JPH038772A - 窒化珪素焼結体およびその製造法 - Google Patents

窒化珪素焼結体およびその製造法

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JPH038772A
JPH038772A JP2052178A JP5217890A JPH038772A JP H038772 A JPH038772 A JP H038772A JP 2052178 A JP2052178 A JP 2052178A JP 5217890 A JP5217890 A JP 5217890A JP H038772 A JPH038772 A JP H038772A
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伏見 幸治
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    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
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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、高強度高靭性をもつ窒化珪素焼結体に関する
もので、例えばエンジン部品、慴動部品等の耐熱性、耐
食性、耐摩耗性等が要求される部品に適用される。
(従来の技術) セラミックス高温構造材料の一つである窒化珪素(S 
i s N−)は高温下で充分な強度を有し化学的に安
定で熱衝撃にも強い材料として注目されるセラミクス材
料の一つである。
このような窒化珪素セラミックスの製造法としては、窒
化珪素粉末の粒径の相対的に大きなものと小さなものの
混在する原料粉末を使用し、このうちの粒径が大きな窒
化珪素粉末にあらかじめ焼結助剤を含有させておき、こ
の粉末とこれよりも粒径の小さな窒化珪素粉末とを混合
した原料粉末を成形および焼結する製造法が開示されて
いる(特開昭63−21254号公報)。
(発明が解決しようとする課題) このような従来の窒化珪素焼結体の製造法は、窒化珪素
粉末の粒径の大小異なる粒子を混在させて原料粉末の成
形性を向上させ成形体の密度を高め均質な焼結体を得よ
うとする製造法である。
しかし、この製造法によって得られた焼結体の機械的強
度は、相対的に高いがさらに満足できるほどの曲げ強さ
、靭性は得られていない。
本発明者らは、前述の出願後、さらに粒径の異なる原料
を用いた製造法について鋭意研究を重ねた結果、窒化珪
素焼結体の曲げ強さ、破壊靭性等の特性がβ化率、β型
結晶粒子の大きさおよびその大きさの割合に関係するこ
とを知見し、本発明を完成するに至った。
本発明が解決しようとする課題は、曲げ強さ、破壊靭性
等の磯城的特性に優れた高密度窒化珪素焼結体およびそ
の製造法を提供することにある。
(課題を解決するための手段) 前記課題を解決するための本発明の第1の発明の窒化珪
素焼結体は、β型の窒化珪素が90%以上で構成される
窒化珪素焼結体であって、この窒化珪素焼結体は、平面
研磨面において観察されるβ型の窒化珪素のうちアスペ
クト比3以上の大型の結晶粒子の個数Aとアスペクト比
3以上の小型の結晶粒子の個数Bの比A/Bが、 35/65≦A/B≦80/20 の範囲にあり、かつ前記アスペクト比3以上の大型の結
晶粒子の平均粒長が前記アスペクト比3以上の小型の結
晶粒子の平均粒長の2倍以上であることを特徴とする。
本発明の第2の発明の窒化珪素焼結体は、前記大型の結
晶粒子の平均粒長が5.0〜14μmの範囲にあること
を特徴とする。
本発明の第3の発明の窒化珪素焼結体は、前記小型の結
晶粒子の平均粒長が0.5〜5μmの範囲にあることを
特徴とする。
本発明の第4の発明の窒化珪素焼結体の製造法は、窒化
珪素粉末の1次粒子の平均粒径が0.1〜0.5μmの
原料と平均粒径が0.5〜0.7μmの原料と焼結助剤
とを所定の重量比で配合し、この原料粉末を成形および
焼結して第1の発明の窒化珪素焼結体を得ることを特徴
とする。
ここで、「α型またはβ型の窒化珪素の割合(%)」は
、xsya回折により測定されたα−S l iN4回
折線の高さとβ−5isN4回折線の高さを加えた値に
対するα−5iaN4回折線の高さまたはβ−5isN
i回折線の高さの比率をいう。
またβ型の結晶粒子の「粒長」は、平面研磨した焼結体
を弗化水素酸水溶液でエツチングした時、光学顕微鏡ま
たは走査型電子顕微鏡により該平面研磨面に観察される
アスペクト比(粒子の長径/粒子の短径)3以上をもつ
β型の結晶粒子の柱状または針状粒子の長辺の平面長さ
をいう。ここに、平面研磨面に対しβ型の結晶粒子の長
袖が垂直方向または斜め方向に向いて存在するものがあ
るから、平面研磨面に観察されるアスペクト比3未笛の
結晶粒子は除いた。
さらに「平均粒長」は、0.5μmまたは1゜0μm単
位でβ型の結晶粒子の粒長を少なくとも100個以上好
ましくは500個以上計測し、横軸に粒長、縦軸に粒子
数の座標にプロットし、各点を結んだとき形成される2
つの分布曲線の各頂点に相当する粒長ないう。 また、
大型粒子の割合は、上記分布曲線における大きな粒長の
分布曲線の粒子数を全粒子数で除した比をいう。この場
合、小さな粒長の分布曲線と大きな粒長の分布曲線が一
部重複するときは、正規分布曲線として計算により分離
して粒子数を求めた。また原料の平均粒径は、リーズア
ンドノースラップ(LEEDS andNORTHRU
P)社製マイクロトラック粒度分析計7995−1o−
30型により測定した。
窒化珪素焼結体のα型の窒化珪素が10%未満かつβ型
の窒化珪素が90%以上の範囲としたのは、焼結時にα
相がβ相に変態することによって緻密で高強度な窒化珪
素焼結体が得られ、そのβ型窒化珪素の割合が多いほど
高密度かつ高強度の焼結体になるからである。
β型の窒化珪素が90%以上で構成される窒化珪素焼結
体は、平面研摩面において観察されるβ型の窒化珪素の
うちアスペクト比3以上の大型の結晶粒子の個数Aとア
スペクト比3以上の小型の結晶粒子の個数Bの比A/B
を、 35/65≦A/B≦80/20 の範囲に設定し、かつ前記アスペクト比3以上の大型の
結晶粒子の平均粒長が前記アスペクト比3以上の小型の
結晶粒子の平均粒長の2倍以上になるようすることによ
って、曲げ強さおよび破壊靭性等の機械的特性の優れた
窒化珪素焼結体を得ることができる。
以下、本発明の実施例を示すことIこよってその作用効
果を明らかにすることにする。
(実施例) 窒化珪素粉末は1次粒子の平均粒径が0.1〜0.5μ
mの原料■と平均粒径が0.5〜0.7μmの原料■を
所定の割合に配合する。原料■と原料■の混合原料の純
度は同程度あるいは原料■の方がより高純度であるもの
を用いるのが望ましい。
第1表に窒化珪素原料粉末の原料■、■のそれぞれの純
度、平均粒径、さらにこれら原料■と原料■の配合比を
示す。
これら原料■と原料0100重量部に対し焼結助剤とし
てMgOを5重量部、SrOを2重量部、CeO□を3
重量部と水を、直径5mmの5isN、ボールを充填し
た撹拌混合機により6時間湿式混合し、スラリー状とし
た。このスラリーをスプレードライ法により平均粒径6
0μmの球状粒子に造粒し、この造粒粉末を直径60m
m、高さ60mmの金型内でプレス成形した後、得られ
た成形体を圧力1気圧のN2ガス雰囲気中で1700℃
以上に昇温し、1〜2時間焼結して焼結体を得た。それ
ぞれの焼結条件である焼結温度および時間は第1表に示
すとおりである。
得られた焼結体について日本工業規格JIS−R160
1の4点曲げ試験による曲げ強さおよび破壊靭性を測定
した。
さらに焼結体を鏡面まで研磨し、X線回折によりα−3
isN4回折線強度およびβ−5iiN、回折線強度を
測定し、次式によりβ−5iz N、結晶相量(%)を
求めた。
β結晶相量(%)= 00倍の倍率で任意の箇所を5視野撮影した。その写真
をZeiss社製画像処理装置I BAS・2000に
よりアスペクト比3以上の結晶粒子の大きさを0.5μ
m単位で測定した。その結果をグラフ用紙にプロットし
、平均粒長および小型粒子と大型粒子の割合を求めた。
その結果は第1表に示すとおりであった。
(以下、余白。) ここに、 I α1+oal  ; Q −S i a N<no
n(7)回折線強度IαBlot  :α−3i s 
N 412101の回折線強度Iβ101 :β−S 
i z N411Qllの回折線強度Iβ1!101 
 ’β−3i l N 41z+orの回折線強度であ
る。
次に研磨された試験体を46vo1%)IF温溶液エツ
チングした後、走査型電子顕微鏡により10第1表から
明らかなように、本発明の実施例1〜6は比較例1〜4
に比し曲げ強さおよび破壊靭性とも良好であることが解
る。
焼結体のβ結晶相量およびβ結晶相中の小型粒子と大型
粒子の割合および各粒子の平均粒長について対比すると
、実施例1〜6では、焼結体のβ相はいずれも90%以
上であるとともにβ相中の小型粒子と大型粒子の配合比
が35〜80%の範囲にありかつ大型粒子の平均粒長が
小型粒子の平均粒長の2倍以上あることが解る。また第
1図に示すように、曲げ強さと焼結体β相中の小型粒子
と大型粒子の割合と一定の相関関係があることが解る。
破壊靭性についても同様に焼結体β相中の小型粒子と大
型粒子の割合と一定の相関関係があることが解る。
なお、第1表中、比較例1.4は焼結体中の小型粒子と
大型粒子の割合が実施例1〜6の範囲から外れている。
また比較例2では原料■の不純物が多かったため曲げ強
さおよび破壊靭性が低(なり、比較例3では原料■の小
型粒子のみを用いたので曲げ強度およびra、IP!靭
性ともに充分な値が得られなかったものと考察される。
(発明の効果) 以上説明したように、本発明の窒化珪素焼結体によれば
、窒化珪素焼結体中のβ相量が90%以上、β相中の大
型粒子の割合が35〜80%、かつ大型粒子/小型粒子
の平均粒長の比が2倍以上であると、曲げ強さおよび靭
性等の機械的特性に優れた窒化珪素焼結体を得ることが
できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は窒化珪素焼結体β相中の小型粒子と大型粒子の
配合比と曲げ強さおよび破壊靭性の相関関係を示す概略
説明図である。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)β型の窒化珪素が90%以上で構成される窒化珪
    素焼結体であって、この窒化珪素焼結体は、平面研磨面
    において観察されるβ型の窒化珪素のうちアスペクト比
    3以上の大型の結晶粒子の個数Aとアスペクト比3以上
    の小型の結晶粒子の個数Bの比A/Bが、 35/100≦A/B≦80/100 の範囲にあり、かつ前記アスペクト比3以上の大型の結
    晶粒子の平均粒長が前記アスペクト比3以上の小型の結
    晶粒子の平均粒長の2倍以上であることを特徴とする窒
    化珪素焼結体。
  2. (2)前記大型の結晶粒子の平均粒長が5.0〜14μ
    mの範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の窒化
    珪素焼結体。
  3. (3)前記小型の結晶粒子の平均粒長が0.5〜5μm
    の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の窒化珪
    素焼結体。
  4. (4)窒化珪素粉末の1次粒子の平均粒径が0.1〜0
    .5μmの原料と平均粒径が0.5〜0.7μmの原料
    と焼結助剤とを所定の重量比で配合し、この原料粉末を
    成形および焼結して請求項1に記載の窒化珪素焼結体を
    得ることを特徴とする窒化珪素焼結体の製造法。
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