專(zhuān)利名稱(chēng)：耐磨耗性構(gòu)件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由以氮化硅為主成分的燒結(jié)體形成的耐磨耗性構(gòu)件及其制造方法，特別涉及滾動(dòng)壽命較長(zhǎng)的氮化硅制耐磨耗性構(gòu)件及其制造方法。
耐磨耗性構(gòu)件被用于各種領(lǐng)域，如用作軸承構(gòu)件、壓延用各種軋輥構(gòu)件、壓縮機(jī)葉輪、汽輪機(jī)機(jī)翼、凸輪滾筒等機(jī)械部件等。這些耐磨耗性構(gòu)件以往都由陶瓷材料制成。特別是由于氮化硅燒結(jié)體具有良好的耐磨耗性，所以，被廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng)域。
由于氮化硅是一種不易燒結(jié)的材料，所以，在制作燒結(jié)體時(shí)使用了各種化合物作為添加劑。傳統(tǒng)的氮化硅燒結(jié)體的組成包括氮化硅-稀土類(lèi)氧化物-氧化鋁系、氮化硅-稀土類(lèi)氧化物-氧化鋁-氧化鈦系等。這些組成中，稀土類(lèi)氧化物等燒結(jié)助劑在燒結(jié)過(guò)程中形成了由Si-R-Al-O-N化合物(R稀土元素)等組成的晶間相(玻璃態(tài)相)，它們是使燒結(jié)體致密化，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度化所必不可少的組分。
即使前述傳統(tǒng)組成的氮化硅燒結(jié)體的彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性和耐磨耗性等力求進(jìn)一步提高，也未必能滿足特性要求。特別是滾動(dòng)軸承構(gòu)件等耐磨耗性構(gòu)件對(duì)滾動(dòng)壽命等滑動(dòng)特性有更高的要求。
日本專(zhuān)利公開(kāi)公報(bào)平1-93470號(hào)對(duì)氮化硅燒結(jié)體的原料組成有所報(bào)道，即，記載了由含有1～10質(zhì)量％的稀土類(lèi)氧化物、1～10質(zhì)量％氧化鋁和0.1～5質(zhì)量％氧化鈦的燒結(jié)助劑，其余組分為氮化硅組成的陶瓷混合物成型燒結(jié)而成的燒結(jié)體。上述公報(bào)指出，燒結(jié)后氧化鈦在晶間相以氮化鈦的形式析出，促進(jìn)了燒結(jié)體的致密化，有利于耐熱沖擊性等特性的提高。
但是，如果僅僅單純地只在原料混合物中添加氧化鈦然后燒結(jié)，則在燒結(jié)時(shí)氧化鈦轉(zhuǎn)變?yōu)榈伒倪^(guò)程較為激烈，這樣氮化鈦粒子的粒徑就容易出現(xiàn)差別，生成一些粒徑較大的氮化鈦粒子。如果氮化硅燒結(jié)體中存在較大的氮化鈦粒子，由于它和氮化硅粒子的熱膨脹率不同，所以會(huì)成為斷裂發(fā)生點(diǎn)，可能導(dǎo)致強(qiáng)度和斷裂韌性等特性的下降。
關(guān)于氮化硅燒結(jié)體的耐磨耗性的提高，日本專(zhuān)利公開(kāi)公報(bào)平6-122563號(hào)有所報(bào)道，該公報(bào)記載了在平均粒徑10μm以下的氮化硅基體中分散了1～50質(zhì)量％的長(zhǎng)軸徑和短軸徑比率(長(zhǎng)寬比)在2以上的Ti化合物的陶瓷復(fù)合材料。這里所用的Ti化合物為以TiN、TiC或TiCN為主成分的須晶。
上述公報(bào)中所用的長(zhǎng)寬比在2以上的Ti化合物(如TiN須晶)雖然有利于提高燒結(jié)體的強(qiáng)度和韌性等，但氮化硅燒結(jié)體用于軸承構(gòu)件等時(shí)，反而可能縮短其滾動(dòng)使用壽命。即，如果在滑動(dòng)面存在形狀各向異性較大的TiN須晶等，則會(huì)產(chǎn)生刺狀突起，該突起就會(huì)成為斷裂發(fā)生點(diǎn)，或者增加對(duì)其他構(gòu)件的沖擊性。
此外，日本專(zhuān)利公開(kāi)公報(bào)平5-178668號(hào)記載了由氮化硅和晶間相構(gòu)成的母相中分散了氮化鈦微粒的氮化硅-氮化鈦復(fù)合燒結(jié)體。該氮化硅-氮化鈦復(fù)合燒結(jié)體中包含45～95體積％的氮化硅，按照以下所述制造方法制得。首先，對(duì)包含鈦元素的氮化硅的有機(jī)前體進(jìn)行熱處理，制得氮化硅和氮化鈦的結(jié)晶復(fù)合微細(xì)粉末。然后，在該復(fù)合微細(xì)粉末中添加燒結(jié)助劑并混合，再對(duì)混合物進(jìn)行燒結(jié)獲得復(fù)合燒結(jié)體。
利用上述制造方法制得的氮化硅-氮化鈦復(fù)合燒結(jié)體中，氮化鈦微粒主要分散在氮化硅的結(jié)晶粒子內(nèi)。由于氮化鈦微粒和氮化硅的熱膨脹率不同，所以會(huì)在氮化硅粒子內(nèi)產(chǎn)生殘留壓縮應(yīng)力。由于這種殘留壓縮應(yīng)力具有抑制裂紋發(fā)展的作用，所以使斷裂韌性等得到提高。但是，當(dāng)用于象軸承構(gòu)件等要連續(xù)承受外部應(yīng)力的情況下，氮化硅粒子內(nèi)的殘留應(yīng)力反而會(huì)導(dǎo)致剝離等現(xiàn)象的發(fā)生。
本發(fā)明解決了上述問(wèn)題，其目的是提供具備高強(qiáng)度及高韌性，且滑動(dòng)特性良好的耐磨耗性構(gòu)件及其制造方法，特別提供了使?jié)L動(dòng)壽命得到延長(zhǎng)，賦予軸承構(gòu)件以良好特性的耐磨耗性構(gòu)件及其制造方法。
本發(fā)明的耐磨耗性構(gòu)件如權(quán)利要求1所述，具備氮化硅燒結(jié)體，該氮化硅燒結(jié)體包含75～97質(zhì)量％的氮化硅，0.2～5質(zhì)量％的長(zhǎng)軸徑在1μm以下的氮化鈦粒子，以及2～20質(zhì)量％以Si-R-Al-O-N化合物(R為稀土類(lèi)元素)為主的晶間相。
本發(fā)明的耐磨耗性構(gòu)件中，氮化鈦粒子最好以單個(gè)粒子的形態(tài)分散在氮化硅燒結(jié)體中。換言之，氮化鈦?zhàn)詈貌缓偷杓熬чg相固溶，而是以氮化鈦粒子的形式存在。特別好的是氮化鈦粒子主要分散于晶間相中。
