JPH03252365A - 高強度窒化珪素焼結体の製造方法 - 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、高靭性であり、複雑形状を有する窒化
珪素焼結体の製造方法に関する。

従来の技術 窒化珪素焼結体はその機械的強度、耐熱性、耐熱衝撃性
等に優れるため高温構造部材として用途開発が広く進め
られている。

窒化珪素焼結体に対して要求される性能は用途の多様化
に伴って種々に変わるが１本発明者らは従来の窒化珪素
焼結体の性能に加えて、室温からある程度高い温度（例
えば８００”Ｃ）までの範囲で高い強度を有し、かつ、
破壊靭性値の高い窒化珪素焼結体材料を検討した。

この分野では、例えば、特開昭８１−８８３７３号に酸
化イツトリウム、酸化マグネシウム、酸化セリウムを窒
化珪素に添加することが開示されているが、開示された
窒化珪素焼結体材料では高温強度及び静的疲労特性は優
れているものの、室温近傍での機械的強度、靭性の点で
本発明者等の要求を満たすことはできなかった。

又、特願平１−２１５２号に酸化イツトリウム、酸化マ
グネシウム、酸化セリウムを窒化珪素に添加し、室温近
傍で高い機械的強度及び優れた靭性を有する窒化珪素焼
結体材料を得ることが開示されているが、この窒化珪素
焼結体材料はホットプレス法により作製されているため
、複雑形状品を得ることができなかった。

発明が解決しようとする課題 本発明の目的は、室温近傍の温度において高い機械的強
度及び靭性を有し、しかも８００℃程度までの高温酸化
性雰囲気にあっても機械的強度の劣化が起こらない、自
動車エンジン部材を始めとする種々の機械部品への適用
に優れた特性を発揮する、複雑形状を有する窒化珪素焼
結体の製造方法に関するものである。

課題を解決するための手段 本発明は、粒径０．５ｇｍ以下の窒化珪素７５〜９５ｗ
ｔ％、酸化イツトリウム１〜１０ｗｔ％、＃！！化マグ
ネシウム０．１〜１０ｗｔ％、酸化イツトリウム以外の
希土類酸化物１−１０ｗｔ％及び酸化珪素１．５〜７ｗ
ｔ％からなる混合粉末を窒素ガス雰囲気中で１５００〜
１８００℃で予備焼結し、更に１８００−１８００℃、
窒素ガス圧力１０ＭＰａ以上で２段焼結することを特徴
とする高強度（〉約１５００ＭＰａ）、高靭性（＞　６
　ＭＰａｍ０５）であり、複雑形状を有する窒化珪素焼
結体の製造方法である。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明による窒化珪素焼結体におけるＳｉ３Ｎ４の含有
割合は、窒化珪素の本来の性能を発揮させるために７５
％以上であることが必要である。一方焼結助剤としての
各種酸化物を５％以上含有させることが緻密化と高強度
・高靭性のために必要である０本発明では、これらの酸
化物としてＹ７Ｏ３及びそれ以外の希土類酸化物を用い
るが、これらの酸化物の添加は、窒化珪素の焼結時にα
−９ｉ３Ｎ４結晶からβ−９ｉ３Ｎ、結晶への相転移を
それら酸化物融液中で促進させる機能を持つために必要
である。

実験の結果ではＹ２Ｏ３は１〜１０ｗｔ％が必要であり
、１ｗｔ％未満ではこの機能は発揮されない。

方、　１０ｗｔ％超添加すると機械的強度は低下する。

特に好ましくは３〜８ｗｔ％である。Ｙ２Ｏ３以外の希
土類酸化物は、１”１０ｗｔ％が必要であり、１ｗｔ％
未満ではこの機能は発揮されない、一方、１０ｗｔ％ｋ
ｆｉ添加すると機械的強度は低下する。特に好ま１゜〈
は１〜５ｗｔ％である。

