JPH0192339A - 非酸化物セラミック焼結体及びその製法 - 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〕 本発明は特に靭性に優れた非酸化物セラミック焼結体及
びその製法に関するものである。

〔先行技術及びその問題点〕

非酸化物セラミックである５ｉＪａ’＋ＳｉＣ及び＾Ｉ
Ｎは原子の結合様式が共有結合を主体としていることに
より、高硬度、高弾性率、高耐摩耗性等の優れた特性を
有する。この特性を用いて超精密加工分野、軸受ローラ
、ベアリング等の機械部品ヘノ応用が試みられている。

さらに、自動車、ガスタービン等の熱機関への応用も精
力的に進められている。しかし乍ら、この様な優れた特
性を有する非酸化物セラミックスは未だ金属・プラスチ
ックに次ぐ第３の材料としての地位を確立するに至って
いない。この最大の原因は塑性変形しにく（靭性が低い
ため強度値のバラツキによる信頬性の欠如に起因する。

これら非酸化物セラミック、例えば５ｉＪｔ＋ＳｉＣ，
ＡｌＮは共有結合性が強いために一般に焼結に際しては
ＭｇＯ，ＣａＯ等の周期律表第１Ｉａ族元素の酸化物、
Ｙ２Ｏ２，５ＣｚＯ＋＋ＬａｚＯｉ等のｍａ族元素の酸
化物及び＾１ｚＯｓ、ＢａＣ等のｍｂ族元素の化合物等
の添加が行われている。これらの添加剤の内でもｍａ族
元素の酸化物の添加はＭｉ織的に針状晶が多く生成する
ために比較的高い靭性を有すること力＜＊侵告されてい
る。しかしながら、これらの靭性値もＳｉ３Ｎ、約７　
ＭＰａ−ｍ””、ＳｉＣ約３．５）ＩＰａ−ｍ””、　
ＡｌＮ約３ＭＰａｍ　’　”程度と低い値で更に高い特
性が要求されている。

そこで、本発明者等は上記問題点に鑑み鋭意研究の結果
、非酸化物セラミック粒子の粒界に一定の金属及び／又
はこれらの合金にこれらと同一の金属および／または合
金の窒化物、炭化物またはホウ化物から成る保護膜を形
成したものを一定量含有させたセラミック焼結体は夫々
が本来有していた抗折強度を劣化させることなく特に靭
性を大きく改善できることを知見した。

〔発明の目的〕

本発明においては非酸化物セラミック焼結体が夫々本来
有していた抗折強度を劣化させることなく、靭性を向上
させた非酸化物セラミック焼結体を提供することを目的
とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によれば、Ｓ＋　３Ｎ４１　ＳｉＣ又はＡｌＮ等
の非酸化物セラミック粒子の粒界にＮｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍ
ｏ、Ｔｉ及び／又はこれらの合金から選ばれる一種以上
の金属が分散されており、かつ該金属はその粒子の周囲
に前記金属の窒化物又は炭化物、ホウ化物からなる保護
膜を有し、該金属の非酸化物セラミックに対する含有割
合が５〜３０体積χであることを特徴とする非酸化物セ
ラミック焼結体が提供される。

さらに、本発明によれば、Ｎ　ｂ　＋　Ｔ　ａ　、Ｗ　
＋　Ｍ　ｏ　＋　Ｔ　を及び／又はこれらの合金から選
ばれる一種以上の金属の表面を窒化、炭化若しくはホウ
化させる。これらの保護膜を形成した後、５ｉＪｎ、Ｓ
ｉＣ又はＡｌＮ等の非酸化物セラミック粉体と混合、成
形した後、１６００〜２１００°Ｃにて焼成することを
特徴とする非酸化物セラミック焼結体の製法が提供され
る。

Ｓ　ｉ３　Ｎ　ｔ　＋　Ｓ　Ｉ　ＣおよびＡ　１．　Ｎ
は共有結合が強く、高い融点と低い熱膨張係数を有する
。これらに対し、添加される金属粒子としてはマトリッ
クスであるセラミックスと融点および熱膨張係数のマツ
チングを考慮する必要がある。即ち、焼結温度にて金属
が融解せずにその形状を保つことが重要であり、かつ焼
結後に熱膨張率の差により金属−マトリックス間に空隙
あるいは過大なる応力を発生することは複合体として好
ましくない。これらの観点より、融点が高（熱膨張係数
の差があまり大きくないＮｂ、Ｔａ、也Ｍｏ＋Ｔｉの金
属を添加することにより効果が期待される。

しかし乍ら、これらの金属をそのまま添加して焼結する
とマトリックスであるＳｉＪ、、ＳｉＣ，＾ＩＮと金属
間化合物を生成し、脆化し、高靭性に対する効果が得ら
れない。この反応を低減することを目的として該金属粒
子の表面に窒化物、炭化物、ホウ化物の反応層を事前に
生成せしめた後に添加することが重要である。

さらに添加による高靭性の効果に顕著に見出されるため
には添加量は５体積％以上である事が必要で、かつ均一
な分散を保持し、疑集による欠陥が破壊源とならないよ
うに３０体積％以下が好ましい。また、微粒の金属粒子
の取扱性と、分散さらには表面でのマトリックスの反応
を考えると、金属粒子の粒径は１μｍ以上であることが
好ましいが、必ずしも微粒での効果を否定するものでは
ない。

尚、前記Ｎｂ、Ｔａｌ也Ｍｏ、Ｔｉ及び／又はこれらの
合金から選ばれる一種以上の金属表面（保護膜）の窒化
、炭化若しくはホウ化は、これらの粉体を１０００〜１
６００″Ｃに加熱し、Ｎ２或いはＨ２を含む不活性ガス
中に炭化水素、水素化ホウ素等のガスを混合し、固体表
面に反応層を生成する。また、これら保護膜を有する金
属を含む混合粉体を成形し焼成する場合焼成方法として
は常圧焼成（ＮＳ）、ホラＩ・プレス（ＨＰ）、ガス圧
焼成（ＧＰＳ）　、熱間静水圧プレス（ＩｔＩＰ）等の
何れの方法でもよい。この際、常圧焼成においては、１
６５０〜２１００℃、ホットプレスでは１６００〜２０
００℃、１５０〜３００　Ｋｇ／ｃｍｔ、ガス圧焼成で
は１８００〜２１００℃、１〜１１００ａｔ、　ｐ間静
水圧プレスでは１７００〜２１００℃で１〜２０００ａ
ｔｍで行われる。

本発明を次の例で説明する。

〔実施例〕

マトリックスの窒化珪素焼結用混合粉体は窒化珪素質、
シリカおよび第ｍａ族元素の酸化物を第１表に示される
組成になるように調合し、メタノールを用いプラスチッ
ク容器中にて混合した。

第　　１　　表 上記第１表に示す原料組成Ａｌ、Ａ２．Ａ３，１３．Ｃ
１及びＣ２に第２表に示す金属を添加し、該金属に保護
膜をコーティングすることにより焼成し、試料番号１〜
１５を得た。焼成条件は第２表に示す方法で行った。こ
れら試料１〜１５についてＪＩＳ−Ｒ１６０１の四点曲
げ抗折試験により常温強度を、またピンカースインデン
テーション法により靭性を測定した。

これらの結果を同様に第２表に示す。表中ＮＳは常圧焼
成法、ＩＰはホットプレス法、ＧＰＳはガス圧焼結法で
ある。Ｎ２は窒素ガス雰囲気、計はアルゴンガス雰囲気
である。

〔以下余白〕

第２表から理解されるように、含有させる金属が５体積
２未満である試料番号１〜３のものは靭性が５ｉ３Ｎａ
の割合（Ａ１）、一般に７　ＭＰａ−ｍ”であるに対し
、６．３ＭＰａ−ｍ””、ＳｉＣの場合（Ｂ）　−ａに
３゜５ＭＰａｍ　’　”であるのに対し、３．８ＭＰａ
−ｍ””、ＡｌＮの場合（Ｃ１）　−ｍに３Ｍｒ’ａ−
ｍ””であるのに対し、３．　ＩＭＰａ・ｍ１″を同て
んと若しくはそれ以下であり、靭性の向上が見られない
。また、含有させる金属が３０体積χを超える試料番号
８及び９のものは靭性がＳｉ３Ｎ４の場合（八２）一般
に７ＭＰａ−ｍ””であるのに対し６．　ＩＭＰａ−ｍ
””、ＳｉＣの場合（Ｂ）一般に３．５ＭＰａ　−ｍ１
″であるのに対し３．０ＭＰａ　−ｍ””と同等以下に
劣化しており、靭性の同上は見られない。

これらに対し、本発明の試料番号４〜７及び１０〜１５
は何れも常温抗折強度が５ｉ３Ｎｔ（八１．Ａ２．Ａ３
）の場合８．２ＭＰａ　−ｍ”２以上、５ｉＣ（Ｂ）の
場合４．６ＭＰａ−ｍ’″以上、ＡＸＮ（Ｃ１，Ｃ２）
の場合４．３ＭＰａ　−ｍ””以上と夫々靭性値が向上
している。また、抗折強度も焼成法によっても差がある
が本来Ｓｉ３Ｎ、が７５〜８５Ｋｇ／ｍｍ２、ＳｉＣが
４５〜７０Ｋｇ／ｍｍ２、八１Ｎが４０〜５０Ｋｇ／ｍ
ｍ　”程度であるのに対し、略この範囲の抗折強度が得
られている。前記試料番号８，９のものは金ＦＡｆｆｌ
が多いため抗折強度も５ｉＪ４（Ａ２）で５１Ｋｇ／ｍ
ｍ”と５ｉＣ（Ｂ）で３２Ｋｇ／ｍｍ２と劣化している
。

〔発明の効果〕

本発明によれば、非酸化物セラミック焼結体本来の抗折
強度を劣化させることなく該焼結体の靭性を向上させる
ことができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｓｉ＿３Ｎ＿４，ＳｉＣ又はＡｌＮ等の非酸化物
   セラミック粒子の粒界にＮｂ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉ及
   び／又はこれらの合金から選ばれる一種以上の金属が分
   散されており、かつ該金属はその粒子の周囲に前記金属
   の窒化物又は炭化物からなる保護膜を有し、該金属の非
   酸化物セラミックに対する含有割合が５〜３０体積％で
   あることを特徴とする非酸化物セラミック焼結体。
2. （２）Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉ及び／又はこれらの
   合金から選ばれる一種以上の金属の表面を窒化、炭化、
   若しくはホウ化させてこれらの保護膜を形成して後、Ｓ
   ｉ＿３Ｎ＿４，ＳｉＣ又はＡｌＮ等の非酸化物セラミッ
   ク粉体と混合成形した後、１６００〜２１００℃にて焼
   成することを特徴とする非酸化物セラミック焼結体の製
   法。