耐磨元件以及制造该耐磨元件的方法技术

一种由主要由氮化硅形成的陶瓷烧结体所形成的耐磨元件，该陶瓷烧结体含有10-3500ppm的按照Fe元素计的Fe成分、大于1000ppm至2000ppm的按照Ca元素计的Ca成分、和1-2000ppm的按照Mg元素计的Mg成分，其中氮化硅晶粒的β-相比是95%或者更大，氮化硅晶粒的最大长径是40μｍ或者更低，通过XRD(X射线衍射方法)没有检测出存在于晶界相中的Ca成分，并且该耐磨元件在维氏硬度、断裂韧性和密度中每个的离差处于±10%的范围。根据这种结构，可以获得一种包含陶瓷烧结体的耐磨元件，其除了优异的耐磨性能之外，还具有改进的研磨工作性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种耐磨(耐磨损)元件以及制造该元件的方法，并且更具体地涉及一种包含主要由氮化硅所形成的陶瓷烧结体的耐磨元件，以及制造该耐磨元件的方法。
技术介绍
陶瓷烧结体具有轻、高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性和低热膨胀系数的性能，使得陶瓷烧结体广泛地作为元件用于构成精制的装置。具体地，从优异的高硬度和耐磨性的观点来说，陶瓷烧结体已经被优选作为耐磨元件用于构成轴承。在不同的陶瓷烧结体中，氮化硅(Si3N4)烧结体具有高硬度和优异的耐磨性，使得氮化硅烧结体优选作为元件用于构成轴承等。关于这种氮化硅烧结体，为了改进作为构成轴承等的耐磨元件的可靠性，一段时间以来已经进一步改进了性能。例如，已经提出了一种制造氮化硅烧结体的方法，包含步骤通过将钇氧化物、尖晶石、氧化铝和/或氮化铝以规定的金属元素的预定摩尔比和预定的含量比加入到氮化硅材料粉末，来制备材料粉末混合物；制备由该材料粉末混合物所形成的压实体(模制体)；在1400_1500°C的温度烧结该压实体；在1500-1650°C的温度进一步烧结该压实体，由此来获得相对密度为大约98%的烧结体；和在IOatm或者更大的氮气氛中，在1400-1650°C的温度对该烧结体进行次级烧结(主烧结)操作，由此来将相对密度提高到大约99%，以便能够制造强度优异，并且在强度性能方面具有较低分散的氮化硅烧结体(例如参考专利文献I)。另外，作为用于制造这种类型的氮化硅烧结体所用的氮化硅原料粉末，通常已知的是优选使用高纯材料粉末。例如，通过酰亚胺热分解方法所合成的高纯度材料粉末是适用的。但是，这种高纯度材料粉末是非常昂贵的，并且因此所制造的氮化硅烧结体的机械强度和断裂韧性值倾向于变得过大，因此产生了这样的问题，即，所形成的烧结体的可加工性是不足的。为了解决这个问题，已经论述了一种通过使用廉价的氮化硅原料粉末来制造氮化硅烧结体的方法，该氮化硅原料粉末是通过将金属Si直接氮化的直接氮化方法来制造的。该通过直接氮化方法所制造的氮化硅原料粉末具有相对大的Fe和Ca含量。但是，已知的是当将稀土元素、铝成分和碳化硅等的含量控制到预定的范围内时，可以获得机械强度、耐磨性和滚动寿命性能等于或者大于常规烧结体的烧结体，并且所形成的烧结体的可加工性也是优异的(例如参见专利文献2)。如上所述，当由该含有氮化硅原料粉末的材料粉末的混合物所形成的压实体(模制体)进行初级烧结时，获得了相对密度为大约98%的烧结体。其后，将所形成的烧结体进一步在压力为IOatm或者更大的氮气氛中进行次级烧结操作，从而获得相对密度高于98%、优选99%或者更大的烧结体，由此来制造强度优异，并且强度性能分散较小的氮化硅烧结体。但是，为了在初级烧结操作获得大约98%的相对密度，必须严格的控制该制造方法，因此产生了这样的问题，即，制造氮化硅烧结体所需的生产成本不利地增加了。如上所述，通过直接氮化方法所制造的氮化硅材料粉末的成本是相对低的。此夕卜，当将包含在氮化硅材料粉末中的稀土元素、铝成分和碳化硅等的量控制到预定的范围内时，可以制造这样的氮化硅烧结体，其具有优异的机械强度、耐磨性和滚动寿命(rollinglife)性能等，特别是优异的加工性。现有技术文献专利文献 专利文献I :日本专利申请(公开)No. 06-080470专利文献2 :国际专利申请(公开)NO.W02005/03067
