JPH11116340A - Silicon nitride sintered product having high strength and high toughness and its production - Google Patents

Silicon nitride sintered product having high strength and high toughness and its production

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JPH11116340A
JPH11116340A JP9284085A JP28408597A JPH11116340A JP H11116340 A JPH11116340 A JP H11116340A JP 9284085 A JP9284085 A JP 9284085A JP 28408597 A JP28408597 A JP 28408597A JP H11116340 A JPH11116340 A JP H11116340A
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JP
Japan
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silicon nitride
particles
strength
sintering
oxide
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JP9284085A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshio Akimune
宗 淑 雄 秋
Fumio Munakata
像 文 男 宗
Yusuke Okamoto
本 裕 介 岡
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To highly improve the strength and toughness of a silicon nitride sintered product light in weight and excellent in heat resistance. SOLUTION: This silicon nitride sintered product is obtained by adding 5-30 vol.% of needle-like silicon nitride particles 3 having diameters of 550-1000 μm and lengths of 2500-4000 μm and containing a sintering auxiliary to silicon nitride particles containing a sintering auxiliary and used for a matrix and subsequently simultaneously sintering the components in the mixture in a nitrogen gas atmosphere. In the produced silicon nitride sintered product, 5-30 vol.% of the needle-like silicon nitride particles 3 having diameters of 400-750 μm and lengths of 2,000-3,500 μm are dispersed in the silicon nitride matrix 2.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、軽量でかつ耐熱性
に優れた窒化ケイ素焼結体に高強度高靭性(破壊靭性)
を付与するのに好適なセラミックス(窒化ケイ素質焼結
体)およびその製造方法に関し、例えば、自動車用部
材、電子機器用部材、化学装置用部材、宇宙航空機器用
部材等に利用される構造用部材を提供するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a silicon nitride sintered body which is lightweight and has excellent heat resistance and high strength and toughness (fracture toughness).
(Silicon nitride sintered body) suitable for imparting a material and a method for producing the same, for example, a structural member used for a member for an automobile, a member for an electronic device, a member for a chemical device, a member for an aerospace device, etc. Is provided.

【0002】[0002]

【従来の技術】軽量でかつ耐熱性に優れた高強度なセラ
ミックスの機械部品等への利用を拡大するためには、価
格を低減させるとともに、セラミックスを適用すること
で機械部品等の性能を飛躍的に向上させることが必要で
ある。
2. Description of the Related Art In order to expand the use of high-strength ceramics, which are lightweight and excellent in heat resistance, for machine parts, etc., the price is reduced, and the performance of machine parts, etc. is increased by applying ceramics. It is necessary to improve it.

【0003】そのため、例えば、第2相を添加すること
でセラミックスのマトリックスの硬度や靭性を高めて鋳
塊的性能を向上させる方法や、粒子の直径を小さくして
強度を向上させる素材の開発が進められ、また、逆の発
想で一部の粒子を選択的に成長させて熱伝導率を向上さ
せる素材の開発も行われている。
[0003] Therefore, for example, a method of improving the hardness and toughness of a ceramic matrix by adding a second phase to improve ingot-like performance, and a material for improving strength by reducing the diameter of particles have been developed. In addition, a material that improves the thermal conductivity by selectively growing some of the particles based on the opposite idea has been developed.

【0004】機械的性能が最もバランスの良い材料は窒
化ケイ素であり、窒化ケイ素をマトリックスに利用した
複合材料の開発が盛んである。そして、かなり以前から
の機械的性能を向上させる方法では、窒化ケイ素の強度
を維持しつつ第2相を添加したり、繊維で強化したりし
て、硬度や強度を高めることにより、工具,部品材料な
どに利用する開発が1970年頃より行われている。
A material having the best balance of mechanical performance is silicon nitride, and a composite material using silicon nitride as a matrix has been actively developed. A method of improving mechanical performance for a long time is to add a second phase while reinforcing the strength of silicon nitride or to strengthen it with fibers to increase the hardness and strength, thereby increasing the tool and component. Development for use in materials and the like has been performed since about 1970.

【0005】最近では、柱状金属を添加する方法が報告
されている(特開平8−26837号)が、セラミック
スの特徴である1000℃以上の温度では利用すること
ができがたい。また、窒化ケイ素に炭化ケイ素を複合化
させて高温強度を改善する手法もある(特開平8−33
7476号,特開平8−73270号,特開平8−67
568号)。
[0005] Recently, a method of adding a columnar metal has been reported (JP-A-8-26837), but it is difficult to use at a temperature of 1000 ° C or more which is a characteristic of ceramics. There is also a method of improving the high-temperature strength by compounding silicon carbide with silicon nitride (Japanese Patent Laid-Open No. 8-33).
7476, JP-A-8-73270, JP-A-8-67
568).

【0006】高強度を得るために、出発原料の粒子径を
0.1μm程度に微細化する手法が報告されている(特
開平8−12306号)が、微細粉末であるためプロセ
ス上の取り扱い工程が増加し、生産効率が低下するとい
う欠点がある。
[0006] In order to obtain high strength, there has been reported a method of reducing the particle size of a starting material to about 0.1 µm (Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-12306). And the production efficiency decreases.

【0007】同様に、粉末を直径0.2μm程度に均一
に粉砕して焼結するプロセスも提案されている(特開平
8−48564号)。この場合、強度は高いものの靭性
は低いという欠点がある。
Similarly, a process has been proposed in which powder is uniformly ground to a diameter of about 0.2 μm and sintered (JP-A-8-48564). In this case, there is a disadvantage that the strength is high but the toughness is low.

【0008】他方、原料中のハロゲンを少なくして強度
を改善する手法もある(特開平9−25168号)。
On the other hand, there is a method of improving the strength by reducing the amount of halogen in the raw material (JP-A-9-25168).

【0009】窒化ケイ素自体の強度と靭性を向上させる
手法としては、粒界相を結晶化させて高温での強度およ
び靭性を向上させる手法(特開平8−319165号)
や、微細窒化ケイ素粉末に粗大窒化ケイ素粉末および針
状粒子を分散させた材料が提案されている(特開平8−
133842号)。この場合、靭性は向上するものの強
度はほとんど変わらない。
As a technique for improving the strength and toughness of silicon nitride itself, a technique for improving the strength and toughness at a high temperature by crystallizing a grain boundary phase (Japanese Patent Laid-Open No. 8-319165).
Also, a material in which coarse silicon nitride powder and needle-like particles are dispersed in fine silicon nitride powder has been proposed (Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-
133842). In this case, although the toughness is improved, the strength is hardly changed.

【0010】高靭性と高強度を同時に得る方法には、シ
ート成形した窒化ケイ素を積層し荷重と直角方向に粒子
を配向成長させて一方向の強度および靭性を高める手法
もある(特開平8−143400号)。
As a method of simultaneously obtaining high toughness and high strength, there is also a method of laminating sheet-formed silicon nitride and orienting and growing particles in a direction perpendicular to the load to increase the strength and toughness in one direction (Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-108). No. 143400).

【0011】窒化ケイ素の熱伝導率を向上させる手法と
しては、日本セラミックス協会学術論文誌1989年1
月号56〜62ページに助剤をYとして焼結する
技術や、アルミニウム量を低減させる手法が公開されて
おり(特開平4−175268号,特開平4−2193
71号)、あるいはまた、助剤を複数の希土類酸化物と
して焼結する手法が報告されている(特開平9−308
66号)。
As a method for improving the thermal conductivity of silicon nitride, a method disclosed by the Ceramic Society of Japan, 1989, January
A technique for sintering an auxiliary agent as Y 2 O 3 and a technique for reducing the amount of aluminum have been disclosed on pages 56 to 62 of the monthly publication (JP-A-4-175268, JP-A-4-2193).
No. 71), or a method of sintering an auxiliary agent as a plurality of rare earth oxides has been reported (JP-A-9-308).
No. 66).

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】従来主に用いられてい
る複合材製造プロセスでは、原料のマトリックス粉末に
第2相の粉末を複合化した後焼結する方法であるが、複
合材料では強化相を導入するときに添加相の周囲に残留
応力が残り、マトリックスに欠陥が入って強度を低下さ
せることがあるという問題がある。また、高価な繊維を
配合するためプロセスが複雑かつ高価になるという欠点
がある。
In the composite material manufacturing process mainly used in the past, a method of compounding a second phase powder into a raw material matrix powder and then sintering the composite material is used. However, there is a problem that residual stress remains around the added phase when the alloy is introduced, and the matrix may have defects to reduce the strength. Further, there is a disadvantage that the process becomes complicated and expensive due to the addition of expensive fibers.

【0013】一方、高純度粉末を用いるか粒子直径を小
さくする方法では微細粒子を扱うプロセスが対応でき
ず、結果として強度は若干向上できるもののプロセス上
の歩留まりが悪くなったり通常のセラミックス製造プロ
セスが利用できなくなったりするという欠点もある。そ
して、何よりも、強度と靭性の両方を同時に向上させう
る製造性の良い手段はないのが現状である。
On the other hand, the method of using fine particles or reducing the particle diameter cannot cope with the process of handling fine particles. As a result, although the strength can be slightly improved, the yield in the process is deteriorated, and the ordinary ceramics manufacturing process is difficult. There is also a disadvantage that it can no longer be used. Above all, there is no means with good manufacturability that can simultaneously improve both strength and toughness.

【0014】[0014]

【発明の目的】本発明は、このような従来の技術にかん
がみてなされたものであって、軽量でかつ耐熱性に優れ
た窒化ケイ素焼結体において、強度と靭性の両方を同時
に向上させたものにできるようにすることを目的として
いる。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such prior art, and has been made to improve both the strength and toughness of a silicon nitride sintered body which is lightweight and excellent in heat resistance. The purpose is to be able to do things.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】ここで提案する発明は、
マトリックスに新規ドメインを導入することで異質材料
間の結合力が不足する不具合を無くし、強度と靭性の両
立を図る手法である。
Means for Solving the Problems The invention proposed here is:
Introducing a new domain into the matrix eliminates the problem of insufficient bonding strength between different materials, and achieves both strength and toughness.

【0016】本発明では、従来の技術において強度低下
を招く凝集体として排除されている粗大粒子群を活用し
た粒子群焼結技術に着目し、希土類系焼結助剤を含むマ
トリックス用窒化ケイ素球状粒子と、希土類系焼結助剤
および酸化物系焼結助剤を含む球状窒化ケイ素粉末を押
し出し法等で針状に成形した窒化ケイ素針状粒子とを所
定の割合で配合し、同時焼結させることによって窒化ケ
イ素焼結体を製造するようにしている。そして、窒化ケ
イ素針状粒子の添加割合を最少量として優れた機能を発
現させる粒子群分散構造とすることにより前記問題点を
解決するものである。このようにして得られた窒化ケイ
素焼結体は熱伝導率のみならずかなりの機械強度や靭性
と硬度特性を有する。
In the present invention, attention has been paid to a particle group sintering technique utilizing a coarse particle group which has been eliminated as an agglomerate causing a reduction in strength in the prior art, and a silicon nitride sphere for a matrix containing a rare earth-based sintering aid is used. Particles and needle-shaped silicon nitride particles obtained by extruding spherical silicon nitride powder containing a rare earth-based sintering aid and an oxide-based sintering aid into an acicular shape by an extrusion method or the like are blended at a predetermined ratio, and simultaneously sintered. By doing so, a silicon nitride sintered body is manufactured. Then, the above problem is solved by providing a particle group dispersed structure that exhibits excellent functions by minimizing the addition ratio of the silicon nitride needle-like particles. The silicon nitride sintered body thus obtained has not only thermal conductivity but also considerable mechanical strength, toughness and hardness characteristics.

【0017】すなわち、本発明に係わる高強度高靭性窒
化ケイ素焼結体は、請求項1に記載しているように、窒
化ケイ素マトリックス中に、直径が400〜750μm
でかつ長さが2000〜3500μmの窒化ケイ素針状
粒子が5〜30体積%分散しているものとしたことを特
徴としている。
That is, the high-strength and high-toughness silicon nitride sintered body according to the present invention has a diameter of 400 to 750 μm in a silicon nitride matrix.
And 3 to 30% by volume of silicon nitride needle-shaped particles having a length of 2000 to 3500 μm.

【0018】また、本発明に係わる高強度高靭性窒化ケ
イ素焼結体の製造方法は、請求項2に記載しているよう
に、焼結助剤を含むマリックス用窒化ケイ素粒子に、焼
結助剤を含む直径が550〜1000μmでかつ長さが
2500〜4000μmの窒化ケイ素針状粒子を5〜3
0体積%添加したあと窒素ガス雰囲気中で同時に焼結す
るようにしたことを特徴としている。
Further, according to a second aspect of the present invention, there is provided a method for producing a high-strength and high-toughness silicon nitride sintered body. 5 to 3 μm of silicon nitride needle-like particles having a diameter of 550 to 1000 μm and a length of 2500 to 4000 μm.
It is characterized in that sintering is performed simultaneously in a nitrogen gas atmosphere after adding 0% by volume.

【0019】そして、本発明に係わる高強度高靭性窒化
ケイ素焼結体の製造方法の実施態様においては、請求項
3に記載しているように、マトリックス用窒化ケイ素粒
子に、酸化イットリウム,酸化ネオジム、酸化ランタ
ン,酸化イッテルビウムのうちから選ばれる1種以上の
希土類酸化物と、酸化ケイ素,酸化マグネシウムのうち
から選ばれる1種以上の非希土類酸化物とから選ばれる
1種以上の酸化物系焼結助剤を1〜8重量%含むものと
することができる。
In the embodiment of the method for producing a high-strength and high-toughness silicon nitride sintered body according to the present invention, as described in claim 3, the silicon nitride particles for the matrix include yttrium oxide and neodymium oxide. Lanthanum oxide, ytterbium oxide, at least one rare earth oxide, and one or more oxides selected from silicon oxide, magnesium oxide, at least one non-rare earth oxide. It may contain from 1 to 8% by weight of a binder.

【0020】同じく、本発明に係わる高強度高靭性窒化
ケイ素焼結体の製造方法の実施態様においては、請求項
4に記載しているように、マトリックス用窒化ケイ素粒
子に、β型窒化ケイ素の含有率が90重量%以上で平均
粒子径が0.5〜0.7μmであるβ型主体の窒化ケイ
素原料粉末を用いるようになすことができる。
Similarly, in an embodiment of the method for producing a high-strength and high-toughness silicon nitride sintered body according to the present invention, as described in claim 4, the silicon nitride particles for the matrix include β-type silicon nitride. It is possible to use a β-type silicon nitride raw material powder having a content of 90% by weight or more and an average particle diameter of 0.5 to 0.7 μm.

【0021】同じく、本発明に係わる高強度高靭性窒化
ケイ素焼結体の製造方法の実施態様においては、請求項
5に記載しているように、窒化ケイ素針状粒子に、酸化
イットリウム,酸化ネオジム、酸化ランタン,酸化イッ
テルビウムのうちから選ばれる1種以上の希土類酸化物
と、酸化ケイ素,酸化マグネシウムのうちから選ばれる
1種以上の非希土類酸化物とから選ばれる1種以上の酸
化物系焼結助剤を1〜8重量%含むものとすることがで
きる。
Similarly, in an embodiment of the method of manufacturing a high-strength and toughness silicon nitride sintered body according to the present invention, as described in claim 5, the silicon nitride needle-like particles are added to yttrium oxide and neodymium oxide. Lanthanum oxide, ytterbium oxide, at least one rare earth oxide, and one or more oxides selected from silicon oxide, magnesium oxide, at least one non-rare earth oxide. It may contain from 1 to 8% by weight of a binder.

【0022】同じく、本発明に係わる高強度高靭性窒化
ケイ素焼結体の製造方法の実施態様においては、請求項
6に記載しているように、窒化ケイ素針状粒子に、α型
窒化ケイ素の含有率が90重量%以上で平均粒子径が
0.5〜0.8μmであるα型主体の窒化ケイ素原料粉
末および/またはβ型窒化ケイ素の含有率が90重量%
以上で平均粒子径が0.5〜0.7μmであるβ型主体
の窒化ケイ素原料粉末を用いるようになすことができ
る。
Similarly, in an embodiment of the method for producing a high-strength, high-toughness silicon nitride sintered body according to the present invention, as described in claim 6, the silicon nitride needle-like particles contain α-type silicon nitride. 90% by weight or more of α-type silicon nitride raw material powder and / or β-type silicon nitride having a content of 90% by weight or more and an average particle diameter of 0.5 to 0.8 μm.
Thus, a β-type silicon nitride raw material powder having an average particle diameter of 0.5 to 0.7 μm can be used.

【0023】同じく、本発明に係わる高強度高靭性窒化
ケイ素焼結体の製造方法の実施態様においては、請求項
7に記載しているように、マトリックス用窒化ケイ素粒
子に窒化ケイ素針状粒子を添加したあと1950〜21
00℃の温度でかつ窒素分圧が0.08〜1.0MPa
の窒素ガス中でガス圧焼結するようになすことができ
る。
Similarly, in an embodiment of the method for producing a high-strength and high-toughness silicon nitride sintered body according to the present invention, as described in claim 7, silicon nitride needle-like particles are used as the matrix silicon nitride particles. 1950-21 after addition
At a temperature of 00 ° C. and a partial pressure of nitrogen of 0.08 to 1.0 MPa
Gas pressure sintering in nitrogen gas.

【0024】同じく、本発明に係わる高強度高靭性窒化
ケイ素焼結体の製造方法の実施態様においては、請求項
8に記載しているように、マトリックス用窒化ケイ素粒
子に窒化ケイ素針状粒子を添加したあと1950〜20
50℃の温度でかつ窒素分圧が0.2〜10MPaの窒
素ガス中でホットプレス焼結するようになすことができ
る。
Similarly, in an embodiment of the method for producing a high-strength and high-toughness silicon nitride sintered body according to the present invention, as described in claim 8, silicon nitride needle-like particles are used as matrix silicon nitride particles. 1950-20 after addition
Hot press sintering can be performed in a nitrogen gas at a temperature of 50 ° C. and a nitrogen partial pressure of 0.2 to 10 MPa.

