JP2687634B2 - 窒化珪素焼結体の製造方法 - Google Patents
窒化珪素焼結体の製造方法Info
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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、ガスタービン部品やデイーゼルエンジン部
品などの耐熱性の構造材料として使用できる窒化珪素焼
結体の製造方法に関する。
品などの耐熱性の構造材料として使用できる窒化珪素焼
結体の製造方法に関する。
［従来の技術］ 従来、耐熱性にすぐれた窒化珪素焼結体は、窒化珪素
粉末にイットリア、スピネルとイットリア、イットリヤ
とアルミナなどの焼結助剤を加えて成形し、得られる成
形体をホットプレスや加圧下で窒素雰囲気中で焼結して
製造されている。
粉末にイットリア、スピネルとイットリア、イットリヤ
とアルミナなどの焼結助剤を加えて成形し、得られる成
形体をホットプレスや加圧下で窒素雰囲気中で焼結して
製造されている。
たとえば特開平1-188471号公報にはムライトおよび酸
化イットリウムを焼結助剤（0.8〜６重量％）として窒
化珪素粉末（94〜99.2重量％）に添加して成形し、非酸
化性雰囲気中で焼結する焼結体の製造方法の開示があ
る。
化イットリウムを焼結助剤（0.8〜６重量％）として窒
化珪素粉末（94〜99.2重量％）に添加して成形し、非酸
化性雰囲気中で焼結する焼結体の製造方法の開示があ
る。
しかしながら、上記の焼結助剤は焼結時に液相を形成
して窒化珪素の焼結を促進するが、焼結後はガラス相を
形成して焼結体中の粒界に残存している。このため焼結
体が高温にさらされると粒界に存在する焼結助剤成分が
再度液相を形成するため焼結体の強度を低下させるの
で、高温度で使用される部品としての使用は好ましくな
い。すなわち窒化珪素−ムライト−イットリア系の焼結
体では、粒界相がムライト−イットリアで形成されてい
る。このムライト−イットリア系の相図によれば1400℃
が液相となる開始温度である。このため1400℃になると
焼結体は粒界が軟化するため強度が急激に低下してしま
う。そこでこの焼結体を1200℃以上の温度領域で使用す
るには、粒界の非晶質相を結晶化しないかぎり強度の低
下を防ぐことができない。
して窒化珪素の焼結を促進するが、焼結後はガラス相を
形成して焼結体中の粒界に残存している。このため焼結
体が高温にさらされると粒界に存在する焼結助剤成分が
再度液相を形成するため焼結体の強度を低下させるの
で、高温度で使用される部品としての使用は好ましくな
い。すなわち窒化珪素−ムライト−イットリア系の焼結
体では、粒界相がムライト−イットリアで形成されてい
る。このムライト−イットリア系の相図によれば1400℃
が液相となる開始温度である。このため1400℃になると
焼結体は粒界が軟化するため強度が急激に低下してしま
う。そこでこの焼結体を1200℃以上の温度領域で使用す
るには、粒界の非晶質相を結晶化しないかぎり強度の低
下を防ぐことができない。
セラミックス製ガスタービンエンジン部品としては、
使用時の温度が1300〜1400℃の高い温度域となる。この
ため1400℃においても強度の低下の少ない窒化珪素焼結
体とすることが必要となる。
使用時の温度が1300〜1400℃の高い温度域となる。この
ため1400℃においても強度の低下の少ない窒化珪素焼結
体とすることが必要となる。
［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、1400
℃の温度域においても強度の低下の少ない窒化珪素焼結
体とすることを目的とする。
℃の温度域においても強度の低下の少ない窒化珪素焼結
体とすることを目的とする。
［課題を解決するための手段］ 本発明の窒化珪素焼結体の製造方法は、窒化珪素粉末
と焼結助剤粉末との混合粉末から成形体を成形する成形
工程と、該成形体を非酸化性雰囲気で焼結して焼結体と
する焼結工程とからなる窒化珪素焼結体の製造方法にお
いて、該成形工程では、該窒化珪素粉末99〜94重量％
に、酸化スカンジウム（Sc2O3）粉末とムライト（3Al2O
3・2SiO2）粉末の比率が5/1〜1/2の割合で混合した該焼
結助剤粉末１〜６重量％を配合して該混合粉末とするこ
とを特徴とする。
と焼結助剤粉末との混合粉末から成形体を成形する成形
工程と、該成形体を非酸化性雰囲気で焼結して焼結体と
する焼結工程とからなる窒化珪素焼結体の製造方法にお
いて、該成形工程では、該窒化珪素粉末99〜94重量％
に、酸化スカンジウム（Sc2O3）粉末とムライト（3Al2O
3・2SiO2）粉末の比率が5/1〜1/2の割合で混合した該焼
結助剤粉末１〜６重量％を配合して該混合粉末とするこ
とを特徴とする。
本発明の窒化珪素焼結体の製造方法は、窒化珪素粉末
に特定の組成割合の焼結助剤を配合して成形体を形成
し、次いでその成形体を焼結する方法である。
に特定の組成割合の焼結助剤を配合して成形体を形成
し、次いでその成形体を焼結する方法である。
窒化珪素粉末は、平均粒径が1.0μｍ以下の微粉末を
用いるのが焼結性を高め緻密な焼結体を形成するために
好ましい。窒化珪素粉末の量は、99〜94重量％である。
窒化珪素の量が99重量％を超えると焼結助剤の量が不足
して焼結性が高まらず、かつ粒界結晶相が生成できず好
ましくない。窒化珪素の量が94重量％未満であると焼結
助剤が多くなりすぎて焼結性が高まり相対密度は高くな
るが粒界相が多くなり非晶質相が多く生成するため高温
度域での強度が低下するので好ましくない。
用いるのが焼結性を高め緻密な焼結体を形成するために
好ましい。窒化珪素粉末の量は、99〜94重量％である。
窒化珪素の量が99重量％を超えると焼結助剤の量が不足
して焼結性が高まらず、かつ粒界結晶相が生成できず好
ましくない。窒化珪素の量が94重量％未満であると焼結
助剤が多くなりすぎて焼結性が高まり相対密度は高くな
るが粒界相が多くなり非晶質相が多く生成するため高温
度域での強度が低下するので好ましくない。
焼結助剤は、酸化スカンジウム（Sc2O3）粉末とムラ
イト粉末の混合物で形成される。その混合比率は、酸化
スカンジウム：ムライトが3:1〜1:1の範囲の割合とす
る。酸化スカンジウムの量が多くその比率が3:1を超え
ると相対密度が低下し高温度での強度が低下するので好
ましくない。また酸化スカンジウムの量が少なくその比
率が1:1より小さいと高温度の強度がさらに低下するの
で好ましくない。さらにこの焼結助剤の合計量が１〜６
重量％の範囲であることが高温度での強度を保持するた
めに必要である。焼結助剤の量が１重量％未満では、10
00気圧以上のHIP処理をおこなわなければ、緻密な焼結
体が形成できず、６重量％を超えると粒界相が必要以上
に多くなり耐酸化性が低下するため好ましくない。この
焼結助剤は平均粒径が0.5μｍ以下の微粉末であること
が焼結性を高めるために好ましい。
イト粉末の混合物で形成される。その混合比率は、酸化
スカンジウム：ムライトが3:1〜1:1の範囲の割合とす
る。酸化スカンジウムの量が多くその比率が3:1を超え
ると相対密度が低下し高温度での強度が低下するので好
ましくない。また酸化スカンジウムの量が少なくその比
率が1:1より小さいと高温度の強度がさらに低下するの
で好ましくない。さらにこの焼結助剤の合計量が１〜６
重量％の範囲であることが高温度での強度を保持するた
めに必要である。焼結助剤の量が１重量％未満では、10
00気圧以上のHIP処理をおこなわなければ、緻密な焼結
体が形成できず、６重量％を超えると粒界相が必要以上
に多くなり耐酸化性が低下するため好ましくない。この
焼結助剤は平均粒径が0.5μｍ以下の微粉末であること
が焼結性を高めるために好ましい。
焼結工程は通常の条件、たとえば非酸化性の窒素雰囲
気中で1750〜1850℃で常圧または加圧下でおこなうこと
ができる。焼結温度が1750℃未満では充分に緻密化した
焼結体とならず、1850℃を超えると異常粒成長により組
織が微細化せず曲げ強度が低下するので好ましくない。
また雰囲気のガス圧は、焼結体の緻密性を高めるために
5kg f/cm2以上の窒素ガス中でおこなうのが好ましい。
さらに焼結工程を、窒素ガス圧を100kg f/cm2以上のガ
ス圧焼結、HIP焼結をおこなうことが好ましい。
気中で1750〜1850℃で常圧または加圧下でおこなうこと
ができる。焼結温度が1750℃未満では充分に緻密化した
焼結体とならず、1850℃を超えると異常粒成長により組
織が微細化せず曲げ強度が低下するので好ましくない。
また雰囲気のガス圧は、焼結体の緻密性を高めるために
5kg f/cm2以上の窒素ガス中でおこなうのが好ましい。
さらに焼結工程を、窒素ガス圧を100kg f/cm2以上のガ
ス圧焼結、HIP焼結をおこなうことが好ましい。
従来の焼結助剤のイットリア−アルミナ、イットリア
−ムライト系の場合では1400℃で表面に酸化膜を形成し
て酸化増量を示すが、本発明の製造方法で得られる焼結
体は、酸化増量が少なく耐酸化性の良い炭化珪素焼結体
に近くなる。この理由は充分解明されていないが、酸化
スカンジウムが添加されると、酸化により焼結体の表面
に生成する酸化膜は極めて緻密であり、この酸化膜はク
リストバライトおよびSc2O3・2SiO2の結晶相であると同
定されいる。したがって焼結体の表面がポーラスになり
にくく酸化の進行が抑制され、その結果、焼結体の耐酸
化性が向上したと考えられる。
−ムライト系の場合では1400℃で表面に酸化膜を形成し
て酸化増量を示すが、本発明の製造方法で得られる焼結
体は、酸化増量が少なく耐酸化性の良い炭化珪素焼結体
に近くなる。この理由は充分解明されていないが、酸化
スカンジウムが添加されると、酸化により焼結体の表面
に生成する酸化膜は極めて緻密であり、この酸化膜はク
リストバライトおよびSc2O3・2SiO2の結晶相であると同
定されいる。したがって焼結体の表面がポーラスになり
にくく酸化の進行が抑制され、その結果、焼結体の耐酸
化性が向上したと考えられる。
［作用］ 本発明の窒化珪素焼結体の製造方法では、酸化スカン
ジウムとムライトを特定割合で焼結助剤として使用する
ことにより、得られる焼結体の粒界では、液相開始温度
が1400℃より上昇するため軟化が抑制でき、高温度域に
於ける焼結体の高度低下は少ないものとなる。
ジウムとムライトを特定割合で焼結助剤として使用する
ことにより、得られる焼結体の粒界では、液相開始温度
が1400℃より上昇するため軟化が抑制でき、高温度域に
於ける焼結体の高度低下は少ないものとなる。
さらに酸化スカンジウムが添加されると酸化により表
面に緻密な結晶相が形成され酸化の進行を抑制するため
耐酸化性が向上する。
面に緻密な結晶相が形成され酸化の進行を抑制するため
耐酸化性が向上する。
［実施例］ 以下実施例により具体的に説明する。
成形工程では、平均粒径が0.5μｍの高純度の窒化珪
素粉末と、焼結助剤として平均粒径が0.2μｍの酸化ス
カンジウム（Sc2O3）とムライト（3Al2O3・2SiO2）の粉
末を表に示す割合で秤量し、エタノール中でボールミル
混合をおこなった。エタノールを除去し乾燥した混合粉
末を金型で角棒状に成形した。得られた成形体を二次成
形として3000kg/cm2の静水圧を負荷して（５×４×50m
m）の成形体を作製した。
素粉末と、焼結助剤として平均粒径が0.2μｍの酸化ス
カンジウム（Sc2O3）とムライト（3Al2O3・2SiO2）の粉
末を表に示す割合で秤量し、エタノール中でボールミル
混合をおこなった。エタノールを除去し乾燥した混合粉
末を金型で角棒状に成形した。得られた成形体を二次成
形として3000kg/cm2の静水圧を負荷して（５×４×50m
m）の成形体を作製した。
焼結工程は、上記の成形体を窒素雰囲気下でガス圧を
10kg f/cm2とし1750〜1850℃で焼結した。
10kg f/cm2とし1750〜1850℃で焼結した。
表に各試料の原料の組成割合と焼結温度と焼結体の相
対密度および４点曲げ強度（室温、1200℃、1400℃）を
示す。
対密度および４点曲げ強度（室温、1200℃、1400℃）を
示す。
相対密度は、アルキメデス法により測定した。
４点曲げ強度は、JIS規格の曲げ試験片（３×４×36m
m）に加工し、JIS規格に基づき室温、1200℃、1400℃の
曲げ強度を測定した。
m）に加工し、JIS規格に基づき室温、1200℃、1400℃の
曲げ強度を測定した。
実施例のNo.1〜７は、密度が97.0％TD（焼結体密度を
理論密度で割った％値）以上あり、曲げ強度は室温で75
0（MPa）以上あり、1200℃では700〜860（MPa）あり、 1400℃では640〜720（MPa）で低下の度合が著しく少な
い。特にNo.4は温度による強度の低下が特に少ない焼結
体である。
理論密度で割った％値）以上あり、曲げ強度は室温で75
0（MPa）以上あり、1200℃では700〜860（MPa）あり、 1400℃では640〜720（MPa）で低下の度合が著しく少な
い。特にNo.4は温度による強度の低下が特に少ない焼結
体である。
比較例No.1では焼結助剤の量が多いため1400℃の強度
低下が著しい。No.2は、酸化スカンジウムを添加しない
ムライト単独の場合で、1200、1400℃の強度が350、200
（MPa）と著しく低下している。No.3はNo.2の逆で酸化
スカンジウム単独の場合で、この例では室温での強度も
低く高温度においても強度は低い。なおNo.2、３の強度
は従来の焼結助剤を用いたNo.4、５よりも値が低い。N
o.4、５は従来のスピネルとイットリアを焼結助剤とし
その量と割合を変えた場合で、高温度での強度の低下が
著しい。
低下が著しい。No.2は、酸化スカンジウムを添加しない
ムライト単独の場合で、1200、1400℃の強度が350、200
（MPa）と著しく低下している。No.3はNo.2の逆で酸化
スカンジウム単独の場合で、この例では室温での強度も
低く高温度においても強度は低い。なおNo.2、３の強度
は従来の焼結助剤を用いたNo.4、５よりも値が低い。N
o.4、５は従来のスピネルとイットリアを焼結助剤とし
その量と割合を変えた場合で、高温度での強度の低下が
著しい。
［効果］ 本発明の窒化珪素焼結体の製造方法によれば、焼結助
剤に酸化スカンジウムとムライトとを特定組成割合の混
合物を用いて焼結することにより、焼結体中の粒界の液
相開始温度が上昇するので軟化が抑制でき、焼結体の高
温度での強度低下が抑制できる。またこの方法で製造さ
れた窒化珪素の焼結体は、酸化による増量が少なく耐酸
化性に優れているのでエンジン部品としての使用が可能
となる。
剤に酸化スカンジウムとムライトとを特定組成割合の混
合物を用いて焼結することにより、焼結体中の粒界の液
相開始温度が上昇するので軟化が抑制でき、焼結体の高
温度での強度低下が抑制できる。またこの方法で製造さ
れた窒化珪素の焼結体は、酸化による増量が少なく耐酸
化性に優れているのでエンジン部品としての使用が可能
となる。
Claims (1)
- 【請求項１】窒化珪素粉末と焼結助剤粉末との混合粉末
から成形体を成形する成形工程と、該成形体を非酸化性
雰囲気で焼結して焼結体とする焼結工程とからなる窒化
珪素焼結体の製造方法において、 該成形工程では、該混合粉末を100重量％とした場合、
該窒化珪素粉末99〜94重量％に、酸化スカンジウム（Sc
2O3）粉末とムライト（3Al2O3・2SiO2）粉末の比率が5/
1〜1/2の割合で混合した該焼結助剤粉末１〜６重量％を
配合して該混合粉末とすることを特徴とする窒化珪素焼
結体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1302987A JP2687634B2 (ja) | 1989-11-21 | 1989-11-21 | 窒化珪素焼結体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1302987A JP2687634B2 (ja) | 1989-11-21 | 1989-11-21 | 窒化珪素焼結体の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03164474A JPH03164474A (ja) | 1991-07-16 |
| JP2687634B2 true JP2687634B2 (ja) | 1997-12-08 |
Family
ID=17915571
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1302987A Expired - Fee Related JP2687634B2 (ja) | 1989-11-21 | 1989-11-21 | 窒化珪素焼結体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2687634B2 (ja) |
-
1989
- 1989-11-21 JP JP1302987A patent/JP2687634B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03164474A (ja) | 1991-07-16 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |