JPS605077A - 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給体
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（Ｙ２Ｏ２）、マグネシア　（
ＭｇＯ）、アルイは７　／ｌ／　ミー１−　（Ａ１２ｏ
３）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シ低温での転位の移
動が不可能で、脆性と呼ばれる挙動を示すのが大きな欠
点となつている。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（直の向丘をみる、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、窒化けい素焼鞘体については、これまで
靭性向北について充分な成果をみるに到らず、その破壊
靭性値（ＫＩｏ）は６　Ｍ　Ｎ　−ｍ−”Ａを越えず、
通常３〜４ＭＮ・ｍ−ａ’２程度にとどまっているのが
実情である。

本発明は、窒化けい素焼鞘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鞘体の製造法は、窒化けい素粉末
に、焼結助剤として、ランタン・ネオジム・プラセオジ
ム複酸化物もしくバランタン酸化物・ネオジム酸化物・
プラセオジム酸化物混合物（以下、ｌ−ａ助剤」と称す
る）を５〜２８重量％、およびジルコニウム酸化物（Ｚ
　ｒｏ　２　）もしくは部分安定化ジルコニウム酸化物
（以下、［１］助剤」と称する）を７〜３０重量％それ
ぞれ配合し、成形・焼結するものである。また、本発明
において、所望により、焼結助剤として、」−記各助剤
とともに、タングステン炭化物（ＷＣ）を２〜２０重量
係重量添加して成形・焼結を行うことができる。

本発明に使用されるａ、助剤は、焼結の促進、焼結体の
強度向上効果を有する。その配合量を５重量％以北とす
るのは、それより少いと効果が不足するからである。好
ましくは、７重量％以上配合される。

−Ｉ：記ａ助剤ば、ランタン、ネオジムおヨヒプラセオ
ジムを主構成分とする複酸化物もしくは酸化物混合物で
あるが、窒化けい素焼鞘体の品質の点から、酸化物換算
値で、２０〜８００〜８０重量％ン酸化物（Ｌａ２０３
）、２０〜５０重量幅のネオジム酸化物（Ｎｄ２０３）
および３〜２０重量％のプラセオジム酸化物（Ｐ　ｒ　
６０□１）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、その池の希土類酸化
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クニド系列希土類（酸化
物）からセリウム（酸化物）を除去することにより得ら
れるものでちゃ、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％以下なら差支えはない。

ｂ助剤ば、焼結促進のほかに、焼結体の破壊靭性値の向
北に有効な助剤であり、このために少くとも７重量％を
必要とし、好ましくは９重量％以上配合される。なお、
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、焼結性改善等の点で同効物質と
して扱われるもので、両者は複合的に使用してもよい。

タングステン炭化物は、焼結性改善、焼結体の靭性向と
等を目的として所望により配合される助剤である。その
配合量を２重量％以上とするのは、それより少いと効果
が十分でないからである。

上記各助剤は、配合量の増加とともに添加効果も増すが
、あまり多く加えても、配合量の割に効果の増加が少く
、また混合物中の窒化けい素粉末の相対的比率の低下に
伴って窒化けい素焼鞘体としての特徴が弱められる。こ
のため、ａ助剤の配合量は２８８重量％ｂ助剤は３００
重量％それぞれ北限とし、またタングステン炭化物は２
００重量％」二限とすべきである。一般的には、ａ助剤
は２００重量％で、ｂ助剤は２００重量％で、タングス
テン炭化物は１２２重量％での配合により良好な結果を
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係以北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、成形と焼成とが一工
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、成形体の焼成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えば
よく、例えばホラｌ−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、焼成温度（例えば２０
０〜４００　ｋｇｆＺ−５１６００〜１８５０°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５００〜２５００ｋｇｆ’鷹、温度１６００〜１８５
０°Ｃで行われる。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、ρＪえば一軸プレス、ラバー
ブレス−１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
１〜１０ｋｇｆ贋、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〕　ホラ１−プレス法 窒化けい素粉末（α化率９５係、平均粒径０．６μｙｎ
　）に焼結助剤を配合し、ホラ１ヘプレス法により、加
圧力４００１ｃｇｆ　／ｃＩＩ、温度１８００°Ｃに１
時間保持して焼結体（４０朋Ｘ　２０　ｍｍ　Ｘ　６　
ｍｍ　）を得た。

〔Ｂ〕　常圧焼結法 窒化けい素粉末（α化率９５係、平均粒径０．６μｍ）
に焼結助剤、および成形助剤として０．５係メチルセル
ロース水溶液を配合（窒化けい素粉末３０ｇに対して１
．　Ｑ’ｃｃ　）　、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ｉスＭ囲気（
圧力１．ｓ　ｋｑｒ／ｆｆ１）　中、１７５０°Ｃに２
時間保持して円板状焼結体（直径５０ｍｍＸ厚さ６騙）
を得た。

上記各焼結法によシ得られた焼結体のそれぞれについて
破壊靭性値（Ｋ□。）および曲げ強度を測定した。破壊
靭性値の測定はＫｎｏｏｐ　−Ｉ　ｎｄｅｎもａもｉｏ
ｎ−８ｔｒｅｎｇｔｈ法に準処した。曲げ強度試験は、
３ｍｍＸ３ｍｍＸ４０ｍ＋＋＋の試片を使用し、３点曲
げ法（スパン距離８０　ｍｍ　）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「Ａ」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匝を有し、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。

以北のように、本発明により得られる窒化けり素焼給体
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　宮崎新八部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化けい素粉床に、焼結助剤として、酸化物換算
   値で２０〜８０重量幅のランタン酸化物、２０〜５０重
   量係の重量ジム酸化物および３〜２０重量憾のプラセオ
   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重重量以下、その他の希土類酸化物は５重量
   循以丁であるランタン・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
   ジム酸化物混合物を５〜２８重量係重量よびジルコニウ
   ム酸化物もしくは部分安定化ジルコニウム酸化物を７〜
   ３０重量係重量し、成形・焼結することを特徴とする高
   靭性・高強度窒化けい素焼給体の製造法。