JPH08337476A - 窒化珪素と炭化珪素の複合焼結体及びその製造方法 - Google Patents
窒化珪素と炭化珪素の複合焼結体及びその製造方法Info
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- JPH08337476A JPH08337476A JP8113270A JP11327096A JPH08337476A JP H08337476 A JPH08337476 A JP H08337476A JP 8113270 A JP8113270 A JP 8113270A JP 11327096 A JP11327096 A JP 11327096A JP H08337476 A JPH08337476 A JP H08337476A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】優れた高温強度とクリープ特性とを有する窒化
珪素と炭化珪素の複合焼結体及びその製造方法を提供す
る。 【解決手段】窒化珪素と、炭化珪素と、窒化アルミニウ
ムとの混合粉末に、Ｃｅ2 Ｏ3 、Ｐｒ2 Ｏ3 、Ｎｄ2 Ｏ
3 、Ｈｏ2 Ｏ3 、Ｅｒ2 Ｏ3 、Ｔｍ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3
及びＬｕ2 Ｏ3 からなる群より選ばれる一種以上の希土
類酸化物を添加し、焼成されてなる炭化珪素と窒化珪素
の複合焼結体である。
珪素と炭化珪素の複合焼結体及びその製造方法を提供す
る。 【解決手段】窒化珪素と、炭化珪素と、窒化アルミニウ
ムとの混合粉末に、Ｃｅ2 Ｏ3 、Ｐｒ2 Ｏ3 、Ｎｄ2 Ｏ
3 、Ｈｏ2 Ｏ3 、Ｅｒ2 Ｏ3 、Ｔｍ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3
及びＬｕ2 Ｏ3 からなる群より選ばれる一種以上の希土
類酸化物を添加し、焼成されてなる炭化珪素と窒化珪素
の複合焼結体である。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は窒化珪素と炭化珪素の複
合焼結体及びその製造方法に関し、特に優れた高温強度
を有する緻密なＨＩＰ複合焼結体及びその製造方法に関
する。
合焼結体及びその製造方法に関し、特に優れた高温強度
を有する緻密なＨＩＰ複合焼結体及びその製造方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】窒化珪
素系セラミック焼結体は、高強度、高耐熱衝撃性、高耐
摩耗性等の観点から、また炭化珪素セラミック焼結体
は、高強度、高耐酸化性、 高耐摩耗性、 高硬度等の観点
から、いずれも苛酷な高温条件で使用される構造用セラ
ミックスに好適である。また最近は窒化珪素焼結体や炭
化珪素焼結体のようなモノリシック焼結体に対して、両
者の利点を合わせ持ついわゆる複合焼結体（例えば窒化
珪素粒子内に微細な炭化珪素粒子が分散したナノコンポ
ジット構造を有する複合焼結体）を得るための検討が種
々試みられている。
素系セラミック焼結体は、高強度、高耐熱衝撃性、高耐
摩耗性等の観点から、また炭化珪素セラミック焼結体
は、高強度、高耐酸化性、 高耐摩耗性、 高硬度等の観点
から、いずれも苛酷な高温条件で使用される構造用セラ
ミックスに好適である。また最近は窒化珪素焼結体や炭
化珪素焼結体のようなモノリシック焼結体に対して、両
者の利点を合わせ持ついわゆる複合焼結体（例えば窒化
珪素粒子内に微細な炭化珪素粒子が分散したナノコンポ
ジット構造を有する複合焼結体）を得るための検討が種
々試みられている。
【０００３】特開平2-160669号は、気相反応法で得られ
た非晶質の窒化珪素−炭化珪素複合粉末から、平均粒径
１μｍ以下の炭化珪素が粒界に分散し、かつ数ナノメー
ターから数百ナノメーターの大きさの炭化珪素の微細粒
子が窒化珪素粒子内に分散した微細構造を有する窒化珪
素−炭化珪素複合焼結体を開示している。しかし、非晶
質窒化珪素−炭化珪素複合粉末は、焼結中に分解成分が
生成され、液相焼結が進行しにくく、かつ非常に嵩高い
ため、成形性が悪い。そのため、焼結方法として実質的
にホットプレスを用いる必要があり、複雑形状の焼結体
を製造することができなかった。
た非晶質の窒化珪素−炭化珪素複合粉末から、平均粒径
１μｍ以下の炭化珪素が粒界に分散し、かつ数ナノメー
ターから数百ナノメーターの大きさの炭化珪素の微細粒
子が窒化珪素粒子内に分散した微細構造を有する窒化珪
素−炭化珪素複合焼結体を開示している。しかし、非晶
質窒化珪素−炭化珪素複合粉末は、焼結中に分解成分が
生成され、液相焼結が進行しにくく、かつ非常に嵩高い
ため、成形性が悪い。そのため、焼結方法として実質的
にホットプレスを用いる必要があり、複雑形状の焼結体
を製造することができなかった。
【０００４】特開平2-255572号は、窒化珪素粉末、炭化
珪素粉末、窒化アルミニウム粉末とイットリア粉末を混
合して、焼結することにより形成される窒化珪素／炭化
珪素焼結体を開示している。この焼結体は、β−窒化珪
素相、β−炭化珪素相、α−サイアロン相を有し、通常
の温度では高い強度を有する。しかし、この焼結体は焼
結助剤としてイットリアを使用しており1300℃以上の温
度での高温強度はまだ不十分である。また、特開平2-25
5572号はイットリア以外の希土類酸化物系の焼結助剤の
使用に関しては何も考慮していない。
珪素粉末、窒化アルミニウム粉末とイットリア粉末を混
合して、焼結することにより形成される窒化珪素／炭化
珪素焼結体を開示している。この焼結体は、β−窒化珪
素相、β−炭化珪素相、α−サイアロン相を有し、通常
の温度では高い強度を有する。しかし、この焼結体は焼
結助剤としてイットリアを使用しており1300℃以上の温
度での高温強度はまだ不十分である。また、特開平2-25
5572号はイットリア以外の希土類酸化物系の焼結助剤の
使用に関しては何も考慮していない。
【０００５】特開平3-205363号は、窒化珪素粉末、炭化
珪素粉末、希土類元素化合物粉末を混合して、焼結する
ことにより形成される窒化珪素と炭化珪素の焼結体を開
示している。この焼結体の窒化珪素粒子の粒界相は実質
的に結晶相よりなっており、室温とほぼ同等の高い高温
強度を実現している。しかしながら、この焼結体は窒化
アルミニウムを含んでおらず、焼結中の僅かな温度の変
動により焼結体が緻密化しないことがあり、また緻密化
を達成するために炭化珪素の添加量を低く抑えているの
で、窒化珪素と炭化珪素との複合効果が小さいという問
題がある。
珪素粉末、希土類元素化合物粉末を混合して、焼結する
ことにより形成される窒化珪素と炭化珪素の焼結体を開
示している。この焼結体の窒化珪素粒子の粒界相は実質
的に結晶相よりなっており、室温とほぼ同等の高い高温
強度を実現している。しかしながら、この焼結体は窒化
アルミニウムを含んでおらず、焼結中の僅かな温度の変
動により焼結体が緻密化しないことがあり、また緻密化
を達成するために炭化珪素の添加量を低く抑えているの
で、窒化珪素と炭化珪素との複合効果が小さいという問
題がある。
【０００６】したがって本発明の目的は、優れた高温強
度を有する窒化珪素と炭化珪素の緻密な複合焼結体及び
その製造方法を提供することである。
度を有する窒化珪素と炭化珪素の緻密な複合焼結体及び
その製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】以上の目的に鑑み鋭意研
究の結果、本発明者等は、窒化珪素と炭化珪素と窒化ア
ルミニウムとの混合粉末に特定の希土類元素の酸化物を
添加し、ＨＩＰ焼結すれば、優れた高温強度とクリープ
特性とを有する窒化珪素と炭化珪素の複合焼結体が得ら
れることを発見し、本発明を完成した。
究の結果、本発明者等は、窒化珪素と炭化珪素と窒化ア
ルミニウムとの混合粉末に特定の希土類元素の酸化物を
添加し、ＨＩＰ焼結すれば、優れた高温強度とクリープ
特性とを有する窒化珪素と炭化珪素の複合焼結体が得ら
れることを発見し、本発明を完成した。
【０００８】すなわち、本発明の窒化珪素と炭化珪素の
複合焼結体は、窒化珪素と、炭化珪素と、窒化アルミニ
ウムと、Ｃｅ2 Ｏ3 、 Ｐｒ2 Ｏ3 、Ｎｄ2 Ｏ3 、Ｈｏ2
Ｏ3、Ｅｒ2 Ｏ3 、Ｔｍ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 及びＬｕ2
Ｏ3 からなる群より選ばれた一種以上の希土類元素の酸
化物との混合物を焼結してなることを特徴とする。
複合焼結体は、窒化珪素と、炭化珪素と、窒化アルミニ
ウムと、Ｃｅ2 Ｏ3 、 Ｐｒ2 Ｏ3 、Ｎｄ2 Ｏ3 、Ｈｏ2
Ｏ3、Ｅｒ2 Ｏ3 、Ｔｍ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 及びＬｕ2
Ｏ3 からなる群より選ばれた一種以上の希土類元素の酸
化物との混合物を焼結してなることを特徴とする。
【０００９】また、窒化珪素と炭化珪素の複合焼結体を
製造する本発明の方法は、窒化珪素粉末と、炭化珪素粉
末と、窒化アルミニウム粉末と、Ｃｅ2 Ｏ3 、 Ｐｒ2 Ｏ
3 、Ｎｄ2 Ｏ3 、Ｈｏ2 Ｏ3 、Ｅｒ2 Ｏ3 、Ｔｍ
2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 及びＬｕ2 Ｏ3からなる群より選ば
れた一種以上の希土類元素の酸化物粉末とを混合し、焼
結することを特徴とする方法。
製造する本発明の方法は、窒化珪素粉末と、炭化珪素粉
末と、窒化アルミニウム粉末と、Ｃｅ2 Ｏ3 、 Ｐｒ2 Ｏ
3 、Ｎｄ2 Ｏ3 、Ｈｏ2 Ｏ3 、Ｅｒ2 Ｏ3 、Ｔｍ
2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 及びＬｕ2 Ｏ3からなる群より選ば
れた一種以上の希土類元素の酸化物粉末とを混合し、焼
結することを特徴とする方法。
【００１０】以下、本発明を詳細に説明する。 [1] 出発原料 (1) 窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）粉末 本発明で用いる窒化珪素粉末としては、0.01〜３μｍ、
特に0.1 〜1.0 μｍの平均粒径を有するものが好まし
い。窒化珪素粉末の添加量は、窒化珪素と炭化珪素との
合計重量を100 重量％として、60〜95重量％とするのが
好ましく、より好ましくは65〜85重量％とする。窒化珪
素粉末の添加量が95重量％を超えると（炭化珪素に対す
る窒化珪素粉末の割合が高すぎると）、炭化珪素の複合
効果がなくなるので高温強度、靱性及びクリープ特性の
向上が見られず好ましくない。窒化珪素粉末の添加量が
60重量％未満であると焼結性が低下し、緻密化が困難と
なるので好ましくない。
特に0.1 〜1.0 μｍの平均粒径を有するものが好まし
い。窒化珪素粉末の添加量は、窒化珪素と炭化珪素との
合計重量を100 重量％として、60〜95重量％とするのが
好ましく、より好ましくは65〜85重量％とする。窒化珪
素粉末の添加量が95重量％を超えると（炭化珪素に対す
る窒化珪素粉末の割合が高すぎると）、炭化珪素の複合
効果がなくなるので高温強度、靱性及びクリープ特性の
向上が見られず好ましくない。窒化珪素粉末の添加量が
60重量％未満であると焼結性が低下し、緻密化が困難と
なるので好ましくない。
【００１１】(2) 炭化珪素（ＳｉＣ）粉末 炭化珪素粉末としては、0.01〜１μｍ、特に0.03〜0.8
μｍの平均粒径を有するものが好ましい。好ましい炭化
珪素粉末の添加量は、窒化珪素と炭化珪素との合計重量
を100 重量％として、５〜40重量％であり、より好まし
くは15〜35重量％である。炭化珪素粉末の添加量が５重
量％未満であると、炭化珪素の複合化の効果が発揮され
ず、高温強度、靱性及びクリープ特性の向上が見られな
い。一方添加量が40重量％を超えると、焼結性が低下
し、緻密化が困難となるので好ましくない。なお、窒化
珪素粉末と炭化珪素粉末の合計の添加量は、焼結体を構
成する全粉末の量に対して70〜97.5重量％が好ましく、
より好ましくは80〜94重量％である。
μｍの平均粒径を有するものが好ましい。好ましい炭化
珪素粉末の添加量は、窒化珪素と炭化珪素との合計重量
を100 重量％として、５〜40重量％であり、より好まし
くは15〜35重量％である。炭化珪素粉末の添加量が５重
量％未満であると、炭化珪素の複合化の効果が発揮され
ず、高温強度、靱性及びクリープ特性の向上が見られな
い。一方添加量が40重量％を超えると、焼結性が低下
し、緻密化が困難となるので好ましくない。なお、窒化
珪素粉末と炭化珪素粉末の合計の添加量は、焼結体を構
成する全粉末の量に対して70〜97.5重量％が好ましく、
より好ましくは80〜94重量％である。
【００１２】(3) 窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末 窒化アルミニウム粉末としては、0.1 〜５μｍ、特に0.
5 〜３μｍの平均粒径を有するものが好ましい。好まし
い窒化アルミニウムの添加量は、全粉末中の0.5 〜10重
量％であり、より好ましくは１〜５重量％である。窒化
アルミニウムの含有量が10重量％を超えると、アルミニ
ウム元素を窒化アルミニウムの形で添加したとしても、
高温強度が低下するので好ましくない。
5 〜３μｍの平均粒径を有するものが好ましい。好まし
い窒化アルミニウムの添加量は、全粉末中の0.5 〜10重
量％であり、より好ましくは１〜５重量％である。窒化
アルミニウムの含有量が10重量％を超えると、アルミニ
ウム元素を窒化アルミニウムの形で添加したとしても、
高温強度が低下するので好ましくない。
【００１３】(4) 希土類元素の酸化物 希土類元素の酸化物はＣｅ2 Ｏ3 、Ｐｒ2 Ｏ3 、Ｎｄ2
Ｏ3 、Ｈｏ2 Ｏ3 、Ｅｒ2 Ｏ3 、Ｔｍ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ
3 及びＬｕ2 Ｏ3 からなる群より選ばれ、好ましくはＴ
ｍ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 及びＬｕ2 Ｏ3 である。これらの
希土類元素の酸化物は単独でも二種以上を併用してもよ
い。希土類元素の酸化物の添加量（併用の場合には合計
量）は全粉末中の２〜20重量％であり、より好ましくは
５〜15重量％である。希土類元素の酸化物の含有量が20
重量％を超えると焼結体の強度が低下し、また２重量％
未満であると焼結性が低下する。希土類元素の酸化物の
平均粒径は好ましくは0.01〜5 μｍ、さらに好ましくは
0.5 〜2 μｍである。
Ｏ3 、Ｈｏ2 Ｏ3 、Ｅｒ2 Ｏ3 、Ｔｍ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ
3 及びＬｕ2 Ｏ3 からなる群より選ばれ、好ましくはＴ
ｍ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 及びＬｕ2 Ｏ3 である。これらの
希土類元素の酸化物は単独でも二種以上を併用してもよ
