JPH0653610B2 - 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
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- JPH0653610B2 JPH0653610B2 JP63030059A JP3005988A JPH0653610B2 JP H0653610 B2 JPH0653610 B2 JP H0653610B2 JP 63030059 A JP63030059 A JP 63030059A JP 3005988 A JP3005988 A JP 3005988A JP H0653610 B2 JPH0653610 B2 JP H0653610B2
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Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
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の困難と
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の困難と
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１μｍ以下の窒化珪素粉
末を主成分とし、MgAl2O4-Al2O3系焼結助剤をMgAl2O4分
として１〜５容量％と平均粒径３〜１０μｍのTiN粉末
１０〜４０容量％とを含んでなる混合原料粉末を成形・
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、MgAl2O4-Al2O3系焼結助剤をMgAl2O4分
として１〜５容量％と平均粒径３〜１０μｍのTiN粉末
１０〜４０容量％とを含んでなる混合原料粉末を成形・
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、クラツク
・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、クラツク・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、クラツク・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。
本発明者らは、窒化珪素焼結体の高靱性化について種々
検討した結果、分散粒子としてはTiN粒子が最適であ
り、そのTiN粒子を窒化珪素焼結体に分散させるには、
平均粒径３〜１０μｍのTiN粉末を窒化珪素粉末、焼結
助剤及びTiN粉末からなる混合原料粉末中に１０〜４０
容量％含ませればよいことを見いだしたものである。Ti
N粉末の平均粒径が３μｍ未満であるか又は１０μｍを
こえると大幅な高靱性化を達成することができず、また
TiN粉末の含有量が混合原料粉末中、１０〜４０容量％
以外の割合であっても同様に靱性の大幅な向上はなく、
特に４０容量％をこえると強度が低下するようになる。
検討した結果、分散粒子としてはTiN粒子が最適であ
り、そのTiN粒子を窒化珪素焼結体に分散させるには、
平均粒径３〜１０μｍのTiN粉末を窒化珪素粉末、焼結
助剤及びTiN粉末からなる混合原料粉末中に１０〜４０
容量％含ませればよいことを見いだしたものである。Ti
N粉末の平均粒径が３μｍ未満であるか又は１０μｍを
こえると大幅な高靱性化を達成することができず、また
TiN粉末の含有量が混合原料粉末中、１０〜４０容量％
以外の割合であっても同様に靱性の大幅な向上はなく、
特に４０容量％をこえると強度が低下するようになる。
本発明で使用される窒化珪素Si3N4粉末の平均粒径は１
μｍ以下であることが必要であり、１μｍをこえると靱
性の改善は認められない。
μｍ以下であることが必要であり、１μｍをこえると靱
性の改善は認められない。
本発明で使用される焼結助剤は、MgAl2O4とAl2O3を主成
分とするMgAl2O4-Al2O3系のものであり、その使用量は
混合原料粉末中、MgAl2O4分として１〜５容量％の含む
割合である。Al2O3の割合としては、混合原料粉末中、
０．２〜５容量％程度含まれていることが好ましい。Mg
Al2O4-Al2O3系焼結助剤の含有量が混合原料粉末中、MgA
l2O4として１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。本発明と異なる焼
結助剤、例えばAl2O3-Y2O3系焼結助剤では高靱性化を達
成することできない。本発明においては、MgO、MgSiO4、M
gSiO3、Mg(OH)2、Mg(NO3)2、MgSO4、コーディエライト等の
Mg化合物、さらには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、混合原料粉末
中、０．２〜５容量％程度の含有量である。
分とするMgAl2O4-Al2O3系のものであり、その使用量は
混合原料粉末中、MgAl2O4分として１〜５容量％の含む
割合である。Al2O3の割合としては、混合原料粉末中、
０．２〜５容量％程度含まれていることが好ましい。Mg
Al2O4-Al2O3系焼結助剤の含有量が混合原料粉末中、MgA
l2O4として１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。本発明と異なる焼
結助剤、例えばAl2O3-Y2O3系焼結助剤では高靱性化を達
成することできない。本発明においては、MgO、MgSiO4、M
gSiO3、Mg(OH)2、Mg(NO3)2、MgSO4、コーディエライト等の
Mg化合物、さらには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、混合原料粉末
中、０．２〜５容量％程度の含有量である。
Si3N4粉末、MgAl2O4-Al2O3系焼結助剤及びTiN粉末の混
合は、ボールミル等の混合機を用い湿式又は乾式で行わ
れる。成形・焼結方法については特に制限はなく、常圧
焼結、ホットプレス、ＨＩＰ焼結を採用することができ
る。
合は、ボールミル等の混合機を用い湿式又は乾式で行わ
れる。成形・焼結方法については特に制限はなく、常圧
焼結、ホットプレス、ＨＩＰ焼結を採用することができ
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。
(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。
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、
これを常圧焼結により８．５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、
これを常圧焼結により８．５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及び分散粒子として平均粒径4.0μｍ、熱膨張係
数9.3×１０−６／℃のTiN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-GD３）に混合
して全体を１００容量％の混合原料粉末を調製した。こ
れを１７５０℃、６時間、Ｎ２９kg/cm2の常圧焼結法に
より蛇Si3N4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及び分散粒子として平均粒径4.0μｍ、熱膨張係
数9.3×１０−６／℃のTiN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-GD３）に混合
して全体を１００容量％の混合原料粉末を調製した。こ
れを１７５０℃、６時間、Ｎ２９kg/cm2の常圧焼結法に
より蛇Si3N4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、TiN粉末を種々の割合とし
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。
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TiN粉末の平
均粒径を表−３に示すように変え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とJISR１６０１の常
温曲げ強度を測定した。それらの結果を表−３に示す。
均粒径を表−３に示すように変え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とJISR１６０１の常
温曲げ強度を測定した。それらの結果を表−３に示す。
実施例４ 表−１の実験NO.９において、MgAl2O4粉末を種々の割合
とし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−４に示す。
とし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−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及び実施例４から、MgAl2O4-Al2O3系焼
結助剤の添加量をMgAl2O4分として１〜５容量％とした
ときに、８．５ＭＰａ・ｍ１／２以上の高いKICが得ら
れる。
結助剤の添加量をMgAl2O4分として１〜５容量％とした
ときに、８．５ＭＰａ・ｍ１／２以上の高いKICが得ら
れる。
（２）実施例２から、TiN粉末が１０〜４０容量％のと
きに、８．５ＭＰａ・ｍ１／２以上の高いKICが得られ
る。
きに、８．５ＭＰａ・ｍ１／２以上の高いKICが得られ
る。
（３）実施例３から、Si3N4粉末の平均粒径が１μｍ以
下でしかもTiN粉末のそれが３〜１０μｍの場合に、
８．６ＭＰａ・ｍ１／２以上の高いKICが得られる。
下でしかもTiN粉末のそれが３〜１０μｍの場合に、
８．６ＭＰａ・ｍ１／２以上の高いKICが得られる。
本発明によれば、破壊靱性値８．５ＭＰａ・ｍ１／２以
上を有する高靱性の窒化珪素焼結体を簡単に製造するこ
とができる。
上を有する高靱性の窒化珪素焼結体を簡単に製造するこ
とができる。
Claims (1)
- 【請求項１】平均粒径１μｍ以下の窒化珪素粉末を主成
分とし、MgAl2O4-Al2O3系焼結助剤をMgAl2O4分として１
〜５容量％と平均粒径３〜１０μｍのTiN粉末１０〜４
０容量％とを含んでなる混合原料粉末を成形・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 |
|---|---|---|---|
| JP63030059A JPH0653610B2 (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 |
|---|---|---|---|
| JP63030059A JPH0653610B2 (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 |
|---|---|
| JPH01208370A JPH01208370A (ja) | 1989-08-22 |
| JPH0653610B2 true JPH0653610B2 (ja) | 1994-07-20 |
Family
ID=12293256
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63030059A Expired - Lifetime JPH0653610B2 (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) | JPH0653610B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2829229B2 (ja) * | 1993-10-25 | 1998-11-25 | 株式会社東芝 | 窒化ケイ素系セラミックス焼結体 |
| CN121470964B (zh) * | 2026-01-06 | 2026-04-28 | 广东工业大学 | 一种高韧性的氮化硅陶瓷及其低温制备方法和应用 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59207880A (ja) * | 1983-05-13 | 1984-11-26 | 工業技術院長 | 窒化ケイ素焼結体の製造方法 |
-
1988
- 1988-02-13 JP JP63030059A patent/JPH0653610B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01208370A (ja) | 1989-08-22 |
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