JPS5864268A - 窒化けい素焼結体およびその製造方法 - Google Patents

窒化けい素焼結体およびその製造方法

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JPS5864268A
JPS5864268A JP56163271A JP16327181A JPS5864268A JP S5864268 A JPS5864268 A JP S5864268A JP 56163271 A JP56163271 A JP 56163271A JP 16327181 A JP16327181 A JP 16327181A JP S5864268 A JPS5864268 A JP S5864268A
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JP
Japan
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powder
silicon nitride
gas
oxidizing atmosphere
producing
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JP56163271A
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English (en)
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西本 達也
栄治 上條
正明 本多
樋口 松夫
塚田 博
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/584Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride

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  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は高温強度が高く、高密度を有する非酸化物す
なわち窒化物セラミックス焼結体およびその製造方法K
liするものである。
鰻近、セラミックス材料特に耐熱性材料としてのセラミ
ックスの開発が盛んに行われており、なかでも高温にお
いて安定な耐熱性物質である共有結合性化合物、特に窒
化けい素(53,N、入訳化けい* (540)が非常
にすぐれた材料であることが知られている。
、一般にセラミックス社、原料セラミックス粉末を成形
焼結して使用されるものであるが、 Si3N2゜Si
Oなどの場合は、一般の酸化物タラミックスと具なり、
難焼結性物質である丸め、皐独組成たとえばSi畠N4
粉末のみを焼結しても緻密な焼結体を得ることは困鍜で
ある。
このため5i1N4粉末の場合などK Id MgO,
kl!o@ 。
40B 、 Ce01 、 BeOなどの酸化物粉末を
焼結助剤として添加して焼結することが行われている。
焼結助剤を加え九粉末を使′用して通常行われているプ
レス成形後、真!L1あるいけ常圧で加熱焼結する方&
は、焼結コストが低く工業的に用いることができる。
またS i 、N、の場合、焼結しても孔はそのまt残
存するのでこの方法で相対密度97寿程度の焼結体を得
ゐことができる。
これに対して、高温下で加圧しながら焼結するホットプ
レス決によれば、よシ緻密な焼結体を得ることができる
さらに焼結助剤の混合割合を減少し、あるいは焼結助剤
を添加せずにM圧ガス雰囲気中で焼結したり、爆発成型
などで粉末に瞬間的に高圧を加λ−て粉砕したのち、焼
結するなどの方法が試みられているが、何れの方法も焼
結コストが高く、また高iis度の低下現象が伐る欠点
があ抄、工業的な方法として成功していない。
ところで従来から弗酸化物セラミックス焼結体の出発原
料である5ilN4粉末の製造法は、シリコンまたはシ
リカ粉末と脚巣粉末との混合物をN□ガス気流中で18
00〜1700℃で加熱し、窒化すイし る方法、あるいはシランガスと窒素の水素施合物を80
0〜1900℃の麺皮範囲で気相反応させて得る方法な
どがある。
この餌れの方法によね製造されたSi、N、粉末もその
まま焼結成形体の製3ILm料として使用することがで
きる。
このようにして製造されるSi3N2の焼結体は、耐熱
衝撃性が^く、かつ靭性のあるセラミックストシて自動
車用エンジン中タービンエンジンへの応用が検討されて
いるし、また種々の治工具類への応用もすでに行われて
いる。
511N4焼結体の別の特徴Fi硬度がAt、0−や別
