JP2518630B2 - 窒化珪素質焼結体及びその製法 - Google Patents
窒化珪素質焼結体及びその製法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は窒化珪素質焼結体及び製法に関し、より詳細
には例えばボールベアリング等のように高い機械的強度
および低い気孔率を必要とする摺動部材等に適した窒化
珪素質焼結体及びその製法に関する。
には例えばボールベアリング等のように高い機械的強度
および低い気孔率を必要とする摺動部材等に適した窒化
珪素質焼結体及びその製法に関する。
近年、セラミックスは高硬度、耐摩耗性に優れしかも
比重が小さいことからその特性を利用して各種の機械部
品への応用が行われている。機械部品の中でも摺動部材
として適用する場合は特に優れた機械的強度が要求され
ることからセラミックスとして強度、組織の均一化、バ
ラツキの低減を改善する必要がある。
比重が小さいことからその特性を利用して各種の機械部
品への応用が行われている。機械部品の中でも摺動部材
として適用する場合は特に優れた機械的強度が要求され
ることからセラミックスとして強度、組織の均一化、バ
ラツキの低減を改善する必要がある。
一方セラミックスのうち窒化珪素質焼結体は高強度が
得られる材料として注目され、焼成、助剤の検討等あら
ゆる改善が提案されている。
得られる材料として注目され、焼成、助剤の検討等あら
ゆる改善が提案されている。
通常、窒化珪素質焼結体は窒化珪素粉末に焼結助剤と
して周期律表第II、III族元素化合物粉末を添加してボ
ールミル等によって混合し、得られた混合粉末を成形し
て周知の焼成法、例えば常圧焼成法、ホットプレス法、
窒素ガス圧焼成法、熱間静水圧焼成法等によって高強度
でボイドの少ない焼結体を得ることが試みられている。
して周期律表第II、III族元素化合物粉末を添加してボ
ールミル等によって混合し、得られた混合粉末を成形し
て周知の焼成法、例えば常圧焼成法、ホットプレス法、
窒素ガス圧焼成法、熱間静水圧焼成法等によって高強度
でボイドの少ない焼結体を得ることが試みられている。
上記焼成法のうちホットプレス法は機械的強度が十分
ではあるが複雑形状品を作るのが困難であり、量産性に
おいても不向きである。また窒素ガス圧焼成法は、機械
的強度の上で実用上十分に大きいとは言えず、また、常
圧焼成法で緻密体を得る為には焼結助剤の添加量を増や
す必要があり、それによって高温強度が低下する傾向に
ある。
ではあるが複雑形状品を作るのが困難であり、量産性に
おいても不向きである。また窒素ガス圧焼成法は、機械
的強度の上で実用上十分に大きいとは言えず、また、常
圧焼成法で緻密体を得る為には焼結助剤の添加量を増や
す必要があり、それによって高温強度が低下する傾向に
ある。
また、焼結助剤の検討においても各種の組み合わせが
上述した焼結法とともに検討されているが、焼結体とし
ての組織が不均一であって焼成条件等のブレにともなう
製品としての強度等の品質のバラツキが大きく安定した
製品の供給ができない等の致命的欠点を有していた。
上述した焼結法とともに検討されているが、焼結体とし
ての組織が不均一であって焼成条件等のブレにともなう
製品としての強度等の品質のバラツキが大きく安定した
製品の供給ができない等の致命的欠点を有していた。
本発明者は上述したような欠点に対し、検討を重ねた
結果、焼結体中で焼結助剤の分散性に着目し、従来のよ
うに単なる粉末と粉末との混合を行うかわりに窒化珪素
粉末粒子個々に対し特定の焼結助剤成分を添加してこれ
を原料粉末として用いることによって、焼結体における
窒化珪素結晶粒子の異常粒成長を抑制することができ強
度等の特性のバラツキのない高強度の緻密な焼結体が得
られることを知見し、本発明に至ったものである。
結果、焼結体中で焼結助剤の分散性に着目し、従来のよ
うに単なる粉末と粉末との混合を行うかわりに窒化珪素
粉末粒子個々に対し特定の焼結助剤成分を添加してこれ
を原料粉末として用いることによって、焼結体における
窒化珪素結晶粒子の異常粒成長を抑制することができ強
度等の特性のバラツキのない高強度の緻密な焼結体が得
られることを知見し、本発明に至ったものである。
即ち、本発明は、主として窒化珪素から成る結晶相
と、少なくとも希土類元素及びアルミニウムを含有する
粒界相から成り、該結晶相粒子の長軸の長さが20μm以
下、短軸の長さが2μm以下で且つアスペクト比(長軸
長/短軸長)が6〜10であって、室温における抗折強度
が102kg/mm2以上、開気孔率が0.2%以下であることを特
徴とする窒化珪素質焼結体を提供するものである。ま
た、本発明によれば、焼結助剤成分として、希土類元
素、アルミニウムのいずれか一方の水酸化物と平均粒径
1μm以下の窒化珪素粉末とを混合後、焙焼して得られ
た粉末と、前記焼結助剤成分の他方を含む化合物との混
合粉末、あるいは、希土類元素の水酸化物とアルミニウ
ムの水酸化物と平均粒径1μm以下の窒化珪素粉末とを
混合後、焙焼して得られた粉末を、成型後、大気圧下の
非酸化性雰囲気中で1700乃至1800℃で焼成するか、ある
いは、更にこの焼結体を1500乃至1800℃で1000乃至2000
気圧の条件で熱間静水圧焼成して、窒化珪素結晶相粒子
の長軸の長さが20μm以下、短軸の長さが2μm以下で
且つアスペクト比(長軸長/短軸長)が6〜10であっ
て、室温における抗折強度が102kg/mm2以上、開気孔率
が0.2%以下の焼結体を得ることを特徴とする窒化珪素
質焼結体の製法を提供するものである。
と、少なくとも希土類元素及びアルミニウムを含有する
粒界相から成り、該結晶相粒子の長軸の長さが20μm以
下、短軸の長さが2μm以下で且つアスペクト比(長軸
長/短軸長)が6〜10であって、室温における抗折強度
が102kg/mm2以上、開気孔率が0.2%以下であることを特
徴とする窒化珪素質焼結体を提供するものである。ま
た、本発明によれば、焼結助剤成分として、希土類元
素、アルミニウムのいずれか一方の水酸化物と平均粒径
1μm以下の窒化珪素粉末とを混合後、焙焼して得られ
た粉末と、前記焼結助剤成分の他方を含む化合物との混
合粉末、あるいは、希土類元素の水酸化物とアルミニウ
ムの水酸化物と平均粒径1μm以下の窒化珪素粉末とを
混合後、焙焼して得られた粉末を、成型後、大気圧下の
非酸化性雰囲気中で1700乃至1800℃で焼成するか、ある
いは、更にこの焼結体を1500乃至1800℃で1000乃至2000
気圧の条件で熱間静水圧焼成して、窒化珪素結晶相粒子
の長軸の長さが20μm以下、短軸の長さが2μm以下で
且つアスペクト比(長軸長/短軸長)が6〜10であっ
て、室温における抗折強度が102kg/mm2以上、開気孔率
が0.2%以下の焼結体を得ることを特徴とする窒化珪素
質焼結体の製法を提供するものである。
以下本発明を詳述する。
本発明によれば、機械的強度に優れ且つ特性のバラツ
キがない緻密な窒化珪素質焼結体を得ることに対し、窒
化珪素質焼結体の組織中に異常粒成長がない均一な結晶
であることが重要である。通常焼結体中では、窒化珪素
はβ型窒化珪素として柱状の結晶となる。
キがない緻密な窒化珪素質焼結体を得ることに対し、窒
化珪素質焼結体の組織中に異常粒成長がない均一な結晶
であることが重要である。通常焼結体中では、窒化珪素
はβ型窒化珪素として柱状の結晶となる。
本発明者はこの結晶の形状について検討を行ったとこ
ろ、柱状結晶の長軸の長さが20μm以下、特に10μm以
下、短軸の長さが2μm以下、特に1μm以下であるこ
と、(長軸長/短軸長)で表わされる結晶のアスペクト
比が6〜10、特に6〜8であることが高強度でバラツキ
のない焼結体となる要因であることを知見した。即ち、
長軸の長さが20μmを上回るような異常粒成長があると
強度のバラツキが大きく製品の安定供給が難しく、短軸
が2μmを上回ると高強度が得られない。
