JP3044287B2 - 窒化ケイ素質複合焼結体およびその製造方法 - Google Patents
窒化ケイ素質複合焼結体およびその製造方法Info
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は自動車エンジン、
ガスタービン、化学プラント、精密機械等の分野におい
て利用される窒化ケイ素質複合焼結体およびその製造方
法に関する。
ガスタービン、化学プラント、精密機械等の分野におい
て利用される窒化ケイ素質複合焼結体およびその製造方
法に関する。
【0002】
【従来技術】セラミックスは低温および高温で高強度、
高硬度等の金属やプラスチックスのような他の材料には
ない優れた性質を持つ。特に窒化ケイ素セラミックスは
過酷な条件下で使用する機械部品として実用化が進展し
ている。しかし、セラミックスの強度は広いバラツキ
(分布)を示しており、信頼性が低いのが大きな問題点
であった。この特性は脆性破壊に起因する本質的なもの
であるが、その欠点を克服する方法として高靭性化があ
る。最初に開発された方法はα粉末を高窒素圧下で高温
に加熱することにより、細かい粒子中に大きな柱状粒子
を発達させるものである。焼結途中で低温型のαが高温
型のβに相転移し、それに伴い一部の粒子が異常粒成長
して柱状粒子となる。柱状粒子は複合材料中の強化材と
同じ働きをする。この方法を自己複合化または自己強化
と呼ぶ(Ceram.Eng.Sci.Proc.12
巻,1418ページ(1991))。本発明者等は、先
に細かいβ粉末に粒成長の核として大きなβ粒子を混合
して焼結すると自己複合化組織が得られ、高強度・高靭
性材料が得られることを究明した(特許1853464
号、特許2019555号、特願平5−24707
3)。
高硬度等の金属やプラスチックスのような他の材料には
ない優れた性質を持つ。特に窒化ケイ素セラミックスは
過酷な条件下で使用する機械部品として実用化が進展し
ている。しかし、セラミックスの強度は広いバラツキ
(分布)を示しており、信頼性が低いのが大きな問題点
であった。この特性は脆性破壊に起因する本質的なもの
であるが、その欠点を克服する方法として高靭性化があ
る。最初に開発された方法はα粉末を高窒素圧下で高温
に加熱することにより、細かい粒子中に大きな柱状粒子
を発達させるものである。焼結途中で低温型のαが高温
型のβに相転移し、それに伴い一部の粒子が異常粒成長
して柱状粒子となる。柱状粒子は複合材料中の強化材と
同じ働きをする。この方法を自己複合化または自己強化
と呼ぶ(Ceram.Eng.Sci.Proc.12
巻,1418ページ(1991))。本発明者等は、先
に細かいβ粉末に粒成長の核として大きなβ粒子を混合
して焼結すると自己複合化組織が得られ、高強度・高靭
性材料が得られることを究明した(特許1853464
号、特許2019555号、特願平5−24707
3)。
【0003】窒化ケイ素粉末に少量のアルミナを加えて
焼結すると、β窒化ケイ素の固溶体であるβサイアロン
のマトリックスに酸窒化ケイ素の柱状粒子が少量分散し
た焼結体が得られることが知られている(K.Yabuta et
al, J. Am. Ceram. Soc. 74巻,884ページ(19
91))。この材料は添加した酸化物が完全に粒内に固
溶するので耐酸化性は優れるが、すべて粒内破壊が進行
し柱状粒子が強化材の役割を果たさない。そのため、低
靭性で低強度である問題がある。また、Si3N4−Al
2O3−AlN系の混合粉末を焼結してβサイアロン(窒
化ケイ素Si3N4、その固溶体は(Si,Al)
3(N,O)4である)とO’サイアロン(酸窒化ケイ素
