JPS60186491A - Silicon nitride sintered body - Google Patents

Silicon nitride sintered body

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JPS60186491A
JPS60186491A JP59041906A JP4190684A JPS60186491A JP S60186491 A JPS60186491 A JP S60186491A JP 59041906 A JP59041906 A JP 59041906A JP 4190684 A JP4190684 A JP 4190684A JP S60186491 A JPS60186491 A JP S60186491A
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silicon nitride
strength
sintered body
silica
silicon carbide
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寛 井上
勝利 米屋
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は高い機械的信頼性を有する窒化ケイ素質焼結体
I:関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Technical Field of the Invention] The present invention relates to a silicon nitride sintered body I having high mechanical reliability.

〔発明の技術的背景とその問題点〕[Technical background of the invention and its problems]

窒化ケイ素セラミックスは、結合強度が高く。 Silicon nitride ceramics have high bond strength.

耐熱性が優れていることから、高温時において使用する
強度材料或いは耐摩耗材料とし工その応用が期待されて
いる。かかる用途に使用する場合。
Due to its excellent heat resistance, it is expected to be used as a strong material or wear-resistant material used at high temperatures. When used for such purposes.

材料に対し高い機械的特性と信頼性が要求される。High mechanical properties and reliability are required for the material.

一般に材料の強度は、材料自体の緻密性により決定され
、材料内部に存在する欠陥又は空孔の太きさが材料強度
を左右する。従って、かかる材料には、大きな欠陥又は
空孔を有さず、緻密且つ均質な組織な形成するものが強
く要求されており%原料の段階から緻密な品質及び工程
の管理が必要とされる。しかし材料強度を律するものが
欠陥又は空孔であることから焼結体から完全になくすこ
とは不可能に近いため、上記の目的を達成させる方法と
して、各々の欠陥サイズを小さくすることが重要な技術
となる。
Generally, the strength of a material is determined by the density of the material itself, and the size of defects or pores existing inside the material influences the strength of the material. Therefore, such materials are strongly required to have a dense and homogeneous structure without large defects or pores, and require precise quality and process control from the raw material stage. However, since defects or pores are what govern material strength, it is almost impossible to completely eliminate them from sintered bodies, so it is important to reduce the size of each defect in order to achieve the above objective. It becomes technology.

たとえば均質な粉末原料の開発、効果的な焼結添加物の
探索、製造工程の高度な管理、さらには焼結後のHIP
(熱間等方加圧)処理等は焼結体の信頼性を上げる手段
として重要な研究項目である。
For example, the development of homogeneous powder raw materials, the search for effective sintering additives, advanced control of the manufacturing process, and even HIP after sintering.
(Hot isostatic pressing) treatment is an important research item as a means of increasing the reliability of sintered bodies.

セラミックスのような脆性材料の破壊強度は一般(二次
の数式で説明される。
The fracture strength of brittle materials such as ceramics is generally explained by the quadratic equation.

σf:材料の強度 γ:表面エネルギー E:ヤング率 C:欠陥の大きさ これはグリフイスの破壊モデルから導きだされた式であ
り、要は式中Cで表わされる欠陥の大きさを小さくする
ことにより材料強度が向上することを示している。また
強度のバラツキの要因は作られた材料の各々に含まれる
欠陥の大きさが異・5ことC二より生ずる現象で、欠陥
の大きさが一定になると、理論的にはバラツキがなくな
ると考えられる。ここで欠陥になり得るものとしては通
常焼結体内の空孔、異物、及び−結晶粒粒子さらには焼
結体表面の研削等によるキズ等が挙げられる。
σf: Strength of material γ: Surface energy E: Young's modulus C: Size of defect This is a formula derived from Griffith's fracture model, and the key is to reduce the size of the defect represented by C in the formula. This shows that the material strength is improved. In addition, the cause of strength variation is a phenomenon caused by the fact that the size of defects contained in each material is different.5 It is thought that the variation will theoretically disappear if the size of defects becomes constant. It will be done. Possible defects here include pores, foreign matter, crystal grains, and scratches on the surface of the sintered body due to grinding or the like.

