JP5367080B2 - 大型セラミック転がり要素 - Google Patents

Description

本発明は、例えば転がり軸受要素のような大型焼結セラミック部品及びそれを製造する方法に関する。

焼結セラミック部品は、高い硬度、優れた高温挙動、高い熱衝撃抵抗性、低い密度及び高い電気絶縁能力のような特性が望ましい適用例において、金属部材の代わりに用いられる。

幾つかの適用例では、転がり要素とリングの間の接触部材が高度の局部応力にさらされる例えば転がり軸受のような部品に厳しい要件が求められる。接触部材は、様々な潤滑、汚染及び温度条件にもさらされている。信頼性のある性能及び長期動作寿命が、不可欠である。いわゆるハイブリッド軸受は、セラミック転がり要素と、スチール、プラスチック又は真ちゅう系ケージを備えたスチール系リングとからなる。ハイブリッド軸受は、特定の操作条件、例えば高回転速度、不足している又は低い潤滑条件、高い固体汚染条件及び電流が軸受を通る条件において利益を示した。そのような適用例のセラミック転がり要素を設計するには、高い相対密度、硬度、破壊靭性及び強度を組み合わせる必要があると考えられる。セラミック材料の機械的性質は非常に良好な場合があるが、それらは内部及び表層の欠陥、例えば、外来物質、細孔、大粗粒及び亀裂の含有に大きな影響を受け、これらの特徴が信頼性を定義する。

転がり軸受は、内部リングと外部リングの間の転がり要素、例えば玉、円筒ころ、球面ころ、テーパころ及びニードル、で構成されている。
セラミック部品を製造するための原材料は、構成成分を液体中で微粉砕し、続いてそのスラリーを乾燥させることによって生成された粉体である。乾燥は、例えば噴霧乾燥又は凍結乾燥によって実施することができる。軸受部品用の粉体を窒化ケイ素系とするのが、一般的である。窒化ケイ素及びサイアロン（ケイ素及び窒素がアルミニウム及び酸素で置換された窒化ケイ素系材料）の場合には、液相焼結のために少量の希土類粉体を添加してもよい。従来の工程でセラミック部品を形成させる際には、多くの場合、有機添加剤が、乾式加圧又は冷間等方圧加圧により未焼結体を形成させるためのバインダとして用いられる。最終的な緻密化の前に、セラミック未焼結体を燃焼して、有機添加剤を除去する必要がある。大型セラミック部品では、この工程に長時間を費やす可能性があり、小型又は中型の部品の場合よりも大型の物体で困難になる。

軸受部材用に複数の等級のセラミックが開発され、市販されている。様々な軸受適用例で、良質の大型セラミック軸受部品の需要が高まっている。窒化ケイ素及びサイアロンは、軽量で硬質で強度のあるエンジニアリングセラミックである。

窒化ケイ素及びサイアロン軸受部品は、今日では主に熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）又はガス圧焼結（ＧＰＳ）、つまり高い焼結温度と高圧とを組み合わせた方法によって製造される。

軸受適用例のための良質な大型セラミック部品を製造するのは、未焼結体の加圧に難題を含む傾向があり、その焼結工程によって高価な製品となる。焼結時により安価な原材料及びより低い圧力を利用すれば、機械的性質が不十分になるか、又は少なくとも劣化し、軸受操作に要求される信頼性及び性能の低下を招く。

ＨＩＰ工程では、加圧される粉体を封入する複雑なカプセルが必要であり、加圧サイクルは緩やかで、エネルギー消費は高い。それゆえ、ＨＩＰを用いた大型セラミック部品を製造するための全製造サイクルは、各バッチで数時間になる。ＨＩＰ製造部品での通常のバッチ時間サイクルは約８時間であり、物体が大きくなるほど延長するため、大型部品の焼結は非常に時間がかかるものとなる。

