JPH05221738A - Ceramic having oriented macrodome crystal and its production - Google Patents

Ceramic having oriented macrodome crystal and its production

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JPH05221738A
JPH05221738A JP4054169A JP5416992A JPH05221738A JP H05221738 A JPH05221738 A JP H05221738A JP 4054169 A JP4054169 A JP 4054169A JP 5416992 A JP5416992 A JP 5416992A JP H05221738 A JPH05221738 A JP H05221738A
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long
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芳基 加藤
Tsuguhisa Itou
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美佐男 岩田
Kiyoshi Sato
清 佐藤
Sunao Suzuki
直 鈴木
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Abstract

PURPOSE:To improve fracture toughness and strength by compressing and deforming a specified ceramic presintered body in one direction at a temp. where the presintered body can be plastic-deformed under pressure and expansion-deforming the body in the other direction. CONSTITUTION:Ceramics such as Si3N4, a sintering assistant, a solvent and a dispersant are mixed in a specified molar ratio to prepare argil. The argil is filled in the carbon die lined with a mold releasing agent of a hot press, cold-rolled under gaseous N2 pressure, then heated to a specified temp. and presintered to obtain a ceramic presintered body having a macrodome crystal or crystal nucleus. The presintered body is kept at high temp. and pressure, compression-deformed in the microdome crystal direction and then expansion- deformed in the orthogonal direction to form a two-dimensionally oriented secondary sintered body. The body is subjected to HIP to obtain a sintered body having >=8-9 MPam<1/2> fracture toughness and >=1200-1300 MPa strength.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、配向した(特に2次元
配向した)長軸結晶(例えば柱状ないし針状結晶又は長
軸を有する板状結晶)を有する新規なセラミック焼結体
及びその製造方法に関し、特に、かかる長軸の2次元配
向結晶を焼結過程において(in−situにて)生成
されたものに関し、苛酷な使用環境下にも耐えうる超高
靱性かつ超高強度の材料を提供するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a novel ceramic sintered body having oriented (in particular, two-dimensionally oriented) long-axis crystals (for example, columnar or acicular crystals or plate-like crystals having long axes) and its production. The present invention relates to a method, in particular, a method in which such a long-axis two-dimensional oriented crystal is formed in a sintering process (in-situ), and an ultra-high toughness and ultra-high strength material that can withstand a harsh working environment is provided. Is provided.

【0002】[0002]

【技術的背景】近年苛酷な使用環境下にも耐え得る超高
強度材料の必要性はますます増大しており、セラミック
スの靱性改善ならびに信頼性向上には大きな期待がかけ
られている。特に、セラミックスは金属に比べ高強度を
有するものが得られ、又耐熱性に優れた材料であるた
め、車載用エンジン部品及び部材として、非常に有望で
ある。
[Technical background] In recent years, the need for ultrahigh-strength materials that can withstand even harsh operating environments is increasing, and great expectations are placed on improving the toughness and reliability of ceramics. In particular, ceramics are highly promising as in-vehicle engine parts and members because they have higher strength than metals and are excellent in heat resistance.

【0003】しかし、セラミックスは金属に比べ破壊靱
性値が非常に低く、破壊が脆性的であるため、なお信頼
性に欠けるという問題は依然として完全には克服されて
いない。
However, ceramics have a very low fracture toughness value as compared with metals, and fracture is brittle, so that the problem of still lacking reliability has not been completely overcome.

【0004】即ち、セラミックスは本質的に脆性である
ということから、その靱性改善には材料中にエネルギー
散逸源としての不均質相を分散または析出させる方法、
すなわち複合化が基本的に有効であると考えられて来
た。これまでに粒子分散あるいは繊維分散による種々の
靱性向上機構が提案されており、またそれぞれの機構を
基礎的に追究することによって高強度・高靱性を実現し
得る条件を見出そうとする研究が精力的に行われてき
た。
That is, since ceramics are essentially brittle, a method of dispersing or precipitating a heterogeneous phase as an energy dissipation source in the material is used for improving the toughness thereof.
That is, it has been considered that compounding is basically effective. Various toughness improving mechanisms by particle dispersion or fiber dispersion have been proposed so far, and research is underway to find conditions under which high strength and high toughness can be achieved by fundamentally pursuing each mechanism. It has been done vigorously.

【0005】高温下での使用に耐えうる高強度材料の一
例として窒化珪素系セラミックスがあるが、窒化珪素系
セラミックスは、その優れた強度特性が注目され、構造
材料として検討が進められており、一部で実用化されて
いる。しかし窒化珪素は他のセラミック材料同様、強
度特性の信頼性に欠ける(バラツキが大きい)靱性が
低いという構造材料として大きな問題を抱えており、そ
のために実用化が今一歩拍車にかかっていないのが現状
である。
Silicon nitride-based ceramics are an example of high-strength materials that can withstand use at high temperatures. However, silicon nitride-based ceramics have been attracting attention for their excellent strength characteristics and are being studied as structural materials. It has been put to practical use in some areas. However, like other ceramic materials, silicon nitride has a major problem as a structural material that lacks reliability in strength characteristics (has large variations) and low toughness, and therefore its practical application has not been accelerated. The current situation.

【0006】[0006]

【従来の技術】川島健等の報告、「繊維制御によるSi
34セラミックスの多様化」窒化珪素セラミックス
(2)135〜146頁において、このような窒化珪素
セラミックスの欠点が挙げられ、HIP法によるその改
善の試みの結果が報告されている。即ち曲げ強度として
は、Sinter(ガス圧焼結)で680〜1079M
Pa、Sinter+HIPで953〜1230MP
a、Sinter/HIP(ガス圧焼結〜HIP連続的
処理)で1000〜1227MPa、破壊靱性値は夫々
5.3,5.2,5.7MPa・m1/2というデータが
報告されている(135〜138頁、Table)。
2. Description of the Related Art Ken Kawashima et al., "Si by fiber control
Diversification of 3 N 4 ceramics "Silicon nitride ceramics (2), pp. 135-146, the drawbacks of such silicon nitride ceramics are mentioned, and the results of attempts to improve them by the HIP method are reported. That is, as bending strength, Sinter (gas pressure sintering) is 680 to 1079M.
953-1230MP with Pa and Sinter + HIP
a, Sinter / HIP (gas pressure sintering to HIP continuous treatment) reports 1000 to 1227 MPa and fracture toughness values of 5.3, 5.2 and 5.7 MPa · m 1/2 respectively ( 135-138, Table).

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかし、曲げ強度の高
いものを求めると、KICは小さくなり、逆にKICの高い
ものを求めようとすると曲げ強度は低くなるという傾向
を示している。即ち、曲げ強度と破壊靱性とは、逆の傾
向となりその兼備は極めて困難視されている(第143
頁Fig.15〜Fig.17)。
However, when a material having a high bending strength is sought, the K IC becomes small, and conversely, when a material having a high K IC is sought, the bending strength tends to be low. That is, bending strength and fracture toughness have opposite tendencies and it is extremely difficult to combine them (No. 143).
Page Fig. 15-Fig. 17).

【0008】従って、上記双方の特性を改善するための
方法としては、「ガス圧焼結(Sinter)+HI
P」ないし「ガス圧焼結/HIP」(ガス圧焼結からH
IPまでの連続的処理)という複雑な工程を必要として
おり、その実用化上、なお大きな困難が存するものと考
えられる。この手法によっては、ある程度の改善は達成
されたが曲げ強度1074MPa、KIC6.7MPm
1/2の組合せが最高であり、一方の特性値をこれより上
げようとすると、他方が低下するので、双方の特性値の
妥協点でがまんする外なかった。
Therefore, as a method for improving both of the above characteristics, "gas pressure sintering (Sinter) + HI" is used.
P ”or“ gas pressure sintering / HIP ”(from gas pressure sintering to H
It requires a complicated process such as continuous processing up to IP, and it is considered that there are still great difficulties in its practical application. Some improvement was achieved by this method, but bending strength was 1074 MPa, K IC was 6.7MPm.
The combination of 1/2 is the highest, and if one of the characteristic values is tried to be raised above this, the other will decrease, so there was no choice but to compromise the characteristic values of both.

【0009】一方高強度化、高靱性化のための従来の方
法としては、セラミックマトリックス中への繊維の添加
分散によるいわゆる繊維強化に基づくものが主流であっ
た。この方法の場合、繊維のマトリックス中への均一分
散が困難であること、繊維とマトリックス相との間のマ
ッチングないし結合性の確保に困難があること、さらに
焼結工程中において繊維の強度劣化が生じないような繊
維及び焼結条件を注意深く選択する必要がある等の、様
々な問題点がある。
On the other hand, as a conventional method for increasing strength and toughness, a method based on so-called fiber reinforcement by adding and dispersing fibers in a ceramic matrix has been mainly used. In the case of this method, it is difficult to uniformly disperse the fibers in the matrix, it is difficult to ensure the matching or bonding between the fibers and the matrix phase, and further, the strength of the fibers is deteriorated during the sintering process. There are various problems such as careful selection of fibers and sintering conditions that do not occur.

【0010】そこで本発明は、セラミック焼結体の長軸
結晶の配向を行いうる新規な製造方法を提供することを
第1の目的とする。
Therefore, it is a first object of the present invention to provide a novel manufacturing method capable of orienting the long-axis crystals of a ceramic sintered body.

【0011】本発明は、第2に、高強度及び高靱性を兼
備した、新規なセラミック焼結体を提供すること、及び
そのための製造方法を提供することをも目的とする。
A second object of the present invention is to provide a novel ceramic sintered body having both high strength and high toughness, and to provide a manufacturing method therefor.

【0012】本発明は第3に、長軸結晶の配向及び成長
が共に制御された窒化珪素系の超高強度・超高靱性セラ
ミック焼結体を提供することを目的とする。
A third object of the present invention is to provide a silicon nitride-based ultra high strength and ultra high toughness ceramic sintered body in which both orientation and growth of long-axis crystals are controlled.

