JP2015086116A - Silicon nitride sintered body and abrasion resistant member - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化珪素質焼結体および耐磨耗性部材に関するものである。 The present invention relates to a silicon nitride sintered body and an abrasion resistant member.
窒化珪素質焼結体は、機械的特性に優れていることから、構造用セラミックスとして様々な用途に用いられており、更に特性を向上させるべく、構成や組成などの検討が進められている。 Silicon nitride-based sintered bodies are used for various applications as structural ceramics because of their excellent mechanical properties, and studies are underway on their composition and composition in order to further improve their properties.
例えば、特許文献1では、母相となる窒化ケイ素が66〜99体積%のβ−Si3N4と残部のα−Si3N4とからなり、これらの窒化ケイ素は短軸径500nm以下でアスペクト
比5〜25の柱状結晶と平均粒径300nm以下の等軸状結晶とで構成され、且つ母相結晶粒
内及び粒界相にチタン化合物を含有する窒化ケイ素系焼結体が提案されている。
For example, in Patent Document 1, silicon nitride as a parent phase is composed of 66 to 99% by volume of β-Si 3 N 4 and the remaining α-Si 3 N 4, and these silicon nitrides have a minor axis diameter of 500 nm or less. A silicon nitride-based sintered body composed of columnar crystals having an aspect ratio of 5 to 25 and equiaxed crystals having an average grain size of 300 nm or less and containing a titanium compound in the parent phase crystal grains and the grain boundary phase has been proposed. Yes.
特許文献1で提案された窒化ケイ素系焼結体は、機械的強度や破壊靭性に優れているというものであるが、高速若しくは長時間の摺動を伴う用途において求められている高い耐磨耗性を有するものではなかった。 The silicon nitride-based sintered body proposed in Patent Document 1 is excellent in mechanical strength and fracture toughness, but has high wear resistance required in applications involving high-speed or long-time sliding. It did not have sex.
本発明は、上記要求を満たすべく案出されたものであり、耐磨耗性が高い窒化珪素質焼結体およびこの窒化珪素質焼結体からなる耐磨耗性部材を提供するものである。 The present invention has been devised to satisfy the above-described requirements, and provides a silicon nitride-based sintered body having high wear resistance and a wear-resistant member comprising the silicon nitride-based sintered body. .
本発明の窒化珪素質焼結体は、窒化チタンおよび炭窒化チタンの少なくともいずれかの硬質結晶を含み、チタンを窒化チタン換算した含有量が5質量%以上10質量%以下であるとともに、硬質結晶にアルミニウムおよびカルシウムの少なくともいずれかを含むことを特徴とするものである。 The silicon nitride-based sintered body of the present invention contains hard crystals of at least one of titanium nitride and titanium carbonitride, and the content of titanium in terms of titanium nitride is 5 mass% or more and 10 mass% or less. Includes at least one of aluminum and calcium.
また、本発明の耐磨耗性部材は、上記構成の窒化珪素質焼結体からなることを特徴とするものである。 The wear resistant member of the present invention is characterized by comprising the silicon nitride sintered body having the above-described configuration.
本発明の窒化珪素質焼結体によれば、窒化チタンおよび炭窒化チタンの少なくともいずれかの硬質結晶を含み、チタンを窒化チタンに換算した含有量が5質量%以上10質量%以下であるとともに、硬質結晶にアルミニウムおよびカルシウムの少なくともいずれかを含むことから、硬質結晶の硬度が高くなるため、耐磨耗性に優れる。 According to the silicon nitride-based sintered body of the present invention, it contains at least one of hard crystals of titanium nitride and titanium carbonitride, and the content of titanium converted to titanium nitride is 5 mass% or more and 10 mass% or less. Since the hard crystal contains at least one of aluminum and calcium, the hardness of the hard crystal is increased, and thus the wear resistance is excellent.
また、本発明の耐磨耗性部材によれば、優れた耐磨耗性を有する窒化珪素質焼結体からなることにより、磨耗量が少ないため長期間にわたって使用することができるとともに、磨耗粉等によって搭載設備に不具合を起こすおそれを少なくすることができる。 Further, according to the wear-resistant member of the present invention, the wear-resistant member can be used over a long period of time because it is made of a silicon nitride-based sintered body having excellent wear resistance. It is possible to reduce the risk of causing problems on the installed equipment.
本実施形態の窒化珪素質焼結体は、窒化チタンおよび炭窒化チタンの少なくともいずれかの硬質結晶を含み、チタンを窒化チタンに換算した含有量が5質量%以上10質量%以下であるとともに、硬質結晶にアルミニウムおよびカルシウムの少なくともいずれかを含む。 The silicon nitride-based sintered body of the present embodiment includes at least one of hard crystals of titanium nitride and titanium carbonitride, and the content of titanium converted to titanium nitride is 5% by mass or more and 10% by mass or less. The hard crystal contains at least one of aluminum and calcium.
