JPH03153574A - 高強度サイアロン基焼結体 - Google Patents

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、高温高強度、高硬度及び高靭性を有する各種
エンジニアリングセラミックスを製造するために有用な
高強度サイアロン基焼結体に関する。

（従来技術及びその問題点） Ｙα−サイアロンは、α型窒化珪素のＳｉ位置にＡ！が
、Ｎ位置にＯが置換固溶すると同時に、Ｙが侵入固溶し
た物質であり、 式Ｙ、　（Ｓ　ｉ、　Ａｌｌり　、ｔ　（０，Ｎ）　Ｉ
ｂ　（Ｉ）（式中、Ｘは０＜ｘ≦２を満足する数である
。）で表される。このＹα−サイアロンは、高硬度、低
熱膨張率、優れた耐蝕性等のエンジニアリングセラミッ
クスとしての特性を有している。

しかし、Ｙα−サイアロン相単体の焼結体は、結晶形状
が粒状であるため、エンジニアリングセラミックスとし
ての強度、破壊靭性等の特性が充分ではない。そこで、
この欠点を改良するために、特開昭５８−１８５４８４
号公報には、Ｙα−サイアロン結晶と、β型窒化珪素の
Ｓｉ位置にＡ！が、Ｎ位置に０が置換固溶した 式Ｓ　ｉ　ａ−ｇＡ　１ｘｏｚＮＩｌ−ｔ　　　（Ｉ［
）（式中、２はＯ＜ｚ≦４．２を満足する数である。）
で表される針状のβ−サイアロン結晶とを複合化させた
サイアロン基焼結体が提案されている。

しかしながら、このサイアロン基焼結体の機械的特性も
実用上十分なものではない。

（発明の目的） 本発明の目的は、前記問題点を解決し、高温強度及び靭
性の高い新規なサイアロン基焼結体を提供することであ
る。

（発明の要旨） 本発明によれば、蛍石型結晶構造のＹｔＨｆｚＯ７の微
結晶、ｉｎ記式（１）で表されるＹα〜サイアロンの結
晶、前記式（Ｕ）で表されるβ−サイアロンの結晶及び
Ｙを含むガラス相からなる高強度サイアロン基焼結体が
提供される。

（発明の詳細な説明） 本発明のサイアロン基焼結体における各相の含有割合は
、通常以下に示す範囲である。

１　＜　Ｙ　ｚ　Ｈｆ　ｚ　Ｏ７の微結晶相　く２０重
量％５＜Ｙα−サイアロンの結晶相〈５０重全量３０く
β−サイアロンの結晶相　〈９０重量％ｉ＜ｙを含むガ
ラス相　　　　〈１０重量％Ｙ２Ｈｆ２Ｏ７の微結晶相
の割合が前記範囲を外れると、得られるサイアロン基焼
結体の機械的強度が低下するので好ましくない。

また、本発明のサイアロン基焼結体において、Ｙα−サ
イアロンの結晶の長径が０．０５〜１０μｍ、β−サイ
アロンの結晶の長径が１〜１００μｍであることが好ま
しい。

本発明のサイアロン基焼結体中には、Ｙα−サイアロン
とα−窒化珪素との反応によって生成すると考えられる
、β−サイアロンの結晶、Ｙを含むガラス相及び粒界で
結晶化した蛍石型結晶構造のＹ２Ｈｆ２Ｏ７の微粒結晶
が、原料のＹα−サイアロンの組成より式ＣＩ）のＸが
若干低いＹα−サイアロンの結晶と共に存在する。

この様なＹｚＨｆ、ｏ、の微粒結晶により粒界相（Ｙｚ
ＨｆｇｏｔとＹを含むガラス相）の強度特性が向上し、
また焼結体中には組成、結晶形及び熱膨張率の異なる４
種類の相が存在し、焼結後に焼結体中に微小歪に基づく
微小クランクが発生することにより、得られるサイアロ
ン基焼結体の破壊靭性等の機械的特性が向上するもとの
考えられる。

本発明のサイアロン基焼結体を製造する方法としては、
前記構造の焼結体が得られれば、どのような方法を用い
てもよい。

以下に、本発明のサイアロン基焼結体を製造する方法の
一例を示す。

本発明のサイアロン基焼結体は、前記式（１）で表され
るＹα−サイアロンを主たる相とし、かつ式（１）で規
定される理論酸素量に対して８重量％以下の過剰酸素を
含有するＹα−サイアロン粉末５０重量％以下、酸化ハ
フニウム粉末１５重量％以下、及び残部がα−窒化珪素
粉末からなる原料粉末を、最高温度１６００〜２１００
°Ｃの範囲に加熱、焼結することにより得られる。

