JPH09142935A - 窒化珪素質焼結体およびその製造方法 - Google Patents
窒化珪素質焼結体およびその製造方法Info
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- JPH09142935A JPH09142935A JP7305623A JP30562395A JPH09142935A JP H09142935 A JPH09142935 A JP H09142935A JP 7305623 A JP7305623 A JP 7305623A JP 30562395 A JP30562395 A JP 30562395A JP H09142935 A JPH09142935 A JP H09142935A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】１９００℃以下で焼成可能で、室温から１００
０℃の高温まで高い強度を有し、耐酸化性に優れた焼結
体が得られていない。 【解決手段】窒化珪素と、希土類元素酸化物と、酸化ア
ルミニウムと、酸化マグネシウムと、酸化珪素を含み、
希土類元素酸化物と酸化アルミニウムと酸化珪素を合量
で５〜２５モル％と、酸化珪素の前記希土類元素酸化物
に対するモル比率が０．５〜２を満足し、且つ酸化マグ
ネシウムを０．１〜０．５重量％の割合で含有する成形
体を窒素含有雰囲気中で１９００℃以下で焼成して、β
−窒化珪素結晶相と、希土類元素、アルミニウム、マグ
ネシウム、珪素、酸素および窒素を含む非晶質の粒界相
とからなり、室温から１０００℃までの抗折強度が９０
０ＭＰａ以上、１０００℃、大気中で１０００時間保持
後の酸化増量が０．１ｍｇ／ｃｍ2 以下の焼結体を得
る。
０℃の高温まで高い強度を有し、耐酸化性に優れた焼結
体が得られていない。 【解決手段】窒化珪素と、希土類元素酸化物と、酸化ア
ルミニウムと、酸化マグネシウムと、酸化珪素を含み、
希土類元素酸化物と酸化アルミニウムと酸化珪素を合量
で５〜２５モル％と、酸化珪素の前記希土類元素酸化物
に対するモル比率が０．５〜２を満足し、且つ酸化マグ
ネシウムを０．１〜０．５重量％の割合で含有する成形
体を窒素含有雰囲気中で１９００℃以下で焼成して、β
−窒化珪素結晶相と、希土類元素、アルミニウム、マグ
ネシウム、珪素、酸素および窒素を含む非晶質の粒界相
とからなり、室温から１０００℃までの抗折強度が９０
０ＭＰａ以上、１０００℃、大気中で１０００時間保持
後の酸化増量が０．１ｍｇ／ｃｍ2 以下の焼結体を得
る。
Description
【０００１】
【発明の属する利用分野】本発明は、室温から１０００
℃の高温までの強度特性に優れた自動車用部品やガスタ
−ビンエンジン用部品等に使用される窒化珪素質焼結体
と、その製造方法に関する。
℃の高温までの強度特性に優れた自動車用部品やガスタ
−ビンエンジン用部品等に使用される窒化珪素質焼結体
と、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】従来から、窒化珪素質焼結体は、耐熱性、
耐熱衝撃性および耐酸化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。
耐熱衝撃性および耐酸化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。
【０００３】この窒化珪素質焼結体を作製するには、焼
結助剤としてＹ2 Ｏ3 等の希土類元素酸化物や、Ａｌ2
Ｏ3 、ＡｌＮなどのアルミニウム化合物、ＳｉＯ2 など
を添加して、常圧や、窒素加圧雰囲気中で焼成して緻密
化することが特公昭５２−３６４９号、特公昭５８−５
１９０号にてすでに提案されている。
結助剤としてＹ2 Ｏ3 等の希土類元素酸化物や、Ａｌ2
Ｏ3 、ＡｌＮなどのアルミニウム化合物、ＳｉＯ2 など
を添加して、常圧や、窒素加圧雰囲気中で焼成して緻密
化することが特公昭５２−３６４９号、特公昭５８−５
１９０号にてすでに提案されている。
【０００４】また、窒化珪素質焼結体は、その用途に応
じて、添加する助剤の選択がなされている。例えば、希
