JPH02204366A - Silicon nitride-based sintered body - Google Patents
Silicon nitride-based sintered bodyInfo
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- JPH02204366A JPH02204366A JP1024462A JP2446289A JPH02204366A JP H02204366 A JPH02204366 A JP H02204366A JP 1024462 A JP1024462 A JP 1024462A JP 2446289 A JP2446289 A JP 2446289A JP H02204366 A JPH02204366 A JP H02204366A
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- glass
- silicon carbide
- sintering
- silicon nitride
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Abstract
Description
(産業上の利用分野)
この発明は、靭性および高温強度に優れた窒化珪素質焼
結体に関し、耐熱性および耐酸化性に優れているのみな
らず靭性および高温強度に優れ。
さらには軽量であることが望まれる各種部品ないしは製
品の素材として好適に利用される炭化珪素−ガラス−窒
化珪素系の窒化珪素質焼結体に関するものである。
(従来の技術)
近年、従来からの金属系材料の開発がなおも進められて
いる一方で、金属系材料に比べてかなり軽量であるセラ
ミックス系材料の開発も進められており、アルミナやジ
ルコニアなどの酸化物系のものや、炭化珪素などの炭化
物系のものや、窒化珪素などの窒化物系のものや、窒化
珪素−アルミナなどの複合系のものなどが開発されそし
て一部実用に供されている。
これらのうち、とくに窒化珪素質焼結体としては、
■窒化珪素粉末を予備焼結したのち熱間静水圧成形(H
I P)により焼結する手法を用いたもの(特開昭57
−71872号公報)や、■ガラス相の結晶化による強
化機構を用いたち+7)(K、H,Jack;5cie
nce ofCeramics 11. P125
(1981)や、
■炭化珪素と窒化珪素の複合粉末を熱間静水圧下で焼結
する手法を用いたもの(特開昭58−60673号公報
)。
などがあった。
(発明が解決しようとする課題)
しかしながら、上述した従来の窒化珪素質焼結体におい
て、
■窒化珪素粉末を予備焼結したのち熱間静水圧成形によ
り焼結する手法を用いたものでは、ガラス相の偏析を生
じたり、焼結不足をきたしたりして、高靭性のものが得
がたいという問題点があり、■ガラス相の結晶化による
強化機構を用いたものでは、焼結工程のほかに結晶化の
ためのアニル工程を必要とし、製造工程が複雑になると
いう問題点があり、
■炭化珪素と窒化珪粱の複合粉末を熱11Jl静水圧下
で焼結する手法を用いたものでは、SiC粗粒やSiC
ウィスカーの添加による靭性の向上には有効であるもの
の、焼結性を向上させるために、多量のガラス相を必要
としたり、ホットプレスによる予備焼結工程を必要とし
たりするという問題点があり、
上述した種々の問題点をなくすことが望まれるという課
題を有していた。
(発明の目的)
この発明は、上述した従来の課題にかんがみてなされた
もので、ガラス相の偏析や焼結不足を生ずることがなく
、また、製造工程がさほど複雑になることがなく、耐熱
性および耐酸化性に優れているのみならず、靭性および
高温強度にも優れている窒化珪素質焼結体を提供するこ
とを目的としている。(Industrial Application Field) The present invention relates to a silicon nitride sintered body that has excellent toughness and high-temperature strength, and has not only excellent heat resistance and oxidation resistance but also excellent toughness and high-temperature strength. Furthermore, the present invention relates to a silicon nitride sintered body of silicon carbide-glass-silicon nitride system which is suitably used as a material for various parts or products that are desired to be lightweight. (Conventional technology) In recent years, while the development of conventional metal-based materials is still progressing, the development of ceramic-based materials, which are considerably lighter than metal-based materials, is also progressing, such as alumina and zirconia. oxide-based materials, carbide-based materials such as silicon carbide, nitride-based materials such as silicon nitride, and composite-based materials such as silicon nitride-alumina have been developed, and some of them have been put into practical use. ing. Among these, in particular, silicon nitride sintered bodies are produced by hot isostatic pressing (H) after preliminary sintering of silicon nitride powder.
A method using sintering method (IP) (Japanese Patent Laid-Open No. 57
-71872 Publication) and ■Using a strengthening mechanism by crystallization of the glass phase +7) (K, H, Jack; 5cie
nce of Ceramics 11. P125
(1981), and (1) using a method of sintering a composite powder of silicon carbide and silicon nitride under hot isostatic pressure (Japanese Patent Application Laid-open No. 58-60673). There was such a thing. (Problems to be Solved by the Invention) However, in the conventional silicon nitride sintered bodies described above, the method in which silicon nitride powder is pre-sintered and then sintered by hot isostatic pressing is not suitable for glass. There are problems in that it is difficult to obtain high toughness due to phase segregation and insufficient sintering. There is a problem that the manufacturing process becomes complicated as it requires an annealing step for oxidation. Coarse grains and SiC
Although the addition of whiskers is effective in improving toughness, there are problems in that a large amount of glass phase is required and a preliminary sintering process using hot pressing is required in order to improve sinterability. It is desired to eliminate the various problems mentioned above. (Purpose of the Invention) This invention was made in view of the above-mentioned conventional problems, and does not cause segregation of the glass phase or insufficient sintering, does not make the manufacturing process too complicated, and has heat resistance. The object of the present invention is to provide a silicon nitride sintered body that not only has excellent toughness and oxidation resistance but also has excellent toughness and high-temperature strength.
(課題を解決するための手段)
この発明に係る窒化珪素質焼結体は、炭化珪素−ガラス
−窒化珪素系のものであって、炭化珪素が45〜60重
量%およびアルミナと希土類の酸化物より選ばれるガラ
ス相が40〜55重量%からなる炭化珪素φガラス混合
相を20〜30重量%含み、残部実質的にβ−窒化珪素
よりなり、常圧焼結−熱間等方圧圧縮により1回以上の
焼結がなされて成る構成としたことを特徴としており、
このような窒化珪素質焼結体の構成を上述した従来の課
題を解決するための手段としている。
この発明に係る窒化珪素質焼結体は、炭化珪素が45〜
60重量%およびアルミナと希土類の酸化物より選ばれ
るガラス相が40〜55重量%からなる炭化珪素・ガラ
ス混合相を構成の一部としているが、この場合の原料と
なる炭化珪素粉末の粒径は0.3〜0.7μmのものを
用いることがより望ましい、すなわち、炭化珪素粉末の
粒径が小さすぎると、炭化珪素−ガラス混合相において
がラス相としての特性がより強くあられれるようになる
ため、高温強度が低下するようになるので好ましくなく
、反対に粒径が大きすぎると焼結が不十分なものになっ
て常温および高温での強度が低いものとなり、加熱・冷
却を繰り返した熱サイクリック後の強度も低いものとな
るため好ましくないことによるものである。
また、ガラス相としては、アルミナと希土類(レア会ア
ース)の酸化物より選ばれる1種または2種以上の酸化
物が用いられるが、このガラス相が炭化珪素・ガラス混
合相中において40重量%よりも少ないとき、換言すれ
ば炭化珪素が60重量%よりも多いときには、炭化珪素
・ガラス混合相中の炭化珪素量が多くなるのに反比例し
てガラス相が少なくなり、焼結しにくくなるために強度
および破壊靭性が低下し、熱サイクル使用後の強度も著
しく低下することとなるので好ましくなく、反対にガラ
ス相が炭化珪素・ガラス混合相中において55重量%よ
りも多いとき、換言すれば炭化珪素が45重量%よりも
少ないときには、炭化珪素Φガラス混合相中のガラス相
が多くなるため焼結しやすいものになるものの、炭化珪
素量が少ないために高温強度の低下をきたし、熱サイク
ル使用後の強度も低下することとなるので好ましくない
。
そして、上記の炭化珪素ψガラス混合相は焼結体中に2
0〜30重量%含まれており、焼結体の残部は実質的に
β−窒化珪素よりなるものであるが、この場合、焼結体
中の炭化珪素量ガラス混合相が20重延%よりも少ない
ときには、合計のガラス混合相が少ないことから焼結不
足をきたしやすいため、常温および高温での強度が低下
