JP3290685B2 - 窒化ケイ素系焼結体 - Google Patents
窒化ケイ素系焼結体Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、耐酸化特性に優れた窒
化ケイ素系焼結体に関する。
化ケイ素系焼結体に関する。
【０００２】
【従来の技術】セラミックス系の構造用材料としては、
従来から、主として窒化ケイ素系焼結体、炭化ケイ素系
焼結体、 Si-Al-O-Nを主構成元素とするサイアロン系焼
結体等が使用されてきた。中でも、窒化ケイ素系焼結体
は、炭化ケイ素系焼結体やサイアロン系焼結体に比べて
高強度を有し、さらに破壊靭性値に優れる等の特徴を有
しており、自動車部品用部材、ガスタ―ビン翼等を始め
として、各種の高強度耐熱構造用材料に応用が試みられ
ている。
従来から、主として窒化ケイ素系焼結体、炭化ケイ素系
焼結体、 Si-Al-O-Nを主構成元素とするサイアロン系焼
結体等が使用されてきた。中でも、窒化ケイ素系焼結体
は、炭化ケイ素系焼結体やサイアロン系焼結体に比べて
高強度を有し、さらに破壊靭性値に優れる等の特徴を有
しており、自動車部品用部材、ガスタ―ビン翼等を始め
として、各種の高強度耐熱構造用材料に応用が試みられ
ている。
【０００３】ところで、窒化ケイ素自身は焼結性が極め
て悪いため、従来より各種の焼結方法が試みられてお
り、現状では主として添加物による液相焼結が用いられ
ている。上記した窒化ケイ素の焼結助剤として働く添加
物としては、希土類元素の酸化物、酸化マグネシウム、
酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等や、ハフニウ
ム、タンタル、ニオブ等の酸化物、炭化物、ケイ化物等
が挙げられ、単独またはこれらの組合せにより使用され
ている。このような焼結助剤の組み合わせとしては、例
えば酸化イットリウム―酸化アルミニウム−窒化アルミ
ニウム−Hf、Ta、Nb等の酸化物系（特公平 1-16791号公
報参照）、希土類酸化物―Hf、Ta、Nb等の酸化物系また
は希土類酸化物―Hf、Ta、Nb等の酸化物−窒化アルミニ
ウム系（特開昭 60-290718号公報参照）等が知られてい
る。
て悪いため、従来より各種の焼結方法が試みられてお
り、現状では主として添加物による液相焼結が用いられ
ている。上記した窒化ケイ素の焼結助剤として働く添加
物としては、希土類元素の酸化物、酸化マグネシウム、
酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等や、ハフニウ
ム、タンタル、ニオブ等の酸化物、炭化物、ケイ化物等
が挙げられ、単独またはこれらの組合せにより使用され
ている。このような焼結助剤の組み合わせとしては、例
えば酸化イットリウム―酸化アルミニウム−窒化アルミ
ニウム−Hf、Ta、Nb等の酸化物系（特公平 1-16791号公
報参照）、希土類酸化物―Hf、Ta、Nb等の酸化物系また
は希土類酸化物―Hf、Ta、Nb等の酸化物−窒化アルミニ
ウム系（特開昭 60-290718号公報参照）等が知られてい
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たような焼結助剤を用いた窒化ケイ素系焼結体は、焼成
時に一旦液相を形成し、この液相を利用して緻密質な焼
結体として得ているため、液相形成成分が焼結後に粒界
に残存し、この粒界構成相に起因して、耐酸化性に劣る
という問題を有していた。すなわち焼結助剤としては、
酸化イットリウムが主として使用されているが、酸化イ
ットリウムを使用した窒化ケイ素焼結体は、イットリウ
ムを含む粒界相に起因して、特に高温で酸化されやすい
ために、高温雰囲気中での強度劣化が大きいという問題
を有していた。
たような焼結助剤を用いた窒化ケイ素系焼結体は、焼成
時に一旦液相を形成し、この液相を利用して緻密質な焼
結体として得ているため、液相形成成分が焼結後に粒界
に残存し、この粒界構成相に起因して、耐酸化性に劣る
という問題を有していた。すなわち焼結助剤としては、
酸化イットリウムが主として使用されているが、酸化イ
ットリウムを使用した窒化ケイ素焼結体は、イットリウ
ムを含む粒界相に起因して、特に高温で酸化されやすい
ために、高温雰囲気中での強度劣化が大きいという問題
を有していた。
【０００５】上述したように、窒化ケイ素の焼結助剤と
して使用される酸化イットリウムは、緻密質で機械的強
度に優れた窒化ケイ素系焼結体を得ることを可能にする
半面、焼結後に粒界に残存するイットリウムを含む化合
物に起因して、耐酸化性を劣化させてしまうという問題
を有していた。このようなことから、焼結体密度、機械
的強度等をあまり低下させることなく、耐酸化特性に優
れた窒化ケイ素系焼結体を得ることが強く望まれてい
る。
して使用される酸化イットリウムは、緻密質で機械的強
度に優れた窒化ケイ素系焼結体を得ることを可能にする
半面、焼結後に粒界に残存するイットリウムを含む化合
物に起因して、耐酸化性を劣化させてしまうという問題
を有していた。このようなことから、焼結体密度、機械
的強度等をあまり低下させることなく、耐酸化特性に優
れた窒化ケイ素系焼結体を得ることが強く望まれてい
る。
【０００６】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、焼結体密度や機械的強度に優れると
共に、耐酸化特性に優れた窒化ケイ素系焼結体を提供す
ることを目的としている。
になされたもので、焼結体密度や機械的強度に優れると
共に、耐酸化特性に優れた窒化ケイ素系焼結体を提供す
ることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段と作用】本発明の窒化ケイ
素系焼結体は、焼結助剤として、酸化イットリウムを含
まず、少なくとも酸化イッテルビウムを１重量％〜１０
重量％および窒化アルミニウムを１重量％〜１０重量％
含み、残部が実質的に窒化ケイ素からなる混合物を成
形、常圧焼結法により焼成してなる窒化ケイ素系焼結体
であって、その焼結体母相がβ−Ｓｉ３Ｎ４およびα’
−Ｓｉ３Ｎ４からなり、前記焼結体母相の結晶粒界にＹ
ｂを含む結晶性化合物が少なくとも存在し、かつ３点曲
げ強度（室温）が６００ＭＰａ以上であることを特徴と
している。
素系焼結体は、焼結助剤として、酸化イットリウムを含
まず、少なくとも酸化イッテルビウムを１重量％〜１０
重量％および窒化アルミニウムを１重量％〜１０重量％
含み、残部が実質的に窒化ケイ素からなる混合物を成
形、常圧焼結法により焼成してなる窒化ケイ素系焼結体
であって、その焼結体母相がβ−Ｓｉ３Ｎ４およびα’
−Ｓｉ３Ｎ４からなり、前記焼結体母相の結晶粒界にＹ
ｂを含む結晶性化合物が少なくとも存在し、かつ３点曲
げ強度（室温）が６００ＭＰａ以上であることを特徴と
している。
【０００８】本発明の窒化ケイ素系焼結体の主原料とな
る窒化ケイ素としては、平均粒径が1μm 以下で、その
構成相の80％以上がα相であるものが好ましい。平均粒
径は微細なものほど焼結性が高くなるため好ましい。こ
のような窒化ケイ素原料による焼結体母体は、その主構
成相がβ- Si3 N 4 相からなり、例えば 10%以下程度の
比率でα′- Si3 N 4 相を含むものとなる。
る窒化ケイ素としては、平均粒径が1μm 以下で、その
構成相の80％以上がα相であるものが好ましい。平均粒
径は微細なものほど焼結性が高くなるため好ましい。こ
のような窒化ケイ素原料による焼結体母体は、その主構
成相がβ- Si3 N 4 相からなり、例えば 10%以下程度の
比率でα′- Si3 N 4 相を含むものとなる。
【０００９】また、本発明で焼結助剤として使用する酸
化イッテルビウムは、窒化ケイ素の焼結促進剤として機
能し、また焼結後には粒界に高融点の結晶性化合物とし
て残存する。ここで、粒界に残存するYbを含む結晶性化
合物は、 AlN以外と共に主として形成されるものであ
る。
化イッテルビウムは、窒化ケイ素の焼結促進剤として機
能し、また焼結後には粒界に高融点の結晶性化合物とし
て残存する。ここで、粒界に残存するYbを含む結晶性化
合物は、 AlN以外と共に主として形成されるものであ
る。
【００１０】上記したYbを含む結晶性化合物は、高温雰
囲気に晒された際においても、原子の移動が少ないた
め、窒化ケイ素系焼結体の耐酸化特性の劣化が少ない。
例えば、酸化イットリウムを焼結助剤として用いた窒化
ケイ素系焼結体は、粒界にY-Si-Al-O-N 系の化合物が存
在し、この Y-Si-Al-O-N系化合物は高温雰囲気中では Y
が表面方向に移動することから、焼結体の耐酸化特性を
劣化させているものと考えられる。つまり、本発明によ
る窒化ケイ素系焼結体においては、上記したような粒界
成分の移動に伴う酸化が抑制されるため、良好な耐酸化
特性が高温雰囲気中においても維持される。
囲気に晒された際においても、原子の移動が少ないた
め、窒化ケイ素系焼結体の耐酸化特性の劣化が少ない。
例えば、酸化イットリウムを焼結助剤として用いた窒化
ケイ素系焼結体は、粒界にY-Si-Al-O-N 系の化合物が存
在し、この Y-Si-Al-O-N系化合物は高温雰囲気中では Y
が表面方向に移動することから、焼結体の耐酸化特性を
劣化させているものと考えられる。つまり、本発明によ
る窒化ケイ素系焼結体においては、上記したような粒界
成分の移動に伴う酸化が抑制されるため、良好な耐酸化
特性が高温雰囲気中においても維持される。
【００１１】このような酸化イッテルビウムの添加量
は、全組成物中の 1〜10重量％とし、特に好ましくは 3
〜10重量％の範囲である。酸化イッテルビウムの添加量
が 1重量％満では、焼結促進機能が十分に得られず、ま
た10重量％を超えると、相対的に母相の比率が低下する
ことから、焼結体本来の特性が得難くなるためである。
なお、酸化イッテルビウムの原料としては、加熱により
酸化物となるケイ化物、炭化物、ホウ化物等の化合物を
使用することも可能である。
は、全組成物中の 1〜10重量％とし、特に好ましくは 3
〜10重量％の範囲である。酸化イッテルビウムの添加量
が 1重量％満では、焼結促進機能が十分に得られず、ま
た10重量％を超えると、相対的に母相の比率が低下する
ことから、焼結体本来の特性が得難くなるためである。
なお、酸化イッテルビウムの原料としては、加熱により
酸化物となるケイ化物、炭化物、ホウ化物等の化合物を
使用することも可能である。
【００１２】また、窒化アルミニウムは、酸化イッテル
ビウムによる焼結促進効果を補助し、窒化ケイ素の液相
焼結を促進すると共に、形成された液相の再結晶化に寄
与するものである。ただし、多すぎると焼結を阻害する
方向に働くため、その添加量は10重量％以下とする。ま
た、あまり少なくとも十分に液相を形成することが困難
となるため、 1重量％以上添加するものとする。窒化ア
ルミニウムのより好ましい添加量は、 3〜 6重量％の範
囲である。
ビウムによる焼結促進効果を補助し、窒化ケイ素の液相
焼結を促進すると共に、形成された液相の再結晶化に寄
与するものである。ただし、多すぎると焼結を阻害する
方向に働くため、その添加量は10重量％以下とする。ま
た、あまり少なくとも十分に液相を形成することが困難
となるため、 1重量％以上添加するものとする。窒化ア
ルミニウムのより好ましい添加量は、 3〜 6重量％の範
囲である。
【００１３】これらの焼結助剤として添加する成分は、
その合計量を全組成物中の 4重量％〜20重量％の範囲と
することが好ましい。この添加合計量が 4重量％未満で
は、液相焼結促進の効果が十分に得られず、また20重量
％を超えると窒化ケイ素本来の特性を損ねる可能性が大
きいためである。
その合計量を全組成物中の 4重量％〜20重量％の範囲と
することが好ましい。この添加合計量が 4重量％未満で
は、液相焼結促進の効果が十分に得られず、また20重量
％を超えると窒化ケイ素本来の特性を損ねる可能性が大
きいためである。
【００１４】本発明の窒化ケイ素系焼結体は、上記した
各組成分を所定範囲内の比率で含む混合物をまず所要の
形状に成形し、不活性雰囲気中、1600℃〜1900℃程度の
温度で焼成することによって得られる。なお、この焼結
はいわゆる常圧焼結法によっても緻密質で耐酸化特性に
優れた窒化ケイ素系焼結体が得られるが、その他の焼結
法、例えば雰囲気加圧焼結法、ホットプレス法、熱間静
水圧焼結法（ＨＩＰ）等、またはこれらの組合せによっ
ても同様の性能を備えた焼結体が得られる。
各組成分を所定範囲内の比率で含む混合物をまず所要の
形状に成形し、不活性雰囲気中、1600℃〜1900℃程度の
温度で焼成することによって得られる。なお、この焼結
はいわゆる常圧焼結法によっても緻密質で耐酸化特性に
優れた窒化ケイ素系焼結体が得られるが、その他の焼結
法、例えば雰囲気加圧焼結法、ホットプレス法、熱間静
水圧焼結法（ＨＩＰ）等、またはこれらの組合せによっ
ても同様の性能を備えた焼結体が得られる。
【００１５】
【実施例】以下、本発明を実施例によって説明する。
【００１６】実施例１ 平均粒径 0.8μm のSi3 N 4 （α相95%)粉末に対し、平
均粒径 1.2μm のYb2O3 粉末 5重量％および平均粒径
1.0μm の AlN粉末 2重量％を配合し、ボ―ルミルにて
約24時間混合を行って原料粉末を調整した。次いで、こ
の原料粉末 100重量部に対してバインダを 5重量部添加
配合し、さらに十分に混合した後、プレス成形によって
長さ50mm×幅50mm×厚さ 7mmの板状成形体を作製した。
均粒径 1.2μm のYb2O3 粉末 5重量％および平均粒径
1.0μm の AlN粉末 2重量％を配合し、ボ―ルミルにて
