JPS6335594B2 - - Google Patents
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Description
この発明はSi−Al−O−N型材料に関し、さ
らに詳述すると金属加工において使用される切削
インサートの製造に有用な二重相Si−Al−O−
N材料に係るものである。 シリコン窒化物材料にアルミニウムおよび酸素
原子を添加することによつて生成された比較的に
新しいSi−Al−O−N材料を記載する多数の論
文や特許がある。 最近、これらの材料は金属加工工業への道を見
出しかつ鋳鉄および他の類似物の加工の可能性を
与えた。 さらに詳述すると、米国特許第4127416号に従
つて作られたSi−Al−O−N型材料はある種の
金属加工において有用であることが実証された。
上記米国特許によつて作られる型の材料は、ほぼ
10−20%のガラス質相が存在するところの主要素
をなす単相β−Si−Al−O−N材料として製造
される。 この材料は本質的には該特許に記載されている
ように作られ、その方法の初段階としてポリタイ
プ材料の形成を含むものである。ポリタイプ材料
はついで制御された量のシリコン窒化物およびイ
ツトリウム、リチウムまたはカルシウムの酸化物
と反応させられて少なくとも80%、好適には95%
が単相β型Si−Al−O−Nであるセラミツクを
形成する。 このような材料は、生成されたとき、後記実施
例で記載される手順を使用して100000−
110000psiの範囲内の曲げ破断強度および100g荷
重において1450−1800Kg/mm2の範囲内スープ硬度
を有する。 本発明に従つて、切削インサート材料として特
に有用な、二重相Si−Al−O−N材料が生成さ
れる。この二重相はαおよびβ相Si−Al−O−
Nから構成される。 混合物中のアルミナの量の制御ならびに摩砕用
中性媒体は、αおよびβ型Si−Al−O−N相が
出現するように最終材料の組成の制御を可能にす
ることが発見された。アルミナの量が小さくなる
とα相Si−Al−O−Nの量が大きくなる。他の
出発成分の制御もまた同一効果を生じ、例えば、
より少ないシリカ、より多いアルミニウム窒化
物、より多いポリタイプ、より多いイツトリウム
はすべて最終製品中により多いα−Si−Al−O
−Nを生成する。好適には、α相Si−Al−O−
Nは10−70重量%の範囲内にあり、組成物中のβ
相Si−Al−O−Nは20−90重量%の範囲内にあ
る。O−10重量%の範囲内のガラス質相もまた存
在する。 組成物中の付加α−Si−Al−O−Nは材料の
曲げ破断強度にあまり影響を及ぼすことなく硬度
を増大させる。 イツトリウムの化合物は上記製品の製造におい
て焼結助剤として使用されるが、同様の結果はス
カンジウム、セリウム、ランタンおよびランタン
系列の元素の酸化物でも得られることが認められ
るべきである。 好適焼結助剤としてのイツトリウムの使用はガ
ラス質相から主としてなる粒間成分を生じるが、
これはまた他の相も含みうる。他の相としては、
式Y3Al5O12を有する立方晶相であるところの
YAG(イツトリウム アルミニウム ガーネツ
ト)、式YSiO2Nの単斜晶相であるところのY−
N−α珪灰石、式Y4Al2O9の単斜晶相であるとこ
ろのYAM、YAMと同型構造を有しかつそれと
完全固溶体を形成する、式Y4Si2O7N2の単斜晶相
であるところのN−YAMがある。 本発明の本質は添付図面と関連する以下の詳細
な説明を参照することによつてさらに明瞭になる
であろう。 この発明は二重相セラミツク製品および前記製
品を製造する方法に関するものであり、この方法
では、元素シリコン、アルミニウム、酸素および
窒素を含有する化合物からなる第一の成分から本
質的になる粉末混合物を形成し、元素の割合はシ
リコンおよびアルミニウム原子の総数と酸素およ
び窒素原素の総数との比が0.735〜0.77の範囲に
あるようにされかつ前記化合物が後続の焼結工程
中第二の成分と共に反応して二重相セラミツク材
料を生成し、第一の相は一般式Si6-ZAlZOZN6-Zに
従い、式中Zは0.38〜1.5であり、第二の相は六
方晶相でありかつ一般式(Si、Al)12MX(O、N)
16に従い、式中Mはリチウム、カルシウムまたは
イツトリウム、あるいはランタン系列の任意のも
のであり、Xは0.1〜0.2である。第二の成分は第
一および第二の成分の全重量を基準にして0.1〜
10%を構成し、第二の成分はさらに元素イツトリ
ウム、スカンジウム、セリウム、ランタン、およ
びランタン系列の金属の少なくとも1つの酸化物
である。前記混合物はついで保護環境中で、圧力
を加えまたは加えないで、1600〜2000℃の温度
で、少なくとも10分〜少なくとも5時間の、温度
の増加と共に減少する、時間焼結され、これによ
り少なくとも9体積%の前記二重相セラミツク材
料を含有するセラミツク材料を生成し、前記第二
の相は前記第二の成分の一部を含有する。 前述した方法において、第一の成分の化合物は
化合物中の全シリコンおよびアルミニウム原子の
和を全酸素および窒素原子の和で割つたものが
0.735〜0.77、好適には0.745〜0.76になるように
配合される。二成分混合物はついで保護環境、好
適には非酸化性環境さらに好適には還元性環境中
で、1600〜2000℃の温度で、少なくとも90体積%
の上記式のシリコンアルミニウム酸窒化物を生成
するのに十分な時間焼結される。所要焼結時間は
温度の増加と共に減少し、2000℃の焼結温度の場
合には最少時間はわか10分であるが、1600℃の温
度の場合には少なくとも5時間の焼結時間が要求
される。 原混合物の第一の成分を形成する化合物は便利
にはシリコン窒化物、アルミニウム窒化物、アル
ミナおよびシリカであり、シリカおよびアルミニ
ウム窒化物上に固有不純物として存在する。 あるいは、第一の成分はシリコン窒化物および
一般式Si6-ZAlZOZN6-Zに従わないシリコンアルミ
ニウム酸窒化物を含有するセラミツク中間物によ
つて規定されてもよい。このような材料はポリタ
イプと称されかつ前記米国特許第4127416号に記
載されている。実施例7−17は前記米国特許に規
定された21R型ポリタイプを利用するものであ
る。 好適には、セラミツク中間物のシリコンアルミ
ニウム酸窒化物は斜方六面体構造を有しかつ近似
式SiAl6O2N6に従う、さらにセラミツク中間物は
好適にはアルミナ、アルミニウムおよびシリコン
の粉末混合物を窒化雰囲気中で1200〜1400℃の温
度に加熱することによつて形成され、加熱速度は
発熱を実質的に防止するように制御され、ついで
1500〜1900℃の温度で窒化混合物を焼結する。 あるいは、中間物はアルミナ、アルミニウム窒
化物およびシリコン窒化物の粉末混合物を1200〜
2000℃の温度で保護環境、好適には非酸性環境、
さらに好適には還元性環境中で加熱することによ
つて形成される。 上述した方法において、混合物中に存在する化
合物の相対量は調整され、これにより一般式
Si6-ZAlZOZN6-Zに従う第一の相および一般式
(Si、Al)12MX(O、N)16に従う第二の相を有す
る二重相セラミツクを生成する。上式中Zは0.38
〜1.5であり、その理由は、これらの限界内Z値
を待つことは焼結が圧力を加えないで行なわれた
ときでも高い強度をする一貫製品を生成すること
が見出されているからである。一方、Z値が0.38
よりも低くなつた場合には、材料は圧力を加えな
いで焼結すること困難により、Z値が1.5よりも
高くなつた場合には製品の強度が劣化する。 さらに、第一の成分中の化合物の相対量は
0.735〜0.77の前記原子比を与えるように調整さ
れる。すなわち、その比が0.735よりも低くなる
と、混合物は酸素が多くなりすべることが見出さ
れている。これは焼結中過量のガラスを生成する
ことになり、これは製品の高温強度特性に悪影響
を及ぼすだけでなく、また低温強度特性にも悪影
響を及ぼすことが見出されている。さらに、ガラ
スは以下に詳述する熱処理工程で除去できないこ
とが見出されている。これに対し、前記原子比が
0.77を超過する場合には、製品の強化を達成する
ために必要なガラスを形成するのには不十分な酸
素が存在することが見出されている。 出発混合物の第二の成分に対する0.1〜10重量
%の許容範囲はやはりそれが焼結製品中に満足な
酸素含量を与えることに基づいて選択されてい
る。第二の成分に選択された元素は、セリウム、
イツトリウム、スカンジウム、ランタンまたはラ
ンタン系列の1つである。すなわち、これらは高
度に耐火性の酸化物を持ち、これらの酸化物は存
在するシリカおよびアルミナと共に高融点ガラス
を生成し、したがつてその製品は低融点ガラスの
場合よりも高い温度で使用されうる。 第二の成分もまた第一の成分のα−Si−Al−
O−N相の形成のために必要である。すなわち定
義により、α−Si−Al−O−Nはイツトリウム
またはランタン系列の1つを含有する。第二の成
分に選択された元素のうちで、イツトリウムは好
適である。すなわち、焼結混合物中のイツトリア
の存在は圧力を加えなくても高強度の製品を生じ
ることが見出されている。 上述した方法を遂行することにより、少なくと
も90体積%の二重相シリコンアルミニウム酸窒化
物が形成され、これと共に主としてガラス質相か
らなるが、またおそらくYAG、YAM、N−
YAMおよびY−N−α−珪灰石のような他の相
を含有する粒間成分が形成される。ガラスの存在
は焼結中製品の強化を助長するが、最終成分の高
温特性の低下を生じる傾向がある。しかしなが
ら、焼結製品中のガラス相の量は製品を最終熱処
理工程にかけることによつて低減されうることが
見出された。この最終熱処理工程では、製品の温
度をガラスの融点の200℃以内の温度(すなわち、
イツトリウムガラスの場合には約1400℃)に上昇
させ、ついで製品を冷却してガラスの少なくとも
一部をYAG、YAM、N−YAMおよびY−N−
α−珪灰石のような他の相を含有する粒間成分に
結晶させる。 実施例 この発明に使用され出発材料は以下に列挙され
た通りであるが、前記米国特許第4127416号に示
された出発材料、またはSi−Al−O−N材料の
製造のための既知条件を満たす他の既知材料の任
意のものであつてもよい。 シリコン(ElkemMetals) Fe<1.0% C0.1−0.4%典型的 Ca<0.07%典型的 Al<0.53% −200メツシユ粉度 イツトリウム(Molycorp、Uuion76のデイビジ
ヨン) 99.99%純度 −325メツシユ粒度 アルミニウム(Alcan Aluminum Corpration) 99.3%純度 16ミクロン平均粒度 アルミナ(Reynolds) R−172DBM 99.7%Al2O3 0.04%Na2O 0.07%SiO2 0.03%Fe2O3 粒度<1ミクロン アルミナ(Alcoa) A−16SG 99.5%Al2O3 0.05−0.09%Na2O 0.02−0.04%SiO2 0.01−0.02%Fe2O3 粒度<1ミクロン 第2表において、パーセントα−Si−Al−O
−Nおよびβ−Si−Al−O−Nは初めから100パ
ーセントを基準としたものであつた。それは他の
結晶質相が存在せずかつX線回折によつて定量で
きない10パーセントガラスを無視したからであ
る。このパーセンテージは10パーセントガラスを
含むように変更され、したがつて、α−Si−Al
−O−Nおよびβ−Si−Al−O−Nのパーセン
テージは合計90パーセントであり、このパーセン
テージは第2表(続き)に示されている。 実施例 1 92重量部のシリコン窒化物粉末(約4重量%の
表面シリカ含有)と、5重量部のアルミニウム窒
化物(約6重量%の表面アルミナ含有)と、5重
量部のアルミナと、7重量部のイツトリウム酸化
物からなる組成物がイソプロパノール中でSi−
Al−O−N媒体を使用して96時間摩砕されて0.96
ミクロンの平均粒度のものにされた。乾燥後、こ
の粉末は50メツシユふるいを通してふるい分けさ
れかつ30000psiの圧力で均衡圧縮された。 生材料の断片が均衡圧縮スラグから切り取られ
かつ国鉛るつぼ内の50/50重量割合のボロン窒化
物とシリコン窒化物の粉末混合物に埋め込まれ
た。るつぼは黒鉛エレメント抵抗加熱炉中に置か
れ、真空中で500℃に加熱され、ついで1気圧の
窒素中で1830℃に加熱され、この温度に40分間保
持された。冷却後焼結材料の0.2×0.2×0.8インチ
の棒が600粒度の研摩車を使用して研摩され、ダ
イチエツク後、0.56インチの外スパンを有する3
点ベンドで破断された。破断片は密度および硬度
測定ならびにX線回折による相決定のために使用
された。材料の特性は第1表に示されている。 実施例 2 実施例1と同様であるが、焼結は1830℃で60分
間行なわれた。 実施例 3 92重量部のシリコン窒化物粉末(約4重量%の
表面シリカ含有)と、5重量部のアルミニウム窒
化物(約6重量%の表面アルミナ含有)と、3重
量部のアルミナと、7重量部のイツトリウム酸化
物とからなる組成物がイソプロパノール中でアル
ミナ研摩媒体を使用して48時間摩砕された。この
ような媒体からの摩損は1.9重量部に上り、これ
は総合組成に合体した。 摩砕粉末の平均粒度は、1.49ミクロンであつ
た。粉末は実施例1と同様に処理されたが、焼結
は1780℃で40分間および1830℃で15分間行なわれ
た。特性は第1表に示されている。 実施例 4 92重量部のシリコン窒化物粉末(約4重量%の
表面シリカ含有)と、8重量部のアルミニウム窒
化物(約6重量%の表面アルミナ含有)と、7重
量部のイツトリウム酸化物とからなる組成物がイ
ソプロパノール中で高密度Si−Al−O−N媒体
を使用して168時間摩砕されて0.63ミクロンの平
均粒度のものにされた。その後の処理は実施例1
と同様であつた。 実施例 5 実施例4と同様の材料が静止窒素雰囲気中で
1400℃の温度で5時間熱処理された。その結果は
第1表に示されている。 実施例 6 92重量部のシリコン窒化物粉末(約4重量%の
表面シリカ含有)と、8重量部のアルミニウム窒
化物(6重量%の表面アルミナ含有)と、5重量
部のイツトリウム酸化物とからなる組成物がイソ
プロパノール中でアルミナ研摩媒体を使用して48
時間摩砕された。 この媒体からの摩損は2.0重量部に上り、これ
は総合組成に合体された。摩砕粉末の平均粒度は
1.47ミクロンであつた。ついで実施例1と同様に
処理されたが、焼結は1850℃で60分間行なわれ
た。その結果は第1表に示されている。 ポリタイプの実施例 実施例 7 86.9重量%のシリコン窒化物と、6.59重量%の
21Rポリタイプと、6.54重量%のイツトリアとか
