JPH0559076B2

JPH0559076B2 -

Info

Publication number: JPH0559076B2
Application number: JP2037144A
Authority: JP
Inventors: Takuji Takahashi; Tetsuo Yamada; Tetsuo Nakayasu; Yasuhiko Kamitoku
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 1990-02-20
Filing date: 1990-02-20
Publication date: 1993-08-30
Also published as: JPH03242380A

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は、高温高強度、高硬度及び高靱性を有
する各種エンジニアリングセラミツクスを製造す
るために有用なサイアロン基焼結体及びその製造
方法に関する。（従来技術及びその問題点） Yα−サイアロンは、α型窒化珪素のSi位置に
Ａが、Ｎ位置にＯが置換固溶すると同時に、Ｙ
が侵入固溶した物質であり、式 Y_x（Si，Ａ）₁₂（Ｏ，Ｎ）₁₆ 〔〕（式中、ｘは０＜ｘ≦２を満足する数である。）
で表される。このYα−サイアロンは、高硬度、
低熱膨張率、優れた耐蝕性等のエンジニアリング
セラミツクスとしての特性を有している。しかし、Yα−サイアロン結晶相単相の焼結体
は、結晶形が粒状であることが１つの原因と思わ
れるが、エンジニアリングセラミツクスとしての
強度、破壊靱性等の特性が充分とはいえない。そ
こで、この欠点を改良するために、特開昭58−
185485号公報、同58−204875号公報、同63−
233082号公報等には、Yα−サイアロン結晶相と、
β型窒化珪素のSi位置にＡが、Ｎ位置にＯが置
換固溶した。式 Si_6-zＡ_zO_zN_8-z 〔〕（式中、ｚは０＜ｚ≦4.2を満足する数であ
る。）で表される針状のβ−サイアロン結晶相と
を複合化させたサイアロン基焼結体が提案されて
いる。しかしながら、これらのサイアロン基焼結体の
機械的特性は、高温材料として使用するにはまだ
充分なものではない。（発明の目的）本発明の目的は、前記問題点を解決し、高温強
度及び靱性の高い新規なサイアロン基焼結体及び
その製造方法を提供することである。（発明の要旨）本発明によれば、前記式〔〕で表わされる
Yα−サイアロンの結晶相、前記式〔〕で表さ
れるβ−サイアロンの結晶相、Y₂Si₃N₄O₃のメリ
ライト結晶相及び／又は15R型ＡＮポリタイプ
サイアロン結晶相、及びガラス相から構成されて
なるサイアロン基焼結体及びその製造方法が提供
される。（発明の具体的説明）本発明のサイアロン基焼結体における各相の含
有割合は、以下に示す範囲が望ましい。５＜Yα−サイアロンの結晶相＜50重量％ 40＜β−サイアロンの結晶相＜95重量％０＜メリライト結晶相及び／又は15R型ＡＮ
ポリタイプサイアロン結晶相＜10重量％０＜ガラス相＜５重量％ただし、Yα−サイアロンの結晶相及びβ−サ
イアロンの結晶相は、それぞれ式〔〕及び式
〔〕で表される組成を有し、それぞれの相とも
各結晶相間で必ずしも一定の組成である必要はな
く、異なつた組成になつていてもよい。メリライト結晶相及び／又は15R型ＡＮポリ
タイプサイアロン結晶相の割合が前記範囲を外れ
ると、得られるサイアロン基焼結体の機械的強度
が低下し、またそのバラツキも大きくなるので好
ましくない。本発明のサイアロン基焼結体は大部分が径0.2
〜2μmの粒状及び棒状結晶からなり、それらが３
次元的に互いに交錯して絡み合つている。しかも
互いに熱膨張係数のわずかずつ異なつた幾つかの
結晶の混相からなり、高温での機械的特性に悪影
響を与える１つの要因と言われている粒界ガラス
相が極めて少ない。したがつて、高温での機械的
特性が優れており、かつ粒子分散効果、マイクロ
クラツキング効果及びプルアウト効果などのウイ
スカー強化効果による複合効果を生み出し、破壊
靱性を高いものにしている。以下に、本発明のサイアロン基焼結体を製造す
る方法を述べる。本発明のサイアロン基焼結体は、前記式〔〕
で表されるYα−サイアロンを主たる相とし、か
つ式〔〕で規定される理論酸素量に対して８重
量％以下の過剰酸素を含有するYα−サイアロン
粉末60重量％以下と残部が珪素、酸素及び窒素の
各成分を有する粉末でその酸素量が1.0〜5.0重量