ろ、柱状結晶の長軸の長さが20μm以下、特に10μm以
下、短軸の長さが2μm以下、特に1μm以下であるこ
と、(長軸長/短軸長)で表わされる結晶のアスペクト
比が6〜10、特に6〜8であることが高強度でバラツキ
のない焼結体となる要因であることを知見した。即ち、
長軸の長さが20μmを上回るような異常粒成長があると
強度のバラツキが大きく製品の安定供給が難しく、短軸
が2μmを上回ると高強度が得られない。
また、窒化珪素質焼結体をベアリング等の摺動部材と
して用いる場合には焼結体の特性として最低102Kg/mm2
の抗折強度および気孔率が0.2%以下であることが重要
であって抗折強度が102Kg/mm2を下回ると摺動部材とし
て欠け等が生じ易くなり、開気孔率が0.2%を超えると
特に表面の気孔が破壊発生源となり、強度が低下する。
して用いる場合には焼結体の特性として最低102Kg/mm2
の抗折強度および気孔率が0.2%以下であることが重要
であって抗折強度が102Kg/mm2を下回ると摺動部材とし
て欠け等が生じ易くなり、開気孔率が0.2%を超えると
特に表面の気孔が破壊発生源となり、強度が低下する。
本発明の窒化珪素質焼結体は上述したいずれの条件を
も満足するものであって、高強度で特性のバラツキのな
いものであって摺動部材として特に有用な焼結体であ
る。
も満足するものであって、高強度で特性のバラツキのな
いものであって摺動部材として特に有用な焼結体であ
る。
本発明の焼結体は組成上は窒化珪素に対し、焼結助剤
成分として希土類元素およびアルミニウムを含有するも
のであって、これらの助剤成分は、窒化珪素粒界に存在
するかまたは窒化珪素と一部反応して化合物として例え
ばSiAlONとして存在することもある。
成分として希土類元素およびアルミニウムを含有するも
のであって、これらの助剤成分は、窒化珪素粒界に存在
するかまたは窒化珪素と一部反応して化合物として例え
ばSiAlONとして存在することもある。
これら助剤成分は希土類元素が酸化物換算で3乃至10
重量%の割合で、アルミニウムがアルミナ換算で1乃至
5重量%の割合で配合されるものであって、窒化珪素は
87重量%以上の割合からなる。助剤成分が少ないといず
れも焼結性が悪く、開気孔率0.2%以下の緻密体が得ら
れず、助剤成分が多い場合には抗折強度102Kg/mm2以上
が達成し得ない。
重量%の割合で、アルミニウムがアルミナ換算で1乃至
5重量%の割合で配合されるものであって、窒化珪素は
87重量%以上の割合からなる。助剤成分が少ないといず
れも焼結性が悪く、開気孔率0.2%以下の緻密体が得ら
れず、助剤成分が多い場合には抗折強度102Kg/mm2以上
が達成し得ない。
本発明において、上述したような焼結体を製造するに
は焼結助剤の分散性を向上させることが重要であり、詳
細には、従来のように単なる混合系ではなく窒化珪素粉
末の個々に対し助剤成分を付着させることが必要であ
る。このような処理は、例えば特開昭61-91066号に示さ
れるように希土類元素およびアルミニウムを各々の水酸
化物として混合して混合ゲル状水酸化物を調製し、これ
と窒化珪素粉末と混合後、焙焼することによって成され
る。
は焼結助剤の分散性を向上させることが重要であり、詳
細には、従来のように単なる混合系ではなく窒化珪素粉
末の個々に対し助剤成分を付着させることが必要であ
る。このような処理は、例えば特開昭61-91066号に示さ
れるように希土類元素およびアルミニウムを各々の水酸
化物として混合して混合ゲル状水酸化物を調製し、これ
と窒化珪素粉末と混合後、焙焼することによって成され
る。
本発明に用いられる原料粉末は上述のようにして得ら
れた焙焼物のうち1μm以下、特に0.6μm以下の粒子
径のものを用いる。粒子径が1μmを超えると緻密化が
阻害され高強度の焼結体が得られ難い。但し、1μmを
上回る粉末を用いても窒素ガス圧焼成法に従えば緻密化
は可能であるが、結晶粒が成長し、長軸が20μmを上回
