JPS60264366A - 複合焼結体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は高温における耐酸化性にすぐれ、かつ靭性の著
しく向上したセラミック焼結体に関するものである。

〔発明の背景〕

従来、用いられるターボチャージャ、ガスタービンブレ
ード、各種エンジン部品等には、金属すなわち耐熱合金
が用いられてきた。しかし、近年高出力、高性能化がめ
られるようになり、従来の耐熱合金では使用に耐えるこ
とが不可能になってきた。すなわち使用温度また使用条
件がより苛酷になっときたためである。これらの背景か
らセ（１） ラミックスが注目されるようになってきた。セラミック
スは周知のように高温における耐酸化性、耐食性は著し
くすぐれているが脆いという大きな欠点があり、現在構
造材としての機能を果していない。そのためセラミック
スの靭性改善が国内外において活発に行なわれ始めた。

その一つの試みとしてセラミックスに耐酸化、耐食性は
劣るが靭性のすぐれた金属を添加する方法がある。すな
わちサーメットと呼ばれるものである。現有のサーメッ
トは添加物も種々雑多であり、添加量も多量であるため
室温における靭性は改善されるが、セラミックスの最大
の特徴であるところの高温での耐酸化、耐食性が失われ
てしまう欠点がある。一方少量の金属を添加して靭性を
改善しようとする試みも行なわれているが、現在までそ
の目的を達していない。

〔発明の目的〕

本発明の目的はセラミックスの長所である高温での耐酸
化性を損なうことなく靭性のすぐれたＳｉ、Ｎ４セラミ
ックス焼結体を提供するにある。

（２） 〔発明の概要〕 本発明は以上のことを考慮し、その特徴とするところは
高温における耐酸化性、耐食性の良い珪化物を添加する
ことで高温までのその性質を維持し、尚かつ靭性を大巾
に改善したＳｉ３Ｎ４焼結体を可能にした。なお、珪化
物としては特にＣｒとＶの珪化物がすぐれている。

高温構造材としてのセラミックスと金属の複合焼結体で
問題となるのは、高温において耐酸化性が著しく劣下す
ることである。そこで本発明者らは高温、１０００℃以
上で耐酸化、耐食性の良好な物質について検討した結果
、各種珪化物がすぐれていることを見出した。また、強
靭化を達成するためには、母相セラミックスに高温強度
が最もすぐれている５ｉａＮ４を用い、これに珪化物の
うちでも特にＣｒまたはＶの珪化物を分散した複合焼結
体にすれば良いことがわかった。

複合焼結体の構造としては、第１図のようにり（１：′
　。、イ５．．．や２３．、、つ、、□イ８．□１．．
□ヨ合体の周囲が窒化ケイ素の粒子で取囲まれた構造（
３） が望ましく、この時に高温における大きな耐酸化性と強
靭性が保証される。一方、Ｓｉ、Ｎ、粒子の周囲をクロ
ムやバナジウムの珪化物が取囲んだ構造では、高温にお
ける耐酸性が劣り、また、靭性も充分には改善されない
。

ＣｒまたはＶの珪化物の含有量としては５〜２５ｖｏＱ
％の範囲が望ましい。含有量がこの範囲よりも少いと靭
性向上に充分な効果がなく、逆に多すぎると、複合焼結
体中でＣｒまたは■の珪化物同志がつながって、第１図
のような構造が取れなくなり、耐酸化性と靭性が低下す
る。なお、ＣｒまたはＶの珪化物２がＳｉ、Ｎ４１の靭
性向上に特に有効な理由は明らかでないが、これらの珪
化物がＳｉ、Ｎ、中で複雑な結晶構造を持つことが関係
しているものと思われる。

本発明の複合焼結体はＳｉ、Ｎ４に適当な勅語助剤、お
よびＣｒまたはＶのケイ化物を加え、１６５０〜１９０
０℃の範囲の温度で焼結して得られる。焼結温度がとの
範囲よりも低いとＳｊ、Ｎ４の焼結が充分進まず、複合
焼結体中に開気孔が残って、耐酸（４） 化性や靭性の低下をまねきやすい。また、焼結温度が高
すぎると焼結時に５ｉａＮ、が分解して、この時にも開
気孔を生じやすい。

上述の焼結助剤としてはＡｆ１２０．又は／及びＹ２Ｏ
，あるいは加熱によってこれら酸化物になる化合物の使
用が望ましく、この際、特に緻密で高温における耐酸化
性と靭性の大きな複合焼結体が得られる。また、焼結助
剤の量としては０．１〜２０ｖｏｆ１％の範囲が良い。

この範囲より助剤の量が少いと、複合焼結体が充分緻密
とならず、多すぎると、高温における強度と耐酸化性が
低下する。

〔発明の実施例〕

以下本発明の実施例について述べる。

実施例１− 窒化珪素（１〜３μｍ）粉末と珪化物（５〜３０μｍ）
粉末と焼結助剤を所定量秤量し、らいかい機で混合した
。焼結助剤には周知のものが種種あるが検討の結果ＡＱ
２０３又は／及びｙ、　ｏ３が０．１〜２０ｖｏＱ％の
範囲が適量であり、この時に特に高温強度の大きいセラ
ミックスが得られる（５） ことを確認している。本実施例ではその一例としてＡ　
Ｑ　２０３２　ｖｏ　２％、Ｙ　２０　ａ　３　ｖｏ　
０％一定としたが上記の添加範囲では同様な効果が得ら
れることも確認している。珪化物はＶＳｉ、を用い、Ｓ
ｉ、Ｎ４−０，２．５，５，７．５．ｔｏ、２５゜３０
および５０ｖｏＵ％の焼結体を下記の方法で得た。

すなわち原料をらいかい機で混合したのち１６ｍｅｓｈ
のふるいで整粒し、プレスで４００ｋｇ／ｄに加圧し厚
さ６　ｒｍ　ｔ、直径６０ＩＩＩＩＩφのグリーンボデ
ーを作成した。次いでこれを周知の黒鉛ダイスを用いた
ホットプレスにセットして３００）ｃｇ／印の加圧下で
最高加熱温度１７５０℃で焼結した。雰囲気はＮ２ガス
３　ｋｇ／ａＪである。得られた焼結体の相対密度は２
５ｖｏＱ％までは９７％以上であったが３０ｖｏΩ％以
上では９０％以下であった。またＸ線回析の結果、Ｖは
ｖＳｉｚ＋ＶａｓＬｔ　ＶｓＳＬの形で存在することが
わかった。

この焼結体より３　ＩＩｅＸ　４　ｗｎ　Ｘ　３６薗の
試験片を採取した。これを研磨したのち中心部に幅０．
０１ｍｍ、（６） 深さ０．３ｍｎのノツチを切り込んで曲げ試験を行験片
山、Ｗ：試験片厚さ、Ｙ；係数） 第２図にその結果を示す。単味のＳ　ｉ、Ｎゆに比較し
２５ｖｏｆ１％まで靭性は増加し、それ以上ではあまり
増加せず減少する。図より本発明の複合焼結体のに１．
、は９ＭＮ／ｍ””以上あり一般のＳｉ、Ｎ４のに、（
約６．５ＭＮ／ｍ”）の１．４倍以上であることがわか
る。これを破壊エネルギーで比較すると一般のＳｉ、Ｎ
４の約２倍以上に相当する。

次いで高温の高酸化性について検討した。第３図にその
結果（空気中１１００℃、３０時間加熱）を示すが２５
ｖｏＱ％までは酸化増量は小さいが、それ以上添加した
試料は急激に耐酸化性が劣る。

１　以上のことからＳｉ３Ｎ４の強靭化のために添加；
、・□ するＶＳｉ２量は５〜２５ｖｏＱ％とすることが妥当で
ある。すなわち２．５ｖｏＱ％以下では強靭化（７） に有効でなく、また３０ｖｏΩ％以上添加すると耐酸化
性が著しく劣るばかりでなく、Ｓｉ３Ｎ４中のＳｉと反
応して液相が晶出するため焼結密度堅景らず健全な焼結
体を得ることができない。なお本発明のＶＳｉ、５〜２
５ｖｏＡ％添加試料を用いてターボチャージャローター
を試作し、ガス温度１１００℃で１ｏｏｏ　ｈ連結運転
したが、酸化による特性劣下の問題はまったくなかった
。またガスの０ＮｄＯＦＦによる起動＃停止実験をくり
返しても破損はまったく認められなかった。

実施例２ ＣｒＳｉ２について実施例１と同様な方法で試料を作り
、その特性を調べた。その結果を表１に示すが実施例１
で記述したＶＳｉ２と同様に含有量５〜２５ｖｏＱ％で
に１ｃが大きく、耐酸化性の良好な結果が認められた。

なお、焼結体中のＣｒは大部分Ｃｒ珪化物と一部はＣｒ
Ｎ、Ｃｒ２Ｎ　の形で存在することがわかった。

なお本実施例ではホットプレスによって得られた焼結体
について示したが、常圧焼結体でもその（８） 効果が認められ、Ｃｒまたは■の珪化物量が５〜２５ｖ
ｏＱ％の範囲で、緻密で、耐酸化性とに１゜の大きな複
合焼結体が得られた。

表　１ 〔発明の効果〕 本発明によれば高温で良好な耐酸化性を持ち、かつ靭性
のすぐれたＳｉ３Ｎ４焼結体を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

（９） 第１図は本発明の一実施例の複合焼結体の構造を示す模
式図、第２図はＳ　ｉ、Ｎ、−ＶＳ　ｉｓ　（１’）添
加量による臨界応力拡大係数に１．：を示した線図、第
３図は５ｉａＮ＊−ＶＳｉｚ　の添加量による酸化増量
を示した線図である。 （１０） Ｖ５７ｚ　＃７１１１量　（’１％）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．８ｉ、Ｎ、を主体とし、■またはＣｒの珪化物を５
   ｖｏＱ％〜２５ｖｏα％含有する焼結体において、該Ｖ
   またはＯｒの珪化物粒子がＳｉ、Ｎ、粒子で取囲まれた
   構造を持つことを特徴とした複合焼結体。