JP2000128644A - 窒化珪素質部材およびその製造方法 - Google Patents
窒化珪素質部材およびその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】最大内接球の直径が１０ｍｍ以上の肉厚部材に
おいても、表面の研削加工が必要でなく、強度の内外差
の小さい窒化珪素質部材とその製造方法を提供する。 【解決手段】窒化珪素を主成分とし、周期律表第３ａ族
元素を酸化物換算で２．０〜９．５モル％、アルミニウ
ムを酸化物換算で２．０〜７．６モル％、過剰酸素を二
酸化珪素換算で３．０〜９．５モル％の割合で含有し、
焼成後の最大内接球の直径が１０ｍｍ以上となる形状を
形成し得る成形体を１６５０℃〜１８００℃の窒素含有
雰囲気中で、かつ、焼成雰囲気中の窒素分圧と窒化珪素
の分解反応における平衡窒素分圧とが等しくなる温度よ
り１２０℃以上低い温度で焼成し、さらには、焼成後、
８００℃〜１２００℃で熱処理して粒界相の一部を結晶
化することによって、部材内部の常温強度が９５０ＭＰ
ａ以上、１０００℃強度が８００ＭＰａ以上であり、前
記焼き放し面から３００μｍの深さ位置における常温強
度が９５０ＭＰａ以上の窒化珪素質部材を得る。
おいても、表面の研削加工が必要でなく、強度の内外差
の小さい窒化珪素質部材とその製造方法を提供する。 【解決手段】窒化珪素を主成分とし、周期律表第３ａ族
元素を酸化物換算で２．０〜９．５モル％、アルミニウ
ムを酸化物換算で２．０〜７．６モル％、過剰酸素を二
酸化珪素換算で３．０〜９．５モル％の割合で含有し、
焼成後の最大内接球の直径が１０ｍｍ以上となる形状を
形成し得る成形体を１６５０℃〜１８００℃の窒素含有
雰囲気中で、かつ、焼成雰囲気中の窒素分圧と窒化珪素
の分解反応における平衡窒素分圧とが等しくなる温度よ
り１２０℃以上低い温度で焼成し、さらには、焼成後、
８００℃〜１２００℃で熱処理して粒界相の一部を結晶
化することによって、部材内部の常温強度が９５０ＭＰ
ａ以上、１０００℃強度が８００ＭＰａ以上であり、前
記焼き放し面から３００μｍの深さ位置における常温強
度が９５０ＭＰａ以上の窒化珪素質部材を得る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンエン
ジン用部品や自動車用部品、あるいはその他の構造用部
品に好適な常温から高温まで高強度を有する窒化珪素質
部材およびその製造方法に関するものである。
ジン用部品や自動車用部品、あるいはその他の構造用部
品に好適な常温から高温まで高強度を有する窒化珪素質
部材およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】窒化珪素質焼結体は、従来から高強度を
有するとともに、耐熱性、耐熱衝撃性、耐酸化性に優れ
た材料として注目され、エンジニアリングセラミック
ス、特にガスタービンエンジン用部品や自動車用部品な
どの熱機関用部品として応用が進められている。
有するとともに、耐熱性、耐熱衝撃性、耐酸化性に優れ
た材料として注目され、エンジニアリングセラミック
ス、特にガスタービンエンジン用部品や自動車用部品な
どの熱機関用部品として応用が進められている。
【０００３】窒化珪素質焼結体は、主体をなす窒化珪素
自体が難焼結材であることから、希土類酸化物や酸化ア
ルミニウム、酸化マグネシウム等の焼結助剤を配合して
焼結させることにより高密度化、高強度化が図られてい
る。
自体が難焼結材であることから、希土類酸化物や酸化ア
ルミニウム、酸化マグネシウム等の焼結助剤を配合して
焼結させることにより高密度化、高強度化が図られてい
る。
【０００４】より具体的には、一般に、窒化珪素質焼結
体は、窒化珪素粉末に対して、上記焼結助剤を添加した
混合粉末を所定形状に成形した後、非酸化性雰囲気中に
おいて１６００〜２０００℃の温度で焼成される。その
場合、常圧窒素中では１８００℃より高い温度では窒化
珪素が分解することから、通常、加圧した窒素雰囲気中
で窒化珪素の分解を抑制しながら焼成することによっ
て、高温での焼成を実現し、高温強度の優れた焼結体を
得ることが提案されている。
体は、窒化珪素粉末に対して、上記焼結助剤を添加した
