JPH04231381A - 窒化珪素−炭化珪素質複合焼結体およびその製造方法 - Google Patents
窒化珪素−炭化珪素質複合焼結体およびその製造方法Info
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- JPH04231381A JPH04231381A JP2416050A JP41605090A JPH04231381A JP H04231381 A JPH04231381 A JP H04231381A JP 2416050 A JP2416050 A JP 2416050A JP 41605090 A JP41605090 A JP 41605090A JP H04231381 A JPH04231381 A JP H04231381A
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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。
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、窒化珪素および炭化珪
素を主体とする窒化珪素−炭化珪素質複合焼結体および
その製造方法に関するもので、詳細には、高温構造材料
に適し、室温強度、高温強度および硬度に優れた焼結体
およびその製造方法に関する。
素を主体とする窒化珪素−炭化珪素質複合焼結体および
その製造方法に関するもので、詳細には、高温構造材料
に適し、室温強度、高温強度および硬度に優れた焼結体
およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】窒化珪素質焼結体は、従来から、強度、高
度、熱的化学的安定性に優れることからエンジニアリン
グセラミックスとして、特に熱機関構造用材料としてそ
の応用が進められている。
度、熱的化学的安定性に優れることからエンジニアリン
グセラミックスとして、特に熱機関構造用材料としてそ
の応用が進められている。
【０００３】このような窒化珪素質焼結体を得る方法と
しては、窒化珪素粉末に対して周期律表第３ａ族元素酸
化物等の焼結助剤を添加混合し、成形後、非酸化性雰囲
気中で１５００〜２０００℃の温度にて焼成することに
より得られている。
しては、窒化珪素粉末に対して周期律表第３ａ族元素酸
化物等の焼結助剤を添加混合し、成形後、非酸化性雰囲
気中で１５００〜２０００℃の温度にて焼成することに
より得られている。
【０００４】ところが、窒化珪素質焼結体は、優れた特
性を有する反面、高温において強度等が低下するという
問題を有している。この高温強度の劣化という問題に対
してこれまで、焼結助剤の改良や焼成雰囲気や焼成パタ
ーン等を変更することにより改善が進められてきたが、
決定的な対策には至っていないのが現状である。
性を有する反面、高温において強度等が低下するという
問題を有している。この高温強度の劣化という問題に対
してこれまで、焼結助剤の改良や焼成雰囲気や焼成パタ
ーン等を変更することにより改善が進められてきたが、
決定的な対策には至っていないのが現状である。
【０００５】
【発明が解決しようとする問題点】この強度の劣化の１
つの要因として、その焼成過程において例えばα−Ｓｉ
３ Ｎ４ は１６００℃付近でβ─Ｓｉ３ Ｎ４ に相
転位するとともに窒化珪素粒子の粒成長が生じるために
、比較的粒径の大きい針状の結晶が析出しこの大きな粒
子が破壊源となり特性が劣化することが考えられる。こ
のような焼結挙動は窒化珪素の焼結において不可避的な
要因であるために窒化珪素質焼結体自体の強度も室温に
おいて約１０００ＭＰａ、１４００℃で約７００ＭＰａ
が限界である。
つの要因として、その焼成過程において例えばα−Ｓｉ
３ Ｎ４ は１６００℃付近でβ─Ｓｉ３ Ｎ４ に相
転位するとともに窒化珪素粒子の粒成長が生じるために
、比較的粒径の大きい針状の結晶が析出しこの大きな粒
子が破壊源となり特性が劣化することが考えられる。こ
のような焼結挙動は窒化珪素の焼結において不可避的な
要因であるために窒化珪素質焼結体自体の強度も室温に
おいて約１０００ＭＰａ、１４００℃で約７００ＭＰａ
が限界である。
【０００６】また、硬度の点からも組織的に上記の理由
から粒径のバラツキ等が生じやすいために高硬度を望む
