JPH0570242A - 耐衝撃材用窒化ケイ素系焼結体 - Google Patents

耐衝撃材用窒化ケイ素系焼結体

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JPH0570242A
JPH0570242A JP3154547A JP15454791A JPH0570242A JP H0570242 A JPH0570242 A JP H0570242A JP 3154547 A JP3154547 A JP 3154547A JP 15454791 A JP15454791 A JP 15454791A JP H0570242 A JPH0570242 A JP H0570242A
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隆夫 西岡
Takehisa Yamamoto
剛久 山本
Kenji Matsunuma
健二 松沼
Akira Yamakawa
晃 山川
Masaya Miyake
雅也 三宅
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐衝撃性に優れた高強度窒化ケイ素系材料を
提供すること。 【構成】 窒化ケイ素８０重量％以上、９８重量％以下
含み、焼結体の気孔率が３％以下であり、かつ焼結体の
衝撃圧縮弾性限（ユゴニオ圧縮応力）が１５ＧＰａ以上
である耐衝撃材用窒化ケイ素焼結体。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は自動車部品や機械部品な
ど強度、特に優れた衝撃強度を要求される部品材料とし
て応用される耐衝撃用窒化ケイ素系焼結体に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】近年、地球環境問題（ＣＯ2、ＳＯX、Ｎ
ＯX）等により自動車関連分野では燃費向上の開発が急
速にすすみ、軽量化やフリクションロスの低減等の目的
で動弁系材料としてセラミック材料を使用する試みがな
されている。特に窒化ケイ素系材料は軽量、高強度、高
靭性でありヤング率も高いことから、最も有望視されて
いる材料である、こうした窒化ケイ素系材料が実用化さ
れるためには、強度、靭性といった機械的特性の点では
必ずしもまだ満足する特性を得ていない。例えばこうし
た自動車部品へのセラミック材料の応用としては、ター
ボチャージャーの羽根車（ニューセラミックス誌、１
号、ＰＰ９１、柴田、服部、川村、１９８８）やディー
ゼルエンジン用のタペットシム（自動車技術、４５巻、
４号、ＰＰ３３、原、小林、松井、赤羽、１９９１）等
への応用例があるが、いずれも窒化ケイ素セラミックス
の軽量性や耐摩耗性を利点としたものであり、その材料
強度もＪＩＳＲ１６０１準拠の３点曲げ強度で高々１０
０ｋｇ／ｍｍ2レベルである。しかしながら、こうした
材料では上述した動弁系材料や機械部品として用いる場
合、その強度特性、特に衝撃強度特性の点で十分とはい
えず、信頼性の点で問題がある。特に後者のタペットシ
ム等の部品は、通常のレシプロエンジン等に用いられた
場合、耐摩耗性は勿論、非定常運転状態（例えばサージ
ング現象）では非常に高い衝撃応力を受けるため、この
実用化のためには耐衝撃性に優れた高強度な窒化ケイ素
系材料の開発が望まれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は耐衝撃性に優
れた高強度窒化ケイ素系材料を提供しようとするもので
ある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するに
は、下記二条件を満足する必要があることを見出した。 （１）材料組織、組成の点で特定の窒化ケイ素の含有量
と気孔率の範囲を有すること、（２）材料物性の点で特
定の衝撃圧縮弾性源（ユゴニオ圧縮応力）の範囲を有す
ること、である。
【０００５】すなわち、本発明の構成は、窒化ケイ素を
８０重量％以上９８重量％以下含み、焼結体の気孔率が
３％以下であり、かつ焼結体の衝撃圧縮弾性率（ユゴニ
オ圧縮応力）が１５ＧＰａ以上であることを特徴とする
耐衝撃材用窒化ケイ素焼結体である。
【０００６】本発明における窒化ケイ素系材料とは、窒
化ケイ素もしくはサイアロンの１種もしくは２種を主成
分とする材料であり、その含有量は８０重量％以上９８