土類元素酸化物を必須として、これにＡｌ2 Ｏ3 やＭｇ
Ｏ等を添加すると低温で液相が生成されるために、１８
００℃以下の比較的低温の常圧で焼成して緻密化するこ
とができ、この方法によれば、室温強度の高い焼結体を
得ることができるため、室温で使用される用途に多用さ
れている。
じて、添加する助剤の選択がなされている。例えば、希
土類元素酸化物を必須として、これにＡｌ2 Ｏ3 やＭｇ
Ｏ等を添加すると低温で液相が生成されるために、１８
００℃以下の比較的低温の常圧で焼成して緻密化するこ
とができ、この方法によれば、室温強度の高い焼結体を
得ることができるため、室温で使用される用途に多用さ
れている。
【０００５】ところが、上記の焼結体では、生成された
液相により窒化珪素結晶粒間に生成されたガラス相は、
１０００℃を越える温度では軟化してしまうため、１４
００℃以上の温度に曝されるガスタービン用部品には応
用できない。
液相により窒化珪素結晶粒間に生成されたガラス相は、
１０００℃を越える温度では軟化してしまうため、１４
００℃以上の温度に曝されるガスタービン用部品には応
用できない。
【０００６】そこで、高温強度を高めるために、Ａｌ2
Ｏ3 やＭｇＯ等を添加することなく、希土類元素酸化物
とＳｉＯ2 成分との複合化によって、粒界を融点の高い
結晶相により構成することが提案されているが、かかる
焼結体は、１９００℃以上の窒素加圧雰囲気中で焼成す
ることが必要である。
Ｏ3 やＭｇＯ等を添加することなく、希土類元素酸化物
とＳｉＯ2 成分との複合化によって、粒界を融点の高い
結晶相により構成することが提案されているが、かかる
焼結体は、１９００℃以上の窒素加圧雰囲気中で焼成す
ることが必要である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
希土類元素酸化物とＡｌ2 Ｏ3 やＭｇＯを添加した系で
は、組成によっては１８００℃以下の低温で焼成可能で
あり室温強度はある程度高いものの、高温域では徐々に
強度が低下し１０００℃ではせいぜい７００ＭＰａ程度
の強度しかなく、かかる焼結体を１０００℃もの高温域
で使用する部品には適用できない。また、かかる焼結体
は、１０００℃における耐酸化性が実用上不十分であっ
た。
希土類元素酸化物とＡｌ2 Ｏ3 やＭｇＯを添加した系で
は、組成によっては１８００℃以下の低温で焼成可能で
あり室温強度はある程度高いものの、高温域では徐々に
強度が低下し１０００℃ではせいぜい７００ＭＰａ程度
の強度しかなく、かかる焼結体を１０００℃もの高温域
で使用する部品には適用できない。また、かかる焼結体
は、１０００℃における耐酸化性が実用上不十分であっ
た。
【０００８】また、上記粒界を結晶化させた系では、１
４００℃もの高温においても高い強度を得ることができ
るが、製法上、１９００℃以上の高温で焼成する必要が
あるため、高温焼成が可能な特殊な設備が必要となる
等、製造コストが高い等の問題があった。
４００℃もの高温においても高い強度を得ることができ
るが、製法上、１９００℃以上の高温で焼成する必要が
あるため、高温焼成が可能な特殊な設備が必要となる
等、製造コストが高い等の問題があった。
【０００９】よって、本発明の目的は、室温から１００
０℃の高温まで自動車用部品やガスタ−ビンエンジン用
部品等で使用されるに充分な機械的特性を有するととも
に、耐酸化特性に優れ、且つ１９００℃以下で焼成可能
な窒化珪素質焼結体と、その製造方法を提供するにあ
る。
０℃の高温まで自動車用部品やガスタ−ビンエンジン用
部品等で使用されるに充分な機械的特性を有するととも
に、耐酸化特性に優れ、且つ１９００℃以下で焼成可能
な窒化珪素質焼結体と、その製造方法を提供するにあ
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明者は、焼結体の機
械的、熱的特性を高めるためには、焼結体の主結晶相お
よび窒化珪素相の粒界に存在する副相を制御することが
重要であるという見地に基づき検討を重ねた結果、β−
窒化珪素結晶相の粒界を、金属成分として希土類元素と
珪素とアルミニウムと微量のマグネシウムを含有せし
め、さらに酸素と窒素からなる非晶質の粒界相により構
