JP6400478B2 - 耐磨耗性部材 - Google Patents

Description

本発明は、窒化珪素焼結体およびそれを用いた耐摩耗性部材に係り、特に加工性が良好な窒化珪素焼結体およびそれを用いた耐摩耗性部材に関する。

窒化珪素焼結体は、その耐摩耗性を生かしてベアリングボールやローラなどの耐摩耗性部材として使われている。従来の窒化珪素焼結体の焼結組成としては、窒化珪素−酸化イットリウム−酸化アルミニウム−窒化アルミニウム−酸化チタン系等が知られている（特許文献１：特開２００１−３２８８６９号公報）。具体的な焼結助剤として、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化チタンを使うことにより焼結性が向上し、優れた耐摩耗性を有する窒化珪素焼結体が得られている。

また、特許文献２（特開２００３−３４５８１号公報）には、焼結助剤として、酸化イットリウム−ＭｇＡｌ_２Ｏ_４スピネル−炭化珪素−酸化チタンを使った窒化珪素焼結体が開示されている。特許文献２では焼結温度を１６００℃以下にすることを可能としている。

特許文献１および特許文献２の焼結体は、いずれも焼結性がよく、優れた耐摩耗性を有していた。一方で、これら従来の窒化珪素焼結体は硬度が高く難加工性材料であった。ベアリングボールなどの耐摩耗性部材は摺動面を表面粗さＲａ０．１μｍ以下の平坦面が必要である。窒化珪素焼結体の表面加工には、通常、ダイヤモンド砥粒が使われているが、従来の窒化珪素焼結体は難加工材であることから、研磨加工の負荷が大きくコストアップの要因となっていた。

特開２００１−３２８８６９号公報 特開２００３−３４５８１号公報

これまでの窒化珪素焼結体は耐摩耗性を向上させるために破壊靭性などの材料特性を高いものにすることのみに着眼していた。確かに材料特性を向上させることにより耐摩耗性は向上する。このような窒化珪素焼結体は、工作機械などの高負荷環境でのベアリングボールには最適である。

一方、ベアリングボールなどの耐摩耗性部材は、高負荷環境下で使われるものに限らず、パソコンなどのファンモータ用ベアリングといった低負荷環境下で使われる用途もある。特許文献１や特許文献２に記載の窒化珪素焼結体は特性が優れることからファンモータ用ベアリングにも使用できる。しかしながら、加工性が悪く、コストが高くなるといった問題があった。

本発明は、このような問題に対応するためになされたものであり、加工性が良好な窒化珪素焼結体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る耐摩耗性部材は、窒化珪素結晶粒子と粒界相とを具備する窒化珪素焼結体の任意の断面を撮影したとき、単位面積１００μｍ×１００μｍ当りの粒界相の面積比が１５〜３５％であり、上記単位面積１００μｍ×１００μｍにおいて、長径Ｌが１μｍ以上の窒化珪素粒子の面積比が合計で５５％以上８５％以下であり、長径１μｍ以上の窒化珪素粒子の長径Ｌ／短径Ｓを示すアスペクト比がいずれも７以下であり、上記窒化珪素焼結体のマシナブル係数Ｍｃが０．１２０〜０．１５０の範囲内であり、上記マシナブル係数Ｍｃは下記の式（１）から算出される値であり、
Ｍｃ＝Ｆｎ^９／８／（Ｋ_１ｃ ^１／２・Ｈｖ^５／８） …（１）
ここで、式（１）において、Ｆｎは窒化珪素焼結体の硬度や靭性を測定する際の押込み荷重２０ｋｇｆであり、Ｈｖは窒化珪素焼結体の硬度であり、Ｋ１ｃは窒化珪素焼結体の破壊靭性値であり、上記窒化珪素焼結体をＸＲＤ分析したとき、２９．５〜３０．５°の範囲に回折ピークが検出され、この回折ピークは、４Ａ族元素−希土類元素−酸素の化合物に起因するピークであり、上記窒化珪素焼結体の摺動面は表面粗さＲａが０．１μｍ以下の研磨加工面である窒化珪素焼結体から成ることを特徴とするものである。

また、前記単位面積１００μｍ×１００μｍあたり粒界相の面積比が１５〜２５％であることが好ましい。また、前記単位面積１００μｍ×１００μｍにおいて、長径Ｌが１μｍ以上の窒化珪素粒子の面積比が合計で６０％以上であり、長径１μｍ以上の窒化珪素粒子のアスペクト比（長径Ｌ／短径Ｓ）がいずれも７以下であることが好ましい。

また、前記窒化珪素焼結体をＸＲＤ分析したとき、２９．５〜３０．５°の範囲にピークが検出されることが好ましい。また、前記２９．５〜３０．５°の範囲にピーク高さＩ_{２９．５−３０．５}と、β−窒化珪素の最大ピーク高さＩ_{β−Ｓｉ３Ｎ４}の高さ比（Ｉ_{２９．５−３０．５}／Ｉ_{β−Ｓｉ３Ｎ４}）が０．０５〜０．２５の範囲であることが好ましい。また、前記２９．５〜３０．５°の範囲のピークは、４Ａ族元素−希土類元素−酸素の化合物に起因するピークであることが好ましい。また、前記２９．５〜３０．５°の範囲のピークは、ハフニウム−イットリウム−酸素の化合物であることが好ましい。また、前記窒化珪素焼結体は、Ａｌを酸化物換算で２〜８質量％、希土類元素を酸化物換算で１〜３．５質量％、４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素のいずれか１種類以上を酸化物換算値で１〜５質量％含むことが好ましい。また、前記窒化珪素焼結体のマシナブル係数が０．１２０〜０．１５０の範囲内であることが好ましい。

本発明の耐摩耗性部材は、本発明の窒化珪素焼結体から成るものである。また、前記窒化珪素焼結体の摺動面は表面粗さＲａが０．１μｍ以下の研磨加工面であることが好ましい。また、前記耐摩耗性部材がベアリングボールであることが好ましい。また、前記ベアリングボールはファンモータ用ベアリングボールであることが好ましい。

本発明に係る窒化珪素焼結体は、単位面積１００μｍ×１００μｍといった微小領域において粒界相の割合を制御している。そのため、研磨加工などの表面加工を行い易い。また、窒化珪素結晶粒子や粒界相の化合物を制御することにより、加工性の向上と耐摩耗性の両立を図ることができる。このため、耐摩耗性部材に適用する場合に、耐摩耗特性を維持した上で加工時間や加工コストの低減が可能となる。

ベアリングボールの一例を示す斜視図である。 窒化珪素結晶粒子のアスペクト比を測定する方法を示す断面図である。

本発明に係る耐摩耗性部材は、窒化珪素結晶粒子と粒界相とを具備する窒化珪素焼結体の任意の断面を撮影したとき、単位面積１００μｍ×１００μｍ当りの粒界相の面積比が１５〜３５％であり、上記単位面積１００μｍ×１００μｍにおいて、長径Ｌが１μｍ以上の窒化珪素粒子の面積比が合計で５５％以上８５％以下であり、長径１μｍ以上の窒化珪素粒子の長径Ｌ／短径Ｓを示すアスペクト比がいずれも７以下であり、上記窒化珪素焼結体のマシナブル係数Ｍｃが０．１２０〜０．１５０の範囲内であり、上記マシナブル係数Ｍｃは下記の式（１）から算出される値であり、
Ｍｃ＝Ｆｎ^９／８／（Ｋ_１ｃ ^１／２・Ｈｖ^５／８） …（１）
ここで、式（１）において、Ｆｎは窒化珪素焼結体の硬度や靭性を測定する際の押込み荷重２０ｋｇｆであり、Ｈｖは窒化珪素焼結体の硬度であり、Ｋ１ｃは窒化珪素焼結体の破壊靭性値であり、上記窒化珪素焼結体をＸＲＤ分析したとき、２９．５〜３０．５°の範囲に回折ピークが検出され、この回折ピークは、４Ａ族元素−希土類元素−酸素の化合物に起因するピークであり、上記窒化珪素焼結体の摺動面は表面粗さＲａが０．１μｍ以下の研磨加工面である窒化珪素焼結体から成ることを特徴とするものである。

窒化珪素焼結体は、主相となる窒化珪素結晶粒子と副相である粒界相とを具備している。粒界相は、焼結助剤が焼結工程において焼結助剤同士または焼結助剤と窒化珪素（不純物酸素含む）が反応した化合物から主に形成されている。燒結助剤は焼結性を制御するために添加されており、粒界相は窒化珪素結晶粒子同士の隙間（粒界）に形成される。粒界相により窒化珪素結晶粒子同士の結合力を強化している。

窒化珪素結晶粒子と粒界相の硬度とを比較したとき、通常、粒界相の方が、硬度が低い。そのため、窒化珪素焼結体に研磨加工を施す際に、窒化珪素結晶粒子よりも柔らかい粒界相を多くして、窒化珪素焼結体自体の硬度を下げることが有効と考えられていた。確かに、窒化珪素焼結体の硬度を下げることにより一定の効果は得られる。

窒化珪素焼結体を後述するように耐摩耗性部材に適用する場合、用途によっては表面粗さＲａが０．１μｍ以下の平坦性の高い研磨面が要求される。研磨面は摺動面として使用される。例えば、ベアリングボールの場合、窒化珪素焼結体全面を平坦面とすることにより、摺動特性を向上させることができる。一般的に窒化珪素焼結体の研磨加工には、ダイヤモンド砥石を使った研磨加工が行われている。研磨加工を行うにあたって窒化珪素結晶粒子よりも柔らかい粒界相を多くした方が研磨加工し易いと考えられていた。

しかしながら、表面粗さＲａを０．１μｍ以下の平坦面を得ようとした場合、窒化珪素結晶粒子と粒界相の削れ方にばらつきがあるため、きれいな平坦面が得難いことが分かった。

本発明では、単位面積１００μｍ×１００μｍといった微小領域において粒界相の面積比を１５〜３５％の範囲にすることにより、窒化珪素結晶粒子と粒界相との硬さの相違による加工性のばらつきを低減させ、加工性を向上させることができる。粒界相の面積比が１５％未満では粒界相が少なすぎて窒化珪素焼結体の耐摩耗性が低下する。また、粒界相の面積比が３５％を超えると粒界相が過多になり加工性のばらつきを生じる。そのため、粒界相の割合は１５〜３５％、好ましくは１５〜２５％である。本発明に係る窒化珪素焼結体は任意の断面において単位面積１００μｍ×１００μｍの微小領域で粒界相の面積比が１５〜３５％の範囲に構成されているものである。

