JP2668437B2 - サイアロン核含有粒子からなる窒化珪素質焼結体とその製造方法 - Google Patents
サイアロン核含有粒子からなる窒化珪素質焼結体とその製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は，高強度・高靭性の窒化珪素質焼結体に関
し，特に自動車エンジン部材，耐熱構造部材，切削工具
その他産業用部材に関するものである。
し，特に自動車エンジン部材，耐熱構造部材，切削工具
その他産業用部材に関するものである。
従来の技術 窒化珪素質焼結体の靭性向上には，微構造を制御する
方法（特開昭63−159259），粒子又はウイスカー等を分
散させ複合化させる方法（特開昭62−265173,他多数あ
り）,SiC粒子をSi3N4粒子中に分散させるナノコンポジ
ット（特開昭63−159256）などの方法が考えられてい
る。
方法（特開昭63−159259），粒子又はウイスカー等を分
散させ複合化させる方法（特開昭62−265173,他多数あ
り）,SiC粒子をSi3N4粒子中に分散させるナノコンポジ
ット（特開昭63−159256）などの方法が考えられてい
る。
発明が解決しようとする課題 しかしながら，上記の方法では，また十分な強度・靭
性が得られておらず，また上記方法のうち複合化する方
法は製造上の困難な点，例えば混合・成形における均一
化が難しいなどの問題点が残されている。
性が得られておらず，また上記方法のうち複合化する方
法は製造上の困難な点，例えば混合・成形における均一
化が難しいなどの問題点が残されている。
課題を解決するための手段・作用 本発明は，窒化珪素質焼結体の製造においてSi3N4原
料粉末にβ−サイアロン粉末を添加することにより，生
成されるβ−Si3N4またはβ−サイアロン結晶粒子にβ
−サイアロンの核を導入でき，その結晶粒子内に内部応
力を発生させ，さらにその結晶粒子がよく成長しアスペ
クト比が高くなり焼結体の強度と靭性が向上することを
見い出したことに基づく。
料粉末にβ−サイアロン粉末を添加することにより，生
成されるβ−Si3N4またはβ−サイアロン結晶粒子にβ
−サイアロンの核を導入でき，その結晶粒子内に内部応
力を発生させ，さらにその結晶粒子がよく成長しアスペ
クト比が高くなり焼結体の強度と靭性が向上することを
見い出したことに基づく。
本発明の焼結体はβ−Si3N4及びβ−サイアロンの結
晶粒子一種以上と粒界相とからなる。β−Si3N4,β−サ
イアロンは夫々単独で存在してもよいし，又混在しても
よい。またここで粒界相とは非晶質及び他の結晶相を指
称し，例えばSi2N2O,O−サイアロン等を若干含んでも差
支えない。但し，β−Si3N4,β−サイアロンの合計量が
焼結体の80％以上であることを要する。
晶粒子一種以上と粒界相とからなる。β−Si3N4,β−サ
イアロンは夫々単独で存在してもよいし，又混在しても
よい。またここで粒界相とは非晶質及び他の結晶相を指
称し，例えばSi2N2O,O−サイアロン等を若干含んでも差
支えない。但し，β−Si3N4,β−サイアロンの合計量が
焼結体の80％以上であることを要する。
β−Si3N4,β−サイアロンの結晶粒子はその内部にβ
−サイアロン核含有するもの（以下「サイアロン核含有
粒子」という。）と含有しないものとからなる。サイア
ロン核含有粒子は，アスペクト比が高く（例えば３以
上）かつ粒子がよく成長し（例えば短径で0.5μｍ以
上），さらに内部応力が残留しているので，粒子架橋効
果と応力による遮蔽効果によって焼結体に亀裂が進展す
るのを妨げ靭性を向上させる。従って，このような粒子
が有効に作用するには焼結体の全量に対して5vo1％以上
の量が必要であって好ましくは10〜60vo1％がよい。こ
の理由は，この粒子が60vo1％を越えると焼結体の欠陥
として作用し強度が得られないからである。β−サイア
ロン核とは，β−サイアロン構造として結晶粒子の内部
に存在し，結晶粒子を構成するβ−Si3N4,β−サイアロ
