル(本発明においてはその1200cm−1での散乱強度を基準とする)よりも高い散乱強度レベルが見出されるか否かにより判別することができ、その散乱強度が高いほどラマン活性な物質の相対量は多くなるものと考える。 In the present invention, a Raman scattering spectrum profile of a silicon single crystal sample is used in order to estimate the relative amount of a Raman active substance. The silicon single crystal sample shows a very sharp Raman scattering peak (hereinafter referred to as a standard peak) in the vicinity of 500 to 530 cm −1 , specifically 520 cm −1 , while almost Raman scattering occurs in other wavelength bands. Not having a stable background level at a low level. Therefore, whether or not a Raman-active substance is present in the sample to be measured is determined based on the background level of the sample in the scattering spectrum profile (in the present invention, the scattering intensity at 1200 cm −1 is used as a reference). It can be determined whether or not a higher scattering intensity level is found, and the higher the scattering intensity, the greater the relative amount of Raman-active substance.

本発明者らが鋭意検討したところ、焼結助剤成分を含有した窒化珪素質焼結体においては、例えば図16に示すように、206±10cm−1にβ窒化珪素に由来する鋭い散乱ピーク(以下、β窒化珪素ピークと称する)が現れるほか、該β窒化珪素とは異なる位置に非常にブロードな散乱ピーク(以下、ガラス的ピークと称する)が現れ、しかも焼成条件を変化させることにより、そのガラス的ピークの散乱強度レベルが変化することがわかった。該ガラス的ピークは半値幅が非常に広いため、ピーク頂点位置が明瞭でない場合にはバックグラウンド部のようにも見えるが、シリコン単結晶試料のバックグラウンド部よりは明らかに散乱強度レベルが高く、ラマン活性な物質の存在を明確に示すものである。 As a result of intensive studies by the present inventors, in a silicon nitride sintered body containing a sintering aid component, for example, as shown in FIG. 16, a sharp scattering peak derived from β silicon nitride at 206 ± 10 cm −1. (Hereinafter referred to as β silicon nitride peak), a very broad scattering peak (hereinafter referred to as glassy peak) appears at a position different from the β silicon nitride, and by changing the firing conditions, It was found that the scattering intensity level of the glassy peak changed. Since the glassy peak has a very wide half-value width, it looks like a background part when the peak apex position is not clear, but the scattering intensity level is clearly higher than the background part of the silicon single crystal sample, It clearly indicates the presence of Raman-active substances.

上記のガラス的ピークは、窒化珪素質主相以外の物質、この場合、焼結助剤成分が主体となる結合相に由来するものであると考えられる。例えば、X線ディフラクトメータ法による分析を行ったときに特定の結晶構造を反映した回折ピークが現れず、代わりにハローパターンが認められるような場合(粒界相が、ガラス相もしくはそれに近い無秩序的相を形成しているような場合)に、上記ガラス的ピークは特に明瞭に現れる。そして、焼成条件により該ガラス的ピークの高さが変化すること、焼結助剤成分の配合組成によりピーク高さやピーク位置が変化すること等の実験事実を考慮すれば、上記該ガラス的ピークの高さやピーク位置は、ガラス状粒界相構造の結合状態を反映したパラメータであると考えることができる。なお、スペクトルプロファイルにおいてブロードなガラス的ピークが形成される原因については、結合相が近距離秩序のガラス的状態となっており、さらに、そのガラス的状態が本質的に準安定で局所構造揺らぎ等を生じやすくなっていることが考えられる。また、この他にも、結合相を構成するのが基本的に焼結助剤成分に由来するイオンであり、さらにその配列が近距離秩序構造を除けば基本的にランダムであり、これに各イオンの遠距離的なクーロン場が複雑に重ね合わされる結果、局所的かつ多様なラマン活性構造が共存しやすくなるなど、種々の要因を想定することができる。いずれにしても、準安定状態であるため、焼成等によりどのような熱力学的な履歴を受けたかに応じて、結合相の原子レベルでの局所構造が種々に変化し、結果として相自体の機械的性質も少なからぬ影響を受けることになり、耐摩耗性等のレベルやばらつきに変動が生ずるものと推測される。   The glassy peak is considered to be derived from a substance other than the silicon nitride main phase, in this case, a binder phase mainly composed of a sintering aid component. For example, when an X-ray diffractometer analysis is performed, a diffraction peak that reflects a specific crystal structure does not appear, and instead a halo pattern is observed (the grain boundary phase is a glass phase or disorder close to it). The glassy peak appears particularly clearly when the target phase is formed). And considering the experimental facts such that the height of the glassy peak changes depending on the firing conditions and the peak height and peak position change depending on the blending composition of the sintering aid component, the glassy peak The height and peak position can be considered as parameters reflecting the bonding state of the glassy grain boundary phase structure. The reason why broad glassy peaks are formed in the spectrum profile is that the binder phase is in a short-range ordered glassy state, and the glassy state is essentially metastable and local structural fluctuations, etc. It is thought that it is easy to produce. In addition to this, the binder phase is basically composed of ions derived from the sintering aid component, and the arrangement thereof is basically random except for the short-range ordered structure. As a result of complex superposition of long-distance Coulomb fields of ions, various factors can be assumed, such as local coexistence of various Raman active structures. In any case, since it is a metastable state, the local structure at the atomic level of the bonded phase changes variously depending on what thermodynamic history is received by firing or the like, and as a result, the phase itself The mechanical properties are also affected considerably, and it is presumed that the level and variation of wear resistance and the like will vary.

そして、本発明の窒化珪素質焼結体の第一によれば、焼結体のラマン分光分析を行ったときに得られるスペクトルプロファイルの、1200cm−1での散乱強度をX1としたときの、その基準散乱強度レベルX0からの増分散乱強度Y1=X1−X0が1500カウント以上となるようにガラス的ピークのレベルを調整することで、窒化珪素質焼結体の耐摩耗性を向上させることができ、また、そのばらつきも抑制することができる。これは、粒界相中に含まれるラマン活性な物質の量が増大するほど粒界相が強固で均質となることを示唆しているものと考えられる。なお、Y1が1500カウント未満では、該効果は顕著でなくなる。他方、Y1が30000カウントを超えると、ガラス的な粒界相の量が増加しすぎて、耐摩耗性が却って低下する場合がある。Y1は、より望ましくは2000〜20000カウントとなっているのがよい。 And according to the 1st of the silicon nitride sintered body of this invention, when the scattering intensity in 1200cm < -1 > of the spectrum profile obtained when performing Raman spectroscopic analysis of a sintered compact is set to X1, By adjusting the glassy peak level so that the incremental scattering intensity Y1 = X1-X0 from the reference scattering intensity level X0 is 1500 counts or more, the wear resistance of the silicon nitride sintered body can be improved. In addition, the variation can be suppressed. This is considered to suggest that the grain boundary phase becomes stronger and more homogeneous as the amount of the Raman-active substance contained in the grain boundary phase increases. When Y1 is less than 1500 counts, the effect is not significant. On the other hand, if Y1 exceeds 30000 counts, the amount of glassy grain boundary phase increases too much, and the wear resistance may decrease instead. Y1 is more preferably 2000 to 20000 counts.

スペクトルプロファイルにおいてその散乱光の積算強度は、プローブとなるレーザー入射光の波長、強度あるいはスポット径、あるいは積算照射時間により変化するから、本発明では使用するレーザー光を波長514.5nmのアルゴンレーザーとし、レーザービームのスポット径を約10μm、レーザービームの試料に対する積算照射時間を約5秒としている(散乱ピーク強度を表すカウント数は、この5秒間の積算カウント数である)。さらに、散乱ピーク強度の安定しているシリコン単結晶試料の、500〜530cm−1に出現する最強の散乱ピーク(おおむね520cm−1がピーク位置である:以下、標準ピークともいう)の高さXkを基準として、これが約2400±200カウントとなるようにビーム強度を定めている(±200カウントは、ビーム強度設定の誤差を見込んで設定した範囲であるが、複数試料のラマン分光分析を行なう場合はなるべく2400カウントに条件をそろえることが望ましい)。また、スペクトルプロファイルの、1200cm−1での散乱強度を採用する理由は、ブロードなピークの強度最大となる点を厳密に定めることが困難であったり、あるいは強度最大となる点が散乱波長の測定範囲内に現れなかったりした場合においても、ガラス的ピークの散乱強度レベルを一義的に定めることができるからである。 In the spectrum profile, the integrated intensity of the scattered light varies depending on the wavelength, intensity, spot diameter, or integrated irradiation time of the laser incident light serving as the probe. Therefore, in the present invention, the laser light used is an argon laser having a wavelength of 514.5 nm. The spot diameter of the laser beam is about 10 μm, and the integrated irradiation time for the laser beam sample is about 5 seconds (the count number representing the scattering peak intensity is the integrated count number for 5 seconds). Furthermore, the silicon single crystal sample is stable for scattering peak intensity, the strongest scattering peaks appearing in 500~530cm -1 (approximately 520 cm -1 is a peak position: hereinafter also referred to as standard peak) height Xk As a reference, the beam intensity is determined so that this is approximately 2400 ± 200 counts (± 200 count is a range set in consideration of an error in beam intensity setting, but when performing Raman spectroscopic analysis of a plurality of samples. (It is desirable to make the conditions as close as possible to 2400 counts). Further, the reason why the scattering intensity at 1200 cm −1 in the spectrum profile is adopted is that it is difficult to strictly determine the point where the intensity of the broad peak is maximum, or the point where the intensity is maximum is the measurement of the scattering wavelength. This is because the scattering intensity level of the glassy peak can be uniquely determined even when it does not appear within the range.

他方、焼結体に対するレーザービームの照射位置は、耐摩耗性に寄与する焼結体表層領域として、焼結体表面から深さ100±10μmの領域を選択する。この場合、焼結体の断面において表面から深さ方向に100±10μmの位置にレーザービームを照射すればよい。なお、焼結体表面に沿う方向においてピーク強度に分布を生じている場合には、その方向におけるピーク強度の平均値を採用するものとする。   On the other hand, as the laser beam irradiation position on the sintered body, an area having a depth of 100 ± 10 μm from the surface of the sintered body is selected as the surface area of the sintered body contributing to wear resistance. In this case, the laser beam may be irradiated at a position of 100 ± 10 μm in the depth direction from the surface in the cross section of the sintered body. In addition, when distribution has arisen in the peak intensity in the direction along the sintered compact surface, the average value of the peak intensity in that direction shall be adopted.

なお、上記本発明の第一では、標準ピークの高さXkを一定値とするレーザービーム条件を設定したときの、特定波数(1200cm−2)での散乱光のカウント数にてガラス的ピークの散乱強度レベルを定量化していたが、これ以外の方法においても定量化は可能であり、たとえばカウント数ではなく、特定散乱ピークに対する強度比によっても定量化できる。 In the first aspect of the present invention, when the laser beam condition is set such that the standard peak height Xk is a constant value, the glassy peak is determined by the number of scattered light counts at a specific wave number (1200 cm −2 ). Although the scattering intensity level has been quantified, it can be quantified by other methods, for example, it can be quantified not by the number of counts but also by an intensity ratio with respect to a specific scattering peak.

例えば、本発明の窒化珪素質焼結体の第二では、窒化珪素を主成分とする主相結晶粒子が、ガラス質の結合相にて結合した焼結体であって、前記結合相を構成する焼結助剤成分としてAlを含有し、焼結助剤成分を酸化物換算にて1〜5重量%、かつ該焼結助剤成分のうち希土類成分を酸化物換算にて1〜3重量%含有し、炭素量/酸素量のwt%比率が0.5以下である焼結体において、シリコン単結晶試料のラマン分光分析を行なったときの、500〜530cm−1に出現する最強の散乱ピークの強度をXkとし、同じくSiC単結晶試料のラマン分光分析を行なったときの780〜790cm−1に出現する最強の散乱ピークの強度をWkとして、Xk/Wkが0.10±0.01となるようにビーム強度を設定し、その条件にてシリコン単結晶試料についてラマン分光分析を行ったときの1200cm−1での散乱強度を基準散乱強度レベルX0として、その基準散乱強度X0からの増分散乱強度にて表した、500〜530cm−1に出現する最強の散乱ピークの高さをYkとし、また、焼結体のラマン分光分析を行ったときのスペクトルプロファイルの、1200cm−1における基準散乱強度X0からの増分散乱強度Y1として、Y1のYkに対する比Y1/Ykが0.4以上となっていることを特徴とする(図16参照)。 For example, in the second of the silicon nitride sintered body of the present invention, the main phase crystal particles mainly composed of silicon nitride are bonded with a glassy binder phase, and the binder phase is formed. 1-3 weight by containing Al as a sintering aid component, 1 to 5% by weight in terms of oxide of the sintering aid components, and in terms of oxide of the rare earth component of該焼Yuisuke component that % contained in the sintered body Ru der 0.5 or less wt% ratio of carbon content / oxygen content, when subjected to Raman spectroscopic analysis of the silicon single crystal sample, the strongest appearing in 500~530Cm -1 Similarly, the intensity of the scattering peak is Xk, and the intensity of the strongest scattering peak appearing at 780 to 790 cm −1 when Raman spectroscopic analysis of the SiC single crystal sample is performed is Wk, and Xk / Wk is 0.10 ± 0.00. Set the beam intensity so that it becomes 01. The scattering intensity at 1200 cm -1 when performing Raman spectroscopy as a reference scattering intensity level X0 for single crystal sample, expressed in increments scattering intensity from the reference scattering intensity X0, appearing 500~530Cm -1 Yk is the height of the strongest scattering peak, and the ratio of Y1 to Yk is the incremental scattering intensity Y1 from the reference scattering intensity X0 at 1200 cm −1 in the Raman profile of the sintered body. Y1 / Yk is 0.4 or more (see FIG. 16).

例えば、シリコン単結晶試料の標準ピーク高さXkの絶対値(カウント数)は、外乱や測定系のバラツキ、特にフォトセンサなどの受光部の仕様ばらつき等により若干変動する可能性もある。また、そこで上記の構成では、標準試料としてシリコン単結晶とSiC単結晶との2種類を使用し、シリコン単結晶試料のラマン分光分析を行なったときの、500〜530cm−1に出現する最強の散乱ピークの強度Xkと、同じくSiC単結晶試料のラマン分光分析を行なったときの780〜790cm−1に出現する最強の散乱ピークの強度Wkとの比Xk/Wkが0.10±0.01となるように、ビーム強度の設定を相対的に行なうようにした(±0.01は、ビーム強度設定の誤差を見込んで設定した範囲であるが、複数試料のラマン分光分析を行なう場合はなるべくXk/Wk=0.11に条件をそろえることが望ましい)。これにより、外乱や測定系のバラツキの影響を受けることなく、ガラス的ピークの散乱強度レベルを常に正確に評価できる利点が生ずる。 For example, the absolute value (count number) of the standard peak height Xk of a silicon single crystal sample may slightly vary due to disturbances, variations in the measurement system, particularly variations in specifications of the light receiving unit such as a photosensor. Further, in the above configuration, the strongest appearing at 500 to 530 cm −1 when two types of silicon single crystal and SiC single crystal are used as the standard sample and Raman spectroscopic analysis of the silicon single crystal sample is performed. The ratio Xk / Wk between the intensity Xk of the scattering peak and the intensity Wk of the strongest scattering peak appearing at 780 to 790 cm −1 when the Raman spectroscopic analysis of the SiC single crystal sample is performed is 0.10 ± 0.01. (± 0.01 is a range that is set in anticipation of an error in beam intensity setting. However, when performing Raman spectroscopic analysis of a plurality of samples as much as possible, Xk / Wk = 0.11 is desirable) As a result, there is an advantage that the scattering intensity level of the glassy peak can always be accurately evaluated without being affected by disturbances and variations in the measurement system.

そして、上記の測定条件のもとで、焼結体表面から深さ100±10μmの領域においてラマン分光分析を行ったときのスペクトルプロファイルの、1200cm−1における基準散乱強度X0からの増分散乱強度Y1と、基準ピーク高さYkとの比Y1/Ykが0.4以上となるようにすることで、窒化珪素質焼結体の耐摩耗性を向上させることができ、また、そのばらつきも抑制することができる。なお、Y1/Ykは粒界相が過剰とならないよう35以下とするのがよく、望ましくは0.1〜20とするのがよい。 Then, under the above measurement conditions, the incremental scattering intensity Y1 from the reference scattering intensity X0 at 1200 cm −1 of the spectral profile when the Raman spectroscopic analysis is performed in the region of depth of 100 ± 10 μm from the sintered body surface. In addition, by making the ratio Y1 / Yk to the reference peak height Yk to be 0.4 or more, the wear resistance of the silicon nitride sintered body can be improved, and variations thereof are also suppressed. be able to. Y1 / Yk is preferably 35 or less, more preferably 0.1 to 20 so that the grain boundary phase does not become excessive.

また、本発明の窒化珪素質焼結体の第三は、上記本発明の第二と同じ測定条件を採用するとともに、シリコン単結晶試料についてラマン分光分析を行ったときの1200cm−1での散乱強度を基準散乱強度レベルX0として、その基準散乱強度X0からの増分散乱強度にて表した、500〜530cm−1に出現する最強の散乱ピークの高さをYkとし、また、焼結体のラマン分光分析を行ったときのスペクトルプロファイルのベース曲線からの突出高さにて表した206±10cm−1に出現する最強の散乱ピーク高さをZ2とし、焼結体のスペクトルプロファイルの、波数750〜2500cm−1に出現する半値幅300cm−1以上のブロードなピークの、基準散乱強度X0からの増分散乱強度にて表したピーク高さY3として、Y3のピーク強度が1330以上、かつ、Y3とZ2との比Y3/Z2が0.5以上であることを特徴とする。 The third of the silicon nitride sintered bodies of the present invention employs the same measurement conditions as those of the second of the present invention, and is scattered at 1200 cm −1 when Raman spectroscopic analysis is performed on a silicon single crystal sample. Yk is the height of the strongest scattering peak appearing at 500 to 530 cm −1 , expressed as the incremental scattering intensity from the reference scattering intensity X0, with the intensity as the reference scattering intensity level X0, and the Raman of the sintered body Z2 is the strongest scattering peak height that appears at 206 ± 10 cm −1 expressed by the height of the spectral profile protruding from the base curve when the spectral analysis is performed, and the wave number of 750 to 750 of the spectral profile of the sintered body the half-value width 300 cm -1 or more broad peak appearing in the 2500 cm -1, a peak height Y3 expressed in increments scattering intensity from a reference scattering intensity X0, Y3 of Over click strength 1330 or more, and the ratio Y3 / Z2 and Y3 and Z2 is equal to or not less than 0.5.

散乱ピークZ2はβ窒化珪素ピークに対応するが、そのピーク位置においては、ブロードなガラス的ピーク(半値幅は300cm−1よりも通常はるかに大きい)の裾部が重畳することが多いので、窒化珪素主相に由来する散乱成分を抽出するために、ベース曲線からの突出量により表示する。なお、ベース曲線は、スペクトルプロファイルに対しローパスフィルタ処理を施してプロファイル波長cm−1以下の成分をカットすることにより決定することができる。 The scattering peak Z2 corresponds to the β silicon nitride peak, but at the peak position, the skirt of a broad glassy peak (half-value width is usually much larger than 300 cm −1 ) is often superimposed. In order to extract the scattering component derived from the silicon main phase, the amount of protrusion from the base curve is displayed. The base curve can be determined by applying a low-pass filter process to the spectrum profile to cut components having a profile wavelength cm −1 or less.

すなわち、ガラス的ピークのピーク位置が特定できる場合に、そのピーク高さをY3とし、β窒化珪素ピーク高さZ2に対する比率Y3/Z2が0.5以上となるようにすることで、窒化珪素質焼結体の耐摩耗性を向上させることができ、また、そのばらつきも抑制することができる。なお、Y3/Z2は粒界相が過剰とならないよう40以下とするのがよく、望ましくは0.5〜30とするのがよい。   That is, when the peak position of the glassy peak can be specified, the peak height is Y3, and the ratio Y3 / Z2 to the β silicon nitride peak height Z2 is 0.5 or more, so that the silicon nitride quality The wear resistance of the sintered body can be improved, and variations thereof can also be suppressed. Y3 / Z2 should be 40 or less, and preferably 0.5 to 30 so that the grain boundary phase does not become excessive.

なお、ガラス的ピークの位置は、使用する焼結助剤の組成により変化する。例えば、焼結助剤にZrOを配合するとピーク位置が高波数側にシフトする場合がある。 The position of the glassy peak varies depending on the composition of the sintering aid used. For example, when ZrO 2 is added to the sintering aid, the peak position may shift to the high wavenumber side.

また、本発明の窒化珪素焼結体の第四は、窒化珪素を主成分として焼結助剤成分を含有する焼結体において、焼結体の断面において焼結体表面から深さ方向にレーザービームスポットの照射位置を変えながらラマン分光分析を行ったときに、そのラマン散乱スペクトルに現れる1200cm−1での散乱強度が、焼結体表層部と内層部とで異なることを特徴とする。 The fourth aspect of the silicon nitride sintered body of the present invention is a sintered body containing silicon nitride as a main component and containing a sintering aid component, and a laser is cut in the depth direction from the surface of the sintered body in the cross section of the sintered body. When the Raman spectroscopic analysis is performed while changing the irradiation position of the beam spot, the scattering intensity at 1200 cm −1 appearing in the Raman scattering spectrum is different between the surface layer portion and the inner layer portion of the sintered body.

すでに説明した通り、ラマン散乱スペクトルに現われる1200cm−1での散乱強度は前述のガラス的ピークの強度を反映したものであり、焼結体中におけるラマン活性を有するガラス的粒界相の量を反映したものである。そして、該散乱強度が焼結体表層部と内層部とで異なることは、ラマン活性を有するガラス的粒界相の量が焼結体表層部と内層部とで異なることを意味する。すなわち、焼結体の使用目的に応じて、焼結体表層部と内層部とでガラス的粒界相の量を異ならせることにより、種々の目的に合致した焼結体特性を自在に調整することが可能となる。なお、ガラス的ピーク位置が具体的に特定できる場合、すなわち、前述の通り、ラマン散乱スペクトルに現れる、波数750〜2500cm−1に出現する半値幅300cm−1以上のブロードな散乱ピークの強度が特定できる場合には、そのブロードな散乱ピークの強度、すなわちガラス的ピークの強度が焼結体表層部と内層部とで異なることとなる。 As already explained, the scattering intensity at 1200 cm −1 appearing in the Raman scattering spectrum reflects the intensity of the glassy peak described above and reflects the amount of glassy grain boundary phase having Raman activity in the sintered body. It is what. The fact that the scattering intensity differs between the sintered body surface layer portion and the inner layer portion means that the amount of the glassy grain boundary phase having Raman activity differs between the sintered body surface layer portion and the inner layer portion. In other words, depending on the purpose of use of the sintered body, by varying the amount of the glassy grain boundary phase between the surface layer portion and the inner layer portion of the sintered body, the sintered body characteristics that meet various purposes can be freely adjusted. It becomes possible. In the case where the glass peak position can be specifically identified, i.e., as described above, appears in the Raman scattering spectrum, the half width 300 cm -1 or more broad intensity of scattering peak appearing in the wavenumber 750~2500Cm -1 certain If possible, the intensity of the broad scattering peak, that is, the intensity of the glassy peak, differs between the surface layer portion and the inner layer portion of the sintered body.

例えば、1200cm−1での散乱強度(あるいはガラス的ピークの強度)は、焼結体表層部において内層部よりも高くすることが可能である。本発明者らが鋭意検討したところによると、上記のように、焼結体内部ではガラス的ピークを低く保ち、表層部においてはガラス的ピークを積極的に発生させることで、切削工具やその他の摺動部品に要求される耐摩耗性と耐欠損性とを一層高レベルにて両立できることが判明したのである。すなわち、焼結体表層部にラマン活性を有するガラス的粒界相を多く形成し、内部は逆にこれを少なくすることにより、耐摩耗性と耐欠損性との双方に優れた摺動部材を得る上で有効である。その機構としては、以下のように推測している。すなわち、表層部では耐摩耗性に寄与するガラス的粒界相の形成量が増加する一方、ガラス的粒界相の少ない内層部では、局所的に粒界相の弱い部分が発生する。その結果、直線的に伝播しようとする亀裂がその結合力の弱い部分において偏向を受け、破断に至るまでの亀裂延長が増加する結果、靭性が向上して耐欠損性も良好になるものと考えられる。 For example, the scattering intensity at 1200 cm −1 (or the intensity of the glassy peak) can be made higher in the surface layer portion of the sintered body than in the inner layer portion. As described above, the present inventors have intensively studied, and as described above, by keeping the glassy peak low in the sintered body and actively generating the glassy peak in the surface layer part, cutting tools and other It has been found that the wear resistance and fracture resistance required for sliding parts can be achieved at a higher level. In other words, by forming a lot of glassy grain boundary phases having Raman activity in the surface layer of the sintered body and reducing this inside, a sliding member excellent in both wear resistance and fracture resistance can be obtained. It is effective in obtaining. The mechanism is presumed as follows. That is, in the surface layer portion, the formation amount of the glassy grain boundary phase contributing to the wear resistance is increased, while in the inner layer portion having a small glassy grain boundary phase, a portion having a weak grain boundary phase is locally generated. As a result, cracks that propagate in a straight line are deflected in the part where the bonding force is weak, and as a result of the increase in crack extension until breakage, the toughness is improved and the fracture resistance is also improved. It is done.

一方、焼結体の使用目的によっては、焼結体表層部よりも内層部のほうがガラス的ピークの強度が大きくなるようにしたほうが都合がよい場合がある。例えば、表面での潤滑性がより優先されるような部材においては、ラマン活性を有するガラス的粒界相が表層部において少なくなるほうが有利となる場合があり、逆に内部はガラス的粒界相を多くして部材全体の強度や剛性を高めることが有効となる。   On the other hand, depending on the intended use of the sintered body, it may be more convenient for the inner layer portion to have a higher glassy peak strength than the sintered body surface layer portion. For example, in a member where the lubricity on the surface is more prioritized, it may be advantageous that the glassy grain boundary phase having Raman activity is reduced in the surface layer portion, and conversely the inside is a glassy grain boundary phase. It is effective to increase the strength and rigidity of the entire member by increasing the number.

次に、ガラス的ピークの強度を、焼結体表層部において内層部よりも高くする場合、以下の標準測定条件、すなわち、
シリコン単結晶試料のラマン分光分析を行なったときの、500〜530cm−1に出現する最強の散乱ピークの強度をXkとし、同じくSiC単結晶試料のラマン分光分析を行なったときの780〜790cm−1に出現する最強の散乱ピークの強度をWkとして、Xk/Wkが0.10±0.01となるようにビーム強度を設定し、
その条件にてシリコン単結晶試料についてラマン分光分析を行ったときの1200cm−1での散乱強度を基準散乱強度レベルX0とし、同じく焼結体断面の深さ方向における各位置にてラマン分光分析を行ったときの、各位置の散乱強度レベルをXaとし、さらに、Ya=Xa−X0として、
焼結体表層部側に現われるYaの最大値をYmax、同じく内層部側に現われるYaの最小値をYminとして、Ymax/Yminが2以上となっていることが、耐欠損性を良好に維持しつつ、耐摩耗性をさらに向上させる観点において望ましい。Ymax/Yminが2以下では、耐摩耗性の向上がそれほど顕著ではなくなってしまう。Ymax/Yminの値は、より望ましくは10以上であるのがよく、特に切削工具等に適用した場合に、その寿命が大幅に向上する。なお、本発明者らが確認しているYmax/Yminの最大値は37.5程度である。
Next, when the strength of the glassy peak is made higher than the inner layer portion in the sintered body surface layer portion, the following standard measurement conditions, that is,
When subjected to Raman spectroscopic analysis of the silicon single crystal sample, the intensity of the strongest scattering peaks appearing in 500~530cm-1 and Xk, of also when subjected to Raman spectroscopic analysis of the SiC single crystal sample 780~790Cm - Where the intensity of the strongest scattering peak appearing in 1 is Wk, the beam intensity is set so that Xk / Wk is 0.10 ± 0.01,
The scattering intensity at 1200 cm −1 when the Raman spectroscopic analysis is performed on the silicon single crystal sample under the conditions is defined as the reference scattering intensity level X 0, and Raman spectroscopic analysis is performed at each position in the depth direction of the cross section of the sintered body. Xa is the scattering intensity level at each position, and Ya = Xa-X0,
Ymax / Ymin is 2 or more, where Ymax is the maximum value of Ya appearing on the surface layer side of the sintered body, and Ymin is the minimum value of Ya appearing on the inner layer side. This maintains good fracture resistance. However, it is desirable from the viewpoint of further improving the wear resistance. When Ymax / Ymin is 2 or less, the improvement in wear resistance is not so remarkable. The value of Ymax / Ymin is more desirably 10 or more, and when it is applied to a cutting tool or the like, its life is greatly improved. The maximum value of Ymax / Ymin confirmed by the present inventors is about 37.5.

なお、焼結内層部には、ガラス的ピークの強度が略一定の領域(以下、定常領域という)を形成することができ、焼結体の表層部には、ガラス的ピークの強度が、その定常領域の平均的な値よりも高くなる領域(以下、ラマン強化領域という)を形成することができる。前記した標準測定条件におけるYaの値にて、ラマン強化領域の平均的なガラス的ピークの強度は、定常領域の平均的なガラス的ピーク強度の2倍以上、望ましくは10倍以上であることが、耐摩耗性と耐欠損性とをより高レベルで両立させる上で望ましい。また、焼結体表面から深さ方向に測定したラマン強化領域の厚さは2mm以下、望ましくは1mm以下であるのがよい。ラマン強化領域の厚さが2mmを超えると、焼結体表面が脆くなり、微小割れや破損が生じるため望ましくない。   In the sintered inner layer portion, a region having a substantially constant glassy peak intensity (hereinafter referred to as a steady region) can be formed, and the surface layer portion of the sintered body has a glassy peak strength, A region that is higher than the average value of the steady region (hereinafter referred to as a Raman enhancement region) can be formed. With the value of Ya in the standard measurement conditions described above, the average glassy peak intensity in the Raman-enhanced region is at least twice, preferably at least 10 times the average glassy peak intensity in the steady region. It is desirable for achieving both higher wear resistance and fracture resistance at a higher level. Further, the thickness of the Raman strengthened region measured in the depth direction from the surface of the sintered body is 2 mm or less, preferably 1 mm or less. When the thickness of the Raman strengthened region exceeds 2 mm, the surface of the sintered body becomes brittle, and microcracks and breakage occur, which is not desirable.

なお、上記のようなラマン強化領域を形成すると、定常領域との間に熱膨張係数の差を生じ、焼結体中に残留応力が生ずることがある。具体的には、ラマン強化領域にて熱膨張率が小となり、焼結体表面に圧縮残留応力を生ずる場合がある。このような残留応力の発生により、焼結体の見かけの強度や靭性が向上し、より優れた耐摩耗性が得られるようになる。また、前述のラマン活性ガラス的粒界相など、焼結体表層部に粒界相の特異な結合状態が存在することで、ラマン強化領域の硬さが増し、耐摩耗性が向上する。これらの効果はラマン強化領域の厚さが大きくなるほど顕著となるが、前述の脆さとの関係から最適な厚さが存在する。   In addition, when the Raman strengthening region as described above is formed, a difference in thermal expansion coefficient is generated between the steady region and residual stress may be generated in the sintered body. Specifically, the coefficient of thermal expansion becomes small in the Raman strengthened region, and compressive residual stress may be generated on the surface of the sintered body. By generating such residual stress, the apparent strength and toughness of the sintered body are improved, and more excellent wear resistance can be obtained. Further, the presence of a unique bonding state of the grain boundary phase in the surface layer portion of the sintered body, such as the above-mentioned Raman active glass grain boundary phase, increases the hardness of the Raman strengthened region and improves the wear resistance. These effects become more prominent as the thickness of the Raman-enhanced region increases. However, an optimum thickness exists in view of the aforementioned fragility.

次に、焼結体表層部には、ラマン散乱スペクトルにおける1200cm−1での散乱強度が、焼結体表面から深さ方向に単調に減少するラマン傾斜領域を形成することができる。このようなラマン傾斜領域を形成することで、耐摩耗性と耐欠損性とを向上させる効果は一層顕著となる。この場合も、ラマン傾斜領域を前記したラマン強化領域と見ることで、1200cm−1での散乱強度が、焼結体内層部において略一定である定常領域を形成することができる。ラマン強化領域と定常領域との間の熱膨張係数の差が問題となる場合は、ラマン強化領域をラマン傾斜領域として形成することにより、熱応力の局所集中を回避できるので耐熱衝撃性を向上させることができ、切削工具のように冷熱サイクルが頻繁に加わる用途においても超寿命化を図ることができる。この場合、ラマン傾斜領域における焼結体表面側のYaの最大値をYmax、焼結体内層部において略一定となるYaの値をYminとして、Ymax/Yminが2以上となること、望ましくは10以上となることが、上記の効果を高める上で望ましい。 Next, a Raman inclined region in which the scattering intensity at 1200 cm −1 in the Raman scattering spectrum monotonously decreases in the depth direction from the surface of the sintered body can be formed on the surface layer portion of the sintered body. By forming such a Raman inclined region, the effect of improving wear resistance and chipping resistance becomes more remarkable. Also in this case, by viewing the Raman inclined region as the above-described Raman enhancement region, it is possible to form a steady region in which the scattering intensity at 1200 cm −1 is substantially constant in the sintered body layer portion. When the difference in thermal expansion coefficient between the Raman strengthened region and the steady region becomes a problem, the thermal strengthening resistance can be improved by forming the Raman strengthened region as a Raman inclined region so that local concentration of thermal stress can be avoided. In addition, it is possible to achieve a long life even in applications such as cutting tools in which a thermal cycle is frequently applied. In this case, assuming that the maximum value of Ya on the surface side of the sintered body in the Raman inclined region is Ymax and the value of Ya that is substantially constant in the sintered body layer portion is Ymin, Ymax / Ymin is preferably 2 or more, preferably 10 The above is desirable for enhancing the above effect.

本発明の窒化珪素質焼結体は、例えば摺動部品(一般的な機械摺動部品のほか、被加工材との接触面を摺動面とみなすことにより、セラミック工具も概念に含む)に適用することができる。また、本発明の窒化珪素質焼結体は、これ以外にも上記以外の耐摩耗部材や耐食用部材、耐熱性部材あるいはその他の構造用部材に適用可能である。具体例としては、ベアリングボール、セラミック動圧軸受け部品(これらは、ハードディスクドライブや、あるいはポリゴンスキャナのポリゴンミラー駆動部など、コンピュータやレーザープリンタをはじめとする精密電子機器の回転摺動部材として使用されるものである)、切削工具、線引きロール、タペット、ターボロータ、ピストンピンやエンジンバルブ等の自動車用部品、さらにはタービンブレードといった耐熱性構造材料等を例示できるが、これらに限定されるものではない。   The silicon nitride sintered body of the present invention can be used, for example, in sliding parts (in addition to general mechanical sliding parts, a ceramic tool is also included in the concept by considering a contact surface with a workpiece as a sliding surface). Can be applied. In addition, the silicon nitride based sintered body of the present invention can be applied to other wear resistant members, corrosion resistant members, heat resistant members, and other structural members. Specific examples include bearing balls and ceramic hydrodynamic bearing parts (these are used as rotating sliding members for precision electronic devices such as hard disk drives and polygon mirror drive parts of polygon scanners, such as computers and laser printers. Cutting parts, drawing rolls, tappets, turbo rotors, automotive parts such as piston pins and engine valves, and heat-resistant structural materials such as turbine blades, but are not limited to these. Absent.

さて、上記のような本発明の窒化珪素質焼結体の第一〜第三は、例えば以下に述べる窒化珪素質焼結体の製造方法の第一〜第三により製造できる。その窒化珪素質焼結体の製造方法の第一は、窒化珪素質粉末に焼結助剤粉末を酸化物換算にて1〜5重量%、かつ該焼結助剤成分のうち希土類成分を酸化物換算にて1〜3重量%配合して成形用素地粉末となし、これを所期の形状に成形した後、その成形体を常圧又は加圧窒素雰囲気にて焼成する焼成工程と、成形体又は焼結体を50kPa以下の真空雰囲気中にて1200〜1500℃で10分以上保持する熱処理工程とを含むことを特徴とする。なお、雰囲気圧力が10kPaを超える比較的低真空にて処理を行なう場合、焼成雰囲気は窒素や不活性ガスなど酸化性の低い雰囲気とすることが望ましい。   The first to third silicon nitride sintered bodies of the present invention as described above can be manufactured by the first to third methods for manufacturing a silicon nitride sintered body described below, for example. The first method for producing the silicon nitride sintered body is to oxidize 1 to 5% by weight of a sintering aid powder in terms of oxides and oxidize a rare earth component in the sintering aid component. 1 to 3% by weight in terms of product, forming a green powder for molding, molding this into the desired shape, and then firing the molded body at normal pressure or under a pressurized nitrogen atmosphere, and molding And a heat treatment step of holding the body or sintered body in a vacuum atmosphere of 50 kPa or less at 1200 to 1500 ° C. for 10 minutes or more. Note that when the treatment is performed at a relatively low vacuum with an atmospheric pressure exceeding 10 kPa, the firing atmosphere is preferably a low-oxidizing atmosphere such as nitrogen or an inert gas.

上記のような熱処理工程を行うことで、得られる窒化珪素質焼結体のラマンスペクトルプロファイルにおいて、そのガラス的ピークの散乱強度レベルを効果的に高めることができる。その結果、耐摩耗性に優れた本発明の窒化珪素質焼結体の第一〜第三を容易に製造することが可能となる。該真空熱処理によりガラス的ピークの散乱強度レベルが高められることは、ラマン分光分析を行う焼結体の少なくとも表層部において粒界相中に占めるラマン活性な物質(あるいは構造)が増大することを意味すると推測される。その理由としては、高温での真空減圧により焼結体(あるいは焼結途中の成形体)表面から粒界相構成成分の一部が揮発し、イオン結合状態に変化が生じることが考えられる。   By performing the heat treatment step as described above, the scattering intensity level of the glassy peak can be effectively increased in the Raman spectrum profile of the obtained silicon nitride sintered body. As a result, the first to third silicon nitride sintered bodies of the present invention having excellent wear resistance can be easily produced. The increase in the scattering intensity level of the glassy peak by the vacuum heat treatment means that the Raman active substance (or structure) occupying in the grain boundary phase increases at least in the surface layer portion of the sintered body to be subjected to Raman spectroscopic analysis. I guess that. The reason is considered that a part of the grain boundary phase constituent components volatilizes from the surface of the sintered body (or the formed body during sintering) by vacuum decompression at a high temperature, and the ionic bond state is changed.

熱処理工程においては、雰囲気の真空度が50kPaを超えるか、あるいは、その保持時間が10分未満になると、ガラス的ピークの散乱強度レベルを高める効果が不十分となる。また、真空度の下限値に特に制限はなく、設備あるいは製造能率的な面での無為なコストアップを招かない限り、可及的に高い真空度を採用することが可能である。また、保持時間については、望ましくは30分以上であるのがよい。他方、保持時間の上限値に特に制限はないが、製造能率的な面での無為なコストアップを避けるという観点においては、60分程度を目安とするのがよい。   In the heat treatment step, when the degree of vacuum of the atmosphere exceeds 50 kPa or the holding time is less than 10 minutes, the effect of increasing the scattering intensity level of the glassy peak becomes insufficient. Moreover, there is no restriction | limiting in particular in the lower limit of a vacuum degree, It is possible to employ | adopt as high a vacuum degree as possible, as long as it does not cause the unnecessary cost increase in terms of equipment or manufacturing efficiency. The holding time is preferably 30 minutes or longer. On the other hand, although there is no particular limitation on the upper limit value of the holding time, about 60 minutes is a good guideline from the viewpoint of avoiding unnecessary cost increase in terms of manufacturing efficiency.

また、熱処理の温度が1200℃未満ではガラス的ピークの散乱強度レベルを高める効果が不十分となり、1500℃を超えると却って成分揮発が進みすぎ、耐摩耗性等の低下をきたすことにつながる。熱処理の温度は、望ましくは1400〜1450℃とするのがよい。   Moreover, if the temperature of heat processing is less than 1200 degreeC, the effect which raises the scattering intensity level of a glassy peak will become inadequate, and when it exceeds 1500 degreeC, component volatilization will advance too much and it will lead to fall of abrasion resistance etc. The temperature of the heat treatment is desirably 1400 to 1450 ° C.

一方、熱処理の温度をさらに高くする場合、雰囲気の圧力を若干高めることにより成分揮発を抑制すれば、上記製造方法の第一と同じ目的を達成することが可能となる。すなわち、窒化珪素質焼結体の製造方法の第二は、窒化珪素質粉末に焼結助剤粉末を酸化物換算にて1〜5重量%、かつ該焼結助剤成分のうち希土類成分を酸化物換算にて1〜3重量%配合して成形用素地粉末となし、これを所期の形状に成形した後、その成形体を常圧又は加圧窒素雰囲気にて焼成する焼成工程と、成形体又はその焼結体を、以下の圧力P(単位:Pa)にて保持する熱処理工程とを含むことを特徴とする。
熱処理工程が100〜2000℃の場合、1×10−68×T22.3≦P≦5×10−20×T7.65で表される。
On the other hand, when the temperature of the heat treatment is further increased, if the component volatilization is suppressed by slightly increasing the pressure of the atmosphere, it is possible to achieve the same object as the first of the above production method. That is, in the second method for producing a silicon nitride sintered body, 1 to 5% by weight of a sintering aid powder in terms of oxide is added to silicon nitride powder, and a rare earth component is included in the sintering aid component. After forming 1 to 3% by weight in terms of oxide and forming a green powder for molding, and molding this into the desired shape, the firing step of firing the molded body in a normal pressure or pressurized nitrogen atmosphere, And a heat treatment step of holding the compact or its sintered body at the following pressure P (unit: Pa).
If heat treatment step of 1 5 00 to 2,000 ° C., it expresses at 1 × 10 -68 × T 22.3 ≦ P ≦ 5 × 10 -20 × T 7.65.

処理圧力Pを与える式では、温度のべき乗に比例する形で圧力の上下限を設定することにより、高温となるほど処理圧力を増加させて、温度上昇に伴う成分揮発の過度の増大を抑制するように図っている。圧力の下限値未満では、成分揮発が進みすぎ、耐摩耗性等の低下をきたすことにつながる。また、上限値を超えると、ガラス的ピークの散乱強度レベルを高める効果が不十分となる。他方、温度が2000℃を超えるとセラミックの異常粒成長による強度低下あるいはセラミック自体の溶融等が問題となる。また、保持時間については、例えば10分以上であるのがよい。
なお、代表的な温度における圧力Pの範囲は以下の通りである;
1500℃:670〜106620Pa
1800℃:39130〜430880Pa
2000℃:410170〜965740Pa。
In the formula that gives the processing pressure P, by setting the upper and lower limits of the pressure in a form that is proportional to the power of the temperature, the processing pressure is increased as the temperature becomes higher, so that excessive increase in component volatilization accompanying the temperature rise is suppressed. It is aimed at. Below the lower limit of the pressure, component volatilization proceeds too much, leading to a decrease in wear resistance and the like. When the upper limit is exceeded, the effect of increasing the scattering intensity level of the glassy peak becomes insufficient. On the other hand, when the temperature exceeds 2000 ° C., strength reduction due to abnormal grain growth of the ceramic or melting of the ceramic itself becomes a problem. Moreover, about holding time, it is good that it is 10 minutes or more, for example.
Note that the range of pressure P at typical temperatures is as follows:
1500 ° C .: 670 to 106620 Pa
1800 ° C .: 39130-430880 Pa
2000 ° C .: 410170 to 965740 Pa.

次に、焼成温度や圧力は、焼結体の用途に応じて適宜設定されるが、例えば一次焼成および二次焼成の2段階焼成によって行う場合、一次焼成は、窒素を含む1〜10気圧以下の雰囲気下にて1900℃以下で行い、一次焼成後の焼結体相対密度を78%以上、好ましくは90%以上となるように行うことが望ましい。また、二次焼成は、窒素を含む10〜1000気圧の雰囲気にて、1600から1950℃で行うことができる。ただし、強度や靭性、ひいては耐摩耗性や耐熱性あるいは摺動特性等、十分な性能が保証される範囲内であれば、一段階焼成であってもよい。そして、前述の真空熱処理工程は、上記の焼成工程の途中又は該焼成工程の終了後に行うことが能率的である。   Next, the firing temperature and pressure are appropriately set according to the use of the sintered body. For example, when performing the two-step firing of primary firing and secondary firing, the primary firing is 1 to 10 atm or less including nitrogen. It is desirable to carry out at 1900 ° C. or less under the atmosphere of the above, so that the sintered body relative density after the primary firing is 78% or more, preferably 90% or more. The secondary firing can be performed at 1600 to 1950 ° C. in an atmosphere of 10 to 1000 atmospheres containing nitrogen. However, one-step firing may be used as long as sufficient performance such as strength, toughness, wear resistance, heat resistance, or sliding characteristics is guaranteed. And it is efficient to perform the above-mentioned vacuum heat treatment process in the middle of the above-mentioned baking process or after the end of the baking process.

また、焼結体表層部にて内層部よりもガラス的ピークの強度が高くなる焼結体構造を得たい場合は、一次焼成を1〜3気圧の非酸化性雰囲気(例えば窒素雰囲気)にて行なうことが望ましい。圧力が3気圧を超えると、ガラス的ピークの強度が内層部においても表層部と同程度に高くなってしまう場合があるためである。また、前述の傾斜ラマン領域を形成したい場合には、一次焼成において、焼成前の成形体には離型剤等のコーティングはなるべく行なわないことが望ましい。ただし、焼結体とグラファイト等で構成された焼結用容器との癒着を防止するために、微量のBN等の離型剤を塗布することは可能である。他方、二次焼成においては、焼成が高温高圧であるために、傾斜構造の確保のため、離型剤等の塗布は極力行なわないことが望ましい。   Moreover, when it is desired to obtain a sintered body structure in which the strength of the glassy peak is higher in the surface layer portion of the sintered body than in the inner layer portion, the primary firing is performed in a non-oxidizing atmosphere (for example, nitrogen atmosphere) of 1 to 3 atmospheres. It is desirable to do so. This is because if the pressure exceeds 3 atm, the intensity of the glassy peak may be as high as that of the surface layer portion in the inner layer portion. Further, when it is desired to form the above-described inclined Raman region, it is desirable that the molded body before firing is not coated with a release agent or the like as much as possible in the primary firing. However, in order to prevent adhesion between the sintered body and the sintering container composed of graphite or the like, it is possible to apply a release agent such as a small amount of BN. On the other hand, in the secondary firing, since firing is performed at a high temperature and high pressure, it is desirable not to apply a release agent or the like as much as possible in order to secure an inclined structure.

また、本発明において、焼結体の原料素地粉末の調製は以下のようにして行なうのがよい。すなわち、原料粉末及び有機結合剤(バインダ)を所定量配合し、水を分散媒としてボールミルなどで混合する。この際、粉末が水と反応して酸素量が増加しないように、なるべく短時間でにて粉砕することが望ましい。短時間で粉砕を行なうためには、ミルポットの自転と公転とを組み合わせた遊星ボールミルを採用することが有効である。この場合、遊星ボールミルの粉砕加速度を5〜10G(Gは重力加速度)に保つことが望ましく、粉砕時間は5時間以内とするのがよい。   In the present invention, the raw material powder for the sintered body is preferably prepared as follows. That is, a predetermined amount of raw material powder and an organic binder (binder) are blended and mixed with a ball mill or the like using water as a dispersion medium. At this time, it is desirable to grind in as short a time as possible so that the powder does not react with water and increase the amount of oxygen. In order to perform pulverization in a short time, it is effective to employ a planetary ball mill that combines mill pot rotation and revolution. In this case, it is desirable to maintain the pulverization acceleration of the planetary ball mill at 5 to 10 G (G is gravitational acceleration), and the pulverization time is preferably within 5 hours.

次に、窒化珪素質焼結部材の組織は、窒化珪素を主成分とする主相結晶粒子が、ガラス質及び/又は結晶質の結合相にて結合した形態のものとなる。なお、主相は、β化率が70体積%以上(望ましくは90体積%以上)のSi相を主体とするものであるのがよい。この場合、Si相は、SiあるいはNの一部が、Alあるいは酸素で置換されたもの、さらには、相中にLi、Ca、Mg、Y等の金属原子が固溶したものであってもよい。例えば、次の一般式にて表されるサイアロンを例示することができる;
β−サイアロン:Si6−zAl8−z(z=0〜4.2)
α−サイアロン:M(Si,Al)12(O,N)16(x=0〜2)
M:Li,Mg,Ca,Y,R(RはLa,Ceを除く希土類元素)。
Next, the structure of the silicon nitride-based sintered member is in a form in which main phase crystal particles mainly composed of silicon nitride are bonded by vitreous and / or crystalline binder phases. The main phase is preferably composed mainly of a Si 3 N 4 phase having a β conversion rate of 70% by volume or more (preferably 90% by volume or more). In this case, the Si 3 N 4 phase is one in which a part of Si or N is replaced with Al or oxygen, and further, a metal atom such as Li, Ca, Mg, or Y is dissolved in the phase. There may be. For example, sialon represented by the following general formula can be exemplified;
β-sialon: Si 6-z Al z O z N 8-z (z = 0 to 4.2)
α-sialon: M x (Si, Al) 12 (O, N) 16 (x = 0 to 2)
M: Li, Mg, Ca, Y, R (R is a rare earth element excluding La and Ce).

焼結助剤成分は、周期律表の3A、4A、5A、3B(例えばAl)及び4B(例えばSi)の各族の元素群及びMgから選ばれる少なくとも1種を使用でき、例えば酸化物の形で添加できる。   As the sintering aid component, at least one selected from the group of elements of each group of 3A, 4A, 5A, 3B (for example, Al) and 4B (for example, Si) of the periodic table and Mg can be used. Can be added in the form.

焼結助剤成分は、例えば酸化物換算にて2〜30重量%の範囲で含有させることができる。また、これに対応して窒化珪素は70〜98重量%の範囲にて含有させることができる。焼結助剤成分が2重量%未満では緻密な焼結体が得にくくなる。しかしながら、本発明の効果を有効に引き出すためには、上限値は、一般的な窒化珪素焼結体の添加レベルよりも低い5重量%程度とすることが望ましい。焼結助剤成分が多すぎると、Si粒子の析出が妨げられて、本発明の構成の窒化珪素質焼結体を得にくくなり、ひいては本発明が意図するレベルでの強度や靭性、耐摩耗性あるいは耐熱性の不足を招いたり、あるいは摺動部品の場合には耐摩耗性の低下にもつながるためである。焼結助剤成分の含有量は、より望ましくは酸化物換算にて1〜5重量%(窒化珪素の含有量では95〜99重量%)とするのがよい。   The sintering aid component can be contained, for example, in the range of 2 to 30% by weight in terms of oxide. Correspondingly, silicon nitride can be contained in the range of 70 to 98% by weight. If the sintering aid component is less than 2% by weight, it becomes difficult to obtain a dense sintered body. However, in order to effectively bring out the effects of the present invention, the upper limit value is desirably about 5% by weight lower than the addition level of a general silicon nitride sintered body. When there are too many sintering aid components, the precipitation of Si particles is hindered, making it difficult to obtain a silicon nitride sintered body having the structure of the present invention, and consequently the strength, toughness and wear resistance at the level intended by the present invention. This is because of insufficiency or heat resistance, or in the case of sliding parts, it leads to a decrease in wear resistance. The content of the sintering aid component is more preferably 1 to 5% by weight in terms of oxide (95 to 99% by weight for the content of silicon nitride).

なお、3A族(希土類)の焼結助剤成分としては、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luが一般的に用いられる。これらの元素Rの含有量は、CeのみRO、他はR型酸化物にて換算する。これらのうちでもY、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Ybの各重希土類元素の酸化物は、窒化珪素質焼結体の強度、靭性及び耐摩耗性を向上させる効果があるので好適に使用される。特に、YbとAlとを組み合わせて使用することは、前記したラマン活性ガラス的ピーク層の形成を促し、耐摩耗性を向上させる上で効果がある。 In addition, as a sintering aid component of group 3A (rare earth), Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu are common. Used for. The content of these element R, Ce only RO 2, others are translated by R 2 O 3 type oxide. Among these, oxides of heavy rare earth elements of Y, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, and Yb are preferable because they have the effect of improving the strength, toughness, and wear resistance of the silicon nitride sintered body. used. In particular, the use of Yb and Al in combination is effective in promoting the formation of the aforementioned Raman active glass-like peak layer and improving the wear resistance.

焼結助剤成分が希土類成分を含有する場合、その希土類成分の焼結体中の含有量が酸化物換算にて1〜4重量%、望ましくは1〜3重量%となっていることが望ましい。希土類成分の含有量が多くなりすぎると、得られる窒化珪素質焼結体の耐摩耗性が却って損なわれる場合がある。また、1重量%未満では、希土類元素酸化物使用による、窒化珪素質焼結体の強度、靭性及び耐摩耗性の向上効果が十分に期待できない。   When the sintering aid component contains a rare earth component, the content of the rare earth component in the sintered body is 1 to 4% by weight, preferably 1 to 3% by weight in terms of oxide. . If the content of the rare earth component is excessive, the wear resistance of the resulting silicon nitride sintered body may be impaired. If it is less than 1% by weight, the effect of improving the strength, toughness and wear resistance of the silicon nitride sintered body due to the use of rare earth element oxide cannot be sufficiently expected.

焼結助剤成分は、主に結合相を構成するが、一部が主相中に取り込まれることもありえる。なお、結合相中には、焼結助剤として意図的に添加した成分のほか、不可避不純物、例えば窒化珪素原料粉末に含有されている酸化珪素(例えばSiOである)などが含有されることがある。 The sintering aid component mainly constitutes the binder phase, but a part thereof may be incorporated into the main phase. In addition to the components intentionally added as a sintering aid, the binder phase contains inevitable impurities such as silicon oxide (eg, SiO 2 ) contained in the silicon nitride raw material powder. There is.

本発明の窒化珪素質焼結体は、高レベルの耐摩耗性が要求される各種窒化珪素質部品、わけてもベアリングボールをはじめとする機械摺動部品に好適に使用することができる。また、精密電子機器、例えばコンピュータハードディスクドライブの軸受けとして使用されている高速回転のベアリングは、異音等の発生がなきよう特に高精度の研磨仕上が要求されるが、本発明によれば高精度に仕上げられたベアリングボールも容易に得ることができ、異音や振動発生の問題も生じにくい。   The silicon nitride sintered body of the present invention can be suitably used for various silicon nitride parts that require a high level of wear resistance, in particular, machine sliding parts such as bearing balls. In addition, high-speed bearings used as bearings for precision electronic equipment, such as computer hard disk drives, require a particularly high precision finish so that no abnormal noise or the like is generated. The finished bearing ball can be easily obtained, and the problem of abnormal noise and vibration is less likely to occur.

次に、特に5mm以下の小径のベアリングボールを製造する場合において、より有利となる参考技術について説明する。ただし、該技術は本発明の必須要件を構成するものでないことはもちろんであり、本発明と組み合わせて実施しても、あるいは本発明とは無関係に実施してもいずれでもよい。従って、当然に本発明を限定するものではない。ただし、本発明と組み合わせることにより、摺動特性あるいは耐摩耗性に一層優れた小径のベアリングボールを実現することができる。   Next, a reference technique that is more advantageous in the case of manufacturing a small-sized bearing ball of 5 mm or less will be described. However, it goes without saying that the technology does not constitute an essential requirement of the present invention, and may be implemented in combination with the present invention or may be implemented independently of the present invention. Therefore, the present invention is naturally not limited. However, in combination with the present invention, it is possible to realize a small-diameter bearing ball that is further excellent in sliding characteristics or wear resistance.

電子精密機器用のベアリング等への適用を前提とした小径でグレードの高いベアリングボールの場合、焼結体の高密度化に効果のあるHIP法(例えば、焼成圧力200atm以上、通常1000〜2000atm)を採用することもできるが、焼結体の表面が硬質化しやすいので研磨がやや困難となり、高精度の真球度あるいは直径不同の確保に影響を及ぼすこともありうる。そこで、表面が硬質化しにくい常圧又はガス圧焼成による窒化珪素質セラミックボールの製造を考えた場合、焼結性の阻害による密度低下ひいてはそれによる耐摩耗性等の性能低下が著しくなるベアリングボールの寸法範囲が、表面積A(単位:mm)と重量W(単位:g)との比A/Wが300以上となる寸法範囲であることが判明した。具体的には、窒化珪素粉末と焼結助剤粉末とを主体に構成された成形用素地粉末を、表面積A’(単位:mm)と重量W’(単位:g)との比A’/W’が350以上となり、かつ密度が2.0〜2.5g/cmとなるように球状に成形し、常圧又はガス圧焼成により、その球状成形体(以下、単に成形体ともいう)を焼結することが有効である。焼成前の成形体の段階では、密度が2.0〜2.5g/cmとなるように成形用素地粉末を成形することを考慮すれば、表面積A’(単位:mm)と重量W’(単位:g)との比A’/W’が350以上に対応する。 In the case of bearing balls of small diameter and high grade that are premised on application to bearings for electronic precision equipment, etc., the HIP method (for example, firing pressure of 200 atm or more, usually 1000 to 2000 atm) is effective in increasing the density of the sintered body. However, since the surface of the sintered body is easily hardened, polishing becomes somewhat difficult, which may affect the securing of high precision sphericity or non-uniform diameter. Therefore, when considering the production of silicon nitride ceramic balls by firing at normal pressure or gas pressure, where the surface is difficult to harden, the density of the bearing balls is reduced due to the inhibition of sinterability, and the performance degradation such as wear resistance is significantly reduced. It was found that the dimension range was a dimension range in which the ratio A / W of the surface area A (unit: mm 2 ) to the weight W (unit: g) was 300 or more. Specifically, a molding base powder mainly composed of silicon nitride powder and sintering aid powder is obtained by using a ratio A ′ of a surface area A ′ (unit: mm 2 ) and a weight W ′ (unit: g). / W ′ is 350 or more, and is molded into a spherical shape so that the density is 2.0 to 2.5 g / cm 3, and the spherical molded body (hereinafter also simply referred to as a molded body) is obtained by firing at normal pressure or gas pressure. It is effective to sinter. In consideration of molding the green powder for molding so that the density becomes 2.0 to 2.5 g / cm 3 at the stage of the molded body before firing, the surface area A ′ (unit: mm 2 ) and the weight W The ratio A ′ / W ′ to “(unit: g)” corresponds to 350 or more.

また、焼成前の成形体の密度(密度)が2.0〜2.5g/cmの範囲に収まるように成形用素地粉末を成形することにより、A/Wが300以上となるような小径のベアリングボールであっても、常圧あるいはガス圧焼成により十分高密度に焼結が可能となる。そして、その焼成により得られる研磨前のベアリング素球は表面の硬質化が進みにくくなり、精密な研磨加工を極めて容易に能率良く行うことができる。その結果、A/Wが300以上であって、かつ密度において3.2g/cm以上に高密度化し、さらに真球度及び直径不同が共に0.10μm以下という、従来法では実現不能であった高性能かつ高精度の小径窒化珪素質セラミックベアリングボールが実現可能となる。例えばコンピュータハードディスクドライブ等の精密電子機器において、高速回転(例えば5400〜12000rpm)で使用されても、音や振動を発することなく長期間にわたってその寿命を確保することができる。 Further, by molding the green powder for molding so that the density (density) of the green body before firing is in the range of 2.0 to 2.5 g / cm 3 , the small diameter is such that A / W becomes 300 or more. Even the above bearing balls can be sintered at a sufficiently high density by firing at normal pressure or gas pressure. Further, the hardened bearing balls obtained by firing are hard to be hardened, and precise polishing can be performed very easily and efficiently. As a result, the A / W is 300 or more, the density is increased to 3.2 g / cm 3 or more, and the sphericity and the difference in diameter are both 0.10 μm or less. High performance and high precision small diameter silicon nitride ceramic bearing balls can be realized. For example, in a precision electronic device such as a computer hard disk drive, even if it is used at a high speed (for example, 5400 to 12000 rpm), its life can be ensured over a long period of time without generating sound or vibration.

なお、本明細書において真球度とは、ベアリングボールの表面に外接する最小球面とベアリングボール表面の各点との半径方向の距離の最大値をいう。また、直径不同とは、1個のベアリングボールの直径の最大値と最小値との差をいう。   In the present specification, the sphericity means the maximum value of the distance in the radial direction between the minimum spherical surface circumscribing the surface of the bearing ball and each point on the surface of the bearing ball. Also, the diameter unequal means the difference between the maximum value and the minimum value of the diameter of one bearing ball.

また、本明細書においてガス圧焼成は、1atmを超え、200atm以下の少なくとも窒素を含有する雰囲気下で焼成を行うことをいい、常圧焼成とは1atm以下の少なくとも窒素を含有する雰囲気下で焼成を行うことをいう。ガス圧焼成の雰囲気圧力の上限を200atmとすることで、焼結体の表面の過度の硬質化を効果的に防止でき、ひいては研磨後の窒化珪素質セラミックボールの真球度あるいは直径不同を一層確保しやすくなる。   Further, in the present specification, gas pressure firing means firing in an atmosphere containing at least nitrogen of more than 1 atm and not more than 200 atm, and normal pressure firing means firing in an atmosphere containing at least nitrogen of not more than 1 atm. To do. By setting the upper limit of the atmospheric pressure of the gas pressure firing to 200 atm, it is possible to effectively prevent the surface of the sintered body from being excessively hardened. It becomes easy to secure.

上記の効果は、A/Wが500を超える範囲にてさらに有効に発揮される。他方、A/Wが5000を超えると、高密度の球状成形体の製造が困難となるため、それ以下のA/W、より望ましくは2000以下のA/Wのベアリングボールを対象とすることが望ましい。上記のA/Wの範囲は、窒化珪素質セラミックの密度を考慮すれば、ボールの直径が0.5〜6mm(望ましくは、1〜6mm)の範囲に相当する。   The above effects are more effectively exhibited when A / W exceeds 500. On the other hand, when the A / W exceeds 5000, it becomes difficult to produce a high-density spherical molded body. Therefore, it is possible to target a bearing ball having an A / W of less than that, more preferably an A / W of 2000 or less. desirable. The above A / W range corresponds to a ball diameter of 0.5 to 6 mm (preferably 1 to 6 mm) in consideration of the density of the silicon nitride ceramic.

また、ベアリングボールの密度が3.2g/cm未満になると耐摩耗性や強度が不足し、特に高速回転が要求されるコンピュータハードディスク等の精密電子機器用ベアリング等に適用された場合に、十分な性能及び寿命を確保できなくなる。他方、窒化珪素質セラミックの密度の上限は、セラミック組成毎に定まる理論密度値である、焼成条件の選択等により可及的に理論密度値に近付けるほど、耐摩耗性あるいは強度向上させる上で有利である。 Also, if the density of the bearing ball is less than 3.2 g / cm 3, the wear resistance and strength are insufficient, and it is sufficient when applied to bearings for precision electronic devices such as computer hard disks that require high-speed rotation. High performance and longevity cannot be secured. On the other hand, the upper limit of the density of silicon nitride ceramic is the theoretical density value determined for each ceramic composition. The closer to the theoretical density value as much as possible by selection of firing conditions, etc., is advantageous in improving wear resistance or strength. It is.

理論密度値が実測あるいは推定可能である場合、ベアリングボールの密度を、その見かけの密度の理論密度に対する比率、すなわち相対密度で表すこともできる。この場合、その相対密度は99.0%以上、より望ましくは99.5%以上であるのがよい。また、相対密度が100%未満になるということは、焼結体組織中に微細な空隙が残留して焼結体の密度が小さくなっていることを意味する。従って、焼結体中の空隙の存在比率は、焼結体の相対密度を反映したパラメータとなりうる。   When the theoretical density value can be actually measured or estimated, the density of the bearing ball can be expressed by the ratio of the apparent density to the theoretical density, that is, the relative density. In this case, the relative density is preferably 99.0% or more, more preferably 99.5% or more. Moreover, the relative density being less than 100% means that fine voids remain in the sintered body structure and the density of the sintered body is reduced. Therefore, the abundance ratio of the voids in the sintered body can be a parameter reflecting the relative density of the sintered body.

ベアリングボールの真球度及び直径不同を0.10μm以下とすることで、これをコンピュータハードディスク等の精密電子機器用のベアリングに組み込んで、高速回転(例えば5400〜10000rpm)にて使用した時に、音や異常振動の発生を顕著に抑制することが可能となる。なお、ベアリングボールの真球度は、より望ましくは0.03μm以下であるのがよく、また、直径不同は、より望ましくは0.07μm以下であるのがよい。   When the sphericity and diameter difference of the bearing balls are set to 0.10 μm or less, they are incorporated into bearings for precision electronic devices such as computer hard disks and used at high speed rotation (for example, 5400 to 10,000 rpm). And the occurrence of abnormal vibration can be remarkably suppressed. The sphericity of the bearing ball is more preferably 0.03 μm or less, and the non-uniform diameter is more preferably 0.07 μm or less.

ベアリングボールを製造する際の、球状成形体の表面積A’(単位:mm)と重量W’(単位:g)との比A’/W’が350未満になると、最終的に得られるベアリングボールのA/Wの値を300以上とすることが不可能となる(厳密には、ベアリング素球とベアリングボールとでは研磨代の分だけ寸法に差があるが、研磨代は球の直径に比して十分小さく、A/Wの値にはそれほど影響はしない)。なお、A’/W’の上限値は、得られるセラミックボールのA/W値の上限値が5000(望ましくは2000)である場合、これに対応して2560(望ましくは1650)程度となる。 When the ratio A ′ / W ′ between the surface area A ′ (unit: mm 2 ) and the weight W ′ (unit: g) of the spherical molded body in producing the bearing ball is less than 350, the bearing finally obtained It becomes impossible to make the A / W value of the ball 300 or more (strictly speaking, there is a difference in size between the bearing ball and the bearing ball by the grinding allowance, but the grinding allowance depends on the diameter of the ball. The A / W value is not so much affected). The upper limit value of A ′ / W ′ is about 2560 (preferably 1650) correspondingly when the upper limit value of the A / W value of the obtained ceramic ball is 5000 (preferably 2000).

また、球状成形体の密度が2.0g/cm未満になると、ガス圧焼結あるいは常圧焼結による焼結時に緻密化が進まず、耐摩耗性等の性能低下を招いたり、あるいは気孔の残留により0.10μm以下の真球度や直径不同を達成できなくなる。一方、成形体の密度が2.5g/cmを超えると、成形後に成形体に残留する応力が高くなり過ぎ、成形体の崩壊を招いたり、あるいは焼成時の割れやクラック発生を助長して歩留まり低下につながる問題を生ずる。なお、球状成形体の密度は、より望ましくは2.15〜2.38g/cmとするのがよい。 On the other hand, when the density of the spherical molded body is less than 2.0 g / cm 3 , densification does not proceed at the time of sintering by gas pressure sintering or atmospheric pressure sintering, resulting in performance deterioration such as wear resistance or pores. It is impossible to achieve a sphericity of 0.10 μm or less or a diameter difference due to the remaining of slag. On the other hand, if the density of the molded body exceeds 2.5 g / cm 3 , the stress remaining in the molded body after molding becomes too high, leading to the collapse of the molded body, or promoting cracking and cracking during firing. This causes problems that lead to a decrease in yield. The density of the spherical molded body is more preferably 2.15 to 2.38 g / cm 3 .

ベアリングボールを本発明の窒化珪素質焼結体として構成したボールベアリングの一例を示す模式図。The schematic diagram which shows an example of the ball bearing which comprised the bearing ball as the silicon nitride sintered body of this invention. 一次粒子径と二次粒子径との概念を説明する図。The figure explaining the concept of a primary particle diameter and a secondary particle diameter. 相対累積度数の概念を示す説明図。Explanatory drawing which shows the concept of a relative cumulative frequency. 成形用素地粉末の製造装置の一例を概念的に示す縦断面図。The longitudinal cross-sectional view which shows notionally an example of the manufacturing apparatus of the base powder for shaping | molding. 図4の装置の作用説明図。FIG. 5 is an operation explanatory diagram of the apparatus of FIG. 4. 図5に続く作用説明図。Action explanatory drawing following FIG. 転動造粒の工程説明図。Process explanatory drawing of rolling granulation. 図7に続く工程説明図。Process explanatory drawing following FIG. 転動造粒成形工程の進行過程を説明する図。The figure explaining the progress process of a rolling granulation shaping | molding process. 転動造粒法により製造されたベアリング素球の断面構造の一例を示す模式図。The schematic diagram which shows an example of the cross-sectional structure of the bearing element ball manufactured by the rolling granulation method. 本発明の窒化珪素質焼結体を用いたセラミックタペットの一例を示す正面図。The front view which shows an example of the ceramic tappet using the silicon nitride-type sintered compact of this invention. ダイプレスによる粉末成型法をいくつか例示して説明する断面図。Sectional drawing explaining and illustrating some powder molding methods by die press. 本発明の窒化珪素質焼結体として構成した工具の平面図、側面図及びそのエッジ部の側面拡大図。The top view of the tool comprised as a silicon nitride-type sintered compact of this invention, a side view, and the side surface enlarged view of the edge part. 切削試験の概要を示す説明図。Explanatory drawing which shows the outline | summary of a cutting test. 切削試験における試験片と被削材との位置関係を示す説明図。Explanatory drawing which shows the positional relationship of the test piece and workpiece in a cutting test. ラマン分光分析のスペクトルプロファイルの一例を示す図。The figure which shows an example of the spectrum profile of a Raman spectroscopic analysis. 真空熱処理の各種の実施態様を示す模式図。The schematic diagram which shows the various embodiment of a vacuum heat processing. SiC単結晶試料のラマン散乱スペクトルプロファイルの一例を示す図。The figure which shows an example of the Raman scattering spectrum profile of a SiC single crystal sample. 表3の番号5,6,11の各試験品の、Yaの値(ただし、シリコン単結晶試料の1200cm−1での散乱強度(基準散乱強度レベル)X0に対する比にて表示している)の測定結果を、焼結体表面からの深さ方向距離との関係にて示したグラフ。The value of Ya of each test product of Nos. 5, 6, and 11 in Table 3 (however, it is expressed as a ratio to the scattering intensity (reference scattering intensity level) X0 at 1200 cm −1 of the silicon single crystal sample). The graph which showed the measurement result in relation to the depth direction distance from the sintered compact surface.

以下、本発明の窒化珪素質焼結部材の実施の形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the silicon nitride sintered member of the present invention will be described.

図1は、本発明の窒化珪素質焼結体の一実施例であるベアリングボール43を、金属あるいはセラミック製の内輪42及び外輪41の間に組み込んで構成したボールベアリング40を示している。ボールベアリング40の内輪42内面に軸SHを固定すれば、ベアリングボール43は、外輪41又は内輪42に対して回転又は摺動可能に保持される。すでに詳しく説明した通り、ベアリングボール43を構成するセラミックは、窒化珪素を主成分とし、焼結助剤成分を含有するとともに、焼結体の全体又は一部に、断面組織にて観察される平均寸法にて0.1〜10μmの単結晶状のSi粒子が分散した窒化珪素質セラミックである。   FIG. 1 shows a ball bearing 40 in which a bearing ball 43 which is an embodiment of the silicon nitride sintered body of the present invention is incorporated between an inner ring 42 and an outer ring 41 made of metal or ceramic. If the shaft SH is fixed to the inner surface of the inner ring 42 of the ball bearing 40, the bearing ball 43 is held so as to be rotatable or slidable with respect to the outer ring 41 or the inner ring 42. As already described in detail, the ceramic constituting the bearing ball 43 contains silicon nitride as a main component, contains a sintering aid component, and an average observed in the cross-sectional structure in the whole or part of the sintered body. It is a silicon nitride ceramic in which single crystal Si particles having a size of 0.1 to 10 μm are dispersed.

以下、セラミックボール43の製造方法の一例について説明するが、この製造方法に限定されるものではない。まず、原料となる窒化珪素粉末はα率が70%以上のものを使用することが望ましく、これに焼結助剤として、希土類元素、3A、4A、5A、3Bおよび4B族の元素群から選ばれる少なくとも1種を酸化物換算で2〜8重量%、好ましくは2〜4重量%の割合で混合する。なお、原料配合時においては、これらの元素の酸化物のほか、焼結により酸化物に転化しうる化合物、例えば炭酸塩や水酸化物等の形で配合してもよい。   Hereinafter, although an example of the manufacturing method of the ceramic ball | bowl 43 is demonstrated, it is not limited to this manufacturing method. First, it is desirable to use a silicon nitride powder as a raw material having an α ratio of 70% or more, and the sintering aid is selected from a group of rare earth elements, 3A, 4A, 5A, 3B and 4B elements. At least one of these is mixed in an amount of 2 to 8% by weight, preferably 2 to 4% by weight in terms of oxide. In addition to the oxides of these elements, the raw materials may be compounded in the form of a compound that can be converted into an oxide by sintering, for example, carbonate or hydroxide.

成形用素地粉末は、例えば後述する転動造粒法に好適なものとして、レーザー回折式粒度計にて測定された平均粒子径が0.3〜2μm、同じく90%粒子径が0.4〜3.5μm(望ましくは0.7〜2.0μm)、さらにBET比表面積値が5〜13m/gのものを採用するのがよい。ただし、転動造粒法以外の成形方法を採用する場合はこの限りではない。 The green powder for molding is suitable for, for example, the rolling granulation method described later, and the average particle size measured by a laser diffraction particle size meter is 0.3-2 μm, and the 90% particle size is 0.4- It is preferable to employ one having a thickness of 3.5 μm (preferably 0.7 to 2.0 μm) and a BET specific surface area value of 5 to 13 m 2 / g. However, this is not the case when a molding method other than the rolling granulation method is adopted.

レーザー回折式粒度にて測定される粉末粒子径は、図2に示す二次粒子径Dを反映したものである。また、粒子の小粒径側からの相対累積度数は、図3に示すように、評価対象となる粒子を粒径の大小順に配列し、その配列上にて小粒径側から粒子の度数を計数したときに、着目している粒径までの累積度数をNc、評価対象となる粒子の総度数をN0として、nrc=(Nc/N0)×100(%)にて表される相対度数nrcをいう。そして、X%粒子径とは、前記した配列においてnrc=X(%)に対応する粒径をいう。すなわち、90%粒子径とは、nrc=90(%)に対応する粒径をいう。   The powder particle diameter measured by the laser diffraction particle size reflects the secondary particle diameter D shown in FIG. In addition, as shown in FIG. 3, the relative cumulative frequency from the small particle size side of the particles is arranged in the order of the particle size, and the frequency of the particles from the small particle size side is arranged on the array. When counting, the relative frequency nrc represented by nrc = (Nc / N0) × 100 (%), where Nc is the cumulative frequency up to the particle size of interest and N0 is the total frequency of the particles to be evaluated. Say. The X% particle diameter means a particle diameter corresponding to nrc = X (%) in the above-described arrangement. That is, the 90% particle diameter means a particle diameter corresponding to nrc = 90 (%).

他方、成形用素地粉末の比表面積値は吸着法により測定され、具体的には、粉末表面に吸着するガスの吸着量から比表面積値を求めることができる。一般には、測定ガスの圧力と吸着量との関係を示す吸着曲線を測定し、多分子吸着に関する公知のBET式(発案者であるBrunauer、Emett、Tellerの頭文字を集めたもの)をこれに適用して、単分子層が完成されたときの吸着量vmを求め、その吸着量vmから算出されるBET比表面積値が用いられる。ただし、近似的に略同等の結果が得られる場合は、BET式を使用しない簡便な方法、例えば吸着曲線から単分子層吸着量vmを直読する方法を採用してもよい。例えば、ガス圧に吸着量が略比例する区間が吸着曲線に現われる場合は、その区間の低圧側の端点に対応する吸着量をvmとして読み取る方法がある(The
Journal of American Chemical Society、57巻(1935年)1754頁に掲載の、BrunauerとEmettの論文を参照)。いずれにしろ、吸着法による比表面積値測定においては、吸着する気体分子は二次粒子中にも浸透して、これを構成する個々の一次粒子の表面を覆うので、結果として比表面積値は、一次粒子の比表面積、ひいては図2の一次粒子径dの平均値を反映したものとなる。
On the other hand, the specific surface area value of the green powder for molding is measured by an adsorption method. Specifically, the specific surface area value can be obtained from the amount of gas adsorbed on the powder surface. In general, an adsorption curve showing the relationship between the pressure of the measurement gas and the amount of adsorption is measured, and the known BET formula for polymolecular adsorption (collecting the initials of the inventors Brunauer, Emett, Teller) By applying, the adsorption amount vm when the monomolecular layer is completed is obtained, and the BET specific surface area value calculated from the adsorption amount vm is used. However, if approximately the same result can be obtained, a simple method that does not use the BET equation, for example, a method of directly reading the monomolecular layer adsorption amount vm from the adsorption curve may be employed. For example, when a section where the amount of adsorption is approximately proportional to the gas pressure appears in the adsorption curve, there is a method of reading the amount of adsorption corresponding to the end point on the low pressure side of that section as vm (The
(See the article by Brunauer and Emett, Journal of American Chemical Society, 57 (1935), 1754). In any case, in the measurement of the specific surface area value by the adsorption method, the adsorbed gas molecules penetrate into the secondary particles and cover the surface of the individual primary particles constituting this, so that the specific surface area value is It reflects the specific surface area of the primary particles, and thus the average value of the primary particle diameter d in FIG.

