(57)【要約】  窒化珪素結晶粒子及び粒界相を有する窒化珪素焼結体を備える摺動部材において、窒化珪素焼結体の任意の断面又は表面の観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭がみえる任意の５０個の窒化珪素結晶粒子における、内部に転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が、０％以上１０％以下であることを特徴とする。より好ましくは、前記割合は、０％以上３％以下である。
2020121752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素結晶粒子及び粒界相を有する窒化珪素焼結体を備える摺動部材であって、
前記窒化珪素焼結体の任意の断面又は表面の観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭がみえる任意の５０個の前記窒化珪素結晶粒子における、内部に転位欠陥部を有する前記窒化珪素結晶粒子の数の割合が、０％以上１０％以下であることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
前記割合が０％以上３％以下であることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
【請求項３】
前記転位欠陥部において、珪素、酸素および窒素を除く成分が１μｍ２以上の塊になっていないことを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の摺動部材。
【請求項４】
前記転位欠陥部において、珪素、酸素および窒素を除く成分が１０ｍｏｌ％以上検出されないことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の摺動部材。
【請求項５】
前記転位欠陥部を有する前記窒化珪素結晶粒子の前記数に対する、前記転位欠陥部の占有面積率が５％以下である前記窒化珪素結晶粒子の数の割合が、７０％以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の摺動部材。
【請求項６】
前記窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、前記窒化珪素結晶粒子の長径の最大値が２５μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の摺動部材。
【請求項７】
前記窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、前記窒化珪素結晶粒子の長径の平均は１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の摺動部材。
【請求項８】
前記窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、それぞれの前記粒界相の面積が９μｍ２以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の摺動部材。
【請求項９】
前記摺動部材は、ベアリングボールであることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の摺動部材。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の摺動部材を具備したことを特徴とする軸受。
【請求項１１】
請求項１０記載の軸受を具備したことを特徴とするモータ。
【請求項１２】
軸受の回転速度が５０ｒｐｍ以上となるように構成されたことを特徴とする請求項１１記載のモータ。
【請求項１３】
軸受の回転速度が１０００ｒｐｍ以上変化するように構成されたことを特徴とする請求項１１ないし請求項１２のいずれか１項に記載のモータ。
【請求項１４】
請求項１１ないし請求項１２のいずれか１項に記載のモータと、
前記モータをインバータ駆動する制御部と、
を備えた駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、摺動部材、およびそれを用いた軸受、モータ、並びに駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化珪素焼結体で構成された、耐磨耗性を有する摺動部材は、圧延用のような各種ロール材、カムローラのようなエンジン部品、軸受部材、コンプレッサ用ベーン、ガスタービン翼、摩擦攪拌接合用ツール部材等、各種の分野で使用されている。これらは、相手部材に対して摺動する部材として使われている。窒化珪素焼結体には、強度と耐磨耗性が求められている。
例えば、特許第５３８０２７７号公報（特許文献１）には、窒化珪素結晶粒子サイズとボイドサイズを制御した窒化珪素焼結体が開示されている。特許文献１の窒化珪素焼結体は、強度と耐磨耗性の両方を向上させることができている。これにより、特許文献１では、６００時間以上の転がり寿命が得られている。
近年、電気自動車が普及している。電気自動車に搭載されたモータについては、インバータ駆動が主流となっている。インバータ駆動の方式では、モータを駆動する電源の周波数を変えることにより、モータの回転速度を変えることができる。つまり、インバータ駆動の方式では、モータの回転速度を変えることができる。インバータ駆動のモータは、電気自動車、産業機器など様々な分野に広がりを見せている。
インバータ駆動を採用することにより、モータの回転速度は１０００ｒｐｍから最速１５０００ｒｐｍ程度まで変えることが可能となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５３８０２７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述のようにインバータ駆動は、モータの回転速度を変えることのできる駆動方法である。特許文献１では、ベアリングボールの耐久性試験は、最大接触圧力５．９ＭＰａ、回転数１２００ｒｐｍの条件で行っていた。通常の耐久性試験は、回転速度を一定にして行われている。インバータ駆動の普及に伴い、回転速度を変えながらモータを駆動することが増加している。回転速度が変わると、ベアリングボール及び軸受にかかる負荷が一定ではなくなる。従来の窒化珪素焼結体製ベアリングボールでは、負荷が変化しながらの使用環境下では耐久性にばらつきが生じていた。また、電食が発生するといった問題も生じていた。
本発明は、このような問題に対処するためのものであり、負荷が変化したとしても安定した耐久性を示す摺動部材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】
【０００５】
実施形態に係る摺動部材は、窒化珪素結晶粒子及び粒界相を有する窒化珪素焼結体を備え、前記窒化珪素焼結体の任意の断面又は表面の観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭がみえる任意の５０個の前記窒化珪素結晶粒子における、内部に転位欠陥部を有する前記窒化珪素結晶粒子の数の割合が、０％以上１０％以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
実施形態に係る摺動部材は、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の割合を低減している。これにより、回転数の変化などのように摺動条件が変化したとしても、優れた耐久性を得ることができる。また、電食の発生も抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子を例示する概念図。
【図２】窒化珪素結晶粒子の長径を例示する概念図。
【図３】軸受の一例を示す概念図。
【図４】モータおよびそれを備えた駆動装置の一例を示す概念図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
実施形態に係る摺動部材は、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の割合を低減している。これにより、回転数の変化などのように摺動条件が変化したとしても、優れた耐久性を得ることができる。また、電食の発生も抑制することができる。
【０００９】
窒化珪素焼結体は、窒化珪素結晶粒子と粒界相を有している。粒界相は、主に焼結助剤の成分から構成される。粒界相は、焼結工程において、焼結助剤が反応して形成される。反応は、焼結助剤同士の間、焼結助剤と窒化珪素との間、または焼結助剤と不純物酸素との間で起こる。
実施形態に係る摺動部材は、任意の断面又は表面の観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭がみえる任意の５０個の前記窒化珪素結晶粒子における、内部に転位欠陥部を有する前記窒化珪素結晶粒子の数の割合が、０％以上１０％以下であることを特徴とする。
【００１０】
転位欠陥の観察には、窒化珪素焼結体の任意の断面または表面が用いられる。
まず、イオンミリング加工またはＦＩＢ（集束イオンビーム）加工で、表面粗さＲａが１μｍ以下になるように、窒化珪素焼結体の任意の断面または表面を加工する。加工した断面または表面を、評価面とする。
次に、評価面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察する。ＴＥＭによる評価時の倍率は、１００００倍以上に設定する。評価面の面積は、５０μｍ×５０μｍに設定する。一視野で５０μｍ×５０μｍの領域が観察できないときは、評価面を複数に分けて観察しても良い。例えば、１０μｍ×１０μｍまたはそれ以下の視野で観察してもよい。評価では、一つの観察領域（５０μｍ×５０μｍ）を観察した後、その領域から１０００μｍ以上離れた別の領域を観察する。つまり、５０μｍ×５０μｍの領域を２箇所以上観察して、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子（欠陥粒子）の数の割合を算出する。
転位欠陥部の有無は、ＴＥＭの観察画像の暗視野と明視野の観察により判別する。転位欠陥部は、暗視野では白く見え、明視野では黒く反転して見える。このように、暗視野と明視野を切り替えたときに画素の色が反転する部位を、転位欠陥部とする。
【００１１】
図１は、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子を例示する概念図である。図１において、１は窒化珪素結晶粒子である。２は転位欠陥部である。図１に示すように、実施形態にかかる摺動部材の窒化珪素焼結体では、窒化珪素結晶粒子１の内部に転位欠陥部２が存在しうる。
窒化珪素結晶粒子内に転位欠陥部があると、摺動条件が変化したときの耐久性が低下する。転位欠陥部は、結晶中に含まれる結晶欠陥である。結晶欠陥は、格子欠陥（Ｌａｔｔｉｃｅ  Ｄｅｆｅｃｔ）とも呼ばれる。結晶欠陥は、原子配列の乱れまたは不純物によって起きる。転位欠陥部は、安定した結晶構造に欠陥を生じさせる。
例えば、インバータ駆動を用いたモータの回転速度は、０ｒｐｍ〜１５０００ｒｐｍ程度の範囲で変化する。回転速度０ｒｐｍとはモータが停止した状態である。インバータ駆動するモータは、回転速度を５０〜１５０００ｒｐｍ程度に変えながら駆動させることができる。これに伴い、モータの軸受に使われるベアリングボールへの負荷も変化する。ベアリングボールのように強い負荷が窒化珪素焼結体に加わると、転位欠陥部が耐久性の低下に影響することが分かった。
窒化珪素焼結体は、高強度で耐磨耗性の高い材料である。特許文献１のように、一定の回転速度で摺動部材の表面が相手部材に対して摺動しているときには問題が無い。しかしながら、負荷のかかり方が変化しながら摺動部材が摺動すると、摺動部材の長期寿命に影響があることが分かった。
モータの振動周波数は、回転速度に依存して変化する。つまり、回転速度が変化すると、振動周波数も変化する。モータの振動は、軸受の振動につながる。軸受は特定の振動周波数で、共振を起こす。共振とは、固有振動数と等しい振動が外部から振動体に加わると、振動の幅が大きくなる現象である。軸受の振動周波数が、軸受の固有振動数に近いと共振が起きる。共振下では、転動体（ベアリングボール）への負荷が大きくなる。インバータ駆動のモータでは、振動周波数が変化する。振動周波数の変化の過程で軸受の共振を起こす振動周波数帯を通過すると、転動体の負荷が大きくなる。このように、回転速度が変化すると、摺動条件が変化するのである。
前述のように転位欠陥部は、結晶欠陥である。窒化珪素焼結体に加わる負荷が小さいと問題は生じないが、窒化珪素焼結体に加わる負荷が大きいと影響が現れる。これは、転位欠陥部を有する窒化珪素焼結体と転位欠陥部を有さない窒化珪素焼結体とでは、応力の受け方が異なるためである。
実施形態にかかる摺動部材の窒化珪素焼結体では、任意の５０μｍ×５０μｍという微小領域において、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が０％以上１０％以下である。任意の観察領域５０μｍ×５０μｍにおける前記割合が０％以上１０％以下ということは、どこの５０μｍ×５０μｍの領域を観察したとしても、その数の割合が０％以上１０％以下であることを示している。
【００１２】
転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が１０％を超えると、電食が発生し易くなる。インバータ駆動する機器、又は高周波を発生する機器の近くに軸受を配置すると、電磁ノイズの影響で軸受内に電流が流れる。この電流により、軸受の軌道面がダメージを受ける現象を電食という。軸受内はグリース等により絶縁されているが、電流が一定量を超えると放電現象が起こる。
窒化珪素結晶粒子の転位欠陥部は、結晶欠陥である。電位差は結晶欠陥部に生じ易いため、放電の流路となり易いと考えられる。転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が１０％を超えると、窒化珪素焼結体において転位欠陥部が放電の流路となり、この結果、軸受の軌道面で電食が発生し易くなる。
【００１３】
一般的に、軸受内部（内輪と外輪の間）にはグリースが充填されている。グリースは、軸受の潤滑性、耐熱性、耐水性などを向上させることができる。モータをインバータ駆動すると、回転軸上に電圧が発生する。この電圧で軸受内部のグリースが絶縁破壊を起こすことにより電食が発生する。窒化珪素焼結体は絶縁体であり、その体積抵抗値は常温で１×１０１４Ω・ｃｍ以上である。絶縁体は、電場を掛けると分極する。インバータ駆動では、周波数を変えることにより回転速度を変えることができる。このため、インバータでは、交流電界が発生している。転位欠陥部は、欠陥を有している。このため、分極現象による電界差が生じやすい。実施形態に係る摺動部材では、転位欠陥部が少ないため電界差の発生を抑制できる。
このため、観察領域５０μｍ×５０μｍに存在する窒化珪素結晶粒子において、内部に転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が０％以上１０％以下、さらには０％以上３％以下であることが好ましい。最も好ましくは、前記割合が０％である。つまり、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子がないことにより、耐久性向上および電食抑制の効果を高めることができる。なお、互いに１０００μｍ以上離れた２箇所以上の領域を、観察対象とする。また、観察領域５０μｍ×５０μｍの少なくとも一部を写したＴＥＭ写真において、輪郭が全て写っていない窒化珪素結晶粒子は、数の割合の計算には用いない。例えば、輪郭が写真の端で切れている窒化珪素結晶粒子は、数の割合の計算には用いない。また、全ての輪郭が写っている窒化珪素結晶粒子が５０個確認できたときに、その５０個の窒化珪素結晶粒子における、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合を求める。つまり、輪郭がすべて写っている窒化珪素結晶粒子が５０個確認できるまで観察する。１つの観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭が写っている５０個の窒化珪素結晶粒子を観察できないときは、別の観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭が写っている５０個の窒化珪素結晶粒子を観察する。観察領域５０μｍ×５０μｍに５０個を超える窒化珪素結晶粒子が写っているときには、任意の５０個の窒化珪素結晶粒子が選択される。また、個々の窒化珪素結晶粒子をＴＥＭ観察する倍率は１００００倍とする。一個の窒化珪素結晶粒子が一つの画像に収まらないときは複数に分けて撮影してもよい。実施形態にかかる摺動部材の窒化珪素焼結体では、任意の５０個の窒化珪素結晶粒子における、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が、０％以上１０％以下である。これは、観察領域５０μｍ×５０μｍに５０個を超える窒化珪素結晶粒子が写っているときには、どの５０個の窒化珪素結晶粒子を選択したとしても、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が０％以上１０％以下であることを示す。
【００１４】
また、転位欠陥部では、珪素、酸素および窒素を除く成分が１μｍ２以上の塊になっていないことが好ましい。また、転位欠陥部では、珪素、酸素および窒素を除く成分が１０ｍｏｌ％以上検出されないことが好ましい。
珪素、酸素および窒素を除く成分とは粒界相を構成する成分のことである。粒界相は、主に焼結助剤から構成される。このため、珪素、酸素および窒素を除く成分は焼結助剤の金属成分に対応する。例えば、焼結助剤として酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）を用いた場合、珪素、酸素および窒素を除く成分はイットリウム（Ｙ）である。
また、珪素、酸素および窒素を除く成分が１μｍ２以上の塊になっていないということは、転位欠陥部において、粒界相を構成している金属成分が１μｍ２未満（０μｍ２含む）になっていることを示している。また、複数の焼結助剤を用いた場合であっても、珪素、酸素および窒素を除く成分が１μｍ２以上の塊になっていないことが好ましい。これは、焼結助剤成分が転位欠陥部の核になっていないことを示している。
また、珪素、酸素および窒素を除く成分が１０ｍｏｌ％以上検出されないこととは、転位欠陥部において、焼結助剤の金属成分が１０ｍｏｌ％未満（０ｍｏｌ％含む）であることを示す。例えば、焼結助剤として酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）を用いた場合、転位欠陥部ではイットリウム（Ｙ）が１０ｍｏｌ％未満（０ｍｏｌ％含む）であることを示す。また、複数の焼結助剤を用いた場合は、焼結助剤の金属成分の合計が１０ｍｏｌ％未満になっていることが好ましい。これは焼結助剤成分が転位欠陥部の核になっていないことを示している。
また、転位欠陥部は粒界相を構成している金属成分が１μｍ２未満（０μｍ２含む）かつ１０ｍｏｌ％未満（０ｍｏｌ％含む）になっていることが好ましい。
【００１５】
焼結助剤成分が転位欠陥部の核になっていないことにより、電食への耐久性が向上する。また、電食につながる放電現象が生じると、熱が発生する。焼結助剤成分は低融点の化合物を形成するため、窒化珪素結晶粒子の内部破壊を起こし易くなる。このため、焼結助剤成分が転位欠陥部の核になっていないことが好ましい。
転位欠陥部の珪素、酸素および窒素を除く成分のサイズおよび濃度の分析は、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）またはＷＤＳ（波長分散型Ｘ線分析）で行う。ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）を組合せて分析を行ってもよい。
【００１６】
また、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数に対する、転位欠陥部の占有面積率が５％以下である窒化珪素結晶粒子の数の割合は、７０％以上であることが好ましい。前述のように、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数が少なければ、電食の原因とはならない。その一方で、一つの窒化珪素結晶粒子内に大きな転位欠陥部があると、機械的な耐久性が低下する恐れがある。このため、一つの窒化珪素結晶粒子内の転位欠陥部の占有面積率は、５％以下が好ましい。また、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数に対する、転位欠陥部の占有面積率が５％以下である窒化珪素結晶粒子の数の割合が７０％以上であると、耐久性向上および電食抑制の効果を高めることができる。この割合も、観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて求める。
つまり、最初に、１つの観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全ての輪郭が写っている任意の５０個の窒化珪素結晶粒子を観察する。次に、観察した５０個の窒化珪素結晶粒子のそれぞれに、転位欠陥部が存在するか確認する。観察した５０個の窒化珪素結晶粒子における、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合を計算する。この割合が、０％以上１０％以下であることが好ましい。続いて、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子が存在する場合には、それらの窒化珪素結晶粒子のそれぞれについて、転位欠陥部の占有面積率を計算する。転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数に対する、転位欠陥部の占有面積率が５％以下である窒化珪素結晶粒子の数の割合を計算する。この割合が、７０％以上であることが好ましい。１つの観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭がみえる５０個の窒化珪素結晶粒子が無いときは、別の観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭がみえる５０個の窒化珪素結晶粒子を探す。ある観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合、転位欠陥部の占有面積率などを測定した後は、その観察領域から１０００μｍ以上離れた別の観察領域５０μｍ×５０μｍを観察する。実施形態にかかる摺動部材の窒化珪素焼結体では、任意の断面のいずれの観察領域５０μｍ×５０μｍにおいても、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の前記割合が０％以上１０％以下である。また、転位欠陥部の占有面積率が５％以下である窒化珪素結晶粒子の数の前記割合が、７０％以上である。言い換えると、５０μｍ×５０μｍの微小な領域においても、窒化珪素結晶粒子の転位欠陥部のサイズを制御しているのである。
【００１７】
また、一つの窒化珪素結晶粒子内の転位欠陥部の占有面積率の測定には、前述のＴＥＭ写真の暗視野像を用いる。暗視野像では、転位欠陥部は白く観察される。暗視野像で観察される一つの窒化珪素結晶粒子において、白く見える領域の面積と黒く見える領域の面積の合計を、その窒化珪素結晶粒子の面積とする。暗視野像で白く見える領域の面積を、転位欠陥部の面積とする。（転位欠陥部の面積／窒化珪素結晶粒子の面積）×１００（％）を、転位欠陥部の占有面積率とする。また、この占有面積率の測定には、画像処理ソフトを使う。画像解析ソフトとして、Ｉｍａｇｅ−ｊまたはそれと同等以上の解像度を有するものを用いる。
また、転位欠陥部の占有面積率が５％以下である窒化珪素結晶粒子の数の割合は、ある観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、輪郭がすべて写る５０個の窒化珪素結晶粒子を撮影して算出する。
【００１８】
また、窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、窒化珪素結晶粒子の長径は２５μｍ以下であることが好ましい。また、窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、窒化珪素結晶粒子の長径の平均は、１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。また、窒化珪素焼結体の任意の断面の単位面積３００μｍ×３００μｍにおいて、個々の粒界相の面積は、９μｍ２以下であることが好ましい。粒界相の面積とは、複数の窒化珪素結晶粒子で囲まれた領域の面積を意味する。
窒化珪素結晶粒子の長径が２５μｍ以下であるということは、長径が２５μｍ以上を超えた窒化珪素結晶粒子がないことを示す。つまり、２５μｍを超えた粗大粒がない状態を示す。前述のように、転位欠陥部を少なくすることにより、耐久性と耐電食特性を向上させている。大きな粗大粒を存在させないことにより、部分的な機械的強度のばらつきを抑制することができる。このため、窒化珪素結晶粒子の長径は、２５μｍ以下、さらには１５μｍ以下が好ましい。
また、窒化珪素結晶粒子の長径の平均は、１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。長径の平均が１μｍ未満では、窒化珪素結晶粒子が小さすぎてしまい耐久性が低下する可能性がある。また、長径の平均が１０μｍを超えると、窒化珪素結晶粒子同士の隙間が大きくなり、強度が低下する可能性がある。
また、窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、個々の粒界相の面積は、９μｍ２以下であることが好ましい。粒界相の面積が９μｍ２を超えると、絶縁性のばらつきの原因となる可能性がある。粒界相と窒化珪素結晶粒子は、絶縁性が異なる。このため、あまり粒界相が大きいと、窒化珪素結晶粒子の転位欠陥部を抑制した効果が小さくなる。このため、個々の粒界相の面積は、９μｍ２以下、さらには５μｍ２以下が好ましい。最も好ましくは、個々の粒界相の面積は、１μｍ２以下である。
【００１９】
窒化珪素結晶粒子の長径と粒界相の面積は、ＳＥＭ写真を使って測定する。窒化珪素基板の任意の断面のＳＥＭ写真を撮る。断面は、表面粗さＲａが１μｍ以下の研磨面にする。ＳＥＭ写真の倍率は、１０００倍以上に設定する。推奨されるＳＥＭ写真の倍率は、４０００倍である。一視野で３００μｍ×３００μｍの領域を撮影できないときは、３００μｍ×３００μｍの領域を複数に分けて撮影しても良い。断面の一方向における長さが３００μｍ未満であるときは、その一方向における観察領域の長さを可能な限り長くしたうえで、９００００μｍ２の観察領域を観察する。窒化珪素結晶粒子の長径は、９００００μｍ２の観察領域における観察結果に基づいて測定する。
図２に示すように、長径は、一つの窒化珪素結晶粒子の外縁上の任意の２点を結んで得られる線分のうち、最も長い線分の長さである。図２において、３は、窒化珪素結晶粒子１の長径を示す。また、観察領域３００μｍ×３００μｍのＳＥＭ写真に写る個々の窒化珪素結晶粒子の長径の平均を測定する。輪郭がＳＥＭ写真の端で切れて全体が写っていない窒化珪素結晶粒子は、カウントから除く。ＳＥＭ写真の中で、最も長い線分を観察できる窒化珪素結晶粒子のみを使って長径を求める。
ＳＥＭ写真において、窒化珪素結晶粒子と粒界相は、コントラストの違いで判別できる。窒化珪素結晶粒子は濃い灰色、粒界相は薄い灰色に写る。ＳＥＭ写真を画像解析することにより、粒界相の面積を求めることができる。具体的には、２値化した画像を、画像解析ソフトにより解析する。二値画像では、窒化珪素結晶粒子は黒色、粒界相は白色で表わされる。３個以上の窒化珪素結晶粒子で囲われた領域を粒界相として、その面積を求める。つまり、窒化珪素結晶粒子の２粒子間に存在する粒界相は除いて面積を求める。また、画像解析ソフトとして、Ｉｍａｇｅ−ｊまたはそれと同等以上の解像度を有するものを用いる。
【００２０】
以上の構成を有することにより、耐久性および耐電食特性に優れた摺動部材を提供することができる。また、窒化珪素焼結体としても、３点曲げ強度９００ＭＰａ以上、破壊靱性５．５ＭＰａ・ｍ１／２以上にすることができる。つまり、材料としての強度を維持したまま、さらに耐久性および耐電食特性を向上させることができる。なお、３点曲げ強度の測定は、ＪＩＳ−Ｒ−１６０１に準じて行う。破壊靱性の測定は、ＪＩＳ−Ｒ−１６０７のＩＦ法に準じて、新原の式により求める。ＪＩＳ−Ｒ−１６０１については、ＩＳＯ  １４７０４を参考にすることができる。ＪＩＳ−Ｒ−１６０７については、ＩＳＯ  １５７３２を参考にすることができる。
また、焼結助剤の含有量は、酸化物換算で２０質量％以下が好ましい。焼結助剤の含有量が２０質量％を超えると、粒界相の割合が増える。粒界相が増えると、３点曲げ強度又は破壊靱性値が低下する可能性がある。また、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の割合を低減する効果が低下する。
【００２１】
すなわち、窒化珪素焼結体は、窒化珪素以外の添加成分を２０質量％以下含有すると共に、添加成分はＹ、ランタノイド元素、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｃから選択される３種以上の元素を含有することが好ましい。
【００２２】
すなわち、窒化珪素焼結体は、添加成分を２０質量％以下含有する。添加成分とは、窒化珪素以外の成分を意味する。窒化珪素焼結体では、窒化珪素以外の添加成分とは焼結助剤成分を指す。焼結助剤成分は、粒界相を構成する。添加成分が２０質量％を超えて過剰に多いと、粒界相が過多になる。窒化珪素焼結体は、細長いβ−窒化珪素結晶粒子が複雑にからみあった構造を有する。焼結助剤成分が多くなると、窒化珪素結晶粒子が複雑にからみあった構造をとれない部分が形成されてしまうため望ましくない。複雑に絡み合った構造をより多く有することによって、３点曲げ強度及び破壊靭性値を向上させることができる。
【００２３】
また、添加成分量は３質量％以上１５質量％以下が好ましい。添加成分が３質量％未満では、粒界相が過少となり窒化珪素焼結体の密度が低下する可能性がある。粒界相は、窒化珪素結晶粒子同士の隙間を埋める成分である。そのため、添加成分を３質量％以上に規定することで、焼結体の相対密度を９５％以上に形成し易くなる。また、添加成分を５質量％以上に規定することにより、焼結体の相対密度を９８％以上に形成し易くなる。
【００２４】
また、窒化珪素焼結体は、添加成分として、Ｙ、ランタノイド元素、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｃから選択される元素を３種以上具備することが好ましい。添加成分としてのＹ（イットリウム）、ランタノイド元素、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｓｉ（珪素）、Ｔｉ（チタン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｃ（炭素）を構成元素として窒化珪素焼結体が含有していれば、その存在形態は限定されない。例えば、酸化物（複合酸化物を含む）、窒化物（複合窒化物を含む）、酸窒化物（複合酸窒化物を含む）、炭化物（複合炭化物を含む）などの形態が挙げられる。また、ランタノイド元素としては、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｌｕ（ルテニウム）、及びＣｅ（セリウム）から選択される１種が好ましい。
【００２５】
後述するように、製造工程において焼結助剤として添加する場合は、酸化物（複合酸化物を含む）、窒化物（複合窒化物を含む）、炭化物（複合炭化物）が好ましい。Ｙ元素が用いられる場合、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）が好ましい。また、ランタノイド元素としては、酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ３）、酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）、酸化ルテニウム（Ｌｕ２Ｏ３）、及び酸化セリウム（ＣｅＯ２）から選択される１種が好ましい。
Ｙ元素およびランタノイド元素は、細長い柱状のβ−窒化珪素結晶粒子の形成を促進することができる。
【００２６】
Ａｌ元素が用いられる場合、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３スピネル、又はムライト（Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２）が好ましい。Ｍｇ元素が用いられる場合、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３スピネル、又はタルク（ＭｇＯ−ＳｉＯ２）が好ましい。Ｓｉ元素が用いられる場合、酸化珪素（ＳｉＯ２）又は炭化珪素（ＳｉＣ）が好ましい。
また、Ａｌ元素、Ｍｇ元素およびＳｉ元素は焼結温度を下げて、焼成性を向上させる効果がある。
【００２７】
Ｔｉ元素が用いられる場合、酸化チタン（ＴｉＯ２）又は窒化チタン（ＴｉＮ）が好ましい。Ｈｆ元素が用いられる場合、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）が好ましい。Ｍｏ元素が用いられる場合、酸化モリブデン（ＭｏＯ２）又は炭化モリブデン（Ｍｏ２Ｃ）が好ましい。Ｃ元素に関しては、炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、又は炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）として添加することが好ましい。
Ｔｉ元素、Ｈｆ元素、Ｍｏ元素、Ｃ元素は、粒界相を強化する成分として機能する。これにより、窒化珪素焼結体を高強度化又は高靭性化できる。
【００２８】
これら添加成分の２種以上を組合せて添加することにより、Ｙ、ランタノイド元素、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｃから選択される元素を３種以上具備した粒界相を構成することができる。
また、製造工程において添加する焼結助剤の組合せとしては、次に示す組合せが好ましい。
【００２９】
第一の組合せは、Ｙ２Ｏ３を２〜８質量％、Ａｌ２Ｏ３を１〜６質量％、ＡｌＮを１〜６質量％、ＴｉＯ２を０．５〜４質量％含む。Ａｌ２Ｏ３とＡｌＮを添加しているが、窒化珪素焼結体に添加された成分としてはＡｌ元素１種としてカウントする。そのため、第一の組合せによれば、Ｙ、Ａｌ、Ｔｉの３種類が添加される。
【００３０】
第二の組合せは、Ｙ２Ｏ３を２〜８質量％、Ａｌ２Ｏ３を０．１〜３質量％、ＡｌＮを１〜６質量％、ＨｆＯ２を０．５〜３質量％、Ｍｏ２Ｃを０．１〜３質量％含む。第二の組合せによれば、Ｙ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｃの５種類が添加される。
第三の組合せは、Ｙ２Ｏ３を２〜８質量％、Ａｌ２Ｏ３を１〜５質量％、ＡｌＮを１〜６質量％、ＨｆＯ２を０．５〜３質量％、Ｍｏ２Ｃを０．１〜３質量％、ＳｉＣを１〜６質量％含む。第三の組合せによれば、Ｙ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｃ、Ｓｉの６種類が添加される。
第四の組合せは、Ｙ２Ｏ３を０．２〜３質量％と、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３スピネルを０．５〜５質量％、ＡｌＮを２〜６質量％、ＨｆＯ２を０．５〜３質量％、Ｍｏ２Ｃを０．１〜３質量％含む。第四の組合せによれば、Ｙ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｃの６種類が添加される。
第一ないし第四の組合せにおいて、Ｙ２Ｏ３に代えてランタノイド元素の酸化物を用いてもよい。第一ないし第四の組合せにおいて、焼結助剤成分の含有量は、合計で１５質量％以下とする。
【００３１】
上記第一ないし第四の組合せの中では、第一の組合せが好ましい。
第一の組合せは、Ａｌ元素として、Ａｌ２Ｏ３とＡｌＮを併用している。これにより、粒界相にＹ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ化合物が形成され易くなる。Ｙ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ化合物は、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮおよび窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）の反応物である。つまり、焼結工程により、焼結助剤粉末と窒化珪素粉末の反応を促進することができる。また、ＡｌＮを添加することにより、窒化珪素粉末中の不純物酸素を、Ｙ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ化合物の形成に活用できる。これにより、窒化珪素結晶粒子に転位欠陥部が形成されることを抑制できる。
また、ＴｉＯ２は、焼結工程により、ＴｉＮ（窒化チタン）になる。ＴｉＮ粒子は、粒界相を強化する成分として機能する。また、窒化珪素結晶粒子の長径が異常粒成長を抑制できる。これにより、緻密な焼結体を得ることができる。
このため、第一の組合せによれば、３点曲げ強度を１０００ＭＰａ以上、破壊靱性値を６．５ＭＰａ・ｍ１／２以上とすることができる。
【００３２】
第二ないし第四の組合せでは、ＨｆＯ２を添加している。ＨｆＯ２は、Ｙ２Ｏ３と反応して、Ｈｆ−Ａｌ−Ｙ−Ｏ系化合物を形成することができる。これは低融点の液相として作用し、焼結性の向上につながる。このため、窒化珪素結晶粒子に転位欠陥部が形成されることを抑制できる。また、Ｍｏ２ＣまたはＳｉＣは、粒界相を強化する成分として機能する。
これにより、第二ないし第四の組合せによれば、３点曲げ強度９００ＭＰａ以上、破壊靱性値５．５ＭＰａ・ｍ１／２以上の窒化珪素焼結体を得ることができる。
なお、第一の組合せの方が、第二ないし第四の組合せに比べて、３点曲げ強度の平均値が約１００ＭＰａ以上高くなる。第一の組合せによれば、ＴｉＯ２がＴｉＮ（窒化チタン）粒子に変化する。このため、１μｍ以下の微細分散も可能である。
ＴｉＯ２、Ｍｏ２Ｃ、ＳｉＣは粒界相中に粒子状に分散する。ＴｉＯ２はＴｉＮ（窒化チタン）粒子への変化を伴うため、窒化珪素焼結体中の粒界相中に微細粒子として分散させ易い。これにより、粒界相のサイズを小さくした上で粒界相を強化できる。第一の組合せによれば、粒界相の面積を５μｍ２以下、さらには１μｍ２以下にすることができる。
摺動部材の使用環境に応じて、目的とする強度や破壊靱性値を有する窒化珪素焼結体を用いることができる。また、窒化珪素焼結体の摺動面は、表面粗さＲａが１μｍ以下であることが好ましい。