本發(fā)明的耐磨耗性構(gòu)件的制造方法如權(quán)利要求17所述，為具備氮化硅燒結(jié)體的耐磨耗性構(gòu)件的制造方法，該方法的特征是包括以下4個(gè)步驟，即，在含氧量1.7質(zhì)量％以下、α相型氮化硅含量90質(zhì)量％以上、平均粒徑1.0μm以下的氮化硅粉末中添加換算成氧化物為0.5～10質(zhì)量％的稀土類(lèi)化合物、平均粒徑在0.7μm以下的氮化鈦或通過(guò)燒結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)榈伒膿Q算成氮化鈦為0.1～5質(zhì)量％的鈦化合物、0.1～5質(zhì)量％氧化鋁及5質(zhì)量％以下的氮化鋁，調(diào)制成原料混合物的步驟；使前述原料混合物成型為規(guī)定形狀的步驟；對(duì)通過(guò)前述成型步驟獲得的成型體進(jìn)行脫脂處理后，在1300～1450℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱處理的步驟；在1600～1900℃的溫度范圍內(nèi)對(duì)經(jīng)過(guò)前述熱處理后的成型體進(jìn)行燒結(jié)制得前述氮化硅燒結(jié)體的步驟。
本發(fā)明的耐磨耗性構(gòu)件的制造方法中，在氮化硅粉末中添加氮化鈦或通過(guò)燒結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)榈伒拟伝衔镒詈梅謹(jǐn)?shù)次。此外，原料混合物最好含有平均粒徑在0.5μm以下的換算成氮化鈦在0.1～5質(zhì)量％的范圍內(nèi)氧化鈦。本發(fā)明的耐磨耗性構(gòu)件的制造方法更好是還包括在300氣壓以上的非氧化性氛圍氣中，于1600～1850℃的溫度范圍內(nèi)，對(duì)通過(guò)燒結(jié)獲得的氮化硅燒結(jié)體進(jìn)行HIP處理的步驟。
本發(fā)明的耐磨耗性構(gòu)件的氮化硅燒結(jié)體中存在氮化鈦粒子。氮化鈦粒子主要存在于晶間相，以強(qiáng)化晶間相來(lái)提高氮化硅燒結(jié)體的強(qiáng)度和斷裂韌性等特性。但是，如果氮化鈦粒子的粒徑大太，則晶間相的相間會(huì)局部斷開(kāi)而成為裂紋發(fā)生的原因，另外，由于氮化鈦粒子和氮化硅粒子的熱膨脹率不同，所以，氮化鈦粒子和氮化硅粒子的接觸部分會(huì)成為斷裂發(fā)生點(diǎn)。由于上述原因，反而會(huì)使氮化硅燒結(jié)體的強(qiáng)度和斷裂韌性等下降。
因此，存在于本發(fā)明的氮化硅燒結(jié)體中的是長(zhǎng)軸徑在1μm以下的氮化鈦粒子。由于這種微小的氮化鈦粒子很好地分散于晶間相中，所以，能以良好的再現(xiàn)性分散強(qiáng)化晶間相。這樣就能夠提高氮化硅燒結(jié)體的強(qiáng)度、斷裂韌性和滑動(dòng)特性等。分散在氮化硅燒結(jié)體中的氮化鈦粒子的長(zhǎng)寬比最好在1.0～1.2的范圍內(nèi)。如果這種氮化鈦粒子的含量在80％以上，則滾動(dòng)使用壽命可進(jìn)一步延長(zhǎng)。另外，要求氮化鈦粒子為球狀。
上述氮化鈦粒子可通過(guò)本發(fā)明的制造方法制得。特別是在使用微細(xì)的氧化鈦?zhàn)鳛檠趸佇纬稍系耐瑫r(shí)，如果在升溫至燒結(jié)溫度(1600～1900℃)的過(guò)程中，在1300～1450℃的溫度范圍保持一定的時(shí)間，則能夠很好地對(duì)分散于氮化硅燒結(jié)體的氮化鈦粒子的形狀和分散狀態(tài)進(jìn)行控制。這樣就能夠提供滾動(dòng)使用壽命更長(zhǎng)的耐磨耗性構(gòu)件。
以下，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施狀態(tài)進(jìn)行說(shuō)明。
本發(fā)明的耐磨耗性構(gòu)件由氮化硅燒結(jié)體構(gòu)成，該氮化硅燒結(jié)體包含75～97質(zhì)量％的氮化硅，0.2～5質(zhì)量％的長(zhǎng)軸徑在1μm以下的氮化鈦粒子，以及2～20質(zhì)量％的含有以Si-R-Al-O-N化合物(R為稀土類(lèi)元素)為主的晶間相。本發(fā)明所述的氮化硅燒結(jié)體是指以氮化硅為主成分的燒結(jié)體，其中，氮化硅的含量在75～97質(zhì)量％的范圍內(nèi)。
燒結(jié)體中的氮化硅含量如果不足75質(zhì)量％，則包含氮化鈦形成組分的燒結(jié)助劑量就相對(duì)較多，這樣就導(dǎo)致燒結(jié)體的彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性、滾動(dòng)壽命等滑動(dòng)特性下降。反之，如果氮化硅含量超過(guò)97質(zhì)量％，則添加的燒結(jié)助劑量相對(duì)較少，所以，不能夠獲得足夠的由燒結(jié)助劑帶來(lái)的致密化效果。燒結(jié)體中的氮化硅含量最好在80～95質(zhì)量％的范圍內(nèi)。
作為耐磨耗性構(gòu)件使用的氮化硅燒結(jié)體中長(zhǎng)軸徑在1μm以下的氮化鈦粒子含量在0.2～5質(zhì)量％的范圍內(nèi)。如果氮化鈦含量不足0.2質(zhì)量％，則不能夠獲得由氮化鈦帶來(lái)的特性提高的效果。如果氮化鈦含量超過(guò)5質(zhì)量％，則燒結(jié)體的彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性和滾動(dòng)壽命等反而下降。氮化鈦含量最好在0.5～4質(zhì)量％的范圍內(nèi)。
氮化鈦粒子主要存在于燒結(jié)體的晶間相中，通過(guò)強(qiáng)化晶間相就可提高氮化硅燒結(jié)體的特性。這樣，氮化鈦就不會(huì)與氮化硅和晶間相固溶，以氮化鈦粒子的形式分散于燒結(jié)體中。如果氮化鈦和氮化硅及晶間相發(fā)生反應(yīng)，則不能夠獲得因粒子分散強(qiáng)化而帶來(lái)的提高燒結(jié)體強(qiáng)度的效果。氮化鈦是否固溶可通過(guò)TEM觀察到。
但是，如果氮化鈦粒子的長(zhǎng)軸徑超過(guò)1μm，則燒結(jié)體的彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性和滾動(dòng)壽命等都下降。即，如果存在粗大的氮化鈦粒子，則晶間相的相間出現(xiàn)局部裂紋，最終導(dǎo)致斷裂。另外，由于氮化鈦和熱膨脹率大于氮化硅，所以，如果存在粗大的氮化鈦粒子，則由于氮化硅粒子和氮化鈦粒子的熱膨脹率不同，容易導(dǎo)致斷裂。因此，粗大的氮化鈦粒子反而會(huì)使燒結(jié)體的彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性和滾動(dòng)壽命等都下降。
