JPH1121175A - 窒化珪素質焼結体 - Google Patents
窒化珪素質焼結体Info
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- JPH1121175A JPH1121175A JP9175028A JP17502897A JPH1121175A JP H1121175 A JPH1121175 A JP H1121175A JP 9175028 A JP9175028 A JP 9175028A JP 17502897 A JP17502897 A JP 17502897A JP H1121175 A JPH1121175 A JP H1121175A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】高強度と高靱性を兼ね備えた窒化珪素質焼結体
を提供する。 【解決手段】周期律表第３ａ族元素を酸化物換算で３．
０〜１１．４モル％、アルミニウムを酸化物換算で１．
０〜９．５モル％、過剰酸素を二酸化珪素換算で２．０
〜７．６モル％の割合でそれぞれ含み、前記周期律表第
３ａ族元素の酸化物に対する二酸化珪素のモル比を０．
９未満とし、窒化珪素質焼結体中における主結晶相をな
す窒化珪素粒子の長径の最大値を１０μｍ以下とすると
ともに、粒界の一部又は全部にワラストナイト結晶相を
主として存在させる。
を提供する。 【解決手段】周期律表第３ａ族元素を酸化物換算で３．
０〜１１．４モル％、アルミニウムを酸化物換算で１．
０〜９．５モル％、過剰酸素を二酸化珪素換算で２．０
〜７．６モル％の割合でそれぞれ含み、前記周期律表第
３ａ族元素の酸化物に対する二酸化珪素のモル比を０．
９未満とし、窒化珪素質焼結体中における主結晶相をな
す窒化珪素粒子の長径の最大値を１０μｍ以下とすると
ともに、粒界の一部又は全部にワラストナイト結晶相を
主として存在させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンエン
ジン用部品や自動車用部品、あるいはその他の構造用部
品に好適な高強度、高靱性を有する窒化珪素質焼結体に
関するものである。
ジン用部品や自動車用部品、あるいはその他の構造用部
品に好適な高強度、高靱性を有する窒化珪素質焼結体に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】窒化珪素質焼結体は、従来から高強度を
有するとともに、耐熱性、耐熱衝撃性、耐酸化性に優れ
た材料として注目され、エンジニアリングセラミック
ス、特にガスタービンエンジン用部品や自動車用部品な
どの熱機関用部品として応用が進められていた。
有するとともに、耐熱性、耐熱衝撃性、耐酸化性に優れ
た材料として注目され、エンジニアリングセラミック
ス、特にガスタービンエンジン用部品や自動車用部品な
どの熱機関用部品として応用が進められていた。
【０００３】窒化珪素質焼結体は、主体をなす窒化珪素
自体が難焼結材であることから、各種の焼結助剤を配合
して焼結させることにより高密度でかつ高強度を有する
特性が得られることが知られており、このような焼結助
剤として、Ｙや希土類元素の酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）、酸
化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）、酸化マグネシウム（Ｍ
ｇＯ）、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）などが用いられ、とり
わけ、比較的低温下で容易に焼結させることが可能な助
剤として、酸化イットリウム（Ｙ2 Ｏ3 ）と酸化アルミ
ニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）を併用した窒化珪素質焼結体が特
公昭５２−３６４９号や特公昭５８−５１９１０号に開
示されている。
自体が難焼結材であることから、各種の焼結助剤を配合
して焼結させることにより高密度でかつ高強度を有する
特性が得られることが知られており、このような焼結助
剤として、Ｙや希土類元素の酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）、酸
化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）、酸化マグネシウム（Ｍ
ｇＯ）、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）などが用いられ、とり
わけ、比較的低温下で容易に焼結させることが可能な助
剤として、酸化イットリウム（Ｙ2 Ｏ3 ）と酸化アルミ
ニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）を併用した窒化珪素質焼結体が特
公昭５２−３６４９号や特公昭５８−５１９１０号に開
示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、焼結
助剤として酸化イットリウムと酸化アルミニウムを用い
たほとんどの窒化珪素質焼結体は、粒界がガラス相のみ
からなるため、強度的にピストンピンやエンジンバルブ
などのような高強度が要求される自動車用部品やガスタ
ービンエンジン用部品としては十分ではなかった。
助剤として酸化イットリウムと酸化アルミニウムを用い
たほとんどの窒化珪素質焼結体は、粒界がガラス相のみ
からなるため、強度的にピストンピンやエンジンバルブ
などのような高強度が要求される自動車用部品やガスタ
ービンエンジン用部品としては十分ではなかった。
【０００５】そこで、粒界を結晶化させて強度を高める
ことも提案されているが、その反面破壊靱性値が低いと
いった問題点があった。
ことも提案されているが、その反面破壊靱性値が低いと
いった問題点があった。
【０００６】また、窒化珪素質焼結体の主結晶相をなす
窒化珪素粒子は、柱状晶あるいは針状晶をなし、これら
が絡み合った組織構造をとることにより焼結体の破壊靱
性値を高めることができ、理論的にはこの破壊靱性値を
向上させることで強度も高められることが知られてい
る。その為、従来より靱性を高める手法として、窒化珪
素粒子の柱状化あるいは針状化を促進させることが行わ
れているが、この手法では粒子の粗大化によって窒化珪
素粒子が破壊源となり、焼結体の強度を低下させてしま
うといった問題点があった。
窒化珪素粒子は、柱状晶あるいは針状晶をなし、これら
が絡み合った組織構造をとることにより焼結体の破壊靱
性値を高めることができ、理論的にはこの破壊靱性値を
向上させることで強度も高められることが知られてい
る。その為、従来より靱性を高める手法として、窒化珪
素粒子の柱状化あるいは針状化を促進させることが行わ
れているが、この手法では粒子の粗大化によって窒化珪
素粒子が破壊源となり、焼結体の強度を低下させてしま
うといった問題点があった。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】そこで、本件発明者ら
は上記問題点を解消するために鋭意研究を重ねた結果、
窒化珪素質焼結体を構成する主結晶相の粒成長を抑制
し、特定の粒径に微細化するとともに、粒界の一部又は
全部にワラストナイト結晶相（ＲＥＳｉＯ2 Ｎ）（Ｋ−
ｐｈａｓｅ）を主として析出させることにより高強度で
かつ高靭性を有する窒化珪素質焼結体が得られることを
知見した。
は上記問題点を解消するために鋭意研究を重ねた結果、
窒化珪素質焼結体を構成する主結晶相の粒成長を抑制
し、特定の粒径に微細化するとともに、粒界の一部又は
全部にワラストナイト結晶相（ＲＥＳｉＯ2 Ｎ）（Ｋ−
ｐｈａｓｅ）を主として析出させることにより高強度で
かつ高靭性を有する窒化珪素質焼結体が得られることを
知見した。
【０００８】即ち、本発明の窒化珪素質焼結体は、周期
律表第３ａ族元素を酸化物換算で３．０〜１１．４モル
％、アルミニウムを酸化物換算で１．０〜９．５モル
％、過剰酸素を二酸化珪素換算で２．０〜７．６モル％
の割合で含み、前記周期律表第３ａ族元素の酸化物に対
する二酸化珪素のモル比が０．９未満で、かつ残部が実
質的に窒化珪素からなり、焼結体中において窒化珪素が
主結晶相をなし、その長径の最大値が１０μｍ以下であ
るとともに、粒界の一部又は全部にワラストナイト結晶
相が主として存在することを特徴とするものである。
律表第３ａ族元素を酸化物換算で３．０〜１１．４モル
％、アルミニウムを酸化物換算で１．０〜９．５モル
％、過剰酸素を二酸化珪素換算で２．０〜７．６モル％
の割合で含み、前記周期律表第３ａ族元素の酸化物に対
する二酸化珪素のモル比が０．９未満で、かつ残部が実
質的に窒化珪素からなり、焼結体中において窒化珪素が
主結晶相をなし、その長径の最大値が１０μｍ以下であ
るとともに、粒界の一部又は全部にワラストナイト結晶
相が主として存在することを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明について詳述する。
【００１０】本発明の窒化珪素質焼結体は、添加成分と
して周期律表第３ａ族元素酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）と酸化
アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）及び過剰酸素を含み、残部
が実質的に窒化珪素からなる。ここで、過剰酸素とは、
焼結体中の全酸素量から焼結体中のＳｉ以外の周期律表
第３ａ族元素及びアルミニウムが化学量論的に酸化物を
形成した時にその元素に結合している酸素を除いた残り
の酸素量のことであり、その殆どが窒化珪素原料に含ま
れている酸素、あるいは焼結助剤として添加する二酸化
珪素として混入するものであり、本発明では全て二酸化
珪素（ＳｉＯ2）として存在するものとして考慮する。
して周期律表第３ａ族元素酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）と酸化
アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）及び過剰酸素を含み、残部
が実質的に窒化珪素からなる。ここで、過剰酸素とは、
焼結体中の全酸素量から焼結体中のＳｉ以外の周期律表
第３ａ族元素及びアルミニウムが化学量論的に酸化物を
形成した時にその元素に結合している酸素を除いた残り
の酸素量のことであり、その殆どが窒化珪素原料に含ま
れている酸素、あるいは焼結助剤として添加する二酸化
珪素として混入するものであり、本発明では全て二酸化
珪素（ＳｉＯ2）として存在するものとして考慮する。
【００１１】また、本発明の窒化珪素質焼結体は、主結
晶相が窒化珪素、特にβ−窒化珪素からなるものであ
る。なお、添加成分である酸化アルミニウムの一部が焼
成時に上記β−窒化珪素の結晶中に固溶し、β−サイア
ロンを構成することもあるが、本発明において上記酸化
アルミニウムの含有量は微量であり、また、主結晶相の
β−窒化珪素と同一の結晶構造を有するものであり、こ
こで言う窒化珪素とは上記β−サイアロンを含むものと
して考える。
晶相が窒化珪素、特にβ−窒化珪素からなるものであ
る。なお、添加成分である酸化アルミニウムの一部が焼
成時に上記β−窒化珪素の結晶中に固溶し、β−サイア
ロンを構成することもあるが、本発明において上記酸化
アルミニウムの含有量は微量であり、また、主結晶相の
β−窒化珪素と同一の結晶構造を有するものであり、こ
こで言う窒化珪素とは上記β−サイアロンを含むものと
して考える。
【００１２】そして、本発明の窒化珪素質焼結体は、主
結晶相をなす窒化珪素粒子の長径の最大値が１０μｍ以
下と微細な組織から構成されていることを特徴とする。
即ち、窒化珪素粒子は通常、柱状晶あるいは針状晶をな
し、これらが絡み合った組織構造をとることにより高靱
性が得られるものの、窒化珪素粒子の柱状化あるいは針
状化を促進させると、粒子の粗大化により窒化珪素粒子
が破壊源となって焼結体の強度を高めることができな
い。
結晶相をなす窒化珪素粒子の長径の最大値が１０μｍ以
下と微細な組織から構成されていることを特徴とする。
即ち、窒化珪素粒子は通常、柱状晶あるいは針状晶をな
し、これらが絡み合った組織構造をとることにより高靱
性が得られるものの、窒化珪素粒子の柱状化あるいは針
状化を促進させると、粒子の粗大化により窒化珪素粒子
が破壊源となって焼結体の強度を高めることができな
い。
【００１３】そこで、本発明は、焼結助剤として周期律
表第３ａ族元素酸化物（ＲＥ2 Ｏ3）及び酸化アルミニ
ウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）を含有させて焼成温度を下げること
により、柱状晶あるいは針状晶の窒化珪素粒子における
長径の最大値を１０μｍ以下、好ましくは４〜８μｍに
微細化したものであり、その結果、焼結体をより緻密化
して強度を大幅に高めることができる。なお、主結晶相
をなす窒化珪素粒子の短径に対する長径の比（アスペク
ト比）は平均で２〜７が適当である。
表第３ａ族元素酸化物（ＲＥ2 Ｏ3）及び酸化アルミニ
ウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）を含有させて焼成温度を下げること
により、柱状晶あるいは針状晶の窒化珪素粒子における
長径の最大値を１０μｍ以下、好ましくは４〜８μｍに
微細化したものであり、その結果、焼結体をより緻密化
して強度を大幅に高めることができる。なお、主結晶相
をなす窒化珪素粒子の短径に対する長径の比（アスペク
ト比）は平均で２〜７が適当である。
【００１４】一方、主結晶相を微細化すると、主結晶相
同士の絡み具合が弱くなり、破壊靱性値が低下すること
になるが、本発明によれば、焼結体の粒界の一部又は全
部にワラストナイト結晶相（ＲＥＳｉＯ2 Ｎ）（Ｋ−ｐ
ｈａｓｅ）を主として存在させることで、微細な組織構
造のまま高靱性を達成したものである。
同士の絡み具合が弱くなり、破壊靱性値が低下すること
になるが、本発明によれば、焼結体の粒界の一部又は全
部にワラストナイト結晶相（ＲＥＳｉＯ2 Ｎ）（Ｋ−ｐ
ｈａｓｅ）を主として存在させることで、微細な組織構
造のまま高靱性を達成したものである。
【００１５】このように、粒界にワラストナイト結晶相
を主として存在させることで焼結体の高強度を維持した
まま、破壊靱性値を向上させることができる理由として
は、ワラストナイト結晶の熱膨張率が主結晶相の窒化珪
素に比べて大きいことから、焼成後の冷却時に窒化珪素
粒子との収縮差を生じ、窒化珪素粒子に圧縮の残留応力
が残るため、焼結体に外部応力が加わりクラックが進展
しても、このクラックは窒化珪素粒子で偏向される結
果、焼結体の破壊靱性値が向上するものと考えられる。
を主として存在させることで焼結体の高強度を維持した
まま、破壊靱性値を向上させることができる理由として
は、ワラストナイト結晶の熱膨張率が主結晶相の窒化珪
素に比べて大きいことから、焼成後の冷却時に窒化珪素
粒子との収縮差を生じ、窒化珪素粒子に圧縮の残留応力
が残るため、焼結体に外部応力が加わりクラックが進展
しても、このクラックは窒化珪素粒子で偏向される結
果、焼結体の破壊靱性値が向上するものと考えられる。
【００１６】その為、従来のように窒化珪素粒子の柱状
化あるいは針状化を促進させることなく、微細な窒化珪
素粒子のまま靱性値を高めることができるため、強度と
靱性の両方を向上させることができ、その結果、窒化珪
素質焼結体の強度を４点曲げ強度で１１００ＭＰａ以
上、より高くは１２００ＭＰａ以上を達成することがで
きるとともに、破壊靱性値を７ＭＰａｍ1/2 以上、より
高くは８ＭＰａｍ1/2 以上とすることができる。
化あるいは針状化を促進させることなく、微細な窒化珪
素粒子のまま靱性値を高めることができるため、強度と
靱性の両方を向上させることができ、その結果、窒化珪
素質焼結体の強度を４点曲げ強度で１１００ＭＰａ以
上、より高くは１２００ＭＰａ以上を達成することがで
きるとともに、破壊靱性値を７ＭＰａｍ1/2 以上、より
高くは８ＭＰａｍ1/2 以上とすることができる。
【００１７】なお、ワラストナイト結晶相が粒界に主と
して存在するとは、粒界がガラス相とワラストナイト結
晶相とからなるか、ガラス相とワラストナイト結晶相及
びＮ−アパタイト結晶相（ＲＥ5 Ｓｉ3 Ｏ12Ｎ）（Ｈ−
ｐｈａｓｅ）とからなるか、あるいはその全部がワラス
トナイト結晶相からなるものを言う。
して存在するとは、粒界がガラス相とワラストナイト結
晶相とからなるか、ガラス相とワラストナイト結晶相及
びＮ−アパタイト結晶相（ＲＥ5 Ｓｉ3 Ｏ12Ｎ）（Ｈ−
ｐｈａｓｅ）とからなるか、あるいはその全部がワラス
トナイト結晶相からなるものを言う。
【００１８】即ち、粒界の全てがガラス相であると、焼
結体の破壊靭性値を高めることができず、また、粒界に
Ｎ−アパタイト結晶相（ＲＥ5 Ｓｉ3 Ｏ12Ｎ）（Ｈ−ｐ
ｈａｓｅ）のみやその他の酸窒化物結晶相のみが析出す
ると、粒界の抜けたようなポーラスな部分が形成され易
くなり、焼結体の強度及び破壊靭性値を大きく低下させ
てしまうからである。
結体の破壊靭性値を高めることができず、また、粒界に
Ｎ−アパタイト結晶相（ＲＥ5 Ｓｉ3 Ｏ12Ｎ）（Ｈ−ｐ
ｈａｓｅ）のみやその他の酸窒化物結晶相のみが析出す
ると、粒界の抜けたようなポーラスな部分が形成され易
くなり、焼結体の強度及び破壊靭性値を大きく低下させ
てしまうからである。
【００１９】ところで、焼結体の粒界にワラストナイト
結晶相を主として存在させるには、焼結体中における周
期律表第３ａ族元素の酸化物に対する二酸化珪素（過剰
酸素分）のモル比、即ち、Ｓｉ０2 ／ＲＥ2 Ｏ3 で表さ
れるモル比を０．９未満とすることが必要であり、この
モル比が０．９より大きくなると、粒界にワラストナイ
ト結晶相以外のＮ−アパタイト結晶相やその他の酸窒化
物結晶相が析出し、ワラストナイト結晶相を主として析
出させることができなくなるとともに、粒界にポーラス
部分ができるため、焼結体の強度及び破壊靭性を高める
ことができない。
結晶相を主として存在させるには、焼結体中における周
期律表第３ａ族元素の酸化物に対する二酸化珪素（過剰
酸素分）のモル比、即ち、Ｓｉ０2 ／ＲＥ2 Ｏ3 で表さ
れるモル比を０．９未満とすることが必要であり、この
モル比が０．９より大きくなると、粒界にワラストナイ
ト結晶相以外のＮ−アパタイト結晶相やその他の酸窒化
物結晶相が析出し、ワラストナイト結晶相を主として析
出させることができなくなるとともに、粒界にポーラス
部分ができるため、焼結体の強度及び破壊靭性を高める
ことができない。
【００２０】また、窒化珪素質焼結体の強度及び破壊靱
性値を向上させるためには、焼結体中における周期律表
第３ａ族元素を酸化物換算で３．０〜１１．４モル％、
好ましくは４．０〜８．０モル％とするとともに、アル
ミニウムを酸化物換算で１．０〜９．５モル％、好まし
くは２．５〜６．０モル％とし、かつ過剰酸素を二酸化
珪素換算で２．０〜７．６モル％、好ましくは３．５〜
５．５モル％とすることが必要である。
性値を向上させるためには、焼結体中における周期律表
第３ａ族元素を酸化物換算で３．０〜１１．４モル％、
好ましくは４．０〜８．０モル％とするとともに、アル
ミニウムを酸化物換算で１．０〜９．５モル％、好まし
くは２．５〜６．０モル％とし、かつ過剰酸素を二酸化
珪素換算で２．０〜７．６モル％、好ましくは３．５〜
５．５モル％とすることが必要である。
【００２１】これは、周期律表第３ａ族元素が酸化物換
算で３．０モル％未満、又は過剰酸素が二酸化珪素換算
で２．０モル％未満であると、いずれも焼結性が低下す
るために実用的な焼結体を得ることができないからであ
り、逆に、周期律表第３ａ族元素が酸化物換算で１１．
４モル％より多くなるか、又は過剰酸素が二酸化珪素換
算で７．６モル％より多くなると、粒界の占める割合が
多くなるために、焼結体の強度及び破壊靱性値が低下す
るからである。
算で３．０モル％未満、又は過剰酸素が二酸化珪素換算
で２．０モル％未満であると、いずれも焼結性が低下す
るために実用的な焼結体を得ることができないからであ
り、逆に、周期律表第３ａ族元素が酸化物換算で１１．
４モル％より多くなるか、又は過剰酸素が二酸化珪素換
算で７．６モル％より多くなると、粒界の占める割合が
多くなるために、焼結体の強度及び破壊靱性値が低下す
るからである。
【００２２】また、アルミニウムが酸化物換算で１．０
モル％より少なくなると、焼成温度を下げる効果が小さ
く、主結晶相をなす窒化珪素粒子の長径の最大値を１０
μｍ以下に微細化することができないからであり、逆
に、９．５モル％より多くなると、粒界に結晶相を析出
させることができなくなるとともに、焼結体の破壊靱性
値が低下する傾向にあるからである。
モル％より少なくなると、焼成温度を下げる効果が小さ
く、主結晶相をなす窒化珪素粒子の長径の最大値を１０
μｍ以下に微細化することができないからであり、逆
に、９．５モル％より多くなると、粒界に結晶相を析出
させることができなくなるとともに、焼結体の破壊靱性
値が低下する傾向にあるからである。
【００２３】なお、残部は実質的に窒化珪素からなり、
焼結体中における窒化珪素量は、焼結体中の全Ｓｉ量よ
り過剰酸素量から算出した二酸化珪素に基づくＳｉ分を
差し引いた残りのＳｉを窒化物換算することで求めるこ
とができ、この算出方法によれば、８１〜９０モル％、
特に８４〜８７モル％であることが望ましい。
焼結体中における窒化珪素量は、焼結体中の全Ｓｉ量よ
り過剰酸素量から算出した二酸化珪素に基づくＳｉ分を
差し引いた残りのＳｉを窒化物換算することで求めるこ
とができ、この算出方法によれば、８１〜９０モル％、
特に８４〜８７モル％であることが望ましい。
【００２４】次に、本発明に係る窒化珪素質焼結体の製
造方法を説明する。
造方法を説明する。
【００２５】まず、出発原料として窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ
4 ）、周期律表第３ａ族元素酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）、酸
化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）の粉末を用意し、これら
を窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）８１〜９０モル％、周期律表
第３ａ族元素酸化物（ＲＥ2Ｏ3 ）３．０〜１１．４モ
ル％、窒化珪素原料に含まれている過剰酸素（Ｓｉ
Ｏ2 ）２．０〜７．６モル％、酸化アルミニウム（Ａｌ
2 Ｏ3 ）１．０〜９．５モル％、ＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3
のモル比が０．９未満となるように調製する。
4 ）、周期律表第３ａ族元素酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）、酸
化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）の粉末を用意し、これら
を窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）８１〜９０モル％、周期律表
第３ａ族元素酸化物（ＲＥ2Ｏ3 ）３．０〜１１．４モ
ル％、窒化珪素原料に含まれている過剰酸素（Ｓｉ
Ｏ2 ）２．０〜７．６モル％、酸化アルミニウム（Ａｌ
2 Ｏ3 ）１．０〜９．５モル％、ＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3
のモル比が０．９未満となるように調製する。
【００２６】なお、窒化珪素原料に含まれている過剰酸
素（ＳｉＯ2 ）が少ない時には、上記組成に対してさら
に二酸化珪素粉末を焼結助剤として添加すれば良く、こ
の時の過剰酸素（ＳｉＯ2 ）量は、窒化珪素に含まれて
いる酸素を二酸化珪素に換算した量と添加した二酸化珪
素粉末との合量である。
素（ＳｉＯ2 ）が少ない時には、上記組成に対してさら
に二酸化珪素粉末を焼結助剤として添加すれば良く、こ
の時の過剰酸素（ＳｉＯ2 ）量は、窒化珪素に含まれて
いる酸素を二酸化珪素に換算した量と添加した二酸化珪
素粉末との合量である。
【００２７】そして、上記のように所定の割合で調製し
た混合粉末を、公知の成形手段、例えば金型プレス成
形、鋳込み成形、押出成形、射出成形、冷間静水圧プレ
ス成形等により任意の形状に成形する。
た混合粉末を、公知の成形手段、例えば金型プレス成
形、鋳込み成形、押出成形、射出成形、冷間静水圧プレ
ス成形等により任意の形状に成形する。
【００２８】しかるのち、得られた成形体を公知の焼成
手段、例えば常圧焼成法、窒素ガス圧焼成法、ホットプ
レス法により１６５０〜１８００℃の温度で焼成したあ
と、１０００℃まで８℃／ｍｉｎ以下の冷却速度で徐冷
することで本発明の窒化珪素質焼結体を得ることができ
る。
手段、例えば常圧焼成法、窒素ガス圧焼成法、ホットプ
レス法により１６５０〜１８００℃の温度で焼成したあ
と、１０００℃まで８℃／ｍｉｎ以下の冷却速度で徐冷
することで本発明の窒化珪素質焼結体を得ることができ
る。
【００２９】ここで、焼成温度を１６５０〜１８００℃
としたのは、１６５０℃未満であると、焼結性が不十分
であるからであり、１８００℃より高くなると、主結晶
相をなす窒化珪素粒子の粒成長により、長径の最大値を
１０μｍ以下に微細化することができないからである。
また、１０００℃までの冷却速度が８℃／ｍｉｎより速
いと、粒界にワラストナイト結晶相を析出させることが
できないからである。
としたのは、１６５０℃未満であると、焼結性が不十分
であるからであり、１８００℃より高くなると、主結晶
相をなす窒化珪素粒子の粒成長により、長径の最大値を
１０μｍ以下に微細化することができないからである。
また、１０００℃までの冷却速度が８℃／ｍｉｎより速
いと、粒界にワラストナイト結晶相を析出させることが
できないからである。
【００３０】なお、上述のように製作した窒化珪素質焼
結体にＨＩＰ又はガラスシールＨＩＰを施すことでさら
に緻密化することもできる。
結体にＨＩＰ又はガラスシールＨＩＰを施すことでさら
に緻密化することもできる。
【００３１】（実施例）出発原料として窒化珪素粉末
（ＢＥＴ比表面積９ｍ2 ／ｇ，α率９５％、酸素量１．
０重量％）と、各種の周期律表第３ａ族元素酸化物（Ｒ
Ｅ2 Ｏ3 ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）、酸化珪
素（ＳｉＯ2 ）の粉末を用い、焼結体中における組成が
表１に示す割合となるように調合し、溶媒とともに窒化
珪素ボールにて混合粉砕したあと、スプレードライヤー
で乾燥造粒して顆粒を製作し、該顆粒を金型に充填して
１ｔ／ｃｍ2 の圧力で金型プレス成形することにより成
形体を作製した。そして、得られた成形体を炭化珪素質
のこう鉢に入れて、カーボンヒーターを用い、常圧窒素
雰囲気中にて１７５０℃の温度まで昇温し、この温度に
て５時間保持したあと、表１に示す条件で冷却するか、
あるいは９ｋｇ／ｃｍ2 の圧力下で１８５０℃まで昇温
し、この温度にて３時間保持したあと、表１に示す条件
で冷却することにより窒化珪素質焼結体を製作した。
（ＢＥＴ比表面積９ｍ2 ／ｇ，α率９５％、酸素量１．
０重量％）と、各種の周期律表第３ａ族元素酸化物（Ｒ
Ｅ2 Ｏ3 ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）、酸化珪
素（ＳｉＯ2 ）の粉末を用い、焼結体中における組成が
表１に示す割合となるように調合し、溶媒とともに窒化
珪素ボールにて混合粉砕したあと、スプレードライヤー
で乾燥造粒して顆粒を製作し、該顆粒を金型に充填して
１ｔ／ｃｍ2 の圧力で金型プレス成形することにより成
形体を作製した。そして、得られた成形体を炭化珪素質
のこう鉢に入れて、カーボンヒーターを用い、常圧窒素
雰囲気中にて１７５０℃の温度まで昇温し、この温度に
て５時間保持したあと、表１に示す条件で冷却するか、
あるいは９ｋｇ／ｃｍ2 の圧力下で１８５０℃まで昇温
し、この温度にて３時間保持したあと、表１に示す条件
で冷却することにより窒化珪素質焼結体を製作した。
【００３２】そして、得られた窒化珪素質焼結体の主結
晶相及び粒界を構成する結晶相について、Ｘ線回折によ
り分析するとともに、ＪＩＳＲ１６０１の形状に加工し
て試験片を作製し、これらの試料を用いて、ＪＩＳＲ１
６０１に基づく室温の４点曲げ強度及び破壊靭性値の測
定を行った。
晶相及び粒界を構成する結晶相について、Ｘ線回折によ
り分析するとともに、ＪＩＳＲ１６０１の形状に加工し
て試験片を作製し、これらの試料を用いて、ＪＩＳＲ１
６０１に基づく室温の４点曲げ強度及び破壊靭性値の測
定を行った。
【００３３】なお、焼結体の組成及び焼成条件は表１
に、焼結体の主結晶相及び粒界を構成する結晶相の種類
及び焼結体の強度と破壊靭性値は表２にそれぞれ示す通
りである。
に、焼結体の主結晶相及び粒界を構成する結晶相の種類
及び焼結体の強度と破壊靭性値は表２にそれぞれ示す通
りである。
【００３４】
【表１】
【００３５】
【表２】
【００３６】この結果、試料Ｎｏ．１７のようにＳｉＯ
2 ／ＲＥ2 Ｏ3 が０．９以上で、かつ粒界にＮ−アパタ
イト結晶相のみが析出したものでは、焼結体中に粒界の
抜けたようなポーラス部分が生成しているため、焼結体
の強度及び破壊靭性値の両方が極端に低かった。
2 ／ＲＥ2 Ｏ3 が０．９以上で、かつ粒界にＮ−アパタ
イト結晶相のみが析出したものでは、焼結体中に粒界の
抜けたようなポーラス部分が生成しているため、焼結体
の強度及び破壊靭性値の両方が極端に低かった。
【００３７】また、試料Ｎｏ．１５，１６のように８℃
／ｍｉｎより速い速度で急冷して粒界がガラス相のみか
らなるもの、及び試料Ｎｏ．１８のように周期律表第３
ａ族元素酸化物の含有量を少なくして粒界がガラス相の
みからなるものでは、焼結体の強度及び破壊靭性値をそ
れほど高めることができなかった。
／ｍｉｎより速い速度で急冷して粒界がガラス相のみか
らなるもの、及び試料Ｎｏ．１８のように周期律表第３
ａ族元素酸化物の含有量を少なくして粒界がガラス相の
みからなるものでは、焼結体の強度及び破壊靭性値をそ
れほど高めることができなかった。
【００３８】さらに、試料Ｎｏ．１９，２０のように１
８００℃より高い温度で焼成したものでは、粒界にワラ
ストナイト結晶相が存在し、破壊靱性値を高めることが
できたものの、主結晶相をなす窒化珪素粒子の粗大化の
ために、長径の最大値を１０μｍ以下とすることができ
ず、焼結体の強度を高めることができなかった。
８００℃より高い温度で焼成したものでは、粒界にワラ
ストナイト結晶相が存在し、破壊靱性値を高めることが
できたものの、主結晶相をなす窒化珪素粒子の粗大化の
ために、長径の最大値を１０μｍ以下とすることができ
ず、焼結体の強度を高めることができなかった。
【００３９】また、試料Ｎｏ．２１は、助剤成分である
Ｙ2 Ｏ3 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 の割合が少ないことか
ら、１７５０℃の温度では焼結させることができず、焼
結体を得ることができなかった。
Ｙ2 Ｏ3 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 の割合が少ないことか
ら、１７５０℃の温度では焼結させることができず、焼
結体を得ることができなかった。
【００４０】さらに、試料Ｎｏ．２２では、助剤成分で
あるＹ2 Ｏ3 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 の割合が多いこと
から焼結体中における粒界の占める割合が多くなりす
ぎ、焼結体の強度及び破壊靱性値を高めることができな
かった。
あるＹ2 Ｏ3 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 の割合が多いこと
から焼結体中における粒界の占める割合が多くなりす
ぎ、焼結体の強度及び破壊靱性値を高めることができな
かった。
【００４１】これに対し、試料Ｎｏ．１〜１４は、周期
律表第３ａ族元素酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）が３．０〜１
１．４モル％、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）が１．
０〜９．５モル％、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）が２．０〜
７．６モル％の範囲にあり、前記周期律表第３ａ族元素
酸化物に対する二酸化珪素のモル比が０．９未満である
とともに、焼結体中において窒化珪素が主結晶相をな
し、その長径の最大値が１０μｍ以下であるとともに、
粒界相にワラストナイト結晶相が主として析出している
ことから、焼結体の強度を１１００ＭＰａ以上、破壊靱
性性を７ＭＰａｍ1/ 2 以上と、高強度、高靱性を有する
窒化珪素質焼結体とすることができた。
律表第３ａ族元素酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）が３．０〜１
１．４モル％、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）が１．
０〜９．５モル％、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）が２．０〜
７．６モル％の範囲にあり、前記周期律表第３ａ族元素
酸化物に対する二酸化珪素のモル比が０．９未満である
とともに、焼結体中において窒化珪素が主結晶相をな
し、その長径の最大値が１０μｍ以下であるとともに、
粒界相にワラストナイト結晶相が主として析出している
ことから、焼結体の強度を１１００ＭＰａ以上、破壊靱
性性を７ＭＰａｍ1/ 2 以上と、高強度、高靱性を有する
窒化珪素質焼結体とすることができた。
【００４２】
【発明の効果】以上のように、本発明の窒化珪素質焼結
体は、周期律表第３ａ族元素を酸化物換算で３．０〜１
１．４モル％、アルミニウムを酸化物換算で１．０〜
９．５モル％、過剰酸素を二酸化珪素換算で２．０〜
７．６モル％の割合で含み、前記周期律表第３ａ族元素
の酸化物に対する二酸化珪素のモル比が０．９未満で、
かつ残部が実質的に窒化珪素からなり、焼結体中におい
て窒化珪素が主結晶相をなし、その長径の最大値が１０
μｍ以下であるとともに、粒界の一部又は全部にワラス
トナイト結晶相を主として存在させてあることから、窒
化珪素質焼結体の強度及び靭性を大幅に向上させること
ができ、その結果、高強度高靭性が要求されるガスター
ビンエンジン用部品や自動車用部品、あるいはその他の
構造用部品として信頼性の高いものとすることができ
る。
体は、周期律表第３ａ族元素を酸化物換算で３．０〜１
１．４モル％、アルミニウムを酸化物換算で１．０〜
９．５モル％、過剰酸素を二酸化珪素換算で２．０〜
７．６モル％の割合で含み、前記周期律表第３ａ族元素
の酸化物に対する二酸化珪素のモル比が０．９未満で、
かつ残部が実質的に窒化珪素からなり、焼結体中におい
て窒化珪素が主結晶相をなし、その長径の最大値が１０
μｍ以下であるとともに、粒界の一部又は全部にワラス
トナイト結晶相を主として存在させてあることから、窒
化珪素質焼結体の強度及び靭性を大幅に向上させること
ができ、その結果、高強度高靭性が要求されるガスター
ビンエンジン用部品や自動車用部品、あるいはその他の
構造用部品として信頼性の高いものとすることができ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 脇田 純弘 鹿児島県国分市山下町１番１号 京セラ株 式会社鹿児島国分工場内
Claims (1)
- 【請求項１】周期律表第３ａ族元素を酸化物換算で３．
０〜１１．４モル％、アルミニウムを酸化物換算で１．
０〜９．５モル％、過剰酸素を二酸化珪素換算で２．０
〜７．６モル％の割合で含み、前記周期律表第３ａ族元
素の酸化物に対する二酸化珪素のモル比が０．９未満
で、かつ残部が実質的に窒化珪素からなり、焼結体中に
おいて窒化珪素を主結晶相とし、その長径の最大値が１
０μｍ以下であるとともに、粒界の一部又は全部にワラ
ストナイト結晶相が主として存在することを特徴とする
窒化珪素質焼結体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17502897A JP3810183B2 (ja) | 1997-06-30 | 1997-06-30 | 窒化珪素質焼結体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17502897A JP3810183B2 (ja) | 1997-06-30 | 1997-06-30 | 窒化珪素質焼結体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1121175A true JPH1121175A (ja) | 1999-01-26 |
| JP3810183B2 JP3810183B2 (ja) | 2006-08-16 |
Family
ID=15988963
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17502897A Expired - Fee Related JP3810183B2 (ja) | 1997-06-30 | 1997-06-30 | 窒化珪素質焼結体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3810183B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001089244A (ja) * | 1999-09-27 | 2001-04-03 | Kyocera Corp | 窒化珪素質焼結体及びその製造方法 |
| JP2001172085A (ja) * | 1999-12-17 | 2001-06-26 | Kyocera Corp | 窒化珪素質焼結体とその製造方法およびこれを用いた窒化珪素質耐摩耗性部材 |
| JP2002121072A (ja) * | 2000-10-10 | 2002-04-23 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 窒化ケイ素系複合焼結体及びその製造方法 |
| JP2014129223A (ja) * | 2012-11-30 | 2014-07-10 | Kyocera Corp | セラミック焼結体およびこれを備える耐磨耗性部材 |
| JP2016104689A (ja) * | 2014-11-21 | 2016-06-09 | 日本特殊陶業株式会社 | 窒化珪素質焼結体、その製造方法、及びベアリング用転動体 |
-
1997
- 1997-06-30 JP JP17502897A patent/JP3810183B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001089244A (ja) * | 1999-09-27 | 2001-04-03 | Kyocera Corp | 窒化珪素質焼結体及びその製造方法 |
| JP2001172085A (ja) * | 1999-12-17 | 2001-06-26 | Kyocera Corp | 窒化珪素質焼結体とその製造方法およびこれを用いた窒化珪素質耐摩耗性部材 |
| JP2002121072A (ja) * | 2000-10-10 | 2002-04-23 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 窒化ケイ素系複合焼結体及びその製造方法 |
| JP2014129223A (ja) * | 2012-11-30 | 2014-07-10 | Kyocera Corp | セラミック焼結体およびこれを備える耐磨耗性部材 |
| JP2016104689A (ja) * | 2014-11-21 | 2016-06-09 | 日本特殊陶業株式会社 | 窒化珪素質焼結体、その製造方法、及びベアリング用転動体 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3810183B2 (ja) | 2006-08-16 |
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