JP3393612B2 - 耐食性窒化珪素質焼結部材の製造方法 - Google Patents

耐食性窒化珪素質焼結部材の製造方法

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JP3393612B2 JP24045093A JP24045093A JP3393612B2 JP 3393612 B2 JP3393612 B2 JP 3393612B2 JP 24045093 A JP24045093 A JP 24045093A JP 24045093 A JP24045093 A JP 24045093A JP 3393612 B2 JP3393612 B2 JP 3393612B2
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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、耐食性が優れた耐食性
窒化珪素質焼結部材に関するもので、例えば原子炉処理
容器等の原子力関連部品、腐食性環境で用いられる軸受
け、摺動部品等に適用される。
【0002】
【従来の技術】窒化珪素焼結体は耐熱性、耐食性等に優
れた特性を有する極めて安定な物質であるが、焼結体を
構造部材として使用する場合に焼結前の成形時にある程
度の形状に加工はするものの、焼結中の収縮による変形
のため焼結体としては所望の寸法が得られにくく、焼結
後に平面研削、サンドブラスト等の機械加工を施して仕
上げるのが一般的である。
【0003】この窒化珪素焼結体の耐食性の向上を目的
として特開平2−271966号公報では、焼結体表面
から内部に向かって粒界相(結合相)量の勾配を有する
表面層で被覆された窒化珪素基セラミックスが開示され
ており、最表面の結合相量は0.5vol%以下と非常
に少なく、粒界相量の制御が重要であることを示してい
る。その制御方法としては窒素ガス中1600℃以上の
高温での熱処理を用いており、表面の結合相を分解させ
揮発させることにより、耐食性に劣る結合相を予め除去
するというものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記公報記載
の方法により製造された焼結体は、機械的強度や靱性等
の機械的特性を高める機能をする結合相が部分的にせよ
除去されたものであるから、熱処理前に比べて機械的特
性に劣ったものである。また機械加工については表面粗
度Rmax:0.8μm以下と示されているだけで、耐
食性に与える影響については何等示唆されていない。
【0005】一方、本発明者は、窒化珪素質焼結体を部
材として用いるときに大半の部材に対して必要である焼
結後の機械加工によって窒化珪素焼結体がもつ本来の耐
食性が損なわれることを見出した。本発明の目的は、こ
のような知見に基づき、機械的特性を劣化させること無
く、機械加工の影響を除去して高耐食性を有する窒化珪
素焼結部材を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】その目的達成のために本
発明耐食性窒化珪素質焼結部材の製造方法は、窒化珪素
質焼結体の表面を機械加工した後、機械加工された表面
層の少なくとも一部を、損傷を与えないかまたはその機
械加工よりも損傷の程度の軽い加工手段により除去する
ことを特徴とする。
【0007】ここで、損傷を与えないかまたはその機械
加工よりも損傷の程度の軽い加工手段とは、例えば研磨
又は非酸化性雰囲気中1550℃以下の熱処理である。
除去される表面層の部分 少なくとも圧縮応力が5
0MPa以下となる深さのところまでであり、好ましく
は少なくとも機械加工された表面から20μmの深さま
でである
【0008】更にこの研磨は、50μm以下の砥粒を用
いる一次研磨と、それより小さい15μm以下の砥粒及
び酸化鉄Fe粉末のうち1種以上を用いる二次研
磨との2段階に分けて行われるのが望ましい。前記加工
手段が熱処理の場合も、機械加工された表面の圧縮応力
が50MPa以下となるまで行われるものとする
【0009】
【作用】耐食性を決定する要因は、機械加工後に表面に
残留した圧縮応力又は発生した微小亀裂にあると考えら
れる。そして、このように圧縮応力や微小亀裂が存在す
る変質層が、損傷を与えないかまたはその機械加工より
も損傷の程度の軽い加工手段により除去される。従っ
て、表面の圧縮応力が軽減され、微小亀裂も減少する。
その結果、窒化珪素質焼結体本来の優れた耐食性を取り
戻すことができる。
【0010】機械加工により表面に導入される変質層の
厚さは加工方法によっても異なるが、例えば#140〜
#200程度の番手のダイヤモンド砥石を用いた場合に
は約50μm程度の変質層ができる。この厚さはX線に
より残留応力が測定されることから判断できる。加工に
より残留応力が発生するメカニズムははっきりしない
が、例えば加工中に微小き裂が多数導入されて見かけ上
体積膨張が生じ、その結果圧縮残留応力が生じることが
考えられる。いずれにしても加工変質層が生成している
ことに相違ない。
【0011】このような表面変質層を除去する望ましい
手段としては、50μm以下のダイヤモンド等の砥粒に
よる一次研磨加工の後に、少なくとも10μm以上の厚
さを酸化鉄粉末及び/又は15μm以下の砥粒を用いて
二次研磨加工し、一次研磨及び二次研磨を併せて20μ
m以上(好ましくは50μm以上)研磨除去する方法が
挙げられる。
【0012】一次研磨時の砥粒の粒径が50μmを超え
ると平面研削ほどではないものの研磨加工時にある程度
の加工変質層が生じ、それを二次研磨で取り除くとこが
できなくなる。二次研磨時の砥粒の粒径が15μmを超
えると同様に表面変質層が僅かではあるものの残留して
しまう。また砥粒としてはダイヤモンドが好ましい。ま
た酸化鉄粉末を用いると窒化珪素焼結体との間で化学反
応を生じながら表面層が除去されていくので該表面変質
層を生成させない加工方法として好ましい。
【0013】変質層の除去厚みとしては変質している部
分すべてを除去することが好ましいが、20μm以上
(好ましくは50μm以上)除去することによって機械
加工される以前と同程度の耐食性を得ることができる。
【0014】同じ目的(残留応力の除去)で窒素やアル
ゴンガスなどの非酸化性雰囲気中で1550℃以下の温
度で処理する方法も有効である。この場合雰囲気が酸化
性であると窒化珪素焼結体が酸化されるため強度などの
特性が損なわれて好ましくない。処理温度が1300℃
未満では効果が小さく、1550℃を超えると窒化珪素
焼結体の粒成長や粒界成分の揮発など焼結体そのものの
変質が生じるため好ましくない。また、処理時間として
は特に定めないが、1時間程度の処理で効果がでるよう
に処理温度を選択するのが好ましい。雰囲気圧力は、揮
発を抑制するために1気圧以上が良い。
【0015】
【実施例】平均粒径0.7μm、純度97%のSi34
粉末に、Y23、Al23、Er23、V25、W
3、MgO、ZrO2及びCeO2の各粉末を焼結助剤
として表1に示す割合で配合し、樹脂製球石及び樹脂製
ポットを用いて、エタノールとともに24時間湿式混合
を行った。
【0016】混合物を乾燥させ、乾燥した混合物を2t
on/cm2の圧力で50×50×10mmの大きさに
静水圧プレス成形し、下記に示す条件で焼結を行い、表
1に示す焼結助剤の異なる3種の窒化珪素質焼結体を得
た。
【0017】 [試料No.1〜6,9〜11の焼結条件] 焼結:常圧焼結+ガス圧焼結 一次焼成:N2中 1atm−1700℃−4hr 二次焼成:N2中 100atm−1800℃−2hr [試料No.7,8の焼結条件] 焼結:常圧焼結+HIP焼結 一次焼成:N2中 1atm−1700℃−4hr 二次焼成:N2中 2000atm−1800℃−2hr 焼結体の密度をアルキメデス法で測定し、以下の式より
相対密度を求め、表1に示した。
【0018】相対密度(%)=(焼結体密度/完全緻密
焼結体密度)×100 なお、完全緻密焼結体は配合粉末を圧力200kgf/
cm2、1800℃−1hrの条件でホットプレス焼結
することにより作製された。
【0019】得られた窒化珪素質焼結体を#140番の
ダイヤモンド砥石を用いて平面研削することにより3×
4×40mmの試験片No.1〜11を準備した。試験
片No.2〜5,8,10,11について砥粒径45μ
mのダイヤモンドディスクを用いて研磨後、さらに酸化
鉄Fe23粉末(試薬特級)を用いてメカノケミカル研
磨(12μm除去)を施すことにより表面層を所定厚み
除去した。また、試験片No.6については1気圧窒素
中1500℃×1時間の熱処理を施した。
【0020】こうして合計11種の焼結助剤及び表面仕
上げが異なる試験片(表中にそれぞれ、平面研削、研
磨、熱処理と記載)を作成した。それぞれの試験片につ
いてX線により残留応力を測定したところ、平面研削後
には約100MPaの圧縮残留応力が測定され、表面変
質層が形成されていることが分かった。これに対し、上
述の方法により表面層を除去していくと、除去とともに
残留応力は小さくなり、30μm以上除去すると1/3
以下になることが分かった。同様に窒素中、1500℃
×1時間の熱処理においても残留応力を1/2以下にす
ることができた。
【0021】これらの試験片を用いて以下の耐食性評価
を行った。試薬特級硫酸(36規定)を6倍に薄めるこ
とにより濃度6規定の硫酸溶液を得た。この溶液中に上
記焼結体試験片各5本を室温で24時間浸漬した後、試
験片の断面をSEMにより観察し、粒界相が溶出した侵
食層の厚さを測定してこれを侵食深さとした。
【0022】
【表1】 表1に示すように、本発明により得られた焼結部材(N
o.2〜6、8及び10〜11)は硫酸に浸漬後の侵食
深さが1μm以下と酸に対する耐食性に優れている。一
方比較例として示したNo.1、7及び9は表面変質層
を有するためその部分が侵食されやすく、侵食深さが大
きい値となり、耐食性に劣っている。
【0023】
【発明の効果】本発明により、本来窒化珪素焼結体の持
つ機械的特性を損なうことなく耐食性に優れた窒化珪素
質焼結部材を提供することができた。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−115859(JP,A) 特開 平5−155663(JP,A) 特開 平5−201766(JP,A) 特開 平2−271966(JP,A) 特開 平6−48813(JP,A) 特開 平5−305561(JP,A) 特開 昭60−122783(JP,A) 特開 昭61−106473(JP,A) 特開 昭60−151290(JP,A) 特公 昭52−40326(JP,B1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/56 - 35/58 C04B 41/80 - 41/91

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 窒化珪素質焼結体の表面を機械加工した
    後、機械加工された表面層の少なくとも圧縮応力が50
    MPa以下となる深さのところまで、損傷を与えないか
    またはその機械加工よりも損傷の程度の軽い加工手段に
    より除去することを特徴とする耐食性窒化珪素質焼結部
    材の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記加工手段が研磨である請求項1に記
    載の耐食性窒化珪素質焼結部材の製造方法。
  3. 【請求項3】 除去される表面層の部分が、少なくとも
    機械加工された表面から20μmの深さのところまでで
    ある請求項1または2に記載の耐食性窒化珪素質焼結部
    材の製造方法。
  4. 【請求項4】 研磨が、50μm以下の砥粒を用いる一
    次研磨と、15μm以下の砥粒及び酸化鉄Fe
    末のうち1種以上を用いる二次研磨との2段階に分けて
    行われる請求項1〜のいずれかに記載の耐食性窒化珪
    素質焼結部材の製造方法。
  5. 【請求項5】 窒化珪素質焼結体の表面を機械加工した
    後、機械加工された表面層の少なくとも一部を、非酸化
    性雰囲気中1550℃以下で、表面の圧縮応力が50M
    Pa以下となるまで熱処理することを特徴とする耐食性
    窒化珪素質焼結部材の製造方法。
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