成し、それらの粒界成分を特定の組成範囲に制御する事
で上記目的が達成されることを見出した。
械的、熱的特性を高めるためには、焼結体の主結晶相お
よび窒化珪素相の粒界に存在する副相を制御することが
重要であるという見地に基づき検討を重ねた結果、β−
窒化珪素結晶相の粒界を、金属成分として希土類元素と
珪素とアルミニウムと微量のマグネシウムを含有せし
め、さらに酸素と窒素からなる非晶質の粒界相により構
成し、それらの粒界成分を特定の組成範囲に制御する事
で上記目的が達成されることを見出した。
【００１１】即ち、本発明の窒化珪素質焼結体は、β−
窒化珪素結晶相と、希土類元素、アルミニウム、マグネ
シウム、珪素、酸素および窒素を含む非晶質の粒界相と
からなる窒化珪素焼結体であって、前記希土類元素の酸
化物換算量と、アルミニウムの酸化物換算量と、該焼結
体中の不純物的酸素のＳｉＯ2 換算量とを合計で５〜２
５モル％と、前記不純物的酸素のＳｉＯ2 換算量の前記
希土類元素の酸化物換算に対するモル比（ＳｉＯ2 ／Ｒ
Ｅ2 Ｏ3 ）が０．５〜２を満足する比率で含有し、且つ
マグネシウムをＭｇＯ換算で０．１〜０．５重量％の割
合で含むことを特徴とするものであり、かかる焼結体
は、１０００℃までの抗折強度が９００ＭＰａ以上、１
０００℃、大気中で１０００時間保持後の酸化増量が
０．１ｍｇ／ｃｍ2 以下の優れた特性を具備するもので
ある。
窒化珪素結晶相と、希土類元素、アルミニウム、マグネ
シウム、珪素、酸素および窒素を含む非晶質の粒界相と
からなる窒化珪素焼結体であって、前記希土類元素の酸
化物換算量と、アルミニウムの酸化物換算量と、該焼結
体中の不純物的酸素のＳｉＯ2 換算量とを合計で５〜２
５モル％と、前記不純物的酸素のＳｉＯ2 換算量の前記
希土類元素の酸化物換算に対するモル比（ＳｉＯ2 ／Ｒ
Ｅ2 Ｏ3 ）が０．５〜２を満足する比率で含有し、且つ
マグネシウムをＭｇＯ換算で０．１〜０．５重量％の割
合で含むことを特徴とするものであり、かかる焼結体
は、１０００℃までの抗折強度が９００ＭＰａ以上、１
０００℃、大気中で１０００時間保持後の酸化増量が
０．１ｍｇ／ｃｍ2 以下の優れた特性を具備するもので
ある。
【００１２】さらに、本発明の窒化珪素質焼結体の製造
方法は、窒化珪素、希土類元素酸化物、酸化アルミニウ
ム、酸化マグネシウムおよび酸化珪素を含み、前記希土
類元素酸化物と酸化アルミニウムと酸化珪素を合計で全
量中５〜２５モル％含み、前記酸化珪素の前記希土類元
素酸化物に対するモル比率が０．５〜２を満足し、且つ
酸化マグネシウムを０．１〜０．５重量％の割合で含有
する成形体を窒素含有雰囲気中で１９００℃以下で焼成
することを特徴とするものである。
方法は、窒化珪素、希土類元素酸化物、酸化アルミニウ
ム、酸化マグネシウムおよび酸化珪素を含み、前記希土
類元素酸化物と酸化アルミニウムと酸化珪素を合計で全
量中５〜２５モル％含み、前記酸化珪素の前記希土類元
素酸化物に対するモル比率が０．５〜２を満足し、且つ
酸化マグネシウムを０．１〜０．５重量％の割合で含有
する成形体を窒素含有雰囲気中で１９００℃以下で焼成
することを特徴とするものである。
【００１３】なお、焼結体中の不純物的酸素とは、窒化
珪素質焼結体の単位体積あたりに含有する全酸素量か
ら、希土類元素酸化物、酸化アルミニウム、酸化マグネ
シウムとして化学量論組成で混入した酸素を除いた酸素
量であり、具体的には窒化珪素粉末中に含まれる不純物
酸素、あるいはシリカとして添加された酸素からなるも
のであり、いずれもＳｉＯ2 換算量で示す。
珪素質焼結体の単位体積あたりに含有する全酸素量か
ら、希土類元素酸化物、酸化アルミニウム、酸化マグネ
シウムとして化学量論組成で混入した酸素を除いた酸素
量であり、具体的には窒化珪素粉末中に含まれる不純物
酸素、あるいはシリカとして添加された酸素からなるも
のであり、いずれもＳｉＯ2 換算量で示す。
【００１４】
【作用】窒化珪素焼結体の機械的特性および熱的特性
は、β−窒化珪素粒子の粒界に存在する粒界相によって
ほぼ決定されるため、これらの特性を改善するには、粒
界相を細かく制御することが必要である。
は、β−窒化珪素粒子の粒界に存在する粒界相によって
