JPH0585843A - 窒化けい素系構造物 - Google Patents

窒化けい素系構造物

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JPH0585843A
JPH0585843A JP3150682A JP15068291A JPH0585843A JP H0585843 A JPH0585843 A JP H0585843A JP 3150682 A JP3150682 A JP 3150682A JP 15068291 A JP15068291 A JP 15068291A JP H0585843 A JPH0585843 A JP H0585843A
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JP
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silicon nitride
sintered body
relative density
based structure
inorganic adhesive
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JP3150682A
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Mamoru Kosakai
守 小坂井
Makoto Mabuchi
真 馬渕
Hiroshi Suzuki
弘 鈴木
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Sumitomo Cement Co Ltd
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Sumitomo Cement Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 断熱性があり、かつ高機械強度を有する窒化
けい素系構造物を提供する。 【構成】 相対密度が90%以上の窒化けい素焼結体
と、相対密度が70%以下で10%以上の窒化けい素焼
結体とが、無機系接着剤により接合されてなる窒化けい
素系構造物。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、断熱自動車エンジンの
各部材として好適に用いられる構造物に係り、詳しくは
高温下使用に耐え得る窒化けい素系構造物に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、自動車エンジンにおける各部材の
材料として、特に高温強度および耐熱衝撃性が要求され
るピストン、シリンダーライナー、排気バルブ、ターボ
チャージャー等の部材にはこれら要求性能に優れた窒化
けい素材料が使用されている。また、耐熱衝撃性もしく
は断熱性が要求される排気マニホールドやポートライナ
ーにはコーデュエライト材、チタン酸アルミニウム等が
使用されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、断熱自動車
エンジンの特性を向上させるには、ピストンおよびシリ
ンダーライナー等の断熱性を向上させる必要がある。し
かし、従来の窒化けい素材では熱伝導率が大きいことか
ら所望する断熱性を得るには不十分である。また、コー
デュエライト材、チタン酸アルミニウムは十分な断熱性
を有しているものの、高温機械的強度が不十分であり、
これら材料をピストンやシリンダーライナーなどに用い
ることは現在のところ不可である。
【0004】本発明は前記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、例えば断熱自動車エンジ
ンの特性を向上させるべく、該エンジンの各部材に好適
とされる、断熱性がありかつ高機械強度を有する窒化け
い素系構造物を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明における請求項1
記載の窒化けい素系構造物では、相対密度が90%以上
の窒化けい素焼結体と、相対密度が70%以下で10%
以上の窒化けい素焼結体とが、無機系接着剤により接合
されてなることを前記課題の解決手段とした。請求項2
記載の窒化けい素系構造物では、前記相対密度が70%
以下で10%以上の窒化けい素焼結体が、針状もしくは
繊維状の窒化けい素の複数個が互いに結合してなる焼結
体であることを前記課題の解決手段とした。請求項3記
載の窒化けい素系構造物では、前記相対密度が70%以
下で10%以上の窒化けい素焼結体が、窒化けい素以外
の第2成分として、酸化けい素、周期律表第IIa属元
素、周期律表第IIIa属元素およびイットリウムを含
む希土類元素酸化物のうち一種または二種以上を30重
量%以下含有してなることをことを前記課題の解決手段
とした。請求項4記載の窒化けい素系構造物では、前記
無機系接着剤が、CaO−SiO2と、Al23、およ
びY23を含む希土類元素酸化物の少なくとも一種とか
らなることをことを前記課題の解決手段とした。請求項
5記載の窒化けい素系構造物では、前記無機系接着剤
が、窒化けい素粉を0.1重量%から70重量%含有し
てなることをことを前記課題の解決手段とした。
【0006】以下、本発明の窒化けい素系構造物を詳し
く説明する。本発明の窒化けい素系構造物は、相対密度
が90%以上の第1の窒化けい素焼結体と、相対密度が
70%以下で10%以上の第2の窒化けい素焼結体と
を、無機系接着剤により接合して、所望する形状のもの
にしたものであり、特に第2の窒化けい素焼結体を断熱
材とした構造物である。ここで相対密度とは、理論密度
に対する割合を百分率で示したものであり、また窒化け
い素の理論密度は3.19g/cm3としている。
【0007】第1の窒化けい素焼結体に接合される第2
の焼結体の素材を窒化けい素にしたのは、この第2の焼
結体の熱膨張率を、これと接合される緻密な第1の窒化
けい素材の熱膨張率に等しくすることにより、熱膨張差
による第1、第2の窒化けい素体および接合部の破壊が
なく、また窒素雰囲気において得られる構造物が180
0℃雰囲気まで安定となり、焼結体間の接合時の制約が
少なくなるからである。(これに対し、従来用いられて
いるコーデュエライト材では1300℃以上の非酸化雰
囲気で窒化けい素材と反応溶解してしまい、またチタン
酸アルミニウムでは1000℃以上で還元分解してしま
う。)
【0008】また、この第2の窒化けい素焼結体の相対
密度を、70%以下で10%以上としたのは、70%を
越えると十分な断熱性が得られず、10%未満では十分
な強度が得られないからである。断熱材とする第2の窒
化けい素焼結体の構造としては、針状もしくは繊維状の
窒化けい素の複数個が互いに結合してなるもので、気孔
率が90%以下で30%以上である多孔質体が好まし
い。針状もしくは繊維状の窒化けい素材としては、線径
が0.05〜10μm程度、長さが0.01〜10mm程
度のものが好ましい。ここで、このような針状もしくは
繊維状の窒化けい素材を用いるのは、粒状の窒化けい素
材料を用いるのに比較して得られる焼結体の機械強度を
高く保つことができ、かつ該焼結体を低密度にすること
ができるからである。
【0009】針状もしくは繊維状の窒化けい素として
は、α−窒化けい素ウィスカー、β−窒化けい素ウィス
カー、窒化けい素繊維等を用いることができる。そし
て、これらを単独で用いて混合焼結するか、もしくはこ
れらに周期律表の第IIa属元素、第IIIa属元素、
希土類元素の酸化物、酸化けい素の少なくとも一種を第
2成分として配合し、混合焼結して第2の窒化けい素焼
結体を得る。なお、断熱性の点からみると、α−窒化け
い素ウィスカーを用いるほうがβ−窒化けい素ウィスカ
ーを用いるより好ましいが、その場合には焼結温度およ
び接合温度を1600℃以下とする必要がある。
【0010】前記第2成分として、周期律表の第IIa
属元素、第IIIa属元素、希土類元素酸化物、酸化け
い素の少なくとも一種を配合するのは次の理由による。
すなわち、これら第2成分が窒化けい素材と反応するこ
とによって窒化物が形成され、この窒化物が針状もしく
は繊維状の窒化けい素同士の接合材として作用するから
である。また、アルミニウムや酸素原子等が窒化けい素
に固溶することにより、窒化けい素の熱伝導率が低下す
るからである。さらに、緻密な第1の窒化けい素焼結体
との接合時にこれら元素が接合相へ拡散し、接合強度が
高まるからである。ただし、これら第2成分の30重量
%を越える添加は、断熱材となる第2の窒化けい素焼結
体と第1の窒化けい素焼結体とに熱膨張差を生じ、好ま
しくない。
【0011】これら相対密度の異なる第1の窒化けい素
焼結体と第2の窒化けい素焼結体とを接合させるための
無機系接着剤としては、CaO−SiO2ガラスに第3
成分として、Al23、およびY23を含む希土類元素
酸化物の少なくとも一種を含有させたものが好適とされ
る。
【0012】CaO−SiO2ガラスとしては、CaO
とSiO2とのモル比が1:0.8〜1:2、好ましくは
1:1〜1:1.5の範囲の組成のものが好適に用いら
れる。また、第3成分としてのAl23を添加するの
は、CaO−SiO2溶融時の液相分離を防止するのに
有効だからである。さらに、Y23を含む希土類酸化物
を添加するのは、無機系接着剤の熱膨張率を低下させる
のに有効だからであり、さらには非酸化雰囲気下での窒
化けい素材とSiO2との反応によるSiO2、N2ガス
の発生を抑制し、かつ窒化けい素材からの窒素の固溶を
促進して接合相の強度を高めることができるからであ
る。
【0013】また、このような無機系接着剤として、前
記成分に窒化けい素粉を0.1重量%から70重量%含
有させたものも好適とされる。そして、この無機系接着
剤にあっては、窒化けい素粉が添加されたことによって
熱膨張率が低下し、さらには接合時における該接着剤の
粘性が高くなることによって第2の窒化けい素焼結体へ
の該無機系接着剤の吸い込みが防止されるものとなる。
なお、窒化けい素粉の添加量(含有量)が0.1重量%
未満では添加の効果が得られず、70重量%を越える
と、窒化けい素焼結体間の接合強度が低下してしまい好
ましくない。
【0014】
【実施例】以下、本発明を実施例によりさらに具体的に
説明する。β−窒化けい素ウィスカーとシリカゲルとを
80重量%:20重量%となるように配合してこれらを
混合、成形、焼成し、気孔率70重量%の断熱材(第2
の窒化けい素焼結体)を作製した。ここで、この断熱材
の相対密度を調べたところ、30%であった。この断熱
材を用い、図1に示すように第1の窒化けい焼結体から
なるプレート3とベース4との間に該断熱材2を配し、
かつそれぞれの間にCaO−SiO2−Si34系ガラ
ス(無機系接着剤)5を配してこれを窒素雰囲気中にて
1550℃で30分加熱し、プレート3、断熱材、ベー
ス4を接合してピストンクラウン1を作製した。
【0015】接合時におけるプレート3およびベース4
の破壊変形と、これらプレート2およびベース3と断熱
材との剥離を調べたところ、全く異常がみられなかっ
た。また、プレート3の上部に5トンの荷重を加えて繰
り返し疲労試験を実施したが、断熱材2の剥離破損もプ
レート3の破損もみられなかった。
【0016】
【発明の効果】以上説明したように本発明における請求
項1記載の窒化けい素系構造物は、相対密度が90%以
上の窒化けい素焼結体と、相対密度が70%以下で10
%以上の窒化けい素焼結体とを無機系接着剤により接合
してなるものである。したがって、接合される焼結体が
ともに窒化けい素であることから両者の熱膨張差がな
く、よって熱膨張差による破壊が無く、接合処理での制
約が少なくなり、また断熱性がありかつ十分な機械強度
を有する構造物となる。請求項2記載の窒化けい素系構
造物は、前記相対密度が70%以下で10%以上の窒化
けい素焼結体が、針状もしくは繊維状の窒化けい素の複
数個が互いに結合してなる焼結体であることから、該焼
結体が高断熱性を有するものとなり、よって断熱自動車
エンジンの部材など高温強度および断熱性が要求される
部材に好適となる。請求項3記載の窒化けい素系構造物
は、前記相対密度が70%以下で10%以上の窒化けい
素焼結体が、窒化けい素以外の第2成分として、酸化け
い素、周期律表第IIa属元素、周期律表第IIIa属
元素およびイットリウムを含む希土類酸化物のうち一種
または二種以上を30重量%以下含有してなるものであ
るから、これら第2成分が窒化けい素材と反応すること
によって窒化物が形成され、この窒化物が針状もしくは
繊維状の窒化けい素同士の接合材として作用することに
より該窒化けい素焼結体の機械強度が高まる。また、ア
ルミニウムや酸素原子等が窒化けい素に固溶することに
より、窒化けい素の熱伝導率が低下して構造物全体の断
熱性が向上する。さらに、接合時にこれら元素が接合相
へ拡散し、接合強度が高まることから、構造物全体の強
度が高まる。請求項4記載の窒化けい素系構造物は、前
記無機系接着剤がCaO−SiO2と、Al23、およ
びY23を含む希土類酸化物の少なくとも一種とからな
るものであるから、Al23を添加することによりCa
O−SiO2溶融時の液相分離を防止することができ、
またY23を含む希土類酸化物を添加することにより無
機系接着剤の熱膨張率を低下させ、さらには非酸化雰囲
気下での窒化けい素材とSiO2との反応によるSi
2、N2ガスの発生を抑制し、かつ窒化けい素材からの
窒素の固溶を促進して接合相の強度を高めることができ
る。請求項5記載の窒化けい素系構造物は、前記無機系
接着剤が、窒化けい素粉を0.1重量%から70重量%
含有してなるものである。したがって、窒化けい素粉が
添加されたことにより無機系接着剤の熱膨張率が低下し
て構造物全体の断熱性が高まり、さらには接合時におけ
る該接着剤の粘性が高くなり、窒化けい素焼結体への無
機系接着剤の吸い込みが防止されて構造物全体の機械強
度が高まる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の窒化けい素系構造物をピストンクラウ
ンに適用した場合の一実施例を示す側断面図である。
【符号の説明】
1 ピストンクラウン 2 断熱材 3 プレート 4 ベース 5 CaO−SiO2−Si34系ガラス(無機
系接着剤)

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 相対密度が90%以上の窒化けい素焼結
    体と、相対密度が70%以下で10%以上の窒化けい素
    焼結体とが、無機系接着剤により接合されてなることを
    特徴とする窒化けい素系構造物。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の窒化けい素系構造物にお
    いて、前記相対密度が70%以下で10%以上の窒化け
    い素焼結体が、針状もしくは繊維状の窒化けい素の複数
    個が互いに結合してなる焼結体であることを特徴とする
    窒化けい素系構造物。
  3. 【請求項3】 請求項1及び2記載の窒化けい素系構造
    物において、前記相対密度が70%以下で10%以上の
    窒化けい素焼結体が、窒化けい素以外の第2成分とし
    て、酸化けい素と周期律表第IIa属元素、周期律表第
    IIIa属元素およびイットリウムを含む希土類元素の
    酸化物のうち一種または二種以上を30重量%以下含有
    してなることを特徴とする窒化けい素系構造物。
  4. 【請求項4】 請求項1、2及び3記載の窒化けい素系
    構造物において、前記無機系接着剤が、CaO−SiO
    2と、Al23、およびY23を含む希土類元素の酸化
    物の少なくとも一種とからなることを特徴とする窒化け
    い素系構造物。
  5. 【請求項5】 請求項4記載の窒化けい素系構造物にお
    いて、前記無機系接着剤が、窒化けい素粉を0.1重量
    %から70重量%含有してなることを特徴とする窒化け
    い素系構造物。
JP3150682A 1991-06-21 1991-06-21 窒化けい素系構造物 Withdrawn JPH0585843A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018131375A (ja) * 2017-02-14 2018-08-23 日立造船株式会社 耐酸性及び耐アルカリ性のある封着ガラス並びにそれを用いたゼオライト分離膜

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