(57)【要約】  窒化珪素焼結体は、窒化珪素粒子と２〜１５質量％の範囲の焼結助剤成分とを含有する。窒化珪素粒子は、長径Ｌが１０μｍ以下で、かつ短径Ｓに対する長径Ｌの比（Ｌ／Ｓ）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５０％以上有している。窒化珪素焼結体はベアリングボール２のような摺動部材として用いられる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素粒子と、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、
前記窒化珪素粒子は、長径Ｌが１０μｍ以下で、かつ短径Ｓに対する長径Ｌの比（Ｌ／Ｓ）が５以上である針状結晶粒子を、前記窒化珪素焼結体の結晶組織内に面積比で５０％以上有す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、
前記窒化珪素焼結体中に存在するボイドの最大径が３μｍ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２記載の窒化珪素焼結体において、
前記ボイドの数が３０×３０μｍの範囲内に５個以下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記載の窒化珪素焼結体において、
前記結晶組織内における前記長径Ｌが１０μｍ以下でかつＬ／Ｓ比が５以上である針状結晶粒子の面積比は８０％以下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６】
請求項５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７】
請求項５記載の窒化珪素焼結体において、
さらに、Ｔｉ、Ｈｆ、ＷおよびＭｏ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記載の窒化珪素焼結体において、
３点曲げ試験における抗折強度が７００ＭＰａ以上であることを特徴とする窒化珪素焼結体。
【請求項９】
窒化珪素粒子と、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具備する摺動部材であって、
前記窒化珪素粒子は、長径Ｌが１０μｍ以下で、かつ短径Ｓに対する長径Ｌの比（Ｌ／Ｓ）が５以上である針状結晶粒子を、前記窒化珪素焼結体の結晶組織内に面積比で５０％以上有す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、
前記窒化珪素焼結体の前記結晶組織内における前記長径Ｌが１０μｍ以下でかつＬ／Ｓ比が５以上である針状結晶粒子の面積比は８０％以下であることを特徴とする摺動部材。
【請求項１１】
請求項９記載の摺動部材において、
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摺動部材。
【請求項１２】
請求項１１記載の摺動部材において、
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摺動部材。
【請求項１３】
請求項９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１４】
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、最大接触圧力５．９ＭＰａ、回転数１２００ｒｐｍの条件下で転がり寿命をスラスト型軸受試験機で測定したとき、６００時間以上の転がり寿命を有することを特徴とする摺動部材。
【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、圧延用のような各種ロール材、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）の制御、焼結体中での各助剤成分の形態制御、製造工程の制御等に基づいて、機械的強度や転がり寿命に代表される耐摩耗性等を向上させることが提案されている（特許文献１，２参照）。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、Ｔｉ化合物としてＴｉＮおよびＴｉＣＮの少なくとも一方を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、スピンドルモータのような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。高速回転させる回転軸の軸受に軽量で耐摩耗性等に優れる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。しかしながら、従来の窒化珪素焼結体製ベアリングボールは、例えば５０００ｒｐｍ以上というように高速回転させる回転軸の軸受に使用したときに、転がり寿命のバラツキが大きいという難点を有している。このため、必ずしも十分な信頼性や耐久性を満足させるまでには至っていない。
