JPH0840774A - Silicon nitride sintered product - Google Patents

Silicon nitride sintered product

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JPH0840774A
JPH0840774A JP6178228A JP17822894A JPH0840774A JP H0840774 A JPH0840774 A JP H0840774A JP 6178228 A JP6178228 A JP 6178228A JP 17822894 A JP17822894 A JP 17822894A JP H0840774 A JPH0840774 A JP H0840774A
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JP
Japan
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phase
silicon nitride
group
periodic table
grain boundary
Prior art date
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JP6178228A
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Japanese (ja)
Inventor
Usou Ou
雨叢 王
Shoji Kosaka
祥二 高坂
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Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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Publication date
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Publication of JPH0840774A publication Critical patent/JPH0840774A/en
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Abstract

PURPOSE:To obtain a silicon nitride sintered product having high oxidation resistance in a high temperature oxidizing atmosphere, having a high strength from room temperature to a high temperature, and excellent in creep-resistant characteristics. CONSTITUTION:The characteristics of the silicon nitride sintered product comprise having a main crystal phase comprising silicon nitride, at least a disilicate phase represented by a formula: RE2Si2O7 (RE is the group 3a element in the periodic table) on the grain boundary of the main crystal phase, and the multicomponent oxide phase of at least one element selected from the group of Al, Ga, Ti, Hf, Zr, Nb, Ta, V, W, Mo, Cr and Fe and having a melting point of >=1500 deg.C with the group 3a element in the periodic table, and further having a silicon oxynitride phase in the grain boundary.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、高温での耐酸化性に優
れるとともに、高温での耐クリープ性に優れ、特にピス
トン、シリンダー、バルブ、カムローラ、ロッカーアー
ム、ピストンリング、ピストンピンなどの自動車用部品
や、タービンロータ、タービンブレード、ノズル、コン
バスタ、スクロール、ノズルサポート、シールリング、
スプリングリング、ディフューザ、ダクトなどのガスタ
−ビンエンジン用部品等に好適に使用される窒化珪素質
焼結体に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is excellent in oxidation resistance at high temperatures and creep resistance at high temperatures, and particularly in automobiles such as pistons, cylinders, valves, cam rollers, rocker arms, piston rings, piston pins and the like. Parts, turbine rotors, turbine blades, nozzles, combustors, scrolls, nozzle supports, seal rings,
The present invention relates to a silicon nitride sintered body that is preferably used for gas turbine engine parts such as spring rings, diffusers, and ducts.

【0002】[0002]

【従来技術】従来から、窒化珪素質焼結体は、高靱性、
耐熱性、耐熱衝撃性、および耐酸化特性に優れることか
らエンジニアリングセラミックス、特にタ−ボロ−タ−
等の熱機関用として応用が進められている。この窒化珪
素質焼結体は、一般には窒化珪素に対してY2 3 、A
2 3 あるいはMgOなどの焼結助剤を添加すること
により高密度で高強度の特性が得られている。このよう
な窒化珪素質焼結体に対しては、さらにその使用条件が
高温化するに際して、高温における強度および耐酸化特
性のさらなる改善が求められている。かかる要求に対し
て、これまで焼結助剤の検討や焼成条件等を改善する等
各種の改良が試みられている。
2. Description of the Related Art Conventionally, silicon nitride sintered bodies have high toughness,
Due to its excellent heat resistance, thermal shock resistance, and oxidation resistance, engineering ceramics, especially turbines
Applications for heat engines such as This silicon nitride sintered material is generally used for Y 2 O 3 , A
High-density and high-strength characteristics are obtained by adding a sintering aid such as l 2 O 3 or MgO. Further improvement in strength and oxidation resistance at high temperatures is demanded for such silicon nitride sintered bodies when the operating conditions thereof further increase. In order to meet such demands, various improvements have been attempted so far, such as examination of sintering aids and improvement of firing conditions.

