氮化硅燒結(jié)體及其制造方法、及使用其的耐磨部件和軸承的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供氮化硅燒結(jié)體，實(shí)施方式的氮化硅燒結(jié)體含有：鋁，以氧化物換算量計(jì)為2～10質(zhì)量%的范圍；R元素，為選自稀土元素中的至少一種，以氧化物換算量計(jì)為1～5質(zhì)量%的范圍；M元素，為選自IVA族元素、VA族元素和VIA族元素中的至少一種，以氧化物換算量計(jì)為1～5質(zhì)量%的范圍。鋁的含量與R元素的含量之比以氧化物換算量計(jì)為2：1～5：1的范圍，且鋁的含量與M元素的含量之比以氧化物換算量計(jì)為2：1～10：1的范圍。實(shí)施方式的氮化硅燒結(jié)體作為軸承滾珠這樣的耐磨部件使用。
【專利說(shuō)明】氮化硅燒結(jié)體及其制造方法、及使用其的耐磨部件和軸承
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實(shí)施方式涉及氮化硅燒結(jié)體及其制造方法、及使用該氮化硅燒結(jié)體的耐磨部件和軸承。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化硅燒結(jié)體適用于軸承滾珠和滾筒等耐磨部件。作為現(xiàn)有氮化硅燒結(jié)體的燒結(jié)組成，例如，已知有氮化娃-氧化釔-氧化招-氮化招-氧化鈦系。通過(guò)使用氧化釔、氧化鋁、氮化鋁、氧化鈦?zhàn)鳛闊Y(jié)助劑，能夠得到燒結(jié)性提高，具有良好的耐磨性的氮化硅燒結(jié)體。作為燒結(jié)助劑，還已知氧化釔-尖晶石(MgAl2O4)-碳化硅-氧化鈦等。
[0003]現(xiàn)有的氮化硅燒結(jié)體雖然具有良好的耐磨性，但是，硬度大，加工性上存在難點(diǎn)。軸承滾珠等耐磨部件需要將滑動(dòng)面加工平坦，使表面粗糙度Ra為0.1 μ m以下。氮化硅燒結(jié)體的表面加工通常使用金剛石磨?！，F(xiàn)有氮化硅燒結(jié)體為難加工材料，因此，研磨加工的負(fù)擔(dān)大，這是造成制造成本增加的主要原因。
[0004]現(xiàn)有的氮化硅燒結(jié)體為了提高耐磨性，重點(diǎn)著眼于提高斷裂韌性等材料性能?；诟纳撇牧闲阅芴岣吡四湍バ缘牡锜Y(jié)體適用于在工程機(jī)械這樣的高負(fù)載環(huán)境下使用的軸承滾珠。另一方面，以軸承滾珠為代表的耐磨部件不限于在高負(fù)載環(huán)境下使用，還可以在風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)用軸承這樣的低負(fù)載環(huán)境下使用?，F(xiàn)有氮化硅燒結(jié)體的性能良好，因此，也能夠在風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)用軸承中使用，但是，存在加工性差，制造成本高的問題。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)
[0007]專利文獻(xiàn)1:特開2001-328869號(hào)公報(bào)
[0008]專利文獻(xiàn)2:特開2003-034581號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所要解決的課題在于，提供加工性提高的氮化硅燒結(jié)體及其制造方法、以及能夠通過(guò)使用所述氮化硅 燒結(jié)體降低制造成本的耐磨部件和軸承。
[0010]實(shí)施方式的氮化硅燒結(jié)體含有:鋁，以氧化物換算量計(jì)為2~10質(zhì)量％的范圍；R元素，為選自稀土元素中的至少一種，以氧化物換算量計(jì)為I~5質(zhì)量％的范圍；M元素,為選自IVA族元素、VA族元素和VIA族元素中的至少一種，以氧化物換算量計(jì)為I~5質(zhì)量％的范圍。在實(shí)施方式的氮化硅燒結(jié)體中，所述鋁的含量與所述R元素的含量之比以氧化物換算量計(jì)，為2:1~5:1的范圍，且所述鋁的含量與所述M元素的含量之比以氧化物換算量計(jì)，為2:1~10:1的范圍。
