JPH0360467A - 耐摩耗性部材 - Google Patents

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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は耐摩耗性部材に関し、特に転がり疲労特性に優
れ、転がり軸受用部材に好適な耐摩粍性部材に関する。

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

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

これらの焼結方法のうち、前者の添加物による緻密化焼
結は各種の焼結方法と組合せての使用が可能であり、た
とえば窒化ケイ素粉末に焼結助剤を添加した混合粉末を
用い゛Ｃ５射出成形法、プレス法などにより成形体を作
製した後、常圧下または雰囲気加圧下で焼結したり、ホ
ットプレス法により成形と焼結とを一工程で行うなど、
製品の形状や用途に応じて、それぞれ適した方法が用い
られる。

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

このような焼結助剤としては、Ｍｇ、、　ＡＩ％　Ｙ　
ＳＳｃ。

Ｌａ５Ｃｃなどの酸化物や窒化物などが知られており、
単独またはこれらの組合せで使用されている。

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

このため、焼結助剤の添加量および組成について、種々
の検討がなされている。

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

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

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

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

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

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

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

本発明は、この偏析部が摺動特性に及ぼす影響に着目し
てなされたものである。

上述したような偏析部が７Ｊ′：在する窒化ケイ素セラ
ミックスを、耐摩耗部材、たとえば転がり軸受として使
用した場合、いずれかの偏析部がある大きさ以上である
と、この部分から剥離が生じ、転がり軸受が破壊される
。

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

したがって、すべての偏析部の大きさ（最大径）が所定
の大きさ以下（１０（１μ層以下）である窒化ケイ素焼
結体を用いることによって、窒化ケイ素部材の転がり疲
労特性を向上させることができる。

また、本発明の耐摩耗性部材は、窒化ケイ素を主成分と
するセラミックス焼結体からなる耐摩耗性部材であって
、焼結助剤として０．１〜５重量％の酸化イツトリウム
乙、０．１〜５重童％の酸化チタニウムとを含有するこ
とを特徴としている。

酸化イツトリウムは焼結助剤εして、他の成分と混合し
て用いることが好ましく、酸化チタニウムと、さらに酸
化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウムな
どを０．１〜５重量％の範囲で添加してもよい。

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

酸化イツトリウムは、５重量％までで、本発明における
適切な効果をもたらす。

また、酸化チタニウムの添加量は、余り少ないと、転が
り疲労寿命向上の効果が得られず、余り多く添加しても
それ以上の効果向上はみられない。

実用には、５重量％以下が好ましい。

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

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

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

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

これまで、転がり疲労寿命はセラミックス焼結時に生じ
るボアのＨ無によるものと考えられていた。そして、こ
のようなボアを除太するためにＨＩＰ処理を施し、長寿
命の転がり軸受を得ていた。

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

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

このように非晶質相が局部的に葉中した偏析部がセラミ
ックスの表面および内部に存在すると、はとんどの場合
、その偏析部からタリ離を起こし、転がり軸受が破壊し
てしまう′のである。

したがって、この偏析部の大きさ（最大径）を所定の大
きさ（１００μ厳以下）とすることにより、窒化ケイ素
部材の♂１１離を防ぎ、転がり軸受の長寿命化を図るこ
とができる。

また、本発明の耐摩耗性部材は、焼結助剤として０，１
〜５重量％の酸化イツトリウムと、０．１〜５重量％の
酸化チタニウムとを添加しており、上記範囲で焼結助剤
を添加するこεにより、転がり疲労寿命を向上させ、さ
らに耐食性を向上させることができる。

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

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

（実施例） 次に、本発明の実施例について説明する。

実施例１ 窒化ケイ素粉末に焼結助剤としてＹ２　０３　５！Ｉｆ
量％と、Ｔｉｏ２を重量％と、Ａｌ１　０３　２重量％
とを添加し、原料粉末を調製した。

この原料粉末を、７５０ｋｇ／　ｃ＃の圧力でプレス底
形し、焼結は５ａＬｍの加圧雰囲気下、１７５０℃、４
時間の条件で行い、さらに窒素ガス中、１０００ａｔ！
Ｉ。

１８００℃のＨＩＰ処理を施した。

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

なお、転がり疲労寿命の測定は、窒化ケイ素材料自身の
転がり疲労寿命やそのばらつきを調べるゆために、形状
のＬｉ２純なスライド型拭験機を用いて、作用倚重とそ
の繰返し数が明確になるように、試料円板と円周３等分
に配置された鋼球との間の転がり疲労寿命を求めること
により行った。

