JP3207044B2 - Silicon nitride sintered body - Google Patents

Silicon nitride sintered body

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JP3207044B2
JP3207044B2 JP11840794A JP11840794A JP3207044B2 JP 3207044 B2 JP3207044 B2 JP 3207044B2 JP 11840794 A JP11840794 A JP 11840794A JP 11840794 A JP11840794 A JP 11840794A JP 3207044 B2 JP3207044 B2 JP 3207044B2
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mol
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、室温から高温までの強
度特性に優れるとともに耐クリープ性に優れ、特にピス
トン、シリンダー、バルブ、カムローラ、ロッカーアー
ム、ピストンリング、ピストンピンなどの自動車用部品
や、タービンロータ、タービンブレード、ノズル、コン
バスタ、スクロール、ノズルサポート、シールリング、
スプリングリング、ディフューザ、ダクトなどのガスタ
−ビンエンジン用部品等に好適に使用される窒化珪素質
焼結体に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention has excellent strength characteristics from room temperature to high temperature and also has excellent creep resistance. In particular, the present invention relates to automotive parts such as pistons, cylinders, valves, cam rollers, rocker arms, piston rings, piston pins and the like. , Turbine rotor, turbine blade, nozzle, combustor, scroll, nozzle support, seal ring,
The present invention relates to a silicon nitride sintered body suitably used for a gas turbine engine component such as a spring ring, a diffuser, and a duct.

【0002】[0002]

【従来技術】従来から、窒化珪素質焼結体は、耐熱性、
耐熱衝撃性、および耐酸化特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 3 、Al2 3
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特性のさら
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。
2. Description of the Related Art Conventionally, a silicon nitride sintered body has been known to have heat resistance,
Because of its excellent thermal shock resistance and oxidation resistance, it is being applied to engineering ceramics, especially for heat engines such as turbo rotators. This silicon nitride sintered body is generally made of Y 2 O 3 , Al 2 O 3
Alternatively, by adding a sintering aid such as MgO, high density and high strength characteristics are obtained. As such silicon nitride sintered bodies are required to be further improved in strength and oxidation resistance at high temperatures when their use conditions are further increased. In response to such demands, various improvements have been attempted, for example, by studying sintering aids and improving firing conditions.

【0003】その中で、従来より焼結助剤として用いら
れてきたAl2 3 、MgO等の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 3
の周期律表第3a族元素(RE)および酸化珪素からな
る単純な3元系(Si3 4−SiO2 −RE2 3
の組成からなる焼結体において、その焼結体の粒界にS
i−RE−O−NからなるYAM相、アパタイト相等の
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。
Among them, from the viewpoint that oxides such as Al 2 O 3 and MgO, which have been conventionally used as sintering aids, deteriorate the high-temperature characteristics, the period of silicon nitride, such as Y 2 O 3 Simple ternary system (Si 3 N 4 —SiO 2 —RE 2 O 3 ) composed of Group 3a element (RE) and silicon oxide
In the sintered body having the composition of
It has been proposed to increase the melting point and stabilize the grain boundaries by precipitating a crystal phase such as a YAM phase and an apatite phase composed of i-RE-ON.

【0004】具体的には、特開昭63−100067号
では、Y、Er、Tm、Yb、Luのうちの2種以上の
希土類元素を含む焼結体で、粒界にアパタイト構造の結
晶相が形成された窒化珪素質焼結体が提案されている。
[0004] Specifically, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-1000067 discloses a sintered body containing two or more rare earth elements of Y, Er, Tm, Yb and Lu, and a crystal phase having an apatite structure at a grain boundary. Has been proposed.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、従来
より提案されている各種の希土類元素を含む焼結体は、
高温強度や耐酸化性特性に対しては、ある程度の特性を
有する。ところが、このような従来の窒化珪素質焼結体
をガスタービンや自動車部品に実際に使用した場合、高
温状態で高負荷が付与された状態で長時間曝される場合
があるが、この時、焼結体が徐々に変形する、いわゆる
クリープが発生するという問題があった。このようなク
リープ変形が生じることは、仮に高強度であっても実用
化を阻害する大きな要因となっていた。
However, the sintered bodies containing various rare earth elements which have been conventionally proposed are:
It has a certain degree of high temperature strength and oxidation resistance. However, when such a conventional silicon nitride-based sintered body is actually used for a gas turbine or an automobile part, it may be exposed for a long time in a state where a high load is applied in a high temperature state. There is a problem that the sintered body is gradually deformed, that is, so-called creep occurs. The occurrence of such creep deformation has been a major factor impeding practical application even if the strength is high.

【0006】また、特開昭63−100067号に記載
のように粒界相を2種以上の希土類元素で複合酸化物を
形成させると共融点が低下するため、高温での耐クリー
プ特性も低いものであった。
Further, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-1000067, when the grain boundary phase is formed of a composite oxide with two or more rare earth elements, the eutectic point is lowered, and the creep resistance at high temperatures is also low. Was something.

【0007】よって、本発明は、室温から高温までの自
動車部品やガスタ−ビンエンジン用等で使用されるに十
分な強度特性を有するとともに1500℃での耐クリー
プ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。
Accordingly, the present invention provides a silicon nitride sintered material having sufficient strength characteristics for use in automobile parts and gas turbine engines from room temperature to high temperature, and excellent in creep resistance at 1500 ° C. It is intended to provide the body.

【0008】[0008]

【問題点を解決するための手段】本発明者等は、耐クリ
ープ特性を左右する要因について検討したところ、耐ク
リープ特性に対して用いる希土類元素の種類とその組成
が重要であるという知見を得、これに基づき検討を重ね
た結果、希土類元素としてLuを用い、できるだけその
他の希土類元素を含まないこと、焼結体中に存在する不
純物的酸素との比率を特定の範囲に制御することにより
高い高温強度を維持したまま、耐クリープ性を向上でき
ることを見いだし本発明に至ったものである。
Means for Solving the Problems The present inventors have studied the factors that influence the creep resistance and found that the type of rare earth element used and its composition are important for the creep resistance. As a result of repeated examinations based on this, it was found that Lu was used as a rare earth element, that other rare earth elements were not contained as much as possible, and that the ratio with impurity oxygen present in the sintered body was controlled to a specific range. It has been found that creep resistance can be improved while maintaining high-temperature strength, and the present invention has been accomplished.

【0009】即ち、本発明の窒化珪素質焼結体は、窒化
珪素を70モル%以上、周期律表第3a族元素を酸化物
換算で1〜10モル%、不純物的酸素をSiO2 換算で
1〜20モル%の割合で含み、前記周期律表第3a族元
素がLuを主体とし、Lu以外の周期律表第3a族元素
量が周期律表第3a族元素全量の7モル%以下であり、
且つ前記周期律表第3a族元素の酸化物換算量に対する
前記不純物的酸素のSiO2 換算量のモル比が2未満で
あることを特徴とするものである。
That is, in the silicon nitride sintered body of the present invention, silicon nitride is at least 70 mol%, Group 3a element of the periodic table is 1 to 10 mol% in terms of oxide, and impurity oxygen is in terms of SiO 2 . 1 to 20 mol%, wherein the group 3a element of the periodic table is mainly composed of Lu, and the amount of the group 3a element of the periodic table other than Lu is 7 mol% or less of the total amount of the group 3a element of the periodic table. Yes,
Further, the molar ratio of the amount of the impurity oxygen in terms of SiO 2 to the amount in terms of the oxide of the Group 3a element of the periodic table is less than 2.

【0010】以下、本発明を詳述する。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するもの
で、これに添加成分として周期律表第3a族元素および
不純物的酸素を含む。ここで、不純物的酸素とは、焼結
体中の全酸素量から添加物として周期律表第3a族元素
化合物中に化学量論的に含まれる酸素量を差し引いた残
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、あるいは添加される酸化珪素として混入する
ものであり、これらは全てSi−Oの化学結合を含むも
のと考えられる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail. The silicon nitride-based sintered body of the present invention is composed mainly of silicon nitride in composition, and further contains an element of Group 3a of the periodic table and impurity oxygen as additional components. Here, the impurity oxygen is the remaining oxygen amount obtained by subtracting the oxygen amount stoichiometrically contained in the Group 3a element compound as an additive from the total oxygen amount in the sintered body, Most of them are mixed as oxygen contained in the silicon nitride raw material or added silicon oxide, and all of them are considered to contain Si—O chemical bonds.

【0011】本発明の窒化珪素質焼結体の具体的組成と
しては、窒化珪素を70モル%以上、特に85〜98モ
ル%、周期律表第3a族元素を酸化物換算で1〜15モ
ル%、特に1〜7モル%、不純物的酸素をSiO2 換算
で1〜20モル%、特に1〜12モル%の比率で含有さ
れることが重要である。これは、窒化珪素量が70モル
%より少ないと高温強度が発揮されず、周期律表第3a
族元素量が1モル%以下では緻密化が不十分であり、1
0モル%を越えると高温強度および高温耐クリープ性が
劣化する。また、不純物的酸素量が1モル%より少ない
と粒界に窒化珪素と周期律表第3a族元素酸化物との化
合物であるメリライトなどの高温耐酸化性の小さい化合
物が生成されやすくなるため好ましくなく、20モル%
を越えると粒界相の体積分率が増加し高温特性が劣化す
るためである。
The specific composition of the silicon nitride-based sintered body of the present invention is as follows: silicon nitride is 70 mol% or more, particularly 85 to 98 mol%, and the Group 3a element of the periodic table is 1 to 15 mol in terms of oxide. %, Particularly 1 to 7 mol%, and it is important that impurity oxygen is contained in a ratio of 1 to 20 mol%, particularly 1 to 12 mol% in terms of SiO 2 . This is because if the amount of silicon nitride is less than 70 mol%, the high temperature strength is not exhibited, and the periodic table 3a
If the amount of the group element is 1 mol% or less, the densification is insufficient.
If it exceeds 0 mol%, high-temperature strength and high-temperature creep resistance deteriorate. Further, when the amount of impurity oxygen is less than 1 mol%, a compound having low high-temperature oxidation resistance such as melilite, which is a compound of silicon nitride and an oxide of an element of Group 3a of the periodic table, is likely to be formed at the grain boundary. No, 20 mol%
This is because, when the ratio exceeds 1, the volume fraction of the grain boundary phase increases, and the high-temperature characteristics deteriorate.

【0012】また本発明によれば、周期律表第3a族元
素は、LuのみからなりLu以外のLu以外の周期律表
第3a族元素は存在しないことが最もよいが、現実的に
は幾分かの混入がある場合がある。よって、本発明では
Lu以外の周期律表第3a族元素が周期律表第3a族元
素全量に対して7モル%以下、特に5モル%以下、さら
に望ましくは3モル%以下であることがよい。これは、
周期律表第3a族元素としてLuを選択することにより
他の周期律表第3a族元素に比較して高温特性が飛躍的
に向上するとともに、Lu以外の他の周期律表第3a族
元素が存在すると単独系に比較して共融点が低下しその
結果、焼結体の耐クリープ特性が劣化するためである。
なお、本発明において、Lu以外の周期律表第3a族元
素としては、Y、Yb、Er、Dy、Ho、Tb、Tm
およびScなどが挙げられる。
According to the present invention, the Group 3a element of the periodic table is preferably composed of only Lu, and it is most preferable that there is no Group 3a element other than Lu other than Lu. There may be some mixing. Therefore, in the present invention, the Group 3a element of the periodic table other than Lu is preferably 7 mol% or less, particularly 5 mol% or less, more preferably 3 mol% or less based on the total amount of the Group 3a elements of the periodic table. . this is,
By selecting Lu as a Group 3a element of the periodic table, the high-temperature characteristics are dramatically improved as compared with other Group 3a elements of the periodic table, and other Group 3a elements of the periodic table other than Lu are not included. This is because, if present, the eutectic point is lower than in a single system, and as a result, the creep resistance of the sintered body is deteriorated.
In the present invention, the elements of Group 3a of the periodic table other than Lu include Y, Yb, Er, Dy, Ho, Tb, and Tm.
And Sc.

【0013】さらに、本発明によれば、前記周期律表第
3a族元素の酸化物換算量(RE23 )に対する不純
物的酸素のSiO2 換算量の比(SiO2 /RE
2 3 )が2未満であることが重要である。これは、粒
界の組成を決定する大きな要因であり、この比率が2以
上では耐クリープ特性が劣化するためである。
Further, according to the present invention, the ratio (SiO 2 / RE) of the amount of impurity oxygen in terms of SiO 2 to the amount of oxide of the group 3a element in the periodic table (RE 2 O 3 ) is referred to.
It is important that 2 O 3 ) is less than 2. This is a major factor in determining the composition of the grain boundary, and if this ratio is 2 or more, the creep resistance is deteriorated.

【0014】また、組織的には窒化珪素結晶相を主相と
するのであって、そのほとんどがβ−Si3 4 からな
り、およそ1〜30μmの平均粒径で存在する。また、
その粒界にはLuと、酸素が少なくとも存在する。この
粒界はガラス相であってもよいが、高温強度の点を考慮
すれば結晶化しており、アパタイト相、YAM相、ワラ
ストナイト相などのSi3 4 −RE2 3 −SiO2
の結晶相からなることが望ましい。
Further, the silicon nitride crystal phase is structurally the main phase, most of which is composed of β-Si 3 N 4 and has an average particle size of about 1 to 30 μm. Also,
Lu and oxygen are present at least at the grain boundaries. This grain boundary may be a glass phase, but is crystallized in consideration of high-temperature strength, and is composed of Si 3 N 4 —RE 2 O 3 —SiO 2 such as an apatite phase, a YAM phase, and a wollastonite phase.
It is desirable to consist of a crystal phase of

【0015】なお、焼結体中には、上記組成以外にTi
N、TiC,TaC、TaN、VC、NbC、WC、W
Si2 、Mo2 C、WO3 などの周期律表4a、5a、
6a族金属化合物またはSiCなどは、分散粒子やウイ
スカーとして本発明の焼結体中に存在しても特性を劣化
させるような影響が小さいことからこれらを周知技術に
基づき、適量添加して複合材料として特性の改善を行う
ことも当然可能である。
[0015] In the sintered body, other than the above composition, Ti
N, TiC, TaC, TaN, VC, NbC, WC, W
Periodic tables 4a, 5a such as Si 2 , Mo 2 C, WO 3, etc.
The group 6a metal compound or SiC has a small effect of deteriorating its properties even when present in the sintered body of the present invention as dispersed particles or whiskers. Naturally, it is also possible to improve the characteristics.

【0016】しかし、Al、Mg、Ca等の金属は低融
点の酸化物を形成しこれにより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、酸化物換算量で
1重量%以下、特に0.5重量%以下、さらに望ましく
は0.1重量%以下に制御することが望ましい。
However, metals such as Al, Mg and Ca form oxides having a low melting point, which hinders crystallization of grain boundaries and deteriorates high-temperature strength. In particular, it is desirable to control the amount to 0.5% by weight or less, more preferably 0.1% by weight or less.

