窒化珪素焼結体とそれを用いた摺動部材
【課題】窒化ケイ素焼結体の強度や摺動特性の低下を抑制しつつ、加工性を向上させて製造コストの低減を図る。
【解決手段】窒化珪素焼結体は、窒化珪素結晶粒子と、２質量％以上１５質量％以下の範囲の焼結助剤成分とを含有する、窒化珪素焼結体を構成する窒化珪素結晶粒子は、短径Ｓに対する長径Ｌの比（Ｌ／Ｓ比）が５以上の針状結晶粒子を面積比で１０％以上含む。このような針状結晶粒子はＬ／Ｓ比の平均値が６〜８の範囲で、Ｌ／Ｓ比の標準偏差が０．８以上である。窒化珪素焼結体は例えばベアリングボール２として用いられる。
【解決手段】窒化珪素焼結体は、窒化珪素結晶粒子と、２質量％以上１５質量％以下の範囲の焼結助剤成分とを含有する、窒化珪素焼結体を構成する窒化珪素結晶粒子は、短径Ｓに対する長径Ｌの比（Ｌ／Ｓ比）が５以上の針状結晶粒子を面積比で１０％以上含む。このような針状結晶粒子はＬ／Ｓ比の平均値が６〜８の範囲で、Ｌ／Ｓ比の標準偏差が０．８以上である。窒化珪素焼結体は例えばベアリングボール２として用いられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化珪素焼結体とそれを用いた摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
摺動部材は、例えば軸受部材、圧延用等の各種ロール材、コンプレッサ用ベーン、ガスタービン翼、カムローラのようなエンジン部品等、各種の分野で使用されている。このような摺動部材には、軽量で高強度のセラミックス材料が用いられるようになってきている。特に、窒化珪素焼結体は機械的強度や耐摩耗性に優れることから、ベアリングボール等の軸受部材への適用が進められている。
【０００３】
窒化珪素焼結体を用いたベアリングボール等の軸受部材に関しては、例えば焼結体組成（焼結助剤の種類や添加量等）の制御、焼結体中での各助剤成分の形態制御、窒化珪素結晶粒子の形態制御等に基づいて、機械的強度や転がり寿命に代表される耐摩耗性を向上させることが提案されている（特許文献１，２参照）。例えば、特許文献１には平均粒径が０．１μｍ以下のＴｉＮ粒子を含有させることによって、耐摩耗性を向上させた窒化珪素焼結体が記載されている。特許文献２には短径Ｓに対する長径Ｌの比（Ｌ／Ｓ）が２以上の針状窒化珪素結晶粒子を面積比で５０％以上含む窒化珪素焼結体が記載されている。
【０００４】
ＨＤＤやＤＶＤ等のディスク媒体を有する電子機器においては、スピンドルモータ等の回転駆動装置により回転軸を高速回転させ、この回転軸に装着された各種ディスクを機能させている。このような高速回転させる回転軸の軸受に、窒化珪素焼結体製のベアリングボールを適用することが試みられている。機械的強度や耐摩耗性等を向上させた窒化珪素焼結体製のベアリングボールによれば、上記したような電子機器等で回転軸を高速回転させる場合においても信頼性に優れる回転駆動を実現することができる。
【０００５】
しかしながら、窒化珪素焼結体は難加工性の材料であるため、ベアリングボール等への加工が難しく、加工コストの増大、ひいてはベアリングボールの製造コストの増大が避けられないという問題を有している。このため、窒化珪素焼結体の転がり寿命に代表される摺動特性をあまり低下させることなく、窒化珪素焼結体の加工性を向上させることによって、窒化珪素焼結体製のベアリングボール等の摺動部材の製造コストを低減することが求められている。すなわち、窒化珪素焼結体製の軸受部材の摺動特性と製造コストの低減とを両立させることが望まれている。
【特許文献１】特開２００４−００２０６７号公報
【特許文献２】特開２００６−０３６５５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、強度や転がり寿命に代表される摺動特性の低下を抑制しつつ、加工性を向上させて製造コストの低減を図ることを可能にした窒化珪素焼結体とそれを用いた摺動部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の態様に係る窒化珪素焼結体は、窒化珪素結晶粒子と、２質量％以上１５質量％以下の範囲の焼結助剤成分とを含有する窒化珪素焼結体であって、前記窒化珪素結晶粒子は、短径Ｓに対する長径Ｌの比（Ｌ／Ｓ比）が５以上の針状結晶粒子を面積比で１０％以上含み、かつ前記針状結晶粒子のＬ／Ｓ比の平均値が６〜８の範囲で、標準偏差が０．８以上であることを特徴としている。本発明の態様に係る摺動部材は、本発明の態様に係る窒化珪素焼結体を具備することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の態様に係る窒化珪素焼結体は、針状の窒化珪素結晶粒子の形状ばらつきを制御し、加工時に脱粒を生じさせやすくしているため、強度や摺動特性の低下を抑制しつつ加工性を向上させている。従って、強度や摺動特性等の特性と低コスト性とを両立させた窒化珪素焼結体、さらに窒化珪素焼結体からなる摺動部材を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。本発明の実施形態による窒化珪素焼結体は、窒化珪素を主成分とすると共に、２〜１５質量％の範囲の焼結助剤成分を含有するものである。焼結助剤成分は少なくとも希土類元素とアルミニウムを含むことが好ましい。希土類元素やアルミニウムは、例えばＳｉ―Ｒ―Ａｌ―Ｏ―Ｎ化合物（Ｒ：希土類元素）からなる粒界相を形成し、これにより焼結体の緻密化等に寄与する。窒化珪素焼結体は窒化珪素結晶粒子と粒界相とから主として構成されるものである。
【００１０】
焼結助剤成分としての希土類元素は特に限定されるものではないが、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、サマリウム（Ｓｍ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、エルビウム（Ｅｒ）等のランタノイド元素を適用することが好ましい。希土類元素の含有量は１〜６質量％の範囲であることが好ましい。希土類元素の含有量が１質量％未満であると、窒化珪素焼結体を十分に緻密化することができないおそれがある。希土類元素の含有量が６質量％を超えると、窒化珪素焼結体中の粒界相の量が過剰となるため、強度等の機械的特性が低下する。希土類元素は例えば酸化物、窒化物、硼化物、炭化物、珪化物等として添加される。
【００１１】
焼結助剤成分としてのアルミニウムは、希土類元素の焼結促進剤としての機能を助長する役割を果たすものであり、例えば酸化アルミニウムや窒化アルミニウム等として添加される。アルミニウムの含有量は０．５〜６質量％の範囲であることが好ましい。アルミニウムの含有量が０．５質量％未満であると、窒化珪素焼結体の緻密化が不十分となるおそれがある。アルミニウムの含有量が６質量％を超えると粒界相が増加するだけでなく、アルミニウムが窒化珪素結晶粒中に固溶することで熱伝導率等が低下するおそれがある。
【００１２】
