JPH0565470B1

JPH0565470B1 -

Info

Publication number: JPH0565470B1
Application number: JP62185266A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sakamoto; Shiro Iijima; Koji Sato; Choshiro Kitazawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-07-24
Filing date: 1987-07-24
Publication date: 1993-09-17
Also published as: CN1057505A; JPS6428282A; IN169656B; CN1025879C; CN1032535A

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］本発明は、じん性と耐壊食性にすぐれた高強度
複合セラミツクス焼結体およびその製造方法に関
するもので、詳しくは、ガスタービンブレードや
各種エンジン部品等の高温構造材料または水車、
とくに、水によるキヤビテイシヨンの大きい部品
等に適用できるセラミツクス焼結体およびその製
造方法に関するものである。［従来の技術］ガスタービンブレード等の高温で使用される部
品には、従来から耐熱合金が用いられてきた。し
かし、近年、高性能化のために、より高温使用が
望まれており、耐熱合金の使用限界に達しつつあ
る。そこで、これらの耐熱合金に変る材料とし
て、耐熱と耐酸化性等にすぐれているSiC，Si₃
N₄およびサイアロン（Si_6-zAl_zO_zN_8-z、ただし、
０＜Ｚ＜4.2）が高温構造材料として注目されて
いる。一方、水車部品等の低温で使用される材料につ
いても、キヤビテイシヨンいよる壊食のほかに、
水質汚染の激増、また高含土砂地域での使用と低
温域での材料としても、前述のセラミツクスを利
用しようとする機運が高い。しかし、これらセラ
ミツクスは周知のごとく、もろいという大きな欠
点をもつているため、本格的実用化に至つていな
い。セラミツクスのじん性を向上させる方法として
は、第１は、セラミツクスに金属および金属の炭
化物、金属の窒化物、金属の珪化物および硼化物
の粒子を分散する方法、第２に、同じくウイスカ
やフアイバを分散する方法が一般的である。しか
し、上記いずれの方法においても、金属または炭
化物、窒化物、珪化物、硼化物を複合した場合、
室温におけるじん性は改善されるが、金属および
金属間化合物が表面に露出しているため、高温に
おける耐酸化性の問題があり、高温使用時の部品
寿命が短いので、実用的でない。そのため、高温
においても、優れた耐酸化性を維持することので
きるセラミツクスの粒子、ウイスカおよびフアイ
バ等を分散させた複合セラミツクスの研究が盛ん
に行なわれている。しかし、上記の第１の方法お
よび第３の方法を含めて、複合化により、じん性
の向上は認められんるが、そりわりに安定性がな
い。すなわち、ばらつきが大きく、一定したじん
性値が得られない。［発明が解決しようとする問題点］前述のように、セラミツクスにウイスカ、フア
イバおよび粒子等を分散させて、じん性を向上さ
せることは周知の事実である。しかし、その反
面、強度が粒子等を分散させることにより低下す
ることも事実である。すなわち、セラミツクスは
一般的に、じん性を向上させれば、強度が低下
し、また強度を上昇させると、じん性が劣化して
しまう。そのため、従来から、ある程度、強度が
低下しても、じん性を向上させる研究がすすめら
れてきた。一方、金属および金属化合物を分散さ
せた場合には、金属層が酸化してしまうために、
高温域では使用できないという問題点であつた。本発明は、このような問題点を解決しようとす
るものである。すなわち、本発明の目的は、セラ
ミツクス、とくに、構造材料として有望視される
SiC，Si₃N₄およびサイアロンのじん性を改善し、
かつ、安定で高温度まで使用可能な、しかも、低
温度でも使用可能な高強度複合セラミツクス焼結
体およびその製造方法を提供するにある。［問題点を解決するための手段］本発明によるじん性と耐壊食性にすぐれた高強
度複合セラミツクス焼結体は、作業面となる表面
に、単体のセラミツクス層の厚さｔが全体の厚さ
Ｔの１ないし40％の範囲にある単体のセラミツク
ス層を有すると共に、内部に、セラミツクス、金
属の単体、金属の炭化物、金属の窒化物、金属の
珪化物および金属の硼化物から選ばれた１種以上
の粒子径20μｍないし100μｍの粒子の母相中に分
散体としてウイスカおよびフアイバの１種以上を
分散させてなる複合体層を有することを特徴とも
のであり、また、同じく上記焼結体の製造方法
は、成形後の単体のセラミツクス層の厚さｔが全
体の厚さＴの１ないし40％の範囲となるように、
作業面となる表面に、単体のセラミツクス層を配
置すると共に、内部に、セラミツクス、金属の単
体、金属の炭化物、金属の窒化物、金属の珪化物
および金属の硼化物から選ばれた１種以上の粒子
径20μｍないし100μｍの粒子の母相中に分散体と
してウイスカおよびフアイバの１種以上を分散さ
せてなる複合体層を配置した上で成形し、該成形
体を無酸素雰囲気中でホツトプレスおよび無加圧
のいずれかで加熱して焼結することを特徴とする
ものである。［作用］セラミツクスは金属やプラスチツク等にはない
特性を持つている。しかし、もろいという弱点も
併せて持つている。本発明によれば、作業面であ
る表面はセラミツクスの特性を有し、クラツクが
発生した場合に高いじん性値を示すことができ
る。一方、従来では、金属相を含む粒子、フアイ
バおよびウイスカ等が複合化した場合、耐酸性に
問題があつたが、本発明によれば、このことも解
決することができる。［本発明に至る経緯］まず、本発明者等が研究の結果、前述の従来の
複合セラミツクスにおいて、じん性が一定しない
原因は、セラミツクスの表面部に複合化した物質
が露出しており、それによつて誘導された微少欠
陥の大小および数によることをつきとめた。そして、本発明者等は、上記のことを考慮し
て、セラミツクスの特性、すなわち、耐熱性、耐
食性および強度等を低下させずに、セラミツクス
の最大の欠点であるじん性の向上を試みた。セラミツクスは一般に割れが生じたら、一瞬に
破壊してしまう。粒子を分散した場合、母材との
物理的性質の違いから、クラツク先端のエネルギ
ーを粒子が吸収緩和するため、じん性が向上す
る。しかし、反面において強度が低下する。その
低下の原因に着目した結果、次の事実が判明され
た。すなわち、マトリツクス中に分散した粒子
が、表面に露出しているため、粒子と母材の界面
に間隙が生じ、そこに応力が集中して低い応力で
もクラツクが発生してしまう。そのために強度が
著しく低下してしまうのである。一方、キヤビテ
イシヨンが発生する水車部品として用いた場合、
作業表面の母相と粒子の界面の多数個所で水によ
る侵食を受け、大きく剥離して使用不可能とな
る。なお、公知のように、粒子と母材が反応して
界面に間隙が生じないようにすると、じん性は向
上しない。第１図に、単体セラミツクスＡ、従来の複合セ
ラミツクスＢ、本発明の複合セラミツクスＣの破
壊モードの模式図を示す。第１図において、１はセラミツクスの母相、２
は分散体（ここでは分散粒子）、３はクラツクで
ある。すなわち、単体セラミツクスＡの場合、ク
ラツク３は比較的高い応力で生じ、一瞬に破壊す
るため、じん性値（K_1c）が低い。従来の複合セ
ラミツクスＢの場合、表面、つまり、作業面に分
散体２た露出しているため、母相１と分散体２の
界面の一番弱い部分に応力が集中して、低い応力
でクラツク３が発生するので、強度が低い。しか
し、単体セラミツクスＡの場合とは異なり、クラ
ツク３は分散体２に突きあたつてエネルギーが弱
められ、また分散体２を迂回することによつて、
じん性値（K_1c）は高くなる。本発明の複合セラ
ミツクスＣは、上記の両者ＡとＢの長所を網羅し
て、作業面である表面には、厚さｔの単体セラミ
ツクス（母相Ｇ）を配置し、内部には、分散体２
を分散させた複合セラミツクスを配置した。すな
わち、最初のクラツク３の発生は高い応力で生
じ、その後、クラツク３は分散体２により、じん
性が向上する。なおＴは全体の厚さである。第２図の上の図は、分散体２がフアイバ（繊
維）の場合で、下の図はウイスカ（単結晶）の場
合である。第２図の場合も、第１図のＣのよう
に、作業面である表面には、厚さｔの単体セラミ
ツクス（母相１）を配置し、内部には、分散体２
を分散させた複合セラミツクスを配置した。した
がつて、第２図に示した本発明の複合セラミツク
スも、第１図のＣと同様な効果があることを確認
している。［実施例］実施例１ Si₃N₄（平均粒径1.0μｍ）粉末にSiC（平均粒径
30μｍ）粉末20vol％を所定量添加して、らいかい
機にて十分混合した。なお焼結助剤としてはAl₂
O₃，Y₂O₃を5vol％を添加し、同時混合し、粉末
ａを得た。単体Si₃N₄も同様に焼結助剤を添加
し、粉末ｂを得た。前記粒子混合の粉末ａを整粒
後、プレスで200Kg／cm²に加圧し、成形体（グリ
ーンボデイ）を作製した。単体のSi₃N₄の粉末ｂ
についても同様に成形体を作成した。この場合、
単体Si₃N₄層の厚さｔが、粒子混合層を含めた厚
さＴの25％になるようにした。これを周知の黒鉛
ダイスを用いたホツトプレスにセツトしてN₂ガ
ス雰囲気中で300Kg／cm²の加圧下で最高加熱温度
1600℃で焼結した。この実施例では、ホツトプレ
スで焼結したものを引用したが、無加圧焼結で
も、同様の結果が得られている。なお同様にし
て、比較のため、単体Si₃N₄およびSi₃N₄−20vol
複合焼結体も焼結した。この複合焼結体より４mm
×４mmの曲げ試験片およびじん性値K_1c測定試験
片を採取した。試験は、いずれも単体のSi₃N₄層
に引張応力がかかるようにして行なつた。第３図に曲げ強度を示すが、本発明の複合セラ
ミツクス焼結体Ｃは単体セラミツクス焼結体Ａと
同等もしくはそれ以上の値を示した。Si₃N₄−
20vol％SiC複合焼結体Ｂは値のばらつきが大き
く、また値そのものも低い。第４図は同様に破壊じん性値K_1cを示すが、第
３図の曲げ強度とは反対に、単体セラミツクス焼
結体Ａが低い値を示している。本発明の複合セラ
ミツクス焼結体Ｃは曲げ強度およびじん性値K_1c
ともに低下の傾向はなく、すぐれた焼結体であ
る。実施例２前記実施例１で曲げ強度および破壊じん性値
K_1cを測定した試料を用いて、キヤビテイシヨン
試験を行なつた。第５図はその結果を示しているが、条件は水中
で、周波数6.5kHz、振幅120μｍである。第５図か
ら明らかなように、本発明の複合セラミツクス焼
結体は、すぐれた耐キヤビテイシヨンを示した。
このことから、本発明の複合セラミツクス焼結体
は、高速および高圧の流体に接触する部材として
も、すぐれた効果をもつている。実施例３前記実施例１と同様に単体Si₃N₄層の厚さｔを
変化させた複合焼結体を作成した。すなわち、
Si₃N₄−20vol％SiC層を含めた全体の厚さＴと単
体Si₃N₄層の厚さｔの比率を変化させた複合焼結
体を作製し、曲げ強度および破壊じん性値K_1cを
求めた。第６図にその結果を示すが、ｔ／Ｔが１％未満
では曲げ強度（黒丸）が低いため、その効果がな
く、また40％を越えて45％になると、破壊じん性
値K_1c（白丸）が低下してしまう。このため、
ｔ／Ｔは１〜40％とするのが妥当であり、とく
に、５〜30％においては、すぐれた効果を発揮す
る。本発明によれば、内部に粒子分散層を設け、表
面層全部を単体のセラミツクス層で被覆した場合
においても、その効果が発揮されることを確認し
ている。なおこの実施例では、分散粒子としてSiCの場
合を引用したが、分散する粒子としては、セラミ
ツクス、金属の単体、金属の炭化物、金属の窒化
物、金属の珪化物および金属の硼化物のいずれの
場合においても、同様な効果がある。また、この
実施例では、粒子径を30μｍを引用したが、粒子
径は2.0μｍ〜200μｍの範囲で効果があり、とく
に、20μｍ〜100μｍの場合において、すぐれた効
果を発揮することを確認した。実施例４前記実施例１と同様に、作業面である表面に単
体のセラミツクス層を設け、内部にウイスカおよ
びフアイバと複合化した層を設けた複合セラミツ
クス焼結体を作成した。その曲げ強度および破壊
じん性値K_1cを第１表に示す。

【表】

【表】なお第１表には、比較のために、単体セラミツ
クスも示してあるが、第１表から、本発明の複合
セラミツクス焼結体は、すぐれた効果を発揮して
いる。［発明の効果］本発明は、作業面となる表面に、単体のセラミ
ツクス層厚さｔが全体の厚さＴの１乃至40％の範
囲にある単体のセラミツクス層を有すると共に、
内部に、セラミツクス、金属の単体、金属の炭化
物、金属の窒化物、金属の珪化物および金属の硼
化物から選ばれた１種以上の粒子径20μｍないし
100μｍの粒子の母相中に分散体としてウイスカ
およびフアイバの１種以上を分散あせてなる複合
体層を有するものであるので、本発明によれば、
その分散させた物質が金属相を含むものであつて
も、該金属相が表面に露出していないため、高温
でも使用可能であり、また曲げ強度を低下させず
に、じん性が向上し、、かつ、耐キヤビテイシヨ
ンにもすぐれていることから、高速および高圧の
流体に接する弁や水車等に適用することも可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はセラミツクス破壊機構を模式的に示し
た説明図、第２図は同じくもう１つの説明図、第
３図は曲げ強度の比較説明図、第４図は破壊じん
性値の比較説明図、第５図はキヤビテイシヨン試
験結果の比較説明図、第６図は本発明の複合セラ
ミツクス焼結体の全体の厚さに対する表面層の厚
さの比と曲げ強度および破壊じん性値の関係を示
した説明図である。１……セラミツクスの母相、２……分散体、３
……クラツク。

Claims

【特許請求の範囲】１作業面となる表面に、単体のセラミツクス層
の厚さｔが全体の厚さＴの１ないし40％の範囲に
ある単体のセラミツクス層を有すると共に、内部
に、セラミツクス、金属の単体、金属の炭化物、
金属の窒化物、金属の珪化物および金属の硼化物
から選ばれた１種以上の粒子径20μｍないし100μ
ｍの粒子の母相中に分散体としてウイスカおよび
フアイバの１種以上を分散させてなる複合体層を
有することを特徴とするじん性と耐壊食性にすぐ
れた高強度複合セラミツクス焼結体。２単体のセラミツクス層が、SiC，Si₃N₄、サ
イアロン、ZrO₂およびAl₂O₃の１種から選ばれた
ものであり、複合体層の母材としては本質的には
単体セラミツクス層と同一材であることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の焼結体。３成形後の単体のセラミツクス層の厚さｔが全
体の厚さＴの１ないし40％の範囲となるように、
作業面となる表面に、単体のセラミツクス層を配
置すると共に、内部に、セラミツクス、金属の単
体、金属の炭化物、金属の窒化物、金属の珪化物
および金属の硼化物から選ばれた１種以上の粒子
径20μｍないし100μｍの粒子の母相中に分散体と
してウイスカおよびフアイバの１種以上を分散さ
せてなる複合体層を配置した上で成形し、該成形
体を無酸素雰囲気中でホツトプレスおよび無加圧
のいずれかで加熱して焼結することを特徴とする
じん性と耐壊食性にすぐれた高強度複合セラミツ
クス焼結体の製造方法。