KR0159686B1 - 질화규소세라믹접동부재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 뛰어난 접동특성과 높은 기계적 강도 및 높은 신뢰성을 구비한 질화규소세라믹접동부재를, 형상부여를 위한 연삭가공 등을 행하는 일없이, 염가로 제공하는 것을 과제로 한 것이며, 그 해결수단으로서, Si₃N₄입자를 주성분(50중량% 이상)으로 하고, 또한 Si₃N₄입자의 평균입자직경이 0.5㎛이하이며, 유리Si 및 SiC가 실질적으로 함유되어 있지 않은 질화규소소결체를, 소성가공공구를 사용해서 열간 소성가공에 의해 형상부여 또는 치수조정하는 방법에 의해 제조되고, Si₃N₄입자가 주로 β형의 기둥상결정으로 이루어지고, 열간소성가공에 의해 형상부여 또는 치수조정된, 롤러폴로워(1) 등의 질화규소세라믹접동부재 및 그 제조방법을 특징으로 한 것이다.

Description

질화규소세라믹접동부재 및 그 제조방법

제1도는 실시예 1에 있어서의 롤러폴로워주변의 구조도.

제2도는 실시예 3에 있어서의 원형고리압축시험의 모식도.

제3도는 실시예 4에 있어서의 배기밸브의 소성가공을 설명하기 위한 사시도.

제4도는 실시예 4에 있어서의 축부분의 휘어짐의 측정법의 설명도.

제5도는 실시예 8에 있어서의 핀온디스크법에 의한 측정모식도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 롤러폴로워 2 : 캠

3 : 푸쉬로드 4 : 로커암

5 : 리테이너 6 : 밸브스프링

7 : 밸브 8 : 배기밸브

9 : 축부분 10 : 우산부분

11 : 소성가공공구 12 : 핀

13 : 디스크재

본 발명은, 캠폴로워나 밸브 등의 엔진밸브계 부품, 연료분사펌프부품, 혹은 베어링 등의 접동(sliding)면을 구비한, 질화규소세라믹으로 이루어진 접동부재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

산업기계에는 기계부품끼리의 접동부가 다수 존재하고, 접동부에서의 에너지 손실이나 마모의 발생이, 에너지효율의 저하나 기계수명의 저하원인으로 되고 있다. 그 때문에, 접동부에서의 마찰저항을 저감하고, 접동부재의 내구성을 향상시키기 위하여, 접동면정밀도의 향상이나 새로운 접동부재의 개발이 행하여 지고 있다.

이와 같은 새로운 접동재료로서 세라믹스가 주목되고, 특히 질화규소(Si₃N₄)세라믹은, 강도 및 내마모성이 뛰어나기 때문에, 접동부재로서 기대되고 있다. 질화규소세라믹의 접동부재로의 이용은, 예를들면 볼베어링이나 평면베어링 등외에, 자동차용 엔진의 접동부품인 캠폴로워(일본국 특개평 5-65809호 공보참조)나, 배기밸브(동특개평 1-24073호 공보참조)에의 이용이 제안되어 있다.

그러나, 캠폴로워나 배기밸브 등의 복잡한 형상의 부재를 제조하기 위해서는, 일단 소결해서 얻어진 질화규소소결체를 다이아몬드 연마석 등을 사용하여 소정의 형상으로 기계가공하는 것이 행하여지고 있으나, 질화규소소결체는 가공성이 나쁘기 때문에 가공시간이 길고, 가공량도 많으므로, 얻어진 부재는 매우 고가로 되어 범용실용화까지 도달되지 못한 것이 현실이다.

그래서 질화규소소결체의 연삭가공량을 감소시키기 위해, 질화규소소결체의 치수정밀도를 향상시킬 시도로서, 고정밀도의 분말성형체의 제조방법이 여러 가지 검토되고 있다. 그러나, 분말성형체의 치수정밀도를 향상시키는 방법에 의해서도, 얻어지는 소결체의 치수정밀도 및 형상정밀도는 아직 충분한 것이라고 말할 수 없다.

이와 같은 현실에 대해서, 예를 들면 일본국 특공평 5-68427호 공보나 동특개평 4-103303호 공보에 제안된 바와 같이, 질화규소세라믹에 초소성가공을 실시해서, 복잡한 형상의 부재를 제작하는 시도도 행하여지고 있다. 그러나, 이들의 초소성 가공에 의한 방법에서는, 질화규소와 탄화규소의 복합재료를 대상으로 하고, 초소성가공전후의 Si₃N₄입자는 입자상결정일 것이 필요로 되고 있다.

