JPH0585823A - Sintered silicon carbide-silicon nitride-mixed oxide and its production - Google Patents

Sintered silicon carbide-silicon nitride-mixed oxide and its production

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JPH0585823A
JPH0585823A JP3273605A JP27360591A JPH0585823A JP H0585823 A JPH0585823 A JP H0585823A JP 3273605 A JP3273605 A JP 3273605A JP 27360591 A JP27360591 A JP 27360591A JP H0585823 A JPH0585823 A JP H0585823A
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Abstract

PURPOSE:To obtain a highly reliable sintered compact having high strength and toughness by baking a mixture of powder of rareearth metal oxide-alumina- silica, SiC and Si3N4). CONSTITUTION:The objective silicon carbide-silicon nitride-mixed oxide sintered compact free from void, pore, etc., can be produced by mixing 5-95wt.% of a mixed oxide consisting of 95-5wt.% of rare-earth metal oxide, 4.9-94.9wt.% of alumina and 0.1-10wt.% of silica and 95-5wt.% of a non-oxide mixture consisting of 90-5wt.% of SiC powder, whisker or their mixture and 10-95wt.% of Si3N4 powder, whisker or their mixture, forming the obtained mixture, heating the formed product in a non-oxidizing atmosphere at a heating rate of 5-2000 deg.C/min and maintaining at 1500-1900 deg.C for 0.1-600 min. The above mixed oxide is e.g. composed of 99.9-90wt.% of Ln4AlO9 or LnAlO3 (Ln is rare-earth elements or their mixture) and 0.1-10wt.% of silica.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、強度や信頼性低下の原
因となるセラミックス中のポアやマイクロクラックをな
くすことによって、高い強度と信頼性をもつ炭化ケイ素
(SiC)−窒化ケイ素( Si3N4)系酸化物セラミックス
の焼結体に関し、特に、組織的に均一なSiC− Si3N4
(Ln-Al-Si)酸化物系焼結体(ただし、Lnは希土類元素
およびそれらの化合物)とこれを製造する方法について
提案する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention eliminates pores and microcracks in ceramics, which cause deterioration of strength and reliability, and thereby has high strength and reliability. Silicon carbide (SiC) -silicon nitride (Si 3 The present invention relates to a sintered body of N 4 ) -based oxide ceramics, in particular, SiC-Si 3 N 4
We propose a (Ln-Al-Si) oxide-based sintered body (where Ln is a rare earth element and compounds thereof) and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、セラミックス材料は、高温での
強度が大きく、耐熱性, 耐酸化性および耐食性に優れて
いることから、構造材料として有望である。特に、金属
の使用限界を超えた温度域で使用される構造材料に対
し、かかるセラミックスの応用に多大の関心が寄せられ
ている。こうしたセラミックスの中でも、SiCおよび S
i3N4は、耐熱性や耐酸化性に優れているので、高温下で
使用できる構造材料の1つとして、極めて有望なものの
1つである。
2. Description of the Related Art Generally, ceramic materials are promising as structural materials because they have high strength at high temperature and excellent heat resistance, oxidation resistance and corrosion resistance. In particular, there is great interest in application of such ceramics to structural materials used in a temperature range exceeding the use limit of metals. Among these ceramics, SiC and S
Since i 3 N 4 has excellent heat resistance and oxidation resistance, it is one of the most promising structural materials that can be used at high temperatures.

【0003】しかしながら、このSiCおよび Si3N4は、
焼結しにくいため、助剤の添加なしで緻密な焼結体を得
ることが極めて困難な材料である。このことから、従
来、SiC粉および Si3N4粉は焼結助剤としてY2O3やAl2O
3 を添加して焼成されていた。ところが、これらの酸化
物の単独あるいは組み合わせたものを焼結助剤として得
られるSiC焼結体および Si3N4焼結体は、緻密で強度が
大きく、耐酸化性に優れているものの、ジルコニアセラ
ミックスに比べて靱性が低い。その結果、このSiC焼結
体および Si3N4焼結体を、構造材料として使用するに
は、信頼性の乏しい材料といえるものであった。
However, this SiC and Si 3 N 4 are
Since it is difficult to sinter, it is extremely difficult to obtain a dense sintered body without adding an auxiliary agent. For this reason, conventionally, SiC powder and Si 3 N 4 powder have been used as sintering aids in Y 2 O 3 and Al 2 O.
It was baked by adding 3 . However, SiC sintered bodies and Si 3 N 4 sintered bodies obtained by using these oxides alone or in combination as a sintering aid are dense and have high strength and excellent oxidation resistance. It has lower toughness than ceramics. As a result, it can be said that the SiC sintered body and the Si 3 N 4 sintered body are poorly reliable materials for use as structural materials.

【0004】これに対して、SiCを他のセラミックスと
複合化することにより、SiC焼結体の強度および靱性値
を向上させ信頼性を改善する技術が、先に、本発明者ら
の一人によって提案されている。例えば、無加圧下の焼
結によって、緻密なSiC−希土類酸化物−アルミナ系複
合焼結体を製造する技術が、大森や武居らの報告にかか
る「J,Am.Ceram.Soc., 65 (1982) C-92 」で提案されて
いる。また、 Si3N4結晶を異方的に成長させることによ
り、 Si3N4焼結体の靱性値を向上させ信頼性を改善する
技術が、川島ら(川島健,岡本寛巳,山本秀治,北村
昭、窒化珪素セラミックス2、内田老鶴圃、P135 〜14
6 )によって提案されている。
On the other hand, a technique for improving the strength and toughness of a SiC sintered body and improving the reliability by compounding SiC with other ceramics was previously proposed by one of the present inventors. Proposed. For example, a technique for producing a dense SiC-rare earth oxide-alumina-based composite sintered body by pressureless sintering is described in "J, Am. Ceram. Soc., 65 ( 1982) C-92 ”. In addition, a technique for improving the toughness value and the reliability of a Si 3 N 4 sintered body by anisotropically growing a Si 3 N 4 crystal has been proposed by Kawashima et al. (Ken Kawashima, Hiromi Okamoto, Shuji Yamamoto, Akira Kitamura, Silicon Nitride Ceramics 2, Uchida Old Crane, P135-14
6) proposed by.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記方法で
合成されるSiC焼結体および Si3N4焼結体は、焼結体内
部に常に欠陥が存在し、それを起点に破壊がおこるため
に、未だ材料としての信頼性に欠け、実用上は大きな問
題点を抱えていた。
However, since the SiC sintered body and the Si 3 N 4 sintered body synthesized by the above method always have a defect inside the sintered body, the defect occurs at the starting point. In addition, the reliability as a material was still lacking, and there was a big problem in practical use.