【0025】同じく、本発明に係わる高強度高靭性窒化
ケイ素焼結体の製造方法の実施態様においては、請求項
9に記載しているように、焼結後さらに2100〜22
00℃の温度でかつ窒素分圧が30〜200MPaの窒
素ガス中で熱間等方圧プレス焼結するようになすことが
できる。
Similarly, in an embodiment of the method for producing a high-strength and high-toughness silicon nitride sintered body according to the present invention, after the sintering, 2100 to 22
Hot isostatic press sintering can be performed in a nitrogen gas at a temperature of 00 ° C. and a nitrogen partial pressure of 30 to 200 MPa.

【0026】[0026]

【発明の作用】本発明による高強度高靭性窒化ケイ素焼
結体およびその製造方法は、上述した構成を有するもの
であるが、その製造方法について具体的に例示すると次
のごとくである。
The high-strength, high-toughness silicon nitride sintered body and the method for producing the same according to the present invention have the above-mentioned construction. The method for producing the concrete is as follows.

【0027】マトリックス用窒化ケイ素粉末(β型窒化
ケイ素の含有率が90重量%以上で平均粒子径が0.5
〜0.7μmのもの)に、焼結助剤(1種以上の希土類
酸化物を1〜8重量%および/または1種以上の非希土
類酸化物を1〜8重量%)を添加し、アルコール中でボ
ールミルにより粉砕混合した後乾燥してマトリックス粉
末とする。
Silicon nitride powder for matrix (β-type silicon nitride content of 90% by weight or more and average particle size of 0.5%
Sintering aid (1 to 8% by weight of one or more rare earth oxides and / or 1 to 8% by weight of one or more non-rare earth oxides). Then, the mixture is pulverized and mixed by a ball mill and dried to obtain a matrix powder.

【0028】他方、添加相として、針状粒子用窒化ケイ
素粉末(α型窒化ケイ素の含有率が90重量%以上で平
均粒子径0.5〜0.8μmのα型主体のもの、もしく
は、β型窒化ケイ素の含有率が90重量%以上で平均粒
子径が0.5〜0.7μmのβ型主体のもの)に、焼結
助剤(1種以上の希土類酸化物を1〜8重量%および/
または1種以上の非希土類酸化物を1〜8重量%)を添
加し、アルコール中でボールミルにより粉砕混合した後
乾燥し、この乾燥粉末にメチルセルロースを加えて混練
し、次いで押し出し成形機によって針状粒子とする。
On the other hand, as an additive phase, silicon nitride powder for acicular particles (α-type mainly containing 90% by weight or more of α-type silicon nitride and having an average particle diameter of 0.5 to 0.8 μm, Sintering aid (1 to 8% by weight of one or more rare earth oxides) in a silicon nitride containing 90% by weight or more and having an average particle diameter of 0.5 to 0.7 μm. and/
Or one or more non-rare earth oxides in an amount of 1 to 8% by weight), pulverize and mix in an alcohol with a ball mill, and then dry. Add methyl cellulose to the dry powder and knead the mixture. Particles.

【0029】次に、上記マトリックス用窒化ケイ素粒子
と窒化ケイ素針状粒子を所定の体積比(針状粒子を5〜
30体積%)にV形ブレンダで混合して「針状粒子混合
粉末」としたのち、窒素ガス雰囲気中で焼結する。
Next, the silicon nitride particles for a matrix and the silicon nitride needle-like particles are mixed in a predetermined volume ratio (the needle-like particles are 5 to 5).
30% by volume) with a V-shaped blender to obtain a "needle-like particle mixed powder", and then sintered in a nitrogen gas atmosphere.

【0030】ここで前記「針状粒子混合粉末」とする際
の原料粉末の粒径や添加量などに関して範囲を決めるの
が望ましい理由は以下の通りである。
Here, the reason why it is desirable to determine the range with respect to the particle size and the added amount of the raw material powder when the above-mentioned “needle particle mixed powder” is formed is as follows.

【0031】マトリックス用窒化ケイ素粉末の粒子径が
大きすぎると本発明記載の温度範囲での焼結が困難とな
り、小さすぎても取り扱いが困難でかつ同様に針状粒子
との同時焼結が困難となるので0.5〜0.7μmとす
るのがよい。
If the particle size of the silicon nitride powder for the matrix is too large, sintering in the temperature range described in the present invention becomes difficult, and if it is too small, it is difficult to handle and similarly sintering with the acicular particles is difficult. Therefore, the thickness is preferably set to 0.5 to 0.7 μm.

【0032】また、マトリックス用窒化ケイ素粉末のβ
化率が90重量%未満であると本発明記載の温度範囲で
の焼結が困難となるので90重量%以上とするのがよ
い。
Further, β of silicon nitride powder for matrix
If the conversion is less than 90% by weight, sintering in the temperature range described in the present invention becomes difficult.

【0033】さらに、マトリックス用窒化ケイ素に添加
する焼結助剤量が少ないと窒化ケイ素の焼結不足とな
り、多いとガラス相が多くなって強度や靭性値が低下す
ることとなるので1〜8重量%とするのがよい。
Further, if the amount of the sintering aid added to the silicon nitride for the matrix is too small, the sintering of the silicon nitride will be insufficient, and if it is too large, the glass phase will increase and the strength and toughness will decrease. % By weight.

【0034】次に、針状粒子用窒化ケイ素粉末の粒子径
が大きいと本発明記載の温度範囲での焼結が困難であ
り、小さい場合は押し出し機の能力によっては製造が困
難となるので、α型窒化ケイ素の場合は0.5〜0.8
μm,β型窒化ケイ素の場合は0.5〜0.7μmとす
るのがよい。
Next, if the particle size of the silicon nitride powder for acicular particles is large, sintering in the temperature range described in the present invention is difficult, and if it is small, production becomes difficult depending on the ability of the extruder. 0.5 to 0.8 for α-type silicon nitride
In the case of μm and β-type silicon nitride, the thickness is preferably 0.5 to 0.7 μm.

【0035】また、針状粒子用窒化ケイ素粉末の添加量
が多いと空間が生成して機械的特性が不足することとな
り、少ないと効果が発揮されないので,5〜30体積%
とする。
On the other hand, if the amount of the silicon nitride powder for acicular particles is large, spaces are generated and mechanical properties become insufficient. If the amount is small, the effect is not exhibited.
And

【0036】さらに、針状粒子用窒化ケイ素粉末のβ化
率が少ないと焼結が過度になり、粗大粒子が生成して強
度が低下するので、90重量%以上とするのがよい。
Further, if the β-formation ratio of the silicon nitride powder for acicular particles is small, sintering becomes excessive, coarse particles are formed and the strength is reduced. Therefore, the content is preferably 90% by weight or more.

【0037】さらにまた、針状粒子用窒化ケイ素粉末に
添加する助剤量が少ないと針状粒子が焼結できなくな
り、多いとガラス相が多くなって針状粒子の強度や靭性
値が低下することとなるので1〜8重量%とするのがよ
い。
Further, if the amount of the auxiliary agent added to the silicon nitride powder for acicular particles is small, the acicular particles cannot be sintered, and if the amount is too large, the glass phase increases and the strength and toughness of the acicular particles decrease. Therefore, the content is preferably set to 1 to 8% by weight.

【0038】そして、原料となる窒化ケイ素針状粒子群
の直径が550μm未満であると押し出し時にせん断力
をかけて押し出しがたくなり、1000μm超過である
とマトリックスが窒化ケイ素針状粒子過多のものとなっ
て強度が低下する傾向となる。
If the diameter of the silicon nitride needle-like particles as a raw material is less than 550 μm, a shearing force is exerted at the time of extrusion to make extrusion difficult, and if the diameter exceeds 1000 μm, the matrix may have excessive silicon nitride needle-like particles. And the strength tends to decrease.

【0039】また、原料となる窒化ケイ素針状粒子群の
長さが2500μm未満であると配置した場合に破壊経
路に均一に配置できない傾向となり、4000μm超過
であるとマトリックスが部分的に窒化ケイ素針状粒子と
なって空孔が発生することにより強度が低下する傾向と
なる。
When the length of the silicon nitride needle-shaped particles as a raw material is less than 2500 μm, the particles cannot be uniformly arranged in the fracture path. When the length is more than 4000 μm, the matrix is partially silicon nitride needles. The strength tends to decrease due to the formation of vacancies in the form of particles.

【0040】さらにまた、窒化ケイ素針状粒子群の体積
分率は、5体積%未満であるとマトリックスが部分的に
窒化ケイ素針状粒子となって強度が低下する傾向とな
り、30体積%超過であるとマトリックスが窒化ケイ素
針状粒子となって強度が低下する傾向となる。
Further, when the volume fraction of the silicon nitride needle-like particles is less than 5% by volume, the matrix tends to partially become silicon nitride needle-like particles and the strength tends to decrease. If there is, the matrix tends to be silicon nitride needle-like particles and the strength tends to decrease.

