JPH0632658A - 窒化ケイ素系焼結体 - Google Patents

窒化ケイ素系焼結体

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JPH0632658A
JPH0632658A JP4186755A JP18675592A JPH0632658A JP H0632658 A JPH0632658 A JP H0632658A JP 4186755 A JP4186755 A JP 4186755A JP 18675592 A JP18675592 A JP 18675592A JP H0632658 A JPH0632658 A JP H0632658A
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常治 亀田
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 窒化ケイ素が本来有する強度特性を維持した
上で、優れた耐酸化特性を有する窒化ケイ素系焼結体を
提供する。 【構成】 焼結助剤として、酸化イッテルビウムを 1〜
10重量%、酸化ハフニウムを 0.2〜10重量%および窒化
アルミニウムを 1〜10重量%含み、残部が実質的に窒化
ケイ素からなる混合物を成形、焼成してなる焼結体であ
る。窒化ケイ素系焼結体の母相はβ- Si3 N 4 、あるい
はβ- Si3 N 4 およびα′- Si3 N 4 からなる。焼結体
母相の結晶粒界には、YbおよびHfを含む結晶性複合酸化
物が少なくとも存在する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、耐酸化特性に優れた窒
化ケイ素系焼結体に関する。
【0002】
【従来の技術】セラミックス系の構造用材料としては、
従来から、主として窒化ケイ素系焼結体、炭化ケイ素系
焼結体、 Si-Al-O-Nを主構成元素とするサイアロン系焼
結体等が使用されてきた。中でも、窒化ケイ素系焼結体
は、炭化ケイ素系焼結体やサイアロン系焼結体に比べて
高強度を有し、さらに破壊靭性値に優れる等の特徴を有
しており、自動車部品用部材、ガスタ―ビン翼等を始め
として、各種の高強度耐熱構造用材料として応用が試み
られている。
【0003】ところで、窒化ケイ素自身は焼結性が極め
て悪いため、従来より各種の焼結方法が試みられてお
り、現状では主として添加物による緻密化焼結が用いら
れている。この添加物(焼結助剤)による緻密化焼結
は、窒化ケイ素より低融点の金属化合物を添加すること
によって粒界に液相を形成し、この液相により窒化ケイ
素粒子の再配列および相転移を容易にして緻密質な窒化
ケイ素焼結体を得る方法である。
【0004】上記した窒化ケイ素の焼結助剤として働く
化合物としては、希土類元素の酸化物、酸化アルミニウ
ム、窒化アルミニウム等や、ハフニウム、タンタル、ニ
オブの酸化物、炭化物、ケイ化物等が挙げられ、単独ま
たはこれらの組合せにより使用されている。このような
焼結助剤の組み合わせとしては、例えば酸化イットリウ
ム―酸化アルミニウム−窒化アルミニウム−Hf、Ta、Nb
等の酸化物系(特公平1-16791号公報参照)、希土類酸
化物―Hf、Ta、Nb等の酸化物系または希土類酸化物―H
f、Ta、Nb等の酸化物−窒化アルミニウム系(特開昭 60
-290718号公報参照)等が知られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記焼
結助剤を用いた窒化ケイ素系焼結体は、焼成時に一旦液
相を形成し、この液相により粒子の再配列および相転移
を容易にすることにより、緻密質な焼結体として得てい
るため、液相形成成分が焼結後に粒界に残存し、主に上
記粒界構成相に起因して、耐酸化性に劣るという問題を
有していた。すなわち焼結助剤としては、酸化イットリ
ウムが主として使用されているが、酸化イットリウムを
使用した窒化ケイ素焼結体は、イットリウムを含む粒界
相に起因して、特に高温で酸化されやすく、高温大気雰
囲気中での強度劣化が大きいという問題を有していた。
【0006】上述したように、窒化ケイ素の焼結助剤と
して使用される酸化イットリウムは、緻密質で機械的強
度に優れた窒化ケイ素系焼結体を得ることを可能にする
半面、焼結後に粒界に残存するイットリウムを含む化合
物に起因して、耐酸化性を劣化させてしまうという問題
を有していた。このようなことから、焼結体密度、機械
的強度等をあまり低下させることなく、耐酸化特性に優
れた窒化ケイ素系焼結体を得ることが強く望まれてい
る。
【0007】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、耐酸化特性に優れた窒化ケイ素系焼
結体を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段と作用】本発明の窒化ケイ
素系焼結体は、焼結助剤として、酸化イッテルビウムを
1〜10重量%、酸化ハフニウムを 0.2〜10重量%および
窒化アルミニウムを 1〜10重量%含み、残部が実質的に
窒化ケイ素からなる混合物を成形、焼成してなることを
特徴としている。また、本発明の窒化ケイ素系焼結体
は、焼結体母相がβ- Si3 N 4 、あるいはβ- Si3 N 4
およびα′- Si3 N 4 からなり、前記焼結体母相の結晶
粒界にYbおよびHfを含む結晶性複合酸化物が少なくとも
存在することを特徴としている。
【0009】本発明の窒化ケイ素系焼結体の主原料とな
る窒化ケイ素としては、平均粒径が1μm 以下で、その
構成相の80%以上がα相であるものが好ましい。このよ
うな窒化ケイ素原料による焼結体母体は、その主構成相
がβ- Si3 N 4 相からなり、例えば 20%以下程度の比率
で、α′- Si3 N 4 相を含むものとなる。
【0010】また、本発明で焼結助剤として使用する酸
化イッテルビウムは、窒化ケイ素の焼結促進剤として機
能し、また焼結後には粒界に高融点の結晶性化合物とし
て残存する。ここで、粒界に残存するYbを含む結晶性化
合物は、主として焼結助剤として併用する酸化ハフニウ
ムと共に形成されるものであり、YbおよびHfを含む結晶
性複合酸化物、例えばYb6 Hf O11である。
【0011】上記した Yb-Hf系複合酸化物は、高温雰囲
気に晒された際においても安定で、原子の移動が少な
く、窒化ケイ素系焼結体の耐酸化特性を向上させること
が可能となる。例えば、酸化イットリウムを焼結助剤と
して用いた窒化ケイ素系焼結体では、粒界成分中の Yが
表面方向に容易に移動し、焼結体の耐酸化特性を劣化さ
せている。本発明による窒化ケイ素系焼結体において
は、上記したような粒界成分の移動に伴う酸化が防止さ
れるため、良好な耐酸化特性が高温雰囲気中においても
維持される。
【0012】このような酸化イッテルビウムの添加量
は、全組成物中の 1〜10重量%とし、特に好ましくは 2
〜 7重量%の範囲である。酸化イッテルビウムの添加量
が 1重量%未満では、焼結促進機能が十分に得られず、
また10重量%を超えると、相対的に母相の比率が低下す
ることから、焼結体本来の特性が得難くなるためであ
る。なお、酸化イッテルビウムの原料としては、加熱に
より酸化物となるケイ化物、炭化物、ホウ化物等の化合
物を使用することも可能である。
【0013】また、酸化ハフニウムは、窒化ケイ素の焼
結促進剤として機能し、かつ上述したようにYbと共に複
合酸化物を形成し、窒化ケイ素系焼結体の耐酸化特性の
劣化を防止するものである。また、各焼結助剤の添加量
によっては、酸化ハフニウムの一部はそれ単独で粒界に
存在するが、酸化ハフニウム自体も高温強度等に優れる
ことから、耐酸化特性や高温強度を低下させることはな
い。このような酸化ハフニウムの添加量は、全組成物中
の 0.2〜10重量%とし、特に好ましくは 0.3〜3重量%
の範囲である。酸化ハフニウムの添加量が 0.2重量% %
未満では、焼結促進機能が十分に得られず、また10重量
%を超えると相対的に母相の比率が低下することから、
焼結体本来の特性が得難くなる。なお、酸化ハフニウム
の原料としては、加熱により酸化物となるケイ化物、炭
化物、ホウ化物等の化合物を使用することも可能であ
る。
【0014】本発明における他の焼結助剤成分である窒
化アルミニウムは、酸化イッテルビウムおよび酸化ハフ
ニウムによる焼結促進効果を補助し、窒化ケイ素の液相
焼結を促進すると共に、形成された液相の再結晶化に寄
与するものである。ただし、添加量が多いと粒界に残存
する量が増すため、その添加量は10重量%以下とする。
また、あまり少なくとも十分に液相を形成することが困
難となるため、 1重量%以上添加するものとする。窒化
アルミニウムのより好ましい添加量は、 2〜 7重量%の
範囲である。
【0015】これらの焼結助剤として添加する成分は、
その合計量を全組成物中の 4〜20重量%の範囲とするこ
とが好ましい。この添加合計量が 4重量%未満では、液
相焼結促進の効果が十分に得られず、また20重量%を超
えると窒化ケイ素本来の特性を損ねる可能性が大きいた
めである。
【0016】本発明の窒化ケイ素系焼結体は、上記した
各組成分を所定範囲内の比率で含む混合物をまず所要の
形状に成形し、不活性雰囲気中、1600℃〜1900℃程度の
温度で焼成することによって得られる。なお、この焼結
はいわゆる常圧焼結法によっても緻密質で耐酸化特性に
優れた窒化ケイ素系焼結体が得られるが、その他の焼結
法、例えば雰囲気加圧焼結法、ホットプレス法、熱間静
水圧焼結法(HIP)等、またはこれらの組合せによっ
ても同様の性能を備えた焼結体が得られる。
【0017】
【実施例】以下、本発明を実施例によって説明する。
【0018】実施例1 平均粒径 0.8μm のSi3 N 4 (α相95%)粉末に対し、平
均粒径 1.0μm のYb2O3 粉末 5重量%、平均粒径 1.1μ
m の HfO2 粉末 2重量%、および平均粒径1.0μm の Al
N粉末 4重量%を配合し、ボ―ルミルにて約24時間混合
を行って原料粉末を調整した。次いで、この原料粉末 1
00重量部に対してバインダを 5重量部添加配合し、さら
に十分に混合した後、プレス成形によって長さ50mm×幅
50mm×厚さ 7mmの棒状成形体を作製した。
【0019】この後、上記成形体に窒素ガス雰囲気中に
て脱脂処理を施した後、窒素ガス雰囲気中において1770
℃× 2時間の条件で常圧焼結を行い、窒化ケイ素を主成
分とする焼結体を得た。
【0020】このようにして得た窒化ケイ素系焼結体の
構成相をX線回折装置により分析したところ、母相の88
%がβ- Si3 N 4 相であり、残りの12%はα′- Si3 N
4 相であった。また、粒界相の主な結晶相はYb6 Hf O11
であった。
【0021】また、本発明との比較として、実施例1で
使用したSi3 N 4 (α相95%)粉末に、 Y2 O 3 粉末(平
均粒径 0.9μm )を 5重量%、 HfO2 粉末を 2重量%、
AlN粉末を 4重量%で添加した原料粉末を用いて、実施
例1と同一条件で焼結体を作製した。
【0022】これら実施例および比較例による窒化ケイ
素系焼結体の常温および1250℃における 3点曲げ強度を
測定した。また、これら焼結体に大気中にて1400℃× 1
00時間の熱処理を施し、この処理後の試料単位面積当り
の酸化増量(増加重量)を求めた。さらに、この熱処理
後の試験片について、室温での 3点曲げ強度を測定し
た。これらの結果を表1に示す。
【0023】
【表1】 表1に示す測定結果から明らかなように、実施例1によ
る窒化ケイ素系焼結体は、 Y2 O 3 を焼結助剤として使
用した比較例の焼結体に比べ、強度の値自体は若干劣る
ものの、耐酸化性に優れ、熱処理後における強度は比較
例の焼結体より大幅に上回るものであった。
【0024】実施例2〜5 実施例1で使用したYb2 O3 粉末、 HfO2 粉末および A
lN粉末をそれぞれ表2に示す組成比でSi3 N 4 粉末に混
合し、これら原料粉末を用いて実施例1と同一条件で焼
結を行い、それぞれ窒化ケイ素焼結体を作製した。
【0025】このようにして得た各窒化ケイ素焼結体の
特性を実施例1と同様にして測定した。その結果も併せ
て表2に示す。
【0026】
【表2】
【0027】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化ケイ
素系焼結体は、窒化ケイ素が本来有する強度特性を維持
した上で、優れた耐酸化特性が得られる。よって、各種
高温雰囲気下で使用される構造用材料に好適なセラミッ
クス系材料を提供することが可能となる。
【0028】

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 焼結助剤として、酸化イッテルビウムを
    1〜10重量%、酸化ハフニウムを 0.2〜10重量%および
    窒化アルミニウムを 1〜10重量%含み、残部が実質的に
    窒化ケイ素からなる混合物を成形、焼成してなることを
    特徴とする窒化ケイ素系焼結体。
  2. 【請求項2】 焼結体母相がβ- Si3 N 4 、あるいはβ
    - Si3 N 4 およびα′- Si3 N 4 からなり、前記焼結体
    母相の結晶粒界にYbおよびHfを含む結晶性複合酸化物が
    少なくとも存在することを特徴とする窒化ケイ素系焼結
    体。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN100390101C (zh) * 2005-10-21 2008-05-28 清华大学 一种自增韧氮化硅陶瓷导卫辊及其制备方法

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