JPH02204366A - 窒化珪素質焼結体 - Google Patents
窒化珪素質焼結体Info
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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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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。
め要約のデータは記録されません。
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。
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。
（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。
−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。
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）
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）
Claims (1)
- （１）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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1024462A JPH02204366A (ja) | 1989-02-02 | 1989-02-02 | 窒化珪素質焼結体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1024462A JPH02204366A (ja) | 1989-02-02 | 1989-02-02 | 窒化珪素質焼結体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02204366A true JPH02204366A (ja) | 1990-08-14 |
Family
ID=12138837
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1024462A Pending JPH02204366A (ja) | 1989-02-02 | 1989-02-02 | 窒化珪素質焼結体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02204366A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0426549A (ja) * | 1990-05-18 | 1992-01-29 | Ngk Insulators Ltd | 耐熱衝撃性窒化珪素焼結体及びその製造法 |
-
1989
- 1989-02-02 JP JP1024462A patent/JPH02204366A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0426549A (ja) * | 1990-05-18 | 1992-01-29 | Ngk Insulators Ltd | 耐熱衝撃性窒化珪素焼結体及びその製造法 |
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