重量％以下を含むことが必要である。この含有量に関し
ては、８０重量％未満であると、粒界相成分が多く含ま
れるために、耐衝撃性の低下が生じること、又９８重量
％を越えると、焼結体の焼結性の低下をまねき、加圧焼
結法（ホットプレス法）を用いなければ気孔を多く含む
焼結体となり、耐衝撃性の低下をまねくことになる知見
を得たものである。
【０００７】一方、焼結体の気孔率については、３％を
越えると衝撃圧縮弾性限（ユゴニオ圧縮応力）の低下が
顕著に生じ、耐衝撃性の低下をまねく知見を得たもので
ある。
【０００８】窒化ケイ素材料の強度特性は従来、焼結助
剤の組成や相対密度、窒化ケイ素結晶粒の粒径、粒形態
（アスペクト比等）などその影響因子が多く、とくに耐
衝撃性についての影響因子については未だ明確になって
おらず材料を応用していく上での信頼性を獲得するに至
っていなかったと考えられる。発明者らが鋭意検討した
結果、種々の公知の衝撃試験法（シャルピー、アイゾッ
ト、落重試験）にて得られた評価結果と実用衝撃特性試
験（例えばモーターリング試験）の評価結果を照合した
結果が必ずしも対応しないことと、更に窒化ケイ素系材
料を含むセラミック材料の衝撃圧縮弾性限（ユゴニオ圧
縮応力）がセラミック材料の耐衝撃性を評価する値とし
て非常に有効であり、その値が１５ＧＰａ以上である窒
化ケイ素材料が特に耐衝撃性に優れる知見に至ったもの
である。
【０００９】上記衝撃圧縮弾性限の測定法は周知のもの
であり、詳細は、例えば下記文献に記載されている。
【００１０】（１）日刊工業新聞社発行「衝撃工学」１
９８８年 第８章 第２２７頁 （２）Ｔ．Ｍａｓｈｉｍｏ，Ｍ．Ｋｏｄａｍａ ａｎｄ
Ｋ．Ｎａｇａｙａｍａ；Ｅｌａｓｔｏｐｌａｓｔｉｃ
Ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｕｎｄｅｒ ＳｈｏｃｋＣｏｍｐ
ｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ＣａＯ−Ｄｏｐｅｄ Ｓｔａｂ
ｉｌｉｚｅｄＺｉｒｃｏｎｉａ Ｃｅｒａｍｉｃｓ，Ｐ
ｒｏｃ．３ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔ．Ｃｏｎｆ．Ｓｃ
ｉ．Ｔｅｃｈ．Ｚｉｒｃｏｎｉａ。
【００１１】
【実施例】以下、実施例によって、本発明を具体的に説
明する。
【００１２】実施例１ 市販の窒化ケイ素粉末（α化率９５％、平均粒径０．５
μｍ）を９２重量％、焼結助剤として酸化イットリウ
ム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム粉末を各々
５、２、１重量％、エタノール中、ナイロン製ボールミ
ルにより１００時間湿式混合した後、得られたスラリー
を２０μｍのナイロンメッシュにてふるい分けした。こ
れを９０℃で２時間乾燥させ、得られた乾燥物を２５０
μｍのナイロンメッシュでふるい分けした粉末を、３０
００ｋｇ／ｃｍ2の圧力でＣＩＰ成形した。
【００１３】この成形体を種々の焼結条件で焼結して得
られた焼結体から、衝撃圧縮弾性限（ユゴニオ圧縮応
力）を測定する試料として１９ｍｍ×１９ｍｍ×５ｍｍ
の試験片を切り出し、全面を＃８００ダイヤモンド砥石
で仕上げ加工した。
【００１４】一方実用特性として同焼結体よりφ２５ｍ
ｍ×３ｍｍの円板状試験片を切り出し、上下面をやはり
＃８００ダイヤモンド砥石で仕上げ加工、また円周部に
ついてはＲ０．３の面取りを行いタペットシムとした。
【００１５】また同時に同焼結体からはＪＩＳＲ１６０
１に準拠した抗折試験片を各１５本ずつ切り出し、３点
曲げ強度測定に供した。
【００１６】衝撃圧縮弾性限（ユゴニオ圧縮応力）の測
定については図１に示す傾斜鏡法にて測定した。
【００１７】この方法はドライバープレート（駆動板）
に平面鏡を、試料の前面と後面に平面鏡と傾斜鏡を取り
付け、衝撃波がドライバープレートと試料の背面に到達
した時や自由表面が傾斜鏡に衝突した時に、鏡の蒸着面
が乱れ、鏡からの光がとぎれる様子をスリットを通して
高速流しカメラで記録するものである。光源にはキセノ
ンフラッシュランプを使用し、そのトリガーには飛翔体
の速度測定装置のロジック回路からのパルス信号を使用
した。高速流しカメラには鏡回転式カメラを用いてい
る。飛翔体の速度は光反射法か磁石飛翔法により０．３
％以内の精度で計測した。
【００１８】図２にはタペットシムの完成品図面を示
す。タペットシムの評価については図３に示すモーター
リング装置によりカムの回転数に対するシムの破壊限界
で評価した。図３ではバルブ１、バルブシート２、バル
ブガイド３、バルブスプリング４、タペットシム５、カ
ム６、カムシャフト７、バルブリフター８、リテイナー
９、リテイナーロック１０を有する装置である。なおこ
こではカムによる直動方式を採用した。また機関回転数
はカム回転数の２倍相当となる。
【００１９】以上の評価結果については表１に示した。
同表中には添加組成比により求められる材料比重とアル
キメデス法により求めた焼結体の比重の両方の値より求
めた気孔率についても併せて示した。
【００２０】
【表１】
【００２１】実施例２ 実施例１と同様の原料粉末を表２に示す組成で実施例１
と同様の手法により混合・乾燥・成形した後、１６５０
℃、５時間、２気圧Ｎ2ガス雰囲気下で焼結し、更に１
６００℃、１時間、１０００気圧Ｎ2ガス雰囲気下でＨ
ＩＰ処理した。得られた焼結体を実施例１と同様の手法
で評価した結果について同表中に示す。
【００２２】
【表２】 注 Ｎo.５、６は比較例である。
【００２３】実施例３ １）実施例１で示したサンプル３ ２）市販のＡｌＮ粉末（平均粒径０．８μｍ、酸素量
０．８重量％）酸化イットリウムを５重量％添加し１８
７０℃、５時間、１気圧Ｎ2雰囲気下で焼結したＡｌＮ
焼結体 ３）ＬＡＳガラスをマトリックスとし、電気化学工業
（株）製アルミナ長繊維（商品名”アルセン”太さ１８
０デニール）を一方向に配向したものを４０体積％含む
複合セラミックス材料 以上の材料を実施例１と同様の評価を実施した結果を表
３に示す。
【００２４】
【表３】
【００２５】
【発明の効果】本発明による窒化ケイ素系焼結体は、静
的な強度は勿論、特に耐衝撃特性の点で優れていること
からレシプロエンジンのタペットシムやエグゾーストバ
ルブ等の動弁系材料や機械部品等に応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における衝撃圧縮弾性限（ユゴニオ圧縮
応力）の測定法の説明図。
【図２】タペットシムの完成品の説明図。
【図３】シムの破壊限界を評価するためのモータリング
装置の説明図。
【符号の説明】
１ バルブ ２ バルブシート ３ バルブガイド ４ バルブスプリング ５ タペットシム ６ カム ７ カムシャフト ８ バルブリフター ９ リテイナー １０ リテイナーロック
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山川 晃 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 三宅 雅也 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 窒化ケイ素を８０重量％以上９８重量％
    以下含み、焼結体の気孔率が３％以下であり、かつ焼結
    体の衝撃圧縮弾性限（ユゴニオ圧縮応力）が１５ＧＰａ
    以上であることを特徴とする耐衝撃材用窒化ケイ素焼結
    体。
JP3154547A 1991-06-26 1991-06-26 耐衝撃材用窒化ケイ素系焼結体 Pending JPH0570242A (ja)

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EP92100791A EP0521233B1 (en) 1991-06-26 1992-01-18 Sintered silicon nitride bodies suitable for use as high impact materials
DE69229526T DE69229526T2 (de) 1991-06-26 1992-01-18 Gesinterte Siliciumnitridkörper geeignet zur Verwendung als Werkstoffe von hoher Schlagfestigkeit
CA002059775A CA2059775C (en) 1991-06-26 1992-01-21 Sintered silicon nitride bodies suitable for use as high impact materials
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