るか又は短軸が2μmを上回る結晶が生成され高強度が
得られないと同時にバラツキが増加する。
れた焙焼物のうち1μm以下、特に0.6μm以下の粒子
径のものを用いる。粒子径が1μmを超えると緻密化が
阻害され高強度の焼結体が得られ難い。但し、1μmを
上回る粉末を用いても窒素ガス圧焼成法に従えば緻密化
は可能であるが、結晶粒が成長し、長軸が20μmを上回
るか又は短軸が2μmを上回る結晶が生成され高強度が
得られないと同時にバラツキが増加する。
本発明によれば原料粉末の組み合わせとして希土類元
素化合物、アルミニウム化合物のいずれか一方を前述し
た方法によって表面に付着させた平均粒径1μm以下の
窒化珪素粉末と他方の化合物を例えば酸化物として混合
するか、又は希土類元素化合物とアルミニウム化合物の
両者を表面に付着させた平均粒径1μm以下の窒化珪素
粉末のいずれを用いても本発明の目的が達成される。
素化合物、アルミニウム化合物のいずれか一方を前述し
た方法によって表面に付着させた平均粒径1μm以下の
窒化珪素粉末と他方の化合物を例えば酸化物として混合
するか、又は希土類元素化合物とアルミニウム化合物の
両者を表面に付着させた平均粒径1μm以下の窒化珪素
粉末のいずれを用いても本発明の目的が達成される。
なお、希土類元素化合物、アルミニウム化合物はいず
れも酸化物換算して希土類元素化合物を3乃至8重量
%、アルミニウム化合物を1乃至5重量%となるように
調製され、母材として用いる窒化珪素粉末の量は87重量
%以上が適当である。
れも酸化物換算して希土類元素化合物を3乃至8重量
%、アルミニウム化合物を1乃至5重量%となるように
調製され、母材として用いる窒化珪素粉末の量は87重量
%以上が適当である。
上述のようにして調製された原料粉末は公知の成形方
法、例えばプレス成形、鋳込み成形、押し出し成形、イ
ンジェクション成形等によって所望の形に成形した後、
焼成される。
法、例えばプレス成形、鋳込み成形、押し出し成形、イ
ンジェクション成形等によって所望の形に成形した後、
焼成される。
焼成は窒素ガス雰囲気にて非加圧状態で1700乃至1800
℃の焼成温度で約0.5〜4時間行う。焼成温度が1800℃
を超えると窒化珪素が分解し、1700℃を下回ると緻密化
が達成されない。
℃の焼成温度で約0.5〜4時間行う。焼成温度が1800℃
を超えると窒化珪素が分解し、1700℃を下回ると緻密化
が達成されない。
本発明によれば、上述の非加圧焼成法によって得られ
た焼結体をさらに1500乃至1800℃で1000乃至2000気圧下
で熱間静水圧焼成することによって焼結体としての緻密
化がさらに促進され、本発明者の実験によれば、非加圧
焼成法によって100Kg/mm2以上、さらに熱間静水圧焼成
することによって110Kg/mm2以上の優れた強度を有する
焼結体が得られた。
た焼結体をさらに1500乃至1800℃で1000乃至2000気圧下
で熱間静水圧焼成することによって焼結体としての緻密
化がさらに促進され、本発明者の実験によれば、非加圧
焼成法によって100Kg/mm2以上、さらに熱間静水圧焼成
することによって110Kg/mm2以上の優れた強度を有する
焼結体が得られた。
以下、本発明の次の例で説明する。
実施例 母材となる窒化珪素粉末として平均粒径0.5μmのも
のと1.2μmのものを用いて、各々の粉末に対し、第1
表の割合となるようにしてゲル状の希土類元素水酸化物
および、またはゲル状の水酸化アルミニウムと混合して
窒化珪素粉末に付着させた後、1400℃で焙焼後、エタノ
ール中でボールミルにて凝集粒子を解コウさせ、その後
乾燥して各々平均粒径0.5μm、1.2μmの粉末(No a,
b,e)を作成した。
のと1.2μmのものを用いて、各々の粉末に対し、第1
表の割合となるようにしてゲル状の希土類元素水酸化物
および、またはゲル状の水酸化アルミニウムと混合して
窒化珪素粉末に付着させた後、1400℃で焙焼後、エタノ
ール中でボールミルにて凝集粒子を解コウさせ、その後
乾燥して各々平均粒径0.5μm、1.2μmの粉末(No a,
b,e)を作成した。
また、Alまたは希土類元素のいずれか一方を窒化珪素
粉末に付着させ、他方をAl2O3(粒径0.6μm)あるい
はY2O3粉末(粒径1μm)としてボールミルにて混合
した。(No c,d) さらに比較例として従来通り、前述で用いたのと同じ
窒化珪素粉末にAl2O3粉末Y2O3粉末をボールミルにて
添加混合して調製した(No.f,g)。
粉末に付着させ、他方をAl2O3(粒径0.6μm)あるい
はY2O3粉末(粒径1μm)としてボールミルにて混合
した。(No c,d) さらに比較例として従来通り、前述で用いたのと同じ
窒化珪素粉末にAl2O3粉末Y2O3粉末をボールミルにて
添加混合して調製した(No.f,g)。
前述のように得られた第1表のNo.a〜No.gの原料粉末
を用いて各々成形し、第2表に示す焼成条件で焼成し
た。なおHIP処理は1700℃、2000気圧の条件で行った。
を用いて各々成形し、第2表に示す焼成条件で焼成し
た。なおHIP処理は1700℃、2000気圧の条件で行った。
得られた焼成体をダイヤモンド砥石で研摩し、40mm×
4mm×3mmの棒状テストピースを作成し、JISR 1601によ
り常温及び1200℃での4点曲げ強度を測定した。またア
ルキメデス法により比重を、JISC-2141-1974に基づいて
開気孔率を測定した。更に、焼結体表面を鏡面仕上げ
し、SEM写真観察によって、窒化珪素結晶相の両軸、短
軸の長さを測定し、第2表にその平均値を示し、さらに
長軸長/短軸長によりアスペクト比を求め第2表に示し
た。さらに、20個のサンプルによりワイブル係数を求め
た。
4mm×3mmの棒状テストピースを作成し、JISR 1601によ
り常温及び1200℃での4点曲げ強度を測定した。またア
ルキメデス法により比重を、JISC-2141-1974に基づいて
開気孔率を測定した。更に、焼結体表面を鏡面仕上げ
し、SEM写真観察によって、窒化珪素結晶相の両軸、短
軸の長さを測定し、第2表にその平均値を示し、さらに
長軸長/短軸長によりアスペクト比を求め第2表に示し
た。さらに、20個のサンプルによりワイブル係数を求め
た。
結果は第2表に示す。
第1表から明らかなように、ゾルゲル法によって希土
類元素およびAlを窒化珪素粉末表面に付着させたNo.aの
原料を用いて焼成を行うが、結晶の長軸が20μmを超え
るNo.6,No.7の試料は強度が低いうえにワイブル係数も
低い。粒径が1μmを超える原料粉末bを用いたNo.8,9
のうち焼成温度1750℃のNo.8では焼結が進行せず、開気
孔率が大きいものであり、焼成温度が1930℃と高いNo 9
では長軸が長く強度が低くなる。また、混合系による原
料粉末g、fを用いたNo.16乃至18はいずれも長軸が大
きくアスペクト比も10を超える場合もあり、強度が低
い。
類元素およびAlを窒化珪素粉末表面に付着させたNo.aの
原料を用いて焼成を行うが、結晶の長軸が20μmを超え
るNo.6,No.7の試料は強度が低いうえにワイブル係数も
低い。粒径が1μmを超える原料粉末bを用いたNo.8,9
のうち焼成温度1750℃のNo.8では焼結が進行せず、開気
孔率が大きいものであり、焼成温度が1930℃と高いNo 9
では長軸が長く強度が低くなる。また、混合系による原
料粉末g、fを用いたNo.16乃至18はいずれも長軸が大
きくアスペクト比も10を超える場合もあり、強度が低
い。
これに対し、本発明のサンプルNo.2〜5、10〜15はい
ずれも常温での抗折強度が102Kg/cm2以上を示すととも
に1200℃の高温強度が52Kg/mm2以上と優れた強度を示す
とともにワイブル係数が16以上と製造にかかわる品質安
定性にも優れることがわかった。
ずれも常温での抗折強度が102Kg/cm2以上を示すととも
に1200℃の高温強度が52Kg/mm2以上と優れた強度を示す
