JP2505179B2 - 高強度常圧焼結窒化珪素焼結体およびその製造方法 - Google Patents

高強度常圧焼結窒化珪素焼結体およびその製造方法

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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は軸受材料等の耐摩耗摺動部材に有用な高強度
常圧焼結窒化珪素焼結体およびその製造方法に関するも
のである。
(従来の技術) 従来、窒化珪素焼結体を製造するには、第5図のフロ
ーチャートに示すように、まず窒化珪素原料と焼結助剤
を混合し、粉砕した後、粉砕時に用いる玉石の破片など
の異物除去のため44μmの篩を通している。次に、造粒
した後ねかしあるいは水分添加により原料中の水分量を
コントロールしてさらに篩を通した後、金型プレス又は
冷間静水圧プレスで成形して所定温度で常圧焼結するこ
とにより焼結体を得ている。
(発明が解決しようとする問題点) しかしながら、上述した従来の窒化珪素焼結体の製造
方法においては、粉砕後の粗大粒子及び原材料中に含ま
れる異物の排除や造粒粉体中の水分の均一化を積極的に
は実施していないため、粗大粒子及び原材料中に含まれ
る異物の混入や造粒粉体中の水分量のバラツキが生じる
欠点があった。その結果、粗大粒子及び原材料中に含ま
れる異物の混入や水分量のバラツキによる不均一な粒子
崩壊により成形体中に気孔が生じて、それが焼結後に残
留し、高強度の窒化珪素焼結体を得ることができない欠
点があった。
また、従来高緻密・高強度が要求される機械部品を製
造するため、ホットプレスあるいは熱間静水圧プレス
(HIP)が利用されているが、コストが高くなり量産向
きでない欠点があった。
本発明の目的は上述した不具合を解消して、高強度の
窒化珪素焼結体をホットプレス、HIP等の方法を用いず
常圧で焼成が可能な高強度常圧焼結窒化珪素焼結体およ
びその製造方法を提供しようとするものである。
(問題点を解決するための手段) 本発明の窒化珪素焼結体は、最大気孔径が10μm以
下、気孔率が0.5%以下でかつ室温での4点曲げ強度が1
00kg/mm2以上であり、窒化珪素の90重量%以上がβ型窒
化珪素結晶からなり、Mgの化合物をMgOに換算して0.5〜
15重量%、Zrの化合物をZrO2に換算して0.5〜13重量
%、Yの化合物をY23に換算して2〜15重量%を含有
することを特徴とするものである。
また、本発明の窒化珪素焼結体の製造方法は、0.5〜1
5重量%の酸化マグネシウム、0.5〜13重量%の酸化ジル
コニウムおよび2〜15重量%の酸化イットリウムからな
る焼結助剤と、残部窒化珪素原料粉末とを混合、粉砕、
造粒後、成形、焼成する窒化珪素焼結体の製造方法にお
いて、造粒後の粉体を一旦強制的に乾燥した後、必要に
応じて水分を添加しさらに篩通しをすることにより、所
定の水分量を有する均一な造粒粉体とすることを特徴と
するものである。
(作用) 上述した構成において、造粒後の粉体を一旦強制的に
乾燥した後必要に応じて水分を添加してさらに篩通しす
ることにより、造粒粒子間に水分量の差がない均一な造
粒粉体を得ることができる。すなわち、造粒粉体の強制
乾燥、水分添加により成形時に均質な圧壊状態にして粒
間の気孔を減少させることができる。その結果、このよ
うにして得られた造粒粉体を使用して成形、焼成するこ
とにより、常圧焼結でも最大気孔径が10μm以下、気孔
率0.5%以下でかつ室温での4点曲げ強度が100kg/mm2
上の高強度の常圧焼結窒化珪素焼結体を得ることができ
る。
また、粉砕後の篩目を従来より細かくして粉砕後の粗
大粒子及び原材料中に含まれる異物を排除することによ
り、より望ましい焼結体を得ることができる。
焼結助剤として窒化珪素を緻密化または高強度化させ
るものであればいずれでも用いることができるがMgO,Zr
O2,Y23もしくは加熱によりMgO,ZrO2,Y23となるMg,Z
rまたはYの化合物を用いるのが好ましい。この理由
は、Mg,ZrまたはYのさらにMgおよびYの化合物は、高
強度化に有利な柱状β型窒化珪素結晶への相転位を促進
し、またZrの化合物は焼結時に粒界相に存在して粒界相
を高強度化するからである。Mgの化合物がMgOに換算し
て0.5〜15重量%となるよう添加するとともにZrの化合
物がZrO2に換算して0.5〜13重量%となるよう添加する
と好ましいのは、この範囲外では上述の効果が減縮され
るためである。また、窒化珪素の90重量%以上がβ型窒
化珪素結晶であると好ましいのは、90重量%未満である
と高強度を達成し難いためである。
また、粉砕後の原料を造粒前に32μm以下の篩を通
し、または強制乾燥および水分添加した造粒粉体を250
μm以下の篩に通すと好ましいのは、これ以上の大きさ
の目開きの篩を使用すると造粒粉体の均一性を保持する
ことが難しいためである。さらに、造粒粉体の水分添加
量が0.5〜5重量%であると好ましいのは0.5重量%未満
では造粒粒子間に均一に水分がいきわたらず水分量の差
が起き易くなり、5重量%を超えると成形時に成形体表
面より水がにじみ出し成形体中の圧力分布が起き易くな
るためである。また、強制乾燥温度が60〜100℃である
と好ましいのは、60℃未満では所定の乾燥状態を達成し
難く、100℃を超えると噴霧乾燥に用いた助剤の硬化に
より造粒粉体の均質な圧壊状態が得難いためである。さ
らに、噴霧乾燥に用いる助剤として、PVA,PEG,MC,ステ
アリン酸が好ましいのは、強制乾燥、水分添加により造
粒粉体が硬化または崩壊を起しにくいためである。
(実施例) 第1図は本発明の製造方法の一実施例を示すフローチ
ャートである。まず、窒化珪素原料と焼結助剤を混合
し、粉砕した後、粉砕時に用いる玉石の破片などの異物
および粗大粒子除去のため好ましくは32μm以下の篩を
通す。次に、造粒して水分量が1重量%前後の造粒粉体
を得た後、従来同様篩通しを行う。その後、得られた造
粒粉体を好ましくは60〜100℃温度で強制乾燥して造粒
粉体の水分量を0.2〜0.5重量%程度バラツキの少ない均
質な造粒粉体にする。次に、必要に応じて0.5〜5.0重量
%の水分を造粒粉体に加え水分量が均一な造粒粉体を得
た後、好ましくは250μm以下の篩を通して水分添加に
より凝集して粗大粒子を除去して造粒粉体を得る。得ら
れた造粒粉体を通常の方法で成形後、常圧で焼成するこ
とにより本発明の諸特性を有する高強度の常圧焼結窒化
珪素焼結体が得られる。
以下、実施例について説明する。
実施例1 平均粒径0.5μmのα型窒化珪素粉末に焼結助剤とし
てMgO,ZrO2,Y23の各粉末をそれぞれ4重量%、3重量
%、6重量%の割合で混合し、それに水分60%および直
径5〜10mmの玉石を入れ、バッチ式粉砕機により4時間
混合粉砕した。
次に、混合粉砕したスラリーを目開き32μmのJIS標
準篩を通過させた後、これに噴霧乾燥に用いる助剤とし
てPVA2重量%、ステアリン酸0.2重量%を添加混合し、
噴霧乾燥法により平均粒径80μm、含水率1.0〜0.5重量
%の造粒粉体とした。
さらに、恒温乾燥器を用い第1表の強制乾燥温度に示
す温度で24時間造粒粉体を乾燥および必要に応じた水分
添加を実施した後、第1表の水分添加後の篩目開きに示
すごとくJIS標準篩を用いて篩分けをし試料番号1〜8
の造粒粉体を得た。この造粒粉体を2.5ton/cm2の圧力で
冷間静水圧プレス成形し60mm×60mm×6mmの成形体を得
た。
その後、温度500℃で3時間脱脂した後、この成形体
を窒素ガス雰囲気中において温度1700℃で1時間常圧焼
結を行い、本発明の高強度窒化珪素焼結体(試料番号1
〜8)を得た。また、これとは別に本発明の比較例とし
て第1表に示す強制乾燥を実施しない製造条件で試料番
号9〜11の造粒粉体を作製し、同様の条件で成形および
焼成して焼結体を得た。
そして、これらの焼結体の曲げ強度、最大気孔径、気
孔率および焼結体中のβ型窒化珪素結晶の割合を測定し
て第1表の測定結果に示した。なお、曲げ強度はJIS R
−1601「ファインセラミックスの曲げ強さ試験方法」の
4点曲げ強度法で測定した。最大気孔径および気孔率は
焼結体の表面を鏡面研摩し光学顕微鏡を用い400倍の倍
率で測定した。気孔径はその気孔の最大長さを測定し気
孔径とし、さらに最大気孔径は気孔数を1000個測定しそ
の中の最大径を最大気孔径とした。また、気孔率は測定
した1000個の気孔の面積を実測することにより、全気孔
面積を求めその全気孔面積を測定に要した全視野面積で
除した値である。
第1表から明らかなとおり、本発明の強制乾燥後必要
に応じて水分添加しさらに篩通しを実施した調製原料を
用いた焼結体は、比較例に比べ極めて高強度であり気孔
の少ない優れた焼結体であることが明らかである。
実施例2 組成および粉砕後の篩目開きの影響を調べるため、実
施例1と同様の方法で造粒粉体を温度80℃で24時間強制
乾燥した後、4重量%の水分添加を行い、さらに目開き
149μmの篩を通過させ、試料番号12〜25の造粒粉体を
得た。この造粒粉体を実施例1と同様に成形、脱脂をし
た後、窒素ガス雰囲気中でβ型窒化珪素結晶の割合が90
%以上となる最適焼成温度(1600〜1800℃)をそれぞれ
選択して常圧焼結を行い本発明の高強度窒化珪素焼結体
(試料番号12〜25)を得た。結果を第2表に示す。
第2表より、本発明品の中でも、粉砕後32μm以下の
篩を通したもの、調製原料中にMgOを0.5〜15重量%含む
もの、ZrO2を0.5〜13重量%含むものおよびY23を2
〜15重量%含むもの、焼結体中にβ型窒化珪素結晶を90
重量%以上含むものがより好ましいことがわかった。
なお、上述した実施例1および実施例2の結果を理解
し易くするため、第2図に本発明によって得られた焼結
体の4点曲げ強度と造粒粉体の強制乾燥温度との関係
を、第3図に焼結体の4点曲げ強度と造粒粉体への水分
添加量との関係を、第4図に焼結体の4点曲げ強度と粉
砕後の篩目開きとの関係をそれぞれ示す。
(発明の効果) 以上詳細に説明したところから明らかなように、本発
明によれば、造粒粉末の強制乾燥、必要に応じた水分添
加および水分添加後の篩分けによる相乗効果により常圧
焼結においても最大気孔径、気孔率が小さく機械的強度
の優れた窒化珪素焼結体を工業的に安価に得ることがで
きる。そのため、例えば高温軸受用ベアリング、エンジ
ン部品、ガスタービン部品等の用途に利用できるもので
あって、工業的価値の極めて大きいものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の製造方法の一実施例を示すフローチャ
ート、 第2図は本発明の焼結体の4点曲げ強度と造粒粉体の乾
燥温度との関係を示すグラフ、 第3図は本発明の焼結体の4点曲げ強度と造粒粉体への
水分添加量との関係を示すグラフ、 第4図は本発明の焼結体の4点曲げ強度と粉砕後の篩目
開きとの関係を示すグラフ、 第5図は従来の窒化珪素焼結体を製造する例を示すフロ
ーチャートである。

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】最大気孔径が10μm以下、気孔率が0.5%
    以下でかつ室温での4点曲げ強度が100kg/mm2以上であ
    り、窒化珪素の90重量%以上がβ型窒化珪素結晶からな
    り、Mgの化合物をMgOに換算して0.5〜15重量%、Zrの化
    合物をZrO2に換算して0.5〜13重量%、Yの化合物をY2
    3に換算して2〜15重量%を含有することを特徴とす
    る高強度常圧焼結窒化珪素焼結体。
  2. 【請求項2】0.5〜15重量%の酸化マグネシウム、0.5〜
    13重量%の酸化ジルコニウムおよび2〜15重量%の酸化
    イットリウムからなる焼結助剤と、残部窒化珪素原料粉
    末とを混合、粉砕、造粒後、成形、焼成する窒化珪素焼
    結体の製造方法において、 造粒後の粉体を一旦強制的に乾燥した後、必要に応じて
    水分を添加しさらに篩通しをすることにより、所定の水
    分量を有する均一な造粒粉体とすることを特徴とする高
    強度常圧焼結窒化珪素焼結体の製造方法。
  3. 【請求項3】前記粉砕後の原料を造粒前に32μm以下の
    篩を通過させる特許請求の範囲第2項記載の製造方法。
  4. 【請求項4】前記水分添加量が0.5〜5重量%である特
    許請求の範囲第2項記載の製造方法。
  5. 【請求項5】前記強制乾燥後の篩分けが250μm以下の
    篩を用いて行われる特許請求の範囲第2項記載の製造方
    法。
  6. 【請求項6】前記強制乾燥温度が60〜100℃である特許
    請求の範囲第2項記載の製造方法。
  7. 【請求項7】前記造粒が噴霧乾燥によって行われる特許
    請求の範囲第2項記載の製造方法。
  8. 【請求項8】前記噴霧乾燥に用いる助剤として、ポリビ
    ニルアルコール(PVA)、ポリエチレングリコール(PE
    G)、メチルセルロース(MC)、ステアリン酸のうちの
    少なくとも一種を用いる特許請求の範囲第7項記載の製
    造方法。
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