JP3144178B2 - 窒化珪素焼結体及びその製造方法 - Google Patents

窒化珪素焼結体及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、窒化珪素焼結体及びそ
の製造方法に関する。更に詳しく述べるならば、本発明
は、希土類金属酸化物粉末とMgAl2O4 粉末を焼結助剤と
して用いた、粒径の小さな窒化珪素焼結体及びその製造
方法に関するものであり、この窒化珪素焼結体において
硬度が向上する。
【0002】
【従来の技術】窒化珪素は耐熱性構造材料として最も広
く実用され、また研究開発が進められている材料であ
る。この窒化珪素は難焼結性であるため、Y2O3、Al
2O3 、MgO などの焼結助剤が添加され、1700〜1800℃の
温度において焼結される。
【0003】また、高強度化、緻密化のために、ホット
プレスを使用した焼結法、HIP(熱間等方加圧)を使
用した焼結法(特公昭62-13310号公報、N2 圧〜2500気
圧)あるいはガス圧焼結法(特公昭62-41191号公報、N
2 圧〜 300気圧)なども採用されている。
【0004】しかし、自動車エンジンにおいては室温か
ら1000℃までの温度範囲において高強度であることが要
求されるが、従来の窒化珪素焼結体ではこのような室温
から1000℃までの温度範囲において構造材料として必要
な1000MPa 以上の高強度を実現することができなかっ
た。
【0005】この問題を解決するため、特願平3-335523
号は、窒化珪素に対し総量で3〜8重量%の希土類金属
酸化物とMgAl2O4 を含み、粒状晶に観察される組織とそ
の中に分散して存在する柱状晶に観察される組織からな
り、前記粒状晶の平均径及び前記柱状晶の平均短径が
0.2〜0.6 μm であって、かつ相対密度が理論密度の99
%以上であることを特徴とする窒化珪素焼結体を開示し
ている。この窒化珪素焼結体は、従来のものに比べ優れ
た特性を有するものの、摺動部材等に用いる場合には更
に硬度を高くすること、結晶粒子を小さくすることが望
まれる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、窒化珪素焼
結体の有する前記の如き欠点を解消し、より硬度の高く
かつ結晶粒子の小さな窒化珪素焼結体を提供しようとす
るものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者は、窒化珪素焼
結体の上記問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、
焼結助剤の量を8〜16重量%にし、さらに1250〜1380℃
の温度で予備焼結を行い、そして1500気圧以上において
本焼結を行うことにより、高硬度でかつ粒径の小さな窒
化珪素焼結体が得られることを見出し、本発明を完成し
た。
【0008】すなわち、本発明の窒化珪素焼結体は、窒
化珪素に対し総量で8〜16重量%の希土類金属酸化物と
MgAl2O4 を含み、粒状晶に観察される組織とその中に分
散して存在する柱状晶に観察される組織からなり、前記
粒状晶の平均径及び前記柱状晶の平均短径が 0.2μm 以
下であって、前記粒状晶が70重量%以上存在し、かつ相
対密度が理論密度の99%以上であることを特徴とし、ま
た、本発明の窒化珪素焼結体の製造方法は、窒化珪素粉
末に対し希土類金属酸化物粉末とMgAl2O4 粉末を焼結助
剤として総量で8〜16重量%添加した均一混合粉末を成
形し、該成形体を1250〜1380℃の範囲内の温度まで加熱
して予備焼結し、次いで該温度範囲内の温度で圧力を15
00気圧以上まで昇圧して本焼結することを特徴とするも
のである。
【0009】出発材料としての窒化珪素は、平均粒径が
0.2μm 以下のものであることが好ましい。この粒径が
大きいと、得られる焼結体の粒径が大きくなり、所望の
焼結体粒径が得られないことがあるからである。
【0010】焼結助剤として用いる希土類金属酸化物
は、希土類金属すなわち、Sc、Y、La、Ce、P
r、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、H
o、Er、Tm、Yb、Luの酸化物であり、これらは
同様に作用することが確認される。
【0011】窒化珪素粉末に対する焼結助剤の添加量
