JPS6230665A - 高温強度にすぐれた焼結体 - 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、ｌ１ｆｊ’ｊ！耗工具又は切削工具などの工
具■材料並びに自動車７航空機、船舶などに使用される
エンジン部品又はタービン部品のような構造用材料とし
て適用できる炭化ケイ素と窒化ケイ素を含有した高温強
度にすぐれた焼結体に関する。

（従来の技術） 炭化ケイ素や窒化ケイ素は、高温においてすぐれた特性
を有していることから実用化のための研究開発が行なわ
れている。

これらの炭化ケイ・素や窒化ケイ素は、共有結合性の高
い化合物であるために構成原子の自己拡散係数が小さく
、又イオン結晶や金属結晶に比べて粒界エネルギーの比
が大きいことから本質的に難焼結材料であるのと、高温
で蒸発や分解が生ずるといわれている。この難焼結材料
である炭化ケイ素や窒化ケイ素に各種の焼結助剤を加え
て緻密な焼結体にすることが検討されている。この内、
代表的なものとして、窒化ケイ素は、希土類元素の酸化
物を焼結助剤として加えた窒化ケイ素基焼結体があり、
希土類元素の酸化物の中でも、特に酸化イツトリウムが
焼結助剤としてすぐれている。

一方、炭化ケイ素も希土類元素の酸化物を焼結助剤とし
て加えた炭化ケイ素基焼結体がある。

一般に、窒化ケイ素基焼結体は、炭化ケイ素基焼結体に
比べて高温における強度が低いのと、硬度、熱伝導性及
び弾性係数が低く、一方、炭化ケイ素基焼結体は、窒化
ケイ素基焼結体に比べて常温における強度が低いのと、
耐熱衝撃性及び破壊靭性値が低いという傾向にある。こ
のために、炭化ケイ素と窒化ケイ素の両方のすぐれた特
性を有する焼結体の開発が望まれている。

そこで、炭化ケイ素と窒化ケイ素の両方のすぐれた特性
を有する焼結体として、炭化ケイ素と窒化ケイ素の両方
を含有し、この両方の材料を同時に焼結することが検討
されている。しかし、炭化ケイ素と窒化ケイ素は、化学
的及び物理的性質の違いから同時に焼結することが困難
である。これを解決したものとして、特開昭６０−４６
９７３号公報が開示されている。

（発明が解決しようとする問題点） 炭化ケイ素と窒化ケイ素の両方を含有した焼結体として
開示されている特開昭６０−４６９７３号公報は、炭化
ケイ素及び窒化ケイ素それぞれに対して焼結助剤となる
希土類元素の酸化物を含有させた焼結体又は希土類元素
の酸化物と他の酸化物からなる焼結助剤を含有させた焼
結体である。

すなわち、特開昭６０−４６９７３号公報は、従来の炭
化ケイ素基焼結体及び窒化ケイ素基焼結体の焼結助剤と
して用いられた希土類元素の酸化物を炭化ケイ素と窒化
ケイ素を同時に焼結するための焼結助剤として開示して
いるものである。

しかしながら、希土類元素は１７元素あり、この１７元
素の希土類元素は、化学的性質が極めて似ているといわ
れているが、実際は融点、沸点などの各種の性質が異な
っており、この希土類元素からなる酸化物もそれぞれ各
種の性質が異なっているために炭化ケイ素と窒化ケイ素
の両方に対する焼結助剤としての効果も希土類元素の酸
化物の１！１類によって異なってくるものである。事実
、窒化ケイ素に対する焼結助剤としては、希土類元素の
酸化物の中でも、特に酸化イツトリウムがすぐれており
、実用化されはじめていることからも明らかである。こ
のことから、特開昭６０−４６９７３号公報に開示され
た内容を検討してみると、常温における曲げ強度が５０
〜６５　ｋｇ／ｍ■２で、窒化ケイ素基焼結体に比較し
て劣っているのと、高温における曲げ強度が炭化ケイ素
基焼結体に比較して劣っているという、炭化ケイ素と窒
化ケイ素の両方のすぐれた特性を充分に発揮するまでに
至ってないという間通がある。