【0013】[0013]

【発明による課題の解決手段】本発明第1の目的は、長
軸の結晶ないし長軸結晶核を含むセラミック予焼結体
を、その加圧塑性変形が可能な温度範囲において、該長
軸結晶を配向させるに十分な量一つの軸方向に加圧圧縮
して圧縮軸方向に圧縮変形させると同時に圧縮軸と異っ
た方向に膨張変形させることを特徴とする配向された柱
状ないし針状結晶を有するセラミック焼結体の製造方法
によって達成される。その結果、1次元又は2次元方向
に実質的に配向された長軸結晶を含むセラミック焼結体
が得られ、高強度と高靱性を兼備するよう、当該結晶を
配向制御することが可能となる。
The first object of the present invention is to provide a ceramic pre-sintered body containing long-axis crystals or long-axis crystal nuclei in the temperature range where the plastic deformation under pressure is possible. Columnar or acicular crystals characterized by compressing and compressing in one axial direction sufficient to orient the crystals to cause compressive deformation in the compressive axial direction and at the same time expand and deform in a direction different from the compressive axis It is achieved by a method for manufacturing a ceramic sintered body having As a result, a ceramic sintered body containing a long-axis crystal substantially oriented in one-dimensional or two-dimensional direction can be obtained, and the orientation of the crystal can be controlled so as to have both high strength and high toughness. ..

【0014】請求項2以下の従属請求項に、本発明の製
造方法のさらに好ましい具体的展開が示される。
[0014] Further preferred specific developments of the manufacturing method of the present invention are shown in the dependent claims from claim 2.

【0015】即ち、前記配向工程に引続き又はそれと同
時に配向された状態で長軸結晶(ないし長軸結晶核)を
制御下に成長させる結晶成長工程をさらに含むことによ
り、強度、靱性双方にとって最適の配向状態かつ結晶長
さ(ないし結晶成長度、場合により太さの成長も加味し
たアスペクト比の調節制御)ができる(請求項2)。
That is, by further including a crystal growth step of controlling and growing a long-axis crystal (or a long-axis crystal nucleus) in an oriented state subsequent to or at the same time as the above-mentioned orientation step, optimal for both strength and toughness. It is possible to control the orientation and control the crystal length (or the crystal growth degree, and optionally the aspect ratio in consideration of the growth of the thickness) (claim 2).

【0016】前記結晶成長工程において、長軸結晶のア
スペクト比を配向状態において、アスペクト比の増加に
併い靱性の変化を示す第1の所定曲線と、同じくアスペ
クト比の増加に併い強度の変化を示す第2の所定曲線に
従って、所定アスペクト比に達するまで、制御して成長
させること(請求項3)により、予めテストにより設計
されて工業技術的に管理され、歩留りの高い均一品質の
製品が得られる(第5図参照)。
In the crystal growth step, in the oriented state of the aspect ratio of the major axis crystal, a first predetermined curve showing a change in toughness as the aspect ratio increases, and a change in strength also as the aspect ratio increase. According to the second predetermined curve showing the above, by controlling and growing until a predetermined aspect ratio is reached (claim 3), a product of uniform quality with high yield, which is designed in advance by test and industrially controlled, is obtained. Obtained (see FIG. 5).

【0017】膨張変形の量は、前記予焼結体の未焼結成
形体からの焼成収縮量に少くとも相当する量とする(請
求項4)ことが配向のために好ましい。
It is preferable for orientation that the amount of expansion deformation is at least an amount corresponding to the amount of shrinkage of the pre-sintered body from the green compact (claim 4).

【0018】前記膨張変形は、前記加圧圧縮軸と直交す
る少くとも一次元方向(好ましくは2次元方向)に行わ
れる(請求項5,6)。
The expansion and deformation are carried out in at least one-dimensional direction (preferably two-dimensional direction) orthogonal to the pressure-compression axis (claims 5 and 6).

【0019】前記予焼結体を実質的に圧縮的加圧(即ち
ホットプレス加圧やHIP等の被焼成物を強制的に圧縮
させる力)を施すことなく焼結する予焼結工程をさらに
含み、焼成収縮した状態の前記予焼結体をホットプレス
装置に遊隙をもって装填して前記長軸結晶の実質的配向
に十分な圧力下にホットプレス加圧し、配向された状態
の長軸結晶を所定アスペクト比に達するまで成長させる
に十分な時間ホットプレス加圧を継続すること(請求項
7)により、前記予焼結体を例えばホットプレス装置内
で又は別途実質的にホットプレス加圧を施すことなく予
焼結(例えばガス圧焼結、その他普通焼結等による)す
ることができると共に、配向後の長軸結晶の成長を目的
に応じてコントロールできる。予焼結をホットプレス装
置を用いて(但しHP処理を施すことなく)行えば、予
焼結体の製造(冷間プレス成形から予焼結体ないし予備
焼結までの工程)から、圧縮変形による結晶配向工程ま
でが、一つのホットプレス装置によって連続して可能で
ある。なお、ホットプレス装置に代り、圧縮変形による
結晶配向は、シート状の予焼結体を熱間加圧(例えばロ
ールによる熱間圧延)することによっても可能であり、
熱間加圧による塑性変形手段であれば、その他の手段を
用いることも可能である。ホットプレスの場合、配向後
引続き加圧下に結晶成長させることにより高密度化が達
成される利点がある。
Further, a pre-sintering step of sintering the pre-sintered body without substantially applying a compressive pressure (that is, a force for forcibly compressing the material to be fired such as hot press pressure and HIP) is further added. The pre-sintered body containing the fired and shrunk material is loaded into the hot press machine with a gap and hot pressed under a pressure sufficient to substantially orient the long axis crystal, and the long axis crystal in the oriented state. Of the pre-sintered body is continued in the hot press machine, for example, in the hot press machine or separately, by continuously applying the hot press pressurization for a sufficient time to grow the steel to reach a predetermined aspect ratio. It can be pre-sintered (for example, by gas pressure sintering, other ordinary sintering, etc.) without performing it, and the growth of the long-axis crystal after orientation can be controlled according to the purpose. If pre-sintering is performed using a hot press machine (but without HP treatment), the pre-sintered body is manufactured (from cold press forming to the pre-sintered body or pre-sintering) to compressive deformation. The crystal orientation step by can be continuously performed by one hot press machine. Note that, instead of the hot press machine, the crystal orientation by compression deformation can be performed by hot pressing a sheet-shaped pre-sintered body (for example, hot rolling with a roll),
As long as it is a plastic deformation means by hot pressing, other means can be used. In the case of hot pressing, there is an advantage that densification is achieved by crystal growth under pressure after orientation.

【0020】前記配向された長軸結晶を有するセラミッ
ク焼結体即ち2次焼結体をさらにHIP処理により所定
アスペクト比に達するまで結晶成長させる工程を含むこ
と(請求項8)によりホットプレス加圧により到達した
状態から、強度の劣化を併うことなく、さらなる長軸結
晶の成長による、強度と靱性の増大が達成される。
The method further comprises the step of further crystal-growing the ceramic sintered body having oriented long-axis crystals, that is, a secondary sintered body, by HIP processing until a predetermined aspect ratio is reached (claim 8). From the state reached by, the strength and toughness are increased by further growth of the long-axis crystal without deterioration of the strength.

【0021】前記予焼結体は、長軸結晶(ないしはその
核、無配向の状態でよい)と共にガラス相を含む状態の
ものとすることにより、配向処理の容易性がえられると
共に、できる限り十分な高強度・高靱性を兼備した予焼
結体が得られる。
By making the pre-sintered body in a state of containing a glass phase together with a long-axis crystal (or a nucleus thereof, which may be in a non-oriented state), the orientation treatment can be facilitated and, as much as possible, A pre-sintered body having sufficient high strength and high toughness can be obtained.

【0022】なお「長軸結晶」の語は柱状ないし針状の
もの(当然棒状ないし繊維状の結晶も含む)の外、長軸
を有する板状の結晶も含む。この結晶としては、予焼結
の以降の処理工程でさらに成長可能なものを少くとも含
むことが肝要であり、配向可能である限り結晶核であっ
ても差支えない。
The term "long-axis crystal" includes not only columnar or needle-like crystals (including, of course, rod-like or fibrous crystals) but also plate-like crystals having a long axis. It is essential that these crystals include at least those that can be further grown in the processing steps after pre-sintering, and may be crystal nuclei as long as they can be oriented.

【0023】前記配向した長軸結晶(特に柱状ないし針
状結晶)は、繊維ないしウィスカの添加なしでも、偏向
強化による靱性増大が達成される。しかし、本発明は、
複合化によるさらなる強化(繊維ないしウィスカ強化、
粒子分散強化等)を排除するものではない。
The oriented long-axis crystals (particularly columnar or needle-like crystals) can achieve an increase in toughness due to deflection enhancement without addition of fibers or whiskers. However, the present invention
Further strengthening by compounding (fiber or whisker reinforcement,
(For example, particle dispersion strengthening) is not excluded.

【0024】長軸結晶の一例としてとして柱状結晶た
る、窒化珪素を採用することによって、好適な焼結体が得
られる(請求項9)。結晶配向可能な長軸結晶セラミッ
ク材料としては窒化珪素の外、SbSI,SbSOI,Pb
Bi2Nb29,Bi4Ti312,(Pb,K)Nb
26,(Sr,Ba)Nb26,(Pb,Ba,La)Nb26等(以
上柱状ないし針状)、その他コーディエライト(以上長
軸平板状)等がある。
By using silicon nitride, which is a columnar crystal, as an example of the long-axis crystal, a suitable sintered body can be obtained (claim 9). As the long-axis crystal ceramic material capable of crystal orientation, in addition to silicon nitride, SbSI, SbSOI, Pb
Bi 2 Nb 2 O 9 , Bi 4 Ti 3 O 12 , (Pb, K) Nb
2 O 6 , (Sr, Ba) Nb 2 O 6 , (Pb, Ba, La) Nb 2 O 6 etc. (above columnar or needle-like), and other cordierite (above long axis tabular) etc.

【0025】なお、窒化珪素の場合、柱状晶はβ−Si
34として成長するが、出発粉末はα−Si34又は、
予焼結中にβ−Si34を生成可能な組成物(又は結晶
核)でよい。他の種類のセラミック材料についても同様
であり、長軸結晶を予焼結工程の出発粉末として用いる
ことは必ずしも必要でなく、予焼結に適した状態のもの
を選択できる。
In the case of silicon nitride, the columnar crystals are β-Si.
3 N 4 , but the starting powder is α-Si 3 N 4 or
It may be a composition (or crystal nucleus) capable of forming β-Si 3 N 4 during presintering. The same applies to other types of ceramic materials, and it is not always necessary to use the long-axis crystal as a starting powder in the presintering step, and a state suitable for presintering can be selected.

