JP2974473B2 - 複合セラミックスおよびその製造法 - Google Patents
複合セラミックスおよびその製造法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高温で高強度な複合セ
ラミックスおよびその製造法に関するものである。
ラミックスおよびその製造法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、マトリックスを窒化ケイ素とし
て、分散相をＳｉＣの球状粒子、板状粒子、ウィスカー
または繊維とする複合セラミックスが研究されている。
Proceed-ings of the 23th Automotive Technology Cor
dination meeting、１９９〜２０８頁にはマトリックス
を反応焼結窒化ケイ素として、分散相をＳｉＣの繊維と
する複合セラミックスが示されている。Proceedingsof
the 1st InternationalSymposium on the Science of E
ngineering Ceramics、３７１〜３７６頁にはマトリッ
クスを反応焼結窒化ケイ素として、分散相をＳｉＣの板
状粒子とする複合セラミックスが示されている。特開昭
６２−１２７６０号公報にはマトリックスをＹ2 Ｏ3 −
Ａｌ2 Ｏ3 系窒化ケイ素として、分散相をＳｉＣの繊維
として、ホットプレスで緻密化した複合セラミックスが
示されている。特願平０１−２４３１３３号公報にはマ
トリックスを希土類酸化物窒化ケイ素として、分散相を
ＳｉＣの板状粒子とする複合セラミックスが示されてい
る。
て、分散相をＳｉＣの球状粒子、板状粒子、ウィスカー
または繊維とする複合セラミックスが研究されている。
Proceed-ings of the 23th Automotive Technology Cor
dination meeting、１９９〜２０８頁にはマトリックス
を反応焼結窒化ケイ素として、分散相をＳｉＣの繊維と
する複合セラミックスが示されている。Proceedingsof
the 1st InternationalSymposium on the Science of E
ngineering Ceramics、３７１〜３７６頁にはマトリッ
クスを反応焼結窒化ケイ素として、分散相をＳｉＣの板
状粒子とする複合セラミックスが示されている。特開昭
６２−１２７６０号公報にはマトリックスをＹ2 Ｏ3 −
Ａｌ2 Ｏ3 系窒化ケイ素として、分散相をＳｉＣの繊維
として、ホットプレスで緻密化した複合セラミックスが
示されている。特願平０１−２４３１３３号公報にはマ
トリックスを希土類酸化物窒化ケイ素として、分散相を
ＳｉＣの板状粒子とする複合セラミックスが示されてい
る。
【０００３】また、特公昭５６−５１１５３号公報には
ｏ’相とＳｉＡｌＯＮ相から構成される耐熱性のある焼
結体が示されている。ｏ’相とはＳｉ2 Ｎ2 Ｏ相にＡｌ
2 Ｏ 3 が固溶したものである。Journal of American Ce
ramic Society 第７４巻、第４号、１０９５〜１０９７
頁（１９９０年）にはＳｉＯ2 ガラス相とＳｉ3 Ｎ4と
から構成される耐熱性のある焼結体が示されている。
ｏ’相とＳｉＡｌＯＮ相から構成される耐熱性のある焼
結体が示されている。ｏ’相とはＳｉ2 Ｎ2 Ｏ相にＡｌ
2 Ｏ 3 が固溶したものである。Journal of American Ce
ramic Society 第７４巻、第４号、１０９５〜１０９７
頁（１９９０年）にはＳｉＯ2 ガラス相とＳｉ3 Ｎ4と
から構成される耐熱性のある焼結体が示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
複合セラミックスにおいて、マトリックスが反応焼結Ｓ
ｉ3 Ｎ4 である場合、完全に緻密化しにくく、強度、耐
酸化性が劣り、１４００℃以上では使用できない。ま
た、複合セラミックスにおいて、マトリックスが希土類
酸化物やＡｌ2 Ｏ3 等の焼結助剤を含むＳｉ3 Ｎ4 の場
合、これらの焼結助剤が含まれる粒界相が軟化するか、
あるいは焼結助剤とＳｉ3 Ｎ4 原料に含まれるＳｉＯ2
との共融点が低く、液相が生成し、耐熱性が低下し、１
４００℃以上では使用できない。
複合セラミックスにおいて、マトリックスが反応焼結Ｓ
ｉ3 Ｎ4 である場合、完全に緻密化しにくく、強度、耐
酸化性が劣り、１４００℃以上では使用できない。ま
た、複合セラミックスにおいて、マトリックスが希土類
酸化物やＡｌ2 Ｏ3 等の焼結助剤を含むＳｉ3 Ｎ4 の場
合、これらの焼結助剤が含まれる粒界相が軟化するか、
あるいは焼結助剤とＳｉ3 Ｎ4 原料に含まれるＳｉＯ2
との共融点が低く、液相が生成し、耐熱性が低下し、１
４００℃以上では使用できない。
