JPH0733289B2 - 高靭性窒化珪素焼結体 - Google Patents
高靭性窒化珪素焼結体Info
- Publication number
- JPH0733289B2 JPH0733289B2 JP61267286A JP26728686A JPH0733289B2 JP H0733289 B2 JPH0733289 B2 JP H0733289B2 JP 61267286 A JP61267286 A JP 61267286A JP 26728686 A JP26728686 A JP 26728686A JP H0733289 B2 JPH0733289 B2 JP H0733289B2
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- Japan
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- silicon nitride
- zirconia
- sintered body
- nitride sintered
- surface layer
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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、高靱性で高温強度に優れた窒化珪素焼結体に
関する。
関する。
本発明の焼結体は、タービンホィールのような内燃機関
の部品として利用できる。
の部品として利用できる。
［従来の技術］ セラミック材料の強度は、室温でも金属材料に匹敵する
ものが得られているが、靱性が低くもろく割れやすいこ
とが使用上問題となっている。靱性向上化法として、セ
ラミック粒子、セラミック繊維ウイスカー等をマトリッ
クスに分散した複合材料が提案されている。また「セラ
ミックス」21巻７号813〜819頁（1986年）には、高強
度、高靱性のAl2O3−ZrO2（Y2O3）複合セラミックスが
開示されている。これは、高温安定相である正方晶ジル
コニアを室温で準安定保持した部分安定化ジルコニアを
マトリックスに分散させて高靱性を得るものである。
ものが得られているが、靱性が低くもろく割れやすいこ
とが使用上問題となっている。靱性向上化法として、セ
ラミック粒子、セラミック繊維ウイスカー等をマトリッ
クスに分散した複合材料が提案されている。また「セラ
ミックス」21巻７号813〜819頁（1986年）には、高強
度、高靱性のAl2O3−ZrO2（Y2O3）複合セラミックスが
開示されている。これは、高温安定相である正方晶ジル
コニアを室温で準安定保持した部分安定化ジルコニアを
マトリックスに分散させて高靱性を得るものである。
［発明が解決しようとする問題点］ 窒化珪素焼結体は、高温強度は高いが靱性が悪いため外
部応力により表面に一定長さ以上の亀裂が出来ると一気
に破壊にいたるという欠点を有している。タービンホィ
ールのように、排ガス中の異物により亀裂が入る恐れの
ある部品に窒化珪素焼結体を用いる場合には、靱性の向
上を計る必要がある。本発明は容易な手段により高靱性
の窒化珪素焼結体を提供することにある。
部応力により表面に一定長さ以上の亀裂が出来ると一気
に破壊にいたるという欠点を有している。タービンホィ
ールのように、排ガス中の異物により亀裂が入る恐れの
ある部品に窒化珪素焼結体を用いる場合には、靱性の向
上を計る必要がある。本発明は容易な手段により高靱性
の窒化珪素焼結体を提供することにある。
［問題点を解決するための手段］ 本発明に係る窒化珪素焼結体は、少なくとも一部の表層
部に部分安定化ジルコニアが分散した窒化珪素焼結体か
らなる強化表層部をもち、該強化表層部を除く他の部分
は部分安定化ジルコニアが分散していない窒化珪素焼結
体からなることを特徴とする。
部に部分安定化ジルコニアが分散した窒化珪素焼結体か
らなる強化表層部をもち、該強化表層部を除く他の部分
は部分安定化ジルコニアが分散していない窒化珪素焼結
体からなることを特徴とする。