【0017】次に、本発明の窒化珪素質焼結体の製造方
法について説明する。本発明によれば、出発原料として
窒化珪素粉末を主成分とし、添加成分として純度95%
以上のLu2 3 粉末、あるいは場合により酸化珪素粉
末を添加してなる。また添加形態としてLu2 3 とS
iO2 からなる化合物,または窒化珪素とLu2 3
SiO2 の化合物粉末を用いることもできる。用いられ
る窒化珪素粉末は、α型、β型のいずれでも使用するこ
とができ、その粒子径は0.4〜1.2μm、陽イオン
不純物量は1重量%以下、特に0.5重量%以下、不純
物酸素量が0.5〜2.0重量%が適当であり、直接窒
化法、イミド分解法などのいずれの製法によるものであ
っても構わない。
Next, a method for producing the silicon nitride sintered body of the present invention will be described. According to the present invention, a silicon nitride powder is used as a starting material as a main component, and a purity of 95% is used as an additional component.
The above-mentioned Lu 2 O 3 powder or, if necessary, silicon oxide powder is added. Lu 2 O 3 and S
It is also possible to use a compound composed of iO 2 or a compound powder of silicon nitride, Lu 2 O 3 and SiO 2 . The silicon nitride powder to be used may be either α-type or β-type, and has a particle diameter of 0.4 to 1.2 μm and a cation impurity amount of 1% by weight or less, particularly 0.5% by weight or less. The amount of impurity oxygen is suitably 0.5 to 2.0% by weight, and any method such as a direct nitriding method or an imide decomposition method may be used.

【0018】本発明によれば、これらの粉末を用いて、
前述したような組成を満足するように調合する。調合に
際して前述したSiO2 /RE2 3 比を制御する場
合、窒化珪素中に不可避的に含まれる酸素をSiO2
あるいは製造過程で吸着される酸素分等を考慮してLu
2 3 などの周期律表第3a族元素酸化物量を決定する
が、場合によってはSiO2 粉末を添加して調製すれば
よい。
According to the present invention, using these powders,
It is prepared so as to satisfy the above-mentioned composition. When controlling SiO 2 / RE 2 O 3 ratio described above in the formulation, Lu considering the oxygen partial or the like to be adsorbed oxygen unavoidably contained in the silicon nitride in the SiO 2 minutes or manufacturing process
The amount of an oxide of an element of Group 3a of the periodic table such as 2 O 3 is determined. In some cases, it may be prepared by adding SiO 2 powder.

【0019】上記の割合で混合された混合粉末を所望の
成形手段、例えば、金型プレス、鋳込み成形、押し出し
成形、射出成形、排泥成形、冷間静水圧プレス等により
任意の形状に成形する。
The mixed powder mixed in the above ratio is formed into a desired shape by a desired molding means, for example, a die press, a casting molding, an extrusion molding, an injection molding, a sludge molding, a cold isostatic pressing and the like. .

【0020】次に、この成形体を公知の焼成方法、例え
ば、ホットプレス法、常圧焼成法、窒素ガス加圧焼成法
などにより緻密化することができる。さらには、これら
の焼成後に熱間静水圧焼成(HIP)法により処理する
ことにより緻密化を高めることができる。また、その他
の方法として上記成形体または焼結体をガラスシールし
てHIP法により焼成することもできる。具体的な焼成
条件は、窒化珪素が分解しない窒素圧下で1500〜2
000℃の温度で焼成する。なお、焼成温度が2000
℃を越えると窒化珪素結晶が粒子成長を起こし強度劣化
を引き起こす。
Next, the compact can be densified by a known firing method, for example, a hot pressing method, a normal pressure firing method, a nitrogen gas pressure firing method, or the like. Furthermore, densification can be improved by performing treatment by hot isostatic pressing (HIP) after the calcination. As another method, the above-mentioned molded body or sintered body can be glass-sealed and fired by the HIP method. Specific firing conditions are 1500-2 under nitrogen pressure under which silicon nitride does not decompose.
Fire at a temperature of 000 ° C. When the firing temperature is 2000
When the temperature exceeds ℃, the silicon nitride crystal causes grain growth and causes strength deterioration.

【0021】さらに、上記の焼成後の冷却過程で徐冷す
るか、または焼結体を1000〜1800℃で熱処理す
ることにより粒界の結晶化を図り特性のさらなる改善を
行うことができる。
Further, by gradually cooling in the cooling step after the above-mentioned calcination, or by subjecting the sintered body to a heat treatment at 1000 to 1800 ° C., the grain boundaries can be crystallized and the characteristics can be further improved.

【0022】[0022]

【作用】本発明の方法によれば、窒化珪素への添加成分
として周期律表第3a族元素酸化物の中でもとりわけ、
Luを選択しこれを他の周期律表第3a族元素とできる
だけ併用することなく添加すること、不純物的酸素との
比率(SiO2 /RE23 )を2未満に制御すること
を同時に満足することにより、焼結体の高い高温強度を
維持しつつ高温、特に1500℃で高負荷状態で長時間
保持されても焼結体の変形がない、高い耐クリープ特性
を発揮することができる。
According to the method of the present invention, among the oxides of Group 3a elements of the periodic table, the following components are added to silicon nitride:
Simultaneously satisfying the condition of selecting Lu and adding it with the other Group 3a element of the periodic table without using as much as possible, and controlling the ratio to impurity oxygen (SiO 2 / RE 2 O 3 ) to less than 2. By doing so, it is possible to exhibit high creep resistance properties without deformation of the sintered body even when the sintered body is maintained at a high temperature, particularly 1500 ° C. under a high load state for a long time, while maintaining a high high-temperature strength of the sintered body.

【0023】この理由は、Luはライタノイド元素中で
も最もイオン半径が小さく、また、他の粒界成分である
Si3 4 やSiO2 とのガラスあるいは結晶相として
高温での粘性が大幅に高くなり、これにより高温で保持
された場合、クリープのメカニズムの1つであるSi3
4 粒子の滑りが生じにくくなるためであると考えられ
る。また、粒界を結晶化すると、その粒界の粘性をさら
に高めることができることから耐クリープ性がさらに向
上すると考えられる。
The reason for this is that Lu has the smallest ionic radius among the lightertanoid elements, and its viscosity at high temperatures as a glass or crystal phase with other grain boundary components such as Si 3 N 4 and SiO 2 is greatly increased. When kept at a high temperature, one of the creep mechanisms, Si 3
This is considered to be because slippage of the N 4 particles hardly occurs. In addition, it is considered that the crystallization of the grain boundary can further increase the viscosity of the grain boundary, so that the creep resistance is further improved.

【0024】[0024]

【実施例】原料粉末として窒化珪素粉末(BET比表面
積10m2 /g、α率95%、酸素量1.2重量%、陽
イオン金属不純物量0.03重量%、イミド分解原料)
と、純度91〜99%のLu2 3 粉末(不純物成分の
ほとんどはYb2 3 およびEr2 3 によりなる。)
および純度99.9%以上の酸化珪素粉末を用いて、S
3 4 、RE2 3 、SiO2 を適量調合し、イソプ
ロピルアルコールを溶媒として窒化珪素ボールを用いて
72時間振動ミルで混合粉砕し、スラリーを乾燥後、直
径60mm、厚み10mmの形状に3t/cm2 の圧力
でラバープレス成形した。
EXAMPLES Silicon nitride powder (BET specific surface area 10 m 2 / g, α rate 95%, oxygen content 1.2% by weight, cation metal impurity content 0.03% by weight, imide decomposition raw material) as raw material powder
If, Lu 2 O 3 powder having a purity of 91% to 99% (most of the impurity components made by Yb 2 O 3 and Er 2 O 3.)
And silicon oxide powder having a purity of 99.9% or more,
An appropriate amount of i 3 N 4 , RE 2 O 3 , and SiO 2 are prepared, mixed and pulverized with a vibration mill for 72 hours using silicon nitride balls with isopropyl alcohol as a solvent, and the slurry is dried. Rubber press molding was performed at a pressure of 3 t / cm 2 .

【0025】そして、かかる成形体を表1および表2に
示す各種の焼成方法で焼成した。表中、GPSは、成形
体を1700℃で窒素圧1atmで10時間焼成後、さ
らに1900℃、窒素圧10atmで5時間焼成したも
のである。ホットプレスは1800℃で36.3MPa
の加圧下で1時間焼成した。HIPは、成形体をバイコ
ールガラス中に埋め、バイコールガラスが溶融する17
50℃の温度でArガスを2000atm印加した状態
で1時間焼成したものである。さらに、GPS+HIP
は、上記GPS条件で焼成後、1750℃、窒素圧20
00atmで1時間熱間静水圧焼成したものである。
The compact was fired by various firing methods shown in Tables 1 and 2. In the table, GPS is obtained by firing the molded body at 1700 ° C. at a nitrogen pressure of 1 atm for 10 hours, and further firing at 1900 ° C. at a nitrogen pressure of 10 atm for 5 hours. Hot press is 36.3MPa at 1800 ℃
For 1 hour. HIP embeds the molded body in Vycor glass and melts the Vycor glass.
This was fired for 1 hour at a temperature of 50 ° C. with an Ar gas applied at 2000 atm. In addition, GPS + HIP
Is fired at 1750 ° C. and a nitrogen pressure of 20
Hot isostatic firing at 00 atm for 1 hour.

【0026】なお、焼成時の分解を抑制するために焼成
時の入炉量は300g/リットルと一定にした。また表
中、試料No.17以外については1400℃で24時間
熱処理して結晶化処理を行った。
In order to suppress decomposition during firing, the furnace input during firing was kept constant at 300 g / liter. In the table, the samples other than Sample No. 17 were heat-treated at 1400 ° C. for 24 hours for crystallization.

【0027】得られた焼結体に対してアルキメデス法に
よる比重から対理論密度比を算出するとともに、3×4
×40mmのテストピース形状に切断研磨しJIS−R
1601に基づき室温および1500℃での4点曲げ抗
折強度試験を実施し、10個の試験結果の平均値を表1
および表2に示した。また、X線回折測定により焼結体
中の粒界相の結晶を同定した。焼結体の組成中のSiO
2 量は、焼結体を粉砕し化学分析によって酸素量を求
め、添加した希土類元素酸化物(RE2 3 )の酸素分
を除いた酸素量をSiO2 として換算したものである。
さらに抗折試験片をJISR1601の4点曲げ試験と
同様に支持し、450MPaの負荷を印加し1500℃
で最高100時間保持し、破壊に至るまでの時間を測定
した。
The theoretical density ratio of the obtained sintered body was calculated from the specific gravity by the Archimedes method, and 3 × 4
Cut and polished into a test piece shape of × 40mm, JIS-R
A four-point bending strength test was performed at room temperature and 1500 ° C. based on 1601 and the average value of the ten test results was shown in Table 1.
And Table 2. Further, the crystal of the grain boundary phase in the sintered body was identified by X-ray diffraction measurement. SiO in the composition of the sintered body
The amount of 2 is obtained by pulverizing the sintered body and obtaining the amount of oxygen by chemical analysis, and converting the amount of oxygen of the added rare earth element oxide (RE 2 O 3 ) from the oxygen content to SiO 2 .
Further, the bending test piece was supported in the same manner as in the four-point bending test of JISR1601, and a load of 450 MPa was applied to the test piece at 1500 ° C.
For a maximum of 100 hours, and the time until destruction was measured.

【0028】[0028]

【表1】 [Table 1]

【0029】[0029]

【表2】 [Table 2]

【0030】表1および表2の結果からも明らかなよう
に、周期律表第3a族元素としてY、Yb、Erなどを
用いた試料No.22,23,24とLuを用いた試料N
o.3,7〜10とを比較すると、高温強度についてLu
の方が高く、耐クリープ性においては非常に優れた結果
を示した。さらに、Lu以外の周期律表第3a族元素量
が7モル%を越える試料No.11では、特性の向上効果
が見られなかった。さらに、SiO2 /RE2 3 比が
2以上の試料No.15,16では耐クリープ特性が低い
ものであった。
As is clear from the results shown in Tables 1 and 2, Samples Nos. 22, 23 and 24 using Y, Yb, Er and the like as Group 3a elements of the periodic table and Sample N using Lu.
o. When compared with 3, 7 to 10, Lu at high temperature strength
Was higher, showing very good results in creep resistance. Further, in Sample No. 11 in which the amount of Group 3a element of the periodic table other than Lu exceeded 7 mol%, no effect of improving the characteristics was observed. Samples Nos. 15 and 16 having an SiO 2 / RE 2 O 3 ratio of 2 or more had low creep resistance.

【0031】さらに、RE2 3 量が少ない試料No.1
は緻密化不足であり、10モル%を越える試料No.6で
は室温、1500℃の抗折強度、耐クリープ特性共に低
下している。なお、本発明の各試料について他の焼成方
法を用いても満足のいく特性が得られた。
Further, Sample No. 1 having a small amount of RE 2 O 3
Is insufficient in densification, and in sample No. 6 exceeding 10 mol%, both the bending strength at room temperature and 1500 ° C. and the creep resistance are reduced. Satisfactory characteristics were obtained for each sample of the present invention even when other firing methods were used.

【0032】これらの結果から、耐クリープ特性の向上
に対して、Luを用いることとSiO2 /RE2 3
が重要な要因であることがわかった。
From these results, it was found that the use of Lu and the SiO 2 / RE 2 O 3 ratio were important factors for improving the creep resistance.

【0033】[0033]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
高温特性とともに高温での耐クリープ特性を向上するこ
とができる。これにより自動車部品やガスタービン用部
品などに用いた場合においても高い信頼性を付与するこ
とができる。
As described in detail above, according to the present invention,
The creep resistance at high temperatures can be improved together with the high temperature characteristics. Thereby, high reliability can be imparted even when used for automobile parts, gas turbine parts, and the like.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−100067(JP,A) 特開 平4−6160(JP,A) 特開 平6−271357(JP,A) 特開 平8−48565(JP,A) 特開 平7−330435(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/584 - 35/596 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-63-100067 (JP, A) JP-A-4-6160 (JP, A) JP-A-6-271357 (JP, A) JP-A 8- 48565 (JP, A) JP-A-7-330435 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) C04B 35/584-35/596

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】窒化珪素を70モル%以上、周期律表第3
a族元素を酸化物換算で1〜10モル%、不純物的酸素
をSiO2 換算で1〜20モル%の割合で含み、前記周
期律表第3a族元素がLuを主体とし、Lu以外の周期
律表第3a族元素量が周期律表第3a族元素全量の7モ
ル%以下であり、且つ前記周期律表第3a族元素の酸化
物換算量に対する前記不純物的酸素のSiO2 換算量の
モル比が2未満であることを特徴とする耐クリープ性に
優れた窒化珪素質焼結体。
1. A method according to claim 1, wherein said silicon nitride is at least 70 mol%,
It contains a group a element in an amount of 1 to 10 mol% in terms of oxide and an impurity oxygen in a proportion of 1 to 20 mol% in terms of SiO 2 , and the group 3a element of the periodic table is mainly composed of Lu, and a period other than Lu is used. The amount of Group 3a element in the periodic table is 7 mol% or less of the total amount of Group 3a element in the periodic table, and the molar amount of the impurity oxygen in terms of SiO 2 with respect to the oxide in terms of the group 3a element in the periodic table. A silicon nitride sintered body having excellent creep resistance, wherein the ratio is less than 2.
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