JPH1025163A - 窒化珪素質焼結体及びその製造方法 - Google Patents

窒化珪素質焼結体及びその製造方法

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JPH1025163A
JPH1025163A JP8182372A JP18237296A JPH1025163A JP H1025163 A JPH1025163 A JP H1025163A JP 8182372 A JP8182372 A JP 8182372A JP 18237296 A JP18237296 A JP 18237296A JP H1025163 A JPH1025163 A JP H1025163A
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一久 板倉
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 優れた機械的特性を損なうことなく低温酸化
を防止する、メリライト相を有する窒化珪素質焼結体、
及びその製造方法を提供すること。 【解決手段】 窒化珪素粉末にY23、AlN及びAl
23を所定の組成となるように添加して湿式混合し、こ
の混合物を直方体状成形体に成形し、CIPを行った。
その後、成形体を焼成炉にて窒素雰囲気下で1700℃、 4
時間の焼成を行い、メリライト相を有する窒化珪素質焼
結体基材を得た。この基材を加工研磨して得た試験片に
つき、大気中にて1100〜1300℃、 1〜10時間の熱処理を
行った。そして、熱処理後の試験片を低温酸化温度域 9
00〜1000℃にて大気中での 100時間の酸化試験を行い、
酸化増量及び酸化前に対する酸化後の強度比を求めた。
その結果、上記条件下で熱処理した後の試験片が、優れ
た機械的特性を損なうことなく低温酸化を防止できるこ
とを確認した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、メリライト相を含
む窒化珪素質焼結体に関する。
【0002】
【従来の技術】特開平4−154666号公報には、表
面から厚さ1〜100μmの表層部のみにシリコンオキ
シナイトライド結晶層(Si22O)が存在する窒化珪
素質焼結体が記載され、かかる焼結体は高温強度及び耐
酸化性に優れることが記載されている。
【0003】特開平4−292465号公報には、焼結
体表面の粒界層がJCPDSカードNo.21−145
8と同一のX線回折パターンの結晶(例えばRe2Si
5)に結晶化した窒化珪素焼結体が記載され、かかる
焼結体は高温での高強度は維持したまま低温酸化を防止
して低温での強度をも発現できることが記載されてい
る。
【0004】特開平6−100376号公報には、粒界
相がM3Al512(Mは希土類元素)の結晶相からなる
β−サイアロン質焼結体が記載され、かかる焼結体は高
温域での強度が高いことが記載されている。特開平6−
100387号公報には、窒化珪素質焼結体を1300
〜1500℃で酸素含有雰囲気中にて熱処理し、更に表
面層を0.1〜0.5mm切削除去することにより、高
温強度を向上する強化方法が記載されている。この場
合、焼結体内部の焼結助剤成分濃度が初期濃度よりも低
下し、粒界層の耐熱性が向上することにより、焼結体の
高温強度が向上する。
【0005】特開平6−227866号公報には、窒化
珪素焼結体が5〜100μmの酸化物表面層を有し、そ
のうち5μm以上の深度領域にはSiO2 が存在しない
ものが記載されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、希土類酸化
物を焼結助剤とする窒化珪素質焼結体には、粒界相とし
てメリライト相(Re23・Si34が1:1の結晶
相、Reは希土類元素)を有するものがある。メリライ
ト相は希土類を焼結助剤とする窒化珪素質焼結体では組
成、焼成条件を限定することにより比較的容易に析出さ
せることができる。また、粒界を結晶化させるので高温
特性が良くなり、たいへん有用である。このため、メリ
ライト相を有する窒化珪素質焼結体は、例えばガスター
ビンの構成部品のように高温下(900〜1000℃)
にて使用される部品に利用することが期待される。
【0007】しかし、メリライト相を持つ窒化珪素質焼
結体はメリライト相を有しない窒化珪素質焼結体に比べ
て、800〜1000℃において耐酸化性が著しく劣化
する傾向にあり、メリライト相の酸化によって極端な酸
化増量の増大が起こる(図1参照)。これを低温酸化と
いう。低温酸化によるメリライト相の変化を下記式
(1)に示す。
【0008】
【化1】
【0009】メリライト相を有する窒化珪素質焼結体が
かかる低温酸化を受けると、焼結体表面が白く変色し、
体積膨張により表面がひどく荒れてしまい、場合によっ
