JPH035374A - 窒化ケイ素―炭化ケイ素複合焼結体およびその製造法 - Google Patents

窒化ケイ素―炭化ケイ素複合焼結体およびその製造法

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JPH035374A
JPH035374A JP1137486A JP13748689A JPH035374A JP H035374 A JPH035374 A JP H035374A JP 1137486 A JP1137486 A JP 1137486A JP 13748689 A JP13748689 A JP 13748689A JP H035374 A JPH035374 A JP H035374A
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silicon carbide
silicon nitride
silicon
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sintering
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Hiromasa Isaki
寛正 伊崎
Takamasa Kawakami
川上 殷正
Koichi Niihara
晧一 新原
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    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
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    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/584Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride
    • C04B35/593Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride obtained by pressure sintering

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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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、特異な微構造を持つ窒化ケイ素−炭化ケイ素
複合焼結体およびその製造法に関し、さらに詳しくは、
窒化ケイ素粒子の粒界に平均粒径1μm以下の炭化ケイ
素粒子が存在し、かつ数nmから数百nmの炭化ケイ素
粒子が窒化ケイ素粒子内に分散した微構造を有する窒化
ケイ素−炭化ケイ素からなるマトリックス相と、(a)
平均粒径が2−50μmの炭化ケイ素粒子、および/ま
たは(b)短軸が0.05−10μm 、アスペクト比
が5−300の炭化ケイ素ウィスカーの分散相からなる
複合構造を持つ窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体およ
びその製造法に関する。
本発明に係る窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体は、破
壊靭性値に優れており、しかも高い室温および高温強度
を保持しており、ガスタービンやエンジン等の高温構造
部材や摺動部材あるいは耐摩耗性材料などとして有用な
ものである。
〔従来技術およびその問題点〕
窒化ケイ素、炭化ケイ素は高温構造材料用のエンジニア
リングセラミックス材料として近年富に注目を集めて来
ている。特に窒化ケイ素は耐熱衝撃や破壊靭性に、また
炭化ケイ素は耐酸化性や高温強度にそれぞれ優れた性質
を有している。このため窒化ケイ素、炭化ケイ素はそれ
ぞれの特性を生かした分野で開発が行われている。一方
、両者の利点を生かすために窒化ケイ素−炭化ケイ素複
合体の開発も種々試みられている。
従来、窒化ケイ素−炭化ケイ素複合体を得る方法として
は、 (1)窒化ケイ素(Si、N4)粉末と炭化ケイ素(S
iC)粉末やウィスカーとを機械的に混合して常圧焼結
あるいはホットプレスやHIPなどの加圧下で焼結する
方法。
(2)炭化ケイ素(SiC)粉末とケイ素(Si)粉末
と炭素からなる成型体を窒化反応によって窒化ケイ素(
Si、N、)を生成させたり、窒化ケイ素(SiJ4)
粉末と炭素からなる成型体にケイ素(Si)を浸透させ
て炭化ケイ素(SiC)を生成させたりする反応焼結に
よる方法。
(3)有機ケイ素ポリマー、あるいは有機ケイ素化合物
にケイ素(Si)粉末を加えたものを原料として加熱す
ることによって窒化ケイ素−炭化ケイ素複合体を生成さ
せる方法。
等がある。しかし、これらのうち、(2) 、(3)に
よる方法は一般に寸法精度がよく成型性に優れている利
点はあるが、得られる焼結体は多孔質になりやすく密度
の高い緻密な焼結体を得ることは困難である。このため
得られる焼結体の物性は、緻密な窒化ケイ素、炭化ケイ
素に比べて劣る場合が多く、たとえば焼結体の強度は窒
化ケイ素、炭化ケイ素より低い。
このため、高密度で緻密な複合焼結体を得るには通常前
記(1)の方法が採用されるのが一般的である。この方
法には大別して窒化ケイ素に炭化ケイ素ウィスカーを添
加する方法と窒化ケイ素に炭化ケイ素粉末を添加する方
法がある。 炭化ケイ素ウィスカーを分散させた窒化ケ
イ素−炭化ケイ素複合焼結体の例としては、たとえば窯
業協会誌91.491 (1983)や窯業協会誌94
.981  (1986)に示されているように、窒化
ケイ素粉末に炭化ケイ素ウィスカーを混合してホットプ
レス焼結することにより、破壊靭性値が大きく、高温で
の強度低下が少なく、しかも信頼性を示すワイブル係数
の大きな窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体の得られる
ことが示されている。
一方、炭化ケイ素粉末を用いた窒化ケイ素−炭化ケイ素
複合焼結体の例としては、例えば、USP4、184.
882 、あるいはJ、 Am、Ceram、Soc、
、 56.445(1973)に示されるように、5〜
32μmの炭化ケイ素(SiC)粉末(最大40体積%
)を窒化ケイ素(33N4)粉末に添加することにより
、窒化ケイ素に比べ熱伝導度や高温強度の改善された成
型体の得られることが開示されている。
このような従来の方法では一部の物性は改善されるもの
の近年のガスタービン等の耐熱部材で要求される機械的
物性を満足するには未だ不十分であった。 このような
問題点に鑑み、本発明者らは先に、特開昭63−159
256号において、平均粒径が1μm以下の炭化ケイ素
を窒化ケイ素に均一に分散させ、窒化ケイ素の粒子を柱
状化することによって、室温強度および破壊靭性とも窒
化ケイ素に優る窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体が得
られることを示した。さらに、特願平1−3115号で
炭化ケイ素が粒界のみならず粒内に分散した特異な微構
造を有する窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体は室温/
高温強度、破壊靭性値及び断熱性に優れ、しかも硬度が
高く耐摩耗性に優れていることを示した。しかしながら
、脆性材料である窒化ケイ素や炭化ケイ素がより広範囲
に使用されるためには、特に脆さの尺度となる破壊靭性
値の向上が要求されている。
本発明の目的は、従来の窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼
結体よりもさらに優れた破壊靭性値を有し、しかも高い
室温・高温強度を保持した窒化ケイ素−炭化ケイ素複合
焼結体およびその製造法を提供することである。
〔問題点を解決するための手段〕
すなわち、本発明は窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体
であって、窒化ケイ素粒子の粒界に平均粒径1μm以下
の炭化ケイ素粒子が存在し、かつ数nmから数百nmの
炭化ケイ素粒子が窒化ケイ素粒子内に分散した微構造を
示す窒化ケイ素−炭化ケイ素からなるマトリックス相と
、(a)平均粒径が2−50μmの炭化ケイ素粒子、お
よび/または(b)短軸が0.05−10μm 、アス
ペクト比が5−300の炭化ケイ素ウィスカーの分散相
とからなることを特徴とする窒化ケイ素−炭化ケイ素複
合焼結体およびその製造法に関する。
本発明におけるこの様な微細構造で構成された窒化ケイ
素−炭化ケイ素複合焼結体は、従来の窒化ケイ素−炭化
ケイ素複合焼結体に見られない高い破壊靭性値を有し、
しかも高い室温および高温強度を保持するものである。
本発明の窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体が従来の一
般の複合焼結体には認められない高い破壊靭性値を有し
、しかも高い室温および高温強度を保持しているのは、
その微構造の特異性にある。
本発明の窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体はマトリッ
クス相と分散相とで構成されており、マトリックス相は
窒化ケイ素粒子と1μm以下の微細な炭化ケイ素粒子が
窒化ケイ素粒子の粒界に存在し、かつ窒化ケイ素粒子内
にナノメーターの大きさの微細な炭化ケイ素粒子が分散
した構造を有する窒化ケイ素−炭化ケイ素複合体からな
り、その構成粒子の大部分がサブミクロンあるいは数ミ
クロンという小さな粒子から成っている。
一方、本発明において、分散相はマトリックス相の構成
粒子に比べて大きく、マトリックス相の中に均一に分散
した構造をとっている。
本発明の複合焼結体におけるマトリックス相中の炭化ケ
イ素量は3−25体積%、好ましくは5−20体積%で
あると効果的である。これより炭化ケイ素量が少ないと
、破壊靭性値や強度向上に対する寄与が小さく、またこ
れより量が多い場合には破壊靭性値が低くなったり緻密
な焼結体を得ることが困難となる。
すなわち、本発明の複合焼結体において、マトリックス
相の炭化ケイ素が少ない場合には、窒化ケイ素は多くの
柱状粒子と等軸状粒子からなり、柱状粒子のアスペクト
比が大きくよく発達した構造をとっている。また炭化ケ
イ素は大部分が数nmから数百nmの大きさで窒化ケイ
素の粒子内部に存在し、一部は粒界にサブミクロン大の
粒径で存在(ている。窒化ケイ素の柱状粒子がよく発達
しているためマトリックス相でのクラックの伝播はクラ
ックが偏向したり、窒化ケイ素粒子内に分散した炭化ケ
イ素によってクラックがピン止めされたり、あるいは窒
化ケイ素と炭化ケイ素の熱膨張差によりマイクロクラブ
クが生成しクラックの伝播のエネルギーが分散されたり
することなどのためこのマトリックス相部分での破壊靭
性値が窒化ケイ素に比べて向上するものと推測され、ま
たこれらのことは、室温および高温での強度にも寄与し
強度が窒化ケイ素より向上する要因となっているものと
推測される。
一方マトリックス相の炭化ケイ素が多い場合においては
、窒化ケイ素の柱状粒子の発達が抑制され多くはより粒
径の小さな等軸状の粒子となり、炭化ケイ素は窒化ケイ
素の粒内のみならず粒界にも多く存在するようになる。
このためクラックの伝播は炭化ケイ素が少ない場合より
は抑制され難くなるものの、マ) IJフックス成粒子
の粒径が小さくなるために焼結体中の欠陥の大きさが小
さくなり、結果として強度は窒化ケイ素より向上するも
のと推測され、また、粒界に存在する炭化ケイ素粒子が
窒化ケイ素の粒界のすべりを抑制するのに加えて、粒界
あるいは窒化ケイ素粒子内に存在する炭化ケイ素粒子に
よって大きな内部応力が発生しているため、高温強度が
窒化ケイ素に比べて向上する要因となるものと推測され
る。
他方、本発明の複合焼結体における分散相は前記したよ
うにマトリックス相を構成している粒子に比べ大きく、
マトリックス相中に分散した構造となっている。このた
め、マトリックス相を伝播してきたクラックは分散相の
ところでビン止めされたり、クラックが偏向したり、あ
るいはウィスカーが分散相である場合にはウィスカーの
引き抜きが生じることにより、あるいはまた分散相自身
が破壊することによって伝播のエネルギーが消費されて
、結果として破壊靭性値が向上する要因となっているも
のと推測される。
以上のようにマトリックス相および分散相がそれぞれ破
壊靭性値を向上させる要因を持つために本発明に係る窒
化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体が従来にない高い破壊
靭性値と高い室温および高温強度を保持しているものと
推察される。
本発明の複合焼結体を得るための原料としては、マトリ
ックス相となる原料と分散相となる原料および焼結助剤
あるいは成形に必要なバインダーが必要である。
本発明においてマトリックス相を構成する原料粉末中の
炭化ケイ素は、焼結時において少なくとも平均粒径が0
.5μm以下で存在しなければならない。すなわち、本
発明においてマ) IJソックス中の炭化ケイ素は炭化
ケイ素粉末を原料として使用する場合は、すくなくとも
平均粒径が0.5μm以下の粉末、あるいは焼結時に0
.5μm以下の炭化ケイ素を生成するような非晶質の粉
末が用いられる。このような微細な炭化ケイ素粉末を得
るには、熱あるいはプラズマによる気相反応法などの方
法が適している。
本発明に用いられるマトリックス相の窒化ケイ素は、従
来から用いられている結晶質あるいは非晶質いずれの粉
末でもよい。好ましくは、分散相の分散性を考慮し平均
粒径が2μm以下の粉末を用いるのがよい。
本発明に係る複合焼結体マトリックス相を構成する好適
な原料粉末としては、非晶質のケイ素、炭素、窒素、酸
素からなる粉末、たとえば、特開昭60−200812
号公報、特開昭60−200813号公報、特開昭60
−221311号公報、特開昭60−235707号公
報、特開昭61−117108号公報に示される方法に
より得られる非晶質のケイ素、炭素、窒素、酸素からな
る粉末が挙げられる。この粉末は原料段階ですでに炭化
ケイ素と窒化ケイ素がよく混じり合う様になっており、
マトリックス相中の炭化ケイ素を均一に分散させること
ができ好適なものである。
一方、分散相となる原料は従来から市販されている (
a)平均粒径が2−50μmの炭化ケイ素粒子、および
/または (b)短軸が0.05−10czm 。
アスペクト比が5−300の炭化ケイ素ウィスカーが使
用できる。本発明において、分散相の量はマトリックス
相中の炭化ケイ素量にもよるが、−船釣には5−40体
積%、好ましくは、10−30体積%が効果的である。
分散相の量が5体積%より少ないと、破壊靭性値の向上
への寄与は少なく、また40体積%より量が多いと緻密
な焼結体を得ることが困難になり好ましくない。
さらに焼結助剤としては従来から窒化ケイ素、炭化ケイ
素に用いられているもので、焼結時に液相を生成するい
ずれのものも使用することができる。たとえば、)Jg
O、Aj! 203 、Y2O3、AβN15iO□や
ランタン系の酸化物等が例示され、これらは単独もしく
は混合して使用することができる。
これら焼結助剤の使用量は通常0.1〜30重量%の範
囲である。
これらの粉末は常法に従ってよく混合され、混合の方法
は従来から用いられている乾式あるいは湿式混合法のい
ずれの方法でも構わない。
成形の方法は、鋳込み、金型、押し出しあるいは射出成
形などの方法がとられるが、それぞれの成形法に適した
バインダーや滑剤あるいは溶媒等があらかじめ混合段階
で配合され成形される。
また本発明における焼結方法は、通常の常圧焼結、ホッ
トプレス、ガス圧焼結、あるいはHIP等の従来から実
施されている方法がそのまま適用できる。
この焼結の際には充分液相を生成することが必要であり
、たとえば、液相を生成する温度以上で保持して液相が
粒子間によく行き渡るようにしてから、焼結工程に入る
ことによって、本発明の微構造が焼結体に均一に生成す
るようになる。またこの保持をすることにより、マトリ
ックス相の校内と粒界に存在する炭化ケイ素の量を制御
することが可能である。
焼結の温度は1500℃〜2300℃が適当であり、通
常は、窒化ケイ素の分解が起こらない1600℃〜18
50℃で実施される。たとえば、代表的なホットプレス
法では1650℃〜1850℃、200〜400 kg
/cm2、O15〜5hrsの条件で焼結される。この
ような焼結によって最終的に得られる焼結体は、マトリ
ックス相の部分が主としてβ相の窒化ケイ素と主として
β相の炭化ケイ素から構成される。
一方、HIPやガス圧焼結による場合には、窒化ケイ素
の分解温度を上げることができるため、焼結温度を高く
することができる。このような焼結法によって、窒化ケ
イ素−炭化ケイ素複合焼結体中の炭化ケイ素をα相に富
む相へ変えることも可能である。
また、焼結温度の条件によっては、焼結助剤が冷却過程
において窒化ケイ素や炭化ケイ素と反応して結晶相を生
成することがある。このことは、粒界相を強化すること
になり、特に高温強度には好ましい結果を与える。
次に本発明の実施例を比較例と共に示す。以下に示す実
施例は本発明の一例を示すものであって本発明の要旨を
超えない限り、これに限定されるものでない。
尚、本発明において、室温強度の試験片は3×4X>3
6mmのサイズで行い、3点曲げ強度でスパン30mm
、クロスヘツドスピード0.5mm/minでおこなっ
た。また、高温強度試験は2X3X>24mmのサイズ
の試験片を用い、3点曲げ強度でスパン20mm、クロ
スヘツドスピードQ、5mm/minで行った。焼結体
の嵩密度測定はアルキメデス法により、硬度は微小硬度
計によるビッカース硬度測定(19、6N荷重、20秒
保持)によった。また、破壊靭性値は微小圧子犬法(I
ndentation Microfracture法
)を用い、硬度測定時に発生するクラックの長さからJ
、Mater、Sci、Lett、 1.13(198
2)に記載の式により評価した。
実施例 1〜8、比較例1〜2 90mm (直径) X1300mm(長さ)のアルミ
ナ製反応管を設置した縦型抵抗加熱炉を、1050℃の
温度に保持した。一方、反応原料のヘキサメチルジシラ
ザン[(Ctls) 5sil 2NHを約500g/
hrの供給量で蒸発器に導入して完全に気化させ、所定
の混合比のNus/Ar混合ガスとよく混合して上記反
応炉に導入して反応させた。生成した粉末を約200g
アルミナ製容器に充填し、1350℃、4hr 、 N
、気流下に熱処理を行い種々の炭素量を持つマ) IJ
ックス相として、ケイ素、窒素、炭素および酸素からな
る原料粉末を得た。得られた粉末はX線回折によれば非
晶質の粉末で、SEM写真による観察では0.5μm以
下の球状粒子であった。
かくして得たマトリックス相用の原料粉末に、分散相用
として平均粒径の異なる種々の炭化ケイ素粉末および炭
化ケイ素ウィスカー(β型、直径0.1〜1.0μm1
アスペクト比50〜300)を表−1に示す割合で添加
し、さらに液相を生成する焼結助剤としてY2O36w
t%、Aj22032wt%を加え、エタノール中で湿
式混合した。この混合粉末を乾燥した後、直径50mm
の黒鉛ダイスに充填し、窒素ガス中350kg/cm2
の圧力で1800℃、2hrsのホットプレス焼結を行
った。得られた焼結体を切断し、#325、$1000
のダイヤモンド砥石で研削したのち切断して3 X4 
X>36 wnの試験片を作成し、密度および3点曲げ
試験を行った。また試験片を3μm s 1μmのダイ
ヤモンドペーストで研磨シ硬度および破壊靭性値の測定
を実施した。この結果を表−1に示す。なお、表中のマ
トリックス相の炭化ケイ素量は、原料中の炭素がすべて
SiCに転化したものとして算出した。
(マトリックス相は513N4−3ICからなる)実施
例 8〜11 実施例1〜7と同様の方法で得られた非晶質のSi3N
4粉末(平均粒径0,3μm、不純物Fe、 Aj2C
a < 50ppm C=0.9 wt%)に平均粒径
0.2μmのβ−3iC粉末を表2に示す割合で転化し
たものをマトリックス相とし、分散相として実施例1〜
7で用いたものと同様の炭化ケイ素粉末あるいは炭化ケ
イ素ウィスカーを加え、さらに、焼結助剤としてYJs
 6wt%1.AA 、0.2wt%を加え、X−タ)
 −JL/と共に5IJ4ボールで5hrs湿式混合し
た後、実施例1〜7と同様の条件でホットプレス焼結を
行って焼結体を得た。得られた焼結体の物性を表−2に
示す。
比較例 3 市販の高純度の結晶質 513N<粉末(α相9o%平
均粒径0.6μm、不純物Fe、 AA、Ca < 5
0ppmO< 1wt%)にY20a 6wt%、AA
 2032wt%を加え、エタノールと共に513N4
ポールで5hrs湿式混合した後、実施例1〜7と同様
の条件でホットプレス焼結を行って焼結体を得た。得ら
れた焼結体の物性を測定した結果、密度3.26 g7
cm” 、ビッカース硬度14.5GFa、 3点曲げ
強度は室温で87 kg/mm2.1200℃で60k
g/mm’、また破壊靭性値は5.2MN/m3/2で
あった。
比較例4〜5 比較例3に使用したと同様の5IJ4粉末に、分散相と
して実施例1〜7と同様の炭化ケイ素粉末あるいは炭化
ケイ素ウィスカーを添加し、さらにY2O,(3wt%
* A!20s 2wt%を加え、実施例1〜7と同様
の条件でホットプレス焼結を行って焼結体を得た。この
物性を表−3に示した。
〔発明の効果〕
この様な本発明の方法によって得られる複合焼結体は従
来の窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体には見られない
特異な微構造を持つため、従来にない高い破壊靭性値と
高い室温/高温強度を保持しており、ガスタービンやエ
ンジン等の高温部材や摺動動部材、あるいは耐摩耗材料
などに好適な材料となる。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) 窒化ケイ素粒子の粒界に平均粒径1μm以下の
    炭化ケイ素粒子が存在し、かつ数nmから数百nmの炭
    化ケイ素粒子が窒化ケイ素粒子内に分散した微構造を示
    す窒化ケイ素−炭化ケイ素からなるマトリックス相と、
    (a)平均粒径が2−50μmの炭化ケイ素粒子、およ
    び/または(b)短軸が0.05−10μm、アスペク
    ト比が5−300の炭化ケイ素ウィスカーの分散相とか
    らなることを特徴とする窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼
    結体。
  2. (2) 分散相が5−40体積%であることを特徴とす
    る請求項第1項記載の窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結
    体。
  3. (3) マトリックス相形成用原料として、平均粒径が
    0.5μm以下の微細な炭化ケイ素を生成する非晶質窒
    化ケイ素−炭化ケイ素複合粉末または平均粒径が0.5
    μm以下の炭化ケイ素粉末と窒化ケイソ粉末との混合粉
    末を用い、これに分散相形成用原料として平均粒径が2
    −50μmの炭化ケイ素粒子、および/または短軸が0
    .05−10μm、アスペクト比が5−300の炭化ケ
    イ素ウィスカーおよび焼結助剤を混合し、成形・焼結す
    ることを特徴とする窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体
    の製造法。
  4. (4) 焼結助剤として、焼結過程において液相を生成
    する焼結助剤を用い、焼結温度1500℃〜2300℃
    で液相焼結することを特徴とする請求項第3項記載の窒
    化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体の製造法。
JP1137486A 1989-06-01 1989-06-01 窒化ケイ素―炭化ケイ素複合焼結体およびその製造法 Pending JPH035374A (ja)

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