JPH02167862A - SiCウィスカー強化Si3N4セラミックス焼結体の製造方法 - Google Patents

SiCウィスカー強化Si3N4セラミックス焼結体の製造方法

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JPH02167862A
JPH02167862A JP63323918A JP32391888A JPH02167862A JP H02167862 A JPH02167862 A JP H02167862A JP 63323918 A JP63323918 A JP 63323918A JP 32391888 A JP32391888 A JP 32391888A JP H02167862 A JPH02167862 A JP H02167862A
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si3n4
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征二郎 田中
Tatsuo Kawakami
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    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
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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、SiCウィスカーにより強化したSi3N4
セラミックス焼結体の製造方法に関する。
従来の技術とその問題点 Si3N4は、AJ2203、ZrO2、SiC。
サイアロンなどとともに、代表的な構造用ファインセラ
ミックス(以下FCという)の素材である。
特にSi3N4で作られた構造用FCは、高温にいたる
まで比較的強度が高く、さらに耐熱衝撃性、靭性、断熱
性(低熱伝導性)、耐摩耗性、耐蝕性などにも優れてい
るという優れた機能を有している。また、Si3N4材
料は、他のFCに比して、強度に対する信頼性が高いの
で、エンジン部材を中心とする耐熱性構造材料としての
応用研究が活発に進められている。
しかしながら、この様なSi3N4も、現実には未だ実
用化の段階には至っていない。その主な理山は、現在使
用されている金属材料に比して、その脆弱性の故に、強
度に対する信頼性が低いと点にある。すなわち、FCの
強度の信頼性の尺度としてのワイブル係数(m)が、約
10〜15というレベルにあり、エンジン部材として必
要と考えられているm〉20〜30というレベルには、
遠く及ばないからである。また、Si3N4は、高温、
特に1000℃以上では強度の低下が著しいという点も
、実用化への障害となっている。
最近、強度の信頼性が高く、且つ高温までも高強度を維
持し得るSi3N4材料を得るために、Si3N4を母
材とし、これを繊維により強化する試みがなされている
。その中でも、Si3N4にSiCウィスカーを混合す
る方法が注目されており、例えば、Si3N4粉末とS
iCウィスカーとを機楓的若しくは物理的に混合した後
、成形および焼結(ホットプレス)するという大工滅法
が知られている(例えば、“工業材料”、第31巻、第
5号、pp85〜90参照)。この方法で得られた材料
のm <Mは、約24程度であり、また高温での強度劣
化もSi3N4単独の場合よりも少なく、さらに破壊エ
ネルギーの向上も認められるので、エンジン部材として
の実用化により一歩近付いたものといえる。しかしなが
ら、この機械的乃至物理的混合法による場合には、均一
な混合は行ない得す、従って、焼結体の性能はさらに一
層の改善が必要である。
問題点を解決するための手段 本発門者は、2成分以上からなるセラミックス焼結体を
製造するに際し、各成分を均一に分散させ、もって従来
行なわれている原料粉末の機械的混合法によって均一化
を図った焼結体に比べて、強度等の物性に優れたセラミ
ックス焼結体を得るべく、種々研究を重ねてきた。その
結果、一定の気孔率を有するセラミックス仮焼体に、異
なる成分のセラミックス原料の溶液又は泥漿を含浸し、
乾燥し、焼結する場合には、その目的を達成し得ること
を見出した。
即ち、本発明は、下記の方法を提供するものである: 「気孔率が30%〜70容量%のSi3N4仮焼体に、
焼結後にSiCウィスカーを形成する無機物の少なくと
も1秤を含む溶液又は泥漿を含浸し、乾燥した後、上記
仮焼体の焼成温度よりも高い温度にて焼結することを特
徴とするSiCウィスカー強化Si3N4セラミックス
焼結体の製造方法」一般に、セラミックス成形体は、熱
を加えていくとお互いの粒子がくっつきあい、粒成長を
起こして焼結していくことが知られている。この焼結の
過程には、気孔を多く含みかつ気孔が均一分布した焼結
の初期段階が存在する。即ち、この段階では、仮焼状態
のセラミックススケルトンが得られる。このセラミック
ススケルトンの形成に際しては、原料粒子の粒度及び粒
度分布並びに焼成温度によって、気孔の大きさ及び気孔
率をコントロールすることが可能である。従って、所定
の大きさの気孔及び気孔率を持ったセラミックススケル
トンの気孔部に、セラミックススケルトンとは異なるセ
ラミックス成分を存在せしめ、しかる後にスケルトンの
焼結が完納する温度迄加熱すれば、2成分が均一に分散
した焼結体が得られることとなる。
本発明方法を実施するに際しては、先ずSi3N4原料
を粉砕および整粒し、所定の粒度となるよう調整する。
後で形成されるセラミックス仮焼体の気孔の径を出来る
だけ小さくし、バラツキを小さくするためには、この粉
砕及び整粒された粒子が出来る限り小さく、かつバラツ
キの少ないものであることが望ましい。この粉砕及び整
粒された粉体に、必要ならば、ポリビニルアルコールや
ワックス等の公知のバインダーを加え、さらに、Y20
3 、A 、Q203 、Mg Oなどの公知の焼結剤
を加え、成形する。成形圧力は、特に限定されないが、
最終焼結体として緻密なものを得る必要があるならば、
500 kgf/eJ以上とすることが望ましい。その
後、必要ならば、成形体の乾燥及び脱脂を経た後、仮焼
成する。仮焼成温度は、得られた仮焼体の気孔率が、3
0〜70容量%となる温度とすることが必要である。気
孔率が30容量%未満では焼結が進みすぎているため気
孔量が少なすぎ、かつ気孔径が大きく成長しているため
、後の工程である無機質を含む溶液又は泥漿を含浸して
も、スケルトン内に均一に含浸出来ない。
一方、気孔量が70容量%を上回る場合には、得られた
F2 D”A体の強度がほとんど零に近い状態となり、
その後の含浸工程等のハンドリングが実質上不可能とな
るために、本発明方法を適用出来ない。
次いでこの気孔率30〜70容量%の Si3N4仮焼体に、焼結後にSiCウィスカーを形成
する無機物質の溶液または泥漿(例えば、シリコーンオ
イル、ポリカルボキシシラン溶液、エチルシリケートと
フェノールレジンなどの各種カーボン源との混合液、こ
れらのl昆合物など)を3浸する。含浸は宿性に従って
行なえば良く、必要ならば、仮焼体内の空気を除去する
ために、旦減圧した後、加圧する方法も採用出来る。含
浸時の圧力は、特に限定されず、含浸材が十分に仮焼体
内に浸入し得る圧力であれば良い。含浸材が所定量より
も多くなる場合には、仮焼体の気孔量が少なくなるよう
に焼成条件をコントロールしなおす必要がある。又、逆
に含浸材が所定量よりも少ない場合には、気孔量が多く
なるように仮焼体成形時の焼成条件を設定し直すか、或
いは含浸させた仮焼体を一旦乾燥後仮焼体の焼成温度よ
りも低い温度にて再仮焼し、得られた再仮焼体に再度前
記と同様にして含浸を行なうという繰り返し含浸方法が
とられる。
かくして得られたSiCウィスカー形成成分含浸後の仮
焼体を乾燥後、SiCウィスカーが形成され且つ焼結が
完了する温度まで焼成すると、仮焼体部分と含浸材とが
収縮し、SiCウィスカーが均一に分散したSi3N4
焼結体が得られる。
発明の効果 本発明によれば、SiCウィスカーが均一に分散したS
i3N4焼粘体が簡単且つ確実に得られる。得られたS
i3N4焼粘体は、強度のバラツキが少なく、破壊靭性
が高いという信頼性の高い材料である。
実施例 以下に実施例及び比較例を示し、本発明の特徴とすると
ころをより一屑明確にする。なお、実施列および比較例
ともに同様の製造操作を3回行ない、3挿の試料につい
て試験を行なった。
実施例1 一次粒子の平均粒径が0.51tmのSi3N4粉末1
00重量部に焼結助剤としてY2O3粉末5重量部およ
びA、Q203粉末3重量部を加え、さらにバインダー
としてポリビニルアルコール15市倣部を加えた後、1
000 kgf/cJの圧力で成形した。
得られた成形体を105℃で24時間乾燥後、電気炉に
て仮焼成した。仮焼成は、窒素雰囲気中1300℃で3
時間行ない、得られた5j3Na仮焼体の気孔率は所定
量の50容量%であった。
凶みにこの時の気孔径は、最大気孔径が約0.9μmで
平均0.5μmというバラツキの小さい且つ微細な気孔
であった。
このSi3N4仮焼体に含浸タンクψ5kgf/c[i
?の圧力下にシリコーンオイル(Si  23重量%、
C30重量%)を含浸した。含浸量は、Si3N4仮焼
体に対して所定量の45重量%であった。含浸後、仮焼
体を一旦105℃で24時間乾燥し、電気炉で窒素雰囲
気中1800℃で3時間焼結させた。
得られた焼結体中に形成されたSiC含有量は、目標の
10重量%に対して9.5重量%であった。
また、得られた焼結体を切断し、その断面を顕微鏡によ
り観察したところ、Si3N、間に直径的0.5〜1.
