JPH0535697B2 - - Google Patents
Info
- Publication number
- JPH0535697B2 JPH0535697B2 JP62156633A JP15663387A JPH0535697B2 JP H0535697 B2 JPH0535697 B2 JP H0535697B2 JP 62156633 A JP62156633 A JP 62156633A JP 15663387 A JP15663387 A JP 15663387A JP H0535697 B2 JPH0535697 B2 JP H0535697B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sialon
- weight
- sintered body
- toughness
- oxynitride
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 21
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 17
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 10
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 10
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 6
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000011208 reinforced composite material Substances 0.000 claims description 4
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 16
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 7
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- RKTYLMNFRDHKIL-UHFFFAOYSA-N copper;5,10,15,20-tetraphenylporphyrin-22,24-diide Chemical compound [Cu+2].C1=CC(C(=C2C=CC([N-]2)=C(C=2C=CC=CC=2)C=2C=CC(N=2)=C(C=2C=CC=CC=2)C2=CC=C3[N-]2)C=2C=CC=CC=2)=NC1=C3C1=CC=CC=C1 RKTYLMNFRDHKIL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 3
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 208000010392 Bone Fractures Diseases 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 206010017076 Fracture Diseases 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- -1 etc. Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000007496 glass forming Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004283 SiO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 208000013201 Stress fracture Diseases 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013329 compounding Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 229910000816 inconels 718 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000001272 pressureless sintering Methods 0.000 description 1
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 239000012779 reinforcing material Substances 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Description
（産業上の利用分野）
本発明は炭化珪素ウイスカーを用いて強化した
窒化珪素系複合材料に関し、特に高ニツケル、鋳
鉄、銅、アルミニウム、チタン等の難切削材料に
ついても高速切削をなし得る切削工具材料又はセ
ラミツクバルブ等の自動車エンジン部材及びその
他の耐摩耗性、耐食性、耐熱性部材等に広く有用
な複合材料に関するものである。 （従来の技術） 窒化珪素を主成分とする窒化珪素（Si3N4）系
セラミツクスは、強度、耐酸化性、耐摩耗性、耐
熱衝撃性、耐食性等の特性に優れているので、エ
ンジン部品等の構造材料や切削工具材料として実
用化が始まつている。 しかしこのような優れた特徴を持つているにも
かかわらず、金属と比較すると品質安定性が均質
性に乏しく、信頼性の向上や高特性という視点か
ら、窒化珪素セラミツクスに於いても一層の高靭
性化が望まれている。その為特公昭58−51911、
特公昭60−35316、特公報60−55469、特開昭59−
102862、特開昭60−200863、特開昭60−246268、
特開昭61−291463等のように炭化珪素（SiC）ウ
イスカーを強化材として用い、複合化する試みが
行われているが、いまだ十分に実用化し得るまで
には至つておらず、なお一層の高靭性化が期待さ
れている。 又、さらにSiCウイスカーの異方性によて、難
焼結性を示す窒化珪素系複合材料は、加圧焼結が
可能でも常圧焼結およびガス圧焼結（100気圧以
下）によつては得ることが出来なかつた。 （発明が解決しようとする問題点） 本発明は上記の如き実情に鑑み、炭化珪素系セ
ラミツクスの中でも特に耐酸化性や金属との反応
性に於いて安定なサイアロン基セラミツク焼結体
にSiCウイスカーとZr酸化物およびまたはZr酸窒
化物を複合化させることによつて、従来得ること
が出来なかつた靭性と信頼性に優れた特性を有
し、又常圧焼結およびガス圧焼結が可能な炭化珪
素ウイスカー強化複合材料を目的とするものであ
る。 （問題点を解決するための手段） 本発明は上記の目的を達成するために種々検討
の結果なされたもので、Zr酸化物およびまたは
Zr酸窒化物が靭性を改善しまた常圧焼結および
ガス圧焼結を可能にし得るという知見と、サイア
ロン基セラミツクとしてある特定の組成式のもの
が好ましいこと、及び焼結助剤等の構成するガラ
ス相に関する知見から生み出されたものである。 本発明の概要を述べれば以下のとおりである。 SiCウイスカー５〜45重量％、Zr酸化物および
またはZr酸窒化物をZr換算にて３〜20重量％、
残部サイアロン基セラミツクを主成分とするもの
からなり、前記サイアロン基セラミツクは組成式
Si6-zAlzOzN8-z（但し０＜ｚ≦１）で表わされる
β−サイアロンもしくは該β−サイアロンと組成
式MX（Si，Al）12（Ｏ，Ｎ）16（但しＭはLi，Ca，
Mg，Ｙおよび稀土類元素から選ばれた単独また
は混合物からなり、０＜ｘ≦２）で表わされるα
−サイアロン（結晶構造的にはα−Si3N4のSi位
置にAlを、Ｎ位置に０が置換され固溶されると
同時に格子間に他の元素が浸入固溶されている。
この浸入固溶元素としてLi，Na，Ca，Mg，Ｙ
及び稀土類元素が挙げられる。）から成るα，β
複合サイアロンで構成される。又、このサイアロ
ン基セラミツクには１〜25重量％のZr，Si，Al，
Ｏ，Ｎと不可避不純物又はそれにＹ，Mg，Ca及
び希土類金属の１種以上から成るガラス相を含ん
でいる。 本発明で用いられるSiCウイスカーはそれ自体
常温から高温まで硬度や強度が高く、焼結後もウ
イスカーの形状のまま残存し、組織内で分散して
いることによつてセラミツクスの高温強度を向上
し、破壊靭性を大きくし、かつ硬くするものであ
る。 ここに用いられるSiCウイスカーとしては平均
直径0.2〜5μm、平均長さ５〜100μm、アスペク
ト比５〜500のもので、Al，Ca，Mg，Ni，Fe，
Mn，Co，Cr等のカチオン不純物や、SiO2含有量
が1.0重量％以下のくびれや枝分れ及び面欠陥等
が少ないひげ状結晶を用いることが高靭性の緻密
体を得る上で好ましい。 このSiCウイスカーを５〜45重量％とする理由
は、５重量％より少ない場合にはセラミツク材料
における靭性の向上が不十分で、逆に45重量％を
超える場合はウイスカーの異方性によつて均一分
散性や焼結性が低下するので上記５〜45重量％を
好ましい範囲とし、更に好ましくは10〜30重量
％、最も好ましくは15〜25重量％の範囲とするも
のでる。 Zr酸化物およびまたはZr酸窒化物の作用は常
圧焼結及びガス圧焼結を可能とする一方、焼結時
に一旦ガラス相に固溶したZrがガラス相とSiCウ
イスカーの界面に於て両者の濡れ性を改善し、両
者のより強固な結合を可能にすることによつて、
SiCウイスカーの持つ本来の特性が十分に発揮で
きるように作用して靭性を向上することにある。 ここでZr酸化物やZr酸窒化物は特に限定され
ないが、例えばZrO2（単斜晶、正方晶、立方晶又
はそれらの共存体）やASTMカードNo.20−684の
ZrOにＸ線回折の結果がかなりよく一致するよう
