(57)【要約】【課題】金属窒化法で製造された窒化けい素粉末のように純度が低く安価な窒化けい素原料粉末を使用して形成した場合であっても、助剤成分の分散状態を制御することが可能であり、均質で粒界強度のばらつきが小さくすることができ、従来の窒化けい素焼結体と同等以上の機械的強度、耐摩耗性、転がり寿命特性に加え、加工性に優れた転がり軸受け部材として好適な窒化けい素焼結体およびその製造方法を提供する。【解決手段】焼結助剤成分として希土類元素を３質量％以下、Ａｌ元素を３質量％以下、酸素元素を５質量％以下含有し、窒化けい素のβ化率が９５％以上である窒化けい素焼結体であり、この窒化けい素焼結体の結晶組織において窒化けい素結晶粒子の短径に対する長径の比が２以上である窒化けい素針状結晶粒子の面積率が５０％以上であることを特徴とする窒化けい素焼結体である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼結助剤成分として希土類元素を３質量％以下、Ａｌ元素を３質量％以下、酸素元素を５質量％以下含有し、窒化けい素のβ化率が９５％以上である窒化けい素焼結体であり、この窒化けい素焼結体の結晶組織において窒化けい素結晶粒子の短径に対する長径の比が２以上である窒化けい素針状結晶粒子の面積率が５０％以上であることを特徴とする窒化けい素焼結体。
【請求項２】
請求項１記載の窒化けい素焼結体において、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，ＮｂおよびＣｒからなる群より選択される少なくとも１種の元素を５質量％以下含有することを特徴とする窒化けい素焼結体。
【請求項３】
請求項２記載の窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体がＴｉ元素を５質量％以下含有するとともに、このＴｉ元素がＴｉＮおよびＴｉＣＮの少なくとも一方の化合物として存在することを特徴とする窒化けい素焼結体。
【請求項４】
請求項２記載の窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体の加工表面をＸ線回折分析した場合に、窒化けい素のＸ線最大ピーク強度に対するＴｉＣＮ化合物のＸ線最大ピーク強度の比が５０％以下であることを特徴とする窒化けい素焼結体。
【請求項５】
請求項１記載の窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体の気孔率が１％以下であることを特徴とする窒化けい素焼結体。
【請求項６】
請求項１記載の窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体の最大気孔径が３μｍ以下であることを特徴とする窒化けい素焼結体。
【請求項７】
請求項１記載の窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体を研摩加工した後の３０×３０μｍの表面領域に残存する径が１μｍ以上の気孔数が５個以下であることを特徴とする窒化けい素焼結体。
【請求項８】
請求項１記載の窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体のヤング率が２９０ＧＰａ以上であることを特徴とする窒化けい素焼結体。
【請求項９】
請求項１記載の窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体を構成する窒化けい素結晶粒子の最大長さが４０μｍ以下であることを特徴とする窒化けい素焼結体。
【請求項１０】
請求項１記載の窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体の結晶組織における助剤成分の偏析凝集部の最大径が３０μｍ以下であることを特徴とする窒化けい素焼結体。
【請求項１１】
請求項１記載の窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体が不純物としてＦｅを１０〜３０００ｐｐｍ含有するとともに、Ｃａを１０〜１０００ｐｐｍ含有していることを特徴とする窒化けい素焼結体。
【請求項１２】
請求項１記載の窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体のビッカース硬度Ｈｖが１３００〜１６００であることを特徴とする窒化けい素焼結体。
【請求項１３】
請求項１記載の窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体の破壊靭性値が６ＭＰａ・ｍ１／２以上であることを特徴とする窒化けい素焼結体。
【請求項１４】
請求項１記載の窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体の三点曲げ試験における最低抗折強度が７００ＭＰａ以上であり、かつ平均抗折強度が９００ＭＰａ以上であることを特徴とする窒化けい素焼結体。
【請求項１５】
請求項１記載の窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体が切削工具であることを特徴とする窒化けい素焼結体。
【請求項１６】
請求項１記載の窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体が軸受けの転動体であることを特徴とする窒化けい素焼結体。
【請求項１７】
請求項１６記載の窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体の圧砕強度が１５０Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴とする窒化けい素焼結体。
【請求項１８】
請求項１６記載の窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体から成る転動ボールを調製する一方、ＳＵＪ２製鋼板の上面に設定した直径４０ｍｍの軌道上に上記転動ボールを配置し、この転動ボールに５．９ＧＰａの最大接触応力が作用するように荷重を印加した状態で回転数１２００ｒｐｍの条件下で回転させたときに、上記窒化けい素焼結体製転動ボールの表面が剥離するまでの時間で定義される転がり疲労寿命が１００時間以上であることを特徴とする窒化けい素焼結体。
【請求項１９】
請求項１記載の窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体が圧延治具であることを特徴とする窒化けい素焼結体。
【請求項２０】
酸素を１．５質量％以下、α相型窒化けい素を８０質量％以上含有し、平均粒径が１μｍ以下の窒化けい素粉末に、焼結助剤成分として希土類元素を３質量％以下、Ａｌ元素を３質量％以下、酸素元素を５質量％以下添加し、得られた原料混合体を複数に分割し、分割した各原料混合体をそれぞれ個別に混合した後に、一つの原料体として合体して、さらに混合し得られた原料粉末を成形して成形体を調製し、この成形体を真空度が１×１０−３ｔｏｒｒ以下の雰囲気で温度１５００℃まで加熱して脱気処理を実施した後に、雰囲気を非酸化性ガス雰囲気に切り替え、圧力が５気圧以上の加圧焼結を実施することを特徴とする窒化けい素焼結体の製造方法。
【請求項２１】
焼結後、非酸化性雰囲気中で前記窒化けい素焼結体に対し、圧力３０ＭＰａ以上の熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理を実施することを特徴とする請求項２０記載の窒化けい素焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化けい素を主成分とする耐摩耗性部材およびその製造方法に係り、特に結晶組織が均質で粒界強度のばらつきが小さく、ベアリングボール等の軸受け転動体，切削工具，圧延治具，摺動部材等の構成材として使用した場合に、優れた機械的強度、耐摩耗性、転がり寿命特性を安定的に発揮し得る窒化けい素焼結体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転軸を支持するベアリング（軸受）部材として、特にベアリングボールの構成材として、軸受鋼等の金属材料が一般に使用されていた。しかしながら、軸受鋼等の金属材料では耐摩耗性が十分ではないことから、例えば電子機器等のように５，０００ｒｐｍ以上の高速回転が要求される製品分野においては、軸受けの寿命のばらつきが大きくなり信頼性のある高速回転駆動が安定して得られないという問題点があった。
