JPH0826829A - 窒化珪素焼結体 - Google Patents

窒化珪素焼結体

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JPH0826829A
JPH0826829A JP6182953A JP18295394A JPH0826829A JP H0826829 A JPH0826829 A JP H0826829A JP 6182953 A JP6182953 A JP 6182953A JP 18295394 A JP18295394 A JP 18295394A JP H0826829 A JPH0826829 A JP H0826829A
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一久 板倉
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Abstract

(57)【要約】 【目的】最高約1500℃で使用される構造材料として
十分な強度及び耐久性を有し、一方室温においても比較
的高い強度を有する窒化珪素焼結体を提供する。 【構成】窒化珪素粒子とR(Rは希土類元素)、Si、
O及びNを含む粒界相とからなる焼結体において、その
表層部にのみメリライト相(R2Si343)が存在す
ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン等の熱機
関に好適な強度及び耐クリープ性に優れた窒化珪素焼結
体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】窒化珪素焼結体は、機械的特性、耐熱性
及び耐食性等に優れているため、自動車用エンジンやガ
スタービンエンジン等の熱機関で用いられる構造材料へ
の応用が試みられている。
【0003】この窒化珪素は、共有結合性が高いため難
焼結性であって、焼結させるためにはAl23、MgO
及び希土類元素酸化物等の焼結助剤が必要である。しか
し、こうして得られた焼結体は、高温において強度が低
下するため、焼結助剤の検討や粒界を結晶化する等の試
みがなされてきた。例えば、特開昭64-56368号公報にお
いては粒界をアパタイトあるいはダイシリケートに、特
開昭64-61357号公報においては粒界をウォラストナイト
あるいはカスピデインに、特開昭64-61358号公報におい
ては粒界をメリライトに結晶化して高温高強度を実現し
ている。また、表面状態の劣化による強度の低下を防ぐ
ため焼結体表層部の酸素量を内部より多くする試みが、
特開平4-154667号公報により開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このように従来、窒化
珪素焼結体においては主として組成及び焼結条件等を検
討することにより高強度を達成してきた。しかし、これ
らの焼結体は室温において高強度であっても、依然とし
て高温での強度劣化が大きいあるいは耐クリープ性が悪
いという課題や、高温で強度を維持させるため粒界結晶
化処理を施した結果として室温の強度レベルが低下して
しまうなどの課題があった。
【0005】本発明の目的は、最高約1500℃で使用
される構造材料として十分な強度及び耐久性を有し、一
方室温においても比較的高い強度を有する窒化珪素焼結
体を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】その目的を達成するため
に、この発明の窒化珪素焼結体は、窒化珪素粒子とR
(Rは希土類元素)、Si、O及びNを含む粒界相とか
らなる焼結体において、その表層部にのみメリライト相
(R2Si343)が存在することを特徴とする。
【0007】上記希土類元素は、周期表3A族のSc、
Y及びランタノイド元素のいずれかであるが、就中Y、
Er、Ybが好ましい。ここで、メリライト相とはJC
PDSカードNo.28-1457と同一のX線回折パターン
を有する結晶相である。そして、このメリライト相が存
在する表層部の厚みが10〜500μmである窒化珪素
焼結体が好ましい。
【0008】更に好ましくは、前記窒化珪素焼結体中の
希土類元素をR23に換算したモル量と焼結体中の酸素
量からR23に含まれる酸素量を差し引いた残りの酸素
量をSiO2に換算したモル量から計算されるSiO2
(R23+SiO2)の値は0.5〜0.8であること
を特徴とする。
【0009】
【作用】通常、窒化珪素焼結体においては同一の焼結助
剤を用いている場合、粒界相が結晶化していると粒界相
がガラス相の場合より、高温での強度劣化は小さく、室
温強度が低い値となる。本発明によれば、焼結体表層部
の粒界は実質的にメリライト相に結晶化しており、残留
ガラスは非常に少ないため高温強度に優れたもの(15
00℃にて450MPa以上、より好ましくは500M
Pa以上)となる。また、表層部のみメリライトに結晶
化していることにより、表層部粒界と内部粒界とで焼成
後に熱膨張差が生じて室温付近の温度では焼結体に残留
応力が発生しており、室温強度も耐熱性材料としては比
較的高い値(700MPa以上、より好ましくは800
MPa以上)を示す。
【0010】メリライト相が存在する表層部の厚みを1
0〜500μmとしたのは、この範囲より薄いとメリラ
イト相において問題となる1000℃付近での酸化でメリラ
イト相が全てSiO2とR2Si27に変化してしまい、
高温での高強度化が達成されないからである。一方、上
記残留応力は、内部と表層部との界面近傍で最大とな
り、そこから離れるに従って小さくなるので、その範囲
より厚くなると表層部の残留応力が低下し室温強度が低
下してしまうからである。上記厚みのうち、特に好まし
い範囲は50〜300μmである。
【0011】焼結体組織に関しては、微細な等軸状の窒
化珪素粒子の均一な組織である場合、室温では高強度を
示すものの高温での劣化が大きく、また耐クリープ性も
低い。高温での強度及び耐久性を維持するためには、等
軸状の微細粒子と柱状の粗大粒子の複合組織である方が
有利である。
【0012】焼結体中のSiO2/(R23+SiO2
の値を0.5〜0.8としているのは、この範囲内(特
に好ましくは0.55〜0.75)であれば焼結体組織
が微細粒子と粗大粒子の複合組織となるが、この値が
0.5より小さいと焼結体組織が全体的に粗くなって室
温強度を低下させること、0.8より大きいと緻密化が
困難であり高強度の焼結体を得難いという問題がある。
【0013】尚、内部の粒界相の状態は、焼結助剤の組
成、焼結条件及び焼結後の熱処理条件により異なるが焼
結体中のSiO2/(R23+SiO2)の値が上記範囲
内にある場合はガラス相もしくはR4Si227あるい
はR2Si27の結晶相となる。
【0014】
【実施例】平均粒径0.6μm、α率97%のSi34粉末
に、平均粒径1〜3μmの希土類酸化物及び平均粒径約1
μmのSiO2、V25、MoO3及びWO3の各粉末を
表1に示した組成で配合し、窒化珪素製ボールミル中で
湿式混合粉砕した後、乾燥して得られた粉末を55x55x25
mmに4ton/cm2の圧力で静水圧プレス成形し、常圧焼結、
ガス圧焼結及び熱間静水圧加圧あるいはこれらを組み合
わせた焼結法により焼結体を得る。尚、本発明の焼結体
は再加熱処理によっても得ることが可能であるが、この
際の温度は1600〜1800℃の比較的高温であっ
て、更にCOを微量に含む窒素雰囲気中であることが望
ましい。
【0015】
【表1】 得られた焼結体の諸特性を表2に示す。表2の特性のう
ち焼結体密度は、アルキメデス法により測定し混合則で
計算した理論密度に対する比で表した。焼結体が含有す
る酸素量は酸素量分析装置により測定し、希土類元素量
はICP発光分析により定量した。粒界相の同定はX線回
折装置を用いて行い、強度はJIS R 1601及びR 1604に従
う四点曲げ試験により測定した。尚、メリライト相の存
在する表層部の厚みは焼結体断面を鏡面研磨した後に電
子顕微鏡観察により決定した。また、粒界相には、焼結
助剤として添加したV、W、Mo等の珪化物(VS
2、V5Si3、MoSi2、WSi2、W5Si3)や、
これらの固溶体の存在が認められる場合があったが、焼
結体全体に均一であり、省略した。
【0016】
【表2】 表2から明らかなように本発明範囲に属する焼結体によ
れば室温強度(700MPa以上)を損なうことなく且
つ1500℃という高温でも高強度(450MPa以上)を
得ることができる。ただし、No.6は、SiO2
(R23+SiO2)の値が若干過小のため、No.1
〜5に比べて室温強度がやや低くなったと考えられる。
また、No.7は、その値が若干過大のため、密度が低
く高温強度もやや低くなったと考えられる。
【0017】これに対し、No.8〜10の焼結体は表
層部にメリライト相が存在しないため1500℃での強度が
低いものとなっている。すなわち、No.8と10の焼
結体は全体的に単一の結晶相を生じているので室温強度
も低くなっており、NO.9の焼結体は粒界相がガラス
相であるので室温強度は比較的高いものの1500℃強度が
著しく低くなってしまった。No.11は、表層部にメ
リライト相が存在するが、その厚みが10μm未満であ
るので、1500℃での強度が低くなった。逆にNo.
12は、焼結体全体にメリライト相が存在するので(厚
みが500μm以上に相当する)、室温強度が低くなっ
た。
【0018】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の結晶構造によれば、室温強度が高く、しかも高温にお
いて強度劣化の少ない、高温構造部材として適した窒化
珪素焼結体を得ることができる。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 窒化珪素粒子とR(Rは希土類元素)、
    Si、O及びNを含む粒界相とからなる焼結体におい
    て、その表層部にのみメリライト相(R2Si343
    が存在することを特徴とする窒化珪素焼結体。
  2. 【請求項2】 前記メリライト相が存在する表層部の厚
    みが10〜500μmである請求項1に記載の窒化珪素
    焼結体。
  3. 【請求項3】 前記焼結体中の希土類元素をR23に換
    算したモル量と焼結体中の酸素量からR23に含まれる
    酸素量を差し引いた残りの酸素量をSiO2に換算した
    モル量から計算されるSiO2/(R23+SiO2)の
    値が0.5〜0.8である請求項1又は2に記載の窒化
    珪素焼結体。
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JP2002356376A (ja) * 2001-05-31 2002-12-13 Kyocera Corp 配線基板及びその製造方法

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