該強化表層部は、５〜20wt％の部分安定化ジルコニアと
80〜95wt％の窒化珪素とからなる。該部分安定化ジルコ
ニアは、窒化珪素の焼成温度によりジルコニアが立方晶
ジルコニアとなり、再加熱により形成される準安定な正
方晶ジルコニアを含有する。この際ジルコニア特に正方
晶の安定化剤でありかつ窒化珪素の焼結助剤となるY
2O3、CaO、MgO、La2O3、CeO2を少なくとも１種添加し、
室温下での正方晶ジルコニアを安定状態で保持する。該
安定剤の添加量は、窒化珪素を焼成する温度の1500〜18
00℃でジルコニアが立方晶相となり、再加熱（1100〜15
00℃）により準安定な正方晶が析出するに必要な量（ジ
ルコニアに対し15モル％以下）使用する。すなわち第１
図に示す相平衡状態図にもとづいて（助剤ごとに）使用
量を決める。部分安定化ジルコニアの量は、第２図のグ
ラフにもとづき5wt％以上で20wt％以下であることが適
当である。
80〜95wt％の窒化珪素とからなる。該部分安定化ジルコ
ニアは、窒化珪素の焼成温度によりジルコニアが立方晶
ジルコニアとなり、再加熱により形成される準安定な正
方晶ジルコニアを含有する。この際ジルコニア特に正方
晶の安定化剤でありかつ窒化珪素の焼結助剤となるY
2O3、CaO、MgO、La2O3、CeO2を少なくとも１種添加し、
室温下での正方晶ジルコニアを安定状態で保持する。該
安定剤の添加量は、窒化珪素を焼成する温度の1500〜18
00℃でジルコニアが立方晶相となり、再加熱（1100〜15
00℃）により準安定な正方晶が析出するに必要な量（ジ
ルコニアに対し15モル％以下）使用する。すなわち第１
図に示す相平衡状態図にもとづいて（助剤ごとに）使用
量を決める。部分安定化ジルコニアの量は、第２図のグ
ラフにもとづき5wt％以上で20wt％以下であることが適
当である。
部分安定化ジルコニア中に含まれる正方晶ジルコニアの
量は、第３図のグラフにもとづき体積比0.2以上好まし
くは0.4〜0.8である。
量は、第３図のグラフにもとづき体積比0.2以上好まし
くは0.4〜0.8である。
該表層部の厚みは第４図に示すグラフにより50〜500μ
ｍが適当である。
ｍが適当である。
該内層部を形成する窒化珪素は、窒化珪素を主成分とし
上記の焼結助剤を添加して使用する。
上記の焼結助剤を添加して使用する。
該窒化珪素焼結体を製造するには、泥漿法により必要組
成の泥漿を用い鋳型に500μｍ以下の厚さに着肉させた
後、排泥し、ついで内層部を形成する窒化珪素の泥漿を
注入して成形体を形成させ、本発明の強化表層構造の窒
化珪素の成形体を得る。該成形体を所定温度で焼成した
のち、再加熱することにより表層部に正方晶ジルコニア
を含有する部分安定化ジルコニアを有する窒化珪素焼結
体が得られる。
成の泥漿を用い鋳型に500μｍ以下の厚さに着肉させた
後、排泥し、ついで内層部を形成する窒化珪素の泥漿を
注入して成形体を形成させ、本発明の強化表層構造の窒
化珪素の成形体を得る。該成形体を所定温度で焼成した
のち、再加熱することにより表層部に正方晶ジルコニア
を含有する部分安定化ジルコニアを有する窒化珪素焼結
体が得られる。
［作用］ 窒化珪素焼結体においては、表面に発生する一定長さ以
上の亀裂は一気に内部まで進行して破壊にいたる。本発
明の強化表層構造の窒化珪素焼結体では、表層に存在す
る正方晶ジルコニアが破壊エネルギ−を吸収して、低温
安定相の単斜晶相にマルテンサイト型の相転を起し破壊
応力を吸収緩和するため、一定長さ以上の亀裂の成長が
阻止され焼結体の靭性が一段と向上する。
上の亀裂は一気に内部まで進行して破壊にいたる。本発
明の強化表層構造の窒化珪素焼結体では、表層に存在す
る正方晶ジルコニアが破壊エネルギ−を吸収して、低温
安定相の単斜晶相にマルテンサイト型の相転を起し破壊
応力を吸収緩和するため、一定長さ以上の亀裂の成長が
阻止され焼結体の靭性が一段と向上する。
［実施例］ （実施例１） 試験片による評価 窒化珪素90wt％に10wt％のジルコニアと酸化マグネシウ