【０００３】
上記のような問題点を解決する一手段として、近年になってベアリングボールの構成材として窒化珪素焼結体を用いることが試行されている。窒化珪素焼結体はセラミックスの中でも摺動特性に優れることから、一部の使用態様において耐摩耗性は十分であり、高速回転を行った場合においても信頼性が高い回転駆動をある程度の期間にわたって実現できることが確認されている。
【０００４】
従来の窒化けい素焼結体の焼結組成としては窒化けい素−希土類酸化物−酸化アルミニウム系、窒化けい素−酸化イットリウム−酸化アルミニウム−窒化アルミニウム−チタニウム系等が知られている。上記焼結組成における酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）などの希土類酸化物等の焼結助剤は、従来から焼結助剤として一般に使用されており、焼結性を高めて焼結体を緻密化し高強度化するために添加されている。
【０００５】
また、耐摩耗性、特に優れた摺動特性を必要とする転がり軸受け部材に使用される従来の窒化けい素焼結体として、例えば所定量の希土類酸化物，ＭｇＡｌ２Ｏ４スピネル，炭化けい素，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ等の酸化物を含有し、気孔率が１％以下であり、三点曲げ強度が９００ＭＰａ以上であり、破壊靭性値が６．３ＭＰａ・ｍ１／２以上である窒化けい素焼結体から成る耐摩耗性部材が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、特に不純物を低減して耐摩耗性を損なう欠陥の発生が少なく均質な焼結体を形成するために、従来の焼結体は、一般的に原料粉末として例えばイミド熱分解法で合成した高純度窒化けい素微粉末を使用して製造されている。
【特許文献１】特開２００３−３４５８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ベアリングボールの摺動特性は焼結体の表面精度や均質性により大きく影響されることが本発明者らの研究により明確になっている。従来の窒化珪素製ベアリングボールでは表面精度に影響を及ぼす助剤成分の偏析の大きさを抑制制御するため、高純度の窒化けい素原料を用いる必要があった。
【０００８】
また、転がり軸受け部材に使用される従来の窒化けい素焼結体は、上記したイミド熱分解法で合成した高価な原料粉末を使用して製造されている上に、機械的強度や破壊靭性値が高過ぎるため、焼結後の加工性が悪く、耐摩耗性部材製品の製造コストの上昇が不可避となる問題点があった。
【０００９】
また、上記従来方法によって製造された窒化けい素焼結体では、曲げ強度や破壊靭性値、耐摩耗性が向上している反面、特に軸受け部材として必要な転がり特性および耐久性については不十分であり、さらなる改良が要請されている。特に窒化けい素製ベアリングボールの寿命と添加成分の影響との相関関係が十分に究明されておらず、寿命を長期化する対策が模索されている。
【００１０】
近年、精密機器用部材としてのセラミックス材料の需要が増加しており、このような用途においては、高硬度で軽量かつ耐摩耗性が優れるというセラミックスの特長が、高耐食性と低熱膨張性という性質とともに利用されている。特に、高硬度性と耐摩耗性との観点から、軸受などの摺動部を構成する耐摩耗性部材としての用途も急速に拡大している。
【００１１】
しかしながら、軸受などの転動ボールをセラミックス製耐摩耗性部材で構成した場合、転動ボールが高い応力レベルで繰り返し接触しながら転動したときに、耐摩耗性部材の転がり寿命が未だ十分ではなく、短期間の運転により耐摩耗性部材の表面が剥離したり、割れを生じてしまうため、軸受を装着した機器に振動を生じたり、損傷を引き起こす事故が発生し易く、いずれにしても機器構成部品材料としての耐久性および信頼性が低いという問題点があった。
【００１２】
本発明は上記のような課題要請に対処するためになされたものであり、特に金属窒化法で製造された窒化けい素粉末のように純度が低く安価な窒化けい素原料粉末を使用して形成した場合であっても、助剤成分の分散状態を制御することが可能であり、均質で粒界強度のばらつきが小さくすることができ、従来の窒化けい素焼結体と同等以上の機械的強度、耐摩耗性、転がり寿命特性に加え、加工性に優れた転がり軸受け部材として好適な窒化けい素焼結体およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は上記目的を達成するため、従来の窒化けい素焼結体を製造する際に、一般的に使用されていた窒化けい素原料粉末の種類、不純物量、焼結助剤や添加物の種類および添加量、および原料粉末の混合条件、焼成条件を種々変えて、それらの要素が焼結体の特性に及ぼす影響を実験により確認した。
【００１４】
その結果、金属窒化法等で合成した安価で微細な窒化けい素原料粉末に希土類元素と，酸化アルミニウムや窒化アルミニウムなどのアルミニウム成分と，酸素元素と，必要に応じてＴｉ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｃｒから成る群より選択される少なくとも１種とを所定量ずつ添加した原料混合体を均一に混合した後に成形・焼結したときに、さらには焼結した後に所定の条件で熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理したときに、従来の窒化けい素焼結体と同等以上の緻密性，機械的強度，耐摩耗性，転がり寿命特性に加えて、特に加工性に優れた転がり軸受部材として好適な窒化けい素焼結体が得られるという知見が得られた。
【００１５】
特に、１ロット分の原料粉末を予め複数に分割し、各分割した原料粉末を個別に十分に混合した後に、各原料粉末を合体して一つの原料体として、さらに十分に混合した原料粉末を成形・焼結したときに、焼結助剤粉末同士の凝集が抑制され、均質な組織を有する窒化けい素焼結体が得られた。特に窒化珪素焼結体中に存在する焼結助剤成分の偏析凝集部の径を３０μｍ以下にでき、表面欠陥が少なく耐摩耗性に優れた焼結体が得られるという知見も得られた。
【００１６】
また、焼結工程の前段階において真空雰囲気中で窒化けい素成形体を１５００℃程度の温度まで加熱した後に、非酸化性雰囲気に切り替えて所定温度で加圧焼結することにより、窒化けい素のβ化率を９５％以上にすることができ、焼結体の摺動特性を効果的に改善できるという知見も得た。
【００１７】
さらに、焼結体にＴｉ元素を所定量含有せしめ、そのＴｉ元素をＴｉＮやＴｉＣＮ等の化合物粒子として存在させることにより、焼結体の粒界強度のばらつきが減少し、焼結体の繰返し応力に対する抵抗力を大幅に高めることが可能になり、耐久性が優れたベアリングボールが得られるという知見も得られた。
【００１８】
本発明は上記知見に基づいて完成されたものである。
【００１９】
すなわち、本発明に係る窒化けい素焼結体は、焼結助剤成分として希土類元素を３質量％以下、Ａｌ元素を３質量％以下、酸素元素を５質量％以下含有し、窒化けい素のβ化率が９５％以上である窒化けい素焼結体であり、この窒化けい素焼結体の結晶組織において窒化けい素結晶粒子の短径に対する長径の比が２以上である窒化けい素針状結晶粒子の面積率が５０％以上であることを特徴とする。
【００２０】
本発明の窒化けい素焼結体において、窒化けい素のβ化率は９５％以上であることが必要である。六方晶系の結晶構造を有するβ相型窒化けい素は、α相型窒化けい素と比較して高温度での安定性および構造強度に優れており耐摩耗性材料の要求特性を向上させる上で好適である。したがって、上記窒化けい素のβ化率を９５％以上に高めることにより優れた耐摩耗特性を確保できる。