ほぼ決定されるため、これらの特性を改善するには、粒
界相を細かく制御することが必要である。
【００１５】通常、窒化珪素に対して、焼結助剤として
希土類元素酸化物と酸化アルミニウムとを併用すれば低
温焼成とともに室温強度を高めることができるが、これ
のみでは１０００℃の温度域での強度および耐酸化性は
実用的には不十分である。
希土類元素酸化物と酸化アルミニウムとを併用すれば低
温焼成とともに室温強度を高めることができるが、これ
のみでは１０００℃の温度域での強度および耐酸化性は
実用的には不十分である。
【００１６】本発明によれば、希土類元素酸化物と酸化
アルミニウムを添加した系に対して、微量の酸化マグネ
シウムを添加すると、さらに低温焼成での緻密化が促進
されるために焼結体の強度を向上させることができる。
アルミニウムを添加した系に対して、微量の酸化マグネ
シウムを添加すると、さらに低温焼成での緻密化が促進
されるために焼結体の強度を向上させることができる。
【００１７】また、本発明によれば、粒界に存在する酸
素のうち不純物的酸素量を比較的少なくすることにより
強度を向上することができる。一般的にＳｉＯ2 量が少
なくなると粒界相が希土類元素を含む酸窒化物の結晶相
に結晶化しやすくなるが、この酸窒化物結晶相が形成さ
れると耐酸化性が劣化する。しかし、本発明によれば微
量の酸化マグネシウムの添加により粒界の結晶化を防ぐ
とともに焼結体表面への保護膜の形成を促すために酸化
性雰囲気中での酸化の進行を抑制し耐酸化性を向上させ
ることができる。しかし、酸化マグネシウムの過度の添
加は、粒界相の軟化温度や融点を低下させるため、逆に
高温強度や耐酸化性も劣化させてしまうため、微量な範
囲に制御することが必要となる。
素のうち不純物的酸素量を比較的少なくすることにより
強度を向上することができる。一般的にＳｉＯ2 量が少
なくなると粒界相が希土類元素を含む酸窒化物の結晶相
に結晶化しやすくなるが、この酸窒化物結晶相が形成さ
れると耐酸化性が劣化する。しかし、本発明によれば微
量の酸化マグネシウムの添加により粒界の結晶化を防ぐ
とともに焼結体表面への保護膜の形成を促すために酸化
性雰囲気中での酸化の進行を抑制し耐酸化性を向上させ
ることができる。しかし、酸化マグネシウムの過度の添
加は、粒界相の軟化温度や融点を低下させるため、逆に
高温強度や耐酸化性も劣化させてしまうため、微量な範
囲に制御することが必要となる。
【００１８】本発明の焼結体は、上記の構成により、β
−窒化珪素主結晶相の粒界相を希土類元素、珪素、アル
ミニウムと微量のマグネシウムと酸素と窒素とを含む非
晶質相により構成するとともに、それらの成分を特定の
範囲に制御することにより、室温から１０００℃までの
温度領域で９００ＭＰａ以上の高い強度と、大気中で１
０００時間保持後の酸化増量が０．１ｍｇ／ｃｍ2 以下
の優れた耐酸化性を付与することができる。
−窒化珪素主結晶相の粒界相を希土類元素、珪素、アル
ミニウムと微量のマグネシウムと酸素と窒素とを含む非
晶質相により構成するとともに、それらの成分を特定の
範囲に制御することにより、室温から１０００℃までの
温度領域で９００ＭＰａ以上の高い強度と、大気中で１
０００時間保持後の酸化増量が０．１ｍｇ／ｃｍ2 以下
の優れた耐酸化性を付与することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】本発明の窒化珪素質焼結体は、組
織上、β−窒化珪素からなる主結晶相と、希土類元素と
珪素とアルミニウムと微量のマグネシウム、酸素と窒素
から構成される非晶質の粒界相とから構成される。な
お、β−窒化珪素結晶相中には、わずかにアルミニウム
が固溶してβ−サイアロンを形成してもよい。主結晶相
は、針状結晶として存在し、その短径が０．１〜３μｍ
で平均アスペクト比（長径／短径）は２〜１０の粒子で
ある。
織上、β−窒化珪素からなる主結晶相と、希土類元素と
珪素とアルミニウムと微量のマグネシウム、酸素と窒素
から構成される非晶質の粒界相とから構成される。な
お、β−窒化珪素結晶相中には、わずかにアルミニウム
が固溶してβ−サイアロンを形成してもよい。主結晶相