【0026】本発明の第2の目的は、熱間加圧変形によ
って配向された長軸結晶を少くとも一次元方向に実質的
に配向して含むことを特徴とするセラミック焼結体によ
って達成される。(請求項10)。
A second object of the present invention is achieved by a ceramic sintered body characterized in that it comprises long-axis crystals oriented by hot pressing deformation and substantially oriented in at least one-dimensional direction. It (Claim 10).

【0027】前記配向された柱状ないし針状結晶を、主
相として含むセラミック焼結体により、必ずしも主相と
は別種の別に当初から添加された繊維強化相に頼らなく
ても、所定の高強度・高靱性を達成できる(請求項10
〜12)。
The ceramic sintered body containing the oriented columnar or acicular crystals as the main phase does not necessarily require the fiber-reinforced phase added from the beginning, which is different from the main phase, and has a predetermined high strength. -High toughness can be achieved (claim 10)
~ 12).

【0028】前記配向された長軸結晶は、マトリックス
構成相に対する分散相として含むこともできる。
The oriented long-axis crystals may be included as a dispersed phase with respect to the matrix constituent phase.

【0029】前記配向された長軸結晶を、2次元方向に
実質的に配向して含むことにより、より高強度・高靱性
のセラミック焼結体が得られる(請求項11)。
By including the oriented long-axis crystals substantially oriented in a two-dimensional direction, a ceramic sintered body having higher strength and higher toughness can be obtained (claim 11).

【0030】前記配向された長軸結晶を窒化珪素結晶と
することにより高強度・高靱性の窒化珪素質焼結体が得
られる(請求項12)。
By using a silicon nitride crystal as the oriented long-axis crystal, a high-strength and high-toughness silicon nitride sintered body can be obtained (claim 12).

【0031】前記配向された長軸結晶のアスペクト比4
以上とすることが好ましい(請求項13)。
Aspect ratio 4 of the oriented long-axis crystals
The above is preferable (claim 13).

【0032】典型的には、本発明により、強度900M
Pa以上及び破壊靱性値4MPam1/2以上であり、実
質的に2次元配向された柱状の窒化珪素結晶を含む窒化
珪素質焼結体が得られる(請求項14)。さらに強度1
100MPa以上、破壊靱性値KIC約7MPam1/2
上のもの、最高では強度1200〜1300MPa以
上、破壊靱性値KIC8〜9MPam1/2以上というかつ
てない値の組合せにも達する(請求項15,16)。実
質的に2次元配向した長軸結晶を有し、アスペクト比を
8〜12とすることにより、超高強度かつ超高破壊靱性
値のセラミック焼結体が得られる(請求項17)。
Typically, according to the present invention, a strength of 900 M
A silicon nitride-based sintered body having a columnar silicon nitride crystal having a Pa of 2 or more and a fracture toughness value of 4 MPam 1/2 or more and being substantially two-dimensionally oriented is obtained (claim 14). Further strength 1
A combination of unprecedented values of 100 MPa or more, fracture toughness K IC of about 7 MPam 1/2 or more, maximum strength of 1200 to 1300 MPa or more, fracture toughness K IC of 8 to 9 MPam 1/2 or more (claim 15) , 16). A ceramic sintered body having an ultrahigh strength and an ultrahigh fracture toughness value can be obtained by having a two-dimensionally oriented long-axis crystal and an aspect ratio of 8 to 12 (claim 17).

【0033】換言すると、実質的に2次元配向され、さ
らに等方的にも成長制御された長軸結晶を所定アスペク
ト比で含むことによって、強度、靱性共に、当該物質か
ら理論的に予測される最高水準のものが達成される。
(請求項18)。
In other words, by including a long-axis crystal that is substantially two-dimensionally oriented and isotropically growth-controlled at a predetermined aspect ratio, both strength and toughness are theoretically predicted from the substance. The highest standards are achieved.
(Claim 18).

【0034】[0034]

【発明の詳細な開示】以下、典型的な長軸結晶を生成す
る材料として、窒化珪素を代表例として詳述する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Silicon nitride will be described below as a typical example of a material for forming a typical long-axis crystal.

【0035】破壊靱性値を向上させる要因は2つに大別
することができる。(1)主クラックと分散粒子との直
接的な相互作用(2)主クラック先端付近にプロセスゾ
ーンを形成する機構(1)としては、主クラック前縁の
湾曲や主クラック面の偏向などがあり、(2)として
は、マイクロクラッキング、応力誘起相転移、破面架橋
などがある。
Factors that improve the fracture toughness value can be roughly classified into two. (1) Direct interaction between the main crack and dispersed particles (2) Mechanism of forming a process zone near the tip of the main crack (1) includes bending of the leading edge of the main crack and deflection of the main crack surface. , (2) include microcracking, stress-induced phase transition, and fracture surface crosslinking.

【0036】焼結過程で柱状結晶を生成可能な窒化珪素
では高靱性化の機構としてクラックの偏向が大きな要因
となるものと考えられる。Faberらの計算によれ
ば、アスペクト比12の柱状結晶の分散体では破壊靱性
(の理論値)がマトリックスのそれの約4倍にもなるこ
と、しかし、測定値はそれよりも小さなものであること
が報告されている(K.T.Faber他、Acta
Metall.31,565,577(1983)、
「セラミック強化複合セラミックス」、(株)産業技術
サービスセンター(1991年)、68〜72頁参
照)。
In silicon nitride capable of forming columnar crystals in the sintering process, crack deflection is considered to be a major factor as a mechanism for increasing toughness. According to the calculation of Faber et al., The fracture toughness (theoretical value) is about four times that of the matrix in the dispersion of the columnar crystals with the aspect ratio of 12, but the measured value is smaller than that. (KT Fiber et al., Acta).
Metal. 31 , 565, 577 (1983),
"Ceramic Reinforced Composite Ceramics", Industrial Technology Service Center Co., Ltd. (1991), pp. 68-72).

【0037】しかしながら、そのような焼結体をどのよ
うにして製造するかは、知られていない。そこで本発明
では、窒化珪素の長軸(柱状ないし棒状)結晶を2次元
あるいは1次元に配向させることにより、或いはさら
に、結晶成長を制御することにより、従来以上の破壊靱
性値を得ることに成功したものである。長軸結晶の配向
の実現のため、長軸結晶を含む予焼結体(ないし1次焼
結体)を、所定高温下において一つの軸に関して圧縮変
形させると同時にこれと異った(特に直交する)軸に関
して一次元又は二次元に膨張変形(即ち熱間塑性変形)
させることにより、当該結晶を一次元又は二次元に配向
させることができることが明らかとなった。その結果、
例えば破壊靱性値が、無配向時の3MPam1/2からア
スペクト比4〜12に対応して約4MPam1/2〜約8
MPam1/2以上に達するものが得られる。
However, it is not known how to produce such a sintered body. Therefore, in the present invention, it is possible to obtain a fracture toughness value higher than the conventional one by orienting the long-axis (columnar or rod-shaped) crystal of silicon nitride in two dimensions or one dimension, or by controlling the crystal growth. It was done. In order to realize the orientation of the long-axis crystal, the pre-sintered body (or the primary sintered body) containing the long-axis crystal is compressed and deformed with respect to one axis at a predetermined high temperature, and at the same time, it is different (especially orthogonal). )) One-dimensional or two-dimensional expansion deformation (that is, hot plastic deformation)
By doing so, it became clear that the crystal can be oriented one-dimensionally or two-dimensionally. as a result,
For example, the fracture toughness value is about 4 MPam 1/2 to about 8 corresponding to the aspect ratio of 4 to 12 from 3 MPam 1/2 in the non-oriented state.
It is possible to obtain those having a pressure of at least 1 MPam 1/2 .

【0038】本発明には、次の2つのメカニズムが作用
していると考えられる。即ち、 (1)長軸結晶の配向 (2)配向した長軸結晶の成長制御
The following two mechanisms are considered to act in the present invention. That is, (1) orientation of long-axis crystals (2) growth control of oriented long-axis crystals

【0039】(1)<配向による破壊靱性値増大のメカ
ニズム> 焼結過程で長軸結晶の生成する窒化珪素の高靱化の機構
としては、クラックの偏向が最も大きな要因である。そ
のためには、長軸結晶を制御することが不可欠である。
しかも、長軸結晶の配向制御、成長制御の双方が可能で
あれば窒化珪素の示す最大の破壊靱性値を得ることが可
能であると考えられる(なお、これは、他のセラミック
材料にも同様に妥当する)。一般に配向制御、成長制御
に関して以下に示す場合に最大のクラック偏向が生じ高
い破壊靱性値を示す。好ましくは、配向制御及び成長制
御の双方を実現することによって、最大の効果が得られ
る。双方の制御は段階的な基本工程(予焼結による長軸
晶生成、その後の熱間加圧塑性変形による結晶配向)を
基礎として、さらに後続のHIPを加えることにより、
双方の特性の飛躍的な改善をもたらすことは、驚くべき
ことである。
(1) <Mechanism of Increasing Fracture Toughness Value Due to Orientation> As a mechanism of increasing the toughness of silicon nitride formed by long-axis crystals in the sintering process, crack deflection is the largest factor. For that purpose, it is essential to control the long-axis crystal.
Moreover, it is considered possible to obtain the maximum fracture toughness value indicated by silicon nitride if both orientation control and growth control of long-axis crystals are possible (this is also true for other ceramic materials). Applicable to). Generally, in the following cases regarding orientation control and growth control, the maximum crack deflection occurs and a high fracture toughness value is exhibited. Preferably, the maximum effect is obtained by realizing both the orientation control and the growth control. Both controls are based on a stepwise basic process (long-axis crystal formation by pre-sintering, and subsequent crystal orientation by hot pressure plastic deformation), and by adding a subsequent HIP,
It is surprising to bring about a dramatic improvement in the properties of both.

【0040】図3に示すように、焼結体内にクラックが
進展する場合 i)に示す3次元配向材に比べ ii)に
示す2次元配向材の方が明らかにそれと実質的に直交す
る方向に伝搬するクラックは、クラックが進展しにく
い。従って特定方向のクラックに対する高靱化には2次
元配向材の方が有利であると考えられる。
As shown in FIG. 3, when a crack propagates in the sintered body, the two-dimensional orientation material shown in ii) is clearly in a direction substantially orthogonal to that of the three-dimensional orientation material shown in i). The propagating crack is less likely to propagate. Therefore, the two-dimensionally oriented material is considered to be more advantageous for increasing the toughness against cracks in a specific direction.

【0041】(2)<長軸結晶の成長制御による破壊靱
性値増大のメカニズム> 図4に示す通り、2次元配向材のみを考えた場合でも
(i)の長軸結晶が短い場合に比べ(ii)の長軸結晶が
長い場合の方がクラックの偏向が大きく長軸結晶と交叉
する方向へのクラックが進展しにくい。又は太さに関し
ても太すぎず細すぎず最適な太さが存在するはずである
ことがわかる。従って最大のクラック偏向を示すには、
それに最適なアスペクト比が存在するはずである。本発
明はこの観点から、実験を行い、その有効性を確認した
ものである。
(2) <Mechanism of increasing fracture toughness value by controlling long-axis crystal growth> As shown in FIG. 4, even when only the two-dimensional oriented material is considered, (i) when the long-axis crystal is short ( When the long-axis crystal of ii) is long, the crack deflection is larger and the crack is less likely to propagate in the direction intersecting with the long-axis crystal. Also, regarding the thickness, it can be seen that there should be an optimum thickness that is neither too thick nor too thin. Therefore, to show maximum crack deflection,
There should be an optimal aspect ratio for it. From this viewpoint, the present invention was conducted by experiments and confirmed its effectiveness.

【0042】以上(1)と(2)の2つのメカニズムの
相乗効果により使用目的に合った強度、靱性値を有する
窒化珪素の焼結体が得られる、目的に応じて、強度、靱
性値を夫々制御した焼結体を得ることができる。
Due to the synergistic effect of the above two mechanisms (1) and (2), a sintered body of silicon nitride having a strength and toughness value suitable for the purpose of use can be obtained. The strength and toughness value can be adjusted according to the purpose. Controlled sintered bodies can be obtained respectively.

【0043】この観点に基づき焼結過程で長軸結晶を生
成する窒化珪素の破壊靱性値を向上させるのを目的と
し、長軸結晶の配向制御を行った。
Based on this viewpoint, the orientation of the long-axis crystal was controlled for the purpose of improving the fracture toughness value of silicon nitride which forms the long-axis crystal in the sintering process.

【0044】従来の焼結方法では窒化珪素の長軸結晶
は、3次元的に無配向(ランダム状態)に生成し破壊靱
性値は3〜5程度であった。そこで本発明考案では破壊
靱性値の向上を目的とし、長軸結晶をガラス相と共に含
む窒化珪素の予焼結体を加圧塑性変形可能な温度下にホ
ットプレスで一軸方向に加圧圧縮変形すると同時にこれ
を直交する他の2軸方向には膨張変形させて長軸結晶を
2次元的に配向させた(以下「HP処理」と称する)。
それにより破壊靱性値を約8MPam1/2まで向上させ
ることができた。それにともない曲げ強度も従来800
MPa程度であったものが1200MPa程度まで向上
した。
In the conventional sintering method, the long-axis crystal of silicon nitride was three-dimensionally non-oriented (random state) and the fracture toughness value was about 3-5. Therefore, in the present invention, for the purpose of improving the fracture toughness value, when a pre-sintered body of silicon nitride containing a long-axis crystal together with a glass phase is uniaxially compressed and compressed by hot pressing at a temperature at which it can be plastically deformed by pressure. At the same time, this was expanded and deformed in the other two axial directions orthogonal to each other to orient the long-axis crystals two-dimensionally (hereinafter referred to as "HP treatment").
As a result, the fracture toughness value could be improved to about 8 MPam 1/2 . As a result, the bending strength is 800
What was around MPa improved to around 1200 MPa.

【0045】本発明において、「実質的に配向」とは、
長軸結晶の所定方向への配向によって、その効果が有意
に現れる状態をいう。さらに、配向した長軸結晶として
は、窒化珪素の場合、アスペクト比4以上から12以上
に亘り、好ましくは約6.5〜12(より好ましくは8
〜12)である。
In the present invention, "substantially oriented" means
The state in which the effect is significantly exhibited by the orientation of the long-axis crystal in a predetermined direction. Further, as the oriented long-axis crystal, in the case of silicon nitride, the aspect ratio ranges from 4 or more to 12 or more, preferably about 6.5 to 12 (more preferably 8).
~ 12).

【0046】窒化珪素焼結体の場合、そのHP処理の温
度は基本的にその焼結温度範囲において行うをもって足
りる。HP処理の条件としては、温度1700〜180
0℃の範囲、圧力は100〜500kg/cm2、保持
時間は0.5〜3時間とすることが好ましい。圧力は1
00kg/cm2未満では配向に不十分であり、500
kg/cm2をこえると配向状態での結晶成長速度が却
って遅くなる傾向がある。
In the case of a silicon nitride sintered body, it is sufficient that the HP treatment temperature is basically within the sintering temperature range. The conditions for the HP treatment are a temperature of 1700 to 180.
It is preferable that the range is 0 ° C., the pressure is 100 to 500 kg / cm 2 , and the holding time is 0.5 to 3 hours. Pressure is 1
If it is less than 00 kg / cm 2 , the orientation is insufficient, and 500
If it exceeds kg / cm 2 , the crystal growth rate in the oriented state tends to be rather slow.

【0047】HP処理による配向に最適な条件は、本願
の実施例の条件下において温度約1750℃、圧力約3
30±50kg/cm2、保持時間約1〜2時間であ
る。
The optimum conditions for orientation by HP treatment are as follows: temperature of about 1750 ° C. and pressure of about 3 under the conditions of the examples of the present application.
It is 30 ± 50 kg / cm 2 and the holding time is about 1 to 2 hours.

【0048】予焼結体の焼結前の状態(冷間プレス成形
体積ないし生又は乾燥成形体)からの焼成収縮率は窒化
珪素の場合、凡そ10〜20%(体積%)である。配向
のためのHP処理の際の非圧縮軸方向への膨張変形の量
は、少くともこの焼成収縮率に相当する量とすることが
好ましい。
The firing shrinkage of the pre-sintered body from the state before sintering (cold press molding volume or green or dry compact) is about 10 to 20% (volume%) in the case of silicon nitride. The amount of expansion deformation in the non-compressed axial direction during the HP treatment for orientation is preferably at least an amount corresponding to this firing shrinkage.

【0049】予焼結は、かくて十分な高温に達するま
で、かつ、配向に十分な程度に長軸晶が生成しかつ成長
するまで行う。そのような状態に達する前にホットプレ
ス等の外部加圧により圧縮作用を施すことは好ましくな
い。
Pre-sintering is thus carried out until a sufficiently high temperature is reached and until long-axis crystals are formed and grown to an extent sufficient for orientation. It is not preferable to apply a compression action by external pressure such as hot pressing before reaching such a state.

【0050】なお、ホットプレスによる焼結法自体は知
られているが、その場合一般には焼結の開始する温度
(窒化珪素では約1500℃)からホットプレス加圧を
開始する。しかし、本発明においては、窒化珪素約17
00℃以上に達するまで十分に予焼結を行うことが自由
な長軸結晶成長のため好ましい。
Although a sintering method by hot pressing itself is known, in this case, generally, hot pressing is started from the temperature at which sintering starts (about 1500 ° C. for silicon nitride). However, in the present invention, about 17
Sufficient pre-sintering until reaching a temperature of 00 ° C. or higher is preferable for free long-axis crystal growth.

【0051】熱間加圧塑性変形による配向のためには、
長軸結晶(又はその核)が、予焼結体中に、配向可能な
状態で存在するものを用意する。そのため(1)予焼結
体の長軸結晶(又は核)のアスペクト比は1.5以上
(より好ましくは2〜3)とすることが好ましく、
(2)また塑性変形のためには、所定の流動可能な相
(一般にはガラス相ないし液相)が存在する必要があ
る。十分な配向可能性を確保するため、予焼結体は、ホ
ットプレス等の直接的な圧縮作用を被焼成物(成形体)
に施すことなく、自然の状態で焼結して結晶生成させる
ことが好ましい。
For orientation by hot pressure plastic deformation,
A long-axis crystal (or its nucleus) exists in the pre-sintered body in an orientable state. Therefore, (1) the aspect ratio of the long-axis crystal (or nucleus) of the pre-sintered body is preferably 1.5 or more (more preferably 2-3),
(2) For plastic deformation, it is necessary that a predetermined flowable phase (generally a glass phase or a liquid phase) is present. In order to secure sufficient orientation possibility, the pre-sintered body has a direct compression action such as hot pressing and is a product to be fired (molded body).
It is preferable to sinter and crystallize in a natural state without applying the above.

【0052】窒化珪素焼結体は、窒化珪素の外に、所定
の焼結助剤を含むことが好ましい。まずY23は、粒界
にガラス相次いで特定結晶相(Y2Si334)を生成
するためには、不可欠であろう。それ以上の焼結助剤と
しては、Al23、の外、La23、Nd23、CeO
2等の希土類酸化物の1種以上をY23と併用すること
が好ましい。
The silicon nitride sintered body preferably contains a predetermined sintering aid in addition to silicon nitride. First, Y 2 O 3 will be indispensable for producing a glass phase and then a specific crystal phase (Y 2 Si 3 O 3 N 4 ) at grain boundaries. The more sintering aids, Al 2 O 3, the outer, La 2 O 3, Nd 2 O 3, CeO
It is preferred to use one or more rare earth oxides such as 2 together with Y 2 O 3 .

【0053】窒化珪素:焼結助剤の比は=98:2〜9
0:10モル%の範囲とし、Y23は1モル%以上とす
ることが好ましい。焼結助剤(或いはさらに焼結時に窒
化珪素を構成する成分以外の成分)が10モル5を超え
ると、長軸晶となるべきβ−Si34の生成、成長が阻
害される傾向があるので注意を要しよう。
The ratio of silicon nitride: sintering aid = 98: 2-9
It is preferable that the range is 0:10 mol% and the content of Y 2 O 3 is 1 mol% or more. When the amount of the sintering aid (or the component other than the component that constitutes silicon nitride at the time of sintering) exceeds 10 mol 5, the production and growth of β-Si 3 N 4 that should be a long-axis crystal tend to be inhibited. There is one, so be careful.

