JP2641993B2 - 窒化珪素系複合焼結体の製造方法 - Google Patents
窒化珪素系複合焼結体の製造方法Info
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- JP2641993B2 JP2641993B2 JP3035202A JP3520291A JP2641993B2 JP 2641993 B2 JP2641993 B2 JP 2641993B2 JP 3035202 A JP3035202 A JP 3035202A JP 3520291 A JP3520291 A JP 3520291A JP 2641993 B2 JP2641993 B2 JP 2641993B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、自動車部品や耐摩工具
等に使用される構造用セラミックス材料の製造方法に関
し、特にこの分野において優れた機能を有する窒化珪素
セラミックスの高強度・高靭性化を計るものである。
等に使用される構造用セラミックス材料の製造方法に関
し、特にこの分野において優れた機能を有する窒化珪素
セラミックスの高強度・高靭性化を計るものである。
【０００２】
【従来の技術】窒化珪素は、強度、破壊靭性、耐食性、
耐摩耗性、耐熱衝撃性、耐酸化性等においてバランスの
とれた材料であり、室温さらに高温における構造部材用
エンジニアリングセラミックスとして最近注目を集めて
いる。しかしながら、自動車部品等のように、材料に対
し高い信頼性と安定性が要求される分野に窒化珪素セラ
ミックスを使用していくには、破壊靭性をさらに向上さ
せてその脆さを克服し、かつ強度向上を計ることが必要
不可欠である。従来、破壊靭性を向上させる技術とし
て、例えば特公昭６２−２６５１７３号公報に示される
ように窒化珪素マトリックスに窒化珪素ウィスカーを複
合、分散させる方法がある。この方法によれば、破壊の
際に進展する亀裂がウィスカーによってディフレクショ
ンしたり、ウィスカーの引き抜きや架橋が起ることによ
り破壊靭性が向上すると考えられている。しかし、ウィ
スカー複合により破壊靭性は向上するが、逆に添加した
ウィスカーのサイズが１〜１０μｍのオーダーである上
に、その凝集を機械的に完全に取り除くことは事実上困
難であり、これが粗大粒として破壊起点となるため材料
強度を低下させる。
耐摩耗性、耐熱衝撃性、耐酸化性等においてバランスの
とれた材料であり、室温さらに高温における構造部材用
エンジニアリングセラミックスとして最近注目を集めて
いる。しかしながら、自動車部品等のように、材料に対
し高い信頼性と安定性が要求される分野に窒化珪素セラ
ミックスを使用していくには、破壊靭性をさらに向上さ
せてその脆さを克服し、かつ強度向上を計ることが必要
不可欠である。従来、破壊靭性を向上させる技術とし
て、例えば特公昭６２−２６５１７３号公報に示される
ように窒化珪素マトリックスに窒化珪素ウィスカーを複
合、分散させる方法がある。この方法によれば、破壊の
際に進展する亀裂がウィスカーによってディフレクショ
ンしたり、ウィスカーの引き抜きや架橋が起ることによ
り破壊靭性が向上すると考えられている。しかし、ウィ
スカー複合により破壊靭性は向上するが、逆に添加した
ウィスカーのサイズが１〜１０μｍのオーダーである上
に、その凝集を機械的に完全に取り除くことは事実上困
難であり、これが粗大粒として破壊起点となるため材料
強度を低下させる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】したがって、従来はウ
ィスカーを添加したり窒化珪素を粒成長させて大きな柱
状晶の存在によって破壊靭性を向上させており、その結
果、事実上欠陥のサイズを大きくしてしまい、強度が低
下するため、強度・靭性を同時に向上させることが困難
であった。そのため、窒化珪素マトリックスが粗大粒を
含まない均一微細粒で構成された組織において強度と靭
性向上の両立を図ることが課題であった。
ィスカーを添加したり窒化珪素を粒成長させて大きな柱
状晶の存在によって破壊靭性を向上させており、その結
果、事実上欠陥のサイズを大きくしてしまい、強度が低
下するため、強度・靭性を同時に向上させることが困難
であった。そのため、窒化珪素マトリックスが粗大粒を
含まない均一微細粒で構成された組織において強度と靭
性向上の両立を図ることが課題であった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、窒化珪素粉末
