JPH07277835A - 複合焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 硬度の高い複合焼結体を製造する方法を提供
する。 【構成】 α型窒化ケイ素粉末と、イットリア粉末と、
窒化アルミニウム粉末と、酸素含有量が０．８〜５重量
％の炭化ケイ素粉末とを混合し、該混合物を焼結するこ
とにより、α−サイアロンとβ−サイアロンと炭化ケイ
素とが主成分となる複合焼結体を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、α−サイアロンとβ−
サイアロンと炭化ケイ素とが主成分となる複合焼結体を
製造する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】窒化ケイ素中にイットリウムやアルミニ
ウムが置換したサイアロンよりなる焼結体は、硬度が高
く、特に結晶形態が異なるα−サイアロンとβ−サイア
ロンとの両者が含まれる焼結体は、非常に高硬度であ
り、ボールミルやそのボール等の耐摩耗性材料として使
用されている。セラミックスの材料の摺動摩耗は、硬
度、靱性、強度、結晶粒径等により支配されているが、
特に硬度に大きく支配されている。

【０００３】しかし、α型窒化ケイ素や炭化ケイ素の硬
度は、α−サイアロンとβ−サイアロンとの両者が含ま
れる焼結体の硬度より高いため、このα−サイアロンと
β−サイアロンとの両者が含まれる焼結体よりなるボー
ルミルやボールによりα型窒化ケイ素や炭化ケイ素の粉
末を粉砕すると、ボールミルやボール、特にボールが多
く摩耗して粉末中に不純物として混入する。

【０００４】このように、α−サイアロンとβ−サイア
ロンとの両者が含まれる焼結体において、さらに硬度を
向上させる方法として、焼結体中に炭化ケイ素を含有さ
せることが提案されている。

【０００５】その例として、以下の方法がある。

【０００６】非晶質窒化ケイ素とイットリアとアルミニ
ウムとよりなる原料を窒化させることによりイットリウ
ム（Ｙ）を含有するα−サイアロンを作製する。このα
−サイアロンに窒化ケイ素と炭化ケイ素とを添加し、焼
結することにより、α−サイアロンとβ−サイアロン、
および炭化ケイ素よりなる焼結体が得られる（特開平１
−１７９７６６号公報）。

【０００７】また、類似の方法として、以下の方法があ
る。

【０００８】α型窒化ケイ素と炭化ケイ素とイットリア
等の周期律表第３ａ族元素の酸化物と酸化ケイ素とを原
料とし、該原料をホットプレスやＨＩＰ（熱間静水圧プ
レス）により焼結する方法がある（特開平５−２０１７
６８号公報）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記特開平１
−１７９７６６号公報に記載の方法では、以下のような
問題点がある。

【００１０】原料として非晶質窒化ケイ素を用いる必要
があるが、この非晶質窒化ケイ素は製造が難しく、一般
的な材料ではない。また、この非晶質窒化ケイ素よりα
−サイアロンを製造する必要があるため、工程が３工程
（非晶質窒化ケイ素の作製工程、α−サイアロンの作製
工程、および混合、焼結工程）となり、産業上はなはだ
複雑である。

【００１１】また、特開平５−２０１７６８号公報に記
載の方法においても、以下のような問題点がある。

【００１２】得られる焼結体の結晶相は、β型窒化ケイ
素と炭化ケイ素とよりなる。炭化ケイ素の硬度は約２８
ＧＰａと高いが、β型窒化ケイ素の硬度は約１５ＧＰａ
であり、α−サイアロン（硬度２４ＧＰａ）およびβ−
サイアロン（硬度１８ＧＰａ）と比べて低いため、β型
窒化ケイ素と炭化ケイ素とよりなる焼結体は、実用に適
するほどの硬さではない。また、焼結が装置や作業が複
雑なホットプレスやＨＩＰで行なわなければならない。

【００１３】本発明は、従来技術の問題点に鑑みなされ
たものであり、硬度の高い複合焼結体を製造する方法を
提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、炭化ケイ素粉
末と、α型窒化ケイ素粉末と、イットリア粉末と、窒化
アルミニウム粉末とを混合する工程と、該混合物を焼結
することにより、α−サイアロンとβ−サイアロンと炭
化ケイ素とが主成分となる複合焼結体を得る工程とより
なる複合焼結体の製造方法において、上記炭化ケイ素粉
末は、０．８〜５重量％の酸素を含有することを特徴と
する複合焼結体の製造方法である。