[0011]實(shí)施方式的耐磨部件具備實(shí)施方式的氮化硅燒結(jié)體。實(shí)施方式的軸承具備由實(shí)施方式的氮化硅燒結(jié)體構(gòu)成的軸承滾珠。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】[0012]圖1是通過(guò)局部截面表示實(shí)施方式的軸承的圖；
[0013]圖2是用于測(cè)量氮化硅燒結(jié)體中晶界相的面積比率的SEM圖像的一例。
【具體實(shí)施方式】
[0014]以下，說(shuō)明實(shí)施方式的氮化硅燒結(jié)體及其制造方法、以及使用該氮化硅燒結(jié)體的耐磨部件和軸承。該實(shí)施方式的氮化硅燒結(jié)體含有:鋁(Al)，以氧化物換算量計(jì)為2~10質(zhì)量％的范圍；R元素,為選自稀土元素中的至少一種，以氧化物換算量計(jì)為I~5質(zhì)量％范圍；M元素，為選自IVA族元素、VA族元素和VIA族元素中的至少一種，以氧化物換算量計(jì)為I~5質(zhì)量％的范圍。
[0015]本實(shí)施方式的氮化硅燒結(jié)體含有Al，以換算成氧化物(Al2O3)的量計(jì)，為2~10質(zhì)量％的范圍。Al的含量(氧化物換算量)小于2質(zhì)量％或大于10質(zhì)量％均會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低，作為耐磨部件的耐久性降低。作為燒結(jié)助劑的Al成分優(yōu)選作為選自Al2O3和尖晶石(MgAl2O4)中的至少一種來(lái)添加。作為氮化硅燒結(jié)體的燒結(jié)助劑，歷來(lái)一直使用氮化鋁(AlN)，在本實(shí)施方式中，作為Al成分，優(yōu)選不使用A1N。若并用Al2O3和AlN作為燒結(jié)助劑，則AlN抑制氮化硅和SiO2分解成SiO，促進(jìn)了氮化硅粒子的均勻生長(zhǎng)，晶界組織變得堅(jiān)固。其結(jié)果是，氮化硅燒結(jié)體的材料性能提高，但是加工性降低。本實(shí)施方式中，為了提高氮化硅燒結(jié)體的加工性，Al成分優(yōu)選作為氧化物添加。
[0016]氮化硅燒結(jié)體含有R元素，R元素為選自稀土元素中的至少一種，以氧化物換算量計(jì)為I~5質(zhì)量％的范圍。R元素優(yōu)選為選自乾⑴、鑭(La)、鋪(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、欽(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)和镥(Lu)中的至少一種。R元 素的含量(氧化物換算量)小于I質(zhì)量％或大于5質(zhì)量％均會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)性降低，不能得到能夠作為耐磨部件使用的氮化硅燒結(jié)體。R元素的氧化物換算量表示將稀土元素R的量換算成R2O3而得到的值。作為燒結(jié)助劑的R元素成分(稀土元素成分)優(yōu)選作為R元素的氧化物添加。
[0017]另外,氮化硅烷結(jié)體含有M元素，M元素為選自IVA族元素、VA族元素和VIA族元素的至少一種，以氧化物換算量計(jì)為I~5質(zhì)量％的范圍。IVA族元素為鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)。VA族元素為釩(V)、鈮(Nb)、鉭(Ta)。VIA族元素為鉻(Cr)、鑰(Mo)、鎢(W)。M元素成分有助于強(qiáng)化Al成分和R元素成分形成的晶界相。由此，能夠調(diào)節(jié)氮化硅燒結(jié)體的韌性和硬度。若M元素的含量(氧化物換算量)小于I質(zhì)量％，則不能得到充分的添加效果，若大于5質(zhì)量％，則燒結(jié)性降低。作為M元素成分，優(yōu)選并用IVA族元素成分和VIA族元素成分。
[0018]IVA族元素的氧化物換算量表示將IVA族元素的量換算成Ti02、Zr02、Hf02而得到的值。VA族元素的氧化物換算量表示將VA族元素的量換算成V205、Nb2O5, Ta2O5而得到的值。VIA族元素的氧化物換算量表示將VIA族元素的量換算成Cr203、Mo03、W03而得到的值。作為燒結(jié)助劑的M元素成分優(yōu)選作為含有M元素的化合物添加。含有M元素的化合物優(yōu)選為選自氧化物、碳化物和氮化物中的至少一種。