らなる粉末混合物が構成された。粉末混合物はつ
いで媒体としてSi−Al−O−Nサイクロイドを
使用して2日間摩砕され、得られた平均粒径は
1.07ミクロンでありかつ90%は2.21ミクロンより
も小さかつた。この粉末はついで30000psiの圧力
で冷間均衡圧縮され、生スラグはついで先行実施
例と同一条件の下で1830℃で50分間焼結された。 焼結材料はついで分析され、その特性は第2表
に示されている。 実施例 8 粉末は実施例7に記載されたように処理された
が、出発粉末混合物は81.3重量%のシリコン窒化
物と、12.1重量%の21Rポリタイプと、6.54重量
%のイツトリウムとからなるものであつた。焼結
材料は分析され、その特性は第2表に示されてい
る。 実施例 9 この粉末の処理は実施例7、8のものと同一で
あつたが、ボール摩砕媒体はアルミサイクロイド
であつた。原粉末は86.9重量%のシリコン窒化物
と、6.54重量%の21Rポリタイプと、6.54重量%
のイツトリウムとからなるものであつた。粉末は
0.91ミクロンの平均粒径に摩砕され、その90%は
1.72ミクロンよりも小さかつた。粉末混合物はア
ルミナサイクロイドからの追加の3.55重量%の摩
擦ピツクアツプを持つことが見出された。 混合物はついで1780℃で40分間および1830℃で
25分間焼結された。焼結材料は分析され、その特
性は第2表に示されている。 実施例 10 82.2重量%のシリコン窒化物と、11.2重量%の
21Rポリタイプと、6.54重量%のイツトリアと、
ボール摩砕中のアルミナサイクロイドの摩損から
追加の3.57重量%のアルミナとからなる粉末混合
物が処理された。平均粒径は0.93ミクロンであ
り、90%は1.77ミクロンよりも小さかつた。この
組成物は実施例9のものと同様に焼結された。焼
結材料は分析され、その特性は第2表に示されて
いる。 実施例 11 85重量%のシリコン窒化物と、8.4重量%の
21Rポリタイプと、6.54重量%のイツトリアと、
直接添加の2.51重量%のアルミナおよび0.1重量
%のシリカとからなる粉末混合物が処理された。
混合物はSi−Al−O−N媒体を使用して1.0ミク
ロンの平均粒径に摩砕された。焼結材料は分析さ
れ、その特性は第2表に示されている。 実施例 12 83重量部のSi3N4(表面層として1.0重量%Oを
含有)と、17重量部の21Rポリタイプと、7重量
部のイツトリアと、3重量部のアルミナとからな
る組成物がイソプロパノール中でSi−Al−O−
N媒体を使用して72時間摩砕されて0.71ミクロン
の平均粒度のものにされた。乾燥後、粉末は50メ
ツシユふるいを通してふるい分けされかつ
30000psiの圧力で均衡圧縮された。生材料の断片
が均衡圧縮スラグから切り取られかつ黒鉛るつぼ
内の25/75重量割合のシリコン窒化物とボロン窒
化物の粉末混合物に埋め込まれた。るつぼは黒鉛
エレメント抵抗加熱炉内に置かれ、真空下で900
℃に加熱され、ついで1気圧窒素中で1780℃に40
分間加熱され、ついで1830℃で25分間加熱され、
ついでほぼ30分間で1000℃に冷却された。その特
性は第2表に示されている。 実施例 13 77重量部のシリコン窒化物(表面層として
21.09%O含有)と、23重量部の21Rポリタイプ
と、7重量部のイツトリアと、3重量部のアルミ
ナとからなる組成物が実施例12と同一に処理され
た。摩砕粉末の平均粒度は0.84ミクロンであつ
た。その特性は第2表に示されている。 実施例 14 75重量部のシリコン窒化物(表面層として1.09
重量%O含有)と、25重量部の21Rポリタイプ
と、7重量部のイツトリアと、3重量部のアルミ
ナとからなる組成物が実施例12と同一に処理され
た。摩砕粉末の平均粒度は0.92ミクロンであつ
た。その特性は第2表に示されている。 実施例 15 75重量部のシリコン窒化物(表面層として0.77
重量%O含有)と、25重量部の21Rポリタイプ
と、7重量部のイツトリアと、9重量部のアルミ
ニウム酸化物とからなる組成物が実施例12と同一
に処理された。摩砕粉末の平均粒度は0.82ミクロ
ンであつた。 その特性は第2表に示されている。 実施例 16 85重量%のシリコン窒化物と、15重量部の21R
ポリタイプと、7重量部のイツトリアと、1.0重
量部のアルミナとからなる組成物が実施例12と同
一に処理された。摩砕粉末の平均粒度は0.95ミク
ロンであつた。その特性は第2表に示されてい
る。 実施例 17 85重量部のシリコン窒化物と、15重量部のポリ
タイプと、7重量部のイツトリアと、8重量部の
アルミナとからなる組成物が実施例12と同一に処
理された。摩砕粉末の平均粒度は1.09ミクロンで
あつた。その特性は第2表に示されている。 上記各実施例で生成された複合材料は切削イン
サートとして使用されたときすぐれた金属切削結
果を示した。すぐれた結果は鋳鉄およびニツケル
基合金を機械加工するときに得られた。初めの11
の実施例に関して表に報告された試験結果は、
Lucas Industriesの米国特許第4127416号に記載
された方法および上記実施例1で特定された寸法
で決定された、材料の曲げ破断強度を報告した。 その後に、材料の破断靭性が曲げ破断強度より
もはるかによく材料の金属切削能力を示すもので
あることが決断された。新実施例12−17では、こ
れらの値が曲げ破断強度の代りに報告されてい
る。 破断靭性試験では18Kg荷重によるビツカースダ
イヤモンド圧が使用された。破断靭性は圧こんお
よび関連クラツクの寸法ならびに荷重および
Journal of the American Ceramic Society
Vol59(1976)p・371に記載された方法を使用す
る305GPaのヤング率値から計算された。 実施例10、12、13、14はポリタイプの増加と共
にパーセントα−Si−Al−O−Nが増加するこ
とを示している。実施例16、17、14、15はアルミ
ナ含量と共にα−Si−Al−O−N含量および硬
度が減小することを示している。 本発明はさらに第1図に関連して規定される。
Lucas Industriesの米国特許第4127416号および
第4113503号を参照すると、Si−Al−O−N状態
図が示されている。 Lucasによつて請求された長方形組成区域は添
付図面に大要が示されている。境界線は0.38およ
び1.5のZ値に設定され、Zはβ−Si−Al−O−
Nの式Si6-zAlzOzN6-zに見出されるものである。
上部および下部境界線は0.735および0.770カチオ
ン対アニオン比(c/a)である。Lucasはc/
a比をモルシリコンプラスモルアルミニウム量を
モル酸素量で割つたものと定義した。イツトリア
の寄与は含まれなかつた。上限c/a比を超える
とガラスが多くなりすぎ、これは単相β−Si−
Al−O−Nの特性にとつて有害である。単相β
−Si−Al−O−Nの焼結は0.770よりも高い比で
は困難である。 Lucas区域とオーバラツプする組成区域が明確
な差異をもつて画定された。Z=0.38およびZ=
1.5に設定された境界線はLucasと共通であるが、
上部および下部境界線は2相セラミツク、α−Si
−Al−O−Nプラスβ−Si−Al−O−Nの存在
に基づいたものである。c/a比はモルシリコン
プラスモルアルミニウムプラスモルイツトリウム
量をモル酸素プラスモル窒素量で割つたものと定
