JP2680938B2 - 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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- JP2680938B2 JP2680938B2 JP3040561A JP4056191A JP2680938B2 JP 2680938 B2 JP2680938 B2 JP 2680938B2 JP 3040561 A JP3040561 A JP 3040561A JP 4056191 A JP4056191 A JP 4056191A JP 2680938 B2 JP2680938 B2 JP 2680938B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高強度、高靭性を有す
る窒化珪素系複合焼結体の製造方法に関し、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を提
供するものである。
る窒化珪素系複合焼結体の製造方法に関し、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を提
供するものである。
【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、かつ強度向上を図ることが必要不
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炭化珪素ウィスカ―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―によってディフレクショ
ンしたり、ウィスカ―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―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―のサイズが１〜１０μｍのオ―ダ―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
強度を低下する。
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、かつ強度向上を図ることが必要不
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炭化珪素ウィスカ―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―によってディフレクショ
ンしたり、ウィスカ―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―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―のサイズが１〜１０μｍのオ―ダ―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
強度を低下する。
【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―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は困難
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―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は困難
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】本発明は窒化珪素結晶粒
子の表面にＣ及びＳｉを除く周期律表IIａ，III ａ，IV
ａ，Ｖａ，VIａ，IIｂ，III ｂ，IVｂ族のうち少なくと
も１種以上の元素を含む有機金属化合物を、酸化物、炭
化物又は窒化物換算で０．０１〜２０ｖｏｌ％被覆処理
し、酸化性又は非酸化性雰囲気にて熱処理することによ
り、該有機金属化合物を酸化物、炭化物又は窒化物の平
均粒径が１〜５００ｎｍの超微粒子に変換した後、Ｙ2
Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＭｇＯのうち少なくとも２種
以上の焼結助剤を加え成形後、窒素中１４００〜１８５
０℃で焼成し、窒化珪素の粒成長過程で上記超微粒子を
窒化珪素結晶粒内に取り込み分散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。本発明で得
られるものは、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３
μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下であり、アスペク
ト比が１０以下、好ましくは６以下の粒状晶及び／又は
１μｍ以下の等軸晶からなる均一微細組織を有し、かつ
窒化珪素質結晶粒の内部に熱膨脹係数の異なる異種粒子
がナノメーターオーダーで分散している構造をもつ。す
なわち、欠陥サイズの小さな組織で強度低下因子を抑
え、かつナノ粒子の複合により結晶粒内に残留応力を発
生させて強度と靭性を向上させる。窒化珪素質結晶粒の
柱状晶長軸径は３０μｍ以下が好ましく、特に３μｍ以
下がより好ましい。分散異種粒子は、粒径が５００ｎｍ
以下特に２００ｎｍ以下、熱膨脹係数が窒化珪素質結晶
粒より大きく、５×１０~6／℃以上、分散量は体積率で
