JPH0568427B2

JPH0568427B2 -

Info

Publication number: JPH0568427B2
Application number: JP61119287A
Authority: JP
Inventors: Mikio Fukuhara
Original assignee: Toshiba Tungaloy Co Ltd
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 1986-05-26
Filing date: 1986-05-26
Publication date: 1993-09-28
Also published as: JPS62278169A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、セラミツクス焼結体部品に関し、さ
らに詳しくは、セラミツクス焼結体を超塑性変形
せしめることによつて得られた、例えば切削用エ
ンドミル刃やタービン用プロペラなどの複雑形状
部品および皿バネやコイルスプリングなどの弾性
部品などとして有用なセラミツクス焼結体部品に
関する。

［従来の技術］セラミツクス焼結体は、耐熱性、耐摩耗性なら
びに耐食性に優れた材料として各種工業分野で注
目を集めている。ところが、このセラミツクス焼
結体は極めて硬度が高いため、その加工にあたつ
ては、例えばダイヤモンド研磨などにより目的の
形状とすることが一般的であつた。

したがつて、大型のもの、あるいは複雑形状の
ものを製造することは困難であり、また、製造コ
ストの上昇を招来するなどの加工上の問題があ
る。

さらに、また、セラミツクス焼結体よりなる弾
性部材の製造もその加工上、強度上の問題が存在
する故に困難であるとされている。

セラミツクス焼結体のなかでも、とくに、窒化
ケイ素（Si₃N₄）、炭化ケイ素（SiC）などのケイ
素化合物系の焼結体は耐熱性、耐腐食性および高
温強度に優れていると同時に、他のセラミツクス
焼結体、例えばジルコニア（ZrO₂）、アルミナ
（Al₂O₃）などに比べてはるかに高い耐熱衝撃性
を備えているため、上記したような部材への要請
が高まつているだけに、かかる加工上の問題は深
刻なものとなつている。

［発明が解決しようとする問題点］本発明は、従来のかかる問題を解消し、セラミ
ツクス焼結体を超塑性加工することによつて得ら
れた複雑形状もしくは大型部品または弾性部品な
どのセラミツクス焼結体部品およびその製造方法
の提供を目的とする。なお、本発明において、超
塑性加工とは、後述の超塑性変形、すなわち異種
化合物間の「異相界面すべり現象」に基づく変形
を利用した加工をいう。

［問題点を解決するための手段および作用］本発明者らは、上記目的を達成すべく、ケイ素
化合物よりなる焼結体に焦点を絞つて鋭意研究を
重ねる中で、窒化ケイ素をその一方として含む特
定の２種以上のケイ素化合物が混合されてなる粒
状晶の異種混合物の焼結体、すなわち窒化ケイ素
系セラミツクスに、特定の条件下で応力を加える
と、異種化合物間の、いわば「異相界面すべり現
象」により焼結体が超塑性変形することを見出し
て本発明を完成するに到つた。

すなわち、本発明のセラミツクス焼結体部品50
体積％と、炭化ケイ素および／または炭窒化ケイ
素を50体積％未満とを含有してなる窒化ケイ素系
セラミツクス焼結体の超塑性変形物よりなること
を特徴とし、その製造方法は、窒化ケイ素を少な
くとも50体積％と、炭化ケイ素および／または炭
窒化ケイ素を50体積％未満とを含有する窒化ケイ
素系セラミツクス焼結体を、非酸化性雰囲気中、
温度1400℃以上、応力30Kg／mm²以下、および歪速
度10^-3／秒以下の条件で超塑性変形せしめること
を特徴とする。

本発明のセラミツクス焼結体部品は窒化ケイ素
（Si₃N₄）を少なくとも50体積％と、炭化ケイ素
および／または炭窒化ケイ素を50体積％未満とを
含有する窒化ケイ素系セラミツクス焼結体を超塑
性変形せしめて得られるものであり、その種類、
形状などはとくに限定されるものではない。すな
わち、このような部品の具体例としては、切削用
エンドミル刃、タービン用プロペラ、食品用押出
フイーダー、油圧ポンプ用スクリユー、穀物搬送
用ポンプスクリユー、紡績用糸道、自動車ロー
タ、カツター、はさみ、磁器テープ切断用スリツ
ター、ヒーターなどの複雑形状部品、および、板
バネ、皿バネ、スプリングワツシヤーなどの弾性
部品などをあげることができる。

