JPH0421582A - セラミックス製品 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は基体にセラミックス被膜を形成したセラミック
ス製品に関する。

（従来の技術） 近時、セラミックスはその優れた機械的特性を生かして
構造用製品に採用されており、最近ではセラミックス焼
結体からなる基体にこの基体とは異なるセラミックスか
らなる表面膜をＣＶＤ（化学蒸着法）やＰＶＤ　（物理
蒸着法）により形成し、セラミックス基体が有する特性
とセラミックス表面膜が有する特性とを組み合わせた複
合型の構造用セラミックス製品が開発されつつある。

この複合型のセラミックス製品のひとつとして、窒化け
い素焼結体からなる基体と、この基体の表面に形成され
た炭化けい素からなる表面膜とを備えたものがある。

すなわち、基体を形成する窒化けい素は高温強度には優
れているか、耐酸化性および耐腐性が不十分であるので
、基体の表面を耐酸化性および耐腐性に優れた炭化けい
素の表面膜で被覆することにより、優れた高温強度と耐
酸化性および耐腐性を併せもった複合型セラミックス製
品を得ることができる。このセラミックス製品は高温で
且つ腐食性の雰囲気の下で使用する用途に最適である。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来このように窒化けい素からなる基体
と、この基体の表面に形成された炭化けい素からなる表
面膜とを備えた複合型セラミックス製品については期待
した程の大きな強度、すなわち曲げ強度および引っ張り
強度を有していないことがわかり、このことから構造用
製品として提供するためには強度をさらに増大させるこ
とか要求されている。

本発明は前記事情に基づいてなされたもので、強度の向
上を図った複合型のセラミックス製品を提供することを
目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段と作用） 本発明の発明者は窒化けい素焼結体からなる基体と、こ
の基体の表面に形成された炭化けい素からなる表面膜と
を備えた複合型セラミックス製品の強度について種々研
究を重ねてきた。この結果、窒化けい素からなる基体の
熱膨脹係数と、この基体の表面に形成された炭化けい素
からなる表面膜の熱膨脹係数の大きさか相違し、この熱
膨脹係数の相違により熱膨張および冷却に伴い製品内部
に残留応力か発生し、この残留応力が製品全体の強度を
低下させていることを見出した。

すなわち、窒化けい素からなる基体の熱膨脹係数に対し
て表面膜の熱膨脹係数か大きく、熱膨張時に表面膜か基
体に対きく膨張するので、冷却時に表面膜の収縮か基体
により規制されるために表面膜の収縮か規制された分だ
け製品の内部に残留応力が発生する。

そこで、発明者は窒化けい素焼結体からなる基体と炭化
けい素からなる表面膜との間に、両者の熱膨脹係数の中
間の熱膨脹係数を有するセラミックスからなる中間膜を
介在することにより、基体と表面膜との熱膨脹係数の相
違による残留応力の発生を緩和できることを見出した。

本発明はこの知見に基づいてなされたものであり、窒化
けい素焼結体からなる基体と、この基体の表面に形成さ
れた炭化けい素からなる表面膜とを備え、基体の表面と
表面膜との間に、基体の熱膨張係数と表面膜の熱膨張係
数との間の熱膨張係数を有するセラミックスからなる中
間膜が介在されていることを特徴とするものである。

すなわち、本発明のセラミックス製品は、第１図に示す
ように窒化けい素焼結体からなる基体１の表面に中間膜
２を直接形成し、次いでこの中間膜２の表面に重ねて炭
化けい素からなる表面膜３を形成した複合構造をなして
いる。

中間膜２は、基体１の熱膨張係数と表面膜３の熱膨張係
数との間の熱膨張係数を有するセラミックスであれば、
種々のセラミックスを材料として形成することができる
。なかでも基体１を形成しているセラミックスである窒
化けい素を原料として形成することが好ましい。これは
窒化けい素を原料とする中間膜２の熱膨脹係数は窒化け
い素焼結体からなる基体１の熱膨脹係数に大変近似して
おり、熱膨張および冷却時における基体１と中間膜２の
熱膨脹係数の相違による残留応力の発生が大変小さいこ
とと、このことから中間膜２が熱膨張および冷却時にお
ける基体１と表面膜３の熱膨脹係数の相違による残留応
力の発生を緩和させる緩衝材としての機能を大いに発揮
できるという理由によるからである。

中間膜２と表面膜３はＣＶＤまたはＰＶＤにより形成す
る。

ＣＶＤは、基体］を電気炉や高周波炉なとの内部に配置
して所定温度に加熱し、原料気体をキャリアガスにのせ
て炉の内部に運び基体１にて化学反応させるものである
。膜を形成するときに、初めは窒化けい素を主成分とす
る原料気体を炉の内部に運び基体１の表面上で直接反応
させて中間膜２を形成し、次いで炭化けい素を主成分と
する原料気体を炉の内部に運び基体１の中間膜２上で反
応させて表面膜３を形成する。

また、ＰＶＤとしては真空蒸着またはスパッタリングを
行う。

なかでも装置の簡素さ、膜形成の容易さなどの点からＣ
ＶＤの採用か好ましい。

中間膜２と表面膜３の膜厚は、中間膜２が２〜５０１、
表面膜３が１０〜１５０−である。この中間膜２の膜厚
は基体１と表面膜３との間の熱膨脹係数の差を緩和する
に必要な大きさであり、表面膜３の膜厚は充分な耐食性
および耐酸化性を持たせるために必要な大きさである。

また、中間膜２と表面膜３との合計の膜厚は１５〜２０
０ρとする。

このように構成された複合型セラミックス製品は、窒化
けい素焼結体からなる基体１と炭化けい素からなる表面
膜３との間に中間膜２か介在して、基体１の熱膨脹係数
と表面膜３の熱膨脹係数との相違を段階的に緩和してい
るので、熱膨張および収縮時における基体１と表面膜３
との間の残留応力の発生を中間膜２が緩和している。

従って、製品全体として膜を形成した複合構造にしたこ
とによる残留応力の発生が小さく、残留応力による強度
、具体的には曲げ強度および引っ張り強度の低下か殆ど
無く、構造用製品として必要な強度を有している。

本発明のセラミックス製品は、窒化けい素からなる基体
１か有する優れた高温強度と、炭化けい素からなる表面
膜３が有する耐食性および耐酸化性が要求され、さらに
大きな強度が要求される用途の構造製品、例えばガスタ
ービーンの動翼なとに最適である。

（実施例） 本発明の実施例について説明する。

常圧焼結により作成した３ｍｍ＋Ｘ４ＩＸ４０＋ｎｍの
窒化けい素（ＳＩ３Ｎ４）焼結体からなる基体１を用意
する。この基体１の表面に電気炉に入れて１１００℃ま
で加熱するとともに、窒化けい素を主成分とする原料気
体をキャリアガスにより電気炉内部に運び基体１の表面
で化学反応させることにより、基体１の表面に窒化けい
素からなる中間膜２を膜厚２０１で形成した。

次いて、炭化けい素を主成分とする原料気体をキャリア
ガスにより電気炉内部に運び基体１の中間膜２表面で化
学反応させることにより、中間膜２の表面に炭化けい素
からなる表面膜３を膜厚５０ρで形成した。

なお、基体１の熱膨脹係数は　３．４Ｘ１０−’／℃、
中間膜２の熱膨脹係数３．　５　Ｘ　１０−’−／”Ｃ
１表面膜３の熱膨脹係数は４．　　Ｉ　Ｘ　１０−’／
”Ｃてあった。

また、このように作成したセラミックス製品に対して３
点曲げ強度試験を行った。この試験は第２図に示すよう
に製品を２点に配置した支持部材４て下側から支持し上
側の１点で製品に力を与えて製品の曲げ強度を試験する
ものである。この試験の結果３点曲げ強度は常温で１０
０　Ｋｇ　ｆ　／ｍＪ、１３００℃で８０Ｋｇｆ／ｍＪ
であった。

さらに、このセラミックス製品の常温における引っ張り
強度を測定した結果５０　Ｋｇ　ｆ　／ｍＪであった。

これに対して比較例として基体１の表面に表面膜３を直
接形成した製品の常温における引っ張り強度を想定した
結果、３０Ｋｇｆ／−てあった。

このようにして本発明の製造方法で得たセラミックス製
品は比較例に比較して優れた強度を有していることがわ
かる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、窒化けい素焼結体
からなる基体と炭化けい素からなる表面膜とを組み合わ
せた複合構造で優れた高温強度と耐食性および耐酸化性
を発揮し、さらに基体と表面膜との間に中間膜を介在さ
せて複合構造に伴う残留応力の発生を緩和して強度の低
下を阻止して構造製品として優れたセラミックス製品を
提供することかできる。

中間膜は窒化けい素を原料として形成すると良好な中間
膜を得られる。

表面膜および中間膜はＣＶＤにより形成すると良好な中
間膜を得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のセラミックス製品の基本的構造を示す
図、第２図は３点曲げ強度試験を示す図である。 １・・基体、２・・・中間膜、３・表面膜。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化けい素焼結体からなる基体と、この基体の表
   面に形成された炭化けい素からなる表面膜とを備え、前
   記基体の表面と前記表面膜との間に、前記基体の熱膨張
   係数と前記表面膜の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有
   するセラミックスからなる中間膜が介在されていること
   を特徴とするセラミックス製品。
2. （２）中間膜は窒化けい素を原料とするものである請求
   項１記載のセラミックス製品。
3. （３）表面膜および中間膜はＣＶＤにより形成されてい
   る請求項１記載のセラミックス製品。