窒化珪素焼結体は希土類元素とアルミニウム以外の焼結助剤成分を含んでいてもよい。それらを含めて焼結助剤成分の総含有量は２〜１５質量％の範囲とする。焼結助剤成分の総含有量が２質量％未満であると、窒化珪素焼結体を十分に緻密化することができない。焼結助剤成分の総含有量が１５質量％を超えると、窒化珪素焼結体が本来有する機械的強度や耐摩耗性等の特性が低下する。なお、各元素の含有量は窒化珪素焼結体を溶かした後にＩＣＰで化学分析して測定することができる。
【００１３】
窒化珪素焼結体は、さらにチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、およびクロム（Ｃｒ）から選ばれる少なくとも１種の金属元素Ｍを、金属元素の単体または金属元素の化合物として含んでいてもよい。これら金属元素Ｍの含有量は０．０１〜５質量％の範囲とすることが好ましい。金属元素Ｍは酸化物、炭化物、窒化物、珪化物、硼化物等の化合物（Ｍ化合物）として窒化珪素焼結体に添加される。
【００１４】
金属元素Ｍの化合物（Ｍ化合物）は焼結助剤や各種機械的特性の向上剤として機能する。例えば、Ｍ化合物を窒化珪素焼結体中に分散させることで分散強化効果を得ることができる。これによって、窒化珪素焼結体の機械的強度や転がり寿命等を向上させることが可能となる。金属元素Ｍの含有量は０．０１〜５質量％の範囲とすることが好ましい。金属元素Ｍの含有量が５質量％を超えると、逆に機械的強度や転がり寿命等が低下するおそれがある。金属元素Ｍの含有量の下限値は必ずしも規定されるものではないが、有効な添加効果を得る上で０．０１質量％以上とすることが好ましい。
【００１５】
窒化珪素焼結体の結晶構造に関しては、窒化珪素結晶粒子のβ化率が９５％以上であることが好ましい。さらに、窒化珪素結晶粒子は短径Ｓに対する長径Ｌの比（Ｌ／Ｓ比（アスペクト比））が５以上である針状結晶粒子を、窒化珪素焼結体の結晶組織内に面積比で１０％以上有している。このように、Ｌ／Ｓ比（アスペクト比）が大きい針状の窒化珪素結晶粒子の比率を高めることによって、針状粒子の絡み合いにより窒化珪素焼結体を高密度化並びに高強度化することができる。
【００１６】
Ｌ／Ｓ比（アスペクト比）が５以上の針状窒化珪素結晶粒子の比率が１０％未満であると、針状粒子の絡み合いによる窒化珪素焼結体の高強度化効果を十分に得ることができない。ただし、そのような針状窒化珪素結晶粒子の比率が高くなりすぎると、針状結晶粒子の絡み合い構造が複雑になって、後述する窒化珪素結晶粒子の脱粒が生じにくくなると共に、ボイドが発生しやすくなって摺動特性が低下するおそれがある。このため、Ｌ／Ｓ比が５以上の針状窒化珪素結晶粒子の比率は５０％以下であることが好ましい。
【００１７】
また、Ｌ／Ｓ比（アスペクト比）が５以上の針状窒化珪素結晶粒子の大きさに関しては、窒化珪素結晶粒子の中に異常成長した針状結晶粒子が存在している場合であっても、その長径Ｌは４０μｍ以下であることが好ましい。長径Ｌが４０μｍを超える針状窒化珪素結晶粒子が存在していると、窒化珪素焼結体の表面性状を低下させる要因となり、これにより転がり寿命に代表される摺動特性が低下しやすくなる。Ｌ／Ｓ比が５以上の針状窒化珪素結晶粒子の長径Ｌの下限値は特に限定されるものではないが、窒化珪素焼結体の高密度化や高強度化等を図る上で２μｍ以上であることが好ましい
【００１８】
ところで、窒化珪素焼結体の高密度化や高強度化等を図るだけであれば、針状窒化珪素結晶粒子の形状を揃えることが好ましい。ただし、このような形態では窒化珪素焼結体の加工性が低下し、ベアリングボール等の摺動部材を低コスト化することができない。そこで、この実施形態の窒化珪素焼結体では、結晶組織内に存在するＬ／Ｓ比が５以上の針状窒化珪素結晶粒子のＬ／Ｓ比（アスペクト比）の標準偏差を０．８以上に制御している。Ｌ／Ｓ比の平均値は６〜８の範囲の範囲に制御している。
【００１９】
針状窒化珪素結晶粒子のＬ／Ｓ比の標準偏差が０．８以上であるということは、針状窒化珪素結晶粒子のＬ／Ｓ比にばらつきが生じていることを意味する。すなわち、この実施形態の窒化珪素焼結体はＬ／Ｓ比が５以上の範囲内において、Ｌ／Ｓ比が５に近い針状窒化珪素結晶粒子からＬ／Ｓ比が十分に大きい針状窒化珪素結晶粒子までを有している。このように、Ｌ／Ｓ比が大きい針状の窒化珪素結晶粒子のＬ／Ｓ比にばらつきを持たせることによって、窒化珪素焼結体に加工を施したときに脱粒が生じやすくなる。
【００２０】
針状窒化珪素結晶粒子のＬ／Ｓ比の標準偏差が小さい場合（０．８未満）、窒化珪素焼結体の結晶組織内で針状窒化珪素結晶粒子が密に絡み合いすぎることによって、加工時に脱粒が生じにくくなる。これに対して、針状窒化珪素結晶粒子のＬ／Ｓ比の標準偏差が０．８以上とばらつきが比較的大きい場合には、窒化珪素結晶粒子の絡み合いがＬ／Ｓ比の差に基づいて適度に緩和されることから、加工時に窒化珪素結晶粒子が脱粒しやすくなる。これによって、窒化珪素焼結体の加工コストを低減することが可能となる。
【００２１】
具体的には、窒化珪素焼結体と研磨板とを同方向に回転させ、平均粒径が６μｍのダイヤモンド砥粒を塗布しつつ、８Ｎ／ｍｍ2以上の荷重によりラップ加工したときに、粒径が５μｍ以上の脱粒を生じさせることができる。これによって、窒化珪素焼結体をベアリングボール等に加工する際のコストを低減することが可能となる。なお、Ｌ／Ｓ比が５未満の針状窒化珪素結晶粒子は、加工時の脱粒にあまり影響を及ぼさないことから、Ｌ／Ｓ比が５以上の針状窒化珪素結晶粒子のＬ／Ｓ比の標準偏差を規定している。
【００２２】
針状窒化珪素結晶粒子のＬ／Ｓ比の平均値に関しては、上述したように６〜８の範囲の範囲に制御する。Ｌ／Ｓ比の平均値が６未満であると、窒化珪素焼結体の強度や硬度等が低下しやすくなると共に、Ｌ／Ｓ比にばらつきが生じにくくなる。また、Ｌ／Ｓ比の平均値が８を超えると、窒化珪素焼結体の摺動特性等が低下しやすくなる。これではＬ／Ｓ比の標準偏差を０．８以上とすることができたとしても、窒化珪素焼結体の強度や摺動特性等の特性と低コスト性とを両立させることができない。
【００２３】
言い換えると、Ｌ／Ｓ比が５以上の針状窒化珪素結晶粒子を面積比で１０％以上含み、かつそのＬ／Ｓ比の平均値が６〜８の範囲で、標準偏差が０．８以上である窒化珪素焼結体は、強度や摺動特性等の特性と低コスト性とを両立させることを可能にしたものであり、ベアリングボール等の摺動部材の形成素材として好適なものということができる。なお、Ｌ／Ｓ比が５以上の針状窒化珪素結晶粒子のＬ／Ｓ比の最大値は１５以下であることが好ましい。その場合のＬ／Ｓ比の最小値は５である。
【００２４】
窒化珪素結晶粒子の長径Ｌ、短径Ｌ、Ｌ／Ｓ比（アスペクト比）、針状結晶粒子の比率（面積比）は以下のようにして測定するものとする。まず、窒化珪素焼結体の任意の４箇所の表面もしくは断面をエッチングして助剤成分を溶出させた後に拡大写真を撮り、各拡大写真に存在する各窒化珪素結晶粒子の長径Ｌと短径Ｓを測定する。これらの測定結果からＬ／Ｓ比が５以上の針状結晶粒子を選択し、それらの合計面積を求める。この針状結晶粒子の合計面積が測定面積に占める面積率を算出する。各測定面の面積率の平均値を針状結晶粒子の面積比（％）とする。拡大写真は１０００倍以上とすることが好ましい。
