JPS6027643A

JPS6027643A - 高温構造部材

Info

Publication number: JPS6027643A
Application number: JP58135887A
Authority: JP
Inventors: 忠彦三吉; 竹田　幸男; 田口　三夫; 小杉　哲夫
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-07-27
Filing date: 1983-07-27
Publication date: 1985-02-12
Also published as: WO1985000588A1; EP0152488A4; EP0152488B1; KR890002156B1; KR850001135A; US4705761A; EP0152488A1; JPH052626B2; DE3478431D1

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〕本発明は耐熱衝撃性セラミックス構造物に係り、特にタ
ービン翼等に採用するに好適な耐熱衝撃性セラミックス
構造物に関する。

〔発明の背景〕

高効率化を目的に熱機関の使用温度はますます高温化す
る傾向にラシ、熱機関を構成する構造部材にも一層の高
温特性が要求されている。例えば自動車用のターボチャ
ージャにおいては排ガス温１ｉ１１００〜１ｚｏｏｃで
の使用が要求されており、また、高温ガスタービンでは
ガス温度として１３００〜１５０．Ｏｔ：’程度までの
使用が計画されている。このような目的のために、金属
材料に比して高温高強度の炭化ケイ素、窒化ケイ素、サ
イアロンなどのセラミックスが開発されているが、これ
らのセラミックスは耐熱性や高温強度は充分な特性を持
っている反面、もろいために一度クラックを生じるとク
ジツクが簡単に成長して割れやすく、信頼性に欠ける欠
点があった。さらに、焼結体内の欠陥や表面欠陥などに
よって強度がばらつきやすく、構造材としての強度設計
が困難であることの欠点があった。

一方、サーメットや、炭化ホウ素、窒化ホウ素などを主
体とした焼結体のような工具材料は、一度クラックがは
いってもクラックが成長しにくく、ねばり強い、所謂強
靭材料となっている反面、これらの材料は酸化雰囲気中
で高温にさらされると変質し、機械的強度が著しく低下
するという欠点がちった。

これらの欠点を除くために、例えば炭化ケイ素のような
耐熱高強度材料のファイバを例えば窒化ケイ素のような
耐熱材料中に混合し、焼結する方法も提案されている。

しかしながら、この方法にも、一般にファイバは高価で
あること、アスペクト比が普通的５０以上程度と大きい
ため、ファイバ同志がからまって分散しに＜＜、均一な
焼結体が得にくいこと、焼結時にファイバは収縮しない
ため、亀裂のない緻密な焼結体を得るためにはホットプ
レス法などのような特殊な焼結法が必要であり、量産性
が低く、かつ、複雑形状品への適用が困難なこと、およ
び、成形や焼結などの工程でファイバ同志が平行に並ぶ
傾向が強いため、焼結体の機械的性質が方向によって異
り、一般的な構造部材としては使いにくいこと、などの
欠点があり、構造部材としての信頼性や汎用性に欠ける
難点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的はターボチャージャやガスタービン等のよ
うな高温部材として用いるに適した、高信頼性で汎用性
のある構造用セラミックス部材を用いた耐熱衡撃性構造
物を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は最高使用温度が１１００ｔ：’以上で熱サイク
ルに曝される部分をセラミックスで構成した点に特徴が
あり、そのセラミックスは（１）＃結セラミックスの基
地よりももろい微細粒子が基地に分散してなること、（
２）最高使用温度で３０Ｋｆ／ｍａ１以上の耐熱性と、
Ｋｌｃで評価した破壊靭性値が１０ＭＮ／ｍ’２以上の
靭性をもつこと、及び／または（３）発生した亀裂を粒
子内部にとり込んで亀裂を屈曲又は分岐させる複合組織
を有することが特徴である。

本発明の適用対象物は、タービンやターボチャージャー
等、回転体（構造′吻）及び／または燃焼ガス、爆発ガ
スにさらされる構造物が代表的である。

上記（２）の条件で１ｃＭＮ／ｍ””以上とする理由は
、回転構造物の強度設計の許容値に基づく。今日まで知
られている５ｌｘＮ４系セラミツクスではせいぜい８Ｍ
Ｎ／ｍ”である。また、耐熱性基準を３０に９／−以上
としたのは次の理由による。セラミックスは欠点として
内部及び／または表面にクラックを含めたいわゆる欠陥
が入り易く、強度が落ちる。検査（超音波探傷）をする
とすれば欠陥の大きさ１００μｍ程度が限度である。Ｋ
ｌｃが１０ＭＮ／Ｆ７１””以上ならば、その大きさの
欠陥に対しても３０Ｋｆ／−以上の強度が保てる。現状
のものでは検査を合格してもこわれるケースが予想され
る。従って信頼性が悪い。今までの複合系セラミックス
では、１１００Ｃのに１ｃがＩＯＭＮ／ｍ’／雪以上の
ものはないから、若し３０Ｋｇ／−以上の耐熱性がない
と、こわれる可能性がおる。

本発明に用い得る構造用セラミックス部材は、望ましく
はｉ　ｉ　ｏ　ｏｃ以上まで約３０にりｆ／−以上の高
強度を保つ耐熱性と、ＫＩＣで評価した破壊靭性値が１
０　Ｍ、Ｎ／ｍ””以上の強靭性とを持ち、かつ、実質
的に等方向な機械的性質を持つシリコン系焼結体から成
ることを特徴としている。