【0054】このようなHP処理の結果、高強度・高靱
性を兼備するものとして、曲げ強さ約1100Pa以
上、かつ破壊靱性値KIC約6.7のMPam1/2の組合
せのものが得られた。図5は、後述の表1のサンプルN
o.1〜4の測定値を示す。
As a result of such HP treatment, a combination of high strength and high toughness with a bending strength of about 1100 Pa or more and a fracture toughness value KIC of about 6.7 MPam 1/2 was obtained. It was FIG. 5 shows sample N of Table 1 described later.
o. The measured values of 1 to 4 are shown.

【0055】特筆すべきことは、HP処理により、配向
と共に(ないし配向の後に)長軸晶(柱状晶)が成長
し、図5に示すような、ほぼリニアーな(ないしはわず
かに湾曲した)互いに交叉する2つの曲線によって強度
(曲げ強さ)及び破壊靱性が示されることである。アス
ペクト比をxとすると靱性yはy=2.8+0.54x
(MPam1/2)(式I)、強度y’はy’=1459−
52x(MPa)(式II)で表わされる。
It should be noted that, by the HP treatment, long-axis crystals (columnar crystals) grow together with (or after) the orientation, and as shown in FIG. 5, substantially linear (or slightly curved) crystals are formed on each other. The two curves intersect to show strength (flexural strength) and fracture toughness. The toughness y is y = 2.8 + 0.54x, where x is the aspect ratio.
(MPam 1/2 ) (Formula I), strength y ′ is y ′ = 1459−
It is represented by 52x (MPa) (formula II).

【0056】これらの式I,IIに従って、所定アスペクト
比に達するまでHP処理を行い、所望の強度及び靱性値
の焼結体を得ることができる。この事実は材料の設計、
製作上極めて、有用である。
According to these expressions I and II, HP treatment is performed until a predetermined aspect ratio is reached, and a sintered body having desired strength and toughness values can be obtained. This fact is due to the design of the material,
It is extremely useful in production.

【0057】即ち、靱性値KICはアスペクト比4〜10
に対応して約5〜約8MPam1/2の曲線を示し、強度
は、同様のアスペクト比に対して約1250〜950M
Paの値を示している。
That is, the toughness value K IC has an aspect ratio of 4 to 10
Shows a curve of about 5 to about 8 MPam 1/2 , and the strength is about 1250 to 950 M for the same aspect ratio.
The value of Pa is shown.

【0058】これはHP処理による(即ち配向成長によ
る)効果であるが、本発明によれば、この長軸結晶の制
御された配向成長(その状態及びプロセス)が、後に述
べる通り、さらなる成長制御の基礎として極めて有用で
あることが明らかとなった。
Although this is an effect of the HP treatment (that is, by the orientational growth), according to the present invention, the controlled orientational growth of the long-axis crystal (its state and process) is further controlled by growth as described later. It was found to be extremely useful as a basis for

【0059】(2)<長軸結晶の成長制御> 窒化珪素を焼結する場合、一般に焼結助剤を混合するが
その助剤の種類によりHP焼結する際長軸(柱状)結晶
の成長度にかなりの差が生じる。本発明では焼結助剤と
して、La23−Y23系、Al23−Y23系、Nd
23−Y23系、CeO2−Y23系について試験した
結果、長軸結晶の成長度に差が生じ、最も大きな長軸結
晶が生成するNd23−Y23系の窒化珪素ではHP処
理により破壊靱性値が8MPam1/2に達することが判
明した。なお、窒化珪素の焼結助剤としては、Al
23,Y23を含めての希土類酸化物の外MgO,Ca
O等の公知のものを用いることができる。
(2) <Control of Growth of Long-Axis Crystals> When silicon nitride is sintered, a sintering aid is generally mixed, but growth of long-axis (columnar) crystals occurs during HP sintering depending on the kind of the aid. There will be a considerable difference. In the present invention, as a sintering aid, La 2 O 3 —Y 2 O 3 system, Al 2 O 3 —Y 2 O 3 system, Nd are used.
As a result of testing the 2 O 3 —Y 2 O 3 system and the CeO 2 —Y 2 O 3 system, Nd 2 O 3 —Y 2 O, which produces the largest major axis crystal, has a difference in the degree of growth of the major axis crystal. It was revealed that the fracture toughness value of the 3 type silicon nitride reached 8 MPam 1/2 by the HP treatment. As a sintering aid for silicon nitride, Al
In addition to rare earth oxides including 2 O 3 and Y 2 O 3 , MgO and Ca
Known materials such as O can be used.

【0060】また予焼結体を一度HP処理した窒化珪素
(2次焼結体)に高温で高圧の等方圧をかける(HIP
処理する)ことにより長軸結晶がさらに成長し、温度、
圧力を変えることによりその成長度を制御することが可
能となるばかりでなく、HP処理の際に見られるような
アスペクト比の増大に併う強度の減少を阻止し、靱性の
みでなく逆に強度もさらに増大できることも判明した。
The pre-sintered body is subjected to HP treatment once and then isotropic pressure of high pressure is applied to silicon nitride (secondary sintered body) at high temperature (HIP
Treatment) further grows the long-axis crystal,
Not only can it be possible to control the degree of growth by changing the pressure, but it also prevents the decrease in strength that accompanies an increase in the aspect ratio as seen during HP treatment, and not only the toughness but also the strength. It was also found that can be further increased.

【0061】(2−1)長軸結晶の成長制御(焼結助
剤、焼結条件の変化による成長制御)の具体例 ホットプレス処理に際して焼結助剤、焼結条件の違いに
より以下のように長軸(柱状)結晶に差が生じた。
(2-1) Specific Example of Growth Control of Long-Axis Crystals (Sintering Aid, Growth Control by Changing Sintering Conditions) The following is performed depending on the difference between the sintering aid and the sintering conditions during hot press treatment. There was a difference in the major axis (columnar) crystals.

【0062】[0062]

【表1】 [Table 1]

【0063】以上より焼結助剤、HIP処理条件を変化
させることにより柱状結晶の成長制御(太さ及び長さ、
特にアスペクト比制御)が可能となることが判る。な
お、予焼結体を得るための予備焼結の条件もアスペクト
比に影響するが、予備焼結は、ガス圧焼結等によって達
成される適度な長軸結晶成長を含み、可及的高い焼結状
態が達成されることである。
From the above, columnar crystal growth control (thickness and length, by changing the sintering aid and HIP processing conditions)
It can be seen that especially aspect ratio control) is possible. The pre-sintering conditions for obtaining the pre-sintered body also affect the aspect ratio, but the pre-sintering includes moderate long-axis crystal growth achieved by gas pressure sintering or the like and is as high as possible. A sintered state is achieved.

【0064】なお、付言すると、予焼結体の原料に仮に
長軸(柱状)結晶の窒化珪素(β型)等を用いて成形し
焼結(ガス圧焼結等)を行った場合、密度が極めて低い
もの(従って嵩張ったもの)しか得られず、即ち十分な
焼結が進行せず、従って、密度、強度、破壊靱性値のい
ずれも、無定形(一般に丸味を帯びた粒子)に微粉化さ
れた出発粒子粉末を用いて成形、焼成したものにはるか
に及ばない。
In addition, in addition, if the raw material of the pre-sintered body is formed by using long-axis (columnar) crystal silicon nitride (β type) or the like and is sintered (gas pressure sintering, etc.), the density of Is very low (and therefore bulky), that is, sufficient sintering does not proceed, and therefore the density, strength, and fracture toughness values are all amorphous (generally rounded particles). It is far inferior to what was formed and fired using finely divided starting particle powder.

【0065】この事実は、窒化珪素については長軸結晶
(柱状或いは棒状結晶)は、上述の微粉出発粒子から焼
結工程中において(in−situにて)生成させて含
有せしめる以外に、有効な方法は現時点では見出されて
いない。
This fact is effective for silicon nitride, except that long-axis crystals (columnar or rod-shaped crystals) are produced from the above-mentioned fine powder starting particles during the sintering process (in-situ) and contained. No method has been found at this time.

【0066】予焼結体の焼結は、後段のHP処理(配向
処理)を行う同一のHP装置内で行うことが作業能率上
よいが、別の炉ないしHP装置で予焼結することも、必
要に応じ可能である。
Sintering of the pre-sintered body is preferably carried out in the same HP apparatus for performing the HP treatment (orientation treatment) in the subsequent stage for the sake of work efficiency, but it may be pre-sintered in another furnace or HP apparatus. , If necessary.

【0067】(ロ) (2−2)<HIP処理による成長制御に基づく強度−
靱性値制御> 図5に矢印をもって示す曲線A,Bは、HIP処理によ
る効果を示し、夫々アスペクト比の増大に併って変化す
る靱性値、強度値の曲線(第1,第2)を表わす。曲線
A,BはHP処理後の状態(2次焼結体)の双方の値A
1B1(表1のサンプルNo.2)を出発点とし、1〜5
hrのHIP処理を1800℃×100kg/cm2
圧力下で施した場合の、靱性、強度の値の変化を示す。
このHIP処理の温度とほぼ同様な温度以上(好ましく
は、さらに10〜50℃高温で例えば1750〜185
0℃、好ましくは圧力は100〜300気圧)で、圧力
100〜300気圧において行うことができる。
(B) (2-2) <Strength based on growth control by HIP process-
Toughness Value Control> Curves A and B shown by arrows in FIG. 5 show the effect of the HIP treatment, and respectively represent curves of toughness value and strength value (first and second) that change with the increase of the aspect ratio. .. Curves A and B are both values A in the state after HP treatment (secondary sintered body)
1B1 (Sample No. 2 in Table 1) as a starting point, 1-5
The change in toughness and strength values when HIP treatment of hr is performed under a pressure of 1800 ° C. × 100 kg / cm 2 is shown.
A temperature substantially equal to or higher than the temperature of this HIP treatment (preferably, further at a high temperature of 10 to 50 ° C., for example, 1750 to 185
It can be carried out at 0 ° C, preferably at a pressure of 100 to 300 atm, and at a pressure of 100 to 300 atm.

【0068】全く驚くべきことに、配向後のHP処理の
継続により生ずる強度の低下傾向が中断され、両曲線共
増大を示すことである。HIP処理の継続により、靱性
値KICはアスペクト比の増大と共に一様に増大して、約
9.7MPam1/2の最大値に達する。一方強度は、ア
スペクト比の7〜9の増大に併って1300MPa超に
まで増大し、アスペクト比9〜10で頂部を描いた後、
やや下降するが約1240MPaをアスペクト比11以
上でも示す。
Quite surprisingly, the tendency for the decrease in strength caused by the continuation of the HP treatment after orientation is interrupted and both curves show an increase. With continued HIP treatment, the toughness value K IC increases uniformly with increasing aspect ratio, reaching a maximum value of about 9.7 MPam 1/2 . On the other hand, the strength increased to more than 1300 MPa with the increase of the aspect ratio of 7 to 9, and after drawing the top portion with the aspect ratio of 9 to 10,
Although it is slightly lowered, an aspect ratio of 11 or more shows about 1240 MPa.

