JPH11147769A - 窒化珪素セラミック材及びその製造方法 - Google Patents

窒化珪素セラミック材及びその製造方法

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JPH11147769A
JPH11147769A JP9331039A JP33103997A JPH11147769A JP H11147769 A JPH11147769 A JP H11147769A JP 9331039 A JP9331039 A JP 9331039A JP 33103997 A JP33103997 A JP 33103997A JP H11147769 A JPH11147769 A JP H11147769A
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JP
Japan
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heat treatment
silicon nitride
strength
ceramic material
nitride ceramic
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JP9331039A
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Shigemi Sato
繁美 佐藤
Hashira Andou
柱 安藤
Minchiyoru Aki
▲ミン▼▲チョル▼ 秋
Tatsumasa Ikeda
龍雅 池田
Yasuyoshi Kobayashi
康良 小林
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NHK Spring Co Ltd
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NHK Spring Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 セラミック製品の強度の信頼性を向上
する。 【解決手段】 酸化物セラミック、窒化物セラミック
及び希土類酸化物のうちから選択される1種若しくは2
種以上が焼結助剤として添加し、焼結後に好ましくは大
気中で熱処理することにより、表面欠陥(亀裂)が治癒
され、強度が回復する。従って、セラミック材の強度の
信頼性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車の各種部
品、ガスタービン、燃料電池、炉及びばね等に用いられ
る構造用セラミック材に関し、特に、窒化珪素セラミッ
ク材、窒化珪素を主体とする複合材及びその製造方法に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、セラミック材(製品)の製造は
原料粉末に焼結助剤を加えて混合、調整する工程、可塑
性や保形性を付与するためのバインダ類を投入して混合
する工程、成形する工程及び焼結する工程からなる。ま
たその後、形状精度、製品表面の性状(粗さ、表面変質
層)を改善するために機械加工が行われる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、セラミ
ック材は靭性が低いため、微細な欠陥でも強度が低下す
る。また、研削等の機械加工時に割れが生じたり、製造
過程で何らかの原因で亀裂(欠陥)が生じることが多
く、完成したセラミック製品の強度の信頼性が低いと云
う問題があった。この微細な欠陥を非破壊検査によって
見つけることは非常に困難である。本発明者は、使用前
にこれら欠陥を治癒できれば完成したセラミック製品の
信頼性を格段に向上させることができると考えた。
【0004】本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑
みなされたものであり、その目的は、セラミック製品の
強度の信頼性を向上することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために本発明は、酸化物セラミック、窒化物セラミック
及び希土類酸化物のうちから選択される1種若しくは2
種以上を焼結助剤として添加し、焼結後、または更に機
械加工後に熱処理する窒化珪素セラミック材の製造方法
及びこの方法により製造された窒化珪素セラミック材を
提供する。
【0006】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
について説明する。
【0007】セラミック製品の製造工程の最終段階であ
る焼結後、または機械加工後に熱処理を行うことで、製
品表面の欠陥を治癒させ、強度の信頼性を向上させる。
主な工程としては、機械加工しない場合、 原料調整→成形→脱脂→焼結→熱処理→製品 となり、機械加工する場合、 原料調整→成形→脱脂→焼結→機械加工→熱処理→製品 となる。ここで、原料に添加する焼結助剤としては、M
