品川技報 2013 №56 抜刷

品川ファインセラミックス株式会社「窒化ケイ素／窒化ホウ素複合材料
SNB の特性と応用」
Shinagawa Fine Ceramics Co., Ltd.
“Properties and Applications of Boron Nitride /Silicon Nitride Composite（SNB）Ceramics”
牧谷敦

Atsushi MAKIYA

佐々木王

明

Kimiaki SASAKI15

吉川正博

Masahiro YOSHIKAWA

Vol. 56   2013

Shinagawa Technical Report

品川ファインセラミックス株式会社「窒化ケイ素／窒化ホウ素複合材料 SNB の特性と応用」
Shinagawa Fine Ceramics Co., Ltd.
“Properties and Applications of Boron Nitride / Silicon Nitride Composite（SNB）Ceramics”
牧谷敦＊１
Atsushi MAKIYA

吉川正博＊２Masahiro YOSHIKAWA要佐々木王明＊３Kimiaki SASAKI

旨

当社のSNBは窒化ケイ素（Si3N4）に六方晶窒化ホウ素（h‑BN）を添加することによりSi3N4が持つ優れた機械的特性とh‑BNの持つ優れた耐熱衝撃性，機械加工性とを兼ね備えたセラミックスである｡
本セラミックスはh‑BN量を自由に変えることで，材料特性をコントロールできる事に加え，マシナブルであるという特長を生かして主に耐熱部材としての応用が進んでいる。

Abstract
Our SNB is a silicon nitride based composite ceramiccontaining hexagonal boron nitride. It has
both the superior mechanical characteristics of Si3 N4 and superior thermal spalling resistance andmachine workability of BN.
The properties of this material are controllable by changing the amount of BN. It is also easy
to machine. By utilizing these characteristics, the applications as heat-resistant materials arespreading.

1.

1. はじめにIntroduction

窒化ケイ素（Si3N4）は高温強度，耐熱衝撃性，Silicon nitride (Si3 N4), which has excellent

耐摩耗性及び耐食性に優れていることから耐熱セ

high-temperature strength properties, thermal-1）

ラミックスとして様々な分野で活用されている ｡

shock-resistance, abrasion resistance and corro-

このセラミックスを繰り返し加熱や，金属溶融物

sion resistance, has been used as a heat-と接触する等，更に過酷な熱環境下で使用する場

resistant material in many ﬁelds1 ). Hexagonal

合，優れた耐熱衝撃性，機械加工性を有する六方boron nitride (h-BN) shows excellent thermal-晶窒化ホウ素（h‑BN）を複合化したセラミックス

shock-resistance and machinability. Si3 N4 /h-BNの活用が有効である。

composite ceramics have high potential forheat-resistant materials under harsh thermal

本報告では，特に溶湯金属用部材として好適で＊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 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. 56   2013

Table 1PropertiesunitCodes

Properties of SNB ceramicsSi3N4SSN

Si3N4-BN composite
SNB1

SNB2

SNB3

SNB4JIS NO.

BN content％010203040ｰBulk density

g/cm3

3.2

2.2

2.0

1.8

1.6

JIS R1634

MPa5903201208060

JIS R1601

×10-6/K

3.2

3.1

2.9

2.6

2.5

JIS R1618

Flexural strength
Thermal expansion coefficient
Thermal conductivity
Thermal shock resistance

ΔT

Machinable

W/ｍK

2116151412

JIS R1611

K600

650

700

800

850

JIS R1615

ｰ××○○○ｰFig. 1

Properties of SNB ceramics.

あり，超硬工具を用いた切削加工が可能なSi3N4/environments such as repeated heat-soaking,h‑BN系複合材料「SNB」の特性とその応用についcontiguous molten metals and so on.
This paper reports on the characteristicsて概説する。
2.

and applications of the Si3 N4 / h-BN composite

SNB材料の特性と製造方法

2. 1

ceramic SNB which is a suitable material for
molten-metal-processing. Additionally, We also

材料特性

Table 1及びFig. 1にSNB材料の材料特性を示

introduce the machinability properties of SNB,す。窒化ケイ素に質量分率10 ％から40 ％のh‑BN

which can be machined by cemented carbideを添加することによりかさ密度，曲げ強さ，熱膨tools.

張係数，熱伝導率及び耐熱衝撃性をコントロールできる。曲げ強さはh‑BN添加により低下するが，質量分率20 ％添加しても120MPa以上の強度を維2. Characteristics and Production Processof SNB Materials
2. 1

持する。一方，耐熱衝撃性は，h‑BN添加により向Material characteristics

Table 1 and Fig. 1 show the properties of

上し，質量分率30 ％添加によりΔT ︵熱衝撃温度－－Vol. 56   2013

Fig. 2

Shinagawa Technical Report

SEM image of SNB2 ceramic.
Fig. 3

Appearance of dry-machined SNBceramic.