本発明は、上述のような問題点を解決したもので、具体
的には、炭化ケイ素と窒化ケイ素の両方に対して最適な
焼結助剤である酸化マグネシウムと酸化ジスプロシウム
を加えることによって、炭化ケイ素と窒化ケイ素の含有
する緻密な焼結体で、窒化ケイ素と炭化ケイ素の両方の
すぐれた特性である常温及び高温における強度を高める
ことができる焼結体の提供を目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明者らの１人は、窒化ケイ素に対する焼結助剤につ
いて検討し、その結果を数件特許出願している。これら
一連の特許出願内容に基づいて、更に高温における硬度
及び強度を高める焼結体として、炭化ケイ素と窒化ケイ
素に対する焼結助剤の検討を行なった結果、窒化ケイ素
に対して酸化イツトリウムの焼結助剤がすぐれているよ
うに炭化ケイ素に対しては、ａ化ジスプロシウムの焼結
助剤がすぐれているという知見を得ることができたもの
である。この知見に基づいて、炭化ケイ素と窒化ケイ素
でなる。硬質相に対する焼結助剤の検討を行なった結果
、希土類元素の酸化物の中でも、特に重希土類元素に属
するジスプロシウムの酸化物が焼結の促進効果を高め、
この酸化ジスプロシウムに酸化マグネシウムを加えた焼
結助剤が緻密な焼結体になること、又常温及び高温にお
ける焼結体の硬度及び強度を高めるという知見を得るこ
とによって本発明を完成するに至ったものである。

すなわち、本発明の高温強度にすぐれた焼結体は、炭化
ケイ素と窒化ケイ素でなる硬質相と１〜１５ｆｉ量％の
焼結助剤からなる焼結体において、前記焼結助剤が０．
１〜５重量％の酸化マグネシウムと０．９〜ｔｏｇＢ％
の酸化ジスプロシウムを少なくとも含有していることを
特徴とするものである。

本発明の焼結体における硬質相は、窒化ケイ素と炭化ケ
イ素の比率が特に制限されるものでなく、形状及び用途
によって選定することができる０例えば、硬質相が炭化
ケイ素８０重量％以上、残り窒化ケイ素からなる場合は
、高熱伝導性の焼結体を得ることができる。又、硬質相
が炭化ケイ素２０〜８０重量％、残り窒化ケイ素からな
る場合は、常温及び高温における強度の高い焼結体を得
ることができる。特に、硬質相が炭化ケイ素７０〜８０
重量％、残り窒化ケイ素からなる場合は、高温における
強度が最大になる焼結体を得ることができる。

本発明の焼結体における焼結助剤は、酸化マグネシウム
と酸化ジスプロシウムを少なくとも含有しており、この
内、酸化ジスプロシウムは、酸化イツトリウムに酷似し
ており、窒化ケイ素に対しての焼結助剤になると共に炭
化ケイ素に対しても極めてすぐれた焼結助剤になる。ま
た、もう一方の焼結助剤である酸化マグネシウムは、焼
結工程では酸化ジスプロシウムの低温液相化への助力作
用をし、焼結後には酸化ジスプロシウムと共に強度向上
を高めているものである。これらの焼結助剤は、１重量
％未満では焼結の促進性効果が弱く、１５重量％を超え
て多くなると高温における焼結体の硬度及び強度を低下
させるために１〜１５重量％と定めたものである。また
、焼結助剤としての酸化マグネシウムは、０．１重量％
未満では酸化ジスプロシウムの低温液相化への助力作用
が弱く、５重量％を超えて多くなると焼結体の高温特性
が低下するために、酸化マグネシウムは０．１〜５重量
％と定めたものである。特に、焼結体の高温強度を高め
る必要がある場合は。

０．１〜２重量％の酸化マグネシウムが望ましい、さら
に、焼結助剤としての酸化ジスプロシウムは、０．９重
量％未満では焼結の促進性効果が弱く、１０重量％を超
えて多くなると焼結体の高温特性が低下するために酸化
ジスプロシウムは、０．９〜ｌＯ重量％と定めたもので
ある。特に、高温強度を高める必要がある場合は０．９
〜５重量％の酸化ジスプロシウムが望ましい。

これらの焼結助剤は、酸化マグネシウムと酸化ジスプロ
シウムを少なくとも含有していると焼結性を高めて緻密
な焼結体にする効果が高く、又焼結後は高温特性を高め
る効果を発揮するものである。また、焼結助剤は、酸化
マグネシウムと酸化ジスプロシウムの他に、焼結体の均
質化などの目的で他の金属の酸化物、窒化物、炭化物も
加えることができる。

炭化ケイ素と窒化ケイ素を含有した従来の焼結体の組織
構造が針状又は繊維状であるのに対して本発明の焼結体
は、酸化マグネシウムと酸化ジスプロシウムでなる焼結
助剤が硬質相の粒成長を抑制して粒状組織にし、その硬
質相の平均粒子径も３ｇｍ以下になっているものが強度
の向上から好ましいものである。

本発明の高温強度にすぐれた焼結体は、次の製造方法に
よって得ることができる。まず、出発原料は、炭化ケイ
素粉末と窒化ケイ素粉末と酸化ジスプロシウム粉末と酸
化マグネシウム粉末をそれぞれ用いることができる。ま
た、酸化ジスプロシウムと酸化マグネシウムは固溶体粉
末にして用いることもできはる。これらの出発原料は、
出来るだけ微細な粉末を用いる方が緻密な焼結体になり
易く、特に炭化ケイ素粉末や窒化ケイ素粉末は。

水熱酸化法、水熱沈殿法、水熱合成法、水熱分解法、水
熱結晶法、水熱加水分解法などの水熱法、アルコキシド
の加水分解法又は中和共沈法などの液相反応を利用した
微細粉末を炭化処理あるいは窒化処理して得ることがで
きる１４ｍ以下の粉末を用いるのが好ましい、炭化ケイ
素粉末は、立方晶系のβ−５ｉＣ又は六方晶系、菱面体
品系のα−３ｉＣあるいはこれらの混合物として用いる
ことができ、窒化ケイ素粉末は、α−５ｉ３Ｎ４゜β−
３ｉ３Ｎ４又は非晶質窒化ケイ素もしくはこれらの混合
物として用いることができる。

出発原料の混合粉砕は、ステンレス製容器、ａ硬谷金を
内張すした容器、ウレタンゴムを内張すした容器又はプ
ラスチック製容器の中で超硬合金製ポール、ステンレス
製ポール又はセラミックス製ポールと共に行なうことが
できる。粉砕効果を高めて出発原料を微細化するために
は、ステンレス製容器又は超硬合金を内張すした容器を
使用して超硬合金製ポールと共に混合粉砕する方法、振
動ボールミルを用いる方法又はアセトン、ヘキサン、ベ
ンゼン、アルコールなどの有機溶媒ヲ加して湿式混合粉
砕する方法が好ましい。

混合粉末の成形は、混合粉砕した粉末を黒鉛モールドに
充填して非酸化性雰囲気中でホットプレス（Ｈ−Ｐ）す
る方法、又は混合粉砕した粉末にパラフィン、カンファ
などの成形助剤を添加して必要ならば顆粒状にした後金
型モールドに充填して加圧成形する方法、もしくはラテ
ックスゴムなどで混合粉末を包囲した後静水圧加圧で外
圧を加えて成形する方法、あるいは熱可塑性樹脂と可塑
剤と潤滑剤などを混合粉末に加えて射出成形機で成形す
る方法などが適用できる。このようにして成形した粉末
圧粉体を直接焼結する方法、又は粉末圧粉体を焼結温度
よりも低い温度で予備焼結した後切断、研削、切削など
の加工を施してから非酸化性雰囲気中で焼結する方法が
ある。焼結温度は、無加圧焼結の場合が１７００℃以上
、加圧焼結ノ場合が１６００℃以トによって焼結するこ
とができる。焼結後熱間静水圧（ＨＩ　Ｐ）処理を行な
ってさらに緻密で高強度な焼結体にすることもできる。