【０００５】また、複合セラミックスではないｏ’相と
ＳｉＡｌＯＮ相から構成される耐熱性のある焼結体で
も、Ａｌ成分を含有する場合は、粒界相等の軟化により
１４００℃以上では強度の低下を示す。ＳｉＯ2 ガラス
相とＳｉ3 Ｎ4 とから構成される耐熱性のある焼結体で
は高温でＳｉＯ2 ガラス相が不安定である。さらにこれ
らの複合セラミックスではない焼結体は、窒化ケイ素焼
結体特有の柱状結晶と粒界相とから構成される微構造を
示すことがなく、低靱性であるため構造用材料として使
い難い。
ＳｉＡｌＯＮ相から構成される耐熱性のある焼結体で
も、Ａｌ成分を含有する場合は、粒界相等の軟化により
１４００℃以上では強度の低下を示す。ＳｉＯ2 ガラス
相とＳｉ3 Ｎ4 とから構成される耐熱性のある焼結体で
は高温でＳｉＯ2 ガラス相が不安定である。さらにこれ
らの複合セラミックスではない焼結体は、窒化ケイ素焼
結体特有の柱状結晶と粒界相とから構成される微構造を
示すことがなく、低靱性であるため構造用材料として使
い難い。
【０００６】本発明の目的は、室温から１６００℃の温
度範囲で、安定で、高強度を示し、かつ構造用材料とし
て使用可能な程度の高靱性を有する複合セラミックスお
よびその製造法を提供しようとすることにある。
度範囲で、安定で、高強度を示し、かつ構造用材料とし
て使用可能な程度の高靱性を有する複合セラミックスお
よびその製造法を提供しようとすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の複合セラミック
スは、マトリックスが実質的にＳｉ3Ｎ4とＳｉ2Ｎ2Ｏと
で構成され、分散相が実質的にＳｉＣで構成され、マト
リックス中のＡｌ、Ｃａ、Ｆｅ等の不純物金属元素が
０．０５重量％以下であり、１６００℃における強度が
５１０ＭＰａ以上であり、Ｋ IC が４ＭＰａｍ 1/2 である
ことを特徴とするものである。さらに詳しく説明する
と、緻密なＳｉ3Ｎ4とＳｉ2Ｎ2Ｏ微細粒子で構成される
マトリックス中に、ＳｉＣの粒子あるいは繊維が分散し
ているものであり、実質的にＳｉ、Ｃ、Ｏ、Ｎ以外の不
純物元素を含まないものである。ここで、１６００℃に
おける強度はＪＩＳ−Ｒ１６０１に従って測定したもの
であり、Ｋ IC はＪＩＳ−Ｒ１６０７に従って測定したも
のである。
スは、マトリックスが実質的にＳｉ3Ｎ4とＳｉ2Ｎ2Ｏと
で構成され、分散相が実質的にＳｉＣで構成され、マト
リックス中のＡｌ、Ｃａ、Ｆｅ等の不純物金属元素が
０．０５重量％以下であり、１６００℃における強度が
５１０ＭＰａ以上であり、Ｋ IC が４ＭＰａｍ 1/2 である
ことを特徴とするものである。さらに詳しく説明する
と、緻密なＳｉ3Ｎ4とＳｉ2Ｎ2Ｏ微細粒子で構成される
マトリックス中に、ＳｉＣの粒子あるいは繊維が分散し
ているものであり、実質的にＳｉ、Ｃ、Ｏ、Ｎ以外の不
純物元素を含まないものである。ここで、１６００℃に
おける強度はＪＩＳ−Ｒ１６０１に従って測定したもの
であり、Ｋ IC はＪＩＳ−Ｒ１６０７に従って測定したも
のである。
【０００８】また、本発明の複合セラミックスの製造法
は、１６００℃における強度が５１０ＭＰａ以上であ
り、Ｋ IC が４ＭＰａｍ 1/2 である複合セラミックスの製
造法であって、Ａｌ、Ｃａ、Ｆｅ等の不純物金属元素が
０．０５重量％以下であるＳｉ3Ｎ4とＳｉＯ2とを混合
しマトリックス用粉末とし、予めＳｉＣ分散相と混合し
成形するか、あるいはＳｉＣ分散相を分散させながら順
次成形し、成形体を作製し、加圧しながら焼成して、緻
密化することを特徴とするものである。
は、１６００℃における強度が５１０ＭＰａ以上であ
り、Ｋ IC が４ＭＰａｍ 1/2 である複合セラミックスの製
造法であって、Ａｌ、Ｃａ、Ｆｅ等の不純物金属元素が
０．０５重量％以下であるＳｉ3Ｎ4とＳｉＯ2とを混合
しマトリックス用粉末とし、予めＳｉＣ分散相と混合し
成形するか、あるいはＳｉＣ分散相を分散させながら順
次成形し、成形体を作製し、加圧しながら焼成して、緻
密化することを特徴とするものである。
【０００９】
【作用】本発明の複合セラミックスの前述した構成にお
いて、実質的にＳｉ3 Ｎ4 とＳｉ2 Ｎ2 Ｏとで構成さ
れ、Ａｌ、Ｃａ、Ｆｅ等の不純物金属元素が０．０５重
量％以下であるマトリックスは、室温から１６００℃の
温度範囲で、安定で、高強度、耐酸化性を示す。Ｓｉ3
Ｎ4 は実質的にＡｌ2 Ｏ3 の固溶していないβ型の結晶
粒子であり、Ｓｉ2 Ｎ2 Ｏは実質的にＡｌ2 Ｏ3 の固溶
していないｏ’相の結晶粒子である。
いて、実質的にＳｉ3 Ｎ4 とＳｉ2 Ｎ2 Ｏとで構成さ
れ、Ａｌ、Ｃａ、Ｆｅ等の不純物金属元素が０．０５重
量％以下であるマトリックスは、室温から１６００℃の
温度範囲で、安定で、高強度、耐酸化性を示す。Ｓｉ3
Ｎ4 は実質的にＡｌ2 Ｏ3 の固溶していないβ型の結晶
粒子であり、Ｓｉ2 Ｎ2 Ｏは実質的にＡｌ2 Ｏ3 の固溶
していないｏ’相の結晶粒子である。
【００１０】Ｓｉ3 Ｎ4 とＳｉＯ2 に換算し、Ｓｉ3 Ｎ
4 ：ＳｉＯ2 ＝９８：２〜８５：１５（重量比）が、緻
密化し易く、β型の結晶、ｏ’相の結晶に結晶化し易く
好ましい。さらに、Ｓｉ3 Ｎ4 ：ＳｉＯ2 ＝９４：６〜
８８：１２（重量比）が好ましい。分散相であるＳｉＣ
は、球状粒子、板状粒子、あるいは繊維である。それぞ
れ特有の機構により、靱性を向上させるが、繊維がもっ
とも効果が大きく、次は板状粒子である。板状粒子は例
えばＡＭＩ社製板状粒子、Ｃ−ａｘｉｓ社製Ｇｒａｄ
ｅ：Ｍのようなものであり、繊維はＴｅｘｔｒｏｎ Ｓ
ＣＳ−６、ＳＣＳ−９のようなものである。球状粒子は
粒径５〜２０μｍが好ましく、板状粒子は長径１０〜４
０μｍが好ましい。球状粒子、板状粒子は小さいと靱性
向上の効果がなく、大きすぎると破壊発生源となり、強
度低下の原因となる。繊維は直径２００μｍ以下が好ま
しい。繊維は太すぎると繊維自身が弱くなり、靱性向上
の効果がなくなり、かつ強度も低下する。
4 ：ＳｉＯ2 ＝９８：２〜８５：１５（重量比）が、緻
密化し易く、β型の結晶、ｏ’相の結晶に結晶化し易く
好ましい。さらに、Ｓｉ3 Ｎ4 ：ＳｉＯ2 ＝９４：６〜
８８：１２（重量比）が好ましい。分散相であるＳｉＣ
は、球状粒子、板状粒子、あるいは繊維である。それぞ
れ特有の機構により、靱性を向上させるが、繊維がもっ
とも効果が大きく、次は板状粒子である。板状粒子は例
えばＡＭＩ社製板状粒子、Ｃ−ａｘｉｓ社製Ｇｒａｄ
ｅ：Ｍのようなものであり、繊維はＴｅｘｔｒｏｎ Ｓ
ＣＳ−６、ＳＣＳ−９のようなものである。球状粒子は
粒径５〜２０μｍが好ましく、板状粒子は長径１０〜４
０μｍが好ましい。球状粒子、板状粒子は小さいと靱性
向上の効果がなく、大きすぎると破壊発生源となり、強
度低下の原因となる。繊維は直径２００μｍ以下が好ま
しい。繊維は太すぎると繊維自身が弱くなり、靱性向上
の効果がなくなり、かつ強度も低下する。
【００１１】分散相が球状粒子、板状粒子である場合、
複合セラミックス中での球状粒子または板状粒子は５〜
３０重量％であることが好ましい。５重量％より少ない
と靱性向上効果がなく、３０重量％を超えると、緻密化
しにくくなったり、分散相が凝集し、破壊開始源となり
強度低下する。分散相が繊維である場合、複合セラミッ
クス中の繊維は２０〜７０重量％であることが好まし
い。ただし、この場合は、異方性があるので、部品形状
等により検討する必要がある。
複合セラミックス中での球状粒子または板状粒子は５〜
３０重量％であることが好ましい。５重量％より少ない
と靱性向上効果がなく、３０重量％を超えると、緻密化
しにくくなったり、分散相が凝集し、破壊開始源となり
強度低下する。分散相が繊維である場合、複合セラミッ
クス中の繊維は２０〜７０重量％であることが好まし
い。ただし、この場合は、異方性があるので、部品形状
等により検討する必要がある。
【００１２】また、本発明の複合セラミックスのマトリ
ックス中のＡｌ、Ｃａ、Ｆｅ等の不純物金属元素が０．
０５重量％以下であり、マトリックスが実質的にＳｉ、
Ｃ、Ｏ、Ｎの元素から構成される。マトリックス中の不
純物金属元素が０．０５重量％を超えると１４００℃以
上の高温で強度が低下する。本発明の複合セラミックス
の製造法の前述した構成において、Ｓｉ3 Ｎ4 原料とＳ
ｉＯ2 原料は平均粒径１μｍ以下の微細な原料粉末が好
ましい。ただし、ＳｉＯ2 原料はＳｉ3 Ｎ4 原料に不純
物として含まれるものでもよい。またＳｉＯ 2 原料は、
Ｓｉ3 Ｎ4 原料を酸化して得られる所定量のＳｉＯ2 成
分を含有させても良い。前述のとおり高温で強度が低下
しない複合セラミックスを得るため、いずれの原料もＡ
ｌ、Ｃａ、Ｆｅ等の不純物が０．０５重量％でなくては
ならない。
ックス中のＡｌ、Ｃａ、Ｆｅ等の不純物金属元素が０．
０５重量％以下であり、マトリックスが実質的にＳｉ、
Ｃ、Ｏ、Ｎの元素から構成される。マトリックス中の不
純物金属元素が０．０５重量％を超えると１４００℃以
上の高温で強度が低下する。本発明の複合セラミックス
の製造法の前述した構成において、Ｓｉ3 Ｎ4 原料とＳ
ｉＯ2 原料は平均粒径１μｍ以下の微細な原料粉末が好
ましい。ただし、ＳｉＯ2 原料はＳｉ3 Ｎ4 原料に不純
物として含まれるものでもよい。またＳｉＯ 2 原料は、
Ｓｉ3 Ｎ4 原料を酸化して得られる所定量のＳｉＯ2 成
分を含有させても良い。前述のとおり高温で強度が低下
しない複合セラミックスを得るため、いずれの原料もＡ
ｌ、Ｃａ、Ｆｅ等の不純物が０．０５重量％でなくては
ならない。
【００１３】Ｓｉ3 Ｎ4 原料とＳｉＯ2 原料はボールミ
ル、振動ミル、アトリッションミル等を用い、湿式また
