JPH0653611B2 - 高靭性窒化ケイ素焼結体の製造方法 - Google Patents
高靭性窒化ケイ素焼結体の製造方法Info
- Publication number
- JPH0653611B2 JPH0653611B2 JP63152109A JP15210988A JPH0653611B2 JP H0653611 B2 JPH0653611 B2 JP H0653611B2 JP 63152109 A JP63152109 A JP 63152109A JP 15210988 A JP15210988 A JP 15210988A JP H0653611 B2 JPH0653611 B2 JP H0653611B2
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- Japan
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- silicon nitride
- silicide
- sintered body
- toughness
- metal silicide
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/58—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
- C04B35/584—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスタービンブレードや各種エンジン部品等の
高温構造材料に用いるのに適した耐熱性の優れた高靱性
窒化ケイ素焼結体の製造方法に関する。
高温構造材料に用いるのに適した耐熱性の優れた高靱性
窒化ケイ素焼結体の製造方法に関する。
窒化ケイ素は結合強度が高く耐熱性に優れているので、
高温環境で使用する材料もしくは耐摩耗材料としてその
用途が期待されており、その一部はすでにエンジンのタ
ーボローター等に使用され始めている。しかし、セラミ
ツクスは脆性材料であるのでその信頼性を高めるために
は高靱性化することが必要である。その一手段として、
母相窒化ケイ素に高温における耐酸化性の優れた粒子を
添加し靱性の向上を図る方法が数多く提案されている
（例えば特開昭６１−２６１２６８号公報、特開昭６０
−２６４３６６号公報）。
高温環境で使用する材料もしくは耐摩耗材料としてその
用途が期待されており、その一部はすでにエンジンのタ
ーボローター等に使用され始めている。しかし、セラミ
ツクスは脆性材料であるのでその信頼性を高めるために
は高靱性化することが必要である。その一手段として、
母相窒化ケイ素に高温における耐酸化性の優れた粒子を
添加し靱性の向上を図る方法が数多く提案されている
（例えば特開昭６１−２６１２６８号公報、特開昭６０
−２６４３６６号公報）。
しかしながら、上記方法は珪化物粒子がSi3N4粒子で取
囲まれた複雑な構造をとるため、構造における制御並び
に珪化物の種類によつては母相Si3N4と珪化物を構成し
ているSi以外の元素とが反応して窒化ケイ素の窒素の一
部が消費され添加物としての効果がなくなる欠点があつ
た。
囲まれた複雑な構造をとるため、構造における制御並び
に珪化物の種類によつては母相Si3N4と珪化物を構成し
ているSi以外の元素とが反応して窒化ケイ素の窒素の一
部が消費され添加物としての効果がなくなる欠点があつ
た。
〔発明が解決しようとする課題〕 本発明は、珪化物を粒界相に均一かつぬれ性良く、大半
を溶解させ少量を残存させることにより、靱性、耐酸化
性を改良することを目的にしたものである。
を溶解させ少量を残存させることにより、靱性、耐酸化
性を改良することを目的にしたものである。
ここで、セラミツクスの割れは一般的には粒界相に生じ
やすく、割れが生じた場合、割れが添加物を迂回する
か、または添加物自身が破壊して割れの進行力を吸収す
ることによつて、靱性を改善することができる。そのた
めには添加物は粒界相中で強固である必要がある。
やすく、割れが生じた場合、割れが添加物を迂回する
か、または添加物自身が破壊して割れの進行力を吸収す
ることによつて、靱性を改善することができる。そのた
めには添加物は粒界相中で強固である必要がある。
しかし、Si3N4と上述した珪化物は焼結時の高温で系内
酸素（酸化物助剤）や系外N2と反応し易いので、添加さ
れたままの状態でセラミツクス中に存在する可能性はほ
とんどなく、溶融し、種種の窒化物、酸化物、金属に変
化するため、粒界相における添加物粒子の効果を制御す
ることができない。
酸素（酸化物助剤）や系外N2と反応し易いので、添加さ