g、Al、Be、Zr等の酸化物または窒化物、Y
23,CeO,Er23,La23等の希土類酸化物な
どが挙げられる。また、熱処理は、機械加工をしない場
合は焼結後、機械加工をする場合は機械加工後に行う。
その条件としては、温度を800℃〜1400℃とし、
大気中、真空中または不活性ガス中で行うものとする。
特に大気中で行うことが強度向上効果が大きい。
【0008】
【実施例】実施例1 窒化珪素(Si34)粉末に対して、Y23及び/また
はAl23を焼結助剤とし、これら焼結助剤を1種また
は2種添加して原料を調製した。また、同様に窒化珪素
を主体とする複合材料として、窒化珪素に対して炭化珪
素(SiC)粉末を混合したものに上記の酸化物セラミ
ック粉末を焼結助剤として添加して原料を調製した。原
料調整は以下のように行った。
【0009】上記粉末をエタノール中でナイロンボール
及びナイロンポットを用いて48時間混合し、その後ロ
ータリエバポレータを用いてエタノールを抽出した後、
真空乾燥させて混合粉末を得た。
【0010】更に、成形及び焼結は、混合粉末を窒素雰
囲気中、圧力35MPa、焼結温度1800℃〜182
5℃、保持時間1時間〜2時間の条件でホットプレスに
より行った。得られた焼結体のサイズは5mm×90mm×
90mmである。尚、成形のためのバインダを使用してい
ないため脱脂は行わなかった。
【0011】得られた焼結体をJIS規格に従い3mm×
4mm×40mmのサイズに機械加工し、曲げ試験片を製作
した。曲げ試験はJIS R 1601に従い4点曲げ
試験を実施した。尚、試験温度は室温及び1000℃〜
1400℃の条件下で実施した。
【0012】一方、熱処理によりSi34及びSi34
/SiCセラミック材の亀裂治癒効果を試験する目的
で、引張表面の中央にVicker’s圧子で表面亀裂
を付与した。このVicker’s荷重は2kgf及び
5kgf、荷重保持時間は20secとした。また、熱
処理は、上記亀裂を付与した試験片(以下、これを予亀
裂材と記す)を炉の中に入れ、熱処理温度:800℃〜
1400℃、保持時間:1時間〜10時間、雰囲気:大
気及びAr、昇温速度:10℃/minという条件で実
施した。
【0013】表1に、窒化珪素セラミック材(供試材N
o.1:Si34+SiC+Y23、供試材No.2:
Si34+Y23+Al23)を大気中で熱処理した場
合の4点曲げ強度と熱処理温度との関係を示す。
【0014】
【表1】
【0015】表1に示すように、熱処理をすることによ
り、800℃〜1400℃の全温度範囲で予亀裂材より
も強度が向上した。特に効果の高い熱処理条件として、
供試材No.1では熱処理温度1000℃〜1300
℃、供試材No.2では熱処理温度1100℃〜120
0℃の範囲であり、これらは亀裂を付与していない平滑
材以上の強度が熱処理により得られた。
【0016】図1に供試材No.1の大気中熱処理前の
組織表面の走査顕微鏡(SEM)写真を示し、図2に大
気中熱処理後の写真を示す。両図から解るように、熱処
理により表面に新生成物ができ、これが欠陥(亀裂)を
覆い治癒させている。この新生成物は焼結助剤や窒化炭
素、炭化珪素(複合材料の場合)から生成されたもので
あり、Si227とSiO2とが治癒物質である。
【0017】表2に、窒化珪素セラミック材(供試材N
o.3:Si34+Y23、供試材No.4:Si34
+SiC+Y23)をAr中及び大気中で熱処理した場
合の4点曲げ強度と熱処理雰囲気との関係及び高温強度
特性を示す。
【0018】
【表2】
【0019】予亀裂材を大気中で熱処理した場合、亀裂
を付与していない平滑材の強度の90%以上に回復し
た。一方、Ar中では、大気中で熱処理するよりも回復
効果は小さいが、平滑材の強度の55%〜65%まで回
復した。但し、Ar中では熱処理後、新生成物は認めら
れなかった。
【0020】Ar熱処理で強度が回復した原因として
は、供試材表面の残留応力測定結果から、Vicke
r’s亀裂導入時に発生した残留応力がAr熱処理によ
り緩和されたことに起因するものと考えられる。
【0021】供試材No.3、No.4の熱処理後の1
300℃に於ける曲げ強度は、平滑材の1300℃にお
ける曲げ強度と同等の値を示した。このことから使用温
度が1300℃までは熱処理による効果が保たれている
と判断される。
【0022】表3に、供試材No.3、No.4に亀裂
寸法が異なる2種類の亀裂を付与し、大気中で熱処理し
た場合の4点曲げ強度を示す。
【0023】
【表3】
【0024】供試材No.3では、亀裂寸法が110μ
m以下であれば平滑材と同等以上の強度に回復した。一
方、供試材No.4の場合は亀裂寸法が180μm以下
であれば平滑材と同等以上の強度に回復した。このこと
から、複合材の方が熱処理による治癒能力は高いことが
わかる。
【0025】実施例2 窒化珪素(Si34)粉末に対して、Y23、Al
23、CeO、Er23を焼結助剤とし、これら焼結助
剤を1種または2種以上添加して原料を調製した。ま
た、同様に窒化珪素を主体とする複合材料として、窒化
珪素に対して炭化珪素(SiC)粉末を混合したものに
23粉末を焼結助剤として添加して原料を調製した。
原料調整は以下のように行った。
【0026】上記粉末をエタノール中でナイロンボール
及びナイロンポットを用いて48時間混合し、その後ロ
ータリエバポレータを用いてエタノールを抽出した後、
真空乾燥させて混合粉末を得た。
【0027】更に、成形及び焼結は、混合粉末を窒素雰
囲気中、圧力35MPa、焼結温度1800℃〜185
0℃、保持時間1時間〜2時間の条件でホットプレスに
より行った。得られた焼結体のサイズは5mm×90mm×
90mmである。尚、成形のためのバインダを使用してい
ないため脱脂は行わなかった。
【0028】得られた焼結体をJIS規格に従い3mm×
4mm×40mmのサイズに機械加工し、曲げ試験片を制作
した。曲げ試験はJIS R 1601に従い3点曲げ
試験を実施した。尚、試験温度は室温、1000℃及び
1200℃の条件下で実施した。
【0029】一方、熱処理によりSi34及びSi34
/SiCセラミック材の亀裂治癒効果を試験する目的
で、引張表面の中央にVicker’s圧子で表面亀裂
を付与した。このVicker’s荷重は2kgf、荷
重保持時間は20secとした。尚、付与した亀裂の長
さは、何れの供試材もSEM写真観察の結果から約11
0μmである。また、熱処理は予亀裂材を炉の中に入
れ、雰囲気:大気中または真空中、熱処理温度:130
0℃、保持時間:1時間、昇温速度10℃/minとい
う条件で実施した。
【0030】表4に、各窒化珪素セラミック材(供試材
No.5〜No.11)を大気中で熱処理した場合の3
点曲げ強度を示す。
【0031】
【表4】
【0032】Vicker’s亀裂を付与した場合、予
亀裂材は、平滑材の約30%〜55%の強度まで低下す
る。これを大気中で熱処理することにより欠陥が治癒さ
れ、全ての供試材が平滑材強度の約70%〜110%ま
で回復した。また、真空中で熱処理した場合は、大気中
で熱処理するよりも回復効果は小さいが、Vicke
r’s亀裂導入時に発生した残留応力が緩和され、平滑
材強度の約45%〜80%まで回復した。
【0033】
【発明の効果】上記した説明により明らかなように、本
発明による窒化珪素セラミック材及びその製造方法によ
れば、酸化物セラミック、窒化物セラミック及び希土類
酸化物のうちから選択される1種若しくは2種以上を焼
結助剤として添加し、焼結後に好ましくは大気中で熱処
理することにより、表面欠陥(亀裂)が治癒され、強度
が回復する。この理由としては、熱処理により表面に新
生成物ができ、これが欠陥(亀裂)を覆い治癒すること
による。この新生成物は焼結助剤や窒化珪素、炭化珪素
(複合材料の場合)から生成されたものである。また、
不活性ガス及び真空中で熱処理した場合でも残留応力が
緩和され強度が或る程度回復する。従って、セラミック
材の強度の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による大気中熱処理前の窒化珪素セラミ
ック材表面の金属組織を示す走査顕微鏡(SEM)写
真。
【図2】本発明による大気中熱処理後の窒化珪素セラミ
ック材表面の金属組織を示す走査顕微鏡(SEM)写
真。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池田 龍雅 神奈川県横浜市金沢区高舟台2−34−14 (72)発明者 小林 康良 神奈川県横浜市金沢区福浦3丁目10番地 日本発条株式会社内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸化物セラミック、窒化物セラミック
    及び希土類酸化物のうちから選択される1種若しくは2
    種以上が焼結助剤として添加され、かつ焼結後に熱処理
    されていることを特徴とする窒化珪素セラミック材。
  2. 【請求項2】 更に炭化珪素を含むことを特徴とする
    請求項1に記載の窒化珪素セラミック材。
  3. 【請求項3】 酸化物セラミック、窒化物セラミック
    及び希土類酸化物のうちから選択される1種若しくは2
    種以上を焼結助剤として添加した原材料を焼結し、その
    後熱処理することを特徴とする窒化珪素セラミック材の
    製造方法。
  4. 【請求項4】 前記熱処理を800℃乃至1400℃
    の間の温度で行うことを特徴とする請求項3に記載の窒
    化珪素セラミック材の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記熱処理を大気中で行うことを特徴
    とする請求項3または請求項4に記載の窒化珪素セラミ
    ック材の製造方法。
JP9331039A 1997-11-14 1997-11-14 窒化珪素セラミック材及びその製造方法 Pending JPH11147769A (ja)

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