は乾式で混合する。前述の好ましい組成にするため、Ｓ
ｉ3Ｎ4 とＳｉ3 Ｎ4 原料中のＳｉＯ2 を含めたＳｉＯ2
との組成が、Ｓｉ3 Ｎ4 ：ＳｉＯ2 ＝９８：２〜８
５：１５（重量比）に混合するのが好ましく、さらにＳ
ｉ3 Ｎ4 ：ＳｉＯ2 ＝９４：６〜８８：１２（重量比）
が好ましい。
ル、振動ミル、アトリッションミル等を用い、湿式また
は乾式で混合する。前述の好ましい組成にするため、Ｓ
ｉ3Ｎ4 とＳｉ3 Ｎ4 原料中のＳｉＯ2 を含めたＳｉＯ2
との組成が、Ｓｉ3 Ｎ4 ：ＳｉＯ2 ＝９８：２〜８
５：１５（重量比）に混合するのが好ましく、さらにＳ
ｉ3 Ｎ4 ：ＳｉＯ2 ＝９４：６〜８８：１２（重量比）
が好ましい。
【００１４】分散相が球状粒子、板状粒子である場合、
Ｓｉ3 Ｎ4 原料とＳｉＯ2 原料との混合粉末に、ＳｉＣ
の球状粒子、板状粒子を混合する。ＳｉＣの球状粒子、
板状粒子は前述の通り、特性の優れた複合セラミックス
を得るために、球状粒子は粒径５〜２０μｍが好まし
く、板状粒子は長径１０〜４０がμｍが好ましく、複合
セラミックスの混合粉末中で５〜３０重量％であること
が好ましい。また、前述のとおり高温で強度が低下しな
い複合セラミックスを得るため、マトリックス中のＡ
ｌ、Ｃａ、Ｆｅ等の不純物が０．０５重量％でなくては
ならない。分散相もこれに準ずるが、分散相自身の強度
低下が無く、マトリックスへ不純物が拡散しないなら
ば、複合セラミックスの高温強度を損なうことはない。
Ｓｉ3 Ｎ4 原料とＳｉＯ2 原料との混合粉末に、ＳｉＣ
の球状粒子、板状粒子を混合する。ＳｉＣの球状粒子、
板状粒子は前述の通り、特性の優れた複合セラミックス
を得るために、球状粒子は粒径５〜２０μｍが好まし
く、板状粒子は長径１０〜４０がμｍが好ましく、複合
セラミックスの混合粉末中で５〜３０重量％であること
が好ましい。また、前述のとおり高温で強度が低下しな
い複合セラミックスを得るため、マトリックス中のＡ
ｌ、Ｃａ、Ｆｅ等の不純物が０．０５重量％でなくては
ならない。分散相もこれに準ずるが、分散相自身の強度
低下が無く、マトリックスへ不純物が拡散しないなら
ば、複合セラミックスの高温強度を損なうことはない。
【００１５】マトリックスの原料粉末とＳｉＣの球状粒
子、板状粒子とを混合する場合、ＳｉＣの球状粒子、板
状粒子の形状、大きさを損なわないように行なう。得ら
れた混合粉末は、必要に応じ乾燥、造粒し、乾式プレス
成形、射出成形、鋳込成形等で部材形状等に成形する。
分散相が繊維である場合、予め予備成形したＳｉＣの繊
維の隙間に、マトリックスの原料粉末を湿式あるいは乾
式で充填するか、マトリックスの原料粉末を成形して
は、繊維を分散させることを順次繰り返す等して、繊維
の分散した成形体を得る。
子、板状粒子とを混合する場合、ＳｉＣの球状粒子、板
状粒子の形状、大きさを損なわないように行なう。得ら
れた混合粉末は、必要に応じ乾燥、造粒し、乾式プレス
成形、射出成形、鋳込成形等で部材形状等に成形する。
分散相が繊維である場合、予め予備成形したＳｉＣの繊
維の隙間に、マトリックスの原料粉末を湿式あるいは乾
式で充填するか、マトリックスの原料粉末を成形して
は、繊維を分散させることを順次繰り返す等して、繊維
の分散した成形体を得る。
【００１６】得られた成形体は黒鉛製型を用いたホット
プレス、ＳｉＯ2系ガラス、あるいはバイコールガラ
ス、パイレックスガラスのようなＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系
ガラスを用いたカプセルＨＩＰ法で焼成し、緻密化す
る。焼成温度は１８００〜２２００℃が好ましい。焼成
雰囲気はＮ2 雰囲気が好ましく、カプセルＨＩＰの場
合、Ａｒ雰囲気でもかまわない。ホットプレス後さらに
カプセルのないＨＩＰあるいはカプセルＨＩＰで緻密化
することもできる。
プレス、ＳｉＯ2系ガラス、あるいはバイコールガラ
ス、パイレックスガラスのようなＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系
ガラスを用いたカプセルＨＩＰ法で焼成し、緻密化す
る。焼成温度は１８００〜２２００℃が好ましい。焼成
雰囲気はＮ2 雰囲気が好ましく、カプセルＨＩＰの場
合、Ａｒ雰囲気でもかまわない。ホットプレス後さらに
カプセルのないＨＩＰあるいはカプセルＨＩＰで緻密化
することもできる。
【００１７】焼成過程において、マトリックスでは、Ｓ
ｉ3 Ｎ4 とＳｉＯ2 とが反応し、Ｓｉ3 Ｎ4 とＳｉ2 Ｎ
2 Ｏとが生成する。Ｓｉ3 Ｎ4 原料としてα−Ｓｉ3 Ｎ
4 を用いた場合はβ−Ｓｉ3 Ｎ4 に変化する。また、分
散相に含まれるＳｉ、Ｃ等は、ほとんどが気相等と反応
し、飛散するか、あるいはＳｉＣ、Ｓｉ3 Ｎ4 、Ｓｉ 2
Ｎ2 Ｏ等になる。
