JPS63144171A - β−ＳｉＣウイスカ／β−Ｓｉ↓３Ｎ↓４複合体の製造方法 - 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） この発明はセラミック粉末として窒化けい素（Ｓｉ：＋
Ｎａ）粉末、焼結助剤としてＹｚＯ＊および強化繊維と
して炭化けい素ウィスカを用いたβ−ＳｉＣウイスカ／
β−Ｓｉ３Ｎ、複合体の製造方法に関するものである。

（従来の技術） 炭化けい素（ＳｉＣ）ウィスカで強化された窒化けい素
（ＳｉＪ４）焼結体は高強度、優れた耐熱衝撃抵抗、耐
磨耗性を有するため高温構造材料として応用が検討され
ている。このような複合体の製造方法としては、例えば
（イ”）　１９８６年２月発行の「アメリカセラミック
ス協会誌」第６５巻第２号（Ａｍ。

Ｃｅｒａｍ、Ｓｏｒ、６５　（２）　）の第３５１〜３
５８頁に、９５重量％のα−ＳｉＪ＊と５重量％のＭｇ
Ｏを混合した後、１０〜４０容量％のＳｉＣウィスカを
混合し、次いで１７５０℃と１８５０℃でホントブレス
してなるＳｉＣライスカ／Ｓｉ３Ｎ＜複合体の製造方法
が開示されている。また近い技術として（ロ）「窯業協
会誌」第９１巻第１１号第４９１頁（１９８３年）には
、ＳｉＪａにＹ２Ｏ３とＬａｚＯ＋を各々７．５モル％
か、ＭｇＯを５モル％を水中で混合し、濾過して薄層を
つくり、これを乾燥し、積層した後、１８００℃、２０
ＭＰａで６０〜９０分ホ・ノドプレスして上記複合体を
製造する方法が開示されている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来のＳｔＣウィスカ／　Ｓ
　ｉ、Ｎ、複合体の製法にあっては、前記（イ）の方法
では、ＭｇＯを添加し１８５０℃でホットプレスする為
硬い粒界が得られるもののα−Ｓｉ３Ｎ＜がβ−Ｓｉ、
Ｎ。

に転移はするがβ−Ｓｉ：＋Ｎａの針状粒の成長が不十
分であり、高い機械的強度が得られていない（例えば破
壊強度σｔ−６００〜５００ＭＰａ）。

また、（ロ）の方法では、焼結助剤にＹ２Ｏ，とＬａ。

０、を用いてα−ＳｉＪａからβ−ＳｉＪ、への転移と
粒成長を促進するものの濾過方向が上下一方向であるこ
とによりβ−３ｔ、Ｎ、の配向が一軸方向であり、機械
的強度が向上しないという問題点があった。

（問題点を解決するための手段） 発明者は機械的強度が十分満足されるＳｉＣウィスカ／
Ｓｉ３Ｎ４複合体の製造方法につき鋭意研究を行った結
果、出発原料として主としてα−Ｓｉ３Ｎ、粉末とＹ２
Ｏ，とβ−ＳｉＣウイスカから成る特定比率の混合物を
型内に入れ、昇温し、１０００℃以上の温度で型内ニＮ
　Ｚガスを充填し、１８００〜１８５０°Ｃの温度、２
０ＭＰａ以上の圧力下で加圧する方法により、前記問題
点を解決し得ることを確かめこの発明を達成するに至っ
た。

従ってこの発明のβ−ＳｉＣウイスカ／β−Ｓｉ、Ｎ、
複合体の製造方法はα−ＳｉｓＮ＜粉末とＹ２Ｏ３粉末
とβ−ＳｉＣウィスカおよび不可避的不純物からなる混
合粉末であって、α−ＳｉＪオとＹ２Ｏ，の重量比がα
−３ｉ３Ｎ。

：　ｙｚｏｓ＝９５：５〜８７：１３．α−Ｓｉ３Ｎ４
粉末とＹ２Ｏ，粉末の体積とβ−ＳｉＣウイスカの体積
の比がα−ＳｉＪ４＋ｙ、ｏ、　：β−ＳｉＣウイスカ
＝８４：１６〜６５：３５である混合粉末を型内で昇温
し、１０００℃以上の温度で型内に窒素ガスを充填し、
１８００〜１８５０℃の範囲の温度および２０ＭＰａ以
上の圧力でα−ＳｉＪ、の９５％以上がβ−Ｓｉ３Ｎ、
に転移するまで加圧保持することを特徴とする。

（作　用） この発明においては、焼結時Ｙ２Ｏ３と、ＳｉＪ４もし
くはＳｉＣ周囲のＳｉｎ、とが１５００℃付近でガラス
相を形成する。このガラス相はα−Ｓｉ３Ｎ４＋　　β
−ＳｉＣ粒界に存在し、α−ＳｉＪ４とβ−ＳｉＣを結
合させる。

この温度ではα−ＳｉＪ４マトリクス中にβ−ＳｉＣが
ホントプレス軸に直角に配向した組織である。次いで１
８００〜１８５０℃で２０ＭＰａの圧力下においてα−
Ｓｉ３Ｎａの９５％以上がβ−ＳｉＪｉに転移するまで
、例えば６０分間加熱加圧することにより、粒状のα−
Ｓｉ３Ｎ、が針状のβ−ＳｉＪｎに成長し３次元的に配
向する。向上記保持時間は目的とする複合体の形状、大
きさ等により、異なるが、それぞれにつき予め実験によ
り設定される。このようにして得られた上記複合体にお
いては、β−３ｉＣは主にβ−Ｓｉ３Ｎ４針状粒の間に
橋をかけるような形でホン、ドブレス軸に直角にランダ
ム配向した形となる。その為、この組織をもつβ−Ｓｉ
Ｃ／β−Ｓｉ３Ｎ４複合体は強度および靭性が著しく向
上する。

（実施例） 以下この発明を図面に基づいて実施例により説明する。

犬上玉 先ず平均粒径１．０μｍのα−Ｓｉ３Ｎ４粉末（シュタ
ルク社製、Ｈｌ：商品名）に１０重量％となるようにに
平均粒径３．０μ頂のＹｚ（ｈ粉末を混合し、ボールミ
ルに入れ、アルコール中で９４時間粉砕した後、乾燥し
た。この混合粉末に２０容量％となるように秤量した平
均直径０．４５μｍ、平均長さ１５μｍのβ−ＳｉＣウ
イスカ（タテホ化学工業（株）製、１−３：商品名）を
加え、ボールミルにて２４時間（Ｃ，ｌＩ。

ＯＨ中）混合した。スラリーをロータリーエバポレータ
ーにて乾燥した後、２１０μｍのふるいを通過するまで
ほぐしホットプレス用の黒鉛型に充填した。加熱開始後
１０００°ＣでＮ２ガスを型内に充填開始し、型内でＮ
２ガスが１００　ＮＭＨｇとなった時Ｎ２ガス供給を終
了した。その後、最大２４ＭＰａの圧力を加えた。型内
の温度が１８５０°Ｃに到達した後、この温度に６０分
間保持し、その後冷却し、表１に示す隘５のβ−ＳｉＣ
ウイスカ／β−ＳｉＪａ複合体を得た。

上記加熱開始から複合体生成後冷却するまでの経過（ホ
ットプレススケジュール）を第１図に示す。次に焼成温
度を表１に示すように変えた以外は同様にして隘１〜４
及び阻６の複合体を得、焼粘体の結晶相と、次に示す測
定方法で評価した特性を隘５の複合体の測定結果ととも
に表１に併記する。

揮１贋汰 （イ）曲げ強度 第２図に示すようにｈ＝３＊＊、ｂ＝４ｍｍ。

Ｌ＋＝３５ｍｍの試料１をＪ＋＝３０ｍｍとして支え、
３点曲げ試験に準じて、荷重速度を０．５關／ｌ１ｉｎ
として荷重を加え、次式により破壊強度を求めた。

（ロ）破壊靭性（Ｋ＋ｃ） 第３図は（ａ）に示すＷ　ｗ　４　ｍｍ、Ｂ＝３ｍ、Ｌ
ｘ”３５ｍの試料１にシェブロンノツチ２を設け、第３
図（ｂ）に示すように１ｘｄＯｍｍ、１３”２０ｎ＋と
して支え、荷重速度を０．０５ｍ／ｓｉｎとして荷重を
加え、シェブロンノツチ４点曲げ試験を行い破壊強度の
最大値（Ｐ、、Ｘ）を求め、次式に従ってＫＩＣ値を算
出した。

但しＹａｉ、１は形状から決まる定数２６であり、ＦＥ
Ｍ　（有限要素法）で計算する。

（ハ）電気伝導度 室温にて直流二端子法で測定する。即ち第４図（ａ）に
示すように１３　Ｘ　８Ｘ　２ｍｍの試料１の側面に銀
ペーストＮ３を設け、第４図（ｂ）に示すようにセント
して測定する。

