JP3207045B2 - Method for producing silicon nitride based sintered body - Google Patents

Method for producing silicon nitride based sintered body

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JP3207045B2
JP3207045B2 JP11840894A JP11840894A JP3207045B2 JP 3207045 B2 JP3207045 B2 JP 3207045B2 JP 11840894 A JP11840894 A JP 11840894A JP 11840894 A JP11840894 A JP 11840894A JP 3207045 B2 JP3207045 B2 JP 3207045B2
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silicon nitride
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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、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ービンエンジ
ン用部品等に好適に使用され、特に寸法精度が要求され
る高強度の窒化珪素質焼結体の製造方法に関するもので
ある。
The present invention relates to automotive parts such as pistons, cylinders, valves, cam rollers, rocker arms, piston rings, and piston pins, as well as turbine rotors, turbine blades, nozzles, combustors, scrolls, nozzle supports, and the like. The present invention relates to a method for producing a high-strength silicon nitride sintered body which is suitably used for parts for gas turbine engines such as a seal ring, a spring ring, a diffuser, and a duct, and particularly requires dimensional accuracy.

【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、特にターボローター等の熱機
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,
Due to its excellent thermal shock resistance and oxidation resistance, it is being applied to engineering ceramics, especially for heat engines such as turbo rotors. 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。例えば、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。
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. For example, JP-A-63
No. 100067 proposes a sintered body containing two or more rare earth elements of Y, Er, Tm, Yb, and Lu, in which a crystalline phase of an apatite structure is formed at a grain boundary. Have been.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする問題点】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。例えば、特開昭63−1000
67号に記載のように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。
Problems to be Solved by the Invention Sinters containing various rare earth elements which have been conventionally proposed have 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. For example, JP-A-63-1000
As described in No. 67, when a composite oxide is formed with two or more kinds of rare earth elements, the eutectic point is lowered, so that the creep resistance at high temperatures is also low.

【0005】また、上記のように窒化珪素源として、窒
化珪素粉末のみを用い焼結助剤としてY2 3 などの周
期律表第3a族元素酸化物および酸化珪素を用いた系で
は、液相焼結が進行するに伴い、焼成収縮が生じるため
に焼成後に高い寸法精度が要求される複雑形状品を製造
する場合には収縮が大きいと設定する寸法に制御するこ
とが難しく、あるいは研磨工程が複雑になるなどの問題
がある。そこで、従来より出発原料として珪素粉末を添
加し焼成前に窒素雰囲気中で珪素を窒化処理して成形体
の密度を高める方法が提案されているが、かかる方法に
対処する適性な組成について十分に検討されていない。
Further, as described above, in a system using only a silicon nitride powder as a silicon nitride source and an oxide of a Group 3a element of the periodic table such as Y 2 O 3 as a sintering aid and silicon oxide, As phase sintering progresses, firing shrinkage occurs, so when manufacturing a complicated shape product requiring high dimensional accuracy after firing, it is difficult to control the size to be set to a large shrinkage, or a polishing process Is complicated. Therefore, a method of increasing the density of a molded body by adding silicon powder as a starting material and nitriding silicon in a nitrogen atmosphere before firing has been conventionally proposed. Not considered.

【0006】よって、本発明は、特に低温から高温まで
の耐酸化特性に優れ、室温から高温までの自動車部品や
ガスタービンエンジン用等で使用されるに十分な強度特
性、特に、室温から1500℃の高温までの抗折強度お
よび耐クリープ特性に優れるとともに、高寸法精度が要
求される部品に適用される窒化珪素質焼結体の製造方法
を提供することを目的とするものである。
Accordingly, the present invention has excellent resistance to oxidation from a low temperature to a high temperature, and has sufficient strength characteristics for use in automobile parts and gas turbine engines from a room temperature to a high temperature, particularly from room temperature to 1500 ° C. It is an object of the present invention to provide a method for producing a silicon nitride sintered body which is excellent in bending strength and creep resistance up to a high temperature and which is applied to parts requiring high dimensional accuracy.

【0007】[0007]

【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.

