JPH0761907B2

JPH0761907B2 - 繊維強化セラミックス

Info

Publication number: JPH0761907B2
Application number: JP63066662A
Authority: JP
Inventors: 等横井; 聡飯尾; 正一渡辺
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1988-03-18
Filing date: 1988-03-18
Publication date: 1995-07-05
Anticipated expiration: 2010-07-05
Also published as: JPH01239069A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、β‐Si₃N₄ホイスカ（whiskers）により強化
した酸窒化珪素（Si₂N₂O）が主体の繊維強化セラミック
スに関する。

［従来の技術］近年、切削工具、セラミックバルブ等の自動車エンジン
部材、ガスタービンロータ等の熱機関部材に使用する高
強度、高靭性でかつ耐摩耗性、耐欠損性、耐酸化性、耐
熱性に優れたセラミック材料が求められている。

耐酸化性、耐熱性に優れるセラミックス材料の一つとし
て、酸窒化珪素が知られており、Si₃N₄とSiO₂にSiC粉末
を加えて焼結し、高温強度の高いセラミックス材料を得
ること（例えば、特開昭54-123110）や、Si₃N₄とSiO₂と
にCeO₂を添加して高強度の酸窒化珪素焼結体を得ること
（昭和62年窯業協会年会、予稿集3A25）が知られてい
る。

［発明が解決しようとする課題］しかし、上記従来の酸窒化珪素焼結体は、耐熱性、耐酸
化性に優れ、かつ高強度であるが、十分な靭性を有して
いない。

本発明は、上記のような特性の他に耐食性や電気絶縁性
等の酸窒化珪素焼結体本来の特性を損なうことなく、靭
性を向上させた酸窒化珪素焼結体を提供することを課題
とする。

［課題を解決するための手段］本発明は上記課題を解決するために次の手段を採用し
た。

即ち、本願の要旨は、 β‐Si₃N₄ホイスカ５〜40重量％と、 Sc、Ｙ及び希土類元素のなかから選ばれた１種または２
種以上の酸化物を１〜30重量％と、酸窒化珪素成分残部とを主成分とする繊維強化セラミッ
クスにある。

ここで、β‐Si₃N₄ホイスカとしては、通常市販される
ものを使用することができ、その代表的形状は、平均直
径0.2〜５μｍ、平均長さ２〜200μｍである。特に、F
e、Cr等のカチオン成分やメリライト（Si₃N₄・Y₂O₃）等
の不純物が少なく、くびれ、枝分れ、面欠陥等の少ない
ひげ状結晶であると好ましい。

また、このβ‐Si3N4ホイスカの表面にBN、カーボン等
のコーティングが施してあってもよい。

なお、Si₃N₄ホイスカには本発明で使用するβ‐Si₃N₄ホ
イスカ以外に、α‐Si₃N₄ホイスカが存在する。しか
し、α‐Si₃N₄ホイスカを使用した場合には、本繊維強
化セラミックスの焼結時に溶融析出過程を経て、β‐Si
₃N₄に転移する。そのため、焼結後にホイスカが存在し
なくなる。したがって、本発明では、α‐Si₃N₄ホイス
カを使用することはできない。

本発明では、このβ‐Si₃N₄ホイスカが、全主成分の５
重量％より少ないと、焼結時に酸窒化珪素の分解を抑え
ることができないと共に、靭性の向上もなく、また粒成
長抑制による高強度化に対する効果もほとんど無い。

一方、β‐Si₃N₄ホイスカが40重量％を超えると焼結性
が悪くなり、所望の繊維強化セラミックスを得ることが
できない。

また、Sc、Ｙ及び希土類元素のなかから選ばれた１種ま
たは２種以上の酸化物が１重量％より少ないと、焼結性
が悪くなり所望の繊維強化セラミックスを得ることがで
きない。一方、この酸化物が30重量％を超えると、繊維
強化セラミックス中のガラス成分が多くなり過ぎて、強
度、耐熱性、耐酸化性の低下がみられる。

また、上記主成分以外に、特性に影響を与えない程度の
Re₂Si₂O₇（Re:希土類元素）、Ce_4.67(SiO₄)₃O等を含ん
でもよい。

［作用・効果］酸窒化珪素は、1700℃を越えると 3Si₂N₂O→Si₃N₄+3SiO+N₂の反応によって急速に分解す
る。

しかし、本発明では、β‐Si₃N₄ホイスカが焼結時にお
ける酸窒化珪素の分解を抑制すると共に、Sc、Ｙ及び希
土類元素のなかから選ばれた１種または２種以上の酸化
物が酸窒化珪素の焼結を促進するために、十分緻密な繊
維強化セラミックスを得ることができる。

また、β‐Si₃N₄ホイスカのクラックディフレクショ
ン、プルアウト効果（引き抜き）効果により、本発明の
繊維強化セラミックスは高い靭性を有する。なお、プル
アウト効果とは、マトリックスに発生したクラック先端
の応力場において、マトリックスからホイスカが引き抜
かれることにより、クラック先端の応力集中を著しく低
下させ、靭性を向上させる効果である。

さらに、β‐Si₃N₄ホイスカにより、焼結時の酸窒化珪
素の粒成長が抑制され、高強度の焼結体となる。

そして、上記構成によって、本発明は、高強度、高靭性
でかつ耐摩耗性、耐欠損性、耐酸化性、耐熱性、耐食性
及び電気絶縁性に優れたセラミック材料を提供すること
を可能とした。

［実施例］本発明の実施例について説明する。

・第１実施例以下に示す各原料を第１表に示す割合で配合し、ボール
ミルを用いエタノール中で16時間均一に分散混合した
後、乾燥し、造粒して素地粉末とした。

原料 Si₂N₂O：平均粒径１μｍ、純度95％ Sc、Ｙ及び希土類元素の酸化物：平均粒径２μｍ以下、純度95％以上（表中では酸化物成
分と表示） β‐Si₃N₄ホイスカ：平均直径0.4〜２μｍ、長さ５〜50μｍ、この素地粉末を、第１表に示す温度、時間、圧力でホッ
トプレスにより焼結し、4mm×3mm×40mmの寸法に研磨加
工して試料とした。

その後、試料の室温及び1000℃における曲げ強度（JIS-
R1601及びJIS-R1604に準ずる）、ビッカース硬度（荷重
10kg）、破壊靭性（インデンティションマイクロフラク
チャー法、荷重10kgによる）について測定し、第１表に
合わせて記した。また、試料中の結晶相をＸ線回析を用
いて同定し、結果を第１表に記した。

なお、電子顕微鏡（SEM）による試料観察、Ｘ線回析の
結果より、β‐Si₃N₄ホイスカは他の成分と化学的に反
応することなく試料にホイスカ形状で残っていると共
に、全体に均一分散していることが確認された。

第１表から次のことがわかった。

試料No.Aのように、Si₂N₂Oのみを原料とし、酸化物
成分およびβ‐Si₃N₄ホイスカを使用しないと、焼結体
を得ることはできない。

試料No.Bのように、β‐Si₃N₄ホイスカを使用しな
いと、実施例と同様の条件ではSi₂N₂O成分が分解揮発す
るために、焼結できない。また、試料No.Cのように焼結
条件を変更して焼結した場合、十分な靭性を得ることが
できない。

試料No.Dのように、β‐Si₃N₄ホイスカが５重量％
より少ないと、Si₂N₂Oの分解揮発を抑制することができ
ず、十分な焼結体を得ることができない。また、試料N
o.Eのように、β‐Si₃N₄ホイスカが40重量％より多い
と、焼結性が悪くなり、焼結体を得ることができない。

試料No.Fのように、酸化物成分を使用しないと、焼
結時にガラスの生成がなく、焼結が促進されない。ま
た、試料No.Gのように、酸化物成分が１重量％より少な
いと焼結時にガラスの生成が少なく、焼結が進まない。
逆に、試料No.H、Ｊのように酸化物成分が30重量％より
多いとガラスの生成が多すぎて十分な性能の焼結体を得
ることができない。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】β‐Si₃N₄ホイスカ５〜40重量％と、 Sc、Ｙ及び希土類元素のなかから選ばれた１種または２
種以上の酸化物を１〜30重量％と、酸窒化珪素成分残部とを主成分とする繊維強化セラミッ
クス。