JP5945382B2 - 窒化珪素質焼結体および耐摩耗部材 - Google Patents
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また、特に高圧下で高速開閉する流体弁では剛性が高く軽量で長寿命の弁体が必須であり、弁体として窒化珪素質焼結体を採用するメリットも非常に大きい。
そのため焼結助剤としてY2O3などの希土類酸化物や、Al2O3などの酸化物を混合して成形した後、液相焼結により緻密化し、窒化珪素質焼結体を得ている。
例えば、公知の特許文献1には、転動体表面のキズや亀裂などの欠陥が品質の信頼性の低下を招くため、焼結体の気孔率および粒界相中の最大気孔径について規定することで転がり寿命の優れた窒化珪素質焼結体製耐摩耗性部材が得られることが開示されている。
また、この白い樹枝状部分はそうでない部分と剛性、密度等の特性が異なるため、たとえ小さくても耐摩耗部材である窒化珪素球や窒化珪素ローラに研磨加工する際の真球度、表面粗さ等の寸法精度の向上の妨げとなり、結果的に繰り返し荷重の疲労によって表面で剥離を起こす原因となっていた。
しかしながら、本発明者らは鋭意研究を行った結果、これらの欠陥を可能な限り低減するだけでは、耐摩耗性および耐久性の向上に不十分であることが判明した。
このスノーフレークはSEM観察では見られないことから、特許文献2で開示されているマイクロポアの集合体からなる白い樹枝状のものではなく、スノーフレーク部分は、それ以外の部分と結晶粒界相のわずかな組成の違いがある部分と考えられ、このわずかな組成の違いが耐摩耗性および耐久性に大きく影響している。
本発明の窒化珪素質焼結体においては、かさ密度が3.1g/cm3以上であることが必要であり、3.2g/cm3以上であることが好ましい。
かさ密度が3.1g/cm3未満の場合は焼結体内部にマイクロポアが多く存在することとなり、摩擦、衝撃などの外部応力に対する抵抗性が劣るとともに耐摩耗性および耐久性の低下が起こる。
平均結晶粒径が3μmを超える場合には平均結晶粒径が大きくなるとともに結晶粒界相面積が大きくなり、この結晶粒界にスノーフレークが形成された場合に欠陥サイズが大きくなり、残留する内部歪も大きくなって、耐摩耗性および耐久性が大きく低下する原因となる。
本発明の窒化珪素質焼結体の窒化珪素結晶粒子は主として柱状であることから、結晶粒子の長径と短径を測定し、粒子径=(長径+短径)/2として結晶粒子1個の粒子径を求める。
このようにして100個の結晶粒子の粒子径を求め、100個の平均値を平均結晶粒径とする。
10μm以上の欠陥あるいは20μm以上のスノーフレークがあると衝撃などの外部応力に対する抵抗性が劣るとともに耐摩耗性および耐久性の低下が起こり、5μm以上の欠陥および10μm以上のスノーフレークがないものであれば、さらに好適である。
ここで言う欠陥とはキズ、亀裂、気孔だけでなく、焼結助剤の凝集、不純物を含有した第2相も含む。
図1は、本発明の窒化珪素質焼結体を板厚0.2mmにスライス、研磨して500nm〜800nmの波長のハロゲン光を透過した際の光学顕微鏡写真であり、スノーフレークや欠陥は観察できない。
表面から250μmの深さまで光が透過しない場合や透過光が不均一の場合は、表面から250μmの深さの部分に欠陥だけでなく、少なくとも20μm以上のスノーフレークが存在することを意味する。
従って、ハロゲン光が表面から250μmまで透過しない、あるいは不均一の場合は、耐摩耗性および耐久性の低下の原因となる。
また、スノーフレークは、同様に鏡面研磨した焼結体を500nm〜800nmの波長のハロゲン光を用いて光学顕微鏡で100倍の倍率で、無作為に10カ所観察し確認されたスノーフレークの最大サイズとした。
また、本発明の窒化珪素質焼結体は優れた耐摩耗性と耐久性、機械的特性を有しているため転がり軸受け部材として有用である。
SUJ2鋼球との測定においては、上に窒化珪素質焼結体球、下にSUJ2鋼球を配置して測定した。
なお、以下に説明するのは製造方法の一例であって、本発明の窒化珪素質焼結体および耐摩耗部材がこの製造方法によって限定されるものではない。
使用する窒化珪素粉体はα相を80%以上含むものであり、好ましくは90%以上である。
純度は98%以上であることが必要であり、好ましくは98.5%以上である。
不純物が2%を超える場合には焼結体内部に不純物を含有する第2相を多く形成する。
比表面積は6m2/g以上、好ましくは8m2/g以上である。
比表面積が6m2/g未満の場合は焼結性の低下をきたす。
アルミナおよびイットリアはそれぞれ3〜6wt%、好ましくは4〜6wt%の量を添加することにより優れた耐摩耗性にできるだけでなく、500nm〜800nmのハロゲン光を透過させることが可能な組織とすることができる。
また、イットリアは純度99%以上、好ましくは99.5%以上であり、比表面積が8m2/g以上、好ましくは9m2/g以上であることが必要である。
また、粉体の比表面積が既定値を満足しない場合には窒化珪素粉体中に均一に分散することが困難となり、焼結体内部に焼結助剤の凝集体が形成されたり、ガラス相組成の不均一性が大きくなり、スノーフレークの発生につながる。
得られた均一混合粉体に所定量のバインダーを加え、SD乾燥して成形用粉体が得られる。
成形用粉体の比表面積が10m2/g未満の場合は、焼結性が低く、一方、15m2/gを超える場合には粉体が微細になり成形時の成形圧力伝達性が低下し、成形体内部に欠陥を多く形成し、焼結後の焼結体内部に欠陥を多く形成する原因となる。
金型を用いたプレス成形法では成形圧力が一方向しかかからず、また成形体内部と外部部分の密度差が大きくなり、焼結体内部に焼成収縮差から残留応力が発生し、亀裂等の発生につながり、成形体内部に欠陥を導入しやすくなる。
成形体は、窒化珪素製焼成用容器内で、室温から1000〜1250℃まで10−2Pa以下の真空下で昇温され、その後窒素雰囲気中で1600〜1850℃、好ましくは1600〜1800℃で焼成される。
真空下での加熱が1000℃未満の場合はこの効果がなく、真空下で1250℃を超える温度まで加熱すると成形体が含有している酸素等が排出される量が多くなり、その結果、焼結体内部に形成されるガラス相量が減少し、結晶粒界に気孔等の欠陥が増加する。
また、焼成温度が1600℃未満の場合は焼結が進まず、1850℃を超える場合には窒化珪素の分解が進展し、欠陥等が多く形成され、機械的特性の低下が起こる。
カーボン製焼成用容器を用いた場合、1500℃以上でカーボンガスが発生し、焼成中の成形体に固溶し、色調が濃くなり、ハロゲン光が透過しないだけでなく、表面および表面近傍の欠陥が増加し、機械的特性が低下する。
従って、ベアリングボールとした場合には、真球度が0.05μm以下、表面粗さ(Rmax)を0.01μm以下にすることが容易である。
これらのベアリングボールは、窒化珪素粉体とアルミナおよびイットリア粉体を湿式粉砕混合し、得られた混合スラリーにワックスエマルジョンを粉体重量に対し、3重量%添加し、スプレードライヤー乾燥し、ゴム型を用いて100MPaの圧力でCIP成形した。
そして、得られた成形体を大気中で400℃で脱脂、窒化珪素製焼成容器に成形体を入れ、室温から1100℃まで10−2Paの真空下で加熱後、窒素雰囲気で1560〜1880℃で4時間焼成し、φ10mmの球を作製した。
また、比較例No.8は焼成時にカーボン製焼成用容器を用いて焼成した。
作製した球をそれぞれ研磨加工し、3/8インチ規格のベアリングボールとした。
なお、耐久試験は、ベアリングボールをBrg6206に組み込み(9個入り/Brg)、学振形寿命試験機(純ころがり)で負荷荷重850kgf(純ラジアル荷重)、主軸回転数2000rpm、潤滑にクリーン油(60℃)を使用して試験し、1300hを異常なく回転すれば打ち切りとした。
実験に用いたサンプルは、本願発明の例が図5、図6に示す実施例5のもの、比較例が図5、図6に示す比較例4、比較例6のものであり、実施例、比較例ともに、それぞれ同一製造ロットのものをサンプルとしている。
また、圧砕荷重を加える速度は6kN/s(612kgf/s)とした。
実験に用いたサンプルは、本願発明の例が図5、図6に示す実施例5のもの、比較例が図5、図6に示す比較例4のものであり、実施例を比較例とも、それぞれ同一製造ロットのものから10個を無作為に抽出してサンプルとしている。
実施例5および比較例4のベアリングボールともに、真球度が0.03μmとなるように最終研磨加工されており、いずれも0.02〜0.04μmの範囲でほぼ安定した精度に仕上げられている。
比較例4のベアリングボールにおいては、スノーフレークが窒化珪素焼結体の表層部にも不規則に存在し、このスノーフレーク部分が他の部分と耐摩耗性が異なったり、助剤量が所定量より過剰になり、窒化珪素結晶とガラス相との熱膨張差が大きくなり内部歪が大きくなったり、組織の不均一性が大きくなって、研磨加工した際の表面粗さの向上の妨げとなるとともに、多数のベアリングボールの表面粗さの均一化が困難となっている。
実施例5のベアリングボールにおいては、光学顕微鏡で観察されるスノーフレークが存在しないため、表面の耐摩耗性が均一であり、研磨加工した際の表面粗さが向上するとともに、多数のベアリングボールの表面粗さを均一化することができる。
510、520 ・・・アンビル
Claims (2)
- それぞれ3〜6wt%のAl2O3 とY2O3 および窒化珪素からなる窒化珪素質焼結体において、
かさ密度が3.1g/cm3以上であり、
平均結晶粒径が3μm以下であり、
窒化珪素質焼結体を鏡面研磨して500nm〜800nmの波長のハロゲン光を透過した際、表面から250μmの深さまで10μm以上の欠陥および20μm以上の白色斑点(スノーフレーク)がないことを特徴とする耐摩耗性に優れた窒化珪素質焼結体。 - 窒化珪素質焼結体で形成された耐摩耗部材において、
請求項1に記載の窒化珪素質焼結体の表面を加工し転がり軸受け部材としたことを特徴とする耐摩耗部材。
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