本発明に用いられるクリコン系セラミックスとしては炭
化ケイ素、窒化ケイ素、サイアロンのうちの少くとも１
成分を主体とする焼結体中に、１１００Ｇまで高強度を
保つ周期律表ｎｌａ＊Ｍａ＊ｖａまたは■ａ族元素のホ
ウ化物、窒化物または炭化物を主体とする焼結体が分散
した構造であり、かつ、焼結体の構成粒子のアスペクト
比が１０以下であることが特に望ましい。

本発明者達が種々検討した結果、自動車用ターボチャー
ジャや高温ガスタービンのロータなどの用途にセラミッ
クスを用いるためには、■最低１１００７：’以上の温
度でも充分な機械的強度を持つだけの耐熱性があれば良
く、具体的には１１００Ｃ以上で約３０に９ｆ／−以上
の強度金持つ必要があること、■酸化性雰囲気中高温下
で使用するためには、炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイア
ロンなどを主体としたシリコン系焼結体を用いて、高温
下で表面に生成する酸化被膜により内部の変質を防止す
れば良いこと、■ターボチャージャや高温ガスタービン
の部品のような複雑な形状のセラミックスを作興する企
めには焼結後の機械加工が不可欠である。この際には一
般に最大１００〜２００μｍ程度の表面傷が生成、する
ことがしばしばあり、従来のセラミックスではこのため
に強度が低下して信頼性低下の原因となっていたが、破
壊靭性値が１０ＭＮ／ｍＶ２以上のセラミックスを用い
ればこのような条件でも約３０Ｋｇｆ／−以上の強度を
示し、セラミックス部品の信頼性が大幅に向上すること
、■実質的に等方的な機械的性質を持ったセラミックス
を構造用部材として用いることにより、温度変化に対し
て等方的に熱変形し、熱応力や印加応力に対して偏心な
どの異方的変形をおこさないため、ロータなどの回転体
として用い次時の安定性が高いこと、金属や他のセラミ
ックスとの接合部やかん合部の信頼性が大きいこと、構
造部品の強度設計が容易に、かつ、高精度におこなえる
ため、構造部品の信頼性が高いこと、複雑な形状の部品
の成形、加工や三次元的な応力の加わる部品への適用が
容易で、構造材料としての汎用性が高いこと、などが判
明した。

また、上記の大きい破壊靭性値と耐熱性とを達成するた
めには、炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイアロンなどのシ
リコン系セラミックス中に、１１００Ｃまで高強度を保
つ無機物として周期律表１１ａ、　■ａ、　■ａ、　■
ａ族元素のホウ化物、窒化物、炭化物を主体とする焼結
体を分散した構造のセラミックスを用いればよく、具体
的にはＹＣ。

Ｔ　ｔ　Ｂ２　、ｈｕ　Ｂ、　、Ｈｔｃ、　ＶＣ，ＶＮ
。

ＮｂＢ２．ＮｂＮ、ＴａＢ＊　、ＷＢ２などを主体とす
る焼結体を分散した構造のセラミックスを用いることが
できる。

母材の７リコン系セラミツクスとしＣは、炭化ケイ素を
用いるのが最も望ま１７い。炭化ケイ素を用いる場合、
窒化ケイ素やサイアロンを用いる場合に較さて粒界にガ
ラス状の析出相を持たない特徴があるため、■１６００
Ｃ程度の高温まで高強度が保たれること、■高温での耐
酸化性が特に大きいこと、■これらの結果として得られ
たセラミックスを用いた構造部品が１３００〜１５０　
（１程度の高温においても長期間、安定に使用できるこ
と、の利点がある。したがって、母材に炭化ケイ素を用
いた本発明の構造部品゛は、例えば高温ガスタービンの
プｌ／−ドのようにガス温１ｉ　１５　（１０Ｃ程度の
雰囲気中で高速回転する部品や、スポーツカー用のター
ボチャージャロータのように９テに高温、高速の条件で
用いられる部品などにも信頼性高く適用できる。

なお、シリコン系母材として窒化ケイ素やサイアロンを
用いる場合焼成温度は１７００〜１８５０Ｃ程度で充分
であるが、炭化ケイ素を用いる場合焼成温度は１９００
ｔｌｌ’以上に高めることが不可欠である。焼成温度が
これより低い場合セラミックス亡の焼結性が悪くなって
、セラミックス中に開気孔が残るため、■得られるセラ
ミックスの強度が低下すること、■開気孔を通じてセラ
ミックス内部まで外気が侵入するため、母材に較べて耐
酸化性の劣る周期律表１［ａ、　■ａ、　■ａ、　■ａ
族元素のホウ化物、窒化物、炭化物を主体とする焼結体
が容易に酸化され、セラミックスが高温使用時に分解し
たり、強度や破壊靭性値が著しく低下すること、の理由
で、本発明の目的を達成することができない。すなわち
、本発明のセラミックスにおいては、周期律表１１ａ、
　■ａ、　■ａ、　■ａ族元素のホウ化物、窒化物、炭
化物を母材のシリコン系セラミックスが被覆して保護し
ていることが必要でちる。このような構造が実現し得な
い場合、すなわち、焼結温度が低すぎてセラミックス中
に開気孔が残ったシ、上述のホウ化物、窒化物、炭化物
の量が多すぎて、セラミックス中でこれらが表面から内
部まで連続してつながったシしている１箱合には、高温
における耐酸化性が著しく低下して、本発明の目的とす
る高温構造部品に適用できない。

