JPH0559073B2 - - Google Patents

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、高硬度及び高靱性を有
する各種エンジニアリングセラミツクスを製造す
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
が侵入型固溶した物質であり、 式Y_x（Si，Ａ）₁₂（Ｏ，Ｎ）₁₆ 〔〕 （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
セラミツ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、
結晶形が粒状であるため、エンジニアリングセラ
ミツクスとしての強度、破壊靱性等の特性が充分
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Ｏが置換固溶した 式Si_6-zＡ_zO_zN_8-z 〔〕 （式中、ｚは０＜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
度及び靱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、α−窒化珪素の結晶、前記式
〔〕で表されるYα−サイアロンの結晶、前記式
〔〕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
及びその製造法が提供される。 （発明の具体的説明） 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。 0.1＜α−窒化珪素の結晶相＜40重量％ ５＜Yα−サイアロンの結晶相＜50重量％ 10＜β−サイアロンの結晶相＜95重量％ １＜Ｙを含むガラス相＜20重量％ α−窒化珪素の結晶相の割合が前記範囲よりも
少ない場合には、得られるサイアロン基焼結体の
機械的強度の向上効果が得られず、また、前記範
囲よりも多い場合には焼結が不十分であり、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、
α−窒化珪素の結晶の長径が0.01〜2μm、Yα−
サイアロンの結晶の長径が0.01〜10μm、β−サ
イアロンの結晶の長径が１〜50μm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つて生成す
ると考えられる、β−サイアロンの結晶、Ｙを含
むガラス相及び相転移を起こしていないα−窒化
珪素の微粒結晶が、原料のYα−サイアロンの組
成より式〔〕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α−窒化珪素の微粒結晶により強度特
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ツクが発生す
ることにより、得られるサイアロン基焼結体の破
壊靱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〔〕
で表されるYα−サイアロンを主たる相とし、か
つ式〔〕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％以下と、残部がα−窒化珪素粉末か
らなる原料粉末を、最高温度1600〜2200℃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〔〕で表
されるYα−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号の発明に従つて調製
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℃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、一次粒子の大きさ
が0.2〜2μmの微細かつ均一粒度の粉末であつて、
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体を高めると同時
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〔〕で規
定される論理酸素量に対して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又はアルミニ
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℃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つ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−サイアロン粉末とα−窒化珪素粉末との
混合物中のα−窒化珪素粉末の配合割合は50重量
％以上、好ましくは60〜95重量％、さらに好まし
くは70〜90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つて生成サイ
アロン基焼結体中のα−窒化珪素相の割合が増大
する。α−窒化珪素粉末の配合割合が95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。 Yα−サイアロン粉末とα−窒化珪素粉末との
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つた後に、常
圧又は加圧下に窒素含有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、
ホツ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、一軸成形法、
鋳込成形法、射出成形法、爆発圧縮成形法等によ
つて行うことができる。 焼結温度は通常1600〜2200℃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
壊靱性等の機械的特性が向上しているので、信頼
性の高い構造材料、特に切削チツプ、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１〜６及び比較例１ 非晶質窒化珪素粉末479.2g、Y₂O₃粉末59.4g及
び金属Ａ粉末63g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ツトし、窒素
ガス雰囲気下、室温から1200℃迄を１時間、1200
℃から1400℃迄を４時間、さらに1400℃から1600
℃迄を２時間の昇温スケジユ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 Y_0.5Si_9.75Al_2.25O_0.75N_15.25 比表面積 2.5m²／ｇ 粒 形 等軸結晶 生成相 α相≧90％ 生成物組成（wt％） Ｙ：7.2 Si：44.2 Al：9.8 Ｏ：4.9 Ｎ：33.9 過剰酸素量 2.9重量％ 上記Yα−サイアロン粉末及びα−窒化珪素粉
末（平均径：0.5μm、比表面積：11m²／ｇ）を第
１表に示す割合で、媒体としてエタノールを用い
48時間湿式ミリングした後、80℃で真空乾燥し
た。得られた原料粉末40gを表面が窒化硼素で被
覆された内径50mmの黒鉛製治具に充填し、ホツト
プレス焼結装置にセツトした後、250Kg／cm²の加
圧下に室温から1750℃まで20℃／分で昇温し、同
温度に１時間保持した。 得られたサイアロン基焼結体の特性を第１表に
示す。

【表】 β−サ：β−サイアロン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ α−窒化珪素の結晶、 式Y_x（Si，Ａ）₁₂（Ｏ，Ｎ）₁₆ （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-zＡ_zO_zN_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。