JP3395247B2 - 窒化ケイ素系焼結体 - Google Patents

窒化ケイ素系焼結体

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、室温において優れ
た機械的強度を有し且つそのバラツキが小さく、生産性
及びコスト的にも優れた窒化ケイ素系焼結体に関する。
【0002】
【従来の技術】窒化ケイ素は、強度、破壊靭性値、耐食
性、耐摩耗性、耐熱衝撃性、耐酸化性等においてバラン
スのとれた材料であるため、切削工具をはじめ摺動部品
その他の機械構造材料として広い範囲で利用されている
が、強度面においても信頼性においても金属材料に劣る
という問題があった。
【0003】かかる窒化ケイ素系焼結体における強度劣
化の原因の一つとして、焼結体組織内部に存在する粒界
相の問題がある。この粒界相は、窒化ケイ素の焼結に不
可欠な焼結助剤に由来するガラス質からなり、一般に窒
化ケイ素のマトリックスと比べ脆性であるため、粒界相
に応力集中を受けると破壊し易く、窒化ケイ素系焼結体
の強度劣化の主要な原因となっている。
【0004】このため、窒化ケイ素系焼結体の粒界相を
低減させることによって、強度向上を図る種々の方法が
試みられてきた。例えば、特開平3−117315号公
報には、α−Siの柱状結晶粒とβ−Si
の等軸状結晶粒からなる微細な組織とし、粒界相の厚さ
を低減させる方法が開示されている。しかし、α結晶粒
を微細にするためには、原料粉末にα率の高い微細なS
粉末を使用する必要があり、コスト高になる欠
点があった。又、焼結中にβ率を高めなければ優れた強
度特性が得られないことから、焼結中にβ結晶粒の大き
さも2μm以上となってしまうため、組織の微細化だけ
で粒界相を低減するには限界があった。
【0005】又、特開昭61−91065号公報や特開
平2−4406号公報に開示されるように、等軸結晶粒
のα’−サイアロン(一般式M(Si,Al)12(O,
N)16であり、M=Mg、Ca、Li及び希土類元
素)と、柱状結晶粒のβ’−サイアロンとを組み合わせ
る方法も知られている。しかし、これらの方法も上記公
報に記載された実施例によれば、曲げ強度が100kg
/mmを安定して超える焼結体はいずれもホットプレ
ス法によって製造されたものであり、工業的に安定して
高い強度特性を得るに至っていない。
【0006】窒化ケイ素の焼結体組織中に微細な異種粒
子を分散複合させることにより、強度の向上を図る試み
も行われている。例えば、特開平4−202059号公
報に記載の方法では、短軸径が0.05〜3μmでアス
ペクト比が3〜20の柱状窒化ケイ素又はサイアロン
に、1〜500nmの微粒子を分散させている。しか
し、その実施例に示された強度は最高167kg/mm
であるものの、粗大な窒化ケイ素を含むことがあるた
め強度劣化を招き易く、従ってワイブル係数は9程度に
過ぎず、安定して高い強度特性を得ることができない欠
点があった。
【0007】又、特開平4−295056号公報には、
柱状窒化ケイ素の粒界相に異種粒子を分散させる方法が
開示されている。しかしながら、この場合の窒化ケイ素
は、短軸径が最大2〜3.5μm及び長軸径が10〜1
4μmにも達するので、マトリックス自身が破壊源とな
り、実施例の強度は最高で158kg/mmに過ぎ
ず、又焼成温度も1800℃以上であることから、生産
性及びコストの面でも満足できるものではなかった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる従来
の事情に鑑み、機械部品用構造材料として十分な強度を
備え且つ強度のバラツキが少なく、高い信頼性を有する
と共に、生産性及びコストの面においても優れた窒化ケ
イ素系焼結体を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明が提供する窒化ケイ素系焼結体は、Si
及び/又はサイアロンの柱状結晶粒及び等軸状結晶粒
と、これらの結晶粒の間に存在する粒界相と、粒界相中
に分散したZr、Hf、V又はCrの化合物からなる分
散粒子とから構成され、前記柱状結晶粒の平均短軸径が
0.3μm以下及び平均長軸径が5μm以下であり、等
軸状結晶粒の平均粒径が0.5μm以下であり、分散粒
子の平均粒径が0.1μm以下であって、分散粒子の体
積が他の焼結体組織の全体積を1としたとき0.05体
積%以上であることを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明においては、窒化ケイ素系
焼結体における強度劣化の原因となる粒界相の相対的量
を低減させるために、窒化ケイ素やサイアロンの柱状結
晶粒と等軸状結晶粒とを組み合わせて充填させるだけで
なく、これらの結晶粒の間に存在する粒界相中に分散粒
子を分散させることによって、粒界相の表面積が増加し
て相対的にガラス相の量が減少している。加えて、粒界
相に微細な分散粒子を含ませることで、組織全体の粒成
長が抑制される作用効果が認められ、柱状結晶粒と等軸
状結晶粒の大きさが制御されて微細で均一な組織を得る
ことができる。
【0011】この結果、本発明の窒化ケイ素系焼結体で
は、窒化ケイ素やサイアロンの柱状結晶粒と等軸状結晶
粒が微細且つ均一化され、同時に粒界相の量の低減によ
り粒界での脆性を低減化することができるので、JIS
R 1601に準拠した室温での3点曲げ強度におい
て常に160kg/mm以上の強度が安定して得られ
る。又、本発明の窒化ケイ素系焼結体は切削性に優れ、
切削工具としても非常に有用であることが判った。
【0012】このような優れた強度を安定して得るため
には、Si及び/又はサイサロンの柱状結晶粒
(β結晶)と等軸状結晶粒(α結晶)の両者を含み、柱
状結晶粒の平均短軸径が0.3μm以下及び平均長軸径
が5μm以下であり、等軸状結晶粒の平均粒径が0.5
μm以下であることが必要である。これらの結晶粒の平
均粒径がそれぞれの上限値を超える場合には、組織が不
均一になって大きな結晶粒自体が破壊源となったり、柱
状結晶粒と等軸状結晶粒の充填密度の低下を招いたり、
粒界相の厚さが大きくなったりするため、焼結体の強度
が劣化するからである。
【0013】粒界相に分散される分散粒子は、平均粒径
が0.1μm以下であり、且つ分散粒子の体積が他の焼
結体組織の全体積を1としたとき0.05体積以上を占
めることが必要である。分散粒子の平均粒径が0.1μ
mより大きくなると、粒界相に存在する以外に、3重点
や等軸結晶粒と同じ大きさで存在する量が多くなり、粒
界相のガラス相の相対的量を低減させることができず、
しかも組織全体の粒成長も大きくなるので、所望の強度
が得られない。
【0014】又、分散粒子の体積が他の焼結体組織の全
体積を1としたとき0.05体積%未満では、ガラス相
の低減される量が極めて少ないため、やはり所望の強度
を達成することができない。しかし、分散粒子の体積が
多くなると必然的にその平均粒径も大きくなるので、平
均粒径が0.1μmを超えない程度に分散粒子の体積を
抑える必要があることは言うまでもない。
【0015】かかる分散粒子は、窒化ケイ素又はサイア
ロン以外の化合物であって、例えば、Zr、Hf、V、
Crの化合物であってよい。尚、焼結体中におけるこれ
らの化合物は、X線回析法による測定によれば、少なく
とも窒化物を含んでいることが認められる。
【0016】本発明の窒化ケイ素系焼結体を得るために
は、原料の窒化ケイ素粉末の表面に存在するSiO
反応して、できるだけ低温で液相を形成する焼結助剤、
例えばY、Al、MgO、CeO、Ca
O、スピネル等を使用し、Nガス等の非酸化性雰囲気
中において1650℃以下の温度で焼結する。更に、得
られた焼結体を非酸化性の加圧雰囲気中で2次焼結し、
緻密化することが好ましい。2次焼結は1次焼結に連続
して行ってもよいし、1次焼結後一旦室温に冷却してか
ら2次焼結を行ってもよい。
【0017】本発明では、分散粒子であるZr、Hf、
V、又はCrの窒化物を含む化合物等は、その窒化物粉
末自体を出発原料としてもよいが、焼結中に当該化合物
を生成するような他の化合物の粉末、例えばZrO
ような酸化物粉末を出発原料とすることが望ましい。
【0018】尚、本発明においては、分散粒子が焼結時
に粒成長抑制作用を果すので、原料の窒化ケイ素粉末と
してα率が高く且つ微細で高価な粉末を使用しなくて
も、窒化ケイ素の柱状のβ結晶粒と等軸状のα結晶粒の
微細で均一な組織を得ることができる。又、焼結温度が
1650℃以下と低いので、窒化ケイ素の昇華分解を抑
えるために用いる加圧雰囲気中で焼結を行う必要がな
く、大量生産に適したプッシャー式やベルト式の連続焼
結炉等を用いることが可能である。更に、熱間静水圧プ
レス(HIP)焼結を用いなくても、容易に高強度の焼
結体を得ることができる。従って、本発明の窒化ケイ素
系焼結体は、生産性及びコストの面においても優れたも
のである。
【0019】
【実施例】実施例1 市販されている平均粒径0.7μmで、α率85%のS
粉末と、焼結助剤としてY粉末、Al
粉末及びMgO粉末を、それぞれ下記表1に示す割
合で配合し、更に分散粒子の原料としてZrO粉末、
HfO粉末、V粉末又はCr粉末を、同
じく下記表1に示す割合で配合した。尚、表1に示した
上記添加酸化物の体積%は、他の組織全体を1としたと
きの窒化物に換算した値である。
【0020】得られた各粉末を1気圧のNガス雰囲気
中において1500℃で4時間1次焼結し、引き続いて
1000気圧のNガス雰囲気中において1600℃で
1時間の2次焼結を実施した。
【0021】
【表1】
【0022】得られた各焼結体について、相対密度を求
めると共に、X線回折法により柱状のα(α’を含む)
結晶とβ(β’を含む)結晶のピーク比の高さから両結
晶のα:β比を求めた。更に、各焼結体の任意の一断面
をラッピング加工した後、80℃のHF:HNO
2:1のエッチング液により30分エッチング処理し、
倍率5000倍の走査型電子顕微鏡で観察することによ
り、各結晶の平均粒径を求めた。又、分散粒子の平均粒
径も、同様にして走査型電子顕微鏡観察により求めた。
これらの結果を下記表2に示した。
【0023】
【表2】
【0024】又、各焼結体から3×4×40mmの抗折
試験片を各15本ずつ切り出し、#800のダイヤモン
ド砥石により研削加工仕上げを行った後、JIS R
1601に準拠した室温での3点曲げ強度試験を実施し
て、平均曲げ強度とワイブル係数を測定した。これらの
結果を下記表3に示した。
【0025】
【表3】
【0026】
【発明の効果】本発明によれば、室温における3点曲げ
強度が平均160kg/mm以上の優れた機械的強度
を有し、しかも強度のバラツキが少なく、信頼性の高い
窒化ケイ素系焼結体を提供することができる。又、この
窒化ケイ素系焼結体は、生産性に優れ且つコスト面でも
非常に有利である。
【0027】かかる本発明の窒化ケイ素系焼結体は、特
に室温における強度が要求される分野において従来の金
属材料に代わる機械構造用材料として期待されるほか、
切削工具用材料としても極めて有用である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山川 晃 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住 友電気工業株式会社 伊丹製作所内 (56)参考文献 特開 平5−58742(JP,A) 特開 平6−100370(JP,A) 特開 平6−271358(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/584

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Si及び/又はサイアロンの柱状
    結晶粒及び等軸状結晶粒と、これらの結晶粒の間に存在
    する粒界相と、粒界相中に分散したZr、Hf、V又は
    Crの化合物からなる分散粒子とから構成され、前記柱
    状結晶粒の平均短軸径が0.3μm以下及び平均長軸径
    が5μm以下であり、等軸状結晶粒の平均粒径が0.5
    μm以下であり、分散粒子の平均粒径が0.1μm以下
    であって、分散粒子の体積が他の焼結体組織の全体積を
    1としたとき0.05体積%以上であることを特徴とす
    る窒化ケイ素系焼結体。
  2. 【請求項2】 JIS R 1601に準拠する室温で
    の3点曲げ強度が160kg/mm以上であることを
    特徴とする、請求項1に記載の窒化ケイ素系焼結体。
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