【００２１】
本発明の窒化けい素焼結体のβ化率は、焼結体表面を研磨加工後にＸ線回折法（ＸＲＤ法）により表面のα相およびβ相からの回折Ｘ線強度をそれぞれ測定し、下記算式（１）により算出される。
【００２２】
［数１］
β化率（％）
＝最大β相ピーク強度／（最大α相ピーク強度＋最大β相ピーク強度）×１００
……（１）
【００２３】
上記のように窒化けい素のβ化率を９５％以上に高めるためには、窒化けい素成形体の焼結段階において、真空度が１×１０−３Ｔｏｒｒ以下の真空雰囲気中で成形体を約１５００℃まで昇温した後に、非酸化性雰囲気に切り替えて所定の焼結温度で焼結し、温度１５００℃以下となるまで５気圧以上の加圧を継続することにより、窒化けい素のβ化率を９５％以上にすることができる。
【００２４】
また、本発明に係る窒化けい素焼結体の結晶組織において、窒化けい素結晶粒子の短径に対する長径の比（アスペクト比）が２以上である細長い窒化けい素針状結晶粒子の面積率を５０％以上とすることにより、アスペクト比が高い針状の窒化けい素結晶粒子が複雑に入り組んだ高強度の焼結体が得られる。上記面積率が５０％未満では焼結体の強度の改善効果が少ない。したがって上記アスペクト比が２以上である窒化けい素針状結晶粒子の面積率は５０％以上とされるが、好ましくは７０％以上、さらに好ましくは９０％以上である。
【００２５】
上記所定のアスペクト比を有する窒化けい素結晶粒子の面積率は、下記のように測定される。すなわち、焼結体において任意の２箇所の加工表面組織および２箇所の断面組織をエッチング処理して助剤成分を溶出させた後に、組織の拡大写真（倍率２００倍程度）を撮影し、その写真内の１００×１００μｍ相当の領域に存在する各窒化けい素粒子の短径と長径とを測定し、短径に対する長径の比（アスペクト比）が２以上である窒化けい素粒子の領域全体に対する面積率をそれぞれ測定し、その４箇所の平均値として算出される。
【００２６】
また、上記窒化けい素焼結体において、酸素含有量が５質量％以下であることが必要である。焼結体の酸素含有量が５質量％を超えるように過量となると、粒界相の割合が増加し酸素やＳｉＯ２等のガス成分に起因するポアや亀裂などの欠陥が発生しやすくなる。
【００２７】
なお、焼結体中の酸素量（全酸素量）は不活性ガス融解−赤外線吸収法に準ずる酸素分析計により求めた値とし、窒化けい素焼結体を構成している酸素の全量を質量％で示したものである。従って、酸素が窒化けい素焼結体中に金属酸化物や酸窒化物などとして存在している場合は、その金属酸化物（および酸窒化物）量ではなく、金属酸化物（および酸窒化物）の酸素量に着目したものである。
【００２８】
上記焼結体中の酸素量を調整低減するためには、焼結助剤として用いる希土類成分やアルミニウム成分として酸化物ではなく、窒化物等を用いたり、焼結途中で成形体を真空雰囲気中で加熱して気体成分の脱ガス処理したりすることによって可能である。
【００２９】
また本発明に係る窒化けい素焼結体において、窒化けい素焼結体がＴｉ元素を５質量％以下含有するとともに、このＴｉ元素がＴｉＮおよびＴｉＣＮの少なくとも一方の化合物として存在することが好ましい。上記Ｔｉ元素がＴｉＮやＴｉＣＮなどの化合物として存在することにより、繰返し応力に対する抵抗力が増大化し、焼結体でベアリングボールを形成した場合に優れた転動特性および耐久性を発揮させることができる。
【００３０】
上記Ｔｉ元素の存在形態は、窒化けい素焼結体の加工表面をＸ線回折（ＸＲＤ）分析することにより確認できる。また、Ｔｉ化合物量は焼結体の加工表面をＸ線回折分析した場合に、窒化けい素のＸ線最大ピーク強度に対するＴｉＣＮ化合物のＸ線最大ピーク強度の比が５０％以下となるように調整することが好ましい。上記Ｔｉ化合物のＸ線最大ピーク強度比が５０％を超えるように過大になると、助剤成分であるＴｉと他の成分（ＣやＮ）との反応量がばらついて耐摩耗性部材としての寿命特性が安定しない。したがって上記Ｔｉ化合物のＸ線最大ピーク強度比は５０％以下とされるが、５〜３５％の範囲がより好ましい。このＴｉ化合物のＸ線最大ピーク強度比を５０％以下とすることにより、この焼結体から成る耐摩耗性部材としてのベアリングボールの寿命時間（転がり疲労寿命）のばらつきを大幅に減少させることができ、ワイブル係数が１０以上の窒化けい素焼結体が得られる。
【００３１】
上記Ｔｉ化合物の生成量を上記範囲内にするためには、窒化けい素原料混合粉の成形体を焼成容器に収容して焼結する際に、焼成容器に対する成形体の充填率を４０〜８０％程度に調整するとともに、焼成雰囲気圧力を３〜１０気圧程度に調整制御することにより達成できる。
【００３２】
また、本発明に係る窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体の最大気孔径が３μｍ以下であることが好ましい。焼結体表面に残存したボイド、ピット等の気孔は、破壊や割れの起点になり易いが、この最大気孔径が３μｍ以下であれば、破壊や割れの発生確率は小さくなり動作信頼性が高い耐摩耗性部材が得られる。
【００３３】
さらに、本発明に係る窒化けい素焼結体において、上記窒化けい素焼結体を研摩加工した後の３０×３０μｍの表面領域に残存する気孔であり、径が１μｍ以上の気孔数が５個以下であることが好ましい。前記最大気孔径が３μｍ未満の気孔であっても、それらが多数残存する場合には当然破壊や割れの発生確率が高くなる。しかるに上記のように単位組織面積当りに残存する気孔で径が１μｍ以上の気孔の数を５個以下とすることにより、破壊や割れに起因する故障を低減でき機器の動作信頼性を高めることができる。
【００３４】
さらに、本発明に係る窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体のヤング率が２９０ＧＰａ以上であることが好ましい。この窒化けい素焼結体のヤング率が２９０ＧＰａ以上であれば、後述する偏析凝集部の最大径が２０〜４０μｍ程度に大きくなっても、耐摩耗材として優れた転動特性と耐久性とを確保することができる。この事実は、偏析凝集部が大きくなるような不純物を多量に含有した原料粉末を使用した場合においても、または原料粉末の混合度合いが低く不均一な原料粉末を使用した場合においても、焼結体のヤング率を２９０ＧＰａ以上に高めることができれば、耐摩耗特性に優れた窒化けい素焼結体が得られることを意味している。
【００３５】
さらに、前記窒化けい素焼結体を構成する窒化けい素結晶粒子の最大長さが４０μｍ以下であることことが好ましい。
【００３６】
上記窒化けい素結晶粒子の最大長さが４０μｍを超えるように長大に異常に粒成長した窒化けい素結晶粒子は焼結体の表面性状を悪化させて耐摩耗性および摺動特性を低下させる原因となるため、上記窒化けい素結晶粒子の最大長さは４０μｍ以下にすることが好ましい。
【００３７】
上記窒化けい素結晶粒子の最大長さは、焼結体組織の拡大写真上で任意の測定領域（１００μｍ×１００μｍ）を３箇所選出し、各領域における結晶粒子の最大長さの平均値として測定される。
【００３８】
上記窒化けい素結晶粒子の最大長さは、異常粒成長を防止する前記希土類元素，アルミニウム成分量および焼結条件を適正化することにより調整できる。
【００３９】
さらに、上記窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体の結晶組織における助剤成分の偏析凝集部の最大径が３０μｍ以下であることが好ましい。
【００４０】
ここで上記偏析凝集部の最大径とは、隣接する窒化珪素結晶粒子の間の粒界相に形成される焼結助剤成分の偏析部または凝集部の最大長さを言い、窒化けい素焼結体の表面または断面について、倍率が２０００倍（５０μｍを１０ｃｍで表示する）程度以上の拡大写真において、偏析部または凝集部における最も長い対角線として定義される。
【００４１】
