JPH02233560A - 高強度サイアロン基焼結体 - Google Patents

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、高温高強度、高硬度及び高靭性を有する各種
エンジニアリングセラミックスを製造するために有用な
高強度サイアロン基焼結体に関する。

（従来技術及びその問題点） Ｙα−サイアロンは、α型窒化珪素のＳｔ位置にＡｌが
、Ｎ位置にＯが置換固溶すると同時に、Ｙが侵入型固溶
した物質であり、 式Ｙ．（Ｓｔ，Ａｆｆｉ）＋ｘ（０，Ｎ）＋ｉ　［．１
）（式中、ｘはＯ＜ｘ≦２を満足する数である．）で表
される。このＹα−サイアロンは、高硬度、低熱膨張率
、優れた耐蝕性等のエンジニアリングセラミックスとし
ての特性を有している。

しかし、Ｙα−サイアロン相単体の焼結体は、結晶形が
粒状であるため、エンジニアリングセラミックスとして
の強度、破壊靭性等の特性が充分ではない。そこで、こ
の欠点を改良するために、特開昭５８−１８５４８４号
公報には、Ｙα−サイアロン結晶と、β型窒化珪素のＳ
ｉ位置に／１が、Ｎ位置に０が置換固溶した 弐Ｓ　ｉ　ｉ−ｍＡ，ｊ！ｘｏｓｌ’Ｌｓ−ｓ　　　（
　Ｉ！　）（式中、２はＯ＜ｚ≦４．２を満足する数で
ある。）で表される針状のβ−サイアロン結晶とを複合
化させたサイアロン基焼結体が提案されている。

しかしながら、このサイアロン基焼結体の機械的特性も
実用上十分なものではない。

（発明の目的） 本発明の目的は、前記問題点を解決し、高温強度及び靭
性の高い新規なサイアロン基焼結体を提供することであ
る。

（発明の要旨） 本発明によれば、α一窒化珪素の結晶、前記式（１）で
表されるＹα−サイアロンの結晶、前記式〔■〕で表さ
れるβ−サイアロンの結晶及びＹを含むガラス相からな
る高強度サイアロン基焼結体及びその製造法が提供され
る， （発明の具体的説明） 本発明のサイアロン基焼結体における各相の含有割合は
、通常以下に示す範囲である。

０．１＜α一窒化珪素の結晶相　　く４０重量％５（Ｙ
α−サイアロンの結晶相く５０重量％１０くβ−サイア
ロンの結晶相　く９５重量％１＜Ｙを含むガラス相　　
　　〈２０重量％α一窒化珪素の結晶相の割合が前記範
囲よりも少ない場合には、得られるサイアロン基焼結体
の機槻的強度の向上効果が得られず、また、前記範囲よ
りも多い場合には焼結が不十分であり、強度が低下する
ので好ましくない。

また、本発明のサイアロン基焼結体において、α一窒化
珪素の結晶の長径が０．０１〜２μｍ，　Ｙα−サイア
ロンの結晶の長径がｏ．ｏｔ−ｔｏμｍ１β−サイアロ
ンの結晶の長径が１〜５０μｍであることが好ましい。

本発明のサイアロン基焼結体中には、Ｙα−サイアロン
とα一窒化珪素との反応によって生成すると考えられる
、β−サイアロンの結晶、Ｙを含むガラス相及び相転移
を起こしていないα一窒化珪素の微粒結晶が、原料のＹ
α−サイアロンの組成より式（１）のＸが若干低いＹα
−サイアロンの結晶と共に存在する。

この様なα一窒化珪素の微粒結晶により強度特性が向上
し、また焼結体中には組成、結晶形及び熱膨張率の異な
る４種類の相が存在し、焼結後に焼結体中に微小歪に基
づく微小クラックが発生することにより、得られるサイ
アロン基焼結体の破壊靭性等の機械的特性が向上するも
との考えられる。