【0069】このデータの示すものは、基礎としての2
次元配向されかつ所定アスペクト比にまで成長された長
軸(柱状)結晶が、HIP処理によりさらにアスペクト
比増大の方向へ制御して成長されることにより、従来極
めて困難であった高強度と高靱性値の兼備が極めて、管
理(制御)された仕方で達成されることである。
This data shows that the 2
Long-axis (columnar) crystals that are dimensionally oriented and grown to a predetermined aspect ratio are grown by controlling the aspect ratio in the direction of increasing the aspect ratio by HIP processing. The combination of values is to be achieved in a very controlled manner.

【0070】この知見は、今後の実用化のためにも、さ
らには、単に窒化珪素のみならず長軸結晶を生ずるセラ
ミック一般のための強度−靱性増大のモデルメカニズム
としても極めて重要なものであり、ブレークスルーと言
っても過言ではない。
This finding is extremely important not only for practical use in the future but also as a model mechanism for increasing strength-toughness not only for silicon nitride but also for general ceramics that produces long-axis crystals. It is no exaggeration to say that it is a breakthrough.

【0071】[0071]

【実施例】以下に、長軸結晶の配向制御(HP処理によ
る2次元配向制御)の実施例を示す。
EXAMPLE An example of controlling the orientation of the long-axis crystal (two-dimensional orientation control by HP treatment) will be shown below.

【0072】(1)予焼結体の準備 i)原料として、下記のものを用いた。 窒化珪素:宇部興産(株) E-10 (平均粒径0.25μm) (α型) ヘルマン・シー・スタルク LC12-S(平均粒径0.77μm) 電気化学(株) SN-P21B(平均粒径0.80μm), SN-P21C(平均粒径0.69μm), SN-P21C3(平均粒径0.52μm) 焼結助剤:(A):三菱化成(株) Y23(平均粒径0.8μm) (B):日産稀元素化学(株) La23(平均粒径0.5μm), Nd23(平均粒径7.3μm), CeO2(平均粒径6.8μm) (B):住友化学(株) Al23(平均粒径0.37μm) 溶 剤 :東亜合成(株) トリクロルエチレン (トリクレンR) (固形分に対し125wt%) 分 散 剤 :味の素(株) AL−M(有機系) (固形分に対し2wt%)(1) Preparation of pre-sintered body i) The following materials were used as raw materials. Silicon nitride: Ube Industries, Ltd. E-10 (average particle size 0.25 μm) (α type) Hermann See Stark LC12-S (average particle size 0.77 μm) Electrochemical Co., Ltd. SN-P21B (average particle size) Diameter 0.80 μm), SN-P21C (average particle size 0.69 μm), SN-P21C3 (average particle size 0.52 μm) Sintering aid: (A): Mitsubishi Kasei Co., Ltd. Y 2 O 3 (average particle size) Diameter 0.8 μm) (B): Nissan Rare Element Chemical Co., Ltd. La 2 O 3 (average particle size 0.5 μm), Nd 2 O 3 (average particle size 7.3 μm), CeO 2 (average particle size 6. 8 μm) (B): Sumitomo Chemical Co., Ltd. Al 2 O 3 (average particle size 0.37 μm) Solvent: Toagosei Co., Ltd. trichloroethylene (trichlene R) (125 wt% based on solid content) Dispersant: Ajinomoto AL-M (organic) (2 wt% based on solid content)

【0073】ii)原料の調合割合 Si34:焼結助剤B:Y23=92:5:3モル% 焼結助剤Bとしては、La23、Al23、Nd23
CeO2のいずれか1種を用いた。
Ii) Mixing ratio of raw materials Si 3 N 4 : sintering aid B: Y 2 O 3 = 92: 5: 3 mol% As the sintering aid B, La 2 O 3 , Al 2 O 3 , Nd 2 O 3 ,
Any one of CeO 2 was used.

【0074】iii)坏土作成を以下の(a)〜(f)の
工程で行った。 (a)秤量 Si34+焼結助剤B+Y23 溶剤、分散剤、玉石(Si34) (b)湿式混合 16時間(ボールミル) (c)乾燥 オーブン100℃×18時間 (d)乾式粉砕 48時間(ボールミル) (e)篩分け(150μmメッシュスルー) (f)坏土
Iii) The kneaded material was prepared in the following steps (a) to (f). (A) Weighing Si 3 N 4 + sintering aid B + Y 2 O 3 solvent, dispersant, cobblestone (Si 3 N 4 ) (b) Wet mixing 16 hours (ball mill) (c) Drying oven 100 ° C × 18 hours ( d) Dry grinding 48 hours (ball mill) (e) Screening (150 μm mesh through) (f) Kneaded clay

【0075】iv)予備焼結 内面に離型剤(BN)を塗布したカーボン型を備えたホ
ットプレス装置(内径280mm)に坏土を充填し圧力
330kg/cm2にて高さ12mmに冷間圧縮成形し
た。その後9kg/cm2のN2ガス圧下で加熱して13
℃/分の昇温速度で1750℃まで昇温し、1又は2時
間保持して予備焼結を行い、予焼結体(柱状β−窒化珪
素)を得た。予焼結体は、密度2.5g/cm3(対理
論密度比70%)、柱状晶のアスペクト比は平均3(2
〜5)のものであった。
Iv) Pre-sintering A hot press device (inner diameter 280 mm) equipped with a carbon mold coated with a release agent (BN) on the inner surface was filled with kneaded clay and cold-pressed to a height of 12 mm at a pressure of 330 kg / cm 2 . It was compression molded. Then, heat under a N 2 gas pressure of 9 kg / cm 2 for 13
The temperature was raised to 1750 ° C. at a temperature rising rate of ° C./min, and pre-sintering was performed by holding the temperature for 1 or 2 hours to obtain a pre-sintered body (columnar β-silicon nitride). The presintered body has a density of 2.5 g / cm 3 (70% of theoretical density ratio), and the aspect ratio of columnar crystals is 3 (2
~ 5).

【0076】この過程を図1の(1)〜(2a)に模式
的に示し、(2a)は予焼結体がホットプレス装置内で
焼結による自然収縮の状態にある(収縮率約20%)。
This process is schematically shown in (1) to (2a) of FIG. 1. In (2a), the pre-sintered body is in a state of spontaneous shrinkage due to sintering in the hot press machine (shrinkage rate of about 20). %).

【0077】(2)長軸結晶の配向制御(HP処理によ
る2次元配向制御) 予焼結体を次いでホットプレス処理し330kg/cm
2の圧力下で所定時間(1時間又は2時間)、N2ガス圧
常圧(1kg/cm2)雰囲気中に保持して、長軸(柱
状)結晶の配向を行いかつ配向状態で結晶成長を行っ
た。図1の(3),(3a)参照。(3a)にホットプ
レスの結果(2次焼結体)を示す。なお、図2に図1の
予焼結体(2a),2次焼結体(HP処理結果物)(3
a)の状態の結晶配向の状態を模式化して示す。
(2) Orientation control of long-axis crystal (two-dimensional orientation control by HP treatment) The pre-sintered body was then hot-pressed to 330 kg / cm.
Under a pressure of 2 for a predetermined time (1 hour or 2 hours), an atmosphere of N 2 gas pressure and normal pressure (1 kg / cm 2 ) is maintained to orient the long-axis (columnar) crystal and grow the crystal in the oriented state. I went. See (3) and (3a) in FIG. The result of hot pressing (secondary sintered body) is shown in (3a). In addition, in FIG. 2, the pre-sintered body (2a), the secondary sintered body (HP processing result) of FIG. 1 (3
The state of crystal orientation in the state of a) is schematically shown.

【0078】窒化珪素予焼結体をHP処理することによ
り長軸(柱状)結晶を2次元的に配向させることが可能
となり以下のように破壊靱性及び強度が大幅に向上し
た。ここにNo.1〜4は表1に示すサンプルに対応す
るものであり、No1a〜4aは夫々No.1〜4に対
応する無配向比較例であり、ガス圧焼結によってNo.
1〜4と同様な条件で(但しホットプレスを施すことな
くNo.1〜4のHP時間も含めて)同じ時間焼結して
得たものである。
By subjecting the silicon nitride pre-sintered body to the HP treatment, the long-axis (columnar) crystals can be oriented two-dimensionally, and the fracture toughness and the strength are greatly improved as described below. No. Nos. 1 to 4 correspond to the samples shown in Table 1, and Nos. 1a to 4a are Nos. It is a non-oriented comparative example corresponding to Nos. 1 to 4, and No.
It was obtained by sintering under the same conditions as those of Nos. 1 to 4 (however, including the HP time of Nos. 1 to 4 without hot pressing) for the same time.

【0079】[0079]

【表2】 [Table 2]

【0080】なお表2の強度及び靱性値は、夫々JIS
3点曲げ法及びシングルエッジV−ノッチビーム法(S
EVNB法)によって測定したものであり、No.1〜
4の異方性焼結体の測定値は、二次元配向方向と直交す
る方向(弱い方向)については約10%低い値を示し
た。なお、No.1〜4及び比較例No.1a〜4aの
密度は夫々3.3〜3.5、2.5〜2.7g/cm3
であった。
The values of strength and toughness shown in Table 2 are based on JIS
3-point bending method and single-edge V-notch beam method (S
EVNB method), No. 1 to
The measured value of the anisotropic sintered body of No. 4 was about 10% lower in the direction (weak direction) orthogonal to the two-dimensional orientation direction. In addition, No. 1 to 4 and Comparative Example No. The densities of 1a to 4a are 3.3 to 3.5 and 2.5 to 2.7 g / cm 3, respectively.
Met.

【0081】(3)長軸(柱状)結晶の成長制御による
効果は表1及び図5に示す通りである。長軸(柱状)結
晶の長さ、太さ、アスペクト比とHP処理条件及び焼結
助剤の成分の関係を表1に示す。
(3) The effects of controlling the growth of the long-axis (columnar) crystal are as shown in Table 1 and FIG. Table 1 shows the relationship between the length, thickness, aspect ratio of the long-axis (columnar) crystal, the HP treatment conditions, and the components of the sintering aid.

【0082】(3−1)即ち、予焼結後のHP処理によ
り、アスペクト比の4から10への増大に伴って破壊靱
性値は増大するが、それにほぼ反比例する傾向にしたが
って強度が下降することが明らかとなった。しかし、こ
のアスペクト比は、本発明によって長軸結晶の成長の制
御が可能であることに留意すると、アスペクト比を好ま
しい範囲に選択することによって、高強度を維持しつつ
高い破壊靱性を達成することが可能となったことを示
す。即ち、アスペクト比6〜8において破壊靱性値約6
〜7MPam1/2、強度約1100MPa以上という優
れた組合せが達成される。本発明によれば、この上記長
軸結晶の配向制御と、アスペクト比の制御を組合せて同
時に達成することができる点に、極めて優れた利点が存
する。もちろん、高強度又は高靱性の一方を特に意図的
に得ることも可能である。
(3-1) That is, by the HP treatment after pre-sintering, the fracture toughness value increases as the aspect ratio increases from 4 to 10, but the strength decreases in accordance with a tendency that is almost inversely proportional to it. It became clear. However, noting that this aspect ratio can control the growth of long-axis crystals by the present invention, by selecting the aspect ratio in a preferable range, it is possible to achieve high fracture toughness while maintaining high strength. Indicates that is possible. That is, a fracture toughness value of about 6 at an aspect ratio of 6 to 8
An excellent combination of ˜7 MPam 1/2 and strength of about 1100 MPa or more is achieved. According to the present invention, there is an extremely advantageous advantage in that the control of the orientation of the long-axis crystal and the control of the aspect ratio can be simultaneously achieved by combining them. Of course, it is also possible to obtain one of high strength or high toughness particularly intentionally.

【0083】(3)<配向後のHIP処理> さらに、かくアスペクト比を制御された2次焼結体(H
P処理体)に対しHIP処理を施すことによって、強度
の低下を招くことなく、強度、靱性双方のさらなる増大
が、2次焼結体を基礎として達成される。また、このよ
うにしてアスペクト比を制御することによって、強度、
靱性共に最高レベルのものが確実に得られる。
(3) <HIP treatment after orientation> Further, the secondary sintered body (H
By subjecting the P-treated body) to the HIP treatment, a further increase in both strength and toughness is achieved on the basis of the secondary sintered body without causing a decrease in strength. By controlling the aspect ratio in this way, the strength,
The highest level of toughness is surely obtained.

【0084】即ち図5に示す通り、2次焼結体のサンプ
ルNo.2(アスペクト比6.8)に1800℃×1〜
5時間、N2ガス雰囲気下にて圧力100kg/cm2
おいてHIP処理を施した結果、2次焼結体の強度はB
1点から曲線Bに沿って矢印の方向にアスペクト比の増
大に併って増大しアスペクト比9〜10の付近で130
0MPaを超えるピークを示した。これはホットプレス
処理の継続によるアスペクト比の増大の場合と対照的で
ある。さらに靱性も二次焼結体のA1点から矢印の方向
へ曲線Aに沿ってアスペクト比の増大と共にさらに増大
しアスペクト比11でピーク(9.7MPam1/2)を
示した。
That is, as shown in FIG. 5, sample No. 1 to 1800 ° C for 2 (aspect ratio 6.8)
As a result of HIP treatment for 5 hours under a N 2 gas atmosphere at a pressure of 100 kg / cm 2 , the strength of the secondary sintered body was B.
It increases along with the increase of the aspect ratio in the direction of the arrow along the curve B from one point, and it increases to 130 in the vicinity of the aspect ratio of 9-10.
It showed a peak exceeding 0 MPa. This is in contrast to the case where the aspect ratio increases with continued hot pressing. Further, the toughness further increased along with the increase of the aspect ratio along the curve A from the point A 1 of the secondary sintered body in the direction of the arrow, and showed a peak at the aspect ratio of 11 (9.7 MPam 1/2 ).

【0085】即ち二次元配向状態での一定の長軸(柱
状)結晶のホットプレス下での成長に、さらにHIP処
理による等方的圧力下での結晶成長を組合せることによ
り、アスペクト比を理論的に予測される最高靱性をもた
らす値(12)近くまで増大させ、その結果、強度劣化
を併うことなくむしろ強度のさらなる増大を併って、最
高靱性値を達成した。
That is, the aspect ratio is theoretically calculated by combining the growth of a fixed long-axis (columnar) crystal under hot pressing in a two-dimensional orientation state with the crystal growth under isotropic pressure by HIP treatment. The maximum toughness value was achieved near the value (12) that results in the predicted maximum toughness, with the consequent increase in strength rather than strength deterioration.

【0086】[0086]

【発明の効果】本発明の1次元ないし2次元配向処理
(いわゆるHP処理)により、予焼結体中に含有される
長軸結晶が所定の方向に配向されかつ所定アスペクト比
に制御される。その結果、破壊靱性値又は強度のいずれ
か又は双方が容易に改善される。(請求項1,10)
By the one-dimensional or two-dimensional orientation treatment (so-called HP treatment) of the present invention, the long-axis crystals contained in the pre-sintered body are oriented in a predetermined direction and controlled to a predetermined aspect ratio. As a result, either or both the fracture toughness value and the strength are easily improved. (Claims 1 and 10)

【0087】さらに本発明の長軸結晶の成長制御(アス
ペクト比制御も可能)によって、大幅な破壊靱性値、強
度の一方の低下を招くことなく、双方の増大を図ること
が定量的に可能となった。その結果、所望の強度と破壊
靱性値を備えた長軸結晶基焼結体を得ることができる。
(請求項1)
Further, by controlling the growth of the long-axis crystal of the present invention (the aspect ratio can also be controlled), it is possible to quantitatively increase both the fracture toughness value and the strength without causing a large decrease. became. As a result, it is possible to obtain a long-axis crystal base sintered body having desired strength and fracture toughness value.
(Claim 1)

【0088】各従属請求項2〜9の特徴に従い、夫々具
体的かつ規定された仕方によって目的とする高強度、高
靱性のセラミック焼結体がえられる。特に2次焼結体
(HP処理結果物)にさらにHIPを施すことにより、
強度の低下を招くことなくアスペクト比の増大(長軸結
晶成長)を達成でき、かつてない超高靱性かつ超高強度
のセラミック焼結体がえられる。(請求項8,16〜1
8)
According to the features of the dependent claims 2 to 9, the intended high-strength, high-toughness ceramic sintered body can be obtained in a specific and defined manner. In particular, by further applying HIP to the secondary sintered body (resultant of HP treatment),
An increase in aspect ratio (long-axis crystal growth) can be achieved without causing a decrease in strength, and an unprecedented ultra-high toughness and ultra-high strength ceramic sintered body can be obtained. (Claims 8, 16 to 1
8)

【0089】本発明の具体的実施に際しては、結晶の配
向及び成長制御を組み合わせることにより、従来困難視
されていた、高強度、高靱性を兼ね備えたセラミック焼
結体が得られ、先端技術の開発のためのセラミック材料
の飛躍的発展の途を招いたものであり、今後これを基礎
にさらに各方向への発展が期待される。
In the concrete implementation of the present invention, by combining the crystal orientation and the growth control, a ceramic sintered body having both high strength and high toughness, which has been conventionally regarded as difficult, can be obtained, and the development of the advanced technology. It has led to a rapid development of ceramic materials for the industry, and further development in each direction is expected based on this.

【0090】特に窒化珪素を例として、実施例を示した
が、本発明は同様に長軸結晶を焼結過程で生成可能なセ
ラミック材料及びその複合材料にも当然適用される。
Although the embodiments have been described with silicon nitride as an example, the present invention is naturally applicable to a ceramic material and a composite material thereof capable of producing long-axis crystals in a sintering process.

【0091】実施例では、ウィスカ等の繊維の分散強化
は、行っていないが、本発明により、さらにこれらの繊
維強化を付加した複合材料にも、同様に本発明は適用で
きること、また粒子分散等の複合化による強度作用をも
さらに付加できることは論をまたない。
Although the dispersion strengthening of the fibers such as whiskers is not carried out in the examples, the present invention can be similarly applied to the composite material to which the fiber reinforcing is added according to the present invention, and the dispersion of particles and the like. There is no arguing that the strength effect due to the compounding of can be further added.

【0092】本発明では、柱状(棒状を含む)の結晶を
実施例として述べたが、長軸結晶の一態様として針状の
もの、或いは長い板状のものも当然含まれ、配向及びア
スペクト比の制御が可能である。
In the present invention, columnar (including rod-shaped) crystals have been described as examples, but needle-shaped ones or long plate-shaped ones are naturally included as one mode of long-axis crystals, and orientation and aspect ratio are included. Can be controlled.

【0093】耐熱性を具備し長軸(柱状)結晶を生成
し、成長が制御可能であるという点で窒化珪素は、本発
明を具体化するに最適の材料である。特に粉末出発粒子
が粒状(窒化珪素の場合α−Si34)又は窒化珪素を
焼結過程で生成する出発成分粒子であって、予焼結中に
長軸(柱状)結晶が生成することは、本発明において好
都合であり、同様なセラミック材料に本発明は適用でき
る。
Silicon nitride is the most suitable material for embodying the present invention in that it has heat resistance, can form long-axis (columnar) crystals, and its growth can be controlled. In particular, the powder starting particles are granular (α-Si 3 N 4 in the case of silicon nitride) or starting component particles that generate silicon nitride in the sintering process, and long-axis (columnar) crystals are generated during presintering. Are advantageous in the present invention, and the present invention is applicable to similar ceramic materials.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の製造方法の一実施例を工程を追って示
す模式断面図、
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of a manufacturing method of the present invention step by step,

【図2】図1の(2a)及び(3a)の状態における焼
結体の長軸(柱状)結晶の配向状態を示す模式図、
FIG. 2 is a schematic view showing an orientation state of long-axis (columnar) crystals of the sintered body in the states (2a) and (3a) of FIG.

【図3】クラックの進展の際の長軸(柱状)結晶による
偏向と配向の関係を示す模式図、
FIG. 3 is a schematic diagram showing the relationship between deflection and orientation due to long-axis (columnar) crystals during crack development,

【図4】配向された長軸(柱状)結晶の短長、太細に対
するクラック偏向の状態を示す模式図、
FIG. 4 is a schematic view showing a state of crack deflection with respect to a short length and a large thickness of an oriented long-axis (columnar) crystal,

【図5】アスペクト比と強度、破壊靱性値の関係をHP
処理及びHP処理+HIP処理について示すグラフ、を
夫々示す。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between aspect ratio, strength, and fracture toughness value in HP.
Graphs showing processing and HP processing + HIP processing are respectively shown.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 // C04B 35/58 102 X 8821−4G (72)発明者 大島 健司 愛知県西加茂郡三好町大字福谷字狐洞66番 地 (72)発明者 伊藤 次男 愛知県瀬戸市進陶町5番地 (72)発明者 加藤 芳基 愛知県名古屋市瑞穂区牛巻町3番18号牛巻 団地5棟701号室 (72)発明者 伊藤 承央 愛知県岡崎市久後崎町中道15−3 (72)発明者 岩田 美佐男 愛知県名古屋市天白区天白町1丁目601番 地平針西住宅2棟206号室 (72)発明者 佐藤 清 埼玉県入間郡大井町西鶴ケ岡1丁目3番1 号 東燃株式会社総合研究所内 (72)発明者 鈴木 直 埼玉県入間郡大井町西鶴ケ岡1丁目3番1 号 東燃株式会社総合研究所内 (72)発明者 礒田 武志 埼玉県入間郡大井町西鶴ケ岡1丁目3番1 号 東燃株式会社総合研究所内─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification number Reference number within the agency FI technical display location // C04B 35/58 102 X 8821-4G (72) Inventor Kenji Oshima Miyoshi-cho, Nishikamo-gun, Aichi Fukuya character fox 66 66 (72) Inventor Tsuguo Ito 5 Shintocho, Seto-shi, Aichi (72) Inventor Yoshiki Kato 3-18 Ushimaki-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi 5701 Room 72 (Inventor) Seo Ito 15-3 Nakamichi, Kurosaki-cho, Okazaki-shi, Aichi (72) Inventor Misao Iwata 1-601, Tenshiro-cho, Tenpaku-ku, Nagoya-shi, Aichi 2 Building 206, Nishidaira Nishi Nishi Room (72) Inventor Kiyoshi Sato 1-3-1 Nishitsurugaoka, Oi-cho, Iruma-gun, Saitama Prefecture Tonen Corporation Research Institute (72) Inventor Nao Suzuki 1-3-1 Nishi-tsurugaoka, Oi-cho, Iruma-gun, Saitama Prefecture Research house (72) inventor Isoda, Takeshi Saitama Prefecture Iruma-gun Oi-cho, Nishitsurugaoka 1-chome third No. 1 Tonen Co., Ltd. Research Institute in

Claims (18)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】長軸結晶ないし長軸結晶核を含むセラミッ
ク予焼結体を、その加圧塑性変形可能な温度範囲におい
て、該長軸結晶を配向させるに十分な量一つの軸方向に
加圧圧縮して圧縮軸方向に圧縮変形させると同時に圧縮
軸と異った方向に膨張変形させる結晶配向工程を含むこ
とを特徴とする実質的に配向された長軸結晶を有するセ
ラミック焼結体の製造方法。
1. A ceramic pre-sintered body containing a long-axis crystal or a long-axis crystal nucleus is applied in one axial direction in an amount sufficient to orient the long-axis crystal in a temperature range in which it can be plastically deformed under pressure. A ceramic sintered body having substantially oriented long-axis crystals, characterized by including a crystal orientation process of compressing and compressing and deforming in the direction of the compression axis and simultaneously expanding and deforming in a direction different from the compression axis. Production method.
【請求項2】前記配向工程に引続き又はそれと同時に配
向された状態で長軸結晶を制御下に成長させる結晶成長
工程をさらに含む請求項1に記載の製造方法。
2. The manufacturing method according to claim 1, further comprising a crystal growth step of controlling and growing a long-axis crystal in an oriented state subsequent to or simultaneously with the orientation step.
【請求項3】前記結晶成長工程において、長軸結晶のア
スペクト比を配向状態において、アスペクト比の増加に
併い靱性の変化を示す第1の所定曲線と、同じくアスペ
クト比の増加に併い強度の変化を示す第2の所定曲線に
従って、所定アスペクト比に達するまで、制御して成長
させる請求項2に記載の製造方法。
3. In the crystal growth step, in the oriented state of the aspect ratio of the major axis crystal, a first predetermined curve showing a change in toughness as the aspect ratio increases, and a strength also as the aspect ratio increase. 3. The manufacturing method according to claim 2, wherein the growth is controlled and controlled until a predetermined aspect ratio is reached according to a second predetermined curve indicating the change of.
【請求項4】前記膨張変形の量は、前記予焼結体の未焼
成成形体からの焼成収縮量に少くとも相当する量である
請求項1〜3の一に記載の製造方法。
4. The manufacturing method according to claim 1, wherein the amount of expansion deformation is at least an amount corresponding to the amount of shrinkage of the pre-sintered body from the unfired compact.
【請求項5】前記膨張変形は、前記加圧圧縮軸と直交す
る一次元方向に実質上行われる請求項1〜4の一に記載
の製造方法。
5. The manufacturing method according to claim 1, wherein the expansion and deformation are substantially performed in a one-dimensional direction orthogonal to the pressure and compression axis.
【請求項6】前記膨張変形は、前記加圧圧縮軸と直交す
る2次元方向に実質上行われる請求項1〜4の一に記載
の製造方法。
6. The manufacturing method according to claim 1, wherein the expansion and deformation are substantially performed in a two-dimensional direction orthogonal to the compression and compression axis.
【請求項7】前記予焼結体を実質的に圧縮的加圧を施す
ことなく焼結する予焼結工程をさらに含み、焼成収縮し
た状態の前記予焼結体をホットプレス装置に遊隙をもっ
て装填して前記長軸結晶の実質的配向に十分な圧力下に
ホットプレス加圧し、配向された状態の長軸結晶を所定
アスペクト比に達するまで成長させるに十分な時間ホッ
トプレス加圧を継続することを特徴とする請求項1〜6
の一に記載の製造方法。
7. A pre-sintering step of sintering the pre-sintered body without substantially applying a compressive pressure, wherein the pre-sintered body in a state of being fired and contracted is allowed to enter a hot press machine. And press hot pressing under a pressure sufficient for the substantial orientation of the long-axis crystals, and continue hot-pressing for a sufficient time to grow the oriented long-axis crystals until a predetermined aspect ratio is reached. 7. The method according to claim 1, wherein
The manufacturing method according to 1.
【請求項8】前記配向された長軸結晶を有するセラミッ
ク焼結体即ち2次焼結体をさらにHIP処理により所定
アスペクト比に達するまで結晶成長させる工程を含む請
求項1〜7の一に記載の製造方法。
8. The method according to claim 1, further comprising the step of crystal-growing the ceramic sintered body having oriented long-axis crystals, that is, a secondary sintered body, by a HIP process until a predetermined aspect ratio is reached. Manufacturing method.
【請求項9】前記長軸結晶は柱状ないし針状結晶又は長
軸を有する板状結晶である請求項1〜8の一に記載の製
造方法。
9. The method according to claim 1, wherein the long-axis crystal is a columnar or needle-like crystal or a plate-like crystal having a long axis.
【請求項10】熱間加圧変形によって配向された長軸結
晶を少くとも一次元方向に実質的に配向して含むことを
特徴とするセラミック焼結体。
10. A ceramic sintered body comprising long-axis crystals oriented by hot pressure deformation substantially oriented in at least one-dimensional direction.
【請求項11】前記配向された長軸結晶を、2次元方向
に実質的に配向して含む請求項10に記載のセラミック
焼結体。
11. The ceramic sintered body according to claim 10, wherein the oriented long-axis crystals are substantially oriented in a two-dimensional direction.
【請求項12】前記配向された長軸結晶が柱状窒化珪素
結晶である請求項10又は11に記載のセラミック焼結
体。
12. The ceramic sintered body according to claim 10, wherein the oriented long-axis crystals are columnar silicon nitride crystals.
【請求項13】前記配向された長軸結晶がアスペクト比
4以上である請求項10〜12の一に記載のセラミック
焼結体。
13. The ceramic sintered body according to claim 10, wherein the oriented long-axis crystals have an aspect ratio of 4 or more.
【請求項14】強度900MPa以上及び破壊靱性値4
MPam1/2以上であり、実質的に2次元配向された柱
状の窒化珪素結晶を含む請求項12又は13に記載のセ
ラミック焼結体。
14. A strength of 900 MPa or more and a fracture toughness value of 4.
The ceramic sintered body according to claim 12 or 13, which has a pillar-shaped silicon nitride crystal having a MPam 1/2 or more and being substantially two-dimensionally oriented.
【請求項15】強度1100MPa以上、破壊靱性値K
IC約7MPam1/2以上である請求項12〜14の一に
記載のセラミック焼結体。
15. A fracture toughness value K with a strength of 1100 MPa or more.
The ceramic sintered body according to claim 12, which has an IC of about 7 MPam 1/2 or more.
【請求項16】強度1200MPa以上、破壊靱性値8
MPam1/2以上である請求項12〜15の一に記載の
セラミック焼結体。
16. A strength of 1200 MPa or more and a fracture toughness value of 8.
The ceramic sintered body according to any one of claims 12 to 15, which has a MPam 1/2 or more.
【請求項17】実質的に2次元配向された長軸結晶を含
み、アスペクト比が8〜12である長軸結晶を含むこと
を特徴とする請求項10〜16の一に記載のセラミック
焼結体。
17. The ceramic sintered product according to claim 10, comprising a long-axis crystal having a substantially two-dimensionally oriented long-axis crystal having an aspect ratio of 8-12. body.
【請求項18】実質的に2次元配向されかつさらに等方
的にも成長制御された長軸結晶を含むことを特徴とする
請求項10〜17の一に記載のセラミック焼結体。
18. The ceramic sintered body according to claim 10, which comprises a long-axis crystal that is substantially two-dimensionally oriented and isotropically growth-controlled.
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JP2008162875A (en) * 2007-01-04 2008-07-17 National Institute Of Advanced Industrial & Technology High strength titanium silicon carbide-based composite material and its manufacturing process
JP2010241616A (en) * 2009-04-01 2010-10-28 Toshiba Corp Impact resistant member and method for manufacturing the same

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