JPH03199165A - 窒化珪素質焼結体及びその製造方法 - Google Patents
窒化珪素質焼結体及びその製造方法Info
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- JPH03199165A JPH03199165A JP1343682A JP34368289A JPH03199165A JP H03199165 A JPH03199165 A JP H03199165A JP 1343682 A JP1343682 A JP 1343682A JP 34368289 A JP34368289 A JP 34368289A JP H03199165 A JPH03199165 A JP H03199165A
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Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
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。
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、高温における抗折強度及び耐酸化性に優れ、
特にガスタービン等の熱機関に使用される窒化珪素質焼
結体及びその製造方法に関する。
特にガスタービン等の熱機関に使用される窒化珪素質焼
結体及びその製造方法に関する。
(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エンジニアリ
ングセラくツクス、特に熱機関用としてその応用が進め
られている。これらの用途に適用させる場合、焼結体に
対しては室温から1400℃の高温まで優れた機械的特
性が要求されているが、最近に至っては1500℃にお
ける特性の向上も望まれている。
度、熱的化学的安定性に優れた材料としてエンジニアリ
ングセラくツクス、特に熱機関用としてその応用が進め
られている。これらの用途に適用させる場合、焼結体に
対しては室温から1400℃の高温まで優れた機械的特
性が要求されているが、最近に至っては1500℃にお
ける特性の向上も望まれている。
一般に窒化珪素質焼結体の製造する方法としては、それ
自体が難焼結性であることから焼結助剤を添加し、ホッ
トプレス法、常圧焼成法、ガス圧力焼成法等の焼成手段
によって非酸化性雰囲気で焼成することにより得られて
いる。
自体が難焼結性であることから焼結助剤を添加し、ホッ
トプレス法、常圧焼成法、ガス圧力焼成法等の焼成手段
によって非酸化性雰囲気で焼成することにより得られて
いる。
一方、組成の点からは焼結助剤として希土類元素酸化物
やアルミナ、マグネシア等が最も一般的に用いられてい
るが、焼結体の高温特性を考慮した場合、アルミナやマ
グネシアは焼結体の粒界相に低融点物質を生成するため
に高温特性を劣化させることから、これら酸化物を含ま
ないSi、N4−REgOz (RE:希土類元素)
−SiO□の単純3元系からなる組成が検討されている
。特に、この系において焼結体中の粒界相の強度を向上
させる目的で粒界に高融点の結晶相、例えばメリライト
、アパタイト、YAM、ワラストナイト等を析出させる
試みがなされている。
やアルミナ、マグネシア等が最も一般的に用いられてい
るが、焼結体の高温特性を考慮した場合、アルミナやマ
グネシアは焼結体の粒界相に低融点物質を生成するため
に高温特性を劣化させることから、これら酸化物を含ま
ないSi、N4−REgOz (RE:希土類元素)
−SiO□の単純3元系からなる組成が検討されている
。特に、この系において焼結体中の粒界相の強度を向上
させる目的で粒界に高融点の結晶相、例えばメリライト
、アパタイト、YAM、ワラストナイト等を析出させる
試みがなされている。
(発明が解決しようとする課題)
しかしながら、粒界相にメリライトが析出すると不活性
雰囲気での高温強度は優れるが実用的条件である酸化性
雰囲気での安定性が悪く、酸化による体積変化により強
度が劣化するという問題がある。また、アパタイト、ワ
ラストナイト或いはYAMが析出したものはメリライト
が析出したものに比較して酸化雰囲気での安定性はやや
向上するものの1500℃における耐酸化性は大きく低
下しほとんど使用できないのが現状であった。
雰囲気での高温強度は優れるが実用的条件である酸化性
雰囲気での安定性が悪く、酸化による体積変化により強
度が劣化するという問題がある。また、アパタイト、ワ
ラストナイト或いはYAMが析出したものはメリライト
が析出したものに比較して酸化雰囲気での安定性はやや
向上するものの1500℃における耐酸化性は大きく低
下しほとんど使用できないのが現状であった。
(発明の目的)
本発明は、高温強度に優れるとともに1500℃におけ
る耐酸化性に優れた窒化珪素質焼結体およびその製造方
法を提供するにある。
る耐酸化性に優れた窒化珪素質焼結体およびその製造方
法を提供するにある。
(課題を解決するための手段)
本発明者等は、上記の課題に対しSiJn−REzO。
(RE:希土類元素)−SiO□の単純3元系において
検討を重ねた結果、SiO□戒分を成分に含むとともに
粒界相にシリコンオキシナイトライド(Si2N2O)
が特定の割合で存在した焼結体が優れた高温特性と15
00″Cにおける耐酸化性に優れることを知見した。
検討を重ねた結果、SiO□戒分を成分に含むとともに
粒界相にシリコンオキシナイトライド(Si2N2O)
が特定の割合で存在した焼結体が優れた高温特性と15
00″Cにおける耐酸化性に優れることを知見した。
即ち、本発明は希土類元素酸化物0.5〜2モル%と、
過剰酸素(SiO□換算)10〜25モル%と、残部が
β型窒化珪素からなり、且つ過剰酸素/希土類元素酸化
物で表されるモル比が5〜25の範囲にある焼結体であ
り、該焼結体の粒界にシリコンオキシナイトライド(S
i、N、O)が、X線回折曲線における前記β型窒化珪
素(β−SiJa)の(111)面のピーク強度をhI
s シリコンオキシナイトライド(SiJ!0)の(1
11)面のピーク強度をhtとした時、hz/h、で表
されるピーク強度比が1.5以上となる量で存在するこ
とを特徴とするもので、その製造方法としては、希土類
元素酸化物0.5〜2モル%、酸化珪素10〜25モル
%、残部が窒化珪素からなる成形体を1800〜200
0℃のSiOを含む窒素ガス雰囲気下で焼成することを
特徴とするものである。
過剰酸素(SiO□換算)10〜25モル%と、残部が
β型窒化珪素からなり、且つ過剰酸素/希土類元素酸化
物で表されるモル比が5〜25の範囲にある焼結体であ
り、該焼結体の粒界にシリコンオキシナイトライド(S
i、N、O)が、X線回折曲線における前記β型窒化珪
素(β−SiJa)の(111)面のピーク強度をhI
s シリコンオキシナイトライド(SiJ!0)の(1
11)面のピーク強度をhtとした時、hz/h、で表
されるピーク強度比が1.5以上となる量で存在するこ
とを特徴とするもので、その製造方法としては、希土類
元素酸化物0.5〜2モル%、酸化珪素10〜25モル
%、残部が窒化珪素からなる成形体を1800〜200
0℃のSiOを含む窒素ガス雰囲気下で焼成することを
特徴とするものである。
以下本発明を詳述する。
本発明の焼結体は、その組成が希土類元素酸化物0.5
〜2モル%、特に1〜1.5モル%と、過剰酸素(Si
O□換算)10〜25モル%、特に10〜15モル%と
、残部がβ型窒化珪素からなり、且つ過剰酸素/希土類
元素酸化物で表されるモル比が5〜25、特に7〜15
の範囲からなる点にある。なお、過剰酸素とは焼結体の
系全体に含まれる全酸素量から希土類元素酸化物として
化学量論的量で混入した酸素を差し引いた酸素量で、具
体的には窒化珪素原料中の不純物酸素、または添加され
たSint中の酸素から構成され、本発明ではいずれも
SiO□換算量を示すものである。
〜2モル%、特に1〜1.5モル%と、過剰酸素(Si
O□換算)10〜25モル%、特に10〜15モル%と
、残部がβ型窒化珪素からなり、且つ過剰酸素/希土類
元素酸化物で表されるモル比が5〜25、特に7〜15
の範囲からなる点にある。なお、過剰酸素とは焼結体の
系全体に含まれる全酸素量から希土類元素酸化物として
化学量論的量で混入した酸素を差し引いた酸素量で、具
体的には窒化珪素原料中の不純物酸素、または添加され
たSint中の酸素から構成され、本発明ではいずれも
SiO□換算量を示すものである。
本発明において焼結体の組成を前述した割合に限定した
のは、いずれも優れた特性を得るための重要な要因であ
り、希土類元素酸化物が0.5モル%より少ないと後述
する焼成方法において焼結体の緻密化が困難であり、2
モル%を越えると1500℃における耐酸化性が劣化す
る。また、過剰酸素が10モル%を下回るか25モル%
を越えても緻密化が困難となる。さらに過剰酸素/希土
類元素酸化物モル比が5以下では高温における耐酸化性
が劣化し易く、逆に25を越えると低融点のガラスが生
成されやすく高温特性が劣化する。
のは、いずれも優れた特性を得るための重要な要因であ
り、希土類元素酸化物が0.5モル%より少ないと後述
する焼成方法において焼結体の緻密化が困難であり、2
モル%を越えると1500℃における耐酸化性が劣化す
る。また、過剰酸素が10モル%を下回るか25モル%
を越えても緻密化が困難となる。さらに過剰酸素/希土
類元素酸化物モル比が5以下では高温における耐酸化性
が劣化し易く、逆に25を越えると低融点のガラスが生
成されやすく高温特性が劣化する。
