JP2687633B2 - 窒化珪素焼結体の製造方法 - Google Patents
窒化珪素焼結体の製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ガスタービン部品やデイーゼルエンジン部
品などの耐熱性の構造材料として使用できる窒化珪素焼
結体の製造方法に関する。
品などの耐熱性の構造材料として使用できる窒化珪素焼
結体の製造方法に関する。
［従来の技術］ 従来、耐熱性にすぐれた窒化珪素焼結体は、窒化珪素
粉末にイットリア、スピネルとイットリア、イットリヤ
とアルミナなどの焼結助剤を加えて成形し、得られる成
形体をホットプレスや加圧下で窒素雰囲気中で焼結して
製造されている。
粉末にイットリア、スピネルとイットリア、イットリヤ
とアルミナなどの焼結助剤を加えて成形し、得られる成
形体をホットプレスや加圧下で窒素雰囲気中で焼結して
製造されている。
たとえば特開平1-188471号公報には、ムライトおよび
酸化イットリウムを焼結助剤（0.8〜６重量％）として
窒化珪素粉末（94〜99.2重量％）に添加して成形し、非
酸化性雰囲気中で焼結する焼結体の製造方法の開示があ
る。
酸化イットリウムを焼結助剤（0.8〜６重量％）として
窒化珪素粉末（94〜99.2重量％）に添加して成形し、非
酸化性雰囲気中で焼結する焼結体の製造方法の開示があ
る。
しかしながら、上記の焼結助剤は焼結時に液相を形成
して窒化珪素の焼結を促進するが、焼結後はガラス相を
形成して焼結体中の粒界に残存している。このため焼結
体が高温にさらされると粒界に存在する焼結助剤成分が
再度液相を形成する。その結果焼結体の強度が低下する
ので高温度で使用される部品としての使用は好ましくな
い。すなわち窒化珪素−ムライト−イットリア系の焼結
体では、粒界相が通常非晶質相を形成していることが電
子顕微鏡による分析などにより確認されている。このた
め1200℃以上で使用するには、この非晶質相が結晶化
（高融点の結晶）していないかぎり強度の低下を防ぐこ
とができない。
して窒化珪素の焼結を促進するが、焼結後はガラス相を
形成して焼結体中の粒界に残存している。このため焼結
体が高温にさらされると粒界に存在する焼結助剤成分が
再度液相を形成する。その結果焼結体の強度が低下する
ので高温度で使用される部品としての使用は好ましくな
い。すなわち窒化珪素−ムライト−イットリア系の焼結
体では、粒界相が通常非晶質相を形成していることが電
子顕微鏡による分析などにより確認されている。このた
め1200℃以上で使用するには、この非晶質相が結晶化
（高融点の結晶）していないかぎり強度の低下を防ぐこ
とができない。
セラミックス製ガスタービンエンジン部品としては、
使用時の温度が1300〜1400℃の高い温度域となる。この
ため1400℃においても強度の低下の少ない窒化珪素焼結
体とすることが必要となる。
使用時の温度が1300〜1400℃の高い温度域となる。この
ため1400℃においても強度の低下の少ない窒化珪素焼結
体とすることが必要となる。
［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、1400
℃の温度域においても強度の低下の少ない窒化珪素焼結
体とすることを目的とする。
℃の温度域においても強度の低下の少ない窒化珪素焼結
体とすることを目的とする。
［課題を解決するための手段］ 本発明の窒化珪素焼結体の製造方法は、窒化珪素粉末
と焼結助剤粉末との混合粉末から成形体を成形する成形
工程と、該成形体を非酸化性雰囲気で焼結して焼結体と
する焼結工程とからなる窒化珪素焼結体の製造方法にお
いて、該成形工程では、該混合粉末100重量％とした場
合、該窒化珪素粉末99〜94重量％に、酸化イッテルビウ
ム（Yb2O3）粉末とムライト（3Al2O3・2SiO2）粉末の比
率が3/1〜1/1の割合で混合した該焼結助剤粉末１〜６重
量％を配合して該混合粉末とすることを特徴とする。
と焼結助剤粉末との混合粉末から成形体を成形する成形
工程と、該成形体を非酸化性雰囲気で焼結して焼結体と
する焼結工程とからなる窒化珪素焼結体の製造方法にお
いて、該成形工程では、該混合粉末100重量％とした場
合、該窒化珪素粉末99〜94重量％に、酸化イッテルビウ
ム（Yb2O3）粉末とムライト（3Al2O3・2SiO2）粉末の比
率が3/1〜1/1の割合で混合した該焼結助剤粉末１〜６重
量％を配合して該混合粉末とすることを特徴とする。
本発明の窒化珪素焼結体の製造方法は、窒化珪素粉末
に特定の組成割合の焼結助剤の微粉末を配合して成形体
を形成し、次いでその成形体を焼結する方法である。
に特定の組成割合の焼結助剤の微粉末を配合して成形体
を形成し、次いでその成形体を焼結する方法である。
窒化珪素粉末は、平均粒径が1.0μｍ以下の微粉末を
用いるのが焼結性を高め緻密な焼結体を形成するために
好ましい。窒化珪素粉末の量は、99〜94重量％である。
窒化珪素の量が99重量％を超えると焼結助剤の量が不足
して焼結性が高まらず、かつ粒界結晶相が生成できず好
ましくない。窒化珪素の量が94重量％未満であると焼結
助剤が多くなりすぎて焼結性が高まり相対密度は高くな
るが粒界相が多くなり非晶質相が多く生成するため高温
度域での強度が低下するので好ましくない。
用いるのが焼結性を高め緻密な焼結体を形成するために
好ましい。窒化珪素粉末の量は、99〜94重量％である。
窒化珪素の量が99重量％を超えると焼結助剤の量が不足
して焼結性が高まらず、かつ粒界結晶相が生成できず好
ましくない。窒化珪素の量が94重量％未満であると焼結
助剤が多くなりすぎて焼結性が高まり相対密度は高くな
るが粒界相が多くなり非晶質相が多く生成するため高温
度域での強度が低下するので好ましくない。
焼結助剤は、酸化イッテルビウム（Yb2O3）粉末とム
ライト粉末の混合物で形成される。その混合比率は、酸
化イッテルビウム：ムライトが3:1〜1:1の範囲の割合と
する。酸化イッテルビウムの量が多くその比率が3:1を
超えると相対密度が低下し高温度での強度が低下するの
で好ましくない。また酸化イッテルビウムの量が少なく
その比率が1:1より小さいと高温度の強度がさらに低下
するので好ましくない。さらにこの焼結助剤の合計量が
１〜６重量％の範囲であることが高温度での強度を保持
するために必要である。焼結助剤の量が１重量％未満で
は、粒界にYb4Si2N2O7の粒界結晶相を形成することがで
きず、６重量％を超えると粒界相の量が多くなり非晶質
相が生成しやすく高温強度が低下するため好ましくな
い。この焼結助剤は平均粒径が0.5μｍ以下の微粉末で
あることが焼結性を高めるために好ましい。
ライト粉末の混合物で形成される。その混合比率は、酸
化イッテルビウム：ムライトが3:1〜1:1の範囲の割合と
する。酸化イッテルビウムの量が多くその比率が3:1を
超えると相対密度が低下し高温度での強度が低下するの
で好ましくない。また酸化イッテルビウムの量が少なく
その比率が1:1より小さいと高温度の強度がさらに低下
するので好ましくない。さらにこの焼結助剤の合計量が
１〜６重量％の範囲であることが高温度での強度を保持
するために必要である。焼結助剤の量が１重量％未満で
は、粒界にYb4Si2N2O7の粒界結晶相を形成することがで
きず、６重量％を超えると粒界相の量が多くなり非晶質
相が生成しやすく高温強度が低下するため好ましくな
い。この焼結助剤は平均粒径が0.5μｍ以下の微粉末で