なお、一般に周期律表＋１１ａ、Ｗａ、Ｖａ、Ｍａ族元
素のホウ化物、窒化物、炭化物は焼結温度が高いため、
母材であるシリコン系セラミックスと混合、焼結して緻
密、かつ、強固なセラミックスを得るためには焼結温度
は分解を伴わない範囲で高いほど良い。この点、窒化ケ
イ素やサイアロンは１８５０〜１９００Ｃ以上で分解す
るため焼結温度がこれ以上高くできないが、炭化ケイ素
の分解温度は３０００Ｃ以上と高いため、焼結温度を２
０００〜２３００Ｃ程度まで高くしても何も問題を生じ
ない。この結果、母材に炭化ケイ素を用いると特に高温
高強度で耐酸化性の大きいセラミックスが得られやすい
。

また、分岐する無機物として、Ｈ’Ｂ１．ｅＮ　ｂ　Ｂ
　ｇ　ＨＴ　ａ　Ｂ　Ｉ　Ｔ　Ｖ　Ｃ＋　Ｖ　Ｂ　！　
Ｔ　Ｗｚ　Ｂを主体とする焼結体を用いた場合には、高
温での耐酸化性が特に大きいこと、焼結時に母材のシリ
コン系セラミックスや微量の焼結助剤の一部と反応して
約１μｍ以下程度の粒子の集合体を形成し、この粒子集
合体のヤング率が小さいことも相伴って、進展するクラ
ックを分枝したり、屈曲させたりして破壊靭性値を高め
るために特に有効なこと、から特に望ましい。

シリコン系セラミックス中に分散する無機物の量として
往５〜７０ＶＯ１％の範囲であることが望ましく、１０
〜５Ｑｖｏ１％の範囲でちることが背に好ましい。無機
物の量が少なすぎると破壊靭性値の向上にきかなくなる
。具体的には破壊靭性値を１０ＭＮ／ｍ””以上とする
ためには５ｖｏ１％以上、１５ＭＮ／ｍ”以上とするた
めには１０ｖｏ１％以上分散すれば良い。また、無機物
の量が多すぎると一般に高温耐酸化性が低下する。セラ
ミックス構造部材として１１００ｔ：’で安定に使用す
るためには７０ｖｏｔ％以下、１３００Ｃで安定に使用
するためには５０ｖｏｔ％以下であることが特に望まし
い。なお、セラミックス構造部材の破壊靭性値が１５Ｍ
Ｎ／ｇｓ／＊になれば１ｏＭＮ／ｍ””の時に比べて破
壊に必要なエネルギーは２倍以上となυ、例えば３０万
１１１ｍ以上のロータなどのような高速回転体に用いる
際の信頼性が大幅に向上する。

シリコン系セラミックス中にホウ化物、窒化物。

炭化物などを主体とする焼結体を分散したセラミックス
においては、クラックが進展する際に分散した焼結体と
クラックとの相互作用によってクラックが分枝したり、
屈曲したりして進展が阻止され、結果として破壊靭性値
が向上する。この際、分散した焼結体のヤング率が母材
のシリコン系セラミックスよりも小さいほうが破壊靭性
値向上に有効である。このためには、前述のＨｆＢ＊な
どのように焼結時の反応によってヤング率の小さい化合
物を作る原料を用いるのが良い。また、分散した焼結体
は約１μｍ以下程度の粒子が１００個程直重扶上集合し
た構造を持つことが最も好ましい。

この場合にはクラックが分散した焼結体内で特に分枝し
やすく、破壊靭性値の向上に特に有効でちる。

母材として用いるシリコン系セラミックス、分散した焼
結体共に構成粒子のアスペクト比は１０以下でちること
が望ましく、この場合には機械的に等方的な性質を持っ
たセラミックスが得らｉｔ−やすい。アスペクト比が例
えば約５０以上とこれより大きい、所謂ファイバ状の粒
子を原料として用いたり、あるいは焼結時にフ゛アイノ
（状の粒子が生成しｌヒりする場合には、ファイノ（状
粒子間の相互作用によって、それぞれ成形時、あるいは
焼結時に隣接するファイノ（状粒子同志が同方向に並ん
で配向し、得られるセラミックスの機械的性質が等方的
になりに＜＜、特定の方向で強度が強くなったり、髄＜
なったりする。このため、例えばターボチャージャのロ
ータなどのように回転時に径方向に特に大きな力が加わ
る際には、強度の強い方向を径方向にそろえる必要がち
９、構造部材の製造が困雉になった抄、得られもセラミ
ックス部材の汎用性に欠けるなどの欠点を生ずる。

一方、本発明の構造用セラミックス部材では実質的に等
方的な強度を持つため、ロータなどのように径方向に大
きな力が加わる場合にも、はぼ等方的な力が加わる場合
にも部材が容易に、かつ、有効に利用でき、構造用部材
としての汎用性が高い。

本発明に用い得るセラミックス部材には、シリコン系セ
ラミックス、分散した無機物の他に、ｌＱｗｔ％以下程
度のＡＬｔ０３．ＭｇＯ，ＹｘＯｓ。

ＡｔＮ　、　Ｂ４　Ｃ等に焼結助剤として加えても良い
。

本発明はタービン、ターボチャージャー等回転体構造物
及び／または燃焼・爆発ガスにさらされる構造物に採用
する場合、翼だけをセラミックスにしても可であり、そ
の際には通常シャフトは金属にはめこみとなろう。また
、シャフトや燃焼器等も本発明のセラミックス構造物を
適用することが可であり、更にはタービン、ターボチャ
ージャー等の装置全体な本発明のセラミックス溝造ｌ吻
で構成しても良い。

尚、粒子の分散形態は、粒子が均一分散していなくとも
、例えば粒子群として成いは粒子と°粒子群との併存と
に分散していても良い。但し、構造物のほぼ全域に平均
的に分散されていることが望ましい。つまり、性質は等
方的であった方が望ましい。また、粒子が太きければ粒
子界面に亀裂が入り、粒子が小さければ粒子のへきかい
性によって迂回し、或いは粒子界面で屈曲し、粒子内で
の分岐は起こりにくい。更に本発明はファイ／（−分散
との併用も可である。

〔発明の実稚例〕

実施例１平均粒径が０．７μｍのＳ　Ｉｓ　Ｎ４粉末と、平均粒
径２ｆｉｍのＨｆ　Ｂｚ　（Ｍｐ−３２５０υ）を第１
表の割合に配合し、これにさらに平均粒径０．５μｍの
Ｙ２Ｏ２及び人ｔ２０３をそれぞれ５ｗｔ％及び３ｗｉ
％加え、均一な混合粉末とした。次に、とｉｔに１０〜
１５ｗｔ％の低重合ポリエチレンなどのような有機バイ
ンダを加え、射出成形法により１５００Ｋｆ／ｅｒＡの
荷重を加えて成形体とした。該成形体は次に２ｔｒ／ｈ
の速度で昇温しでバインダを除去した後、Ｎ２ガス中１
７００〜１８００Ｃで１ｈ焼成し、焼結体を得た。得ら
れた焼結体の曲げ強さ、破壊靭性値に１ａ及び１１００
Ｃで２０００ｈまたはｌ　３０　ＱＣで２０００ｈ酸化
後の室温におりる曲げ強さを第１表に示す。

なお、破壊靭性値ＫＩＣは試料にビッカース硬度計で長
さＣの傷をつけた後、曲げ強度σを測定し、下式により
計算した。

第１表に見られるように、ＨｆＢｚの添加量５〜７０ｖ
ｏｔ％の範囲で破壊靭性値、耐熱性共に優れたセラミッ
クス部材の得られることがわかる。

得られた焼結体のＳＥＭ観察の結果、８４ｓＮａは長軸
４〜１０μｍ、単軸１〜２μｍの隋円状（アスペクト比
２〜１０）であり、添加したＨ　ｆ　Ｂ　２は焼結時に
ＹｘＯｓ　＋　ＡｔｚＯｓなどと反応し、粒径０、１〜
１　μｍノｔ！は球形（７）Ｈｆ　Ｂ！　、　Ｈｆ　（
ｈ　。

ｎｒｓｉ粒子の集合体としてＳｉ、Ｎ、中に分散してい
ることがわかった。また、粒子集合体中の粒子数は原料
ＨｆＢ、の粒径に依存し、原料ＨｆＢ。

の平均粒径として０．５，１．２または１０μｍのもの
を用いると平均粒子数はそれぞれ約１０゜４０．１５０
，１５，０００飼と変化すること、また、ナ想１吉イ本
の破壊靭１生（直はそれぞれ１０，１２，１７゜１８　
ＭＮ／ｍ”／”と平均粒子数と共に増加することがわか
った。

第１表のＡ３〜７の配合比の原料を用い、上述の方法で
羽根径４０〕のターボチャージャ用ロータ（羽根とシャ
フト一体）を試作した。試作ロータの一部から試験片を
切出して調べた結果、得られた焼結体の曲げ強度、熱膨
張係数、ヤング率は切出しの方向によらず、機械的に等
方向な性質を持つことがわかった。

また、このロータをガス温度１１００〜１２００Ｃ中で
３０万ｒＰ１の速度で１０００ｈ連続運転したが、破損
などの問題はまったく認められなかった。

また、同様な方法でロータの羽根とシャフトを別々に射
出成形し、焼成した後、両者の間に同じ組成の原料粉を
つめて、ホットプレス法により接合する方法によっても
ロータを試作した。この方法では射出成形、焼成して得
られた焼結体の機械的性質がほぼ等方向なため、得られ
たロータの接合部の信頼性はきわめて高＜、１１００〜
１２００Ｃのガス中での連続回転試験やガスの０ＮｄＯ
ＦＦによる５ｔａｒｔｄｓｔｏｐのくシ返し試験によっ
てもまったく破損しなかった。したがって、一般的な射
出成形法では作製困難な複雑形状品でも、本発明の構造
用セラミックス部材は接合法と組合わせることにより適
用可能である。

