JPH0699192B2

JPH0699192B2 - 高靭性窒化けい素焼結体の製造法

Info

Publication number: JPH0699192B2
Application number: JP2093522A
Authority: JP
Inventors: 護三友
Original assignee: 科学技術庁無機材質研究所長
Priority date: 1990-04-09
Filing date: 1990-04-09
Publication date: 1994-12-07
Anticipated expiration: 2009-12-07
Also published as: JPH03290370A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、強度や熱衝撃抵抗が大きいため、自動車部品
やその他の機械部品への応用が期待されている高靱性窒
化けい素焼結体の製造方法に関する。

（従来の技術及び解決しようとする課題）従来より、窒化けい素の焼結法として、ホットプレス
法、熱間静水圧法、常圧焼結法、ガス圧焼結法等が開発
されている。

原料粉末としては、α型を主とする平均粒径1.0μｍ以
下の細かいものが市販されている。α型は高温で不安定
であり、焼結中にβ型に相変化するものである。焼結は
焼結助剤を含む液相中を窒化けい素が拡散することによ
って進行するが、α型粒子の液相中への溶解度はβ型粒
子より高いため、β型粒子の一部は異状粒成長を起し、
柱状粒子が発達する。

一方、焼結体（セラミックス）の破壊はクラックが進行
することによって起るが、上記の柱状粒子は進行するク
ラックの方向を曲げることによって、破壊に必要とする
エネルギーを高くし、結果的に高靱性となる。しかし、
高α率の粉末では、柱状粒子の異方性が大きく、破壊靱性は高くなるが、
強度は低下する。

組織の制御が困難である、等々の問題点があった。

そこで、本発明者らは、先に、異常粒成長を示さない平
均粒径１μｍ以下の微細なβ型粉末に粒成長のための核
を予め混入させて高靱性セラミックスを得る方法を提案
した（特願平１−77177号）。しかし、この方法におい
てβ型粉末を使用するが、市販されている細かい粉末は
殆どα型が主成分であるので、これを1500℃以上に加熱
してβ化する必要があった。

本発明の目的は、上述の如くα型及びβ型窒化けい素粉
末を用いる従来法の問題点を解決するためになされたも
のであって、高靱性の窒化けい素焼結体を低コストで製
造できる方法を提供するにある。

（課題を解決するための手段）本発明者らは、α型粉末では焼結体の組織が不均一にな
り、強度が低いこと、一方、β型粉末では熱処理による
β化の操作が余分に必要であることに鑑みて、市販され
ている安価なα型粉末でも組織制御が容易で高靱性の焼
結体が得られる方法について鋭意研究を重ねた。

その結果、常圧又はガス圧焼結の際、粒成長のための核
を予め原料粉末に混入させることにより、破壊靱性が大
きい焼結体が得られることを知見するに至り、本発明を
完成したものである。

本発明は、α型を主成分とし、平均粒径1.0μｍ以下の
窒化けい素粉末85〜95重量％と、このα型を主成分とす
る窒化けい素粉末の平均粒径の３〜５倍の平均粒径を有
するβ型窒化けい素粉末又は多結晶体２〜10重量％と、
焼結助剤２〜15重量％とからなる混合粉末を、成形した
後に、１〜100気圧の窒素中で1750〜2200℃の温度範囲
において焼結することを特徴とする高靱性窒化けい素焼
結体の製造法を要旨とするものである。

以下、本発明について更に詳述する。

（作用） α型を主成分とする窒化けい素粉末は、細かいものであ
る必要があり、平均粒径1.0μｍ以下、望ましくは0.3〜
0.8μｍのものを用いる。これは、粒径が1.0μｍより大
きいと焼結性が低くなるためである。また、粒径の大き
な粒子が多量に存在するのは好ましくなく、α型を主成
分とする窒化けい素粉末としては、α型が60〜100重量
％、β型が０〜40重量％のものが好ましい。β型の含有
率が40重量％を超えると、混入させる核以外にも粒成長
が起り、組織制御が困難となる。また、上記平均粒径の
３倍以上の粒径を持つ大きな粒子は、異常成長し、組織
が制御できなくなるので、そのような粉末粒子は窒化け
い素粉末に２重量％以下に抑制するのが好ましい。

前述のように、窒化けい素の焼結は、窒化けい素が焼結
助剤を含む液相を通って拡散し、焼結が進行する液相焼
結によるものである。その際、α型は高温で不安定なの
で、析出する粒子はβ型になる。このように焼結と相変
化が同時に起る。また液相への溶解度は小さな粒子の方
が大きな粒子より大きい。このため、焼結と同時に粒成
長が起る。

β型粉末では、正常粒成長が起る。すなわち、最大粒径
（γmax）が常に平均粒径（）の2.5倍以下（γmax＜
2.5）になるように粒度分布が保持されながら、焼結
の進行と共に平均粒径（）が大きくなるものである。

一方、α型粉末では、焼結初期の非定常状態で局所的に
不均一のため、大きな粒子（核）が発生する。この核は
焼結の進行と共に柱状になる。

本発明においては、α型を主とする細かい窒化けい素粉
末中に、α型粉末の平均粒径の３〜５倍の平均粒径を有
するβ型の窒化けい素粉末又は多結晶体を所定量混入さ
せる。これにより、平均粒径の３倍以上の粒子の成長速
度は平均粒径の増加速度より早いので、導入した核が優
先的に成長する。この粒成長の駆動力は大きいので、柱
状粒子となる。核として用いるβ型粉末又は多結晶の平
均粒径は、α型粉末の平均粒径の３〜５倍とする必要が
ある。３倍未満では核としての作用が十分でなく、また
５倍を超えると粒子が大きく成長しすぎるので望ましく
ない。

なお、β型窒化けい素粉末は、α型粉末を窒素中で1500
〜1700℃に加熱することにより得られる。多結晶体は、
焼結体を粉砕して分級すうことによって得られる。

β型窒化けい素粉末又は多結晶体の混合割合は２〜10重
量％、望ましくは２〜５重量％である。粒径及び混合量
がその下限値より少ないと、核としての効果がなく、多
すぎると組織全体が粗粒化し、強度が低下するので好ま
しくない。

更に、焼結助剤として、通常用いられる酸化物（MgO、A
l₂O₃、Y₂O₃、ランタニド金属酸化物の単独又は混合物な
ど）を２〜15重量％添加する。好ましくは３〜７重量％
である。その量は焼結温度に依存し、高温ほど少量でよ
い。窒化けい素粉末と焼結助剤の混合は、窒化けい素の
酸化を防ぐために有機溶媒中で行うのが望ましい。

これらの混合粉末は、乾燥後、静水圧プレス、射出成
形、鋳込み成形等の通常の方法で成形する。

次いで、焼結を行うが、焼結は１〜100気圧の窒素中で1
750〜2200℃の温度範囲で行う。高温ほど焼結速度は大
きいが、窒化けい素の解離圧（窒素圧）が高くなるた
め、解離圧より高い窒素圧中で焼結することにより、窒
化けい素の熱分解を防止する必要がある。必要な最低圧
は1750℃で１気圧、1850℃で３気圧、1950℃で10気圧、
2050℃で20気圧、2150℃で50気圧である。なお、焼結時
間は特に制限しないが、１〜50時間が好ましい。焼結時
間は低温ほど長時間が必要である。加熱は、焼結のみで
なく、粒成長による組織発現が目的であるので、通常の
焼結時間より長い方がよい。例えば、1750℃で３〜40時
間、1950℃で１〜15時間、2150℃で１〜５時間程度であ
る。

上記のように、本発明では、細かいα型を主成分とする
窒化けい素粉末に、粒成長のための核を導入して焼結す
るので、成長粒子の数を制御でき、結果的に組織制御さ
れあ高靱性窒化けい素焼結体が得られる。

（実施例）次に本発明の実施例を示す。

実施例１市販のα型を主成分とする窒化けい素粉末（平均粒径0.
6μｍ、α型／（α型＋β型）＝0.87）90重量％と、平
均粒径2.0μｍのβ型窒化けい素粉末３重量％と、焼結
助剤としてY₂O₃５重量％及びAl₂O₃２重量％を、ｎ−ヘ
キサン中で窒化けい素製ボールミルで混合した。なお、
β型窒化けい素粉末としては、上記α型粉末を10気圧の
窒素中で1800℃に加熱し、完全にβ型とした後、分級し
たものを用いた。

次いで、この混合粉末を乾燥いた後、250kg/cm²で金型
プレスし、更に2ton/cm²で静水圧プレスし、柱状の成形
体とした。その後、成形体を窒素圧10気圧で1900℃に３
時間加熱した。更に600メッシュのダイヤモンドホイー
ルで平面研削し、約3mm×4mm×40mmの試料とした。

焼結体の気孔率は0.6％であった。また、JIS R1601によ
るスパン30mmの３点曲げ強度は930MPa、SEPB法による破
壊靱性値は8.7MN/m^3/2であった。

実施例２実施例１で用いたものと同じα型を主成分とする窒化け
い素粉末85重量％に、実施例１で述べた方法によって得
た平均粒径2.3μｍのβ型窒化けい素粉末５重量％と、
焼結助剤としてY₂O₃６重量％及びLa₂O₃４重量％を加
え、実施例１の場合と同様の方法により混合し、成形し
た後、30気圧の窒素中で2000℃に２時間加熱した。

曲げ強度が850MPa、破壊靱性が9.2MN/cm^3/2の焼結体が
得られた。

実施例３実施例１で用いたものと同じα型を主成分とする窒化け
い素粉末87重量％に、実施例１で述べた方法により得た
平均粒径2.0μｍのβ型窒化けい素粉末３重量％と、焼
結助剤としてAl₂O₃５重量％、MgO重量％及びCeO₂２重量
％を加え、実施例１の場合と同様の方法により混合し、
成形した。成形体を１気圧の窒素中で1800℃に５時間加
熱した。焼結体の曲げ強度は980MPa、破壊靱性は7.2MN/
m^3/2であった。

なお、各実施例において、β型窒化けい素粉末に代えて
多結晶体を用いても、同様の効果が得られる。

（発明の効果）以上説明したように、本発明によれば、市販のα型窒化
けい素粉末を使用しても、高靱性高強度の窒化けい素焼
結体が得られる。したがって、自動車部品やその他の機
械部品へ安価に提供できる効果は大きい。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】α型を主成分とし、平均粒径1.0μｍ以下
の窒化けい素粉末85〜95重量％と、このα型を主成分と
する窒化けい素粉末の平均粒径の３〜５倍の平均粒径を
有するβ型窒化けい素粉末又は多結晶体２〜10重量％
と、焼結助剤２〜15重量％とからなる混合粉末を、成形
した後に、１〜100気圧の窒素中で1750〜2200℃の温度
範囲において焼結することを特徴とする高靭性窒化けい
素焼結体の製造法。
【請求項２】α型を主成分とする窒化けい素粉末が、60
〜100重量％のα型と、０〜40重量％のβ型とからな
り、かつ、この窒化けい素粉末には、平均粒径の３倍以
上の粒径を持つ粒子が２重量％未満含まれる請求項
（１）記載の製造法。