なZr酸化物またはZr酸窒化物が適用される。 またガラス相に固溶したZrは焼結後に一部が
ガラス相中に残るものの、大半はその時の配合組
成によつてとり得る結晶相で、ガラス相より再析
出し、前記のZr酸化物およびまたはZr酸窒化物
として焼結体中に存在する。 従つて例えば焼結体中にZrO2として存在する
場合でも、配合組成によつて単斜晶、正方晶、立
方晶又はそれらの共存体として存在することが可
能であり、又その結晶系に違いがあつてもすべて
焼結時におけるZrの作用効果が同じであるので、
同様に高強度、高靭性の焼結体となり得る。 Zr酸化物およびまたはZr酸窒化物をZr換算で
３〜20重量％とする理由は、３重量％未満では靭
性の改善効果が十分でなく、又20重量％を越える
と焼結体の硬度や熱伝導率や靭性や耐酸化性が低
下し好ましくないからである。 サイアロン基セラミツクはSi3N4，Al2O3及び
AlNのセラミツクスの固溶体であるが、本発明
では組成式Si6-zAlzOzN8-z（但し０＜ｚ≦１）で
表わされるβ−サイアロンと、その格子中に金属
が固溶した組成式MX（Si，Al）12（Ｏ，Ｎ）16（但し
０＜Ｘ≦２）で表わされるα−サイアロンとによ
つて構成される。 一般に前者のβサイアロンは靭性は高いが硬度
は低く、後者のαサイアロンは比較的靭性は低い
が硬度は高い特徴がある。 本発明では前者のβ−サイアロンを主体とする
かまたは、かゝるβ−サイアロンと後者のα−サ
イアロンとを複合させたものであり、α−サイア
ロンとβ−サイアロンとを複合する場合の比率は
特に限定するものではないが、高硬度高靭性材料
を必要とするときはα−サイアロンの比率は全サ
イアロン量に対して10〜30％の範囲が望ましい。 本発明で特定されたβ−サイアロンの組成式の
Ｚ値を０＜Ｚ≦１とする理由は、ｚ＞１の場合に
機械的強度や靭性が低下するため、各種の高温構
造部材や切削工具材料として必要な機械的特性を
満足することができなくなるためである。 又、α−サイアロンの組成式のｘ値を０＜ｘ≦
２とする理由は、これが通常得られるα−サイア
ロンであるためである。 次に前記サイアロン基セラミツクに含まれる１
〜25重量％のZr，Si，Al，Ｏ，Ｎと不可避不純
物又はそれにＹ，Mg，Ca及び希土類金属の１種
以上を含むガラス相は、これが１重量％より少な
い場合はサイアロンの焼結が十分達成できないた
め、所望の密度の焼結体を得ることができず、
又、25重量％より多い場合は、靭性や高温強度の
劣化を来すため、高温材料や切削工具材料等には
好ましくないからである。 又、本発明の焼結体は出発原料として用いる
Si3N4粉末の純度や配合組成の比率によつて、
Si2N2O，Si2ON2，Y2O3・Si3N4，3Y2O3・
5Al2O3，10Y2O3・9SiO2・Si3N4，4Y2O3・
SiO2・Si3N4，YSiO2N，Mg2SiO4，MgSiN2等
の化合物が微量に生成し、焼結体中に存在する場
合があるが、特に特性に悪い影響を及ぼさない範
囲で存在してもさしつかえない。なお又、上記の
ようなガラス生成化合物の添加は、特に常圧焼結
法やガス圧焼結法を採用する際に有効である。 〔実施例〕 以下本発明の実施例について説明する。 実施例１： α率90％で平均粒径0.6μmのSi3N4粉末に平均
粒径1μmのα−Al2O3粉末とSiCウイスカー
（ARCOケミカル社製SC−９）及び平均粒径
0.3μmの単斜晶ZrO2を第１表に示すような割合に
配合し、エタノール中で４時間均一に分散混合し
た後、乾燥し、造粒して素地粉末を得た。 次にこの素地粉末を黒鉛型中で表中に示すよう
な焼結温度で各60分間200Kg／cm2の圧力でホツト
プレスし緻密に焼結した焼結体を得た。 得られた焼結体は４×３×40mmの寸法に研摩加
工した後、JIS−R1601により抗折強度、又荷重
30Kgでビツカース硬度及びインデンテイシヨンマ
イクロフラクチヤー法により破壊靭性値を測定し
た。焼結体組成のうちZrO2とSiCウイスカーはＸ
線回折や化学分折やカーボン定量を行うことによ
り、殆んど配合組成のままであることを確認し
た。 又β−サイアロンのＺ値はＸ線回折によりβ−
サイアロンの格子定数から求めた。得られた結果
は第１表に示すとおりである。 なお、同表には得られた焼結体をSNGN432の
チツプ形状に研摩加工して切削性能を評価した結
果を併記した。 切削テストは下記条件に於いて行い、被削材ブ
ロツクの200×50mmの面を長手方向にフライス切
削し、刃先が欠損するまでの衝撃回数を測定結果
10点の平均値で求めた。 切削条件 被削材 インコネル718 切削速度 200m／min 送 り 0.2mm／tooth 切り込み 1.5mm これらの結果から本発明範囲内でSiCウイスカ
ーとZrO2を含有させた０＜ｚ≦１のβ−サイア
ロン基複合焼結体は靭性に優れており、又それを
用いて作つた切削工具の耐欠損性は大きく改善さ
れることが判つた。 実施例２： 平均粒径0.5μmのAlN及び平均粒径2μm以下の
Y2O3，MgO，CaO，Dy2O3，CeO2をZr，Si，