転がり疲労寿命は、荷重４００ｋｇｆ　、回転数１５０
゜ｒ、ｐ、ｌの条体下で、窒化ケイ素試料円板が剥離し
た時点までとし、鋼球が先に剥離した場合は鋼球のみを
交換して試験を継続した。

この試験結果をプロットして得た直線の傾きからパラメ
ータｍを求めた。

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

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

さらに、Ｙ２　０３の添加量を５重量％から　ｌ量％の
範囲で変化させて窒化ケイ素部材を上述した条件で作製
し、転がり疲労寿命を測定した。

また、これらの転がり軸受用窒化ケイ素部材の耐食性試
験を行った。

耐食性試験の条件は、ｌＩｃ１　　１１ＮＯ３、＋１２
８０゜の３種の溶液を９０℃とし、それぞれの溶液中に
転がり軸受用窒化ケイ素部材を１００時間浸漬し、浸漬
後の窒化ケイ素部材の重量減少率と、強度保持率を求め
た。

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

なお、重量減少率および強度保持率の値は％で示した。

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

また、耐食性についても良好な結果が得られた。

次いで、この丈施例による組成を有する原料粉末を用い
、この原料粉末を金型ブレスにより所定形状に底形し、
焼成した後、焼結体を加工して、呼び直径３７１１イン
チ（９，５２５ｍａ＋）の窒化ケイ素玉軸受を作製した
。

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

比較例１ 窒化ケイ素粉末に焼結助剤としてＹ２　０３　５重量％
と、Ａｌ１　０３　２重量％とを添加し、原料粉末を調
製した。

この原料粉末を、７５０ｋｇ／ｃｉの圧力でブレス底形
ｊ７、焼結は５ａｌの加圧雰囲気下、１７５０”ｃ、４
時間の条件で行い、さらに窒素ガス中、１１０００ａｔ
　。

１８００℃のＨＩＰ処理を施した。

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

この結果を実施例１の結果と併せて第１図に破線で示す
。

同図から明らかなように、ＴｉＯ２を添加しない転がり
軸受用窒化ケイ素部村は、パラメータｍ１ｌｌが小さく
、プロットの直線が横軸に対して小さい傾きで広い範囲
で続き、転がり疲労寿命のばらつきが大きい。

比較例２ 窒化ケイ素粉末に焼結助剤としてｙ２　　ｏ３の添加量
を２０重量％から８重量％の範囲で変化させ、さらにＡ
ｌ１　０３を第１表に示したように５重量％または２重
量％と、ＴｌＯ２１１Ｑ％とを添加し、原料粉末を調製
した（第１表試料Ｎｏ、　１〜６）。

この原料粉末を、７５０ｋｇ／ｃｄの圧力でプレス成形
し、焼結は５ａｔｍの加圧雰囲気ド、１．７００〜１７
５０℃、の条件で行い、さらに窒素ガス中、ｌｏｏｏａ
ｔｍ　。

１７００〜１９００℃のＨＩＰ処理を施した。

得られた種々の転がり軸受用窒化ケイ素部材について転
がり疲労寿命試験および耐食性試験を実施例１と同一条
件で行った。

これらの結果を第１表にまとめて示す。

比較例３ 窒化ケイ素粉末に、焼結助剤としてＹ２Ｏ３の添加量を
５重量％、３重量％、１重量％とじ、それぞれにＡ１２
　０３を２重量％添加した３ＰＩｉ類の原料粉末を調製
し、上記実施例１と同一条件で転がり軸受用窒化ケイ素
部材を作製し、転がり疲労寿命試験および耐食性試験を
行った。

すると、Ｙ２Ｏ３の添加量が５重量％の試料においては
転がり疲労寿命の低下がみられ、残りの２種類において
は転がり疲労寿命の平均値は変らないものの、ワイブル
パラメータｍ値が非常に小さくなり、ばらつきが大きく
なっていｔ二。

このｍ値は、Ｙ２Ｏ３の添加量を５重量％、３！［ｆｍ
％、　１重量％とじた試料の順に、それぞれ、０．８、
５，５、７．３であった。

すなわち、Ｙ２Ｏ３の添加量が５重量％以下であっても
ＴＩＯ２を添加しない場合、得られた転がり軸受は用窒
化ケイ素部材の転がり疲労寿命のばらつきが人き（、信
頼性に難点を有することがわかった。

なお、耐食性については実施例１の結果とほぼ同捏度で
あった。

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

そして、Ｔｉ０２を添加することによって、転がり軸受
は用窒化ケイ素部材の転がり疲労寿命のばらつきをより
抑え、信頼性の向上を図ることができた。

なお、この実施例では、ＴＩＯ２の添加量を１重量％と
しているが、０．１〜５重量％の範囲であれば同様の効
果が得られる。

また、Ｙ２　０３とＴ１０２のほかに加える成分として
は、この実施例による酸化アルミニウムに限らず、窒化
アルミニウム、酸化ハフニウムなどを使用しても良く、
Ｙ２Ｏ３とＴＩｏ　２のみでも同様の効果を得ることが
できる。

実施例２ 窒化ケイ素粉末に焼結助剤としてｙ、、　　０３　５重
量％と、Ａｌ１　０３　２重量％と、Ｔｉ０２１ｆｆＩ
量％とを添加し、原料粉末を調製し７た。

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

ここでの偏析サイズとは、窒化ケイ素焼結体内部に存在
する？文数の偏析部の中で、最も大きい（−折部の最大
径を意味している。

そして、これらの窒化ケイ素部材について転がり疲労寿
命を測定した。

それぞれの条件は次のとおりである。

成形条件は圧力をＩＬ〜２ｔ／ｃ）の範囲で変化させ、
焼結条件は加圧範囲を１〜１０ａｔｌ　、焼成温度を１
７００〜１９００℃の範囲で変化させ、ＨＩＰ条件は１
１０００ａｔにおいて温度を１７００〜１９００℃の範
囲で変化させた。

これらの転がり疲労試験結果を第２表に示す。

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

次いで、この実施例のように、窒化ケイ素焼結体山部に
存在する偏析サイズが全て１００μｍ以下である窒化ケ
イ素部材を用い、呼び直径９．５２５ｆｆｉ１１のセラ
ミックスモ軸受を作製した。

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

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

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

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

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

【図面の簡単な説明】

第１図は、転がり疲労誠験の結果をワイブルプロットで
示す図である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化ケイ素を主成分とするセラミックス焼結体か
   らなる耐摩耗性部材であって、 このセラミックス焼結体に存在する焼結助剤成分を主と
   して構成される非晶質相の最大偏析部が１００μｍ以下
   であることを特徴とする耐摩耗性部材。
2. （２）前記耐摩耗性部材は転がり軸受部材である請求項
   １記載の耐摩耗性部材。
3. （３）窒化ケイ素を主成分とするセラミックス焼結体か
   らなる耐摩耗性部材であって、 前記セラミックス焼結体は、焼結助剤として０．１〜５
   重量％の酸化イットリウムと、０．１〜５重量％の酸化
   チタニウムとを含有し、残部が実質的に窒化ケイ素から
   なるセラミックス混合物を成形、焼成してなることを特
   徴とする耐摩耗性部材。
4. （４）焼結助剤として０．１〜５重量％の酸化アルミニ
   ウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウムからなる群よ
   り選ばれた少なくとも１種を含有する請求項３記載の耐
   摩耗性部材。
5. （５）前記耐摩耗性部材は転がり軸受部材である請求項
   ３または４記載の耐摩耗性部材。