이와 같이 상기 초소성가공에 의한 방법에서는 Si₃N₄에 SiC를 첨가하여 복합화할 필요가 있으므로, 치밀한 소결체를 얻는 일이 어려워, 높은 기계적 강도와 신뢰성을 얻을 수 없다. 그 때문에 일본극 특개평 4-103303호 공보에서는. 초소성가공후에 열처리를 행함으로써, Si₃N₄입자를 기둥형상결정으로 입자성장시켜, 소결체의 굽힘강도를 향상시키는 일이 시도되고 있으나, 장시간의 열처리가 필요할 뿐 아니라, 열처리에 의해 소결체의 치수나 형상이 변화되므로, 또 그 수정을 위한 연삭가공 등이 필요하게 된다.

또, SiC를 함유하지 않고 Si₃N₄를 주성분으로 하는 질화규소소결체의 초소성가공도 시도되고 있으나, 가공성이 낮기 때문에 초소성가공에 장시간을 요하거나, 혹은 매우 미세한 조직을 가진 소결체를 사용할 필요가 있는 등, 공업적으로 많은 문제를 남기고 있다.

또, USP473719호에서는 Si₃N₄에 Si를 복합첨가함으로써 초소성가공시에 Si₃N₄조직을 치밀화시키는 일이 시도되고 있으나, Si₃N₄소결체속에 Si가 잔류되어 있기 때문에 소결체강도가 낮은 등의 문제를 남기고 있다.

본 발명은, 그와 같은 종래의 사정에 비추어, 뛰어난 접동특성과 높은 기계적 강도 및 높은 신뢰성을 구비한 복잡한 형상의 질화규소세라믹 접동부재를 형상부여를 위한 연삭가공 등을 행하는 일없이, 값싸게 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명이 제공하는 질화규소세라믹접동부재는, Si₃N₄를 주성분(즉, 50중량% 이상 함유)으로 하고, 또 Si₃N₄입자가 주로 β형의 기둥형상 결정으로 이루어지고, 또한 유리(free)Si 및 SiC가 실질적으로 함유되어 있지 않은, 열간소성가공에 의해 형상부여 또는 치수조정된 것을 특징으로 한다. 단 본 발명에서 Si₃N₄입자란, 특히 설명하지 않는 한, 그 결정상(相)이 α형 Si₃N_4,β형 Si₃N_4,α형 사이알론 및 β형 사이알론의 적어도 1종으로 이루어진 것을 의미한다.

또, 이 질화규소세라믹접동부재의 제조방법은, Si₃N₄입자를 주성분(50중량%이상함유)으로 하고 또한 Si₃N₄입자의 평균입자직경(단, β형 기둥형상 결정입자의 경우는 평균단축직경)이 0.5㎛ 이하인 동시에 유리 Si 및 SiC가 실질적으로 함유되어 있지 않은 질화규소소결체로 이루어진 프리폼(preform)을 준비하는 공정(I)과, 이 프리폼을 성형틀에 넣고, 열간소성변형시켜 형상부여 또는 치수조정을 행하는 동시에, 이 소결체 속의 β형 기둥형상 결정입자의 평균 애스펙트비의 증가를 도모하는 열간소성가공공정(II)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는, 실질적으로 SiC나 Si를 함유하지 않고, Si₃N₄입자를 주성분으로 하는 소결체를 소성가공함으로써, 소정의 형상의 부여 또는 치수의 조정을 행하고, 동시에 Si₃N₄입자를 β형 기둥형상 결정으로 성장 내지 상전이(相轉移)시켜, 기계적 강도가 충분히 높은 복잡한 형상의 질화규소세라믹접동부재를 얻을 수 있다.

소성가공에 제공하는 질화규소소결체는, Si₃N₄입자를 주성분으로 하고, SiC 등 기타의 세라믹스 성분이나 Si는 첨가·복합되어 있지 않다. 그러나, 공지의 소결보조제나 분산강화제 등이 첨가되는 일은 가능하다. 특히, 소결보조제로서, A1의 산화물 또는 질화물, Mg의 산화물, 희토류원소의 산화물을 단독 또는 조합해서 사용하는 것이 바람직하다. 이들의 소결보조제의 첨가에 의해, 열간소성가공이 보다 저온에서 또한 단시간에 가능해진다. 또, SiC를 실질적으로 함유하지 않는 Si₃N₄는 소결이 용이하기 때문에, 핫프레스나 열간정수압프레스 등을 사용하는 일없이, 치밀한 소결체를 얻는 것이 가능하다.

소성가공전의 소재는, 상대밀도가 100%인 치밀화된 소결체를 사용해도 되나, 상대밀도가 90% 이상 98% 이하, 특히 90% 이상 95% 미만인 소결체를 사용하는 것이 바람직하다. 90% 미만에서는 가공체자체의 강도가 불충분하기 때문에 소성가공도중에 파괴되거나, 가공후의 강도도 불충분하게 되기 쉽다. 또, 95% 이상에서는 소성가공이 서서히 곤란하게 되기 시작하여, 98%를 초과하면 가공속도가 더 느리게 되어 바람직하지 않다.