は、希土類金属酸化物とMgAl2O4 の総量で8〜16重量%
とする。焼結助剤の添加量がこれより少ないと所定の温
度及び圧力において緻密にならず、従って硬度も向上し
ない。一方、焼結助剤の添加量が上記範囲より多くなる
と、緻密にはなるが、粒界相が厚くなりすぎ、この粒界
相は窒化珪素よりも硬度が低いため、結果的に焼結体の
硬度が低下する。焼結助剤の希土類金属酸化物とMgAl2O
4 との割合は、限定するわけではないが、重量比で好ま
しくは0.3:1〜4:1、より好ましくは1:1〜2:1
である。この範囲内で容易に緻密化が達成されるからで
ある。
【0012】出発材料粉末の成形は常法により行うこと
ができる。すなわち、典型的には、均一混合粉末を加圧
成形する。
【0013】次いで、焼成するが、本発明では焼成温度
を1250〜1380℃の範囲内として、従来の常圧焼結温度17
00〜1800℃、あるいは特公昭62-13310号公報のHIP焼
結温度1700〜1900℃より低い焼結温度を採用することを
特徴としている。すなわち、従来は、常圧焼結温度とし
て1700〜1800℃が採用されるが、この温度では焼結体が
充分に緻密化せず、理論密度の99%に達する高密度の焼
結体を得ることはできなかった。そこで、高温で充分に
焼結させるために、窒化珪素の熱分解を抑制すべく高圧
をかけて焼成する方法(HIP) が利用されている。このよ
うなHIP法によれば焼結が進み、理論密度の99%以上
の高密度の焼結体を得ることも可能である。しかしなが
ら、高温で焼結されるため、粒径も成長し、硬度が所望
の様に向上しないという問題があった。
【0014】これに対して、本発明は、驚くべきこと
に、1500気圧以上の高圧を利用する場合には、従来窒化
珪素が焼結しないと考えられていた1250〜1380℃の低い
温度でも焼結が進行し、理論密度の99%以上、さらには
99.5%以上の高密度の窒化珪素焼結体を得ることができ
ること、またこのように低温高圧下で焼結した場合には
粒成長が抑えられるため、高硬度の発現も可能になると
いうことを発見して為されたものである。前述の如く、
HIP法を採用する理由は、より高温であるいはより長
時間焼結してより緻密な焼結体を得るために窒素化珪素
及び酸化物助剤の熱分解を防止することにあるから、H
IP処理を採用しながら、なおかつ焼成温度を1700℃よ
り低くしようということは、当業者の常識では考えられ
ないことであった。本発明者は、あえてこれを行ない、
上記の如く驚くべき知見を得て、本発明に到達したもの
である。
【0015】そこで、本発明では、1250〜1380℃の温度
で焼成することを特徴としているが、直ちに高圧にする
と焼結体内の気孔の圧力も高くなって、緻密化しないの
で、最初に低圧下で予備焼結させる。予備焼結の圧力は
窒化珪素が熱分解しない限り、低い圧力が望ましいが、
減圧下では窒化珪素が熱分解し易いので、一般的には1
気圧N2 雰囲気で行なう。ただし、この予備焼結もHI
P装置内で行なうことが都合がよい関係上、実際の圧力
は1〜30気圧位になるであろう。要は、本焼結の1500気
圧以上に対して低い圧力、常圧付近であればよい。
【0016】典型的には、予備焼結は、1気圧付近のN
2 雰囲気下、0.5〜10℃/分程度の昇温速度で1250〜13
80℃の範囲内の温度まで昇温して行なう。昇温プロフィ
ルは所望に変更できる。予備焼結の終点の1つのめやす
は理論密度の90%程度である。1250〜1380℃の範囲内の
温度に到達したら、次に圧力を5〜20気圧/分程度の昇
圧速度で1500気圧以上まで昇圧し、その圧力に保持して
本焼結を行なう。本焼結の圧力は1500気圧以上、典型的
には1500〜2500気圧である。1500気圧未満では緻密化し
ないからである。高圧側は装置の問題がなければ、特に
上限はない。
【0017】こうして、本発明の方法により低温高圧焼
結された窒化珪素焼結体は、窒化珪素結晶粒の粒成長を
抑制したままで緻密に焼結し、理論密度の99%以上、さ
らには99.5%以上の高密度で、かつビッカース硬度が18
00以上の高硬度を発現する。
【0018】なお、本発明の方法により得られる窒化珪
素焼結体中の窒化珪素粒子は、図1のSEM写真に見ら
れるように一般的な粒状晶に観察される組織と、その中
に分散して存在する柱状晶に観察される組織とからなる
が、粒状晶の平均径及び柱状晶の平均短径はいずれも0.