【0006】このSiC粉および Si3N4粉と希土類酸化物
−アルミナ系粉体との焼結体の生成機構は次のように考
えられる。まず、無加圧焼結の第1段階で、希土類酸化
物とアルミナから酸化物固溶体、あるいは酸化物の化合
物を生成する。次いで、第2段階では、上記SiCおよび
Si3N4が前記酸化物中に固溶, 拡散してSiC粒およびSi
3N4粒の粒成長が図られ収縮して緻密な焼結体が生成す
る。
The generation mechanism of the sintered body of the SiC powder and the Si 3 N 4 powder and the rare earth oxide-alumina powder is considered as follows. First, in the first stage of pressureless sintering, an oxide solid solution or an oxide compound is produced from a rare earth oxide and alumina. Then, in the second stage, the SiC and
Si 3 N 4 forms a solid solution in the oxide and diffuses to form SiC grains and Si.
Grain growth of 3 N 4 grains is achieved and shrinks to form a dense sintered body.

【0007】しかしながら、前記第2段階では、SiC粉
および Si3N4粉は酸化物に固溶すると同時に化学反応が
起こり、SiCおよび Si3N4がアルミナと反応して分解
し、CO,CO2およびNOなどのガスを発生する。その結果、
焼結体中にボイドやポアなどの欠陥が生じ、SiCおよび
Si3N4と酸化物との界面の強度が低下するという欠点を
招くのである。
However, in the second step, the SiC powder and the Si 3 N 4 powder are solid-solved in the oxide, and at the same time, a chemical reaction occurs, and the SiC and Si 3 N 4 react with alumina to decompose, and CO, CO Generates gases such as 2 and NO. as a result,
Defects such as voids and pores occur in the sintered body, and SiC and
This causes a drawback that the strength of the interface between Si 3 N 4 and the oxide is reduced.

【0008】本発明の目的は、SiCおよび Si3N4と希土
類酸化物−アルミナ系酸化物を焼成してなるSiC− Si3
N4−希土類酸化物−アルミナ系焼結体について、さら
に、上述したようなボイドやポアなどの欠陥がなく、高
強度で、高い靭性をもつ信頼性の高い焼結体を提供する
と共に、その有利な製造方法についての新規な技術を提
案することにある。
The object of the present invention is to obtain SiC-Si 3 obtained by firing SiC and Si 3 N 4 and a rare earth oxide-alumina-based oxide.
Regarding the N 4 -rare earth oxide-alumina-based sintered body, there is further provided a highly reliable sintered body having high strength and high toughness without defects such as voids and pores as described above. It is to propose a new technique for an advantageous manufacturing method.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上掲の目的を実現するた
めに鋭意研究した結果、本発明者らは、希土類酸化物−
アルミナ系酸化物に、さらに、シリカを混合することに
より、希土類酸化物−アルミナ−シリカ系粉体とSiCお
よび Si3N4との混合物焼成を行うこととした。このよう
な混合物焼成では、SiCおよび Si3N4とアルミナとの反
応が抑制されるので、ポアの生成が減少し、かつSiCお
よび Si3N4と酸化物との焼結も穏やかに進行するため、
緻密な焼結体が得られやすいことが判った。
Means for Solving the Problems As a result of earnest research for realizing the above-mentioned object, the present inventors have found that the rare earth oxide-
The alumina-based oxide further by mixing silica, rare earth oxides - alumina - it was decided to perform a mixture firing the silica powder and SiC and Si 3 N 4. In such a mixture firing, the reaction between SiC and Si 3 N 4 and alumina is suppressed, so that the generation of pores is reduced and the sintering between SiC and Si 3 N 4 and the oxide also proceeds gently. For,
It was found that a dense sintered body was easily obtained.

【0010】すなわち、本発明は、希土類酸化物95〜5
wt%,アルミナ4.9 〜94.9wt%およびシリカ0.1 〜10wt
%からなる混合酸化物5〜95wt%と;粉もしくはウイス
カー,またはこれらの混合物にかかるSiC90〜5wt%と
粉もしくはウイスカー,またはこれらの混合物にかかる
Si3N4 10〜95wt%からなる非酸化物混合物95〜5wt%
と;の混合物を成形し、その後、この成形体を非酸化性
雰囲気中において、5〜2000℃/分の昇温速度にて加熱
し、1500〜1900℃の温度域で0.1 〜600 分間保持して焼
成を行うことを特徴とするSiC− Si3N4−(Ln-Al-Si)
酸化物焼結体の製造方法と、これによって合成されるSi
C− Si3N4−(Ln-Al-Si)酸化物焼結体、ならびに、Ln
4Al2O9もしくはLnAlO3(ただし、Lnは希土類金属および
それらの化合物)99.9〜90wt%とシリカ0.1 〜10wt%と
の混合物5〜95wt%と;粉もしくはウイスカー,または
これらの混合物にかかるSiC90〜5wt%と粉もしくはウ
イスカー,またはこれらの混合物にかかるSi3N4 10〜95
wt%からなる非酸化物混合物95〜5wt%と;の混合物を
成形し、その後、この成形体を非酸化性雰囲気中におい
て、5〜2000℃/分の昇温速度にて加熱し、1500〜1900
℃の温度域で0.1 〜600 分間保持して焼成を行うことを
特徴とするSiC− Si3N4−(Ln-Al-Si)酸化物焼結体の
製造方法と、これによって合成されるSiC− Si3N4
(Ln-Al-Si)酸化物焼結体である。
That is, the present invention relates to rare earth oxides 95 to 5
wt%, alumina 4.9-94.9wt% and silica 0.1-10wt
% Of mixed oxide consisting of 5% to 95% by weight; powder or whisker, or SiC 90 to 5% by weight of powder or whisker, or mixture thereof
Si 3 N 4 Non-oxide mixture consisting of 10-95wt% 95-5wt%
The mixture of and is molded, and then this molded body is heated in a non-oxidizing atmosphere at a temperature rising rate of 5 to 2000 ° C./min and held in the temperature range of 1500 to 1900 ° C. for 0.1 to 600 minutes. and performing firing Te SiC- Si 3 N 4 - (Ln -Al-Si)
Method for producing oxide sintered body and Si synthesized by the method
C- Si 3 N 4 - (Ln -Al-Si) oxide sintered body, and, Ln
4 Al 2 O 9 or LnAlO 3 (where Ln is a rare earth metal and compounds thereof) 99.9 to 90 wt% of a mixture of silica 0.1 to 10 wt% of 5 to 95 wt%; 〜5wt% and powder or whiskers, or mixture of these, Si 3 N 4 10〜95
a mixture of 95 to 5 wt% of a non-oxide mixture consisting of wt%; 1900
℃ temperature range at 0.1 to 600 minutes holding and performing firing SiC- Si 3 N 4 - (Ln -Al-Si) and method for manufacturing the oxide sintered body, whereby SiC is synthesized − Si 3 N 4
(Ln-Al-Si) oxide sintered body.