０．０１〜２０％特に０．５〜５％が好ましい。
子の表面にＣ及びＳｉを除く周期律表IIａ，III ａ，IV
ａ，Ｖａ，VIａ，IIｂ，III ｂ，IVｂ族のうち少なくと
も１種以上の元素を含む有機金属化合物を、酸化物、炭
化物又は窒化物換算で０．０１〜２０ｖｏｌ％被覆処理
し、酸化性又は非酸化性雰囲気にて熱処理することによ
り、該有機金属化合物を酸化物、炭化物又は窒化物の平
均粒径が１〜５００ｎｍの超微粒子に変換した後、Ｙ2
Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＭｇＯのうち少なくとも２種
以上の焼結助剤を加え成形後、窒素中１４００〜１８５
０℃で焼成し、窒化珪素の粒成長過程で上記超微粒子を
窒化珪素結晶粒内に取り込み分散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。本発明で得
られるものは、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３
μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下であり、アスペク
ト比が１０以下、好ましくは６以下の粒状晶及び／又は
１μｍ以下の等軸晶からなる均一微細組織を有し、かつ
窒化珪素質結晶粒の内部に熱膨脹係数の異なる異種粒子
がナノメーターオーダーで分散している構造をもつ。す
なわち、欠陥サイズの小さな組織で強度低下因子を抑
え、かつナノ粒子の複合により結晶粒内に残留応力を発
生させて強度と靭性を向上させる。窒化珪素質結晶粒の
柱状晶長軸径は３０μｍ以下が好ましく、特に３μｍ以
下がより好ましい。分散異種粒子は、粒径が５００ｎｍ
以下特に２００ｎｍ以下、熱膨脹係数が窒化珪素質結晶
粒より大きく、５×１０~6／℃以上、分散量は体積率で
０．０１〜２０％特に０．５〜５％が好ましい。
【０００５】
【作用】本発明により得られるものは、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―
タ―オ―ダ―で粒内分散することとなるので、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増に
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
て見掛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を超えると欠
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状態にな
る手前の１ｎｍがよい。
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―
タ―オ―ダ―で粒内分散することとなるので、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増に
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
て見掛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を超えると欠
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状態にな
る手前の１ｎｍがよい。
【０００６】窒化珪素質結晶粒内への異種粒子の取り込
みは、焼結中の窒化珪素の粒成長過程で起る。したがっ
て、窒化珪素結晶粒子の表面にナノメ―タ―オ―ダ―の
粒径の超微粒子が分布していれば、窒化珪素がそれを取
り込みながら粒成長することが可能である。有機金属化
合物を表面処理し、その熱分解により生成した酸化物、
炭化物又は窒化物粒子は、粒径が１〜５００ｎｍの超微
粒子となる。したがって、ミクロンオ―ダ―の酸化物、
炭化物又は窒化物粉末をサブミクロンの窒化珪素粉末と
混合した場合は、酸化物、炭化物又は窒化物粒子が焼結
後も窒化珪素の粒界に残るのに対し、本発明によれば１
４００〜１８５０℃の焼成中に窒化珪素の粒内に複合化
できる。１４００℃未満では焼結体は緻密化せず、１８
５０℃を超えると窒化珪素が分解し始めるため好ましく
ない。有機金属化合物の熱分解後に生成する超微粒子は
５００ｎｍを超えると窒化珪素粒内に取り込まれること
ができず、１ｎｍ未満であると取り込まれた後複合効果
を発揮できないため１〜５００ｎｍが好ましい。
みは、焼結中の窒化珪素の粒成長過程で起る。したがっ
て、窒化珪素結晶粒子の表面にナノメ―タ―オ―ダ―の
粒径の超微粒子が分布していれば、窒化珪素がそれを取
り込みながら粒成長することが可能である。有機金属化
合物を表面処理し、その熱分解により生成した酸化物、
炭化物又は窒化物粒子は、粒径が１〜５００ｎｍの超微
粒子となる。したがって、ミクロンオ―ダ―の酸化物、
炭化物又は窒化物粉末をサブミクロンの窒化珪素粉末と
混合した場合は、酸化物、炭化物又は窒化物粒子が焼結
後も窒化珪素の粒界に残るのに対し、本発明によれば１
４００〜１８５０℃の焼成中に窒化珪素の粒内に複合化
できる。１４００℃未満では焼結体は緻密化せず、１８
５０℃を超えると窒化珪素が分解し始めるため好ましく
ない。有機金属化合物の熱分解後に生成する超微粒子は
５００ｎｍを超えると窒化珪素粒内に取り込まれること
ができず、１ｎｍ未満であると取り込まれた後複合効果
を発揮できないため１〜５００ｎｍが好ましい。
【０００７】
【実施例】窒化珪素粉末１００ｇに対し、表１に示す分
散させる異種粒子中の金属元素を含む有機金属化合物を
それぞれ分散量に応じて有機溶剤中に溶かして混合し、
乾燥後、表２に記載のそれぞれの雰囲気中５００℃で５
時間熱処理した。これらの表面処理された粉末を透過型
電子顕微鏡で観察することにより、金属酸化物等の被膜
が窒化珪素質結晶粒子の表面に均一に生成していること
を確認した。その後、該窒化珪素質粉末に焼結助剤（Ｙ
2Ｏ3５ｗｔ％−Ａｌ2Ｏ3５ｗｔ％）を加え、湿式混合し
乾燥後、１．５ｔ／ｃｍ2の圧力で冷間静水圧プレスし
成形した後、窒素中１７５０℃で１０時間常圧焼結し
た。表２に各例の分散粒子の粒径、分散量、焼結体の機
械的特性値を示した。
散させる異種粒子中の金属元素を含む有機金属化合物を
それぞれ分散量に応じて有機溶剤中に溶かして混合し、
乾燥後、表２に記載のそれぞれの雰囲気中５００℃で５
時間熱処理した。これらの表面処理された粉末を透過型
電子顕微鏡で観察することにより、金属酸化物等の被膜
が窒化珪素質結晶粒子の表面に均一に生成していること
を確認した。その後、該窒化珪素質粉末に焼結助剤（Ｙ
2Ｏ3５ｗｔ％−Ａｌ2Ｏ3５ｗｔ％）を加え、湿式混合し
乾燥後、１．５ｔ／ｃｍ2の圧力で冷間静水圧プレスし
成形した後、窒素中１７５０℃で１０時間常圧焼結し
た。表２に各例の分散粒子の粒径、分散量、焼結体の機
械的特性値を示した。
【０００８】
【表１】
【０００９】
【表２】
【００１０】
【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、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
用部材に利用し得るセラミックスを提供することができ
る。
れた窒化珪素系複合焼結体を得ることができ、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
用部材に利用し得るセラミックスを提供することができ
る。
Claims (2)
- 【請求項１】 窒化珪素結晶粒子の表面にＣ及びＳｉを
除く周期律表IIａ，III ａ，IVａ，Ｖａ，VIａ，IIｂ，
III ｂ，IVｂ族のうち少なくとも１種以上の元素を含む
有機金属化合物を、酸化物、炭化物又は窒化物換算で
０．０１〜２０ｖｏｌ％被覆処理し、酸化性又は非酸化
性雰囲気にて熱処理することにより、該有機金属化合物
を酸化物、炭化物又は窒化物の平均粒径が１〜５００ｎ
ｍの超微粒子に変換した後、Ｙ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、Ａｌ
Ｎ、ＭｇＯのうち少なくとも２種以上の焼結助剤を加え
成形後、窒素中１４００〜１８５０℃で焼成し、窒化珪
素の粒成長過程で上記超微粒子を窒化珪素結晶粒内に取
り込み分散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】 有機金属化合物を酸化物、炭化物又は窒
化物の超微粒子に変換させる際の非酸化性雰囲気が真
空、Ｎ2、ＮＨ3、Ａｒ、ＣＯ、アルカンの１種又はその
組合せである請求項１記載の窒化珪素系複合焼結体の製
造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3040561A JP2680938B2 (ja) | 1991-02-13 | 1991-02-13 | 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 |
|---|---|---|---|
| JP3040561A JP2680938B2 (ja) | 1991-02-13 | 1991-02-13 | 窒化珪素系複合焼結体の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04260670A JPH04260670A (ja) | 1992-09-16 |
| JP2680938B2 true JP2680938B2 (ja) | 1997-11-19 |
Family
ID=12583876
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3040561A Expired - Lifetime JP2680938B2 (ja) | 1991-02-13 | 1991-02-13 | 窒化珪素系複合焼結体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2680938B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002308716A (ja) * | 2001-04-06 | 2002-10-23 | Isi:Kk | 単分散超薄膜で包接された微粒子とそれを用いた化粧料 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0686332B2 (ja) * | 1986-01-09 | 1994-11-02 | 三菱マテリアル株式会社 | 鋳鉄切削用サイアロン基セラミツク工具の製造法 |
-
1991
- 1991-02-13 JP JP3040561A patent/JP2680938B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04260670A (ja) | 1992-09-16 |
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