すると共に熱サイクル使用後の強度も低下し、破壊靭性
値も低いものとなりやすいので好ましくなく1反対に焼
結体中の炭化珪素・ガラス混合相が30重ω%よりも多
いときには、炭化珪素量が多くなって焼結が阻害され、
強度および破壊靭性が低下すると共に熱サイクル使用後
の強度も低下することとなるので好ましくない。
この発明に係る窒化珪素質焼結体は、混合粉末素材に対
して先ずはじめに常圧焼結を行い、次いで、熱間等方圧
圧縮(Hot l5o−static Press
ing)により第2回目の焼結を行ったものとしている
。このように。
この発明に係る窒化珪素質焼結体は少なくとも2回の焼
結を行ったものであるが、この理由は、常圧焼結だけで
は緻密な針状β−窄化珪素粒からなる焼結体を得ること
ができないためであり、常圧焼結に次いで熱u■等方圧
圧縮を行うことによって、針状β−窒化珪素粒とその粒
間に炭化珪素・ガラス混合相が緻密に分散している高強
度・高靭性の窒化珪素質焼結体が得られるためである。
(発明の作用)
この発明に係る窒化珪素質焼結体は上記の構成を有して
いるものであり、従来のガラス相に代えて炭化珪素とガ
ラス相との混合相を用いるようにし、しかも炭化珪素と
ガラス相成分との量的関係を制御し、さらには炭化珪素
・ガラス混合相とβ−窒化珪素との量的関係をも制御し
、常圧による液相焼結でかなり緻密な焼結体を得たのち
、N2等の分圧を高くして高温において均一に加圧する
熱間等方圧圧縮を行うことによってガラス相中の炭化珪
素、ガラスおよび窒化珪素を緻密な状態にして固化一体
化するようにしたものであるから、主体となる窒化珪素
が緻密な針状β−窒化珪素となっていると共に、針状β
−窒化珪素粒の間に炭化珪素粒・ガラス相が微細なもの
となって分散しているので、−回焼結でI±得られない
高強度◆高靭性の窒化珪素質焼結体となっている。
(実施例)
例1,2,3.比 例1,2.3
ガラス相成分として酸化イツトリウム(Y2O2)粉末
5重量部およびアルミナ(AlI303)粉末5玉量部
と2粒径が0,1(比較例1)0.3(実施例1)、0
.5(実施例2)0.7(%薙倒3)、1.0(比較例
2)および2゜O(比較例3)μmの炭化珪素(S i
C)粉末10重量部とからなる各5iC−ガラス混合
相成分20川星部と、β−窒化珪素(S i3 N4)
粉末80重量部とをそれぞれボールミルにて96hr混
合し、自然乾燥したのちさらに噴霧乾燥を行い、次いで
冷間等方圧圧縮(CI P)により成形圧力4tonで
30X40X30mmの成形体に成形した。
次に、第1図に示す焼結パターンで常圧焼結を行ったの
ち、第2図に示す焼結パターンで熱間等方圧圧縮を行う
ことによりそれぞれ焼結した。
次いで、得られた各焼結体の密度比[(焼結体密度 /
理論密度)xioo c%)]を測定すると共に、各焼
結体から4X3X3Bmmの試験片を切り出し、JIS
R1601に基〈曲げ試験を行って常温および12
00℃での曲げ強度を測定し、また、1ooo℃の空気
中に100hr保持して酸化M?!量を調べ、さらには
自動車用エンジン部材の熱履歴の模擬テストとして常温
0800℃の加熱會空冷による熱サイクリック試験を行
ってその後の曲げ強度を測定し、各試験片全鏡面研磨し
たのち硬さおよび破壊靭性(Krc)を調べた。これら
の結果を第1表に示す。
第1表に示すように、SiCの粒径が0.3〜0.71
Lmの範囲にある実施例1〜3では、緻密でかつ針状の
β−3i3N、が得られると共にその粒間にSiC・ガ
ラス混合相が緻密に分散しているものとなっているため
、室温および高温における曲げ強度が大であると共に破
壊靭性および熱サイクリック試験後の曲げ強度も大きな
イ4を示しており、さらには硬さも高い値を示していた
。
これに対して、SiC粒径がO、l pmと小さい比較
例1の場合には、5iCeガラス混合相において微粒が
多くなるためにガラス相としての特性がより強くあられ
れるようになり、高温強度が低いものになっていると共
に酸化増量は他のものに比べて多くなっていることが認
められた。
また、SiC粒径が1.0pmおよび2.OJLmと大
きい比較例2および比較例3の場合には、焼結が不十分
なものとなっていることから常温および高温での強度が
低いと共に、熱サイクリック試験後の曲げ強度も低いも
のとなっており、SiC粒径が過大であると硬さも低く
なっていることが認められた。
実施例4,5.比較例4,5,6,7.8ガラス相成分
として酸化イツトリウム粉末5重量部およびアルミナ粉
末5重量部と1粒径が0.3pmの炭化珪素粉末10重
量部とからなるSiC・ガラス混合相成分を10(比較
例4)15(比較例5)、20(実施例1および比較例
8)、25(実施例4)、30(実施例5)35(比較
例6)および40(比較例7)重量部と、β−窒化珪素
粉末を各々90(比較例4)85(比較例5)、80(
実施例1および比較例8)、75(実施例4)、70(
実施例5)65(比較例6)および60(比較例7)重
量部とをそれぞれボールミルにて96hr混合し、自然
乾燥したのもさらに噴霧乾燥を行い、次いで冷間等方圧
圧縮(CI P)により成形圧力4tonで30X40
X30mmの成形体に成形した。
次に、第1図に示す焼結パターンで常圧焼結を行ったの
ち、比較例8を除いて第2図に示す焼結パターンで熱f
f11等方圧圧縮を行うことにより焼結した。
次いで、得られた各焼結体の密度比[(焼結体密度/理
論密度)X100 (%)Jを測定すると共に、各焼結
体から4X3X311znmの試験片を切り出し、JI
S R1601に基〈曲げ試験を行って曲げ強度を測
定し、また、1000℃の空気中に100hr保持して
酸化増量を調べ、さらには自動車用エンジン部材の熱履
歴の模擬テストとして常温→800℃の熱サイクリック
試験を行ってその後の曲げ強度を測定し、各試験片を鏡
面研磨したのち硬さおよび破壊靭性(KIC)を調べた
。これらの結果を第2表に示す。
第2表に示すように、焼結体中のSiCφガラス混合相
が20〜30重量%の範囲にあると共に2回焼結した実
施例(1)、4.5では、緻密でかつ針状のβ−5i3
N4が得られると共にその粒間に5iC−ガラス混合相
が緻密に分散しているものになっているため、室温およ
び高温における曲げ強度が大であると共に破壊靭性およ
び熱サイクリック試験後の曲げ強度も大きな値を示して
おり、さらには硬さも高い値を示していた。
これに対して、焼結体中の5iC−ガラス混合相が10
重量%および15重量%と少ない比較例4および比較例
5の場合には2合計のガラス相が少ないため焼結不良と
なりやすいことから、常温および高温における曲げ強度
が低く、熱サイクリック試験後の曲げ強度も低いものと
なっており、破壊靭性も低い値となっていた。
また、SiC*ガラス混合相が35重量%および40重
量%と多い比較例6および比較例7の場合には、合計の
ガラス相が多くなるもののSiC量も多くなり、焼結が
阻害されることとなるので、常温、高温および熟サイク
リック後の各々の強度ならびに破壊靭性が低いものとな
っており、硬さも低いものとなっていることが認められ
た。
さらに、7tS1図に示した焼結パターンで常圧焼結だ
けを行い、2回目の焼結を行わなかった比較例8の場合
には、緻密な針状β−5j3N、を主体とする焼結体を
得ることができないので、とくに高温および熱サイクリ
ック後の強度および破壊靭性が低いものとなっているこ
とが認められた。
例6.7.比較例9,10,11.12ガラス相成分と
して等量の酸化イツトリウムおよびアルミナを用いると
共に粒径が0.3pmの炭化珪素粉末を用い、このガラ
ス相成分と炭化珪素との合計量に対する炭化珪素量の割
合を30(比較例9)、40(比較例10)、45(実
施例6)、50(実施例1)、60(実施例7)65(
比較例11)および70(比較例12)重量%とした炭
化珪素−ガラス混合相の原料粉末をそれぞれ用い、各炭
化珪素・ガラス混合相粉末を20重置部と、β−窒化珪
素粉末80重量部とをそれぞれボールミルにて96hr
混合し。
自然乾燥したのちさらに噴霧乾燥を行い、次いで冷間等
方圧圧縮(CI P)により成形圧力4tonで30X
40X30mmの成形体に成形した。
次に、rJS1図に示す焼結パターンで常圧焼結を行っ
たのち、第2図に示す焼結パターンで熱間等方圧圧縮を
行うことにより焼結した。
次いで、得られた各焼結体の密度比[(焼結体密度/理
論密度)xioo (%)コを測定すると共に、各焼結
体から4X3X36mmの試験片を切り出し、JIS
R1601に基く曲げ試験を行って曲げ強度を測定し
、また、1000℃の空気中に100hr保持して醸化
増量を調べ、さらには自動車用エンジン部材の熱履歴の
模擬テストとして常温H800℃の熱サイクリック試験
を行ってその後の曲げ強度を測定し、各試験片を鏡面研
磨したのち硬さおよび破壊靭性(KIC)を調べた。こ
れらの結果を第3表に示す。
第3表に示すように、SiC・ガラス混合相中のSiC
量が45〜60重量%の範囲にある実施例6.(1)、
7では、緻密でかつ針状のβ−3i3N4が得られると
共にその粒間にSiC・ガラス混合相が緻密に分散して
いるものとなっているため、室温および高温における曲
げ強度が大であると共に破壊靭性および熱サイクリック
試験後の曲げ強度も大きな値を示しており、さらには硬
さも高い値を示していた。
これに対して、SiC*ガラス混合相中のSiC量が3
0重量%および40重址%と少ない比較例9および比較
例10の場合には、5iC(iが少ないと共にガラス相
の量が多くなるため、焼結はしやすいものの高温強度の
低下をきたし、熱サイクリック後の曲げ強度への影響が
大きくなって低い値のものとなっており、硬さも低いも
のとなっていることが認められた。
また、sic・ガラス混合相中のSiC量が65gf、
量%および70重量%と多い比較例11および比較例1
2の場合には、S i CFJが多くなると共にガラス
相が少なくなるため焼結しにくいものとなり、強度が上
昇しないと同時に破壊靭性および硬さも劣ったものにな
ることが認められた。
以上の実施例に示すように、この発明に係る窒化珪素質
焼結体では、SIC粒径を規制し、またSiCとガラス
相との量的関係を規制すると共にSiCとガラス相の総
量を規制し、常圧焼結による液相焼結でかなり緻密な焼
結体を得たのちN2分圧を高くしてより高温で均一に加
圧して焼結する熱間等方圧圧縮を行うようにしているの
で、ガラス相中の炭化珪素、ガラスおよび窒化珪素を緻
密に固化一体化することにより、耐熱−耐酸化性、常温
および高温強度、破壊靭性に優れ、さらには硬さの大き
い窒化珪素質焼結体となっている。
【発明の効果]
この発明に係る窒化珪素質焼結体は、炭化珪素が45〜
60重量%およびアルミナと希土類の酸化物より選ばれ
るガラス相が40〜55重量%からなる炭化1稟・ガラ
ス混合相を20〜30重量%含み、残部実質的にβ−窒
化珪素よりなり、常圧焼結−熱間等方圧圧縮により焼結
されて成る構成を有するものであるから、ガラス相の偏
析や焼結不足を生ずることなく、そしてまた工程がさほ
どi雑なものとなることなく、耐熱性および耐酸化性に
著しく優れると共に、靭性および高温強度にも優れ、さ
らには硬さが大きいことから耐摩耗性にも優れた窒化珪
素質焼結体を提供することができ、耐熱性、耐酸化性、
靭性、高温強度、耐摩耗性等の特性に優れていることが
要求される各種部品ないしは製品の素材として好適に使
用され、そしてこれらの部品ないしは製品の軽量化をも
実現することができるようになるという著しく優れた効
果がもたらされる。(Means for Solving the Problems) The silicon nitride sintered body according to the present invention is silicon carbide-glass-silicon nitride-based, and contains 45 to 60% by weight of silicon carbide and alumina and rare earth oxides. The glass phase selected from the above contains 20 to 30% by weight of a silicon carbide φ glass mixed phase consisting of 40 to 55% by weight, and the remainder substantially consists of β-silicon nitride, and is produced by atmospheric pressure sintering and hot isostatic compression. It is characterized by having a structure formed by sintering one or more times,
The structure of such a silicon nitride sintered body is used as a means for solving the above-mentioned conventional problems. The silicon nitride sintered body according to the present invention has a silicon carbide content of 45 to
Part of the composition is a silicon carbide/glass mixed phase consisting of 60% by weight and 40 to 55% by weight of a glass phase selected from alumina and rare earth oxides, but the particle size of the silicon carbide powder that is the raw material in this case It is more desirable to use a silicon carbide powder with a particle size of 0.3 to 0.7 μm. In other words, if the particle size of the silicon carbide powder is too small, the characteristics of the lath phase in the silicon carbide-glass mixed phase will be stronger. On the other hand, if the particle size is too large, the sintering will be insufficient and the strength at room temperature and high temperature will be low, and it will be necessary to repeat heating and cooling. This is because the strength after thermocyclic treatment is also low, which is undesirable. In addition, as the glass phase, one or more oxides selected from alumina and rare earth oxides are used, and this glass phase accounts for 40% by weight in the silicon carbide/glass mixed phase. In other words, when silicon carbide is more than 60% by weight, the amount of silicon carbide in the silicon carbide/glass mixed phase increases, but the glass phase decreases inversely, making it difficult to sinter. This is not preferable because the strength and fracture toughness decrease during thermal cycling, and the strength after thermal cycling also decreases significantly.On the contrary, when the glass phase is more than 55% by weight in the silicon carbide/glass mixed phase, in other words, When the amount of silicon carbide is less than 45% by weight, the glass phase in the silicon carbide Φ glass mixture phase increases, making it easier to sinter, but the low amount of silicon carbide causes a decrease in high temperature strength and thermal cycle resistance. This is not preferable since the strength after use also decreases. The above silicon carbide ψ glass mixed phase is contained in the sintered body.
The balance of the sintered body is substantially composed of β-silicon nitride, but in this case, the amount of silicon carbide in the sintered body is less than 20% by weight of the glass mixed phase. When the amount of glass is low, the total glass mixed phase is small, which tends to cause insufficient sintering, resulting in a decrease in strength at room and high temperatures, as well as a decrease in strength after thermal cycling, and the fracture toughness value tends to be low. On the contrary, when the silicon carbide/glass mixed phase in the sintered body is more than 30 wt %, the amount of silicon carbide increases and sintering is inhibited.
