品川技報 2022 №65 抜刷

窒化ケイ素／窒化ホウ素複合材
料 SSNB の特性と応用（品川ファインセラミックス株式会社）Characteristics and Applications ofSilicon Nitride / Boron Nitride Composite
Material SSNB
(Shinagawa Fine Ceramics Co., Ltd.)

吉川正博

Masahiro YOSHIKAWA

武

田輝

彦

Teruhiko TAKEDA

10一森照

光

Terumitsu ICHIMORIShinagawa Technical Report

No. 65 2022

製品紹介
PRODUCTS

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

吉川正博＊１Masahiro YOSHIKAWA一森照
光＊２Terumitsu ICHIMORI
要武田輝
彦＊3Teruhiko TAKEDA

旨

当社のSSNB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。本セラミックスは微細組織を改良することによって，従来材料であるSNBの強度を平均で35％，耐熱衝撃性を15％改善している。
本材料を溶湯部材・耐熱部材として適用することで，より過酷な熱環境下での応用範囲を広げている。本報告ではこのSSNB特性と応用について概説した。

Abstract
SSNB is made by adding hexagonal boron nitride (h‑BN) to silicon nitride (Si3 N4) and has theexcellent mechanical properties of Si3 N4 and excellent thermal shock resistance and machinabilityof h‑BN.
By improving the microstructure of this ceramic, the strength and thermal shock resistance ofthe conventional SNB material are improved by 35 % and 15 %, respectively, on average.
We are promoting the application of this material as a molten metal and heat resistant material
in a harsh thermal environment. This report outlines the SSNB characteristics and applications.

1.

1. はじめにIntroduction

窒化ケイ素︵Si3N4︶ は高温強度，耐熱衝撃性，耐Silicon nitride (Si3 N4) is used in various ﬁelds

摩耗性及び耐食性に優れていることから耐熱セラ

as heat-resistant ceramics because it has

ミックスとして様々な分野で活用されている｡

excellent high-temperature strength, thermal1︶

shock resistance, wear resistance and corrosion

このSi3N4に六方晶窒化ホウ素（h‑BN）を添加＊１ 品川ファインセラミックス株式会社 岡山事業所 取締役 事業所長

Executive Director, 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 製造室 室長 Director, Okayama Works, Shinagawa Fine Ceramics Co., Ltd.
＊３ 品川ファインセラミックス株式会社 岡山事業所 製造室 作業長 Supervisor, Okayama Works, Shinagawa Fine Ceramics Co., Ltd.

－－Shinagawa Technical Report

No. 65 2022

resistance.1)
By adding hexagonal boron nitride (h‑BN)to this Si3 N4 , SNB,

which has the excellent

mechanical properties of Si3 N4 and excellent
thermal shock resistance and machinability ofh‑BN can be obtained. 2， 3)
However, because the strength and thermal
Fig. 1

impact resistance of SNB are insuﬃcient, it

Examples of SSNB product. Detail will be
described in Sec. 3.

sometimes breaks or cracks and cannot beused. Especially when used in a harsh thermal

することによりSi3N4が持つ優れた機械的特性とenvironment such as repeated rapid heating

h‑BNの持つ優れた耐熱衝撃性，機械加工性とをor rapid contact with high-temperature metal

兼ね備えたセラミックスSNBmelt.

2,3︶が得られる。

しかしながら，繰り返し急加熱や，高温金属溶融

Therefore, we have developed Si3 N4 /h‑BN

物との急接触等の過酷な熱環境下において，SNB

composite material SSNB (Super SNB), which

レベルの強度と耐熱衝撃性では，破断や亀裂が生

has 35 % higher strength and 15 % higher

じ，使用できない場合があった。

thermal shock resistance than conventional

そこで，従来材SNBの強度を平均で35％，耐SNB on average, and are expanding the range

熱 衝 撃 性 を15 ％ 高 め たSi3N4 / h‑BN系 複 合 材 料

of applications of this material (Fig. 1 : details

SSNB（Super SNB）を開発し，本材料の応用範囲のare explained in section 3) This report outlines

拡大を進めている（Fig.1：詳細は 3 項で説明）。本報

the SSNB characteristics and applications.

告ではこのSSNB特性と応用について概説する。
2.

Characteristics of SSNB and

2.

Manufacturing Method

SSNB材料の特性と製造方法

2. 1

2. 1

材料特性

Material properties

Table 1にSSNBの 材 料 特 性 を 示 す。Si3N4 にTable 1 shows the material properties of SSNB

10mass％から40mass％のh‑BNを添加すること

materials. The bulk density, ﬂexural strength,により嵩密度，曲げ強さ，熱膨張係数，熱伝導率

coeﬃcient of thermal expansion, thermal con-及び耐熱衝撃性をコントロールできる。 曲げ強ductivity and thermostable impact resistance ofTable 1Properties
Codes
BN content

Properties of SSNB ceramics
Si3N4-BN composite

Unit

JIS No.

SSNB1

SSNB2

SSNB3

SSNB4

mass%

10203040－

3

Bulk density

g/cm

2.8

2.5

1.9

1.7

JIS R 1634

Flexural strength

MPa

340

280

145

90

JIS R 1601

ｰ6

Thermal expansion coefficient

×10 /K

3.2

2.8

2.3

2.2

JIS R 1618

Thermal conductivity

W/mK

46383430

JIS R 1611

Thermal shock resistance (ΔT)

K

750

850

950

1000－Machinable－×△○○－－－Shinagawa Technical Report

Fig. 2No. 65 2022

Comparison of flexural strength and thermal shock resistance characteristics of SSNB and SNB.

さはh‑BN添加により低下するが，20mass％添加

SSNB are controlled by adding 10 ‑ 40 mass%しても280MPa以上の強度を維持する。一方，耐h‑BN to Si3 N4 . The bending strength decreases

熱衝撃性は，h‑BN添加により向上し，20mass％as the amount of h‑BN added increases, but

添加によりΔT（熱衝撃温度差）は850℃に，更にeven when 20 mass% is added, the strength is

40mass％添加するとΔTは1000℃となる。

280 MPa or more.

これらの特性値をSNBと比較した結果をFig.2

On the other hand, the thermal shock resis-に示す。本結果より，BN添加量10～40mass％のtance improves as the amount of h‑BN increases,

範囲では，SSNBはSNBよりも強度、耐熱衝撃性

and ΔT (thermal shock temperature) increases

においてそれぞれ平均で35％，15％優れているこ

to 850 ℃ by adding 20 mass%. Further additionとが分かる。

of 40 mass% increases ΔT to 1000 ℃.

Fig.3に熱衝撃後の残存強度を示す。SSNB2はFig. 2 shows the results of comparing these

800℃の熱衝撃を加えても250MPa以上の強度を

characteristic values with SNB. The results
show that SSNB is on average 35 % and 15 %better than SNB in strength and thermal shock
resistance, respectively, in the range of 10‑40 mass% BN addition.
Fig. 3 shows the residual strength after
the thermal shock test. SSNB2 maintained astrength of 250 MPa or more after thermal
shock at 800 ℃.
After further raising the temperature andthermal shock to 850 ℃, the residual strength
decreased, but 150 MPa or more remained. This
strength value is equal to the material strengthof SNB2. On the other hand, SNB dropped
sharply after a thermal shock at 750 ℃ andFig. 3

the residual strength reached 50 MPa. This

Comparison of strength of SSNB and SNB
after thermal shock.

strength value is one-third the residual strength－－Shinagawa Technical Report

No. 65 2022

of SSNB2 after thermal shock at 850 ℃.

保持する。更に温度を上げて850℃の熱衝撃を加えると残存強度は低下するものの，150MPa以上

In this way, SSNB is superior to SNB inを保持する。この強度値はSNB2の材料強度に等

strength and heat impact resistance, so SSNB

しい。一方，SNBの残存強度は750℃の熱衝撃を加can be used as a heat resistant material even

えると急激に低下し50MPaとなる。この強度値はin a harsh thermal environment where conven-

850℃熱衝撃後のSSNB2残存後強度の1/3である。

tional materials would break.
2. 2 Microstructure

このようにSSNBはSNBよりも強度と耐熱衝撃性に優れていることから耐熱部材としての応用範

Fig. 4 shows the SEM images of the fracture

囲が広がる。従来材料では破断して使用出来な

surfaces of SSNB2 and SNB2. These ceram-

かった過酷な環境下であっても適用できるように

ics are porous bodies containing ﬁne pores inなった。

which 20 mass% h‑BN is added to suppress the2. 2

sintering of Si3 N4 particles.