以下、上記のような成形用素地粉末の調製に好都合な方法の一例について説明する。図4は成形用素地粉末調製工程に使用される装置の一実施例である。該装置において、熱風流通路1は縦に配置された熱風ダクト4を含んで形成され、その熱風ダクト4の中間には、熱風の通過を許容し乾燥メディア2の通過は許容しない気体流通体、例えば網や穴開き板等で構成されたメディア保持部5が形成されている。そして、そのメディア保持部5上には、アルミナ、ジルコニア、及びそれらの混合セラミックのいずれかを主体とするセラミック球からなる乾燥メディア2が集積され、層状の乾燥メディア集積体3が形成されている。   Hereinafter, an example of a method convenient for the preparation of the green powder for molding as described above will be described. FIG. 4 shows an embodiment of an apparatus used in the forming base powder preparation process. In the apparatus, the hot air flow passage 1 is formed to include a hot air duct 4 arranged vertically, and in the middle of the hot air duct 4, a gas flow body that allows passage of hot air and does not allow passage of the drying medium 2, For example, a media holding unit 5 made of a net, a perforated plate, or the like is formed. On the media holding unit 5, the dry media 2 made of ceramic spheres mainly composed of alumina, zirconia, or a mixed ceramic thereof is accumulated to form a layered dry media aggregate 3. .

他方、原料は、窒化珪素粉末と焼結助剤粉末との配合物に、水系溶媒を加えてボールミルやアトライターにより湿式混合(あるいは湿式混合・粉砕)して得られる泥漿の形で準備される。この場合、その一次粒子の大きさは、BET比表面積値が5〜13m/gとなるように調整される。 On the other hand, the raw material is prepared in the form of a slurry obtained by adding an aqueous solvent to a blend of silicon nitride powder and sintering aid powder and wet mixing (or wet mixing / pulverizing) with a ball mill or attritor. . In this case, the size of the primary particles is adjusted so that the BET specific surface area value is 5 to 13 m 2 / g.

図5に示すように、乾燥メディア集積体3に対し、熱風が熱風ダクト4内においてメディア保持部5の下側から乾燥メディア2を躍動させつつ上側に抜けるように流通される。他方、図4に示すように、泥漿6は泥漿タンク20からポンプPにより汲み上げられ、該乾燥メディア集積体3に対して上方から落下供給される。これにより、図6に示すように、泥漿が熱風により乾燥されて乾燥メディア2の表面に粉末凝集層PLの形で付着する。   As shown in FIG. 5, hot air is circulated through the dry media aggregate 3 so as to escape upward from the lower side of the media holding unit 5 while moving the dry media 2 in the hot air duct 4. On the other hand, as shown in FIG. 4, the slurry 6 is pumped up from the slurry tank 20 by the pump P, and is dropped and supplied to the dry media stack 3 from above. As a result, as shown in FIG. 6, the slurry is dried by hot air and adheres to the surface of the drying medium 2 in the form of a powder aggregate layer PL.

そして、熱風の流通により、乾燥メディア2は躍動・落下を繰り返して相互に打撃を加え合い、さらにその打撃による擦れ合いにより、粉末凝集層PLは成形用素地粉末粒子9に粉砕される。この解砕された成形用素地粉末粒子9は、孤立した一次粒子形態のものも含んでいるが、多くは一次粒子が凝集した二次粒子となっている。該成形用素地粉末粒子9は、一定以下の粒径のものが熱風とともに下流側に流れていく(図4)。他方、ある程度以上に大きい解砕粒子は、熱風で飛ばされずに再び乾燥メディア集積体3に落下して、メディア間でさらに粉砕される。こうして、熱風とともに下流側に流された成形用素地粉末粒子9は、サイクロンSを経て回収部21に成形用素地粉末10として回収されている。   The dry media 2 repeatedly vibrates and falls due to the circulation of hot air, and hits each other. Further, the powder agglomerated layer PL is pulverized into the green powder particles 9 for molding by rubbing due to the hits. The pulverized molding base powder particles 9 include those in the form of isolated primary particles, but most are secondary particles in which primary particles are aggregated. The molding base powder particles 9 having a particle size of a certain size or less flow downstream along with hot air (FIG. 4). On the other hand, the pulverized particles larger than a certain level are not blown away by hot air but fall again to the dry media aggregate 3 and further crushed between the media. In this way, the molding base powder particles 9 that have flowed downstream along with the hot air are recovered as the molding base powder 10 in the recovery unit 21 via the cyclone S.

図6において、乾燥メディア2の直径は、熱風ダクト4の流通断面積に応じて適宜設定する。該直径が不足すると、メディア上に形成される粉末凝集層への打撃力が不足し、所期の範囲の粒子径の成形用素地粉末が得られない場合がある。他方、直径が大きくなり過ぎると、熱風を流通しても乾燥メディア2の躍動が起こりにくくなるので同様に打撃力が不足し、所期の範囲の粒子径の成形用素地粉末が得られない場合がある。なお、乾燥メディア2は、なるべく大きさの揃ったものを使用することが、メディア間に適度な隙間を形成して、熱風流通時のメディアの運動を促進する上で望ましい。   In FIG. 6, the diameter of the drying medium 2 is appropriately set according to the flow cross-sectional area of the hot air duct 4. If the diameter is insufficient, the striking force on the powder agglomerated layer formed on the medium is insufficient, and a green powder for molding having a particle diameter in a desired range may not be obtained. On the other hand, if the diameter becomes too large, even if hot air is circulated, it is difficult for the dry media 2 to vibrate, so that the striking force is similarly insufficient, and a green powder with a particle diameter in the expected range cannot be obtained. There is. In addition, it is desirable to use the dry media 2 having a uniform size as much as possible in order to form an appropriate gap between the media and to promote the movement of the media during hot air circulation.

また、乾燥メディア集積体3における乾燥メディア2の充填深さt1は、熱風の流速に応じて、メディア2の流動が過不足なく生ずる範囲にて適宜設定される。充填深さt1が大きくなり過ぎると、乾燥メディア2の流動が困難となり、打撃力が不足して所期の範囲の粒子径の成形用素地粉末が得られない場合がある。また、充填深さt1が小さくなり過ぎると、乾燥メディア2が少なすぎて打撃頻度が低下し、処理能率低下につながる。   Moreover, the filling depth t1 of the dry media 2 in the dry media aggregate 3 is appropriately set in a range where the flow of the media 2 occurs without excess or deficiency according to the flow velocity of the hot air. If the filling depth t1 becomes too large, the flow of the dry medium 2 becomes difficult, and the striking force may be insufficient, so that a forming powder with a particle diameter in a desired range may not be obtained. On the other hand, if the filling depth t1 becomes too small, the dry media 2 is too small and the striking frequency decreases, leading to a reduction in processing efficiency.

次に、熱風の温度は、泥漿の乾燥が十分に進み、かつ粉末に熱変質等の不具合が生じない範囲にて適宜設定される。例えば泥漿の溶媒が水を主体とするものである場合、熱風温度が100℃未満になると、供給される泥漿の乾燥が十分進まず、得られる成形用素地粉末の水分含有量が高くなり過ぎて凝集を起こしやすくなり、所期の粒子径の粉末が得られなくなる場合がある。さらに、熱風の流速は、乾燥メディア3を回収部21へ飛ばさない範囲にて適宜設定する。流速が小さくなり過ぎると、乾燥メディア2の流動が困難となり、打撃力が不足して所期の範囲の粒子径の成形用素地粉末が得られない場合がある。また、流速が大きくなり過ぎると、乾燥メディア2が高く舞い上がり過ぎて却って衝突頻度が低下し、処理能率の低下につながる。   Next, the temperature of the hot air is appropriately set within a range where the drying of the slurry progresses sufficiently and the powder does not suffer from problems such as thermal alteration. For example, when the slurry solvent is mainly water, when the hot air temperature is less than 100 ° C., drying of the supplied slurry does not proceed sufficiently, and the moisture content of the resulting green powder for molding becomes too high. Aggregation is likely to occur, and a powder having a desired particle size may not be obtained. Furthermore, the flow rate of the hot air is appropriately set within a range where the dry media 3 is not blown to the collection unit 21. If the flow rate becomes too small, the flow of the dry media 2 becomes difficult, and the striking force may be insufficient to obtain a green powder for molding having a particle diameter in a desired range. On the other hand, if the flow velocity becomes too high, the dry media 2 will rise so much that the collision frequency decreases, leading to a reduction in processing efficiency.

こうして得られた成形用素地粉末10は、転動造粒成形法により球状に成形することができる。すなわち、図7に示すように、成形用素地粉末10を造粒容器132内に投入し、図8に示すように、その造粒容器132を一定の周速にて回転駆動する。なお、造粒容器132内の成形用素地粉末10には、例えばスプレー噴霧等により水分Wを供給する。図9に示すように、投入された成形用素地粉末は、回転する造粒容器内に形成される傾斜した粉末層10kの上を転がりながら球状に凝集して成形体となる。転動造粒装置の運転条件は、得られる成形体の相対密度が61%以上となるように調整される。具体的には、造粒容器の回転速度は10〜200rpmにて調整され、水分供給量は、最終的に得られる成形体中の含水率が、例えば10〜20重量%となるように調整される。図9(e)に示すように、水分の供給により、粉末粒子間にその水分が浸透し、成形体の高密度化がさらに促進される。   The green base powder 10 thus obtained can be formed into a spherical shape by a rolling granulation molding method. That is, as shown in FIG. 7, the green powder 10 for molding is put into the granulation container 132, and as shown in FIG. 8, the granulation container 132 is rotationally driven at a constant peripheral speed. In addition, moisture W is supplied to the green base powder 10 in the granulation container 132 by, for example, spraying. As shown in FIG. 9, the charged green powder for forming is aggregated into a spherical shape while rolling on the inclined powder layer 10k formed in the rotating granulation container to form a compact. The operating conditions of the rolling granulator are adjusted so that the relative density of the obtained molded body is 61% or more. Specifically, the rotation speed of the granulation container is adjusted at 10 to 200 rpm, and the moisture supply amount is adjusted so that the moisture content in the finally obtained molded body is, for example, 10 to 20% by weight. The As shown in FIG. 9 (e), by supplying moisture, the moisture penetrates between the powder particles, and the densification of the molded body is further promoted.

上記のような転動造粒法の採用により、例えば直径が10mm程度までの高密度の球状成型体を、極めて高能率に製造することができる。また、得られる成形体Gの表面積A’と重量W’との比A’/W’が350以上(例えば径が6.73mm以下である)の小径のものについては、成形体の密度を、通常のプレス法等では不可能な2.0〜2.5g/cm程度のレベルも十分に確保できる。 By adopting the rolling granulation method as described above, for example, a high-density spherical molded body having a diameter of up to about 10 mm can be produced with extremely high efficiency. In addition, for a small diameter having a ratio A ′ / W ′ of the surface area A ′ and the weight W ′ of the obtained molded body G of 350 or more (for example, the diameter is 6.73 mm or less), the density of the molded body is A level of about 2.0 to 2.5 g / cm 3, which is impossible with a normal pressing method, can be sufficiently secured.

転動造粒を行うに際しては、成形体成長を促すため図7に示すように、成形核体50を造粒容器132内に投入しておくことが望ましい。こうすれば、図9(a)に示すように、成形核体50が成形用素地粉末層10k上を転がりながら、同図(b)に示すように、該成形核体50の周囲に成形用素地粉末10が球状に付着・凝集して球状成形体80となる(転動造粒工程)。この成形体80を焼結することにより、図10に示すように、球状窒化珪素質焼結体90が得られる。   When performing rolling granulation, it is desirable to put the forming core 50 into the granulating container 132 as shown in FIG. In this way, as shown in FIG. 9 (a), the forming core 50 rolls on the forming base powder layer 10k, and as shown in FIG. 9 (b), the forming core 50 is formed around the forming core 50. The base powder 10 adheres and aggregates in a spherical shape to form a spherical molded body 80 (rolling granulation step). By sintering the molded body 80, a spherical silicon nitride sintered body 90 is obtained as shown in FIG.

成形核体50は、セラミック粉末を主体に構成すること、例えば成形用素地粉末10と類似の組成の材質にて構成すること(ただし、成形用素地粉末の主体をなすセラミック粉末(無機材料粉末)とは別材質のセラミック粉末を用いてもよい)が、最終的に得られる球状窒化珪素質焼結体90に対し核体が不純物源として作用しにくいので望ましい。しかしながら、核体成分の拡散が得られる球状窒化珪素質焼結体90の表層部にまで及ぶ懸念のない場合は、核体を、金属核体あるいはガラス核体等とすることも可能である。また、焼成時に熱分解あるいは蒸発により消滅する材質、例えばワックスや樹脂等の高分子材料にて核体を形成することも可能である。成形核体は、球状以外の形状としてもよいが、球状のものを使用することが、得られる成形体の球形度を高める上で望ましいことはいうまでもない。   The forming core 50 is mainly composed of ceramic powder, for example, composed of a material having a composition similar to that of the forming base powder 10 (however, the ceramic powder (inorganic material powder) forming the main body of the forming base powder). However, it is desirable that the core does not act as an impurity source for the spherical silicon nitride sintered body 90 finally obtained. However, if there is no concern of reaching the surface layer portion of the spherical silicon nitride sintered body 90 where the diffusion of the nucleus component can be obtained, the nucleus can be a metal nucleus or a glass nucleus. It is also possible to form the core with a material that disappears by pyrolysis or evaporation during firing, for example, a polymer material such as wax or resin. The shaped core may have a shape other than a spherical shape, but it goes without saying that the use of a spherical shape is desirable in order to increase the sphericity of the obtained shaped body.

成形核体の製造方法は特に限定されないが、セラミック粉末を主体に構成する場合は、セラミック粉末ダイプレス等により圧縮成形して核体を得る方法がある。また、粉末を溶融した熱可塑性バインダに分散させて溶融コンパウンドとし、これを噴霧凝固させて球状の核体を得る方法や、溶融コンパウンドを射出金型の球状のキャビティに射出して、球状の核体を成形する方法もある。一方、図7において成形用素地粉末10のみを造粒容器132内に投入して、成形体成長時よりも低速にて容器を回転させることにより粉末の凝集体を生成させ、十分な量及び大きさの凝集体が生じたら、その後容器132の回転速度を上げて、その凝集体を核体50として利用する形で成形体80の成長を行ってもよい。この場合は、上記のように別工程にて製造した核体を、敢えて成形用素地粉末10とともに容器132内に投入する必要はなくなる。   The method for producing the molded core is not particularly limited, but when the ceramic powder is mainly used, there is a method of obtaining the core by compression molding with a ceramic powder die press or the like. In addition, the powder is dispersed in a molten thermoplastic binder to obtain a molten compound, and this is spray solidified to obtain a spherical core, or the molten compound is injected into a spherical cavity of an injection mold to form a spherical core. There is also a method of shaping the body. On the other hand, in FIG. 7, only the molding base powder 10 is put into the granulation vessel 132, and the agglomerates of the powder are generated by rotating the vessel at a lower speed than when the molded body is grown. If the aggregate is formed, the rotational speed of the container 132 is then increased, and the molded body 80 may be grown in such a manner that the aggregate is used as the core 50. In this case, it is not necessary to dare to put the core manufactured in the separate process as described above into the container 132 together with the green powder 10 for molding.

上記のようにして得られる成形核体50は、多少の外力が作用しても崩壊せずに安定して形状を保つことができる。その結果、図9(a)に示すように成形用素地粉末層10k上で転がった際にも、自重による反作用を確実に受けとめることができる。また、図9(c)に示すように、転がった時に巻き込んだ粉末粒子を表面にしっかりと押しつけることができるので、粉末が適度に圧縮されて密度の高い凝集層10aを成長できるものと考えられる。これに対し、図9(d)に示すように、核体を使用しない場合は、核体に相当する凝集体100は偶発的な要因でしか発生しないので、成形体の成長に時間がかかる場合がある。   The molding core 50 obtained as described above can be stably maintained in shape without collapsing even when some external force is applied. As a result, as shown in FIG. 9A, the reaction due to its own weight can be reliably received even when it rolls on the green powder layer 10k for molding. Further, as shown in FIG. 9 (c), the powder particles entrained when rolled can be firmly pressed against the surface, so that it is considered that the powder is moderately compressed to grow a dense aggregate layer 10a. . On the other hand, as shown in FIG. 9 (d), when the nucleus is not used, the aggregate 100 corresponding to the nucleus is generated only by an accidental factor, and therefore it takes a long time to grow the compact. There is.

なお、核体50の寸法は最小限40μm程度(望ましくは80μm程度)確保されているのがよい。核体50があまりに小さすぎると、凝集層10aの成長が不完全となる場合がある。また、核体が大きすぎると、形成される凝集層の厚さが不足し、焼結体に欠陥等が生じやすくなる場合があるので、その寸法を例えば1mm以下に設定するのがよい。   It should be noted that the minimum size of the core 50 is preferably about 40 μm (preferably about 80 μm). If the nucleus 50 is too small, the growth of the aggregate layer 10a may be incomplete. Further, if the core is too large, the thickness of the aggregated layer to be formed is insufficient, and defects or the like are likely to occur in the sintered body. Therefore, the dimension is preferably set to 1 mm or less, for example.

成形核体はセラミック粉末を、成形用素地粉末のかさ密度(例えば、JIS−Z2504(1979)に規定された見かけ密度)よりは高密度に凝集させた凝集体を使用することが、粉末粒子の押しつけ力を確実に受けとめて、凝集層10aの成長を促す上で望ましい。具体的には、成形用素地粉末のかさ密度の1.5倍以上に凝集させたものを使用するのがよい。この場合、成形用素地粉末層10k上での転がり衝撃により崩壊しない程度に凝集していれば十分である。   As the forming core, it is possible to use an agglomerate obtained by agglomerating ceramic powder at a density higher than the bulk density of the forming base powder (for example, the apparent density defined in JIS-Z2504 (1979)). It is desirable to receive the pressing force with certainty and promote the growth of the aggregated layer 10a. Specifically, it is preferable to use a powder aggregated to 1.5 times the bulk density of the green powder for molding. In this case, it is sufficient that the agglomerates are aggregated to such an extent that they do not collapse due to the rolling impact on the forming base powder layer 10k.

なお、より安定した成形体の成長を行うためには、核体50の寸法は得るべき成形体の寸法に応じて次のように設定することが望ましい。すなわち、図9(b)に示すように、成形核体50の寸法を、これと同体積の球体の直径dcにて表す一方、(もちろん、核体50が球状である場合には、その直径がここでいう寸法そのものに相当する)、最終的に得られる球状成形体の直径をdgとして、dc/dgが1/100〜1/2を満足するようにdcを設定する。dc/dgが1/100未満では、核体が小さすぎて凝集層10aの成長が不完全となったり、欠陥の多いものしか得られなくなったりする懸念が生ずる。他方、1/2を超えると、例えば核体50の密度がそれほど高くない場合には、得られる焼結体の強度が不足する場合がある。なお、dc/dgは、望ましくは1/50〜1/5、より望ましくは1/20〜1/10の範囲にて調整するのがよい。また、成形核体の寸法dcは、成形用素地粉末の平均粒径を尺度として見た場合は、その平均粒径の20〜200倍に設定するのがよい。他方、該寸法dcの絶対値は、例えば50〜500μmに調整するのがよい。   In order to perform more stable growth of the molded body, it is desirable to set the dimensions of the core 50 as follows according to the dimensions of the molded body to be obtained. That is, as shown in FIG. 9 (b), the dimension of the forming core 50 is represented by the diameter dc of a sphere having the same volume as this, but (of course, if the core 50 is spherical, the diameter thereof is Is equivalent to the dimension itself), and dc is set so that dc / dg satisfies 1/100 to 1/2, where dg is the diameter of the finally obtained spherical molded body. If dc / dg is less than 1/100, there is a concern that the nucleus is too small and the growth of the agglomerated layer 10a may be incomplete, or only those having many defects may be obtained. On the other hand, when it exceeds 1/2, for example, when the density of the core 50 is not so high, the strength of the obtained sintered body may be insufficient. It should be noted that dc / dg is preferably adjusted within a range of 1/50 to 1/5, more preferably 1/20 to 1/10. Further, the dimension dc of the forming core is preferably set to 20 to 200 times the average particle diameter when the average particle diameter of the forming base powder is taken as a scale. On the other hand, the absolute value of the dimension dc is preferably adjusted to, for example, 50 to 500 μm.

なお、転動造粒法以外の成形方法としては、図12(b)に示すように、成形ダイ101のダイ孔102に挿入される上下のプレスパンチ103,103の各先端面に半球状の凹部103a,103aをそれぞれ形成し、両パンチ103,103間で粉末を圧縮することにより、球形のセラミック成形体104を得ることができる。上記のようなダイプレス法においては、プレスパンチ103,103のパンチ面外周縁部を平坦化し、当該領域のプレス圧を増加させる方法を採用することが望ましいが、この方法では、プレスパンチ103,103の平坦化部分103b,103bに対応して、成形体104には必然的に鍔状の不要部分104aが形成される。この不要部分104aは、焼成前ないしは後に研磨等により除去する必要がある。   Incidentally, as a molding method other than the rolling granulation method, as shown in FIG. 12B, a hemispherical shape is formed on each tip surface of the upper and lower press punches 103, 103 inserted into the die hole 102 of the molding die 101. A spherical ceramic molded body 104 can be obtained by forming the recesses 103a and 103a and compressing the powder between the punches 103 and 103, respectively. In the die press method as described above, it is desirable to adopt a method of flattening the outer peripheral edge of the punch surface of the press punches 103, 103 and increasing the press pressure in the region, but in this method, the press punches 103, 103 are adopted. Corresponding to the flattened portions 103b and 103b, the molded body 104 inevitably has a bowl-shaped unnecessary portion 104a. This unnecessary portion 104a needs to be removed by polishing or the like before or after firing.

また、金型プレスのほか、冷間静水圧プレス(CIP)法を採用することも可能である。具体的には、上記のようなダイプレス法等により球状に仮成形し、その仮成形体をゴム製のチューブ内に封入し、これに油や水等の液状成形媒体により静水圧を印加して略当方的な加圧を行う。なお、一回の冷間静水圧プレスにて成形体の密度が十分に向上しない場合には、該冷間静水圧プレスを繰返し行うサイクルCIP法を採用してもよい。   In addition to a die press, a cold isostatic press (CIP) method can be employed. Specifically, it is temporarily formed into a spherical shape by the die press method as described above, and the temporary formed body is sealed in a rubber tube, and hydrostatic pressure is applied to the tube by a liquid forming medium such as oil or water. Apply approximately pressure. In addition, when the density of a molded object is not sufficiently improved by one cold isostatic pressing, a cycle CIP method in which the cold isostatic pressing is repeated may be employed.

さらに、金型成形法以外では、成形用素地粉末を熱可塑性バインダに分散させてスラリーとし、このスラリーをノズルから自由落下させて表面張力により球状とし、空気中で冷却・固化させる方法(例えば、特開昭63−229137号公報に開示されている)、あるいは、成形用素地粉末とモノマー(あるいはプレポリマー)及び分散溶媒からなるスラリーを、該スラリーと混和しない液体中に液滴として分散させ、その状態でモノマーあるいはプレポリマーを重合させることにより球状成形体を得る方法(例えば、特開平8−52712号公報に開示されている)等を例示することができる。   In addition to the mold forming method, a molding base powder is dispersed in a thermoplastic binder to form a slurry, and the slurry is freely dropped from a nozzle and made spherical by surface tension, and then cooled and solidified in air (for example, (Disclosed in JP-A-63-229137), or a slurry comprising a green powder for molding, a monomer (or prepolymer), and a dispersion solvent, is dispersed as droplets in a liquid immiscible with the slurry, Examples thereof include a method for obtaining a spherical molded body by polymerizing a monomer or a prepolymer in that state (for example, disclosed in JP-A-8-52712).

上記のようにして得られた成形体の焼成は、例えば、一次焼成および二次焼成の2段階焼成によって行うことができる。一次焼成は、窒素を含む1〜10気圧以下の非酸化性雰囲気下にて1900℃以下で行い、一次焼成後の焼結体密度を78%以上、好ましくは90%以上となるように行うことが望ましい。一次焼成密度が78%未満では、二次焼成後にポア等の欠陥が多く残りやすくなる場合がある。また、二次焼成は、窒素を含む10〜1000気圧の非酸化性雰囲気にて、1600〜1950℃で行うことができる(熱間静水圧プレス法の概念も含む)。焼成の圧力が10気圧未満では、窒化珪素の分解が抑えられず、この圧力が1000気圧を超える圧力であっても何ら効果に変化はなく、また、コスト面でも不利である。また、焼成温度が1600℃未満では、ポア等の欠陥を消滅させることができず強度が低下やすくなる。ただし、上記の二次焼成に相当する焼成条件によって十分な高密度化を図ることができ、欠陥等も少なくできる場合には、一次焼成を省略して一段階焼成とすることも可能である。また、二次焼成を行う場合は、これを窒素を含む200気圧以下の常圧又はガス圧により行うことで、得られる焼結体(ベアリング素球)の表面硬さの過度の上昇を抑制することができる。これにより、研磨等の加工をよりスムーズに行うことができ、ひいては真球度や直径不同など、研磨後のベアリングボールの寸法精度を確保しやすくなる。   Firing of the molded body obtained as described above can be performed, for example, by two-stage firing of primary firing and secondary firing. The primary firing is performed at 1900 ° C. or less in a non-oxidizing atmosphere containing nitrogen at 1 to 10 atm or less, and the sintered body density after the primary firing is 78% or more, preferably 90% or more. Is desirable. If the primary firing density is less than 78%, many defects such as pores are likely to remain after the secondary firing. Moreover, secondary baking can be performed at 1600-1950 degreeC in the non-oxidizing atmosphere of 10-1000 atmospheres containing nitrogen (a concept of a hot isostatic pressing method is also included). When the firing pressure is less than 10 atm, the decomposition of silicon nitride cannot be suppressed, and even if this pressure exceeds 1000 atm, the effect is not changed, and the cost is disadvantageous. On the other hand, if the firing temperature is less than 1600 ° C., defects such as pores cannot be eliminated, and the strength tends to decrease. However, when the density can be sufficiently increased by the firing conditions corresponding to the above-described secondary firing and defects and the like can be reduced, the primary firing can be omitted and the one-step firing can be performed. Moreover, when performing secondary baking, the excessive increase in the surface hardness of the obtained sintered compact (bearing element ball) is suppressed by performing this by the atmospheric pressure or gas pressure below 200 atmospheres containing nitrogen. be able to. Thereby, processing such as polishing can be performed more smoothly, and as a result, it becomes easy to ensure the dimensional accuracy of the bearing ball after polishing, such as sphericity and non-uniform diameter.

そして、上記焼成工程の途中又は焼成工程の終了後に、50kPa以下の真空雰囲気中にて1200〜1500℃で10分以上保持する熱処理を行う。この処理は、前述の通り得られる焼結体のラマン分光分析を行ったときに、そのスペクトルプロファイルに現れるガラス的ピークの散乱強度レベルを高め、焼結体の耐摩耗性を向上させるために行われるものである。そして、該効果が損なわれない限り、熱処理温度は、焼成温度とは無関係に設定できるが、最終的に得られる焼結体の結合相の構成イオンや原子の準安定な結合状態を変化させるという観点においては、焼成温度より低く設定するのがよい。なお、熱処理時に成形体の焼成が同時に進行することが当然ありえ、この場合は、熱処理工程は焼成工程の一部に兼用されていると見ることができる。   And the heat processing hold | maintained for 10 minutes or more at 1200-1500 degreeC in the vacuum atmosphere of 50 kPa or less in the middle of the said baking process or after completion | finish of a baking process is performed. This treatment is performed in order to increase the scattering intensity level of the glassy peak appearing in the spectrum profile and to improve the wear resistance of the sintered body when the Raman spectrum analysis of the sintered body obtained as described above is performed. It is what is said. And as long as the effect is not impaired, the heat treatment temperature can be set regardless of the firing temperature, but it changes the quasi-stable bonding state of the constituent ions and atoms of the bonded phase of the finally obtained sintered body. From the viewpoint, it is preferable to set the temperature lower than the firing temperature. It should be noted that firing of the molded body may proceed simultaneously during the heat treatment, and in this case, it can be considered that the heat treatment process is also used as part of the firing process.

熱処理は種々のタイミングにより行うことができる。図17はそのいくつかの例を示すものであるが、(a)では焼成前の昇温過程にて熱処理の温度期間を設定し、その後、その熱処理温度よりも高く設定された焼成温度まで昇温し、所定の圧力のガスを導入して焼成を行う例である。また、(b)は、焼成工程の初期に真空減圧期間を設定して真空熱処理を行う例であり、焼成温度と熱処理温度とがほほ同一に設定されている。(c)及び(d)では、焼成工程の途中あるいは末期に真空減圧期間を設定して熱処理を行う例である。また、(e)では、焼成が一旦終了した後、改めて昇温して熱処理を行う例を示している。なお、二段焼成を行う場合には、上記の熱処理は一次焼成と二次焼成の一方又は双方に対応して行うことができるが、より効果の高いのは二次焼成に対応して(つまり、二次焼成の途中又は後に)行うことが望ましい。   The heat treatment can be performed at various timings. FIG. 17 shows some examples. In (a), the temperature period of heat treatment is set in the temperature raising process before firing, and then the temperature is raised to a firing temperature set higher than the heat treatment temperature. This is an example of heating and introducing a gas having a predetermined pressure to perform firing. Further, (b) is an example in which a vacuum heat treatment is performed by setting a vacuum decompression period at the initial stage of the firing step, and the firing temperature and the heat treatment temperature are set almost the same. (C) and (d) are examples in which heat treatment is performed by setting a vacuum decompression period during or at the end of the firing step. Further, (e) shows an example in which after the firing is once finished, the temperature is raised again to perform the heat treatment. In the case of performing the two-stage firing, the above heat treatment can be performed corresponding to one or both of the primary firing and the secondary firing, but the more effective is corresponding to the secondary firing (that is, It is desirable to carry out during or after the secondary firing.

なお、熱処理は、1500〜2000℃の温度Tにて、1×10 −68×T22.3≦P≦5×10−20×T7.65で表される圧力P(単位:Pa)にて、例えば10分以上保持する工程として行なってもよい。 The heat treatment is performed at a temperature T of 1500 to 2000 ° C. and a pressure P (unit: Pa) represented by 1 × 10 −68 × T 22.3 ≦ P ≦ 5 × 10 −20 × T 7.65. For example, you may perform as a process hold | maintained for 10 minutes or more.

こうして得られた焼結体(ベアリング素球)は表面が精密研磨され、本発明の窒化珪素質焼結体としての、図1のベアリングボール43とされる。ベアリングボール43の表面から100±10μmの位置にてラマン分光分析を行ったときに得られるスペクトルプロファイルには、例えば図16に示すようなガラス的ピークが現れ、上記真空熱処理を行うことで、そのガラス的ピークの散乱強度レベルは、前述の本発明の第一〜第三に示した関係を満足するものとなる。これにより、ベアリングボール43の耐摩耗性が向上する。   The surface of the sintered body (bearing element ball) thus obtained is precisely polished to form the bearing ball 43 of FIG. 1 as the silicon nitride sintered body of the present invention. For example, a glassy peak as shown in FIG. 16 appears in the spectrum profile obtained when the Raman spectroscopic analysis is performed at a position of 100 ± 10 μm from the surface of the bearing ball 43. The scattering intensity level of the glassy peak satisfies the relationships shown in the first to third aspects of the present invention. Thereby, the wear resistance of the bearing ball 43 is improved.

なお、転動造粒法により得られた球状成形体80(図9)を焼成すれば、得られる焼結体90は、図10に示すように、略中心を通る断面を研磨してこれを拡大観察したときに、その中心部に、成形核体に由来する核部91が、凝集層に由来する高密度で欠陥の少ない外層部92との間で識別可能に形成される場合がある。そして、研磨された断面において、この核部91は、外層部92との間に明るさ及び色調の少なくともいずれかにおいて目視識別可能なコントラストを呈することが多い。これは、外層部92を構成するセラミックの密度ρeが、核部91を構成するセラミックの密度ρcと異なるためであると推測される。例えば、成形核体50(図9)が凝集層10aよりも低密度の場合は、外層部92を構成するセラミックの密度ρeが、核部91を構成するセラミックの密度ρcよりも高密度となることが多く、外層部92は核部91よりも明るい色調で表れる。なお、外層部92の相対密度は、セラミックの強度や耐久性確保の観点から、95%以上、望ましくは99%以上となっているのがよい。いずれにせよ、研磨断面に上記のような組織の現われる焼結体構造とすることで、ベアリング等の性能向上の鍵を握る外層部92の欠陥形成割合が小さく(例えば、ポアが確認されない程度)、高密度で強度の高いベアリングボールが実現される。ただし、焼結体は、焼成が均一に進行した場合には、表層部から中心部半径方向において、ほぼ一様な密度を呈するものとなる場合もある。また、核部と外層部との間に色調や明度の差異が生じていても、密度の上ではほとんど差を生じていない、といったこともあり得る。さらに、焼結がより均一に進行した場合には、核部91あるいは外層部92における同心的なコントラスト(後述)を目視により確認することが困難となる場合もある。   In addition, if the spherical molded body 80 (FIG. 9) obtained by the rolling granulation method is fired, the obtained sintered body 90 is obtained by polishing a cross section passing through a substantially center as shown in FIG. When magnified, the core 91 derived from the forming core may be formed at the center of the core 91 so as to be distinguishable from the outer layer 92 having a high density and few defects. In the polished cross section, the core portion 91 often exhibits a visually distinguishable contrast in at least one of brightness and color tone with the outer layer portion 92. This is presumed to be because the density ρe of the ceramic constituting the outer layer portion 92 is different from the density ρc of the ceramic constituting the core portion 91. For example, when the forming core 50 (FIG. 9) has a lower density than the agglomerated layer 10a, the density ρe of the ceramic composing the outer layer portion 92 is higher than the density ρc of the ceramic composing the core portion 91. In many cases, the outer layer portion 92 appears in a lighter tone than the core portion 91. Note that the relative density of the outer layer portion 92 is 95% or more, preferably 99% or more, from the viewpoint of ensuring the strength and durability of the ceramic. In any case, by using a sintered body structure in which the above structure appears in the polished cross section, the defect formation rate of the outer layer portion 92, which is the key to improving the performance of bearings and the like, is small (for example, no pore is confirmed). High-density and high-strength bearing balls are realized. However, the sintered body may exhibit a substantially uniform density in the radial direction from the surface layer portion to the center portion when firing proceeds uniformly. Further, even if there is a difference in color tone or brightness between the core portion and the outer layer portion, there may be little difference in density. Furthermore, when the sintering proceeds more uniformly, it may be difficult to visually confirm the concentric contrast (described later) in the core portion 91 or the outer layer portion 92.

ここで、図9(b)に示すように、成形核体50の直径dcが球状成形体の直径をdgとして、dc/dgが1/100〜1/2(望ましくは1/50〜1/5、より望ましくは1/20〜1/5)の範囲にて調整される場合、図10において焼結体90の断面は、核部91の寸法をこれと同面積の円の直径Dcにて表す一方、セラミック焼結体の直径をDgとしたときに、Dc/Dgが1/100〜1/2(望ましくは1/50〜1/5、より望ましくは1/20〜1/10)を満足する組織を呈するようになる。Dc/Dgが1/50未満では、外層部92のもととなる凝集層10a(図9)に欠陥が生じやすくなり、強度不足等につながる場合がある。他方、1/5を超えると、例えば核体50の密度がそれほど高くない場合には、焼結体の強度が不足する場合がある。なお、Dc/Dgは、より望ましくは1/20〜1/10の範囲にて調整するのがよい。   Here, as shown in FIG. 9B, the diameter dc of the molding core 50 is 1/100 to 1/2 (desirably 1/50 to 1 / 5, more preferably 1/20 to 1/5), the cross section of the sintered body 90 in FIG. 10 is the same as the diameter Dc of the circle having the same area as that of the core 91. On the other hand, when the diameter of the ceramic sintered body is Dg, Dc / Dg is 1/100 to 1/2 (preferably 1/50 to 1/5, more preferably 1/20 to 1/10). Presents a satisfactory organization. If Dc / Dg is less than 1/50, defects tend to occur in the aggregated layer 10a (FIG. 9) that is the basis of the outer layer portion 92, which may lead to insufficient strength. On the other hand, when it exceeds 1/5, for example, when the density of the core 50 is not so high, the strength of the sintered body may be insufficient. Dc / Dg is more preferably adjusted within a range of 1/20 to 1/10.

焼結体90において核部91と外層部92との間に目視識別可能なコントラストが生ずる状態として、例えば、明るさあるいは色調の差異が球の半径方向に形成され、周方向には形成されていない状態を例示できる。具体的な態様として、研磨された断面において外層部92に、核部91を取り囲む層状パターン93が同心的に形成される場合がある。これは、転動造粒法を採用した場合に見られる特徴的な組織であるが、形成原因は以下のように推測できる。すなわち、図9(a)に示すように成形体80は、成形用素地粉末層10k上を転がりながら凝集層10aを成長させてゆくが、転動造粒の継続中において、成形体80は常に成形用素地粉末層10k上に存在するのではない。すなわち、造粒容器の回転に伴う粉末の雪崩的な流動により、成形用素地粉末層10kの下側までくると成形用素地粉末層10k内に潜り込み、造粒容器の壁面に連れ上げられて成形用素地粉末層10kの上側へ運ばれ、再び成形用素地粉末層10k上で転がり落ちる。成形用素地粉末層10k内へ潜り込んだときは、周囲を粉末にて押さえ込まれ、転がり落下による衝撃が比較的加わりにくくなって、粉末粒子は比較的ゆるく付着する。これに対し、成形用素地粉末層10k上で転がる際には、転がり落下による衝撃が加わるほか、水分等の液状噴霧媒体Wの噴霧も受けやすく、粉末は堅く締まり易くなる。そして、成形用素地粉末層10k上での転がりと、成形用素地粉末層10k内への潜り込みとが周期的に繰り返されることにより粉末の付着形態も周期的に変化するので、付着する粒子による凝集層10aには半径方向の疏密が生じ、これが焼成後にも微妙な密度等の差となって表れる結果、層状パターン93が形成されるものと考えられる(疏密の差異が非常に小さい場合は、実際に疏密が生じていることを、通常の密度測定の精度レベルでは確認できないこともあり得る)。例えば、上記の層状パターン93は、同心円弧状部分と、それよりも高密度の残余部分とが半径方向に交互に積層することにより形成されたものになると考えられる。   As a state in which a visually distinguishable contrast occurs between the core portion 91 and the outer layer portion 92 in the sintered body 90, for example, a difference in brightness or color tone is formed in the radial direction of the sphere and formed in the circumferential direction. It can be illustrated as a state without. As a specific aspect, a layered pattern 93 surrounding the core 91 may be formed concentrically on the outer layer 92 in the polished cross section. This is a characteristic structure observed when the rolling granulation method is employed, and the cause of formation can be estimated as follows. That is, as shown in FIG. 9 (a), the molded body 80 grows the agglomerated layer 10a while rolling on the molding base powder layer 10k. It does not exist on the green powder layer 10k for molding. In other words, due to the avalanche flow of the powder accompanying the rotation of the granulation container, when it reaches the lower side of the molding base powder layer 10k, it sinks into the molding base powder layer 10k and is lifted to the wall surface of the granulation container. It is carried to the upper side of the green powder layer 10k and rolls down again on the green powder layer 10k. When submerged into the molding base powder layer 10k, the periphery is pressed down with powder, and the impact due to rolling and falling is relatively difficult to apply, and the powder particles adhere relatively loosely. On the other hand, when rolling on the forming base powder layer 10k, an impact due to rolling and dropping is applied, and the liquid spray medium W such as moisture is easily sprayed, so that the powder is firmly and easily tightened. Then, the rolling form on the molding base powder layer 10k and the submergence into the molding base powder layer 10k are periodically repeated, so that the powder adhesion form also changes periodically. It is considered that a layered pattern 93 is formed as a result of the occurrence of radial densification in the layer 10a, which appears as a subtle difference in density after firing (when the difference in densification is very small). In fact, it is possible that the actual density is not confirmed by the normal density measurement accuracy level). For example, the layered pattern 93 is considered to be formed by alternately stacking concentric arc-shaped portions and higher-density remaining portions in the radial direction.