【0008】即ち、本発明の窒化珪素質焼結体の製造方
法は、周期律表第3a族元素酸化物を1〜10モル%、
酸化珪素を1〜20モル%、珪素、あるいは珪素と窒化
珪素を窒化物換算で70モル%以上の割合からなり、前
記周期律表第3a族元素酸化物がLuを主体とし、Lu
以外の周期律表第3a族元素酸化物が全周期律表第3a
族元素酸化物の7モル%以下であり、且つ前記周期律表
第3a族元素酸化物に対する前記酸化珪素量のモル比が
2未満である組成からなる成形体を800〜1500℃
の窒素含有雰囲気中で熱処理して前記珪素を窒化した
後、さらに窒素を含む非酸化性雰囲気中で焼成し緻密化
することを特徴とするものである。
That is, in the method for producing a silicon nitride sintered body of the present invention, 1 to 10 mol% of a Group 3a element oxide of the periodic table is used.
Silicon oxide is composed of 1 to 20 mol% and silicon or silicon and silicon nitride in a proportion of 70 mol% or more in terms of nitride, and the Group 3a element oxide of the periodic table is mainly composed of Lu;
Other than the group 3a element oxides of the periodic table other than
A molded body having a composition of not more than 7 mol% of the group III element oxide and having a molar ratio of the amount of the silicon oxide to the group IIIa element oxide of the periodic table of less than 2 is 800 to 1500 ° C.
After nitriding the silicon by heat treatment in a nitrogen-containing atmosphere described above, the silicon is further densified by firing in a non-oxidizing atmosphere containing nitrogen.

【0009】以下、本発明を詳述する。本発明の窒化珪
素質焼結体の製造方法によれば、出発原料として珪素、
珪素と窒化珪素を主成分とするものであり、これに添加
物成分として、周期律表第3a族元素酸化物および酸化
珪素を含むものである。ここでいう酸化珪素とは、酸化
珪素粉末として添加されたもの以外に窒化珪素や珪素粉
末などに不可避的に含まれる不純物酸素のように最終焼
結体中に残存する酸素分をSiO2 換算したものも含ま
れる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail. According to the method for producing a silicon nitride-based sintered body of the present invention, silicon as a starting material,
It contains silicon and silicon nitride as main components, and contains, as additive components, an oxide of a Group 3a element of the periodic table and silicon oxide. The term “silicon oxide” as used herein means an oxygen content remaining in the final sintered body, such as impurity oxygen inevitably contained in silicon nitride, silicon powder, etc., in addition to that added as silicon oxide powder, in terms of SiO 2 . Things are also included.

【0010】出発原料の具体的組成としては、周期律表
第3a族元素酸化物を1〜10モル%、特に1〜7モル
%、酸化珪素を1〜20モル%、特に1〜12モル%、
珪素または珪素と窒化珪素を窒化珪素換算で70モル%
以上、特に85〜98モル%の比率で含有されることが
重要である。これは、周期律表第3a族元素酸化物量が
1モル%未満では緻密化が不十分であり、10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た
めであり、酸化珪素量が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。また、窒化珪素量が70モル%より少ないと高温強
度が発揮されない。
As a specific composition of the starting material, 1 to 10 mol%, particularly 1 to 7 mol%, and 1 to 20 mol%, particularly 1 to 12 mol%, of silicon oxide of Group 3a of the periodic table are contained. ,
70 mol% of silicon or silicon and silicon nitride in terms of silicon nitride
As described above, it is particularly important that the content is contained in a ratio of 85 to 98 mol%. This is because if the amount of Group 3a element oxide in the periodic table is less than 1 mol%, densification is insufficient, and if it exceeds 10 mol%, high-temperature strength and high-temperature creep resistance are deteriorated. If the amount is less than 1 mol%, a compound having low resistance to high-temperature oxidation 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, which is not preferable. This is because the volume fraction of the grain boundary phase increases and the high-temperature characteristics deteriorate. On the other hand, if the amount of silicon nitride is less than 70 mol%, high temperature strength is not exhibited.

