JPS59131579A - 窒化珪素質焼結体 - 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、窒化珪素質焼結体に関するものである。

窒化珪素（ｓ１３Ｎ４）を主成分とする焼結体は、耐熱
性、耐熱衝撃性、耐食性、耐磨耗性等にすぐれた特性を
有しており、軸受、メカニカルシール、高温用ベアリン
グ、ノズル、ガスタービン部品等に好適な材料として注
目されてる。

しかし、窒化珪素は、これ単独では焼結が困難であるた
め、通常、ＭｇＯ、Ａ４２０３　、Ｙ２Ｏ３等の焼結助
剤を添加して焼結を行なう方法が用いられている。これ
らの焼結は、焼結時に生ずる液相を媒介としだ液相焼結
によると考えられており、焼結後に液相はガラス相とし
て焼結体中に残留する。したがって、焼結体の機械的性
質は、これらの焼結助剤によって生ずる第２相の影響を
大きく受ける。特に−気圧の窒素雰囲気中で焼結を行な
う常圧焼結法によれば、ホットプレス法に比べて多量の
焼結助剤の添加を必要とするので、出発原料の選定は焼
結体の特性に大きな影響を及ぼす。

常圧焼結法に用いられる焼結助剤については、従来から
各種の成分が検討されてきた。たとえば、窯業協会誌第
８４巻第１Ｏ号（５０８頁〜５１２頁）には、スピネル
（ＭｇＡＡ２０４）を１０％添加して焼結することによ
り、曲げ強度７２ｋｇｆ／ｍｍ２の焼結体が得られたと
記載されている。また、Ｃｅｒａｍｉｃ　Ｂｕｌｌｉ’
ｔｉｎ第５９巻第１２号（１２１２頁〜１２１５頁）に
は、８％Ｙ２０３と１％ＭｇＯを添加して焼結すること
により、曲げ強度５８５Ｍ　Ｐａ　（５９、７ｋｇｆ　
７ｍｍ２）の焼結体が得られたと記載され、Ｃｅｒａｍ
ｉｃ　Ｂｕ’１ｌｅｔｉｎ第５９巻第５号（５２９頁〜
５３２頁、５２７頁）には、Ｙ２Ｏ３とＡＪ−２０３を
添加して焼結することにより、曲げ強度的７００ＭＮ／
ｍ２（約７１ｋｇｆ　７ｍｍ２）の焼結体が得られたと
記載されている。

本発明者らは、このような従来技術を踏まえてざらに高
い強度を有する窒化珪素質焼結体を開発する目的で、常
圧焼結に用いる添加助剤を種々検言弓したところ、Ｙ２
Ｏ３とＭｇＡＪ！４０４　（スピネル）とを焼結助剤と
して添加することにより、曲げ強度が飛躍的に向上した
焼結体が得られることを見いだした。

すなわち、この発明による窒化珪素質焼結体は、窒化珪
素（Ｓ　ｉ３　Ｎ４）、酸化イツトリウム（Ｙ２０３　
）およびスピネル（ＭｇＡＡ２０４）からなる混合粉末
を成形・焼結してなることを特徴とし、これにより、十
分緻密でかつ高い強度を有する窒化珪素質焼結体を得る
ものである。

これらの添加成分は、焼結過程で次のように働くと考え
られる。すなわち、これらの添加成分は窒化珪素の一部
とその粉末表面を覆う酸化物と反応して焼結時に液相を
形成する。そして、この液相を媒介とした焼結が進行し
、亭密化が促進される。さらに、スピネルは置換型固溶
体として窒化珪素粒内に吸収されるので、焼結の進行に
伴ない粒界相が減少する。そのために、粒界が強化され
、緻密かつ高強度を有する窒化珪素質焼結体が得られる
と考えられる。

この場合、スピネルを形成する金属酸化物、たとえばマ
グネシアとアルミナの等モルの混合物としてではなく、
スピネル粉末として添加する理由については、前者の混
合物による方法では、スピネルを形成する金属酸化物粉
末間に窒化珪素粉末および酸化イツトリウム粉末が介在
して、焼結過程におけるスピネルの生成を妨げるため、
焼結が必ずしも有効に進行しないと考えられるからであ
る。

また、十分高い強度の焼結体を得るためには、アルファ
型を主とする窒化珪素の微粉末を使用し、酪化イツトリ
ウムおよびスピネルについても十分微細でかつ高純度の
粉末を出発原料として用いることが好ましい。

出発原料粉末中の窒化珪素粉末量は７０重量％以上９４
重量％以下が好ましい。この理由は、９４重量％超過で
は焼結助剤の量が６重量％未満と少なくなりすぎ、焼結
による緻密化が不十分となるおそれがあり、７０重量％
未満すなわち焼結助剤が３０重量％超過では窒化珪素の
木来有する特性を十分に発揮することができなくなるお
それがあるからである。なお、さらに好ましい窒化珪素
粉末量は８５重量％以上９２重量％以下である。

出発原料中のスピネル含有量は好ましくは２重量％以上
、さらに好ましくは３重量％以」二である。この理由は
、窒化珪素粉末と酸化イッＩ・リウム粉末のみでは焼結
が困難であるので、焼結促進を図るために添加する必要
があるからである。

酸化イツトリウムについても好ましくは２重量％以上、
さらに好ましくは３重量％以」二である。

この理由は、酸化イ・ントリウムの添加により焼結体強
度の向上が認められるからである。この場合、焼結体の
強度がいかなる理由によって向上するかについては明確
には理解され難いが、焼結体中の酸化イツトリウムはメ
リライト相となり、粒界の結晶相として存在し、この粒
界が結晶性であることにより強度が向上する効果、ある
いは酸化インドリウムを添加することにより柱状の窒化
珪素結晶の発達が促されることによる、一種の繊維強化
機構が付与されて強度の向上が実現される効果等が考え
られる。

これらの混合粉末の成形方法については特に限定しない
が、例えば、金型プレス成形、ラバープレス、押出成形
、泥漿鋳込成形、射出成形、圧縮成形等の通常のセラミ
ックスの成形方法を、目的とする品物の形状等に合わせ
て選択することができる。

次に、焼結については、窒素ガス雰囲気中にて１６５０
℃〜１８００°Ｃにて焼結を行なうことがより好ましい
が、ホットプレス法、ＨＩ　’Ｐ法・ガス圧焼結法等切
焼結法を採用しても差しつかえない。

以下、実施例により説明する。

実施例１ 窒化珪素粉末８８重量％、酸化イツトリウム粉末８重量
％、スピネル粉末４重量％からなる混合粉末を調整し、
成形後、窒素ガス雰囲気中で１７００°Ｃに昇温し、１
時間保つことにより焼結を行なった。得られた焼結体の
表面を研削し、曲げ強度を測定したところ、８９　ｋｇ
ｆ　／　ｍｍ２であった。この焼結体の組織をＥ　Ｐ　
Ｍ　Ａ　（Ｅｌｅｃｔｒｏ　ｎＰｒｏｂｅ　Ｍｉｃｒｏ
−Ａｎａｌｙｓｉｓ）により分析したところ、粒界にイ
ツトリウムの偏析は見られたか、アルミニウムおよびマ
グネシウムについては偏析は認められなかった。

実施例２ 窒化珪素粉末９０重量％、酸化イツトリウム粉末４重量
％、スピネル粉末６重量％からなる混合粉末を実施例１
と同様の条件で成形・焼結し、曲げ強度を測定したとこ
ろ、９５　ｋｇｆ　／　ｍｍ２であった。

実施例３ 窒化珪素粉末８８重量％、酸化イツトリウム粉末５重量
％、スピネル粉末７重量％からなる混合粉末を実施例１
と同様の条件で成形争焼結し、曲げ強度を測定したとこ
ろ、８５　ｋｇｆ　／　ｍｍ２であった。

実施例４ 窒化珪素粉末９２重量％、酸化イツトリウム粉末４重量
％、スピネル粉末４重量％からなる混合粉末を実施例１
と同様の条件で成形・焼結し、曲げ強度を′Ａｌ１１定
したところ、８１　ｋｇｆ　／ｒｎｍ２テあった。

比較例１ 窒化珪素粉末９０重量％、酸化イツ）・リウム粉末４重
量％、アルミナ粉末４．３重量％、マグネシア粉末１．
７重量％からなる混合粉末を実施例■と同様の条件で成
形・焼結し、曲げ強度を測定したところ、６４ｋｇｆ　
／ｍｍ’であった。

比較例２ 窒化珪素粉末９０重量％、酸化イツトリウム粉末９重量
％、スピネル粉末１重量％からなる混合粉末を実施例１
と同様の条件で成形・焼結したところ、気孔率１９％の
多孔質であった。

以」二の実施例１〜４および比較例１〜２の結果を次表
に示す。

（ 上記表に示す結果から明らかなように、窒化珪素に醇化
イツトリウムおよびスピネルを適量添加して焼結した窒
化珪素質焼結体は高い曲げ強度を損することが認められ
る。これに対して、スピネルを形成する金属酸化物であ
るアルミナとマグネシアを添加して焼結した比較例１の
場合には、曲げ強度が従来と同程度であり、各実施例１
〜４よりもかなり下回っていた。また、スピネルの添加
量が少ない比較例２の場合には、焼結の促進を図ること
ができず、多孔質のものしか得られなかった。

以上説明してきたように、この発明による窒化珪素質焼
結体は、窒化珪素が７０〜９４重量％、醇化イツトリウ
ム２重量％以上およびスピネル２重量％以上でかつ酸化
イツトリウムとスピネルとの合計か６〜３０重量％であ
る混合粉末を成形・焼結してなるものであるから、曲げ
強度が従来よりも飛躍的に向上しており、窒化珪素質焼
結体が本来的に具備する優れた耐熱性および耐食性に加
えて、強度および耐熱衝磐性等の機械的特性をもより優
れたものとすることができるなどの著大なる効果を有す
る。

特許出願人　　日産自動車株式会社 代理人弁理士　小　　塩　　　豊

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化珪素が７０〜９４重量％、酸化イツトリウム
   ２重量％以上およびスピネル２重量％以上でかつ酸化イ
   ツトリウムとスピ≠ネルとの合計が６〜３０重量％であ
   る混合粉末を成形・焼結してなることを特徴とする窒化
   珪素質焼結体。