次に、本発明の窒化珪素質焼結体は、ボールベアリングに限らず、他の摺動部品、例えば図11に示すようにセラミックタペット150等に適用することも可能である。ここでは、本発明の窒化珪素質焼結体として構成されたセラミック板53を、金属製の本体部51の端面にろう材層52を介して接合した構造を有している。セラミック板53の接合面と反対側に摺動面53aが形成されている。セラミック板53は、図12(a)に示すように、成型用素地粉末をプレス成型することにより板状の成形体104を作り、これを焼成することにより製造できる。この場合、成型用素地粉末の粒度分布あるいはBET比表面積等は、転動造粒法に好適な前記の条件のものを満たしている必要は必ずしもないので、その調製方法も図4に示した装置を用いたものに限らず、スプレードライ法など公知のものを採用できる。   Next, the silicon nitride based sintered body of the present invention is not limited to the ball bearing, but can be applied to other sliding parts such as a ceramic tappet 150 as shown in FIG. Here, it has a structure in which a ceramic plate 53 configured as a silicon nitride sintered body of the present invention is joined to an end face of a metal main body 51 via a brazing filler metal layer 52. A sliding surface 53 a is formed on the side opposite to the bonding surface of the ceramic plate 53. As shown in FIG. 12 (a), the ceramic plate 53 can be manufactured by making a plate-like molded body 104 by press-molding a green powder for molding and firing it. In this case, since the particle size distribution or the BET specific surface area of the molding base powder does not necessarily satisfy the above-mentioned conditions suitable for the rolling granulation method, the preparation method is also shown in FIG. Not only the thing using this but a well-known thing, such as a spray dry method, is employable.

また、本発明の窒化珪素質焼結体は、工具への適用も可能である。図13は、全体を本発明の窒化珪素質焼結体として構成した切削用スローアウェイチップの一例を示す。スローアウェイチップ301は、略正方形断面の偏平角柱形状を有し、図14(a)に示すように、被削材Wを軸線周りに回転させ、その外周面に対しスローアウェイアウェイチップ301を、図14(b)に示すように当接させ、主面301cの一方をすくい面(以下、すくい面を301c’で表す)、側面301eを逃げ面として用いることにより、被削材Wの外周切削を行うことができる。なお、図13に示すように、スローアウェイアウェイチップ301のコーナー部301aにアールが施されており、エッジ部301bには所定幅t及び所定角度θの面取り部(チャンファ)が形成されている。   Further, the silicon nitride sintered body of the present invention can be applied to a tool. FIG. 13 shows an example of a throw-away tip for cutting which is configured entirely as a silicon nitride sintered body of the present invention. The throwaway tip 301 has a flat prismatic shape with a substantially square cross section, and as shown in FIG. 14 (a), the workpiece W is rotated around the axis, and the throwaway tip 301 is rotated with respect to the outer peripheral surface. As shown in FIG. 14 (b), the outer peripheral cutting of the work material W is performed by using one of the main surfaces 301c as a rake face (hereinafter, the rake face is indicated as 301c ') and the side face 301e as a flank face. It can be performed. As shown in FIG. 13, the corner portion 301a of the throw-away tip 301 is rounded, and the edge portion 301b is formed with a chamfered portion (chamfer) having a predetermined width t and a predetermined angle θ.

上記のようなスローアウェイチップ301も、図12(a)と同様に成型用素地粉末をプレス成型することにより成形体104を作り、これを焼成することにより製造できる。   The throw-away tip 301 as described above can also be manufactured by forming a molded body 104 by press-molding a green powder for molding as in FIG.

実験例Experimental example

本発明の効果を確認するために、以下の実験を行った。
(実験例1)
まず、素材粉末として、窒化珪素粉末(α化率97%以上、O含有レベル:SiO換算にて1.2重量%、平均粒子径0.7μm)、Y粉末(平均粒子径1.3μm)、Al粉末(平均粒子径1.2μm)、塩基性炭酸マグネシウム粉末(平均粒子径0.5μm)、ZrO粉末(平均粒子径1.1μm)、Si粉末(平均粒子径3μm)を用意した。これら粉末を表2に示す各種組成にて配合し、適量の溶媒と有機結合剤とを加えてボールミルを用いて混合を行った後、スプレードライ法にて乾燥を行うことにより、造粒された成型用素地粉末を得た。なお、この実施例においてZrO粉末を添加しているのは、焼結性の向上と得られる焼結体の靭性向上を図るためである。
In order to confirm the effect of the present invention, the following experiment was conducted.
(Experimental example 1)
First, as a raw material powder, silicon nitride powder (α conversion rate of 97% or more, O 2 content level: 1.2% by weight in terms of SiO 2 , average particle size 0.7 μm), Y 2 O 3 powder (average particle size) 1.3 μm), Al 2 O 3 powder (average particle size 1.2 μm), basic magnesium carbonate powder (average particle size 0.5 μm), ZrO 2 powder (average particle size 1.1 μm), Si powder (average particle) (Diameter 3 μm) was prepared. These powders were blended in various compositions shown in Table 2, and after adding an appropriate amount of a solvent and an organic binder and mixing using a ball mill, the powder was granulated by drying by a spray drying method. A green powder for molding was obtained. The reason why ZrO 2 powder is added in this example is to improve the sinterability and toughness of the obtained sintered body.

そして、上記の成型用素地粉末をダイプレス法により仮成形した後、圧力2トン/cmにてCIPを行い、粉末成形体を得た。なお、粉末成形体の形状は、切削工具試験片(スローアウェイチップ形状)用及び疲労寿命試験片用の2種類を用意した。得られた成形体は、焼成温度以下の所定温度にて脱バインダ処理を行い、次いで焼成を行った。焼成は以下のような2段階処理にて行っている。まず、1700℃で2時間、1atmの窒素雰囲気中で常圧一次焼成することにより、相対密度90〜94%の仮焼体を得た。次いでこの仮焼体を、各種条件にてガス圧二次焼成して球状焼結体を得た。その条件設定は表2に示す通りである。そして、その焼成後に、表2に示す各種条件にて熱処理を施した(雰囲気は窒素を用いた)。 And after carrying out temporary shaping | molding of said base powder for shaping | molding by the die-press method, CIP was performed with the pressure of 2 ton / cm < 2 >, and the powder compact was obtained. In addition, the shape of the powder compact prepared two types, one for cutting tool test pieces (throw away tip shape) and one for fatigue life test pieces. The obtained molded body was subjected to binder removal treatment at a predetermined temperature not higher than the firing temperature, and then fired. Firing is performed by the following two-stage process. First, a calcined body having a relative density of 90 to 94% was obtained by performing primary pressure primary firing in a nitrogen atmosphere of 1 atm at 1700 ° C. for 2 hours. Subsequently, this calcined body was subjected to gas pressure secondary firing under various conditions to obtain a spherical sintered body. The condition settings are as shown in Table 2. Then, after the firing, heat treatment was performed under various conditions shown in Table 2 (the atmosphere used nitrogen).

得られた焼結体の密度をアルキメデス法により測定した。また、切削工具試験片を用いて、以下の条件にて切削試験を行った。まず、試験片形状は、図13に示す通りのものである(lSO規格でSNGN120408として規定されているもの)。すなわち、試験片301は、厚さ約4.76mm、一辺が約12.7mmの略正方形断面の偏平角柱形状を有し、そのコーナー部301aに施されたアールの大きさRは約0.8mmとした。また、エッジ部301bに施された面取り部(チャンファ)は、図13(b)に示すように、主面301c側の幅tが約0.15mm、主面301cに対する傾斜角度θが約25°となるように形成した。   The density of the obtained sintered body was measured by the Archimedes method. Moreover, the cutting test was done on the following conditions using the cutting tool test piece. First, the shape of the test piece is as shown in FIG. 13 (specified as SNGN120408 in the lSO standard). That is, the test piece 301 has a flat rectangular column shape with a substantially square cross section with a thickness of about 4.76 mm and a side of about 12.7 mm, and the radius R of the corner portion 301a is about 0.8 mm. It was. Further, as shown in FIG. 13B, the chamfered portion (chamfer) applied to the edge portion 301b has a width t on the main surface 301c side of about 0.15 mm and an inclination angle θ with respect to the main surface 301c of about 25 °. It formed so that it might become.

各工具の切削性能の評価条件は以下の通りである。すなわち、図14(a)に示す形状の棒状の被削材Wを軸線周りに回転させ、その外周面に対し図20に示す試験片301を、図14(b)に示すように当接させ、主面301cの一方をすくい面(以下、すくい面を301c’で表す)、側面301eを逃げ面として用いることにより、以下の条件にて被削材の外周面を乾式で連続切削した。
被削材 :鋳鉄(FC230)、丸棒形態(外径φ240mm、長さ100mm)
切削速度V:500m/分
送り量 f:0.34mm/1回転
切り込みd:1.5mm
切削油 :なし
切削長さ :500mm
試験片1と被削材とのより詳細な位置関係は、図15に示す通りである。なお同図において、1gは横逃げ面、1fは前逃げ面をそれぞれ示す。他の符号の意味は図面中に示している。切削終了後、工具の刃先の逃げ面摩耗量
Vn(横逃げ面1g側の旋削方向の摩耗高さ:図14(c)参照)の平均値と、そのばらつき(試験品数5)を測定した。以上の結果を表1に示す。
The evaluation conditions for the cutting performance of each tool are as follows. That is, the bar-shaped work material W having the shape shown in FIG. 14A is rotated around the axis, and the test piece 301 shown in FIG. 20 is brought into contact with the outer peripheral surface thereof as shown in FIG. 14B. By using one of the main surfaces 301c as a rake face (hereinafter, the rake face is denoted as 301c ') and the side face 301e as a flank, the outer peripheral surface of the work material was continuously cut dry by the following conditions.
Work material: Cast iron (FC230), round bar form (outer diameter φ240mm, length 100mm)
Cutting speed V: 500 m / min Feed amount f: 0.34 mm / 1 rotation Cutting d: 1.5 mm
Cutting oil: None Cutting length: 500 mm
A more detailed positional relationship between the test piece 1 and the work material is as shown in FIG. In the figure, 1g indicates a side clearance surface, and 1f indicates a front clearance surface. The meanings of the other symbols are shown in the drawing. After cutting, the average value of the flank wear amount Vn (the wear height in the turning direction on the side flank 1g side: see FIG. 14C) and the variation (the number of test pieces 5) were measured. The results are shown in Table 1.

また、疲労寿命試験を、疲労寿命試験片を用いることにより、以下に説明する転がり疲労寿命試験により行った。試験片は、主面が縦横50mmの正方形で、厚さ10mmの角板状であり、算術平均粗さRa(JIS−B0601による:以下、同じ)が0.01μmとなるように主面を鏡面研磨した。そして、6球式スラスト軸受け試験機を用い、振動により疲労寿命を検出した。該試験は、軸受け荷重180kgf、回転数3000rpmとして、60℃の潤滑油を供給しながら2000時間まで行った。以上の結果を表1に示す。   Further, the fatigue life test was performed by a rolling fatigue life test described below by using a fatigue life test piece. The test piece is a square with a main surface of 50 mm in length and width and a square plate shape with a thickness of 10 mm, and the main surface is mirror-finished so that the arithmetic average roughness Ra (according to JIS-B0601; the same shall apply hereinafter) is 0.01 μm. Polished. The fatigue life was detected by vibration using a 6-ball thrust bearing tester. The test was performed up to 2000 hours while supplying a lubricating oil at 60 ° C. with a bearing load of 180 kgf and a rotation speed of 3000 rpm. The results are shown in Table 1.

そして、上記の各種測定が終了した後、以下のようにしてラマン分光分析を行った。まず、シリコン単結晶試料として、不純物をドーピングしていない鏡面研磨シリコン単結晶ウェーハを用意した。また、切削試験片の主面の切削に使用していない領域においてこれと直交する断面が現れるように鏡面研磨を施して、焼結体測定用試料とした。   And after said various measurement was complete | finished, the Raman spectroscopic analysis was performed as follows. First, a mirror-polished silicon single crystal wafer not doped with impurities was prepared as a silicon single crystal sample. In addition, the sample was subjected to mirror polishing so that a cross-section orthogonal to the region that was not used for cutting the main surface of the cutting test piece appeared, and a sintered body measurement sample was obtained.

また、ラマン分光分析装置として、フランスISA社製、Labram、Arレーザー(波数:514.5nm)を用い、以下のように測定条件を定めた。まず、レーザービームのスポット径を約10μm、レーザービームの試料に対する積算照射時間は約5秒とした。そして、各試料に対しレーザービーム強度を次のように定めた。すなわち、シリコン単結晶試料について測定を行い、そのスペクトルプロファイルにおける1200cm−1での散乱強度を基準散乱強度レベルX0として、その基準散乱強度X0からの増分散乱強度にて表した、500〜530cm−1に出現する最強の散乱ピーク(標準ピーク)の高さをYkとする。また、SiC単結晶試料についても同様の測定を行ない、780〜790cm−1に出現する最強の散乱ピークの強度をWkとする。そして、レーザービーム強度は、Yk/Wk=0.10となるように設定した。散乱光はCCDセンサにより検出した。なお、散乱ピーク強度Yk及びWkは、光電子換算カウント数にて、Yk=2400カウント(図16)、Wk=24000カウント(図18はSiC単結晶試料のラマン散乱スペクトルプロファイルを示す)であった。 Moreover, as a Raman spectroscopic analyzer, a French ISA company make, Labram, Ar laser (wave number: 514.5 nm) was used, and the measurement conditions were defined as follows. First, the spot diameter of the laser beam was about 10 μm, and the integrated irradiation time for the laser beam sample was about 5 seconds. And the laser beam intensity | strength was defined as follows with respect to each sample. That is, measurement is performed on a silicon single crystal sample, and the scattering intensity at 1200 cm −1 in the spectrum profile is set as a reference scattering intensity level X 0, and is expressed by an incremental scattering intensity from the reference scattering intensity X 0, 500 to 530 cm −1. Let Yk be the height of the strongest scattering peak (standard peak) appearing at. Further, the same measurement is performed on the SiC single crystal sample, and the intensity of the strongest scattering peak appearing at 780 to 790 cm −1 is defined as Wk. The laser beam intensity was set to be Yk / Wk = 0.10. Scattered light was detected by a CCD sensor. The scattering peak intensities Yk and Wk were Yk = 2400 counts (FIG. 16) and Wk = 24000 counts in terms of photoelectron conversion counts (FIG. 18 shows the Raman scattering spectrum profile of the SiC single crystal sample).

そして、焼結体試料の表面から深さ100±10μmの領域における測定を行い、そのスペクトルプロファイルに対し、ローパスフィルタ処理を施してプロファイル波長300cm−1以下の成分をカットすることによりベース曲線を生成し、そのベース曲線からの突出高さにて表した、スペクトルプロファイルの206±10cm−1に出現する最強の散乱ピークの高さをβ窒化珪素ピーク高さZ2として求めた。また、1200cm−1での散乱強度X1の基準散乱強度レベルX0からの増分にて表した増分散乱強度Y1=X1−X0、該増分散乱強度Y1と標準ピーク高さYkとの比Y1/Yk、及び波数750〜2500cm−1に出現する半値幅300cm−1以上のブロードなピーク(ガラス的ピーク)の、基準散乱強度X0からの増分散乱強度にて表したピーク高さY3とβ窒化珪素ピークZ2との比Y3/Z2もそれぞれ求めた。また、ガラス的ピークのピーク位置をスペクトルプロファイルから読み取った。以上の結果を表1に示す。また、図16に、試料番号5のスペクトルプロファイルを示す。 Then, measurement is performed in a region of a depth of 100 ± 10 μm from the surface of the sintered body sample, and a base curve is generated by performing low-pass filter processing on the spectrum profile to cut components having a profile wavelength of 300 cm −1 or less. Then, the height of the strongest scattering peak appearing at 206 ± 10 cm −1 of the spectrum profile, expressed by the protruding height from the base curve, was determined as the β silicon nitride peak height Z2. Moreover, the incremental scattering intensity Y1 = X1−X0 expressed in increments from the reference scattering intensity level X0 of the scattering intensity X1 at 1200 cm −1 , the ratio Y1 / Yk of the incremental scattering intensity Y1 and the standard peak height Yk, and wavenumber 750~2500cm FWHM 300 cm -1 or more broad peak appearing -1 (glass peak), reference scattering intensity peaks expressed in increments scattering intensity from X0 height Y3 and β silicon nitride peak Z2 The ratio Y3 / Z2 was also determined. Moreover, the peak position of the glassy peak was read from the spectrum profile. The results are shown in Table 1. FIG. 16 shows the spectrum profile of Sample No. 5.

Figure 0005624067
Figure 0005624067

Figure 0005624067
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表1に示す結果より、Y1、Y1/YkあるいはY3/Z2が、本件請求項に記載した数値を満足する場合に、切削摩耗試験及び疲労試験のいずれにおいても良好な結果が得られており、ばらつきも小さいことがわかる。   From the results shown in Table 1, when Y1, Y1 / Yk or Y3 / Z2 satisfies the numerical values described in the claims, good results are obtained in both the cutting wear test and the fatigue test, It can be seen that the variation is small.

(実験例2)
まず、素材粉末として、窒化珪素粉末(α化率97%以上、O含有レベル:SiO換算にて1.2重量%、平均粒子径0.5μm)、Y粉末(平均粒子径1.5μm)、Yb粉末(平均粒子径1.5μm)、Al粉末(平均粒子径1.0μm)及び塩基性炭酸マグネシウム粉末(平均粒子径0.5μm)を用意した。これら粉末を表3に示す各種組成にて配合し、適量の溶媒と有機結合剤とを加えて遊星ボールミルを用いて混合を行った後、スプレードライ法にて乾燥を行なうことにより、造粒された成型用素地粉末を得た。
(Experimental example 2)
First, as a raw material powder, silicon nitride powder (α conversion rate of 97% or more, O 2 content level: 1.2% by weight in terms of SiO 2 , average particle size 0.5 μm), Y 2 O 3 powder (average particle size) 1.5 μm), Yb 2 O 3 powder (average particle size 1.5 μm), Al 2 O 3 powder (average particle size 1.0 μm), and basic magnesium carbonate powder (average particle size 0.5 μm) were prepared. These powders are blended in various compositions shown in Table 3, added with an appropriate amount of solvent and organic binder, mixed using a planetary ball mill, and then granulated by drying by spray drying. A green powder for molding was obtained.