とＹ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＭｇＯのうち少なくとも
２種以上の焼結助除剤と、Ｓｉを除く周期律表IIａ、 I
IIａ、IVａ、Ｖａ、VIａ、IIｂ、 IIIｂ、IVｂ族元素の
酸化物、窒化物、炭化物または珪化物のうち少なくとも
１種以上を湿式混合して成形した成形体を、非酸化性雰
囲気中焼成温度以下で熱処理して、該酸化物、窒化物、
炭化物又は珪化物を窒化珪素に固溶させた後焼結し、さ
らに該焼結温度より低い温度で熱処理し、窒化珪素結晶
粒内に酸化物、窒化物、炭化物又は珪化物として析出さ
せることを特徴とする窒化珪素系複合焼結体の製造方法
である。上記酸化物、窒化物、炭化物又は珪化物を窒化
珪素に固溶させるための熱処理温度は１３００〜１７０
０℃で、時間は０．５〜２００時間が好適である。又、
これらの酸化物、窒化物、炭化物又は珪化物を窒化珪素
粒内に析出させるための焼結温度並びに熱処理温度及び
時間は、それぞれ１５００〜１８５０℃並びに８００〜
１７００℃、０．５〜３００時間が好適である。本発明
で得られる焼結体のマトリックスである窒化珪素質（窒
化珪素及び／又はサイアロン）結晶粒の平均粒径が、短
軸径３μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下アスペクト
比が１０以下、好ましくは６以下の柱状晶及び／又は１
μｍ以下の等軸晶からなる均一微細組織を有し、かつそ
の内部に熱膨張係数の異なる酸化物、窒化物、炭化物又
は珪化物の異種粒子が１〜５００ｎｍの平均粒径を有す
るものとして存在する。
とＹ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＭｇＯのうち少なくとも
２種以上の焼結助除剤と、Ｓｉを除く周期律表IIａ、 I
IIａ、IVａ、Ｖａ、VIａ、IIｂ、 IIIｂ、IVｂ族元素の
酸化物、窒化物、炭化物または珪化物のうち少なくとも
１種以上を湿式混合して成形した成形体を、非酸化性雰
囲気中焼成温度以下で熱処理して、該酸化物、窒化物、
炭化物又は珪化物を窒化珪素に固溶させた後焼結し、さ
らに該焼結温度より低い温度で熱処理し、窒化珪素結晶
粒内に酸化物、窒化物、炭化物又は珪化物として析出さ
せることを特徴とする窒化珪素系複合焼結体の製造方法
である。上記酸化物、窒化物、炭化物又は珪化物を窒化
珪素に固溶させるための熱処理温度は１３００〜１７０
０℃で、時間は０．５〜２００時間が好適である。又、
これらの酸化物、窒化物、炭化物又は珪化物を窒化珪素
粒内に析出させるための焼結温度並びに熱処理温度及び
時間は、それぞれ１５００〜１８５０℃並びに８００〜
１７００℃、０．５〜３００時間が好適である。本発明
で得られる焼結体のマトリックスである窒化珪素質（窒
化珪素及び／又はサイアロン）結晶粒の平均粒径が、短
軸径３μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下アスペクト
比が１０以下、好ましくは６以下の柱状晶及び／又は１
μｍ以下の等軸晶からなる均一微細組織を有し、かつそ
の内部に熱膨張係数の異なる酸化物、窒化物、炭化物又
は珪化物の異種粒子が１〜５００ｎｍの平均粒径を有す
るものとして存在する。
【０００５】
【作用】本発明で得られる焼結体は、窒化珪素質結晶粒
内に熱膨張係数の大きな異種粒子が分散することによ
り、焼結温度から室温への冷却時に窒化珪素質結晶粒に
熱膨張係数のミスマッチによる残留圧縮応力が発生す
る。破壊の際、亀裂先端部分にこの応力場がかかること
により、亀裂発生及び進展抵抗が増大し、破壊靭性が向
上する。このため、窒化珪素質結晶粒と異種粒子との熱
膨張係数の差は大きいほどよい。又、異種粒子がナノメ
ーターオーダーで粒内分散しているので、欠陥サイズが
増大しないため、破壊靭性の向上は強度の向上に反映さ
れる。さらに粒内分散異種粒子のまわりの応力場によっ
て歪が発生し、異種粒子を中心に窒化珪素質結晶粒内の
転位の移動が促進され、転位面がサブ粒界を形成してみ
かけ上マトリックス粒子が微細化し強度が向上する。窒
化珪素質結晶粒の長軸径は３０μｍ以上であると欠陥と
なり強度を低下させるので好ましくない。分散異種粒子
の粒径は大きすぎると残留圧縮応力による窒化珪素質結
晶粒強化の効果が低下するので５００ｎｍ以下が好まし
く、下限は原子状で格子間に固溶している手前の１ｎｍ
がよい。分散量は少なすぎると複合効果が発揮されず、
多きすぎても異種粒子同士の合体が起きてしまうので