【0041】次に、上記した「針状粒子混合粉末」の焼
結は、適宜プレス成形を行なったのち、1950〜20
50℃の温度範囲で窒素雰囲気(窒素分圧0.2〜10
MPa)下でのホットプレス焼結か、1950〜210
0℃の温度範囲の窒素雰囲気(窒素分圧0.08〜1.
0MPa)下でのガス圧焼結を採用することができ、さ
らにはこの焼結体を再度窒素雰囲気(窒素分圧30MP
a〜200MPa)での熱間静水圧焼結を用いることが
できる。
Next, sintering of the above-mentioned “needle-like particle mixed powder” is carried out by appropriately performing press molding, and
A nitrogen atmosphere (nitrogen partial pressure 0.2-10
Hot press sintering under MPa) or 1950-210
A nitrogen atmosphere in a temperature range of 0 ° C (nitrogen partial pressure 0.08 to 1.
Gas pressure sintering under a pressure of 0 MPa).
a to 200 MPa) can be used.

【0042】そして、ホットプレスの場合の機械的加圧
力は、20MPa程度とするのがよく、ホットプレス焼
結において1950℃未満では密度が上がらず構造材と
して不適であり、2050℃超過の温度域では粒子が過
度に成長して強度低下が発生する。また、この場合のガ
ス圧力はマトリックスの窒化ケイ素が分解しないように
するため0.2MPa以上の窒素雰囲気圧力とすること
が必要であり、焼結装置仕様の観点から10MPa以下
とするのが良い。他方、熱間静水圧焼結では再結晶/粒
成長のため窒素雰囲気は30〜200MPaとするのが
よい。
The mechanical pressing force in the case of hot pressing is preferably about 20 MPa. In hot press sintering, if the temperature is lower than 1950 ° C., the density does not increase and is not suitable as a structural material. In this case, the particles grow excessively and the strength is reduced. In this case, the gas pressure must be set to a nitrogen atmosphere pressure of 0.2 MPa or more in order to prevent silicon nitride in the matrix from being decomposed, and is preferably 10 MPa or less from the viewpoint of sintering equipment specifications. On the other hand, in hot isostatic sintering, the nitrogen atmosphere is preferably 30 to 200 MPa for recrystallization / grain growth.

【0043】焼結後の微構造では、図1に模式的に示す
窒化ケイ素焼結体1において、窒化ケイ素マトリックス
2の中に窒化ケイ素針状粒子(群)3が針状を保ちなが
ら分散しており、添加粒子の直径や長さに応じた窒化ケ
イ素針状粒子がして存在している。この場合、窒化ケイ
素針状粒子群の分散量が5体積%未満では粒子の接触に
必要な量とはならず、比重の増加あるので好ましくな
く、分散量が30体積%超過では空孔が生じて機械的強
度が著しく低下してしまうので好ましくない。
In the microstructure after sintering, in a silicon nitride sintered body 1 schematically shown in FIG. 1, needle-like silicon nitride particles (group) 3 are dispersed in a silicon nitride matrix 2 while maintaining a needle shape. In addition, needle-like particles of silicon nitride corresponding to the diameter and length of the added particles are present. In this case, if the dispersion amount of the silicon nitride needle-like particles is less than 5% by volume, the amount is not necessary for contacting the particles, and the specific gravity increases, which is not preferable. If the dispersion amount exceeds 30% by volume, voids are generated. This is not preferable because the mechanical strength is significantly reduced.

【0044】次に、本発明による窒化ケイ素焼結体の評
価に際し、粒子群微構造についての評価は、試料をダイ
ヤモンド粒子(粒子径0.26μm)で研磨した後、光
学顕微鏡にて行った。また、強度についてはJIS−R
1601による4点曲げ試験方法を用い、破壊靭性につ
いてはJIS−R1607によるSEPB法を用いて評
価した。さらに、粒子径は顕微鏡写真の4mm×4mm
の面積に含まれる粒子の径を平均して求めた。さらにま
た、熱伝導率はJIS−R1611により直径10mm
×厚さ2mmの円盤で測定した。
Next, in the evaluation of the silicon nitride sintered body according to the present invention, the evaluation of the particle group microstructure was carried out using an optical microscope after polishing the sample with diamond particles (particle diameter 0.26 μm). Also, the strength is JIS-R
The four-point bending test method according to 1601 was used, and the fracture toughness was evaluated using the SEPB method according to JIS-R1607. Further, the particle diameter was 4 mm × 4 mm in the micrograph.
Were determined by averaging the diameters of the particles contained in the area of Furthermore, the thermal conductivity is 10 mm in diameter according to JIS-R1611.
X Measured with a 2 mm thick disk.

【0045】なお、ここで、本発明の派生技術について
つけ加えると、本発明で用いた第2相粒子を含む窒化ケ
イ素を針状粒子に成形した後、粒子群の形で粉末に添加
する方法では、通常の焼結プロセスを用いることで特性
値に偏りがなく、量産性についても問題はなく、コスト
上昇を招くことなくセラミックスに異なった特性を付与
できる新規な製造技術である。
Here, in addition to the derivative technology of the present invention, after the silicon nitride containing the second phase particles used in the present invention is formed into acicular particles, and then added to the powder in the form of particles, the method is as follows. This is a novel manufacturing technique that can impart different characteristics to ceramics without using a normal sintering process, without causing deviations in characteristic values, with no problem in mass productivity, and without increasing costs.

【0046】[0046]

【発明の効果】本発明による高強度高靭性窒化ケイ素焼
結体は、請求項1に記載しているように、窒化ケイ素マ
トリックス中に、直径が400〜750μmでかつ長さ
が2000〜3500μmの窒化ケイ素針状粒子が5〜
30体積%分散しているものとしたから、軽量でかつ耐
熱性に優れた窒化ケイ素焼結体により一層の高強度およ
び高靭性(破壊靭性)を同時に付与することが可能であ
り、例えば、自動車用部材,電子機器用部材,化学機器
用部材,宇宙航空機器用部材等に利用される構造用部材
として適したものであるという著大なる効果がもたらさ
れる。
According to the present invention, the high-strength and high-toughness silicon nitride sintered body according to the present invention has a diameter of 400 to 750 μm and a length of 2000 to 3500 μm in a silicon nitride matrix. 5 to 5 needle-shaped silicon nitride particles
Since the dispersion is 30% by volume, the silicon nitride sintered body which is lightweight and excellent in heat resistance can simultaneously impart higher strength and higher toughness (fracture toughness). This is a great effect that it is suitable as a structural member used for a member for electronic equipment, a member for electronic equipment, a member for chemical equipment, a member for aerospace equipment, and the like.

【0047】本発明に係わる高強度高靭性窒化ケイ素焼
結体の製造方法は、請求項2に記載しているように、焼
結助剤を含むマリックス用窒化ケイ素粒子に、焼結助剤
を含み直径が550〜1000μmでかつ長さが250
0〜4000μmの窒化ケイ素針状粒子を5〜30体積
%添加したあと窒素ガス雰囲気中で同時に焼結するよう
にしたから、軽量でかつ耐熱性に優れ、しかも高強度高
靭性の窒化ケイ素焼結体を製造することが可能であると
いう著大なる効果がもたらされる。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for producing a high-strength and high-toughness silicon nitride sintered body, comprising: adding a sintering aid to silicon nitride particles for marix containing a sintering aid. Included diameter is 550-1000 μm and length is 250
After adding 5 to 30% by volume of silicon nitride needle-like particles of 0 to 4000 μm and sintering simultaneously in a nitrogen gas atmosphere, the silicon nitride sintered is lightweight, has excellent heat resistance, and has high strength and toughness. The great effect of being able to manufacture the body is brought about.

【0048】そして、請求項3に記載しているように、
マトリックス用窒化ケイ素粒子に、酸化イットリウム,
酸化ネオジム、酸化ランタン,酸化イッテルビウムのう
ちから選ばれる1種以上の希土類酸化物と、酸化ケイ
素,酸化マグネシウムのうちから選ばれる1種以上の非
希土類酸化物とから選ばれる1種以上の酸化物系焼結助
剤を1〜8重量%含むものとすることによって、焼結を
十分良好に行うと共にガラス相の生成を防止して窒化ケ
イ素マトリックスの強度および靭性をより一層向上した
ものにすることが可能であるという著大なる効果がもた
らされる。
And, as described in claim 3,
Silicon nitride particles for matrix, yttrium oxide,
One or more rare earth oxides selected from neodymium oxide, lanthanum oxide, ytterbium oxide, and one or more oxides selected from one or more non-rare earth oxides selected from silicon oxide and magnesium oxide By containing 1 to 8% by weight of the system sintering aid, sintering can be performed sufficiently well, the formation of a glass phase can be prevented, and the strength and toughness of the silicon nitride matrix can be further improved. Is a great effect.

【0049】また、請求項4に記載しているように、マ
トリックス用窒化ケイ素粒子に、β型窒化ケイ素の含有
率が90重量%以上で平均粒子径が0.5〜0.7μm
であるβ型主体の窒化ケイ素原料粉末を用いるようにな
すことによって、焼結を十分良好に行うことが可能であ
って窒化ケイ素マトリックスの強度および靭性をより一
層向上したものにすることが可能であるという著大なる
効果がもたらされる。
Further, as described in claim 4, the silicon nitride particles for the matrix have a β-type silicon nitride content of 90% by weight or more and an average particle diameter of 0.5 to 0.7 μm.
By using the β-type silicon nitride raw material powder that is the main component, sintering can be performed sufficiently well, and the strength and toughness of the silicon nitride matrix can be further improved. There is a great effect that there is.

【0050】さらにまた、請求項5に記載しているよう
に、窒化ケイ素針状粒子に、酸化イットリウム,酸化ネ
オジム、酸化ランタン,酸化イッテルビウムのうちから
選ばれる1種以上の希土類酸化物と、酸化ケイ素,酸化
マグネシウムのうちから選ばれる1種以上の非希土類酸
化物とから選ばれる1種以上の酸化物系焼結助剤を1〜
8重量%含むものとすることによって、焼結を十分良好
に行うと共にガラス相の生成を防止して窒化ケイ素針状
粒子の強度および靭性をより一層向上したものにするこ
とが可能であるという著大なる効果がもたらされる。
Still further, as described in claim 5, the silicon nitride needle-like particles include at least one rare earth oxide selected from the group consisting of yttrium oxide, neodymium oxide, lanthanum oxide and ytterbium oxide; One or more oxide-based sintering aids selected from one or more non-rare earth oxides selected from silicon and magnesium oxide
By containing 8% by weight, it is possible to perform sintering sufficiently well, prevent the formation of a glass phase, and further improve the strength and toughness of the silicon nitride needle-like particles. The effect is brought.

【0051】さらにまた、請求項6に記載しているよう
に、窒化ケイ素針状粒子に、α型窒化ケイ素の含有率が
90重量%以上で平均粒子径が0.5〜0.8μmであ
るα型主体の窒化ケイ素原料粉末および/またはβ型窒
化ケイ素の含有率が90重量%以上で平均粒子径が0.
5〜0.7μmであるβ型主体の窒化ケイ素原料粉末を
用いるようになすことによって、焼結を十分良好に行う
ことが可能であって窒化ケイ素針状粒子の強度および靭
性をより一層向上したものにすることが可能であるとい
う著大なる効果がもたらされる。
Further, as described in claim 6, the needle-like particles of silicon nitride have a content of α-type silicon nitride of 90% by weight or more and an average particle diameter of 0.5 to 0.8 μm. The content of the α-type silicon nitride raw material powder and / or β-type silicon nitride is 90% by weight or more and the average particle size is 0.1%.
By using a β-type silicon nitride raw material powder having a particle size of 5 to 0.7 μm, sintering can be sufficiently performed, and the strength and toughness of silicon nitride needle-like particles are further improved. The great effect of being able to do so is brought about.

【0052】さらにまた、請求項7に記載しているよう
に、マトリックス用窒化ケイ素粒子に窒化ケイ素針状粒
子を添加したあと1950〜2100℃の温度でかつ窒
素分圧が0.08〜1.0MPaの窒素ガス中でガス圧
焼結することによって、マトリックス用窒化ケイ素粒子
と窒化ケイ素針状粒子との同時焼結が可能であり、高強
度でかつ高靭性の窒化ケイ素焼結体を製造することが可
能であるという著大なる効果がもたらされる。
Further, as described in claim 7, after the silicon nitride needle-like particles are added to the silicon nitride particles for the matrix, the temperature is 1950-2100 ° C. and the nitrogen partial pressure is 0.08-1. By gas pressure sintering in nitrogen gas of 0 MPa, it is possible to simultaneously sinter the silicon nitride particles for the matrix and the silicon nitride needle-like particles, and produce a silicon nitride sintered body having high strength and high toughness. The great effect that it is possible is brought about.

【0053】さらにまた、請求項8に記載しているよう
に、マトリックス用窒化ケイ素粒子に窒化ケイ素針状粒
子を添加したあと1950〜2050℃の温度でかつ窒
素分圧が0.2〜10MPaの窒素ガス中でホットプレ
ス焼結するようになすことによっても、マトリックス用
窒化ケイ素粒子と窒化ケイ素針状粒子との同時焼結が可
能であり、高強度でかつ高靭性の窒化ケイ素焼結体を製
造することが可能であるという著大なる効果がもたらさ
れる。
Further, as described in claim 8, after the silicon nitride needle-like particles are added to the silicon nitride particles for the matrix, the temperature is 1950 to 2050 ° C. and the nitrogen partial pressure is 0.2 to 10 MPa. By performing hot press sintering in nitrogen gas, it is possible to simultaneously sinter the silicon nitride particles for the matrix and the needle-shaped silicon nitride particles, and obtain a high-strength and high-toughness silicon nitride sintered body. The great effect that it can be manufactured is brought about.

【0054】そしてまた、請求項9に記載しているよう
に、焼結後さらに2100〜2200℃の温度でかつ窒
素分圧が30〜200MPaの窒素ガス中で熱間等方圧
プレス焼結するようになすことによって、機械的特性が
より一層向上した高強度高靭性の窒化ケイ素焼結体を製
造することが可能であるという著大なる効果がもたらさ
れる。
Further, as described in claim 9, after the sintering, hot isostatic press sintering is performed in a nitrogen gas having a temperature of 2100 to 2200 ° C. and a nitrogen partial pressure of 30 to 200 MPa. By doing so, a remarkable effect that a high-strength and high-toughness silicon nitride sintered body with further improved mechanical properties can be produced is brought about.

【0055】[0055]

【実施例】【Example】

(実施例1〜5、比較例1,2)−窒化ケイ素針状粒子
群の添加量− (1)原料調整 窒化ケイ素針状粒子を得るに際しては、市販の窒化ケイ
素粉末(電気化学工業製 P21FC β型窒化ケイ素
の含有率が90重量%以上で平均粒子径が0.5〜0.
7μmのもの)に、焼結助剤(信越化学製 Y
重量%と、Nd2重量%)を添加し、24時間ア
ルコール中でボールミルにより粉砕混合した後乾燥し
た。その後、40重量%の水と5重量%のメチルセルロ
ースを混合して混練体としたのち、所定の空孔の開いた
メッシュを通して混練体を押し出すことによって、直径
800μmm,長さ3000μmの針状粒子とした。
(Examples 1 to 5, Comparative Examples 1 and 2)-Amount of Silicon Nitride Needle Particles-(1) Raw Material Adjustment When obtaining silicon nitride needle particles, commercially available silicon nitride powder (P21FC manufactured by Denki Kagaku Kogyo Kogyo) When the content of β-type silicon nitride is 90% by weight or more and the average particle size is 0.5 to 0.5%.
Those) of 7 [mu] m, the sintering aid (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Y 2 0 3 2
Wt. And 2 wt.% Of Nd 2 O 3 ) were added, pulverized and mixed by a ball mill in alcohol for 24 hours, and then dried. Thereafter, 40% by weight of water and 5% by weight of methylcellulose are mixed to form a kneaded body, and the kneaded body is extruded through a mesh having predetermined holes to form needle-like particles having a diameter of 800 μm and a length of 3000 μm. did.

【0056】一方、マトリックス用窒化ケイ素粒子を得
るに際しては、市販の窒化ケイ素粉末(電気化学工業製
P21FC)に、焼結助剤としてNdを2重量
%とYを2重量%加えて96時間アルコール中で
ボールミルにより粉砕混合した後乾燥した。
On the other hand, when obtaining silicon nitride particles for a matrix, 2% by weight of Nd 2 O 3 and 2% by weight of Y 2 O 3 were added to a commercially available silicon nitride powder (P21FC manufactured by Denki Kagaku Kogyo) as a sintering aid. %, And the mixture was ground and mixed by a ball mill in alcohol for 96 hours and then dried.

【0057】そして、上記マトリックス用窒化ケイ素球
状粒子に対し窒化ケイ素針状粒子を表1,2の実施例1
〜5および比較例1,2の欄に示すように0〜35重量
%の範囲で配合したあとV型ブレンダで混合して「針状
粒子群混合粉末」とした。
Then, silicon nitride needle-like particles were prepared in the same manner as in Example 1 of Tables 1 and 2 than the silicon nitride spherical particles for matrix.
As shown in the columns of Nos. 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2, they were blended in the range of 0 to 35% by weight, and then mixed with a V-type blender to obtain "needle-shaped particle group mixed powder".

【0058】(2)焼結条件と試験片形状 焼結に際しては窒素雰囲気(0.9MPa)にて200
0℃で4時間のガス圧焼結を用いることによって「針状
粒子群焼結体」を得た。なお、「針状粒子群焼結体」の
形状は4×5×45mmのものとした。そして、前記形
状の平板よりJIS形状の試験片を作製した。
(2) Sintering Conditions and Specimen Shape During sintering, the sintering was performed in a nitrogen atmosphere (0.9 MPa).
“Acicular particle group sintered body” was obtained by using gas pressure sintering at 0 ° C. for 4 hours. The shape of the “sintered needle particle group” was 4 × 5 × 45 mm. Then, a JIS-shaped test piece was prepared from the flat plate having the above-mentioned shape.

【0059】(3)微構造観察と特性評価 粒子群微構造についての評価は、試料をダイヤモンド粒
子(粒子径0.26μm)で研磨した後、光学顕微鏡に
て行った。強度試験は、JIS−R1601による4点
曲げ試験方法を用い、破壊靭性試験はJIS−R160
7によるSEPB法を用いて行った。さらに、熱伝導率
はJIS−R1611による円盤を用いて測定した。
(3) Observation of Microstructure and Evaluation of Characteristics Evaluation of the microstructure of the particle group was performed using an optical microscope after polishing the sample with diamond particles (particle diameter 0.26 μm). The strength test uses a four-point bending test method according to JIS-R1601, and the fracture toughness test uses JIS-R160.
7 using the SEPB method. Further, the thermal conductivity was measured using a disk according to JIS-R1611.