微構造

Fig.4にSSNB2とSNB2の 破 面SEM像 を 示 す。

The microstructures of these ceramics are

これらのセラミックスは多孔体であり，何れもdiﬀerent. Since SSNB2 uses a sintering aid

20mass％のh‑BNを添加することによってSi3N4that promotes grain growth, β‑Si3 N4 columnar

粒子の焼結を抑制し微細気孔を形成している。

particles grow more than SNB2, forming a ﬁne

SSNB2とSNB2では微細組織が大きく異なっていstructure with higher strength.

る。SSNB2は粒成長を促進する焼結助剤を用いる

In addition, the uniform dispersion of the

ことで，SNB2よりもβ‑Si3N4柱状粒子を成長させ

h‑BN plate-like particles of this microstructure

た強固な微細組織を形成している。加えて，このcomplicates the crack growth and increases the

組織にh‑BN板状粒子を均一分散化させることでfracture energy of the material, thus improving

亀裂進展を複雑化させ，材料の破壊エネルギーを

the thermal impact resistance.

高め，耐熱衝撃性を高めている。

2. 3 Machinability

2. 3Dense Si3 N4 sintered body is a material that

マシナブル性

緻密質Si3N4焼結体は難削材料であり，加工に多is diﬃcult to grind, and it takes a long time to

大な時間を要する。しかしながらSSNB焼結体はprocess. However, if h‑BN is added in an amounth‑BNを30mass％以上添加するとマシナブルとなof 30 mass% or more, the SSNB sintered bodyり，超硬工具を用いた乾式切削加工が可能となる。

can be dry-machined using a cutting tool. The

その理由は，h‑BN添加によって形成された微細reason why dry machining is possible is due toSSNB2SNB22μmFig. 4SEM image of SSNB2 and SNB2 fracture surface.

－－Shinagawa Technical Report

Fig. 5

Appearance of dry-machined SSNB3ceramics.

Fig. 6No. 65 2022

Production flow of SSNB ceramics.

気孔とh‑BN粒子が有する固体潤滑性により，快the solid lubricity of the micropores and h‑BN削性が発現することによる。

particles formed by the addition of h‑BN.

Fig.5にh‑BNを30mass ％ 含 有 す るSSNB3焼 結

Fig. 5 shows an example of dry machining of

体の乾式切削加工例を示す。本例のように本材料

an SSNB3 sintered body containing 30 mass%は，マシニングセンターやNC旋盤を用い，超硬工of h‑BN. As shown in this example, this mate-

具によって容易に外削加工やネジ加工を行うこと

rial can be easily machined and threaded withが出来る。昨今の急速な市場変化に伴い，少量多a cutting tool using a machining center or NC

品種，短納期が要求される耐熱部材として好適でlathe. It is suitable as a heat-resistant materialある。

that can satisfy requirements such as a wide

2. 4

variety of products in small quantities and a

製造工程

short delivery time due to the rapid market

Fig.6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，次の通りであchanges in recent years.

る。①主要粉体（Si3N4，h‑BN）と焼結助剤等を均

2. 4

Manufacturing process

一に混合した後，造粒する。②得られた造粒粉体

Fig. 6 shows the manufacturing process ﬂow.

を成形し，非酸化雰囲気で焼成後，必要に応じてThe manufacturing process is as follows, similar

精密加工する。

to general non-oxide ceramics. (1) Granulated

当社の成形は，静水圧加圧（CIP）成形を主とby uniformly mixing the main powder (Si3 N4 ,するが，多数の単純形状を作製する場合は金型成h‑BN) and sintering aid, etc. (2) The obtained

形，複雑形状の場合はスリップキャスティング成granulated powder is molded, ﬁred in a non-形をそれぞれ適用することも可能である。また焼oxidizing atmosphere, and machined.
Our molding is mainly hydrostatic pressure

成体はマシニングセンター等を用いた高精度加工(CIP) molding, but it is also possible to applyを行うことが可能である。
3.

mold molding when producing a large number

応用例

of simple shapes and slip casting molding when

SSNBは，優れた耐熱性と高加工性を有した当社

producing complex shapes. In addition, the ﬁred

独自の商品である。本セラミックスの応用例をFig.7

body can be machined with high precision usingに示す。これらの応用例について以下に概説する。

a machining center.

－－Shinagawa Technical Report

No. 65 2022

3. Applicationa)

SSNB is our original product and has excellent heat resistance and high processability. An
application example of this ceramic is shown inFig. 7.
3. 1b)

Gas atomize nozzle

Laminated modeling technology using 3D
metal printers is widespread in the aerospaceindustry, molds, and biomaterials.
The gas atomizing method is used as amethod for producing the metal powder used inthis modeling method. In this method, moltenc)

metal is poured from a ceramic nozzle and acooling gas is blown onto the molten metal tocrush and solidify the metal.
Fig. 7 a) shows the appearance of the gas
atomizing nozzle. We provide SSNB nozzles
that can be used stably with this method.
3. 2 Nozzle for thin bandFig. 7 Applications of SSNB ceramics	   a) Gas atomize nozzle	   b) Thin film nozzle	   c) Ladle

In order to improve the performance ofmagnetic core materials for various motors oftransportation machines such as automobiles,quenching solidiﬁcation strip materials of alloys

3. 1

having high saturation magnetic ﬂux density andガスアトマイズノズル

3D金属プリンターに代表される積層造形技術

excellent soft magnetic properties have become

が急速に普及しており，航空・宇宙産業，金型，widespread. A thin band nozzle is used to make

生体材料などへの適用が進んでいる。

this material. Fig. 7 b) shows the appearance本造形技術に使用される金属粉末の製造方法とof the thin band nozzle. The SSNB nozzle has

して，溶融した金属をセラミックス製のノズルか

excellent heat impact resistance, heat insulation

ら流出させ，これに冷却媒体を吹き付けて，粉and wettability, so it can be used stably.

砕，凝固するガスアトマイズ法が用いられるよう

3. 3 Casting ladle
SSNB has excellent corrosion resistance toになってきた。
Fig.7 a)にガスアトマイズノズルの外観を示

molten aluminum and can be applied as a ladle

す。当社では，本法において安定的に使用可能な

for molten metal. The application of this mate-SSNBノズルを提供している。

rial is expected to reduce the contamination

3. 2of molten metal with diﬀerent metals, improve

薄帯用ノズルyield, extend the life of the ladle, and reduce

自動車などの輸送機械の各種モーター用磁芯材

maintenance.

料の高性能化を背景として，高い飽和磁束密度とFig. 7 c) shows the appearance of the ladle.

優れた軟磁性特性を有する合金の急冷凝固薄帯材

Although there is room for improvement in

料が普及している。

－－Shinagawa Technical Reportterms of shape, this product has been conﬁrmed

Fig.7 b) に薄帯用ノズルの外観を示す。SSNBノ

to be usable in practice.

ズルは耐熱衝撃性と断熱性に優れ，溶湯に対して濡れ難いことから本法において安定的に使用可能

4.

である。
3. 3

No. 65 2022

Summary(1) We have developed SSNB, a composite mate-

鋳造用ラドルSSNBは溶融アルミニウムに対する耐食性に優rial with 35 % and 15 % higher mechanical

れることから，給湯用ラドルとしての適用も可能

strength and thermal shock resistanceである。本材料の適用により，溶湯への異種金属

than SNB, respectively, with a range of 10

汚染の低減，製品の歩留まり向上，ならびにラド

mass% to 40 mass% h‑BN added to Si3 N4 .

ルの長寿命化とメンテナンス負荷低減が期待でき(2) SSNB sintered body with h‑BN addition
amount of 30 mass% or more can beる。
Fig.7 c) にラドルの外観を示す。本品は形状面

machined using a cutting tool, and the

では改良の余地があるものの，実使用可能である

desired shape can be obtained in a short

ことを確認している。

time.

4.

(3) SSNB has been used as molten metal

まとめparts and heat-resistant insulating partsin harsher thermal environments, and has（1）Si3N4に10mass％から40mass％のh‑BNを添加

been well received by many users.

したSNBの機械的強度と耐熱衝撃性をそれぞれ平均で35％，15％高めたSi3N4 / h‑BN系複合材料SSNB（Super SNB）を開発した。
（2）h‑BN添加量が30mass％以上のSSNB焼結体
は，超硬工具を用いた切削加工が可能であり，短時間で目的とする形状を付与することが可能である。
（3）当社SSNBはより過酷な熱環境下で使用される各種金属溶湯部材及び耐熱絶縁部材としてご活用頂いており，多くの各種ユーザーからご好評を頂いている。

References1 ) M. Yoshikawa et al.：Industrial Heating 46‚ ［2］ 27‑29 ︵2009︶.
2 ) A. Makiya et al.：Shinagawa Technical Report No. 56‚ 125‑130 (2013).
3 ) A. Makiya et al.：Shinagawa Technical Report No. 60‚ 172‑177 (2017).

－－