不可避的不純物としては、出発原料中に混在している場
合と製造工程中に混入してくる場合がある。この内、出
発原料粉末中に混在している代表的な不可避的不純物は
、５ｉ０２があり、このＳ　ｉ　０２は焼結助剤と共に
焼結の促進に有効であるが多すぎるとガラス質又は低級
ケイ酸化合物として焼結体中に残存し、焼結体の高温特
性を低下させるために１重量％以下、望ましくは０．５
重量％以下にするのがよい、製造工程中に混入してくる
不可避的不純物は、混合粉砕工程から混入する場合が多
く、その不可避的不純物としては周期律表４ａ、５ａ、
６ａ族金属の炭化物、窒化物又はこれらの相互固溶体も
しくは鉄族金属がある。

これらの不可避的不純物の内、特に鉄族金属が混入する
と焼結性が阻害されて緻密な焼結体になり難いことから
１重量％以下、望ましくは０．５重量％以下にする必要
がある。

（作用） 本発明の高温強度にすぐれた焼結体は、硬質相の結晶粒
界に焼結助剤が均一に分散し、焼結助剤が硬質相の粒成
長を抑制しているために微細な粒状組織からなる緻密な
焼結体になっている。このために、本発明の焼結体は、
常温における硬度。

強度、破壊靭性値及び熱伝導率が高く、しかも高温にお
いても硬度及び強度が高くなっているのである。

（実施例） 平均粒径が１ルｍ以下のα−３ｉＣ，β−５ｉＣ，α−
３ｉ３Ｎ４　、β−５ｉ３Ｎ４及び各種粉末を用いて第
１表の如く配合し、この配合粉末に５ｉ３Ｎａ基焼結体
のポールとへキサン溶媒を加えて４８時間混合粉砕した
。こうして得た混合粉末をホットプレス（Ｈ−Ｐ）焼結
方法と、無加圧焼結後熱間靜水圧ＣＨＩ　Ｐ）処理によ
り焼結体を作製した。このときの各焼結条件を第１表に
併記した。こうして得た各焼結体の諸特性を調べて、そ
の結果を第２表に示した。

以下余白 （発明の効果） 以上の結果、本発明の高温強度にすぐれた焼結体は、熱
伝導性、硬度及び高温における強度が従来の炭化ケイ素
層焼結体とほとんど同等又は同等以上で、しかも常温に
おける強度及び破壊靭性値が従来の窒化ケイ素層焼結体
とほとんど同等であるという炭化ケイ素と窒化ケイ素の
両方のすぐれた特性を有する焼結体である。

このことから、本発明の焼結体は、従来の炭化ケイ素層
焼結体及び窒化ケイ素層焼結体が利用されている用途か
ら、更には１例えば従来の窒化ケイ素層焼結体では高温
強度の不足のために使用できなかった用途又は従来の炭
化ケイ素層焼結体では常温強度の不足のために使用でき
なかった形状及び用途にまで利用できる産業玉有用な材
料である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭化ケイ素と窒化ケイ素でなる硬質相と１〜１５
   重量％の焼結助剤からなる焼結体において、前記焼結助
   剤は０．１〜５重量％の酸化マグネシウムと０．９〜１
   ０重量％の酸化ジスプロシウムを少なくとも含有してい
   ることを特徴とする高温強度にすぐれた焼結体。
2. （２）上記硬質相は、平均粒子径が３μｍ以下の粒状組
   織であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   高温強度にすぐれた焼結体。