JPH0343228B2 - - Google Patents

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JPH0343228B2
JPH0343228B2 JP59221575A JP22157584A JPH0343228B2 JP H0343228 B2 JPH0343228 B2 JP H0343228B2 JP 59221575 A JP59221575 A JP 59221575A JP 22157584 A JP22157584 A JP 22157584A JP H0343228 B2 JPH0343228 B2 JP H0343228B2
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JP
Japan
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weight
oxide
silicon nitride
sintered body
aluminum
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JP59221575A
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JPS61101467A (ja
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Tsuneyuki Kanai
Yukio Takeda
Shiro Iijima
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕 本発明は窒化珪素焼結体およびその製造方法に
係り、特に、常温における機械的強度に優れ、高
温下における強度低下の少い高密度窒化珪素焼結
体およびその製造方法に関する。 〔発明の背景〕 窒化珪素焼結体は機械的強度、耐熱性、耐食
性、耐熱衝撃性などに優れているため、近年例え
ばガスタービン用部品などの高温構造材料の素材
として注目されている。 Al入りの窒化珪素焼結体は、窒化珪素
(Si3N4)のSi原子の一部をAl原子に、N原子の
一部をO原子で置換した材料であり、一般式とし
てSi6-ZAlZOZN8-Z(O<Z<4.2)で表わされる。 このような高温窒化珪素焼結体を得る方法の一
つとして、特開昭53−14717号公報に示すように、
窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム
の複合酸化物からなる第1成分80容量%以上と、
酸化イツトリウム0.1〜10重量%との粉末混合物
を成形し、常圧焼結する方法が提案されている。 しかしこの方法は常圧で焼結するために粒界に
ガラス相を生成させ焼結を促進させている。従つ
て、この焼結体は窒化珪素組成(Si6-ZAlZOZ
N8-Z)とガラス相から構成されている。 しかしながら、従来のこの焼結体ではガラス相
の融点が低いため焼結体の高温強度を劣化させる
という問題点を有していた。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、常圧焼結法によつて常温にお
ける機械的強度に優れ、しかも高温下における強
度低下の低い窒化珪素焼結体およびその製造方法
を提供することにある。 〔発明の概要〕 常圧焼結法による窒化珪素焼結体が高温におい
て強度が低下するという従来の欠点を解消するた
めに、その組成原料粉末に助剤を付加し、種々検
討した結果、窒化珪素粉末に付加する助剤として
酸化エルビウムを用いると高温の機械的強度が優
れた焼結体が得られることを見い出し本発明に至
つた。 すなわち、本発明は、窒化珪素80〜95重量%
に、酸化イツトリウム3〜10重量%と酸化マグネ
シウム3〜10重量%のうちの一種、酸化アルミニ
ウム1〜8重量%および窒化アルミニウム2〜8
重量%を含有してなる組成物に対しエルビウムの
酸化物を1〜9モル%を含有することを特徴とす
る窒化珪素焼結体およびその製造方法である。な
お酸化アルミニウムおよび窒化アルミニウムの代
りに21RAlNポリタイプを用いる場合には1〜10
重量%を必要とする。 以下本発明を詳細に説明する。 本発明では、常圧焼成用窒化珪素組成を求める
ため、窒化珪素に窒化アルミニウム、酸化アルミ
ニウム、酸化イツトリウム(あるいは酸化マグネ
シウム)を付加し更に酸化エルビウムを付加使用
することを必須条件とするものである。これらの
成分を組合せて使用することにより、その相乗効
果として、常温は勿論高温度下においても従来の
ものよりははるかに優れた機械強度を有する常圧
焼結法による窒化珪素焼結体が得られる。ただし
