JPH0649612B2

JPH0649612B2 - 高緻密熱間静水圧焼結窒化珪素焼結体およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0649612B2
Application number: JP62035233A
Authority: JP
Inventors: 忠彰松久; 一精早川
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1987-02-18
Filing date: 1987-02-18
Publication date: 1994-06-29
Anticipated expiration: 2009-06-29
Also published as: JPS63206359A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は軸受部材、耐摩耗部材あるいは摺動部材等に有
用な高硬度且つ高緻密な熱間静水圧焼結窒化珪素焼結体
およびその製造方法に関する。

［従来の技術］従来、窒化珪素焼結体は次のように製造している。

まず窒化珪素粉末原料と焼結助剤を混合し、粉砕、混合
した後、粉砕時に用いる玉石の破片等の異物除去のた
め、通常４４μｍの篩を通している。次に、篩通し後バ
インダーを添加した原料混合物をスプレードライヤーな
どにより乾燥造粒した後、ねかし或いは水分添加により
造粒原料中の水分量をコントロールして更に篩を通した
後、金型プレス又は冷間静水圧プレスにて成形し所定温
度で焼成することにより焼結体を得ている。

［発明が解決しようとする問題点］しかしながら、上記した従来の窒化珪素焼結体の製造方
法により製造された窒化珪素焼結体を軸受部材、耐摩耗
部材あるいは摺動部材等に適用した場合、決して満足す
る耐久性が得られなかった。

発明者等は、特に使用条件の厳しい軸受用のスラスト型
軸受試験機で転がり疲労試験をした窒化珪素焼結体につ
いて解析した結果、残存する気孔の径が寿命に大きく影
響することを見い出した。

そして、この気孔の発源は乾燥造粒原料中の粗大造粒粒
子や、バインダーのクズなどの異物及び造粒粒子の水分
の不均一性にあることをつき止めた。即ち、従来におい
ては、乾燥造粒後の粗大粒子及び造粒粒子中に含まれる
異物（バインダーのクズ）の排除や造粒粒子中の水分の
均一化を積極的には実施していないため、粗大造粒粒子
及び造粒粒子中に含まれる異物（バインダーのクズ）の
混入や造粒粒子中の水分量のバラツキが生じるという場
合があった。その結果、粗大造粒粒子及び造粒粒子中に
含まれる異物の混入や水分量のバラツキによる不均一な
粒子崩壊により成形体中に気孔が生じて、それが焼結後
に残留し、緻密で高硬度な窒化珪素焼結体を得ることが
できないという欠点があった。

一般的にスプレードライヤーにより乾燥造粒した粒子径
は３０〜１２０μｍ、水分量は約０．７重量％程度であ
る。なお、本願でいう水分の不均一性とは、大きな粒子
と小さな粒子の水分量のバラツキや粒子の内部と外表面
の水分量の差を指すものである。

とりわけ、軸受部材、耐摩耗部材あるいは摺動部材に適
用する場合には、それらの寿命に対して気孔や硬度の値
が大きく影響するため、従来よりも長寿命のものを得る
には気孔径や面積率が小さく、高硬度なものを製造する
必要があった。中でも、軸受材料として使用する場合に
は、材料の転がり疲れ寿命を把握することが重量である
ことが知られており、転がり疲れ寿命向上のため緻密で
高硬度な材料を開発する必要があった。

［問題点を解決するための手段］従って本発明の目的は、上記従来の欠点を解消した、緻
密で且つ高硬度な窒化珪素焼結体とその製造方法を提供
することである。そしてその目的は、本発明によれば、
最大気孔径が１０μｍ以下、面積率が０．３％以下で、
かつヌープ硬度が１５．５ＧＰａ以上であり、軸受部
材、耐摩耗部材または摺動部材として用いられることを
特徴とする高緻密熱間静水圧焼結窒化珪素焼結体、およ
び、窒化珪素原料と焼結助剤を混合、粉砕、造粒後成形
し、次いで該成形体を焼成することにより窒化珪素焼結
体を製造する方法において、好ましくは原料粉砕後従来
より目開きの小さな篩により篩通しをし、噴霧乾燥器を
用いて作製した乾燥造粒後の粉体をさらに強制的に乾燥
した後成形し、次いで、得られた成形体に予備処理を施
し、窒素雰囲気下で熱間静水圧プレス処理を行うことを
特徴とする高緻密熱間静水圧焼結窒化珪素焼結体の製造
方法、により達成される。

本発明における最大気孔径および面積率は、焼結体の表
面を鏡面研摩し、光学顕微鏡を用い、４００倍の倍率で
測定した。気孔径はその気孔の最大長さを測定して気孔
径とし、さらに最大気孔径は気孔数を１０００個測定
し、その中の最大径を最大気孔径とした。また、面積率
は測定した１０００個の気孔の面積を実測することによ
り、全気孔面積を求め、その全気孔面積を測定し要した
全視野面積で除した値である。

本発明に係る高緻密熱間静水圧焼結窒化珪素焼結体にお
いては、その最大気孔径が１０μｍ以下、好ましくは６
μｍ以下、更に好ましくは４μｍ以下である。最大気孔
径が１０μｍを超えると、軸受材料の評価法の一つであ
る転がり疲れ寿命が低下し好ましくない。

また、面積率（気孔率）は０．３％以下、好ましくは
０．２％以下、更に好ましくは０．１％以下である。面
積率（気孔率）が０．３％を超えると、転がり疲れ寿命
が低下し好ましくない。

最大気孔径が１０μｍ以下、面積率が０．３％以下でな
いと転がり疲れ寿命が低下するのは、これより気孔径あ
るいは面積率が大きくなると素地の不均質性が増大し、
転がり疲労試験による破壊が起こりやすくなるためであ
る。このような素地は軸受材料として必要な寿命や特性
を満足せず、好ましくない。

さらに本発明の高緻密熱間静水圧焼結窒化珪素焼結体で
は、そのヌープ硬度が１５．５ＧＰａ以上であること
が、転がり疲れ寿命および耐摩耗性が向上することから
好ましく、１６．０Ｇｐａ以上であることが特に好まし
い。

以上のような特性を有する高緻密熱間静水圧焼結窒化珪
素焼結体は、好ましくは原料粉砕後、造粒前に３２μｍ
以下の篩通しをし、次に乾燥造粒後の粉体をさらに強制
的に乾燥した後必要に応じて水分を添加し篩通しをした
後成形し、次いで、得られた成形体に予備処理を施し、
窒素雰囲気下に熱間静水圧プレス処理を行うことにより
製造することができる。すなわち、本発明の高緻密熱間
静水圧焼結窒化珪素焼結体の製造方法において特に重要
なポイントは、噴霧乾燥器（スプレードライヤー）を用
いて作製した乾燥造粒粉体の強制乾燥である。噴霧乾燥
器により乾燥造粒された粉体は、粒径が３０〜１２０μ
ｍ程度で、粉体全体として水分量は約０．７重量％程度
に乾燥されている、個々の造粒粒子を比較すると、大き
な造粒粒子と小さな造粒粒子で含水量が異なり、また１
個の粒子においてもその外表面と内部で水分量の差が生
じている。そこで、その水分量の不均一分布を解消する
ため、噴霧乾燥器により乾燥造粒した粉体をさらにもう
一度乾燥させる（強制乾燥工程）のである。

一方、この強制乾燥を行なわない場合、後続の成形工程
において、成形圧力による造粒粉体の均質な崩壊が起こ
らないため、均質で気孔の少ない成形体が得られず、そ
のため熱間静水圧プレス処理（ＨＩＰ）後も粗大な気孔
が残留し、面積率（気孔率）の小さな焼成体が得られな
い。

また、造粒粉体を強制乾燥した後、必要に応じて水分を
添加しさらに篩通しすることは、造粒粉末表面に形成さ
れたバインダー膜の表面に水分が均一に分散され、造粒
粉体間に水分量の差がなくなりより均一な造粒粉体を得
ることができることから好ましい。

さらに、粉砕後の原料を造粒前に３２μｍ以下の篩に通
すと好ましいのは、これ以上の大きさの目開きの篩を使
用すると粉砕後の粗大粒子及び原材料中に含まれる異物
を有効に排除できず、造粒粉体の均一性を保持すること
が難しいためである。

また、本発明では前記の強制乾燥後に成形を行ない、次
いで予備処理さらに熱間静水圧プレス処理を行なうが、
このうち予備処理工程は、成形体を一次的に焼成する工
程（一次焼結工程）あるいは、成形体をカプセルに封入
する工程（カプセル処理工程）の２通りに分けることが
できる。予備処理工程のうち、一次焼結工程において
は、成形体を、好ましくは常圧の窒素雰囲気下、１４０
０〜１６００℃で一次的に焼成する。焼成温度が１４０
０℃より低いと焼成後も開気孔が消失せず、熱間静水圧
プレス処理後にも緻密な焼結体が得られない。また、焼
成温度が１６００℃より高いと、窒化珪素の分解反応が
進行し、熱間静水圧プレス処理後にも緻密で高硬度な焼
結体が得られなくなる。