ンと組成的に区別できる部分をいう。結晶粒子がβ−サ
イアロンからなる場合，そのβ−サイアロン結晶粒子
（核を除いた部分）よりもＺ値の大きい部分が該当す
る。β−サイアロンは一般式Si6-zAlzOzN8-z（０＜Ｚ＜
4.2）で示され,Z値はその固溶度を表わす数値である。
「Ｚ値の大きい部分」とはＺ値で少なくとも0.5の差が
ある部分をいう。焼結体の相対理論密度は95％以上にす
るとよい。
−サイアロン核含有するもの（以下「サイアロン核含有
粒子」という。）と含有しないものとからなる。サイア
ロン核含有粒子は，アスペクト比が高く（例えば３以
上）かつ粒子がよく成長し（例えば短径で0.5μｍ以
上），さらに内部応力が残留しているので，粒子架橋効
果と応力による遮蔽効果によって焼結体に亀裂が進展す
るのを妨げ靭性を向上させる。従って，このような粒子
が有効に作用するには焼結体の全量に対して5vo1％以上
の量が必要であって好ましくは10〜60vo1％がよい。こ
の理由は，この粒子が60vo1％を越えると焼結体の欠陥
として作用し強度が得られないからである。β−サイア
ロン核とは，β−サイアロン構造として結晶粒子の内部
に存在し，結晶粒子を構成するβ−Si3N4,β−サイアロ
ンと組成的に区別できる部分をいう。結晶粒子がβ−サ
イアロンからなる場合，そのβ−サイアロン結晶粒子
（核を除いた部分）よりもＺ値の大きい部分が該当す
る。β−サイアロンは一般式Si6-zAlzOzN8-z（０＜Ｚ＜
4.2）で示され,Z値はその固溶度を表わす数値である。
「Ｚ値の大きい部分」とはＺ値で少なくとも0.5の差が
ある部分をいう。焼結体の相対理論密度は95％以上にす
るとよい。
本発明の焼結体を得るにはSi3N4原料にβ−サイアロ
ン粉末を加えさらに焼結助剤を添加・混合後，これを成
形した後焼結する方法が利用できるが，これに限定する
ことはない。Si3N4粉末はα型，β型のいずれでもよい
が，好ましくはα−Si3N4粉末である。α→β転移時に
β−サイアロン核に成長し易いからである。サイアロン
粉末については，「β」型のものを用いる。β−サイア
ロン粉末の量は，原料の全量に対して５〜20wt％にす
る。5wt％未満ではサイアロン核含有粒子を十分に生成
できず,20wt％を越えると成長粒の量が多くかつ大きく
なりすぎ破壊起源となり強度を低下させるためである。
好ましくは５〜10wt％である。β−サイアロン粉末のＺ
値はＺ値が高いほど内部応力の発生が高く，好ましくは
0.5〜4,より好ましくは１〜４である。また，焼成条件
については，核からの成長が起こり易いほうが好まし
く，窒素雰囲気又は不活性雰囲気中1400〜1900℃の条件
が適切である。β−サイアロン粉末以外の添加助剤とし
ては,2A族、Sc及びＹを含む希土類の酸化物、Al2O3、Zr
O2ないし焼成後においてこれらの酸化物になるものを一
種以上を含むものを焼結助剤として添加する。但し、Sc
又はＹの酸化物を単独で添加する場合を除く。これらの
助剤（β−サイアロン粉末を除いたもの）は３〜20wt％
添加するとよい。又,Si3N4原料粉末の平均粒径は1.5μ
ｍ以下にするとよい。各添加助剤の粒径は特に特に限定
されないが，例えばBET比表面積で10m2/g程度にすると
よい。また，焼成は，ガス圧焼結が好ましいがこれに限
定することはない。
ン粉末を加えさらに焼結助剤を添加・混合後，これを成
形した後焼結する方法が利用できるが，これに限定する
ことはない。Si3N4粉末はα型，β型のいずれでもよい
が，好ましくはα−Si3N4粉末である。α→β転移時に
β−サイアロン核に成長し易いからである。サイアロン
粉末については，「β」型のものを用いる。β−サイア
ロン粉末の量は，原料の全量に対して５〜20wt％にす
る。5wt％未満ではサイアロン核含有粒子を十分に生成
できず,20wt％を越えると成長粒の量が多くかつ大きく
なりすぎ破壊起源となり強度を低下させるためである。
好ましくは５〜10wt％である。β−サイアロン粉末のＺ
値はＺ値が高いほど内部応力の発生が高く，好ましくは
0.5〜4,より好ましくは１〜４である。また，焼成条件
については，核からの成長が起こり易いほうが好まし
く，窒素雰囲気又は不活性雰囲気中1400〜1900℃の条件
が適切である。β−サイアロン粉末以外の添加助剤とし
ては,2A族、Sc及びＹを含む希土類の酸化物、Al2O3、Zr
O2ないし焼成後においてこれらの酸化物になるものを一
種以上を含むものを焼結助剤として添加する。但し、Sc
又はＹの酸化物を単独で添加する場合を除く。これらの
助剤（β−サイアロン粉末を除いたもの）は３〜20wt％
添加するとよい。又,Si3N4原料粉末の平均粒径は1.5μ
ｍ以下にするとよい。各添加助剤の粒径は特に特に限定
されないが，例えばBET比表面積で10m2/g程度にすると
よい。また，焼成は，ガス圧焼結が好ましいがこれに限
定することはない。
実施例 平均粒径0.7μm,BET比表面積10m2/gのSi3N4粉末，同2
0m2/gのMgCO3粉末，同10m2/gのCeO2粉末，同10m2/gのLi
2O粉末，同10m2/gのAl2O3粉末，同10m2/gのY2O3粉末，
同10m2/gのZrO2粉末，及び同5m2/g,Z＝２のβ−サイア
ロン粉末を第１表に示す割合で秤量しSi3N4製のポット
ミル及び球石を用いて16時間湿式混合し乾燥後平均粒径
250μｍの顆粒に造粒した。造粒粉末を1.5ton/cm3の圧
力で金型プレスし，第１表に示す条件で焼成することに
よって窒化珪素質焼結体を製造した。尚、Y2O3を添加す
る場合は、Al2O3を複合添加した。又、CeO2を添加する
場合は、MgOなどを複合添加した。
0m2/gのMgCO3粉末，同10m2/gのCeO2粉末，同10m2/gのLi
2O粉末，同10m2/gのAl2O3粉末，同10m2/gのY2O3粉末，
同10m2/gのZrO2粉末，及び同5m2/g,Z＝２のβ−サイア
ロン粉末を第１表に示す割合で秤量しSi3N4製のポット
ミル及び球石を用いて16時間湿式混合し乾燥後平均粒径
250μｍの顆粒に造粒した。造粒粉末を1.5ton/cm3の圧
力で金型プレスし，第１表に示す条件で焼成することに
よって窒化珪素質焼結体を製造した。尚、Y2O3を添加す
る場合は、Al2O3を複合添加した。又、CeO2を添加する
場合は、MgOなどを複合添加した。
得られた焼結体について,JIS1601による室温抵抗力,I
M法による破壊靭性値を測定した結果を第１表に併記し
た。
M法による破壊靭性値を測定した結果を第１表に併記し
た。
また，各試料のオートクレーブ処理によるエッチング
後のSEM写真よりβ−サイアロン核含有粒子を特定し，
かつその面積割合を画像処理によって求め，これを体積
割合に換算して，β−サイアロン核含有粒子の存在割合
とした。これらの結果を第１表に併記するとともに，試
料No.5のSEM写真及びその模式図を第１図，第２図とし
て示す。
後のSEM写真よりβ−サイアロン核含有粒子を特定し，
かつその面積割合を画像処理によって求め，これを体積
割合に換算して，β−サイアロン核含有粒子の存在割合
とした。これらの結果を第１表に併記するとともに，試
料No.5のSEM写真及びその模式図を第１図，第２図とし
て示す。
又，β−サイアロン核を含有するβ−サイアロン粒子
の確定は,TEM写真による粒内分析に拠った。試料No.5に
ついてのTEM写真及びその模式図を第3,第４図に，又EDS
（エネルギー分散型Ｘ線マイクロアナライザー）による
分析結果を第５（ａ），（ｂ）図に示す。第５図中Al量
の分析値は同装置による定量分析結果である。
の確定は,TEM写真による粒内分析に拠った。試料No.5に
ついてのTEM写真及びその模式図を第3,第４図に，又EDS
（エネルギー分散型Ｘ線マイクロアナライザー）による
分析結果を第５（ａ），（ｂ）図に示す。第５図中Al量
の分析値は同装置による定量分析結果である。
実施例No.5においては,Al2O3が４％と相当量含まれて
いるため，結晶粒子（核を除いた部分）はすべてβ−サ
イアロンであると考えられる。但し,Al2O3が少ない場合
には（0.5〜1.0wt％），β−サイアロンとSi3N4が混在
することも考えられる。
いるため，結晶粒子（核を除いた部分）はすべてβ−サ
イアロンであると考えられる。但し,Al2O3が少ない場合
には（0.5〜1.0wt％），β−サイアロンとSi3N4が混在
することも考えられる。
第１表から明らかなように，β−サイアロン粉末を所
定割合で添加し，又β−サイアロン含有粒子を所定割合
で存在させてなる実施例試料１〜９は，抗折力80kg/mm2
以上，破壊靭性値7.2MN/m1.5以上を示し，比較例試料N
o.10〜13に比して，強度・靭性が大きく向上しているこ
とを確認できた。
定割合で添加し，又β−サイアロン含有粒子を所定割合
で存在させてなる実施例試料１〜９は，抗折力80kg/mm2
以上，破壊靭性値7.2MN/m1.5以上を示し，比較例試料N
o.10〜13に比して，強度・靭性が大きく向上しているこ
とを確認できた。
発明の効果 本発明に係る窒化珪素質焼結体は，原料粉末中にβ−
サイアロン粉末を添加して，生成されるβ−Si3N4,β−
サイアロン結晶粒子にβ−サイアロン核を含有させるこ
とにより，強度・靭性が向上している。従って，高強度
高靭性を要求される自動車エンジン部材等として好適に
利用できる他，構造部材としての用途拡大に寄与でき
る。
サイアロン粉末を添加して，生成されるβ−Si3N4,β−
サイアロン結晶粒子にβ−サイアロン核を含有させるこ
とにより，強度・靭性が向上している。従って，高強度
高靭性を要求される自動車エンジン部材等として好適に
利用できる他，構造部材としての用途拡大に寄与でき
る。
第１図は，実施例試料No.5についてのSEM写真（結晶構
造を示したもの）， 第２図はその対応部分の模式図， 第３図は同じく実施例試料No.5（第１図とは異なる部
分）についてのSEM写真（結晶構造を示したもの）， 第４図はその対応部分の模式図， 第５図は第４図の点E,FにおけるEDSによる分析結果を示
す図であって，第５（ａ）図は点Ｅにおけるもの，第５
（ｂ）図は点Ｆにおけるもの，を表わす。
造を示したもの）， 第２図はその対応部分の模式図， 第３図は同じく実施例試料No.5（第１図とは異なる部
分）についてのSEM写真（結晶構造を示したもの）， 第４図はその対応部分の模式図， 第５図は第４図の点E,FにおけるEDSによる分析結果を示
す図であって，第５（ａ）図は点Ｅにおけるもの，第５
（ｂ）図は点Ｆにおけるもの，を表わす。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−183169（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−178471（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−83008（ＪＰ，Ａ)
Claims (4)
- 【請求項１】β−Si3N4及びβ−サイアロンの結晶粒子
一種以上と粒界相とからなるSi3N4質焼結体であって、
該結晶粒子のうち焼結体に対して５〜60vol％のもの
が、その粒子内にβ−サイアロンの核（結晶粒子がβ−
サイアロンの場合，その粒子よりもＺ値の大きい部分）
を含む事を特徴とする窒化珪素質焼結体（尚、Ｚ値とは
一般式Si6-zAlzOzN8-z（０＜Ｚ＜4.2）で示されるβ−
サイアロンにおける固溶度を表わす数値である）。 - 【請求項２】Si3N4原料と添加助剤を混合・成形後、N2
あるいは不活性ガス雰囲気中で焼成する方法において、
Si3N4原料に添加助剤として、Ｚ値が0.5〜４のβ−サイ
アロン粉末を５〜20wt％（原料全量に対する量）、さら
に、2A族、Sc及びＹを含む希土類の酸化物、Al2O3、ZrO
2ないし焼成後においてこれらの酸化物になるものを一
種以上（但し、酸化スカンジウム又は酸化イットリウム
を単独で添加する場合を除く）を含む焼結助剤を添加す
ることを特徴とする窒化珪素質焼結体の製造方法（尚、
Ｚ値とは一般式Si6-zAlzOzN8-z（０＜Ｚ＜4.2）で示さ
れるβ−サイアロンにおける固溶度を表わす数値であ
る）。 - 【請求項３】Si3N4原料と添加助剤を混合・成形後、N2
あるいは不活性ガス雰囲気中で焼成する方法において、
Si3N4原料に添加助剤として、Ｚ値が0.5〜４のβ−サイ
アロン粉末を５〜20wt％（原料全量に対する量）添加
し、混合・成形後、焼成して、β−サイアロンの核（結
晶粒子がβ−サイアロンの場合，その粒子よりもＺ値の
大きい部分）を含む粒子を成長させることを特徴とする
窒化珪素質焼結体の製造方法（尚、Ｚ値とは一般式Si
6-zAlzOzN8-z（０＜Ｚ＜4.2）で示されるβ−サイアロ
ンにおける固溶度を表わす数値である）。 - 【請求項４】Si3N4原料と添加助剤を混合・成形後、N2
あるいは不活性ガス雰囲気中で焼成する方法において、
Si3N4原料に添加助剤として、Ｚ値が0.5〜４のβ−サイ
アロン粉末を５〜20wt％（原料全量に対する量）添加
し、混合・成形後、N2あるいは不活性ガス雰囲気中80at
m以上の高圧で焼成することを特徴とする窒化珪素質焼
結体の製造方法（尚、Ｚ値とは一般式Si6-zAlzOzN
8-z（０＜Ｚ＜4.2）で示されるβ−サイアロンにおける
固溶度を表わす数値である）。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1083962A JP2668437B2 (ja) | 1989-04-04 | 1989-04-04 | サイアロン核含有粒子からなる窒化珪素質焼結体とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1083962A JP2668437B2 (ja) | 1989-04-04 | 1989-04-04 | サイアロン核含有粒子からなる窒化珪素質焼結体とその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02263764A JPH02263764A (ja) | 1990-10-26 |
| JP2668437B2 true JP2668437B2 (ja) | 1997-10-27 |
Family
ID=13817185
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1083962A Expired - Fee Related JP2668437B2 (ja) | 1989-04-04 | 1989-04-04 | サイアロン核含有粒子からなる窒化珪素質焼結体とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2668437B2 (ja) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5483008A (en) * | 1977-12-16 | 1979-07-02 | Tokyo Shibaura Electric Co | Production of high strength heat resistant material |
| JPS61174871A (ja) * | 1985-01-30 | 1986-08-06 | Fuji Xerox Co Ltd | 中間調記録装置 |
| JPS61183169A (ja) * | 1985-02-05 | 1986-08-15 | トヨタ自動車株式会社 | 窒化珪素焼結体の製造方法 |
-
1989
- 1989-04-04 JP JP1083962A patent/JP2668437B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02263764A (ja) | 1990-10-26 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |