JPH0193470A

JPH0193470A - セラミックス焼結体

Info

Publication number: JPH0193470A
Application number: JP62247538A
Authority: JP
Inventors: Akio Sayano; 顕生佐谷野; Michiyasu Komatsu; 通泰小松; Noboru Amiji; 網治　登; Nobuyuki Chiba; 信行千葉; Hiroyasu Ota; 博康大田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-09-30
Filing date: 1987-09-30
Publication date: 1989-04-12
Anticipated expiration: 2012-03-05
Also published as: JP2588215B2

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、表面近傍部と内部との均質性に優れた窒化ケ
イ素を主成分とするセラミックス焼結体に関する。

（従来の技術）近年、窒化ケイ素を主成分とするセラミックス焼結体は
、高温強度や熱衝撃性等に優れでいるため、ガスタービ
ン翼、エンジン用部材、各種温度センサの保護容器等の
耐熱エンジニアリング材料として注目を集めているほか
、耐摩耗性にも優れていることからベアリング用転動体
等の摺動部材として、また溶融金属に対する耐食性が優
れていることがら耐溶湯材料等、幅広い分野における用
途への応用が期待されている。

ところで、窒化ケイ素自身は焼結性が極めて悪く、この
窒化ケイ素を主成分とするセラミックス焼結体の製造方
法としては、現在のところ添加物による緻密化焼結、窒
化反応を利用する反応焼結に大別できる。これらの焼結
方法のうち、４１者の添加物による緻密化焼結は、各種
の焼結方法と組合せての使用が可能であり、例えば窒化
ケイ素粉末に焼結助剤を添加した混合粉末を用いて、ス
リップキャスティング法、射出成形法、プレス法等の各
種の方法により形成したセラミックス成形体を常圧下や
雰囲気加圧下で焼結したり、ホットプレス法により成形
と焼結とを一工程で行う等、形状や用途に応じて各種方
法が利用されている。この緻密化焼結に使用される添加
物としては、Ｍｑ、Ａｊ２、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ等の
酸化物や窒化物等が知られており、単独またはこれらの
組合せにより使用されている。これらの焼結助剤のうち
でも、酸化イツトリウム−酸化アルミニウム系が焼結促
進効果が高いことからよく用いられている。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、上述した焼結助剤を使用した窒化ケイ素
の焼結法において、ホットプレス法を適用した場合、モ
ールド等として使用するカーボン治具からの有害雰囲気
による影響や離型剤として使用する窒化ホウ素と反応し
て、得られる焼結体の表面に反応層が形成されるという
問題があった。これは、焼結時に微缶生成づる酸化ケイ
素が表面より揮散し、窒化ホウ素や遊離カーボンと反応
するためと考えられる。この表面の反応層は灰白色〜灰
色を？し、焼結体内部の黒色とは明らかに組成を異にす
ることがわかっている。そして、この表面反応層の存在
により、表面近傍部における機械的強度が低下したり、
さらには耐熱＊撃性が低下する等、各種の問題が生じて
いる。

このようにホットプレス法で得られる窒化ケイ素の焼結
体は表面に反応層が形成されてしまうため、均質なもの
とするためには表面近傍部をかなりの範囲にわたって研
削しなければならなかった。

また、常圧下や雰囲気加圧下における焼結法においても
、焼成時において使用するさや等によってホットプレス
法よりは反応層が少ないながらも表面に灰白色の反応層
が形成され、同様な問題が生じている。また、これらの
焼結方法は大型や複雑形状のものも焼成することが可能
であるという特徴を有していることから、焼結体の形状
によっては表面の研削が不可能な場合もあり、この表面
反応層の影響によって温度差が大ぎくその変化の時間が
短い激しい熱衝撃に対する耐久性が低下してしまうとい
う問題があった。

本発明はこのような従来の事情に対処してなされたもの
で、表面に反応層が形成されることを極力防止し、表面
近傍部と内部との均質性が良好な窒化ケイ素を主成分と
するセラミックス焼結体を提供することを目的とする。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）本発明のセラミックス焼結体は、焼結助剤として希土類
酸化物を１〜１０重量％、酸化アルミニウム１〜１０重
量％および酸化チタン０．１〜５重量％を含み、残部が
実質的に窒化ケイ素からなるセラミックス混合物を成形
、焼成してなることを特徴としている。

本発明に使用する希土類酸化物としては、酸化イツトリ
ウム、酸化セリウム、酸化ネオジウム、酸化ランタン等
が例示され、これらの単体または混合物として用いられ
る。なお、これらの希土類酸化物は、加熱により酸化物
となる希土類化合物も適用できる。これらのうち特に酸
化イツトリウムは得られる焼結体の結晶粒を長柱状にし
、高靭性化や高強度化に寄与するため好ましい。

これらの希土類酸化物および酸化アルミ−ラムは共に液
相を生じさせ焼結促進剤として寄与するものであり、そ
の添加量はそれぞれ全セラミックス混合物中の１〜１０
垂固％の範囲であり、この範囲において特に得られる焼
結体の機械的強度および耐熱衝撃性が優れたものとなる
。

また、本発明に使用する酸化チタンは、焼成時に生じる
酸化ケイ素の揮散を防止し、反応層の形成を極力少なく
するとともに、焼成後は粒界にＴｉ−Ｎ化合物等の形態
で析出し、焼結体の緻密化を促進して耐熱衝撃性の向上
に寄与するものである。この酸化チタンの添加量は全セ
ラミックス混合物中の０．１〜５重量％の範囲であり、
この添加量が０．１ｍ＠％未満では上述の効果が充分に
得られず、５重分％を超えて用いてもそれ以上の効果向
上にはつながらない。

これらの焼結助剤として添加する成分は、その合計量で
全セラミックス混合物中の０．５〜２０重量％の範囲で
あることが好ましい。この添加ａが０．５重量％未満で
は液相焼結促進の効果が充分に得られず、また２０重量
％を超えると窒化ケイ素本来の特性を損ねる可能性があ
る。

なお、これら焼結助剤としての成分の添加ｍは、その焼
結方法によって適宜選択されるものであり、例えばホッ
トプレス法による場合には、常圧下や雰囲気加圧下での
焼結に比べて少量の添加で高密度でかつ高強度な焼結体
が得られ、酸化チタンの添加岳も全セラミックス混合物
中の０．１〜１ｆｉＥｍ％程度の低添加邑でその効果を
充分に発揮する。

本発明のセラミックス焼結体は、上記各組成分を所定範
囲内の組成比で含む混合物をまず所要の形状に成形し、
この成形体を不活性ガス雰囲気中による常圧下や加圧下
で１６００℃〜１９００℃程度の温度で焼成したり、あ
るいは３００〜５００ｋ（１／　ｄ程度の圧力で、１６
００〜１９００℃程度の温度におけるホットプレス法に
よって得られる。また、熱間静水圧焼結法（ＨＩＰ）の
併用等も有効である。

（作　用）本発明の窒化ケイ素を主成分とするセラミックス焼結体
においては、焼結助剤として希土類酸化物および酸化ア
ルミニウムと併用して酸化チタンを使用しているので、
例えば常圧下や雰囲気加圧下における焼結法によれば、
この酸化チタンが焼成時に生じる酸化ケイ素の揮散を阻
止し、反応層の形成を防止して表面近傍部と内部との均
質性を向上させ、耐熱衝撃性に優れた表面も黒色のセラ
ミックス焼結体となる。また、ホットプレス法による場
合のように反応層が形成しやすい場合においても、その
形成厚さを極力少なくし、挿作かな研削量で均質なもの
が得られる。

（実施例）以下、本発明を実施例によって説明する。

実施例１平均粒径０．８μ■の窒化ケイ素粉末９２．７５重量％
、平均粒径０．９μｍの酸化イツトリウム粉末５重量％
、平均粒径０．５μｌの酸化アルミニウム粉末２重量％
および平均粒径０，２μｍの酸化チタン粉末０．２５重
間％をボールミルにより約２４時間混合して原料粉末を
調整した。次いで、この原料粉末１００重量部に対して
バインダ５重量部を添加配合し、これを圧力４００ｋＭ
　ｃ（、温度１７００℃の条件でホットプレスして６２
１１１１Ｘ　３６１１Ｘ　５１ｍｍのセラミックス焼結
体を作製した。

このようにして得たセラミックス焼結体を用いて各種特
性を測定したところ、表面反応層の厚さ約１００μｍ、
焼結体密度３．２４６ＣＩ／ｃｊ、常温にΔ３ける抗折
強度１２３ｋ（Ｊ／Ｗｄ、　１２０ｏ℃における抗折強
度６０ｋ（１／−と各々良好な結果が得られた。なお、
表面反応層の厚さはＥＰＨＡによる元素分析により測定
し、抗折強度は３点曲げ強度試験によるもので、試料サ
イズ３１１Ｘ　４ＲＩＩＩＸ　４０ｍｍ、試験条件はク
ロスヘツドスピード０．５ＩＩＩＩｌＺ分、スパン３０
ｍｍ、各温度における測定は４回行いその平均値で示し
た。