本発明のサイアロン基焼結体を製造する方法としては、
前記構造の焼結体が得られれば、どのような方法を用い
てもよい。

以下に、本発明のサイアロン基焼結体を製造する方法の
一例を示す。

本発明のサイアロン基焼結体は、前記弐（１）で表され
るＹα−サイアロンを主たる相とし、かつ式（１）で規
定される理論酸素盪に対して８重量％以下の過剰酸素を
含有するＹα−サイアロン粉末５０重量％以下と、残部
がα一窒化珪素粉末からなる原料粉末を、最高温度１６
００〜２２００゛Ｃの範囲に加熱、焼結することにより
得られる。

Ｙα−サイアロン粉末としては、式（Ｉ）で表されるＹ
α−サイアロンを主たる相とする粉末であればいかなる
粉末でも良いが、本出願人が先に提案した特開昭６２−
２２３００９号の発明に従って調製した粉末が好適であ
る。この提案の方法は、 （ａ）非品質窒化珪素粉末、 （ｂ）金属アルミニウム又は窒化アルミニウム、（ｃ）
Ｙα−サイアロンの格子間に侵入型固溶するＹの酸化物
を生成する金属塩類、及び必要に応じて、 （ｄ）アルミニウム又は珪素の酸素含有化合物を所望の
Ｙα−サイアロン組成になるように混合し、混合物を窒
素含有雰囲気下で１３００〜１９００゜Ｃの範囲の温度
に加熱することにより、Ｙα−サイアロン粉末を製造す
る方法である。この方法で得られるＹα−サイアロン粉
末は、一次粒子の大きさが０．　２〜２μｍの微細かつ
均一粒度のわ）末であって、遊離炭素及び金属不純物を
殆ど含有しないので、気孔及び異常粒成長のない焼結体
を与えることができる。

Ｙα−サイアロン粉末の焼結性を高めると同時に高強度
のサイアロン基焼結体を得るためには、焼結原料のＹα
−サイアロン粉末が式（１）で規定される理論酸素量に
対して８重量％以下の過剰酸素を含有していることが必
要である。

Ｙα−サイアロン粉末に過剰の酸素を含有させる方法と
しては、例えば、Ｙα−サイアロン粉末の調製段階で非
晶質窒化珪素に珪素又はアルミニウムの酸素含有化合物
を過剰量添加する方法、Ｙα−サイアロン粉末を酸素含
有雰囲気中で加熱する方法が採用される．後者の一例と
しては、Ｙα一サイアロン粉末を酸素含有雰囲気中で８
００〜１　２　０　０　’Ｃの範囲の温度に加熱して、
理論量より過剰の酸素をＹα−サイアロン粉末に含有さ
せる方法が挙げられる。加熱時間は通常０．５〜５時間
である。この処理は、例えばＹα−サイアロン粉末を保
持板上に薄く乗せて酸素含有雰囲気中に放置する方法、
α−サイアロン粉末を酸素含有雰囲気中で流動化させる
方法によって行うことができる。

過剰酸素量は８重量％以下、好ましくは１〜６．５重量
％、特に好ましくは２〜４重量％である。

過剰酸素量が過度に多いと焼結体中に融点の低い相が多
く残留し、高温での機械特性が損なわれるようになる。

α一窒化珪素粉末としては、焼結性の面でｌμｍ以下の
粒径を有していることが好ましく、さらに得られる焼結
体の高温での強度、耐蝕性、耐酸化性を損なう不純物の
含有量が１重量％以下であることが好ましい． Ｙα−サイアロン粉末とα一窒化珪素粉末との混合物中
のα一窒化珪素粉末の配合割合は５０重量％以上、好ま
しくは６′０〜９５重量％、さらに好ましくは７０〜９
０重量％である。上記範囲内において窒化珪素粉末の配
合割合を高めるに従って生成サイアロン基焼結体中のα
一窒化珪素相の割合が増大する。α一窒化珪素粉末の配
合割合が９５重量％を超えると、混合物の焼結性が低下
し焼結体の緻密化が進行しなくなる。

Ｙα−サイアロン粉末とα一窒化珪素粉末との混合方法
については特に制限はなく、それ自体公知の方法、例え
ば、両者を乾式混合する方法、不活性液体中で両者を湿
式混合した後不活性液体を除去する方法等を適宜採用す
ることができる。混合装置としては■型混合機、ボール
ミル等が便利に使用される。

混合粉末の加熱焼結は、例えば、混合粉末をそのまま乾
式あるいは湿式で所定の形状に成形し、湿式で成形した
場合は乾燥処理を行った後に、常圧又は加圧下に窒素含
有ガス雰囲気下で焼結する方法、原料粉末を所定の形状
のダイスに充填し、ホットプレスする方法等を採用する
ことができる。

また上記方法で得られた焼結体をさらに熱間静水圧プレ
スすることにより、焼結体の物理的特性を一層高めるこ
ともできる。

常圧又は加圧焼結に先立つ混合粉末の成形は公知の方法
、例えばラバープレス法、一軸成形法、鋳込成形法、射
出成形法、爆発圧縮成形法等によって行うことができる
。

焼結温度は通常１６００〜２　２　０　０　’Ｃであり
、焼結時間は通常０．　５〜１０時間である。焼結温度
が過度に低いと焼結が進行せず、また焼結温度が過度に
高いと焼結体に熱分解による組成変化が生じるようにな
る。

（発明の効果） 本発明で得られるサイアロン基焼結体は、従来のサイア
ロン基焼結体に比較して、高温強度、破壊靭性等の機械
的特性が向上しているので、信頼性の高い構造材料、特
に切削チップ、ロール、゛ダイス、ノズル等の耐摩耗、
耐熱材料として好適に使用することができる。

（実施例） 以下に実施例及び比較例を示す。

実施例１〜６及び比較例１ 非品質窒化珪素粉末４　７　９．２　ｇ，　ＹｚＯ＊粉
末５　９．　４　ｇ及び金属八！粉末６３ｇを窒素ガス
雰囲気下に振動ミルで１時間混合した。混合粉末をカー
ボン製ルツボに充填して抵抗加熱式高温炉にセットし、
窒素ガス雰囲気下、室温から１２００゜Ｃ迄を１時間、
１２００℃から１　４　０　０　”Ｃ迄を４時間、さら
にｌ４００゜Ｃから１６００℃迄を２時間の昇温スケジ
ュールで加熱することにより結晶化させ、Ｙα−サイア
ロン粉末を得た。得られたＹα−サイアロン粉末の特性
を以下に示す。

理論組成　Ｙｏ．　ｓｓｉｑ．　ｔｓＡ１ｇ．　２８０
（＋．　ｑｓＮ１ｓ．　！５比表面積　２．５ｒｒｆ／
ｇ 粒　　形　等軸結晶 生成相　　α相≧９０％ 生成物組成（ｗｔχ） Ｙ：７．２　　　　　Ｓｉ：４４．２　　　　　Ａｌ二
９．８　　　０：４．９　　　Ｎ’：３３．９過剰酸素
量　２．９重量％ 上記Ｙα−サイアロン粉末及びα一窒化珪素粉末（平均
径：０．５μｍ、比表面積：１１Ｍ／ｇ）を第１表に示
す割合で、媒体としてエタノールを用い４８時間湿式ミ
リングした後、８０゜Ｃで真空乾燥した。得られた原料
粉末４０ｇを表面が窒化硼素で被覆された内径５０ｌＩ
ｌの黒鉛製治具に充填し、ホットプレス焼結装置にセッ
トした後、２５０　ｋｇ　／　ｃ−の加圧下に室温から
１７５０℃まで２０”Ｃ／分で昇温し、同温度に１時間
保持した．得られたサイアロン基焼結体の特性を第１表
に示す．

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 α−窒化珪素の結晶、 式Ｙ＿ｘ（Ｓｉ，Ａｌ）＿１＿２（Ｏ，Ｎ）＿１＿６（
   式中、ｘは０＜ｘ≦２を満足する数である。）で表され
   るＹα−サイアロンの結晶、 式Ｓｉ＿６＿−＿ｚＡｌ＿ｚＯ＿ｚＮ＿８＿−＿２（式
   中、ｚは０＜ｚ≦４．２を満足する数である。）で表さ
   れるβ−サイアロンの結晶及びＹを含むガラス相からな
   る高強度サイアロン基焼結体。