JPH0686331B2 - High-strength sialon-based sintered body - Google Patents

High-strength sialon-based sintered body

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JPH0686331B2
JPH0686331B2 JP2099253A JP9925390A JPH0686331B2 JP H0686331 B2 JPH0686331 B2 JP H0686331B2 JP 2099253 A JP2099253 A JP 2099253A JP 9925390 A JP9925390 A JP 9925390A JP H0686331 B2 JPH0686331 B2 JP H0686331B2
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sialon
sintered body
powder
crystal
based sintered
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卓二 高橋
哲夫 中安
敦彦 田中
泰彦 神徳
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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、高温高強度、高硬度及び高靭性を有する各種
エンジニアリングセラミックスを製造するために有用な
高強度サイアロン基焼結体に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a high-strength sialon-based sintered body useful for producing various engineering ceramics having high temperature high strength, high hardness and high toughness.

(従来技術及びその問題点) α−サイアロンは、α型窒化珪素のSi位置にAlが、N位
置にOが置換固溶すると同時に、格子間位置に変性溶カ
チオンMが侵入固溶した物質であり、 式 Mx(Si,Al)12(O,N)16 〔I〕 (式中、MはLi,Mg,Ca,Y及びランタニド元素(但し、La
とCeを除く)を示し、xは0<x≦1を満足する数であ
る。) で表わされる。このMα−サイアロンは、高硬度、低熱
膨張率、優れた耐蝕性等のエンジニアリングセラミック
スとしての特性を有している。
(Prior Art and Its Problems) α-sialon is a substance in which Al is dissolved in the Si position of α-type silicon nitride and O is substituted in the N position of the α-type silicon nitride, and at the same time, the modified dissolved cation M is invaded in the interstitial position. Yes, the formula Mx (Si, Al) 12 (O, N) 16 [I] (In the formula, M is Li, Mg, Ca, Y and a lanthanide element (however, La
And Ce are excluded), and x is a number satisfying 0 <x ≦ 1. ) Is represented. This Mα-sialon has characteristics as an engineering ceramics such as high hardness, low coefficient of thermal expansion, and excellent corrosion resistance.

しかし、Mα−サイアロン結晶単相の焼結体は、結晶形
状が粒状であることが1つの原因と思われるが、エンジ
ニアリングセラミックスとしての強度、破壊靭性等の特
性が十分とは言えない。そこで、この欠点を改良するた
めに、特開昭58−185484号公報、同58−204875号公報、
同63−233082号公報等には、Mα−サイアロン結晶相
と、β型窒化珪素のSi位置にAlが、N位置にOが置換固
溶した 式 Si6-zAlzOzN8-z 〔II〕 (式中、zは0<z≦4.2を満足する数である。) で表わされる針状のβ−サイアロン結晶相とを複合化さ
せたサイアロン基焼結体が提案されている。
However, one of the causes of the Mα-sialon crystal single-phase sintered body is that the crystal shape is granular, but the properties such as strength and fracture toughness as engineering ceramics cannot be said to be sufficient. Therefore, in order to improve this drawback, JP-A-58-185484, 58-204875,
No. 63-233082 discloses a formula Si 6 -zAlzOzN 8- z [II] (formula) in which Mα-sialon crystal phase and Al in the Si position of β-type silicon nitride and O in the N position are replaced by solid solution. In the above, z is a number satisfying 0 <z ≦ 4.2.) And a sialon-based sintered body is proposed which is compounded with a needle-like β-sialon crystal phase.

しかしながら、このサイアロン基焼結体の機械的特性
も、高温材料として使用するには、実用上十分なもので
はない。また、変性用カチオンMとしては、イットリウ
ムYが一般的であるが、Yを含むサイアロン基焼結体
は、高温における耐酸化性が劣ると言われており、過酷
な条件下で使用されるカスタービン部品などへの利用
は、困難であることが予想される。
However, the mechanical properties of this sialon-based sintered body are not practically sufficient for use as a high temperature material. Further, yttrium Y is generally used as the modifying cation M, but a sialon-based sintered body containing Y is said to have inferior oxidation resistance at high temperatures, and it is difficult to remove the slag used under severe conditions. It is expected to be difficult to use for turbine parts.

(発明の目的) 本発明の目的は、前記問題点を解決し、耐酸化性に優
れ、かつ高温強度及び靭性の高い新規なサイアロン基焼
結体を提供することである。
(Object of the Invention) An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a novel sialon-based sintered body having excellent oxidation resistance, high temperature strength and high toughness.

