JPS60155574A - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、窒化珪素（Ｓ　１３Ｎ４）を主成分とする
窒化珪素質焼結体に関し、耐熱性、耐熱衝撃性、耐食性
、耐摩耗性等にすぐれた特性を有していて、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
ン部品等の素材とじて好適に使用される窒化珪素質焼結
体に関するものである。

（従来技術） 窒化珪素はこれ単独では焼結が困難であるため、通常の
場合、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム
（Ａ文２０３）、酸化イツトリウム（Ｙ２０３　）　、
酸化セリウム（Ｃｅ０２）等の各種焼結助剤を添加して
焼結を行っている。

これらの各種焼結助剤の中でもＣｅＯ２は窒化珪素の縁
布化に有効であり、常圧焼結であっても容易に緻密化す
る。そこで、本発明者らはＣｅＣ）２を焼結助剤とした
常圧焼結窒化珪素の高強度焼結体を得るために鋭意研究
を進めたところ、ＣｅＯ２のみの添加では常圧焼結窒化
珪素質焼結体の強度を十分に高めることは難しいことを
見出した。

ところで、十分に強度の大きい窒化珪素質焼結体の組織
は、柱状のβ型窒化珪素からなる緻密な組織であるとさ
れているが、ＣｅＯ２を単独で焼結助剤として用いたと
きには、前記柱状のβ型窒化珪素の発達が不十分であり
、そのために強度を高めることが難しいと考えられた。

一方、窒化珪素粉末の焼結助剤として酸化イツトリウム
および酸化セリウムを用い、両金属酸化物の割合を酸化
イ・ントリウム３０ないし７０モル％、残部酸化セリウ
ムとしてこの混合粉末を成形・焼結した窒化珪素質焼結
体の発明もある（特公昭５６−２７４７１号）が、この
場合、焼結温度を窒化珪素の分解温度（１８７８°Ｃ）
に近い１８３０〜１８５０℃の高い温度にしなければ高
強度を得にくいという問題点があった。

（発明の目的） そこで、本発明者らは、常圧焼結窒化珪素の高強度焼結
体を得ることを目的として、５ｉ３Ｎ４−Ｃｅ０２系の
焼結について各種第三添加物の影響を詳細に検討したと
ころ、少量のＹ２Ｏ３またはＣａＯの添加により、焼結
過程における柱状のβ型窒化珪素の発達が促進され、１
８００°Ｃ以下の比較的低い焼結温度であっても高強度
の焼結体が得られることを新規に見出してこの発明を完
成するに至った。

（発明の構成） すなわち、この発明による高強度窒化珪素質焼結体は、
窒化珪素７０〜９０重量％、残部が酸化物セリウムを一
例とするセリウム酸化物と、醇化カルシウムを一例とす
るカルシウム酸化物および酸化イツトリウムを一例とす
るイツトリウム酸化物のうちから選択した少なくとも１
種の酸化物とからなり、カルシウム酸化物２を選択した
場合にカルシウム酸化物がセリウム酸化物の１〜ｌＯ重
量％であり、イツトリウム酸化物をν択した場合にイツ
トリウム酸化物がセリウム酸化物の５〜２５重量％であ
り、あるいは両酸化物を適量混合させた混合粉末を成形
・焼結してなることを特徴としている。

この発明による窒化珪素質焼結体は、上記のように、窒
化珪素と、セリウム酸化物と、カルシウム酸化物、イツ
トリウム酸化物またはカルシウム酸化物とイツトリウム
酸化物との混合粉末を成形・焼結してなるものであるが
、これら原料のうち、窒化珪素としてはα型を主体とす
る窒化珪素が好ましい。このα型の窒化珪素は焼結過程
においてβ型窒化珪素に転移し、同時に柱状の窒化珪素
となる。したがって、α型窒化珪素を主体とした窒化珪
素粉末を用いて焼結させると柱状の窒化珪素を成長させ
ることとなり、高強度の焼結体が得られるものと４′１
１：察される。このとき、窒化珪素粉末中に含まれるα
型窒化珪素の含有量は多い方がより好ましいが、例えば
７０％以上、さらに好ましくは８０％以上含まれるのが
よい。

また、窒化珪素の含有量について、その下限を７０重量
％、上限を９０重量％とじた理由は、７０重量％未満の
含有量では焼結体中に含有される窒化珪素の量が少ない
ため、窒化珪素の木来有する特性を十分に発揮すること
ができないためであり、９０重量％を超えると焼結助剤
の量が少なすぎるので焼結による緻密化が実質的に困難
となるためである。

さらに、窒化珪素粉末の粒度については、焼結、（」ぐ
ｎ）詔喬鎮ヒル　ルＩ臣ソｔ　１　イ栖ゑＪ？　１４：
　ｒｒｓ　蹄鍔Ｖ優−宜広　１　Ｊ−−−（には、平均
粒径が１ミクロン以下の粉末を用いることがより好まし
い。

さらにまた、セリウム酸化物と、カルシウム酸化物また
はイツトリウム酸化物とからなる酸化物系焼結助剤につ
いても、窒化珪素粉末と均一に混合させるためには微細
な粉末であることがより好ましい。

これらのうち、セリウム酸化物については、２酷化セリ
ウム（Ｃｅ０２）、３酸化セリウム（Ｃｅ０３）のいず
れでも差支えなく、また、加熱により酸化物へ転換し得
る炭酸塩、修酸塩、水酸化物、酢酸塩、硝酸塩等の形態
で用いても差支えない。

また、カルシウム酸化物についても、酸化カルシウム（
Ｃａｂ）はもちろん、加熱により酸化物へ転換し得る炭
酸塩、修酸塩、水酸化物、酢酸塩、硝酸塩等の形態で用
いても差支えない。

さらに、イツトリウム酸化物についても、酸化イツトリ
ウム（Ｙ２Ｏ３）はもちろん、加熱により酸化物へ転換
し得る炭酸塩、修酸塩、水酸化物、酢酸塩、硝酸塩等の
形態で用いても差支えない。

そして、セリウム酸化物と、カルシウム酸化物またはイ
ツトリウム酸化物の配合比については、カルシウム酸化
物がセリウム酸化物の１〜１０重量％、またはイツトリ
ウム酸化物がセリウム酸化物の５〜２５重量％とするの
がよい。ここで、カルシウム酸化物がセリウム酸化物の
１−１０重量％とじた理由は、カルシウム酸化物が１重
量％未満であると、焼結体の組織において柱状のβ型窒
化珪素粒子の発達が十分に促進されなくなるためであり
、１０重量％を超えるとセリウム酸化物の有する窒化珪
素の焼結促進効果を阻害し、十分に縁布化を達成するこ
とが難しくなるためである。

他方、イツトリウム醇化物がセリウム酸化物の５〜２５
重量％とじた理由は、イツトリウム酸化物が５重量％未
満であると、焼結体の組織において柱状のβ型窒化珪素
粒子の発達が十分に促進されなくなるためであり、２５
重量％を超えるとセリウム酸化物の有する窒化珪素の焼
結促進効果を阻害し、十分に緻密化を達成することが炸
しくなるためである。

これらの窒化珪素混合粉末の成形手段については、特に
限定はされないが、例えば金型プレス成形、ラバープレ
ス成形、押出成形、泥漿Ｐｉ込成形、射出成形、圧縮成
形等々の種々の成形手段の中から適宜製造しようとする
品物の形状等に合せて選択することができる。

また、成形後の焼結については、非酸化性雰囲気中、よ
り好ましくは窒素ガス雰囲気中において１６５０〜１８
００℃の温度で適宜時間焼結を行うのがよい。

（実施例１） α型を９３％含む窒化珪素粉末８０重量％、２酩化セリ
ウム１９　、２ｍ景％、酸化カルシウム０．８重量％か
らなる混合粉末を調整し、５００ｋｇｆ　７０ｍ２の圧
力で金型成形したのち、続いてラバープレスにより２　
ｔｏｎ　ｆ／Ｃｍ２の圧力を加えて、６Ｘ１２Ｘ５０ｍ
ｍの板状に成形した。次に、この成形体を窒素ガス雰囲
気中において１７５０°ＣにＡ温して１時間保つことに
より焼結を行った。次いで、得られた焼結体の表面を研
削加工し、スパン２０ｍｍの３点曲げ試験を行ったとこ
ろ、曲げ強度は６．５　ｋｇｆ／ｍｍ２であった、また
、密度は３．４４ｇ／ｃｍ３であった。

（実施例２） α型を９３％含む窒化珪素粉末７５重量％、２酸化セリ
ウム２４重量％、酸化カルシウム１．０重量％からなる
混合粉末を実施例１と同様にして成形１焼結を行い、次
いで、得られた焼結体の３点曲げ試験を行ったところ、
曲げ強度は６１ｋｇｆ／ｍｍ２であった。また、密度は
３　、５４　ｇ／ｃｍ”であった。

（実施例３） α型を９３％含む窒化珪素粉末８２．５重量％、２酸化
セリウム１６．８重量％、酸化カルシウム０．７重量％
からなる混合粉末を実施例１と同様にして成形・焼結を
行い、次いで、得られた焼結体の３点曲げ試験を行った
ところ、曲げ強度ｇ／ｃｍ３であった。

（実施例４） α型を９３％含む窒化珪素粉末８０重量％、２８ｅ化セ
リウム１９ｉｉ％、酸化カルシウム１．０重量％からな
る４昆合粉末を実施例１と同様にして成形・焼結を行い
、次いで、得られた焼結体の３点曲げ試験を行ったとこ
ろ、曲げ強度は５８ｋｇｆ／ｍｍ２であった。また、密
度は３　、４３　ｇ／ｃｍ３であった。

（比較例） α型を９３％含む窒化珪素粉末８０重量％、２酸化セリ
ウム２０重量％からなる混合粉末を実施例１と同様にし
て成形・焼結を行い、次いで、得られた焼結体の３点曲
げ試験を行ったところ、曲げ強度は３９　ｋｇｆ／ｍｍ
２であった。また、密度は３　、４８　ｇ／ｃｍ”であ
った。

（評価例１） 上記実施例１〜４および比較例の結果をまとめると、第
１表のようになる。

第１表に示すように、この発明による窒化珪素質焼結体
は、酸化カルシウムを適量台まない比較の窒化珪素質焼
結体よりも高強度であることが明らかである。

（実施例５） α型を９３％含む窒化珪素粉末８０重量％、２酸化セリ
ウム１８重量％、酸化イツトリウム２重量％からなる混
合粉末を調整し、５００ｋｇｆ／Ｃｌ１１２の圧力で金
型成形したのち、続いてう／ヘープレスにより２　ｔｏ
ｎ　ｆ／ｃｍ２の圧力を加えて、６×１２Ｘ５０ｍｍの
板状に成形した。次に、この成形体を窒素ガス雰囲気中
において１７５０°Ｃに昇温して１時間保つことにより
焼結を行った。次いで、得られた焼結体の表面を研削加
工し、スパン２０ｍｍの３点曲げ試験を行ったところ、
曲げ強度は７２　ｋｇｆ／ｍｍ２であった。また、密度
は３．４２ｇ７ｃｍ３であった。

（実施例６） α型を９３％含む窒化珪素粉末７５重量％、２酸化セリ
ウム２２重量％、酸化イツトリウム３重量％からなる混
合粉末を実施例５と同様にして成形・焼結を行い、次い
で、得られた焼結体の３点曲げ試験を行ったところ、曲
げ強度は５４ｋｇｆ／ｍｍ２であった。また、密度は３
　、５８　ｇ／ａｍ３であった。

（実施例７） α型を９３％含む窒化珪素粉末８２重量％、２酸化セリ
ウム１６重量％、酸化イツトリウム２重量％からなる混
合粉末を実施例５と同様にして成形φ焼結を行い、次い
で、得られた焼結体の３点曲げ試験を行ったところ、曲
げ強度は６０ｋｇｆ／ｍｍ２であった。また、密度は３
　、３２　ｇ／ｃｍ３テあった。

（実施例８） α型を９３％含む窒化珪素粉末８０重量％、２酸化セリ
ウム１６重量％、酸化イツトリウム４重量％からなる４
昆合粉末を実施例５と同様にして成形φ焼結を行い、次
いで、得られた焼結体の３点曲げ試験を行ったところ、
曲げ強度は６６ｋｇｆ／あった。

（評価例２） 上記実施例５〜８の結果を前記比較例の結果とともにま
とめると、第２表のようになる。

第２表に示すように、この発明による窒化珪素質焼結体
は、酸化イツトリウムを適量台まない比較の窒化珪素質
焼結体よりも高強度であることが明らかである。

（発明の効果） 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７０〜９０重量％、残部がセリウム酸
化物とカルシウム酸化物またはイツトリウム酸化物とか
らなり、かつカルシウム酸化物がセリウム酸化物の１−
ｉｏ重量％および／またはイツトリウム酸化物がセリウ
ム酸化物の５〜２５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、１８００℃以下の比較的低い
焼結温度のときでも、焼結過程における柱状のβ型窒化
珪素の発達が促進されるので、常圧焼結であっても高強
度の焼結体が得られ、常圧焼結が適用可能であるため複
雑形状部品の焼結体素材としても適しているという非常
に優れた効果を有している。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化珪素７０〜９０重量％、残部がセリウム酸化
   物と、カルシウム酸化物およびイツトリウム酸化物のう
   ちから選択した少なくとも１種の酸化物とからなり、か
   つカルシウム酸化物を選択した場合にカルシウム酸化物
   がセリウム酸化物の１〜１０重量％であり、イツトリウ
   ム酸化物を選択した場合にイツトリウム酸化物がセリウ
   ム酸化物の５〜２５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。