JPH075385B2

JPH075385B2 - 窒化ケイ素質焼結体およびその製造法

Info

Publication number: JPH075385B2
Application number: JP61280899A
Authority: JP
Inventors: 敏彦荒川; 利之森; 俶博松本
Original assignee: Tosoh Corp
Current assignee: Tosoh Corp
Priority date: 1986-11-27
Filing date: 1986-11-27
Publication date: 1995-01-25
Anticipated expiration: 2010-01-25
Also published as: JPS63139058A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、高硬度，高破壊靭性を有する窒化ケイ素質焼
結体およびその製造法に関するものである。

（従来の技術）窒化ケイ素質焼結体は、高強度，高耐熱性，高耐摩耗性
などの点から構造用セラミックスとしての利用が期待さ
れている。しかしながら、窒化ケイ素は単味では焼結し
にくい材料であるため、各種の焼結助剤の添加が提案さ
れている。しかし、耐摩耗部材として必要な高硬度およ
び高破壊靭性の二つの特性を同時に満足する焼結体の報
告はまだない。また、窒化ケイ素質焼結体は、通常焼結
温度1700〜1900℃で製造されており、この温度域が窒化
ケイ素の分解温度に近いため、分解の抑制やコストの点
で問題となっている。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は、上記問題点を改善した窒化ケイ素質焼結体お
よびその製造法を提供しようとするものである。

窒化ケイ素質焼結体は、一般に破壊靭性が高いと硬度が
低く、同時に両特性を満すことは困難であった。たとえ
ば、Y₂O₃およびAlNを添加してα−サイアロンとして焼
結すると高硬度がえられるが、逆に破壊靭性は低い。そ
のためZrO₂の相変態機構の利用が試みられているが、以
下の理由によりむつかしいとされている。

（１）窒化ケイ素質焼結体が緻密化する温度域（1700℃
以上）では、ZrO₂は準安定な正方晶ではなく、単斜晶へ
と転移してしまい、ZrO₂の相変態機構を利用することが
できない。

（２）窒化ケイ素中に分散しているZrO₂がSi₃N₄と反応
してZrNを生成し、焼結体の破壊靭性を著しく低下させ
る。

以上のように添加したZrO₂を正方晶で存在させ、かつZr
Nの生成を抑制することは困難であった。

（問題点を解決するための手段）上記の問題点を解決するためには、1700℃以下で緻密化
することと、ZrNを生成させないことが必要であり、こ
れらの点に着目して深く追及した結果、ZrO₂,Al₂O₃,Y₂O
₃およびSi₃N₄からなる系を選択することにより、1700℃
以下で緻密化し、かつZrNが生成しない焼結体がえられ
ることを見出した。それに加えて、この焼結体の組織中
に正方晶のジルコニアと窒化ケイ素のマトリックスの他
にアスペクト比５以上の柱状体（Al₂O₃とSi₃N₄との固溶
体からなる）が存在しており、この柱状体がクラック・
ディフレクション機構によりクラックの進展を抑制し、
それによって高破壊靭性のものとなることを見出した。
また、α型窒化ケイ素を多く含有するほど高硬度になる
が、上記のものの場合、上記のとおり焼結温度が低いの
で、α相からβ相への転移が抑制されて高硬度も同時に
達成される。このように、正方晶系ジルコニア、α型窒
化ケイ素および柱状体の三者が存在することによって高
硬度，高破壊靭性の両者を同時に満足する窒化ケイ素質
焼結体およびその製造法を見出した。

すなわち、本発明は、（１）全体の組成が ZrO₂ 24〜40wt％ Al₂O₃ ３〜13wt％ ZrO₂とY₂O₃の合計に対するY₂O₃ ４〜8wt％ Si₃N₄ 残りであり、α型窒化ケイ素および正方晶系ジルコニアを含
み、かつSi₃N₄とAl₂O₃との固溶体からなるアスペクト比
５以上の柱状体を含、窒化ケイ素質焼結体、および（２）ZrO₂24〜40wt％,Al₂O₃3〜13wt％,ZrO₂とY₂O₃の合
計に対するY₂O³4〜8wt％および残り、Si₃N₄の混合粉末
を非酸化性雰囲気中で1500〜1650℃で焼結することによ
る、窒化ケイ素質焼結体の製造法を要旨とする。

上記（１）の焼結体は、前述のとおり、それに含まれる
正方晶系ジルコニア、α型窒化ケイ素および柱状体よっ
て、窒化ケイ素質焼結体として従来知られているもので
は達成されることのなかった、高硬度，高破壊靭性を備
えているのである。窒化ケイ素のうちα相を20wt％以
上、かつジルコニアのうち正方晶を50wt％以上含めば、
本発明の特徴がよりよく発揮される。

（２）の製造法の混合粉末において、ZrO²,Al₂O₃および
Y₂O₃のいずれかが上記の下限を下まわると焼結体の高密
度化および柱状体の析出が満されず、いっっぽう上限を
上まわると柱状体の析出が抑制される。Y₂O₃およびZrO₂
は、両者の固溶体からなる部分安定化ジルコニア粉末で
も、またY₂O₃粉末とZrO₂とを別々に添加してもよい。

焼結温度は、1500〜1650℃でなければならない。低すぎ
ると、焼結体の緻密度化が充分に進行せず、したがって
密度があがらず機械的物性の低いものしかえられない。
いっぽう、高すぎると、柱状体の析出が抑抑制され、ま
たジルコニアの正方晶および窒化ケイ素のα相が存在し
なくなり、上記の焼結体がえられないからである。

焼結方法は、とくに制限はなく、公知の各種の方法を採
用することができ、たとえば、常圧焼結法，ホットプレ
ス法，雰囲気加圧法，熱間静水圧法などをあげることが
できる。焼結時間は、焼結温度，添加量などとの関係で
適宜選択すればよいが、２時間以上が好ましい。

上記の焼結助剤の添加による本発明の効果が何故えられ
るかについて充分に解明されているわけでないが、高破
壊靭性は分散している正方晶系ジルコニアの単斜晶への
マルテンサイト型相変態および柱状体のクラック・ディ
フレクション機構の二つによるものと考えられる。ま
た、高硬度は、α型窒化ケイ素の存在によるものと考え
られる。

（発明の効果）（１）本発明の焼結体は、従来にない高硬度，高破壊靭
性の両特性を兼ね備えた窒化ケイ素質焼結体である。

（２）本発明の製造法によれば、上記の焼結体がえられ
る。

（実施例）実施例１〜9,比較例１〜８平均粒径0.3μｍのSi₃N₄粉末，平均粒径0.2μｍのZrO₂
粉末、平均粒径0.5μｍのY₂O₃粉末および平均粒径0.5μ
ｍのAl₂O₃粉末を窒化ケイ素製ポットミル中で24時間混
合した。この混合物を1500Kg/cm²の圧力で50×30×5mm
の成形体に静水圧プレスし、窒化ホウ素粉末中に収めて
所定温度で窒素雰囲気中で、２時間焼結した。えられた
焼結体を研削，研磨して、ビッカース硬度計（荷重30K
g）で硬度を、マイクロインデンテーション法により破
壊靭性を測定した。

上記以外の条件および結果を表に示す。（表中「AS比」
は、アスペクト比のことである。）また、実施例２でえ
られた焼結体の表面を研磨したものの走査型電子顕微鏡
写真を第１図に示す。

実施例１〜９の焼結体をEPMAによって特性Ｘ線による面
分析を行なった。いずれの例においても柱状体からはZr
およびＹが認められず、SiおよびAlのみであった。した
がって、これらの柱状体は、いずれもSi₃N₄とAl₂O₃との
固溶体でると認められる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例２でえられた焼結体の結晶の構造を示
す走査型電子顕微鏡写真である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】全体の組成が ZrO₂ 24〜40wt％ Al₂O₃ ３〜13wt％ ZrO₂とY₂O₃の合計に対するY₂O₃ ４〜8wt％ Si₃N₄ 残りであり、α型窒化ケイ素および正方晶系ジルコニアを含
み、かつSi₃N₄とAl₂O₃との固溶体からなるアスペクト比
５以上の柱状体を含むことを特徴とする、窒化ケイ素質
焼結体。
【請求項２】窒化ケイ素のうちα相が20wt％以上であ
り、かつジルコニアのうち50wt％以上が正方晶である、
特許請求の範囲（１）項記載の窒化ケイ素質焼結体。
【請求項３】ZrO₂24〜40wt％,Al₂O₃3〜13wt％,ZrO₂とY₂
O₃の合計に対するY₂O₃4〜8wt％および残りSi₃N₄の混合
粉末を非酸化性雰囲気中で1500〜1650℃で焼結すること
を特徴とする、窒化ケイ素質焼結体の製造法。