JPS6048475B2 - 窒化珪素ホットプレス焼結体とその製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は窒化珪素を主体とする高強度セラミックスとそ
の製造方法に関するのである。

ガスタービン部材、製鋼用の高温ロール材等高温での使
用条件が苛酷になるにつれて、金属を素材とするこれら
部材からセラミックスを素材とするものに材質変換が計
られつつあり、高強度、高耐熱衝撃性、高耐摩耗性など
の点から窒化珪素が素材として注目を集めている。

しかしながら、窒化珪素は単味では焼結しにくい材料で
あること、高強度が得られにくいこと等の欠点を有して
おり、これの解決のため種々の方法が提供されている。
その主なものを列挙してみると、（１）酸化マグネシウ
ムなどのアルカリ土類元素の酸化物を添加する。

（２）酸化アルミニウムを添加する。

（３）酸化イットリウムなどの希土類元素の酸化物を添
加する（４） 窒化アルミニウムなどの非酸化物を添加
する。

等の方法がある。しかし、これらの方法は以下に記すよ
うな欠点をもち真に実用上からみた場合まだ問題がある
ものである。（１）酸化マグネシウムを添加する方法は
窒化珪素の焼結を促進するという点では効果のある方法
であるが、酸化マグネシウムは窒化珪素粒の表面に生成
されている酸化マグネシウムと反応し、低融点ガラス相
を生成するため、全体としての窒化珪素の高温強度ない
しは高温ての耐クリープ性が損なわれ、高温で荷重のか
かる部材への適用には問題がある。

・（２）酸化アルミニウムを添加する方法は酸化アルミ
ニウムが窒化珪素粒に固溶する形で焼結が促進する独特
の効果をもつものであるが、それでもまだ高温強度、高
温耐クリープ性は必ずしも充分ではない。

（３）酸化イットリウムを添加する方法は上記（１），
（２）の欠点を改善するもので確かに窒化珪素粒の粒界
が例えば高粘性のガラスあるいは、Ｓｉ。

Ｎ，・Ｙ。Ｏ。のような結晶質組成物でされるため、高
温強度、高温耐クリープ性が損われることは少なく、こ
の点では効果のあるものである。しかしながら、酸化イ
ットリウムを添加するこの方法でも、まだ用途によつて
は高温強度等が不充分であり、更には焼成温度をより低
下せしめたいという要求には満足なものではない。（４
）酸化アルミニウムを添加する方法はアルミナなどと併
存仕しめ、硬度、耐酸化性等を改善する効果はあるが強
度的には不充分なものしか提供しえないものであつた。

本発明はこれなの欠点を解決する方法を提供するもので
あり、その要旨は、窒化チタン、窒化タンタルから選ば
れる１種または２種を含有することを特徴とする窒化珪
素ホットブレス焼結体及び窒化珪素粉末に窒化チタン、
窒化タンタルを存在せしめうる物質から選はれる１種ま
たは２種以上を加えホットブレスすることを特徴とする
窒化珪素ホットブレス焼結体の製造方法である。

一般に、焼結法を付与するために種々の添加剤が使用さ
れているが、これら添加剤の多くのものは高温において
、ガラス相を生成するか、ないしは軟化しやすいものが
多く、これは窒化珪素粒の、表面に生成されている窒化
珪素被膜がこれら添加剤と反応した結果生ずるガラス相
ないしは低融点結晶相に起因するものと思われる。

確かに、酸化イットリウム、酸化セリウム、酸化マグネ
シウム、酸化アルミニウムなどは本来相当の効果を持一
つべき筈の添加剤成分であろうが、これらが単独で使用
される限りにおいては上記の理由によると思われる効果
により不満足な効果しか得られなかつたことは前述した
通りである。そこで本発明者等はこれらの点を深く追求
した４結果、窒化チタン、窒化タンタルを窒化珪素粒に
添加してホットブレスすることにより真に高温強度を改
善しうることを見出した事により、本発明をなしえたも
のである。

本発明で特定するこれらの窒化物が何故に優れた効果、
特には高温強度を改善しうるという効果を発揮するのか
未だ充分には解明されてはいないが、本発明者等は以下
のように推測している。

即ち、これらの窒化物は窒化珪素にわずかではあるが固
溶されあるいは粒界においてＳｌ。Ｎ．一該窒化物の共
融組成を持つことにより焼結性の向上することが考えら
れる。また、Ｓｉ３Ｎ，粒表面を通常被つていると考え
られるＳｉＯ２とこれら窒化物フとの共存も焼結に寄与
すると考えられる。このことは焼結体中の酸素量が０．
３％以下である楊合、比較的高密度な焼結体の得にくい
事からも推測される。これらの窒化物はこのように結合
剤としての役割をはたすと同時に高融点のこれら窒化物
は門窒化珪素粒の粒界に存在し高温強度等の高温での機
械的性質に顕著な効果をもつものと考えられる。本発明
において窒化珪素粒に加えられる窒化チタン、窒化タン
タルを存在せしめうる物質から選・ばれる１種または２
種を窒化チタン、窒化タンタルに換算して０．１〜４０
重量％、好ましくは１〜３０重量％に制限するとよい理
由は、０．１重量％以下では窒化珪素粒を有効に結合せ
しめるのに量的に不足し、局部的に焼結の不充分な個所
や生じ、その結果強度が小さくなることにより、また、
４腫量％以上では窒化珪素粒間に介在する該窒化物量が
増加することにより強度が低下してくると共に、該窒化
物自体のもつ高膨脹性等の属性が窒化珪素焼結体の性質
に大きな影響を与えることになるためである。

また、焼結体中に存在する酸素量を０．３〜５重量％に
制限するとよい理由は、０．３重量％以下ではＴＩＮ等
の窒化物の添加によつても高密度化がかならずしも十分
でない事のあることと５重量％以上では粒界に比較的多
量のガラス相を生ずるため高温ての好ましい強度を得に
くくなるためてある。

本発明で好ましく使用されうる窒化チタン、窒化タンタ
ルは９０％程度以上の純度の工業的に入手可能なもので
充分であり粒度についても細い程良好といえるが必ずし
もサブミクロン級が必要というわけではなく、使用され
る窒化珪素粒の粒度に応じて０．５〜４４ｐｍ平均程度
のものを適宜選択すればよい。

を採用する理由は、更に別の焼結促進助剤を添加する等
ということをせず冷間ブレスしてから焼成する通常の方
法ては窒化チタン、窒化タンタルの窒化珪素粒に対する
結合作用はかならずしも充分とはいえず加圧と同時に加
熱するホットブレス手段によつて有効な結合作用をもた
らすことによると考えられる。

ホットブレスの条件は窒化珪素などの非酸化物のホット
ブレスの場合に通常使用される条件、即ち、温度は１６
００〜１９００℃、圧力は１００〜５００ｋ９／ｃイ、
雰囲気は還元性、中性などの非酸化性雰囲気であればよ
い。なお、窒化チタン、窒化タンタルを存在せしめうる
物質が金属Ｔｉ）金属Ｔａなどの窒素を含まない物質の
場合には窒素雰囲気であることが必要である。

かくして得られる本発明に基く窒化珪素焼結体’は製造
条件如何にもよるが、窒化チタン、窒化タンタルを存在
せしめうる物質を窒化チタン、窒化タンタルに換算して
０．１〜４０重量％加え、酸素含有量が０．３〜５重量
％である場合には、少くとも室温で７０ｋ９／Ｔ！Ｕｆ
Ｌ以上、１４００゜Ｃで４０ｋ９／一以上の曲け強度を
有する優れたものである。

以下実施例により本発明をさらに詳しく説明する。

実施例 第１表に市販の原料を用いて試料を作製し、測定した結
果を示す。

第１表に示される調合割合の原料を５日間ポットミルで
粉砕混合したものを用いて６０φ×１２７ＷＬの試料を
得た。ホットブレス条件は３５０ｋｇ／ｄ×１７５０℃
×１時間であつた。曲げ強度は３点曲げ方式によつて測
定したものである。第１表から分る通り、実施例１〜５
は特に高淵 ’（における強度の優れた性質を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 窒化チタン、窒化タンタルから選ばれる１種または
   ２種を含有することを特徴とする窒化珪素ホットプレス
   焼結体。 ２ 窒化チタン、窒化タンタルから選ばれる１種または
   ２種を０．１〜４０重量％含有する特許請求の範囲第１
   項の焼結体。 ３ 酸素含有量が５重量％より少ない特許請求の範囲第
   １項または第２項の焼結体。 ４ 酸素含有量が０．３重量％より多い特許請求の範囲
   第１項、第２項または第３項の焼結体。 ５ 窒化珪素粉末に窒化チタン、窒化タンタルを存在せ
   しめうる物質から選ばれる１種または２種以上を加えホ
   ットプレスすることを特徴とする窒化珪素ホットプレス
   焼結体の製造方法。 ６ 窒化チタン、窒化タンタルを在存せしめうる物質か
   ら選ばれる１種または２種以上を窒化チタン、窒化タン
   タルに換算して０．１〜４０重量％加える特許請求の範
   囲第５項記載の製造方法。