義されている。 イツトリアはc/a比に含まれており、イツト
リウムはα−Si−Al−O−Nの一体部分である
からそれは適切である。 第二に、Lucasによつて計算された当量は
Y2O3を除外した、Si、Al、O、Nのみを考慮し
ている。本発明の組成物はイツトリアを入れた計
算された当量を有し、その結果として状態図上の
基平面よりもやや高い所に組成点を生じている。
この組成点はついで基平面上へ投影され、シリコ
ンおよびアルミニウムに対する有効当量を生じて
いる。酸素および窒素は影響を及ぼさない。有効
当量は第1図にプロツトされている。下記の表は
実施例9に対するLucasと本発明の方法との間の
差異を示している。
らに詳述すると金属加工において使用される切削
インサートの製造に有用な二重相Si−Al−O−
N材料に係るものである。 シリコン窒化物材料にアルミニウムおよび酸素
原子を添加することによつて生成された比較的に
新しいSi−Al−O−N材料を記載する多数の論
文や特許がある。 最近、これらの材料は金属加工工業への道を見
出しかつ鋳鉄および他の類似物の加工の可能性を
与えた。 さらに詳述すると、米国特許第4127416号に従
つて作られたSi−Al−O−N型材料はある種の
金属加工において有用であることが実証された。
上記米国特許によつて作られる型の材料は、ほぼ
10−20%のガラス質相が存在するところの主要素
をなす単相β−Si−Al−O−N材料として製造
される。 この材料は本質的には該特許に記載されている
ように作られ、その方法の初段階としてポリタイ
プ材料の形成を含むものである。ポリタイプ材料
はついで制御された量のシリコン窒化物およびイ
ツトリウム、リチウムまたはカルシウムの酸化物
と反応させられて少なくとも80%、好適には95%
が単相β型Si−Al−O−Nであるセラミツクを
形成する。 このような材料は、生成されたとき、後記実施
例で記載される手順を使用して100000−
110000psiの範囲内の曲げ破断強度および100g荷
重において1450−1800Kg/mm2の範囲内スープ硬度
を有する。 本発明に従つて、切削インサート材料として特
に有用な、二重相Si−Al−O−N材料が生成さ
れる。この二重相はαおよびβ相Si−Al−O−
Nから構成される。 混合物中のアルミナの量の制御ならびに摩砕用
中性媒体は、αおよびβ型Si−Al−O−N相が
出現するように最終材料の組成の制御を可能にす
ることが発見された。アルミナの量が小さくなる
とα相Si−Al−O−Nの量が大きくなる。他の
出発成分の制御もまた同一効果を生じ、例えば、
より少ないシリカ、より多いアルミニウム窒化
物、より多いポリタイプ、より多いイツトリウム
はすべて最終製品中により多いα−Si−Al−O
−Nを生成する。好適には、α相Si−Al−O−
Nは10−70重量%の範囲内にあり、組成物中のβ
相Si−Al−O−Nは20−90重量%の範囲内にあ
る。O−10重量%の範囲内のガラス質相もまた存
在する。 組成物中の付加α−Si−Al−O−Nは材料の
曲げ破断強度にあまり影響を及ぼすことなく硬度
を増大させる。 イツトリウムの化合物は上記製品の製造におい
て焼結助剤として使用されるが、同様の結果はス
カンジウム、セリウム、ランタンおよびランタン
系列の元素の酸化物でも得られることが認められ
るべきである。 好適焼結助剤としてのイツトリウムの使用はガ
ラス質相から主としてなる粒間成分を生じるが、
これはまた他の相も含みうる。他の相としては、
式Y3Al5O12を有する立方晶相であるところの
YAG(イツトリウム アルミニウム ガーネツ
ト)、式YSiO2Nの単斜晶相であるところのY−
N−α珪灰石、式Y4Al2O9の単斜晶相であるとこ
ろのYAM、YAMと同型構造を有しかつそれと
完全固溶体を形成する、式Y4Si2O7N2の単斜晶相
であるところのN−YAMがある。 本発明の本質は添付図面と関連する以下の詳細
な説明を参照することによつてさらに明瞭になる
であろう。 この発明は二重相セラミツク製品および前記製
品を製造する方法に関するものであり、この方法
では、元素シリコン、アルミニウム、酸素および
窒素を含有する化合物からなる第一の成分から本
質的になる粉末混合物を形成し、元素の割合はシ
リコンおよびアルミニウム原子の総数と酸素およ
び窒素原素の総数との比が0.735〜0.77の範囲に
あるようにされかつ前記化合物が後続の焼結工程
中第二の成分と共に反応して二重相セラミツク材
料を生成し、第一の相は一般式Si6-ZAlZOZN6-Zに
従い、式中Zは0.38〜1.5であり、第二の相は六
方晶相でありかつ一般式(Si、Al)12MX(O、N)
16に従い、式中Mはリチウム、カルシウムまたは
イツトリウム、あるいはランタン系列の任意のも
のであり、Xは0.1〜0.2である。第二の成分は第
一および第二の成分の全重量を基準にして0.1〜
10%を構成し、第二の成分はさらに元素イツトリ
ウム、スカンジウム、セリウム、ランタン、およ
びランタン系列の金属の少なくとも1つの酸化物
である。前記混合物はついで保護環境中で、圧力
を加えまたは加えないで、1600〜2000℃の温度
で、少なくとも10分〜少なくとも5時間の、温度
の増加と共に減少する、時間焼結され、これによ
り少なくとも9体積%の前記二重相セラミツク材
料を含有するセラミツク材料を生成し、前記第二
の相は前記第二の成分の一部を含有する。 前述した方法において、第一の成分の化合物は
化合物中の全シリコンおよびアルミニウム原子の
和を全酸素および窒素原子の和で割つたものが
0.735〜0.77、好適には0.745〜0.76になるように
配合される。二成分混合物はついで保護環境、好
適には非酸化性環境さらに好適には還元性環境中
で、1600〜2000℃の温度で、少なくとも90体積%
の上記式のシリコンアルミニウム酸窒化物を生成
するのに十分な時間焼結される。所要焼結時間は
温度の増加と共に減少し、2000℃の焼結温度の場
合には最少時間はわか10分であるが、1600℃の温
度の場合には少なくとも5時間の焼結時間が要求
される。 原混合物の第一の成分を形成する化合物は便利
にはシリコン窒化物、アルミニウム窒化物、アル
ミナおよびシリカであり、シリカおよびアルミニ
ウム窒化物上に固有不純物として存在する。 あるいは、第一の成分はシリコン窒化物および
一般式Si6-ZAlZOZN6-Zに従わないシリコンアルミ
ニウム酸窒化物を含有するセラミツク中間物によ
つて規定されてもよい。このような材料はポリタ
イプと称されかつ前記米国特許第4127416号に記
載されている。実施例7−17は前記米国特許に規
定された21R型ポリタイプを利用するものであ
る。 好適には、セラミツク中間物のシリコンアルミ
ニウム酸窒化物は斜方六面体構造を有しかつ近似
式SiAl6O2N6に従う、さらにセラミツク中間物は
好適にはアルミナ、アルミニウムおよびシリコン
の粉末混合物を窒化雰囲気中で1200〜1400℃の温
度に加熱することによつて形成され、加熱速度は
発熱を実質的に防止するように制御され、ついで
1500〜1900℃の温度で窒化混合物を焼結する。 あるいは、中間物はアルミナ、アルミニウム窒
化物およびシリコン窒化物の粉末混合物を1200〜
2000℃の温度で保護環境、好適には非酸性環境、
さらに好適には還元性環境中で加熱することによ