一方、カプセル処理工程においては、成形体を、好まし
くはＳｉＯ₂を主成分とするガラス中に、真空脱気した
後封入する。カプセルとしてガラスが好ましいのは、熱
間静水圧プレス時のカプセルとしての変形能力および密
封性に優れているためである。

これらの予備処理を施した後、熱間静水圧プレス処理
を、好ましくは２００〜１５００気圧の窒素雰囲気下、
１５００〜１９００℃で行なう。

以上のような造粒粉体の強制乾燥工程と、それにより得
られる成形体の予備処理工程および熱間静水圧プレス処
理工程を組合わせ、さらに好ましくは、原料粉砕後の篩
通し工程を施すことによって、本発明のような特性を有
する高緻密熱間静水圧焼結窒化珪素焼結体を製造するこ
とができたのである。

なお、本発明に用いる焼結助剤としては特にその種類を
限定されるものではなく、一般に知られている焼結助剤
を用いることができる。

［実施例］以下、本発明を実施例に基き詳細に説明するが、本発明
はこれら実施例に限定されるものではない。

図面は本発明の高緻密熱間静水圧焼結窒化珪素焼結体の
製造方法の一実施例を示すフローチャートである。な
お、図面に示すように各工程をステップ１からステップ
９で表わした。

まず、窒化珪素原料と焼結助剤を混合し、粉砕した（ス
テップ１）後、好ましくは粉砕時に用いる玉石の破片等
の異物および粗大粒子除去のため、好ましくは３２μｍ
以下の篩通しをして粒子の平均粒径が１μｍ以下の原料
を得る（ステップ２）。

次いで噴霧乾燥器を用いて乾燥造粒（ステップ３）後、
その造粒粉体を好ましくは６０〜１００℃の温度で強制
乾燥して造粒粉体の水分量の差を少なくし均質な造粒粉
体とする（ステップ４）。次に、必要に応じて０．５〜
５．０重量％の水分を造粒粉体に加え（ステップ５）水
分量の均一な造粒粉体を得た後、さらに篩通しをして水
分添加により凝集した粗大粒子を除去する（ステップ
６）。得られた造粒粉体を通常の方法で成形（ステップ
７）後、該成形体に予備処理を施し（ステップ８）、次
いで熱間静水圧プレス処理により焼成する（ステップ
９）ことにより本発明の高緻密熱間静水圧焼結窒化珪素
焼結体を製造することができる。

以下、さらに具体的な実施例を説明する。

（実施例１）平均粒径０．５μｍのα型窒化珪素粉末に焼結助剤とし
てＭｇＯ、ＺｒＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃の各粉末をそれぞれ４重量
％、２重量％、７重量％の割合で混合し、それに水分６
０％を加え、バッチ式粉砕機により混合粉砕した後、目
開き２０μｍの篩通しをして、平均粒子径０．７μｍの
スラリーを得た。このスラリーにポリビニルアルコール
（ＰＶＡ）２重量％を添加し、噴霧乾燥器を用いて造粒
粉体とした。

さらに、恒温乾燥器を用い、第１表の強制乾燥温度に示
す温度で２４時間造粒粉体を乾燥および必要に応じて水
分添加を実施した後、第１表の水分添加後の篩目開きに
示すごとく、ＪＩＳ標準篩を用いて篩分けをし、試料番
号１〜９の造粒粉体を得た。この造粒粉体を５トン／cm
²の圧力で冷間静水圧プレス成形することにより、６５m
m（φ）×５０mm（長さ）の成形体を作製した。

その後、温度５００℃で３時間脱脂した後、窒素
（Ｎ₂）雰囲気下、温度１４６０℃で６時間常圧焼結を
行なった（一次焼結工程）。次いで、この一次焼結体
を、Ｎ₂雰囲気下、圧力４００ａｔｍ、温度１７００℃
で熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理することにより、本
発明の焼結体を得た（試料番号１〜９）。また、これと
は別に、本発明の比較例として第１表に示す強制乾燥を
実施しない製造条件により作製した焼結体（試料番号１
０〜１２）を作製した。

得られた焼結体試料の特性を第１表に示す。

転がり疲れ寿命は、焼結体試料より５０mm（φ）×１０
mm（厚さ）の円板を切り出して鏡面研磨した後、６球式
スラスト型軸受試験機によりヘルツ応力５００Kg／mm²
にて転がり疲労試験を実施して評価した。

第１表から明らかなように、本発明の強制乾燥後、必要
に応じて水分を添加し、さらに篩通しを実施した調整原
料を用いたＨＩＰ焼結体は、比較例に比べて最大気孔径
が小さく、転がり疲れ寿命特性の優れた焼結体であるこ
とが判明した。

（実施例２）粉砕後の篩通しおよび粉砕後の平均粒子径の影響を調べ
るため、焼結助剤の種類及び添加量を第２表のように変
えたほかは実施例１と同様の方法で造粒粉体を８０℃で
２４時間強制乾燥した後、４重量％の水分添加を行な
い、さらに目開き１４９μｍの篩を通過させ、試料番号
１３〜１７の造粒粉体を得た。

この造粒粉体を実施例１と同様に成形・脱脂をした後、
シリカガラス製カプセルに真空封入した。次いで、この
カプセルをＨＩＰ装置内に装入し、圧力１５００ａｔ
ｍ、温度１６００℃でＨＩＰ処理を行ない、試料番号１
３〜１７の窒化珪素焼結体を得た。

耐摩耗試験においては、試料No.１３〜１７の焼結体を
１５mm（φ）×１５mm（長さ）の円柱状に切り出し、＃
１４０のダイヤモンド砥石を用いて研磨した後、ボール
ミルを用いて耐摩耗試験を行なった。試験条件として、
容器は内径１２０mm（φ）のアルミナ製を用い、１２０
ｒｐｍで回転させた。

また、スリラー液は＃１００の炭化珪素粉末と水を重量
比で１：１に配合し、容器の半分になるまで加えた。そ
の中に前記において作製した１５mm（φ）×１５mm（長
さ）の焼結体を５個加え、２４時間耐摩耗試験を行なっ
た。

摩耗量は試験前後の重量及び寸法により求めた。結果を
第２表に示す。

第２表から、本発明品の中でも、粉砕後３２μｍ以下の
篩を通したもの、粉砕後の平均粒子径が１μｍ以下のも
のがより好ましいことが判明した。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、乾燥造粒粉体の
強制乾燥およびそれに引続く予備処理、ＨＩＰ処理を組
合わせ、さらに好ましくは原料粉砕後の篩通しを施すこ
とによって、最大気孔径および面積率が小さく高硬度な
窒化珪素焼結体を得ることができる。従って、本発明の
窒化珪素焼結体は軸受部材のほか耐摩耗部材、摺動部材
等として極めて有効に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の製造方法の一実施例を示すフローチャー
トである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】最大気孔径が１０μｍ以下、面積率が０．
３％以下で、かつヌープ硬度が１５．５ＧＰａ以上であ
り、軸受部材、耐摩耗部材または摺動部材として用いら
れることを特徴とする高緻密熱間静水圧焼結窒化珪素焼
結体。
【請求項２】窒化珪素原料と焼結助剤を混合、粉砕、造
粒後成形し、次いで該成形体を焼成することにより窒化
珪素焼結体を製造する方法において、噴霧乾燥器を用い
て作製した乾燥造粒後の粉体をさらに強制的に乾燥した
後成形し、次いで、得られた成形体に予備処理を施し、
窒素雰囲気下で熱間静水圧プレス処理を行うことを特徴
とする高緻密熱間静水圧焼結窒化珪素焼結体の製造方
法。
【請求項３】乾燥造粒後の粉体をさらに強制的に乾燥し
た後、必要に応じて水分を添加し、該粉体を篩通しする
ことにより、所定の水分量を有する均一な造粒粉体とす
る特許請求の範囲第２項記載の製造方法。
【請求項４】粉砕後の原料を造粒前に３２μｍ以下の篩
を通過させる特許請求の範囲第２項記載の製造方法。
【請求項５】粉砕後の平均粒子径が１μｍ以下である特
許請求の範囲第２項記載の製造方法。
【請求項６】予備処理が、窒素雰囲気下、１４００〜１
６００℃で一次的に焼成するものである特許請求の範囲
第２項記載の製造方法。
【請求項７】予備処理が成形体をカプセルに封入するも
のである特許請求の範囲第２項記載の製造方法。