【0003】その中で、従来より焼結助剤として用いら
れてきたAl2 3 等の非晶質相あるいは低融点結晶相
を形成する酸化物が高温特性を劣化させるという見地か
ら、窒化珪素に対してY2 3 等の周期律表第3a族元
素(RE)および酸化珪素からなる単純な3元系(Si
3 4 −SiO2 −RE2 3 )の組成からなる焼結体
において、その焼結体の粒界にSi−RE−O−Nから
なるYAM相、アパタイト相、シリコンオキシナイトラ
イド相等の結晶相を析出させることにより粒界相の高融
点化および安定化を図ることが提案されている。これら
の中でも、粒界にシリコンオキシナイトライド相および
/またはダイシリケート相が析出した焼結体は、優れた
高温での耐酸化性を有するものである。
Among them, silicon nitride, which has been conventionally used as a sintering aid, deteriorates the high temperature characteristics from the viewpoint that an oxide forming an amorphous phase or a low melting point crystal phase such as Al 2 O 3 deteriorates high temperature characteristics. On the other hand, a simple ternary system (Si) composed of a Group 3a element (RE) such as Y 2 O 3 and silicon oxide is used.
3 N 4 —SiO 2 —RE 2 O 3 ) in a sintered body having a composition such as a YAM phase composed of Si—RE—O—N, an apatite phase, and a silicon oxynitride phase at the grain boundaries of the sintered body. It has been proposed to increase the melting point and stabilize the grain boundary phase by precipitating a crystal phase. Among these, the sintered body in which the silicon oxynitride phase and / or the disilicate phase is deposited on the grain boundary has excellent oxidation resistance at high temperatures.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、粒界
にシリコンオキシナイトライド相および/またはダイシ
リケート相を析出させることにより、粒界が非晶質ある
いは低融点結晶相である場合に比較して高温特性はある
程度改善されるが、ダイシリケート自体は、1400℃
の高温で塑性変形するために焼結体全体としての高温強
度の向上を阻害する要因となっていた。そのために、粒
界にダイシリケート相を有する窒化珪素質焼結体の実用
化するには、未だ不十分であり、さらに高温強度の改善
が要求される。
However, by precipitating a silicon oxynitride phase and / or a disilicate phase at the grain boundaries, the grain boundaries are more amorphous than those having an amorphous or low melting point crystalline phase. The high temperature characteristics are improved to some extent, but the disilicate itself is 1400 ° C.
Since it plastically deforms at a high temperature, it has been a factor that hinders the improvement of the high temperature strength of the entire sintered body. Therefore, it is still insufficient for practical use of a silicon nitride sintered body having a disilicate phase at the grain boundary, and further improvement in high temperature strength is required.

【0005】従って、本発明は、低温から高温までの耐
酸化性に優れるとともに、室温から1400℃の高温ま
での抗折強度に優れた窒化珪素質焼結体を提供すること
を目的とするものである。
Therefore, an object of the present invention is to provide a silicon nitride sintered body which is excellent in oxidation resistance from a low temperature to a high temperature and is excellent in bending strength from a room temperature to a high temperature of 1400 ° C. Is.

【0006】[0006]

【問題点を解決するための手段】本発明者らは、上記の
問題点に対し、粒界にダイシリケート相が析出した焼結
体の高温強度を改善すべく検討を重ねた結果、ダイシリ
ケート相の中に、特定の複合酸化物を分散析出させるこ
とにより、ダイシリケート自体の変形抵抗を大きくする
ことができ、高温強度を高めることができることを見い
だし、本発明に至った。
[Means for Solving the Problems] With respect to the above problems, the present inventors have conducted extensive studies to improve the high temperature strength of a sintered body in which a disilicate phase is precipitated at grain boundaries, and as a result, the die silicate is obtained. The inventors have found that by dispersing and depositing a specific composite oxide in the phase, the deformation resistance of the disilicate itself can be increased and the high temperature strength can be increased, and the present invention has been completed.

【0007】即ち、本発明の窒化珪素質焼結体は、窒化
珪素からなる主結晶相と、その主結晶相の粒界に少なく
ともRE2 Si2 7 (REは周期律表第3a族元素)
で表されるダイシリケート相と、融点が1500℃以上
のAl、Ga、Ti、Hf、Zr、Nb、Ta、V、
W、Mo、CrおよびFeの群から選ばれる少なくとも
1種の元素と周期律表第3a族元素との複合酸化物相が
存在することを特徴とするものである。
That is, the silicon nitride sintered body of the present invention has a main crystal phase made of silicon nitride and at least RE 2 Si 2 O 7 (RE is an element of Group 3a of the periodic table) at the grain boundaries of the main crystal phase. )
A disilicate phase represented by the following formula and Al, Ga, Ti, Hf, Zr, Nb, Ta, V having a melting point of 1500 ° C. or higher.
It is characterized in that a complex oxide phase of at least one element selected from the group of W, Mo, Cr and Fe and an element of Group 3a of the periodic table is present.