上記偏析凝集部は脆弱であり破壊の起点になり易く、摺動性および耐摩耗性を低下させる。そのため、本発明において助剤成分の偏析凝集部の最大径は３０μｍ以下とされるが、１０μｍ以下、さらには５μｍ以下であることがより好ましい。さらに高機能の耐摩耗性部材を構成するためには上記偏析凝集部の最大径が０．１〜１．５μｍの範囲であることがさらに好ましい。
【００４２】
なお上記拡大写真については特に限定されるものではないが、金属顕微鏡、電子顕微鏡、ＸＤＳ、ＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザー）などが一般的でありカラーマッピング処理を行うと助剤成分を判断し易くなる。なお、拡大写真にて組織状態を判断する際に、ベアリングボールのように球面状部を写真にとると写真の端部が湾曲し歪んで撮影されるため、焼結体表面の助剤成分の存在状態を正確に示さないことが考えられるが、単位面積が５０μｍ×５０μｍのように微小な範囲を撮影する場合には上記の撮影像の歪みは少なく実質的に問題は生じない。
【００４３】
なお上記偏析凝集部の最大径を低減するためには、助剤成分粉末の凝集を防止し原料窒化けい素粉末と焼結助剤粉末との均一な混合を達成することが重要である。助剤成分の凝集が起きると最大径が３０μｍ以上の偏析凝集部が形成され易くなる。この偏析凝集部の生成を防止するためには、後述するように例えば、１ロット分（総量約５ｋｇ）の原料粉末を混合するに際し、原料粉末をそれぞれ２分割以上、好ましくは３〜５分割して比較的少量ずつ混合したものを最終的に１つに混ぜ合わせ均質化する方法が有効である。
【００４４】
なお、１ロット分で助剤成分粉末の凝集粒子の少ない混合粉末が得られれば特に問題ではないが、このような場合において凝集粒子の少ない均一な混合状態を得ようとすると混合時間が必要以上に長くなってしまうことが多く、必ずしも製造性が良いとは言えない。また、１度に大量に各原料粉末を混ぜ合わせると最終的な窒化けい素焼結体としたときに助剤成分の大きさが３０μｍを超える部位が生成し易くなる。
【００４５】
さらに他の混合方法として、まず窒化けい素粉末および複数種類の焼結助剤を混合する。その混合粉の中に特に分散性の悪い焼結助剤粉末は分割して順次添加する方法が有効である。例えば、分散性の悪い焼結助剤成分粉末の添加量を２分割以上、好ましくは３〜５分割し、１回目の添加を行い所定時間（３０分以上が好ましい。）経過した後に２回目以降分を順に添加する方法である。
【００４６】
このような方法によって原料粉末を均一に混合すれば、焼結助剤粉末同士の凝集を効果的に抑制することができるので、仮に偏析部や凝集部が存在したとしても窒化けい素焼結体中での助剤成分の偏析凝集部の最大径を３０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下にすることが可能となる。
【００４７】
また、上記窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体が不純物としてＦｅを１０〜３５００ｐｐｍ含有するとともに、Ｃａを１０〜１０００ｐｐｍ含有していることが好ましい。焼結助剤としてアルミニウム成分を含有する場合、鉄およびカルシウム成分を微量に含有させることにより、窒化けい素から成る耐摩耗性部材の摺動性能を向上させることができる。不純物としての鉄の含有量が３５００ｐｐｍ以下であれば、耐摩耗性部材の摺動性能が良好である一方、鉄の含有量が１０ｐｐｍ以上であっても、強度や摺動性能の低下等の不都合を生じない。
【００４８】
また、上記窒化けい素焼結体から成る耐摩耗性部材において、カルシウムの含有量が１０００ｐｐｍ以下であれば、耐摩耗性部材の摺動性能が良好である。一方、カルシウムの含有量が１０ｐｐｍ以上であっても、強度や摺動性能の低下等の不都合を生じない。なお、上記窒化けい素焼結体中のＦｅ含有量およびＣａ含有量は、加圧分解―ＩＣＰ発光分析法により測定できる。
【００４９】
さらに、上記窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体のビッカース硬度Ｈｖが１３００〜１６００であることが好ましい。
【００５０】
耐摩耗性部材を構成する窒化けい素焼結体に要求される硬度に関しては、ビッカース硬さでＨｖ１３００以上の特性を有することが好ましい。窒化けい素焼結体の硬度がビッカース硬さＨｖで１３００未満となると、耐摩耗性の低下が著しくなる。特に、ベアリングボールなどに求められる摺動特性（転がり寿命特性）を十分に満足させることができなくなる。窒化けい素焼結体のビッカース硬さはＨｖ１４００以上であることがより好ましい。なお、上記ビッカース硬度Ｈｖが１６００を超えるように過大になると、相手材に対する攻撃性が顕著になるため、上記ビッカース硬度Ｈｖは１３００〜１６００の範囲が好ましい。
【００５１】
また、前記窒化けい素焼結体の破壊靭性値が６ＭＰａ・ｍ１／２以上であることが好ましい。さらに、前記窒化けい素焼結体の三点曲げ試験における最低抗折強度が７００ＭＰａ以上であり、かつ平均抗折強度が９００ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００５２】
また上記窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体が切削工具または軸受けの転動体であることが好ましい。さらに、上記窒化けい素焼結体で圧延治具を形成することも可能である。また、前記窒化けい素焼結体が軸受けの球状転動体である場合には、前記窒化けい素焼結体の圧砕強度が１５０Ｎ／ｍｍ２以上であることが好ましい。この圧砕強度が１５０Ｎ／ｍｍ２未満であると、軸受けの球状転動体の転がり寿命特性が低下してしまう。
【００５３】
また上記窒化けい素焼結体において、前記窒化けい素焼結体から成る転動ボールを調製する一方、ＳＵＪ２製鋼板の上面に設定した直径４０ｍｍの軌道上に上記転動ボールを配置し、この転動ボールに５．９ＧＰａの最大接触応力が作用するように荷重を印加した状態で回転数１２００ｒｐｍの条件下で回転させたときに、上記窒化けい素焼結体製転動ボールの表面が剥離するまでの時間で定義される転がり疲労寿命が１００時間以上であることが好ましい。上記過酷な条件で連続的に転動可能な転がり疲労寿命が１００時間以上である場合に、信頼性が高い回転部を形成でき回転機器の信頼性を飛躍的に高めることが可能になる。
【００５４】
なお、上記ビッカース硬度ＨｖはＪＩＳ−Ｒ−１６１０で規定された測定法に準拠し試験荷重１９８．１Ｎで室温（２５℃）にて測定した。また破壊靭性値（Ｋ１Ｃ）はＪＩＳ−Ｒ−１６０７で規定されたＩＦ法に基づき測定し、Ｎｉｉｈａｒａの式により算出したものである。圧砕強度は旧ＪＩＳ規格Ｂ１５０１に準じた測定法により、インストロン型試験機で圧縮加重をかけ、破壊時の荷重を測定することにより測定した。さらに抗折強度はＪＩＳ−Ｒ−１６０１で規定された３点曲げ強さ試験に準じた測定法により測定した。
【００５５】
本発明に係る窒化けい素焼結体の製造方法は、酸素を１．５質量％以下、α相型窒化けい素を８０質量％以上含有し、平均粒径が１μｍ以下の窒化けい素粉末に、焼結助剤成分として希土類元素を３質量％以下、Ａｌ元素を３質量％以下、酸素元素を５質量％以下添加し、得られた原料混合体を複数に分割し、分割した各原料混合体をそれぞれ個別に混合した後に、一つの原料体として合体して、さらに混合し得られた原料粉末を成形して成形体を調製し、この成形体を真空度が１×１０−３Ｔｏｒｒ以下の雰囲気で温度１５００℃まで加熱して脱気処理を実施した後に、雰囲気を非酸化性ガス雰囲気に切り替え、圧力が５気圧以上の加圧焼結を実施することを特徴とする。
【００５６】
上記製造方法における窒化けい素成形体の焼結段階において、真空度が１×１０−３Ｔｏｒｒ以下の真空雰囲気中で成形体を約１５００℃まで昇温した後に、非酸化性雰囲気に切り替えて所定の焼結温度で焼結し、温度１５００℃以下となるまで５気圧以上の加圧を継続することにより、窒化けい素のβ化率を９５％以上にすることができる。
【００５７】
