JPH11322435A

JPH11322435A - 微細粒の炭化物を含む緻密な窒化ケイ素セラミック

Info

Publication number: JPH11322435A
Application number: JP11119369A
Authority: JP
Inventors: Vimal Pujari; プジャリビマール; William Collins; コリンズウィリアム
Original assignee: Saint Gobain Industrial Ceramics Inc
Current assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Priority date: 1998-05-01
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 1999-11-24
Anticipated expiration: 2019-04-27
Also published as: EP0953552B1; US5908796A; JP3092800B2; EP0953552A1; DE69905645D1; DE69905645T2

Abstract

(57)【要約】【課題】ベアリングや内燃機関バルブのような耐磨耗
や耐熱の目的で使用されるのに適切な窒化ケイ素材を提
供する。【解決手段】ａ）少なくとも８０重量％の窒化ケイ素
の結晶粒、及びｂ）０．２５〜１重量％の添加材粒、を
含んでなる焼結窒化ケイ素セラミック材であって、その
添加材粒が、ＴｉＣ、ＷＣ、及びＴａＣからなる群より
選択され、その添加粒の最大検出粒サイズが、その窒化
ケイ素材の研磨した７５mm²の微細組織の顕微鏡像で測
定して４μｍ以下であることを特徴とする焼結窒化ケイ
素セラミック材。好ましくは、添加材粒の最大検出粒サ
イズが３μｍ以下である。最大検出粒サイズが小さいこ
とにより、回転接触疲労寿命が長くなり、磨耗速度が低
下し、さらに、曲げ強度も増加することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ベアリングや内燃
機関バルブのような耐磨耗や耐熱の目的で使用される窒
化ケイ素に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平６−１７２０３４号公報は、炭化
チタン（ＴｉＣ）を窒化ケイ素に添加すると、緻密化さ
せたた窒化ケイ素材料が黒色を付与すると記載してい
る。通常の緻密化させた窒化ケイ素材料の色は、種々の
明暗の灰色であるため、ＴｉＣを添加して得られる色
は、より均一でより一定した望ましい外観の材料を与え
る。特開平６−１７２０３４号公報において、ＴｉＣ粉
末の平均粒子サイズは約１μｍと記載されている。実施
例の例示において、検出可能な最大のＴｉＣ粒サイズは
５．５μｍを上回り、ＴｉＣ粒サイズのＤ₅₀が約１．３
６μｍの窒化ケイ素材料を得ている。

【０００３】また、ある市販の窒化ケイ素ベアリング材
料は少量のＴｉＣを含む。この材料の７５mm²を研磨し
た微細組織の分析は、そのＤ₅₀のＴｉＣ粒サイズは約
０．７９３μｍであった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題及び課題を解決するため
の手段】本発明者は、窒化ケイ素のベアリング材中の検
出可能な最大のＴｉＣ粒サイズを低下させることが、そ
の材料の曲げ強度と回転接触疲労（ＲＣＦ）寿命を高め
るだけでなく、その磨耗速度を大きく低減することを予
想外に見出した。とりわけ、約０．５重量％のＴｉＣを
含む焼結・ＨＩＰ処理の窒化ケイ素ベアリング材のＬ₁₀
ＲＣＦ寿命（ＡＳＴＭ試験法７７１によって６．４GPa
で測定）は、最大検出ＴｉＣ粒サイズが約４．８μｍか
ら約２．３μｍに低下すると、５００万回から７０００
万回にも延びることが見出された。同様に、窒化ケイ素
材の磨耗速度も３００μｍ³／kmから30μｍ³／kmに低
下した。さらに、この材料の平均の４点曲げ強度は約７
５０MPa から約９５０MPa に増加した。