【0008】以下、本発明を詳述する。本発明の窒化珪
素質焼結体の全体的な組織としては、窒化珪素結晶相を
主相とするものであり、この主相は、平均粒径1〜10
μmのβ−Si3 4 相からなる。また、その主相の粒
界には少なくとも周期律表第3a族元素、Si(珪
素)、O(酸素)および/またはN(窒素)が存在す
る。本発明の構成において重要なのは、第1に粒界結晶
相としてダイシリケート相が存在することである。この
ダイシリケート相は、RE2 Si2 7 (REは周期律
表第3a族元素)で表されるものであるが、場合によっ
てはSi2 2 Oが析出する場合もある。
The present invention will be described in detail below. The overall structure of the silicon nitride sintered material of the present invention has a silicon nitride crystal phase as a main phase, and this main phase has an average grain size of 1 to 10
It consists of a β-Si 3 N 4 phase of μm. Further, at least the Group 3a element of the periodic table, Si (silicon), O (oxygen) and / or N (nitrogen) are present in the grain boundary of the main phase. What is important in the constitution of the present invention is that, firstly, a disilicate phase is present as a grain boundary crystal phase. This disilicate phase is represented by RE 2 Si 2 O 7 (RE is an element of Group 3a of the periodic table), but Si 2 N 2 O may be precipitated in some cases.

【0009】本発明の窒化珪素質焼結体によれば、さら
に粒界相に複合酸化物相が分散していることが大きな特
徴である。この複合酸化物相は、融点が1500℃以上
のAl、Ga、Ti、Hf、Zr、Nb、Ta、V、
W、Mo、CrおよびFeの群から選ばれる少なくとも
1種の元素と周期律表第3a族元素との複合酸化物であ
り、一般式RExMyOz(Mは、Al、Ga、Ti、
Hf、Zr、Nb、Ta、V、W、Mo、CrおよびF
eの群から選ばれる少なくとも1種の元素、REは周期
律表第3a族元素)で表されるものである。この複合酸
化物の代表的なものを表1に示した。
The silicon nitride-based sintered body of the present invention is characterized in that the complex oxide phase is further dispersed in the grain boundary phase. This complex oxide phase has a melting point of 1500 ° C. or higher Al, Ga, Ti, Hf, Zr, Nb, Ta, V,
It is a composite oxide of at least one element selected from the group of W, Mo, Cr and Fe and an element of Group 3a of the periodic table, and has the general formula RExMyOz (M is Al, Ga, Ti,
Hf, Zr, Nb, Ta, V, W, Mo, Cr and F
At least one element selected from the group e, RE is an element of Group 3a of the periodic table). Table 1 shows a typical composite oxide.

【0010】[0010]

【表1】 [Table 1]

【0011】これらの複合酸化物の中でも特に融点が2
000℃以上のものが好適に使用される。
Among these composite oxides, the melting point is especially 2
Those having a temperature of 000 ° C. or higher are preferably used.

【0012】更に好ましくは周期律表第3a族元素とし
ては、特にSc、Y、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、
Er、Tm、Yb、Luなどの希土類元素はイオン半径
が小さいために結晶の結合強度が高く、より粒界相の強
度を高めることから望ましく、周期律表第3a族元素と
複合酸化物を構成する金属としては、上記の中でも特に
Zr、Cr、Hf、Ta、Wは室温から1500℃まで
の温度範囲で相変態を起こさないため最も望ましい。
More preferably, as the Group 3a element of the periodic table, especially Sc, Y, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho,
Since rare earth elements such as Er, Tm, Yb, and Lu have a small ionic radius, the bond strength of crystals is high, and the strength of the grain boundary phase is further enhanced, which is desirable because they form a complex oxide with a Group 3a element of the periodic table. Among the above metals, Zr, Cr, Hf, Ta, and W are most preferable among the above metals because they do not undergo phase transformation in the temperature range from room temperature to 1500 ° C.

