JPH11310465A

JPH11310465A - セラミック焼結体およびそれを用いたシール部材

Info

Publication number: JPH11310465A
Application number: JP10215845A
Authority: JP
Inventors: Koichi Tanaka; 広一田中; Hirobumi Terasono; 博文寺園
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1998-07-30
Publication date: 1999-11-09

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の窒化珪素質焼結体および／または炭化珪
素質焼結体は、高強度、高硬度であり、摩滅性、被研削
加工性が悪く、しかも、所定の間隔をもって相対的に駆
動する２つの部材間に配設され、該２つの部材間の間隙
を調整するためのシール部材として用いると、相手材を
欠損させてしまう恐れがあった。【解決手段】窒化珪素および／または炭化珪素を主成分
とし、室温における４点曲げ抗折強度が１〜３０ｋｇ／
ｍｍ²、硬度が１０ＧＰａ以下、気孔率が１０％以上、
嵩密度が３．０ｇ／ｃｍ³以下であり、かつ空気中１４
００℃で１００時間保持後の嵩密度の変化率が１０％以
下であるセラミック焼結体をシール部材として用いるこ
とにより、摩滅性と被研削加工性と高温での安定性を有
し、シール部材としての性能を高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低強度、軽量の特
性を有しつつ、被研削性能を向上し、ガスタービン、ジ
ェットエンジンなどにおけるタービン翼先端とこれに対
向するタービンシュラウドの内周面に使用されるアブレ
イダブルシール部材等に使用され、相手材を損傷させる
ことなく、摩滅性に優れたセラミック焼結体と、それを
用いたシール部材に関する。

【０００２】

【従来技術】従来から、窒化珪素や炭化珪素を主成分と
する焼結体は、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ツクス、特にター
ボロータやガスタービンエンジン用部品等の熱機関用と
して応用が積極的に進められている。

【０００３】このうち、例えば、窒化珪素質焼結体を作
製するには、Ｙ₂Ｏ₃等の希土類元素酸化物や、酸化ア
ルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）などのアルミニウム化合物、ＳｉＯ₂などを焼結助
剤として添加して、常圧や窒素加圧雰囲気中で焼成する
ことにより、緻密な焼結体が得られている。

【０００４】また、炭化珪素質焼結体を作製するには、
金属アルミニウム（Ａｌ）や酸化アルミニウム（Ａｌ₂
Ｏ₃）等のアルミニウム化合物、希土類酸化物、ホウ素
および／または炭素などを焼結助剤として添加して、真
空中または非酸化性雰囲気中、常圧や加圧下で焼成する
ことにより、緻密な焼結体が得られている。

【０００５】さらに、窒化珪素と炭化珪素との複合材料
についても、上記と同様の焼結助剤を添加し、焼成する
ことにより、緻密な焼結体が得られている。

【０００６】また、例えば、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、ＳｉＯ₂と希土類元素酸化物を必須として、これ
にＡｌ₂Ｏ₃やＭｇＯ等を添加すると低温で液相が生成
されるために、１８００℃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。

【０００７】さらに、高温強度を高めた焼結体として、
Ａｌ₂Ｏ₃やＭｇＯ量を低減して、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
晶相により構成した焼結体も提案されている。かかる焼
結体は、１９００℃以上の高温焼成によって窒素加圧雰
囲気中で焼成することが必要である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】一方、ガスタービンロ
ータとシュライドなどのように、所定の間隔をもって相
対的に駆動する２つの部材間の間隙を調整する方法とし
て、ロータとシュラウドとの間にシール部材を設け、ロ
ータとシール部材とを接触させて、ロータによってシー
ル部材を摩滅させることにより、ロータとシール部材と
の間隙を最小限に調整する方法が提案されている。

【０００９】このようなシール部材として、従来の高強
度、高靱性の窒化珪素質焼結体を使用すると、タービン
ロータの回転中に、ロータ先端とシール部材が接触し、
摺動した際にタービンロータが欠損したり、シール部材
が欠損するという問題があった。

【００１０】そのために、タービンロータ先端と対向す
るタービンシュラウドの内周面のシール部材に対して、
高強度、高硬度、高靱性の特性はさほど必要ではなく、
むしろ低強度、軽量、快削性の特性が要求されるが、こ
れまでこのような用途に適した材料がないのが現状であ
った。

【００１１】また、これらのシール部材が大型複雑形状
である場合には、従来の焼結体では、研削加工に非常に
時間を要するために、加工コストが高く、歩留りが悪
く、製品のコストを上昇させる大きな要因となってい
た。