とともにワイブル係数が16以上と製造にかかわる品質安
定性にも優れることがわかった。
以上詳述した通り、本発明は窒化珪素粉末個々の表面
に焼結助剤を付着させた平均粒径1μm以下の原料粉末
を用い、これを非加圧焼成、あるいはさらに熱間静水圧
焼成を行うことによって焼結時の異常粒成長を回避する
とともに高密度化が達成され焼結体として均一な形状の
結晶を具備したものが製品として特性のバラツキがなく
安定して供給することができる。それによって焼結体と
して開気孔率が小さく且つ102Kg/mm2以上の高強度な焼
結体が得られる。
に焼結助剤を付着させた平均粒径1μm以下の原料粉末
を用い、これを非加圧焼成、あるいはさらに熱間静水圧
焼成を行うことによって焼結時の異常粒成長を回避する
とともに高密度化が達成され焼結体として均一な形状の
結晶を具備したものが製品として特性のバラツキがなく
安定して供給することができる。それによって焼結体と
して開気孔率が小さく且つ102Kg/mm2以上の高強度な焼
結体が得られる。
この焼結体は、その得られた強度および気孔率の低減
によって特にベアリング等の摺動部材として有用である
と共に、その他の機械部品に対しても十分に採用し得る
ものである。
によって特にベアリング等の摺動部材として有用である
と共に、その他の機械部品に対しても十分に採用し得る
ものである。
Claims (3)
- 【請求項1】主として窒化珪素から成る結晶相と、少な
くとも希土類元素及びアルミニウムを含有する粒界相か
ら成り、該結晶相粒子の長軸の長さが20μm以下、短軸
の長さが2μm以下で且つアスペクト比(長軸長/短軸
長)が6〜10であって、室温における抗折強度が102kg/
mm2以上、開気孔率が0.2%以下であることを特徴とする
窒化珪素質焼結体。 - 【請求項2】焼結助剤成分として、希土類元素、アルミ
ニウムのいずれか一方のゲル状水酸化物と平均粒径1μ
m以下の窒化珪素粉末とを混合後、焙焼して得られた粉
末と、前記焼結助剤成分の他方を含む化合物との混合粉
末、あるいは、希土類元素のゲル状水酸化物とアルミニ
ウムのゲル状水酸化物と平均粒径1μm以下の窒化珪素
粉末とを混合後、焙焼して得られた粉末を、成型後、大
気圧下の非酸化性雰囲気中で1700乃至1800℃で焼成し
て、窒化珪素結晶相の長軸の長さが20μm以下、短軸の
長さが2μm以下で且つアスペクト比(長軸長/短軸
長)が6〜10であって、室温における抗折強度が102kg/
mm2以上、開気孔率が0.2%以下の焼結体を得ることを特
徴とする窒化珪素質焼結体の製法。 - 【請求項3】焼結助剤成分として、希土類元素、アルミ
ニウムのいずれか一方のゲル状水酸化物と平均粒径1μ
m以下の窒化珪素粉末とを混合後、焙焼して得られた粉
末と、前記焼結助剤成分の他方を含む化合物との混合粉
末、あるいは、希土類元素のゲル状水酸化物とアルミニ
ウムのゲル状水酸化物と平均粒径1μm以下の窒化珪素
粉末とを混合後、焙焼して得られた粉末を、成型後、大
気圧下の非酸化性雰囲気中で1700乃至1800℃で焼成した
後、更に1500乃至1800℃で1000乃至2000気圧の条件で熱
間静水圧焼成して、窒化珪素結晶相の長軸の長さが20μ
m以下、短軸の長さが2μm以下で且つアスペクト比
(長軸長/短軸長)が6〜10であって、室温における抗
折強度が102kg/mm2以上、開気孔率が0.2%以下の焼結体
を得ることを特徴とする窒化珪素質焼結体の製法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61300328A JP2518630B2 (ja) | 1986-12-17 | 1986-12-17 | 窒化珪素質焼結体及びその製法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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