JPH0421570A - サイアロン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、機械的強度や破壊靭性に優れたサイアロン焼
結体およびその製造方法に関する。

（従来の技術） ５ｉ−ＡＩ−０−Ｎを主構成元素とするサイアロンは、
熱膨張係数が小さく、耐熱性、耐酸化特性、耐食性に優
れており、Ｓｉ３Ｎ４焼結体系材料やＳｉＣ焼結体系材
料とともに、エンジン部材などを始め、各種の高強度耐
熱部品や高温耐食部品に応用することか試みられている
。

このようなサイアロンには、α型Ｓｉ３Ｎ＋と同一構造
を有するα型サイアロンと、β型Ｓｉ３Ｎ４と同一構造
を有するβ型サイアロンとか知られており、上記β（β
′とも呼ぶ）型サイアロンは次のようにして作製されて
いる。

すなわちサイアロン焼結体は、Ｓｉ３Ｎ４焼結体なとに
比べて焼結性か高いために、β型サイアロンではＳｉ３
Ｎ　４−ＡＩＮ　−ＡＩ２０３　、Ｓｉ３　Ｎ　４−Ａ
ＩＮ　−３ｊＯ；＋　、Ｓｉ３Ｎ　ｓ　−ＡＩＮ　−Ａ
Ｉ２０３−８ｉＯ，＋などの所定量の混合粉末を出発原
料として用い、プレス成形法などによって成形体を作製
し、この成形体に不活性ガス雰囲気中で常圧焼結や雰囲
気加圧焼結を施すことにより製造されている。

このように、β型サイアロン焼結体は比較的焼結性か高
いために、常圧焼結法や雰囲気加圧焼結法によって容易
に緻密質な焼結体を得ることかでき、かつ耐酸化特性や
耐食性に優れ、１４００℃を超えるような高温下におい
ても機械的強度の低下かほとんどないなど、優れた特性
を有しているか、常圧焼結法や雰囲気加圧焼結法による
焼結体の機械的強度の絶対値自体は、Ｓｉ３Ｎ４焼結体
やＳｉＣ焼結体に比べると劣り、また破壊靭性値も充分
に満足できる値には達していないのが現状である。

そこで、このようなβ型サイアロン焼結体の機械的強度
や破壊靭性値などの改善の試みとして、セラミックスウ
ィスカーなどを添加して繊維状物質による補強を行った
り、他のセラミックス焼結体と同様に希土類酸化物など
の添加物を加え、液相焼結による緻密化などの試みがな
されている。

（発明か解決しようとする課題） しかしながら、上述した強度改善方法のうち、たとえば
セラミックスウィスカーの添加は、ウィスカーの種類に
よってβ型サイアロン粉末とのなじみ性が悪いために焼
結性か低下し、得られる焼結体の密度か低下してしまい
、強度や耐熱衝撃性などの充分な改善効果か得られてい
ない。また、希土類酸化物などの添加は、耐酸化性や高
温における強度なとの高温特性の低下を招くという問題
があった。

一方、ホットプレス法によれば、ある程度緻密質で機械
的強度に優れたものか得られているか、このホットプレ
ス法は得られる形状が限定され、比較的高い焼結性を充
分に活かすことができず、また製造コストか高いなどの
問題かあった。

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、より高い靭性を有するサイアロン焼結体およびその
製造方法を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明のサイアロン焼結体は、サイアロン焼結体全体と
しての平均粒径か３μｍ以上１００μｍ以下であり、か
つアスペクト比か１：３〜１：２０の範囲である針状の
結晶粒を含有することを特徴としている。

また、本発明のサイアロン焼結体の製造方法は、窒化ケ
イ素成分の出発原料としてα型窒化ケイ素粉末を用い、
このα型窒化ケイ素粉末を含有し、サイアロン組成を満
足するよう原料粉末を調製し、この原料粉末をα−β転
移温度下で所定時間保持して、前記α型窒化ケイ素の一
部をβ型窒化ケイ素に相転移させるとともに、このβ型
窒化ケイ素を針状に結晶成長させ、その後、前記出発原
料をサイアロン合成温度下で焼結させ、前記α型窒化ケ
イ素粉末の粒子形状に由来する粒状結晶粒と前記β型窒
化ケイ素の形状に由来する針状結晶粒とを混在させるこ
とを特徴としている。