【0011】また本発明によれば、周期律表第3a族元
素酸化物はLu2 3 のみからなりLu2 3 以外の周
期律表第3a族元素酸化物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Lu2 3 以外の周期律表第3a族元素
酸化物が周期律表第3a族元素酸化物全量に対して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
素酸化物としてLu2 3 を選択することにより他の周
期律表第3a族元素酸化物に比較して高温特性が飛躍的
に向上するとともに、Lu2 3 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3
a族元素酸化物としては、Y、Yb、Er、Dy、H
o、Tb、TmおよびScなどの酸化物が挙げられる。
[0011] According to the present invention, the periodic table group 3a element oxide is the best that there is no periodic table group 3a element oxide other than Lu 2 O 3 consists only Lu 2 O 3 but Actually, there may be some contamination. Therefore, in the present invention, the oxide of the Group 3a element of the periodic table other than Lu 2 O 3 is at most 7 mol%, particularly at most 5 mol%, more preferably at most 3 mol%, based on the total amount of the group 3a element oxide of the periodic table. %. This is because, by selecting Lu 2 O 3 as the Group 3a element oxide of the periodic table, the high-temperature characteristics are significantly improved as compared with other Group 3a element oxides of the periodic table, and Lu 2 O is also improved. This is because the presence of a Group 3a element other than 3 in the Periodic Table lowers the eutectic point as compared to a single element, and as a result, the creep resistance of the sintered body is deteriorated. In the present invention, the third part of the periodic table other than Lu is used.
Group a element oxides include Y, Yb, Er, Dy, H
oxides such as o, Tb, Tm and Sc.

【0012】さらに、本発明によれば、前記周期律表第
3a族元素酸化物(RE2 3 )に対する酸化珪素(S
iO2 )の比(SiO2 /RE2 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, silicon oxide (S 2 O) is used for the oxide of a group 3a element of the periodic table (RE 2 O 3 ).
It is important that the ratio of (iO 2 ) (SiO 2 / RE 2 O 3 ) be 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.

【0013】また、出発原料においては、添加成分とし
てLu2 3 、あるいはLu2 3とLu2 3 以外の
周期律表第3a族元素酸化物の1種以上と酸化珪素から
なる化合物,または窒化珪素とLu2 3 、あるいはL
2 3 とLu2 3 以外の周期律表第3a族元素酸化
物の1種以上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。
[0013] In the starting material, as an additive component, Lu 2 O 3 , or a compound comprising silicon oxide and one or more of Lu 2 O 3 and at least one oxide of a Group 3a element of the periodic table other than Lu 2 O 3 , Or silicon nitride and Lu 2 O 3 , or L
It is also possible to use a compound powder consisting of silicon oxide and one or more oxides of group 3a elements of the periodic table other than u 2 O 3 and Lu 2 O 3 .

【0014】さらに、用いられる珪素粉末は、窒化を容
易にするためにその平均粒径が10μm以下、特に5μ
m以下の微粒のものが望ましい。窒化珪素粉末は、焼結
特性を改善するのために配合されるものであるが、同時
に焼成変形量が増加するため、窒化珪素粉末の添加量は
全体の75モル%以下であることが望ましい。その場
合、用いる粉末は、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が適当であ
る。なお、窒化珪素粉末は、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も使用できる。
Further, the silicon powder used has an average particle diameter of 10 μm or less, particularly 5 μm, in order to facilitate nitriding.
m or less are desirable. The silicon nitride powder is blended to improve the sintering characteristics. However, since the firing deformation increases at the same time, the addition amount of the silicon nitride powder is desirably 75 mol% or less. In this case, the powder used may be either α-type or β-type, and the particle size is suitably from 0.4 to 1.2 μm. It should be noted that the silicon nitride powder can be used by any method such as a direct nitriding method and an imide decomposition method.

【0015】また、周期律表第3a族元素酸化物として
用いられるLu2 3 は純度93%以上、特に95%以
上で、平均粒径が0.2〜10μm程度であることがよ
い。
Lu 2 O 3 used as an oxide of a Group 3a element in the periodic table preferably has a purity of 93% or more, particularly 95% or more, and an average particle size of about 0.2 to 10 μm.

【0016】酸化珪素粉末は純度99%以上の高純度
で、平均粒径は0.2〜5μm程度であることがよく、
例えば気相法シリカが好適に使用される。
The silicon oxide powder has a high purity of 99% or more and an average particle diameter of about 0.2 to 5 μm.
For example, fumed silica is preferably used.