Cなどに比較して1〜2m+1低いことである。
従って、従来の5tlN4焼結体を耐摩部品として使用
する場合にはどうしてもAtzOB ? SiCK劣る
という欠点があった。
本発明者らは、Si、N、焼結体における上記の欠点を
解消するべく検討の結果、この発明に至ったものである
−ち、この発明は、5ilN4粉末にFe1011 、
 Cab。
Ti01 e MJO−Atto@ 、 Bed、 N
 sO* Cr @O@ e Z r02 、 Y 1
0g 。
Ce01.5401などの酸化物系焼結助剤の少くとも
1株以上を1〜20重量傷とCa * T+ e Zr
 * Nb e Ta ICr* Mo、L Fee 
Co、 Ni # Y  などの金鋼の珪化物粉本の少
くとも1檜以上を5〜40重1%を加えた混合粉末を用
い、非酸化性雰囲気中で焼結すること、あるいFi非酸
化性雰囲気中でバッキング材の−SにC粉末を使用して
焼結すること、にょって耐摩耗性にすぐれた窒化けい未
焼結体が得られることを見出したものである。
一般に5ilN4粉末を用いてSi、N4焼結体を得る
に#iN!ガス中、1700℃以上で焼結することが知
られており、この際S i @ N 4粉木K A7,
0.、 MgO。
FeOなどの酸化物粉末を焼結助剤として添加すること
も知られている。
ところがこのようにして得られるSi、N4焼結体は高
強度、高密度の性質は有する屯のの耐摩耗性に欠けてい
る。
このため、この発明では高強度、高密度の性質を有し、
かつ耐摩耗性にもすぐれた5ilN4焼結体を得るため
にSi、N、粉末に酸化物系焼結助剤とさらにCa、T
i、Ta、Cr、Mo、Wなどの金属の珪化物粉本を加
えることを第1の特徴とするものである。
そしてこのよう々混合粉末を非酸化性雰囲気中、特に浸
炭性雰囲気中で焼結することを第2の特徴とし、さらに
は混合粉末をBNtた1jAjNなどのバッキング材と
混合して非酸化性雰囲気中で焼結する時にバッキング材
の一部としてC粉末を使用することを第8の特徴とする
のである。
上記においてバンキング材の一部にC粉末を使用する場
合の非酸化性雰囲気としてはCOガス、CO十N、の混
bガスのほかN2ガス単独の雰囲気であってもよいが、
それ以外FiCOガスまた1jcOガスを含んだいわゆ
る浸炭性雰囲気とすることか必要である。
この発明において金属珪化物を使用するのけ、これが焼
結時に縦比されて焼結体表面にSiC層を析出させるた
めであり、要するにこの炭化物層が焼結体の耐摩耗性を
向上させるのである。
このような効果を与える金属珪化物の使月蝕としては、
5〜40重iigIIが適当である。
その理由Fi5重量倦以下では焼結体の表向に生成する
SiCの量か少なくて添加の効果があられれず、また4
011j1以上を用いると、Sl、IN4焼結体として
の特徴が失なわれるためである。
金属珪化物としては、原子比の異なる化合物が多数存在
するが、それらのなかでもこの光り]においてはTiS
:、 Zrbt z e Zr5s # Nb5t 2
 m ”I’azS 1 e TaSi 21WSi!
などが特に有効、τある。
またMgO* B eO# N s Uなどの酸化物系
焼結助剤の使用ilkは1〜20亜に%が好ましい。
これ#i1:fLit%以下では焼結時に密度の向−E
−得られないために充分な焼結か不可能であ抄、壕九’
20m墓i以上用いるとSi2N3の粒界層t;力゛ラ
ス層化してしまって耐熱性の点で不十分となるためでる
る。
しかしてこの発ワ1における焼結条件としてr」、16
50〜1850℃、0.5〜5時間が適当である。
次にこの発明を実施例により詳細に説明する。
実施例1゜ 5tarck社%H−1gradeのS i BN4粉
末85亜量%にMg05重置%およびWSilO重′I
t%を添加し、これを10時聞混式ポー!レミlし攪拌
を行った。
得られたスラリーを乾燥後、これに有機性粘結剤として
ステアリンat5重量%を加えaofjxstの試験片
(2t/c#?で型押しして作成した。これを公知のバ
ッキング材に入れ、COガスを50%混入し九N、ガス
中、1760℃に1時間保持して焼結を行った。
得られた焼結体は緑色を帯びており、その断面をみると
、緑色゛部は表向より0.6瓢の深さであり喪。
このことから1760℃の焼結温度でけ殆んど収量Fi
完了し、ik向層のみにSiCか生成したものと考えら
れる。
なお得られた焼結体のピンカース硬度(Hv)#118
00〜200Gでるり、すぐれた耐摩耗性を示した。
実施例2 伝知Oバッキング材にそのh重源弾のC粉末を均一に混
合して新たなバッキング材を作り、このなかに実施例1
と一様の方法で作成した型押体を入れ、N!ガス雰囲気
中1750℃に0.5時間保持して焼結を行った。
得られ友焼結体は緑色を帯びてふり、断面からみると緑
色郁は表面より1mの深さであった。
まり*曲部のピンカース硬度(Hv)tj:1900〜
2100であった。
実施例畠 実施例1と同じStmrck社製、II−1grade
のSi、N4粉末66重量優K MgO6重量%e T
iSi 80重重量上加えた混合粉末をボールミルにて
攪拌し九。
次いでこれを実施例1と崗じようKして80#x6tt
)K験片の作成′および焼結を行った。
得られた焼結体のビッカース硬度(Hv)Fi、wis
e〜zzooでありて、耐摩耗性は良好であった。
実施例4 Starck社製、H−1grAdeのSi、N4粉末
11CMtr06重量郷とTi1Si 40重量%を加
えた材料を用い、実施例1と同様の処理をして焼結体を
得た。この焼結体のビッカース硬度(Hv)は1900
〜2000の値を示した。
実施例6 Starck社製、■−1gradeのSi@N4粉末
にAtl0@ 6重量%とTm!’SS 4G重量痔を
加えた材料を用い、実施例1と同様のI&運をして焼結
体を得た。この焼結体のビッカース硬度(Hv)は18
00〜1900の値を示した。
実施例6 実施例1と同じ5tarck社製、H−1gradeの
Si@N、粉末666重量% Zr015重量%、7t
SiIO重量優を加ええ混合粉末をボールミルにて攪拌
した。
次いでこれを実施例lと崗じようKして80flXSt
の試験片の作成および焼結を行った。
得られ丸焼給体のピッオース硬度(Hv)#12ooo
〜211)であって、耐摩耗性は良好であった。
なお上記実施例は何れも常圧焼結について記載、したが
、ホットプレス焼結によりても一様の効果を得ることは
勿−である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1)(a)  Fe20B、CaへTi 02* M
    g0t A420g、 Bed、 Ni O+Cr、0
    .、 、 ’1r02. Y!011 、 CeO2,
    8i02などの酸化物粉末の少くとも1種以上を1〜2
    0重量−(b)  Ca + T t e Zr e 
    Nbe Ta + Cr、 MO,w、 Fe 、Co
    + Ns + Yなどの金属の珪化物粉末の少くとも1
    種以上を5〜40重量− (e)  残部が窒化けい素粉末 の混合粉末を用いて焼結したことを特徴とする窒素化け
    い素焼粘体。 (2)(a)  Fe2O8,CaO;Ti02e M
    gO* A/、08t BeO,NiO。 Cr2os−ZrQ!、 Y2OBeCeO2,5i0
    2などの酸化物粉末の少くとも1種以上kl〜20重量
    −(b)  Ca、TjsZr+Nb+Ta*Cr*M
    o5W+Fe、CowNi、Yなどの金属の珪化物粉末
    の少くとも1種以上を5〜40重蓋チ ことt−特徴とする窪化轄い素焼粘体の製造方法(違 
    非酸化性雰囲気としてCOガスを用いることを特徴とす
    る特許請求の範囲第2項記載の窒化けい素焼粘体の製造
    方法 (荀 非酸化性雰囲気としてCOガスとN8ガスの拠金
    ガスを用いる仁とt−特徴とする特許請求の範囲第2項
    記載の窒化けい素焼粘体の製造す法 (9(a)  F 4!70Jm Ca O* T t
     02 * Mg0g A li 03 * B @ 
    0+NjO,CIF!O,、ZrO,e Y2O3,C
    eO,e 5ideなどの酸化物、粉末の少くとも!種
    以上t−i〜2011ii量嘔 (bJ  Cat Tie Zre Nbe Tae 
    Cr、 Mo、 Fe、 Cow。 N1.Yなどの金属の珪化物粉末の少くと411種以上
    ′t5〜40重量− (e)  残部が窒化けい素粉末 の混合粉末を用い、 非酸化性雰囲気中でパフキング材の一部に、C粉末を使
    用して焼結することを特徴とする窒化けい素焼給体の製
    造方法 (6)  非酸化性雰囲気としてCOガスを用いること
    を特徴とする特許請求の範[1m5項記載の窒化けい素
    焼給体の製造方法 (7)  #酸化性雰囲気としてN2ガスを用いること
    を特徴とする特許11r求の範囲115項記載の窒化妙
    い素焼給体の製造方法 (8)  非酸化性雰囲気としてCOガスとNRガスの
    混合ガスを用いることを特徴とする特llFF騎求の範
    囲第5項記載の窒化けい素焼給体の製造方法
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