JPH03141160A - 窒化珪素質焼結体 - Google Patents

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】 （産業上の利用分野） 本発明は、窒化珪素質焼結体に関し、特にガスタービン
等の熱機関構造用部品として有用な高温強度に優れた焼
結体に関する。

（従来技術） 従来から、窒化珪素質焼結体は高温における強度、硬度
、熱的化学的安定性に優れた材料としてン主目されエン
ジニアリングセラミックスとして、特に熱機関用構造材
料としての応用が進められている。

通常、窒化珪素はそれ自体、難焼結性であるために焼結
助剤としてＹ２Ｏ３等の周期律表第ＩＩＩａ族元素酸化
物をはじめＡｌｚ０３等の添加が必要とされている。

具体的に焼結体を製造するには、窒化珪素粉末に上記の
焼結助剤粉末を所定量添加混合した後、この混合物を公
知の成形方法で成形し１５００〜２０００　’Ｃの非酸
化性雰囲気中で焼成することにより高密度の焼結体が得
られている。

このような窒化珪素質焼結体を製品化する場合には、通
常は得られた焼結体の表面を研削加工等により所望の形
状に仕上げるか、或いは成形時に所望の形状となし、加
工することなく、そのまま製品として適用される。

ところが、上記のようにして研削加工された焼結体表面
には微細な加工傷が残り、この加工傷がクラックの発生
源となり、焼結体の強度を著しく低下させていた。一方
、研削加工を行わない場合には焼結時の液相の飛散等に
より表面に荒れが生じているために、同様に強度が低下
し、窒化珪素質焼結体本来の強度が得られないという問
題を有している。

そこで、このような問題に対して、−船釣には大気等の
酸素含有雰囲気中で酸化処理し、焼結体表面の窒化珪素
を酸化させて酸化珪素を主体とする膜を形成することに
より前記加工傷、荒れを癒す方法が取られている。

このような酸化処理方法によれば、組成的には焼結体表
面の窒素が酸素と置換されるために内部よりも酸素量の
多い表層部が形成される。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような酸化処理は、焼結体自体の耐
酸化性が焼結助剤の種類や、焼結条件等により異なるた
めに、同一の酸化処理を行っても強度にバラツキが生じ
やすく、酸化処理条件によっては逆に表面荒れを招く等
の恐れがある。また焼結体表面に形成される酸化膜の量
が少ない場合には、表面の凹凸形状によって強度のノ＼
ラツキが生じるといった問題が生じている。

このように、焼結体表面部において化合物の分解や元素
置換等を伴うような処理では充分な効果が得られていな
いのが現状であった。

（問題点を解決するための手段） 本発明者等は、上記の問題点に対して検討を加えた結果
、例えば焼結体をＳｉＯを含む窒素雰囲気中にて熱処理
して該焼結体の表面に雰囲気から５ｉＯｚを析出させ、
これにより焼結体中心部より珪素および酸素の多い表層
部を形成することにより、焼結体の表面をバラツキなく
均質化することができ、焼結体本来の特性を充分に引き
出すことができることを知見した。

すなわち本発明は、窒化珪素と、焼結助剤として少なく
とも周期律表第■ａ族元素化合物を含有する窒化珪素質
焼結体であって、該焼結体の表層部における珪素量およ
び酸素量が中心部よりも多いことを特徴とするものであ
る。

以下、本発明を詳述する。

本発明の窒化珪素質焼結体は、組成的には、従来から公
知の組成物であり、窒化珪素を主体とし、焼結助剤とし
て周期律表第ＩＩＩａ族元素酸化物をおよそ２０重量％
以下の割合で含有するものである。

通常、このような焼結体はその表層部および内部ともに
均質化が図られ、組成的にも特性のバラツキ等を抑制す
るために内部と表層部とはほぼ同様な組成からなること
が要求されている。

これに対し、本発明の窒化珪素質焼結体は、その表層部
における珪素量および酸素量が内部よりも多くなるよう
に組成を変化させた点に大きな特徴を有する。

このような焼結体を作成する１つの方法としては、まず
、従来から知られている方法により焼結体を作成する。

即ち、窒化珪素粉末に上記焼結助剤粉末を添加混合した
混合物を公知の方法で成形後、これを１６００〜２００
０°Ｃの窒素ガス等の非酸化性雰囲気中にて常圧焼成、
ホットプレス焼成、窒素ガス加圧焼成、熱間静水圧焼成
等により焼成するか、あるいは公知の方法でＳｉ金属を
用いて反応焼結することにより実質上に組成的な内外差
のない高密度の焼結体を得る。

次に、この焼結体に対して特定の条件で加熱処理を行う
。この加熱処理は、ＳｉＯを含む雰囲気で行われる。こ
のような雰囲気は例えば加熱炉内に金属シリコンと酸化
珪素とが重量比で０．１〜１００となるように混合され
たものを設置すると、高温状態で両者が分解反応しＳｉ
Ｏガスが発生する。よって炉内の温度はＳｉＯガスが発
生し得る温度以上に設定する必要があることから、１３
００〜１９００°Ｃ１特に１５００〜１８００°Ｃの温
度に設定することが必要である。

かかる加熱処理によれば、ＳｉＯガスは焼結体表面で高
温時、或いは高温からの冷却過程において凝結し、Ｓｉ
Ｏ□化する。それと同時に焼結体内に焼結助剤成分であ
る周期律表第ＩＩＩａ族元素酸化物とが一部反応しつつ
シリケートガラス層が焼結体表面に形成される。

これにより組成的には、雰囲気から焼結体表面に珪素と
酸素が供給されることにより、焼結体の表層部と焼結体
内部には組成的に変化が生じる。

具体的には、第１図に示すように、焼結体を構成する珪
素、窒素、酸素、周期律表第１［［ａ族元素のうち、珪
素および酸素は内部より表層部が多く、窒素および周期
律表第ＩＩＩａ族元素は減少する傾向にある。

このように焼結体表層部に、シリケートガラス等の生成
により珪素および酸素の多い領域が形成されるために焼
結体の表面が均質化し、表面状態の劣化による焼結体の
強度の低下をなくし、焼結体本来の特性を引き出すこと
ができる。

なお、上記加熱処理時の雰囲気は、ＳｉＯガスを含む以
外は、Ｎ２、Ａｒ等の非酸化性雰囲気で行われる。

また、加熱処理によるシリケートガラスの生成量は多す
ぎるとガラス自体の強度が焼結体に影響を及ぼす結果と
なり、例えば表面のシリケートガラスのクラックが起点
となり焼結体の強度の向上は望めない。また、シリケー
トガラスの生成量が少なすぎても焼結体表面の改質が不
十分となり、所望の強度が望めない。よって、この加熱
処理は焼結体の重量増加分が０．２〜７ｍｇ／ｃｍ２、
特に０．５〜５ｍｇ／ｃｍ２になるようなレベルが望ま
しい。この重量増加分はほとんどが珪素および酸素の焼
結体表面への吸着量に相当するものであり、言い換えれ
ば表層部の珪素量および酸素量の合量が内部に珪素量お
よび酸素量の合量に対して０．２〜７ｍｇ／ｃｍ２の量
で多いことを意味するものである。

以下、本発明を次の例で説明する。

（実施例） Ｓｉ：＋Ｎ４９２重量％、Ｙ　２０１４重量％、Ａｈ０
３４重〒％の組成からなる成形体を各種の条件で焼成し
、これを研磨加工することなく焼き放しての室温強度の
異なる４種の焼結体を作成した。これらの焼結体に対し
て、第１表に示す条件で約３時間の加熱処理を施し、処
理後の焼結体の重量増加分および抗折強度をＪＩＳＲ１
６０１に従い測定した。また、各焼結体の表層部と内部
との珪素量と酸素量との組成的な変化をＩＣＰ分析によ
りその大小を調べた。

これらの結果を第１表に示す。

第１表の結果によれば、ＳｉＯを含まない窒素雰囲気で
処理した試料Ｎｏ、８は、組成的には内部に比較して酸
素が窒素置換により少なく珪素量はあまり変化がないも
のであり、試料Ｎα１０と同様強度の向上は見られなか
った。また、窒素中でＳｉＯが存在しても処理温度が高
い試料Ｎα９では焼結体表面が分解し、珪素、酸素量は
内部の方が多くなっており、強度は著しく低下した。

さらに、ＳｉＯを含まない酸化性雰囲気で処理した試料
Ｎα１０は、重量増加は見られるが、組成的には内部に
比較して酸素量のみが多くなっており、特性的には顕著
な強度の向上は見られなかった。

これらの比較例に対して、本発明に従いＳｉＯ雰囲気中
で処理した焼結体は、いずれも珪素、酸素量が共に内部
より多く、焼き放し面での強ｊ文は処理前に比較して大
幅に向上した。

（発明の効果） 本発明−二よれば、窒化珪素質焼結体の表血咀成を内部
と特定な関係に変化させるごとにより表面が実質的に改
質され、焼結体が有する本来の強度を充分に引き出すこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に窒化珪素質焼結体の各構成元素の内
部と表層部との量の変化を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 窒化珪素と、焼結助剤として少なくとも周期律表第III
   ａ族元素化合物を含有する窒化珪素質焼結体において、
   該焼結体の表層部における珪素量および酸素量が中心部
   よりも多いことを特徴とする窒化珪素質焼結体。