Al，Ｏ，Ｎと不可避不純物以外のガラス生成化
合物として加える以外は実施例１と同様にして第
２表に示す様な割合に配合した素地粉末を得た
後、1750℃、200Kg／cm2の条件で各60分間ホツト
プレスして緻密な焼結体を得た。得られた焼結体
は実施例１と同様にして評価した。 得られた結果は第２表に示すとおりである。 この結果からZr，Si，Al，Ｏ，Ｎと不可避不
純物及び添加したＹ，Mg，Ca及び希土類の１種
以上で構成されるガラス相を１〜25重量％含むβ
−サイアロン基複合焼結体は優れた強度と靭性を
有した焼結体であることが判つた。 又特にこれを用いた切削工具は耐欠損性に優
れ、工具寿命と信頼性の向上が大巾に改善できる
ことが判つた。 一方サイアロン生成化合物としてAl化合物を
含まない窒化珪素セラミツク焼結体は、サイアロ
ン基セラミツク焼結体に比べ切削性能が劣ること
が判つた。 実施例３： 実施例１及び実施例２と同様にして第３表に示
すような割合で配合した素地粉末を焼結した後、
Ｘ線回折により焼結体組成の同定を行つた。 その結果を第３表に示してある。この結果から
添加したZrO2は配合組成によつてZrO2やZrOま
たはZrの酸窒化物と思われるZr化合物として焼
結体中に存在していることが判つた。又焼結体中
にZrO2として存在する場合でも配合組成によつ
て単斜晶、正方晶、立方晶又はそれらの共存体と
して存在するが、すべて同様に高強度、高靭性な
焼結体となることが判つた。 ここではβ−サイアロンとともにα−サイアロ
ンを共存させたものも用い得ることが示されてい
る。 実施例４： 添加するZrO2を平均粒径0.8μmのY2O3共沈
ZrO2粉末とする以外は実施例１と同様にして第
４表に示すような割合に配合し、得られた素地粉
末を実施例２と同様にして焼結し、機械的特性を
評価した。又Y2O3を全く固溶していないZrO2を
用いた場合の結果を併せて第４表に示した。 この結果から添加するZro2の形態が変わつても
同様に高強度、高靭性な焼結体が得られることが
判つた。 実施例５： 出発原料としてSi3N4粉末に代えて予め所望の
Ｚ値に合成された平均直径0.8μmのβ−サイアロ
ン粉末を用いる以外は実施例２と同様にして第５
表に示すような割合に配合し、得られた素地粉末
を焼結し機械的特性を評価した。その結果を第５
表に示す。この結果から０＜ｚ≦１の範囲のβ−
サイアロン粉末を出発物質として使用した場合も
高強度、高靭性な焼結体が得られることが判つ
た。 実施例６： 平均粒径2μm以下の各種Zr化合物を用いる以外
は、実施例２と同様にして第６表に示すような割
合で配合した素地粉末をタテ50mmヨコ50mm厚さ７
mmの寸法に成形圧1.5ton／cm2でプレス成形した
後、1750℃１気圧の窒素ガス雰囲気中で２時間焼
結し、１次焼結体を得た。次にこの焼結体を1750
℃、70気圧の加圧窒素ガス雰囲気中で２時間再焼
結し、緻密な２次焼結体を得た。このようにして
得られた焼結体を実施例１と同様な評価を行い、
その結果を第６表に示した。 この結果からZrO2を添加したものだけが常圧
及びガス圧焼結法に於いても本発明の範囲内の組
成を有した焼結体は優れた機械的特性を有してい
ることが判つた。 又本発明の複合材料を用いて切削工具を作り、
実施例１と同様にして切削テストを行つた結果に
ついても第６表に示すとおりで本発明による焼結
体は切削工具として欠損するまでの衝撃回数が大
きいことが判つた。
窒化珪素系複合材料に関し、特に高ニツケル、鋳
鉄、銅、アルミニウム、チタン等の難切削材料に
ついても高速切削をなし得る切削工具材料又はセ
ラミツクバルブ等の自動車エンジン部材及びその
他の耐摩耗性、耐食性、耐熱性部材等に広く有用
な複合材料に関するものである。 （従来の技術） 窒化珪素を主成分とする窒化珪素（Si3N4）系
セラミツクスは、強度、耐酸化性、耐摩耗性、耐
熱衝撃性、耐食性等の特性に優れているので、エ
ンジン部品等の構造材料や切削工具材料として実
用化が始まつている。 しかしこのような優れた特徴を持つているにも
かかわらず、金属と比較すると品質安定性が均質
性に乏しく、信頼性の向上や高特性という視点か
ら、窒化珪素セラミツクスに於いても一層の高靭
性化が望まれている。その為特公昭58−51911、
特公昭60−35316、特公報60−55469、特開昭59−
102862、特開昭60−200863、特開昭60−246268、
特開昭61−291463等のように炭化珪素（SiC）ウ
イスカーを強化材として用い、複合化する試みが
行われているが、いまだ十分に実用化し得るまで
には至つておらず、なお一層の高靭性化が期待さ
れている。 又、さらにSiCウイスカーの異方性によて、難
焼結性を示す窒化珪素系複合材料は、加圧焼結が
可能でも常圧焼結およびガス圧焼結（100気圧以
下）によつては得ることが出来なかつた。 （発明が解決しようとする問題点） 本発明は上記の如き実情に鑑み、炭化珪素系セ
ラミツクスの中でも特に耐酸化性や金属との反応
