JPS6047228B2

JPS6047228B2 - 窒化珪素質焼結体

Info

Publication number: JPS6047228B2
Application number: JP57084057A
Authority: JP
Inventors: 明岡田; 克仲
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1982-05-20
Filing date: 1982-05-20
Publication date: 1985-10-21
Also published as: JPS58204874A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、すくれた高温強度を有する窒化珪素質焼結体
に関するものである。

窒化珪素を主成分とする焼結体は、耐熱性、耐熱衝撃性
、耐食性、耐摩耗性等にすぐれた特性を有しており、軸
受、メカニカルシール、高温用ベアリング、ノズル、ガ
スタービン部品等に好適な材料てある。

しかし、窒化珪素はこれ単独ては焼結が困難てあるため
、通常、ＭｇＯ、、Ａｌ。

Ｏ。、Ｙ。Ｏ。等の焼結助剤を添加して焼結を行う方法
が用いられている。これらの焼結は、焼結時に生ずる液
相を媒介とした液相焼結によると考えられており、焼結
後に液相はガラス相として焼結体中に残留する。一方、
焼結体の耐クリープ特性、高温強度、耐酸化性等の特性
については、焼結体中に残留する第２相すなわちガラス
相に大きく影響を受ける。特に、軟化温度の低いガラス
相の存在は窒化珪素焼結体の高温機械特性を大きく低下
させるのて好ましくない。そこで、焼結の媒介として利
用する第２相の耐熱性を高める方法が従来から提案され
ている。

たとえば、特開昭５４−８８９１５号等においては、窒
化珪素に酸化物系焼結助剤を混合して成形・焼結する方
法について、さらに炭素粉末を添加して成形した後、非
酸化性雰囲気にて熱処理により脱酸し焼結体中を行う方
法が提案されている。しかし、市販の窒化珪素粉末を用
いる場合には、窒化珪素表面の酸化物が脱酸により除去
されてしまうので、焼結助剤の混合量を減少させたこと
に相当する。このため、加圧焼結については、脱酸効果
は認められても、常圧焼結については効果が小さい。ま
た、窒化珪素にＹ。

Ｏ。とＡ１。Ｏ。とを添加した加圧焼結体については、
ガラス相を結晶化させる熱処理をあらかじめ施した後に
加圧焼結を行うこと・により高温特性の改善が行なわれ
ることが知られている。すなわち、ＣｅｒａｍｉｃＢｕ
ｌｌｅｔｉｎ第５７巻第４号（４２４頁〜４２６頁、４
３１頁）には、成形体をＡＩＮ粉末中に埋めて加熱処理
を行い、その後加圧焼結を行うと高温強度が改善される
と記載されていフる。しカルながら、このような熱処理
工程は、長時間の高温を要し、繁雑な工程でもあるので
、工業的見地から好ましくない。また、強度の低い成形
体を取扱うのてあるから、作業中に成形体破損の危険性
は高く、高価なＡＩＮ粉末を大量に必要と５することも
好ましくない理由である。本発明者らは、高温機械特性
のすぐれた窒化珪素質焼結体を得るべく研究をすすめた
ところ、窒化珪素粉末に酸化物系焼結助剤を加えた混合
物を焼結するにあたり、窒化イットリウムを併用するこ
とにより高温機械のすぐれた焼結体が得られることを見
出した。

すなわち、この発明は、前述のような従来の問題点に着
目してなされたもので、窒化珪素焼結体を、酸化アルミ
ニウム０．１〜３０重量％および窒化イットリウム０．
１〜２唾量％を含む窒化珪素を主成分とする混合粉末を
成形・焼結したものとすることにより、上記問題点を解
決することを目白勺とする。本発明は、窒化珪素粉末、
酸化アルミニウム粉末に窒化イットリウムをさらに混合
することにより、十分緻密でかつ耐熱性にすぐれた窒化
珪素質焼結体を得るものであるが、窒化イットリウムは
次のように働くものと考えられる。

すなわち、窒化珪素粉末は、通常、珪素の酸化物を中心
とした多くの不純物の酸化物層て覆われている。

この酸化物層は、焼結助剤として混合される酸化アルミ
ニウムおよび窒化珪素の一部と焼結時に反応して液相を
形成する。この液相は焼結を促進させるが、焼結後の冷
却過程て粒界に存在するガラス相を主体とする第２相を
形成する。そして、この第２相の存在が窒化珪素質焼結
体の耐熱性を大きく支配する。しかし、窒化イットリウ
ムが存在すると、焼結の後期においてガラス相と５徐々
に反応し、ガラス相の軟化温度を上け、粒界強度を高め
ることにより高温機械特性が向上すると考えられる。本
発明において、窒化珪素は、アルファ型を主とする粉末
が好ましいが、ベータ型またはアモルｊフアスの粉末で
あつても差支えない。

窒化珪素、酸化アルミニウム、および窒化イットリウム
の配合については、目的に応じて適宜に選択することが
できるが、上記酸化アルミニウムは０．１重量％以上３
唾量％以下であることが好ま５しく、１重量％以上２呼
量％以下であることが特に好ましい。

