焼結温度は、特に窒化ケイ素(Si3N4)やジルコニアなどのセラミックスにおいて、材料の密度や硬度を決定する上で重要な役割を果たしている。
焼結温度が密度と硬度に及ぼす影響
焼結温度が高いと、粒子の拡散と緻密化が促進されるため、一般に密度と硬度が高くなります。
しかし、高温に長時間さらされると結晶粒が成長し、硬度が低下する可能性がある。
密度
焼結では、材料を融点以下に加熱して粒子の境界を越えて原子を拡散させ、固体の破片を形成する。
Si3N4の場合、1600℃での2段階焼結プロセスにより、α-Si3N4からβ-Si3N4への変態が促進され、これが骨格構造に絡み合って閉じた気孔を形成する。
温度と窒素圧力のさらなる上昇は、液体の流れによるこれらの気孔の充填を助け、それによってセラミックの密度と相対密度を増加させる。
同様に、ジルコニアでは、焼結温度が高い（1,500℃近く）ほど緻密な構造になり、理論上の最大密度の99%近くに達することが多い。
硬度
Si3N4の硬度は、α-Si3N4の含有量、密度、結晶界面、粒径に影響されます。
1800℃で4時間から8時間に増加する一段階焼結プロセスでは、α-Si3N4がβ-Si3N4に完全に変化し、密度の増加により硬度が1442HVから1487HVに増加する。
しかし、熱絶縁時間を12時間に延長し、密度を97.71%にさらに増加させると、硬度は1321HVに低下した。
これは、結晶粒の異常な肥厚により結晶粒内に欠陥が生じ、硬度が低下したためと考えられる。
1800℃での2段階焼結プロセスでは、8h焼結と同様の結晶粒径と相組成となり、硬度は1478HVと8h焼結試料と同等となった。
まとめ
焼結温度を高くすることは、粒子の拡散と緻密 化を促進し、密度と硬度の両方を高めるのに有益であ るが、硬度を低下させる過度の粒成長を避けるために 維持すべき重要なバランスがある。
最適な焼結条件は、特定の材料とその特性によって異なり、温度、時間、その他の焼結パラメータを慎重に検討する必要があります。
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