JPH06305837A - 窒化ケイ素系焼結体 - Google Patents
窒化ケイ素系焼結体Info
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- JPH06305837A JPH06305837A JP5117851A JP11785193A JPH06305837A JP H06305837 A JPH06305837 A JP H06305837A JP 5117851 A JP5117851 A JP 5117851A JP 11785193 A JP11785193 A JP 11785193A JP H06305837 A JPH06305837 A JP H06305837A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 機械部品用構造材料として十分な強度を備
え、且つ強度のバラツキが少なく高い信頼性を有すると
共に、切削工具としても優れた切削性能を有し、生産性
及びコストの面においても優れた窒化ケイ素系焼結体を
提供する。 【構成】 Ｓｉ3Ｎ4及び／又はサイアロンの柱状結晶粒
及び等軸状結晶粒と、これらの結晶粒の間に存在する粒
界相と、粒界相中に分散した分散粒子とから構成され、
柱状結晶粒の平均短軸径が０.３μｍ以下及び平均長軸
径が５μｍ以下であり、等軸状結晶粒の平均粒径が０.
５μｍ以下であり、分散粒子の平均粒径が０.１μｍ以
下であって、分散粒子の体積が他の焼結体組織の全体積
を１としたとき０.０５体積％以上である窒化ケイ素系
焼結体。
え、且つ強度のバラツキが少なく高い信頼性を有すると
共に、切削工具としても優れた切削性能を有し、生産性
及びコストの面においても優れた窒化ケイ素系焼結体を
提供する。 【構成】 Ｓｉ3Ｎ4及び／又はサイアロンの柱状結晶粒
及び等軸状結晶粒と、これらの結晶粒の間に存在する粒
界相と、粒界相中に分散した分散粒子とから構成され、
柱状結晶粒の平均短軸径が０.３μｍ以下及び平均長軸
径が５μｍ以下であり、等軸状結晶粒の平均粒径が０.
５μｍ以下であり、分散粒子の平均粒径が０.１μｍ以
下であって、分散粒子の体積が他の焼結体組織の全体積
を１としたとき０.０５体積％以上である窒化ケイ素系
焼結体。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、室温において優れた機
械的強度を有し且つそのバラツキが小さく、生産性及び
コスト的にも優れた窒化ケイ素焼結体に関する。
械的強度を有し且つそのバラツキが小さく、生産性及び
コスト的にも優れた窒化ケイ素焼結体に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化ケイ素は、強度、破壊靭性値、耐食
性、耐摩耗性、耐熱衝撃性、耐酸化性等においてバラン
スのとれた材料であるため、切削工具をはじめ摺動部品
その他の機械構造材料として広い範囲で利用されている
が、強度面においても信頼性においても金属材料に劣る
という問題があった。
性、耐摩耗性、耐熱衝撃性、耐酸化性等においてバラン
スのとれた材料であるため、切削工具をはじめ摺動部品
その他の機械構造材料として広い範囲で利用されている
が、強度面においても信頼性においても金属材料に劣る
という問題があった。
【０００３】かかる窒化ケイ素系焼結体における強度劣
化の原因の一つとして、焼結体組織内部に存在する粒界
相の問題がある。この粒界相は、窒化ケイ素の焼結に不
可欠な焼結助剤に由来するガラス質からなり、一般に窒
化ケイ素のマトリックスと比べ脆性であるため粒界相に
応力集中を受けると破壊し易く、窒化ケイ素系焼結体の
強度劣化の主要な原因となっている。
化の原因の一つとして、焼結体組織内部に存在する粒界
相の問題がある。この粒界相は、窒化ケイ素の焼結に不
可欠な焼結助剤に由来するガラス質からなり、一般に窒
化ケイ素のマトリックスと比べ脆性であるため粒界相に
応力集中を受けると破壊し易く、窒化ケイ素系焼結体の
強度劣化の主要な原因となっている。
【０００４】このため、窒化ケイ素系焼結体の粒界相を
低減させることによって、強度向上を図る種々の方法が
試みられてきた。例えば、特開平３−１１７３１５号公
報には、α−Ｓｉ3Ｎ4の柱状結晶粒とβ−Ｓｉ3Ｎ4の等
軸状結晶粒からなる微細な組織とし、粒界相の厚さを低
減させる方法が開示されている。しかし、α結晶粒を微
細にするためには、原料粉末にα率の高い微細なＳｉ3
Ｎ4粉末を使用する必要があり、コスト高になる欠点が
あった。又、焼結中にβ率を高めなければ優れた強度特
性が得られないことから、焼結中にβ結晶粒の大きさも
２μｍ以上となってしまうため、組織の微細化だけで粒
界相を低減するには限界があった。
低減させることによって、強度向上を図る種々の方法が
試みられてきた。例えば、特開平３−１１７３１５号公
報には、α−Ｓｉ3Ｎ4の柱状結晶粒とβ−Ｓｉ3Ｎ4の等
軸状結晶粒からなる微細な組織とし、粒界相の厚さを低
減させる方法が開示されている。しかし、α結晶粒を微
細にするためには、原料粉末にα率の高い微細なＳｉ3
Ｎ4粉末を使用する必要があり、コスト高になる欠点が
あった。又、焼結中にβ率を高めなければ優れた強度特
性が得られないことから、焼結中にβ結晶粒の大きさも
２μｍ以上となってしまうため、組織の微細化だけで粒
界相を低減するには限界があった。
【０００５】又、特開昭６１−９１０６５号公報や特開
平２−４４０６号公報に開示されるように、等軸結晶粒
のα’−サイアロン（一般式Ｍx(Ｓｉ,Ａｌ)12(Ｏ,Ｎ)
16であり、Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｌｉ及び希土類元素）と、
柱状結晶粒のβ’−サイアロンとを組み合わせる方法も
知られている。しかし、これらの方法も公報に記載され
