JPH06183840A

JPH06183840A - 窒化珪素−炭化珪素系反応焼結体

Info

Publication number: JPH06183840A
Application number: JP4356291A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Takagi; 保宏高木; Yoshiro Noda; 芳朗野田; Toru Shimamori; 融島森
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1992-12-21
Filing date: 1992-12-21
Publication date: 1994-07-05

Abstract

(57)【要約】【目的】常温及び高温を通じて十分な強度を有し、特
に高温強度に優れる窒化珪素−炭化珪素系反応焼結体を
提供する。【構成】５〜４０重量部の炭化珪素粉末と残部を占め
るシリコン粉末とからなる配合粉末１００重量部に対し
て、周期律表Ｖａ及びＶＩａ族元素化合物のうちの１種
以上よりなる焼結助剤を０．３〜１０重量部の割合にて
添加し混合し、その後これらの原料混合粉末を所定形状
に成形し、更に窒化雰囲気中で反応焼結させて製造さ
れ、気孔率が３０％以下であることを特徴とする。ま
た、上記炭化珪素粉末の平均粒径は２０μｍ以下とする
のが好ましい。更に、この窒化珪素−炭化珪素系反応焼
結体の室温下における曲げ強度は３００ＭＰａ以上、１
４００℃における曲げ強度は４００ＭＰａ以上とするこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、窒化珪素−炭化珪素系
反応焼結体に関し、更に、詳しく言えば、常温、高温を
問わず、優れた強度を有し、特に高温下において優れた
強度を有する窒化珪素−炭化珪素系反応焼結体に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、エンジンやガスタービンといっ
た高温で高強度が求められる構造部材用セラミックスと
して、窒化珪素や炭化珪素が有望であることが知られて
いる。また、特開昭６２−２２３０６５号公報等に見ら
れるように両者を複合させてより高強度化を狙った複合
材料も開発されている。更に、この複合材料の中にも、
比較的多量の焼結助剤を添加し焼結させて得られる緻
密体と、シリコンを窒化雰囲気中で窒化させて得られ
る窒化珪素結合体、即ち、反応焼結窒化珪素と呼ばれる
ポーラス体とがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の緻密
体では、助剤の添加量が多いため、高温での強度劣化が
大きく、高温強度は十分とはいえない。一方、上記の
ポーラス体は、上記の緻密体に比べ助剤の添加量が、
ごく僅かであるため高温での強度劣化は少ないが、もと
もと常温強度レベルが１５０〜３００ＭＰａと低く、十
分な常温及び高温強度を有するとはいえない。

【０００４】本発明は上記観点に鑑みなされたものであ
り、常温及び高温を通じて十分な強度を有し、特に高温
強度に優れる窒化珪素−炭化珪素系反応焼結体を提供す
ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本第１発明の窒化珪素−
炭化珪素系反応焼結体（以下、「焼結体」という。）
は、５〜４０重量部（以下、「部」という。）の炭化珪
素粉末と残部を占めるシリコン粉末とからなる配合粉末
１００重量部に対して、周期律表Ｖａ及びＶＩａ族元素
化合物のうちの１種以上よりなる焼結助剤を０．３〜１
０重量部の割合にて添加し混合し、その後、これらの原
料混合粉末を所定形状に成形し、更に、窒化雰囲気中で
反応焼結させて製造され、気孔率が３０％以下であるこ
とを特徴とする。

【０００６】上記の如く、炭化珪素粉末とシリコン粉末
の混合割合を定めるのは、炭化珪素粉末の添加量が５部
未満では、炭化珪素粉末を添加した効果がなく（強度の
向上を殆ど期待できず）、４０部を越える場合には、添
加した炭化珪素同志の接触部分が多く現れ、これが破壊
起源となる様な欠陥となり焼結体の強度の低下を招くか
らである。尚、上記混合割合のうちで、特に好ましいの
は、炭化珪素粉末の添加量が１０〜３０部の場合であ
る。また、この炭化珪素粉末の平均粒径は、本第２発明
に示す様に、２０μｍ以下であるのが好ましい。２０μ
ｍを越える大きな粒径の場合には、破壊起源となる様な
欠陥を作り易くなり、焼結体の強度低下を招くからであ
る。尚、この炭化珪素粉末を構成する炭化珪素の結晶構
造は、α型でもβ型でもよい。一方、上記「シリコン粉
末」の粒径は、窒化に要する時間の短縮化のためには、
１０μｍ以下とするのが望ましいが、これに限るもので
はない。

