JPH0987005A - Martensitic transformation type ceramic solid solution, its production and high toughness composite material - Google Patents

Martensitic transformation type ceramic solid solution, its production and high toughness composite material

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JPH0987005A
JPH0987005A JP7262019A JP26201995A JPH0987005A JP H0987005 A JPH0987005 A JP H0987005A JP 7262019 A JP7262019 A JP 7262019A JP 26201995 A JP26201995 A JP 26201995A JP H0987005 A JPH0987005 A JP H0987005A
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JP
Japan
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solid solution
martensitic transformation
mixed
formula
composite material
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JP7262019A
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Japanese (ja)
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Mamoru Omori
守 大森
Toshio Hirai
敏雄 平井
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Riken Corp
Original Assignee
Riken Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a material excellent in toughness and strength by using a martensitic transformation type ceramic solid soln. represented by a rational formula of (Ln, Ln'0.05-0.5 )2 (Si, Al0.05-0.5 )3 N4 Ox (hereafter formula A) as a ceramic material or a mixture of the solid soln. with other ceramics. SOLUTION: Powders of Ln2 O3 , Ln'2 O3 , Al2 O3 and Si3 N4 are mixed by means of a mixer such as a ball mill and the resultant mixture is fired at 1,400-1,800 deg.C for 1-150min in an atmosphere of a non-oxidizing gas such as gaseous nitrogen with a high-temp. furnace such as a discharge plasma sintering machine to obtain the objective solid soln. represented by the rational formula A. This solid soln. is mixed with one or more kinds of compds. selected from among Al2 O3 , C-ZrO2 , perovskite ABO3 type multiple oxides, multiple bismuth oxide, ferrite, garnet, rare earth element-transition metal multiple oxides, germanates, phosphates, titanates, nitrides, carbides, borides and silicides and the resultant mixture is fired to obtain the objective high toughness composite material.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、マルテンサイト変
態型セラミック化合物およびその製造方法ならびに高靱
性複合材料に関し、無機材料の分野、特にはセラミック
スの分野において、マルテンサイト変態をすることによ
って高靱性を示す新規なセラミック化合物(固溶体)お
よび高靱性複合材料に関しての提案である。
The present invention relates to a martensitic transformation type ceramic compound, a method for producing the same, and a high toughness composite material. In the field of inorganic materials, particularly in the field of ceramics, high toughness is obtained by performing martensitic transformation. It is a proposal for the novel ceramic compound (solid solution) and high toughness composite material shown.

【0002】本発明にかかるセラミック化合物およびこ
れを利用した複合材料は、エンジン部品、ガスタ−ビン
翼、ガスタ−ビン用部品、耐腐食性装置部品、坩堝、ボ
−ルミル用部品、高温炉用熱交換器、耐熱材料、高空飛
翔体用耐熱材、燃焼管、ダイカスト用部品、絶縁材料、
核融合炉材料、原子炉用材料、太陽炉材料、工具、熱遮
断材料、電子回路用基板、シ−ル材、継手やバルブ用部
品、ポンプ、ノズル、ロ−ラ、ガイド、フェル−ル、軸
受その他の広い分野で有効に用いられるものである。
[0002] The ceramic compound according to the present invention and the composite material using the same are used for engine parts, gas turbine blades, parts for gas turbines, parts for corrosion-resistant equipment, parts for crucibles, ball mills, and heat for high-temperature furnaces. Heat exchangers, heat-resistant materials for high-altitude flying objects, combustion tubes, parts for die-casting, insulating materials,
Fusion reactor materials, nuclear reactor materials, solar reactor materials, tools, thermal insulation materials, electronic circuit boards, seal materials, fittings and valve parts, pumps, nozzles, rollers, guides, ferrules, It is effectively used in bearings and other wide fields.

