JP3137405B2 - 窒化珪素基セラミックスの製造法 - Google Patents
窒化珪素基セラミックスの製造法Info
- Publication number
- JP3137405B2 JP3137405B2 JP04038388A JP3838892A JP3137405B2 JP 3137405 B2 JP3137405 B2 JP 3137405B2 JP 04038388 A JP04038388 A JP 04038388A JP 3838892 A JP3838892 A JP 3838892A JP 3137405 B2 JP3137405 B2 JP 3137405B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sintering
- particles
- silicon nitride
- columnar
- producing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ロッカーアームチッ
プ、ノズル類、ダイス類等の耐摩耗部品あるいは切削用
チップに適した窒化珪素基セラミックスに関するもので
ある。
プ、ノズル類、ダイス類等の耐摩耗部品あるいは切削用
チップに適した窒化珪素基セラミックスに関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術・課題】従来、強靱な焼結体を得るため
に、焼結体の複合化について様々な研究がなされてき
た。例えば、他成分粒子を添加したものや繊維を添加し
たもの等がある。そして、特にその中でも最も強靱な焼
結体は、ホットプレス法によって作成されたウィスカー
添加焼結体である（例えば、特開昭５９−５４６７７、
特開昭６１−２７４８０３など）。
に、焼結体の複合化について様々な研究がなされてき
た。例えば、他成分粒子を添加したものや繊維を添加し
たもの等がある。そして、特にその中でも最も強靱な焼
結体は、ホットプレス法によって作成されたウィスカー
添加焼結体である（例えば、特開昭５９−５４６７７、
特開昭６１−２７４８０３など）。
【０００３】しかし、このようにウィスカーを用いホッ
トプレス法によって得ることは、エネルギー、コストと
もにかかり工業的に不利である他、方法が極めて限定さ
れ汎用性が少ない。また、ホットプレス法を用いると、
高い温度と圧力がかかるため、ウィスカーに損傷を与え
てしまい、ウィスカーが劣化することがあった。
トプレス法によって得ることは、エネルギー、コストと
もにかかり工業的に不利である他、方法が極めて限定さ
れ汎用性が少ない。また、ホットプレス法を用いると、
高い温度と圧力がかかるため、ウィスカーに損傷を与え
てしまい、ウィスカーが劣化することがあった。
【０００４】本発明は、高い強度及び靱性と、高い耐摩
耗性を有する窒化珪素基焼結体を製造することができ
る、新規な改良法を提供することを基本目的とし、特に
上述の欠点を有しないものを得ることを目的とする。
耗性を有する窒化珪素基焼結体を製造することができ
る、新規な改良法を提供することを基本目的とし、特に
上述の欠点を有しないものを得ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明はホット
プレス法によるウィスカー添加焼結体と同等の強靱な耐
摩耗性と優れた高温特性を有する焼結体をホットプレス
時に生ずるような欠点を生ずることなく製造すべく検討
した結果、本発明に到達したものである。
プレス法によるウィスカー添加焼結体と同等の強靱な耐
摩耗性と優れた高温特性を有する焼結体をホットプレス
時に生ずるような欠点を生ずることなく製造すべく検討
した結果、本発明に到達したものである。
【０００６】即ち、従来のウィスカー添加焼結体の強靱
化メカニズムについては、既に様々な研究がなされてお
り、従来から高強度なウィスカーが組織的にハリ（Brid
ging効果）の役目を果たし、また、一部は（形状的）効
果、すなわちクラックディフレクション効果もある（但
し、強靱なウィスカー粒を使用した為に出ている効果）
といわれてきた。本発明者らは、このメカニズムについ
て、更に詳細に検討した結果、ウィスカーの効果は、そ
のウィスカー自身の強度が基本的要因ではなく、その大
きさ及び粒形状が最も影響するという結論を得た。例え
ばＴＥＭ観察において、ウィスカー中にも多くの欠陥が
確認され、通常は異常粒成長粒と区別することができな
い状態にある。又、さらにマトリックスとしてＡｌ2Ｏ3
のような粒形が等軸晶であるものに対してウィスカーを
添加した場合の効果とＳｉ3Ｎ4のように粒形が柱状晶で
あるものに対してウィスカーを添加した場合の効果を比
較すると、後者は前者に比べ明らかに効果が弱い。これ
らの事実は、上記考察を裏付けるものであり、このこと
から以下の知見を得た。
化メカニズムについては、既に様々な研究がなされてお
り、従来から高強度なウィスカーが組織的にハリ（Brid
ging効果）の役目を果たし、また、一部は（形状的）効
果、すなわちクラックディフレクション効果もある（但
し、強靱なウィスカー粒を使用した為に出ている効果）
といわれてきた。本発明者らは、このメカニズムについ
て、更に詳細に検討した結果、ウィスカーの効果は、そ
のウィスカー自身の強度が基本的要因ではなく、その大
きさ及び粒形状が最も影響するという結論を得た。例え
ばＴＥＭ観察において、ウィスカー中にも多くの欠陥が
確認され、通常は異常粒成長粒と区別することができな
い状態にある。又、さらにマトリックスとしてＡｌ2Ｏ3
のような粒形が等軸晶であるものに対してウィスカーを
添加した場合の効果とＳｉ3Ｎ4のように粒形が柱状晶で
あるものに対してウィスカーを添加した場合の効果を比
較すると、後者は前者に比べ明らかに効果が弱い。これ
らの事実は、上記考察を裏付けるものであり、このこと
から以下の知見を得た。
【０００７】すなわち、ウィスカーのような柱状晶が、
組織中に一定割合存在するならば、必ずしも別途ウィス
カーを添加する必要はなく、ウィスカー添加と同様の効
果が得られるということである。又、高温特性を向上さ
せる為には、粒界ガラス相を生成する焼結助剤成分をで
きる限り少なくする必要がある。さらに、耐摩耗性を向
上させるためには、粗大柱状粒子の存在する母材となる
マトリックス相の粒形を極力細かくした方がよい。これ
らのことをまとめると、切削工具や高温構造材料などの
高い耐摩耗性と高温特性の優れた材料には、粒界ガラス
相が少なく、粗大柱状粒子と微細な等軸状粒子の混在組
織を有した焼結体がもっとも適していることが明らかと
なった。
組織中に一定割合存在するならば、必ずしも別途ウィス
カーを添加する必要はなく、ウィスカー添加と同様の効
果が得られるということである。又、高温特性を向上さ
せる為には、粒界ガラス相を生成する焼結助剤成分をで
きる限り少なくする必要がある。さらに、耐摩耗性を向
上させるためには、粗大柱状粒子の存在する母材となる
マトリックス相の粒形を極力細かくした方がよい。これ
らのことをまとめると、切削工具や高温構造材料などの
高い耐摩耗性と高温特性の優れた材料には、粒界ガラス
相が少なく、粗大柱状粒子と微細な等軸状粒子の混在組
織を有した焼結体がもっとも適していることが明らかと
なった。
【０００８】ここで、粒界相成分を形成する焼結助剤
は、少ない方が高温特性に優れた焼結体が得られるが、
その逆に焼結性が低下し、粒成長が起こり難くなること
が知られている。しかし、前述した粗大な柱状粒子と微
細な等軸状粒子の混在した組織を得るためには、十分な
粒成長が必要であるため、両者は相反関係の状態にある
という困難な問題が存在する。
は、少ない方が高温特性に優れた焼結体が得られるが、
その逆に焼結性が低下し、粒成長が起こり難くなること
が知られている。しかし、前述した粗大な柱状粒子と微
細な等軸状粒子の混在した組織を得るためには、十分な
粒成長が必要であるため、両者は相反関係の状態にある
という困難な問題が存在する。
【０００９】以上のことから、本発明者らは、鋭意研究
の結果、焼結助剤が少量（１〜１０ｗｔ％）であって
も、特定の大きさ・形状を有する柱状Ｓｉ3Ｎ4原料を等
軸状Ｓｉ3Ｎ4粒子に混合し、この混合粉末を普通焼結又
はガス圧焼結すれば、特定の大きさを持った粗大柱状粒
子を特定量含有した組織を生じさせることができ、これ
によって上記目的を達することができることを知見し
た。
の結果、焼結助剤が少量（１〜１０ｗｔ％）であって
も、特定の大きさ・形状を有する柱状Ｓｉ3Ｎ4原料を等
軸状Ｓｉ3Ｎ4粒子に混合し、この混合粉末を普通焼結又
はガス圧焼結すれば、特定の大きさを持った粗大柱状粒
子を特定量含有した組織を生じさせることができ、これ
によって上記目的を達することができることを知見し
た。
【００１０】即ち、本発明は、直径０．３〜５μｍ、長
さ１〜１０μｍ及びアスペクト比２〜５の大きさを有す
る柱状窒化珪素粒子を５〜３０ｗｔ％、焼結助剤を１〜
１０ｗｔ％含有し、残部が等軸状窒化珪素粒子からなる
組成の混合粉末を、成形後、非酸化性雰囲気中で１６０
０℃〜１９００℃で焼結することを特徴とする窒化珪素
基セラミックスの製造法に関するものである（請求項
１）。その結果柱状粒子を種結晶として粒成長した長さ
１０μｍ以上５０μｍ以下の粗大柱状粒子を、５〜４０
％含有した組織とすることを特徴とする（請求項２）。
以下、本発明を詳細に説明する。
さ１〜１０μｍ及びアスペクト比２〜５の大きさを有す
る柱状窒化珪素粒子を５〜３０ｗｔ％、焼結助剤を１〜
１０ｗｔ％含有し、残部が等軸状窒化珪素粒子からなる
組成の混合粉末を、成形後、非酸化性雰囲気中で１６０
０℃〜１９００℃で焼結することを特徴とする窒化珪素
基セラミックスの製造法に関するものである（請求項
１）。その結果柱状粒子を種結晶として粒成長した長さ
１０μｍ以上５０μｍ以下の粗大柱状粒子を、５〜４０
％含有した組織とすることを特徴とする（請求項２）。
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１１】本発明で使用する柱状Ｓｉ3Ｎ4粒子は、図
１の斜線部（即ちＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ａの範囲内）、
即ち長さ１〜１０μｍ、太さ0.3〜５μｍ、アスペクト
比２〜５の範囲のもの、好ましくは交叉斜線部の範囲
（Ｆ−Ｃ−Ｇ−Ｈ−Ｉ−Ｆ、即ち、太さ１〜2.5μｍ）
にある大きさのものでなければならない。これは次の理
由に基づく。即ち、長さが１μｍ未満であると、焼結過
程において、所望の大きさにまで成長しなかったり、ま
た、粗大粒子との合体によってさらなる粒子の肥大化
（異常粒成長）を起こしたりして、所望の組織が得られ
なくなったりして、種結晶としての役目を果たせなくな
ってしまう。長さが１０μｍを越えると、成形性や焼結
性が低下して、本発明の特徴とする普通焼結やガス圧焼
結（さらにＨＩＰ焼結を付加適用することも含む）に
て、作成することが困難となるためである。また、太さ
が0.3μｍ未満であると、混合時に破砕されやすく、前
述したように種結晶として働かなくなるし、５μｍを越
えると、成形性、焼結性が低下するためである。また、
アスペクト比が２未満であると、柱状の粗大粒子として
成長しにくくなり、好ましくないし、５を越えると、焼
結性や特性低下を起こしてしまうためである。尚、一般
に市販されているウィスカーや繊維は、１０μｍ以上の
長さをもつものが多いので、あらかじめ適当に粉砕し
て、所定の大きさにしてから使用する必要がある。さら
に、その柱状窒化珪素粒子の混合粉末中の量は、５〜３
０ｗｔ％でなければならない。これは、粗大柱状粒子と
微細な等軸粒子の存在割合に関して、硬さを低下させる
ことなく、靱性を向上させるには、粗大柱状粒子が焼結
体中に５〜４０％とすることが最も優れているという知
見を背景にしており、５ｗｔ％未満では、粗大柱状晶粒
子の割合が少なくなって、十分な効果が得られないし、
３０ｗｔ％を越えると、成形性や焼結性に悪影響を及ぼ
すためである。また、柱状粒子としては、ウィスカーが
好ましいが、短繊維等でも粉末粒子の形状・寸法の条件
が満たされればよく、従ってα、βのどちらの結晶型の
Ｓｉ3Ｎ4でもよいが、好ましくはβ型Ｓｉ3Ｎ4の方がよ
い。それは、特にβ型Ｓｉ3Ｎ4は、長手方向すなわち、
（１００）面方向に優先的に成長する特性を備えてお
り、柱状に成長しやすいからである。
１の斜線部（即ちＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ａの範囲内）、
即ち長さ１〜１０μｍ、太さ0.3〜５μｍ、アスペクト
比２〜５の範囲のもの、好ましくは交叉斜線部の範囲
（Ｆ−Ｃ−Ｇ−Ｈ−Ｉ−Ｆ、即ち、太さ１〜2.5μｍ）
にある大きさのものでなければならない。これは次の理
由に基づく。即ち、長さが１μｍ未満であると、焼結過
程において、所望の大きさにまで成長しなかったり、ま
た、粗大粒子との合体によってさらなる粒子の肥大化
（異常粒成長）を起こしたりして、所望の組織が得られ
なくなったりして、種結晶としての役目を果たせなくな
ってしまう。長さが１０μｍを越えると、成形性や焼結
性が低下して、本発明の特徴とする普通焼結やガス圧焼
結（さらにＨＩＰ焼結を付加適用することも含む）に
て、作成することが困難となるためである。また、太さ
が0.3μｍ未満であると、混合時に破砕されやすく、前
述したように種結晶として働かなくなるし、５μｍを越
えると、成形性、焼結性が低下するためである。また、
アスペクト比が２未満であると、柱状の粗大粒子として
成長しにくくなり、好ましくないし、５を越えると、焼
結性や特性低下を起こしてしまうためである。尚、一般
に市販されているウィスカーや繊維は、１０μｍ以上の
長さをもつものが多いので、あらかじめ適当に粉砕し
て、所定の大きさにしてから使用する必要がある。さら
に、その柱状窒化珪素粒子の混合粉末中の量は、５〜３
０ｗｔ％でなければならない。これは、粗大柱状粒子と
微細な等軸粒子の存在割合に関して、硬さを低下させる
ことなく、靱性を向上させるには、粗大柱状粒子が焼結
体中に５〜４０％とすることが最も優れているという知
見を背景にしており、５ｗｔ％未満では、粗大柱状晶粒
子の割合が少なくなって、十分な効果が得られないし、
３０ｗｔ％を越えると、成形性や焼結性に悪影響を及ぼ
すためである。また、柱状粒子としては、ウィスカーが
好ましいが、短繊維等でも粉末粒子の形状・寸法の条件
が満たされればよく、従ってα、βのどちらの結晶型の
Ｓｉ3Ｎ4でもよいが、好ましくはβ型Ｓｉ3Ｎ4の方がよ
い。それは、特にβ型Ｓｉ3Ｎ4は、長手方向すなわち、
（１００）面方向に優先的に成長する特性を備えてお
り、柱状に成長しやすいからである。
【００１２】次に、等軸状Ｓｉ3Ｎ4粒子としては、平均
粒径１μｍ以下の微細で高純度なものが好ましく、特に
α率が９０％以上のものが好ましい。ここで、「等軸
状」とは球状、正多面体及びこれらに類する形状をい
う。
粒径１μｍ以下の微細で高純度なものが好ましく、特に
α率が９０％以上のものが好ましい。ここで、「等軸
状」とは球状、正多面体及びこれらに類する形状をい
う。
【００１３】助剤としてはＹ2Ｏ3、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、
ＭｇＯ、ＺｒＯ2及び希土類酸化物（Ｙｂ2Ｏ3など）の
うち１種又は２種以上を用いることが焼結性の観点から
好ましい。焼結助剤に関しては、添加量は１〜１０ｗｔ
％でなければならない。これは、１ｗｔ％未満だと、焼
結体が十分に緻密化しないし、１０ｗｔ％を越えると、
粒界ガラス相の量が多くなって、高温特性を劣化させる
ためである。普通焼結（本質上大気圧下をいう）又はガ
ス圧焼結（大気圧を越える加圧ガス圧下の焼結をいう）
のみによって高密度に焼結するには、焼結助剤の量を７
ｗｔ％（さらに好ましくも８ｗｔ％以上）とすることが
好ましく、７ｗｔ％未満の時には、さらにＨＩＰ処理を
施すことが好ましい。
ＭｇＯ、ＺｒＯ2及び希土類酸化物（Ｙｂ2Ｏ3など）の
うち１種又は２種以上を用いることが焼結性の観点から
好ましい。焼結助剤に関しては、添加量は１〜１０ｗｔ
％でなければならない。これは、１ｗｔ％未満だと、焼
結体が十分に緻密化しないし、１０ｗｔ％を越えると、
粒界ガラス相の量が多くなって、高温特性を劣化させる
ためである。普通焼結（本質上大気圧下をいう）又はガ
ス圧焼結（大気圧を越える加圧ガス圧下の焼結をいう）
のみによって高密度に焼結するには、焼結助剤の量を７
ｗｔ％（さらに好ましくも８ｗｔ％以上）とすることが
好ましく、７ｗｔ％未満の時には、さらにＨＩＰ処理を
施すことが好ましい。
【００１４】また、焼成後に組織中に存在する粗大柱状
粒子は、先に述べたように、硬さを維持しつつ、靱性を
向上させるためには、容量比５〜４０％の割合でなけれ
ばならない。これは、５％未満では、靱性の向上に十分
な効果が得られず、４０％を越えると、硬さを維持でき
なくなるためである。それから、この粗大柱状粒子の長
さは、１０μｍ〜５０μｍの範囲とするのが適当で、５
０μｍを越えるものは、むしろ欠陥となって特性を劣化
させてしまうし、１０μｍより小さいものは、靱性向上
の働きへの寄与が小さいと思われるからである。
粒子は、先に述べたように、硬さを維持しつつ、靱性を
向上させるためには、容量比５〜４０％の割合でなけれ
ばならない。これは、５％未満では、靱性の向上に十分
な効果が得られず、４０％を越えると、硬さを維持でき
なくなるためである。それから、この粗大柱状粒子の長
さは、１０μｍ〜５０μｍの範囲とするのが適当で、５
０μｍを越えるものは、むしろ欠陥となって特性を劣化
させてしまうし、１０μｍより小さいものは、靱性向上
の働きへの寄与が小さいと思われるからである。
【００１５】また、焼成雰囲気としては、Ｓｉ3Ｎ4の分
解、酸化を防止するために、Ｎ2ガスあるいは不活性ガ
スなどの非酸化性雰囲気とし、焼成温度は、Ｓｉ3Ｎ4を
緻密化させるために、１６００℃以上の温度が必要であ
るが、Ｓｉ3Ｎ4の分解が激しく起こるほどの高温は避け
なければならず、従って１９００℃を越えることは好ま
しくない。また、本発明のＳｉ3Ｎ4基セラミックスは、
柱状粒子を含有しているにも拘らず、焼結性が良好で、
普通焼結でも十分に緻密化するが、雰囲気加圧焼結や熱
間静水圧プレス（ＨＩＰ）焼結を行なえば、Ｓｉ3Ｎ4の
分解がさらに抑制されるので、より緻密に焼結でき、良
好である。また、既述の通りＨＩＰを併用して行なうの
もよい。ガス圧焼結は、窒素又は不活性のガス雰囲気中
（たとえば０．１気圧Ｇ以上、好ましくはガス圧は５〜
２０気圧Ｇ）で通例１〜４時間、焼結助剤の種類及び量
に応じて行い、相対密度９５％以上ないし最高１００％
近くに達するまで行う。普通焼結又はガス圧焼結で９５
％未満のときには、ＨＩＰ処理を付加することが好まし
い。ＨＩＰ処理は、圧力１００〜２０００気圧Ｇ（好ま
しくは１００〜２００気圧Ｇ）で行うことができる。な
お焼結の際、その前段階又は昇温過程にて仮焼を行って
成形助剤（一般に有機バインダーを用いる）及び溶剤等
の有機物ないし揮発性成分を予め除去する。この仮焼は
一般に非酸化性雰囲気中（真空又は不活性のガス中）で
３００〜８００℃に昇温して行う。
解、酸化を防止するために、Ｎ2ガスあるいは不活性ガ
スなどの非酸化性雰囲気とし、焼成温度は、Ｓｉ3Ｎ4を
緻密化させるために、１６００℃以上の温度が必要であ
るが、Ｓｉ3Ｎ4の分解が激しく起こるほどの高温は避け
なければならず、従って１９００℃を越えることは好ま
しくない。また、本発明のＳｉ3Ｎ4基セラミックスは、
柱状粒子を含有しているにも拘らず、焼結性が良好で、
普通焼結でも十分に緻密化するが、雰囲気加圧焼結や熱
間静水圧プレス（ＨＩＰ）焼結を行なえば、Ｓｉ3Ｎ4の
分解がさらに抑制されるので、より緻密に焼結でき、良
好である。また、既述の通りＨＩＰを併用して行なうの
もよい。ガス圧焼結は、窒素又は不活性のガス雰囲気中
（たとえば０．１気圧Ｇ以上、好ましくはガス圧は５〜
２０気圧Ｇ）で通例１〜４時間、焼結助剤の種類及び量
に応じて行い、相対密度９５％以上ないし最高１００％
近くに達するまで行う。普通焼結又はガス圧焼結で９５
％未満のときには、ＨＩＰ処理を付加することが好まし
い。ＨＩＰ処理は、圧力１００〜２０００気圧Ｇ（好ま
しくは１００〜２００気圧Ｇ）で行うことができる。な
お焼結の際、その前段階又は昇温過程にて仮焼を行って
成形助剤（一般に有機バインダーを用いる）及び溶剤等
の有機物ないし揮発性成分を予め除去する。この仮焼は
一般に非酸化性雰囲気中（真空又は不活性のガス中）で
３００〜８００℃に昇温して行う。
【００１６】
【実施例１】原料として、平均粒径0.5μｍの等軸状Ｓ
ｉ3Ｎ4（α相含有率＞９０％）粒子粉末、平均粒径５μ
ｍのＡｌＮ粉末、平均粒径0.1μｍのＡｌ2Ｏ3粉末、平
均粒径３μｍのＹ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、ＭｇＯ及びＺｒＯ2
粉末を用いた。また、柱状Ｓｉ3Ｎ4粒子原料としては、
平均直径２μｍ、平均長さ２０〜３０μｍのＳｉ3Ｎ4ウ
ィスカーを使用し、これを強粉砕して、平均直径２μｍ
・平均長さ８μｍの大きさにした柱状Ｓｉ3Ｎ4粒子を用
いて行なった。これらの粉末を表１に示すような組成に
なるように秤量し、柱状Ｓｉ3Ｎ4粒子を塊よりほぐし、
均一に分散させるために、エタノール中でボールミルに
より湿式で粉砕・混合を行なった。この工程は、主に混
合を目的としているので、柱状粒子は、ほとんど粉砕さ
れず、ほぼそのままの形状を保つことになる。この混合
スラリーを乾燥した後、有機バインダーを添加、よく混
合し、篩通しを行ない、粉末を造粒した。得られた混合
粉末を1.5ｔｏｎ／ｃｍ2の圧力でプレスし、バインダー
及び揮発成分除去のため６００℃まで昇温して仮焼後、
大気圧の窒素雰囲気中、１７５０℃で２時間焼結した。
さらに、この焼結体を、窒素中で、１７００℃、１００
ｋｇ／ｃｍ2で２時間ＨＩＰ処理を行なった。得られた
焼結体に関して、比重、靱性、硬度等を測定、評価し
た。また、組織中の粗大柱状粒子の量の測定には、画像
解析装置を用い、適当な倍率（例えば１０００倍）で、
粒径の分布状態から、粗大柱状粒子の範囲と定めた１０
μｍ〜５０μｍの間の粒子割合（容量比）を算出した。
ｉ3Ｎ4（α相含有率＞９０％）粒子粉末、平均粒径５μ
ｍのＡｌＮ粉末、平均粒径0.1μｍのＡｌ2Ｏ3粉末、平
均粒径３μｍのＹ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、ＭｇＯ及びＺｒＯ2
粉末を用いた。また、柱状Ｓｉ3Ｎ4粒子原料としては、
平均直径２μｍ、平均長さ２０〜３０μｍのＳｉ3Ｎ4ウ
ィスカーを使用し、これを強粉砕して、平均直径２μｍ
・平均長さ８μｍの大きさにした柱状Ｓｉ3Ｎ4粒子を用
いて行なった。これらの粉末を表１に示すような組成に
なるように秤量し、柱状Ｓｉ3Ｎ4粒子を塊よりほぐし、
均一に分散させるために、エタノール中でボールミルに
より湿式で粉砕・混合を行なった。この工程は、主に混
合を目的としているので、柱状粒子は、ほとんど粉砕さ
れず、ほぼそのままの形状を保つことになる。この混合
スラリーを乾燥した後、有機バインダーを添加、よく混
合し、篩通しを行ない、粉末を造粒した。得られた混合
粉末を1.5ｔｏｎ／ｃｍ2の圧力でプレスし、バインダー
及び揮発成分除去のため６００℃まで昇温して仮焼後、
大気圧の窒素雰囲気中、１７５０℃で２時間焼結した。
さらに、この焼結体を、窒素中で、１７００℃、１００
ｋｇ／ｃｍ2で２時間ＨＩＰ処理を行なった。得られた
焼結体に関して、比重、靱性、硬度等を測定、評価し
た。また、組織中の粗大柱状粒子の量の測定には、画像
解析装置を用い、適当な倍率（例えば１０００倍）で、
粒径の分布状態から、粗大柱状粒子の範囲と定めた１０
μｍ〜５０μｍの間の粒子割合（容量比）を算出した。
【００１７】表１から明らかなように、特定の大きさを
有する柱状Ｓｉ3Ｎ4粒子の量によって、粗大柱状粒子量
が大きく影響を受けており、特に柱状粒子無添加の場合
には、粗大柱状粒子の生成がほとんどないことから、粗
大柱状粒子というのは、柱状粒子を種子結晶として粒成
長したものであると考えられる。そして、本発明品は、
焼結性が良好で、靱性、硬度も優れたものとなってい
る。
有する柱状Ｓｉ3Ｎ4粒子の量によって、粗大柱状粒子量
が大きく影響を受けており、特に柱状粒子無添加の場合
には、粗大柱状粒子の生成がほとんどないことから、粗
大柱状粒子というのは、柱状粒子を種子結晶として粒成
長したものであると考えられる。そして、本発明品は、
焼結性が良好で、靱性、硬度も優れたものとなってい
る。
【００１８】
【表１】
【００１９】
【実施例２】実施例１のNo.４の組成系においてＳｉ3Ｎ
4繊維（太さは2.5、４、６μｍ、長さは約２０μｍ）及
びＳｉ3Ｎ4ウィスカー（太さは0.5、1.0、1.5、2.0、長
さは約１０〜５０μｍ）を適当に強粉砕して、種々の大
きさの柱状Ｓｉ3Ｎ4粒子にしておいて、それを使用する
以外は、実施例１と同様の手法で焼結体を作成し、それ
らの試料について同様の評価をした。
4繊維（太さは2.5、４、６μｍ、長さは約２０μｍ）及
びＳｉ3Ｎ4ウィスカー（太さは0.5、1.0、1.5、2.0、長
さは約１０〜５０μｍ）を適当に強粉砕して、種々の大
きさの柱状Ｓｉ3Ｎ4粒子にしておいて、それを使用する
以外は、実施例１と同様の手法で焼結体を作成し、それ
らの試料について同様の評価をした。
【００２０】表２に示すように、あらかじめ強粉砕をし
て、種々の大きさの柱状Ｓｉ3Ｎ4粒子を使用すると、同
じように試料を作成しても、焼結体の組織中の粗大柱状
粒子量や焼結性に差が現われ、それによって特性が大き
く変化していることがわかる。そして、本発明の範囲内
にある寸法形状を持った柱状Ｓｉ3Ｎ4粒子を使用したも
のは、その範囲外の大きさの柱状Ｓｉ3Ｎ4粒子を使用し
たものに比べて、耐摩耗性及び耐欠損性の点で優れてい
ることがわかる。
て、種々の大きさの柱状Ｓｉ3Ｎ4粒子を使用すると、同
じように試料を作成しても、焼結体の組織中の粗大柱状
粒子量や焼結性に差が現われ、それによって特性が大き
く変化していることがわかる。そして、本発明の範囲内
にある寸法形状を持った柱状Ｓｉ3Ｎ4粒子を使用したも
のは、その範囲外の大きさの柱状Ｓｉ3Ｎ4粒子を使用し
たものに比べて、耐摩耗性及び耐欠損性の点で優れてい
ることがわかる。
【００２１】切削テスト条件は実施例３に示す。
【００２２】
【表２】
【００２３】
【実施例３】柱状Ｓｉ3Ｎ4粒子として、Ｓｉ3Ｎ4ウィス
カーを強粉砕して得られた平均直径２μｍ・平均長さ８
μｍの大きさの粒子を用いるなど実施例１に示したと同
様な手法で、但し表３に示すように種々の組成の焼結助
剤を用いて、焼結体を作成し、それらの試料に関して、
切削試験を行ない、フランク摩耗を測定した。また、耐
欠損性についても、切削山数により評価した。この場
合、切削山数が大きいほど耐欠損性に優れている。
カーを強粉砕して得られた平均直径２μｍ・平均長さ８
μｍの大きさの粒子を用いるなど実施例１に示したと同
様な手法で、但し表３に示すように種々の組成の焼結助
剤を用いて、焼結体を作成し、それらの試料に関して、
切削試験を行ない、フランク摩耗を測定した。また、耐
欠損性についても、切削山数により評価した。この場
合、切削山数が大きいほど耐欠損性に優れている。
【００２４】 切削試験条件 欠損試験条件 被削材 ＦＣ２３ 被削材 ＦＣ２３ 切削速度 ３００ｍ／ｍｉｎ 切削速度 １５０ｍ／ｍｉｎ 送り 0.35ｍｍ／ｒｅｖ 送り 0.75ｍｍ／ｒｅｖ 切込み 1.5ｍｍ 切込み 2.0ｍｍ 時間 １０秒 時間 −− 切削法 乾式 切削法 乾式 表３の結果より、本発明のＳｉ3Ｎ4基セラミックスは、
種々の組成の焼結助剤を使用した場合においても、耐摩
耗性、耐欠損性に優れていることがわかる。
種々の組成の焼結助剤を使用した場合においても、耐摩
耗性、耐欠損性に優れていることがわかる。
【００２５】
【表３】
【００２６】
【実施例４】表４に示す試料No.４１〜４７を、一次焼
結後及びＨＩＰ処理後の各状態での密度を測定しつつ、
その他実施例１と同様な条件にて作成した。焼結助剤の
量を変化させ、焼結体の破壊靱性及びヴィッカース硬度
と共に柱状晶の粗大結晶粒子の割合を測定した。表４に
示す通り、焼結助剤６ｗｔ％以上（又は７ｗｔ％以上）
で、普通焼結によって９６％以上（又は９８％以上）の
相対密度が、夫々得られる（No.４４、４５）。焼結助
剤８〜１０ｗｔ％によって99.9〜１００％の最高度の相
対密度に達する（No.４６、４７）。No.４１Ｃは密度不
足（焼結不足）であり、焼結体の相対密度は９５％以上
が好ましい特性を与える。
結後及びＨＩＰ処理後の各状態での密度を測定しつつ、
その他実施例１と同様な条件にて作成した。焼結助剤の
量を変化させ、焼結体の破壊靱性及びヴィッカース硬度
と共に柱状晶の粗大結晶粒子の割合を測定した。表４に
示す通り、焼結助剤６ｗｔ％以上（又は７ｗｔ％以上）
で、普通焼結によって９６％以上（又は９８％以上）の
相対密度が、夫々得られる（No.４４、４５）。焼結助
剤８〜１０ｗｔ％によって99.9〜１００％の最高度の相
対密度に達する（No.４６、４７）。No.４１Ｃは密度不
足（焼結不足）であり、焼結体の相対密度は９５％以上
が好ましい特性を与える。
【００２７】
【表４】
【００２８】
【実施例５】表５に示す通り試料No.５１〜５３を実施
例１と同様にして、但し普通焼結法に代りガス圧焼結法
（一次焼結）によって、１８５０℃×２時間、１０ｋｇ
／ｃｍ2の加圧Ｎ2ガス雰囲気中で焼結して作成した。そ
の結果を表５に示し、いずれも満足な結果を示してい
る。なお、No.５１〜５３の組成は、表４のNo.４１〜４
３に対応している。
例１と同様にして、但し普通焼結法に代りガス圧焼結法
（一次焼結）によって、１８５０℃×２時間、１０ｋｇ
／ｃｍ2の加圧Ｎ2ガス雰囲気中で焼結して作成した。そ
の結果を表５に示し、いずれも満足な結果を示してい
る。なお、No.５１〜５３の組成は、表４のNo.４１〜４
３に対応している。
【００２９】
【表５】
【００３０】
【発明の効果】本発明のＳｉ3Ｎ4基セラミックスは、硬
度を低下させることなく、靱性を向上させたので、耐摩
耗性や耐欠損性で優れた性能を示した。また、本発明の
セラミックスは、助剤量が極めて少ないために、粒界ガ
ラス相の少ない組織を有し、その結果、耐熱性にも優れ
たものとなっている。これらのことから、本発明のセラ
ミックスは、硬度、靱性、耐熱性の要求される耐摩耗部
品や切削工具に好適に用いられる。更に、ホットプレス
焼結でなく、焼結助剤が比較的多い範囲では普通焼結や
ガス圧焼結によって完全な緻密化が達成できる。一方、
焼結助剤の比較的少ない範囲では普通焼結又はガス圧焼
結にＨＩＰを加えることにより所定の焼結体を得ること
ができる。しかもウィスカーだけでなく繊維等を用いて
も特定の大きさ・形状を有する限り使用できるので、省
エネ・省コストの見地から好適であり、極めて実用的で
ある。
度を低下させることなく、靱性を向上させたので、耐摩
耗性や耐欠損性で優れた性能を示した。また、本発明の
セラミックスは、助剤量が極めて少ないために、粒界ガ
ラス相の少ない組織を有し、その結果、耐熱性にも優れ
たものとなっている。これらのことから、本発明のセラ
ミックスは、硬度、靱性、耐熱性の要求される耐摩耗部
品や切削工具に好適に用いられる。更に、ホットプレス
焼結でなく、焼結助剤が比較的多い範囲では普通焼結や
ガス圧焼結によって完全な緻密化が達成できる。一方、
焼結助剤の比較的少ない範囲では普通焼結又はガス圧焼
結にＨＩＰを加えることにより所定の焼結体を得ること
ができる。しかもウィスカーだけでなく繊維等を用いて
も特定の大きさ・形状を有する限り使用できるので、省
エネ・省コストの見地から好適であり、極めて実用的で
ある。
【図１】図１は、本発明のセラミックスを製造する際に
使用する、混合粉末中の柱状Ｓｉ3Ｎ4粒子の大きさの範
囲を示したもので、横軸ｘに柱状粒子の太さ（直径）
を、縦軸ｙに長さをとったものである。図１において、
点Ａ〜Ｉは（ｘ，ｙ）座標系にて表示され、以下の通り
である：Ａ（０．３，１）、Ｂ（０．３，１．５）、Ｃ
（２，１０）、Ｄ（５，１０）、Ｅ（０．５，１）、Ｆ
（１，５）、Ｇ（２．５，１０）、Ｈ（２．５，５）及
びＩ（１，２）。
使用する、混合粉末中の柱状Ｓｉ3Ｎ4粒子の大きさの範
囲を示したもので、横軸ｘに柱状粒子の太さ（直径）
を、縦軸ｙに長さをとったものである。図１において、
点Ａ〜Ｉは（ｘ，ｙ）座標系にて表示され、以下の通り
である：Ａ（０．３，１）、Ｂ（０．３，１．５）、Ｃ
（２，１０）、Ｄ（５，１０）、Ｅ（０．５，１）、Ｆ
（１，５）、Ｇ（２．５，１０）、Ｈ（２．５，５）及
びＩ（１，２）。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C04B 35/584 - 35/596
Claims (5)
- 【請求項１】直径０．３〜５μｍ、長さ１〜１０μｍ及
びアスペクト比２〜５の柱状窒化珪素粒子５〜３０ｗｔ
％、焼結助剤１〜１０ｗｔ％、残部等軸状窒化珪素粒子
からなる組成の混合粉末を、成形後、非酸化性雰囲気中
で１６００〜１９００℃で焼結することを特徴とする窒
化珪素基セラミックスの製造方法。 - 【請求項２】焼結後の組織中に長さ１０μｍ以上５０μ
ｍ以下の粗大柱状粒子が５〜４０％に達するまで焼結す
ることを特徴とする請求項１記載の窒化珪素基セラミッ
クスの製造方法。 - 【請求項３】焼結助剤として、Ｙ2Ｏ3、ＡｌＮ、Ａｌ2
Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｒＯ2及び希土類酸化物のうちの１種ま
たは２種以上を１〜１０ｗｔ％含有することを特徴とす
る請求項１又は２記載の窒化珪素基セラミックスの製造
方法。 - 【請求項４】焼結を普通焼結法又はガス圧焼結法で相対
密度９５％以上に達するまで行うことを特徴とする請求
項１〜３の一に記載の窒化珪素基セラミックスの製造方
法。 - 【請求項５】普通焼結法又はガス圧焼結法で１次焼結後
ＨＩＰ焼結を施すことを特徴とする請求項１〜３の一に
記載の窒化珪素基セラミックスの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04038388A JP3137405B2 (ja) | 1991-01-30 | 1992-01-30 | 窒化珪素基セラミックスの製造法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3-27641 | 1991-01-30 | ||
| JP2764191 | 1991-01-30 | ||
| JP04038388A JP3137405B2 (ja) | 1991-01-30 | 1992-01-30 | 窒化珪素基セラミックスの製造法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0558742A JPH0558742A (ja) | 1993-03-09 |
| JP3137405B2 true JP3137405B2 (ja) | 2001-02-19 |
Family
ID=26365597
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04038388A Expired - Fee Related JP3137405B2 (ja) | 1991-01-30 | 1992-01-30 | 窒化珪素基セラミックスの製造法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3137405B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1160338A (ja) * | 1997-08-20 | 1999-03-02 | Fine Ceramics Gijutsu Kenkyu Kumiai | 高熱伝導・高強度窒化ケイ素焼結体およびその製造方法 |
| AT511851B1 (de) * | 2011-08-18 | 2015-03-15 | Franz Haas Waffel Und Keksanlagen Ind Gmbh | Backplatte für backöfen |
| CN110423122B (zh) * | 2019-08-06 | 2021-08-06 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种低损耗、高导热氮化硅陶瓷的制备方法 |
-
1992
- 1992-01-30 JP JP04038388A patent/JP3137405B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0558742A (ja) | 1993-03-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR910005053B1 (ko) | 고-인성 ZrO₂소결체 및 이의 제조방법 | |
| EP0887324B1 (en) | Sintered alumina-based ceramics and process for producing same | |
| JPH0714833B2 (ja) | 粉末法で製造されたセラミック成形体およびその製造方法 | |
| WO1992022516A1 (en) | High toughness-high strength sintered silicon nitride | |
| EP0497355B1 (en) | Method for preparing silicon nitride based ceramics | |
| JP2507479B2 (ja) | ＳｉＣ−Ａｌ▲下２▼Ｏ▲下３▼複合焼結体及びその製造法 | |
| JP2855243B2 (ja) | 耐摩耗性の優れた窒化珪素質焼結体 | |
| JP3137405B2 (ja) | 窒化珪素基セラミックスの製造法 | |
| JP2507480B2 (ja) | ＳｉＣ−Ａｌ▲下２▼Ｏ▲下３▼複合焼結体及びその製造法 | |
| JP2518630B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体及びその製法 | |
| JP3395247B2 (ja) | 窒化ケイ素系焼結体 | |
| JP3145470B2 (ja) | 炭化タングステン−アルミナ質焼結体およびその製法 | |
| JPS61146762A (ja) | 耐摩耗性窒化珪素基物品 | |
| JPH09295869A (ja) | 耐衝撃性に優れたサイアロンセラミックス及びその製 造方法 | |
| JP4126447B2 (ja) | 粉砕機用部材 | |
| JP2743666B2 (ja) | タービン用セラミックス材料およびその製造方法 | |
| JP2597774B2 (ja) | 窒化ケイ素系焼結体およびその製造方法 | |
| JPH04305064A (ja) | セラミツク組成物 | |
| JP2720093B2 (ja) | 繊維強化セラミックス | |
| JPH0640770A (ja) | アルミナ基複合焼結体及びその製造方法 | |
| JP3143992B2 (ja) | 窒化ケイ素系焼結体 | |
| JPH05194024A (ja) | アルミナ基複合焼結体 | |
| EP0383431B1 (en) | Process for producing high density silicon carbide sintered bodies | |
| JPH0517210A (ja) | アルミナ基複合焼結体の製造方法及びアルミナ基複合焼結体 | |
| JPH05319910A (ja) | セラミックス複合材料及びその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20001128 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |