JPH0680470A - 窒化ケイ素焼結体の製造方法 - Google Patents
窒化ケイ素焼結体の製造方法Info
- Publication number
- JPH0680470A JPH0680470A JP5103662A JP10366293A JPH0680470A JP H0680470 A JPH0680470 A JP H0680470A JP 5103662 A JP5103662 A JP 5103662A JP 10366293 A JP10366293 A JP 10366293A JP H0680470 A JPH0680470 A JP H0680470A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- silicon nitride
- sintering
- sintered body
- powder
- nitrogen gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/58—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
- C04B35/584—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/58—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
- C04B35/584—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride
- C04B35/593—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride obtained by pressure sintering
- C04B35/5935—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride obtained by pressure sintering obtained by gas pressure sintering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
- C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
- C04B35/62625—Wet mixtures
- C04B35/6263—Wet mixtures characterised by their solids loadings, i.e. the percentage of solids
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3205—Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
- C04B2235/3206—Magnesium oxides or oxide-forming salts thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3217—Aluminum oxide or oxide forming salts thereof, e.g. bauxite, alpha-alumina
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3217—Aluminum oxide or oxide forming salts thereof, e.g. bauxite, alpha-alumina
- C04B2235/3222—Aluminates other than alumino-silicates, e.g. spinel (MgAl2O4)
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3224—Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
- C04B2235/3225—Yttrium oxide or oxide-forming salts thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/38—Non-oxide ceramic constituents or additives
- C04B2235/3852—Nitrides, e.g. oxynitrides, carbonitrides, oxycarbonitrides, lithium nitride, magnesium nitride
- C04B2235/3865—Aluminium nitrides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/38—Non-oxide ceramic constituents or additives
- C04B2235/3852—Nitrides, e.g. oxynitrides, carbonitrides, oxycarbonitrides, lithium nitride, magnesium nitride
- C04B2235/3873—Silicon nitrides, e.g. silicon carbonitride, silicon oxynitride
- C04B2235/3878—Alpha silicon nitrides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
- C04B2235/54—Particle size related information
- C04B2235/5418—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
- C04B2235/5445—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof submicron sized, i.e. from 0,1 to 1 micron
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/60—Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
- C04B2235/602—Making the green bodies or pre-forms by moulding
- C04B2235/6022—Injection moulding
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/60—Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
- C04B2235/604—Pressing at temperatures other than sintering temperatures
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
- C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
- C04B2235/6567—Treatment time
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
- C04B2235/658—Atmosphere during thermal treatment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
- C04B2235/66—Specific sintering techniques, e.g. centrifugal sintering