にも限界があった。
から粒径のバラツキ等が生じやすいために高硬度を望む
にも限界があった。
【０００７】かかる現象に対して、窒化珪素に対して炭
化珪素等を添加することにより窒化珪素の粒成長を抑制
しようとする試みもあるが、強度、硬度等の総合的な特
性の見地からは検討されておらず、十分な効果を発揮し
ていないのが現状であった。
化珪素等を添加することにより窒化珪素の粒成長を抑制
しようとする試みもあるが、強度、硬度等の総合的な特
性の見地からは検討されておらず、十分な効果を発揮し
ていないのが現状であった。
【０００８】
【問題点を解決するための手段】本発明者等は、上記の
問題に対して詳細に検討を行ったところ、窒化珪素に対
して周期律表第３ａ族元素酸化物を添加した系に対して
炭化珪素を特定量添加するとともに、焼結過程において
焼成することにより窒化珪素のα−Ｓｉ３ Ｎ４ から
β−Ｓｉ３ Ｎ４ への相転位を抑制しつつ緻密化し、
焼結体中にα−Ｓｉ３ Ｎ４ を残存させることによっ
て、窒化珪素結晶の粒成長を効果的に抑制し微細な構造
からなる強度および硬度に優れた焼結体が得られること
を知見した。
問題に対して詳細に検討を行ったところ、窒化珪素に対
して周期律表第３ａ族元素酸化物を添加した系に対して
炭化珪素を特定量添加するとともに、焼結過程において
焼成することにより窒化珪素のα−Ｓｉ３ Ｎ４ から
β−Ｓｉ３ Ｎ４ への相転位を抑制しつつ緻密化し、
焼結体中にα−Ｓｉ３ Ｎ４ を残存させることによっ
て、窒化珪素結晶の粒成長を効果的に抑制し微細な構造
からなる強度および硬度に優れた焼結体が得られること
を知見した。
【０００９】即ち、本発明は、不純物酸素を含む窒化珪
素を９０〜９９．５モル％と、周期律表第３ａ族元素を
酸化物換算で０．５〜１０モル％の割合でそれぞれ含有
する窒化珪素成分１００重量部に対して、炭化珪素成分
を１〜１００重量部の割合で分散含有してなる複合焼結
体であって、焼結体中の窒化珪素結晶におけるα−Ｓｉ
３ Ｎ４ ／β−Ｓｉ３ Ｎ４ の割合が０．０１〜１
であることを特徴とするものである。
素を９０〜９９．５モル％と、周期律表第３ａ族元素を
酸化物換算で０．５〜１０モル％の割合でそれぞれ含有
する窒化珪素成分１００重量部に対して、炭化珪素成分
を１〜１００重量部の割合で分散含有してなる複合焼結
体であって、焼結体中の窒化珪素結晶におけるα−Ｓｉ
３ Ｎ４ ／β−Ｓｉ３ Ｎ４ の割合が０．０１〜１
であることを特徴とするものである。
【００１０】また、本発明の複合焼結体の製造方法とし
ては、不純物酸素を含む窒化珪素を９０〜９９．５モル
％と、周期律表第３ａ族元素を酸化物換算で０．５〜１
０モル％の割合でそれぞれ含有する窒化珪素成分１００
重量部に対して、炭化珪素成分を１〜１００重量部の割
合で添加してなる成形体をガラス層を介して５０ＭＰａ
以上の圧力下で１４５０〜１９００℃の温度で焼成する
ことを特徴とするものである。
ては、不純物酸素を含む窒化珪素を９０〜９９．５モル
％と、周期律表第３ａ族元素を酸化物換算で０．５〜１
０モル％の割合でそれぞれ含有する窒化珪素成分１００
重量部に対して、炭化珪素成分を１〜１００重量部の割
合で添加してなる成形体をガラス層を介して５０ＭＰａ
以上の圧力下で１４５０〜１９００℃の温度で焼成する
ことを特徴とするものである。
【００１１】本発明の窒化珪素−炭化珪素質複合焼結体
によれば、組成上、大きく窒化珪素成分と炭化珪素成分
とから構成される。炭化珪素成分は基本的には炭化珪素
粒子のみを意味し、一方窒化珪素成分は、不純物酸素を
含有する窒化珪素を含め、焼結体中の焼結助剤成分を含
む系からなる。
によれば、組成上、大きく窒化珪素成分と炭化珪素成分
とから構成される。炭化珪素成分は基本的には炭化珪素
粒子のみを意味し、一方窒化珪素成分は、不純物酸素を
含有する窒化珪素を含め、焼結体中の焼結助剤成分を含
む系からなる。
【００１２】窒化珪素成分は、不純物酸素を含む窒化珪
素を９０〜９９．５モル％、特に９５〜９９モル％、周
期律表第３ａ族元素を酸化物換算で０．５〜１０モル％
、特に１〜５モル％の割合で含有される。周期律表第３
ａ族元素は酸化物として系全体の焼結性を高める作用を
成すものでその量が０．５モル％より少ないと焼結性が
低下し緻密質な焼結体が得られず特性が劣化し、１０モ
ル％を越えると高温強度が劣化する。
素を９０〜９９．５モル％、特に９５〜９９モル％、周
期律表第３ａ族元素を酸化物換算で０．５〜１０モル％
、特に１〜５モル％の割合で含有される。周期律表第３
ａ族元素は酸化物として系全体の焼結性を高める作用を
成すものでその量が０．５モル％より少ないと焼結性が
低下し緻密質な焼結体が得られず特性が劣化し、１０モ
ル％を越えると高温強度が劣化する。
【００１３】なお、窒化珪素成分中、窒化珪素中に含有
される不純物酸素も周期律表第３ａ族元素と同様に例え
ばＳｉＯ２ として焼結性の向上に寄与するもので、よ
り望ましくは周期律表第３ａ族元素の酸化物換算量（Ｒ
Ｅ２Ｏ３ ）と不純物酸素のＳｉＯ２ 換算量とのＳｉ
Ｏ２ ／ＲＥ２ Ｏ３ で表されるモル比が０．５〜１
０、特に１〜４であることが望ましい。
される不純物酸素も周期律表第３ａ族元素と同様に例え
ばＳｉＯ２ として焼結性の向上に寄与するもので、よ
り望ましくは周期律表第３ａ族元素の酸化物換算量（Ｒ
Ｅ２Ｏ３ ）と不純物酸素のＳｉＯ２ 換算量とのＳｉ
Ｏ２ ／ＲＥ２ Ｏ３ で表されるモル比が０．５〜１
０、特に１〜４であることが望ましい。
【００１４】本発明によれば、かかる窒化珪素成分１０
０重量部に対して炭化珪素成分を１〜１００重量部の割
合で添加する。この炭化珪素成分量を上記の範囲に限定
したのは、炭化珪素成分が１重量部より少ないと、炭化
珪素添加により窒化珪素結晶の粒成長抑制効果がなく、
窒化珪素のα−Ｓｉ３ Ｎ４からβ−Ｓｉ３ Ｎ４ へ
の転位が進行し高強度、高硬度が得られず、１００重量
部を越えると焼結性が低下し強度が劣化するためである
。なお、特性の点からは炭化珪素成分量は上記窒化珪素
成分１００重量部に対して３０〜７０重量部であること
が望ましい。
０重量部に対して炭化珪素成分を１〜１００重量部の割
合で添加する。この炭化珪素成分量を上記の範囲に限定
したのは、炭化珪素成分が１重量部より少ないと、炭化
珪素添加により窒化珪素結晶の粒成長抑制効果がなく、
窒化珪素のα−Ｓｉ３ Ｎ４からβ−Ｓｉ３ Ｎ４ へ
の転位が進行し高強度、高硬度が得られず、１００重量
部を越えると焼結性が低下し強度が劣化するためである
。なお、特性の点からは炭化珪素成分量は上記窒化珪素
成分１００重量部に対して３０〜７０重量部であること
が望ましい。
【００１５】本発明の複合焼結体によれば、窒化珪素結
晶がα−Ｓｉ３ Ｎ４ とβ−Ｓｉ３ Ｎ４ が焼結体
中に共存し、且つα−Ｓｉ３ Ｎ４ ／β−Ｓｉ３ Ｎ
４ の比率が０．０１〜１、特に０．０５〜０．５であ
ることが重要である。これは、上記比率が０．０１より
小さいとα−Ｓｉ３ Ｎ４ からβ−Ｓｉ３ Ｎ４ へ
の転位がほぼ完全に進行したものと考えられるために窒
化珪素結晶の平均粒径が大きくなるとともに異常粒も発
生しやすくなるために所望の高強度、高硬度が得られな
いからであり、逆に１を越えると焼結が進行していない
ことを意味し、焼結体の密度が低く強度、硬度とも大き
く低下する。
晶がα−Ｓｉ３ Ｎ４ とβ−Ｓｉ３ Ｎ４ が焼結体
中に共存し、且つα−Ｓｉ３ Ｎ４ ／β−Ｓｉ３ Ｎ
４ の比率が０．０１〜１、特に０．０５〜０．５であ
ることが重要である。これは、上記比率が０．０１より
小さいとα−Ｓｉ３ Ｎ４ からβ−Ｓｉ３ Ｎ４ へ
の転位がほぼ完全に進行したものと考えられるために窒
化珪素結晶の平均粒径が大きくなるとともに異常粒も発
生しやすくなるために所望の高強度、高硬度が得られな
いからであり、逆に１を越えると焼結が進行していない
ことを意味し、焼結体の密度が低く強度、硬度とも大き
く低下する。
【００１６】また、窒化珪素結晶および炭化珪素結晶は
上記の見地から、その平均粒径（短径）が１μｍ 以下
、特に０．８μｍ 以下、長径／短径で表されるアスペ
クト比が平均で２〜１０、特に３〜９の粒子形状で存在
し、炭化珪素結晶は、それ自体粒状形状として、前記窒
化珪素結晶の粒界あるいは窒化珪素結晶粒内に平均粒径
１μｍ 以下、特に０．８μｍ 以下の粒子として存在
することが望ましい。なお、この炭化珪素結晶はほとん
どがβ型であるが、場合によってはα型が存在してもよ
い。
上記の見地から、その平均粒径（短径）が１μｍ 以下
、特に０．８μｍ 以下、長径／短径で表されるアスペ
クト比が平均で２〜１０、特に３〜９の粒子形状で存在
し、炭化珪素結晶は、それ自体粒状形状として、前記窒
化珪素結晶の粒界あるいは窒化珪素結晶粒内に平均粒径
１μｍ 以下、特に０．８μｍ 以下の粒子として存在
することが望ましい。なお、この炭化珪素結晶はほとん
どがβ型であるが、場合によってはα型が存在してもよ
い。
【００１７】このように窒化珪素結晶および炭化珪素結
晶の形状を上記のように限定したのは、窒化珪素結晶が
１μｍ より大きいと、これが焼結体の破壊源となりや
すく、強度の劣化の原因となり、アスペクト比が２より
小さいと粒子同士の絡み合いが小さくなるために高温に
おいて粒子が移動し易くなりクリープ特性が劣化するた
めである。一方、炭化珪素結晶の粒径が１μｍ より大
きいと、焼結性が劣化するとともに窒化珪素結晶の針状
化が阻害され特性が劣化する。
晶の形状を上記のように限定したのは、窒化珪素結晶が
１μｍ より大きいと、これが焼結体の破壊源となりや
すく、強度の劣化の原因となり、アスペクト比が２より
小さいと粒子同士の絡み合いが小さくなるために高温に
おいて粒子が移動し易くなりクリープ特性が劣化するた
めである。一方、炭化珪素結晶の粒径が１μｍ より大
きいと、焼結性が劣化するとともに窒化珪素結晶の針状
化が阻害され特性が劣化する。
【００１８】また、粒界を構成する成分として、例えば
従来から焼結性を高める成分としてＡｌ２ Ｏ３ 、Ｃ
ａＯ、ＭｇＯ等を用いることが知られているが、これら
の酸化物が粒界に、あるいは一部窒化珪素結晶に固溶し
て存在すると粒界の融点が低くなるとともに高温での粘
性も低下することから高温強度とともにクリープ特性も
劣化する。よって、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇの金属元素は酸化
物換算で全量中に０．５重量％以下、特に０．３重量％
以下になるように制御することが望ましい。
従来から焼結性を高める成分としてＡｌ２ Ｏ３ 、Ｃ
ａＯ、ＭｇＯ等を用いることが知られているが、これら
の酸化物が粒界に、あるいは一部窒化珪素結晶に固溶し
て存在すると粒界の融点が低くなるとともに高温での粘
性も低下することから高温強度とともにクリープ特性も
劣化する。よって、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇの金属元素は酸化
物換算で全量中に０．５重量％以下、特に０．３重量％
以下になるように制御することが望ましい。
【００１９】なお、本発明において用いられる周期律表
第３ａ族元素としては、Ｙ、Ｓｃ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｈｏ、
Ｄｙが挙げられるが、これらの中でもＹは、焼結体中に
おいて凝集し易く異常粒成長を生じやすいためにＥｒ、
Ｙｂが特に望ましい。
第３ａ族元素としては、Ｙ、Ｓｃ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｈｏ、
Ｄｙが挙げられるが、これらの中でもＹは、焼結体中に
おいて凝集し易く異常粒成長を生じやすいためにＥｒ、
Ｙｂが特に望ましい。
【００２０】次に、本発明の窒化珪素−炭化珪素質複合
焼結体の製造方法について説明すると、まず、出発原料
として、窒化珪素粉末、炭化珪素粉末、周期律表第３ａ
族元素酸化物、場合により酸化珪素粉末を使用する。
焼結体の製造方法について説明すると、まず、出発原料
として、窒化珪素粉末、炭化珪素粉末、周期律表第３ａ
族元素酸化物、場合により酸化珪素粉末を使用する。
【００２１】窒化珪素粉末としては、炭化珪素を系中に
含むために焼結性が低いためにα−Ｓｉ３ Ｎ４ が９
５％以上の割合で存在することがよく、平均粒径１μｍ
以下、不純物酸素量２重量％以下のものが好適に使用
される。また、炭化珪素粉末としてはα型、β型のいず
れでも使用でき、平均粒径１μｍ 以下、不純物酸素量
２重量％以下の粉末を用いる。これらの窒化珪素粉末お
よび炭化珪素粉末は、それぞれ個別の粉末として存在す
る他、窒化珪素と炭化珪素を所定の割合で複合化した粉
末を用いることもできる。
含むために焼結性が低いためにα−Ｓｉ３ Ｎ４ が９
５％以上の割合で存在することがよく、平均粒径１μｍ
以下、不純物酸素量２重量％以下のものが好適に使用
される。また、炭化珪素粉末としてはα型、β型のいず
れでも使用でき、平均粒径１μｍ 以下、不純物酸素量
２重量％以下の粉末を用いる。これらの窒化珪素粉末お