【００２５】
さらに、Ｌ／Ｓ比の平均値と標準偏差は、上記した拡大写真で選択したＬ／Ｓ比が５以上の針状結晶粒子のＬ／Ｓ比をそれぞれ特定し、Ｌ／Ｓ比に応じて針状結晶粒子を分類する。Ｌ／Ｓ比に応じて分類した針状結晶粒子の個数をそれぞれ求める。これらの値を統計処理することによって、Ｌ／Ｓ比の平均値ｘと標準偏差σを求める。Ｌ／Ｓ比の平均値ｘは下記の（１）式から求め、標準偏差σは下記の（２）式から求める。
ｘ＝｛Σ（Ｌ／Ｓ比×個数）｝／個数 …（１）
σ＝［Σ｛（（Ｌ／Ｓ比×個数）／個数）−ｘ）2｝／（個数−１）］1/2 …（２）
【００２６】
表１に実施例による窒化珪素焼結体中に存在するＬ／Ｓ比が５以上の針状結晶粒子のＬ／Ｓ比の平均値と標準偏差を実際に測定した結果（後述する実施例９に相当）を示す。表１におけるＬ／Ｓ比が５以上の針状結晶粒子の面積比は５０％、Ｌ／Ｓ比の平均値は６．８、標準偏差は１．３である。また、後述する比較例１による窒化珪素焼結体中に存在するＬ／Ｓ比が５以上の針状結晶粒子のＬ／Ｓ比を実測した結果、Ｌ／Ｓ比が５以上の針状結晶粒子の面積比は５％、Ｌ／Ｓ比の平均値は３．５、標準偏差は０．６であった。
【００２７】
【表１】
【００２８】
これらの結果から明らかなように、Ｌ／Ｓ比が５以上の針状結晶粒子を面積比で１０％以上有する窒化珪素結晶粒子を具備する窒化珪素焼結体において、Ｌ／Ｓ比が５以上の針状結晶粒子の標準偏差が０．８以上であるということは、Ｌ／Ｓ比のばらつきが大きいことを意味することが分かる。このような窒化珪素焼結体によれば、加工時に脱粒が生じやすくなるため、ベアリングボール等への加工コストを低減することが可能となる。
【００２９】
この実施形態の窒化珪素焼結体は、例えば２９０ＧＰａ以上のヤング率を有している。これによって、加工性を向上させた窒化珪素焼結体の強度や摺動特性の低下を抑制することができる。窒化珪素焼結体は、さらにビッカース硬さＨｖが１３００〜１５００の範囲の硬度、破壊靭性値が６．０ＭＰａ・ｍ1/2以上の靭性、３点曲げ強度が７００ＭＰａ以上の抗折強度を満足するものである。このような特性を有する窒化珪素焼結体によれば、摺動部材の耐久性や信頼性を高めることができる。
【００３０】
ヤング率は曲げ共振法により測定した値を示す。ビッカース硬度はＪＩＳ−Ｒ−１６１０で規定された測定法に基づいて、試験荷重１９８．１Ｎで試験を行った結果を示す。破壊靭性値はＪＩＳ−Ｒ−１６０７で規定されたＩＦ法に基づいて測定し、ｎｉｉｈａｒａの式により算出する。圧砕強度は旧ＪＩＳ規格Ｂ１５０１に準じて、インストロン試験機で圧縮加重をかけて破壊時の荷重を測定した結果を示すものである。
【００３１】
上述した実施形態の窒化珪素焼結体は、例えば以下のようにして作製される。まず、窒化珪素粉末を用意する。窒化珪素粉末は不純物陽イオン元素の含有量が０．３質量％以下、酸素含有量が１．５質量％以下で、かつα相型窒化珪素を９０質量％以上含むことが好ましい。さらに、窒化珪素粉末の平均粒径は０．４〜１．０μｍの範囲であることが好ましい。このような窒化珪素粉末に対して、希土類化合物粉末、アルミニウム化合物粉末、さらに必要に応じてＭ化合物粉末（または金属粉末）を所定量添加する。焼結助剤等の添加剤粉末の平均粒径は０．６〜１．２μｍの範囲であることが好ましい。
【００３２】
次に、上記した各粉末を粉砕しつつ混合して原料混合粉末を調製する。原料混合粉末に有機バインダや分散媒等を加えて混合した後、一軸プレス、ラバープレス、ＣＩＰ（コールドアイソスタティックプレス）等の公知の成形法を適用して所望の形状に成形する。次いで、成形体に脱脂処理を施した後、窒素雰囲気やＡｒ雰囲気等の不活性雰囲気中で焼結して窒化珪素焼結体を作製する。
【００３３】
焼結工程には、常圧焼結、雰囲気加圧焼結、加圧焼結（ホットプレス）、ＨＩＰ（ホットアイソスタティックプレス）等の様々な焼結方法が適用可能である。さらに、常圧焼結や雰囲気加圧焼結後にＨＩＰ処理を行う等、複数の方法を組合せてもよい。特に、窒化珪素焼結体をベアリングボールのような軸受部材に適用する場合には、常圧焼結または雰囲気加圧焼結後にＨＩＰ処理を行うことが有効である。
【００３４】
ここで、Ｌ／Ｓ比が５以上の針状窒化珪素結晶粒子を面積比で１０％以上含み、かつそのＬ／Ｓ比の平均値が６〜８の範囲で、標準偏差が０．８以上である窒化珪素焼結体を得る上で、焼結工程の条件を以下のように制御することが好ましい。すなわち、常圧焼結や雰囲気加圧焼結は１７００〜１９００℃の温度で２〜８時間の条件下で実施することが好ましい。ＨＩＰ処理は５０〜１００ＭＰａの圧力下で１６００〜１８００℃の温度で１〜２時間保持することにより行うことが好ましい。このように、窒化珪素焼結体の焼結工程を窒化珪素結晶粒子の粒成長を促進するような条件下で実施することによって、針状窒化珪素結晶粒子のＬ／Ｓ比にばらつきを持たせた窒化珪素焼結体を得ることができる。
【００３５】
この実施形態の窒化珪素焼結体は、軸受部材、圧延用等の各種ロール材、コンプレッサ用ベーン、ガスタービン翼、カムローラのようなエンジン部品等の摺動部材に好適である。これらのうちでも、特にベアリングボールのような軸受部材（転動体）に有効である。なお、上述した実施形態の窒化珪素焼結体は、これら以外にヒータカバーや切削工具等としても使用することができる。本発明の実施形態による摺動部材としては、上述した実施形態の窒化珪素焼結体からなるベアリングボール、ローラ、コンプレッサ用ベーン、ガスタービン翼、カムローラ等が挙げられる。
【００３６】
図１は本発明の実施形態によるベアリングボールを適用したベアリングを示している。図１に示すベアリング１は、上述した実施形態の窒化珪素焼結体からなる複数のベアリングボール２と、これらベアリングボール２を支持する内輪３および外輪４とを有している。内輪３と外輪４は回転中心に対して同心状に配置されている。基本構成は通常のベアリングと同様である。内輪３や外輪４はＪＩＳ−Ｇ−４８０５で規定されるＳＵＪ２等の軸受鋼で形成することが好ましく、これにより信頼性のある高速回転が得られる。
【００３７】
この実施形態のベアリングボール２は１００Ｎ／ｍｍ2以上の２球圧砕強度を示す。また、スラスト型軸受試験機を用いて最大接触圧力５．９ＭＰａ、回転数１２００ｒｐｍ、相手材がＳＵＪ２鋼製平板の条件下で転がり寿命を測定したときに、３００時間以上の転がり寿命を示す。従って、ベアリング１を装着した回転軸を高速回転させる場合においても、耐久性や信頼性を良好に維持することができる。また、ベアリングボール２として使用する場合、ＪＩＳ規格で定められた表面粗さを得るために表面研磨加工を施すが、この際に良好な加工性を得ることができる。従って、耐久性に優れるベアリングボール２を低コストで提供することが可能となる。
【実施例】
【００３８】
次に、本発明の具体的な実施例およびその評価結果について述べる。
【００３９】