【００１５】

【作用】本発明では、硬度の高い複合焼結体が得られ
る。その理由は明確ではないが、以下のように推察す
る。

【００１６】α型窒化ケイ素に、イットリア、窒化アル
ミニウムおよび炭化ケイ素を添加し、焼結することによ
り、緻密な焼結体となる。また、α型窒化ケイ素に窒化
アルミニウムと酸素が固溶し、さらにこれにイットリア
が反応することによりα−サイアロンが析出し、α型窒
化ケイ素に窒化アルミニウムと酸素が固溶することによ
りβ−サイアロンが析出する。また、炭化ケイ素はその
まま結晶相として析出する。よって、α−サイアロンと
β−サイアロンと炭化ケイ素のそれぞれの結晶相が析出
した焼結体が得られる。

【００１７】この際、α型窒化ケイ素と炭化ケイ素粉末
中の酸素（この酸素は炭化ケイ素粉末の表面において酸
化ケイ素として存在していると考えられる。）とは、イ
ットリアと反応してガラスとなり焼結性を促進する。特
に、炭化ケイ素粉末中の酸素は窒化ケイ素粒子表面との
反応性を促進させ、焼結性に大きく寄与している。

【００１８】本発明では、炭化ケイ素粉末に含有する酸
素量を０．８〜５重量％の範囲としている。該酸素量が
０．８重量％未満では、焼結性が悪く、緻密に焼結する
ことができず、５重量％を越えるとα−サイアロンの生
成が抑制されて焼結体の硬度が低下する。

【００１９】このように、本発明では、焼結性を向上さ
せて複合焼結体を製造することで、緻密な焼結体が得ら
れ、また、特にα−サイアロンおよび炭化ケイ素は非常
に硬度の高い結晶相であるため、硬度の高い焼結体とな
る。

【００２０】また、本発明では、簡単な工程により焼結
体を製造することができる。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、硬度の高い複合焼結体
を製造することができる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明をより具体的にした発明（その
他の発明）を説明する。

【００２３】（その他の発明の説明）本発明は、原料と
して、炭化ケイ素粉末と、α型窒化ケイ素粉末と、イッ
トリア粉末と、窒化アルミニウム粉末とよりなる粉末を
用い、これを混合し、焼結する方法である。

【００２４】炭化ケイ素（ＳｉＣ）粉末中に含有する酸
素の量は０．８〜５重量％の範囲とする。さらに、望ま
しくは、該酸素量は１〜３重量％の範囲がよい。この範
囲であれば、さらに硬度が向上する。

【００２５】炭化ケイ素粉末中の酸素量の測定は、不活
性ガス中融解−熱伝導度法による。

【００２６】また、炭化ケイ素粉末の粒子は、平均粒径
が０．８μｍ以下、望ましくは０．５μｍ以下がよい。
これは、粒子は細かいほど焼結しやすいからである。ま
た、結晶相としては、αでもβでもどちらでも焼結性や
硬度に差はない。

【００２７】窒化ケイ素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）は、α型のもの
を用いる。なお、β型窒化ケイ素も含まれていてもよ
い。従って、窒化ケイ素粉末中に含まれるα相の含有量
が７０％以上、さらに望ましくは９０％以上がよい。β
相が多いとα−サイアロンの生成が阻害されるからであ
る。

【００２８】窒化ケイ素粉末の粒子は、平均粒径が０．
８μｍ以下、望ましくは０．５μｍ以下がよい。これ
は、粒子は細かいほど焼結しやすいからである。

【００２９】イットリア（Ｙ₂ Ｏ₃ ）粉末の粒子は、平
均粒径が１．０μｍ以下、望ましくは０．５μｍ以下が
よい。これは、粒子は細かいほど焼結しやすいからであ
る。

【００３０】窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末の粒子
は、平均粒径が１．０μｍ以下、望ましくは０．５μｍ
以下がよい。これは、粒子は細かいほど焼結しやすいか
らである。

【００３１】原料の配合割合としては、製造する複合焼
結体中のα−サイアロンの存在量が焼結体全体に対して
２０〜４０重量％、β−サイアロンの存在量が焼結体全
体に対して４０〜６０重量％となるように、α型窒化ケ
イ素とイットリアと窒化アルミニウムとを配合するのが
望ましい。β−サイアロンの存在量を４０重量％以上と
することにより焼結体の靱性がより向上し、６０重量％
以下とすることにより焼結体の硬度がより向上して耐摩
耗性がより向上する。上記α−サイアロンとβ−サイア
ロンの存在量の範囲とするには、例えば、イットリアと
窒化アルミニウムとの比がイットリア：窒化アルミニウ
ム＝１：９（モル比）の場合、α型窒化ケイ素とイット
リアと窒化アルミニウムとの合計量を１００重量部とす
ると、イットリアと窒化アルミニウムとの合計量が１０
〜１８重量部が望ましく、特に１５重量部が最適であ
る。

【００３２】原料中の炭化ケイ素の配合割合としては、
原料全体に対して、１０〜３０重量％の範囲とするのが
よい。１０重量％以上とすることにより焼結体の硬度が
より向上し、３０重量％以下とすることにより緻密に焼
結して焼結体の耐摩耗性がより向上する。

【００３３】また、製造する複合焼結体中のα−サイア
ロンの存在量と炭化ケイ素との存在量の合計が４０〜６
０重量％の範囲とするのがよい。この合計が４０重量％
以上とすることにより焼結体の硬度がより向上し、６０
重量％以下とすることにより靱性がより向上して焼結体
の耐摩耗性がより向上する。

【００３４】原料粉末の混合は、ボールミル等による一
般的に使用されている混合方法でよい。

【００３５】原料粉末を混合して得られた混合物は、焼
結の前に所望の形状に成形してもよい。

【００３６】上記混合物を焼結する方法としては、常圧
焼結、ガス圧焼結、ホットプレス等窒化ケイ素を焼結す
る通常の方法を用いることができるが、この中でも常圧
焼結あるいは０．９５ＭＰａ以下のガス圧焼結が工業的
には望ましい。

【００３７】常圧焼結あるいはガス圧焼結の場合、焼結
温度としては、１７００〜１９００℃程度、望ましくは
１７５０〜１８５０℃の範囲がよい。１７００℃以上と
することにより緻密な焼結体が得られる。１９００℃以
下とすることにより窒化ケイ素が分解しにくく、焼結体
中における気孔の発生を抑制することができる。

【００３８】焼結時間は、２〜６時間程度、望ましくは
３〜４時間の範囲がよい。２時間以上とすることにより
焼結性がより向上して焼結体を緻密にできる。６時間以
下とすることにより焼結体の結晶が粒成長するのを抑制
して焼結体の強度低下を抑制することができる。

【００３９】また、焼結雰囲気としては、窒素ガス圧で
０．１〜０．９ＭＰａの範囲が望ましい。０．１ＭＰａ
以上とすることにより窒化ケイ素が分解しにくく、焼結
体中における気孔の発生を抑制することができる。ガス
圧を０．９ＭＰａ以下とすることによりガス量の増加を
抑制し、第１種圧力容器のような高価な装置を使用する
必要がない。

【００４０】本発明により得られた複合焼結体は、従来
の複合焼結体に対して、靱性、強度、結晶粒径が同等で
あるが、硬度が高く、耐摩耗性が２〜３倍程度向上す
る。そのため、ボールミルやそのボール等の耐摩耗性部
材等に利用することができる。例えば、ボールミルやそ
のボールに利用した場合、摩耗による粉末への不純物の
混入を減少することができる。

