JPH03242380A - サイアロン基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、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
サイアロン基焼結体及びその製造方法に関する。

（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Ａｆｆ
ｉが、Ｎ位置に０が置換固溶すると同時に、Ｙが侵入固
溶した物質であり、 式ＹＸ（Ｓ　ｉ、　Ａｎ）　Ｉ□（０，Ｎ）　、ｂ（Ｉ
　）（式中、Ｘは０＜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−サイアロン結晶相単相の焼結体は、結晶
形が粒状であることが１つの原因と思われるが、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
性が充分とはいえない。そこで、この欠点を改良するた
めに、特開昭５８−１８５４８５号公報、同５８−２０
４８７５号公報、同６３−２３３０８２号公報等には、
Ｙα−サイアロン結晶相と、β型窒化珪素のＳｉ位置に
／ｌが、Ｎ位置に０が置換固溶した 式Ｓ　１　ｂ−ｘＡ　ｌ□Ｏ，Ｎ、−、（ｎ）（式中、
Ｚは０＜ｚ≦４．２を満足する数である。）で表される
針状のβ−サイアロン結晶相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、これらのサイアロン基焼結体の機械的特
性は、高温材料として使用するにはまだ充分なものでは
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及びその製造方法を
提供することである。

（発明の要旨） 本発明によれば、前記式（ｒ）で表されるＹα−サイア
ロンの結晶相、前記式（ｎ）で表されるβ−サイアロン
の結晶相、Ｙ、Ｓ　ｉ　３Ｎ４０．のメリライト結晶相
及び／又は１５Ｒ型／ＩＮポリタイプサイアロン結晶相
、及びガラス相から構成されてなるサイアロン基焼結体
及びその製造方法が提供される。

（発明の詳細な説明） 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
、以下に示す範囲が望ましい。

５＜Ｙα−サイアロンの結晶相　　＜５０重ｆ％４０〈
β−サイアロンの結晶相　　　＜９５重量％０〈　ガラ
ス相　　　　　　　　　〈５重量％ただし、Ｙα−サイ
アロンの結晶相及びβ−サイアロンの結晶相は、それぞ
れ式〔■〕及び式（ｎ）で表される組成を有し、それぞ
れの相とも各結晶相聞で必ずしも一定の組成である必要
はなく、異なった組成になっていてもよい。

メリライト結晶相及び／又は１５Ｒ型Ａ／２Ｎポリタイ
プサイアロン結晶相の割合が前記範囲を外れると、得ら
れるサイアロン基焼結体の機械的強度が低下し、またそ
のバラツキも大きくなるので好ましくない。

本発明のサイアロン基焼結体は大部分が径０．２〜２μ
ｍの粒状及び棒状結晶からなり、それらが３次元的に互
いに交錯して絡み合っている。しかも互いに熱膨張係数
のわずかずつ異なった幾つかの結晶の混和からなり、高
温での機械的特性に悪影響を与える１つの要因と言われ
ている粒界ガラス相が極めて少ない。したがって、高温
での機械的特性が優れており、かつ粒子分散効果、マイ
クロクラッキング効果及びプルアウト効果などのウィス
カー強化効果による複合効果を生み出し、破壊靭性を高
いものにしている。

以下に、本発明のサイアロン基焼結体を製造する方法を
述べる。

本発明のサイアロン基焼結体は、前記式ＣＩ）で表され
るＹα−サイアロンを主たる相とし、かつ弐（Ｉ）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
含有するＹα−サイアロン粉末６０重量％以下と残部が
珪素、酸素及び窒素の各成分を有する粉末でその酸素量
が１．０〜５．０重量％である粉末とからなる原料混合
粉末を、最高温度１６００〜２２００℃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）非晶質窒化珪素粉末、 （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℃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、−大粒子の大きさが０．２〜２μｍの微細かつ均一
粒度の粉末であって、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
−サイアロン粉末が弐〔■〕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、アルミニウム又はイツトリウムの
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
。後者の一例としでは、Ｙα−サイアロン粉末を酸素含
有雰囲気中で８００〜１２００℃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（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重景重量ある。

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、高温での機械的特性が損なわれるようになる
。

また、珪素、酸素及び窒素の各成分を有する粉末でその
酸素量が１．０〜５．０重量％である粉末としては、珪
素、酸素及び窒素の各成分を全て粒子内に含む粉末でも
よいし、それらのいずれかを粒子内に含む粉末の混合物
でもよい。このような粉末としては、珪素の窒化物、酸
化物、酸窒化物を主体とする粉末が挙げられる。