[0019]在實(shí)施方式的氮化硅燒結(jié)體中，Al的含量(氧化物換算量)與R元素的含量(氧化物換算量)之比為2:1~5:1的范圍，且Al的含量(氧化物換算量)與M元素的含量(氧化物換算量)之比為2:1~10:1的范圍。Al成分和R元素成分構(gòu)成晶界相，M元素成分(IVA族元素成分、VA族元素成分、VIA族元素成分)強(qiáng)化晶界相。若Al的含量與R元素的含量之比超出上述范圍，則均會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度和燒結(jié)性降低。若M元素的含量相對(duì)于Al的含量之比(Μ/Al比)大于0.5，則氮化硅燒結(jié)體的加工性降低。若M元素的含量相對(duì)于Al的含量之比(Μ/Al比)小于0.1，則氮化硅燒結(jié)體的強(qiáng)度和韌性等降低，不能滿足作為耐磨部件的性能。Al的含量與M元素的含量之比(Μ/Al比)更優(yōu)選0.2~0.4的范圍。
[0020]實(shí)施方式的氮化硅燒結(jié)體除了上述必要成分以外，作為可選成分，還可以含有碳化硅(SiC)。SiC抑制液相的偏析，提高燒結(jié)性，同時(shí)有助于強(qiáng)化晶界相。由此，容易得到氮化硅燒結(jié)體作為目的的韌性和硬度等。SiC的含量?jī)?yōu)選I~5質(zhì)量％的范圍。若SiC的含量小于I質(zhì)量％，則不能得到充分的添加效果。若SiC的含量大于5質(zhì)量％，則燒結(jié)性降低。SiC為不與由Al成分和R成分形成的晶界相發(fā)生反應(yīng)的成分，因此，有利于強(qiáng)化晶界相。
[0021]為了調(diào)節(jié)氮化硅燒結(jié)體的韌性和硬度，構(gòu)成氮化硅燒結(jié)體的氮化硅晶粒的長(zhǎng)軸的平均粒徑優(yōu)選5μπι以上。如下所述，在1600~1900°C的范圍內(nèi)的溫度燒結(jié)的氮化硅燒結(jié)體中，一般來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)寬比為2以上的細(xì)長(zhǎng)粒子(β相)為主相。長(zhǎng)軸的平均粒徑小于5μπι的情況下，從α相型氮化硅U-Si3N4)轉(zhuǎn)化成β相型氮化硅(P-Si3N4)的反應(yīng)不充分，難以得到致密的燒結(jié)體組織。因此，得不到穩(wěn)定的強(qiáng)度性能，因此，氮化硅燒結(jié)體作為材料的可靠性降低。氮化硅晶粒的長(zhǎng)軸的平均粒徑優(yōu)選40 μ m以下。若氮化硅晶粒過(guò)大，則氮化硅燒結(jié)體的加工性提高，但是韌性和硬度降低。韌性和硬度的降低會(huì)導(dǎo)致氮化硅燒結(jié)體作為耐磨部件的耐久性降低。
[0022]另外，氮化硅燒結(jié)體優(yōu)選具有適量的晶界相。具體而言，在氮化硅燒結(jié)體的任意截面中，每單位面積IOOymXlOOym中存在的晶界相的面積比率優(yōu)選35~50%的范圍。若晶界相的面積比率小于35%，則氮化硅燒結(jié)體的加工性可能降低。若晶界相的面積比率大于50%，則加工性提高，但是氮化硅燒結(jié)體的韌性和硬度可能顯著降低，耐磨性降低。在100 μ mX 100 μ m的微小區(qū)域中，通過(guò)控制晶界相的面積比率，改善加工性、韌性、硬度的平衡。
[0023]晶界相的面積比 率如下測(cè)量。首先，得到氮化硅燒結(jié)體的任意截面。對(duì)該截面實(shí)施表面粗糙度Ra為I μπι以下的鏡面加工。為了明確氮化硅晶粒和晶界相的區(qū)域，對(duì)得到的鏡面進(jìn)行等離子體蝕刻處理。若進(jìn)行等離子體蝕刻處理，則氮化硅粒子和晶界相的刻蝕速率不同，因此，其中一方被除去部分較多。例如，在使用CF4的等離子體蝕刻中，與晶界相相比，氮化硅粒子的刻蝕速率高(容易被蝕刻)，因此氮化硅晶粒變成凹部，晶界相變成凸部。蝕刻處理也可以通過(guò)使用酸或堿的化學(xué)蝕刻實(shí)施。
[0024]使用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)觀察蝕刻處理后的鏡面。SEM圖像以1000倍以上的倍率拍攝。在SEM圖像中，能夠通過(guò)對(duì)比度的差區(qū)分氮化硅粒子和晶界相。通常，晶界相呈白色。通過(guò)進(jìn)行蝕刻處理，使對(duì)比度的差更加清晰。通過(guò)對(duì)SEM圖像進(jìn)行圖像解析，測(cè)量每單位面積中晶界相的面積比率。圖像解析可以采用通過(guò)對(duì)晶界相部分進(jìn)行彩色映射來(lái)進(jìn)行圖像解析的方法。圖2表示SEM圖像(10000倍)的一例。在圖2中，符號(hào)11為氮化硅粒子部分，符號(hào)12為晶界相部分。圖2是晶界相部分為凸部，氮化硅粒子部分為凹部的例子。對(duì)圖2的SEM圖像進(jìn)行圖像解析，晶界相的面積比為41%。如圖2所示，在一視野達(dá)不到單位面積(100 μ mX 100 μπι)的情況下，可以進(jìn)行多次拍攝，使總和為單位面積(100 μ mX 100 μ m)也可以。[0025]氮化硅燒結(jié)體的維氏硬度(Hv)優(yōu)選1000~1500的范圍。斷裂韌性值(Kle)優(yōu)選
4.5~6.5MPa ? m1/2的范圍。另外，氮化硅燒結(jié)體的可切削系數(shù)Mc優(yōu)選0.125~0.150的范圍?？汕邢飨禂?shù)Mc為由下式(I)算出的值。
[0026]Mc = Fn978/ (Klc1/2 ? Hv578) ? ? ? (I)
[0027]式(I)中，F(xiàn)n為壓痕載荷，在此為20kgf。20kgf的壓痕載荷Fn為適合測(cè)量氮化硅燒結(jié)體的硬度和韌性的值。維氏硬度(Hv)根據(jù)JIS-R-1610測(cè)量。斷裂韌性值(Kle)根據(jù)JIS-R-1607的壓痕斷裂法(IF法)測(cè)量。斷裂韌性值的計(jì)算使用新原的式子。對(duì)于下述軸承滾珠，使用其截面進(jìn)行測(cè)量。
[0028]若氮化硅燒結(jié)體的維氏硬度(Hv)小于1000，則硬度不足，作為耐磨部件的耐久性降低。若維氏硬度(Hv)大于1500，則氮化硅燒結(jié)體的加工性降低。斷裂韌性值(Klc)也一樣，若斷裂韌性值(Klc)小于4.5MPa*m1/2，則氮化硅燒結(jié)體作為耐磨部件的耐久性降低。若斷裂韌性值(Klc)大于6.5MPa ? m1/2，則氮化硅燒結(jié)體的耐久性提高，但是加工性降低。
[0029]本實(shí)施方式的氮化硅燒結(jié)體在維氏硬度(Hv)和斷裂韌性值(Klc)為上述范圍的基礎(chǔ)上，優(yōu)選可切削系數(shù)Mc為0.125~0.150的范圍?？汕邢飨禂?shù)Mc為表示使用壓痕載荷(Fn)、維氏硬度(Hv)和斷裂韌性值(Klc)的加工性的系數(shù)。它是橫向裂紋斷裂模型的關(guān)系式，Mc表示一粒磨粒除去的物質(zhì)量。意味著可切削系數(shù)Mc越大,一次可加工的量越大。
[0030]橫向裂紋斷裂模型是指作為磨削加工時(shí)的材料除去機(jī)制由Evans氏和Marshall氏提出的模型。該模型顯示:一個(gè)磨削磨粒通過(guò)材料表面時(shí)除去的物質(zhì)的量(AV)在將磨粒沿垂直方向壓入材料中的力Fn、維氏硬度(Hv)及斷裂韌性值(Kic)的關(guān)系中，與[Fn9/8/(Klc172 ? Hv578)]的值成比例。在此，將AV替換成可切削系數(shù)Me。
[0031]加工大體分為脆性模式和延性模式。脆性模式相當(dāng)于所謂的粗加工，延性模式相當(dāng)于所謂的精加工。一般認(rèn)為磨損相當(dāng)于延性模式，因此，為了滿足耐磨部件的要求性能，改善脆性模式的加工性而不降低延性模`式的加工性尤為重要。另外，作為磨損模型之一，一般考慮晶界產(chǎn)生微小的預(yù)制裂紋，其傳播導(dǎo)致材料表面破壞，發(fā)生磨損的機(jī)構(gòu)。
[0032]表示磨損模型的機(jī)械接觸程度的參數(shù)Sc.m由摩擦系數(shù)U、最大赫茲應(yīng)力Pmax、材料的結(jié)晶粒徑d、斷裂韌性值Kle通過(guò)下式表示。
[0033]Sc.m = [(I + 10 ? U ) ? Pmax ? (d1/2) ] /Klc
[0034]意味著參數(shù)Sc.m越大,磨損越大,參數(shù)Sc.m越小,磨損越小?？芍?通過(guò)減小材料的結(jié)晶粒徑d或增大斷裂韌性值Klc;，能夠抑制磨損。
[0035]考慮這些因素的情況下，可切削系數(shù)Mc優(yōu)選0.125~0.150的范圍。可切削系數(shù)Mc小于0.125的情況下，通過(guò)磨粒進(jìn)行的加工量少，因此,氮化硅燒結(jié)體的加工時(shí)間增加。若可切削系數(shù)Mc大于0.150，則通過(guò)磨粒進(jìn)行的氮化硅燒結(jié)體的加工量過(guò)大。若加工量大，則加工性提高，但是作為耐磨部件的耐久性降低。可切削系數(shù)Mc為0.125~0.150的范圍的氮化硅燒結(jié)體能夠保持作為耐磨部件的性能，同時(shí)能夠提高加工性，降低制造成本。
[0036]然后，說(shuō)明實(shí)施方式的氮化硅燒結(jié)體的制造方法。氮化硅燒結(jié)體的制造方法沒有特別限定，作為能夠有效得到具有上述性能等的氮化硅燒結(jié)體的方法，可以舉出如下所示的制造方法。
[0037]首先，準(zhǔn)備氮化硅粉末。氮化硅粉末優(yōu)選氧含量為4質(zhì)量％以下，含a相型氮化硅為85質(zhì)量％以上，平均粒徑為1.0 y m以下。若氧含量大于4質(zhì)量％，則成為導(dǎo)致燒結(jié)性降低的原因。氮化硅粉末在燒結(jié)過(guò)程中從球狀的α相相變并生長(zhǎng)成長(zhǎng)寬比為2以上的細(xì)長(zhǎng)的β相。細(xì)長(zhǎng)的β相復(fù)雜地纏結(jié)并隨機(jī)定向，從而形成具有預(yù)期韌性和硬度的氮化硅燒結(jié)體。若α相的比率小于85質(zhì)量％，則不足以得到這樣的氮化硅晶粒的纏結(jié)構(gòu)造。若氮化硅粉末的平均粒徑大于1.0 μ m，則氮化硅晶粒的長(zhǎng)軸徑可能過(guò)大。
[0038]作為燒結(jié)助劑，向這樣的氮化硅粉末中添加:A1氧化物粉末，2~10質(zhì)量％的范圍；稀土氧化物(R元素的氧化物)粉末，I~5質(zhì)量％的范圍；M元素的化合物粉末，I~5質(zhì)量％的范圍。燒結(jié)助劑的添加量(質(zhì)量％)為氮化硅粉末和燒結(jié)助劑粉末的總量為100質(zhì)量％時(shí)的比率。M元素的化合物粉末優(yōu)選為選自IVA族元素、VA族元素或VIA族元素的氧化物粉末、碳化物粉末和氮化物粉末中的至少一種。根據(jù)需要，在I~5質(zhì)量％的范圍內(nèi)添加SiC粉末。燒結(jié)助劑粉末的平均粒徑優(yōu)選2.0 μ m以下。特別是M元素的化合物粉末和SiC粉末的平均粒徑優(yōu)選1.5 μ m以下。M元素成分和SiC為強(qiáng)化晶界相的成分，因此，優(yōu)選粒徑較小。作為燒結(jié)助劑添加的Al成分如上所述，優(yōu)選為選自Al2O3和MgAl2O4中的至少一種。
[0039]混合上述的原料粉末制備原料混合物。原料混合物的制備工序優(yōu)選通過(guò)制備含有燒結(jié)助劑粉末的第一漿料，將該第一漿料和含有氮化硅粉末的第二漿料混合來(lái)實(shí)施。含有燒結(jié)助劑粉末的第一漿料優(yōu)選以作為分散性指標(biāo)的觸變指數(shù)(TI值)為I~2的范圍的方式進(jìn)行制備。通過(guò)使用TI值調(diào)節(jié)為I~2的范圍的漿料，抑制了燒結(jié)時(shí)主要由氧化物形成的晶界相的偏析，能夠?qū)庸っ尜x予均勻的加工性。
[0040]一般來(lái)說(shuō)，若通過(guò)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)連續(xù)提高剪切速度，則凝聚的流體中粘度降低。此時(shí)，剪切速度a和剪切速度b下的粘度η的比為TI值。即，TI值通過(guò)下式表示。
[0041]TI 值=η b/ η a
[0042]剪切速度a和b的值沒有特別限制，優(yōu)選設(shè)定TI值取I以上的值。TI值越接近1，越接近牛頓流體的動(dòng)作，意味著是未凝聚或凝聚極弱的高分散性漿料。在此，優(yōu)選以剪切速度a為6s — S剪切速度b為60s — 1時(shí)的TI值為I~2的范圍的方式制備含有燒結(jié)助劑粉末的漿料。
[0043]另外，向原料混合物中添加粘合劑。原料混合物與粘合劑的混合使用球磨機(jī)等，根據(jù)需要，一邊進(jìn)行粉碎或造粒一邊實(shí)施。將原料混合物成形成預(yù)期形狀。成形工序通過(guò)模壓或冷等靜壓(CIP)等實(shí)施。成形壓力優(yōu)選IOOMPa以上。將成形工序中得到的成形體脫月旨。脫脂工序優(yōu)選在300~600°C的范圍的溫度實(shí)施。脫脂工序在大氣中或非氧化性氛圍氣中實(shí)施，氛圍氣沒有特別限定。