【0013】この複合酸化物相は、窒化珪素主結晶粒子
の粒界に前記ダイシリケート相とともに粒界に0.05
〜2μmの大きさで点在するが、場合によってはダイシ
リケート粒内に点在する場合もある。
This composite oxide phase is present in the grain boundaries of the silicon nitride main crystal grains in an amount of 0.05 at the grain boundaries together with the disilicate phase.
Although they are scattered in a size of ˜2 μm, they may be scattered in the disilicate grains in some cases.

【0014】なお、本発明によれば、上記組織および特
性を劣化させない範囲で、他の独立した相、例えば、周
期律表第4a、5a、6a族金属やそれらの炭化物、窒
化物、珪化物またはSiCなどが、分散粒子やウイスカ
ーとして存在してもよい。
According to the present invention, other independent phases, for example, metals of Groups 4a, 5a and 6a of the Periodic Table and their carbides, nitrides and silicides are provided as long as they do not deteriorate the structure and properties. Alternatively, SiC or the like may be present as dispersed particles or whiskers.

【0015】次に、本発明の窒化珪素質焼結体を製造す
るための具体的な方法について説明する。本発明によれ
ば、出発原料として窒化珪素粉末を主成分とし、添加成
分として周期律表第3a族元素酸化物酸化物粉末、酸化
珪素粉末と、周期律表第3a族元素とAl、Ga、T
i、Hf、Zr、Nb、Ta、V、W、Mo、Crおよ
びFeの群から選ばれる少なくとも1種の元素の複合酸
化物粉末を用いる。この複合酸化物粉末は、周期律表第
3a族元素酸化物とAl、Ga、Ti、Hf、Zr、N
b、Ta、V、W、Mo、CrおよびFeの群から選ば
れる少なくとも1種の金属の酸化物とを用いて、前述し
たRExMyOzの組成となるように調合した後、これ
を1000℃以上、融点以下の温度で仮焼することによ
り得られ、これを粉砕して平均粒径が0.3〜2μmと
したものを用いる。
Next, a specific method for manufacturing the silicon nitride sintered body of the present invention will be described. According to the present invention, silicon nitride powder is used as a main component as a starting material, and oxide oxide powder, Group 3a element oxide oxide powder of the Periodic Table, silicon oxide powder, Group 3a element of the Periodic Table and Al, Ga are added as additive components. T
A composite oxide powder of at least one element selected from the group of i, Hf, Zr, Nb, Ta, V, W, Mo, Cr and Fe is used. This complex oxide powder is composed of a Group 3a element oxide of the periodic table and Al, Ga, Ti, Hf, Zr, N.
b, Ta, V, W, Mo, Cr, and an oxide of at least one metal selected from the group of Fe are used to prepare the composition of RExMyOz described above. It is obtained by calcination at a temperature equal to or lower than the melting point, and crushed to have an average particle size of 0.3 to 2 μm.

【0016】また、周期律表第3a族元素酸化物や酸化
珪素粉末の添加形態として周期律表第3a族元素酸化物
とSiO2 からなる化合物、または窒化珪素と周期律表
第3a族元素酸化物とSiO2 との複合酸化物粉末を用
いることもできる。
Further, as a form of addition of the Group 3a element oxide of the Periodic Table or the silicon oxide powder, a compound consisting of the Group 3a element oxide of the Periodic Table and SiO 2 or silicon nitride and the Group 3a element oxide of the Periodic Table. It is also possible to use a complex oxide powder of a substance and SiO 2 .

【0017】用いられる窒化珪素粉末は、α型、β型の
いずれでも使用することができ、その粒子径は0.4〜
1.2μm、不純物酸素量が0.8〜2.0重量%が適
当であり、直接窒化法、イミド分解法などのいずれの製
法によるものであっても構わない。
The silicon nitride powder used may be either α-type or β-type, and the particle size thereof is 0.4 to 0.4.
1.2 μm and an amount of impurity oxygen of 0.8 to 2.0% by weight are suitable, and any production method such as a direct nitriding method or an imide decomposition method may be used.

