JPH01172268A

JPH01172268A - 硼化チタン複合化窒化珪素質焼結体

Info

Publication number: JPH01172268A
Application number: JP62330673A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Akimune; 淑雄秋宗
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1987-12-26
Filing date: 1987-12-26
Publication date: 1989-07-07

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】【発明の目的】

（産業上の利用分野）この発明は、タービンブレードおよびその他各種エンジ
ン燃焼室部品、宇宙航空機部品などの高靭性耐熱構造体
の素材として用いるのに好適な硼化チタン複合化窒化珪
素質焼結体に関するものである。（従来の技術）従来、この種の靭性や耐熱性に優れている窒化珪素質焼
結体としては、窒化珪素ウィスカーと窒化珪素粉末とか
らなる原料粉末を成形焼結してなる窒化珪素ウィスカー
強化窒化珪素焼結体（特開昭５６−９２１８０号公報）
や、窒化珪素粉末と繊維状炭化珪素とを分散させてペー
ストを形成し、これを板状に成形して乾燥したものを積
層して加圧・焼結してなる繊維強化型窒化珪素焼結体（
特開昭５８−１０４０６９号公報）や、窒化珪素を母体
とし炭化珪素フィラメントの強化相を配したｍ維強化セ
ラミック複合材料（特開昭６１−２２７９６９号公報）
や、Ｓｉ粉末と焼結助材とウィスカーと硬質物質とを混
合して成形し窒化後に焼結してなる複合焼結体（特開昭
６２−８３３７７号公報）などが知られている。（発明が解決しようとする問題点）このような従来の窒化珪素質焼結体において、セラミッ
クスウィスカー、セラミックス繊維あるいはセラミック
スフィラメントなどの細糸状のものを窒化珪素質母体中
に複合化させたものでは、これらセラミックスウィスカ
ー、セラミックス繊維あるいはセラミックスフィラメン
トの配向により焼結体の特性に異方性が生じることとな
り、このような異方性をなくすためには何らかの特別な
加圧焼結手段を用いる必要があるという問題点があった
。また、添加物として窒化物や炭化物などのセラミックス
を窒化珪素質母体中に混合し加圧成形して焼結したもの
では、第２相を形成する窒化物や炭化物などと窒化珪素
とが反応して第２相が変質し、十分な強度を得ることが
できないという問題点があった。（発明の目的）この発明は、このような従来の問題点に着目してなされ
たもので、添加物として窒化珪素中に混在する第２相に
硼化チタンを用いて、前記第２相の分解を抑制し、かつ
、十分な焼結を行うために焼結に用いる粉末中に含有す
る遊離酸素量を制限して、異方性がなくかつ十分な強度
を有し、とくに衝撃を与えた後の曲げ強度に優れる硼化
チタン複合化窒化珪素質焼結体を提供することにより。従来の問題点を解決することを目的としている。

【発明の構成】

（問題点を解決するための手段）この発明に係る硼化チタン複合化窒化珪素質焼結体は、
遊ｇｉａＰ素含有量が２．０重量％以下の硼化チタン（
ＴｉＢ２）粉末：８〜２５重量％と、希土類元素（ＲＥ
Ｍ）の酸化物粉末：２〜ｌＯ重量％と、酸化アルミニウ
ム（Ｍ２Ｏ３）粉末２１〜５重量％と、残部α型窒化珪
素（Ｓｉ３Ｎｏ）粉末とからなり、前記硼化チタン粉末
とα型窒化珪素粉末中の遊離酸素含有量の和が１．７重
量％以下である原料粉末を混合し、加圧成形して焼結し
てなるものであり、このような窒化珪素質焼結体とする
ことにより、上記した従来の問題点を解決したことを特
徴としている。この発明に係る硼化チタン複合化窒化珪素質焼結体にお
いて、その原料粉末として用いる硼化チタン（Ｔ　ｉ　
Ｂ２　）成分の混合割合は、これが少なすぎたり多すぎ
たりすると破壊靭性や、衝撃を与えた後での曲げ強度に
悪影響を及ぼすので、８〜２５重量％の範囲にすること
が好ましい。また、この硼化チタン粉末中の遊離酸素含有量が多すぎ
ると焼結中にＴｉＢ２と０２との反応が顕著になり、ガ
ラス相を形成して機械的特性を低下させるので、２．０
重量％以下とするのが好ましい。同じく原料粉末として用いられる希土類元素の酸化物粉
末は２〜ｌＯ重量％の範囲とすることが好ましい、これ
は、２重量％未満であると焼結助剤としての効果が少な
く、１０重量％を超えると機械的特性を低下させるため
である。そして、この希土類元素としては、スカンジウ
ム（Ｓ　ｃ）お、　よびイツトリウム（Ｙ）を含む希土
類元素のうちから選ばれる１種または２種以上のものが
用いられる。同じく原料粉末として用いられる酸化アルミニウム（ア
ルミナ）粉末は、機械的特性の良好な窒化珪素質焼結体
を得るために１〜５重量％の範囲とすることが好ましい
。さらに、母材原料粉末として用いられる窒化珪素粉末と
しては、実賀的にα型のものとするのがよく、前記硼化
チタン粉末とこの窒化珪素粉末中の遊離酸素含有量の合
計が１．７重量％以下のものとするのが好ましい、すな
わち、遊離の酸素含有量が多すぎると焼結時にＴｉＢ２
と０２との反応が顕著になり、ガラス相が生成して機械
的特性を劣化させるためである。そして、このような硼化チタン粉末と、希土類元素の酸
化物粉末と、酸化アルミニウム粉末と、α型窒化珪素粉
末とを所要成分割合で配合して混合し、加圧成形して窒
素雰囲気中において焼結することにより１曲げ強度とく
に衝撃を加えたあとの曲げ強度の高い窒化珪素質焼結体
を得る。（実施例１〜５）第１表のＮｏ、　　ｔ〜５には、この発明に係る窒化珪
素質焼結体の実施例を示している。この実施倒動、１〜５に示す硼化チタン複合化窒化珪素
質焼結体は、遊離酸素含有量が０．７重量％および２．
０重量％である硼化チタン（ＴｉＢｚ）粉末（日本新金
属■製；ＴｉＢ２−０など）を８〜２５重量％と、希土
類元素の酸化物として酸化イツトリウム（Ｙ２Ｏ２）粉
末を５重量％と、酸化アルミニウム（ＡＱ２０ｓ　）粉
末を３重量％と、残部遊離酸素含有量が１．２重量％お
よび１．５重量％であるα型窒化珪素（Ｓｉ３Ｎｎ）粉
末（宇部興産■製；ＥＩＯ。東ソーー製；　ＴＳ−１０など）とを原料粉末として用
いている。この場合硼化チタン粉末とα型窒化珪素粉末
中の酸素含有量の合計は、同じく第１表に示すように１
．０６〜１．６４重量％の範囲となっている。次に、前記各原料粉末を混合し、前記各原料粉末とＳｉ
３Ｎ４製ボール（直径；１５ｍｍ）とをエタノール溶液
で満たしたポリアミド樹脂製ポット（容量：２．４１＞
の中に封入してこの状態で９４時間混合した後、十分に
乾燥し１次いで、金型プレス機を用いて２００Ｋｇｆ／
Ｃｍ２で加圧した後、ＣＩＰ（冷間等静圧成形）によっ
て４ｔｏｎｆ／ｃｍ２で加圧成形し、１ａｔｍの窒素雰
囲気中において温度；１７００℃９時間：ｌｈｒの条件
で焼結を行って、陽、１〜５の硼化チタン複合化窒化珪
素質焼結体を得た。（比較例１１〜１５）第１表の陽、１１〜１５には、比較例の窒化珪素質焼結
体を示したが、これらのうち、比較倒動、１１および尚
、１２は硼化チタン粉末を含まないものであり、イツト
リア粉末とアルミナ粉末と窒化珪素粉末とを秤量混合し
たのち１　ａｔｍの窒素雰囲気中で温度：１７００℃９
時間：１ｈｒの条件で焼結を行って窒化珪素質焼結体を
得た。また、比較例Ｎｏ、１３は硼化チタン粉末を含むとして
もその含有量が少なすぎるものであり、比較倒動、１４
は反対に硼化チタン粉末の含有量が多すぎるものであり
、Ｎｏ、１５は硼化チタンおよび窒化珪素粉末中に含ま
れる合計の０２含有量が多すぎるものであって、いずれ
も前記実施例と向じ工程により硼化チタン複合化窒化珪
素質焼結体を得た。（評価試験結果）次に、上述した実施倒動、１〜５および比較例Ｎｂ、１
１〜１５の各窒化珪素質焼結体の密度を測定し、理論密
度に対する比すなわち理論密度比を調べたところ、第１
表に示す結果であった。次いで、上記実施例ＮＯ，１〜５および比較例Ｎｏ、１
１〜１５の各窒化珪素質焼結体を切断して表面を研磨し
、ＪＩＳ曲げ試験用試験片（４ｍ　ｍＸ　３　ｍ　ｍ　
Ｘ　４０　ｍ　ｍ　）を作製し１機械的特性の評価を行
った。機械的特性の評価項目として、ＪＩＳ４点曲げ試験方法
（Ｒ１６０１）で行う曲げ強度試験と、ビッカース圧子
を当該試験片表面に押し当てて亀裂が発生するときの荷
重を測定（ビッカース硬度試験）してビッカース硬度の
値Ｈｖを求めて破壊靭性の値ＫＩＣを求める破壊靭性試
験と、球状セラミックス（この場合は、ジルコニア）粒
子を３００　ｍ　／　ｓの速度で当該試験片表面に打ち
込んで当該試験片表面に亀裂が発生する状態を把握した
後当該試験片に対し曲げ強度を測定する、衝撃試験後の
曲げ強度試験（タービンブレード用素材としての特性を
評価する試験）と、を行った。これらの機械的特性の結
果をあわせて第１表に示す、なお、この比較例では、ホ
ットプレスおよびＨＩＰ（熱間等静圧成形）による成形
手段では高温での加圧を行うものであるから採用しなか
つ第１表に示すように、実施倒動、１〜Ｎｂ、５は、論
理密度比が９５〜９７％であり、曲げ強度の値が７８０
〜８９０ＭＰａであり、破壊靭性値（Ｋｘｃ）が６　、
０〜７　、　ＯＭＰ　ａＪ””’ｍテあり。ビッカース硬さ（Ｈｖ−３００）が１５　、０〜１６．
０ＧＰａであり、衝撃を与えた後の曲げ強度が５６０〜
６４０ＭＰａとなっていて、いずれも良好な値を示し、
とくに衝撃を与えた後の曲げ強度が大きい値を示してい
ることが確かめられた。これに対して、ＴｉＢ２を含まない比較倒動。１１およびＮｏ、１２は、理論密度比２曲げ強度。破壊靭性値（Ｋｔｃ）およびビッカース硬度（Ｈｖ−３
００）はいずれも前記実施例と比べてほぼ同等であるが
、衝撃を与えた後の曲げ強度は　・比較例Ｎｏ、１１で
は当該試験片が破断してしまったため測定不能であり、
比較例Ｎｂ、１２では１４０ＭＰａであって極めて低い
値であった。また、ＴｉＢ２を５重量％含む比較倒動。１３およびＴｉＢ２を３０重量％含む比較例Ｎｏ、１４
は、理論密度比９曲げ強度、破壊靭性値（ＫＩＣ）およ
びビッカース硬度（Ｈｖ−３００）は前記実施例のもの
と比較していずれも劣っており、衝撃を与えた後の曲げ
強度は比較倒動、１３では当該試験片が破断したため測
定不能であり、比較例Ｎｏ、１４では２８０ＭＰａであ
って前記実施例と比較して著しく劣る値となっていた。さらに、ＴｉＢｚ＋Ｓｉ３Ｎ、中の遊離酸素含有量が１
．８４重量％である比較倒動、１５では、理論密度比は
ある程度良好であるものの、曲げ強度、破壊靭性値（Ｋ
ｒｃ）およびビッカース硬さ（’Ｈｖ−３００）は前記
実施例のものと比較するとやや劣る値となっており、衝
撃を与えた後の曲げ強度は３２０ＭＰａと前記実施例に
比較すると劣る値となっていた。この結果、ＴｉＢ２粉末およびＳｉ３Ｎ４粉末のそれぞ
れに含まれる遊ｇＩ酸素（０２）量が増加するにしたが
ってＴｉＢ２と０２との反応が顕著となり、ＴｉＯ２と
Ｂ２０３−５　ｉ０２　　（ボロシリケードガラス）と
の混合相が結晶粒界に残留するため１機械的特性を劣化
させる原因となることが確かめられた。また、ＴｉＯ２
は窒素雰囲気中で焼結を行うことによってこのＴｉＯ□
とＮ２（窒素）とが反応してＴｉＮを生成するため、大
きな影響はない。

【発明の効果】

以上説明してきたようにこの発明に係る硼化チタン複合
化窒化珪素質焼結体は、遊離酸素含有量が２．０重量％
以下の硼化チタン粉末：８〜２５重量％と、希土類元素
の酸化物粉末：２〜１０重量％と、酸化アルミニウム粉
末＝１〜５重量％と、残部α型窒化珪素粉末とからなり
、前記硼化チタン粉末とα型窒化珪素粉末中の遊離酸素
含有量の和が１．７重量％以下である原料粉末を混合し
、加圧成形して焼結してなるものであるから、緻密であ
って十分高い理論密度比を有する窒化珪素質焼結体であ
り、曲げ強度、破壊靭性値（ＫＩＣ）、硬さなどの機械
的特性にすぐれ、とくに、衝撃を与えた後の曲げ強度に
優れた窒化珪素質焼結体であって、タービンブレードな
どのように衝撃特性と曲げ特性のいずれにも優れている
ことが要求される用途に適しており、さらにはセラミッ
クスフィラメントやファイバーを用いないため、これら
フィラメントやファイバーの配向による強度の異方性を
有しない焼結体であり、原料粉末中の酸素含有量を抑制
しているため焼結体の結晶粒界にボロシリケートガラス
を形成することがないので十分な靭性および十分な衝撃
強度を有するものとすることができ、さらに、ホットプ
レスやＨＩＰなどの高温高圧設備を用いなくとも安価な
常温加圧・焼結で特性の優れた窒化珪素質焼結体となっ
ているなどの著しく優れた効果がもたらされる。特許出願人　　　日産自動車株式会社代理人弁理士　　小　　塩　　　　豊

Claims

【特許請求の範囲】

（１）遊離酸素含有量が２．０重量％以下の硼化チタン
粉末：８〜２５重量％と、希土類元素の酸化物粉末：２
〜１０重量％と、酸化アルミニウム粉末：１〜５重量％
と、残部α型窒化珪素粉末とからなり、前記硼化チタン
粉末とα型窒化珪素粉末中の遊離酸素含有量の和が１．
７重量％以下である原料粉末を混合し、加圧成形して焼
結してなることを特徴とする硼化チタン複合化窒化珪素
質焼結体。