JPH02180758A - 窒化珪素質焼結体 - Google Patents
窒化珪素質焼結体Info
- Publication number
- JPH02180758A JPH02180758A JP63335570A JP33557088A JPH02180758A JP H02180758 A JPH02180758 A JP H02180758A JP 63335570 A JP63335570 A JP 63335570A JP 33557088 A JP33557088 A JP 33557088A JP H02180758 A JPH02180758 A JP H02180758A
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- JP
- Japan
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- sintered body
- rare earth
- silicon nitride
- earth elements
- excess oxygen
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- Granted
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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。
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〕
本兇明は窒化珪素質に関し特に中温域の耐酸化性および
強度に優れた焼結体に関する。
強度に優れた焼結体に関する。
窒化珪素から成る焼結体は原子の結合様式が共有結合を
主体として成り、強度、硬度、熱的化学的安定性におい
て、優れた特性を有することから、熱機関等のエンジニ
アセラミックスの応用が進められている。
主体として成り、強度、硬度、熱的化学的安定性におい
て、優れた特性を有することから、熱機関等のエンジニ
アセラミックスの応用が進められている。
近年、熱機関はその高効率化に伴い、熱機関の作動温度
は１４００℃以上になることが考えられ、この条件下で
使用可能な材料が望まれている。
は１４００℃以上になることが考えられ、この条件下で
使用可能な材料が望まれている。
そこで、従来から、高温特性に優れた焼結体を得るため
に、焼結体の組成又は焼結方法の面から各種の検討が成
されている。
に、焼結体の組成又は焼結方法の面から各種の検討が成
されている。
組成の点では特に焼結助剤としてＹ２Ｏ１等の希土類元
素酸化物をはじめＡＩｇｏ３やＭｇＯ，ＣａＯ等のアル
カリ土類元素酸化物等を用い、これらを含む組成物を常
圧焼成、ホントプルス焼成、ガス加圧焼成、熱間静水圧
焼成することによって高密度の焼結体を得ることが知ら
れている。
素酸化物をはじめＡＩｇｏ３やＭｇＯ，ＣａＯ等のアル
カリ土類元素酸化物等を用い、これらを含む組成物を常
圧焼成、ホントプルス焼成、ガス加圧焼成、熱間静水圧
焼成することによって高密度の焼結体を得ることが知ら
れている。
ところが、上記系では室温強度は十分な強度を有するも
のの高温特性は未だ不充分なものであった。
のの高温特性は未だ不充分なものであった。
このように高温特性が劣化する大きな要因として、焼結
体の窒化珪素結晶間に存在する粒界相の低融点化が指摘
されている。そこで、粒界相を形成する焼結助剤のうち
、Ａ１．Ｏｚ＋ＭｇＯ，ＣａＯ等の低融点酸化物を含ま
ないいわゆる窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）希土類酸化物（Ｒ
Ｅ、Ｏ，）−酸化珪素（Ｓｔ（ｈ）からなる系が高温特
性に優れた系として注目されており、この系において粒
界を結晶化させる等の改良が進められている。
体の窒化珪素結晶間に存在する粒界相の低融点化が指摘
されている。そこで、粒界相を形成する焼結助剤のうち
、Ａ１．Ｏｚ＋ＭｇＯ，ＣａＯ等の低融点酸化物を含ま
ないいわゆる窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）希土類酸化物（Ｒ
Ｅ、Ｏ，）−酸化珪素（Ｓｔ（ｈ）からなる系が高温特
性に優れた系として注目されており、この系において粒
界を結晶化させる等の改良が進められている。
しかし乍ら、５ｉ３Ｎ４−ＲＥｚＯｚ−３ｉＯ□系から
成る窒化珪素質焼結体は１２００℃以上の高温域での耐
酸化性および強度には優れるものの８００〜１２００℃
における中温域の耐酸化性が劣化し強度が低くなるとい
う欠点を有している。
成る窒化珪素質焼結体は１２００℃以上の高温域での耐
酸化性および強度には優れるものの８００〜１２００℃
における中温域の耐酸化性が劣化し強度が低くなるとい
う欠点を有している。
この原因の一つにはＲＥｚＯｉを多（含む粒界相が高融
点化合物として存在していることによって中温域では焼
結体表面に酸化膜が生じ難いことが挙げられ、さらには
体積膨張によってクランクが生じるためと考えられてい
る。
点化合物として存在していることによって中温域では焼
結体表面に酸化膜が生じ難いことが挙げられ、さらには
体積膨張によってクランクが生じるためと考えられてい
る。
そこで、一つの対策としてＡｌ２Ｏ３や５ｉ（ｈ成分を
加えて粒界相の融点を下げることが挙げられるが全体の
組成としてＡｌｔｏｚやＳｉＯ□を多量に加えると焼結
体自体の高温強度が低下し、高温用材料として不向きな
ものとなってしまう。
加えて粒界相の融点を下げることが挙げられるが全体の
組成としてＡｌｔｏｚやＳｉＯ□を多量に加えると焼結
体自体の高温強度が低下し、高温用材料として不向きな
ものとなってしまう。
本発明はＳｉＪ４−ＲＥｚＯｚ−５ｔｏｗ系から成る窒
化珪素質焼結体において特に１０００℃付近の中温域に
おける耐酸化性、強度を改善した窒化珪素質焼結体を提
供することを目的とする。
化珪素質焼結体において特に１０００℃付近の中温域に
おける耐酸化性、強度を改善した窒化珪素質焼結体を提
供することを目的とする。
本発明者等は上記目的に対し、研究を重ねた結果、希土
類元素酸化物（ＲＥｚＯｚ）としてＳｃ、Ｏ，、Ｅｒｇ
Ｏ３＋ Ｙｂｚ０３． Ｈｏｚ０３及びＤｙ、ｏ、の少
なくとも１種を含有した特定組成の５ｉ３Ｎ４−ＲＥｚ
Ｏｚ−ＳｉＯ□系焼結体の表面部に存在する希土類元素
を析出あるいは揮散させて、表面部のみをＳｉＯ□が過
剰に存在する組成に変換することによって、中温域にお
ける耐酸化性および強度を向上することができることを
知見した。
類元素酸化物（ＲＥｚＯｚ）としてＳｃ、Ｏ，、Ｅｒｇ
Ｏ３＋ Ｙｂｚ０３． Ｈｏｚ０３及びＤｙ、ｏ、の少
なくとも１種を含有した特定組成の５ｉ３Ｎ４−ＲＥｚ
Ｏｚ−ＳｉＯ□系焼結体の表面部に存在する希土類元素
を析出あるいは揮散させて、表面部のみをＳｉＯ□が過
剰に存在する組成に変換することによって、中温域にお
ける耐酸化性および強度を向上することができることを
知見した。
本発明の窒化珪素質焼結体は、全体の組成が窒化珪素（
ＳｉＪ４）８５〜９９モル％、特に８８〜９５モル％と
、希土類元素酸化物（ＲＥｚＯｚ）としてＳｃ、Ｙｂ、
Ｅｒ、ＨＯ及びＤｙの群から選択される少なくとも１種
を０１５〜５モル％、特に２〜４モル％と過剰酸素（Ｓ
ｉ Ｏ２換算）１０モル％以下の割合から成る。ここ
で過剰酸素とは焼結体の全酸素量から希土類元素酸化物
として混入する酸素を差し引いた残りの酸素量をＳｉ０
ｇ換算したものである。
ＳｉＪ４）８５〜９９モル％、特に８８〜９５モル％と
、希土類元素酸化物（ＲＥｚＯｚ）としてＳｃ、Ｙｂ、
Ｅｒ、ＨＯ及びＤｙの群から選択される少なくとも１種
を０１５〜５モル％、特に２〜４モル％と過剰酸素（Ｓ
ｉ Ｏ２換算）１０モル％以下の割合から成る。ここ
で過剰酸素とは焼結体の全酸素量から希土類元素酸化物
として混入する酸素を差し引いた残りの酸素量をＳｉ０
ｇ換算したものである。
本発明における特徴は上記組成の焼結体の表面部の過剰
酸素／希土類元素酸化物（モル比）（以下、単にＳｉＯ
□／Ｒｆｈ０３と称す）が内部の比率よりも大きいこと
を特徴とするもので、これによって焼結体表面部の粒界
相のみが低融点化し、中温域にて酸化膜が形成し易く、
且つ、体積膨張等の生じ難い組成となり、中温域におけ
る耐酸化性および強度を向上することができる。
酸素／希土類元素酸化物（モル比）（以下、単にＳｉＯ
□／Ｒｆｈ０３と称す）が内部の比率よりも大きいこと
を特徴とするもので、これによって焼結体表面部の粒界
相のみが低融点化し、中温域にて酸化膜が形成し易く、
且つ、体積膨張等の生じ難い組成となり、中温域におけ
る耐酸化性および強度を向上することができる。
本発明において焼結体の組成を前述の範囲に限定したの
は、窒化珪素が８５モル％未満、あるいは希土類元素酸
化物が５モル％を超える場合、また過剰酸素が１０モル
％を超えると強度が低り９、逆に窒化珪素が９９モル％
を超えるか、あるいは希土類元素酸化物が０．５モル％
未満では、緻密な焼結体が得にくい。
は、窒化珪素が８５モル％未満、あるいは希土類元素酸
化物が５モル％を超える場合、また過剰酸素が１０モル
％を超えると強度が低り９、逆に窒化珪素が９９モル％
を超えるか、あるいは希土類元素酸化物が０．５モル％
未満では、緻密な焼結体が得にくい。
なお、本発明によれば、焼結体の表面部のＳｉＯ□／Ｒ
Ｅ２Ｏ３比はその効果上２〜１０、内部のＳｉＯ□／Ｒ
Ｈｔ（ｈ比が０．５〜７であるのが望ましく、その差は
１以上が好ましい。
Ｅ２Ｏ３比はその効果上２〜１０、内部のＳｉＯ□／Ｒ
Ｈｔ（ｈ比が０．５〜７であるのが望ましく、その差は
１以上が好ましい。
また、内部のＳｉＯ□／ＲＩＥ２０：ｌ比より大きい５
ｉｆｔ／ＲＥｚＯ１比を有する、特にその差が１以上の
表面部は厚みが１００μ−以下であることが望ましい。
ｉｆｔ／ＲＥｚＯ１比を有する、特にその差が１以上の
表面部は厚みが１００μ−以下であることが望ましい。
このような焼結体を得るためには、まず窒化珪素、希土
類元素および過剰酸素（ＳｉＯ□）を配合した成形体を
常圧焼成、ホットプレス焼成、雰囲気加圧焼成あるいは
熱間静水圧焼成等によって１６００〜２０００°Ｃの温
度で窒素含有雰囲気で焼成して得られ、組成が前述した
組成範囲から成る焼結体を得る。
類元素および過剰酸素（ＳｉＯ□）を配合した成形体を
常圧焼成、ホットプレス焼成、雰囲気加圧焼成あるいは
熱間静水圧焼成等によって１６００〜２０００°Ｃの温
度で窒素含有雰囲気で焼成して得られ、組成が前述した
組成範囲から成る焼結体を得る。
このような上記の通常の方法で得られる焼結体は内外共
に５ｉＯｉ／Ｒ１ｈ（ｈ比は実質上同一である。本発明
によれば、このような焼結体に対し、所望により表面を
研摩した後、１４００〜１６００℃の温度で、且つ雰囲
気中にＣＯガスやＳｉＯガス等が混入していない純度の
高い窒素雰囲気中で２〜２０時間程度熱処理を施すと、
焼結体表面部の希土類元素が凝集析出または揮散するこ
とにより焼結体表面部の希土類元素の含有量が減少し、
実質上表面部のＳｉＯ□／ＲＥｘｏｉモル比が内部の５