は、針状結晶として存在し、その短径が０．１〜３μｍ
で平均アスペクト比（長径／短径）は２〜１０の粒子で
ある。
【００２０】本発明によれば、焼結体全量中において、
希土類元素（ＲＥ）の酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）換算量と、
アルミニウムのＡｌ2 Ｏ3 換算量と、焼結体中の不純物
的酸素のＳｉＯ2 換算量との合計量が５〜２５モル％、
特に７〜２０モル％であることが重要である。これは、
上記合量が５モル％より少ないと焼結不足となり、２５
モル％より多いと、高温特性が低下する。特に、希土類
元素の酸化物換算（ＲＥ2 Ｏ3 ）とアルミニウムの酸化
物換算（Ａｌ2 Ｏ3 ）との（ＲＥ2 Ｏ3 ／Ａｌ2 Ｏ3 ）
モル比は０．３〜４であることが望ましい。
希土類元素（ＲＥ）の酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）換算量と、
アルミニウムのＡｌ2 Ｏ3 換算量と、焼結体中の不純物
的酸素のＳｉＯ2 換算量との合計量が５〜２５モル％、
特に７〜２０モル％であることが重要である。これは、
上記合量が５モル％より少ないと焼結不足となり、２５
モル％より多いと、高温特性が低下する。特に、希土類
元素の酸化物換算（ＲＥ2 Ｏ3 ）とアルミニウムの酸化
物換算（Ａｌ2 Ｏ3 ）との（ＲＥ2 Ｏ3 ／Ａｌ2 Ｏ3 ）
モル比は０．３〜４であることが望ましい。
【００２１】また、マグネシウムを酸化物換算（Ｍｇ
Ｏ）で０．１〜０．５重量％、特に０．２〜０．４重量
％の割合で含有することと同時に、不純物的酸素のＳｉ
Ｏ2 換算量の前記希土類元素の酸化物換算に対するモル
比（ＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 ）が０．５〜２、特に１〜
１．５であることが重要である。
Ｏ）で０．１〜０．５重量％、特に０．２〜０．４重量
％の割合で含有することと同時に、不純物的酸素のＳｉ
Ｏ2 換算量の前記希土類元素の酸化物換算に対するモル
比（ＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 ）が０．５〜２、特に１〜
１．５であることが重要である。
【００２２】上記のように、ＳｉＯ2 と希土類元素の酸
化物換算のモル比を上記の範囲に制御することにより組
織を針状化し、焼結体の破壊靭性値を高め強度を向上す
ることができる。
化物換算のモル比を上記の範囲に制御することにより組
織を針状化し、焼結体の破壊靭性値を高め強度を向上す
ることができる。
【００２３】なお、焼結体中の不純物的酸素のＳｉＯ2
換算量と希土類元素の酸化物換算のモル比が０．５未
満、もしくはマグネシウムのＭｇＯ換算の重量比が０．
１重量％より少ないと、粒界相の結晶化が進み、焼結体
の１０００℃における耐酸化特性が劣化する。また上記
不純物的酸素と希土類元素との上記モル比が２を越える
と強度、特に室温強度が低くなる。さらにマグネシウム
のＭｇＯ換算の重量比が０．５重量％を越えると粒界相
の低融点化が進み、１０００℃の高温での強度が劣化し
いずれも目的の特性が得られない。
換算量と希土類元素の酸化物換算のモル比が０．５未
満、もしくはマグネシウムのＭｇＯ換算の重量比が０．
１重量％より少ないと、粒界相の結晶化が進み、焼結体
の１０００℃における耐酸化特性が劣化する。また上記
不純物的酸素と希土類元素との上記モル比が２を越える
と強度、特に室温強度が低くなる。さらにマグネシウム
のＭｇＯ換算の重量比が０．５重量％を越えると粒界相
の低融点化が進み、１０００℃の高温での強度が劣化し
いずれも目的の特性が得られない。
【００２４】なお、本発明に用いられる希土類元素とし
ては、Ｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｓｍ等が挙げられる。こ
れらの中では、Ｙが最も安価に入手できる。
ては、Ｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｓｍ等が挙げられる。こ
れらの中では、Ｙが最も安価に入手できる。
【００２５】次に、本発明の窒化珪素質焼結体を製造す
る方法について説明する。まず、原料粉末として窒化珪
素粉末を主成分として用いる。窒化珪素粉末はそれ自体
α−Ｓｉ3 Ｎ4 、β−Ｓｉ3 Ｎ4 のいずれでも用いるこ
とができ、それらの粒径は０．４〜１．２μｍが好まし
い。
る方法について説明する。まず、原料粉末として窒化珪
素粉末を主成分として用いる。窒化珪素粉末はそれ自体
α−Ｓｉ3 Ｎ4 、β−Ｓｉ3 Ｎ4 のいずれでも用いるこ
とができ、それらの粒径は０．４〜１．２μｍが好まし
い。
【００２６】次に、添加成分として、希土元素元素酸化
物、酸化アルミニウム粉末、酸化珪素粉末およびマグネ
シウム化合物粉末を用い、これらを適量秤量し、ボール
ミル等により混合粉砕する。マグネシウム化合物として
は酸化物、炭化物、窒化物、珪化物等いずれでもかまわ
ないが、安価で微粉末が得られやすいことから酸化物が
好ましい。
物、酸化アルミニウム粉末、酸化珪素粉末およびマグネ
シウム化合物粉末を用い、これらを適量秤量し、ボール
ミル等により混合粉砕する。マグネシウム化合物として
は酸化物、炭化物、窒化物、珪化物等いずれでもかまわ
ないが、安価で微粉末が得られやすいことから酸化物が
好ましい。
【００２７】このようにして得られた混合粉末を公知の
成形方法、例えば、プレス成形、鋳込み成形、押出し成
形、射出成形、冷間静水圧成形などにより所望の形状に
成形する。この時、成形体の組成が、希土類元素酸化物
と酸化アルミニウムと酸化珪素とが合量で５〜２５モル
％と、酸化マグネシウムを０．１〜０．５重量％の割合
で含有し、酸化珪素の希土類元素酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）
に対するモル比（ＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 ）が０．５〜２
を満足するように、出発組成を調製する。なお、上記成
形体組成における酸化珪素とは、添加される酸化珪素粉
末と、窒化珪素粉末中に含有される不純物酸素のＳｉＯ
2 換算量も含まれる。
成形方法、例えば、プレス成形、鋳込み成形、押出し成
形、射出成形、冷間静水圧成形などにより所望の形状に
成形する。この時、成形体の組成が、希土類元素酸化物
と酸化アルミニウムと酸化珪素とが合量で５〜２５モル
％と、酸化マグネシウムを０．１〜０．５重量％の割合
で含有し、酸化珪素の希土類元素酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）
に対するモル比（ＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 ）が０．５〜２
を満足するように、出発組成を調製する。なお、上記成
形体組成における酸化珪素とは、添加される酸化珪素粉
末と、窒化珪素粉末中に含有される不純物酸素のＳｉＯ
2 換算量も含まれる。
【００２８】次に、得られた成形体を公知の焼成方法、
例えば、ホットプレス方法、常圧焼成、窒素ガス圧力焼
成法により焼成し、さらには、これらの焼成後に２００
０気圧もの高圧下で焼成する熱間静水圧焼成法（ＨＩ
Ｐ）を施したり、成形体をガラス浴中に浸漬したり、ガ
ラスシールを表面に形成して上記ＨＩＰ処理を行い緻密
化を図る。
例えば、ホットプレス方法、常圧焼成、窒素ガス圧力焼
成法により焼成し、さらには、これらの焼成後に２００
０気圧もの高圧下で焼成する熱間静水圧焼成法（ＨＩ
Ｐ）を施したり、成形体をガラス浴中に浸漬したり、ガ
ラスシールを表面に形成して上記ＨＩＰ処理を行い緻密
化を図る。
【００２９】この時の焼成温度は、高温すぎると主相で
あるβ−窒化珪素結晶が粒成長し強度が低下し、また製
造装置上も高価となるため、１９００℃以下、特に１６
００〜１８５０℃、さらには１６５０〜１８００℃の窒
素ガス含有非酸化性雰囲気で焼成することがよい。
あるβ−窒化珪素結晶が粒成長し強度が低下し、また製
造装置上も高価となるため、１９００℃以下、特に１６
００〜１８５０℃、さらには１６５０〜１８００℃の窒
素ガス含有非酸化性雰囲気で焼成することがよい。
【００３０】一方、Ｗ，Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ，Ｎｂ、Ｖな
どの周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素金属や、それら
の炭化物、窒化物、珪化物、またはＳｉＣなどは、分散
粒子やウィスカ−として本発明の焼結体に存在しても特
性を劣化させるような影響が少ないことから、これらを
周知技術の基づき、適量添加して複合材料として特性の
改善を行うことも当然可能である。
どの周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素金属や、それら
の炭化物、窒化物、珪化物、またはＳｉＣなどは、分散
粒子やウィスカ−として本発明の焼結体に存在しても特
性を劣化させるような影響が少ないことから、これらを
周知技術の基づき、適量添加して複合材料として特性の
改善を行うことも当然可能である。
【００３１】
実施例１ 窒化珪素粉末（ＢＥＴ比表面積９ｍ2 ／ｇ、α率９８
％、酸素量１．２重量％）と各種の希土類元素酸化物粉
末と各種の酸化アルミニウム粉末、酸化珪素粉末、マグ
ネシウム化合物粉末を用いて、１ｔ／ｃｍ2 で金型成形
し表１の組成（Ｓｉ3 Ｎ4 以外の成分量）の成形体を得
た。得られた成形体を炭化珪素質の匣鉢に入れて、表１
に示す条件で焼成した。
％、酸素量１．２重量％）と各種の希土類元素酸化物粉
末と各種の酸化アルミニウム粉末、酸化珪素粉末、マグ
ネシウム化合物粉末を用いて、１ｔ／ｃｍ2 で金型成形
し表１の組成（Ｓｉ3 Ｎ4 以外の成分量）の成形体を得
た。得られた成形体を炭化珪素質の匣鉢に入れて、表１
に示す条件で焼成した。
【００３２】得られた焼結体に対して、Ｘ線回折測定を
行いβ−窒化珪素以外の粒界相中の結晶相の存在の確認
を行なった。なお、焼結体の組成分析を行った結果、表
１の成形体組成と変化なく、焼結体中の不純物的酸素の
ＳｉＯ2 換算量は、表１中のＳｉＯ2 量と同等であっ
た。また焼結体をＪＩＳ−Ｒ１６０１にて指定されてい
る形状まで研磨し試料を作製した。この試料についてＪ
ＩＳ−Ｒ１６０１に基づく室温および１０００℃での４
点曲げ抗折強度試験を実施した。また１０００℃、大気
中で１０００時間保持した後の重量変化率を測定し、そ
の結果を表２に示した。
行いβ−窒化珪素以外の粒界相中の結晶相の存在の確認
を行なった。なお、焼結体の組成分析を行った結果、表
１の成形体組成と変化なく、焼結体中の不純物的酸素の
ＳｉＯ2 換算量は、表１中のＳｉＯ2 量と同等であっ
た。また焼結体をＪＩＳ−Ｒ１６０１にて指定されてい
る形状まで研磨し試料を作製した。この試料についてＪ
ＩＳ−Ｒ１６０１に基づく室温および１０００℃での４
点曲げ抗折強度試験を実施した。また１０００℃、大気
中で１０００時間保持した後の重量変化率を測定し、そ
の結果を表２に示した。
【００３３】
【表１】
【００３４】
【表２】
【００３５】表１および表２によると、不純物的酸素量
の比率が高い試料Ｎo.１５は、室温強度および１０００
℃の強度が低い。ＭｇＯの含有量が０．５重量％を越え
る試料Ｎo.１７では、１０００℃強度が低い。また、Ｍ
ｇＯの含有量が０．１重量％より少ない試料Ｎo.１６で
は、粒界が結晶化しており耐酸化性が悪かった。さら
に、不純物的酸素量の比率が低い試料Ｎo.１４ではＭｇ
Ｏを添加しても粒界の結晶化を抑制することができず、
耐酸化性が劣化した。また、希土類元素とアルミニウム
と不純物的酸素との合量が２５モル％を越える試料Ｎo.
２１では、高温特性が低下し、５モル％より少ない試料
Ｎo.２０では、焼結不足で強度が低いものであった。
の比率が高い試料Ｎo.１５は、室温強度および１０００
℃の強度が低い。ＭｇＯの含有量が０．５重量％を越え
る試料Ｎo.１７では、１０００℃強度が低い。また、Ｍ
ｇＯの含有量が０．１重量％より少ない試料Ｎo.１６で
は、粒界が結晶化しており耐酸化性が悪かった。さら
に、不純物的酸素量の比率が低い試料Ｎo.１４ではＭｇ
Ｏを添加しても粒界の結晶化を抑制することができず、
耐酸化性が劣化した。また、希土類元素とアルミニウム
と不純物的酸素との合量が２５モル％を越える試料Ｎo.
２１では、高温特性が低下し、５モル％より少ない試料
Ｎo.２０では、焼結不足で強度が低いものであった。
【００３６】これに対して、本発明の試料は、いずれも
１９００℃以下で焼成可能であり、しかも室温強度１０
００ＭＰａ以上、１０００℃強度９００ＭＰａ以上、酸
化増量０．１ｍｇ／ｃｍ2 以下の優れた特性を示した。
１９００℃以下で焼成可能であり、しかも室温強度１０
００ＭＰａ以上、１０００℃強度９００ＭＰａ以上、酸
化増量０．１ｍｇ／ｃｍ2 以下の優れた特性を示した。
【００３７】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
１９００℃以下の温度で焼成可能であり、且つ室温強度
１０００ＭＰａ以上、１０００℃強度９００ＭＰａ以
上、酸化増量０．１ｍｇ／ｃｍ2 以下の優れた特性を示
す窒化珪素質焼結体を得ることができる。これにより、
自動車用やガスタ−ビンエンジン用として安価な窒化珪
素質焼結体からなる信頼性の高い部品を提供できる。
１９００℃以下の温度で焼成可能であり、且つ室温強度
１０００ＭＰａ以上、１０００℃強度９００ＭＰａ以
上、酸化増量０．１ｍｇ／ｃｍ2 以下の優れた特性を示
す窒化珪素質焼結体を得ることができる。これにより、
自動車用やガスタ−ビンエンジン用として安価な窒化珪
素質焼結体からなる信頼性の高い部品を提供できる。
Claims (3)
- 【請求項１】β−窒化珪素結晶相と、希土類元素、アル
ミニウム、マグネシウム、珪素、酸素および窒素を含む
非晶質の粒界相とからなる窒化珪素焼結体であって、前
記希土類元素の酸化物換算量と、アルミニウムの酸化物
換算量と、該焼結体中の不純物的酸素のＳｉＯ2 換算量
とを合計で５〜２５モル％と、前記不純物的酸素のＳｉ
Ｏ2 換算量の前記希土類元素の酸化物換算に対するモル
比（ＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 ）が０．５〜２を満足する比
率で含有し、且つマグネシウムをＭｇＯ換算で０．１〜
０．５重量％の割合で含むことを特徴とする窒化珪素質
焼結体。 - 【請求項２】前記焼結体の１０００℃までの抗折強度が
９００ＭＰａ以上、１０００℃、大気中で１０００時間
保持後の酸化増量が０．１ｍｇ／ｃｍ2 以下である請求
項１記載の窒化珪素質焼結体。 - 【請求項３】窒化珪素、希土類元素酸化物、酸化アルミ
ニウム、酸化マグネシウムおよび酸化珪素を含み、前記
希土類元素酸化物と酸化アルミニウムと酸化珪素を合計
で全量中５〜２５モル％含み、前記酸化珪素の前記希土
類元素酸化物に対するモル比率が０．５〜２を満足し、
且つ酸化マグネシウムを０．１〜０．５重量％の割合で
含有する成形体を窒素含有雰囲気中で１９００℃以下で
焼成することを特徴とする窒化珪素質焼結体の製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30562395A JP3454993B2 (ja) | 1995-11-24 | 1995-11-24 | 窒化珪素質焼結体およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30562395A JP3454993B2 (ja) | 1995-11-24 | 1995-11-24 | 窒化珪素質焼結体およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09142935A true JPH09142935A (ja) | 1997-06-03 |
| JP3454993B2 JP3454993B2 (ja) | 2003-10-06 |
Family
ID=17947371
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30562395A Expired - Fee Related JP3454993B2 (ja) | 1995-11-24 | 1995-11-24 | 窒化珪素質焼結体およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3454993B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7056850B2 (en) | 2001-07-24 | 2006-06-06 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Wear-resistant silicon nitride member and method of manufacture thereof |
| JP2008069031A (ja) * | 2006-09-13 | 2008-03-27 | Kyocera Corp | 窒化珪素質焼結体およびその製造方法 |
| US7521388B2 (en) | 2003-09-25 | 2009-04-21 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Wear resistant member comprised of silicon nitride and process for producing the same |
| US7749932B2 (en) | 2007-02-23 | 2010-07-06 | Kyocera Corporation | Composition, sintered product of silicon nitride, article of manufacture, and cutting method |
| WO2018030308A1 (ja) * | 2016-08-09 | 2018-02-15 | 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 |
-
1995
- 1995-11-24 JP JP30562395A patent/JP3454993B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7056850B2 (en) | 2001-07-24 | 2006-06-06 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Wear-resistant silicon nitride member and method of manufacture thereof |
| US7521388B2 (en) | 2003-09-25 | 2009-04-21 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Wear resistant member comprised of silicon nitride and process for producing the same |
| JP2008069031A (ja) * | 2006-09-13 | 2008-03-27 | Kyocera Corp | 窒化珪素質焼結体およびその製造方法 |
| US7749932B2 (en) | 2007-02-23 | 2010-07-06 | Kyocera Corporation | Composition, sintered product of silicon nitride, article of manufacture, and cutting method |
| WO2018030308A1 (ja) * | 2016-08-09 | 2018-02-15 | 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 |
| 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 |
| CN109890550A (zh) * | 2016-08-09 | 2019-06-14 | 国立大学法人大阪大学 | 氮化硅烧结体制搅拌摩擦焊工具构件以及使用该工具构件的搅拌摩擦焊装置 |
| US11097374B2 (en) | 2016-08-09 | 2021-08-24 | Osaka University | Friction stir welding tool member made of silicon nitride sintered body, and friction stir welding apparatus using the same |
| CN109890550B (zh) * | 2016-08-09 | 2022-01-04 | 国立大学法人大阪大学 | 氮化硅烧结体制搅拌摩擦焊工具构件以及使用该工具构件的搅拌摩擦焊装置 |
| 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 |
|---|---|
| JP3454993B2 (ja) | 2003-10-06 |
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