JPH0653609B2 - 高靭性窒化珪素焼結体の製法 - Google Patents
高靭性窒化珪素焼結体の製法Info
- Publication number
- JPH0653609B2 JPH0653609B2 JP63030058A JP3005888A JPH0653609B2 JP H0653609 B2 JPH0653609 B2 JP H0653609B2 JP 63030058 A JP63030058 A JP 63030058A JP 3005888 A JP3005888 A JP 3005888A JP H0653609 B2 JPH0653609 B2 JP H0653609B2
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- Japan
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- silicon nitride
- sintered body
- volume
- nitride sintered
- high toughness
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、靱性の高い窒化珪素焼結体の製法に関するも
ので、エンジニアリングセラミツクスとして各種の機械
部品や自動車部品等に有用なものである。
ので、エンジニアリングセラミツクスとして各種の機械
部品や自動車部品等に有用なものである。
セラミツクスの本質的な性質である脆さを改善するため
の方法はこれまで幾つか提案されている。複合化による
方法は代表的なもので、ウイスカー、繊維、粒子などの
混合・分散による破壊靱性の向上がある。例えば、窯業
協会発行、「特集セラミツクスの強靱化に挑む」セラミ
ツクスVol.２１NO.７ １９８６年７月号に記されてい
る。現在、窒化珪素焼結体の高靱化にはウイスカー添加
が最も有効と見られる。
の方法はこれまで幾つか提案されている。複合化による
方法は代表的なもので、ウイスカー、繊維、粒子などの
混合・分散による破壊靱性の向上がある。例えば、窯業
協会発行、「特集セラミツクスの強靱化に挑む」セラミ
ツクスVol.２１NO.７ １９８６年７月号に記されてい
る。現在、窒化珪素焼結体の高靱化にはウイスカー添加
が最も有効と見られる。
しかしながら、複合化による強靱化を行うには均一な分
散が要求される。特にウイスカー、繊維は分散が難しく
湿式ボールミル等で長時間混合しなければならないばか
りでなく、完全な均一分散は実質的に不可能に近い。ま
た、スリツプキヤスト、射出成形等の成形方法も困難と
なる。さらには、ウイスカー、繊維を混入したものを焼
結することは難しく、たとえホツトプレス法であつても
理論密度近くにするのは容易ではない。
散が要求される。特にウイスカー、繊維は分散が難しく
湿式ボールミル等で長時間混合しなければならないばか
りでなく、完全な均一分散は実質的に不可能に近い。ま
た、スリツプキヤスト、射出成形等の成形方法も困難と
なる。さらには、ウイスカー、繊維を混入したものを焼
結することは難しく、たとえホツトプレス法であつても
理論密度近くにするのは容易ではない。
本発明は以上のような問題点を解決し、比較的容易に高
靱性の窒化珪素焼結体を得ようとするものである。
靱性の窒化珪素焼結体を得ようとするものである。
すなわち、本発明は、平均粒径５μｍ以下の窒化珪素粉
末を主成分としMgO及び／又はMgAl2O4からなる焼結助剤
０．２〜５容量％と平均粒径１．５〜１０μｍのCr3C2
粉末１〜５０容量％とを含んでなる混合粉末を成形・焼
結することを特徴とする高靱性窒化珪素焼結体の製法で
ある。
末を主成分としMgO及び／又はMgAl2O4からなる焼結助剤
０．２〜５容量％と平均粒径１．５〜１０μｍのCr3C2
粉末１〜５０容量％とを含んでなる混合粉末を成形・焼
結することを特徴とする高靱性窒化珪素焼結体の製法で
ある。
以下、さらに詳しく本発明について説明する。
複合化による破壊靱性向上の主な機構として、クラツプ
・デイフレクシヨン、マイクロクラツキング、応力誘起
変態、プルアウトなどが考えられるが、本発明の方法に
おいては、クラツプ・デイフレクシヨンとマイクロクラ
ツキングが重要である。クラツク・デイフレクシヨン
は、マトリツクスと分散相の靱性や熱膨張率などの物性
の相違や両者の界面状態などが原因となつてクラツクが
分散粒子の周りをジグザグに折れ曲つて進むことにより
エネルギーが散逸するものである。また、マイクロクラ
ツキングも分散相とマトリツクスの熱膨張率の差などに
よつて分散粒子の周りに歪みが生じ、多数のクラツクが
発生し、主クラツク先端が微細クラツクの生じた領域に
進むと、微細クラツク同士が結合して成長したり、新し
く微細クラツクが発生したりしてこの領域の弾性率が低
下する。そのため、主クラツク先端にかかる応力が減少
するものである。
・デイフレクシヨン、マイクロクラツキング、応力誘起
変態、プルアウトなどが考えられるが、本発明の方法に
おいては、クラツプ・デイフレクシヨンとマイクロクラ
ツキングが重要である。クラツク・デイフレクシヨン
は、マトリツクスと分散相の靱性や熱膨張率などの物性
の相違や両者の界面状態などが原因となつてクラツクが
分散粒子の周りをジグザグに折れ曲つて進むことにより
エネルギーが散逸するものである。また、マイクロクラ
ツキングも分散相とマトリツクスの熱膨張率の差などに
よつて分散粒子の周りに歪みが生じ、多数のクラツクが
発生し、主クラツク先端が微細クラツクの生じた領域に
進むと、微細クラツク同士が結合して成長したり、新し
く微細クラツクが発生したりしてこの領域の弾性率が低
下する。そのため、主クラツク先端にかかる応力が減少
するものである。
すなわち、本発明は、窒化珪素焼結体中に炭化クロム粒
子を適度に分散させることにより靱性の大幅な改善を可
能としたものである。
子を適度に分散させることにより靱性の大幅な改善を可
能としたものである。
本発明で使用される窒化珪素Si3N4粉末の平均粒径は５
μｍ以下であることを要し、５μｍを越えては靱性の改
良は認められない。好ましい平均粒径は３μｍ以下特に
１μｍ以下である。
μｍ以下であることを要し、５μｍを越えては靱性の改
良は認められない。好ましい平均粒径は３μｍ以下特に
１μｍ以下である。
焼結助剤としては、MgO及び／又はMgAl2O4を０．２〜５
容量％存在させる。０．２容量％未満では焼結効果は少
なく、また、５容量％を越えると強度が低下する。MgO
を成分として含有しない焼結助剤、例えばAl2O3-Y2O3系
では高靱性化は達成できない。なお、本発明において
は、MgSiO4、MgSiO3、Mg(OH)2、Mg(NO3)2、MgSO4、コーディ
エライト等のMgO化合物、さらにはAl2O3、Y2O3、CoAl2O4、
ZrO2、SiO2等の焼結助剤と併用することもでき、その割
合は、０．２〜５容量％程度である。
容量％存在させる。０．２容量％未満では焼結効果は少
なく、また、５容量％を越えると強度が低下する。MgO
を成分として含有しない焼結助剤、例えばAl2O3-Y2O3系
では高靱性化は達成できない。なお、本発明において
は、MgSiO4、MgSiO3、Mg(OH)2、Mg(NO3)2、MgSO4、コーディ
エライト等のMgO化合物、さらにはAl2O3、Y2O3、CoAl2O4、
ZrO2、SiO2等の焼結助剤と併用することもでき、その割
合は、０．２〜５容量％程度である。
高靱性化のための分散粒子は種々検討した結果、炭化ク
ロムCr3O2が最も良好であることが判つた。この理由に
ついては定かではないが、Cr3C2の熱膨張係数は１０〜
１１×１０−６／℃でSi3N4の２〜３×１０−６／℃と
比べ３倍以上であり、融点はCr3C2が１８１０℃でSi3N4
の１８９０℃と比較的近いことにもとづいているものと
考えている。
ロムCr3O2が最も良好であることが判つた。この理由に
ついては定かではないが、Cr3C2の熱膨張係数は１０〜
１１×１０−６／℃でSi3N4の２〜３×１０−６／℃と
比べ３倍以上であり、融点はCr3C2が１８１０℃でSi3N4
の１８９０℃と比較的近いことにもとづいているものと
考えている。
Cr3C2の平均粒径は１．５〜１０μｍであり、これ以外
では高い靱性は得られない。好ましくは３〜６μｍであ
る。また、混合粉末中のCr3C2の含有量は１〜５０容量
％である。１容量％未満では靱性の向上は認められず、
また、５０容量％を越えては強度等の物性が低下する。
では高い靱性は得られない。好ましくは３〜６μｍであ
る。また、混合粉末中のCr3C2の含有量は１〜５０容量
％である。１容量％未満では靱性の向上は認められず、
また、５０容量％を越えては強度等の物性が低下する。
Si3N4粉末、焼結助剤、Cr3C2粉末の混合は、ボールミル
等の混合機を用い、湿式あるいは乾式で行われる。成形