実施例２．３実施例１で使用した窒化ケイ素粉末、酸化イツトリウム
粉末、酸化アルミニウム粉末および酸化チタン粉末をそ
れぞれ第１表に示す組成比で混合して原料粉末を調整し
、実施例１と同一条件でセラミックス焼結体を作製した
。

このようにして得たセラミックス焼結体を用いて、実施
例１と同一条件で各種特性の測定を行った。その結果も
合せて第１表に示す。

なお、表中の比較例１は本発明との比較のために掲げた
ものであり、実施例１で使用した窒化ケイ素粉末、酸化
イツトリウム粉末、酸化アルミニウム粉末を各々９３３
重丸、５ｆｆｉｆｆ１％、２重量％で含有する原料粉末
を用いて、実施例１と同一条件で作製したセラミックス
焼結体である。

（以下余白）第　　１　　表＊：原料組成は重量％で示す。

第１表の結果からら明らかなように、本発明のセラミッ
クス焼結体は機械的強度の低下もほとんどなく表面反応
層の形成量が極めて少なくなり、これにより補優かな研
削量で強度に優れ均質なセラミックス焼結体が得られる
。

これら実施例の結果から明らかなように、均質性の要求
されるベアリング用転動体やプロツクゲージ等として本
発明のセラミックス焼結体を用いることにより、高品質
のものを低コストで得られる。

実施例４実施例１で使用した窒化ケイ素粉末、酸化イツトリウム
粉末、酸化アルミニウム粉末および酸化チタン粉末を各
々８８．５重量％、４．５重量％、５，５重鎖％、１．
５重量％で含有する原料粉末を用いて、この原料粉末１
００００重量対して水５重量部と適ｈ１の分散剤および
バインダを加え、ボットミルにより混合してスリップを
作製した。次いで、このスリップを６育型に流し込み、
最大径１００ｍｍ、最小径５０１Ｉ１ｍ、内径４０１Ｉ
Ｉｌの円筒型の試験片モデルを成形した。次いで、この
成形体を約７００℃で脱脂した後、窒素ガス雰囲気中、
約１７００℃、２時間の条件で焼成して、セラミックス
焼結体を得た。

このようにして得たセラミックス焼結体は黒色を呈して
いた。また、このセラミックス焼結体を用いて、２５℃
×３０秒＋１０００℃Ｘ３０秒（昇温および降温速度１
０００℃／分）を１サイクルとして熱サイクル試験を行
ったところ、１０００ザイクルの試験後にもクラックや
破損等の欠陥は生じず、耐熱衝撃性に優れたものであっ
た。

また、実施例１で使用した窒化ケイ素粉末、酸化イツト
リウム粉末、酸化アルミニウム粉末を各々９０重量％、
４．５重量％、５．５重量％を使用して実施例４と同一
条件で得たセラミックス焼結体は、実施例４と同一条件
による熱サイクル試験において４０サイクル後に変色お
よびクラックの発生が認められた。

この実施例の結果からも明らかなように、温度差が大き
くその変化時間の短い激しい熱ｍｓの加わるような部材
、例えば各ｆａ温度センサ用保護容器として本発明のセ
ラミックス焼結体を用いることにより、信頼性に優れた
ものが得られる。

［発明の効果］以上説明したように本発明のセラミックス焼結体によれ
ば、焼結助剤として希土類酸化物および酸化アルミニウ
ムと併用して酸化チタンを用いているので、離型材とし
て使用する窒化ホウ素や焼成雰囲気中のｉ離カーボン等
との反応が極力防止され、反応層の形成が防止されるか
、あるいは反応層が形成されても極めて少なくなり、補
優かな研削量で表面近傍部と内部との均質性に優れ、か
つ耐熱衝撃性に優れた部材が得られる。

出願人　　　　　　株式会社　東芝代理人　弁理士　　須　山　佐　−

Claims

【特許請求の範囲】

（１）焼結助剤として希土類酸化物を１〜１０重量％、
酸化アルミニウム１〜１０重量％および酸化チタン０．
１〜５重量％を含み、残部が実質的に窒化ケイ素からな
るセラミックス混合物を成形、焼成してなることを特徴
とするセラミックス焼結体。
（２）焼結助剤の総添加量は、セラミックス混合物中の
０．５〜２０重量％の範囲である特許請求の範囲第１項
記載のセラミックス焼結体。
（３）酸化チタン０．１〜１重量％を含み、焼成がホッ
トプレス法による特許請求の範囲第１項または第２項記
載のセラミックス焼結体。