％である粉末とからなる原料混合粉末を、最高温
度1600〜2200℃の範囲に加熱、焼結することによ
り得られる。 Yα−サイアロン粉末としては、式〔〕で表
されるYα−サイアロンを主たる相とする粉末で
あればいかなる粉末でも良いが、本出願人が先に
提案した特開昭62−223009号の発明に従つて調製
した粉末が好適である。この提案の方法は、 (a) 非晶質窒化珪素粉末、 (b) 金属アルミニウム又は窒化アルミニウム、 (c) Yα−サイアロンの格子間に侵入型固溶する
Ｙの酸化物を生成する金属塩類、及び必要に応
じて、 (d) アルミニウム又は珪素の酸素含有化合物を所望のYα−サイアロン組成になるように混合
し、混合物を窒素含有雰囲気下で1300〜1900℃の
範囲の温度に加熱することにより、Yα−サイア
ロン粉末を製造する方法である。この方法で得ら
れるYα−サイアロン粉末は、一次粒子の大きさ
が0.2〜2μmの微細かつ均一粒度の粉末であつて、
遊離炭素及び金属不純物を殆ど含有しないので、
気孔及び異常粒成長のない焼結体を与えることが
できる。 Yα−サイアロン粉末の焼結性を高めると同時
に高強度のサイアロン基焼結体を得るためには、
焼結原料のYα−サイアロン粉末が式〔〕で規
定される理論酸素量に対して８重量％以下の過剰
酸素を含有していることが必要である。 Yα−サイアロン粉末に過剰の酸素を含有させ
る方法としては、例えば、Yα−サイアロン粉末
の調製段階で非晶質窒化珪素に珪素、アルミニウ
ム又はイツトリウムの酸素含有化合物を過剰量添
加する方法、Yα−サイアロン粉末を酸素含有雰
囲気中で加熱する方法が採用される。後者の一例
としては、Yα−サイアロン粉末を酸素含有雰囲
気中で800〜1200℃の範囲の温度で加熱して、理
論量より過剰の酸素をYα−サイアロン粉末に含
有させる方法が挙げられる。加熱時間は通常0.5
〜５時間である。この処理は、例えばYα−サイ
アロン粉末を保持板上に薄く乗せて酸素含有雰囲
気中に放置する方法、α−サイアロン粉末を酸素
含有雰囲気中で流動化させる方法によつて行うこ
とができる。過剰酸素量は８重量％以下、好ましくは１〜
6.5重量％、特に好ましくは２〜４重量％である。
過剰酸素量が過度に多いと焼結体中に融点の低い
相が多く残留し、高温での機械的特性が損なわれ
るようになる。また、珪素、酸素及び窒素の各成分を有する粉
末でその酸素量が1.0〜5.0重量％である粉末とし
ては、珪素、酸素及び窒素の各成分を全て粒子内
に含む粉末でもよいし、それらのいずれかを粒子
内に含む粉末の混合物でもよい。このような粉末
としては、珪素の窒化物、酸化物、酸窒化物を主
体とする粉末が挙げられる。本発明においては、特に前記粉末として、0.1
〜5.0重量％の酸素を含有するα−窒化珪素粉末
が好適に用いられる。このようなα−窒化珪素粉末としては、焼結性
の面で1μm以下の平均粒径を有しており、また、
酸素量の80％以上が各粒子の表層50nm以内に偏
在しており、さらに得られる焼結体の高温での強
度、耐蝕性、耐酸化性を損なうSi以外の金属不純
物の含有量が0.1重量％以下であることが好まし
い。また、本発明においては、前記珪素、酸素及び
窒素の各成分を有する粉末が、さらに、アルミニ
ウム又はイツトリウムを成分として含んでもよ
い。この場合も、アルミニウム又はイツトリウム
を前記粉末の粒子内に含んでもよいし、アルミニ
ウム又はイツトリウムの酸化物、窒化物、酸窒化
物等の粉末を混合してもよい。主要成分金属以外
の金属不純物の含有量が0.1重量％以下であるこ
とが好ましい。前記原料混合粉末中の珪素、酸素及び窒素の各
成分を有する粉末の配合割合は40重量％以上、好
ましくは60〜90重量％である。上記範囲内におい
て該粉末の配合割合を高めるに従つて生成サイア
ロン基焼結体中のβ−サイアロン相の割合が増大
する。該粉末の配合割合が90重量％を超えると、
混合物の焼結性が低下し焼結体の緻密化が進行し
なくなる。前記原料混合粉末の調製方法については特に制
限はなく、それ自体公知の方法、例えば、個々の
原料粉末を乾式混合する方法、不活性液体中で湿
式混合した後不活性液体を除去する方法等を適宜
採用することができる。混合装置としてはＶ型混
合機、ボールミル等が便利に使用される。原料混合粉末の加熱焼結は、例えば、混合粉末
をそのまま乾式あるいは湿式で所定の形状に成形
し、湿式で成形した場合は乾燥処理を行つた後
に、常圧又は加圧した窒素含有非酸化性ガス雰囲
気下で焼結する方法、原料粉末を所定の形状のダ
イスに充填し、ホツトプレスする方法等を採用す
ることができる。また上記方法で得られた焼結体
をさらに熱間静水圧プレスすることにより、焼結
体の緻密化をより進めることもできる。常圧又は雰囲気加圧焼結に先立つ混合粉末の成
形は公知の方法、例えばラバープレス法、一軸成
形法、鋳込成形法、射出成形法、爆発圧縮成形法
等によつて行うことができる。焼結温度は通常1600〜2200℃であり、焼結時間
は通常0.5〜10時間である。焼結温度が過度に低
いと焼結が進行せず、また焼結温度が過度に高い
と焼結体に熱分解による組成変化が生じるように
なる。前記方法により、Yα−サイアロンと珪素、酸
素及び窒素の各成分を有する粉末との反応によつ
て生成すると考えられるβ−サイアロンの結晶、
メリライト結晶相及び／又は15R型ＡＮポリタ
イプサイアロン結晶相、及びガラス相が、原料の
Yα−サイアロンの組成より式〔〕のｘが若干
低いYα−サイアロンの結晶と共に存在するサイ
アロン基焼結体が得られる。（発明の効果）本発明で得られるサイアロン基焼結体は、従来
のサイアロン基焼結体に比較して、高温強度、破
壊靱性等の機械的特性が向上しているので、信頼
性の高い構造材料、特に、切削チツプ、ロール、
ダイス、ノズル等の耐摩耗、耐熱材料として好適
に使用することができる。（実施例）以下に実施例及び比較例を示す。実施例１〜５及び比較例１非晶質窒化珪素粉末479.2ｇ、Y₂O₃粉末59.4ｇ
及び金属Ａ粉末63ｇを窒素ガス雰囲気下に振動
ミルで１時間混合した。混合粉末をカーボン製ル
ツボに充填して抵抗加熱式高温炉にセツトし、窒
素ガス雰囲気下、室温から1200℃迄を１時間、
1200℃から1400℃迄を４時間、さらに1400℃から
1600℃迄を２時間の昇温スケジユールで加熱する
ことにより結晶化させ、Yα−サイアロン粉末を
得た。得られたYα−サイアロン粉末の特性を以
下に示す。理論組成 Y_0.5Si_9.75Ａ_2.25O_0.75N_15.25 比表面積 2.5m²／ｇ粒形等軸結晶生成相 α相≧90％生成物組成（wt％）Ｙ：7.2 Si：44.2 Ａ：9.8 Ｏ：4.9 Ｎ：
33.9 過剰酸素量 2.9重量％上記Yα−サイアロン粉末及び、比表面積 17.5m²／ｇ粒形等軸結晶生成相 α相＞95％含有酸素量 2.3重量％金属不純物＜500ppm という特性を有するα−窒化珪素粉末を第１表に
示す割合で、媒体としてエタノールを用いて48時
間湿式ボールミリングした後、80℃で真空乾燥し
た。得られた原料粉末を冷間静水圧プレス法を用
いて成形した後、常圧窒素雰囲気中で室温から
1800℃まで２℃／分で昇温し、同温度に４時間保
持した。得られたサイアロン基焼結体の特性を第１表に
示す。実施例６〜８及び比較例２実施例１〜５で使用したYα−サイアロン粉末、比表面積 10.0m²／ｇ粒形等軸結晶生成相 α相＞95％含有酸素量 0.5重量％金属不純物＜500ppm という特性を有するα−窒化珪素粉末及び比表面積 5.0m²／ｇ粒形等軸結晶金属不純物＜700ppm という特性を有する酸化珪素粉末を第２表に示す
割合で、媒体としてエタノールを用い48時間湿式
ボールミリングした後、80℃で真空乾燥した。得
られた原料粉末を冷間静水圧プレス法を用いて成
形した後、常圧窒素雰囲気中で室温から1800℃ま
で２℃／分で昇温し、同温度に４時間保持した。得られたサイアロン基焼結体の特性を第２表に
示す。

【表】

Claims

【特許請求の範囲】１式 Y_x（Si，Ａ）₁₂（Ｏ，Ｎ）₁₆ （式中、ｘは０＜ｘ≦２を満足する数である。）
で表されるYα−サイアロンの結晶相、式 Si_6-zＡ_zO_zN_8-z （式中、ｚは０＜ｚ≦4.2を満足する数であ
る。）で表されるβ−サイアロンの結晶相、メリライト結晶相及び／又は15R型ＡＮポリ
タイプサイアロン結晶相、及びガラス相から構成されてなる密度2.5ｇ／
cm³以上のサイアロン基焼結体。２式 Y_x（Si，Ａ）₁₂（Ｏ，Ｎ）₁₆ （式中、ｘは０＜ｘ≦２を満足する数である。）
で表されるYα−サイアロンを主たる相とし、か
つ上記式で規定される理論酸素量に対して８重量
％以下の過剰酸素を含有するYα−サイアロン粉
末60重量％以下と残部が珪素、酸素及び窒素の各
成分を有する粉末でその酸素量が1.0〜5.0重量％
である粉末とからなる原料混合粉末を、最高温度
1600〜2200℃の範囲に加熱、焼結することを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載のサイアロン基
焼結体の製造方法。