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题但是，因此所制造的氮化硅烧结体表现出它特性的离差(分散性)，因此当这些氮化硅烧结体在更苛刻的条件下用作耐磨元件时，产生了这样的问题，即，一些烧结体具有不足的特性。此外，因为存在上述特性的离差(dispersion),当烧结体加工成耐磨元件时,一些烧结体在加工过程等期间易于损坏，因此产生了在耐磨元件制造加工时，产率降低的严重问题。此外，在氮化硅烧结体用作耐磨元件的情况中，研磨加工是一个基本方法。但是，因为高密度的氮化硅烧结体是一种硬质材料，其难以进行研磨加工，因此研磨加工的负荷很大，因此需要大量的人工-小时和加工时间。本专利技术已经解决了上述问题。因此，本专利技术的一个目标是提供一种耐磨(磨损)元件，其包含能够以低成本制造和同时能够抑制特性的离差的氮化硅烧结体。具体的，本专利技术的目标是提供一种能够降低其研磨加工的负荷的耐磨元件。本专利技术的另一目标是提供一种有效制造这样的耐磨元件的方法。解决问题的手段为了实现上述目标，本专利技术的一种实施方案提供了一种由主要由氮化硅烧结体组成的陶瓷烧结体所形成的耐磨元件，该陶瓷烧结体含有10-3500ppm的按照Fe元素计的Fe成分，大于IOOOppm至2000ppm的按照Ca元素计的Ca成分，和l_2000ppm的按照Mg元素计的Mg成分，其中氮化硅晶粒的P -相比是95%或者更大，氮化硅晶粒的最大长径是40 um或者更低，通过XRD (X射线衍射方法)没有检测出存在于晶界相中的Ca成分，并且该耐磨元件内部的维氏(Vicker)硬度、断裂韧性和密度中每个的离差处于±10%的范围。优选的是通过XRD没有检测出存在于该陶瓷烧结体的晶界相中的Mg成分。此外，还优选的是该陶瓷烧结体包含0. 1-5质量％的选自下面的至少一种元素Ti，Zr，Hf，W，Mo，Ta, Nb和Cr。此外,还优选的是前述陶瓷烧结体包含1_5质量％的以稀土元素计的稀土成分,和1-5质量％的以Al兀素计的Al成分。另外，还优选的是该陶瓷烧结体的维氏硬度是1400或者更大。此外，还优选的是定义为构成耐磨元件的氮化硅晶粒的各长径比的平均值的平均长径比是2或者更大。此夕卜，还优选的是该陶瓷烧结体包含表面粗糙度(Ra)是Iy m或者更低的研磨的表面。根据本专利技术的另外一种实施方案，这里提供了一种制造由主要由氮化硅形成的陶瓷烧结体所形成的耐磨元件的方法，该方法包含步骤制备一种材料粉末混合物，其含有氮化硅材料粉末、烧结剂粉末、10-3500ppm的按照Fe元素计的Fe成分、大于IOOOppm至2000ppm的按照Ca元素计的Ca成分、和l_2000ppm的按照Mg元素计的Mg成分；模制该材料粉末混合物，由此来形成模制体；在1600-1950°C的烧结温度对该模制体进行初级烧结操作，由此来获得相对密度为80%或者更高且小于98%的初级烧结体； 冷却该初级烧结体，其中在烧结温度到1400°C的温度范围内，将冷却速率控制到IOO0C /小时或者更大；在1600-1900°C的烧结温度对该初级烧结体进行次级烧结操作，由此来获得相对密度为98%或者更大的次级烧结体；和冷却该次级烧结体，其中在烧结温度到1400°C的温度范围内，将冷却速率控制到100°C /小时或者更大。此外，还优选的是该次级烧结操作是通过对初级烧结体进行高温等静压(HIP)方法来实施。此外，还优选的是该陶瓷烧结体包含1-5质量％的以稀土元素计的稀土成分和1-5质量％的以Al元素计的Al成分作为烧结剂。仍然的另外，还优选的是该方法进一步包含研磨该陶瓷烧结体的步骤，从而将该陶瓷烧结体的表面粗糙度Ra控制到I y m或者更低。本专利技术的效果根据本专利技术由主要由氮化硅烧结体组成的陶瓷烧结体所形成的耐磨元件，该陶瓷烧结体含有10-3500ppm的按照Fe元素计的Fe成分、大于IOOOppm至2000ppm本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：高尾实，
申请(专利权)人：株式会社东芝，东芝高新材料公司，
类型：发明
国别省市：