JP2000247747A - 窒化珪素質焼結体 - Google Patents
窒化珪素質焼結体Info
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- JP2000247747A JP2000247747A JP11043862A JP4386299A JP2000247747A JP 2000247747 A JP2000247747 A JP 2000247747A JP 11043862 A JP11043862 A JP 11043862A JP 4386299 A JP4386299 A JP 4386299A JP 2000247747 A JP2000247747 A JP 2000247747A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】常温から１０００℃までの強度に優れると共
に、静的疲労特性、耐酸化性も優れた窒化珪素質焼結体
を得る。 【解決手段】窒化珪素を主結晶相とし、その粒界相にＲ
Ｅ2 Ｓｉ3 Ｎ2 Ｏ5 および／または、ＲＥ3 ＡｌＳｉ2
Ｏ7 Ｎ2 （ただし、ＲＥは周期律表第３ａ族元素１種類
以上）で表される結晶相およびその固溶体結晶相を含
み、さらには、Ａｌ2 ＲＥ4 Ｏ9 （ただし、ＲＥは周期
律表第３ａ族元素のうちの１種以上）で表される結晶相
およびその固溶体結晶相を含む焼結体を得る。
に、静的疲労特性、耐酸化性も優れた窒化珪素質焼結体
を得る。 【解決手段】窒化珪素を主結晶相とし、その粒界相にＲ
Ｅ2 Ｓｉ3 Ｎ2 Ｏ5 および／または、ＲＥ3 ＡｌＳｉ2
Ｏ7 Ｎ2 （ただし、ＲＥは周期律表第３ａ族元素１種類
以上）で表される結晶相およびその固溶体結晶相を含
み、さらには、Ａｌ2 ＲＥ4 Ｏ9 （ただし、ＲＥは周期
律表第３ａ族元素のうちの１種以上）で表される結晶相
およびその固溶体結晶相を含む焼結体を得る。
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し、さらに、静
的疲労特性、耐酸化特性に優れる窒化珪素質焼結体に関
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し、さらに、静
的疲労特性、耐酸化特性に優れる窒化珪素質焼結体に関
するものである。
【０００２】
【従来技術】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。
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。
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、常温における強度は向上できるが、これ
らの焼結助剤を用いた場合、焼結助剤の融点が低いた
め、低温での焼成が可能となり窒化珪素粒子の粒成長を
抑制できるため常温における強度向上が可能となるが、
焼結助剤の融点が低いため焼結体中の粒界相の軟化が低
温から起き、高温強度は低下してしまうのである。ま
た、加圧焼結により高温で焼成した焼結体は、高温強度
の向上は可能であるが、窒化珪素粒子の粒成長の制御が
困難であるため常温強度の向上が望めないのである。
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、常温における強度は向上できるが、これ
らの焼結助剤を用いた場合、焼結助剤の融点が低いた
め、低温での焼成が可能となり窒化珪素粒子の粒成長を
抑制できるため常温における強度向上が可能となるが、
焼結助剤の融点が低いため焼結体中の粒界相の軟化が低
温から起き、高温強度は低下してしまうのである。ま
た、加圧焼結により高温で焼成した焼結体は、高温強度
の向上は可能であるが、窒化珪素粒子の粒成長の制御が
困難であるため常温強度の向上が望めないのである。
【０００７】さらに、粒界相を結晶化した焼結体は窒化
珪素粒子の粒成長の制御も可能であり、高温における粒
界相の軟化の抑制も可能であるが、粒界相の軟化がない
ためクリープ変形やクリープ破壊は起こさないが、変形
を伴わないサブクリティカルクラックグロース（以下、
単にＳＣＧという。）による静的疲労を起こし、高温時
における応力破断時間が短縮してしまう、あるいは結晶
化した粒界相の耐酸化性が悪いために、粒界相が優先的
に酸化され、高温酸化雰囲気中での耐食性が劣化すると
いう問題点があった。
珪素粒子の粒成長の制御も可能であり、高温における粒
界相の軟化の抑制も可能であるが、粒界相の軟化がない
ためクリープ変形やクリープ破壊は起こさないが、変形
を伴わないサブクリティカルクラックグロース（以下、
単にＳＣＧという。）による静的疲労を起こし、高温時
における応力破断時間が短縮してしまう、あるいは結晶
化した粒界相の耐酸化性が悪いために、粒界相が優先的
に酸化され、高温酸化雰囲気中での耐食性が劣化すると
いう問題点があった。
【０００８】従って、本発明は、常温から１０００℃ま
での強度に優れると共に、静的疲労特性、耐酸化性も優
れた窒化珪素質焼結体を提供することを目的とする。
での強度に優れると共に、静的疲労特性、耐酸化性も優
れた窒化珪素質焼結体を提供することを目的とする。
【０００９】
【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、窒化
珪素を主結晶相とし、その粒界相にＲＥ2 Ｓｉ3 Ｎ2 Ｏ
5 および／またはＲＥ3 ＡｌＳｉ2 Ｏ7 Ｎ2 （ただし、
ＲＥは周期律表第３ａ族元素のうちの少なくとも１種）
で表される結晶相およびその固溶体結晶相、さらにはＡ
ｌ2 ＲＥ4 Ｏ9（ただし、ＲＥは周期律表第３ａ族元素
のうちの少なくとも１種）で表される結晶相およびその
固溶体結晶相を析出させることにより、常温から高温
（具体的には１０００℃）までの強度が優れるととも
に、高温での静的疲労特性、耐酸化性も優れていること
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、窒化
珪素を主結晶相とし、その粒界相にＲＥ2 Ｓｉ3 Ｎ2 Ｏ
5 および／またはＲＥ3 ＡｌＳｉ2 Ｏ7 Ｎ2 （ただし、
ＲＥは周期律表第３ａ族元素のうちの少なくとも１種）
で表される結晶相およびその固溶体結晶相、さらにはＡ
ｌ2 ＲＥ4 Ｏ9（ただし、ＲＥは周期律表第３ａ族元素
のうちの少なくとも１種）で表される結晶相およびその
固溶体結晶相を析出させることにより、常温から高温
（具体的には１０００℃）までの強度が優れるととも
に、高温での静的疲労特性、耐酸化性も優れていること
を見出した。
【００１０】即ち、本発明の窒化珪素質焼結体は、窒化
珪素を主結晶相とし、その粒界相にＲＥ2 Ｓｉ3 Ｎ2 Ｏ
5 および／またはＲＥ3 ＡｌＳｉ2 Ｏ7 Ｎ2 （ただし、
ＲＥは周期律表第３ａ族元素のうちの１種以上）で表さ
れる結晶相およびその固溶体結晶相を含むことを特徴と
するものであり、前記粒界相には、さらにＡｌ2 ＲＥ4
Ｏ9 （ただし、ＲＥは周期律表第３ａ族元素のうちの１
種以上）で表される結晶相およびその固溶体結晶相を含
んでもよい。
珪素を主結晶相とし、その粒界相にＲＥ2 Ｓｉ3 Ｎ2 Ｏ
5 および／またはＲＥ3 ＡｌＳｉ2 Ｏ7 Ｎ2 （ただし、
ＲＥは周期律表第３ａ族元素のうちの１種以上）で表さ
れる結晶相およびその固溶体結晶相を含むことを特徴と
するものであり、前記粒界相には、さらにＡｌ2 ＲＥ4
Ｏ9 （ただし、ＲＥは周期律表第３ａ族元素のうちの１
種以上）で表される結晶相およびその固溶体結晶相を含
んでもよい。
【００１１】なお、焼結体中には、ＲＥ（ただし、ＲＥ
は周期律表第３ａ族元素のうちの１種以上）をＲＥ2 Ｏ
3 換算で３．７〜７．０モル％含有する、および／また
はＡｌを酸化物換算で３．０〜５．７モル％含有するこ
とが望ましい。
は周期律表第３ａ族元素のうちの１種以上）をＲＥ2 Ｏ
3 換算で３．７〜７．０モル％含有する、および／また
はＡｌを酸化物換算で３．０〜５．７モル％含有するこ
とが望ましい。
【００１２】
【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焼結体は、窒化珪素を主結晶相と
し、その粒界相にＲＥ2Si3 Ｎ2 Ｏ5 および／またはＲ
Ｅ3 ＡｌＳｉ2 Ｏ7 Ｎ2 （ただし、ＲＥは周期律表第３
ａ族元素のうちの少なくとも１種）で表される結晶相お
よびその固溶体結晶相を含むことを特徴とする。なお、
前記焼結体の粒界相には、さらにＡｌ2ＲＥ4 Ｏ9 （た
だし、ＲＥは周期律表第３ａ族元素のうちの少なくとも
１種）で表される結晶相およびその固溶体結晶相を含む
ことが望ましい。
本発明の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素を主結晶相と
し、その粒界相にＲＥ2Si3 Ｎ2 Ｏ5 および／またはＲ
Ｅ3 ＡｌＳｉ2 Ｏ7 Ｎ2 （ただし、ＲＥは周期律表第３
ａ族元素のうちの少なくとも１種）で表される結晶相お
よびその固溶体結晶相を含むことを特徴とする。なお、
前記焼結体の粒界相には、さらにＡｌ2ＲＥ4 Ｏ9 （た
だし、ＲＥは周期律表第３ａ族元素のうちの少なくとも
１種）で表される結晶相およびその固溶体結晶相を含む
ことが望ましい。
【００１３】窒化珪素質焼結体の静的疲労特性の劣化原
因はクリープ変形とＳＣＧによるものとに大別できる。
前者は窒化珪素質焼結体中の粒界相を結晶化することに
より低減できることは前述したとおりである。また、Ｓ
ＣＧの発生原因としては、粒界相の機械的強度、熱的安
定性、化学的安定性、窒化珪素粒子と粒界相との熱膨張
率の相違による残留応力、窒化珪素と粒界相との化学的
親和性等が考えられる。
因はクリープ変形とＳＣＧによるものとに大別できる。
前者は窒化珪素質焼結体中の粒界相を結晶化することに
より低減できることは前述したとおりである。また、Ｓ
ＣＧの発生原因としては、粒界相の機械的強度、熱的安
定性、化学的安定性、窒化珪素粒子と粒界相との熱膨張
率の相違による残留応力、窒化珪素と粒界相との化学的
親和性等が考えられる。
【００１４】本発明のＲＥ2 Ｓｉ3 Ｎ2 Ｏ5 および／ま
たはＲＥ3 ＡｌＳｉ2 Ｏ7 Ｎ2 が粒界相中に析出した窒
化珪素質焼結体は、静的疲労特性を評価し破断したサン
プルの破断面近傍を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察
したところ、ＳＣＧの原因となるキャビティの発生が抑
制されるという特異的な性質を有し、そのために、静的
疲労特性も非常に優れた性質を有する。
たはＲＥ3 ＡｌＳｉ2 Ｏ7 Ｎ2 が粒界相中に析出した窒
化珪素質焼結体は、静的疲労特性を評価し破断したサン
プルの破断面近傍を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察
したところ、ＳＣＧの原因となるキャビティの発生が抑
制されるという特異的な性質を有し、そのために、静的
疲労特性も非常に優れた性質を有する。
【００１５】しかも、耐酸化特性についても、従来の窒
化珪素質焼結体の粒界結晶相であるメリライト（ＲＥ2
Ｏ3 ・Ｓｉ3 Ｎ4 ）や、ウォラストナイト（ＲＥＳｉ2
Ｎ）等に比較して前記ＲＥ2 Ｓｉ3 Ｎ2 Ｏ5 やＲＥ3 Ａ
ｌＳｉ2 Ｏ7 Ｎ2 の結晶相は、熱的・化学的に安定であ
るため優先的に粒界相が酸化されるようなことがなく、
焼結体として耐酸化性に優れたものである。
化珪素質焼結体の粒界結晶相であるメリライト（ＲＥ2
Ｏ3 ・Ｓｉ3 Ｎ4 ）や、ウォラストナイト（ＲＥＳｉ2
Ｎ）等に比較して前記ＲＥ2 Ｓｉ3 Ｎ2 Ｏ5 やＲＥ3 Ａ
ｌＳｉ2 Ｏ7 Ｎ2 の結晶相は、熱的・化学的に安定であ
るため優先的に粒界相が酸化されるようなことがなく、
焼結体として耐酸化性に優れたものである。
【００１６】本発明の窒化珪素質焼結体は、基本的に焼
結助剤成分として、周期律表第３ａ族元素、アルミニウ
ム、さらには過剰酸素を含有するものである。
結助剤成分として、周期律表第３ａ族元素、アルミニウ