よび炭化珪素粉末は、それぞれ個別の粉末として存在す
る他、窒化珪素と炭化珪素を所定の割合で複合化した粉
末を用いることもできる。
【００２２】次に、上記粉末を用いて不純物酸素を含む
窒化珪素を９２〜９９．５モル％と、周期律表第３ａ族
元素酸化物を０．５〜１０モル％の割合で含有する窒化
珪素成分１００重量部に対して炭化珪素成分を１〜１０
０重量部となるように秤量後、十分に混合した後に、周
知の成形方法、例えば、プレス成形、射出成形、押し出
し成形、鋳込み成形、冷間静水圧成形等の成形法により
所望の形状に成形する。なお、上記の過程において成形
体中に含まれるＡｌ、Ｍｇ、Ｃａの各元素が酸化物換算
量での合量が０．５重量％以下になるように各工程から
のこれらの元素の混入を避ける。例えば、これらの元素
量の小さい原料を用いたり、混合に際し例えばボールミ
ル混合等において用いるボールの材質を考慮し、混合か
らの混入を制限する等の配慮が必要である。
窒化珪素を９２〜９９．５モル％と、周期律表第３ａ族
元素酸化物を０．５〜１０モル％の割合で含有する窒化
珪素成分１００重量部に対して炭化珪素成分を１〜１０
０重量部となるように秤量後、十分に混合した後に、周
知の成形方法、例えば、プレス成形、射出成形、押し出
し成形、鋳込み成形、冷間静水圧成形等の成形法により
所望の形状に成形する。なお、上記の過程において成形
体中に含まれるＡｌ、Ｍｇ、Ｃａの各元素が酸化物換算
量での合量が０．５重量％以下になるように各工程から
のこれらの元素の混入を避ける。例えば、これらの元素
量の小さい原料を用いたり、混合に際し例えばボールミ
ル混合等において用いるボールの材質を考慮し、混合か
らの混入を制限する等の配慮が必要である。
【００２３】次に、上記の方法により得られた成形体を
焼成温度１４５０〜１９００℃の温度で焼成する。また
、焼成手段としては、常圧焼成、ホットプレス焼成、窒
素ガス圧力焼成（ＱＰＳ焼成）、熱間静水圧焼成（ＨＩ
Ｐ焼成）等が採用され、場合によってはこれらを組合せ
て焼成することもできるが、α−Ｓｉ３ Ｎ４ からβ
−Ｓｉ３ Ｎ４ への転位を抑制しつつ焼成する最適な
方法は、上記のようにして得られた成形体を表面にガラ
ス等からなるシール材を塗布形成し高温高圧下で焼成す
る、いわゆるシールＨＩＰ法が採用される。
焼成温度１４５０〜１９００℃の温度で焼成する。また
、焼成手段としては、常圧焼成、ホットプレス焼成、窒
素ガス圧力焼成（ＱＰＳ焼成）、熱間静水圧焼成（ＨＩ
Ｐ焼成）等が採用され、場合によってはこれらを組合せ
て焼成することもできるが、α−Ｓｉ３ Ｎ４ からβ
−Ｓｉ３ Ｎ４ への転位を抑制しつつ焼成する最適な
方法は、上記のようにして得られた成形体を表面にガラ
ス等からなるシール材を塗布形成し高温高圧下で焼成す
る、いわゆるシールＨＩＰ法が採用される。
【００２４】この具体的な方法としては、まず焼成に先
立ち前述した方法で得た成形体に対して、焼成工程にお
いてシール材であるガラス等との反応防止することを目
的としてＢＮ粉末等のガラスと濡れ性の悪い粉末をスラ
リー化して成形体に塗布するか、または上記スラリーを
スプレー塗布する。
立ち前述した方法で得た成形体に対して、焼成工程にお
いてシール材であるガラス等との反応防止することを目
的としてＢＮ粉末等のガラスと濡れ性の悪い粉末をスラ
リー化して成形体に塗布するか、または上記スラリーを
スプレー塗布する。
【００２５】次に、ＢＮが塗布された成形体に対して、
焼成時にシールを形成するガラス粉末をその表面に塗布
するかあるいは上記成形体をガラス製カプセルに封入す
る。また、他の方法として、前記成形体を内部にガラス
粉末が充填された容器内に埋める。
焼成時にシールを形成するガラス粉末をその表面に塗布
するかあるいは上記成形体をガラス製カプセルに封入す
る。また、他の方法として、前記成形体を内部にガラス
粉末が充填された容器内に埋める。
【００２６】その後、ＨＩＰ法により１４５０〜１９０
０℃の温度で、５０ＭＰａ以上の圧力下でＨＩＰ焼成す
る。焼成は、まず成形体表面に存在するガラスの軟化点
以上で、該温度における窒化珪素の分解平衡圧と同等も
しくはそれより０．０１〜０．２ＭＰａ程度高い窒素ガ
スを導入しつつ、前記ガラスを軟化させ成形体の表面に
ガラスによる不透過性膜を形成する。ガス不透過性膜が
