JPH0455992B2 - - Google Patents
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- JPH0455992B2 JPH0455992B2 JP59178089A JP17808984A JPH0455992B2 JP H0455992 B2 JPH0455992 B2 JP H0455992B2 JP 59178089 A JP59178089 A JP 59178089A JP 17808984 A JP17808984 A JP 17808984A JP H0455992 B2 JPH0455992 B2 JP H0455992B2
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Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Description
産業上の利用分野
本発明は、高温でのクリープ特性および機械的
特性が劣化することなく、かつ耐酸化性に優れた
窒化珪素質焼結体に関するものである。 背景技術 近時、高温熱機関用窒化珪素材料について、焼
結に際して第ａ族酸化物を添加することにより
高融点を有する窒化珪素との化合物を粒界に生成
させて、高温におけるクリープ特性および機械的
特性（抗折強度）の改善がなされている。しかし
ながら、これら焼結体においては高温酸化物性雰
囲気中で長期間使用されることにより酸化され、
クリープ特性、抗折強度、寸法精度および形状精
度などが大巾に劣化することが明らかとなつた。
酸化の原因は酸化時に生成するSiO2−第ａ族
酸化物のガラス転移温度（Tg）が高いことによ
り耐酸化性保護膜が形成されないことが判明し
た。 発明が解決しようとする問題点 本発明者は、上記の現状に鑑み鋭意研究の結
果、窒化珪素（Si3N4）に対し、第ａ族元素の
うち少なくとも酸化ランタン（La2O3）、酸化ネ
オジウム（Nb2O3）、および酸化イツテルビウム
（Yb2O3）の２種以上と、さらに第ａ族元素、
Al、Ti、Cr、ZrおよびSiの酸化物または窒化物
から選ばれる１種以上を添加し、焼結することに
より高温酸化性雰囲気中で長期間使用しても酸化
物が進み難いことを知見した。 したがつて、本発明においては高温での長期間
使用に対し耐酸化性に優れ、高温におけるクリー
プ特性および機械的特性（抗折強度）を向上させ
た窒化珪素質焼結体を提供することを目的とす
る。 問題点を解決するための手段 本発明によれば、窒化珪素（Si3N4）の80重量
％以上に、第ａ族元素酸化物から選ばれ、その
うち少なくとも酸化ランタン（La2O3）、酸化ネ
オジウム（Nd2O3）、酸化イツテルビウム
（Yb2O3）のいずれかの必ず２種以上を含む主成
分の100重量部に対して、第ａ族元素、Al、
Ti、Cr、Ga、ZrおよびSiの酸化物または窒化物
から選ばれる１種以上を、0.1〜５重量部添加し、
焼結してなる窒化珪素質焼結体が提供される。 窒化珪素（Si3N4）の80重量％以上に第ａ族
元素酸化物の適量を添加することにより、高温で
の強度劣化が少ない焼結体が得られるが、窒化珪
素（Si3N4）にさらに酸化ランタン（La2O3）、酸
化ネオジウム（Nb2O3）および酸化イツテルビウ
ム（Yb2O3）のうちから選ばれる２種以上を添加
することにより高温でのクリープ特性および抗折
強度が高い焼結体が得られる。これは窒化珪素質
焼結体の高温でのクリープ現象は粒界相のすべり
によつて起こるといわれているが、上記組成を添
加することにより粒界相が非常に高融点の化合物
で形成されているためと考えられる。特に、窒化
珪素（Si3N4）の含有量が90〜99重量％に前記酸
化ランタン（La2O3）、酸化ネオジウム（Nd2O3）
および酸化イツテルビウム（Yb2O3）の少なくと
も２種以上（その他第ａ族元素酸化物を含んで
もよい）を１〜10重量％添加するのが好ましい。
窒化珪素（Si3N4）の含有量が増加するとクリー
プ特性が向上し、この含有量が80重量％より減少
すると急激にクリープ特性が劣化する。また、添
加剤として第ａ族元素、Al、Ti、Cr、Ga、Zr
およびSiの酸化物または窒化物を添加することに
より、複合希土類含有窒化珪素質焼結体が酸化し
て生じる粉状酸化物を緻密化する効果を与えるこ
とが可能となる。したがつて酸化により生成する
緻密な酸化膜が一旦表面に生成すると、それ以後
の酸素の内部への拡散と酸化反応とを抑制する保
護膜となり、耐酸化性が飛躍的に向上し、高温酸
化雰囲気中における材料の寿命が延長される。 前記第ａ族元素、Al、Ti、Cr、Ga、Zrおよ
びSiの酸化物または窒化物の１種以上の添加を
0.1〜５重量部の範囲とした理由は、これら添加
物が0.1重量部未満であると前記保護膜が充分生
成されず酸化度合が大きく、５重量部を越えると
高温におけるクリープ特性および抗折強度が劣化
するからである。 実施例 窒化珪素（Si3N4）に、第ａ族元素酸化物か
ら選ばれ、そのうち少なくとも酸化ランンタン
（La2O3）、酸化ネオジウム（Nb2O3）および酸化
イツテルビウム（Yb2O3）のいずれかを必ず２種
以上含む混合物に、第ａ族元素、Al、Ti、Cr、
Ga、ZrおよびSiの酸化物または窒化物を第１表
に示す割合に混合粉体をボールミルにて24時間混
合した。得られたスラリーを乾燥造粒した後、プ
レス成形して真空中で脱バインダ後、第１表に示
す焼結条件によりJISR1601に基づく坑折試験片
とし、また同様のものについて、厚み0.902mm×
幅4.01mm×長さ55mmの曲げクリープ試験片とした
試料１〜11までを得た。試料１〜８は通常の窒素
雰囲気焼結法によるものであり、試料９〜11のも
のは熱間静水圧プレス法によつて焼結たものであ
る。 得られた各試料について、上スパン19.1mm、下
スパン39.8mmの４点曲げで、1300℃で100時間高
温下および108MN／m2の曲げ応力を加えて高温
におけるクリープ試験を行ない、各試料の歪量
（ε）を下記に示す第１式により求めた。 ε（歪量）＝4hd／L2 …(1) 但し第１式においてｈ＝試料の厚さ、Ｌ＝上ス
パン、ｄ＝たわみ量である。また、前記抗折試験
片とした試料１〜11について常温および1300℃に
おける４点曲げ抗折強度試験と、1300℃で1000時
間経過後における重量増（mg／cm2）による焼結体
の酸化度合をそれぞれ調べて高温における耐酸化
性試験を行なつた。
特性が劣化することなく、かつ耐酸化性に優れた
窒化珪素質焼結体に関するものである。 背景技術 近時、高温熱機関用窒化珪素材料について、焼
結に際して第ａ族酸化物を添加することにより
高融点を有する窒化珪素との化合物を粒界に生成
させて、高温におけるクリープ特性および機械的
特性（抗折強度）の改善がなされている。しかし
ながら、これら焼結体においては高温酸化物性雰
囲気中で長期間使用されることにより酸化され、
クリープ特性、抗折強度、寸法精度および形状精
度などが大巾に劣化することが明らかとなつた。
酸化の原因は酸化時に生成するSiO2−第ａ族
酸化物のガラス転移温度（Tg）が高いことによ
り耐酸化性保護膜が形成されないことが判明し
た。 発明が解決しようとする問題点 本発明者は、上記の現状に鑑み鋭意研究の結
果、窒化珪素（Si3N4）に対し、第ａ族元素の
うち少なくとも酸化ランタン（La2O3）、酸化ネ
オジウム（Nb2O3）、および酸化イツテルビウム
（Yb2O3）の２種以上と、さらに第ａ族元素、
Al、Ti、Cr、ZrおよびSiの酸化物または窒化物
から選ばれる１種以上を添加し、焼結することに
より高温酸化性雰囲気中で長期間使用しても酸化
物が進み難いことを知見した。 したがつて、本発明においては高温での長期間
使用に対し耐酸化性に優れ、高温におけるクリー
プ特性および機械的特性（抗折強度）を向上させ
た窒化珪素質焼結体を提供することを目的とす
る。 問題点を解決するための手段 本発明によれば、窒化珪素（Si3N4）の80重量
％以上に、第ａ族元素酸化物から選ばれ、その
うち少なくとも酸化ランタン（La2O3）、酸化ネ
オジウム（Nd2O3）、酸化イツテルビウム
（Yb2O3）のいずれかの必ず２種以上を含む主成
分の100重量部に対して、第ａ族元素、Al、
Ti、Cr、Ga、ZrおよびSiの酸化物または窒化物
から選ばれる１種以上を、0.1〜５重量部添加し、
焼結してなる窒化珪素質焼結体が提供される。 窒化珪素（Si3N4）の80重量％以上に第ａ族
元素酸化物の適量を添加することにより、高温で
の強度劣化が少ない焼結体が得られるが、窒化珪
素（Si3N4）にさらに酸化ランタン（La2O3）、酸
化ネオジウム（Nb2O3）および酸化イツテルビウ
ム（Yb2O3）のうちから選ばれる２種以上を添加
することにより高温でのクリープ特性および抗折
強度が高い焼結体が得られる。これは窒化珪素質
焼結体の高温でのクリープ現象は粒界相のすべり
によつて起こるといわれているが、上記組成を添
加することにより粒界相が非常に高融点の化合物
で形成されているためと考えられる。特に、窒化
珪素（Si3N4）の含有量が90〜99重量％に前記酸
化ランタン（La2O3）、酸化ネオジウム（Nd2O3）
および酸化イツテルビウム（Yb2O3）の少なくと
も２種以上（その他第ａ族元素酸化物を含んで
もよい）を１〜10重量％添加するのが好ましい。
窒化珪素（Si3N4）の含有量が増加するとクリー
プ特性が向上し、この含有量が80重量％より減少
すると急激にクリープ特性が劣化する。また、添
加剤として第ａ族元素、Al、Ti、Cr、Ga、Zr
およびSiの酸化物または窒化物を添加することに
より、複合希土類含有窒化珪素質焼結体が酸化し
て生じる粉状酸化物を緻密化する効果を与えるこ
とが可能となる。したがつて酸化により生成する
緻密な酸化膜が一旦表面に生成すると、それ以後
の酸素の内部への拡散と酸化反応とを抑制する保
護膜となり、耐酸化性が飛躍的に向上し、高温酸
化雰囲気中における材料の寿命が延長される。 前記第ａ族元素、Al、Ti、Cr、Ga、Zrおよ
びSiの酸化物または窒化物の１種以上の添加を
0.1〜５重量部の範囲とした理由は、これら添加
物が0.1重量部未満であると前記保護膜が充分生
成されず酸化度合が大きく、５重量部を越えると
高温におけるクリープ特性および抗折強度が劣化
するからである。 実施例 窒化珪素（Si3N4）に、第ａ族元素酸化物か
ら選ばれ、そのうち少なくとも酸化ランンタン
（La2O3）、酸化ネオジウム（Nb2O3）および酸化
イツテルビウム（Yb2O3）のいずれかを必ず２種
以上含む混合物に、第ａ族元素、Al、Ti、Cr、
Ga、ZrおよびSiの酸化物または窒化物を第１表
に示す割合に混合粉体をボールミルにて24時間混
合した。得られたスラリーを乾燥造粒した後、プ
レス成形して真空中で脱バインダ後、第１表に示
す焼結条件によりJISR1601に基づく坑折試験片
とし、また同様のものについて、厚み0.902mm×
幅4.01mm×長さ55mmの曲げクリープ試験片とした
試料１〜11までを得た。試料１〜８は通常の窒素
雰囲気焼結法によるものであり、試料９〜11のも
のは熱間静水圧プレス法によつて焼結たものであ
る。 得られた各試料について、上スパン19.1mm、下
スパン39.8mmの４点曲げで、1300℃で100時間高
温下および108MN／m2の曲げ応力を加えて高温
におけるクリープ試験を行ない、各試料の歪量
（ε）を下記に示す第１式により求めた。 ε（歪量）＝4hd／L2 …(1) 但し第１式においてｈ＝試料の厚さ、Ｌ＝上ス
パン、ｄ＝たわみ量である。また、前記抗折試験
片とした試料１〜11について常温および1300℃に
おける４点曲げ抗折強度試験と、1300℃で1000時
間経過後における重量増（mg／cm2）による焼結体
の酸化度合をそれぞれ調べて高温における耐酸化
性試験を行なつた。
【表】
＊印を付した試料番号のものは本発明の範囲外のもの
である。
試料１〜５，８〜11のものは本発明の範囲内の
ものであり、窒化珪素（Si3N4）の80重量％以上
に、第ａ族酸化物から選ばれ、そのうち少なく
とも酸化ランタン（La2O3）、酸化ネオジウム
（Nd2O3）および酸化イツテルビウム（Yb2O3）
のいずれかを必ず２種以上とを含んで主成分と
し、その主成分の100重量部に対して第ａ族元
素、Al、Ti、Cr、Ga、ZrおよびSiの酸化物また
は窒化物から選ばれる１種以上を0.1〜５重量部
添加したものを、それぞれ焼結条件により得られ
た焼結体は1300℃における抗折強度が最低が64
Kg／mm2であり、それ以上を確保でき、耐酸化性試
験における重量増が0.72mg／cm2以下とすぐれてい
る。通常この重量増で1.0mg／cm2以下であること
は耐酸化性保護膜が充分形成されていることを意
味するものと解される。また試料１〜５，８〜11
のものは、クリープ試験において歪量（ε）は
8.0×10-4ｍ／ｍ以下であり、クリープ特性が優
れていることが理解される。これに対し、本発明
の範囲の試料６，７のものは常温もしくは高温に
おける抗折強度、耐酸化性およびクリープ特性が
劣化していることが理解される。即ち、試料６の
ものは、窒化珪素（SiN3N4）が75重量％と本発
明の範囲外であり、この場合常温における抗折強
度は59Kg／mm2、1300℃における抗折強度は38Kg／
mm2、耐酸化増量は2.41mg／cm2、歪量（ε）は15.2
×10-4ｍ／ｍであり、いずれも本発明の範囲内の
試料１〜５，８〜11のものより特性が劣化してい
ることが理解される。また試料７のものは、窒化
珪素（Si3N4）が90重量％および第ａ族元素酸
化物が10重量％の主成分100重量部に対して、添
加物としてAl2O3の７重量部を添加したものであ
り、Al2O3の組成割合が本発明の範囲外のもので
ある。この場合1300℃における抗折強度が著しく
劣化するとともに耐酸化性試験における焼結体の
重量増は3.92mg／cm2と非常に値が大きく、またク
リープ試験における歪量（ε）も13.3×10-4ｍ／
ｍと大きいことが理解される。 発明の効果 以上のように本発明によれば、窒化珪素
（Si3N4）の80重量％以上に、第ａ族元素酸化
物から選ばれ、そのうち酸化ランタン（La2O3）、
酸化ネオジウム（Nd2O3）および酸化イツテルビ
ウム（Yb2O3）のいずれかの必ず２種以上を混合
して主成分とし、その主成分の100重量部に対し
て第ａ族元素、Al、Ti、Cr、Ga、ZrおよびSi
の酸化物または窒化物から選ばれる１種以上を、
0.1〜５重量部添加し、焼結して成る焼結体は常
温および1300℃における抗折強度を向上させるこ
とができ、また耐酸化性試験における重量増が
0.72mg／cm2以下と優れており、さらにクリープ特
性における歪量は8.0×10-4ｍ／ｍ以下と優れて
いる。
である。
試料１〜５，８〜11のものは本発明の範囲内の
ものであり、窒化珪素（Si3N4）の80重量％以上
に、第ａ族酸化物から選ばれ、そのうち少なく
とも酸化ランタン（La2O3）、酸化ネオジウム
（Nd2O3）および酸化イツテルビウム（Yb2O3）
のいずれかを必ず２種以上とを含んで主成分と
し、その主成分の100重量部に対して第ａ族元
素、Al、Ti、Cr、Ga、ZrおよびSiの酸化物また
は窒化物から選ばれる１種以上を0.1〜５重量部
添加したものを、それぞれ焼結条件により得られ
た焼結体は1300℃における抗折強度が最低が64
Kg／mm2であり、それ以上を確保でき、耐酸化性試
験における重量増が0.72mg／cm2以下とすぐれてい
る。通常この重量増で1.0mg／cm2以下であること
は耐酸化性保護膜が充分形成されていることを意
味するものと解される。また試料１〜５，８〜11
のものは、クリープ試験において歪量（ε）は
8.0×10-4ｍ／ｍ以下であり、クリープ特性が優
れていることが理解される。これに対し、本発明
の範囲の試料６，７のものは常温もしくは高温に
おける抗折強度、耐酸化性およびクリープ特性が
劣化していることが理解される。即ち、試料６の
ものは、窒化珪素（SiN3N4）が75重量％と本発
明の範囲外であり、この場合常温における抗折強
度は59Kg／mm2、1300℃における抗折強度は38Kg／
mm2、耐酸化増量は2.41mg／cm2、歪量（ε）は15.2
×10-4ｍ／ｍであり、いずれも本発明の範囲内の
試料１〜５，８〜11のものより特性が劣化してい
ることが理解される。また試料７のものは、窒化
珪素（Si3N4）が90重量％および第ａ族元素酸
化物が10重量％の主成分100重量部に対して、添
加物としてAl2O3の７重量部を添加したものであ
り、Al2O3の組成割合が本発明の範囲外のもので
ある。この場合1300℃における抗折強度が著しく
劣化するとともに耐酸化性試験における焼結体の
重量増は3.92mg／cm2と非常に値が大きく、またク
リープ試験における歪量（ε）も13.3×10-4ｍ／
ｍと大きいことが理解される。 発明の効果 以上のように本発明によれば、窒化珪素
（Si3N4）の80重量％以上に、第ａ族元素酸化
物から選ばれ、そのうち酸化ランタン（La2O3）、
酸化ネオジウム（Nd2O3）および酸化イツテルビ
ウム（Yb2O3）のいずれかの必ず２種以上を混合
して主成分とし、その主成分の100重量部に対し
て第ａ族元素、Al、Ti、Cr、Ga、ZrおよびSi
の酸化物または窒化物から選ばれる１種以上を、
0.1〜５重量部添加し、焼結して成る焼結体は常
温および1300℃における抗折強度を向上させるこ
とができ、また耐酸化性試験における重量増が
0.72mg／cm2以下と優れており、さらにクリープ特
性における歪量は8.0×10-4ｍ／ｍ以下と優れて
いる。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 窒化珪素（Si3N4）の80重量％以上に、 第ａ族元素酸化物から選ばれ、そのうち少な
くとも酸化ランタン（La2O3）、酸化ネオジウム
（Nd2O3）および酸化イツテルビウム（Yb2O3）
のいずれかの必ず２種以上を混合して主成分と
し、 その主成分の100重量部に対して第ａ族元素、
Al、Ti、Cr、Ga、ZrおよびSiの酸化物または窒
化物から選ばれる１種以上を0.1〜５重量部添加
し焼結して成ることを特徴とする窒化珪素質焼結
体。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59178089A JPS6158863A (ja) | 1984-08-25 | 1984-08-25 | 窒化珪素質焼結体 |
| US06/708,349 US4628039A (en) | 1984-03-06 | 1985-03-05 | Sintered silicon nitride body |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59178089A JPS6158863A (ja) | 1984-08-25 | 1984-08-25 | 窒化珪素質焼結体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6158863A JPS6158863A (ja) | 1986-03-26 |
| JPH0455992B2 true JPH0455992B2 (ja) | 1992-09-07 |
Family
ID=16042437
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59178089A Granted JPS6158863A (ja) | 1984-03-06 | 1984-08-25 | 窒化珪素質焼結体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6158863A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4795724A (en) * | 1986-06-12 | 1989-01-03 | Ngk Insulators, Ltd. | Silicon nitride sintered bodies and process for manufacturing the same |
| JP4812545B2 (ja) * | 2006-06-28 | 2011-11-09 | 京セラ株式会社 | ホットチャンバダイカストマシン |
-
1984
- 1984-08-25 JP JP59178089A patent/JPS6158863A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6158863A (ja) | 1986-03-26 |
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Legal Events
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| EXPY | Cancellation because of completion of term |