た実施例によれば、曲げ強度が１００ｋｇ／ｍｍ2を安
定して越える焼結体はいずれもホットプレス法により製
造されたものであり、工業的に安定して高い強度特性を
得るに至っていない。
平２−４４０６号公報に開示されるように、等軸結晶粒
のα’−サイアロン（一般式Ｍx(Ｓｉ,Ａｌ)12(Ｏ,Ｎ)
16であり、Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｌｉ及び希土類元素）と、
柱状結晶粒のβ’−サイアロンとを組み合わせる方法も
知られている。しかし、これらの方法も公報に記載され
た実施例によれば、曲げ強度が１００ｋｇ／ｍｍ2を安
定して越える焼結体はいずれもホットプレス法により製
造されたものであり、工業的に安定して高い強度特性を
得るに至っていない。
【０００６】窒化ケイ素の焼結体組織中に微細な異種粒
子を分散複合させることにより、強度の向上を図る試み
も行われている。例えば、特開平４−２０２０５９号公
報に記載の方法では、短軸径が０.０５〜３μｍでアス
ペクト比が３〜２０の柱状窒化ケイ素又はサイアロン
に、１〜５００ｎｍの微粒子を分散させている。しか
し、その実施例に示された強度は最高１６７ｋｇ／ｍｍ
2であるものの、粗大な窒化ケイ素を含むことがあるた
め強度劣化を招き易く、従ってワイブル係数は９程度に
過ぎず、安定して高い強度特性を得ることができない欠
点があった。
子を分散複合させることにより、強度の向上を図る試み
も行われている。例えば、特開平４−２０２０５９号公
報に記載の方法では、短軸径が０.０５〜３μｍでアス
ペクト比が３〜２０の柱状窒化ケイ素又はサイアロン
に、１〜５００ｎｍの微粒子を分散させている。しか
し、その実施例に示された強度は最高１６７ｋｇ／ｍｍ
2であるものの、粗大な窒化ケイ素を含むことがあるた
め強度劣化を招き易く、従ってワイブル係数は９程度に
過ぎず、安定して高い強度特性を得ることができない欠
点があった。
【０００７】又、特開平４−２９５０５６号公報には、
柱状窒化ケイ素の粒界相に異種粒子を分散させる方法が
開示されている。しかしながら、この場合の窒化ケイ素
は、短軸径が最大２〜３.５μｍ及び長軸径が１０〜１
４μｍにも達するので、マトリックス自身が破壊源とな
り、実施例の強度は最高で１５８ｋｇ／ｍｍ2に過ぎ
ず、又焼成温度も１８００℃以上であることから、生産
性及びコストの面でも満足できるものではなかった。
柱状窒化ケイ素の粒界相に異種粒子を分散させる方法が
開示されている。しかしながら、この場合の窒化ケイ素
は、短軸径が最大２〜３.５μｍ及び長軸径が１０〜１
４μｍにも達するので、マトリックス自身が破壊源とな
り、実施例の強度は最高で１５８ｋｇ／ｍｍ2に過ぎ
ず、又焼成温度も１８００℃以上であることから、生産
性及びコストの面でも満足できるものではなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる従来の
事情に鑑み、機械部品用構造材料として十分な強度を備
え、且つ強度のバラツキが少なく高い信頼性を有すると
共に、生産性及びコストの面においても優れた窒化ケイ
素系焼結体を提供することを目的とする。
事情に鑑み、機械部品用構造材料として十分な強度を備
え、且つ強度のバラツキが少なく高い信頼性を有すると
共に、生産性及びコストの面においても優れた窒化ケイ
素系焼結体を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明が提供する窒化ケイ素系焼結体は、Ｓｉ3Ｎ4
及び／又はサイアロンの柱状結晶粒及び等軸状結晶粒
と、これらの結晶粒の間に存在する粒界相と、粒界相中
に分散した分散粒子とから構成され、前記柱状結晶粒の
平均短軸径が０.３μｍ以下及び平均長軸径が５μｍ以
下であり、等軸状結晶粒の平均粒径が０.５μｍ以下で
あり、分散粒子の平均粒径が０.１μｍ以下であって、
分散粒子の体積が他の焼結体組織の全体積を１としたと
き０.０５体積％以上であることを特徴とする。
め、本発明が提供する窒化ケイ素系焼結体は、Ｓｉ3Ｎ4
及び／又はサイアロンの柱状結晶粒及び等軸状結晶粒
と、これらの結晶粒の間に存在する粒界相と、粒界相中
に分散した分散粒子とから構成され、前記柱状結晶粒の
平均短軸径が０.３μｍ以下及び平均長軸径が５μｍ以
下であり、等軸状結晶粒の平均粒径が０.５μｍ以下で
あり、分散粒子の平均粒径が０.１μｍ以下であって、
分散粒子の体積が他の焼結体組織の全体積を１としたと
き０.０５体積％以上であることを特徴とする。
【００１０】
【作用】本発明においては、窒化ケイ素系焼結体におけ
る強度劣化の原因となる粒界相の相対的量を低減させる
ために、窒化ケイ素やサイアロンの柱状結晶粒と等軸状
結晶粒とを組み合わせて充填させるだけでなく、これら
の結晶粒の間に存在する粒界相中に分散粒子を分散させ
ることによって、粒界相の表面積が増加して相対的にガ
ラス相の量が減少している。加えて、粒界相に微細な分
散粒子を含ませることで、組織全体の粒成長が抑制され
る作用効果が認められ、柱状結晶粒と等軸状結晶粒の大
きさが制御されて微細で均一な組織を得ることができ
る。
る強度劣化の原因となる粒界相の相対的量を低減させる
ために、窒化ケイ素やサイアロンの柱状結晶粒と等軸状
結晶粒とを組み合わせて充填させるだけでなく、これら
の結晶粒の間に存在する粒界相中に分散粒子を分散させ
ることによって、粒界相の表面積が増加して相対的にガ
ラス相の量が減少している。加えて、粒界相に微細な分
散粒子を含ませることで、組織全体の粒成長が抑制され
る作用効果が認められ、柱状結晶粒と等軸状結晶粒の大
きさが制御されて微細で均一な組織を得ることができ
る。
【００１１】この結果、本発明の窒化ケイ素系焼結体で
は、窒化ケイ素やサイアロンの柱状結晶粒と等軸状結晶
粒が微細且つ均一化され、同時に粒界相の量の低減によ