また、本発明の第二の製造方法は、窒化ケイ素成分の出
発原料としてα型窒化ケイ素粉末と針状晶のβ型窒化ケ
イ素粉末とを混合したαβ混合粉末を用い、このαβ混
合粉末を含有し、サイアロン組成を満足するよう原料粉
末を調製し、アルミニウム、酸素および窒素の４元素か
含まれるよう原料粉末を調製し、この原料粉末をサイア
ロン合成温度下で焼結させ、前記α型窒化ケイ素粉末の
粒子形状に由来する粒状結晶粒と前記β型窒化ケイ素の
形状に由来する針状結晶粒とを混在させることを特徴と
している。

本発明のサイアロン焼結体において、焼結体中に含まれ
る針状の結晶粒は、その細長い形状によってクラックの
進展を妨げるもので、この針状結晶を含めた焼結体全体
としての平均粒径は３μ１以上１００μｍ以下である。

ここで、平均粒径とは、サイアロン焼結体のランダムに
選択した断面における切り口線上の各粒子の幅の平均値
を取ったものである。

この平均粒径か３μ印未満では結晶粒か微細過ぎて、進
展してきたクラックを直線方向から曲げて逃がすことが
できず、１００μｍを超えると逆に結晶粒が大きすぎる
ため破壊の起点となり易く、強度低下を招くからである
。

また、このようなサイアロン焼結体中に含まれる針状の
結晶粒はアスペクト比か１＝３〜ｌ：２０の範囲である
。

アスペクト比か１：３未満であると細長い形状が充分活
かされず、クラック進展の妨げ効果を発揮しない。一方
、アスペクト比か　１・２０を超えると逆に結晶粒か細
長すぎるため、クラックか結晶粒を切断して直進し、編
方向に逃がすことかできなくなる。

このような針状の結晶粒を含有するサイアロン焼結体は
、本発明の製造方法によって得ることかできる。

その第一の製造方法は、α型窒化ケイ素粉末を窒化ケイ
素成分側の出発原料として酸化アルミニウムなどその他
の所定成分を混合してサイアロン合成の原料粉末とし、
この原料粉末をα−β転移温度下で所定時間保持してα
型窒化ケイ素の一部をβ型窒化ケイ素に相転移させ、同
時にこのβ型窒化ケイ素を針状に結晶成長させる方法で
あり、α−β転移温度すなわち１６００〜１８００℃の
下で、成長処理の時間を０．２〜１０時間の範囲で変化
させることにより、得られるサイアロン焼結体の平均粒
径およびアスペクト比をコントロールする。

ここで用いるα型窒化ケイ素粉末は平均粉末粒子径か０
．２〜１．５μＤ程度であることが好ましい。

この粉末粒子径は、粉末としての粒子径であり、マイク
ロトラック方式測定装置を用いて測定したものである。

すなわち、原料粉末における平均粒子径と、上述したサ
イアロン焼結体における平均粒径とは意味か異なるもの
である。

本発明の第二のセラミックス焼結体の製造方法において
は、α型窒化ケイ素粉末と、針状晶のβ型窒化ケイ素粉
末とを混合したαβ混合粉末を窒化ケイ素成分としての
出発原料としている。

この出発原料のうち、α型窒化ケイ素は針状てなくアス
ペクト比がほぼ　１：１に近い粒状の結晶であり、この
α型窒化ケイ素と針状のβ型窒化ケイ素との混合粉末を
酸化アルミニウムなど他の成分と共に焼結させることに
より、粒状結晶と針状結晶とが混在したβ′型サイアロ
ンとなる。

この方法においては、α−β転移温度で特別に保持せず
、サイアロン合成温度まで直接加熱して焼結させるため
、出発原料中のα型成分は、その粒状の形状をほとんど
変えずにβ型窒化ケイ素を経てβ′サイアロン中の粒状
結晶として残り、もう一方のβ型成分はあらかしめ針状
結晶を用いているためこの針状のままβ′サイアロン中
の針状結晶として残る。

ここで出発原料として使用するα型窒化ケイ素粉末は平
均粒子径０．２〜１５μ■程度が好ましく、針状のβ型
窒化ケイ素粉末は平均粒子径０．５〜３．５μｍ程度か
好ましい。

この平均粒子径は上述した第一の製造方法における出発
原料の平均粒子径と同じ方法で求めたものである。

出発原料のα型：β型の比率は９９．１＝５９５程度が
好ましく、β型窒化ケイ素粉末の針状の形状はアスペク
ト比がｌ：３〜１．２０の範囲であることが好ましい。

アスペクト比が　１〜３未満であると細長い形状が充分
活かされず、クラック進展の妨げ効果を発揮しない。一
方、アスペクト比が１＝２０を超えると逆に結晶粒が細
長すぎるため、クラックか結晶粒を切断して直進し、脇
方向に逃がすことができなくなる。

このような出発原料を用いて、この混合粉末をプレス成
形法やスリップキャスティング法などの公知の成形法に
よって所要の形状に成形する。

次いで、不活性ガス雰囲気中で、１７００〜１８００℃
程度の温度で焼成する。

この際、出発原料のうち一方のα型窒化ケイ素粉末は焼
結とサイアロン合成が同時進行して、粒子形状にそれほ
どの変化を起こさずβ型に転移し、他方の針状晶のβ型
窒化ケイ素は針状形状をそのまま残して焼結し、結果と
して針状晶の絡みあった構造のβ′型サイアロンとなる
。

なお、焼成は常圧焼結法や雰囲気加圧焼結法によっても
緻密質で、機械的強度に優れ、高破壊靭性値を有するセ
ラミックス焼結体が得られるが、これらの焼結法に限定
されるものではなく、ホットプレス成形法や熱間静水圧
焼結法（ＨＩ　Ｐ）などを適用してもよい。

二のようにして得られる本発明のセラミックス焼結体は
、球状品と針状晶とが混在したβ′型サイアロンとなる
。

（作　用） 本発明によれば、サイアロン焼結体は、焼結体全体とし
ての平均粒径が３μｍ以上１００μｍ以下であり、かつ
アスペクト比が　１＝３〜１．２０の範囲である針状の
結晶粒を含有している。

ここで、針状の結晶粒は絡み合いの構造を形成し、焼結
体中を進展するクラックを進展方向から結晶粒の曲りく
ねった粒界に沿って別方向に曲げて逃がし、クラックの
進展を妨げる。

すなわち、従来のサイアロンは結晶粒が２μｍ程度と微
細であるため、−旦発生したクラックは焼結体中を止ま
らすに直進して焼結体を破壊していたのに対し、本発明
のサイアロン焼結体では、針状の結晶粒の存在によって
焼結体内の結晶粒の形状が不規則となり、絡み合い構造
を形成して機械的強度を向上させるとともに、結晶粒の
長さによってクラックの進展通路か塞かれ、脇方向に逃
げざるをえなくなるのである。

したかって、クラックの進展を途中で止めることかでき
、靭性の向上を図ることかできる。

（実施例） 次に、本発明の実施例について説明する。

実施例１〜４ ます、平均粒子径か０．４μｍの窒化ケイ素粉末と、平
均粒子径０．９μｍの酸化アルミニウム粉末ＩＯ重量％
とを、分散媒としてエタノールを用いポルミルにて２４
時間混合を行い原料粉末を調製した。

次いで、この原料粉末１００重量部に対してバインダを
所定量添加し、約１０００ｋｇ／ｃＪの成形圧で長さ５
０ＩＩＩＩＩｌ×幅５０ｍｍΔ厚さ５ａ＋＋ｎの棒状成
形体を作製した。

次に、この成形体を窒素雰囲気中で７００℃に加熱して
脱脂した後、窒素ガス雰囲気中において、１７００℃の
もと　１時間〜１０時間の条件で保持時間を変化させた
後、サイアロン合成温度で焼結させ、第１表に示すよう
に焼結体全体としての平均粒径、および焼結体中の針状
結晶の平均アスペクト比か異なる種々のサイアロン焼結
体を作製した。

なお、ここで焼結体全体としての平均粒径は、作製した
焼結体の２箇所をランダムに切断し、倍率１０００倍の
顕微鏡観察によって求めた。

また、平均アスペクト比は、写真上でランダムに選定し
た粒子５０個の短径と長径の比の平均を出すことによっ
て求めた。

このようにして得たサイアロン焼結体を鏡面加工した後
、破壊靭性値を測定した。これらの結果を第１表に示す
。

比較例１〜２ 実施例１で使用した原料粉末を用い、実施例１と同一保
持温度のもと、０．１時間および１５時間焼成を行って
それぞれ異なる平均粒径およびアスペクト比を有するサ
イアロン焼結体を作製した。