Si2N2Oの固溶体で(Si,Al)2(N,O)3であ
る)を作る研究は広く行われている(例えば、D.P.Thom
pson et al, "CeramicMaterials and components for e
ngines", edited by W.Bunk and H.Hausner,German Cer
amic Society, 1986, p. 643 )。この研究においては
原料としてα粉末が用いられ、焼結過程で相転移と共に
窒化ケイ素の柱状が発達するため、酸窒化ケイ素の柱状
粒子が生成しない。従って、組織を制御して自己複合化
が行われていない。
焼結すると、β窒化ケイ素の固溶体であるβサイアロン
のマトリックスに酸窒化ケイ素の柱状粒子が少量分散し
た焼結体が得られることが知られている(K.Yabuta et
al, J. Am. Ceram. Soc. 74巻,884ページ(19
91))。この材料は添加した酸化物が完全に粒内に固
溶するので耐酸化性は優れるが、すべて粒内破壊が進行
し柱状粒子が強化材の役割を果たさない。そのため、低
靭性で低強度である問題がある。また、Si3N4−Al
2O3−AlN系の混合粉末を焼結してβサイアロン(窒
化ケイ素Si3N4、その固溶体は(Si,Al)
3(N,O)4である)とO’サイアロン(酸窒化ケイ素
Si2N2Oの固溶体で(Si,Al)2(N,O)3であ
る)を作る研究は広く行われている(例えば、D.P.Thom
pson et al, "CeramicMaterials and components for e
ngines", edited by W.Bunk and H.Hausner,German Cer
amic Society, 1986, p. 643 )。この研究においては
原料としてα粉末が用いられ、焼結過程で相転移と共に
窒化ケイ素の柱状が発達するため、酸窒化ケイ素の柱状
粒子が生成しない。従って、組織を制御して自己複合化
が行われていない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】α粉末を原料とする自
己複合化方法では、強化材である柱状粒子の成長は相転
移と密接に関係するので、その数や量の制御が不可能な
ため組織の再現性に問題がある。βサイアロンやO’−
サイアロンでも、自己複合化は困難である。また、β粉
末を原料とする自己複合化方法では上記の組織の再現性
の問題は解決できたが、核として加えるβ粒子を別に製
造したり、或いはこれを均一に混合する必要が生じる。
これは、成形体の焼結性を低下させるので、高温で焼結
する必要がある。このように、本発明者等は従来の自己
複合化材料では、組織の制御には精密なプロセス制御が
必要になることを明かとした。
己複合化方法では、強化材である柱状粒子の成長は相転
移と密接に関係するので、その数や量の制御が不可能な
ため組織の再現性に問題がある。βサイアロンやO’−
サイアロンでも、自己複合化は困難である。また、β粉
末を原料とする自己複合化方法では上記の組織の再現性
の問題は解決できたが、核として加えるβ粒子を別に製
造したり、或いはこれを均一に混合する必要が生じる。
これは、成形体の焼結性を低下させるので、高温で焼結
する必要がある。このように、本発明者等は従来の自己
複合化材料では、組織の制御には精密なプロセス制御が
必要になることを明かとした。
【0005】本発明者は、先に前記課題を解決するため
に高温安定型で細かく均一なβ型窒化ケイ素粉末を原料
とし、焼結助剤を添加して焼結すれば均一な焼結体が得
られることを明かにした(特願平6−92957号)。