此外，由于氮化鈦粒子凝集會(huì)對(duì)晶間相造成不良影響，所以，氮化鈦粒子最好分別單獨(dú)分散。凝集狀態(tài)是指氮化鈦粒子間發(fā)生直接接觸而集中的狀態(tài)。氮化鈦粒子具有強(qiáng)化晶間相的作用，但如果存在凝集的氮化鈦粒子，則耐磨耗性構(gòu)件在受到滑動(dòng)沖擊時(shí)，不同方向承受的應(yīng)力不均，這樣就導(dǎo)致滾動(dòng)壽命的縮短。
考慮上述氮化鈦粒子的影響，在本發(fā)明的氮化硅燒結(jié)體中分散了長(zhǎng)軸徑在1μm以下的氮化鈦粒子。氮化鈦粒子的長(zhǎng)軸徑更好在0.5μm以下。此外，本發(fā)明的長(zhǎng)軸徑是指氮化鈦粒子最長(zhǎng)對(duì)角線的長(zhǎng)度。雖然能夠毫無(wú)問(wèn)題地立體地測(cè)得氮化鈦粒子的大小，但一般采用簡(jiǎn)單地取任意單位面積(例如，100×100μm)的放大照片，測(cè)定該放大照片中存在的氮化鈦粒子的最長(zhǎng)對(duì)角線作為長(zhǎng)軸徑的方法。特別是在測(cè)定后述的球狀氮化鈦粒子的形狀時(shí)，使用放大照片的測(cè)定方法也是有效的。
采用放大照片的測(cè)定方法也能夠有效地應(yīng)用于本發(fā)明規(guī)定的氮化鈦粒子的長(zhǎng)軸徑的測(cè)定，長(zhǎng)寬比的測(cè)定，長(zhǎng)軸徑和短軸徑差的測(cè)定，還能夠用于后述的氣孔率和最大氣孔徑的測(cè)定。采用放大照片的測(cè)定方法獲得的各測(cè)定值是在3處不同位置對(duì)任意單位面積進(jìn)行測(cè)定，然后取這3個(gè)值的平均值。測(cè)定面積可在100×100μm的范圍內(nèi)。放大照片的放大倍率在2000倍以上即可。
存在于燒結(jié)體的氮化鈦粒子中長(zhǎng)寬比(長(zhǎng)軸徑/短軸徑)在1.0～1.2范圍內(nèi)的粒子含量最好在80％以上。如果長(zhǎng)寬比超過(guò)1.2的細(xì)長(zhǎng)粒子的比率大于20％，則晶間相的強(qiáng)化會(huì)出現(xiàn)各向異性且不均勻。這樣就有可能使氮化硅燒結(jié)體的滾動(dòng)壽命特性等部分地下降。氮化鈦粒子的長(zhǎng)寬比更好在1.0～1.1的范圍內(nèi)。此外，具有上述長(zhǎng)寬比的粒子的含量比更好在90％以上。氮化鈦粒子的短軸徑是指與前述長(zhǎng)軸徑相反為最短對(duì)角線的長(zhǎng)度，其測(cè)定方法與長(zhǎng)軸徑相同。
氮化鈦粒子的長(zhǎng)軸徑和短軸徑之差最好在0.2μm以下。即，由于分散在晶間相中的主要是更接近球狀的氮化鈦粒子，所以能夠提高整個(gè)燒結(jié)體對(duì)滑動(dòng)沖擊的耐性，這樣就能夠進(jìn)一步提高使用了氮化硅燒結(jié)體的耐磨耗性構(gòu)件的滾動(dòng)壽命等滑動(dòng)特性。氮化鈦粒子的長(zhǎng)軸徑和短軸徑差如果較大，則氮化鈦粒子的形狀實(shí)質(zhì)上為長(zhǎng)橢球形，對(duì)晶間相的影響也不一。這樣會(huì)影響到氮化硅燒結(jié)體的各種特性的不均一，并使?jié)L動(dòng)使用壽命等縮短。
此外，氮化鈦粒子的表面形狀最好為無(wú)棱角的圓形。由于纖維和須晶樣有棱角的氮化鈦粒子會(huì)對(duì)滾動(dòng)壽命等滑動(dòng)特性帶來(lái)不良影響，所以，燒結(jié)體中最好分散無(wú)棱角的球狀氮化鈦粒子。即，以往公知的是經(jīng)過(guò)纖維增強(qiáng)的氮化硅燒結(jié)體，其作為汽輪機(jī)機(jī)翼等不直接滑動(dòng)部分的構(gòu)件當(dāng)然沒(méi)有問(wèn)題，但作為軸承滾珠等軸承構(gòu)件使用時(shí)，由于氮化硅燒結(jié)體表面直接成為滑動(dòng)面，所以，纖維和須晶等會(huì)從滑動(dòng)面剝離，這些就會(huì)成為斷裂發(fā)生點(diǎn)，導(dǎo)致滾動(dòng)使用壽命的縮短。
這里，無(wú)棱角的圓形是指從任意方向觀察氮化鈦粒子時(shí)，該氮化鈦粒子表面都無(wú)90°以下的銳角狀凸部。一般的粒子在顯微鏡下都可觀察到其表面存在凹凸?fàn)?，其中?0°以下的銳角。作為耐磨耗性構(gòu)件反復(fù)進(jìn)行滑動(dòng)和連續(xù)滑動(dòng)時(shí)，由于上述銳角的存在，容易使晶間相發(fā)生龜裂，導(dǎo)致滾動(dòng)使用壽命下降。
從以上事實(shí)可看出，本發(fā)明的耐磨耗性構(gòu)件的燒結(jié)體中最好分散實(shí)質(zhì)上為球狀的氮化鈦粒子，特別是純球狀氮化鈦粒子。球狀(尤其是純球狀)氮化鈦粒子能夠均勻地強(qiáng)化晶間相，而且能夠有效緩解滑動(dòng)沖擊，并且不會(huì)使強(qiáng)化材料成為斷裂發(fā)生點(diǎn)，所以，能夠大幅度提高滾動(dòng)使用壽命等滑動(dòng)特性。這種氮化硅燒結(jié)體適用于耐磨耗性構(gòu)件，特別有效的是用作軸承滾珠等全部為滾動(dòng)部分的軸承構(gòu)件。
上述氮化鈦粒子的銳角部分能夠通過(guò)觀察氮化鈦粒子被放大10000倍(1μm以10mm表示)的照片得到確認(rèn)。只要是實(shí)質(zhì)上為純球狀或接近純球狀的橢球形氮化鈦粒子，從任一方向觀察都沒(méi)有90°以下的銳角。本發(fā)明的耐磨耗性構(gòu)件的燒結(jié)體中最好分散有上述氮化鈦粒子。
無(wú)棱角的球狀氮化鈦粒子，可預(yù)先將具有這種形狀的氮化鈦粉末混入原料混合物中，再使其分散于燒結(jié)體中，如后詳述，采用適當(dāng)?shù)姆椒▽⑩伒难趸铩⑻蓟?、硼化物、硅化物等鈦化合物粉末在燒結(jié)時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榈伭Ｗ?，能夠以較低成本且重現(xiàn)性良好地將無(wú)棱角的球狀氮化鈦粒子分散在燒結(jié)體中。
由于氧化鈦粉末具有化學(xué)穩(wěn)定性，所以使用方便，而且，能夠有效提高燒結(jié)體的強(qiáng)度。一般，進(jìn)行氮化硅燒結(jié)體的燒結(jié)時(shí)是在制成規(guī)定形狀的氮化硅成型體后再進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)時(shí)隨著氧化鈦轉(zhuǎn)變?yōu)榈仯辉傩枰难趸佒械难鹾途чg相發(fā)生反應(yīng)，使晶間相熔點(diǎn)下降，促進(jìn)致密化。因此，能夠進(jìn)一步提高氮化硅燒結(jié)體的強(qiáng)度。
