JP2696596B2 - サイアロン焼結体およびその製造方法 - Google Patents
サイアロン焼結体およびその製造方法Info
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- Ceramic Products (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、自動車エンジン部品またはガスタービン、
熱交換器等の部品等研磨加工をすることが困難な複雑形
状を有する高温構造材料として用いられるサイアロン焼
結体およびその製造方法に関する。
熱交換器等の部品等研磨加工をすることが困難な複雑形
状を有する高温構造材料として用いられるサイアロン焼
結体およびその製造方法に関する。
［従来の技術］ 窒化珪素焼結体特にサイアロンは高音用セラミックと
して注目され、前記産業分野での利用のため種々の改良
が行なわれている。サイアロンは、一般に焼結後の表面
性状が劣るため、研削研磨等の手段により表面を加工し
て使用に供されているが、この加工によりセラミックス
表面に微少なクラック等の欠陥が導入されるため、強度
劣化を招く問題点があった。特に自動車用またはガスタ
ービン用部品等複雑形状を有する高温構造材料にあって
は、かかる研磨加工を行なうことは不可能である。
して注目され、前記産業分野での利用のため種々の改良
が行なわれている。サイアロンは、一般に焼結後の表面
性状が劣るため、研削研磨等の手段により表面を加工し
て使用に供されているが、この加工によりセラミックス
表面に微少なクラック等の欠陥が導入されるため、強度
劣化を招く問題点があった。特に自動車用またはガスタ
ービン用部品等複雑形状を有する高温構造材料にあって
は、かかる研磨加工を行なうことは不可能である。
従来から窒化珪素質系のセラミックス焼結体の強度を
向上させるための焼結方法や加工方法は種々提案されて
いるが、その例を若干あげれば以下のとおりである。例
えば、（１） 特開昭62−148372号公報には、Si3N4成
形体をY2O3ガスにさらしながら焼結させ、材料表面の組
織的不均質層をなくし、強度向上をはかる方法が開示さ
れている。また、（２） 特開昭64−3076号公報にはサ
イアロン成形体をケイ素酸化物の存在下に不活性ガス雰
囲気下で焼結させて、緻密なβ−サイアロンを得る方法
が開示されている。また、（３）特開昭64−52679号公
報にはサイアロン焼結体（研磨面）は800〜1100℃の比
較的低温で熱処理して生ずる表面変質層が覆われている
高強度サイアロンおよびその製造方法が示されている。
また、（４） 特開平２−164773号公報ではSiOを含む
非酸化性雰囲気で1300〜1900℃で加熱処理することによ
り均質なシリケートガラス膜を有する焼結体の製造方法
が開示されている。
向上させるための焼結方法や加工方法は種々提案されて
いるが、その例を若干あげれば以下のとおりである。例
えば、（１） 特開昭62−148372号公報には、Si3N4成
形体をY2O3ガスにさらしながら焼結させ、材料表面の組
織的不均質層をなくし、強度向上をはかる方法が開示さ
れている。また、（２） 特開昭64−3076号公報にはサ
イアロン成形体をケイ素酸化物の存在下に不活性ガス雰
囲気下で焼結させて、緻密なβ−サイアロンを得る方法
が開示されている。また、（３）特開昭64−52679号公
報にはサイアロン焼結体（研磨面）は800〜1100℃の比
較的低温で熱処理して生ずる表面変質層が覆われている
高強度サイアロンおよびその製造方法が示されている。
また、（４） 特開平２−164773号公報ではSiOを含む
非酸化性雰囲気で1300〜1900℃で加熱処理することによ
り均質なシリケートガラス膜を有する焼結体の製造方法
が開示されている。
［発明が解決しようとする問題点］ しかしながらこれらの技術によってもなお複雑形状の
高温用部品を得るためには焼結体の組織に対する検討が
不十分で、満足すべき成果を得られていない。すなわち
サイアロンは焼成時に焼結助剤のイットリウム成分が動
きやすく、その結果、焼結体の表面層（以下焼肌面とい
う）にα−サイアロン相およびメリライト相（本発明で
は正方晶形結晶のSi3N4・Y2O3化合物をメリライトとい
う、以下同じ）の偏析が生じやすい。
高温用部品を得るためには焼結体の組織に対する検討が
不十分で、満足すべき成果を得られていない。すなわち
サイアロンは焼成時に焼結助剤のイットリウム成分が動
きやすく、その結果、焼結体の表面層（以下焼肌面とい
う）にα−サイアロン相およびメリライト相（本発明で
は正方晶形結晶のSi3N4・Y2O3化合物をメリライトとい
う、以下同じ）の偏析が生じやすい。
焼肌面のα−サイアロン量が多くなると、焼肌面の強
度は著しく低下する、また、このメリライト量が多くな
ると700〜1100℃での中温域では酸化によりメリライト
相がイットリウムシリケートやクリストバライトに変化
するが、この温度域には充分緻密なガラス膜を形成せ
ず、酸化被膜は多孔質となり、この隙間を通じ焼結体の
酸化が進行する。また、これらの化合物に変化する時、
体積変化を伴うために焼肌面近傍にクラックが生じ、焼
肌面を研磨加工により除去することが出来ない複雑形状
部品への適用には問題があった。
度は著しく低下する、また、このメリライト量が多くな
ると700〜1100℃での中温域では酸化によりメリライト
相がイットリウムシリケートやクリストバライトに変化
するが、この温度域には充分緻密なガラス膜を形成せ
ず、酸化被膜は多孔質となり、この隙間を通じ焼結体の
酸化が進行する。また、これらの化合物に変化する時、
体積変化を伴うために焼肌面近傍にクラックが生じ、焼
肌面を研磨加工により除去することが出来ない複雑形状
部品への適用には問題があった。
［問題を解決するための手段］ 本発明は、サイアンロン焼結体の焼肌面の構成に着目
し、α−サイアロン相およびメリライト相が焼肌面に偏
析を一定の範囲としたサイアロン焼結体を提供するもの
であり、またかかるサイアロン焼結体を得るために、焼
肌面を雰囲気を制御しながら熱処理する方法を提供する
ものである。すなわち、請求項１の発明は、イットリウ
ム化合物およびアルミニウム化合物を焼結助剤として得
られた焼結体において、焼肌面のα′率が10％以下で、
メリライト比が0.25以下のサイアロン焼結体であり、請
求項２の発明はかかるサイアロン焼結体を得るために、
焼結体の焼肌面を、不活性ガスの雰囲気下で、SiO2およ
びSi3N4の存在下にて、1650℃〜1750℃の温度範囲にお
いて熱処理する請求項１記載のサイアロン焼結体の製造
方法である。
し、α−サイアロン相およびメリライト相が焼肌面に偏
析を一定の範囲としたサイアロン焼結体を提供するもの
であり、またかかるサイアロン焼結体を得るために、焼
肌面を雰囲気を制御しながら熱処理する方法を提供する
ものである。すなわち、請求項１の発明は、イットリウ
ム化合物およびアルミニウム化合物を焼結助剤として得
られた焼結体において、焼肌面のα′率が10％以下で、
メリライト比が0.25以下のサイアロン焼結体であり、請
求項２の発明はかかるサイアロン焼結体を得るために、
焼結体の焼肌面を、不活性ガスの雰囲気下で、SiO2およ
びSi3N4の存在下にて、1650℃〜1750℃の温度範囲にお
いて熱処理する請求項１記載のサイアロン焼結体の製造
方法である。
本発明において、サイアロン焼結体は基本的にはβ−
サイアロンであり、その焼肌面はα−サイアロンおよび
メリライトが析出してくる。
サイアロンであり、その焼肌面はα−サイアロンおよび
メリライトが析出してくる。
この構成相および熱処理温度の数値限定の理由につい
て述べれば以下のとおりである。
て述べれば以下のとおりである。
（１）α−サイアロン相の析出量 サイアロン焼結体内部にα−サイアロン層が約５％存
在しているが、焼肌面ではα−サイアロン相（α′相と
云う）の偏析が避けられない。この偏析量が多くなると
焼肌面強度が小さくなる傾向があり、焼肌面のα′相含
有率（α′率）が10％を越えて多いと強度は極端に小さ
くなるので、10％以下が好ましい。
在しているが、焼肌面ではα−サイアロン相（α′相と
云う）の偏析が避けられない。この偏析量が多くなると
焼肌面強度が小さくなる傾向があり、焼肌面のα′相含
有率（α′率）が10％を越えて多いと強度は極端に小さ
くなるので、10％以下が好ましい。
（２）メリライト相の析出量 サイアロン焼結体にβ−サイアロンの粒界の結晶相と
してメリライト相が生成するが、焼肌面におけるメリラ
イト相の偏析量が多くなると耐酸化性に悪影響を及ぼす
ので、メリライト比は0.25以下であることが必要であ
る。
してメリライト相が生成するが、焼肌面におけるメリラ
イト相の偏析量が多くなると耐酸化性に悪影響を及ぼす
ので、メリライト比は0.25以下であることが必要であ
る。
ここで、α′率及びメリライト比は焼肌面のＸ線回折
パターンのピーク強度より下記の式によって計算して求
めた。
パターンのピーク強度より下記の式によって計算して求
めた。
ここにα′は焼肌面α′相ピークの高さ， β′は焼肌面β′相ピークの高さ である。
メリライト比＝M(121)/β′の第一ピーク ここにM(121)はメリライトのピークの高さ （３） 熱処理温度 1650℃未満では熱処理前後焼肌面のα′率及びメリラ
イト比の変化が無く、焼肌面強度が向上しない。また、
1750℃を越えた高温ではサイアロンが分解するめ、面が
粗くなり強度の向上が顕著でなくなる。従って熱処理温
度は1650℃〜1750℃が好ましい。
イト比の変化が無く、焼肌面強度が向上しない。また、
1750℃を越えた高温ではサイアロンが分解するめ、面が
粗くなり強度の向上が顕著でなくなる。従って熱処理温
度は1650℃〜1750℃が好ましい。
また、熱処理にあたっては、焼結体を不活性ガス雰囲
気で、炉内にSiO2およびSi3N4の存在下で行うことが必
須とされる。そのために、SiO2およびSi3N4粉末を熱処
理炉内に配置する。なお、焼成ケースとしてはSi3N4ケ
ースが好ましく、被処理体をSiO2およびSi3N4の存在下
例えばこれらの粉末に埋没させる方法などが有効であ
る。
気で、炉内にSiO2およびSi3N4の存在下で行うことが必
須とされる。そのために、SiO2およびSi3N4粉末を熱処
理炉内に配置する。なお、焼成ケースとしてはSi3N4ケ
ースが好ましく、被処理体をSiO2およびSi3N4の存在下
例えばこれらの粉末に埋没させる方法などが有効であ
る。
焼結助剤については、イットリウム化合物としてはY2
O3が、またアルミニウム化合物にあってはAl2O3,AlNが
代表的なものとして例示される。
O3が、またアルミニウム化合物にあってはAl2O3,AlNが
代表的なものとして例示される。
［作 用］ イットリウム化合物を焼結助剤として添加されたβ−
サイアロン焼結体は、従来の焼成方法で焼成雰囲気を制
御しても焼肌面近傍にイットリウム濃度の高い層が出来
る。
サイアロン焼結体は、従来の焼成方法で焼成雰囲気を制
御しても焼肌面近傍にイットリウム濃度の高い層が出来
る。
この焼結体を上記の方法で雰囲気を制御しながら熱処
理すると焼肌面のα′率及びメリライト比（Si3N4・Y2O
3化合物比）が著しく減少し、焼肌面強度及び耐酸化性
が向上する。
理すると焼肌面のα′率及びメリライト比（Si3N4・Y2O
3化合物比）が著しく減少し、焼肌面強度及び耐酸化性
が向上する。
［実施例］ Si3N4粉末（平均粒径0.7μm,α率95％）,Y2O3粉末,Al
N粉末,Al2O3粉末をβ−サイアロン（Si6-zAlxOxN8-z）
においてＺ＝0.25になるように混合し、静水圧プレス1.
5トンにより50×50×5mmの角板状試料を得た。この試料
をN2中で1atm−1700℃で４時間予備焼成し、さらにN2中
で75atm−２時間焼成した。得られた焼結体を第１図に
示すように３×４×40mmの焼肌面を有する形状に切り出
し試験片とした。
N粉末,Al2O3粉末をβ−サイアロン（Si6-zAlxOxN8-z）
においてＺ＝0.25になるように混合し、静水圧プレス1.
5トンにより50×50×5mmの角板状試料を得た。この試料
をN2中で1atm−1700℃で４時間予備焼成し、さらにN2中
で75atm−２時間焼成した。得られた焼結体を第１図に
示すように３×４×40mmの焼肌面を有する形状に切り出
し試験片とした。
得られた試験片をBN−SiO2−Si3N4混合粉末を塗布し
たSi3N4焼成ケースを用い、N2雰囲気中で1400〜1800℃
の温度範囲において熱処理を行い、JIS−Ｒ−1601「フ
ァインセラミックスの曲げ強さ試験方法」（３点曲げス
パン30）に従って強度評価を行なった。
たSi3N4焼成ケースを用い、N2雰囲気中で1400〜1800℃
の温度範囲において熱処理を行い、JIS−Ｒ−1601「フ
ァインセラミックスの曲げ強さ試験方法」（３点曲げス
パン30）に従って強度評価を行なった。
また、耐酸化性の評価は、大気雰囲気中に1000℃−10
00時間の酸化処理後の室温強度の測定により行なった。
00時間の酸化処理後の室温強度の測定により行なった。
熱処理条件を変えるとともにSi3N4焼成ケース使用有
無による実施例、比較例について、α′率、メリライト
比、室温強度を酸化の有無の場合について表示したもの
が第１表である。これによれば、本発明のものは酸化の
有無にかかわりなく優れていることが判る。
無による実施例、比較例について、α′率、メリライト
比、室温強度を酸化の有無の場合について表示したもの
が第１表である。これによれば、本発明のものは酸化の
有無にかかわりなく優れていることが判る。
［発明の効果］ 本発明は上記比較試験からも明らかなとおり本発明の
所定の条件で処理することにより焼肌面のα′率が10％
以下で、メリライト比が0.25以下のものとなるために、
酸化前も酸化後も極めて優れた曲げ強度を有するサイア
ロン焼結体を提供することができるので、切削加工がし
難い複雑形状のものでも焼肌面近傍にクラックの発生し
ない製品を得ることが可能である。
所定の条件で処理することにより焼肌面のα′率が10％
以下で、メリライト比が0.25以下のものとなるために、
酸化前も酸化後も極めて優れた曲げ強度を有するサイア
ロン焼結体を提供することができるので、切削加工がし
難い複雑形状のものでも焼肌面近傍にクラックの発生し
ない製品を得ることが可能である。
第１図は焼肌面を有するサイアロン焼結体の試験片の構
造を示す斜視図である。
造を示す斜視図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−232970（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−232971（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−232972（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】イットリウム化合物およびアルミニウム化
合物を焼結助剤として得られた焼結体において、α−サ
イアロン、β−サイアロン、メリライトおよび粒界相よ
りなり、焼肌面のα−サイアロン率が10％以下で、メリ
ライト比が0.25以下であることを特徴とするサイアロン
焼結体。 - 【請求項２】焼結体の焼肌面を、不活性ガス雰囲気中
で、SiO2およびSi3N4の存在下にて、1650℃〜1750℃の
温度範囲において熱処理することを特徴とする請求項１
記載のサイアロン焼結体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2232578A JP2696596B2 (ja) | 1990-09-04 | 1990-09-04 | サイアロン焼結体およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2232578A JP2696596B2 (ja) | 1990-09-04 | 1990-09-04 | サイアロン焼結体およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04114973A JPH04114973A (ja) | 1992-04-15 |
| JP2696596B2 true JP2696596B2 (ja) | 1998-01-14 |
Family
ID=16941549
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2232578A Expired - Fee Related JP2696596B2 (ja) | 1990-09-04 | 1990-09-04 | サイアロン焼結体およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2696596B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4716855B2 (ja) * | 2005-11-08 | 2011-07-06 | 日本特殊陶業株式会社 | サイアロン製切削工具及びこれを備えた工具 |
-
1990
- 1990-09-04 JP JP2232578A patent/JP2696596B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04114973A (ja) | 1992-04-15 |
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