【0060】(4)結果 表1,2に示すように、針状粒子を5重量%から30重
量%添加した実施例1〜5の針状粒子群焼結体では、熱
伝導率が90W/m・K以上でかつ機械的強度が650
MPa以上、破壊靭性値が6.5MPa√m以上であ
り、タービン用途やエンジン用途として用いる場合に熱
応力の発生を抑さえかつ破壊確率が10万分の1以下と
なる十分な機械的強度特性を有したセラミックス材料と
なっていた。これに対して、針状粒子を含まない比較例
1および針状粒子が過剰である比較例2ではあまり好ま
しくない結果となっていた。
(4) Results As shown in Tables 1 and 2, the acicular particle group sintered bodies of Examples 1 to 5 in which acicular particles were added in an amount of 5 to 30% by weight had a thermal conductivity of 90 W / m · K or more and mechanical strength of 650
MPa or more, the fracture toughness value is 6.5 MPaMPm or more, and when used for turbine applications or engine applications, it has sufficient mechanical strength characteristics to suppress the generation of thermal stress and to have a fracture probability of 1 / 100,000 or less. Ceramic material. On the other hand, Comparative Example 1 containing no needle-like particles and Comparative Example 2 containing excessive needle-like particles had unfavorable results.

【0061】(実施例6−10、比較例3−6)−窒化
ケイ素粒子群の直径と長さ− (1)原料調整 窒化ケイ素針状粒子を得るに際しては、市販の窒化ケイ
素粉末(電気化学工業製 P21FC β型窒化ケイ素
の含有率が90重量%以上で平均粒子径が0.5〜0.
7μmのもの)に、焼結助剤(信越化学製 Y
重量%と、Nd2重量%)を添加し、24時間ア
ルコール中でボールミルにより粉砕混合した後乾燥し
た。その後、40重量%の水と5重量%のメチルセルロ
ースを混合して混練体としたのち、所定の空孔の開いた
メッシュを通して混練体を押し出すことによって、表
3,4の実施例6〜10および比較例3〜6の欄に示す
ように直径が500〜1000μm,長さが2000〜
6000μmの針状粒子とした。
(Example 6-10, Comparative Example 3-6)-Diameter and Length of Silicon Nitride Particles-(1) Raw Material Adjustment To obtain silicon nitride needle-like particles, commercially available silicon nitride powder (electrochemical The content of industrial P21FC β-type silicon nitride is 90% by weight or more and the average particle size is 0.5 to 0.5%.
Those) of 7 [mu] m, the sintering aid (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Y 2 0 3 2
Wt. And 2 wt.% Of Nd 2 O 3 ) were added, pulverized and mixed by a ball mill in alcohol for 24 hours, and then dried. Then, after mixing 40% by weight of water and 5% by weight of methylcellulose to obtain a kneaded body, the kneaded body was extruded through a mesh having predetermined holes, thereby obtaining Examples 6 to 10 of Tables 3 and 4 and As shown in the columns of Comparative Examples 3 to 6, the diameter was 500 to 1000 μm, and the length was 2000 to 2000.
Needle-shaped particles of 6000 μm were obtained.

【0062】一方、マトリックス用窒化ケイ素粒子に
は、市販の窒化ケイ素粉末(電気化学工業製 P21F
C)に、焼結助剤としてNdを2重量%とY
を2重量%加えて96時間アルコール中でボールミル
により粉砕混合した後乾燥した。
On the other hand, commercially available silicon nitride powder (P21F manufactured by Denki Kagaku Kogyo)
C), 2% by weight of Nd 2 O 3 as a sintering aid and Y 2 O
3 was added in an amount of 2% by weight, and the mixture was ground and mixed by a ball mill in an alcohol for 96 hours and then dried.

【0063】そして、上記マトリックス用窒化ケイ素球
状粒子80重量%と窒化ケイ素針状粒子20重量%を混
合したあとV型ブレンダで混合して「針状粒子群混合粉
末」とした (2)焼結条件と試験片形状 焼結に際しては窒素雰囲気(0.9MPa)にて200
0℃で4時間のガス圧焼結を用いることによって表3,
4の実施例6〜10および比較例3〜6の欄に示すよう
に針状粒子の直径が375〜750μm、長さが150
0〜4800μmのの「針状粒子群焼結体」を得た。な
お、「針状粒子群焼結体」の形状は4×5×45mmの
ものとした。そして、前記形状の平板よりJIS形状の
試験片を作製した。
Then, 80% by weight of the above-mentioned silicon nitride spherical particles for matrix and 20% by weight of silicon nitride needle-like particles were mixed, and then mixed with a V-type blender to obtain a "needle-like particle group mixed powder". Conditions and test piece shape During sintering, 200 in a nitrogen atmosphere (0.9 MPa)
Table 3 by using gas pressure sintering at 0 ° C for 4 hours.
As shown in the columns of Examples 6 to 10 and Comparative Examples 3 to 6, the diameter of the acicular particles was 375 to 750 μm and the length was 150.
A “needle-shaped particle group sintered body” of 0 to 4800 μm was obtained. The shape of the “sintered needle particle group” was 4 × 5 × 45 mm. Then, a JIS-shaped test piece was prepared from the flat plate having the above-mentioned shape.

【0064】(3)微構造観察と特性評価 粒子群微構造についての評価は、試料をダイヤモンド粒
子(粒子径0.26μm)で研磨した後、光学顕微鏡に
て行った。強度試験は、JIS−R1601による4点
曲げ試験方法を用い、破壊靭性試験はJIS−R160
7によるSEPB法を用いて行った。さらに、熱伝導率
はJIS−R1611による円盤を用いて測定した。
(3) Microstructure Observation and Characteristic Evaluation The microstructure of the particle group was evaluated using an optical microscope after polishing the sample with diamond particles (particle diameter 0.26 μm). The strength test uses a four-point bending test method according to JIS-R1601, and the fracture toughness test uses JIS-R160.
7 using the SEPB method. Further, the thermal conductivity was measured using a disk according to JIS-R1611.

【0065】(4)結果 表3,4に示すように、直径が600〜1000μm,
長さが3000〜4000μmの範囲にある針状粒子を
20重量%添加した実施例6〜10の針状粒子群焼結体
では、焼結体中の針状粒子群の直径が450〜750μ
m,長さが2400〜3200μmとなっており、熱伝
導率が90W/m・K以上でかつ機械的強度が650M
Pa以上、破壊靭性値が6.5MPa√m以上であり、
タービン用途やエンジン用途として用いる場合に熱応力
の発生を抑さえかつ破壊確率が10万分の1以下となる
十分な機械強度特性を有したセラミックス材料となって
いた。これに対して、針状粒子群の長さが4000μm
を超える比較例4,5では焼結が阻害されて密度が低下
し、空孔が導入されることによって強度と熱伝導率が低
下したものとなっていた。また、直径が小さい比較例3
および長さが短い比較例6ではクラックの伝播を止める
働きは小さく靭性値が低下したものとなっていた。
(4) Results As shown in Tables 3 and 4, the diameter was 600 to 1000 μm,
In the acicular particle group sintered bodies of Examples 6 to 10 to which 20% by weight of acicular particles having a length in the range of 3000 to 4000 μm were added, the diameter of the acicular particle groups in the sintered body was 450 to 750 μm.
m, the length is 2400-3200 μm, the thermal conductivity is 90 W / m · K or more, and the mechanical strength is 650 M
Pa or more, the fracture toughness value is 6.5 MPaMPm or more,
When used for turbine applications or engine applications, the ceramic material has sufficient mechanical strength characteristics that suppresses the generation of thermal stress and has a fracture probability of 1 / 100,000 or less. On the other hand, the length of the acicular particle group is 4000 μm.
In Comparative Examples 4 and 5, the sintering was hindered, the density was reduced, and the strength and thermal conductivity were reduced due to the introduction of holes. Comparative Example 3 having a small diameter
In Comparative Example 6 having a short length, the effect of stopping the propagation of cracks was small and the toughness value was reduced.

【0066】(実施例11〜17、比較例7,8)−焼
結条件の影響− (1)原料調整 窒化ケイ素針状粒子を得るに際しては、市販の窒化ケイ
素粉末(電気化学工業製 P21FC β型窒化ケイ素
の含有率が90重量%以上で平均粒子径が0.5〜0.
7μmのもの)に、焼結助剤(信越化学製 Y
重量%と、Nd2重量%)を添加し、24時間ア
ルコール中でボールミルにより粉砕混合した後乾燥し
た。その後、40重量%の水と5重量%のメチルセルロ
ースを混合して混練体としたのち、所定の空孔の開いた
メッシュを通して混練体を押し出すことによって、直径
800μm,長さ3000μmの針状粒子とした。
(Examples 11 to 17, Comparative Examples 7 and 8) Influence of Sintering Conditions (1) Raw Material Adjustment In obtaining silicon nitride needle-like particles, commercially available silicon nitride powder (P21FC β manufactured by Denki Kagaku Kogyo Kogyo) When the content of the silicon nitride is 90% by weight or more and the average particle size is 0.5 to 0.5%.
Those) of 7 [mu] m, the sintering aid (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Y 2 0 3 2
Wt. And 2 wt.% Of Nd 2 O 3 ) were added, pulverized and mixed by a ball mill in alcohol for 24 hours, and then dried. Thereafter, 40% by weight of water and 5% by weight of methylcellulose are mixed to form a kneaded body, and the kneaded body is extruded through a mesh having predetermined holes to form acicular particles having a diameter of 800 μm and a length of 3000 μm. did.

