JPH0449510B2 - - Google Patents
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Description
この発明はSi−Al−O−N型材料に関し、さ
らに詳述すると金属加工において使用される切削
インサートの製造に有用な二重相Si−Al−O−
N材料に係るものである。
シリコン窒化物材料にアルミニウムおよび酸素
原子を添加することによつて生成された比較的に
新しいSi−Al−O−N材料を記載する多数の論
文や特許がある。
最近、これらの材料は金属加工工業への道を見
出しかつ鋳鉄および他の類似物の加工の可能性を
与えた。
さらに詳述すると、米国特許第4127416号に従
つて作られたSi−Al−O−N型材料はある種の
金属加工において有用であることが実証された。
上記米国特許によつて作られる型の材料は、ほぼ
10−20%のガラス質相が存材するところの主要素
をなす単相β−Si−Al−O−N材料として製造
される。
この材料は本質的には該特許に記載されている
ように作られ、その方法の初段階としてポリタイ
プ材料の形成を含むものである。ポリタイプ材料
はついで制御された量のシリコン窒化物およびイ
ツトリウム、リチウムまたはカルシウムの酸化物
と反応させられて少なくとも80%、好適には95%
が単相ベータ型Si−Al−O−Nであるセラミツ
クスを形成する。
このような材料は、生成されたとき、後記実施
例で記載される手順を使用して100000−
110000psiの範囲内の曲げ破断強度および100g荷
重において1450−1800Kg/mm2の範囲内スープ硬度
を有する。
本発明に従つて、切削インサート材料として特
に有用な、二重相Si−Al−O−N材料が生成さ
れる。この二重相はαおよびβ相Si−Al−O−
Nから構成される。
混合物中のアルミナの量の制御ならびに摩砕用
中性媒体は、αおよびβ型Si−Al−O−N相が
出現するように最終材料の組成の制御を可能にす
ることが発見された。アルミナの量が小さくなる
とα相Si−Al−O−Nの量が大きくなる。他の
出発成分の制御もまた同一効果を生じ、例えば、
より少ないシリカ、より多いアルミニウム窒化
物、より多いポリタイプ、より多いイツトリウム
はすべて最終製品中により多いα−Si−Al−O
−Nを生成する。好適には、α相Si−Al−O−
Nは10−70重量%の範囲内にあり、組成物中のβ
相Si−Al−O−Nは20−90重量%の範囲内にあ
る。0−10重量%の範囲内のガラス質相もまた存
在する。
組成物中の付加α−Si−Al−O−Nは材料の
曲げ破断強度にあまり影響を及ぼすことなく硬度
を増大させる。
イツトリウムの化合物は上記製品の製造におい
て焼結助剤として使用されるが、同様の結果はス
カンジウム、セリウム、ランタンおよびランタン
系列の元素の酸化物でも得られることが認められ
るべきである。
好適焼結助剤としてのイツトリウムの使用はガ
ラス質相から主としてなる粒間成分を生じるが、
これはまた他の相も含みうる。他の相としては、
式Y3Al5O12を有する立方晶相であるところの
YAG(イツトリウム アルミニウム ガーネツ
ト)、式YSiO2Nの単斜晶相であるところのY−
N−α珪灰石、式Y4Al2O9の単斜晶相であるとこ
ろのYAM、YAMと同型構造を有しかつそれと
完全固溶体を形成する、式Y4Si2O7N2の単斜晶相
であるところのN−YAMがある。
本発明の本質は添付図面と関連する以下の詳細
な説明を参照することによつてさらに明瞭になる
であろう。
この発明は二重相セラミツク製品および前記製
品を製造する方法に関するものであり、この方法
では、元素シリコン、アルミニウム、酸素および
窒素を含有する化合物からなる第一の成分から本
質的になる粉末混合物を形成し、元素の割合はシ
リコンおよびアルミニウム原子の総数と酸素およ
び窒素原子の総数との比が0.735〜0.77の範囲内
にあるようにされかつ前記化合物が後続の焼結工
程中第二の成分と共に反応して二重相セラミツク
材料を生成し、第一の相は一般式Si6-zAlzOzN6-z
に従い、式中Zは0.38〜1.5であり、第二の相は
六方晶相でありかつ一般式(Si、Al)12Mx(O、
N)16に従い、式中Mはリチウム、カルシウムま
たはイツトリウム、あるいはランタン系列の任意
のものであり、Xは0.1〜0.2である。第二の成分
は第一および第二の成分の全重量を基準にして
0.1〜10%を構成し、第二の成分はさらに元素イ
ツトリウム、スカンジウム、セリウム、ランタ
ン、およびランタン系列の金属の少なくとも1つ
の酸化物である。前記混合物はついで保護環境中
で、圧力を加えまたは加えないで、1600〜2000℃
の温度で、少なくとも10分〜少なくとも5時間
の、温度の増加と共に減少する、時間焼結され、
これにより少なくとも90体積%の前記二重相セラ
ミツク材料を含有するセラミツク材料を生成し、
前記第二の相は前記第二の成分の一部を含有す
る。
前述した方法において、第一の成分の化合物は
化合物中の全シリコンおよびアルミニウム原子の
和を全酸素および窒素原子の和で割つたものが
0.735〜0.77、好適には0.745〜0.76になるように
配合される。二成分混合物はついで保護環境、好
適には非酸化性環境さらに好適には還元性環境中
で、1600〜2000℃の温度で、少なくとも90体積%
の上記式のシリコンアルミニウム酸窒化物を生成
するのに十分な時間焼結される。所要焼結時間は
温度の増加と共に減少し、2000℃の焼結温度の場
合には最小時間はわずか10分であるが、1600℃の
温度の場合には少なくとも5時間の焼結時間が要
求される。
原混合物の第一の成分を形成する化合物は便利
にはシリコン窒化物、アルミニウム窒化物、アル
ミナおよびシリカであり、シリカおよびアルミニ
ウム窒化物上に固有不純物として存在する。
あるいは、第一の成分はシリコン窒化物および
一般式Si6-zAlzOzN6-zに従わないシリコンアルミ
ニウム酸窒化物を含有するセラミツク中間物によ
つて規定されてもよい。このような材料はポリタ
イプと称されかつ前記米国特許第4127416号に記
載されている。実施例7−17は前記米国特許に規
定された21R型ポリタイプを利用するものであ
る。
好適には、セラミツク中間物のシリコンアルミ
ニウム酸窒化物は斜方六面体構造を有しかつ近似
式SiAl6O2N6に従う、さらにセラミツク中間物は
好適にはアルミナ、アルミニウムおよびシリコン
の粉末混合物を窒化雰囲気中で1200〜1400℃の温
度に加熱することによつて形成され、加熱速度は
発熱を実質的に防止するように制御され、ついで
1500〜1900℃の温度で窒化混合物を焼結する。
あるいは、中間物はアルミナ、アルミニウム窒
化物およびシリコン窒化物の粉末混合物を1200〜
200℃の温度で保護環境、好適には非酸化性環境、
