JPH08319168A - サイアロンセラミックスの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高温強度が維持でき、破壊靱性も低下せず、
しかも複雑な形状のサイアロンセラミックスを製造する
方法を提供すること。 【構成】 サイアロン質粉末に焼結助剤を添加、混合し
てスラリーを作製し、そのスラリーから作られた成形体
を焼結するサイアロンセラミックスの製造方法におい
て、該スラリーが、９〜１１ｍ²／ｇの比表面積を有す
る原料を１２〜１４ｍ²／ｇまで混合粉砕したスラリー
とし、該焼結が、１７００〜１８００℃の温度で常圧焼
結した後、常圧焼結温度より０〜１００℃低い温度でＨ
ＩＰ処理することとしたサイアロンセラミックスの製造
方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、サイアロンセラミック
スの製造方法に関し、特に破壊靱性に優れたサイアロン
セラミックスの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】サイアロンセラミックスは、高強度であ
り、耐酸化性、耐熱衝撃性、耐食性、耐摩耗性等に優れ
ていることから、ガスタービンをはじめとする高温高負
荷条件で用いられる部品に適した材料として有望視され
ている。このサイアロンセラミックスは、一般にβ´−
サイアロン粉末単独、あるいは窒化珪素、窒化アルミニ
ウム及びアルミナの混合粉末などのサイアロン質粉末を
主原料とし、この主原料だけでは焼結することが難しい
ため、焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃やＭｇＯなどを添加して焼
結する方法で製造されている。

【０００３】このようにして製造されたサイアロンセラ
ミックスは、高温高負荷条件での特性に優れているもの
の、破壊靱性が低いという問題があった。そのため、Ｓ
ｉＣウィスカー（ＳｉＣｗ）を１０〜３０体積％添加し
複合化して破壊靱性を向上させる製造方法が採られてい
る。

【発明が解決しようとする課題】

【０００４】しかしながら、この方法は、ＳｉＣｗが緻
密化に寄与せず逆に焼結を阻害する源となるため、ホッ
トプレスやカプセルＨＩＰなどの加圧焼結によって緻密
化を図る必要があった。そのため、加圧焼結が不可欠と
なることから、焼結できる形状が簡単なものに限られて
しまうことと、さらに、焼結体中のＳｉＣｗの量が増す
に従い破壊靱性は高くなるがサイアロンセラミックスの
特徴である高い高温強度が低下してしまうという問題が
あった。

【０００５】本発明は、上述した従来のサイアロンセラ
ミックスの製造方法が有する課題に鑑みなされたもので
あって、その目的は、高温強度が維持でき、破壊靱性も
低下せず、しかも複雑な形状のサイアロンセラミックス
を製造する方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成するため鋭意研究した結果、サイアロン質粉末に
焼結助剤を添加、混合してスラリーを作製し、そのスラ
リーから作られた成形体を焼結するサイアロンセラミッ
クスの製造方法において、焼結助剤を添加したサイアロ
ン質粉末の出発原料の細かさを、成形するときの細かさ
より粗くしておき、それを細かく粉砕してスラリーとす
れば、そのスラリーから作製された成形体を常圧焼結し
た後、ＨＩＰ処理することで高温強度を維持し、破壊靱
性も低下しないサイアロンセラミックスを作製できると
の知見を得て本発明を完成した。

【０００７】すなわち、本発明は（１）サイアロン質粉
末に焼結助剤を添加、混合してスラリーを作製し、その
スラリーから作られた成形体を焼結するサイアロンセラ
ミックスの製造方法において、該スラリーが、９〜１１
ｍ²／ｇの比表面積を有する原料を１２〜１４ｍ²／ｇま
で混合粉砕したスラリーとし、該焼結が、１７００〜１
８００℃の温度で常圧焼結した後、常圧焼結温度より０
〜１００℃低い温度でＨＩＰ処理した焼結とすることを
特徴とするサイアロンセラミックスの製造方法、（２）
原料の混合粉砕が、窒化珪素又はサイアロンセラミック
ス製のビーズを媒体とした媒体攪拌ミルによる粉砕とす
ることを特徴とするサイアロンセラミックスの製造方
法、及び（３）焼結助剤が、２種以上の周期律表３ａ族
元素の酸化物とすることを特徴とするサイアロンセラミ
ックスの製造方法を要旨とする。以下に本発明について
さらに詳しく述べる。

【０００８】上記で述べた出発原料の細かさを比表面積
で９〜１１ｍ²／ｇとし、それを１２〜１４ｍ²／ｇに細
かく粉砕することとしている。これは、粒子表面の活性
化を向上させるためであり、最初から成形するときの細
かさになっている粉末よりも粒子表面の活性が向上した
粉末となり、この粉末を用いることにより、後の常圧焼
結において、従来より緻密な焼結体とすることができ
る。出発原料の細かさがこの範囲より粗いと目標の細か
さにするのに長い時間が必要となり実用的でない。逆に
この範囲より細かいと粒子表面を活性化する効果が小さ
くなってしまう。

【０００９】粉砕した粉末の比表面積は、焼結に適した
細かさとするためであり、この範囲より粗いと、溶解再
析出による粒成長促進の効果がなく望ましくない。逆に
この範囲より細かいと、粉砕に時間がかかり実用的でな
いことに加えて、表面積が増加したことで酸化が進み、
特性の低下を起こす危険があるので望ましくない。

【００１０】また常圧焼結温度は、焼結体を緻密化し、
さらに焼結体の組織を粗大柱状粒子と微細等軸粒子の複
合組織とする温度であり、高温強度を維持しつつ破壊靱
性も向上させる焼結体とするためである。これが１７０
０℃より低温では十分緻密化せず、また粗大柱状粒子に
粒成長しない。１８００℃より高温ではサイアロンの分
解反応が起こり、やはり緻密化が阻害され望ましくな
い。この常圧焼結した焼結体は、それをそのままＨＩＰ
処理できるため、複雑な形状品でも加圧焼結することが
できる。

【００１１】一方、ＨＩＰ処理の温度は、前段の常圧焼
結と相俟って常圧焼結した焼結体を完全に緻密化し、焼
結体の複合組織をさらに適切にするものである。これが
１６００℃より低温では緻密化及び粒成長の効果が認め
られず、高温では急激な粒成長と分解反応が起こるた
め、緻密化せず破壊靱性も低下してしまう。このように
前段の常圧焼結とこのＨＩＰ処理とを組み合わせること
により、ＳｉＣｗを添加しなくても高強度かつ高靱性の
焼結体とすることができる。

【００１２】上記原料を粉砕する装置は、酸化を防止す
る密閉した状態で粉砕できる装置であればいずれでもよ
いが、特に効率よく粉砕できる媒体攪拌ミルが望まし
く、また媒体もどんな媒体でも構わないが、できるだけ
不純物の混入を防ぐために原料と同質の媒体が好まし
い。

【００１３】また、添加する焼結助剤は、１種類の周期
律表３ａ族元素の酸化物で構わないが、２種以上を組み
合わせて用いた方が良好な結果となることが多いため望
ましい。

【００１４】上記サイアロンセラミックスの製造方法を
さらに詳細に述べると、先ず主原料のサイアロン質粉末
として、β´−サイアロン粉末、あるいは窒化珪素、窒
化アルミニウム及びアルミナをβ´−サイアロンの化学
組成となるように配合した粉末を用いる。これら粉末中
に含まれる不純物は、できるだけ少ないほど好ましく
０．１重量％以下が望ましい。また窒化珪素と窒化アル
ミニウム粉末の酸素量は、これも少ないほど好ましく２
重量％を越えないことが望ましい。これらサイアロン質
粉末は、９〜１１ｍ²／ｇの範囲の比表面積を有する粉
末が必要なため、この範囲の粉末を市販品から得るか、
あるいは自社で作製するなどして用意する。

【００１５】次に、これらサイアロン質粉末に焼結助剤
としてＹ₂Ｏ₃、Ｓｃ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃などの周期律表第３
ａ族元素の酸化物を２種以上加える。これら酸化物の純
度は、これも不純物が少ないほど好ましいため９９．９
％以上が望ましい。また加える量は、合計で３〜８重量
％（内割）が適しており、３重量％未満では生成する液
相が少な過ぎて緻密化が進まず、８重量％を越えると焼
結体にガラス相が多く残存するため、高温での特性が著
しく低下して好ましくない。これら粉末にさらにＳｉＣ
ｗを加えてもよい。但し、大量に添加すると破壊源とな
り得るので、５体積％（内割）以下が望ましく、１体積
％以下がさらに好ましい。

【００１６】上記サイアロン質粉末及び焼結助剤を、媒
体として窒化珪素やサイアロンセラミックス製のビーズ
を用いた媒体攪拌ミル内に入れ、分散媒として粉末が酸
化するのを抑制するため、メタノールやイソプロピルア
ルコールなどのアルコール類を用い、比表面積が１２〜
１４ｍ²／ｇになるように混合粉砕してスラリーを作製
する。このスラリーを、乾燥してＣＩＰ成形する方法、
あるいはスラリーに結合剤を加えて鋳込成形する方法、
樹脂を加えて射出成形する方法など慣用の方法で成形す
る。

【００１７】成形した成形体を窒素雰囲気中で１７００
〜１８００℃の温度で常圧焼結した後、常圧焼結温度よ
り０〜１００℃低い温度で窒素雰囲気中でＨＩＰ処理し
て焼結する。

【００１８】以上の方法でサイアロンセラミックスを製
造することにより、高温強度を維持し、破壊靱性も低下
しない複雑な形状品のサイアロンセラミックスを得るこ
とができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と共に挙げ、
本発明をより詳細に説明する。

【００２０】（実施例１〜８） （１）サイアロンセラミックスの作製 原料の窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナの各粉末
を次の組成（Ｓｉ_6-ZＡｌ_ZＯ_ZＮ_8-Z）のＺ値が０．３の
β´−サイアロンとなるように配合し、その配合物に表
１に示す焼結助剤を表１に示す割合（内割）で添加し
た。この粉末をイソプロピルアルコール中に分散させ、
サイアロンセラミックス製のビーズを用いた媒体攪拌ミ
ルによって混合粉砕した。

【００２１】得られたスラリーを乾燥した後、その粉末
を５０×５０×７ｍｍの板状に一軸加圧で成形し、さら
に総圧１．５ｔでＣＩＰ成形した。得られた成形体を表
１に示す温度で常圧焼結した後、総圧１０００ｋｇｆ／
ｃｍ²で加圧して表１に示す温度でＨＩＰ処理した。

【００２２】（２）評価 焼結助剤を含んだ原料粉末とそれを粉砕した混合粉砕物
の比表面積は、窒素吸着によるＢＥＴ法で測定した。そ
の結果を表１に示す。得られたサイアロンセラミックス
については、緻密化したかどうかを確認するため、アル
キメデス法で嵩密度を測定し相対密度を求めた。また、
加工した３×４×３８ｍｍの曲げ試験片を用いて、ＪＩ
Ｓ Ｒ １６０１に従い１２００℃での４点曲げ試験を
行って高温強度を測定し、さらに、ＪＩＳ Ｒ １６０
７に従いＳＥＰＢ法により破壊靱性の値を測定した。そ
れらの結果も表１に示す。

【００２３】（実施例９〜１１）サイアロン質原料と焼
結助剤にさらにＳｉＣｗを添加したほかは実施例１〜８
と同じにしてサイアロンセラミックスを作製し、同様に
評価した。それらの結果を表１に示す。

【００２４】（比較例１〜６）比較のために、比較例１
では、細かい原料を用いてそれを粉砕しないで混合した
だけのスラリーとした場合、比較例２では、粉砕物の比
表面積を本発明の範囲外にした場合、比較例３〜６は常
圧焼結またはＨＩＰ処理温度を本発明の範囲外にした場
合のほかは実施例と同じくしてサイアロンセラミックス
を作製し、同様に評価した。それらの結果を表１に示
す。

【００２５】

【表１】

【００２６】表１から明らかなように、実施例は相対密
度からみて全て充分緻密化されている。その焼結体の１
２００℃での高温曲げ強度は、いずれも６７０ＭＰａ以
上の高い強度を持っており、破壊靱性の値も７．０ＭＰ
ａ√ｍ以上と大きく、高い高温強度を維持しつつ、破壊
靱性値が従来のように低下しないサイアロンセラミック
スが得られている。

【００２７】これに対して比較例は、いずれも相対密
度、高温強度、破壊靱性のいずれかが、あるいは全てが
実施例より大幅に低い値を示しており、高強度、高靱性
のサイアロンセラミックスは得られなかった。

【００２８】

【発明の効果】以上の通り、本発明にかかる方法でサイ
アロンセラミックスを製造すれば、ＳｉＣｗを含まなく
てもセラミックス中の粒子の組織構成を適切にすること
により靱性を高めることができるので、高温強度ばかり
でなく、高靱性も充分発揮できるサイアロンセラミック
スが得られるようになった。また、常圧焼結を経てＨＩ
Ｐ処理する方法なので、複雑な形状品でも作製可能であ
る。このことにより、ガスタービン部品等の高負荷で用
いられる部品に応用できるようになった。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 サイアロン質粉末に焼結助剤を添加、混
   合してスラリーを作製し、そのスラリーから作られた成
   形体を焼結するサイアロンセラミックスの製造方法にお
   いて、該スラリーが、９〜１１ｍ²／ｇの比表面積を有
   する原料を１２〜１４ｍ²／ｇまで混合粉砕したスラリ
   ーとし、該焼結が、１７００〜１８００℃の温度で常圧
   焼結した後、常圧焼結温度より０〜１００℃低い温度で
   ＨＩＰ処理した焼結とすることを特徴とするサイアロン
   セラミックスの製造方法。
2. 【請求項２】 原料の混合粉砕が、窒化珪素又はサイア
   ロンセラミックス製のビーズを媒体とした媒体攪拌ミル
   による粉砕とすることを特徴とする請求項１記載のサイ
   アロンセラミックスの製造方法。
3. 【請求項３】 焼結助剤が、２種以上の周期律表３ａ族
   元素の酸化物とすることを特徴とする請求項１又は２記
   載のサイアロンセラミックスの製造方法。