れたままの状態でセラミツクス中に存在する可能性はほ
とんどなく、溶融し、種種の窒化物、酸化物、金属に変
化するため、粒界相における添加物粒子の効果を制御す
ることができない。
本発明者らは、粒界相と珪化物、更には母相Si3N4と粒
界相と珪化物の反応につき検討を重ねた結果、珪化物を
母相Si3N4と反応させることなく、粒界相中に均一かつ
ぬれ性良く少量残存させることにより、靱性、耐酸化性
の向上に成功したものである。
界相と珪化物の反応につき検討を重ねた結果、珪化物を
母相Si3N4と反応させることなく、粒界相中に均一かつ
ぬれ性良く少量残存させることにより、靱性、耐酸化性
の向上に成功したものである。
即ち本発明は、酸化物系焼結助剤と金属の珪化物粉末と
をあらかじめ混合した後、その混合粉末を金属の珪化物
換算として５〜３０重量％を窒化ケイ素粉末に配合し、
それを常法により焼結することを特徴とする金属珪化物
粒子が粒界相中に５〜４０重量％存在している高靱性窒
化ケイ素焼結体の製造方法である。
をあらかじめ混合した後、その混合粉末を金属の珪化物
換算として５〜３０重量％を窒化ケイ素粉末に配合し、
それを常法により焼結することを特徴とする金属珪化物
粒子が粒界相中に５〜４０重量％存在している高靱性窒
化ケイ素焼結体の製造方法である。
以下、さらに詳しく本発明について説明する。
本発明で使用される金属の珪化物としては、Ｗ、Mo、Cr、
V、Ti、Al、Ｂ等から選ばれた少なくとも１種以上からな
る珪化物であり、好ましくは、Ｗ、Mo、Cr等のように、
元素として融点が高く、しかもSiより窒素との親和力が
弱く、かつ重い原子からなる珪化物が靱性にとつて最適
である。その理由については明らかでないが、珪化物中
の珪素ともう一方を構成する元素との酸素の親和力の違
いによつて、親和力の強い珪素が複酸化物となり、それ
が残りの元素と珪化物を包み込み、更には焼結助剤との
ぬれ性も手伝つて、靱性と耐酸化性が向上するものと考
えている。
V、Ti、Al、Ｂ等から選ばれた少なくとも１種以上からな
る珪化物であり、好ましくは、Ｗ、Mo、Cr等のように、
元素として融点が高く、しかもSiより窒素との親和力が
弱く、かつ重い原子からなる珪化物が靱性にとつて最適
である。その理由については明らかでないが、珪化物中
の珪素ともう一方を構成する元素との酸素の親和力の違
いによつて、親和力の強い珪素が複酸化物となり、それ
が残りの元素と珪化物を包み込み、更には焼結助剤との
ぬれ性も手伝つて、靱性と耐酸化性が向上するものと考
えている。
粒界相中の珪化物の存在量については、５〜４０重量％
特に１０〜２０重量％であるときに靱性耐酸化性とも著
しく向上する。５重量％未満の組織では靱性の向上がな
く、逆に、４０重量％を越える場合には、前述した複酸
化物の包有状態が完全でなくなり、耐酸化性が低下する
傾向となる。
特に１０〜２０重量％であるときに靱性耐酸化性とも著
しく向上する。５重量％未満の組織では靱性の向上がな
く、逆に、４０重量％を越える場合には、前述した複酸
化物の包有状態が完全でなくなり、耐酸化性が低下する
傾向となる。
本発明で使用される金属の珪化物の純度、粒子径につい
ては一般に用いられている市販品でよいが、特に純度に
ついては高温物性に影響を与えると考えられているアル
カリ、アルカリ土類金属はなるべく含まない方が望まし
い。また、粒子径についてはあらかじめ焼結助剤と混合
したり、あるいはその大半を焼結助剤中に溶解させるの
で特に制約はないが長径が１００μｍ以下好ましくは５
０μｍ以下である。珪化物の存在量を調節する手段とし
ては、珪化物と酸化物系焼結助剤の量、焼結温度、焼結
時間等である。
ては一般に用いられている市販品でよいが、特に純度に
ついては高温物性に影響を与えると考えられているアル
カリ、アルカリ土類金属はなるべく含まない方が望まし
い。また、粒子径についてはあらかじめ焼結助剤と混合
したり、あるいはその大半を焼結助剤中に溶解させるの
で特に制約はないが長径が１００μｍ以下好ましくは５
０μｍ以下である。珪化物の存在量を調節する手段とし
ては、珪化物と酸化物系焼結助剤の量、焼結温度、焼結
時間等である。
本発明において、金属の珪化物と酸化物系焼結助剤とを
あらかじめ混合して添加する理由は、そのようにしない
と添加物が母相と反応する機会が多くなり、珪化物に分
散粒子としての働きが失なわれるからである。即ち、T
i,Al等の珪化物であればTiN,AlNが生成し、Si3N4が還元
されることがあるが、珪化物をあらかじめ酸化物系焼結
助剤と混合して添加すれば、たとえTi,Al等の珪化物で
あつても母相Si3N4との反応を回避することが可能とな
るからである。酸化物系焼結助剤としては、通常のY2O3
系，Y2O3-Al2O3系，MgO系，MgO-Y2O3-Al2O3系等を用い
ることができる。
あらかじめ混合して添加する理由は、そのようにしない
と添加物が母相と反応する機会が多くなり、珪化物に分
散粒子としての働きが失なわれるからである。即ち、T
i,Al等の珪化物であればTiN,AlNが生成し、Si3N4が還元
されることがあるが、珪化物をあらかじめ酸化物系焼結
助剤と混合して添加すれば、たとえTi,Al等の珪化物で
あつても母相Si3N4との反応を回避することが可能とな
るからである。酸化物系焼結助剤としては、通常のY2O3
系，Y2O3-Al2O3系，MgO系，MgO-Y2O3-Al2O3系等を用い
ることができる。
金属の珪化物の添加量については５〜３０重量％の範囲
が好ましい。添加量がこの範囲よりも少いと靱性向上に
充分な効果がなく、逆に多すぎると、金属の性質が強く
なり、特に耐酸化性が低下する。
が好ましい。添加量がこの範囲よりも少いと靱性向上に
充分な効果がなく、逆に多すぎると、金属の性質が強く
なり、特に耐酸化性が低下する。
一方、酸化系物系焼結助剤の添加量としては５〜１０重
量％の範囲が好ましく、５重量％よりも少いと焼結体が
緻密化せず、また１０重量％を越えると高温における強
度と耐酸化性が低下する。
量％の範囲が好ましく、５重量％よりも少いと焼結体が
緻密化せず、また１０重量％を越えると高温における強
度と耐酸化性が低下する。
以上のように、窒化ケイ素粉末にあらかじめＷ，Mo等の
金属の珪化物と酸化物系焼結助剤を混合したものを加
え、それを常方によつて焼結すれば、金属珪化物粒子が
粒界相中に５〜４０重量％存在している高靱性窒化ケイ
素焼結体を製造することができる。なお、焼結温度とし
ては１６５０〜１９００℃の範囲が好ましく、焼結温度
が１６５０℃よりも低いとSi3N4の焼結が充分進まず、
焼結体中に開気孔が残り、耐酸化や靱性の向上が充分に
期待できない。一方、焼結温度が１９００℃よりも高す
ぎると焼結時にSi3N4が分解して開気孔を生じやすい。
金属の珪化物と酸化物系焼結助剤を混合したものを加
え、それを常方によつて焼結すれば、金属珪化物粒子が
粒界相中に５〜４０重量％存在している高靱性窒化ケイ
素焼結体を製造することができる。なお、焼結温度とし
ては１６５０〜１９００℃の範囲が好ましく、焼結温度
が１６５０℃よりも低いとSi3N4の焼結が充分進まず、
焼結体中に開気孔が残り、耐酸化や靱性の向上が充分に
期待できない。一方、焼結温度が１９００℃よりも高す
ぎると焼結時にSi3N4が分解して開気孔を生じやすい。
以下、実施例と比較例をあげてさらに具体的に説明す
る。
る。
実施例１〜１０，比較例１〜４ 平均粒子径1.0μｍ酸素1.0重量％，比表面積８ｍ２／ｇ
の窒化ケイ素粉末と、第１表に示す酸化物系焼結助剤と
金属の珪化物をあらかじめ１，１，１−トリクロロエタ
ンに懸濁し、ボールミルで３０時間混式混合・乾燥して
得た粉末とを再び１，１，１−トリクロロエタンに懸濁
し、ボールミルで３時間湿式混合した。乾燥後、１００
kg/cm2の成形圧で成形し、６×１０×６０mmに金型成形
後、２０００kg/cm2の成形圧でCIP成形した。得られた
成形品は焼成前にＸ線回折により珪化物の同定を行つ
た。
の窒化ケイ素粉末と、第１表に示す酸化物系焼結助剤と
金属の珪化物をあらかじめ１，１，１−トリクロロエタ
ンに懸濁し、ボールミルで３０時間混式混合・乾燥して
得た粉末とを再び１，１，１−トリクロロエタンに懸濁
し、ボールミルで３時間湿式混合した。乾燥後、１００
kg/cm2の成形圧で成形し、６×１０×６０mmに金型成形
後、２０００kg/cm2の成形圧でCIP成形した。得られた
成形品は焼成前にＸ線回折により珪化物の同定を行つ
た。
次いで、これら成形体をカーボンルツボにセツトし、窒
素ガス雰囲気中１７５０℃の温度で、第１表に示す時間
で焼成して焼結体を得た。
素ガス雰囲気中１７５０℃の温度で、第１表に示す時間
で焼成して焼結体を得た。
得られた焼結体は研削後、常温３点曲げ強度、破壊靱性
値、耐酸化性の測定及びＸ線回折による金属の珪化物の
同定を行つた。粒界相中の金属の珪化物の同定はEPMA並
びにSEM観察で行つた。
値、耐酸化性の測定及びＸ線回折による金属の珪化物の
同定を行つた。粒界相中の金属の珪化物の同定はEPMA並
びにSEM観察で行つた。
以上の実施例、比較例における粒界相中の金属の珪化物
の割合は理学電機（株）のガイガーフラツクスRAD-IIB
のＸ線回折により、下記の式より算出した。
の割合は理学電機（株）のガイガーフラツクスRAD-IIB
のＸ線回折により、下記の式より算出した。
K1：焼成前の金属の珪化物のd(hkl)のＸ線回折強度(cp
s) K2：焼成後の金属の珪化物のd(hkl)のＸ線回折強度(cp
s) また、その他の物性は次のようにして測定した。
s) K2：焼成後の金属の珪化物のd(hkl)のＸ線回折強度(cp
s) また、その他の物性は次のようにして測定した。
(1)破壊靱性はIM法で測定（常温）した。
(2)耐酸化性は１２００℃、１０時間で測定した（重量
法）。
法）。
〔発明の効果〕 本発明によれば、高温で良好な耐酸化性を持ち、かつ靱
性のすぐれたSi3N4焼結体を製造することができる。
性のすぐれたSi3N4焼結体を製造することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−186265（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−64268（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−64269（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−264366（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】酸化物系焼結助剤と金属の珪化物粉末とを
あらかじめ混合した後、その混合粉末を金属の珪化物換
算として５〜３０重量％を窒化ケイ素粉末に配合し、そ
れを常法により焼結することを特徴とする金属珪化物粒
子が粒界相中に５〜４０重量％存在している高靱性窒化
ケイ素焼結体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63152109A JPH0653611B2 (ja) | 1988-06-22 | 1988-06-22 | 高靭性窒化ケイ素焼結体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63152109A JPH0653611B2 (ja) | 1988-06-22 | 1988-06-22 | 高靭性窒化ケイ素焼結体の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01320266A JPH01320266A (ja) | 1989-12-26 |
| JPH0653611B2 true JPH0653611B2 (ja) | 1994-07-20 |
Family
ID=15533253
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63152109A Expired - Fee Related JPH0653611B2 (ja) | 1988-06-22 | 1988-06-22 | 高靭性窒化ケイ素焼結体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0653611B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5234643A (en) * | 1992-01-27 | 1993-08-10 | Matsumoto Roger L K | Silicon nitride ceramics containing crystallized grain boundary phases |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5864268A (ja) * | 1981-10-12 | 1983-04-16 | 住友電気工業株式会社 | 窒化けい素焼結体およびその製造方法 |
| JPS5864269A (ja) * | 1981-10-12 | 1983-04-16 | 住友電気工業株式会社 | 窒化けい素焼結体およびその製造方法 |
| JPS60264366A (ja) * | 1984-06-11 | 1985-12-27 | 株式会社日立製作所 | 複合焼結体 |
| JPS61186265A (ja) * | 1985-02-13 | 1986-08-19 | 株式会社クボタ | 窒化けい素焼結体およびその製造方法 |
-
1988
- 1988-06-22 JP JP63152109A patent/JPH0653611B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01320266A (ja) | 1989-12-26 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |