JPH1029867A - Silicon nitride sintered compact - Google Patents

Silicon nitride sintered compact

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JPH1029867A
JPH1029867A JP8184464A JP18446496A JPH1029867A JP H1029867 A JPH1029867 A JP H1029867A JP 8184464 A JP8184464 A JP 8184464A JP 18446496 A JP18446496 A JP 18446496A JP H1029867 A JPH1029867 A JP H1029867A
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Japan
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silicon nitride
phase
oxide
powdery
sintered body
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Masanori Okabe
昌規 岡部
Kagehisa Hamazaki
景久 濱崎
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Honda Motor Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress grain boundary sip at high temp. and to improve high- temp. strength, creep characteristics, etc., by mixing and firing powdery silicon nitride, powdery oxide of a group IIIa element and powdery oxide of a specified element. SOLUTION: A powdery mixture of nearly spherical powdery silicon nitride (A) of 0.1-1.0μm average particle diameter with 0.1-10wt.% powdery oxide (B) of a group IIIa element whose average particle diameter is 0.1-10 times thatof the component A and >0 to 10wt.% powdery oxide (C) of Zr, Hf, Nb, Ta or W whose average particle diameter is 10-100 times that of the component A is primarily sintered at 1,600-1,800 deg.C in an atmosphere contg. gaseous nitrogen under 1-20kgf/cm<2> pressure and it is further sintered ion an atmosphere contg. gaseous nitrogen under 1,000-2,000kgf/cm<2> pressure to obtain the objective silicon nitride sintered compact consisting of a 1st phase of columnar β-silicon nitride, a 2nd phase of the component C and/or multiple oxide consisting of the components C, B and a 3rd phase of the component B. The 2nd phase exists among the grains of the 1st phase.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は高温の環境で使用す
る耐熱性に優れた窒化珪素焼結体に関する。詳しくは、
窒化珪素からなる第1の相の他に、焼結助剤からなる第
2及び第3の相を組織の中に含む窒化珪素焼結体に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon nitride sintered body having excellent heat resistance for use in a high-temperature environment. For more information,
The present invention relates to a silicon nitride sintered body containing a second phase and a third phase of a sintering aid in a structure in addition to a first phase of silicon nitride.

【0002】[0002]

【従来の技術】窒化珪素焼結体は高温強度、靱性に優れ
ている。そのため、ガスタービンのタービンローター、
ノズル、ダクト、燃焼室等のように高温、高圧に曝され
る環境で使用される構造部材に応用する研究が数多く行
なわれて来た。例えば、ガスタービンの燃焼効率は、タ
ービンの入り口温度の上昇と共に向上するので、従来用
いられてきたインコネル等の耐熱合金よりも、高い高温
強度を有し、セラミックス材料の中では高い靱性を示す
窒化珪素焼結体について、高温強度の向上を狙った研究
が盛んである。
2. Description of the Related Art A silicon nitride sintered body has excellent high-temperature strength and toughness. Therefore, turbine rotor of gas turbine,
There have been many studies applied to structural members used in environments exposed to high temperatures and high pressures, such as nozzles, ducts, combustion chambers, and the like. For example, since the combustion efficiency of a gas turbine increases with an increase in the inlet temperature of the turbine, it has a higher high-temperature strength than a conventionally used heat-resistant alloy such as Inconel and has a high toughness among ceramic materials. Research on silicon sintered bodies aimed at improving the high-temperature strength has been actively conducted.

【0003】窒化珪素は共有結合性の高い物質であり、
単体では焼結性が良くないので、焼結性を向上させる為
に、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化マグネ
シウム、酸化セリウム等の焼結助剤を混ぜて焼結するこ
とが一般に行われている。しかし添加した焼結助剤のた
めに高温特性が低下する。そこで、高温特性を向上させ
るために窒化珪素表面に存在するSiO2との共晶温度の
高い酸化物を焼結助剤として添加する試みがなされてい
る。しかし共晶温度が高くなった分だけ焼結性は低下す
るという問題がある。また単純な形状であれば、少量の
焼結助剤を添加し、ホットプレスを用いた成形法により
焼結を促進させることも可能であるが、複雑な部品形状
には不適である。
[0003] Silicon nitride is a substance having a high covalent bond,
Since sinterability is not good by itself, sintering is generally performed by mixing a sintering aid such as aluminum oxide, yttrium oxide, magnesium oxide, and cerium oxide in order to improve sinterability. However, the high temperature properties are reduced due to the added sintering aid. Therefore, attempts have been made to add an oxide having a high eutectic temperature with SiO 2 existing on the surface of silicon nitride as a sintering aid in order to improve high-temperature characteristics. However, there is a problem that the sinterability is reduced by an increase in the eutectic temperature. Further, if the shape is simple, it is possible to add a small amount of a sintering aid and promote sintering by a molding method using a hot press, but it is not suitable for a complicated part shape.