【００３３】
以上のような窒化珪素焼結体を備える摺動部材は、優れた耐久性を示す。また、摺動部材は、耐電食性も有している。摺動部材としては、軸受部材、ロール部材、コンプレッサ部材、ポンプ部材、エンジン部材、摩擦攪拌接合装置用部材などが挙げられる。
軸受は、転動体および軌道輪の組み合わせを含む。転動体は、球体形状またはころ形状である。ここでは、転動体のことをベアリングボールと呼んでいる。球体形状は玉であり、ころ形状は円柱である。また、球体形状の転動体を使った軸受は、玉軸受と呼ばれる。ころ形状の転動体を使った軸受は、ころ軸受と呼ばれる。ころ軸受には、針軸受、円すいころ軸受、球面ころ軸受も含まれる。また、軌道輪は、外輪及び内輪を含む。
また、ロール部材として、圧延用ローラ、電子機器の送り部品用ローラなどが挙げられる。コンプレッサ部材またはポンプ部材としては、ベーンなどが挙げられる。ここでは、コンプレッサは圧力を上昇させるもの、ポンプは圧力を低下させるものとして区別する。また、エンジン部材としては、カムローラ、シリンダ、ピストン、チェックボールなどが挙げられる。また、摩擦攪拌接合装置用部材としては、摩擦攪拌接合装置用ツール部材などが挙げられる。
実施形態に係る摺動部材は、優れた耐久性を有するため、上記のような様々な分野に適用することができる。上記分野の摺動部材に関して、摺動部材と相手部材の少なくとも一方が他方に対して摺動する。例えば、軸受では、転動体の軸受における位置は変化しない。しかし、転動体の表面の一部が相手部材の表面の一部に接し、転動体の表面の一部が相手部材に対して摺動する。実施形態に係る摺動部材は、少ない転位欠陥部により優れた耐久性を有する。特に、実施形態に係る摺動部材は、面摺動する摺動部材に適している。また、摺動条件が変化する使用環境で好適に用いられる。このような摺動部材として、インバータ駆動するモータに搭載される軸受が挙げられる。
【００３４】
ＪＩＳ−Ｂ−１５１８には、転がり軸受の動定格荷重及び定格寿命の測定方法が定められている。ＪＩＳ−Ｂ−１５１８の定格寿命の計算式では、定格荷重が使われている。このように、一般的な軸受の寿命は、荷重及び回転速度で測定されていた。このため、回転速度が変化する使用環境に対する検討は必ずしも十分とは言えなかった。ＪＩＳ−Ｂ−１５１８については、ＩＳＯ  ２８１を参考にすることができる。
ここで、インバータ駆動するモータのトルクについて説明する。モータの同期速度をＮｓ（ｒ／ｍｉｎ）、モータの定格回転数（ｒ／ｍｉｎ）をＮ、すべり（％）をｓ、電源の周波数（Ｈｚ）をｆ、モータの極数をｐ、とする。モータの同期速度Ｎｓは、Ｎｓ＝（２ｆ／ｐ）×６０、で示される。ロータ（回転子）は、同期速度Ｎｓよりわずかに滑った回転速度でトルクを発生する。このトルクに応じた負荷が軸受にかかる。
モータの定格回転数Ｎ（ｒ／ｍｉｎ）は、Ｎ＝Ｎｓ（１−ｓ）＝（１２０ｆ／ｐ）（１−ｓ）、で示される。すべりｓ（％）はｓ＝（（Ｎｓ−Ｎ）／Ｎｓ）×１００、で示される。これら式から分かるように、インバータ駆動するモータの回転数を変えるには、電源の周波数を変化させることが有効である。なお、単位ｒ／ｍｉｎは、ｒｐｍのことである。
摺動条件が変化する使用環境での軸受の耐久性の測定には、摺動音を測定する方法が有効である。ＪＩＳ−Ｂ−１５４８では、転がり軸受の騒音レベルの測定方法が定められている。前述のように、インバータ駆動するモータでは、トルクが変化する。トルクの変化は、ベアリングボール表面への応力の変化につながる。ベアリングボール表面にダメージがあると、摺動音に変化が生じる。このため、摺動音の変化は、ベアリングボールの耐久性を測定する方法として有効である。
実施形態に係る摺動部材は、少ない転位欠陥部を有する。このため、実施形態に係る摺動部材を摺動条件が変化する用途に用いた場合であっても、摺動部材の損傷又は電食の発生を抑制でき、摺動特性に優れている。例えば、モータの回転速度を５０〜１５０００ｒｐｍ程度の範囲内で変化させながら、モータをインバータ駆動させることができる。回転速度が１０００ｒｐｍ以上変化する使用条件であっても、実施形態に係る摺動部材は優れた耐久性を示す。
【００３５】
次に、実施形態にかかる摺動部材の製造方法について説明する。摺動部材は、上記構成を有していれば、その製造方法は特に限定されない。ここでは、歩留り良く実施形態に係る摺動部材を得るための方法として、以下の例を挙げる。
まずは、原料粉末を用意する。原料粉末は、窒化珪素粉末および焼結助剤粉末を含む。前述に示した焼結助剤が好適に用いられる。焼結助剤は、第一の組合せないし第四の組合せのいずれかを満たすことが好ましい。
また、焼結助剤について、それぞれ金属単体を酸化物に換算して、合計量が２０質量％以下にする。焼結助剤の添加量の下限値は、２質量％以上であることが好ましい。
【００３６】
窒化珪素粉末については、α化率が８０質量％以上であり、平均粒径が０．４〜２．５μｍであり、不純物酸素含有量が２質量％以下であることが好ましい。不純物酸素含有量は、２質量％以下、さらには１．０質量％以下であることが好ましい。さらに好ましくは、不純物酸素含有量は、０．１〜０．８質量％である。不純物酸素含有量が２質量％を超えて多いと、不純物酸素と焼結助剤との反応が起きて、必要以上に粒界相が形成される可能性がある。また、焼結助剤粉末の平均粒子径Ｄ５０は、１．０μｍ以下、さらには０．４μｍ以下であることが好ましい。窒化珪素結晶粒子が粒成長する過程において、窒化珪素結晶粒子の表面に焼結助剤成分が配位しやすい状態を形成することが有効である。このため、焼結助剤粉末としては、微粉形態が好ましい。
【００３７】
上記原料粉末を混合し、さらにバインダを添加して原料混合体を調製する。原料粉末は、窒化珪素粉末と焼結助剤粉末の混合粉末である。混合粉末にバインダを添加した原料混合体は、スラリーとなる。焼結工程で、窒化珪素結晶粒子の粒成長を制御するためには、混合粉末が均一に混合されていることが好ましい。混合工程では、ボールミルなどの粉砕機を用いて解砕混合していく。このとき、解砕応力が大きすぎると、窒化珪素粉末に転位欠陥部が形成され、焼結後の窒化珪素粒子に転位欠陥部が残存しやすくなる。このため、混合工程では、窒化珪素粉末に転位欠陥部が形成されないようなソフトな応力下で、平均粒径Ｄ５０が１μｍ以下となるように解砕することが好ましい。ソフトな応力下での混合工程としては、２０時間以上かけて、平均粒径Ｄ５０が１μｍ以下となるようにする方法が挙げられる。また、ソフトな応力下での混合工程を実行するためには、ボールミルなどの粉砕機の回転速度を遅くすること、メディア量を少なくすること、軽いメディアを使うこと、などが挙げられる。メディアは、混合粉末と一緒に粉砕機に投入される。メディアを使うことにより、混合粉末を効率的に解砕できる。このため、メディアは、粉砕メディアとも呼ばれている。ソフトな応力下で解砕することにより、解砕効率と欠陥抑制を両立させることができる。
粉砕機の回転速度は、臨界回転速度の２０％以上４０％以下が好ましい。例えば、ボールミル粉砕機の臨界回転速度は、Ｎｃ＝４２．３・Ｄ−１／２の理論式で示される。Ｎｃは臨界回転速度（ｒｐｍ）、Ｄはポット内径（ｍ）である。この理論式は、ミル円筒の頂点でボールに対する重力と遠心力がつりあった状態を臨界状態として定義した式である。一般的なボールミルの回転速度は、臨界回転速度の５５〜８５％程度が最適といわれている。回転速度を臨界回転速度の４０％以下にすることにより、ソフトな応力下で混合工程を実行できる。また、回転速度が臨界回転速度の２０％未満であってもソフトな応力となるが、混合時間が長くなり過ぎて量産性が低下する。このため、粉砕機の回転速度は臨界回転速度の４０％以下、特に２０％以上４０％以下が好ましい。
また、メディア量は、窒化珪素粉末と焼結助剤粉末の混合粉末の質量を１００質量％に対し、１０質量％以下が好ましい。軽いメディアを用いるときは、スラリーの比重に対し、４倍以下の比重を有するメディアであることが好ましい。メディア量を少なくすることや比重を小さくすることによって、ソフトな応力を実現できる。
