品川技報 2014 №57 抜刷

品川ファインセラミックス株式会社「導電性α-サイアロンセラミックスの特性と応用」
Shinagawa Fine Ceramics Co., Ltd.
“Characterization and Application ofElectrically-conductive α-SiAlON Ceramics”
牧谷敦

Atsushi MAKIYA

佐々木王

明

Kimiaki SASAKI

14

吉

川正博

Masahiro YOSHIKAWA

Vol. 57   2014

Shinagawa Technical Report

品川ファインセラミックス株式会社「導電性α-サイアロンセラミックスの特性と応用」
Shinagawa Fine Ceramics Co., Ltd.
“Characterization and Application of Electrically-conductiveα-SiAlON Ceramics”
牧谷敦＊１
Atsushi MAKIYA

吉
川正博＊２
Masahiro YOSHIKAWA要佐々木王
明＊３
Kimiaki SASAKI

旨

当社の導電性α‑サイアロン（SAN‑3）は絶縁体であるα‑サイアロンセラミックスに導電性粒子である窒化チタン（TiN）を微細に分散させた焼結体である。このセラミックスは高強度・高靭性材料で，耐摩耗性にも優れており，主に静電気対策を目的とした応用が進んでいる。

Abstract
Electrically-conductive α‑SiAlON ceramics are sintered bodies of α‑SiAlON in which electricalconductive titanium nitride (TiN) particles are ﬁnely dispersed. In addition, this ceramics show
excellent durability for abrasion due to their high strength and hardness. Recently, the applicationsof these ceramics have increased mainly for devices which require the removal of electrostaticcharge.

1.

1. はじめにIntroduction
Sialon is a generic term for ceramic materi-

サイアロンとは，SiAlONと表記されるエンジニ

als named SiAlON which is a solid-solution

アリング・セラミックスの総称である。

composed of Si3 N4 and Al2O3 . In α type sialon

α型サイアロンはSi3N4のSiとNの一部にそれぞcrystals, substitution of Al and O for Si and N

れAlとOが置換すると同時に，アルカリ土類金属and penetration of metallic ions such as rare

または希土類元素が格子間に侵入した固溶体であ

earth elements or alkaline earth metals intoる ｡
1︶

the interstitial sites of the crystal lattice occur

当社では，このα型サイアロン（α‑SiAlON）

simultaneously 1).とβ型窒化ケイ素（β‑Si3N4）の複合組織を有す

Shinagawa ﬁne ceramics is the ﬁrst company

るα‑サイアロンセラミックス“SAN‑2”を国内

in Japan to develop the ＂SAN‑2 ceramics” which＊１ 品川ファインセラミックス株式会社 岡山事業所 技術開発室 研究員

Researcher, Okayama Works, Shinagawa Fine Ceramics
Co., Ltd.
＊２ 品川ファインセラミックス株式会社 岡山事業所 所長 Manager, Okayama Works, Shinagawa Fine Ceramics Co., Ltd.
＊３ 品川ファインセラミックス株式会社 社長 President, Shinagawa Fine Ceramics Co., Ltd.

－－Shinagawa Technical ReportVol. 57   2014

are a composite of α type sialon (α‑Sialon)and β type silicon nitride (β‑Si3 N4). This
material is widely used for various structuralapplications2).
However, ＂SAN‑2 ceramics＂ is unsuitable
for liquid crystals device sliding parts or semiconductor manufacturing equipment since it
stores the electrostatic charge. Hence, we havedeveloped ＂SAN‑3＂, which is α‑sialon ceramics
which ﬁnely dispersed TiN added as a conductor. This paper reviews the material properties
Fig. 1of ＂SAN‑3＂ ceramics and its applications.

Electrical resistivity of α-SiAlON/TiNceramics.

2. Characterization of SAN-3 Material
2. 1Fig. 1 shows the change in electrical resis-

で初めて工業化し，幅広いユーザーにさまざまなtance of α‑sialon/TiN ceramics as a func-

構造部材として使用して頂いている ｡
2︶tion of TiN content. The electrical resistance

しかしながら，このセラミックスは絶縁体であ

decreases from 1016 to 10 3Ω･m as increase in
TiN contents.

るために，特に液晶・半導体製造装置分野で耐摩Table 1 summarizes the material properties

耗部材や摺動部材として使用する場合において，

of ＂SAN‑3＂ such as density, porosity, ﬂexural

その帯電現象が問題となる。

strength and electrical resistivity in compari-

この問題を解決するため，導電性粒子である窒

son with ＂SAN‑2＂ which is α‑sialon ceramics

化チタン（以下TiN）をα‑サイアロンセラミッ

without TiN. The electrical resistivity and

クス中に微細に分散させたセラミックス（以下bulk density are 10 5Ω・m and 3.5×10 3kg/m3 ,SAN‑3）を開発した。本報告では，SAN‑3の特性

respectively. Low open porosity (less than 0.1%)と応用について概説する。
2.

is evidence that a dense structure is maintained. Though the 3-point bending strength

SAN‑3材料の特性

2. 1

Material properties

is decreased by the addition of TiN, the value(600MPa) is considered to be suﬃcient since it

材料特性

is 1.5 times higher than the strength of denseFig. 1にα‑サイアロンセラミックス/TiN系複alumina ceramics (400MPa).