【００４１】以下、本発明の実施例を説明する。

【００４２】（実施例１）原料粉末として、平均粒径
０．４μｍ、α相９５％の窒化ケイ素粉末７６．５重量
％と、平均粒径０．６μｍのイットリア粉末５．０重量
％と、平均粒径０．５μｍの窒化アルミニウム粉末８．
５重量％に、平均粒径０．４μｍ、酸素含有量が種々異
なる炭化ケイ素粉末１０重量％を添加し、エタノール中
で７２時間ボールミルにて混合した。得られたスラリー
を乾燥、解砕後、２００ＭＰａの圧力でプレス成形し
た。得られた成形体を窒素雰囲気中、０．９ＭＰａで１
８００℃×４時間焼結した。得られた焼結体の相対密
度、α−サイアロン量、硬度を測定し、表１に示した
（なお、表１中の＊は、炭化ケイ素粉末中の酸素量が本
発明の範囲外の試料（比較例）である。）。

【００４３】

【表１】

【００４４】表１に示すように、その酸素量が０．８〜
５．０重量％（ｗｔ％）の炭化ケイ素粉末を添加した焼
結体は相対密度９６％以上の緻密な焼結体になり高硬度
であった。しかし、その酸素量が０．８ｗｔ％未満の炭
化ケイ素粉末を添加した焼結体は緻密に焼結せず低硬度
で、その酸素量が５．０ｗｔ％を越える焼結体はα−サ
イアロンの生成量が少なく低硬度であった。

【００４５】（実施例２）実施例１と同様の窒化ケイ素
粉末、イットリア粉末、窒化アルミニウム粉末を用い、
それらの配合量を一定とし、平均粒径０．４μｍ、酸素
量が１．２ｗｔ％の炭化ケイ粉末を種々添加し、実施例
１と同様の条件で焼結体を作製した。得られた焼結体の
相対密度、結晶相、硬度を測定し、表２に示した（な
お、表２中の＊は、炭化ケイ素が無添加の試料（比較
例）である。）。

【００４６】

【表２】

【００４７】表２に示すように、炭化ケイ素を添加した
焼結体は緻密な焼結体になり高硬度であった。しかし、
炭化ケイ素が無添加の焼結体は高硬度な炭化ケイ素がな
いため低硬度であった。

【００４８】（実施例３）実施例２と同様の粉末を用
い、２０重量％の炭化ケイ素粉末に、窒化ケイ素、イッ
トリア、窒化アルミニウムの添加量を表３に示すように
変え、実施例１と同様の条件で焼結体を作製した。得ら
れた焼結体の相対密度、結晶相、硬度、靱性を測定し、
表３に示した。

【００４９】

【表３】

【００５０】表３に示すように、炭化ケイ素への窒化ケ
イ素、イットリア、窒素アルミニウムの添加量を調整し
て、α−サイアロンの生成量を試料Ｎｏ．１０、１２の
ような値とすることにより靱性も高くなることが分か
る。

【００５１】（実施例４）試料Ｎｏ．１０と同様の配合
量にて、それぞれの粉末の平均粒径を表４に示すように
変え、実施例１と同様の条件で焼結体を作製した。得ら
れた焼結体の相対密度、結晶相、硬度、靱性を測定し、
表４に示した。

【００５２】

【表４】

【００５３】表４に示すように、粉末の粒径が細かいほ
ど緻密に焼結し、硬度が高く、好ましいことが分かる。
特に、窒化ケイ素粉末と炭化ケイ素粉末の粒径は焼結性
に大きく影響することが分かる。

【００５４】（実施例５）試料Ｎｏ．１０と同様の配合
量、成形方法にて、焼結条件を表５に示すように変え、
焼結体を作製した。得られた焼結体の相対密度、結晶
相、硬度、靱性を測定し、表５に示した。

【００５５】

【表５】

【００５６】表５に示すように、焼結温度は１８００℃
が最適で、低い焼結温度の場合に比べて密度が高く、高
い焼結温度の場合に比べてα−サイアロンの生成量が増
加して硬度がより高くなることが分かる。また、焼結時
間、焼結圧力も同様で最適値は４時間と０．９ＭＰａで
あった。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭化ケイ素粉末と、α型窒化ケイ素粉末
   と、イットリア粉末と、窒化アルミニウム粉末とを混合
   する工程と、 該混合物を焼結することにより、α−サイアロンとβ−
   サイアロンと炭化ケイ素とが主成分となる複合焼結体を
   得る工程とよりなる複合焼結体の製造方法において、 上記炭化ケイ素粉末は、０．８〜５重量％の酸素を含有
   することを特徴とする複合焼結体の製造方法。