【0004】そこで、高温強度に優れた焼結助剤を用い
ることにより窒化珪素焼結体の高温強度を高める研究も
行われている。例えば特開昭61−201666号公報
には、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウムを特定の割合
で窒化珪素のマトリックス中に分散させ高温強度、靱性
を向上をさせる技術が開示されている。また特開昭62
―153169号公報には、特定量の希土類元素の酸化
物と、Hf、TaまたはNbの酸化物、炭化物またはケイ
化物の群から選ばれた少なくとも一種を特定の割合で混
ぜることにより、高温強度を向上させる技術が開示され
ている。
[0004] Therefore, studies have been made to increase the high-temperature strength of a silicon nitride sintered body by using a sintering aid having excellent high-temperature strength. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-201666 discloses a technique for improving high-temperature strength and toughness by dispersing hafnium oxide and zirconium oxide in a specific ratio in a silicon nitride matrix. In addition, JP
No. 153169 discloses a high-temperature strength by mixing a specific amount of a rare earth element oxide and at least one selected from the group consisting of Hf, Ta or Nb oxide, carbide and silicide in a specific ratio. Techniques for improving are disclosed.

【0005】図3は従来の窒化珪素焼結体の組織図であ
り、同図(a)の状態の窒化珪素粒子に高温において剪
断応力が作用すると、粒子間の隙間には非晶質の焼結助
剤しか存在していないため、同図(b)に示すように、
粒界滑りを起こしてしまう。このため窒化珪素焼結体は
金属に比較し耐熱性には優れるも靭性に劣ることになっ
ている。
FIG. 3 is a structural diagram of a conventional silicon nitride sintered body. When a shear stress acts on silicon nitride particles in the state of FIG. Since only the binder is present, as shown in FIG.
It causes grain boundary slip. Therefore, the silicon nitride sintered body is excellent in heat resistance but inferior in toughness as compared with metal.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしこれらの高温強
度が高い焼結助剤を用いるだけでは、必ずしも十分な高
温強度は得られていない。即ち、本願発明の課題は、高
温での粒界滑りを抑え、高温強度、クリープ特性等の高
温特性を向上させることである。
However, sufficient sintering aids having high high-temperature strength are not always sufficient to obtain sufficient high-temperature strength. That is, an object of the present invention is to suppress grain boundary slip at high temperatures and improve high-temperature characteristics such as high-temperature strength and creep characteristics.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、高温強度
に優れた焼結助剤を添加した従来の窒化珪素焼結体の高
温強度を更に向上させるために、高温強度に優れた焼結
助剤成分を添加するのみではなく、窒化珪素粒子間の隙
間に着目して研究を進めた結果、本発明を完成するに至
った。
Means for Solving the Problems In order to further improve the high temperature strength of a conventional silicon nitride sintered body to which a sintering agent excellent in high temperature strength has been added, the present inventors have proposed a firing method having excellent high temperature strength. As a result of research focusing not only on the addition of a binder component but also on the gaps between silicon nitride particles, the present invention has been completed.

【0008】即ち本発明に係る窒化珪素焼結体は、第1
の相、第2の相及び第3の相で構成され、第1の相は柱
状をなすβ型窒化珪素からなり、第2の相はZr、Hf、
Nb、Ta及びWの中から選ばれた少なくとも1種以上の
元素の酸化物又はこれら酸化物と3a族元素の中から選
ばれた少なくとも1種類以上の元素の酸化物との複合酸
化物からなり、第3の相は3a族元素の中から選ばれた
少なくとも1種類以上の元素の酸化物を主成分とし、更
に前記第2の相が第1の相をなすβ型窒化珪素粒子の間
に存在する構造とした。尚、前記3a族元素としては、
Y(イットリウム)、Yb(イッテルビウム)、Lu(ル
テチウム)の中から選ばれたいずれかとするのが好まし
い。
That is, the silicon nitride sintered body according to the present invention
, A second phase and a third phase. The first phase is made of columnar β-type silicon nitride, and the second phase is Zr, Hf,
Oxides of at least one element selected from Nb, Ta and W, or composite oxides of these oxides and oxides of at least one element selected from group 3a elements The third phase is mainly composed of an oxide of at least one element selected from the group 3a elements, and the second phase is formed between the β-type silicon nitride particles forming the first phase. Existing structure. In addition, as said 3a group element,
It is preferable to use any one selected from Y (yttrium), Yb (ytterbium), and Lu (lutetium).

【0009】また第2の相を構成する酸化物はZr、H
f、Nb、Ta、Wがリッチなために融点は高く、且つ第
1の相を構成する窒化珪素粒子間の隙間に第2の相を構
成する酸化物(複合酸化物)が入り込み、この酸化物
(複合酸化物)と窒化珪素粒子は熱膨張係数が異なるた
め、高温下で窒化珪素粒子に圧縮応力が作用し、剪断応
力が働いても粒界滑りが生じにくくなる。
The oxide constituting the second phase is Zr, H
Since f, Nb, Ta, and W are rich, the melting point is high, and the oxide (composite oxide) constituting the second phase enters into the gap between the silicon nitride particles constituting the first phase. Since the compound (composite oxide) and the silicon nitride particles have different coefficients of thermal expansion, a compressive stress acts on the silicon nitride particles at a high temperature, so that even when a shear stress is applied, grain boundary slip hardly occurs.

【0010】本発明で用いる窒化珪素粉末としては、イ
ミド法あるいは直接窒化法により製造されたものどちら
でも使用出来るが、高い高温強度を得る為にはイミド法
により製造されたものがより好ましい。また、窒化珪素
粉末の平均粒径は0.1〜1.0μmとする。平均粒径
が0.1μm以下であると焼結体が高温で荷重を受けた
際に粒界滑りが起きやすく、高温強度が低下し、平均粒
径が1.0μm以上であると焼結中に粒成長が起こり高
温強度が低下するからである。窒化珪素粉末の形状とし
ては略球状であるものが好ましい。
As the silicon nitride powder used in the present invention, any of those produced by the imide method or the direct nitridation method can be used, but in order to obtain high strength at high temperatures, those produced by the imide method are more preferred. The average particle size of the silicon nitride powder is 0.1 to 1.0 μm. When the average particle size is 0.1 μm or less, grain boundary sliding easily occurs when the sintered body receives a load at a high temperature, the high-temperature strength decreases, and when the average particle size is 1.0 μm or more, sintering occurs. This is because grain growth occurs and the high-temperature strength decreases. The shape of the silicon nitride powder is preferably substantially spherical.

【0011】また、焼結体の強度を高めるには使用する
窒化珪素粉末の平均粒径に応じて、焼結助剤の平均粒径
を最適に調整する必要がある。即ち、焼結助剤としての
3a族元素の酸化物粉末の平均粒径は、窒化珪素粉末の
平均粒径に対して、0.1倍乃至10倍とする。0.1
以下又は10倍以上であると、窒化珪素粉末と均一に混
ざりにくく焼結性が悪化するからである。したがって、
好ましくは0.5倍乃至5倍以下とし、より好ましくは
窒化珪素粉末の平均粒径と略同径の平均粒径を有するも
のとする。
In order to enhance the strength of the sintered body, it is necessary to optimally adjust the average particle size of the sintering aid according to the average particle size of the silicon nitride powder used. That is, the average particle diameter of the oxide powder of the Group 3a element as a sintering aid is 0.1 to 10 times the average particle diameter of the silicon nitride powder. 0.1
If the ratio is not more than 10 times or more, it is difficult to mix uniformly with the silicon nitride powder, and the sinterability deteriorates. Therefore,
Preferably, the average particle diameter is 0.5 to 5 times or less, and more preferably, the average particle diameter is substantially the same as the average particle diameter of the silicon nitride powder.

【0012】3a族元素の酸化物粉末の添加量は0.1
〜10重量%とする。0.1重量%以下であると焼結性
が悪化し実質焼結が困難になり、10重量%を越えると
高温での強度低下の要因となる。より好ましくは1〜5
重量%である。
The addition amount of the oxide powder of the Group 3a element is 0.1
To 10% by weight. If it is less than 0.1% by weight, sinterability deteriorates and substantial sintering becomes difficult. If it exceeds 10% by weight, it causes a decrease in strength at high temperatures. More preferably, 1 to 5
% By weight.

【0013】前記第1の焼結助剤を構成する3a族元素
としては、Y、ランタノイド系希土類元素、アクチノイ
ド系希土類元素が挙げられるが、好ましくはY、Yb、
Luの中から選ばれた元素である。もちろん2種類以上
を同時に添加してもよい。
The group 3a element constituting the first sintering aid includes Y, lanthanoid-based rare earth elements, and actinoid-based rare earth elements. Preferably, Y, Yb,
Lu is an element selected from Lu. Of course, two or more kinds may be added simultaneously.

【0014】また第2の相を構成するZr、Hf、Nb、
Ta、Wの酸化物は、窒化珪素焼結体の高温強度を高め
る作用が知られている。そして、その粒径としては、原
料である窒化珪素粉末の平均粒径に対して10倍乃至1
00倍とするのが好ましい。ただしZr、Hf、Nb、T
a、Wの酸化物の粒子を全て上記の範囲にするのではな
く、Zr,Hf,Nb、Ta、Wの酸化物の総粒子数を10
0とした場合、5乃至50%含むようにする。
Further, Zr, Hf, Nb,
The oxides of Ta and W are known to have an effect of increasing the high-temperature strength of the silicon nitride sintered body. The particle size is 10 times to 1 times the average particle size of the silicon nitride powder as the raw material.
It is preferably set to 00 times. Where Zr, Hf, Nb, T
The total number of particles of the oxides of Zr, Hf, Nb, Ta, and W is not limited to the above range.
When it is set to 0, it is set to include 5 to 50%.

【0015】その理由は、粒径が10倍以下であると高
温において、粒界すべりの抑止効果がなくなり、100
倍以上であると、窒化珪素粉末中の切り欠き欠陥となり
応力集中を起こし、破壊起点となってしまうからであ
る。したがって、より好ましくは5倍から50倍の範囲
である。また総粒子数が全体の5%以下であると添加し
た酸化物のほとんどが焼結助剤として働き、高温強度を
発現することができず、50%以上となると結晶粒界に
残存する酸化物塊状相が多くなり、欠陥として働き、強
度の低下を招くことによる。
The reason is that if the particle size is 10 times or less, the effect of suppressing grain boundary sliding at high temperatures is lost, and
If it is more than twice, it will become a notch defect in the silicon nitride powder, causing stress concentration and becoming a fracture starting point. Therefore, the range is more preferably 5 to 50 times. When the total number of particles is less than 5% of the total, most of the added oxides act as sintering aids and cannot exhibit high-temperature strength. This is because the bulk phase increases and acts as a defect, resulting in a decrease in strength.

【0016】また、Zr、Hf、Nb、Ta、Wの中から選
ばれた元素の酸化物の添加量としては、0〜10重量%
(但し0重量%は含まない)が適当である。これらの元
素はごく微量であっても効果はあるが、多量に添加する
と平均粒径が大きい為、焼結性が著しく悪化する。従っ
て添加量は10重量%以下にする必要がある。より好ま
しくは1から5重量%である。これらの酸化物粉末を2
種以上添加する場合は添加量の総量がこの範囲に入って
いればよい。
The amount of the oxide of the element selected from Zr, Hf, Nb, Ta and W is from 0 to 10% by weight.
(However, 0% by weight is not included) is suitable. These elements are effective even in very small amounts, but when added in large amounts, the average particle size is large, so that the sinterability deteriorates significantly. Therefore, the amount of addition must be 10% by weight or less. More preferably, it is 1 to 5% by weight. These oxide powders are
When adding more than one kind, it is sufficient that the total amount of addition is within this range.

【0017】一方、本発明に係る窒化珪素焼結体を製造
する方法の一例は、前記した主成分としての窒化珪素粉
末と、3a族元素の酸化物粉末と、Zr、Hf、Nb、T
a、Wの中から選ばれた元素の酸化物粉末とからなる混
合粉末を成形した後、1〜20kgf/cm2の窒素ガスを含
む雰囲気中で、1600〜1800℃で1次焼結した
後、100〜2000kgf/cm2の窒素ガスを含む雰囲気
中で、一次焼結温度と同じか、これよりも低い温度で2
次焼結する。
On the other hand, an example of a method for producing a silicon nitride sintered body according to the present invention is as follows: a silicon nitride powder as a main component, an oxide powder of a Group 3a element, Zr, Hf, Nb, T
a, after forming a mixed powder composed of an oxide powder of an element selected from W, first sintering at 1600 to 1800 ° C. in an atmosphere containing 1 to 20 kgf / cm 2 of nitrogen gas; In an atmosphere containing 100 to 2000 kgf / cm2 of nitrogen gas, the temperature is set to a value equal to or lower than the primary sintering temperature.
Next, sinter.

