1…ベアリング、2…ベアリングボール、 3…内輪、4…外輪。

 以下、本発明を実施するための形態につ� ��て説明する。本発明の実施形態による窒化� ��素焼結体は、窒化珪素を主成分とすると共� ��、2~15質量%の範囲の焼結助剤成分を含有す� �ものである。焼結助剤成分は少なくとも希� �類元素とアルミニウムを含むことが好まし� �。希土類元素やアルミニウムは、例えばSi― R―Al―O―N化合物(R:希土類元素)からなる粒界 相を形成し、これにより焼結体の緻密化等に 寄与する。このように、窒化珪素焼結体は窒 化珪素粒子と粒界相とから主として構成され るものである。

 焼結助剤成分としての希土類元素は特に� ��定されるものではないが、イットリウム(Y)� ��ランタン(La)、セリウム(Ce)、サマリウム(Sm)� ��ネオジウム(Nd)、ジスプロシウム(Dy)、エル� �ウム(Er)等のランタノイド系希土類元素を適� ��することが好ましい。希土類元素の含有量� ��1~6質量%の範囲であることが好ましい。希土 類元素の含有量が1質量%未満であると、窒化� ��素焼結体を十分に緻密化することができな� ��おそれがある。希土類元素の含有量が6質量 %を超えると、窒化珪素焼結体中の粒界相の� �が過剰となるため、強度等の機械的特性が� �下する。希土類元素は例えば酸化物、窒化� �、硼化物、炭化物、珪化物等として添加さ� �る。

 焼結助剤成分としてのアルミニウムは、� ��土類元素の焼結促進剤としての機能を助長� ��る役割を果たすものであり、例えば酸化ア� ��ミニウムや窒化アルミニウム等として添加� ��れる。アルミニウムの含有量は0.5~6質量%の� ��囲であることが好ましい。アルミニウムの� ��有量が0.5質量%未満であると、窒化珪素焼結 体の緻密化が不十分となるおそれがある。ア ルミニウムの含有量が6質量%を超えると粒界� ��が増加するだけでなく、アルミニウムが窒� ��珪素結晶粒中に固溶することで熱伝導率等� ��低下するおそれがある。

 窒化珪素焼結体は希土類元素とアルミニ� ��ム以外の焼結助剤成分を含んでいてもよい� ��それらを含めて焼結助剤成分の総含有量は2 ~15質量%の範囲とすることが好ましい。焼結� �剤成分の総含有量が2質量%未満であると、窒 化珪素焼結体を十分に緻密化することができ ないおそれがある。焼結助剤成分の総含有量 が15質量%を超えると、窒化珪素焼結体が本来 有する機械的強度や耐摩耗性等の特性が低下 するおそれがある。各元素の含有量は窒化珪 素焼結体を溶かした後にICPで化学分析して測 定する。

 窒化珪素焼結体は、さらにチタン(Ti)、ジ ルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、タングステ� ��(W)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、ニオブ(N b)、およびクロム(Cr)から選ばれる少なくとも 1種の金属元素Mを、金属元素の単体または金� ��元素の化合物として含んでいてもよい。金� ��元素MはTi、Hf、WおよびMoから選ばれる少な� �とも1種であることがより好ましい。金属元� ��Mは酸化物、炭化物、窒化物、珪化物、硼化 物等の化合物(M化合物)として窒化珪素焼結体 に添加される。

 金属元素Mの化合物(M化合物)は焼結助剤や 機械的特性の向上剤として機能する。例えば 、M化合物を窒化珪素焼結体中に分散させる� �とで分散強化効果を得ることができる。こ� �によって、窒化珪素焼結体の機械的強度や� �がり寿命を向上させることが可能となる。� �属元素Mの含有量は0.01~5質量%の範囲とするこ とが好ましい。金属元素Mの含有量が5質量%を 超えると、逆に機械的強度や転がり寿命等が 低下するおそれがある。金属元素Mの含有量� �下限値は必ずしも規定されるものではない� �、有効な添加効果を得る上で0.01質量%以上と することが好ましい。

