JPH0114194B2

JPH0114194B2 -

Info

Publication number: JPH0114194B2
Application number: JP54162870A
Authority: JP
Inventors: Adoraaborun Yan; Raakaa Hansu; Matsuson Baateiru; Niruson Yan
Original assignee: ASEA BURAUN BOBERI AB
Current assignee: ASEA BURAUN BOBERI AB
Priority date: 1978-12-19
Filing date: 1979-12-17
Publication date: 1989-03-09
Also published as: SE414921B; JPS5589405A; SE7813018L; SU1037832A3

Description

【発明の詳細な説明】金属またはセラミツク物質の粉末を等静圧プレ
スを使用しながら焼結することにより上記物質の
物品を製造するに際して、粉末は取り扱い易い粉
末成形体に成形するのが適当である。これは、ゆ
るい焼結により、すなわち、成形キヤビテイに充
填された粉末を真空中または保護ガス中で凝集体
が成形されるがしかし顕著な緻密化が起きないよ
うに焼結することにより行うことが出来る。それ
はまた、粉末をたとえば可撓性物質のシールされ
たカプセルたとえばプラスチツクカプセルに配置
して等静圧圧縮にかけることにより行うことが出
来る。圧縮は、室温または焼結に伴う圧縮中の温
度よりかなり低い他の温度で結合剤を使用するこ
となく有利に行うことが出来る。その後、生成物
は、機械加工により所望の形状にすることが出来
る。予備成形では、とりわけ、通常のセラミツク
物品製造技術を使用することも出来る。したがつ
て、普通、粉末は成形前に、一時的結合剤たとえ
ばメチルセルロース、硝酸セルロース、アクリレ
ート結合剤、蝋または蝋混合物と混合される。予
備成形前に、結合剤は加熱により追い払われ、予
備成形粉末体は本質的に結合剤を含まなくなる。

予備成形粉末体を焼結温度で等静圧プレスにか
ける場合、所望の密度の焼結物品を得るために
は、上記粉末体はプレス中使用される圧力媒体普
通ガスが粉末体に浸透され得ないケーシング中に
収容しなければならない。ケーシングは中味と同
様に、シール前の処理工程中望ましくないガスか
ら遊離される。種々のケーシング形成方法が知ら
れている。１つの公知方法によれば、ガラスの予
備成形カプセルがケーシングとして使用される。
他の公知方法によれば、ケーシングは、予備成形
粉末体をガラス粒子の懸濁液中に浸漬するかまた
は上記粉末体の周囲にガラス粒子層をある他の方
法で施し、次いで真空下で粒子が粉末体のまわり
に緊密なケーシングを形成するような温度で加熱
することにより現場でつくられる。窒化珪素に関
する限り、高融点型ガラスの多孔質層の外側に低
融点型ガラスの多孔質層を使用することも知られ
ている。公知の場合、外側の多孔質層は粉末体を
脱ガスしている間加圧媒体を通さない層に変換さ
れる。緊密な層が形成されたら、収容粉末体に、
温度が連続的に上昇される際窒化珪素の解離を阻
止するためにアルゴンまたはヘリウムで圧力を加
える。連続温度増加中、外層のガラスは内側の多
孔質層中の物質と反応し、その間融点がますます
高いガラスが形成されかつ圧力媒体を通さない層
が維持され、最後に、外層のガラスが流れ去る前
に内部多孔質層の最も深い部分から圧力媒体を通
さないガラス層が形成される。この最後に形成さ
れたガラス層は、等静圧プレスが焼結温度で行わ
れる際に粉末体のまわりにケーシングを形成す
る。

ある場合に、特に複雑な形状の物品たとえば鋭
い角または端縁を有する物品または肉薄部分を有
する物品たとえばブレードを有するタービンデイ
スクを対象とする場合、前記公知方法を使用しな
がら粉末物質の物品を製造中望ましいほど大きな
再現性を達成する点で問題がある。ガラスの予備
成形カプセルを使用する場合、ガラスは軟化する
とポケツトに蓄積し、また比較的高粘度のため
に、予備成形粉末体の肉薄部分に粉末体の等静圧
プレスのために適用される高圧と関連して損傷が
起る危険がある。粉末体の周囲にガラス粒子層を
設けることにより現場でケーシングをつくる場
合、ある場所、特に鋭い角または端縁の粉末体
が、プレスを行おうとする場合ケーシング物質に
よりおゝわれないという危険が存在する。何とな
れば、ガラスはそこに保持されないからである。
この危険は、ガラスの予備成形体を使用する場合
にも存在する。

本発明によれば、高密度の粉末物質の物品を前
述した方法より大きな再現性を以つて製造出来る
ことが判明した。

本発明は、窒化珪素または主成分として窒化珪
素で形成される物質の粉末から予備成形物品を形
成し、上記物品をガラスまたは加熱によりガラス
を形成する物質からなる埋め込み物質中に埋め込
み、上記埋め込み物質を上記予備成形物品と共に
加熱することにより、ガスを透過しないケーシン
グに変換し、その後、上記予備成形物品を焼結し
ながら等静圧プレスを行なうことにより、窒化珪
素または主成分として窒化珪素で形成される物質
の物品を製造する方法において、予備成形物品１
０および埋め込み物質１６を予備成形物品の焼結
を行なう温度に耐える開放容器１５に入れ、容器
の壁により限定される実質的に水平な表面を有す
る溶融物を形成し、予備成形物品を上記溶融物の
表面下に位置させながら、埋め込み物質をその容
器中でガス不透過性ケーシングに変換させ、その
際、埋め込み物質を少なくとも大部分が窒素より
成る加圧ガスと接触させ、予備成形物品の細孔に
存在するガスの圧力と少なくとも同じ大きさの圧
力であつて、等静圧プレス中のガス状圧力媒体の
圧力よりも相当に低い圧力を維持することを特徴
とする、上記方法に関する。

溶融物とは、少なくとも部分的および好ましく
は少なくとも大部分が溶融相からなるガス不透過
性塊を云う。したがつて、溶融物の概念に包含さ
れる機能的ガス不透過性塊が形成されるには、埋
め込み物質のすべての成分が、完全に溶融する必
要はない。溶融物は少なくとも実質的に水平な表
面を有する。

溶融物は、金型キヤビテイの壁と接触しながら
溶融物が収容される金型キヤビテイ中でピストン
によつて加圧されるのではなく、加熱可能な高圧
室で行なわれるガス状圧力媒体による加圧にかけ
るのが必須である。ピストンによる場合は、ガラ
ス溶融物はピストンと金型キヤビテイの間に浸透
しやすいので、ガラス溶融物の十分低い粘度を維
持することは不可能であるから、粉末体の弱い部
分の損傷を避けることは不可能であり、あるい
は、いずれにしても著しく大きな困難がある。

本発明を実施するための圧力媒体として、不活
性ガスたとえばアルゴンおよびヘリウムならびに
窒素ガスが好ましい。予備成形窒化珪素物品の焼
結中の圧力は、焼結促進添加剤たとえば酸化マグ
ネシウムまたは酸化イツトリウムが窒化珪素に添
加されているかいないかにより異なる。そのよう
な添加剤を使用しない場合、圧力は少なくとも
100MPa、好ましくは200―300MPaであることが
必要である。焼結促進添加剤を使用する場合、よ
り低い圧力を使用することが出来るが、しかし少
なくとも20MPaが適当である。予備成形物品の
焼結は、1600―1900℃、好ましくは1700―1800℃
で行うのが適当である。

焼結温度に抵抗性のある容器の物質として、黒
鉛が好ましいが、しかし、窒化物またはモリブデ
ンのような他の物質を使用することも出来る。

埋め込み物質は、ガラス粒子または加熱すると
ガラスを形成する物質からなるのが特に有利であ
る。予備成形窒化珪素体は、抵抗性容器の粒子中
に埋め込まれ、粒子は容器中で溶融物に変換さ
れ、すなわち、埋め込み物質は容器中でガス不透
過性とされる。ガラスまたはガラス形成物質のよ
り大きな片たとえば少なくとも実質的に予備成形
体の形状を追う予備成形片を使用することも出来
る。たとえば、予備成形体の下側に予備成形片を
そして成形体の上側に他の予備成形片を使用し、
次いで、それらの片の端部を互いに適当に接触さ
せることが出来る。物品の形状に応じて、原則と
して、一体的に形成されかつ予備成形体を挿入す
ることが出来る開口を有するガラスカプセルを使
用することも出来る。埋め込み物質が１種のまた
は数種のガラス片からつくられる場合、そのガラ
ス片を容器に入れる前または後でそれをガス不透
過性にすることが出来る。最初の場合、これはこ
の目的に適した炉で別の方法で有利に行うことが
出来、また後者の場合、それは、等静圧プレスが
行われる高圧炉で溶融物に変換される埋め込み物
質と関連して有利になすことが出来る。

