JPS6054979A

JPS6054979A - 窒化けい素焼結体の製造法

Info

Publication number: JPS6054979A
Application number: JP58164711A
Authority: JP
Inventors: 樋端　保夫; 和夫上野; 善信奥村; 森近　俊明
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1983-09-05
Filing date: 1983-09-05
Publication date: 1985-03-29
Also published as: JPS6058191B2

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】本発明は高温強度のすぐれた窒化けい素焼粘体の製造法
に関する。

窒化けい素焼粘体は、強度、耐酸化性、耐摩耗性などに
すぐれ、特に高温域において、金属材料では得られない
高い強度、その他の機械的緒特性、並びに化学的安定性
を備えており、昨今高温用途における構造材料等として
注目されている。

窒化けい素（Ｓｉ３Ｎ＋）粉末は、自己焼結性に乏しい
物質であるので、その焼結体の製造には焼結助剤を配合
するのが一般である。焼結助剤としては、従来よりＭｇ
ｏ　などの金属酸化物が用いられ、また近時はイツトリ
ウム酸化物（Ｙ２Ｏ３）などの希土類酸化物等の使用が
提案されている（特開昭５５−１０９２７７号）。これ
ら助剤は、焼結過程で窒化けい素粉末の粒子界面に溶融
相を形成して焼結を促進する。こうして得られる焼結体
は、焼結助剤とＳｉ３Ｎ４　とからなる粒界層を介して
粒子相互が結合され、その粒界層の物性が焼結体の高温
強度を支配する第一の要因であることは周知のとおりで
ある。

しかるに、従来の窒化けい素焼粘体は、常温での強度は
良好であっても、１０００°Ｃを越る高温域での強度低
下が著しく、しばしば粒界すべり現象に起因する塑性的
破壊を呈する。例えば、焼結助剤としてＭｇＯを５重量
％配合してホットプレス法により製造された焼結体は、
常温において３５／Ｃ１７ｆ／−前後の強度を示すが、
１３００°Ｃではわずか２２ｋｑｆ／−程度と、常温時
の３０％にも満たないレベルに激減する。また、希土類
酸化物を焼結助剤とし、例えばＹ２Ｏ３とセリウム酸化
物（ＣｅＯ）などを適量配合して焼成された焼結体にお
いても、１３００°Ｃでの強度レベルは、常温時のせい
ぜい４０〜６０％程度に過ぎない。

本発明者等は、上記実情に対処するために焼結助剤につ
いて詳細な実験を重ね、希土類酸化物群から選らばれる
特定の酸化物の組合せにより焼結体の高温強度を大きく
改善し得ることを知見し、既出願において、それを助剤
とする焼結体の製造法を提供した（特願昭５７−１４１
．８９２号、同５７−１８８７９６号、同５８−１６７
１１号）。

本発明は、焼結助剤に関する一連の研究の結果、ランタ
ン酸化物（Ｌａ２０３）、プラセオジム酸化物（Ｐｒ６
０１１）およびネオジム酸化物（Ｎｄ２０３）を主構成
分とする複酸化物もしくは酸化物混合物を助剤として使
用することにより、焼結体の高温強度を更に向上さぜ、
１０００“Ｃをこえる高温域での強度低下の問題を実質
的に完全に解消することに成功したものである。

本発明の窒化りい素焼粘体の製造法は、窒化けい素粉末
に焼結助剤として希土類酸化物が配合された混合物を成
形、焼結することからなる焼結体の製造法において、焼
結助剤として、ランタン・ネオジム・プラセオジム複酸
化物もしくはランタン酸化物・ネオジム酸化物・プラセ
オジム酸化物混合物が５〜３５重量％配合されること、
およびこの複酸化物または酸化物混合物は、酸化物換算
値で、２０〜８０重量％のランタン酸化物、２０〜５０
重量％のネオジム酸化物および３〜２０重量％のプラセ
オジム酸化物が合計で８０重量％以上を占め、これに不
純物として付随することもあるセリウム酸化物は１５重
量％以下、その他の希土類酸化物は５重量％以下である
成分構成を有する、ことを特徴とする。

本発明方法により得られる窒化けい素焼粘体の強度レベ
ルは、むろん成形・焼結プロセス（例えば、ホットプレ
ス法、常圧焼結法など）により一様ではないが、同じプ
ロセスにより得られる従来材に比し卓抜した高温強度を
有する。とりわけ、従来法による焼結体は温度上昇に伴
う強度低下が著しいのに対し、本発明による焼結体は昇
温に伴う強度低下が全くないばかりか、後記実施例にも
示されるように、常温時よりもむしろ１０００°Ｃ以上
の高温域においてより高い強度を呈する。その強度上昇
は、焼結体内に生起する若干量の塑性変形に伴って微小
欠陥に対する切欠感受性が低減することによるものと考
えられるが、このような顕著な強度上昇は、従来法によ
る焼結体では全く認められない現象である。

本発明において焼結助剤として使用される希土類元素の
複酸化物または酸化物混合物（以下、単に「助剤酸化物
」とも言う）の成分構成を前記のように、ランタン酸化
物２０〜８０重量％、ネオジム酸化物２０〜５０重量％
およびプラセオジム酸化物３〜２０重１社％（複酸化物
の場合は各元素の酸化物換算値）とし、その合計量を８
０重重量以上とするのは、各酸化物の相剰作用による焼
結促進並びに焼結体の高温強度の確保のためである。

このものは、酸化物とじて天然に産出するランタン系列
希土類元素から、セリウム（酸化物）を除去することに
より製造することができ、希土類の単金属の酸化物を混
合調製するよりも安価に入手できる点でも有利である。

」二記の助剤酸化物に不純物として付随するセリウム（
Ｃｅ）、サマリウム（Ｓｍ）などの希土類元素の含有量
は、得られる焼結体の高温強度改善の点から少い程良い
。この酸化物におけるセリウムは酸化物換算値で１５重
量％以下、サマリウムなどのその他の希土類元素は酸化
物換算値で５重量％以下、合計２０重量％以下であれば
特段の支障はないが、より好ましくはセリウム酸化物は
５重量％以下、サマリウム等の酸化物は１重量％以下、
これらの合計量６％以下（いずれも酸化物換算値）とす
る。

また、窒化けい素粉末との混合物における助剤酸化物の
割合を５重量％以上とするのは、それより少いと、焼結
促進効果および焼結体の高温強度向上効果が不足するか
らである。より好ましくは７重量％以上である。また、
配合量の上限を規定するのは、あまり多く配合しても、
配合量に見合う程の効果はなく、経済的負担が増すばか
りか、混合物中に占める窒化けい素粉末の相対的割合の
低下に伴って窒化けい素焼粘体本来の特徴が低減するか
らである。このため、助剤酸化物の配合量の上限を３５
重量％とする。より好ましくは３０％以下である。

なお、主原料である窒化けい素粉末の結晶構造にはα型
とβ型とがあり、周知のように焼結体の強度に関連する
焼結体内粒界層の結晶化を助長する点から、α型が有利
であり、α化率９０％以上の粉末が好ましく使用される
。

本発明によれば、窒化けい素粉末に、前記規定を満たす
ように助剤酸化物を配合して調製された混合物を成形し
、焼結することにより目的とする焼結体を得る。むろん
、成形・焼結に付される混合物は、通常のそれと同様に
必要に応じて適宜の成形助剤が混和されたものであって
よい。なお、「成形し、焼結する」というのは、適用さ
れるプロセスにより、成形と焼結とが各別の工程として
実施され、あるいは成形と焼結とが一工程で実施される
ことを意味する。

成形・焼結法としては、調製された混合物を所定形状の
型に充」ハし、ダイスによる加圧下に焼結を行うホット
プレス法、または熱間静水圧焼結法ＣＨＴＰ法）などの
加圧焼結法、あるいは混合物をあらかじめ所望の形状に
成形したのち、焼結を行う常圧焼結法など、任意の方法
が適用される。

これらの成形・焼結条件に特別の制限はないが、例えば
ホットプレス法では、加圧力約２００〜４００ｋｑｆ／
ｃｆ焼成温度約１６ｏｏ〜１８５０′ｃ１１−Ｉ　Ｉ　
Ｐ法では加圧先約５００〜２５００ｋｑｆ／ｌｙｌ、焼
成温度約１６００〜１８５０°Ｃの条件下に好結果を得
ることができる。また、常圧焼結法では、助剤酸化物と
ともに適当な成形助剤を適量（例えば、メチルセルロー
スを０．１〜２．０％）混和して調製された混合物を適
宜の成形法（例えば、−軸プレス、ラバープレス、射出
成形、押出し、スリップキャスティングなど）にて成形
したのち、例えば１〜１０に９ｆ／ｃｙｌの窒素ガス雰
囲気下、約１６００〜１８５０°Ｃで焼結を完了するこ
とができる。なお、その窒素ガス雰囲気は約１．５　ｋ
ｇｆ　／ｃｙｌ以下の低圧力側においても十分好結果を
得ることができる。

次に本発明の実施例について説明する。

実施例１窒化けい素粉末（α化率９５％、平均粒径０．６μｍ）
に、第１表に示すように焼結助剤を配合した混合物を調
製し、ホットプレス法により加圧力４００ｋＱｆ／ｄ、
温度１８００°Ｃ１保持時間１時間の条件で焼結体（４
０朋Ｘ２（１＊Ｘ（、ｒ＊）を製造し、それぞれについ
て常温および１３００°Ｃにおける曲げ強さを測定した
。賦香（１）〜（３）は本発明例、賦香（４）、（５）
は比較例である。

曲げ強さ試験は、焼結体から、８　Ｍｙｓ　Ｘ　８　＊
ｙｔｔ　Ｘ４ＯＮＭの試験片を調製し、三点曲げ法（但
し、スパン距離２０羽）にて行った。試験結果を第１表
に併記する。表中、「高温／常温強度比」は［１８００
°Ｃでの曲げ強さく　ｋｇｆ　／ｗｒｉｔ　）　／常温
での曲げ強さく　ｋｇｆ　／ｙＪ　）　］の比である。

実施例２窒化けい素粉末（α化率および平均粒径は実施例１と同
じ）に、第２表に示す焼結助剤を配合するとともに、成
形助剤として０．５％メチルセルロース水溶液を添加（
窒化けい素粉末８０ｆに対して１０　ｃｃ　）、混合し
、−軸プレス法にて円板体を成形したのち、常圧焼結法
により、１．８ｋｔｊｆ／ｃｌの窒素ガス雰囲気下、１
７５０°Ｃに２時間保持して焼結を完了し、直径５０寵
×厚さ６朋の円板状焼結体を得た。各焼結体について実
施例１と同じ要領で曲げ強さ試験を行い、第２表に示す
結果を得た。賦香（６）は本発明例、（７）および（８
）は比較例である。

各試験結果に示されるとおり、イツトリウム酸化物など
が焼結助剤として使用された比較例では、いづれも昇温
に伴う強度低下が著しいのに対し、本発明によりランタ
ン酸化物、ネオジム酸化物およびプラセオジム酸化物か
らなる焼結助剤を用いて得られた焼結体は、成形・焼結
のプロセスのいかんにかかわらず、１３００°Ｃの高温
においても強度低下を生じないばかりか、むしろ常温時
を上回る値を示し、従来の焼結体をはるかに凌く高温強
度を有する。また、常温での強度レベルも、同じプロセ
スによる従来材よりすぐれていることがわかる。

以−ヒのように、本発明により得られる窒化けい素焼給
体は、常温のみならず高温域において卓抜した強度を有
するので、各種高温用途、ことに１０００°Ｃをこえる
苛酷な使用環境にもよく耐え、従来の焼結体では得られ
ないすぐれた安定性・耐久性を保証するものである。

工業技術院長復代理人　弁理士　宮　崎　新八部久保田
鉄工株式会社代理人　弁理士　宮　崎　新八部４２７−

Claims

【特許請求の範囲】

（］）窒化けい素粉末に希土類酸化物からなる焼結助剤
が配合された混合物を成形、焼結することからなる焼結
体の製造法において、焼結助剤として、酸化物換算値で
、ランタン酸化物２０〜８０重量％、ネオジム酸化物２
０〜５０重量％、プラセオジム酸化物３〜２０重量％、
セリウム酸化物１５重量％以下、その他の希土類酸化物
５重量％以下の組成を有するランタン・ネオジム・プラ
セオジム複酸化物またはランタン酸化物・ネオジム酸化
物・プラセオジム酸化物混合物が５〜３５重量％配合さ
れることを特徴とする窒化けい素焼粘体の製造法。