 窒化珪素焼結体の結晶構造に関しては、� ��化珪素粒子(結晶粒)のβ化率が95%以上である ことが好ましい。さらに、窒化珪素粒子は長 径Lが10μm以下で、かつ短径Sに対する長径Lの� ��(L/S)が5以上である針状結晶粒子を、窒化珪� ��焼結体の結晶組織内に面積比で50%以上有し� ��いる。このように、窒化珪素粒子の針状形� ��を揃えることによって、窒化珪素焼結体の� ��密性を高めることができる。すなわち、窒� ��珪素焼結体中に存在するボイドのサイズと� ��を低減することが可能となる。さらに、L/S� ��(アスペクト比)が大きい針状の窒化珪素粒� �で窒化珪素焼結体を構成することによって� �針状粒子が絡み合うことで窒化珪素焼結体� �高強度化することができる。

 窒化珪素粒子の長径Lやアスペクト比(L/S� �)は以下のようにして測定するものとする。� ��ず、窒化珪素焼結体の任意の4箇所の表面も しくは断面をエッチングして助剤成分を溶出 させた後に拡大写真を撮り、各拡大写真に存 在する各窒化珪素粒子の長径Lと短径Sを測定� ��る。これらの測定結果から長径Lが10μm以下� ��アスペクト比(L/S比)が5以上の針状結晶粒子� ��面積を求め、針状結晶粒子の面積が測定面� ��に占める面積率(%)を算出する。各測定面の� ��積率の平均値を針状結晶粒子の面積比(%)と� ��る。拡大写真は1000倍以上とすることが好ま しい。この実施形態の窒化珪素焼結体におい て、針状結晶粒子の面積比は焼結体のどの部 位で測定しても同様な値を示すものである。

 長径Lが10μm以下でアスペクト比(L/S比)が5� ��上の針状窒化珪素粒子は緻密性や強度の向� ��に寄与する。針状結晶粒子の長径Lが10μmを� ��えると、絡み合い構造が複雑になってボイ� ��が発生しやすくなると共に、転がり寿命に� ��表される耐摩耗性が低下するおそれがある� ��針状結晶粒子のアスペクト比(L/S比)が5未満� ��あると、強度や緻密性の向上効果が十分に� ��られないおそれがある。従って、長径Lが10� �m以下でアスペクト比(L/S比)が5以上の針状結� ��粒子の面積率が50%以上となるように、窒化� ��素粒子の形状を揃えて緻密性や強度を高め� ��ことによって、転がり寿命に代表される摺� ��特性のバラツキを低減することが可能とな� ��。

 長径Lが10μm以下でL/S比が5以上の針状結晶 粒子の面積率が50%未満であると、窒化珪素粒 子の形状が不揃いになることに起因して、ボ イドの大きさや量が増加する。これによって 、窒化珪素焼結体の摺動特性にバラツキが生 じやすくなる。このような窒化珪素焼結体で は耐久性や信頼性を再現性よく高めることが できない。ただし、長径Lが10μm以下でL/S比が 5以上の針状結晶粒子の面積率が80%を超える� �、針状結晶粒子の配向性が高くなり、圧力� �印加方向に基づく強度のバラツキが生じる� �それがある。ベアリングボール等の摺動部� �には等方的な特性が求められるため、圧力� �印加方向に基づく強度のバラツキは好まし� �ない。長径Lが10μm以下でL/S比が5以上の針状� ��晶粒子の面積率は、さらに50~70%の範囲であ� ��ことが好ましい。

 窒化珪素粒子の形状制御に基づいて、窒� ��珪素焼結体中に存在するボイドの最大径を3 μm以下とすることができる。さらに、ボイド の数は30×30μmの範囲内に5個以下とすること� �できる。このように、ボイドの最大径が3μm� ��下で、かつボイドの数を30×30μmの範囲内に5 個以下とした窒化珪素焼結体によれば、転が り寿命に代表される摺動特性の値自体を向上 させることができるだけでなく、摺動特性の バラツキを低減することが可能となる。従っ て、窒化珪素焼結体を摺動部材として用いた 場合の耐久性と信頼性を向上させることがで きる。

