JPS63270360A - 高密度酸窒化ケイ素焼結体とその製造法 - Google Patents

高密度酸窒化ケイ素焼結体とその製造法

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JPS63270360A
JPS63270360A JP62102998A JP10299887A JPS63270360A JP S63270360 A JPS63270360 A JP S63270360A JP 62102998 A JP62102998 A JP 62102998A JP 10299887 A JP10299887 A JP 10299887A JP S63270360 A JPS63270360 A JP S63270360A
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JP
Japan
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silicon oxynitride
sintered body
sio
nitrides
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JP62102998A
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Shuzo Kanzaki
修三 神崎
Yuuki Oohashi
優喜 大橋
Hideyo Tabata
田端 英世
Osami Abe
修実 阿部
Toru Shimamori
融 島森
Koichi Mori
毛利 浩一
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.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Niterra Co Ltd
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/597Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon oxynitride, e.g. SIALONS

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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、高温強度が高くかつ耐酸化性に優れた酸窒化
ケイ素焼結体とその製造法に好適に利用される。
「従来の技術」 従来、高温強度に優れたセラミックスとしてS i s
 N4焼結体が知られているが、5isN<は耐酸化性
に劣るという欠点を有する。一方、5isN*よシ耐酸
化性に優れ九化合物として酸窒化ケイ素(5izNzO
)が知られているが、酸窒化ケイ素は5isNtよシ焼
結性が悪く緻密化困難である。
例えば酸窒化ケイ素にAhOs又はY2O3を5重量チ
添加してガス圧焼結して得られた酸窒化ケイ素焼結体(
第25回窯業基礎討論会講演費旨集第18頁「酸窒化ケ
イ素の焼結」)の密度は、せいぜい2.5f/d(理論
密度の85チ)であるに過ぎず、十分な強度が出ない。
かといってLEWISSが行ったようにAlzOs、Y
z Os等の焼結助剤を多量に添加した場合は(Mat
erialsScience and Eng1nee
ring第71巻(1985年)第87〜第94頁)、
緻密にはなるが高温強度及び耐酸化性が劣化し、酸窒化
ケイ素を用いる意義を喪失していた。
「発明が解決しようとする問題点」 本発明は、上記の問題点を解決し、酸窒化ケイ素の耐酸
化性を損なうことなく、緻密で高温強度に優れ°た酸窒
化ケイ素焼結体を提供することを目的とする。
「問題点を解決するための手段」 その第一の手段は、酸窒化ケイ素を主成分とし゛、他に
81’sNa、SIO!並びに下記A成分及びB成分の
りちから選ばれる一成分以上を含むものにおいて、酸窒
化ケイ素、5isN4及びSiO2の総量に対する前記
一成分以上の含有率をモμ基準で0.1〜10%とした
ところにあり、また上記第一の手段と関連する第二の手
段は七〜基準で、Si3N4と5tOzとt” (5i
Oz/ 5hN4)=0.7〜1.2となるように秤量
し、Si3N+及びSiO!の合量100部に下記A成
分及びB成分のうちから選ばれる一成分以上を0.1〜
10部添加混合し成形し、窒素ガス又は窒素ガス含有゛
非酸化性雰囲気中で焼成し、酸窒化ケイ素を反応生成さ
せるとともに緻密化させるところにある。
A成分ニアルミニウムの酸化物及び窒化物のうち一種以
上 B成分:希土類元素の酸化物及び窒化物のうち一種以上 「作用」 (1)第一〇手段の作用 酸室・化ケイ素は、それ自体で優れた耐酸化性を発揮す
るほか、理論的には高温強度においても優れる。A成分
及びB成分は、酸窒化ケイ素粒子間の結合を強固にし、
酸窒化ケイ素粒子と相まって焼結体全体の高温強度を高
める。te原因は定かでないが、これら成分を含む酸窒
化ケイ素焼結体の弾性率は、アルミナ、窒化ケイ素、炭
化ケイ素等の焼結体のそれよりも低くなる。5isN4
及び5102は後述の酸窒化ケイ素生成反応における未
反応成分である。A成分及びB成分は、これらのうち−
成分のみ焼結体に含まれている場合でも両成分が含まれ
ている場合でも上記の作用を生じるが、A成分及びB成
分の合量の含有率が酸窒化ケイ素、5isN*及び5l
ozの総量に対してモル基準で0.1%に満たないとそ
の作用に乏しく、10%を越えるとA成分やB成分やガ
ラス成分自体の強度及び耐酸化性が焼結体に影響してか
えりて焼結体の強度及び耐酸化性を低下させることから
、含有率を限定した。
(2)第二の手段の作用 5isNaは、窒素ガス又は窒素ガス含有非酸化性雰囲
気中高温で5iChと反応し、次式■に従りて酸窒化ケ
イ素を生成する。
5ixNs + 5to2→2ShNzO・・・・・■
この際、A成分及びB成分はいずれも式■において5h
NzOの生成速度を高めるとともに焼結を促進し、緻密
化に寄与するものであるが、これらA成分及びB成分の
合量がSi3N4と5iOzとの総量100部に対して
0.1部に満たないとその作用に乏しくなる一方、10
部を越える量まで必要としないので、0.1〜10部に
限定した。
また、5i02とS i s N4 とは理論上は弐〇
の通り1対1で反応するが、(5lOz / 5isN
4)モル比を0.7〜1.2に限定したのは、原料粉末
の反応性に応じて可及的に反応率の向上を期すためと、
酸窒化ケイ素に対する未反応成分が5isN4なら80
%以内、5insなら20%以内であるならば焼結体の
耐酸化性や高温強度特性に悪影響を及ぼさないことによ
る。
5ixNs、5iOz、A成分及びB成分の各原料は当
初から粉末の形態で混合しても良いが、可及的に均一に
混合させるため水利酸化物、金属アルコキシド等液体の
形態で混合し、加水分解等の後、ガ」焼し、これを本発
明第二の手段の出発原料としても良い。
次に本発明の必須手段ではないが、本発明範囲内で最も
望ましい手段について説明する。
5bNi粉末及び5iOz粉末は微細なほうが反応性が
高くなるので、比表面積がそれぞれ12 dl r以上
及び60m/ を以上のものを用いるのが望ましい。
A成分及びB成分は微細なほど5bNzOの生成を促進
する作用及び焼結を促進する作用が顕著になるので、比
表面積が12dl 9以上のものを用いるのが望ましい
また、5izNzOは1600°C以、上で次式■のよ
うに分解するので、これを防止するため、かかる高温で
焼成する場合には、焼成雰囲気の窒素圧を1〜1000
気圧に高めたり、成形体を寮質的に810を発生する粉
末中で焼成するのが望ましい。
8 S 1sNzo−4S 1sN4+ 8 SiO+
 Nt・・・・・■「実施例」 実施例1 原料として、比弐面積227F?/ fの5isN<粉
末、比表面@170ゴ/2のSigh粉末、比表面積1
5m/ rのα−A 1 z Os粉末及び比表面積4
0m/ fのr−AhOs粉末を用いて以下の操作を行
った。
モル基準で、S i s NtとStowとを(5in
2/5isNi)=1となるように秤量し、これらS 
i s NtとSingとの含量100部に対し第1表
に示す量のA成分を添加混合し成形し、窒素ガス中圧力
300Kt/d、第1表に示す温度、保持時間2時間の
条件でホットプレスをし、酸窒化ケイ素焼結体N11l
