JPH01119566A

JPH01119566A - 炭化珪素ウィスカー強化サイアロン

Info

Publication number: JPH01119566A
Application number: JP62275714A
Authority: JP
Inventors: Akiyasu Okuno; 奥野　晃康; Masaru Matsubara; 優松原; Shoichi Watanabe; 正一渡辺
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1987-11-02
Filing date: 1987-11-02
Publication date: 1989-05-11
Anticipated expiration: 2012-03-19
Also published as: JP2592267B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は炭化珪素ウィスカーを用いて強化したサイアロ
ン基複合材料に関し、特に高ニッケルの難切削材料につ
いても高速切削をなし得る切削工具材料またはセラミッ
クロータやセラミックバルブ等の自動車エンジン部材及
びその他の耐摩耗性、耐食性、耐熱性部材等に広く有用
な複合材料に関するものである。

（従来の技術）サイアロンを主成分とするサイアロン基セラミックスは
、強度、耐酸化性、耐摩耗性、耐衝撃性、耐食性等の特
性に優れているのでエンジン部品等の構造部材料や切削
工具材料として実用化が始まっている。

一般に、サイアロンにはβ−５ｉ３Ｎ、構造でＳｉとＮ
の一部に各々ＡＩとＯが置換固溶したβ−サイアロン〔
組成式５ｉｂ−ｚＡＺｚｏｚＮａ−ｚ（ただし０＜２≦
４．３である。）〕とα−５ｉ３Ｌ構造でＳｉの位置に
Ａｔ。

Ｎの位置にＯが置換され、かつ、格子間位置に他の元素
が置換固溶したα−サイアロン〔組成式ＭＸ（Ｓｔ、＾
１）＋□（０，Ｎ）＋ｂ　（ただし、ＭはＭｇ　、Ｙお
よび希土類元素から選ばれた単独または混合物からなり
、０くＸ≦２である。））とが知られており、前者のβ
−サイアロンは靭性は高いが硬度は低く、後者のα−サ
イアロンは比較的靭性は低いが硬度は高い特徴がある。

しかしこのような優れた特徴をもっているにもかかわら
ず、金属と比較すると品質安定性や均質性に乏しく、信
頼性の向上や高特性という視点から、サイア、ロン基セ
ラミックスに於いても一層の改良が望まれている。その
ため特公昭５Ｂ−５１９１１、特公昭６０−３５３１６
　、特公昭６０−５５４６９　、特開昭５９−１０２８
６２、特開昭６０−２００８６３、特開昭６０−２４６
２６８、特開昭６１−２９１４６３等のように炭化珪素
（ＳｉＣ）ウィスカーを強化材料として用い、複合化す
る試みが行われているが、いまだ十分に実用し得るまで
には至っていない。

（発明が解決すべき問題点）従来、β−サイアロンやα−サイアロンを母相とするセ
ラミックスにＳｉＣウィスカーを複合化して焼結しても
、高強度、高靭性でかつ高硬度な特性を兼ね備えた材料
を得ることが困難であった。

そこで、本発明は、α−サイアロンとβ−サイアロンの
混合母材にＳｉＣウィスカーを複合することによって、
高強度、高靭性でかつ高硬度な特性を兼ね備えた材料を
得ることを目的とする。

（問題点を解決するための手段）本発明は上記の目的を達成するために種々検討の結果な
されたものである。

本発明の概要を述べれば、以下のとおりである。

すなわち、平均長さ５〜３０μｍのＳｉＣウィスカー５
〜４０重量％とＡＩ、Ｓｉ、０、ＮとＭｇ、Ｙ、希土類
元素の１種以上から成るガラス相５〜４０重量％と残部
が主としてα−サイアロンとβ−サイアロンの混合物よ
りなる複合焼結体であって、α−サイアロン〔組成式Ｍ
ｘ（Ｓｔ、八ｌ）Ｉ□（０，Ｎ）＋６　（ただし、Ｍは
Ｍｇ　、Ｙおよび希土類元素から選ばれた単独または混
合物からなり、０〈Ｘ≦２である。）〕が残部の５〜１
５重量％存在し、残りがβ−サイアロン〔組成式５Ｌ−
２ＡｌｚＯ□Ｎ８−ｚ’（ただし０＜２≦４．３である
。）〕で主として構成されることを特徴とする炭化珪素
ウィスカー強化サイアロン複合材料であって、特に好ま
しくはＳｉＣウィスカーの平均長さは５〜２０μｍで、
その量は１０〜３０重量％を含有し、かつ、α−サイア
ロンを５〜１０重量％含１゛Ｔシて構成されることを特
徴とする炭化珪素ウィスカー強化サイアロン複合材料が
本目的に適合する。

本発明の焼結体は、サイアロン相としてα−サイアロン
とβ−サイアロンとを生成せしめるため、Ｓｉ３Ｎｇ粉
末に対し、Ａｌｅ’ｓを４０〜９０重量％含むＡＺ、０
．とＩＮの混合粉末およびＹ２Ｏ１、ＭｇＯ、希土類元
素酸化物のうちの少な（とも一種以上から選ばれた焼結
助剤と、５〜４０重量％のＳｉＣウィスカーを混合し、
ついで必要に応じて金型成形、静水圧成形または射出成
形した後、還元または不活性ガス雰囲気中１６００℃〜
１９００℃の温度でホットプレス、常圧焼結、ガス圧焼
結、ＨＩＰ焼結することによって得ることが出来る。

なお、本発明においてα−サイアロン量を５〜１５重量
％とする理由は、５重量％より少ない場合は、高硬度を
得ることが出来ず、また１５重量％を超える場合は、高
強度、高靭性を得ることが出来なくなるからである。Ａ
４！０２を４０〜９０重量％含むＡｌｔ０３とＡＩＮの
混合粉末を焼結助剤として使用する理由は、α〜サイア
ロン量がＡｌ２Ｏ，とＡＩＮの比率で決定されるので、
５〜１５重量％のα−サイアロンを生成させる為にはこ
の範囲の混合物を用いることが必要であり、またＡｌ２
Ｏ３は焼結助剤として作用する為４０重量％に満たない
とＡＺ、０．の焼結助剤としての作用が不十分となるか
らである。また、本発明品をＮｉ合金の切削工具として
用いた場合には耐フレーキング性能に優れていることも
判明した。

本発明で用いられるＳｉＣウィスカーはそれ自体常温か
ら高温まで硬度や強度が高く、焼結後もウィスカーの形
状のままで残存し、Ｍｌｌ円内均一に分散していること
によってセラミックスの高温強度を向上し、破壊靭性を
大きくし、かつ硬くするものである。

本発明におけるＳｉＣウィスカーとしては平均直径０．
２〜５ｐｍ、平均長さ５〜３０１Ｉｍ、アスペクト比５
〜１５０のもので、ＡＩ−、Ｃａ、Ｍ８％　Ｎｉｓ　Ｆ
　ｅ％Ｍｎ　ＳＣｏ　、Ｃｒ等のカチオン不純物やＳｉ
Ｏ□含有量が１．０重里％以下のクビレや技分かれおよ
び面欠陥等が少ないヒゲ状結晶を用いることが高靭性の
緻密体を得る上で好ましい。ここでＳｉＣウィスカーの
平均長さを５〜３０／Ｊｆｆｉとする理由は、５−に満
たないとその添加に基づく作用が乏しく、強度や靭性の
向上が認められない為であり、他方平均長さが３０μｍ
を超えて長いとＳｉＣウィスカーの均一分散が困難とな
って焼結性を阻害するほかウィスカーの凝集塊が焼結体
の強度低下を引き起こすからである。なおＳｉＣウィス
カーの平均長さが５〜２０μ口のものは一層好ましい。

