JPH05163067A - 窒化珪素−炭化珪素複合焼結体の製造方法 - Google Patents
窒化珪素−炭化珪素複合焼結体の製造方法Info
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- JPH05163067A JPH05163067A JP3330814A JP33081491A JPH05163067A JP H05163067 A JPH05163067 A JP H05163067A JP 3330814 A JP3330814 A JP 3330814A JP 33081491 A JP33081491 A JP 33081491A JP H05163067 A JPH05163067 A JP H05163067A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 自動車部品や機械部品、耐摩工具等に使用さ
れる構造用セラミックス材料に関し、特にこの分野にお
いて優れた性能を発揮する窒化珪素−炭化珪素複合焼結
体の製造方法に関するものである。 【構成】 珪素、窒素および炭素を主成分とする非晶質
の複合粉末を窒素雰囲気中１４００〜１８００℃で１．
０〜１００時間加熱処理を施すことにより結晶化させ、
その後大気中４００〜１０００℃で０．５〜５０時間加
熱して酸化および／または脱炭処理を施すことにより得
られた粉末に、焼結助剤を加えて焼成する方法である。 【効果】 強度・破壊靭性ともに優れた窒化珪素系セラ
ミックスを得ることができ、高強度・高靭性が要求され
る自動車部品をはじめとする各種構造用部材への利用が
期待できる。
れる構造用セラミックス材料に関し、特にこの分野にお
いて優れた性能を発揮する窒化珪素−炭化珪素複合焼結
体の製造方法に関するものである。 【構成】 珪素、窒素および炭素を主成分とする非晶質
の複合粉末を窒素雰囲気中１４００〜１８００℃で１．
０〜１００時間加熱処理を施すことにより結晶化させ、
その後大気中４００〜１０００℃で０．５〜５０時間加
熱して酸化および／または脱炭処理を施すことにより得
られた粉末に、焼結助剤を加えて焼成する方法である。 【効果】 強度・破壊靭性ともに優れた窒化珪素系セラ
ミックスを得ることができ、高強度・高靭性が要求され
る自動車部品をはじめとする各種構造用部材への利用が
期待できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、自動車部品や機械部
品、耐摩工具等に使用される構造用セラミックス材料に
関し、特にこの分野において優れた性能を発揮する窒化
珪素系複合焼結体の製造方法に関するものである。
品、耐摩工具等に使用される構造用セラミックス材料に
関し、特にこの分野において優れた性能を発揮する窒化
珪素系複合焼結体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】窒化珪素は強度、破壊靭性、耐食性、耐
摩耗性、耐熱衝撃性、耐酸化性等においてバランスのと
れた材料であり室温、さらに高温における構造部材用エ
ンジニアリングセラミックスとして実用化が進んでい
る。しかしながら、自動車部品等のように材料に対し高
い信頼性が要求させる分野に窒化珪素セラミックスを使
用していくには破壊靭性をさらに向上させてその脆さを
克服し、かつ強度向上を図ることが必要不可欠である。
従来、多結晶体であるセラミックスは個々の結晶粒を微
細化することにより高強度化が図られてきたが、この方
法では材料の破壊靭性が低下し、より一層脆くなる。一
方、破壊靭性を向上させる技術として、たとえば特開昭
６２−２６５１７３号公報に示されるように窒化珪素マ
トリックスに炭化珪素ウイスカーを複合、分散させる方
法がある。この方法によれば、破壊の際に進展する亀裂
がウイスカーによってディフレクションしたり、ウイス
カーの引き抜きや架橋が起こることにより破壊靭性が向
上すると考えられている。しかしウイスカー複合により
破壊靭性は向上するが、逆に、添加したウイスカーのサ
イズが１〜１０μｍのオーダーである上にその凝集を機