上述した構成を満たしていることにより、耐磨耗性に優れた窒化珪素質焼結体とすることができる。このように、優れた耐磨耗性を有することができるのは、アルミニウムおよびカルシウムの少なくともいずれかを含むことで硬質結晶の硬度が増し、チタンを窒化チタンに換算した含有量が5質量%以上10質量%以下であることにより、緻密化を妨げることなく、硬度の増した硬質結晶が窒化珪素質焼結体に存在しているからである。 By satisfying the above-described configuration, a silicon nitride sintered body having excellent wear resistance can be obtained. Thus, it is possible to have excellent wear resistance because the hardness of the hard crystal is increased by containing at least one of aluminum and calcium, and the content of titanium converted to titanium nitride is 5% by mass or more. This is because when the content is 10% by mass or less, hard crystals having increased hardness exist in the silicon nitride sintered body without hindering densification.
そして、本実施形態の窒化珪素質焼結体における窒化チタンおよび炭窒化チタンの少なくともいずれかの硬質結晶については、X線回折装置(XRD)を用いて測定して同定することにより確認することができる。 And at least one of the hard crystals of titanium nitride and titanium carbonitride in the silicon nitride-based sintered body of this embodiment can be confirmed by measuring and identifying using an X-ray diffractometer (XRD). it can.
また、チタンを窒化チタンに換算した含有量については、蛍光X線分析装置(XRF)またはICP(Inductively Coupled Plasma)発光分析装置(ICP)によって得られたチタン(Ti)の含有量から窒化チタン(TiN)に換算すればよい。 The content of titanium converted to titanium nitride is determined from the content of titanium (Ti) obtained by a fluorescent X-ray analyzer (XRF) or an ICP (Inductively Coupled Plasma) emission analyzer (ICP). What is necessary is just to convert into TiN).
また、硬質結晶にアルミニウムおよびカルシウムの少なくともいずれかを含んでいるか否かについては、窒化珪素質焼結体の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、付設のエネルギー分散型X線分析装置(EDS)で硬質結晶にX線を照射したとき、アルミニウム(Al)およびカルシウム(Ca)の少なくともいずれかが検出されればよい。なお、窒化珪素質焼結体の断面とは、研磨によって得られた鏡面のことである。 Further, as to whether or not the hard crystal contains at least one of aluminum and calcium, the cross section of the silicon nitride sintered body is observed with a scanning electron microscope (SEM), and the attached energy dispersive X-ray analyzer When the hard crystal is irradiated with X-rays with (EDS), at least one of aluminum (Al) and calcium (Ca) may be detected. The cross section of the silicon nitride based sintered body is a mirror surface obtained by polishing.
図1は、本実施形態の窒化珪素質焼結体の一例を示す、(a)は断面の写真であり、(b)はエネルギー分散型X線分析による硬質結晶の分析例である。図1(a)は、SEMで撮影した写真であり、白く確認されるのが硬質結晶1であり、硬質結晶1の周囲等で黒く確認されるのが窒化珪素結晶2である。そして、図1(b)は、SEMで撮影した画像における硬質結晶1にX線を照射したときのものであり、AlおよびCaが検出されており、このような結果が得られるとき、硬質結晶にアルミニウムおよびカルシウムの少なくともいずれかを含んでいるという。 FIG. 1 shows an example of a silicon nitride-based sintered body of the present embodiment, where (a) is a photograph of a cross section, and (b) is an analysis example of hard crystals by energy dispersive X-ray analysis. FIG. 1A is a photograph taken with an SEM. The hard crystal 1 is confirmed to be white, and the silicon nitride crystal 2 is confirmed to be black around the hard crystal 1. FIG. 1B shows a case where X-rays are applied to the hard crystal 1 in an image taken with an SEM. When Al and Ca are detected, and when such a result is obtained, the hard crystal 1 is obtained. It contains at least one of aluminum and calcium.
また、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いることによっても、硬質結晶にアルミニウムおよびカルシウムの少なくともいずれかを含んでいるか否かを確認することができる。 It is also possible to confirm whether or not the hard crystal contains at least one of aluminum and calcium by using a transmission electron microscope (TEM).
なお、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、珪素を窒化珪素に換算した値で、窒化珪素質焼結体を構成する全成分のうち80質量%以上含有すればよく、特に90質量%以上含有すると機械的特性がより高まる傾向があるため好適である。測定方法としては、蛍光X線分析装置(XRF)またはICP(Inductively Coupled Plasma)発光分析装置(ICP)によって得られた珪素(Si)の含有量から窒化珪素(Si3N4)に換算すればよい。 The silicon nitride-based sintered body of the present embodiment is a value obtained by converting silicon into silicon nitride, and may contain 80% by mass or more of all components constituting the silicon nitride-based sintered body, particularly 90% by mass. The above content is preferable because the mechanical properties tend to increase. As a measuring method, if content of silicon (Si) obtained by a fluorescent X-ray analyzer (XRF) or an ICP (Inductively Coupled Plasma) emission analyzer (ICP) is converted into silicon nitride (Si 3 N 4 ) Good.
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、表面における1mm2当たりに、円相当径が0.2μm以上1.0μm以下の硬質結晶が2.1×103個以上4.2×103個以下存在していることが好適である。なお、ここでいう表面とは、窒化珪素質焼結体の外側を成す面のことであるが、硬質結晶の個数の測定にあたって、窒化珪素質焼結体の表面を研磨して得られた鏡面も含むものである。 The silicon nitride sintered body of the present embodiment has 2.1 × 10 3 or more and 4.2 × 10 3 or less hard crystals having an equivalent circle diameter of 0.2 μm or more and 1.0 μm or less per 1 mm 2 on the surface. It is preferable that Here, the surface is a surface that forms the outside of the silicon nitride sintered body, but a mirror surface obtained by polishing the surface of the silicon nitride sintered body when measuring the number of hard crystals. Is also included.
表面における1mm2当たりに、円相当径が0.2μm以上1.0μm以下の硬質結晶が2.1
×103個以上4.2×103個以下存在しているときには、さらに耐磨耗性を向上することが
できる。
Hard crystal having an equivalent circle diameter of 0.2 μm or more and 1.0 μm or less per 2.1 mm 2 on the surface is 2.1.
When there are x10 3 or more and 4.2 x 10 3 or less, the wear resistance can be further improved.
そして、表面における円相当径が0.2μm以上1.0μm以下の硬質結晶の1mm2当たりの個数を求めるには、まず、窒化珪素質焼結体の表面を研磨して鏡面とする。具体的には、平均粒径が0.05〜0.15μmのダイヤモンド砥粒を錫製のラップ盤に供給して窒化珪素質焼結体の表面を研磨すればよい。そして、研磨によって得られた鏡面を洗浄した後、光学顕微鏡を用いて1000倍の倍率で観察し、CCDカメラで撮影した面積が1.2×105μm2
(横方向の長さが150μm、縦方向の長さが80μm)となる範囲の画像を取り込み、画像
解析ソフト「A像くん」(登録商標、旭化成エンジニアリング(株)製)による粒子解析を行なうことで求めることができる。なお、粒子解析の設定条件としては、例えば、明度を明に設定し、2値化の方法を手動、小図形除去面積を0μm、画像の明暗を示す指標であるしきい値を、画像内の各点(各ピクセル)が有する明るさを示すヒストグラムのピーク値の0.88倍以下とする。なお、光学顕微鏡の代わりに走査型電子顕微鏡を用いても構わない。
And in order to obtain | require the number per 1 mm < 2 > of the hard crystal whose circle equivalent diameter in a surface is 0.2 micrometer or more and 1.0 micrometer or less, first, the surface of a silicon nitride sintered body is grind | polished to make a mirror surface. Specifically, diamond abrasive grains having an average particle diameter of 0.05 to 0.15 μm may be supplied to a tin lapping machine to polish the surface of the silicon nitride based sintered body. Then, after the mirror surface obtained by polishing was washed, the surface was observed with a magnification of 1000 using an optical microscope, and the area photographed with a CCD camera was 1.2 × 10 5 μm 2.
Capture an image in the range of 150 μm in the horizontal direction and 80 μm in the vertical direction, and perform particle analysis using the image analysis software “A Image-kun” (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Engineering Corp.). Can be obtained. As the setting conditions for the particle analysis, for example, the brightness is set to light, the binarization method is manually set, the small figure removal area is set to 0 μm, and a threshold value that is an index indicating the brightness of the image is set in the image. It is set to 0.88 times or less of the peak value of the histogram indicating the brightness of each point (each pixel). A scanning electron microscope may be used instead of the optical microscope.
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、モリブデン、クロム、鉄、ニッケル、マンガン、バナジウム、ニオブ、タンタル、コバルトおよびタングステンの少なくともいずれか1種からなる珪化物を含み、金属換算での含有量が0.08質量%以上0.16質量%以下であることが好適である。 In addition, the silicon nitride sintered body of the present embodiment includes a silicide composed of at least one of molybdenum, chromium, iron, nickel, manganese, vanadium, niobium, tantalum, cobalt, and tungsten. The content is preferably 0.08% by mass or more and 0.16% by mass or less.
上述した構成を満たしているときには、窒化珪素質焼結体の色調を暗色化することができるとともに、上記金属の珪化物が熱力学的に安定していることから高温における機械的特性を向上することができる。 When the above-described configuration is satisfied, the color tone of the silicon nitride sintered body can be darkened, and the mechanical properties at high temperatures are improved because the metal silicide is thermodynamically stable. be able to.
また、上記金属との珪化物としては、例えば、組成式がMoSi2,Mo3Si2,Mo5Si3,CrSi,Cr2Si,Cr3Si,CrSi3,Cr5Si3,CrSi2,FeSi3,FeSi2,FeSi,Fe2Si,Fe2Si3,Fe3Si,Fe3Si2,Fe3Si4,Fe3Si7,Fe5Si2,Fe5Si3,NiSi3,NiSi2,NiSi,Ni2Si,Ni2Si3,Ni3Si,Ni3Si2,Ni3Si4,Ni3Si7,Ni5Si2,Ni5Si3,MnSi,Mn2Si,MnSi2,VSi,VSi2,VSi3,V2Si,V3Si5,NbSi,NbSi2,Nb2Si,Nb5Si3,TaSi2,TaSi3,Ta2Si3,Ta5Si,CoSi,CoSi2,CoSi2,Co5Si3,WSi2,W3Si2およびW5Si3で表されるものであり、XRDで測定して同定することによって確認することができる。 Examples of the silicide with the metal include, for example, a composition formula of MoSi 2 , Mo 3 Si 2 , Mo 5 Si 3 , CrSi, Cr 2 Si, Cr 3 Si, CrSi 3 , Cr 5 Si 3 , CrSi 2 , FeSi 3 , FeSi 2 , FeSi, Fe 2 Si, Fe 2 Si 3 , Fe 3 Si, Fe 3 Si 2 , Fe 3 Si 4 , Fe 3 Si 7 , Fe 5 Si 2 , Fe 5 Si 3 , NiSi 3 , NiSi 2, NiSi, Ni 2 Si, Ni 2 Si 3, Ni 3 Si, Ni 3 Si 2, Ni 3 Si 4, Ni 3 Si 7, Ni 5 Si 2, Ni 5 Si 3, MnSi, Mn 2 Si, MnSi 2 , VSi, VSi 2, VSi 3 , V 2 Si, V 3 Si 5, NbSi, NbSi 2, Nb 2 Si, Nb 5 Si 3, TaSi 2, T Si 3, Ta 2 Si 3, Ta 5 Si, CoSi, are those represented by the CoSi 2, CoSi 2, Co 5 Si 3, WSi 2, W 3 Si 2 and W 5 Si 3, as measured by XRD It can be confirmed by identifying.
特に、上記金属の珪化物が、タングステンの珪化物であるとき、XRDによって求められるWSi2の(101)面および(103)面におけるピーク強度I(WSi2)に対するW5Si3の(411)面および(321)面におけるピーク強度I(W5Si3)の比率I(W5Si3)/I(WSi2)は、が0.1以上であることが好適であり、この比率が0.1以上であると、耐熱性を向上することができる。さらには、タングステンの珪化物としては、W5Si3(JCPDS#81−1916)であることが好適である。 In particular, when the metal silicide is a tungsten silicide, the W 5 Si 3 (411) with respect to the peak intensity I (WSi 2 ) in the (101) plane and the (103) plane of WSi 2 determined by XRD. The ratio I (W 5 Si 3 ) / I (WSi 2 ) of the peak intensity I (W 5 Si 3 ) in the plane and the (321) plane is preferably 0.1 or more, and this ratio is 0.1 or more When it exists, heat resistance can be improved. Further, the tungsten silicide is preferably W 5 Si 3 (JCPDS # 81-1916).
そして、上記金属の珪化物は、その平均粒径が0.1μm以上0.25μm以下、望ましくは
平均粒径が0.1μm以上0.2μm以下の粒子として点在していることが好適である。ここで、上記金属の珪化物の平均粒径は、鏡面加工した断面をSEMを用いて、粒子が20個以上になるように倍率を設定した後、反射電子像を用いて、JIS R 1670−2006で規定されるグレインサイズ測定方法における円相当径を採用して求めた値である。
The metal silicide is preferably interspersed as particles having an average particle size of 0.1 μm or more and 0.25 μm or less, and preferably an average particle size of 0.1 μm or more and 0.2 μm or less. Here, the average particle diameter of the metal silicide was determined by using a reflection electron image after setting the magnification so that the mirror-finished cross section was 20 or more using SEM. This is a value obtained by adopting the equivalent circle diameter in the grain size measuring method specified in 2006.
そして、本実施形態の耐磨耗性部材は、優れた耐磨耗性を有する上述した本実施形態の窒化珪素質焼結体からなることにより、磨耗量が少ないため長期間にわたって使用することができるとともに、磨耗粉等によって搭載設備に不具合を起こすおそれを少なくすることができる。ここで、耐磨耗性部材とは、例えば、高速若しくは長時間の摺動を伴う用途に用いられる部材である。 The wear resistant member of the present embodiment is composed of the above-described silicon nitride sintered body of the present embodiment having excellent wear resistance, so that the wear amount is small, so that it can be used over a long period of time. In addition, it is possible to reduce the risk of causing problems in the mounting equipment due to wear powder or the like. Here, the wear resistant member is a member used for applications involving high speed or long-time sliding, for example.
次に、本実施形態の窒化珪素質焼結体の製造方法の一例について説明する。 Next, an example of a method for manufacturing the silicon nitride sintered body of this embodiment will be described.
β化率が20%以下である窒化珪素の粉末と、焼結助剤として、酸化アルミニウム、アルミン酸マグネシウムおよび炭酸カルシウムの各粉末と、チタン源として酸化チタン、窒化チタンおよび炭窒化チタンの各粉末の中から少なくともいずれか1種とを選択する。そして、各種粉末を秤量して1次原料とする。 Silicon nitride powder having a β conversion ratio of 20% or less, powders of aluminum oxide, magnesium aluminate and calcium carbonate as sintering aids, powders of titanium oxide, titanium nitride and titanium carbonitride as titanium sources At least one of them is selected. Then, various powders are weighed to make primary materials.
ここで、酸化アルミニウム、アルミン酸マグネシウムおよび炭酸カルシウムの各粉末の添加量は、1次原料の合計100質量%のうち、例えば、酸化アルミニウムの粉末を2質量
%以上6質量%以下、アルミン酸マグネシウムの粉末を0.5質量%以上2.5質量%以下、炭酸カルシウムの粉末を3.5質量%以上7.5質量%以下とする。また、チタン源となる粉末の添加量は、窒化チタンである場合、1次原料100質量%のうち5質量%以上10質量%以下
とし、残部を窒化珪素の粉末とする。
Here, the addition amount of each powder of aluminum oxide, magnesium aluminate, and calcium carbonate is, for example, 2% by mass to 6% by mass of aluminum oxide powder in the total of 100% by mass of the primary raw material, magnesium aluminate. The powder is 0.5 mass% to 2.5 mass%, and the calcium carbonate powder is 3.5 mass% to 7.5 mass%. In addition, when titanium nitride is used, the amount of powder serving as a titanium source is 5% by mass or more and 10% by mass or less of 100% by mass of the primary raw material, and the remainder is silicon nitride powder.
ここで、硬質結晶に、アルミニウムおよびカルシウムの少なくともいずれかを含む窒化珪素質焼結体を得るには、窒化珪素、酸化アルミニウム、炭酸カルシウムおよびチタン源となる各粉末の平均粒径を、それぞれ0.5μm〜1.5μm、1.6μm〜2.2μm、1.2μm〜2.0μm、0.14μm〜0.22μmとすればよい。なお、チタン源となる粉末が、0.14μm未満では、硬質結晶の大きさが小さく、硬質結晶にアルミニウムおよびカルシウムの少なくともいずれかを含むことができず、耐磨耗性向上効果が得られない。 Here, in order to obtain a silicon nitride sintered body containing at least one of aluminum and calcium in the hard crystal, the average particle diameter of each powder serving as a silicon nitride, aluminum oxide, calcium carbonate and titanium source is 0.5 The thickness may be set to μm to 1.5 μm, 1.6 μm to 2.2 μm, 1.2 μm to 2.0 μm, or 0.14 μm to 0.22 μm. If the titanium source powder is less than 0.14 μm, the size of the hard crystal is small, and the hard crystal cannot contain at least one of aluminum and calcium, and the effect of improving wear resistance cannot be obtained.
また、モリブデン、クロム、鉄、ニッケル、マンガン、バナジウム、ニオブ、タンタル、コバルトおよびタングステンの少なくともいずれか1種からなる珪化物を含み、金属換算での含有量が0.08質量%以上0.16質量%以下である窒化珪素質焼結体を得るには、これら金属の少なくともいずれか1種の酸化物の粉末を用い、1次原料100質量部に対して金
属換算で0.08質量部以上0.16質量部以下添加すればよい。添加された上記金属の酸化物の粉末は、焼成時に珪素と反応して酸素を離脱することによって、熱力学的に安定した珪化物が生成される。
In addition, it contains a silicide composed of at least one of molybdenum, chromium, iron, nickel, manganese, vanadium, niobium, tantalum, cobalt and tungsten, and the content in terms of metal is 0.08% by mass or more and 0.16% by mass or less. In order to obtain a certain silicon nitride sintered body, an oxide powder of at least one of these metals is used, and 0.08 to 0.16 parts by mass in terms of metal is added to 100 parts by mass of the primary raw material. That's fine. The added metal oxide powder reacts with silicon during firing to release oxygen, thereby producing a thermodynamically stable silicide.
次に、所定量秤量した各粉末を溶媒とともに、例えば、バレルミル、回転ミル、振動ミル、ビーズミル、サンドミル、アジテーターミルなどによって混合・粉砕してスラリーとする。この粉砕で用いる粉砕用メディアとしては、窒化珪素質焼結体、酸化ジルコニウム質焼結体、酸化アルミニウム質焼結体等からなるものが使用可能であるが、混入したときに不純物となる影響を少なくするために、作製する窒化珪素質焼結体と同じ材料組成または近似組成の窒化珪素質焼結体からなる粉砕用メディアを用いることが好適である。 Next, each powder weighed in a predetermined amount is mixed and pulverized together with a solvent by, for example, a barrel mill, a rotary mill, a vibration mill, a bead mill, a sand mill, an agitator mill, etc. to obtain a slurry. As the grinding media used in this grinding, those composed of a silicon nitride sintered body, a zirconium oxide sintered body, an aluminum oxide sintered body, etc. can be used. In order to reduce the size, it is preferable to use a grinding media made of a silicon nitride sintered body having the same material composition or approximate composition as the silicon nitride sintered body to be produced.
なお、粉砕においては、焼結性の向上および結晶組織の柱状化の点から、累積体積が50%となる粒径(D50)が0.8μm以下となるまで行なうことが好適である。 The pulverization is preferably performed until the particle size (D 50 ) at which the cumulative volume becomes 50% becomes 0.8 μm or less from the viewpoint of improving the sinterability and making the crystal structure columnar.
また、パラフィンワックス、PVA(ポリビニルアルコール)、PEG(ポリエチレングリコール)などの有機バインダを、1次原料100質量部に対して1質量部以上10質量部
以下秤量してスラリーに混合することで成形性を向上させることができる。さらに、増粘安定剤、分散剤、pH調整剤、消泡剤等を添加してもよい。
In addition, moldability is obtained by weighing an organic binder such as paraffin wax, PVA (polyvinyl alcohol), PEG (polyethylene glycol), etc., in an amount of 1 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the primary raw material, and mixing it with the slurry. Can be improved. Furthermore, you may add a thickening stabilizer, a dispersing agent, a pH adjuster, an antifoamer, etc.
なお、表面における1mm2当たりに、円相当径が0.2μm以上1.0μm以下の硬質結晶が2.1×103個以上4.2×103個以下存在している窒化珪素質焼結体を得るには、例えば、チタン源となる粉末が窒化チタンであり、1次原料100質量%のうち、7.5質量%の添加量であるとき、1次原料100質量部に対して分散剤を0.2質量部以上0.6質量部以下添加すれ
ばよい。
In addition, in order to obtain a silicon nitride sintered body having 2.1 × 10 3 or more and 4.2 × 10 3 or less hard crystals having an equivalent circle diameter of 0.2 μm or more and 1.0 μm or less per 1 mm 2 on the surface, For example, when the powder serving as the titanium source is titanium nitride and the addition amount is 7.5% by mass of 100% by mass of the primary material, the dispersant is 0.2 parts by mass or more and 0.6% by mass with respect to 100 parts by mass of the primary material. What is necessary is just to add a part or less.
そして、有機バインダ等が添加されたスラリーを噴霧乾燥装置を用いて噴霧乾燥し、造粒された顆粒を得る。次に、得られた顆粒を乾式加圧成形またはCIP成形(Cold Isostatic Pressing)することによって成形体を得る。このときの成形圧力は、成形体の密度
の向上や顆粒の潰れ性の観点から設定すればよい。
And the slurry to which the organic binder etc. were added is spray-dried using a spray-drying apparatus, and the granulated granule is obtained. Next, the obtained granule is subjected to dry pressure molding or CIP molding (Cold Isostatic Pressing) to obtain a molded body. What is necessary is just to set the molding pressure at this time from a viewpoint of the improvement of the density of a molded object, and the collapsibility of a granule.
また、鋳込み成形、射出成形、テープ成形などの成形方法を用いてもよい。また、それぞれの成形方法で成形した後に、成形体を切削したり、積層したり、接合したりすることによって所望の形状としてもよい。 Moreover, you may use shaping | molding methods, such as casting molding, injection molding, and tape shaping | molding. Moreover, after shaping | molding with each shaping | molding method, it is good also as a desired shape by cutting, laminating | stacking, or joining a molded object.
次に、炭化珪素製または窒化珪素質結晶粒子で表面が覆われたカーボン製のこう鉢中に、得られた成形体を載置して、窒素または真空中で脱脂する。脱脂する温度は添加した有機バインダの種類によって異なるが900℃以下であることが好適である。特に、好ましく
は450℃以上800℃以下である。なお、このように成形体から有機バインダなどの脂質の成分を取り除くことを脱脂といい、成形体を脱脂したものを脱脂体という。
Next, the obtained molded body is placed in a carbon mortar whose surface is covered with silicon carbide or silicon nitride crystal particles, and degreased in nitrogen or vacuum. The degreasing temperature varies depending on the kind of the added organic binder, but is preferably 900 ° C. or less. In particular, it is preferably 450 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. The removal of lipid components such as an organic binder from the molded body is called degreasing, and the degreased body is called a degreased body.
そして、脱脂体を、真空雰囲気中、700℃〜900℃で0.5〜1.5時間、標準圧力の窒素雰囲気中、1400℃〜1600℃で2〜4時間保持した後、さらに昇温して1700℃以上1800℃未満で3〜14時間保持することにより、硬質結晶にアルミニウムおよびカルシウムの少なくともいずれかを含む本実施形態の窒化珪素質焼結体を得ることができる。なお、この焼成により、チタン源として酸化チタンを用いても窒化して窒化チタンとなり、この窒化チタンの硬質結晶を含む窒化珪素質焼結体となる。 The degreased body is held in a vacuum atmosphere at 700 ° C. to 900 ° C. for 0.5 to 1.5 hours and in a standard pressure nitrogen atmosphere at 1400 ° C. to 1600 ° C. for 2 to 4 hours. By maintaining the temperature below 1800 ° C. for 3 to 14 hours, it is possible to obtain the silicon nitride based sintered body of the present embodiment containing hard crystals containing at least one of aluminum and calcium. By this firing, even if titanium oxide is used as a titanium source, it is nitrided into titanium nitride, and a silicon nitride-based sintered body containing hard crystals of titanium nitride is obtained.
以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Examples of the present invention will be specifically described below, but the present invention is not limited to these examples.
まず、β化率が10%以下である窒化珪素の粉末と、焼結助剤として、酸化アルミニウム、アルミン酸マグネシウムおよび炭酸カルシウムの各粉末と、表1に示すチタン源の粉末とを準備し、それぞれ秤量して1次原料とした。 First, silicon nitride powder having a β conversion rate of 10% or less, aluminum oxide, magnesium aluminate and calcium carbonate powders as sintering aids, and titanium source powder shown in Table 1 were prepared. Each was weighed and used as a primary material.
ここで、アルミン酸マグネシウムの粉末の添加量は、1次原料100質量%のうち、1.5質量%とし、酸化アルミニウム、炭酸カルシウムおよびチタン源の粉末の添加量は、表1に示す通りとし、残部を窒化珪素の粉末とした。なお、チタン源の粉末の添加量は、窒化チタンに換算したときの添加量である。 Here, the addition amount of the magnesium aluminate powder is 1.5% by mass in 100% by mass of the primary raw material, and the addition amounts of the aluminum oxide, calcium carbonate and titanium source powders are as shown in Table 1, and the balance Was a silicon nitride powder. In addition, the addition amount of the powder of a titanium source is an addition amount when converted into titanium nitride.
なお、窒化珪素、酸化アルミニウム、アルミン酸マグネシウムおよび炭酸カルシウムの粉末の平均粒径は、それぞれ1.1μm、1.8μm、16.1μm、1.6μm、1.1μmとし、チタン源の粉末の平均粒径は、表1に示す通りとした。 The average particle sizes of silicon nitride, aluminum oxide, magnesium aluminate, and calcium carbonate powders are 1.1 μm, 1.8 μm, 16.1 μm, 1.6 μm, and 1.1 μm, respectively. As shown in FIG.
次に、所定量秤量した1次原料と有機バインダと溶媒とを、バレルミルで累積体積が50%となる粒径(D50)が0.8μm以下となるまで混合・粉砕してスラリーとした。この
粉砕で用いる粉砕用メディアは、窒化珪素質焼結体からなる粉砕用メディアを用いた。ここで、有機バインダの添加量は、1次原料の100質量部に対して5.5質量部とした。そして
、得られたスラリーを噴霧乾燥装置を用いて噴霧乾燥し造粒された顆粒を得た。
Next, the primary raw material, the organic binder, and the solvent weighed in a predetermined amount were mixed and pulverized by a barrel mill until the particle size (D 50 ) with a cumulative volume of 50% became 0.8 μm or less to obtain a slurry. As the grinding media used in this grinding, a grinding media made of a silicon nitride sintered body was used. Here, the addition amount of the organic binder was 5.5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the primary raw material. And the obtained slurry was spray-dried using the spray-drying apparatus, and the granulated granule was obtained.
次に、得られた顆粒を乾式加圧成形により、円板状および角柱状の成形体を得た。次に、炭化珪素製のこう鉢中に成形体を載置し、窒素雰囲気中500℃で5時間保持することに
より脱脂して、脱脂体を得た。そして、得られた脱脂体を、真空雰囲気中、800℃で1時
間、標準圧力の窒素雰囲気中、1500℃で3時間保持した後、さらに昇温して1750℃で3時
間保持することにより、円板状および角柱状の焼結体を得た。
Next, the obtained granules were subjected to dry pressure molding to obtain disk-shaped and prismatic shaped bodies. Next, the molded body was placed in a silicon carbide mortar and degreased by holding at 500 ° C. in a nitrogen atmosphere for 5 hours to obtain a degreased body. The obtained degreased body was held in a vacuum atmosphere at 800 ° C. for 1 hour, in a nitrogen atmosphere of standard pressure at 1500 ° C. for 3 hours, further heated up and held at 1750 ° C. for 3 hours, Disk-shaped and prismatic sintered bodies were obtained.
ここで、円板状の焼結体は耐磨耗性を評価するためのものであり、寸法は、直径が38mm、厚みが3mmである。また、耐磨耗性を評価するにあたり、一主面をダイヤモンド砥粒で算術平均粗さRaが0.05μm以下となるまで研磨し、これを試験片として用い、JIS R 1691-2011に準拠して、磨耗試験を実施した。 Here, the disk-shaped sintered body is for evaluating wear resistance, and the dimensions are a diameter of 38 mm and a thickness of 3 mm. Further, in evaluating the wear resistance, one main surface is polished with diamond abrasive grains until the arithmetic average roughness Ra becomes 0.05 μm or less, and this is used as a test piece, in accordance with JIS R 1691-2011. A wear test was carried out.
なお、磨耗試験において、円板状の試験片と摺接する球状試験片は、直径が10mmのSUS440C製の球とし、潤滑流体にはイオン交換水を用いた。また、荷重は10N、円板状
の試験片の摺動速度は0.37m/s、摺動円直径は14mm、摺動距離は2000mとした。
In the wear test, the spherical test piece that was in sliding contact with the disk-shaped test piece was a SUS440C ball having a diameter of 10 mm, and ion-exchanged water was used as the lubricating fluid. The load was 10 N, the sliding speed of the disk-shaped test piece was 0.37 m / s, the sliding circle diameter was 14 mm, and the sliding distance was 2000 m.
また、角柱状の焼結体は機械的強度を評価するためのものであり、寸法は、厚み,幅および長さがそれぞれ3mm、4mm、50mmである。JIS R 1601−2008に準拠して4点曲げ強度を測定した。 The prismatic sintered body is for evaluating mechanical strength, and the dimensions are 3 mm, 4 mm and 50 mm in thickness, width and length, respectively. Four-point bending strength was measured according to JIS R 1601-2008.
また、各試料につき、XRDを用いて測定し、同定された硬質結晶名を表1に示した。また、ICPを用いて測定し、得られたチタンの含有量から窒化チタンに換算した値を表1に示した。 In addition, each sample was measured using XRD and identified hard crystal names are shown in Table 1. In addition, Table 1 shows the values measured using ICP and converted to titanium nitride from the obtained titanium content.
さらに、各試料を切断して研磨により鏡面加工した断面をSEMで観察し、付設のEDSで硬質結晶にX線を照射し、アルミニウムおよびカルシウムが検出されるか否かを確認した。結果を表1に示す。 Furthermore, each sample was cut and mirror-finished by polishing, and the cross section was observed with an SEM, and X-rays were irradiated to the hard crystal with the attached EDS to confirm whether aluminum and calcium were detected. The results are shown in Table 1.
表1に示す通り、試料No.2,4,6〜9,11,13,15,17〜20,22,23は、比磨耗量が0.37(mm3/(N・m)以下と小さくなっており、窒化チタンおよび炭窒化チタンの少なくともいずれかの硬質結晶を含み、チタンを窒化チタン換算した含有量が5質量%以上10質量%以下であるとともに、硬質結晶にアルミニウムおよびカルシウムの少なくともいずれかを含むことにより、耐磨耗性に優れた窒化珪素質焼結体となることがわかった。また、4点曲げ強度が390MPa以上の機械的強度を備えていることがわかった。 As shown in Table 1, Sample No. 2,4,6-9,11,13,15,17-20,22,23 have a specific wear amount as small as 0.37 (mm 3 / (N · m) or less), and titanium nitride and titanium carbonitride The hard crystal contains at least one hard crystal and the content of titanium converted to titanium nitride is 5% by mass or more and 10% by mass or less, and the hard crystal contains at least one of aluminum and calcium. It was found that the sintered body was excellent in silicon nitride, and had a four-point bending strength of 390 MPa or more.
実施例1の試料No.8を作製するのに用いたスラリーに、表2に示す添加量の分散剤を加えた試料No.24〜28、実施例1の試料No.9を作製するのに用いたスラリーに、表2に示す添加量の分散剤を加えた試料No.29〜33を作製した。なお、分散剤の添加量は、1次原料100質量部に対するものであり、分散剤を添加したこと以外の作製方法は実
施例1と同様である。そして、実施例1と同様の方法により、磨耗試験を行なった。
Sample No. 1 of Example 1 Sample No. 8 was prepared by adding the addition amount of dispersant shown in Table 2 to the slurry used to prepare No. 8. 24-28, Sample No. 1 of Example 1. Sample No. 9 was prepared by adding the addition amount of dispersant shown in Table 2 to the slurry used to prepare No. 9. 29-33 were produced. In addition, the addition amount of a dispersing agent is with respect to 100 mass parts of primary raw materials, and the preparation methods other than having added the dispersing agent are the same as in Example 1. Then, a wear test was performed in the same manner as in Example 1.
また、平均粒径が0.05〜0.15μmのダイヤモンド砥粒を錫製のラップ盤に供給して試料の表面を研磨して鏡面を得た。そして、研磨によって得られた鏡面を洗浄した後、光学顕微鏡を用いて1000倍の倍率で観察し、CCDカメラで撮影した面積が1.2×105μm2(
横方向の長さが150μm、縦方向の長さが80μm)となる範囲の画像を取り込み、画像解
析ソフト「A像くん」(登録商標、旭化成エンジニアリング(株)製)による粒子解析を行なうことで円相当径が0.2μm以上1.0μm以下の硬質結晶の1mm2当たりの個数を求めた。なお、粒子解析の設定条件としては、例えば、明度を明に設定し、2値化の方法を手動、小図形除去面積を0μm、画像の明暗を示す指標であるしきい値を、画像内の各点(各ピクセル)が有する明るさを示すヒストグラムのピーク値の0.88倍以下とした。
Further, diamond abrasive grains having an average particle size of 0.05 to 0.15 μm were supplied to a tin lapping machine to polish the surface of the sample to obtain a mirror surface. After the mirror surface obtained by polishing was washed, the surface was observed with a magnification of 1000 using an optical microscope, and the area photographed with a CCD camera was 1.2 × 10 5 μm 2 (
By capturing images in the range of 150 μm in the horizontal direction and 80 μm in the vertical direction), and performing particle analysis using the image analysis software “A Image-kun” (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Engineering Corp.) The number of hard crystals having an equivalent circle diameter of 0.2 μm or more and 1.0 μm or less per 1 mm 2 was determined. As the setting conditions for the particle analysis, for example, the brightness is set to light, the binarization method is manually set, the small figure removal area is set to 0 μm, and a threshold value that is an index indicating the brightness of the image is set in the image. It was set to 0.88 times or less of the peak value of the histogram indicating the brightness of each point (each pixel).
表2に示す通り、表面における1mm2当たりに、円相当径が0.2μm以上1.0μm以下の硬質結晶が2.1、×103個以上4.2×103個以下存在していることから、さらに優れた耐磨耗性を有する窒化珪素質焼結体となることがわかった。 As shown in Table 2, there are 2.1, × 10 3 or more and 4.2 × 10 3 or less hard crystals with an equivalent circle diameter of 0.2 μm or more and 1.0 μm or less per 1 mm 2 on the surface. It was found that the silicon nitride sintered body has wear resistance.
1:硬質結晶
2:窒化珪素結晶
1: Hard crystal 2: Silicon nitride crystal
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JP2016064971A (en) * | 2014-09-25 | 2016-04-28 | 株式会社東芝 | Silicon nitride sintered body and abrasion resistant member using the same |
-
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- 2013-10-31 JP JP2013226957A patent/JP2015086116A/en active Pending
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