Ｙα−サイアロン粉末としては、式（１）で表されるＹ
α−サイアロンを主たる相とする粉末であればいかなる
粉末でも良いが、本出願人が先に提案した特開昭６２−
２２３００９号の発明に従って調製した粉末が好適であ
る。この提案の方法は、 （ａ）非晶質窒化珪素粉末、 （ｂ）金属アルミニウム又は窒化アルミニウム、（ｃ）
Ｙα−サイアロンの格子間に侵入型固溶するＹの酸化物
を生成する金属塩類、及び必要に応じて、 （ｄ）アルミニウム又は珪素の酸素含有化合物を所望の
Ｙα−サイアロン組成になるように混合し、混合物を窒
素含有雰囲気下で１３００〜１９００°Ｃの範囲の温度
に加熱することにより、Ｙα−サイアロン粉末を製造す
る方法である。この方法で得られるＹα−サイアロン粉
末は、−成粒子の大きさが０．２〜２μｍの微細かつ均
一粒度の粉末であって、遊離炭素及び金属不純物を殆ど
含有しないので、気孔及び異常粒成長のない焼結体を与
えることができる。

Ｙα−サイアロン粉末の焼結性を高めると同時に高強度
のサイアロン基焼結体を得るためには、焼結原料のＹα
−サイアロン粉末が式ＣＩ）で規定される理論酸素量に
対して８重量％以下の過剰酸素を含有していることが必
要である。

Ｙα−サイアロン粉末に過剰の酸素を含有させる方法と
しては、例えば、Ｙα−サイアロン粉末の調製段階で非
晶質窒化珪素に珪素、アルミニウム又はイツトリウムの
酸素含有化合物を過剰量添加する方法、Ｙα−サイアロ
ン粉末を酸素含有雰囲気中で加熱する方法が採用される
。後者の一例としては、Ｙα−サイアロン粉末を酸素含
有雰囲気中で８００〜１２００°Ｃの範囲の温度に加熱
して、理論量より過剰の酸素をＹα−サイアロン粉末に
含有させる方法が挙げられる。加熱時間は通常０．５〜
５時間である。この処理は、例えばＹαサイアロン粉末
を保持板上に薄く乗せて酸素含有雰囲気中に放置する方
法、α−サイアロン粉末を酸素含有雰囲気中で流動化さ
せる方法によって行うことができる。

過剰酸素量は８重量％以下、好ましくは１〜６．５重量
％、特に好ましくは２〜４重量％である。

過剰酸素量が過度に多いと焼結体中に融点の低い相が多
く残留し、高温での機械的特性が損なわれるようになる
。

α−窒化珪素粉末としては、焼結性の面で１μｍ以下の
粒径を有していることが好ましく、さらに得られる焼結
体の高温での強度、耐蝕性、耐酸化性を損なう不純物の
含有量が１重量％以下であることが好ましい。

Ｙα−サイアロン粉末、α−窒化珪素粉末、及び酸化ハ
フニウム粉末の混合物中のα−窒化珪素粉末の配合割合
は３０重量％以上、好ましくは５０〜９０重量％、さら
に好ましくは６０〜８０重量％である。上記範囲内にお
いて窒化珪素粉末の配合割合を高めるに従って生成サイ
アロン基焼結体中のβ−サイアロン相の割合が増大する
。α−窒化珪素粉末の配合割合が９０重量％を超えると
、混合物の焼結性が低下し焼結体の緻密化が進行しなく
なる。また、必要に応じて、１０重量％以下の酸化イツ
トリウム粉末を添加することもできる。

Ｙα−サイアロン粉末、α−窒化珪素粉末、及び酸化ハ
フニウム粉末の混合方法については特に制限はなく、そ
れ自体公知の方法、例えば、両者を乾式混合する方法、
不活性液体中で両者を湿式混合した後不活性液体を除去
する方法等を適宜採用することができる。混合装置とし
てはＶ型混合機、ボールミル等が便利に使用される。

混合粉末の加熱焼結は、例えば、混合粉末をそのまま乾
式あるいは湿式で所定の形状に成形し、湿式で成形した
場合は乾燥処理を行った後に、常圧又は加圧した窒素含
有非酸化性ガス雰囲気下で焼結する方法、原料粉末を所
定の形状のダイスに充填し、ホットプレスする方法等を
採用することができる。また上記方法で得られた焼結体
をさらに熱間静水圧プレスすることにより、焼結体の物
理的特性を一層高めることもできる。

常圧又は雰囲気加圧焼結に先立つ混合粉末の成形は公知
の方法、例えばラバープレス法、−軸成形法、鋳込成形
法、射出成形法、爆発圧縮成形法等によって行うことが
できる。