一方、従来法であるＳｉ３Ｎ４　粉末中へ約０．５〜１
μｍφＸ５０〜１００μｍｔのｓｉｃファイバをまぜて
、射出成形後焼結、または、金型成形後ホットプレスし
た試料においては、射出成形やポットプレスの方向によ
って焼結体の熱膨張係数が異り、方向を一致させない場
合には２つの焼結体を後で一体に接合することが困難で
ちった。また、射出成形時にＳｉＣファイバ同志がから
まって、金型の目詰りや、射出成形時の流動の邪魔とな
り、密度の均一な成形体が併られないこと、焼結時に試
料中にクラックが入り易く、焼結密度が上がりニくイ等
の問題を起こした。

同、第１図はＳｉ３Ｎ４９１　ｗ　ｔ％、　Ｙ２Ｏ３６
ｗｔ％＋　Ａｔ２０３３　ｗｔ％がら成る基地７５ｗｔ
％に対し、ＨｆＢ２２５ｗｔ％を添加分散して１７５゜
Ｕｓｌｈｒ焼成したセラミックスの４００倍の走査顕微
鏡写真であり、ビッカースを打ち込んだ際に亀裂が屈曲
する様子を示す。更に第２図は同組成、同焼成千件によ
るセラミックスの２０００倍の走査型顕微鏡写真であり
、ビッカースを打ち込んだ際に亀裂が分岐する様子を示
す。また更に第３図は第１図、第２図の例示中ＨｆＢ２
に代えてＷＣ２５ｗｔ％を用い、焼成条件もこれと同じ
にして得たセラミックスの７９０倍の走査型顕微鏡写真
である。

実施例２実施例１と同様な方法により、８ｉ、Ｎ、にＭｇＯ。

ＡｔｚＯｓをそれぞれ４ｗｔ％、２ｗｔ％、及び周期律
表■ａ、　■ａ、　■ａ、　■ａ元素のホウ化物。

炭化物、窒化物を混合し、成形、焼成した。得られた焼
結体の特性を第２表に示す。これらの焼結体においても
、周期律表１１ｒａ、ＩＶａ＋　Ｖａ、Ｖｉａ元素のホ
ウ化物、炭化物、窒化物の粒子が集合体として８１２Ｎ
４　中に分散した構造を持っており、焼結体の構成粒子
のアスペクト比は１〜１０であシ、焼結体は等方向な機
械的性質を示した。

第２表及び第１表により、特に１ｒｌａ、ｌＶａ。

Ｖａ、ＶＩａ元素のホウ化物を用いた時に特に耐酸化性
が大きくなることがわかる。

実施例３平均粒径０．３　ｔ＋　ｍのβ−８ｉＣ粉末に平均粒径
０．５μｍのＢ４Ｃ１゜Ｑｗｉ％とノボラックフェノー
ル樹脂３ｗｔ％と周期律表１＋１ａ、ＩＶａ、Ｖａ。

■ａ元素のホウ化物、炭化吻、窒化物をＱｌｌえ、１０
００　岬／　ｃａの圧力で射出成形後Ａｒ中２３００Ｃ
で１ｈ焼成した試料、平均粒径１μｔｎのα−８ｉＣ粉
末に平均粒径２μｍのＡｔＮ２ｗｔ％と周期律表１１ｉ
ａ、ＩＶａ、Ｖａ、Ｖｉａ元素のホウ化物。

窒化向、炭化物を加え、温度２０５０Ｃ，圧力２００　
！’ｙｇ／　ｃｒｉでホットプレスした試料、および、
平均粒径０．７　μｍの８　’ｌ　Ｎ４　と平均粒径０
．５ｐ　ｍのＡｌ４０ｇ　と平均粒径２μｍのＡｔＮと
平均粒径１μｍの５Ｉ０２とを、サイアロンの一般式％
式％るように採取し、これにさらに周期律表ＩＩ　ａ＋ｔｖ
ａ、ｖａ、ｖｉａ元素のホウ化物、窒化物、炭化物を加
えて、射出成形法により成形し、Ｎｔガス中ｔ’ｙｏｏ
ｃで１ｈ焼成した試料を作製した。得られた試料の特性
を第３表に示す。

これらの試料においても、構成粒子のアスペクト比は１
０以下でらり、焼結体は実質的に等方的な機械的強度を
示した。また、第３表の＆５〜９並びにＡ１１〜２２の
配合比で実施例１と同様にロータを試作したが、このロ
ータはガス温度１１００〜１２００ｍ；中で３０万ｒｐ
ｌの速度で１０００ｈｒ連続運転しても破損等の問題は
生じなかった。

実施例４平均粒径０．５μｍのα−８ｉＣ粉末に平均粒径０、５
　ｐ　ｍのＢ、Ｃ０，７５ｗｔ％とノボラックフェノー
ル樹脂４ｗｔ％及び低重合ポリエチレン１５ｗｔ％と平
均粒径１〜８０μｍの周期律表ＩＩＩ　ａ＋■ａ、■ａ
、■ａ族元素のホウ化物、窒化物、炭化物を加え、１０
００Ｋｑ／ｃｔ／ｌの圧力で射出成形後２Ｃ／ｈの昇温
速度でバインダ抜きし、Ａｒ中２３００Ｃで１ｈ焼成し
た試料、平均粒径２μｍのα−８ｉＣ粉末に平均粒径２
μｍのＡ、！Ｎ４ｗｔ％と周期律表１１１ａ、ＩＶａ、
Ｖａ、ｖｔａ族元素のホウ化物、窒化吻、炭化物を加え
、温度２０５０Ｃ１圧力２００　匂／ｃｒｌでホットプ
レスした試料を作製した。得られた試料の特性を第４表
に示す。