【0018】窒化珪素粉末と焼結助剤である酸化物粉末
は、成形に先立ちまず均一に混合する必要がある。混合
に用いる装置としてはボールミル、攪拌ミルなどが挙げ
られ、湿式粉砕、乾式粉砕のいずれでもよい。湿式粉砕
を行う際の溶媒としては、エチルアルコール、メチルア
ルコールなどが挙げられる。
The silicon nitride powder and the oxide powder as a sintering aid need to be uniformly mixed first before molding. Examples of an apparatus used for mixing include a ball mill and a stirring mill, and any of wet pulverization and dry pulverization may be used. Examples of the solvent for performing wet pulverization include ethyl alcohol and methyl alcohol.

【0019】そして、窒化珪素粉末と焼結助剤との混合
が済んだ後、乾燥、造粒、篩分けなどの工程を成形方法
に応じて行う。成形方法としては、プレス成形、スリッ
プキャスト成形、高圧射出成形(通常の射出成形)、低
圧射出成形、冷間静水圧成形(CIP)、ホットプレス
等が挙げられるが、本発明の製造方法はこれらの成形方
法に必ずしも限定されず、いずれの成形方法においても
有効である。尚、成形体の形状の自由度と生産効率を確
保し、密度の高い成形体を得るには、スリップキャスト
成形、低圧射出成形またはプレス成形後にCIPを行う
ことが好ましい。
After the mixing of the silicon nitride powder and the sintering aid, processes such as drying, granulation, and sieving are performed according to the molding method. Examples of the molding method include press molding, slip cast molding, high-pressure injection molding (normal injection molding), low-pressure injection molding, cold isostatic pressing (CIP), hot pressing, and the like. However, the present invention is not necessarily limited to this molding method, and any of the molding methods is effective. In order to secure the degree of freedom of the shape of the molded article and the production efficiency and to obtain a molded article having a high density, it is preferable to perform CIP after slip casting, low pressure injection molding or press molding.

【0020】成形体を前記したように、窒素ガスを含む
雰囲気中で1600〜1800℃の温度領域で1次焼結
を行うのは、焼結温度が1600℃以下であると、焼結
反応が進行しにくく、1800℃を越えると窒化珪素の
結晶粒の粗大化が進み強度が低下する。また、窒素ガス
を含む雰囲気中で焼結を行うのは、窒化珪素の分解を防
止する為であり、圧力としては、1〜20kgf/cm2とす
る。1kgf/cm2以下であると、窒化珪素の分解が生じ、
20kgf/cm2を越えるとポアが焼結体内に封じ込めら
れ、焼結体の緻密化が進行しにくくなることによる。
As described above, the primary sintering of the compact in an atmosphere containing nitrogen gas in a temperature range of 1600 to 1800 ° C. is performed when the sintering temperature is 1600 ° C. or lower. If the temperature exceeds 1800 ° C., the crystal grains of silicon nitride become coarse and the strength decreases. The sintering is performed in an atmosphere containing nitrogen gas to prevent decomposition of silicon nitride, and the pressure is set to 1 to 20 kgf / cm 2 . If it is 1 kgf / cm 2 or less, decomposition of silicon nitride occurs,
If it exceeds 20 kgf / cm 2 , the pores are sealed in the sintered body, and the densification of the sintered body does not easily progress.

【0021】一次焼結の過程において、焼結体が緻密化
し、続く2次焼結では加圧雰囲気により焼結体を表面か
ら均一に押圧するので、ポアがつぶれるため、焼結体の
密度が上がり、強度も向上する。
In the course of the primary sintering, the sintered body is densified, and in the subsequent secondary sintering, the sintered body is uniformly pressed from the surface by the pressurized atmosphere. And strength.

【0022】一次焼結は概ね相対密度が90%以上にな
るまで行う。一次焼結に要する時間は焼結体のサイズ、
肉厚により変化するが、約1〜24時間である。より好
ましくは、4〜12時間である。焼結時間が1時間より
短いと緻密化が十分に進行せず、2次焼結の効果が得ら
れない。24時間より短いと過度の結晶粒成長が起きや
すくなる。
The primary sintering is performed until the relative density becomes about 90% or more. The time required for primary sintering depends on the size of the sintered body,
It varies depending on the wall thickness, but is about 1 to 24 hours. More preferably, it is 4 to 12 hours. If the sintering time is shorter than 1 hour, densification does not sufficiently proceed, and the effect of secondary sintering cannot be obtained. If the time is shorter than 24 hours, excessive crystal grain growth tends to occur.

【0023】続く、2次焼結は窒素ガスを含む雰囲気中
で一次焼結と同じ、もしくはそれ以下の温度であって、
1600℃以上の温度領域で行う。1次焼結の温度を越
えると窒化珪素の結晶粒の粗大化が進み、その粗大粒が
強度低下を引き起こす。また1600℃以上でないと焼
結反応は進行しにくい。窒素ガスを含む雰囲気圧力は、
100〜2000kg/cm2が適当である。雰囲気圧力は1
00kg/cm2以下であると焼結反応が進みにくく十分に緻
密化しない。2000kg/cm2を越えると緻密化は飽和に
達する為、それ以上の緻密化反応は進行しない。逆に雰
囲気圧力をこれ以上高くすると、余分な粗大粒の成長を
招く傾向がある。
The subsequent secondary sintering is performed at a temperature equal to or lower than that of the primary sintering in an atmosphere containing nitrogen gas,
This is performed in a temperature range of 1600 ° C. or more. When the temperature exceeds the primary sintering temperature, the crystal grains of silicon nitride become coarser, and the coarse grains cause a decrease in strength. If the temperature is not higher than 1600 ° C., the sintering reaction hardly proceeds. The ambient pressure containing nitrogen gas is
100-2000 kg / cm 2 is suitable. Atmospheric pressure is 1
If it is less than 00 kg / cm 2 , the sintering reaction does not easily proceed, and it is not sufficiently densified. If it exceeds 2,000 kg / cm 2 , the densification reaches saturation, and no further densification reaction proceeds. Conversely, if the atmospheric pressure is further increased, excessive coarse grains tend to grow.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。尚、これらの実施例は本発明
を限定するものではない。 (実施例1)窒化珪素粉末(宇部興産製 A34×0
5)平均粒径0.5μm480gと、酸化イッテルビウ
ム(日本イットリウム製 YHC3940620)1
2.5g(2.5重量%) と、酸化ハフニウム(添川
理化学 33238A)7.5g(1.5重量%)と、
溶媒としてエタノール500gとを窒化珪素製のボール
を入れたボールミル中で60時間混合した。この混合粉
末をロータリエバポレータを用いて乾燥させた後、32
5メッシュの篩を通し、金型にて200kg/cm2の成形圧
力でプレス成形後、4000kg/cm2の圧力でCIP(冷
間静水圧プレス)を行い50(縦)×32(横)×8
(厚さ)の試験片とした。試験片を1800℃で4時
間、9kgf/cm2の窒素ガスを含む雰囲気中で1次焼結し
相対密度92%の焼結体を得、更に1800℃で2時
間、窒素ガスを含む雰囲気中で200kgf/cm2で焼結を
行い相対密度95%以上の焼結体を得た。この焼結体を
1250℃と1450℃で、JIS1601の3点曲げ
強度試験を行った。試験結果を表1に示す。また、この
焼結体の組織を図1の顕微鏡写真(5000倍)、模式
図である図2(a)更には図2(a)の線分bで囲んだ
部分の拡大図である図2(b)で示す。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Note that these examples do not limit the present invention. (Example 1) Silicon nitride powder (A34 × 0 manufactured by Ube Industries)
5) 480 g of an average particle diameter of 0.5 μm and ytterbium oxide (YHC3940620 manufactured by Yttrium Japan)
2.5 g (2.5% by weight), 7.5 g (1.5% by weight) of hafnium oxide (Soekawa Chemical Co. 33238A)
500 g of ethanol as a solvent was mixed for 60 hours in a ball mill containing silicon nitride balls. After drying this mixed powder using a rotary evaporator, 32
After passing through a 5-mesh sieve and press-molding with a mold at a molding pressure of 200 kg / cm 2 , CIP (cold isostatic pressing) is performed at a pressure of 4000 kg / cm 2 and 50 (vertical) × 32 (horizontal) × 8
(Thickness). The test piece was first sintered at 1800 ° C. for 4 hours in an atmosphere containing 9 kgf / cm 2 of nitrogen gas to obtain a sintered body having a relative density of 92%, and further at 1800 ° C. for 2 hours in an atmosphere containing nitrogen gas. At 200 kgf / cm 2 to obtain a sintered body having a relative density of 95% or more. This sintered body was subjected to a JIS1601 three-point bending strength test at 1250 ° C. and 1450 ° C. Table 1 shows the test results. Further, the structure of this sintered body is shown by a micrograph (5000 times) of FIG. 1, a schematic diagram of FIG. 2A, and an enlarged view of a portion surrounded by a line segment b of FIG. 2A. Shown in (b).

【0025】これらの図から明らかなように、本発明に
係る窒化珪素焼結体は、柱状をなすβ型窒化珪素粒子に
て第1の相(マトリックス)を構成し、これらβ型窒化
珪素粒子の隙間に第2の相を構成するHf酸化物とYb酸
化物との複合酸化物が介在し、更に第3の相を構成する
Yb酸化物を主たる成分とする複合酸化物が第1の相と
第2の相との間に介在している。
As apparent from these figures, the silicon nitride sintered body according to the present invention comprises a first phase (matrix) composed of columnar β-type silicon nitride particles. A composite oxide of Hf oxide and Yb oxide constituting the second phase is interposed in the gap between the first phase and the composite oxide containing Yb oxide constituting the third phase as a main component. And the second phase.

【0026】そして、図2(b)に示すように、第1の
相と第3の相との界面はハッキリしているが、第3の相
と第2の相との界面は明確には存在しておらず、第1の
相と第3の相との界面ではY23やHfO3系がリッチで
あるが第2の相に向かってHf等がリッチになる。
Then, as shown in FIG. 2B, the interface between the first phase and the third phase is clear, but the interface between the third phase and the second phase is clearly defined. not present, but Y 2 O 3 and HfO 3 system at the interface between the first phase and the third phase is rich Hf or the like becomes rich toward the second phase.

【0027】(実施例2)平均粒径0.95μmの酸化
イットリウム(日本イットリウム製)の添加量を1.5
重量%とし酸化ハフニウムの添加量を2.5重量%とし
た以外は実施例2と全く同じ方法で試験片を作成し、同
じ方法で強度試験を行った結果を表1に示す。尚、得ら
れた焼結体の組織は、第1の相をなすβ型窒化珪素粒子
の隙間に第2の相を構成するHf酸化物とY酸化物との
複合酸化物が介在していた。
Example 2 The addition amount of yttrium oxide having an average particle size of 0.95 μm (produced by Nippon Yttrium) was 1.5.
A test piece was prepared in exactly the same manner as in Example 2 except that the amount of hafnium oxide was changed to 2.5% by weight, and the strength test was conducted in the same manner. In the structure of the obtained sintered body, the composite oxide of the Hf oxide and the Y oxide constituting the second phase was interposed between the gaps between the β-type silicon nitride particles constituting the first phase. .

【0028】(実施例3)平均粒径1.0μmの酸化ル
テチウム(日本イットリウム製)の添加量を2.5重量
%とし酸化ハフニウムの添加量を1.5重量%とした以
外は実施例1と全く同じ方法で試験片を作成し、同じ方
法で強度試験を行った結果を表1に示す。尚、得られた
焼結体の組織は、第1の相をなすβ型窒化珪素粒子の隙
間に第2の相を構成するHf酸化物とLu酸化物との複合
酸化物が介在していた。
Example 3 Example 1 was repeated except that the amount of lutetium oxide having an average particle size of 1.0 μm (produced by Nippon Yttrium) was 2.5% by weight and the amount of hafnium oxide was 1.5% by weight. Table 1 shows the results of preparing a test piece in exactly the same manner as described above and performing a strength test in the same manner. In the structure of the obtained sintered body, a composite oxide of Hf oxide and Lu oxide constituting the second phase was interposed in the gaps between the β-type silicon nitride particles forming the first phase. .

【0029】(比較例1)酸化イッテリビウムの添加量
を4重量%とし、酸化ハフニウムを添加しないで、実施
例1と同じ方法で試験片を作成し、同じ方法で強度試験
を行った結果を表1に示す。表1から、特に3点曲げ試
験を行う温度を1250℃から1450℃に上げること
により、強度の低下が著しく、Zr、Hf、Nb、Ta、W
の中から選ばれた元素の酸化物粉末の添加により、高温
強度が高められている事がわかる。尚、得られた焼結体
の組織は、図2(a)(b)に示したように、第1の相
をなすβ型窒化珪素粒子の隙間に非晶質相が存在してい
た。
(Comparative Example 1) A test piece was prepared in the same manner as in Example 1 except that the amount of ytterbium oxide was 4% by weight and hafnium oxide was not added. It is shown in FIG. From Table 1, it can be seen that, by increasing the temperature for performing the three-point bending test from 1250 ° C. to 1450 ° C., the strength is significantly reduced, and Zr, Hf, Nb, Ta, W
It can be seen that the high-temperature strength was increased by the addition of the oxide powder of an element selected from among the above. In the structure of the obtained sintered body, as shown in FIGS. 2A and 2B, an amorphous phase was present in the gap between the β-type silicon nitride particles forming the first phase.

【0030】[0030]

【表1】 [Table 1]

【0031】[0031]

【発明の効果】以上に説明したように本発明に係る窒化
珪素焼結体は、第1の相を構成する柱状をなすβ型窒化
珪素粒子間の隙間に、第2の相を構成する酸化物(複合
酸化物)の粒子を入り込ませるようにしたので、この酸
化物(複合酸化物)粒子と窒化珪素粒子は熱膨張係数が
異なるため、高温下で窒化珪素粒子に圧縮効力が作用
し、剪断応力が働いても粒界滑りが生じにくくなる。
As described above, the silicon nitride sintered body according to the present invention has a structure in which the gap between the columnar β-type silicon nitride particles forming the first phase is filled with the oxide forming the second phase. The oxide (composite oxide) particles and the silicon nitride particles have different coefficients of thermal expansion because the particles of the material (composite oxide) are allowed to enter, so that the compression effect acts on the silicon nitride particles at a high temperature, Even if shear stress acts, grain boundary slip hardly occurs.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る窒化珪素焼結体の一実施例の組織
を示す顕微鏡写真(5000倍)
FIG. 1 is a micrograph (5000 ×) showing the structure of one example of a silicon nitride sintered body according to the present invention.

【図2】(a)は同窒化珪素焼結体の組織の模式図、
(b)は(a)の線分bで囲んだ部分の拡大図
FIG. 2A is a schematic diagram of the structure of the silicon nitride sintered body,
(B) is an enlarged view of a portion surrounded by a line segment (b) in (a).

【図3】(a)は従来の窒化珪素焼結体の組織図のう
ち、粒界滑りを起こす前の状態を示す図、(b)は粒界
滑りを起した後の状態を示す図
FIG. 3A is a diagram showing a state before grain boundary sliding occurs in a structure diagram of a conventional silicon nitride sintered body, and FIG. 3B is a view showing a state after grain boundary sliding has occurred.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 柱状をなすβ型窒化珪素からなる第1の
相と、Zr(ジルコニウム)、Hf(ハフニウム)、Nb
(ニオブ)、Ta(タンタル)及びW(タングステン)
の中から選ばれた少なくとも1種以上の元素の酸化物又
はこれら酸化物と3a族元素の中から選ばれた少なくと
も1種類以上の元素の酸化物との複合酸化物からなる第
2の相と、3a族元素の中から選ばれた少なくとも1種
類以上の元素の酸化物を主たる成分とする第3の相とか
ら構成され、前記第2の相が第1の相をなすβ型窒化珪
素粒子の間に存在していることを特徴とする窒化珪素焼
結体。
1. A first phase composed of columnar β-type silicon nitride, Zr (zirconium), Hf (hafnium), and Nb
(Niobium), Ta (tantalum) and W (tungsten)
A second phase comprising an oxide of at least one element selected from the group consisting of: or a composite oxide of these oxides and an oxide of at least one element selected from the group 3a elements; Β-type silicon nitride particles comprising a third phase containing, as a main component, an oxide of at least one element selected from Group 3a elements, wherein the second phase forms a first phase. A silicon nitride sintered body characterized in that it is present between the two.
【請求項2】 請求項1に記載の窒化珪素焼結体におい
て、前記3a族元素がY(イットリウム)、Yb(イッ
テルビウム)、Lu(ルテチウム)の中から選ばれたい
ずれかであることを特徴とする窒化珪素焼結体。
2. The silicon nitride sintered body according to claim 1, wherein the group 3a element is any one selected from Y (yttrium), Yb (ytterbium), and Lu (lutetium). Silicon nitride sintered body.
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