JPS6283378A - 強化された窒化ケイ素焼結体の製造方法 - 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】 〔卒業上の利用分野〕 本発明は強化された窒化ケイ素焼結体の製造方法に係り
、特に、仮焼ないし予備焼成した窒化ケイ素焼成体に金
属シリコンを含浸させ、それを反応焼結して窒化ケイ素
焼結体を強化する方法に関する。

〔従来の技術〕

近年、自動車等の内燃機関においては、出力性能の向上
環を目的として、ターボチャージャ（排気タービン過給
機）が用いられている。このターボチャージャは、公知
のように、排気ガスのエネルギにより排気タービンを回
転させ、同軸上のコンプレッサ（圧縮機）を駆動するこ
とにより吸気を圧縮し、エンジンに大気圧力以上の高密
度の吸気を供給する装置である。

このターボチャージャに用いられる回転体としての排気
タービン（以下、ターボホイールという）は、従来、耐
熱性に優れた金属（合金）で形成されていた。しかるに
、近年になってセラミックスの耐熱性に優れ、かつ軽量
であること等が注目され、ターボホイールをセラミック
スで成形したセラミック製ターボホイールが提案される
ようになった。セラミックとしては一般的に窒化ケイ素
焼結体が用いられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

窒化ケイ素焼結体は高温強度に優れた材料であるが、半
面、耐衝撃性に乏しい欠点も否定できない。特にターボ
ホイールの場合、エキゾーストマニホールドやハウジン
グ内壁の酸化スチールの飛翔によって、翼部が破損し、
その結果、セラミックホイールが二次破損する恐れがあ
る。

そこで、本発明は窒化ケイ素焼結体を強化すること、特
にその耐衝撃性を高めることを目的としている。

〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明は、
上記問題点を解決するために、窒化ケイ素系セラミック
粉末の成形体を仮焼ないし予備焼成して相対密度６０〜
９８％の仮焼体ないし予備焼成体を得た後、金属シリコ
ンを含浸させ、それから反応焼結することによって、窒
化ケイ素焼結体を強化する。

窒化ケイ素焼結体の原料粉末は、典型的には、窒化ケイ
素にＹｔＯｙ　、　ＡＩＪｓ　　、　ＭｇＯ、ＭｇＡｌ
ｚＯｎなどの酸化物からなる焼結助剤を２０重量％以下
添加したものであるが、目的に応じてその他の添加剤が
加えられたものであってもよい。

窒化ケイ素系セラミック粉末の成形法に特別の限定はな
いが、セラミックターボホイールでは射出成形法やスリ
ップキャスティング法が多用される。

上記仮焼体ないし予備焼成体は、１１００〜１７００℃
の温度領域で得ることとし、その相対密度は６０〜９８
％であれば良い。１１００〜１３００℃では仮焼が起き
るだけで、得られる相対密度は６０％前後である。

１５００℃以上で焼結が進み、温度上昇とともに相対密
度が増加する。相対密度６０〜９８％は金属シリコンを
含浸させ反応焼結して強化するのに適当な密度である。

窒化ケイ素系仮焼体ないし予備焼成体に金属シリコンを
含浸させるには、粒径０．５μｍ以下の高純度（９９，
９％以上）の金属シリコン粉末を有機媒体中に分散させ
たスリラー、あるいはシリコンの融体中に、上記仮焼体
ないし予備焼成体を浸漬することによって、表面張力を
利用して行なう。このとき、仮焼体ないし予備焼成体の
密度が低く開孔が多いと金属シリコンは仮焼体ないし予
備焼成体の内部まで浸透するであろうが、通常は、予備
焼成体の表面部だけに浸透するであろう。しかし、いず
れの場合にも、次の反応焼結により窒化ケイ素焼結体が
強化される効果がある。

金属シリコンを含浸した窒化ケイ素系仮焼体ないし予備
焼結体、特に金属シリコンを反応焼結させる条件は、窒
素雰囲気でＮ２圧力１〜３００気圧、焼成温度１４００
〜１６００℃、焼成時間１〜４８時間が望ましい。この
反応焼結により、仮焼体ないし予備焼成体中に含浸され
た金属シリコンが窒素ガスと反応して窒化ケイ素となり
、窒化ケイ素の仮焼体ないし予備焼成体を特にその表面
において緻密化し、強化するつまた、仮焼体ないし予備
焼成体の焼成が十分行なわれていなかった場合には、こ
の反応焼結の際に窒化ケイ素の焼成が同時に進行し十分
に焼結した窒化ケイ素焼結体になる。

〔実施例〕

スＷ−上 窒化ケイ素と酸化物助剤からなるセラミック粉末に熱可
塑性樹脂を添加したものを用い、射出成形法によってセ
ラミックターボホイールを成形した。脱脂後、Ｎｔ　９
．５ａｔｍの雰囲気で１７５０℃Ｘ４ｈｒ焼成し、セラ
ミックターボホイールの焼結体を得た。次に０．１μｍ
以下の金属シリコン粉末を有機媒体中に均一分散させた
スラリー中に上記焼結体を３０分間浸した後、取出し、
乾燥した。これをＮ２９．５ａｔｍの雰囲気１６００℃
にて２４時間加熱処理し、反応焼結させた。

得られたターボホイールに金属シャフトを接合後、エン
ジンの排ガス（９００℃）を用い、１６万ｒｐｍまでの
ホットスピンテスト（高速回転試験）を行った所、１０
本中破損は認められなかった。

一方、比較のために、シリコン含浸および、反応焼結を
行なわなかったターボホイール焼結体について同様にホ
ットスピンテストを行ったが、１０本中破本が破損した
。その未破損のターボホイールの表面状態を観察したと
ころ、ホットスピンテスト前後でカケや、ボア等が発生
し、排ガス中の酸化スケールによって、焼成体が損傷し
たことがわかった。

以上の結果より、本発明のように通常の方法で得られた
窒化ケイ素焼結体に、シリコン金属を含浸し、反応焼結
することにより、焼成体表面の緻密化が促進され、高強
度、耐衝撃性に優れた材料を得ることが可能であること
が明らかとなった。

尖応皿−主 実施例１と同様に得たセラミックターボホイール脱脂体
を、Ｑ、１Ｔｏｒｒ以下の減圧下で１３００℃×４ｈｒ
加熱処理し、仮焼体を得た。これに実施例１と同様にシ
リコンを含浸させた。次にＮｔ　９．５ａｔｔａで、１
７５０℃Ｘ４ｈｒ焼成した後、冷却時に１６００℃で２
０ｈｒ保持して、セラミックターボホイール焼結体を得
た。９００℃にて、１６万ｒ、ｐ、ｍまでのホットスピ
ンテストを実施したが、１０本中破損は認められなかっ
た。

次ｔ３ 実施例１および２のスラリーの代わりに、１５００℃で
加熱溶融したシリコン融体を用いて、仮焼体および焼成
体表面にシリコンを含浸させた後、実施例１および２と
同様の反応焼結を行なった。仮焼体および焼成体にシリ
コンを含浸後、反応焼結で得られたセラミックターボホ
イール各１０本について、ホットスピンテストを行なっ
たが破損は認められなかった。

〔発明の効果〕

本発明により、窒化ケイ素焼結体が強化され、セラミッ
ク製品の信頼性が向上すると共に、量産時の歩留りが向
上し、コスト低減が図れる。また、射出成形法やスリッ
プキャスティング法で発生する微少なヘアークラックを
消滅させることも可能である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、窒化ケイ素を主成分とするセラミック粉末を成形後
   、仮焼ないし予備焼成して相対密度６０〜９８％の窒化
   ケイ素系仮焼体ないし予備焼成体を得、次いで該仮焼体
   ないし予備焼成体に金属シリコンを含浸させ、然る後窒
   素ガス雰囲気下での反応焼結を行なうことを特徴とする
   強化された窒化ケイ素焼結体の製造方法。