【0003】[0003]

【従来の技術】一般に、セラミックスは多くの長所を具
えているが、大きな欠点は靱性が低く脆いことである。
この欠点を克服するものとして従来、マルテンサイト変
態を利用した正方晶ジルコニアが提案されており、セラ
ミックス材料の中では最も靱性の高いものの1つであ
る。この高靱性ジルコニアの高靱化の機構は、高温で安
定な正方晶が、添加化合物であるCaO 、MgO 、Y2O3、Ce
O2等の作用により室温まで安定化され、その正方晶が応
力により単斜晶に相変態する応力誘起相変態に起因する
ものと考えられている。
2. Description of the Related Art In general, ceramics have many advantages, but a major disadvantage is that they have low toughness and are brittle.
To overcome this drawback, tetragonal zirconia utilizing martensitic transformation has been proposed, and is one of the toughest ceramic materials. The mechanism of high靱化high tenacity zirconia, stabilized tetragonal at high temperatures, it is added compound CaO, MgO, Y 2 O 3 , Ce
It is considered that this is due to the stress-induced phase transformation in which the tetragonal phase is transformed into a monoclinic phase by a stress by being stabilized to room temperature by the action of O 2 or the like.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上掲の高靱性セラミッ
クスとしての安定化, 部分安定化ジルコニアの例で明ら
かなように、マルテンサイト変態というのはセラミック
化合物の高靱化には極めて有効なメカニズムである。し
かしながら、これまで、こうした特性を示す化合物は、
正方晶ジルコニア以外には知られておらず、また、この
ジルコニアを使ってのセラミックスの高靱化も、Al2O3
については成功しているものの、高温材料として重要な
窒化けい素、炭化けい素あるいはその他のセラミックス
については十分な成果が得られていないのが実情であ
る。(「NATURE」(London) 258〔557 〕p703〜704 〔19
75〕R.C.Garvie, R.H.J. Hannink and R.T.Pascoe )
As is clear from the above examples of stabilized and partially stabilized zirconia as high toughness ceramics, martensitic transformation is a very effective mechanism for toughening ceramic compounds. It is. However, to date, compounds exhibiting such properties have
Nothing is known other than tetragonal zirconia, and the toughening of ceramics using this zirconia is also known as Al 2 O 3
Has been successful, but in fact, sufficient results have not been obtained for silicon nitride, silicon carbide or other ceramics which are important as high-temperature materials. ("NATURE" (London) 258 [557] p703-704 [19
75) RCGarvie, RHJ Hannink and RTPascoe)

【0005】本発明の主たる目的は、マルテンサイト変
態をして高靱化するもしくはさせる新しいセラミック化
合物(固溶体)を開発することにある。本発明の具体的
な目的は、靱性ならびに強度に優れたセラミックスおよ
び複合材料を提供することにある。本発明の他の目的
は、上記のセラミック化合物の有効な製造方法を提案す
るところにある。
[0005] A main object of the present invention is to develop a new ceramic compound (solid solution) that undergoes martensitic transformation to increase or toughen. A specific object of the present invention is to provide ceramics and composite materials having excellent toughness and strength. Another object of the present invention is to propose an effective method for producing the above-mentioned ceramic compound.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上述した課題を克服すべ
く鋭意研究した結果、発明者らは、ジルコニアの高靱化
機構を究明する中で、応力誘起相変態による正方晶から
単斜晶への変化の課程で生じる体積増加が、クラック進
展を阻止することで靱性を発現することの他に、もう1
つのマルテンサイト変態による高靱化の機構のあること
を解明した。とくに、超弾性あるいは擬弾性といわれる
現象は、マルテンサイト変態する化合物が、マルテンサ
イト変態後に双晶を生成、この双晶が応力によって双晶
面ですべる動きをすることにより高靱化の機構が発現す
るのである。従って、もしこのようなマルテンサイト変
態する化合物が存在すれば、高靱性セラミックスの製造
に広く利用することが可能になる筈である。
Means for Solving the Problems As a result of intensive studies to overcome the above-mentioned problems, the present inventors have determined that the mechanism of toughening zirconia has been changed from tetragonal to monoclinic due to stress-induced phase transformation. The increase in volume that occurs during the course of the change in the cracks is not only because the toughness is exhibited by preventing crack propagation, but also because
The mechanism of toughening by two martensitic transformations was clarified. In particular, a phenomenon called superelasticity or pseudoelasticity occurs when a compound that undergoes martensitic transformation forms twins after martensitic transformation, and the twins move on a twin plane due to stress, thereby increasing the mechanism of toughening. It is expressed. Therefore, if such a martensitic transformation compound is present, it should be able to be widely used for the production of high toughness ceramics.

【0007】こうした要請に応えられるものとして開発
したのが、下記のマルテンサイト変態する新規な化合物
である。即ち、本発明は、( Ln, Ln´0.05-0.5)2 (Si,A
l0.05-0.5)3N4O xの示性式で示されるマルテンサイト変
態型セラミック固溶体である。
[0007] The following novel compounds that transform into martensite have been developed to meet such demands. That is, the present invention relates to (Ln, Ln ′ 0.05-0.5 ) 2 (Si, A
l 0.05-0.5) is a martensite transformation ceramic solid solution represented by the rational formula of 3 N 4 O x.

【0008】また本発明は、上記化合物, 例えば (Ln,
Ln1/3)2 (Si,Al1/3)3N4Ox などを、 (a) Ln2O3 、Ln´2O3 、Al2O3 、Si3N4 の混合粉体; (b) 1/2Ln4Al2O9 、 1/3Ln´2O3 、Si3N4 の混合粉体;
および (c) Ln2Si3O3N4、1/2Al2O3、 1/3Ln´2O3 の混合粉体; を、いずれも非酸化性ガス雰囲気中において1400〜1800
℃の温度で、1 〜150 分間焼成することにより製造する
方法である。
The present invention also relates to the above compound, for example, (Ln,
Ln 1/3 ) 2 (Si, Al 1/3 ) 3 N 4 O x and the like; (a) a mixed powder of Ln 2 O 3 , Ln ′ 2 O 3 , Al 2 O 3 , and Si 3 N 4 ; (b) 1 / 2Ln 4 Al 2 O 9, 1 / 3Ln' mixed powder 2 O 3, Si 3 N 4 ;
And (c) a mixed powder of Ln 2 Si 3 O 3 N 4 , 1 / 2Al 2 O 3 , and 1 / 3Ln ′ 2 O 3 ; each of which is 1400 to 1800 in a non-oxidizing gas atmosphere.
This is a method of producing by firing at a temperature of 1 to 150 minutes.

【0009】また、本発明は、( Ln, Ln´0.05-0.5)2
(Si,Al0.05-0.5)3N4O xの示性式で示されるマルテンサ
イト変態型セラミック固溶体に、Al2O3 、ZrO2、ペロブ
スカイトABO3型複合酸化物、複合ビスマス酸化物、フェ
ライト、ガーネット、希土類遷移金属複合酸化物、ゲル
マン酸塩、リン酸塩、チタン酸塩、窒化物、炭化物、ホ
ウ化物、ケイ化物のいずれか1種以上を混合し、焼成し
て複合化させたことを特徴とする高靱性複合材料であ
る。
The present invention also relates to (Ln, Ln ′ 0.05-0.5 ) 2
(Si, Al 0.05-0.5) martensitic transformation ceramic solid solution represented by the rational formula of 3 N 4 O x, Al 2 O 3, ZrO 2, perovskite ABO 3 type composite oxide, a composite bismuth oxide, ferrite , Garnet, rare earth transition metal composite oxide, germanate, phosphate, titanate, nitride, carbide, boride, silicide, and the mixture is mixed and fired to form a composite It is a high toughness composite material characterized by the following.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】発明者らは、マルテンサイト変態
して超弾性効果をもつ新しい化合物を見つけるため、種
々の酸化物および窒化物系のセラミック化合物を合成
し、その性質を調べてきた。その結果、 Ln2O3・Si3N4
化合物がマルテンサイト変態することを見つけた。しか
し、その高靱化の効果は不十分であったので、( Ln, Ln
´0.05-0.5)2 (Si,Al0.05-0.5)3N4Ox の示性式で示され
る固溶体を合成したところ、大きい高靱化の効果を得る
ことができた。ここで、Ln´とAlとが0.05以下では、高
靱化の効果がほとんどなく、Ln´とAlが0.5 以上では不
純物を生成するため、0.05〜0.5 の範囲とする。なお、
この示性式において、LnとLn´は Sc, Y, La, Ce, Pr,
Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Luの各
希土類元素を示し、それらの2種の組合わせである。な
お、Ln´とAlは常に同等の原子量として固溶体中に存在
する。従って、このLn´は Ln と同じ元素であってもさ
しつかえない。xは陽イオンの量によって変化し、x=
3.38〜7.3 のような値となる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present inventors have synthesized various oxide and nitride-based ceramic compounds and searched for their properties in order to find a new compound having a superelastic effect by martensitic transformation. As a result, Ln 2 O 3 · Si 3 N 4
The compound was found to undergo martensitic transformation. However, the effect of toughening was insufficient, so (Ln, Ln
When a solid solution represented by the descriptive formula of ' 0.05-0.5 ) 2 (Si, Al 0.05-0.5 ) 3 N 4 O x was synthesized, a large toughening effect was obtained. Here, when Ln 'and Al are 0.05 or less, there is almost no effect of increasing toughness, and when Ln' and Al are 0.5 or more, impurities are generated, so that the range is 0.05 to 0.5. In addition,
In this descriptive formula, Ln and Ln ′ are Sc, Y, La, Ce, Pr,
It shows each rare earth element of Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu, and is a combination of these two kinds. Note that Ln 'and Al always exist in the solid solution with the same atomic weight. Therefore, Ln 'may be the same element as Ln. x varies with the amount of cations, and x =
The values are as shown in 3.38 to 7.3.

【0011】本発明にかかる上記セラミック化合物の1
つであるY2AlCe2/3O5.5N4 のX線回折図を図2に示す
が、単一のY2O3・Si3N4 型の固溶体を形成していること
が明白である。また、図1には、この化合物についての
熱膨張を、室温から1500℃まで窒素ガス中で測定した結
果を示す。この図1に示すように、この化合物は、1000
℃より熱膨張が急激に大きくなり、それが1100℃でピ−
クになり1240℃から再び急激に膨張し、1325℃でピ−ク
となり収縮している。即ち、上述した2つの急激な体積
変化は、上記の化合物がマルテンサイト変態することを
示すものである。
[0011] One of the above ceramic compounds according to the present invention
FIG. 2 shows an X-ray diffraction diagram of Y 2 AlCe 2/3 O 5.5 N 4 , which clearly shows that a single Y 2 O 3 .Si 3 N 4 type solid solution is formed. . FIG. 1 shows the results of measuring the thermal expansion of this compound in a nitrogen gas from room temperature to 1500 ° C. As shown in FIG.
Thermal expansion suddenly becomes larger than ℃.
It expands rapidly again from 1240 ° C and peaks and contracts at 1325 ° C. That is, the two rapid volume changes described above indicate that the compound undergoes martensitic transformation.

【0012】( Ln, Ln´0.05-0.5)2 (Si,Al0.05-0.5)3N
4Ox 固溶体が高靱性セラミックスであるためには、軟ら
かい熱弾性型マルテンサイトを形成していると共に、マ
ルテンサイト変態の発生によって双晶を生成しているこ
とが必要である。そして、粒径は50μm以下にすること
が望ましい。
(Ln, Ln ′ 0.05-0.5 ) 2 (Si, Al 0.05-0.5 ) 3 N
In order for the 4 O x solid solution to be a high toughness ceramic, it is necessary that it forms soft thermoelastic martensite and that twins are formed by the occurrence of martensite transformation. It is desirable that the particle size be 50 μm or less.

【0013】本発明にかかる上記セラミック化合物はそ
れ自身高靱性を示すが、さらに他の化合物、例えば、Al
2O3 、C-ZrO2、ペロブスカイトABO3型複合酸化物、複合
ビスマス酸化物、フェライト、ガーネット、希土類遷移
金属複合酸化物、ゲルマン酸塩、リン酸塩、チタン酸
塩、窒化物、炭化物、ホウ化物、ケイ化物のいずれか1
種以上を混合し、焼成して複合化させた複合材料として
も、これらの材料の靱性を向上させることができる。こ
うして得られた複合材料は、2つの原料の熱膨張差によ
り化合物内に残留応力が発生し、その残留応力によって
も、( Ln, Ln´0.05-0.5)2 (Si,Al0.05-0.5)3N4Ox に双
晶を生成させることができる。即ち、本発明にかかる上
記セラミック化合物および複合材料は、双晶に伴う超弾
性効果により、クラックの進行エネルギ−が吸収され、
クラックの進行が阻止されて高靱化を達成するのであ
る。
The ceramic compound according to the present invention exhibits high toughness by itself, but further includes other compounds such as Al.
2 O 3 , C-ZrO 2 , perovskite ABO 3 type composite oxide, composite bismuth oxide, ferrite, garnet, rare earth transition metal composite oxide, germanate, phosphate, titanate, nitride, carbide, Either boride or silicide
The toughness of these materials can be improved even in the case of a composite material in which more than one species are mixed and fired to form a composite. In the composite material thus obtained, residual stress is generated in the compound due to the difference in thermal expansion between the two raw materials, and the residual stress also causes (Ln, Ln ′ 0.05-0.5 ) 2 (Si, Al 0.05-0.5 ) 3 Twins can be formed in N 4 O x . That is, the ceramic compound and the composite material according to the present invention absorb the traveling energy of cracks by the superelastic effect accompanying twinning,
The progress of cracks is prevented, and high toughness is achieved.