つて形成される。 上述した方法において、混合物中に存在する化
合物の相対量は調整され、これにより一般式
Si6-ZAlZOZN6-Zに従う第一の相および一般式
(Si、Al)12MX(O、N)16に従う第二の相を有す
る二重相セラミツクを生成する。上式中Zは0.38
〜1.5であり、その理由は、これらの限界内Z値
を待つことは焼結が圧力を加えないで行なわれた
ときでも高い強度をする一貫製品を生成すること
が見出されているからである。一方、Z値が0.38
よりも低くなつた場合には、材料は圧力を加えな
いで焼結すること困難により、Z値が1.5よりも
高くなつた場合には製品の強度が劣化する。 さらに、第一の成分中の化合物の相対量は
0.735〜0.77の前記原子比を与えるように調整さ
れる。すなわち、その比が0.735よりも低くなる
と、混合物は酸素が多くなりすべることが見出さ
れている。これは焼結中過量のガラスを生成する
ことになり、これは製品の高温強度特性に悪影響
を及ぼすだけでなく、また低温強度特性にも悪影
響を及ぼすことが見出されている。さらに、ガラ
スは以下に詳述する熱処理工程で除去できないこ
とが見出されている。これに対し、前記原子比が
0.77を超過する場合には、製品の強化を達成する
ために必要なガラスを形成するのには不十分な酸
素が存在することが見出されている。 出発混合物の第二の成分に対する0.1〜10重量
%の許容範囲はやはりそれが焼結製品中に満足な
酸素含量を与えることに基づいて選択されてい
る。第二の成分に選択された元素は、セリウム、
イツトリウム、スカンジウム、ランタンまたはラ
ンタン系列の1つである。すなわち、これらは高
度に耐火性の酸化物を持ち、これらの酸化物は存
在するシリカおよびアルミナと共に高融点ガラス
を生成し、したがつてその製品は低融点ガラスの
場合よりも高い温度で使用されうる。 第二の成分もまた第一の成分のα−Si−Al−
O−N相の形成のために必要である。すなわち定
義により、α−Si−Al−O−Nはイツトリウム
またはランタン系列の1つを含有する。第二の成
分に選択された元素のうちで、イツトリウムは好
適である。すなわち、焼結混合物中のイツトリア
の存在は圧力を加えなくても高強度の製品を生じ
ることが見出されている。 上述した方法を遂行することにより、少なくと
も90体積%の二重相シリコンアルミニウム酸窒化
物が形成され、これと共に主としてガラス質相か
らなるが、またおそらくYAG、YAM、N−
YAMおよびY−N−α−珪灰石のような他の相
を含有する粒間成分が形成される。ガラスの存在
は焼結中製品の強化を助長するが、最終成分の高
温特性の低下を生じる傾向がある。しかしなが
ら、焼結製品中のガラス相の量は製品を最終熱処
理工程にかけることによつて低減されうることが
見出された。この最終熱処理工程では、製品の温
度をガラスの融点の200℃以内の温度(すなわち、
イツトリウムガラスの場合には約1400℃)に上昇
させ、ついで製品を冷却してガラスの少なくとも
一部をYAG、YAM、N−YAMおよびY−N−
α−珪灰石のような他の相を含有する粒間成分に
結晶させる。 実施例 この発明に使用され出発材料は以下に列挙され
た通りであるが、前記米国特許第4127416号に示
された出発材料、またはSi−Al−O−N材料の
製造のための既知条件を満たす他の既知材料の任
意のものであつてもよい。 シリコン(ElkemMetals) Fe<1.0% C0.1−0.4%典型的 Ca<0.07%典型的 Al<0.53% −200メツシユ粉度 イツトリウム(Molycorp、Uuion76のデイビジ
ヨン) 99.99%純度 −325メツシユ粒度 アルミニウム(Alcan Aluminum Corpration) 99.3%純度 16ミクロン平均粒度 アルミナ(Reynolds) R−172DBM 99.7%Al2O3 0.04%Na2O 0.07%SiO2 0.03%Fe2O3 粒度<1ミクロン アルミナ(Alcoa) A−16SG 99.5%Al2O3 0.05−0.09%Na2O 0.02−0.04%SiO2 0.01−0.02%Fe2O3 粒度<1ミクロン 第2表において、パーセントα−Si−Al−O
−Nおよびβ−Si−Al−O−Nは初めから100パ
ーセントを基準としたものであつた。それは他の
結晶質相が存在せずかつX線回折によつて定量で
きない10パーセントガラスを無視したからであ
る。このパーセンテージは10パーセントガラスを
含むように変更され、したがつて、α−Si−Al
−O−Nおよびβ−Si−Al−O−Nのパーセン
テージは合計90パーセントであり、このパーセン
テージは第2表(続き)に示されている。 実施例 1 92重量部のシリコン窒化物粉末(約4重量%の
表面シリカ含有)と、5重量部のアルミニウム窒
化物(約6重量%の表面アルミナ含有)と、5重
量部のアルミナと、7重量部のイツトリウム酸化
物からなる組成物がイソプロパノール中でSi−
Al−O−N媒体を使用して96時間摩砕されて0.96
ミクロンの平均粒度のものにされた。乾燥後、こ
の粉末は50メツシユふるいを通してふるい分けさ
れかつ30000psiの圧力で均衡圧縮された。 生材料の断片が均衡圧縮スラグから切り取られ
かつ国鉛るつぼ内の50/50重量割合のボロン窒化
物とシリコン窒化物の粉末混合物に埋め込まれ
た。るつぼは黒鉛エレメント抵抗加熱炉中に置か
れ、真空中で500℃に加熱され、ついで1気圧の
窒素中で1830℃に加熱され、この温度に40分間保
持された。冷却後焼結材料の0.2×0.2×0.8インチ
の棒が600粒度の研摩車を使用して研摩され、ダ
イチエツク後、0.56インチの外スパンを有する3
点ベンドで破断された。破断片は密度および硬度
測定ならびにX線回折による相決定のために使用
された。材料の特性は第1表に示されている。 実施例 2 実施例1と同様であるが、焼結は1830℃で60分
間行なわれた。 実施例 3 92重量部のシリコン窒化物粉末(約4重量%の
表面シリカ含有)と、5重量部のアルミニウム窒
化物(約6重量%の表面アルミナ含有)と、3重
量部のアルミナと、7重量部のイツトリウム酸化
物とからなる組成物がイソプロパノール中でアル
ミナ研摩媒体を使用して48時間摩砕された。この
ような媒体からの摩損は1.9重量部に上り、これ
は総合組成に合体した。 摩砕粉末の平均粒度は、1.49ミクロンであつ
た。粉末は実施例1と同様に処理されたが、焼結
は1780℃で40分間および1830℃で15分間行なわれ
た。特性は第1表に示されている。 実施例 4 92重量部のシリコン窒化物粉末(約4重量%の
表面シリカ含有)と、8重量部のアルミニウム窒
化物(約6重量%の表面アルミナ含有)と、7重
量部のイツトリウム酸化物とからなる組成物がイ
ソプロパノール中で高密度Si−Al−O−N媒体
を使用して168時間摩砕されて0.63ミクロンの平
均粒度のものにされた。その後の処理は実施例1
と同様であつた。 実施例 5 実施例4と同様の材料が静止窒素雰囲気中で
1400℃の温度で5時間熱処理された。その結果は
第1表に示されている。 実施例 6 92重量部のシリコン窒化物粉末(約4重量%の
表面シリカ含有)と、8重量部のアルミニウム窒
化物(6重量%の表面アルミナ含有)と、5重量
部のイツトリウム酸化物とからなる組成物がイソ
プロパノール中でアルミナ研摩媒体を使用して48