り粒界での脆性を低減化することができるので、ＪＩＳ
Ｒ １６０１に準拠した室温での３点曲げ強度において
常に１６０ｋｇ／ｍｍ2以上の強度が安定して得られ
る。又、本発明の窒化ケイ素系焼結体は切削性に優れ、
切削工具としても非常に有用であることが判った。
は、窒化ケイ素やサイアロンの柱状結晶粒と等軸状結晶
粒が微細且つ均一化され、同時に粒界相の量の低減によ
り粒界での脆性を低減化することができるので、ＪＩＳ
Ｒ １６０１に準拠した室温での３点曲げ強度において
常に１６０ｋｇ／ｍｍ2以上の強度が安定して得られ
る。又、本発明の窒化ケイ素系焼結体は切削性に優れ、
切削工具としても非常に有用であることが判った。
【００１２】このような優れた強度を安定して得るため
には、Ｓｉ3Ｎ4及び／又はサイアロンの柱状結晶粒（β
結晶）と等軸状結晶粒（α結晶）の両者を含み、柱状結
晶粒の平均短軸径が０.３μｍ以下及び平均長軸径が５
μｍ以下であり、等軸状結晶粒の平均粒径が０.５μｍ
以下であることが必要である。これらの結晶粒の平均粒
径がそれぞれの上限値を越える場合には、組織が不均一
になって大きな結晶粒自体が破壊源となったり、柱状結
晶粒と等軸状結晶粒との充填密度の低下を招いたり、粒
界相の厚さが大きくなったりするため、焼結体の強度が
劣化するからである。
には、Ｓｉ3Ｎ4及び／又はサイアロンの柱状結晶粒（β
結晶）と等軸状結晶粒（α結晶）の両者を含み、柱状結
晶粒の平均短軸径が０.３μｍ以下及び平均長軸径が５
μｍ以下であり、等軸状結晶粒の平均粒径が０.５μｍ
以下であることが必要である。これらの結晶粒の平均粒
径がそれぞれの上限値を越える場合には、組織が不均一
になって大きな結晶粒自体が破壊源となったり、柱状結
晶粒と等軸状結晶粒との充填密度の低下を招いたり、粒
界相の厚さが大きくなったりするため、焼結体の強度が
劣化するからである。
【００１３】粒界相に分散される分散粒子は、平均粒径
が０.１μｍ以下であり、且つ分散粒子の体積が他の焼
結体組織の全体積を１としたとき０.０５体積％以上を
占めることが必要である。分散粒径の平均粒径が０.１
μｍより大きくなると、粒界相に存在する以外に、３重
点や等軸結晶粒と同じ大きさで存在する量が多くなり、
粒界相のガラス相の相対的量を低減させることができ
ず、しかも組織全体の粒成長も大きくなるので、所望の
強度が得られない。
が０.１μｍ以下であり、且つ分散粒子の体積が他の焼
結体組織の全体積を１としたとき０.０５体積％以上を
占めることが必要である。分散粒径の平均粒径が０.１
μｍより大きくなると、粒界相に存在する以外に、３重
点や等軸結晶粒と同じ大きさで存在する量が多くなり、
粒界相のガラス相の相対的量を低減させることができ
ず、しかも組織全体の粒成長も大きくなるので、所望の
強度が得られない。
【００１４】又、分散粒子の体積が他の焼結体組織の全
体積を１としたとき０.０５体積％未満では、ガラス相
の低減される量が極めて少ないため、やはり所望の強度
を達成することができない。しかし、分散粒子の体積が
多くなると必然的にその平均粒径も大きくなるので、平
均粒径が０.１μｍを越えない程度に分散粒子の体積を
抑える必要があることは言うまでもない。
体積を１としたとき０.０５体積％未満では、ガラス相
の低減される量が極めて少ないため、やはり所望の強度
を達成することができない。しかし、分散粒子の体積が
多くなると必然的にその平均粒径も大きくなるので、平
均粒径が０.１μｍを越えない程度に分散粒子の体積を
抑える必要があることは言うまでもない。
【００１５】かかる分散粒子は、窒化ケイ素又はサイア
ロン以外の化合物であって、例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、
Ｖ、Ｃｒ等の化合物であってよく、中でもＴｉの化合物
が好ましい。尚、焼結体中におけるこれらの化合物は、
Ｘ線回折法による測定によれば、少なくともＴｉＮ等の
ような窒化物を含んでいることが認められる。
ロン以外の化合物であって、例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、
Ｖ、Ｃｒ等の化合物であってよく、中でもＴｉの化合物
が好ましい。尚、焼結体中におけるこれらの化合物は、
Ｘ線回折法による測定によれば、少なくともＴｉＮ等の
ような窒化物を含んでいることが認められる。
【００１６】特に、分散粒子がチタン化合物の場合、焼
結体中に占める体積が他の焼結体組織の全体積を１とし
たとき、ＴｉＮに換算して０.０５〜４体積％の範囲で
あることが好ましい。Ｔｉ化合物が０.０５体積％未満
では所望の強度が得られず、４体積％を越えるとＴｉ化
合物同士が凝集して平均粒径が大きくなり、欠陥を形成
するため所望の強度が得られない。又、焼結体中のＴｉ
化合物が４体積％を越える場合、その原料粉末はＴｉ化
合物の存在により焼結性が低下するため焼結体の組織に
不均一な部分が生じ、強度の低下につながる。
結体中に占める体積が他の焼結体組織の全体積を１とし
たとき、ＴｉＮに換算して０.０５〜４体積％の範囲で
あることが好ましい。Ｔｉ化合物が０.０５体積％未満
では所望の強度が得られず、４体積％を越えるとＴｉ化
合物同士が凝集して平均粒径が大きくなり、欠陥を形成
するため所望の強度が得られない。又、焼結体中のＴｉ
化合物が４体積％を越える場合、その原料粉末はＴｉ化
合物の存在により焼結性が低下するため焼結体の組織に
不均一な部分が生じ、強度の低下につながる。
【００１７】本発明の窒化ケイ素系焼結体を得るために
は、原料の窒化ケイ素粉末の表面に存在するＳｉＯ2と
反応して、できるだけ低温で液相を形成する焼結助剤、
例えばＹ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣｅＯ2、ＣａＯ、
スピネル等を使用し、Ｎ2ガス等の非酸化性雰囲気中に
