JP2003034578A

JP2003034578A - 窒化ケイ素系複合焼結体及びその製造方法

Info

Publication number: JP2003034578A
Application number: JP2001222814A
Authority: JP
Inventors: Masashi Yoshimura; 雅司吉村
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2001-07-24
Filing date: 2001-07-24
Publication date: 2003-02-07

Abstract

(57)【要約】【課題】室温から中低温域で優れた機械的特性を
有すると共に、低い摩擦係数を有し、耐摩耗性に優れた
窒化ケイ素系焼結体およびその製造方法を提供する。【解決手段】窒化ケイ素と、チタン系窒化物・炭化
物、炭化ケイ素及びグラファイトあるいはカーボンの組
成からなり、平均粒径が１００ｎｍ以下で無潤滑下での
摩擦係数が０．２以下であることを特徴とする窒化ケイ
素系複合焼結体および窒化ケイ素粉末と焼結助剤粉末、
金属チタン粉末およびグラファイトあるいはカーボン粉
末を、窒化ケイ素とチタン窒化物・炭化物、炭化ケイ素
およびグラファイトあるいはカーボンの平均粒径が３０
ｎｍ以下になるまで粉砕混合して、複合二次粒子を形成
して、該複合二次粒子を成形して成形体とし、該成形体
を１２００〜１６００℃、非酸化性雰囲気下にて焼結し
て焼結体とすることを特徴とする窒化ケイ素系複合焼結
体の製造方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種機構部材や切
削工具・摺動部材等に使用される高耐摩耗・低摩擦のセ
ラミック材料として、室温から中低温領域で優れた機械
的特性を有する窒化ケイ素焼結体及びその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）は強度、靭性、
耐食性、耐酸化性、耐熱衝撃性において優れた材料であ
るために、切削工具やガスタービン、軸受等に幅広く使
用されている。さらに最近では、エンジン部品や精密部
品などの構造材料にも使用する研究が進められ、耐摩耗
性等の摩耗特性など性能レベルが苛酷になりつつある。

【０００３】例えば、高い耐摩耗性が要求されている特
定の自動車部品等の精密耐摩部品に窒化ケイ素系複合材
料を用いる場合には、超硬合金（ＷＣからなる硬質粒子
とＣｏ等の結合相とからなるサーメット材料）やハイス
のような従来の材料に比べ顕著に高い耐摩耗性が要求さ
れている。

【０００４】しかしながら、窒化珪素系の複合材料は、
これらの材料に比べ高価であるとともに、耐摩耗性は、
その価格レベルに見合うだけの満足したレベルにはない
のが現状である。

【０００５】なお、「窒化ケイ素系」とは、主結晶相と
して窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）および／又はサイアロンを
含むセラミックスを指す。また、「窒化ケイ素系の複合
材料」とは、窒化ケイ素系セラミックスを主結晶とする
マトリックス中に、それとは異なった成分を分散複合化
させた材料をいう。

【０００６】このような窒化ケイ素系材料においては、
その特性をより一層向上させるために様々な研究が行わ
れている。例えば、特開平１１−１３９８８２号公報並
びに特開平１１−１３９８７４号公報には、窒化ケイ素
粉末と金属チタン粉末とを窒素雰囲気中にて高加速度で
混合することにより、微細な窒化ケイ素粒子と窒化チタ
ン粒子とからなる複合粉末が得られ、この複合粉末を用
いることにより、窒化チタン粒子が窒化ケイ素の粒成長
を抑制し、微細な結晶構造で高強度の窒化ケイ素焼結体
を製造できることが報告されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
窒化ケイ素焼結体は高強度を示すものの、機械構造用材
料としての摩擦に関する特性、特に現在の省エネルギー
化の傾向に関して最も期待されている無潤滑下での摩擦
を低下させることについては未だ研究されていなかっ
た。

【０００８】一方、低摩擦係数を有するセラミックス材
料を作製するために一般的に行われる手法としては、窒
化ホウ素、硫化モリブデン、グラファイト等の固体潤滑
材を材料中に分散させる手法がよく知られている。しか
し、これら固体潤滑材の第２相はサブミクロン程度の大
きさでしか分散させることができず、そのため摩擦係数
の低下と耐摩耗特性の向上には限界があった。

【０００９】本発明は、このような従来の事情に鑑み、
室温から中低温域で優れた機械的特性を有すると共に、
低い摩擦係数を有し、耐摩耗性に優れた窒化ケイ素系焼
結体およびその製造方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明はまず、窒化ケイ
素とチタン系窒化物・炭化物、炭化ケイ素及びグラファ
イトあるいはカーボンの組成からなり、平均粒径が１０
０ｎｍ以下で無潤滑中での摩擦係数が０．２以下である
ことを特徴とする窒化ケイ素系複合焼結体である。

【００１１】本発明では、３０ｎｍ以下の粒径とされた
窒化ケイ素、金属窒化物及び／又は炭化物およびグラフ
ァイト粉末あるいはカーボン粉末の各原料粉末を混合粉
砕して形成した二次粒子を用い放電プラズマ焼結によっ
て非酸化性雰囲気中で１２００〜１６００℃で焼結した
もので、組織は平均粒径が１００ｎｍ以下、さらに好ま
しくは５０ｎｍ以下の均一な粒径からなるナノ構造を持
つ組織である。金属Ｔｉは焼結中に全てＴｉＮとＴｉＣ
あるいはＴｉＣＮに変化しており、ＴｉＮ粒子がＳｉ₃
Ｎ₄の粒成長を抑制して組織を微細化するとともに、Ｃ
はＳｉ₃Ｎ₄、ＴｉＮおよびＴｉＣあるいはＴｉＣＮの重
なる点および粒界に分散している。また一部のＣはＳｉ
Ｃとなる場合もある。

【００１２】このような特殊なナノ構造によって、摩耗
特性の優れた窒化ケイ素系複合焼結体となる。また、本
材料は、共摺りだけでなく、鋼等の金属に対しても優れ
ており、摩擦係数は０．２以下、比摩耗量は１．０×１
０^-8ｍｍ²／Ｎ以下と低い摩擦係数を有し、耐摩耗性に
も優れたものである。この低摩耗の理由としては、固体
潤滑剤であるＣが微細に分散したこと、及び鋼と凝着し
にくいＴｉ系化合物がナノサイズで分散したためである
と考えられる。

【００１３】本発明の製造方法は、窒化ケイ素粉末と焼
結助剤粉末、金属チタン粉末およびグラファイト粉末あ
るいはカーボン粉末を一次粒子の平均粒径が３０ｎｍ以
下になるまで混合粉砕し、複合二次粒子を形成して、該
複合二次粒子を成形して成形体とし、該成形体を１２０
０〜１６００℃、窒素雰囲気下にて焼結して焼結体とす
ることを特徴とする。また、本発明の材料特性を発現す
る平均粒径は１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下
である。

【００１４】窒化ケイ素、焼結助剤、金属チタン及びグ
ラファイトあるいはカーボンの各粉末を、圧力０．０５
〜１．０ＭＰａの窒素雰囲気中において室温〜２５０℃
の温度にて１０〜３００Ｇの加速度で混合することによ
り、各粉末は３０ｎｍ以下の平均粒径となり、窒化ケイ
素、窒化チタン、炭化チタン、炭窒化チタン、グラファ
イトあるいはカーボンおよびこれらの粒子の表面を覆っ
ているアモルファス相を含む相と共に平均粒径が０．３
μｍ以上である窒化ケイ素系複合二次粒子が形成され
る。なお、焼結助剤としてはＹ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃等が用い
られる。

【００１５】混合手段としては、粉砕を伴う遊星ボール
ミルやアトライターを用いることが好ましい。かかる高
加速度での混合により、金属チタンが下記化学式の各反
応を主に起こして窒化ケイ素、窒化チタン、炭化チタ
ン、炭窒化チタンを微細化してそれぞれ２０ｎｍ以下の
平均粒径を有するものとしていくものと考えられる。Ｓｉ₃Ｎ₄＋４Ｔｉ→４ＴｉＮ＋３Ｓｉ２Ｔｉ＋Ｎ₂→２ＴｉＮＴｉ＋Ｃ→ＴｉＣこの際にＴｉＮとＴｉＣは互いに固溶し、炭窒化チタン
を形成することが多い。

【００１６】ここで加速度を１０〜３００Ｇに限定する
理由は、１０Ｇ未満では均一な粉末の微細化が起こり難
く、最終的な焼結体の結晶粒径が不均一になってしまう
ためである。また、混合時の加速度が３００Ｇを超える
と、粉砕機におけるポットやボールが摩耗することによ
り不純物が混入されるようになる。

【００１７】この高加速度で混合する際の温度として
は、室温〜２５０℃、好ましくは５０℃〜２００℃であ
る。この温度領域において上記反応が促進され、短時間
で目的とする２０ｎｍ以下の平均粒径の粉体を基礎とし
た複合二次粒子粉末を得ることができる。混合時間につ
いては、０．５時間未満では反応に伴う微細化が進行せ
ず、５０時間を超えると不純物が混入するため、０．５
〜５０時間とすることが望ましい。なお、混合の際の加
速度、温度、混合時間は、その作製したい粉末の条件に
より適宜制御することが必要である。

【００１８】また、上記の反応を起こすためには窒素雰
囲気が必要であり、その窒素雰囲気の圧力は０．０５〜
１．０ＭＰａの範囲が好ましく、０．０８〜０．１５Ｍ
Ｐａの範囲がさらに好ましい。窒素雰囲気の圧力が０．
０５ＭＰａ未満では反応の制御が困難であり、また、
１．０ＭＰａを超えると耐圧容器等の特殊な容器が必要
となるので好ましくない。

【００１９】金属チタン粉末の添加量は、特に制限はな
いが、５重量％未満の場合には反応するＴｉの量が少な
過ぎるために、窒化ケイ素を微細化することができな
い。また、添加量が６０重量％を超えると、反応するＴ
ｉの量が多くなり、焼結体の色ムラ等が発生するために
好ましくない。従って、金属チタン粉末の添加量は５〜
６０重量％の範囲が好ましい。Ｃ量が２０重量％を超え
ると、アグレッシブ摩耗が激しくなり、耐摩耗性が低下
する。また、Ｃ量が０．５重量％未満であると、固体潤
滑剤であるＣが不十分となり摩耗係数が増大する。

【００２０】以上のような混合粉砕をすることによっ
て、混合中に金属ＴｉからＴｉＮ等へのメカノケミカル
反応が起こり、混合時間が増加するに伴ないＳｉ₃Ｎ₄の
結晶径は微細化する。そして、最終的には平均粒径が
０．３μｍ以上の二次複合粒子を形成する。

【００２１】かかる二次複合粒子を成形後、成形体を１
２００〜１６００℃で窒素雰囲気下にて焼結する。焼結
時の熱により、結晶粒同士が一体化し粒成長することが
知られているので、このような加熱に伴う粒成長をでき
るだけ抑制するため、高い圧力をかけて焼結する方法
や、低温、短時間で焼結する方法が有効である。本発明
では、放電プラズマ焼結またはマイクロ波焼結が有効で
ある。

【００２２】このような製造方法により、前述の特徴を
もった本発明の新規な窒化ケイ素系複合焼結体が得られ
る。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明における原料粉末として
は、いずれも市販のものでよい。Ｓｉ₃Ｎ₄粉末の結晶型
は、α型、β型のいずれでもよい。

【００２４】かかるＳｉ₃Ｎ₄粉末で市販の平均粒径０．
５μｍの粉末に、焼結助剤として２．５ｗｔ％のＹ₂Ｏ₃
粉末と１ｗｔ％のＡｌ₂Ｏ₃粉末を加え、更に平均粒径１
０μｍの金属Ｔｉ粉末を３０ｗｔ％、平均粒径５μｍの
カーボン粉末を５ｗｔ％添加して０．１ＭＰａの窒素雰
囲気中において５０℃の温度条件で、Ｓｉ₃Ｎ₄製ボール
を用いた遊星ボールミルにより加速度１５０Ｇで１６時
間混合した。

【００２５】得られた粉末をＸＲＤにて定性分析を行っ
たところ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ及びＣのピーク
を確認することができた。また、この複合二次粒子粉末
を透過電子顕微鏡で観察した結果、各粒子の平均粒径は
いずれも３０ｎｍ以下であり、それらの粒子はアモルフ
ァス相に覆われている構造であることが分かった。この
得られた複合二次粒子の平均粒径は０．５μｍであっ
た。

【００２６】この複合二次粒子をカーボンダイスに充填
した後、通電焼結が可能な放電プラズマ焼結機（ＳＰ
Ｓ）で昇温速度１００℃／ｍｉｎ、保持時間５分で表１
に示す条件で焼結した。また、測温はカーボンダイスを
二色温度計にて測定した。

【００２７】

【表１】

【００２８】得られた焼結体は、研削、ラッピング処理
した後、ＸＲＤで組成を評価した他、ボールオンディス
ク試験機で、φ５ｍｍのＳｉ₃Ｎ₄ボールを用い、０．２
ｍ／ｓｅｃ、摺動距離１０００ｍの無潤滑条件（２５
℃、大気、湿度６０％）１０Ｎの条件で、耐摩耗特性を
評価した。その摩耗係数と比摩耗量を評価した。また、
この焼結体を研摩した後、Ａｒイオンエッチングで薄膜
試験片を作製し、透過電子顕微鏡を用いて平均粒径を評
価した。以上の結果を表２に示す。

【００２９】

【表２】

【００３０】実施例Ｃにおいては、φ５ｍｍのＳＵＪ２
ボールを使用し、同様な試験を行った。その結果、摩擦
係数は０．１を示した。また、比摩耗量は０．４×１０
^-8ｍｍ²／Ｎであった。

【００３１】また、φ５ｍｍのＳｉ₃Ｎ₄ボールで、２
０、４０、８０Ｎで０．１〜２．０ｍ／ｓｅｃ、摺動距
離１０００ｍの条件で試験を行ない、同様な摩擦係数、
比摩耗量の結果を得た。

【００３２】実施例２実施例１と同様に、焼結助剤として２．５ｗｔ％のＹ₂
Ｏ₃；１ｗｔ％のＡｌ₂Ｏ₃を加えた平均粒径０．５μｍ
のＳｉ₃Ｎ₄粉末に、平均粒径１０μｍの金属チタンと、
平均粒径５μｍのカーボン粉末を表３に示すように配合
し、Ｓｉ₃Ｎ₄ボールを用い、窒素雰囲気０．１ＭＰａ、
温度５０℃、加速度１５０Ｇの条件で遊星ボールミルを
用いて１６時間混合した。得られた複合二次粒子は実施
例１同様、通電焼結が可能な放電プラズマ焼結で表３の
条件で焼結させた。

【００３３】

【表３】

【００３４】得られた焼結体は、実施例１と同様な手法
で評価した。この結果を表４に示す。

【００３５】

【表４】

【００３６】

【発明の効果】本発明は、室温から中低温域（３００℃
以下）で優れた機械的強度を有し、低い摩擦係数を有
し、耐摩耗性に優れた窒化ケイ素系複合焼結体であり、
各種機構部材や切削工具・摺動部材として有用なもので
ある。又、製造方法では、特定の複合二次粒子を用い、
特定の条件で焼結することによって、焼結時の粒成長を
抑制することができて、上記のように優れた特性をもつ
窒化ケイ素系複合焼結体を得ることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3C046 FF33 FF40 FF47 FF55 4G001 BA03 BA09 BA25 BA32 BA38 BA57 BA60 BA61 BB03 BB09 BB22 BB25 BB32 BB38 BB57 BB60 BC01 BC13 BC21 BC41 BC42 BC52 BC54 BD12 BD18 BE21

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化ケイ素とチタン系窒化物・炭化物、
炭化ケイ素及びグラファイトあるいはカーボンの組成か
らなり、平均粒径が１００ｎｍ以下で無潤滑中での摩擦
係数が０．２以下であることを特徴とする窒化ケイ素系
複合焼結体。
【請求項２】平均粒径が５０ｎｍ以下である請求項１
記載の窒化ケイ素系複合焼結体。
【請求項３】チタン系窒化物・炭化物が互いに固溶し
ていることを特徴とする請求項１又は２記載の窒化ケイ
素複合焼結体。
【請求項４】比摩耗量が１．０×１０^-8ｍｍ²／Ｎ以
下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか
１項に記載の窒化ケイ素系複合焼結体。
【請求項５】窒化ケイ素粉末と焼結助剤粉末、金属チ
タン粉末およびグラファイト粉末あるいはカーボン粉末
を窒化ケイ素とチタン窒化物・炭化物、およびグラファ
イトあるいはカーボン粉末を一次粒子の平均粒径が３０
ｎｍ以下になるまで粉砕混合し、複合二次粒子を形成し
て、該複合二次粒子を成形して成形体とし、該成形体を
１２００〜１６００℃、非酸化性雰囲気下にて焼結して
焼結体とすることを特徴とする窒化ケイ素系複合焼結体
の製造方法。
【請求項６】金属チタン粉末の添加量が５〜６０重量
％、グラファイトあるいはカーボン粉末の添加量が０．
５〜２０重量％である請求項５記載の窒化ケイ素系複合
焼結体の製造方法。
【請求項７】粉砕混合は、圧力０．０５〜１．０ＭＰ
ａの窒素雰囲気中において、室温〜２５０℃の温度にて
１０〜３００Ｇの加速度の下で行う請求項５または６記
載の窒化ケイ素系複合焼結体の製造方法。
【請求項８】焼結は、放電プラズマ焼結またはマイク
ロ波焼結で行う請求項５ないし７のいずれかに記載の窒
化ケイ素系複合焼結体の製造方法。