時間摩砕された。 この媒体からの摩損は2.0重量部に上り、これ
は総合組成に合体された。摩砕粉末の平均粒度は
1.47ミクロンであつた。ついで実施例1と同様に
処理されたが、焼結は1850℃で60分間行なわれ
た。その結果は第1表に示されている。 ポリタイプの実施例 実施例 7 86.9重量%のシリコン窒化物と、6.59重量%の
21Rポリタイプと、6.54重量%のイツトリアとか
らなる粉末混合物が構成された。粉末混合物はつ
いで媒体としてSi−Al−O−Nサイクロイドを
使用して2日間摩砕され、得られた平均粒径は
1.07ミクロンでありかつ90%は2.21ミクロンより
も小さかつた。この粉末はついで30000psiの圧力
で冷間均衡圧縮され、生スラグはついで先行実施
例と同一条件の下で1830℃で50分間焼結された。 焼結材料はついで分析され、その特性は第2表
に示されている。 実施例 8 粉末は実施例7に記載されたように処理された
が、出発粉末混合物は81.3重量%のシリコン窒化
物と、12.1重量%の21Rポリタイプと、6.54重量
%のイツトリウムとからなるものであつた。焼結
材料は分析され、その特性は第2表に示されてい
る。 実施例 9 この粉末の処理は実施例7、8のものと同一で
あつたが、ボール摩砕媒体はアルミサイクロイド
であつた。原粉末は86.9重量%のシリコン窒化物
と、6.54重量%の21Rポリタイプと、6.54重量%
のイツトリウムとからなるものであつた。粉末は
0.91ミクロンの平均粒径に摩砕され、その90%は
1.72ミクロンよりも小さかつた。粉末混合物はア
ルミナサイクロイドからの追加の3.55重量%の摩
擦ピツクアツプを持つことが見出された。 混合物はついで1780℃で40分間および1830℃で
25分間焼結された。焼結材料は分析され、その特
性は第2表に示されている。 実施例 10 82.2重量%のシリコン窒化物と、11.2重量%の
21Rポリタイプと、6.54重量%のイツトリアと、
ボール摩砕中のアルミナサイクロイドの摩損から
追加の3.57重量%のアルミナとからなる粉末混合
物が処理された。平均粒径は0.93ミクロンであ
り、90%は1.77ミクロンよりも小さかつた。この
組成物は実施例9のものと同様に焼結された。焼
結材料は分析され、その特性は第2表に示されて
いる。 実施例 11 85重量%のシリコン窒化物と、8.4重量%の
21Rポリタイプと、6.54重量%のイツトリアと、
直接添加の2.51重量%のアルミナおよび0.1重量
%のシリカとからなる粉末混合物が処理された。
混合物はSi−Al−O−N媒体を使用して1.0ミク
ロンの平均粒径に摩砕された。焼結材料は分析さ
れ、その特性は第2表に示されている。 実施例 12 83重量部のSi3N4(表面層として1.0重量%Oを
含有)と、17重量部の21Rポリタイプと、7重量
部のイツトリアと、3重量部のアルミナとからな
る組成物がイソプロパノール中でSi−Al−O−
N媒体を使用して72時間摩砕されて0.71ミクロン
の平均粒度のものにされた。乾燥後、粉末は50メ
ツシユふるいを通してふるい分けされかつ
30000psiの圧力で均衡圧縮された。生材料の断片
が均衡圧縮スラグから切り取られかつ黒鉛るつぼ
内の25/75重量割合のシリコン窒化物とボロン窒
化物の粉末混合物に埋め込まれた。るつぼは黒鉛
エレメント抵抗加熱炉内に置かれ、真空下で900
℃に加熱され、ついで1気圧窒素中で1780℃に40
分間加熱され、ついで1830℃で25分間加熱され、
ついでほぼ30分間で1000℃に冷却された。その特
性は第2表に示されている。 実施例 13 77重量部のシリコン窒化物(表面層として
21.09%O含有)と、23重量部の21Rポリタイプ
と、7重量部のイツトリアと、3重量部のアルミ
ナとからなる組成物が実施例12と同一に処理され
た。摩砕粉末の平均粒度は0.84ミクロンであつ
た。その特性は第2表に示されている。 実施例 14 75重量部のシリコン窒化物(表面層として1.09
重量%O含有)と、25重量部の21Rポリタイプ
と、7重量部のイツトリアと、3重量部のアルミ
ナとからなる組成物が実施例12と同一に処理され
た。摩砕粉末の平均粒度は0.92ミクロンであつ
た。その特性は第2表に示されている。 実施例 15 75重量部のシリコン窒化物(表面層として0.77
重量%O含有)と、25重量部の21Rポリタイプ
と、7重量部のイツトリアと、9重量部のアルミ
ニウム酸化物とからなる組成物が実施例12と同一
に処理された。摩砕粉末の平均粒度は0.82ミクロ
ンであつた。 その特性は第2表に示されている。 実施例 16 85重量%のシリコン窒化物と、15重量部の21R
ポリタイプと、7重量部のイツトリアと、1.0重
量部のアルミナとからなる組成物が実施例12と同
一に処理された。摩砕粉末の平均粒度は0.95ミク
ロンであつた。その特性は第2表に示されてい
る。 実施例 17 85重量部のシリコン窒化物と、15重量部のポリ
タイプと、7重量部のイツトリアと、8重量部の
アルミナとからなる組成物が実施例12と同一に処
理された。摩砕粉末の平均粒度は1.09ミクロンで
あつた。その特性は第2表に示されている。 上記各実施例で生成された複合材料は切削イン
サートとして使用されたときすぐれた金属切削結
果を示した。すぐれた結果は鋳鉄およびニツケル
基合金を機械加工するときに得られた。初めの11
の実施例に関して表に報告された試験結果は、
Lucas Industriesの米国特許第4127416号に記載
された方法および上記実施例1で特定された寸法
で決定された、材料の曲げ破断強度を報告した。 その後に、材料の破断靭性が曲げ破断強度より
もはるかによく材料の金属切削能力を示すもので
あることが決断された。新実施例12−17では、こ
れらの値が曲げ破断強度の代りに報告されてい
る。 破断靭性試験では18Kg荷重によるビツカースダ
イヤモンド圧が使用された。破断靭性は圧こんお
よび関連クラツクの寸法ならびに荷重および
Journal of the American Ceramic Society
Vol59(1976)p・371に記載された方法を使用す
る305GPaのヤング率値から計算された。 実施例10、12、13、14はポリタイプの増加と共
にパーセントα−Si−Al−O−Nが増加するこ
とを示している。実施例16、17、14、15はアルミ
ナ含量と共にα−Si−Al−O−N含量および硬
度が減小することを示している。 本発明はさらに第1図に関連して規定される。
Lucas Industriesの米国特許第4127416号および
第4113503号を参照すると、Si−Al−O−N状態
図が示されている。 Lucasによつて請求された長方形組成区域は添
付図面に大要が示されている。境界線は0.38およ
び1.5のZ値に設定され、Zはβ−Si−Al−O−
Nの式Si6-zAlzOzN6-zに見出されるものである。
上部および下部境界線は0.735および0.770カチオ
ン対アニオン比(c/a)である。Lucasはc/
a比をモルシリコンプラスモルアルミニウム量を
モル酸素量で割つたものと定義した。イツトリア
の寄与は含まれなかつた。上限c/a比を超える
とガラスが多くなりすぎ、これは単相β−Si−
Al−O−Nの特性にとつて有害である。単相β
−Si−Al−O−Nの焼結は0.770よりも高い比で
は困難である。 Lucas区域とオーバラツプする組成区域が明確
な差異をもつて画定された。Z=0.38およびZ=
1.5に設定された境界線はLucasと共通であるが、
上部および下部境界線は2相セラミツク、α−Si
−Al−O−Nプラスβ−Si−Al−O−Nの存在
に基づいたものである。c/a比はモルシリコン
プラスモルアルミニウムプラスモルイツトリウム
量をモル酸素プラスモル窒素量で割つたものと定
義されている。 イツトリアはc/a比に含まれており、イツト
リウムはα−Si−Al−O−Nの一体部分である
からそれは適切である。 第二に、Lucasによつて計算された当量は
Y2O3を除外した、Si、Al、O、Nのみを考慮し
ている。本発明の組成物はイツトリアを入れた計
算された当量を有し、その結果として状態図上の
基平面よりもやや高い所に組成点を生じている。
この組成点はついで基平面上へ投影され、シリコ
ンおよびアルミニウムに対する有効当量を生じて
いる。酸素および窒素は影響を及ぼさない。有効
当量は第1図にプロツトされている。下記の表は
実施例9に対するLucasと本発明の方法との間の
差異を示している。
【表】
このようにして、組成領域が基平面上に画定さ
れているが、これはイツトリアの影響を間接的に
説明するものであり、イントリアα−Si−Al−
O−N構造に入るからそれは重要である。 0.739の一定のc/a比を有する上部境界セグ
メントは0−10%α−Si−Al−O−N間の最終
組成の有効当量組成物を表わしている。実施例
17、15はO有効当量0.1644(Al有効当量)+0.0865
の線を画定し、この線は(0.1143、0.1053)にお
いて0.739の一定c/aの線とまた(0.2084、
0.1208)においてZ=1.5の線と交差している。
c/a比0.739線セグメントと上述した交差点間
のセグメントとの組合せは、0−10%の最終α−
Si−Al−O−N含量を生じる有効当量パーセン
トを有する組成物を表わしている。下部境界線は
0.794の一定c/a比を表わしている。European
Research Office United States Army Grant
No DAERO−78−G−012のために、“The
Role of Additives in the Densification of
Nitrogen Ceramics”(1979年10月)において、
K.H.Jackが提案したα−Si−Al−O−N一般式
はYXSi12−(m+n)Alm+nOnN16-oであり、式
中X=0−2、m=1−4、n=0−2.5である。 相の定義 1 β′は、O<Z<4.2である、一般式Si6-ZAlZOZ
N6-zを有する六方晶相であり、Z=0および
Z=4β′に対するX線回折特性パターンによつ
て検出される。 2 α′は、M=Li、Ca、Yまたは他のランタン
系列である、一般式(Si、Al)12MX(O、N)16
を有する六方晶相である。理論的最値はX=2
であり、これはCaの場合に接近されるが、Y
の場合、実際の最大値は約0.4である。X線回
折によつて検出される。 3 α−Si3N4はSi3N4の非置換同素体である。 4 N−YAMは式Y4Si2O7N2の単斜晶相であ
り、YAM−Y4Al2O9と同型構造でありかつこ
れと完全固溶体を形成する。 5 Y−N−α−珪灰石は式YSiO2Nの単斜晶相
である。 6 YAGは式Y3Al5O12の立方晶相である。Siに
よるAlのある程度の置換およびNによるOの
同時置換が起こりうる。
れているが、これはイツトリアの影響を間接的に
説明するものであり、イントリアα−Si−Al−
O−N構造に入るからそれは重要である。 0.739の一定のc/a比を有する上部境界セグ
メントは0−10%α−Si−Al−O−N間の最終
組成の有効当量組成物を表わしている。実施例
17、15はO有効当量0.1644(Al有効当量)+0.0865
の線を画定し、この線は(0.1143、0.1053)にお
いて0.739の一定c/aの線とまた(0.2084、
0.1208)においてZ=1.5の線と交差している。
c/a比0.739線セグメントと上述した交差点間
のセグメントとの組合せは、0−10%の最終α−
Si−Al−O−N含量を生じる有効当量パーセン
トを有する組成物を表わしている。下部境界線は
0.794の一定c/a比を表わしている。European
Research Office United States Army Grant
No DAERO−78−G−012のために、“The
Role of Additives in the Densification of
Nitrogen Ceramics”(1979年10月)において、
K.H.Jackが提案したα−Si−Al−O−N一般式
はYXSi12−(m+n)Alm+nOnN16-oであり、式
中X=0−2、m=1−4、n=0−2.5である。 相の定義 1 β′は、O<Z<4.2である、一般式Si6-ZAlZOZ
N6-zを有する六方晶相であり、Z=0および
Z=4β′に対するX線回折特性パターンによつ
て検出される。 2 α′は、M=Li、Ca、Yまたは他のランタン
系列である、一般式(Si、Al)12MX(O、N)16
を有する六方晶相である。理論的最値はX=2
であり、これはCaの場合に接近されるが、Y
の場合、実際の最大値は約0.4である。X線回
折によつて検出される。 3 α−Si3N4はSi3N4の非置換同素体である。 4 N−YAMは式Y4Si2O7N2の単斜晶相であ
り、YAM−Y4Al2O9と同型構造でありかつこ
れと完全固溶体を形成する。 5 Y−N−α−珪灰石は式YSiO2Nの単斜晶相
である。 6 YAGは式Y3Al5O12の立方晶相である。Siに
よるAlのある程度の置換およびNによるOの
同時置換が起こりうる。
【表】
【表】
【表】
第1図は本発明で画定されたSi−Al−O−N
状態図の基平面のシリコン窒化物コーナを示す。
状態図の基平面のシリコン窒化物コーナを示す。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 α相Si−Al−O−Nと、β相Si−Al−O−
Nと、ガラス質相とからなるシリコンアルミニウ
ム酸窒化物のセラミツク材料。 2 α相Si−Al−O−Nが10−70重量%の範囲
内で含まれている特許請求の範囲第1項記載のセ
ラミツク材料。 3 β相Si−Al−O−Nが20−90重量%の範囲
内で含まれている特許請求の範囲第1項または第
2項記載のセラミツク材料。 4 ガラス質相が0.1−10重量%の範囲内で含ま
れている特許請求の範囲第1項または第2項記載
のセラミツク材料。 5 β相Si−Al−O−Nが20−90重量%の範囲
内で含まれかつガラス質相が0.1−10重量%の範
囲内で含まれている特許請求の範囲第1項または
第2項記載のセラミツク材料。 6 α相Si−Al−O−Nと、β相Si−Al−O−
Nと、ガラス質相から主としてなりかつYAG、
YAM、N−YAMおよびY−N−α珪灰石のよ
うな他の相も含有する粒間成分とからなるシリコ
ンアルミニウム酸窒化物のセラミツク材料。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US35128982A | 1982-02-22 | 1982-02-22 | |
