JPH0255263A - 窒化珪素質焼結体及びその製造方法 - 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〉 本発明はエンジニアリングセラミックスの分野より詳細
にはセラミックロータ、セラミックバルブ等の自動車エ
ンジン部材、ベアリングボール等の摺動部材など、構造
材料として利用される高密度、高靭性、高強度窒化珪素
焼結体及びその製造方法に関する。

〈従来の技術〉 近時高温ガスタービン、ディーゼルエンジン、ＭＨＤ発
電など高温で運転される機器の摺動部材や、構造材料と
して高温下で充分な強度を有し、化学的に安定で熱衝撃
性にも強い材料の一つとして窒化珪素質（ＳｆＪｔ）セ
ラミックが注目されている。

一般に窒化珪素質セラミックは、５ｉ３Ｎａ粉末が難焼
結性であることから、通常はＹ２Ｏ３、Ａ１２０ｆｆ、
ＭｇＯ等の焼結助剤を添加して焼成して得られた緻密な
焼結体である。これらの焼結助剤の中でもＹｚＯ，又は
ＭｇＯを用いた場合に５ｉＪ４粒子がアスペクト比の高
い柱状晶となった組織を有する焼結体が得られ、緻密化
した焼結体はその柱状粒子がからみ合った組織により、
高強度、高靭性を期待できるものとして例えば特開昭６
０−１３７８７３の如き提案がある。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかし上記従来の窒化珪素焼結体は、機械構造用部品と
して用いるには強度、靭性の点で未だ不十分であり、加
えて近年においては硬度の向上も望まれている。

本発明は上記課題を解決することを目的とするものであ
る。

〈課題を解決するための手段〉 本発明の概要はｍ　Ｓ＋Ｊ４８０〜９４重量％Ｍｇ成分
をＭｇＯ換算で２〜１０重量％、Ｙ成分をＹ２Ｏ３換算
で２〜１０重量％含有した焼結体であって、５ｉＪ４粒
子は短径１μｍ以下のもの９０％以上にして、Ｓｉ、Ｎ
、のα相が５〜４０％存在し、かつ相対密度が９８％以
上である窒化珪素質焼結体。

（２）　　平均粒径１μｍ以下でα相を８０％以上含有
する５ｉＪＬ粉末を８０〜９４重量％、Ｍｇ化合物を？
ＩｇＯ換算で２〜１０重量％、Ｙ化合物をＹｚＯｚ換算
で２〜１０重量％配合し、成形した後１６００℃以下に
て１ａｔｍ以上２０ａｔｍ以下の窒素又は不活性ガス雰
囲気中（ただし窒素分圧１ａｔｍ以上）で相対密度８５
％以上になるように一次焼結を行い、１４００℃〜１６
００℃　にて３００ａ　Ｌｍ以上の窒素又は不活性ガス
雰囲気中　（ただし窒素分圧１ｓｔｍ以上）で二次焼結
する窒化珪素質焼結体の製造方法である。

〈作用〉 以下本発明について更に詳細に述べる。

本発明は前記したような焼結体であって、緻密化された
ことにより強度と靭性、及び硬度の機械的特性に優れた
窒化珪素を開発し、併せてか＼る焼結体を得るために前
記方法により組織の制御を行ないながら緻密化を達成す
る方法を提供するものである。

焼結助剤；窒化珪素の焼結において、Ｙ２Ｏ３、Ｍｇ。

は共晶による融点降下の作用により、焼結を促進する液
相が低温で生成することによってなされるものと考えら
れる。窒化珪素は焼結中にα型からβ型に相転移し、か
つ粒子の形状も粒状から柱状に変化する。

従って当初はα型の窒化珪素を用いてもアスペクト比の
高い柱状粒子（β型）の生成がなされるものが好ましく
、焼結助剤とし前記Ｙ２０．及びＭｇＯを組合せること
によりこのアスペクト比の高い柱状粒子の生成を促進す
ることができる。

而して焼結温度を制御してα相の量を５〜４０％残留さ
せることにより、焼結体がα相の粒状粒子とβ相の柱状
粒子の複合組織となり、β粒子の粒０長が抑制され非常
に微細な組織となる。このため更に強度が向上し、α相
が残留するため高硬度である。又、α相が５％未満であ
ると硬度が低下し、４０％を超えると柱状β粒子が減少
するため靭性が低下するとともに強度も低下する。