ただ、この焼結体は窒化ケイ素のみからなり、強化材で
ある酸窒化ケイ素は存在せず、また、アスペクト比が小
さかった。そこで、更に、容易に自己複合化材料を得べ
く種々検討した結果、高温安定型で細かく均一なβ型窒
化ケイ素粉末を原料とし、焼結助剤としてシリカとY2
O3またはAl2O3を添加すれば、焼結過程で窒化ケイ
素とシリカが反応して酸窒化ケイ素粒子を生成し、該粒
子は結晶構造(斜方晶系)を反映して柱状に成長するの
で強化材の役割を果たし、その量は焼結助剤内のシリカ
量によって制御できるとの知見を見出し、本発明を完成
したもので、本発明の目的は通常の焼結と同じような工
程で複合組織化された窒化ケイ素質複合焼結体を提供す
ることを目的とする。
に高温安定型で細かく均一なβ型窒化ケイ素粉末を原料
とし、焼結助剤を添加して焼結すれば均一な焼結体が得
られることを明かにした(特願平6−92957号)。
ただ、この焼結体は窒化ケイ素のみからなり、強化材で
ある酸窒化ケイ素は存在せず、また、アスペクト比が小
さかった。そこで、更に、容易に自己複合化材料を得べ
く種々検討した結果、高温安定型で細かく均一なβ型窒
化ケイ素粉末を原料とし、焼結助剤としてシリカとY2
O3またはAl2O3を添加すれば、焼結過程で窒化ケイ
素とシリカが反応して酸窒化ケイ素粒子を生成し、該粒
子は結晶構造(斜方晶系)を反映して柱状に成長するの
で強化材の役割を果たし、その量は焼結助剤内のシリカ
量によって制御できるとの知見を見出し、本発明を完成
したもので、本発明の目的は通常の焼結と同じような工
程で複合組織化された窒化ケイ素質複合焼結体を提供す
ることを目的とする。
【0006】本発明の要旨は、60重量%以上95重量
%以下のβ型窒化ケイ素粒子と3重量%以上25重量%
以下の酸窒化ケイ素粒子および2重量%以上15重量%
以下の粒界相から構成される相対密度が95%以上であ
る窒化ケイ素質複合焼結体であって、該窒化ケイ素質複
合焼結体における窒化ケイ素粒子は平均粒径が0.45
ミクロン以下であり、酸窒化ケイ素粒子は平均粒径が
0.5−3.0ミクロンかつアスペクト比が4以上の柱
状粒子であることを特徴とする窒化ケイ素質複合焼結体
であり、その製造法としては平均粒径が0.35ミクロ
ン以下、比表面積が20m2 /g以上であり、かつβ率
が85%以上である窒化ケイ素微粉末75重量%以上9
7重量%以下に、少なくとも1重量%のシリカ分と0.
1重量%以上のY2 O3 またはAl2 O3 を含有する焼
結助剤3重量%以上25重量%以下を添加し、窒素雰囲
気中で1500℃以上1800℃以下の温度で焼結し、
β型窒化ケイ素粒子からなるマトリックス内に柱状に成
長した酸窒化ケイ素粒子が分散した自己複合化組織とす
ることを特徴とする窒化ケイ素質複合焼結体の製造方法
である。なお、本発明における窒化ケイ素粒子と酸窒化
ケイ素粒子とから構成されている複合組織を窒化ケイ素
質複合焼結体という。
%以下のβ型窒化ケイ素粒子と3重量%以上25重量%
以下の酸窒化ケイ素粒子および2重量%以上15重量%
以下の粒界相から構成される相対密度が95%以上であ
る窒化ケイ素質複合焼結体であって、該窒化ケイ素質複
合焼結体における窒化ケイ素粒子は平均粒径が0.45
ミクロン以下であり、酸窒化ケイ素粒子は平均粒径が
0.5−3.0ミクロンかつアスペクト比が4以上の柱
状粒子であることを特徴とする窒化ケイ素質複合焼結体
であり、その製造法としては平均粒径が0.35ミクロ
ン以下、比表面積が20m2 /g以上であり、かつβ率
が85%以上である窒化ケイ素微粉末75重量%以上9
7重量%以下に、少なくとも1重量%のシリカ分と0.