械的に完全に取り除くことは事実上困難であり、これが
粗大粒として破壊起点となるため強度の向上が期待でき
ない。
摩耗性、耐熱衝撃性、耐酸化性等においてバランスのと
れた材料であり室温、さらに高温における構造部材用エ
ンジニアリングセラミックスとして実用化が進んでい
る。しかしながら、自動車部品等のように材料に対し高
い信頼性が要求させる分野に窒化珪素セラミックスを使
用していくには破壊靭性をさらに向上させてその脆さを
克服し、かつ強度向上を図ることが必要不可欠である。
従来、多結晶体であるセラミックスは個々の結晶粒を微
細化することにより高強度化が図られてきたが、この方
法では材料の破壊靭性が低下し、より一層脆くなる。一
方、破壊靭性を向上させる技術として、たとえば特開昭
６２−２６５１７３号公報に示されるように窒化珪素マ
トリックスに炭化珪素ウイスカーを複合、分散させる方
法がある。この方法によれば、破壊の際に進展する亀裂
がウイスカーによってディフレクションしたり、ウイス
カーの引き抜きや架橋が起こることにより破壊靭性が向
上すると考えられている。しかしウイスカー複合により
破壊靭性は向上するが、逆に、添加したウイスカーのサ
イズが１〜１０μｍのオーダーである上にその凝集を機
械的に完全に取り除くことは事実上困難であり、これが
粗大粒として破壊起点となるため強度の向上が期待でき
ない。
【０００３】このような問題点を解決するための新しい
材料組織の概念としてナノコンポジット材料がある。特
開平２−１６０６６９にあるように窒化珪素粒子の内部
に数ナノメーターから数百ナノメーターの大きさの炭化
珪素の微細粒子が分散し、粒界に平均粒径１μｍ以下の
炭化窒素が分散した構造をもつ窒化珪素−炭化珪素複合
焼結体は、窒化珪素単味に比べて高い強度と靭性を持つ
ことが知られている。このような、微細な炭化珪素が窒
化珪素の粒界のみならず粒内にも分散した構造をもつ焼
結体を得るためには、出発原料として珪素、窒素および
炭素を主成分とする非晶質の複合粉末を用いるのが有効
である。すなわち、非晶質の複合状態から焼成中にｉｎ
−ｓｉｔｕに炭化珪素を結晶化させることにより、より
微細な粒子を析出・分散させることができる。
材料組織の概念としてナノコンポジット材料がある。特
開平２−１６０６６９にあるように窒化珪素粒子の内部
に数ナノメーターから数百ナノメーターの大きさの炭化
珪素の微細粒子が分散し、粒界に平均粒径１μｍ以下の
炭化窒素が分散した構造をもつ窒化珪素−炭化珪素複合
焼結体は、窒化珪素単味に比べて高い強度と靭性を持つ
ことが知られている。このような、微細な炭化珪素が窒
化珪素の粒界のみならず粒内にも分散した構造をもつ焼
結体を得るためには、出発原料として珪素、窒素および
炭素を主成分とする非晶質の複合粉末を用いるのが有効
である。すなわち、非晶質の複合状態から焼成中にｉｎ
−ｓｉｔｕに炭化珪素を結晶化させることにより、より
微細な粒子を析出・分散させることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】すなわち、非晶質の複
合粉末中に固溶している炭素は加熱することにより珪素
と固相反応を起こし、微細な炭化珪素に結晶化する。と
ころが、一方で、非晶質の複合粉末中には製法上の限界
から固溶炭素の他に遊離炭素が不可避的に含まれてお
り、この遊離炭素は結晶化過程で例えば下式のような気
相−固相反応を起こすことがわかった。
合粉末中に固溶している炭素は加熱することにより珪素
と固相反応を起こし、微細な炭化珪素に結晶化する。と
ころが、一方で、非晶質の複合粉末中には製法上の限界
から固溶炭素の他に遊離炭素が不可避的に含まれてお
り、この遊離炭素は結晶化過程で例えば下式のような気
相−固相反応を起こすことがわかった。
【０００５】 Ｃ（固）＋Ｏ（固）→ＣＯ↑（気） …（１） ＣＯ（気）＋Ｓｉ3Ｎ4（固）→ＳｉＣ（固）＋ＮＯX↑（気） …（２） （１）は粉末中に含まれる遊離炭素と粉末表面に酸化層
として存在する酸素との反応によるＣＯガスの発生、
（２）は発生したＣＯガスの反応による炭化珪素粒子の
生成である。このような気−固反応では炭化珪素の偏析
が起こり易く数十μｍの大きさの粗大粒の凝集組織が生
成してしまい、破壊の際の欠陥となって強度を低下させ
ていた。したがって、このような粗大欠陥の大きさを如
何に小さくし、かつ生成頻度を下げるかが高強度化に向
けての課題であった。
として存在する酸素との反応によるＣＯガスの発生、
（２）は発生したＣＯガスの反応による炭化珪素粒子の
生成である。このような気−固反応では炭化珪素の偏析
が起こり易く数十μｍの大きさの粗大粒の凝集組織が生
成してしまい、破壊の際の欠陥となって強度を低下させ
ていた。したがって、このような粗大欠陥の大きさを如
何に小さくし、かつ生成頻度を下げるかが高強度化に向
けての課題であった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、この様な粗大
欠陥の生成が抑制された、強度の高い窒化珪素−炭化珪
素複合焼結体の製造方法に関し、特に遊離炭素を含む非
晶質の複合粉末の焼成前の処理方法に関する。例えば化
学気相析出法のような気相反応により合成された珪素、
窒素および炭素を主成分とする非晶質の複合粉末を、次
の２段階の熱処理を施すことにより酸素量を大幅に増加
させることなく遊離炭素のみを除去あるいは低減させ
る。第一段階：窒素雰囲気中１４００〜１８００℃で
１．０〜１００時間熱処理し、非晶質粉末を結晶化さ
せ、かつ結晶化に伴う余剰揮発成分を除去する。第２段
階：結晶化した粉末を大気中４００〜１０００℃で０．
５〜５０時間熱処理し、遊離炭素を一酸化炭素あるいは
二酸化炭素のような酸化物のガスとして除去あるいは低
減する。この様な処理を加えた粉末を助剤を加えて焼結
させることにより、強度低下の原因である炭化珪素の粗
大欠陥の生成を制御することができる。
欠陥の生成が抑制された、強度の高い窒化珪素−炭化珪
素複合焼結体の製造方法に関し、特に遊離炭素を含む非
晶質の複合粉末の焼成前の処理方法に関する。例えば化
学気相析出法のような気相反応により合成された珪素、
窒素および炭素を主成分とする非晶質の複合粉末を、次
の２段階の熱処理を施すことにより酸素量を大幅に増加
させることなく遊離炭素のみを除去あるいは低減させ
る。第一段階：窒素雰囲気中１４００〜１８００℃で
１．０〜１００時間熱処理し、非晶質粉末を結晶化さ
せ、かつ結晶化に伴う余剰揮発成分を除去する。第２段
階：結晶化した粉末を大気中４００〜１０００℃で０．
５〜５０時間熱処理し、遊離炭素を一酸化炭素あるいは
二酸化炭素のような酸化物のガスとして除去あるいは低
減する。この様な処理を加えた粉末を助剤を加えて焼結
させることにより、強度低下の原因である炭化珪素の粗
大欠陥の生成を制御することができる。
【０００７】
【作用】非晶質の粉末は化学反応に対して活性であり、
そのため逆に雰囲気に対し不安定で吸湿性が高く酸化さ
れやすい。本発明によれば、第一段階の窒素雰囲気下で
の熱処理により、酸化に対してより安定であり、かつ非
晶質粉末中に余剰に含まれていた窒素や炭素等の化合物
が揮発成分として除去された結晶化複合粉末を得ること
が出来る。熱処理温度は１４００℃未満であると粉末が
結晶化せず、また１８００℃を越えると結晶化はするが
粉末の凝集が著しくなるため、１４００〜１８００℃で
行うのがよく、特に１６００〜１７００℃で行うのがよ
り好ましい。熱処理時間についても同様の理由により
１．０〜１００時間の範囲、好ましくは５〜３０時間で
行なうのがよい。その後、第二段階として該粉末をさら
に大気中で熱処理することにより、遊離炭素を酸化し一
酸化炭素および／または二酸化炭素ガスとして除去する
ことができる。その際、結晶化処理を施されている複合
粉末は非晶質状態に比べて酸化に対してより安定となっ
ている結果、粉末自体の酸化は抑制される。大気中での
熱処理温度が４００〜１０００℃、時間が０．５〜５０
時間の範囲内では、遊離炭素の含有量を少なくとも半分
以下に低減することができる。また、結晶化粉末の表面
が適度に酸化されることにより、粉末表面の滑り性ある
いは濡れ性が改善されて分散性が向上する。４００℃よ
り低温では脱炭素反応が十分に起こらず、また１０００
℃を越えると粉末の酸化が著しくなるため好ましくな
い。以上のような二段階の熱処理を施した複合粉末を焼
成用の出発原料として供すると、遊離炭素に起因してい
た炭化窒素の異常粒成長や粗大凝集組織の生成が抑制さ
れ、その結果破壊の起源の大きさおよび分布確率が低減
されるため、より高強度な焼結体を得ることが出来る。
さらに、非晶質粉末では組成や収縮の制御が難しく緻密
な焼結体を得るためにはホットプレス焼結で強制的に緻
密化せざるを得なかった問題点が、結晶化粉末では解決
されるために常圧焼結による高強度緻密体の作製が可能
となる。
そのため逆に雰囲気に対し不安定で吸湿性が高く酸化さ
れやすい。本発明によれば、第一段階の窒素雰囲気下で
の熱処理により、酸化に対してより安定であり、かつ非
晶質粉末中に余剰に含まれていた窒素や炭素等の化合物
が揮発成分として除去された結晶化複合粉末を得ること
が出来る。熱処理温度は１４００℃未満であると粉末が
結晶化せず、また１８００℃を越えると結晶化はするが
粉末の凝集が著しくなるため、１４００〜１８００℃で
行うのがよく、特に１６００〜１７００℃で行うのがよ
り好ましい。熱処理時間についても同様の理由により
１．０〜１００時間の範囲、好ましくは５〜３０時間で
行なうのがよい。その後、第二段階として該粉末をさら
に大気中で熱処理することにより、遊離炭素を酸化し一
酸化炭素および／または二酸化炭素ガスとして除去する
ことができる。その際、結晶化処理を施されている複合
粉末は非晶質状態に比べて酸化に対してより安定となっ
ている結果、粉末自体の酸化は抑制される。大気中での
熱処理温度が４００〜１０００℃、時間が０．５〜５０
時間の範囲内では、遊離炭素の含有量を少なくとも半分
以下に低減することができる。また、結晶化粉末の表面
が適度に酸化されることにより、粉末表面の滑り性ある
いは濡れ性が改善されて分散性が向上する。４００℃よ
り低温では脱炭素反応が十分に起こらず、また１０００
℃を越えると粉末の酸化が著しくなるため好ましくな
い。以上のような二段階の熱処理を施した複合粉末を焼
成用の出発原料として供すると、遊離炭素に起因してい
た炭化窒素の異常粒成長や粗大凝集組織の生成が抑制さ
れ、その結果破壊の起源の大きさおよび分布確率が低減
されるため、より高強度な焼結体を得ることが出来る。
さらに、非晶質粉末では組成や収縮の制御が難しく緻密
な焼結体を得るためにはホットプレス焼結で強制的に緻
密化せざるを得なかった問題点が、結晶化粉末では解決
されるために常圧焼結による高強度緻密体の作製が可能
となる。
【０００８】非晶質粉末中に含まれる固溶炭素および遊
離炭素の割合は、それぞれ１０ｗｔ％以下が好ましい。
固溶炭素が１０ｗｔ％を越えると焼成の際に緻密化せ
ず、また遊離炭素が１０ｗｔ％を越えると脱炭素のため
の熱処理条件を厳しくする必要があり得られる粉末特性
に悪影響を及ぼすので好ましくない。
離炭素の割合は、それぞれ１０ｗｔ％以下が好ましい。
固溶炭素が１０ｗｔ％を越えると焼成の際に緻密化せ
ず、また遊離炭素が１０ｗｔ％を越えると脱炭素のため
の熱処理条件を厳しくする必要があり得られる粉末特性
に悪影響を及ぼすので好ましくない。
【０００９】
【実施例】珪素、窒素、炭素を主成分とし、炭素含有量
の異なるＳｉ−Ｃ−Ｎ非晶質複合粉末に、窒素中さらに
は大気中でそれぞれ熱処理を施した。該熱処理粉末に５
ｗｔ％のＹ2Ｏ3、２ｗｔ％のＡｌ2Ｏ3粉末を添加し、１
８５０℃で２時間ホットプレス焼結した。また、比較例
として熱処理を施さない非晶質粉末についても同様に焼
成した。表１に非晶質粉末中に固溶炭素および遊離炭素
の含有量、熱処理条件、および熱処理後の遊離炭素の
量、表２に得られた焼結体の曲げ強度と破壊靭性を示
す。
の異なるＳｉ−Ｃ−Ｎ非晶質複合粉末に、窒素中さらに
は大気中でそれぞれ熱処理を施した。該熱処理粉末に５
ｗｔ％のＹ2Ｏ3、２ｗｔ％のＡｌ2Ｏ3粉末を添加し、１
８５０℃で２時間ホットプレス焼結した。また、比較例
として熱処理を施さない非晶質粉末についても同様に焼
成した。表１に非晶質粉末中に固溶炭素および遊離炭素
の含有量、熱処理条件、および熱処理後の遊離炭素の
量、表２に得られた焼結体の曲げ強度と破壊靭性を示
す。
【００１０】
【表１】
【００１１】
【表２】
【００１２】
【発明の効果】本発明により、強度・破壊靭性ともに優
れた窒化珪素系セラミックスを得ることができ、高強度
・高靭性が要求される自動車部品をはじめとする各種構
造用部材への利用が期待できる。
れた窒化珪素系セラミックスを得ることができ、高強度
・高靭性が要求される自動車部品をはじめとする各種構
造用部材への利用が期待できる。
Claims (3)
- 【請求項１】 珪素、窒素および炭素を主成分とする非
晶質の複合粉末を窒素雰囲気中１４００〜１８００℃で
１．０〜１００時間加熱処理を施すことにより結晶化さ
せ、その後大気中４００〜１０００℃で０．５〜５０時
間加熱して酸化および／または脱炭処理を施すことによ
り得られた粉末に、焼結助剤を加えて焼成することを特
徴とする窒化珪素−炭化珪素複合焼結体の製造方法。 - 【請求項２】 非晶質の複合粉末に含まれる遊離炭素の
質量が、窒素および大気中の熱処理を経ることにより、
半分以下に減少することを特徴とする請求項１記載の窒
化珪素−炭化珪素複合焼結体の製造方法。 - 【請求項３】 非晶質の複合粉末に含まれる遊離炭素成
分および固溶炭素成分の割合が、それぞれ１０ｗｔ％以
下であることを特徴とする請求項１記載の窒化珪素−炭
化珪素複合焼結体の製造方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3330814A JPH05163067A (ja) | 1991-12-13 | 1991-12-13 | 窒化珪素−炭化珪素複合焼結体の製造方法 |
| DE69225304T DE69225304T2 (de) | 1991-08-13 | 1992-08-12 | Gesinterter siliciumnitridverbundkörper und seine herstellung |
| PCT/JP1992/001032 WO1993004012A1 (en) | 1991-08-13 | 1992-08-12 | Composite silicon nitride sinter and production thereof |
| EP92917816A EP0552381B1 (en) | 1991-08-13 | 1992-08-12 | Composite silicon nitride sinter and production thereof |
| US07/956,887 US5352641A (en) | 1991-08-13 | 1992-08-12 | Silicon nitride composite sintered body and process for producing same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3330814A JPH05163067A (ja) | 1991-12-13 | 1991-12-13 | 窒化珪素−炭化珪素複合焼結体の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05163067A true JPH05163067A (ja) | 1993-06-29 |
Family
ID=18236848
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3330814A Pending JPH05163067A (ja) | 1991-08-13 | 1991-12-13 | 窒化珪素−炭化珪素複合焼結体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05163067A (ja) |
-
1991
- 1991-12-13 JP JP3330814A patent/JPH05163067A/ja active Pending
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