このような考え方に立脚して、セラミック材料の欠陥の
大きさなそろえて強度的なバラツキを減少させる具体的
な方法として、焼結体を製造す25際に、あらかじめ欠
陥サイズになり得る他の物質を加えることが知られ℃い
る。例えばウィスカー又は短繊維等を加え℃焼結するこ
とにより、これら加えた物質が焼結体内にそのまま存在
し、それが欠陥として働くことにより材料強度のバラツ
キが低減する方法が知られている。この場合、加えるも
のとしては窒化ケ、イ素と反応し々い物質として炭化ケ
イ素が選ばれる。しかし母材の窒化ケイ素と反応しない
ことは欠陥として存在するために必要であるが、材料強
度面から見ると、母材とのなじみがないため、ウィスカ
ー又は短繊維のスッポ抜は現象が生じ5強度そのものの
バラツキは小さくなるが、極度に低い強度となり、構造
用に使用するためには問題とされていた。
Based on this idea, as a specific method for reducing the strength variation by uniformizing the size of defects in ceramic materials, when manufacturing a sintered body25, in advance, other defects that can be the size of defects are It is known to add substances to the temperature. For example, a method is known in which by adding whiskers or short fibers and sintering at °C, these added substances remain in the sintered body as they are and act as defects, thereby reducing variations in material strength. In this case, silicon carbide is selected as the material to be added as it is a substance that easily reacts with silicon nitride and iron. However, not reacting with the silicon nitride of the base material is necessary for it to exist as a defect, but from the viewpoint of material strength, it is not compatible with the base material, so whiskers or short fibers can be removed without a drop. Although the variation in strength itself is reduced, the strength is extremely low, which has been considered a problem when used for structural purposes.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明は上記問題を解決すべくなされたもので、高い信
頼性を有する高強度の窒化ケイ素質焼結体を提供しよう
とするものである。
The present invention has been made to solve the above problems, and aims to provide a highly reliable and high-strength silicon nitride sintered body.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明者らは二酸化ケイ素−炭素一窒素系のシリカ還元
による窒化ケイ累合成反応において、出発原料に“種”
物質をあらかじめまぜること【二より、′橿”を中心に
窒化ケイ素が生成することに着目し、炭化ケイ素のウィ
スカー(含む短繊維)を“種”材として用いると、密着
性の良好な窒化ケイ素で被覆された炭化ケイ素ウィスカ
ー(含む短繊維)がっくり出されることを見い出した。
The present inventors used "seeds" as starting materials in the silicon nitride synthesis reaction by silica reduction of silicon dioxide-carbon-nitrogen system.
By mixing the substances in advance [From the second point, we focused on the fact that silicon nitride is formed mainly from the ′′ ribs ′′ and using silicon carbide whiskers (including short fibers) as a ``seed'' material, silicon nitride with good adhesion was formed. It was discovered that silicon carbide whiskers (including short fibers) coated with

この炭化ケイ素ウィスカー(含む短繊維)を窒化ケイ素
−希土類酸化物系に加え、焼結した所、緻密化は希土類
酸化物で達成され、焼結体内の欠陥サイズは加えた炭化
ケイ素ウィスカー(含む短繊維)で決定されるものの表
面が窒化ケイ素でコーティングされているだめ、母材と
の結着が堅固となり。
When this silicon carbide whisker (including short fibers) was added to the silicon nitride-rare earth oxide system and sintered, densification was achieved with the rare earth oxide, and the defect size in the sintered body was reduced by the added silicon carbide whiskers (including short fibers). Because the surface of the material (fibers) is coated with silicon nitride, it has a strong bond with the base material.

平均強度が改善されることを見い出した。It was found that the average strength was improved.

即ち1本発明の窒化ケイ素質焼結体は、加える炭化ケイ
素ウィスカー(含む短繊維)の表面が好ましくはシリカ
還元法により合成された窒化ケイ素で緻密に被覆されて
いるため、母材の窒化ケイ素とのなじみが良く、結果、
強度のバラツキが減少すると同時に高強度の材料を提供
できる特徴を有する。
Specifically, the silicon nitride sintered body of the present invention has the surface of the added silicon carbide whiskers (including short fibers) densely coated with silicon nitride, which is preferably synthesized by a silica reduction method. As a result,
It has the characteristics of reducing variations in strength and at the same time providing a high-strength material.

本発明において炭化ケイ素ウィスカー(含む短繊維)は
材料強度を律する欠陥として働くための必須成分である
。炭化ケイ素ウィスカー(含む短繊維)は高純度である
ことが好ましく、通常97チ以上の純度であればよい。
In the present invention, silicon carbide whiskers (including short fibers) are essential components that act as defects that control material strength. The silicon carbide whiskers (including short fibers) are preferably of high purity, and usually have a purity of 97% or higher.