ｉ3 Ｎ4 とＳｉＯ2 とが反応し、Ｓｉ3 Ｎ4 とＳｉ2 Ｎ
2 Ｏとが生成する。Ｓｉ3 Ｎ4 原料としてα−Ｓｉ3 Ｎ
4 を用いた場合はβ−Ｓｉ3 Ｎ4 に変化する。また、分
散相に含まれるＳｉ、Ｃ等は、ほとんどが気相等と反応
し、飛散するか、あるいはＳｉＣ、Ｓｉ3 Ｎ4 、Ｓｉ 2
Ｎ2 Ｏ等になる。
【００１８】
【実施例】以下、実施例について説明する。ＳｉＯ2 を
２．５重量％、不純物金属元素が０．０５重量％、平均
粒径０．６μｍ、α−Ｓｉ3 Ｎ4 が全Ｓｉ3 Ｎ4 の９５
重量％であるＳｉ3 Ｎ4 粉末と、不純物金属元素が０．
０４重量％、平均粒径０．８μｍのＳｉＯ2 粉末とを、
表１の割合で調合、水湿式混合した。
２．５重量％、不純物金属元素が０．０５重量％、平均
粒径０．６μｍ、α−Ｓｉ3 Ｎ4 が全Ｓｉ3 Ｎ4 の９５
重量％であるＳｉ3 Ｎ4 粉末と、不純物金属元素が０．
０４重量％、平均粒径０．８μｍのＳｉＯ2 粉末とを、
表１の割合で調合、水湿式混合した。
【００１９】
【表１】 得られた泥奬を乾燥、造粒した。次に、５０×４０×６
ｍｍの成形体を作成し、ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系ガラスを
用いて、１９００℃でカプセルＨＩＰにて焼成、緻密化
し、本発明の複合セラミックスによるマトリックスの実
施例２〜４による焼成体を得た。
ｍｍの成形体を作成し、ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系ガラスを
用いて、１９００℃でカプセルＨＩＰにて焼成、緻密化
し、本発明の複合セラミックスによるマトリックスの実
施例２〜４による焼成体を得た。
【００２０】ＳｉＯ2 を２．８重量％、不純物金属元素
が０．１２重量％、平均粒径０．５μｍ、α−Ｓｉ3 Ｎ
4 が全Ｓｉ3 Ｎ4 の９６重量％であるＳｉ3 Ｎ4 粉末
と、不純物金属元素が０．０４重量％、平均粒径０．８
μｍのＳｉＯ2粉末とを、表１の割合で調合、水湿式混
合した。得られた泥奬を乾燥、造粒した。次に、５０×
４０×６ｍｍの成形体を作製し、ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系
ガラスを用いて、１９００℃でカプセルＨＩＰにて焼
成、緻密化し、本発明の複合セラミックスのマトリック
スに対する比較例６〜１０による焼結体を得た。主たる
不純物はＡｌ、Ｃａ、Ｆｅであった。
が０．１２重量％、平均粒径０．５μｍ、α−Ｓｉ3 Ｎ
4 が全Ｓｉ3 Ｎ4 の９６重量％であるＳｉ3 Ｎ4 粉末
と、不純物金属元素が０．０４重量％、平均粒径０．８
μｍのＳｉＯ2粉末とを、表１の割合で調合、水湿式混
合した。得られた泥奬を乾燥、造粒した。次に、５０×
４０×６ｍｍの成形体を作製し、ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系
ガラスを用いて、１９００℃でカプセルＨＩＰにて焼
成、緻密化し、本発明の複合セラミックスのマトリック
スに対する比較例６〜１０による焼結体を得た。主たる
不純物はＡｌ、Ｃａ、Ｆｅであった。
【００２１】実施例２〜４および比較例６〜１０による
焼結体はＸ線解折分析によれば、β−Ｓｉ3 Ｎ4 とＳｉ
2 Ｎ2 Ｏ相とから構成されていた。その結晶相の割合
は、化学組成から推定されるものと一致した。また、微
構造観察の結果、ほとんど非晶質部分は見られなかっ
た。さらに、実施例２〜４および比較例６〜１０による
焼結体について、ＪＩＳ−Ｒ１６０１に従って、室温と
１６００℃との強度を測定し、嵩密度とともに表１に示
した。
焼結体はＸ線解折分析によれば、β−Ｓｉ3 Ｎ4 とＳｉ
2 Ｎ2 Ｏ相とから構成されていた。その結晶相の割合
は、化学組成から推定されるものと一致した。また、微
構造観察の結果、ほとんど非晶質部分は見られなかっ
た。さらに、実施例２〜４および比較例６〜１０による
焼結体について、ＪＩＳ−Ｒ１６０１に従って、室温と
１６００℃との強度を測定し、嵩密度とともに表１に示
した。
【００２２】表１のとおり不純物金属元素が０．０５重
量％以下の場合、１６００℃においても室温と同等の強
度を示した。高温での強度低下が小さいのは、軟化し易
い非晶質部分が少ないためと推定できる。さらに結晶相
と化学組成との関係、微構造から、不純物金属元素が
０．０５重量％以下の場合、実施例に示す範囲のＳｉ3
Ｎ4 とＳｉＯ2 との組成割合において、実質的に結晶化
しているものと判断できる。
量％以下の場合、１６００℃においても室温と同等の強
度を示した。高温での強度低下が小さいのは、軟化し易
い非晶質部分が少ないためと推定できる。さらに結晶相
と化学組成との関係、微構造から、不純物金属元素が
０．０５重量％以下の場合、実施例に示す範囲のＳｉ3
