JPH03290370A

JPH03290370A - 高靭性窒化けい素焼結体の製造法

Info

Publication number: JPH03290370A
Application number: JP2093522A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Mitomo; 護三友
Original assignee: National Institute for Research in Inorganic Material
Current assignee: National Institute for Research in Inorganic Material
Priority date: 1990-04-09
Filing date: 1990-04-09
Publication date: 1991-12-20
Anticipated expiration: 2009-12-07
Also published as: JPH0699192B2

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、強度や熱衝撃抵抗が大きいため、自動車部品
やその他の機械部品への応用が期待されている高靭性窒
化けい素焼結体の製造方法に関する。

（従来の技術及び解決しようとする課題）従来より、窒
化けい素の焼結法として、ホットプレス法、熱間静水圧
法、常圧焼結法、ガス圧焼結法等が開発されている。

原料粉末としては、α型を主とする平均粒径１゜０μｍ
以下の細かいものが市販されている。α型は高温で不安
定であり、焼結中にβ型に相変化するものである。焼結
は焼結助剤を含む液相中を窒化けい素が拡散することし
こよって進行するが、α型粒子の液相中への溶解度はβ
型粒子より高いため、β型粒子の一部は異常粒成長を起
し、柱状粒子が発達する。

一方、焼結体（セラミックス）の破壊はクラックが進行
することによって起るが、上記の柱状粒子は進行するク
ラックの方向を曲げることによって、破壊に必要とする
エネルギーを高くし、結果的に高靭性となる。しかし、
高α率の粉末では、■柱状粒子の異方性が大きく、破壊
靭性は高くなるが、強度は低下する、 ■組織の制御が困難である、等々の問題点があった。

そこで、本発明者らは、先に、異常粒成長を示さないβ
型粉末に粒成長のための核を予め混入させて高靭性セラ
ミックスを得る方法を提案した（特願平１−７７１７７
号）、シかし、この方法においてβ型粉末を使用するが
、市販されてし）る細かい粉末は殆どα型が主成分であ
るので、これを１５００℃以上に加熱してβ化する必要
があった。

本発明の目的は、上述の如くα型及びβ型窒化けい鋼粉
末を用いる従来法の問題点を解決するためになされたも
のであって、高靭性の窒化はし）素焼粘体を低コストで
製造できる方法を提供するしこある。

（課題を解決するための手段）本発明者らは、α型粉末では焼結体の組織が不均一にな
り、強度が低いこと、一方、β型粉末では熱処理による
β化の操作が余分に必要であることに鑑みて、市販され
ている安価なα型粉末でも組織制御が容易で高靭性の焼
結体が得られる方法について鋭意研究を重ねた。

その結果、常圧又はガス圧焼結の際、粒成長のための核
を予め原料粉末に混入させることにより、破壊靭性が大
きい焼結体が得られることを知見するに至り、本発明を
完成したものである。

すなわち、本発明は、α型を主成分とし、平均粒径１．
０μｌ以下の窒化けい鋼粉末８５〜９５重量％と、この
α型の平均粒径の３〜５倍の平均粒径を有するβ型窒化
けい鋼粉末又は多結晶体２〜１０重量％と、焼結助剤２
〜１５重量％からなる混合粉末を成形した後、１〜１０
０気圧の窒素中で１７５０〜２２００℃に焼結すること
を特徴とする高靭性窒化けい素焼粘体の製造法を要旨と
するものである。

以下１本発明について更に詳述する。

（作用） α型を主成分とする窒化けい鋼粉末は、細かし１もので
ある必要があり、平均粒径１．０μｍ以下、望ましくは
０．３〜０．８μ讃のものを用し）る。これは、粒径が
１．０μ−より大きいと焼結性が低くなるためである。

また１粒径の大きな粒子が多量に存在するのは好ましく
なく、α型を主成分とする窒化けい鋼粉末としては、α
型が６０〜１００重量％、β型が０〜４０重量％のもの
が好ましｂ）。

β型の含有率が４０重量％を超えると、混入させる核以
外にも粒成長が起り、組織制御が困難となるためである
。また、上記平均粒径の３倍以上の粒径を持つ大きな粒
子は、異常成長し、組織が制御できなくなるので、２重
量％以下に抑制したものが好ましい。

前述のように、窒化けい素の焼結では、窒化けい素が焼
結助剤を含む液相を通って拡散し、焼結が進行する液相
焼結によるものである。その際、α型は高温で不安定な
ので、析出する粒子乙±β型になる。このように焼結と
相変化が同時に起る。

また液相への溶解度は小さな粒子の方が大きな粒子より
大きい。このため、焼結と同時↓こ粒威長力１起る。

β型粉末では、正常粒成長が起る。すなわち。

最大粒径（ＹＩＩＩａｘ）が常に平均粒径（γ）の２．
５倍以下（γｍａｘ＜２．５γ）になるように粒度分布
が保持されながら、焼結の進行と共に平均粒径（γ）が
大きくなるものである。

一方、α型粉末では、焼結初期の非定常状態で局所的に
不均一のため、大きな粒子（核）が発生する。この核は
焼結の進行と共に柱状になる。

本発明においては、α型を主とする細かい窒化けい素粉
米中に、α型粉末の平均粒径の３〜５倍の平均粒径を有
するβ型の窒化けい鋼粉末又は多結晶体を所定量混入さ
せるのである。これにより、平均粒径の３倍以上の粒子
の成長速度は平均粒径の増加速度より早いので、導入し
た核が優先的に成長する。この粒成長の騨動力は大きい
ので、柱状粒子となる。核として用いるβ型粉末又は多
結晶の平均粒径は、α型粉末の平均粒径の３〜５倍とす
る必要がある。３倍未満では核としての作用が十分でな
く、また５倍を超えると粒子が大きく成長しすぎるので
望ましくない。

なお、β型窒化けい素粉末は、α型粉末を窒素中で１５
００〜１７００℃に加熱することしこより得られる。多
結晶体は、焼結体を粉砕して分級することによって得ら
れる。

β型窒化けい素粉末又は多結晶体の混合割合！↓２〜１
０重量％、望ましくは２〜５重量％である。

粒径及び混合量がその下限値より少なし）と、核として
の効果がなく、多すぎると組織全体が粗粒化し、強度が
低下するので好ましくなし）。

更に、焼結助剤として、通常用いられる酸化物（ＭｇＯ
、Ａ　Ｑ　−０３、Ｙ２Ｏ１、ランタニド金属酸化物の
単独又は混合物など）を２〜１５重量％添カ目する。好
ましくは３〜７重量％である。その量１ま焼結温度に依
存し、高温はど少量でよし）。窒イヒ已すい素粉末と焼
結助剤の混合は、窒化けｂ）素の酸イヒを防ぐために有
機溶媒中で行うのが望ましし）。

これらの混合粉末は、乾燥後、静水圧プレス、射出成形
、鋳込み成形等の通常の方法で成形する。

次いで、焼結を行うが５焼結は１〜１００気圧の窒素中
で１７５０〜２２００℃の温度範囲で行う。高温はど焼
結速度は大きいが、窒化けい素の解離圧（窒素圧）が高
くなるため、解離圧より高し１窒素圧中で焼結すること
により、窒化けい素の熱分解を防止する必要がある。必
要な最低圧は１７５０℃で１気圧、１８５０℃で３気圧
、１９５０℃で１０気圧、２０５０℃で２０気圧、２１
５０℃で５０気圧である。なお、焼結時間は特に制限し
ないが、１〜５０時間が好ましい。焼結時間は低温はど
長時間が必要である。加熱は、焼結のみでなく、粒成長
による組織発現が目的であるので。

通常の焼結時間より長い方がよい。例えば、１７５０℃
で３〜４０時間、１９５０℃で１〜１５時間、２１５０
℃で１〜５時間程度である。

上記のように、本発明では、細かいα型を主成分とする
窒化けい素粉末に、粒成長のための核を導入して焼結す
るので、成長粒子の数を制御でき。

結果的に組織制御された高靭性窒化けい素焼鞘体が得ら
れる。

（実施例）次に本発明の実施例を示す。

失意鼾市販のα型を主成分とする窒化けい素粉末（平均粒径０
．６　μｒｅ、α型／（α型＋β型）＝０．８７）９０
重量％と、平均粒径２．０μｍのβ型窒化けい素粉末３
重量％と、焼結助剤としてＹ２Ｏ，５重量％及びＡＱ２
０，２重量％を、ｎ−ヘキサン中で窒化けい素層ボール
ミルで混合した。なお、β型窒化けい素粉末としては、
上記α型粉末を１０気圧の窒素中で１８００℃に加熱し
、完全にβ型とした後、分級したものを用いた。

次いで、この混合粉末を乾燥した後、２５０ｋｇ／ｃｍ
”で金型プレスし、更に２　ｔｏｎ　／　ｅｍ２で静水
圧プレスし、柱状の成形体とした。その後、成形体を窒
素圧１０気圧で１９００℃に３時間加熱した。

更に６００メツシユのダイヤモンドホイールで平面研削
し、約３ｍｍＸ４ｍｍＸ４Ｃ）ｅｍの試料とした。

焼結体の気孔率は０．６％であった。また、ＪＩＳ　　
Ｒ１６０１によるスパン３０ｍｍの３点曲げ強度は９３
０ＭＰａ、５ＥＰＢ法による破壊靭性値は８．７ＭＮ／
ｍ”であった。

去４０４４実施例１で用いたものと同じα型を主成分とする窒化け
い素粉末８５重量％に、実施例１で述べた方法によって
得た平均粒径３．２μ匹のβ型窒化けい素粉末５重量％
と、焼結助剤としてＹ２Ｏ３６重量％及びＬａ２０３４
重量％を加え、実施例１の場合と同様の方法により混合
し、成形した後、３０気圧の窒素中で２０００℃に２時
間加熱した、曲げ強度が８５０ＭＰａ、破壊靭性が９．
２ＭＮ／　ｖｓ３／２の焼結体が得られた。

失亀奥ゑ実施例１で用いたものと同じα型を主成分とする窒化け
い素粉末８７重量％に、実施例１で述へた方法により得
たβ型窒化けい素粉末５重量％と、焼結助剤としてＡＱ
２０３５重量％、Ｍｇ０３重量％及びＣｅＯ２２重量％
を加え、実施例１の場合と同様の方法により混合し、成
形した。成形体を１気圧の窒素中で１８００℃に５時間
加熱した。焼結体の曲げ強度は９８０ＭＰａ、破壊靭性
は７．２Ｍ　Ｎ　／　ｍ　　であった。

なお、各実施例において、β型窒化けい素粉末に代えて
多結晶体を用いても、同様の効果が得られる。

（発明の効果）以上説明したように、本発明によれば、市販のα型窒化
けい素粉末を使用しても、高靭性高強度の窒化けい素焼
粘体が得られる。したがって、自動車部品やその他の機
械部品へ安価に提供できる効果は大きい。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）α型を主成分とし、平均粒径１．０μｍ以下の窒
化けい素粉末８５〜９５重量％と、このα型の平均粒径
の３〜５倍の平均粒径を有するβ型窒化けい素粉末又は
多結晶体２〜１０重量％と、焼結助剤２〜１５重量％か
らなる混合粉末を成形した後、１〜１００気圧の窒素中
で１７５０〜２２００℃に焼結することを特徴とする高
靭性窒化けい素焼結体の製造法。
（２）前記α型を主成分とする窒化けい素粉末が、６０
〜１００重量％のα型と０〜４０重量％のβ型とからな
り、かつ、前記平均粒径の３倍以上の粒径を持つ粒子の
量が２重量％未満である請求項１に記載の方法。