【0017】また、本発明によれば、出発原料として前
記配合組成に加え、TiN、TiC,TaC、TaN、
VC、NbC、WC、WSi2 、Mo2 C、WO3 など
の周期律表4a、5a、6a族金属化合物や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いて適量添加して、特性の改善を
行うことも当然可能である。ただし、系中にAl
2 3 、MgO、CaO等の金属酸化物が存在すると粒
界相の結晶化が阻害されるとともに高温強度、高温耐酸
化特性を劣化させるためにこれらの酸化物は合量で1重
量%以下、特に0.5重量%、さらには0.1重量%以
下に制御することが望ましい。
Further, according to the present invention, in addition to the above-mentioned composition, TiN, TiC, TaC, TaN,
The periodic table 4a, 5a, or 6a group metal compound such as VC, NbC, WC, WSi 2 , Mo 2 C, or WO 3 or SiC may be present in the sintered body of the present invention as dispersed particles or whiskers. Since the effect of deteriorating the characteristics is small, it is of course possible to improve the characteristics by adding an appropriate amount thereof based on a known technique. However, Al
The presence of metal oxides such as 2 O 3 , MgO, and CaO inhibits crystallization of the grain boundary phase and deteriorates high-temperature strength and high-temperature oxidation resistance, so that the total amount of these oxides is 1% by weight or less. In particular, it is desirable to control the amount to 0.5% by weight or less, more preferably 0.1% by weight or less.

【0018】次に、上記に従い配合された粉末を回転ミ
ル、バレルミル、振動ミルなどにより十分に混合した
後、この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、押し出し成形、射出成形、排泥成形、
冷間静水圧成形等により所望の形状に成形する。
Next, the powder mixed as described above is sufficiently mixed by a rotary mill, a barrel mill, a vibration mill or the like, and the mixed powder is formed by a known molding method, for example, press molding, casting molding, extrusion molding, injection molding. , Sludge molding,
It is formed into a desired shape by cold isostatic pressing or the like.

【0019】次に、この成形体を窒素を含有する雰囲気
中で800〜1500℃の温度で加熱処理して成形体中
に含まれる珪素を窒化して窒化珪素を生成させる。この
窒化珪素への変換に際して寸法変化が無く、重量増加す
るために成形体の密度が向上する。この窒化処理後の成
形体の対理論密度比が60%以上となるように制御する
ことが望ましい。この窒化処理において含有される珪素
をすべて窒化させるためには上記温度範囲内において温
度を多段に上昇させつつ徐々に窒化させることが望まし
く、一定温度での窒化処理では珪素の完全な窒化ができ
ない場合がある。また、雰囲気を1〜50atmの窒素
加圧雰囲気で処理し窒化を促進することもできる。
Next, the compact is heat-treated at a temperature of 800 to 1500 ° C. in an atmosphere containing nitrogen to nitride silicon contained in the compact to produce silicon nitride. There is no dimensional change during the conversion to silicon nitride, and the density increases because the weight increases. It is desirable to control the ratio of the theoretical density of the compact after the nitriding treatment to 60% or more. In order to nitride all of the silicon contained in this nitriding treatment, it is desirable to gradually nitride while increasing the temperature in multiple steps within the above-mentioned temperature range. There is. The nitriding can be promoted by treating the atmosphere in a nitrogen pressurized atmosphere of 1 to 50 atm.

【0020】次に、上記のようにして得られた高密度の
成形体を公知の焼成法、例えば、ホットプレス法、常圧
焼成法、窒素ガス加圧焼成法、さらにはこれらの焼成後
に熱間静水圧処理(HIP処理)、及びガラスシール後
HIP処理して対理論密度比95%以上の緻密な焼結体
を得る。この時の温度は高すぎると窒化珪素結晶が粒成
長し強度が低下するため、1600〜2000℃、特に
1650〜1950℃であることが望ましい。
Next, the high-density molded body obtained as described above is fired by a known firing method, for example, a hot press method, a normal pressure firing method, a nitrogen gas pressure firing method, and a heat treatment after firing. Intermediate hydrostatic pressure treatment (HIP treatment) and HIP treatment after glass sealing are performed to obtain a dense sintered body having a theoretical density ratio of 95% or more. If the temperature at this time is too high, the silicon nitride crystal grains grow and the strength is reduced. Therefore, the temperature is desirably 1600 to 2000 ° C, particularly preferably 1650 to 1950 ° C.