(発明の要旨) 本発明によれば、 蛍石型結晶構造のRE2M2-uO7-2uの微結晶(式中、RはH
o,Er,Tm,Yb及びLuの中から選ばれた希土類元素、MはHf
及び/又はZrを示し、uは−1<u<1を満足する数で
ある。)、食塩型結晶構造のM′Nvの微結晶 (式中、M′はHf及び/又はZrを示し、vは0.7≦v≦
1.2を満足する数である。)、 式 REx(Si,Al)12(O,N)16 〔III〕 (式中、REはHo,Er,Tm,Yb及びLuの中から選ばれた変性
用希土類元素を示し、xは0<x≦1を満足する数であ
る。)で表わされるREα−サイアロンの結晶、前記式
〔II〕で表わされるβ−サイアロンの結晶、Al、Siを含
有する複合酸窒化物のAlNポリタイプ結晶、及びREを含
む前記以外の結晶相及び/又はガラス相から構成されて
なる高強度サイアロン基焼結体が提供される。
(Summary of the Invention) According to the present invention, microcrystals of RE 2 M 2- uO 7-2 u having a fluorite type crystal structure (wherein R is H
Rare earth element selected from o, Er, Tm, Yb and Lu, M is Hf
And / or Zr, and u is a number satisfying -1 <u <1. ), A microcrystal of M'Nv having a salt-type crystal structure (wherein M'represents Hf and / or Zr, and v is 0.7≤v≤
It is a number that satisfies 1.2. ), The formula REx (Si, Al) 12 (O, N) 16 [III] (wherein RE represents a modifying rare earth element selected from Ho, Er, Tm, Yb and Lu, and x is 0 <A number satisfying x <1.) RE α-sialon crystal represented by the formula, β-sialon crystal represented by the above formula [II], AlN polytype crystal of a composite oxynitride containing Al and Si. , And a high-strength sialon-based sintered body composed of a crystalline phase other than the above and / or a glass phase containing RE.

(発明の具体的説明) 本発明のサイアロン基焼結体における各相の含有割合
は、以下に示す範囲が望ましい。
(Detailed Description of the Invention) The content ratio of each phase in the sialon-based sintered body of the present invention is preferably in the range shown below.

1<RE2M2-uO7-2uの微結晶相 <20重量% 0.5M′Nvの微結晶相 <10重量% 5<REα−サイアロンの結晶相 <50重量% 30<β−サイアロンの結晶相 <90重量% 0.5<Al、Siを含有する複合酸窒化物のAlNポリタイプ結
晶相 <10重量% 1<REを含む結晶相及び/又はガラス相 <10重量% 但し、REα−サイアロンの結晶相及びβ−サイアロンの
結晶相は、それぞれ式〔III〕及び式〔II〕で表わされ
る組成を有し、それぞれの相とも各結晶粒子間で必ずし
も一定の組成である必要はなく、異なった組成になって
いてもよい。α−サイアロンの格子間にYよりもイオン
半径の小さなHo,Er,Tm,Yb又はLuが侵入固溶することに
より、得られるサイアロン基焼結体の耐酸化性が改善さ
れ、高温の酸素含有雰囲気中でも、安定して使用するこ
とが可能となる。特に、侵入固溶する元素がEr,Tm,Yb又
はLuの場合に、耐酸化性が優れている。
1 <RE 2 M 2- uO 7-2 u microcrystalline phase <20 wt% 0.5 M'Nv microcrystalline phase <10 wt% 5 <RE α-sialon crystalline phase <50 wt% 30 <β-sialon Crystal phase <90 wt% 0.5 <AlN polytype crystalline phase of composite oxynitride containing Al, Si <10 wt% 1 <Crystalline phase containing RE and / or glass phase <10 wt% However, for RE α-sialon The crystal phase and the crystal phase of β-sialon have the compositions represented by the formulas [III] and [II], respectively, and the respective phases do not necessarily have to have a constant composition between the crystal grains, and are different from each other. It may have a composition. Ho, Er, Tm, Yb or Lu having a smaller ionic radius than Y penetrates into the α-sialon lattice to form a solid solution, which improves the oxidation resistance of the obtained sialon-based sintered body and improves the oxygen content at high temperature. It can be used stably even in an atmosphere. In particular, when the invading solid solution element is Er, Tm, Yb or Lu, the oxidation resistance is excellent.

RE2M2-uO7-2u及びM′Nvの微結晶相の割合が前記範囲を
外れると、得られるサイアロン基焼結体の機械的強度が
低下し、またそのバラツキも大きくなるので好ましくな
い。
If the proportions of the microcrystalline phases of RE 2 M 2- uO 7-2 u and M′Nv deviate from the above range, the mechanical strength of the obtained sialon-based sintered body is lowered and its variation is increased, which is preferable. Absent.

本発明において、RE2M2-uO7-2uの微結晶は、RE2Hf2O7
RE2Zr2O7、又は両者の固溶体、あるいは、これらとRE2O
3、HfO2、又はZrO2との固溶体を表わし、−1<u<1
である。
In the present invention, RE 2 M 2- uO 7-2 u microcrystals are RE 2 Hf 2 O 7 ,
RE 2 Zr 2 O 7 , a solid solution of both, or these and RE 2 O
3 , a solid solution with HfO 2 or ZrO 2, and -1 <u <1
Is.

また、M′Nvの微結晶は、HfN、ZrN、又は両者の固溶
体、あるいは、これらの不定比組成化合物を表わし、0.
7≦v≦1.2である。
The M'Nv microcrystals represent HfN, ZrN, or a solid solution of both, or a nonstoichiometric compound thereof,
7 ≦ v ≦ 1.2.