 ボイドの最大径は2μm以下とすることがよ り好ましい。30×30μmの範囲内におけるボイド の数は3個以下とすることがより好ましい。� �イドの大きさと数は、窒化珪素焼結体の任� �の表面もしくは断面に研磨加工、ポリッシ� �加工、ラップ加工を施したとき、加工面に� �留するピット(ボイドに相当)の大きさおよび 個数を測定することにより求めるものとする 。ボイドの測定は任意の4箇所の表面または� �面に対して実施し、これらの平均値で表さ� �るものである。

 この実施形態の窒化珪素焼結体は、例えば� ��ッカース硬さHvが1300~1600の範囲の硬度、破� �靭性値が6.0MPa・m ^1/2 以上の靭性、3点曲げ強度が700MPa以上の抗折� �度、さらに150N/mm ² 以上の圧砕強度を満足するものである。この ような特性を有する窒化珪素焼結体によれば 、摺動部材の耐久性や信頼性を高めることが できる。なお、ビッカース硬度はJIS-R-1610で� �定された測定法に基づいて、試験荷重198.1N� �試験を行った結果を示すものとする。破壊� �性値はJIS-R-1607で規定されたIF法に基づいて� �定し、niiharaの式により算出する。圧砕強度� ��旧JIS規格B1501に準じて、インストロン試験� �で圧縮加重をかけて破壊時の荷重を測定し� �結果を示すものである。

 上述した実施形態の窒化珪素焼結体は、� ��えば以下のようにして作製される。まず、� ��化珪素粉末を用意する。窒化珪素粉末は不� ��物陽イオン元素の含有量が0.3質量%以下、酸 素含有量が1.5質量%以下で、かつα相型窒化珪 素を90質量%以上含むことが好ましい。窒化珪 素粉末の平均粒径は0.4~0.6μmの範囲であるこ� �が好ましい。このような窒化珪素粉末に対� �て、希土類化合物粉末、アルミニウム化合� �粉末、さらに必要に応じてM化合物粉末(また は金属粉末)を所定量添加する。焼結助剤等� �添加剤粉末の平均粒径は0.6~1.2μmの範囲であ� ��ことが好ましい。

 次に、各粉末を粉砕しつつ混合する。粉� ��の粉砕・混合には、直径が0.1~2mmのビーズを 用いたビーズミルを適用することが好ましい 。ビーズミルに用いるビーズは、窒化珪素製 ビーズまたはジルコニア製ビーズであること が好ましい。なお、ボールミルには直径が5mm 以上(例えば15~20mm)のボール(例えばアルミナ� �ボール)が用いられる。ビーズミルは粉砕、� ��合に使用するメディア(ビーズやボール)の� �径に基づいて、ボールミルと区別されるも� �である。

 このようなビーズミルを用いて、窒化珪� ��粉末と添加剤粉末とを十分に粉砕しつつ混� ��することによって、例えば粒径を0.1~1.3μmの 範囲に調整した原料混合粉末が得られる。ビ ーズミルによる混合時間は粉末10kg当たり1時� ��以上とすることが好ましい。ただし、ビー� ��ミルによる混合時間を長くしすぎると粒子� ��細かくなりすぎて、原料混合粉末の取扱い� ��等が低下するため、ビーズミルによる混合� ��間は粉末10kg当たり5時間以下とすることが� �ましい。

 ビーズミルを用いて原料混合粉末の粒径� ��微細化することによって、焼結助剤の機能� ��向上させつつ均等化することができる。従� ��て、窒化珪素粒子の粒成長が均等に促進さ� ��るため、長径Lが10μm以下でアスペクト比(L/S 比)が5以上の針状結晶粒子の面積率50%以上の� ��構造を有する窒化珪素焼結体を再現性よく� ��ることが可能となる。なお必要に応じて、� ��い分けを適用して所定範囲の粒径のみの原� ��混合粉末としてもよい。