US351289 | 1982-02-22 | ||
US466716 | 1983-02-15 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS58204875A JPS58204875A (ja) | 1983-11-29 |
JPS6335594B2 true JPS6335594B2 (ja) | 1988-07-15 |
Family
ID=23380330
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP58028426A Granted JPS58204875A (ja) | 1982-02-22 | 1983-02-22 | セラミツク材料および製造方法 |
JP62286500A Granted JPS63233082A (ja) | 1982-02-22 | 1987-11-14 | セラミック材料の製造方法 |
Family Applications After (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP62286500A Granted JPS63233082A (ja) | 1982-02-22 | 1987-11-14 | セラミック材料の製造方法 |
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Country | Link |
---|---|
JP (2) | JPS58204875A (ja) |
AU (1) | AU565033B2 (ja) |
BE (1) | BE895972A (ja) |
FR (1) | FR2521983B1 (ja) |
MX (1) | MX158265A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3938879A1 (de) * | 1988-11-24 | 1990-06-28 | Ngk Spark Plug Co | Siliziumnitridgrundstoff-sinterkoerper |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS59199581A (ja) * | 1983-04-26 | 1984-11-12 | 三菱マテリアル株式会社 | 耐摩耗性のすぐれたサイアロン基セラミツクス |
JPS59199580A (ja) * | 1983-04-26 | 1984-11-12 | 三菱マテリアル株式会社 | 耐摩耗性のすぐれたサイアロン基セラミツクス |
JPS60260472A (ja) * | 1984-06-04 | 1985-12-23 | 新技術事業団 | β―サイアロンを含まないα―サイアロン質焼結体 |
JP2592267B2 (ja) * | 1987-11-02 | 1997-03-19 | 日本特殊陶業株式会社 | 炭化珪素ウィスカー強化サイアロン |
US5413972A (en) * | 1993-12-23 | 1995-05-09 | The Dow Chemical Company | SiAlON composites and method of preparing the same |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5314717A (en) * | 1975-07-24 | 1978-02-09 | Lucas Industries Ltd | Ceramic products and manufacture |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3991166A (en) * | 1972-01-11 | 1976-11-09 | Joseph Lucas (Industries) Limited | Ceramic materials |
US3989782A (en) * | 1973-12-29 | 1976-11-02 | Joseph Lucas Limited | Method of forming a sintered ceramic product |
US4127416A (en) * | 1976-07-24 | 1978-11-28 | Lucas Industries Limited | Method of producing a ceramic product |
-
1983
- 1983-02-21 MX MX19634283A patent/MX158265A/es unknown
- 1983-02-22 FR FR8302831A patent/FR2521983B1/fr not_active Expired
- 1983-02-22 JP JP58028426A patent/JPS58204875A/ja active Granted
- 1983-02-22 BE BE0/210165A patent/BE895972A/fr not_active IP Right Cessation
- 1983-02-22 AU AU11748/83A patent/AU565033B2/en not_active Expired
-
1987
- 1987-11-14 JP JP62286500A patent/JPS63233082A/ja active Granted
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5314717A (en) * | 1975-07-24 | 1978-02-09 | Lucas Industries Ltd | Ceramic products and manufacture |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3938879A1 (de) * | 1988-11-24 | 1990-06-28 | Ngk Spark Plug Co | Siliziumnitridgrundstoff-sinterkoerper |
DE3938879C2 (de) * | 1988-11-24 | 2000-07-13 | Ngk Spark Plug Co | Sinterkörper auf Siliziumnitridbasis |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2521983B1 (fr) | 1986-02-21 |
JPH0449510B2 (ja) | 1992-08-11 |
JPS63233082A (ja) | 1988-09-28 |
AU565033B2 (en) | 1987-09-03 |
FR2521983A1 (fr) | 1983-08-26 |
BE895972A (fr) | 1983-06-16 |
AU1174883A (en) | 1983-09-01 |
MX158265A (es) | 1989-01-18 |
JPS58204875A (ja) | 1983-11-29 |
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