おいて１６５０℃以下の温度で焼結する。更に、得られ
た焼結体を非酸化性の加圧雰囲気中で２次焼結し、緻密
化することが好ましい。２次焼結は１次焼結に連続して
行ってもよいし、１次室温後一旦室温に冷却してから２
次焼結を行ってもよい。
は、原料の窒化ケイ素粉末の表面に存在するＳｉＯ2と
反応して、できるだけ低温で液相を形成する焼結助剤、
例えばＹ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣｅＯ2、ＣａＯ、
スピネル等を使用し、Ｎ2ガス等の非酸化性雰囲気中に
おいて１６５０℃以下の温度で焼結する。更に、得られ
た焼結体を非酸化性の加圧雰囲気中で２次焼結し、緻密
化することが好ましい。２次焼結は１次焼結に連続して
行ってもよいし、１次室温後一旦室温に冷却してから２
次焼結を行ってもよい。
【００１８】本発明では、分散粒子であるＴｉＮ等の窒
化物を含む化合物等は、例えばＴｉＮのような窒化物粉
末自体を出発原料としてもよいが、焼結中に当該化合物
を生成するような他の化合物の粉末、例えばＴｉＯ2の
ような酸化物粉末を出発原料とすることが望ましい。特
にＴｉＯ2粉末を原料として用いる場合、焼結体中に平
均粒径が０.１μｍ以下のＴｉＮを含む分散粒子を得る
ために、１次粒径の平均が０.２μｍ以下であることが
好ましい。
化物を含む化合物等は、例えばＴｉＮのような窒化物粉
末自体を出発原料としてもよいが、焼結中に当該化合物
を生成するような他の化合物の粉末、例えばＴｉＯ2の
ような酸化物粉末を出発原料とすることが望ましい。特
にＴｉＯ2粉末を原料として用いる場合、焼結体中に平
均粒径が０.１μｍ以下のＴｉＮを含む分散粒子を得る
ために、１次粒径の平均が０.２μｍ以下であることが
好ましい。
【００１９】尚、本発明においては、Ｔｉ化合物等の分
散粒子が焼結時に粒成長抑制作用を果すので、原料の窒
化ケイ素粉末として高価なα率が高く且つ微細な粉末を
使用しなくても、窒化ケイ素の柱状のβ結晶粒と等軸状
のα結晶粒の微細で均一な組織を得ることができる。
又、焼結温度が１６５０℃以下と低いので、窒化ケイ素
の昇華分解を抑えるために用いる加圧雰囲気中で焼結を
行う必要がなく、大量生産に適したプッシャー式やベル
ト式の連続焼結炉等を用いることが可能である。更に、
熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）焼結を用いなくても、容易
に高強度の焼結体を得ることができる。従って、本発明
の窒化ケイ素系焼結体は、生産性及びコストの面におい
ても優れたものである。
散粒子が焼結時に粒成長抑制作用を果すので、原料の窒
化ケイ素粉末として高価なα率が高く且つ微細な粉末を
使用しなくても、窒化ケイ素の柱状のβ結晶粒と等軸状
のα結晶粒の微細で均一な組織を得ることができる。
又、焼結温度が１６５０℃以下と低いので、窒化ケイ素
の昇華分解を抑えるために用いる加圧雰囲気中で焼結を
行う必要がなく、大量生産に適したプッシャー式やベル
ト式の連続焼結炉等を用いることが可能である。更に、
熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）焼結を用いなくても、容易
に高強度の焼結体を得ることができる。従って、本発明
の窒化ケイ素系焼結体は、生産性及びコストの面におい
ても優れたものである。
【００２０】
【実施例】実施例１ 市販されている平均粒径０.７μｍで、α率８５％のＳ
ｉ3Ｎ4粉末と、焼結助剤としてＹ2Ｏ3粉末、Ａｌ2Ｏ3粉
末及びＭｇＯ粉末を、それぞれ下記表１に示す割合で配
合し、更に分散粒子の原料として１次粒径３０ｎｍのＴ
ｉＯ2粉末を、他の焼結体組織全体の体積を１としたと
きのＴｉＮの体積換算で、表１に示す割合で配合した。
これらの粉末を、ナイロン製ボールミルにてエタノール
中で１００時間の湿式混合した後、３０００ｋｇ／ｃｍ
2でＣＩＰ成形した。
ｉ3Ｎ4粉末と、焼結助剤としてＹ2Ｏ3粉末、Ａｌ2Ｏ3粉
末及びＭｇＯ粉末を、それぞれ下記表１に示す割合で配
合し、更に分散粒子の原料として１次粒径３０ｎｍのＴ
ｉＯ2粉末を、他の焼結体組織全体の体積を１としたと
きのＴｉＮの体積換算で、表１に示す割合で配合した。
これらの粉末を、ナイロン製ボールミルにてエタノール
中で１００時間の湿式混合した後、３０００ｋｇ／ｃｍ
2でＣＩＰ成形した。
【００２１】
【表１】 Ｓｉ3Ｎ4 Ｙ2Ｏ3 Ａｌ2Ｏ3 ＭｇＯ ＴｉＯ2 試料 (wt％) (wt％) (wt％) (wt％) (TiN換算vol％) 1 91 5 3 1 0.05 2 91 5 3 1 0.1 3 91 5 3 1 0.5 4 91 5 3 1 2.4 5 91 5 3 1 4.0 6 93 4 2 1 0.3 7 98 1 0.5 0.5 0.2 8＊ 91 5 3 1 0 9＊ 91 5 3 1 0.01 10＊ 91 5 3 1 7.0 11＊ 91 5 3 1 10.0 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。
【００２２】次に、得られた各成形体を、１気圧のＮ2
ガス雰囲気中において１５００℃で４時間１次焼結し、
引き続いて１０００気圧のＮ2ガス雰囲気中において１
６００℃で１時間の２次焼結を実施した。得られた各焼
結体から３×４×４０ｍｍの抗折試験片を各１５本づつ
切り出し、＃８００のダイヤモンド砥石により研削加工
仕上げを行った後、ＪＩＳ Ｒ １６０１に準拠した室温
での３点曲げ強度を実施して、平均曲げ強度とワイブル
係数を測定した。
ガス雰囲気中において１５００℃で４時間１次焼結し、
引き続いて１０００気圧のＮ2ガス雰囲気中において１
６００℃で１時間の２次焼結を実施した。得られた各焼
結体から３×４×４０ｍｍの抗折試験片を各１５本づつ
切り出し、＃８００のダイヤモンド砥石により研削加工
仕上げを行った後、ＪＩＳ Ｒ １６０１に準拠した室温
での３点曲げ強度を実施して、平均曲げ強度とワイブル
係数を測定した。
【００２３】又、各焼結体について、相対密度を求める
と共に、Ｘ線回折法により柱状のα（α’を含む）結晶
とβ（β’を含む）結晶のピーク比の高さから両結晶の
α：β比を求めた。更に、各焼結体の任意の一断面をラ
ッピング加工した後、８０℃のＨＦ：ＨＮＯ3＝２：１
のエッチング液により３０分エッチング処理し、倍率５
０００倍の走査型電子顕微鏡で観察することにより、各
結晶の平均粒径を求めた。分散粒子の平均粒径は同様に
して透過型電子顕微鏡により求めた。これらの結果を表
２及び表３に示した。
と共に、Ｘ線回折法により柱状のα（α’を含む）結晶
とβ（β’を含む）結晶のピーク比の高さから両結晶の
α：β比を求めた。更に、各焼結体の任意の一断面をラ
ッピング加工した後、８０℃のＨＦ：ＨＮＯ3＝２：１
のエッチング液により３０分エッチング処理し、倍率５
０００倍の走査型電子顕微鏡で観察することにより、各
結晶の平均粒径を求めた。分散粒子の平均粒径は同様に
して透過型電子顕微鏡により求めた。これらの結果を表
２及び表３に示した。
【００２４】
【表２】 相対密度 等軸結晶 柱 状 結 晶 粒 径 分散粒子試料 (％） α：β比 粒径(nm) 短軸(nm) 長軸(μm) 粒径(nm) 1 99.2 15:85 350 250 2.0 30 2 99.4 15:85 300 240 2.0 30 3 99.2 13:87 300 230 2.0 30 4 99.1 9:91 250 200 2.0 50 5 99.4 8:92 250 200 1.5 90 6 99.3 17:83 250 200 2.0 40 7 99.1 17:83 300 250 2.0 30 8＊ 99.0 16:84 400 330 2.5 − 9＊ 99.0 9:91 320 290 2.5 30 10＊ 97.2 9:91 300 300 1.5 350 11＊ 96.9 5:95 300 330 1.0 400 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。
【００２５】
【表３】
【００２６】上記の結果から、本発明例の各試料は曲げ
強度が１７０ｋｇ／ｍｍ2以上と高く且つワイブル係数
が２２以上と強度のバラツキが少ないことが判る。これ
に対して、比較例の試料８と９は分散粒子の体積が少な
過ぎるため強度向上がなされず、試料１０と１１は分散
粒子の体積が多すぎ、従ってまた分散粒子の粒径が大き
くなり過ぎるため、強度が劣化していることが判る。
強度が１７０ｋｇ／ｍｍ2以上と高く且つワイブル係数
が２２以上と強度のバラツキが少ないことが判る。これ
に対して、比較例の試料８と９は分散粒子の体積が少な
過ぎるため強度向上がなされず、試料１０と１１は分散
粒子の体積が多すぎ、従ってまた分散粒子の粒径が大き
くなり過ぎるため、強度が劣化していることが判る。
【００２７】実施例２ 実施例１と同じ各原料粉末を下記表４（試料１と８は実
施例１と同一配合）に示す割合で配合し、実施例１と同
様にして製造した各成形体を、Ｎ2ガス雰囲気中におい
て表５に示す条件で、それぞれ１次焼結及び２次焼結を
実施した。
施例１と同一配合）に示す割合で配合し、実施例１と同
様にして製造した各成形体を、Ｎ2ガス雰囲気中におい
て表５に示す条件で、それぞれ１次焼結及び２次焼結を
実施した。
【００２８】
【表４】 Ｓｉ3Ｎ4 Ｙ2Ｏ3 Ａｌ2Ｏ3 ＭｇＯ ＴｉＯ2 試料 (wt％) (wt％) (wt％) (wt％) (TiN換算vol％) 2 91 5 3 1 0.1 12 91 5 3 1 0.4 13 89 6 4 1 1.0 14 85 10 4 1 3.0 8＊ 91 5 3 1 0 15＊ 89 6 4 1 5.0 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。
【００２９】
【表５】
【００３０】得られた各焼結体について、実施例１と同
様に相対密度、α：β比、α結晶である柱状結晶の短軸
及び長軸の平均粒径、β結晶である等軸状結晶の平均粒
径、分散粒子の平均粒径を測定すると共に、室温での３
点曲げ強度とワイブル係数を測定し、これらの結果を表
６及び表７に示した。
様に相対密度、α：β比、α結晶である柱状結晶の短軸
及び長軸の平均粒径、β結晶である等軸状結晶の平均粒
径、分散粒子の平均粒径を測定すると共に、室温での３
点曲げ強度とワイブル係数を測定し、これらの結果を表
６及び表７に示した。
【００３１】
【表６】 相対密度 等軸結晶 柱 状 結 晶 粒 径 分散粒子試 料 (％） α：β比 粒径(nm) 短軸(nm) 長軸(μm) 粒径(nm) 2−A 99.2 16:84 300 230 2.0 30 2−B 99.0 4:96 300 250 1.7 30 2−C 98.8 19:81 350 200 2.5 30 2−D 99.3 10:90 250 200 2.0 30 2−E 99.2 10:90 300 200 2.0 30 12−F 99.5 17:83 200 200 2.5 30 13−G 99.0 16:84 300 250 2.0 60 14−H 98.5 10:90 350 200 1.8 100 14−I 98.9 16:84 350 200 2.3 60 8−J＊ 97.5 25:75 500 300 1.5 − 8−K＊ 98.5 16:84 300 300 1.6 − 15−L＊ 96.2 7:93 450 200 1.0 200 15−M＊ 98.3 1:99 450 350 1.0 200 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。
【００３２】
【表７】
【００３３】実施例３ 実施例１と同じ各原料粉末を用いたがＴｉＯ2粉末のみ
