JPH0360466A - 窒化珪素焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、窒化珪素粉末をガラスでシールして熱間静水
圧プレス焼結する窒化珪素焼結体の製造方法に関するも
ので、例えば耐摩耗性が要求されるベアリングボールの
製造方法に適用される。

（従来の技術） 窒化珪素（Ｓｉ、Ｎ４）の高緻密焼結体は、従来よりベ
アリング材として好適であることが知られている。この
窒化珪素焼結体の製造方法としては、粉末原料を高温で
等方加圧焼結する熱間静水圧プレス（以下、ｒＨＩ　Ｐ
Ｊという）処理法が知られているが、この処理方法は、
焼結体の曲げ強度、硬度、密度を高める点において優れ
た方法である。

このＨＩＰ処理法には、一般に、焼結ＨＩＰ処理法とガ
ラスカプセルＨＩＰ処理法があり、このうちの■焼結Ｈ
ＩＰ法は、粉末成形体を理論密度の９５％以上に一次焼
結し、この−次焼結体をＨＩＰ法で再焼結する方法であ
り、■ガラスカプセルＨＩＰ処理法は、粉末成形体の表
面を気密なガラスの膜で覆った後、ＨＩＰ焼結する方法
である。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来のガラスカプセル）（ＩＰ処理法に
よれば、窒化珪素粉末を金型に入れてプレス成形により
ボール状の粉末成形体を造るとき、そのボール状粉末成
形体の表層部の成形密度は高くなるが、ボール中心部の
成形密度は相対的に低くなる。そのため、このボール状
粉末成形体をそのままガラスカプセル材で被覆してＨＩ
Ｐ処理すると、ボール状焼結体の表層部と中心部とで、
密度、硬度、機械的強度等の特性に差が生じ、不均質な
焼結ボールになるという問題がある。また、粉末成形体
を一次焼結し、その−次焼結体をＨＩＰ処理する方法に
おいても、成形体の不均質な密度分布が前述したのと同
様の焼結体の特性の差をもたらすことが判明した。

本発明が解決しようとする！１１１１は、表層部と中心
部とで特性の差が少なく、均質で信頼性が高く、商品価
値の高い窒化珪素焼結体を得るための窒化珪素焼結体の
製造方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） そのために、本発明の第１の発明の窒化珪素焼結体の製
造方法は、窒化珪素粉末を加圧成形する工程と、この加
圧成形された粉末成形体の表層を除去加工する工程と、
この除去加工された粉末成形体をガラスで被覆する工程
と、このガラスで被覆された粉末成形体を熱間静水圧プ
レス焼結する工程とからなることを特徴とする。

本発明の第２の発明の窒化珪素焼結体の製造方法は、第
１の発明における前記粉末成形体の表層を除去加工する
工程において、前記加圧成形時の圧力に応じて前記粉末
成形体の表層の除去加工代量を決定することを特徴とす
る。

前記窒化珪素粉末を加圧成形する工程の加圧手段は、冷
間静水圧プレス（以下、ｒＣｒＰＪという）を用いるの
が望ましい、これは、ＣＥＰによると、金型プレス成形
時に生じる圧力損失や圧力伝達方向の変化がなく、比較
的簡単な装置によって低温下で均質かつ高密度な圧粉体
が得られるためである。しかし本発明に用いる窒化珪素
粉末を加圧成形する手段は、ＣＩＰに限られないことは
もちろんである。

加圧成形された粉末成形体の表層を除去加工する手段は
、切削加工あるいは研磨加工等により行なう。この場合
の除去加工代量は、前記粉末成形体を製造するときの成
形圧力、粉末成形体の大きさ、その形状等に応じて決定
するのがよい、これは、最終的に得られる焼結体を均質
化および緻密化するのに粉末成形体の製造段階で最適な
条件を満足させるためである。

粉末成形体をガラスで被覆する手段としては、■粉末成
形体をあらかじめ容器状のガラスカプセルに封入する方
法と、■粉末成形体をガラス粉粒体中に埋設してこれを
ガラス軟化点以上に加熱し粉末成形体の周囲にガラスを
被覆する方法などがある。■の方法の場合、封入時にカ
プセル内の残留空気の影響を避けるため脱気密封するに
あたり脱気部分がカプセル内のみとなるので脱気が比較
的簡単であるという利点がある。

熱間静水圧プレス（ＨＩ　Ｐ）温度としては、１５００
℃以上好ましくは１６００〜１９００℃である。もちろ
んＨＩＰ温度は粉末成分の分解温度以下でなければなら
ない。この場合、ＨＩＰ処理時に昇圧されることから、
少なくともそのＨＩＰ処理時の圧力における分解温度よ
りも低い温度で行なう。

ＨＩＰ圧力は、２００気圧以上にするのがよい。

これは、２００気圧未満であるとＨＩＰ処理に長時間を
要し、粉末の分解反応量が時間に比例して大きくなるた
め焼結体の重量減少を招き、高密度化が充分に図られな
いからである。一方、ＨＩＰ圧力は高くするほど昇圧に
時間がかかり、かつ昇圧用コンプレッサ、圧力容器など
のＨＩＰ処理装置が大型化するので、実用上は２５００
気圧までの圧力でＨＩＰ処理するのが望ましい。

Ｈ工Ｐ処理時間は、２０分ないし５時間の範囲にするの
が望ましい。

以下、本発明の詳細な説明するために具体的な試験例を
述べることにする。

（試験例） ベアリングボールな製造する方法に本発明を適用した試
験例について説明する。

波曳盟ユ 試験例１は、粉末成形体の作製時、■表層の除去加工代
の有無によって焼結体の特性にどのような影響を与える
か、■成形時の圧力によって焼結体の特性にどのような
影響を与えるか、について調査した。

原料調製および造粒は次のようにして行なった。

原料には５ｉｓＮ４を用い、焼結助剤には５ｒＯａ、Ｍ
ｇＯ１Ｃｅ　Ｏｓをｗｔ％比で１：２：３のものを総量
に対し２．５ｗｔ％用いた。これらの原料と焼結助剤を
ボールミルにより２０時時間式混合し、平均粒径０．８
μｍに粉砕した。得られた粉末原料に有機バインダとし
てポリビニルアルコールを１．０ｗｔ％添加し、得られ
たスラリーをスプレードライ法により乾燥し造粒した。

前記原料粉末を加圧成形し、次のようにして成形体を得
た。

円筒状のゴム型に前述した原料粉末を充填し、ＣＩＰ成
形した。この円筒状の成形体の大きさは、直径８５ｍｍ
、長さ３０ｍｍであった。これを成形体Ａとする。この
成形体Ａのもつ不均質な表層部を加工代４ｒｒｉｍで除
去加工した。この表層部の除去された成形体をＢとする
と、成形体Ｂの大きさは直径７７ｍｍ、長さ２２ｍｍで
あった。

この成形体の表面にラテックスをコートし、アルキメデ
ス法により密度を測定し、これらの測定値より表層部の
中心部に対する密度増（％）を求めた。

表層部の中心部に対する密度増は、前述の如く湿式成形
により得た直径８５ｍｍ、長さ３０ｍｍの円筒状成形体
表層部を加工代量１０ｍｍで除去加工し、直径６５ｍｍ
、長さ１０ｍｍの成形体とし、この成形体の密度を測定
し、これを中心部の密度とし、この中心部の密度に対す
る表層部の密度増を％表示した。その結果は第１表に示
すとおりであった。

第１表に示されるように、成形体表層を除去加工した成
形体Ｂ（実施例１〜４）については、除去加工しなかっ
た成形体Ａ（比較例１〜４）に比べ、中心部の密度増が
それほど大きくないことが理解される。

前述の成形体Ａと成形体をＢのそれぞれについて成形圧
力を変化させてＣＸＰ成形し、その表面にガラスを被覆
し、ＨＩＰ処理を行なった。ＨＩＰ圧力は１０００気圧
、ＨＩＰ温度は１８００℃、ＨＩＰ時間は１時間とした
。

得られた焼結体について、アルキメデス法により密度を
測定した。その結果は第２表に示すとおりであった。

（以下、余白。） さらには、比較例ｉ〜４および実施例１〜４について、
曲げ強度、破壊靭性およびスラスト耐久特性について測
定した。

このうち曲げ強度は、４点曲げ試験により成形体Ａにつ
いては５列３０本（比較例１〜４）、成形体Ｂについて
は３列１５本（実施例１〜４）を採り、それらの曲げ強
度の平均値および偏差値を測定した。その結果は第２表
に示すとおりである。

破壊靭性は、インデンテーション法により試験し、設置
荷重１０ｋｇｆの条件で、ｎ＝５の平均値をエバンスの
式により求めた。成形体の中心部および表面部のそれぞ
れについて靭性値を測定したつその結果は第２表に示す
とおりであった。スラスト耐久特性は、下記の条件でス
ラスト試験機により測定した。ヘルツ応カニ　６００　
ｋ　ｇ／ｍｍ”ｎ数：１０とした。試料は、焼結体表層
部の研削加工代量が０、ｌ、０，２５．０．５０ｍｍの
それぞれの表面除去した焼結体を用いた。測定は、ライ
フサイクルの１０％寿命Ｌ１゜およびライフサイクルの
５０％寿命り、ｏをそれぞれ測定した。結果は第２表に
示すとおりであった。

第２表に示されるように、実施例１〜４ば、比較例１〜
４に比べ、焼結体の密度および醜げ強度の平均値か高い
ことが解る。靭性値については、実施例１〜４が比較例
１〜４に比べその表層部の靭性値について若干高靭性で
あることが解る。スラスト耐久特性については実施例１
へ・４が比較例１〜４に比べ寿命が長いことが解る。ま
た焼結体の表層部の除去加工代量が大きいほと一般にス
ラスト耐久寿命が長いことが解る。

これらの理由として焼結体の微構造が考えられる。つま
り、成形体の密度が高い表層部は焼結性が高く、その結
果、窒化珪素のβ型結晶粒子が異常成長しやすい、電子
顕微鏡により観察した結果、焼結体の表層部は異常成長
したβ型結晶粒子がみられ、表層部の微構造は中心部に
比べるとポーラスであった。

以上のことから中心部に近い捏持性の向上が見られるこ
とが理解できる。また、第２表より中心部と表層部との
成形体の密度差が１．５％以下の場合、（実施例１〜４
）において、曲げ強度、靭性値、スラスト耐久特性等の
特性が良いことが解る。

麗１ｕ犯旦 試験例２は、試験例１で調査した除去加工代の有無だけ
でなく除去加工代量の変化が焼結体の特性にどのような
影響を与えるかについてさらに詳細に調査した。

製造条件は、ＣＩＰ圧力を３　ｔ　／　ｃ　ｍ　’に設
定し、試料となる成形体は成形体Ａおよび成形体Ｂにつ
いては試験例１と同様のもので、成形体Ｃ１Ｄ、Ｈにつ
いては、 成形体Ｃ：直径８１ｍｍ、長さ２６ｍｍ、成形体Ｄ＝直
径８３ｍｍ、長さ２８ｍｒｒ＋。

成形体Ｅ：直直径８４ｍｍ、審２９　ｍｍ。

になるよう成形体Ａから研削により切り出した。

その他の製造条件は試験例１と同様であるので、その説
明を省略する。

試験結果は第３表に示すとおりであった。

（以下、余白、） 第３表において、曲げ試験は、４点曲げ試験を行ない、
成形体Ａ−Ｈのそれぞれについて、Ａ：５列３０本、Ｂ
：３列１５本、Ｃ：４列２０本、Ｄ；４列２０本、Ｅ：
５列３０本について試験し、それぞれの平均値と偏差値
を求めた。

第３表に示されるように、焼結体の特性については、そ
の曲げ強度およびスラスト寿命は実施例２、実施例５、
実施例６から明らかなように、成形体の加工代量がある
程度以上の値であるとき、曲げ強度が増大しスラスト寿
命が長くなることが解った。実施例７については、成形
体の加工代量が０．５ｍｍと小さかったために、除去加
工しなかった比較例２（成形体Ａ）の場合と焼結体特性
について大差はなかった。この第３表からも、表層部の
中心部に対する密度増が１．５％以下の場合に良好な焼
結体特性が得られることが解る。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の窒化珪素焼結体の製造法
によれば、熱間静水圧プレスする前にあらかじめ粉末成
形体の表層を除去加工し、表層面と中心部の密度の比が
小差の状態で、ガラスを被・覆してＨＩＰ処理すること
としたので、中心部から表層部まで均質かつ緻密な焼結
体が得られ、得られる焼結体の特性、特にスラスト耐久
寿命、曲げ強度などの点において優れた焼結体が得られ
るという効果がある。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化珪素粉末を加圧成形する工程と、この加圧成
   形された粉末成形体の表層を除去加工する工程と、 この除去加工された粉末成形体をガラスで被覆する工程
   と、 このガラスで被覆された粉末成形体を熱間静水圧プレス
   焼結する工程と、 からなることを特徴とする窒化珪素焼結体の製造方法。
2. （２）前記粉末成形体の表層を除去加工する工程におい
   て、前記加圧成形時の圧力に応じて前記粉末成形体の表
   層の除去加工代量を決定することを特徴とする請求項１
   に記載の窒化珪素焼結体の製造方法。