JPH04132668A - セラミックス焼結体およびその製造方法 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、靭性値を向上させたサイアロンを主成分とす
るセラミックス焼結体に関する。

（従来の技術） Ｓｔ−ＡＩ−０−Ｎを主構成元素とするサイアロン系焼
結体は、熱膨脹係数が小さく、耐熱性、耐酸化特性、耐
食性等に優れており、５１３Ｎ４系焼結体やＳｉＣ系焼
結体と共に構造用材料として使用することが試みられて
いる。

このようなサイアロン系焼結体は、５ｊ３Ｎ４系焼結体
に比べて高温域での強度低下が小さく、かつ耐酸化性に
優れる等の特徴を有する半面、靭性が十分てないという
欠点が存在しているため、構進用材料として使用するに
は、信頼性の点で劣っていた。

そこで、サイアロン系焼結体中にサイアロンと固溶しな
い粒子、例えばＳｉＣ等の粒子を分散させ、分散粒子に
よる複合効果によって、靭性値の向上を図ることが試み
られている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述したようにサイアロン系焼結体中に
ＳｉＣ等の粒子を分散含有させるために、サイアロン組
成を満足する粉末に対してＳｉＣ等の異種粒子を添加す
ると、著しく焼結性が低下してしまうという難点があっ
た。

このため、非加圧焼結条件下で緻密化焼結させるために
は、サイアロン粉末１００重量部に対して、分散粒子と
なるＳｉＣ等を高々　５重量部程度しか添加することが
できず、十分な靭性の向上効果が得られていなかった。

一方、ホットプレス法を利用することによって、サイア
ロン粉末１００重量部に対してＳＩＣ等を５０重二部程
度まで添加することが可能となるものの、ホットプレス
法では形状が単純形状に限定され、また製造コストが高
い等、量産化には適していないという問題かあると共に
、破壊靭性値等の機械的強度が十分でないという問題が
あった。また、ＨＩＰ等も同様である。

そこで、得られる焼結体形状の自由度が高く、また製造
コストも安い、量産化に適した非加圧焼結によって、破
壊靭性値に優れたサイアロン系焼結体を得ることが強く
望まれている。

本発明は、このような課題に対処するためになされたも
ので、緻密質で靭性値に優れ、かつ量産化に適した非加
圧焼結によっても得ることが可能なサイアロンを母相と
するセラミックス焼結体およびその製造方法を提供する
ことを目的とするものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段と作用） すなわち本発明のセラミックス焼結体は、主構成相が実
質的にサイアロン組成を満足するセラミックス焼結体を
母相とし、この母相中に該母相１００重量部に対して１
〜６０重量部の範囲の酸化／％フニウムおよび５〜３０
重量部の範囲の炭化ケイ素が分散含有されていることを
特徴としている。さらに、本発明のセラミックス焼結体
は、酸化アルミニウムを２，５〜２０重量％の範囲で含
有する窒化ケイ素と、この窒化ケイ素１００重量部に対
して１〜６０重量部の範囲の酸化ハフニウムおよび５〜
３０重量部の範囲の炭化ケイ素との混合物を、成形、焼
結してなることを特徴としている。

また、本発明のセラミックス焼結体の製造方法は、酸化
アルミニウム粉末を２．５〜２０重量％の範囲で含有す
る窒化ケイ素粉末と、この窒化ケイ素粉末１００重量部
に対して１〜６０重量部の範囲の酸化ハフニウム粉末お
よび５〜３０重量部の範囲の炭化ケイ素粉末とを混合す
る工程と、前記混合粉末を所望の形状に成形し、得られ
る成形体を非加圧雰囲気下で焼結する工程とを有するこ
とを特徴としている。

本発明のセラミックス焼結体の母相は、主構成相がサイ
アロン組成を満足するものであればよく、必ずしも全て
サイアロンである必要はない。すなわち、母相の９０重
量％以上がサイアロンであれば、本発明の効果が得られ
るため、他にガラス相等の粒界相を含んでいてもよい。

したがって、母相を得るための原料粉末は、必ずしもサ
イアロン組成を厳密に満足させなければならないもので
はない。

なお、サイアロンにはβ型サイアロン組成とα型サイア
ロン組成とが存在するが、本発明のセラミックス焼結体
の母相は、実質的にはβ型サイアロンである。ただし、
α型サイアロンを用いることも可能である。

また、本発明のセラミックス焼結体は、前述したように
上記母相中に酸化ハフニウムおよび炭化ケイ素が分散含
有されているものである。これら酸化ハフニウムおよび
炭化ケイ素は、サイアロンの結晶粒中に固溶しないため
、母相組織中に粒子形態で存在し、分散相を構成するも
のである。

上記酸化ハフニウムは、炭化ケイ素を含みサイアロン組
成を実質的に満足するセラミックス粉末の焼結助剤とし
ての機能を有すると共に、焼結後は分散粒子として焼結
体の機械的強度の向上等に寄与するものである。すなわ
ち、炭化ケイ素を添加した系においても、酸化ハフニウ
ムの存在によって緻密化焼結が容易となり、多量の炭化
ケイ素の添加が可能となる。酸化ハフニウムの添加量は
、上記した母相１００重二二部対して１〜６０重量部の
範囲、好ましくは５〜５０重量部の範囲、さらに好まし
くは１０〜３０重量部の範囲とする。酸化ハフニウムの
添加量が１重量部未満では、十分に緻密化を図ることが
できず、６０重量部を超えると、逆に焼結性を阻害した
り、比重の増大を招いてしまう。

また炭化ケイ素は、上記サイアロン組成を実質的に満足
する母相の靭性向上を図る成分であり、上記酸化ハフニ
ウムとの併用によって、母相１００重量部に対して５〜
３０重量部と多量添加することが可能となる。炭化ケイ
素による靭性向上効果は、５ｉ１Ｌ部程度から顕著とな
るが、３０重量部を超えると酸化ハフニウムと併用して
も十分に緻密化することが困難となる。

本発明のサイアロンを母相とするセラミックス焼結体は
、例えば以下のようにして製造される。

まず、Ｓｉ３　Ｎ　４粉末に２．５〜２０重量％程度の
Ａｌ２０３粉末を加え、おおよそβ型サイアロン組成を
満足する母相用粉末を調整する。Ａ１□０３は９ｉ、　
Ｎ　４中に固溶してサイアロンを形成するが、その添加
量が２０重量％を超えると強度が低下し、かつ粒界層等
の副次的に形成される第２相の量が増大し、また２、５
重量％未満では緻密化が困難となる。上記ＡＩ２０３の
配合量としては、１０重二部が最適である。

ここで、母相用粉末としては上記粉末に限らず、Ｓｉ３
Ｎ　４　　Ａｌ２　０３　　ＡＩＮ系、Ｓｉ３Ｎ　４　
　　ＡｌＮ５ｉｎ２系等や、市販の合成β型サイアロン
粉末のみを用いることも可能であるが、上記Ｓｉ３Ｎ　
４ＡＩ２０３系によれば、結晶粒の微細化等の効果が得
られるため、合成β型サイアロン粉末や通常のβ型サイ
アロン組成を満足する混合粉末より、特性の改善効果が
高い。また、β型すイアロン相の形成をＡ１□０．のみ
によって行っているため、水を分散媒として使用するこ
とも可能である。

次いで、上記母相用粉末に、Ｈｆ’０２およびＳｉＣを
所定量添加し、十分に混合して本発明のセラミックス焼
結体の原料粉末を調整する。

ここで、１１ｆＯ□の出発原料としては、平均粒径が２
μｍ以下、好ましくは１μｍ以下の微粉末が適している
。また、ＳｉＣの出発原料としては、粒子形状のものや
ウィスカーのような繊維形状のものを使用することがで
きる。ただし、粒子形状のＳｊＣを使用する場合、あま
り粒子が大きいと逆に欠陥となり、機械的強度が低下す
る恐れがあるため、平均粒径が５０μ■以下で最大粒径
が１００μｍ以下のものを使用することが好ましい。

次に、上記セラミックス焼結体の原料粉末をプレス成形
法等の公知の成形法によって所要の形状に成形する。こ
の後、上記成形体を不活性ガスの非加圧雰囲気中にて、
１７００℃〜１９００℃程度の温度で焼結させることに
より、本発明のセラミックス焼結体が得られる。