完全に形成された後、炉内の圧力を十分に緻密化しうる
条件まで、昇温昇圧する。この時の圧力媒体は、窒素、
アルゴン等の不活性ガスを用いる。その後、焼成が十分
に進行した後に温度、圧力を下げ焼成を終了する。
０℃の温度で、５０ＭＰａ以上の圧力下でＨＩＰ焼成す
る。焼成は、まず成形体表面に存在するガラスの軟化点
以上で、該温度における窒化珪素の分解平衡圧と同等も
しくはそれより０．０１〜０．２ＭＰａ程度高い窒素ガ
スを導入しつつ、前記ガラスを軟化させ成形体の表面に
ガラスによる不透過性膜を形成する。ガス不透過性膜が
完全に形成された後、炉内の圧力を十分に緻密化しうる
条件まで、昇温昇圧する。この時の圧力媒体は、窒素、
アルゴン等の不活性ガスを用いる。その後、焼成が十分
に進行した後に温度、圧力を下げ焼成を終了する。
【００２７】なお、焼成時の温度を１４５０〜１９００
℃に限定したのは、焼成温度が１９００℃より高いと焼
結体中において窒化珪素のα型からβ型への転位が進行
するとともに結晶が粒成長しその粒径が大きくなり、こ
れにより強度が劣化するためである。
℃に限定したのは、焼成温度が１９００℃より高いと焼
結体中において窒化珪素のα型からβ型への転位が進行
するとともに結晶が粒成長しその粒径が大きくなり、こ
れにより強度が劣化するためである。
【００２８】また、得られた焼結体に対しては、１３０
０〜１７００℃の非酸化性雰囲気中で熱処理することに
より焼結体の粒界を結晶化させ、例えばＳｉ３ Ｎ４
−ＲＥ２ Ｏ３ （ＲＥ：周期律表第３ａ族元素）−Ｓ
ｉＯ２ 系の周知の結晶相を析出させることにより高温
特性の向上を図ることができる。
０〜１７００℃の非酸化性雰囲気中で熱処理することに
より焼結体の粒界を結晶化させ、例えばＳｉ３ Ｎ４
−ＲＥ２ Ｏ３ （ＲＥ：周期律表第３ａ族元素）−Ｓ
ｉＯ２ 系の周知の結晶相を析出させることにより高温
特性の向上を図ることができる。
【００２９】
【実施例】原料粉末として平均粒径０．３μｍ 、α−
Ｓｉ３ Ｎ４ 含有率９８％、酸素含有量１．３重量％
の窒化珪素粉末と、平均粒径が０．３μｍ の炭化珪素
粉末、並びに平均粒径が０．５μｍ のＹ２ Ｏ３ 、
Ｓｃ２ Ｏ３ 、Ｅｒ２ Ｏ３ 、Ｙｂ２ Ｏ３ 、Ｈ
ｏ２ Ｏ３ 、Ｄｙ２ Ｏ３ の各粉末および酸化珪素
粉末を用いて、これらの組成が表１の割合になるように
秤量混合し、これをバインダーとともにメタノール中で
混合粉砕した。得られたスラリーを乾燥造粒した後、１
ｔｏｎ／ｃｍ２ の圧力でプレス成形した。
Ｓｉ３ Ｎ４ 含有率９８％、酸素含有量１．３重量％
の窒化珪素粉末と、平均粒径が０．３μｍ の炭化珪素
粉末、並びに平均粒径が０．５μｍ のＹ２ Ｏ３ 、
Ｓｃ２ Ｏ３ 、Ｅｒ２ Ｏ３ 、Ｙｂ２ Ｏ３ 、Ｈ
ｏ２ Ｏ３ 、Ｄｙ２ Ｏ３ の各粉末および酸化珪素
粉末を用いて、これらの組成が表１の割合になるように
秤量混合し、これをバインダーとともにメタノール中で
混合粉砕した。得られたスラリーを乾燥造粒した後、１
ｔｏｎ／ｃｍ２ の圧力でプレス成形した。
【００３０】得られた成形体に対してＢＮ粉末（粒径１
〜５μｍ ）のペーストを１〜１０ｍｍの厚みで塗布後
、ＳｉＯ２ を主成分とするガラスを１〜１０ｍｍの厚
みで塗布した。この成形体を１７５０℃で、１９６ＭＰ
ａの窒素加圧雰囲気下で１時間熱間静水圧焼成した。な
お、表１中試料番号１４については、焼成温度１９５０
℃に上げて焼成した。
〜５μｍ ）のペーストを１〜１０ｍｍの厚みで塗布後
、ＳｉＯ２ を主成分とするガラスを１〜１０ｍｍの厚
みで塗布した。この成形体を１７５０℃で、１９６ＭＰ
ａの窒素加圧雰囲気下で１時間熱間静水圧焼成した。な
お、表１中試料番号１４については、焼成温度１９５０
℃に上げて焼成した。
【００３１】得られた焼結体に対して、アルキメデス法
により相対密度を、ＪＩＳＲ１６０１に基づき室温およ
び１４００℃における４点曲げ抗折強度を、さらに電子
顕微鏡写真から窒化珪素結晶および炭化珪素結晶の平均
粒径および平均アスペクト比を測定した。また、荷重２
０ｋｇ下におけるビッカース硬度を測定した。
により相対密度を、ＪＩＳＲ１６０１に基づき室温およ
び１４００℃における４点曲げ抗折強度を、さらに電子
顕微鏡写真から窒化珪素結晶および炭化珪素結晶の平均
粒径および平均アスペクト比を測定した。また、荷重２
０ｋｇ下におけるビッカース硬度を測定した。
【００３２】なお、焼結体に対してはＸ線回折曲線から
β−Ｓｉ３ Ｎ４ の（１０１）、（２１０）の強度を
Ｌ（１０１）、Ｌ（２１０）、α−Ｓｉ３ Ｎ４ の（
１０２）、（２１０）の各結晶相のピーク強度をｌ（１
０２）、ｌ（２１０）とした時に、下記式 α／β＝Σ［Ｌ（１０１） ＋Ｌ（２１０）］ ／Σ［
ｌ（１０２）＋ｌ（２１０）］ にてα／β比率を求め
た。結果は表２に示した。
β−Ｓｉ３ Ｎ４ の（１０１）、（２１０）の強度を
Ｌ（１０１）、Ｌ（２１０）、α−Ｓｉ３ Ｎ４ の（
１０２）、（２１０）の各結晶相のピーク強度をｌ（１
０２）、ｌ（２１０）とした時に、下記式 α／β＝Σ［Ｌ（１０１） ＋Ｌ（２１０）］ ／Σ［
ｌ（１０２）＋ｌ（２１０）］ にてα／β比率を求め
た。結果は表２に示した。
【００３３】
【表１】
【００３４】
【表２】
【００３５】表１および表２の結果によれば、焼結体中
にα−Ｓｉ３ Ｎ４ を全く残存させない試料Ｎｏ，１
４では、１４００℃において６３ＭＰａの強度しか得ら
れないが、本発明により焼成温度を下げるとともにＳｉ
Ｃを適量添加することによりα−Ｓｉ３ Ｎ４ を残存
させることにより、Ｓｉ３ Ｎ４ およびＳｉＣを微細
な粒子として存在させることができ、１４００℃の強度
も８００ＭＰａ以上、硬度１９ＧＰａ以上が達成された
。
にα−Ｓｉ３ Ｎ４ を全く残存させない試料Ｎｏ，１
４では、１４００℃において６３ＭＰａの強度しか得ら
れないが、本発明により焼成温度を下げるとともにＳｉ
Ｃを適量添加することによりα−Ｓｉ３ Ｎ４ を残存
させることにより、Ｓｉ３ Ｎ４ およびＳｉＣを微細
な粒子として存在させることができ、１４００℃の強度
も８００ＭＰａ以上、硬度１９ＧＰａ以上が達成された
。
【００３６】しかし、窒化珪素成分中の周期律表第３ａ
族元素量が１０モル％を越える試料では、高温特性の劣
化が大きく、０．５モル％未満では焼結性が大きく低下
し、高密度の焼結体が得られなかった。
族元素量が１０モル％を越える試料では、高温特性の劣
化が大きく、０．５モル％未満では焼結性が大きく低下
し、高密度の焼結体が得られなかった。
【００３７】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
周期律表第３ａ族元素酸化物を含む窒化珪素に対して炭
化珪素を添加し、焼結体中にα−Ｓｉ３ Ｎ４ を残存
させることにより、窒化珪素結晶および炭化珪素結晶の
それぞれを微細な粒子として存在させ、室温および１４
００℃の高温において優れた強度を有するとともに、高
い硬度を付与することができる。これにより、この複合
焼結体のガスタービンやターボロータ等の熱機関構造用
として、またはその他の耐熱材料、耐摩耗材料として実
用化を推進するとともに、その用途を拡大することがで
きる。
周期律表第３ａ族元素酸化物を含む窒化珪素に対して炭
化珪素を添加し、焼結体中にα−Ｓｉ３ Ｎ４ を残存
させることにより、窒化珪素結晶および炭化珪素結晶の
それぞれを微細な粒子として存在させ、室温および１４
００℃の高温において優れた強度を有するとともに、高
い硬度を付与することができる。これにより、この複合
焼結体のガスタービンやターボロータ等の熱機関構造用
として、またはその他の耐熱材料、耐摩耗材料として実
用化を推進するとともに、その用途を拡大することがで
きる。
Claims (3)
- 【請求項１】 不純物酸素を含む窒化珪素を９０〜９
９．５モル％と、周期律表第３ａ族元素を酸化物換算で
０．５〜１０モル％の割合でそれぞれ含有する窒化珪素
成分１００重量部に対して、炭化珪素成分を１〜１００
重量部の割合で分散含有してなる複合焼結体であって、
焼結体中の窒化珪素結晶におけるα−Ｓｉ３ Ｎ４ ／
β−Ｓｉ３ Ｎ４ の割合が０．０１〜１であることを
特徴とする窒化珪素−炭化珪素質複合焼結体。 - 【請求項２】 窒化珪素結晶が平均粒径が１μｍ 以
下、平均アスペクト比が２〜１０の粒子として、前記炭
化珪素が平均粒径１μｍ 以下の粒子として存在する請
求項１記載の窒化珪素−炭化珪素質複合焼結体。 - 【請求項３】 不純物酸素を含む窒化珪素を９０〜９
９．５モル％と、周期律表第３ａ族元素を酸化物換算で
０．５〜１０モル％の割合でそれぞれ含有する窒化珪素
成分１００重量部に対して、炭化珪素成分を１〜１００
重量部の割合で分散含有してなる成形体をガラス層を介
