[发明专利]氮化硅耐磨部件及其制造方法

说明书

本申请是2004年9月27日提交的名称为“氮化硅耐磨部件及其制造方法”的200480027732.4号申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种基于氮化硅的耐磨(磨损)部件及制造所述部件的方法，更详细地，涉及一种即使制备时使用金属氮化生产的便宜的粉末氮化硅，但与普通烧结氮化硅相比仍具有相同或更高的机械强度、高耐磨性和滚动寿命、且可加工性更出色的氮化硅耐磨部件，以及制造所述部件的方法。

背景技术

常规的烧结氮化硅已知的组成为，例如，氮化硅/稀土氧化物/氧化铝，或氮化硅/氧化钇/氧化铝/氮化铝/钛。包括稀土氧化物如上述组成中的氧化钇(Y₂O₃)的烧结助剂已广泛用于增强烧结，以增加所述烧结体的密度和强度。

用于滚动轴承部件的普通氮化硅烧结体要求有高的耐磨性(耐磨损性)，特别要求有出色的滑动性能，其通常用例如通过酰亚胺热分解合成的高纯度氮化硅细粉作为原料粉末而制得。

然而，用于滚动轴承部件的普通氮化硅烧结体在按照酰亚胺热分解方法合成时要使用昂贵的原料粉末。而且，普通氮化硅烧结体的机械强度或断裂韧度如此高，以至该烧结体的可加工性差。因此，造成了一个问题，即由耐磨部件形成的产品所涉及的制造成本较高。

尽管通过常规方法制造的氮化硅烧结体具有更高的弯曲强度、增加的断裂韧度及改善的耐磨性，但是轴承部件所特别要求的滚动特性和耐久性不够好。

近年来，对用于精密仪器部件的陶瓷材料的需求在增加。在这类应用中，陶瓷高硬度、轻重量(轻巧)及高耐磨性等优点与高耐腐蚀性和低热膨胀等优点一起得到了利用。特别由于其硬度高、耐磨性优异，陶瓷材料在形成滑动部分的耐磨部件如轴承上的应用发展迅速。

然而，当轴承滚球是由陶瓷耐磨部件制得时，耐磨部件的滚动寿命不够好。滚球在高应力下与轴套接触地不断滚动，在很短的操作期内就会产生剥落或破裂(破碎)。剥落或破裂会产生包括轴承的装置的振动，或易于引起装置损坏。在任一种情况下，都会形成这样的问题，作为所述装置的组成材料，陶瓷耐磨部件表现出差的耐久性和低的可靠性。

而且，制造具有细致均匀的烧结体紧密结构及出色的强度特性的耐磨部件要求使用杂质含量低的高纯度陶瓷原料粉末。这种情况增加了原材料粉末的成本，因此极大地增加了耐磨部件的制造成本。

本发明已完成了对上述问题的处理。相应地，本发明的目的是提供适用于滚动轴承部件的氮化硅耐磨部件及制造该部件的方法。对所述氮化硅耐磨部件而言，即使制备时使用通过金属氮化而生产的便宜的粉末氮化硅，与常规的烧结氮化硅相比其仍具有相同或更高的机械强度、耐磨性和滚动寿命，并且具有特别出色的可加工性。

发明内容

为了实现上述目的，本发明人在实验中改变了在普通氮化硅烧结体制造中广泛使用的氮化硅原料粉末的种类、烧结助剂或添加剂的种类和用量及烧制条件，并由此研究了这些因素对产生的烧结体特性的影响。

其结果是，本发明人发现，在制备原料混合物时向通过金属氮化而合成的便宜的氮化硅细粉中加入预定量的稀土氧化物、诸如氧化铝或氮化铝等的铝组分、碳化硅、及任选的至少一种选自以下Ti、Hf、Zr、W、Mo、Ta、Nb和Cr组中的元素，对该原料混合物进行烧结并在预定的条件下对烧结体进行HIP(热等静压)处理，与常规的氮化硅烧结体相比，由此制得的氮化硅耐磨部件可以具有相同或更高的密度、机械强度、耐磨性和滚动寿命及特别出色的可加工性，并且该氮化硅耐磨部件适用于滚动轴承部件。

本发明人还发现，通过在一定范围内对铁(Fe)和钙(Ca)等特定杂质元素进行控制，可防止或减少在烧结的氮化硅结构中形成粘结部分(聚集部分)。这可以减少起破裂源(引发部分)作用的易碎部分，并提供具有出色寿命特性的耐磨部件。本发明正基于这些发现而完成。

即，本发明的氮化硅耐磨部件由氮化硅烧结体形成，该氮化硅烧结体含有2-4质量%(氧化物当量)的用作烧结助剂的稀土元素、2-6质量%(氧化物当量)的Al组分及2-7质量%的碳化硅，且具有1%或更低的孔隙率、800-1000MPa的三点弯曲强度及5.7-6.6MPa·m^1/2的断裂韧度。

在上述氮化硅耐磨部件中，所述烧结的氮化硅优选含有3质量%或更低(氧化物当量)的至少一种选自以下组中的元素：Ti、Zr、Hf、W、Mo、Ta、Nb和Cr。