This is not preferable because the strength and fracture toughness are reduced and the strength after thermal cycling is also reduced. The silicon nitride sintered body according to the present invention is obtained by first subjecting a mixed powder material to atmospheric pressure sintering, and then hot isostatic pressing.
ing). in this way. The silicon nitride sintered body according to the present invention is sintered at least twice. This is because the acicular β-silicon nitride grains and the silicon carbide/glass mixed phase are densely dispersed between the grains by performing pressureless sintering followed by hot isostatic compression. This is because a silicon nitride sintered body with high strength and high toughness can be obtained. (Function of the invention) The silicon nitride sintered body according to the present invention has the above-mentioned structure, uses a mixed phase of silicon carbide and a glass phase instead of the conventional glass phase, and By controlling the quantitative relationship between silicon carbide and glass phase components, and further controlling the quantitative relationship between the silicon carbide/glass mixed phase and β-silicon nitride, it is possible to achieve fairly dense sintering through liquid phase sintering under normal pressure. After obtaining a solid, silicon carbide, glass, and silicon nitride in the glass phase are solidified into a dense state by performing hot isostatic compression in which the partial pressure of N2, etc. is increased and pressure is uniformly applied at high temperature. Since it is made to be integrated, the main silicon nitride is dense acicular β-silicon nitride, and the acicular β
- Because the silicon carbide grains and glass phase are finely dispersed between the silicon nitride grains, it becomes a silicon nitride sintered body with high strength and toughness that cannot be obtained by multiple sintering. ing. (Example) Examples 1, 2, 3. Proportions 1, 2.3 Glass phase components include 5 parts by weight of yttrium oxide (Y2O2) powder, 5 parts by weight of alumina (AlI303) powder, and 2 particle sizes of 0.1 (Comparative Example 1) and 0.3 (Example 1). ), 0
.. Silicon carbide (S i
C) 20 parts by weight of each 5iC-glass mixed phase component consisting of 10 parts by weight of powder and β-silicon nitride (S i3 N4)
80 parts by weight of powder were mixed in a ball mill for 96 hours, air-dried, and then spray-dried, and then molded into a 30 x 40 x 30 mm compact by cold isostatic pressing (CIP) at a molding pressure of 4 tons. Next, pressureless sintering was performed using the sintering pattern shown in FIG. 1, followed by hot isostatic compression using the sintering pattern shown in FIG. 2. Next, the density ratio of each obtained sintered body [(sintered body density /
Theoretical density) xioo c%)] was measured, and a test piece of 4 x 3 x 3 Bmm was cut out from each sintered body, and a JIS
Based on R1601 (bending test performed at room temperature and 12
The bending strength at 00°C was measured, and the oxidized M? ! In addition, as a simulation test of the thermal history of automobile engine parts, we conducted a thermocyclic test using heating and air cooling at room temperature of 0800°C, measured the bending strength, and after mirror-polishing each specimen, we determined the hardness. and fracture toughness (Krc) were investigated. These results are shown in Table 1. As shown in Table 1, the particle size of SiC is 0.3 to 0.71.
In Examples 1 to 3 in which Lm is within the range, dense and acicular β-3i3N is obtained, and the SiC/glass mixed phase is densely dispersed between the particles, so that the temperature at room temperature The bending strength at high temperatures was high, the fracture toughness and the bending strength after the thermocyclic test were also high (4), and the hardness was also high. On the other hand, in the case of Comparative Example 1, in which the SiC particle size is as small as O, l pm, there are more fine particles in the 5iCe glass mixed phase, so the characteristics as a glass phase are stronger, and the high-temperature strength is increased. It was observed that the weight gain by oxidation was lower and the weight gain due to oxidation was higher compared to the others. Moreover, the SiC particle size is 1.0 pm and 2.0 pm. In the case of Comparative Examples 2 and 3, which have a large OJLm, the sintering is insufficient, so the strength at room temperature and high temperature is low, and the bending strength after the thermocyclic test is also low. It was found that when the SiC particle size was too large, the hardness was also low. Examples 4 and 5. Comparative Examples 4, 5, 6, 7.8 SiC/glass mixed phase consisting of 5 parts by weight of yttrium oxide powder, 5 parts by weight of alumina powder, and 10 parts by weight of silicon carbide powder with a grain size of 0.3 pm as glass phase components. The ingredients were 10 (Comparative Example 4), 15 (Comparative Example 5), 20 (Example 1 and Comparative Example 8), 25 (Example 4), 30 (Example 5), 35 (Comparative Example 6) and 40 (Comparative Example 7) Parts by weight of β-silicon nitride powder were 90 (Comparative Example 4), 85 (Comparative Example 5), and 80 (
Example 1 and Comparative Example 8), 75 (Example 4), 70 (
Example 5) Parts by weight of 65 (Comparative Example 6) and 60 (Comparative Example 7) were mixed in a ball mill for 96 hours, air-dried, further spray-dried, and then subjected to cold isostatic compression (CI P). ) with a molding pressure of 4 tons to 30X40
It was molded into a molded body with a size of 30 mm. Next, after pressureless sintering was performed using the sintering pattern shown in Figure 1, heat f
It was sintered by performing f11 isostatic compression. Next, the density ratio [(sintered body density/theoretical density) x 100 (%) J of each obtained sintered body was measured, and a test piece of 4 x 3 x 311 nm was cut out from each sintered body and JI
Based on S R1601, a bending test was conducted to measure the bending strength, and the oxidation weight gain was examined by holding the product in air at 1000℃ for 100 hours.Furthermore, as a simulated test of the thermal history of automobile engine parts, the material was heated from room temperature to 800℃. A thermal cyclic test was conducted to measure the subsequent bending strength, and each specimen was mirror-polished and its hardness and fracture toughness (KIC) were examined. These results are shown in Table 2. As shown in Table 2, in Examples (1) and 4.5, in which the SiCφ glass mixed phase in the sintered body was in the range of 20 to 30% by weight and was sintered twice, the SiCφ glass mixed phase was dense and acicular. β-5i3
Since N4 is obtained and the 5iC-glass mixed phase is densely dispersed between its grains, it has high bending strength at room temperature and high temperature, and has excellent fracture toughness and bending strength after thermocyclic tests. It also showed a high value, and the hardness also showed a high value. On the other hand, the 5iC-glass mixed phase in the sintered body is 10
In the case of Comparative Examples 4 and 5, which have a small amount of 15% by weight, the total amount of the two glass phases is small, which tends to result in poor sintering, so the bending strength at room temperature and high temperature is low, and the flexural strength after the thermocyclic test is low. The bending strength was also low, and the fracture toughness was also low. In addition, in the case of Comparative Examples 6 and 7, where the SiC*glass mixed phase is large at 35% by weight and 40% by weight, although the total glass phase is large, the amount of SiC is also large, and sintering is inhibited. Therefore, it was observed that the strength and fracture toughness at room temperature, high temperature, and after ripening were low, and the hardness was also low. Furthermore, in the case of Comparative Example 8, in which only pressureless sintering was performed with the sintering pattern shown in Fig. 7tS1, and the second sintering was not performed, sintering mainly consisting of dense acicular β-5j3N was performed. It was observed that the strength and fracture toughness were low, especially after high temperature and thermocyclic cycles, because the steel was unable to obtain a solid body. Example 6.7. Comparative Examples 9, 10, 11.12 Using equal amounts of yttrium oxide and alumina as glass phase components and using silicon carbide powder with a particle size of 0.3 pm, the amount of silicon carbide relative to the total amount of the glass phase components and silicon carbide was The ratio of the amount was 30 (Comparative Example 9), 40 (Comparative Example 10), 45 (Example 6), 50 (Example 1), 60 (Example 7), 65 (
Comparative Example 11) and 70 (Comparative Example 12) Using raw material powders of silicon carbide-glass mixed phase with a weight percent of 70% by weight, 20 overlapping parts of each silicon carbide-glass mixed phase powder and 80 weight% of β-silicon nitride powder were used. 96 hours each in a ball mill.
Mix. After air drying, spray drying was performed, and then cold isostatic pressing (CI P) was performed at 30X at a molding pressure of 4 tons.
It was molded into a molded body of 40 x 30 mm. Next, pressureless sintering was performed using the sintering pattern shown in FIG. rJS1, followed by hot isostatic compression using the sintering pattern shown in FIG. Next, the density ratio [(sintered body density/theoretical density) xioo (%) of each obtained sintered body was measured, and a test piece of 4 x 3 x 36 mm was cut out from each sintered body, and a JIS
We conducted a bending test based on R1601 to measure the bending strength, and also held it in air at 1000°C for 100 hours to examine the increase in fermentation.Furthermore, as a simulation test of the thermal history of automobile engine parts, we conducted a heat test at room temperature H800°C. A cyclic test was conducted to measure the subsequent bending strength, and each specimen was mirror polished and then examined for hardness and fracture toughness (KIC). These results are shown in Table 3. As shown in Table 3, SiC in the SiC/glass mixed phase
Example 6, where the amount is in the range 45-60% by weight. (1),
In No. 7, dense and acicular β-3i3N4 is obtained, and the SiC/glass mixed phase is densely dispersed between the grains, so it has high bending strength at room temperature and high temperature. The fracture toughness and bending strength after the thermocyclic test also showed high values, and the hardness also showed high values. On the other hand, the amount of SiC in the SiC*glass mixed phase is 3
In the case of Comparative Examples 9 and 10, which are small at 0% by weight and 40% by weight, 5iC (as the amount of i is small and the amount of glass phase increases, it is easy to sinter, but the high temperature strength decreases, It was observed that the influence on the bending strength after thermocyclic was large and the value was low, and the hardness was also low.In addition, the amount of SiC in the SIC/glass mixed phase was 65 gf. ,
Comparative Example 11 and Comparative Example 1 with large amounts of % and 70% by weight
In the case of No. 2, as Si CFJ increases and the glass phase decreases, it becomes difficult to sinter, and it was observed that the strength did not increase and at the same time the fracture toughness and hardness became inferior. As shown in the above examples, in the silicon nitride sintered body according to the present invention, the SIC grain size is regulated, the quantitative relationship between SiC and the glass phase is regulated, and the total amount of SiC and the glass phase is regulated. However, after obtaining a fairly dense sintered body through liquid-phase sintering using pressureless sintering, we performed hot isostatic compression in which the N2 partial pressure was increased and sintered by uniformly pressurizing at a higher temperature. By closely solidifying and integrating silicon carbide, glass, and silicon nitride in the glass phase, silicon nitride has excellent heat and oxidation resistance, room temperature and high temperature strength, and fracture toughness, and is also highly hard. It is a sintered body. [Effect of the invention] The silicon nitride sintered body according to the present invention has a silicon carbide content of 45 to
60% by weight and 40% to 55% by weight of a glass phase selected from alumina and rare earth oxides. Pressure sintering - Since it has a structure that is sintered by hot isostatic pressing, it does not cause segregation of the glass phase or insufficient sintering, and the process does not become very complicated. , we can provide a silicon nitride sintered body that has outstanding heat resistance and oxidation resistance, as well as excellent toughness and high-temperature strength, and also has high hardness and wear resistance. , oxidation resistance,
It is suitable for use as a material for various parts or products that require excellent properties such as toughness, high-temperature strength, and wear resistance, and can also reduce the weight of these parts or products. This brings about an extremely excellent effect.
第1図はこの発明の実施例および比較例において常圧焼
結で採用した焼結パターンを示す説明図、第2図は同じ
く熱間等方圧圧縮で採用した焼結パターンを示す説明図
である。
z t(’c)
L(OC)Fig. 1 is an explanatory diagram showing the sintering pattern adopted in the pressureless sintering in the examples and comparative examples of the present invention, and Fig. 2 is an explanatory diagram showing the sintering pattern similarly adopted in the hot isostatic pressing. be. z t('c) L(OC)
Claims (1)
土類の酸化物より選ばれるガラス相が40〜55重量%
からなる炭化珪素・ガラス混合相を20〜30重量%含
み、残部実質的にβ−窒化珪素よりなり、常圧焼結−熱
間等方圧圧縮により焼結されて成ることを特徴とする炭
化珪素−ガラス−窒化珪素系の窒化珪素質焼結体。(1) 45-60% by weight of silicon carbide and 40-55% by weight of a glass phase selected from alumina and rare earth oxides
20 to 30% by weight of a silicon carbide/glass mixed phase consisting of 20% to 30% by weight, the remainder substantially consisting of β-silicon nitride, and is sintered by pressureless sintering and hot isostatic compression. Silicon-glass-silicon nitride based silicon nitride sintered body.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1024462A JPH02204366A (en) | 1989-02-02 | 1989-02-02 | Silicon nitride-based sintered body |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1024462A JPH02204366A (en) | 1989-02-02 | 1989-02-02 | Silicon nitride-based sintered body |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02204366A true JPH02204366A (en) | 1990-08-14 |
Family
ID=12138837
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1024462A Pending JPH02204366A (en) | 1989-02-02 | 1989-02-02 | Silicon nitride-based sintered body |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02204366A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0426549A (en) * | 1990-05-18 | 1992-01-29 | Ngk Insulators Ltd | Thermal shock resistant silicon nitride sintered body and production thereof |
-
1989
- 1989-02-02 JP JP1024462A patent/JPH02204366A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0426549A (en) * | 1990-05-18 | 1992-01-29 | Ngk Insulators Ltd | Thermal shock resistant silicon nitride sintered body and production thereof |
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