して５０ＭＰａ以上の圧力下で１４５０〜１９００℃の
温度で焼成することを特徴とする窒化珪素−炭化珪素質
複合焼結体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2416050A JP2746760B2 (ja) | 1990-12-27 | 1990-12-27 | 窒化珪素−炭化珪素質複合焼結体およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2416050A JP2746760B2 (ja) | 1990-12-27 | 1990-12-27 | 窒化珪素−炭化珪素質複合焼結体およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04231381A true JPH04231381A (ja) | 1992-08-20 |
| JP2746760B2 JP2746760B2 (ja) | 1998-05-06 |
Family
ID=18524303
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2416050A Expired - Fee Related JP2746760B2 (ja) | 1990-12-27 | 1990-12-27 | 窒化珪素−炭化珪素質複合焼結体およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2746760B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2023043818A (ja) * | 2021-09-16 | 2023-03-29 | 株式会社東芝 | 複合セラミックス材料および接合体 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5874570A (ja) * | 1981-10-23 | 1983-05-06 | エレクトロシユメルツヴエルク・ケンプテン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング | 多結晶窒化ケイ素と炭化ケイ素から成る実際に孔の無い成形体、および同成形体の均衡熱間圧縮による製造法 |
| JPH01275470A (ja) * | 1988-04-28 | 1989-11-06 | Mitsubishi Gas Chem Co Inc | 窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体の製造法 |
-
1990
- 1990-12-27 JP JP2416050A patent/JP2746760B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5874570A (ja) * | 1981-10-23 | 1983-05-06 | エレクトロシユメルツヴエルク・ケンプテン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング | 多結晶窒化ケイ素と炭化ケイ素から成る実際に孔の無い成形体、および同成形体の均衡熱間圧縮による製造法 |
| JPH01275470A (ja) * | 1988-04-28 | 1989-11-06 | Mitsubishi Gas Chem Co Inc | 窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体の製造法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2023043818A (ja) * | 2021-09-16 | 2023-03-29 | 株式会社東芝 | 複合セラミックス材料および接合体 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2746760B2 (ja) | 1998-05-06 |
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|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |