JPS6033263A - セラミツクス構造材 - 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〕 不発ｕＡはターボチャージャやガスタービン等のような
高温構造部品として使用するに幽したセラミックス構造
材に関する。

〔発明の背景〕

尚効率化を目的に熱機関の使用温度は丑す捷す高温化す
る順向にあり、熱機関を溝成する１１η造部品にも一層
の高温特性が袈求されている。例えば自動重用のターボ
チャージャにおいては４ノ１ガス温度１１００〜１２０
０Ｃでの１史用がを木場れて寂り、また、高温ガスター
ビンではガス温度として１３００〜］５００ｒ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朋は充分な特性を
持っている反面、もろいために一度クランクを生じると
クラックが簡単に成長して割れやすく、イぎ順性に欠け
る欠点があった。きらに、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
設計が困隷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、一度クラックが入
ってもクラックが成長しにくく、ねばジ強い、Ｐ）ｔｇ
ｈ強靭材料となっている反面、これらの材料は酸化雰囲
気で高温に烙らされると変質し、機械的強度が著しく低
下するという入点があった。

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てれている。

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、アスベクト比（長軸と短軸の長さの比）が普
通約５０以上程腋と大きいため、ファイバ同志がからま
って分散しにくく、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
結法が心安であり、Ｍ１゛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陰面が強いため、焼結体の
機械的性質が方向によって異なり、一般的な構造部品と
しては使いにくいこと、などの欠点があり、構造部品と
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〕

本発明は、上述した従来技術の欠点を除き、ターボチャ
ージャやガスタービン等のような尚温部品として用いる
に通した、耐熱性、破壊靭性共に大きく、かつ、信頼性
や汎用性の隔いセラミックス構造材を提供することを目
的としている。

〔発明の概要〕

本発明のセラミックス構造材は、炭゛化ケイ素、窒化ケ
イ素、サイアロンのうちから選ばれた少くとも１種類と
、窒化ニオビウムとから成ることを特徴としている。

本発明の望ましい実施態様としては、望化ニオビウムの
含有蛍として５〜５０容量％の範囲が選ばれる。また、
本発明のセラミックス構造材は酸化アルミニウム、酸化
マグネシウム、酸化イツトリウムのうちから選ばれた少
なくとも１柚＠をそれぞれ１０重哲％以下含有すること
が特に望ましい。

本発明者達が柚々検肘の結果、炭化ケイ素、窒化ケイ素
、サイアロンなどのようなシリコン系材料と窒化ニオビ
ウムを混合、焼結したセラミックスに２いては、■＾温
酸化性雰曲気中で表面に５ｉ０２ｔ−主体とした酸化′
４ＩＩｔ膜を形成し、この被膜がバリヤとなって、それ
以後の内部の酸化、変質などが阻止できること、■添加
した窒化ニオビウムはセラミックス中でシリコン系材料
から成る母材中に分散し、母材とは異なる機械的性＊′
（ｃ−持った相を形成する。このため、応力によってク
ラックが発生してもクラックが外散相との相互作用で分
岐、屈曲し、その結果としてクラックの伸展が阻止きれ
ること、の理由から、耐熱性、欠壊靭性値共に大きなセ
ラミックスの得られることがゎ力為っだ。また、用いる
原料はすべて一般のセラミックス工業で用いられる程度
の原料で良く、特にファイバなどを用いる必要はない。

ざらに、ホットプレス法、ＨＩＰ法だけでなく通常の常
圧焼結法によっても充分緻密な焼結体が得られ、かつ、
その機械的性質も実質的に寺号的な性質のものがイ０ら
れる。このため、得られるセラミックス構造材は信頼性
、汎用性共に高く、ターボチャージャやガスタービン用
等の尚温購造部品へのｉｉ／４川に特に好適である。

本発明のセラミックス構造材に宮イコされる窒化ニオビ
ウム量としては５〜５ｏ谷量％の範囲内であることが望
ましい。宮有知゛が少なすぎると破壊靭性値の向上に効
果がない。窒化ニオビウム１−ｆが５各期％以上になる
と破壊靭性鉋は１０ＭＮ／ｌｎｋ以上に、１０谷量％以
上になると１５ＭＮ／ｉｎｓ／２以上となる。

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
雑形状のセラミックスを作製するためには焼結後の慎械
加工が不可欠でるる。この加工時には一般に表面傷や加
工歪を生ずることがしばしば６　ルア５ｉ、１００〜２
００μｍ程度以下の表１１ｉ＊は現状の技術では非破壊
検査困難であり、従来のセラミックスではこの表面傷に
よって強度が低下し、信頼性低下の原因となっていた。

一方、破壊靭性値がｌ　ＯＭＮ／’ｍ”／以上のセラミ
ックスを用いれば、１００〜２００μｍ程度の表面傷が
できてもロータなどに一般に必要とされる約３０　ｋｇ
　／　ｔａｓ”以上の強度が保たれること、及び、これ
以上大きな表面傷などは超音波法などによって容易に非
破壊で検出できること、の理由から、セラミックス構造
材及びそれを用いた部品の信頼性が大幅に高くなる。

さらに、破壊靭性値が１５ＭＮ／ｍ”／２　以上となる
と１０ＭＮ／ｍＫの時に比べて破壊に必要なエイ・ルキ
ーが２倍以上に増加し、セラミックス構造材の信頼性は
さらに向上する。

一方、窒化ニオビウム量が多くなりすき°ると酸化雰囲
気中での耐熱性が低下するため、好ましくない。自動車
用ターボチャージャなどの用途に女全に用いるためにｆ
ｌ１１００〜１２００Ｃ以上の耐熱耐酸化性が要求され
るが、このためには窒化ニオビウム知は５０容量％以下
であることが望ましい。

筐た、高温ガスタービンのように１３００〜１５００Ｃ
の高温雰囲気で長時間安定に使用するためには、シリコ
ン系材料と−で炭化ケイ素を用いるのが最も艮い。炭化
ケイ素を用いた場合、窒化ケイ素やサイアロンを用いた
場合に比べて粒界にガラス状の析出相を持たない％徴が
めるため、■１６０（ＩＣ程度の高温まで＾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、の利
点がある。

本発明のセラミックス構造材が酸化アルミニウム、酸化
マグネシウム、眩化イツトリウムの少なくとも一柚＠を
含む場合には、焼結時にこれらの酸化物が窒化ニオビウ
ムと反応して、その一部または全部がニオビウムの酸化
物、輩化物やケイ化物に変化すると共に、これらの添加
物及び反応生成物が粒子の集合体を形成し、この集合体
が母材であるシリコン系材料中に分散した構造のセラミ
ックス構造材が得られる。この添加物及び反応生成物の
粒子集会体はクシツクの分岐に鳴動でろ９、クラックの
伸展防止に大きな効果を持つ。特に集会体中に粒子が約
１００個以上集合している場合にはクラック進展防止に
著しい効果があり、得られるセラミックス構造材は特に
大きな破壊靭性値を示す。

また、上記集合体′に構成する粒子の粒径は母材でめる
シリコン系材料の粒径より小さいことが望ましい。集合
体を構成する粒子の粒径が大きくなりすぎると、得られ
るセラミックス構造材の強度低下をまねきやすい。

酸化アルミニウム、酸化マク不シウム、酸化イツトＩＪ
ウムなどの添加量はそれぞれ１０ｗｔ％以下でめること
が望ましい。碓加景が多すぎると１２００Ｕ以上の高温
における強度が低下して好ましくない。

なお、本発明のセラミックス構造材は炭化ケイ素、窒化
ケイ素、サイアロンのうちの少なくとも−ｍ類と、窒化
ニオビウムと、必要に応じてＹ。

Ｕｓ、Ａ４０ｓ、ＭｇＯ，Ｂ４Ｃ，ＡｔＮなどの焼結助
剤とを混合、焼結して作製される。この際焼結温度は窒
化ケイ素、サイアロンの場合１６００〜２０００Ｃの範
囲が望ましい。１６００Ｃ以下では焼結が不充分となっ
てセラミックスの強度が低下し、また、２０００Ｃ以上
では過焼成となって破壊靭性値が低下する。

また、シリコン系材料として炭化ケイ素を用いる場合は
焼成温度は１９００〜２５００Ｃの刑４　Ｉ’ｌｌが望
ましい。２５００Ｃ以上では過焼成になって破壊靭性値
が低下する。一方、焼成温度が１９０ＯＣ以下になると
セラミックスの焼結性が悪くなって、内部に開気孔が残
るため、■得られるセラミックスの強朋が低下すること
、■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、シリコン系材料より耐酸化性の劣る窒化ニオビ
ウムを主体とする相が容易に酸化され、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構造拐に３いては、窒
化ニオビウム及びその反応相を母材のシリコン系材料が
被榎して保睦していることが必要である。このような構
造が実現し得ない場合、すなわち、焼結温度が低すき′
てセラミックス中に開気孔が残ったり、上述の窒化ニオ
ビウム及びその反応相の量が多すき゛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りし
ている場合には、高温に２ける耐酸化性が著しく低下し
て、本発明の目的が達成できない。

なお、一般に窒化ニオビウムは焼結温謎が高いため、母
材であるシリコン系材料と混合、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過焼成と
ならない範囲で商いほど良い。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、
焼結温汲をこれ以上＾めるためには雰囲気の窒素ガス圧
を商めるなどの特殊な工夫が必要であるが炭化ケイ素の
分解温度は３０００Ｃ以上と高いためこのような問題は
ない。このため、炭化ケイ素を母材として用いた棚台特
に高温高強度で耐酸化性の大きいセラミックス構造材が
得られやすい。

〔発明の実施例〕

実り例１ 平均粒径０．５μｍのＰ−８ｉＣ粉末に平均粒径０．５
μ汀１のｆ３４ｃ０．７５’ｗｔ４と／ボ５ｒツク７１
／　−ル樹脂４ｗｔ％及び低重会ポリエチレン１５ｗｔ
％と平均粒径１〜２μｍの窒化ニオビウムを加え、１５
００　ｋｇ／ｃｍ２　の圧力で躬Ｉｆ：ｌ成形後、２Ｕ
／ｈの昇温速展でバインダ抜きし、Ａｒ中２３００１：
でｌｂ焼成した試料、平均粒住２μ「ｌのα−８ｉＣ粉
末に平均粒径２μｍ１ｌＣＯＡＬ２０３２ｗＬ％とＷ＋
化二：Ａ−上ラムを加え、温１１２０５０Ｃ，圧力２０
０　ｋｇ／ｃｍ”で３０分ホントプレスした試料を作製
しｆｃｏ　４４ｊられた試料の曲げ強［ＩＪ　１８４点
凹げ法で両足）、曲げ強度σと欠陥の大きさＣよりに１
’ｃ＝１／πの式を用いて＃１′鼻した、破壊靭性値に
１ｃ及び空気中で加熱は死後の曲げ強度を第１衣に７３
＜す。

得られた試料のうち、扁３〜Ａ６、Ａｌ　Ｏ〜扁１３の
ｓＥＭ観察の結果、ＳＩＣは常圧焼結の場合長軸７〜１
２μＩＴＩ、短軸３〜５μＩｌｌ　、ホットプレスの場
合長軸２〜５μｍ、短軸２〜３μｎ１の橢円体状であり
、この焼結体中に粒径ｌ〜２μｍの輩化ニオビウムが単
独または集合体として分散した（１１４造を持っている
ことがわかった。

次に、５３〜６の試料を用いて、羽根径４０ｍｍ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３に力ｒｐＨ’ｌ）速ルニで
１　（ｌ　ＯＱ　ｈ連続運転したが、破損などの異常は
まったく認ｄ）られなかった。

実施例２ 平均粒径０．５μｍのα−８’３Ｎ４粉禾に平均粒径１
５μＩｌｌの窒化ニオビウム、平均粒＠ｊ　０．２〜２
ｐｍのＡＡ２　（Ｊ３　、　Ｙ？　０３　、　Ｍｇ　ｏ
　ｋ加え、加圧成形後窒素中ｔｓｏｏｃで１ｈ規成した
。得られた試料の特性を第２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
ｔｖ　Ｏｓ　、Ｙ２　（Ｊｓ　、　ＭｇＯなどと一部反
応して、平均粒径２μｍ　ｉｌ後の空化ニオビウム、ｒ
電化ニオビウム、ケイ化ニオビウムなどの混合系を形成
すると共に、これらの電化ニオビウム、［化ニオビウム
、ケイ化ニオビウム等の粒子が粒子果合体として平均粒
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。ｌ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゜１５．５０または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゜
１０００．５０００個と変化し、捷だ、セラミックスの
破壊靭性値は粒子果合体の粒子数が約１００以上で１５
　ＭＮ／’ｒｒ＋　３／２　以上（窒化ニオビウムの紐
加量１０ｖｏｔ％）と特に大きくなることが匂った。

実施例３ 平均粒仕０．７μｍのＳｉ３Ｎ４粉末に平均粒径０．５
μｌｌ］（７）　Ａ’２　（Ｊ３、平均粒径２　μｎｌ
のＡ／−Ｎ及び平均粒径１μｎ〕のＳ　１０２をサイア
ロンの一般式％式％ うに秤量し、これにさらに窒化ニオビウムを３〜７０　
ＶＯ１％加えて均一に混合し、１０００　”７ｃｍ”　
Ｏ圧力で金型成形した。該成形体は次に窒素ガス中１７
００Ｃで１１１焼結した。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俤以下、曲は強度
４０　ｋｇ／ｌｔｒｍ２　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５〜５０　
ｖｏｔ３の範囲でｌ　ＯＭＮ／　ｍ　３／２以上となっ
た。

〔発明の効果〕

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイアロンのうちから選
   ばれた少なくとも１種類と、窒化ニオビウムと、から成
   ることを特徴とするセラミックス溝造拐。