本発明における組成について述べれば、５ｉＪ４８０〜
９４重量％、Ｍｇ成分（ＭｇＯ換算）２〜１Ｏ重量％、
Ｙ成分（Ｙ２０換算）２〜１０重量％とじたのはＳｉ３
Ｎ、が９４重量％を越えた場合又はＭｇＯが２重量％未
満、Ｙ２Ｏ３が２重量％未満では焼結性が低下するため
、低温焼成によりＳ　ｔ　ｙ　Ｎ　４のα相を残留させ
た緻密な焼結体が得られない。又、逆に５ｉＪ４が８０
重量％未満又はＭｇＯ，ＹｚＯ：＋カッれぞれ１０重量
％を越えると、焼結助剤の量が過剰となり、焼結過程で
助剤として発現する効果が減少し、緻密化が困難となり
、更に窒化珪素が木来有する特性が発現しない。

又相対密度が９８％以−にであると強度が優れた焼結体
が得られるが、９８％未満では気孔が破壊起源となるた
め強度が低下する。

次にＳｉ３Ｎ４粒子の短径が１μｍ以下であるものを９
０％以上としたのは、前述のように粒成長を抑制した微
細組織を有することにより高強度の焼結体が得られるた
めであり、もしも５ｉＪｎ粒子の短径が１μｍ以下のも
のを９０％未満とするときは、粒成長を抑制する効果が
不十分で微細組織が得られず強度が不十分となるためで
ある。

本発明による前記焼結体は室温強度１２０　ｋｇ／ｘ＊
”以上、破壊靭性値６ＭＮ／ｍ””以上、ビッカース硬
度１５００　ｋｇ　／　１１”以上の高強度、高特性材
料が得られる。

次に本発明の方法は上記の焼結体を得るための方法で、
原料としてのＳｉ、３Ｎａ粉末のα率を８０％以上とし
たのは、β相が２０％を越えると焼結によるα相からβ
相への転移の際に既存β粒子が核となり転移が容易に進
行し、β化が完了してしまうためα相の残存する緻密焼
結体を得るのが困難であるためである。

またＳｉ：＋Ｌ粉末の平均粒径を１μｍ以下とした理由
は、１μｍを越えると焼結性が低下するだけでなく、焼
結体中に異常粒成長した５ｒＪａ粒子が発現し易くなり
、強度を低下させるためである。

又、５ｉＪ４粉末は不純物３％以下の高純度粉末が好ま
しい。

Ｍｇ化合物粉末及びＹ化合物粉末は特に酸化物さらには
製造過程において酸化物に変化し得るもの例えば炭酸塩
等の塩類、水酸化物が好ましく、かつ又、その化合物の
純度は９９％以上であることが好ましい。

上記の５ｉＪ４粉末を８０〜９４重量％、Ｍｇ化合物を
ＭｇＯ換算で２〜１０重量％、好ましくは３〜８重量％
、Ｙ化合物をＹ、０．換算で２〜１０重量％好ましくは
３〜８重量％配合する。

配合粉末の成形は金型ブレス、静水圧プレス等種々の方
法で行い得る。成形体の焼結は低圧（２０ａｔｍ以下）
で行なう一次焼結と高圧（３００ａｔｍ以上）で行なう
二次焼結の二段階焼結により行なう、なお加圧はいずれ
も窒素又は不活性ガス雰囲気にして、−次焼結は１６０
０℃以下の温度で、１ａｔｍ以上２０ａｔｍ以下（好ま
しくはｌＱａｔｍ以下）の窒素又は不活性ガス雰囲気中
で行なわれるが、Ｓｉ３Ｎ４の分解を抑制するためにＮ
２分圧が１ａｔｍ以上必要である。雰囲気圧力が２０ａ
ｔｍを越えると一次焼結体の外部が緻密化しても内部に
低密度部が残留し易く、二次焼結時に内部の緻密化が不
可能（閉気孔が残留）となる。

一次焼結温度を１６００℃以下とするのは、温度が低い
程α相が多く残留するが、１６００℃を越えるとβ相へ
の転移が速く進行し、又粒成長が生じ組織が粗大化する
ため目的とする焼結体が得られなくなる。−次焼結では
相対密度８５％以上あれば良い。二次焼結は一次焼結の
みでは緻密な焼結体が得難いために行なう。この二次焼
結は３００ａ　ｔｍ以上の不活性ガス雰囲気中（窒素ガ
ス分圧１ａｔｍ以上）で行なわなければならない。これ
は雰囲気ガスの高圧による圧縮作用に基づき、常圧或い
は低圧焼結では緻密化しない組成についても高密度焼結
体が得られるためである。

焼結温度を１４００℃〜１６００℃（好ましくは１４５
０℃〜１５５０°ＣとしたのはＳｉ３Ｎ４の粒成長を抑
制し、α相を残存させるためである。

〈実施例〉 実施例１ 平均粒径０．７μｍ、α率９０％、純度９８％の５ｉＪ
４粉末に、平均粒径１．ｕｍ、純度９９％のＭｇＯ及び
平均粒径３μｍ、純度９９％のＹＺＯ３粉末を表１に示
す割合で配合した。乾燥した配合粉末を２ｔｏｎ／ｃｏ
ｄ”の圧力で静水圧プレス成形し５０Ｘ５０×２０龍の
成形体試料を得た。この成形体を表１に示した条件で２
時間−次焼結を行なった後、さらに加圧雰囲気中で２時
間二次焼結し焼結体を得た。

次に得られた焼結体の各特性を以下の方法によって測定
、算出し結果を表１に示す。

（１）相対密度：アルキメデス法 （２）強度：　ＪＩＳ−Ｒ１６０１ （３）破壊靭性値：　Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｍｉｃ
ｒｏｆｒａｃｔｕｒｅ法、荷重３０　ｋｇ　ｆ （４）ビッカース硬度：荷重３０ｋｇｆ、　　１５ｓｅ
ｃ（５）　　α相含有率（％）：Ｘ線回折により表１か
ら明らかなように実施例の焼結体は相対密度９８％以上
、室温強度１２０　ｋｇ　／　鶴”以上、破壊靭性（ｌ
Ｉ６ＭＮ／ｍ３″以上、硬度１５００　ｋｇ　／　ｖｘ
　”以上であり、高密度・高強度・高靭性・高硬度であ
って常温特性に優れたものである。

これに対して比較例の焼結体についてはいずれも各特性
について実施例のものよりはるかに劣る。

比較例８．９は一次又は二次焼結温度を高くしても十分
緻密化せず、α相は残存せず、靭性は６ＭＮ／ｍ３／Ｚ
以上であるが、強゛度・硬度は低い。

１０．１１．１２はα相は残存しているものの強度・靭
性・硬度は共に低い。

実施例２ 次に実施例１と同様の方法で、５ｉ３Ｎａ９２重量％、
Ｍｇ０４重量％の組成について一次焼結をＮＮ２１ｓｔ
中１５５０℃、２時間の条件で行い、二次焼結を表２に
示すように温度を変えて行い、得られた焼結体の特性と
Ｓｉ、Ｎ４粒子の粒径解析結果を表２に示す。

Ｓｉ、Ｎ４粒子の粒径解析は焼結体を鏡面研磨しＳＥＭ
により観察して行った。５ｉ３Ｌ粒子の量は面積占を率
である。

表２から明らかなように二次焼結温度が高いとα相含有
率は減少し、粒成長により５ｉＪａ粒子の短径が１ｔｔ
ｍを越えるものが増加し、これに伴い強度、硬度は低下
する。

〈発明の効果〉 以上説明したように本発明の焼結体は、アスペクト比の
高いβ相の柱状粒子とα相の粒状粒子との微細な複合組
織を有し、高強度、高靭性、例えば室温曲げ強度１２０
ｋｇ　／　ｎ　”以上、破壊靭性値６ＦＩＮ７ｍ３７２
以上、ビ゛ソカース硬度１５００ｋｇ／　　ｙｎ２以上
のものが得られ、かつその製造方法は組織（微構造）の
制御を行ないながら緻密化を達成することにより強度靭
性、硬変の優れた窒化珪素焼結体を容易に製造すること
ができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化珪素（Ｓｉ＿３Ｎ＿４）８０〜９４重量％、
   Ｍｇ成分をＭｇＯ換算で２〜１０重量％、Ｙ成分をＹ＿
   ２Ｏ＿３換算で２〜１０重量％含有する窒化珪素質焼結
   体において、Ｓｉ＿３Ｎ＿４粒子は短径１μｍ以下のも
   のが９０％以上で、Ｓｉ＿３Ｎ＿４のα相が５〜４０％
   存在し、かつ相対密度が９８％以上であることを特徴と
   する窒化珪素質焼結体
2. （２）平均粒径１μｍ以下で、α相を８０％以上含有す
   るＳｉ＿３Ｎ＿４粉末を８０〜９４重量％、Ｍｇ化合物
   をＭｇＯ換算で２〜１０重量％、Ｙ化合物をＹ＿２Ｏ＿
   ３換算で２〜１０重量％配合し、成形した後、１６００
   ℃以下にて１ａｔｍ以上２０ａｔｍ以下の窒素又は不活
   性ガス雰囲気中（ただし窒素分圧１ａｔｍ以上）で相対
   密度８５％以上になるように一次焼結を行い、１４００
   ℃〜１６００℃にて３００ａｔｍ以上の窒素又は不活性
   ガス雰囲気中（ただし窒素分圧１ａｔｍ以上）で二次焼
   結することを特徴とする窒化珪素質焼結体の製造方法。