上記の「２０時間以上かけること」「臨界回転速度の４０％以下にすること」「メディア量を少なくすること」「比重の小さいメディアを使うこと」は、それぞれ組合せて実行しても良い。
【００３８】
次に、原料混合体を成形する成形工程を行う。原料混合体の成形法としては、金型プレス法、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）法、又はシート成形法などが適用できる。シート成形法としては、ドクターブレード法又はロール成形法が挙げられる。これらの成形方法を組合せてもよい。必要に応じ、原料混合体を、トルエン、エタノール、ブタノールなどの溶媒と混合しても良い。必要に応じ、原料混合体を、有機バインダと混合しても良い。有機バインダとしては、ブチルメタクリレート、ポリビニルブチラール、ポリメチルメタクリレートなどが挙げられる。また、原料混合体（窒化珪素粉末と焼結助剤粉末との合計量）を１００質量％としたとき、有機バインダの添加量は３〜１７質量％であることが好ましい。
有機バインダの添加量が３質量％未満では、バインダ量が少なすぎて成形体の形状を維持するのが困難となる。また、有機バインダの添加量が１７質量％を超えると、脱脂工程後に成形体（脱脂処理後の成形体）における空隙が大きくなり、緻密な焼結体が得られなくなる。
次に、成形体の脱脂工程を行う。脱脂工程では、非酸化性雰囲気中、温度５００〜８００℃で１〜４時間加熱して、予め添加していた大部分の有機バインダの脱脂を行う。非酸化性雰囲気としては、窒素ガス雰囲気中、アルゴンガス雰囲気中などが挙げられる。必要であれば大気雰囲気などの酸化雰囲気で処理し、脱脂体に残存する有機物量を制御しても良い。
次に、脱脂体（脱脂処理された成形体）は、焼成容器内に収容され焼成炉内において非酸化性雰囲気中で焼結工程を行う。焼結工程での温度は、１６５０℃以上２０００℃以下の範囲内であることが好ましい。非酸化性雰囲気としては、窒素ガス雰囲気、または窒素ガスを含む還元性雰囲気が好ましい。また、焼成炉内圧力は、加圧雰囲気であることが好ましい。
【００３９】
焼結温度が１６５０℃未満の低温状態で脱脂体を焼結すると、窒化珪素結晶粒子の粒成長が十分でなく、緻密な焼結体が得難い。一方、焼結温度が２０００℃より高温度で脱脂体を焼結すると、炉内雰囲気圧力が低い場合にはＳｉとＮ２に分解するおそれがある。このため、焼結温度は、上記範囲に制御することが好ましい。また、焼結時間は、３時間以上１２時間以下の範囲内であることが好ましい。
【００４０】
焼結工程では、１３００℃以上１５００℃以下の範囲での昇温速度を５０℃／ｈ以下にすることが好ましい。この温度域で焼結助剤を主とする液相が生成される。昇温速度の制御により、窒化珪素結晶粒子表面への拡散を促進させることができる。
１５００℃から焼結温度までの昇温速度を５０℃／ｈ以下にすることが好ましい。昇温速度を５０℃／ｈ以下にすることにより、均一な粒成長が促進され粗大粒の生成を抑制できるとともに、窒化珪素結晶粒子に転位欠陥部が形成されることを抑制できる。
さらに圧力の変化量が０．３ＭＰａ以下であることが好ましい。圧力の変化量を抑制することによっても、窒化珪素結晶粒子に転位欠陥部が形成されることを抑制できる。圧力の変化は、窒化珪素結晶粒子の粒成長に影響を与える。焼結工程を常圧で行う場合も加圧で行う場合も、圧力の変化量を０．３ＭＰａ以下、さらには０．１ＭＰａ以下にすることが好ましい。
圧力の変化量を制御するためには、焼結雰囲気中のガス圧を制御することが有効である。窒化珪素焼結体の焼結工程中には、ガスが発生し易い。焼結工程においては、成形体中のバインダ、焼結助剤、窒化珪素粉末中の不純物酸素などがガス成分となる。発生したガス成分により、焼結雰囲気の圧力が変化する。つまり、特に圧力を負荷しない常圧焼結であっても、発生したガス成分によっては焼結雰囲気の圧力が変化する。このため、焼結工程中の雰囲気圧力が変化しないように、発生したガス成分を除去するなどの制御が有効である。
【００４１】
このように、昇温速度の制御又は圧力変化の抑制により、窒化珪素結晶粒子の異常粒成長を抑制することができる。
これにより、窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、窒化珪素結晶粒子の長径の最大値を２５μｍ以下に制御することができる。また、窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、窒化珪素結晶粒子の長径の平均を１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内に制御することができる。また、異常粒成長を抑制できるので、窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、個々の粒界相の面積を９μｍ２以下、さらには５μｍ２以下に制御することができる。
また、上記焼結工程の後に、焼結体に対してＨＩＰ（熱間静水圧プレス）処理を行うことが好ましい。ここでは、前述の脱脂体を焼結する工程を第一焼結工程、焼結体をＨＩＰ処理する工程を第二焼結工程と呼ぶ。ＨＩＰ処理は、温度を１６００℃以上１９００℃以下、圧力を８０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下の範囲内で実行することが好ましい。ＨＩＰ処理することにより、焼結体内のポアを減少させることができる。これにより、緻密な焼結体を得ることができる。圧力が８０ＭＰａ未満であると、圧力を負荷する効果が不十分である。また、圧力が２００ＭＰａを超えて高いと、製造装置の負荷が高くなる可能性がある。
【００４２】
第二焼結工程の熱処理温度は、第一焼結工程の熱処理温度よりも低いことが好ましい。第二焼結工程の熱処理温度を下げることにより、窒化珪素結晶粒子が粒成長することを抑制できる。
また、上記製造方法によれば、第一焼結工程で転位欠陥部の形成が抑制される。そのため、圧力を負荷するＨＩＰ処理を行ったとしても、転位欠陥部の増加を抑制できる。言い換えると、第一焼結工程で窒化珪素結晶粒子に転位欠陥部が形成されないようにすることが重要である。
また、得られた窒化珪素焼結体を摺動部材に加工する。加工は、表面研磨加工、切断加工、切削加工、放電加工などが挙げられる。表面研磨加工では、窒化珪素焼結体の摺動面となる箇所を、表面粗さＲａが１μｍ以下になるように加工する。摺動面の表面粗さＲａが１μｍ以下、さらには０．２μｍ以下とすることにより、摺動部材の耐久性が向上する。また、相手部材への攻撃性も低減できるので、その点からも耐久性が向上する。
【００４３】
図３に軸受の一例を示した。図３において、１０は軸受、１１はベアリングボール、１２は内輪、１３は外輪、である。軸受１０は内輪１２と外輪１３の間にベアリングボール１１を配置した構造となっている。
例えば、ベアリングボール（転動体）１１に実施形態に係る摺動部材を用いる。軌道輪（内輪１２および外輪１３）に軸受鋼ＳＵＪ２を用いる。これらの部材により軸受１０を構成する。ベアリングボールは、球体全面が摺動面となる。このため、球体全面を研磨加工する。ベアリングボールの表面粗さＲａを小さくすることにより、軌道輪への攻撃性を低減することができる。つまり、ベアリングボールの摺動に伴って軌道輪の摺動面が削れて行くことを抑制できる。このため、軸受全体の耐久性を向上させることができる。
【００４４】
図４に軸受を用いたモータ及びそのモータを用いた駆動装置を示した。図４において、２０はモータ、１０は軸受、１４は回転軸、１５はロータ、１６はステータ、１７はケース、である。また、３０は駆動装置、２５は制御部である。実施形態に係るモータ２０は、実施形態に係る軸受１０を有する。実施形態に係る駆動装置３０は、実施形態に係るモータ２０及び制御部２５を有する。
軸受は、回転軸の一端の周り及び他端の周りに設けられている。回転軸の回転に伴い、軸受の内輪が回転し、ベアリングボールの表面に対して内輪が摺動する。また、ベアリングボールが回転し、ベアリングボールの表面が外輪に対して摺動する。回転軸の周りには、さらにロータが設けられている。ロータは、軸受同士の間に位置している。ロータの周りには、ステータが設けられている。軸受、回転軸の一部、ロータ、ステータは、ケースの内部に収納されている。ステータは、ケースに対して固定されている。ロータは、回転軸に対して固定されており、回転軸及びロータがステータの内側において回転する。
制御部は、ステータと電気的に接続される。制御部は、ステータに交流電流を供給する。これにより、モータの回転軸がインバータ駆動される。また、交流の周波数を変化させることで、モータの回転速度を変化させることができる。
実施形態に係るモータ及び駆動装置は、耐久性が向上した軸受を有する。これにより、モータ及び駆動装置の寿命を延ばし、信頼性を向上させることができる。
また、モータの回転速度は、軸受、回転軸、及びロータの回転速度に対応する。実施形態に係る摺動部材をベアリングボールに適用することで、軸受の回転速度が５０ｒｐｍ以上であるモータ及び駆動装置の信頼性を向上させることができる。軸受の回転速度が１０００ｒｐｍ以上変化するようにモータ及び駆動装置が構成されている場合でも、モータ及び駆動装置の信頼性を向上させることができる。
【００４５】
（実施例）
（実施例１〜７、比較例１）
窒化珪素粉末と焼結助剤粉末を混合した混合原料粉末を用意した。次に混合原料粉末を解砕混合し、混合原料粉末１〜６を調製した。なお、解砕混合はボールミルにより行った。
混合原料粉末１〜５については、平均粒径Ｄ５０が１μｍ以下になるまでの解砕工程を、２０時間以上かけて行った。また、混合原料粉末６については、解砕工程を１０時間と短い時間で行った。
また、混合原料粉末１〜２および混合原料粉末６には、第一の組合せを用いた。混合原料粉末３には第二の組合せを用いた。混合原料粉末４には第三の組合せを用いた。混合原料粉末５には第四の組合せを用いた。その結果を表１に示す。
【００４６】
【表１】
2020121752.tif 000003
【００４７】
次に混合原料粉末にバインダを５〜１０ｗｔ％添加し、混合原料ペーストを調製した。混合原料ペーストを用いて、金型成形した。成形体を５００〜８００℃、１〜４時間の脱脂工程を行い脱脂体を調製した。
次に表２に示した第一焼結工程を窒素雰囲気中で実施した。圧力の０．１ＭＰａは、常圧を示している。
【００４８】
【表２】
2020121752.tif 000004
【００４９】
また、第一焼結工程が終わった後、得られた焼結体を、常温まで冷却した。その後、第二焼結工程を実施した。第二焼結工程はＨＩＰ処理とした。ＨＩＰ処理条件は表３に示した通りである。
【００５０】
【表３】
2020121752.tif 000005
【００５１】
得られた窒化珪素焼結体を表面粗さＲａ０．０１μｍ以下となるように表面研磨加工を施した。また、ＪＩＳで定められた試料サイズの窒化珪素焼結体を作製し、３点曲げ強度および破壊靱性値の測定した。また、直径９．５２５ｍｍ（３／８インチ）の窒化珪素焼結体製ベアリングボールを作製し、耐磨耗性を試験した。
【００５２】
次に、実施例および比較例に関して、転位欠陥部、窒化珪素結晶粒子の長径、粒界相の面積、３点曲げ強度、破壊靱性値を測定した。
転位欠陥部の測定では、任意の断面をイオンミリング加工で表面粗さＲａを１μｍ以下に加工した面を評価面とした。評価面をＴＥＭ観察した。ＴＥＭでは、評価面における５０μｍ×５０μｍの領域を観察及び撮影した。また、一つの観察領域から１０００μｍ離れた別の領域も観察及び撮影した。すなわち、合計２箇所の領域について、転位欠陥部を測定した。ＴＥＭ写真の倍率は１００００倍に設定し、明視野像および暗視野像を撮影した。暗視野像で白く見える領域を転位欠陥部とした。明視野像と暗視野像を対比することにより、一つの窒化珪素結晶粒子内の転位欠陥部の有無、占有面積率を求めた。なお、ＴＥＭ写真の端部で見切れている窒化珪素結晶粒子（窒化珪素結晶粒子の輪郭がすべて写っていないもの）は、カウントから除外した。また、転位欠陥部の占有面積率は、暗視野像を画像処理ソフトにて２値化し、白い領域と黒い領域の面積比を求めることにより測定した。
また、転位欠陥部の核となっている元素を分析した。転位欠陥部はＥＤＸを用いて分析した。これにより、転位欠陥部で、珪素、酸素および窒素以外の元素が１μｍ２以上の塊になっているか否か、１０ｍｏｌ％以上に検出されるか否かを測定した。
【００５３】
また、窒化珪素結晶粒子の長径の測定では、任意の断面をＳＥＭ観察した。ＳＥＭ写真の倍率は３０００倍に設定し、３００μｍ×３００μｍの領域を観察及び撮影した。ＳＥＭ写真に写る一つの窒化珪素結晶粒子について、最も長い外縁上の二点の距離を長径とする。ＳＥＭ写真において、３００μｍ×３００μｍの観察領域に写る窒化珪素結晶粒子の長径の平均を求めた。最も長い長径を、長径の最大値として求めた。また、ＳＥＭ写真に写る粒界相の中で、最も大きな面積を求めた。
３点曲げ強度はＪＩＳ−Ｒ−１６０１に準じて行った。破壊靱性はＪＩＳ−Ｒ−１６０７のＩＦ法に準じて行い、新原の式を用いて求めた。
その結果を表４、表５に示した。
【００５４】
【表４】
2020121752.tif 000006
【００５５】
【表５】
2020121752.tif 000007
【００５６】
表から分かるように実施例では、転位欠陥部の割合が小さかった。また、３点曲げ強度及び破壊靱性値も優れた値が得られた。
次に、ベアリングボールとしての耐久性試験を実施した。ベアリングボール１６個を一組として、軌道輪（内輪及び外輪）に組み込み、軸受を作製した。各軸受の耐久性および耐電食特性を調べた。
耐久性試験は、軸受を「５０ｒｐｍで１時間」→「１時間かけて５０ｒｐｍから１０００ｒｐｍに上げる」→「１０００ｒｐｍで１時間」→「１時間かけて１０００ｒｐｍを１００００ｒｐｍに上げる」→「１００００ｒｐｍで１時間」→「１時間かけて１００００ｒｐｍを５０ｒｐｍに下げる」を１セットとする条件で連続駆動させた。連続駆動が１００時間の摺動音に対する、連続駆動が４００時間又は８００時間の摺動音の変化率を求めた。
摺動音の増加が１０％以下を最良（◎）、１０％を超えて２０％未満を良好（○）、２０％を超えたら不良（×）とした。この試験は、ベアリングボールの破損又は軌道輪の焼付けによる摺動状態の変化を調べたものである。なお、摺動音の測定は、ＪＩＳ−Ｂ−１５４８に準じて行った。
また、耐電食特性は、８００時間経過後の電食の有無で調べた。その結果を表６に示す。
【００５７】
【表６】
2020121752.tif 000008
【００５８】
以上のように実施例に係るベアリングボールは、耐久性および耐電食特性に優れていた。特に、焼結助剤が第一の組合せである実施例１〜４は耐久性および耐電食特性共に優れていた。
それに対し、比較例１は、耐久性試験は４００時間程度では同等であったが、８００時間を経過すると低下した。また、電食も発生した。転位欠陥部が所定量存在することにより、回転速度が変化する使用環境下では摺動特性に影響ができることが変わった。
【００５９】
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これら実施形態は、例として示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１…窒化珪素結晶粒子
２…転位欠陥部
３…窒化珪素結晶粒子の長径
１０…軸受
１１…ベアリングボール
１２…内輪
１３…外輪
１４…回転軸
１５…ロータ
１６…ステータ
１７…ケース
２０…モータ
２５…制御部
３０…駆動装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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