【００１２】さらに、シール部材として、低密度、低強
度の焼結体を用いても、ガスタービン等のように高温に
長時間保持されると、次第に焼結が進行してシール部材
が収縮するのに伴って、部材間の間隙が徐々に狭くなる
とともに高密度、高強度化してしまい、ロータと接触し
た時に、タービンロータが欠損したり、シール部材が欠
損するという問題があった。

【００１３】従って、本発明の目的は、低強度、軽量の
特性を有し、摩滅性に優れ、かつ高温保持によっても寸
法変化率の小さいセラミック焼結体を提供することにあ
る。また、他の目的は、所定間隔をもって相対的に駆動
する２つの部材間に配設されるシール部材として、部材
との接触摺動時に摺動相手材を傷めることのないシール
部材を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、焼結体の
摩滅性や高温での安定性を高めるためには、焼結体の組
織、強度、靭性値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、焼結体中の焼結助剤成分
や焼結助剤量を制御することによって、上記の特性が達
成されることを知見した。

【００１５】すなわち、本発明のセラミック焼結体は、
窒化珪素および／または炭化珪素を主成分とし、室温に
おける４点曲げ抗折強度が１〜３０ｋｇ／ｍｍ²、硬度
が１０ＧＰａ以下、気孔率が１０％以上、嵩密度が３．
０ｇ／ｃｍ³以下であり、かつ空気中１４００℃で１０
０時間保持後の嵩密度の変化率が１０％以下であること
を特徴とするものである。

【００１６】上記セラミック焼結体としては、少なくと
も過剰酸素を含有し、その他にもＢ、Ｃ、Ａｌ、希土類
元素（ＲＥ）から選ばれる少なくとも１種を含有するこ
とができ、また、上記の特性を達成する上では、前記セ
ラミック焼結体中における過剰酸素のＳｉＯ₂モル換算
量と希土類元素の酸化物換算量（ＲＥ₂Ｏ₃）とのＳｉ
Ｏ₂／ＲＥ₂Ｏ₃で表されるモル比が、２．５より小さ
いかまたは３．５より大きいこと、あるいは過剰酸素の
ＳｉＯ₂モル換算量と希土類元素の酸化物換算量（ＲＥ
₂Ｏ₃）との合計量が８モル％以下であり、かつＳｉＯ
₂／ＲＥ₂Ｏ₃で表されるモル比が、２．５以上、３．
５以下であることが望ましく、またいずれの場合におい
てもアルミニウムの含有量が酸化物換算で２重量％以下
であることが望ましい。

【００１７】また、本発明のシール部材は、所定の間隔
をもって相対的に駆動する２つの部材間に配設され、該
２つの部材間の間隙を調整するためのシール部材であっ
て、該シール部材が、室温における４点曲げ抗折強度が
１〜３０ｋｇ／ｍｍ²、硬度が１０ＧＰａ以下、気孔率
が１０％以上、嵩密度が３．０ｇ／ｃｍ³以下であり、
かつ空気中１４００℃で１００時間保持後の嵩密度の変
化率が１０％以下のセラミック焼結体からなることを特
徴とするものである。

【００１８】なお、上記シール部材は、窒化珪素および
／または炭化珪素を主成分とし、少なくとも過剰酸素を
含有し、その他にもＢ、Ｃ、Ａｌ、希土類元素（ＲＥ）
から選ばれる少なくとも１種を含有することができるも
のであり、また、上記の特性を達成する上では、過剰酸
素のＳｉＯ₂モル換算量と希土類元素の酸化物換算量
（ＲＥ₂Ｏ₃）とのＳｉＯ₂／ＲＥ₂Ｏ₃で表されるモ
ル比が、２．５より小さいかまたは３．５より大きいこ
と、あるいは前記セラミック焼結体中における過剰酸素
のＳｉＯ₂モル換算量と希土類元素の酸化物換算量（Ｒ
Ｅ₂Ｏ₃）との合計量が８モル％以下であり、かつＳｉ
Ｏ₂／ＲＥ₂Ｏ₃で表されるモル比が、２．５以上、
３．５以下であることが望ましく、またいずれの場合に
おいてもアルミニウムの含有量が酸化物換算で２重量％
以下であるセラミック焼結体により構成されることが望
ましい。

【００１９】

【作用】セラミック焼結体の摩滅性を阻害する大きな要
因は、セラミックス自体が有する高強度と高靭性にあ
る。しかし、強度と靭性は、製品として最低限要求され
る特性を十分に満足する必要があるが、使用される目的
によっては、過度の強度および靭性は必要ない。

【００２０】本発明では、気孔率を高め、嵩密度、強度
および硬度を適度に低めることにより、摩滅性を向上さ
せることができる。即ち、気孔率を１０％以上の割合で
含有せしめ、嵩密度を３．０ｇ／ｃｍ³以下に軽量化
し、かつ室温における４点曲げ抗折強度を１〜３０ｋｇ
／ｍｍ²、硬度を１０ＧＰａ以下に調整することによ
り、摺動摩耗時における抵抗を低減し、摺動相手材を傷
めることがない。また、シール部材への適用時に長期安
定性を高める上では、空気中１４００℃で１００時間保
持後の嵩密度の変化率が１０％以下であることが必要で
ある。

【００２１】本発明によれば、上記焼結体を、所定の間
隔をもって相対的に駆動する２つの部材間に配設され、
該２つの部材間の間隙を調整するためのシール部材、例
えば、タービンロータ先端とこれに対向するタービンシ
ュラウドの内周面に設けられたシール部材として用いる
ことにより、タービンロータを損傷することなく、回転
中にタービンロータ先端とシールの間隔を最適に維持で
きるとともに長期にわたり、シール部材としての安定性
を付与できるのである。

【００２２】さらに、特定量の希土類元素とＳｉＯ₂お
よび酸化アルミニウム等のアルミニウム化合物を多量に
含むと、高温に長時間曝された時に、焼結が徐々に進行
してシール材の寸法が変化するとともに、高密度、高強
度化してしまう。

【００２３】そこで、本発明によれば、セラミック焼結
体中における過剰酸素のＳｉＯ₂モル換算量と希土類元
素の酸化物換算量（ＲＥ₂Ｏ₃）とのＳｉＯ₂／ＲＥ₂
Ｏ₃で表されるモル比が、２．５より小さいかまたは
３．５より大きいこと、あるいは過剰酸素のＳｉＯ₂モ
ル換算量と希土類元素の酸化物換算量（ＲＥ₂Ｏ₃）と
の合計量が８モル％以下であり、かつＳｉＯ₂／ＲＥ₂
Ｏ₃で表されるモル比が、２．５以上、３．５以下であ
ることが望ましく、またいずれの場合においてもアルミ
ニウムの含有量を酸化物換算で２重量％以下とすること
により、前記の特性を有し、高温下での焼結の進行を抑
制し、高温雰囲気に長時間曝される場合においても寸法
の安定したシール部材を提供できる。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明のセラミック焼結体は、窒
化珪素および／または炭化珪素を主成分とするものであ
り、室温における４点曲げ抗折強度が１〜３０ｋｇ／ｍ
ｍ²、特に５〜２０ｋｇ／ｍｍ²、硬度が１０ＧＰａ以
下、気孔率が１０％以上、嵩密度が３．０ｇ／ｃｍ³以
下であり、かつ空気中１４００℃で１００時間保持後の
嵩密度の変化率が１０％以下の特性を満足することが重
要である。

【００２５】本発明のセラミック焼結体の室温における
４点曲げ抗折強度については、３０ｋｇ／ｍｍ²より大
きいと、摺動時の抵抗が大きく摩滅性や被研削加工性が
悪くなり、タービンロータ先端とシール部材が接触した
時に、ロータが欠損するためである。また、この強度が
１ｋｇ／ｍｍ²よりも小さいと、構造部材としての信頼
性が低く、取り扱いが不便となる。抗折強度は、特に５
〜２０ｋｇ／ｍｍ²であることが望ましい。

【００２６】また、本発明のセラミック焼結体の硬度に
ついては、硬度が１０ＧＰａを超えると、摩滅性や被研
削加工性が劣化する。硬度は、特に１ＧＰａ〜８ＧＰａ
であることが望ましい。

【００２７】さらに、本発明の焼結体の気孔率および嵩
密度については、気孔率が１０％より小さい、あるいは
嵩密度が３．０ｇ／ｃｍ³より大きいと摺動時の抵抗が
大きく摩滅性および被研削性が悪くなり、タービンロー
タ先端とシール部材が接触した時に、ロータが欠損す
る。なお、気孔率は、特に１５〜４５％、嵩密度は、特
に１．５〜２．５ｇ／ｃｍ³であることが望ましい。

【００２８】さらにまた、本発明の焼結体をシール部材
として使用する場合、高温雰囲気に長時間曝されるが、
この場合においても寸法変化が小さいことが重要であ
り、空気中１４００℃で１００時間保持後の嵩密度の変
化率が１０％以下であることが重要である。すなわち、
上記の寸法変化率が１０％よりも大きいと、シール部材
として用いた場合に、部材間の間隔が変化するとともに
シール部材が高強度、高硬度化し、ロータと接触した際
に、欠損等が生じるためである。この変化率は、特に５
％以下が望ましい。

【００２９】上記特性を満足する焼結体としては、窒化
珪素および／または炭化珪素を主成分とし、少なくとも
過剰酸素を含有するものであり、これに焼結助剤として
希土類元素酸化物、Ａｌ₂Ｏ₃等のＡｌ化合物、Ｂ、Ｃ
の群から選ばれる少なくとも１種を含有するものが好適
に使用されるが、これらの焼結助剤成分は、焼結性を高
め、緻密化を促進する成分であり、これらの成分の含有
量が多すぎると、焼結が促進されるとともに緻密化が速
くなるため、焼結体の強度や硬度を前記範囲に制御する
ことが困難となり、さらに高温で長時間保持した時に焼
結が徐々に進行して、高密度、高硬度化してしまい、シ
ール材としての特性から逸脱してしまう恐れがある。

【００３０】したがって、本発明によれば、上記の助剤
成分のうち、特に低温で液相を生成し、焼結の進行を早
める希土類元素、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）等の
アルミニウム化合物および不純物的酸素について、過剰
酸素のＳｉＯ₂モル換算量と希土類元素の酸化物換算量
（ＲＥ₂Ｏ₃）とのＳｉＯ₂／ＲＥ₂Ｏ₃で表されるモ
ル比が、２．５より小さいかまたは３．５より大きいこ
と、あるいは過剰酸素のＳｉＯ₂モル換算量と希土類元
素の酸化物換算量（ＲＥ₂Ｏ₃）との合計量が８モル％
以下、特に６モル％以下、ＳｉＯ₂／ＲＥ₂Ｏ₃で表さ
れるモル比が、２．５以上、３．５以下であることが望
ましい。

【００３１】またいずれの場合においてもアルミニウム
の含有量が酸化物換算で２重量％以下、特に１重量％以
下、さらには０．５重量％以下に制御することが望まし
い。かかる成分量を上記範囲に制御することにより急激
な緻密化を抑制するとともに、窒化珪素結晶の針状化等
を防ぎ焼結体の強度や硬度が高くなるのを防止すること
ができる。

【００３２】なお、上記不純物的酸素は、焼結体中の全
酸素量から焼結体中に含まれるＳｉ以外の希土類元素量
およびアルミニウム等の金属元素に対して化学量論組成
比で結合する酸素量を差し引いた残りの酸素であって、
そのほとんどは窒化珪素原料から不可避的に混入する酸
素および意図的に添加されたＳｉＯ₂粉末等の合計量で
ある。

【００３３】また、少なくとも主成分として窒化珪素を
含有する場合、通常、高強度、高硬度するために窒化珪
素結晶が針状化した組織から構成されるが、本発明のセ
ラミック焼結体においては、窒化珪素の針状化を阻害さ
せて、平均アスペクト比が２以下の粒状の結晶粒子によ
って形成することにより強度、硬度等を所定値まで低め
ることができる。

【００３４】さらに、少なくとも主成分として炭化珪素
を含有する場合、焼結体中の炭化珪素の結晶粒径は０．
５〜１０μｍであることが望ましい。

【００３５】以下、本発明のセラミック焼結体の製造方
法について具体的に説明する。まず、窒化珪素を主成分
とする焼結体を作製するには、窒化珪素粉末あるいは珪
素粉末を用い、これに焼結助剤成分として、希土類元素
酸化物やＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂等の酸化物を添加混合す
る。

【００３６】この焼結助剤成分量は、緻密化を阻害しつ
つ焼結させるために、成形体において過剰酸素のＳｉＯ
₂モル換算量と希土類元素の酸化物換算量（ＲＥ
₂Ｏ₃）とのＳｉＯ₂／ＲＥ₂Ｏ₃で表されるモル比
が、２．５より小さいかまたは３．５より大きいこと、
あるいは過剰酸素のＳｉＯ₂モル換算量と希土類元素の
酸化物換算量（ＲＥ₂Ｏ₃）との合計量が８モル％以
下、ＳｉＯ₂／ＲＥ₂Ｏ₃で表されるモル比が、２．５
以上、３．５以下であることが望ましい。

【００３７】またいずれの場合においてもアルミニウム
の含有量が酸化物換算で２重量％以下となる割合で添加
することが望ましい。なお、添加するＳｉＯ₂は、原料
中に含まれる不純物的酸素量で代用することもでき、ま
た前記ＳｉＯ₂量としては窒化珪素粉末中に含まれる酸
素量をＳｉＯ₂換算した量も含める。

【００３８】これらの出発原料を所定の割合で混合した
後、公知の方法、具体的にはプレス成形、押し出し成
形、射出成形、鋳込み成形、冷間静水圧成形，排泥成形
等により所定の形状に成形し成形体を得る。成形体の段
階で前記機械的特性を満足する場合には、その後の焼成
は必ずしも必要ない。

【００３９】次に、得られた成形体を用いて焼成する。
焼成は、常圧焼成、窒素ガス圧力焼成、ホットプレス焼
成等の周知の焼成手段により、窒素含有雰囲気中、１４
００〜１９００℃で焼成することが望ましい。そして、
焼成温度および焼成時間などを、焼結体の強度、硬度、
気孔率、嵩密度などを上述した範囲になるように適宜調
整すればよい。具体的には、最適焼成温度よりも１００
〜５００℃低温で焼成したり、最適焼成時間よりも３０
〜７０％短い時間保持して焼成する。

【００４０】なお、出発原料中において珪素粉末を含む
場合には、成形体を１０００〜１５００℃の窒素含有雰
囲気中で一旦窒化処理する必要があり、かかる窒化処理
によって成形体がある程度緻密化し前記条件を満足する
焼結体が得られれば、その後の焼結を必ずしも必要とし
ない。なお、上述の窒化処理によって成形体の密度を向
上させることができるため、焼結による密度変化が小さ
くて済み、寸法精度の高いシール部材が得られる。

【００４１】また、炭化珪素を主成分とする焼結体を作
製するには、主成分として炭化珪素粉末あるいは炭素粉
末を用い、これに焼結助剤成分として、希土類元素酸化
物、ＳｉＯ₂等の酸化物あるいはホウ素、炭素、金属ア
ルミニウム（Ａｌ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）
の中から選ばれる少なくとも１種を添加混合する。

【００４２】この焼結助剤成分量は、緻密化を阻害しつ
つ焼結させるために、過剰酸素のＳｉＯ₂モル換算量と
希土類元素の酸化物換算量（ＲＥ₂Ｏ₃）とのＳｉＯ₂
／ＲＥ₂Ｏ₃で表されるモル比が、２．５より小さいか
または３．５より大きいこと、あるいは過剰酸素のＳｉ
Ｏ₂モル換算量と希土類元素の酸化物換算量（ＲＥ₂Ｏ
₃）との合計量が８モル％以下、ＳｉＯ₂／ＲＥ₂Ｏ₃
で表されるモル比が、２．５以上、３．５以下であるこ
とが望ましい。

【００４３】またいずれの場合においてもアルミニウム
の含有量が酸化物換算で２重量％以下の割合で添加す
る。なお、添加するＳｉＯ₂は、原料中に含まれる不純
物的酸素量で代用することもでき、ＳｉＯ₂量としては
炭化珪素粉末中に含まれる酸素量をＳｉＯ₂換算した量
も含める。

【００４４】また、炭素の添加量については、０．５〜
９０重量％が望ましく、また添加量が３０重量％以上で
は溶融Ｓｉに含浸させるか、Ｓｉ蒸気中にて焼成するこ
とが望ましい。

【００４５】これらの出発原料を上記と同様の方法によ
り成形し、焼成する。焼成は、常圧焼成、ガス圧力焼
成、ホットプレス焼成等の周知の焼成手段により、Ａｒ
ガス雰囲気中で１５００〜２３００℃で焼成することが
望ましい。そして、焼成温度および焼成時間などを、焼
結体の強度、硬度、気孔率、嵩密度などを上述した範囲
になるように適宜調整すればよい。具体的には、最適焼
成温度よりも１００〜５００℃低温で焼成したり、最適
焼成時間よりも３０〜７０％短い時間保持して焼成す
る。

【００４６】なお、主発原料中において炭素粉末を含む
場合には、溶融Ｓｉを含浸させるかあるいはＳｉ蒸気中
で焼成する必要があり、かかる処理によって前記条件を
満足する焼結体が得られれば、その後の焼結を必ずしも
必要としない。

【００４７】また、窒化珪素および炭化珪素を主成分と
する焼結体を作製するには、出発原料は、主成分として
窒化珪素粉末と炭化珪素粉末との混合粉末あるいは窒化
珪素の一部または全部を置き換えた珪素粉末と炭化珪素
粉末との混合粉末とを用いればよいが、窒化珪素と炭化
珪素の比率は１重量％：９９重量％〜９９重量％：１重
量％であることが望ましい。

【００４８】これに焼結助剤成分として、希土類元素酸
化物、ＳｉＯ₂等の酸化物あるいはホウ素、炭素、金属
アルミニウム（Ａｌ）、酸化アルミニウム（Ａｌ
₂Ｏ₃）等を添加混合する。なお、ＳｉＯ₂は、原料中
に含まれる不純物的酸素で代用することができ、またＳ
ｉＯ₂量としては窒化珪素粉末中に含まれる酸素量をＳ
ｉＯ₂換算した量も含める。

【００４９】これらの出発原料を上記と同様の方法によ
り成形し、焼成する。焼成は、常圧焼成、ガス圧力焼
成、ホットプレス焼成等の周知の焼成手段により、窒素
含有雰囲気中、１４００〜２０００℃で焼成することが
望ましい。そして、焼成温度および焼成時間などを、焼
結体の強度、硬度、気孔率、嵩密度などを上述した範囲
になるように適宜調整すればよい。具体的には、最適焼
成温度よりも１００〜５００℃低温で焼成したり、最適
焼成時間よりも３０〜７０％短い時間保持して焼成す
る。

【００５０】主発原料中において珪素粉末を含む場合に
は、１０００〜１５００℃の窒素含有雰囲気中で窒化処
理する必要があり、かかる窒化処理によって前記条件を
満足する焼結体が得られれば、その後の焼結を必ずしも
必要としない。なお、上述の窒化処理によって成形体の
密度を向上させることができるため、焼結による密度変
化が小さくて済み、寸法精度の高いシール部材が得られ
る。

【００５１】なお、本発明によれば、シール部材を構成
するセラミック焼結体としては、前述した窒化珪素、炭
化珪素、窒化珪素と炭化珪素の複合材料、サイアロン
や、例えば、ＲＥ₂Ｓｉ₂Ｏ₇やＲＥ₂Ｓｉ₂Ｏ₅の希
土類元素酸化物−酸化珪素系複合材料も使用可能である
が、高温で長時間保持した場合に嵩密度の変化率や寸法
変化率の小さい前述したような窒化珪素、炭化珪素、窒
化珪素と炭化珪素とを主成分とするセラミックス材料が
最も望ましい。

【００５２】

【実施例】（実施例１）平均粒径が０．５μｍ、α化率
が９５％の窒化珪素原料粉末および珪素粉末に対して、
希土類元素酸化物、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂を用いて、成
形体組成が表ｌ、２に示す組成となるように調合後、１
ｔ／ｃｍ²で金型プレス成形した。そして、成形体を窒
素中、表１、表２に示す条件で常圧焼成した。なお、試
料Ｎｏ．１８については、１４００℃にて窒化処理を行
った。

【００５３】得られた焼結体についてアルキメデス法に
より嵩密度を測定した。また、焼結体をＪＩＳ−Ｒ１６
０１にて指定されている形状まで研磨した試料を作製し
た。この試料についてＪＩＳ−Ｒ１６０１に基づく室温
での４点曲げ抗折強度試験を実施した。また、ビッカー
ス硬度による室温での硬度を求めた。またそれぞれの焼
結体を＃１４０のダイヤ砥石で研削し、研削抵抗を電流
値で評価した。

【００５４】また、かかる焼結体を１４００℃の空気中
で１００時間保持し、嵩密度の変化を測定し、嵩密度の
変化率〔（熱処理後の嵩密度−初期嵩密度）／初期嵩密
度〕×１００（％）を算出した。

【００５５】さらに、かかる焼結体をもって、室温強度
１０００ＭＰａの窒化珪素質焼結体からなるタービンロ
ータに対向するタービンシュラウドの内周面のシール部
材を作製した。そして、タービンロータを２０００ｒｐ
ｍで回転させて、シール部材とを接触させてタービンロ
ータ先端とシール部材との間隔の調整を図った結果を表
１、２に示した。

【００５６】

【表１】

【００５７】

【表２】

【００５８】表１、表２の結果から明らかなように、Ｓ
ｉＯ₂量とＲＥ₂Ｏ₃量とが本発明の範囲から逸脱する
試料Ｎｏ．１５〜１７では、焼結体の嵩密度が３ｇ／ｃ
ｍ³を越え、また、アルミニウム量が酸化物換算で２重
量％より多い試料Ｎｏ．１４では、焼結体の嵩密度が３
ｇ／ｃｍ³を越えるとともに、１４００℃、１００時間
の保持による嵩密度の変化率が１０％を越えてしまっ
た。また、いずれも研削抵抗が高く快削性が低いもので
あった。そのため、これらの焼結体をシール部材として
適用すると、タービンロータの先端にいずれも欠けが発
生した。また、焼結体の室温強度が１ｋｇ／ｍｍ²より
小さい試料Ｎｏ．１９においても、取り扱い時に、翼が
破損した。

【００５９】これらの比較例に対して、その他の本発明
に基づく試料は、いずれも研削抵抗が５Ａ以下と低く、
しかもシール部材として用いた場合においてもタービン
ロータを損傷することがなかった。

【００６０】（実施例２）平均粒径が０．５μｍ、β型
炭化珪素原料粉末に対して、Ｂ、Ｃ、希土類元素酸化
物、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂を用いて、成形体組成が表３
〜５に示す組成となるように調合後、１ｔ／ｃｍ²で金
型プレス成形した。そして、成形体をＡｒガス雰囲気
中、表３〜５に示す条件で常圧焼成した。なお、試料Ｎ
ｏ．４６〜４９については溶融Ｓｉを含浸させて焼成し
た。得られた焼結体について、実施例１と同様に評価し
た。さらに、かかる焼結体をもって、実施例１と同様の
シール部材を作製し、実施例１と同様の評価結果を表３
〜５に示した。

【００６１】

【表３】

【００６２】

【表４】

【００６３】

【表５】

【００６４】表３〜５の結果から明らかなように、Ｓｉ
Ｏ₂量とＲＥ₂Ｏ₃量とが本発明の範囲から逸脱する試
料Ｎｏ．７８〜８１および試料Ｎｏ．５９、７７では、
焼結体の嵩密度が３ｇ／ｃｍ³を越えるため、いずれも
研削抵抗が高く快削性が低いものであった。そのため、
これらの焼結体をシール部材として適用すると、タービ
ンロータの先端にいずれも欠けが発生した。また、焼結
体の室温強度が１ｋｇ／ｍｍ²より小さい試料Ｎｏ．８
２においても、取り扱い時に、翼が破損した。

【００６５】これらの比較例に対して、その他の本発明
に基づく試料は、いずれも研削抵抗が５Ａ以下と低く、
しかもシール部材として用いた場合においてもタービン
ロータを損傷することがなかった。

【００６６】（実施例３）平均粒径が０．５μｍ、α化
率が９５％の窒化珪素原料粉末および平均粒径が０．５
μｍ、β型炭化珪素原料粉末および珪素粉末に対して、
希土類元素酸化物、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂を用いて、成
形体組成が表６、７に示す組成となるように調合後、１
ｔ／ｃｍ²で金型プレス成形した。そして、成形体を窒
素中、表６、７に示す条件で常圧焼成した。なお、試料
Ｎｏ．１０７〜１１２については、１４００℃にて窒化
処理を行った。

【００６７】得られた焼結体について、実施例１と同様
に評価した。さらに、かかる焼結体をもって、実施例１
と同様のシール部材を作製し、実施例１と同様の評価結
果を表６、７に示した。

【００６８】

【表６】

【００６９】

【表７】

【００７０】表６、７の結果によると、アルミニウム量
が酸化物換算で２重量％より多い試料Ｎｏ．１３３で
は、焼結体の嵩密度が３ｇ／ｃｍ³を越え、１４００
℃、１００時間の保持による嵩密度の変化率が１０％を
越えるため、研削抵抗が高く快削性が低いものであっ
た。そのため、この焼結体をシール部材として適用する
と、タービンロータの先端に欠けが発生した。

【００７１】これらの比較例に対して、本発明に基づく
試料は、いずれも研削抵抗が５Ａ以下と低く、しかもシ
ール部材として用いた場合においてもタービンロータを
損傷することがなかった。

【００７２】

【発明の効果】以上詳述したとおり、本発明の焼結体
は、室温における４点曲げ抗折強度が１〜３０ｋｇ／ｍ
ｍ²、硬度が１０ＧＰａ以下、気孔率が１０％以上、嵩
密度が３．０ｇ／ｃｍ³以下であり、かつ空気中１４０
０℃で１００時間保持後の嵩密度の変化率が１０％以下
であることから、相手材を傷つけることなく、摩滅性に
優れ、研削加工時の切削抵抗も低く、被研削加工性に優
れたものである。よって、かかる焼結体を例えば、ガス
タービン、ジェットエンジンなどにおけるタービンロー
タ先端とこれに対向するタービンシュラウドの内周面に
使用されるアブレイダブルシール部材等に使用すること
により、ロータを欠損することなく、間隙の調整を行う
ことが可能である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化珪素および／または炭化珪素を主成分
とするセラミック焼結体であって、室温における４点曲
げ抗折強度が１〜３０ｋｇ／ｍｍ²、硬度が１０ＧＰａ
以下、気孔率が１０％以上、嵩密度が３．０ｇ／ｃｍ³
以下であり、かつ空気中１４００℃で１００時間保持後
の嵩密度の変化率が１０％以下であることを特徴とする
セラミック焼結体。
【請求項２】前記セラミック焼結体中に少なくとも過剰
酸素を含有することを特徴とする請求項１記載のセラミ
ック焼結体。
【請求項３】前記セラミック焼結体中に少なくともＢ、
Ｃ、Ａｌ、希土類元素（ＲＥ）のうちから選ばれる少な
くとも１種を含有することを特徴とする請求項２記載の
セラミック焼結体。
【請求項４】前記セラミック焼結体中における過剰酸素
のＳｉＯ₂モル換算量と希土類元素の酸化物換算量（Ｒ
Ｅ₂Ｏ₃）とのＳｉＯ₂／ＲＥ₂Ｏ₃で表されるモル比
が、２．５より小さいかまたは３．５より大きく、かつ
アルミニウムの含有量が酸化物換算で２重量％以下であ
ることを特徴とする請求項３記載のセラミック焼結体。
【請求項５】前記セラミック焼結体中における過剰酸素
のＳｉＯ₂モル換算量と希土類元素の酸化物換算量（Ｒ
Ｅ₂Ｏ₃）との合計量が８モル％以下、ＳｉＯ₂／ＲＥ
₂Ｏ₃で表されるモル比が、２．５以上、３．５以下で
あり、かつアルミニウムの含有量が酸化物換算で２重量
％以下であることを特徴とする請求項３記載のセラミッ
ク焼結体。
【請求項６】所定の間隔をもって相対的に駆動する２つ
の部材間に配設され、該２つの部材間の間隙を調整する
ためのシール部材であって、該シール部材が、室温にお
ける４点曲げ抗折強度が１〜３０ｋｇ／ｍｍ²、硬度が
１０ＧＰａ以下、気孔率が１０％以上、嵩密度が３．０
ｇ／ｃｍ³以下であり、かつ空気中１４００℃で１００
時間保持後の嵩密度の変化率が１０％以下のセラミック
焼結体からなることを特徴とするシール部材。
【請求項７】前記セラミック焼結体が、窒化珪素および
／または炭化珪素を主成分とすることを特徴とする請求
項６記載のシール部材。
【請求項８】前記セラミック焼結体中に少なくとも過剰
酸素を含有することを特徴とする請求項７記載のシール
部材。
【請求項９】前記セラミック焼結体中に少なくともＢ、
Ｃ、Ａｌ、希土類元素（ＲＥ）のうちから選ばれる少な
くとも１種を含有することを特徴とする請求項７記載の
シール部材。
【請求項１０】前記セラミック焼結体中における過剰酸
素のＳｉＯ₂モル換算量と希土類元素の酸化物換算量
（ＲＥ₂Ｏ₃）とのＳｉＯ₂／ＲＥ₂Ｏ₃で表されるモ
ル比が、２．５より小さいかまたは３．５より大きく、
かつアルミニウムの含有量が酸化物換算で２重量％以下
であることを特徴とする請求項９記載のシール部材。
【請求項１１】前記セラミック焼結体中における過剰酸
素のＳｉＯ₂モル換算量と希土類元素の酸化物換算量
（ＲＥ₂Ｏ₃）との合計量が８モル％以下、ＳｉＯ₂／
ＲＥ₂Ｏ₃で表されるモル比が、２．５以上、３．５以
下であり、かつアルミニウムの含有量が酸化物換算で２
重量％以下であることを特徴とする請求項９記載のシー
ル部材。