そして、実施例１と同一条件で破壊靭性値を測定した。

その結果を実施例の結果と併せて第１表に示す。

弔 表 破壊靭性値はマイクロインデンテーション法により測定
したものであり、単位はＭＰａＪｉである。

また、平均粒径の単位はμｍである。

第１表の結果から明らかなように、実施例のサイアロン
焼結体は、クラック進展の防止に最も効果的な平均粒径
を備え、かつ所定のアスペクト比を有する針状の結晶粒
を含有することにより、靭性を大きく向上させることか
できた。

実施例５〜８ 続いて、窒化ケイ素成分としてα型窒化ケイ素とβ型窒
化ケイ素との混合粉末を用いたサイアロン焼結体の製造
方法の実施例について述べる。

まず、α型窒化ケイ素粉末と、アスペクト比がＩ：２０
以下である針状晶β型窒化ケイ素とを第２表に示すよう
な割合で混合し、出発原料を調製した。

さらに、次式で表されるβ型サイアロンの一般式：Ｓｉ
　　Ａｔ　　ＯＮ　　　（Ｚ−０〜４，２）ｓ−ｚ　　
ｚ　　ｚ　　ｓ−ｚ においでＺ−１となるようにＡｔ２　　ｏ３と＾ＩＮと
を添加し、原料粉末を調製した。

このような原料粉末を用いて、実施例１と同一条件でサ
イアロン焼結体をそれぞれ作製した。

これらのサイアロン焼結体について、実施例］と同様に
して破壊靭性値を測定し、さらに抗折強度についても調
べた。その結果を第２表に示す。

比較例３〜６ α型窒化ケイ素粉末と針状晶β型窒化ケイ素とを第２表
に示すような割合で混合し、出発原料を調製した。

また、ここで用いた針状晶β型窒化ケイ素のアスペクト
比はそれぞれ第２表に示したとおりである。

これらのサイアロン焼結体について、実施例１と同様に
して破壊靭性値を測定し、さらに抗折強度についても調
べた。その結果を第２表に示す。

（以下余白） 第 つ 表 第２表の結果から明らかなように、比較例のようにβ型
窒化ケイ素粉末の混合量か少ない場合や混合したβ型窒
化ケイ素のアスペクト比が適切な値でない場合、サイア
ロン焼結体の強度並びに靭性は向上されない。

これに対して実施例の方法で作製したサイアロン焼結体
は焼結体内の粒子の絡み合いによって強度、靭性がとも
に向上していた。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、所定サイズの針
状晶粒子がサイアロン焼結体内に存在して絡み合い構造
を形成し、クラックの走りを逃がしているため、クラッ
クの大きな進展を防止することができる。

したかって、機械的強度および破壊靭性値に優れたもの
となり、より高品質のサイアロン焼結体を得ることかで
きる。

出願人　　　　　株式会社　東芝

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）サイアロン焼結体全体としての平均粒径が３μｍ
   以上１００μｍ以下であり、 かつアスペクト比が１：３〜１：２０の範囲である針状
   の結晶粒を含有する ことを特徴とするサイアロン焼結体。
2. （２）窒化ケイ素成分の出発原料としてα型窒化ケイ素
   粉末を用い、 このα型窒化ケイ素粉末を含有し、サイアロン組成を満
   足するよう原料粉末を調製し、 この原料粉末をα−β転移温度下で所定時間保持して、
   前記α型窒化ケイ素の一部をβ型窒化ケイ素に相転移さ
   せるとともに、このβ型窒化ケイ素を針状に結晶成長さ
   せ、 その後、前記原料粉末をサイアロン合成温度下で焼結さ
   せ、 前記α型窒化ケイ素粉末の粒子形状に由来する粒状結晶
   粒と前記β型窒化ケイ素の形状に由来する針状結晶粒と
   を混在させる ことを特徴とするサイアロン焼結体の製造方法。
3. （３）窒化ケイ素成分の出発原料としてα型窒化ケイ素
   粉末と針状晶のβ型窒化ケイ素粉末とを混合したαβ混
   合粉末を用い、 このαβ混合粉末を含有し、サイアロン組成を満足する
   よう原料粉末を調製し、 この原料粉末をサイアロン合成温度下で焼結させ、 前記α型窒化ケイ素粉末の粒子形状に由来する粒状結晶
   粒と前記β型窒化ケイ素の形状に由来する針状結晶粒と
   を混在させる ことを特徴とするサイアロン焼結体の製造方法。