JPH09506155A - 高疲れ寿命の窒化ケイ素ベアリングボール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ａ）窒化ケイ素の結晶相少なくとも約９４ｗ／ｏと、ｂ）Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ及びＯから本質的になる単一粒界相とから本質的になるベアリングボール。

Description

【発明の詳細な説明】 高疲れ寿命の窒化ケイ素ベアリングボール 先進的な構造用セラミック材料は、それらの優れた性能特性のおかげで産業界 の注目を獲得している。これらの特性、例えば優れた高温強度、高い靭性、そし て熱衝撃や酸化に対する耐性といったものが、様々な応用分野におけるそれらの 可能性ある用途にとっての基礎を提供している。 米国特許第 4935388号明細書(Lucek)では、セラミック材料の信頼性はその空 間的な均質性に相関づけることができること、そしてそのような均質性は材料が 光学異常を示す程度により特徴づけることができることが示唆されている。詳し く言えば、Lucek は、窒化ケイ素の信頼性はこの材料が空間的に均質である場合 、例えば約70ミクロンより大きい光学異常を持たない場合に、非常に向上するこ とを教示している。Lucek は、上記の光学異常は、多孔性の領域、鉄といったよ うな物質による汚染の領域、そして微小割れのある領域を含めて、とは言えこれ らに限定されない、多数の不均質な現象の前兆となることを示唆している。Luce k により開示された、約１ｗ／ｏのＭｇＯを焼結助剤として含有する窒化ケイ素 セラミックは、ASTMの試験 STP 771で6.9GPaの適用接触応力下において少なくと も４百万回の応力サイクルのＬ１０値により定義される転がり疲れ寿命(rolling contact fatigue life)(「RCF寿命」)を有する。この RCF寿命は既知の最高の ものの一つではあるが、RCF寿命の向上した窒化ケイ素材料が商業的に引き続き 求められれている。 それゆえに、優れた RCF寿命を有する窒化ケイ素材料を提供することが本発明 の目的である。 発明の概要 本発明によれば、 ａ）窒化ケイ素の結晶相少なくとも約９４ｗ／ｏ、及び ｂ）Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ及びＯから本質的になる単一粒界相、 から本質的になるベアリングボールが提供される。 好ましい態様においては、粒界相は、マグネシアとして、１〜２ｗ／ｏのＭｇ 、アルミナとして、０．２〜１．０ｗ／ｏのＡｌ、シリカとして、２〜４ｗ／ｏ のＳｉ、及び酸素から本質的になる。より好ましくは、粒界相のＭｇ成分は、マ グネシアとして、ベアリングの１．０〜１．６ｗ／ｏであり、粒界相のＡｌ成分 は、アルミナとして、０．３〜０．６ｗ／ｏであり、そして粒界相のＳｉ成分は 、シリカとして、２．０〜３．０ｗ／ｏである。殊に好ましい態様では、ベアリ ングは、適用された6.9GPaの一定応力の下でASTMの試験 771で５〜８千万回の応 力サイクルのＬ１０値を有する。 本発明の詳しい説明 窒化ケイ素と約１ｗ／ｏのＭｇＯから本質的になる未焼結体に約０．２０〜約 １．０ｗ／ｏのアルミナを加えると、思いも寄らず高いRCF 寿命のセラミックが 得られることが、思いも寄らないことに見いだされた。 理論に束縛されるのを望むことなしに、Lucek の従来の窒化ケイ素セラミック を焼結する際には、ＭｇＯ焼結助剤と３ｗ／ｏのシリカ（不純物として窒化ケイ 素粉末中に存在する）が平衡した少なくとも二つの不混和性の液相を形成して、 その結果焼結体中に少なくとも二つの粒界ができたものと思われる。この不均一 な粒界相が多分、セラミックの強度、靭性及びRCF 寿命を低下させた。本発明の アルミナの添加は、平衡した単一のＭｇＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃相をもたらして 、その結果状態図に応じて単一の粒界相になるものと信じられる。それゆえに、 より均一で且つより良好な特性が得られる。 本発明の窒化ケイ素セラミックは、典型的な材料と通常の処理工程から製造す ることができる。好ましい態様においては、このセラミックは窒化ケイ素粉末又 はその前駆物質から作られる。セラミックを窒化ケイ素粉末から作る場合には、 任意の典型的窒化ケイ素粉末を使用することができる。典型的に、窒化ケイ素は 、本発明のセラミックの少なくとも約９４ｗ／ｏ、好ましくは約９７〜約９８． ５ｗ／ｏを構成する。 本発明の好ましい態様では、マグネシアとアルミナを焼結助剤として使用する 。マグネシアは、焼結したセラミックの約１．０〜約２．０ｗ／ｏ、好ましくは 約１．０〜約１．６ｗ／ｏの量でもって加えられる。最も好ましくは、純度が９ ９％より高くて平均粒子寸法が１ミクロン未満のＭｇＯを約１ｗ／ｏ加える。同 様に、アルミナは、焼結したセラミックの約０．２０〜約１．０ｗ／ｏ、より好 ましくは約０．４〜約０．６ｗ／ｏの量でもって加えることができる。最も好ま しくは、純度が９９％より高くて平均粒子寸法が１ミクロン未満のＡｌ₂Ｏ₃を約 ０．４７ｗ／ｏ加える。 シリカは、出発窒化ケイ素粉末中に不純物として存在してもよい。結果として 、ケイ素は、焼結セラミックの粒界相にシリカとして当該セラミックの約２〜４ ｗ／ｏ、好ましくは２〜３ｗ／ｏの量でもって存在することができる。 窒化ケイ素粉末と焼結助剤粉末は、ボールミル処理又はアトリッションミル処 理を含めて、とは言えこれらに限定されず、知られている任意の混合法により混 合することができる。本発明の好ましい 態様では、振動ミル処理が好ましい。 未焼結体を作る場合、未焼結体の形成は当該技術で使用される任意の典型的方 法により行うことができる。これらの方法には、スリップ鋳込み、射出成形、フ リーズキャスティング、及び常温等静圧圧縮成形(cold isostatic pressing)が 含まれる。本発明の好ましい態様では、本発明の粉末を常温等静圧圧縮成形する 。 本発明の焼結サイクルは、無加圧焼結(pressureless sintering)、ガス加圧焼 結、高温圧縮、及びガラスを使用する熱間等静圧圧縮成形（「ガラス封入ヒッピ ング(glass encapsulated hipping)」）を含めて、任意の通常の焼結法を含むこ とができる。本発明の好ましい態様においては、米国特許第 4446100号及び第 4 339271号各明細書に記載されたガラス封入ヒッピング法が使用される。米国特許 第 4446100号及び第 4339271号を利用する態様は、非常に高い充填効率で、すな わち成形品が互いに接触して、実施されるのが更に好ましい。例１ 次に示す特性を持つ窒化ケイ素粉末をこの例における粉末として使用した。そ れらの特性とは、約９０ｗ／ｏのα−Ｓｉ₃Ｎ₄、約２．０ｗ／ｏ未満の全酸素、 ０．１ｗ／ｏ未満のカルシウム、約０．０３ｗ／ｏの鉄、約０．０５ｗ／ｏのア ルミニウム、そして表面積が約５〜９m²/gである。 この粉末の約９８重量部を約１．３３重量部の試薬用炭酸マグネシウムと約０ ．４７重量部のアルミナ、そしてイソプロピルアルコールと一緒にして、固形分 が４５％のスラリーを作った。このスラリーを、Ｓｉ₃Ｎ₄ミル媒体を用いて振動 ミルで同時にブレンド及びミル処理した。最終の表面積は約１０〜１４m²/gであ った。得られたスラリーを２０ミクロンのスクリーンと磁気分離器を通過させ た。直交流式のろ過によりスラリーを６５％固形分に濃縮した。次に、粉末の約 １．２５ｗ／ｏの量のＰＶＰ（ポリビニルピロリドン）をスラリーに加えた。次 いでスラリーを防爆のスプレー乾燥機で乾燥させた。次に、乾燥した粉末を３０ メッシュのナルゲン(nalgene)スクリーンを通過させた。上述の操作の全ては、 窒化ケイ素処理専用のクラス1000のクリーンルームで行った。乾燥した凝集粉末 を３０ ksiで常温等静圧圧縮成形して円筒にし、そして粉砕して直径が約０．５ ２インチ、長さが約３．８インチの棒にした。これらの圧粉体を６００℃で空気 焼成してＰＶＰを除去した。試料をガラス媒体に封入し、約1790℃の温度で約１ 時間、30,000 psi（20.7 MPa）の圧力で熱間等静圧圧縮成形した。例２及び３ １／４インチのボールと３×４×５０mmの屈曲棒を作ったことを除いて、上述 の方法を本質的に同じように繰り返した。 得られたセラミックを硬さについて測定した。１０kg荷重によるダイヤモンド 正角錐ビッカース硬度測定のくぼみを作った。平均硬度は約１５．２ GPaであっ た。これと比較して、マサチューセッツ州ウースターのノートン・カンパニー製 のＭｇが１ｗ／ｏの窒化ケイ素ベアリング材料のＮＢＤ−２００は、硬度が約１ ５〜１５．６GPaである。 P．Chantikulらにより“A Critical Evaluation of Indentation Techniques for Measuring Fracture Toughness II: Strength Methods”，J．Am．Ceram．S oc．64(9)，pp．539-544(1981)に記載された手順に従って、内側のスパン内の引 張面にビッカース硬度測定のくぼみ（１０kg荷重）のある３×４×５０mmの４点 曲げ試験片を約０．５mm/minのクロスヘッド速度で破壊させて、破壊靭性を測定 した。本発明のセラミックの平均の靭性は約５．６ MPa・m^1/2で あった。これに比べて、ＮＢＤ−２００の破壊靭性は約５〜５．８MPa・m^1/2で ある。 本発明のセラミックの４点曲げ強度も測定した。４０mmの外側スパンと２０mm の内側スパンの試験ジグによる３×４×５０mmのタイプＢ試験片(ASTM C1161-90 )を選んだ。平均の曲げ強度は約９５０MPaと測定された。これと比べて、ＮＢＤ −２００の曲げ強度は約７００〜８５０ MPaである。 引張強度も、ASCERA引張試験手順により分析した。この手順は、Brit．Ceram ．Trans J.，89，21-23，1990に提示されている。本発明の引張強度は約４７５ MPaであることが分かった。これと比較して、ＮＢＤ−２００の引張強度は約４ ００ MPaである。 例２で作製した棒を転がり疲れ(RCF)試験、具体的にはASTM-STP771に記載され た加速ベアリング試験法による試験にかけた。この試験法では、試験材料の疲れ 破損を加速するため、使用中に標準的に遭遇するよりも高い接触圧力を適用する 。この試験は多数の試験片からのデータの統計的分析を利用し、そして結果は標 準的に、所定の応力レベルで試験された試験片のＸパーセントに破壊を生じさせ る応力サイクル数を表す変数Lxに関して報告される。本発明についてRCF 試験を 行う際には、AISI 52100鋼製の三つのスレーブボールを、本発明の窒化ケイ素か らなる棒に約６．９ GPaの平均接触応力で負荷した。この棒はモーターを用いて 約3600 rpmで回転させた。スレーブボールと棒の両方を、ドリップフィーダーに より１分当たり約８滴の速度で供給される潤滑油により潤滑した。この試験で、 棒の周囲に幅が約０．１インチの疲れ跡(fatigue track)を作った。本発明の窒 化ケイ素は標準の疲れ様式と均一な摩耗を示した。RCF 試験にかけた本発明の２ ４本の棒のうちで、破損した最初の棒は約５４００万サイクルで破損した。約０ ．７４のワイブル勾配を 仮定すると（すなわち本発明がＮＢＤ−２００と同じ破壊機構を取るとすると） 、約８０００万サイクルのＬ１０が本発明について実現される。これに比べて、 ＮＢＤ−２００のＬ１０転がり疲れ寿命は４００万サイクルである。 例１〜３で例示した本発明の機械的特性を、比較用の窒化ケイ素セラミックＮ ＢＤ−２００とともに、表１に要約して示す。 本発明の窒化ケイ素は、ボールベアリング、ローラーベアリング、プレーンス ライディングベアリング、及びそのほかの構造用あるいは摩耗用途を含めて、と は言えそれらに限定されずに、多数の通常のセラミック用途で使用することがで きる。

【手続補正書】特許法第１８４条の７第１項 【提出日】１９９５年９月５日 【補正内容】 １．ａ）窒化ケイ素の結晶相少なくとも約９４ｗ／ｏ、及び ｂ）Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ及びＯから本質的になる単一粒界相、 から本質的になり、上記粒界相が、マグネシアとして、１〜２ｗ／ｏのＭｇ、ア ルミナとして、０．２〜１．０ｗ／ｏのＡｌ、シリカとして、２〜４ｗ／ｏのＳ ｉ、及び酸素から本質的になる、焼結された窒化ケイ素ボールベアリング。 ２．前記粒界相のＡｌ成分が、アルミナとして、当該ベアリングの０．３〜０ ．６ｗ／ｏである、請求の範囲第１項記載の焼結された窒化ケイ素ボールベアリ ング。 ３．前記粒界相のＳｉ成分が、シリカとして、当該べアリングの２．０〜３． ０ｗ／ｏである、請求の範囲第１項記載の焼結された窒化ケイ素ボールベアリン グ。 ４．ASTMの試験 771で6.9GPaの適用接触応力下において少なくとも5000万回の 応力サイクルのＬ１０値を持つ、請求の範囲第１項記載の焼結された窒化ケイ素 ボールベアリング。 ５．少なくとも6000万サイクルのＬ１０値を持つ、請求の範囲第１項記載の焼 結された窒化ケイ素ボールベアリング。 ６．少なくとも7000万サイクルのＬ１０値を持つ、請求の範囲第１項記載の焼 結された窒化ケイ素ボールベアリング。 ７．少なくとも９５０ MPaの曲け強度を有する、請求の範囲第１ 項記載の焼結された窒化ケイ素ボールベアリング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．次のａ）及びｂ）から本質的になるベアリングボール。 ａ）窒化ケイ素の結晶相少なくとも約９４ｗ／ｏ ｂ）Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ及びＯから本質的になる単一粒界相 ２．前記粒界相が、マグネシアとして、１〜２ｗ／ｏのＭｇ、アルミナとして 、０．２〜１．０ｗ／ｏのＡｌ、シリカとして、２〜４ｗ／ｏのＳｉ、及び酸素 から本質的になる、請求の範囲第１項記載のボール。 ３．前記粒界相のＭｇ成分が、マグネシアとして、当該ベアリングの１．０〜 １．６ｗ／ｏである、請求の範囲第２項記載のベアリング。 ４．前記粒界相のＡｌ成分が、アルミナとして、当該ベアリングの０．３〜０ ．６ｗ／ｏである、請求の範囲第２項記載のベアリング。 ５．前記粒界相のＳｉ成分が、シリカとして、当該ベアリングの２．０〜３． ０ｗ／ｏである、請求の範囲第２項記載のベアリング。 ６．ASTMの試験 771で6.9GPaの適用接触応力下において少なくとも5000万回の 応力サイクルのＬ１０値を持つ、請求の範囲第２項記載のベアリング。 ７．少なくとも6000万サイクルのＬ１０値を持つ、請求の範囲第２項記載のベ アリング。 ８．少なくとも7000万サイクルのＬ１０値を持つ、請求の範囲第２項記載のベ アリング。