【０００７】上記「焼結助剤（又は窒化促進剤）」とし
て、Ｖａ及びＶＩａ族元素化合物のうちの１種以上を用
いるのは、これらの化合物がシリコンの窒化を促進する
と同時に、炭化珪素との組合せで焼結体の高温強度の向
上を果たすからである。また、この助剤量を上記の様に
設定したのは、０．３部未満では助剤を添加する効果が
なく、１０部を越えると焼結体の高温強度の低下を招く
ためである。更に、焼結体の気孔率を３０％以下とした
のは、３０％を越える気孔率の場合には焼結体の強度が
低下するからである。また、本第３発明に示す様に、室
温下における曲げ強度を３００ＭＰａ以上、１４００℃
における曲げ強度が４００ＭＰａ以上であるのが好まし
い。高温構造部材として使用するには、上記各温度下
で、この程度の強度を有するのが好ましいと共に、この
様に、常温強度よりも高温強度が大きい場合には、高温
構造部材として、信頼性が高くなると同時にその用途が
広がるからである。

【０００８】

【作用】本発明の焼結体は、所定の混合割合の炭化珪素
粉末とシリコン粉末からなる原料混合粉末に、適量のＶ
ａ族元素化合物等からなる焼結助剤を添加した後、所定
形状に成形し、更に窒化雰囲気中で反応焼結させて製造
され、気孔率が３０％以下に抑えられる。この様に、原
料混合粉末の組成、焼結助剤の種類と添加量、焼結体の
気孔率を制御することにより、焼結体の強度劣化の大き
な要因が除去され、本発明により提供される焼結体の常
温から高温までの強度が高くなると共に、高温下では常
温下よりも更に強度が向上する。また、上記炭化珪素粉
末の平均粒径を２０μｍ以下とすることにより、焼結体
の強度（例えば、室温下における曲げ強度が３００ＭＰ
ａ以上、１４００℃における曲げ強度が４５０ＭＰａ以
上）を優れたものとすることができる。

【０００９】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。実施例１本実施例は、シリコン粉末と炭化珪素との配合割合（以
下、混合割合という。）が、焼結体の強度に与える影響
を調べたものである。先ず、表１に示す様な割合で、シ
リコン粉末（平均粒径；３μｍ、純度；９９．８％）と
炭化珪素（β型、平均粒径；０．３μｍ）とを配合し、
次いで、この各混合粉末１００部に対して、酸化第２ク
ロム（純度；９９％）を１．０部の割合にて添加して、
試験品Ｎｏ．１〜８の原料混合粉末を得た。この各混合
粉末を窒化珪素製のポット及び球石を用い、アセトン
（試薬特級）による湿式粉砕混合を４０時間行い、更に
乾燥して混合微粉末（平均粒径；約２μｍ）を得た。

【００１０】その後、各混合微粉末を、それぞれプレス
成形型に収納し、５０ＭＰａの圧力で一軸プレスを行
い、四角板形状の仮成形体（６ｍｍ×５０ｍｍ×６０ｍ
ｍ）とした。次いで、各仮成形体を窒素中、６００℃の
下で脱脂した後、３９２ＭＰａの圧力で静水圧プレスを
施して成形体とした。更に、これらの成形体を、窒素と
水素の混合気流（その混合容積比；窒素／水素＝９／
１）中で、最高温度１４５０℃の下、加熱処理を行い試
験品Ｎｏ．１〜８の焼結体を得た。そして、各焼結体の
室温及び１４００℃（高温）に於ける強度を測定した。
その結果を表１に示す。

【００１１】

【表１】

【００１２】尚、これらの強度は、上記各焼結体より試
験片（３ｍｍ×４ｍｍ×３６ｍｍ）を切り出し、ＪＩＳ
Ｒ１６０１の４点曲げ試験法に準じて測定した曲げ強
度である。以上の結果によれば、炭化珪素粉末を用いな
かった試験品Ｎｏ．１の焼結体と、過剰（４０部を越え
る炭化珪素粉末）の炭化珪素粉末を用いた試験品Ｎｏ．
７及び８の焼結体においては、室温強度、高温強度とも
に、低い値を示した。一方、適量（５〜４０部）の炭化
珪素粉末を用いた試験品Ｎｏ．２〜６においては、室温
強度、高温強度ともに、高い値（上記試験品Ｎｏ．１、
７及び８の１．５〜２倍程度）を示した。また、これら
の焼結体では、いずれも室温強度よりも高温強度の方
が、更に高い値を示した。尚、炭化珪素粉の添加量が１
０〜３０部の試験品Ｎｏ．３〜５の焼結体では、常温で
４００ＭＰａ以上、高温で５６０ＭＰａ以上の特に高い
値を示した。