또, 소성가공에 제공하는 질화규소소결체의 Si₃N₄입자는, α형결정이나 β형결정이라도 되지만, 평균입자직경(단, β형 기둥형상 결정의 경우는 입자의 평균단축직경)이 0.5㎛이하인 미세한 결정일 것이 필요하다. 이하, β형 Si₃N₄기둥형상결정입자의 평균입자직경은 별도로 설명하지 않는 한, 평균단축직경으로 표시한다. Si₃N₄입자의 평균입자직경이 0.5㎛보다 크면, 소성변형이 야기되기 어렵고, 따라서 소정의 형상 또는 치수를 얻는 데는 과대한 온도나 응력을 부과하게 됨으로써, 얻어지는 접동부재의 강도저하나 내마모성의 저하를 초래하여, 뛰어난 접동부재를 얻지 못하게 된다.

소성가공후의 가공체에서는, Si₃N₄입자가 주로 70% 이상이, β형의 기둥형상결정으로 이루어지는 것이 필요하다. 입자형상결정의 Si₃N₄입자로 이루어진 소성가공체는 기계적 강도가 낮고, 접동부재로서 바람직하지 않다. 따라서 본 발명에서는, β형 Si₃N₄의 미세기둥형상결정입자로 이루어진 소결체를 소성가공하거나, 혹은 α형 Si₃N₄의 미세입자형상결정입자로 이루어진 소결체를 소성가공하는 동시에, β형 기둥형상 결정으로 상전이시키는 것이 필요하다. 또, 소결체 속의 α형결정과 β형결정의 함유량을 제어하고, 소성가공조건을 선택함으로써, 소성가공체의 특성을 제어하는 것이 가능하다.

따라서, 본 발명의 질화규소세라믹접동부재의 제조방법에 있어서는, 소성가공과 동시에 Si₃N₄입자를 기둥형상결정으로 입자성장시켜, 소성가공후의 Si₃N₄입자의 평균 애스펙트비를 소성가공전에 비해 크게 할 수 있다.

특히 Si₃N₄입자의 소성가공전에 대한 소성가공후의 평균 애스펙트의 증가율을 10%이상으로 함으로써, 기둥형상결정의 충분한 발달을 확보하여, 소성가공에 의한 기계적 특성의 개선향상이 현저한 질화규소세라믹부재를 얻을 수 있다. 평균애스펙트비의 증가율을 10% 이상으로 하는 것에 부가해서, 평균애스펙트비 자체를 3이상, 더바람직하게는 5이상으로 함으로써, 굽힘강도 등 한층 뛰어나 기계적 특성을 얻을 수 있다.

또, 본 발명의 방법에 있어서는, Si 첨가 등의 보조수단을 취하는 일없이, 소성가공에 의해 상기의 입자성장에 의한 기둥형상결정의 형성과 동시에 소결체의 상대밀도를 상승시킬 수도 있다. 소성가공에 의해 보이드(void)의 발생이 일어난 경우, 소성가공에 의해 소결체의 상대밀도가 저하되어, 소성가공체의 강도가 저하된다. 그 때문에, 소성가공시의 가공응력을 이용해서 소결을 진행시켜, 소결체의 상대밀도를 상승시킨다. 구체적으로는 상기 상대밀도 90% 이상 95% 미만인 소결체를, 소성가공에 의해 95% 이상의 상대밀도로 높게 함으로써, 기계적 특성이 뛰어난 소성가공체를 얻을 수 있다.

열간소성가공은, 800~1800℃, 바람직하게는 1600℃이하, 더 바람직하게는 1400℃하의 온도에서, 비산화성 분위기속에서 행한다. 비산화성 분위기로 하는 것은 이 온도범위에서도 1200℃를 초과하는 경우, 표면변질층의 생성을 억제하기 위해서이다. 소성가공온도가 1800℃를 초과하면, Si₃N₄입자의 조대화(粗大化)에 의해 기계적 강도가 저하된다. 또, 1400℃이하의 소성가공에 의해, 고융점금속제의 소성가공공구의 수명을 대폭으로 연장가능하게 된다.

또, 소성가공비용을 저감하기 위해서는, 대기속에서의 소성가공이 바람직하나, 1200℃이하이면 대기속에서의 소성가공이 가능하다.

소성가공에 의한 소결체의 벌크로서의 변형량은, 목적으로 하는 접동부품의 필요에 따라서 선택할 수 있다. 일반적으로는, 소결체의 소성가공전에 있어서의 치수의 0.1~20%, 바람직하게는 3~10%의 변형을 행한다. 변형량이 0.1%보다 작은 경우에는 접동부재로서의 요구형상에 미치지 못하고, 밀도의 향상도 얻지 못한다. 변형량이 크면, 변형에 요하는 시간이 길어지고, 가공비용이 크게 될 뿐 아니라, 변형량이 10%를 초과하면 소성가공에 의해 캐비티가 발생하기 쉽게되고, 또 20%를 초과하면 캐비티의 발생에 의해 가공체의 기계적 강도가 급격히 저하된다.

그와 같은 열간소성가공에 의한 형상의 부여방식으로서, 크라우닝(crowning) 가공이나 축형상의 진직도(眞直度)확보를 위한 휘어짐바로잡기를 들 수 있다. 크라우닝 가공은 접동면에 곡률이 큰 곡면을 부가하여, 한쪽닿기에 의한 국소적인 접동을 피하기 위한 것으로, 종래는 소결체를 연삭가공 또는 연마가공해서 필요한 3차원 곡면을 형성했으나, 매우 비용이 높은 가공으로 알려져 있다. 또 일본국 특개소 63-225728호 공보에는 접합하는 부재의 열팽창차를 이용하고, 납땜에 의해 크라우닝 형상으로 하는 방법도 있으나, 이 경우에는, 얻어지는 크라우닝 형상이 조합하기 전의 부품형상에 따라서 제약을 받아, 형상의 조정은 할 수 없다. 그러나, 본 발명에 의하면, 예를들면 원주상의 접동부재끝면에 하중을 부가해서 열간소성가공함으로써, 크라우닝가공을 실시하는 것이 가능하다.

또, 축형상의 부재의 경우, 소결시에 휘어짐이나 구부러짐이 발생하기 때문에, 종래는 연삭가공에 의해 필요한 동일축도를 확보하고 있었으나, 그 때문에 장시간의 연삭가공이 필요하게 되어 비용상승의 원인이 되고 있다. 본 발명에 의하면, 축부분에 하중을 부가해서 열간소성가공함으로써, 축의 동일축도를 소정의 정밀도 또는 그 가까이까지 수정하는 것이 가능하다. 얻어지는 동일 축도는, 축치수 등에도 따르나, 0.1mm/50mm이하까지 가능하다.

구체적인 열간소성가공방법은, 텅스텐이나 몰리브덴 등의 고융점금속, 탄소나 질화붕소 등의 내열재료, 혹은 탄화규소나 탄화붕소 등의 세라믹스로 소성가공공구를 제작하여, 소정의 응력 및 온도조건에 의해, 질화규소소결체를 필요한 형상으로 소성변형시킨다.

또한, 소성가공에 제공하는 소결체는, 뒤에 절삭가공의 필요가 없도록, 최종부재형상에 근사한 형상으로 하는 것이 바람직하다. 또, 소성가공자체는, 소정의 응력과 온도를 구비한 것이면 되고, 소위 단조(鍛造)나 압연을 비롯하여, 급속재료로 통상 사용하는 소성가공이면, 초소성가공이라고 호칭되는 것도 포함해서 사용가능하다.

소성가공에 의해 얻어진 가공체가, 소성가공만으로는 소정의 정밀도형상을 확보할 수 없는 경우, 그 개소를 대상으로 뒤에 연삭 등의 제거가공을 실시할 수 있다. 또, 소성가공에서 얻어진 접동면의 면거칠기가 접동상대재료의 손상으로 연결될 정도로 거친 경우에는, 접동면의 면정밀도를 향상시키기 위해, 랩가공 등을 실시할 수도 있다.

또 소성가공에 의해 얻어진 가공체 또는 이것에 상기 제거가공을 더 실시한 가공체에 대해서, 가열처리를 행하고, 소성가공시의 변형이나 결함을 회복하는 것이 가능하다. 이 가열처리에 의해서, 기계적 강도를 한층 향상시킬 수 있다. 가열조건은, 실질적으로 Si₃N₄입자가 입자성장하지 않는 온도와 시간의 조건을 선택한다. 이것은 Si₃N₄의 입자성장을 수반하면, 치수 및 형상이 변화해서, 소성가공후의 가공체의 정밀도를 유지할 수 없기 때문이며, 특히 그 소성가공전의 소결체의 소결 온도이상에서의 가열처리는 치수정밀도의 저하가 크기 때문에 바람직하지 않다.

이하 구체적인 실시예에 의해서 본 발명을 상세히 설명한다.

[실시예 1]

주로 기둥형상결정의 β형 Si₃N₄입자로 이루어지고, 상대밀도 100%, α형 입자 형상결정평균입자직경, β형 기둥형상 결정의 평균단축 입자직경이 다같이 0.3㎛, β형 기둥형상결정의 평균 애스펙트비가 4이며, 소결체단면에 있어서의 50㎛길이에 대한 결정입자의 존재수(선밀도)가 165인 Si₃N₄소결체를, 롤러폴로워의 형상에 근사한 높이 12mm×외경18mm×내경12mm의 원통형상으로 가공하였다.

또한 소결체 속의 α결정과 β결정의 비율은 20:80이며, JIS(일본공업규격)에 의거한 4점굽힘강도는 800MPa이었다.

상기 원통형상소결체를 SiC제의 소성가공공구를 사용해서, 1400℃의 질소분위기속에 있어서 50MPa의 응력을 반경방향으로 부하해서 소성변형시켰다. 소성가공공구는, 외경 12mm의 원주형상의 공구를 원통형상소결체의 내주쪽에 삽입하고, 축방향으로 2분할 된, 내주면에 크라우닝에 상당하는 곡면을 가진 외경 40mm×내경18mm의 원통형상의 공구를 소결체의 외주쪽에 배치하였다.

약 5분간의 소성가공에 의해, 소결체의 외주면의 끝부분둘레가장자리에 큰곡률반경을 가지고, 단차가 50㎛인 크라우닝이 형성되었다. 또한 소성가공품의 α형결정 : β형결정의 비율은 10:90이며, 선밀도는 120/50㎛였다. 또 그 상대밀도는 99%이며, β형 기둥형상결정의 평균애스펙트비는 6이었다. 크라우닝량의 불균일도는 10개의 시료에 대해서 1㎛이내였다. 얻어진 롤러폴로워를 내경을 11.8±0.005mm로 연삭가공하고, 또 크라우닝부를 랩마무리해서 면거칠기를 Rmax로 3㎛에서 0.2㎛까지 향상시켰다. 이 롤러폴로워(1)를 모식적으로 제1도에 표시한 주변구조의 승용차의 엔진에 조립해넣고, 10만 Km의 주행시험에 의해 접동성능 등의 평가를 행하였던 바, 전술한 바와 같은 동일한 소결체로부터 연삭가공만으로 제조한 롤러폴로워에 비해, 캠상대재료(탄소강S50C)에의 공격성이 낮고, 접동저항도 낮은 뛰어난 성능을 표시하였다. 또한, 제1도중, (2)는 캠, (3)은 푸쉬로드, (4)는 로커암, (5)는 리테이너, (6)은 밸브스프링, (7)은 밸브이다.

[실시예 2]

α형 Si₃N₄분말 89중량%와 소결보조제로서 5중량%의 Al₂O₃분말, 3중량%의 Y₂O₃분말, 2중량%의 MgO분말, 1중량%의 AIN분말을 첨가해서 혼합분말로 하고, 이것을 성형후 질소분위기속에 있어서 1500~1700℃에서 30~120분간 소결함으로써, 실시예 1과 동일형상의 소결체를 얻었다

표 1에 각 소결체의 α형결정과 β형 결정형태의 비율과, Si₃N₄입자의 평균입자직경을 표시하였다.

또한 시료 3의 소결체는, 제조시에 Si₃N₄분말에 20중량%의 SiC분말을 첨가해서 제조한, 최종 Si₃N₄성분이 59중량%인 Si₃N₄-SiC계 복합재료이다.

다음에, 각 소결체를 실시예 1과 동일한 소성가공공구를 사용해서, 각각 표1에 표시한 조건으로 소성가공을 행하였다. 소성가공에 의해 형성된 크라우닝량은 10개의 시료에 대한 평균으로 50㎛이고, 그 불균일도는, 어느 것의 조건에서도 10개의 시료에 대해서 2㎛이내였다. 또, 소성가공후의 소결체에 있어서의 Si₃N₄입자의 β형 결정입자량(이하, 간단히 β량이라 표기함)을 측정하고, 표 1에 아울러 표시하였다.

얻어진 각 롤러폴로워에 대해서, 실시예 1과 마찬가지로 접동시험을 행하고, 상대재료인 캠의 마모량과 롤러의 마모량을 표 1에 표시하였다. 또한, 본 발명예의 롤러폴로워는, 동일한 소결체로부터 연삭가공만으로 제조한 롤러폴로워에 비해, 1/2의 비용으로 제조가 가능하였다.

(주)표 속의 *를 붙인 시료가 비교예이다. 시료 3은 SiN-SiC복합재료이다. 또, 변형량의 난의 괄호안의 데이터는 소성가공전의 치수에 대한 변형량의 비율, 즉 변형률을 표시하고 있다.

표 1의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명예의 롤러폴로워는 어느 것이나 뛰어난 접동성능을 표시한 데 비하여, 비교예인 시료 2는 소성가공에 제공하는 소결체의 SiN입자의 평균입자직경이 0.5㎛보다 크고 소성가공성이 나쁘기 때문에, 소성가공조건이 과대해지고, 뛰어난 접동성능을 얻지 못하였다. 또, 시료 7은 변형량이 너무 적기 때문에 소정의 형상을 얻지 못하고, 접동성능도 부족하였다. 즉 소결온도정도의 고온에서 장시간 소성가공을 해할 필요가 있고, 그 때문에 입자성장이 발생하여, 어느 것이나 뛰어난 접동특성을 얻지 못하였다. 시료 8은 소성가공체가 주로 α형 SiN로 이루어짐으로써, 강도가 낮고 접동성능이 부족하였다. 즉 강도가 낮고, 동일부재자체가 마모되기 용이하므로, 상대쪽의 캠의 마모가 촉진된 때문이라고 여겨진다. 또한, 시료 3은 SiN에 SiC를 복합한 재료의 비교예이다.

[실시예 3]

상기 실시예 2의 표 1에 표시한 시료 1 및 3의 롤러폴로워(소성가공후의 가공체)에 대해서, 표 2에 표시한 가열처리 및/또는 연삭처리를 행하였다. 또한, 가열처리는 질소분위기속에서 행하였다. 얻어진 각 시료에 대해서, 실시예 2와 마찬가지로 접동성능을 평가하고, 또 인장강도를 측정하였다. 또한, 인장강도는 제2도에 모식적으로 표시했으나, 시료인 롤러폴로워(1)를 가로로 놓고 상하방향으로부터 압축하중을 부하하고, 원형고리압축시험에 의해 발생되는 최대인장응력으로 평가를 행하였다. 이들 결과를 표2에 표시하였다.

(주)표 속의 *를 붙인 시료는 비교예이다.

표 1과 표 2의 결과를 비교함으로써, 본 발명에 의한 소성가공후에 가열처리 및 또는 연삭 등의 제거가공을 추가함으로써, 강도 및 접동성능이 더 향상되는 것을 알 수 있다. 한편, 비교예의 시료 11은 소결온도 이상에서 가열했기 때문에 입자성장이 야기되어, 인장강도가 저하(표 1의 시료1의 소성가공체의 인장강도는 800MPa)되는 동시에, 접동성능의 향상은 확인되지 않았다. 또한, 시료12는 SiN와 SiC의 복합재료에 대한 비교예이다.

[실시예 4]

α형 SiN분말에, 5중량%의 AlO분말과 5중량%의 YO분말과 1중량%의 MgO분말을 첨가하고, 엔진용 배기밸브형상으로 사출성형한 후, 질소분위기 속에 있어서 1600℃에서 소결하였다. 얻어진 SiN소결체는 상대밀도가 96%, 평균입자직경이 0.4㎛인 α형 SiN결정입자가 60%, 나머지 부분이 평균단축직경 0.4㎛, 평균애스펙트비 3인 β형 SiN결정입자였다.

상기 SiN소결체는, 제3도에 표시한 배기밸브(8)의 형상을 이루고, 그 축부분(9)의 외경이 8.0mm, 우산부분(10)의 최대외경이 30mm, 우산부분(10)을 포함한 전체 길이가 80mm이며, 축중심에 대한 축부분(9)의 휘어짐이 1.2mm 존재하였다. 그래서, 이 축부분(9)을, 내경 8mm, 외경 12mm인 원통을 2분할한 텅스텐제의 소성가공공구(11)사이에 끼워넣고, 60kgf의 하중을 부하해서 1500℃에서 10분간의 소성가공을 행하였다. 소성가공후의 SiN소결체는 밀도가 98%이며, 결정입자는 β형 결정이 90%이며, 그들의 평균단축직경은 0.5㎛ 평균애스펙트비는 4였다.

얻어진 가공체(배기밸브)의 축부분의 휘어짐을 모식적으로 제4도에 표시한바와 같이 a의 길이를 계량해서 측정하였던 바, 50개의 밸브전체에 대해서 0.05mm이하까지 작게되어 있었다.

이 경우의 변형량은, 약 14%에 상당하였다. 또, 얻어진 배기밸브를, 코터부 및 밸브시트와의 맞닿은 면을 연삭가공한 후, 실제 차시험에 제공하였던 바, 밸브의 파손이나 조합부품의 마모 등도 확인되지 않아, 문제없이 사용될 수 있음을 알 수 있었다.

[실시예 5]

상기 실시예 2의 표 1에 있어서의 시료 1과 동일한 SiN소결체를, 표 3에 표시한 여러 가지의 조건으로 소성가공하고, 변형량을 바꾼 소성가공체를 얻었다. 또한, 소성가공전의 소결체는 높이 12mm×외경18mm×내경12mm이었으며, 이 원통형상소결체를 외주면을 구속하는 일없이 상하방향으로 압축해서 소성가공하고, 소성가공후의 외경치수를 측정하였다. 또, 소성가공체의 상대밀도를 측정하고, 인장강도를 실시예 3과 마찬가지로 측정하였다. 이들 결과를 표 3에 아울러 표시하였다.