ム、さらには過剰酸素を含有するものである。
【００１７】このため、比較的低温での焼成が可能にな
り、窒化珪素粒子の粒成長の制御が容易となる。これに
より、常温強度の高強度化が可能である。さらに、高温
強度は、粒界相を上記結晶相に結晶化することにより高
温での粒界相の軟化を抑制でき優れた高温強度を達成で
きるものである。
り、窒化珪素粒子の粒成長の制御が容易となる。これに
より、常温強度の高強度化が可能である。さらに、高温
強度は、粒界相を上記結晶相に結晶化することにより高
温での粒界相の軟化を抑制でき優れた高温強度を達成で
きるものである。
【００１８】より好適には、本発明の窒化珪素質焼結体
は、窒化珪素を８０〜９０モル％とし、周期律表第３ａ
族元素を酸化物換算で３．７〜７．０モル％、好ましく
は、４．８〜５．９モル％、アルミニウムを酸化物（Ａ
ｌ2 Ｏ3 ）換算で３．０〜５．７モル％、好ましくは
３．９〜４．８モル％、過剰酸素をＳｉＯ2 換算で３．
３〜６．３モル％、好ましくは４．３〜５．３モル％含
むことが望ましい。
は、窒化珪素を８０〜９０モル％とし、周期律表第３ａ
族元素を酸化物換算で３．７〜７．０モル％、好ましく
は、４．８〜５．９モル％、アルミニウムを酸化物（Ａ
ｌ2 Ｏ3 ）換算で３．０〜５．７モル％、好ましくは
３．９〜４．８モル％、過剰酸素をＳｉＯ2 換算で３．
３〜６．３モル％、好ましくは４．３〜５．３モル％含
むことが望ましい。
【００１９】これは、窒化珪素量が上記の範囲よりも少
ないと高強度化が困難であり、窒化珪素量が上記範囲よ
り多いと、低温での緻密化が困難となり、高温での強度
が劣化する上に耐酸化性が劣化する恐れがある。
ないと高強度化が困難であり、窒化珪素量が上記範囲よ
り多いと、低温での緻密化が困難となり、高温での強度
が劣化する上に耐酸化性が劣化する恐れがある。
【００２０】また、周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）が上
記範囲より多いと粒界結晶相がメリライト（ＲＥ2 Ｏ3
・Ｓｉ3 Ｎ4 ）や、ウォラストナイト（ＲＥＳｉ2 Ｎ）
等の耐酸化性に劣った結晶相に結晶化するため、耐酸化
性が劣化してしまう。また、アルミニウムが上記の範囲
よりも多いと粒界相の結晶化が困難となる。また、Ｒ
Ｅ、Ａｌおよび過剰酸素が上記の範囲よりも少ないと低
温での焼結性が達成できないためである。
記範囲より多いと粒界結晶相がメリライト（ＲＥ2 Ｏ3
・Ｓｉ3 Ｎ4 ）や、ウォラストナイト（ＲＥＳｉ2 Ｎ）
等の耐酸化性に劣った結晶相に結晶化するため、耐酸化
性が劣化してしまう。また、アルミニウムが上記の範囲
よりも多いと粒界相の結晶化が困難となる。また、Ｒ
Ｅ、Ａｌおよび過剰酸素が上記の範囲よりも少ないと低
温での焼結性が達成できないためである。
【００２１】また、過剰酸素が上記の範囲よりも多いと
周期律表第３ａ元素のダイシリケートやモノシリケート
等の結晶相が現れてくるが、これら結晶相は系中にアル
ミニウムが存在する場合、窒化珪素−粒界結晶相間にア
ルミニウムリッチのアモルファスフィルムが生成され、
高温時にこのアモルファスフィルムが変形し、静的疲労
特性を劣化させてしまうためである。
周期律表第３ａ元素のダイシリケートやモノシリケート
等の結晶相が現れてくるが、これら結晶相は系中にアル
ミニウムが存在する場合、窒化珪素−粒界結晶相間にア
ルミニウムリッチのアモルファスフィルムが生成され、
高温時にこのアモルファスフィルムが変形し、静的疲労
特性を劣化させてしまうためである。
【００２２】この過剰酸素は、窒化珪素粉末中の不可避
的不純物として混入する酸素分、あるいは添加成分のＳ
ｉＯ2 に起因する酸素分であって、焼結体中の全酸素量
から焼結体中に助剤成分として含まれる周期律表第３ａ
族元素酸化物やＡｌ2 Ｏ3 中の酸素分を差し引いた残り
の酸素分に相当するものである。
的不純物として混入する酸素分、あるいは添加成分のＳ
ｉＯ2 に起因する酸素分であって、焼結体中の全酸素量