また、本発明の焼結体は組織上、窒化珪素結晶粒子と粒
界相から構成され、その粒界相にSi、N、0で表され
るシリコンオキシナイトライド結晶が析出し、その量が
焼結体のX線回折曲線においてβ型窒化珪素の(111
)面のピーク強度をり、・シリコンオキシナイトライド
の(111)面のピーク強度をh2とした時、ピーク強
度比り、/h、が1.5以上、特に1.6以上であるこ
とを特徴とする。これにより、高温強度ならびに150
0℃の高温における耐酸化性を向上させることができる
。なお、h+/hzで表されるピーク強度比を前述の範
囲に限定したのは、前記ピーク強度比が1.5より低い
と1500 ”Cの耐酸化性が劣化するためである。
界相から構成され、その粒界相にSi、N、0で表され
るシリコンオキシナイトライド結晶が析出し、その量が
焼結体のX線回折曲線においてβ型窒化珪素の(111
)面のピーク強度をり、・シリコンオキシナイトライド
の(111)面のピーク強度をh2とした時、ピーク強
度比り、/h、が1.5以上、特に1.6以上であるこ
とを特徴とする。これにより、高温強度ならびに150
0℃の高温における耐酸化性を向上させることができる
。なお、h+/hzで表されるピーク強度比を前述の範
囲に限定したのは、前記ピーク強度比が1.5より低い
と1500 ”Cの耐酸化性が劣化するためである。
本発明の上記焼結体の製造方法によれば、原料として窒
化珪素、希土類元素酸化物および酸化珪素を用い、これ
らを前述した割合で調製する。この時、酸化珪素は窒化
珪素粉末中の不純物酸素が酸化珪素として存在すると仮
定し、その酸素量をSiO□換算したものも含まれる。
化珪素、希土類元素酸化物および酸化珪素を用い、これ
らを前述した割合で調製する。この時、酸化珪素は窒化
珪素粉末中の不純物酸素が酸化珪素として存在すると仮
定し、その酸素量をSiO□換算したものも含まれる。
用いる窒化珪素としては焼結性を促進するためにBET
比表面積が3〜20m”/g、α化率95%以上である
ことが望ましい。また、不純物酸素量は0.8〜1.5
重量%が適当である。一方、希土類元素酸化物や酸化珪
素はBET比表面積1〜10n+”/gが適当である。
比表面積が3〜20m”/g、α化率95%以上である
ことが望ましい。また、不純物酸素量は0.8〜1.5
重量%が適当である。一方、希土類元素酸化物や酸化珪
素はBET比表面積1〜10n+”/gが適当である。
調製された粉末は十分に混合後、適宜バインダーを添加
して造粒後、底形する。底形は周知の方法、例えばプレ
ス底形、押し出し底形、射出成形、鋳込み底形等により
任意の形状に底形する。
して造粒後、底形する。底形は周知の方法、例えばプレ
ス底形、押し出し底形、射出成形、鋳込み底形等により
任意の形状に底形する。
このようにして得られた成形体はバインダー除去後、焼
成する。
成する。
焼成は、1800〜2000℃1特に1800〜190
0″Cの非酸化性雰囲気で焼成する。本発明によれば、
成形体の組成が低融点の酸化珪素を多量に含むことから
雰囲気中にSiOを含有させ組成の変動を抑制しつつ焼
成する。また雰囲気には高温焼成による窒化珪素の分解
を抑制するためその焼成温度における窒化珪素の分解平
衡圧以上の窒素ガスを導入することも重要である。雰囲
気中のSiOは焼成炉内にSiO□粉末等を成形体とと
もに配置することにより発生させることができる。
0″Cの非酸化性雰囲気で焼成する。本発明によれば、
成形体の組成が低融点の酸化珪素を多量に含むことから
雰囲気中にSiOを含有させ組成の変動を抑制しつつ焼
成する。また雰囲気には高温焼成による窒化珪素の分解
を抑制するためその焼成温度における窒化珪素の分解平
衡圧以上の窒素ガスを導入することも重要である。雰囲
気中のSiOは焼成炉内にSiO□粉末等を成形体とと
もに配置することにより発生させることができる。
この焼成過程において、粒界には希土類元素酸化物、窒
化珪素、酸化珪素からなる液相が生成され焼結が進行し
緻密化されるが、例えば4〜10時間程度焼成した後の
冷却過程において粒界相を結晶化する。その時の冷却速
度が早いと粒界は非晶質となり易いため、本発明によれ
ば約300″C/Hr以下で徐冷することにより粒界相
中に所望の量のシリコンオキシナイトライドを析出させ
ることができる。一方、α型窒化珪素はβ型窒化珪素に
相変態しつつ結晶の針状化が生じ、最終的に平均アスペ
クト比が3以上の繊維状組織が形成され焼結体の高強度
、高靭性化が図られる。
化珪素、酸化珪素からなる液相が生成され焼結が進行し
緻密化されるが、例えば4〜10時間程度焼成した後の
冷却過程において粒界相を結晶化する。その時の冷却速
度が早いと粒界は非晶質となり易いため、本発明によれ
ば約300″C/Hr以下で徐冷することにより粒界相
中に所望の量のシリコンオキシナイトライドを析出させ
ることができる。一方、α型窒化珪素はβ型窒化珪素に
相変態しつつ結晶の針状化が生じ、最終的に平均アスペ
クト比が3以上の繊維状組織が形成され焼結体の高強度
、高靭性化が図られる。
なお、前述の希土類元素酸化物としては、Y2O3が最
も一般的であるが、Ybz03、Erz03、HozO
z、D/z03等の重希土類元素酸化物が焼結体の特性
の安定性や高特性が得られることから望ましい。
も一般的であるが、Ybz03、Erz03、HozO
z、D/z03等の重希土類元素酸化物が焼結体の特性
の安定性や高特性が得られることから望ましい。
以下、本発明を次の例で説明する。
(実施例)
原料粉末として、窒化珪素粉末(BET比表面積5m2
/g、α化率95%、不純物酸素量1.0重量%)と、
各種希土類元素酸化物あるいは酸化珪素粉末を用いて、
第1表の組成になるように調合混合後、1t/Cll1
でプレス底形した。
/g、α化率95%、不純物酸素量1.0重量%)と、
各種希土類元素酸化物あるいは酸化珪素粉末を用いて、
第1表の組成になるように調合混合後、1t/Cll1
でプレス底形した。
得られた成形体をSin、粉末を炉内に配置した50a
atmの窒素ガス雰囲気で第1表に示す焼成条件で焼成
した。
atmの窒素ガス雰囲気で第1表に示す焼成条件で焼成
した。
次に、得られた焼結体に対しアルキメデス法から対理論
密度比を、JISR1601に従い室温と1400℃に
おける4点曲げ抗折強度を、また1500″C×24時
間の耐酸化性試験を行い試験後の酸化重量増を測定した
。
密度比を、JISR1601に従い室温と1400℃に
おける4点曲げ抗折強度を、また1500″C×24時
間の耐酸化性試験を行い試験後の酸化重量増を測定した
。
さらに、焼結体のX線回折曲線からβ型窒化珪素の2θ
=39’付近に存在する(111)面のピーク強度hl
と、SitN、0の2θ= 26.6°付近に存在す
る(111)面のピーク強度h2を測定し、それらのピ
ーク強度比h z/ h + を算出した。
=39’付近に存在する(111)面のピーク強度hl
と、SitN、0の2θ= 26.6°付近に存在す
る(111)面のピーク強度h2を測定し、それらのピ
ーク強度比h z/ h + を算出した。
結果は第1表に示した。
(以下余白)
第1表中、試料番号1についてそのX線回折曲線を第1
図に示した。
図に示した。
第1表によれば、過剰酸素の量が25モル%を越えるか
または希土類元素酸化物の量が少なく、過剰酸素と希土
類元素酸化物との比が25を越える試料1日、19はい
ずれもSizNzOの結晶の生成は多く認められたが焼
結性に乏しく高温強度が大きく劣化した。また過剰酸素
と希土類元素酸化物との比が5より低い試料20はSi
、N、0の結晶の生成が少な(,1500℃の耐酸化性
が劣化した。
または希土類元素酸化物の量が少なく、過剰酸素と希土
類元素酸化物との比が25を越える試料1日、19はい
ずれもSizNzOの結晶の生成は多く認められたが焼
結性に乏しく高温強度が大きく劣化した。また過剰酸素
と希土類元素酸化物との比が5より低い試料20はSi
、N、0の結晶の生成が少な(,1500℃の耐酸化性
が劣化した。
さらに焼成温度が低い試料21や冷却速度が速い試料2
3でもSi、N、0の結晶の生成が少なく、1500℃
の耐酸化性が劣化した。
3でもSi、N、0の結晶の生成が少なく、1500℃
の耐酸化性が劣化した。
また、粒界相にアパタイトやYAMが析出した試料24
.25では1500℃の耐酸化性が不充分であった。
.25では1500℃の耐酸化性が不充分であった。
これに対し、本発明の試料はいずれもSi、N、Oの結
晶の生成が多く認められ、特性上においても室温強度8
00 M P a以上、1400 ”C強度500MP
a以上、1500℃の酸化重量造が0.15以下の優れ
た特性を示した。
晶の生成が多く認められ、特性上においても室温強度8
00 M P a以上、1400 ”C強度500MP
a以上、1500℃の酸化重量造が0.15以下の優れ
た特性を示した。
(発明の効果)
以上詳述した通り、本発明はSiO□威分を多量に含む
SizN4−REz03(RE:希土類元素)−SiO
□の単純3元系において粒界に特定の割合でシリコンオ
キシナイトライドを析出させることにより、1500℃
における耐酸化性ならびに高温強度に優れた焼結体を得
ることができる。
SizN4−REz03(RE:希土類元素)−SiO
□の単純3元系において粒界に特定の割合でシリコンオ
キシナイトライドを析出させることにより、1500℃
における耐酸化性ならびに高温強度に優れた焼結体を得
ることができる。
これにより、窒化珪素質焼結体の熱機関用部品としての
応用をさらに拡げることができ、特に熱機関の作動温度
の高温化に対し十分対応可能な材料を提供することがで
きる。
応用をさらに拡げることができ、特に熱機関の作動温度
の高温化に対し十分対応可能な材料を提供することがで
きる。
第1図は、本発明の窒化珪素質焼結体のX線回折曲線の
チャート図である。
チャート図である。
Claims (2)
- (1)希土類元素酸化物0.5〜2モル%と、過剰酸素
(SiO_2換算)10〜25モル%と、残部がβ型窒
化珪素からなり、且つ過剰酸素/希土類元素酸化物で表
されるモル比が5〜25の範囲にある焼結体であって、
該焼結体の粒界にシリコンオキシナイトライドからなる
結晶相が存在し、且つX線回折曲線における前記β型窒
化珪素(β−Si_3N_4)の(111)面のピーク
強度をh_1、シリコンオキシナイトライド(Si_2
N_2O)の(111)面のピーク強度をh_2とした
時、ピーク強度比h_2/h_1が1.5以上であるこ
とを特徴とする窒化珪素質焼結体。 - (2)希土類元素酸化物0.5〜2モル%と、過剰酸素
(SiO_2換算)10〜25モル%と、残部がβ型窒
化珪素からなり、且つ過剰酸素/希土類元素酸化物で表
されるモル比が5〜25である成形体を1800〜20
00℃のSiOを含む窒素ガス雰囲気下で焼成すること
を特徴とする窒化珪素質焼結体の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1343682A JP2742622B2 (ja) | 1989-12-27 | 1989-12-27 | 窒化珪素質焼結体及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1343682A JP2742622B2 (ja) | 1989-12-27 | 1989-12-27 | 窒化珪素質焼結体及びその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03199165A true JPH03199165A (ja) | 1991-08-30 |
JP2742622B2 JP2742622B2 (ja) | 1998-04-22 |
Family
ID=18363433
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1343682A Expired - Fee Related JP2742622B2 (ja) | 1989-12-27 | 1989-12-27 | 窒化珪素質焼結体及びその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2742622B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2003037821A1 (fr) * | 2000-04-28 | 2003-05-08 | Nippon Steel Corporation | Corps de soupape de reglage de debit pour gaz chauds, et son procede de preparation |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS62223066A (ja) * | 1986-03-19 | 1987-10-01 | 工業技術院長 | 高温強度が優れた窒化ケイ素焼結体の製造法 |
-
1989
- 1989-12-27 JP JP1343682A patent/JP2742622B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS62223066A (ja) * | 1986-03-19 | 1987-10-01 | 工業技術院長 | 高温強度が優れた窒化ケイ素焼結体の製造法 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2003037821A1 (fr) * | 2000-04-28 | 2003-05-08 | Nippon Steel Corporation | Corps de soupape de reglage de debit pour gaz chauds, et son procede de preparation |
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Publication number | Publication date |
---|---|
JP2742622B2 (ja) | 1998-04-22 |
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LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |