JPS605078A

JPS605078A - 窒化けい素焼結体の製造法

Info

Publication number: JPS605078A
Application number: JP58111491A
Authority: JP
Inventors: 善信奥村; 北村　耕二; 土田　二朗; 卓也佐々木
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1983-06-21
Filing date: 1983-06-21
Publication date: 1985-01-11

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（５ｉａＮｓ　）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業の
耐熱合金に代る新材料として注目されている。窒化けい
素粉末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（Ｙ２Ｃ）ａ　）、マグネシ
ア（ＭｇＯ）、あるいはアルミナ（Ａ、ｆｌ？２０ａ・
）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は、外部からの応力による
クランク進展の際に、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６ＭＮ−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（Ｙ２Ｏ３）　［以下、「Ａ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、タングステン炭化物（ＷＣ）（以下、「Ｄ助剤と称する
）とを、Ａ助剤は２〜１５重量％、Ｂ助剤は２〜２０重量
％、Ａ助剤とＢ助剤の合計量は５〜２８重量％、Ｃ助剤
は７〜３０重量％、およびＤ助剤は２〜２０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Ａ助剤およびＢ助剤は焼結促
進および焼結体の強度改善等の効果を有する。これらの
効果を十分なものとするために、少くともＡ助剤は２重
量％、Ｂ助剤は２重量％であって、その合計量は５重量
％であることを要し、好ましくはＡ助剤３重量％以上、
Ｂ助剤４重量％以上、両者の合計量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（Ｎａ
２ｏ３）および３〜２０重量％のプラセオジム酸化物（
Ｐｒ６０Ｂ　）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。この複酸化物ししくは酸化物
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」二配合さ
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」二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。

Ｄ助剤は、焼結性の向上、焼結体の強度改善をもたらす
もので、このために少くとも２重量％が必要であり、好
ましくは５重量％以上である。

上記各助剤は、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占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、Ａ助剤の配合蛍は１５重量％、Ｂ助剤は２
０重量％、Ａ助剤とＢ助剤の合計量は２８重量％、Ｃ助
剤は３０重量％、およびＤ助剤は２０重量％をそれぞれ
上限とすべきである。通常は、Ａ助剤は８重量％まで、
Ｂ助剤は１６重量％まで、Ａ助剤とＢ助剤の合計量は２
０重量％まで、Ｃ助剤は２０重量％まで、またＤ助剤は
１５重量％までの配合により好結果を得ることができ、
また、Ａ、ＢＸＣ１■）各助剤の合計量は３７重量％ま
での配合で十分に奏効する。

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２００〜４００ｋｇｆ１０ｊ、１
６００〜１８５０°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５００〜２５０　ｏｋｔｉ
ｆ／ｌｙｎ、温度１６００〜１８５０°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、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１〜１０　ｋｌ；Ｉｆ　
／　ｃｙＡ、　温度１６ｏｏ〜１８５０℃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［八　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、ポットプレス法により、加圧力４
．００　ｋｇ　ｆ　／　ｃＡ、温度１８００°Ｃに１時
間保持して焼結体（４０ｍｍ×２ｏｍｍ×６ｍπ）を得
た。

［Ｂｌ　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、および成形助剤として０５％メチルセルロ
ース水溶液を配合（窒化けい素粉末３０／Ｉに対して１
．　ＯＣＣ）、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、窒素カフ、雰囲気（圧力
１．３　ｋｆｔｆ　／　ｃａ　）　中、１７５０°Ｃに
２時間保持して円板状焼結体（直径５０ｍｍ×厚さ５　
ｍｐｎ　）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（Ｋｌｃ）　および曲げ強度を測定した。破
壊靭性値の測定はＫｎｏｏｐ　−Ｉｎｄｅｎ　−ｔａｔ
ｉｏｎ　−Ｓｔｒｅｎｇｔｈ法に準処した。曲げ強度試
験は、Ｂｖｔｙｙｔ×ＢｍｙｉＸ４０ｍｍの試片を使用
し、３点曲げ法（スパン距離ｓｏｍｍ）にて行った二焼
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ｒＡＪはホットプレス法、１Ｂ」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・焼結法のいかんにががゎらず、従来の水準を大
きく越える高破壊靭性値を有し、が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鞘体
は、従来材に著しくまさる３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

【特許請求の範囲】

（１）窒化けい素粉末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、「Ａ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、タングステン炭
化物（以下、「Ｄ助剤」と称する）とを焼結助剤として
、Ａ助剤は２〜１５重量％、Ｂ助剤は２〜２０重量％、Ａ
助剤とＢ助剤の合計量は５〜２８重量％、Ｃ助剤は７〜
３０重量％、およびＤ助剤は２〜２０重量％となるよう
に配合されることを特徴とする高靭性高強度窒化けい素
焼粘体の製造方法。