2μm程度のSiCウィスカーが生成していることが確
認された。
さらに、得られた焼結体の均一分散度を知る尺度として
、西げ試験を行ない、ウィスカーによる強化の程度を知
る尺度として、破壊靭性試験を行なった。萌げ試験試料
は、3種の焼結体から3關X 4 mm X 40 m
mの大きさのものをそれぞれ10ケ採取し、スパン30
mmにて3点法にてテストした。
また、破壊靭性試験試料は、3種の焼結体から2o++
aX 30mmX 50II1mの大きさのものをそれ
ぞれ1ケ採取し、スパン20mo+にて4点法にてテス
トした。
これらの結果を第1表に示す。
比較例1 一次粒子の平均粒径が0.05μmの Si3N4粉末100重量部に焼結助剤としてY2O3
粉末5重量部およびAJ2203粉末3重量部を加え、
さらにバインダーとしてポリビニルアルコール15重量
部を加えた後、100100O/cJの圧力で成形した
得られた成形体を105℃で24時間乾燥後、電気炉に
て窒素雰囲気中1800℃で3時間焼成して、5L3N
4焼結体を得た。
得られた焼結体の曲げ強度と破壊靭性値を第1表に合わ
せて示す。
比較例2 一次粒子の平均粒径が0.5μmのSi3N。
粉末100重量部に焼結助剤としてY2O3粉末5重量
部およびAj?203粉末3重量部を加え、さらにSi
Cウィスカー(平均直径的0.9μm1長さ約20μm
)12重量部とバインダーとしてポリビニルアルコール
15重量部を加えた後、ボールミルにて48時間混合し
た。次いで、得られた混合物を1000 kgf/cJ
の圧力で成形した。
得られた成形体を105℃で24時間乾燥後、電気炉に
て窒素雰囲気Φ1800℃で3時間焼成して、5L3N
4焼結体を得た。
得られた焼結体の助げ強度と破壊靭性値を第1表に合わ
せて示す。
第1表に示す結果から明らかな様に、本発明方法による
焼結体は、従来法による焼結体に比して、強度のバラツ
キも小さく、破壊靭性の向]二が認められる。特に、本
発明方法による焼結体と大王減法に相当する比較例2の
方法による焼結体とを比較すれば、焼結体を形成する組
織が実質的に同一であり且つ焼結条件が同一であるにも
かかわらず、SiCウィスカーの均一分散による本発明
の顕著な効果が明確である。
従って、本発明による焼結体は、高温用構造材料として
画めて白゛用である。
(以 上)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. [1]気孔率が30%〜70容量%のSi_3N_4仮
    焼体に、焼結後にSiCウィスカーを形成する無機物の
    少なくとも1種を含む溶液又は泥漿を含浸し、乾燥した
    後、上記仮焼体の焼成温度よりも高い温度にて焼結する
    ことを特徴とするSiCウィスカー強化Si_3N_4
    セラミックス焼結体の製造方法。
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