合材料の電気抵抗率特性を示す。α⊖サイアロン

2. 2 Microstructureセラミックスに対しTiNを添加すると，電気抵抗Fig. 2 shows a SEM image of a fracture率は低下し，10 ～10 Ωmの範囲で変化する。
163

surface of ＂SAN‑3＂. Spherical particles of TiN

Table 1にSAN‑3の材料特性をTiNを含有しな

smaller than 1μm disperse in α‑sialon ceram-いα‑サイアロンセラミックスSAN‑2と比較してics. Although sialon sintering is slightly pre-示す。SAN‑3の電気抵抗率は105Ωm，かさ密度はvented by the addition of TiN, a dense structure－－Vol. 57   2014

Table 1

Shinagawa Technical ReportComparisons of properties between α-SiAlON／TiN (SAN-3) ceramics and α-SiAlON（SAN-2）ceramics

Properties／Materials

SiAlON

Brand and Codes

UnitMethod

SAN-3

SAN-2×10-3kg/m3

JIS R1634

α-SiAlON/β-Si3N4＋TiN

α-SiAlON/β-Si3N4

3.5

3.2

Apparent Porosity％

Flexural Strength（RT）

MPa

JIS R1634

≦0.1

＜0.1

JIS R1601

600980JIS C2141

51016

Chemical Composition
Bulk Density

Electrical resistivity（RT）

Ω･m

10

3.5×103kg/m3を示す。開気孔率はTiN添加によるwith high complexity composed of columnar

変化が少なく，気孔率0.1％以下の緻密質焼結体を

sialon grains of over 10μm is achieved in its維持する。三点曲げ強さはTiN添加により低下すmicrostructure. Dispersed TiN particles makezigzag cracks to propagate resulting in an

るが，600MPa以上の強度を維持する。この強度

increase the work-of-fracture which enhances

値は，一般的なアルミナ緻密質焼結体の曲げ強度

the fracture toughness of the material.

（400MPa）よりも優れている。
2. 2

2. 3 Electro-discharge machining

微構造Electro-discharge machining is one of theFig. 2にSAN‑3の破面SEM像を示す。SAN‑3はphysical-machining methods used to remove a

1μm以下の球状TiN微粒子がα‑サイアロンセラ

part of the surface of materials by means of

ミックスに均一に分散している。TiN添加によりarcing between electrode and material. ThisSiAlON粒子の焼結は抑制されるものの，10μmをmethod is suitable for machining hard-to-grind
electrically conductive ceramics. While applica-

越える柱状粒子が分散する複雑で緻密な微構造を

tion of electro-discharge machining to α‑sialon

有す。TiN微粒子の分散は，亀裂進展を複雑化さ

ceramics is impossible due to its non-conductive

せ，材料の破壊エネルギーを高めることから破壊

property, ＂SAN‑3＂ can be machined in a

靱性値の向上にも寄与する。
2. 3complex shape by electro-discharge method asshown in Fig. 3.

放電加工

放電加工は電極と被加工物との間で生じるアー

3. Application

ク放電によって被加工物表面の一部を除去する難＂SAN‑3＂ ceramics are our original products

削材料に適した機械加工の方法である。α‑サイ

which show excellent mechanical properties andアロン焼結体は難削材料であり，加工に多大な時electrical conductivity. Fig. 4 shows an example間とコストを要する。しかしながら，本材料ではof ＂SAN‑3＂ ceramics products. Some examples

TiN添加により放電加工が可能となる。

of applications will be described in the next

Fig. 3にSAN‑3焼結体の加工例を示す。本例のsubsections.

ように本材料は，複雑形状の加工を行うことがで3. 1

きる。

Roller of conveyor and robot handHigh voltage static electrical charge would－－Shinagawa Technical ReportFig. 2Vol. 57   2014①③Applications of SAN-3 ceramics for antistatic uses.
①Roller ②Punching die ③Nozzle

occur in the sliding surfaces of the roller and

応用例

robot hand operating in clean room under low
humidity condition when the insulator is used

当社の導電性α‑サイアロンSAN‑3は優れた機

as the material.

械的特性および導電性を有した当社独自の商品でThis electrical charge attracts the particlesある。本セラミックスの応用例をFig. 4に示す。

that would contaminate the source in the以下に，主応用例について概説する。
3. 1

Appearance of electrical dischargemachined SAN-3 ceramics.

②

Fig. 4

3.

Fig. 3

SEM image of SAN-3 ceramics.

surrounding area. Moreover, in the case of

搬送用ローラー・ロボットハンドsemiconductor manufacturing equipment, the

低湿度下に空調管理されたクリーンルームで使charged electricity induces a short circuit－－Vol. 57   2014

Shinagawa Technical Reportcurrent causing serious troubles.

用される搬送用ローラーやロボットハンドに対しThis trouble can be inhibited by using

絶縁性材料を用いた場合，その摺動面に電荷が生＂SAN‑3＂ ceramics as a material since ＂SAN‑3＂

じ高電圧の静電気を帯びる。

ceramics remove the electric charge as soon

この静電気は，周囲のパーティクルを濃集し，as the charging phenomena occur at sliding

汚染源を形成する。また，半導体製造装置においsurfaces.ては，帯電した電気が製品回路をショートさせる

3. 2 Powder shaping punching die

ため，使用上大きなトラブルとなることがある。

Punch/die of powder shaping is one of theSAN‑3は，摺動面で帯電しても速やかに電荷をapplications for sialon materials which show除去することができるため，これらのトラブルをexcellent durability in abrasion resistance. When

大幅に抑制できる。

the punching die presses powder repeatedly, a3. 2

static electrical charge is caused by the friction

粉末成形用金型のパンチ・ダイス

between the surface of the punch and powder

サイアロン材料の耐摩耗特性を生かした用途のparticles. As a result, continuous pressing

一つとして，粉末成形用金型のパンチ・ダイスがbecomes diﬃcult due to powder adhesion andある。パンチは繰り返し粉末を強い力で押し潰すが，この際に粉体とパンチ表面が擦れて帯電する。
帯電は粉体の付着や成形体の固着を生じ，連続的of ＂SAN‑3＂ ceramics to the powder processing
punch is eﬀective.

な成形を行う際に支障を来す。この対策としてもIn this case, brazing of ceramics which havehigh abrasion resistance to the end of metal

SAN‑3の適用が有効である。

sleeve is also possible.

この場合，耐摩耗性が要求されるセラミックス

3. 3 Powder-spraying-nozzle

は最小限の大きさとし，金属スリーブ端面と金属In comparison with metal and/or cemented

ロウ等で接合して使用されることもある。
3. 3

abnormal ﬁxation. Also in that case, application

carbide,粉末吹き付け用ノズル＂SAN‑3＂

ceramics

exhibitstheadvantages as light weight, feeble magnetism,

SAN‑3は金属・超硬等に比べ軽量化かつ非磁性であり，さらに優れた耐摩耗性を有することから，and excellent abrasion resistance. Therefore,＂SAN‑3＂ ceramics have been utilized for vari-

各種粉末吹き付け用ノズルとしても有効に活用さ

ous powder-spraying-nozzles. This can eliminate

れている。この場合，吹き付ける粉末種が有機物

ignition caused by static electricity even if theや金属等の可燃物であっても，静電気によって引

powder is composed of ﬂammable materials
such as organics or metals. This ceramic nozzle

き起こされる不慮の発火を避けることができる。

is expected to show a long life-span compared

ノズル摩耗が少ないため，吹き付け物へのコン

to the previous materials as well as reduce

タミネーションが軽減できるとともに，長寿命化

target contamination. Thus, nozzle replacementにともなうノズル部品取り替え回数の低減が期待

frequency can be reduced resulting in total

され，製造コスト削減に貢献できる。

production cost reduction.

－－Shinagawa Technical Report

4.

Vol. 57   2014

4.

まとめConclusion(1) We supply ＂SAN‑3＂ ceramics which are（1︶ 絶縁体であるα‑サイアロンセラミックスに

a composite of dispersed-particles of TiN

導電性粒子である窒化チタン（TiN）を微細にas分散させた導電性α‑サイアロンセラミック

conductiveparticlesand

α‑sialon

matrix-structure.

スSAN‑3を提供できる。

(2) ＂SAN‑3＂ ceramics show high strength,（2︶ SAN‑3は高強度・高靭性材料で，耐摩耗性にtoughnessも優れており，精密加工方法として導電性をandexcellent

durability

inabrasion resistance. Also, precision machin-

活用した放電加工の適用も可能である。

ing is achieved by the electro-discharge（3︶ 当社SAN‑3は主に静電気対策を目的とした応

machining process since SAN‑3 is a conductor.

用が進んでおり，各種ユーザーからご好評を(3) The application of SAN‑3 ceramics has頂いている。

increased mainly for devices which require
the removal of electrostatic charge.

References
1 ) K. Ishizawa et.al. J. Ceram. Soc. Japan Vol.94, (1986) pp. 183‑1852 ) M. Yoshikawa et. al. Bulletin of the Ceram. Soc. Japan Vol.48, No.1107 (2013) pp. 466‑467－－