焼結温度は通常１６００〜２１００°Ｃであり、焼結時
間は通常０．５〜１０時間である。焼結温度が過度に低
いと焼結が進行せず、また焼結温度が過度に高いと焼結
体に熱分解による組成変化が生じるようになる。

（発明の効果） 本発明で得られるサイアロン基焼結体は、従来のサイア
ロン基焼結体に比較して、高温強度、破壊靭性等の機械
的特性が向上しているので、信顛性の高い構造材料、特
にガスタービン部品、切削チップ、ロール、ダイス、ノ
ズル等の耐摩耗、耐熱材料として好適に使用することが
できる。

（実施例） 以下に実施例及び比較例を示す。

実施例１〜５及び比較例１ 非晶質窒化珪素粉末５００　ｇ、ＹｔＯｘ粉末６２ｇ及
び金属Ａｌ粉末６５．７　ｇを窒素ガス雰囲気下に振動
ミルで１時間混合した。混合粉末をカーボン製ルツボに
充填して抵抗加熱式高温炉にセットし、窒素ガス雰囲気
下、室温から１２００°Ｃ迄を１時間、１２００°Ｃか
ら１４００’Ｃ迄を４時間、さらに１４００″Ｃから１
６００　’Ｃ迄を２時間の昇温スケジュールで加熱する
ことにより結晶化させ、Ｙα−サイアロン粉末を得た。

得られたＹα−サイアロン粉末の特性を以下に示す。

理論組成　Ｙｏ、　５ｓｉｖ、　ｙｓＡｌｚ、　ｚｓＯ
ｏ、　？ＳＮＩ　Ｓ、　ｚｓ比表面積　２．５ボ／ｇ 粒子形状　等軸結晶 生成相　　α相２９０％ 生成物組成（ｗｔχ） Ｙニア、２　　Ｓｉ：４４．２　　Ａｌ：９．８　０：
４．９　　Ｎ：３３．９過剰酸素量　２．９重量％ 上記Ｙα−サイアロン粉末、α−窒化珪素粉末（宇部興
産■製５Ｎ−ＥＩＯ；比表面積：１１ボ／ｇ、酸素含有
量：１．３ｗｔ％）、及び酸化ハフニウム粉末（ヘルマ
ン・シー・スタルク■製）を第１表に示す割合で、媒体
としてエタノールを用い４８時間湿式ボールミリングし
た後、８０°Ｃで真空乾燥した。得られた原料粉末４０
ｇを表面が窒化硼素で被覆された内径１００印の黒鉛製
ダイスに充填し、ホットプレス焼結装置にセットした後
、２５０　ｋｇ／ｃｉの加圧下に室温から１７５０°Ｃ
まで２００°Ｃ／時で昇温し、同温度に１時間保持した
。

作製した焼結体から３Ｘ４Ｘ５０ｍｍのテストピース５
０本を切り出し、これを外スパン３０Ｍ１１、内スパン
１０＋ｍａの４点曲げ強度試験を行い（室温及び１４０
０℃）強度及びワイブル係数を求めた。

また、５ＥＰＢ法によりＫＩＣを測定した。結果を第１
表に示す。

実施例６〜１３及び比較例２ 実施例１〜５で使用したＹα−サイアロン粉末、α−窒
化珪素粉末及び酸化ハフニウム粉末を第２表に示す割合
で、媒体としてエタノールを用い４８時間湿式ボールミ
リングした後、８０℃で真空乾燥した。

粉末混合物を、断面が５０Ｘ８０ｒＭ１角の金型を用い
て予備成形した後、圧力１．５ｔｏｎ／ｄでラバープレ
スした。得られた成形品を電気炉を用いて、第２表に記
載の温度−雰囲気ガス圧力条件下に昇温し、同温度に２
時間保持して、常圧焼結又は雰囲気加圧焼結を行った。

得られた焼結体の特性を実施例１と同様にして測定した
。結果を第２表に示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　蛍石型結晶構造のＹ＿２Ｈｆ＿２Ｏ＿７の微結晶、式
   Ｙ＿ｘ（Ｓｉ，Ａｌ）＿１＿２（Ｏ，Ｎ）＿１＿６（式
   中、ｘは０＜ｘ≦２を満足する数である。）で表される
   Ｙα−サイアロンの結晶、 式Ｓｉ＿６＿−＿ｚＡｌ＿ｚＯ＿２Ｎ＿８＿−＿ｚ（式
   中、ｚは０＜ｚ≦４．２を満足する数である。）で表さ
   れるβ−サイアロンの結晶及びＹを含むガラス相からな
   る高強度サイアロン基焼結体。