JPS62167209A - α−サイアロン質粉末及びその製造法 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はα−サイアロン質粉末及びその製造法に関する
。

α−サイアロンは一般式Ｍ）（（Ｓｉ＋ＡＬ）　＋２　
（０＋Ｎ）　１６（ただし、ＭはＬｉ　ｒ　Ｍｇ　＋　
Ｃａ　＋　Ｋｎ　＋　Ｙ及びランタニド金属から選ばれ
た１種または２種以上、Ｏくｘ≦２を表わす）で示され
るα型窒化けい素の固溶体である。α−サイアロンの焼
結体は高温に耐え、強度や硬度が大きくかつ耐食耐摩耗
性が優れており、切削工具９線引きダイス、メカニカル
シール等の耐熱性と耐摩耗性の要求される機械部品への
応用が期待されるセラミックスである。

従来技術 α−サイアロン焼結体は、従来５ＩＪ４　＋　ＡｌＮ及
びＸ金属（ただし、Ｍは前記と同じ金属を表わす）の酸
化物の混合粉末を成形後１７００〜１８００℃に加熱す
ることにより製造されている。

この方法では原料として３種類の粉末を用いるため、混
合及び成形が不均一となり、結果的に焼結体が不均一と
なり、強度や硬度を高めることが困難であるばかりでな
く、焼結と同時に原料の化学反応が起こることにより焼
結体となるので、粉末状のものは得られない問題点があ
った。

発明の目的 本発明は従来法における問題を解消すべくなされたもの
で、その目的は従来得られなかったα−サイアロン質粉
末及びその製造法を提供し、均質で高強度のα−サイア
ロン質焼結体を容易に製造できるようにぜんとするもの
である。

発明の構成 本発明者らは前記目的を達成すべく鋭意研究の結果、原
料の均一粉末混合物を窒素気流中で１４００〜１７００
℃の温度に加熱すると従来法では得られなかったα−サ
イアロン質粉末が容易に製造し得られることを究明し得
た。この知見に基いて本発明を完成した。

本発明の要旨は、 １）一般式Ｍ）（（Ｓｉ＋Ａｌ）　１２　（ＯＷＮ）　
１６（ただし、ＭはＬｉ　、　Ｍｇ　！　Ｏａ　＋　Ｉ
ｎ　、　Ｙ及びランタニド金属から選ばれた１ｍまたは
２種以上。

０＜ｘ≦２を表わす） で示されるα−サイアロンを主体とするものからなるα
−サイアロン質粉末っ及び ２）一般式Ｍ）（（Ｓｉ＋Ａｌ）　１２（ＯＷＮ）　＋
６（ただし、ＭはＬｉ＋　Ｍｇ　＋　Ｃａ　ｒ　Ｍｎ　
＋　Ｙ及びランタニド金属から選ばれた１種または２種
以上。

０（ｘ≦２を表わす） で示されるα−サイアロン質の製造に際し、酸化けい素
または加熱により酸化けい素を生成するけい素化合物、
酸化アルミニウムまたは加熱により酸化アルミニウムを
生成するアルミニウム化合物、カーボン及び前記Ｘ金属
酸化物または加熱によりＸ金属酸化物を生成するＭ化合
物からなる組成割合混合物を、窒素気流中で１４００〜
１７００℃で加熱することを特徴とするα−サイアロン
質粉末の製造法。にある。

原料混合粉末を得る方法としては、例えば次の方法が挙
げられる。

（１）シリカ、アルミナ、カーボンとＬｉ　−Ｍｇ、　
Ｃｉａ＋Ｋｎ　＋　Ｙ及びランタニド金属（以下Ｍ−ｆ
！？、属と言う）の酸化物、あるいは加熱によってＸ金
属酸化物を生成する化合物例えば炭酸塩、水酸塩、しゆ
う酸塩の単独まだは混合物を機械的に混合する方法。

（２）　　液体中に微細なゾルとして分散させたコロイ
ダルシリカとコロイダルアルミナを混合後、カーボンと
Ｘ金属の酸化物あるいは加熱によりＸ金属酸化物を生成
する化合物をゾルに分散させてゲル化し、液体を除去し
て混合物とする方法。

（３）　　けい素化合物例えばけい酸メチル、けい酸エ
チル等のけい酸アルコキクラド、またはけい酸ソーダ；
アルミニウム化合物例えばアルミニウムエトキ７ド、ア
ルミニウムプロポキシド等のアルコキシド、（ｉ１！酸
アルミニウム、硫酸アルミニウム、塩化アルミニウム、
またはミョウバン等の塩類；Ｘ金属化合物例えば硫酸塩
、塩化物。

硝酸塩またはアルコキシドの溶液を作り、この溶液の１
つ以上にカーボンを分散させ、残りの溶液を加えた後、
沈殿を生成させて液体を分離する方法。

しかし、これらの方法に限定されるものではなく、要は
微細な粉末を均一に混合させる方法であればよい。

前記方法の内的−性の点では（１）→（２）→（３）の
順でよくなり、合成加熱温度は低くてすむ。合成加熱温
度は（１）の方法のものは１５５０〜１７００℃未満、
（２）の方法のものは１４５０〜１６５０℃・（３）の
方法のものは１４００〜１６００℃でよい。

加熱温度は１４００℃より低いと還元・窒化反応や固溶
体形成の速度がおそく、合成時間が長時間となり、１７
００℃を超えると原料の飛散が顕著となり収率が低下す
るので１４００〜１７００℃であることが好ましい。焼
成時間は０．５〜４０時間で、低温はど長時間を要する
。１５００℃では８〜１６時間、　１６００℃では２〜
６時間が適当である。

原料混合物中のＡｌ／ｓｉの原子比は０．０２５〜０．
５の範囲である。０．０２５より小さいと窒化けい素の
み得られ、α−サイアロンは得られないっまた０、５を
超えると窒化アルミニウムとβ−サイアロンが生成し、
α−サイアロンは殆んど得られない０Ｍ金属の１価金属
とＡｌの原子比（Ｌｉ／Ａｌ）は０．５７〜０．７７．
２価金属とＡｌの原子比（Ｍｇ／Ａｌ。

Ｃａ／Ａｌ）は０．２３〜０．４３．３価金属とＡｌ（
Ｄ原子比（ＭｎｙＱＬ　、Ｙ／Ａｌ、　Ｌｎ／Ａｌ）は
０．１２〜０．３２とする。これらの範囲外ではα−サ
イアロンの含有量が５重量％よりケなくなり、焼結体と
した場合α−サイアロンの利点が生かされない。原料混
合物を窒素気流中で１４００〜１７００℃に加熱すると
酸素の窒素による置換と同時に固溶が起こる。例えば２
価金属の場合、 ２　ＭＯ＋　３ｈｔ２ｏ３＋　４２５ｉｏ２＋　９３０
　＋　６２Ｎ２→４　Ｍ、５（Ｓｉ１，５＋　Ａｌ、５
）　（Ｏｏ、５＋　Ｎ１ｓ、ｓ　）　＋　ｔａ　３ＣＱ
　・−・四（１）により、還元、窒化と共に、Ｍが格子
間に侵入型固溶を、ｈｔがＳｉ位置に、０がＮ位置に置
換型固溶したものとなる。この場合、Ａｌと０の固溶の
みであればβ型窒化けい素の固溶体であるβ−サイアロ
ンになるが、他の金属が格子間に侵入型固溶をするとα
型窒化けい素の固溶体であるα−サイアロンとなる。

カーボン粉末は、シリカとアルミナを還元・窒化するた
めに必要である。（１）式を完結するのに必要なカーボ
ンの原子数（２）はけい素の原子数をｍ。

アルミニウムの原子数をｎとすると、 ｘ＝２ｍ＋１．５ｎ・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・（２）となる。実際の反応では（２）式に示す
量以上である１倍〜５倍、好ましくは１．５〜３倍必要
である。

これより少ないと反応が完結せず、５倍より多いと反応
抜脱炭素処理に長時間を要すると共に炭化けい素が多重
に生成し、粉末の焼結性を低下させるので好ましくない
。

得られる粉末の粒径は０．１〜２ミクロンの微細なもの
であり、その組成はα−サイアロン単相か、あるいは窒
化けい素、β−サイアロン、炭化けい素、窒化アルミニ
ウム、シリカ、アルミナまたはＭ金属酸化物を含むα−
サイアロン相からなる。

実施例１゜ シリカ（純度９９．９％、平均粒径０．３ミクロン）Ｉ
アルミナ（純度９９．９９％１平均粒径０，５ミクロン
）Ｉ炭酸カルシウム（純度９９．５％）とカーボンブラ
ック（平均粒径ｏ、ｏｓ　ミクロン）をモル比で８８＝
６　：　３　：　３００の割合で、窒化けい素製ボール
ミルで混合した。この混合物約１．５２を直径１５朋の
金型で３００に９／Ｃｍ２の圧力でペレットに成形した
。

成形体を高純度アルミナ製のポートに置き、高純度アル
ミナ炉心管内で、窒素気流中１５５０℃で５時間加熱し
た。

得られた粉末を空気中で６００℃で１時間加熱して残留
カーボンを除失した。この粉末のＸ線回折によると、α
−サイアロンが７４重量％で、他はβ−３ｉ３Ｎ４　’
＋β−３ｉＯ、ＡｌＮであった。その平均粒径は１．８
ミクロンでアッタ。

実施例２〜４゜ 実施例１と同様な手順で第１表に示す原料を用いてα−
サイアロン質粉末を得た。その生成粉末中の結晶質物及
び粉末の平均粒径は第１表に示す通りであった。

実施例５゜ シリカ３０重量％を分散したコロイダルシリカ液２００
？にイツトリア４．５ｔと炭酸リチウム０．７４２及び
カーボンブラック４５ｆを超音波振動によって分散させ
た。これにアルミナ２０重量％を分散させたコロイダル
アルミナ液４６２を加えた。

混合後、塩酸（１０％）水溶液５０１を加え、遠心分離
によって沈殿を得た。沈殿を乾燥し、実施例１と同様な
手順で１５００℃で１２時間加熱して粉末を得た。

得られた粉末を６００℃で１時間加熱して残留カーボン
を除去することによって、α−サイアロン８８重量％を
他の化合物としてβ−８ｉ３Ｎ４＋及び少量のβ−８ｉ
Ｃ，ＡｌＮを含んだ粉末が得られた。

粉末の平均粒径は１．２　ミクロンであった。

実施例６゜ けい酸エチル３１２とエトキシイツトリウム２．２２を
１００ＣＣのイソプロパツールに溶解し、カーボンブラ
ック５．４２を超音波振動を加えて分散させた。硝酸ア
ルミニウム（９水和物）１９ｆを１００ＣＣの蒸留水に
溶解した後、前記溶液に徐々に加えた。この混合溶液を
８０℃で５時間加熱して沈殿生成を完結させた後、２０
０１１１　Ｈｇに減圧し、８０℃に加熱することによっ
て液体を除去した。

得られた沈殿を空気中で９０℃で１０時間加熱して乾燥
した後、実施例１と同様な手順でα−サイアロン質粉末
を得た。焼成は１５００℃で１２時間行った。空気中で
６００℃で１時間加熱し、残留カーボンを除去すること
によってα−サイ゛アロン質粉末が得られた。

この粉末中のα−サイアロンは９６重量％で残りはＳｉ
３Ｎ４・Ｙ２Ｏ３であった。そしてその平均粒径は０．
６ミクロンであった。

実施例７〜８゜ けい酸エチル２６１を１００ｃｃのインプロパツールに
溶解し、所定量のカーボンブラックを分散させた。アル
ミニウム化合物と金属塩を溶解した水溶液１５０ｆをこ
れに加え、実施例６と同様な手順で沈殿を得た。原料の
アルミニウム化合物う金属塩の種類と量及びカーボン景
、合成東件は第２表の通りであった。得られた粉末はそ
れぞれ第２表に示す通りであった。

発明の効果 本発明は従来得られなかったα−サイアロン質粉末を提
供し得、この粉末により射出成形やスリップキャスティ
ング等により成形品が容易に得られる。従って、粉末を
原料として得た焼結体は組織が均一で高強度のものとな
し得る優れた効果を奏し得られる。

特許出願人　科学技術庁無機材質研究所長後　　藤　　
　　　優

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）一般式Ｍ＿Ｘ（Ｓｉ、Ａｌ）＿１＿２（Ｏ、Ｎ）＿
   １＿６（ただし、ＭはＬｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｍｎ、Ｙ及び
   ランタニド金属から選ばれた１種または２種以上、０＜
   Ｘ≦２を表わす） で示されるα−サイアロンを主体とするものからなるα
   −サイアロン質粉末。 ２）一般式Ｍ＿Ｘ（Ｓｉ、Ａｌ）＿１＿２（Ｏ、Ｎ）＿
   １＿６（ただし、ＭはＬｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｍｎ、Ｙ及び
   ランタニド金属から選ばれた１種または２種以上、０＜
   Ｘ≦２を表わす） で示されるα−サイアロンの製造に際し、酸化けい素ま
   たは加熱により酸化けい素を生成するけい素化合物、酸
   化アルミニウムまたは加熱により酸化アルミニウムを生
   成するアルミニウム化合物、カーボン及び前記Ｍ金属酸
   化物または加熱によりＭ金属酸化物を生成するＭ化合物
   からなる組成割合混合物を、窒素気流中で１４００〜１
   ７００℃で加熱することを特徴とするα−サイアロン質
   粉末の製造法。 ３）原料混合物の組成割合がＡｌ／Ｓｉの原子比が０．
   ０２５〜０．５、Ｍ／Ａｌの原子比の割合が０．１２〜
   ０．７７、カーボンがＳｉ原子数の２倍とＡｌ原子数の
   １．５倍の和の１〜５倍量である特許請求の範囲第２項
   記載のα−サイアロン質粉末の製造法。 ４）原料混合物がシリカとアルミナのゾル中にカーボン
   とＭ金属酸化物あるいは加熱によりＭ金属酸化物を生成
   するＭ化合物を分散させた後、液体を分離したものであ
   る特許請求の範囲第２項記載のα−サイアロン質粉末の
   製造法。 ５）原料混合物が加熱によつてシリカを生成するけい素
   化合物、加熱によりアルミナを生成するアルミニウム化
   合物及び加熱によりＭ金属酸化物を生成するＭ化合物の
   溶液に、カーボンを分散させ、溶液の反応によつて生成
   した沈殿である特許請求の範囲第２項記載のα−サイア
   ロン質粉末の製造法。