なお粒界相の面積比の測定方法は次の通りである。まず、窒化珪素焼結体の任意の断面を得る。この断面を表面粗さＲａが１μｍ以下の鏡面加工を施す。窒化珪素結晶粒子および粒界相の領域を明確にするために、得られた鏡面にプラズマエッチング処理を行う。プラズマエッチング処理を行うと、窒化珪素結晶粒子と粒界相とでエッチングレートが異なるため、どちらか一方が多く削除される。

例えばＣＦ４を用いたプラズマエッチングでは、窒化珪素結晶粒子の方がエッチングレートが高い（エッチングされ易い）ので、窒化珪素結晶粒子が凹部となる一方、粒界相が凸部となる。なお、エッチング処理は酸およびアルカリを用いるケミカルエッチングでも可能である。

次にエッチング処理後の鏡面をＳＥＭ画像撮影（１０００倍以上の倍率）する。ＳＥＭ写真では、窒化珪素粒子と粒界相とがコントラストの差で区別できる。通常は、粒界相が白色に見える。エッチング処理を行うことにより、コントラストの差をよりはっきりさせることができる。ＳＥＭ写真を画像解析することにより、単位面積当たりの粒界相の面積比を測定できる。なお、画像解析は、粒界相部分をカラーマッピングして画像解析する方法が有効である。また、一視野で単位面積１００μｍ×１００μｍにならない場合は、複数回撮影し、合計で単位面積１００μｍ×１００μｍにしてもよいものとする。

本発明に係る窒化珪素焼結体は、焼結体内部の微構造、特に粒界相を制御することによって加工性を向上させている。ここで述べている加工とは、固定砥粒を用いた研削加工、および遊離砥粒を用いたラップ加工などの、セラミック表面に砥粒を衝突させ、その衝撃で表面の微構造を破壊して目的の寸法および目的の表面粗さを得る加工のことを指す。窒化珪素焼結体は金属などの単一相から成る物質と異なり、窒化珪素結晶粒子と粒界相という硬度・ヤング率の異なる２つの相から成るコンポジット材料である。そのため、表面に砥粒を衝突させた場合、まず硬度の低い粒界相、特に非晶質相が脱離し、その後粒界相によって保持されていた窒化珪素粒子の脱粒が起こると考えられる。窒化珪素の加工時間を短縮するためには、焼結体の大部分を占める窒化珪素結晶粒子の脱粒速度を大きくする必要があるため、窒化珪素粒子を保持している粒界相、特に非晶質相の量を低減することによって、窒化珪素粒子の脱粒速度が大きくなり、加工時間が短縮できる。

また、前記単位面積１００μｍ×１００μｍにおいて、長径Ｌが１μｍ以上の窒化珪素結晶粒子の面積比が合計で６０％以上であり、長径１μｍ以上の窒化珪素結晶粒子のアスペクト比（長径Ｌ／短径Ｓ）がいずれも７以下であることが好ましい。また、上記の粒界相量を満足した上で、より窒化珪素結晶粒子の脱粒速度を大きくするために、窒化珪素粒子の大きさを大きく、また、アスペクト比（長径／短径比）が小さくなるように調整することが好ましい。

前記単位面積１００μｍ×１００μｍにおいて、長径Ｌが１μｍ以上の窒化珪素結晶粒子の面積比の測定方法は、次の通りである。まず、単位面積１００μｍ×１００μｍの拡大写真（１０００倍以上のＳＥＭ写真）を撮影する。

この拡大写真に写る窒化珪素結晶粒子の長径Ｌを測定し、長径Ｌが１μｍ以上の窒化珪素結晶粒子の合計面積を求めるものとする。図２に示したように、拡大写真に写る窒化珪素結晶粒子２において、最も長い対角線を長径Ｌ、長径Ｌの中点において直交する線長を短径Ｓとして測定するものとする。

すべての長径Ｌが１μｍ以上の窒化珪素結晶粒子のアスペクト比（長径Ｌ／短径Ｓ）を７以下とすることが好ましい。アスペクト比７以下と小さくすることにより、窒化珪素結晶粒子同士が必要以上に複雑に絡み合うことを防ぐことができる。その結果、研磨加工時に、窒化珪素結晶粒子が削り取られる体積が大きく、かつ複雑に絡み合っていないので削り易くなるのである。なお、前述のように粒界相が１５〜３５％存在しているため、長径Ｌが１μｍ以上の窒化珪素粒子の面積比の上限は８５％となる。また、長径Ｌが１μｍ未満の窒化珪素結晶粒子が存在していてもよい。

また、前記窒化珪素焼結体をＸＲＤ分析したとき、２９．５〜３０．５°の範囲にピークが検出されることが好ましい。まず、ＸＲＤ分析方法について説明する。ＸＲＤ分析は窒化珪素焼結体の任意の断面を測定面とする。測定面は表面粗さＲａが１μｍ以下に研磨された研磨面とする。ＸＲＤ分析は、Ｃｕターゲット（Ｃｕ−Ｋα）、管電圧４０ｋＶ、管電流４０ｍＡ、スキャンスピート２．０°／ｍｉｎ、スリット（ＲＳ）０．１５ｍｍ、走査範囲（２θ）１０°〜６０°の測定条件で実施するものとする。

２９．５〜３０．５°の範囲に検出されるピークとは粒界相成分に基づくピークである。粒界相成分に基づくピークが検出されるということは粒界相成分中に結晶質の化合物が存在することを意味する。特許文献１や特許文献２のように従来の窒化珪素焼結体の粒界相は非晶質相となっている。非晶質相の場合、ＸＲＤ分析を行ったとしてもピークが検出されることはない。非晶質相からなる粒界相は、窒化珪素結晶粒子より低ヤング率で低硬度であり、窒化珪素結晶粒子を保持する働きをする。粒界相成分中に結晶質化合物を生成することで、その部分のヤング率、硬度を高いものにし、窒化珪素結晶粒子を保持する働きを弱め、結果として加工性を向上させることが出来る。

また、前記２９．５〜３０．５°の範囲にピーク高さＩ_{２９．５−３０．５}と、β−窒化珪素の最大ピーク高さＩ_{β−Ｓｉ３Ｎ４}の高さ比（Ｉ_{２９．５−３０．５}／Ｉ_{β−Ｓｉ３Ｎ４}）が０．０５〜０．２５の範囲であることが好ましい。β−窒化珪素の最大ピーク高さＩ_{β−Ｓｉ３Ｎ４}は２６．７°〜２７．７°の範囲に検出されるピークである。ピーク高さ比（Ｉ_{２９．５−３０．５}／Ｉ_{β−Ｓｉ３Ｎ４}）が０．０５未満では、結晶質化合物量が少なすぎて結晶質化合物を生成する効果が十分でない。一方、高さ比（Ｉ_{２９．５−３０．５}／Ｉ_{β−Ｓｉ３Ｎ４}）が０．２５を超えて大きいと結晶質化合物量が多すぎて粒界相の強度が低下し耐摩耗性が低下するおそれがある。

また、前記２９．５〜３０．５°の範囲のピークは、４Ａ族元素−希土類元素−酸素の化合物に起因するピークであることが好ましい。また、前記２９．５〜３０．５°の範囲のピークは、ハフニウム−イットリウム−酸素の化合物であることが好ましい。Ｈｆ−Ｙ−Ｏの化合物以外としては、Ｚｒ−Ｙ−Ｏの化合物、Ｚｒ−Ｅｒ−Ｏの化合物、Ｈｆ−Ｅｒ−Ｏの化合物が好ましい。

ＸＲＤのピークの位置や半値幅は結晶質化合物の組成によって決まるものである。２９．５〜３０．５°の範囲のピークが存在していると、４Ａ族元素−希土類元素−酸素の化合物が結晶質化合物として存在していることが分かった。４Ａ族元素はＴｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）のいずれか１種以上のことである。４Ａ族元素は、希土類元素および酸素と反応して４Ａ族元素−希土類元素−酸素の結晶質化合物を形成し易い。４Ａ族元素としてはハフニウムまたはジルコニウムが好ましい。ハフニウムまたはジルコニウムは、特に酸素と反応し易く、目的とする結晶質化合物を形成し易い。本発明のように粒界相の割合を制御する際に有効である。粒界相中に生成された結晶質化合物の定性分析にはＴＥＭなどにより分析可能である。ＨｆとＺｒとを比較すると、酸素や希土類元素との反応し易さからＨｆがより好ましい。

また、前記窒化珪素焼結体は、Ａｌを酸化物換算で２〜８質量％、希土類元素を酸化物換算で１〜３．５質量％、４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素のいずれか１種類以上を酸化物換算値で１〜５質量％含むことが好ましい。Ａｌ、希土類元素、４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素は粒界相を形成するための焼結助剤として使用されるものである。また、焼結工程にて反応して粒界相成分となる際に、上記範囲であると粒界相の割合を制御し易い。

Ａｌの酸化物換算はＡｌ_２Ｏ_３にて行うものとする。Ａｌ量が酸化物換算で２ｗｔ％未満または８ｗｔ％を超えると強度の低下を招き耐摩耗性部材としての耐久性が低下する。また、Ａｌ成分の添加方法としては、Ａｌを含有していれば特に限定されるものではないが、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３，ＭｇＡｌ_２Ｏ_４スピネルのいずれか１種以上であることが好ましい。特にＡｌＮと、Ａｌ_２Ｏ_３またはＭｇＡｌ_２Ｏ_４のうち一つを併用して添加することが好ましい。

ＡｌＮと、Ａｌ_２Ｏ_３またはＭｇＡｌ_２Ｏ_４を併用して用いると、ＡｌＮが窒化珪素およびＳｉＯ_２のＳｉＯへの分解を抑制しやすいため、均一な粒成長が促進され、粒界相組織の結晶性が高くなる。また、４Ａ族元素や希土類元素との結晶性化合物を生成し易くなる。その結果として粒界相の窒化珪素粒子保持力が低下し、窒化珪素粒子の大きさも大きくなるため、加工性が向上する。

また、希土類元素のいずれか１種類以上を酸化物換算値で１〜３．５ｗｔ％含有する。希土類元素は、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、Ｃｅ（セリウム）、Ｐｒ（プラセオジム）、Ｎｄ（ネオジウム）、Ｐｍ（プロメチウム）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｅｕ（ユーロピウム）、Ｇｄ（ガドリウム）、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｌｕ（ルテチウム）の少なくとも１種以上であることが好ましい。また、酸化物への換算は、希土類元素をＲとしたときＲ_２Ｏ_３にて換算するものとする。また、焼結助剤として添加する際は、希土類酸化物粉末として添加することが好ましい。希土類元素が酸化物換算で１ｗｔ％未満では焼結性が低下し、十分な機械特性を得られない。また、３．５％を超えると窒化珪素粒子の長径／短径比が大きくなり、加工性が悪化する。

また、４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素のいずれか１種類以上を酸化物換算値で１〜５ｗｔ％含有している。４Ａ族元素は、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）である。また、５Ａ族元素は、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）である。また、６Ａ族元素は、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）である。４Ａ族元素の酸化物換算は、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２にて換算するものとする。また、５Ａ族元素の酸化物換算は、Ｖ_２Ｏ_５，Ｎｂ_２Ｏ_５，Ｔａ_２Ｏ_５にて換算するものとする。また、６Ａ族元素の酸化物換算は、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＭｏＯ_３、ＷＯ_３にて換算するものとする。

また、焼結助剤として４Ａ族元素成分、５Ａ族元素成分、６Ａ族元素成分を添加する際は、酸化物、炭化物、窒化物のいずれか１種として添加することが好ましい。また、含有量が１ｗｔ％未満では添加の効果が不十分であり、５ｗｔ％を超えると、却って焼結性が悪くなる。

上記４Ａ族元素成分、５Ａ族元素成分、６Ａ族元素成分が存在することにより、前述のＡｌ成分および希土類元素成分で形成された粒界相中に結晶質相を生成させ、加工性を向上させることが出来る。特に、４Ａ族元素成分と６Ａ族元素成分を両方含有させることが好ましい。また、４Ａ族元素成分および６Ａ族元素成分を両方含有させる場合、４Ａ族元素成分は酸化物、６Ａ族元素成分は炭化物として添加することが好ましい。４Ａ族元素の酸化物は粒界相にて目的とする結晶性化合物を形成すること、６Ａ族元素の炭化物は粒界相の強化と摺動面の潤滑性を向上させる効果が得られる。

また、窒化珪素焼結体のマシナブル係数が０．１２０〜０．１５０の範囲内であることが好ましい。マシナブル係数Ｍｃは下記の式（１）から算出される値である。

Ｍｃ＝Ｆｎ^９／８／（Ｋ_１ｃ ^１／２・Ｈｖ^５／８） …（１）
式（１）において、Ｆｎは押込み荷重であり、ここでは２０ｋｇｆとする。２０ｋｇｆの押込み荷重Ｆｎは、窒化珪素焼結体の硬度や靭性を測定する上で適した値である。ビッカース硬度（Ｈｖ）は、ＪＩＳ−Ｒ−１６１０に準じて測定するものとする。破壊靭性値（Ｋ１ｃ）は、ＪＩＳ−Ｒ−１６０７の圧子圧入法（ＩＦ法）に準じて測定するものとする。破壊靭性値の計算には、新原の式を用いるものとする。後述するベアリングボールについては、その断面を使用して測定するものとする。

マシナブル係数Ｍｃは、押込み荷重（Ｆｎ）、ビッカース硬度（Ｈｖ）および破壊靭性値（Ｋ_１ｃ）を使用した加工性を示す係数である。これはラテラル亀裂破壊モデルの関係式であり、Ｍｃは１粒の砥粒により取り除かれる物質量を示している。マシナブル係数Ｍｃが大きいほど一度に加工できる量が大きくなることを意味している。

ラテラル亀裂破壊モデルとは、研削加工時の材料の除去メカニズムとして、Ｅｖａｎｓ氏とＭａｒｓｈａｌｌ氏によって提案されたモデルである。このモデルにおいて、１つの研削砥粒が材料表面を通過するときに取り除かれる物質の量（デルタＶ）は、砥粒を材料に垂直方向に押し込む力Ｆｎとビッカース硬さ（Ｈｖ）と破壊靭性値（Ｋ_１Ｃ）との関係において、［Ｆｎ^９／８／（Ｋ_１ｃ ^１／２・Ｈｖ^５／８）］の値に比例すると示されている。ここでは、デルタＶをマシナブル係数Ｍｃと置き換えている。

加工は大別して、脆性モードと延性モードとに分けられる。脆性モードはいわゆる「粗加工」に相当し、延性モードはいわゆる「仕上げ加工」に相当する。摩耗とは延性モードに相当すると考えられるので、耐摩耗性部材の要求性能を満足させるためには、延性モードの加工性を低下させることなく、脆性モードの加工性を改善することが重要となる。また、摩耗モデルの１つとしては、粒界に微小な予亀裂が発生し、その伝播により材料表面の破壊に至り、摩耗が発生する機構が考えられている。

摩耗モデルの機械的接触の過酷さを表すパラメータＳｃ．ｍは、摩擦係数μ、最大ヘルツ応力Ｐｍａｘ、材料の結晶粒径ｄ、破壊靭性値Ｋ１ｃから下式で表される。

Ｓｃ．ｍ＝［（１＋１０・μ）・Ｐｍａｘ・（ｄ^１／２）］／Ｋ_１ｃ
パラメータＳｃ．ｍが大きいと摩耗が大きく、パラメータＳｃ．ｍが小さいと摩耗が小さいことを意味する。材料の結晶粒径ｄを小さくすることや破壊靭性値Ｋ_１ｃを大きくすることで、摩耗を抑えることが可能であることが分かる。

これらの点を考慮した場合、マシナブル係数Ｍｃは０．１２０〜０．１５０の範囲であることが好ましい。マシナブル係数Ｍｃが０．１２０未満の場合には、砥粒による加工量が少ないため、窒化珪素焼結体の加工時間が増大する。マシナブル係数Ｍｃが０．１５０を超えると、砥粒による窒化珪素焼結体の加工量が大きくなりすぎる。加工量が大きいと加工性は向上するものの、耐摩耗性部材としての耐久性が低下する。マシナブル係数Ｍｃが０．１２０〜０．１５０の範囲である窒化珪素焼結体は、耐摩耗性部材としての特性を維持しつつ、加工性を向上させて製造コストを低減することを可能にしてものである。特に、本発明の窒化珪素焼結体は、単位面積当たりの粒界相の面積比を制御してあるので表面粗さＲａが０．１μｍ以下の平坦面が得易い。

本発明に係る窒化珪素焼結体は耐摩耗性部材に好適である。耐摩耗性部材としては、ベアリングボール、ローラ、チェックボール、ウエアパッド、プランジャー、コロなどが挙げられる。これら耐摩耗性部材は、金属部材やセラミックスなどから成る相手部材と摺動する。摺動面の耐久性を上げるためには、表面粗さＲａが０．１μｍ以下に研磨加工することが好ましい。表面粗さＲａを０．１μｍ以下、さらには０．０５μｍ以下、より好ましくは０．０１μｍ以下と平坦にすることが好ましい。摺動面を平坦にすることにより、窒化珪素焼結体の耐久性を向上させると共に相手部材への攻撃性を低下させることができる。相手部材への攻撃性を低下させることにより、相手部材の消耗を低減できるので耐摩耗性部材を組み込んだ装置の耐久性を向上させることができる。

本発明に係る窒化珪素焼結体は、特にベアリングボールのように表面全体を研磨加工するものに好適である。図１にベアリングボールの一例を示した（図中、１はベアリングボール）。さらに、ベアリングボールがファンモータ用ベアリングに用いるためのものであることが好ましい。ファンモータはパソコンなどの電子機器の冷却用に使われる装置である。このような電子機器用のファンモータは稼働中にベアリングに作用する負荷は、一般の工作機械用ベアリングと比べて非常に小さい。一般的なファンモータ用ベアリングに作用する負荷は５ＧＰａ以下、さらには２ＧＰａ以下である。このような範囲であれば、窒化珪素焼結体製ベアリングボールに求められる耐久性は工作機械用ベアリングボールよりも小さくて済む。むしろ加工性を良くしてコストダウンを図る方が、はるかに経済的メリットがある。言い換えると本発明に係る耐摩耗性部材は、ベアリングにかかる負荷が５ＧＰａ以下のものに好適である。

次に製造方法について説明する。本発明の窒化珪素焼結体を効率的に得るための方法として次の方法が挙げられる。

まず、窒化珪素粉末を用意する。窒化珪素粉末は酸素含有量が４質量％以下で、α相型窒化珪素を８５質量％以上含み、平均粒子径が１．２μｍ以下、さらには０．８μｍ以下であることが好ましい。α−Ｓｉ３Ｎ４粉末を焼結工程でβ−Ｓｉ_３Ｎ_４結晶粒子に粒成長させることにより、耐摩耗性の優れた窒化珪素焼結体を得ることができる。

本発明に係る窒化珪素焼結体では、粒界相の面積比を制御している。このような制御を行うには、焼結助剤の量の制御および窒化珪素結晶粒子のアスペクト比を７以下に制御することも有効である。焼結助剤の量の制御には、添加量の制御および窒化珪素粉末との均一分散を行うことが有効である。

焼結助剤の添加量は、Ａｌを酸化物換算で２〜８質量％、希土類元素を酸化物換算で１〜３．５質量％、４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素のいずれか１種類以上を酸化物換算値で１〜５質量％が好ましい。焼結助剤粉末の平均粒子径は１．８μｍ以下であることが好ましい。

また、窒化珪素粉末と焼結助剤粉末との均一分散には、混合工程を長時間行うことが有効である。ボールミルなどによる解砕混合工程が有効であり、５０時間以上の長時間実施することが好ましい。解砕混合工程により、窒化珪素粉末同士、焼結助剤粉末同士、窒化珪素粉末および焼結助剤粉末が結合した二次粒子となることを防止することができる。窒化珪素粉末および焼結助剤粉末の大部分が一次粒子となることにより均一分散を行うことができる。

また、粒界相の面積比を制御するには、少ない焼結助剤量であっても十分に焼結できるようにすることが有効である。このためには、窒化珪素粉末の表面を予め酸化しておくことが有効である。酸化膜付き窒化珪素粉末を使うことにより、窒化珪素粉末を活性化させ焼結助剤との反応を促進することができる。

窒化珪素粉末への酸化処理は、大気中での熱処理、水処理などが挙げられる。大気中での熱処理は６００〜１０００℃の範囲の温度で実施することが好ましい。なお、窒化珪素粉末への酸化処理を過度に実施すると窒化珪素焼結体の耐摩耗性が低下するので、膜厚としては０．５μｍ以下の酸化膜であることが好ましい。

次に、窒化珪素粉末と焼結助剤粉末を混合した原料混合物にバインダを添加する。原料混合物とバインダとの混合はボールミル等を使用し、必要に応じて粉砕や造粒を行いながら実施する。原料混合物を所望の形状に成形する。成形工程は、金型プレスや冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）等により実施する。成形圧力は１００ＭＰａ以上が好ましい。成形工程で得た成形体を脱脂する。脱脂工程は３００〜６００℃の範囲の温度で実施することが好ましい。脱脂工程は大気中や非酸化性雰囲気中で実施され、雰囲気は特に限定されるものではない。

次に、脱脂工程で得た脱脂体を１６００〜１９００℃の範囲の温度で焼結する。焼結温度が１６００℃未満であると、窒化珪素結晶粒子の粒成長が不十分になるおそれがある。すなわち、α相型窒化珪素からβ相型窒化珪素への反応が不十分であり、緻密な焼結体組織が得られないおそれがある。この場合、窒化珪素焼結体の材料としての信頼性が低下する。焼結温度が１９００℃を超えると窒化珪素結晶粒子が粒成長しすぎて、加工性が低下するおそれがある。焼結工程は、常圧焼結および加圧焼結のいずれで実施してもよい。焼結工程は非酸化性雰囲気中で実施することが好ましい。非酸化性雰囲気としては、窒素雰囲気やアルゴン雰囲気が挙げられる。

また、前記焼結工程において、脱脂体を収納する容器はポーラス型容器であることが好ましい。ポーラス型容器であると、焼結工程中の非酸化性ガスを焼結炉内で循環させることができ、脱脂体への熱を均一に付与することができる。この結果、粒界相の割合や粒界相中の結晶性化合物の存在などの均一化が図れる。

なお、ポーラス型容器の気孔率は３０〜６０％の範囲であることが好ましい。気孔率が３０％未満では、気孔の割合が少ないため、非酸化性ガスの循環効果が十分に得られない。特に、ポーラス型容器中に多数の脱脂体を入れる場合は影響がある。また、気孔率が６０％を超えると非酸化性ガスの循環効果は得られるものの、容器の強度が低下するため量産性が低下する。そのため、ポーラス型容器は気孔率３０〜６０％の範囲であることが好ましい。また、容器の材質は焼結温度に耐えられるものであれば、特に限定されるものではない。

焼結工程の後に、非酸化性雰囲気中にて３０ＭＰａ以上の熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理を施すことが好ましい。非酸化性雰囲気としては、窒素雰囲気やアルゴン雰囲気が挙げられる。ＨＩＰ処理温度は１５００〜１９００℃の範囲であることが好ましい。ＨＩＰ処理を実施することによって、窒化珪素焼結体内の気孔を消滅させることができる。ＨＩＰ処理圧力が３０ＭＰａ未満であると、そのような効果を十分に得ることができない。

このようにして製造された窒化珪素焼結体に対して、必要な箇所に研磨加工を施して耐摩耗性部材を作製する。研磨加工は、ダイヤモンド砥粒を用いて実施することが好ましい。実施形態の窒化珪素焼結体は良好な加工性を有しているため、窒化珪素焼結体から耐摩耗性部材を作製する際の加工コストを低減することができる。

（実施例）
（実施例１〜７および比較例１〜２，４〜５）
表１に示した窒化珪素粉末、焼結助剤を用意して原料粉末を調製した。解砕混合工程はボールミルにより行った。

得られた原料混合物にバインダを添加してボールミルで混合した。

原料混合物を金型プレスにより球体に成形した。成形体を乾燥した後に４６０℃にて脱脂した。脱脂体を窒素雰囲気中にて１７００〜１７５０℃×５〜６時間の条件で焼結した。また、実施例１〜２、５〜６は脱脂体をポーラス型容器（気孔率５０％）に複数個収納して焼結工程を行った。また、実施例３はポーラス型容器の気孔率を６０％にしたものを使用した。また、実施例４、７はポーラス型容器の気孔率を３５％にしたものを使用した。また、比較例１〜２はポーラス型容器の気孔率１０％、比較例３〜５は気孔率５０％のものを使用した。

次に得られた焼結体にＨＩＰ処理を施した。ＨＩＰ処理は１００ＭＰａの圧力下で１６００℃×１時間の条件で実施した。これにより実施例１〜７、比較例１〜５に係る窒化珪素焼結体を作製した。

各窒化珪素焼結体に対して、任意の断面を切断加工し、単位面積１００μｍ×１００μｍの拡大写真（ＳＥＭ写真）を撮影した。拡大写真を使って、単位面積当たりの粒界相の面積比、長径１μｍ以上の窒化珪素結晶粒子の面積比、窒化珪素結晶粒子のアスペクト比の最大値を求めた。また、ビッカース硬度、破壊靭性値を測定してマシナブル係数を求めた。その結果を表２に示す。

実施例１〜７に係る窒化珪素焼結体は、粒界相の面積比は１５〜３４％、長径１μｍ以上の窒化珪素結晶粒子の面積比は６０％以上であった。また、窒化珪素結晶粒子のアスペクト比の最大値はいずれも７以下であった。なお、両者を合計して１００％にならない部分は長径１μｍ未満の窒化珪素結晶粒子の面積比である。そのため、各焼結体に関しては実質的に気孔（ポア）は確認されなかった。

次に各窒化珪素焼結体の断面をＸＲＤ分析した。その結果を表３に示す。

実施例１〜７に係る窒化珪素焼結体は、ピーク（Ｉ_{２９．５−３０．５}）および高さ比（Ｉ_{２９．５−３０．５}／Ｉ_{β−Ｓｉ３Ｎ４}）が好ましい範囲内であった。また、ＴＥＭ分析した結果、Ｈｆ−Ｙ−Ｏ化合物またはＺｒ−Ｅｒ−Ｏ化合物の存在が検出された。また、比較例１〜２、４〜５は（Ｉ_{２９．５−３０．５}）が検出されるものの高さ比（Ｉ_{２９．５−３０．５}／Ｉ_{β−Ｓｉ３Ｎ４}）は小さな値を示した。また、比較例３はピーク（Ｉ_{２９．５−３０．５}）が検出されなかった。

次に、研磨加工の行い易さを測定した。研磨加工は、＃２２０のダイヤモンド砥石を備えた研削盤を用い、４０Ｎで押さえ、研削面積１６ｍｍ×１６ｍｍ、研削盤回転速度３００ｒｐｍ、試料（窒化珪素焼結体）の回転速度１５０ｒｐｍで行った。このような研磨加工により、表面粗さＲａを０．１μｍにするために約４００μｍ削るための時間を測定した。その結果を表４に示す。

表に示したように実施例にかかる窒化珪素焼結体は研磨時間が短いことが分かった。

次に、実施例１〜７と同様の製法を用いて、球状焼結体を作製した。次に表面粗さＲａ０．０１μｍにダイヤモンド砥石を使って研磨加工を施すことにより、ベアリングボール（直径９．５２５ｍｍ）を作製した。

耐久性試験は、最大接触圧力５．１ＧＰａ、回転数１２００ｒｐｍの条件下で軸受鋼（ＳＵＪ２）製板材上をベアリングボールを転がす転がり寿命試験をスラスト型軸受け試験機で測定した。この試験により４００時間経過してもベアリングボールの表面割れ・かけなどの不具合がないものを良品として「○」印、不具合があったものを「×」印で示した。その結果を表５に示す。

本実施例に係る窒化珪素焼結体およびそれを用いた耐摩耗性部材は、加工性がよく、その上で耐摩耗性も優れていることが分かった。

１…ベアリングボール
２…窒化珪素結晶粒子

Claims (8)

1. 窒化珪素結晶粒子と粒界相とを具備する窒化珪素焼結体の任意の断面を撮影したとき、単位面積１００μｍ×１００μｍ当りの粒界相の面積比が１５〜３５％であり、上記単位面積１００μｍ×１００μｍにおいて、長径Ｌが１μｍ以上の窒化珪素粒子の面積比が合計で５５％以上８５％以下であり、長径１μｍ以上の窒化珪素粒子の長径Ｌ／短径Ｓを示すアスペクト比がいずれも７以下であり、
   上記窒化珪素焼結体のマシナブル係数Ｍｃが０．１２０〜０．１５０の範囲内であり、
   上記マシナブル係数Ｍｃは下記の式（１）から算出される値であり、
   Ｍｃ＝Ｆｎ^９／８／（Ｋ_１ｃ ^１／２・Ｈｖ^５／８） …（１）
   ここで、式（１）において、Ｆｎは窒化珪素焼結体の硬度や靭性を測定する際の押込み荷重２０ｋｇｆであり、Ｈｖは窒化珪素焼結体の硬度であり、Ｋ１ｃは窒化珪素焼結体の破壊靭性値であり、
   上記窒化珪素焼結体をＸＲＤ分析したとき、２９．５〜３０．５°の範囲に回折ピークが検出され、この回折ピークは、４Ａ族元素−希土類元素−酸素の化合物に起因するピークであり、
   上記窒化珪素焼結体の摺動面は表面粗さＲａが０．１μｍ以下の研磨加工面である窒化珪素焼結体から成ることを特徴とする耐摩耗性部材。
2. 前記単位面積１００μｍ×１００μｍ当りの粒界相の面積比が１５〜２５％であることを特徴とする請求項１記載の耐摩耗性部材。
3. 長径Ｌが１μｍ以上の窒化珪素粒子の面積比が合計で６０％以上であることを特徴とする請求項１記載の耐摩耗性部材。
4. 前記２９．５〜３０．５°の範囲に回折ピーク高さＩ_{２９．５−３０．５}と、β−窒化珪素の最大ピーク高さＩ_{β−Ｓｉ３Ｎ４}の高さ比（Ｉ_{２９．５−３０．５}／Ｉ_{β−Ｓｉ３Ｎ４}）が０．０５〜０．２５の範囲であることを特徴とする請求項１記載の耐摩耗性部材。
5. 前記２９．５〜３０．５°の範囲の回折ピークは、ハフニウム−イットリウム−酸素の化合物に起因するピークであることを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗性部材。
6. 前記窒化珪素焼結体は、Ａｌを酸化物換算で２〜８質量％、希土類元素を酸化物換算で１〜３．５質量％、４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素のいずれか１種類以上を酸化物換算値で１〜５質量％含有することを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗性部材。
7. 前記耐摩耗性部材がベアリングボールであることを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗性部材。
8. 前記ベアリングボールはファンモータ用ベアリングボールであることを特徴とする請求項７に記載の耐摩耗性部材。

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