【０００５】本発明の材料におけるＴｉＣ粒のＤ₅₀は約
０．８７μｍであり（０．３７８μｍのカットオフを用
いる）、また市販の窒化ケイ素材と比較例の双方におけ
るＴｉＣのＤ₅₀もほぼ同様であるため、本発明の優れた
特性は、最大の検出可能なＴｉＣ粒サイズの低下による
ものと考えられる。最大のＴｉＣ粒サイズの低下によっ
てもたらされる曲げ強度の著しい増加は、従来の材料の
中に割合に小さいサイズのＴｉＣ粒が存在することから
して驚くべきである。とりわけ、従来の材料におけるＴ
ｉＣ粒のＤ₅₀は近隣の窒化ケイ素粒とほぼ同様なサイズ
であるばかりか、従来の材料における最大検出ＴｉＣ粒
（約５μｍに過ぎない）は通常の窒化ケイ素材の典型的
な欠陥サイズ（約２０〜５０μｍ）よりもかなり小さい
ため、なおさらである。

【０００６】また、最大検出可能ＴｉＣ粒サイズを低下
させる有益な効果は、Ｓｉ₃Ｎ₄マトリックスに炭化物
を添加することに関する従来の教示に照して、驚くべき
である。文献「Buljanら、Amer. Cer. Soc. Bulletin,
66 (2) 347-52 (1987) P349」は、粗めのＳｉＣ（８μ
ｍ）の添加が窒化ケイ素の機械的特性を改良する一方
で、小さめのＳｉＣ（０．５μｍ）添加はその靱性を低
下させると記載している。Ｂｕｌｊａｎは、マトリック
スのＳｉ₃Ｎ₄粒よりも大きいサイズの粗いＳｉＣの添
加が複合材料の靱性を高めることが期待されると結んで
いる。同様な記載が文献「Lange, J. Amer. Cer. Soc.
56 (9) 445-50 (1973)」に見られる。

【０００７】ここで、Ｓｉ₃Ｎ₄マトリックス中でＴｉ
Ｃ粒がＳｉＣ粒と同じようには作用しない理由として、
これらのかなり異なる熱膨張率（ＣＴＥ）と硬度が考え
られる。これらの材料のおよその値を下記の表１に示
す。

【０００８】

【表１】

【０００９】表１を吟味すると、Ｓｉ₃Ｎ₄材とＳｉＣ
材の熱膨張率と硬度は若干異なるが、Ｓｉ₃Ｎ₄とＴｉ
Ｃの熱膨張率と硬度はさらに大きく相異することが分
る。理論に束縛される意図はないが、Ｓｉ₃Ｎ₄粒とＴ
ｉＣ粒の間の熱膨張率の大きな差異（弾性率の３０％の
差異を伴う）が、緻密化されたＳｉ₃Ｎ₄材の冷却の際
に大きめのＴｉＣ粒の周りに応力集中を生じさせ、緻密
化後の低めの曲げ強度をもたらすものと考えられる。要
するに、ＴｉＣ粒によって生じた応力の影響領域は、Ｔ
ｉＣ粒そのものよりもかなり大きいのである。これに対
し、ＳｉＣ粒は、Ｓｉ₃Ｎ₄マトリックス中ではるかに
小さい影響領域を有するのであろう。窒化ケイ素材から
最大のＴｉＣ粒を除去することが、これらの差異の効果
を低下させ、それによって、応力集中の影響領域を小さ
くし、Ｓｉ₃Ｎ₄材の曲げ強度を高めると思われる。

【００１０】硬度に関し、ＴｉＣ材の高めの硬度が、Ｔ
ｉＣ材をクラックデフレクターとして作用させ、それに
より、窒化ケイ素材の靱性と強度を改良し、より長い回
転接触疲労（ＲＣＦ）寿命をもたらすものと考えられ
る。例えば、米国特許第５０９８７８２号（スヤマ）
は、０．１〜５重量％のＴｉＮが窒化ケイ素材の粒界を
強化すると教示している（第４欄１３〜１５行を参照さ
れたい。）。従って、ＴｉＣ粒サイズの低下は強化作用
を小さくし、材料の強度、靱性、ＲＣＦ寿命を低下させ
るものと考えられた。それにもかかわらず、全く反対の
効果が生じたのである。即ち、本発明による微細なＴｉ
Ｃ粒の材料の高められたＲＣＦ寿命は、硬度の作用に関
する従来の知見からして全く予想外である。

【００１１】本発明の材料の改良された磨耗寿命につい
て、窒化ケイ素の硬度（１５GPa ）に比較したＴｉＣの
極めて高い硬度（２８GPa ）が、ベアリング材の表面の
不均一な磨耗をもたらし、ＴｉＣが存在しなければ実質
的に均一な窒化ケイ素の磨耗表面から実質的に突き出た
最大のＴｉＣ粒をもたらすと考えられる。回転接触時に
おいて、これらの高い硬度の突起が、その軌跡上で小砥
石の作用をセラミック表面に及ぼし、それにより、両者
の摩擦係数を高めることになる。より高い摩擦係数はよ
り大きい磨耗速度をもたらし（ベアリング表面上の接線
方向の力がより大きいため）、より短いＲＣＦ寿命をも
たらす（増加した磨耗がスポーリングの可能性と高め
る）。窒化ケイ素材から粗大なＴｉＣ粒を除去すること
は、ＴｉＣ突起の程度を抑えてこの砥石作用を和らげ、
高められた回転接触疲労（ＲＣＦ）寿命と低められた磨
耗をもたらす。

【００１２】従って、窒化ケイ素ベアリング材中の何ら
かの添加材の最大検出粒サイズを小さくすることは、そ
の添加材が、ａ）かなり高い熱膨張率、ｂ）かなり高い
弾性率（ＭＯＥ）、又はｃ）かなり高い硬度、のうちの
少なくとも１つを供するならば、同様に高められたＲＣ
Ｆ寿命をもたらすと考えられる。このように、本発明に
よると、ａ）少なくとも８０重量％の窒化ケイ素の結晶
粒、及びｂ）０．２５〜１重量％の添加材としての粒
（以下「添加材粒」という。）であってＴｉＣ、ＷＣ、
及びＴａＣからなる群より選択された添加材粒を含んで
なり、その添加材粒の最大検出粒サイズは、窒化ケイ素
材の研磨した７５mm²の微細組織の顕微鏡像で評価して
４μｍ以下である、焼結された窒化ケイ素セラミック材
が提供される。

【００１３】ＴｉＣは望ましい着色作用を与えるため、
添加材として好ましいが、上記の３つの特性の１つを有
する上記の添加材においても、それぞれが本発明の範囲
に含まれる。例えば、ＴａＣやＷＣのような炭化物添加
材の最大粒サイズをコントロールすることも、望ましい
特長を提供することができるからである。ＴｉＣを添加
材として選択した場合、一般に、窒化ケイ素粉末と通常
の焼結助剤粉末を含む原料バッチに粉末として添加され
る。ＴｉＣの出発とする粉末が不所望な大きい粒子サイ
ズを有する場合、その粉末はより適当なサイズまで粉砕
することができる。例えば、約４μｍのＤ₅₀と約４．５
μｍのＤ₉₀を有する原料のＴｉＣ粉末は、窒化ケイ素媒
体を有いたボールミルやアトリションミルによる粉砕に
約４〜８時間にわたって供し、約０．３μｍのＤ₅₀粒子
サイズと約０．８μｍのＤ₉₀粒子サイズを有する粉砕さ
れたＴｉＣ粉末にすることができる。好ましくは、原料
バッチに添加される添加粉末は、約０．２〜０．３μｍ
のＤ₅₀粒子サイズと、１．０μｍ未満で典型的には約
０．６〜０．８μｍのＤ₉₀粒子サイズを有する。添加さ
れる粒子のサイズがこのＤ₉₀値を上回ると、その焼結生
産品の使用中に砥石作用が見られることがある。従っ
て、本発明によると、ａ）少なくとも８０重量％の窒化ケイ素粉末、及びｂ）以下の少なくとも１つの特性を有する０．１〜５重
量％の添加材粉末であって、１．０μｍ以下のＤ₉₀を有
する添加材粉末：ｉ）少なくとも２５GPa のヌープ硬度（５００ｇの荷重
下） ii）少なくとも６×１０^-6／Ｋの熱膨張率（２２〜７０
０℃で測定）、及び iii ）少なくとも６００GPa の弾性率を含むセラミック粉末を含んでなる原料バッチが提供さ
れる。

【００１４】好ましくは、添加材粉末はＴｉＣである。
好ましくは、原料バッチの窒化ケイ素粉末はα形であ
り、約０．４〜０．７μｍのＤ₅₀粒子サイズと約１．０
〜１．２μｍのＤ₉₀粒子サイズを有する。Ｄ₅₀粒子サイ
ズがこの範囲を上回ると、焼結性と強度が低下する。Ｄ
₅₀粒子サイズがこの範囲を下回ると、緻密化後の材料
が、割合に小さい微細構造と実質的に低めの破壊靱性を
有する傾向にある。好ましい態様において、出発とする
窒化ケイ素粉末はＳＮＥ１０である（宇部興産社より販
売、ニューヨーク市、ニューヨーク州）。

【００１５】本発明において、通常の量における通常の
焼結助剤が、グリーン体の緻密化を促進するのに役立つ
と考えられる。ＨＩＰ焼結によりグリーン体を緻密化す
るいくつかの態様において、グリーン体は合計で約５．
１〜１５重量％の希土類酸化物を含む。好ましくは、合
計で約５．１〜１０重量％、より好ましくは５．５〜８
重量％の希土類酸化物を含む。ある好ましい態様におい
て、グリーン体は、２〜３重量％のアルミナと所望によ
る０．８〜１．０重量％の窒化アルミニウムを含む。好
ましくは、グリーン体は、約３〜３．５重量％のイット
リア、約４〜５重量％のネオジミア（neodymia）、０．
８〜１．０重量％の窒化アルミニウム、及び２〜３重量
％のアルミナを含む。

【００１６】焼結・ＨＩＰ処理を介して行われるいくつ
かの態様において、十分に緻密な生産品（即ち、理論密
度の少なくとも９９．９％）を得るには、粉末処理を注
意してコントロールする必要がある。特に、焼結助剤を
非常に微細なレベルまで粉砕する必要があり（即ち、少
なくとも約３０ｍ²／ｇ）、その粉砕した焼結助剤を、
窒化ケイ素粉末に分散させる前に、原料バッチの液体媒
体に分散させる必要があることがある。微細なサイズに
された焼結助剤を必要とすることは、原料バッチの全体
にわたって焼結助剤が均一に分散されるのを可能にし
（十分な緻密化を助長する）、液体媒体に窒化ケイ素を
添加する前に液体媒体に焼結助剤を添加することは、焼
結助剤が凝集するのを防止する。

【００１７】焼結ＨＩＰプロセスによって窒化ケイ素グ
リーン体が緻密化されるいくつかの態様において、窒化
ケイ素グリーン体は、先ず理論密度の少なくとも約９７
％まで焼結され、次いで理論密度の少なくとも９９．９
％までＨＩＰ処理される。焼結工程は、通常、１７５０
〜１７８０℃で１〜２気圧の窒素雰囲気に６０〜１２０
分間浸すことを伴う。ＨＩＰ工程は、通常、１８００〜
１８５０℃で１０００〜２０００気圧の窒素雰囲気に６
０〜１２０分間浸すことを伴う。

【００１８】十分に緻密な窒化ケイ素体は、一般に、少
なくとも約８０重量％（好ましくは少なくとも８５重量
％）の窒化ケイ素を含む。その密度は、理論密度の少な
くとも９９％、好ましくは少なくとも９９．９％である
べきである。窒化ケイ素の粒サイズは、一般に、約０．
３〜０．７μｍのＤ₅₀と約１．８〜２．１μｍのＤ₉₀で
あることを特徴とする。

【００１９】十分に緻密なセラミックは、さらに０．１
〜５重量％の添加材粒を含む。好ましい態様において、
添加材粒は緻密な材料の０．２５〜１重量％を構成す
る。１重量％を超えて使用されると、回転接触疲労（Ｒ
ＣＦ）寿命と曲げ強度が低下することがある。０．２５
重量％未満で使用されて添加材粒がＴｉＣである場合、
着色作用が制限され、その材料は不均一な微細構造を有
するように見える。添加材（好ましくはＴｉＣ）の最大
検出粒サイズは好ましくは３μｍ以下であり、より好ま
しくは２μｍ以下である。添加材の平均Ｄ₅₀粒サイズは
好ましくは０．３〜１．５μｍであり、より好ましくは
０．３〜１．０μｍである。

