[发明专利]耐磨耗性构件及其制造方法

说明书

本发明涉及由以氮化硅为主成分的烧结体形成的耐磨耗性构件及其制造方法，特别涉及滚动寿命较长的氮化硅制耐磨耗性构件及其制造方法。

耐磨耗性构件被用于各种领域，如用作轴承构件、压延用各种轧辊构件、压缩机叶轮、汽轮机机翼、凸轮滚筒等机械部件等。这些耐磨耗性构件以往都由陶瓷材料制成。特别是由于氮化硅烧结体具有良好的耐磨耗性，所以，被广泛地应用于各种领域。

由于氮化硅是一种不易烧结的材料，所以，在制作烧结体时使用了各种化合物作为添加剂。传统的氮化硅烧结体的组成包括氮化硅-稀土类氧化物-氧化铝系、氮化硅-稀土类氧化物-氧化铝-氧化钛系等。这些组成中，稀土类氧化物等烧结助剂在烧结过程中形成了由Si-R-Al-O-N化合物(R：稀土元素)等组成的晶间相(玻璃态相)，它们是使烧结体致密化，实现高强度化所必不可少的组分。

即使前述传统组成的氮化硅烧结体的弯曲强度、断裂韧性和耐磨耗性等力求进一步提高，也未必能满足特性要求。特别是滚动轴承构件等耐磨耗性构件对滚动寿命等滑动特性有更高的要求。

日本专利公开公报平1-93470号对氮化硅烧结体的原料组成有所报道，即，记载了由含有1～10质量％的稀土类氧化物、1～10质量％氧化铝和0.1～5质量％氧化钛的烧结助剂，其余组分为氮化硅组成的陶瓷混合物成型烧结而成的烧结体。上述公报指出，烧结后氧化钛在晶间相以氮化钛的形式析出，促进了烧结体的致密化，有利于耐热冲击性等特性的提高。

但是，如果仅仅单纯地只在原料混合物中添加氧化钛然后烧结，则在烧结时氧化钛转变为氮化钛的过程较为激烈，这样氮化钛粒子的粒径就容易出现差别，生成一些粒径较大的氮化钛粒子。如果氮化硅烧结体中存在较大的氮化钛粒子，由于它和氮化硅粒子的热膨胀率不同，所以会成为断裂发生点，可能导致强度和断裂韧性等特性的下降。

关于氮化硅烧结体的耐磨耗性的提高，日本专利公开公报平6-122563号有所报道，该公报记载了在平均粒径10μm以下的氮化硅基体中分散了1～50质量％的长轴径和短轴径比率(长宽比)在2以上的Ti化合物的陶瓷复合材料。这里所用的Ti化合物为以TiN、TiC或TiCN为主成分的须晶。

上述公报中所用的长宽比在2以上的Ti化合物(如TiN须晶)虽然有利于提高烧结体的强度和韧性等，但氮化硅烧结体用于轴承构件等时，反而可能缩短其滚动使用寿命。即，如果在滑动面存在形状各向异性较大的TiN须晶等，则会产生刺状突起，该突起就会成为断裂发生点，或者增加对其他构件的冲击性。

此外，日本专利公开公报平5-178668号记载了由氮化硅和晶间相构成的母相中分散了氮化钛微粒的氮化硅-氮化钛复合烧结体。该氮化硅-氮化钛复合烧结体中包含45～95体积％的氮化硅，按照以下所述制造方法制得。首先，对包含钛元素的氮化硅的有机前体进行热处理，制得氮化硅和氮化钛的结晶复合微细粉末。然后，在该复合微细粉末中添加烧结助剂并混合，再对混合物进行烧结获得复合烧结体。

利用上述制造方法制得的氮化硅-氮化钛复合烧结体中，氮化钛微粒主要分散在氮化硅的结晶粒子内。由于氮化钛微粒和氮化硅的热膨胀率不同，所以会在氮化硅粒子内产生残留压缩应力。由于这种残留压缩应力具有抑制裂纹发展的作用，所以使断裂韧性等得到提高。但是，当用于象轴承构件等要连续承受外部应力的情况下，氮化硅粒子内的残留应力反而会导致剥离等现象的发生。

本发明解决了上述问题，其目的是提供具备高强度及高韧性，且滑动特性良好的耐磨耗性构件及其制造方法，特别提供了使滚动寿命得到延长，赋予轴承构件以良好特性的耐磨耗性构件及其制造方法。

本发明的耐磨耗性构件如权利要求1所述，具备氮化硅烧结体，该氮化硅烧结体包含75～97质量％的氮化硅，0.2～5质量％的长轴径在1μm以下的氮化钛粒子，以及2～20质量％以Si-R-Al-O-N化合物(R为稀土类元素)为主的晶间相。

本发明的耐磨耗性构件中，氮化钛粒子最好以单个粒子的形态分散在氮化硅烧结体中。换言之，氮化钛最好不和氮化硅及晶间相固溶，而是以氮化钛粒子的形式存在。特别好的是氮化钛粒子主要分散于晶间相中。