１次粒径を変化させ、下記表８に示す割合で配合した。
得られた各粉末を実施例１と同様に成形し、各成形体を
１気圧のＮ2ガス雰囲気中において１５００℃で４時間
１次焼結し、引き続いて１０００気圧のＮ2ガス雰囲気
中において１６００℃で１時間の２次焼結を実施した。
１次粒径を変化させ、下記表８に示す割合で配合した。
得られた各粉末を実施例１と同様に成形し、各成形体を
１気圧のＮ2ガス雰囲気中において１５００℃で４時間
１次焼結し、引き続いて１０００気圧のＮ2ガス雰囲気
中において１６００℃で１時間の２次焼結を実施した。
【００３４】
【表８】 Ｓｉ3Ｎ4 Ｙ2Ｏ3 Ａｌ2Ｏ3 ＭｇＯ ＴｉＯ2 ＴｉＯ2 試 料 (wt％) (wt％) (wt％) (wt％) (TiN換算vol％) １次粒径(nm) 16−1 91 5 3 1 0.2 15 16−2 91 5 3 1 0.2 30 16−3＊ 91 5 3 1 0.2 300 17−1 89 5 4 2 0.3 15 17−2 89 5 4 2 0.3 50 17−3＊ 89 5 4 2 0.3 200 18−1 89 6 4 1 1.0 100 18−2＊ 89 6 4 1 1.0 500 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。
【００３５】得られた各焼結体について、実施例１と同
様に相対密度、α：β比、α結晶である柱状結晶の短軸
及び長軸の平均粒径、β結晶である等軸状結晶の平均粒
径、分散粒子の平均粒径を測定すると共に、室温での３
点曲げ強度とワイブル係数を測定し、これらの結果を表
９及び表１０に示した。
様に相対密度、α：β比、α結晶である柱状結晶の短軸
及び長軸の平均粒径、β結晶である等軸状結晶の平均粒
径、分散粒子の平均粒径を測定すると共に、室温での３
点曲げ強度とワイブル係数を測定し、これらの結果を表
９及び表１０に示した。
【００３６】
【表９】 相対密度 等軸結晶 柱 状 結 晶 粒 径 分散粒子試 料 (％） α：β比 粒径(nm) 短軸(nm) 長軸(μm) 粒径(nm) 16−1 99.4 11:89 350 250 2.0 15 16−2 99.3 16:84 300 200 2.0 20 16−3＊ 97.5 21:79 300 250 1.5 300 17−1 99.5 14:86 250 200 2.0 15 17−2 99.1 15:85 250 200 1.8 50 17−3＊ 96.2 16:84 320 250 1.5 250 18−1 99.3 14:86 330 250 2.0 100 18−2＊ 98.2 16:84 400 350 1.5 500 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。
【００３７】
【表１０】 曲げ強度 ワイブル試 料 (kg／mm2) 係 数 16−1 192 22 16−2 171 20 16−3＊ 123 8 17−1 189 23.6 17−2 196 25.3 17−3＊ 143 12 18−1 161 21 18−2＊ 139 16.2 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。
【００３８】上記の結果から、ＴｉＮ分散粒子の原料粉
末として１次粒径の大きなＴｉＯ2粉末を使用すると、
得られる焼結体中の分散粒子の平均粒径が大きくなり、
分散粒子の平均粒径が０.１μｍを越えると曲げ強度が
低下し、且つワイブル係数も低下して強度にバラツキが
生じることが判る。
末として１次粒径の大きなＴｉＯ2粉末を使用すると、
得られる焼結体中の分散粒子の平均粒径が大きくなり、
分散粒子の平均粒径が０.１μｍを越えると曲げ強度が
低下し、且つワイブル係数も低下して強度にバラツキが
生じることが判る。
【００３９】実施例４ 実施例１と同じ各原料粉末を用いたがＴｉＯ2粉末のみ
１次粒径を変化させ、下記表１１（試料４、試料８、試
料１１は実施例１と同一配合）に示す割合で配合した。
得られた各粉末を実施例１と同様に成形し、各成形体を
１気圧のＮ2ガス雰囲気中において１５００℃で４時間
１次焼結し、引き続いて１０００気圧のＮ2ガス雰囲気
中において１５７５℃で１時間の２次焼結を実施した。
１次粒径を変化させ、下記表１１（試料４、試料８、試
料１１は実施例１と同一配合）に示す割合で配合した。
得られた各粉末を実施例１と同様に成形し、各成形体を
１気圧のＮ2ガス雰囲気中において１５００℃で４時間
１次焼結し、引き続いて１０００気圧のＮ2ガス雰囲気
中において１５７５℃で１時間の２次焼結を実施した。
【００４０】
【表１１】 Ｓｉ3Ｎ4 Ｙ2Ｏ3 Ａｌ2Ｏ3 ＭｇＯ ＴｉＯ2 ＴｉＯ2 試料 (wt％) (wt％) (wt％) (wt％) (TiN換算vol％) １次粒径(nm) 4 91 5 3 1 2.0 15 19 91 5 3 1 0.2 100 8＊ 91 5 3 1 0 − 11＊ 91 5 3 1 10.0 30 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。
【００４１】得られた各焼結体から切削チップを作製
し、下記表１２に示す条件で切削試験に供した。それぞ
れの試験結果を表１３に示した。尚、表１３のチップ寿
命の判定は、逃げ面摩耗幅が０.３ｍｍとなるまでの切
削時間をもって行った。
し、下記表１２に示す条件で切削試験に供した。それぞ
れの試験結果を表１３に示した。尚、表１３のチップ寿
命の判定は、逃げ面摩耗幅が０.３ｍｍとなるまでの切
削時間をもって行った。
【００４２】
【表１２】
【００４３】
【表１３】
【００４４】上記の結果から、本発明の窒化ケイ素系焼
結体は切削工具として、連続切削及び断続切削のいずれ
においても優れた切削性能を有していることが理解され
る。
結体は切削工具として、連続切削及び断続切削のいずれ
においても優れた切削性能を有していることが理解され
る。
【００４５】実施例５ 分散粒子の原料粉末として下記表１４に示す各酸化物粉
末を使用し、他の原料粉末は実施例１と同じ粉末を用い
て、表１４に示す割合で配合した。得られた各粉末を１
気圧のＮ2ガス雰囲気中において１５００℃で４時間１
次焼結し、引き続いて１０００気圧のＮ2ガス雰囲気中
において１６００℃で１時間の２次焼結を実施した。
尚、添加酸化物の体積は、他の組織全体を１としたとき
の窒化物に換算した値である。
末を使用し、他の原料粉末は実施例１と同じ粉末を用い
て、表１４に示す割合で配合した。得られた各粉末を１
気圧のＮ2ガス雰囲気中において１５００℃で４時間１
次焼結し、引き続いて１０００気圧のＮ2ガス雰囲気中
において１６００℃で１時間の２次焼結を実施した。
尚、添加酸化物の体積は、他の組織全体を１としたとき
の窒化物に換算した値である。
【００４６】
【表１４】
【００４７】得られた各焼結体について、実施例１と同
様に相対密度、α：β比、α結晶である柱状結晶の短軸
及び長軸の平均粒径、β結晶である等軸状結晶の平均粒
径、分散粒子の平均粒径を測定すると共に、室温での３
点曲げ強度とワイブル係数を測定し、これらの結果を表
１５及び表１６に示した。
様に相対密度、α：β比、α結晶である柱状結晶の短軸
及び長軸の平均粒径、β結晶である等軸状結晶の平均粒
径、分散粒子の平均粒径を測定すると共に、室温での３
点曲げ強度とワイブル係数を測定し、これらの結果を表
１５及び表１６に示した。
【００４８】
【表１５】 相対密度 等軸結晶 柱 状 結 晶 粒 径 分散粒子試料 (％） α：β比 粒径(nm) 短軸(nm) 長軸(μm) 粒径(nm) 20 99.5 7：93 300 250 2.0 50 21 99.3 8：92 300 200 1.5 100 22 99.4 10：90 300 250 1.8 100 23 99.3 5：95 300 250 1.5 100
【００４９】
【表１６】
【００５０】
【発明の効果】本発明によれば、室温における３点曲げ
強度が平均１６０ｋｇ／ｍｍ2以上の優れた機械的強度
を有し、しかも強度のバラツキが少なく信頼性の高い窒
化ケイ素系焼結体を提供することができる。又、この窒
化ケイ素系焼結体は、生産性に優れ且つコスト面でも非
常に有利である。
強度が平均１６０ｋｇ／ｍｍ2以上の優れた機械的強度
を有し、しかも強度のバラツキが少なく信頼性の高い窒
化ケイ素系焼結体を提供することができる。又、この窒
化ケイ素系焼結体は、生産性に優れ且つコスト面でも非
常に有利である。
【００５１】かかる本発明の窒化ケイ素系焼結体は、特
に室温における強度が要求される分野において従来の金
属材料に代わる機械構造用材料として期待されるほか、
切削工具用材料としても極めて有用である。
に室温における強度が要求される分野において従来の金
属材料に代わる機械構造用材料として期待されるほか、
切削工具用材料としても極めて有用である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山川 晃 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内
Claims (4)
- 【請求項１】 Ｓｉ3Ｎ4及び／又はサイアロンの柱状結
晶粒及び等軸状結晶粒と、これらの結晶粒の間に存在す
る粒界相と、粒界相中に分散した分散粒子とから構成さ
れ、前記柱状結晶粒の平均短軸径が０.３μｍ以下及び
平均長軸径が５μｍ以下であり、等軸状結晶粒の平均粒
径が０.５μｍ以下であり、分散粒子の平均粒径が０.１
μｍ以下であって、分散粒子の体積が他の焼結体組織の
全体積を１としたとき０.０５体積％以上であることを
特徴とする窒化ケイ素系焼結体。 - 【請求項２】 分散粒子が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ又は
Ｃｒの化合物であることを特徴とする、請求項１に記載
の窒化ケイ素系焼結体。 - 【請求項３】 分散粒子がＴｉの化合物であって、その
体積が他の焼結体組織の全体積を１としたときＴｉＮに
換算して０.０５〜４体積％であることを特徴とする、
請求項２に記載の窒化ケイ素系焼結体。 - 【請求項４】 ＪＩＳ Ｒ １６０１に準拠する室温での
３点曲げ強度が１６０ｋｇ／ｍｍ2以上であることを特
徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の窒化ケ
イ素系焼結体。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11785193A JP3395247B2 (ja) | 1993-04-21 | 1993-04-21 | 窒化ケイ素系焼結体 |
| US08/138,346 US5424256A (en) | 1993-03-17 | 1993-10-18 | Silicon nitride sintered body |
| SG1996005175A SG43189A1 (en) | 1993-03-17 | 1993-10-21 | Silicon nitride sintered body |
| DE69317254T DE69317254T2 (de) | 1993-03-17 | 1993-10-21 | Siliciumnitrid-Sinterkörper |
| EP93117039A EP0615963B1 (en) | 1993-03-17 | 1993-10-21 | Silicon nitride sintered body |
| KR1019930026821A KR970001266B1 (ko) | 1993-03-17 | 1993-12-08 | 질화규소소결체 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11785193A JP3395247B2 (ja) | 1993-04-21 | 1993-04-21 | 窒化ケイ素系焼結体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06305837A true JPH06305837A (ja) | 1994-11-01 |
| JP3395247B2 JP3395247B2 (ja) | 2003-04-07 |
Family
ID=14721860
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11785193A Expired - Fee Related JP3395247B2 (ja) | 1993-03-17 | 1993-04-21 | 窒化ケイ素系焼結体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3395247B2 (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5908797A (en) * | 1995-07-18 | 1999-06-01 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Silicon nitride based sintered material and method for producing same |
| JP2001064080A (ja) * | 1999-06-23 | 2001-03-13 | Ngk Insulators Ltd | 窒化珪素焼結体及びその製造方法 |
| JP2001328869A (ja) * | 2000-03-16 | 2001-11-27 | Toshiba Corp | 耐摩耗性部材およびその製造方法 |
| JP2002293639A (ja) * | 2001-03-29 | 2002-10-09 | Kyocera Corp | 窒化珪素質焼結体 |
| US6589448B2 (en) * | 2000-04-12 | 2003-07-08 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Ceramic ball for bearing and ceramic ball bearing using the same |
| JP2010001203A (ja) * | 2008-05-19 | 2010-01-07 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 窒化珪素焼結体、窒化珪素切削工具、窒化珪素焼結体の製造方法 |
| JP2011132126A (ja) * | 2000-03-16 | 2011-07-07 | Toshiba Corp | 耐摩耗性部材 |
| WO2016092016A1 (de) * | 2014-12-12 | 2016-06-16 | Ceramtec Gmbh | α/ß-SIALON MIT VERBESSERTER SINTERAKTIVITÄT UND HOHER KANTENBESTÄNDIGKEIT |
-
1993
- 1993-04-21 JP JP11785193A patent/JP3395247B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5908797A (en) * | 1995-07-18 | 1999-06-01 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Silicon nitride based sintered material and method for producing same |
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| JP2002293639A (ja) * | 2001-03-29 | 2002-10-09 | Kyocera Corp | 窒化珪素質焼結体 |
| JP4671524B2 (ja) * | 2001-03-29 | 2011-04-20 | 京セラ株式会社 | 窒化珪素質焼結体の製造方法 |
| JP2010001203A (ja) * | 2008-05-19 | 2010-01-07 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 窒化珪素焼結体、窒化珪素切削工具、窒化珪素焼結体の製造方法 |
| WO2016092016A1 (de) * | 2014-12-12 | 2016-06-16 | Ceramtec Gmbh | α/ß-SIALON MIT VERBESSERTER SINTERAKTIVITÄT UND HOHER KANTENBESTÄNDIGKEIT |
| US10239794B2 (en) | 2014-12-12 | 2019-03-26 | Ceramtec Gmbh | α/β-sialon having improved sintering activity and high edge strength |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3395247B2 (ja) | 2003-04-07 |
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Legal Events
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