（実施例１）
酸素含有量が１．３質量％、平均粒径が０．７μｍの窒化珪素粉末を用意した。この窒化珪素粉末に対して、焼結助剤として平均粒径が０．８μｍの酸化イットリウム粉末を２質量％、平均粒径が０．９μｍの酸化アルミニウム粉末を２質量％、平均粒径が０．７μｍの窒化アルミニウム粉末を２質量％、平均粒径が１μｍの酸化チタン粉末を１質量％の割合で添加し、これらを湿式混合した後に乾燥して原料混合粉末を調製した。
【００４０】
次に、上記した原料混合粉末に有機バインダを所定量添加して混合した後、ＣＩＰ法で成形体を作製した。得られた成形体を空気気流中で脱脂した後、０．１Ｐａの真空雰囲気下で１２００℃まで昇温し、この温度で窒素ガスを０．７ＭＰａとなるまで導入した。この状態で１８００℃まで昇温して雰囲気加圧焼結した。焼結時間は６時間とした。さらに、この焼結体に対して１００ＭＰａの圧力下で１７００℃×１ｈの条件でＨＩＰ処理を施すことによって、目的とする窒化珪素焼結体を得た。得られた窒化珪素焼結体はＹを２質量％、Ａｌを２質量％、Ｔｉを１質量％含むものである。
【００４１】
得られた窒化珪素焼結体のヤング率と破壊靭性値を測定した。その結果、ヤング率は２９８ＧＰａ、破壊靭性値は６．０ＭＰａ・ｍ1/2であった。また、窒化珪素焼結体の気孔率は０．１％未満であった。さらに、窒化珪素焼結体の微構造を前述した方法にしたがって測定したところ、Ｌ／Ｓ比が５以上の針状結晶粒子の比率（面積比）は２０％、それら針状結晶粒子のＬ／Ｓ比の平均値は６．０、標準偏差は０．８であった。
【００４２】
次に、窒化珪素焼結体の加工性を前述した方法にしたがって評価した。すなわち、窒化珪素焼結体と研磨板とを同方向に回転させ、平均粒径が６μｍのダイヤモンド砥粒を塗布しつつ、８Ｎ／ｍｍ2以上の荷重によりラップ加工した。このときの窒化珪素焼結体からの脱粒を調べたところ、粒径が５μｍ以上の脱粒が２個生じることが確認された。
【００４３】
さらに、同条件で作製した直径２ｍｍの窒化珪素ボール（ベアリングボール）２個をＳＵＪ２鋼製の平板２枚で圧砕したときの圧砕強度と転がり寿命を測定した。ベアリングボールの表面はグレード３で表面研磨した。２球圧砕強度は１５５Ｎ／ｍｍ2であった。転がり寿命試験はスラスト型軸受試験機を用いて、１００個のベアリングボールを順にＳＵＪ２鋼製の平板上を回転させることにより実施した。転がり寿命は最大接触応力５．９ＧＰａ、回転数１２００ｒｐｍで試験し、ベアリングボールの表面に剥離が生じるまでの時間を測定した。その結果、ベアリングボールの最短寿命時間は３００時間であった。
【００４４】
（実施例２〜１３）
実施例１と同一の窒化珪素粉末に、表２に示す原料組成となるように焼結助剤粉末等を添加して原料混合粉末を調製した。各原料混合粉末に有機バインダを添加して混合した後にＣＩＰ法で成形した。得られた各成形体を空気気流中で脱脂した後に雰囲気加圧焼結した。さらに、各焼結体に対してＨＩＰ処理を施すことによって、目的とする窒化珪素焼結体をそれぞれ得た。雰囲気加圧焼結およびＨＩＰ処理の条件は表３に示す通りである。各窒化珪素焼結体の特性および同条件で作製した窒化珪素ボールの特性を実施例１と同様にして測定した。それらの結果を表４および表５に示す。
【００４５】
（比較例１〜３）
雰囲気加圧焼結およびＨＩＰ処理時の条件を変更する以外は、実施例１と同様にして窒化珪素焼結体を作製した。各窒化珪素焼結体の特性および同条件で作製した窒化珪素ボールの特性を実施例１と同様にして測定した。それらの結果を表４および表５に示す。
【００４６】
【表２】
【００４７】
【表３】
【００４８】
【表４】
【００４９】
【表５】
【００５０】
表４および表５から明らかなように、各実施例による窒化珪素焼結体はいずれも特性の低下を抑制した上で、加工性（脱粒のしやすさで評価）に優れることが分かる。従って、耐久性に優れるベアリングボールを安価に提供することが可能となる。比較例の窒化珪素焼結体は特性的には優れているものの、加工性が劣っている。これはＬ／Ｓ比が５以上の針状窒化珪素結晶粒子のばらつき（標準偏差）が小さいためと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態によるベアリングの構成を一部断面で示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…ベアリング、２…ベアリングボール、３…内輪、４…外輪。
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化珪素焼結体とそれを用いた摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
摺動部材は、例えば軸受部材、圧延用等の各種ロール材、コンプレッサ用ベーン、ガスタービン翼、カムローラのようなエンジン部品等、各種の分野で使用されている。このような摺動部材には、軽量で高強度のセラミックス材料が用いられるようになってきている。特に、窒化珪素焼結体は機械的強度や耐摩耗性に優れることから、ベアリングボール等の軸受部材への適用が進められている。
【０００３】
窒化珪素焼結体を用いたベアリングボール等の軸受部材に関しては、例えば焼結体組成（焼結助剤の種類や添加量等）の制御、焼結体中での各助剤成分の形態制御、窒化珪素結晶粒子の形態制御等に基づいて、機械的強度や転がり寿命に代表される耐摩耗性を向上させることが提案されている（特許文献１，２参照）。例えば、特許文献１には平均粒径が０．１μｍ以下のＴｉＮ粒子を含有させることによって、耐摩耗性を向上させた窒化珪素焼結体が記載されている。特許文献２には短径Ｓに対する長径Ｌの比（Ｌ／Ｓ）が２以上の針状窒化珪素結晶粒子を面積比で５０％以上含む窒化珪素焼結体が記載されている。
【０００４】
ＨＤＤやＤＶＤ等のディスク媒体を有する電子機器においては、スピンドルモータ等の回転駆動装置により回転軸を高速回転させ、この回転軸に装着された各種ディスクを機能させている。このような高速回転させる回転軸の軸受に、窒化珪素焼結体製のベアリングボールを適用することが試みられている。機械的強度や耐摩耗性等を向上させた窒化珪素焼結体製のベアリングボールによれば、上記したような電子機器等で回転軸を高速回転させる場合においても信頼性に優れる回転駆動を実現することができる。
【０００５】
しかしながら、窒化珪素焼結体は難加工性の材料であるため、ベアリングボール等への加工が難しく、加工コストの増大、ひいてはベアリングボールの製造コストの増大が避けられないという問題を有している。このため、窒化珪素焼結体の転がり寿命に代表される摺動特性をあまり低下させることなく、窒化珪素焼結体の加工性を向上させることによって、窒化珪素焼結体製のベアリングボール等の摺動部材の製造コストを低減することが求められている。すなわち、窒化珪素焼結体製の軸受部材の摺動特性と製造コストの低減とを両立させることが望まれている。
【特許文献１】特開２００４−００２０６７号公報
