JPH04317468A - ＳｉＣ強化窒化珪素複合材 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高度の破壊靭性ならび
に機械的強度を備えるＳｉＣ強化窒化珪素複合材に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、窒化珪素のようなセラミックス
材料は機械的強度や熱的、化学的安定性などに優れるこ
とから、高温下で使用される各種構造材料として有用さ
れているが、他面、破壊に対する靭性に乏しい材質的な
欠点がある。近年、この破壊靭性を改善する研究が盛ん
におこなわれており、その１手段としてセラミックス母
材に各種のウイスカー強化材を複合化する試みが数多く
提案されている。

【０００３】ウイスカーの複合化による靭性改善は、セ
ラミックスの焼結組織中に分散したウイスカーが、クラ
ック成長の停止または抑制、クラックの偏向による破壊
抵抗の増大（ディフレクション効果）、ウイスカーの引
き抜き効果によるクラック先端でのエネルギー吸収等に
有効機能するためであるとされている。しかし、ウイス
カーの多量に複合化することは靭性改善には効果がある
反面、材質の強度が低下することが解明されている〔Ｊ
．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．，７２（５）７９１〜７
９８（１９８９），Ｉｂｉｄ．Ｂｕｌｌ．６５（２）３
５１〜３５６（１９８６）　〕。この理由は、ウイスカ
ーの配合量を多くするとウイスカー相互の凝集等によっ
て複合材の円滑な焼結化が阻害され易くなるためである
。

【０００４】また、ＳｉＣのウイスカーと粒子を同時に
複合化して窒化珪素材の靭性を向上させた研究報告〔Ｊ
．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．，７３（３）６７８〜６
８３（１９９０）　〕もあるが、この場合にも材質強度
が単味の窒化珪素材に比べて低下することが示されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、窒化珪素マ
トリックス材を本来の材質強度を損ねることなしにＳｉ
Ｃウイスカーの複合により靭性向上を図るには、ＳｉＣ
ウイスカーと共に楕円形のＳｉＣ粒子を併せて分散させ
た組織とすることが効果的であるとの知見を得て開発に
至ったものである。

【０００６】したがって、本発明の目的は優れた破壊靭
性と機械的強度を兼備する組成構造のＳｉＣ強化窒化珪
素複合材を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明によるＳｉＣ強化窒化珪素複合材は、平均径
　０．３〜１．２　μｍ　、アスペクト比１０〜４０の
ＳｉＣウイスカーと平均径２〜１０μｍ、アスペクト比
２〜８のＳｉＣ楕円形粒子が、体積含有率（Ｖｆ）５〜
４０％で窒化珪素マトリックス組織中に均質分散してな
る組成構造を構成上の特徴とする。

【０００８】ＳｉＣウイスカーは主に強度向上に寄与す
る材料で、性状として平均径　０．３〜１．２　μｍ　
、アスペクト比１０〜４０の性状を有するものを用いる
。平均径が　０．３μｍ未満でアスペクト比が１０を下
廻ると凝集が生じ易くなって均質組織が得られ難くなり
、平均径が　１．２μｍ　を越えると強度向上機能が減
退する。またアスペクト比が４０を越えると、組織の緻
密性が低下する。

【０００９】ＳｉＣの楕円形粒子は繭あるいは米粒状を
呈する粒体で、破壊靭性を改善するために機能する材料
である。該ＳｉＣ楕円形粒子の性状は、平均径２〜１０
μｍ　、アスペクト比２〜８であることが重要であり、
平均径が２μｍ　を下廻りアスペクト比が２未満ではブ
リッジング効果およびディフレクション効果が不足して
靭性向上は期待できず、一方、平均径が１０μｍ　を越
え、アスペクト比が８を上廻ると複合性能が減退する。

【００１０】上記性状のＳｉＣウイスカーとＳｉＣ楕円
形粒子は、窒化珪素マトリックス組織中に体積含有率（
Ｖｆ）として５〜４０％、好ましくは１５〜３５％の範
囲で均質分散させる。体積含有率（Ｖｆ）が５％未満で
は複合効果が現出せず、４０％を越えて添加しても特性
の向上は望めず、むしろ焼結性は低下する。

【００１１】この際、ＳｉＣウイスカーとＳｉＣ楕円形
粒子の配合割合を、体積比で６０：４０〜４０：６０の
範囲に設定することが強度と靭性をバランスよく付与す
るために望ましい。

【００１２】このような組成構造を備えるＳｉＣ強化窒
化珪素複合材は、上記性状のＳｉＣウイスカーとＳｉＣ
楕円形粒子を体積含有率（Ｖｆ）が５〜４０％になるよ
うに窒化珪素マトリックス粉末に混合し、該混合物を常
圧、一軸加圧または等方性加圧下に焼結処理する方法で
製造することができる。焼結時の条件は、雰囲気をＮ２
　のような非酸化性とし、１６００〜１８５０℃の温度
域で焼結する。

【００１３】

【作用】本発明によれば、特定性状のＳｉＣウイスカー
が亀裂偏向（ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）、引き抜き（ｐｕ
ｌｌ　ｏｕｔ）等のクラック先端における応力緩和機構
によって複合材料の破壊靭性を向上させるとともに、複
合焼結時のマトリックスの粒成長を抑制して組織強度を
高めるために機能する。

【００１４】ＳｉＣ楕円形粒子は、主にブリッジング効
果とディフレション効果に基づくクラック先端の局部的
な応力緩和作用を営み、靭性向上に寄与する。この作用
は楕円形粒子が有効に働くものであり、球状や円盤状の
ＳｉＣ粒子より優れた効果を発揮する。そのうえ、製造
時における原料の混合、充填が円滑となり、焼結性も良
好となる。

【００１５】これらの作用と体積含有率（Ｖｆ）による
バランス機能が相俟って、高度の破壊靭性と材質強度を
兼備したＳｉＣ強化窒化珪素複合材の組織構造が形成さ
れる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。 実施例１〜８、比較例１〜５ 焼結助剤としてＹ２　Ｏ３　およびＡｌ２　Ｏ３を各５
％添加した平均粒径　０．２μｍのＳｉ３　Ｎ４　粉末
〔宇部興産（株）製、ＳＮ−Ｅ１０〕をマトリックスと
し、これに表１に示す性状および条件でＳｉＣウイスカ
ーとＳｉＣ楕円形粒子を加えてエタノールと共にボール
ミルに入れ、十分に湿式撹拌混合した。なお、比較例１
〜２はＳｉＣ楕円形粒子の性状が本発明の特定要件を外
れる例、比較例３は窒化珪素単独の焼結体、比較例４は
ＳｉＣウイスカーのみを複合化した材料、比較例５はＳ
ｉＣ楕円形粒子のみを複合化した材料である。

【００１７】

【００１８】混合スラリーをスプレードライ法で乾燥造
粒し、ホットプレスを用いて６００Ｔｏｒｒ　の窒素雰
囲気、圧力４００ｋｇ／ｃｍ２　、温度１７５０℃、時
間３０分の条件で焼結処理を施した。得られた各ＳｉＣ
強化窒化珪素複合材を試験片に加工し、密度測定　（相
対密度）　、抗折力および破壊靭性を測定し、結果を表
２に示した。なお、抗折力は３点曲げ試験法（ＪＩＳ　
１６０１）、破壊靭性はＩＦ法（荷重２０ｋｇ、時間１
５秒、Ｈｖ）　、一部はＳＥＰＢ法により測定した。

【００１９】

【００２０】表２の結果から、本発明の組成構造を有す
る各実施例は、各比較例に比べて強度、靭性ともに向上
していることが認められる。

【００２１】

【発明の効果】以上のとおり、本発明に従えば強化材と
してＳｉＣウイスカーとＳｉＣ楕円形粒子とを特定され
た条件で併用することによって優れた破壊靭性と機械的
強度を兼備する高品位のＳｉＣ強化窒化珪素複合材を提
供することができる。したがって、切削用工具などの部
材に有用である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　平均径　０．３〜１．２　μｍ　、ア
   スペクト比１０〜４０のＳｉＣウイスカーと平均径２〜
   １０μｍ　、アスペクト比２〜８のＳｉＣ楕円形粒子が
   、体積含有率（Ｖｆ）５〜４０％で窒化珪素マトリック
   ス組織中に均質分散してなる組成構造のＳｉＣ強化窒化
   珪素複合材。
2. 【請求項２】　　ＳｉＣウイスカーとＳｉＣ楕円形粒子
   の配合割合が、体積比で６０：４０〜４０：６０の範囲
   にある請求項１記載のＳｉＣ強化窒化珪素複合材。