JPS6220151B2 - - Google Patents

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JPS6220151B2
JPS6220151B2 JP56154664A JP15466481A JPS6220151B2 JP S6220151 B2 JPS6220151 B2 JP S6220151B2 JP 56154664 A JP56154664 A JP 56154664A JP 15466481 A JP15466481 A JP 15466481A JP S6220151 B2 JPS6220151 B2 JP S6220151B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
silicon nitride
sintering
sintered body
temperature
crystals
Prior art date
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Expired
Application number
JP56154664A
Other languages
English (en)
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JPS5855375A (ja
Inventor
Yoshinori Hatsutori
Tooru Shimamori
Yasushi Matsuo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
Application filed by NGK Spark Plug Co Ltd filed Critical NGK Spark Plug Co Ltd
Priority to JP56154664A priority Critical patent/JPS5855375A/ja
Publication of JPS5855375A publication Critical patent/JPS5855375A/ja
Publication of JPS6220151B2 publication Critical patent/JPS6220151B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野] 本発明は機械的強度、高耐酸化性に優れ、高温
下における強度低下の少ない高密度窒化珪素複合
焼結体に関するものである。 [従来の技術及びその問題点] 窒化珪素焼結体は機械的強度、耐熱性、耐腐食
性などの諸特性に優れているために、例えばガス
タービンの様な高温構造材料として用途がある。
しかし一方窒化珪素は共有結合性が高いために、
焼結体に乏しく、窒化珪素単体より高密度かつ高
強度の焼結体を得ることは困難である。そのため
従来より窒化珪素を焼結するに際しては、
MgO、Al2O3、希土類元素の酸化物等よりなる焼
結助剤を使用してきた。これら焼結助剤の役割
は、窒化珪素のの原料表面に存在する微量の
SiO2と反応し、低融点のガラス相を生成し焼結
を促進することにある、従つてこれらに焼結助剤
を使用して得られる最終の焼結体は窒化珪素とガ
ラス相から構成される。ところがこのガラス相は
1500〜1650℃の軟化点を有しており、これが焼結
体の高温強度及び耐酸化性を劣化する主原因とな
つていた。 [問題点を解決するための手段] そこで本発明者らは上記従来の欠点を除去する
ため窒化珪素に添加される焼結助剤及び焼結方法
につき種々の検討を行つた。その結果焼結助剤と
してY2O3とAl2O3を一定の比率で使用し焼結後結
晶化処理を行うとイツトリウム・アルミニウムガ
ーネツト結晶(以下YAG結晶と呼ぶ、3Y2O3
5Al2O3)が結晶粒界に析出し、この複合焼結体は
高温下においても強度の劣化が起こらず、又耐酸
化性に優れるため、耐熱高温部材として極めて優
れていることを見いだし本発明を完成した。 すなわち本発明は 窒化珪素75〜98重量%を含有する窒化珪素複合
焼結体において、結晶粒界にイツトリウム・アル
ミニウムガーネツト結晶が析出しており、かつ、
イツトリウム・アルミニウムガーネツト結晶が結
晶粒界構成成分の50体積%以上を占めていること
を特徴とする窒化珪素複合焼結体を要旨とするも
のである。 以下、本発明を更に詳細に説明するに、 先ず、本発明の窒化珪素複合焼結体では窒化珪
素を75〜98重量%含有していなければならない。
75重量%よりも少ないと結晶粒界相の量が多くな
り過ぎ高温度下における機械的強度が弱い。また
98重量%より多いと焼結助剤の量が少なくなり、
焼結性に乏しくなる。 そして本発明者らの研究によれば、後述する実
施例の効果から明らかなようにYAG結晶の量が
粒界構成成分の50体積%以上であると、高温特性
の向上が著しいので、本発明窒化珪素複合焼結体
では、YAG結晶が結晶粒界構成成分の50体積%
以上を占めていることが必要である。 本発明の窒化珪素複合焼結体は以下の方法で製
造が可能である。 先ず、窒化珪素及び焼結助剤としてのY2O3
Al2O3の各々を窒化珪素75〜98体積%、モル比で
0.2〜3:1に調整したY2O3とAl2O3の混合物2
〜25体積%の割合で、例えばボールミル等により
混合粉砕し、約2000Kg/cm2の圧力を加えて所望の
形状に成形する。次に1600〜2100℃の温度の常圧
または圧力1.5〜3000気圧の加圧下で窒素ガス中
若しくは窒素ガスを含む非酸化性雰囲気中で焼成
する。1気圧よりも低い圧力であると、1850℃以
上で焼結する時に窒化珪素が揮発分解し易くなる
のでそれを阻止するためには1気圧以上であると
よい。また3000気圧よりも高い圧力では装置面、
安全面から工業的には適さない。500〜3000気圧
で焼結する場合には、そのまま焼結すると緻密化
が阻害される恐れがあるので、シリカ系のガラス
等で表面を完全に覆つて焼結するのが良い。次に
結晶化処理、例えば1250〜1600℃の窒素ガス中若
しくは窒素ガスを含む非酸化性雰囲気中で再加熱
処理し結晶粒界にYAG結晶を析出させる。 上記製造法は窒化珪素にY2O3とAl2O3の両成分
を焼結助剤として添加することを必須とする。本
発明では、この両成分がYAG結晶(3Y2O3
5Al2O3)として結晶粒界に析出するために、室温
時は勿論高温度下においても従来品よりはるかに
優れた機械的強度を有する焼結体となるのであ
る。その理由はYAG結晶の融点は従来の窒化珪
素焼結体中に存在する低融点のガラス相とは異な
り約1970℃であり、酸化雰囲気中における酸素イ
オンの拡散が防止され、耐酸化性が著しく向上し
同時に高温強度特性が向上するからである。 上記製造法で、Y2O3とAl2O3の両成分は、モル
比でY2O3/Al2O3=0.2〜3であることが必要で
ある。モル比が0.2より小さいと複合焼結体中の
残留ガラス相に対するYAG結晶の割合が小さく
なり、高温特性の改善効果がなくなり。またモル
比が3より大きいとYAGの他にYAM結晶
(2Y2O3・Al2O3)、YAP結晶(Y2O3・Al2O3)が多
く生成し複合焼結体の熱安定を損なうからであ
る。 このYAG結晶を結晶粒界成分の50体積%以上
とするには、結晶化しようとする焼結体の組成に
適する温度及び保持時間で行えば良いが、この結
晶化処理をより効率的に行うには、窯業工学ハン
ドブツク第2版第107頁に記載されるように、核
生成温度と結晶成長温度との違いを利用してもよ
い。即ち、上記焼結体の再加熱処理において、先
ず、焼結体を核生成温度で十分保持することによ
りYAG結晶核を十分生成し、その後、結晶成長
温度にてYAG結晶を十分な大きさとすればよ
い。この核生成温度、結晶成長温度は組成によつ
て異なるが、例えば、Y2O3/Al2O3=1であり、
かつY2O3+Al2O3=15重量%の時には、核生成温
度は1300℃、結晶成長温度は1500℃である。 上記製造における原料の窒化珪素はα相が50%
以上含まれていることが好ましい。これは窒化珪
素の焼結にはα/β転移が大きく関係し、α相が
50%以下では充分に焼結が進行しないからであ
る。なお、窒化珪素を充分な焼結体とするために
焼結助剤も含めて粒度を10ミクロン以下に整粒し
たものであることが望ましい。この場合出発原料
の窒化珪素の代わりに窒化珪素を形成しうる原料
すなわち、金属珪素粉末を用い、これに上記の焼