ガス圧焼結では、最初に、表層の細孔を全てふさぐことで圧力を上昇させる第２のステップのガス浸透を回避するために、粉体を従来の圧力で圧縮する。焼結は主に、高圧の第２ステップで実施され、その圧力は通常、冷却時と同様に高レベルに保持される。その方法は時間及びエネルギーを消費し、サイクル時間は数時間である。焼結部品の寸法増大により、時間及びエネルギー消費が急激に増加する。

セラミック軸受の開発の多くは、例えばコンピュータハードディスクドライブ又は低振動操作が非常に重要となる他の適用例などで用いられる小型セラミック軸受部品に取り組んできた。大型セラミック部品の焼結は、従来法では困難である。高コスト、長時間の製造サイクル及び高いエネルギー消費に加え、不均一な構造及び緻密化の難点が、主な課題である。

電気パルス支援固化（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｕｌｓｅ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ）（ＥＰＡＣ）は、パルスＤＣ電流で材料を加熱して焼結させることに基づいた方法を含む。この技術で一般に用いられる他の名称には、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）、パルス通電焼結（ＰＥＣＳ）、電場支援焼結法（ＦＡＳＴ）、プラズマ支援焼結（ＰＡＳ）及びプラズマ圧密（Ｐ^２Ｃ）がある。これらの技術を、本明細書においては以後、ＳＰＳと呼ぶ。ＳＰＳでは、試料を加熱している間は、一軸性圧力が加えられる。グラファイトパンチの間のダイに入れられた粉体に加えられる電気エネルギーパルスによって、加熱が起こる。この焼結法により、高い加熱速度及び短い滞留時間を用いながら、緻密な材料を製造することができる。この技術では、高電流と低電圧との組合せが用いられる。典型的なパルス幅が数ｍｓで電流が０．５〜３０ｋＡのパルスＤＣ電流がパンチ、ダイに流れ、そして試料の電気的性質に応じて試料にも流れる。電気パルスは、オン−オフ関係が１：９９〜９９：１、典型的には１２：２（オンが１２パルス、オフが２パルス）の領域のパルスパッケージとして発生する。圧力は、一軸方向のパンチに加えられ、通常は５〜２５０ＭＰａである。

特許文献１及び２には均一できめ細かい結晶粒を含む窒化ケイ素系物体が記載されている。用いられる窒化ケイ素粉体は、２００ｎｍ未満の粒子又は非晶質構造を有する粒子で構成されていなければならない。その超微粒子粉体は、化学蒸着により調製される。窒化ケイ素粉体の焼結温度は、１２００〜１４００℃もしくは１４００〜１９００℃であるか、又は全時間×温度が６０００００℃秒未満であればより高温である。ＳＰＳ工程を、該物体の製造に用いることができる。この方法に関わる問題は、生成される製品を確実に微粒子サイズにするために、出発粉体の化学蒸着のような高価な処理が必要となることである。より長時間の滞留が必要となり、それが超微粒子構造と適合しないことも、大型部品でのこの方法の利用を困難にしている。

特許文献３には、純度の低い窒化ケイ素出発原料を用いることができるような製造方法を適用することにより、より安価で高品質の窒化ケイ素製品を製造する方法が記載されている。その窒化ケイ素及び焼結助剤は、５０００ｐｐｍまでの金属不純物レベルを有することができ、１３００〜１９００℃の焼結温度で処理することができ、焼結温度と焼結時間との積が、１０^５〜１０^６℃秒となる。

特許文献４及び５には、粒度が１００ｎｍ未満で超低摩擦係数の窒化ケイ素系焼結体が記載されている。その製造方法は、窒化ケイ素粉体、焼結助剤、金属チタン粉体及びグラファイト／炭素粉体を３０ｎｍ未満の超低粒度まで微粉体化及び混合することを含む。粉体圧縮体が、圧力０．０５〜１ＭＰａの窒素雰囲気内で焼結される。

