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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