得られた試料のうち、第４表のＡ３，４，７゜１３，１
６，２０，２５．２８＋ＩＤｓＥＭ観察の結果、ｓｒｃ
は長袖２〜ＩＯｌｔｍ、単軸１〜５μｍの隋円状（アス
ピクト比１〜４）でアシ、上述のホウ化物、窒化物、炭
化物は主に粒径１〜５μｍの粒子の集合体としてＳｉＣ
中に分散していることがわかった。捷だ、粒子集合体中
の粒子数は原料の粒径に依存し、原料の平均粒径として
１，５゜１５．５０または８０μｍのものを用いると平
均粒子数はそれぞれ約１．５，１００，１０００゜５０
００個と変化すること、また、セラミックスの破壊靭性
値は粒子集合体の粒子数が約１００以−Ｌで１５　ＭＮ
／ｍ３／”以上と特に大きくなることがわかった。

また、Ａ３，４，７，１３．１６の試料を用いて、実施
料１と同様に羽根径４０ｍｍのターボチャージャ用ロー
タ（羽根とシャフト一体）を試作した。試作ロータから
試験片を切出して調べた結果、得られたロータｔ　、Ｆ
Ａ成するセラミックスは等方的な機械的性質を持つこと
が判った。

また、このロータをガス温度１３００〜１５００Ｃ中で
３０万ｒ−の速度で１０００ｈ連続運転したが、破損な
どの異常はまったく認められなかった。

さらに、同様な方法でロータの羽根とシャフトを別々に
射出成形し、焼成した後、両者の間に同じ組成の原料粉
をつめて、ホットプレス法により２１００Ｃで接合する
方法によってもロータを試作した。この方法では射出成
形、焼成して得られた焼結体の機械的性質がほぼ等方的
なため、得られたロータの接合部の信頼性はきわめて高
く、１３００〜１５００ＣＯガス中での連続回転試験や
ガスのＯＮｄ　ＯＦ　Ｆのくり返し試験によってもまっ
たく破損しなかった。

第４図は５ｉｃｃ＋ｓｗｔ％、ＡｔＮ４ｗｔ％からなる
基地３０．８　Ｗ　ｔ％に、ＮｂＢ２６９．２ｗｔ％を
添加分散させ、これを２０５０Ｕ、ｌｈｒ焼成したセラ
ミックスの２００倍の光学顕微鏡写真でアシ、ビッカー
スを打ち込んだ際のクラックの入り方を示す。また第５
図は第４図と同じ条件で得たセラミックスの２２０倍の
走査型顕微鏡写真であり、ビッカースを打ち込むとクラ
ックが分岐して吸ａされる様子を示す。

実施例５平均粒径０．５μｍのβ−８ｉＣ粉末に平均粒径０．５
μｍのＢ４Ｃ０，７５ｗｔ％とノボラックフェノール樹
脂４ｗｔ％及び低９重合ボリエアレン１５ｗｔ％と平均
粒径１〜２μｍの窒化ニオビウムを加え、１５００べｙ
　／　ｃｔｄの圧力で射出成形後、２Ｃ／ｈの昇温速度
でバインダ抜きし、Ａｒ中２３００Ｃで１ｈ焼成した試
料、平均粒径２μｍのα−５ｉＣ粉末に平均粒径２μｍ
のＡｔ！　Ｏ３２ｗ　ｔ％と窒化ニオビウムｅ　’Ｊ［
Ｉえ、温度２０５０ｃ、圧力２００Ｋｐ／ｃａで３０分
ホットプレスした試料を作製した。得られた試料の曲げ
強度（、Ｔ　Ｉ　Ｓ　４点曲げ法で測定）、曲げ強度σ
と欠陥の大きさＣよシに１ｃ＝σＶＴτの式を用いて、
計算した、破壊靭性値Ｋｌｃ及び空気中で加熱唆化後の
曲げ強度を第５表に示す。

イ導られた試料のうち、Ａ３〜Ａ６．Ａｌ０−Ａ１３の
ＳＥＭ観察の結果、ＳａＣは常圧焼結の場合長袖７〜１
２μｍ１短軸３〜５μｍ１ナツトプレスの場合長軸２〜
５μｍ１短軸２〜３μ＋ｎの隋円体状でチシ、この焼結
体中に粒径１〜２μｍの窒化ニオビウムが単独または集
合体としで分散した構造を持っていることがわかった。

次に、Ａ３〜６の試料を用いて、羽根径４０ｍｍのター
ボチーヤージャ用ロータを試作し７’ＣＱ　このロータ
をガス温１ｉ１３００〜１５００ｔ：’中３０万ｒ−の
速度で１０００ｈ連続運転したが、破損などの異常はま
ったく認められなかった。

実施例６平均粒径０．５μｍのα−ｓ　ｉｓ　Ｎ４粉末に平均粒
径１５μｍの窒化ニオビウム、平均粒径０．２〜２μｍ
ノＡｔ２０３　、　ＹｔＯｓ　＋　Ｍ　ｇ　Ｏを加え、
加圧成形後窒素中１８０（ｌで１ｈ焼成した。得られた
試料の特性を第６表に示す。

これらの試料中では窒化ニオビウムは焼結助剤であるＡ
４０３＋　ＹｔＯｓ　＋　Ｍ　ｇ　Ｏなどと一部反応し
て、平均粒径２μｍ前後の窒化ニオビウム、酸化ニオビ
ウム、ケイ化ニオビウムなどの混合系を形成すると共に
、これらの窒化ニオビウム、酸化ニオビウム、ケイ化ニ
オビウム等の粒子が粒子集合体として平均粒径約５μｍ
の窒化ケイ素焼結体中に分散した構造を持っていること
が判った。また、粒子集合体中の粒子数は窒化ニオビウ
ムの原料粉の粒径に依存し、原料の平均粒径として１゜
５．１５，５０４たは８０μｍのものを用いて実験した
結果、平均粒子数はそれぞれ約１，５゜１００．１００
０．５０００個と変化し、また、セラミックスの破壊靭
性値は粒子集合体の粒子数が約１００以上で１５　ＭＮ
／ｒｎ””以上（窒化ニオビウムの添加量１０ｖｏｔ％
）と特に大きくなることが判った。　“ 実施例７平均粒径０．７μｍの８ｊｓＮ４粉末に平均粒径０．５
μｍのＡｉｍ　Ｏｓ　、平均粒径２μｍのＡｔＮ及び平
均粒径１μｍのｓｉｏ、をサイアロンの一般式８　ｔｓ
−ｚＡｔｇＯｚＮｓ−ｚ　の２が０．２〜４．２になる
ように秤量し、これにさらに窒化ニオビウムｔ３〜７０
ｖＯｔ％加えて均一に混合し、１０００Ｋｔｉｌｃｒ＆
の圧力で金型成形した。被成形体は次に窒素ガス中１７
００Ｃで１ｈｆｉ結した。この実施例においてはＺの値
が０．５〜４．０の範囲で気孔率が５％以下、曲げ強度
４０Ｋｑ／−以上の焼結体が得られ、また、その破壊靭
性値は窒化ニオビウムの添加量５〜５０ｖＯｔ％の範囲
で１０　ＭＮ／ｌｎ”／”以上となった。

実施例８平均粒径０．５μｍのβ−８ｉＣ粉末に平均粒径０．５
μｍのＢ４Ｃ０，７５ｗｔ％とノボラックフェノール樹
脂４ｗｔ％及び低重合ポリエチレン１５ｗｔ％を平均粒
径１〜２μｍの周期律表ｖａ。

１１７ａ族元素（ｖ　ｌ　Ｎ　ｂ　＋　Ｔ　ａ＋　ｃ　
「ｌ　Ｍ　ＯＩ　Ｗ　）のホウ化物を加え、１５０ｏ１
（グ／　ｃｌ＝の圧力で射出成形後、２Ｃ／ｈの昇温速
度で）（インダ抜きし、Ａｒ中２３００ｔｌｌ’で１ｈ
焼成した試料、平均粒径２μｍのα−８ｉＣ粉末に平均
粒径２μｍのに’ｓ　Ｏｓ　２　Ｗ　ｔ％と周期律表■
ａ、■ａ族元素のホウ化物を加え、温度２０５０〜２１
００ｔ？、圧力２００　Ｋ、ｇｌ　ｃｒ＆で３０分ホッ
トプレスした試料を作製した。得られた試料の曲げ強度
（ＪＩＳｄ点曲げ法で測定）、曲げ強度σと欠陥の大き
さＣよりに１ｃ＝σｆ〒τの式を用いて計算したつ破壊
靭性値に＋ｃ及び空気中で加熱酸化後の曲げ強度を第７
表に示す。

得られた試料の８ＥＭ観察の結果、ＳｉＣは常圧焼結の
場合長軸７〜１２μｍ１短軸３〜５μｍ、ホットプレス
の１合長袖２〜５μｍ１短軸２〜３μｍの隋円体状であ
り、この焼結体の中に粒径１〜２μｍの周期律表ｖａ、
■ａ族元素のホウ化物が単独または集合体として分散し
た構造を持っていることがわかった。

次にＡ３’、４，９．１０の試料を用いて、羽根径４０
ｍｍのターボチャージャ用ロータを試作した。

このロータをガス温度１３００〜１５００Ｃ中３０万ｒ
ｐｍの速度で１ｏｏｏｈ連続運転したり、ガスの０Ｎｄ
ＯＦＦによる起動＃停止のくり返しを１００回行ったり
したが、破損などの異常はまったく認められなかった。

実施例９平均粒径０．５μｍのα−８ｉ３Ｎ４扮末に平均粒径約
１５μｍの周期律表ｖ′ａ、■ａ族元素のホウ化物及び
平均粒径０．５ｊｊｍのＡｔｔＯｓ　３　ｗ　ｔ％、平
均粒径１μｍのＹｚＯｓ　５　ｗ　ｔ％を混合し、加圧
成形後窒素中ｔｓｏｏｃで１ｈ焼成した。得られた試料
の特性を第８表に示す。

これらの試料中では周期律表ｖａ、Ｖｉａ族元素のホウ
化物はＡｔｔ　Ｏｓ　＋　Ｙａｋ３＋　Ｓ　ｉｓ　Ｎ４
　と一部反応して、平均粒径１〜２μｍの周期律表■ａ
。

■ａ族元素のホウ化物、窒化物、ケイ化物、酸化物など
の混合系粒子を形成すると共に、これら混合系粒子が粒
子集合体として平均粒径約５μｍの８！ｓＮａ焼結体中
に分散した構造を持っていることが判った。また、粒子
集合体中の粒子数は周期律表■ａ、■ａ族元素のホウ化
物の原料粒径に依存し、原料の平均粒径が１．５，１５
．５０または８０μｍのもの用いた場合、平均粒子数は
それぞれ約１．５．．１００，１０００．５０００個と
変化すること、また、セラミックスの破壊靭性値は粒子
集合体の粒子数が約１−００個以上で１５ＭＮ７　ｍ　
ｍ／１　以上と特に大きくなることが判った。

また、焼結助剤のｌ−１ｚｏｓ　＋　ＹｚＯｓの量を変
え−て実験した結果、Ａｔ１０ｓ　、　ＹｚＯｓの量が
それぞれ０．５　ｗ　ｔ％未滴の時は焼結体に気孔が多
く、強度が３０に９／−以下になり、耐酸化性が劣るこ
と、Ａｔ２０３−　ＹｚＯｓの量がそれぞれ１ｇｗｔ％
を越えると焼結体の高温強度が低下して１２００ｔ：’
の曲げ強度が３０Ｋｇ／−以下になることが判った。

実施例１０実施例９ど同様な方法により、８’８Ｎ４に５Ｗｉ％の
Ｙ、０３と３ｗｔ％のＭ　ｇ　Ｏを加え、さらにこれに
Ｎｂｎｚを２５ｖｏｔ％加えて、混合、成形、焼成した
。得られた仏結体の室温における曲げ強度は８０　Ｋｑ
　／　ｇＪ、破壊靭性値Ｆ！、１８　ＭＮ／ｍ　３／２
１２００ｔ’；における曲げ強度は５５Ｖ４／−であっ
た。また、ＭｇＯの添加量を違えて実験した結果、Ｍｇ
　００．５　Ｗ　１％未満では室温における曲げ強度が
３０１ぐｑ／−以下に、また、ＭｇＯが１ｏｆｔ％よシ
多いと、１２００Ｕにおける曲は強度が３０Ｋｒ　／　
ｄ区下になることが判った〇実施例１１平均粒径０．７μｍの５ＩｓＮｉ粉末に平均粒径０．５
μｍのＡｔ鵞０３　、平均粒径２ｐｍのＡｔＮ及び平均
粒径１μ９ｍのｓｉｏ＊をサイアロンの一般式Ｓ　ｊｇ
−ｇＡｔｇＯｚＮｓ−ｚ　のＺが０．５〜４．０になる
ように秤量し、これにさらに、ＶＢ＋＋　、ＮｂＢ！ま
たはＷＢ＊を混合し、１０００Ｋｇ／ｉの圧力で金型成
形した。該成形体は次に窒素ガス中１７００Ｃで１ｈ焼
結した。得られた試料の特性を第９表に示す。

第　９　表（４６）〔発明の効果〕以上説明したように、本発明の耐熱衝撃性セラミックス
構造物は汎用性や（ｉ頼性が高く、ターボチャージャ高
温ガスタービン用部品等のような耐熱構造材の高信頼化
のために有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図はいずれも本発明の実施例に係る耐熱
衝撃性セラミックス構造物のビッカース打ち込み試験の
結果を示す顕微鏡写真図である。代理人　弁理士　高橋明夫

Claims

【特許請求の範囲】１、焼結セラミックスの基地よりももろい微細粒子が基
地に分散してなるセラミックスにより、最高使用温度が
１１００Ｃ以上で熱サイクルに曝される部分を構成した
ことを特徴とする耐熱衝畢性セラミックス構造物。２、最高使用温度で３０Ｑ／ｍＩａ以上の耐熱性と、Ｋ
ｌｃで評価した破壊靭性値が１０　Ｍ　Ｎ　／　ｍ３Ａ
以上の靭性をもつセラミックスによシ、最高使用温度が
１１００ｔ：’以上で熱サイクルに曝される部分を構成
したことを特徴とする耐熱衝撃性セラミックス構造物。３、発生した亀裂を粒子内部にとり込んで亀裂を屈曲又
は分岐させる複合組織を有するセラミックスにて、最高
使用温度が１１００Ｃ以上で熱サイクルに曝される部分
を構成したことｅ％徴とする耐熱衝撃性セラミックス構
造物。４、焼結セラミックスの基地よりももろい微細粒子が基
地に分散しており、最高使用温度で３０Ｋｇ／　Ｆ１ｍ
１以上の耐熱性と、Ｋｌｃで評価した破壊靭性値が１０
ＭＮ／ｍ３／２以上の靭性をもつセラミックスによ多構
成したことを特徴とする耐熱衝撃性セラミックス構造物
。