JP3810806B2

JP3810806B2 - 窒化珪素セラミックス焼結体

Info

Publication number: JP3810806B2
Application number: JP01186893A
Authority: JP
Inventors: 功池田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-01-27
Filing date: 1993-01-27
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2021-08-16
Also published as: JPH06219837A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化珪素セラミックス焼結体に係り、特に少量の添加助剤で容易に緻密化し、靭性強度、耐摩耗性および転がり疲労特性に優れ、摺動部材および軸受材料として好適な窒化珪素セラミックス焼結体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化珪素を主成分とするセラミックス焼結体は軽量で高強度を有し、また耐摩耗特性や摺動性に優れているため、ベアリングの転動体およびレース材や各種摺動部材や軸受部材として広く普及し始め、さらに自動車部品や化学機械部品にも利用されている。特に窒化珪素焼結体は１９００℃程度までの高温度範囲において優れた耐熱性を有し、かつ熱膨脹係数も小さいため、また熱衝撃に対する耐性も従来の金属材より優れていることから、ガスタービン翼、ガスタービンノズル、内燃機関部品を始め、各種の高強度耐熱部品材料としてその用途開発が進められている。
【０００３】
ところで、窒化珪素は、強固な共有結合性セラミックスであり、焼結体を構成する窒化珪素粉末のみでは焼結性が極めて悪いため、通常窒化珪素焼結体を製造する場合には、所定粒径の窒化珪素粉末に対して、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）等の希土類酸化物やマグネシア、アルミナ、ジルコニア等の金属酸化物を焼結助剤として添加し、得られた原料混合体をプレス成形法等により成形体とし、この成形体を真空あるいは非酸化性雰囲気中で常圧焼結し緻密化して製造されている。
【０００４】
上記焼結助剤等の添加剤は焼結後においては粒界に第２相として存在するが、この第２相の存在形態が窒化珪素セラミックス焼結体の特性を大きく左右する。すなわち第２相が融点の低い非結晶質である場合には焼結体の高温強度が大幅に劣化する。一方、第２相が結晶質で構成される場合には高温強度の低下は少ない。さらに上記第２相の絶対量も焼結体の耐摩耗性や特に軸受部品に適用した場合の転がり疲労寿命に大きく影響することが判明している。そして一般に上記第２相の絶対量が減少するに伴って焼結体の特性向上が図られることが確認されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記粒界第２相の絶対量が極度に減少すると、窒化珪素が本来備える機械的強度および靭性値が損われるため、本来の品質特性を保証することが困難となる。
【０００６】
一方、従来、窒化珪素原料粉末と上記添加助剤とを均一に混合するために、トリクロロエタン、トリクロロエチレン、エチルアルコール等の有機溶剤が使用されていた。しかしながら、トリクロロエタン等の塩素系有機溶剤は毒性が強く使用が規制される方向にある一方、エチルアルコール等の可燃性溶剤を使用する場合には、製造設備の安全性を高める手段が必要となり、いずれにしても製造技術上の難点があった。そこで水を溶剤として使用する方法も採用されているが、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のように水と反応する助剤は使用できない問題点があった。
【０００７】
従来より窒化珪素セラミックス焼結体を製造する際に使用する添加助剤としては、前記の通り酸化イットリウム−酸化アルミニウム系や、さらにジルコニウム、チタニウムの酸化物、モリブデン、タングステンの炭化物等を添加した系が採用されている。しかしながら、高温強度の低下をもたらす助剤の使用量を低減しつつ、さらに焼結性を高め緻密で耐摩耗性、転がり疲労強度、機械的強度および靭性値の高い焼結体を得ることが求められてきている。
【０００８】
本発明は上記の要請および問題点に対応するためになされたものであり、特に少量の添加助剤で容易に緻密化し、靭性強度、耐摩耗性および転がり疲労特性に優れており、摺動部材および軸受材料として好適な窒化珪素セラミックス焼結体およびその製造方法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、本願発明者は、各種の焼結助剤および分散強化剤の添加量を変えて焼結体試料を多数調製し、それらが焼結体の焼結性や強度特性等に及ぼす影響を定量的に把握した。その結果、特に焼結助剤として
ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）を酸化イットリウム−酸化アルミニウム系材料に添加することにより焼結特性が大幅に改善され、少量の助剤添加の場合においても、焼結時に緻密化が進行し易くなり、耐摩耗性、高温強度および耐転がり疲労特性に優れた窒化珪素セラミックス焼結体が得られた。本発明はこれらの知見に基づいて完成されたものである。
【００１０】
すなわち、本発明に係る窒化珪素セラミックス焼結体は、窒化珪素１００重量部に対して焼結助剤としての酸化イットリウムを２〜７重量部と、酸化アルミニウムを０．３〜９重量部と、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３スピネルを０．６〜７重量部と、酸化チタニウム,酸化ジルコニウム,酸化ハフニウム,炭化モリブデンおよび炭化タングステンから選択される少なくとも1種を２重量部以下とを添加したセラミックス混合体を焼結して耐薬品性を向上させた窒化珪素セラミックス焼結体であり、上記焼結助剤の総添加量が１３重量部以下であり、上記酸化アルミニウムとＭｇＯ・Ａｌ _２Ｏ _３スピネルとの合計量に対する酸化イットリウムの比が０．５〜３の範囲であり、また上記ＭｇＯ・Ａｌ _２Ｏ _３スピネルに対する酸化アルミニウムの比が０．５〜５の範囲であることを特徴とする。
【００１１】
また窒化珪素１００重量部に対して酸化イットリウム、酸化アルミニウム、
ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃スピネル、酸化チタニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、炭化モリブデンおよび炭化タングステンの総含有量は１３重量部以下に設定するとよい。
【００１２】
また本発明に係る窒化珪素セラミックス焼結体の製造方法は、上記セラミックス混合体を成形し、得られた成形体を脱脂した後に、非酸化性雰囲気中で温度１６５０〜１８２５℃で焼結または熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理することを特徴とする。
【００１３】
ここで上記窒化珪素粉末としては、粒径が５μｍ以下好ましくは２μｍ以下の微細で高純度の原料粉末を使用するとよい。特に焼結体の粒界に低融点化合物を形成するリチウム、カリウム、ナトリウム、カルシウム、鉄などの不純物の含有量が０．５重量％以下の原料粉末を使用する。また窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）は、α相型およびβ相型の２種のいずれも使用することが可能であるが、α相型窒化珪素は、β相型と比較して高温焼結後に結晶粒が長く成長し、高い機械的強度を保持することができるため、原料窒化珪素全体のうちα相型の窒化珪素が８０重量％以上を占めることが望ましい。さらに窒化珪素特有の耐熱衝撃特性、耐摩耗性を確保するために、焼結体に占める窒化珪素成分比が８５重量％以上となるように、他の添加成分量を設定することが望ましい。
【００１４】
本発明に係る焼結体の添加成分の１つである酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）は、焼結過程における緻密化速度を低下させるものの、α相型からβ相型への相転移速度を早めβ相型柱状結晶の生成を促進して焼結体の強度および靭性の向上を図るために２〜７重量部添加される。添加量が２重量部未満の場合には上記効果が不充分となる一方、添加量が７重量部を超えると得られる焼結体の機械的強度および耐熱衝撃性が低下し易くなるので好ましくない。
【００１５】
また酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）は高温強度を増加させるとともに焼結促進に寄与するために０．３〜９重量部添加されるものであり、特に常圧焼結法によって焼結する場合に効果が大きい。添加量が０．３重量部未満の場合には焼結促進効果が不充分となる一方、添加量が９重量部を超える場合には耐熱衝撃性が低下し、常温強度も劣化し易い。
【００１６】
さらにＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃スピネルは、製造プロセスにおいて焼結促進剤として機能する上に焼結体の耐薬品性を向上させることができ、０．６〜７重量部添加される。その添加量が０．６重量部未満の場合には、粒界相の形成が不充分となり、高温度における焼結体の耐薬品性が低下し易い一方、含有量が７重量部を超える場合には、焼結後において低融点の液相を多量に生じ機械的強度が逆に低下し始めるため、添加量は上記範囲内に設定される。
【００１７】
なお、ＭｇＯ成分およびＡｌ₂Ｏ₃成分を個別でなく、助剤としては融点が高いＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃スピネルの形で添加することにより、従来製法と比較して焼結性が大幅に改善され、特にＹ₂Ｏ₃やＭｇＯなどの従来の焼結助剤を使用する場合と比較して助剤の添加量を低減できる上に、焼結体密度を大幅に改善することができる。また従来製法による焼結体と同一密度の焼結体を製造する場合には、焼結温度を５０〜１００℃程度引き下げることが可能になり、製造条件を緩和することができ製造コストの低減も図ることができる。