ムは第１図に示す相平衡状態図に基づきZrO2:MgO＝90:1
0（mol％）の配合比で混合した原料を表層部（Ｉ）と
し、窒化珪素92wt％に4wt％酸化イットリウム（Y2O3）
と4wt％のアルミナ（Al2O3）を混合した原料を内層部
（II）とした。第５図に示す試験片に於いて、曲げ強さ
試験において引張り応力が働く面が表層部（Ｉ）になる
ようにして金型でプレス成形を行った。この成形体を17
50℃で９気圧の窒素加圧雰囲気で５時間焼成し窒化珪素
を焼結させるとともにジルコニアを安定な立方晶ジルコ
ニアとした。次に、この焼結体を1500℃で３気圧の窒素
加圧雰囲気下で５時間再加熱し表層粒界に正方晶ジルコ
ニアが存在する部分安定化ジルコニアを析出させた。
ムは第１図に示す相平衡状態図に基づきZrO2:MgO＝90:1
0（mol％）の配合比で混合した原料を表層部（Ｉ）と
し、窒化珪素92wt％に4wt％酸化イットリウム（Y2O3）
と4wt％のアルミナ（Al2O3）を混合した原料を内層部
（II）とした。第５図に示す試験片に於いて、曲げ強さ
試験において引張り応力が働く面が表層部（Ｉ）になる
ようにして金型でプレス成形を行った。この成形体を17
50℃で９気圧の窒素加圧雰囲気で５時間焼成し窒化珪素
を焼結させるとともにジルコニアを安定な立方晶ジルコ
ニアとした。次に、この焼結体を1500℃で３気圧の窒素
加圧雰囲気下で５時間再加熱し表層粒界に正方晶ジルコ
ニアが存在する部分安定化ジルコニアを析出させた。
この方法によりジルコニアの含有する層の厚さが異なる
試験片をJIS−R1601に準じて作成した。第２図、第４図
に４点曲げ強度（室温および800℃）と破壊靱性値（Ki
c）とジルコニア含有層および強化表層の厚さとの関係
のグラフを示す。第２図は、強化表層部中の部分安定化
ジルコニアの添加量と、曲げ強度と破壊靱性値の関係の
グラフが示してあり、ジルコニアの添加量が増加するに
したがい特に800℃の強度が25％より低下する。破壊靱
性値は低下しないため部分安定化ジルコニアの量は５〜
20wt％が好ましい。第４図のグラフで示す如く表層部の
厚さが増すにつれて曲げ強度が低下する傾向を示し特に
800℃での高温強度は、ジルコニア含有層が1mmになると
著しく低下するため含有層の厚みは500μｍ以下である
ことが必要である。一方破壊靱性値（Kic）はジルコニ
ア含有量が50μｍ以上から著しく向上し500μｍになる
と8MPam1/2に達した。よって、ジルコニア含有層の厚み
は50〜500μｍの範囲にあることが必要である。ここで
ジルコニア含有層の厚みは、Ｘ線マイクロアナライザー
（EPMA）の元素分析により調べた。第３図は、部分安定
化ジルコニア中の正方晶ジルコニアの体積比と曲げ強度
および破壊靱性値との関係のグラフが示してあり、正方
晶の体積比が0.2以上で靱性値が向上し0.4〜0.8が靱性
値曲げ強度とも良い値を示すため0.4〜0.8の範囲が望ま
しい。正方晶ジルコニアは透過型電顕、Ｘ線回折により
確認した。
試験片をJIS−R1601に準じて作成した。第２図、第４図
に４点曲げ強度（室温および800℃）と破壊靱性値（Ki
c）とジルコニア含有層および強化表層の厚さとの関係
のグラフを示す。第２図は、強化表層部中の部分安定化
ジルコニアの添加量と、曲げ強度と破壊靱性値の関係の
グラフが示してあり、ジルコニアの添加量が増加するに
したがい特に800℃の強度が25％より低下する。破壊靱
性値は低下しないため部分安定化ジルコニアの量は５〜
20wt％が好ましい。第４図のグラフで示す如く表層部の
厚さが増すにつれて曲げ強度が低下する傾向を示し特に
800℃での高温強度は、ジルコニア含有層が1mmになると
著しく低下するため含有層の厚みは500μｍ以下である
ことが必要である。一方破壊靱性値（Kic）はジルコニ
ア含有量が50μｍ以上から著しく向上し500μｍになる
と8MPam1/2に達した。よって、ジルコニア含有層の厚み
は50〜500μｍの範囲にあることが必要である。ここで
ジルコニア含有層の厚みは、Ｘ線マイクロアナライザー
