JPS63151680A - 高強度常圧焼結窒化珪素焼結体およびその製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は軸受材料等の耐摩耗摺動部材に有用な高強度常
圧焼結窒化珪素焼結体およびその製造方法に関するもの
である。

（従来の技術） 従来、窒化珪素焼結体を製造するには、第５図のフロー
チャートに示すように、まず窒化珪素原料と焼結助剤を
混合し、粉砕した後、粉砕時に用いる玉石の破片などの
異物除去のため４４μｍの篩を通している。次に、造粒
した後ねかしあるいは水分添加により原料中の水分量を
コントロールしてさらに篩を通した後、金型プレス又は
冷間静水圧プレスで成形して所定温度で常圧焼結するこ
とにより焼結体を得ている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上述した従来の窒化珪素焼結体の製造方
法においては、粉砕後の粗大粒子及び原材料中に含まれ
る異物の排除や造粒粉体中の水分の均一化を積極的には
実施していないため、粗大粒子及び原材料中に含まれる
異物の混入や造粒粉体中の水分量のバラツキが生じる欠
点があった。

その結果、粗大粒子及び原材料中に含まれる異物の混入
や水分量のバラツキによる不均一な粒子崩壊により成形
体中に気孔が生じて、それが焼結後に残留し、高強度の
窒化珪素焼結体を得ることができない欠点があった。

また、従来高緻密・高強度が要求される機械部品を製造
するため、ホットプレスあるいは熱間静水圧プレス（Ｈ
ＩＰ）が利用されているが、コストが高くなり量産向き
でない欠点があった。

本発明の目的は上述した不具合を解消して、高強度の窒
化珪素焼結体をホットプレス、ＨＩＰ等の方法を用いず
常圧で焼成が可能な高強度常圧焼結窒化珪素焼結体およ
びその製造方法を提供しようとするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明の窒化珪素焼結体は、最大気孔径が１０μ−以下
、気孔率０．５％以下でかつ室温での４点曲げ強度が１
００ｋｇ／ｗ”以上であることを特徴とするものである
。

また、本発明の窒化珪素焼結体の製造方法は、窒化珪素
原料粉末と所定の焼結助剤を混合、粉砕、造粒後、成形
、焼成する窒化珪素焼結体の製造方法において、造粒後
の粉体を一旦強制的に乾燥した後、必要に応じて水分を
添加しさらに篩通しをすることにより、所定の水分量を
有する均一な造粒粉体とすることを特徴とするものであ
る。

（作　用） 上述した構成において、造粒後の粉体を一旦強制的に乾
燥した後必要に応じて水分を添加してさらに篩通しする
ことにより、造粒粒子間に水分量の差がない均一な造粒
粉体を得ることができる。

すなわち、造粒粉体の強制乾燥、水分添加により成形時
に均質な圧壊状態にして粒間の気孔を減少させることが
できる。その結果、このようにして得られた造粒粉体を
使用して成形、焼成することにより、常圧焼結でも最大
気孔径が１０μｍ以下、気孔率０．５％以下でかつ室温
での４点曲げ強度が１００　ｋｇ／ａｍ”以上の高強度
の常圧焼結窒化珪素焼結体を得ることができる。

また、粉砕後の篩目を従来より細かくして粉砕後の粗大
粒子及び原材料中に含まれる異物を排除することにより
、より望ましい焼結体を得ることができる。

焼結助剤として窒化珪素を緻密化または高強度化させる
ものであればいずれでも用いることができる力＜ＦＩｇ
ｏ、　Ｚｒ０ｚ＋　ｈＯｘ　もしくは加熱によりＭｇＯ
。

Ｚｒ０ｚ＋　Ｙ２Ｏ２となる’ｇ＋　ＺｒまたはＹの化
合物を用いるのが好ましい。この理由は、Ｍｇ、　Ｚｒ
またはＹのさらにＭｇおよびＹの化合物は、高強度化に
有利な柱状β型窒化珪素結晶への相転位を促進し、また
Ｚｒの化合物は焼結時に粒界相に存在して粒界相を高強
度化するからである。Ｍｇの化合物がＭｇＯに換算して
０．５〜１５重量％となるよう添加するとともにＺｒの
化合物がＺｒＯ□に換算して０．５〜１３重量％となる
よう添加すると好ましいのは、この範囲外では上述の効
果が減縮されるためである。また、窒化珪素の９０重量
％以上がβ型窒化珪素結晶であると好ましいのは、９０
重量％未満であると高強度を達成し難いためである。

また、粉砕後の原料を造粒前に３２μｍ以下の篩を通し
、または強制乾燥および水分添加した造粒粉体を２５０
μｍ以下の篩に通すと好ましいのは、これ以上の大きさ
の目開きの篩を使用すると造粒粉体の均一性を保持する
ことが難しいためである。