また、上記窒化けい素焼結体の製造方法において、焼結後、非酸化性雰囲気中で前記窒化けい素焼結体に対し、圧力３０ＭＰａ以上の熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理を実施することが好ましい。このＨＩＰ処理を実施することにより、焼結時に残存したボイド等の気孔を低減したり、その大きさを小さくすることができる。従来のＨＩＰ処理では圧力が３００気圧（約３０ＭＰａ）未満の高圧ガスをＨＩＰ処理装置内に導入して焼結温度に近い温度で熱処理を実施していたが、大きなボイドが残存し易い問題があった。そこで本発明では３００気圧（約３０ＭＰａ）以上の圧力でＨＩＰ処理を実施する。特に、１０００気圧以上、具体的には１０００〜２０００気圧（約１００〜２００ＭＰａ）の高圧ガスを導入してＨＩＰ処理することにより、最終的に焼結体に残存するボイド等の気孔の大きさおよび個数を大幅に減少させることができる。
【００５８】
具体的には、窒化けい素焼結体の最大気孔径を３μｍ以下にすることが可能であり、さらには、窒化けい素焼結体を研摩加工した後の３０×３０μｍの表面領域に残存する径が１μｍ以上の気孔数を５個以下でにすることも可能である。
【００５９】
上記製造方法によれば、安価な窒化けい素原料粉末に希土類元素，アルミニウム元素，酸素元素，必要に応じてＴｉ，Ｈｆ，Ｚｒ等の成分を添加し、これらの成分と窒化けい素成分とが十分均一に混合されているため、これらの成分が希土類元素と共に窒化けい素原料粉末とむら無く反応して液相を生成して焼結促進剤として機能し、焼結体の緻密化を可能とするとともに結晶組織において粒成長を抑止する機能を果し、窒化けい素焼結体の機械的強度，耐摩耗性，転がり寿命特性に加えて、特に均一性および加工性に優れた窒化けい素焼結体が得られる。
【００６０】
本発明方法において使用され、耐摩耗性部材等を構成する窒化けい素焼結体の主成分となる窒化けい素粉末としては、例えば金属窒化法で合成された安価な窒化けい素原料粉末等を使用することができるが、焼結性、曲げ強度および破壊靭性値を考慮して、酸素含有量が１．５質量％以下、好ましくは０．９〜１．２質量％であるα相型窒化けい素を８０質量％以上、好ましくは９０〜９７質量％含有し、平均粒径が０．２〜３μｍ、好ましくは１μｍ以下、さらに好ましくは０．２〜０．９μｍ程度の窒化けい素粉末を使用することが好ましい。上記α相型窒化けい素粉末は焼結条件によりβ相型窒化けい素焼結体となる。
【００６１】
なお、窒化けい素原料粉末としてはα相型のものとβ相型のものとが知られているが、α相型の窒化けい素原料粉末では焼結体とした場合に強度が不足し易い傾向がある一方、β相型の窒化けい素原料粉末では、アスペクト比が高い窒化けい素結晶粒子が複雑に入り組んだ高強度の焼結体が得られる。
【００６２】
本発明方法において、α相型窒化けい素粉末の配合量を８０質量％以上の範囲に限定した理由は、８０質量％以上の範囲で焼結体の曲げ強度、破壊靭性値および転がり寿命が格段に向上し、窒化けい素の優れた特性が顕著となるためである。一方、焼結性を考慮すると、９７質量％までの範囲とする。好ましくは９０〜９５質量％の範囲とすることが好ましい。
【００６３】
その結果、窒化けい素の出発原料粉末としては、焼結性、曲げ強度、破壊靭性値、転がり寿命を考慮して、酸素含有率が１．５質量％以下，好ましくは０．９〜１．２質量％であり、α相型窒化けい素を８０質量％以上含有し、平均粒径が１μｍ以下、好ましくは０．６〜０．９μｍ程度の窒化けい素粉末を使用することが好ましい。
【００６４】
特に平均粒径が０．８μｍ以下の微細な原料粉末を使用することにより、少量の焼結助剤であっても気孔率が１％以下の緻密な焼結体を形成することが可能である。この焼結体の気孔率はアルキメデス法により容易に計測できる。
【００６５】
上記窒化けい素原料粉末に焼結助剤として添加する希土類元素としては、Ｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｌａ，Ｓｃ，Ｐｒ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｄｙ，Ｓｍ，Ｇｄなどの酸化物もしくは焼結操作により、これらの酸化物となる物質が単独で、または２種以上の酸化物を組み合せたものを含んでもよい。これらの焼結助剤は、窒化けい素原料粉末と反応して液相を生成し、焼結促進剤として機能する。焼結助剤の平均粒径は３μｍ以下が好ましい。
【００６６】
上記焼結助剤の添加量は、希土類元素換算で原料粉末に対して３質量％以下の範囲とする。この添加量が３質量％未満の場合は、焼結体の緻密化あるいは高強度化が不十分であり、特に希土類元素がランタノイド系元素のように原子量が大きい元素の場合には、比較的低強度の焼結体が形成される。一方、添加量が３質量％を超える過量となると、過量の粒界相が生成し、気孔の発生量が増加したり、強度が低下し始めるので上記範囲とする。特に同様の理由により１．５〜２．５質量％とすることが望ましい。
【００６７】
また、アルミニウム成分は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などとして添加され、その添加量はＡｌ元素換算で３質量％以下の範囲である。具体的には、Ａｌ２Ｏ３は希土類元素の焼結促進剤の機能を促進し、低温での緻密化を可能にし、結晶組織において粒成長を制御する機能を果たし、Ｓｉ３Ｎ４焼結体の曲げ強度（抗折強度）をおよび破壊靭性値などの機械的強度を向上させるために３質量％以下の範囲で添加される。しかしながら、その添加量が１質量％未満の場合においては添加効果が不充分である一方、３質量％を超える過量となる場合には酸素含有量の上昇が起こり、これによる粒界相中の成分分布のむらが発生し転がり寿命が低下するので、Ａｌ２Ｏ３の添加量は１〜３質量％の範囲とされるが、好ましくは１．５〜３質量％の範囲とすることが望ましい。
【００６８】
一方、ＡｌＮは焼結過程における窒化けい素成分の蒸発等を抑制するとともに、希土類元素の焼結促進剤としての機能をさらに助長する役目を果たすものであり、窒化物換算で３質量％以下の範囲で添加されることが望ましい。但し、その添加量が１質量％未満となると、上記機能が不十分となる一方、添加量が３質量％を超えるように過量となると、焼結体の機械的強度や耐摩耗性部材としての転がり寿命特性が低下するため、その添加量は窒化物換算で１〜３質量％の範囲とされる。
【００６９】
なお、前記窒化けい素粉末に、２〜４質量％のＡｌ２Ｏ３と１〜３質量％のＡｌＮとを共に添加すると、焼結体の機械的特性をより効果的に高めることができるが、両者の合計量が過大になると、耐摩耗性部材としての転がり寿命特性が低下するため、原料混合体中におけるアルミニウム成分の合計含有量は酸化物換算で６質量％以下とすることが好ましい。
【００７０】
一方、選択的に添加される成分としてのＴｉ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｃｒの酸化物、炭化物、窒化物、珪化物、硼化物から成る群から選択される少なくとも１種の化合物は、上記の希土類酸化物等の焼結促進剤としての機能を促進するとともに、結晶組織において分散強化の機能を果し窒化けい素焼結体の機械的強度や転がり寿命を向上させるために元素換算で５質量％以下の範囲で含有される。特にＴｉ，Ｍｏ，Ｈｆ化合物が好ましい。これらの化合物の添加量が元素換算で０．５質量％未満では添加効果が不十分である一方、５質量％を超える過量となる場合には焼結体の強度や転がり寿命の低下が起こるため、添加量は５質量％以下の範囲とする。特に０．５〜４質量％とすることが望ましい。
【００７１】
また、上記Ｔｉ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｃｒなどの化合物は、前記ＳｉＣと同様に結晶組織において分散強化の機能を果し、窒化けい素焼結体の機械的強度を向上させる。その結果、窒化けい素結晶組織中に希土類元素等を含む微細な粒界相が形成され、その粒界相中に形成される凝集偏析部の幅の最大値が３０μｍ以下となり、さらには気孔率が１％以下、最低抗折強度が室温で７００ＭＰａ以上であり、平均抗折強度が９００ＭＰａ以上であり、破壊靭性値が６ＭＰａ・ｍ１／２以上であり、圧砕強度が１５０ＭＰａ以上である機械的特性に優れた窒化けい素焼結体が得られる。なお上記平均抗折強度は、同一の焼結体から切り出した３本の抗折試験片についての各抗折強度の平均値である。
【００７２】
なお前記Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ等の化合物は窒化けい素焼結体を黒色系に着色し不透明性を付与する遮光剤としても機能する。
【００７３】
また焼結体の気孔率は耐摩耗性部材の転がり寿命および曲げ強度に大きく影響するため１％以下とすることが好ましい。気孔率が１％を超えると、疲労破壊の起点となる気孔が急増して耐摩耗性部材の転がり寿命が低下するとともに、焼結体の強度低下が起こる。より好ましい気孔率は０．５％以下である。この気孔率は、前記各種の焼結助剤の選択による焼結性、成形圧力、焼成条件、焼結後のＨＩＰ処理条件等を制御することにより調整できる。
【００７４】
本発明に係る窒化けい素焼結体は、例えば以下のようなプロセスを経て製造される。すなわち前記所定の微細粒径を有し、また酸素含有量が少ない微細な窒化けい素粉末に対して所定量の焼結助剤、Ａｌ２Ｏ３やＡｌＮなどのアルミニウム成分，有機バインダ等の必要な添加剤および必要に応じてＴｉ等の化合物を加えて原料混合体を調製する。
【００７５】
ここで、上記原料混合体の調製工程においては、焼結助剤成分の凝集を防止するため、各原料粉末すなわち焼結助剤粉末および窒化珪素粉末をあらかじめ分割して１回で混合処理する原料粉末重量を制限し、それらの分割された焼結助剤粉末と窒化珪素粉末とを十分に混合する。分割した他の原料粉末についても同様に混合して複数の混合粉末を調製する。そしてこれらの分割した均一な混合粉末を一つに統合してさらに十分に混合して原料粉末を調製し、成形後、脱脂工程を経て、焼結して窒化けい素焼結体を製造する方法を採用することを特徴としている。
【００７６】
例えば、１ロット分（総量５ｋｇ）の原料粉末を混合するにあたり、原料粉末をそれぞれ２分割以上、好ましくは３〜５分割して比較的少量ずつ均一に混合した後に、さらに最終的に１つの原料混合体として合体して、さらに十分に混合する。
【００７７】
このように焼結助剤と窒化けい素原料粉末との配合体を少なくとも２分割してそれぞれ混合した後に、１つに統合して混合する製造方法とすることにより、より均質な原料混合体を得ることが可能となる。
【００７８】
次に得られた原料混合体を成形して所定形状の成形体を得る。原料混合体の成形法としては、汎用の金型プレス法やＣＩＰ（冷間静水圧プレス）法などが適用できる。特に球状のベアリングボールを製造する際には、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）成形法が好適である。
【００７９】
上記金型プレス法やＣＩＰ成形法で成形体を形成する場合において、特に焼結後において気孔が発生し難い粒界相を形成するためには、原料混合体の成形圧力を１２０ＭＰａ以上に設定することが必要である。この成形圧力が１２０ＭＰａ未満である場合には、主として粒界相を構成する成分となる希土類元素化合物が凝集した箇所が形成され易い上に、十分に緻密な成形体となり得ず、クラックの発生が多い焼結体しか得られない。上記粒界相において助剤成分が凝集した箇所（偏析凝集部）は疲労破壊の起点となり易いため、耐摩耗性部材の寿命耐久性が低下してしまう。
【００８０】
一方、２００ＭＰａを超えるように成形圧力を過大にした場合、成形型の耐久性が低下してしまうので、必ずしも製造性が良いとは言えない。そのため、上記成形圧力は１２０〜２００ＭＰａの範囲とすることが好ましい。
【００８１】
上記成形操作に引き続いて、成形体を非酸化性雰囲気中で温度６００〜８００℃、または空気中において温度４００〜５００℃で１〜２時間加熱して、予め添加していた有機バインダ成分を十分に除去し、脱脂する。
【００８２】
次に脱脂処理された成形体を窒素ガス、水素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスを充填した非酸化性雰囲気中で１６００〜１９００℃の温度で０．５〜１０時間、常圧焼結または加圧焼結を行う。加圧焼結法としては、雰囲気加圧焼結、ホットプレス、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）焼結など各種の加圧焼結法が用いられる。窒化けい素焼結体から成るベアリングボールを製造する際は常圧焼結または加圧焼結を実施した後にＨＩＰ焼結を行うことが好ましい。
【００８３】
また上記通常の焼結後、得られた窒化けい素焼結体に対し、さらに非酸化性雰囲気中で、３０ＭＰａ以上、好ましくは１００ＭＰａ以上の加圧力で熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理を実施することにより、疲労破壊の起点となる焼結体の気孔の影響をより低減できるため、さらに改善された耐摩耗特性および転がり寿命特性を有する窒化けい素焼結体が得られる。
【００８４】
上記製法によって製造された窒化けい素焼結体は全酸素量が５質量％以下で気孔率が１％以下、また抗折強度の最低値が常温で７００ＭＰａ以上であり、平均値が９００ＭＰａ以上であり機械的特性にも優れている。
【００８５】
また、圧砕強度が１５０Ｎ／ｍｍ２以上であり、破壊靭性値が６ＭＰａ・ｍ１／２以上である窒化けい素焼結体を得ることができる。
【００８６】
本発明に係る窒化けい素焼結体およびその製造方法によれば、安価な窒化けい素原料粉末に所定量の希土類元素，Ａｌ２Ｏ３やＡｌＮなどのアルミニウム成分，必要に応じてＴｉ，Ｈｆ，Ｚｒ，等の元素を添加して原料混合体を調製しているため、焼結性が大幅に改善され、従来の窒化けい素焼結体と同等以上の緻密性および高い機械的強度に加えて、優れた耐摩耗性、特に転がり寿命特性および加工性が優れた転がり軸受部材として好適な窒化けい素焼結体が得られる。
【００８７】
そのため、この窒化けい素焼結体を転がり軸受部材として使用して軸受部を調製した場合には、長期間に亘って良好な転動特性を維持することが可能であり、動作信頼性および耐久性に優れた回転機器を安価に提供することができる。また、他の用途としては、切削工具、圧延治具、逆止弁のチェックボール、エンジン部品、各種治工具、各種レール、各種ローラなど耐摩耗性を要求される様々な分野に適用可能である。
【発明の効果】
【００８８】
以上説明の通り、本発明に係る窒化けい素焼結体およびその製造方法によれば、安価な窒化けい素原料粉末に、所定量の希土類元素，Ａｌ２Ｏ３などのアルミニウム成分，必要に応じてＴｉ，Ｈｆ，Ｚｒ，等の元素を添加して原料混合体を調製しているため、焼結性および加工性が大幅に改善され、従来の窒化けい素焼結体と同等以上の緻密性および高い機械的強度に加えて、優れた耐摩耗性が得られ、特に転がり寿命特性が優れた転がり軸受部材として好適な窒化けい素焼結体を安価に提供できる。
【００８９】
また、気孔の発生が抑制され、粒界相中における成分の分布むらが解消されるため、転がり寿命特性および耐久性が優れた窒化けい素焼結体が得られる。そのため、この窒化けい素焼結体を転がり軸受部材として使用して軸受部を調製した場合には、長期間に亘って良好な転動特性を維持することが可能であり、動作信頼性および耐久性に優れた回転機器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００９０】
次に本発明の実施形態を以下に示す実施例を参照して具体的に説明する。
【００９１】
［実施例１〜１２］
金属窒化法で製造された窒化けい素原料粉末であり、酸素含有量が１．３質量％であり、α相型窒化けい素８５％を含む平均粒径０．７μｍのＳｉ３Ｎ４（窒化けい素）原料粉末と、焼結助剤として平均粒径０．８μｍのＹ２Ｏ３（酸化イットリウム）粉末と、アルミニウム成分として平均粒径０．９μｍのＡｌ２Ｏ３粉末および平均粒径０．９μｍのＡｌＮ粉末と、平均粒径０．８μｍの酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）等の希土類元素酸化物と、平均粒径１μｍのＴｉＯ２（酸化チタニウム）粉末、平均粒径１μｍのＭｏ２Ｃ（炭化モリブデン）粉末等の耐火金属化合物粉末とを用意した。
【００９２】
上記窒化けい素原料粉末に対して、希土類元素量、アルミニウム元素量および耐火金属元素量が、表１に示す値になるように上記焼結助剤を所定量ずつ添加配合して各原料粉末を１ロット分（５Ｋｇ）ずつ調製した。次に、各原料粉末を表１に示す分割数で分割し、エチルアルコール中で粉砕媒体として窒化けい素製ボールを用いてボールミルにより２４時間湿式混合した後に乾燥して原料体をそれぞれ調製した。そして分割して混合した複数の原料体を合体してさらに４８時間混合することにより、助剤成分が凝集することなく均一に分散した各原料粉末を製造した。
【００９３】
この各原料粉末を１５０ＭＰａの成形圧力で冷間静水圧プレス法（ＣＩＰ法）により成形し、得られた成形体を不活性ガス雰囲気中において表１に示す焼結条件（圧力、温度、時間）で焼成し、さらに必要に応じて表１に示す条件（圧力、温度、時間）で熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理を実施することにより、表１に示すような各実施例に係る窒化けい素焼結体を作製した。
【００９４】
なお、各実施例および比較例に係る窒化けい素焼結体は、寸法が３×３×１０ｍｍである強度測定用の四角柱状の試料（試験片）と、直径が９．５２５ｍｍ（３／８インチ）であるベアリングボール試料とに加工した。さらにベアリングボール試料には、日本工業規格（ＪＩＳ）で規定されたベアリングボールのグレード３に相当する表面研磨加工を施した。
【００９５】
［比較例１〜７］
比較例１として、１ロット分（５Ｋｇ）の原料混合体を分割せずにそのままボールミルにより２４時間湿式混合した点以外は、実施例１と同様に成形・脱脂・焼結して比較例１に係る棒状および球状の窒化けい素焼結体を調製した。
【００９６】
比較例２としてアルミニウム成分を添加しない点以外は実施例１と同一条件で処理することにより比較例２に係る棒状および球状の窒化けい素焼結体を調製した。
【００９７】
比較例３として希土類元素を過量に添加した点以外は実施例１と同一条件で処理することにより比較例３係る棒状および球状の窒化けい素焼結体を調製した。
【００９８】
また、比較例４として比較例１で得られた焼結体を温度１７００℃の窒素ガス雰囲気中で１００ＭＰａの加圧力を作用させるＨＩＰ処理を１時間実施することにより、比較例４に係る棒状および球状の窒化けい素焼結体を調製した。
【００９９】
さらに比較例５として、金属窒化法で製造された窒化けい素粉末であり、酸素含有量が１．７質量％でα相型窒化けい素を７０％含有する平均粒径１．５μｍのＳｉ３Ｎ４原料粉末を使用した点以外は実施例２と同一条件で処理して比較例５に係る棒状および球状の窒化けい素焼結体を調製した。
【０１００】
さらに、比較例６としてイミド熱分解法で合成された窒化けい素原料粉末を使用した点および酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）を使用した点以外は実施例２と同一条件で処理することにより比較例６に係る棒状および球状の窒化けい素焼結体を調製した。
【０１０１】
比較例７としてアルミニウム成分を過量に添加した点以外は実施例１と同一条件で処理することにより比較例７係る棒状および球状の窒化けい素焼結体を調製した。
【０１０２】
こうして得られた各実施例および比較例に係る各窒化けい素焼結体について、希土類元素含有量、アルミニウム元素含有量、酸素含有量、Ｆｅ含有量、Ｃａ含有量、助剤成分の偏析凝集部の最大径、窒化けい素結晶粒子の最大長さ、気孔率、ビッカース硬度Ｈｖ、マイクロインデンテーション法における新原方式による破壊靭性値（Ｋ１Ｃ）、室温での抗折強度の最小値および平均値、圧砕強度、熱伝導率、およびベアリングボールとしての転がり疲労寿命およびその寿命のワイブル係数を測定して表１に示す結果を得た。
【０１０３】
なお、上記希土類元素含有量、アルミニウム元素含有量、およびＴｉなどの他の元素含有量は、窒化けい素焼結体を溶解した後に、ＩＣＰ（誘導結合型プラズマ発光分光分析法）による化学分析によって定量した。また、上記酸素含有量は不活性ガス融解−赤外線吸収法により測定した。また、Ｆｅ含有量およびＣａ含有量は、加圧分解―ＩＣＰ発光分析法により測定した。また助剤成分の偏析凝集部の最大径は、各焼結体の表面２ヶ所、断面２ヶ所の合計４ヶ所について任意に観察領域（面積５０μｍ×５０μｍに相当する領域）を設定し、各領域における偏析凝集部の最大径を測定し該４ヶ所の平均値で示した。また上記窒化けい素結晶粒子の最大長さは、焼結体組織の拡大写真上で任意の測定領域（１００μｍ×１００μｍ）を３箇所選出し、各領域における結晶粒子の最大長さの平均値として測定した。
【０１０４】
なお、ＳＥＭ等の拡大写真で焼結体組織を確認すると、偏析凝集部は通常の粒界相より色が濃く映し出される（例えば、白黒写真の場合、窒化けい素結晶粒子が黒色、粒界相が白色に映し出され、偏析凝集では白色が濃く映し出される）ので区別は可能である。また、必要に応じてＥＰＭＡにて希土類元素および耐火金属の存在を確認すると希土類元素の濃度が通常の粒界相より色濃く映し出されるので、この方法によっても区別可能である。
【０１０５】
さらに各焼結体の気孔率はアルキメデス法によって測定した。またビッカース硬度ＨｖはＪＩＳ−Ｒ−１６１０に準拠して測定し、破壊靭性値（Ｋ１Ｃ）は、マイクロインデンテーション法における新原方式により測定し、熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定した。
【０１０６】
なお、各測定値において、本実施例では便宜的に試料形状を四角柱状としたが、例えば真球状のベアリングボールについて各特性を測定する場合でも同様にラップ加工を施すことにより対応可能である。
【０１０７】
またベアリングボールとしての転がり疲労寿命は、下記のように評価した。すなわち、各実施例および比較例に係る窒化けい素焼結体を使用して直径９．５２５ｍｍのベアリングボールを作製し、各ベアリングボール表面を研磨加工してグレード３の状態とした後に、図１に示すスラスト型転がり摩耗試験装置を用いて転がり疲労寿命を測定した。
【０１０８】
この試験装置は、装置本体１内に配置された平板状の軸受鋼板９と、この軸受鋼板９上面に配置された複数の転動ボール８としての窒化けい素製ベアリングボールと、この転動ボール８の上部に配置されたガイド板４と、このガイド板４に接続された駆動回転軸５と、上記転動ボール８の配置間隔を規制する保持器６とを備えて構成される。装置本体１内には、転動部を潤滑するための潤滑油７が充填される。上記軸受鋼板９およびガイド板４は、日本工業規格（ＪＩＳ  Ｇ  ４８０５）で規定される高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）で形成される。上記潤滑油７としては、パラフィン系潤滑油（４０℃での粘度：６７．２ｍｍ２／Ｓ）やタービン油が使用される。
【０１０９】
そして、各実施例および比較例に係る窒化けい素焼結体製ベアリングボールの転がり疲労寿命は、上記のように各窒化けい素焼結体から直径が９．５２５ｍｍ（３／８インチ）である３個の転動ボール８を調製する一方、ＳＵＪ２製軸受鋼板９の上面に設定した直径４０ｍｍの軌道上に上記３個の転動ボール８を配置し、タービン油の油浴潤滑条件下でこの転動ボール８に５．９ＧＰａの最大接触応力が作用するように荷重を印加した状態で回転数１２００ｒｐｍの条件下で回転させたときに、上記窒化けい素焼結体製転動ボール８の表面が剥離するまでの時間として測定した。上記各測定結果を下記表１〜２にまとめて示す。
【表１】
2006036554.tif 000003
【０１１０】
【表２】
2006036554.tif 000004
【０１１１】