（EPMA）の元素分析により調べた。第３図は、部分安定
化ジルコニア中の正方晶ジルコニアの体積比と曲げ強度
および破壊靱性値との関係のグラフが示してあり、正方
晶の体積比が0.2以上で靱性値が向上し0.4〜0.8が靱性
値曲げ強度とも良い値を示すため0.4〜0.8の範囲が望ま
しい。正方晶ジルコニアは透過型電顕、Ｘ線回折により
確認した。
実施例２ 実施例１と同じ組成の原料を用い、第６図に示す鋳型を
用いてスリップキャスト法によりタービンホィールを成
形した。先ずジルコニアを含有する原料（Ｉ）100重量
部と解膠剤１重量部とバインダー１重量部に水70重量部
を加えて混合調整した泥漿を用い排泥法により鋳型に30
0μｍの厚さに着肉させて表層部を形成させた。次にジ
ルコニアを含有しない原料（II）100重量部、解膠剤１
重量部、バインダー１重量部および水70重量部とからな
る泥漿を調整し前記の表層部を形成した鋳型に注入して
通常のスリップキャスト法により成形した。成形体を離
型、乾燥後1750℃の温度で９気圧の窒素加圧下の雰囲気
で５時間焼成し、冷却した後、1500℃の温度で３気圧の
窒素加圧下の雰囲気で５時間再加熱し正方晶ジルコニア
の形成を行った。得られた窒化珪素焼結体は、表層部の
粒界に正方晶ジルコニアを含有する部分安定化ジルコニ
アが存在しており、回転試験の結果、翼欠け、破損等の
破壊は認められなかった。
用いてスリップキャスト法によりタービンホィールを成
形した。先ずジルコニアを含有する原料（Ｉ）100重量
部と解膠剤１重量部とバインダー１重量部に水70重量部
を加えて混合調整した泥漿を用い排泥法により鋳型に30
0μｍの厚さに着肉させて表層部を形成させた。次にジ
ルコニアを含有しない原料（II）100重量部、解膠剤１
重量部、バインダー１重量部および水70重量部とからな
る泥漿を調整し前記の表層部を形成した鋳型に注入して
通常のスリップキャスト法により成形した。成形体を離
型、乾燥後1750℃の温度で９気圧の窒素加圧下の雰囲気
で５時間焼成し、冷却した後、1500℃の温度で３気圧の
窒素加圧下の雰囲気で５時間再加熱し正方晶ジルコニア
の形成を行った。得られた窒化珪素焼結体は、表層部の
粒界に正方晶ジルコニアを含有する部分安定化ジルコニ
アが存在しており、回転試験の結果、翼欠け、破損等の
破壊は認められなかった。
［効果］ 本発明の窒化珪素焼結体は、表層部（50〜500μｍ）の
粒界中に正方晶ジルコニアが存在するため外部応力によ
り表面に発生する亀裂の進行を正方晶ジルコニアが単斜
晶相へのマルテンサイト変態の相転を起して破壊エネル
ギーを吸収する。その結果、一定長さ以上の亀裂の成長
が阻止されて靱性が向上する。従って内部全体での補強
法、例えばウイスカー、粒子等による複合化に比べて亀
裂の発生部位に補強部が存在し発生部位で亀裂の進行を
阻止するため少量の効果が発揮できる。よって表層部に
正方晶ジルコニアの含有層を設けたことにより靱性向上
が格段に向上しさらに高温強度の低下しない窒化珪素焼
結体となる。
粒界中に正方晶ジルコニアが存在するため外部応力によ
り表面に発生する亀裂の進行を正方晶ジルコニアが単斜
晶相へのマルテンサイト変態の相転を起して破壊エネル
ギーを吸収する。その結果、一定長さ以上の亀裂の成長
が阻止されて靱性が向上する。従って内部全体での補強
法、例えばウイスカー、粒子等による複合化に比べて亀
裂の発生部位に補強部が存在し発生部位で亀裂の進行を
阻止するため少量の効果が発揮できる。よって表層部に
正方晶ジルコニアの含有層を設けたことにより靱性向上
が格段に向上しさらに高温強度の低下しない窒化珪素焼
結体となる。
第１図はジルコニアと酸化マグネシウムの相平衡状態図
であり、第２図は表層部のジルコニア添加量と破壊強度
および４点曲げ強度との関係を示すグラフであり、第３
図は表層部の添加ジルコニア中の正方晶の体積比と破壊
強度および４点曲げ強度との関係を示すグラフであり、
第４図はジルコニア層の厚さと破壊強度および４点曲げ
強度との関係を示すグラフであり、第５図は実施例１の
テストピースの断面図であり、第６図は実施例２で使用
する鋳型の断面模式図である。 １……強化表層、２……窒化珪素内層部
であり、第２図は表層部のジルコニア添加量と破壊強度
および４点曲げ強度との関係を示すグラフであり、第３
図は表層部の添加ジルコニア中の正方晶の体積比と破壊
強度および４点曲げ強度との関係を示すグラフであり、
第４図はジルコニア層の厚さと破壊強度および４点曲げ
強度との関係を示すグラフであり、第５図は実施例１の
テストピースの断面図であり、第６図は実施例２で使用
する鋳型の断面模式図である。 １……強化表層、２……窒化珪素内層部
Claims (5)
- 【請求項１】少なくとも一部の表層部に部分安定化ジル
コニアが分散した窒化珪素焼結体からなる強化表層部を
もち、該強化表層部を除く他の部分は部分安定化ジルコ
ニアが分散していない窒化珪素焼結体からなることを特
徴とする高靱性窒化珪素焼結体。 - 【請求項２】強化表層部は部分安定化ジルコニア５〜20
wt％と窒化珪素80〜95wt％とからなる特許請求の範囲第
１項記載の高靱性窒化珪素焼結体。 - 【請求項３】部分安定化ジルコニアに含まれる正方晶ジ
ルコニアは体積比で0.2以上である特許請求の範囲第１
項記載の高靱性窒化珪素焼結体。 - 【請求項４】部分安定化ジルコニアに含まれる正方晶ジ
ルコニアは体積比で0.4〜0.8である特許請求の範囲第１
項記載の高靱性窒化珪素焼結体。 - 【請求項５】部分安定化ジルコニアを含有する強化表層
部の厚みは50〜500μｍである特許請求の範囲第１項記
載の高靱性窒化珪素焼結体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61267286A JPH0733289B2 (ja) | 1986-11-10 | 1986-11-10 | 高靭性窒化珪素焼結体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61267286A JPH0733289B2 (ja) | 1986-11-10 | 1986-11-10 | 高靭性窒化珪素焼結体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63123869A JPS63123869A (ja) | 1988-05-27 |
| JPH0733289B2 true JPH0733289B2 (ja) | 1995-04-12 |
Family
ID=17442718
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61267286A Expired - Lifetime JPH0733289B2 (ja) | 1986-11-10 | 1986-11-10 | 高靭性窒化珪素焼結体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0733289B2 (ja) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6077174A (ja) * | 1983-10-01 | 1985-05-01 | 株式会社クボタ | 窒化けい素焼結体の製造法 |
| JPH066512B2 (ja) * | 1985-07-31 | 1994-01-26 | 株式会社ノリタケカンパニ−リミテド | 高靭性窒化ケイ素焼結体及びその製造方法 |
| JPS62108771A (ja) * | 1985-11-08 | 1987-05-20 | 住友金属工業株式会社 | 高靭性Ｓｉ↓３Ｎ↓４焼結体およびその製造方法 |
-
1986
- 1986-11-10 JP JP61267286A patent/JPH0733289B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63123869A (ja) | 1988-05-27 |
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