【0021】最終的に得られる焼結体の粒界相はできる
だけ結晶化することが望ましいため、上記焼成工程にお
ける冷却過程、または冷却段階での一時保持、あるいは
焼成工程終了後の熱処理により粒界にYAM相やアパタ
イト相を析出させることが望ましい。具体的には、焼成
温度からの冷却を200℃/hr以下に徐冷したり、焼
成温度からの降温過程や焼成終了後に1000〜180
0℃で窒素雰囲気中で熱処理すればよい。
Since it is desirable that the grain boundary phase of the finally obtained sintered body is crystallized as much as possible, the grain boundary phase is cooled by the above-mentioned firing step, or temporarily held in the cooling step, or by heat treatment after the end of the firing step. It is desirable to precipitate a YAM phase or an apatite phase on the substrate. Specifically, the cooling from the firing temperature is gradually cooled to 200 ° C./hr or less, or the temperature is lowered from the firing temperature or 1000 to 180 after the firing is completed.
Heat treatment may be performed at 0 ° C. in a nitrogen atmosphere.

【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はランタノイド系元素中
で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向上する
と考えられる。
The reason for this is that Lu has the smallest ionic radius among lanthanoid-based elements, and has a large viscosity at high temperatures as a glass or crystal phase with other grain boundary components such as Si 3 N 4 and SiO 2. High, and when held at high temperatures, 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, thereby improving the creep resistance.

【0024】さらに、主成分として、珪素粉末、あるい
は珪素粉末と窒化珪素粉末を用いて焼成前に珪素を窒化
して窒化珪素を生成させる工程を入れることで、寸法変
化が無く、重量増加するために成形体の密度を向上させ
ることができる。そのため、焼成段階での収縮量が低減
し、変形量の少ない寸法精度に優れた焼結体を得ること
ができる。
Further, by introducing a step of nitriding silicon to produce silicon nitride before firing by using silicon powder or silicon powder and silicon nitride powder as main components, there is no dimensional change and weight increases. In addition, the density of the compact can be improved. Therefore, the amount of shrinkage in the firing stage is reduced, and a sintered body with a small amount of deformation and excellent dimensional accuracy can be obtained.

【0025】[0025]

【実施例】原料粉末として珪素粉末(平均粒径が3μ
m、酸素量1.1重量%、Al、Mg、Ca、Feなど
の金属不純物0.05重量%)と、窒化珪素粉末(BE
T比表面積8m2 /g、α率98%、酸素量1.2重量
%、Al、Mg、Ca、Feなどの金属不純物量0.0
3重量%)、純度91〜99%のLu2 3 粉末(不純
物としてYb2 3 、Er2 3 などを主として含
む)、純度99%以上のLu2 3 以外の周期律表第3
a族元素酸化物粉末を用いて調合した。そしてその調合
物にバインダーを添加し、鋳込み成形にてブレードを成
形した。なお、表1、2中、原料組成中のSiO2
は、珪素粉末および窒化珪素粉末中の酸素量をSiO2
換算した量とSiO2 粉末の添加量との合計量である。
EXAMPLE A silicon powder (having an average particle diameter of 3 μm) was used as a raw material powder.
m, oxygen amount 1.1% by weight, metal impurities such as Al, Mg, Ca, Fe, etc. 0.05% by weight) and silicon nitride powder (BE
T specific surface area 8 m 2 / g, α rate 98%, oxygen content 1.2% by weight, metal impurities such as Al, Mg, Ca, Fe 0.0
3 wt%), purity 91% to 99% of Lu 2 O 3 powder (Yb 2 O 3 as an impurity, Er 2 mainly includes O 3, etc.), a purity of 99% or more of Lu 2 O 3 Periodic Table 3 other than
It was prepared using a group a element oxide powder. Then, a binder was added to the mixture, and a blade was formed by casting. In Table 1, 2, SiO 2 content in the raw material composition, SiO oxygen amount of silicon powder and silicon nitride powder 2
It is the total amount of the converted amount and the added amount of the SiO 2 powder.