【0018】本発明によれば、上記の原料粉末を用い
て、3つの成分基準で、周期律表第3a族元素酸化物を
1〜15モル%、特に3〜8モル%、SiO2 を2〜3
0モル%残部Si3 4 とし、更に上記3成分に対する
重量比で前記複合酸化物を1〜20重量%、特に3〜1
0重量%の割合で添加する。
According to the present invention, using the above-mentioned raw material powder, 1 to 15 mol%, especially 3 to 8 mol%, and 3 to 8 mol% of SiO 2 are used on the basis of three components, the oxide of the Group 3a element of the periodic table. ~ 3
0 mol% balance Si 3 N 4, and 1 to 20% by weight, especially 3 to 1% by weight of the complex oxide in the weight ratio with respect to the above three components.
Add at a rate of 0% by weight.

【0019】上記組成において、焼結助剤としての周期
律表第3a族酸化物が1モル%より少ないと緻密化が難
しく、15モル%より多いと粒界相の絶対量が多くなり
焼結体の高温強度が低下する傾向にある。
In the above composition, if the group 3a oxide of the periodic table as a sintering aid is less than 1 mol%, it is difficult to densify, and if it is more than 15 mol%, the absolute amount of the grain boundary phase increases and the sintering increases. The high temperature strength of the body tends to decrease.

【0020】また、複合酸化物の量が1重量%より少な
いと強化効果が得られず、20重量%より多いと焼結過
程を阻害する。
If the amount of the composite oxide is less than 1% by weight, the strengthening effect cannot be obtained, and if it is more than 20% by weight, the sintering process is hindered.

【0021】さらに、本発明によれば、前記周期律表第
3a族酸化物と窒化珪素粉末中の不純物酸素分を含む酸
化珪素とのSiO2 /RE2 3 で表されるモル比が2
〜20となるように制御する。これは、粒界相における
結晶相を上述したように制御するために必要であり、こ
の比率が2より小さいと、ダイシリケート相などの結晶
相が生成されずに、アパタイト相やYAM相などが粒界
の主結晶相として析出しやすくなり、20より大きいと
焼結性が低下するためである。
Further, according to the present invention, the molar ratio represented by SiO 2 / RE 2 O 3 of the Group 3a oxide of the periodic table and the silicon oxide containing the impurity oxygen component in the silicon nitride powder is 2
It is controlled so as to be ~ 20. This is necessary for controlling the crystal phase in the grain boundary phase as described above, and if this ratio is less than 2, a crystal phase such as a disilicate phase is not generated and an apatite phase, a YAM phase, or the like is generated. This is because precipitation tends to occur as the main crystal phase of the grain boundary, and if it exceeds 20, the sinterability decreases.

【0022】上記の割合で各粉末を秤量後、振動ミル、
回転ミル、バレルミルなどで十分に混合した後、混合粉
末を所望の成形手段、例えば、金型プレス、鋳込み成
形、押し出し成形、射出成形、冷間静水圧プレス等によ
り任意の形状に成形する。
After weighing each powder in the above proportions, a vibration mill,
After thoroughly mixing with a rotary mill, a barrel mill or the like, the mixed powder is molded into a desired shape by a desired molding means such as a die press, a cast molding, an extrusion molding, an injection molding, a cold isostatic pressing and the like.

【0023】その後、この成形体を公知の焼成方法、例
えば、ホットプレス法、常圧焼成法、窒素ガス加圧焼成
法などにより緻密化する。さらには、これらの焼成後に
熱間静水圧焼成(HIP)法により処理することにより
緻密化を高めることができる。また、その他の方法とし
て上記成形体または焼結体をガラスシールしてHIP法
により焼成することもできる。
Thereafter, the compact is densified by a known firing method such as a hot pressing method, a normal pressure firing method, or a nitrogen gas pressure firing method. Furthermore, densification can be enhanced by performing a hot isostatic pressing (HIP) method after the baking. As another method, the molded body or sintered body may be sealed with glass and fired by the HIP method.

【0024】これらの焼成における具体的な焼成条件
は、窒素圧1〜100気圧の窒化珪素が分解しない窒素
圧下で1500〜1900℃の温度で焼成する。なお、
焼成温度が1900℃を越えると窒化珪素結晶が粒子成
長を起こし強度劣化を引き起こす。
Specific firing conditions in these firings are firing at a temperature of 1500 to 1900 ° C. under a nitrogen pressure of 1 to 100 atm, which does not decompose silicon nitride. In addition,
When the firing temperature exceeds 1900 ° C., the silicon nitride crystal causes grain growth and causes strength deterioration.

【0025】次に、焼成終了後、冷却過程で熱処理を施
すか、または得られた焼結体を非酸化性雰囲気中で10
00〜1600℃の温度で熱処理することにより、粒界
相にダイシリケート相、またはダイシリケート相とシリ
コンオキシナイトライド相を析出させるとともに、複合
酸化物相を分散させることができる。
Next, after firing, heat treatment is performed in a cooling process, or the obtained sintered body is subjected to 10 times in a non-oxidizing atmosphere.
By performing the heat treatment at a temperature of 00 to 1600 ° C., the disilicate phase or the disilicate phase and the silicon oxynitride phase can be precipitated in the grain boundary phase, and the composite oxide phase can be dispersed.

【0026】上記製造方法によれば、出発原料として複
合酸化物粉末を用いる場合について述べたが、他の方法
としてAl、Ga、Ti、Hf、Zr、Nb、Ta、
V、W、Mo、CrおよびFeの群から選ばれる少なく
とも1種の元素の単金属酸化物粉末を用いることもでき
る。その場合、焼成後の冷却過程で徐冷してRE2 Si
2 7 (RE:周期律表第3a族元素)で表されるダイ
シリケート相中のREにCr,Hf、Nb、Zr、Ta
などを固溶させた後、1000〜1600℃の温度域で
再度熱処理を加えることにより、過飽和に固溶した金属
元素をRE2 Si2 7 粒内にRExMyOzの複合酸
化物としてダイシリケート相中に微細に析出させて粒界
相にナノコンポジットの組織を形成することができ、こ
れにより粒界相の高温強度、さらに焼結体の高温強度を
一層向上させることができる。
According to the above manufacturing method, the case where the composite oxide powder is used as the starting material has been described, but as another method, Al, Ga, Ti, Hf, Zr, Nb, Ta,
It is also possible to use a single metal oxide powder of at least one element selected from the group consisting of V, W, Mo, Cr and Fe. In that case, it is slowly cooled in the cooling process after firing and the RE 2 Si
2 O 7 (RE: Group 3a element of the periodic table) contains Cr, Hf, Nb, Zr and Ta in RE in the disilicate phase.
And the like, and then heat-treated again in the temperature range of 1000 to 1600 ° C., so that the supersaturated solid-soluted metal element is mixed in the RE 2 Si 2 O 7 grains as RExMyOz complex oxide in the disilicate phase. By finely precipitating into the grain boundary phase, a nanocomposite structure can be formed in the grain boundary phase, whereby the high temperature strength of the grain boundary phase and the high temperature strength of the sintered body can be further improved.

【0027】[0027]

【作用】窒化珪素質焼結体は、1400℃より高い高温
で負荷が印加された状態で、変形から破壊に至ることが
知られている。焼結体の変形に対する抵抗は、粒界相の
高温におけるヤング率および高温耐塑性変形抵抗に大き
く影響される。周期律表第3a族元素のダイシリケート
相を粒界に有する窒化珪素質焼結体は、高温酸化雰囲気
においても非常に優れた耐酸化性を有するものである
が、ダイシリケート相自体はイオン結合型結晶であるた
め、高温で転位により塑性変形しやすい傾向にある。従
って、これを粒界相に有する窒化珪素質焼結体は、高温
における変形抵抗が低いものとなっている。
It is known that the silicon nitride sintered body undergoes deformation and destruction under load applied at a temperature higher than 1400 ° C. The resistance of the sintered body to deformation is greatly affected by the Young's modulus of the grain boundary phase at high temperatures and the high temperature plastic deformation resistance. A silicon nitride sintered body having a disilicate phase of a Group 3a element of the periodic table at the grain boundary has very excellent oxidation resistance even in a high temperature oxidizing atmosphere, but the disilicate phase itself has an ionic bond. Since it is a type crystal, it tends to be plastically deformed by dislocation at high temperature. Therefore, the silicon nitride-based sintered body having this in the grain boundary phase has low deformation resistance at high temperatures.