ガラスの埋め込み物質を、少なくとも大部分が
窒素ガスからなるガスと接触させながら、容器中
でガス不透過性ケーシングに変換することによ
り、ガス不透過性ケーシングの形成中に、予備成
形物品中に存在し、または、その中に生成するガ
スの予備成形物品からの離脱を防ぐことが可能で
ある。このようなガスの離脱は、気泡の生成のも
ととなることがあり、あとでケーシングを傷つ
け、ひびが入り、その結果、ケーシングおよびそ
の中で加圧される物品がそこなわれ、したがつ
て、物品の製造の再現性が低下する。

本発明に従つて、加圧ガスを用いることによ
り、埋め込み物質をガス不透過性に変換するとき
に、十分に高い温度を用いることも、また、可能
であり、その結果、生成したガラス溶融物は、低
粘度であり、予備成形物品の弱い部分、例えば、
鋭角および薄い壁を傷つけず、同時に、窒化珪素
の解離、したがつて、その組成の変化を防ぎ、ま
たは逆らう。本発明は、また、粘度が十分に低
く、かつ、窒化珪素を化学的に攻撃しない温度に
加熱されうる埋め込み物質のためのガラスの種類
の選択の可能性を増す。等静圧プレスのために必
要とされる圧力が溶融物に適用されるときは、低
い粘度、適当には最大10⁶ポイズの粘度を有する
溶融物を与えるガラスを用いることができる。溶
融物が低粘度となつたときは、等静圧プレスに必
要な高圧が適用され、それは、ガラスの種類に応
じて約1150〜約1700℃で行うことができる。

窒化珪素に対して使用されるガラスの密度は、
粉末体がそのある部分が溶融ガラスによりおゝわ
れなくなる程度まで上昇する危険を避けるために
最大2.4ｇ／cm³であることが必要である。

ガラスの粉末体の細孔への制限された表面的浸
透が許される場合、等静圧プレスに必要な高圧が
適用される場合に窒化珪素の予備成形体が損傷さ
れないような低い粘度を有する溶融物を与える複
数の異なつた種類のガラスを使用することが出来
る。とりわけ、異なる種類の珪酸鉛ガラスおよび
珪酸アルミニウムガラスならびに石英および異な
るガラス形成酸化物の混合物を使用することが出
来る。ある場合には、プレスされた窒化珪素物品
上の表面層をたとえばブラステイングにより除去
することが必要であり得る。

しかしながら、本発明によれば、窒化珪素のま
わりにB₂O₃含有ガラスおよび窒化珪素の十分小
さい粒度、好ましくは５ミクロン未満の粒度を用
いることにより、ガラス溶融物が予備成形窒化珪
素物品に浸透するのを避けることが出来ることが
見い出された。硼素含有ガラスが窒化珪素物品へ
浸透しないことに対するもつともらしい説明は、
ガラスが低粘度溶融物になる前にガラスと窒化珪
素間の境界面に硼素―窒素化合物、恐らくは窒化
硼素が形成され、この硼素―窒素化合物がガラス
の粉末体の細孔への浸透を妨げるということであ
る。ガラス中のB₂O₃含量は、２〜70重量％であ
るのが有利である。適用出来る硼素含有ガラスの
例として、80.3重量％SiO₂、12.2重量％B₂O₃、
2.8重量％Al₂O₃、4.0重量％Na₂O、0.4重量％K₂O
および0.3重量％CaOを含有するガラス（パイレ
ツクス）、58重量％SiO₂、９重量％B₂O₃、20重
量％Al₂O₃、５重量％CaOおよび８重量％MgOを
含有するガラス、96.7重量％SiO₂、2.9重量％
B₂O₃および0.4重量％Al₂O₃を含有するガラス
（バイコールおよび38重量％SiO₂、60重量％
B₂O₃、および２重量％Al₂O₃を含有するガラスを
挙げることが出来る。加熱した場合ガラスを形成
する物質粒子の混合物たとえばSiO₂、Al₂O₃、
B₂O₃ならびにアルカリおよびアルカリ土類酸化
物の混合物を使用することも出来る。

プレスおよび焼結後、窒化珪素の最終物品がガ
ラスに埋め込まれる。本発明の有利な実施態様に
よれば、ガラスの凝固温度と室温間の領域のかな
りの部分内で窒化珪素とほゞ同じ熱膨張係数、好
ましくは500―20℃の温度範囲で3.0―3.8×10^-6／
℃の熱膨張係数を有するガラスが使用される。こ
れにより、冷却中亀裂または破壊により引き起さ
れる物品の損傷が防止される。適当なガラスは、
80.3重量％SiO₂、12.2重量％B₂O₃、2.8重量％
Al₂O₃、4.0重量％Na₂O、0.4重量％K₂Oおよび0.3
重量％CaOを含有しかつ500―20℃で3.2×10^-6／
℃の熱膨張係数を有する前述のガラスである。窒
化珪素の対応する値は、3.2×10^-6／℃である。
物品の製造をかなり複雑にするけれども、熱膨張
係数が窒化珪素のそれとかなり異なるガラスを用
いる場合、最終物品の露出を管理することが出来
る。そのようなガラスの例は、96.7重量％SiO₂、
2.9重量％B₂O₃および0.4重量％Al₂O₃を含有する
前記ガラスである。そのようなガラスは、たとえ
ば、1600℃で外圧を窒化珪素の解離圧以下に低減
し、ガラスを窒化珪素物品の上にあげ、ガラスに
よる損傷なく物品を冷却させることにより上記物
品から実質的に完全に除去することが出来る。あ
る場合には、焼結中使用される温度以上に温度を
上げてガラスが上記物品を損傷することが出来ず
かつ必要ならブラステイングにより除去すること
が出来る十分に薄い皮膜のみを残すのに十分低い
粘度になるようにすることによりガラスを除去す
ることが適当であり得る。

窒化珪素について述べたと同じ方法で、本発明
は、主成分として窒化珪素でつくられた物質たと
えば珪素アルミニウムオキシナイトライドおよび
アルミニウムが少なくとも一部イツトリウムで置
換された上記オキシナイトライドならびに他の珪
素金属オキシナイトライドおよび窒化珪素と珪素
金属オキシナイトライドの混合物の物品の製造に
使用することが出来る。

粉末体の細孔にガラスが浸透しないようにする
ためには、粉末体の周囲をブロツキング層たとえ
ば微粉窒化硼素または埋め込み物質中のガラスよ
り高い融点を有する微粉ガラスの層で取り囲むの
が適当である。

本発明を添付図面を参照とする下記の実施例に
より説明する。

実施例５ミクロン未満の粉末粒度を有しかつ約0.5重
量％の遊離珪素および約0.1重量％の酸化マグネ
シウムを含有する窒化珪素粉末を製造すべき予備
成形粉末体とほゞ同じ形状のプラスチツク、たと
えば可塑化ポリ塩化ビニルまたはゴムのカプセル
に入れ、その後、カプセルをシールし、プレス装
置、たとえば英国特許第1522705号明細書の第１
図および第２図に示す装置に入れる。粉末を
600MPaで５分間圧縮する。圧縮が完了した後、
カプセルを除去し、製造された予備成形粉末体を
所望の形状に機械加工する。粉末体は理論密度の
60％の密度を有する。

第１図および第２図に示される予備成形粉末体
１０は、ボス１１，ウエブ１２、エツジ１３およ
びブレード１４を有するタービン羽根車からな
る。

第３図から明らかなように、粉末体１０を頂部
が開放している容器１５に入れ、粉末体をガラス
粉末１６中に埋め込む。上記容器は使用する焼結
温度に抵抗性を有する。例示の容器は黒鉛からな
り、内部に窒化硼素の剥離層１７が設けられる。

ガラス粉末は、96.7重量％SiO₂、2.9重量％
B₂O₃および0.4重量％Al₂O₃を含有するガラスの
粒子からなる。したがつて、この場合、埋め込み
物質はガラスの粒子からなる。

次に、１つまたはそれ以上の容器１５が第４図
による高圧炉に入れられる。明瞭にするため、こ
の図には１つだけの容器を示す。第４図におい
て、２２は車２３により支持されかつ図に示す位
置とプレススタンドが高圧室４２を取り巻く位置
の間で床２５上のレール２４上を変位可能なプレ
ススタンドを示す。プレススタンドは、プレスト
レストストリツプシース２９により保持された上
部わく２６、下部わく２７および一対のスペーサ
ー２８からなる種類のものである。高圧室４２は
カラム４９により支持され、内管５０、周囲のプ
レストレストストリツプシース５１およびストリ
ツプシースを軸方向に固定しかつ高圧室をカラム
４９に取り付ける懸吊装置を構成する端部リング
から形成される高圧シリンダーを有する。室４２
は高圧シリンダーの管５０に突入する下端蓋５３
を有する。下端蓋には、シールリング５４が挿入
される溝、プレスすべき生成物を脱ガスしかつ圧
力媒体適当にはアルゴン、ヘリウムまたは窒素ガ
スを供給するための通路５５および炉の加熱のた
め加熱要素５７を供給するためのケーブル用通路
５６が設けられる。要素５７は、絶縁底板５９上
に載置されるシリンダー５８により支持され、絶
縁底板５９は絶縁マントル６０中に突出する。上
端蓋は、管５０に対してシールをするシールリン
グ６２を有する環状部分６１を有する。マントル
６０は、部分６１からつるされ、そこへ気密に連
結される。また、上端蓋は部分６１の開口をシー
ルするための蓋６３を有する。この蓋６３は高圧
シリンダーで普通永久的に適用される。蓋には、
部分６１の内面に対してシールするためのシール
リング６４および高圧室を閉じる場合、シリンダ
ー６０中に突出し炉空間本体６６を取り巻く絶縁
シールの部分を構成する絶縁蓋６５が設けられ
る。蓋６３は、上下動および回転操作可能なロツ
ド６８により支持されるブラケツト６７に取り付
けられる。わく２６および２７は、圧力が炉空間
に適用される場合に、端部蓋５３および蓋６３に
作用する圧縮力を吸収する。

粉末体１０および周囲のガラス粉末を有する容
器１５を炉空間６６で室温で約２時間脱ガスした
とき、窒化珪素の解離を阻止するために、炉空間
に大気圧の窒素ガスを充填し、窒素ガスを連続的
に供給して圧力を0.1MPaとしながら炉の温度を
1600℃に上げる。温度が1600℃に達したとき、ガ
ラス粉末は、粉末体１０を完全に取り巻く低粘度
溶融物を形成する。その後、アルゴンまたはヘリ
ウムを同じ温度で最終焼結温度中200―300MPa
の圧力を与える圧力水準まで供給する。次に、温
度を1700―1800℃、すなわち窒化珪素に対して適
当な焼結温度に１時間上げる。同時に、圧力が上
昇する。前記条件下で適当な焼結時間は少なくと
も２時間である。最終サイクル後、炉を適当な放
出温度に冷却させる。ガラスは窒化珪素とかなり
異なる熱膨張係数を有するので、中味を有する容
器１５を取り出す前に、炉は制限された冷却しか
出来ない。プレス成形物品を約1800℃に加熱し、
ガラスを物品から流し去り、物品上に薄い皮膜の
みを残す。室温に冷却後、皮膜はブラステイング
により適当に除去する。仕上げられた物品の密度
は理論密度の99.5％を越える。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ガスタービンモータ用のタービン羽
根車状の窒化珪素粉末から予備成形した物品を示
す図、第２図は、上記物品の軸方向断面図、第３
図は温度抵抗性容器に入れられかつガラス粒子塊
中に埋め込まれた上記物品を示す図、第４図は、
予備成形粉末体の等静圧プレスおよび焼結を行う
高圧炉を示す図である。１０…予備成形物品、１１…ボス、１２…ウエ
ブ、１３…端縁、１４…ブレード、１５…容器、
１６…ガラス粉末、１７…剥離層。

Claims

【特許請求の範囲】１窒化珪素または主成分として窒化珪素で形成
される物質の粉末から予備成形物品を形成し、上
記物品を、ガラスまたは加熱によりガラスを形成
する物質からなる埋め込み物質中に埋め込み、上
記埋め込み物質を上記予備形成物品と共に加熱す
ることにより、ガスを透過しないケーシングに変
換し、その後、上記予備成形物品を焼結しながら
等静圧プレスを行なうことにより、窒化珪素また
は主成分として窒化珪素で形成される物質の物品
を製造する方法において、予備成形物品１０およ
び埋め込み物質１６を予備成形物品の焼結を行な
う温度に耐える開放容器１５に入れ、容器の壁に
より限定される実質的に水平な表面を有する溶融
物が形成される間に、予備成形物品を上記溶融物
の表面下に位置させて、埋め込み物質をその容器
中でガス不透過性ケーシングに変換させ、その
際、ガス不透過性ケーシングが形成される間、埋
め込み物質を少なくとも大部分が窒素より成る加
圧ガスと直接接触させ、予備成形物品の細孔に存
在するガスの圧力と少なくとも同じ大きさの圧力
であつて、等静圧プレス中のガス状圧力媒体の圧
力よりも相当に低い圧力を維持することを特徴と
する、上記方法。２埋め込み物質１６が、ガラスまたは加熱する
とガラスを形成する物質の粒子または片からな
る、特許請求の範囲第１項に記載の方法。３溶融物が、等静圧プレスに必要な圧力が溶融
物に適用される場合に最大10⁶ポイズの粘度を有
する、特許請求の範囲第１項または第２項に記載
の方法。４ガラスがB₂O₃を含有する、特許請求の範囲
第３項に記載の方法。５ガラス中のB₂O₃含量が２〜70重量％である、
特許請求の範囲第４項に記載の方法。６ガラスが、20〜500℃で3.8〜3.8×10^-6／℃の
熱膨張係数を有する、特許請求の範囲第４項また
は第５項に記載の方法。