次にＹ２Ｏ，の配合量を表２に示すように変えた以外は
、患５の複合体と同様にしてＮ［Ｌ７〜１１の複合体を
作製し、結晶性と特性の測定結果を表２に併記する。

更にβ−ＳｉＣウイスカの配合量、焼成温度および加圧
力を表３に示すように変えた以外は隘５複合体と同様に
して患１２〜１８の複合体を作製し、結晶相と特性の測
定結果を表３に併記する。但し、表２の阻９および表３
の患１５の複合体は階５のものと同じもので比較のため
に示す。

上表中α−ＳｉＪ４とβ−Ｓｉ＋Ｎａは次式で示すＸ線
強度比により定量化できる。本発明の実施例である隘４
，５，８．１０，１４．１６．１７はほぼ１００χα−
ＳｉＪ４がβ−Ｓｉ３Ｎｍに転移していることが確認さ
れた。また隘１．２．３はβ−Ｓｔ、Ｎ、　Ｌ転移した
α−５ｔｌＮ４が９５％未満であった。

表１の結果からβ−ＳｉＣウイスカ／β−Ｓｉ３Ｎｎ複
合体は１８００〜１８５０℃の間で焼成されることが条
件になることがわかる。１８００℃未満ではα−３ｉ３
Ｎ４が残り過ぎ、１８５０℃を超えるとＳｉＪ４が分解
し、強度の低下を招く。

表２の結果から、Ｙ２Ｏ，がα−ＳｉＪｎとＹ２Ｏ，の
合計の５重量％より少ないとα−３ｉ３Ｎ４が残り、１
３重世％より多くなるとガラス層が厚くなり、強度が低
下する。

表３の結果からβ−ＳｉＣウィスカの体積がα−Ｓｉｉ
Ｎ４とＹ２Ｏ，粉末とβ−ＳｉＣの合計の１６重量％よ
り少ないと複合効果が表われず、１６重世％以上でウィ
スカのネットワークが構成され、電気伝導性が生じ、抵
抗値がｌＸｌ０−”０口以下となり、放電加工が可能と
なる。しかし３５容量％をこえると加圧力を高めないと
緻密な結晶体が得られず、またβ−ＳｉＣの損傷も起こ
り好ましくない。

（発明の効果） 以上説明してきたように、この発明によって得られるβ
−ＳｉＣウイスカ／β−ＳｉｚＮ、複合体は、β−Ｓｉ
ａＮａ針状粒が３次元に配向し、β−ＳｉＣウイスカが
２次元に配向しているので、極めて高強度、高靭性を有
しているという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例におけるホットプレススケジュールを示
す線図、 第２図は実施例で得た複合体の破壊強度測定の説明図、 第３図（ａ）は実施例で得た複合体の破壊強度を測定す
るためのシェブロンノツチをを設けた試料の斜視図、 第３図（ｂ）は第３図（ａ）に示す試料の破壊強度測定
の説明図、 第４図（ａ）は実施例で得た複合体の電気伝導度を測定
するため、側面に銀ペーストを塗布し、銀ワイヤを取付
けた試料の斜視図、 第４図（ｂ）は第４図（ａ）の試料を電気伝導度測定装
置にセントした場合の回路図である。 １・・・試料　　　　　　２・・・シェブロンノツチ３
・・・銀ペースト　　　４・・・銀ワイヤ特許出願人　
　日産自動車株式会社 第２図 第３図 （ａ） 第４図 （ａ） （ｂン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、α−Ｓｉ＿３Ｎ＿４粉末とＹ＿２Ｏ＿３粉末とβ−
   ＳｉＣウィスカおよび不可避的不純物からなる混合粉末
   であって、α−Ｓｉ＿３Ｎ＿４とＹ＿２Ｏ＿３の重量比
   がα−Ｓｉ＿３Ｎ＿４：Ｙ＿２Ｏ＿３＝９５：５〜８７
   ：１３、α−Ｓｉ＿３Ｎ＿４粉末とＹ＿２Ｏ＿３粉末の
   体積とβ−ＳｉＣウィスカの体積の比がα−Ｓｉ＿３Ｎ
   ＿４＋Ｙ＿２Ｏ＿３：β−ＳｉＣウィスカ＝８４：１６
   〜６５：３５である混合粉末を型内で昇温し、１０００
   ℃以上の温度で型内に窒素ガスを充填し、１８００〜１
   ８５０℃の範囲の温度および２０ＭＰａ以上の圧力でα
   −Ｓｉ＿３Ｎ＿４の９５％以上がβ−Ｓｉ＿３Ｎ＿４に
   転移するまで加圧保持することを特徴とするβ−ＳｉＣ
   ウィスカ／β−Ｓｉ＿３Ｎ＿４複合体の製造方法。