JPH0832594B2 - 窒化けい素系セラミックス設計支援装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、窒化けい素系セラミックス設計支援装置
に関するものである。さらに詳しくは、この発明は、焼
結助剤の選択と生成するセラミックスの室温および高温
での強度の予測を効率よく行うことのできる窒化けい素
系セラミックス設計支援装置に関するものである。

（従来の技術） 従来より、窒化けい素系セラミックスについては、高
強度および高硬度を有するものとして注目されており、
エンジン部品、金属切削あるいは加工用の機械部品、精
密機械部品等の機械部品への応用が検討されてきてい
る。このような窒化けい素系セラミックスは、通常、窒
化けい素粉末に金属酸化物を焼結助剤として加え、所定
の形状に成形した後に、窒素中で加熱・焼結して製造し
ている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来においては、窒化けい素系セラミ
ックスの製造に関与する焼結助剤に有効な酸化物の選択
や得られるセラミックスの強度についての指標や指針が
必ずしも充分でなく、一般的に、実験による試行錯誤の
結果からセラミックスの特性向上を図っているのが実情
である。

このため、窒化けい素系セラミックスの開発には、多
大な時間と労力を必要とするという重大な問題があっ
た。また、開発に際して得られたデータを窒化けい素系
セラミックス設計のベースとなるようには蓄積していな
いために、そのようなデータが新規なセラミックスの設
計に必ずしも生かされていないという問題もあった。

この発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたもの
であり、従来の窒化けい素系セラミックス開発について
の欠点を解消し、焼結助剤の選択と生成するセラミック
スの室温および高温での強度の予測を可能とする新しい
窒化けい素系セラミックス設計支援装置を提供すること
を目的としている。

（課題を解決するための手段） この発明は、上記の課題を解決するものとして、けい
素を含む金属元素とともに、その金属元素からなる酸化
物を選択して入力する入力手段と、該金属元素の電気陰
性度、イオン半径および共有結合半径、それらの金属の
窒化物と酸化物の生成自由エネルギー、昇華温度および
熱解離温度、およびシリカ−金属酸化物系の融点を含む
データを有する記憶部と、窒化けい素と該金属酸化物の
反応についての熱力学的演算と生成するセラミックスの
強度の算出を行う演算部と、該演算部で算出した演算結
果を該記憶部に格納されたデータおよび／または推論の
基準となる設定値と対照する対照手段と、窒化けい素系
セラミックス生成の可能性と生成するセラミックスの強
度についての推論結果を含む表示を行う表示部とからな
ることを特徴とする窒化けい素系セラミックス設計支援
装置を提供する。

この発明においては、窒化けい素の焼結助剤として有
効な金属酸化物の 焼結温度で安定である 窒化けい素と安定に共存する シリカ−金属酸化物系の液相生成温度 （T₀）が焼結温度（Ｔ）以下である という３つの特徴に着目している。

の安定な条件とは、昇華温度と熱解離温度が焼結温
度より高いということである。熱解離が起こる物質の場
合には、焼結温度における金属酸化物の生成自由エネル
ギーが正である。

窒化けい素と金属酸化物とが、次の＜１＞式または＜
２＞式で示されるような反応を起こす場合には、窒化け
い素と金属酸化物が安定に共存しない。

Si₃N₄＋M_aO_b →3SiO₂＋M_cN_d… ＜１＞ Si₃N₄＋M_aO_b →3SiO＋M_cN_d＋eN₂… ＜２＞ ＜１＞式および＜２＞式において、右辺の物質の生成
自由エネルギーの総和から左辺の物質の生成自由エネル
ギーの総和を差引いた値が、０および推論の基準となる
設定値以上である場合には、反応は進行せず、に示し
たような窒化けい素と金属酸化物とが共存することにな
る。

焼結助剤は、窒化けい素粉末表面のシリカ層と反応し
て液相を生成し、焼結は、この液相中を物質が拡散する
ことにより進行する。したがって、セラミックスが得ら
れるためには、焼結温度で液相が存在するというの条
件を満たさなければならない。

ところで、焼結助剤として有効な金属酸化物を用いる
と、窒化けい素系セラミックスが得られるはずである
が、その室温強度は焼結助剤が粒界に残るか、あるいは
粒内に固溶するかによって異なる。強度（σ_ｆ,MPa）
は、 （K_1c：破壊靱性,c:欠陥寸法）で示される。

焼結助剤が粒内に固溶する場合には、破壊は粒内を通
って進行する。このときの破壊靱性（K_1c）は、およそ
3.0MPa・m^1/2である。

これに対し、焼結助剤が粒界に残る場合には、破壊は
粒界を進行する。この場合の破壊靱性（K_1c）は、粒子
の形状に対応し、近似式より算出される。また、欠陥寸
法（ｃ）は製造法に依存するため、製造法を指定するこ
とによって設定値として導入することができる。破壊靱
性（K_1c）と欠陥寸法（ｃ）には、推定値を入力するこ
とも可能である。

ところで、固溶する金属は、窒化けい素のけい素位置
に置換型で固溶する。したがって、金属元素の電気陰性
度、イオン半径および共有結合半径と対照することによ
り、焼結助剤が粒内に固溶するかどうかが判定される。

対照過程における推論の基準となる設定値は、従来の
窒化けい素系セラミックスについての実験データから最
も確からしいとされる値である。たとえば、上記の＜１
＞および＜２＞式で示される反応が起こらないための基
準値、破壊靱性（K_1c）と粒子の形状との関係式、製造
法と欠陥寸法（ｃ）との関係、また固溶する金属の電気
陰性度、イオン半径および共有結合半径の範囲などが含
まれている。なお、従来の実験データに、このような設
定値が得られていない場合には、推論過程において、よ
り確からしい推定値を設定値として設定することができ
る。

固溶性についての判断からさらに高温強度を推定す
る。高温強度は、焼結助剤が粒内に固溶するかしないか
によって大きく異なる。粒内に固溶する場合には、破壊
挙動は高温でも室温と同様であり、このため破壊靱性
（K_1c）および欠陥寸法（ｃ）は温度に依存することは
ない。しかしながら、粒内に固溶せず、粒界に残留する
と、高温での強度が低下する。その強度の低下が開始す
る温度や低下の程度を関係式から計算する。この関係式
においては、シリカ−金属酸化物系の融点において強度
が０となると仮定されており、また、強度の低下が開始
する温度は、その融点の1/2および2/3の温度とし、この
温度から強度は直線的に低下してシリカ−金属酸化物系
の融点で強度０となるように定義されている。

（作用） この発明の窒化けい素系セラミックス設計支援装置に
おいては、窒化けい素を含む反応系の熱力学的計算や強
度に関する関係式を用いた計算結果から、窒化けい素系
セラミックスの生成の可能性と生成するセラミックスの
強度を推論することができ、しかもその推論を対話形式
によりシミュレートすることができる。窒化けい素系セ
ラミックス開発についての指針が得られる。

（実施例） 以下、図面に沿って実施例を示し、この発明の窒化け
い素系セラミックス設計支援装置についてさらに詳しく
説明する。

第１図は、この発明の窒化けい素系セラミックス設計
支援装置の構成を例示したブロック図である。

この発明の装置においては、入力手段（１）、変換部
（２）、記憶部（３）、演算部（４）、対照手段（５）
および表示部（６）の構成を有している。記憶部（３）
には、けい素を含む金属元素の電気陰性度、イオン半径
および共有結合半径、それらの金属の窒化物と酸化物の
生成自由エネルギー、昇華温度および熱解離温度、およ
びシリカ−金属酸化物系の融点を含む各種のデータを有
している。

第２図は、焼結温度を2000kとした場合の記憶部
（３）のデータの一部を表示部（６）に表示した例を示
した画面図である。

この例においては、各金属元素の価数、焼結温度2000
kにおける金属の窒化物と酸化物の生成自由エネルギー
（kcal/mol）と融点（℃）および昇華の可否が示されて
いる。このようなデータが記憶部（３）に可能されてお
り、必要に応じて表示部（６）に表示することができ
る。これらのデータ信号は、変換部（２）を介して、演
算部（４）および対照手段（５）に伝達する。また、表
示部（６）での表示は、後述するように、対話形式とし
ている。入力手段（１）としては、たとえばキーボー
ド、マウス等を例示することができる。

第３図は、この発明の装置における推論過程を例示し
たフローチャートである。

この第３図に例示したように、この発明の窒化けい素
系セラミックス設計支援装置においては、入力手段
（１）によりけい素を含む金属元素とともに、その金属
元素からなる酸化物を選択して入力すると、まず、その
酸化物の焼結温度での安定性と窒化けい素との安定性の
推論が行われる。焼結温度での安定性のチェックは、前
述したように、昇華温度および熱解離温度が焼結温度よ
り高いかどうかを判定することにより行われる。また、
窒化けい素との安定性のチェックは、前述の＜１＞式ま
たは＜２＞式に基づく熱力学的演算を演算部（４）で行
い、予め設定した推論の基準となる設定値との対比によ
り行われる。このような安定性の判定は、対照手段
（５）で行われる。安定であると判定した場合には、そ
の旨が表示部（６）に表示され、次のステップへと移行
することができる。一方、不安定であると推論した場合
には、その旨が表示部（６）に表示されるとともに、酸
化物の選定をし直すかどうか示唆される。なお、選択可
能な金属酸化物の種類は、この発明の装置においては、
１種以上とすることができ、２種以上の焼結助剤を用い
る場合の推論も可能としている。

次いで、シリカ−金属酸化物系の液相生成温度が焼結
温度以下であるかどうかの焼結性についての判定が対照
手段（５）で行われる。ここで、焼結性なしと判断した
場合には、上記と同様に、酸化物の選定ステップに戻る
ことができる。このステップにおいても、推論結果が表
示部（６）に表示される。

焼結性ありと推定した場合には、引続いて、酸化物の
固溶性のチェックを行うことができる。入力手段（１）
で指示した金属元素の電気陰性度、イオン半径および共
有結合半径と対照することにより固溶性をチェックす
る。このステップにおいて、固溶性ありと推定した場合
には、次いで生成するセラミックスの強度を算出するス
テップへと進むことになる。固溶性なしと判断した場合
には、推論の続行についての処理選択ステップに移行す
るか、あるいは固溶性ありの場合と同様に、セラミック
の強度の算出ステップに強制的に移行させることができ
る。このような選択は、表示部（６）に表示された対話
形式のメッセージに対応して行うことができる。

強度計算は、演算部（４）で行われる。室温および高
温での強度が強度に関する計算式に基づいて算出され
る。算出結果は温度と強度の相関関係として表示部
（６）に表示される。

以上の金属酸化物に関する焼結助剤としての有効性に
ついての推論が全て終了した場合には、その旨が表示部
（６）に表示され、窒化けい素系セラミックス設計の終
了または続行について処理選択することができる。

第４図および第５図は、各々、イットリア（Y₂O₃）を
焼結助剤とした場合の推論結果の一部と強度計算結果を
表示した例を示した画面図である。

第４図に例示したように、イットリア（Y₂O₃）は焼結
助剤として有効である推論している。また、第５図に
は、イットリア（Y₂O₃）を焼結助剤として用い、ホット
プレスで焼結させる場合の室温から高温までの強度（σ
_ｆ,MPa）が、温度（ｋ）との相関図として示されてい
る。実際に報告されている強度は、この第５図に例示し
た実線と破線との間の領域にあり、この発明の装置によ
る推論が有効であることが確認される。

このようにして、この発明の窒化けい素系セラミック
ス設計支援装置により、窒化けい素系セラミックスの製
造に用いることのできる焼結助剤として有効な金属酸化
物が選択されるとともに、生成するセラミックスの強度
を予測することができる。推論結果は、所定温度で所定
強度以上のセラミックス焼結体を製造するにあたっての
焼結助剤の種類、製造法、材料組織等についての指針や
指標とすることができる。

もちろんこの発明は、以上の例によって限定されるも
のではない。記憶部に格納しているデータの種類、指示
する酸化物の種類等の細部については様々な態様が可能
であることはいうまでもない。

（発明の効果） 以上詳しく説明した通り、この発明によって、焼結助
剤の選択と生成するセラミックスの強度についての指針
が容易に、かつ簡便に得られる。窒化けい素系セラミッ
クスの設計を効率よく行うことができる。従来、窒化け
い素系セラミックスの開発に費やしていた時間と労力が
著しく低減される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の窒化けい素系セラミックス設計支
援装置の構成を例示したブロック図である。 第２図は、この発明の装置の記憶部に格納しているデー
タの一部を表示部に表示した例を示した画面図である。 第３図は、この発明の装置における推論過程を例示した
フローチャートである。 第４図および第５図は、各々、この発明の装置を用いた
イットリア（Y₂O₃）を焼結助剤とした場合の推論結果の
一部と強度計算結果を表示した例を示した画面図であ
る。 １……入力手段 ２……変換部 ３……記憶部 ４……演算部 ５……対照手段 ６……表示部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】けい素を含む金属元素とともに、その金属
   元素からなる酸化物を選択して入力する入力手段と、 該金属元素の電気陰性度、イオン半径および共有結合半
   径、それらの金属の窒化物と酸化物の生成自由エネルギ
   ー、昇華温度および熱解離温度、およびシリカ−金属酸
   化物系の融点を含むデータを有する記憶部と、 窒化けい素と該金属酸化物の反応についての熱力学的演
   算と生成するセラミックスの強度の算出を行う演算部
   と、 該演算部で算出した演算結果を該記憶部に格納されたデ
   ータおよび／または推論の基準となる設定値と対照する
   対照手段と、 窒化けい素系セラミックス生成の可能性と生成するセラ
   ミックスの強度についての推論結果を含む表示を行う表
   示部とからなることを特徴とする窒化けい素系セラミッ
   クス設計支援装置。
2. 【請求項２】対照手段において、金属酸化物の安定性お
   よび金属酸化物が窒化けい素に固溶するかしないかの判
   定を行う請求項（１）記載の窒化けい素系セラミックス
   設計支援装置。
3. 【請求項３】演算部において、室温からシリカ−金属酸
   化物系の融点までの温度範囲でセラミックスの強度を算
   出する請求項（１）記載の窒化けい素系セラミックス設
   計支援装置。