【0026】得られた成形体に対して下記の(A)〜
(D)の窒化パターンで窒化を行った。まず、(A)〜
(C)はいずれも1100℃で2時間−1200℃で2
時間−1300℃で2時間−1400℃で2時間処理し
て窒化を行ったが、この時の1100℃以上の温度領域
を窒素ガス圧を1気圧に設定したパターンを(A),1
0気圧に設定したパターンを(B)、30気圧に設定し
たパターンを(C)とした。さらに、1100℃から1
400℃まで10時間をかけて徐々に昇温し、1400
℃で2時間保持した後降温するパターンで窒素圧10気
圧に設定したパターンを(D)とした。この際、重量増
加率からいずれの試料も添加された珪素がすべて窒化さ
れたことを確認した。
The following (A) to (A)
Nitriding was performed using the nitridation pattern of (D). First, (A) ~
(C) is 2 hours at 1100 ° C and 2 hours at 1200 ° C.
Nitriding was performed by treating at -1300 ° C. for 2 hours and -1400 ° C. for 2 hours. In this case, a pattern in which the nitrogen gas pressure was set to 1 atm in a temperature range of 1100 ° C. or higher was set as (A), 1
The pattern set at 0 atm was defined as (B), and the pattern set at 30 atm was defined as (C). Furthermore, from 1100 ° C to 1
The temperature was gradually raised to 400 ° C over 10 hours, and 1400
A pattern in which the temperature was lowered after holding at 2 ° C. for 2 hours and the nitrogen pressure was set to 10 atm was defined as (D). At this time, it was confirmed from the weight increase rate that all the added silicon was nitrided in all the samples.

【0027】そして、かかる窒化体を表1及び表2に示
す各種の焼成方法で焼成した。表中、GPSは、成形体
を1750℃で窒素圧1atmで10時間焼成後、さら
に1920℃、窒素圧10atmで5時間焼成したもの
である。ホットプレスは1820℃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175
0℃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 nitride was fired by various firing methods shown in Tables 1 and 2. In the table, GPS is obtained by firing the molded body at 1750 ° C. at a nitrogen pressure of 1 atm for 10 hours, and further firing at 1920 ° C. at a nitrogen pressure of 10 atm for 5 hours. The hot press was fired at 1820 ° C. under a pressure of 36.3 MPa for 1 hour. HIP fills the compact in Vycor glass and melts the 175 Vycor glass.
It was fired for 1 hour at a temperature of 0 ° 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.

【0028】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.28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, except for Sample No. 28, heat treatment was performed at 1400 ° C. for 24 hours for crystallization.

【0029】得られた焼結体に対して、寸法を測定し、
成形体の寸法に対する比率(焼結体寸法/成形体寸法)
を寸法変化(%)として測定した。そして、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−R1601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、1
0個の試験結果の平均値を表1及び表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。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15
00℃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 dimensions of the obtained sintered body were measured,
Ratio to compact size (sintered compact size / compact compact size)
Was measured as a dimensional change (%). Then, the ratio of the theoretical density to the theoretical density of the obtained sintered body is calculated from the specific gravity according to the Archimedes method. A point bending flexural strength test was performed,
Tables 1 and 2 show the average values of the 0 test results. Further, the crystal of the grain boundary phase in the sintered body was identified by X-ray diffraction measurement. 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.
It was kept at 00 ° C for a maximum of 100 hours, and the time until breakage was measured.

【0030】[0030]

【表1】 [Table 1]

【0031】[0031]

【表2】 [Table 2]

【0032】表1及び表2によれば、Lu2 3 を含ま
ない他の周期律表第3a族元素酸化物を単独添加した試
料No.37〜39は、高温特性が低下しており、SiO
2 /RE2 3 比が2を越える試料No.21は、耐クリ
ープ性が低いものであった。
According to Tables 1 and 2, Samples Nos. 37 to 39 to which other Group 3a element oxides of the periodic table that do not contain Lu 2 O 3 alone were added, the high-temperature characteristics were deteriorated. SiO
Sample No. 21 having a 2 / RE 2 O 3 ratio exceeding 2 had low creep resistance.