性に於いて安定なサイアロン基セラミツク焼結体
にSiCウイスカーとZr酸化物およびまたはZr酸窒
化物を複合化させることによつて、従来得ること
が出来なかつた靭性と信頼性に優れた特性を有
し、又常圧焼結およびガス圧焼結が可能な炭化珪
素ウイスカー強化複合材料を目的とするものであ
る。 （問題点を解決するための手段） 本発明は上記の目的を達成するために種々検討
の結果なされたもので、Zr酸化物およびまたは
Zr酸窒化物が靭性を改善しまた常圧焼結および
ガス圧焼結を可能にし得るという知見と、サイア
ロン基セラミツクとしてある特定の組成式のもの
が好ましいこと、及び焼結助剤等の構成するガラ
ス相に関する知見から生み出されたものである。 本発明の概要を述べれば以下のとおりである。 SiCウイスカー５〜45重量％、Zr酸化物および
またはZr酸窒化物をZr換算にて３〜20重量％、
残部サイアロン基セラミツクを主成分とするもの
からなり、前記サイアロン基セラミツクは組成式
Si6-zAlzOzN8-z（但し０＜ｚ≦１）で表わされる
β−サイアロンもしくは該β−サイアロンと組成
式MX（Si，Al）12（Ｏ，Ｎ）16（但しＭはLi，Ca，
Mg，Ｙおよび稀土類元素から選ばれた単独また
は混合物からなり、０＜ｘ≦２）で表わされるα
−サイアロン（結晶構造的にはα−Si3N4のSi位
置にAlを、Ｎ位置に０が置換され固溶されると
同時に格子間に他の元素が浸入固溶されている。
この浸入固溶元素としてLi，Na，Ca，Mg，Ｙ
及び稀土類元素が挙げられる。）から成るα，β
複合サイアロンで構成される。又、このサイアロ
ン基セラミツクには１〜25重量％のZr，Si，Al，
Ｏ，Ｎと不可避不純物又はそれにＹ，Mg，Ca及
び希土類金属の１種以上から成るガラス相を含ん
でいる。 本発明で用いられるSiCウイスカーはそれ自体
常温から高温まで硬度や強度が高く、焼結後もウ
イスカーの形状のまま残存し、組織内で分散して
いることによつてセラミツクスの高温強度を向上
し、破壊靭性を大きくし、かつ硬くするものであ
る。 ここに用いられるSiCウイスカーとしては平均
直径0.2〜5μm、平均長さ５〜100μm、アスペク
ト比５〜500のもので、Al，Ca，Mg，Ni，Fe，
Mn，Co，Cr等のカチオン不純物や、SiO2含有量
が1.0重量％以下のくびれや枝分れ及び面欠陥等
が少ないひげ状結晶を用いることが高靭性の緻密
体を得る上で好ましい。 このSiCウイスカーを５〜45重量％とする理由
は、５重量％より少ない場合にはセラミツク材料
における靭性の向上が不十分で、逆に45重量％を
超える場合はウイスカーの異方性によつて均一分
散性や焼結性が低下するので上記５〜45重量％を
好ましい範囲とし、更に好ましくは10〜30重量
％、最も好ましくは15〜25重量％の範囲とするも
のでる。 Zr酸化物およびまたはZr酸窒化物の作用は常
圧焼結及びガス圧焼結を可能とする一方、焼結時
に一旦ガラス相に固溶したZrがガラス相とSiCウ
イスカーの界面に於て両者の濡れ性を改善し、両
者のより強固な結合を可能にすることによつて、
SiCウイスカーの持つ本来の特性が十分に発揮で
きるように作用して靭性を向上することにある。 ここでZr酸化物やZr酸窒化物は特に限定され
ないが、例えばZrO2（単斜晶、正方晶、立方晶又
はそれらの共存体）やASTMカードNo.20−684の
ZrOにＸ線回折の結果がかなりよく一致するよう
なZr酸化物またはZr酸窒化物が適用される。 またガラス相に固溶したZrは焼結後に一部が
ガラス相中に残るものの、大半はその時の配合組
成によつてとり得る結晶相で、ガラス相より再析
出し、前記のZr酸化物およびまたはZr酸窒化物
として焼結体中に存在する。 従つて例えば焼結体中にZrO2として存在する
場合でも、配合組成によつて単斜晶、正方晶、立
方晶又はそれらの共存体として存在することが可
能であり、又その結晶系に違いがあつてもすべて
焼結時におけるZrの作用効果が同じであるので、
同様に高強度、高靭性の焼結体となり得る。 Zr酸化物およびまたはZr酸窒化物をZr換算で
３〜20重量％とする理由は、３重量％未満では靭
性の改善効果が十分でなく、又20重量％を越える
と焼結体の硬度や熱伝導率や靭性や耐酸化性が低
下し好ましくないからである。 サイアロン基セラミツクはSi3N4，Al2O3及び
AlNのセラミツクスの固溶体であるが、本発明
では組成式Si6-zAlzOzN8-z（但し０＜ｚ≦１）で
表わされるβ−サイアロンと、その格子中に金属
が固溶した組成式MX（Si，Al）12（Ｏ，Ｎ）16（但し
０＜Ｘ≦２）で表わされるα−サイアロンとによ
つて構成される。 一般に前者のβサイアロンは靭性は高いが硬度
は低く、後者のαサイアロンは比較的靭性は低い
が硬度は高い特徴がある。 本発明では前者のβ−サイアロンを主体とする
かまたは、かゝるβ−サイアロンと後者のα−サ
イアロンとを複合させたものであり、α−サイア
ロンとβ−サイアロンとを複合する場合の比率は