またこのＳｉＣウィスカーを５〜４０重量％とする理由
は、５重量％より少ない場合にはセラミックス焼結体に
ウィスカー添加の効果が殆ど無いため強度や靭性および
硬度の向上が不十分で、逆に４０重量％を超える場合は
ウィスカーの異方性によって均一分散性が低下し焼結性
も著しく低下するためであり、上記５〜４０重量％を好
ましい範囲とし、更により好ましい範囲は１０〜３０重
量％である。

サイアロン基セラミックスは、５ｉＪａ、＾１２０３お
よび＾ＩＮの固溶体であるが、本発明では、組成式５ｉ
６−２Ａ／ｚＯ□Ｎ［ｌ−□（ただし０＜２≦４．３）
で示されるβ−サイアロンと、その結晶格子に金属が固
溶した組成式Ｍｘ（Ｓｉ、Ａｆ）＋□（０，Ｎ）＋６（
ただしＯ＜Ｘ≦２）で表されるα−サイアロンと焼結助
剤によって生成するＡＩ、Ｓｔ、Ｏ，ＮとＭｇ　、Ｙ、
希土類元素の１種以上から成るガラス相５〜４０重四％
で主として構成されるものである。ガラス相を５〜４０
重量％とする理由は、５重量％に満たないと焼結不十分
となり、他方４０重量％を超えると強度や靭性や硬度お
よび高温強度や耐酸化性などの特性の劣化を来すため、
高温構造材料や切削工具材料等には好ましくないからで
ある。このガラス相成分はＥＰＭＡやＳＴＥＭ等で分析
することができ、また焼結体の鏡面研磨面を画像処理す
ることによって粒界成分として存在するガラス相を定量
することができる。

（実施例）以下、本発明の実施例について説明する。

実施例１ α率９０％で平均粒径０．６Ｉ！ｒｎの５ｉＪ４粉末に
平均粒径０．８μｍのα−八へ２０３粉末と平均粒径０
　、３　ｔｔｍのＡＩＮ粉末、平均粒径１．２−のＹ２
Ｏ３粉末および平均直径０．６μｍ、平均長さ３０μｍ
のＳｉＣウィスカー（ＡＲＣＯケミカル社製５Ｃ−９）
を第１表に示すような割合に配合し、エタノール中で４
時間均一に分散混合した後、乾燥し、造粒して素地粉末
を得た。

次にこの素地粉末を黒鉛型中で表中に示すような焼結温
度で各々６０分間２００ｋｇ／ｃｎｊの圧力でホットプ
レスし緻密に焼結した焼結体を得た。

得られた焼結体は４ｍｗＸ３＋ｕＸ４０ｍｍの寸法に加
工した後、ＪＩＳ　Ｒ１６０１により抗折強度を、また
荷重３０ｋｇでビッカース硬度およびインデンティジョ
ン・マイクロッラフチャー法（ＩＭ法）により破壊靭性
値を測定した。焼結体構成相のうちα相含有率は便宜的
にＸ線回折による回折ピーク高さ（α相ピーク高さＩα
、β相ピーク高さ■β）から以下の弐によって求めた。

Ｉ１１＋１０２＋　　＋Ｉａ（ｚ＋ｏ＋　　＋Ｉβ（１
ｏＩ）＋　Ｉβ（Ｚ　Ｉ　Ｏ）また、ＳｉＣウィスカー
はＸ線回折や化学分析およびカーボン定量を行うことに
より、殆ど配合組成のままであることを確認した。また
焼結体中に存在するＳｉＣウィスカーは焼結体を鏡面研
磨して光学顕微鏡で観察した結果、平均長さ約２５ｐｍ
で均一に分散εて、存在することを確認した。

またガラス相は得られた焼結体のＨＰ軸に対して垂直お
よび水平な２面を鏡面研磨した後、画像処理（０菊東芝
製ＴＯ５ＰＩＸを使用）することによって、粒界成分と
して存在するガラス相を定量し、２面の平均値から求め
た。