約24時間混合を行って原料粉末を調整した。次いで、こ
の原料粉末 100重量部に対してバインダを 5重量部添加
配合し、さらに十分に混合した後、プレス成形によって
長さ50mm×幅50mm×厚さ 7mmの板状成形体を作製した。
【００１７】この後、上記成形体に窒素ガス雰囲気中に
て脱脂処理を施した後、窒素ガス雰囲気中において1750
℃× 4時間の条件で常圧焼結を行い、窒化ケイ素を主成
分とする焼結体を得た。
て脱脂処理を施した後、窒素ガス雰囲気中において1750
℃× 4時間の条件で常圧焼結を行い、窒化ケイ素を主成
分とする焼結体を得た。
【００１８】このようにして得た窒化ケイ素系焼結体の
構成相をＸ線回折により分析したところ、母相の 86%が
β- Si3 N 4 相であり、残りの 14%はα′- Si3 N 4 相
であった。また、これらSi3 N 4 結晶粒の粒界には、Yb
を含む結晶性化合物が存在していた。
構成相をＸ線回折により分析したところ、母相の 86%が
β- Si3 N 4 相であり、残りの 14%はα′- Si3 N 4 相
であった。また、これらSi3 N 4 結晶粒の粒界には、Yb
を含む結晶性化合物が存在していた。
【００１９】また、本発明との比較として、上記実施例
１で使用したSi3 N 4 （α相95%)粉末に、 Y2 O3 粉末
（平均粒径 1.0μm ）を 5重量％、 AlN粉末を 4重量％
で添加した原料粉末を用いて、実施例１と同一条件で焼
結体を作製した。
１で使用したSi3 N 4 （α相95%)粉末に、 Y2 O3 粉末
（平均粒径 1.0μm ）を 5重量％、 AlN粉末を 4重量％
で添加した原料粉末を用いて、実施例１と同一条件で焼
結体を作製した。
【００２０】これら実施例および比較例による窒化ケイ
素系焼結体の常温および1250℃における 3点曲げ強度を
測定した。また、これら焼結体に大気中にて1400℃× 1
00時間の熱処理を施し、この処理後の試料単位面積当り
の酸化増量（増加重量）を求めた。さらに、この熱処理
後の 3点曲げ強度を測定した。これらの結果を表１に示
す。
素系焼結体の常温および1250℃における 3点曲げ強度を
測定した。また、これら焼結体に大気中にて1400℃× 1
00時間の熱処理を施し、この処理後の試料単位面積当り
の酸化増量（増加重量）を求めた。さらに、この熱処理
後の 3点曲げ強度を測定した。これらの結果を表１に示
す。
【００２１】
【表１】 表１に示す測定結果から明らかなように、実施例１によ
る窒化ケイ素系焼結体は、 Y2 O3 を焼結助剤として使
用した比較例の焼結体に比べ、強度の値自体は若干劣る
ものの、耐酸化性に優れ、熱処理後における強度は比較
例の焼結体より大幅に上回るものであった。
る窒化ケイ素系焼結体は、 Y2 O3 を焼結助剤として使
用した比較例の焼結体に比べ、強度の値自体は若干劣る
ものの、耐酸化性に優れ、熱処理後における強度は比較
例の焼結体より大幅に上回るものであった。
【００２２】実施例２〜５ 実施例１で使用したYb2 O3 粉末および AlN粉末をそれ
ぞれ表２に示す組成比でSi3 N 4 粉末に混合し、これら
原料粉末を用いて実施例１と同一条件で焼結を行い、そ
れぞれ窒化ケイ素焼結体を作製した。
ぞれ表２に示す組成比でSi3 N 4 粉末に混合し、これら
原料粉末を用いて実施例１と同一条件で焼結を行い、そ
れぞれ窒化ケイ素焼結体を作製した。
【００２３】このようにして得た各窒化ケイ素焼結体の
特性を実施例１と同様にして測定した。その結果も併せ
て表２に示す。
特性を実施例１と同様にして測定した。その結果も併せ
て表２に示す。
【００２４】
【表２】
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化ケイ
素系焼結体によれば、窒化ケイ素が本来有する強度特性
を維持した上で、優れた耐酸化特性が得られる。よっ
て、各種高温雰囲気下で使用される構造用材料に好適な
セラミックス系材料を提供することが可能となる。
素系焼結体によれば、窒化ケイ素が本来有する強度特性
を維持した上で、優れた耐酸化特性が得られる。よっ
て、各種高温雰囲気下で使用される構造用材料に好適な
セラミックス系材料を提供することが可能となる。
【００２６】