本発明においては、特に前記粉末として、１．０〜５．
０重量％の酸素を含有するα−窒化珪素粉末が好適に用
いられる。

このようなα−窒化珪素粉末としては、焼結性の面で１
μｍ以下の平均粒径を有しており、また、酸素量の８０
％以上が各粒子の表層５０ｎｍ以内に偏在しており、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Ｓｉ以外の金属不純物の含有量が０．１重量％
以下であることが好ましい。

また、本発明においては、前記珪素、酸素及び窒素の各
成分を有する粉末が、さらに、アルミニウム又はイツト
リウムを成分として含んでもよい。

この場合も、アルミニウム又はイツトリウムを前記粉末
の粒子内に含んでもよいし、アルミニウム又はイツトリ
ウムの酸化物、窒化物、酸窒化物等の粉末を混合しても
よい。また、主要成分金属以外の金属不純物の含有量が
０．１重量％以下であることが好ましい。

前記原料混合粉末中の珪素、酸素及び窒素の各成分を有
する粉末の配合割合は４０重量％以上、好ましくは６０
〜９０重量％である。上記範囲内において該粉末の配合
割合を高めるに従って生成サイアロン基焼結体中のβ−
サイアロン相の割合が増大する。該粉末の配合割合が９
０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。

前記原料混合粉末の調製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、個々の原料粉末を乾式
混合する方法、不活性液体中で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。

原料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、常圧又は加圧した窒
素含有非酸化性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
の緻密化をより進めることもできる。

常圧又は雰囲気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、−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１６００〜２２００℃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。

前記方法により、Ｙα−サイアロンと珪素、酸素及び窒
素の各成分を有する粉末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、メリライト結晶相及び
／又は１５Ｒ型ＡｆｆｉＮポリタイプサイアロン結晶相
、及びガラス相が、原料のＹα−サイアロンの組成より
式（Ｉ）のＸが若干低いＹα−サイアロンの結晶と共に
存在するサイアロン基焼結体が得られる。

（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、信頬性の高い構造材料、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１〜５及び比較例１ 非晶質窒化珪素粉末４７９．２ｇ、ＹＺＯ３粉末５９．
４ｇ及び金属Ａｌ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℃迄を１時間、１２００℃から１４
００℃迄を４時間、さらに１４００℃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、　５ｓｉｑ、　７ｓＡ１ｚ、　ｚｓＯ
ｏ、　’ｌ５ＮＩ５．２５比表面積　２．５ｒＩ′ｆ／
ｇ 粒　形　　等軸結晶 生成相　　α相５９０％ 生成物組成（ｗｔχ） Ｙニア、２　　Ｓｉ：４４．２　　Ａｌ：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、 比表面積　　１７．５イ／ｇ 粒　形　　　等軸結晶 生成相　　　α相〉９５％ 含有酸素量　２．３重量％ 金属不純物　＜５００　ｐ　ｐｍ という特性を有するα−窒化珪素粉末を第１表に示す割
合で、媒体としてエタノールを用い４８時間湿式ポール
ミリングした後、８０℃で真空乾燥した。得られた原料
粉末を冷間静水圧プレス法を用いて成形した後、常圧窒
素雰囲気中で室温から１８００℃まで２℃／分で昇温し
、同温度に４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。

実施例６〜８及び比較例２ 実施例１〜５で使用したＹα−サイアロン粉末、比表面
積　　１０．０ボ／ｇ 粒　形　　　等軸結晶 生成相　　　α相〉９５％ 含有酸素量　０．５重量％ 金属不純物　＜５００　ｐ　ｐｍ という特性を有するα−窒化珪素粉末及び比表面積　　
５．０イ／ｇ 粒　形　　　等軸結晶 金属不純物　＜７００　ｐ　ｐｍ という特性を有する酸化珪素粉末を第２表に示す割合で
、媒体としてエタノールを用い４８時間湿式ボールミリ
ングした後、８０゛Ｃで真空乾燥した。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）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−サイアロンの結晶相、 式Ｓｉ＿６＿−＿ｚＡｌ＿ｚＯ＿ｚＮ＿８＿−＿ｚ（式
   中、ｚは０＜ｚ≦４．２を満足する数である。）で表さ
   れるβ−サイアロンの結晶相、 メリライト結晶相及び／又は１５Ｒ型ＡｌＮポリタイプ
   サイアロン結晶相、 及びガラス相から構成されてなる密度２．５ｇ／ｃｍ＾
   ３以上のサイアロン基焼結体。
2. （２）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−サイアロンを主たる相とし、かつ上記式
   で規定される理論酸素量に対して８重量％以下の過剰酸
   素を含有するＹα−サイアロン粉末６０重量％以下と残
   部が珪素、酸素及び窒素の各成分を有する粉末でその酸
   素量が１．０〜５．０重量％である粉末とからなる原料
   混合粉末を、最高温度１６００〜２２００℃の範囲に加
   熱、焼結することを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のサイアロン基焼結体の製造方法。