JPH0772108B2 - β−サイアロン焼結体の製造方法 - Google Patents

β−サイアロン焼結体の製造方法

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JPH0772108B2
JPH0772108B2 JP63094330A JP9433088A JPH0772108B2 JP H0772108 B2 JPH0772108 B2 JP H0772108B2 JP 63094330 A JP63094330 A JP 63094330A JP 9433088 A JP9433088 A JP 9433088A JP H0772108 B2 JPH0772108 B2 JP H0772108B2
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    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/597Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon oxynitride, e.g. SIALONS

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は耐酸化性、耐食性および耐熱衝撃性に優れ、切
削工具、耐熱部品として有用なβ−サイアロン焼結体の
製造方法に関する。
[従来の技術] β−サイアロンは、Si3N4のSiおよびNの一部がAlおよ
びOによって置換されたもので、一般にSi6-zAlzOzN6-z
(0<z≦4.2)で示される。β−サイアロンの焼結体
は優れた耐酸化性、耐食性および耐熱衝撃性を有するの
で、切削工具、耐熱部品として期待される材料である。
β−サイアロンの焼結体はSi3N4−Al2O3−AlN系の混合
粉末の焼結によって得るのが一般的である。すなわち、
所望のz値になるように配合したSi3N4−Al2O3−AlN系
の混合粉を成形し、成形体をBN製るつぼに入れ窒素気流
中で1800℃に加熱し、焼結と共にAlとOを固溶させて焼
結体を得る。
これに対して特公昭61-4789号公報には、窒化珪素粉末
に、アルミニウムアルコキシド溶液を加え、ボールミル
で混合後、蒸発乾固して得た粉末を100〜400℃で仮焼
し、次いで1700〜1900℃で加圧焼結してβ−サイアロン
を得る方法および窒化珪素粉末にアルミニウムアルコキ
シドを加え、加水分解後、ろ過して得た粉末を600〜900
℃で仮焼し、1700〜1900℃で加圧焼結をしてβ−サイア
ロン焼結体を得る方法の発明が開示されている。
また、特開昭60-145961号公報の発明は、β−サイアロ
ン原料粉末95〜60重量部および周期律表の4a、5a、6a、
3bおよび4b族の金属の炭化物および窒化物の中から選ば
れた少なくとも1種の金属化合物粉末5〜40重量部を含
有してなる粉末組成物および該組成物を非酸化性の雰囲
気下で焼結することを特徴とする焼結体の製造方法の発
明である。なお、この発明で周期律表の4a、5a、6a、3b
および4b族の金属の炭化物および窒化物とは、TiC、Zr
C、HfC、NbCおよびTiN、ZrN、HfN、NbNなどである。
さらに、特開昭60-161378号公報には、β−サイアロン
を主相とする焼結体の製造方法において、原料粉末の混
合粉を成形後、該成形体をSi3N4とBNを主成分とする混
合粉末で覆い、N2ガス分圧が0.5〜2kg/cm2の雰囲気下で
焼結することを特徴とするサイアロン焼結体の焼結方法
が開示されている。
その他にβ−サイアロンの焼結体を得る方法として、珪
酸エチルとアルミニウムイソプロキシドを加水分解して
得たSiO2−Al2O3系混合粉末にカーボンを混ぜβ−サイ
アロン粉末を得て、この合成されたβ−サイアロン粉末
を焼結する方法がある。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、β−サイアロン焼結体をSi3N4−Al2O3
AlN系の混合粉末の焼結によって得る方法は、Si3N4粒子
にAlおよびOを固溶させるのに時間を要しその間にβ−
サイアロン粒子が粗大化すること、Si3N4とAl2O3の混合
不足が生じるために均質なサイアロン焼結体の製造が困
難であるという欠点を有する。そのため、粗大粒子の集
合、原料の混合不均一による空孔部分の存在などによる
焼結体中の欠陥により、焼結体の強度が低く、室温〜12
00℃における曲げ強度は40〜50kg/cm2程度にしかならな
い。
特公昭61-4789号公報の方法では、曲げ強度が60〜70kgf
/cm2の焼結体が得られる。しかしながら、β−サイアロ
ンの焼結体を得るためには高温で一軸加圧しながら焼結
を進行させるホットプレス法を用いなければならず、高
強度の焼結体が得られるものの、単純成形品しか得られ
ず、生産性が悪くかつ製造コストが高いという欠点があ
る。
特開昭60-145961号公報の発明ではち密な焼結体を得る
ためには、不活性雰囲気下、1600〜2200℃の温度で、10
0〜500kg/cm2の圧力で焼結を行うことが望ましいとさ
れ、複雑形状品の製造に適しないという欠点を有する。
特開昭60-161378号公報の発明は常圧焼結およびガス圧
焼結ではあるが焼結時に成形体Si3N4をBNの混合粉で覆
わなければならず、量産する場合は作業性に劣るという
問題点がある。
本発明はβ−サイアロン焼結体の前記のごとき問題点に
鑑みてなされたもので、特に合成して得られたβ−サイ
アロンの粉末から、複雑形状の製品が得られる常圧焼結
およびガス圧焼結によって、室温ならびに高温における
強度の優れた焼結体を得ることのできるβ−サイアロン
焼結体の製造方法を提供することを目的とする。
[課題を解決するための手段] 発明者は合成して得られたβ−サイアロン粉末を焼結す
ると、高強度の焼結体が得られることに着目し、これを
常圧焼結およびガス圧焼結することを考えた。しかし、
この合成したβ−サイアロン粉末は何等かの焼結助剤が
なければ、常圧焼結およびガス圧焼結することは不可能
であることを見出だした。
そこで、焼結助剤としてAl2O3またはMgOを添加すること
により焼結体を得た。しかし、これら焼結体は室温にお
ける強度は優れているものの、高温における強度が低下
してしまうという欠点があった。その原因は焼結体の結
晶粒界が非晶質になるためと考えられた。さらに、発明
者は焼結助剤について鋭意検討を重ね、ムライトを添加
すれば粒界層が結晶質になることを見出だして本発明を
完成するに至った。
すなわち、本発明のβ−サイアロン焼結体の製造方法
は、β−サイアロン粉末に焼結助剤としてムライト(3A
l2O3・2SiO2)粉末を添加し、非酸化性雰囲気下で、焼
結することを要旨とする。
本発明の適用されるβ−サイアロン粉末は、何等かの方
法で合成された粉末であれば良い。例えば、珪酸エチル
とアルミニウムイソプロキシドを加水分解して得たSiO2
−Al2O3系混合粉末にカーボンを混ぜて焼成して合成し
て得られたものなどに適用される。β−サイアロン粉末
の平均粒径はサブミクロンの粉末であることが好まし
く、0.5μm以下であることが望ましい。
焼結助剤として添加されるムライト(3Al2O3・2SiO2
は微粒かつ易焼結性であることが望ましい。ムライト添
加量は30重量%以下、望ましくは2〜25重量%以下より
望ましくは5〜20重量%である。ムライト添加量が2%
未満であると、焼結助剤としてのムライトの添加の効果
が少ないからであり、ムライト添加量が25%を越えると
焼結体の強度が低下しβ−サイアロンの優れた特性が維
持できなくなる。
本発明方法においては、焼結は非酸化性雰囲気下、例え
ば窒素または窒素を含む不活性雰囲気下、あるいは窒素
と一酸化炭素とを含む雰囲気下などで行なわれる。これ
はβ−サイアロンの酸化と熱分解を防ぐためである。
[作用効果] 本発明のβ−サイアロン粉末は、金属アルコキシドを加
水分解する等して合成されたものである。かくして合成
されたβ−サイアロンは、Si3N4−Al2O3−AlN系の混合
粉を加熱熔融するものと異なり、粒子が極めて微細で、
均質性に富むので、得られた焼結体に内部欠陥が無く高
強度を発現する。
本発明のβ−サイアロン粉末単味では常圧焼結およびガ
ス圧焼結をすることは出来ない。焼結助剤としてムライ
ト(3Al2O3・2SiO2)を添加することによって、焼結体
を得ることができる。ムライトを焼結助剤としてβ−サ
イアロン粉末を焼結して得られた焼結体は、粒界層が結
晶質になるため、高温における強度低下が少なくなる。
本発明のβ−サイアロン焼結体の製造方法は、微細でか
つ均質性に富む原料粉末を用いて常圧焼結およびガス圧
焼結により焼結体を得るものであり、高強度の複雑形状
の製品を生産性良く製造することができる。また、本発
明の製造方法によって得られた焼結体は室温における強
度に優れると共に、高温においてもその強度の低下が少
なく、切削工具、押し出しダイス、耐熱部品の製造方法
として極めて有用なものである。
[実施例] 本発明の実施例を以下に説明し、本発明をさらに具体的
に明らかにするが、本発明が以下に述べる実施例の記載
によって何等限定解釈されるものではない。
珪酸エチルとアルミニウムイソプロキシドとをβ−サイ
アロンの一般式Si6-zAlzOzN8-zにおけるzが3、すなわ
ちSi3Al3O3N5となるように配合し、かつイソブタノール
に溶融混合した。続いて85℃で加熱加水分解し乾燥し、
空気中で600℃にて1時間予備焼成した。これにカーボ
ンブラック22.1%を添加混合した粉末をN2気流中1430℃
で4時間焼成して平均粒径0.2μmのβ−サイアロン粉
末を得た。
得られたβ−サイアロン粉末に第1表に示す割合で平均
粒径0.2μmのムライト粉末を配合し、エタノールを分
散剤として48時間ボールミルにて混合、乾燥して得た粉
末を60メッシュの篩にかけた後400kg/cm2の圧力で金型
成形し、さらに3000kg/cm2静水圧をかけた。該成形体を
毎分5℃窒素雰囲気下(1.2気圧)1700〜1800℃の間で
4時間焼成した。ただし、ムライト粉末を添加しないβ
−サイアロン粉末は、200kg/cm2、1850℃でホットプレ
スした。
得られた焼結体はJIS規格に基づき3×4×40mmの試験
片に切断研摩加工し、室温と窒素ガス中1400℃で、スパ
ン30mm、クロスヘッド速度0.5mm/minで3点曲げ試験を
行い、10本の平均値を第1表に示した。
第1表から明らかなように、ムライト粉末を添加せずに
ホットプレスした従来例である試料No.1は室温強度が46
kg/cm2と低く、また1400℃における強度も44kg/cm2と低
い。また、ムライト粉末を30重量%添加した試料No.7
は、室温強度が48kg/cm2、1400℃における強度41kg/cm2
で従来例とほぼ同じ値を示した。
これに対して試料No.2〜6は室温強度が54〜77kg/cm2
1400℃における強度が51〜71kg/cm2であって、共に高い
強度の焼結体が得られ、本発明の著しい効果が確認され
た。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】β−サイアロン粉末に焼結助剤としてムラ
    イト(3Al2O3・2SiO2)粉末を2〜30重量%添加し、非
    酸化性雰囲気下で、焼結することを特徴とするβ−サイ
    アロン焼結体の製造方法。
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