JPH03177361A - β―サイアロン―窒化硼素系複合焼結体の製造方法 - 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） 本発明は、β−サイアロン粉末と窒化硼素粉末を出発原
料とするβ−サイアロン−窒化硼素系複合焼結体の製造
方法に関する。

（従来技術及びその問題点） β−サイアロンはβ型窒化珪素中のＳｔ位置をＡＮで、
Ｎ位置をＯで一部置換固溶した式Ｓ　１６−ｇＡ　１２
０ｘＮｓ−ｇ　　　（１：１（式中、２はＯ＜ｚ≦４．
２を満足する数である。）で表される物質である。β−
サイアロン焼結体は窒化珪素焼結体に比較して、耐酸化
性、溶融金属に対する耐蝕性、高温での機械的特性が優
れており、高温機械材料として注目されている。

このようなβ−サイアロンの有する優れた特性に六方晶
窒化硼素の有する耐熱衝撃性、切削加工性、潤滑離型性
、耐蝕性等の特性を付与したβサイアロン−窒化硼素系
複合焼結体が開発されている。このような複合材料の用
途としては、溶融金属耐蝕材料、連続鋳造用耐火物、耐
酸化性部材等がある。

従来、β−サイアロン−窒化硼素系複合焼結体の製造方
法としては、特開昭６０−１４５９６３号公報には、ケ
イ素とアルミニウムの混合粉末に酸素供給源として、ア
ルミナ又はシリカもしくは両方の酸化物と窒化硼素粉末
を配合し、窒素雰囲気下において窒化反応焼結する方法
が、特開昭６０−２０２８６９号公報には、β−サイア
ロン組成となるようなＳｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ
粉末とＢＮ粉末を混合して常圧焼結する方法が提案され
ている。

しかし、前者の方法では高密度の焼結体が得られず、機
械的強度が不十分であった。一方、後者の方法ではサイ
アロン相の生成と焼結を同時に行うため、焼結体が不均
質となり、これが得られる焼結体の特性が十分に発現し
ない原因となっていた。

また、従来の窒化珪素−窒化硼素系複合焼結体は、溶鋼
に対する耐蝕性に劣り、また焼結助剤を使用するため、
高温における曲げ強度が著しく低下するという欠点があ
った。

（発明の目的） 本発明の目的は、前記問題点を解決し、高強度かつ耐熱
衝撃性、耐蝕性、離型性に優れたβ−サイアロン−窒化
硼素系複合焼結体の製造方法を提供することである。

（発明の要旨） 本発明によれば、前記式ＣＩ）で表されるβ−サイアロ
ンを主たる結晶相とするβ−サイアロン粉末９０〜５４
重量部、窒化硼素粉末ｌ０〜４０重量部、及びＡｆｆｉ
、Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ及びランタニド系元素からなる群から
選ばれる少なくとも一種の金属の酸化物０〜１０重量部
を混合し、所望の形状に成形した後、窒素含有雰囲気中
で、１６００〜２０００　’Ｃの範囲の温度で常圧又は
加圧下に焼結することを特徴とするβ−サイアロン−窒
化硼素系複合焼結体の製造方法が提供される。

（発明の詳細な説明） 本発明のβ−サイアロン粉末としては、式Ｃ１）で表さ
れるβ−サイアロンを主たる結晶相とする粉末であれば
いかなる粉末でも良いが、本出願人の一人が先に提案し
た特開昭６２−７２５０７号の発明に従って調製した粉
末が好適である。この提案の方法は、 （ａ）非晶質窒化珪素粉末、 （ｂ）珪素又はアルミニウムの酸素含有化合物、及び （Ｃ）金属アルミニウム、窒化アルミニウム又は珪素 を所望のβ−サイアロンｍ威になるように混合し、混合
物を窒素含有雰囲気下に１３００〜１８００℃の範囲の
温度に加熱することにより、β−サイアロン粉末を製造
する方法である。この方法で得られるβ−サイアロン粉
末は、−炭粒子の大きさが０．２〜２μｍの微細かつ均
一粒度の粉末であって、遊離炭素及び金属不純物を殆ど
含有しないので、焼結性がよく、ボイドや異常粒成長の
ない焼結体を与える原料粉末として好適である。

β−サイアロン粉末の焼結性を高めると同時に高強度の
β−サイアロン−窒化硼素系複合焼結体を得るためには
、焼結原料のβ−サイアロン粉末が式（Ｎで規定される
理論酸素量に対して８重量％以下の過剰酸素を含有して
いることが好ましい。

β−サイアロン粉末に過剰の酸素を含有させる方法とし
ては、例えば、β−サイアロン粉末の調製段階で非晶質
窒化珪素に珪素又はアルミニウムの酸素含有化合物を過
剰量添加する方法、β−サイアロン粉末を酸素含有雰囲
気中で加熱する方法が採用される。後者の一例としては
、β−サイアロン粉末を酸素含有雰囲気中で８００〜１
２００℃の範囲の温度に加熱して、理論量より過剰の酸
素をβ−サイアロン粉末に含有させる方法が挙げられる
。加熱時間は通常０．５〜５時間である。この処理は、
例えばβ−サイアロン粉末を保持板上に薄く乗せて酸素
含有雰囲気中に放置する方法、β−サイアロン粉末を酸
素含有雰囲気中で流動化させる方法によって行うことが
できる。

過剰酸素量は８重量％以下、特に６．５重量％以下が好
ましい。過剰酸素量が過度に多いと焼結体中に融点の低
い相が多く残留し、高温での機械的特性が損なわれるよ
うになる。

また、本発明で用いられる六方晶窒化硼素粉末は、−次
粒子径が１μｍ以下のものが好ましい。

−炭粒子径が１μｍよりも大きいと複合焼結体のβ−サ
イアロンマトリックス中に窒化硼素粉末が均一に分散で
きないため、焼結体組織が不均一になり、高密度、高強
度のものが得られない。

本発明においては、β−サイアロン粉末９０〜５４重量
部、窒化硼素粉末１０〜４０重量部、及びＡｆ、Ｍｇ、
Ｃａ５Ｙ及びランタニド系元素からなる群から選ばれる
少なくとも一種の金属の酸化物０−１０重量部を混合す
る。

β−サイアロン粉末が５４重量部よりも少ないと、嵩密
度、曲げ強度、耐酸化性等が低下する。

また９０重量部よりも多いと、耐熱衝撃性、切削加工性
が低下する。

また、本発明においては、Ａｊ！、Ｍｇ、Ｃａ。

Ｙ及びランタニド系元素からなる群から選ばれる少なく
とも一種の金属の酸化物は使用しなくてもよいが、前記
金属の酸化物を１０重量部以下、好ましくは１〜５重量
部配合することにより、焼結体の緻密化を促進すること
ができる。前記金属の酸化物が１０重量部を超えると焼
結体のガラス相が多くなりすぎ、耐蝕性及び高温強度が
低下するので好ましくない。

β−サイアロン粉末、窒化硼素粉末及び前記金属の酸化
物の混合方法については特に制限はなく、それ自体公知
の方法、例えば、両者を乾式混合する方法、溶媒中で両
者を湿式混合した後、溶媒を除去する方法等を適宜採用
することができる。混合装置としては■型混合機、ボー
ルミル等が便利に使用される。

混合粉末の加熱焼結は、例えば、混合粉末をそのまま乾
式あるいは湿式で所定の形状に成形し、湿式で成形した
場合は乾燥処理を行った後に、常圧又は加圧した窒素含
有ガス雰囲気下で焼結する方法、原料粉末を所定の形状
のダイスに充填し、ホットプレスする方法等を採用する
ことができる。

また上記方法で得られた焼結体をさらに熱間静水圧プレ
スすることにより、焼結体の物理的特性を一層高めるこ
ともできる。

常圧又は加圧焼結に先立つ混合粉末の成形は公知の方法
、例えばラバープレス法、−軸成形法、鋳込成形法、射
出成形法、爆発圧縮成形法等によって行うことができる
。

焼結温度は通常１６００〜２０００℃であり、焼結時間
は通常０．５〜１０時間である。焼結温度が過度に低い
と焼結が進行せず、また焼結温度が過度に高いと焼結体
に熱分解による組成変化が生じるようになる。

本発明により得られるβ−サイアロン−窒化硼素系複合
焼結体は、原料粉末としてβ−サイアロン粉末及び窒化
硼素粉末を用いるため、従来のようにβ−サイアロン組
組成なるような物質と窒化硼素粉末を混合して、β−サ
イアロン相の生成と焼結を同時に行うことにより得られ
る複合焼結体と比較して、異常粒成長がなく、β−サイ
アロンと六方晶窒化硼素とが均一かつ微細に分散し、室
温及び高温強度、耐熱衝撃性、耐蝕性、切削加工性に優
れたものとなる。

（発明の効果） 本発明で得られるβ−サイアロン−窒化硼素系複合焼結
体は、従来のβ−サイアロン−窒化硼素系複合焼結体及
び窒化珪素−窒化硼素系複合焼結体に比較して、組織が
微細で均一であり、室温及び高温曲げ強度、耐熱衝撃性
、耐蝕性及び切削加工性に優れているので、溶融金属耐
蝕部材、鋳造部品等に好適に使用することができる。

（実施例） 以下に実施例及び比較例を示す。

実施例１〜４ シリコンジイミドを１２００’Ｃで熱分解して得られた
非晶質窒化珪素粉末４００ｇ、ｒ−アルミナ粉末１２１
．６ｇ及び金属アルミニウム粉末５０゜２ｇを窒素ガス
雰囲気下に振動ミルで１時間部合した。この混合粉末を
窒素ガス雰囲気中で１６００℃に加熱することにより結
晶化させ、β−サイアロン粉末を得た。得られたβ−サ
イアロン粉末の特性を以下に示す。

理論組成　Ｓ　１ａＡｉ！、ｚｏｚＮ６　（ｚ＝２）比
表面積　６．０ボ／ｇ 粒　　形　等軸結晶 生成相　　β相〉９０％ 生成物組成（匈ｔχ） Ｓｉ：３８．２　　Ａ１：１９．９　０：１１．８　　
Ｎ：３０．１上記β−サイアロン粉末、六方晶窒化硼素
粉末（−次粒子径：０．２μｍ、比表面積：４５ボ／ｇ
）及びＹ２Ｏ３を第１表に示す割合で、媒体としてエタ
ノールを用い４８時間湿式ξリングした後、８０″Ｃで
真空乾燥した。得られた原料粉末４０ｇを８０　Ｘ　４
４　ｍｍの金型にて１５０　ｋｇ／ｃｆｆｌの圧力で一
軸プレスした後、圧力１５００ラバープレスして成形棒
を得た。得られた成形棒を黒鉛ルツボに入れ、高周波誘
導炉にセットし、窒素ガス雰囲気下に１７５０℃で４時
間保持した。

得られたβ−サイアロン−窒化硼素系複合焼結体の特性
を測定した結果を第１表に示す。

実施例５ 実施例３で得られた原料粉末４０ｇを、７５×４０ｍｍ
の黒鉛ダイスに充填し、圧力２５０　ｋｇ／ｃ＋Ｉｌ。

温度１７８０″Ｃで２時間保持してホットプレスして、
β−サイアロン−窒化硼素系複合焼結体を得た。

得られたβ−サイアロン−窒化硼素系複合焼結体の特性
を測定した結果を第１表に示す。

比較例１ 窒化硼素粉末を配合しなかったほかは、実施例１〜４と
同様にしてβ−サイアロン系焼結体を得た。

得られたβ−サイアロン系焼結体の特性を測定した結果
を第１表に示す。

比較例２ Ｓｉ３Ｎ、、八１□０３、ＡｆＮ粉末をβ−サイアロン
組成（ＳｉａＡ１２ｚＯ□Ｎ６）となる割合に配合した
わ〕未７８．８重量部と大方晶窒化硼素粉末２０重量部
及びＹ、０３１．２重量部を、媒体としてエタノールを
用い４８時間湿式ミリングした後、８０℃で真空乾燥し
た。得られた混合粉末を用いて実施例１〜４と同様にし
て成形及び焼結を行い、β−サイアロン−窒化硼素系複
合焼結体を得た。

得られたβ−サイアロン−窒化硼素系複合焼結体の特性
を測定した結果を第１表に示す。

比較例３ 比較例２で得られた原料粉末４０ｇを用い、実施例５と
同様にホットプレスして、β−サイアロン−窒化硼素系
複合焼結体を得た。

得られたβ−サイアロン−窒化硼素系複合焼結体の特性
を測定した結果を第１表に示す。

尚、第１表において各物性値は次の方法により測定した
。

（１）相対密度：焼結体嵩密度をアルキメデス法により
求め次式により算出した。

（３）曲げ強度：　ＪＩＳ　Ｒ−１６０１に規定された
測定法により測定した。

（４）耐熱衝撃値：焼結体を３Ｘ４Ｘ４０閣に加工し所
定の温度で１５分保持後２５℃ の水中で急冷した。急冷後のサン プルの３点曲げ強度を測定し、室 温強度の劣化し始める臨界温度差 を耐熱衝撃値ΔＴとした。

（５）切削加工性：超硬バイ トを使用し、 旋盤加工に より測定した。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）式Ｓｉ＿６＿−＿ｚＡｌ＿ｚＯ＿ｚＮ＿８＿−＿
   ｚ（式中、ｚは０＜ｚ≦４．２を満足する数である。）
   で表されるβ−サイアロンを主たる結晶相とするβ−サ
   イアロン粉末９０〜５４重量部、窒化硼素粉末０１〜４
   ０重量部、及びＡｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ及びランタニド系
   元素からなる群から選ばれる少なくとも一種の金属の酸
   化物０〜１０重量部を混合し、所望の形状に成形した後
   、窒素含有雰囲気中で、１６００〜２０００℃の範囲の
   温度で常圧又は加圧下に焼結することを特徴とするβ−
   サイアロン−窒化硼素系複合焼結体の製造方法。