【特許文献２】特開２００６−０３６５５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、強度や転がり寿命に代表される摺動特性の低下を抑制しつつ、加工性を向上させて製造コストの低減を図ることを可能にした窒化珪素焼結体とそれを用いた摺動部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の態様に係る窒化珪素焼結体は、窒化珪素結晶粒子と、２質量％以上１５質量％以下の範囲の焼結助剤成分とを含有する窒化珪素焼結体であって、前記窒化珪素結晶粒子は、短径Ｓに対する長径Ｌの比（Ｌ／Ｓ比）が５以上の針状結晶粒子を面積比で１０％以上含み、かつ前記針状結晶粒子のＬ／Ｓ比の平均値が６〜８の範囲で、標準偏差が０．８以上であることを特徴としている。本発明の態様に係る摺動部材は、本発明の態様に係る窒化珪素焼結体を具備することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の態様に係る窒化珪素焼結体は、針状の窒化珪素結晶粒子の形状ばらつきを制御し、加工時に脱粒を生じさせやすくしているため、強度や摺動特性の低下を抑制しつつ加工性を向上させている。従って、強度や摺動特性等の特性と低コスト性とを両立させた窒化珪素焼結体、さらに窒化珪素焼結体からなる摺動部材を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。本発明の実施形態による窒化珪素焼結体は、窒化珪素を主成分とすると共に、２〜１５質量％の範囲の焼結助剤成分を含有するものである。焼結助剤成分は少なくとも希土類元素とアルミニウムを含むことが好ましい。希土類元素やアルミニウムは、例えばＳｉ―Ｒ―Ａｌ―Ｏ―Ｎ化合物（Ｒ：希土類元素）からなる粒界相を形成し、これにより焼結体の緻密化等に寄与する。窒化珪素焼結体は窒化珪素結晶粒子と粒界相とから主として構成されるものである。
【００１０】
焼結助剤成分としての希土類元素は特に限定されるものではないが、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、サマリウム（Ｓｍ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、エルビウム（Ｅｒ）等のランタノイド元素を適用することが好ましい。希土類元素の含有量は１〜６質量％の範囲であることが好ましい。希土類元素の含有量が１質量％未満であると、窒化珪素焼結体を十分に緻密化することができないおそれがある。希土類元素の含有量が６質量％を超えると、窒化珪素焼結体中の粒界相の量が過剰となるため、強度等の機械的特性が低下する。希土類元素は例えば酸化物、窒化物、硼化物、炭化物、珪化物等として添加される。
【００１１】
焼結助剤成分としてのアルミニウムは、希土類元素の焼結促進剤としての機能を助長する役割を果たすものであり、例えば酸化アルミニウムや窒化アルミニウム等として添加される。アルミニウムの含有量は０．５〜６質量％の範囲であることが好ましい。アルミニウムの含有量が０．５質量％未満であると、窒化珪素焼結体の緻密化が不十分となるおそれがある。アルミニウムの含有量が６質量％を超えると粒界相が増加するだけでなく、アルミニウムが窒化珪素結晶粒中に固溶することで熱伝導率等が低下するおそれがある。
【００１２】
窒化珪素焼結体は希土類元素とアルミニウム以外の焼結助剤成分を含んでいてもよい。それらを含めて焼結助剤成分の総含有量は２〜１５質量％の範囲とする。焼結助剤成分の総含有量が２質量％未満であると、窒化珪素焼結体を十分に緻密化することができない。焼結助剤成分の総含有量が１５質量％を超えると、窒化珪素焼結体が本来有する機械的強度や耐摩耗性等の特性が低下する。なお、各元素の含有量は窒化珪素焼結体を溶かした後にＩＣＰで化学分析して測定することができる。
【００１３】
窒化珪素焼結体は、さらにチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、およびクロム（Ｃｒ）から選ばれる少なくとも１種の金属元素Ｍを、金属元素の単体または金属元素の化合物として含んでいてもよい。これら金属元素Ｍの含有量は０．０１〜５質量％の範囲とすることが好ましい。金属元素Ｍは酸化物、炭化物、窒化物、珪化物、硼化物等の化合物（Ｍ化合物）として窒化珪素焼結体に添加される。
【００１４】
金属元素Ｍの化合物（Ｍ化合物）は焼結助剤や各種機械的特性の向上剤として機能する。例えば、Ｍ化合物を窒化珪素焼結体中に分散させることで分散強化効果を得ることができる。これによって、窒化珪素焼結体の機械的強度や転がり寿命等を向上させることが可能となる。金属元素Ｍの含有量は０．０１〜５質量％の範囲とすることが好ましい。金属元素Ｍの含有量が５質量％を超えると、逆に機械的強度や転がり寿命等が低下するおそれがある。金属元素Ｍの含有量の下限値は必ずしも規定されるものではないが、有効な添加効果を得る上で０．０１質量％以上とすることが好ましい。
【００１５】
窒化珪素焼結体の結晶構造に関しては、窒化珪素結晶粒子のβ化率が９５％以上であることが好ましい。さらに、窒化珪素結晶粒子は短径Ｓに対する長径Ｌの比（Ｌ／Ｓ比（アスペクト比））が５以上である針状結晶粒子を、窒化珪素焼結体の結晶組織内に面積比で１０％以上有している。このように、Ｌ／Ｓ比（アスペクト比）が大きい針状の窒化珪素結晶粒子の比率を高めることによって、針状粒子の絡み合いにより窒化珪素焼結体を高密度化並びに高強度化することができる。
【００１６】
Ｌ／Ｓ比（アスペクト比）が５以上の針状窒化珪素結晶粒子の比率が１０％未満であると、針状粒子の絡み合いによる窒化珪素焼結体の高強度化効果を十分に得ることができない。ただし、そのような針状窒化珪素結晶粒子の比率が高くなりすぎると、針状結晶粒子の絡み合い構造が複雑になって、後述する窒化珪素結晶粒子の脱粒が生じにくくなると共に、ボイドが発生しやすくなって摺動特性が低下するおそれがある。このため、Ｌ／Ｓ比が５以上の針状窒化珪素結晶粒子の比率は５０％以下であることが好ましい。
【００１７】
また、Ｌ／Ｓ比（アスペクト比）が５以上の針状窒化珪素結晶粒子の大きさに関しては、窒化珪素結晶粒子の中に異常成長した針状結晶粒子が存在している場合であっても、その長径Ｌは４０μｍ以下であることが好ましい。長径Ｌが４０μｍを超える針状窒化珪素結晶粒子が存在していると、窒化珪素焼結体の表面性状を低下させる要因となり、これにより転がり寿命に代表される摺動特性が低下しやすくなる。Ｌ／Ｓ比が５以上の針状窒化珪素結晶粒子の長径Ｌの下限値は特に限定されるものではないが、窒化珪素焼結体の高密度化や高強度化等を図る上で２μｍ以上であることが好ましい
【００１８】
ところで、窒化珪素焼結体の高密度化や高強度化等を図るだけであれば、針状窒化珪素結晶粒子の形状を揃えることが好ましい。ただし、このような形態では窒化珪素焼結体の加工性が低下し、ベアリングボール等の摺動部材を低コスト化することができない。そこで、この実施形態の窒化珪素焼結体では、結晶組織内に存在するＬ／Ｓ比が５以上の針状窒化珪素結晶粒子のＬ／Ｓ比（アスペクト比）の標準偏差を０．８以上に制御している。Ｌ／Ｓ比の平均値は６〜８の範囲の範囲に制御している。
【００１９】
針状窒化珪素結晶粒子のＬ／Ｓ比の標準偏差が０．８以上であるということは、針状窒化珪素結晶粒子のＬ／Ｓ比にばらつきが生じていることを意味する。すなわち、この実施形態の窒化珪素焼結体はＬ／Ｓ比が５以上の範囲内において、Ｌ／Ｓ比が５に近い針状窒化珪素結晶粒子からＬ／Ｓ比が十分に大きい針状窒化珪素結晶粒子までを有している。このように、Ｌ／Ｓ比が大きい針状の窒化珪素結晶粒子のＬ／Ｓ比にばらつきを持たせることによって、窒化珪素焼結体に加工を施したときに脱粒が生じやすくなる。
【００２０】
針状窒化珪素結晶粒子のＬ／Ｓ比の標準偏差が小さい場合（０．８未満）、窒化珪素焼結体の結晶組織内で針状窒化珪素結晶粒子が密に絡み合いすぎることによって、加工時に脱粒が生じにくくなる。これに対して、針状窒化珪素結晶粒子のＬ／Ｓ比の標準偏差が０．８以上とばらつきが比較的大きい場合には、窒化珪素結晶粒子の絡み合いがＬ／Ｓ比の差に基づいて適度に緩和されることから、加工時に窒化珪素結晶粒子が脱粒しやすくなる。これによって、窒化珪素焼結体の加工コストを低減することが可能となる。
【００２１】
具体的には、窒化珪素焼結体と研磨板とを同方向に回転させ、平均粒径が６μｍのダイヤモンド砥粒を塗布しつつ、８Ｎ／ｍｍ2以上の荷重によりラップ加工したときに、粒径が５μｍ以上の脱粒を生じさせることができる。これによって、窒化珪素焼結体をベアリングボール等に加工する際のコストを低減することが可能となる。なお、Ｌ／Ｓ比が５未満の針状窒化珪素結晶粒子は、加工時の脱粒にあまり影響を及ぼさないことから、Ｌ／Ｓ比が５以上の針状窒化珪素結晶粒子のＬ／Ｓ比の標準偏差を規定している。
【００２２】
針状窒化珪素結晶粒子のＬ／Ｓ比の平均値に関しては、上述したように６〜８の範囲の範囲に制御する。Ｌ／Ｓ比の平均値が６未満であると、窒化珪素焼結体の強度や硬度等が低下しやすくなると共に、Ｌ／Ｓ比にばらつきが生じにくくなる。また、Ｌ／Ｓ比の平均値が８を超えると、窒化珪素焼結体の摺動特性等が低下しやすくなる。これではＬ／Ｓ比の標準偏差を０．８以上とすることができたとしても、窒化珪素焼結体の強度や摺動特性等の特性と低コスト性とを両立させることができない。
【００２３】
言い換えると、Ｌ／Ｓ比が５以上の針状窒化珪素結晶粒子を面積比で１０％以上含み、かつそのＬ／Ｓ比の平均値が６〜８の範囲で、標準偏差が０．８以上である窒化珪素焼結体は、強度や摺動特性等の特性と低コスト性とを両立させることを可能にしたものであり、ベアリングボール等の摺動部材の形成素材として好適なものということができる。なお、Ｌ／Ｓ比が５以上の針状窒化珪素結晶粒子のＬ／Ｓ比の最大値は１５以下であることが好ましい。その場合のＬ／Ｓ比の最小値は５である。
【００２４】
窒化珪素結晶粒子の長径Ｌ、短径Ｌ、Ｌ／Ｓ比（アスペクト比）、針状結晶粒子の比率（面積比）は以下のようにして測定するものとする。まず、窒化珪素焼結体の任意の４箇所の表面もしくは断面をエッチングして助剤成分を溶出させた後に拡大写真を撮り、各拡大写真に存在する各窒化珪素結晶粒子の長径Ｌと短径Ｓを測定する。これらの測定結果からＬ／Ｓ比が５以上の針状結晶粒子を選択し、それらの合計面積を求める。この針状結晶粒子の合計面積が測定面積に占める面積率を算出する。各測定面の面積率の平均値を針状結晶粒子の面積比（％）とする。拡大写真は１０００倍以上とすることが好ましい。
【００２５】
さらに、Ｌ／Ｓ比の平均値と標準偏差は、上記した拡大写真で選択したＬ／Ｓ比が５以上の針状結晶粒子のＬ／Ｓ比をそれぞれ特定し、Ｌ／Ｓ比に応じて針状結晶粒子を分類する。Ｌ／Ｓ比に応じて分類した針状結晶粒子の個数をそれぞれ求める。これらの値を統計処理することによって、Ｌ／Ｓ比の平均値ｘと標準偏差σを求める。Ｌ／Ｓ比の平均値ｘは下記の（１）式から求め、標準偏差σは下記の（２）式から求める。
ｘ＝｛Σ（Ｌ／Ｓ比×個数）｝／個数 …（１）
σ＝［Σ｛（（Ｌ／Ｓ比×個数）／個数）−ｘ）2｝／（個数−１）］1/2 …（２）
【００２６】
表１に実施例による窒化珪素焼結体中に存在するＬ／Ｓ比が５以上の針状結晶粒子のＬ／Ｓ比の平均値と標準偏差を実際に測定した結果（後述する実施例９に相当）を示す。表１におけるＬ／Ｓ比が５以上の針状結晶粒子の面積比は５０％、Ｌ／Ｓ比の平均値は６．８、標準偏差は１．３である。また、後述する比較例１による窒化珪素焼結体中に存在するＬ／Ｓ比が５以上の針状結晶粒子のＬ／Ｓ比を実測した結果、Ｌ／Ｓ比が５以上の針状結晶粒子の面積比は５％、Ｌ／Ｓ比の平均値は３．５、標準偏差は０．６であった。
【００２７】
【表１】
【００２８】
これらの結果から明らかなように、Ｌ／Ｓ比が５以上の針状結晶粒子を面積比で１０％以上有する窒化珪素結晶粒子を具備する窒化珪素焼結体において、Ｌ／Ｓ比が５以上の針状結晶粒子の標準偏差が０．８以上であるということは、Ｌ／Ｓ比のばらつきが大きいことを意味することが分かる。このような窒化珪素焼結体によれば、加工時に脱粒が生じやすくなるため、ベアリングボール等への加工コストを低減することが可能となる。
【００２９】
この実施形態の窒化珪素焼結体は、例えば２９０ＧＰａ以上のヤング率を有している。これによって、加工性を向上させた窒化珪素焼結体の強度や摺動特性の低下を抑制することができる。窒化珪素焼結体は、さらにビッカース硬さＨｖが１３００〜１５００の範囲の硬度、破壊靭性値が６．０ＭＰａ・ｍ1/2以上の靭性、３点曲げ強度が７００ＭＰａ以上の抗折強度を満足するものである。このような特性を有する窒化珪素焼結体によれば、摺動部材の耐久性や信頼性を高めることができる。
【００３０】
ヤング率は曲げ共振法により測定した値を示す。ビッカース硬度はＪＩＳ−Ｒ−１６１０で規定された測定法に基づいて、試験荷重１９８．１Ｎで試験を行った結果を示す。破壊靭性値はＪＩＳ−Ｒ−１６０７で規定されたＩＦ法に基づいて測定し、ｎｉｉｈａｒａの式により算出する。圧砕強度は旧ＪＩＳ規格Ｂ１５０１に準じて、インストロン試験機で圧縮加重をかけて破壊時の荷重を測定した結果を示すものである。
【００３１】
上述した実施形態の窒化珪素焼結体は、例えば以下のようにして作製される。まず、窒化珪素粉末を用意する。窒化珪素粉末は不純物陽イオン元素の含有量が０．３質量％以下、酸素含有量が１．５質量％以下で、かつα相型窒化珪素を９０質量％以上含むことが好ましい。さらに、窒化珪素粉末の平均粒径は０．４〜１．０μｍの範囲であることが好ましい。このような窒化珪素粉末に対して、希土類化合物粉末、アルミニウム化合物粉末、さらに必要に応じてＭ化合物粉末（または金属粉末）を所定量添加する。焼結助剤等の添加剤粉末の平均粒径は０．６〜１．２μｍの範囲であることが好ましい。
【００３２】
次に、上記した各粉末を粉砕しつつ混合して原料混合粉末を調製する。原料混合粉末に有機バインダや分散媒等を加えて混合した後、一軸プレス、ラバープレス、ＣＩＰ（コールドアイソスタティックプレス）等の公知の成形法を適用して所望の形状に成形する。次いで、成形体に脱脂処理を施した後、窒素雰囲気やＡｒ雰囲気等の不活性雰囲気中で焼結して窒化珪素焼結体を作製する。
【００３３】
焼結工程には、常圧焼結、雰囲気加圧焼結、加圧焼結（ホットプレス）、ＨＩＰ（ホットアイソスタティックプレス）等の様々な焼結方法が適用可能である。さらに、常圧焼結や雰囲気加圧焼結後にＨＩＰ処理を行う等、複数の方法を組合せてもよい。特に、窒化珪素焼結体をベアリングボールのような軸受部材に適用する場合には、常圧焼結または雰囲気加圧焼結後にＨＩＰ処理を行うことが有効である。
【００３４】
ここで、Ｌ／Ｓ比が５以上の針状窒化珪素結晶粒子を面積比で１０％以上含み、かつそのＬ／Ｓ比の平均値が６〜８の範囲で、標準偏差が０．８以上である窒化珪素焼結体を得る上で、焼結工程の条件を以下のように制御することが好ましい。すなわち、常圧焼結や雰囲気加圧焼結は１７００〜１９００℃の温度で２〜８時間の条件下で実施することが好ましい。ＨＩＰ処理は５０〜１００ＭＰａの圧力下で１６００〜１８００℃の温度で１〜２時間保持することにより行うことが好ましい。このように、窒化珪素焼結体の焼結工程を窒化珪素結晶粒子の粒成長を促進するような条件下で実施することによって、針状窒化珪素結晶粒子のＬ／Ｓ比にばらつきを持たせた窒化珪素焼結体を得ることができる。
【００３５】
この実施形態の窒化珪素焼結体は、軸受部材、圧延用等の各種ロール材、コンプレッサ用ベーン、ガスタービン翼、カムローラのようなエンジン部品等の摺動部材に好適である。これらのうちでも、特にベアリングボールのような軸受部材（転動体）に有効である。なお、上述した実施形態の窒化珪素焼結体は、これら以外にヒータカバーや切削工具等としても使用することができる。本発明の実施形態による摺動部材としては、上述した実施形態の窒化珪素焼結体からなるベアリングボール、ローラ、コンプレッサ用ベーン、ガスタービン翼、カムローラ等が挙げられる。
【００３６】
図１は本発明の実施形態によるベアリングボールを適用したベアリングを示している。図１に示すベアリング１は、上述した実施形態の窒化珪素焼結体からなる複数のベアリングボール２と、これらベアリングボール２を支持する内輪３および外輪４とを有している。内輪３と外輪４は回転中心に対して同心状に配置されている。基本構成は通常のベアリングと同様である。内輪３や外輪４はＪＩＳ−Ｇ−４８０５で規定されるＳＵＪ２等の軸受鋼で形成することが好ましく、これにより信頼性のある高速回転が得られる。
【００３７】
この実施形態のベアリングボール２は１００Ｎ／ｍｍ2以上の２球圧砕強度を示す。また、スラスト型軸受試験機を用いて最大接触圧力５．９ＭＰａ、回転数１２００ｒｐｍ、相手材がＳＵＪ２鋼製平板の条件下で転がり寿命を測定したときに、３００時間以上の転がり寿命を示す。従って、ベアリング１を装着した回転軸を高速回転させる場合においても、耐久性や信頼性を良好に維持することができる。また、ベアリングボール２として使用する場合、ＪＩＳ規格で定められた表面粗さを得るために表面研磨加工を施すが、この際に良好な加工性を得ることができる。従って、耐久性に優れるベアリングボール２を低コストで提供することが可能となる。
【実施例】
【００３８】
次に、本発明の具体的な実施例およびその評価結果について述べる。
【００３９】
（実施例１）
酸素含有量が１．３質量％、平均粒径が０．７μｍの窒化珪素粉末を用意した。この窒化珪素粉末に対して、焼結助剤として平均粒径が０．８μｍの酸化イットリウム粉末を２質量％、平均粒径が０．９μｍの酸化アルミニウム粉末を２質量％、平均粒径が０．７μｍの窒化アルミニウム粉末を２質量％、平均粒径が１μｍの酸化チタン粉末を１質量％の割合で添加し、これらを湿式混合した後に乾燥して原料混合粉末を調製した。
【００４０】
次に、上記した原料混合粉末に有機バインダを所定量添加して混合した後、ＣＩＰ法で成形体を作製した。得られた成形体を空気気流中で脱脂した後、０．１Ｐａの真空雰囲気下で１２００℃まで昇温し、この温度で窒素ガスを０．７ＭＰａとなるまで導入した。この状態で１８００℃まで昇温して雰囲気加圧焼結した。焼結時間は６時間とした。さらに、この焼結体に対して１００ＭＰａの圧力下で１７００℃×１ｈの条件でＨＩＰ処理を施すことによって、目的とする窒化珪素焼結体を得た。得られた窒化珪素焼結体はＹを２質量％、Ａｌを２質量％、Ｔｉを１質量％含むものである。
【００４１】
得られた窒化珪素焼結体のヤング率と破壊靭性値を測定した。その結果、ヤング率は２９８ＧＰａ、破壊靭性値は６．０ＭＰａ・ｍ1/2であった。また、窒化珪素焼結体の気孔率は０．１％未満であった。さらに、窒化珪素焼結体の微構造を前述した方法にしたがって測定したところ、Ｌ／Ｓ比が５以上の針状結晶粒子の比率（面積比）は２０％、それら針状結晶粒子のＬ／Ｓ比の平均値は６．０、標準偏差は０．８であった。
【００４２】
次に、窒化珪素焼結体の加工性を前述した方法にしたがって評価した。すなわち、窒化珪素焼結体と研磨板とを同方向に回転させ、平均粒径が６μｍのダイヤモンド砥粒を塗布しつつ、８Ｎ／ｍｍ2以上の荷重によりラップ加工した。このときの窒化珪素焼結体からの脱粒を調べたところ、粒径が５μｍ以上の脱粒が２個生じることが確認された。
【００４３】
さらに、同条件で作製した直径２ｍｍの窒化珪素ボール（ベアリングボール）２個をＳＵＪ２鋼製の平板２枚で圧砕したときの圧砕強度と転がり寿命を測定した。ベアリングボールの表面はグレード３で表面研磨した。２球圧砕強度は１５５Ｎ／ｍｍ2であった。転がり寿命試験はスラスト型軸受試験機を用いて、１００個のベアリングボールを順にＳＵＪ２鋼製の平板上を回転させることにより実施した。転がり寿命は最大接触応力５．９ＧＰａ、回転数１２００ｒｐｍで試験し、ベアリングボールの表面に剥離が生じるまでの時間を測定した。その結果、ベアリングボールの最短寿命時間は３００時間であった。
【００４４】
（実施例２〜１３）
実施例１と同一の窒化珪素粉末に、表２に示す原料組成となるように焼結助剤粉末等を添加して原料混合粉末を調製した。各原料混合粉末に有機バインダを添加して混合した後にＣＩＰ法で成形した。得られた各成形体を空気気流中で脱脂した後に雰囲気加圧焼結した。さらに、各焼結体に対してＨＩＰ処理を施すことによって、目的とする窒化珪素焼結体をそれぞれ得た。雰囲気加圧焼結およびＨＩＰ処理の条件は表３に示す通りである。各窒化珪素焼結体の特性および同条件で作製した窒化珪素ボールの特性を実施例１と同様にして測定した。それらの結果を表４および表５に示す。
【００４５】
（比較例１〜３）
雰囲気加圧焼結およびＨＩＰ処理時の条件を変更する以外は、実施例１と同様にして窒化珪素焼結体を作製した。各窒化珪素焼結体の特性および同条件で作製した窒化珪素ボールの特性を実施例１と同様にして測定した。それらの結果を表４および表５に示す。
【００４６】
【表２】
【００４７】
【表３】
【００４８】
【表４】
【００４９】
【表５】
【００５０】