窒化珪素組成を得るために窒化アルミニウムおよ
び酸化アルミニウムの代りに、これと同等の化学
組成にすることができる21RAlNポリタイプに代
表される珪素アルミニウムオキシ窒化物を用いて
も同様な目的を達成できる。また酸化イツトリウ
ムおよび酸化マグネシウムは主として緻密化の目
的で付加してあり、相換性を有する性質のもので
ある。 窒化珪素焼結体の上記の組成範囲に限定した理
由を次に示す。 窒化珪素80〜95重量% 窒化珪素が80重量%より少いと粒界相の量が多
くなり、高温特性が悪くなる。一方95重量%より
多いと焼結助剤の量が少くなり焼結性が劣化する
ので、窒化珪素は80〜95重量%の範囲とした。 酸化イツトリウム、酸化マグネシウム、酸化ア
ルミニウム、窒化アルミニウムおよび21RAlNポ
リタイプ。 酸化イツトリウム、酸化マグネシウムおよび酸
化アルミニウムの少くとも一方が所定の範囲より
少い量であると、焼結性が悪くなるばかりでな
く、高強度な焼結体が得られなくなる。この範囲
を越えると焼結性は向上するが高温での強度劣化
が激しくなる。また窒化アルミニウムおよび
21RAlNポリタイプを使用する場合には2〜8重
量%および1〜10重量%の範囲以下であると焼結
体の強度が低くなり逆にこの範囲以上にすると焼
結性が阻害される。 一方上述したような窒化珪素に焼結助剤を混合
した窒化珪素組成物に対する酸化エルビウムの量
は1〜9モル%にすることが好ましい。この酸化
エルビウムの量は1モル%以下であるとガラス相
の結晶化の度合が低く高温強度には寄与せず、逆
に9モル%以上であると焼結体内部にボイドを生
じ健全な焼結体が得られない。従来の窒化珪素焼
結体の高温強度の低下の主な原因は粒界に生ずる
耐熱温度の低いガラス相を生ずるためである。こ
のように酸化エルビウムを付加しない組成の焼結
体はZ=0.5前後であり、X線回析ではβ′−窒化
珪素のピークしか観察することができなかつた。
一方、窒化珪素組成粉末に酸化エルビウムを付加
すると、Er4Si2O7のピークもあらわれる。このよ
うに、酸化エルビウムなどの希土類元素の酸化物
を付加することにより高温強度が改善できる理由
は、粒界に生ずる軟化温度の低いガラス相が
Er4Si2N2O7として、その大部分が結晶化し粒界
のガラス量が減少するためと考えられる。 以上のように本発明の高温強度の窒化珪素焼結
体を製造するには、窒化珪素80〜95重量%に酸化
イツトリウム3〜10重量%と酸化マグネシウム3
〜10重量%のうちの一種を、酸化アルミニウム1
〜8重量%および窒化アルミニウム2〜8重量%
を含有してなる窒化珪素組成物に対し1〜9モル
%のエルビウムの酸化物を混合粉砕した後、加圧
成形法により中間成形体を形成し、続いて1600〜
1900℃の温度で常圧焼結することを特徴としてい
る。この製造に際し窒化珪素組成物に対しエルビ
ウムの酸化物を混合粉砕するにはボールミルなど
を用いればよくまた加圧成形の際の圧力は1000
Kg/cm2程度が好ましい。なお、酸化アルミニウム
および窒化アルミニウムの代りに21RAlNポリタ
イプを用いる場合には原料粉末として1〜10重量
%の割合とすることが好ましい。これらの原料混
合粉末の焼結は、1600〜1900℃の温度範囲で常圧
焼結を行うのが好ましい。焼結温度が1600℃より
低いと、充分微密化した焼結体が得られずまた
1900℃を超えると窒化珪素自体の分解が激しくな
り健全な焼結体が得られないようになる。 以上のようにして窒化珪素に上記酸化エルビウ
ム、酸化イツトリウム、酸化マグネシウム、酸化
アルミニウム又は窒化アルミニウム(酸化アルミ
ニウムおよび窒化アルミニウムの代り21RAlNポ
リタイプを使用する場合もある。)を組合わせて
特別割合で調製した混合物を成形し、常圧焼結し
て得られる酸化エルビウム含有の窒化珪素焼結体
は、高密度で機械強度が大きく高温度においても
強度の低下はほとんど認められない。 〔発明の実施例〕 以下本発明の実施例を説明する。 実施例 1 平均粒径0.6μmの窒化珪素粉末に平均粒径1μm
の酸化アルミニウム粉末と平均粒径1μmの窒化
アルミニウム粉末と平均粒径3μmの酸化イツト
リウム粉末を表1に示す割合で調製し、この組成
粉末に対して表1に示す割合で酸化エルビウムを
混合した後、1000Kg/cm2の圧力にて成形し、次に
この成形体を1750℃、1気圧の窒素雰囲気中で5
時間焼結した。この焼結体から3×4×40mmの試
験片を切り出し表面を研摩した後、外スパン30
mm、、内スパン20mm、クロスヘツドスピード0.5
mm/minの条件で4点曲げ試験をし、室温と1200
℃で強度を測定した。その結果を表1に示す。 表1の結果より明らかなように、窒化珪素、酸