本発明のセラミックス焼結体は、上記非加圧焼結によっ
ても緻密化が達成され、かつ破壊靭性値の向上が図れる
。ただし、その他の焼成法例えば雰囲気加圧焼結法、ホ
ットプレス法、熱間静水圧焼結法（ＨＩ　Ｐ）等の適用
を妨げるものではない。

（実施例） 以下、本発明を実施例によって説明する。

実施例１〜１２ まず、平均粒径０．７μｍのＳｉ３Ｎ４粉末と平均粒径
０．９μｍのＡｌ２Ｏ３粉末とを用い、第１表に示す各
配合比で複数の母相用粉末を調整した。

次いで、上記各母相用粉末ｌｏｏ重量部に対して、平均
粒径０．９μｍの１ｌｒｏ、粉末と平均粒径０．５μｍ
のＳｉＣ粉末もしくはアスペクト比が１：２ｏのＳｉＣ
ウィスカーを第１表に示す組成比（重量部）でそれぞれ
添加し、これらをエタノールを分散媒として、それぞれ
ボールミルで４８時間置屋した後に乾燥させて、それぞ
れセラミックス焼結体用原料粉末とした。

次に、上記各焼結体用原料粉末１００重量部にバインダ
約５重量部を添加し、約１０００ｋｇ／ｃｍ２の成形圧
て長さ５０ｍｍＸ幅５０ｍｍ　Ｘ厚さ５ｍｌ１１の板状
成形体をそれぞれ作製した。この後、これら各成形体に
対して窒素ガス雰囲気中で脱脂を施した後、常圧の窒素
ガス雰囲気中において１８５０℃×　２時間の条件で焼
結を行い、サイアロンを母相とするセラミックス焼結体
を作製した。

このようにして得た各セラミックス焼結体の焼結密度と
マイクロインデンテーション法による破壊靭性値ＫＩＣ
とをそれぞれ測定した。その結果を併せて第１表に示す
。

なお、表中の比較例１は本発明との比較のために掲げた
ものであり、上記実施例における）Ｌｆ０２粉末の使用
量を本発明の範囲外としたものである。

また、比較例２は、上記実施例においてｌＩＩ’０２を
使用せずに原料粉末を調整し、かつ窒素ガス雰囲気中に
おいて、１８５０℃×　１時間の条件下でホットプレス
焼結を行ったものである。

（以下余白） ［発明の効果〕 以上の実施例からも明らかなように、本発明のサイアロ
ンを母相とするセラミックス焼結体は、酸化ハフニウム
の添加によって、炭化ケイ素の添加量を増大させた上で
、非加圧焼結によっても緻密化焼結ができる。さらに、
酸化ハフニウムを添加せずホットプレスにより緻密化し
た焼結体と比較しても、優れた破壊靭性値を有している
。よって、破壊靭性値に優れ、信頼性の高いサイアロン
系焼結体を、量産性に優れた非加圧焼結によって得るこ
とが可能となる。

出願人　　　　　　株式会社　東芝

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）主構成相が実質的にサイアロン組成を満足するセ
   ラミックス焼結体を母相とし、この母相中に該母相１０
   ０重量部に対して１〜６０重量部の範囲の酸化ハフニウ
   ムおよび５〜３０重量部の範囲の炭化ケイ素が分散含有
   されていることを特徴とするセラミックス焼結体。
2. （２）酸化アルミニウムを２．５〜２０重量％の範囲で
   含有する窒化ケイ素と、この窒化ケイ素１００重量部に
   対して１〜６０重量部の範囲の酸化ハフニウムおよび５
   〜３０重量部の範囲の炭化ケイ素との混合物を、成形、
   焼結してなることを特徴とするセラミックス焼結体。
3. （３）酸化アルミニウム粉末を２．５〜２０重量％の範
   囲で含有する窒化ケイ素粉末と、この窒化ケイ素粉末１
   ００重量部に対して１〜６０重量部の範囲の酸化ハフニ
   ウム粉末および５〜３０重量部の範囲の炭化ケイ素粉末
   とを混合する工程と、 前記混合粉末を所望の形状に成形し、得られた成形体を
   非加圧雰囲気下で焼結する工程とを有することを特徴と
   するセラミックス焼結体の製造方法。