【0028】本発明によれば、この高温強度を向上させ
るのに、高温で安定な粒子を組織中、特に粒界相に分散
させることにより塑性変形性を抑制しようとするもので
ある。よって、融点が1500℃以上の周期律表第3a
族元素と所定の金属元素との複合酸化物を用い、これを
粒界に分散させることによりダイシリケート相の高温に
おける転位を抑制し粒界の複合強化粒子として作用させ
ることにより高温酸化雰囲気中において優れた耐酸化性
を保持しつつ高温において高い強度を有するものが得ら
れる。
According to the present invention, in order to improve the high temperature strength, particles which are stable at high temperature are dispersed in the structure, particularly in the grain boundary phase, to suppress the plastic deformability. Therefore, the periodic table 3a having a melting point of 1500 ° C. or higher
By using a composite oxide of a group element and a predetermined metal element, by suppressing the dislocation at high temperature of the disilicate phase by dispersing it in the grain boundary, and acting as a composite strengthening particle of the grain boundary, in a high temperature oxidizing atmosphere A product having high strength at high temperature while retaining excellent oxidation resistance can be obtained.

【0029】[0029]

【実施例】原料粉末として窒化珪素粉末(BET比表面
積10m2 /g、α率95%、酸素量1.2重量%、イ
ミド熱分解原料)と、純度99.9%以上の周期律表第
3a族酸化物粉末(RE2 3 )および純度99.9%
以上の酸化珪素粉末を準備した。
EXAMPLES Silicon nitride powder (BET specific surface area 10 m 2 / g, α ratio 95%, oxygen amount 1.2% by weight, imide thermal decomposition raw material) as raw material powder and periodic table of purity 99.9% or more Group 3a oxide powder (RE 2 O 3 ) and purity 99.9%
The above silicon oxide powder was prepared.

【0030】一方、複合酸化物として、各種の周期律表
第3a族元素酸化物と、Al、Ga、Ti、Hf、Z
r、Nb、Ta、V、W、Mo、CrおよびFeの各金
属の酸化物を用いて、これらを所定の表1に示した所定
の比率で混合したものを1000〜1500℃で5時間
熱処理した後、これを粉砕して平均粒径が0.3〜2μ
mの粉末を得た。
On the other hand, as a complex oxide, various periodic table group 3a element oxides and Al, Ga, Ti, Hf, and Z are included.
A mixture of oxides of metals of r, Nb, Ta, V, W, Mo, Cr and Fe mixed at a predetermined ratio shown in Table 1 is heat treated at 1000 to 1500 ° C. for 5 hours. After that, it is crushed and the average particle size is 0.3 to 2μ.
m powder was obtained.

【0031】次に、上記の原料粉末を用いて表1に示す
モル比で秤量したものをイソプロピルアルコールを溶媒
として窒化珪素ボールを用いて72時間振動ミルで混合
粉砕し、スラリーを乾燥後、直径60mm、厚み10m
mの形状に3ton/cm2の圧力でラバープレス成形
した。
Next, the above raw material powders, which were weighed at the molar ratio shown in Table 1, were mixed and pulverized in a vibration mill for 72 hours using isopropyl alcohol as a solvent and silicon nitride balls. 60mm, thickness 10m
m was press-molded with a pressure of 3 ton / cm 2 .

【0032】そして、その成形体を表2に示す条件で焼
成し冷却した後、さらに窒素中で1400℃の温度で2
4時間熱処理した。
Then, the molded body was fired under the conditions shown in Table 2 and cooled, and then further heated in nitrogen at a temperature of 1400 ° C. for 2 hours.
Heat treated for 4 hours.

【0033】得られた焼結体に対してアルキメデス法に
よる比重から対理論密度比を算出するとともに、3×4
×40mmのテストピース形状に切断研磨し、JISR
1601に基づき室温および1500℃での4点曲げ抗
折強度試験を実施し、10個の試験結果の平均値を、耐
酸化性特性として焼結体を1400℃の大気中に100
時間保持した後の重量増加を測定し表2に示した。また
抗折試験片をJISR1601の3点曲げ試験と同様に
支持し、400MPaの負荷を印加し1400℃で最高
100時間保持し、破壊に至るまでの時間を測定した。
さらに、焼結体の表面のX線回折測定し粒界結晶相を同
定した。これらの測定結果は、表2に示した。
The theoretical density ratio of the obtained sintered body was calculated from the specific gravity by the Archimedes method, and 3 × 4.
JISR, cut and polished into a 40 mm test piece shape
A 4-point bending bending strength test was carried out at room temperature and 1500 ° C. based on 1601, and the average value of the test results of 10 pieces was taken as the oxidation resistance property of the sintered body at 100 ° C. in the atmosphere of 1400 ° C.
The weight increase after holding for a period of time was measured and is shown in Table 2. Further, the bending test piece was supported in the same manner as in the three-point bending test of JIS R1601, a load of 400 MPa was applied, and the test piece was held at 1400 ° C. for a maximum of 100 hours, and the time until failure was measured.
Furthermore, the grain boundary crystal phase was identified by measuring the X-ray diffraction of the surface of the sintered body. The results of these measurements are shown in Table 2.

【0034】[0034]

【表2】 [Table 2]

【0035】表2から明らかなように、複合酸化物を全
く添加しない試料No.20、22では、耐クリープ性が
低く、また粒界結晶中にダイシリケートが析出していな
い試料No.21では、耐酸化性が低く、また耐クリープ
性も低いものであった。
As is clear from Table 2, in samples No. 20 and 22 in which no composite oxide was added, the creep resistance was low, and in sample No. 21 in which disilicate was not precipitated in the grain boundary crystals. The oxidation resistance was low and the creep resistance was also low.

【0036】これらの比較例に対して、上記以外の本発
明品は、いずれも抗折強度が室温で820MPa以上、
1400℃で660MPa以上、酸化重量増加分が0.
1mg/cm2 以下、耐クリープ特性が3.2hr以上
の優れた特性を示した。
In contrast to these comparative examples, the products of the present invention other than the above all have a bending strength of 820 MPa or more at room temperature,
At 1400 ° C., 660 MPa or more, the increase in oxidized weight is 0.
It showed excellent characteristics of 1 mg / cm 2 or less and creep resistance of 3.2 hr or more.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
高温における耐酸化性を維持しつつ、高温強度および高
温での耐クリープ特性を向上することができる。これに
より自動車部品やガスタービン用部品などに用いた場合
においても高い信頼性を付与することができる。
As described in detail above, according to the present invention,
It is possible to improve high temperature strength and creep resistance at high temperature while maintaining oxidation resistance at high temperature. As a result, high reliability can be imparted even when used for automobile parts, gas turbine parts, and the like.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】窒化珪素からなる主結晶相と、その主結晶
相の粒界に少なくともRE2 Si2 7 (REは周期律
表第3a族元素)で表されるダイシリケート相と、融点
が1500℃以上のAl、Ga、Ti、Hf、Zr、N
b、Ta、V、W、Mo、CrおよびFeの群から選ば
れる少なくとも1種の元素と周期律表第3a族元素との
複合酸化物相が存在することを特徴とする窒化珪素質焼
結体。
1. A main crystalline phase made of silicon nitride, a disilicate phase represented by at least RE 2 Si 2 O 7 (RE is an element of Group 3a of the periodic table) in a grain boundary of the main crystalline phase, and a melting point. Is 1500 ° C or higher Al, Ga, Ti, Hf, Zr, N
Silicon nitride based sintering characterized by the presence of a complex oxide phase of at least one element selected from the group consisting of b, Ta, V, W, Mo, Cr and Fe and an element of Group 3a of the periodic table. body.
【請求項2】前記粒界相に、さらにシリコンオキシナイ
トライド相が存在することを特徴とする請求項1記載の
窒化珪素質焼結体。
2. The silicon nitride sintered body according to claim 1, further comprising a silicon oxynitride phase in the grain boundary phase.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1078715C (en) * 1995-07-24 2002-01-30 株式会社理光 Ink tube
CN114105672A (en) * 2020-08-31 2022-03-01 厦门稀土材料研究所 Zirconium-tantalum composite rare earth-based porous high-entropy ceramic and preparation method thereof

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