【0067】一方、マトリックス用窒化ケイ素粒子を得
るに際しては、市販の窒化ケイ素粉末(電気化学工業製
P21FC)に、焼結助剤としてNdを2重量
%とYを2重量%加えて96時間アルコール中で
ボールミルにより粉砕混合した後乾燥した。
On the other hand, when obtaining the silicon nitride particles for the matrix, 2% by weight of Nd 2 O 3 and 2% by weight of Y 2 O 3 as sintering aids were added to a commercially available silicon nitride powder (P21FC manufactured by Denki Kagaku Kogyo). %, And the mixture was ground and mixed by a ball mill in alcohol for 96 hours and then dried.

【0068】そして、上記マトリックス用窒化ケイ素球
状粒子80重量%と窒化ケイ素針状粒子20重量%を混
合したあと、V型ブレンダで混合して「針状粒子群混合
粉末」とした。
Then, after mixing 80% by weight of the silicon nitride spherical particles for matrix and 20% by weight of silicon nitride needle-like particles, they were mixed with a V-type blender to obtain a "needle-like particle group mixed powder".

【0069】(2)焼結条件と試験片形状 焼結に際しては窒素雰囲気(0.9MPa)にて表5,
6の実施例11〜14、比較例7の欄に示すように温度
1900〜2100℃で4時間のガス圧焼結、および表
5,6の実施例16,17および比較例8の欄に示すよ
うに温度1900〜2050℃で4時間のガス圧ホット
プレス焼結、さらに表5,6の実施例15の欄に示すよ
うにガス圧焼結後の熱間静水圧焼結(HIP)を行うこ
とによって「針状粒子群焼結体」を得た。なお、「針状
粒子群焼結体」の形状は4×5×45mmのものとし
た。そして、前記形状の平板よりJIS形状の試験片を
作製した。
(2) Sintering Conditions and Specimen Shapes In sintering, a nitrogen atmosphere (0.9 MPa) was used.
As shown in the columns of Examples 11 to 14 of Comparative Example 6, the gas pressure sintering at 1900 to 2100 ° C. for 4 hours as shown in the column of Comparative Example 7, and shown in the columns of Examples 16 and 17 and Comparative Example 8 in Tables 5 and 6. Gas pressure hot press sintering at a temperature of 1900 to 2050 ° C. for 4 hours and hot isostatic sintering (HIP) after gas pressure sintering as shown in the column of Example 15 in Tables 5 and 6. As a result, an "acicular particle group sintered body" was obtained. The shape of the “sintered needle particle group” was 4 × 5 × 45 mm. Then, a JIS-shaped test piece was prepared from the flat plate having the above-mentioned shape.

【0070】(3)微構造観察と特性評価 粒子群微構造についての評価は、試料をダイヤモンド粒
子(粒子径0.26μm)で研磨した後、光学顕微鏡に
て行った。強度試験は、JIS−R1601による4点
曲げ試験方法を用い、破壊靭性試験はJIS−R160
7によるSEPB法を用いて行った。さらに、熱伝導率
はJIS−R1611による円盤を用いて測定した。
(3) Observation of Microstructure and Evaluation of Characteristics Evaluation of the microstructure of the particle group was performed using an optical microscope after polishing the sample with diamond particles (particle diameter 0.26 μm). The strength test uses a four-point bending test method according to JIS-R1601, and the fracture toughness test uses JIS-R160.
7 using the SEPB method. Further, the thermal conductivity was measured using a disk according to JIS-R1611.

【0071】(4)結果 表5,6に示すように、針状粒子を20重量%添加して
本発明の条件により焼結して得た実施例11〜17の針
状粒子群焼結体では、熱伝導率が90W/m・K以上で
かつ機械的強度が650MPa以上、破壊靭性値が6.
5MPa√m以上であり、タービン用途やエンジン用途
として用いる場合に熱応力の発生を抑さえかつ破壊確率
が10万分の1以下となる十分な機械的強度特性を有し
たセラミックス材料となっていた。これに対して、焼結
温度が1900℃である比較例7,8では焼結が阻害さ
れて密度が低下し、空孔が導入されるため強度および靭
性と熱伝導率が低下したものとなっていた。
(4) Results As shown in Tables 5 and 6, needle-like particles of Examples 11 to 17 were obtained by adding 20% by weight of needle-like particles and sintering them under the conditions of the present invention. Has a thermal conductivity of 90 W / m · K or more, a mechanical strength of 650 MPa or more, and a fracture toughness of 6.
When it is used as a turbine or an engine, the ceramic material has sufficient mechanical strength characteristics that suppresses generation of thermal stress and has a fracture probability of 1 / 100,000 or less. On the other hand, in Comparative Examples 7 and 8 in which the sintering temperature was 1900 ° C., the sintering was hindered, the density was reduced, and holes were introduced, so that the strength, toughness, and thermal conductivity were reduced. I was

【0072】(実施例18〜23、比較例9,10)−
焼結助剤の種類と添加量− (1)原料調整 窒化ケイ素針状粒子を得るに際しては、市販の窒化ケイ
素粉末(電気化学工業製 P21FC β型窒化ケイ素
の含有率が90重量%以上で平均粒子径が0.5〜0.
7μmのもの)に、焼結助剤(信越化学製 Y
Nd,La,Yb,MgO,SiO
を表5,6の実施例18〜23,比較例9,10の欄
に示す組み合わせとしたもの)を添加し、24時間アル
コール中でボールミルにより粉砕混合した後乾燥した。
その後、40重量%の水と5重量%のメチルセルロース
を混合して混練体としたのち、所定の空孔の開いたメッ
シュを通して混練体を押し出すことによって、直径80
0μmm,長さ3000μmの針状粒子とした。
(Examples 18 to 23, Comparative Examples 9 and 10)
Kinds and Additions of Sintering Aids (1) Raw Material Adjustment When obtaining silicon nitride needle-like particles, a commercially available silicon nitride powder (P21FC β-type silicon nitride manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) having an average content of 90% by weight or more is used. Particle size is 0.5-0.
Those) of 7 [mu] m, the sintering aid (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Y 2 0 3,
Nd 2 O 3 , La 2 O 3 , Yb 2 O 3 , MgO, SiO
2 in Examples 18 to 23 and Comparative Examples 9 and 10 in Tables 5 and 6), and the mixture was pulverized and mixed by a ball mill in alcohol for 24 hours and then dried.
Thereafter, 40% by weight of water and 5% by weight of methylcellulose are mixed to form a kneaded body, and the kneaded body is extruded through a mesh having predetermined holes to obtain a diameter of 80%.
Needle-shaped particles having a thickness of 0 μmm and a length of 3000 μm were obtained.

【0073】一方、マトリックス用窒化ケイ素粒子を得
るに際しては、市販の窒化ケイ素粉末(電気化学工業製
P21FC)に、焼結助剤(信越化学製 Y
Nd,La,Yb,MgO,SiO
を表7,8の実施例18〜23,比較例9,10の欄
に示す組み合わせとしたもの)を添加し、96時間アル
コール中でボールミルにより粉砕混合した後乾燥した。
[0073] On the other hand, in obtaining a matrix for silicon nitride particles it is a commercially available silicon nitride powder (manufactured by Denki Kagaku Kogyo P21FC), sintering aid (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Y 2 0 3,
Nd 2 O 3 , La 2 O 3 , Yb 2 O 3 , MgO, SiO
2 were added as shown in the columns of Examples 18 to 23 and Comparative Examples 9 and 10 in Tables 7 and 8), pulverized and mixed by a ball mill in alcohol for 96 hours, and then dried.

【0074】そして、上記マトリックス用窒化ケイ素球
状粒子80重量%と窒化ケイ素針状粒子20重量%を混
合したあとV型ブレンダで混合して「針状粒子群混合粉
末」とした。
Then, 80% by weight of the above-mentioned silicon nitride spherical particles for matrix and 20% by weight of silicon nitride needle-like particles were mixed, and then mixed with a V-type blender to obtain "needle-like particle group mixed powder".

【0075】(2)焼結条件と試験片形状 焼結に際しては窒素雰囲気(0.9MPa)にて200
0℃で4時間のガス圧焼結を行うことによって「針状粒
子群焼結体」を得た。なお、「針状粒子群焼結体」の形
状は4×5×45mmのものとした。そして、前記形状
の平板よりJIS形状の試験片を作製した。
(2) Sintering conditions and test piece shape Sintering was performed in a nitrogen atmosphere (0.9 MPa) for 200 minutes.
By performing gas pressure sintering at 0 ° C. for 4 hours, “a needle-shaped particle group sintered body” was obtained. The shape of the “sintered needle particle group” was 4 × 5 × 45 mm. Then, a JIS-shaped test piece was prepared from the flat plate having the above-mentioned shape.