この窒化ケイ素系セラミツクス焼結体は、少な
くとも50体積％のSi₃N₄とこれとは異種の粒状晶
よりなる化合物から構成されている。異種の化合
物としては炭化ケイ素（SiC）および炭窒化ケイ
素（Si（Ｃ、Ｎ））のうち少なくとも１種が用いら
れ、この場合、該SiCおよび／またはSi（Ｃ、Ｎ）
の含有量は全体の50体積％未満である。

そして、このSiCおよび／またはSi（Ｃ、Ｎ）
の50体積％以下が、周期律表のａ、ａおよび
ａ族元素の炭化物、窒化物、炭素化物、酸窒化
物、ケイ化物もしくはこれらの相互固溶体により
置換されていることが、焼結体の強度の向上並び
に熱及び電気伝導性の向上という点において好ま
しい。このような化合物もしくは相互固溶体の具
体例としては、TiC、ZrC、HfC、VC、NbC、
TaC、Cr₃C₂、Mo₂C、WC、SiC；TiN、ZrN、
HfN、VN、NbN、TaN、CrN、Si₃N₄；TiO、
TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Cr₂O₃、Ta₂O₅、SiO₂；Ti
（Ｃ、Ｎ）、Ti（Ｃ、Ｏ）、Ti（Ｎ、Ｏ）、Ti（Ｃ、
Ｎ、Ｏ）、（Ti、Zr）（Ｃ、Ｎ）、（Ti、Ta）Ｃ、
（Ti、Nb）Ｃ、（Ti、Ta、Ｗ）Ｃなどをあげる
ことができる。

また、これらの化合物もしくは相互固溶体は単
独で添加しても２種以上を添加してもよいが、と
くに、２種以上の金属化合物が互いに固溶してな
る固溶体の形で添加すると、焼結時に発生する気
孔が減少するため焼結体の強度の向上という点で
さらに効果的である。

上記に加えて、本発明の窒化ケイ素系セラミツ
クス焼結体中には、さらに、酸化ケイ素、ならび
に、周期律表のａ、ａ、族元素および希土
類元素の酸化物、窒化物およびこれらの相互固溶
体から選ばれる少なくとも１種を粒界相として含
有せしめられていると、焼結体の強度を高める上
で効果的である。このような粒界相を構成する化
合物もしくは固溶体の具体例としては、例えば、
SiO₂、MgO、CaO、Sc₂O₃、Y₂O₃、NiO、CoO、
FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄、La₂O₃、Ce₂O₃、Pr₂O₃、
Nd₂O₃、Sm₂O₃、Eu₂O₃、Dy₂O₃、Er₂O₃、
Tb₂O₃、Mg₃N₂、Ca₃N₂、ScN、YN、CeN、
DyN、Y₃Fe₅O₁₂、NiFe₂O₄、MgFe₂O₄、
LaFeO₃などをあげることができる。この粒成長
抑制剤の含有量は、例えば焼結体全体の0.1〜７
体積％に設定することが好ましい。

さらに、本発明のセラミツクス焼結体部品は、
平均粒径2μｍ以下の粒状晶組織を有するもので
あることが好ましく、また、この焼結体部品の表
面の少なくとも一部は表面粗さが6μｍであるこ
とが好ましい。

つぎに、本発明のセラミツクス焼結体部品の製
造方法について説明する。

本発明の製造方法においては、まず、通常の焼
結法を適用して窒化ケイ素を少なくとも50体積
と、炭化ケイ素および／または炭窒化ケイ素を50
体積％未満とを含有する窒化ケイ素系セラミツク
ス焼結体を製造し、この窒化ケイ素系セラミツク
ス焼結体を所定条件下で超塑性変形せしめる。こ
のとき、Si₃N₄焼結体表面の少なくとも一部、例
えば、後述する超塑性変形工程を経て製品化した
ときにとくに平滑さが要求される面を研削または
研磨して、前述したようにその表面粗さを6μｍ
以下としておくと、超塑性変形後にも、この平滑
面がそのまま保持されるため、とくに複雑形状の
部品を製造する際に有利である。さらに、この焼
結体は平均粒径が2μｍ以下の粒状結晶を有し、
また、その機械的強度、例えば曲げ強度が60Kgmm²
以上であることが好ましい。