・焼結方法とは、一般に、常圧焼結、ホツトプレス、HI
Pなどが考えられるが、本発明ではホツトプレスが最も
好しい。焼結条件は、非酸化性雰囲気下、温度１４００
〜１７００℃特に１５００〜１６００℃、圧力１００〜
４００kg/cm2、時間は１〜３時間程度が好ましい。本発
明においては、焼結温度が比較的重要であり、１４００
℃未満では充分な焼結密度は得られ難く、また、１７０
０℃を越えると強度低下する。
等の混合機を用い、湿式あるいは乾式で行われる。成形
・焼結方法とは、一般に、常圧焼結、ホツトプレス、HI
Pなどが考えられるが、本発明ではホツトプレスが最も
好しい。焼結条件は、非酸化性雰囲気下、温度１４００
〜１７００℃特に１５００〜１６００℃、圧力１００〜
４００kg/cm2、時間は１〜３時間程度が好ましい。本発
明においては、焼結温度が比較的重要であり、１４００
℃未満では充分な焼結密度は得られ難く、また、１７０
０℃を越えると強度低下する。
破壊靱性値KICの測定法には種々あるが、本発明ではIM
(Indentaion Micro fracture)法を採用する。これは、
“昭和５９年度通商産業省工業技術院委託フアインセラ
ミツクスの標準化に関する調査研究報告書昭和６０年３
月フアインセラミツクス協会”に記載されている測定法
であり、試料の鏡面研磨、圧子圧入、クラツク長さ測
定、経験式を用いたKICの算出の４つの過程からなる。
すなわち、表面研磨した試料にビツカース圧子を圧入す
る。装置はビツカースやヌープ硬度計を用いる。試料に
発生したクラツクの長さを光学顕微鏡あるいはSEMを用
いて測定するものである。KICを算出する経験式は数多
くあるが、本発明では次式を用いた。
(Indentaion Micro fracture)法を採用する。これは、
“昭和５９年度通商産業省工業技術院委託フアインセラ
ミツクスの標準化に関する調査研究報告書昭和６０年３
月フアインセラミツクス協会”に記載されている測定法
であり、試料の鏡面研磨、圧子圧入、クラツク長さ測
定、経験式を用いたKICの算出の４つの過程からなる。
すなわち、表面研磨した試料にビツカース圧子を圧入す
る。装置はビツカースやヌープ硬度計を用いる。試料に
発生したクラツクの長さを光学顕微鏡あるいはSEMを用
いて測定するものである。KICを算出する経験式は数多
くあるが、本発明では次式を用いた。
(KICφ／Ha1/2)(H/Eφ）2/5＝0.129(c/a)-3/2 Ｅ…ヤング率、Ｈ…硬度、ａ…圧痕長さ、ｃ…亀裂長
さ、φ＝３、荷重は２０kg、荷重印加時間１５秒間 各種セラミツクスの破壊靱性値KIC(MPa・m1/2)は、一般
に、Si3N4４〜６、SiC３〜５、Al2O3３〜５、部分安定
化ZrO2(PSZ)７〜１０、ガラス0.75、WC-Co合金１２〜１
６、アルミ合金３４と言われている。本発明によれば、
これを７以上にすることができるものである。
さ、φ＝３、荷重は２０kg、荷重印加時間１５秒間 各種セラミツクスの破壊靱性値KIC(MPa・m1/2)は、一般
に、Si3N4４〜６、SiC３〜５、Al2O3３〜５、部分安定
化ZrO2(PSZ)７〜１０、ガラス0.75、WC-Co合金１２〜１
６、アルミ合金３４と言われている。本発明によれば、
これを７以上にすることができるものである。
以下、実施例をあげてさらに具体的に本発明を説明す
る。
る。
実施例１ 表−１に示す種々の容量％の焼結助剤MgO、MgAl2O4、Al2O
3、Y2O3及び平均粒径5.0μｍのCr3C2粉末１５容量％を平
均粒径0.6μｍのSi3N4粉末（電気化学工業社製SN-GD
３）に混合して全体を１００容量％の混合粉末を調製し
た。これを、１５５０℃、２時間、３００kg/cm2の条件
でホツトプレス法により焼結体を得、破壊靱性値KICを
測定した。その結果を表−１に示す。
3、Y2O3及び平均粒径5.0μｍのCr3C2粉末１５容量％を平
均粒径0.6μｍのSi3N4粉末（電気化学工業社製SN-GD
３）に混合して全体を１００容量％の混合粉末を調製し
た。これを、１５５０℃、２時間、３００kg/cm2の条件
でホツトプレス法により焼結体を得、破壊靱性値KICを
測定した。その結果を表−１に示す。
実施例２ 表−１の実験NO.９において、Cr3C2１５容量％のかわり
に表−２に示す容積のCr3C2をSi3N4粉末に置きかえて使
用したこと以外は同様の条件で焼結体を作製し破壊靱性
値KICを測定した。その結果を表−２に示す。
に表−２に示す容積のCr3C2をSi3N4粉末に置きかえて使
用したこと以外は同様の条件で焼結体を作製し破壊靱性
値KICを測定した。その結果を表−２に示す。
実施例３ 表−１の実験NO.９において、Si3N4粉末とCr3C2粉末の
平均粒径を表−３に示すように変えた以外は同様の条件
で焼結体を作製し、破壊靱性値KICを測定した。その結
果を表−３に示す。
平均粒径を表−３に示すように変えた以外は同様の条件
で焼結体を作製し、破壊靱性値KICを測定した。その結
果を表−３に示す。
実施例４ 表−１の実験NO.９に示した配合組成についてホツトプ
レスの焼結条件を変えて焼結体を作製し、相対密度、破
壊靱性値KIC及び常温曲げ強度を測定した。それらの結
果を表−４に示す。
レスの焼結条件を変えて焼結体を作製し、相対密度、破
壊靱性値KIC及び常温曲げ強度を測定した。それらの結
果を表−４に示す。
以上の実施例から次のことがわかる。
(1)実施例１から、MgO及び／又はMgAl2O4からなる焼結
助剤の添加量は０．２容量％以上５容量％以下が適切で
ある。中でも、MgAl2O4+Al2O3系が最も高KICを示した。
Al2O3+Y2O3系は最も低いがMgOを加えることによりKICは
向上する。
助剤の添加量は０．２容量％以上５容量％以下が適切で
ある。中でも、MgAl2O4+Al2O3系が最も高KICを示した。
Al2O3+Y2O3系は最も低いがMgOを加えることによりKICは
向上する。
(2)実施例２から、Cr3C2粒子が１容量％以上５０容量％
以下で7.5〜10.2MPa・m1/2のKICが得られる。
以下で7.5〜10.2MPa・m1/2のKICが得られる。
(3)実施例３にはSi3N4とCr3C2の平均粒子の粒径の影響
が示されており、Si3N4は5.0μｍ以下、Cr3C2は1.5μｍ
以上１０μｍ以下が適切である。
が示されており、Si3N4は5.0μｍ以下、Cr3C2は1.5μｍ
以上１０μｍ以下が適切である。
(4)実施例４から焼結温度は１５００〜１６００℃にお
いて最も良好な靱性と強度が得られる。
いて最も良好な靱性と強度が得られる。
本発明の方法によれば、簡単に高靱性の窒化珪素焼結体
を製造することができる。
を製造することができる。
Claims (1)
- 【請求項１】平均粒径５μｍ以下の窒化珪素粉末を主成
分としMgO及び／又はMgAl2O4からなる焼結助剤０．２〜
５容量％と平均粒径１．５〜１０μｍのCr3C2粉末１〜
５０容量％とを含んでなる混合粉末を成形・焼結するこ
とを特徴とする高靱性窒化珪素焼結体の製法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63030058A JPH0653609B2 (ja) | 1988-02-13 | 1988-02-13 | 高靭性窒化珪素焼結体の製法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63030058A JPH0653609B2 (ja) | 1988-02-13 | 1988-02-13 | 高靭性窒化珪素焼結体の製法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01208369A JPH01208369A (ja) | 1989-08-22 |
| JPH0653609B2 true JPH0653609B2 (ja) | 1994-07-20 |
Family
ID=12293228
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63030058A Expired - Lifetime JPH0653609B2 (ja) | 1988-02-13 | 1988-02-13 | 高靭性窒化珪素焼結体の製法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0653609B2 (ja) |
-
1988
- 1988-02-13 JP JP63030058A patent/JPH0653609B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01208369A (ja) | 1989-08-22 |
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