結助剤を添加混合して成形したものを窒素ガス雰
囲気中1200〜1500℃で焼結して得られる窒化反応
焼結体を使用することもできる。焼結は常圧で行
う場合1600〜1800℃の温度範囲で行うのが好まし
い。この範囲外すなわち1600℃より低いと充分緻
密化した機械的強度の高い焼結体が得られず、又
1800℃を越えると窒化珪素自体の分解が著しくて
好結果が得られない。又、焼結及び再結晶化処理
を1気圧以上の高圧の窒素ガス中で行うと、粒界
ガラス相およびYAG結晶にNを結合させること
ができ、結晶粒界相の高融点化による焼結体の特
性改善は更に顕著となるので好ましい。 [発明の効果] 以上のようにして製造される本発明の窒化珪素
複合焼結体は、優れた物性を備えており、高緻密
性で機械的強度が高く、高温度下においても強度
の低下は殆ど認められない。さらに、高温度下に
おける耐酸化性にも優れる。そのため耐熱性の要
求されるガスタービン部品、デイーゼルエンジン
用部品或は切削工具として好適なものである。 [実施例] 次に、本発明を実施例により更に詳細に説明す
るが、本発明はその要旨を越えない限り以下の実
施例に限定されることはない。 実施例 1 平均粒径0.7μの窒化珪素粉末に、平均粒径1.0
μのY2O3粉末、および平均粒径1.0μのAl2O3
末を第1表に示すような割合で混合した後2000
Kg/cm2の圧力にて成形し、次にこの成形体を1600
〜2100℃圧力1〜2000気圧のN2雰囲気にて各1
時間焼結後、結晶化処理として1250〜1600℃圧力
1〜50気圧で再加熱を行いX線解析にて再結晶相
を確認した後室温強度及び高温強度の劣化率、酸
化後の強度低下率を測定した。尚、強度測定は8
mm×4mmの断面を持つ試料を用いJISB―4014に
従い20mmスパンの三点曲げ法により、室温での曲
げ強度(σRT)及び1200℃の空気中での曲げ強
度(σ1200)を測定し、JISB―4104に従に1200
℃×24時間酸化後の試料の室温強度(σOX)を
求めた。さらに1200℃で100時間保持した後の単
位体積当りの酸化増量(△OX)を求めた。結果
を第1表に示す。尚、実施例である試料番号1〜
8、5′,5″では結晶粒界中にYAG結晶が50体積
%以上析出していた。又、比較例である試料番号
9〜13では結晶粒界中のYAG結晶量は50体積%
より少なかつた。
【表】
【表】 また試料番号6と同一の成分組成、焼結条件に
て、結晶化処理条件を種々変え粒界ガラス相に析
出したYAG結晶の量とσ1200/σRTの関係を求
めたところ第1図に示すような結果となつた。こ
の結果よりYAG結晶が粒界構成成分の50体積%
以上になると、高温における抗折強度の劣化が著
しく減少することが分かつた。 さらに試料番号6と同一の成分組成、焼結条件
にて、結晶化処理条件を種々変え粒界ガラス相に
析出したYAG結晶の量と酸化増量(△OX)の関
係を求めたところ第2図に示すような結果となつ
た。この結果よりYAG結晶が粒界構成成分の50
体積%以上になると高温における酸化増量が著し
く減少することが分かつた。 尚、結晶粒界中のYAG結晶量は第2表のよう
に結晶化処理条件を変更することにより行つた。
【表】
【表】 【図面の簡単な説明】
第1図は実施例における粒界構成成分中の
YAG結晶の量と曲げ強度比(σ1200/σRT)と
の関係を示すグラフ、第2図は実施例における粒
界成分中のYAG結晶の量と1200℃における酸化
増量との関係を示すグラフである。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 窒化珪素75〜98重量%を含有する窒化珪素複
    合焼結体において、結晶粒界にイツトリウム・ア
    ルミニウムガーネツト結晶が析出しており、か
    つ、イツトリウム・アルミニウムガーネツト結晶
    が結晶粒界構成成分の50体積%以上を占めている
    ことを特徴とする窒化珪素複合焼結体。
JP56154664A 1981-09-28 1981-09-28 窒化珪素複合焼結体 Granted JPS5855375A (ja)

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