2 μm 以下であり、さらには粒状晶が70%以上存在して
いる。
【0019】
【作用】1500気圧以上の高圧をかけることにより1380℃
以下の低い温度で窒化珪素を緻密に焼結することがで
き、粒成長を抑制し、粒界相の厚さを薄くでき、その結
果、高密度、高硬度の焼結体が得られる。
【0020】
【実施例】
実施例1 Si3N4 粉末(平均粒径0.2 μm、、α化率ほぼ 100%)
に焼結助剤としてY2O3粉末(平均粒径0.3 μm、純度9
9.9%)、MgAl2O4 粉末(平均粒径0.3 μm、純度99.9
%)の添加量を表1に示すような組成で混合(Si3N4
ボールミル)した各種粉末を200Kgf/cm2 の圧力で加圧
成形し、その成形体を薄ゴムにつめ真空封入後CIPに
て 3000Kgf/cm2 の圧力で加圧後、この成形体を表1に
示す条件でN2 雰囲気中の炉内で焼結させた。昇温速度
は5℃/min 、最高温度に到達するまでは1atm のN2
雰囲気下で、最高温度到達後に表1に示す条件まで毎分
15atmの昇圧速度で加圧した。また、最高温度での保持
時間は4時間とした。
【0021】これらの焼結体をダイヤモンド研磨材で鏡
面研磨して硬度を測定し(マイクロビッカース硬度、押
し込み荷重200g)、表1に示す結果を得た。焼結体の相
対密度はn−ブタノール置換法で求めた嵩密度を理論密
度で除して得た値である。残部は気孔率であるが、光学
顕微鏡による鏡面研磨面の観察結果からも裏付けられ
た。
【0022】
【表1】
【0023】図1に試料No.1のSEM写真を示す。この
場合、粒状晶の平均径及び柱状晶の平均短径は 0.2μm
未満であった。また、比較のため、資料No.1の焼結前の
SEM写真(原料粒径を示している)を図2に示す。こ
れらの図より、資料No.1の焼結体は、原料粒径からほと
んど粒成長せずに緻密化していることがわかる。
【0024】比較例1 比較のために、実施例1と同じ成分を以下の表2に示す
ような組成で用い、表2に示す条件で、実施例1と同様
にして焼結体を製造した。同様にして測定した結果を表
2に示す。
【0025】
【表2】
【0026】これらの結果より、本発明の焼結体が明ら
かに高い硬度を示すことがわかる。この理由は明確では
ないが、焼結体の粒子が小さくなった結果、粒界が薄く
なり、窒化珪素粒子が一層緻密に充填されたためである
と考えられる。
【0027】また、試料No.1の焼結体をX線回折によ
り、窒化珪素のα相とβ相の比率を求めた結果、α-Si3
N4含有率で75%であった。出発材料中のα-Si3N4は、焼
結の間にβ-Si3N4に転移し、この転移が焼結時の緻密化
を促進すると従来言われていた。従って、通常緻密な窒
化珪素焼結体においてはβ-Si3N4が100 %であり、本発
明の窒化珪素焼結体のようにα相を多量に含んだ緻密な
焼結体は従来報告されていない。
【0028】実施例2 焼結助材として、酸化イットリウムのかわりに以下の表
3に示す他の希土類金属酸化物を用いて実施例1と同様
に実験を行った。
【0029】結果を表3に示す。焼結助剤としてY2O3
代えて他の希土類金属酸化物を用いてもY2O3と同様の効
果が奏せられている。
【0030】
【表3】
【0031】
【発明の効果】本発明によれば、軸受け材等の摺動用部
品に適した、従来よりも硬度が高い焼結体が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例の窒化珪素焼結体の結晶組織を示す図面
に代る電子顕微鏡写真(SEM) である。
【図2】実施例の窒化珪素焼結体の焼結前の成形体組織
を示す図面に代る電子顕微鏡写真(SEM) である。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 窒化珪素に対し総量で8〜16重量%の希
    土類金属酸化物とスピネル(MgAl2O4)を含み、粒状晶に
    観察される組織とその中に分散して存在する柱状晶に観
    察される組織からなり、前記粒状晶の平均径及び前記柱
    状晶の平均短径が 0.2μm 以下であって、前記粒状晶が
    70重量%以上存在し、かつ相対密度が理論密度の99%以
    上であることを特徴とする窒化珪素焼結体。
  2. 【請求項2】 窒化珪素粉末に対し希土類金属酸化物粉
    末とMgAl2O4 粉末を焼結助剤として総量で8〜16重量%
    添加した均一混合粉末を成形し、該成形体を1250〜1380
    ℃の範囲内の温度まで加熱して予備焼結し、次いで該温
    度範囲内の温度で圧力を1500気圧以上まで昇圧して本焼
    結することを特徴とする、窒化珪素焼結体の製造方法。
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