から焼結体中に助剤成分として含まれる周期律表第３ａ
族元素酸化物やＡｌ2 Ｏ3 中の酸素分を差し引いた残り
の酸素分に相当するものである。
【００２３】なお、本発明に用いられる周期律表第３ａ
族元素（ＲＥ）としては、Ｙ、Ｃｅ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌ
ｕ、Ｓｍ等が挙げられるが、特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。
族元素（ＲＥ）としては、Ｙ、Ｃｅ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌ
ｕ、Ｓｍ等が挙げられるが、特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。
【００２４】次に、本発明にかかる窒化珪素質焼結体を
製造するための方法について説明する。まず、出発原料
として窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）、周期律表第３ａ族元素
酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）、酸化アルミニウム（Ａｌ
2 Ｏ3 ）、場合によっては酸化珪素（ＳｉＯ2 ）の粉末
を用意し、これらを前述したような比率で調製する。
製造するための方法について説明する。まず、出発原料
として窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）、周期律表第３ａ族元素
酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）、酸化アルミニウム（Ａｌ
2 Ｏ3 ）、場合によっては酸化珪素（ＳｉＯ2 ）の粉末
を用意し、これらを前述したような比率で調製する。
【００２５】なお、酸化珪素成分としては、窒化珪素粉
末中に不可避的に含まれる不純物酸素が用いられるが、
この不純物酸素が少ない原料を用いる場合には、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ＳｉＯ2 に換算した量と添加したＳｉＯ2 粉末
との合量である。
末中に不可避的に含まれる不純物酸素が用いられるが、
この不純物酸素が少ない原料を用いる場合には、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ＳｉＯ2 に換算した量と添加したＳｉＯ2 粉末
との合量である。
【００２６】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。
【００２７】ここで、上記焼成温度を限定した理由は、
焼成温度が１６５０℃より低いと十分な緻密体が得られ
ず、１８００℃を越えると窒化珪素粒子の粒成長が著し
くなり常温強度の向上が困難であるためである。
焼成温度が１６５０℃より低いと十分な緻密体が得られ
ず、１８００℃を越えると窒化珪素粒子の粒成長が著し
くなり常温強度の向上が困難であるためである。
【００２８】なお、上述のように作製した窒化珪素質焼
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。
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。
【００２９】次に得られた焼結体を８００℃〜１３００
℃で熱処理することにより粒界相の一部を結晶化させる
ことが望ましい。熱処理条件を上記温度に限定したの
は、処理温度が８００℃より低いと粒界相の結晶化が難
しく、１３００℃を越えると、窒化珪素質焼結体中の粒
界相が他の結晶相に結晶化してしまう恐れがあるためで
ある。
℃で熱処理することにより粒界相の一部を結晶化させる
ことが望ましい。熱処理条件を上記温度に限定したの
は、処理温度が８００℃より低いと粒界相の結晶化が難
しく、１３００℃を越えると、窒化珪素質焼結体中の粒
界相が他の結晶相に結晶化してしまう恐れがあるためで
ある。
【００３０】特に、結晶化処理にあたっては、粒界相中
にＲＥ2 Ｓｉ3 Ｎ2 Ｏ5 および／またはＲＥ3 ＡｌＳｉ
2 Ｏ7 Ｎ2 （ただし、ＲＥは周期律表第３ａ族元素のう
ちの１種以上）で表される結晶相およびその固溶体結晶
相や、Ａｌ2 ＲＥ4 Ｏ9 （ただし、ＲＥは周期律表第３
ａ族元素のうちの１種以上）を析出させる上では、９０
０℃〜１０００℃で核生成を促し、１１００℃〜１２０
０℃で核生成させるという多段の熱処理をすることが望
ましい。
にＲＥ2 Ｓｉ3 Ｎ2 Ｏ5 および／またはＲＥ3 ＡｌＳｉ
2 Ｏ7 Ｎ2 （ただし、ＲＥは周期律表第３ａ族元素のう
ちの１種以上）で表される結晶相およびその固溶体結晶
相や、Ａｌ2 ＲＥ4 Ｏ9 （ただし、ＲＥは周期律表第３
ａ族元素のうちの１種以上）を析出させる上では、９０
０℃〜１０００℃で核生成を促し、１１００℃〜１２０
０℃で核生成させるという多段の熱処理をすることが望
ましい。
【００３１】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。
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。
【００３２】本発明の窒化珪素質焼結体は、使用温度が
８００℃〜１０００℃の耐熱部材として有用であり、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。
８００℃〜１０００℃の耐熱部材として有用であり、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。
【００３３】
【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１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後、スプレードライヤーで乾燥造粒
して顆粒を製作し、該顆粒を金型に充填して１ｔ／ｃｍ
2 の圧力で金型プレス成形することにより成形体を作製
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１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後、スプレードライヤーで乾燥造粒
して顆粒を製作し、該顆粒を金型に充填して１ｔ／ｃｍ
2 の圧力で金型プレス成形することにより成形体を作製
した。
【００３４】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、常圧窒素雰囲
気中にて１７５０℃の温度まで昇温し、この温度にて５
時間保持した後炉冷し、窒化珪素質焼結体を製作した。
う鉢に入れて、カーボンヒーターを用い、常圧窒素雰囲
気中にて１７５０℃の温度まで昇温し、この温度にて５
時間保持した後炉冷し、窒化珪素質焼結体を製作した。
【００３５】そして、得られた窒化珪素質焼結体の主結
晶相及び粒界を構成する結晶相について、Ｘ線回折によ
り分析するとともに、ＪＩＳＲ１６０１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、ＪＩＳＲ１
６０１に基づく室温及び１０００℃での４点曲げ強度、
静的疲労特性、耐酸化性の測定を行った。
晶相及び粒界を構成する結晶相について、Ｘ線回折によ
り分析するとともに、ＪＩＳＲ１６０１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、ＪＩＳＲ１
６０１に基づく室温及び１０００℃での４点曲げ強度、
静的疲労特性、耐酸化性の測定を行った。
【００３６】なお、静的疲労特性は１０００℃の大気中
で曲げ試験で行い、７００ＭＰａの一定応力を負荷した
ときの破断時間（応力破断時間）で評価した。また、耐
酸化性は１０００℃−１０００時間の大気中での暴露試
験によるによる重量増加量で評価した。