 〜r1&14t−jllL、り。
これら焼結体−1〜宛4について密度、弾性率、曲げ強
度及び酸化増量を測定した結果を第1表に示す。
なお、弾性率は超音波パルス法で測定し、室温での曲げ
強度はJISのR1601に従って測定し、また1 2
00 ’C及び1800°Cでの強度は各温度で15分
間保持した後に同様に測定したものである。そして酸化
増量は、焼結体を大気中1300″Cで100時間保持
した後、焼結体の単位表面積当りの重量増加量を測定し
たものである。
第1表かられかるよりに、本発明焼結体は高温での強度
劣化が少なく、耐酸化性にも優れていた。また、弾性率
も約2.5 x 10 Kgf/−と低い値であった。
実施例2 α−A 120s粉末及びr−AhOs粉末に代えて、
比表面積57rd/ rのY2O3粉末、比表面積28
77//PのSmzOs粉末及び比表面積a 6Wf/
 ?のCent粉末を原料として用いることと、ホット
プレス温度が第2表に示す温度であることを除くほかは
実施例1と同一条件の操作を行って酸窒化ケイ素焼結体
1’lh5〜NcLl(?  を製造し、焼結体の特性
を測定した結果を第2表に示す。
第2表から、B成分もA成分と同様の作用をすることが
わかった。
実施例3 原料として、比表面積22rd/ tの5hNn粉末、
比表面積120ゴ/2の5t(h粉末、日産化学製メタ
ノー〜シリカシy及び比表面vX150di?のCe0
z粉末を用いて以下の操作を行った。
モル基準で、5i3Niと5iOz又はシリカゾルとを
(Sing / 5isN4) = 0.8〜1.5と
なるように秤゛iL(シリカシμについては5iChに
換算して秤t)、これら秤量物の合1−100部に対し
第3表に示す量のB成分を添加混合し、乾燥造粒し、圧
力150 C1/dで静水圧プレス成形した後、成形体
を5ixN4と5tChとの混合粉末中に埋設し、第3
表に示す圧力の窒素ガス中最高温度1800″Cで焼成
して酸窒化ケイ素焼粘体宛20 R−r1kL27を製
造した。焼結体lV&L20R−−27の特性を実施例
1と同一条件で測定した結果を第3表に示す。なお、焼
結体−2OR,宛28R及び遅26Rは比較のために製
造した本発明範囲外例である。
焼結体Na20RFiB成分の含有量が不足していたた
め、緻密化が不十分となシ強度が低く、1’li28 
R#:l:B成分の含有量が過剰であるため、高温で強
度が劣化し、N126RはSi0g量が過剰であるため
に緻密化が不十分とな9低強度となっ九ものと考えられ
る。これに対し本発明焼結体はいずれも強度劣化が少な
く、耐酸化性にも優れていた。
「発明の効果」 1200℃においても40 Kgf /−以上の曲げ強
度を有し、耐酸化性にも優れるほか、低弾性率ゆえ歪に
対して発生する応力が少ない焼結体を提供することがで
き、ガスタービン部品、ディーゼμエンジン部品に応用
しうる。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)酸窒化ケイ素を主成分とし、他にSi_3N_4
    、SiO_2並びに下記A成分及びB成分のうちから選
    ばれる一成分以上を含むものにおいて、酸窒化ケイ素、
    Si_3N_4及びSiO_2の総量に対する前記一成
    分以上の含有率がモル基準で0.1〜10%である高密
    度酸窒化ケイ素焼結体。 A成分:アルミニウムの酸化物及び窒化物 のうち一種以上。 B成分:希土類元素の酸化物及び窒化物の うち一種以上。
  2. (2)モル基準で、Si_3N_4とSiO_2とを(
    SiO_2/Si_3N_4)=0.7〜1.2となる
    ように秤量し、Si_3N_4及びSiO_2の合量1
    00部に下記A成分及びB成分のうちから選ばれる一成
    分以上を0.1〜10部添加混合し成形し、窒素ガス又
    は窒素ガス含有非酸化性雰囲気中で焼成し、酸窒化ケイ
    素を反応生成させるとともに緻密化させることを特徴と
    する高密度酸窒化ケイ素焼結体の製造法。 A成分:アルミニウムの酸化物及び窒化物 のうち一種以上。 B成分:希土類元素の酸化物及び窒化物の うち一種以上。
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