【特許文献１】特開２００４−００２０６７公報
【特許文献２】特開２００６−０３６５５４公報
【発明の開示】
【０００５】
本発明の目的は、転がり寿命に代表される摺動特性のバラツキを低減することによって、耐久性や信頼性を再現性よく高め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。
【０００６】
本発明の態様に係る窒化珪素焼結体は、窒化珪素粒子と、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、前記窒化珪素粒子は、長径Ｌが１０μｍ以下で、かつ短径Ｓに対する長径Ｌの比（Ｌ／Ｓ）が５以上である針状結晶粒子を、前記窒化珪素焼結体の結晶組織内に面積比で５０％以上有することを特徴としている。
【０００７】
本発明の態様に係る摺動部材は、窒化珪素粒子と、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具備する摺動部材であって、前記窒化珪素粒子は、長径Ｌが１０μｍ以下で、かつ短径Ｓに対する長径Ｌの比（Ｌ／Ｓ）が５以上である針状結晶粒子を、前記窒化珪素焼結体の結晶組織内に面積比で５０％以上有することを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【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】
【０００９】
１…ベアリング、２…ベアリングボール、３…内輪、４…外輪。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。このように、窒化珪素焼結体は窒化珪素粒子と粒界相とから主として構成されるものである。
【００１１】
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）等のランタノイド系希土類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。
【００１２】
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。
【００１３】
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％の範囲とすることが好ましい。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おそれがある。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おそれがある。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。
【００１４】
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。金属元素ＭはＴｉ、Ｈｆ、ＷおよびＭｏから選ばれる少なくとも１種であることがより好ましい。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。
【００１５】
金属元素Ｍの化合物（Ｍ化合物）は焼結助剤や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。
【００１６】
窒化珪素焼結体の結晶構造に関しては、窒化珪素粒子（結晶粒）のβ化率が９５％以上であることが好ましい。さらに、窒化珪素粒子は長径Ｌが１０μｍ以下で、かつ短径Ｓに対する長径Ｌの比（Ｌ／Ｓ）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５０％以上有している。このように、窒化珪素粒子の針状形状を揃えることによって、窒化珪素焼結体の緻密性を高めることができる。すなわち、窒化珪素焼結体中に存在するボイドのサイズと数を低減することが可能となる。さらに、Ｌ／Ｓ比（アスペクト比）が大きい針状の窒化珪素粒子で窒化珪素焼結体を構成することによって、針状粒子が絡み合うことで窒化珪素焼結体を高強度化することができる。
【００１７】
窒化珪素粒子の長径Ｌやアスペクト比（Ｌ／Ｓ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長径Ｌが１０μｍ以下でアスペクト比（Ｌ／Ｓ比）が５以上の針状結晶粒子の面積を求め、針状結晶粒子の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。この実施形態の窒化珪素焼結体において、針状結晶粒子の面積比は焼結体のどの部位で測定しても同様な値を示すものである。
【００１８】
長径Ｌが１０μｍ以下でアスペクト比（Ｌ／Ｓ比）が５以上の針状窒化珪素粒子は緻密性や強度の向上に寄与する。針状結晶粒子の長径Ｌが１０μｍを超えると、絡み合い構造が複雑になってボイドが発生しやすくなると共に、転がり寿命に代表される耐摩耗性が低下するおそれがある。針状結晶粒子のアスペクト比（Ｌ／Ｓ比）が５未満であると、強度や緻密性の向上効果が十分に得られないおそれがある。従って、長径Ｌが１０μｍ以下でアスペクト比（Ｌ／Ｓ比）が５以上の針状結晶粒子の面積率が５０％以上となるように、窒化珪素粒子の形状を揃えて緻密性や強度を高めることによって、転がり寿命に代表される摺動特性のバラツキを低減することが可能となる。
【００１９】
長径Ｌが１０μｍ以下でＬ／Ｓ比が５以上の針状結晶粒子の面積率が５０％未満であると、窒化珪素粒子の形状が不揃いになることに起因して、ボイドの大きさや量が増加する。これによって、窒化珪素焼結体の摺動特性にバラツキが生じやすくなる。このような窒化珪素焼結体では耐久性や信頼性を再現性よく高めることができない。ただし、長径Ｌが１０μｍ以下でＬ／Ｓ比が５以上の針状結晶粒子の面積率が８０％を超えると、針状結晶粒子の配向性が高くなり、圧力の印加方向に基づく強度のバラツキが生じるおそれがある。ベアリングボール等の摺動部材には等方的な特性が求められるため、圧力の印加方向に基づく強度のバラツキは好ましくない。長径Ｌが１０μｍ以下でＬ／Ｓ比が５以上の針状結晶粒子の面積率は、さらに５０〜７０％の範囲であることが好ましい。
【００２０】
窒化珪素粒子の形状制御に基づいて、窒化珪素焼結体中に存在するボイドの最大径を３μｍ以下とすることができる。さらに、ボイドの数は３０×３０μｍの範囲内に５個以下とすることができる。このように、ボイドの最大径が３μｍ以下で、かつボイドの数を３０×３０μｍの範囲内に５個以下とした窒化珪素焼結体によれば、転がり寿命に代表される摺動特性の値自体を向上させることができるだけでなく、摺動特性のバラツキを低減することが可能となる。従って、窒化珪素焼結体を摺動部材として用いた場合の耐久性と信頼性を向上させることができる。
【００２１】
ボイドの最大径は２μｍ以下とすることがより好ましい。３０×３０μｍの範囲内におけるボイドの数は３個以下とすることがより好ましい。ボイドの大きさと数は、窒化珪素焼結体の任意の表面もしくは断面に研磨加工、ポリッシュ加工、ラップ加工を施したとき、加工面に残留するピット（ボイドに相当）の大きさおよび個数を測定することにより求めるものとする。ボイドの測定は任意の４箇所の表面または断面に対して実施し、これらの平均値で表されるものである。
【００２２】
この実施形態の窒化珪素焼結体は、例えばビッカース硬さＨｖが１３００〜１６００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、さらに１５０Ｎ／ｍｍ２以上の圧砕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。なお、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ものとする。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。
【００２３】
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。窒化珪素粉末の平均粒径は０．４〜０．６μｍ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。
【００２４】
次に、各粉末を粉砕しつつ混合する。粉末の粉砕・混合には、直径が０．１〜２ｍｍのビーズを用いたビーズミルを適用することが好ましい。ビーズミルに用いるビーズは、窒化珪素製ビーズまたはジルコニア製ビーズであることが好ましい。なお、ボールミルには直径が５ｍｍ以上（例えば１５〜２０ｍｍ）のボール（例えばアルミナ製ボール）が用いられる。ビーズミルは粉砕、混合に使用するメディア（ビーズやボール）の直径に基づいて、ボールミルと区別されるものである。
【００２５】
このようなビーズミルを用いて、窒化珪素粉末と添加剤粉末とを十分に粉砕しつつ混合することによって、例えば粒径を０．１〜１．３μｍの範囲に調整した原料混合粉末が得られる。ビーズミルによる混合時間は粉末１０ｋｇ当たり１時間以上とすることが好ましい。ただし、ビーズミルによる混合時間を長くしすぎると粒子が細かくなりすぎて、原料混合粉末の取扱い性等が低下するため、ビーズミルによる混合時間は粉末１０ｋｇ当たり５時間以下とすることが好ましい。
【００２６】
ビーズミルを用いて原料混合粉末の粒径を微細化することによって、焼結助剤の機能を向上させつつ均等化することができる。従って、窒化珪素粒子の粒成長が均等に促進されるため、長径Ｌが１０μｍ以下でアスペクト比（Ｌ／Ｓ比）が５以上の針状結晶粒子の面積率５０％以上の微構造を有する窒化珪素焼結体を再現性よく得ることが可能となる。なお必要に応じて、篩い分けを適用して所定範囲の粒径のみの原料混合粉末としてもよい。