ＭｇＯは他の酸化物とともに融液を形成するが、これら
の混合酸化物の融点を低下させる効果が大きいために含
有させるもので、焼成温度を下げることにより粒成長を
防ぐと共に、Ｓｉ３Ｎ４の分解を抑制して残留気孔を減
らすことにより、強度上昇に寄与すると同時に、焼成過
程で生成するβ−５ｉ３Ｎ４柱状結晶粒のアスペクト比
を大きくする効果が大であり、結果として焼結体の靭性
向上に寄与する。含有量が０．１％より少ないと上記効
果は得られず、１０％よりより多いと機械的強度は低下
する。特に好ましくは２〜６ｗｔ％である。

Ｓｉｏ２は焼結体の結晶粒界相を実質的にガラス相とす
るために必要である０本発明の構成成分や組成及び焼結
条件のもとで、高強度、高靭性を損なうことなく焼結体
を製造するためには、５ｉ０２は狭い範囲にコントロー
ルする必要がある。

実験の結果によれば、かかる目的は５ｉ０２が１．５〜
７ｗｔ％の時に達成された。特に好ましくは２〜６ｗｔ
％である。又、５ｉ０２はガラス相の形成温度を低下さ
せ焼成温度を低下させる効果があり、粒成長及びＳ　ｉ
　３１４の分解による残留気孔を抑制することにより強
度上昇が図れる。

次に、本発明の窒化珪素焼結体の製造方法について説明
する。

本発明の窒化珪素焼結体の製造に使用する窒化珪素粉末
は、α−３ｉ３Ｎ。結晶が好ましい、実験結果によれば
、高強度、高靭性を達成するために窒化珪素粉末はその
粒径が０．５ルｍ以下であることが必要であり、最も好
ましくは、０．１〜０．３ｐｍであった。そして窒化珪
素の配合割合は、窒化珪素本来の特徴を発揮させるため
に７５〜９５ｗｔ％であることが必要である。窒化珪素
粉末の表面は、通常、酸化珪素の被膜が生成している。

上記酸化珪素の成分はこれを含む組成である。従って、
酸化珪素を添加するにあたっては、原料としての窒化珪
素粉末の表面に生成している酸化珪素の量を正確に把握
する必要がある。

酸化イー２トリウム、酸化マグネシウム、酸化イツトリ
ウム以外の希土類酸化物及び酸化珪素は市販の粉末を使
用すればよいが、０．５　ｐｍ以下の粒径のものが望ま
しい。

次に焼結について説明する。

まず、強度と微細構造との関係について考える。焼結体
の強度σは破壊靭性値Ｋｔｃ値、欠陥の大きさａ及び形
状によって決まる係数Ｙとσ＝　Ｙ　＊　ＫＩｃ／　（
ｗ　ａ）０５という関係があり、ＫＩＣ値が大きいほど
、又、欠陥が小さいほど高強度となる。Ｋｒｃ値を上昇
させるには焼結体の微構造を制御し、Ｓｉ３Ｎ、の針状
結晶を析出させ、クラック偏向による強靭化を起こせば
よい、Ｓｉ３Ｎ４結晶は低温で安定な粒状のα相から高
温で安定なβ相に焼成過程で転位し、針状結晶を析出す
る。従って、針状結晶を析出させるにはα→β相転位を
促進すればよい、又、欠陥を小さくするには緻密化を促
進すればよい。

焼結プロセスで最も微細構造に影響を与える要素は焼結
温度と圧力である。α→β相転位及び緻密化の促進には
焼結温度を上昇させればよいが、この時、同時に粒成長
が起こる０粒成長は強度低下を引き起こし、焼結温度を
上昇させることは、強度に対し相反する２つの作用を及
ぼす。

一方、圧力を上昇させると、本発明の窒化珪素材料にお
いては、第１図に示したようにα→β相転位が茗しく促
進され、又、緻密化も促進される。従って、加圧下での
焼結は本発明の窒化珪素材料について高強度化に極めて
有効である。

複雑形状品を加圧下で焼結可能な方法として雰囲気加圧
法及びＩ（ＩＰ法がある。特に、常圧焼結による予備焼
結後のＨＩＰ焼結という二段焼結が、プロセスの容易さ
及び高い圧力が負荷可能であることより、有効である。

一般には、常圧焼結後のＦＩＩＰ焼結による強度上昇は
常圧焼結体の強度に対し２０％程度である。しかし、本
発明の原料成分では常圧焼結による予備焼結後のＩ（Ｉ
Ｐ焼結という二段焼結を行なうと、５０％以上の強度上
昇が図れ、ＨＩＰによる強度上昇に効果が極めて顕著で
ある。

作用 本発明によって得られる窒化珪素焼結体は。

高強度、高靭性を有する。すなわち、室温から８００℃
で約１５０ＯＮＰａ以上の三点曲げ強度（ＪＩＳ１ｆ１
０１準拠）で、且、Ｋ　Ｘｅ　（ＳＥＰＢ法）８ＮＰａ
ｍ０５以上の破壊靭性値が得られる０本発明者等の研究
によれば。

このような高い性能は、本発明の窒化珪素焼結体が、微
細な窒化珪素粉末を原料とし、これらの加圧焼結時に、
微細で針状のβ−８ｉ３Ｎ４結晶に相転移し、これらの
結晶が実質的にガラス相である粒界相に覆われた微視構
造を有することに基ずくものである。

このような微視構造を複雑形状品において実現するには
、ガスによる加圧の効果が極めて有効に現われる本発明
の窒化珪素焼結体の選択が不可欠である０本発明の窒化
珪素材料は、焼結時の圧力の高強度化への効果が極めて
有効な材料であり、予備焼結後のガスによる加圧焼結を
行なうことにより１本発明の窒化珪素材料は、複雑形状
品の作製が可能となり、高強度を達成し得る微細構造を
実現できる。

実施例 平均粒径０．３　ｇ　ｍ、酸素含有量１．３％の窒化珪
素粉末、平均粒径０．４４　ｍの酸化イツトリウム粉末
、平均粒径（Ｌ２　ｐ、　ｍの酸化マグネシウム粉末、
平均粒径０．２ＩＬｍの酸化セリウム粉末、平均粒径０
．４μｍの酸化ランタン粉末、平均粒径Ｏｊｐｍの酸化
サマリウム粉末及び平均粒径Ｑ、４ｇｍの酸化珪素粉末
を第−表の組成に秤量し、ボールミルを用いて２４時間
混練し乾燥した。この混合粉末を５０攻５０（＊ｍ）の
金型を用いて一軸成形しＣＥＰ　した後１種々の条件で
常圧焼結及びＨＩＰ焼結を行なった。

各種試験片を作製し、相対密度（アルキメデス法）、破
壊靭性値Ｋ　ｒｃ　（ＳＥＰＢ法）及び三点曲げ強度（
ＪＩＳ　Ｒ１８０１及びＲ１８０４準拠）の各特性の評
価を行なった。尚、窒化珪素中の酸素は酸化珪素に換算
して表示した０本焼結体は、　　８００”０までの温度
での耐熱性（室温強度を８００”Ｃまで維持）モしてΔ
Ｔ：８００℃以上の耐熱衝撃性を示した。

発明の効果 酸化イツトリウム、酸化マグネシウム、酸化イツトリウ
ム以外の希土類酸化物を上述した量だけ含み、酸化珪素
を所定の量にコントロールした本発明の製造法による窒
化珪素焼結体は従来の窒化珪素焼結体よりも、常圧焼結
子〇ＩＰによる二段焼結のＨＩＰの効果を顕著に生じる
ため、高強度・高靭性が得られ、＃熱性・耐熱衝撃性を
も有し、複雑形状品も容易に作製可能であるため、かか
る特性を要求される各種機械・構造部材として極めて有
用である。

（以下余白） ４

【図面の簡単な説明】

第１図は同一組成をもつ （ａ）本発明の２段焼結 品及び （ｂ）常圧焼結晶のＸ線回折結果を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　粒径０．５μｍ以下の窒化珪素７５〜９５ｗｔ％、酸
   化イットリウム１〜１０ｗｔ％、酸化マグネシウム０．
   １〜１０ｗｔ％、酸化イットリウム以外の希土類酸化物
   １〜１０ｗｔ％及び酸化珪素１．５〜７ｗｔ％からなる
   混合粉末を窒素ガス雰囲気中で１５００〜１８００℃で
   予備焼結し、更に１８００〜１８００℃、窒素ガス圧力
   １０ＭＰａ以上で２段焼結することを特徴とする窒化珪
   素焼結体の製造方法。