[0044]然后，在1600~1900°C的范圍的溫度燒結(jié)脫脂工序中得到的脫脂體。若燒結(jié)溫度小于1600°C，則氮化硅晶粒的粒子生長(zhǎng)可能不充分。即，從α相型氮化硅轉(zhuǎn)換成β相型氮化硅的反應(yīng)不充分，可能得不到致密的燒結(jié)體組織。這種情況下，氮化硅燒結(jié)體作為材料的可靠性降低。若燒結(jié)溫度大于1900°C，則氮化硅晶粒的粒子過(guò)度生長(zhǎng)，加工性可能降低。燒結(jié)工序可以通過(guò)常壓燒結(jié)和加壓燒結(jié)中的任一方式實(shí)施。燒結(jié)工序優(yōu)選在非氧化性氛圍中實(shí)施。作為非氧化性氛圍，可以舉出:氮氛圍氣和氬氛圍氣。
[0045]燒結(jié)工序后，優(yōu)選在非氧化性氛圍中實(shí)施30MPa以上的熱等靜壓(HIP)處理。作為非氧化性氛圍，可以舉出:氮氛圍氣和氬氛圍氣。HIP處理溫度優(yōu)選1500~1900°C的范圍。通過(guò)實(shí)施HIP處理，能夠除去氮化硅燒結(jié)體內(nèi)的氣孔。若HIP處理壓力小于30MPa，則不能得到那樣充分的效果。
[0046]對(duì)這樣制成的氮化硅燒結(jié)體，在必要的位置實(shí)施研磨加工，制作耐磨部件。研磨加工優(yōu)選使用金剛石磨粒實(shí)施。實(shí)施方式的氮化硅燒結(jié)體具有良好的加工性，因此，能夠降低由氮化硅燒結(jié)體制作耐磨部件時(shí)的加工成本。實(shí)施方式的氮化硅燒結(jié)體具有例如0.125~0.150的范圍的可切削系數(shù)Mc，因此，能夠降低研磨加工時(shí)的成本。另外，根據(jù)上述氮化硅燒結(jié)體的制造方法，能夠?qū)⒖汕邢飨禂?shù)Mc調(diào)節(jié)為0.125~0.150的范圍。因此，能夠得到加工性提高的氮化硅燒結(jié)體。
[0047]實(shí)施方式的氮化硅燒結(jié)體適用于耐磨部件的形成材料。實(shí)施方式的耐磨部件具備上述實(shí)施方式的氮化硅燒結(jié)體。作為耐磨部件，可以舉出:軸承滾珠、滾筒、止回球、耐磨墊片、柱塞、輥?zhàn)拥?。耐磨部件具有相?duì)于由金屬或陶瓷等構(gòu)成的對(duì)象部件滑動(dòng)的滑動(dòng)面。為了提高滑動(dòng)面的耐久性，優(yōu)選進(jìn)行研磨加工使其平坦，使表面粗糙度Ra為0.1 Pm以下。滑動(dòng)面的表面粗糙度Ra更優(yōu)選0.05 ii m以下,進(jìn)一步優(yōu)選0.01 y m以下。
[0048]通過(guò)使耐磨部件的滑動(dòng)面平坦化，提高氮化硅燒結(jié)體的耐久性，同時(shí)對(duì)對(duì)象部件的沖擊性降低。通過(guò)降低對(duì)對(duì)象部件的沖擊性，能夠減少對(duì)象部件的消耗。因此，能夠提高裝配有耐磨部件的裝置的耐久性。特別是實(shí)施方式的氮化硅燒結(jié)體適用于軸承滾珠那樣對(duì)整個(gè)表面進(jìn)行研磨加工的耐磨部件。即使在對(duì)氮化硅燒結(jié)體的整個(gè)表面進(jìn)行研磨加工的情況下，由于實(shí)施方式的氮化硅燒結(jié)體具有良好的加工性，依然能夠降低軸承滾珠那樣的耐磨部件的制作成本。
[0049]圖1表示實(shí)施方式的軸承的結(jié)構(gòu)。圖1所示的軸承I具有:由上述實(shí)施方式的氮化硅燒結(jié)體構(gòu)成的多個(gè)軸承滾珠2、支承這些軸承滾珠2的內(nèi)環(huán)3和外環(huán)4。內(nèi)環(huán)3和外環(huán)4相對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心呈同心狀配置。基本結(jié)構(gòu)與普通軸承同樣。內(nèi)環(huán)3和外環(huán)4由例如JIS-G-4805規(guī)定的SUJ2等軸承鋼形成。
[0050]由實(shí)施方式的氮化硅烷結(jié)體構(gòu)成的軸承滾珠2優(yōu)選用于風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)用軸承。風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)為用于對(duì)電腦等電子設(shè)備進(jìn)行冷卻的裝置。在電子設(shè)備用風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)中，工作中對(duì)軸承施加的負(fù)載與一般的工程機(jī)械相`比非常小。一般對(duì)風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)用軸承施加的負(fù)載為5GPa以下，甚至為2GPa以下。這樣的低負(fù)載的情況下，對(duì)由氮化硅燒結(jié)體制成的軸承滾珠要求的耐久性低。因此，與耐久性相比，在提高加工性，降低成本方面的優(yōu)勢(shì)更大。
[0051]實(shí)施方式的耐磨部件適用于工作時(shí)的負(fù)載為5GPa以下的軸承滾珠。另外，由氮化硅燒結(jié)體制成的軸承滾珠在最大接觸壓力為5.lGPa，轉(zhuǎn)速為1200rpm的條件下通過(guò)推力型軸承試驗(yàn)機(jī)測(cè)量滾動(dòng)壽命時(shí)，具有400小時(shí)以上的滾動(dòng)壽命即可。根據(jù)實(shí)施方式的氮化硅燒結(jié)體，能夠滿足這樣的滾動(dòng)壽命。
[0052]實(shí)施例
[0053]然后，敘述具體實(shí)施例及其評(píng)價(jià)結(jié)果。
[0054](實(shí)施例1~7、比較例I~2)
[0055]準(zhǔn)備氧含量為1.0質(zhì)量％，平均粒徑為0.7 iim，a相的比例為90質(zhì)量％(其余為3相)的氮化硅粉末。作為燒結(jié)助劑，準(zhǔn)備Al2O3粉末(平均粒徑1.2 ii m)、A1N粉末(平均粒徑1.2 ii m) ,Y2O3粉末(平均粒徑1.5 ii m) ,HfO2粉末(平均粒徑0.8 y m) ,Mo2C粉末(平均粒徑0.7 y m)和SiC粉末(平均粒徑0.7 y m)。將這些原料粉末按照表1的比例混合。原料粉末的混合通過(guò)將含有燒結(jié)助劑粉末的漿料和含有氮化硅粉末的漿料混合來(lái)實(shí)施。含有燒結(jié)助劑粉末的漿料的分散系數(shù)(TI值)如表2所示。關(guān)于比較例2，不實(shí)施預(yù)分散。向原料混合物中添加粘合劑，使用球磨機(jī)進(jìn)行混合。
[0056]將原料混合物通過(guò)模壓成形成球體。將成形體干燥后，在450°C進(jìn)行脫脂。將脫脂體在氮氛圍氣中1700°C X6小時(shí)的條件下進(jìn)行燒結(jié)。對(duì)得到的燒結(jié)體實(shí)施HIP處理。HIP處理在80MPa的壓力下1600°C X I小時(shí)的條件下實(shí)施。對(duì)這樣得到的氮化硅燒結(jié)體測(cè)量氮化硅晶粒的長(zhǎng)軸的平均粒徑、晶界相的面積比率、維氏硬度、斷裂韌性值。
[0057]氮化硅晶粒的長(zhǎng)軸的平均粒徑如下測(cè)量。在氮化硅燒結(jié)體的任意截面中，拍攝單位面積ΙΟΟμηιΧΙΟΟμηι的放大照片(SEM照片)，將在此拍攝的氮化娃粒子的最長(zhǎng)對(duì)角線(虛擬圓)作為最大直徑進(jìn)行測(cè)量。進(jìn)行該操作，直到達(dá)到50粒，將其平均值作為氮化硅晶粒的長(zhǎng)軸的平均粒徑。維氏硬度在壓痕載荷20kgf下按照J(rèn)IS-R-1610進(jìn)行。斷裂韌性值(Kic)按照J(rèn)IS-R-1607的壓痕斷裂法(IF法)測(cè)量，通過(guò)新原的式子求出。由維氏硬度和斷裂韌性值求解可切削系數(shù)Me。例如，實(shí)施例1的可切削系數(shù)由壓痕載荷Fn = 20kgf、維氏硬度 Hv = 1427、斷裂韌性值 Kle = 5.5MPa *m1/2 通過(guò)式[Mc = 209/8/ (5.51/2.14275/8)]算出。晶界相的面積比率通過(guò)在對(duì)任意截面進(jìn)行鏡面加工(表面粗糙度Ra0.1 μ m)后，利用SEM觀察等離子體蝕刻處理實(shí)施后的面，對(duì)得到的SEM照片進(jìn)行圖像解析來(lái)求出。其結(jié)果如表3所示。
[0058][ 表 I]
[0059]
【權(quán)利要求】
1.氮化硅燒結(jié)體，其含有:鋁，以氧化物換算量計(jì)為2~10質(zhì)量％的范圍；R元素，為選自稀土元素中的至少一種，以氧化物換算量計(jì)為I~5質(zhì)量％的范圍；M元素,為選自IVA族元素、VA族元素和VIA族元素中的至少一種，以氧化物換算量計(jì)為I~5質(zhì)量％的范圍；其特征在于，
