JPS605079A - サイアロン基セラミツクスの製造法 - 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】 この発明は、高靭性および高硬度を有し、特に切削工具
や耐摩耗工具、さらにはノズルなどの各種部品の製造に
用いた場合にすぐれた性能を発揮スルサイアロン基セラ
ミックスの製造法に関するものである。

一般に、 （ａ）　Ｓｉ３Ｎ、、粉末＋Ａ６　Ｎ粉末。

（ｂ）　５１３Ｎ４粉末＋ＡｌＮ粉−末＋Ａｌ２Ｏ３粉
末。

（ｃ）　Ｓ　ｉ３Ｎ４粉末＋ＡｌＮ粉末＋５１０２粉末
。

（ｄ）　Ｓ１２　ＯＮ粉末十ＡｌＮ粉末。

以上（ａ）〜（ｄ）のいずれかの組合せからなるβ−サ
イアロン形成用原料粉末、 あるいは上記のβ−サイアロン形成用原料粉末に、α−
サイアロンの格子中に固溶ずろＴ、ｉ、Ｎａ。

ｃａ、Ｍｆｊ、ｙおよび希土類元素などの金属の酸化物
および窒化物のうちの１種または２種以上からなる原料
粉末を配合してなるα−サイアロン形成用原料粉末に、 焼結過程で液相な生成させて焼結を促進させるための焼
結助剤として、Ｍｉｄ、Ｙ２Ｏ３，Ｃａｂ。

５Ｃ２０３、およびｃｅ、　ｏ３などの金属酸化物のう
ちの１種または２種以上の焼結助剤原料粉末な００５〜
２０重量％（以下％は重量％を示す）配合し、さらに、
必要に応じて、同しく焼結の促進と、硬式（耐摩耗性）
向上を目的として、周期律表の４ａ、５ａ、および６ａ
族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、および
炭窒酸化物（以下・これらを総称して金属の炭・窒・酸
化物という）のうちの１種または２種以上からなる原料
粉末を０．５〜４０重量％配合し、 ついで、」−記の配合組成を有する混合粉末を使゛用し
て、通常のホットプレスまたは普通焼結により／ｙ−サ
イアロン基セラミックス捷たはα−サイアロン基セラミ
ックスを製造する方法が知られている。

なお、β−サイアロンは、β型結晶構造を有する窒化け
い素（８１３Ｎ４　）のうちの８１の一部をＡｌで、ま
たＮの一部な０で置換した化合物からなり、組成式： Ｓ’１ａ−ｚ　Ａｌｚ　ＯｚＮｇ−ｚ　（ただしＯ（ｚ
≦４．３）をもつものであり、一方α−サイアロンは、
α型結晶構造を有するＳｉ３Ｎ４の結晶格子中のＳ】の
一部をＡｌで、Ｎの一部ンＯで置換し、かつ格子間位置
に原子半径の小さイＬｉ、Ｎａ、Ｃ’ａ、　Ｍ！ｉ’、
Ｙ。

および希土類元素などのうちの１種または２種以上（下
記の組成式ではＭで示す）が侵入型に固溶した化合物か
らなり、組成式： ＭＸ　（８４、Ａｌ）＋２　（０，Ｎ）＋６　（ただし
Ｏ（ｘ≦゛２）をもつものである。

しかし、このようにして製造妊れたβ−サイアロン基セ
ラミックスは、同α−サイアロン基セラミックスに比し
て靭性にすぐれているものの、硬式が低く、ロックウェ
ル硬さＡスケール（ＨＲＡ）で９】、５〜９２．５を示
すにすぎず、一方前記α−ザイアロン基セラミックスは
、反対に硬さが高く、Ｉ（ＲＡ　：　９３．５〜９４．
０を示すものの、靭性が低いという問題点があり、この
結果使用目的に応じて使い分けているのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、靭性お
よび硬きともすぐれたα−サイアロンおよびβ−サイア
ロンのいずれか、または両方を主成分とするセラミック
スを製造すべく研究を行なった結果、サイアロン形成用
原料粉末として、５１３Ｎ４（窒化けい素）ボイスカー
（Ｓｉ、Ｎ４の針状結晶、ひけ結晶とも云う）を使用す
ると、この結果得られたサイアロン基セラミックスは高
靭性と高硬度を具備するようになるという知見を得たの
である。

この発明は、上記知見にもとづいてなされたものであっ
て、 焼結助剤原料粉末＝０．５〜２０％を含有し、さらに必
要に応して金属の炭・窒・酸化物原料粉末：００５〜４
０％を含有し、 残りがα−サイアロンおよびβ−ザイア□ロンのいずれ
か、または両方のサイアロン形成用原料粉末からなる配
合組成を有する混合粉末を使用して、ホットプレスまた
は普通焼結によりサイアロン基セラミックスを製造する
に際して、前記混合粉末におけるサイアロン形成用原料
粉末として、混合粉末全体に占める割合で、５〜４０％
の５１３Ｎ４ポイスカーを配合することによって、サイ
アロン基セラミックスの高靭性化および高硬度化をはか
った点に特徴を有するものである。

したがって、この発明の方法によりサイアロン基セラミ
ックスを製造する場合には、β−サイアロン基セラミッ
クスであれば、上記の（ａ）〜（ｄ）のいずれかの組合
せからなるβ−サイアロン形成用原料粉末を、組成式： ５ｉａ−：ｚ　ＡｌｚＯｚＮｓ−ｚ　（ただしＱ　（ｚ
≦４．３）を満足するように配合し、 またα−サイアロン、またはα＋β−サイアロン基セラ
ミックスであれば、上記の（ａ）〜（ｄ）のいずれかの
絹合せからなるβ−サイアロン形成用原料粉末に加えて
、α−サイアロンの格子中に固溶する上記組成式中のＭ
に含まれる金属の酸化物粉末（これらの酸化物粉末の多
くは焼結助剤ともなる）および窒化物粉末のうちの１種
または２種以上を、全体または一部（この場合はα＋β
−サイアロンとなる）が、組成式： ＭＸ　（Ｓｉ　、　Ａｌ）＋２（Ｏｒ　Ｎ）＋６（ただ
しＯ＜Ｘ≦２）を満足するα−サイアロンとなるように
配合し、ただし、この場合、サイアロン形成用原料粉末
の一部（混合粉末全体に占める割合で５〜４０％）を、
Ｓｉ３Ｎ４ホイスカーとし、 ついで、これらのサイアロン形成用原料粉末に、焼結助
剤原料粉末を０．５〜２０％の割合で、また必要に応じ
て金属の炭・窒・酸化物原料粉末を０．５〜４０％の割
合で配合し、混合しくなお、Ｓｉ３Ｎ４ホイスカーは最
初から配合してもよいし、混合中に適宜配合してもよい
）、 得られた混合粉末を、黒鉛型に充填し、大気中、望まし
くは窒素雰囲気中、約ｉｏｏ〜３００に９／ｃ＋ｙｆの
圧力なｆ」加した状態で、１６００〜１８００°Ｃの温
度に１５分から２時間保持の条件でホットプレスするか
、あるいは混合粉末をプレス成形により圧粉体とし、こ
の圧粉体を、成分の分解防止と炭素を含む焼結雰囲気と
の反応を防止するために８１３Ｎ４粉末なとの中に埋設
し、窒素雰囲気中、１６００〜１８００°Ｃの温度に３
０分〉４時間保持の条件で普通焼結するかし、さらに必
要に応じて、この結果得られたサイアロン基セラミック
スに窒素ガスを用いた熱間静水圧焼結処理を施して、よ
り緻密化することからなる主要工程がとられるものであ
る。

つぎに、この発明の方法において、配合組成を上記の通
りに限定した理由を説明する。

（ａ）　焼結助剤原料粉末 これらの原料粉末は、焼結中に他の原料粉末、特にサイ
アロン形成用原料粉末と反応して低融点の液相を形成し
、焼結を促進させる作用を有し、上記の通り、ＭｇＯ，
Ｃａｂ、ＳＣ２０３，Ｙ２Ｏ３，およびＬａ系列元素な
どの酸化物粉末が用いられるが、その配合量が０．５％
未満では液相量が少なすぎて十分な緻密化をはかること
ができず、一方２０％を越えて配合すると、これらの焼
結助剤成分はセラミックス中ではサイアロン粒子の粒界
部に粒界相として存在するが、その微が多くなりすぎて
靭性が低下するようになることから、その配合量を０．
５〜２０％と定めた。

（ｂ）　金属の炭・窒・酸化物原料粉末これらの原料粉
末には、焼結を促進させるほか、セラミックスの硬さく
耐摩耗性）を向上させる作用があるので、これらの特性
が要求される場合に必要に応じて配合されるが、その配
合量が０．５％未満では前記作用に所望の効果が得られ
ず、一方４０％を越えて配合すると、焼結性が低下する
ようになることから、その配合量を０．５〜４０％と定
めた。

、（Ｃ）Ｓ１３Ｎ４ホイスカー ５ｊ３Ｎ４ホイスカーには、°上記の通りセラミックス
の靭性および硬さを向上させる作用があるが、その配合
量が５％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一
方４０％を越えて配合すると、ウィスカーがからみ合っ
た間隙に粉末が十分に入り込まないことに原因すると思
われるが、セラミックスの緻密化が十分進行しなくなる
ことから、その配合量を５〜４０％と定めた。

なお、５１３Ｎ４ウイスカーは、ウィスカーと粉末との
混合性、混合中のウィスカーの破損防止、焼結性、特に
靭性向上の寄与などを考慮すると、ウィスカーの直径は
あまり小さくても、逆に大きくても好捷しくなく、また
その長さも適当な長さがよく、かかる点から、直径、０
．１〜１μｍ、長さ＝１０〜５００μｍの寸法をもつこ
とが望ましい。

つぎに、この発明の方法を実施例により具体的に説明す
る。

実施例１ 原料粉末として、いずれも０．５〜１μｍの範囲内の平
均粒径を有する５ｉ３Ｎ４粉末（α相含有Ｎ：９５％）
、Ａｌ２Ｏ３粉末、オヨヒＹ２Ｏ３粉末、同じく　１〜
２μｍの範囲内の平均粒径を有するＴｉ　ＣＮ　粉末（
ＴｉＣ／ＴｊＮ　＝　３／７　、重量比）およびＡｌＮ
粉末、直径二〇。５μｍ×長さ：約３０１１ｍの寸法を
有するＳｉ３Ｎ４ホイスカーを用意し、これらの原料粉
末を第１表に示される配合組成に配合し、さらに粘結剤
として３％のパラフィンを添加して、ボールミルにて２
日間混合して混合粉末とし、ついでこの混合粉末を、１
　ｔｏｎ／７の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉
体を、真空中、温度＋　６００　’Ｃに２時間保持して
パラフィンを揮Ｖｆｉ、させた後、Ｓｉ３Ｎ４粉末中に
埋設した状態で、窒素雰囲気中、温度：　］７００℃に
２時間保持の条件で普通焼結することにより、本発明セ
ラミックス】、２、および配合組成は本発明セラミック
ス１，２とそれぞれ同一であるが、５ｉ３Ｎ４ポイスカ
ーを配合しない比較セラミックス１，２をそれぞれ製造
した。

この結果得られたセラミックスのロックウェル硬さくＡ
スケール）および抗折力を第１表に合せ・て示したが、
本発明セラミックス１，２は、比゛較セラミックス１，
２に比して硬さおよび靭性とも高いことが明らかである
。なお、これらのセラミックスは、いずれもβ−ザイア
ロンを主体としたものであった。

実施例２ 実施例１で用いた原料粉末のほかに、平均粒径：０．６
μｍを有するＭｇｏ粉末を用意し、これら原料粉末をそ
れぞれ第２表に示される配合組成に配合し、ボールミル
にて２日間混合した後、この混合粉末を黒鉛製の型に充
填し、大気中、１ｓ　ｏ　ｋｇ／Ｃ１）ｙの圧力を加え
た状態で、温度：１６５０００に１時間保持の条件でポ
ットプレスすることによって、本発明セラミックス３，
４．および配合組成は本発明セラミックス３，４と同一
で゛あるカ５１３Ｎ４ホイスカーを配合しない比較セラ
ミックス３，４をそれぞれ製造した。

この結果のセラミックスについても、実施例Ｊにおける
と同様に硬式および抗折力を測定したが、第２表に示き
れるように、５ｉ３Ｎ４ホイスカーの配合によって硬さ
および靭性、特に靭性が著しシ向」ニすることが明らか
である。なお、本発明セラミックス３，４および比較セ
ラミックス３，４ともいずれもα−サイアロン相とβ−
サイアロン相とが混在したものであった。

実施例３ 配合組成を、５１３Ｎ４粉末：　５２．０％、Ａｌ２Ｏ
３粉末：０．１％、ＡＩＮ粉末＝７．４％、￥２０３粉
末＝５．５％、５ｊ３Ｎ４ホイスカー、３５％とする以
外は実施例１．　Ｋおけると同一の条件で本発明セラミ
ックス５を製造した。

この本発明セラミックス５はα−ザイアロン相とβ−サ
イアロン相の混在相を有し、硬さＨＲＡ：　９４．１　
、抗折カニ　６　ＣＪｋｇ／ｍ７１’ａｆ示し、かつ研
摩面にＡＳＴＭ規格のＢ１程度のボアが認められたので
、２０００気圧の窒素中、温度：　１６５０　’Ｃに１
時間保持の条件で熱間静水圧焼結処理を施したところ、
研摩面にはボアが皆無となり、しかも硬さ：ＨＲＡ：９
４．５　、抗折カニ１００ｋｇ／−を示すようになつた
。

上述のように、サイア、ロン形成用原料粉末として５１
３Ｎ４ホイスカーを用いることによって高靭性および高
硬度を兼ね備えたサイアロン基セラミックスを製造する
ことができるのである。

出願人　三菱金属株式会社 代理人　富　１）和　夫　外１名

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　焼結助剤原料粉末：０．５〜２０重量％を含有
   し、残りがα−サイアロンおよびβ−サイアロンのいず
   れか、または両方のサイアロン形成用原料粉末からなる
   配合組成を有する混合粉末を使用して、ホットプレスま
   たは普通焼結によりサイアロン基セラミックスを製造す
   るに際して、前記混合粉末におけるサイアロン形成用原
   料粉末として、混合粉末全体に占める割合で、５〜４０
   重量％の窒化けい素ホイスカーを配合することを特徴と
   する高靭性および高硬度を有するサイアロン基セラミッ
   クスの製造法。
2. （２）焼結助剤原料粉末：０．５〜２０重量％と、周期
   律表の４ａ、５ａ、および６ａ族金属の炭化物、窒化物
   、炭窒化物、炭酸化物、および炭窒酸化物のうちの１種
   捷たは２種以上からなる原料粉末−０，５〜４０重量％
   を含有し、残りがα−サイアロンおよびβ−サイアロン
   のいずれか、または両方のサイアロン形成用原料粉末か
   らなる配合組成を有する混合粉末を使用して、ポットフ
   ０レスまたは普通焼結によりサイアロン基セラミックス
   を製造するに際して、前記混合粉末におけるサイアロン
   形成月１原別粉末として、混合粉末全体に占める割合で
   、５〜４０重量％の窒化けい素ホイスカーを配合するこ
   とを特徴とする高靭性および高硬度を有するサイアロン
   基セラミックスの製造法。