 上述した原料混合粉末に有機バインダや� ��散媒を加えて混合した後、一軸プレス、ラ� ��ープレス、CIP(コールドアイソスタティック プレス)等の公知の成形法を適用して所望の� �状に成形する。次いで、成形体に脱脂処理� �施した後、窒素雰囲気やAr雰囲気等の不活性 雰囲気中で1600~2000℃の範囲の温度で焼結して 窒化珪素焼結体を作製する。焼結時間は3~10� �間の範囲とすることが好ましい。焼結工程� �は、常圧焼結、雰囲気加圧焼結、加圧焼結(� ��ットプレス)、HIP(ホットアイソスタティッ� �プレス)等の様々な焼結方法が適用可能であ� ��。

 さらに、常圧焼結や雰囲気加圧焼結後にH IP処理を行う等、複数の方法を組合せてもよ� ��。特に、窒化珪素焼結体をベアリングボー� ��のような軸受部材に適用する場合には、常� ��焼結または雰囲気加圧焼結後にHIP処理を行� ��ことが有効である。HIP処理は100~200MPaの圧力 下で1600~1900℃の温度で所定時間保持すること により行うことが好ましい。常圧焼結や雰囲 気加圧焼結を実施する場合には、まず真空雰 囲気下(例えば0.1Pa以下の真空雰囲気)で成形� �を熱処理して脱気処理した後、800~1400℃の範 囲内の温度で窒素ガス等を導入することが好 ましい。

 この実施形態の窒化珪素焼結体は、軸受� ��材、圧延用等の各種ロール材、コンプレッ� ��用ベーン、ガスタービン翼、カムローラの� ��うなエンジン部品等の摺動部材に好適であ� ��。これらのうちでも、特にベアリングボー� ��のような軸受部材(転動体)に有効である。� �述した実施形態の窒化珪素焼結体は、これ� �以外にヒータカバーや切削工具等としても� �用することができる。本発明の実施形態に� �る摺動部材としては、上述した実施形態の� �化珪素焼結体からなるベアリングボール、� �ーラ、コンプレッサ用ベーン、ガスタービ� �翼、カムローラ等が挙げられる。

 図1は本発明の実施形態によるベアリング ボールを適用したベアリングを示している。 図1に示すベアリング1は、上述した実施形態� ��窒化珪素焼結体からなる複数のベアリング� ��ール2と、これらベアリングボール2を支持� �る内輪3および外輪4とを有している。内輪3� �外輪4は回転中心に対して同心状に配置され� ��いる。基本構成は通常のベアリングと同様� ��ある。内輪3や外輪4はJIS-G-4805で規定されるS UJ2等の軸受鋼で形成することが好ましく、こ れにより信頼性のある高速回転が得られる。

 この実施形態のベアリングボール2は、ス ラスト型軸受試験機を用いて、最大接触圧力 5.9MPa、回転数1200rpm、相手材がSUJ2鋼製平板の� ��件下で転がり寿命を測定したときに、600時� ��以上の転がり寿命を示す。従って、ベアリ� ��グ1を装着した回転軸を高速回転させる場合 においても、耐久性や信頼性を良好に維持す ることができる。このようなベアリング1は� �転軸を高速回転させる各種機器、例えばHDD� �ような磁気記録装置やDVDのような光ディス� �装置等の電子機器に好適に用いられる。

 次に、本発明の具体的な実施例およびそ� ��評価結果について述べる。

(実施例1)
 酸素含有量が1.3質量%、平均粒径が0.55μmの� �化珪素粉末を用意した。この窒化珪素粉末� �、焼結助剤として平均粒径が0.7μmの酸化イ� �トリウム粉末を6質量%、平均粒径が0.5μmの酸 化アルミニウム粉末を6質量%の割合で添加し� ��。これらを粒径が0.5mmのビーズを用いたビ� �ズミルで粉砕・混合した。ビーズミルによ� �混合時間は、粉末10kg当たり1時間とした。こ のようにして調製した原料混合粉末の粒径を 測定したところ、原料混合粉末の粒径範囲は 0.2~1.0μmであった。なお、粒径は粉末を液中� �分散させたスラリーを一定径のレーザ光線� �を通過させ、粒子1個ずつのレーザ光線を遮� ��した際の大きさに基づいて測定した。

 次に、上記した原料混合粉末に有機バイ� ��ダを所定量添加して混合した後、CIP法で成� ��体を作製した。得られた成形体を空気気流� ��で脱脂した後、窒素雰囲気中にて1750℃×4h� �条件で常圧焼結した。さらに、常圧焼結体� �対して100MPaの圧力下で1700℃×1hの条件でHIP処 理を施した。このようにして、目的とする窒 化珪素焼結体を得た。

 得られた窒化珪素焼結体のビッカース硬さ� ��破壊靭性値、抗折強度を測定した。その結� ��、ビッカース硬さは1500(Hv)、破壊靭性値は7. 0MPa・m ^1/2 であった。抗折強度は100本の3×4×40mmの試料� �作製し、これらに3点曲げ試験を実施した。� ��の結果、抗折強度の最小値は800MPa、抗折強� ��の平均値は1000MPaであった。窒化珪素焼結体 の微構造を前述した方法にしたがって測定し たところ、長径Lが10μm以下でアスペクト比が 5以上の針状結晶粒子の面積比は50%であった� �

 さらに、窒化珪素焼結体中のボイドのサ� ��ズと個数を以下のようにして測定した。窒� ��珪素焼結体の表面2箇所と断面2箇所を任意� �選び、各面に対して研磨加工、ポリッシュ� �工、ラップ加工を施す。各加工面をSEMで3000� ��の視野で観察し、加工面に残留するピット� ��大きさ(最大値)と個数を測定する。それら� �平均値としてボイドの最大径と個数を求め� �。その結果、ボイドの最大径は1μm、30×30μm� ��範囲内におけるボイドの個数は1個であった 。

 次に、同条件で作製した直径2mmの窒化珪素� ��ール(ベアリングボール)1個をSUJ2鋼製の平板 2枚で圧砕したときの圧砕強度と転がり寿命� �測定した。ベアリングボールの表面はグレ� �ド3で表面研磨した。圧砕強度は900N/mm ² であった。

 転がり寿命試験はスラスト型軸受試験機� ��用いて、100個のベアリングボールを順にSUJ2 鋼製の平板上を回転させることにより実施し た。転がり寿命は最大接触応力5.9GPa、回転数 1200rpmで試験し、ベアリングボールの表面に� �離が生じるまでの時間を測定した。その結� �、ベアリングボールの最短寿命時間は600時� �であった。さらに、100個のベアリングボー� �の寿命時間をワイブルプロットしてワイブ� �係数を求めた。寿命時間のワイブル係数は5. 0と良好な値を示した。

(実施例2~10)
 実施例1と同一の窒化珪素粉末に対して、表 1に示す焼結体組成となるように焼結助剤粉� �等を添加した後、実施例1と同様に粉砕・混� ��して各原料混合粉末を調製した。原料混合� ��末の粒径範囲はそれぞれ表1に示す通りであ る。

 各原料混合粉末に有機バインダを所定量� ��加して混合した後にCIP法で成形した。得ら� ��た各成形体を空気気流中で脱脂した後、実� ��例1と同一温度で常圧焼結した。さらに、各 焼結体に対して実施例1と同様なHIP処理を施� �ことによって、目的とする窒化珪素焼結体� �それぞれ得た。各窒化珪素焼結体の特性を� �施例1と同様にして測定した。それらの結果� ��表2および表3に示す。

(比較例1~3)
 各原料粉末の混合条件とHIP圧力を変更する� ��外は、実施例1と同様にして窒化珪素焼結体 を作製した。各原料粉末の混合にはボールミ ルを使用した。各窒化珪素焼結体の特性を実 施例1と同様にして測定した。それらの結果� �表2および表3に示す。

 表2および表3から明らかなように、各実� �例による窒化珪素焼結体はいずれも緻密性� �高く、ボイドのサイズと量が低減されてい� �ことが分かる。さらに、抗折強度およびそ� �再現性に優れている。それらの結果として� �各実施例による窒化珪素焼結体を用いたベ� �リングボールは転がり寿命に優れ、そのバ� �ツキも小さいことが分かる。従って、信頼� �および耐久性に優れるベアリングボールを� �供することができる。これら各ベアリング� �ールを用いてそれぞれベアリングを組立て� �電子機器用のスピンドルモータに組み込ん� �実機試験を行ったところ、回転軸の高速回� �の耐久性に優れることが実証された。

(実施例11~20、比較例4~8)
 実施例1と同一の窒化珪素粉末に対して、表 4に示す焼結体組成となるように焼結助剤粉� �等を添加した後、粉砕・混合して各原料混� �粉末を調製した。実施例11~20については実施 例1と同様に、ビーズミルを用いて原料混合� �末を調製した。比較例4~8については、ボー� �ミルを用いて原料混合粉末を調製した。ビ� �ズミルおよびボールミルによる混合時間は� �5に示す通りである。このようにして調製し� ��各原料混合粉末の粒径を測定した。その結� ��を表4に示す。実施例および比較例の原料混 合粉末はいずれも平均粒径(D50)が0.6μm程度で� ��ったが、比較例は粒径が1.0μmを超えて1.5μm� ��下の粒子を20%(質量比)程度含んでいた。

 各原料混合粉末に有機バインダを所定量� ��加して混合した後、CIP法を適用して成形体� ��それぞれ作製した。得られた各成形体を空� ��気流中で脱脂した後、それぞれ表5に示す条 件下で常圧焼結した。さらに、各焼結体に対 して表5に示す圧力でHIP処理を施した。HIP処� �の温度および時間は実施例1と同様とした。� ��のようにして、目的とする窒化珪素焼結体� ��それぞれ作製した。各窒化珪素焼結体の特� ��を実施例1と同様にして測定した。それらの 結果を表6および表7に示す。

 表6および表7から明らかなように、各実� �例による窒化珪素焼結体はいずれも緻密性� �高く、ボイドのサイズと量が低減されてい� �ことが分かる。さらに、抗折強度およびそ� �再現性に優れている。それらの結果として� �各実施例による窒化珪素焼結体を用いたベ� �リングボールは転がり寿命に優れ、そのバ� �ツキも小さいことが分かる。従って、信頼� �および耐久性に優れるベアリングボールを� �供することができる。これら各ベアリング� �ールを用いてそれぞれベアリングを組立て� �電子機器用のスピンドルモータに組み込ん� �実機試験を行ったところ、回転軸の高速回� �の耐久性に優れることが実証された。

(実施例21~28、比較例9~14)
 実施例1と同一組成となるように、窒化珪素 粉末に焼結助剤粉末等を添加した後、実施例 1と同様にビーズミルを用いて粉砕・混合し� �各原料混合粉末を調製した。ただし、ビー� �ミルによる混合時間は、それぞれ表8に示す� ��間を適用した。実施例および比較例による� ��原料混合粉末の粒径範囲は表8に示す通りで ある。

 各原料混合粉末に有機バインダを所定量� ��加して混合した後、CIP法を適用して成形体� ��それぞれ作製した。得られた各成形体を空� ��気流中で脱脂した後、それぞれ表8に示す条 件下で常圧焼結(一次焼結)した。さらに、各� ��結体に対して表8に示す条件下でHIP処理(二� �焼結)を施した。HIP圧力は100MPaとした。この� ��うにして、目的とする窒化珪素焼結体をそ� ��ぞれ作製した。各窒化珪素焼結体の特性を� ��施例1と同様にして測定した。それらの結果 を表9に示す。

 表9から明らかなように、ビーズミルによ る混合時間を粉末10kg当たり1~5時間の範囲と� �た原料混合粉末は粒径範囲が微細側で安定� �ており、その結果として窒化珪素焼結体の� �構造の制御性に優れている。これに対し、� �ーズミルによる混合時間が不十分な比較例9~ 11は原料混合粉末中に比較的大きな粒子が混� ��するため、長径Lが10μm以下でアスペクト比� ��5以上の針状結晶粒子の比率が低下している 。一次焼結時間が長すぎる比較例12では過剰� ��粒成長するため、長径Lが10μmを超える針状� ��晶粒子の比率が増加している。一次焼結温� ��が高すぎる比較例13でも過剰に粒成長し、� �径Lが10μmを超える針状結晶粒子の比率が増� �している。一次焼結時間が短すぎる比較例14 では焼結が不十分となり、その結果として粒 成長が不足してボイドが増加している。