この理由は、１重量％未満、特に０．１重量％未満では
緻密化に対して効果が小さく、２呼量％、特に３呼量％
を越えると窒化珪素の本来有する特性を十分に発揮する
ことがてきな４くなるからである。また、窒化イットリ
ウムについても０．１重量％以上２呼量％以下であるこ
とが好ましく、特に１重量％以上１睡量％以下であるこ
とが特に好ましい。この理由についても、１重量％未満
、特に０．１重量％未満では焼結体の高温機械特性の向
上に効果が少なく、多すぎると窒化珪素の特性を十分に
発揮することができなくなるからである。これらの混合
粉末の成形方法については特に限定しないが、例えば、
金型ブレス成形、ラバープレス、押出成形、泥漿鋳込成
形、射出成形、圧縮成形、ホットブレス等の通常のセラ
ミックスの成形方法を、目的とする品物の形状に合わせ
て選択フすることができる。

次に、焼結については、窒化珪素の酸化を防ぐために非
酸化雰囲気で行う必要がある。

この場合、窒素雰囲気は窒化珪素の分解を抑制するので
より好ましい。この点から、窒素ガス分圧は高い・方が
より好ましい。また、焼結時にＳｉＯガスによる蒸散を
抑制するために、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２等の混合粉末で
試料を覆うことは必ずしも必要でないが、高い温度にお
いて焼結を行うときには有効な方法である。さらに、焼
結温度については、最適な温度は原料粉末およびその混
合比、焼結方法によつて異なるが、実用的な緻密化すす
めるために少なくとも１６００゜Ｃ以上は必要である。
したがつて、常圧焼結法、加圧焼結法については、焼結
温度は１６００〜１８５０′Ｃがより好ましい。以下実
施例により説明する。

実施例１窒化珪素粉末８５重量％、窒化イットリウム５重量％、
酸化イットリウム５重量％、酸化アルミニウム５重量％
からなる混合粉末を調整し、５００ｋ９ノｄの圧力で金
型成形し、続いてラバープレスにより２ｔＩｄの圧力を
加え、６×１２×５０Ｔｒ０ｒＬの板状に成形した。

これを、窒化ガス雰囲気中１７５０゜Ｃに昇温し、２時
間保つことにより焼結を行なつた。得られた焼結体の表
面を研削し、スパン２０ｗｕｎで３点曲げによる抗折強
度試験を行なつたところ、試験温度１３５０℃における
４本の平均強度として、次表に示すように４２ｋｇＩｄ
を得た。実施例２窒化珪素粉末８５重量％、窒化イットリウム３重量％、
酸化マグネシウム２重量％、酸化アルミニウム５重量％
、酸化イットリウム５重量％からなる混合粉末を実施例
１と同様の条件て成形・焼結し、次いで１３５０℃の抗
析強度を測定したところ、次表に示すように４０ｋｇ１
Ｔ１１Ｌであつた。

実施例３窒化珪素粉末８５重量％、窒化イットリウム５
重量％、酸化アルミニウム３重量％、酸化ジルコニウム
５重量％、酸化セリウム２重量％からなる混合粉末を実
施例１と同様の条件て成形・焼結し、次いで１３５０℃
の抗析強度を測定したところ、次表に示すように３９ｋ
９１ｒｒ（１ｉであつた。

実施例４窒化珪素粉末８踵量％、窒化イットリウム５重
量％、酸化アルミニウム４重量％、酸化チタン３重量％
からなる混合粉末を実施例１と同様の条件で成形・焼結
し、次いで１３５０′Ｃの抗折強度を測定したところ、
次表に示すように４５ｋｇＩＴｎ１ｔであつた。

実施例５窒化珪素粉末８唾量％、窒化イットリウム８重量％、酸
化アルミニウム１踵量％からなる混合粉末を実施例１と
同様の条件て成形・焼結し、次いで１３５０゜Ｃの抗折
強度を測定したところ、次表に示すように３５ｋ９１ｉ
であつた。

比較例１窒化珪素粉末８鍾量％、酸化イットリウム１唾量％、酸
化アルミニウム４重量％からなる混合粉末を実施例１と
同様の条件て成形・焼結し、次いで１３５０゜Ｃの抗折
強度を測定したところ、次表に示すように１８ｋ９ノｉ
であつた。

比較例２窒化珪素粉末８５重量％、窒化イットリウム１５重量％
からなる混合粉末を実施例１と同様の条件で成形・焼結
したところ、次表に示すように気孔率ｌが３２％であつ
て十分な緻密化を達成することができず、窒化イットリ
ウムの単独添加では高強度の焼結体を得ることができな
かつた。

比較例３窒化珪素粉末８５重量％、窒化イットリウム５重７量％
、酸化イットリウム１鍾量％からなる混合粉末を実施例
１と同様の条件て成形・焼結したところ、次表に示すよ
うに気孔率が１９％であつて十分な緻密化を達成するこ
とができず、酸化アルミニウムを含まない場合には高強
度の焼結体を得るこＯとができなかつた。

上記表に示す結果から明らかなように、少なくとも酸化
アルミニウムと窒化イットリウムとを組合わせて添加し
て焼結した窒化珪素質焼結体は高温強度がすぐれている
ことが明らかである。

これに対して、窒化イットリウムを含まない比較例１の
場合および酸化アルミニウムを含まない比較例２、３の
場合には高温強度のすぐれた焼結体を得ることができな
かつた。以上説明してきたように、この発明による密化
珪素質焼結体は、窒化珪素、酸化アルミニウムおよび窒
化イットリウムを主成分とする混合粉末を成形・焼結し
てなるものであるから、特に高温における機械的特性が
すぐれたものであるという著しい効果を有する。

Claims

【特許請求の範囲】

１酸化アルミニウム０．１〜３０重量％および窒化イ
ットリウム０．１〜２０重量％を含む窒化珪素を主成分
とする混合粉末を成形・焼結してなる高温強度を有する
窒化珪素質焼結体。