【００２０】好ましい態様において、十分に緻密な窒化
ケイ素材は、さらに合計で約５．１〜１０重量％の希土
類元素を希土類酸化物として含む。好ましくは、合計で
約５．５〜８重量％の希土類元素を希土類酸化物として
含む。いくつかの好ましい態様において、緻密な材料は
さらに２〜３重量％のアルミニウム（アルミナとして）
と所望による０．８〜１．０重量％の窒化アルミニウム
を含む。

【００２１】回転接触疲労テスト（例えば、６．４GPa
のヘルツ接触応力でのＡＳＴＭ標準法７７１）に供した
とき、本発明の窒化ケイ素材は、約２倍の最大検出Ｔｉ
Ｃ粒サイズを有する比較材料よりもはるかに長い疲労寿
命を有する。本発明の窒化ケイ素材のＲＣＦ寿命は７０
００万回を上回ることが見出されたのに対し、より粗い
ＴｉＣ粒の窒化ケイ素のＲＣＦ寿命は１０００万回を下
回ることが分った。

【００２２】さらに、本窒化ケイ素材は、はるかに少な
い磨耗を呈す（即ち、より粗いＴｉＣ粒を有する比較材
料のわずか約１／１０のレベル）。とりわけ、磨耗速度
は、比較としての粗いＴｉＣ粒の窒化ケイ素での３００
μｍ³／kmに対して３０μｍ ³／kmに過ぎない。本発明
の窒化ケイ素は多くの一般的なセラミック用途に使用可
能であり、限定されるものではないが、実質的に球形の
ベアリングボール、ボールベアリング、ローラーベアリ
ング、平らなスライドベアリング、及びその他の構造的
又は磨耗用途が挙げられる。好ましくは、本発明の窒化
ケイ素材は、回転接触用途、とりわけ回転接触疲労が適
切であることが期待される用途に有利に使用可能であ
る。これらの用途において、本材料は、約０．０５μｍ
以下の表面粗さＲａを有しかつ実質的に球形であるべき
である。また、セラミックの磨耗速度が問題とされる滑
る用途にも有益に使用されることができる。これらの用
途において、本材料は、約０．０５μｍ以下の表面粗さ
Ｒａを有するべきである。

【００２３】上述した新しい知見はセラミック材料に広
く適用できると考えられるため、本発明によると、焼結
セラミック材もまた提供され、本焼結セラミック材は、ａ）第１ヌープ硬度、第１熱膨張率、及び第１弾性率に
よって特徴づけられる第１相材料からなる少なくとも８
０重量％の粒、及びｂ）第２相材料からなる０．１〜５重量％の粒、を含ん
でなり、第２相材料は、ｉ）第１相材料のヌープ硬度を少なくとも５０％上回る
第２ヌープ硬度、 ii）第１相材料の熱膨張率を少なくとも１００％上回る
第２熱膨張率、 iii ）第１相材料の弾性率を少なくとも１００％上回る
第２弾性率、の少なくとも１つによって特徴づけられ、
第２相材料の最大検出粒サイズは、その材料を研磨した
７５mm²の微細組織の顕微鏡像による二次元的評価にお
いて４μｍ以下である。

【００２４】好ましくは、第２相材料は、第１相材料の
熱膨張率を少なくとも１００％上回る第２熱膨張率によ
って特徴づけられる。また、好ましくは、第１相材料は
窒化物又は炭化物であり（より好ましくは窒化物）、第
２相材料は窒化物又は炭化物である（より好ましくは炭
化物）。

【００２５】

【実施例】例１この例において、出発とするＴｉＣ粉末を粉砕し、約
０．３μｍのＤ₅₀と約０．８μｍのＤ₉₀にした。選択し
た焼結助剤成分のイットリア、ネオジミア（neodymi
a）、アルミナ、窒化アルミニウム、及びＴｉＣを液体
媒体中に分散させ、その焼結助剤粉末の粒子サイズを約
１３ｍ²／ｇから約４５ｍ²／ｇまで予備的に粉砕し
た。次に、Ｅ１０α形窒化ケイ素粉末をそのディスパー
ジョンに加え、約３．１重量％のイットリア、約４．６
重量％のネオジミア、約２．６重量％のアルミナ、約
１．０重量％の窒化アルミニウム、及び約０．５重量％
のＴｉＣを含む混合物を作成した。窒化ケイ素の粉砕媒
体を備えたアトリションミルによって、この混合物を脱
イオン水中で４時間にわたって混合した。分散剤とバイ
ンダーもまたアトリションミルの中に入れた。混合物中
の窒化ケイ素は約１２〜１３ｍ²／ｇの平均粒子サイズ
を有した。この混合物は外観上均一であり、見た目に凝
集を含まなかった。

【００２６】得られたスラリーをスプレードライに供
し、６０メッシュと１４０メッシュのスラリーを通して
篩分けし、次いでタイル状に冷間プレスした。このタイ
ル状物を、３００００psi で冷間等方プレスし、約６５
０℃の空気中で加熱した。次いで、加熱素子を有するバ
ッチ式炉の中に入れたＲＢＳＮルツボの中にそのグリー
ン体を収め、そのルツボの残りのスペースに窒化ケイ素
粉末を充填した。炉の温度を、１７８０℃に達するまで
１０〜１５℃／分の速度で昇温した。次いで、このグリ
ーン体を、約２０psi の窒素圧力下で１７８０℃にて２
時間にわたって焼結させ、理論密度の９８．２％の密度
を得た。

【００２７】次いで、２００MPa の窒素圧の条件下でこ
の焼結体を１８００℃で１時間にわたってＨＩＰ処理し
た。ＨＩＰ処理工程を終えた後、炉の給電を止め、セラ
ミックを冷却した。この緻密化サイクルは、小さい欠陥
サイズ（約２０μｍ以下）でかつ高密度（理論密度の少
なくとも約９９．９％）をもたらした。緻密化したセラ
ミックの微細組織を、β形窒化ケイ素から本質的になる
結晶質窒化ケイ素相とアモルファスガラス粒界相によっ
て評価した。β形窒化ケイ素粒は約０．５〜０．６２５
μｍのＤ₅₀厚さ（thickness)と約０．７５μｍのＤ₉₀厚
さを有した。ＴｉＣは、約２．３μｍの最大検出粒サイ
ズと約０．８７μｍのＤ ₅₀によって特徴づけられた。

【００２８】得られたセラミックを硬度について測定し
た。５００ｇ荷重のヌープ硬度は約１４GPa であった。
破壊靱性を文献「P. Chantikul et el., in “A Critic
al Evaluation of Indentation Techniques for Measur
ing Fracture Toughness II : Strength Methods”, J.
Am. Ceram. Soc. 64 (9), pp. 539-544 (1981) 」に記
載の方法にしたがい、約０．５mm／分のクロスヘッド速
度において、内側スパンの引張面上にビッカース圧痕
（１０kgの荷重）を有する３×４×５０mmの４点曲げ試
験片の破壊によって評価した。本発明によるセラミック
の平均靱性は約７MPa ・ｍ^1/2であった。