なお、同表には得られた焼結体を５ＮＧＮ　４３２のチ
ップ形状に研磨加工して切削性能を評価した結果を併記
した。

切削テストは下記条件に於いて行い、フレーキングの有
無およびフランク摩耗幅■８を評価した。

被削材　　　インコネル７１８切削速度　　２５０ｍ／ｍｉｎ送　　　リ　　　　　　　０．３５ｍｍ／ｒｅｖ切り込
み　　１．０ｍｍこれらの結果から本発明範囲内でのα−サイアロンおよ
びβ−サイアロンの組成範囲にＳｉＣウィスカーを複合
化した炭化珪素ウィスカー強化サイアロン基複合焼結体
は強度、靭性および硬度に優れており、またそれを用い
て作った切削工具の耐フレーキング性および耐摩耗性は
大きく改善されることが判った。

実施例２平均粒径２鵬以下のＹ２Ｏ：Ｉ＋　ＭｇＣ０，、ＣｅＯ
２，Ｌａ２０＝を焼結助剤として加え８Ｈｒ混合する以
外は実施例１と同様にして第２表に示すような割合に配
合した素地粉末を得た後、１７５０℃、　２００ｋｇ／
ａＪの条件で各々６０分間ホットプレスして緻密な焼結
体を得た。

得られた焼結体は実施例１と同様にして評価した。

得られた結果は第２表に示すとおりであった。

この第２表の結果からＹ、Ｍｇ、及び希土類元素が置換
固溶したα−サイアロンを本発明範囲内で含む炭化珪素
ウィスカー強化サイアロン基複合焼結体は優れた強度、
靭性および硬度を有した焼結体であることが判った。ま
た焼結体中に存在するＳｉＣウィスカーは平均長さ約１
３μｍで均一に分散して存在していた。

また、これを用いた切削工具は耐フレーキング性および
耐摩耗性に優れ、工具寿命と信頼性の向上が大幅に改善
できることが判った。

実施例３実施例２と同様に第３表に示す様な割合の配合組成物に
５重量％のアクリル樹脂を添加して実施例１と同様にし
て１５）１ｒ混合し乾燥、造粒して素地粉末を得た。

次に□ｎｘ５ｍｍｘ６０ｍｍの寸法に成形圧１．５　Ｔ
ｏｎ／　ｃｎｌで成形し、８００°Ｃ１６０分間窒素中
で脱脂したものを１７００℃、１２０分間窒素中で常圧
焼結して一次焼結体を得た。次にこの一次焼結体を１７
５０℃、１２０分間７０気圧の窒素中で再焼結し二次焼
結体を得た。

得られた焼結体は実施例１と同様にして評価した。その
結果を第３表に示す。この結果からガス圧焼結して得ら
れた本発明範囲内の焼結体はやはり高強度、高靭性でか
つ高硬度な材料であることが判った。

尚焼結体の構成相は実施例１と同様にして求めまた鏡面
研磨面を光学顕微鏡で観察した結果ＳｉＣウィスカーは
平均長さ約８如で均一に分散して存在していることが判
った。

（発明の効果）本発明の複合材料は前記実施例の内容から明らかなとお
り、抗折強度、破壊靭性、高温強度および耐酸化性など
の焼結体特性に優れているので、切削工具、自動車用エ
ンジン部材、耐摩耗性部＋４、耐食部材、耐熱性部材等
に広く利用することが可能である。

代理人　弁理士　竹　内　　　守

Claims

【特許請求の範囲】　平均長さ５〜３０μｍのＳｉＣウィスカー５〜４０重
量％、Ａｌ、Ｓｉ、Ｏ、ＮとＭｇ、Ｙ、希土類元素の１
種以上から成るガラス相５〜４０重量％、残部が主とし
てサイアロンで構成されるサイアロン基セラミック焼結
体であって、残部サイアロンのうち５〜１５重量％がα
−サイアロン〔組成式Ｍ＿Ｘ（Ｓｉ，Ａｌ）＿１＿２（
Ｏ，Ｎ）＿１＿６（ただしＭはＭｇ、Ｙ、及び希土類元
素から選ばれた単独または混合物からなり０＜Ｘ≦２で
ある）〕で構成されていることを特徴とする炭化珪素ウ
ィスカー強化サイアロン。