で曲げ試験で行い、７００ＭＰａの一定応力を負荷した
ときの破断時間（応力破断時間）で評価した。また、耐
酸化性は１０００℃−１０００時間の大気中での暴露試
験によるによる重量増加量で評価した。
【００３７】なお、焼結体の組成及び焼成条件、結晶化
熱処理条件は表１に、焼結体の主結晶相及び粒界を構成
する結晶相の種類及び焼結体の常温及び１０００℃での
強度と静的疲労特性、耐酸化性は表２にそれぞれ示す通
りである。
熱処理条件は表１に、焼結体の主結晶相及び粒界を構成
する結晶相の種類及び焼結体の常温及び１０００℃での
強度と静的疲労特性、耐酸化性は表２にそれぞれ示す通
りである。
【００３８】
【表１】
【００３９】
【表２】
【００４０】ここで、表２中の粒界結晶相は、Ｘ：ＲＥ
2 Ｓｉ3 Ｎ2 Ｏ5 、Ｙ：ＲＥ3 ＡｌＳｉ2 Ｏ7 Ｎ2 、
Ｚ：Ａｌ2 ＲＥ4 Ｏ9 の各結晶相及びその固溶体結晶相
を表し、Ｍ：メリライト、Ｗ：ウォラストナイト、Ａ：
アパタイト（Ｙ5 （ＳｉＯ4 ）3 Ｎ）の各結晶相及びそ
の固溶体を表す。また、Ｇは粒界相が結晶化しておらず
非晶質であることを表す。
2 Ｓｉ3 Ｎ2 Ｏ5 、Ｙ：ＲＥ3 ＡｌＳｉ2 Ｏ7 Ｎ2 、
Ｚ：Ａｌ2 ＲＥ4 Ｏ9 の各結晶相及びその固溶体結晶相
を表し、Ｍ：メリライト、Ｗ：ウォラストナイト、Ａ：
アパタイト（Ｙ5 （ＳｉＯ4 ）3 Ｎ）の各結晶相及びそ
の固溶体を表す。また、Ｇは粒界相が結晶化しておらず
非晶質であることを表す。
【００４１】表１、表２に示すように、ＲＥ2 Ｓｉ3 Ｎ
2 Ｏ5 および／またはＲＥ3 ＡｌＳｉ2 Ｏ7 Ｎ2 で表さ
れる結晶相が粒界に析出した本発明の試料Ｎo.１〜１１
は常温強度が１０００ＭＰａ以上、１０００℃強度が８
５０ＭＰａ以上、静的疲労特性の１０００℃、７００Ｍ
Ｐａでの応力破断時間が１００時間以上、耐酸化性の重
量増加率が０．２ｍｇ／ｃｍ2 以下と何れの特性も優れ
ていることが分かる。一方、粒界相が結晶化していない
試料Ｎo.１２、１６は静的疲労特性の応力破断時間が１
時間と極端に短くなっている。また、粒界が他の結晶
相、メリライト、ウォラストナイト、アパタイトに結晶
化している試料Ｎo.１３〜１５、１７は静的疲労特性の
応力破断時間が短くなっていると共に耐酸化性が劣化し
ていることがわかる。
2 Ｏ5 および／またはＲＥ3 ＡｌＳｉ2 Ｏ7 Ｎ2 で表さ
れる結晶相が粒界に析出した本発明の試料Ｎo.１〜１１
は常温強度が１０００ＭＰａ以上、１０００℃強度が８
５０ＭＰａ以上、静的疲労特性の１０００℃、７００Ｍ
Ｐａでの応力破断時間が１００時間以上、耐酸化性の重
量増加率が０．２ｍｇ／ｃｍ2 以下と何れの特性も優れ
ていることが分かる。一方、粒界相が結晶化していない
試料Ｎo.１２、１６は静的疲労特性の応力破断時間が１
時間と極端に短くなっている。また、粒界が他の結晶
相、メリライト、ウォラストナイト、アパタイトに結晶
化している試料Ｎo.１３〜１５、１７は静的疲労特性の
応力破断時間が短くなっていると共に耐酸化性が劣化し
ていることがわかる。
【００４２】
【発明の効果】以上のように、本発明の窒化珪素質焼結
体は、窒化珪素を主結晶相とし、その粒界相にＲＥ2 Ｓ
ｉ3 Ｎ2 Ｏ5 および／または、ＲＥ3 ＡｌＳｉ2 Ｏ7 Ｎ
2 （ただし、ＲＥは周期律表第３ａ族元素のうちの１種
以上）で表される結晶相およびその固溶体結晶相を含む
ことにより、さらに望ましくは前記焼結体の粒界相にＡ
ｌ2 ＲＥ4 Ｏ9 で表される結晶相およびその固溶体結晶
相を含むことにより、常温から１０００℃までの強度に
優れると共に、静的疲労特性、耐酸化性も優れた窒化珪
素質焼結体を作製することができる。
体は、窒化珪素を主結晶相とし、その粒界相にＲＥ2 Ｓ
ｉ3 Ｎ2 Ｏ5 および／または、ＲＥ3 ＡｌＳｉ2 Ｏ7 Ｎ
2 （ただし、ＲＥは周期律表第３ａ族元素のうちの１種
以上）で表される結晶相およびその固溶体結晶相を含む
ことにより、さらに望ましくは前記焼結体の粒界相にＡ
ｌ2 ＲＥ4 Ｏ9 で表される結晶相およびその固溶体結晶
