JPH01141875A

JPH01141875A - 均質窒化珪素焼結体およびその製造方法

Info

Publication number: JPH01141875A
Application number: JP62298461A
Authority: JP
Inventors: Kazumori Hayakawa; 一精早川; Reiji Matsubara; 松原　礼志
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1987-11-26
Filing date: 1987-11-26
Publication date: 1989-06-02
Anticipated expiration: 2010-12-13
Also published as: JPH07115932B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は軸受部材、耐摩耗部材あるいは摺動部材等に有
用な高強度で均質な窒化珪素焼結体およびその製造方法
に関する。

［従来の技術］従来から、窒化珪素焼結体の製造に際して焼結助剤を用
いることが周知となっている。そして。

その焼結助剤としてアルカリ土類金属酸化物や希土類元
素酸化物等を添加することが知られている。

このうち、アルカリ土類金属酸化物は、焼成時に液相を
形成して緻密化を促進させ、窒化珪素粒子の結合を強固
にする効果がある。また、希土類元素酸化物は窒化珪素
結晶の柱状粒子の成長を促進する作用があり、アルカリ
土類金属と共存した場合、窒化珪素焼結体の高強度化に
寄与する効果があることが知られていた。

［発明が解決しようとする問題点］しかしながら、近年においては、軸受部材などの構造材
料として適切な特性を有する窒化珪素焼結体か要請され
ており、窒化珪素焼結体の更なる高強度化、緻密化およ
び組織の均質化が必要となってきた。

［問題点を解決するための手段］そこで、本発明者は上記の問題点に鑑み、鋭意検討を行
なりたところ、焼結助剤として、アルカリ土類金属酸化
物と希土類元素酸化物を組合せると、窒化珪素焼結体の
緻密化・高強度化だけでなく、組織の均質化に大きく寄
与することが判明した。さらに、造粒後の粉体の強制乾
燥、水分調整、次いで熱間静水圧プレス処理という製造
プロセスを組合せると、 ■上記焼結助剤による緻密化・高強度化・組織の均質化
の効果、 ■上記した特定の製造プロセスにより緻密化・高強度化
・組織の均質化の効果の２つの効果が合わさる相乗効果により、単独の場合よ
りも、より一層緻密化・高強度化・組織の均質化が促進
されることが判明し、本発明に到達した。

即ち、本発明によれば、焼結助剤として希土類元素酸化
物１種以上を各々０．５〜ｌ　Ｏｗ　ｔ％、アルカリ土
類金属酸化物１種以上を各々０．５〜８　ｗ　ｔ％で、
その合計量か１．５〜１５ｗｔ％となる範囲で含み、８
５〜９８．５ｗｔ％が窒化珪素結晶から成る焼結体であ
って、室温での曲げ強度が１００ｋｇ／ｍｍ”以上、ヌ
ープ硬度が１５．５Ｇｐａ以上であることを２種添加す
る均質窒化珪素焼結体、および、窒化珪素原料と焼結助
剤を混合、粉砕、造粒後成形し、次いで該成形体を焼成
することにより窒化珪素焼結体を製造する方法において
、焼結助剤として希土類元素酸化物１種以上を各々０．
５〜１０ｗｔ％及びアルカリ土類金属酸化物１種以上を
各々０．５〜８　ｗ　ｔ％、その合計量が１．５〜１５
ｗｔ％となる範囲で添加し、窒化珪素原料として８５〜
９８．５ｗｔ％を用いて造粒した造粒後の粉体を一旦強
制的に乾燥した後成形し１次いで、得られた成形体に予
備処理を施し、窒素雰囲気下で熱間静水圧プレス処理を
行うことを２種添加する均質窒化珪素焼結体の製造方法
、が提供される。

本発明に係る均質窒化珪素焼結体においては、希土類元
素酸化物１種以上とアルカリ土類金属酸化物１種以上を
焼結助剤として含んでいるものである。そして、好まし
くは希土類元素酸化物１種とアルカリ土類金属酸化物２
種を選択して用いることが窒化珪素焼結体の緻密化、高
強度化および組織の均質化のため有効であり、希土類元
素酸化物としてＹ２Ｏ，、アルカリ土類金属酸化物とし
てＭｇＯ及びＳｒＯを用いることが、特に好ましい。

また、上記焼結助剤の含有割合としては、希土類元素酸
化物１種以上が各々０．５〜１０　ｗ　ｔ％、好ましく
は３〜８　ｗ　ｔ％、アルカリ土類金属酸化物１種以上
が夫々０．５〜８　ｗ　ｔ％、好ましくは０．５〜６　
ｗ　ｔ％、上記焼結助剤の合計量が１．５〜１５ｗｔ％
、好ましくは５〜１３ｗｔ％の範囲で用いられる。そし
て８５〜９８．５ｗｔ％は窒化化珪素の結晶である。

また、上記の焼結助剤は焼結体中で一部Ｓｉ３Ｎ４中に
固溶するなどして必ずしも酸化物の形態をとっていない
場合もあると思われるが、その場合の含有割合は酸化物
に換算した値を用いる。

焼結助剤の含有割合が上記の範囲を逸脱すると、窒化珪
素焼結体の緻密化、高強度化および組織の均質化が不十
分となり、好ましくない。

また、曲げ強度としては１００ｋｇ／ｍｍ”以上、好ま
しくは１１０ｋｇ／ｍｍ”以上である。

曲げ強度が１００ｋｇ／ｍｍ２以上であると、機械的応
力に対する抵抗性が増加し、使用時に破壊しにくくなる
ためである。

さらに本発明の均質窒化珪素焼結体では、そのヌープ硬
度が１５．５Ｇｐａ以上であることが、転がり疲れ寿命
および耐摩耗性が向上することから必要であり、１６．
０Ｇｐａ以上であることがさらに好ましいことである。

以上のような組成および特性を有する均質窒化珪素焼結
体は、窒化珪素原料８５〜９８．５ｗｔ％に、焼結助剤
として希土類元素酸化物１種以上を各々０．５〜１０　
ｗ　ｔ％及びアルカリ土類金属酸化物１種以上を各々０
．５〜８　ｗ　ｔ％であってその合計量が１．５〜１５
ｗｔ％となるように添加して粉砕混合し、好ましくは原
料粉砕後、造粒前に３２μｍ以下の篩通しをし、その後
造粒してなる粉体を一旦強制的に乾燥した後、必要に応
じて水分を添加し篩通しをした後成形し、次いで、得ら
れた成形体に予備処理を施し、窒素雰囲気下に熱間静水
圧プレス処理を行うことにより製造することができる。

すなわち、本発明の均質窒化珪素焼結体の製造方法にお
いて特に重要なポイントは、造粒粉体の強制乾燥、およ
び用いる焼結助剤の特定である。この強制乾燥を行なわ
ない場合、後続の成形工程において、成形圧力による造
粒粉体の均質な崩壊が起こらないため、均質で気孔の少
ない成形体が得られず、そのため熱間静水圧プレス処理
（ＨＩＰ）後も粗大な気孔が残留し、均質て緻密、高強
度な焼成体が得られない。

また、造粒粉体を強制乾燥した後、必要に応じて水分を
添加しさらに篩通しすることは、造粒粉体間に水分量の
差がなくなりより均一な造粒粉体を得ることができるこ
とから好ましい。

さらに、粉砕後の原料な造粒前に３２４ｍ以下の篩に通
すと好ましいのは、これ以上の大きさの目開きの篩を使
用すると粉砕後の粗大粒子及び原材料中に含まれる異物
を有効に排除できず、造粒粉体の均一性を保持すること
が難しいためである。

また、本発明で重要な点は、焼結助剤として希土類元素
酸化物１種以上とアルカリ土類金属酸化物１種以上の計
２種以上を用いることである。希土類元素酸化物として
はＹ　２０３　＊　Ｃｅ　０２１Ｙｂ２０：Ｉ等のうち
の１種以上、アルカリ土類金属酸化物としてはＭｇＯ，
ＳｒＯ，Ｂｅｄ、ＢａＯ等のうちの１種以上が用いられ
、好ましくは希土類元素酸化物が１種、アルカリ土類金
属酸化物が２種の計３種てあり、さらに好ましくは希土
類元素酸化物がＹ、Ｏ，、アルカリ土類金属酸化物がＭ
ｇＯ，ＳｒＯである。焼結助剤の含有割合としては、希
土類元素酸化物１種以上が各々０．５〜１０ｗｔ％、好
ましくは３〜８　ｗ　ｔ％、アルカリ土類金属酸化物１
種以上が各々０．５〜８　ｗ　ｔ％、好ましくは０．５
〜ａｗｔ％、その合計量が１．５〜１５ｗｔ％、好まし
くは５〜１３ｗｔ％で使用される。

焼結助剤として、上記の２種以上を上述した含有割合に
て含有させることにより、引続く造粒粉体の強制乾燥操
作と相まって、焼結体の緻密化、高強度化、組織の均質
化が達成される。

なお、これら焼結助剤の出発原料としては特に酸化物に
限定されるものではなく、硝酸塩などの塩を用いてもよ
い。

また、本発明では前記の強制乾燥後に成形を行ない、次
いで予備処理さらに熱間静水圧プレス処理を行なうが、
このうち予備処理工程は、成形体を一次的に焼成する工
程（−次焼結工程）あるいは、成形体をカプセルに封入
する工程（カプセル処理工程）の２通りに分けることが
できる。予備処理工程のうち、−次焼結工程においては
、成形体を、好ましくは常圧の窒素雰囲気下、１４００
〜１６００℃で一次的に焼成する。焼成温度が１４００
℃より低いと焼成後も開気孔が消失せず、熱間静水圧プ
レス処理後にも緻密な焼結体が得られない。また、焼成
温度が１６００°Ｃより高いと、窒化珪素の分解反応が
進行し、熱間静水圧プレス処理後にも緻密で高強度な焼
結体が得られなくなる。

一方、カプセル処理工程においては、成形体を、好まし
くは５ｉｎ２を主成分とするガラス中に、真空脱気した
後封入する。カプセルとしてガラスが好ましいのは、熱
間静水圧プレス時のカプセルとしての変形能力および密
封性に優れているためである。

これらの予備処理を施した後、熱間静水圧プレス処理を
、好ましくは２００〜１５００気圧の窒素雰囲気下、１
５００〜１９００°Ｃで行なう。

以上のような特定の焼結助剤の組み合せを使用し、造粒
粉体の強制乾燥工程と、それにより得られる成形体の予
備処理工程および熱間静水圧プレス処理工程を組合わせ
、さらに好ましくは、原料粉砕後の篩通し工程を施すこ
とによって、本発明のような特性を有する均質窒化珪素
焼結体を製造することができたのである。

本発明に係る窒化珪素焼結体は、転がり軸受、すべり軸
受などの軸受部材に好適に用いられるほか、エアスライ
ド、旋盤のベツドなど摺動部材、更には気体、液体ある
いは粒子などの運動体と接する部分（例、玉石、ノズル
）に用いられる耐摩耗部材にも好ま見く使用できるもの
である。

［実施例］以下、本発明を実施例に基き詳細に説明するが、本発明
がこれら実施例に限定されるものでないことは明らかで
あろう。

図面は本発明の均質窒化珪素焼結体の製造方法の一実施
例を示すフローチャートである。なお、図面に示すよう
に各工程をステップｌからステップ９で表わした。

まず、窒化珪素原料に焼結助剤として希土類元素酸化物
１種以上とアルカリ土類金属酸化物１種以上の計２種以
上を混合し、粉砕した（ステップｌ）後、好ましくは粉
砕時に用いる玉石の破片等の異物および粗大粒子除去の
ため、好ましくは３２ｐｍ以下の篩通しをして粒子の平
均粒径がｌＩＬｍ以下の原料を得る（ステップ２）。

次いでこの原料な造粒（ステップ３）した後、その造粒
粉体を好ましくは６０〜１００℃の温度で強制乾燥して
造粒粉体の水分量の差を少なくし均質な造粒粉体とする
（ステップ４）。次に、必要に応じて０．５〜５．０重
量％の水分を造粒粉体に加え（ステップ５）水分量の均
一な造粒粉体を得た後、さらに篩通しをして水分添加に
より凝集した粗大粒子を除去する（ステップ６）。得ら
れた造粒粉体を通常の方法で成形（ステップ７）後、該
成形体に予備処理を施しくステップ８）、次いて熱間静
水圧プレス処理により焼成する（ステップ９）ことによ
り本発明の均質窒化珪素焼結体を製造することができる
。

以下、さらに具体的な実施例を説明する。

（実施例１）平均粒径０．９ＪＬｍのα型窒化珪素粉末に焼結助剤を
第１表に示すような種類１割−合で添加混合し、それに
水分６０％を加え、バッチ式粉砕機により混合粉砕した
後、目開き２０ＩＬｍの篩通しをして、平均粒子径０．
７ｇｍのスラリーを得た。

このスラリーにポリビニルアルコール（ＰＶＡ）２重量
％を添加し、噴霧乾燥機を用いて造粒粉体とした。この
造粒粉体を６０°Ｃで２４Ｈｒ強制的に乾燥させた後４
重量％の水分添加を行い、さらに目開き１４９ルｍの篩
を通過させた。その後５トン／ｃｍ２の圧力で冷間静水
圧プレス成形して成形体を得た。この成形体をｓ　ｏ　
ｏ　’ｃで３８ｒ脱脂した後、シリカガラス製カプセル
内に真空封入し、さらにこのカプセルなＨＩＰ装置内に
装入して、圧力３００ａｔｍ、温度１６００’Ｃで熱間
静水圧プレス（ＨＩＰ）焼結することにより、本発明お
よび比較例の焼結体を得た。得られた焼結体の特性を第
１表に示す。

なお、曲げ強度はＪＩＳ　　Ｒ−１６０１ｒフアインセ
ラミツクスの曲げ強さ試験方法」の４点曲げ強度法で測
定した。ヌープ硬度はＪＩＳ　　Ｚ−２２５１ｒ微小硬
さ試験方法」に基づき、荷重３００ｇ、保持時間１５秒
として測定した。

また、転がり疲れ寿命試験は、焼結体試料より５０ｍｍ
（φ）ｘ１０ｍｍ（厚さ）の円板を切り出して鏡面研磨
した後、６球式スラスト型軸受試験機によりヘルツ応力
５００　ｋｇ／＊ｍ２にて転がり疲労試験を実施して評
価した。

第１表から明らかなように、本発明の焼結助剤と、強制
乾燥後必要に応じて水分を添加し、さらに篩通しを実施
した調整原料を用いてＨＩＰ焼結を施すという製造プロ
セスとを組合わせることにより、従来品に比べて高強度
、高硬度で機械的特性の優れた焼結体が得られることが
判明した。

（以下、余白）（実施例２） α型窒化珪素粉末に焼結助剤としてｙ、ｏ３゜ＭｇＯ，
ＳｒＯの各粉末を第２表に示す割合で添加混合し、水分
６０％を加え、パッチ式粉砕機により粉砕混合した後、
スラリーを篩通しした。このとき、粉砕後の平均粒子径
、粉砕後のスラリーの篩目開きの影響を調べるため、そ
れぞれ第２表のように種々変化させた。さらに、このス
ラリーにポリビニルアルコール（ＰＶＡ）２ｗｔ％を添
加し、噴霧乾燥機を用いて造粒粉体を作った。次いで、
造粒粉体の強制乾燥温度、強制乾燥後の水分添加量、水
分添加後の篩目開きの影響を調べるため恒温乾燥器を用
い、第２表に示す強制乾燥温度で造粒粉体を２４１（ｒ
乾燥させた後、必要に応じて第２表に示すように水分添
加および水分添加後の篩分けを実施した。

このようにして得た造粒粉体を実施例１と同様の方法で
成形、脱脂した後、窒素雰囲気下、１５５０℃で３Ｈｒ
常圧焼結を行い（−次焼結工程）、次いで窒素雰囲気下
で第２表に示す圧力、温度でＨＩＰ処理することにより
本発明および比較例の窒化珪素焼結体を得た。

第２表から、本発明品の焼結助剤の範囲のものは、造粒
粉体の強制乾燥、およびそれに続＜ＨＩＰ処理と組み合
わてなるその相乗効果により、より好ましくなることが
判明した。

（以下、余白）［発明の効果コ以上説明したように、本発明によれば、焼結助剤として
特定の組合せのものを用いるとともに、造粒粉体の強制
乾燥およびそれに引続く予備処理、ＨＩＰ処理を組合わ
せ、さらに好ましくは原料粉砕後の篩通しを施すことに
よって、より緻密で高強度、且つ組織の均質な窒化珪素
焼結体を得ることかてきる。従って、本発明の窒化珪素
焼結体は軸受部材のほか耐摩耗部材、摺動部材等として
極めて有効に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の製造方法の一実施例を示すフローチャー
トである。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）焼結助剤として希土類元素酸化物１種以上を各々
０．５〜１０ｗｔ％、アルカリ土類金属酸化物１種以上
を各々０．５〜８ｗｔ％で、その合計量が１．５〜１５
ｗｔ％となる範囲で含み、８５〜９８．５ｗｔ％が窒化
珪素結晶から成る焼結体であって、室温での曲げ強度が
１００ｋｇ／ｍｍ＾２以上、ヌープ硬度が１５．５Ｇｐ
ａ以上であることを特徴とする均質窒化珪素焼結体。
（２）希土類元素酸化物が１種およびアルカリ土類金属
酸化物が２種である特許請求の範囲第１項記載の窒化珪
素焼結体。
（３）希土類元素酸化物がＹ＿２Ｏ＿３、アルカリ土類
金属酸化物がＭｇＯ及びＳｒＯである特許請求の範囲第
１項記載の窒化珪素焼結体。
（４）前記窒化珪素焼結体が熱間静水圧プレス焼結窒化
珪素焼結体である特許請求の範囲第１項記載の窒化珪素
焼結体。
（５）前記窒化珪素焼結体が軸受部材、耐摩耗部材また
は摺動部材として用いられる特許請求の範囲第１項、第
２項、第３項又は第４項記載の窒化珪素焼結体。
（６）窒化珪素原料と焼結助剤を混合、粉砕、造粒後成
形し、次いで該成形体を焼成することにより窒化珪素焼
結体を製造する方法において、焼結助剤として希土類元
素酸化物１種以上を各々０．５〜１０ｗｔ％及びアルカ
リ土類金属酸化物１種以上を各々０．５〜８ｗｔ％、そ
の合計量が１．５〜１５ｗｔ％となる範囲で添加し、窒
化珪素原料として８５〜９８．５ｗｔ％を用いて造粒し
た造粒後の粉体を、一旦強制的に乾燥した後成形し、次
いで、得られた成形体に予備処理を施し、窒素雰囲気下
で熱間静水圧プレス処理を行うことを特徴とする均質窒
化珪素焼結体の製造方法。
（７）希土類元素酸化物を１種及びアルカリ土類金属酸
化物を２種添加する特許請求の範囲第６項記載の製造方
法。
（８）希土類金属酸化物がＹ＿２Ｏ＿３、アルカリ土類
金属酸化物がＭｇＯ及びＳｒＯである特許請求の範囲第
６項記載の製造方法。
（９）造粒後の粉体を一旦強制的に乾燥した後、必要に
応じて水分を添加し、該粉体を篩通しすることにより、
所定の水分量を有する均一な造粒粉体とする特許請求の
範囲第６項記載の製造方法。
（１０）粉砕後の原料を造粒前に３２μｍ以下の篩を通
過させる特許請求の範囲第６項記載の製造方法。
（１１）粉砕後の平均粒子径が１μｍ以下である特許請
求の範囲第６項記載の製造方法。
（１２）予備処理が、窒素雰囲気下、１４００〜１６０
０℃で一次的に焼成するものである特許請求の範囲第６
項記載の製造方法。
（１３）予備処理が成形体をカプセルに封入するもので
ある特許請求の範囲第６項記載の製造方法。