【００１３】実施例２本実施例は、焼結体の気孔率と強度の関係を調べたもの
である。上記試験品Ｎｏ．３の混合粉末と同様な混合粉
末を用い、静水圧プレス時の圧力を２９．４ＭＰａ〜７
８４ＭＰａの範囲内で、適宜選択することにより、表２
に示す様な気孔率の異なる試験品Ｎｏ．１１〜１６の焼
結体を作成した。尚、これらの焼結体の気孔率はアルキ
メデス法により測定した全気孔率である。また、これら
の焼結体は、静水圧プレス時の圧力が異なること以外
は、上記試験品Ｎｏ．３の焼結体と同様な方法により作
成した。以上の各焼結体の室温及高温強度を、実施例１
と同様の方法で測定した。その結果を表２に示す。

【００１４】

【表２】

【００１５】以上の結果によれば、気孔率が３０％を越
える試験品Ｎｏ．１５及び１６の焼結体においては、室
温強度、高温強度ともに、低い値を示した。特に、気孔
率が４０％の試験品Ｎｏ．１６では、室温強度、高温強
度ともに、１３０ＭＰａと低い値を示し、高温構造部材
としての使用に耐えられない。一方、気孔率が３０％以
下の試験品Ｎｏ．１１〜１４の焼結体では、室温強度、
高温強度ともに、高い値を示した。特に、気孔率を低く
抑えた試験例１１及び１２では、常温強度が４３０以
上、高温強度が５８０以上と良好な値を示した。

【００１６】実施例３本実施例は、原料混合粉末中の炭化珪素の粒径と焼結体
強度の関係を調べたものである。原料混合粉末が、表３
に示す様なシリコン粉末と炭化珪素の混合割合を有し、
且つ、該混合粉末中の炭化珪素が同表に示す平均粒径を
有するα−炭化珪素若しくはβ炭化珪素であること以外
は、実施例１と同様の方法により試験品Ｎｏ．２１〜３
０の焼結体を作成した。以上の各焼結体の室温及高温強
度を、実施例１と同様の方法で測定した。その結果を表
３に示す。

【００１７】

【表３】

【００１８】以上の結果によれば、炭化珪素の平均粒径
が大きい試験品Ｎｏ．２８〜３０の焼結体においては、
室温強度、高温強度ともに、低い値を示した。一方、平
均粒径が２０μｍ以下の炭化珪素を用いた試験品Ｎｏ．
２１〜２７の焼結体においては、室温強度、高温強度と
もに、良好な値を示した。

【００１９】実施例４本実施例は、焼結助剤の添加量と焼結体の強度の関係を
調べたものである。表４に示す焼結助剤〔Ｖ₂Ｏ₅、Ｎ
ｂ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₃、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＭｏＯ₃、ＷＯ₃
のうちの１種又は２種（但し、各純度は９９％以上であ
る）〕を、同表の括弧内に示す量だけ用いたこと以外
は、試験品Ｎｏ．３の焼結体と同様な方法により試験品
Ｎｏ．３１〜４３の焼結体を作成した。尚、この括弧内
の数値は、シリコン粉末と炭化珪素からなる原料混合粉
末１００部に対する焼結助剤の添加量（部）である。以
上の各焼結体の室温及高温強度を、実施例１と同様の方
法で測定した。その結果を表４に示す。

【００２０】

【表４】

【００２１】以上の結果によれば、焼結助剤の添加量の
多い試験品Ｎｏ．４２及び添加量の少ない試験品Ｎｏ．
４３においては、室温強度、高温強度ともに、低い値を
示した。一方、適量の焼結助剤が添加された試験品Ｎ
ｏ．３１〜４１においては、室温強度、高温強度とも
に、良好な値を示した。尚、本発明においては、前記具
体的実施例に示すものに限られず、目的、用途に応じて
本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができ
る。

【００２２】

【発明の効果】以上の様に、本発明の窒化珪素−炭化珪
素系反応焼結体は、常温から高温まで高い強度を有する
と共に、高温下では常温下よりも更に強度が向上する。
従って、高温構造部材として、信頼性が高くなると同時
にその用途が広がる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】５〜４０重量部の炭化珪素粉末と残部を
占めるシリコン粉末とからなる配合粉末１００重量部に
対して、周期律表Ｖａ及びＶＩａ族元素化合物のうちの
１種以上よりなる焼結助剤を０．３〜１０重量部の割合
にて添加し混合し、その後、これらの原料混合粉末を所
定形状に成形し、更に、窒化雰囲気中で反応焼結させて
製造され、気孔率が３０％以下であることを特徴とする
窒化珪素−炭化珪素系反応焼結体。
【請求項２】上記炭化珪素粉末の平均粒径は２０μｍ
以下である請求項１記載の窒化珪素−炭化珪素系反応焼
結体。
【請求項３】室温下における曲げ強度が３００ＭＰａ
以上、１４００℃における曲げ強度が４００ＭＰａ以上
である請求項１又は２記載の窒化珪素−炭化珪素系反応
焼結体。