まだその大きさはあまり小さいと欠陥として働かないた
め、適度々寸法を選定する必要がある。
However, if the size is too small, it will not act as a defect, so it is necessary to select an appropriate size.

々お本発明C二相いる窒化ケイ素が被覆された炭化ケイ
素ウィスカー(含む短繊維)の製造法はシリカ還元法に
よる窒化ケイ素粉末を合成する際。
The method for producing silicon carbide whiskers (including short fibers) coated with two-phase silicon nitride according to the present invention is the synthesis of silicon nitride powder by a silica reduction method.

出発素原料中にあらかじめ微細な窒化ケイ素を存在せし
めることt:より1合成された窒化ケイ素が混合粉末中
に存在する窒化ケイ素粒子を核として ′成長する原理
を応用したものである。
This method applies the principle that silicon nitride synthesized by pre-existing fine silicon nitride in the starting raw material grows using silicon nitride particles present in the mixed powder as nuclei.

この方法【二おいて、シリカ粉末は窒化ケイ素層の構成
元素であるケイ素源として必要な成分である。
In this method [2], silica powder is a necessary component as a silicon source which is a constituent element of the silicon nitride layer.

用いるシリカ粉末は1例えば、純石英、珪石。The silica powder used is 1, for example, pure quartz or silica.

珪砂、コロイダルシリカ等の高シリカ含有物質の粉末及
び高温(但し、 1550℃未満の温度)でシリカ【二
転化する有機ケイ素化合物、例えはメチルケイ酸(CH
1lS#02)等のシリカ前駆体物質を挙げることがで
きる。
Powders of high-silica-containing substances such as silica sand, colloidal silica, and organosilicon compounds that convert into silica at high temperatures (but at temperatures below 1550°C), such as methyl silicic acid (CH
Silica precursor materials such as 1lS#02) can be mentioned.

シリカ粉末の粒径は1μm以下であることが好ましい。The particle size of the silica powder is preferably 1 μm or less.

粒径が1μmを超えると、シリカ粉末の反応性が低下す
る。
When the particle size exceeds 1 μm, the reactivity of the silica powder decreases.

炭素粉末はシリカの還元剤として必要な成分である。Carbon powder is a necessary component as a reducing agent for silica.

用いる炭素粉末としては、例えば、カーボンブラック、
グラファイト、ランプブラックカーボン等及び高温(但
し、 1550°C未満の温度)で炭素に転化する有機
化合物、例えばフェノール樹脂等の炭素前駆体物質の粉
末等が挙げられる。
Examples of the carbon powder used include carbon black,
Examples include powders of carbon precursor materials such as graphite, lamp black carbon, and organic compounds that convert to carbon at high temperatures (but below 1550° C.), such as phenolic resins.

この炭素粉末の粒径は0.2μm以下であることが好ま
しい。粒径が0.2μmを超えると、炭素粉末の灰石性
が低下するからである。
The particle size of this carbon powder is preferably 0.2 μm or less. This is because if the particle size exceeds 0.2 μm, the ash-like properties of the carbon powder will decrease.

また窒化ケイ素被覆炭化ケイ素ウィスカー(含む短繊維
)が出来る理由は次のように考えられる。
The reason why silicon nitride-coated silicon carbide whiskers (including short fibers) are formed is thought to be as follows.

即ち、−次反応として sto、 −1−c 、 sio 十c。That is, as a −order reaction sto, -1-c, sio 10c.

なる反応が進行する。この反応は固相反応でありSiO
とN、又はNH,は気相状態で容易に反応して気相のS
i、N、を生成する。しかるに本発明において炭化ケイ
素があらかじめ共存しているため、気相で存在するSt
、N4はSICを核として速やかに沈着。
A reaction proceeds. This reaction is a solid phase reaction and SiO
and N, or NH, easily react in the gas phase to form S in the gas phase.
Generate i,N. However, in the present invention, since silicon carbide coexists in advance, St existing in the gas phase
, N4 is rapidly deposited with SIC as its core.

成長し、ちょうど810を中心として表面層を形成する
。このようにしてウィスカー(含む短繊維)は緻密に窒
化ケイ素により被覆される。その結果。
It grows and forms a surface layer centered exactly at 810. In this way, the whiskers (including short fibers) are densely coated with silicon nitride. the result.

窒化ケイ素に加えても、母材とよ〈々じみ、通常繊維強
化材料I:云われるような繊維のスツボ抜けが生じにく
く、そのだめ、材料強度が向上するものと考えられる。
Even if silicon nitride is added, it is considered that the fibers are less likely to come out of the crucible as in the case of ordinary fiber-reinforced materials I because of their close contact with the base material, and as a result, the strength of the material is improved.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

以下実施例に従かい本発明をさらC二説明する。 The present invention will be further explained below with reference to Examples.

実施例1゜ 平均粒径0.05μmのシリカ粉末1重量部、平均粒径
0,02μm のランプブラックカーボン0.5重量部
及び直径約2μm、長さ15μmの81Cウイス力−加
重量部から成る混合粉末を、窒素ガス中、 1450℃
、5時間焼成した。しかる後この焼成物を大気中1=お
いて700°0.5時間加熱し、脱炭処理を行ない窒化
ケイ素被服炭化ケイ素ウィスカーを得た。
Example 1 Consisting of 1 part by weight of silica powder with an average particle size of 0.05 μm, 0.5 part by weight of lamp black carbon with an average particle size of 0.02 μm, and 81C Wiss force weight part with a diameter of about 2 μm and a length of 15 μm. The mixed powder was heated to 1450°C in nitrogen gas.
, and baked for 5 hours. Thereafter, this fired product was placed in the atmosphere and heated at 700° for 0.5 hour to perform a decarburization treatment to obtain silicon nitride-covered silicon carbide whiskers.

次に平均粒径1.01mの窒化ケイ素90%、平均粒径
0.8μmの酸化イツトリウム5係、平均粒径0.3μ
mの酸化アルミニウム2チ、及び炭化ケイ*ウィスカー
3%の混合粉を作り、 1780’O、窒素ガス中で常
圧又はホットプレス焼結した。得られ:た焼結体から3
X3X30Mのテストピースを切り出し。
Next, 90% silicon nitride with an average grain size of 1.01 m, yttrium oxide 5% with an average grain size of 0.8 μm, and an average grain size of 0.3 μm.
A mixed powder of 2% aluminum oxide (m) and 3% silicon carbide whiskers was prepared and sintered at 1780'O in nitrogen gas under normal pressure or hot press. Obtained: 3 from the sintered body
Cut out a test piece of X3X30M.

3点曲げ強度(KP/if)を測定した。その結果を下
表に示す。
Three-point bending strength (KP/if) was measured. The results are shown in the table below.

表 比較として窒化ケイ素を被服していない炭化ケイ素ウィ
スカーを同一手法で評価した結果、強度のバラツキは大
きな差が認められなかったものの、平均強度が約37 
Ky /−と非常に低いことがわかった。
As a table comparison, silicon carbide whiskers not coated with silicon nitride were evaluated using the same method, and although no large differences in strength were observed, the average strength was approximately 37.
It was found that Ky/- was very low.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上詳述した如く1本発明によれば高強度で、極めて信
頼性の高い窒化ケイ素質焼結体を得る事ができる。
As detailed above, according to the present invention, a silicon nitride sintered body having high strength and extremely high reliability can be obtained.

代理人 弁理士 則近憲佑 他1名Agent: Patent attorney Kensuke Norichika and 1 other person

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 窒化ケイ素−希土類酸化物−炭化ケイ素ウィスカー系の
窒化ケイ素質焼結体において前記炭化ケイ素ウィスカー
表面が窒化ケイ素で被覆されていることを特徴とする窒
化ケイ素質焼結体。
A silicon nitride sintered body having a silicon nitride-rare earth oxide-silicon carbide whisker system, characterized in that the surface of the silicon carbide whisker is coated with silicon nitride.
JP59041906A 1984-03-07 1984-03-07 Silicon nitride sintered body Granted JPS60186491A (en)

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JPS60186491A true JPS60186491A (en) 1985-09-21
JPH0525833B2 JPH0525833B2 (en) 1993-04-14

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6345190A (en) * 1986-06-19 1988-02-26 サンドビック アクティエボラーグ Coated whisker reinforced ceramic sintered body
JPS63147884A (en) * 1986-05-28 1988-06-20 日本特殊陶業株式会社 Coated ceramic tool
JPS63277566A (en) * 1987-05-08 1988-11-15 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Fiber-reinforced silicon carbide ceramics and manufacturing method thereof
JPH03500638A (en) * 1987-09-02 1991-02-14 ケンナメタル インコーポレイテツド Alumina-coated silicon carbide whisker/alumina composition

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