そして、続く超塑性変形工程においては、ま
ず、焼結体及び使用するモールドの酸化を防止す
るために、Ar、N₂などの還元性雰囲気もしくは
真空中で行なうことが必要である。また、変形温
度は1400℃以上であることが必要であり、この温
度が1400℃未満である場合には応力印加状態でク
ラツクが生じたり、破壊が起こるため好ましくな
い。とくに、焼結体およびモールドの酸化防止と
後述するモールドの強度の限界との２点から、
1400〜1650℃の範囲に設定することが好ましい。
つぎに、変形応力は30Kg／mm²以下に設定する。こ
の応力が30Kg／mm²を超えると高価なモールドが破
壊したり、焼結体にクラツクが生じるという不都
合が生じる。好ましくは10Kg／mm²以下である。さ
らに、歪速度は10^-3／秒以下に設定する。10^-3／
秒を超えると、焼結体は変形せずに破壊してしま
う。好ましくは10^-5〜10^-3／秒である。これらの
諸条件はそれぞれ独立した条件ではなく、互いに
関連し合うものであるため、総括的な適量値にそ
れぞれ設定することが好ましい。

なお、かかる超塑性変形工程に使用するモール
ドの材料としては、耐酸化性、耐摩耗性、耐圧強
度に優れているのが好ましく、具体的には、黒
鉛、Si₃N₄、SiCなどがあげられ、なかでもSiCは
好適である。

［実施例］実施例１ 56.5vol％Si₃N₄−40vol％SiC−3vol％Dy₂O₃−
0.5vol％MgOなる組成を有するセラミツクス焼
結体を超塑性加工することにより第１図ａおよび
ｂに示したようなスプリングワツシヤー１を製造
した。このスプリングワツシヤー１はねじれを伴
つた略Ｃ字状の形状であり、ねじれおよびスリツ
ト１ａによつてスプリング特性が付与される。す
なわち、まず、略Ｃ字状のリング状セラミツクス
焼結体を製造し、表面を研磨してその表面粗さを
約5μｍとし、しかるのち、このセラミツクス焼
結体の上下方向から応力を印加することによりね
じれを付与した。このときの条件は、Ar雰囲気
中、温度1600℃、応力５Kg／mm²、歪速度４×
10^-4／秒および変形時間３時間にそれぞれ設定し
た。

このようにして得られたスプリングワツシヤー
１は優れたバネ弾性を有し、1000℃までは、抗折
力値で最低80Kg／mm²の強度を有し、耐熱性、耐酸
化性、耐薬品性に優れているとともに、耐熱衝撃
性も極めて良好であるため、特殊環境下、例えば
ヒートサイクル環境下、高温腐食性環境下および
放射線照射環境下などで効果を発揮することが確
認された。したがつて、このスプリングワツシヤ
ーは、とくに、耐海水性が要求される船舶用の締
結用部品として極めて有用である。

実施例２ 57vol％Si₃N₄−28vol％SIC−2vol％、SiO₂−
2vol％CeO₂−1vol％MgO−10vol％TiNなる組成
のセラミツクス焼結体を超塑性加工することによ
り第２図に示したような皿バネ２を製造した。こ
の皿バネ２は傾斜面２ａおよび２ｂによつてスプ
リング特性が付与される。この皿バネ２を製造す
る際には、例えばこのバネの最終形状に近い形状
を有する治具、すなわちプレス型などを用いて超
塑性変形せしめた。このときの条件は、N₂雰囲
気中、温度1650℃、応力20Kg／mm²、歪速度５×
10^-4／秒および変形時間４時間にそれぞれ設定し
た。

このようにして得られた皿バネ２は、優れた弾
性を有し、1000℃までは、抗折力値で最低80Kg／
mm²の強度を有し、上記実施例１と同様に、耐熱
性、耐酸化性、耐薬品性に優れているとともに、
耐熱衝撃性も極めて高いものであつた。

実施例３ 70vol％Si₃N₄−25vol％ZrO₂−2vol％Y₂O₃−
3vol％SiO₂なる組成を有し、直径３mmφの棒状
セラミツクス焼結体を作製し、その表面粗さが
4μｍ以下となるように研磨した。ついでこの棒
状焼結体を溝付治具に、Ar雰囲気中、1650℃、
応力10Kg／mm²、歪速度５×10^-4／秒および変形時
間10時間で巻きつけてコイルスプリングを得た。
このコイルスプリングは優れたバネ特性を示し、
1000℃まで抗折力値は80Kg／mm²を保持し、しか
も、温度上昇に伴う横弾性係数の劣化はみられな
かつた。さらに耐酸化性、耐腐食性、耐ヒートサ
イクル特性も良好であるため、ヒートサイクル環
境下、腐食あるいは放射線環境下など、金属製バ
ネの使用が不可能な環境下への応用が可能であ
る。

［発明の効果］以上の説明から明らかなように、本発明のセラ
ミツクス焼結体部品は、２種以上のケイ素化合物
を含む焼結体を、その異種化合物間の異相界面す
べり現象を利用して超塑性変形せしめることによ
り製造されたものであり、セラミツクスとしての
優れた特性、すなわち、耐熱性、耐酸化性、耐薬
品性、さらには耐熱衝撃性を備えていると同時
に、機械的強度も充分高いため、高温雰囲気中、
酸性またはアルカリ性水溶液中、溶融塩浴中、あ
るいは放射線環境下などの特殊環境下で使用する
ことが可能である。また、その製造方法もプレス
加工や鍛造などによる圧縮、引張り、曲げ、ねじ
り加工などを適用することができるため簡便であ
る。したがつて、その工業的価値は極めて大であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂおよび第２図は本発明のセラミツ
クス焼結体部品の実施例を示し、第１図ａはスプ
リングワツシヤーの正面図、第１図ｂはその側面
図、第２図は皿バネの断面図である。１……スプリングワツシヤー、２……皿バネ。

Claims

【特許請求の範囲】１窒化ケイ素を少なくとも50体積％と、炭化ケ
イ素および／または炭窒化ケイ素を50体積％未満
とを含有してなる窒化ケイ素系セラミツクス焼結
体の超塑性変形物よりなることを特徴とするセラ
ミツクス焼結体部品。２該炭化ケイ素および／または炭窒化ケイ素の
50体積％以下が、周期律表のａ、ａおよび
ａ族元素の炭化物、窒化物、炭酸化物、窒酸化
物、ケイ化物もしくはこれらの相互固溶体により
置換されている特許請求の範囲第１項記載のセラ
ミツクス焼結体部品。３該窒化ケイ素系セラミツクス焼結体が、さら
に酸化ケイ素ならびに周期律表のａ、ａ、
族元素および希土類元素の酸化物、窒化物および
これらの相互固溶体から選ばれる少なくとも１種
を粒界相として含有する特許請求の範囲第１項ま
たは第２項に記載のセラミツクス焼結体部品。４該セラミツクス焼結体部品が平均粒径2μｍ
以下の粒状晶組織を有する特許請求の範囲第１項
ないし第３項のいずれか１項に記載のセラミツク
ス焼結体部品。５該セラミツクス焼結体部品の少なくとも１部
の表面粗さが6μｍ以下である特許請求の範囲第
１項ないし第４項のいずれか１項に記載のセラミ
ツクス焼結体部品。６窒化ケイ素を少なくとも50体積％と、炭素ケ
イ素および／または炭窒化ケイ素を50体積％未満
とを含有する窒化ケイ素系セラミツクス焼結体
を、非酸化性雰囲気中、温度1400℃以上、応力30
Kg／mm²以下、および歪速度10^-3／秒以下の条件で
超塑性変形せしめることを特徴とするセラミツク
ス焼結体部品の製造方法。７該超塑性変形工程に先立ち、該窒化ケイ素セ
ラミツクス焼結体を研削もしくは研磨する工程を
含む特許請求の範囲第６項記載のセラミツクス焼
結体部品の製造方法。