- C04B2235/661—Multi-step sintering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
- C04B2235/74—Physical characteristics
- C04B2235/77—Density
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
- C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
- Valve-Gear Or Valve Arrangements (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 自動車エンジン部品や軸受等として満足すべ
き信頼性を得るに十分な強度特性を備えた窒化ケイ素焼
結体の製造方法を提供する。 【構成】 焼結助剤として酸化イットリウムと、スピネ
ルと、酸化アルミニウム及び/又は窒化アルミニウムと
を、金属元素のモル比に換算して、Y/(Al+Mg)が
0.23〜0.85且つAl/Mgが2.1〜5.2となる
ように配合し、この焼結助剤5.0〜13.0重量%とα
結晶化率60%以上の窒化ケイ素粉末87.0〜95.0
重量%とを混合し、得られた混合粉末からなる成形体を
窒素ガス又は窒素ガスを含む不活性ガス雰囲気中140
0〜1650℃で焼結する。
き信頼性を得るに十分な強度特性を備えた窒化ケイ素焼
結体の製造方法を提供する。 【構成】 焼結助剤として酸化イットリウムと、スピネ
ルと、酸化アルミニウム及び/又は窒化アルミニウムと
を、金属元素のモル比に換算して、Y/(Al+Mg)が
0.23〜0.85且つAl/Mgが2.1〜5.2となる
ように配合し、この焼結助剤5.0〜13.0重量%とα
結晶化率60%以上の窒化ケイ素粉末87.0〜95.0
重量%とを混合し、得られた混合粉末からなる成形体を
窒素ガス又は窒素ガスを含む不活性ガス雰囲気中140
0〜1650℃で焼結する。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、窒化ケイ素焼結体の製
造方法、特に自動車エンジン部品や軸受等への適用が可
能な高強度の窒化ケイ素焼結体を製造する方法に関す
る。
造方法、特に自動車エンジン部品や軸受等への適用が可
能な高強度の窒化ケイ素焼結体を製造する方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】窒化ケイ素焼結体は、室温及び高温での
強度、耐熱性、耐熱衝撃性、耐食性等に優れていること
から、自動車用エンジン部品やガスタービン部品等とし
て期待され、一部ではターボチャージャー等として実用
化されている。又、金属材料に比べ軽量で耐摩耗性にも
優れているため、摺動材料としても注目されており、ピ
ストンリングやバルブ等の自動車部品あるいは軸受等の
機械部品への適用が進められている。
強度、耐熱性、耐熱衝撃性、耐食性等に優れていること
から、自動車用エンジン部品やガスタービン部品等とし
て期待され、一部ではターボチャージャー等として実用
化されている。又、金属材料に比べ軽量で耐摩耗性にも
優れているため、摺動材料としても注目されており、ピ
ストンリングやバルブ等の自動車部品あるいは軸受等の
機械部品への適用が進められている。
【0003】ところで、窒化ケイ素(Si3N4)は難焼結
性のため単独で焼結することは困難であるから、通常は
酸化イットリウム(Y2O3)、酸化アルミニウム(Al2O
3)、酸化マグネシウム(MgO)、スピネル(MgAl2O
4)等の焼結助剤を添加して焼結が行われる。焼結過程で
は、焼結助剤によって液相が形成され、その液相中にS
i3N4が溶解して析出する溶解析出機構により、焼結体
の微細構造が発現すると考えられている。従って、焼結
助剤の成分、組成、及び添加量によって得られる焼結体
の微細構造が変化し、同時に焼結体の特性も変化する。
性のため単独で焼結することは困難であるから、通常は
酸化イットリウム(Y2O3)、酸化アルミニウム(Al2O
3)、酸化マグネシウム(MgO)、スピネル(MgAl2O
4)等の焼結助剤を添加して焼結が行われる。焼結過程で
は、焼結助剤によって液相が形成され、その液相中にS
i3N4が溶解して析出する溶解析出機構により、焼結体
の微細構造が発現すると考えられている。従って、焼結
助剤の成分、組成、及び添加量によって得られる焼結体
の微細構造が変化し、同時に焼結体の特性も変化する。
【0004】そのため、従来から窒化ケイ素焼結体の特
性向上を図る手段の一つとして、焼結助剤の検討が行わ
れてきた。焼結助剤の選択により窒化ケイ素焼結体の強
度を向上させる方法の代表的なものとして、例えば特開
昭59−131579号公報には、窒化ケイ素70〜9
4重量%と、酸化イットリウム2重量%以上とスピネル
2重量%以上で且つ両者の合計が6〜30重量%である
混合粉末を、成形し、焼結する方法が開示されており、
この方法により曲げ強度が81〜95kgf/mm2の焼結体
が得られたことが記載されている。
性向上を図る手段の一つとして、焼結助剤の検討が行わ
れてきた。焼結助剤の選択により窒化ケイ素焼結体の強
度を向上させる方法の代表的なものとして、例えば特開
昭59−131579号公報には、窒化ケイ素70〜9
4重量%と、酸化イットリウム2重量%以上とスピネル
2重量%以上で且つ両者の合計が6〜30重量%である
混合粉末を、成形し、焼結する方法が開示されており、
この方法により曲げ強度が81〜95kgf/mm2の焼結体
が得られたことが記載されている。
【0005】又、特開平4−77363号公報には、窒
化ケイ素粉末91.5〜96.99重量%と、希土類元素
の酸化物粉末3〜8重量%及びスピネル粉末0.01〜
0.5重量%を混合し、成形した後、非酸化性雰囲気下
に1700〜1850℃で常圧焼結する方法が記載され
ている。この方法によれば、高温強度に優れた焼結体が
得られると記載されており、開示された4点曲げ強度は
室温において800〜1035MPa(81.6〜10
5.6kgf/mm2)、及び1300℃では600〜765M
Pa(61.2〜78.0kgf/mm2)の範囲にある。
化ケイ素粉末91.5〜96.99重量%と、希土類元素
の酸化物粉末3〜8重量%及びスピネル粉末0.01〜
0.5重量%を混合し、成形した後、非酸化性雰囲気下
に1700〜1850℃で常圧焼結する方法が記載され
ている。この方法によれば、高温強度に優れた焼結体が
得られると記載されており、開示された4点曲げ強度は
室温において800〜1035MPa(81.6〜10
5.6kgf/mm2)、及び1300℃では600〜765M
Pa(61.2〜78.0kgf/mm2)の範囲にある。
【0006】しかし、上記した2方法に代表される従来
の方法では、得られる窒化ケイ素焼結体の4点曲げ強度
は室温でせいぜい100kgf/mm2前後であり、摺動時に
過大な応力や衝撃が加わる危険性がある自動車エンジン
の動弁系部品や高速軸受等の用途を考えた場合、必ずし
も十分な強度に達しているとは言えなかった。
の方法では、得られる窒化ケイ素焼結体の4点曲げ強度
は室温でせいぜい100kgf/mm2前後であり、摺動時に
過大な応力や衝撃が加わる危険性がある自動車エンジン
の動弁系部品や高速軸受等の用途を考えた場合、必ずし
も十分な強度に達しているとは言えなかった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる従来の
事情に鑑み、自動車エンジン部品や軸受等の機械部品と
して満足すべき信頼性を得るに十分な強度特性を備えた
窒化ケイ素焼結体の製造方法を提供することを目的とす
る。
事情に鑑み、自動車エンジン部品や軸受等の機械部品と
して満足すべき信頼性を得るに十分な強度特性を備えた
窒化ケイ素焼結体の製造方法を提供することを目的とす
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明が提案する窒化ケイ素焼結体の製造方法にお
いては、焼結助剤として、酸化イットリウムと、スピネ
ルと、酸化アルミニウム及び/又は窒化アルミニウムと
を、金属元素のモル比に換算して、Y/(Al+Mg)が
0.23〜0.85且つAl/Mgが2.1〜5.2となる
ように配合し、この焼結助剤5.0〜13.0重量%とα
結晶化率60%以上の窒化ケイ素粉末87.0〜95.0
重量%とを混合し、得られた混合粉末からなる成形体を
窒素ガス又は窒素ガスを含む不活性ガス雰囲気中におい
て1400〜1650℃で焼結することを特徴とする。
め、本発明が提案する窒化ケイ素焼結体の製造方法にお
いては、焼結助剤として、酸化イットリウムと、スピネ
ルと、酸化アルミニウム及び/又は窒化アルミニウムと
を、金属元素のモル比に換算して、Y/(Al+Mg)が
0.23〜0.85且つAl/Mgが2.1〜5.2となる
ように配合し、この焼結助剤5.0〜13.0重量%とα
結晶化率60%以上の窒化ケイ素粉末87.0〜95.0
重量%とを混合し、得られた混合粉末からなる成形体を
窒素ガス又は窒素ガスを含む不活性ガス雰囲気中におい
て1400〜1650℃で焼結することを特徴とする。
【0009】
【作用】窒化ケイ素焼結体の強度について考える場合、
まず脆性材料の破壊に関する基本概念であるグリフィス
(Griffith)の理論に従えば、焼結体の破壊強度σfは
下記数1の数式で与えられる:
まず脆性材料の破壊に関する基本概念であるグリフィス
(Griffith)の理論に従えば、焼結体の破壊強度σfは
下記数1の数式で与えられる:
【数1】σf=E・γs/4a (E:ヤング率、γs:破壊の表面エネルギー、a:先
在亀裂長さ) ここで、γsとaについては、工程上不可避な欠陥によ
る寄与を排除すれば、結晶粒径及び結晶粒の充填密度に
依存すると考えられるから、結晶粒の微細化を図り且つ
その充填性を向上させることにより、γsの増加とaの
減少が期待でき、その結果として焼結体の強度が向上す
るものと考えられる。
在亀裂長さ) ここで、γsとaについては、工程上不可避な欠陥によ
る寄与を排除すれば、結晶粒径及び結晶粒の充填密度に
依存すると考えられるから、結晶粒の微細化を図り且つ
その充填性を向上させることにより、γsの増加とaの
減少が期待でき、その結果として焼結体の強度が向上す
るものと考えられる。
【0010】一方、窒化ケイ素の焼結過程では、140
0℃以上の温度でSi3N4が低温安定型のα相から高温
安定型のβ相に結晶変態を起こし、結晶粒の成長に伴っ
て収縮が生じると共に緻密化が進行する。又、焼結温度
が高くなる程、結晶成長が促進され、結晶粒が粗大化す
る。従って、微細且つ均一な結晶粒により構成される緻
密な焼結体を得るためには、α型からβ型への結晶変態
に先行して緻密化を十分に進行させ、同時に最終的な焼
結温度を低く抑えることが重要となる。
0℃以上の温度でSi3N4が低温安定型のα相から高温
安定型のβ相に結晶変態を起こし、結晶粒の成長に伴っ
て収縮が生じると共に緻密化が進行する。又、焼結温度
が高くなる程、結晶成長が促進され、結晶粒が粗大化す
る。従って、微細且つ均一な結晶粒により構成される緻
密な焼結体を得るためには、α型からβ型への結晶変態
に先行して緻密化を十分に進行させ、同時に最終的な焼
結温度を低く抑えることが重要となる。
【0011】そこで焼結助剤の作用を考えると、まずス
ピネル(MgAl2O4)は、窒化ケイ素の結晶変態に先行
して焼結体の緻密化を促進する作用がある。同様の作用
効果は酸化マグネシウム(MgO)にも認められるので、
焼結助剤成分へのMgの導入がかかる作用効果を発現し
ていると考えられる。しかし、MgOは蒸気圧が高いた
め焼結時に揮散しやすく、揮散が起こると焼結体強度の
ばらつきが増大し、更に表面変質の原因となることが知
られており、MgAl2O4においても加熱によりMgO
を遊離するので同様の問題が生じる結果となる。
ピネル(MgAl2O4)は、窒化ケイ素の結晶変態に先行
して焼結体の緻密化を促進する作用がある。同様の作用
効果は酸化マグネシウム(MgO)にも認められるので、
焼結助剤成分へのMgの導入がかかる作用効果を発現し
ていると考えられる。しかし、MgOは蒸気圧が高いた
め焼結時に揮散しやすく、揮散が起こると焼結体強度の
ばらつきが増大し、更に表面変質の原因となることが知
られており、MgAl2O4においても加熱によりMgO
を遊離するので同様の問題が生じる結果となる。
【0012】これに対して本発明方法では、スピネル
(MgAl2O4)に、酸化アルミニウム(Al2O3)か又は
窒化アルミニウム(AlN)のいずれか一方又はその両方
を共存させることで、MgOの揮散による上記問題を解
消することができた。Al2O3又はAlNの添加により
MgOの遊離及び揮散が防止される理由は明らかでない
が、Alの増加によりMgAl2O4が安定化されるもの
と考えられる。しかし、焼結助剤中の金属元素のAlと
Mgのモル比:即ちAl/Mgが2.1未満ではMgO
の遊離及び揮散を防げず、焼結体の強度のばらつきや表
面変質が著しくなり、逆に5.2を越えると粗大結晶粒
の析出により、焼結体の強度劣化を招く。
(MgAl2O4)に、酸化アルミニウム(Al2O3)か又は
窒化アルミニウム(AlN)のいずれか一方又はその両方
を共存させることで、MgOの揮散による上記問題を解
消することができた。Al2O3又はAlNの添加により
MgOの遊離及び揮散が防止される理由は明らかでない
が、Alの増加によりMgAl2O4が安定化されるもの
と考えられる。しかし、焼結助剤中の金属元素のAlと
Mgのモル比:即ちAl/Mgが2.1未満ではMgO
の遊離及び揮散を防げず、焼結体の強度のばらつきや表
面変質が著しくなり、逆に5.2を越えると粗大結晶粒
の析出により、焼結体の強度劣化を招く。
【0013】又、焼結助剤としての酸化イットリウム
(Y2O3)は、結晶変態により生成する柱状のβ型窒化ケ
イ素のアスペクト比を増加させる効果があり、焼結体の
強度向上に寄与している。しかし、Y2O3単独では焼結
性が低いため、必然的に焼結温度を高くしなければなら
ない。ところが、焼結温度の上昇は結晶粒の粗大化を招
くため、焼結体の強度低下の大きな原因となる。
(Y2O3)は、結晶変態により生成する柱状のβ型窒化ケ
イ素のアスペクト比を増加させる効果があり、焼結体の
強度向上に寄与している。しかし、Y2O3単独では焼結
性が低いため、必然的に焼結温度を高くしなければなら
ない。ところが、焼結温度の上昇は結晶粒の粗大化を招
くため、焼結体の強度低下の大きな原因となる。
【0014】この問題に対して本発明方法では、Y2O3
に加えてMgAl2O4とAl2O3及び/又はAlNを共
存させることにより、液相の生成温度が低下し、低温で
の焼結でもY2O3の作用を発現させることが可能となっ
た。しかし、焼結助剤中の金属元素YとAl及びMgと
のモル比:即ちY/(Al+Mg)が0.85を越える
と、Y2O3が多くなり過ぎるため焼結性が低下し、緻密
化が困難となる。又、上記モル比:即ちY/(Al+M
g)が0.23未満では、緻密化は達成されるものの、柱
状結晶の生成が不十分となり、焼結体の強度が低下す
る。
に加えてMgAl2O4とAl2O3及び/又はAlNを共
存させることにより、液相の生成温度が低下し、低温で
の焼結でもY2O3の作用を発現させることが可能となっ
た。しかし、焼結助剤中の金属元素YとAl及びMgと
のモル比:即ちY/(Al+Mg)が0.85を越える
と、Y2O3が多くなり過ぎるため焼結性が低下し、緻密
化が困難となる。又、上記モル比:即ちY/(Al+M
g)が0.23未満では、緻密化は達成されるものの、柱
状結晶の生成が不十分となり、焼結体の強度が低下す
る。
【0015】この様に焼結助剤の成分、組成及び添加量
を制御することにより、本発明方法では1400〜16
50℃という従来に比べて非常に低い焼結温度で、十分
に緻密であり且つ微細で均一な結晶粒で構成された焼結
体が得られ、従来に無い高強度化が達成される。尚、焼
結温度が1400℃未満では焼結が十分進行せず、16
50℃を越えると粗大結晶粒の析出及び焼結助剤の揮散
が激しくなり、焼結体強度の低下をもたらす。又、焼結
温度の選択に関して、好ましくは、まず1400〜15
00℃の焼結により焼結体の収縮を十分に進行させた
後、1500〜1650℃の焼結で結晶変態による微細
組織を生じさせれば、一層強度特性の優れた焼結体を得
ることができる。
を制御することにより、本発明方法では1400〜16
50℃という従来に比べて非常に低い焼結温度で、十分
に緻密であり且つ微細で均一な結晶粒で構成された焼結
体が得られ、従来に無い高強度化が達成される。尚、焼
結温度が1400℃未満では焼結が十分進行せず、16
50℃を越えると粗大結晶粒の析出及び焼結助剤の揮散
が激しくなり、焼結体強度の低下をもたらす。又、焼結
温度の選択に関して、好ましくは、まず1400〜15
00℃の焼結により焼結体の収縮を十分に進行させた
後、1500〜1650℃の焼結で結晶変態による微細
組織を生じさせれば、一層強度特性の優れた焼結体を得
ることができる。
【0016】又、焼結雰囲気は通常のごとく窒素ガス又
は窒素ガスを含む不活性雰囲気であるが、上記のごとく
焼結温度が窒化ケイ素の分解温度である1800℃より
も相当低いので、従来から窒化ケイ素の分解防止の方法
として取られていた雰囲気の加圧が必要なくなる。即
ち、本発明方法では焼結雰囲気を必ずしも加圧する必要
はなく、焼結雰囲気が大気圧か、若しくは1.0〜1.1
気圧の大気圧付近の圧力でも、強度特性に優れた良好な
窒化ケイ素焼結体を得ることが可能である。
は窒素ガスを含む不活性雰囲気であるが、上記のごとく
焼結温度が窒化ケイ素の分解温度である1800℃より
も相当低いので、従来から窒化ケイ素の分解防止の方法
として取られていた雰囲気の加圧が必要なくなる。即
ち、本発明方法では焼結雰囲気を必ずしも加圧する必要
はなく、焼結雰囲気が大気圧か、若しくは1.0〜1.1
気圧の大気圧付近の圧力でも、強度特性に優れた良好な
窒化ケイ素焼結体を得ることが可能である。
【0017】次に、原料粉末である窒化ケイ素(Si3N
4)の粉末については、焼結性を向上させるために、α結
晶化率が60%以上、好ましくは70%以上のものを使
用する。α結晶化率が60%未満では焼結性が低下し、
且つ焼結温度を上昇させるとβ結晶の不均一成長が生じ
て強度が低下するので好ましくない。尚、一般的にはα
結晶化率の高い窒化ケイ素粉末ほど、粉末製造における
結晶化工程での温度制御を厳密にコントロールする必要
があるため生産性が悪くなり、コストが高くなる傾向に
あるので、工業生産におけるコストを考慮すればα結晶
化率が70〜95%程度の窒化ケイ素粉末を使用するこ
とが好ましい。
4)の粉末については、焼結性を向上させるために、α結
晶化率が60%以上、好ましくは70%以上のものを使
用する。α結晶化率が60%未満では焼結性が低下し、
且つ焼結温度を上昇させるとβ結晶の不均一成長が生じ
て強度が低下するので好ましくない。尚、一般的にはα
結晶化率の高い窒化ケイ素粉末ほど、粉末製造における
結晶化工程での温度制御を厳密にコントロールする必要
があるため生産性が悪くなり、コストが高くなる傾向に
あるので、工業生産におけるコストを考慮すればα結晶
化率が70〜95%程度の窒化ケイ素粉末を使用するこ
とが好ましい。
【0018】又、窒化ケイ素粉末と上記焼結助剤の配合
割合は、窒化ケイ素粉末が87.0〜95.0重量%、好
ましくは89.0〜93.0重量%、及び焼結助剤が5.
0〜13.0重量%、好ましくは7.0〜11.0重量%
とする。焼結助剤が5.0重量%未満では緻密な焼結体
が得られず、一方焼結助剤が13.0重量%を越えると
粒界相の割合が多くなり過ぎるため、焼結体強度が低下
するからである。
割合は、窒化ケイ素粉末が87.0〜95.0重量%、好
ましくは89.0〜93.0重量%、及び焼結助剤が5.
0〜13.0重量%、好ましくは7.0〜11.0重量%
とする。焼結助剤が5.0重量%未満では緻密な焼結体
が得られず、一方焼結助剤が13.0重量%を越えると
粒界相の割合が多くなり過ぎるため、焼結体強度が低下
するからである。
【0019】窒化ケイ素粉末と焼結助剤の混合方法及び
成形方法については、特に制約は無い。通常のごとく乾
式又は湿式により混合し、混合粉末をプレス成形、CI
P成形、射出成形、鋳込み成形等により成形することが
できる。好ましくは、湿式混合したスラリーをそのまま
加圧鋳込み成形すれば、工程が簡略化でき、しかも高密
度な成形体が得られるので好都合である。
成形方法については、特に制約は無い。通常のごとく乾
式又は湿式により混合し、混合粉末をプレス成形、CI
P成形、射出成形、鋳込み成形等により成形することが
できる。好ましくは、湿式混合したスラリーをそのまま
加圧鋳込み成形すれば、工程が簡略化でき、しかも高密
度な成形体が得られるので好都合である。
【0020】特に、湿式混合においては、窒化ケイ素粉
末と前記焼結助剤とを水を溶媒として、アルカリ又は酸
の添加により混合スラリーのpHを8.0以上、好まし
くはpH8.5以上に調整することにより、粉末の分散
性が著しく向上し、極めて均一な混合粉末が得られる。
pH8.0未満では粉末の凝集が生じ、高い均一性が得
られない。尚、pH8.0以上に調整した場合でも、窒
化ケイ素粉末の平均粒径が1.0μmを越えると粗大粒
子による焼結助剤の偏在が生じるので、平均粒径1.0
μm以下の窒化ケイ素粉末を用いることが好ましい。
末と前記焼結助剤とを水を溶媒として、アルカリ又は酸
の添加により混合スラリーのpHを8.0以上、好まし
くはpH8.5以上に調整することにより、粉末の分散
性が著しく向上し、極めて均一な混合粉末が得られる。
pH8.0未満では粉末の凝集が生じ、高い均一性が得
られない。尚、pH8.0以上に調整した場合でも、窒
化ケイ素粉末の平均粒径が1.0μmを越えると粗大粒
子による焼結助剤の偏在が生じるので、平均粒径1.0
μm以下の窒化ケイ素粉末を用いることが好ましい。
【0021】本発明方法では、上記のごとく混合及び成
形を経て作製された成形体を、窒素ガス又は窒素ガスを
含む不活性ガス雰囲気中において1400〜1650℃
で焼結するのであるが、得られた焼結体を更に10気圧
以上の窒素ガス雰囲気中において1400〜1650℃
で相対密度99%以上となるように2次焼結することに
より、一層強度を高め且つ強度のばらつきを減少させる
ことができる。尚、2次焼結温度が1400℃未満であ
るか窒素ガス雰囲気圧力が10気圧未満、若しくは2次
焼結後の相対密度が99%未満である場合には、2次焼
結による効果が十分に得られず、又2次焼結温度が16
50℃を越えると結晶粒の粗大化が顕著になり強度の劣
化やばらつきが大きくなる。
形を経て作製された成形体を、窒素ガス又は窒素ガスを
含む不活性ガス雰囲気中において1400〜1650℃
で焼結するのであるが、得られた焼結体を更に10気圧
以上の窒素ガス雰囲気中において1400〜1650℃
で相対密度99%以上となるように2次焼結することに
より、一層強度を高め且つ強度のばらつきを減少させる
ことができる。尚、2次焼結温度が1400℃未満であ
るか窒素ガス雰囲気圧力が10気圧未満、若しくは2次
焼結後の相対密度が99%未満である場合には、2次焼
結による効果が十分に得られず、又2次焼結温度が16
50℃を越えると結晶粒の粗大化が顕著になり強度の劣
化やばらつきが大きくなる。
【0022】
【実施例】実施例1 平均粒径0.5μmでα結晶化率95%のSi3N4粉末
に対して、焼結助剤として平均粒径0.7μmのY2O3
粉末、平均粒径0.3μmのAl2O3粉末、平均粒径0.
8μmのAlN粉末、及び平均粒径0.6μmのMgA
l2O4粉末を、下記表1に示す組成で添加した。
に対して、焼結助剤として平均粒径0.7μmのY2O3
粉末、平均粒径0.3μmのAl2O3粉末、平均粒径0.
8μmのAlN粉末、及び平均粒径0.6μmのMgA
l2O4粉末を、下記表1に示す組成で添加した。
【0023】
【表1】 試料 粉 末 組 成 (重量%) 金属元素のモル比 No. Si3N4 Y2O3 MgAl2O4 Al2O3 AlN Y/(Al+Mg) Al/Mg 1 91.0 3.4 4.9 0.7 − 0.26 2.4 2 91.0 4.2 4.2 0.6 − 0.37 2.4 3 91.0 5.0 3.5 0.5 − 0.53 2.4 4 91.0 5.5 3.0 0.4 0.1 0.66 2.5 5 91.0 5.8 2.8 0.4 − 0.77 2.4 6 91.0 5.0 3.8 0.2 − 0.53 2.2 7 91.0 5.0 2.5 1.5 − 0.54 3.7 8 91.0 5.0 2.5 0.5 1.0 0.51 4.0 9 91.0 5.0 2.0 2.0 − 0.54 4.8 10 89.0 6.1 4.3 0.6 − 0.53 2.4 11 93.0 3.9 2.7 0.4 − 0.53 2.4 12* 91.0 2.6 5.6 0.8 − 0.17 2.4 13* 91.0 6.6 2.1 0.3 − 1.17 2.4 14* 91.0 5.0 4.0 − − 0.53 2.0 15* 91.0 5.0 1.8 2.2 − 0.55 5.4 16* 91.0 5.0 1.2 2.2 0.6 0.53 8.9 17* 85.0 8.3 5.9 0.7 0.1 0.52 2.4 18* 96.0 2.2 1.6 0.2 − 0.52 2.3 (注)表中の*を付した試料は比較例である。
【0024】表1の各組成に調整したSi3N4粉末と焼
結助剤の混合粉末に、湿式混合のため粉末濃度が30体
積%となるようにイオン交換水を加え、次にポリカルボ
ン酸アンモニウム系の解膠剤及びアクリル系バインダー
をそれぞれ総粉末量の0.5重量%添加した。更に、ア
ンモニアによりpHを9.5に調整した後、ナイロン製
ボールミルにより100rpmで24時間撹拌混合した。
結助剤の混合粉末に、湿式混合のため粉末濃度が30体
積%となるようにイオン交換水を加え、次にポリカルボ
ン酸アンモニウム系の解膠剤及びアクリル系バインダー
をそれぞれ総粉末量の0.5重量%添加した。更に、ア
ンモニアによりpHを9.5に調整した後、ナイロン製
ボールミルにより100rpmで24時間撹拌混合した。
【0025】得られた各混合スラリーを30kg/cm2の
圧力で加圧鋳込み成形し、成形体を作製した。成形体を
乾燥及び脱脂した後、1気圧の窒素ガス雰囲気中におい
て、1450℃で5時間及び引き続き1550℃で3時
間焼結した。得られた焼結体を、更に1000気圧の窒
素ガス雰囲気中において、1600℃で1時間の2次焼
結を行った。
圧力で加圧鋳込み成形し、成形体を作製した。成形体を
乾燥及び脱脂した後、1気圧の窒素ガス雰囲気中におい
て、1450℃で5時間及び引き続き1550℃で3時
間焼結した。得られた焼結体を、更に1000気圧の窒
素ガス雰囲気中において、1600℃で1時間の2次焼
結を行った。
【0026】得られた各焼結体からJIS R−160
1に準拠した3×4×4mmの抗折試験片を切り出し、
各試験片を#800のダイヤモンド砥石により研削加工
仕上げを行った後、引張面については更に#3000の
ダイヤモンドペーストによりラッピング仕上げを施し、
各試料毎に各々15本の試験片について室温における4
点曲げ強度を測定した。各試料の4点曲げ強度(平均
値)、並びに強度のばらつき度合を表すワイブル係数、
焼結体の相対密度、及び2次焼結体の相対密度を下記表
2に示した。
1に準拠した3×4×4mmの抗折試験片を切り出し、
各試験片を#800のダイヤモンド砥石により研削加工
仕上げを行った後、引張面については更に#3000の
ダイヤモンドペーストによりラッピング仕上げを施し、
各試料毎に各々15本の試験片について室温における4
点曲げ強度を測定した。各試料の4点曲げ強度(平均
値)、並びに強度のばらつき度合を表すワイブル係数、
焼結体の相対密度、及び2次焼結体の相対密度を下記表
2に示した。
【0027】
【表2】 試料 焼結体相対 2次焼結体 4点曲げ強度 ワイブルNo. 密度 (%) 相対密度(%) (kgf/mm2) 係 数 1 98.2 100 144.3 20.5 2 98.0 100 152.3 23.9 3 98.0 100 159.3 24.1 4 97.6 99.6 153.9 24.2 5 97.0 99.0 143.5 21.8 6 98.1 100 154.8 23.6 7 97.6 99.8 151.3 23.1 8 97.8 100 153.4 21.7 9 97.3 99.5 143.8 20.3 10 98.5 100 150.2 22.8 11 96.3 99.1 142.2 21.6 12* 98.5 100 100.3 16.2 13* 94.4 95.2 82.7 10.4 14* 98.0 99.3 103.6 14.5 15* 97.0 99.0 100.1 15.6 16* 96.5 99.0 98.2 13.2 17* 98.9 100 104.9 16.6 18* 93.7 94.0 78.5 12.1 (注)表中の*を付した試料は比較例である。
【0028】上記表2の結果から、焼結助剤の成分、組
成、更に焼結助剤中の金属元素のモル比:Y/(Al+
Mg)及びAl/Mgが、本発明の範囲内にある場合
に、特に優れた強度特性の焼結体が得られることが判
る。尚、ワイブル係数の値が大きい程、強度のばらつき
は小さい。
成、更に焼結助剤中の金属元素のモル比:Y/(Al+
Mg)及びAl/Mgが、本発明の範囲内にある場合
に、特に優れた強度特性の焼結体が得られることが判
る。尚、ワイブル係数の値が大きい程、強度のばらつき
は小さい。
【0029】実施例2 実施例1の表1における試料No.3の組成に調整した
混合粉末を、実施例1と同様の方法により成形体とし、
得られた成形体を窒素ガス雰囲気中において下記表3に
示す条件で焼結し、更に得られた焼結体の幾つかについ
ては表3に示す条件で2次焼結を行った。
混合粉末を、実施例1と同様の方法により成形体とし、
得られた成形体を窒素ガス雰囲気中において下記表3に
示す条件で焼結し、更に得られた焼結体の幾つかについ
ては表3に示す条件で2次焼結を行った。
【0030】
【表3】 試料 焼 結 条 件 2 次 焼 結 条 件 No. 圧 力 温 度 × 時 間 圧 力 温 度×時 間 3a 1気圧 1450℃×4h+1630℃×3h − − 3b 同上 同上 100気圧 1650℃×1h 3c 同上 同上 6気圧 同上 3d 5気圧 同上 − − 3e* 1気圧 1450℃×4h+1700℃×3h − − 3f* 同上 1350℃×7h − − (注)表中の*を付した試料は比較例である。
【0031】得られた各焼結体を、実施例1と同様の方
法により評価した結果を下記表4に示した。下記表4の
結果から、本発明の焼結条件に従えば強度特性に優れた
焼結体が得られること、及び圧力が10気圧以上での2
次焼結により焼結体が更に高強度化され、強度のばらつ
きも改善されることが判る。
法により評価した結果を下記表4に示した。下記表4の
結果から、本発明の焼結条件に従えば強度特性に優れた
焼結体が得られること、及び圧力が10気圧以上での2
次焼結により焼結体が更に高強度化され、強度のばらつ
きも改善されることが判る。
【0032】
【表4】 試料 焼結体相対 2次焼結体 4点曲げ強度 ワイブルNo. 密度 (%) 相対密度(%) (kgf/mm2) 係 数 3a 98.9 − 135.7 21.5 3b 98.9 100 156.2 24.8 3c 98.9 98.9 136.8 21.8 3d 98.9 − 135.2 21.6 3e* 99.3 − 105.4 12.3 3f* 92.3 − 50.4 11.0 (注)表中の*を付した試料は比較例である。
【0033】上記No.3bの試料について、高温での
4点曲げ強度を測定したところ、1000℃では110
kgf/mm2、及び1200℃では105kgf/mm2であっ
た。これらの値は、従来知られている窒化ケイ素焼結体
の高温強度よりも優れたものである。
4点曲げ強度を測定したところ、1000℃では110
kgf/mm2、及び1200℃では105kgf/mm2であっ
た。これらの値は、従来知られている窒化ケイ素焼結体
の高温強度よりも優れたものである。
【0034】実施例3 実施例1の表1における試料No.3、7及び10の組
成に調整した各混合粉末にイオン交換水を加え、実施例
1と同様の方法により湿式混合を行った。ただし、混合
スラリーのpHは、アンモニア及び塩酸水溶液により表
5に示す値に調整した。得られた各スラリーを脱泡後、
粘度測定を行い、粉末の分散状態を評価した。又、各ス
ラリーを30kg/cm2の圧力で鋳込み成形し、得られた
成形体を乾燥及び脱脂した後、相対密度を測定した結果
を表5に示した。
成に調整した各混合粉末にイオン交換水を加え、実施例
1と同様の方法により湿式混合を行った。ただし、混合
スラリーのpHは、アンモニア及び塩酸水溶液により表
5に示す値に調整した。得られた各スラリーを脱泡後、
粘度測定を行い、粉末の分散状態を評価した。又、各ス
ラリーを30kg/cm2の圧力で鋳込み成形し、得られた
成形体を乾燥及び脱脂した後、相対密度を測定した結果
を表5に示した。
【0035】
【表5】
【0036】上記表5に示す結果から、混合スラリーの
pHを8.0以上にして湿式混合することにより、混合
粉末の分散性向上に伴う大幅な粘度の低下が認められ、
従って鋳込み成形により高密度な成形体が得られること
が判る。又、この粘度低下及び成形体の高密度化の効果
は、pHを8.5以上とすることで更に向上することが
判る。
pHを8.0以上にして湿式混合することにより、混合
粉末の分散性向上に伴う大幅な粘度の低下が認められ、
従って鋳込み成形により高密度な成形体が得られること
が判る。又、この粘度低下及び成形体の高密度化の効果
は、pHを8.5以上とすることで更に向上することが
判る。
【0037】実施例4 表6に示す各種のα結晶化率を有する平均粒径0.5μ
mのSi3N4粉末と、焼結助剤として平均粒径0.7μ
mのY2O3粉末、平均粒径0.3μmのAl2O3粉末、
及び平均粒径0.6μmのMgAl2O4粉末を使用し
た。
mのSi3N4粉末と、焼結助剤として平均粒径0.7μ
mのY2O3粉末、平均粒径0.3μmのAl2O3粉末、
及び平均粒径0.6μmのMgAl2O4粉末を使用し
た。
【0038】
【表6】 Si3N4粉末 A B C D E F α結晶化率(%) 88 72 63 54 38 0
【0039】上記Si3N4粉末91.0重量%と、焼結
助剤のY2O3粉末5.1重量%、Al2O3粉末0.4重量
%、及びMgAl2O4粉末3.5重量%とを混合し、こ
の混合粉末を実施例1と同様の方法により混合、成形、
焼結、及び2次焼結した。尚、焼結助剤中の金属元素の
モル比は、Y/(Al+Mg)が0.55及びAl/Mg
が2.3になっている。得られた各焼結体について、実
施例1と同様に評価した結果を表7に示した。
助剤のY2O3粉末5.1重量%、Al2O3粉末0.4重量
%、及びMgAl2O4粉末3.5重量%とを混合し、こ
の混合粉末を実施例1と同様の方法により混合、成形、
焼結、及び2次焼結した。尚、焼結助剤中の金属元素の
モル比は、Y/(Al+Mg)が0.55及びAl/Mg
が2.3になっている。得られた各焼結体について、実
施例1と同様に評価した結果を表7に示した。
【0040】
【表7】 試料 焼結体相対 2次焼結体 4点曲げ強度 ワイブルNo. 密度 (%) 相対密度(%) (kgf/mm2) 係 数 A 98.1 100 157.6 24.9 B 98.0 100 158.9 25.5 C 96.7 99.0 143.8 20.3 D* 95.5 97.3 89.0 10.4 E* 91.0 93.2 51.3 9.5 F* 78.3 79.0 20.0 9.7 (注)表中の*を付した試料は比較例である。
【0041】上記表7の結果から、原料のSi3N4粉末
としてα結晶化率が60%以上である粉末を使用した本
発明の各焼結体は、特に優れた曲げ強度を有し、しかも
強度のばらつきが小さいことが判る。
としてα結晶化率が60%以上である粉末を使用した本
発明の各焼結体は、特に優れた曲げ強度を有し、しかも
強度のばらつきが小さいことが判る。
【0042】
【発明の効果】本発明によれば、従来のものに比べ非常
に高い強度を有し、且つ強度のばらつきが小さく、信頼
性の高い窒化ケイ素焼結体を製造することができる。従
って、本発明による窒化ケイ素焼結体は、自動車エンジ
ンの動弁系部品や軸受等の機械部品のような用途に好適
である。
に高い強度を有し、且つ強度のばらつきが小さく、信頼
性の高い窒化ケイ素焼結体を製造することができる。従
って、本発明による窒化ケイ素焼結体は、自動車エンジ
ンの動弁系部品や軸受等の機械部品のような用途に好適
である。
Claims (6)
- 【請求項1】 焼結助剤として、酸化イットリウムと、
スピネルと、酸化アルミニウム及び/又は窒化アルミニ
ウムとを、金属元素のモル比に換算して、Y/(Al+
Mg)が0.23〜0.85且つAl/Mgが2.1〜5.
2となるように配合し、この焼結助剤5.0〜13.0重
量%とα結晶化率60%以上の窒化ケイ素粉末87.0
〜95.0重量%とを混合し、得られた混合粉末からな
る成形体を窒素ガス又は窒素ガスを含む不活性ガス雰囲
気中において1400〜1650℃で焼結することを特
徴とする窒化ケイ素焼結体の製造方法。 - 【請求項2】 α結晶化率が70〜95%の窒化ケイ素
粉末を使用することを特徴とする、請求項1に記載の窒
化ケイ素焼結体の製造方法。 - 【請求項3】 窒化ケイ素粉末の平均粒径が1.0μm
以下であり、この窒化ケイ素粉末と前記焼結助剤とを水
を溶媒として湿式混合するに際し、混合スラリーのpH
を8.0以上に調整することを特徴とする、請求項1又
は2に記載の窒化ケイ素焼結体の製造方法。 - 【請求項4】 焼結時における窒素ガス又は窒素ガスを
含む不活性ガスからなる雰囲気の圧力が、大気圧若しく
は1.0〜1.1気圧の範囲であることを特徴とする、請
求項1〜3のいずれかに記載の窒化ケイ素焼結体の製造
方法。 - 【請求項5】 焼結工程において、1400〜1500
℃での焼結に引き続き、1500〜1650℃で焼結す
ることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の
窒化ケイ素焼結体の製造方法。 - 【請求項6】 請求項1ないし5に記載の方法により得
られた焼結体を、更に10気圧以上の窒素ガス雰囲気中
において1400〜1650℃で相対密度99%以上と
なるように2次焼結することを特徴とする窒素ケイ素焼
結体の製造方法。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5103662A JPH0680470A (ja) | 1992-07-17 | 1993-04-06 | 窒化ケイ素焼結体の製造方法 |
US08/091,192 US5394015A (en) | 1992-07-17 | 1993-07-14 | Method of producing sintered silicon nitrides |
EP93305614A EP0579509B1 (en) | 1992-07-17 | 1993-07-16 | Method of producing sintered silicon nitrides |
DE69302771T DE69302771T2 (de) | 1992-07-17 | 1993-07-16 | Verfahren zur Herstellung von gesintertem Siliciumnitrid |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4-213386 | 1992-07-17 | ||
JP21338692 | 1992-07-17 | ||
JP5103662A JPH0680470A (ja) | 1992-07-17 | 1993-04-06 | 窒化ケイ素焼結体の製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0680470A true JPH0680470A (ja) | 1994-03-22 |
Family
ID=26444277
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP5103662A Pending JPH0680470A (ja) | 1992-07-17 | 1993-04-06 | 窒化ケイ素焼結体の製造方法 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5394015A (ja) |
EP (1) | EP0579509B1 (ja) |
JP (1) | JPH0680470A (ja) |
DE (1) | DE69302771T2 (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11100275A (ja) * | 1997-09-26 | 1999-04-13 | Kyocera Corp | 低熱膨張セラミックスおよびその製造方法 |
WO2009128386A1 (ja) | 2008-04-18 | 2009-10-22 | 株式会社東芝 | 耐摩耗性部材、耐摩耗性機器および耐摩耗性部材の製造方法 |
WO2011102298A1 (ja) | 2010-02-16 | 2011-08-25 | 株式会社東芝 | 耐摩耗性部材およびその製造方法 |
WO2021235343A1 (ja) * | 2020-05-20 | 2021-11-25 | 株式会社 東芝 | 窒化珪素焼結体およびそれを用いた耐摩耗性部材並びに窒化珪素焼結体の製造方法 |
Families Citing this family (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2829229B2 (ja) * | 1993-10-25 | 1998-11-25 | 株式会社東芝 | 窒化ケイ素系セラミックス焼結体 |
JPH07223865A (ja) * | 1994-02-10 | 1995-08-22 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 窒化ケイ素系焼結体及びその製造方法 |
JPH082907A (ja) * | 1994-06-20 | 1996-01-09 | Ube Ind Ltd | 窒化ケイ素粉末 |
JPH082974A (ja) * | 1994-06-20 | 1996-01-09 | Ngk Insulators Ltd | 窒化珪素焼結体の製造方法 |
JP3624225B2 (ja) * | 1994-10-04 | 2005-03-02 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 窒化ケイ素系又はサイアロン系のセラミックス及びその成形法 |
CN1086218C (zh) * | 1994-11-14 | 2002-06-12 | 住友电气工业株式会社 | 陶瓷滑动部件 |
AU4658700A (en) * | 1999-04-23 | 2000-11-10 | Mai H. Doan-Trinh | Method of manufacturing a ceramic valve ball |
CA2315595A1 (en) * | 2000-08-08 | 2002-02-08 | Daniel G. Pomerleau | Improvements in variable valve timing systems |
JP2003034581A (ja) * | 2001-07-24 | 2003-02-07 | Toshiba Corp | 窒化けい素製耐摩耗性部材およびその製造方法 |
US20040043888A1 (en) * | 2002-08-28 | 2004-03-04 | Noritake Co., Limited | Compositions and methods for making microporous ceramic materials |
ES2747476T3 (es) | 2011-09-30 | 2020-03-10 | Saint Gobain Ceramics | Cuerpo compuesto de nitruro de silicio |
DE102012207803A1 (de) * | 2012-05-10 | 2013-11-28 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Siliziumnitridkeramik und Verfahren zu deren Herstellung |
CN113024263B (zh) * | 2019-12-24 | 2022-11-29 | 新疆晶硕新材料有限公司 | 一种氮化硅复合配方粉、其制备方法及其制备装置 |
WO2021225158A1 (ja) * | 2020-05-07 | 2021-11-11 | Agc株式会社 | セラミックス焼結体の製造方法及びセラミックス焼結体 |
CN113135760B (zh) * | 2021-04-20 | 2022-03-08 | 中材高新氮化物陶瓷有限公司 | 一种氮化硅光纤结构件的制备方法 |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS523647B2 (ja) * | 1972-10-24 | 1977-01-29 | ||
JPS5823345B2 (ja) * | 1979-02-22 | 1983-05-14 | 株式会社東芝 | セラミックス焼結体の製造方法 |
JPS59131579A (ja) * | 1983-01-19 | 1984-07-28 | 日産自動車株式会社 | 窒化珪素質焼結体 |
US4624808A (en) * | 1984-05-15 | 1986-11-25 | Rockwell International Corporation | Forming a ceramic by flocculation and centrifugal casting |
JP2632046B2 (ja) * | 1989-08-08 | 1997-07-16 | トヨタ自動車株式会社 | 窒化珪素焼結体の製造方法 |
JP2734755B2 (ja) * | 1990-07-20 | 1998-04-02 | トヨタ自動車株式会社 | 高温高強度窒化珪素焼結体の製造方法 |
-
1993
- 1993-04-06 JP JP5103662A patent/JPH0680470A/ja active Pending
- 1993-07-14 US US08/091,192 patent/US5394015A/en not_active Expired - Lifetime
- 1993-07-16 DE DE69302771T patent/DE69302771T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1993-07-16 EP EP93305614A patent/EP0579509B1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11100275A (ja) * | 1997-09-26 | 1999-04-13 | Kyocera Corp | 低熱膨張セラミックスおよびその製造方法 |
WO2009128386A1 (ja) | 2008-04-18 | 2009-10-22 | 株式会社東芝 | 耐摩耗性部材、耐摩耗性機器および耐摩耗性部材の製造方法 |
WO2011102298A1 (ja) | 2010-02-16 | 2011-08-25 | 株式会社東芝 | 耐摩耗性部材およびその製造方法 |
WO2021235343A1 (ja) * | 2020-05-20 | 2021-11-25 | 株式会社 東芝 | 窒化珪素焼結体およびそれを用いた耐摩耗性部材並びに窒化珪素焼結体の製造方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US5394015A (en) | 1995-02-28 |
EP0579509A1 (en) | 1994-01-19 |
EP0579509B1 (en) | 1996-05-22 |
DE69302771D1 (de) | 1996-06-27 |
DE69302771T2 (de) | 1996-11-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4744704B2 (ja) | 耐摩耗性部材の製造方法 | |
JP2671945B2 (ja) | 超塑性炭化ケイ素焼結体とその製造方法 | |
JPH0680470A (ja) | 窒化ケイ素焼結体の製造方法 | |
JPH06100370A (ja) | 窒化ケイ素系焼結体及びその製造方法 | |
JP2829229B2 (ja) | 窒化ケイ素系セラミックス焼結体 | |
JP5362758B2 (ja) | 耐摩耗性部材 | |
JP3270792B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体の製造方法 | |
JPH06219840A (ja) | 窒化珪素焼結体及びその製造方法 | |
JP3810183B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体 | |
JPH10259058A (ja) | サイアロン複合体及びその製造方法 | |
JP3454994B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体およびその製造方法 | |
JP3426823B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体およびその製造方法 | |
JP3124865B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体及びその製造方法 | |
JP2000247748A (ja) | 高靭性窒化珪素質焼結体 | |
JPH10279360A (ja) | 窒化珪素質構造部品およびその製造方法 | |
JPH1179848A (ja) | 窒化珪素質焼結体 | |
JP3318466B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体およびその製造方法 | |
JP2710865B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体の製法 | |
JPH06116045A (ja) | 窒化珪素焼結体及びその製造方法 | |
JP3981510B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体の製造方法 | |
JP2708136B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体およびその製造方法 | |
JP3236739B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体およびその製造方法 | |
JP3241215B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体の製造方法 | |
JP2736427B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体およびその製造方法 | |
JPH06116038A (ja) | 窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体の製造法 |