JPH0556308B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPH0556308B2 JPH0556308B2 JP62196342A JP19634287A JPH0556308B2 JP H0556308 B2 JPH0556308 B2 JP H0556308B2 JP 62196342 A JP62196342 A JP 62196342A JP 19634287 A JP19634287 A JP 19634287A JP H0556308 B2 JPH0556308 B2 JP H0556308B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- silicon nitride
- sintered body
- thermal shock
- sio
- sample
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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- Ceramic Products (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、窒化ケイ素焼結体、特に、耐熱衝撃
性（熱衝撃応力に対する抵抗）を向上させた窒化
ケイ素焼結体に関する。
性（熱衝撃応力に対する抵抗）を向上させた窒化
ケイ素焼結体に関する。
窒化ケイ素（Si3N4）焼結体は自動車用エンジ
ン部品その他の高温構造用セラミツクスとして注
目され、研究開発が進められて実用化されてきて
いる（例えば、「信頼性高まるエンジン部品用セ
ラミツクス」、目経ニユーマテリアル、創刊前１
号、昭和60年５月20日、pp.39−46〔日経マグロウ
ヒル社〕参照）。
ン部品その他の高温構造用セラミツクスとして注
目され、研究開発が進められて実用化されてきて
いる（例えば、「信頼性高まるエンジン部品用セ
ラミツクス」、目経ニユーマテリアル、創刊前１
号、昭和60年５月20日、pp.39−46〔日経マグロウ
ヒル社〕参照）。
窒化ケイ素焼結体は、一般的には、α−窒化ケ
イ素粉末にアルミナ、イツトリア、マグネシアな
どの適当な焼結助剤を添加したものを加圧成形、
射出成形、押出成形、鋳込成形などの手法で成形
し、それを非酸化性雰囲気（典型的には、窒素雰
囲気）中で焼成して製造される。窒化ケイ素結晶
の粒界相制御が焼結体の高温強度、耐酸化性、耐
熱衝撃性などの特性向上の要因である。そこで、
本出願人は特願昭61−125906号（昭和61年６月２
日出願）および特願昭62−169号（昭和62年１月
６日出願）にて、高温強度を高めるために、窒化
ケイ素焼結体の粒界相にXSiO2N，X4Si2O7N2、
およびX10（SiO4）6N2〔これらの式中、Ｘは長周期
型周期律表における第3A族元素（ランタニド系
列の元素を含む）を示す。〕のいずれか１種以上
の結晶を析出させてなることを特徴とする窒化ケ
イ素焼結体を提案した。さらに、特願昭62−
141449号（昭和62年６月８日出願）にて、焼結体
粒界に六方晶形結晶であるY5N（SiO4）3，Y10N2
（SiO4）6およびY20N4（SiO4）12のうち少なくとも
１種と、YAG（5Al2O3・3Y2O3）結晶とが析出し
ていることを特徴とする窒化ケイ素焼結体を提案
した。
イ素粉末にアルミナ、イツトリア、マグネシアな
どの適当な焼結助剤を添加したものを加圧成形、
射出成形、押出成形、鋳込成形などの手法で成形
し、それを非酸化性雰囲気（典型的には、窒素雰
囲気）中で焼成して製造される。窒化ケイ素結晶
の粒界相制御が焼結体の高温強度、耐酸化性、耐
熱衝撃性などの特性向上の要因である。そこで、
本出願人は特願昭61−125906号（昭和61年６月２
日出願）および特願昭62−169号（昭和62年１月
６日出願）にて、高温強度を高めるために、窒化
ケイ素焼結体の粒界相にXSiO2N，X4Si2O7N2、
およびX10（SiO4）6N2〔これらの式中、Ｘは長周期
型周期律表における第3A族元素（ランタニド系
列の元素を含む）を示す。〕のいずれか１種以上
の結晶を析出させてなることを特徴とする窒化ケ
イ素焼結体を提案した。さらに、特願昭62−
141449号（昭和62年６月８日出願）にて、焼結体
粒界に六方晶形結晶であるY5N（SiO4）3，Y10N2
（SiO4）6およびY20N4（SiO4）12のうち少なくとも
１種と、YAG（5Al2O3・3Y2O3）結晶とが析出し
ていることを特徴とする窒化ケイ素焼結体を提案
した。
窒化ケイ素焼結体を使用する条件に熱衝撃応力
の発生を招く場合があり、特に自動車のエンジン
部品に窒化ケイ素焼結体を用いる場合が該当す
る。そのために、熱衝撃応力を低減して耐熱衝撃
性（熱衝撃抵抗）を高める必要がある。そこで、
本発明の目的は耐熱衝撃性を向上させた窒化ケイ
素焼結体を提供することである。
の発生を招く場合があり、特に自動車のエンジン
部品に窒化ケイ素焼結体を用いる場合が該当す
る。そのために、熱衝撃応力を低減して耐熱衝撃
性（熱衝撃抵抗）を高める必要がある。そこで、
本発明の目的は耐熱衝撃性を向上させた窒化ケイ
素焼結体を提供することである。
本発明は、上記問題点を解決するために、焼結
助剤として少なくともLi2O3，Al2O3およびSiO2
を用いて窒化ケイ素原料を焼結した窒化ケイ素焼
結体であつて、焼結体粒界に低膨張性ないし熱収
縮性のLi2O−Al2O3−SiO2系結晶が折出している
ことを特徴とする耐熱衝撃性窒化ケイ素焼結体を
提供する。
助剤として少なくともLi2O3，Al2O3およびSiO2
を用いて窒化ケイ素原料を焼結した窒化ケイ素焼
結体であつて、焼結体粒界に低膨張性ないし熱収
縮性のLi2O−Al2O3−SiO2系結晶が折出している
ことを特徴とする耐熱衝撃性窒化ケイ素焼結体を
提供する。
焼結体粒界に折出するLi2O−Al2O3−SiO2系結
晶は負の熱膨張を示すLi2O・Al2O3・8SiO2ペタ
ライト（petalite），Li2O・Al2O3・4SiO2スポジ
ユーメン（spodumene），Li2O・Al2O3・2SiO2ユ
ークリプタイト（eucryptite），Li2O・Al2O3・
6SiO2リチウム正長石（lithiumorthoclase）のう
ち、少なくとも１種類の結晶相を含み、粒界相と
しては熱収縮性ないし従来のものより低膨張性を
示す。なお、Li2O3−Al2O3−SiO2系平衡状図と
しては第１図に示すもの知られており、図中の
Li2O・2Al2O3とSiO2とを結ぶ線上にあるＰ：ペ
タライト、Ｒ：リチウム正長石、Ｓ：スポジユー
メンおよびＥ：ユークリプタイトおよびこれらの
近傍では負の熱膨張（熱収縮）を示す。
晶は負の熱膨張を示すLi2O・Al2O3・8SiO2ペタ
ライト（petalite），Li2O・Al2O3・4SiO2スポジ
ユーメン（spodumene），Li2O・Al2O3・2SiO2ユ
ークリプタイト（eucryptite），Li2O・Al2O3・
6SiO2リチウム正長石（lithiumorthoclase）のう
ち、少なくとも１種類の結晶相を含み、粒界相と
しては熱収縮性ないし従来のものより低膨張性を
示す。なお、Li2O3−Al2O3−SiO2系平衡状図と
しては第１図に示すもの知られており、図中の
Li2O・2Al2O3とSiO2とを結ぶ線上にあるＰ：ペ
タライト、Ｒ：リチウム正長石、Ｓ：スポジユー
メンおよびＥ：ユークリプタイトおよびこれらの
近傍では負の熱膨張（熱収縮）を示す。
粒界相を熱収縮性として、正の熱膨張を示す窒
化ケイ素結晶と組合せて無膨張性の窒化ケイ素焼
結体とすることは好ましい。
化ケイ素結晶と組合せて無膨張性の窒化ケイ素焼
結体とすることは好ましい。
耐熱衝撃性を向上させるには、下記の熱衝撃応
力（σ）の式から、 σ＝AEαΔΤ／１−ν 式中：Ａ：定数 Ｅ：ヤング率 α：線膨張係数 ΔΤ：温度差 ν：ポアソン比 次のことが考えられる。すなわち、熱衝撃応力
（σ）を小さくするために(1)ヤング率を小さくす
る、(2)線膨張係数を小さくする、(3)ポアソン比を
小さくする、ことである。さらに、熱衝撃応力は
熱伝導率を大きくするほど小さくてすみ、また物
体の強度が大きいほど耐熱衝撃応力に対して有効
である。本発明では熱膨張係数を小さくすること
によつて熱衝撃応力を小さくして耐熱衝撃性を向
上させるべく上述のように粒界相を熱収縮性ない
し低膨張性としているわけである。
力（σ）の式から、 σ＝AEαΔΤ／１−ν 式中：Ａ：定数 Ｅ：ヤング率 α：線膨張係数 ΔΤ：温度差 ν：ポアソン比 次のことが考えられる。すなわち、熱衝撃応力
（σ）を小さくするために(1)ヤング率を小さくす
る、(2)線膨張係数を小さくする、(3)ポアソン比を
小さくする、ことである。さらに、熱衝撃応力は
熱伝導率を大きくするほど小さくてすみ、また物
体の強度が大きいほど耐熱衝撃応力に対して有効
である。本発明では熱膨張係数を小さくすること
によつて熱衝撃応力を小さくして耐熱衝撃性を向
上させるべく上述のように粒界相を熱収縮性ない
し低膨張性としているわけである。
本発明にしたがつて添加する焼結助剤
（Li2O3，Al2O3およびSiO2）の添加量は多いほど
熱収縮又は低膨張性に関しては効果があるが、強
度との関係より全体の５〜20wt％が好ましい。
（Li2O3，Al2O3およびSiO2）の添加量は多いほど
熱収縮又は低膨張性に関しては効果があるが、強
度との関係より全体の５〜20wt％が好ましい。
焼結助剤には上述のLi2O3，Al2O3およびSiO2
の他にY2O3，MgO，MgAl2O4，CeO2，SrOな
どを用いることができ、Y2O3が強度向上に寄与
するので好ましい。
の他にY2O3，MgO，MgAl2O4，CeO2，SrOな
どを用いることができ、Y2O3が強度向上に寄与
するので好ましい。
以下、本発明の実施態様例および比較例によつ
て本発明を詳しく説明する。
て本発明を詳しく説明する。
実 験
サンプルＡの原料組成をSi3N492wt％、
Li2O1wt％、Al2O33wt％およびSiO24wt％とし、
サンプルＢの原料組成をSi3N490wt％、Li2O1wt
％、Al2O33wt％、SiO23wt％およびY2O33wt％
とし、そして比較例のサンプルＣの原料組成を
Si3N490wt％、Al2O35wt％およびY2O35wt％と
した。次に、金型プレス成形によつて直径30mmで
高さ20mmの円柱状テストピースを製作した。さら
にラバープレスにて２トン等方加圧した後、加圧
窒素（N2）雰囲気（９気圧）で1750℃の焼結温
度まで加熱して窒化ケイ素焼結体を得た。次に、
1200℃（好ましくは、800〜1400℃）で焼結体を
再加熱して粒界相の結晶化処理を行なつた。
Li2O1wt％、Al2O33wt％およびSiO24wt％とし、
サンプルＢの原料組成をSi3N490wt％、Li2O1wt
％、Al2O33wt％、SiO23wt％およびY2O33wt％
とし、そして比較例のサンプルＣの原料組成を
Si3N490wt％、Al2O35wt％およびY2O35wt％と
した。次に、金型プレス成形によつて直径30mmで
高さ20mmの円柱状テストピースを製作した。さら
にラバープレスにて２トン等方加圧した後、加圧
窒素（N2）雰囲気（９気圧）で1750℃の焼結温
度まで加熱して窒化ケイ素焼結体を得た。次に、
1200℃（好ましくは、800〜1400℃）で焼結体を
再加熱して粒界相の結晶化処理を行なつた。
このようにして得られた窒化ケイ素焼結体の結
晶相をＸ線回折により同定した結果、サンプルＡ
ではLi2O・Al2O3・2SiO2が、サンプルＢでは
Li2O・Al2O3・2SiO2，Al5Y3O12，Y20N4Si12O48
がそしてサンプルＣではAl2Y3O12，
Y20N4Si12O48が粒界に折出していることを確認
した。
晶相をＸ線回折により同定した結果、サンプルＡ
ではLi2O・Al2O3・2SiO2が、サンプルＢでは
Li2O・Al2O3・2SiO2，Al5Y3O12，Y20N4Si12O48
がそしてサンプルＣではAl2Y3O12，
Y20N4Si12O48が粒界に折出していることを確認
した。
そして、得られた窒化ケイ素焼結体の耐熱衝撃
性を調べるために、電気炉にて300〜600℃の温度
に加熱し、取り出し直後に水中へ投入する急冷試
験を行なつた。その結果、サンプルＡは450℃か
らの急冷で破壊し、サンプルＢは500℃からの急
冷で破壊し、一方、サンプルＣは400℃からの急
冷で破壊した。このことから本発明に係るサンプ
ルＡおよびＢではLi2O−Al2O3−SiO系結晶相を
粒界に折出させているので、耐熱衝撃性が従来よ
り向上している。
性を調べるために、電気炉にて300〜600℃の温度
に加熱し、取り出し直後に水中へ投入する急冷試
験を行なつた。その結果、サンプルＡは450℃か
らの急冷で破壊し、サンプルＢは500℃からの急
冷で破壊し、一方、サンプルＣは400℃からの急
冷で破壊した。このことから本発明に係るサンプ
ルＡおよびＢではLi2O−Al2O3−SiO系結晶相を
粒界に折出させているので、耐熱衝撃性が従来よ
り向上している。
また、得られた窒化ケイ素焼結体の高温強度を
調べるために３点曲げ破壊試験を800℃、1000℃
および室温にて行なつた。その結果は、第２図に
示すように、サンプルＡ（黒丸印●）の３点曲げ
強度がサンプルＢおよびサンプルＣよりも小さ
く、サンプルＣ（白丸印○）が最も大く、サンプ
ルＢ（×印）がサンプルＡとＣとの中間であつた。
焼結助剤にY2O5（イツトリア）を用いたほうが高
温強度が向上することがわかる。サンプルＡおよ
びＢの本発明品では高温強度はサンプルＣの比較
例よりも低いが耐熱衝撃性は高いので、急熱急冷
の熱衝撃のある用途に適しており、特にサンプル
Ｂでは高温強度がサンプルＣに近くかつ耐熱衝撃
性も一番良いので望ましい。
調べるために３点曲げ破壊試験を800℃、1000℃
および室温にて行なつた。その結果は、第２図に
示すように、サンプルＡ（黒丸印●）の３点曲げ
強度がサンプルＢおよびサンプルＣよりも小さ
く、サンプルＣ（白丸印○）が最も大く、サンプ
ルＢ（×印）がサンプルＡとＣとの中間であつた。
焼結助剤にY2O5（イツトリア）を用いたほうが高
温強度が向上することがわかる。サンプルＡおよ
びＢの本発明品では高温強度はサンプルＣの比較
例よりも低いが耐熱衝撃性は高いので、急熱急冷
の熱衝撃のある用途に適しており、特にサンプル
Ｂでは高温強度がサンプルＣに近くかつ耐熱衝撃
性も一番良いので望ましい。
本発明によれば、窒化ケイ素焼結体において窒
化ケイ素結晶粒の粒界に析出させるLi2O−Al2O3
−SiO2系結晶に熱収縮性（負の熱膨張係数）結
晶含むことによつて粒界相は低膨張性ないし熱収
縮となつて焼結体の耐熱衝撃性を向上させること
ができる。
化ケイ素結晶粒の粒界に析出させるLi2O−Al2O3
−SiO2系結晶に熱収縮性（負の熱膨張係数）結
晶含むことによつて粒界相は低膨張性ないし熱収
縮となつて焼結体の耐熱衝撃性を向上させること
ができる。
第１図は、Li2O−Al2O3−SiO2系の平衡状態図
であり、第２図は、窒化ケイ素焼結体の３点曲げ
強度と試験温度との関係を示すグラフである。
であり、第２図は、窒化ケイ素焼結体の３点曲げ
強度と試験温度との関係を示すグラフである。
Claims (1)
- １ 焼結助剤として少なくともLi2O3，Al2O3お
よびSiO2を用いて窒化ケイ素原料を焼結した窒
化ケイ素焼結体であつて、焼結体粒界に低膨張性
ないし熱収縮性のLi2O−Al2O3−SiO2系結晶が折
出していることを特徴とする耐熱衝撃性窒化ケイ
素焼結体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62196342A JPS6442366A (en) | 1987-08-07 | 1987-08-07 | Silicon nitride sintered body resistant to thermal shock |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62196342A JPS6442366A (en) | 1987-08-07 | 1987-08-07 | Silicon nitride sintered body resistant to thermal shock |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6442366A JPS6442366A (en) | 1989-02-14 |
| JPH0556308B2 true JPH0556308B2 (ja) | 1993-08-19 |
Family
ID=16356236
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62196342A Granted JPS6442366A (en) | 1987-08-07 | 1987-08-07 | Silicon nitride sintered body resistant to thermal shock |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6442366A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0754834Y2 (ja) * | 1990-01-30 | 1995-12-18 | 動力炉・核燃料開発事業団 | 管継手部のシール性試験装置 |
| DE4234678C2 (de) * | 1991-10-15 | 2003-04-24 | Aisin Seiki | Reversible Schwingrohr-Wärmekraftmaschine |
| JP4025455B2 (ja) * | 1999-03-31 | 2007-12-19 | 京セラ株式会社 | 複合酸化物セラミックス |
| JP4719965B2 (ja) * | 1999-10-08 | 2011-07-06 | 東レ株式会社 | セラミックス |
-
1987
- 1987-08-07 JP JP62196342A patent/JPS6442366A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6442366A (en) | 1989-02-14 |
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