JP2008069036A - 導電性窒化ケイ素焼結体とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 特定の焼結助剤を含有する窒化ケイ素組成物に配合するカーボンナノチューブとして、平均直径が70nm以上、平均アスペクト比が200以下であり、空気雰囲気下に600℃で1時間放置後の減量率が10%以下であるものを用いる。
【選択図】 なし
Description
この窒化ケイ素は難焼結性物質であることから、焼結体の作製にあたっては焼結助剤を
中心に、種々の添加剤が用いられている。その主流の組成系としては、窒化ケイ素−希土
類酸化物−酸化アルミニウム系、窒化ケイ素−希土類酸化物−酸化アルミニウム−酸化チ
タン系などが知られている。これらの組成において、希土類酸化物などの焼結助剤は、焼
結中にSi−R−Al−O−N化合物(式中、Rは希土類元素を表す。)などからなる粒界相(ガラス相)を生成し、焼結体を緻密化して高強度化するための成分である。
熱衝撃性、耐摩耗性などの向上が図られたことがこの材料の実用化を達成させた要因であ
ったが、この材料は本質的に電気的に絶縁体であるため、これが逆に使用中に静電気を生
じて微粉体を付着させる結果を招き、相手金属を傷つけたり種々のトラブルのもとになっ
ている。そのため導電性の窒化ケイ素セラミックスの開発が強く求められていた。
このような目的の下に、窒化ケイ素−希土類酸化物−酸化アルミニウム系に二ホウ化チ
タン(TiB2)や二ホウ化ジルコニウム(ZrB2)を添加した研究例が認められるが
、この場合はかなり多くの導電体の添加が必要であり、本来の窒化ケイ素の性質を失って
しまうため好ましいとは言い難い。
また,窒化ケイ素−希土類酸化物−酸化アルミニウム系に炭素繊維を添加した例も認められるが、炭素粉体を用いる以上に緻密化は困難な状況である(非特許文献2、特許文献1)。
一方、窒化ケイ素−希土類酸化物−酸化アルミニウム系に、酸化チタン、酸化ハフニウ
ム、酸化ジルコニウム等を添加すると耐摩耗性が向上し、更に必要に応じて窒化アルミニ
ウムを添加すると焼結性が著しく向上することが知られている(特許文献2)。
本発明は、かかる問題点を解消し、CNT分散窒化ケイ素焼結体をさらに容易に安定して製造することを目的とするものであり、また、このような窒化ケイ素焼結体の特性値とその信頼性のさらなる向上を目的とするものである。
また、本発明の窒化ケイ素焼結体は、さらにマグネシウム及びタングステンから選ばれる少なくとも1種の化合物を酸化物換算で0.1〜5重量%含有することを特徴としている。
また、本発明の窒化ケイ素焼結体は、前記窒化ケイ素粉末がα相型窒化ケイ素を90重量%以上含有することを特徴としている。
また、本発明の方法は、前記脱脂を酸素含有雰囲気下にて行うことを特徴としている。
また、本発明の方法は、さらに、前記焼結工程により得られた窒化ケイ素焼結体に、30MPa以上の非酸化性雰囲気下にて1600〜1850℃で熱間静水圧加圧(HIP)処理を施す工程を含むことを特徴としている。
また、本発明の方法は、前記窒化ケイ素粉末がα相型窒化ケイ素を90重量%以上含有することを特徴としている。
本発明の耐摩耗性部材は、請求項1〜4のいずれか一項に記載の窒化ケイ素焼結体又は請求項5〜8のいずれか一項に記載の製造方法により製造された窒化ケイ素焼結体からなる。
さらに、直径が大きく、アスペクト比が比較的小さく、耐酸化性が高いCNTを添加することにより、CNTの良好な分散性とパーコレーションによる導通を両立させ、また、CNTの反応による消滅を防止することができるため、緻密で高い導電性を示す焼結体を容易に安定して得ることができる。
本発明の窒化ケイ素焼結体は、希土類化合物を酸化物換算で0.5〜10重量%、平均粒子径が1.0μm以下のチタン属元素の酸化物又は焼成によりチタン属元素の窒化物となるチタン属元素化合物を等モルの窒化チタン換算で0.1〜5重量%、酸化アルミニウム又はその前駆体を酸化物換算で0.1〜5重量%、窒化アルミニウムを0〜5重量%それぞれ含有し、残部が酸素含有量が1.7重量%以下で平均粒子径が1.0μm以下の窒化ケイ素粉末からなる混合物であって、さらに特定のCNTを外掛けで0.3〜12重量%含む混合物を成形し、脱脂後、焼結させることにより形成される。
本発明においては、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムの両方を添加するので、Si−R−Al−O−N化合物(式中、Rは希土類化合物を表す。)から主としてなる粒界相が容易に形成される。
なお、Alと酸素の一部はSi3N4と置換固溶してサイアロンを形成するので、窒化ケイ素焼結体中の窒化ケイ素粒子の一部はサイアロンとして存在する。
希土類化合物やアルミニウム化合物として平均粒子径が1.0μm以下の微細な粉末を用いることが好ましい。
本発明の窒化ケイ素焼結体は、Si−R−Al−O−N化合物(式中、Rは希土類元素を表す。)を主として含む粒界相を2〜20重量%、好ましくは5〜15重量%含有する。粒界相の含有量が2重量%未満であると、窒化ケイ素焼結体が十分に緻密化しないことから、気孔率が増大して曲げ強度や破壊靭性などが低下してしまう。一方、粒界相の含有量が20重量%を超えると、過剰な粒界相により窒化ケイ素焼結体の曲げ強度、破壊靭性、摺動部材に利用した場合の転がり寿命などが低下する。
粒界相は、X線マイクロアナライザー(EPMA)によりその成分を測定することができる。その量は断面積から換算する。
実施例1
酸素含有量が1.3重量%、α相型窒化ケイ素を97重量%含む、平均粒子径が0.6μmのSi3N4(窒化ケイ素)原料粉末(宇部興産製E−10)92重量%に、焼結助剤として平均粒子径が1.1μmのY2O3(酸化イットリウム)粉末(信越化学工業製)を5重量%、平均粒子径が0.4μmのAl2O3(アルミナ)粉末(住友化学工業製AKP−30)を3重量%を秤量し、これに、平均粒子径が0.2μmのTiO2(酸化チタン)粉末(堺化学工業製)を5重量%と、平均粒子径が0.6μmのAlN(窒化アルミニウム)粉末を5重量%外掛けで秤量した。さらに、これらの外掛けで平均直径が100nm、平均長が10μm、平均アスペクト比が100、空気雰囲気下に600℃で1時間放置後の減量率が0%であり、c面の面間隔が0.682nmであるCNTを1.8重量%秤量した。これらをエチルアルコール中で窒化ケイ素ボールを用いて96時間湿式混合した後に乾燥して原料混合物を調製した。
かくして得られた窒化ケイ素焼結体の相対密度は94.6%、また4点法で測定した導電率は110Ω−1m−1であり、曲げ強度・破壊靱性ともにCNT無添加系と同等の特性示した。
CNTとして、平均直径が150nm、平均長が7μm、平均アスペクト比が47、空気雰囲気下に600℃で1時間放置後の減量率が0%であり、c面の面間隔が0.682nmであるものを用いる以外は実施例1と同様にして窒化ケイ素焼結体を作製した。かくして得られた窒化ケイ素焼結体は、93.1%の相対密度を有し、実施例1と同様に曲げ強度・破壊靱性ともにCNT無添加系と同等の特性示した。
CNTとして、平均直径が20nm、平均長が5μm、平均アスペクト比が250、空気雰囲気下に600℃で1時間放置後の減量率が94%であり、c面の面間隔が0.686nmであるものを用いる以外は実施例1と同様にして窒化ケイ素焼結体を作製した。かくして得られた窒化ケイ素焼結体は、絶縁性となり導電率は測定不能であった。
Claims (9)
- 希土類化合物を酸化物換算で0.5〜10重量%、平均粒子径が1.0μm以下のチタン属元素の酸化物又は焼成によりチタン属元素の窒化物となるチタン属元素化合物を等モルの窒化チタン換算で0.1〜5重量%、酸化アルミニウム又はその前駆体を酸化物換算で0.1〜5重量%、窒化アルミニウムを0〜5重量%それぞれ含有し、残部が酸素含有量が1.7重量%以下で平均粒子径が1.0μm以下の窒化ケイ素粉末からなる混合物に、さらに平均直径が70nm以上、平均アスペクト比が200以下であり、空気雰囲気下に600℃で1時間放置後の減量率が10%以下であるカーボンナノチューブ(CNT)を外掛けで0.3〜12重量%含有させてなる混合物を成形し、脱脂後、焼結してなることを特徴とする窒化ケイ素焼結体。
- 窒化ケイ素からなる結晶粒を母相とし、Si−R−Al−O−N化合物(式中、Rは希土類元素を表す。)を主とする粒界相を含む請求項1に記載の窒化ケイ素焼結体。
- さらにマグネシウム及びタングステンから選ばれる少なくとも1種の化合物を酸化物換算で0.1〜5重量%含有する請求項1又は2に記載の窒化ケイ素焼結体。
- 前記窒化ケイ素粉末がα相型窒化ケイ素を90重量%以上含有する請求項1〜3のいずれか一項に記載の窒化ケイ素焼結体。
- 希土類化合物を酸化物換算で0.5〜10重量%、平均粒子径が1.0μm以下のチタン属元素の酸化物又は焼成によりチタン属元素の窒化物となるチタン属元素化合物を等モルの窒化チタン換算で0.1〜5重量%、酸化アルミニウム又はその前駆体を酸化物換算で0.1〜5重量%、窒化アルミニウムを0〜5重量%それぞれ含有し、残部が酸素含有量が1.7重量%以下で平均粒子径が1.0μm以下の窒化ケイ素粉末からなる混合物に、さらに平均直径が70nm以上、平均アスペクト比が200以下であり、空気雰囲気下に600℃で1時間放置後の減量率が10%以下であるカーボンナノチューブ(CNT)を外掛けで0.3〜12重量%含有させてなる混合物を所望の形状に成形し脱脂する工程、及び該成形体を窒素含有非酸化性雰囲気下にて1600〜1900℃で焼結する工程を有することを特徴とする窒化ケイ素焼結体の製造方法。
- 前記脱脂を酸素含有雰囲気下にて行う請求項5に記載の窒化ケイ素焼結体の製造方法。
- さらに、前記焼結工程により得られた窒化ケイ素焼結体に、30MPa以上の非酸化性雰囲気下にて1600〜1850℃で熱間静水圧加圧(HIP)処理を施す工程を含む請求項5又は6に記載の窒化ケイ素焼結体の製造方法。
- 前記窒化ケイ素粉末がα相型窒化ケイ素を90重量%以上含有する請求項5〜7のいずれか一項に記載の窒化ケイ素焼結体の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載の窒化ケイ素焼結体又は請求項5〜8のいずれか一項に記載の製造方法により製造された窒化ケイ素焼結体からなる耐摩耗性部材。
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