特に限定するものではないが、高硬度高靭性材料
を必要とするときはα−サイアロンの比率は全サ
イアロン量に対して10〜30％の範囲が望ましい。 本発明で特定されたβ−サイアロンの組成式の
Ｚ値を０＜Ｚ≦１とする理由は、ｚ＞１の場合に
機械的強度や靭性が低下するため、各種の高温構
造部材や切削工具材料として必要な機械的特性を
満足することができなくなるためである。 又、α−サイアロンの組成式のｘ値を０＜ｘ≦
２とする理由は、これが通常得られるα−サイア
ロンであるためである。 次に前記サイアロン基セラミツクに含まれる１
〜25重量％のZr，Si，Al，Ｏ，Ｎと不可避不純
物又はそれにＹ，Mg，Ca及び希土類金属の１種
以上を含むガラス相は、これが１重量％より少な
い場合はサイアロンの焼結が十分達成できないた
め、所望の密度の焼結体を得ることができず、
又、25重量％より多い場合は、靭性や高温強度の
劣化を来すため、高温材料や切削工具材料等には
好ましくないからである。 又、本発明の焼結体は出発原料として用いる
Si3N4粉末の純度や配合組成の比率によつて、
Si2N2O，Si2ON2，Y2O3・Si3N4，3Y2O3・
5Al2O3，10Y2O3・9SiO2・Si3N4，4Y2O3・
SiO2・Si3N4，YSiO2N，Mg2SiO4，MgSiN2等
の化合物が微量に生成し、焼結体中に存在する場
合があるが、特に特性に悪い影響を及ぼさない範
囲で存在してもさしつかえない。なお又、上記の
ようなガラス生成化合物の添加は、特に常圧焼結
法やガス圧焼結法を採用する際に有効である。 〔実施例〕 以下本発明の実施例について説明する。 実施例１： α率90％で平均粒径0.6μmのSi3N4粉末に平均
粒径1μmのα−Al2O3粉末とSiCウイスカー
（ARCOケミカル社製SC−９）及び平均粒径
0.3μmの単斜晶ZrO2を第１表に示すような割合に
配合し、エタノール中で４時間均一に分散混合し
た後、乾燥し、造粒して素地粉末を得た。 次にこの素地粉末を黒鉛型中で表中に示すよう
な焼結温度で各60分間200Kg／cm2の圧力でホツト
プレスし緻密に焼結した焼結体を得た。 得られた焼結体は４×３×40mmの寸法に研摩加
工した後、JIS−R1601により抗折強度、又荷重
30Kgでビツカース硬度及びインデンテイシヨンマ
イクロフラクチヤー法により破壊靭性値を測定し
た。焼結体組成のうちZrO2とSiCウイスカーはＸ
線回折や化学分折やカーボン定量を行うことによ
り、殆んど配合組成のままであることを確認し
た。 又β−サイアロンのＺ値はＸ線回折によりβ−
サイアロンの格子定数から求めた。得られた結果
は第１表に示すとおりである。 なお、同表には得られた焼結体をSNGN432の
チツプ形状に研摩加工して切削性能を評価した結
果を併記した。 切削テストは下記条件に於いて行い、被削材ブ
ロツクの200×50mmの面を長手方向にフライス切
削し、刃先が欠損するまでの衝撃回数を測定結果
10点の平均値で求めた。 切削条件 被削材 インコネル718 切削速度 200m／min 送 り 0.2mm／tooth 切り込み 1.5mm これらの結果から本発明範囲内でSiCウイスカ
ーとZrO2を含有させた０＜ｚ≦１のβ−サイア
ロン基複合焼結体は靭性に優れており、又それを
用いて作つた切削工具の耐欠損性は大きく改善さ
れることが判つた。 実施例２： 平均粒径0.5μmのAlN及び平均粒径2μm以下の
Y2O3，MgO，CaO，Dy2O3，CeO2をZr，Si，
Al，Ｏ，Ｎと不可避不純物以外のガラス生成化
合物として加える以外は実施例１と同様にして第
２表に示す様な割合に配合した素地粉末を得た
後、1750℃、200Kg／cm2の条件で各60分間ホツト
プレスして緻密な焼結体を得た。得られた焼結体
は実施例１と同様にして評価した。 得られた結果は第２表に示すとおりである。 この結果からZr，Si，Al，Ｏ，Ｎと不可避不
純物及び添加したＹ，Mg，Ca及び希土類の１種
以上で構成されるガラス相を１〜25重量％含むβ
−サイアロン基複合焼結体は優れた強度と靭性を
有した焼結体であることが判つた。 又特にこれを用いた切削工具は耐欠損性に優
れ、工具寿命と信頼性の向上が大巾に改善できる
ことが判つた。 一方サイアロン生成化合物としてAl化合物を
含まない窒化珪素セラミツク焼結体は、サイアロ
ン基セラミツク焼結体に比べ切削性能が劣ること
が判つた。 実施例３： 実施例１及び実施例２と同様にして第３表に示
すような割合で配合した素地粉末を焼結した後、
Ｘ線回折により焼結体組成の同定を行つた。 その結果を第３表に示してある。この結果から
添加したZrO2は配合組成によつてZrO2やZrOま
たはZrの酸窒化物と思われるZr化合物として焼
結体中に存在していることが判つた。又焼結体中
にZrO2として存在する場合でも配合組成によつ
て単斜晶、正方晶、立方晶又はそれらの共存体と
して存在するが、すべて同様に高強度、高靭性な
焼結体となることが判つた。 ここではβ−サイアロンとともにα−サイアロ
ンを共存させたものも用い得ることが示されてい
る。 実施例４： 添加するZrO2を平均粒径0.8μmのY2O3共沈
ZrO2粉末とする以外は実施例１と同様にして第
４表に示すような割合に配合し、得られた素地粉
末を実施例２と同様にして焼結し、機械的特性を
評価した。又Y2O3を全く固溶していないZrO2を
用いた場合の結果を併せて第４表に示した。 この結果から添加するZro2の形態が変わつても
同様に高強度、高靭性な焼結体が得られることが
判つた。 実施例５： 出発原料としてSi3N4粉末に代えて予め所望の
Ｚ値に合成された平均直径0.8μmのβ−サイアロ
ン粉末を用いる以外は実施例２と同様にして第５
表に示すような割合に配合し、得られた素地粉末
を焼結し機械的特性を評価した。その結果を第５
表に示す。この結果から０＜ｚ≦１の範囲のβ−
サイアロン粉末を出発物質として使用した場合も
高強度、高靭性な焼結体が得られることが判つ
た。 実施例６： 平均粒径2μm以下の各種Zr化合物を用いる以外
は、実施例２と同様にして第６表に示すような割
合で配合した素地粉末をタテ50mmヨコ50mm厚さ７
mmの寸法に成形圧1.5ton／cm2でプレス成形した
後、1750℃１気圧の窒素ガス雰囲気中で２時間焼
結し、１次焼結体を得た。次にこの焼結体を1750
℃、70気圧の加圧窒素ガス雰囲気中で２時間再焼
結し、緻密な２次焼結体を得た。このようにして
得られた焼結体を実施例１と同様な評価を行い、
その結果を第６表に示した。 この結果からZrO2を添加したものだけが常圧
及びガス圧焼結法に於いても本発明の範囲内の組
成を有した焼結体は優れた機械的特性を有してい
ることが判つた。 又本発明の複合材料を用いて切削工具を作り、
実施例１と同様にして切削テストを行つた結果に
ついても第６表に示すとおりで本発明による焼結
体は切削工具として欠損するまでの衝撃回数が大
きいことが判つた。
【表】
【表】
【表】
【表】
【表】
【表】
【表】
【表】
（発明の効果）
本発明の複合材料は前記実施例の内容から明ら
かなとおり、抗折強度、破壊靭性及びビツカース
硬度などの焼結体特性に優れているので、切削工
具、自動車用エンジン部材、耐摩耗部材、耐食性
部材、耐熱性部材等々に広く利用することが可能
である。
かなとおり、抗折強度、破壊靭性及びビツカース
硬度などの焼結体特性に優れているので、切削工
具、自動車用エンジン部材、耐摩耗部材、耐食性
部材、耐熱性部材等々に広く利用することが可能
である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ SiCウイスカー５〜45重量％、Zr酸化物およ
びまたはZr酸窒化物をZr換算にて３〜20重量％、
残部サイアロン基セラミツクを主成分とするもの
からなり、前記サイアロン基セラミツクは組成式
Si6-zAlzOzN8-z（但し０＜ｚ≦１）で表わされる
β−サイアロンもしくは該β−サイアロンと組成
式MX（Si，Al）12（Ｏ，Ｎ）16（但しＭはLi，Ca，
Mg，Ｙおよび稀土類元素から選ばれた単独また
は混合物からなり、０＜ｘ≦２）で表わされるα
−サイアロンとからなるα，β複合サイアロンか
ら選択され、かつ１〜25重量％のZr，Si，Al，
Ｏ，Ｎと不可避不純物又はそれにＹ，Mg，Ca及
び希土類金属の１種以上を含むガラス相で主とし
て構成されていることを特徴とする炭化珪素ウイ
スカー強化複合材料。 ２ SiCウイスカー10〜30重量％、Zr酸化物およ
びまたはZr酸窒化物をZr換算で７〜20重量％と
することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の炭化珪素ウイスカー強化複合材料。 ３ SiCウイスカー15〜25重量％、Zr酸化物およ
びまたはZr酸窒化物をZr換算で７〜15重量％と
することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の炭化珪素ウイスカー強化複合材料。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62156633A JPS63260869A (ja) | 1986-08-18 | 1987-06-25 | 炭化珪素ウイスカ−強化複合材料 |
| US07/086,455 US4946807A (en) | 1986-08-18 | 1987-08-18 | Composite ceramic material reinforced with silicon carbide whiskers |
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19158586 | 1986-08-18 | ||
| JP61-191585 | 1986-08-18 | ||
| JP61-233230 | 1986-10-02 | ||
| JP61-291633 | 1986-12-09 | ||