さらに、造粒粉体の水分添加量が０．５〜５重量％であ
ると好ましいのは０．５重量％未満では造粒粒子間に均
一に水分がいきわたらず水分量の差が起き易くなり、５
重量％を超えると成形時に成形体表面より水かにじみ出
し成形体中の圧力分布が起き易くなるためである。また
、強制乾燥温度が６０〜１００℃であると好ましいのは
、６０℃未満では所定の乾燥状態を達成し難く、１００
℃を超えると噴霧乾燥に用いた助剤の硬化により造粒粉
体の均質な圧壊状態が得難いためである。さらに、噴霧
乾燥に用いる助剤として、ＰＶＡ、　ＰＥＧ、　ＭＣ，
ステアリン酸が好ましいのは、強制乾燥、水分添加によ
り造粒粉体が硬化または崩壊を起しにくいためである。

（実施例） 第１図は本発明の製造方法の一実施例を示すフローチャ
ートである。まず、窒化珪素原料と焼結助剤を混合し、
粉砕した後、粉砕時に用いる玉石の破片などの異物およ
び粗大粒子除去のため好ましくは３２μｍ以下の篩を通
す。次に、造粒して水分量が１重量％前後の造粒粉体を
得た後、従来同様篩通しを行う。その後、得られた造粒
粉体を好ましくは６０〜１００℃の温度で強制乾燥して
造粒粉体の水分量を０．２〜０．５重量％程度バラツキ
の少ない均質な造粒粉体にする。次に１．必要に応じて
０．５〜５．０重量％の水分を造粒粉体に加え水分量が
均一な造粒粉体を得た後、好ましくは２５０μｍ以下の
篩を通して水分添加により凝集した粗大粒子を除去して
造粒粉体を得る。得られた造粒粉体を通常の方法で成形
後、常圧で焼成することにより本発明の緒特性を有する
高強度の常圧焼結窒化珪素焼結体が得られる。

以下、実施例について説明する。

裏上斑上 平均粒径０．５μｍのα型窒化珪素粉末に焼結助剤とし
てＭｇＯ，ＺｒＱ□、　ＹｚＯｓの各粉末をそれぞれ４
重量％、３重量％、６重量％の割合で混合し、それに水
分６０％および直径５〜１０　ｘｘの玉石を入れ、バッ
チ式粉砕機により４時間混合粉砕した。

次に、混合粉砕したスラリーを目開き３２μｍのＪＩＳ
標準篩を通過させた後、これに噴霧乾燥に用いる助剤と
してＰｖ＾２重量％、ステアリン酸０．２重量％を添加
混合し、噴霧乾燥法により平均粒径８０μｍ１含水率１
．０〜０．５重量％の造粒粉体とした。

さらに、恒温乾燥器を用い第１表の強制乾燥温度に示す
温度で２４時間造粒粉体を乾燥および必要に応じた水分
添加を実施した後、第１表の水分添加後の篩目開きに示
すごと＜　ＪＩＳ標準篩を用いて篩分けをし試料番号１
〜８の造粒粉体を得た。この造粒粉体を２．５　ｔｏｎ
　７０ｍ”の圧力で冷間静水圧プレス成形し６０鶴Ｘ６
０鶴×６１ｍの成形体を得た。

その後、温度５００℃で３時間脱脂した後、この成形体
を窒素ガス雰囲気中において温度１７００℃で１時間常
圧焼結を行い、本発明の高強度窒化珪素焼結体（試料番
号１〜８）を得た。また、これとは別に本発明の比較例
として第１表に示す強制乾燥を実施しない製造条件で試
料番号９〜１１の造粒粉体を作製し、同様の条件で成形
および焼成して焼結体を得た。

そして、これらの焼結体の曲げ強度、最大気孔径、気孔
率および焼結体中のβ型窒化珪素結晶の割合を測定して
第１表の測定結果に示した。なお、曲げ強度はＪＩＳ　
Ｒ−１６０１ｒファインセラミックスの曲げ強さ試験方
法」の４点曲げ強度法で測定した。

最大気孔径および気孔率は焼結体の表面を鏡面研摩し光
学顕微鏡を用い４００倍の倍率で測定した。

気孔径はその気孔の最大長さを測定し気孔径とし、さら
に最大気孔径は気孔数を１０００個測定しその中の最大
径を最大気孔径とした。また、気孔率は測定した１００
０個の気孔の面積を実測することにより、全気孔面積を
求めその全気孔面積を測定に要した全視野面積で除した
値である。

第１表から明らかなとおり、本発明の強制乾燥後必要に
応じて水分添加しさらに篩通しを実施した調製原料を用
いた焼結体は、比較例に比べ極めて高強度であり気孔の
少ない優れた焼結体であることが明らかである。

尖狙１ 組成および粉砕後の篩目開きの影響を調べるため、実施
例１と同様の方法で造粒粉体を温度８０℃で２４時間強
制乾燥した後、４重量％の水分添加を行い、さらに目開
き、１４９μｍの篩を通過させ、試料番号１２〜２５の
造粒粉体を得た。この造粒粉体を実施例１と同様に成形
、脱脂をした後、窒素ガス雰囲気中でβ型窒化珪素結晶
の割合が９０％以上となる最適焼成温度（・１６００〜
１８００’Ｃ）をそれぞれ選択して常圧焼結を行い本発
明の高強度窒化珪素焼結体（試料番号１２〜２５）を得
た。結果を第２表に示す。

第２表より、本発明品の中でも、粉砕後３２μｍ以下の
篩を通したもの、調製原料中にＭｇＯを０．５〜１５重
量％含むもの、ＺｒＯ□を０．５〜１３重量％含むもの
およびＹ２Ｏ３を２〜１５重量％含むもの、焼結体中に
β型窒化珪素結晶を９０重量％以上含むものがより好ま
しいことがわかった。

なお、上述した実施例１および実施例２の結果を理解し
易くするため、第２図に本発明によって得られた焼結体
の４点曲げ強度と造粒粉体の強制乾燥温度との関係を、
第３図に焼結体の４点曲げ強度と造粒粉体への水分添加
量との関係を、第４図に焼結体の４点曲げ強度と粉砕後
の篩目開きとの関係をそれぞれ示す。

（発明の効果） 以上詳細に説明したところから明らかなように、本発明
によれば、造粒粉末の強制乾燥、必要に応じた水分添加
および水分添加後の篩分けによる相乗効果により常圧焼
結においても最大気孔径、気孔率が小さく機械的強度の
優れた窒化珪素焼結体を工業的に安価に得ることができ
る。そのため、例えば高温軸受用ヘアリング、エンジン
部品、ガスタービン部品等の用途に利用できるものであ
って、工業的価値の極めて大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造方法の一実施例を示すフローチャ
ート、 第２図は本発明の焼結体の４点曲げ強度と造粒粉体の乾
燥温度との関係を示すグラフ、第３図は本発明の焼結体
の４点曲げ強度と造粒粉体への水分添加量との関係を示
すグラフ、第４図は本発明の焼結体の４点曲げ強度と粉
砕後の篩目開きとの関係を示すグラフ、 第５図は従来の窒化珪素焼結体を製造する例を示すフロ
ーチャートである。 第１図 第２図 ０１１ｊ４　　　　５　　　　ｅ） 水分冷力ｏｔ（重量％） 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、最大気孔径が１０μｍ以下、気孔率０．５％以下で
   かつ室温での４点曲げ強度が１００ｋｇ／ｍｍ＾２以上
   であることを特徴とする高強度常圧焼結窒化珪素焼結体
   。 ２、Ｍｇの化合物をＭｇＯに換算して０．５〜１５重量
   ％含有する特許請求の範囲第１項記載の高強度常圧焼結
   窒化珪素焼結体。 ３、Ｚｒの化合物をＺｒＯ＿２に換算して０．５〜１３
   重量％含有する特許請求の範囲第１項記載の高強度常圧
   焼結窒化珪素焼結体。 ４、Ｙの化合物をＹ＿２Ｏ＿３に換算して２〜１５重量
   ％含有する特許請求の範囲第１項記載の高強度常圧焼結
   窒化珪素焼結体。 ５、窒化珪素の９０重量％以上がβ型窒化珪素結晶から
   なる特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記
   載の高強度常圧焼結窒化珪素焼結体。 ６、窒化珪素原料粉末と所定の焼結助剤を混合、粉砕、
   造粒後、成形、焼成する窒化珪素焼結体の製造方法にお
   いて、 造粒後の粉体を一旦強制的に乾燥した後、 必要に応じて水分を添加しさらに篩通しをすることによ
   り、所定の水分量を有する均一な造粒粉体とすることを
   特徴とする高強度常圧焼結窒化珪素焼結体の製造方法。 ７、前記粉砕後の原料を造粒前に３２μｍ以下の篩を通
   過させる特許請求の範囲第６項記載の製造方法。 ８、前記水分添加量が０．５〜５重量％である特許請求
   の範囲第６項記載の製造方法。 ９、前記強制乾燥後の篩分けが２５０μｍ以下の篩を用
   いて行われる特許請求の範囲第６項記載の製造方法。 １０、前記強制乾燥温度が６０〜１００℃である特許請
   求の範囲第６項記載の製造方法。 １１、前記焼結助剤として０．５〜１５重量％の酸化マ
   グネシウムを含有する特許請求の範囲第６項記載の製造
   方法。 １２、前記焼結助剤として０．５〜１３重量％の酸化ジ
   ルコニウムを含有する特許請求の範囲第６項記載の製造
   方法。 １３、前記焼結助剤として２〜１５重量％の酸化イット
   リウムを含有する特許請求の範囲第６項記載の製造方法
   。 １４、前記造粒が噴霧乾燥によって行われる特許請求の
   範囲第６項記載の製造方法。 １５、前記噴霧乾燥に用いる助剤として、ポリビニルア
   ルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ
   ）、メチルセルロース（ＭＣ）、ステアリン酸のうちの
   少なくとも一種を用いる特許請求の範囲第１４項記載の
   製造方法。