所述鋁的含量與所述R元素的含量之比以氧化物換算量計(jì)為2:1~5:1的范圍，且所述鋁的含量與所述M元素的含量之比以氧化物換算量計(jì)為2:1~10:1的范圍。
2.如權(quán)利要求1所述的氮化硅燒結(jié)體，其特征在于， 所述氮化硅燒結(jié)體的維氏硬度(Hv)為1000~1500的范圍，斷裂韌性值(Klc)為4.5~6.5MPa ? m1/2 的范圍， 壓痕載荷Fn為20kgf時(shí)，
由式:Mc = Fn978/ (Klc172 ? Hv578) 算出的可切削系數(shù)Mc為0.125~0.150的范圍。
3.如權(quán)利要求1所述的氮化硅燒結(jié)體，其特征在于， 含有碳化硅I~5質(zhì)量％的范圍。
4.如權(quán)利要求1所述的氮化硅燒結(jié)體，其特征在于， 構(gòu)成所述氮化硅燒結(jié)體的氮化硅晶粒的長(zhǎng)軸的平均粒徑為5 以上。
5.如權(quán)利要求1所述的氮化硅燒結(jié)體，其特征在于， 在所述氮化硅燒結(jié)體的任意截面中，每單位面積100 u mX 100 u m中存在的晶界相的面積比率為35~50%的范圍。
6.耐磨部件，具備權(quán)利要求1所述的氮化硅燒結(jié)體。
7.如權(quán)利要求6所述的耐磨部件，其特征在于， 對(duì)所述氮化硅燒結(jié)體的滑動(dòng)面進(jìn)行研磨加工，使表面粗糙度Ra為0.1 y m以下。
8.如權(quán)利要求6所述的耐磨部件，其特征在于， 所述耐磨部件為軸承滾珠。
9.如權(quán)利要求8所述的耐磨部件，其特征在于， 所述軸承滾珠用于風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)用軸承。
10.如權(quán)利要求8所述的耐磨部件，其特征在于， 所述軸承滾珠的滾動(dòng)壽命在最大接觸壓力為5.lGPa，轉(zhuǎn)速為1200rpm的條件下通過(guò)推力型軸承試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，為400小時(shí)以上。
11.軸承，其特征在于，具備由權(quán)利要求1所述的氮化硅燒結(jié)體構(gòu)成的軸承滾珠。
12.氮化硅燒結(jié)體的制造方法，其特征在于，具備如下各工序: 準(zhǔn)備氧含量為4質(zhì)量％以下、含a相型氮化硅為85質(zhì)量％以上、平均粒徑為I m以下的氮化硅粉末； 向所述氮化硅粉末中添加:氧化鋁粉末，為2~10質(zhì)量％的范圍；R元素的氧化物粉末，R元素為選自稀土元素中的至少一種，為I~5質(zhì)量％范圍；含有M元素的化合物粉末，M元素為選自IVA族元素、VA族元素和VIA族元素中的至少一種，為I~5質(zhì)量％的范圍，從而制備原料混合物； 將所述原料混合物成形成預(yù)期的形狀，得到成形體； 將所述成形體脫脂，得到脫脂體；以及在1600~1900°C的范圍的溫度燒結(jié)所述脫脂體，得到燒結(jié)體。
13.如權(quán)利要求12所述的氮化硅燒結(jié)體的制造方法，其特征在于， 還向所述氮化硅粉末中添加碳化硅粉末I~5質(zhì)量％的范圍。
14.如權(quán)利要求12所述的氮化硅燒結(jié)體的制造方法，其特征在于， 還具備以下工序:對(duì)所述燒結(jié)體在非氧化性氛圍氣中30MPa以上的壓力下實(shí)施熱等靜壓處理。
15.如權(quán)利要求12所述的氮化硅燒結(jié)體的制造方法， 制備含有所述氧化鋁粉末、所述R元素的氧化物粉末以及含有所述M元素的化合物粉末的第一漿料，使觸變指數(shù)為I~2的范圍，將所述第一漿料和含有所述氮化硅粉末的第二衆(zhòng)料混合，制備所述原料混合物。`
【文檔編號(hào)】F16C33/32GK103764596SQ201280043049
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2012年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月5日
【發(fā)明者】青木克之, 小松通泰, 船木開, 山口晴彥 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝, 東芝高新材料公司