JP3140122B2 - 窒化珪素質焼結体 - Google Patents
窒化珪素質焼結体Info
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- JP3140122B2 JP3140122B2 JP03334946A JP33494691A JP3140122B2 JP 3140122 B2 JP3140122 B2 JP 3140122B2 JP 03334946 A JP03334946 A JP 03334946A JP 33494691 A JP33494691 A JP 33494691A JP 3140122 B2 JP3140122 B2 JP 3140122B2
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- Japan
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- earth element
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、室温から高温までの強
度特性に優れ、特に、自動車用部品やガスタ−ビンエン
ジン用部品等に使用される窒化珪素質焼結体及びその製
造方法に関する。
度特性に優れ、特に、自動車用部品やガスタ−ビンエン
ジン用部品等に使用される窒化珪素質焼結体及びその製
造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、窒化珪素質焼結体は、耐熱
性、耐熱衝撃性および耐酸化性に優れることからエンジ
ニアリングセラミックス、特にタ−ボロ−タ−等の熱機
関用として応用が進められている。この窒化珪素質焼結
体は、一般には窒化珪素に対してＹ2 Ｏ3 、Ａｌ2 Ｏ3
あるいはＭｇＯなどの焼結助剤を添加することにより高
密度で高強度の特性が得られている。このような窒化珪
素質焼結体に対しては、さらにその使用条件が高温化す
るに際して、高温における強度および耐酸化性のさらな
る改善が求められている。かかる要求に対して、これま
で焼結助剤の検討や焼成条件等を改善する等各種の改良
が試みられている。
性、耐熱衝撃性および耐酸化性に優れることからエンジ
ニアリングセラミックス、特にタ−ボロ−タ−等の熱機
関用として応用が進められている。この窒化珪素質焼結
体は、一般には窒化珪素に対してＹ2 Ｏ3 、Ａｌ2 Ｏ3
あるいはＭｇＯなどの焼結助剤を添加することにより高
密度で高強度の特性が得られている。このような窒化珪
素質焼結体に対しては、さらにその使用条件が高温化す
るに際して、高温における強度および耐酸化性のさらな
る改善が求められている。かかる要求に対して、これま
で焼結助剤の検討や焼成条件等を改善する等各種の改良
が試みられている。
【０００３】その中で、従来より焼結助剤として用いら
れてきたＡｌ2 Ｏ3 等の低融点酸化物が高温特性を劣化
させるという見地から、窒化珪素に対してＹ2 Ｏ3 等の
希土類元素および酸化珪素からなる単純な３元系の組成
からなる焼結体が提案されている。また、かかる焼結体
の粒界にＳｉ3 Ｎ4 −ＲＥ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 からなるＹ
ＡＭ相、アパタイト相、ワラストナイト相、シリコンオ
キシナイトライド相、ダイシリケート相等の結晶相を析
出させることにより粒界の高融点化および安定化を図る
ことが提案されている。
れてきたＡｌ2 Ｏ3 等の低融点酸化物が高温特性を劣化
させるという見地から、窒化珪素に対してＹ2 Ｏ3 等の
希土類元素および酸化珪素からなる単純な３元系の組成
からなる焼結体が提案されている。また、かかる焼結体
の粒界にＳｉ3 Ｎ4 −ＲＥ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 からなるＹ
ＡＭ相、アパタイト相、ワラストナイト相、シリコンオ
キシナイトライド相、ダイシリケート相等の結晶相を析
出させることにより粒界の高融点化および安定化を図る
ことが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、粒界
を結晶化することにより、粒界が非晶質である場合に比
較して高温特性は改善されるものの、安定な結晶相の生
成を行うことができず、しかも、所定の結晶相が析出す
ると同時に結晶化に寄与しなかった成分により低融点の
粒界相が形成されてしまうために、結晶化による充分な
効果が得られていないのが現状であった。
を結晶化することにより、粒界が非晶質である場合に比
較して高温特性は改善されるものの、安定な結晶相の生
成を行うことができず、しかも、所定の結晶相が析出す
ると同時に結晶化に寄与しなかった成分により低融点の
粒界相が形成されてしまうために、結晶化による充分な
効果が得られていないのが現状であった。
【０００５】そのために、かかる焼結体を実用化する実
用的には未だ不十分であり、さらなる強度の改良、およ
び耐酸化特性の改良が要求されている。
用的には未だ不十分であり、さらなる強度の改良、およ
び耐酸化特性の改良が要求されている。
【０００６】よって、本発明は、特に耐酸化性の観点か
ら室温から高温まで自動車用部品やガスタ−ビンエンジ
ン用部品等で使用されるに充分な強度特性、特に、室温
から１４００℃の高温までの抗折強度に優れ、さらに低
温から高温までの耐酸化特性に優れた窒化珪素質焼結体
を提供することを目的とするものである。
ら室温から高温まで自動車用部品やガスタ−ビンエンジ
ン用部品等で使用されるに充分な強度特性、特に、室温
から１４００℃の高温までの抗折強度に優れ、さらに低
温から高温までの耐酸化特性に優れた窒化珪素質焼結体
を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】本発明者は、焼結体の
強度特性及び耐酸化特性を高めるためには、焼結体の組
成および窒化珪素相の粒界に存在する副相を制御するこ
とが重要であるという見地に基づき検討を重ねた結果、
窒化珪素を主体とし、これに軽希土類酸化物と重希土類
酸化物を複合添加し、さらに酸化珪素を添加し、これを
成形焼成し、さらに冷却中、または、冷却後熱処理を施
すことで酸化珪素と希土類元素を含む結晶質の粒界相、
特に（ＲＥｈ・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 で表され、希土類元
素（ＲＥ）が軽希土類元素（ＲＥｌ）と重希土類元素
（ＲＥｈ）から構成される結晶相を析出させることによ
り室温から高温まで優れた強度特性を有し、さらに低温
から１４００℃まで優れた耐酸化特性を有する焼結体が
得られることを知見した。
強度特性及び耐酸化特性を高めるためには、焼結体の組
成および窒化珪素相の粒界に存在する副相を制御するこ
とが重要であるという見地に基づき検討を重ねた結果、
窒化珪素を主体とし、これに軽希土類酸化物と重希土類
酸化物を複合添加し、さらに酸化珪素を添加し、これを
成形焼成し、さらに冷却中、または、冷却後熱処理を施
すことで酸化珪素と希土類元素を含む結晶質の粒界相、
特に（ＲＥｈ・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 で表され、希土類元
素（ＲＥ）が軽希土類元素（ＲＥｌ）と重希土類元素
（ＲＥｈ）から構成される結晶相を析出させることによ
り室温から高温まで優れた強度特性を有し、さらに低温
から１４００℃まで優れた耐酸化特性を有する焼結体が
得られることを知見した。
【０００８】以下、本発明を詳述する。
【０００９】本発明の窒化珪素質焼結体は、組成上は窒
化珪素を主成分としこれに添加成分として、希土類元素
酸化物および過剰酸素を含むものである。本発明によれ
ば、前記希土類元素が軽希土類元素と重希土類元素とか
らなることが大きな特徴である。軽希土類元素とは、原
子番号５７〜６３のランタニド系元素で、具体的にはＬ
ａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ等で、一方、重希土類元素とは原
子番号６４〜７１のランタニド系元素で、元素番号３９
のイットリウムは重希土類元素酸化物に含む。
化珪素を主成分としこれに添加成分として、希土類元素
酸化物および過剰酸素を含むものである。本発明によれ
ば、前記希土類元素が軽希土類元素と重希土類元素とか
らなることが大きな特徴である。軽希土類元素とは、原
子番号５７〜６３のランタニド系元素で、具体的にはＬ
ａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ等で、一方、重希土類元素とは原
子番号６４〜７１のランタニド系元素で、元素番号３９
のイットリウムは重希土類元素酸化物に含む。
【００１０】また、前記過剰酸素とは焼結体中の全酸素
量から焼結体中の軽希土類元素（ＲＥｌ）と重希土類元
素（ＲＥｈ）とからなる希土類元素（ＲＥ）が化学量論
的に酸化物（ＲＥ2Ｏ3）を形成した場合に元素に結合し
ている酸素を除く残りの酸素量であり、そのほとんどは
窒化珪素原料に含まれる酸素、あるいは、ＳｉＯ2等の
添加として混入するものであり、本発明では全てＳｉＯ
2として存在するものとして考慮する。
量から焼結体中の軽希土類元素（ＲＥｌ）と重希土類元
素（ＲＥｈ）とからなる希土類元素（ＲＥ）が化学量論
的に酸化物（ＲＥ2Ｏ3）を形成した場合に元素に結合し
ている酸素を除く残りの酸素量であり、そのほとんどは
窒化珪素原料に含まれる酸素、あるいは、ＳｉＯ2等の
添加として混入するものであり、本発明では全てＳｉＯ
2として存在するものとして考慮する。
【００１１】また、本発明の窒化珪素質焼結体は、組織
的には窒化珪素結晶相を主相とするものであり、そのほ
とんどはβ−Ｓｉ3Ｎ4からなり、その粒界には前述の軽
希土類元素（ＲＥｌ）と重希土類元素（ＲＥｈ）の酸化
物と過剰酸素（酸化珪素として存在すると考えられる）
が存在するが、本発明によれば、この粒界相が主として
（ＲＥｈ・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 で表される結晶からなる
ことも重要である。この結晶相は、軽希土類元素化合物
と重希土類元素化合物の複合酸化物として存在するか、
または、重希土類元素化合物の中に軽希土類元素が固溶
した形で存在する。また、この結晶相は焼結過程では、
窒化珪素粒子との反応により低融点の液相として存在
し、焼結性を高めるが、冷却後そのまま、粒界相にガラ
ス相として残存すると高温強度を低下させてしまうと同
時に耐酸化特性を劣化させてしまう。よって、所定の冷
却過程あるいは熱処理により上記結晶相を析出させるこ
とにより、高温強度を高めると同時に耐酸化特性を高め
ることができる。
的には窒化珪素結晶相を主相とするものであり、そのほ
とんどはβ−Ｓｉ3Ｎ4からなり、その粒界には前述の軽
希土類元素（ＲＥｌ）と重希土類元素（ＲＥｈ）の酸化
物と過剰酸素（酸化珪素として存在すると考えられる）
が存在するが、本発明によれば、この粒界相が主として
（ＲＥｈ・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 で表される結晶からなる
ことも重要である。この結晶相は、軽希土類元素化合物
と重希土類元素化合物の複合酸化物として存在するか、
または、重希土類元素化合物の中に軽希土類元素が固溶
した形で存在する。また、この結晶相は焼結過程では、
窒化珪素粒子との反応により低融点の液相として存在
し、焼結性を高めるが、冷却後そのまま、粒界相にガラ
ス相として残存すると高温強度を低下させてしまうと同
時に耐酸化特性を劣化させてしまう。よって、所定の冷
却過程あるいは熱処理により上記結晶相を析出させるこ
とにより、高温強度を高めると同時に耐酸化特性を高め
ることができる。
【００１２】また、上記結晶相を析出させるために焼結
体中の過剰酸素の酸化珪素換算量（ＳｉＯ2）の軽希土
類元素（ＲＥｌ）と重希土類元素（ＲＥｈ）とからなる
希土類元素（ＲＥ）の酸化物換算量（ＲＥ2Ｏ3）に対す
るモル比率（ＳｉＯ2／ＲＥ2Ｏ3）が２．０以上、特に
２．０〜２．５であることが必要である。これは上記比
率が２．０未満では、粒界相に（ＲＥｈ・ＲＥｌ） 2 Ｓ
ｉ 2 Ｏ 7 以外にＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎからなる微量のガラス
層が存在しやすく、高温強度を低下させると共に耐酸化
特性を劣化させる。また、完全に結晶化させてもＲＥ10
Ｓｉ2Ｏ23Ｎ4やＲＥ10（ＳｉＯ4）6Ｎ2等で記述されて
いるアパタイト相や、ＲＥ4Ｓｉ2Ｏ7Ｎ2で記述されるＹ
ＡＭ相が析出し、耐酸化特性を劣化させてしまうためで
ある。
体中の過剰酸素の酸化珪素換算量（ＳｉＯ2）の軽希土
類元素（ＲＥｌ）と重希土類元素（ＲＥｈ）とからなる
希土類元素（ＲＥ）の酸化物換算量（ＲＥ2Ｏ3）に対す
るモル比率（ＳｉＯ2／ＲＥ2Ｏ3）が２．０以上、特に
２．０〜２．５であることが必要である。これは上記比
率が２．０未満では、粒界相に（ＲＥｈ・ＲＥｌ） 2 Ｓ
ｉ 2 Ｏ 7 以外にＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎからなる微量のガラス
層が存在しやすく、高温強度を低下させると共に耐酸化
特性を劣化させる。また、完全に結晶化させてもＲＥ10
Ｓｉ2Ｏ23Ｎ4やＲＥ10（ＳｉＯ4）6Ｎ2等で記述されて
いるアパタイト相や、ＲＥ4Ｓｉ2Ｏ7Ｎ2で記述されるＹ
ＡＭ相が析出し、耐酸化特性を劣化させてしまうためで
ある。
【００１３】本発明によれば、粒界に主として（ＲＥｈ
・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 結晶を析出させるが、モル比率
（ＳｉＯ2／ＲＥ2Ｏ3）が２．０以上で、およそ２．５
以下では結晶相は（ＲＥｈ・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 結晶の
み析出するが、モル比率が２．５より大きくなると（Ｒ
Ｅｈ・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 結晶以外にわずかにＳｉ2Ｎ2
Ｏが析出することがあるが、耐酸化性の点からは、何ら
問題ない。しかし、Ｓｉ2Ｎ2Ｏを主体とする結晶相が析
出すると破壊靱性値が低下するという問題が生じるため
にモル比率は２．０〜２．５であることが望ましい。
・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 結晶を析出させるが、モル比率
（ＳｉＯ2／ＲＥ2Ｏ3）が２．０以上で、およそ２．５
以下では結晶相は（ＲＥｈ・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 結晶の
み析出するが、モル比率が２．５より大きくなると（Ｒ
Ｅｈ・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 結晶以外にわずかにＳｉ2Ｎ2
Ｏが析出することがあるが、耐酸化性の点からは、何ら
問題ない。しかし、Ｓｉ2Ｎ2Ｏを主体とする結晶相が析
出すると破壊靱性値が低下するという問題が生じるため
にモル比率は２．０〜２．５であることが望ましい。
【００１４】また、本発明の窒化珪素質焼結体によれ
ば、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＣａＯ等の低融点の金属酸化
物が存在すると粒界の結晶化が阻害されるとともに高温
強度を劣化させるためにこれらの酸化物は合量で０．５
重量％以下に制御することが望ましい。
ば、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＣａＯ等の低融点の金属酸化
物が存在すると粒界の結晶化が阻害されるとともに高温
強度を劣化させるためにこれらの酸化物は合量で０．５
重量％以下に制御することが望ましい。
【００１５】次に、本発明に窒化珪素質焼結体を製造す
る方法について説明すると、まず、原料粉末として窒化
珪素粉末を主成分とし、添加成分として軽希土類元素酸
化物粉末と重希土類元素酸化物粉末および酸化珪素粉末
を添加する他に、または添加成分として前記希土類元素
酸化物と酸化珪素からなる化合物粉末、または窒化珪素
と前記希土類元素酸化物と酸化珪素とからなる化合物粉
末を用いることもできる。
る方法について説明すると、まず、原料粉末として窒化
珪素粉末を主成分とし、添加成分として軽希土類元素酸
化物粉末と重希土類元素酸化物粉末および酸化珪素粉末
を添加する他に、または添加成分として前記希土類元素
酸化物と酸化珪素からなる化合物粉末、または窒化珪素
と前記希土類元素酸化物と酸化珪素とからなる化合物粉
末を用いることもできる。
【００１６】用いる窒化珪素粉末は、それ自体α−Ｓｉ
3 Ｎ4 、β−Ｓｉ3 Ｎ4 のいずれでもよく、それらの粒
径は０．４〜１．２μｍが適当である。
3 Ｎ4 、β−Ｓｉ3 Ｎ4 のいずれでもよく、それらの粒
径は０．４〜１．２μｍが適当である。
【００１７】本発明によれば、これらの粉末を用いて、
窒化珪素が７０〜９７モル％、軽希土類元素酸化物と重
希土類元素酸化物、酸化珪素の合計が３〜３０モル％
で、軽希土類元素酸化物と重希土類元素酸化物の合量
（ＲＥ2 Ｏ3 ）と、酸化珪素（ＳｉＯ2 ）とのＳｉＯ2
／ＲＥ2 Ｏ3 で表されるモル比が２．０以上になるよう
に調製、混合する。この時の酸化珪素量（ＳｉＯ2 ）と
は、窒化珪素粉末に含まれる不純物酸素をＳｉＯ2 換算
した量と添加する酸化珪素粉末、または、珪素含有化合
物中の珪素量の酸化珪素換算量との合量である。
窒化珪素が７０〜９７モル％、軽希土類元素酸化物と重
希土類元素酸化物、酸化珪素の合計が３〜３０モル％
で、軽希土類元素酸化物と重希土類元素酸化物の合量
（ＲＥ2 Ｏ3 ）と、酸化珪素（ＳｉＯ2 ）とのＳｉＯ2
／ＲＥ2 Ｏ3 で表されるモル比が２．０以上になるよう
に調製、混合する。この時の酸化珪素量（ＳｉＯ2 ）と
は、窒化珪素粉末に含まれる不純物酸素をＳｉＯ2 換算
した量と添加する酸化珪素粉末、または、珪素含有化合
物中の珪素量の酸化珪素換算量との合量である。
【００１８】このようにして得られた混合粉末を公知の
成形方法、例えば、プレス成形、鋳込み成形、押出し成
形、射出成形、冷間静水圧成形などにより所望の形状に
成形した後、得られた成形体を公知の焼成方法、例え
ば、ホットプレス方法、常圧焼成、窒素ガス圧力焼成、
さらには、これらの焼成後のＨＩＰ焼成、および、ガラ
スシ−ルＨＩＰ焼成等で焼成し、緻密な焼結体を得る。
この時の焼成温度は、高温すぎると窒化珪素結晶が粒成
長し強度が低下するため、１９００℃以下、特に、１６
５０〜１８５０℃の窒素ガス含有非酸化性雰囲気である
ことが望ましい。
成形方法、例えば、プレス成形、鋳込み成形、押出し成
形、射出成形、冷間静水圧成形などにより所望の形状に
成形した後、得られた成形体を公知の焼成方法、例え
ば、ホットプレス方法、常圧焼成、窒素ガス圧力焼成、
さらには、これらの焼成後のＨＩＰ焼成、および、ガラ
スシ−ルＨＩＰ焼成等で焼成し、緻密な焼結体を得る。
この時の焼成温度は、高温すぎると窒化珪素結晶が粒成
長し強度が低下するため、１９００℃以下、特に、１６
５０〜１８５０℃の窒素ガス含有非酸化性雰囲気である
ことが望ましい。
【００１９】次に、焼成終了後、冷却過程で熱処理を施
すか、または得られた焼結体を非酸化性雰囲気中で熱処
理する。熱処理方法として、まず、焼結体の粒界に生成
しているガラスの軟化温度Ｔｇと、窒化珪素と（ＲＥｈ
・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 への結晶化温度Ｔｃの間で一旦保
持し、（ＲＥｈ・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 の結晶核を発生さ
せる。その後、結晶化温度Ｔｃと、窒化珪素結晶と（Ｒ
Ｅｈ・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 結晶の共晶温度Ｔｅの間で保
持し（ＲＥｈ・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 の結晶核を成長させ
て熱処理を行うことにより、（ＲＥｈ・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2
Ｏ 7 結晶の生成を促進し、界面に存在するアモルファス
層の生成を抑制することができる。
すか、または得られた焼結体を非酸化性雰囲気中で熱処
理する。熱処理方法として、まず、焼結体の粒界に生成
しているガラスの軟化温度Ｔｇと、窒化珪素と（ＲＥｈ
・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 への結晶化温度Ｔｃの間で一旦保
持し、（ＲＥｈ・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 の結晶核を発生さ
せる。その後、結晶化温度Ｔｃと、窒化珪素結晶と（Ｒ
Ｅｈ・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 結晶の共晶温度Ｔｅの間で保
持し（ＲＥｈ・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 の結晶核を成長させ
て熱処理を行うことにより、（ＲＥｈ・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2
Ｏ 7 結晶の生成を促進し、界面に存在するアモルファス
層の生成を抑制することができる。
【００２０】上記軟化温度Ｔｇ、結晶化温度Ｔｃおよび
共晶温度Ｔｅを求める方法としては、前述した方法と同
様な方法で焼成した後、室温まで急冷し、粒界相がガラ
ス相である焼結体を作製し、この焼結体から薄片を切出
し、分析電子顕微鏡を用いてこの粒界相のガラス組成を
ＵＴＷ−ＥＤＸ法により求める。次にこのガラス組成と
同じ組成になるように調整した混合粉末を成形焼成後、
急冷し、ガラスを作製し、ＤＴＡ法によりこのガラスの
軟化温度Ｔｇ、結晶化温度Ｔｃを求めることができ、さ
らに、窒化珪素粉末とＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 粉末の混合粉末
を用いＤＴＡ法により両者のタイライン上の共晶温度Ｔ
ｅを求めることができる。
共晶温度Ｔｅを求める方法としては、前述した方法と同
様な方法で焼成した後、室温まで急冷し、粒界相がガラ
ス相である焼結体を作製し、この焼結体から薄片を切出
し、分析電子顕微鏡を用いてこの粒界相のガラス組成を
ＵＴＷ−ＥＤＸ法により求める。次にこのガラス組成と
同じ組成になるように調整した混合粉末を成形焼成後、
急冷し、ガラスを作製し、ＤＴＡ法によりこのガラスの
軟化温度Ｔｇ、結晶化温度Ｔｃを求めることができ、さ
らに、窒化珪素粉末とＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 粉末の混合粉末
を用いＤＴＡ法により両者のタイライン上の共晶温度Ｔ
ｅを求めることができる。
【００２１】本発明者等の実験によれば、各種の窒化珪
素と（ＲＥｈ・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 から構成されるガラ
スの軟化温度Ｔｇは約９５０℃前後、結晶化温度Ｔｃは
１１００℃前後である。また、共晶温度Ｔｅは１５５０
℃前後の温度である。したがって、熱処理温度として、
一段目の温度を１０５０℃近辺に設定し、二段目の温度
を１４００℃前後に設定することが好ましい。
素と（ＲＥｈ・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 から構成されるガラ
スの軟化温度Ｔｇは約９５０℃前後、結晶化温度Ｔｃは
１１００℃前後である。また、共晶温度Ｔｅは１５５０
℃前後の温度である。したがって、熱処理温度として、
一段目の温度を１０５０℃近辺に設定し、二段目の温度
を１４００℃前後に設定することが好ましい。
【００２２】
【作用】窒化珪素質焼結体の特性を決定する大きな要因
として、焼結体中に粒界の組成および組織が挙げられ
る。高温において高強度であるためには粒界が結晶化し
ていることが重要であるが、一般的には、粒界のガラス
層を完全に結晶化することは難しい。粒界に多量にアモ
ルファス層が存在すると高温強度の劣化につながるとと
もに、アモルファス層中に窒素が固溶しているために焼
結体の耐酸化性も低下する。
として、焼結体中に粒界の組成および組織が挙げられ
る。高温において高強度であるためには粒界が結晶化し
ていることが重要であるが、一般的には、粒界のガラス
層を完全に結晶化することは難しい。粒界に多量にアモ
ルファス層が存在すると高温強度の劣化につながるとと
もに、アモルファス層中に窒素が固溶しているために焼
結体の耐酸化性も低下する。
【００２３】本発明によれば、この粒界相に（ＲＥｈ・
ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 で表される結晶相を析出させ、これ
により、室温から高温における強度劣化を小さくするこ
とができるとともに室温から高温までの優れた耐酸化性
を付与することができる。
ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 で表される結晶相を析出させ、これ
により、室温から高温における強度劣化を小さくするこ
とができるとともに室温から高温までの優れた耐酸化性
を付与することができる。
【００２４】さらに、前記粒界結晶相を構成する希土類
元素のうち軽希土類元素は重希土類に比べてイオン半径
が大きいために、窒化珪素原料中に存在し結晶化の段階
で、窒化珪素との界面に生成するアモルファス相に残存
し、高温強度を低下させる不純物元素を固溶させやすい
性質を有する。しかし、軽希土類元素のみでは耐酸化特
性が低いという問題があり、また、重希土類元素のみで
は、高温強度が不充分という問題がある。そこで、重希
土類元素酸化物と軽希土類元素を組み合わせることによ
り上記の問題が解消されるとともに、高温強度を高める
ことができる。
元素のうち軽希土類元素は重希土類に比べてイオン半径
が大きいために、窒化珪素原料中に存在し結晶化の段階
で、窒化珪素との界面に生成するアモルファス相に残存
し、高温強度を低下させる不純物元素を固溶させやすい
性質を有する。しかし、軽希土類元素のみでは耐酸化特
性が低いという問題があり、また、重希土類元素のみで
は、高温強度が不充分という問題がある。そこで、重希
土類元素酸化物と軽希土類元素を組み合わせることによ
り上記の問題が解消されるとともに、高温強度を高める
ことができる。
【００２５】かかる点から、軽希土元素（ＲＥｌ）と重
希土元素（ＲＥｈ）は、ＲＥｈ／ＲＥｌで示されるモル
比率が１以上であることが好ましい。
希土元素（ＲＥｈ）は、ＲＥｈ／ＲＥｌで示されるモル
比率が１以上であることが好ましい。
【００２６】
【実施例】原料粉末として窒化珪素粉末（ＢＥＴ比表面
積９ｍ2 ／ｇ、α率９８％、酸素量１．２重量％）と、
重希土類元素酸化物（ＲＥｈ）粉末、軽希土類元素酸化
物（ＲＥｌ）粉末および酸化珪素粉末を用いて表１に示
す組成になるように調合後、１ｔ／ｃｍ2 で金型成形し
た。
積９ｍ2 ／ｇ、α率９８％、酸素量１．２重量％）と、
重希土類元素酸化物（ＲＥｈ）粉末、軽希土類元素酸化
物（ＲＥｌ）粉末および酸化珪素粉末を用いて表１に示
す組成になるように調合後、１ｔ／ｃｍ2 で金型成形し
た。
【００２７】これらの成形体を炭化珪素質の匣鉢に入れ
て、組成変動を少なくするために、雰囲気を制御し１０
気圧の窒素ガス気流中、１８５０℃、４時間の条件で焼
成した。さらに、試料Ｎo.１３を除く試料に対して１気
圧の窒素中で１０５０℃で１２時間、引き続き１４００
℃で２４時間の熱処理を行った。
て、組成変動を少なくするために、雰囲気を制御し１０
気圧の窒素ガス気流中、１８５０℃、４時間の条件で焼
成した。さらに、試料Ｎo.１３を除く試料に対して１気
圧の窒素中で１０５０℃で１２時間、引き続き１４００
℃で２４時間の熱処理を行った。
【００２８】得られた焼結体をＪＩＳ−Ｒ１６０１にて
指定されている形状まで研磨し試料を作製した。この試
料についてアルキメデス法に基づく比重測定、ＪＩＳ−
Ｒ１６０１に基づく室温および１０００℃での４点曲げ
抗折強度試験を実施した。また、試料を９００℃空気
中、または１４００℃空気中に１００時間暴露し、重量
増加量と試料の表面積から単位表面積当たりの重量変化
を求めた。焼結体組成は、試料を粉砕し、酸素量は最終
的にＣＯ2 に変換して赤外線吸収法で定量し、窒素量は
熱伝導度測定により、珪素、周期律表第３ａ族元素は発
光分光分析により求めた。結果は、表２に示した。
指定されている形状まで研磨し試料を作製した。この試
料についてアルキメデス法に基づく比重測定、ＪＩＳ−
Ｒ１６０１に基づく室温および１０００℃での４点曲げ
抗折強度試験を実施した。また、試料を９００℃空気
中、または１４００℃空気中に１００時間暴露し、重量
増加量と試料の表面積から単位表面積当たりの重量変化
を求めた。焼結体組成は、試料を粉砕し、酸素量は最終
的にＣＯ2 に変換して赤外線吸収法で定量し、窒素量は
熱伝導度測定により、珪素、周期律表第３ａ族元素は発
光分光分析により求めた。結果は、表２に示した。
【００２９】
【表１】
【００３０】
【表２】
【００３１】表１および表２の結果によると、軽希土類
元素と重希土類元素を複合させていないＮo.１、Ｎo.
７、Ｎo.１９はやや緻密化不足であり、さらに高温強度
あるいは耐酸化性が低下していた。また、ＳｉＯ2／Ｒ
Ｅ2 Ｏ3 が２未満のＮo.１４、Ｎo.１５試料は、耐酸化
特性が劣化していた。ＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 が２以上で
も粒界相にＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 に結晶化していないＮｏ．
１３は高温強度が劣化していた。
元素と重希土類元素を複合させていないＮo.１、Ｎo.
７、Ｎo.１９はやや緻密化不足であり、さらに高温強度
あるいは耐酸化性が低下していた。また、ＳｉＯ2／Ｒ
Ｅ2 Ｏ3 が２未満のＮo.１４、Ｎo.１５試料は、耐酸化
特性が劣化していた。ＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 が２以上で
も粒界相にＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 に結晶化していないＮｏ．
１３は高温強度が劣化していた。
【００３２】これらの比較例に対し、本発明の焼結体は
いずれも優れた抗折強度、耐酸化特性を示していた。
いずれも優れた抗折強度、耐酸化特性を示していた。
【００３３】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の窒化珪素質
焼結体によれば、２種以上の希土類元素を有するダイシ
リケート結晶相を析出させることにより、高温における
強度および耐酸化性を高めることができる。
焼結体によれば、２種以上の希土類元素を有するダイシ
リケート結晶相を析出させることにより、高温における
強度および耐酸化性を高めることができる。
Claims (2)
- 【請求項１】窒化珪素結晶相を主相とし、重希土類元素
及び軽希土類元素を酸化物換算で各々０．３モル％以上
含み、前記主相の粒界に重希土類元素（ＲＥｈ）、軽希
土類元素（ＲＥｌ）、珪素および酸素から構成され、
（ＲＥｈ・ＲＥｌ） 2 Ｓｉ 2 Ｏ 7 で表される結晶相を含有
することを特徴とする窒化珪素質焼結体。 - 【請求項２】全希土類元素の酸化物換算量（ＲＥ2Ｏ3）
と、焼結体中の過剰酸素の酸化珪素（ＳｉＯ2）換算量
とのＳｉＯ2／ＲＥ2Ｏ3で表されるモル比が２．０〜
２．５である請求項１記載の窒化珪素質焼結体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03334946A JP3140122B2 (ja) | 1991-12-18 | 1991-12-18 | 窒化珪素質焼結体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03334946A JP3140122B2 (ja) | 1991-12-18 | 1991-12-18 | 窒化珪素質焼結体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05163066A JPH05163066A (ja) | 1993-06-29 |
| JP3140122B2 true JP3140122B2 (ja) | 2001-03-05 |
Family
ID=18283006
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03334946A Expired - Fee Related JP3140122B2 (ja) | 1991-12-18 | 1991-12-18 | 窒化珪素質焼結体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3140122B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3933345B2 (ja) * | 1999-05-21 | 2007-06-20 | 日本特殊陶業株式会社 | 発熱抵抗体及びセラミックヒータ用発熱抵抗体並びにその製造方法、及びセラミックヒータ |
| WO2006057232A1 (ja) * | 2004-11-26 | 2006-06-01 | Kyocera Corporation | 窒化珪素質焼結体およびその製造方法、並びに金属溶湯用部材、熱間加工用部材、掘削用部材 |
-
1991
- 1991-12-18 JP JP03334946A patent/JP3140122B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05163066A (ja) | 1993-06-29 |
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