JPH0477362A - 高温高強度窒化珪素焼結体の製造方法 - Google Patents

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］ 本発明は窒化珪素焼結体の製造方法に関し、詳しくは高
温時の強度に優れた窒化珪素焼結体の製造方法に関する
。本発明は窒化珪素製カスタービンエンジンを製造する
場合などに利用できる。

［従来の技術］ 例えば特公昭６１−３０９号公報、特開昭６１２７０２
６０号公報などに開示されているように、窒化珪素粉末
と、窒化アルミニウム粉末と酸化イツトリウム粉末とか
らなる焼結助剤と、より成形体を形成し、次いで焼結し
てα−サイアロンからなる焼結体を製造する方法が開示
されている。

α−サイアロンは高温強度に優れ、耐食性にも優れてい
るため、各種分野への応用が期待されている。

［発明が解決しようとする課題］ ところでα−サイアロンからなる焼結体は、１２００℃
までの温度で高い強度を有するが、大気中で１３００〜
１４００℃の高温にざらされると、耐酸化性が極端に低
下し、表面に酸化によるピットが生成する。そのため塑
性変形しやすくなり、高温強度が低下するという不具合
がある。したがって１３００〜１４００℃にもなるガス
タービンエンジン部品などに窒化珪素セラミックスを用
いることは従来困難とされていた。

本発明はこのような不具合を解決するものであり、高温
で高強度を有する窒化珪素焼結体を製造することを目的
とする。

［課題を解決するための手段および作用］本発明者はα
−サイアロンが高温での耐酸化性に劣る原因を追及し、
含まれる窒化アルミニウムの耐酸化性の低さに起因する
ことを見出した。すなわちα−サイアロンを形成するに
は、比較的多量の窒化アルミニウムを必要とする。その
ため焼結過程において粒界にオキシナイトガラスが生成
しやすく、このオキシナイトガラスに含まれる窒化アル
ミニウムにより耐酸化性が低下していることを見出した
。

そこで本発明者は、窒化アルミニウムの量を低減すると
ともにオキシナイトガラスの生成量も低減することを想
起し、特殊な組成のもとてこの両方が満足されることを
発見して本発明を完成したものである。

すなわち本発明の高温高強度窒化珪素焼結体の製造方法
は、窒化珪素粉末９２〜９７重量％と、重量比でＡ交Ｎ
／Ｙｂ２Ｏ３＝０．０５〜０．２５となる組成の窒化ア
ルミニウム粉末と酸化イッテルビウム粉末からなる焼結
助剤３〜８重量％とを混合し、成形後非酸化性雰囲気下
１６５０〜１８５０℃で常圧焼結することを特徴とする
。

本発明の一つの特徴は、酸化イツトリウムに代えて酸化
イッテルビウムを用いるところにある。

酸化イッテルビウムのＹｂＪ＋イオンのイオン半径は０
．８６２であり、酸化イツトリウムのＹ３÷イオンのイ
オン半径０．８８八に比へて小さい。

したがって焼結が一層緻密となるとともに、粒界が緻密
となり、生成するオキシナイトカラスの量を低減するこ
とができる。また、酸化イッテルビウムは、酸化イツト
リウムと同様に焼結時にβＳｉ３Ｎ＋粒子を柱状晶に成
長させる機能をもち、焼結体の強度がα−サイアロンと
同等に維持される。

本発明のもう一つの特徴は、酸化イッテルビウムに対す
る窒化アルミニウムの比率を、重量比で０．０５〜０．
２５と低く抑制したところにある。

上記したように、窒化アルミニウムは耐酸化性能に劣っ
ている。したがってこの窒化アルミニウムを最低必要量
に抑制することにより、オキシナイトガラスの耐酸化性
を向上させることができる。

この比率が０．０５より小さいと緻密な焼結が困難とな
り、常温においても強度が低下する。また０、２５より
大きくなると、耐酸化性が低下するとともに高温強度が
低下する。

なお、酸化イッテルビウムと窒化アルミニウムの総量も
規制する必要があり、全体の３〜８重量％に規制される
。総量が３重量％未満では焼結性が低下して緻密な焼結
が困難となり、８重量％を超えると高温強度が低下する
。

上記酸化イッテルビウムと窒化アルミニウムからなる焼
結助剤は、残部を構成する窒化珪素粉末と混合され、所
望の形状に成形される。この成形方法としては、静水圧
加圧成形、射出成形、泥漿鋳込み成形など従来用いられ
ている成形方法で成形することができる。

得られた成形体は、必要であれば乾燥後、非酸化性雰囲
気下１６５０〜１８５０℃で常圧焼結される。酸化性雰
囲気下では窒化アルミニウムが酸化されるため、不活性
ガス雰囲気下あるいは真空条件下で焼結する必要がある
。この焼結は常圧で行なわれ、焼結温度は１６５０〜１
８５０℃である。また常圧焼結温度が１６５０℃より低
いと焼結体の緻密化が充分に進行せず、機械的物性値の
低下を招く。また１８５０’Ｃより高くなると、窒化珪
素の分解などが生じるようになるので好ましくない。

「実施例コ 以下、実施例により具体的に説明する。

（実施例１） 第１表にも示すように、平均粒径０．２μｍの高純度Ｓ
ｉ３Ｎ＋粉末が９６．３重量％、平均粒径０．’１ｍの
Ｙｂ２Ｏ３粉末が３．０重量％、平均粒径０．１μｍの
ｉＮ粉末が０．７重量％となるように各粉末を混合し、
静水圧２００ＭＰａの負荷にて角棒状に成形した。そし
て１８５０℃の温度で、窒素ガス雰囲気中（て常圧焼結
した。

得られた焼結体をＪＩＳ規格による曲げ試験片形状に加
工し、室温、１２００℃、１３００℃および１４００℃
の４水準の条件で空気中にて４点曲げ強度（Ｊ　ｌ５Ｒ
１６０１）を測定した。試料数は１０本である。またア
ルキメデス法により密度を測定し結果を第１表に示す。

（実施例２〜８、比較例１〜４） 原料粉末の配合比率および焼結温度を第１表に示すよう
に種々変化させたこと以外は実施例１と同様にしてそれ
ぞれの焼結体を製造し、それぞれ同様に試験して結果を
第１表に示す。

（比較例５〜７） Ｙｂ２０３の代わりにＹ２Ｏ３を用い、配合比率および
焼結温度を第１表に示すように種々変化させたこと以外
は実施例１と同様にしてそれぞれの焼結体を製造し、そ
れぞれ同様に試験して結果を第１表に示す。またＸ線回
折によるβ−３ｉａＮ４とα−サイアロンのピーク比か
ら、次式によりα−サイアロン割合を算出し、第１表に
示す。

α−サイアロン割合＝１００Ｘ（Ｉα１０２＋■α２１
０）／（Ｉα１０２　＋　Ｉα２１０　＋Ｉβ１０１十
■β２１０　）　、なお、 ■α１０２・・・α−サイアロンの（１０２）面のＸ線
強度■α２１０・・・α−サイアロンの（２１０）面の
Ｘ線強度Ｉβ１０１・・・β−３ｉ３Ｎ＋の（１０１）
面のＸ線強度■β２１０・・・β−８ｉ　３　Ｎ４の（
２１０）面のＸ線強２度である。

（評価） 実施例１〜８で得られた焼結体では、１４００℃におい
ても５００ＭＰａ以上の高い曲げ強度を有している。た
だＡ９Ｎ／Ｙｂｚ　０３の値が０゜１近傍で特に曲げ強
度が高く、この値が高くなっても低くなっても曲げ強度
は低下する傾向を示している。そして比較例３ではこの
値が０．０３と低いために、緻密な焼結が行なわれず常
温においても所望の強度が得られていない。また比較例
４ではこの値が０．６と高いために、高温強度が極めて
低下している。

また比較例１では焼結助剤の総量が少ないために焼結性
に劣り、比較例２では焼結助剤の総量が多いために高温
強度が低下している。

比較例５〜７を比較すると、焼結助剤量が増えるにつれ
てα−サイアロン割合か増大し、それにつれて曲げ強度
が低下している。そして比較例５では１３００℃におい
て５００ＭＰａの比較的高い曲げ強度を有しているが、
１４００℃では３００ＭＰａと使用に耐えない強度とな
っている。−方、実施例で得られた焼結体にはα−サイ
アロンは存在しない。したがって、α−サイアロンの存
在が高温強度の低下の一因となっていることが推察され
る。

［発明の効果コ すなわち本発明の窒化珪素焼結体の製造方法によれば、
従来と同様の工数で、１３００〜１４００℃における高
温強度に優れ、かつ耐酸化性に優れた焼結体を確実に製
造することができる。

特許出願人　　　トヨタ自動車株式会社代理人　　　　
弁理士　　　大川　宏

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化珪素粉末９２〜９７重量％と、重量比でＡｌ
   Ｎ／Ｙｂ＿２Ｏ＿３＝０．０５〜０．２５となる組成の
   窒化アルミニウム粉末と酸化イッテルビウム粉末からな
   る焼結助剤３〜８重量％とを混合し、成形後非酸化性雰
   囲気下１６５０〜１８５０℃で常圧焼結することを特徴
   とする高温高強度窒化珪素焼結体の製造方法。