特許文献６には、高剛性及び高強靭性の放電プラズマ焼結窒化ケイ素が示されている。その窒化ケイ素は、希土類酸化物、アルミナ及び窒化アルミニウムの添加剤を含む。
大きな寸法の部品を必要とする適用例では、金属軸受の代わりにセラミック軸受の需要が高い。軸受は、低重量、優れた機械的性質及び電気絶縁性などの性質が非常に優先される適用例で用いられている。セラミック軸受の性質の幾つかは、例えば低重量の軸受ではエネルギー消費が抑制され得るため、より環境に配慮した解決法としても有利となる。セラミック軸受を大規模に使用するためには、大型セラミック軸受の品質を改善し、そしてこれらの軸受の製造コストを削減しなければならない。

米国特許第５，６２２，９０５号明細書 米国特許第５，６９８，１５６号明細書 米国特許第５，７２０，９１７号明細書 米国特許第６，８４４，２８２号明細書 米国特許第７，００８，８９３号明細書 中国特許第１７９３０４２号明細書

本発明の目的は、均一な微細構造を有し、最小限の欠陥及び良好な機械的性質を備え、振動などの転がり接触機械負荷への高い要件を保持することが可能なセラミック部品、例えば軸受用転がり要素を提供することである。

別の目的は、大型の軸受、例えば大型コンプレッサ及び風力タービンの中の軸受で、転がり要素として使用し得る寸法を有するセラミック部品を提供することである。
本発明の別の目的は、大型の高品質セラミック部品を製造する方法、特に費用効果があり、大型セラミック部品の製造に現在用いられている製造方法よりも迅速かつ低電力消費で操作することができる方法である。

該目的は、気孔率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）が１体積％未満、又は０．２体積％未満の均一かつ完全又はほぼ完全に緻密な構造を有する焼結セラミック部品により実現される。構造内に残存する可能性のある気孔は、均一に分布しているか、又は部品のごく中心部のみ（部品の口径の最大２５％の領域）で観察され、その構造は、実質的にいわゆるスノーフレークを含まない。スノーフレークは、不完全に緻密化された局部領域の呼称であり、ＵＶ光下の蛍光透過の屈折により視覚化される。第２相の量は少ない。第２セラミック相の体積分率は、典型的には０．２体積％未満であり、より多くの場合０．０６体積％未満である。第２相は、未反応の粉体又は焼結工程で形成される副生成物の可能性がある。

微細構造は、非晶質粒子境界層に埋め込まれた等軸性粒子又は細長い粒子の形態で、その粒子及び粒子境界層がマトリックスを構成している可能性がある。細長い粒子は、好ましくは三次元で等方性に分布していなければならない。粒子は、ナノメータ〜マイクロメータの寸法を有する可能性がある。気孔が存在する場合、それらは最大寸法１０μｍを有する。

焼結セラミック部品は、窒化ケイ素、サイアロン又はそれらの混合物から製造することができる。セラミック粉体は、添加剤、例えばイットリア、他の希土類酸化物、ジルコニア、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム並びに／又はシリカ及び窒化ケイ素用にはケイ素及びアルミニウムの酸窒化物を、最大量で他の化合物の１０重量％含んでいてもよい。

焼結セラミック部品の製造は、有機添加剤が存在しないか、又は有機添加剤が少なくとも１重量％未満の粉体混合物の調製を含む。粉体を従来の粉体調製技術、例えば微粉砕により調製することができる。粉体は、封入されないまま焼結用に調製される。セラミック部品を製造するのに、放電プラズマ焼結技術（ＳＰＳ）が用いられる。ＳＰＳでは、急速な加熱、所望の焼結温度での短い保持時間、及びセラミック部品を焼結するための高い圧力が組み合わせられる。この加工方法により、セラミック部品の微細構造を製作させることができる。