【００１８】
また本発明に係る焼結体の製造プロセスにおいて原料粉末に添加する他の成分であるＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆの酸化物およびＭｏ，Ｗの炭化物は、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３スピネルと相乗的に作用し、緻密化焼結を促進する焼結促進剤として機能する上に、焼結後において粒径１〜５μｍの高融点の化合物となり、単独に粒子として焼結体粒界内に分散する形態を有し、焼結体の強度および耐摩耗性を向上させる効果を有し、原料粉末１００重量部に対して２重量部以下の割合で添加される。添加量が２重量部を超えると、耐薬品性および靭性が低下する一方、添加量が０．１重量部未満の場合には強度特性および耐摩耗性の改善効果が十分に得られない。そのため好ましくは０．３〜１．５重量部の範囲で添加される。
【００１９】
なおセラミックス混合体における上記酸化イットリウム、酸化アルミニウム、ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃スピネル、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆの酸化物、およびＭｏ，Ｔｉの炭化物等の焼結助剤の総添加量は１３重量部以下、より好ましくは７〜１０重量部の範囲に設定する。また上記酸化アルミニウムとＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃スピネルとの合計量に対する酸化イットリウムの比が０．５未満であると、焼結体の強度および靭性値の低下が顕著となる一方、比の値が３を超えると緻密化速度が低下するため、上記比の値が０．５〜３の範囲になるように各助剤成分割合を設定する。
【００２０】
またＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃スピネルは前記の通り、緻密化速度を高める作用を有するが、焼結後には低融点の液相を生じ易くなる。そのためＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃スピネルに対する酸化アルミニウムの比は０．５〜５の範囲が望ましい。これは比の値が０．５未満の場合、液相による高温強度の低下が顕著になる一方、比の値が５を超えるとＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃スピネルの効果が相対的に低下してしまうからである。
【００２１】
本発明に係る窒化珪素セラミックス焼結体は、例えば以下のようなプロセスを経て製造される。すなわち窒化珪素粉末に対して助剤としてのＹ₂Ｏ₃と、
Ａｌ₂Ｏ₃と、ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃スピネルと、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆの酸化物、および、Ｍｏ，Ｗの炭化物の少なくとも１種の粉末とを所定量添加してセラミックス混合体を調製し、次に得られたセラミックス混合体を金型プレス等の汎用の成形法によって所定形状の成形体とした後に、この成形体を脱脂し、さらに窒素ガスまたはアルゴンガスなどの非酸化性雰囲気中で１６５０〜１８２５℃程度の温度で１〜１０時間焼成する。
【００２２】
ここで焼成雰囲気を窒素やアルゴン等の非酸化性雰囲気とする理由は、酸素等を含む酸化性雰囲気では高温焼結時に窒化珪素が酸化されてＳｉＯ₂に変化し、目的とする窒化珪素焼結体本来の機械的強度が得られないからである。
【００２３】
なお、上記焼成操作は常圧焼結法によっても、あるいはその他の焼結法、例えばホットプレス法、雰囲気加圧法、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）法等を使用して実施してもよい。いずれの焼成法においても緻密で機械的強度が高く、特に酸などの化学薬品が混在する使用環境において耐薬品性が優れた窒化珪素セラミックス焼結体が得られる。特に常圧焼結法によっても焼結性が良好であるため、窒化珪素セラミックス焼結体の量産性を大幅に改善することが可能になる。
【００２４】
【作用】
上記構成に係る窒化珪素セラミックス焼結体およびその製造方法によれば、酸化イットリウム−酸化アルミニウム系の焼結助剤に、さらにＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃スピネルを所定量添加しているため、少量の焼結助剤を添加した場合においても焼結特性が大幅に改善される一方、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆの酸化物、および、Ｍｏ，Ｗの炭化物が粒界内に分散して耐摩耗性および転がり疲労特性が改善される。したがって、摺動部材および軸受部材に好適な窒化珪素セラミックス焼結体が得られる。
【００２５】
【実施例】
次に本発明を以下に示す実施例を参照してより具体的に説明する。
【００２６】
実施例１〜３，５
α相型窒化珪素を９５重量％含有する平均粒径０．６μｍの窒化珪素粉末１００重量部に対して、表１左欄に示すようにＹ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３スピネルおよびＭｏＣ等を焼結助剤および分散強化剤として所定量ずつ添加し、５種類のセラミックス混合体を調製した。次に得られた各セラミックス混合体をエタノールを溶媒としてアルミナポットで４８時間湿式混合した後に乾燥し、プレス成形機で８００kgf/cm^２の成形圧力で加圧成形し、長さ５０mm×幅５０mm×厚さ１０mmの成形体を多数製作した。
【００２７】
次に得られた成形体を温度５００℃の窒素ガス雰囲気中において２時間脱脂した後に、この脱脂体を、圧力５atmの窒素ガス雰囲気中において、温度１８００℃で加圧焼成した後に、さらに温度１７００℃で圧力１０００atmにて熱間静水圧（ＨＩＰ）処理を行い、それぞれ実施例１〜３，５に係る窒化珪素セラミックス焼結体を調製した。
【００２８】
比較例１〜６
一方、比較例１〜６として、焼結助剤および分散強化剤としてのＹ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３スピネル、ＭｏＣ等の添加量を、表１左欄に示すように過少または過多に設定した以外は実施例１〜３，５と同様に処理してそれぞれ比較例１〜６に係る窒化珪素セラミックス焼結体を調製した。
【００２９】
こうして調製した実施例１〜３，５および比較例１〜６に係る窒化珪素セラミックス焼結体（試料）について、常温度および１０００℃における３点曲げ強度、ビッカース硬度（Ｈｖ）、破壊靭性値および比摩耗量を測定した。
【００３０】
なお曲げ強度値は３点曲げ強度試験機によって測定したものであり、試料サイズは４mm×３mm×４０mm、クロスヘッドスピード０．５mm/min、スパン３０mmの試験条件で測定した。各試料の測定操作は５回ずつ実施し、その平均値を示している。また破壊靭性値はマイクロインデンテーション法を使用して測定した。
【００３１】
さらに比摩耗量は図１に示すようなブロックオンリング型・ファレックス（
FALEX)摩耗試験機を使用して測定した。図１に示す摩耗試験機１は、下端部をエンジン油２中に浸漬した鋼製リング３の上端外周面にＳｉ₃Ｎ₄試料ブロック４を所定荷重Ｐで押し付けた状態で鋼製リング３を所定の回転方向に連続６時間回転せしめ、Ｓｉ₃Ｎ₄試料ブロック４の比摩耗量を測定した。なお、試料条件としての荷重Ｐは１５０kgf 、鋼製リング３の周速は１．２ｍ／sec 、エンジン油２の温度は１２５℃に設定した。
【００３２】
上記測定結果を下記表１に示す。
【００３３】
【表１】

【００３４】
表１に示す結果から明らかなように、実施例１〜５に係るＳｉ₃Ｎ₄焼結体によれば、曲げ強度、硬度、破壊靭性値、比摩耗量が比較例１〜６と比較して相対的に高くなり、機械的強度が優れた高品質の焼結体が得られた。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明の通り本発明に係る窒化珪素セラミックス焼結体およびその製造方法によれば、酸化イットリウム−酸化アルミニウム系の焼結助剤に、さらにＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃スピネルを所定量添加しているため、少量の焼結助剤を添加した場合においても焼結特性が大幅に改善される一方、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆの酸化物、および、Ｍｏ，Ｗの炭化物が粒界内に分散して耐摩耗性および転がり疲労特性が改善される。したがって、摺動部材および軸受部材に好適な窒化珪素セラミックス焼結体が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ファレックス摩耗試験機の構成を示す断面図。
【符号の説明】
１摩耗試験機
２エンジン油
３鋼製リング
４Ｓｉ₃Ｎ₄試料ブロック
Ｐ荷重

Claims

窒化珪素１００重量部に対して焼結助剤としての酸化イットリウムを２〜７重量部と、酸化アルミニウムを０．３〜９重量部と、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３スピネルを０．６〜７重量部と、酸化チタニウム,酸化ジルコニウム,酸化ハフニウム,炭化モリブデンおよび炭化タングステンから選択される少なくとも1種を２重量部以下とを添加したセラミックス混合体を焼結して耐薬品性を向上させた窒化珪素セラミックス焼結体であり、上記焼結助剤の総添加量が１３重量部以下であり、上記酸化アルミニウムとＭｇＯ・Ａｌ _２Ｏ _３スピネルとの合計量に対する酸化イットリウムの比が０．５〜３の範囲であり、また上記ＭｇＯ・Ａｌ _２Ｏ _３スピネルに対する酸化アルミニウムの比が０．５〜５の範囲であることを特徴とする窒化珪素セラミックス焼結体。