差︶ ＝800Kを示す。これらの材料を使い分けることによって使用環境に応じた好適な耐熱部材を提SNB. The bulk density, ﬂexural strength, ther-供できる。

mal expansion coeﬃcient, thermal conductivity

2. 2and thermal-shock resistance can be controlled微構造

by changing the h-BN content of 10‑40 % (massFig. 2にSNB2のSEM像を示す。当社のSNB2はfraction).

質量分率20 ％のh‑BNがSi3N4に添加されている。
h‑BN添加によりSi3N4粒子の焼結は抑制され，微Flexural strength decreases with an increase

細な気孔が形成される。またマトリックスとなる

in h-BN content. However, it retains a larger

β‑Si3N4柱状粒子は数ミクロンサイズを維持し，than 120MPa even with an h-BN content of 20

この中に約 5μm程度のh‑BN板状粒子が均一に% (mass fraction). On the other hand, thermal-分散する。これらのマトリックスの微細化及び微shock resistance increases with the increase in

細気孔とh‑BN板状粒子の均一分散化は，亀裂進h-BN content. The thermal-shock resistance of

展を複雑化させ，材料の破壊エネルギーを高める

SNB with 30 % (mass fraction) h-BN is ΔT=800K.

ことから材料強度及び耐熱衝撃性の向上に寄与しWe can provide SNB with a variety of h-BNている。

contents as a heat-resisting material according

2. 3

to usage environments requirements.

マシナブル性

2. 2 Microstructure

緻密質Si3N4焼結体は難削材料であり，加工に多大な時間を要する。しかしながらh‑BN添加量がFig. 2 shows a scanning electron micrograph

質量分率15 ％以上のSNB焼結体はマシナブルと

image of SNB2 which contains 20 % (massなり，超硬工具を用いた乾式切削加工が可能となfraction) h-BN. The sintering of Si3 N4 grains isる。その理由は，h‑BN添加によって形成された微inhibited by the h-BN grains in the matrix. The

細気孔とh‑BN粒子が有する固体潤滑性により，microstructure contains ﬁne pores. The size of

快削性が発現することによる。

the β-silicon nitride particles (columnar shape)

Fig. 3にSNB2焼結体の乾式切削加工例を示す。

stays at a few microns. The h-BN particles

本例のように本材料は，マシニングセンターやNC(sheet-shape) disperse uniformly in the matrix of旋盤を用い，超硬工具によって容易に外削加工やβ-silicon nitride. This microstructure improves

ネジ加工を行うことが出来る。昨今の急速な市場

material strength and thermal-shock resistance－－Shinagawa Technical ReportVol. 56   2013

because the fracture energy is increased bycomplex crack propagation in the ﬁne microstructure.
2. 3 Machinability
The dense sintered silicon nitride material
requires a long time for processing. However,
SNB ceramics containing more than 15 % (massfraction) h-BN are workable because the porous
structure and solid-lubricating ability of h-BN
increase machinability.
Fig. 3 shows the appearance of dry-machined
Fig. 4

SNB2 ceramics. These ceramics are easily pro-Production flow of SNB ceramics.

cessed by using a Machining Centeror turning
machine with cemented carbide tools.
SNB ceramics are suitable for meeting the

変化に伴い，少量多品種，短納期が要求される耐demands of a short delivery time and various

熱部材として最適である。

kinds of small productions which are accompa-

2. 4

nied by market changes.

製造工程

2. 4 Production process

Fig. 4に製造工程フローを示す。製造工程は一
般的な非酸化物セラミックスと同様，次の通りでFig. 4 shows the process ﬂow chart for SNB.

ある。①主要粉体（Si3N4，h‑BN）と焼結助剤等をThe production process is similar to general

均一に混合した後，造粒する。②得られた造粒粉

non-oxide-ceramics

体を成形し，非酸化雰囲気で焼成後，必要に応じ①Raw powders and sintering additives areて精密加工する。

mixed. Subsequently, the mixed powder isprocessing,

asfollows.

当社の成形は，静水圧加圧（CIP）成形を主とす

granulated. ② Granulated powder is shaped andるが，多数の単純形状を作製する場合は金型成形，

powder compacts are sintered in an inert gas

複雑形状の場合はスリップキャスティング成形をatmosphere. The sintered bodies are machinedそれぞれ適用することも可能である。また，焼成with a variety of mechanical equipment.

体は加工精度に応じてマシニングセンター等を用

Cold isostatic pressing (CIP) has been used in

いた高精度精密加工を行うことが可能である。

our production process. Not only CIP but also

3.

pressing in a rigid die and slip casting can be

応用例

used as shaping processes. Sintered bodies aremachined with a high degree of accuracy by

当社のSNBは，優れた耐熱性と高加工性を有しMachining Centers if necessary.

た当社独自の商品である。本セラミックスの応用
例をFig. 5に示す。主応用例について以下に概説

3. Applications

する。
3. 1

連続鋳造用モールドレベルセンサーカバー

SNB ceramics have excellent heat-resis-

一般に連続鋳造モールド内溶鋼の湯面レベルコ

tance properties and mechanical workability.

ントロールには，渦電流を原理とした渦流センサ

Fig. 5 shows some applications of SNB ceramics.

－が用いられており，このセンサ－を溶鋼から保Details are explained as follows.

護する為にレベルセンサーカバーが用いられてい－－Vol. 56   2013

Shinagawa Technical Report

3. 1

Level-sensor-case for continuous
casting process

The molten metal level in the continuous
casting mold is controlled by a current sensor
based on the principles of an eddy current. A
level-sensor case is used to protect the sensor
against damage caused by molten metals.
SNB ceramics show high thermal-shockresistance, heat-insulating and non-molten metalFig. 5

wetting properties. These properties are suit-Applications of SNB ceramics.

able for the material of the level-sensor case.
Previously, the level-sensor case was produced
using silica and other insulating materials. SNBる。

ceramics show a long life-span compared to the

当社のSNBは耐熱衝撃性と断熱性に優れ，溶鋼に対して濡れ難いことからレベルセンサーカバー

previous materials.

として好適である。従来，本カバーとして適用さ

3. 2 Heat-resistantmaterials

formolten-

れてきたシリカや他の断熱材と比較しても高ライ

metal-processing such as aluminum,

フを示すことから，多くのユーザーからご好評を

copper, brass, silver and gold
SNB ceramics can be utilized as nozzles,頂いている。
アルミ，銅，黄銅，銀，金用溶湯部材

drain-pipes, gas-blowing pipes, molten crucibles

当社のSNBは溶融金属に濡れにくいことからand gas-atomized nozzles because of the good

ノズル，樋部材，ガス吹き込み管，溶解ルツボ，non-wetting property. Contamination in the

ガスアトマイズノズルなどの各種溶湯装置部材とmetal-manufacturing processes is expected

して有効に活用できる。SNBからの溶出物も少な

to be reduced because SNB ceramics will not

く，汚染低減による高品位製品製造，及び部品のbe dissolved. SNB ceramics also show a long

長寿命化が期待される。また高ライフを示すこと

life-span which contributes to the reduction inから，部品取り替え回数が低減され，製造コストproduction costs.

削減に貢献できる。

3. 3 Heat-resistant materials with electrical

3. 2

3. 3insulation

絶縁性耐熱部材

高温で焼結されたセラミックスでありながら，

SNB ceramics can be machined to speciﬁca-

優れた機械加工性を有する為，複雑な加工であっtions in a short time because of their excellentても比較的短時間で目的とする形状を付与するこ

machinable properties even though they haveとが可能である。

been sintered at high temperature.

更に，絶縁特性にも優れることから，試作開発装

Additionally, SNB ceramics have the electri-

置の絶縁碍子や耐熱部材として活用されている。

cal insulation that advanced ceramics provide

4.

and are often utilized as insulators for newlyまとめ

developed equipment.

（1）Si3N4に質量分率10 ％から40 ％のh‑BNを添4.

加することによりかさ密度，曲げ強さ，熱膨Summary(1) The bulk density, ﬂexural strength, thermal

張係数，熱伝導率，及び耐熱衝撃性をコント

expansion coeﬃcient, thermal conductivity

ロールした耐熱部材を提供できる。

－－Shinagawa Technical ReportVol. 56   2013（2）h‑BN添加量が質量分率15 ％以上のSNB焼結and thermal-shock-resistance properties of

体は，超硬工具を用いた切削加工が可能であSNB can be ﬁne-tuned by adjusting the 10‑

り，短時間で目的とする形状を付与すること

40 % (mass fraction) the h-BN content in theが可能である。

Si3 N4 matrix.

（3）当社SNBはレベルセンサーカバーや各種金属(2) SNB sintered bodies containing not less

溶湯部材及び耐熱絶縁部材として活用頂いてthan 15 % (mass fraction) h-BN can be eas-

おり，多くの各種ユーザーからご好評を頂い

ily worked with hard metal tools. Require-ている。

ments such as quick delivery and various
kinds of complex-shapes can be achieved.
(3) SNB ceramics are being received well as
level-sensor cases, heat-resistant materials formolten-metal-processing and heat-resistantmaterials with electrical insulation.

Reference1 ) T. Nishimura et al. : Taikabutu 58 (3)，164 ︵2006︶－－