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−157161（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−191063（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−58863（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−157160（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−303861（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C04B 35/584 - 35/596
Claims (3)
- 【請求項１】 焼結助剤として、酸化イットリウムを含
まず、少なくとも酸化イッテルビウムを１重量％〜１０
重量％および窒化アルミニウムを１重量％〜１０重量％
含み、残部が実質的に窒化ケイ素からなる混合物を成
形、常圧焼結法により焼成してなる窒化ケイ素系焼結体
であって、その焼結体母相がβ−Ｓｉ３Ｎ４およびα’
−Ｓｉ３Ｎ４からなり、前記焼結体母相の結晶粒界にＹ
ｂを含む結晶性化合物が少なくとも存在し、かつ３点曲
げ強度（室温）が６００ＭＰａ以上であることを特徴と
する窒化ケイ素系焼結体。 - 【請求項２】 窒化アルミニウムの添加量が３〜６重量
％であることを特徴とする請求項１記載の窒化ケイ素系
焼結体。 - 【請求項３】 前記結晶粒界にＹ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ
系化合物が実質的に存在しないことを特徴とする請求項
１または２記載の窒化ケイ素系焼結体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP01498892A JP3290685B2 (ja) | 1992-01-30 | 1992-01-30 | 窒化ケイ素系焼結体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP01498892A JP3290685B2 (ja) | 1992-01-30 | 1992-01-30 | 窒化ケイ素系焼結体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05208870A JPH05208870A (ja) | 1993-08-20 |
| JP3290685B2 true JP3290685B2 (ja) | 2002-06-10 |
Family
ID=11876333
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP01498892A Expired - Lifetime JP3290685B2 (ja) | 1992-01-30 | 1992-01-30 | 窒化ケイ素系焼結体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3290685B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7049256B2 (en) | 2000-11-28 | 2006-05-23 | Kennametal Inc. | SiAlON containing ytterbium and method of making |
| US6693054B1 (en) | 2000-11-28 | 2004-02-17 | Kennametal Inc. | Method of making SiAlON containing ytterbium |
| US7094717B2 (en) | 2000-11-28 | 2006-08-22 | Kennametal Inc. | SiAlON containing ytterbium and method of making |
| JP4531404B2 (ja) | 2004-01-13 | 2010-08-25 | 財団法人電力中央研究所 | 耐環境性皮膜構造体及びセラミック構造物 |
-
1992
- 1992-01-30 JP JP01498892A patent/JP3290685B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05208870A (ja) | 1993-08-20 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20010619 |
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