【００２７】
上述した原料混合粉末に有機バインダや分散媒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１６００〜２０００℃の範囲の温度で焼結して窒化珪素焼結体を作製する。焼結時間は３〜１０時間の範囲とすることが好ましい。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。
【００２８】
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。ＨＩＰ処理は１００〜２００ＭＰａの圧力下で１６００〜１９００℃の温度で所定時間保持することにより行うことが好ましい。常圧焼結や雰囲気加圧焼結を実施する場合には、まず真空雰囲気下（例えば０．１Ｐａ以下の真空雰囲気）で成形体を熱処理して脱気処理した後、８００〜１４００℃の範囲内の温度で窒素ガス等を導入することが好ましい。
【００２９】
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。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。
【００３０】
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。
【００３１】
この実施形態のベアリングボール２は、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、６００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。このようなベアリング１は回転軸を高速回転させる各種機器、例えばＨＤＤのような磁気記録装置やＤＶＤのような光ディスク装置等の電子機器に好適に用いられる。
【００３２】
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。
【００３３】
（実施例１）
酸素含有量が１．３質量％、平均粒径が０．５５μｍの窒化珪素粉末を用意した。この窒化珪素粉末に、焼結助剤として平均粒径が０．７μｍの酸化イットリウム粉末を６質量％、平均粒径が０．５μｍの酸化アルミニウム粉末を６質量％の割合で添加した。これらを粒径が０．５ｍｍのビーズを用いたビーズミルで粉砕・混合した。ビーズミルによる混合時間は、粉末１０ｋｇ当たり１時間とした。このようにして調製した原料混合粉末の粒径を測定したところ、原料混合粉末の粒径範囲は０．２〜１．０μｍであった。なお、粒径は粉末を液中に分散させたスラリーを一定径のレーザ光線中を通過させ、粒子１個ずつのレーザ光線を遮断した際の大きさに基づいて測定した。
【００３４】
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、窒素雰囲気中にて１７５０℃×４ｈの条件で常圧焼結した。さらに、常圧焼結体に対して１００ＭＰａの圧力下で１７００℃×１ｈの条件でＨＩＰ処理を施した。このようにして、目的とする窒化珪素焼結体を得た。
【００３５】
得られた窒化珪素焼結体のビッカース硬さ、破壊靭性値、抗折強度を測定した。その結果、ビッカース硬さは１５００（Ｈｖ）、破壊靭性値は７．０ＭＰａ・ｍ1/2であった。抗折強度は１００本の３×４×４０ｍｍの試料を作製し、これらに３点曲げ試験を実施した。その結果、抗折強度の最小値は８００ＭＰａ、抗折強度の平均値は１０００ＭＰａであった。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、長径Ｌが１０μｍ以下でアスペクト比が５以上の針状結晶粒子の面積比は５０％であった。
【００３６】
さらに、窒化珪素焼結体中のボイドのサイズと個数を以下のようにして測定した。窒化珪素焼結体の表面２箇所と断面２箇所を任意に選び、各面に対して研磨加工、ポリッシュ加工、ラップ加工を施す。各加工面をＳＥＭで３０００倍の視野で観察し、加工面に残留するピットの大きさ（最大値）と個数を測定する。それらの平均値としてボイドの最大径と個数を求める。その結果、ボイドの最大径は１μｍ、３０×３０μｍの範囲内におけるボイドの個数は１個であった。
【００３７】
次に、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）１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。圧砕強度は９００Ｎ／ｍｍ２であった。
【００３８】
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６００時間であった。さらに、１００個のベアリングボールの寿命時間をワイブルプロットしてワイブル係数を求めた。寿命時間のワイブル係数は５．０と良好な値を示した。
【００３９】