さらに好適には還元性環境中で加熱することによ
つて形成される。
上述した方法において、混合物中に存在する化
合物の相対量は調整され、これにより一般式
Si6-zAlzOzN6-zに従う第一の相および一般式
(Si、Al)12Mx(O、N)16に従う第二の相を有する
二重相セラミツクを生成する。上式中Zは0.38〜
1.5であり、その理由は、これらの限界内Z値を
持つことは焼結が圧力を加えないで行なわれたと
きでも高い強度を有する一貫製品を生成すること
が見出されているからである。一方、Z値が0.38
よりも低くなつた場合には、材料は圧力を加えな
いで焼結することが困難になり、Z値が1.5より
も高くなつた場合には製品の強度が劣化する。
さらに、第一の成分中の化合物の相対量は
0.735〜0.77の前記原子比を与えるように調整さ
れる。すなわち、その比が0.735よりも低くなる
と、混合物は酸素が多くなりすべることが見出さ
れている。これは焼結中過量のガラスを生成する
ことになり、これは製品の高温強度特性に悪影響
を及ぼすだけでなく、また低温強度特性にも悪影
響を及ぼすことが見出されている。さらに、ガラ
スは以下に詳述する熱処理工程で除去できないこ
とが見出されている。これに対し、前記原子比が
0.77を超過する場合には、製品の強化を達成する
ために必要なガラスを形成するのには不十分な酸
素が存在することが見出されている。
出発混合物の第二の成分に対する0.1〜10重量
%の許容範囲はやはりそれが焼結製品中に満足な
酸素含有量を与えることに基づいて選択されてい
る。第二の成分に選択された元素はセリウム、イ
ツトリウム、スカンジウム、ランタンまたはラン
タン系列の1つである。すなわち、これらは高度
に耐火性の酸化物を持ち、こられの酸化物は存在
するシリカおよびアルミナと共に高融点をガラス
を生成し、したがつてその製品は低融点ガラスの
場合よりも高い温度で使用されうる。
第二の成分もまた第一の成分のα−Si−Al−
O−N相の形成のために必要である。すなわち定
義により、α−Si−Al−O−Nはイツトリウム
またはランタン系列の1つを含有する。第二の成
分に選択された元素のうちで、イツトリウムは好
適である。すなわち、焼結混合物中のイツトリア
の存在は圧力を加えなくても高強度の製品を生じ
ることが見出されている。
上述した方法を遂行することにより、少なくと
も90体積%の二重相シリコンアルミニウム酸窒化
物が形成され、これと共に主としてガラス質相か
らなるが、またおそらくYAG、YAM,N−
YAMおよびY−N−α−珪灰石のような他の相
を含有する粒間成分が形成される。ガラスの存在
は焼結中製品の強化を助長するが、最終成分の高
温特性の低下を生じる傾向がある。しかしなが
ら、焼結製品中のガラス相の量は製品を最終熱処
理工程にかけることによつて低減されうることが
見出された。この最終熱処理工程では、製品の温
度をガラスの融点の200℃以内の温度(すなわち、
イツトリウムガラスの場合には約1400℃)に上昇
させ、ついで製品を冷却してガラスの少なくとも
一部をYAG、YAM、N−YAMおよびY−N−
α−珪灰石のような他の相を含有する粒間成分に
結晶させる。
実施例
この発明に使用される出発材料は以下に列挙さ
れた通りであるが、前記米国特許第4127416号に
示された出発材料、またはSi−Al−O−N材料
の製造のための既知条件を満たす他の既知材料の
任意のものであつてもよい。
シリコン(Elkem Metals)Fe<1.0%
C 0.1−0.4%典型的
Ca<0.07% 典型的
Al<0.53%
−200メツシユ粒度
イツトリウム(Molycorp,Union76のデイビジ
ヨン)
99.99%純度
−325メツシユ粒度
アルミニウム(Alcan Aluminum Corporation)
99.3%純度
16ミクロン平均粒度
アルミナ(Reynolds) Rc−172DBM
99,7% Al2O3
0.04% Na2O
0.07% SiO2
0.03% Fe2O3
粒度<1ミクロン
アルミナ(Alcoa) A−16 SG
99.5% Al2O3
0.05−0.09% Na2O
0.02−0.04% SiO2
0.01−0.02% Fe2O3
粒度<1ミクロン
第2表において、パーセントα−Si−Al−O
−Nおよびβ−Si−Al−O−Nは初めから100パ
ーセントを基準としたものであつた。それは他の
結晶質相が存在せずかつX線回折によつて定量で
きない10パーセントガラスを無視したからであ
る。このパーセンテージは10パーセントガラスを
含むように変更され、したがつて、α−Si−Al
−O−Nおよびβ−Si−Al−O−Nのパーセン
テージは合計90パーセントであり、このパーセン
テージは第2表(続き)に示されている。
実施例 1
92重量部のシリコン窒化物粉末(約4重量%の
表面シリカ含有)と、5重量部のアルミニウム窒
化物(約6重量%の表面アルミナ含有)と、5重
量部のアルミナと、7重量部のイツトリウム酸化
物とからなる組成物がイソプロパノール中でSi−
Al−O−N媒体を使用して96時間摩砕されて0.96
ミクロンの平均粒度のものにされた。乾燥後、こ
の粉末は50メツシユふるいを通してふるい分けさ
れかつ30000psiの圧力で均衡圧縮された。
生材料の断片が均衡圧縮スラグから切り取られ
かつ黒鉛るつぼ内の50/50重量割合のボロン窒化
物とシリコン窒化物の粉末混合物に埋め込まれ
た。るつぼは黒鉛エレメント低抗加熱炉中に置か
れ、真空中で500℃に加熱され、ついで1気圧の
窒素中で1830℃に加熱され、この温度に40分間保
持された。冷却後焼結材料の0.2×0.2×0.8インチ
の棒が600粒度の研摩車を使用して研摩され、ダ
イチエツク後、0.56インチの外スパンを有する3
点ベンドで破断された。破断片は密度および硬度
測定ならびにX線折による相決定のために使用さ
れた。材料の特性は第1表に示されている。
実施例 2
実施例1と同様であるが、焼結は1830℃で60分
間行なわれた。
実施例 3
92重量部のシリコン窒化物粉末(約4重量%の
表面シリカ含有)と、5重量部のアルミニウム窒
化物(約6重量%の表面アルミナ含有)と、3重
量部のアルミナと、7重量部のイツトリウム酸化
物とからなる組成物がイソプロパノール中でアル
ミナ研摩媒体を使用して48時間摩砕された。この
ような媒体からの摩損は1.9重量部に上り、これ
は総合組成に合体した。
摩砕粉末の平均粒度は、1.49ミクロンであつ
た。粉末は実施例1と同様に処理されたが、焼結
は1780℃で49分間および1830℃で15分間行なわれ
た。特性は第1表に示されている。
実施例 4
92重量部のシリコン窒化物粉末(約4重量%の
表面シリカ含有)と、8重量部のアルニウム窒化
物(約6重量%の表面アルミナ含有)と、7重量
部のイツトリウム酸化物とからなる組成物がイソ
プロパノール中で高密度Si−Al−O−N媒体を
使用して168時間摩砕されて0.63ミクロンの平均
粒度のものにされた。その後の処理は実施例1と
同様であつた。
実施例 5
実施例4と同様の材料が静止窒素雰囲気中で
1400℃の温度で5時間熱処理された。その結果は
第1表に示されている。
実施例 6
92重量部のシリコン窒化物粉末(約4重量%の
表面シリカ含有)と、8重量部のアルミニウム窒
化物(約6重量%の表面アルミナ含有)と、5重
量部のイツトリウム酸化物とからなる組成物がイ
ソプロパノール中でアルミナ研摩媒体を使用して
48時間摩砕された。
この媒体からの摩損は2.0重量部に上り、これ
は総合組成に合体された。摩砕粉末の平均粒度は
1.47ミクロンであつた。ついで実施例1と同様に
処理されたが、焼結は1850℃で60分間行なわれ
た。その結果は第1表に示されている。
ポリタイプ実施例
実施例 7
86.9重量%のシリコン窒化物と、6.59重量%の
21Rポリタイプと、6.54重量%のイツトリアとか
らなる粉末混合物が構成された。粉末混合物はつ
いで媒体としてSi−Al−O−Nサイクロイドを
使用して2日間摩砕され、得られた平均粒径は
1.07ミクロンでありかつ90%は2.21ミクロンより
も小さかつた。この粉末はついで30000psiの圧力
で冷間均衡圧縮され、生スラグはついで先行実施
例と同一条件の下で1830℃で50分間焼結された。
焼結材料はついで分析され、その特性は第2表
に示されている。
実施例 8
粉末は実施例7に記載されたように処理された
が、出発粉末混合物は81.3重量%のシリコン窒化
物と、12.1重量%の21Rポリタイプと、6.54重量
%のイツトリアとからなるものであつた。焼結材
料は分析され、その特性は第2表に示されてい
る。
実施例 9
この粉末の処理は実施例7、8のものと同一で
あつたが、ボール摩砕媒体はアルミナサイクロイ
ドであつた。原粉末は86.9重量%のシリコン窒化
物と、6.54重量%の21Rポリタイプと、6.54重量
%のイツトリアとからなるものであつた。粉末は
0.91ミクロンの平均粒径に摩砕され、その90%は
1.72ミクロンよりも小さかつた。粉末混合物はア
ルミナサイクロイドからの追加の3.55重量%の摩
擦ピツクアツプを持つことが見出された。
混合物はついで1780℃で40分間および1830℃で
25分間焼結された。焼結材料は分析され、その特
性は第2表に示されている。
実施例 10
82.2重量%のシリコン窒化物と、11.2重量%の
21Rポリタイプと、6.54重量%のイツトリアと、
ボール摩砕中のアルミナサイクロイドの摩損から
の追加の3.57重量%のアルミナとからなる粉末混
合物が処理された。
平均粒径は0.93ミクロンであり、90%は1.77ミ
クロンよりも小さかつた。この組成物は実施例9
のものと同様に焼結された。焼結材料は分析さ
れ、その特性は第2表に示されている。
実施例 11
85重量%のシリコン窒化物と、8.4重量%の
21Rポリタイプと、6.54重量%のイツトリアと、
直接添加の2.51重量%のアルミナおよび0.1重量
%のシリカとからなる粉末混合物が処理された。
混合物はSi−Al−O−N媒体を使用して1.0ミク
ロンの平均粒径に摩砕された。焼結材料は分析さ
れ、その特性は第2表に示されている。
実施例 12
83重量部のSi3N4(表面層として1.0重量%Oを
含有)と、17重量部の21Rポリタイプと、7重量
部のイツトリアと、3重量部のアルミナとからな
る組成物がイソプロパノール中でSi−Al−O−
N媒体を使用して72時間摩砕されて0.71ミクロン
の平均粒度のものにされた。乾燥後、粉末は50メ
ツシユふるいを通してふるい分けされかつ
30000psiの圧力で均衡圧縮された。生材料の断片
が均衡圧縮スラグから切り取られかつ黒鉛るつぼ
内の25/75重量割合のシリコン窒化物とボロン窒
化物の粉末混合物に埋め込まれた。るつぼは黒鉛
エレメント抵抗加熱炉内に置かれ、真空下で900
℃に加熱され、ついで1気圧窒素中で1780℃に40
分間加熱され、ついで1830℃で25分間加熱され、
ついでほぼ30分間で1000℃に冷却された。その特
性は第2表に示されている。
実施例 13
77重量部のシリコン窒化物(表面層として1.09
%O含有)と、23重量部の21Rポリタイプと、7
重量部のイツトリアと、3重量部のアルミナとか
らなる組成物が実施例12と同一に処理された。摩
砕粉末の平均粒度は0.84ミクロンであつた。その
特性は第2表に示されている。
実施例 14
75重量部のシリコン窒化物(表面層として1.09
重量%O含有)と、25重量部の21Rポリタイプ
と、7重量部のイツトリアと、3重量部のアルミ
ナとからなる組成物が実施例12と同一に処理され
た。摩砕粉末の平均粒度は0.92ミクロンであつ
た。その特性は第2表に示されている。
実施例 15
75重量部のシリコン窒化物(表面層として0.77
重量%O含有)と、25重量部の21Rポリタイプ
と、7重量部のイツトリアと、9重量部のアルミ
ニウム酸化物とからなる組成物が実施例12と同一
に処理された。摩砕粉末の平均粒度は0.82ミクロ
ンであつた。
その特性は第2表に示されている。
実施例 16
85重量部のシリコン窒化物と、15重量部の21R
ポリタイプと、7重量部のイツトリアと、1.0重
量部のアルミナとからなる組成物が実施例12と同
一に処理された。摩砕粉末の平均粒度は0.95ミク
ロンであつた。その特性は第2表に示されてい
る。
実施例 17
85重量部のシリコン窒化物と、15重量部のポリ
タイプと、7重量部のイツトリアと、8重量部の
アルミナとからなる組成物が実施例12と同一に処
理された。摩砕粉末の平均粒度は1.09ミクロンで
あつた。その特性は第2表に示されている。
上記各実施例で生成された複合材料は切削イン
サートとして使用されたときすぐれた金属切削結
果を示した。すぐれた結果は鋳鉄およびニツケル
基合金を機械加工するときに得られた。初めの11
の実施例に関して表に報告された試験結果は、
Lucas Industriesの米国特許第4127416号に記載
された方法および上記実施例1で特定された寸法
で決定された、材料の曲げ破断強固を報告した。
その後に、材料の破断靱性が曲げ破断強度より
もはるかによく材料の金属切削能力を示すもので
あることが決断された。新実施例12−17では、こ
れらの値が曲げ破断強度の代りに報告されてい
る。
破断靱性試験では18Kg荷重によるビツカースダ
イヤモンド圧こんが使用された。破断靱性は圧こ
んおよび関連クラツクの寸法ならびに荷重および
Journal of the American Ceramic Society
Vol59(1976)p.371に記載された方法を使用する
305GPaのヤング率値から計算された。
実施例10、12、13、14はポリタイプの増加と共
にパーセントα−Si−Al−O−Nが増加するこ
とを示している。実施例16、17、14、15はアルミ
ナ含量と共にα−Si−Al−O−N含量および硬
度が減少することを示している。
本発明はさらに第1図に関連して規定される。
Lucas Industriesの米国特許第4127416号および
第4113503号を参照すると、Si−Al−O−N状態
図が示されている。
Lucasによつて請求された長方形組成区域は添
付図面に大要が示されている。境界線は0.38およ
び1.5のZ値に設定され、Zはβ−Si−Al−O−
Nの式Si6-zAlzOzN8-zに見出されるものである。
上部および下部境界線は0.735および0.770カチオ
ン対アニオン比(c/a)である。Lucasはc/
s比をモルシリコンプラスモルアルミニウム量を
モル酸素プラスモル窒素量で割つたものと定義し
た。イツトリアの寄与は含まれなかつた。上限
c/a比を超えるとガラスが多くなりすぎ、これ
は単相β−Si−Al−O−Nの特性にとつて有害
である。単相β−Si−Al−O−Nの焼結体は
0.770よりも高い比では困難である。
Lucas区域とオーバラツプする組成区域が明確
な差異をもつて画定された。Zは0.38およびZ=
1.5に設定された境界線はLucasと共通であるが、
上部および下部境界線は2相セラミツク、α−Si
−Al−O−Nプラスβ−Si−Al−O−Nの存在
に基づいたものである。c/a比はモルシリコン
プラスモルアルミニウムプラスモルイツトリウム
量をモル酸素プラスモル窒素量で割つたものと定
義されている。
イツトリアはc/a比に含まれており、イツト
リウムはα−Si−Al−O−Nの一体部分である
からそれは適切である。
第二に、Lucasによつて計算された当量はY2
O3を除外した、Si、Al、O、Nのみを考慮して
いる。本発明の組成物はイツトリアを入れて計算
された当量を有し、その結果として状態図上の基
平面よりもやや高い所に組成点を生じている。こ
の組成点はついで基平面上へ投影され、シリコン
およびアルミニウムに対する有効当量を生じてい
る。酸素および窒素は影響を及ぼされない。有効
当量は第1図にプロツトされている。下記の表は
実施例9に対するLucasと本発明の方法との間の
差異を示している。
This invention relates to Si-Al-O-N type materials, and more particularly to dual-phase Si-Al-O-
This relates to N materials. There are numerous papers and patents describing relatively new Si-Al-O-N materials produced by adding aluminum and oxygen atoms to silicon nitride materials. Recently, these materials have found their way into the metalworking industry and have given rise to the possibility of processing cast iron and other similar materials. More specifically, Si-Al-O-N type materials made in accordance with U.S. Pat. No. 4,127,416 have proven useful in certain metal processing applications.
The material of the mold made by the above US patent is approximately
It is produced as a predominant single phase β-Si-Al-O-N material in which 10-20% of the glassy phase is present. This material is made essentially as described in that patent and includes the formation of a polytype material as an initial step in the process. The polytype material is then reacted with controlled amounts of silicon nitride and oxides of yttrium, lithium or calcium to form at least 80%, preferably 95%
forms a single-phase beta-type Si-Al-O-N ceramic. Such materials, when produced, have a 100,000-
It has a bending breaking strength in the range of 110000 psi and a soup hardness in the range of 1450-1800 Kg/mm 2 at 100 g load. In accordance with the present invention, a dual phase Si-Al-O-N material is produced that is particularly useful as a cutting insert material. This double phase is α and β phase Si-Al-O-
Consists of N. It has been discovered that control of the amount of alumina in the mixture as well as the neutral medium for milling allows control of the composition of the final material such that α and β type Si-Al-O-N phases appear. As the amount of alumina decreases, the amount of α phase Si-Al-O-N increases. Control of other starting components also produces the same effect, e.g.
Less silica, more aluminum nitride, more polytype, more yttrium all result in more α-Si-Al-O in the final product.
- Generate N. Preferably, α phase Si-Al-O-
N is in the range 10-70% by weight and β in the composition
The phase Si-Al-O-N is in the range 20-90% by weight. A glassy phase in the range 0-10% by weight is also present. The added α-Si-Al-O-N in the composition increases the hardness without appreciably affecting the flexural rupture strength of the material. Although compounds of yttrium are used as sintering aids in the manufacture of the above products, it should be recognized that similar results are obtained with oxides of scandium, cerium, lanthanum and elements of the lanthanum series. The use of yttrium as a preferred sintering aid results in intergranular components consisting primarily of glassy phases;
It may also include other phases. As for other phases,
It is a cubic phase with the formula Y 3 Al 5 O 12
YAG (yttrium aluminum garnet), which is the monoclinic phase of the formula YSiO 2 N
N-α wollastonite, YAM, which is a monoclinic phase with formula Y 4 Al 2 O 9 ; There is N-YAM, which is a clinic phase. The nature of the invention will become more apparent by reference to the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings. The present invention relates to a dual-phase ceramic product and a method for manufacturing said product, which method comprises preparing a powder mixture consisting essentially of a first component consisting of a compound containing the elements silicon, aluminum, oxygen and nitrogen. and the proportions of the elements are such that the ratio of the total number of silicon and aluminum atoms to the total number of oxygen and nitrogen atoms is in the range of 0.735 to 0.77 and said compound is combined with the second component during the subsequent sintering process. react to form a dual phase ceramic material, the first phase having the general formula Si 6-z Al z O z N 6-z
According to the formula, Z is 0.38 to 1.5, the second phase is a hexagonal phase, and has the general formula (Si, Al) 12 M x (O,
N) 16 , where M is lithium, calcium or yttrium, or any member of the lanthanum series, and X is from 0.1 to 0.2. The second component is based on the total weight of the first and second components.
Comprising 0.1-10%, the second component is further an oxide of the elements yttrium, scandium, cerium, lanthanum, and at least one of the metals of the lanthanum series. The mixture is then heated to 1600-2000°C in a protected environment with or without pressure.
sintered at a temperature of at least 10 minutes to at least 5 hours, decreasing with increasing temperature;
thereby producing a ceramic material containing at least 90% by volume of said dual phase ceramic material;
The second phase contains a portion of the second component. In the method described above, the first component compound is calculated by dividing the sum of all silicon and aluminum atoms in the compound by the sum of all oxygen and nitrogen atoms.
It is blended so that it becomes 0.735 to 0.77, preferably 0.745 to 0.76. The binary mixture is then prepared in a protected environment, preferably a non-oxidizing environment, more preferably a reducing environment, at a temperature of 1600-2000°C, at least 90% by volume.
is sintered for a sufficient time to produce a silicon aluminum oxynitride of the above formula. The required sintering time decreases with increasing temperature, with a sintering temperature of 2000°C the minimum time is only 10 minutes, while a temperature of 1600°C requires a sintering time of at least 5 hours. Ru. The compounds forming the first component of the raw mixture are conveniently silicon nitride, aluminum nitride, alumina and silica, present as inherent impurities on the silica and aluminum nitride. Alternatively, the first component may be defined by a ceramic intermediate containing silicon nitride and silicon aluminum oxynitride which does not follow the general formula Si 6-z Al z O z N 6-z . Such materials are called polytypes and are described in the aforementioned US Pat. No. 4,127,416. Example 7-17 utilizes the 21R polytype defined in the aforementioned US patent. Preferably, the ceramic intermediate silicon aluminum oxynitride has a rhombohedral structure and follows the approximate formula SiAl 6 O 2 N 6 , and the ceramic intermediate preferably nitrides a powder mixture of alumina, aluminum and silicon. formed by heating in an atmosphere to a temperature of 1200-1400°C, the heating rate being controlled to substantially prevent exotherm;
Sinter the nitriding mixture at a temperature of 1500-1900 °C. Alternatively, the intermediate is a powder mixture of alumina, aluminum nitride and silicon nitride from 1200 to
a protected environment, preferably a non-oxidizing environment, at a temperature of 200°C;
More preferably, it is formed by heating in a reducing environment. In the method described above, the relative amounts of compounds present in the mixture are adjusted so that the general formula
A dual phase ceramic is produced having a first phase according to Si 6-z Al z O z N 6-z and a second phase according to the general formula (Si, Al) 12 M x (O, N) 16 . In the above formula, Z is 0.38~
1.5, because having Z values within these limits has been found to produce a complete product with high strength even when sintering is carried out without applying pressure. . On the other hand, the Z value is 0.38
If the Z value is lower than 1.5, the material becomes difficult to sinter without applying pressure, and if the Z value is higher than 1.5, the strength of the product deteriorates. Furthermore, the relative amounts of compounds in the first component are
Adjusted to give said atomic ratio between 0.735 and 0.77. That is, it has been found that when the ratio is lower than 0.735, the mixture becomes oxygen rich and slippery. This results in the production of too much glass during sintering, which has been found not only to have an adverse effect on the high temperature strength properties of the product, but also to have an adverse effect on the low temperature strength properties. Furthermore, it has been found that glass cannot be removed by the heat treatment process detailed below. On the other hand, the atomic ratio is
It has been found that if it exceeds 0.77, there is insufficient oxygen to form the glass necessary to achieve the toughening of the product. The tolerance range of 0.1 to 10% by weight for the second component of the starting mixture is again selected on the basis that it provides a satisfactory oxygen content in the sintered product. The element selected for the second component is cerium, yttrium, scandium, lanthanum or one of the lanthanum series. That is, they have highly refractory oxides, and these oxides, together with the silica and alumina present, produce a high melting point glass, so the product can be heated at higher temperatures than would be the case with a low melting point glass. can be used. The second component is also α-Si-Al- of the first component.
Necessary for the formation of the O-N phase. Thus, by definition, α-Si-Al-O-N contains one of the yttrium or lanthanum series. Among the elements selected for the second component, yttrium is preferred. That is, the presence of ittria in the sintering mixture has been found to result in a high strength product without the application of pressure. By carrying out the method described above, a dual phase silicon aluminum oxynitride of at least 90% by volume is formed, with which it consists primarily of a glassy phase, but also possibly YAG, YAM, N-
An intergranular component is formed containing YAM and other phases such as Y-N-α-wollastonite. The presence of glass helps strengthen the product during sintering, but tends to result in a reduction in the high temperature properties of the final component. However, it has been found that the amount of glass phase in the sintered product can be reduced by subjecting the product to a final heat treatment step. In this final heat treatment step, the temperature of the product is reduced to within 200°C of the melting point of the glass (i.e.
(approximately 1400°C in the case of yttrium glass) and then cooling the product to convert at least a portion of the glass into YAG, YAM, N-YAM and Y-N-
It crystallizes into intergranular components containing other phases such as α-wollastonite. EXAMPLES The starting materials used in this invention are as listed below, but the starting materials shown in the aforementioned US Pat. No. 4,127,416, or the known conditions for the production of Si-Al-O-N materials. It may be any other known material that satisfies the requirements. Silicon (Elkem Metals) Fe < 1.0% C 0.1-0.4% typical Ca < 0.07% typical Al < 0.53% -200 mesh grain Yttrium (Molycorp, Division of Union 76) 99.99% purity -325 mesh grain aluminum (Alcan Aluminum Corporation ) 99.3% purity 16 micron average particle size alumina (Reynolds) Rc-172DBM 99,7% Al 2 O 3 0.04% Na 2 O 0.07% SiO 2 0.03% Fe 2 O 3 particle size < 1 micron alumina (Alcoa) A-16 SG 99.5% Al 2 O 3 0.05-0.09% Na 2 O 0.02-0.04% SiO 2 0.01-0.02% Fe 2 O 3 Particle size < 1 micron In Table 2, percent α-Si-Al-O
-N and β-Si-Al-O-N were based on 100% from the beginning. This is because it ignored the 10 percent glass where no other crystalline phase was present and which could not be quantified by X-ray diffraction. This percentage was changed to include 10% glass and therefore α-Si-Al
The percentages of -O-N and β-Si-Al-O-N totaled 90 percent and are shown in Table 2 (continued). Example 1 92 parts by weight of silicon nitride powder (containing about 4% by weight surface silica), 5 parts by weight aluminum nitride (containing about 6% by weight surface alumina), 5 parts by weight alumina, 7 parts by weight parts by weight of yttrium oxide in isopropanol.
0.96 milled for 96 hours using Al-O-N media
It was made to have an average particle size of microns. After drying, the powder was sieved through a 50 mesh sieve and isostatically compacted at a pressure of 30,000 psi. Pieces of raw material were cut from the isostatically compacted slag and embedded in a 50/50 weight ratio boron nitride and silicon nitride powder mixture in a graphite crucible. The crucible was placed in a graphite element low resistance furnace and heated to 500°C in vacuum, then to 1830°C under 1 atmosphere of nitrogen and held at this temperature for 40 minutes. After cooling, a 0.2 x 0.2 x 0.8 inch bar of sintered material was ground using a 600 grit abrasive wheel and, after die checking, a 0.56 inch outer span.
Broken at a point bend. The fragments were used for density and hardness measurements and phase determination by X-ray fracture. The properties of the materials are shown in Table 1. Example 2 Similar to Example 1, but sintering was carried out at 1830° C. for 60 minutes. Example 3 92 parts by weight of silicon nitride powder (containing about 4% by weight surface silica), 5 parts by weight aluminum nitride (containing about 6% by weight surface alumina), 3 parts by weight alumina, 7 parts by weight parts by weight of yttrium oxide were milled in isopropanol using alumina abrasive media for 48 hours. Attrition from such media amounted to 1.9 parts by weight, which was incorporated into the overall composition. The average particle size of the ground powder was 1.49 microns. The powder was processed as in Example 1, but sintering was carried out at 1780°C for 49 minutes and at 1830°C for 15 minutes. The properties are shown in Table 1. Example 4 92 parts by weight of silicon nitride powder (containing about 4% by weight of surface silica), 8 parts by weight of aluminum nitride (containing about 6% by weight of surface alumina), and 7 parts by weight of yttrium oxide. A composition consisting of was milled in isopropanol using high density Si-Al-O-N media for 168 hours to an average particle size of 0.63 microns. The subsequent treatment was the same as in Example 1. Example 5 Materials similar to Example 4 were tested in a static nitrogen atmosphere.
It was heat treated at a temperature of 1400°C for 5 hours. The results are shown in Table 1. Example 6 92 parts by weight of silicon nitride powder (containing approximately 4% by weight surface silica), 8 parts by weight aluminum nitride (containing approximately 6% by weight surface alumina), and 5 parts by weight yttrium oxide. using alumina abrasive media in isopropanol
Milled for 48 hours. Attrition from this media amounted to 2.0 parts by weight, which was incorporated into the overall composition. The average particle size of the ground powder is
It was 1.47 microns. It was then processed as in Example 1, but sintering was carried out at 1850°C for 60 minutes. The results are shown in Table 1. Polytype Example Example 7 86.9% by weight silicon nitride and 6.59% by weight
A powder mixture was constructed consisting of the 21R polytype and 6.54% by weight of Ittria. The powder mixture was then milled for 2 days using a Si-Al-O-N cycloid as the medium, and the average particle size obtained was
1.07 microns and 90% were smaller than 2.21 microns. This powder was then cold isostatically compacted at a pressure of 30,000 psi and the green slag was then sintered at 1830° C. for 50 minutes under the same conditions as in the previous example. The sintered material was then analyzed and its properties are shown in Table 2. Example 8 Powders were processed as described in Example 7, but the starting powder mixture consisted of 81.3% by weight silicon nitride, 12.1% by weight 21R polytype, and 6.54% by weight Ittria. It was hot. The sintered material was analyzed and its properties are shown in Table 2. Example 9 The processing of this powder was the same as that of Examples 7 and 8, but the ball milling media was an alumina cycloid. The raw powder consisted of 86.9% by weight silicon nitride, 6.54% by weight 21R polytype, and 6.54% by weight ittria. The powder is
Milled to an average particle size of 0.91 microns, 90% of which
It was smaller than 1.72 microns. The powder mixture was found to have an additional 3.55% by weight friction pick-up from the alumina cycloid. The mixture was then heated at 1780°C for 40 minutes and at 1830°C.
Sintered for 25 minutes. The sintered material was analyzed and its properties are shown in Table 2. Example 10 82.2% by weight silicon nitride and 11.2% by weight
21R polytype and 6.54% by weight of Ittria,
A powder mixture consisting of an additional 3.57% by weight alumina from alumina cycloid attrition during ball milling was processed. The average particle size was 0.93 microns, with 90% smaller than 1.77 microns. This composition is Example 9
sintered similarly to that of The sintered material was analyzed and its properties are shown in Table 2. Example 11 85% by weight silicon nitride and 8.4% by weight
21R polytype and 6.54% by weight of Ittria,
A powder mixture consisting of directly added 2.51% by weight alumina and 0.1% by weight silica was processed.
The mixture was milled to an average particle size of 1.0 micron using Si-Al-O-N media. The sintered material was analyzed and its properties are shown in Table 2. Example 12 Composition consisting of 83 parts by weight of Si 3 N 4 (containing 1.0% by weight O as a surface layer), 17 parts by weight of 21R polytype, 7 parts by weight of ittria, and 3 parts by weight of alumina is Si-Al-O- in isopropanol.
Milled for 72 hours using N media to an average particle size of 0.71 microns. After drying, the powder is sifted through a 50 mesh sieve and
Isometrically compressed at a pressure of 30000psi. Pieces of raw material were cut from the isostatically compacted slag and embedded in a 25/75 weight ratio silicon nitride and boron nitride powder mixture in a graphite crucible. The crucible was placed in a graphite element resistance heating furnace and heated to 900 °C under vacuum.
°C and then 40 °C to 1780 °C in 1 atm nitrogen.
heated for 25 minutes, then heated at 1830°C for 25 minutes,
It was then cooled to 1000°C in approximately 30 minutes. Its properties are shown in Table 2. Example 13 77 parts by weight of silicon nitride (1.09 parts by weight as surface layer)
% O), 23 parts by weight of 21R polytype, and 7
A composition consisting of parts by weight of ittria and 3 parts by weight of alumina was processed identically to Example 12. The average particle size of the ground powder was 0.84 microns. Its properties are shown in Table 2. Example 14 75 parts by weight of silicon nitride (1.09 parts by weight as surface layer)
A composition consisting of 25 parts by weight of 21R polytype, 7 parts by weight of ittria, and 3 parts by weight of alumina was processed identically to Example 12. The average particle size of the ground powder was 0.92 microns. Its properties are shown in Table 2. Example 15 75 parts by weight of silicon nitride (0.77 parts by weight as surface layer)
A composition consisting of 25 parts by weight of 21R polytype, 7 parts by weight of ittria, and 9 parts by weight of aluminum oxide was processed in the same manner as in Example 12. The average particle size of the ground powder was 0.82 microns. Its properties are shown in Table 2. Example 16 85 parts by weight of silicon nitride and 15 parts by weight of 21R
A composition consisting of Polytype, 7 parts by weight of Ittria, and 1.0 parts by weight of alumina was processed in the same manner as in Example 12. The average particle size of the ground powder was 0.95 microns. Its properties are shown in Table 2. Example 17 A composition consisting of 85 parts by weight of silicon nitride, 15 parts by weight of polytype, 7 parts by weight of ittria, and 8 parts by weight of alumina was processed in the same manner as in Example 12. The average particle size of the ground powder was 1.09 microns. Its properties are shown in Table 2. The composite materials produced in each of the above examples showed excellent metal cutting results when used as cutting inserts. Excellent results have been obtained when machining cast iron and nickel-based alloys. first 11
The test results reported in the table for the example are:
The flexural fracture stiffness of the material was reported as determined by the method described in Lucas Industries, US Pat. No. 4,127,416 and with the dimensions specified in Example 1 above. It was subsequently determined that a material's fracture toughness is a much better indicator of a material's metal cutting ability than its flexural fracture strength. In new Examples 12-17, these values are reported instead of flexural breaking strength. A Vickers diamond indentation with a load of 18 kg was used in the fracture toughness test. Fracture toughness is determined by the dimensions of the indentation and related cracks, as well as the load and
Journal of the American Ceramic Society
Using the method described in Vol 59 (1976) p.371
Calculated from Young's modulus value of 305 GPa. Examples 10, 12, 13, and 14 show that the percent α-Si-Al-O-N increases with increasing polytype. Examples 16, 17, 14, and 15 show that α-Si-Al-O-N content and hardness decrease with alumina content. The invention is further defined with respect to FIG.
No. 4,127,416 and 4,113,503 to Lucas Industries, a Si-Al-O-N phase diagram is shown. The rectangular composition area claimed by Lucas is shown schematically in the accompanying drawings. The boundaries are set at Z values of 0.38 and 1.5, where Z is β-Si-Al-O-
It is found in the formula of N Si 6-z Al z O z N 8-z .
The upper and lower boundaries are 0.735 and 0.770 cation to anion ratio (c/a). Lucas is c/
The s ratio was defined as molar silicon plus molar aluminum divided by molar oxygen plus molar nitrogen. Ittria's contribution was not included. Exceeding the upper limit c/a ratio results in too much glass, which is detrimental to the properties of the single phase β-Si-Al-O-N. Single phase β-Si-Al-O-N sintered body is
Ratios higher than 0.770 are difficult. Compositional regions overlapping with the Lucas region were defined with clear differences. Z is 0.38 and Z=
The border set to 1.5 is the same as Lucas, but
The upper and lower boundaries are two-phase ceramic, α-Si
-Al-O-N plus β-Si-Al-O-N. The c/a ratio is defined as molar silicon plus molar aluminum plus molythtrium divided by molar oxygen plus molar nitrogen. Yttrium is included in the c/a ratio, which is appropriate since yttrium is an integral part of α-Si-Al-O-N. Second, the equivalent calculated by Lucas is Y 2
Only Si, Al, O, and N are considered, excluding O3 . The composition of the present invention has an equivalent weight calculated by including itria, and as a result, the composition point is located slightly higher than the ground plane on the phase diagram. This composition point is then projected onto the ground plane, yielding effective equivalents for silicon and aluminum. Oxygen and nitrogen are unaffected. The effective equivalent weight is plotted in FIG. The table below shows the differences between Lucas for Example 9 and the method of the invention.
【表】
このようにして、組成領域が基平面上に画定さ
れているが、これはイツトリアの影響を間接的に
説明するものであり、イントリアα−Si−Al−
O−N構造に入るからそれは重要である。
0.739の一定c/a比を有する上部境界セグメ
ントは0−10%α−Si−Al−O−N間の最終組
成の有効当量組成物を表わしている。実施例17、
15はO有効当量=0.1644(Al有効当量)+0.0865の
線を画定し、この線は(0.1143、0.1053)におい
て0.739の一定c/aの線とまた(0.2084、
0.1208)においてZ=1.5の線と交差している。
c/a比0.739線セグメントと上述した交差点間
のセグメントとの組合せは、0−10%の最終α−
Si−Al−O−N含量を生じる有効当量パーセン
トを有する組成物を表わしている。下部境界線は
0.794の一定c/a比を表わしている。
European Research Office United States
Army Grant No DAERO−78−G−012のため
に、“The Role of Additives in the
Densification of Nitrogen Ceramics”(1979年
10月)において、K.H.Jackが提案したα−Si−
Al−O−N一般式はYxSi12−(m+n)Alm+n
OnN16-oであり、式中X=0−2、m=1−
4、n=0−2.5である。
相の定義
1 β1は、O<Z<4.2である、一般式Si6-zAlzOz
N8-zを有する六方晶相であり、Z=0および
Z=4β1に対するX線回折特性パターンによつ
て検出される。
2 α1は、M=Li、Ca、Yまたは他のランタン
系列である、一般式(Si、Al)12Mx(O、N)16
を有する六方晶相である。理論的最値はX=2
であり、これはCaの場合に接近されるが、Y
の場合、実際の最大値は約0.7である。X線回
折によつて検出される。
3 α−Si3N4はSi3N4の非置換同素体である。
4 N−YAMは式Y4Si2O7N2の単斜晶相であ
り、YAM−Y4Al2O9と同型構造でありかつこ
れと完全固溶体を形成する。
5 Y−N−α−珪灰石は式YSiO2Nの単斜晶相
である。
6 YAGは式Y3Al5O12の立方晶相である。Siに
よるAlのある程度の置換およびNによるOの
同時置換が起こりうる。[Table] In this way, the compositional region is defined on the ground plane, but this indirectly explains the influence of itria, and the composition region is defined on the base plane.
This is important because it enters the O-N structure. The upper boundary segment with a constant c/a ratio of 0.739 represents the effective equivalent composition of the final composition between 0-10% α-Si-Al-O-N. Example 17,
15 defines the line O effective equivalent = 0.1644 (Al effective equivalent) + 0.0865, which line is equal to the constant c/a line of 0.739 at (0.1143, 0.1053) and also (0.2084,
0.1208) intersects the line of Z=1.5.
The combination of the c/a ratio 0.739 line segment and the segment between intersections described above has a final α- of 0-10%.
represents a composition having an effective equivalent percent yielding Si-Al-O-N content. The bottom border is
It represents a constant c/a ratio of 0.794. European Research Office United States
For Army Grant No. DAERO-78-G-012, “The Role of Additives in the
Densification of Nitrogen Ceramics” (1979)
α−Si− proposed by KHJack in October)
The general formula for Al-O-N is Y x Si 12 -(m+n)Alm+n
OnN 16-o , where X=0-2, m=1-
4, n=0-2.5. Phase definition 1 β 1 is the general formula Si 6-z Al z O z with O<Z<4.2
It is a hexagonal phase with N 8-z and is detected by the X-ray diffraction characteristic pattern for Z=0 and Z=4β 1 . 2 α 1 is the general formula (Si, Al) 12 Mx (O, N) 16 where M=Li, Ca, Y or other lanthanum series
It has a hexagonal crystal phase. The theoretical maximum value is X=2
, which is approached in the case of Ca, but Y
For , the actual maximum value is about 0.7. Detected by X-ray diffraction. 3 α-Si 3 N 4 is an unsubstituted allotrope of Si 3 N 4 . 4N - YAM is a monoclinic phase with the formula Y4Si2O7N2 , which has the same structure as YAM- Y4Al2O9 and forms a perfect solid solution with it. 5 Y-N-α-wollastonite is a monoclinic phase with the formula YSiO 2 N. 6 YAG is a cubic phase with the formula Y 3 Al 5 O 12 . Some substitution of Al by Si and simultaneous substitution of O by N can occur.
【表】【table】
【表】【table】
【表】【table】
第1図は本発明で画定されたSi−Al−O−N
状態図の基平面のシリコン窒化物コーナを示す。
Figure 1 shows the Si-Al-O-N defined in the present invention.
The silicon nitride corner of the ground plane of the phase diagram is shown.
Claims (1)
素および窒素原子の総数との比が0.735−0.77の
範囲内にあるような割合で元素シリコン、アルミ
ニウム、酸素および窒素を含有する化合物からな
りかつ前記化合物は後続の焼結工程中第二の成分
と共に反応して二重相セラミツク材料を生成し、
その第一の相は一般式 Si6-zAlzOzN6-zに従い、式中zは0.38−1.5であ
り、第二の相は一般式(Si、Al)12Mx(O、N)16
に従うようにするところの第一の成分と、元素イ
ツトリウム、スカンジウム、セリウム、ランタン
およびランタン系列の金属の少なくとも1つの酸
化物の形態の10重量%以下の第二の成分とから本
質的になる粉末混合物を形成し、前記混合物を保
護環境中で圧力を加えまたは加えないで1600−
2000℃の温度で少なくとも10分−少なくとも5時
間の、温度の増大と共に減少する時間焼結し、少
なくとも90体積%の前記二重相セラミツク材料な
らびに焼結中ガラス質相であるところの前記少な
くとも1つの元素を含有する第二の相を含有する
セラミツク材料を生成するようにしたことを特徴
とするセラミツク製品を製造する方法。[Scope of Claims] 1 Compounds containing the elements silicon, aluminum, oxygen and nitrogen in proportions such that the ratio of the total number of silicon and aluminum atoms to the total number of oxygen and nitrogen atoms is in the range 0.735-0.77. and said compound reacts with a second component during a subsequent sintering step to form a dual phase ceramic material;
Its first phase follows the general formula Si 6-z Al z O z N 6-z , where z is 0.38−1.5, and the second phase follows the general formula (Si, Al) 12 M x (O, N) 16
Powder consisting essentially of a first component in accordance with the invention and not more than 10% by weight of a second component in the form of an oxide of at least one of the elements ythtrium, scandium, cerium, lanthanum and metals of the lanthanum series. forming a mixture and heating said mixture in a protected environment for 1600°C with or without pressure;
sintering at a temperature of 2000° C. for a period of at least 10 minutes to at least 5 hours, decreasing with increasing temperature, at least 90% by volume of said dual phase ceramic material and said at least one part being in a glassy phase during sintering; 1. A method for producing a ceramic product, characterized in that the method produces a ceramic material containing a second phase containing two elements.
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