Ｎ4 とＳｉＯ2 との組成割合において、実質的に結晶化
しているものと判断できる。
【００２３】実施例１ 表１に示した本発明の実施例３に用いたマトリックス原
料に、泥奬状態で、表２のとおりＳｉＣの球状粒子、板
状粒子を添加し、混合した。次に、５０×４０×６ｍｍ
の成形体を作製し、ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系ガラスを用い
て、１９００℃でカプセルＨＩＰにて焼成、緻密化し、
本発明による複合セラミックスの実施例１１〜２２を得
た。
料に、泥奬状態で、表２のとおりＳｉＣの球状粒子、板
状粒子を添加し、混合した。次に、５０×４０×６ｍｍ
の成形体を作製し、ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系ガラスを用い
て、１９００℃でカプセルＨＩＰにて焼成、緻密化し、
本発明による複合セラミックスの実施例１１〜２２を得
た。
【００２４】
【表２】 複合セラミックスの実施例１１〜２２について、ＪＩＳ
−Ｒ１６０１に従って、室温と１６００℃との強度を測
定し、嵩密度とともに表２に示した。表２のとおり実施
例１１〜２２は、１６００℃においても室温と同等の強
度を示した。またＪＩＳ−Ｒ１６０７に従って、ＫICを
測定し、表２に示した。表１に示した本発明による複合
セラミックスのマトリックスの実施例３の焼結体の靱性
ＫICは３ＭＰａｍ1/2 であった。表２のとおり本発明に
よる複合セラミックスの実施例１１〜２２は靱性ＫICが
高く、マトリックスに比較して靱性が改善された。
−Ｒ１６０１に従って、室温と１６００℃との強度を測
定し、嵩密度とともに表２に示した。表２のとおり実施
例１１〜２２は、１６００℃においても室温と同等の強
度を示した。またＪＩＳ−Ｒ１６０７に従って、ＫICを
測定し、表２に示した。表１に示した本発明による複合
セラミックスのマトリックスの実施例３の焼結体の靱性
ＫICは３ＭＰａｍ1/2 であった。表２のとおり本発明に
よる複合セラミックスの実施例１１〜２２は靱性ＫICが
高く、マトリックスに比較して靱性が改善された。
【００２５】実施例２ 表１に示した本発明による複合セラミックスのマトリッ
クスの実施例３の焼結体に用いたマトリックス原料を、
乾燥、造粒した。表３のとおり、マトリックス成形用原
料を金型を用いて成形し、その上にＳｉＣの繊維を一次
元方向に分散させ、さらにマトリックス原料をその上に
成形し、これらの操作を金型内で繰り返して、成形体を
作製した。成形体をＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系ガラスを用い
て、１９００℃カプセルＨＩＰにて焼成、緻密化し、本
発明による複合セラミックスの実施例２３〜２６を得
た。
クスの実施例３の焼結体に用いたマトリックス原料を、
乾燥、造粒した。表３のとおり、マトリックス成形用原
料を金型を用いて成形し、その上にＳｉＣの繊維を一次
元方向に分散させ、さらにマトリックス原料をその上に
成形し、これらの操作を金型内で繰り返して、成形体を
作製した。成形体をＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系ガラスを用い
て、１９００℃カプセルＨＩＰにて焼成、緻密化し、本
発明による複合セラミックスの実施例２３〜２６を得
た。
【００２６】
【表３】 複合セラミックスの実施例２３〜２６について、ＪＩＳ
−Ｒ１６０１に従って、室温と１６００℃との強度を測
定し、嵩密度とともに表３に示した。表３のとおり本発
明の複合セラミックスの実施例２３〜２６は、１６００
℃においても室温と同等の強度を示した。
−Ｒ１６０１に従って、室温と１６００℃との強度を測
定し、嵩密度とともに表３に示した。表３のとおり本発
明の複合セラミックスの実施例２３〜２６は、１６００
℃においても室温と同等の強度を示した。
【００２７】また、ＪＩＳ−Ｒ１６０１に示される強度
測定試験片の引張面に１００μｍの溝を加工し、強度試
験と同様に荷重を負荷し、破壊荷重を強度に換算し、溝
を入れない場合の室温強度と比較し、低下した割合を表
３に示した。表１に示した本発明による複合セラミック
スのマトリックスの実施例３の焼結体では、溝により、
強度が１３０ＭＰａと、７５％低下したが、表３のとお
り本発明による複合セラミックスの実施例２３〜２６は
溝による強度低下が小さく、靱性が改善された。
測定試験片の引張面に１００μｍの溝を加工し、強度試
験と同様に荷重を負荷し、破壊荷重を強度に換算し、溝
を入れない場合の室温強度と比較し、低下した割合を表
３に示した。表１に示した本発明による複合セラミック
スのマトリックスの実施例３の焼結体では、溝により、
強度が１３０ＭＰａと、７５％低下したが、表３のとお
り本発明による複合セラミックスの実施例２３〜２６は
溝による強度低下が小さく、靱性が改善された。
【００２８】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の複合セラミックスは、Ｓｉ3 Ｎ4 とＳｉＯ2 とを混合
しマトリックス用粉末とし、予めＳｉＣ分散相と混合し
成形するか、あるいはＳｉＣ分散相を分散させながら順
次成形し、成形体を作製し、加圧しながら焼成して、緻
密化するもので、マトリックスが実質的にＳｉ3 Ｎ4 と
Ｓｉ2 ＯＮ2 とで構成され、分散相が実質的にＳｉＣで
構成され、Ａｌ、Ｃａ、Ｆｅ等の不純物金属元素が０．
０５重量％以下であることを特徴とするもので、１６０
０℃の高温で室温と同等の高強度を示し、かつ高い靱性
を示すという効果がある。
の複合セラミックスは、Ｓｉ3 Ｎ4 とＳｉＯ2 とを混合
しマトリックス用粉末とし、予めＳｉＣ分散相と混合し
成形するか、あるいはＳｉＣ分散相を分散させながら順
次成形し、成形体を作製し、加圧しながら焼成して、緻
密化するもので、マトリックスが実質的にＳｉ3 Ｎ4 と
Ｓｉ2 ＯＮ2 とで構成され、分散相が実質的にＳｉＣで
構成され、Ａｌ、Ｃａ、Ｆｅ等の不純物金属元素が０．
０５重量％以下であることを特徴とするもので、１６０
０℃の高温で室温と同等の高強度を示し、かつ高い靱性
を示すという効果がある。
Claims (3)
- 【請求項１】 マトリックスが実質的にＳｉ3Ｎ4とＳｉ
2Ｎ2Ｏとで構成され、 分散相が実質的にＳｉＣで構成され、 マトリックス中のＡｌ、Ｃａ、Ｆｅ等の不純物金属元素
が０．０５重量％以下であり、 １６００℃における強度が５１０ＭＰａ以上であり、 Ｋ IC が４ＭＰａｍ 1/2 であることを特徴とする複合セラ
ミックス。 - 【請求項２】 １６００℃における強度が５１０ＭＰａ
以上であり、Ｋ IC が４ＭＰａｍ 1/2 である複合セラミッ
クスの製造法であって、 Ａｌ、Ｃａ、Ｆｅ等の不純物金属元素が０．０５重量％
以下であるＳｉ3Ｎ4とＳｉＯ2とを混合しマトリックス
用粉末とし、予めＳｉＣ分散相と混合し成形し、成形体
を作製し、加圧しながら焼成して、緻密化することを特
徴とする複合セラミックスの製造法。 - 【請求項３】 １６００℃における強度が５１０ＭＰａ
以上であり、Ｋ IC が４ＭＰａｍ 1/2 である複合セラミッ
クスの製造法であって、 Ａｌ、Ｃａ、Ｆｅ等の不純物金属元素が０．０５重量％
以下であるＳｉ3Ｎ4とＳｉＯ2とを混合しマトリックス
用粉末とし、ＳｉＣ分散相を分散させながら順次成形
し、成形体を作製し、加圧しながら焼成して、緻密化す
ることを特徴とする複合セラミックスの製造法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3284507A JP2974473B2 (ja) | 1991-10-30 | 1991-10-30 | 複合セラミックスおよびその製造法 |
| US07/960,333 US5366941A (en) | 1991-10-30 | 1992-10-13 | Composite ceramics and their production process |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3284507A JP2974473B2 (ja) | 1991-10-30 | 1991-10-30 | 複合セラミックスおよびその製造法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05117030A JPH05117030A (ja) | 1993-05-14 |
| JP2974473B2 true JP2974473B2 (ja) | 1999-11-10 |
Family
ID=17679404
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3284507A Expired - Fee Related JP2974473B2 (ja) | 1991-10-30 | 1991-10-30 | 複合セラミックスおよびその製造法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5366941A (ja) |
| JP (1) | JP2974473B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6040256A (en) * | 1993-10-12 | 2000-03-21 | Isuzu Ceramics Research Institute Co., Ltd. | Method for producing a reaction sintered ceramic |