また、本発明のサイアロン基焼結体において、REα−サ
イアロンの結晶の長径が0.05〜10μm、β−サイアロン
の結晶の長径が1〜100μmであることが好ましい。
Further, in the sialon-based sintered body of the present invention, it is preferable that the major axis of RE α-sialon crystal is 0.05 to 10 μm and the major axis of β-sialon crystal is 1 to 100 μm.

Al、Siを含有する複合酸窒化物のAlNポリタイプ結晶
は、15R、21R、27R、8H、12H、12Hδなどの長周期構造
を有するAlN近傍組成の結晶群を表わす。
The AlN polytype crystal of the composite oxynitride containing Al and Si represents a crystal group having a composition near AlN having a long period structure such as 15R, 21R, 27R, 8H, 12H, and 12Hδ.

REを含む結晶相としては、例えばメリライト型のRE2Si3
O3N4、アパタイト型のRE10(SiO46N2、ウォラストナ
イト型のRESiO2N、ウォーレライト型のRE4Si2O7N2、ガ
ーネット型のRE3Al5O12、ムライト型のRE4Al2O9、RE3Al
Si2O7N2、RE2Si2O7、RE2SiO5等が挙げられるが、これら
の結晶群だけに限定されるものではない。
As the crystal phase containing RE, for example, a melilite type RE 2 Si 3
O 3 N 4 , apatite type RE 10 (SiO 4 ) 6 N 2 , wollastonite type RESiO 2 N, warrelite type RE 4 Si 2 O 7 N 2 , garnet type RE 3 Al 5 O 12 , Mullite type RE 4 Al 2 O 9 , RE 3 Al
Examples thereof include Si 2 O 7 N 2 , RE 2 Si 2 O 7 , and RE 2 SiO 5, but the present invention is not limited to these crystal groups.

本発明のサイアロン基焼結体中には、β−サイアロンの
結晶、Al、Siを含有する複合酸窒化物のAlNポリタイプ
結晶、REを含む結晶相及び/又はガラス相、及び粒界で
結晶化した蛍石型結晶構造のRE2M2-uO7-2uの微粒結晶及
び食塩型結晶構造のM′Nvの微粒結晶が、REα−サイア
ロンの結晶と共に存在する。
In the sialon-based sintered body of the present invention, β-sialon crystals, Al, AlN polytype crystals of complex oxynitride containing Si, crystalline phase and / or glass phase containing RE, and crystals at grain boundaries Fine-grained crystals of RE 2 M 2- uO 7-2 u having a fluorite-type crystal structure and M′Nv fine-grained crystals having a salt-type crystal structure are present together with the RE α-sialon crystals.

本発明においては、この焼結体中に存在する、RE2M2-uO
7-2uの及びM′Nvの微粒結晶により、粒界相(RE2M2-uO
7-2uとREを含む結晶相及び/又はガラス相)の強度特性
が向上する。特に、高温で軟化すると言われている粒界
ガラス相の耐熱性が改善され、高温まで優れた機械的特
性を維持することができる。また、焼結体中には組成、
結晶相、粒子形状、粒子径及び熱膨張率の異なる種々の
相が存在し、焼結後に、焼結体中に微小歪に基づく微小
クラックが発生する。このことが、針状結晶及び粒状結
晶の三次元的交錯によるマトリックスの強化作用、クラ
ック進展阻止作用と相俟って、得られるサイアロン基焼
結体の破壊靭性等の機械的特性を向上させるものと考え
られる。
In the present invention, RE 2 M 2- uO existing in this sintered body is used.
The grain boundary phase (RE 2 M 2- uO
7-2 u and crystalline phase containing RE and / or glass phase) have improved strength characteristics. In particular, the heat resistance of the grain boundary glass phase, which is said to soften at high temperatures, is improved, and excellent mechanical properties can be maintained up to high temperatures. In addition, the composition in the sintered body,
There are various phases having different crystal phases, particle shapes, particle diameters and coefficients of thermal expansion, and after sintering, minute cracks due to minute strain occur in the sintered body. This improves mechanical properties such as fracture toughness of the obtained sialon-based sintered body in combination with the matrix strengthening effect due to the three-dimensional intersection of needle-like crystals and granular crystals and the crack growth inhibiting effect. it is conceivable that.

本発明のサイアロン基焼結体を製造する方法としては、
前記構造の焼結体が得られれば、どのような方法を用い
てもよい。
As a method for producing the sialon-based sintered body of the present invention,
Any method may be used as long as a sintered body having the above structure is obtained.

以下に、本発明のサイアロン基焼結体を製造する方法の
一例を述べる。
An example of the method for producing the sialon-based sintered body of the present invention will be described below.

