JPS5864269A - 窒化けい素焼結体およびその製造方法 - Google Patents

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１１Ｍ造方
決方法するものである。

最近、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−（Ｓｉ、Ｎ、）、訳化けい素（ＳｉＣ）が非
常圧すぐれた゛材料であることが知られている。

一般にセラミックスは、原料セラミックス粉末を一形焼
結して使用されるものであるが、５ｉａＮ、。

ＳｔＣ１にどの場合は、一般の酸化物セラミックスと興
なり、難焼結性物質であるため、単独組成たとえば５ｉ
１Ｎ４粉末のみを焼結しても緻密な焼結体を得ることは
困難である。

このためＳｉ、Ｎ４粉末の場合などにＦｉＭｇＯ，Ａｔ
ｇＯ＠　。

ＹＩＯ畠ａ　Ｃｅｏｇ　、　ＢｅＯなどの酸化物粉末を
焼結助剤として添加して焼結す、る仁とが行われている
。

焼結助剤を加えた粉末を使用して７１１！行われている
プレス成形後、真空あるいは常圧て加熱焼結する方法は
、焼結コストが低く工業的に用いることかで−る。

またＳｉ３Ｈ４の場合、焼結しても孔ｔＬｌ七のまま残
存するのでこの方法て相対密度９７％程度の焼結体を得
ることができる。

これに対して、高諷下で加圧しながら焼結するホットプ
レス法によれ杜、より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１加せずに高圧ガス雰囲気中で焼結したり、魅発成型
などて粉末Ｋ　ＩＩ　ｔｉ１＃１に高圧を加えて粉砕し
九のち、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。

高温強度の低下現象か茂る欠点があり、工業的な方法と
して武功していない。

ところで従来から非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ｉ１！Ｅ法は、シリコンま
たけシリカ粉末と炭素粉末との混合物をＮ２ガス気流中
で１８００〜１７００℃で加熱し、窒化する方法、ある
いはシランガスと窒素の水素化合ＩＩｋＪを８００〜１
９００℃の温度範囲で気相反応させて得る方法などがあ
る。

この何れの方法により製造された５ｉｌＮ４粉木もその
まま焼結成形体の製造原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５ｉ６Ｎ４焼結体け、耐熱衝
撃性が高く、かつ靭性のあるセラミックスとして自動車
用エンジンや□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。

Ｓ輸Ｎ４焼結体の別な特徴は硬度がｋｌｘｏｓ？ＳＩＣ
などに比較して１〜２割低いことである。

従って、従来の５ｉＢＮ４焼結体を耐摩部品として使用
する場合ＫＦｉどうしてもＡｌ、０．やＳｉＣに劣ると
いう欠点があった。

本発明者らは、Ｓｉ＠Ｎ４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
。

坤ちこの発９４＃ｉ、Ｓｉ、Ｎ４粉木ＶＣＡｔ、Ｏｓ　
トｙ、ｏ。

粉末の焼結助剤を１〜２０　ｍ［１１１ＪＬトＣａｔ　
Ｔｉ、　Ｚｒ。

Ｎｂ、　Ｔｉｅ　Ｃｒｓ　Ｍｏ、　Ｗ、　Ｆｅｅ　Ｃｏ
、　Ｎｔ、　Ｙなどの金臓の佳化物粉本の少くとも１種
以上を６〜４０３１（蓋％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、あるいは非酸化性雰
囲気中でバッキング材の一部ＫＣ粉末を使用して焼結す
ること、Ｋよって耐摩耗性にすぐれ九窒化けい素焼給体
が得られ°°ることを見出したものである。

−緻ＫＳｉｌＮ４粉末を用いてＳ輸Ｎ４焼結体を得るに
ＶＡＮ、ガス中、１７０ＯＣ以上で焼結することが知ら
れており、このｌｌＳｉ、Ｎ４粉末Ｋ　Ａｔ１Ｏ＠、　
ＭｇＯ。

ＦｅＯなどの酸化物を＃Ｉ結助剤と添加することも知ら
れている。

ところがこのようＫ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ものの劃−純性に欠けてい
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５ｉｓＮａ焼結体を得るため
に、５ｉｌＮ４粉末にＡｚ、ｏ、およびＹ黛０．０鎗結
助剤と、さらにＣａ　ｅ　Ｔ　ｉ　＊　Ｔａ　ｍ　Ｃｒ
　ｅ　Ｍｏ　ｅ　Ｗなどの金属の珪化物を加えることを
第１の特徴とするものである。

そしてこのような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ｉＢＮまたＦｉＡｊＮ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ｃｍ末を使用することを第８の特徴とする
のである。

−Ｅ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１ｉＣＯガス、ＣＯ＋ＮＲ
の混合ガスのほかＮ８ガス単独の＃８’Ａであってもよ
いが、それ以外ｔｆｉＣＯガスまた＃ｉｃ。

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１よ、これが
焼結時に炭化されて焼結体表向ＫＳｉＣＪ１１を析出さ
せるためであり、要するにこの灰化物層か焼結体の耐摩
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用量としては、
５〜４０重量％が適当である。

その理白け５重量％以下では焼結体の表向に生成するＳ
ｉＣの蓋が少なくて添加の効果があられれず、また４０
重ｔ％以上に用いると、Ｓｉ３Ｎ４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発明においてｔｒ’ｉ　
ＴｉＳｉ、　Ｚｒ５ｉ６．　Ｚｒ５（＊　ＮｂＳｉ２．
　Ｔａ２Ｓｉ　＃　ＴａＳｉ２゜ＷＳｉ２などが特に有
効である。

またＡｔ、Ｏ，とＹ、Ｏ，の焼結助剤の使用量は両者併
せて１〜２０重量齋が好ましい。

これ＃−１１重量％以下では焼結時に密度の向上が得ら
れないために充分な焼結が、不＃ｉｆ能であり、また２
０重量郵以上用いるとＳｉ、Ｎ４の粒界層がガラス層化
してしまって耐熱性の点で不十分となるためである。

そしてこのＡｔ、０．とＹ、Ｏ，の使用比率＃１Ａｔ２
０８：Ｙ！Ｏｓ＝　８　：　ｌ乃至１：８が適当であっ
て、それ以外では得られる焼結体の耐熱性が低下して好
ましくない。

しかしてこの発明における焼結条件は、１６６０〜１８
５０℃、０．５〜５時向が過当である。

かくして得られるこの発明の焼結体は、　５ｉｌＮ４粉
木にＡｔ、０．、　ｙ、ｏ、を焼結助剤として使用した
ものが他の酸化物系焼結助剤を使用したものに比べてそ
の焼結体の硬度あるい＃″ｉ酎膠耐性がかなり劣るとい
う欠陥があったのに対し、金属珪化物を掛川して、しか
も井故°化性雰囲ＩＡ、あるいはさらにバ謝となったの
である。

次にこの発明を実施例により詳細に脱明する。

実施例ｌ ５ｔａｒｃｋ社製、Ｈ−１ｇｒａｄｅ　（１）　５ｉｌ
Ｎ４粉木７５］１１Ｌｋｇ６にＡｔ！０．１０血墓ル、
Ｙ！０，１０血墓ルおよびＴｉＳｉ　５重１＊を添加し
、これをＡｔ、Ｏ，製ポールを用いて１０時聞鉦式ボー
ルミル攪拌を行った。

得られたスラリーをＶＬ燥後、これに有−粘結剤として
ステアリン酸５重量第を加え、１０Ｘ７Ｘ４０■の試験
片ｔｔ２　ｔ／ｃｍ”で型押しし−Ｃ作成した。これを
公知のバンキング材に入れ′ｃｃｏガスとＮ２ガスの１
＝１の混合ガス中で１７５０℃に１時間保持して焼結を
行った。

優られた焼結体は緑色を帯びており、その＃ｒ曲をみる
と、縁、色部は未聞より０．５！の深さであった。

このことから表面層ＫＦｉＳｉＣおよびＴｉＣ層が生成
したものと考えられる。

なお得られた焼結体のビッカース硬度（Ｈｖ）Ｉｒｉ１
９３０を示し、耐摩耗性にすぐれてい、た。

実施例２〜７ 第１＊に示す社のＡＡ、ρ、、Ｙ２Ｏ３および金属珪化
物を添加したＳｉ＠Ｎ４粉木（残む１．）を’ｊ　ｌｊ
ｊ、例１と同権にしてｋｍ片作成し、ＣＯガスとＮ２ガ
スのｌ：ｌ混合ガス中第１表の焼結条件で焼結を行った
。

得られた焼結体の抗折力（Ｋ９／　−）および硬度（Ｈ
ｖ）’に−べたととろｖ６１表の結果をイ４Ｉだ。

なお比較例としてＨＳｉ、Ｎ、粉本にＡｔ２０８］　１
）重量産とＹ、０．１０１１１１［ｔを加え九混合粉末
を世いて同様に焼結したものを示した。

第１表 上表からＳｉ、Ｎ４粉末にＡｔ、０．とＹ、Ｏａの焼結
助剤のみを加えた比較例の焼結体は１５００という３に
化物を加えると硬度は大きく増大し、耐拳耗性にすぐれ
た焼結体となることが夫証きれた。

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っても同様の効果を得ることは勿
論でわる。

特許出願人　　　住友電気工業株式会社同　代理人　　
　弁理士　和　［ロ　　昭手続補正書（自発） 昭和５６年１２月７日 特許庁長官　島１）春樹　殿 １、事件の表示 昭和５６年特　　許　願第１６３２７２号事件との関係
　　　特許出願人 ４、代理人 住　所　　大阪市大淀区中／１ｔ１丁目１８番１８りン
゛、杉ビル６　補正により増加する発明の数 ７、補正の対象 補正の内容 １　　＠Ａ細書の発明の名称を１１ヒけい素焼結体およ
びその製造方法」と訂正します０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （ｘ）（ａ）　、　Ａｊ、　０．１！：ｙ、　ｏ、の要
   求ｔ−１〜２０重量−（ｂ）　　Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎ
   ｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ＊Ｆｅ、Ｃｏ。 Ｎ１．Ｙなどの金属の珪化物粉末の少くと４１種以上を
   ５〜４０重量− （ｅ）　　残部が窒化けい誦粉末 の混合粉末を用いて焼結したととを％徴とする窒化けい
   未焼結体 （２）ｋ）　　Ａ’西とＹ；〇−粉末を１〜２０重量−
   （ｂ）　　Ｃａ＊Ｔｉ、Ｚｒ５Ｎｂ＊ＴａｅＣｒｅＭｏ
   ｓＷｅＦｅｅＣｏ。 Ｎｌ、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非酸化性雰囲気中で焼結することを
   特徴とする窒化けい未焼結体の製造方法（３）非酸化性
   雰囲気としてＣＯガス會用いることを特徴とする特許請
   求の範囲ｖｋｚ項記載の窒化けい未焼結体の製造方法。 （４）　　非酸化性雰囲気としてＣＯガスとＮ２ガスの
   混合ガスを用いることを特徴とする特許請求の範囲第２
   項記載の窒化けい未焼結体の製造方法。 （四（ａ）　　　ｋｌ　　ＯとＹ　Ｏの粉末ｔｌ〜２０
   ％２　　＄　　　！　　富 （ｂ）　　Ｃａ、　Ｔ　ｉ　＠　Ｚｒ、　Ｎｂ　＠　Ｔ
   ａ、　Ｃｒ　＠　Ｍｏ　＊　Ｗｅ　Ｆｅ　＠　Ｃｏ　ｇ
   Ｎｉ、Ｙなどの金属の珪化物粉末の少くとも１種以上會
   ５〜４０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バッキング材の
   一部ＫＣ粉末を使用して焼結することを特徴とする窒化
   けい未焼結体の製造方法。 （６）非酸化性雰囲気としてＣＯガスを用いることｔ−
   特徴とする特許請求の範囲第５項記載の窒化けい未焼結
   体の製造方法。 （η　非酸化性雰囲気としてＮ２　ガスを用いることを
   特徴とする特許請求の範囲第５項記載の窒化けい未焼結
   体の製造方法 （８）非酸化性雰囲気としてＣＯガスとＮ９ｊｊスの混
   合ガスを用いることを特徴とする特許ｔ＃才の範囲第５
   積重戦の窒化けい素焼給体の製造方法。