そして、上記の成型用素地粉末をダイプレス法により試験片形状に仮成形した後、圧力2トン/cmにてCIPを行ない、粉末成形体を得た。得られた成形体は、BN粉末30質量%をエタノールに分散した離型剤を塗布した。これを、焼成温度以下の所定温度にて脱バインダ処理し、次いで、1700℃で2時間、1atmの窒素雰囲気中で常圧一次焼成することにより、相対密度90〜94%の仮焼体を得た。次いでこの仮焼体に離型剤コーティング等は施さない状態にて、100気圧の窒素雰囲気中で各種温度にて二次焼成して焼結体を得た。なお比較のため、一次焼成時と同じ離型剤を塗布して二次焼成を行なった試験品も作成した(表3:番号11)。なお、試験片としては、ラマン分光分析用試験片として幅10mm、長さ30mm及び厚さ3mmの板状のものと、切削試験用試験片としてISOにSNGN120408として規定されている工具形状のものとの2種類を作製した。 Then, after the above molding powder was temporarily formed into a test piece shape by a die press method, CIP was performed at a pressure of 2 ton / cm 2 to obtain a powder compact. The obtained molded body was coated with a release agent in which 30% by mass of BN powder was dispersed in ethanol. This is subjected to a binder removal treatment at a predetermined temperature equal to or lower than the firing temperature, and then subjected to a primary pressure firing at 1700 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere at 1 atm to obtain a calcined body having a relative density of 90 to 94%. It was. Next, the calcined body was subjected to secondary firing at various temperatures in a nitrogen atmosphere of 100 atm without a release agent coating or the like to obtain a sintered body. For comparison, a test product that was subjected to secondary firing by applying the same release agent as in the primary firing was also prepared (Table 3: No. 11). In addition, as a test piece, as a test piece for Raman spectroscopic analysis, a plate shape having a width of 10 mm, a length of 30 mm, and a thickness of 3 mm, and as a test piece for cutting test, a tool shape defined by ISO as SNGN120408 Two types of were produced.

得られた焼結体の密度をアルキメデス法により測定した。また、焼結体のてラマン分光分析を以下のようにして行った。まず、シリコン単結晶試料として、不純物をドーピングしていない鏡面研磨シリコン単結晶ウェーハを用意した。また、焼結体は、主面と直交する断面が現れるように切断し鏡面研磨を施して、焼結体測定用試料とした。ラマン分光分析装置としては、フランスISA社製、Labram、Arレーザー(波数:514.5nm)を用い、実験例1と同様に測定条件を定めた。   The density of the obtained sintered body was measured by the Archimedes method. Moreover, the Raman spectroscopic analysis of the sintered compact was performed as follows. First, a mirror-polished silicon single crystal wafer not doped with impurities was prepared as a silicon single crystal sample. Further, the sintered body was cut so that a cross section perpendicular to the main surface appeared and mirror-polished to obtain a sintered body measuring sample. As a Raman spectroscopic analysis apparatus, a Labram, Ar laser (wave number: 514.5 nm) manufactured by France ISA was used, and measurement conditions were determined in the same manner as in Experimental Example 1.

そして、上記の研磨面において、焼結体試料の表面から深さ方向に10μm間隔にてレーザービーム照射位置(測定位置)を変えながらラマン散乱スペクトルを測定するとともに、各位置のスペクトルプロファイルにおいて1200cm−1での散乱強度X1の基準散乱強度レベルX0からの増分にて表した増分散乱強度Ya=X1−X0を求め、さらに、焼結体表層部側に現われるYaの最大値Ymaxと、内層部側に現われるYaの最小値Ymin、及び両者の比Ymax/Yminを決定した。 On the polished surface, the Raman scattering spectrum is measured while changing the laser beam irradiation position (measurement position) at 10 μm intervals in the depth direction from the surface of the sintered body sample, and 1200 cm − in the spectrum profile at each position. 1. Incremental scattering intensity Ya = X1-X0 expressed in increments from the reference scattering intensity level X0 of the scattering intensity X1 at 1 , and further, the maximum value Ymax of Ya appearing on the sintered body surface layer side, and the inner layer side The minimum value Ymin of Ya appearing in Fig. 5 and the ratio Ymax / Ymin of both were determined.

また、各焼結体の原料素地粉末は、600℃に加熱して脱バインダ処理した後、非分散型赤外分光分析法により酸素量を測定し、さらに配合した焼結助剤に含有される推定酸素量を減じて、過剰酸素量として算出した。他方、同じ非分散型赤外分光分析法により、炭素量の分析も行なった。   The raw material powder of each sintered body is heated to 600 ° C. and treated to remove the binder, and then the amount of oxygen is measured by non-dispersive infrared spectroscopy, and further contained in the blended sintering aid. The amount of excess oxygen was calculated by subtracting the estimated amount of oxygen. On the other hand, carbon content was also analyzed by the same non-dispersive infrared spectroscopy.

さらに工具用試験片を用いて、実験例1と全く同じ条件にて切削試験を行なった。以上の結果を表3に示す。   Further, a cutting test was performed under exactly the same conditions as in Experimental Example 1 using a tool test piece. The above results are shown in Table 3.

Figure 0005624067
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この結果からも明らかなように、焼成条件の調整により、ラマンスペクトルプロファイルにて観察されるガラス的ピーク(1200cm−1のピーク)を、焼結体表層部(Ymax)にて焼結体内層部(Ymin)よりも高くすることが可能であり、Ymax/Yminを2以上とすることにより特に良好な耐摩耗性が実現されていることがわかる。なお、図19には、表3の番号5,6,11の各試験品の、Yaの値(ただし、シリコン単結晶試料の1200cm−1での散乱強度(基準散乱強度レベル)X0に対する比にて表示している)の測定結果を、焼結体表面からの深さ方向距離との関係にて示している。 As is clear from this result, by adjusting the firing conditions, a glassy peak (1200 cm −1 peak) observed in the Raman spectrum profile is observed at the sintered body surface layer (Ymax). It can be seen that it can be higher than (Ymin), and by setting Ymax / Ymin to 2 or more, particularly good wear resistance is realized. FIG. 19 shows the ratio of Ya to each of the test products of Nos. 5, 6, and 11 in Table 3 (where the silicon single crystal sample has a scattering intensity (reference scattering intensity level) X0 at 1200 cm −1 ). The measurement results are shown in relation to the depth direction distance from the sintered body surface.

40 ボールベアリング(セラミック摺動部材)
43 ベアリングボール(窒化珪素質焼結体)
150 タペット(セラミック摺動部材)
301 セラミック工具(窒化珪素質焼結体)
40 Ball bearing (ceramic sliding member)
43 Bearing ball (Silicon nitride sintered body)
150 Tappet (Ceramic sliding member)
301 Ceramic tool (silicon nitride sintered body)

Claims (13)

窒化珪素を主成分とする主相結晶粒子が、ガラス質の結合相にて結合した焼結体であって、前記結合相を構成する焼結助剤成分としてAlを含有し、焼結助剤成分を酸化物換算にて1〜5重量%、かつ該焼結助剤成分のうち希土類成分を酸化物換算にて1〜3重量%含有し、炭素量/酸素量のwt%比率が0.5以下である焼結体において、シリコン単結晶試料のラマン分光分析を行ったときの、500〜530cm−1に出現する最強の散乱ピークの強度Xkが2400±200カウントとなるようにビーム強度を設定し、
その条件にて前記シリコン単結晶試料についてラマン分光分析を行ったときの1200cm−1での散乱強度を基準散乱強度レベルX0として、焼結体のラマン分光分析を行ったときに得られるスペクトルプロファイルの、1200cm−1での散乱強度X1の、前記基準散乱強度レベルX0からの増分にて表した増分散乱強度Y1=X1−X0が1500カウント以上となっていることを特徴とする窒化珪素質焼結体。
A main body crystal particle mainly composed of silicon nitride is a sintered body bonded with a glassy binder phase, and contains Al as a sintering aid component constituting the binder phase, and a sintering aid. The component is 1 to 5% by weight in terms of oxide, and the rare earth component in the sintering aid component is 1 to 3% by weight in terms of oxide, and the carbon / oxygen wt% ratio is 0.1. in 5 below der Ru sintered body, beam intensity as the intensity Xk of the strongest scattering peaks appearing in 500~530Cm -1 is 2400 ± 200 counts when subjected to Raman spectroscopic analysis of the silicon single crystal sample Set
The spectral profile obtained when the Raman spectral analysis of the sintered body was performed with the scattering intensity at 1200 cm −1 when the Raman spectral analysis was performed on the silicon single crystal sample under the conditions as the reference scattering intensity level X0. Silicon nitride based sintering characterized in that an incremental scattering intensity Y1 = X1−X0 expressed by an increment from the reference scattering intensity level X0 of the scattering intensity X1 at 1200 cm −1 is 1500 counts or more. body.
窒化珪素を主成分とする主相結晶粒子が、ガラス質の結合相にて結合した焼結体であって、前記結合相を構成する焼結助剤成分としてAlを含有し、焼結助剤成分を酸化物換算にて1〜5重量%、かつ該焼結助剤成分のうち希土類成分を酸化物換算にて1〜3重量%含有し、炭素量/酸素量のwt%比率が0.5以下である焼結体において、シリコン単結晶試料のラマン分光分析を行なったときの、500〜530cm−1に出現する最強の散乱ピークの強度をXkとし、同じくSiC単結晶試料のラマン分光分析を行なったときの780〜790cm−1に出現する最強の散乱ピークの強度をWkとして、Xk/Wkが0.10±0.01となるようにビーム強度を設定し、
その条件にて前記シリコン単結晶試料についてラマン分光分析を行ったときの1200cm−1での散乱強度を基準散乱強度レベルX0として、その基準散乱強度X0からの増分散乱強度にて表した、500〜530cm−1に出現する最強の散乱ピークの強度をYkとし、また、焼結体のラマン分光分析を行ったときのスペクトルプロファイルの、1200cm−1における前記基準散乱強度X0からの増分散乱強度Y1として、Y1のYkに対する比Y1/Ykが0.4以上となっていることを特徴とする窒化珪素質焼結体。
A main body crystal particle mainly composed of silicon nitride is a sintered body bonded with a glassy binder phase, and contains Al as a sintering aid component constituting the binder phase, and a sintering aid. The component is 1 to 5% by weight in terms of oxide, and the rare earth component in the sintering aid component is 1 to 3% by weight in terms of oxide, and the carbon / oxygen wt% ratio is 0.1. in 5 below der Ru sintered body, when subjected to Raman spectroscopic analysis of the silicon single crystal sample, the intensity of the strongest scattering peak and Xk appearing in 500~530Cm -1, likewise Raman spectroscopy of SiC single crystal sample The intensity of the strongest scattering peak appearing at 780 to 790 cm −1 at the time of analysis is set as Wk, and the beam intensity is set so that Xk / Wk is 0.10 ± 0.01,
The scattering intensity at 1200 cm −1 when Raman spectroscopic analysis was performed on the silicon single crystal sample under the conditions was set as a reference scattering intensity level X 0, which was expressed as an incremental scattering intensity from the reference scattering intensity X 0, 500 to the intensity of the strongest scattering peaks appearing in 530 cm -1 and Yk, also, the spectral profile when subjected to Raman spectroscopic analysis of the sintered body, as an incremental scattering intensity Y1 from the reference scattering intensity X0 at 1200 cm -1 A silicon nitride sintered body, wherein the ratio Y1 / Yk of Y1 to Yk is 0.4 or more.
窒化珪素を主成分とする主相結晶粒子が、ガラス質の結合相にて結合した焼結体であって、前記結合相を構成する焼結助剤成分としてAlを含有し、焼結助剤成分を酸化物換算にて1〜5重量%、かつ該焼結助剤成分のうち希土類成分を酸化物換算にて1〜3重量%含有し、炭素量/酸素量のwt%比率が0.5以下である焼結体において、シリコン単結晶試料のラマン分光分析を行なったときの、500〜530cm−1に出現する最強の散乱ピークの強度をXkとし、同じくSiC単結晶試料のラマン分光分析を行なったときの780〜790cm−1に出現する最強の散乱ピークの強度をWkとして、Xk/Wkが0.10±0.01となるようにビーム強度を設定し、
その条件にて前記シリコン単結晶試料についてラマン分光分析を行ったときの1200cm−1での散乱強度を基準散乱強度レベルX0として、その基準散乱強度X0からの増分散乱強度にて表した、500〜530cm−1に出現する最強の散乱ピークの強度をYkとし、
また、焼結体のラマン分光分析を行ったときのスペクトルプロファイルの、ベース曲線からの突出高さにて表した206±10cm−1に出現する最強の散乱ピーク強度をZ2とし、
焼結体のラマン分光分析を行ったときに得られるスペクトルプロファイルの、波数750〜2500cm−1に出現する半値幅300cm−1以上のブロードなピークの、前記基準散乱強度X0からの増分散乱強度にて表したピーク強度をY3として、
Y3のピーク強度が1330以上、かつ、Y3とZ2との比Y3/Z2が0.5以上であることを特徴とする窒化珪素質焼結体。
A main body crystal particle mainly composed of silicon nitride is a sintered body bonded with a glassy binder phase, and contains Al as a sintering aid component constituting the binder phase, and a sintering aid. The component is 1 to 5% by weight in terms of oxide, and the rare earth component in the sintering aid component is 1 to 3% by weight in terms of oxide, and the carbon / oxygen wt% ratio is 0.1. in 5 below der Ru sintered body, when subjected to Raman spectroscopic analysis of the silicon single crystal sample, the intensity of the strongest scattering peak and Xk appearing in 500~530Cm -1, likewise Raman spectroscopy of SiC single crystal sample The intensity of the strongest scattering peak appearing at 780 to 790 cm −1 at the time of analysis is set as Wk, and the beam intensity is set so that Xk / Wk is 0.10 ± 0.01,
The scattering intensity at 1200 cm −1 when Raman spectroscopic analysis was performed on the silicon single crystal sample under the conditions was set as a reference scattering intensity level X 0, which was expressed as an incremental scattering intensity from the reference scattering intensity X 0, 500 to Yk is the intensity of the strongest scattering peak appearing at 530 cm −1 ,
Further, the strongest scattering peak intensity appearing at 206 ± 10 cm −1 of the spectral profile obtained by performing Raman spectroscopic analysis of the sintered body, expressed by the height of protrusion from the base curve, is Z2,
The spectral profile obtained when subjected to Raman spectroscopic analysis of the sintered body, the half width 300 cm -1 or more broad peak appearing in the wavenumber 750~2500Cm -1, incremental scattering intensity from the reference scattering intensity X0 The peak intensity expressed as
A silicon nitride-based sintered body having a peak intensity of Y3 of 1330 or more and a ratio Y3 / Z2 of Y3 and Z2 of 0.5 or more.
窒化珪素を主成分として焼結助剤成分を含有する焼結体において、焼結体の断面において焼結体表面から深さ方向にレーザービームスポットの照射位置を変えながらラマン分光分析を行ったときに、そのラマン散乱スペクトルに現れる1200cm−1での散乱強度が、焼結体表層部と内層部とで異なる請求項1ないし3のいずれかに記載の窒化珪素質焼結体。 When a Raman spectroscopic analysis is performed while changing the irradiation position of the laser beam spot in the depth direction from the surface of the sintered body in the cross section of the sintered body in a sintered body containing silicon nitride as a main component and a sintering aid component The silicon nitride based sintered body according to any one of claims 1 to 3, wherein the scattering intensity at 1200 cm -1 appearing in the Raman scattering spectrum is different between the surface layer portion and the inner layer portion of the sintered body. 前記ラマン散乱スペクトルに現れる、波数750〜2500cm−1に出現する半値幅300cm−1以上のブロードな散乱ピークの強度が、焼結体表層部と内層部とで異なる請求項4に記載の窒化珪素質焼結体。 The appearing in the Raman scattering spectrum, the half width 300 cm -1 or more broad intensity of scattering peak appearing in the wavenumber 750~2500Cm -1 is silicon nitride according to different claims 4 and sintered surface layer portion and inner layer portion Sintered material. 前記1200cm−1での散乱強度が、焼結体表層部において内層部よりも高い請求項4又は5に記載の窒化珪素質焼結体。 The silicon nitride based sintered body according to claim 4 or 5, wherein the scattering intensity at 1200 cm -1 is higher in the surface layer portion of the sintered body than in the inner layer portion. シリコン単結晶試料のラマン分光分析を行なったときの、500〜530cm−1に出現する最強の散乱ピークの強度をXkとし、同じくSiC単結晶試料のラマン分光分析を行なったときの780〜790cm−1に出現する最強の散乱ピークの強度をWkとして、Xk/Wkが0.10±0.01となるようにビーム強度を設定し、
その条件にて前記シリコン単結晶試料についてラマン分光分析を行ったときの1200cm−1での散乱強度を基準散乱強度レベルX0とし、同じく前記焼結体断面の前記深さ方向における各位置にてラマン分光分析を行ったときの、各位置の散乱強度レベルをXaとし、さらに、Ya=Xa−X0として、焼結体表層部側に現われるYaの最大値をYmax、同じく内層部側に現われるYaの最小値をYminとして、Ymax/Yminが2以上である請求項4ないし6のいずれかに記載の窒化珪素質焼結体。
Xk is the intensity of the strongest scattering peak appearing at 500 to 530 cm −1 when performing Raman spectroscopic analysis of a silicon single crystal sample, and 780 to 790 cm when performing Raman spectroscopic analysis of a SiC single crystal sample. The intensity of the strongest scattering peak appearing in 1 is Wk, and the beam intensity is set so that Xk / Wk is 0.10 ± 0.01,
Under the conditions, the scattering intensity at 1200 cm −1 when Raman spectroscopy analysis is performed on the silicon single crystal sample is defined as a reference scattering intensity level X 0, and at each position in the depth direction of the cross section of the sintered body. When the Raman spectroscopic analysis is performed, the scattering intensity level at each position is set to Xa, and further, Ya = Xa-X0, and the maximum value of Ya appearing on the surface layer side of the sintered body is Ymax, and Ya appearsing on the inner layer side as well. The silicon nitride based sintered body according to any one of claims 4 to 6, wherein Ymin / Ymin is 2 or more, where Ymin is the minimum value.
前記焼結体表層部には、前記ラマン散乱スペクトルにおける前記1200cm−1での散乱強度が、焼結体表面から深さ方向に単調に減少するラマン傾斜領域が形成されている請求項4ないし7のいずれかに記載の窒化珪素質焼結体。 8. The Raman slope region in which the scattering intensity at the 1200 cm −1 in the Raman scattering spectrum monotonously decreases in the depth direction from the sintered body surface is formed in the sintered body surface layer portion. The silicon nitride based sintered body according to any one of the above. 前記1200cm−1での散乱強度が、焼結体内層部において略一定である請求項8記載の窒化珪素質焼結体。 The silicon nitride based sintered body according to claim 8, wherein the scattering intensity at 1200 cm −1 is substantially constant in the sintered body layer portion. 前記ラマン傾斜領域における焼結体表面側の前記Yaの最大値を前記Ymax、前記焼結体内層部において略一定となる前記Yaの値を前記Yminとして、Ymax/Yminが2以上である請求項9記載の窒化珪素質焼結体。   The maximum value of Ya on the surface side of the sintered body in the Raman inclined region is Ymax, and the value of Ya that is substantially constant in the sintered body layer portion is Ymin, and Ymax / Ymin is 2 or more. 9. The silicon nitride sintered body according to 9. 前記焼結体はYb成分を含有する請求項1ないし10のいずれかに記載の窒化珪素質焼結体。 The sintered body of silicon nitride sintered body according to any one of claims 1 to 10 containing Yb Ingredient. 請求項1ないし11のいずれかに記載の窒化珪素質焼結体として構成され、焼結体表面の少なくとも一部が摺動面として使用されることを特徴とする窒化珪素質摺動部品。   A silicon nitride-based sliding component comprising the silicon nitride-based sintered body according to any one of claims 1 to 11, wherein at least a part of the surface of the sintered body is used as a sliding surface. 前記ラマン傾斜領域をなす表層部に対応する表面が前記摺動面として使用される請求項12記載の窒化珪素質摺動部品。   The silicon nitride-based sliding component according to claim 12, wherein a surface corresponding to a surface layer portion forming the Raman inclined region is used as the sliding surface.
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