（実施例２〜１０）
実施例１と同一の窒化珪素粉末に対して、表１に示す焼結体組成となるように焼結助剤粉末等を添加した後、実施例１と同様に粉砕・混合して各原料混合粉末を調製した。原料混合粉末の粒径範囲はそれぞれ表１に示す通りである。
【００４０】
各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、実施例１と同一温度で常圧焼結した。さらに、各焼結体に対して実施例１と同様な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。各窒化珪素焼結体の特性を実施例１と同様にして測定した。それらの結果を表２および表３に示す。
【００４１】
（比較例１〜３）
各原料粉末の混合条件とＨＩＰ圧力を変更する以外は、実施例１と同様にして窒化珪素焼結体を作製した。各原料粉末の混合にはボールミルを使用した。各窒化珪素焼結体の特性を実施例１と同様にして測定した。それらの結果を表２および表３に示す。
【００４２】
【表１】
2008111307.tif 000003
【００４３】
【表２】
2008111307.tif 000004
【００４４】
【表３】
2008111307.tif 000005
【００４５】
表２および表３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緻密性が高く、ボイドのサイズと量が低減されていることが分かる。さらに、抗折強度およびその再現性に優れている。それらの結果として、各実施例による窒化珪素焼結体を用いたベアリングボールは転がり寿命に優れ、そのバラツキも小さいことが分かる。従って、信頼性および耐久性に優れるベアリングボールを提供することができる。これら各ベアリングボールを用いてそれぞれベアリングを組立て、電子機器用のスピンドルモータに組み込んで実機試験を行ったところ、回転軸の高速回転の耐久性に優れることが実証された。
【００４６】
（実施例１１〜２０、比較例４〜８）
実施例１と同一の窒化珪素粉末に対して、表４に示す焼結体組成となるように焼結助剤粉末等を添加した後、粉砕・混合して各原料混合粉末を調製した。実施例１１〜２０については実施例１と同様に、ビーズミルを用いて原料混合粉末を調製した。比較例４〜８については、ボールミルを用いて原料混合粉末を調製した。ビーズミルおよびボールミルによる混合時間は表５に示す通りである。このようにして調製した各原料混合粉末の粒径を測定した。その結果を表４に示す。実施例および比較例の原料混合粉末はいずれも平均粒径（Ｄ５０）が０．６μｍ程度であったが、比較例は粒径が１．０μｍを超えて１．５μｍ以下の粒子を２０％（質量比）程度含んでいた。
【００４７】
各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法を適用して成形体をそれぞれ作製した。得られた各成形体を空気気流中で脱脂した後、それぞれ表５に示す条件下で常圧焼結した。さらに、各焼結体に対して表５に示す圧力でＨＩＰ処理を施した。ＨＩＰ処理の温度および時間は実施例１と同様とした。このようにして、目的とする窒化珪素焼結体をそれぞれ作製した。各窒化珪素焼結体の特性を実施例１と同様にして測定した。それらの結果を表６および表７に示す。
【００４８】
【表４】
2008111307.tif 000006
【００４９】
【表５】
2008111307.tif 000007
【００５０】
【表６】
2008111307.tif 000008
【００５１】
【表７】
2008111307.tif 000009
【００５２】
表６および表７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緻密性が高く、ボイドのサイズと量が低減されていることが分かる。さらに、抗折強度およびその再現性に優れている。それらの結果として、各実施例による窒化珪素焼結体を用いたベアリングボールは転がり寿命に優れ、そのバラツキも小さいことが分かる。従って、信頼性および耐久性に優れるベアリングボールを提供することができる。これら各ベアリングボールを用いてそれぞれベアリングを組立て、電子機器用のスピンドルモータに組み込んで実機試験を行ったところ、回転軸の高速回転の耐久性に優れることが実証された。
【００５３】
（実施例２１〜２８、比較例９〜１４）
実施例１と同一組成となるように、窒化珪素粉末に焼結助剤粉末等を添加した後、実施例１と同様にビーズミルを用いて粉砕・混合して各原料混合粉末を調製した。ただし、ビーズミルによる混合時間は、それぞれ表８に示す時間を適用した。実施例および比較例による各原料混合粉末の粒径範囲は表８に示す通りである。
【００５４】
各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法を適用して成形体をそれぞれ作製した。得られた各成形体を空気気流中で脱脂した後、それぞれ表８に示す条件下で常圧焼結（一次焼結）した。さらに、各焼結体に対して表８に示す条件下でＨＩＰ処理（二次焼結）を施した。ＨＩＰ圧力は１００ＭＰａとした。このようにして、目的とする窒化珪素焼結体をそれぞれ作製した。各窒化珪素焼結体の特性を実施例１と同様にして測定した。それらの結果を表９に示す。
【００５５】
【表８】
2008111307.tif 000010
【００５６】
【表９】
2008111307.tif 000011
【００５７】
表９から明らかなように、ビーズミルによる混合時間を粉末１０ｋｇ当たり１〜５時間の範囲とした原料混合粉末は粒径範囲が微細側で安定しており、その結果として窒化珪素焼結体の微構造の制御性に優れている。これに対し、ビーズミルによる混合時間が不十分な比較例９〜１１は原料混合粉末中に比較的大きな粒子が混在するため、長径Ｌが１０μｍ以下でアスペクト比が５以上の針状結晶粒子の比率が低下している。一次焼結時間が長すぎる比較例１２では過剰に粒成長するため、長径Ｌが１０μｍを超える針状結晶粒子の比率が増加している。一次焼結温度が高すぎる比較例１３でも過剰に粒成長し、長径Ｌが１０μｍを超える針状結晶粒子の比率が増加している。一次焼結時間が短すぎる比較例１４では焼結が不十分となり、その結果として粒成長が不足してボイドが増加している。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の態様に係る窒化珪素焼結体は、窒化珪素粒子の形状を制御することによって摺動特性の再現性を高めている。従って、耐久性や信頼性に優れる窒化珪素焼結体、さらに窒化珪素焼結体からなる摺動部材を再現性よく提供することが可能となる。
【図１】
2008111307.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成21年1月13日(2009.1.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素粒子と、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、
前記窒化珪素粒子は、長径Ｌが１０μｍ以下で、かつ短径Ｓに対する長径Ｌの比（Ｌ／Ｓ）が５以上である針状結晶粒子を、前記窒化珪素焼結体の結晶組織内に面積比で５０％以上８０％以下の範囲で有し、前記窒化珪素焼結体中に存在するボイドの最大径が３μｍ以下であり、かつ前記ボイドの数が３０×３０μｍの範囲内に５個以下であることを特徴とする窒化珪素焼結体。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
請求項１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６】
請求項５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７】
請求項５記載の窒化珪素焼結体において、
さらに、Ｔｉ、Ｈｆ、ＷおよびＭｏ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記載の窒化珪素焼結体において、
３点曲げ試験における抗折強度が７００ＭＰａ以上であることを特徴とする窒化珪素焼結体。
【請求項９】
窒化珪素粒子と、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具備する摺動部材であって、
前記窒化珪素粒子は、長径Ｌが１０μｍ以下で、かつ短径Ｓに対する長径Ｌの比（Ｌ／Ｓ）が５以上である針状結晶粒子を、前記窒化珪素焼結体の結晶組織内に面積比で５０％以上８０％以下の範囲で有し、前記窒化珪素焼結体中に存在するボイドの最大径が３μｍ以下であり、かつ前記ボイドの数が３０×３０μｍの範囲内に５個以下であることを特徴とする摺動部材。
【請求項１０】
（削除）
【請求項１１】
請求項９記載の摺動部材において、
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摺動部材。
【請求項１２】
請求項１１記載の摺動部材において、
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摺動部材。
【請求項１３】
請求項９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１４】
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、最大接触圧力５．９ＭＰａ、回転数１２００ｒｐｍの条件下で転がり寿命をスラスト型軸受試験機で測定したとき、６００時間以上の転がり寿命を有することを特徴とする摺動部材。
【請求項１５】
請求項１記載の窒化珪素焼結体において、
前記結晶組織内における前記針状結晶粒子の面積比が５０％以上７０％以下の範囲であることを特徴とする窒化珪素焼結体。
【請求項１６】
請求項１記載の窒化珪素焼結体において、
前記ボイドの最大径が２μｍ以下であることを特徴とする窒化珪素焼結体。
【請求項１７】
請求項１記載の窒化珪素焼結体において、
前記ボイドの数が３０×３０μｍの範囲内に３個以下であることを特徴とする窒化珪素焼結体。
【請求項１８】
請求項９記載の摺動部材において、
前記結晶組織内における前記針状結晶粒子の面積比が５０％以上７０％以下の範囲であることを特徴とする摺動部材。
【請求項１９】
請求項９記載の摺動部材において、
前記ボイドの最大径が２μｍ以下であることを特徴とする摺動部材。
【請求項２０】
請求項９記載の摺動部材において、
前記ボイドの数が３０×３０μｍの範囲内に３個以下であることを特徴とする摺動部材。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
ていない。
特許文献１：特開２００４−００２０６７公報
特許文献２：特開２００６−０３６５５４公報
発明の開示
［０００５］
本発明の目的は、転がり寿命に代表される摺動特性のバラツキを低減することによって、耐久性や信頼性を再現性よく高め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。
［０００６］
本発明の態様に係る窒化珪素焼結体は、窒化珪素粒子と、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、前記窒化珪素粒子は、長径Ｌが１０μｍ以下で、かつ短径Ｓに対する長径Ｌの比（Ｌ／Ｓ）が５以上である針状結晶粒子を、前記窒化珪素焼結体の結晶組織内に面積比で５０％以上８０％以下の範囲で有し、前記窒化珪素焼結体中に存在するボイドの最大径が３μｍ以下であり、かつ前記ボイドの数が３０×３０μｍの範囲内に５個以下であることを特徴としている。
［０００７］
本発明の態様に係る摺動部材は、窒化珪素粒子と、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具備する摺動部材であって、前記窒化珪素粒子は、長径Ｌが１０μｍ以下で、かつ短径Ｓに対する長径Ｌの比（Ｌ／Ｓ）が５以上である針状結晶粒子を、前記窒化珪素焼結体の結晶組織内に面積比で５０％以上８０％以下の範囲で有し、前記窒化珪素焼結体中に存在するボイドの最大径が３μｍ以下であり、かつ前記ボイドの数が３０×３０μｍの範囲内に５個以下であることを特徴としている。
図面の簡単な説明
［０００８］
［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
［０００９］
１…ベアリング、２…ベアリングボール、３…内輪、４…外輪。
発明を実施するための形態
［００１０］
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
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
［表２］
2008111307.tif 000013
［００４４］
［表３］
2008111307.tif 000014
［００４５］
表２および表３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
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
［００５０］
［表６］
2008111307.tif 000015
［００５１］
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
［表９］
2008111307.tif 000016
［００５７］
表９から明らかなように、ビーズミルによる混合時間を粉末１０ｋｇ当たり１〜５時間の範囲とした原料混合粉末は粒径範囲が微細側で安定しており、その結果として窒化珪素焼結体の微構造の制御性に優れている。これに対し、ビーズミルによる混合時間が不十分な比較例９〜１１は原料混合粉末中に比較的大きな粒子が混在するため、長径Ｌが１０μｍ以下でアスペクト比が５以上の針状結晶粒子の比率が低下している。一次焼結時間が長すぎる比較例１２では過剰に粒成長するため、長径Ｌが１０μｍを超える針状結晶粒子の比率が増加している。一次焼結温度が高すぎる比較例１３でも過剰に粒成長し、長径Ｌが１０μｍを超える針状結晶粒子の比率が増加している。一次焼結時間が短すぎる比較例１４では焼結が不十分となり、その結果として粒成長が不足してボイドが増加している。
産業上の利用可能性
［００５８］
本発明の態様に係る窒化珪素焼結体は、窒化珪素粒子の形状を制御することによって摺動特性の再現性を高めている。従って、耐久性や信頼性に優れ
【国際調査報告】
2008111307.tif 000017
2008111307.tif 000018
2008111307.tif 000019
2008111307.tif 000020