JPH02263764A - サイアロン核含有粒子からなる窒化珪素質焼結体とその製造方法 - 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、高強度・高靭性の窒化珪素質焼結体に関し、
特に自動車エンジン部材、耐熱構造部材、切削工具その
他産業用部材に関するものである。

従来の技術 窒化珪素質焼結体の靭性向上には、微構造を制御する方
法（特開昭８３−１５９２５９）　、粒子又はウィスカ
ー等を分散さけ複合化させる方法（特開昭８２−２６Ｓ
ｉ７３．他多数あり）、ＳｉＣ粒子を５ｔ３Ｎ、粒子中
に分散させるナノコンポジット（特開昭１３３−１５９
２５８）などの方法が考えられている。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記の方法では、まだ十分な強度・靭性
が得られておらず、また上記方法のうち複合化する方法
は製造上の困難な点１例えば混合・成形における均一化
が難しいなどの問題点が残されている。

課題を解決するための手段・作用 本発明は、窒化珪素質焼結体の製造においてＳ　１　ａ
　Ｎ　４原料粉末にβ−サイアロン粉末を添加すること
により、生成されるβ−８ｉ３Ｎ４またはβ−サイアロ
ン結晶粒子にβ−サイアロンの核を導入でき、その結晶
粒子内に内部応力を発生させ、さらにその結晶粒子がよ
く成長しアスペクト比が高くなり焼結体の強度と靭性が
向上することを見い出したことに基づく。

本発明の焼結体はβ−８ｉ３Ｎ、ａ及びβ−サイアロン
の結晶粒子一種以上と粒界相とからなる。

β−５ｉＮ、　β−サイアロンは夫々単独で存在しても
よいし、又混在してもよい。またここで粒界相とは非晶
質及び他の結晶相を指称し２例えばＳｉ２Ｎ２０，０−
サイアロン等を若干含んでも差支えない。但し、β−５
ｉＮ、　　β−サイアロンの合計量が焼結体の８０％以
上であることを要する。

β−３ｉＮ、　β−サイアロンの結晶粒子はその内部に
β−サイアロン核含有するもの（以下、「サイアロン核
含有粒子」という。）と含有しないものとからなる。サ
イアロン核含有粒子は、アスペクト比が高く（例えば３
以上）かつ粒子がよく成長しく例えば短径で０．５μ１
以上）。

さらに内部応力が残留しているので１粒子架橋効果と応
力による遮蔽効果によって焼結体に亀裂が進展するのを
妨げ靭性を向上させる。従って、このような粒子が有効
に作用するには焼結体の全量に対して５　ｖｏ１％以上
の量が必要であって好ましくは１０〜８０ｖｏ１％がよ
い。この理由は、この粒子が６０ｖｏ１％を越えると焼
結体の欠陥として作用し強度が得られないからである。

β−サイアロン核とは。

β−サイアロン構造として結晶粒子の内部に存在し、結
晶粒子を構成するβ−５ｉＮ、　β−サイアロンと組成
的に区別できる部分をいう。結晶粒子がβ−サイアロン
からなる場合、そのβ−サイアロン結晶粒子（核を除い
た部分）よりもＺ値の大きい部分が該当する。β−サイ
アロンは一般式Ｓｔ　　　Ａｌｌ　　ＯＮ　　　（０＜
Ｚ＜４．２）でｆ３−ｚ　　　ｚ　　ｚ　　８−ｚ 示され、Ｚ値はその固溶度を表わす数値である。

「Ｚ値の大きい部分」とはＺ値で少なくとも０．５の差
がある部分をいう。焼結体の相対理論密度は９５％以上
にするとよい。

本発明の焼結体を得るにはＳｉ３Ｎ４原料にβ−サイア
ロン粉末を加えさらに焼結助剤を添加・混合後、これを
成形した後焼結する方法が利用できるが、これに限定す
ることはない。Ｓ　ｉａ　Ｎ　４粉末はα型、β型のい
ずれでもよいが、好ましくはα−３ｉａ　Ｎ　４粉末で
ある。α−β転移時にβ−サイアロン核に成長し易いか
らである。サイアロン粉末については、「β」型のもの
を用いる。

β−サイアロン粉末の量は、原料の全量に対して５〜２
０ソｔ％にする。５ｗｔ％未満ではサイアロン核含有粒
子を十分に生成できず、２０νｔ％を越えると成長粒の
量が多くかつ大きくなりすぎ破壊起源となり強度を低下
させるためである。好ましくは５〜１ｏｗｔ％である。

β−サイアロン粉末のＺ値はＺ値が高いほど内部応力の
発生が高く、好ましくは　０，５〜４．より好ましくは
１〜４である。

また、焼成条件については、核からの成長が起こり易い
ほうが好ましく、窒素雰囲気又は不活性雰囲気中１４０
０〜１９００℃の条件が適切である。β−サイアロン粉
末以外の添加助剤としては、特に限定されず１例えば２
人族、希土類の酸化物。

Ａｌｌ　Ｏ、ＺｒＯ２及び焼成後においてこれらの酸化
物になる塩等が挙げられる。これらの助剤（β−サイア
ロン粉末を除いたもの）は３〜２０ｗｔ％添加するとよ
い。又、Ｓ　１３Ｎ、ａ原料粉末の平均粒径は１．５μ
ｉ以下にするとよい。各添加助剤の粒径は特に限定され
ない・が１例えばＢＥＴ比表面積で１０ｄ／ｇ程度にす
るとよい。また、焼成は、ガス圧焼結が好ましいがこれ
に限定することはない。