い。希土類元素の酸化物の添加量（併用の場合には合計
量）は全粉末中の２〜20重量％であり、より好ましくは
５〜15重量％である。希土類元素の酸化物の含有量が20
重量％を超えると焼結体の強度が低下し、また２重量％
未満であると焼結性が低下する。希土類元素の酸化物の
平均粒径は好ましくは0.01〜5 μｍ、さらに好ましくは
0.5 〜2 μｍである。
【００１４】[2] 複合焼結体の製造方法 (1) 成形体の作製 まず、各成分を上記配合比となるように配合し、ボール
ミル、ニーダー等で十分に混合する。混合は乾式でも湿
式でも良い。湿式混合の場合には、粉末混合物に水、エ
タノール、ブタノール等、好ましくはエタノールを分散
媒体として加える。成形体の作製方法としては金型成
形、スリップキャスティング成形、射出成形等が好まし
い。射出成形の場合には適当な有機又は無機バインダー
を添加する。有機バインダーとしては、例えばエチルシ
リケート、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコ
ール（ＰＶＡ）、アクリルエマルジョン、ポリウレタン
エマルジョン等が挙げられる。複雑な形状の成形体を作
製するにはスリップキャスティング成形や射出成形が好
ましい。
ミル、ニーダー等で十分に混合する。混合は乾式でも湿
式でも良い。湿式混合の場合には、粉末混合物に水、エ
タノール、ブタノール等、好ましくはエタノールを分散
媒体として加える。成形体の作製方法としては金型成
形、スリップキャスティング成形、射出成形等が好まし
い。射出成形の場合には適当な有機又は無機バインダー
を添加する。有機バインダーとしては、例えばエチルシ
リケート、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコ
ール（ＰＶＡ）、アクリルエマルジョン、ポリウレタン
エマルジョン等が挙げられる。複雑な形状の成形体を作
製するにはスリップキャスティング成形や射出成形が好
ましい。
【００１５】(2) 焼結 本発明では、ガス圧焼結やＨＩＰ等複雑な形状の部品に
対応できる焼結方法を用いることができるが、特にＨＩ
Ｐで成形体を焼結するのが好ましい。ＨＩＰ焼結によ
り、良好な焼結体密度を達成することができる。焼結温
度は1600〜2200℃で、好ましくは1750〜2000℃である。
焼結温度が1600℃未満であると、焼結体の緻密化が十分
ではないため強度及び靭性が低い。また焼結温度が2200
℃を超えると窒化珪素の分解が始まるので好ましくな
い。焼結は非酸化性雰囲気下、好ましくは窒素ガス雰囲
気下で行う。このとき、雰囲気ガス圧は１〜2000kgf/cm
2 程度とするのが好ましく、焼結時間は１〜５時間程度
とするのが好ましい。また、成形体は伴粉、好ましくは
ＢＮあるいはＢＮと窒化珪素との混合伴粉とともに、ル
ツボに入れて焼結するのが好ましい。ルツボはＢＮルツ
ボ、カーボンルツボ等、好ましくはＢＮルツボ、特に好
ましくはカーボンルツボと、その内部に設けられるＢＮ
ルツボとからなる複合ルツボを用いるのが好ましい。
対応できる焼結方法を用いることができるが、特にＨＩ
Ｐで成形体を焼結するのが好ましい。ＨＩＰ焼結によ
り、良好な焼結体密度を達成することができる。焼結温
度は1600〜2200℃で、好ましくは1750〜2000℃である。
焼結温度が1600℃未満であると、焼結体の緻密化が十分
ではないため強度及び靭性が低い。また焼結温度が2200
℃を超えると窒化珪素の分解が始まるので好ましくな
い。焼結は非酸化性雰囲気下、好ましくは窒素ガス雰囲
気下で行う。このとき、雰囲気ガス圧は１〜2000kgf/cm
2 程度とするのが好ましく、焼結時間は１〜５時間程度
とするのが好ましい。また、成形体は伴粉、好ましくは
ＢＮあるいはＢＮと窒化珪素との混合伴粉とともに、ル
ツボに入れて焼結するのが好ましい。ルツボはＢＮルツ
ボ、カーボンルツボ等、好ましくはＢＮルツボ、特に好
ましくはカーボンルツボと、その内部に設けられるＢＮ
ルツボとからなる複合ルツボを用いるのが好ましい。
【００１６】上記方法で得られた窒化珪素／炭化珪素複
合焼結体の結晶相は、β−窒化珪素相と、β−炭化珪素
相と、α−サイアロン相と、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｈｏ、
Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群より選ばれた一種
以上の希土類元素を含む粒界相とからなる。このうち、
各結晶相の割合（面積率）は、β−窒化珪素相が40〜93
％、β−炭化珪素相が５〜40％、α−サイアロン相が１
〜50％、粒界相が0.5〜10％であるのが好ましい。α−
サイアロン相の割合が50％を超えると、焼結体の靱性、
耐酸化性等が低下する。粒界相の割合が10％を超える
と、焼結体の高温強度が低下する。
合焼結体の結晶相は、β−窒化珪素相と、β−炭化珪素
相と、α−サイアロン相と、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｈｏ、
Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群より選ばれた一種
以上の希土類元素を含む粒界相とからなる。このうち、
各結晶相の割合（面積率）は、β−窒化珪素相が40〜93
％、β−炭化珪素相が５〜40％、α−サイアロン相が１
〜50％、粒界相が0.5〜10％であるのが好ましい。α−
サイアロン相の割合が50％を超えると、焼結体の靱性、
耐酸化性等が低下する。粒界相の割合が10％を超える
と、焼結体の高温強度が低下する。
【００１７】また、この窒化珪素／炭化珪素複合焼結体
は、窒化珪素粒子内及び粒界に微細な炭化珪素粒子が分
散したいわゆるナノコンポジット構造を有する。なお、
炭化珪素粒子内に微細な窒化珪素粒子が分散しているこ
ともある。炭化珪素粒子は窒化珪素粒子より熱膨張率が
大きいため、焼結体を高温下に保持した際、窒化珪素粒
子及び粒界に圧縮応力が働くと考えられる。この圧縮応
力により高温強度が改善される。この効果は微細な炭化
珪素粒子が窒化珪素粒子の粒内及び粒界に分散している
場合に顕著である。また、窒化珪素の粒界に分散した微
細な炭化珪素粒子は、窒化珪素の粒界すべりを抑制する
くさびのような作用をすると考えられ、これにより高温
強度とクリープ特性が改善される。
は、窒化珪素粒子内及び粒界に微細な炭化珪素粒子が分
散したいわゆるナノコンポジット構造を有する。なお、
炭化珪素粒子内に微細な窒化珪素粒子が分散しているこ
ともある。炭化珪素粒子は窒化珪素粒子より熱膨張率が
大きいため、焼結体を高温下に保持した際、窒化珪素粒
子及び粒界に圧縮応力が働くと考えられる。この圧縮応
力により高温強度が改善される。この効果は微細な炭化
珪素粒子が窒化珪素粒子の粒内及び粒界に分散している
場合に顕著である。また、窒化珪素の粒界に分散した微
細な炭化珪素粒子は、窒化珪素の粒界すべりを抑制する
くさびのような作用をすると考えられ、これにより高温
強度とクリープ特性が改善される。
【００１８】上記した方法により得られた本発明の窒化
珪素／炭化珪素複合焼結体の1400℃における曲げ強度
（3 点曲げ強度）は、400 〜1200ＭＰａ、好ましくは70
0 〜1000ＭＰａである。
珪素／炭化珪素複合焼結体の1400℃における曲げ強度
（3 点曲げ強度）は、400 〜1200ＭＰａ、好ましくは70
0 〜1000ＭＰａである。
【００１９】
【実施例】以下、本発明を具体的実施例によりさらに詳
細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものでは
ない。
細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものでは
ない。
【００２０】実施例１〜８及び比較例１〜５ 平均粒径が0.1 μｍの窒化珪素粉末と、平均粒径が0.2
μｍの炭化珪素粉末と、平均粒径が１μｍの窒化アルミ
ニウム粉末と、平均粒径が１μｍの希土類元素の酸化物
とを、表１に示す割合で秤量し、この粉末混合物300 ｇ
をエタノール300 ｇと窒化珪素ボール600 ｇとともに２
リットルのエンジニアリングプラスチック製ポットに入
れ、エタノールを溶媒としてボールミルにより16時間混
合し、溶媒を乾燥除去して試料粉末とした。
μｍの炭化珪素粉末と、平均粒径が１μｍの窒化アルミ
ニウム粉末と、平均粒径が１μｍの希土類元素の酸化物
とを、表１に示す割合で秤量し、この粉末混合物300 ｇ
をエタノール300 ｇと窒化珪素ボール600 ｇとともに２
リットルのエンジニアリングプラスチック製ポットに入
れ、エタノールを溶媒としてボールミルにより16時間混
合し、溶媒を乾燥除去して試料粉末とした。
【００２１】 表１ 各成分の添加量（重量％）(1) 例No. 窒化珪素 炭化珪素 窒化アルミニウム 希土類元素の酸化物 実施例１ 60.8 26.0 3.0 Ｃｅ2 Ｏ3 10.2 実施例２ 60.8 26.0 3.0 Ｐｒ2 Ｏ3 10.2 実施例３ 60.6 26.0 3.0 Ｎｄ2 Ｏ3 10.4 実施例４ 59.7 25.6 3.0 Ｈｏ2 Ｏ3 11.7 実施例５ 59.6 25.6 3.0 Ｅｒ2 Ｏ3 11.8 実施例６ 59.5 25.5 3.0 Ｔｍ2 Ｏ3 12.0 実施例７ 59.5 25.5 3.0 Ｙｂ2 Ｏ3 12.0 実施例８ 59.1 25.4 3.0 Ｌｕ2 Ｏ3 12.5 比較例１ 60.8 26.1 3.0 Ｌａ2 Ｏ3 10.1 比較例２ 60.3 25.9 3.0 Ｓｍ2 Ｏ3 10.8 比較例３ 60.1 25.7 3.0 Ｇｄ2 Ｏ3 11.2 比較例４ 60.0 25.7 3.0 Ｔｂ2 Ｏ3 11.3 比較例５ 63.0 27.0 3.0 Ｙ2 Ｏ3 7.0 注(1) ： 全粉末の合計重量に対する重量％である。
【００２２】各種試料粉末を金型プレス（200 ｋｇ／ｃ
ｍ2 ）で予備成形した後、ＣＩＰで４トン／平方センチ
の等方圧を加え、30ｍｍ×50ｍｍ×６ｍｍの成形体を作
製した。成形体４を図１に示すように伴粉３（窒化珪素
と窒化ホウ素の１：１（重量比）混合物）に埋め込むよ
うにＢＮルツボ２に入れ、これをさらにカーボンルツボ
１に入れて、窒素ガス中1000気圧の雰囲気下、1750℃で
ＨＩＰ焼結を行い、窒化珪素／炭化珪素複合焼結体を得
た。
ｍ2 ）で予備成形した後、ＣＩＰで４トン／平方センチ
の等方圧を加え、30ｍｍ×50ｍｍ×６ｍｍの成形体を作
製した。成形体４を図１に示すように伴粉３（窒化珪素
と窒化ホウ素の１：１（重量比）混合物）に埋め込むよ
うにＢＮルツボ２に入れ、これをさらにカーボンルツボ
１に入れて、窒素ガス中1000気圧の雰囲気下、1750℃で
ＨＩＰ焼結を行い、窒化珪素／炭化珪素複合焼結体を得
た。
【００２３】JIS R-1601に従って、得られた焼結体を３
ｍｍ×４ｍｍ×40ｍｍの大きさに切断して試験片とし、
スパン30ｍｍ及びクロスヘッドスピード0.5 ｍｍ／分の
条件で、室温（25℃）、1200℃及び1400℃で３点曲げ強
度試験を行った。結果を表２に示した。破壊靱性はＳＥ
ＮＢ（Single Edge Notched Beam）法に従って、ノッチ
深さ0.5 ｍｍ、ノッチ幅0.1 ｍｍの条件で室温にて測定
した。クリープテストは、JIS R-1601に従った３点曲げ
によって、400 ＭＰａの破断応力下で試験片が破断する
までの時間を1300℃で測定した。200 時間経過後におい
ても破断しなかった場合には、破断応力を600 ＭＰａに
増加させて試験を繰り返し破断するまでの時間を測定し
た。結果はまとめて表３に示した。
ｍｍ×４ｍｍ×40ｍｍの大きさに切断して試験片とし、
スパン30ｍｍ及びクロスヘッドスピード0.5 ｍｍ／分の
条件で、室温（25℃）、1200℃及び1400℃で３点曲げ強
度試験を行った。結果を表２に示した。破壊靱性はＳＥ
ＮＢ（Single Edge Notched Beam）法に従って、ノッチ
深さ0.5 ｍｍ、ノッチ幅0.1 ｍｍの条件で室温にて測定
した。クリープテストは、JIS R-1601に従った３点曲げ
によって、400 ＭＰａの破断応力下で試験片が破断する
までの時間を1300℃で測定した。200 時間経過後におい
ても破断しなかった場合には、破断応力を600 ＭＰａに
増加させて試験を繰り返し破断するまでの時間を測定し
た。結果はまとめて表３に示した。
【００２４】 表２ ３点曲げ強度（ＭＰａ） 例No. 室温 1200℃ 1400℃ 実施例１ ６８３ ５２６ ４５８ 実施例２ １１６６ ９２１ ４４４ 実施例３ １３２６ ９８５ ５７２ 実施例４ ８８０ ６２５ ４４１ 実施例５ ９３７ ７０１ ４７８ 実施例６ ６８３ ７１８ ７２０ 実施例７ ６９４ ７４０ ７５１ 実施例８ ７６５ ８６８ ８９６ 比較例１ （成形不可） − − 比較例２ ７４３ ４９６ ３１７ 比較例３ ８１２ ４８５ ３４８ 比較例４ ８０４ ３９０ ２９３ 比較例５ ９４０ ５８４ ３５６
【００２５】表２に示すように、本発明の範囲外の希土
類元素の酸化物を用いた比較例１〜５の試料の３点曲げ
強度は1400℃において400 Ｍｐａ未満であり、いずれも
実施例１〜８の試料より低かった。
類元素の酸化物を用いた比較例１〜５の試料の３点曲げ
強度は1400℃において400 Ｍｐａ未満であり、いずれも
実施例１〜８の試料より低かった。
【００２６】 表３ クリープテスト（1300℃） 破壊靱性（室温） 破壊するまでの時間（hr） 例No. （ＭＰａ・ｍ1/2 ） 400 ＭＰａ 600 ＭＰａ 実施例１ ６．５ ３ − 実施例２ ８．７ 非破断 ２ 実施例３ ８．９ 非破断 ６ 実施例４ ８．５ １１２ − 実施例５ ５．０ ８６ − 実施例６ ６．８ 非破断 ７９ 実施例７ ８．０ 非破断 １１８ 実施例８ ８．２ 非破断 １６８ 比較例１ （成形不可） − − 比較例２ ８．３ 即時破断 − 比較例３ ８．０ 即時破断 − 比較例４ ８．２ 即時破断 − 比較例５ ８．６ 即時破断 −
【００２７】表３に示すように、本発明の範囲外の希土
類元素の酸化物を用いた比較例１〜５の試料は成形でき
ないか、成形できても1300℃におけるクリープテストで
即時破断し、いずれも実施例１〜８の試料より著しく劣
るものであった。
類元素の酸化物を用いた比較例１〜５の試料は成形でき
ないか、成形できても1300℃におけるクリープテストで
即時破断し、いずれも実施例１〜８の試料より著しく劣
るものであった。
【００２８】また、実施例８の焼結体の結晶相をＸＲＤ
解析及び電子顕微鏡で観察した結果、面積率で、β−窒
化珪素相が４６％、β−炭化珪素相が２９％、α−サイ
アロン相が２３％、粒界相が２％であった。
解析及び電子顕微鏡で観察した結果、面積率で、β−窒
化珪素相が４６％、β−炭化珪素相が２９％、α−サイ
アロン相が２３％、粒界相が２％であった。
【００２９】次に、炭化珪素の添加量が曲げ強度及びク
リープ特性に及ぼす影響を調べるために炭化珪素の添加
量が異なる数種の焼結体について、3 点曲げ試験（1400
℃）及びクリープテスト（1300℃／600 ＭＰａ）を上記
と同様にして行った。結果を表４に示した。
リープ特性に及ぼす影響を調べるために炭化珪素の添加
量が異なる数種の焼結体について、3 点曲げ試験（1400
℃）及びクリープテスト（1300℃／600 ＭＰａ）を上記
と同様にして行った。結果を表４に示した。
【００３０】 表４ ３点曲げ強度 クリープテスト Ｓｉ3 Ｎ4 ＳｉＣ Ｌｕ2 Ｏ3 ＡｌＮ （ＭＰａ） （ｈｒ） 84.5 0(0) (1) 12.5 3 832.0 108 80.3 4.2(5) (1) 12.5 3 870.0 127 71.8 12.7(15)(1) 12.5 3 882.0 152 59.1 25.4(30)(1) 12.5 3 896.0 168 54.9 29.6(35)(1) 12.5 3 863.0 130 50.7 33.8(40)(1) 12.5 3 792.0 110 42.3 42.2(50)(1) 12.5 3 緻密化不良 − 注(1) ： 窒化珪素粉末と炭化珪素粉末の合計重量に対する重量％である。
【００３１】表４から明らかなように、炭化珪素の添加
量が本発明の範囲の上限（窒化珪素粉末と炭化珪素粉末
の合計重量に対して４０重量％）を超えると、焼結性が
低下し緻密化しなかった。一方、炭化珪素の添加量が本
発明の範囲の下限（窒化珪素粉末と炭化珪素粉末の合計
重量に対して５重量％）より少ないと、炭化珪素の添加
による効果が得られず、高温強度は炭化珪素を添加しな
い場合と比べて改善されなかった。また、クリープテス
トの結果から明らかなように、炭化珪素を窒化珪素粉末
と炭化珪素粉末の合計重量に対して５〜４０重量％添加
すると、得られた複合焼結体のクリープ特性が顕著に改
善された。
量が本発明の範囲の上限（窒化珪素粉末と炭化珪素粉末
の合計重量に対して４０重量％）を超えると、焼結性が
低下し緻密化しなかった。一方、炭化珪素の添加量が本
発明の範囲の下限（窒化珪素粉末と炭化珪素粉末の合計
重量に対して５重量％）より少ないと、炭化珪素の添加
による効果が得られず、高温強度は炭化珪素を添加しな
い場合と比べて改善されなかった。また、クリープテス
トの結果から明らかなように、炭化珪素を窒化珪素粉末
と炭化珪素粉末の合計重量に対して５〜４０重量％添加
すると、得られた複合焼結体のクリープ特性が顕著に改
善された。
【００３２】
【発明の効果】上記の通り、本発明の窒化珪素／炭化珪
素複合焼結体は、窒化珪素と炭化珪素と窒化アルミニウ
ムと特定の希土類元素の酸化物からなり、ＨＩＰ焼結に
よって窒化珪素粒子内及び粒界に微細な炭化珪素粒子が
分散し、場合によっては、炭化珪素粒子内に微細な窒化
珪素粒子が分散することもあるナノコンポジット構造を
有し、β−窒化珪素相、β−炭化珪素相、α−サイアロ
ン相、及び特定の希土類元素を含む粒界相からなる結晶
相を有する。このため、本発明の複合焼結体は優れた高
温強度とクリープ特性とを有する。さらに、炭化珪素粒
子が結晶粒の成長を抑制するので本発明の複合焼結体の
クリープ強度が向上する。このような特性を有する窒化
珪素／炭化珪素複合焼結体は、高温下で使用する自動車
のエンジン部材、ローター、シュラウドノズル等のガス
タービン部材、各種の工具及び摺動部材等に好適であ
る。
素複合焼結体は、窒化珪素と炭化珪素と窒化アルミニウ
ムと特定の希土類元素の酸化物からなり、ＨＩＰ焼結に
よって窒化珪素粒子内及び粒界に微細な炭化珪素粒子が
分散し、場合によっては、炭化珪素粒子内に微細な窒化
珪素粒子が分散することもあるナノコンポジット構造を
有し、β−窒化珪素相、β−炭化珪素相、α−サイアロ
ン相、及び特定の希土類元素を含む粒界相からなる結晶
相を有する。このため、本発明の複合焼結体は優れた高
温強度とクリープ特性とを有する。さらに、炭化珪素粒
子が結晶粒の成長を抑制するので本発明の複合焼結体の
クリープ強度が向上する。このような特性を有する窒化
珪素／炭化珪素複合焼結体は、高温下で使用する自動車
のエンジン部材、ローター、シュラウドノズル等のガス
タービン部材、各種の工具及び摺動部材等に好適であ
る。
【図１】本発明の窒化珪素／炭化珪素複合焼結体の製造
に用いるＨＩＰ焼結用ルツボを概略的に示す断面図であ
る。
に用いるＨＩＰ焼結用ルツボを概略的に示す断面図であ
る。
１・・・カーボンルツボ ２・・・ＢＮルツボ ３・・・伴粉 ４・・・成形体
Claims (7)
- 【請求項１】 窒化珪素と炭化珪素の複合焼結体におい
て、窒化珪素と、炭化珪素と、窒化アルミニウムと、Ｃ
ｅ2 Ｏ3 、 Ｐｒ2 Ｏ3 、Ｎｄ2 Ｏ3 、Ｈｏ2 Ｏ3 、Ｅｒ
2 Ｏ3 、Ｔｍ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 及びＬｕ2 Ｏ3 からな
る群より選ばれた一種以上の希土類元素の酸化物とを焼
成してなることを特徴とする複合焼結体。 - 【請求項２】 請求項１に記載の窒化珪素と炭化珪素の
複合焼結体において、前記複合焼結体の結晶相はβ−窒
化珪素相と、β−炭化珪素相と、α−サイアロン相と、
Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕか
らなる群より選ばれた一種以上の希土類元素を含む粒界
相とからなることを特徴とする複合焼結体。 - 【請求項３】 請求項２に記載の窒化珪素と炭化珪素の
複合焼結体において、前記各結晶相の割合が面積率でβ
−窒化珪素相が４０〜９３％、β−炭化珪素相が５〜４
０％、α−サイアロン相が１〜５０％、粒界相が０．５
〜１０％であるることを特徴とする複合焼結体。 - 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の窒化珪
素と炭化珪素の複合焼結体において、前記複合焼結体の
1400℃における曲げ強度が少なくとも400 ＭＰａである
ことを特徴とする複合焼結体。 - 【請求項５】 窒化珪素と炭化珪素の複合焼結体の製造
方法において、窒化珪素粉末と、炭化珪素粉末と、窒化
アルミニウム粉末と、Ｃｅ2 Ｏ3 、 Ｐｒ2 Ｏ3、Ｎｄ2
Ｏ3 、Ｈｏ2 Ｏ3 、Ｅｒ2 Ｏ3 、Ｔｍ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ
3 及びＬｕ2 Ｏ3 からなる群より選ばれた一種以上の希
土類元素の酸化物の粉末とを混合し、焼結することを特
徴とする方法。 - 【請求項６】 請求項５に記載の窒化珪素と炭化珪素の
複合焼結体の製造方法において、窒化珪素と炭化珪素と
の合計を100 重量％として、前記炭化珪素の含有量を５
〜40重量％とし、全粉末中の前記窒化アルミニウムの含
有量を0.1 〜10重量％とし、全粉末中の前記希土類元素
の酸化物の含有量を２〜20重量％とすることを特徴とす
る方法。 - 【請求項７】 請求項５又は６に記載の窒化珪素と炭化
珪素の複合焼結体の製造方法において、1600〜2200℃で
ＨＩＰ焼結することを特徴とする方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11327096A JP4070254B2 (ja) | 1995-04-12 | 1996-04-10 | 窒化珪素と炭化珪素の複合焼結体及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7-111142 | 1995-04-12 | ||
| JP11114295 | 1995-04-12 | ||
| JP11327096A JP4070254B2 (ja) | 1995-04-12 | 1996-04-10 | 窒化珪素と炭化珪素の複合焼結体及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08337476A true JPH08337476A (ja) | 1996-12-24 |
| JP4070254B2 JP4070254B2 (ja) | 2008-04-02 |
Family
ID=26450608
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11327096A Expired - Fee Related JP4070254B2 (ja) | 1995-04-12 | 1996-04-10 | 窒化珪素と炭化珪素の複合焼結体及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4070254B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008529948A (ja) * | 2005-02-09 | 2008-08-07 | ケンナメタル インコーポレイテッド | サイアロンセラミックおよびその製造方法 |
| JPWO2018030308A1 (ja) * | 2016-08-09 | 2019-06-13 | 国立大学法人大阪大学 | 窒化珪素焼結体製摩擦攪拌接合ツール部材およびそれを用いた摩擦攪拌接合装置 |
-
1996
- 1996-04-10 JP JP11327096A patent/JP4070254B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JPWO2018030308A1 (ja) * | 2016-08-09 | 2019-06-13 | 国立大学法人大阪大学 | 窒化珪素焼結体製摩擦攪拌接合ツール部材およびそれを用いた摩擦攪拌接合装置 |
| JP2022179616A (ja) * | 2016-08-09 | 2022-12-02 | 国立大学法人大阪大学 | 窒化珪素焼結体製摩擦攪拌接合ツール部材、摩擦攪拌接合装置、およびそれを用いた摩擦攪拌接合方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4070254B2 (ja) | 2008-04-02 |
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