相を含むことにより、常温から１０００℃までの強度に
優れると共に、静的疲労特性、耐酸化性も優れた窒化珪
素質焼結体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 BA11 BA32 BB01 BB03 BB04 BB08 BB09 BB11 BB32 BB51 BC12 BC13 BC46 BC49 BC62 BD14 BD15 BD36 BE26
Claims (4)
- 【請求項１】窒化珪素を主結晶相とし、その粒界相にＲ
Ｅ2 Ｓｉ3 Ｎ2 Ｏ5 および／またはＲＥ3 ＡｌＳｉ2 Ｏ
7 Ｎ2 （ただし、ＲＥは周期律表第３ａ族元素のうちの
１種以上）で表される結晶相およびその固溶体結晶相を
含むことを特徴とする窒化珪素質焼結体。 - 【請求項２】前記粒界相に、さらにＡｌ2 ＲＥ4 Ｏ
9 （ただし、ＲＥは周期律表第３ａ族元素のうちの１種
以上）で表される結晶相およびその固溶体結晶相を含む
ことを特徴とする請求項１記載の窒化珪素質焼結体。 - 【請求項３】ＲＥ（ただし、ＲＥは周期律表第３ａ族元
素のうちの１種以上）をＲＥ2 Ｏ3 換算で３．７〜７．
０モル％含有することを特徴とする請求項１または請求
項２記載の窒化珪素質焼結体。 - 【請求項４】Ａｌを酸化物換算で３．０〜５．７モル％
含有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいず
れか記載の窒化珪素質焼結体。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11043862A JP2000247747A (ja) | 1999-02-22 | 1999-02-22 | 窒化珪素質焼結体 |
| DE10007780A DE10007780B4 (de) | 1999-02-22 | 2000-02-21 | Gesintertes Produkt auf Basis von Siliciumnitrid und dessen Verwendung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11043862A JP2000247747A (ja) | 1999-02-22 | 1999-02-22 | 窒化珪素質焼結体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000247747A true JP2000247747A (ja) | 2000-09-12 |
Family
ID=12675521
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11043862A Pending JP2000247747A (ja) | 1999-02-22 | 1999-02-22 | 窒化珪素質焼結体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000247747A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002293639A (ja) * | 2001-03-29 | 2002-10-09 | Kyocera Corp | 窒化珪素質焼結体 |
-
1999
- 1999-02-22 JP JP11043862A patent/JP2000247747A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002293639A (ja) * | 2001-03-29 | 2002-10-09 | Kyocera Corp | 窒化珪素質焼結体 |
| JP4671524B2 (ja) * | 2001-03-29 | 2011-04-20 | 京セラ株式会社 | 窒化珪素質焼結体の製造方法 |
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