上記表１および表２に示す結果から明らかなように各実施例に係る窒化けい素焼結体およびその焼結体から形成された耐摩耗性部材としてのベアリングボールにおいては、均質な組成を有し所定の添加成分が含有されて形成されているため、気孔の発生が抑制されており、粒界相中における助剤成分の偏析凝集部の最大径が小さく、成分の分布むらは観察されず、強度特性についてはやや比較例よりも低いものがあるが、転がり寿命および耐久性に優れた窒化けい素製耐摩耗性部材が得られた。具体的には各実施例に係る窒化けい素焼結体で形成したベアリングボールを長時間高速稼動させた場合においても、不具合は全く発生しないことが判明した。それに対し、偏析凝集部の最大径が大きい比較例１等においては不具合が発生し転がり寿命および耐久性が低いことが確認された。
【０１１２】
また、粒界相中における助剤成分の偏析凝集部の最大径が３０μｍ以下である場合には、窒化けい素焼結体の抗折強度の最小値は７００ＭＰａ以上であり平均値は９００ＭＰａ以上と成り、優れた構造強度を有することが判明した。また、熱伝導率はいずれも４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であった。これに対して、偏析凝集部の最大径が５０μｍ程度と大きくなる場合には、抗折強度の最低値が６００ＭＰａを下回ってしまった。
【０１１３】
一方、原料粉末混合段階において原料粉末を分割せずに一度に混合した比較例１においては、液相成分の凝集偏析が大きくなり、粒界相中の成分の分布むらが大きく、強度特性および転がり寿命が低下した。
【０１１４】
また、アルミニウム成分を含有しない比較例２においては、液相成分の凝集偏析が大きくなり、粒界相中の成分の分布むらが大きく、強度特性および転がり寿命が低下した。
【０１１５】
さらに希土類成分を過量に添加した比較例３においても、液相成分の凝集偏析が大きくなり、粒界相中の成分の分布むらが大きく、強度特性および転がり寿命が低下した。
【０１１６】
一方、比較例４のように原料粉末を分割せずに一度に混合した原料で形成した焼結体にＨＩＰ処理を実施しても、三点曲げ強度は高いが、粒界相中における成分の分布むらの低減効果が十分ではなく、転がり寿命が低下した。
【０１１７】
また、金属窒化法で合成された原料粉末を使用してもα型窒化けい素の割合が低い（７０％）窒化けい素原料粉末を使用した比較例５においては、粒界相中の成分の分布むらが大きくなるため、転がり寿命が低下することが判明した。
【０１１８】
さらにイミド熱分解法で合成された窒化けい素粉末を使用した比較例６においては、気孔率，抗折強度，破壊靭性値，粒界相中の偏析凝縮部の最大径，および転がり寿命の全ての特性について良好であったが、加工性に難点があり、また高価な原料粉末であるため、製造コストが大幅に増加することが再確認できた。
【０１１９】
また、アルミニウム成分を過量に添加した比較例７においては、強度特性および転がり寿命が低下した。
【０１２０】
このように本実施例に係る窒化けい素焼結体において、特に助剤成分の偏析凝集部の最大径を３０μｍ以下とした窒化けい素焼結体でベアリングボール等の耐摩耗部材を構成した場合には、窒化けい素が有する優れた摺動特性をさらに向上させることができ、ハードディスクドライブなどの電子機器に用いた場合に生じ易い不具合を大幅に低減することが可能となった。
【０１２１】
次に窒化けい素焼結体に反応物としてＴｉの炭化物や窒化物（ＴｉＣＮ）を形成し、その反応物量を制御した場合における転動・摺動特性・寿命に及ぼす影響について下記の実施例に基づいて説明する。
【０１２２】
［実施例１３］
実施例１において調製したように、希土類元素としてのＹ、アルミニウム、酸素およびＴｉを所定量含有する原料混合体に、溶剤およびバインダ等を添加して混合解砕し、スプレードライヤーにて造粒し、この造粒粉を圧力１５０ＭＰａの条件でＣＩＰ成形し、球状の成形体を多数形成した。この成形体を実施例１と同様に脱脂した後にカーボン製の焼成容器に表３に示す所定の充填率で充填し、温度１８５０℃で５時間焼結した。なお焼結時の雰囲気は窒素ガスとし、その雰囲気ガス圧力は表３に示す範囲で変化させることにより、焼成雰囲気を制御して雰囲気加圧焼結（ＧＰＳ）工程を実施した。
【０１２３】
図２は焼成容器１０内への充填率が７０％であり、５気圧の焼成雰囲気中で焼結した試料６の転動ボール８を焼成処理する状態を示す断面図であり、図３は焼成容器１０内への充填率が３０％であり、１気圧の焼成雰囲気中で焼結した試料１の転動ボール８を焼成処理する状態を示す断面図である。
【０１２４】
さらに、各球状焼結体について、圧力２００ＭＰａ、温度１８５０℃で１時間のＨＩＰ処理を実施した。これにより、各窒化けい素焼結体から成る直径９．５２５ｍｍのベアリングボール試料を作製した。さらに各ベアリングボール試料表面には、日本工業規格（ＪＩＳ）で規定されたベアリングボールのグレード３に相当する表面研磨加工を施した。
【０１２５】
こうして調製した各ベアリングボールの研磨加工面について、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）により、窒化けい素のＸ線最大ピーク強度に対するＴｉＣＮ化合物のＸ線最大ピーク強度の比を測定するとともに、各ベアリングボール試料を転動ボール８として、図１に示すスラスト型転がり摩耗試験装置に装着して転がり疲労寿命を測定し、この転がり疲労寿命のワイブル係数を測定した。測定結果を下記表３に示す。
【表３】
2006036554.tif 000005
【０１２６】
上記表３に示す結果から明らかなように、焼結雰囲気圧力および焼成容器内への成形体の充填率を高めて焼結時の雰囲気を適正に設定し、窒化けい素に対するＴｉＣＮのＸ線強度比を５０％以下に制御した焼結体から成るベアリングボール試料２，５〜７においては、窒化けい素の粒界強度のばらつきが減少するために、繰返し応力に対する抵抗力が増大化して転動摺動特性および寿命が安定化し、９乃至１０以上のワイブル係数が得られ、寿命特性が安定化したベアリングボールが得られた。特に、窒化けい素に対するＴｉＣＮのＸ線強度比が５〜３５％の範囲において、寿命特性が安定したベアリングボールが得られた。
【０１２７】
一方、窒化けい素に対するＴｉＣＮのＸ線強度比が５０％を超える焼結体から成るベアリングボール試料１，３においては、窒化けい素焼結体の助剤成分であるＴｉとＣやＮとの反応量がばらついてしまうため、粒界強度のばらつきが大きくなり、転動摺動特性および寿命が不安定化することが確認された。
【０１２８】
以上の実施例においては本発明に係る窒化けい素焼結体を軸受けの転動体（ベアリングボール）に適用した場合を例にとって説明したが、本発明に係る窒化けい素焼結体は上記用途に限定されるものではなく、切削工具や圧延治具等の構成材として使用した場合にも優れた耐摩耗性，耐久性を発揮させることができる。ちなみに、実施例１に係る窒化けい素焼結体を用いて圧延用ロールを形成したところ、超硬材で形成した同一寸法の圧延用ロールと比較して、圧延痕や成形不良を生じるまでの耐用寿命を２．８〜３．４倍まで延伸することが可能であった。また、超硬材で形成した同一寸法の切削工具と比較して、切れ味の持続期間を２．４〜２．９倍まで延ばすことができ、優れた耐久性が確認された。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】本発明に係る窒化けい素焼結体で形成したベアリングボールの転がり疲労寿命を測定するためのスラスト型転がり摩耗試験装置の構成を示す断面図。
【図２】本発明に係る窒化けい素焼結体で形成したベアリングボールの焼成方法を示す断面図。
【図３】本発明に係る窒化けい素焼結体で形成したベアリングボールの他の焼成方法を示す断面図。
【符号の説明】
【０１３０】
１  装置本体
４  ガイド板
５  駆動回転軸
６  保持器
７  潤滑油
８  転動ボール
９  軸受け鋼板
１０  焼成容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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