表４および表５から明らかなように、各実施例による窒化珪素焼結体はいずれも特性の低下を抑制した上で、加工性（脱粒のしやすさで評価）に優れることが分かる。従って、耐久性に優れるベアリングボールを安価に提供することが可能となる。比較例の窒化珪素焼結体は特性的には優れているものの、加工性が劣っている。これはＬ／Ｓ比が５以上の針状窒化珪素結晶粒子のばらつき（標準偏差）が小さいためと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態によるベアリングの構成を一部断面で示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…ベアリング、２…ベアリングボール、３…内輪、４…外輪。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素結晶粒子と、２質量％以上１５質量％以下の範囲の焼結助剤成分とを含有する窒化珪素焼結体であって、
前記窒化珪素結晶粒子は、短径Ｓに対する長径Ｌの比（Ｌ／Ｓ比）が５以上の針状結晶粒子を面積比で１０％以上含み、かつ前記針状結晶粒子のＬ／Ｓ比の平均値が６〜８の範囲で、標準偏差が０．８以上であることを特徴とする窒化珪素焼結体。
【請求項２】
請求項１記載の窒化珪素焼結体において、
前記針状結晶粒子の長径Ｌは４０μｍ以下であることを特徴とする窒化珪素焼結体。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の窒化珪素焼結体において、
ヤング率が２９０ＧＰａ以上であることを特徴とする窒化珪素焼結体。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の窒化珪素焼結体において、
破壊靭性値が６．０ＭＰａ・ｍ1/2以上であることを特徴とする窒化珪素焼結体。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の窒化珪素焼結体において、
前記窒化珪素焼結体と研磨板とを同方向に回転させ、平均粒径が６μｍのダイヤモンド砥粒を塗布しつつ、８Ｎ／ｍｍ2以上の荷重によりラップ加工したときに、粒径が５μｍ以上の脱粒が生じることを特徴とする窒化珪素焼結体。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の窒化珪素焼結体において、
前記焼結助剤成分として、１質量％以上６質量％以下の範囲の希土類元素と、０．５質量％以上６質量％以下の範囲のＡｌとを含有することを特徴とする窒化珪素焼結体。
【請求項７】
請求項６記載の窒化珪素焼結体において、
さらに、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、ＮｂおよびＣｒから選ばれる少なくとも１種の金属元素を、前記金属元素の単体または前記金属元素の化合物として０．０１質量％以上５質量％以下の範囲で含有することを特徴とする窒化珪素焼結体。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の窒化珪素焼結体を具備することを特徴とする摺動部材。
【請求項９】
請求項８記載の摺動部材において、
ベアリングボールであることを特徴とする摺動部材。
【請求項１０】
請求項９記載の摺動部材において、
前記ベアリングボールは２球圧砕強度が１００Ｎ／ｍｍ2以上であることを特徴とする摺動部材。
【請求項１】
窒化珪素結晶粒子と、２質量％以上１５質量％以下の範囲の焼結助剤成分とを含有する窒化珪素焼結体であって、
前記窒化珪素結晶粒子は、短径Ｓに対する長径Ｌの比（Ｌ／Ｓ比）が５以上の針状結晶粒子を面積比で１０％以上含み、かつ前記針状結晶粒子のＬ／Ｓ比の平均値が６〜８の範囲で、標準偏差が０．８以上であることを特徴とする窒化珪素焼結体。
【請求項２】
請求項１記載の窒化珪素焼結体において、
前記針状結晶粒子の長径Ｌは４０μｍ以下であることを特徴とする窒化珪素焼結体。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の窒化珪素焼結体において、
ヤング率が２９０ＧＰａ以上であることを特徴とする窒化珪素焼結体。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の窒化珪素焼結体において、
破壊靭性値が６．０ＭＰａ・ｍ1/2以上であることを特徴とする窒化珪素焼結体。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の窒化珪素焼結体において、
前記窒化珪素焼結体と研磨板とを同方向に回転させ、平均粒径が６μｍのダイヤモンド砥粒を塗布しつつ、８Ｎ／ｍｍ2以上の荷重によりラップ加工したときに、粒径が５μｍ以上の脱粒が生じることを特徴とする窒化珪素焼結体。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の窒化珪素焼結体において、
前記焼結助剤成分として、１質量％以上６質量％以下の範囲の希土類元素と、０．５質量％以上６質量％以下の範囲のＡｌとを含有することを特徴とする窒化珪素焼結体。
【請求項７】
請求項６記載の窒化珪素焼結体において、
さらに、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、ＮｂおよびＣｒから選ばれる少なくとも１種の金属元素を、前記金属元素の単体または前記金属元素の化合物として０．０１質量％以上５質量％以下の範囲で含有することを特徴とする窒化珪素焼結体。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の窒化珪素焼結体を具備することを特徴とする摺動部材。
【請求項９】
請求項８記載の摺動部材において、
ベアリングボールであることを特徴とする摺動部材。
【請求項１０】
請求項９記載の摺動部材において、
前記ベアリングボールは２球圧砕強度が１００Ｎ／ｍｍ2以上であることを特徴とする摺動部材。
【図１】
【公開番号】特開２００８−２８５３４９（Ｐ２００８−２８５３４９Ａ）
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１３０２４５（Ｐ２００７−１３０２４５）
【出願日】平成１９年５月１６日（２００７．５．１６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３０３０５８３２８）東芝マテリアル株式会社 (252)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月１６日（２００７．５．１６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３０３０５８３２８）東芝マテリアル株式会社 (252)
【Ｆターム（参考）】
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