【0076】(3)微構造観察と特性評価 粒子群微構造についての評価は、試料をダイヤモンド粒
子(粒子径0.26μm)で研磨した後、光学顕微鏡に
て行った。強度試験は、JIS−R1601による4点
曲げ試験方法を用い、破壊靭性試験はJIS−R160
7によるSEPB法を用いて行った。さらに、熱伝導率
はJIS−R1611による円盤を用いて測定した。
(3) Observation of microstructure and evaluation of characteristics Evaluation of the microstructure of the particle group was performed using an optical microscope after polishing the sample with diamond particles (particle diameter 0.26 μm). The strength test uses a four-point bending test method according to JIS-R1601, and the fracture toughness test uses JIS-R160.
7 using the SEPB method. Further, the thermal conductivity was measured using a disk according to JIS-R1611.

【0077】(4)結果 表7,8に示すように、針状粒子を20重量%添加しか
つ焼結助剤を1〜8重量%添加した実施例18〜23の
針状粒子群焼結体では、熱伝導率が90W/m・K以上
でかつ機械的強度が650MPa以上、破壊靭性値が
6.5MPa√m以上であり、タービン用途やエンジン
用途として用いる場合に熱応力の発生を抑さえかつ破壊
確率が10万分の1以下となる十分な機械的強度特性を
有したセラミックス材料となっていた。これに対して、
焼結助剤量が1重量%未満である比較例9では、焼結が
阻害されて密度が低下し、空孔が導入されることによっ
て熱伝導率が低下したものとなっていた。また、焼結助
剤量が8重量%を超える比較例10では、ガラス相が多
くなって強度よび熱伝導率が低下したものとなってい
た。
(4) Results As shown in Tables 7 and 8, the needle-like particle group sintering of Examples 18 to 23 in which 20% by weight of the needle-like particles were added and 1 to 8% by weight of the sintering aid were added. The body has a thermal conductivity of 90 W / m · K or more, a mechanical strength of 650 MPa or more, and a fracture toughness of 6.5 MPaMPm or more, and suppresses the generation of thermal stress when used for turbine or engine applications. It has been a ceramic material having sufficient mechanical strength characteristics with a breaking probability of 1 / 100,000 or less. On the contrary,
In Comparative Example 9 in which the amount of the sintering aid was less than 1% by weight, the sintering was hindered, the density was reduced, and the thermal conductivity was reduced due to the introduction of holes. Further, in Comparative Example 10 in which the amount of the sintering aid exceeded 8% by weight, the glass phase was increased and the strength and the thermal conductivity were reduced.

【0078】[0078]

【表1】 [Table 1]

【0079】[0079]

【表2】 [Table 2]

【0080】[0080]

【表3】 [Table 3]

【0081】[0081]

【表4】 [Table 4]

【0082】[0082]

【表5】 [Table 5]

【0083】[0083]

【表6】 [Table 6]

【0084】[0084]

【表7】 [Table 7]

【0085】[0085]

【表8】 [Table 8]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明による高強度高靭性窒化ケイ素焼結体
の組織を模式的に示す説明図である。
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing the structure of a high-strength, high-toughness silicon nitride sintered body according to the present invention.

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 窒化ケイ素マトリックス中に、直径が4
00〜750μmでかつ長さが2000〜3500μm
の窒化ケイ素針状粒子が5〜30体積%分散しているこ
とを特徴とする高強度高靭性窒化ケイ素焼結体。
1. The method of claim 1 wherein the silicon nitride matrix has a diameter of 4
00-750 μm and length of 2000-3500 μm
High-strength and high-toughness silicon nitride sintered body, wherein 5 to 30% by volume of silicon nitride needle particles are dispersed.
【請求項2】 焼結助剤を含むマリックス用窒化ケイ素
粒子に、焼結助剤を含み直径が550〜1000μmで
かつ長さが2500〜4000μmの窒化ケイ素針状粒
子を5〜30体積%添加したあと窒素ガス雰囲気中で同
時に焼結することを特徴とする高強度高靭性窒化ケイ素
焼結体の製造方法。
2. A needle-like silicon nitride particle having a diameter of 550 to 1000 μm and a length of 2500 to 4000 μm containing a sintering agent is added to silicon nitride particles for marix containing a sintering agent in an amount of 5 to 30% by volume. And then simultaneously sintering in a nitrogen gas atmosphere.
【請求項3】 マトリックス用窒化ケイ素粒子に、酸化
イットリウム,酸化ネオジム、酸化ランタン,酸化イッ
テルビウムのうちから選ばれる1種以上の希土類酸化物
と、酸化ケイ素,酸化マグネシウムのうちから選ばれる
1種以上の非希土類酸化物とから選ばれる1種以上の酸
化物系焼結助剤を1〜8重量%含むことを特徴とする請
求項2に記載の高強度高靭性窒化ケイ素焼結体の製造方
法。
3. The silicon nitride particles for a matrix include one or more rare earth oxides selected from yttrium oxide, neodymium oxide, lanthanum oxide and ytterbium oxide, and one or more selected from silicon oxide and magnesium oxide. The method for producing a high-strength and high-toughness silicon nitride sintered body according to claim 2, comprising 1 to 8% by weight of one or more oxide-based sintering aids selected from the group consisting of non-rare earth oxides. .
【請求項4】 マトリックス用窒化ケイ素粒子に、β型
窒化ケイ素の含有率が90重量%以上で平均粒子径が
0.5〜0.7μmであるβ型主体の窒化ケイ素原料粉
末を用いることを特徴とする請求項2または3に記載の
高強度高靭性窒化ケイ素焼結体の製造方法。
4. The method according to claim 1, wherein a β-type silicon nitride raw material powder having a β-type silicon nitride content of 90% by weight or more and an average particle diameter of 0.5 to 0.7 μm is used as the silicon nitride particles for the matrix. The method for producing a high-strength, high-toughness silicon nitride sintered body according to claim 2 or 3, wherein:
【請求項5】 窒化ケイ素針状粒子に、酸化イットリウ
ム,酸化ネオジム、酸化ランタン,酸化イッテルビウム
のうちから選ばれる1種以上の希土類酸化物と、酸化ケ
イ素,酸化マグネシウムのうちから選ばれる1種以上の
非希土類酸化物とから選ばれる1種以上の酸化物系焼結
助剤を1〜8重量%含むことを特徴とする請求項2に記
載の高強度高靭性窒化ケイ素焼結体の製造方法。
5. The silicon nitride needle-like particles include at least one rare earth oxide selected from yttrium oxide, neodymium oxide, lanthanum oxide, and ytterbium oxide, and at least one selected from silicon oxide and magnesium oxide. The method for producing a high-strength and high-toughness silicon nitride sintered body according to claim 2, comprising 1 to 8% by weight of one or more oxide-based sintering aids selected from the group consisting of non-rare earth oxides. .
【請求項6】 β型窒化ケイ素の含有率が90重量%以
上で平均粒子径が0.5〜0.7μmであるβ型主体の
窒化ケイ素原料粉末を用いることを特徴とする請求項2
または5に記載の高強度高靭性窒化ケイ素焼結体の製造
方法。
6. A β-type silicon nitride raw material powder having a β-type silicon nitride content of 90% by weight or more and an average particle size of 0.5 to 0.7 μm.
Or the method for producing a high-strength, high-toughness silicon nitride sintered body according to item 5.
【請求項7】 マトリックス用窒化ケイ素粒子に窒化ケ
イ素針状粒子を添加したあと1950〜2100℃の温
度でかつ窒素分圧が0.08〜1.0MPaの窒素ガス
中でガス圧焼結することを特徴とする請求項2ないし6
のいずれかに記載の高強度高靭性窒化ケイ素焼結体の製
造方法。
7. Addition of needle-like particles of silicon nitride to silicon nitride particles for a matrix, followed by gas pressure sintering in a nitrogen gas at a temperature of 1950 to 2100 ° C. and a nitrogen partial pressure of 0.08 to 1.0 MPa. 7. The method according to claim 2, wherein
The method for producing a high-strength and high-toughness silicon nitride sintered body according to any one of the above.
【請求項8】 マトリックス用窒化ケイ素粒子に窒化ケ
イ素針状粒子を添加したあと1950〜2050℃の温
度でかつ窒素分圧が0.2〜10MPaの窒素ガス中で
ホットプレス焼結することを特徴とする請求項2ないし
6のいずれかに記載の高強度高靭性窒化ケイ素焼結体の
製造方法。
8. A method comprising adding silicon nitride needle-like particles to the silicon nitride particles for a matrix, followed by hot press sintering in a nitrogen gas at a temperature of 1950 to 2050 ° C. and a nitrogen partial pressure of 0.2 to 10 MPa. The method for producing a high-strength and high-toughness silicon nitride sintered body according to any one of claims 2 to 6.
【請求項9】 焼結後さらに2100〜2200℃の温
度でかつ窒素分圧が30〜200MPaの窒素ガス中で
熱間等方圧プレス焼結することを特徴とする請求項7ま
たは8に記載の高強度高靭性窒化ケイ素焼結体の製造方
法。
9. The hot isostatic press sintering in nitrogen gas at a temperature of 2100 to 2200 ° C. and a nitrogen partial pressure of 30 to 200 MPa after sintering. For producing a high-strength, high-toughness silicon nitride sintered body.
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