化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化イツト
リウム及び酸化エルビウムを所定量含有する本発
明焼結体は室温強度、1200℃強度のいずれも満足
すべき特性のものが得られた。これに対して試料
番号5〜8の焼結体のように、所定範囲内にない
と、室温強度あるいは1200℃強度が本発明品より
も劣ることがわかる。
【表】 実施例 2 平均粒径0.6μmの窒化珪素粉末87.0wt%、平均
粒径1μmの酸化アルミニウム粉末2.5wt%、平均
粒径1μmの窒化アルミニウム4.5wt%、酸化マグ
ネシウム6.0wt%のSiAlON組成粉末に対して第
2表に示す割合で酸化エルビウムを混合したの
ち、実施例1と同様の方法で成形、焼結を行つ
た。この焼結体から実施例1と同様に曲げ試験片
を切り出し、室温および1200℃での強度を測定し
た。その結果を第2表に示す。 第2表の結果より明らかなように、窒化珪素、
酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化アグ
ネシウム、酸化エルビウムを所定量含有する本発
明焼結体は室温強度、1200℃強度のいずれも大き
くなつている。これに対して試料番号13,14の焼
結体のように所定の組成範囲外である場合には、
室温強度あるいは1200℃強度が本発明品よりも劣
つている。
【表】 実施例 3 平均粒径0.6μmの窒化珪素粉末に平均粒径3μm
の酸化イツトリウム粉末と、平均粒径1μmの
21RAlNポリタイプ粉末とを表2に示す割合で調
製しSiAlON組成とした。この窒化珪素組成粉末
に対して表3に示す割合で酸化エルビウムを混合
したのち、実施例1と同様の方法で成形、焼結を
行つた。この焼結体から実施例1と同様に曲げ試
験片を切り出し、室温および1200℃での強度を測
定した。その結果を第3表に示す。 第3表の結果より明らかなように、窒化珪素、
酸化イツトリウム、21RAlNポリタイプ、酸化エ
ルビウムを所定量含有する本発明焼結体は、室
温、1200℃強度のいずれも優れていることがわか
る。これに対して試料番号19〜22は所定の組成範
囲外である。この場合には、室温あるいは1200℃
での強度が本発明品より劣ることがわかる。
【表】 実施例 4 平均粒径0.6μmの窒化珪素粉末91.0wt%、平均
粒径3μmの酸化マグネシウム粉末6.0wt%と
21RAlNポリタイプ3.0wt%からなるサイアロイ
組成粉末に対して第2表に示す割合で酸化エルビ
ウムを混合したのち、実施例1と同様の方法で成
形、焼結し、この焼結体の室温および1200℃での
強度を測定した。その結果を第4表に示す。 第2表より、窒化珪素、酸化マグネシウム、
21RAlNポリタイプ、酸化エルビウムを所定量含
有する本発明焼結体は、この組成範囲外のものよ
り機械強度が優れていることがわかる。
【表】
〔発明の効果〕
以上のように、本発明によれば、室温強度なら
びに高強度に優れた窒化珪素焼結体を常圧焼結に
よつて得ることができるので、信頼性の高いガス
タービン部品のような高温構造材料を低コストで
提供できるという顕著な効果を有する。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 窒化珪素80〜95重量%に、酸化イツトリウム
    3〜10重量%と酸化マグネシウム3〜10重量%の
    うちの一種、酸化アルミニウム1〜8重量%およ
    び窒化アルミニウム2〜8重量%を含有してなる
    組成物に対し、エルビウムの酸化物を1〜9モル
    %を含有することを特徴とする窒化珪素焼結体。 2 窒化珪素80〜95重量%に、酸化イツトリウム
    3〜10重量%と酸化マグネシウム3〜10重量%の
    うちの一種、及び21RAlNポリタイプ1〜10重量
    %を含有してなる組成物に対し、エルビウムの酸
    化物を1〜9モル%を含有することを特徴とする
    窒化珪素焼結体。 3 窒化珪素80〜95重量%に、酸化イツトリウム
    3〜10重量%と酸化マグネシウム3〜10重量%の
    うちの一種、酸化アルミニウム1〜8重量%およ
    び窒化アルミニウム2〜8重量%を含有してなる
    組成物に対し、1〜9モル%のエルビウムの酸化
    物を混合し粉砕した後、加圧成形により中間成形
    体を形成し、続いて1600〜1900℃の温度で常圧焼
    結することを特徴とする窒化珪素焼結体の製造方
    法。
JP59221575A 1984-10-22 1984-10-22 窒化珪素焼結体およびその製造方法 Granted JPS61101467A (ja)

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