【0014】また、本発明は、高靱化のために双晶を生
成させる他の方法としては、( Ln,Ln´0.05-0.5)2 (Si,
Al0.05-0.5)3N4Ox のみからなる焼結体あるいはこれを
含む複合材料に、機械的衝撃あるいは急冷による熱衝撃
を与えることにより、双晶を生成させたものであって
も、上記と同じ超弾性効果をもっている。
Further, the present invention relates to another method for forming twins for toughening , which comprises (Ln, Ln ′ 0.05-0.5 ) 2 (Si,
Al 0.05-0.5 ) 3 N 4 O x A sintered body or a composite material containing the same is subjected to a mechanical shock or a thermal shock due to quenching to form twins, It has the same superelastic effect as.

【0015】次に、本発明の( Ln, Ln´0.05-0.5)2 (S
i,Al0.05-0.5)3N4Ox の示性式で示されるセラミック固
溶体の製造方法について述べる。まず、原料として Ln2O3 、Ln´2O3 、Al2O3 、Si3N4 1/2 LnAl2O9 、 1/3Ln´2O3 、Si3N4 Ln2Si3O3N4、1/2Al2O3、 1/3Ln´2O3 を用いる。上記各原料は、ボールミル、ロッドミル、ダ
ブルコートブレンダー、V型混合機等の混合法を適用す
ることで混合する。ただし、出発原料として、上記,
のように、 Ln2Si3O3N4 や Ln4Al2O9 などの化合物を
利用すると、生成物中に不純物が混入しにくく好都合で
ある。
Next, the (Ln, Ln ′ 0.05-0.5 ) 2 (S
A method for producing a ceramic solid solution represented by the chemical formula of i, Al 0.05-0.5 ) 3 N 4 O x will be described. First, Ln 2 O 3 , Ln ′ 2 O 3 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 1/2 LnAl 2 O 9 , 1 / 3Ln ′ 2 O 3 , Si 3 N 4 Ln 2 Si 3 O 3 N 4 , 1 / 2Al 2 O 3 and 1 / 3Ln ′ 2 O 3 are used. The above raw materials are mixed by applying a mixing method such as a ball mill, a rod mill, a double coat blender, and a V-type mixer. However, as a starting material,
When a compound such as Ln 2 Si 3 O 3 N 4 or Ln 4 Al 2 O 9 is used, impurities are less likely to be mixed into the product, which is advantageous.

【0016】次に、上記混合原料を高温炉を用いて焼成
する。炉の雰囲気は生成物の酸化を防ぐため、真空中,
窒素ガスあるいは不活性ガスなどの非酸化性ガスとする
必要がある。なかでも窒素ガス雰囲気が最適である。焼
結の温度は、1350〜1700℃の範囲が最適である。それ
は、1350℃以下では生成反応がおきず、1700℃以上では
化合物が溶解し、一部は分解するからである。好適には
1400〜1650℃の範囲がよい。かかる焼成時の保持時間
は、1分から150 分が適当である。それは、1分以下で
は時間が短すぎて反応が均一に起きないし、150 分以上
では長すぎてコストが高くなる。好適には、1〜120 分
の範囲で良い結果が得られる。なお、ここで用いられる
高温炉とは、1000℃以上の高温を発生できる炉を言う。
その具体的例としては、タングステン、モリブデン、白
金あるいは黒鉛を発熱体とする雰囲気炉、ホットプレ
ス、熱間静水圧プレス、放電プラズマ焼結機などの加圧
式焼結機である。特に放電プラズマ焼結機を用いると、
保持時間が数分でも反応を完了させることができる。
Next, the mixed material is fired using a high-temperature furnace. The atmosphere of the furnace is vacuum,
It is necessary to use a non-oxidizing gas such as a nitrogen gas or an inert gas. Among them, a nitrogen gas atmosphere is most suitable. The sintering temperature is optimally in the range of 1350 to 1700 ° C. This is because the formation reaction does not occur at 1350 ° C or lower, and the compound dissolves and partially decomposes at 1700 ° C or higher. Preferably
The range of 1400 to 1650 ° C is good. The holding time during the firing is suitably from 1 minute to 150 minutes. If the time is less than 1 minute, the reaction time is too short and the reaction does not occur uniformly, and if it is more than 150 minutes, the reaction time is too long and the cost is high. Preferably, good results are obtained in the range of 1 to 120 minutes. The high-temperature furnace used here refers to a furnace capable of generating a high temperature of 1000 ° C. or higher.
Specific examples thereof include an atmosphere furnace using tungsten, molybdenum, platinum, or graphite as a heating element, a hot press, a hot isostatic press, and a pressurized sintering machine such as a discharge plasma sintering machine. Especially when using a discharge plasma sintering machine,
The reaction can be completed even if the holding time is several minutes.

【0017】[0017]

【実施例】【Example】

実施例1 表1に、( Ln, Ln´0.05-0.5)2 (Si,Al0.05-0.5)3N4Ox
を製造するための、原料の種類、混モル数、焼成雰囲
気、焼成温度、焼成時間の条件を示した。焼成には非酸
化性ガス雰囲気炉を使用し、圧力は1気圧とした。焼成
温度までは60分かけて昇温した。
Example 1 Table 1 shows that (Ln, Ln ′ 0.05-0.5 ) 2 (Si, Al 0.05-0.5 ) 3 N 4 O x
The conditions of the type of raw material, the number of moles mixed, the firing atmosphere, the firing temperature, and the firing time for producing the above are shown. A non-oxidizing gas atmosphere furnace was used for firing, and the pressure was 1 atm. The temperature was raised to the firing temperature over 60 minutes.

【0018】[0018]

【表1】 [Table 1]

【0019】表1に示すNo.1からNo.6の製造実験のう
ち、No.4の生成物のX線回析図が図2に示すものであ
る。その他のNo.1, No.2, No.3, No.5, No.6のX線回析
図は図2とほとんど同じで、原料の種類と希土類酸化物
を変えても同じ結晶構造の( Ln,Ln´0.05-0.5)2 (Si,Al
0.05-0.5)3N4Ox 固溶体が生成する。
FIG. 2 shows the X-ray diffraction diagram of the product No. 4 among the production experiments No. 1 to No. 6 shown in Table 1. The X-ray diffraction diagrams of the other No. 1, No. 2, No. 3, No. 5, and No. 6 are almost the same as in FIG. 2, and the same crystal structure is obtained even if the type of raw material and rare earth oxide are changed. (Ln, Ln´ 0.05-0.5 ) 2 (Si, Al
0.05-0.5 ) 3 N 4 O x solid solution is formed.

【0020】上記 Y2AlCe2/3Si3N4Ox 化合物(No.4) を
粉砕し、窒素ガス中で放電プラズマ焼結機を用い、20MP
a の加圧下で1400℃に1分間保持して焼成体を得た。こ
の焼結体の曲げ強度は1000MPa であり、破壊靱性値は10
MPam1/2 であった。
The above Y 2 AlCe 2/3 Si 3 N 4 O x compound (No. 4) was pulverized, and was crushed in a nitrogen gas using a discharge plasma sintering machine.
It was kept at 1400 ° C. for 1 minute under the pressure of a to obtain a fired body. The bending strength of this sintered body is 1000 MPa and the fracture toughness value is 10 MPa.
MPam 1/2 .

【0021】なお、本発明にかかる化合物は、セラミッ
クスの中で最も靱性の大きい高靱性ジルコニアに匹敵す
るものである。さらにこの焼結体の特長は、表面を、例
えば110 μmのダイヤモンドで研磨したときの強度が10
50MPa と少し大きくなる。これは、研磨により表面に双
晶が生成したことによるものである。一般にセラミック
スの強度は表面をこのように大きいダイヤモンドで研磨
すると小さくなる。特に、ジルコニアは、このような研
磨により表面から正方晶から単斜晶への変態が進行し、
強度の低下が著しくなる。
The compound according to the present invention is comparable to the highest toughness zirconia among ceramics. Furthermore, the feature of this sintered body is that the strength when the surface is polished with, for example, 110 μm diamond is 10%.
It becomes a little large at 50MPa. This is because twins were formed on the surface by polishing. Generally, the strength of ceramics decreases when the surface is polished with such a large diamond. In particular, zirconia undergoes a transformation from tetragonal to monoclinic from the surface by such polishing,
The strength is significantly reduced.

【0022】実施例2 本発明にかかる Y2AlCe2/3Si3O5.5N4 化合物の焼成体(N
o.11) およびこれを各種のセラミックスに加えて混合し
た複合材料(No.12〜19) の原料を、放電プラズマ焼結機
を使って製造した時の条件を表2に示す。加圧力は29.4
MPa とすべての試料で均一である。また、この表2に
は、比較例として、ホットプレスSiC , 焼結SiC , ホッ
トプレスSi3N4, 焼結Al2O3 , ホットプレスZrO2の特性
を対比して示す。このように本発明の化合物の靱性値が
大きいのは、マルテンサイト変態によるものである。
Example 2 A fired product of a Y 2 AlCe 2/3 Si 3 O 5.5 N 4 compound (N
Table 2 shows the conditions when the raw materials of o.11) and composite materials (Nos. 12 to 19) obtained by adding them to various ceramics and mixing them were produced using a discharge plasma sintering machine. Pressure is 29.4
MPa and uniform for all samples. Table 2 also shows, as comparative examples, the characteristics of hot-pressed SiC, sintered SiC, hot-pressed Si 3 N 4 , sintered Al 2 O 3 , and hot-pressed ZrO 2 . The high toughness of the compounds of the present invention is due to martensitic transformation.

【0023】市販のセラミックスの靱性値はホットプレ
スZrO2で一番大きく、ホットプレスSi3N4 がKc = 7.0
MPa・m1/2と二番の大きさであり、それ以外はKc =
5.0 MPa・m1/2以下と小さい。本発明の化合物を添加し
た複合材料は、ホットプレスZrO2の靱性値となってお
り、その靱性向上の効果の大きいことがわかる。焼結温
度までの昇温は10〜20分の範囲の短時間である。得られ
た焼結体および複合材料はポアのない緻密なものであっ
た。
The toughness value of commercially available ceramics is the largest in hot-pressed ZrO 2 , and the hot-pressed Si 3 N 4 has Kc = 7.0.
MPa · m 1/2 and the second size, otherwise Kc =
5.0 MPa · m 1/2 or less. The composite material to which the compound of the present invention is added has the toughness value of hot pressed ZrO 2 , which indicates that the effect of improving the toughness is great. The temperature rise to the sintering temperature is a short time in the range of 10 to 20 minutes. The obtained sintered body and composite material were dense without pores.

【0024】[0024]

【表2】 [Table 2]

【0025】[0025]

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、新し
く開発された( Ln, Ln´0.05-0.5)2 (Si,Al0.05-0.5)3N
4Ox 固溶体はマルテンサイト変態し、それのみから得ら
れたセラミックス材料、あるいは他のセラミックスと混
合して得られた複合材料とも靱性と強度とは大きく、靱
性の最も大きい従来の高靱性ジルコニアに匹敵するもの
になっている。それゆえ本発明の化合物は複合材料の原
料としても非常に有用である。
As described above, according to the present invention, a newly developed (Ln, Ln ′ 0.05-0.5 ) 2 (Si, Al 0.05-0.5 ) 3 N
The 4 O x solid solution undergoes martensitic transformation, and the toughness and strength of the ceramic material obtained from it alone or the composite material obtained by mixing it with other ceramics are large, and the conventional high toughness zirconia with the highest toughness is obtained. It is comparable. Therefore, the compounds of the present invention are also very useful as raw materials for composite materials.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明にかかるセラミック化合物の線膨張曲線
とその微分曲線の図である。
FIG. 1 is a diagram of a linear expansion curve of a ceramic compound according to the present invention and a differential curve thereof.

【図2】本発明にかかるセラミック化合物のX線回折図
である。
FIG. 2 is an X-ray diffraction diagram of the ceramic compound according to the present invention.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】( Ln, Ln´0.05-0.5)2 (Si,Al0.05-0.5)3N
4O xの示性式で示されるマルテンサイト変態型セラミッ
ク固溶体。
(1) (Ln, Ln ' 0.05-0.5 ) 2 (Si, Al 0.05-0.5 ) 3 N
A martensitic transformation type ceramic solid solution represented by the formula of 4 O x .
【請求項2】Ln2O3 、Ln´2O3 、Al2O3 、Si3N4 の各粉
体を混合し、その混合粉を非酸化性ガス雰囲気中におい
て1400〜1800℃の温度で、1〜150 分間焼成し、( Ln,
Ln´0.05-0.5)2 (Si,Al0.05-0.5)3N4Ox の示性式で示さ
れる固溶体を得ることを特徴とするマルテンサイト変態
型セラミック固溶体の製造方法。
2. A method of mixing powders of Ln 2 O 3 , Ln ′ 2 O 3 , Al 2 O 3 , and Si 3 N 4 , and mixing the mixed powder at a temperature of 1400 to 1800 ° C. in a non-oxidizing gas atmosphere. And bake for 1-150 minutes, (Ln,
A method for producing a martensitic transformation type ceramic solid solution, characterized by obtaining a solid solution represented by the following formula: Ln ′ 0.05-0.5 ) 2 (Si, Al 0.05-0.5 ) 3 N 4 O x .
【請求項3】Ln4Al2O9、 1/3Ln´2O3 、Si3N4 の各粉体
を混合し、その混合粉を非酸化性ガス雰囲気中において
1350〜1700℃の温度で、1 〜150 分間焼成し、( Ln, Ln
´0.05-0.5)2 (Si,Al0.05-0.5)3N4O xの示性式で示され
る固溶体を得ることを特徴とするマルテンサイト変態型
セラミック固溶体の製造方法。
3. A powder mixture of Ln 4 Al 2 O 9 , 1 / 3Ln ′ 2 O 3 and Si 3 N 4 is mixed, and the mixed powder is mixed in a non-oxidizing gas atmosphere.
Firing at a temperature of 1350-1700 ° C for 1-150 minutes, (Ln, Ln
'0.05-0.5) 2 (Si, Al 0.05-0.5) 3 N 4 O x manufacturing method of the martensitic transformation ceramic solid solution, characterized in that to obtain a solid solution represented by the rational formula of.
【請求項4】Ln2Si3O3N4、1/2Al2O3、 1/3Ln´2O3 の各
粉体を混合し、その混合粉を非酸化性ガス雰囲気中にお
いて1350〜1700℃の温度で、1 〜150 分間焼成し、( L
n, Ln´0.05-0.5)2 (Si,Al0.05-0.5)3N4O xの示性式で
示される固溶体を得ることを特徴とするマルテンサイト
変態型セラミック固溶体の製造方法。
4. A powder mixture of Ln 2 Si 3 O 3 N 4 , 1 / 2Al 2 O 3 and 1 / 3Ln ′ 2 O 3 is mixed, and the mixed powder is mixed in a non-oxidizing gas atmosphere at 1350 to 1700. Bake for 1 to 150 minutes at a temperature of
n, Ln' 0.05-0.5) 2 (Si , Al 0.05-0.5) 3 N 4 O x manufacturing method of the martensitic transformation ceramic solid solution, characterized in that to obtain a solid solution represented by the rational formula of.
【請求項5】( Ln, Ln´0.05-0.5)2 (Si,Al0.05-0.5)3N
4O xの示性式で示されるマルテンサイト変態型セラミッ
ク固溶体に、Al2O3 、C-ZrO2、ペロブスカイトABO3型複
合酸化物、複合ビスマス酸化物、フェライト、ガーネッ
ト、希土類遷移金属複合酸化物、ゲルマン酸塩、リン酸
塩、チタン酸塩、窒化物、炭化物、ホウ化物、ケイ化物
のいずれか1種以上を混合し、焼成して複合化させたこ
とを特徴とする高靱性複合材料。
(5) (Ln, Ln ' 0.05-0.5 ) 2 (Si, Al 0.05-0.5 ) 3 N
A martensitic transformation type ceramic solid solution represented by the formula of 4 O x is added to Al 2 O 3 , C-ZrO 2 , perovskite ABO 3 type composite oxide, composite bismuth oxide, ferrite, garnet, rare earth transition metal composite oxide. High-toughness composite material characterized by mixing at least one of a material, a germanate, a phosphate, a titanate, a nitride, a carbide, a boride, and a silicide, and sintering the mixture. .
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100495881B1 (en) * 2003-01-24 2005-06-16 한국야금 주식회사 The Manufacturing Method of Aluminum Magnesium Boride via Spark Plasma Sintering

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