| FR2849022B1 (fr) * | 2002-12-19 | 2005-07-01 | Commissariat Energie Atomique | Procede de fabrication d'un composite a matrice ceramique et a fibres de carbure de silicium et composite ainsi obtenu |
| US7521388B2 (en) * | 2003-09-25 | 2009-04-21 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Wear resistant member comprised of silicon nitride and process for producing the same |
| EP1951486A4 (en) * | 2005-11-07 | 2009-11-18 | Vanguard Company Llc | INVERSE SINTER REACTION OF Si3N4 / SiC COMPOSITES |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3890250A (en) * | 1973-03-14 | 1975-06-17 | Norton Co | Hot pressed silicon nitride containing finely dispersed silicon carbide or silicon aluminum oxynitride |
| JPS54123110A (en) * | 1978-03-17 | 1979-09-25 | Tokyo Shibaura Electric Co | Production of siliconee ceramics |
| JPS5651153A (en) * | 1979-10-02 | 1981-05-08 | Canon Inc | Method and device for picture forming |
| DE3856206T2 (de) * | 1987-03-16 | 1999-03-11 | Hitachi Ltd | Gesinterter Keramikkörper und Verfahren zu seiner Herstellung |
| JPS63270360A (ja) * | 1987-04-28 | 1988-11-08 | Agency Of Ind Science & Technol | 高密度酸窒化ケイ素焼結体とその製造法 |
| JPH0745350B2 (ja) * | 1987-12-01 | 1995-05-17 | 日本特殊陶業株式会社 | 繊維強化セラミックス |
| JP2556888B2 (ja) * | 1987-12-24 | 1996-11-27 | 日立金属株式会社 | 電気抵抗率バラツキの少ないセラミックス導電材料 |
| US5118645A (en) * | 1988-01-27 | 1992-06-02 | The Dow Chemical Company | Self-reinforced silicon nitride ceramic of high fracture toughness and a method of preparing the same |
| IT1230774B (it) * | 1989-05-05 | 1991-10-29 | Sir Ind Spa | Preforme ceramiche ad elevata resistenza meccanica, procedimento per la loro preparazione e compositi a matrice metallica con esse ottenuti. |
| JP2925089B2 (ja) * | 1989-09-18 | 1999-07-26 | 東京電力株式会社 | セラミックス複合焼結体およびその製造方法 |
-
1991
- 1991-10-30 JP JP3284507A patent/JP2974473B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1992
- 1992-10-13 US US07/960,333 patent/US5366941A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05117030A (ja) | 1993-05-14 |
| US5366941A (en) | 1994-11-22 |
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