本発明のサイアロン基焼結体は、前記式〔III〕で表わ
されるREα−サイアロンを主たる相とし、かつ式〔II
I〕で規定される論理酸素量に対して8重量%以下の過
剰酸素を含有するREα−サイアロン粉末60重量%以下、
酸化ハフニウム粉末及び/又は酸化ジルコニウム粉末15
重量%以下、及び残部がα−窒化珪素粉末からなる原料
混合粉末を、最高温度を1600〜2100℃の範囲に加熱、焼
結することにより得られる。
The sialon-based sintered body of the present invention has REα-sialon represented by the above formula [III] as a main phase, and has the formula [II
60% by weight or less of REα-sialon powder containing 8% by weight or less of excess oxygen with respect to the theoretical oxygen amount specified in [I],
Hafnium oxide powder and / or zirconium oxide powder 15
It is obtained by heating and sintering a raw material mixed powder having a weight percentage of not more than the rest and α-silicon nitride powder as the balance, in the maximum temperature range of 1600 to 2100 ° C.

REα−サイアロン粉末としては、式〔III〕で表わされ
るREα−サイアロンを主たる相とする粉末であれば、い
かなる粉末を使用しても良いが、本出願人が先に提案し
た特開昭62−223009号の発明に従って調製した粉末が好
適である。
As the REα-sialon powder, any powder may be used as long as it is a powder having REα-sialon represented by the formula [III] as a main phase, and the applicant has previously proposed JP-A-62- A powder prepared according to the invention of 223009 is preferred.

この提案の方法は、 (a)非晶質窒化珪素粉末、 (b)金属アルミニウム又は窒化アルミニウム、 (c)REα−サイアロンの格子間に侵入固溶するRE(RE
はHo,Er,Tm,Yb又はLuの中から選ばれた変性用希土類元
素)の酸化物を生成する金属塩類、及び必要に応じて、 (d)アルミニウム又は珪素の酸素含有化合物を、所望
のREα−サイアロン組成になるように混合し、混合物を
窒素含有雰囲気下で1300〜1900℃の範囲の温度に加熱す
ることにより、REα−サイアロン粉末を製造する方法で
ある。この方法で得られるREα−サイアロン粉末は、一
次粒子の大きさが0.2〜2μmの微細かつ均一粒度の粉
末であって、遊離炭素及び金属不純物を殆ど含有しない
ので、気孔及び異常粒成長のない焼結体を与えることが
できる。
The method of this proposal is as follows: (a) amorphous silicon nitride powder, (b) metallic aluminum or aluminum nitride, (c) RE interstitial solid solution of RE α-sialon.
Is a metal salt forming an oxide of a modifying rare earth element selected from Ho, Er, Tm, Yb or Lu, and, if necessary, (d) an oxygen-containing compound of aluminum or silicon, It is a method for producing REα-sialon powder by mixing so as to have a REα-sialon composition and heating the mixture to a temperature in the range of 1300 to 1900 ° C. under a nitrogen-containing atmosphere. The REα-sialon powder obtained by this method is a fine and uniform particle size powder having a primary particle size of 0.2 to 2 μm and contains almost no free carbon and metallic impurities, and therefore has no pores or abnormal grain growth. You can give a union.

REα−サイアロン粉末の焼結性を高めると同時に高強度
のサイアロン基焼結体を得るためには、焼結原料のREα
−サイアロン粉末が、式〔III〕で規定される理論酸素
量に対して、8重量%以下の過剰酸素を含有しているこ
とが必要である。
REα-To improve the sinterability of sialon powder and at the same time to obtain a high-strength sialon-based sintered body, REα of the sintering raw material is used.
-It is necessary that the sialon powder contains 8% by weight or less of excess oxygen with respect to the theoretical amount of oxygen defined by the formula [III].

REα−サイアロン粉末に過剰の酸素を含有させる方法と
しては、例えば、REα−サイアロン粉末の調製段階で、
非晶質窒化珪素に珪素、アルミニウム又は特定の希土類
元素REの酸素含有化合物を過剰量添加する方法、REα−
サイアロン粉末を酸素含有雰囲気中で加熱する方法が採
用される。後者の一例としては、REα−サイアロン粉末
を、酸素含有雰囲気中で800〜1200℃の範囲の温度に加
熱して、理論量より過剰の酸素をREα−サイアロン粉末
に含有させる方法が挙げられる。加熱時間は通常0.5〜
5時間である。この処理は、例えばREα−サイアロン粉
末を保持板上に薄く乗せて、酸素含有雰囲気中に放置す
る方法、REα−サイアロン粉末を酸素含有雰囲気中で流
動化させる方法によって行うことができる。
As a method of containing excess oxygen in REα-sialon powder, for example, in the step of preparing REα-sialon powder,
A method of adding an excessive amount of an oxygen-containing compound of silicon, aluminum or a specific rare earth element RE to amorphous silicon nitride, REα-
A method of heating the sialon powder in an oxygen-containing atmosphere is adopted. As an example of the latter, there is a method of heating the REα-sialon powder to a temperature in the range of 800 to 1200 ° C. in an oxygen-containing atmosphere so that the REα-sialon powder contains oxygen in excess of the theoretical amount. Heating time is usually 0.5 ~
5 hours. This treatment can be carried out by, for example, a method of thinly placing REα-sialon powder on a holding plate and leaving it in an oxygen-containing atmosphere, or a method of fluidizing REα-sialon powder in an oxygen-containing atmosphere.

過剰酸素量は8重量%以下、好ましくは1〜6.5重量
%、特に好ましくは2〜4重量%である。過剰酸素量が
過度に多いと、焼結体中に融点の低い相が多く残留し、
高温での機械的特性が損なわれるようになる。
The excess oxygen content is 8% by weight or less, preferably 1 to 6.5% by weight, particularly preferably 2 to 4% by weight. If the amount of excess oxygen is excessively large, many phases with a low melting point remain in the sintered body,
The mechanical properties at high temperature become impaired.

α−窒化珪素粉末としては、焼結性の面で1μm以下の
平均粒径を有していることが好ましく、さらに、得られ
る焼結体の高温での強度、耐蝕性、耐酸化性を損なう不
純物の含有量が、0.1重量%以下であることが好まし
い。
The α-silicon nitride powder preferably has an average particle size of 1 μm or less in terms of sinterability, and further impairs strength, corrosion resistance, and oxidation resistance of the obtained sintered body at high temperatures. The content of impurities is preferably 0.1% by weight or less.

前記原料混合粉末中のα−窒化珪素粉末の配合割合は40
重量%以上、好ましくは50〜90重量%、さらに好ましく
は60〜80重量%である。上記範囲内において窒化珪素粉
末の配合割合を高めるに従って、生成サイアロン基焼結
体中のβ−サイアロン相の割合が増大する。α−窒化珪
素粉末の配合割合が90重量%を超えると、混合物の焼結
性が低下し、焼結体の緻密化が進行しなくなる。
The blending ratio of α-silicon nitride powder in the raw material mixed powder is 40
It is at least wt%, preferably 50 to 90 wt%, more preferably 60 to 80 wt%. Within the above range, the proportion of the β-sialon phase in the produced sialon-based sintered body increases as the blending proportion of the silicon nitride powder increases. When the blending ratio of the α-silicon nitride powder exceeds 90% by weight, the sinterability of the mixture is lowered and the densification of the sintered body does not proceed.

また、本発明においては、前記α−窒化珪素粉末が、さ
らにアルミニウム又は変性用希土類元素REを成分として
含んでもよい。この場合も、アルミニウム又は変性用希
土類元素REが、α−窒化珪素粉末の粒子内部又は表面に
存在してもよいし、アルミニウム又は変性用希土類元素
REの酸化物、窒化物、酸窒化物等の粉末を混合してもよ
い。また、主要金属成分以外の金属不純物の含有量が0.
1重量%以下であることが好ましい。
Further, in the present invention, the α-silicon nitride powder may further contain aluminum or a modifying rare earth element RE as a component. Also in this case, aluminum or the modifying rare earth element RE may be present inside or on the surface of the particles of the α-silicon nitride powder, or aluminum or the modifying rare earth element.
Powders such as RE oxides, nitrides, and oxynitrides may be mixed. In addition, the content of metal impurities other than the main metal components is 0.
It is preferably 1% by weight or less.

さらに、必要に応じて、前記原料混合粉末に、10重量%
以下の窒化ハフニウム粉末及び/又は窒化ジルコニウム
粉末を添加することもできる。例えば、本発明のサイア
ロン基焼結体中のM′Nvの微結晶は、焼結過程におい
て、前記原料混合粉末中の酸化ハフニウム及び/又は酸
化ジルコニウムが、雰囲気中の窒素ガスと反応して、還
元窒化されることにより生成するので、予め窒化ハフニ
ウム粉末及び/又は窒化ジルコニウムを添加しておくこ
とにより、M′Nvの微結晶の生成割合を増加させること
ができる。
Furthermore, if necessary, 10% by weight may be added to the raw material mixed powder.
The following hafnium nitride powder and / or zirconium nitride powder can also be added. For example, the M'Nv crystallites in the sialon-based sintered body of the present invention are obtained by reacting hafnium oxide and / or zirconium oxide in the raw material mixed powder with nitrogen gas in the atmosphere during the sintering process. Since it is generated by reduction nitriding, it is possible to increase the generation ratio of M′Nv microcrystals by adding hafnium nitride powder and / or zirconium nitride in advance.

前記原料混合粉末の調製方法については特に制限はな
く、それ自体公知の方法、例えば、個々の原料粉末を乾
式混合する方法、不活性液体中で湿式混合した後、不活
性液体を除去する方法等を適宜採用することができる。
混合装置としてはV型混合機、ボールミル、振動ミル等
が便利に使用される。
The method for preparing the raw material mixed powder is not particularly limited, and a method known per se, for example, a method of dry mixing individual raw material powders, a method of wet mixing in an inert liquid, and then removing the inert liquid, etc. Can be appropriately adopted.
A V-type mixer, a ball mill, a vibration mill or the like is conveniently used as the mixing device.

原料混合粉末の加熱焼結は、例えば、混合粉末をそのま
ま乾式あるいは湿式で所定の形状に成形し、湿式で成形
した場合は乾燥処理を行った後に、常圧又は加圧した窒
素含有非酸化性ガス雰囲気下で焼結する方法、原料粉末
を所定の形状のダイスに充填し、ホットプレスする方法
等を採用することができる。また、上記方法で得られた
焼結体をさらに熱間静水圧プレスすることにより、焼結
体の物理的特性を一層高めることもできる。
The heat-sintering of the raw material mixed powder is performed by, for example, molding the mixed powder as it is into a predetermined shape by a dry method or a wet method. A method of sintering in a gas atmosphere, a method of filling raw material powder into a die having a predetermined shape and hot pressing, and the like can be adopted. Further, the physical properties of the sintered body can be further enhanced by further hot isostatic pressing of the sintered body obtained by the above method.

常圧又は雰囲気加圧焼結に先立つ混合粉末の成形は、公
知の方法、例えばラバープレス法、一軸成形法、鋳込成
形法、射出成形法、爆発圧縮成形法等によって行うこと
ができる。
Molding of the mixed powder prior to the atmospheric pressure or atmospheric pressure sintering can be performed by a known method, for example, a rubber pressing method, a uniaxial molding method, a casting molding method, an injection molding method, an explosive compression molding method, or the like.

焼結温度は通常1600〜2100℃であり、焼結時間は通常0.
5〜10時間である。焼結温度が過度に低いと焼結が進行
せず、また焼結温度が過度に高いと、焼結体に熱分解に
よる組成変化が生じるようになる。
Sintering temperature is usually 1600 ~ 2100 ℃, sintering time is usually 0.
5-10 hours. If the sintering temperature is excessively low, the sintering will not proceed, and if the sintering temperature is excessively high, the composition of the sintered body will change due to thermal decomposition.

前記方法により、REα−サイアロンとα−窒化珪素との
反応によって生成すると考えられるβ−サイアロンの結
晶、Al、Siを含有する複合酸窒化物のAlNポリタイプ結
晶、REを含む結晶相及び/又はガラス相、及び粒界で結
晶化した蛍石型結晶構造のRE2M2-uO7-2uの微粒結晶及び
食塩型結晶構造のM′Nvの微粒結晶が、原料のREα−サ
イアロンの組成より式〔III〕のxが若干低いREα−サ
イアロンの結晶と共に存在するサイアロン基焼結体が得
られる。
According to the method, a crystal of β-sialon believed to be produced by the reaction of RE α-sialon and α-silicon nitride, Al, an AlN polytype crystal of a composite oxynitride containing Si, a crystalline phase containing RE and / or RE 2 M 2- uO 7-2 u having a fluorite crystal structure crystallized at the glass phase and grain boundaries, and M′Nv having a salt crystal structure, are composed of RE α-sialon as a raw material. As a result, a sialon-based sintered body can be obtained which is present together with REα-sialon crystals in which x in the formula [III] is slightly lower.

特に、サイアロン基焼結体の粒界に耐熱性の高い結晶相
又はガラス相を形成させる為には、焼結条件下におい
て、これらの耐熱性粒界相と共存しうるAl、Siを含有す
る複合酸窒化物のAlNポリタイプ結晶の析出が不可欠で
ある。従って、例えば、原料のREα−サイアロン粉末と
して過剰酸素量が5重量%以下のものを用いる方法、窒
化アルミニウム粉末を添加する方法、焼結雰囲気の窒素
ガス圧力を高くする方法等により、AlNポリタイプ結晶
の析出を促進することが望ましい。
In particular, in order to form a crystal phase or a glass phase having high heat resistance at the grain boundaries of the sialon-based sintered body, under sintering conditions, Al and Si which can coexist with these heat resistant grain boundary phases are contained. Precipitation of AlN polytype crystals of complex oxynitride is essential. Therefore, for example, by using a raw REα-sialon powder having an excess oxygen content of 5% by weight or less, adding aluminum nitride powder, or increasing the nitrogen gas pressure in the sintering atmosphere, the AlN polytype It is desirable to promote the precipitation of crystals.

(発明の効果) 本発明で得られるサイアロン基焼結体は、従来のサイア
ロン基焼結体に比較して、高温強度、破壊靭性等の機械
的特性はもちろんのこと、特に耐酸化性が著しく向上し
ているので、信頼性の高い構造材料、特にガスタービン
エンジン用のローター、ステーター、燃焼器などの耐熱
部品として好適に使用することができる。
(Effects of the Invention) The sialon-based sintered body obtained by the present invention has not only mechanical properties such as high-temperature strength and fracture toughness, but particularly remarkable oxidation resistance, as compared with the conventional sialon-based sintered body. Since it is improved, it can be suitably used as a highly reliable structural material, particularly as a heat-resistant component such as a rotor, a stator, and a combustor for a gas turbine engine.

(実施例) 以下に実施例及び比較例を示す。(Example) An example and a comparative example are shown below.

実施例1〜15及び比較例1〜7 第1表に示す配合割合の非晶質窒化珪素粉末、希土類酸
化物(RE2O3)粉末及び金属Al粉末を、窒素ガス雰囲気
下に振動ミルで1時間混合した。混合粉末をカーボン製
ルツボに充填して抵抗加熱式高温炉内にセットし、窒素
ガス雰囲気下、室温から1200℃迄を1時間、1200℃から
1400℃迄を4時間、さらに1400℃から1600℃迄を2時間
の昇温スケジュールで加熱することにより結晶化させ、
REα−サイアロン粉末を得た。得られたREα−サイアロ
ン粉末の特性を第1表に示す。
Examples 1 to 15 and Comparative Examples 1 to 7 Amorphous silicon nitride powder, rare earth oxide (RE 2 O 3 ) powder and metallic Al powder having the compounding ratios shown in Table 1 were oscillated under a nitrogen gas atmosphere with a vibration mill. Mix for 1 hour. Fill the carbon crucible with the mixed powder, set it in a resistance heating type high temperature furnace, and from room temperature to 1200 ° C for 1 hour from 1200 ° C in a nitrogen gas atmosphere.
Crystallize by heating up to 1400 ° C for 4 hours, and further from 1400 ° C to 1600 ° C for 2 hours on a heating schedule.
REα-sialon powder was obtained. The properties of the obtained RE α-sialon powder are shown in Table 1.

以上のようにして合成したREα−サイアロン粉末、 比表面積 :11.5m2/g 粒子形状 :等軸結晶 生成相 :α相>95% 酸素含有量:1.3重量% 金属不純物:<500ppm という特性を有するα−窒化珪素粉末(宇部興産(株)
製)、酸化ハフニウム粉末、酸化ジルコニウム粉末、窒
化ハフニウム粉末及び窒化ジルコニウム粉末(いずれも
ヘルマン・シー・スタルク(株)製)を、第2表及び第
3表に示す配合割合で、媒体としてエタノールを用い、
48時間湿式ボールミリングした後、80℃で真空乾燥し
た。得られた原料粉末150gを、表面を窒化硼素で被覆し
た内径100mmの黒鉛製ダイスに充填し、ホットプレス焼
結装置にセットした後、250kg/cm2の加圧下に室温から1
750℃まで200℃/時で昇温し、同温度に1時間保持し
た。
REα-sialon powder synthesized as above, specific surface area: 11.5m 2 / g Particle shape: equiaxed crystal Producing phase: α phase> 95% Oxygen content: 1.3% by weight Metal impurities: <500ppm α-silicon nitride powder (Ube Industries, Ltd.)
), Hafnium oxide powder, zirconium oxide powder, hafnium nitride powder, and zirconium nitride powder (all manufactured by Hermann C. Starck Co., Ltd.) at a blending ratio shown in Tables 2 and 3, and ethanol as a medium. Used,
After wet ball milling for 48 hours, it was vacuum dried at 80 ° C. 150 g of the obtained raw material powder was filled in a graphite die having an inner diameter of 100 mm whose surface was coated with boron nitride, and set in a hot press sintering device, and then from room temperature under a pressure of 250 kg / cm 2.
The temperature was raised to 750 ° C. at 200 ° C./hour and maintained at the same temperature for 1 hour.

得られた焼結体の嵩密度及び生成相の割合を測定した結
果を、第2表及び第3表に示す。なお、生成相の割合
は、X線回折ピーク強度により算出した。第1図に実施
例5で得られた焼結体のX線回折チャートを示す。
The results of measuring the bulk density and the ratio of the produced phase of the obtained sintered body are shown in Tables 2 and 3. The ratio of the generated phase was calculated from the X-ray diffraction peak intensity. FIG. 1 shows an X-ray diffraction chart of the sintered body obtained in Example 5.

また、作成した焼結体から3×4×40mmのテストピース
100本を切り出し、これを外スパン30mm、内スパン10mm
の4点曲げ試験治具にセットして、室温及び1400℃にお
ける曲げ強度を測定した。破壊靭性値K1cは、SEPB法に
よりを測定した。また、得られた焼結体の耐酸化性試験
として、テストピースを空気中1350℃にて100時間加熱
処理し、酸化による重量増加、及び酸化後の室温におけ
る曲げ強度を測定した。これらの結果を、第2表及び第
3表に示す、 なお、室温強度値(サンプル数50本)についてワイブル
係数を算出した所、実施例1〜15では、いづれも20〜30
であり、比較例1〜7では、6〜10であった。
Also, a test piece of 3 x 4 x 40 mm from the created sintered body
Cut out 100 pieces and use 30 mm for outer span and 10 mm for inner span
Then, the bending strength was measured at room temperature and 1400 ° C. The fracture toughness value K 1 c was measured by the SEPB method. Further, as an oxidation resistance test of the obtained sintered body, a test piece was heat-treated in air at 1350 ° C. for 100 hours to measure the weight increase due to oxidation and the bending strength at room temperature after oxidation. These results are shown in Tables 2 and 3. When the Weibull coefficient was calculated for the room temperature strength value (the number of samples: 50), in Examples 1 to 15, all 20 to 30 were obtained.
And in Comparative Examples 1 to 7, it was 6 to 10.

実施例16〜30及び比較例8〜15 実施例1〜15で使用したREα−サイアロン粉末、α−窒
化珪素粉末、酸化ハフニウム粉末、酸化ジルコニウム粉
末及び窒化アルミニウム粉末を、第4表及び第5表に示
す配合割合で、媒体としてエタノールを用い、48時間湿
式ボールミリングした後、80℃で真空乾燥した。
Examples 16 to 30 and Comparative Examples 8 to 15 RE α-sialon powder, α-silicon nitride powder, hafnium oxide powder, zirconium oxide powder and aluminum nitride powder used in Examples 1 to 15 are shown in Tables 4 and 5. Ethanol was used as a medium at the blending ratio shown in (1), and wet ball milling was performed for 48 hours, followed by vacuum drying at 80 ° C.

粉末混合物を、断面が50×80mm角の金型を用いて、矩形
状に予備成形した後、圧力1.5ton/cm2でラバープレスし
た。得られた成形体を、電気炉を用いて、第4表及び第
5表に記載の温度−窒素ガス圧力条件下に昇温し、同温
度に2時間保持して、常圧焼結又は雰囲気加圧焼結を行
った。
The powder mixture was preformed into a rectangular shape using a die having a cross section of 50 × 80 mm and then rubber-pressed at a pressure of 1.5 ton / cm 2 . Using the electric furnace, the obtained molded body was heated under the temperature-nitrogen gas pressure conditions shown in Tables 4 and 5 and kept at the same temperature for 2 hours to carry out atmospheric pressure sintering or atmosphere. Pressure sintering was performed.

得られた焼結体の各種特性を、実施例1と同様にして測
定した。その結果を、第4表および第5表に示す。な
お、室温強度値(サンプル数50本)についてワイブル係
数を算出した所、実施例16〜30では、いづれも18〜28で
あり、比較例8〜15では、6〜10であった。
Various characteristics of the obtained sintered body were measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 4 and 5. In addition, when the Weibull coefficient was calculated for the room temperature strength value (50 samples), it was 18 to 28 in Examples 16 to 30 and 6 to 10 in Comparative Examples 8 to 15.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は、本発明の実施例5で得られた焼結体のX線回
折図である。
FIG. 1 is an X-ray diffraction diagram of the sintered body obtained in Example 5 of the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 神徳 泰彦 山口県宇部市大字小串1978番地の5 宇部 興産株式会社宇部研究所内 審査官 柳 和子 (56)参考文献 特開 昭59−199579(JP,A) 特開 平3−208866(JP,A) 特開 平3−290373(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Yasuhiko Shintoku 5 1978 Kogushi, Ube City, Yamaguchi Prefecture 5 750, Ube Institute of Industrial Research, Ube Research Co., Ltd. Kazuko Yanagi (56) References JP-A-59-199579 ) JP-A-3-208866 (JP, A) JP-A-3-290373 (JP, A)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】蛍石型結晶構造のRE2M2-uO7-2uの微結晶
(式中、REはHo,Er,Tm,Yb及びLuの中から選ばれた希土
類元素、MはHf及び/又はZrを示し、uは−1<u<1
を満足する数である。)、 食塩型結晶構造のM′Nvの微結晶 (式中、M′はHf及び/又はZrを示し、vは0.7≦v≦
1.2を満足する数である。)、 式 REx(Si,Al)12(O,N)16 (式中、REはHo,Er,Tm,Yb及びLuの中から選ばれた変性
用希土類元素を示し、xは0<x≦1を満足する数であ
る。) で表わされるREα−サイアロンの結晶、 式 Si6-zAlzOzN8-z (式中、zは0<z≦4.2を満足する数である。) で表わされるβ−サイアロンの結晶、 Al、Siを含有する複合酸窒化物のAlNポリタイプ結晶、 及びREを含む前記以外の結晶相及び/又はガラス相から
構成されてなる高強度サイアロン基焼結体。
1. A microcrystal of RE 2 M 2- uO 7-2 u having a fluorite crystal structure (wherein RE is a rare earth element selected from Ho, Er, Tm, Yb and Lu, and M is Hf and / or Zr, u is -1 <u <1
Is a number that satisfies. ), A microcrystal of M'Nv having a salt-type crystal structure (wherein M'represents Hf and / or Zr, and v is 0.7≤v≤
It is a number that satisfies 1.2. ), The formula REx (Si, Al) 12 (O, N) 16 (where RE is a rare earth element for modification selected from Ho, Er, Tm, Yb and Lu, and x is 0 <x ≦ A crystal of RE α-sialon represented by the formula: Si 6- zAlzOzN 8- z (wherein z is a number satisfying 0 <z ≦ 4.2) A high-strength sialon-based sintered body comprising a sialon crystal, an AlN polytype crystal of a composite oxynitride containing Al and Si, and a crystal phase and / or a glass phase other than the above containing RE.
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