【0011】[0011]

【作用】一般に、他の酸化物セラミックス中に添加する
シリカは、融点が1550℃と低く、ガラス状態となって粒
界に析出し、高温強度を低下させると考えられている。
そのために、むしろこのシリカは添加したくない化合物
の1つであった。
[Function] Generally, it is considered that silica added to other oxide ceramics has a low melting point of 1550 ° C., becomes a glass state, and precipitates at grain boundaries to reduce high temperature strength.
For that reason, this silica was rather one of the compounds that we did not want to add.

【0012】これに対し、本発明では、このシリカに着
目し、SiCおよび Si3N4と(希土類酸化物−アルミナ−
シリカ系粉体)との混合物にすると焼結が可能となり、
しかも、このシリカは粒界に析出してガラスとなること
もなく、さらには希土類酸化物−アルミナ系に固溶する
か、固溶量以上に存在する場合は、希土類酸化物あるい
はアルミナと反応してシリケイト化合物を作るので、高
温強度を低下させるような問題が生じないことが判っ
た。
On the other hand, in the present invention, attention is paid to this silica, and SiC and Si 3 N 4 and (rare earth oxide-alumina-
When it is mixed with silica powder, it becomes possible to sinter,
Moreover, this silica does not become a glass by precipitating at the grain boundaries, and further forms a solid solution in the rare earth oxide-alumina system, or, if present in a solid solution amount or more, reacts with the rare earth oxide or alumina. Since a silicate compound is produced by the above method, it has been found that there is no problem that the high temperature strength is lowered.

【0013】本発明者らが知見したところによれば、こ
のシリカを他の化合物中に添加することにより、むしろ
緻密な焼結体を得るのに有効に作用し、焼結体の酸化物
部分の強度と靱性を向上させるのに有効である。
According to the findings of the present inventors, the addition of this silica to other compounds effectively acts to obtain a dense sintered body, and the oxide portion of the sintered body is effective. It is effective in improving the strength and toughness of.

【0014】なお、酸化処理していないSiCおよび Si3
N4の表面に存在する微少量のシリカは、これのみでは、
酸化物の強度と靱性とを上げるのに不十分である。
It should be noted that unoxidized SiC and Si 3
The very small amount of silica present on the surface of N 4 is
It is insufficient to increase the strength and toughness of the oxide.

【0015】次に、本発明のSiC− Si3N4−(Ln-Al-S
i)酸化物系焼結体は、希土類酸化物粉 5〜95wt%,ア
ルミナ粉94.9〜4.9 wt%およびシリカ0.1 〜10wt%から
なる混合酸化物5〜95wt%と;粉もしくはウイスカー,
またはこれらの混合物にかかるSiCと Si3N4の非酸化物
混合物95〜5wt%とを混合し焼成して得られるものであ
る。
[0015] Next, the present invention SiC- Si 3 N 4 - (Ln -Al-S
i) An oxide-based sintered body is a mixed oxide of 5 to 95 wt% of rare earth oxide powder, 94.9 to 4.9 wt% of alumina powder and 0.1 to 10 wt% of silica; powder or whiskers,
Alternatively, it is obtained by mixing SiC and 95 to 5 wt% of a non-oxide mixture of Si 3 N 4 in the mixture and firing the mixture.

【0016】ここで、希土類酸化物粉が5wt%未満で
は、混合酸化物の特性がアルミナ単独の特性に片寄った
ものとなり、SiCおよびSi3N4 との焼結性が悪くなる。
また、アルミナが4.9 wt%未満では、混合酸化物の特性
がほとんど希土類酸化物単独の特性に片寄ったものとな
り、SiCおよびSi3N4 との焼結性は悪くなる。
If the rare earth oxide powder is less than 5 wt%, the characteristics of the mixed oxide deviate from the characteristics of the alumina alone, and the sinterability with SiC and Si 3 N 4 deteriorates.
On the other hand, when the content of alumina is less than 4.9 wt%, the characteristics of the mixed oxide are almost biased to the characteristics of the rare earth oxide alone, and the sinterability with SiC and Si 3 N 4 deteriorates.

【0017】一方、希土類酸化物が95wt%超では、酸化
物の性質が希土類酸化物と変わらなくなり、アルミナが
94.9wt%超では、酸化物の性質がアルミナと変わらなく
なる。従って、この希土類酸化物粉とアルミナは、上記
範囲に限定されるのである。
On the other hand, when the rare earth oxide exceeds 95 wt%, the properties of the oxide are the same as those of the rare earth oxide, and alumina is
If it exceeds 94.9 wt%, the properties of the oxide will be the same as those of alumina. Therefore, the rare earth oxide powder and alumina are limited to the above range.

【0018】また、シリカの添加量が、0.1 wt%未満で
は、焼結体の結晶粒の異常成長を抑制できないため、焼
結体の酸化物部分の強度と靱性が小さく、緻密な焼結体
を得ることができない。一方、このシリカの添加量が、
10wt%超では、添加効果は変わらないが、固溶量より多
いシリカが希土類酸化物あるいはアルミナと反応してシ
リケイト化合物を形成するため、却って好ましくない。
従って、シリカの添加量は、上記の範囲0.1 〜10wt%に
限定されるのである。
If the amount of silica added is less than 0.1 wt%, abnormal growth of the crystal grains of the sintered body cannot be suppressed, so the strength and toughness of the oxide portion of the sintered body are small, and a dense sintered body is obtained. Can't get On the other hand, the amount of silica added is
If it exceeds 10 wt%, the effect of addition does not change, but silica, which exceeds the solid solution amount, reacts with the rare earth oxide or alumina to form a silicate compound, which is not preferable.
Therefore, the amount of silica added is limited to the above range of 0.1 to 10 wt%.

【0019】さらに、前記混合酸化物の量が、5wt%未
満では、SiCおよび Si3N4との焼結性は悪くなり緻密な
焼結体を得ることができない。一方、SiCと Si3N4から
なる非酸化物混合物の量が、5wt%未満,すなわち混合
酸化物の量が95wt%超では、SiCおよび Si3N4の添加効
果である硬度と高温強度の優れた焼結体は得られない。
従って、混合酸化物と非酸化物混合物の配合割合は、こ
のように限定したのである。
Further, if the amount of the mixed oxide is less than 5 wt%, the sinterability with SiC and Si 3 N 4 is deteriorated and a dense sintered body cannot be obtained. On the other hand, if the amount of the non-oxide mixture of SiC and Si 3 N 4 is less than 5 wt%, that is, if the amount of the mixed oxide exceeds 95 wt%, the hardness and high temperature strength which are the addition effects of SiC and Si 3 N 4 No excellent sintered body can be obtained.
Therefore, the mixing ratio of the mixed oxide and the non-oxide mixture is limited in this way.

【0020】なお、希土類酸化物(Ln2O3 )としては、
Sc2O3,Y2O3, La2O3, CeO2, Pr2O3,Nd2O3, Sm2O3,Eu2O3,
Gd2O3, Tb2O3, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Tm2O3, Yb2O3,
Lu2O3が好適に用いられる。
As the rare earth oxide (Ln 2 O 3 ),
Sc 2 O 3 ,, Y 2 O 3 ,, La 2 O 3 ,, CeO 2 ,, Pr 2 O 3 ,, Nd 2 O 3 ,, Sm 2 O 3 ,, Eu 2 O 3 ,,
Gd 2 O 3 ,, Tb 2 O 3 ,, Dy 2 O 3 ,, Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Tm 2 O 3 , Yb 2 O 3 ,
Lu 2 O 3 is preferably used.

【0021】また、前記混合酸化物と非酸化物混合物と
の混合に当っては、粉体の混合あるいは混練に用いられ
る通常の機械を使用することができる。この混合は、乾
式,湿式のどちらでもよく、特に湿式の場合はエチルア
ミン,魚油等の表面活性剤を使用すると効果的に混合で
きる。
For mixing the mixed oxide and the non-oxide mixture, an ordinary machine used for mixing or kneading powders can be used. This mixing may be either dry type or wet type, and particularly in the case of wet type, it can be effectively mixed by using a surface active agent such as ethylamine or fish oil.

【0022】次に、上述のようにして得られた混合原料
は、一旦乾燥し、引続き所定形状の生成形体を成形す
る。この成形工程では、成形助剤として有機高分子( ポ
リエチレングリコール, ポリビニルアルコール等) を上
記混合原料に添加し、常法の既知成形技術を適用して成
形することができる。
Next, the mixed raw material obtained as described above is once dried, and subsequently, a green molded body having a predetermined shape is molded. In this molding step, an organic polymer (polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, etc.) as a molding aid can be added to the above mixed raw material, and molding can be carried out by applying a known molding technique of a usual method.

【0023】次に、本発明製造方法について説明する。
本発明方法は、まず、上述のような混合割合でSiCおよ
び Si3N4と(Ln-Al-Si)混合酸化物との混合物を成形す
る。次いで、その生成形体は、5〜2000℃/分の昇温速
度にて加熱し、1500〜1900℃の温度に、0.1 〜600 分間
保持する焼成処理を行い焼結体とする。
Next, the manufacturing method of the present invention will be described.
In the method of the present invention, first, a mixture of SiC and Si 3 N 4 and (Ln-Al-Si) mixed oxide is formed in the mixing ratio as described above. Then, the green body is heated at a temperature rising rate of 5 to 2000 ° C./min and is subjected to a firing treatment of holding it at a temperature of 1500 to 1900 ° C. for 0.1 to 600 minutes to obtain a sintered body.

【0024】上記昇温速度は、5℃/分より遅いと緻密
な焼結体が得られず、一方、2000℃/分より速く昇温す
ることは実情不可能であるので、5〜2000℃/分の範囲
に限定される。
If the rate of temperature rise is slower than 5 ° C./min, a dense sintered body cannot be obtained. On the other hand, it is impossible to raise the temperature faster than 2000 ° C./min. It is limited to the range of / minute.

【0025】また、この焼成温度が、1500℃より低い
と、焼結が不十分なために緻密な焼結体を得ることがで
きず、一方、1900℃より高いとSiCおよび Si3N4とアル
ミナとが反応してポアを形成し緻密化されなくなる。こ
のことから、適性焼成温度の範囲は、1500〜1900℃の範
囲に限定される。
If the firing temperature is lower than 1500 ° C., a dense sintered body cannot be obtained due to insufficient sintering, while if it is higher than 1900 ° C., SiC and Si 3 N 4 are produced. Alumina reacts with each other to form pores, which prevents densification. From this, the range of suitable firing temperature is limited to the range of 1500 to 1900 ° C.

【0026】次に、焼成時間は、前記焼成温度に関連
し、焼成温度が低い時には長く、また高い時には短くす
ることが好ましいが、0.1 分より短いと焼結が不十分な
ために緻密な焼結体を得ることができず、一方 600分超
では焼結効果がほとんど変わらなくなるか、あるいは、
SiCおよび Si3N4とアルミナとが反応して、却ってポア
を形成するようになるので、0.1 〜600 分の範囲に限定
される。
Next, the firing time is related to the above firing temperature, and it is preferable that the firing time be long when the firing temperature is low and short when the firing temperature is high. No solids can be obtained, while the sintering effect hardly changes after 600 minutes, or
Since SiC and Si 3 N 4 react with alumina to form pores, the range is limited to 0.1 to 600 minutes.

【0027】なお、焼成時の雰囲気としては、酸化雰囲
気中では SiCおよび Si3N4が酸化されるため、非酸化雰
囲気(例えば、窒素ガスやアルゴンガス,ヘリウムガス
等の不活性ガス)が好ましい。なかでも、窒素ガス雰囲
気が良く、窒素高圧ガス雰囲気では、 Si3N4の分解を抑
制できるため、高温で緻密な焼結体を合成するのに有効
である。
The atmosphere during firing is preferably a non-oxidizing atmosphere (for example, an inert gas such as nitrogen gas, argon gas or helium gas) because SiC and Si 3 N 4 are oxidized in the oxidizing atmosphere. .. Among them, a nitrogen gas atmosphere is good, and in a nitrogen high-pressure gas atmosphere, decomposition of Si 3 N 4 can be suppressed, which is effective for synthesizing a dense sintered body at high temperature.

【0028】このようにして得られた本発明の SiC− S
i3N4−混合酸化物系焼結体は、 SiCおよびSi3N4 と酸化
物が良く焼結し、かつ酸化物の靱性と強度が、従来のシ
リカを含まないものに比べ著しく改善された。
The thus obtained SiC-S of the present invention
The i 3 N 4 -mixed oxide system sintered body has good oxide and SiC and Si 3 N 4 , and the toughness and strength of the oxide are remarkably improved as compared with those without conventional silica. It was

【0029】次に、本発明によれば、シリカを含む酸化
物とSiC および Si3N4を焼成して強度と靱性に優れる高
温でも使用可能な酸化物焼結体を製造する上述のような
技術は、焼成時にマルテンサイト変態を生じるLn4Al2O9
あるいはLnAlO3なる化合物を主成分とする希土類酸化物
−アルミナ−シリカ系焼結体のときに特に有効である。
すなわち、Ln4Al2O9もしくはLnAlO399.9〜90wt%と、シ
リカ粉0.1 〜10wt%からなる混合酸化物5〜95wt%と;
粉もしくはウイスカー,またはこれらの混合物にかかる
SiC10〜95wt%と、粉もしくはウイスカー,またはこれ
らの混合物にかかるSi3N4 90〜5wt%からなる非酸化物
混合物95〜5wt%;を混合して、上述した方法によって
合成される SiC− Si3N4−混合酸化物系焼結体は、結晶
粒径が30μm以下に制御されているため、マルテンサイ
ト変態によって双晶を生成せず、強度および靱性に優れ
たものであった。
Next, according to the present invention, the oxide containing silica and SiC and Si 3 N 4 are fired to produce an oxide sintered body which is excellent in strength and toughness and can be used at high temperature. The technology is Ln 4 Al 2 O 9 which causes martensitic transformation during firing.
Alternatively, it is particularly effective in the case of a rare earth oxide-alumina-silica based sintered body containing a compound of LnAlO 3 as a main component.
That is, Ln 4 Al 2 O 9 or LnAlO 3 99.9 to 90 wt% and mixed oxide 5 to 95 wt% consisting of 0.1 to 10 wt% of silica powder;
Sprinkle on powder or whiskers, or mixtures of these
SiC-Si synthesized by the above method by mixing 10 to 95 wt% of SiC and 95 to 5 wt% of non-oxide mixture consisting of 90 to 5 wt% of Si 3 N 4 on powder or whiskers or a mixture thereof. Since the crystal grain size of the 3 N 4 -mixed oxide-based sintered body was controlled to be 30 μm or less, twin crystals were not formed by the martensitic transformation, and the strength and toughness were excellent.

【0030】その理由は、前記焼結体中の構成粒子に双
晶が生成せず、クラックの進展に伴って初めて少ない数
の双晶が生成するが、この双晶は、クラックの歪みのエ
ネルギーを吸収し、かつ、この双晶面の動きによって
も、この歪みのエネルギーを吸収できるため、前記焼結
体の強度と靱性とを大きくすると考えられる。これは、
従来知られていない強靱化の機構で、発明者らの新規の
発見である。
The reason is that twin crystals do not form in the constituent particles in the sintered body, and a small number of twin crystals form only with the progress of cracks. And the movement of the twin planes can also absorb the energy of this strain, which is considered to increase the strength and toughness of the sintered body. this is,
This is a novel discovery of the inventors by a toughening mechanism that has not been known so far.

【0031】[0031]

【実施例】【Example】

(実施例1) 150mlの蒸留水と4mlのジエチルアミンの
混合液中に、 Si3N4粉30g,SiC ウィスカー30g, Y2O
3 粉71.2g, Al2O3粉16.1gおよびSiO2粉 2.7gの混合
粉体を入れ、さらに2mlのジエチルアミンを添加し、ボ
ールミルを用いて24時間湿式混合した。次いで、混合液
が10%溶液になるようにポリエチレングリコールを入れ
て3時間攪拌混合した。混合終了後、この懸濁液をスリ
ップキャスト法にて生成形体に成形した。次に、この生
成形体を、空気中で2℃/分の昇温速度で500 ℃まで昇
温し、500 ℃で2時間保持して仮焼した。次いで、この
仮焼試料を、窒素ガス10kgf/cm2 の圧力下において50℃
/分の昇温速度で1775℃まで昇温し、1775℃に30分間保
持して焼結体を得た。
(Example 1) In a mixed solution of 150 ml of distilled water and 4 ml of diethylamine, 30 g of Si 3 N 4 powder, 30 g of SiC whiskers, and Y 2 O were added.
3 powder 71.2 g, was charged with a mixed powder of Al 2 O 3 powder 16.1g and SiO 2 powder 2.7 g, further added diethylamine 2 ml, were wet-mixed for 24 hours using a ball mill. Next, polyethylene glycol was added so that the mixed solution became a 10% solution, and the mixture was stirred and mixed for 3 hours. After the completion of mixing, this suspension was molded into a green molded body by the slip casting method. Next, this green body was heated to 500 ° C. at a heating rate of 2 ° C./min in air, held at 500 ° C. for 2 hours, and calcined. Then, the calcined sample is heated to 50 ° C. under a pressure of 10 kgf / cm 2 of nitrogen gas.
The temperature was raised to 1775 ° C. at a heating rate of 1 / min, and the temperature was maintained at 1775 ° C. for 30 minutes to obtain a sintered body.

【0032】得られた焼結体は、緻密に焼結されてお
り、ポアーはほとんど観察されたかった。また、焼結体
の曲げ強度は1500MPa であり、破壊靱性値KIC=20MP・
m1/2であった。
The obtained sintered body was densely sintered, and almost no pores were desired to be observed. Further, the bending strength of the sintered body is 1500 MPa, and the fracture toughness value K IC = 20MP ・
It was m 1/2 .

【0033】(実施例2) 90ml のエチルアルコールと
2mlのジエチルアミンの混合液中に、SiC 粉10g, Si3N
4 ウィスカー10g,Yb2O3 粉 69.42g,Al2O3 粉6.98g
およびSiO2粉 1.6gの混合粉体を入れ、ボールミルを用
いて72時間湿式混合した。混合終了後、60℃に加熱し
て、アルコールを蒸発させ、次いで、5%のポリエチレ
ングリコール水溶液に入れて攪拌混合し、これを乾燥し
た。その後、45×20×5mm3 の大きさの生成形体に成形
した。次に、この生成形体を空気中において2℃/分の
昇温速度で500 ℃まで昇温し、500 ℃で2時間保持して
仮焼した。次いで、この仮焼試料を、窒素ガス中におい
て80℃/分の昇温速度で1700℃まで昇温し、1700℃に5
分間保持して焼結し、さらに窒素ガス100kgf/cm2の圧力
下において、1650℃でHIP 処理して焼結体を得た。
Example 2 10 g of SiC powder and Si 3 N were added to a mixed solution of 90 ml of ethyl alcohol and 2 ml of diethylamine.
4 Whiskers 10g, Yb 2 O 3 powder 69.42g, Al 2 O 3 powder 6.98g
And 1.6 g of SiO 2 powder were mixed and wet-mixed for 72 hours using a ball mill. After completion of the mixing, the mixture was heated to 60 ° C. to evaporate the alcohol, and then the mixture was put into a 5% polyethylene glycol aqueous solution and mixed by stirring, and this was dried. Then, it was formed into a green compact having a size of 45 × 20 × 5 mm 3 . Next, this green body was heated in air to 500 ° C. at a temperature rising rate of 2 ° C./min, held at 500 ° C. for 2 hours, and calcined. Next, the calcined sample was heated in nitrogen gas to a temperature of 1700 ° C. at a heating rate of 80 ° C./min, and then heated to 1700 ° C. for 5 minutes.
It was held for a minute to sinter, and further subjected to HIP treatment at 1650 ° C. under a pressure of 100 kgf / cm 2 of nitrogen gas to obtain a sintered body.

【0034】得られた焼結体は、緻密に焼結されてお
り、ポアーはほとんど観察されたかった。また、焼結体
の曲げ強度は1300MPa であり、破壊靱性値KIC=18MP・
m1/2であった。
The obtained sintered body was densely sintered, and it was almost desired that pores were observed. Further, the bending strength of the sintered body is 1300 MPa, and the fracture toughness value K IC is 18 MPa.
It was m 1/2 .

【0035】(実施例3) 100mlの蒸留水と1.5ml のジ
エチルアミンの混合液中に、Si3N4粉60g,SiC ウィス
カー25g, Gd2O3 粉 12.76g,Al2O3 粉 1.79 gおよび
SiO2粉0.45gの混合粉体を入れ、ボールミルを用いて24
時間湿式混合した。次いで、12gのポリエチレングリコ
ールを入れて3時間攪拌混合した。混合終了後、この懸
濁液をスリップキャスト法にて生成形体に成形した。次
に、この生成形体を、空気中において2℃/分の昇温速
度で500 ℃まで昇温し、500 ℃で2時間保持して仮焼し
た。この仮焼試料を、窒素ガス30kgf/cm2 の圧力下にお
いて 400℃/分の昇温速度で1770℃まで昇温し、1770℃
に20分間保持して焼結体を得た。
Example 3 In a mixed solution of 100 ml of distilled water and 1.5 ml of diethylamine, 60 g of Si 3 N 4 powder, 25 g of SiC whiskers, 12.76 g of Gd 2 O 3 powder, 1.79 g of Al 2 O 3 powder and
Put a mixed powder of 0.45g of SiO 2 powder, and use a ball mill for 24
Wet mixed for hours. Then, 12 g of polyethylene glycol was added and mixed with stirring for 3 hours. After the completion of mixing, this suspension was molded into a green molded body by the slip casting method. Next, this green body was heated in air at a temperature rising rate of 2 ° C./min to 500 ° C., held at 500 ° C. for 2 hours, and calcined. This calcined sample was heated to 1770 ° C at a heating rate of 400 ° C / min under a pressure of nitrogen gas of 30 kgf / cm 2 ,
It was held for 20 minutes to obtain a sintered body.

【0036】得られた焼結体は、緻密に焼結されてお
り、ポアーはほとんど観察されたかった。また、焼結体
の曲げ強度は 1400MPaであり、破壊靱性値KIC=18MP・
m1/2であった。
The obtained sintered body was densely sintered, and pores were almost observed. The bending strength of the sintered body is 1400MPa, and the fracture toughness value K IC is 18MP ・
It was m 1/2 .

【0037】(実施例4) 100mlの蒸留水と2mlのジエ
チルアミンの混合液中に、Si3N4 粉40g,SiC ウィスカ
ー20g, Ho2O3 粉 52.34g,Al2O3 粉 3.75 gおよびSi
O2粉0.6gの混合粉体を入れ、ボールミルを用いて24時
間湿式混合した。次いで、12gのポリエチレングリコー
ルを入れて3時間攪拌混合した。混合終了後、この懸濁
液をスリップキャスト法にて生成形体に成形した。次
に、この生成形体を、空気中において2℃/分の昇温速
度で500 ℃まで昇温し、500 ℃で2時間保持して仮焼し
た。この仮焼試料を、窒素ガス10kgf/cm2 の圧力下にお
いて50℃/分の昇温速度で1700℃まで昇温し、1700℃で
30分間保持して焼結体を得た。
Example 4 In a mixed solution of 100 ml of distilled water and 2 ml of diethylamine, Si 3 N 4 powder 40 g, SiC whiskers 20 g, Ho 2 O 3 powder 52.34 g, Al 2 O 3 powder 3.75 g and Si were added.
A mixed powder of O 2 powder 0.6 g was put and wet mixed for 24 hours using a ball mill. Next, 12 g of polyethylene glycol was added and mixed with stirring for 3 hours. After the completion of mixing, this suspension was molded into a green molded body by the slip casting method. Next, this green body was heated in air at a temperature rising rate of 2 ° C./min to 500 ° C., held at 500 ° C. for 2 hours, and calcined. This calcined sample was heated to 1700 ° C at a heating rate of 50 ° C / min under a pressure of 10 kgf / cm 2 of nitrogen gas, and at 1700 ° C.
It was held for 30 minutes to obtain a sintered body.

【0038】得られた焼結体は、緻密に焼結されてお
り、ポアーはほとんど観察されたかった。また、焼結体
の曲げ強度は1500MPa であり、破壊靱性値KIC=19MP・
m1/2であった。
The obtained sintered body was densely sintered, and it was almost desired that pores were observed. Further, the bending strength of the sintered body is 1500 MPa, and the fracture toughness value K IC is 19 MPa.
It was m 1/2 .

【0039】(実施例5) 100mlの蒸留水と2mlのジエ
チルアミンの混合液中に、Si3N4 粉50g,SiC ウィスカ
ー20g, Sm2O3 粉 25.65g,Al2O3 粉 3.75 gおよびSi
O2粉0.6gの混合粉体を入れ、ボールミルを用いて24時
間湿式混合した。次いで、12gのポリエチレングリコー
ルを入れて3時間攪拌混合した。混合終了後、この懸濁
液をスリップキャスト法にて生成形体に成形した。次
に、この生成形体を、空気中において2℃/分の昇温速
度で500 ℃まで昇温し、500 ℃で2時間保持して仮焼し
た。次いで、この仮焼試料を、窒素ガス10kgf/cm2 の圧
力下において80℃/分の昇温速度で1750℃まで昇温し、
1750℃に30分間保持して焼結体を得た。
Example 5 In a mixed solution of 100 ml of distilled water and 2 ml of diethylamine, 50 g of Si 3 N 4 powder, 20 g of SiC whiskers, 25.65 g of Sm 2 O 3 powder, 3.75 g of Al 2 O 3 powder and Si.
A mixed powder of O 2 powder 0.6 g was put and wet mixed for 24 hours using a ball mill. Next, 12 g of polyethylene glycol was added and mixed with stirring for 3 hours. After the completion of mixing, this suspension was molded into a green molded body by the slip casting method. Next, this green body was heated in air at a temperature rising rate of 2 ° C./min to 500 ° C., held at 500 ° C. for 2 hours, and calcined. Then, the calcined sample was heated to 1750 ° C. at a heating rate of 80 ° C./min under a pressure of nitrogen gas of 10 kgf / cm 2 ,
It was kept at 1750 ° C for 30 minutes to obtain a sintered body.

【0040】得られた焼結体は、緻密に焼結されてお
り、ポアーはほとんど観察されたかった。また、焼結体
の曲げ強度は1100MPa であり、破壊靱性値KIC=15MP・
m1/2であった。
The obtained sintered body was densely sintered, and almost no pores were desired to be observed. The bending strength of the sintered body is 1100MPa, and the fracture toughness value K IC = 15MP ・
It was m 1/2 .

【0041】(実施例6) 100mlの蒸留水と2mlのジエ
チルアミンの混合液中に、 Si3N4粉25g,SiC ウィスカ
ー20g, Y2O3 粉 42.36g,Al2O3 粉7.7 gおよびSiO2
粉 1.1gの混合粉体を入れ、ボールミルを用いて24時間
湿式混合した。次いで、12gのポリエチレングリコール
を入れて3時間攪拌混合した。混合終了後、この懸濁液
をスリップキャスト法にて生成形体に成形した。次に、
この生成形体を、空気中において2℃/分の昇温速度で
500 ℃まで昇温し、500 ℃で2時間保持して仮焼した。
次いで、この仮焼試料を、窒素ガス100kgf/cm2の圧力下
において ℃/分の昇温速度で1800℃まで昇温し、18
00℃に10分間保持して焼結体を得た。
Example 6 In a mixed solution of 100 ml of distilled water and 2 ml of diethylamine, 25 g of Si 3 N 4 powder, 20 g of SiC whiskers, 42.36 g of Y 2 O 3 powder, 7.7 g of Al 2 O 3 powder and SiO 2 were added. 2
Powder 1.1 g of mixed powder was put and wet mixed for 24 hours using a ball mill. Next, 12 g of polyethylene glycol was added and mixed with stirring for 3 hours. After the completion of mixing, this suspension was molded into a green molded body by the slip casting method. next,
This green body was heated in air at a temperature rising rate of 2 ° C./min.
The temperature was raised to 500 ° C., and the temperature was kept at 500 ° C. for 2 hours for calcination.
Next, this calcined sample was put under a pressure of 100 kgf / cm 2 of nitrogen gas. The temperature is raised to 1800 ° C at a heating rate of
It was kept at 00 ° C for 10 minutes to obtain a sintered body.

【0042】得られた焼結体は、緻密に焼結されてお
り、ポアーはほとんど観察されたかった。また、焼結体
の曲げ強度は 1200MPaであり、破壊靱性値KIC=15MP・
m1/2であった。
The obtained sintered body was densely sintered, and it was almost desired that pores were observed. Moreover, the bending strength of the sintered body is 1200 MPa, and the fracture toughness value K IC = 15 MPa.
It was m 1/2 .

【0043】このように本発明の方法で得られた SiC−
Si3N4−混合酸化物系焼結体は、緻密でポアがなく、平
均結晶粒径30μm以下の粒子で構成されている。従っ
て、本発明の焼結体は、曲げ強度については、1000MPa
以上で、破壊靱性値についても、15MP・m1/2以上であ
り、実用に供されるに充分な強度ならびに破壊靱性値を
有する。しかも、高温でも強度を維持することができる
ので、室温,高温のいずれにおいても、空気中で使用で
きる優れたセラミックス材料を提供できる。
Thus, the SiC-obtained by the method of the present invention
The Si 3 N 4 -mixed oxide-based sintered body is dense, has no pores, and is composed of particles having an average crystal grain size of 30 μm or less. Therefore, the sintered body of the present invention has a bending strength of 1000 MPa.
As described above, the fracture toughness value is 15 MP · m 1/2 or more, and the strength and the fracture toughness value are sufficient for practical use. Moreover, since the strength can be maintained even at high temperatures, it is possible to provide an excellent ceramic material that can be used in air at both room temperature and high temperature.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、希土
類酸化物−アルミナ−シリカ系の混合酸化物と SiCおよ
び Si3N4を焼成して、焼結体の結晶粒径を30μm以下に
制御し、ポアの形成を阻止することにより、酸化物焼結
体の優れた靱性と SiCおよび Si3N4の高温強度に優れた
特性を共に有する,緻密で高い強度と靱性を有する組織
的に均一な SiC− Si3N4−混合酸化物系焼結体を容易に
得ることができる。
As described above, according to the present invention, the rare earth oxide-alumina-silica mixed oxide and SiC and Si 3 N 4 are fired so that the crystal grain size of the sintered body is 30 μm or less. Controlled to prevent the formation of pores, it has both excellent toughness of the oxide sintered body and excellent characteristics of SiC and Si 3 N 4 at high temperature strength. it can be easily obtained mixed oxide sintered body - uniform SiC-Si 3 N 4 in.

【0045】従って、本発明によれば、エンジン部品,
ガスタービン翼,ガスタービン用部品,耐腐食性装置部
品,坩堝,ボールミル用部品,高温炉用熱交換器,耐熱
材,高空飛翔体用耐熱材,燃焼管,ダイカスト用部品,
絶縁材料,核融合炉材料,原子炉用材料,太陽炉材料,
工具,熱遮蔽材料,電子回路用基体,シール材,継手や
バルブ用部品,人工骨や人工歯根等の生体材料,誘電材
料,刃物やカッター刃,スポーツ用品,ポンプ,ノズ
ル,磁気ヘッド,ローラー,ガイド,軸受,フェルー
ル,その他の広い分野で有効に用いられるものを提供で
きる。
Therefore, according to the present invention, engine parts,
Gas turbine blades, parts for gas turbines, parts for corrosion resistance equipment, crucibles, parts for ball mills, heat exchangers for high-temperature furnaces, heat-resistant materials, heat-resistant materials for high-aircraft, combustion tubes, parts for die casting,
Insulation materials, fusion reactor materials, nuclear reactor materials, solar reactor materials,
Tools, heat shielding materials, electronic circuit substrates, sealing materials, joint and valve parts, biomaterials such as artificial bones and artificial tooth roots, dielectric materials, blades and cutter blades, sports equipment, pumps, nozzles, magnetic heads, rollers, We can provide guides, bearings, ferrules, and other products that are effectively used in a wide range of fields.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 炭化ケイ素90〜5wt%と窒化ケイ素10〜
95wt%からなる非酸化物混合物 95 〜5wt%と、希土類
酸化物95〜5wt%,アルミナ4.9 〜94.9wt%およびシリ
カ0.1 〜10wt%からなる混合酸化物5〜95wt%との焼結
体からなる炭化ケイ素−窒化ケイ素−混合酸化物系焼結
体。
1. Silicon carbide 90 to 5 wt% and silicon nitride 10 to 10
It consists of a sintered body of 95 to 5 wt% of non-oxide mixture consisting of 95 wt% and 5 to 95 wt% of mixed oxide consisting of 95 to 5 wt% of rare earth oxide, 4.9 to 94.9 wt% of alumina and 0.1 to 10 wt% of silica. Silicon carbide-silicon nitride-mixed oxide sintered body.
【請求項2】 上記混合酸化物が、Ln4Al2O9もしくはLn
AlO3(ただし、Lnは希土類元素およびそれらの化合物)
99.9〜90wt%とシリカ0.1 〜10wt%からなる請求項1に
記載の焼結体。
2. The mixed oxide is Ln 4 Al 2 O 9 or Ln
AlO 3 (however, Ln is a rare earth element and their compounds)
The sintered body according to claim 1, comprising 99.9 to 90 wt% and silica 0.1 to 10 wt%.
【請求項3】 炭化ケイ素90〜5wt%と窒化ケイ素10〜
95wt%からなる非酸化物混合物 95 〜5wt%と、希土類
酸化物95〜5wt%,アルミナ4.9 〜94.9wt%およびシリ
カ0.1 〜10wt%からなる混合酸化物5〜95wt%との混合
物を成形し、その後、得られた成形体を非酸化性雰囲気
中において、5〜2000℃/分の昇温速度にて加熱し、15
00〜1900℃の温度域で0.1 〜600 分間保持して焼成を行
うことを特徴とする炭化ケイ素−窒化ケイ素−混合酸化
物系焼結体の製造方法。
3. Silicon carbide 90 to 5 wt% and silicon nitride 10 to 10
A mixture of 95 to 5 wt% of a non-oxide mixture of 95 wt% and 5 to 95 wt% of a mixed oxide of 95 to 5 wt% of a rare earth oxide, 4.9 to 94.9 wt% of alumina and 0.1 to 10 wt% of silica is molded, Then, the obtained molded body is heated in a non-oxidizing atmosphere at a temperature rising rate of 5 to 2000 ° C./min for 15 minutes.
A method for producing a silicon carbide-silicon nitride-mixed oxide-based sintered body, which comprises firing in a temperature range of 00 to 1900 ° C for 0.1 to 600 minutes.
【請求項4】 上記混合酸化物が、Ln4Al2O9もしくはLn
AlO3(ただし、Lnは希土類元素およびそれらの化合物)
99.9〜90wt%とシリカ0.1 〜10wt%からなる請求項3に
記載の製造方法。
4. The mixed oxide is Ln 4 Al 2 O 9 or Ln
AlO 3 (however, Ln is a rare earth element and their compounds)
The manufacturing method according to claim 3, comprising 99.9 to 90 wt% and 0.1 to 10 wt% silica.
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