| JP62156633A JPS63260869A (ja) | 1986-08-18 | 1987-06-25 | 炭化珪素ウイスカ−強化複合材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63260869A JPS63260869A (ja) | 1988-10-27 |
| JPH0535697B2 true JPH0535697B2 (ja) | 1993-05-27 |
Family
ID=26484325
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62156633A Granted JPS63260869A (ja) | 1986-08-18 | 1987-06-25 | 炭化珪素ウイスカ−強化複合材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63260869A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH072234U (ja) * | 1993-06-17 | 1995-01-13 | 公子 大野 | 箱入粉状洗剤 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU597664B2 (en) * | 1986-05-28 | 1990-06-07 | Cookson Group Plc | An improved ceramic material |
| US20080119349A1 (en) * | 2004-12-22 | 2008-05-22 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Sialon Insert and Cutting Tool Equipped Therewith |
-
1987
- 1987-06-25 JP JP62156633A patent/JPS63260869A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH072234U (ja) * | 1993-06-17 | 1995-01-13 | 公子 大野 | 箱入粉状洗剤 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63260869A (ja) | 1988-10-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR20090116720A (ko) | ｃＢＮ 소결체 및 ｃＢＮ 소결체 공구 | |
| US4769350A (en) | Silicon nitride sintered material for cutting tools and process for making the same | |
| US4946807A (en) | Composite ceramic material reinforced with silicon carbide whiskers | |
| JPS638075B2 (ja) | ||
| JPS60246268A (ja) | サイアロン基セラミツクス | |
| JP2825701B2 (ja) | 立方晶窒化硼素質焼結体 | |
| US4956317A (en) | Whisker-reinforced ceramics | |
| JPH0535697B2 (ja) | ||
| JP3476504B2 (ja) | 窒化ケイ素基焼結体およびその被覆焼結体 | |
| JPH11217258A (ja) | アルミナ基セラミックス焼結体とその製造方法 | |
| JPH02296770A (ja) | 高温耐酸化性セラミックス複合材料 | |
| JPH0260442B2 (ja) | ||
| JP2592267B2 (ja) | 炭化珪素ウィスカー強化サイアロン | |
| JPH07172919A (ja) | チタン化合物焼結体 | |
| JPH0531514B2 (ja) | ||
| JPH06298568A (ja) | ウイスカー強化サイアロン基焼結体およびその被覆焼結体 | |
| JP2557668B2 (ja) | 繊維強化セラミックス | |
| JP2997334B2 (ja) | 繊維強化セラミックス | |
| JPH1029869A (ja) | 窒化珪素／炭化珪素複合焼結体及びその製造方法 | |
| JPS598670A (ja) | 高靭性窒化硅素基焼結体 | |
| JPS6230666A (ja) | 高靭性窒化ケイ素焼結体及びその製造方法 | |
| JPS6257596B2 (ja) | ||
| JP2802250B2 (ja) | 繊維強化セラミックス | |
| JPH0569073B2 (ja) | ||
| JPH04238857A (ja) | 繊維強化セラミックス |