1重量%以上のY2 O3 またはAl2 O3 を含有する焼
結助剤3重量%以上25重量%以下を添加し、窒素雰囲
気中で1500℃以上1800℃以下の温度で焼結し、
β型窒化ケイ素粒子からなるマトリックス内に柱状に成
長した酸窒化ケイ素粒子が分散した自己複合化組織とす
ることを特徴とする窒化ケイ素質複合焼結体の製造方法
である。なお、本発明における窒化ケイ素粒子と酸窒化
ケイ素粒子とから構成されている複合組織を窒化ケイ素
質複合焼結体という。
【0007】即ち、本特許は上記の知見を基に開発した
ものであって、平均粒径が0.35ミクロン以下で比表
面積が20m2/g以上の微細なβ型原料粉末に、シリ
カとY2O3またはAl2O3を含む焼結助剤を添加し、各
種の焼結法を利用して1500〜1850℃で焼結する
ことにより、相対密度95%以上でβ型窒化ケイ素粒子
からなるマトリックス中に柱状に成長した酸窒化ケイ素
粒子が分散した自己複合化組織がえられる。
ものであって、平均粒径が0.35ミクロン以下で比表
面積が20m2/g以上の微細なβ型原料粉末に、シリ
カとY2O3またはAl2O3を含む焼結助剤を添加し、各
種の焼結法を利用して1500〜1850℃で焼結する
ことにより、相対密度95%以上でβ型窒化ケイ素粒子
からなるマトリックス中に柱状に成長した酸窒化ケイ素
粒子が分散した自己複合化組織がえられる。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細の述べ
る。本発明の製造法においてマトリックス用原料粉末を
平均粒径0.35ミクロン以下かつ比表面積が20m2
/g以上としたのは、均一かつ微細である必要からであ
る。この条件をはずれる平均粒径0.35ミクロンより
大きいか比表面積が20m2/g以下の粒子、またはそ
の両方の条件を有する粉末では、加熱中にその粒子が異
常に大きくなる(異常粒成長)。従って、本願発明では
マトリックス用原料粉末を平均粒径0.35ミクロン以
下、かつ比表面積が20m2/g以上望ましくは、平均
粒径0.05−0.2ミクロンかつ比表面積25−50
m2/gとすることによって異常粒成長を防ぎ、強化材
粒子としての酸窒化ケイ素の柱状粒子だけを成長させ、
組織制御を行なうのである。
る。本発明の製造法においてマトリックス用原料粉末を
平均粒径0.35ミクロン以下かつ比表面積が20m2
/g以上としたのは、均一かつ微細である必要からであ
る。この条件をはずれる平均粒径0.35ミクロンより
大きいか比表面積が20m2/g以下の粒子、またはそ
の両方の条件を有する粉末では、加熱中にその粒子が異
常に大きくなる(異常粒成長)。従って、本願発明では
マトリックス用原料粉末を平均粒径0.35ミクロン以
下、かつ比表面積が20m2/g以上望ましくは、平均
粒径0.05−0.2ミクロンかつ比表面積25−50
m2/gとすることによって異常粒成長を防ぎ、強化材
粒子としての酸窒化ケイ素の柱状粒子だけを成長させ、
組織制御を行なうのである。
【0009】焼結助剤としてはシリカとY2O3またはA
l2O3を含むものであれば、化合物であっても粉末混合
物でもよい。代表的なものとして、コーデイエライト
(2MgO・2Al2O3・5SiO2)やY2O3−Si
O2系が上げられるが、これらに限定されるものではな
い。焼結助剤は原料の窒化ケイ素と反応して液相を生成
して、焼結を進行させる。その後、液相中のシリカ分が
窒化ケイ素と反応し、酸窒化ケイ素(Si2N2O)を生
成する。この結晶は斜方晶系で異方性が大きいので、柱
状粒子として成長するので強化材の役割を果たす。焼結
助剤の量は2重量%以上15重量%以下とする。2重量
%未満では焼結助剤としての作用が十分でなく、焼結体
も密度は低いものとなる。15重量%を越えると、焼結
体の高温強度が低いものとなってしまう。望ましくは5
−10重量%の範囲である。その際に焼結助剤中にシリ
カ分は焼結体全体の組成の1重量%以上ないと、その効
果は発揮されない。なお、シリカ分と同時にY2O3また
はAl2O3が0.5重量%以上存在する必要があるの
は、酸窒化ケイ素の生成触媒だからである。それらが共
存しないと、窒化ケイ素とシリカが存在しても酸窒化ケ
イ素は生成しない。
l2O3を含むものであれば、化合物であっても粉末混合
物でもよい。代表的なものとして、コーデイエライト
(2MgO・2Al2O3・5SiO2)やY2O3−Si
O2系が上げられるが、これらに限定されるものではな
い。焼結助剤は原料の窒化ケイ素と反応して液相を生成
して、焼結を進行させる。その後、液相中のシリカ分が
窒化ケイ素と反応し、酸窒化ケイ素(Si2N2O)を生
成する。この結晶は斜方晶系で異方性が大きいので、柱
状粒子として成長するので強化材の役割を果たす。焼結
助剤の量は2重量%以上15重量%以下とする。2重量
%未満では焼結助剤としての作用が十分でなく、焼結体
も密度は低いものとなる。15重量%を越えると、焼結
体の高温強度が低いものとなってしまう。望ましくは5
−10重量%の範囲である。その際に焼結助剤中にシリ
カ分は焼結体全体の組成の1重量%以上ないと、その効
果は発揮されない。なお、シリカ分と同時にY2O3また
はAl2O3が0.5重量%以上存在する必要があるの
は、酸窒化ケイ素の生成触媒だからである。それらが共
存しないと、窒化ケイ素とシリカが存在しても酸窒化ケ
イ素は生成しない。
【0010】このような製造方法で作製された焼結体は
均一で細かい粒子(マトリックス)に少量の大きな粒子
(酸窒化ケイ素)が分散した組織である。原料粉末が上
記の条件を充たせば、窒化ケイ素粒子の平均粒径は0.
45ミクロン以下となる。酸窒化ケイ素粒子の粒径は
0.5〜3.0ミクロンの範囲内、アスペクト比(長さ
/直径)は4以上である必要がある。粒径が0.5ミク
ロン未満またはアスペクト比が4未満では、強化材とし
て有効ではない。粒径が3.0ミクロンを越えるような
条件では、マトリックスの窒化ケイ素粒子も成長し、
0.45ミクロンを越えてしまい、強度が低い物とな
る。このような自己複合材料では、均一で微細なβ窒化
ケイ素から成る焼結体(本特許の材料のマトリックスに
相当)では、破壊靭性は2.5MPa・m1/2程度で
あるのに対し、4〜6MPa・m1/2に向上する。本
発明にかかる窒化ケイ素焼結体は、窒化ケイ素および酸
窒化ケイ素の結晶格子中のケイ素位置にアルミニウム、
窒素位置に酸素が置換型固溶し、その固溶がそれぞれ1
5原子%以下の窒化ケイ素質複合焼結体である。
均一で細かい粒子(マトリックス)に少量の大きな粒子
(酸窒化ケイ素)が分散した組織である。原料粉末が上
記の条件を充たせば、窒化ケイ素粒子の平均粒径は0.
45ミクロン以下となる。酸窒化ケイ素粒子の粒径は
0.5〜3.0ミクロンの範囲内、アスペクト比(長さ
/直径)は4以上である必要がある。粒径が0.5ミク
ロン未満またはアスペクト比が4未満では、強化材とし
て有効ではない。粒径が3.0ミクロンを越えるような
条件では、マトリックスの窒化ケイ素粒子も成長し、
0.45ミクロンを越えてしまい、強度が低い物とな
る。このような自己複合材料では、均一で微細なβ窒化
ケイ素から成る焼結体(本特許の材料のマトリックスに
相当)では、破壊靭性は2.5MPa・m1/2程度で
あるのに対し、4〜6MPa・m1/2に向上する。本
発明にかかる窒化ケイ素焼結体は、窒化ケイ素および酸
窒化ケイ素の結晶格子中のケイ素位置にアルミニウム、
窒素位置に酸素が置換型固溶し、その固溶がそれぞれ1
5原子%以下の窒化ケイ素質複合焼結体である。
【0011】窒化ケイ素焼結体の粒径を測定するには、
試料を切断・研磨後CF4ガスのマイクロ波プラズマで
処理し、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察する。この
処理で窒化ケイ素および酸窒化ケイ素粒子が薄く除去さ
れ、粒界の酸化物系ガラスが残留するので、粒子の形状
は容易に観察できる。SEM写真から500個以上の粒
子を用いて、画像処理法で粒子の直径、長さ、面積を算
出する。粒子の直径は研磨面の粒子の最も短い直径であ
る。平均粒径とは、測定した多数の直径の個数平均であ
る。粒子は3次元にランダムに分布するので、2次元の
画像から直接粒子の形状(アスペクト比)を求めること
はできない。そこで、見かけ上のアスペクト比を画像解
析で求め、その値の上から10%の平均を全体の粒子の
平均アスペクト比と定義する。画像解析と電子線分析機
(EPMA)の結果から、大きく柱状に成長した粒子は
すべて酸窒化ケイ素であり、マトリックス粒子とは容易
に見分けがつく。そこで、同じ手法によって酸窒化ケイ
素の平均粒径と平均アスペクト比が求められる。また、
酸窒化ケイ素の割合(酸窒化ケイ素/酸窒化ケイ素+窒
化ケイ素)は画像解析による面積のそれぞれの総計から
算出できるが、その値の正しいことはX線回折による定
量値と一致することで確かめた。
試料を切断・研磨後CF4ガスのマイクロ波プラズマで
処理し、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察する。この
処理で窒化ケイ素および酸窒化ケイ素粒子が薄く除去さ
れ、粒界の酸化物系ガラスが残留するので、粒子の形状
は容易に観察できる。SEM写真から500個以上の粒
子を用いて、画像処理法で粒子の直径、長さ、面積を算
出する。粒子の直径は研磨面の粒子の最も短い直径であ
る。平均粒径とは、測定した多数の直径の個数平均であ
る。粒子は3次元にランダムに分布するので、2次元の
画像から直接粒子の形状(アスペクト比)を求めること
はできない。そこで、見かけ上のアスペクト比を画像解
析で求め、その値の上から10%の平均を全体の粒子の
平均アスペクト比と定義する。画像解析と電子線分析機
(EPMA)の結果から、大きく柱状に成長した粒子は
すべて酸窒化ケイ素であり、マトリックス粒子とは容易
に見分けがつく。そこで、同じ手法によって酸窒化ケイ
素の平均粒径と平均アスペクト比が求められる。また、
酸窒化ケイ素の割合(酸窒化ケイ素/酸窒化ケイ素+窒
化ケイ素)は画像解析による面積のそれぞれの総計から
算出できるが、その値の正しいことはX線回折による定
量値と一致することで確かめた。
【0012】
【実施例及び比較例】以下、実施例と比較例を挙げてさ
らに具体的に本発明を説明する。 実施例1、2、及び比較例1 市販されているβ型微粉末(電気化学製、SN−P21
FC)から沈降法および遠心分級により微粉を分離し
た。微粉はマトリックス用粉末であり平均粒径0.25
ミクロン、比表面積23.7m2/g、β率93%であ
った。この粉末と焼結助剤としてコーデイエライトを7
重量%添加した。その粉末をヘキサンを溶媒として分散
し、窒化ケイ素製の遊星型ボールミルで2時間混合し
た。混合物を乾燥後、約2.5gを秤量し、直径10m
mのBN粉末を塗布した黒鉛型に充填した。この粉末に
20MPaの圧力を加え、窒素雰囲気中で30℃/mi
nで1750℃まで昇温しそのまま冷却した試料を比較
例1とした。引き続き表1に示すように、1750℃で
1時間保持したものを実施例1とし、8時間保持したも
のを実施例2とする。試料の寸法と重量から密度を測定
した。相対密度はそれぞれの原料の寄与の総和を理論密
度として算定した。焼結体を切断、研磨しCF4ガスを
用いたプラズマエッチングを行った。この処理で窒化ケ
イ素および酸窒化ケイ素粒子は薄く除去され、粒界のガ
ラス相は残留する。この試料を走査型顕微鏡で見ると、
粒界がきれいに識別されるので、組織が容易に観察でき
る。その写真から画像解析により、約500個の粒子の
粒径、長さ、面積を測定した。結果を表1に示した。な
お、比較例1の試料はX線回折の結果、酸窒化ケイ素は
生成していないことが確認されたので、画像処理を行わ
なかった。表1には柱状粒子(酸窒化ケイ素)の重量
(%)も示してある。試料は1ミクロンのダイヤモンド
砥粒で研磨し、JIS R1607の圧子圧入法で破壊
靭性を決定した。ヴィッカース圧子の荷重は20kgと
した。高靭性である窒化ケイ素と酸窒化ケイ素から成る
窒化ケイ素質複合焼結体を製造することができた。な
お、X線回折におけるβ型窒化ケイ素の回折線の位置は
少し低角側にシフトしており、焼結助剤中のアルミナの
一部が置換型固溶した。
らに具体的に本発明を説明する。 実施例1、2、及び比較例1 市販されているβ型微粉末(電気化学製、SN−P21
FC)から沈降法および遠心分級により微粉を分離し
た。微粉はマトリックス用粉末であり平均粒径0.25
ミクロン、比表面積23.7m2/g、β率93%であ
った。この粉末と焼結助剤としてコーデイエライトを7
重量%添加した。その粉末をヘキサンを溶媒として分散
し、窒化ケイ素製の遊星型ボールミルで2時間混合し
た。混合物を乾燥後、約2.5gを秤量し、直径10m
mのBN粉末を塗布した黒鉛型に充填した。この粉末に
20MPaの圧力を加え、窒素雰囲気中で30℃/mi
nで1750℃まで昇温しそのまま冷却した試料を比較
例1とした。引き続き表1に示すように、1750℃で
1時間保持したものを実施例1とし、8時間保持したも
のを実施例2とする。試料の寸法と重量から密度を測定
した。相対密度はそれぞれの原料の寄与の総和を理論密
度として算定した。焼結体を切断、研磨しCF4ガスを
用いたプラズマエッチングを行った。この処理で窒化ケ
イ素および酸窒化ケイ素粒子は薄く除去され、粒界のガ
ラス相は残留する。この試料を走査型顕微鏡で見ると、
粒界がきれいに識別されるので、組織が容易に観察でき
る。その写真から画像解析により、約500個の粒子の
粒径、長さ、面積を測定した。結果を表1に示した。な
お、比較例1の試料はX線回折の結果、酸窒化ケイ素は
生成していないことが確認されたので、画像処理を行わ
なかった。表1には柱状粒子(酸窒化ケイ素)の重量
(%)も示してある。試料は1ミクロンのダイヤモンド
砥粒で研磨し、JIS R1607の圧子圧入法で破壊
靭性を決定した。ヴィッカース圧子の荷重は20kgと
した。高靭性である窒化ケイ素と酸窒化ケイ素から成る
窒化ケイ素質複合焼結体を製造することができた。な
お、X線回折におけるβ型窒化ケイ素の回折線の位置は
少し低角側にシフトしており、焼結助剤中のアルミナの
一部が置換型固溶した。
【0013】
【表1】
【0014】
【表2】
【0015】実施例3及び比較例2、3 実施例1で使用したβ型の微粉窒化ケイ素に実施例1と
同じ方法で、表3の焼結助剤を混合した。乾燥後、混合
粉末を約3g秤量し、直径15mmの金型で20MPa
の圧力で成形した。これをさらに、150MPaで静水
圧成形した。このペレットを10気圧の窒素中で、19
00℃に1時間加熱した。相対密度とX線回折で求めた
結晶質組成結果は表3に示す。
同じ方法で、表3の焼結助剤を混合した。乾燥後、混合
粉末を約3g秤量し、直径15mmの金型で20MPa
の圧力で成形した。これをさらに、150MPaで静水
圧成形した。このペレットを10気圧の窒素中で、19
00℃に1時間加熱した。相対密度とX線回折で求めた
結晶質組成結果は表3に示す。
【0016】
【表3】
【0017】表3に示されるように、実施例2のみ酸窒
化ケイ素粒子を含む自己複合化材料が得られた。他の助
剤では、通常の窒化ケイ素粒子の焼結と同じで、β型窒
化ケイ素粒子のみであった。この結果、焼結助剤として
イットリア(Y2O3)とシリカ(SiO2)が同時に添
加された場合のみ、窒化ケイ素粒子と酸窒化ケイ素粒子
から成る自己複合焼結体が得られた。実施例2の材料中
の酸窒化ケイ素粒子の量、形状や破壊靭性は実施例1と
同様に決定した。酸窒化ケイ素の量は21重量%、平均
粒径は2.4ミクロン、平均のアスペクト比は5.4、
破壊靭性は5.2MPa・m1/2であった。
化ケイ素粒子を含む自己複合化材料が得られた。他の助
剤では、通常の窒化ケイ素粒子の焼結と同じで、β型窒
化ケイ素粒子のみであった。この結果、焼結助剤として
イットリア(Y2O3)とシリカ(SiO2)が同時に添
加された場合のみ、窒化ケイ素粒子と酸窒化ケイ素粒子
から成る自己複合焼結体が得られた。実施例2の材料中
の酸窒化ケイ素粒子の量、形状や破壊靭性は実施例1と
同様に決定した。酸窒化ケイ素の量は21重量%、平均
粒径は2.4ミクロン、平均のアスペクト比は5.4、
破壊靭性は5.2MPa・m1/2であった。
【0018】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、焼
結助剤として、シリカとY2O3又はAl2O3を選択使用
することによって、自己複合化した窒化ケイ素粒子と酸
窒化ケイ素粒子から成る焼結体が得られ、その結果高靱
性を有する窒化ケイ素焼結体が得られた。
結助剤として、シリカとY2O3又はAl2O3を選択使用
することによって、自己複合化した窒化ケイ素粒子と酸
窒化ケイ素粒子から成る焼結体が得られ、その結果高靱
性を有する窒化ケイ素焼結体が得られた。
Claims (5)
- 【請求項1】60重量%以上95重量%以下のβ型窒化
ケイ素粒子と3重量%以上25重量%以下の酸窒化ケイ
素粒子および2重量%以上15重量%以下の粒界相から
構成される相対密度が95%以上である窒化ケイ素質複
合焼結体であって、該窒化ケイ素質複合焼結体における
窒化ケイ素粒子は平均粒径が0.45ミクロン以下であ
り、酸窒化ケイ素粒子は平均粒径が0.5−3.0ミク
ロンかつアスペクト比が4以上の柱状粒子であることを
特徴とする窒化ケイ素質複合焼結体。 - 【請求項2】 窒化ケイ素および酸窒化ケイ素の結晶格
子中のケイ素位置にアルミニウム、窒素位置に酸素が置
換型固溶し、その固溶がそれぞれ15原子%以下である
請求項1記載の窒化ケイ素質複合焼結体。 - 【請求項3】平均粒径が0.35ミクロン以下、比表面
積が20m2 /g以上であり、かつβ率が85%以上で
ある窒化ケイ素微粉末75重量%以上97重量%以下
に、少なくとも1重量%のシリカ分と0.1重量%以上
のY2 O3 またはAl2 O3 を含有する焼結助剤3重量
%以上25重量%以下を添加し、窒素雰囲気中で150
0℃以上1800℃以下の温度で焼結し、β型窒化ケイ
素粒子からなるマトリックス内に柱状に成長した酸窒化
ケイ素粒子が分散した自己複合化組織とすることを特徴
とする請求項1または2記載の窒化ケイ素質複合焼結体
の製造方法。 - 【請求項4】 焼結助剤がコーデイエライトである請求
項3記載の窒化ケイ素質複合焼結体の製造方法。 - 【請求項5】 焼結助剤がイットリア−シリカ系であ
り、イットリア/シリカ重量比が2以上である請求項3
記載の窒化ケイ素質複合焼結体の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9020967A JP3044287B2 (ja) | 1997-01-20 | 1997-01-20 | 窒化ケイ素質複合焼結体およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9020967A JP3044287B2 (ja) | 1997-01-20 | 1997-01-20 | 窒化ケイ素質複合焼結体およびその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH10203874A JPH10203874A (ja) | 1998-08-04 |
JP3044287B2 true JP3044287B2 (ja) | 2000-05-22 |
Family
ID=12041949
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP9020967A Expired - Lifetime JP3044287B2 (ja) | 1997-01-20 | 1997-01-20 | 窒化ケイ素質複合焼結体およびその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3044287B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20030041096A (ko) * | 2001-11-16 | 2003-05-23 | 니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤 | 질화규소질 소결체 및 질화규소질 공구 |
-
1997
- 1997-01-20 JP JP9020967A patent/JP3044287B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH10203874A (ja) | 1998-08-04 |
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