ては強度に影響が出てくる可能性もある。このため、メ
リライト相を持つ窒化珪素質焼結体をそのままガスター
ビンの構成部品のように高温下(900〜1000℃)
にて使用される部品に利用することは困難であった。
【0010】このような事情から、メリライト相を有す
る窒化珪素質焼結体において、優れた機械的特性を損な
うことなく低温酸化を防止することが望まれていたが、
上記の従来技術によってはかかる問題は解消されていな
かった。本発明は、優れた機械的特性を損なうことなく
低温酸化を防止する、メリライト相を有する窒化珪素質
焼結体を提供すること、及びその製造方法を提供するこ
とを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段、発明の実施の形態及び発
明の効果】上記課題を解決するため、請求項1記載の発
明は、メリライト相(Re23・Si34、Reは希土
類元素)を含む窒化珪素質焼結体において、膜厚1〜5
μmのSiO2 含有酸化層が焼結体表面に存在すること
を特徴とする。
【0012】この場合、SiO2 含有酸化層の厚みが1
μmより小さいと、低温酸化に耐えるに十分な保護膜と
して機能しないため、低温酸化の特性がよくならない。
一方、SiO2 含有酸化層の厚みが5μmより大きい
と、酸化物増加(酸化層形成時に高温酸化が進みすぎ
る)により強度の低下が起こり、酸化増量も増えてく
る。ここで、高温酸化における窒化珪素質焼結体の変化
を下記式(2)に示す。
【0013】
【化2】
【0014】本発明の窒化珪素質焼結体は、焼結体表面
からのSiO2 含有酸化層の膜厚を最適化することによ
り、機械的特性(例えば強度特性)を維持したまま、8
00〜1000℃における低温酸化を顕著に防止でき、
酸化増量を大幅に低減することができるという効果を奏
するものである。
【0015】請求項2記載の発明は、請求項1記載の窒
化珪素質焼結体であって、焼結体表面からの深さが5μ
mを超えるところにはSiO2 を含む酸化層もSiO2
以外の酸化物を含む酸化層も存在しないことを特徴とす
る。焼結体表面からの深さが5μmを超えるところにS
iO2 を含む酸化層やSiO2 以外の酸化層が存在する
と、酸化物増加による強度の低下が起こりやすく、酸化
増量も増える傾向にあるため、好ましくない。
【0016】請求項3記載の発明は、請求項1又は2記
載の窒化珪素質焼結体の製造方法であって、メリライト
相を含む窒化珪素質焼結体基材を、酸化雰囲気中110
0〜1300℃で1〜10時間処理することを特徴とす
る。ここで、メリライト相を含む窒化珪素質焼結体基材
は、例えば、窒化珪素粉末と希土類元素化合物等の焼結
助剤とを混合し、次いでプレス成形、射出成形、鋳込み
成形及び押出成形等により成形し、得られた成形体を所
定の焼成条件(非酸化性雰囲気下であることが好まし
い)で焼成することにより、得ることができる。尚、窒
化珪素質焼結体基材がメリライト相を有していることは
例えばX線回折により得られる回折パターンによって確
認できる。
【0017】上記製造方法では、熱処理温度が1100
℃より低いと、低温酸化が高温酸化より優勢になり酸化
増量が増える。このとき生成するダイシリケート相(上
記式(1)参照)が体積膨張を伴い表面の荒れの原因に
なる。一方、熱処理温度が1300℃より高いと、高温
酸化による酸化増量が顕著になり表面の白色化と強度の
低下を起こす。また、熱処理時間が1時間より短いと、
酸化層厚みが1μm未満になり低温酸化低減に十分な酸
化層をつくることができない。一方、酸化時間が10時
間より長いと酸化層厚みが5μmを超え、酸化増量が著
しく増加して、強度低下を起こす。
【0018】尚、酸化層の膜厚は例えば周知のSEM、
XPS、EPMA等により測定することができる。ま
た、酸化層にSiO2 が含まれることは例えば焼結体表
面またはこの表面をX線回折し、得られた回折パターン
をJCPDSカードを用いる等により同定できる。
【0019】
【実施例】以下に、本発明の好適な実施例を説明する。
尚、本発明の実施の形態は、下記の実施例に何ら限定さ
れるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種
々の形態を採り得ることはいうまでもない。また、本実
施例で用いた測定装置の名称及び機種名は以下の通りで
ある。 SEM(Scanning Electron Microscope:走査型電子
顕微鏡) 機種:日本電子(株)JSM−840 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy:X線光
電子分光装置) 機種:日本電子(株)JPS−90MX EPMA(Electron Probe MicroAnalyzer:電子プロ
ーブマイクロアナライザー) 機種:日本電子(株)JXA−8800A XRD(X線回折) 機種:(株)理学RU−200T [実施例1〜12、比較例1〜15]下記表1に示すよ
うに、材料組成A、B、Cにつき、窒化珪素粉末にY2
3、AlN及びAl23を所定の組成となるように添
加して、30〜40時間湿式混合した。
【0020】
【表1】
【0021】次に、上記のように湿式混合された窒化珪
素基配合物(材料組成A、B、Cのいずれか)をプレス
成形により50mm角、厚さ20mmの直方体状成形体
に成形し、1.5ton/cm2 の圧力でコールドアイ
ソスタティックプレス(CIP)を行った。その後、成
形体を焼成炉にて窒素雰囲気下で1700℃、4時間の
焼成を行った。
【0022】こうして得られた各材料組成A、B、Cの
窒化珪素質焼結体基材につき、JIS R−1601に
記載されている試験片形状(3×4×35mm)に加工
研磨した。この試験片につき、メリライト相のピーク比
及び室温強度を測定した。その結果を表1に示す。尚、
メリライト相のピーク比は、X線回折においてのβ窒化
珪素のピーク強度に対するメリライト相のピーク強度の
比、M(121)/β’の第1ピーク(M(121)はメリライト
のピーク高さ、β’の第1ピークはβ−Si34の最も
ピーク強度の高いピークのことでありβ窒化珪素では
【0023】
【数1】
【0024】の2つ)である。また、室温強度は、JI
S R−1601に準拠した4点曲げを行ったときの値
である。一方、加工研磨した試験片につき、実施例1〜
12においては大気中にて1100〜1300℃、1〜
10時間の条件で熱処理を行い、比較例1〜7では熱処
理を行わず、比較例8〜15では上記条件以外の条件で
熱処理を行った(具体的には表2の熱処理条件の欄を参
照)。
【0025】そして、熱処理後の試験片を低温酸化温度
域900〜1000℃(具体的には表2の酸化条件の欄
を参照)にて大気中での100時間の酸化試験を行い、
酸化増量、及び、酸化前に対する酸化後の強度比を求め
た。その結果を表2及び表3に示す。尚、強度はJIS
R−1601に準拠した4点曲げで測定した。また、
SiO2 層の厚みは、XPS、EPMAにおいて酸素分
布を測定することにより測定した。更に、実施例1〜1
2において、焼結体表面から5μmを超える領域にはS
iO2 を含む酸化物層やSiO2 以外の酸化物を含む酸
化物層が存在しない点については、酸素分布が内部と同
様であるのと内部の組成にSiO2 以外の酸化物層成分
がX線回折でも検出されないことにより確認した。
【0026】
【表2】
【0027】
【表3】
【0028】上記表2、表3から明らかなように、実施
例1〜12では、メリライト相を含む窒化珪素質焼結体
の優れた機械的特性を損なうことなく低温酸化を防止す
ることが可能となり、例えばガスタービンの構成部品の
ように高温下(900〜1000℃)にて使用される部
品に利用できるようになった。
【0029】これに対して、比較例1〜7のようにSi
2 含有酸化物層を有しない場合や、比較例8〜15の
ようにSiO2 含有酸化物層の膜厚が1〜5μmの範囲
外の場合には、機械的特性が損なわれるとか、酸化増量
が著しいという問題が生じた。
【図面の簡単な説明】
【図1】 通常の窒化珪素質焼結体(メリライト相を含
むものと含まないもの)の温度と酸化増量との関係を表
すグラフである。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 メリライト相(Re23・Si34、R
    eは希土類元素)を含む窒化珪素質焼結体において、 膜厚1〜5μmのSiO2 含有酸化層が焼結体表面に存
    在することを特徴とする窒化珪素質焼結体。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の窒化珪素質焼結体におい
    て、 焼結体表面からの深さが5μmを超えるところにはSi
    2 を含む酸化層もSiO2 以外の酸化物を含む酸化層
    も存在しないことを特徴とする窒化珪素質焼結体。
  3. 【請求項3】 メリライト相(Re23・Si34、R
    eは希土類元素)を含む窒化珪素質焼結体基材を、酸化
    雰囲気中1100〜1300℃で1〜10時間処理する
    ことにより、請求項1又は2記載の窒化珪素質焼結体を
    得ることを特徴とする窒化珪素質焼結体の製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007130700A (ja) * 2005-11-08 2007-05-31 Ngk Spark Plug Co Ltd サイアロン製切削工具及びこれを備えた工具
CN109665850A (zh) * 2019-01-09 2019-04-23 陈树 一种低温环境高抗冲击性陶瓷基外墙板的制备方法

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