【００２９】また、本発明によるセラミックの４点曲げ
強度を評価した。４０mmの外側スパンと２０mmの内側ス
パンの試験ジグ（ASTM C1161-90 ）の上の３×４×５０
mmのＢ型試験片の方法を用いた。平均の４点曲げ強度を
測定し、約９５０MPa であった。このワイブル係数（We
ibull modulus)は約２０であった。また、緻密化後の材
料をＲＣＦロッドの形状にし、ＲＣＦテスト、具体的に
はＡＳＴＭ標準法７７１に記載の促進ベアリング試験法
に供した。この試験法は、テスト材料の疲労破壊を促進
するために、使用中に通常生じるよりも高い接触圧力を
加えた。この試験は、多数の試験片からのデータを統計
的分析し、その結果は、通常、変数Ｌ_Xとして提示さ
れ、これは所定の応力レベルで試験される試験片のうち
のＸ％の破壊を起こさせる応力サイクルの数を示す。本
発明に関してＲＣＦテストを行うにおいて、ＡＩＳＩ５
２１００鋼で作製された３つのスレーブバルブを、約
６．４GPa の平均ヘルツ（hertzian）接触応力で、本発
明の窒化ケイ素からなるロッドに負荷を与えた。ロッド
は、電気モーターによって約３６００rpm で回転させ
た。スレーブボールとロッドの双方を、約８滴／分の速
度で液滴フィーダーによって供給される潤滑油で潤滑し
た。この試験は、ロッドに深さ約２〜７μｍの円周疲労
溝を生じさせた。本発明の窒化ケイ素は、通常の損傷モ
ードと均一な磨耗を呈した。本発明の１つの試験ロッド
の８つの異なるセクションを、順次にＲＣＦテストに供
したところ、最初の破損が約７０００万回で生じた。約
０．７４のワイブル勾配(slope) であるとすると（即
ち、本発明は従来のベアリング品質の窒化ケイ素と同じ
破壊メカニズムを有するとする）、約７０００万回のＬ
₁₀が本発明で発現する。

【００３０】磨耗テストは、溝の深さを測定して走行距
離あたりに除去した材料の量を計算することにより行っ
た。磨耗速度は約３０μｍ³／kmと計算された。比較例
１この比較例は、窒化ケイ素ベアリングの機械的特性と
回転接触性能に及ぼす最大検出ＴｉＣ粒サイズの効果を
評価する。

【００３１】例１と実質的に同様な仕方で窒化ケイ素グ
リーン体を作成し、焼結とＨＩＰ処理を行い、但し、出
発とするＴｉＣ粉末は約１．７μｍの平均Ｄ₅₀粒子サイ
ズと約４μｍのＤ₉₀を有した。この材料を、理論密度の
少なくとも約９９．９％の密度まで緻密化させた。得ら
れた微細組織のＴｉＣ粒のＤ₅₀粒サイズは約１μｍであ
り、最大検出ＴｉＣ粒サイズは約４．８５μｍであっ
た。

【００３２】この高密度な材料を、上記の例１と同様に
して、機械的特性、ＲＣＦ寿命、磨耗について試験し
た。また、ＲＣＦテストを終えた後、その窒化ケイ素材
料を触れると極めて熱く、鋼ボールにかなりの磨耗が観
察された。例１に代表される本発明の優れた機械的特性
を、比較例１に示した。粗いＴｉＣを含む窒化ケイ素セ
ラミックと比較して、下記の表２にまとめて示す。これ
らの結果は、ＴｉＣ添加材の最大検出粒サイズをコント
ロールする重要性を実証している。

【００３３】

【表２】

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年６月３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

フロントページの続き (72)発明者ウィリアムコリンズアメリカ合衆国，マサチューセッツ 01501，オーバーン，ウッドランドロード 14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ａ）少なくとも８０重量％の窒化ケイ素
の結晶粒、及びｂ）０．２５〜１重量％の添加材粒、を
含んでなる焼結窒化ケイ素セラミック材であって、その
添加材粒が、ＴｉＣ、ＷＣ、及びＴａＣからなる群より
選択され、その添加粒の最大検出粒サイズが、その窒化
ケイ素材の研磨した７５mm²の微細組織の顕微鏡像で測
定して４μｍ以下であることを特徴とする焼結窒化ケイ
素セラミック材。
【請求項２】添加材粒の最大検出粒サイズが３μｍ以
下である請求項１に記載のセラミック材。
【請求項３】添加材粒がＷＣである請求項１に記載の
セラミック材。
【請求項４】添加材粒の最大検出粒サイズが３μｍ以
下である請求項３に記載のセラミック材。
【請求項５】添加材粒がＴａＣである請求項１に記載
のセラミック材。
【請求項６】添加材粒の最大検出粒サイズが３μｍ以
下である請求項５に記載のセラミック材。
【請求項７】添加材粒がＴｉＣである請求項１に記載
のセラミック材。
【請求項８】添加材粒の最大検出粒サイズが３μｍ以
下である請求項７に記載のセラミック材。