実施例 平均粒径０．７μＩＩ、ＢＥＴ比表面積１０イ／ｇのＳ
　ｉ　ａ　Ｎ　４粉末、同２０耐／ｇのＭｇＣＯ３粉末
、同１０ｒｒｌ’／ｇのＣｅ　Ｏ２粉末、同１０ｎｌ’
／ｆのＬｉ　　Ｏ粉末、同１０ゴ／ｇのＡ（２０３粉末
、同１ｏｒｒｒ／ｇのＹＯ粉末、同１０ｒｒ？／ｇのＺ
　ｒ　Ｏ２粉末、及び同５ｒｒｒ／ｇ、Ｚ−２のβ−サ
イアロン粉末を第１表に示す割合で秤量しＳｉ３Ｎ４製
のポットミル及び球石を用いて１８時時間式混合し乾燥
後平均粒径２５０偉の顆粒に造粒した。造粒粉末を１．
５　ｔｏｎ／ｃＪの圧力で金型プレスし、第１表に示す
条件で焼成することによって窒化珪素質焼結体を製造し
た。

得られた焼結体について、　　Ｊ　Ｉ　Ｓｉ６０１によ
る室温抗折力、１Ｍ法による破壊靭性値を測定した結果
を第１表に併記した。

また、各試料のオートクレーブ処理によるエツチング後
のＳＥＭ写真よりβ−サイアロン核含有粒子を特定し、
かつその面積割合を画像処理によって求め、これを体積
割合に換算して、β−サイアロン核含有粒子の存在割合
とした。これらの結果を第１表に併記するとともに、試
料Ｎ（Ｌ　５のＳＥＭ写真及びその模式図を第１図、第
２図として示す。

又、β−サイアロン核を含有するβ−サイアロン粒子の
確定は、ＴＥＭ写真による粒内分析に拠った。試料Ｎα
５についてのＴＥＭ写真及びその模式図を第３．第４図
に、又ＥＤＳ　（エネルギー分散ＩＪｌＸ線マイクロア
ナライザー）による分析結果を第５　（ａ）　、　（ｂ
）図に示す。第５図中Ａで量の分析値は同装置による定
量分析結果である。

実施例魔５においては、Ａｊ！２０３が４％と相当量含
まれているため、結晶粒子（核を除いた部分）はすべて
β−サイアロンであると考えられる。但し、Ａ、ｅ２０
３が少ない場合には（０，５〜！、ＯｖＬ％）、β−サ
イアロンとＳｉ３Ｎ４が混在することも考えられる。

（以下余白） 第　　１ 表 第１表から明らかなように、β−サイアロン粉末を所定
割合で添加し、又β−サイアロン含有粒子を所定割合で
存在させてなる実施例試料１〜９は、抗折力８０ｋｇ　
／−以上、破壊靭性値７．２ＭＮ／ｒＭ以上を示し、比
較例試料魚１０〜１Ｂに比して１強度・靭性が大きく向
上していることを確認できた。

発明の効果 本発明に係る窒化珪素質焼結体は、原料粉末中にβ−サ
イアロン粉末を添加して、生成されるβ−５ｉＮ、　β
−サイアロン結晶粒子にβ−サイアロン核を含有させる
ことにより２強度・靭性が向上している。従って、高強
度高靭性を要求される自動車エンジン部°材等として好
適に利用できる他、構造部材としての用途拡大に寄与で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例試料Ｎα５についてのＳＥＭ写真（結
晶構造を示したもの）。 第２図はその対応部分の模式図。 第３図は同じ〈実施例試料随５（第１図とは異なる部分
）についてのＳＥＭ写真（結晶構造を示したもの）。 第４図はその対応部分の模式図。 第５図は第４図の点Ｅ、ＦにおけるＥＤＳによる分析結
果を示す図であって、第５（ａ）図は点Ｅにおけるもの
、第５（ｂ）図は点Ｆにおけるもの。 を表わす。 出願人　　日本特殊陶業株式会社 代理人　　　弁理士　　加　藤　朝　道刀 ル 図 ５（ａ） ５（ｂ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）β−Ｓｉ＿３Ｎ＿４及びβ−サイアロンの結晶粒
   子一種以上と粒界相とからなるＳｉ＿３Ｎ＿４質焼結体
   であって，該結晶粒子のうち焼結体に対して５〜６０ｖ
   ｏｌ％のものが，その粒子内にβ−サイアロンの核（結
   晶粒子がβ−サイアロンの場合，その粒子よりもＺ値の
   大きい部分）を含む事を特徴とする窒化珪素質焼結体（
   尚，Ｚ値とは一般式Ｓｉ＿６＿−＿ＺＡｌ＿ＺＯ＿ＺＮ
   ＿８＿−＿Ｚ（０＜Ｚ＜４．２）で示されるβ−サイア
   ロンにおける固溶度を表わす数値である）。
2. （２）Ｓｉ＿３Ｎ＿４原料と添加助剤を混合・成形後，
   Ｎ＿２あるいは不活性ガス雰囲気中で焼成する方法にお
   いて，Ｓｉ＿３Ｎ＿４原料に添加助剤として，前記Ｚ値
   が０．５〜４のβ−サイアロン粉末を５〜２０ｗｔ％（
   原料全量に対する量）添加することを特徴とする窒化珪
   素質焼結体の製造方法。