少なくとも一方向が３０ｍｍを超える寸法の焼結セラミック部品を製造するために、その工程の間に用いられる圧力は、５〜１５０ＭＰａ、好ましくは５〜７０ＭＰａである。適用される加熱速度は、５〜６００℃／分、好ましくは５０〜２００℃／分である。９９％を超える密度が得られる完全又はほぼ完全な緻密化が起こるように、焼結温度及び時間を選択する。その工程は、焼結装置内で１ステップ又は複数のステップで実施することができ、それらのステップでは、ステップが変わるごとに温度及び圧力を変化させることができる。第１のステップが部品を完全又はほぼ完全な緻密化まで焼結することを含み、次のステップがわずかに高温及び低圧での粒子成長を含むことにより、所望の微細構造、例えば三次元針状構造が実現されるように、複数のステップを含む工程を実施することができる。緻密化ステップは、１５００〜１６００℃の温度及び３０〜１５０ＭＰａの圧力で実施することができ、第２の粒子成長ステップでは、１６００〜１７５０℃の温度、そして３０ＭＰａ未満の圧力であってもよい。

少なくとも一方向が３０ｍｍを超える寸法を有する高品質焼結セラミック部品を製造することが可能になれば、機械的安定性に関して極めて高い要件を有する部品、例えば軸受用転がり要素の製造が可能になる。用いられる材料と制御された焼結工程の組み合わせは、多くの利点を有し、全工程時間が短い高品質セラミック部品の製造が可能になる。部品を加熱する時間が大きく短縮し、それにより全工程のエネルギー消費も抑制される。粉体の簡便な調製、基本的に有機添加剤を含まない粉体の加圧、及び粉体を封入せずに焼結することが可能になれば、部品の製造に必要な設備の量が低減し、それにより店舗フロア空間の必要量も低減する。本発明により、高品質焼結セラミックの費用効果がある製造が可能になる。

本発明は、大型セラミック部品の製造を可能にするが、少なくとも一方向の寸法が１０ｍｍまでの小型部品にも適用することができる。

以下の実施例１により調製された化学エッチングされたサイアロン材料の走査電子顕微鏡像。 局部領域に微細欠陥、いわゆるスノーフレークの大きなエリアが多数ある粗悪な試料を示すＵＶ光の下でのサイアロン標本の顕微鏡像。 スノーフレークを含まない（又は分離した非常に小さなスノーフレークを含む）許容し得る試料を示すＵＶ光の下でのサイアロン標本の顕微鏡像。 本発明の標本と先行技術の標本との微細構造の比較。 Ｓｉ_３Ｎ_４試料の顕微鏡像。

軸受用のセラミック転がり要素、特に、大きな寸法の要素、例えば３０〜６０ｍｍ又はそれを超える口径を有する要素を、窒化ケイ素、サイロアロン（ケイ素及び窒素がアルミニウム及び酸素で置換された窒化ケイ素系材料）、その混合物から製造することができる。更に、酸化イットリウム（イットリア）、他の希土類酸化物、酸化ジルコニウム（ジルコニア）、窒化アルミニウム及び酸化アルミニウム（アルミナ）などの添加剤を、最大量で１０重量％まで含むことができる。

粉体混合工程は、有機添加剤を用いずに、又は最大１重量％の有機添加剤を用いて実施する。有機バインダを用いる従来の工程と比較して、本発明の工程は、有機添加剤の残渣がないより純粋な最終生成物と、より環境に配慮した（二酸化炭素の排出がない）工程を含む。有機添加剤が少量であるか又は全く存在しなければ、緻密化の間にセラミック部品内での炭素の形成及び潜在的取込みが防止される。焼結材料の粒子は、一つの単結晶相を含むか、又は異なる結晶相の混合物となる可能性があり、更に非晶質粒子境界層が、マトリックス内に存在する。

要素に対する長期加熱の影響を抑制するために、急速な加熱、所望の焼結温度での短い保持時間、及びセラミック部品を焼結するための高い圧力が組み合わせられた放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）技術が用いられる。

その工程の間に用いられる圧力は、５〜１５０ＭＰａ、好ましくは５〜７０ＭＰａである。適用される加熱速度は、５〜６００℃／分、好ましくは３０〜１５０℃／分である。完全又はほぼ完全な緻密化が起こる（理論的密度の９９％を超える）ように、焼結温度及び時間を選択する。このステップは、部品の寸法及び組成を所望どおり組合せた試料を取り入れることにより、確証することができる。緻密化工程は、焼結装置で１ステップ又は複数のステップで行うことができ、そのステップでは温度及び圧力を変動させることができる。第１の温度及び第１の圧力での第１のステップにより、物体の緻密化が可能になり、第２のより高温及び第２のより低圧での第２のステップにより、窒化ケイ素及びサイアロン系材料のための制御された粒子成長が可能になる。

ＳＰＳ加工法は、製造された材料の微細構造を製作させる能力を付与する。従来の焼結工程、例えば熱圧又はＨＩＰを用いると、緻密化は粒子成長及び液相反応を伴う。ＳＰＳでの急速な緻密化により、粒子成長を緻密化と分離することができる。ＳＰＳで温度及び圧力を急速に変化させることが可能になれば、粒子成長の制御が可能になる。サイアロン及び窒化ケイ素では、粒子の結晶性及びそれによる粒子形態が、焼結温度により影響を受ける。窒化ケイ素及びサイアロンでは一般に、高温ではより多くのβ相が得られ、それにより細長い粒子が得られて、更に粒子寸法が温度と共に増加する。ＳＰＳを用いれば、制御された粒子成長により、等軸性粒子構造と、細長い粒子による自己補強材料（ウィスカー状補強材料の類似体）とを両者とも形成させることができる。制御された粒子成長を受けた細長いβ相粒子は、サイアロン及び窒化ケイ素材料の破壊靭性を改善するのに非常に望ましい。

その転がり要素は、３０ｍｍを超える口径を有する部品でも、高い硬度及び高い押込み破壊靭性の優れた組み合わせを示す。６０ｍｍ口径の転がり要素は、全工程で２時間以内に製造され、口径が約２０ｍｍのより小さな要素は、３０分以内で製造することができる。更に、いわゆるスノーフレーク（局部的な微細欠陥によるＵＶ光の下での蛍光透過の屈折）が含まれないか、又は非常に低含量であり、きめ細かな粒状構造の完全緻密又はほぼ完全緻密材料（理論的密度の少なくとも９９％の密度）が得られる。本発明は、２０ｍｍを超える又は３０〜６０ｍｍ又はそれを超える大きな寸法の高品質セラミック部品を製造し得ることを示している。ＨＩＰ又はＧＰＳによる大型部品の従来の製造は、緩やかな加熱工程のため時間消費がより大きく、完全緻密な材料及び均一な微細構造を得る際に問題が生じる。

焼結セラミック部品で用いられるサイアロン及び窒化ケイ素材料は、好ましくは一般に５０重量％を超える高いβ相含量を有する。β相含量は、焼結パラメータにより制御される。検査試料を評価した後で、適切な焼結温度を選択する。β相粒子は細長く、強い三次元網目構造を形成することができる。細長いβ粒子の存在は、図１の走査電子顕微鏡像の淡灰色の領域として認めることができる。

窒化ケイ素及びサイアロン材料、並びにそれらの混合物では、１３００〜１７５０℃で焼結が起こる。窒化ケイ素及びサイアロンで用いられる焼結温度は、製造工程の少なくとも一つのステップで、１５００〜１７５０℃、好ましくは１６００〜１７５０℃である。

所望の温度での典型的な保持時間は、１５ｍｍ口径の部品の５分から、６０ｍｍ口径の部品の４０〜６０分までである。より大きな部品及び複数の試料の鋳型で製造される試料では、より長い保持時間を適用してもよい。

本発明の方法の実施形態は、以下の事柄を含む：ｉ）粉体材料又は予備成形された未焼結体を、ダイ及びパンチを含む電気伝導性グラファイトチャンバに挿入すること；ｉｉ）グラファイトチャンバの２個の電気伝導性パンチに一軸性圧力を加え、それにより材料に圧力を加えること；ｉｉｉ）材料をパルス電気エネルギーで加熱してパンチ及び電気伝導性ダイに通すこと。焼結手順は、高い加熱速度（急激な加熱温度勾配）及び所望の焼結温度での短い保持時間を含む。試料の冷却は、プログラムすることができるか、或いは電流が切断されると試料が自動的に冷却される。

焼結セラミック部品を、従来の方法で切断及び研磨した後で分析した。
窒化ケイ素及びサイアロン系部品では、ビッカース硬さ（Ｖｉｃｋｅｒ’ｓ ｈａｒｄｎｅｓｓ）ＨＶ_１０が、１５５０〜２２００ｋｇｍｍ^−２、典型的には１６００〜２０００ｋｇｍｍ^−２の領域であり、押込み破壊靭性は、４．５〜１０．０ＭＰａｍ^１／２、典型的には５．０〜８．０ＭＰａｍ^１／２であり、４点曲げ強さが６００〜１０００ＭＰａ、典型的には８１０ＭＰａであった。部品はいわゆるスノーフレークを含まなかった。

図２ａ及びｂは、スノーフレークをＵＶ光の下で視覚化した状態を示す。図２ａは、構造内に微細欠陥の領域、いわゆるスノーフレークを有する多数の大きなエリアを含む粗悪な試料を示す。図２ｂでは、スノーフレークを有さないか、又は分離した非常に小さなスノーフレークのみを有する許容し得る微細構造が示される。

更に、気孔率は、１体積％未満、典型的には０．０２体積％未満である。気孔は、最大で寸法１０μｍでなければならず、存在する場合には、均一に分布しているか、又は部品のごく中心部、つまり部品の口径の最大２５％の領域のみで観察されなければならない。

従来のサイアロン及び窒化ケイ素試料と比較した、本発明の試料の気孔率及び均一性の例を、図３のａ〜ｄに示す。図３ａは、実施例１の研磨された試料を示す。顕微鏡像は、試料が基本的に気孔を含まないこと、そして第２相があまり示されていないことを示している。他の従来法で製造された窒化ケイ素材料は、窒化ケイ素マトリックス内に分布する第２相を様々な度合いで示す可能性がある。図３ｂは、窒化ケイ素マトリックス内に均一に分布する粗大な淡色相及び暗色相が、かなり多量に存在することを示す。図３ｃは、淡色の第２セラミック相が非常にきめ細かいが非常に緻密な分布（高い体積分率）であり、その一方で暗色のセラミック相が粗大なクラスタを形成している微細構造を示す。図３ｄは、淡色及び暗色の両方の相が、粗大なクラスタ分布を有する微細構造を示す。第２相の粗大さ及びクラスタ分布は、窒化ケイ素マトリックス内では不均一であり、強度、局部硬度及び亀裂の進行に影響を与える可能性がある。

転がり要素は、ころ、玉、テーパ及びニードルの形状であってもよい。転がり要素の典型的な寸法は、１０〜６５ｍｍの口径であり、非球形部品では、６〜７０ｍｍの長さである。

Ｓｉ_３Ｎ_４（ｄ_５０＜０．５μｍ）９１重量％と、Ｙ_２Ｏ_３（ｄ_５０＜０．９μｍ）５重量％と、ＳｉＡｌ_６Ｏ_２Ｎ_６（ｄ_５０＜２．５０μｍ）４重量％との混合により、粉体を製造した。粉体を液状媒体に混合して、凍結乾燥させた。粉体をグラファイトダイチャンバに挿入して、チャンバを２個のパンチで閉じた。粉体をＳＰＳ装置で焼結し、温度を最初は自動的に６００℃に上昇させた。続いて１００℃／分の加熱速度を適用した。試料を、最初は１５５０℃で３分間緻密化し、その後、第２の温度１７３０℃で５分間処理した。焼結ダイの表層に合わせた光高温計で、温度を測定した。焼結は真空下で行った。第１の緻密化ステップの間は、圧力を５０ＭＰａに保持し、第２の温度処理ステップで５ＭＰａに低下させた。

ビッカース硬さＨＶ_１０約１８００ｋｇｍｍ^−２及び破壊靭性Ｋ_１ｃ６．４〜６．８ＭＰａ・ｍ^１／２で、サイアロン部品を形成させた。押込み破壊靭性の異方性が、圧力方向に平行な方向と垂直な方向の間で５％未満であることが確認され、最も弱い方向でも、最小押込み破壊靭性が６ＭＰａ・ｍ^１／２を超えることが示された。４点曲げ強さは、２軸強さ検査から約８１０ＭＰａであり、ワイブルパラメータ（Ｗｅｉｂｕｌｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ）は約９であると推定された。研磨された試料についての２００倍拡大までの光学顕微鏡検査では、微細構造に目に見える気孔は示されず、第２相は小さいか又は全く見られず、スノーフレークも見られなかった。

焼結部品は、粉末Ｘ線回折により測定すると、β−サイアロン８０重量％とα−サイアロン２０重量％との混合物を有していた。同じ目的で、添加剤ＳｉＡｌ_６Ｏ_２Ｎ_６を用いる代わりに、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ及びＡｌ_２Ｏ_３の組合せを使用することができ、Ｓｉ_３Ｎ_４及び添加剤を用いる代わりに、サイアロン粉体を用いることができる。

Ｓｉ_３Ｎ_４（ｄ_５０＜０．５μｍ）９１重量％と、Ｙ_２Ｏ_３（ｄ_５０＜０．９μｍ）５重量％と、ＳｉＡｌ_６Ｏ_２Ｎ_６（ｄ_５０＜２．５０μｍ）４重量％との混合により、粉体を製造した。粉体を液状媒体に混合して、凍結乾燥させた。粉体１５９ｇを口径３４ｍｍのグラファイトダイチャンバに挿入して、チャンバを２個のパンチで閉じた。粉体をＳＰＳ装置で、加熱速度３０℃／分で焼結した。試料を１６５０℃で３０分間緻密化させた。焼結ダイの表層に合わせた光高温計で、温度を測定した。焼結は真空下で行った。圧力を４０ＭＰａに保持した。

ビッカース硬さＨＶ_１０約１７００ｋｇｍｍ^−２及び破壊靭性Ｋ_１ｃ約６．７ＭＰａ・ｍ^１／２で、サイアロン部品を形成させた。押込み破壊靭性の異方性が、圧力方向に平行な方向と垂直な方向の間で１１％未満であることが確認され、最も弱い方向でも、最小押込み破壊靭性が５．７ＭＰａ・ｍ^１／２を超えることが示された。研磨された試料についての２００倍拡大までの光学顕微鏡検査では、微細構造に目に見える気孔は示されず、第２相は小さいか又は全く見られず、スノーフレークも見られなかった。部品のごく中心部にある唯一の小さな５ｍｍ口径のエリアに、最大で１０μｍの寸法の気孔がわずかしか示されず、気孔体積分率が局部で最大０．２％であり、より多くは０．０６体積％であることが示された。

その円筒部品の最終寸法は、φ３４×５４ｍｍであった。

Ｓｉ_３Ｎ_４（ｄ_５０＜０．５μｍ）９１重量％と、Ｙ_２Ｏ_３（ｄ_５０＜０．９μｍ）５重量％と、ＳｉＡｌ_６Ｏ_２Ｎ_６（ｄ_５０＜２．５０μｍ）４重量％との混合により、粉体を製造した。粉体を液状媒体に混合して、凍結乾燥させた。粉体をＳＰＳ装置で、加熱速度３０℃／分で焼結した。試料を１６００℃で３０分間緻密化させた。焼結ダイの表層に合わせた光高温計で、温度を測定した。焼結は真空下で行った。圧力を４０ＭＰａに保持した。

ビッカース硬さＨＶ_１０約１７００ｋｇｍｍ^−２及び破壊靭性Ｋ_１ｃ約７ＭＰａ・ｍ^１／２で、サイアロン部品を形成させた。押込み破壊靭性の異方性が、圧力方向に平行な方向と垂直な方向の間で１１％未満であることが確認され、最も弱い方向でも、最小押込み破壊靭性が５．７ＭＰａ・ｍ^１／２を超えることが示された。研磨された試料についての２００倍拡大までの光学顕微鏡検査では、微細構造に目に見える気孔は示されず、第２相は小さいか又は全く見られず、スノーフレークも見られなかった。部品のごく中心部にあるわずか７ｍｍの小さな口径の領域に、最大１０μｍの寸法の気孔がわずかしか示されず、気孔体積分率が局部で最大０．２％であり、より多くは０．０６体積％であることが示された。

その円筒部品の最終寸法は、φ４２×６７ｍｍであった。

Ｓｉ_３Ｎ_４（ｄ_５０＜０．５μｍ）９０重量％と、Ｙ_２Ｏ_３ ５重量％と、Ａｌ_２Ｏ_３ ５重量％との混合により、粉体を製造した。液状媒体中で混合物をボールミル粉砕する標準の技術により粉体を調製して、凍結乾燥させた。粉体をＳＰＳ装置内にて１５００℃で３０分間緻密化させた。得られた部品は、Ｓｉ_３Ｎ_４で構成されていた。部品は、３分後に既に完全緻密とみなされた。図４は、試料の透過電子顕微鏡像であり、気孔が存在しないことを示している。

Claims (5)

1. 軸受用のセラミック転がり要素であって、少なくとも一方向で３０ｍｍを超える寸法を有するセラミック転がり要素において、前記セラミック転がり要素は、窒化ケイ素、サイアロン又はその混合物と、添加剤として最大１０重量％の希土類酸化物と、を含むとともに電気パルス支援固化（ＳＰＳ）法により焼結されたものであり、前記セラミック転がり要素は均一な微細構造と、理論的密度の少なくとも９９％の密度と、１体積％の最大気孔体積又は０．２体積％の最大気孔体積と、０．２体積％を超えない第２のセラミック相体積分率と、を有し、かつ
   前記第２のセラミック相は未反応の粉体又は電気パルス支援固化法にて形成された副生成物であり、かつ前記セラミック転がり要素は、１５５０〜２２００ｋｇｍｍ^−２であるビッカース硬さＨＶ_１０と、５．０〜８．０ＭＰａｍ^１／２である押込み破壊靭性と、６００〜１０００ＭＰａである４点曲げ強さと、を有することを特徴とするセラミック転がり要素。
2. 前記構造内に残存する可能な気孔が、均一に分布しているか、又は前記転がり要素のごく中心部である同転がり要素の口径の最大２５％の領域のみで観察されることを特徴とする、請求項１に記載のセラミック転がり要素。
3. 前記転がり要素が、５０重量％を超えるβ相含量を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のセラミック転がり要素。
4. 前記均一な微細構造が、三次元網目構造を形成する細長いβ粒子を含むことを特徴とする、請求項３に記載のセラミック転がり要素。
5. 前記第２のセラミック相体積分率は、０．０６体積％を超えないことを特徴とする、請求項１に記載のセラミック転がり要素。