【0033】また、周期律表第3a族元素酸化物が10
モル%を越える試料No.15〜17は、高温特性が低く
かった。さらに、周期律表第3a族元素酸化物の添加量
が少ない試料No.1では緻密化不足であり、原料として
珪素粉末を添加しなかった試料No.10は寸法変化が8
0%と大きく、ブレード先端の変形量が大きかった。L
u以外の周期律表第3a族元素酸化物が7モル%を越え
る試料No.26、27では耐クリープ特性が大きく低下
した。
The oxide of an element belonging to Group 3a of the periodic table contains 10
Samples Nos. 15 to 17 exceeding mol% had poor high-temperature characteristics. Further, in Sample No. 1 in which the amount of Group 3a element oxide added to the periodic table was small, the densification was insufficient. In Sample No. 10 in which silicon powder was not added as a raw material, the dimensional change was 8%.
It was as large as 0%, and the amount of deformation at the blade tip was large. L
Samples Nos. 26 and 27 containing more than 7 mol% of Group 3a element oxides of the periodic table other than u showed significantly reduced creep resistance.

【0034】これらの比較例に対して、その他の本発明
に基づく試料はいずれも寸法変化が小さく、しかも高温
強度が高くさらに耐クリープ特性に優れたものであっ
た。
In contrast to these comparative examples, all of the other samples according to the present invention exhibited small dimensional changes, high high-temperature strength, and excellent creep resistance.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
焼結過程における収縮及び変形を低減し、寸法精度の高
い焼結体を作製することができると同時に、室温から高
温、特に1500℃まで強度劣化が小さく、且つ高温で
の耐クリープ特性に優れた窒化珪素焼結体を得ることが
できる。これにより、窒化珪素質焼結体のセラミックガ
スタービン部品やセラミックターボロータ等の熱機関用
構造材料をはじめとし、各種の室温や高温にて使用され
る高い寸法精度の要求される構造材料に適用することが
できる。
As described in detail above, according to the present invention,
Reduces shrinkage and deformation during the sintering process, and produces a sintered body with high dimensional accuracy. At the same time, it has small strength deterioration from room temperature to high temperature, especially 1500 ° C, and has excellent creep resistance at high temperature. A silicon nitride sintered body can be obtained. As a result, it can be applied to various structural materials that require high dimensional accuracy used at room temperature and high temperature, including structural materials for heat engines such as ceramic gas turbine parts and ceramic turbo rotors made of silicon nitride sintered body. can do.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−6160(JP,A) 特開 昭63−100067(JP,A) 特開 平6−271357(JP,A) 特開 平8−48565(JP,A) 特開 平7−315938(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-4-6160 (JP, A) JP-A-63-100067 (JP, A) JP-A-6-271357 (JP, A) JP-A 8- 48565 (JP, A) JP-A-7-315938 (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】周期律表第3a族元素酸化物を1〜10モ
ル%、酸化珪素を1〜20モル%、珪素、あるいは珪素
と窒化珪素を窒化物換算で70モル%以上の割合からな
り、前記周期律表第3a族元素酸化物がLuを主体と
し、Lu以外の周期律表第3a族元素酸化物が全周期律
表第3a族元素酸化物の7モル%以下であり、且つ前記
周期律表第3a族元素酸化物に対する前記酸化珪素量の
モル比が2未満である組成からなる成形体を800〜1
500℃の窒素含有雰囲気中で熱処理して前記珪素を窒
化した後、さらに窒素を含む非酸化性雰囲気中で焼成し
緻密化することを特徴とする窒化珪素質焼結体の製造方
法。
An oxide of a Group 3a element of the periodic table in an amount of 1 to 10 mol%, silicon oxide of 1 to 20 mol%, and silicon or silicon and silicon nitride in an amount of 70 mol% or more in terms of nitride. The Group 3a element oxide of the periodic table is mainly composed of Lu, and the Group 3a element oxide other than Lu is 7 mol% or less of the Group 3a element oxide of the entire Periodic Table; A molded product having a composition in which the molar ratio of the silicon oxide to the Group 3a element oxide of the periodic table is less than 2 is 800 to 1
A method for producing a silicon nitride-based sintered body, characterized in that the silicon is nitrided by heat treatment in a nitrogen-containing atmosphere at 500 ° C., and then fired and densified in a non-oxidizing atmosphere containing nitrogen.
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