JPS6230679A - 構造用セラミツクス - 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〕 本発明は構造用セラミックスに係り、より詳しく述べる
と、窒化ケイ素焼結体の表面に酸化膜を形成して強化し
た構造用セラミックスに関する。

〔従来の技術〕

従来、自動車エンジン部品等に用いるために高強度およ
び耐熱性を要する構造用セラミックスとしては窒化ケイ
素（ｓｉ３Ｎｎ）　　と炭化ケイ素（Ｓｉｎ）が最も有
望視されているが、特に、耐熱衝撃性の観点から窒化ケ
イ素がより多く実用化されている。

窒化ケイ素焼結体を得るには、窒化ケイ素だけでは焼結
性が悪いので通常酸化物からなる焼結助剤を添加して常
圧または加圧焼成するか、金属ケイ素成形体を窒素雰囲
気中で焼成して金属ケイ素に窒素を反応焼結している。

構造用セラミ、クスとして使用する場合、通常、高強度
が得られるので、焼結助剤を用いた窒化ケイ素の常圧ま
たは加圧焼結の方が実用上望ましい。

焼成後、焼結体は製品にするために研削等の加工を施し
、次いで加工キズを鈍化するために真空中または不活性
気体中でアニールしている。

また、窒化ケイ素焼結体を加工後、非加工面の低強度お
よび強度のばらつきに対処するために、焼結助剤として
酸化イツトリウムを添加した窒化ケイ素焼結体の非加工
面をクリストバライトとインドリウムシリケートを含む
表面層で構成することが提案されている（特開昭５９−
１１６１７５号公報）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記焼結体加工後のアニールでは実質的に強度の向上は
見られない。

また、焼結助剤として酸化イツトリウムを添加した窒化
ケイ素焼結体の非加工面をクリストバライトとイツトリ
ウムシリケートを含む表面層で構成したものは強度の向
上は見られるが、まだ充分ではない。

そこで、本発明は、自動車用エンジン部品等の構造用セ
ラミックスとして使用するのに適した機械的強度および
耐熱衝撃性を有する窒化ケイ素焼結体を提供することを
目的としている。

〔問題点を解決する手段および作用効果〕上記問題点を
達成するために、本発明は、焼結助剤として酸化マグネ
シウムを添加した窒化ケイ素焼結体の表面を酸化して厚
さ１００μｍ以下の酸化膜を形成することによって窒化
ケイ素焼結体を強化する。

窒化ケイ素焼結体を空気中あるいは酸素雰囲気中で高温
処理すると、焼結体表面の窒化ケイ素の一部が酸素と反
応して次の変化を起こす。

５ｉＪ４”−３０ｚ　　→３ＳｉＯ□＋２Ｎ２この５ｉ
Ｏｚは他の酸化物、すなわち、焼結助剤のＭｇＯあるい
はＭｇＣＬ　　Ａ（ｌｚｏ＋　、　ＡｌｚＯｓ　、　Ｙ
２Ｏ３等と反応し、複合酸化物あるいはＳｉＯ□として
焼結体表面に存在する。本発明者らは、このとき、焼結
助剤として特にＭｇＯが添加されていると、窒化ケイ素
焼結体が顕著に強化されること、特に、その機械的強度
、耐熱衝撃性が向上することを見い出した。因みに、焼
結助剤としてＭｇＯ以外の酸化物を添加した焼結体の表
面を酸化して酸化膜を形成した場合には、焼結助剤の種
類によって強度の向上が見られたり、見られなかったり
するが、本発明らの実験によると、焼結助剤としてＭｇ
Ｏを添加した場合、特にＭｇＯとＡ　１　ｚｏａとＹｚ
ｏｓを添加した場合に特に顕著な強度向上が見られた。

焼結助剤としての酸化マグネシウムは、例えばスピネル
（ＭｇＡ　Ａ　２０４）のように６１化マグネシウムを
含む化合物の形で添加されてもよい。また、本発明では
、焼結助剤として酸化マグネシウムは必ず添加されなけ
ればならないが、その他に酸化アルミニウム、酸化イツ
トリウム、酸化ジルコニウム等の他の酸化物、あるいは
窒化アルミニウムなどの非酸化物を添加してもよい。

焼結助剤の量は一般的には１０ｗｔ％以下である。

酸化マグネシウムは１〜５ｗｔ％含まれることが好まし
い。窒化ケイ素の焼結性と窒化ケイ素焼結体の強化の両
条件を満足するためには酸化マグネシウム２〜４ｗｔ％
、酸化アルミニウム２〜４ｗｔ％および酸化イツトリウ
ム１〜４ｗｔ％の混合物が好ましい。このとき強度向上
が最も大きくなる。

焼結体方法は慣用の手法に従うことができ、一般的には
、窒化ケイ素粉末と焼結助剤、それに有機バインダ等を
加えて混練し、押出成形法、射出成形法等で成形後、先
ず不活性ガス（通常、Ｎ２）中で加熱して有機バインダ
ー等を揮敗除太（脱脂）し、次いで窒素雰囲気下１７０
０〜１８００℃の高温で１〜１０時間焼成する（常圧焼
結法）。あるいは、上記同様に混練、成形、脱脂後、１
０気圧以上の空気雰囲気下１７００〜１８００℃の高温
で１〜１０時間焼成する（加圧焼結法）。

焼結後、製品形状にするため研削加工を行なう。

製品形状に仕上げた焼結体は次に酸化処理して表面酸化
膜を形成する。この酸化処理は、一般的には、大気中、
１０００〜１５００℃、好ましくは１２００°Ｃ〜１５
００℃の温度に０．５〜１０時間保持して行なう。

また、酸素雰囲気下で行なって処理時間を短縮すること
も可能である。

なお、表面酸化膜の膜厚は１００μｍ以下であればサブ
ミクロンオーダーの厚さでも強度向上の効果が見られた
。膜厚が１００μｍを越えると、製品使用時に酸化膜剥
離が起こり易くなり、酸化膜の剥離が発生すると強度低
下が起き、また、仮に酸化膜の膜厚が不均一に生成され
た場合にクラックに集中応力が働いて強度低下が起きる
。

〔実施例〕

ｌ施■上 窒化ケイ素粉末（平均粒径０，８μｍ）９４ｗｔ％。

マグネシア粉末（平均粒径０．３μｍ）４ｗｔ％および
アルミナ粉末（平均粒径０．２μｍ）２ｗｔ％の組成の
粉末混合物を熱可塑性樹脂（バインダ）と混合し、混練
したものを５　ｘ　５　ｘ　５０　ｍｍの棒状体に射出
成形し、脱脂後、窒素雰囲気中１７５０℃、３時間焼成
した。この焼結体を３　Ｘ　４　Ｘ　４０　ｍｍに研削
した複数の試験片を下記第１表に示す如＜　１０００〜
１５００℃の温度で０．５〜３時間大気雰囲気中で処理
した。

得られた試験片の表面をＸ線分析したところ、いずれも
５ｉＯｚ　、　ｘＭｇＯ・ｙｓｉｏｚ、　ｚＡ　Ａ　２
０．−　ｕｓｉｏｚ。

Ｓｉ３Ｎ４の存在が確認された。

また、比較のために、上記焼結および研削加工後酸化処
理を全く行なわないものも用意した。

これらの試験片（巾４龍、厚さ３龍、長さ４０龍）を常
温でスパン３０鰭、荷重速度０．５龍／分の条件で三点
曲げ試験により強度を求めた。その結果を２０本の試験
片の平均として下記第１表に示す。

第１表中に酸化膜の膜厚をあわせて示す。

遍−一」−一一表 実施例１の実験を繰り返したが、窒化ケイ素粉末（平均
粒径０．８μｍ）９２ｗｔ％、スピネル粉末（平均粒径
０．３μｍ）４ｗｔ％およびイツトリア粉末（平均粒径
０．７μｍ）４ｗｔ％の組成の粉末混合物から出発した
。

結果を下記第２表に示す。

第　　　２　　　表 □ 実施例１と同様の実験を繰り返したが、窒化ケイ素粉末
（平均粒径０．８μｍ）９ｔｗｔ％、イントリア粉末（
平均粒径０．７μｍ）４ｗｔ％およびアルミナ粉末（平
均粒径０．２μｍ）２ｉｖｔ％の組成の粉末混合物から
出発した。

結果を下記第３表に示す。

以上の結果に基づいて、第１図に第１表に基づいて処理
温度と酸化膜の膜厚との関係を、そして第２図に第２表
に基づいて処理時間と酸化膜の膜厚との関係を示す。第
１図は処理時間を３．０時間、第２図は処理温度を１３
００℃に固定して求めたものである。

〔発明の効果〕

本発明により、窒化ケイ素焼結体の機械的強度および耐
熱衝撃性が向上し、強度および耐熱性を要する自動車部
品等に適した構造用セラミックスが提供される。

【図面の簡単な説明】 第１図は処理温度と酸化膜との関係図、第２図は処理時
間と酸化膜厚との関係図である。 処理温度と酸化膜厚さの関係 第１図 処理時間（Ｈｒ） 処理時間と酸化膜°厚 ＠２同

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、焼結助剤として酸化マグネシウムを添加した窒化ケ
   イ素焼結体の表面を酸化して厚さ１００μｍ以下の酸化
   膜を形成して強化したことを特徴とする構造用セラミッ
   クス。