JPS605076A - 窒化けい素焼結体の製造法 - 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】 本発明は、靭性および強度にすぐれた窒化けい素焼粘体
の製造法に関する。

窒化けい素（Ｓｉ８Ｎ４　）焼結体は、高温域での強度
・耐摩耗性等にすぐれ、熱膨張係数が小さく、かつ化学
的にも安定なことから、昨今内燃機関、ガスタービン、
ラジアントチューブ、その他の高温用途において従来の
耐熱合金に代る新材料として注目されている。窒化けい
素粉床はそれ自体では焼結性に乏しいので、焼結体の製
造には焼結助剤を配合するのが一般である。これまでに
も焼結の促進、焼結体の高温強度改善等を目的として焼
結助剤の配合組成について種々研究がなされており、例
えば、イツトリウム酸化物（Ｙ２０ａ　）、マグネシア
（ＭｇＯ）、あるいはアルミナ（Ａｌ２Ｏ５）などが有
用な助剤として知られている。

しかるに、一般にセラミックは構成原子の結合が主とし
て共有結合またはイオン結合（通常はこれらの結合の混
成）であるため、高弾性率、高強度を有する反面、結晶
構造が複雑で、空間的に隙間の多い構造を有する。この
ため一般のセラミックは金属と異なり低温での転位の移
動が不可能で、脆性と呼ばれる挙動を示すのが大きな欠
点となっている。この脆性に対しては、例えば焼結体内
に不均質相を形成させておけば、外部からの応力による
クラック進展の際に、分散する不均質相によって破壊エ
ネルギーが吸収され破壊靭性値の向上をみる、との見解
も発表されており、また添加剤の配合による脆性改善の
こころみもなされている。

しかしながら、窒化けい素焼粘体については、これまで
靭性向上について充分な成果をみるに到らず、その破壊
靭性値（Ｋｒｃ　）は６　ＭＮ−ｍ−””−３／２ を越えず、通常３〜４ＭＮ−ｍ　程度にとどまっている
のが実情である。

本発明は、窒化けい素焼粘体の破壊靭性値を改善し、か
つ強度を高めるためになされたものである。

本発明の窒化けい素焼粘体の製造法は、窒化けい素粉末
に、焼結助剤として、 イツトリウム酸化物（Ｙ２０ｇ）［以下、「人助剤」と
称する］と、 ランタン・ネオジム・プラセオジム複酸化物もしくはラ
ンタン酸化物・ネオジム酸化物・プラセオジム酸化物混
合物（以下、「Ｂ助剤」と称する）と、 ジルコニウム酸化物（ＺｒＯ２）　もしくは部分安定化
ジルコニウム酸化物（以下、「Ｃ助剤」と称する）とを
、人助剤は２〜１３重量％、Ｂ助剤は２〜１８重量％、
人助剤とＢ助剤の合計量は５〜２８重量％、およびＣ助
剤は７〜３０重量％となるように窒化けい素粉末に配合
し、成形・焼結するものである。

焼結助剤として配合される人助剤およびＢ助剤は焼結の
促進および焼結体の強度改善等の効果を有する。この添
加効果を十分に得るためには、少くとも人助剤は２重量
％、Ｂ助剤は２重量％で、・両者の合計量は５重量％で
あることを要する。好ましくは、人助剤は３重量％以上
、Ｂ助剤は４重量％以上であって、その合計量は７重量
％以上である。

Ｂ助剤であるランタン・ネオジム・プラセオジム複酸化
物もしくは酸化物混合物は、焼結体の品質の点から、酸
化物換算値で、２０〜８０重量％のランタン酸化物（Ｌ
ａ２Ｏ３）、２０〜５０重量％のネオジム酸化物（Ｎｄ
２０３）および３〜２０重量％のプラセオジム酸化物（
Ｐｒ６Ｏ１１）からなり、不純物として付随するセリウ
ム酸化物（ＣｅＯ）は１５重量％以下、その他の希土類
酸化物は５重量％以下であるものが好ましく使用される
。このものは、天然に産出するランタニド系列希土類（
酸化物）からセリウム（酸化物）を除去することにより
得られるものであり、希土類単金属の酸化物よりも安価
に製造することができる。この複酸化物もしくは酸化物
混合物にセリウム（酸化物）が含まれることは、焼結体
の品質上好ましくないが、酸化物換算で１５重量％以下
であれば実害はなく、またサマリウム（Ｓｍ）その他の
希土類元素の残”留も５重量％以下なら差支えない。

Ｃ助剤は、焼結促進のほかに、焼結体の破壊靭性値の向
上に奏効する助剤であり、このためには少くとも７重量
％を必要とする。更に好ましくは９重量％以上配合され
る。なお、Ｃ助剤であるジルコニウム酸化物と部分安定
化ジルコニウム酸化物とは、破壊靭性値の改善、焼結性
向上の点では同効物質とみなし得るもので、両者は複合
的に使用してもよい。

」二記各助剤は、それぞれ配合割合の増加とともに添加
効果の向上をみるが、あまり多く配合しても、配合量の
割に効果の増加が少く、かつ混合物中に占める窒化けい
素粉末の比率が低下することに伴って窒化けい素焼粘体
としての特徴が弱まる。

このために、人助剤は１３重量％、Ｂ助剤は１８重量％
、人助剤とＢ助剤の合計量は２８重量％、およびＣ助剤
は３０重量％をそれぞれ上限とすべきである。一般的に
は、人助剤は８重量％まで、Ｂ助剤は１６重量％まで、
Ａ助剤とＢ助剤の合計は２０゛重量％まで、またＣ助剤
は２０重量％までの配合により好結果を得ることができ
る。

主原料である窒化けい素粉末には、結晶構造にα型とβ
型とがあり、周知のように焼結体の強度等の点から焼結
体内粒界層の結晶化助長のためにα型が有利であり、好
ましくはα化率約９０％以上のものが使用される。

本発明によれば、窒化けい素粉末に、前記各助剤を各々
所要量配合し、なお必要ならば適当な成形助剤を添加し
た混合物を、常法に従って成形・焼結することにより目
的とする焼結体を得る。

「成形・焼結する」と言うのは、適用されるプロセスに
より、例えばホットプレス法や熱間静水圧焼結法などの
ように、成形と焼結とが一工程で行なわれる場合や、常
圧焼結法のように所定形状への成形と、成形体の焼結と
が各別の工程として行なわれる場合を含む。いづれのプ
ロセスも通常の条件で行なえばよく、例えばホットプレ
ス法では、所定形状の型内に混合物を充填し、適当な加
圧力、焼結温度（例えば２００〜４００　ｋｇｆ　／ｃ
ｙＡ、１６００〜１８５０°Ｃ）にて焼結を達成する。

熱間静水圧焼結法では、例えば加圧力５００〜２５００
に９ｆ／Ｃａ、温度１６００〜１８５０°Ｃで行なわれ
る。

また、常圧焼結法では、前記助剤とともにメチルセルロ
ースなどの成形助剤が適量加えられた混合物を適宜の成
形法、例えば−軸プレス、ラバープレス、射出成形など
に付して所望の成形体を得たのち、窒素ガスなどの不活
性雰囲気下、例えば雰囲気圧力１〜１０１ｃ（ｊｆ／Ｃ
鋳、温度　１６００〜１８５０°Ｃにて焼結を完了する
。

次に本発明の実施例について説明する。

実施例 ［Ａ］　ホットプレス法 窒化けい素粉末（α化率９５％、平均粒径０．６μｍ）
に焼結助剤を配合し、ホットプレス法により、加圧力４
００　ｋｑｆ／　ｃｙｊ、温度１８００°Ｃに１時間保
持して焼結体（４０ｍｍ×２０朋Ｘ　６　ｍｍ　）を得
た。

［Ｂ］　常圧焼結法 窒化けい素粉末（α化率９５％、平均粒径０．６μｍ）
に焼結助剤、お１び成形助剤として０．５％メチルセル
ロース水溶液を配合（窒化けい素粉末３０ｆに対して１
Ｑｃｃ）、混合し、−軸プレス法にて円板体を成形した
のち、常圧焼結法により、窒素ガス雰囲気（圧力１．８
　ｋｑｆ　／　ｃｒｌ　）中、１７５０°Ｃに２時間保
持して円板状焼結体（直径５ｏｍｍ×厚さ６問）を得た
。

上記各焼結法により得られた焼結体のそれぞれについて
破壊靭性値（ＫＩｃ）および曲げ強度を測定した。破壊
靭性値の測定はＫｎｏｏｐ−１ｎｄｅｎ　−ｔａｔｉｏ
ｎ　−Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　法に準処した。曲げ強度試験
は、３ｍｍ×３ｍｍ×４ｏｍｍの試片を使用し、３点曲
げ法（スパン距離３０ｍｍ）にて行った。

焼結助剤の配合および試験結果を第１表に示す。

表中、「製法」欄のＩＡｊはホットプレス法、ｒＢＪは
常圧焼結法を意味する。賦香（１）〜（５）は発明例、
（１０１）、（１０２）　は従来の一般的助剤配合によ
る比較例である。

表に示されるように、本発明により得られる焼結体は、
成形・焼結法のいかんにかかわらず、従来の水準を大き
く越える高破壊靭性値を有し、かつ強度についても同じ
成形・焼結法による従来材にまさっている。

以上のように、本発明により得られる窒化けい素焼粘体
は、従来材に著しくまさる高破壊靭性値、高強度を有す
るので、各種構造部材、工具などに好適で、従来材では
得られぬ安定した耐久性を保証することができる。

代理人　弁理士　宮崎新式部 ４７０

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　窒化けい素粉床に焼結助剤を配合して成形・焼
   結を行う焼結体の製造法において、 イツトリウム酸化物（以下、「人助剤」と称する）と、 酸化物換算値で２０〜８０重量％のランタン酸化物、２
   ０〜５０重量％のネオジム酸化物および３〜２０重量％
   のプラセオジム酸化物からなり、不純物として付随する
   セリウム酸化物は１５重量％以下、その他の希土類酸化
   物は５重量％以下であるランタン・ネオジム・プラセオ
   ジム複酸化物もしくはランタン酸化物・ネオジム酸化物
   ・プラセオジム酸化物の混合物（以下、「Ｂ助剤」と称
   する）と、 ジルコニウム酸化物もしくは部分安定化ジルコニウム酸
   化物（以下、「Ｃ助剤」と称する）とを焼結助剤として
   、 人助剤は２〜１３重量％、Ｂ助剤は２〜１８重量％、人
   助剤とＢ助剤との合計量は５〜２８重量％、およびＣ助
   剤は７〜３０重量％となるように窒化けい素粉床に配合
   されることを特徴とする窒化けい素焼粘体の製造方法。