混合粉末を所定形状に成形した後、非酸化性雰囲気中に
おいて１６００〜２０００℃の温度で焼成される。その
場合、常圧窒素中では１８００℃より高い温度では窒化
珪素が分解することから、通常、加圧した窒素雰囲気中
で窒化珪素の分解を抑制しながら焼成することによっ
て、高温での焼成を実現し、高温強度の優れた焼結体を
得ることが提案されている。
【０００５】また、窒化珪素結晶粒子の粒界に存在する
焼結助剤成分を結晶化させて粒界の耐熱性を高めること
によって、高温強度に優れた焼結体が得られている。
焼結助剤成分を結晶化させて粒界の耐熱性を高めること
によって、高温強度に優れた焼結体が得られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、焼結助
剤として希土類酸化物や酸化アルミニウム、酸化マグネ
シウム等を用いることにより、高密度の焼結体を作製す
ることができるが、焼結体の表層付近は焼結助剤が焼成
中に蒸発、分解したり、窒化珪素自身も分解、再析出等
を繰り返し、焼結体内部とは組成や組織が異なったもの
となる傾向にある。
剤として希土類酸化物や酸化アルミニウム、酸化マグネ
シウム等を用いることにより、高密度の焼結体を作製す
ることができるが、焼結体の表層付近は焼結助剤が焼成
中に蒸発、分解したり、窒化珪素自身も分解、再析出等
を繰り返し、焼結体内部とは組成や組織が異なったもの
となる傾向にある。
【０００７】即ち、高温で焼成する程、焼結助剤の蒸
発、分解および窒化珪素の分解、再析出反応が促進さ
れ、表層付近の変質層が大きくなってしまう。特にこの
変質層の強度は焼結体内部と比較して低くなるという問
題がある。このため、この強度劣化する表層部分をダイ
ヤモンド砥石等を用いて研削加工や、研磨加工で除去す
る必要が生じる。しかしながら、窒化珪素質焼結体自体
は難削性であるため、この研削工程にかかるコストは多
大である。
発、分解および窒化珪素の分解、再析出反応が促進さ
れ、表層付近の変質層が大きくなってしまう。特にこの
変質層の強度は焼結体内部と比較して低くなるという問
題がある。このため、この強度劣化する表層部分をダイ
ヤモンド砥石等を用いて研削加工や、研磨加工で除去す
る必要が生じる。しかしながら、窒化珪素質焼結体自体
は難削性であるため、この研削工程にかかるコストは多
大である。
【０００８】また、この研削加工や、研磨加工を省くた
めに焼き肌面の強度を向上させる方法も試みられている
が、その強度レベルはせいぜい７５０ＭＰａレベルであ
り、エンジンバルブやピストン周りなどの大きな応力が
負荷される部品には不十分である。
めに焼き肌面の強度を向上させる方法も試みられている
が、その強度レベルはせいぜい７５０ＭＰａレベルであ
り、エンジンバルブやピストン周りなどの大きな応力が
負荷される部品には不十分である。
【０００９】この様に、窒化珪素質焼結体は、優れた特
性を有しながら、その高い製造コストのため、実用化が
妨げられている。特に、研削加工にかかるコストは大き
な問題となっている。
性を有しながら、その高い製造コストのため、実用化が
妨げられている。特に、研削加工にかかるコストは大き
な問題となっている。
【００１０】特に、部材表面と内部との特性差は、その
部材の肉厚が大きくなるほど大きくなる傾向にあり、そ
の部材の最大肉厚、即ち、最大内接球の半径が１０ｍｍ
以上の部品においては、部材表面の研削加工は必要不可
欠のものであった。
部材の肉厚が大きくなるほど大きくなる傾向にあり、そ
の部材の最大肉厚、即ち、最大内接球の半径が１０ｍｍ
以上の部品においては、部材表面の研削加工は必要不可
欠のものであった。
【００１１】従って、本発明は、最大内接球の半径が１
０ｍｍ以上の部品においても、表面の研削加工が必要で
なく、強度の内外差の小さい窒化珪素質部材とその製造
方法を提供することを目的とするものである。
０ｍｍ以上の部品においても、表面の研削加工が必要で
なく、強度の内外差の小さい窒化珪素質部材とその製造
方法を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは上
記問題点を解消するために鋭意研究を重ねた結果、周期
律表第３ａ族元素の酸化物、酸化アルミニウム、過剰酸
素を特定の割合で制御し、かつ特定の焼成条件で焼成す
る事により、表層付近の強度劣化を抑制できることを見
出した。
記問題点を解消するために鋭意研究を重ねた結果、周期
律表第３ａ族元素の酸化物、酸化アルミニウム、過剰酸
素を特定の割合で制御し、かつ特定の焼成条件で焼成す
る事により、表層付近の強度劣化を抑制できることを見
出した。
【００１３】即ち、本発明の窒化珪素質部材は、周期律
表第３ａ族元素を酸化物換算で２．０〜９．５モル％、
アルミニウムを酸化物換算で２．０〜７．６モル％、過
剰酸素を二酸化珪素換算で３．０〜９．５モル％の割合
で含有する焼結体からなるものであって、少なくとも焼
き放し面を有し、且つ最大内接球の直径が１０ｍｍ以上
の形状からなるものであり、該部材内部の常温強度が９
５０ＭＰａ以上、１０００℃強度が８００ＭＰａ以上で
あり、前記焼き放し面から３００μｍの深さ位置におけ
る常温強度が９５０ＭＰａ以上であることを特徴とする
ものである。なお、前記焼結体における窒化珪素結晶粒
子の粒界相に結晶相を有することが望ましい。
表第３ａ族元素を酸化物換算で２．０〜９．５モル％、
アルミニウムを酸化物換算で２．０〜７．６モル％、過
剰酸素を二酸化珪素換算で３．０〜９．５モル％の割合
で含有する焼結体からなるものであって、少なくとも焼
き放し面を有し、且つ最大内接球の直径が１０ｍｍ以上
の形状からなるものであり、該部材内部の常温強度が９
５０ＭＰａ以上、１０００℃強度が８００ＭＰａ以上で
あり、前記焼き放し面から３００μｍの深さ位置におけ
る常温強度が９５０ＭＰａ以上であることを特徴とする
ものである。なお、前記焼結体における窒化珪素結晶粒
子の粒界相に結晶相を有することが望ましい。
【００１４】また、本発明の窒化珪素質部材の製造方法
は、窒化珪素を主成分とし、周期律表第３ａ族元素を酸
化物換算で２．０〜９．５モル％、アルミニウムを酸化
物換算で２．０〜７．６モル％、過剰酸素を二酸化珪素
換算で３．０〜９．５モル％の割合で含有し、焼成後の
最大内接球の直径が１０ｍｍ以上となる形状を形成し得
る成形体を１６５０℃〜１８００℃の窒素含有雰囲気中
で、かつ、焼成雰囲気中の窒素分圧と窒化珪素の分解反
応における平衡窒素分圧とが等しくなる温度より１２０
℃以上低い温度で焼成することを特徴とするものであ
る。
は、窒化珪素を主成分とし、周期律表第３ａ族元素を酸
化物換算で２．０〜９．５モル％、アルミニウムを酸化
物換算で２．０〜７．６モル％、過剰酸素を二酸化珪素
換算で３．０〜９．５モル％の割合で含有し、焼成後の
最大内接球の直径が１０ｍｍ以上となる形状を形成し得
る成形体を１６５０℃〜１８００℃の窒素含有雰囲気中
で、かつ、焼成雰囲気中の窒素分圧と窒化珪素の分解反
応における平衡窒素分圧とが等しくなる温度より１２０
℃以上低い温度で焼成することを特徴とするものであ
る。
【００１５】さらには、前記焼成後、８００℃〜１２０
０℃で熱処理して粒界相の一部を結晶化することが望ま
しい。
０℃で熱処理して粒界相の一部を結晶化することが望ま
しい。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明について詳述する。
本発明の窒化珪素質部材は、窒化珪素を主成分とし、添
加成分として周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）とアルミニ
ウム（Ａｌ）及び過剰酸素を含む焼結体からなる。ここ
で、過剰酸素とは、焼結体中の全酸素量から焼結体中の
周期律表第３ａ族元素及びアルミニウムが化学量論的に
酸化物を形成した時にその元素に結合している酸素を除
いた残りの酸素量のことであり、その殆どが窒化珪素原
料に含まれている酸素、あるいは焼結助剤として添加す
る二酸化珪素として混入するものであり、本発明では全
て二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）として存在するものとして考
慮する。
本発明の窒化珪素質部材は、窒化珪素を主成分とし、添
加成分として周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）とアルミニ
ウム（Ａｌ）及び過剰酸素を含む焼結体からなる。ここ
で、過剰酸素とは、焼結体中の全酸素量から焼結体中の
周期律表第３ａ族元素及びアルミニウムが化学量論的に
酸化物を形成した時にその元素に結合している酸素を除
いた残りの酸素量のことであり、その殆どが窒化珪素原
料に含まれている酸素、あるいは焼結助剤として添加す
る二酸化珪素として混入するものであり、本発明では全
て二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）として存在するものとして考
慮する。
【００１７】添加成分として、周期律表第３ａ族元素を
酸化物換算で２．０〜９．５モル％、好ましくは２．６
〜８．０モル％、アルミニウムを酸化物換算で２．０〜
７．６モル％、好ましくは２．６〜６．４モル％、過剰
酸素を二酸化珪素換算で３．０〜９．５モル％好ましく
は３．９〜８．０モル％の割合で含むことが重要であ
る。
酸化物換算で２．０〜９．５モル％、好ましくは２．６
〜８．０モル％、アルミニウムを酸化物換算で２．０〜
７．６モル％、好ましくは２．６〜６．４モル％、過剰
酸素を二酸化珪素換算で３．０〜９．５モル％好ましく
は３．９〜８．０モル％の割合で含むことが重要であ
る。
【００１８】これらの成分の含有量を上記のように限定
したのは、まず各成分が上記の値より少ないと、焼成過
程で液相が不足し緻密体を得るために高温での焼成が必
要となり、そのため表層付近での焼結助剤の蒸発、分解
および窒化珪素の分解、再析出反応が促進され、表面の
変質層が大きくなってしまうためである。また各成分が
上記値より高いと焼結体中の粒界相の分率が大きくなり
すぎて、粒界相の一部が結晶化しても高温強度が低下し
てしまうためである。
したのは、まず各成分が上記の値より少ないと、焼成過
程で液相が不足し緻密体を得るために高温での焼成が必
要となり、そのため表層付近での焼結助剤の蒸発、分解
および窒化珪素の分解、再析出反応が促進され、表面の
変質層が大きくなってしまうためである。また各成分が
上記値より高いと焼結体中の粒界相の分率が大きくなり
すぎて、粒界相の一部が結晶化しても高温強度が低下し
てしまうためである。
【００１９】即ち、上記各成分の組成範囲は共晶組成に
近いためにこれらの添加成分による融点が低くなり、低
温での焼結が可能となる。このため、高温焼成による焼
結助剤の蒸発、分解および窒化珪素の分解、再析出反応
が抑制され、表層付近の組成変動が抑制され、強度劣化
を起こす変質層の生成を抑制できるのである。
近いためにこれらの添加成分による融点が低くなり、低
温での焼結が可能となる。このため、高温焼成による焼
結助剤の蒸発、分解および窒化珪素の分解、再析出反応
が抑制され、表層付近の組成変動が抑制され、強度劣化
を起こす変質層の生成を抑制できるのである。
【００２０】通常、焼結助剤成分の融点が低いと、高温
で粒界相の軟化が早くから始まり、高温強度が低下する
と言われている。しかしながら、添加成分を上記割合に
制御することにより、焼結助剤成分を含む粒界相を容易
に結晶化できるために高温での強度劣化も抑制できるの
である。
で粒界相の軟化が早くから始まり、高温強度が低下する
と言われている。しかしながら、添加成分を上記割合に
制御することにより、焼結助剤成分を含む粒界相を容易
に結晶化できるために高温での強度劣化も抑制できるの
である。
【００２１】なお、本発明に用いられる希土類元素とし
ては、Ｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｓｍ等が挙げられる。特
性に有意差は認められないが、安価に入手できる点でＹ
が好ましい。また、粒界に析出する結晶相としては、ア
パタイト、ワラストナイト、ＹＡＭなどが挙げられる。
ては、Ｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｓｍ等が挙げられる。特
性に有意差は認められないが、安価に入手できる点でＹ
が好ましい。また、粒界に析出する結晶相としては、ア
パタイト、ワラストナイト、ＹＡＭなどが挙げられる。
【００２２】本発明の窒化珪素質部材は、その形状が、
最大内接球の直径が１０ｍｍ以上、特に２０ｍｍ以上の
大きい肉厚品からなる部材であって、焼結体内部の常温
強度が９５０ＭＰａ以上、１０００℃強度が８００ＭＰ
ａ以上で、なおかつ、焼き放し面から３００μｍの深さ
位置の常温強度が９５０ＭＰａ以上である焼き肌面にお
ける変質層の厚みが非常に薄い焼結体からなるものであ
る。
最大内接球の直径が１０ｍｍ以上、特に２０ｍｍ以上の
大きい肉厚品からなる部材であって、焼結体内部の常温
強度が９５０ＭＰａ以上、１０００℃強度が８００ＭＰ
ａ以上で、なおかつ、焼き放し面から３００μｍの深さ
位置の常温強度が９５０ＭＰａ以上である焼き肌面にお
ける変質層の厚みが非常に薄い焼結体からなるものであ
る。
【００２３】次に、本発明にかかる窒化珪素質部材の製
造方法を説明する。まず、出発原料として窒化珪素（Ｓ
ｉ3 Ｎ4 ）、周期律表第３ａ族元素酸化物（ＲＥ
2 Ｏ3 ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）、場合によ
っては酸化珪素（ＳｉＯ2 ）の粉末を用意し、これらを
窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）８１〜９０モル％、周期律表第
３ａ族元素酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）２．０〜９．５モル
％、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）２．０〜７．６モ
ル％、窒化珪素原料中の不純物酸素などの過剰酸素分の
二酸化珪素換算量が３．０〜９．５モル％となるように
調製する。
造方法を説明する。まず、出発原料として窒化珪素（Ｓ
ｉ3 Ｎ4 ）、周期律表第３ａ族元素酸化物（ＲＥ
2 Ｏ3 ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）、場合によ
っては酸化珪素（ＳｉＯ2 ）の粉末を用意し、これらを
窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）８１〜９０モル％、周期律表第
３ａ族元素酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）２．０〜９．５モル
％、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）２．０〜７．６モ
ル％、窒化珪素原料中の不純物酸素などの過剰酸素分の
二酸化珪素換算量が３．０〜９．５モル％となるように
調製する。
【００２４】なお、窒化珪素原料に含まれている不純物
酸素が少ない時には、上記組成に対してさらにＳｉＯ2
粉末を添加すれば良く、この時の過剰酸素（ＳｉＯ2 ）
量は、窒化珪素に含まれている酸素を二酸化珪素に換算
した量と添加した二酸化珪素粉末との合量である。
酸素が少ない時には、上記組成に対してさらにＳｉＯ2
粉末を添加すれば良く、この時の過剰酸素（ＳｉＯ2 ）
量は、窒化珪素に含まれている酸素を二酸化珪素に換算
した量と添加した二酸化珪素粉末との合量である。
【００２５】そして、上記のように所定の割合で調製し
た混合粉末を、公知の成形手段、例えば金型プレス成
形、鋳込み成形、押出成形、射出成形、冷間静水圧プレ
ス成形等により任意の形状に成形する。しかるのち、得
られた成形体を公知の焼成手段、例えば常圧焼成法、窒
素ガス圧焼成法等により１６５０〜１８００℃非酸化性
雰囲気中で焼成して相対密度９５％以上に緻密化する。
た混合粉末を、公知の成形手段、例えば金型プレス成
形、鋳込み成形、押出成形、射出成形、冷間静水圧プレ
ス成形等により任意の形状に成形する。しかるのち、得
られた成形体を公知の焼成手段、例えば常圧焼成法、窒
素ガス圧焼成法等により１６５０〜１８００℃非酸化性
雰囲気中で焼成して相対密度９５％以上に緻密化する。
【００２６】本発明においては、この焼成時の焼成雰囲
気中の窒素分圧と窒化珪素の分解反応における平衡窒素
分圧とが等しくなる温度より１２０℃以上低い温度で焼
成することが重要である。
気中の窒素分圧と窒化珪素の分解反応における平衡窒素
分圧とが等しくなる温度より１２０℃以上低い温度で焼
成することが重要である。
【００２７】ここで、上記焼成条件を限定した理由は、
焼成温度が１６５０℃より低いと十分な緻密体が得られ
ず、１８００℃を越えると表層付近での焼結助剤の蒸
発、分解および窒化珪素の分解、再析出反応が促進さ
れ、表面の変質層が大きくなってしまい、焼き肌面から
３００μｍの深さ位置の強度が９５０ＭＰａ以下となっ
てしまうからである。
焼成温度が１６５０℃より低いと十分な緻密体が得られ
ず、１８００℃を越えると表層付近での焼結助剤の蒸
発、分解および窒化珪素の分解、再析出反応が促進さ
れ、表面の変質層が大きくなってしまい、焼き肌面から
３００μｍの深さ位置の強度が９５０ＭＰａ以下となっ
てしまうからである。
【００２８】また、焼成温度が１６５０℃〜１８００℃
であっても、その焼成温度における焼成雰囲気中の窒素
分圧と窒化珪素の分解反応における平衡窒素分圧とが等
しくなる温度より１２０℃低い温度よりも高い温度で焼
成すると、窒化珪素の分解、再析出過程が促進され焼結
体表層付近の変質層の厚みが大きくなってしまい、大が
かりな研削、研磨処理が必要となってしまうからであ
る。ここで、窒化珪素の分解反応における各温度での平
衡窒素分圧を表１に示す。
であっても、その焼成温度における焼成雰囲気中の窒素
分圧と窒化珪素の分解反応における平衡窒素分圧とが等
しくなる温度より１２０℃低い温度よりも高い温度で焼
成すると、窒化珪素の分解、再析出過程が促進され焼結
体表層付近の変質層の厚みが大きくなってしまい、大が
かりな研削、研磨処理が必要となってしまうからであ
る。ここで、窒化珪素の分解反応における各温度での平
衡窒素分圧を表１に示す。
【００２９】
【表１】
【００３０】なお、上述のように製作した窒化珪素質焼
結体に対して、窒素またはアルゴンガスによって１００
０気圧以上の高圧下で熱処理する、いわゆる熱間静水圧
焼成（ＨＩＰ）を施し、さらに緻密化することもでき
る。ただし、ＨＩＰ処理時の条件も上記焼成時における
条件を満たす必要があることはいうまでもない。
結体に対して、窒素またはアルゴンガスによって１００
０気圧以上の高圧下で熱処理する、いわゆる熱間静水圧
焼成（ＨＩＰ）を施し、さらに緻密化することもでき
る。ただし、ＨＩＰ処理時の条件も上記焼成時における
条件を満たす必要があることはいうまでもない。
【００３１】本発明によれば、上記のようにして緻密化
した焼結体に対して、８００℃〜１２００℃で熱処理し
て粒界相の一部を結晶化させることが望ましい。本発明
の前記焼結助剤成分の組成は、共晶組成に近似している
ために、熱処理温度が６０分以下であっても粒界の一部
を結晶化することができる。
した焼結体に対して、８００℃〜１２００℃で熱処理し
て粒界相の一部を結晶化させることが望ましい。本発明
の前記焼結助剤成分の組成は、共晶組成に近似している
ために、熱処理温度が６０分以下であっても粒界の一部
を結晶化することができる。
【００３２】また、粒界の結晶化を行わない場合であっ
ても、部材の使用温度が８００℃〜１２００℃の高温雰
囲気である場合、その部材の使用時の昇温過程におい
て、粒界が自ずと結晶化され、高温での特性を向上させ
ることができる。
ても、部材の使用温度が８００℃〜１２００℃の高温雰
囲気である場合、その部材の使用時の昇温過程におい
て、粒界が自ずと結晶化され、高温での特性を向上させ
ることができる。
【００３３】つまり、本発明における窒化珪素質焼結体
の粒界成分は、８００℃〜１２００℃で３０分程度の処
理することにより結晶化できるという特異的な組成物か
らなるものである。
の粒界成分は、８００℃〜１２００℃で３０分程度の処
理することにより結晶化できるという特異的な組成物か
らなるものである。
【００３４】このため、本発明における粒界相の融点は
低く、低温での焼成が可能な粒界相組成であっても、高
温強度を劣化させることがないのである。もちろん、結
晶化処理は上記温度で６０分以上続けても構わない。即
ち、熱処理時間を長くすることにより結晶化が進行し１
００時間ほどで粒界相のほとんどが結晶化して、高温で
の特性を向上させるのである。
低く、低温での焼成が可能な粒界相組成であっても、高
温強度を劣化させることがないのである。もちろん、結
晶化処理は上記温度で６０分以上続けても構わない。即
ち、熱処理時間を長くすることにより結晶化が進行し１
００時間ほどで粒界相のほとんどが結晶化して、高温で
の特性を向上させるのである。
【００３５】なお、処理温度が８００℃より低いと、粒
界相の結晶化が難しく、１２００℃を越えると、本焼結
助剤組成では粒界相を結晶化しても強度は劣化してしま
う。また、熱処理時の雰囲気は大気中等の酸化雰囲気や
窒素、アルゴン等の非酸化性雰囲気のいずれでも構わな
い。
界相の結晶化が難しく、１２００℃を越えると、本焼結
助剤組成では粒界相を結晶化しても強度は劣化してしま
う。また、熱処理時の雰囲気は大気中等の酸化雰囲気や
窒素、アルゴン等の非酸化性雰囲気のいずれでも構わな
い。
【００３６】従って、本発明の窒化珪素質部材は、使用
温度が８００℃〜１２００℃の耐熱部材、特にガスター
ビン用部品、自動車用高温部品などに好適に使用される
ものである。
温度が８００℃〜１２００℃の耐熱部材、特にガスター
ビン用部品、自動車用高温部品などに好適に使用される
ものである。
【００３７】
【実施例】出発原料として窒化珪素粉末（ＢＥＴ比表面
積９ｍ2 ／ｇ，α率９２％、酸素量１．０重量％）と、
各種の周期律表第３ａ族元素酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）、酸
化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）、二酸化珪素（Ｓｉ
Ｏ2 ）の粉末を用い、焼結体中における組成が表２に示
す割合となるように調合し、溶媒とともに窒化珪素ボー
ルにて混合粉砕したあと、スプレードライヤーで乾燥造
粒して顆粒を製作し、該顆粒をゴム型に充填して１ｔ／
ｃｍ2 の圧力でＣＩＰ成形し、切削加工することにより
直径６０ｍｍ、厚さ６０ｍｍの成形体を作製した。そし
て、得られた成形体を炭化珪素質のこう鉢に入れて、カ
ーボンヒーターを用い、表１に示す条件で焼成を行い窒
化珪素質焼結体を作製した。
積９ｍ2 ／ｇ，α率９２％、酸素量１．０重量％）と、
各種の周期律表第３ａ族元素酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）、酸
化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）、二酸化珪素（Ｓｉ
Ｏ2 ）の粉末を用い、焼結体中における組成が表２に示
す割合となるように調合し、溶媒とともに窒化珪素ボー
ルにて混合粉砕したあと、スプレードライヤーで乾燥造
粒して顆粒を製作し、該顆粒をゴム型に充填して１ｔ／
ｃｍ2 の圧力でＣＩＰ成形し、切削加工することにより
直径６０ｍｍ、厚さ６０ｍｍの成形体を作製した。そし
て、得られた成形体を炭化珪素質のこう鉢に入れて、カ
ーボンヒーターを用い、表１に示す条件で焼成を行い窒
化珪素質焼結体を作製した。
【００３８】そして、得られた窒化珪素質焼結体から焼
き放し面から５ｍｍ以上研磨した面、および焼き放し面
から３００μｍ研磨した面が評価面となるようにＪＩＳ
Ｒ１６０１の形状に加工して試験片を作製し、これらの
試料を用いて、ＪＩＳＲ１６０１に基づく室温および内
部１０００℃の４点曲げ強度の測定を行った。また、焼
結体の相対密度をアルキメデス法に従い算出した。結果
は表３に示した。
き放し面から５ｍｍ以上研磨した面、および焼き放し面
から３００μｍ研磨した面が評価面となるようにＪＩＳ
Ｒ１６０１の形状に加工して試験片を作製し、これらの
試料を用いて、ＪＩＳＲ１６０１に基づく室温および内
部１０００℃の４点曲げ強度の測定を行った。また、焼
結体の相対密度をアルキメデス法に従い算出した。結果
は表３に示した。
【００３９】また、表２、表３の試料Ｎo.１、５、１４
に対して表４に示す熱処理を施し、その後の特性を同様
に測定した結果を表４に示した。
に対して表４に示す熱処理を施し、その後の特性を同様
に測定した結果を表４に示した。
【００４０】
【表２】
【００４１】
【表３】
【００４２】
【表４】
【００４３】この結果、焼結助剤量が少ない試料Ｎo.２
１、２２は緻密化が十分でなく常温強度、１０００℃強
度とも低い値である。また、焼結助剤量の多い試料Ｎo.
２３、２４は常温強度は９５０ＭＰａ以上であるが１０
００℃強度が８００ＭＰａ未満である。
１、２２は緻密化が十分でなく常温強度、１０００℃強
度とも低い値である。また、焼結助剤量の多い試料Ｎo.
２３、２４は常温強度は９５０ＭＰａ以上であるが１０
００℃強度が８００ＭＰａ未満である。
【００４４】次に、焼成温度が１６５０℃未満の試料Ｎ
o.２５は緻密化が十分でなく常温強度、１０００℃強度
とも低い値である。焼成温度が焼成雰囲気中の窒素分圧
と窒化珪素の分解反応における平衡窒素分圧とが等しく
なる温度Ｔ2 との差が１２０℃未満の温度Ｔ1 で焼成し
た試料Ｎo.２６は常温強度、１０００℃強度とも高い
が、焼き放し面付近の強度が低く９５０ＭＰａ未満であ
った。
o.２５は緻密化が十分でなく常温強度、１０００℃強度
とも低い値である。焼成温度が焼成雰囲気中の窒素分圧
と窒化珪素の分解反応における平衡窒素分圧とが等しく
なる温度Ｔ2 との差が１２０℃未満の温度Ｔ1 で焼成し
た試料Ｎo.２６は常温強度、１０００℃強度とも高い
が、焼き放し面付近の強度が低く９５０ＭＰａ未満であ
った。
【００４５】一方、本発明の試料Ｎo.１〜２０は、いず
れも相対密度が９９％以上であり、内部の常温強度が強
度が９５０ＭＰａ以上、焼き放し面から３００μｍ研磨
した表面の常温強度が９５０ＭＰａ以上、１０００℃強
度が８００ＭＰａ以上と優れた特性を示した。
れも相対密度が９９％以上であり、内部の常温強度が強
度が９５０ＭＰａ以上、焼き放し面から３００μｍ研磨
した表面の常温強度が９５０ＭＰａ以上、１０００℃強
度が８００ＭＰａ以上と優れた特性を示した。
【００４６】また、表４に示す通り、熱処理を施すこと
によって、特に内部１０００℃強度が向上することがわ
かる。
によって、特に内部１０００℃強度が向上することがわ
かる。
【００４７】
【発明の効果】以上のように、本発明の窒化珪素質部材
は、周期律表第３ａ族元素の酸化物、酸化アルミニウ
ム、過剰酸素を特定の割合で制御し、かつ特定の焼成条
件で焼成することにより、低温での焼結性を高めるとと
もに、粒界の結晶化を促進することができる結果、部材
の焼き肌面において変質層の生成を抑制し、焼き肌面か
ら３００μｍ研磨した面においても、内部強度とほとん
ど変わらない、内外差のない優れた高温特性を有するた
め、コストのかかる研削加工や研磨加工を低減でき、低
コストの窒化珪素質部材を作製することができる。
は、周期律表第３ａ族元素の酸化物、酸化アルミニウ
ム、過剰酸素を特定の割合で制御し、かつ特定の焼成条
件で焼成することにより、低温での焼結性を高めるとと
もに、粒界の結晶化を促進することができる結果、部材
の焼き肌面において変質層の生成を抑制し、焼き肌面か
ら３００μｍ研磨した面においても、内部強度とほとん
ど変わらない、内外差のない優れた高温特性を有するた
め、コストのかかる研削加工や研磨加工を低減でき、低
コストの窒化珪素質部材を作製することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G001 BA03 BA04 BA08 BA09 BA32 BA73 BB03 BB04 BB08 BB09 BB32 BB73 BC12 BC13 BC35 BC52 BC57 BD14 BD15 BE26 BE31 BE35
Claims (4)
- 【請求項１】窒化珪素を主成分とし、周期律表第３ａ族
元素を酸化物換算で２．０〜９．５モル％、アルミニウ
ムを酸化物換算で２．０〜７．６モル％、過剰酸素を二
酸化珪素換算で３．０〜９．５モル％の割合で含有する
窒化珪素質焼結体からなり、少なくとも焼き放し面を有
し、且つ最大内接球の直径が１０ｍｍ以上の形状からな
る窒化珪素質部材であって、該部材内部の常温強度が９
５０ＭＰａ以上、１０００℃強度が８００ＭＰａ以上で
あり、前記焼き放し面から３００μｍの深さ位置におけ
る常温強度が９５０ＭＰａ以上であることを特徴とする
窒化珪素質部材。 - 【請求項２】前記焼結体における窒化珪素結晶粒子の粒
界相に結晶相を有することを特徴とする請求項１記載の
窒化珪素質部材。 - 【請求項３】窒化珪素を主成分とし、周期律表第３ａ族
元素を酸化物換算で２．０〜９．５モル％、アルミニウ
ムを酸化物換算で２．０〜７．６モル％、過剰酸素を二
酸化珪素換算で３．０〜９．５モル％の割合で含有し、
焼成後の最大内接球の直径が１０ｍｍ以上となる形状を
形成し得る成形体を１６５０℃〜１８００℃の窒素含有
雰囲気中で、かつ、焼成雰囲気中の窒素分圧と窒化珪素
の分解反応における平衡窒素分圧とが等しくなる温度よ
り１２０℃以上低い温度で焼成することを特徴とする窒
化珪素質部材の製造方法。 - 【請求項４】前記焼成後、８００℃〜１２００℃で熱処
理して粒界相の一部を結晶化することを特徴とする請求
項３記載の窒化珪素質部材の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10308291A JP2000128644A (ja) | 1998-10-29 | 1998-10-29 | 窒化珪素質部材およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10308291A JP2000128644A (ja) | 1998-10-29 | 1998-10-29 | 窒化珪素質部材およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000128644A true JP2000128644A (ja) | 2000-05-09 |
Family
ID=17979279
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10308291A Pending JP2000128644A (ja) | 1998-10-29 | 1998-10-29 | 窒化珪素質部材およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000128644A (ja) |
-
1998
- 1998-10-29 JP JP10308291A patent/JP2000128644A/ja active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050401 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050920 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20060711 |