ｉ０２／ＲＥｚＯ：＋モル比より大きくなる。このよう
な現象は、希土類元素の中でＳｅｙ Ｙｂ＋ Ｅｒ＋
ｔｌｏおよびＤｙ特有の性質と考えられ、この理由とし
てはＶ等の希土類元素に比較してこれらの元素は粒界に
おいて拡散性が高く、熱処理時に軟化した粒界で自由度
が高くなるため、組成的に過剰な分が表面部に析出する
ものと考えられる。
に５ｉＯｉ／Ｒ１ｈ（ｈ比は実質上同一である。本発明
によれば、このような焼結体に対し、所望により表面を
研摩した後、１４００〜１６００℃の温度で、且つ雰囲
気中にＣＯガスやＳｉＯガス等が混入していない純度の
高い窒素雰囲気中で２〜２０時間程度熱処理を施すと、
焼結体表面部の希土類元素が凝集析出または揮散するこ
とにより焼結体表面部の希土類元素の含有量が減少し、
実質上表面部のＳｉＯ□／ＲＥｘｏｉモル比が内部の５
ｉ０２／ＲＥｚＯ：＋モル比より大きくなる。このよう
な現象は、希土類元素の中でＳｅｙ Ｙｂ＋ Ｅｒ＋
ｔｌｏおよびＤｙ特有の性質と考えられ、この理由とし
てはＶ等の希土類元素に比較してこれらの元素は粒界に
おいて拡散性が高く、熱処理時に軟化した粒界で自由度
が高くなるため、組成的に過剰な分が表面部に析出する
ものと考えられる。
なお、熱処理時の雰囲気は実質的に酸素あるいは酸化物
のガスを含まないことが好ましく、これらの酸素の存在
によって希土類元素の移動、析出が阻害されるため、熱
処理に際しては焼結体をＳｉＣやＢＮ等の匣鉢内に配置
することが望ましい。
のガスを含まないことが好ましく、これらの酸素の存在
によって希土類元素の移動、析出が阻害されるため、熱
処理に際しては焼結体をＳｉＣやＢＮ等の匣鉢内に配置
することが望ましい。
以下、本発明を次の例で説明する。
（実施例）
窒化珪素、希土類元素、酸化珪素の各粉末を配合した成
形体を１８５０℃で３時間、Ｎｚ ９．８ａｔｍの雰囲
気で焼成し、さらに１８００℃、 ２０００ａ を−の
アルゴン雰囲気で１時間熱間静水圧焼成し組成の異なる
第１表に示す組成の焼結体を得た。
形体を１８５０℃で３時間、Ｎｚ ９．８ａｔｍの雰囲
気で焼成し、さらに１８００℃、 ２０００ａ を−の
アルゴン雰囲気で１時間熱間静水圧焼成し組成の異なる
第１表に示す組成の焼結体を得た。
得られた、焼結体を炭化珪素製匣鉢内に配置した１４０
０〜１６００℃の温度で１ ａｔｍの窒素雰囲気中で熱
処理を施した。
０〜１６００℃の温度で１ ａｔｍの窒素雰囲気中で熱
処理を施した。
得られた焼結体に対し、１０００’ｃの酸化雰囲気で１
００時間保持し、酸化重量増を、また１０００ ”Ｃに
おけるＪＩＳＲ１６０１に基づく４点曲げ強度を測定し
た。
００時間保持し、酸化重量増を、また１０００ ”Ｃに
おけるＪＩＳＲ１６０１に基づく４点曲げ強度を測定し
た。
また、表面部の５ｉ（ｈ／ＲＥｚ（ｈ比と内部のＳｉｎ
ｇ／ＲＥ。
ｇ／ＲＥ。
０、比とをＩＰＣ分析によって求めた。
第１表の結果からも明らかなように、熱処理前の焼結体
阻２は内外共に５ｔ（ｈ／ＲＥ２Ｏ３比はほぼ同一であ
り、１０００℃における耐酸化性は悪いが、これに対し
、熱処理を加えたＮｌｌの試料ではＥｒｚＯ＋の表面部
への析出が認められ、ＳｉＯ□／ＲＥ、０．比は表面部
の方が大きくなっており、耐酸化性、強度が大きく向上
した。本発明の試料は、いずれも１０００℃酸化重量増
０．１ｍｇ／ｃａｂ”以下、強度８５Ｋｇ／ａｍ２が達
成された。
阻２は内外共に５ｔ（ｈ／ＲＥ２Ｏ３比はほぼ同一であ
り、１０００℃における耐酸化性は悪いが、これに対し
、熱処理を加えたＮｌｌの試料ではＥｒｚＯ＋の表面部
への析出が認められ、ＳｉＯ□／ＲＥ、０．比は表面部
の方が大きくなっており、耐酸化性、強度が大きく向上
した。本発明の試料は、いずれも１０００℃酸化重量増
０．１ｍｇ／ｃａｂ”以下、強度８５Ｋｇ／ａｍ２が達
成された。
以上、詳述した通り、焼結体の表面部の希土類元素を減
少せしめて表面部のみをＳｉＯ□の過剰の組成とするこ
とによって高温特性を劣化させることな（中温域の耐酸
化性および強度を共に向上させることができ、ターボロ
ータ、タービン等への応用をさらに進めることができる
。
少せしめて表面部のみをＳｉＯ□の過剰の組成とするこ
とによって高温特性を劣化させることな（中温域の耐酸
化性および強度を共に向上させることができ、ターボロ
ータ、タービン等への応用をさらに進めることができる
。
Claims (1)
- 窒化珪素８５〜９９モル％とＳｃ，Ｙｂ，Ｅｒ，Ｈｏ
およびＤｙの群から選ばれる少なくとも１種の希土類元
素酸化物（ＲＥ＿２Ｏ＿３）０．５〜５モル％と、過剰
酸素（ＳｉＯ＿２換算）１０モル％以下の割合から成る
焼結体であり、該焼結体の表面部の過剰酸素／希土類元
素酸化物（モル比）が内部の比率より大きいことを特徴
とする窒化珪素質焼結体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63335570A JP2691295B2 (ja) | 1988-12-28 | 1988-12-28 | 窒化珪素質焼結体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63335570A JP2691295B2 (ja) | 1988-12-28 | 1988-12-28 | 窒化珪素質焼結体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02180758A true JPH02180758A (ja) | 1990-07-13 |
| JP2691295B2 JP2691295B2 (ja) | 1997-12-17 |
Family
ID=18290062
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63335570A Expired - Fee Related JP2691295B2 (ja) | 1988-12-28 | 1988-12-28 | 窒化珪素質焼結体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2691295B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH051817A (ja) * | 1991-02-26 | 1993-01-08 | Kyocera Corp | セラミツク発熱体 |
| JP2017195078A (ja) * | 2016-04-20 | 2017-10-26 | 日本特殊陶業株式会社 | セラミックヒータおよびグロープラグ |
-
1988
- 1988-12-28 JP JP63335570A patent/JP2691295B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH051817A (ja) * | 1991-02-26 | 1993-01-08 | Kyocera Corp | セラミツク発熱体 |
| JP2017195078A (ja) * | 2016-04-20 | 2017-10-26 | 日本特殊陶業株式会社 | セラミックヒータおよびグロープラグ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2691295B2 (ja) | 1997-12-17 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |