JPH05221727A - 高力窒化ケイ素セラミック - Google Patents

高力窒化ケイ素セラミック

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JPH05221727A
JPH05221727A JP4298798A JP29879892A JPH05221727A JP H05221727 A JPH05221727 A JP H05221727A JP 4298798 A JP4298798 A JP 4298798A JP 29879892 A JP29879892 A JP 29879892A JP H05221727 A JPH05221727 A JP H05221727A
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Reinhard Dillinger
ラインハルト・ディリンガー
Petra Doetsch
ペトラ・デッチュ
Juergen Heinrich
ユルゲン・ハインリッヒ
Matthias Steiner
マティーアス・シュタイナー
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 技術水準のものより改良された強度を備えた
Si34系部材を提供する。 【構成】 本発明は、セラミック原料粉末を成形し、窒
素化し、次いで熱間均衡再圧縮することにより得られる
窒化ケイ素セラミックの高力成形品に関するものであ
る。用いられるセラミック原料粉末はケイ素粉末、2−
6%のアルミナおよび5−15%の希土類酸化物の混合
物であり、該混合物を分散媒としてのC1−C4−アルコ
ール中で粉砕して平均粒度0.9−5.0μm、好まし
くは1.0−3.0μmとなし、次いで乾燥させる。こ
のために粉末/アルコール分散液の粘度を10−50m
Pa・s、好ましくは25−35mPa・sの値に調整
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高力窒化ケイ素セラミッ
クに関するものである。
【0002】
【従来の技術】窒化ケイ素Si34はその卓越した特性
−高い機械的強さ、硬度、耐食性、耐熱衝撃性および耐
酸化性−のため、工学分野での多数の用途にとって重要
な材料である。
【0003】Si34セラミック部材の製造に際して
は、原則として2方法を区別することができる:Si3
4粉末から未処理成形品を製造し、続いて焼結する方
法、ならびに粉末元素状ケイ素から未処理成形品を製造
し、続いて窒素化していわゆるRBSN(″react
ion−bonded silicon nitrid
e″、反応結合窒化ケイ素)となし、そして最終的な熱
間均衡焼結を行ってHIPRBSN(″hot−iso
statically pressed RBSN″、
熱間均衡圧縮した反応結合窒化ケイ素)となす方法。本
発明はRBSNによる方法に関するものである。
【0004】窒化ケイ素における、大部分が共有結合で
ある強力な原子間結合力のため、この材料は純粋な固体
焼結(結晶粒界拡散または格子拡散)によって圧縮する
ことができない。このため、緻密なSi34材料は焼結
を助成する物質の添加によって初めて得られる。これら
はセラミック原料粉末と共に処理されるため、焼結用添
加剤を可能な限り均一に分散させる必要がある。
【0005】焼結Si34材料のミクロ組織ならびに物
理化学的および機械的特性は、原料粉末の特性に大幅に
依存する。一般にこの分野の文献には、ロッド状の、相
互に挿入されたベータ微結晶を含む均質なミクロ組織が
材料の機械的強度の前提条件であるという点で同意がな
されている。得られるベータ微結晶の形状に重要な影響
を及ぼすものは、この場合原料粉末中のアルファ−Si
34の割合であるとされている。原料粉末が高い割合の
ベータ相を含む場合、溶存するベータ粒子はほぼ平衡状
態において、より粗大なベータ粒子上に連続的に再沈殿
し、大型の同軸ベータ微結晶を形成する。ベータの割合
が低い場合、アルファ粒子の溶解により局所過飽和現象
が起こる。これは自然成核を引き起こし、熱力学的平衡
条件からはるかに離れた状態で長いロッド状のベータ微
結晶の形成をもたらす。前記のように相互に挿入された
ロッド状微結晶は高い機械的強度をもたらすので、文献
において一般的な意見によれば原料中に可能な限り高い
割合のアルファ相が望ましい。
【0006】HIPRBSNの部材(componen
t)は従来下記の方法で製造されていた:セラミック原
料粉末(ケイ素および焼結助剤)を成形し、窒素化し、
そしてほぼ理論密度になるまで均衡再圧縮する。用いる
焼結助剤は希土類酸化物、たとえば酸化イットリウムお
よび酸化アルミニウムである。成形に用いる原料配合物
は、各粉末を解凝集剤水溶液中へ(スリップカスチン
グ、スリップダイカスチング)、または有機可塑剤化合
物中へ(射出成形)導入することにより調製される。し
かしこの方法により製造された部材は室温で最高650
MPaの4点曲げ強さに達するにすぎない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、エン
ジンの構成に用いるSi34系部材(ガスタービン部
材、弁など)であって技術水準のものより改良された強
度を備えた部材を、熱間均衡再圧縮した反応結合窒化ケ
イ素から各種の方法で製造する方法である。この目的
は、セラミック原料粉末を一定の平均粒度(mean
grain size)に粉砕することにより達成され
た。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、セラミック原
料粉末を成形し、窒素化し、そして熱間均衡再圧縮する
ことにより得られる窒化ケイ素セラミックの高力成形品
において、ケイ素粉末、2−6%のアルミナおよび5−
15%の希土類酸化物(それぞれケイ素の量に対し)の
混合物をセラミック原料粉末として用い、該混合物を分
散媒としてのC1−C4−アルコール中で粉砕して平均粒
度0.9−5.0μm、好ましくは1.0−3.0μm
となし、次いで乾燥させ、その際粉末/アルコール分散
液の粘度が10−50mPa・s、好ましくは25−3
5mPa・sの値に調整された成形品に関するものであ
る。
【0009】本発明に従ってセラミック材料から成形品
を製造するための原料は、一方ではケイ素粉末であり、
他方ではアルミナおよび希土類酸化物の混合物、たとえ
ばCeO2、Nd23、Yb23またはY23である。
これらの酸化物は焼結助剤として作用し、上記の量で用
いられる。%のデータはすべてケイ素粉末の量に対する
ものであり、重量%を表す。ケイ素粉末は自然に、また
は熱的に高められた表面層の不動態化の結果として、最
高5%の量のSiO2を含有しうる。
【0010】次いでこれらの粉末の混合物をC1−C4
アルコール、好ましくはイソプロパノールまたはエタノ
ール中の分散液の形で湿式粉砕する。上記の本発明の目
的を達成するため、すなわちSi34セラミックの高力
成形品を製造するためには、この粉砕に際して粉末分散
液の一定の粘度を維持すること、および平均粒度分布
0.9−5.0μm、好ましくは1.0−3.0μm
(d50値)となるまで粉砕を行うことが重要である。
【0011】最適粘度の粉砕スリップが得られるか否か
は、本質的に粉砕スリップ/粉砕ボディーの容量比、ミ
ルの充填度、ミルの絶対容量、ミルの周速、および粉砕
時間に依存する。
【0012】この場合、粉末混合物/分散媒の質量比は
混合物において得られる粉砕分散液粘度に応じて調整さ
れる。これは下記により行われる:予備試験において、
3.2%のAl23および8.0%のY23を含有する
ケイ素粉末が最良の粉砕効果を与える組成物であること
が認められた。この混合物についての最適な粉末/分散
剤の比は60重量%/40重量%であった。次いで粉砕
に用いるボールミルの周速に相当する剪断速度における
この分散液の粘度を回転粘度測定法により測定した。次
いで種々の組成の混合物につき、粉末/分散剤の比を回
転式粘度測定装置のこの剪断速度における基準組成物の
ものと同じ粘度に調整する。
【0013】粉砕は好ましくはボールミル中で実施さ
れ、これはこの場合その容積の最高80%が充填され、
全容積の30%を粉砕ボールが占める(ベッド50%、
そのうち40%はボイド)。ミル容積の50%がスリッ
プで満たされる。従ってミルは合わせて最高80容量%
が充填される。粉砕時間は一般に12−72時間であ
る。
【0014】粉砕ののち、分散媒を適切な方法で除去す
る(たとえば回転式蒸発器)。次いで得られた粉砕ケー
クを解凝集のために、たとえばボールミル中で2時間、
乾式再粉砕する。
【0015】この湿式粉砕の代わりに、乾式粉砕を行う
こともできる。これも同様にボールミル中で実施され、
それに最高で半分までAl23ボールが充填される。こ
の場合添加される粉末の量は、好ましくはミル容積のリ
ットル当たり0.4kgである。0.1%(粉末質量に
対して)のイソプロパノールも凝集防止剤として添加さ
れる。この場合も粉砕時間は12−72時間である。
【0016】次いで粉砕された粉末混合物を2−48時
間、200−300℃の温度の循環空気式乾燥器内で十
分に加熱する。十分な加熱は分散媒の最後の残留物を除
去し、かつケイ素粒子上に不動態であるSiO2保護層
を形成する作用をもち、従ってこうして処理された粉末
は、水性スリップカスチングに用いた際の加水分解に対
する感受性が低い。射出成形および均衡圧縮による成形
処理には2時間の加熱時間で十分である。次いでこれら
の粉末混合物の成形をそれ自体既知の方法に従って、ス
リップカスチング、スリップダイカスチング、均衡圧縮
または射出成形により実施することができる。
【0017】次いで窒素化を行う。これは常法により約
1050−1450℃、好ましくは1100−1370
℃の温度で実施される。これによりRBSN生成物が得
られ、これは使用したセラミック粉末をあらかじめ粉砕
したため高い割合の(約30−100%)ベータ相を含
む。これはこのような粉砕を行わない先行技術によるR
BSN生成物の場合には得られない。次いでこれらのR
BSN生成物を常法により熱間均衡再圧縮する。
【0018】
【実施例】
実施例1 10リットル容の磁器製ミルに半分までアルミナボール
(密度3.55g/cm3)を充填した(ボールの有効
容量は3 l、質量は10.65kgである)。さらに
3.975kgの粉末混合物および2.650kgのイ
ソプロパノールを添加した(得られた懸濁液の密度:
1.325g/cm3;これは5.0 lの容量を与え
る)。粉末混合物は3.5kgのケイ素粉末(表示シリ
コミル(Silicomill、登録商標)4C−P、
スウェーデン、パーマスカンドから入手される)、0.
310kgのアルミナ粉末(表示アルコア(Alco
a、登録商標)XA 1000 SG、ハンバーグ、ア
ルコア社から入手される)、0.125kgの酸化イッ
トリウム粉末、および40gの酸化鉄粉末(窒素化助剤
として作用)からなっていた。これらの懸濁液の粘度は
30mPa・sであった。
【0019】密閉したミルを一定の回転速度60rpm
で中断することなく24時間作動させた。こうして得ら
れた粉末を常法により成形して適切な試験片となし、窒
素化し、そして熱間均衡再圧縮した。窒素化ののち、粉
末回折法(X線回折)により測定してRBSN中のベー
タの割合は58%であった。こうして得られた成形品を
1840℃の温度で熱間均衡再圧縮した。次いでその4
点曲げ強さをDIN51110(ドラフト、I部)に従
って測定して、870MPaであることが認められた。
【0020】実施例2 これは実施例1と同様に実施されたが、ただし異なるケ
イ素粉末(エルケム・シルグレイン・スタンダード(E
lkem Silgrain Standard)、−
6μm)を用いた。この粉末が鉄を含有するので、酸化
鉄の添加は不必要であり、他の添加剤は実施例1に対応
する。懸濁液の目的粘度30mPa・sを得るために
は、固形分を42重量%に低下させなければならない
(懸濁液の全容量は実施例1の場合と同様に5.0
l)。窒素化ののち、RBSN中のベータの割合は54
%であった。1840℃で熱間均衡再圧縮して、4点曲
げ強さ880MPaを得た。これより高い1860℃の
温度で熱間均衡再圧縮すると、4点曲げ強さ970MP
aの成形品が得られた。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ペトラ・デッチュ ドイツ連邦共和国デー−8672 ゼルブ,マ ルティーン−ペールマン−シュトラーセ 18 (72)発明者 ユルゲン・ハインリッヒ ドイツ連邦共和国デー−8672 ゼルブ,ゲ シュヴィスター−ショール−シュトラーセ 37 (72)発明者 マティーアス・シュタイナー ドイツ連邦共和国デー−8672 ゼルブ,レ ンゲンナウアー・シュトラーセ 6

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミック原料粉末を成形し、窒素化
    し、そして熱間均衡再圧縮することにより得られる窒化
    ケイ素セラミックの高力成形品において、ケイ素粉末、
    2−6%のアルミナおよび5−15%の希土類酸化物
    (それぞれケイ素の量に対し)の混合物をセラミック原
    料粉末として用い、該混合物を分散媒としてのC1−C4
    −アルコール中で粉砕して平均粒度0.9−5.0μ
    m、好ましくは1.0−3.0μmとなし、次いで乾燥
    させ、その際粉末/アルコール分散液の粘度が10−5
    0mPa・s、好ましくは25−35mPa・sの値に
    調整された成形品。
  2. 【請求項2】 希土類酸化物としてCeO2、Nd
    23、Yb23、Y23またはそれらの混合物を使用す
    る、請求項1に記載の成形品。
  3. 【請求項3】 分散媒としてイソプロパノールまたはエ
    タノールを使用する、請求項1または2に記載の成形
    品。
  4. 【請求項4】 成形および窒素化ののち30−100
    %、好ましくは50−100%の割合のベータ相を有す
    る、請求項1ないし3のいずれかに記載の成形品。
  5. 【請求項5】 700MPa以上、好ましくは800M
    Pa以上の4点曲げ強さを有する、請求項1ないし4の
    いずれかに記載の成形品。
  6. 【請求項6】 内燃機関の弁としての、請求項1ないし
    5のいずれかに記載の成形品の使用。
  7. 【請求項7】 高性能エンジンのターボチャージャーに
    おけるガスタービン部品としての、請求項1ないし5の
    いずれかに記載の成形品の使用。
JP4298798A 1991-11-07 1992-11-09 高力窒化ケイ素セラミック Pending JPH05221727A (ja)

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DE4136629 1991-11-07
DE4136629:8 1991-11-07

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JP4298798A Pending JPH05221727A (ja) 1991-11-07 1992-11-09 高力窒化ケイ素セラミック

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EP (1) EP0541082A1 (ja)
JP (1) JPH05221727A (ja)
KR (1) KR930009961A (ja)
BR (1) BR9204315A (ja)
MX (1) MX9206418A (ja)
TW (1) TW223621B (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1076331C (zh) * 1995-11-16 2001-12-19 住友电气工业株式会社 硅基组合物及其制备工艺

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BR9204315A (pt) 1993-05-25
TW223621B (ja) 1994-05-11
EP0541082A1 (de) 1993-05-12
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