JPH01131074A - 繊維強化セラミックス - Google Patents

繊維強化セラミックス

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JPH01131074A
JPH01131074A JP62289530A JP28953087A JPH01131074A JP H01131074 A JPH01131074 A JP H01131074A JP 62289530 A JP62289530 A JP 62289530A JP 28953087 A JP28953087 A JP 28953087A JP H01131074 A JPH01131074 A JP H01131074A
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Hitoshi Yokoi
等 横井
Akiyasu Okuno
奥野 晃康
Shoichi Watanabe
正一 渡辺
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    • 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) 本発明は切削工具、耐摩耗性工具材料、セラミックバル
ブ等の自動車エンジン部材、ガスタービンロータ等の熱
機関部材、ベアリングボール等の構造部材などに用いる
のに適した耐摩耗性、耐欠損性、耐食性等に優れた繊維
強化セラミックスに関するものである。
(従来の技術) 窒化珪素(Si3N*)を主成分とする窒化珪素系セラ
ミックスは強度、耐酸化性、耐摩耗性、耐熱衝撃性等に
優れているため、前述の利用分野で注目されている材料
であり、中でもβ−3iJ4にAβと0が置換固溶して
なるβ−サイアロン〔組成式5tb−z  Aj2z 
O□N5−z(ただし0<2≦4.3である)〕は低硬
度だが高強度、高靭性を有し、またα−5i31’Lに
八lと0が置換固溶し、かつ格子間位置に他の元素が置
換固溶したα−サイアロン〔組成式Mx(Si、八a)
+z(o、N)16(ただしHはMg、Ca、Yおよび
希土類元素から選ばれた単独または混合物からなり、O
<X≦2である。)〕は低靭性だが高硬度を有すること
から、特にサイアロンセラミックスは各種構造部材とし
て注目されている。また、炭化珪素(SiC)ウィスカ
ーの如き繊維状(ひげ状)結晶をこれら窒化珪素系セラ
ミックスを母相として配合することにより電気的特性を
付与したり機械的特性を向上したりして、優れた特性の
複合材料を得ようとする試みがなされている。
例えば、特公昭60−35316号公報の5iJa中に
5〜50重量%の範囲で繊維状SiC結晶を分散し高い
電気伝導性を有する放電加工可能なSi3N4焼結体や
特公昭60−55469号公報の窒化珪素粉末の分散液
と繊維状炭化珪素結晶の分散液とを、前者に対し後者が
5〜50重量%となるように混合し、成形、焼結する製
造方法や、特開昭59−102862号公報の第■族、
第■族又は第■族元素の酸化物、窒化物又は炭化物を母
相とし、繊維状炭化珪素と導電性を有する炭化物、窒化
物又はホウ化物の粉末を分散含有せしめた複合焼結体や
、特開昭60−246268号公報のウィスカー相にS
iC,Si3N4.B4C,TiB2を用い、Y、Mg
、Ca及び希土類金属と、An。
Si、O,Nと不可避不純物からなるガラス質相と、残
部がβ−サイアロンから成る焼結体などが知られている
(発明が解決すべき問題点) しかし上記従来例はSiCウィスカーを分散した複合材
が焼結困難であることから、焼結はホットプレス法(H
P)や、1500kg/ cJ (1500気圧)以上
の加圧雰囲気下における熱間静水圧プレス法(HIP)
によって行われていた。しかしながら、HP法により焼
結されたSiCウィスカー強化セラミックスは、SiC
ウィスカーが特定の方向に配向しているため、特性に異
方性を生じ、しかも複雑形状品は得られないという問題
点があった。又HIP法は装置が大型化し、ガス圧力が
高まるにつれて生産性が悪く、コストも高価となる上、
1500kg/crA (1500気圧)以上の加圧雰
囲気下でのI(IP法により焼結された焼結体の機械的
特性はHP法により焼結された焼結体の特性よりも劣る
という問題点があった。本発明は上記実情に鑑みなされ
たものであり、焼結体特性に異方性が無く、高い強度、
及び靭性を有し、且つ複雑形状品の焼結が安価に得るこ
とができる繊維強化セラミックスを提供することを目的
とする。
(問題点を解決するための手段) 本発明は前述の目的を達成するために、種々検討した結
果なされたものである。
本発明の概要を述べれば、以下のとおりである。
すなわち、SiCウィスカー5〜30重量%と、Si。
A/!、O,Nと周期律表第11a族もしくは第III
a族の金属元素の1種以上を含むガラス相20〜40重
量%と、残部が主としてβ−サイアロンから成ることを
特徴とする繊維強化セラミックスである。
本発明に係わる特性に異方性のないウィスカー強化セラ
ミックスは、Si3N4粉末もしくはβ−サイアロン粉
末を出発原料として使用し、これに上記のSiCウィス
カーおよび焼結助剤とを所定量添加混合して常圧焼結お
よびガス圧焼結することにより得られる。焼結助剤は、
A n 203とAllおよび周期律表第1[a族また
は第1[la族の金属元素の酸化物または複合酸化物の
うちの一種以上の組み合わせで構成される。第11a族
および第IIIa族の金属元素としてはMg、Ca、S
r、Sc、Yおよび希土類元素が挙げられ、これらの酸
化物または複合酸化物1−常圧焼結およびガス圧焼結に
於いて後述するような作用効果に対して類似の挙動を示
す。
これら焼結助剤として添加される化合物の大半は焼結過
程において前述のガラス相を形成し、また一部は5iJ
4に固溶してβ−サイアロンを形成する。
又更にその一部の焼結助剤は配合組成や焼結条件によっ
て焼結後に5iJa  ’Re203(Re:Yおよび
希土類元素) 、5i2N20,5i20tJ2,5Y
203  ・5iJn  ・八βz  03,4Y20
3・5iO7・Si3N4.YSiO□N、Si3N4
・3Y20.などの化合物として焼結体中に存在するこ
とがあるが、特性に悪影響を及ぼさない範囲で焼結体中
に存在しても差支えない。
上記の如き本発明の複合材料において、SiCウィスカ
ーはそれ事態常温から高温まで硬度や強度が高く、焼結
後もウィスカーの形状のままで残存し、組織内に均一に
分散していることによってセラミックの高温強度を向上
し、破壊靭性を大きくし、かつ硬くするものである。
本発明で用いられる出発原料としてのSiCウィスカー
としては平均直径0.2〜5μm、平均長さ2〜50μ
mでアスペクト比5〜250のものが望ましい。又、こ
のウィスカーは八n、Ca、とg + N j+ F 
e +Mn、 Co、 Cr等のカチオン不純物やSi
O□含有量が1.0重量%以下で、クビレや枝分かれお
よび面欠陥等が少ないヒゲ状結晶のものが高靭性の緻密
な焼結体を得る上で好ましい。
SiCウィスカーの添加量を5〜30重量%とする理由
は、SiCウィスカーが5重量%より少ない場合はセラ
ミック焼結体にウィスカー添加の効果が殆どないため、
強度、靭性の向上が不十分で逆に30重重量を越える場
合はウィスカーの異方性によって均一分散性が低下し、
焼結性も著しく低下するためである。
ガラス相の含有量は20〜40重景%と重量のが好まし
く、ガラス相の含有量が20重千%より少ない場合は、
SiCウィスカー強化セラミックスの常圧焼結およびガ
ス圧焼結が極めて困難であり、又40重重量を越える場
合には、セラミックスの強度や靭性や硬度および耐酸化
性や耐熱性等の特性に悪影響を及ぼすことになる。
(実施例) 以下本発明の実施例について説明する。
実施例1 α率が90%で、平均粒径0.6μm、純度98%の5
43N4粉末に、平均粒径1μmのα−A II 20
3粉末と、平均粒径0.5μmのA6Nと、平均粒径2
μm以下の周期律表第Ua族又は第■a族の金属元素の
酸化物の1種又は2種と、SiCウィスカー(ARCO
ケミカル社製5C−9)を第1表に示すような割合に配
合し、エタノール中で16時間均一に分散混合した後、
5重量%のアクリル系バインダーを添加し、乾燥し、造
粒して素地粉末を得た。
この粉末を50mX50mmX7m++の寸法に成形圧
1.5t/cJで一軸プレス成形して、800℃にて1
時間窒素雰囲気中で脱脂後、第1表に示す条件で2時間
常圧焼結し、1次焼結体を得た。次にこの1次焼結体を
第1表に示す条件で2時間再焼結し、緻密な2次焼結体
を得た。得られた焼結体を4 vx X 3 w X 
40 mmの寸法に研磨加工した後、JIS −R16
01により抗折強度、荷重30kgでビッカース硬度及
びインデンティションマイクロフラクチャー法により破
壊靭性を測定した。また、得られた焼結体を粉砕し、粉
末X線回折計により同定した結果、焼結体中の結晶相は
主としてβ−サイアロンとSiCであることが確認でき
た。又、焼結1後も殆んどそのま\残留していることが
確認された。
焼結体中のガラス相の量については走査型電子顕微鏡に
より観察した結果について、2次元的に画像処理して求
めた。第1表にその結果を重量%に換算して示した。更
にSiCウィスカーの配向度についてはX線回折および
光学顕微鏡による観察の結果殆んど無いことが判明した
得られた焼結体の特性値は第1表に示すとおりである。
なお同表には得られた焼結体を5NGN432のチップ
形状に研磨加工して切削性能を評価した結果を併記した
。切削テストは下表の条件で行ない、フランク磨耗幅■
8を測定した。
切削条件 被削材  インコネル  718切削速度 
220m/min 送り        0.2璽璽/rev切り込み 0
.8龍 切削時間 1分 これによれば本発明の焼結体は高強度、高靭性な機械的
特性を有し、その特性には異方性が無く、また優れた切
削性能を有していることが判った。
実施例2 出発原料としてSi3N4粉末に代えて、予め所望のZ
値に合成された平均粒径0,8μmのβ−サイアロン粉
末を用いる以外は実施例1と同様にして焼結、評価をし
た。焼結条件は一次焼結が1750℃、3時間窒素雰囲
気中、二次焼結が1780′c、3時間80気圧窒素雰
囲気中とした。
第2表に示す結果から、β−サイアロン粉末を出発物質
とした場合も同様に緻密なガス圧焼結体が得られ、破壊
靭性に異方性が無いことが認められた。
1゜ (発明の効果) 以上の比較試験から明らかなとおり本発明は常圧焼結お
よびガス圧焼結によりSiCウィスカーの補強効果を方
向性なしに得られるとともに、適切な配合によって焼結
効果も十分で、強度、破壊靭性及び硬度等の機械的特性
に優れた繊維強化セラミックスを提供するものである。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 炭化珪素(SiC)ウィスカー5〜30重量%と、Si
    ,Al,O,Nと周期律表第IIa族もしくは第IIIa族
    の金属元素の1種以上を含むガラス相20〜40重量%
    と、残部が主としてβ−サイアロンから成ることを特徴
    とする繊維強化セラミックス。
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60246268A (ja) * 1984-05-23 1985-12-05 三菱マテリアル株式会社 サイアロン基セラミツクス

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS60246268A (ja) * 1984-05-23 1985-12-05 三菱マテリアル株式会社 サイアロン基セラミツクス

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