JPH05194036A - 窒化珪素質焼結体 - Google Patents
窒化珪素質焼結体Info
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- JPH05194036A JPH05194036A JP4010042A JP1004292A JPH05194036A JP H05194036 A JPH05194036 A JP H05194036A JP 4010042 A JP4010042 A JP 4010042A JP 1004292 A JP1004292 A JP 1004292A JP H05194036 A JPH05194036 A JP H05194036A
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- Japan
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- earth element
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Abstract
(57)【要約】
【構成】窒化珪素を70〜98モル%と、希土類元素を
酸化物換算で1.0〜10モル%と、過剰酸素をSiO
2 換算量で25モル%以下と、クロム(Cr)を酸化物
換算で0.01〜5モル%の割合で含有し、前記過剰酸
素のSiO2 換算量の希土類元素の酸化物換算量に対す
るモル比が0.7より大きく、3以下であり、且つ前記
クロムが珪化物として分散していることを特徴とし、さ
らに粒界にアパタイト、YAM等の結晶相が存在する。 【効果】1400℃の高温における高温強度を維持しつ
つ、中温域の耐酸化性を向上させることができる。よっ
て、ターボロータやガスタービン用部品等の熱機関用部
品等の高温構造材料として応用を拡げることができる。
酸化物換算で1.0〜10モル%と、過剰酸素をSiO
2 換算量で25モル%以下と、クロム(Cr)を酸化物
換算で0.01〜5モル%の割合で含有し、前記過剰酸
素のSiO2 換算量の希土類元素の酸化物換算量に対す
るモル比が0.7より大きく、3以下であり、且つ前記
クロムが珪化物として分散していることを特徴とし、さ
らに粒界にアパタイト、YAM等の結晶相が存在する。 【効果】1400℃の高温における高温強度を維持しつ
つ、中温域の耐酸化性を向上させることができる。よっ
て、ターボロータやガスタービン用部品等の熱機関用部
品等の高温構造材料として応用を拡げることができる。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービンやターボ
ロータ等の熱機関に好適な高温における抗折強度、耐酸
化性に優れた窒化珪素質焼結体及びその製造方法に関す
る。
ロータ等の熱機関に好適な高温における抗折強度、耐酸
化性に優れた窒化珪素質焼結体及びその製造方法に関す
る。
【0002】
【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ることからエン
ジニアリングセラミックス、特に熱機関用材料として注
目されている。具体的な熱機関としてはターボロータや
ガスタービン用部品が挙げられ、これらに適用する場
合、焼結体に対し室温から約1200℃の範囲、部品に
よっては1400℃の高温において優れた機械的特性が
要求されている。
る強度、硬度、熱的化学的安定性に優れることからエン
ジニアリングセラミックス、特に熱機関用材料として注
目されている。具体的な熱機関としてはターボロータや
ガスタービン用部品が挙げられ、これらに適用する場
合、焼結体に対し室温から約1200℃の範囲、部品に
よっては1400℃の高温において優れた機械的特性が
要求されている。
【0003】このような要求に対し、組成の点からは、
Y2 O3 等の希土類元素酸化物の他、Al2 O3 、Mg
O等の酸化物が焼結助剤として最も一般的に使用されて
いる。しかし、焼結体の高温特性を考慮した場合、Al
2 O3 やMgOなどが含まれると焼結体の粒界に低融点
物質が生成されるために高温強度や高温耐酸化性が低下
する。これらの見地から上記の酸化物を実質的に含まな
いSi3 N4 −RE2 O3 (希土類元素酸化物)−Si
O2 の単純三元系からなる組成も検討され、さらに焼成
条件の検討あるいは焼結体の熱処理等によって粒界にS
i3 N4 −RE2 O3 −SiO2 等からなるアパタイ
ト、YAM等の結晶相を析出させることによって高温特
性を改良する試みも行われている。
Y2 O3 等の希土類元素酸化物の他、Al2 O3 、Mg
O等の酸化物が焼結助剤として最も一般的に使用されて
いる。しかし、焼結体の高温特性を考慮した場合、Al
2 O3 やMgOなどが含まれると焼結体の粒界に低融点
物質が生成されるために高温強度や高温耐酸化性が低下
する。これらの見地から上記の酸化物を実質的に含まな
いSi3 N4 −RE2 O3 (希土類元素酸化物)−Si
O2 の単純三元系からなる組成も検討され、さらに焼成
条件の検討あるいは焼結体の熱処理等によって粒界にS
i3 N4 −RE2 O3 −SiO2 等からなるアパタイ
ト、YAM等の結晶相を析出させることによって高温特
性を改良する試みも行われている。
【0004】
【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、Si
3 N4 −RE2 O3 (希土類元素酸化物)−SiO2 の
単純三元系において、その粒界に各種結晶相を析出した
焼結体は室温および1400℃の高温における強度の向
上あるいは耐酸化性に対する向上効果はある程度認めら
れるものの、中温域(700〜1000℃)における特
性、特に耐酸化性の劣化が激しいという欠点を有してい
る。
3 N4 −RE2 O3 (希土類元素酸化物)−SiO2 の
単純三元系において、その粒界に各種結晶相を析出した
焼結体は室温および1400℃の高温における強度の向
上あるいは耐酸化性に対する向上効果はある程度認めら
れるものの、中温域(700〜1000℃)における特
性、特に耐酸化性の劣化が激しいという欠点を有してい
る。
【0005】よって、本発明の目的は、優れた高温特性
を維持しつつ、中温域における耐酸化性を改善した窒化
珪素質焼結体を提供することを目的とするものである。
を維持しつつ、中温域における耐酸化性を改善した窒化
珪素質焼結体を提供することを目的とするものである。
【0006】
【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、上記単純三元系に対
してさらにクロムを添加し、これをクロム珪化物として
存在させることにより上記目的が達成されることを見出
した。
問題点に対して検討を加えた結果、上記単純三元系に対
してさらにクロムを添加し、これをクロム珪化物として
存在させることにより上記目的が達成されることを見出
した。
【0007】即ち、本発明の窒化珪素質焼結体は、窒化
珪素70〜98モル%と、希土類元素酸化物1.0〜1
0モル%と、過剰酸素(SiO2 換量)25モル%以下
と、クロム化合物を酸化物換算で0.01〜5モル%と
からなり、過剰酸素(SiO2 換算量)/希土類元素酸
化物で表されるモル比が0.7より大きく、3以下の範
囲にあり、しかも前記クロムが珪化物として存在するこ
とを特徴とするものである。
珪素70〜98モル%と、希土類元素酸化物1.0〜1
0モル%と、過剰酸素(SiO2 換量)25モル%以下
と、クロム化合物を酸化物換算で0.01〜5モル%と
からなり、過剰酸素(SiO2 換算量)/希土類元素酸
化物で表されるモル比が0.7より大きく、3以下の範
囲にあり、しかも前記クロムが珪化物として存在するこ
とを特徴とするものである。
【0008】以下、本発明を詳述する。本発明の焼結体
は、その組成が、窒化珪素70〜99モル%と、希土類
元素酸化物1.0〜10モル%と、過剰酸素(SiO2
換量)25モル%以下と、クロム化合物を酸化物換算で
0.01〜5モル%とからなる。なお、ここで過剰酸素
とは、焼結体の単位体積当たりに含まれる全酸素量から
希土類元素酸化物(RE2 O3 )として化学量論組成で
混入した酸素を除いた酸素量で、具体的には窒化珪素原
料中の不純物酸素あるいはSiO2 として添加された酸
素から構成されるもので、いずれもSiO2 換算量を示
す。
は、その組成が、窒化珪素70〜99モル%と、希土類
元素酸化物1.0〜10モル%と、過剰酸素(SiO2
換量)25モル%以下と、クロム化合物を酸化物換算で
0.01〜5モル%とからなる。なお、ここで過剰酸素
とは、焼結体の単位体積当たりに含まれる全酸素量から
希土類元素酸化物(RE2 O3 )として化学量論組成で
混入した酸素を除いた酸素量で、具体的には窒化珪素原
料中の不純物酸素あるいはSiO2 として添加された酸
素から構成されるもので、いずれもSiO2 換算量を示
す。
【0009】なお、焼結体の組成を上記の範囲に限定し
たのは、窒化珪素、希土類元素酸化物、過剰酸素のいず
れかが前述の範囲を逸脱しても室温強度ならびに高温強
度が劣化するためであり、特にクロム化合物の量が0.
01モル%より少ないと焼結体の中温域における耐酸化
性の向上効果がなく、5モル%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からである。
たのは、窒化珪素、希土類元素酸化物、過剰酸素のいず
れかが前述の範囲を逸脱しても室温強度ならびに高温強
度が劣化するためであり、特にクロム化合物の量が0.
01モル%より少ないと焼結体の中温域における耐酸化
性の向上効果がなく、5モル%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からである。
【0010】また、本発明の焼結体によれば、過剰酸素
(SiO2 換算量)/希土類元素酸化物で表されるモル
比が0.7より大きく、3以下の範囲にあることが重要
である。これは、このモル比が0.7以下では緻密化し
にくく、3を越えると高温強度が劣化するためである。
(SiO2 換算量)/希土類元素酸化物で表されるモル
比が0.7より大きく、3以下の範囲にあることが重要
である。これは、このモル比が0.7以下では緻密化し
にくく、3を越えると高温強度が劣化するためである。
【0011】次に、本発明の窒化珪素質焼結体を作成す
る方法としては、原料粉末として窒化珪素粉末、希土類
元素酸化物粉末、クロム化合物、場合により酸化珪素粉
末を用い、前述した組成になるように秤量混合する。こ
の時の窒化珪素粉末は焼結性を促進するためBET比表
面積が3〜20m2 /g、α化率95%以上であること
が望ましい。また、窒化珪素粉末には不純物酸素含有量
が一般に0.8〜1.5重量%程度含有されるが、全体
の酸素量は酸化珪素の添加によって任意に調整できる。
なお、クロム化合物とは酸化物、窒化物、炭化物、珪化
物、硼化物等である。
る方法としては、原料粉末として窒化珪素粉末、希土類
元素酸化物粉末、クロム化合物、場合により酸化珪素粉
末を用い、前述した組成になるように秤量混合する。こ
の時の窒化珪素粉末は焼結性を促進するためBET比表
面積が3〜20m2 /g、α化率95%以上であること
が望ましい。また、窒化珪素粉末には不純物酸素含有量
が一般に0.8〜1.5重量%程度含有されるが、全体
の酸素量は酸化珪素の添加によって任意に調整できる。
なお、クロム化合物とは酸化物、窒化物、炭化物、珪化
物、硼化物等である。
【0012】上記の混合粉末に適宜バインダーを添加し
て造粒後、成形する。成形は周知の方法を採用でき、具
体的にはプレス成形、押し出し成形、鋳込み成形あるい
は射出成形等が採用できる。
て造粒後、成形する。成形は周知の方法を採用でき、具
体的にはプレス成形、押し出し成形、鋳込み成形あるい
は射出成形等が採用できる。
【0013】このようにして得られた成形体はバインダ
ー除去した後、焼成する。焼成は、その焼成手段にもよ
るが1450〜2000℃の非酸化性雰囲気で焼成す
る。焼成手段としては窒素ガス圧力焼成法、熱間静水圧
焼成法等が好適である。また、この時にクロム化合物を
クロムの珪化物に変換するために、1450〜1850
℃程度で一旦保持すればよい。
ー除去した後、焼成する。焼成は、その焼成手段にもよ
るが1450〜2000℃の非酸化性雰囲気で焼成す
る。焼成手段としては窒素ガス圧力焼成法、熱間静水圧
焼成法等が好適である。また、この時にクロム化合物を
クロムの珪化物に変換するために、1450〜1850
℃程度で一旦保持すればよい。
【0014】さらに、上記焼成により粒界が結晶化する
ことがある。具体的にはアパタイト(RE5 Si3 O12
N、RE10Si7 O23N4 、RE4 Si4 O9 N4 )、
YAM(RE4 Si2 O7 N2 )、ワラストナイト(R
ESiO2 N)等が析出していることが望ましく、さら
に結晶化を促進するために1200〜1600℃の非酸
化性雰囲気中で熱処理すればよい。
ことがある。具体的にはアパタイト(RE5 Si3 O12
N、RE10Si7 O23N4 、RE4 Si4 O9 N4 )、
YAM(RE4 Si2 O7 N2 )、ワラストナイト(R
ESiO2 N)等が析出していることが望ましく、さら
に結晶化を促進するために1200〜1600℃の非酸
化性雰囲気中で熱処理すればよい。
【0015】これにより、本発明の焼結体は、組織的に
はβ−窒化珪素結晶を主体とし、その粒界にクロムの珪
化物が分散し、さらにそれらの粒界にはSi3 N4 −R
E2 O3 −SiO2 系の結晶が析出した構造を有する。
この時のクロムの珪化物はクロム化合物の粒径を制御
し、0.1〜10μmの大きさで分布していることが望
ましい。これらの粒径は、クロム化合物の原料粒径によ
り制御できる。
はβ−窒化珪素結晶を主体とし、その粒界にクロムの珪
化物が分散し、さらにそれらの粒界にはSi3 N4 −R
E2 O3 −SiO2 系の結晶が析出した構造を有する。
この時のクロムの珪化物はクロム化合物の粒径を制御
し、0.1〜10μmの大きさで分布していることが望
ましい。これらの粒径は、クロム化合物の原料粒径によ
り制御できる。
【0016】本発明によれば、焼結体中の粒界の結晶性
を高める上で粒界に存在してガラス相を形成し易い酸化
物、具体的にはAl2 O3 、MgO、CaO、Fe2 O
3 等の酸化物が焼結体全量中、0.05重量%以下であ
ることが望ましい。また、希土類元素酸化物としては、
Y2 O3 が一般的であるが、Yb2 O3 、Er2 O3 、
Ho2 O3 、Dy2 O3 等の重希土類元素酸化物を用い
る方が色ムラ等の発生を防止するとともに安定した特性
の焼結体を得ることができる点で望ましい。
を高める上で粒界に存在してガラス相を形成し易い酸化
物、具体的にはAl2 O3 、MgO、CaO、Fe2 O
3 等の酸化物が焼結体全量中、0.05重量%以下であ
ることが望ましい。また、希土類元素酸化物としては、
Y2 O3 が一般的であるが、Yb2 O3 、Er2 O3 、
Ho2 O3 、Dy2 O3 等の重希土類元素酸化物を用い
る方が色ムラ等の発生を防止するとともに安定した特性
の焼結体を得ることができる点で望ましい。
【0017】
【作用】本発明によれば、Si3 N4 −RE2 O3 −S
iO2 の組成に対しクロム化合物を加えることが重要で
ある。従来Si3 N4 −RE2 O3 −SiO2 の3元系
組成物は、1200℃を越える高温特性は優れるもの
の、700〜1000℃における耐酸化性が劣ることが
知られている。これは、この温度域では、焼結体表面に
保護膜を生成しないため粒界相が、破壊的に酸化される
ためと考えられている。この問題に対し本発明者等は、
クロム化合物を加えることより解決した。すなわち加え
られたクロム化合物を焼結体中に珪化物とし、粒界に残
存させる。すると、中温域の酸化性雰囲気で、このクロ
ム珪化物が焼結体の表面にてアモルファスの保護膜を形
成し、続く酸化を防ぐのである。また、このクロム珪化
物は、高温域においても粒界と反応することがないため
高温特性を劣化させることはない。
iO2 の組成に対しクロム化合物を加えることが重要で
ある。従来Si3 N4 −RE2 O3 −SiO2 の3元系
組成物は、1200℃を越える高温特性は優れるもの
の、700〜1000℃における耐酸化性が劣ることが
知られている。これは、この温度域では、焼結体表面に
保護膜を生成しないため粒界相が、破壊的に酸化される
ためと考えられている。この問題に対し本発明者等は、
クロム化合物を加えることより解決した。すなわち加え
られたクロム化合物を焼結体中に珪化物とし、粒界に残
存させる。すると、中温域の酸化性雰囲気で、このクロ
ム珪化物が焼結体の表面にてアモルファスの保護膜を形
成し、続く酸化を防ぐのである。また、このクロム珪化
物は、高温域においても粒界と反応することがないため
高温特性を劣化させることはない。
【0018】以下、本発明を次の例で説明する。
【0019】
実施例1 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、
平均粒径が1μmの各種希土類酸化物と、平均粒径が1
〜2μmの各種クロム化合物、あるいはSiO2 粉末を
用いて、表1に示す組成に成るように調合し混合後、1
t/cm2 でプレス成形した。
/g、α化率95%、不純物酸素量1.0重量%)と、
平均粒径が1μmの各種希土類酸化物と、平均粒径が1
〜2μmの各種クロム化合物、あるいはSiO2 粉末を
用いて、表1に示す組成に成るように調合し混合後、1
t/cm2 でプレス成形した。
【0020】得られた成形体をSiO2 粉末を炉内に設
置した50atmの窒素ガス雰囲気下で1600℃で2
時間保持後、さらに1900℃で1時間で焼成した。
置した50atmの窒素ガス雰囲気下で1600℃で2
時間保持後、さらに1900℃で1時間で焼成した。
【0021】各焼結体に対し、JISR1601に従
い、室温、1400℃における4点曲げ抗折強度および
900℃で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。その測定結果は表1に示した。
い、室温、1400℃における4点曲げ抗折強度および
900℃で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。その測定結果は表1に示した。
【0022】
【表1】
【0023】表1によれば、クロム化合物が無添加の試
料No.13,14および、添加してもその量が少ない試
料No.16では、いずれも1400℃における強度は高
いものの、中温域における重量増が大きい。また、クロ
ム化合物の添加量が5モル%を越える試料No.15,1
7では、1400℃の強度が劣化した。さらに、希土類
元素の酸化物換算量、SiO2 /RE2 O3 モル比が本
発明の範囲を逸脱する試料No.18〜23では、高温強
度が不充分であったり、緻密化されない等の問題があっ
た。
料No.13,14および、添加してもその量が少ない試
料No.16では、いずれも1400℃における強度は高
いものの、中温域における重量増が大きい。また、クロ
ム化合物の添加量が5モル%を越える試料No.15,1
7では、1400℃の強度が劣化した。さらに、希土類
元素の酸化物換算量、SiO2 /RE2 O3 モル比が本
発明の範囲を逸脱する試料No.18〜23では、高温強
度が不充分であったり、緻密化されない等の問題があっ
た。
【0024】これに対して、本発明の焼結体は、いずれ
も1400℃における強度が600MPa以上、900
℃における酸化重量増が0.3mg/cm2 以下の優れ
た特性を示した。
も1400℃における強度が600MPa以上、900
℃における酸化重量増が0.3mg/cm2 以下の優れ
た特性を示した。
【0025】また、表中、充分に緻密化している焼結体
に対してX線回折測定を行ったところ、クロム化合物は
いずれも平均粒径が1〜5μmの珪化物として存在して
いることを確認した。また、その他の結晶相として、表
中、試料No.1〜17についてはアパタイトが析出して
おり、試料No.20についてはYAM相が析出してい
た。試料No.18については結晶相が検出されなかっ
た。
に対してX線回折測定を行ったところ、クロム化合物は
いずれも平均粒径が1〜5μmの珪化物として存在して
いることを確認した。また、その他の結晶相として、表
中、試料No.1〜17についてはアパタイトが析出して
おり、試料No.20についてはYAM相が析出してい
た。試料No.18については結晶相が検出されなかっ
た。
【0026】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の窒化珪素質
焼結体によれば、Si3 N4 −RE2 O3 (希土類元素
酸化物)−SiO2 の単純3元系にクロム化合物を添加
することにより、1400℃の高温における高温強度を
維持しつつ、中温域の耐酸化性を向上させることができ
る。
焼結体によれば、Si3 N4 −RE2 O3 (希土類元素
酸化物)−SiO2 の単純3元系にクロム化合物を添加
することにより、1400℃の高温における高温強度を
維持しつつ、中温域の耐酸化性を向上させることができ
る。
【0027】よって、ターボロータやガスタービン用部
品等の熱機関用部品をはじめとして各種の高温構造材料
として応用をさらに拡げることができる。
品等の熱機関用部品をはじめとして各種の高温構造材料
として応用をさらに拡げることができる。
Claims (1)
- 【請求項1】窒化珪素を70〜98モル%と、希土類元
素を酸化物換算で1.0〜10モル%と、過剰酸素をS
iO2 換算量で25モル%以下と、クロム(Cr)を酸
化物換算で0.01〜5モル%の割合で含有し、前記過
剰酸素のSiO2 換算量の希土類元素の酸化物換算量に
対するモル比が0.7より大きく、3以下であり、且つ
前記クロムが珪化物として分散していることを特徴とす
る窒化珪素質焼結体。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4010042A JP2801455B2 (ja) | 1992-01-23 | 1992-01-23 | 窒化珪素質焼結体 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4010042A JP2801455B2 (ja) | 1992-01-23 | 1992-01-23 | 窒化珪素質焼結体 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05194036A true JPH05194036A (ja) | 1993-08-03 |
JP2801455B2 JP2801455B2 (ja) | 1998-09-21 |
Family
ID=11739340
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4010042A Expired - Lifetime JP2801455B2 (ja) | 1992-01-23 | 1992-01-23 | 窒化珪素質焼結体 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2801455B2 (ja) |
-
1992
- 1992-01-23 JP JP4010042A patent/JP2801455B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2801455B2 (ja) | 1998-09-21 |
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