０．０１〜２０％が好ましく、特に０．５〜５％が好ま
しい。又、熱膨張係数は２０×１０-6／℃以上になる
と、熱膨張係数のミスマッチが大きすぎて窒化珪素質結
晶粒内に亀裂が発生してしまうので好ましくない。
内に熱膨張係数の大きな異種粒子が分散することによ
り、焼結温度から室温への冷却時に窒化珪素質結晶粒に
熱膨張係数のミスマッチによる残留圧縮応力が発生す
る。破壊の際、亀裂先端部分にこの応力場がかかること
により、亀裂発生及び進展抵抗が増大し、破壊靭性が向
上する。このため、窒化珪素質結晶粒と異種粒子との熱
膨張係数の差は大きいほどよい。又、異種粒子がナノメ
ーターオーダーで粒内分散しているので、欠陥サイズが
増大しないため、破壊靭性の向上は強度の向上に反映さ
れる。さらに粒内分散異種粒子のまわりの応力場によっ
て歪が発生し、異種粒子を中心に窒化珪素質結晶粒内の
転位の移動が促進され、転位面がサブ粒界を形成してみ
かけ上マトリックス粒子が微細化し強度が向上する。窒
化珪素質結晶粒の長軸径は３０μｍ以上であると欠陥と
なり強度を低下させるので好ましくない。分散異種粒子
の粒径は大きすぎると残留圧縮応力による窒化珪素質結
晶粒強化の効果が低下するので５００ｎｍ以下が好まし
く、下限は原子状で格子間に固溶している手前の１ｎｍ
がよい。分散量は少なすぎると複合効果が発揮されず、
多きすぎても異種粒子同士の合体が起きてしまうので
０．０１〜２０％が好ましく、特に０．５〜５％が好ま
しい。又、熱膨張係数は２０×１０-6／℃以上になる
と、熱膨張係数のミスマッチが大きすぎて窒化珪素質結
晶粒内に亀裂が発生してしまうので好ましくない。
【０００６】かかる窒化珪素質結晶粒内の異種粒子の分
散は、異種粒子の窒化珪素質結晶粒内への固溶・拡散・
析出過程によって得られる。固溶開始温度域が１３００
〜１７００℃であるから、この温度域で０．５〜２００
時間熱処理を行うことにより、窒化珪素質結晶粒内への
異粒子の固溶を促進することができる。さらにその後１
５００〜１８５０℃の温度域で焼結、８００〜１７００
℃の温度域で粒内に析出させることにより、窒化珪素質
結晶粒内に固溶・拡散した異種粒子が粒外に排出される
ことなく、粒内にナノメーターオーダーで分散した複合
焼結体が得られる。焼結温度は１８５０℃を超えると窒
化珪素質結晶粒内の異種粒子が合体して大きくなったり
粒外に排出されたりするため好ましくない。一方、１５
００℃未満であると緻密な焼結体が得られない。又、析
出温度が８００℃未満であると不均質な析出粒子が生成
し、１７００℃を超えると固溶体が安定なため析出しな
い。
散は、異種粒子の窒化珪素質結晶粒内への固溶・拡散・
析出過程によって得られる。固溶開始温度域が１３００
〜１７００℃であるから、この温度域で０．５〜２００
時間熱処理を行うことにより、窒化珪素質結晶粒内への
異粒子の固溶を促進することができる。さらにその後１
５００〜１８５０℃の温度域で焼結、８００〜１７００
℃の温度域で粒内に析出させることにより、窒化珪素質
結晶粒内に固溶・拡散した異種粒子が粒外に排出される
ことなく、粒内にナノメーターオーダーで分散した複合
焼結体が得られる。焼結温度は１８５０℃を超えると窒
化珪素質結晶粒内の異種粒子が合体して大きくなったり
粒外に排出されたりするため好ましくない。一方、１５
００℃未満であると緻密な焼結体が得られない。又、析
出温度が８００℃未満であると不均質な析出粒子が生成
し、１７００℃を超えると固溶体が安定なため析出しな
い。
【０００７】以上の様に本発明によれば、ナノメーター
オーダーでの粒内複合効果により、強度及び破壊靭性が
同時に向上した窒化珪素系複合焼結体が得られる。
オーダーでの粒内複合効果により、強度及び破壊靭性が
同時に向上した窒化珪素系複合焼結体が得られる。
【０００８】
【実施例】窒化珪素粉末１００ｇに対し表１に示す各異
種粒子粉末をそれぞれ分散量に応じて配合し、焼結助剤
（Ｙ2Ｏ3５ｗｔ％−Ａｌ2Ｏ3５ｗｔ％）を加えて湿式混
合した。これらの複合粉末を１．５ｔ／ｃｍ2の圧力で
冷間静水圧プレスし成形した後、表１に示す熱処理及び
焼成条件にて焼結した。なお、焼結助剤としてＡｌＮ、
ＭｇＯを用いても同様の結果が得られる。
種粒子粉末をそれぞれ分散量に応じて配合し、焼結助剤
（Ｙ2Ｏ3５ｗｔ％−Ａｌ2Ｏ3５ｗｔ％）を加えて湿式混
合した。これらの複合粉末を１．５ｔ／ｃｍ2の圧力で
冷間静水圧プレスし成形した後、表１に示す熱処理及び
焼成条件にて焼結した。なお、焼結助剤としてＡｌＮ、
ＭｇＯを用いても同様の結果が得られる。
【０００９】
【表１】 以上によって得られた窒化珪素系複合焼結体の分散粒
子径並びに機械的性質を表２に表わす。
子径並びに機械的性質を表２に表わす。
【００１０】
【表２】
【００１１】
【発明の効果】本発明により、強度・破壊靭性ともに優
れた窒化珪素系複合焼結体を得ることができる。このも
のは高強度・高靭性が要求される自動車部品をはじめと
する各種構造用部材への利用が期待できる。
れた窒化珪素系複合焼結体を得ることができる。このも
のは高強度・高靭性が要求される自動車部品をはじめと
する各種構造用部材への利用が期待できる。
Claims (4)
- 【請求項１】 窒化珪素粉末とＹ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、Ａｌ
Ｎ、ＭｇＯのうち少なくとも２種以上の焼結助剤と、Ｓ
ｉを除く周期律表IIａ、 IIIａ、IVａ、Ｖａ、VIａ、II
ｂ、 IIIｂ、IVｂ族元素の酸化物、窒化物、炭化物また
は珪化物のうち少なくとも１種以上を湿式混合して成形
した成形体を、非酸化性雰囲気中焼成温度以下で熱処理
して、該酸化物、窒化物、炭化物又は珪化物を窒化珪素
に固溶させた後焼結し、さらに該焼結温度より低い温度
で熱処理し、窒化珪素結晶粒内に酸化物、窒化物、炭化
物又は珪化物として析出させることを特徴とする窒化珪
素系複合焼結体の製造方法。 - 【請求項２】 酸化物、窒化物、炭化物又は珪化物を窒
化珪素に固溶させるための熱処理温度が１３００〜１７
００℃、時間が０．５〜２００時間である請求項１記載
の窒化珪素系複合焼結体の製造方法。 - 【請求項３】 酸化物、窒化物、炭化物又は珪化物を窒
化珪素粒内に析出させるための焼結温度並びに熱処理温
度および時間がそれぞれ１５００〜１８５０℃並びに８
００〜１７００℃、０．５〜３００時間である請求項１
記載の窒化珪素系複合焼結体の製造方法。 - 【請求項４】 窒化珪素結晶粒内に析出した酸化物、窒
化物、炭化物又は珪化物の平均粒径が１〜５００ｎｍで
ある請求項１記載の窒化珪素系複合結晶体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3035202A JP2641993B2 (ja) | 1991-02-05 | 1991-02-05 | 窒化珪素系複合焼結体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3035202A JP2641993B2 (ja) | 1991-02-05 | 1991-02-05 | 窒化珪素系複合焼結体の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04357170A JPH04357170A (ja) | 1992-12-10 |
| JP2641993B2 true JP2641993B2 (ja) | 1997-08-20 |
Family
ID=12435277
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3035202A Expired - Lifetime JP2641993B2 (ja) | 1991-02-05 | 1991-02-05 | 窒化珪素系複合焼結体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2641993B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU645596B2 (en) | 1991-01-25 | 1994-01-20 | Kerr-Mcgee Chemical L.L.C. | Pigments of improved dispersibility in thermoplastic resins |
| US5618765A (en) * | 1993-05-20 | 1997-04-08 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Ceramics porous body and method of preparing the same |
-
1991
- 1991-02-05 JP JP3035202A patent/JP2641993B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04357170A (ja) | 1992-12-10 |
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