JPS63319269A - サイアロン基焼結体の製造法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、高温高強度、高硬度及び高靭性を有する各種
エンジニアリングセラミックスを製造するために有用な
サイアロン基焼結体に関する。

（従来技術及びその問題点） α−サイアロンは、α型窒化珪素のＳｔ位置に／ｌが、
Ｎ位置に０が置換固溶すると同時に、他の金属元素が侵
入型固溶した物質であり、弐Ｍｘ（Ｓ　ｉ、　Ａｊり　
Ｉ□（０，Ｎ）＋６　ＣＩ）（式中、ＭはＬ　ｔ、Ｍｇ
、Ｃａ、Ｙ、又はＬａ及びＣｅ以外のランタニド系金属
元素を示し、Ｘは０＜ｘ≦２を満足する数である。）で
表される。

このα−サイアロンは、高硬度、低熱膨張率、優れた耐
触性等のエンジニアリングセラミックスとしての特性を
有しているほか、格子間に固溶した各種金属原子の基づ
く電気特性によってエレクトロニクスセラミックスとし
ての特性も期待されている。

しかし、α−サイアロン相単体の焼結体は、結晶形が粒
状であるため、エンジニアリングセラミックスとしての
強度、破壊靭性等の特性が充分ではない。そこで、この
欠点を改良するために、α−サイアロン結晶と、β型窒
化珪素のＳｔ位置にＡｌ１が、Ｎ位置に０が置換固溶し
た 式Ｓ　ｉ　６−２Ａｐ２ｏ□Ｎｌ１−７〔■〕（式中、
２はＯ＜　ｚ≦４．２を満足する数である。

）で表される針状のβ−サイアロン結晶とを複合化させ
ることが考えられる。

特開昭５８−１８５４８４号公報には、α−サイアロン
及びアルミナの混合粉末、又はα−サイアロン、アルミ
ナ及び窒化珪素の混合粉末を焼結して、α−サイアロン
とβ−サイアロンの複合組織からなる焼結体を製造する
方法が開示されている。上記公報の特許請求の範囲には
、α−サイアロンに添加される物質は「少なくとも一種
類のケイ素の窒化物及び／又はアルミナ」であると記載
されている。しかし、同公報の第４ページ左下欄第１２
〜１５行には、「α相置換窒化ケイ素への添加物を上述
では窒化ケイ素及び／又はアルミナと述べたが、必Ｕ元
素つまりケイ素、窒素、アルミニウム及び酸素を与える
他の添加物・・・」と記載されており、同公報に記載の
発明においてはアルミナ又は焼結時にアルミナに転化さ
れ得るアルミナ源の使用が必須であることが容易に理解
される。このことは、同公報のすべての実施例において
アルミナが使用されていることからも窺うことができる
。

（発明の目的） 本発明の目的は、強度及び靭性の高いサイアロン基焼結
体の新規な製造法を提供することである。

（発明の要旨） 本発明によれば、前記式（１）で表されるα−サイアロ
ンを主たる相とし、かつ式（１）で規定される理論酸素
量に対して８重量％以下の過剰酸素を含有するα−サイ
アロン粉末と、窒化珪素粉末との混合粉末を、窒素含有
雰囲気下に、１６００〜１９００°Ｃの範囲の温度で焼
結することを特徴とする、α−サイアロンの粒状結晶、
前記式（ＩＩ）で表されるβ−サイアロンの針状結晶及
び前記金属Ｍを含むガラス相からなるサイアロン基焼結
体の製造法が提供される。

（発明の詳細な説明） 本発明で使用されるα−サイアロン粉末は、式（１）で
表されるα−サイアロンを主たる相とする粉末であれば
いかなる粉末でも良いが、本出願人が先に提案した特願
昭６１−６０６４０号の発明に従って調製した粉末が好
適である。この提案の方法は、 （ａ）非晶質窒化珪素粉末、 （ｂ）金属アルミニウム又は窒化アルミニウム、（Ｃ）
α−サイアロンの格子間に侵入型固溶する金属の酸化物
を生成する金属塩類、及び必要に応じて、 （ｄ）アルミニウム又は珪素の酸素含有化合物を所望の
α−サイアロン組成になるように混合し、混合物を窒素
含有雰囲気下で１３００〜１９００°Ｃの範囲の温度に
加熱することにより、α−サイアロン粉末を製造する方
法である。この方法で得られるα−サイアロン粉末は、
−次粒子の大きさが０．２〜２μｍの微細かつ均一粒度
の粉末であって、遊離炭素及び金属不純物を殆ど含有し
ないので、気孔及び以上粒成長のない焼結体を与えるこ
とができる。

α−サイアロン粉末の焼結性を高めると同時に高強度の
サイアロン基焼結体を得るためには、焼結原料のα−サ
イアロン粉末が式（Ｉ〕で規定される理論酸素量に対し
て８重量％以下の過剰酸素を含有していることが必要で
ある。

α−サイアロン粉末に過剰の酸素を含有させる方法とし
ては、例えば、α−サイアロン粉末の調製段階で非晶質
窒化珪素に珪素又はアルミニウムの酸素含有化合物を過
剰量添加する方法、α−サイアロン粉末を酸素含有雰囲
気中で加熱する方法が採用される。後者の一例としては
、α−サイアロン粉末を酸素含有雰囲気中で８００〜１
２００°Ｃの範囲の温度に加熱して、理論量より過剰の
酸素をα−サイアロン粉末に含有させる方法が挙げられ
る。加熱時間は通常０．５〜５時間である。この処理は
、例えばα−サイアロン粉末を保持板上に薄く乗せて酸
素含有雰囲気中に放置する方法、α−サイアロン粉末を
酸素含有雰囲気中で流動化させる方法によって行うこと
ができる。

過剰酸素量は８重量％以下、好ましくは１〜６．５重量
％、特に好ましくは２〜４重量％である。

過剰酸素量が過度に多いと焼結体中に融点の低い相が多
く残留し、高温での機械特性が損なわれるようになる。

本発明で使用される窒化珪素粉末は、焼結性の面で１μ
ｍ以下の粒径を有していることが好ましく、さらに得ら
れる焼結体の高温での強度、耐触性、耐酸化性を損なう
不純物の含有量が１重量％以下であることが好ましい。

α−サイアロン粉末と窒化珪素粉末との混合物中の窒化
珪素粉末の配合割合は８０重量％以下、好ましくは３０
〜７５重量％、さらに好ましくは４０〜６５重量％であ
る。上記範囲内において窒化珪素粉末の配合割合を高め
るに従って生成サイアロン基焼結体中のβ−サイアロン
相の割合が増大する。窒化珪素粉末の配合割合が８０重
量％を超えると、混合物の焼結性が低下し焼結体の緻密
化が進行しなくなる。

α−サイアロン粉末と窒化珪素粉末との混合方法につい
ては特に制限はなく、それ自体公知の方法、例えば、両
者を乾式混合する方法、不活性液体中で両者を湿式混合
おしだ後不活性液体を除去する方法等を適宜採用するこ
とができる。混合装置としてはＶ型混合機、ボールミル
等が便利に使用される。

混合粉末の加熱焼結はそれ自体公知の方法に従って行う
ことができる。例えば、混合粉末をそのまま乾式あるい
は湿式で所定の形状に成形し、湿式で成形した場合は乾
燥処理を行った後に、常圧又は加圧下に窒素含有ガス雰
囲気下で焼結する方法、原料粉末を所定の形状のダイス
に充填し、ホットプレスする方法等を採用することがで
きる。

また上記方法で得られた焼結体をさらに熱間静水圧プレ
スすることにより、焼結体の物理的特性を一層高めるこ
ともできる。

常圧又は加圧焼結に先立つ混合粉末の成形は公知の一方
法、例えばラバープレス法、−軸成形法、鋳込成形法、
射出成形法、爆発圧縮成形法等によって行うことができ
る。

焼結温度は通常１６００〜１９００″Ｃであり、焼結時
間は通常０．５〜１０時間である。焼結温度が過度に低
いと焼結が進行せず、また焼結温度が過度に高いと焼結
体に熱分解による組成変化が生しるようになる。

本発明によって得られるサイアロン基焼結体中には、α
−サイアロンと窒化珪素との反応によって生成すると考
えられる、β−サイアロン相の針状結晶及び式（Ｉ）に
おける金属Ｍを含むガラス相が、原料のα−サイアロン
の組成より式（Ｉ）のＸが若干低いα−サイアロン相と
共に存在する。

この様子を第１図及び第２図に示す。第１図及び第２図
かられかるように、β−サイアロン相の針状結晶がα−
サイアロン相の粒状結晶の間に一体となって分散されて
いる。この結果、得られるサイアロン基焼結体の強度、
破壊靭性等の機械的特性が向上するもとの考えられる。

サイアロン基焼結体のガラス相の含有割合は通常１〜２
０重量％、好ましくは３〜１０重量％である。

（発明の効果） 本発明で得られるサイアロン基焼結体は、従来のサイア
ロン基焼結体に比較して、高温強度、破壊靭性等の機械
的特性が向上しているので、信頼性の高い構造材料、特
に切削チップ、ロール、ダイス、ノズル等の耐摩耗、耐
熱材料として好適に使用することができる。

（実施例） 以下に実施例及び比較例を示す。

実施例１〜５及び比較例１ 非晶質窒化珪素粉末４７９．２　ｇ、Ｙ２ｏ３粉末５９
、４　ｇ及び金属ＡＩ！、粉末６３ｇを窒素ガス雰囲気
下に振動ミルで１時間混合した。混合粉末をカーボン製
ルツボに充填して抵抗加熱式高温炉にセットし、窒素ガ
ス雰囲気下、室温から１２００　℃迄を１時間、１２０
０°Ｃから１４００°Ｃ迄を４時間、さらに１４００°
Ｃから１６００°Ｃ迄を２時間の昇温スケジュールで加
熱することにより結晶化させ、Ｙ系α−サイアロン粉末
を得た。得られたα−サイアロン粉末の特性を以下に示
す。

理論組成　Ｙｏ、　、ｓｉｑ、　７５４１２．２５００
．７５ＮＩ　Ｓ、　ｚｓ比表面積　２．５ボ／ｇ 粒　　形　等軸結晶 生成相　　α相５９０％ 生成物組成（ｗｔχ） Ｙニア、２　　Ｓｉ：４４．２　　Ａ１：９．８　０：
４．９　　Ｎ：３３．９過剰酸素量　２．９重量％ 上記α−サイアロン粉末及び窒化珪素粉末（平均径：０
．５μｍ、比表面積：１１ボ／ｇ）を第１表に示す割合
で、媒体としてエタノールを用い４８時間湿式ミリング
した後、８０°Ｃで真空乾燥した。得られた粉末４０ｇ
を８０Ｘ４４ｍｍの金型を使用して１５０　ｋｇ／ｃ＋
ｆｆの圧力で一軸プレスした後、１５００　ｋｇ／ｃ＋
ｆｌの圧力でラバープレスして成形体を得た。この成形
体を黒鉛ルツボに入れ、高周波誘導炉にセットし、窒素
ガス雰囲気下に１７５０°Ｃで４時間保持した。

得られたサイアロン基焼結体の特性を第１表に示す。実
施例４で得られたサイアロン基焼結体の透過型電子顕微
鏡写真を第１図に示し、第１図中の←−１及び←２で示
した部分のＸ線マイクロアナライザーによる元素分析結
果を、それぞれ、第２図のａ及びｂに示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例４で得られたサイアロン基焼結体の粒子
構造を示す図であり、第２図ａ及びｂは、第１図中の←
１及び←２で示した部分のＸ線マイクロアナライザーに
よる元素分析結果を示す図である。 第１表 ＳＮ：窒イ［Ｊ至シン讐 特許出廓人　宇部興産株式会社 第１図 第２図 （ｃＬ）（Ｉ））

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 式Ｍ＿ｘ（Ｓｉ、Ａｌ）＿１＿２（Ｏ、Ｎ）＿１＿６（
   式中、ＭはＬｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ、又はＬａ及びＣｅ以
   外のランタニド系金属元素を示し、ｘは０＜ｘ≦２を満
   足する数である。）で表されるα−サイアロンを主たる
   相とし、かつ上記式で規定される理論酸素量に対して８
   重量％以下の過剰酸素を含有するα−サイアロン粉末と
   、窒化珪素粉末との混合粉末を、窒素含有雰囲気下に、
   １６００〜１９００℃の範囲の温度で焼結することを特
   徴とする、上記α−サイアロンの粒状結晶、式Ｓｉ＿６
   ＿−＿ｚＡｌ＿ｚＯ＿２Ｎ＿８＿−＿ｚ（式中、ｚは０
   ＜ｚ≦４．２を満足する数である。 ）で表されるβ−サイアロンの針状結晶及び上記金属Ｍ
   を含むガラス相からなるサイアロン基焼結体の製造法。