(주) 표 속의 *를 붙인 시료는 비교예이다.

이 결과로부터, 소성가공하지 않은 시료 17과의 비교에 의해, 적절한 소성가공을 실시함으로써 소성가공체의 상대밀도 및 인장강도가 향상되는 것을 알 수 있다. 단, 시료 21에서는 변형량이 10%를 초과하므로 강도의 저하가 확인되었고, 시료 22에서는 변형량이 20%를 초과하므로 가공체에 캐비티가 발생되어, 강도가 급격히 저하되었다. 또, 시료 18은 변형량이 0.1% 미만이므로, 소정의 치수를 얻을 수 없을 뿐만 아니라, 밀도나 강도의 향상도 확인되지 않았다.

[실시예 6]

상기 실시예 2의 표 1에 있어서의 시료 1과 동일한 SiN소결체로, 소성가공전의 높이 12mm×외경18mm×내경12mm인 소결체를, 실시예 5와 마찬가지로 외주면을 구속하는 일없이, 표 4에 표시한 조건으로 상하방향으로 압축해서 소성가공하였다.

또한, 소성가공은, 텅스텐제의 가공공구를 사용해서 질소분위기 속에서 행하였으나, 시료 27은 SiC제의 가공공구를 사용해서 대기속에서 실시하였다. 이 소성가공에 있어서, 얻어진 원통형상의 소성가공체에 있어서의 끝단면의 평탄도가 0.05mm를 유지할 수 있는 1공구당의 가공가능수를 표 4에 표시하였다.

상기의 결과에서, 변형량이 동일한 것이라도, 소성가공온도가 낮을수록 소성가공공구의 수명이 연장되어, 장기에 걸쳐 소망의 가공정밀도를 얻게 되는 것을 알 수 있다. 또, 시료 27의 결과에서 소성가공온도가 1200℃이하이면, 대기속에서의 소성가공도 가능한 것을 이해할 수 있다.

[실시예 7]

평균입자직경 0.3㎛인 α형 SiN분말 89중량%와, 소결보조제로서, 5중량%의 AlO분말과 5중량%의 YO분말 및 1중량%의 MgO분말을 혼합하고, 그 혼합분말로부터 외경 18mm×높이10mm인 원주형상성형체를 작성하였다.

상기 성형체를 질소가스분위기속에 있어서 1400~1700℃의 온도에서 30~120분간 소결하고, 각각 얻어진 각 소결체의 높이방향을 연삭해서, 대략 외경 15mm×높이7mm의 SiN소결체를 얻었다. 각 시료의 소결체의 상대밀도, β형 기둥형상결정의 애스펙트비 및 굽힘강도를 표 5에 표시하였다.

얻어진 각 소결체의 높이방향으로 압축하중을 부하해서 소성가공을 실시하였다. 소성가공은, 카본에 질화붕소에 도포한 압축시험공구를 제작하고, 이 압축시험공구를 이용해서 질소가스분위기속에 있어서 표 5에 표시한 조건으로 소성가공을 행하였다.

상기 소성가공에 의해서 얻어진 소성가공체에 대해서, 높이방향의 변형량을 구하는 동시에, 상대밀도, β형 기둥형상결정의 애스펙트비, 이 애스펙트의 증가율(%) 및 굽힘강도를 측정하고, 표 5에 표시하였다. 또한, 모든 굽힘강도는 소결체로부터 잘라낸 시험편을 사용해서, 10mm스팬으로 측정하였다.

(주) 표속 *를 붙인 시료가 비교예이다.

** : 소성가공후의 β형 기둥형상결정입자의 애스펙트비의 소성가공전에 대한 증가율(%)

표 5에서 명백한 바와 같이, 시료1은 소결체의 상대밀도가 지나치게 작기 때문에 소성가공중에 파손되고, 시료 6은 반대로 소결체의 상대밀도가 지나치게 높기 때문에 설정조건에서는 소성변형이 적다. 시료 7은 소성가공의 온도가 지나치게 낮기 때문에 소성가공할 수 없고, 시료 11과 16은 소성가공 온도가 지나치게 높기 때문에 소성가공체의 강도가 열화되어 있다.

시료 13과 19는 소성가공조건(온도와 시간)이 불충분하기 때문에 소성변형이 발생되지 않았다. 이에 대해서 본 발명에서는, 어느 것이나 소성가공이 행하여지고, 얻어진 소성가공체의 강도가 향상되고 있다.

[실시예 8]

상기 실시예 7의 표 5에 표시한 시료 5의 소성가공의 SiN소결체 및 그 소성가공체의 굽힘시험편을 사용해서, 제5도에 모식적으로 도시한 핀온디스크법에 의해 양자의 내마모성을 비교하였다. 도면중(12)는 핀이고, 상대의 디스크재(13)로서 다이스강을 사용하여 1~10m/sec의 속도로 접동시켰다.

마모속도를 측정하였던 바, SiN소결체가 2.3×10 mm /kg인데 대하여, 소성가공체는 5.4×10 mm /kg이며, 소성가공체의 내마모성이 향상되고 있음을 알 수 있었다.

본 발명에 의하면, 기계적 강도가 높고, 신뢰성이 뛰어난 질화규소세라믹접동부재를, 형상부여를 위한 대가공량의 연삭가공 등에 의하지 않고, 저비용으로 제공할 수 있다. 또한, 본 발명은 접동부재에 유효할 뿐 아니라, 압연로 등의 금속소성가공부재나 절삭공구 등에 효과가 있다.

Claims (17)

1. Si₃N₄입자를 50중량%이상 함유하고, 또 Si₃N₄입자는 주로 β형의 기둥형상결정으로 이루어지고, 또한 유리 Si 및 SiC가 실질적으로 함유되어 있지 않으며, 열간소성가공에 의해 형상부여 또는 치수조정된 것을 특징으로 하는 질화규소세라믹접동부재.
2. 제1항에 있어서, 상기 β형의 기둥형상결정입자의 전체 Si₃N₄입자속에 점하는 비율이 70% 이상인 것을 특징으로 하는 질화규소세라믹접동부재.
3. 제1항에 있어서, 상기 β형의 기둥형상결정입자의 평균애스펙트비가 3 이상인 것을 특징으로 하는 질화규소세라믹접동부재.
4. 제1항에 있어서, 상기 열간소성가공된 개소가 0.1% 이상 20% 이하의 변형량으로 소성변형되어 있는 것을 특징으로 하는 질화규소세라믹접동부재.
5. 제1항에 있어서, 상기 열간소성가공에 의해 형성된 크라우닝형성부를 가진 것을 특징으로 하는 질화규소세라믹접동부재.
6. 제1항에 있어서, 상기 열간소성가공에 의해 동일축도를 0.1mm/50mm 이하로 조정한 것을 특징으로 하는 질화규소세라믹접동부재.
7. Si₃N₄입자를 50%이상 함유하고, 또한 Si₃N₄입자의 평균입자직경(단, β형 기둥형상결정입자의 경우는 입자의 평균단축직경)이 0.5㎛이하인 동시에, 유리Si 및 SiC가 실질적으로 함유되어 있지 않은 질화규소세라믹소결체로 이루어진 프리폼을 준비하는 공정(I)과, 이 프리폼을 성형금형에 넣고 열간소성변형시켜 형상부여 또는 치수조정을 행하는 동시에, 이 소결체 속의 β형 기둥형상결정입자의 평균애스펙트비의 증가를 도모하는 열간소성가공의 공정(II)을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화규소세라믹접동부재의 제조방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 프리폼이 되는 질화규소소결체의 상대밀도가 90~98%이며, 공정(II)에서 치밀화를 도모하는 것을 특징으로 하는 질화규소세라믹접동부재의 제조방법.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 프리폼이 되는 질화규소소결체의 상대밀도가 90%이상 95% 미만인 것을 특징으로 하는 질화규소세라믹접동부재의 제조방법.
10. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 공정(II)에 의한 상기 평균애스펙트비의 증가율이 10% 이상인 것을 특징으로 하는 질화규소세라믹접동부재의 제조방법.
11. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 공정(II)의 가공온도가 800~1800℃인 것을 특징으로 하는 질화규소세라믹접동부재의 제조방법.
12. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 공정(II)의 가공온도가 1600℃ 이하에서 행하여지는 것을 특징으로 하는 질화규소세라믹접동부재의 제조방법.
13. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 공정(II)의 가공이 비산화성 분위기속에서 행하여지는 것을 특징으로 하는 질화규소세라믹접동부재의 제조방법.
14. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 공정(II)의 가공이 대기속, 1200℃이하에서 행하여지는 것을 특징으로 하는 질화규소세라믹접동부재의 제조방법.
15. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 공정(II)의 소성변형이 0.1~20%인 것을 특징으로 하는 질화규소세라믹접동부재의 제조방법.
16. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 공정(II) 후에, 치수정밀도확보를 위한 제거가공 또는 랩가공을 실시하는 가공공정(III)을 또 포함하는 것을 특징으로 하는 질화규소세라믹접동부재의 제조방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 공정(II) 및 (III)의 처리가 실시된 후에, Si₃N₄의 소결온도이하의 온도에서 가열처리하는 공정(IV)을 또 포함하는 것을 특징으로 하는 질화규소세라믹접동부재의 제조방법.