構(gòu)成本發(fā)明的耐磨耗性構(gòu)件的氮化硅燒結(jié)體中以Si-R-Al-O-N化合物(R；稀土類(lèi)元素)為主的晶間相的含量在2～20質(zhì)量％范圍內(nèi)。如果晶間相的含量不足2質(zhì)量％，則氮化硅燒結(jié)體的致密化不夠充分，氣孔率增加，使彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性都下降。另一方面，如果晶間相的含量超過(guò)20質(zhì)量％，則過(guò)剩的晶間相也會(huì)導(dǎo)致氮化硅燒結(jié)體的彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性和滾動(dòng)壽命的下降。晶間相的含量最好在5～15質(zhì)量％的范圍內(nèi)。
對(duì)以Si-R-Al-O-N化合物為主的晶間相的形成方法雖無(wú)特別限定，最好是添加形成Si-R-Al-O-N化合物的組分作為燒結(jié)助劑來(lái)形成晶間相。在形成上述晶間相時(shí)，添加稀土類(lèi)化合物和鋁化合物作為燒結(jié)助劑很有效。
對(duì)稀土類(lèi)化合物無(wú)特別限定，最好是選自釔(Y)、鑭(La)、鈰(Ce)、釤(Sm)、釹(Nd)、鏑(Dy)和鉺(Er)等的氧化物、氮化物、硼化物、碳化物和硅化物中的至少1種。從容易形成以Si-R-Al-O-N化合物為主的晶間相考慮，特別好的是使用Y、Ce、Sm、Nd、Er等的氧化物。
鋁化合物只要含有鋁即可，對(duì)其無(wú)特別限定，但最好是采用氧化鋁和氮化鋁。這些鋁化合物是在燒結(jié)時(shí)容易形成Si-R-Al-O-N化合物的化合物。特別是同時(shí)添加氧化鋁和氮化鋁，能夠容易地形成以Si-R-Al-O-N化合物為主的晶間相。晶間相的構(gòu)成組分可由EPMA等測(cè)定。
稀土類(lèi)化合物和鋁化合物的添加量只要最終可使氮化硅燒結(jié)體中的以Si-R-Al-O-N化合物為主的晶間相的含量在2～20質(zhì)量％的范圍內(nèi)即可，對(duì)其無(wú)特別限定，但最好是添加的稀土類(lèi)化合物換算成氧化物在0.5～10質(zhì)量％的范圍內(nèi)，添加的鋁化合物在0.1～10質(zhì)量％的范圍內(nèi)。同時(shí)采用氧化鋁和氮化鋁作為鋁化合物時(shí)，氮化鋁的添加量較好是在5質(zhì)量％以下，更好在3質(zhì)量％以下。此時(shí)氧化鋁的添加量最好在0.1～5質(zhì)量％的范圍內(nèi)。
以上對(duì)構(gòu)成本發(fā)明的耐磨耗性構(gòu)件的氮化硅燒結(jié)體的必要組分進(jìn)行了說(shuō)明，當(dāng)然氮化硅燒結(jié)體中還可包含其他組分。例如，為了使氮化硅燒結(jié)體進(jìn)一步致密化，燒結(jié)體中還可包含鎂(Mg)、鉿(Hf)、鋯(Zr)、鎢(W)等的氧化物、氮化物、硼化物和硅化物等。對(duì)氮化硅燒結(jié)體的致密化特別有效的是氧化鎂。這些化合物的含量總和最好在0.1～5質(zhì)量％的范圍內(nèi)。
另外，構(gòu)成本發(fā)明的耐磨耗性構(gòu)件的氮化硅燒結(jié)體最好不僅具備基本的強(qiáng)度特性和機(jī)械特性，其氣孔率以體積比計(jì)也最好在0.5％以下。此外，氣孔的長(zhǎng)軸徑最好在2μm以下。如果氮化硅燒結(jié)體的氣孔率超過(guò)0.5％，且氣孔的長(zhǎng)軸徑超過(guò)2μm時(shí)，則即使具備上述構(gòu)成的晶間相和氮化鈦粒子，也有可能導(dǎo)致基本彎曲強(qiáng)度和滑動(dòng)特性等的下降。
氮化硅燒結(jié)體的氣孔率更好是在0.3％以下。氮化硅燒結(jié)體的氣孔率實(shí)質(zhì)上最好為零，但本發(fā)明的氮化硅燒結(jié)體即使含0.01～0.5％左右的氣孔，仍能夠獲得良好的強(qiáng)度和滾動(dòng)壽命特性。此外，氣孔的長(zhǎng)軸徑更好是在1μm以下。
以下，對(duì)本發(fā)明的耐磨耗性構(gòu)件的制造方法進(jìn)行說(shuō)明。本發(fā)明的氮化硅制耐磨耗性構(gòu)件只要是包含前述規(guī)定氮化鈦粒子和晶間相的構(gòu)成即可，對(duì)其制造方法無(wú)特別限定，例如，采用以下制造方法可有效制得。
眾所周知，氮化硅原料粉末有α相型和β相型2種，本發(fā)明適用的是α相型粉末。α相型氮化硅原料粉末的含量較好在90質(zhì)量％以上。更好是采用α相型氮化硅含量在95質(zhì)量％以上的氮化硅粉末。
此外，氮化硅原料粉末的平均粒徑最好在1μm以下，且氧含量最好在1.7質(zhì)量％以下。使用這種微細(xì)而雜質(zhì)含量很少的氮化硅粉末，能夠容易地獲得氣孔率和最大氣孔徑較小，且具備高強(qiáng)度的氮化硅燒結(jié)體。氮化硅原料粉末的平均粒徑更好在0.4～0.8μm的范圍內(nèi)。此外，氧含量更好在0.5～1.5質(zhì)量％的范圍內(nèi)。
氮化鈦原料只要能夠最終形成氮化鈦粒子的長(zhǎng)軸徑在1μm以下的鈦化合物即可，對(duì)其無(wú)特別限定，但最好使用平均粒徑在0.7μm以下的的原料粉末。氮化鈦原料雖然也可使用氮化鈦粉末本身，但采用鈦的氧化物、碳化物、硼化物和硅化物等在燒結(jié)時(shí)可形成氮化鈦的鈦化合物則更好。這樣，能夠以較低的成本和良好的重現(xiàn)性獲得微細(xì)且呈良好球狀的氮化鈦粒子(無(wú)棱角的球狀氮化鈦粒子)。
利用燒結(jié)時(shí)的反應(yīng)形成氮化鈦的氧化鈦等化合物作為氮化鈦原料使用時(shí)，最好采用平均粒徑在0.5μm以下的微細(xì)粉末。這樣能夠容易地使氮化硅燒結(jié)體中的氮化鈦粒子的長(zhǎng)軸徑最終達(dá)到1μm以下。氮化鈦粒子的微細(xì)化受到后述的燒結(jié)時(shí)的溫度條件等影響。燒結(jié)時(shí)形成氮化鈦的鈦化合物換算成氮化鈦的添加量在0.1～5質(zhì)量％的范圍內(nèi)。
對(duì)于稀土類(lèi)化合物和鋁化合物及其他添加物，最好都采用平均粒徑在1μm以下的微細(xì)粉末。此外，各原料粉末最好沒(méi)有纖維和須晶等表面所帶有的刺狀凸出部分，一般采用粉末狀物質(zhì)。如前所述，纖維和須晶在在滑動(dòng)表面突起，對(duì)其他構(gòu)件產(chǎn)生沖擊性，刺狀凸出部分成為斷裂發(fā)生點(diǎn)，使?jié)L動(dòng)壽命等耐磨耗性劣化。作為氮化鈦形成組分的鈦化合物最好不采用纖維和須晶。
在氮化硅原料粉末中加入規(guī)定量的上述各添加粉末，再加入有機(jī)粘合劑和分散介質(zhì)等很好混合后，用單軸擠壓機(jī)和橡膠擠壓機(jī)等公知成型法成型為規(guī)定形狀。在混合各原料粉末時(shí)，特別要使鈦化合物均勻地分散。具體來(lái)講，分?jǐn)?shù)次，最好是3次以上添加、混合鈦化合物粉末，這樣就能夠防止鈦化合物間的凝集，容易獲得氮化鈦粒子單粒分散的狀態(tài)。分?jǐn)?shù)次添加鈦化合物粉末時(shí)，如果分別間隔30分鐘以上添加混合則更為有效。
然后，對(duì)上述成型體進(jìn)行脫脂處理，制得脫脂成型體。在1600～1900℃的溫度下對(duì)上述脫脂成型體進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，首先，在1300～1450℃的溫度下保持一定時(shí)間。在升溫至燒結(jié)溫度前于1300～1450℃的范圍內(nèi)進(jìn)行熱處理，能夠抑制氧化鈦等鈦化合物轉(zhuǎn)變?yōu)榈仌r(shí)的狀態(tài)不均勻。
預(yù)先使氧化鈦等鈦化合物轉(zhuǎn)變?yōu)榈?，能夠抑制粗大氮化鈦粒子的生成，重現(xiàn)性良好地獲得長(zhǎng)軸徑在1μm以下的氮化鈦粒子。而且，所得氮化鈦粒子為無(wú)棱角的球狀粒子。氮化鈦粒子的長(zhǎng)寬比和長(zhǎng)軸徑與短軸徑間的差也能夠滿足前述條件。此外，即使用氮化鈦粉末作為氮化鈦原料時(shí)，只要預(yù)先保持1300～1450℃的溫度，也能夠防止氮化鈦粒子的凝集等。
如果燒結(jié)前的熱處理溫度低于1300℃，則不能夠充分促進(jìn)鈦化合物轉(zhuǎn)變?yōu)榈仯菀壮霈F(xiàn)氮化鈦粒子的形狀等不一。相反，如果熱處理溫度超過(guò)1450℃，則與原燒結(jié)實(shí)質(zhì)上并沒(méi)有變化，無(wú)法獲得燒結(jié)前進(jìn)行熱處理的效果，也不能夠抑制粗大氮化鈦粒子的生成。
上述熱處理溫度(1300～1450℃)的保持時(shí)間最好為30～120分鐘。如果保持時(shí)間不足30分鐘，則在燒結(jié)工序前不能夠獲得足夠量的由鈦化合物轉(zhuǎn)化而來(lái)的氮化鈦粒子，容易生成粗大氮化鈦粒子，并使長(zhǎng)寬比較大的氮化鈦粒子的比率增加。例如，通過(guò)氧化鈦等的氮化反應(yīng)生成氮化鈦時(shí)，如果保持溫度和保持時(shí)間的不同，則產(chǎn)生氮化鈦轉(zhuǎn)化狀態(tài)的不一，導(dǎo)致氮化硅燒結(jié)體的強(qiáng)度及各種特性劣化。
即，在規(guī)定溫度和時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)前的熱處理，能夠使鈦化合物良好而均勻地轉(zhuǎn)化為氮化鈦。這樣，就能夠抑制各氮化鈦粒子的大小和形狀的不一，不僅可將氮化鈦粒子的長(zhǎng)軸徑控制在1μm以下，還能夠重現(xiàn)性良好地形成球狀氮化鈦粒子。
此外，也并不一定要將燒結(jié)前的熱處理溫度在1300～1450℃保持一定時(shí)間，如果在1300～1450℃的溫度范圍內(nèi)的升溫速度足夠慢，也能夠獲得同樣的效果。此時(shí)的升溫速度以100℃/小時(shí)以下為宜，更好是在50℃/小時(shí)以下。
此外，上述熱處理時(shí)的氛圍氣最好是1個(gè)大氣壓以下的惰性氛圍氣。特別好的是在0.5個(gè)大氣壓下的惰性氛圍氣中進(jìn)行熱處理，這樣就能夠很容易地從成型體中除去不需要的氣體組分，例如，容易地除去脫脂處理后殘存的微量碳組分，這樣就能夠容易地獲得氣孔率較小的氮化硅燒結(jié)體。
上述熱處理后，通過(guò)在1600～1900℃的溫度下進(jìn)行燒結(jié)獲得氮化硅燒結(jié)體。燒結(jié)可采用常壓燒結(jié)、加壓燒結(jié)(熱壓)、氛圍氣加壓燒結(jié)和HIP(熱均衡加壓)燒結(jié)等各種燒結(jié)方式。本發(fā)明的耐磨耗性構(gòu)件作為滾珠軸承等軸承構(gòu)件使用時(shí)，最好在常壓燒結(jié)后進(jìn)行HIP處理。HIP處理時(shí)，最好在300個(gè)大氣壓以上壓力和1600～1850℃溫度范圍內(nèi)保持一定時(shí)間。
本發(fā)明的耐磨耗性構(gòu)件適用于軸承構(gòu)件、壓延用等各種軋輥構(gòu)件、壓縮機(jī)葉輪、汽輪機(jī)機(jī)翼、凸輪滾筒等機(jī)械部件等對(duì)耐磨耗性有一定要求的構(gòu)件。對(duì)于軸承滾珠等全部為滑動(dòng)部分的軸承構(gòu)件，本發(fā)明的耐磨耗性構(gòu)件尤其有效。
此外，當(dāng)然根據(jù)需要，也可對(duì)作為耐磨耗性構(gòu)件使用的氮化硅燒結(jié)體進(jìn)行表面研磨和被覆處理等加工。換言之，氮化硅燒結(jié)體直接作為耐磨耗性構(gòu)件使用時(shí)，氮化硅燒結(jié)體就成為直接耐磨耗性構(gòu)件。
以下，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例及其評(píng)估結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。
實(shí)施例1在87.5質(zhì)量％氧含量為1.3質(zhì)量％、包含97重量％的α相型氮化硅、平均粒徑為0.55μm的Si3N4(氮化硅)原料粉末中，加入5質(zhì)量％作為燒結(jié)助劑的平均粒徑為0.9μm的Y2O3(氧化釔)粉末、3質(zhì)量％平均粒徑為0.7μm的Al2O3(氧化鋁)粉末、3質(zhì)量％平均粒徑為1.0μm的AlN(氮化鋁)粉末后，再添加換算成氮化鈦為1.5質(zhì)量％的平均粒徑為0.3μm的TiO2(氧化鈦)。TiO3粉末以每次間隔30分鐘分3次添加。在乙醇中將上述材料和氮化硅粒子濕式混合72小時(shí)后，干燥調(diào)制得原料混合物。
然后，在所得原料混合物中添加規(guī)定量的有機(jī)粘合劑，調(diào)制成造粒粉末后，以98MPa的成型壓力加壓成型，分別制得多個(gè)用于測(cè)定彎曲強(qiáng)度的50×50×50mm成型體試樣，以及用于滾動(dòng)壽命測(cè)定的直徑80mm×厚度6mm的圓柱形成型體試樣。
在450℃的空氣氣流中對(duì)所得各成型體進(jìn)行4小時(shí)的脫脂處理后，在0.1個(gè)大氣壓的氮氛圍氣中，于1350℃的溫度下保持1小時(shí)，再在氮?dú)夥諊鷼庵?，?750℃的溫度下，進(jìn)行4小時(shí)的燒結(jié)處理。然后，在1000個(gè)大氣壓的氮氛圍氣中，于1700℃的溫度下，對(duì)所得燒結(jié)體進(jìn)行1小時(shí)的HIP處理，制得實(shí)施例1的氮化硅燒結(jié)體。
比較例1～3作為比較例1，除了不添加TiO2之外，其他條件都和實(shí)施例1相同，制得氮化硅燒結(jié)體。比較例2中，除了使用平均粒徑為2μm的TiO2粉末之外，其他條件都和實(shí)施例1相同，制得氮化硅燒結(jié)體。比較例3中，除了使用氧含量為1.7質(zhì)量％、包含91重量％的α相型氮化硅、平均粒徑為1.5μm的Si3N4(氮化硅)原料粉末，一次添加所有TiO2粉末之外，其他條件都和實(shí)施例1相同，制得氮化硅燒結(jié)體。
分別測(cè)定以上制得的實(shí)施例1及比較例1～3的各氮化硅燒結(jié)體的氣孔率、最大氣孔徑、氮化鈦粒子的粒徑范圍(表示長(zhǎng)軸徑的最小值～最大值)、氮化鈦粒子的長(zhǎng)軸徑和短軸徑之差、長(zhǎng)寬比在1.0～1.2范圍內(nèi)的氮化鈦粒子所占比例、室溫下的3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，并用微型硬度計(jì)測(cè)定斷裂韌性值。另外，用推力型軸承試驗(yàn)機(jī)，在另一材料為按照J(rèn)IS G-4805規(guī)定制得的SUJ2鋼球、39.2MPa負(fù)載、1200rpm轉(zhuǎn)數(shù)、透平油油浴潤(rùn)滑條件下，進(jìn)行氮化硅圓板表面剝離的試驗(yàn)，測(cè)定滾動(dòng)壽命(重復(fù)次數(shù))。上述測(cè)定結(jié)果如表1所示。
此外，對(duì)于氣孔率、最大氣孔徑、氮化鈦分散粒子的粒徑范圍、氮化鈦粒子的長(zhǎng)軸徑和短軸徑之差、長(zhǎng)寬比在1.0～1.2范圍內(nèi)的氮化鈦粒子所占比例，以任意單位面積(100×100μm)，取表面1處、斷面2處共3處的放大照片，由各單位面積的測(cè)定結(jié)果的平均值表示。對(duì)于氮化鈦粒子的長(zhǎng)軸徑和短軸徑差的測(cè)定，以任意單位面積中具有最長(zhǎng)軸徑的氮化鈦粒子為準(zhǔn)。
表1
*長(zhǎng)寬比(AS比)為1.0～1.2的TiN粒子所占比例從表1可看出，實(shí)施例1的氮化硅燒結(jié)體的3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性值、滾動(dòng)壽命等特性都很好。此外，也未出現(xiàn)氮化鈦粒子間的凝集，由Si-Y-Al-O-N化合物形成了晶間相。晶間相中也沒(méi)有氮化鈦固溶。
對(duì)應(yīng)于上述情況，比較例1中由于不含氮化鈦，所以特性不佳。此外，比較例2中雖然包含氮化鈦粒子，但長(zhǎng)軸徑超過(guò)1μm，其特性也不佳。這是由于晶間相中存在的氮化鈦粒子過(guò)大，對(duì)晶間相的粘合力產(chǎn)生不良影響的緣故。
比較例3的氮化硅燒結(jié)體中的氮化硅原料粉末的平均粒徑為1.5μm，由于超過(guò)了作為本發(fā)明的較好范圍的1μm，所以，不僅氣孔率下降，而且最大氣孔徑也增大，即使氮化鈦粒子的形狀類(lèi)似，其特性也已劣化。此外，由于一次添加混合了所有TiO2粉末，所以，部分氮化鈦粒子凝集。另外，氮化鈦粒子的長(zhǎng)軸徑超過(guò)1μm，而且長(zhǎng)軸徑和短軸徑之差超過(guò)0.2μm，這也導(dǎo)致了特性劣化。
此外，表1中雖然未表示，但實(shí)施例1、比較例2和比較例3的氮化鈦粒子都是使添加的氧化鈦氮化而獲得的，所以，它們的形狀都為無(wú)棱角球狀。實(shí)施例1如表1所示，氮化鈦粒子的長(zhǎng)軸徑和短軸徑之差為0.2μm，這是因?yàn)樵赥iO2粉末氮化時(shí)進(jìn)行了熱處理(保持處理)，使TiO2粉末幾乎均一地氮化的緣故，這樣氮化鈦粒子就實(shí)質(zhì)上形成了純球狀或與純球狀接近的橢球形。
實(shí)施例2使用與實(shí)施例1同樣調(diào)制而得的造粒粉末，用模具預(yù)成型為球形后，在98MPa的成型壓力下進(jìn)行橡膠加壓，制得多個(gè)作為擠壓強(qiáng)度及壽命特性測(cè)定試樣的直徑為11mm的球形成型體。在與實(shí)施例1同樣的條件下，對(duì)成型體進(jìn)行脫脂、熱處理(保持處理)、燒結(jié)和HIP處理，獲得致密的燒結(jié)體。然后，將HIP處理后的燒結(jié)體研磨加工成直徑為9.52mm、表面粗度Ra為0.01μm的球形，制得可作為軸承滾珠使用的氮化硅制耐磨耗性構(gòu)件。表面粗度Ra是用觸針式表面粗度測(cè)定器測(cè)量球體中軸后求得的中心線平均粗度。
比較例4～6比較例4中除了使用比較例1調(diào)制而得的造粒粉末之外，其他都和實(shí)施例2的條件相同，制得氮化硅制球體。同樣，比較例5和比較例6除了分別使用比較例2和比較例3調(diào)制而得的造粒粉末之外，其他都和實(shí)施例2的條件相同，制得氮化硅球體。
分別測(cè)定以上獲得的實(shí)施例2及比較例4～6的氮化硅制球體的氣孔率、最大氣孔徑、氮化鈦粒子的粒徑范圍(長(zhǎng)軸徑的最小值～最大值)、氮化鈦粒子的長(zhǎng)軸徑和短軸徑之差、長(zhǎng)寬比在1.0～1.2范圍內(nèi)的氮化鈦粒子所占比例、室溫下的擠壓強(qiáng)度，并用微型硬度計(jì)測(cè)定斷裂韌性值。另外，用推力型軸承試驗(yàn)機(jī)，采用在另一材料為按照J(rèn)IS G-4805規(guī)定制得的SUJ2鋼制平板上旋轉(zhuǎn)的方法，在以負(fù)載1個(gè)球體的最大接觸應(yīng)力為5.9GPa、1200rpm轉(zhuǎn)數(shù)和透平油油浴潤(rùn)滑條件下，進(jìn)行氮化硅制球體表面剝離的試驗(yàn)，測(cè)定滾動(dòng)壽命(時(shí)間)。上述測(cè)定結(jié)果如表2所示。
此外，對(duì)于氣孔率、最大氣孔徑、氮化鈦分散粒子的粒徑范圍、氮化鈦粒子的長(zhǎng)軸徑和短軸徑之差、長(zhǎng)寬比在1.0～1.2范圍內(nèi)的氮化鈦粒子所占比例，與實(shí)施例1同樣，以任意單位面積(100×100μm)，取表面1處、斷面2處共3處的放大照片，由各單位面積的測(cè)定結(jié)果的平均值表示。對(duì)上下表面進(jìn)行拋光處理，形成平面部分，測(cè)定其斷裂韌性值。
表2
*長(zhǎng)寬比(AS比)為1.0～1.2的TiN粒子所占比例從表2可看出，實(shí)施例2的軸承滾珠用氮化硅制耐磨耗性構(gòu)件的擠壓負(fù)載、斷裂韌性、滾動(dòng)壽命等特性都很好。此外，也未出現(xiàn)氮化鈦粒子間的凝集，由Si-Y-Al-O-N化合物形成了晶間相。晶間相中也沒(méi)有氮化鈦固溶。對(duì)應(yīng)于這種情況，比較例4、比較例5和比較例6特性都不如實(shí)施例2，其理由和比較例1～3相同。
由此可見(jiàn)，本發(fā)明的氮化硅制耐磨耗性構(gòu)件用作如軸承滾珠等帶球體的構(gòu)件也是有效的。此外，實(shí)施例1和實(shí)施例2中，對(duì)斷裂韌性值等同一測(cè)定項(xiàng)目的測(cè)定值略有差異，這是由于燒結(jié)體的形狀不一造成的。
實(shí)施例3～35及比較例7～15實(shí)施例3～25中，分別按照表3所示組成比，混合實(shí)施例1所用氮化硅原料粉末、Y2O3粉末、Al2O3粉末、AlN粉末、TiO2粉末、表3所示平均粒徑為0.9～1.0μm的各種稀土類(lèi)氧化物粉末、平均粒徑為0.5μm的MgO粉末和平均粒徑為0.4～0.5μm的各種鈦化合物粉末，調(diào)制成各種原料混合物。TiO2粉末和各種鈦化合物粉末以換算成氮化鈦的量表示。此外，上述原料每隔30分鐘分3次添加混合。
然后，在與實(shí)施例1同樣的條件下，使所得各原料混合物成型并進(jìn)行脫脂處理，再在0.1個(gè)氣壓的氮?dú)夥諊鷼庵校诒?所示條件下進(jìn)行熱處理(保持處理)后，再在表4所示條件下，進(jìn)行燒結(jié)和HIP處理，分別制得實(shí)施例3～25的氮化硅燒結(jié)體。
比較例7除了在燒結(jié)時(shí)沒(méi)有在1300～1450℃的溫度范圍內(nèi)保持一定時(shí)間之外，其他條件和實(shí)施例1同樣，制得氮化硅燒結(jié)體。表3所示比較例8～14分別是添加了不足量的Y2O3的原料混合物(比較例8)，添加了過(guò)剩量的Y2O3的原料混合物(比較例9)，添加了不足量的TiO2的原料混合物(比較例10)，添加了過(guò)剩量的TiO2的原料混合物(比較例10)，未添加Al2O3的原料混合物(比較例12)，添加了過(guò)剩量的Al2O3的原料混合物(比較例13)，添加了過(guò)剩量的AlN的原料混合物(比較例14)，添加了過(guò)剩量的MgO的原料混合物(比較例15)。
然后，在與實(shí)施例1同樣的條件下，對(duì)所得各原料混合物進(jìn)行成型處理和脫脂處理后，在0.1個(gè)氣壓的氮氛圍氣中，于1400℃的溫度下保持1小時(shí)，接著，在表4所示各條件下進(jìn)行燒結(jié)和HIP處理，分別制得比較例7～15的氮化硅燒結(jié)體。
在與實(shí)施例1同樣的條件下，測(cè)定所得實(shí)施例3～25及比較例7～15的各氮化硅燒結(jié)體的氣孔率、最大氣孔徑、氮化鈦分散粒子的粒徑范圍、氮化鈦粒子的長(zhǎng)軸徑和短軸徑之差、長(zhǎng)寬比在1.0～1.2范圍內(nèi)的氮化鈦粒子所占比例、室溫下的3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性值和反復(fù)滾動(dòng)壽命，其結(jié)果如表5所示。
表3
表4
表5
*長(zhǎng)寬比(AS比)為1.0～1.2的TiN粒子所占比例從表5可明顯看出，本發(fā)明的實(shí)施例的氮化硅燒結(jié)體的各種特性良好。表中雖然未顯示，但都由Si-R-Al-O-N化合物形成了晶間相。添加了MgO的實(shí)施例中，由Si-R-Mg-O-N化合物形成晶間相。此外，都未出現(xiàn)氮化鈦粒子的凝集和固溶，粒子以單粒分散。氮化鈦粒子的長(zhǎng)軸徑和短軸徑之差都在0.2μm以下。
此外，預(yù)先添加了氮化鈦粉末的實(shí)施例17中，由于未進(jìn)行鈦化合物的氮化反應(yīng)，所以，原料粉末的粒徑受到影響。因此，所用鈦化合物為氮化鈦時(shí)，最好使用長(zhǎng)軸徑預(yù)先被控制在1μm以下的粒子。
各實(shí)施例的氮化硅燒結(jié)體的反復(fù)滾動(dòng)壽命都在1×10×次以上，這說(shuō)明該項(xiàng)性能很好。此外，斷裂韌性值高至6.6MPa·m1/2以上，3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度也在1050MPa以上的高強(qiáng)度。相對(duì)于此，各比較例的氮化硅燒結(jié)體不如本發(fā)明的氮化硅燒結(jié)體的特性。
實(shí)施例26～48及比較例16～24除了采用與實(shí)施例3～25同樣的原料混合物，在與實(shí)施例3～25同樣的條件下進(jìn)行熱處理、燒結(jié)和HIP處理之外，其他都和實(shí)施例2相同，制得實(shí)施例26～48的軸承滾珠用氮化硅燒結(jié)體。
另一方面，比較例16～24除了采用與比較例7～15同樣的原料混合物，并在與比較例7～15同樣的條件下進(jìn)行熱處理(比較例16在熱處理過(guò)程中未進(jìn)行保持處理)、燒結(jié)和HIP處理之外，其他都和實(shí)施例2相同，制得滾珠軸承用氮化硅燒結(jié)體。
在與實(shí)施例2同樣的條件下，對(duì)以上實(shí)施例24～48及比較例16～24的各氮化硅制球體的氣孔率、最大氣孔徑、氮化鈦分散粒子的粒徑范圍、氮化鈦粒子的長(zhǎng)軸徑和短軸徑之差、長(zhǎng)寬比在1.0～1.2范圍內(nèi)的氮化鈦粒子所占比例、擠壓強(qiáng)度、斷裂韌性值及滾動(dòng)壽命進(jìn)行測(cè)定，其結(jié)果如表6所示。
表6
*長(zhǎng)寬比(AS比)為1.0～1.2的TiN粒子所占比例從表6可明顯看出，本發(fā)明的實(shí)施例的滾珠軸承都具備良好特性。表中雖然未顯示，但都由Si-稀土類(lèi)元素-Al-O-N化合物形成了晶間相。添加了MgO的實(shí)施例中，由Si-稀土類(lèi)元素-Al-Mg-O-N化合物形成晶間相。此外，都未出現(xiàn)氮化鈦粒子的凝集和固溶，粒子以單粒分散。氮化鈦粒子的長(zhǎng)軸徑和短軸徑之差都在0.2μm以下。
如上所述，由于本發(fā)明的耐磨耗性構(gòu)件的氮化硅燒結(jié)體中分散了規(guī)定量的氮化鈦粒子，同時(shí)將粒子長(zhǎng)軸徑控制在1μm以下，所以，耐磨耗性構(gòu)件所要求的強(qiáng)度、斷裂韌性、滾動(dòng)壽命等特性都可得到提高。特別是氮化鈦粒子為無(wú)棱角的球狀粒子，所以，其滾動(dòng)壽命等滑動(dòng)特性大幅度地提高。本發(fā)明的氮化硅制耐磨耗性構(gòu)件可有效地適用于各種領(lǐng)域。特別是由于其滾動(dòng)壽命良好，所以，尤為適用于軸承滾珠等整個(gè)為滑動(dòng)面的構(gòu)件。
權(quán)利要求
1．耐磨耗性構(gòu)件，其特征在于，具備氮化硅燒結(jié)體，所述氮化硅燒結(jié)體包含75～97質(zhì)量％的氮化硅，0.2～5質(zhì)量％的長(zhǎng)軸徑在1μm以下的氮化鈦粒子，以及2～20質(zhì)量％以Si-R-Al-O-N化合物(R為稀土類(lèi)元素)為主的晶間相。
2．如權(quán)利要求1所述的耐磨耗性構(gòu)件，其中，前述氮化鈦粒子以單粒形態(tài)分散在前述氮化硅燒結(jié)體中。
3．如權(quán)利要求1所述的耐磨耗性構(gòu)件，其中，前述氮化鈦不固溶于前述氮化硅及前述晶間相。
4．如權(quán)利要求1所述的耐磨耗性構(gòu)件，其中，前述氮化鈦粒子分散在前述晶間相中。
5．如權(quán)利要求1所述的耐磨耗性構(gòu)件，其中，前述氮化鈦粒子含有80％以上長(zhǎng)寬比在1.0～1.2范圍內(nèi)的粒子。
6．如權(quán)利要求1所述的耐磨耗性構(gòu)件，其中，前述氮化鈦粒子的長(zhǎng)軸徑和短軸徑之差在0.2μm以下。
7．如權(quán)利要求1所述的耐磨耗性構(gòu)件，其中，前述氮化鈦粒子為球狀。
8．如權(quán)利要求1所述的耐磨耗性構(gòu)件，其中，前述氮化硅燒結(jié)體的氣孔率在0.5％以下，且其最大氣孔徑在2μm以下。
9．如權(quán)利要求1所述的耐磨耗性構(gòu)件，其中，前述氮化硅燒結(jié)體的3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度在1000MPa以上，且其斷裂韌性值在6.5MPa·m1/2以上。
10．如權(quán)利要求1所述的耐磨耗性構(gòu)件，其中，用推力型軸承試驗(yàn)機(jī)，在另一材料為按照J(rèn)IS G-4805規(guī)定的SUJ2鋼球、39.2MPa負(fù)載、1200rpm轉(zhuǎn)數(shù)的條件下，進(jìn)行前述耐磨耗性構(gòu)件表面剝離的試驗(yàn)以測(cè)定滾動(dòng)壽命時(shí)，前述耐磨耗性構(gòu)件的往返次數(shù)在1×108以上。
11．如權(quán)利要求1所述的耐磨耗性構(gòu)件，其中，前述耐磨耗性構(gòu)件具備球體材料。
12．如權(quán)利要求11所述的耐磨耗性構(gòu)件，其中，前述球體的擠壓強(qiáng)度在200MPa以上，且斷裂韌性值在6.5MPa·m1/2以上。
13．如權(quán)利要求11所述的耐磨耗性構(gòu)件，其中，用推力型軸承試驗(yàn)機(jī)，在另一材料為按照J(rèn)IS G-4805規(guī)定的SUJ2鋼板、每1個(gè)球體的最接觸應(yīng)力為5.9GPa、1200rpm轉(zhuǎn)數(shù)的條件下，進(jìn)行前述球體表面剝離的試驗(yàn)以測(cè)定滾動(dòng)壽命時(shí)，前述球體的滾動(dòng)壽命在400小時(shí)以上。
14．如權(quán)利要求1所述的耐磨耗性構(gòu)件，其中，前述晶間相包含換算成氧化物為0.5～10質(zhì)量％的稀土類(lèi)元素、0.1～5質(zhì)量％氧化鋁、5質(zhì)量％以下的氮化鋁。
15．如權(quán)利要求1所述的耐磨耗性構(gòu)件，其中，前述氮化硅燒結(jié)體包含換算成氧化物為0.1～5質(zhì)量％的選自鎂、鋯、鉿及鎢的至少1種元素的化合物。
16．如權(quán)利要求1所述的耐磨耗性構(gòu)件，其中，前述耐磨耗性構(gòu)件為滾動(dòng)軸承構(gòu)件。
17．具備氮化硅燒結(jié)體的耐磨耗性構(gòu)件的制造方法，其特征在于，具備以下4個(gè)步驟在含氧量1.7質(zhì)量％以下、α相型氮化硅含量90質(zhì)量％以上、平均粒徑1.0μm以下的氮化硅粉末中添加換算成氧化物為0.5～10質(zhì)量％的稀土類(lèi)化合物、平均粒徑在0.7μm以下的氮化鈦或換算成氮化鈦為0.1～5質(zhì)量％的通過(guò)燒結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)榈伒拟伝衔铩?.1～5質(zhì)量％的氧化鋁及5質(zhì)量％以下的氮化鋁，調(diào)制成原料混合物的步驟；使前述原料混合物成型為規(guī)定形狀的步驟；對(duì)通過(guò)前述成型步驟獲得的成型體進(jìn)行脫脂處理后，在1300～1450℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱處理的步驟；以及在1600～1900℃的溫度范圍內(nèi)對(duì)經(jīng)過(guò)前述熱處理的成型體進(jìn)行燒結(jié)，制得前述氮化硅燒結(jié)體的步驟。
18．如權(quán)利要求17所述的耐磨耗性構(gòu)件的制造方法，其特征還在于，在前述氮化硅粉末中分?jǐn)?shù)次添加前述氮化鈦或通過(guò)燒結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)榈伒拟伝衔锊⒒旌稀?br> 19．如權(quán)利要求17所述的耐磨耗性構(gòu)件的制造方法，其特征還在于，前述原料混合物中包含換算成氮化鈦為0.1～5質(zhì)量％的平均粒徑在0.5μm以下的氧化鈦粉末。
20．如權(quán)利要求17所述的耐磨耗性構(gòu)件的制造方法，其特征還在于，還包括在300個(gè)大氣壓以上的非氧化性氛圍氣中，于1600～1850℃的溫度范圍內(nèi)，對(duì)通過(guò)前述燒結(jié)處理獲得的前述氮化硅燒結(jié)體進(jìn)行HIP處理的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供了由氮化硅燒結(jié)體形成的耐磨耗性構(gòu)件,該構(gòu)件不僅具備較高的強(qiáng)度和斷裂韌性,而且,滾動(dòng)壽命等滑動(dòng)特性也有所提高。本發(fā)明的耐磨耗性構(gòu)件具備氮化硅燒結(jié)體,該氮化硅燒結(jié)體包含75～97質(zhì)量%的氮化硅,0.2～5質(zhì)量%的長(zhǎng)軸徑在1μm以下的氮化鈦粒子,以及2～20質(zhì)量%以Si－R－Al－O－N化合物(R為稀土類(lèi)元素)為主的晶間相。氮化鈦粒子的長(zhǎng)軸徑在1μm以下。氮化鈦粒子以長(zhǎng)寬比為1.0～1.2的球狀粒子為主,其表面為無(wú)棱角圓形。
文檔編號(hào)F16C13/00GK1314323SQ0111173
公開(kāi)日2001年9月26日 申請(qǐng)日期2001年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月16日
發(fā)明者小松通泰 申請(qǐng)人:東芝株式會(huì)社