あることが焼結性を高めるために好ましい。
焼結工程は通常の条件、たとえば非酸化性の窒素雰囲
気中で1750〜1850℃で常圧または加圧下でおこなうこと
ができる。焼結温度が1750℃未満では充分に緻密化した
焼結体とならず、1850℃を超えると異常粒成長により組
織が微細化せず曲げ強度が低下するので好ましくない。
また雰囲気のガス圧は、焼結体の緻密性を高めるために
5kg f/cm2以上の窒素ガス中でおこなうのが好ましい。
気中で1750〜1850℃で常圧または加圧下でおこなうこと
ができる。焼結温度が1750℃未満では充分に緻密化した
焼結体とならず、1850℃を超えると異常粒成長により組
織が微細化せず曲げ強度が低下するので好ましくない。
また雰囲気のガス圧は、焼結体の緻密性を高めるために
5kg f/cm2以上の窒素ガス中でおこなうのが好ましい。
得られる焼結体は、静的酸化試験（1400℃、空気中、
300hr）において酸化増量が少なく従来の窒化珪素焼結
体より耐酸化性が向上した。この理由は充分解明されて
いないが、粒界の結晶質相であるYb4Si2N2O7が生成する
ため、非晶質界のSi3N4がより酸化されにくくなってい
るものと推測される。
300hr）において酸化増量が少なく従来の窒化珪素焼結
体より耐酸化性が向上した。この理由は充分解明されて
いないが、粒界の結晶質相であるYb4Si2N2O7が生成する
ため、非晶質界のSi3N4がより酸化されにくくなってい
るものと推測される。
［作用］ 本発明の窒化珪素焼結体の製造方法では、酸化イッテ
ルビウムとムライトを特定割合で混合した混合粉末を焼
結助剤として窒化珪素を焼結する。その結果得られる焼
結体の粒界では、焼結助剤と窒化珪素とにより形成され
るYb4Si2N2O7が存在するため、液相部分が少なくなるた
め高温度域に於ける焼結体の強度低下は少ないものとな
る。
ルビウムとムライトを特定割合で混合した混合粉末を焼
結助剤として窒化珪素を焼結する。その結果得られる焼
結体の粒界では、焼結助剤と窒化珪素とにより形成され
るYb4Si2N2O7が存在するため、液相部分が少なくなるた
め高温度域に於ける焼結体の強度低下は少ないものとな
る。
さらに粒界に結晶質相であるYb4Si2N2O7が存在するた
め窒化珪素の耐酸化性が向上する。
め窒化珪素の耐酸化性が向上する。
［実施例］ 以下実施例により具体的に説明する。
成形工程は、平均粒径が0.5μｍの高純度の窒化珪素
粉末と、焼結助剤として平均粒径が0.2μｍの酸化イッ
テルビウム（Yb2O3）とムライト（3Al2O3・2SiO2）の粉
末を表に示す割合で秤量した混合粉末を加え、さらにエ
タノールを加えてボールミル中で混合をおこなった。エ
タノールを除去し乾燥した混合粉末を金型で角棒状に成
形した。得られた成形体を二次成形として3000kg/cm2の
静水圧を負荷して（５×４×50mm）の成形体を作製し
た。
粉末と、焼結助剤として平均粒径が0.2μｍの酸化イッ
テルビウム（Yb2O3）とムライト（3Al2O3・2SiO2）の粉
末を表に示す割合で秤量した混合粉末を加え、さらにエ
タノールを加えてボールミル中で混合をおこなった。エ
タノールを除去し乾燥した混合粉末を金型で角棒状に成
形した。得られた成形体を二次成形として3000kg/cm2の
静水圧を負荷して（５×４×50mm）の成形体を作製し
た。
焼結工程は、上記の成形体を窒素雰囲気下でガス圧を
10kg f/cm2とし1750〜1850℃で焼結した。
10kg f/cm2とし1750〜1850℃で焼結した。
表に各試料の原料の組成割合と焼結温度と焼結体の相
対密度および４点曲げ強度（室温、1200℃、1400℃）を
示す。
対密度および４点曲げ強度（室温、1200℃、1400℃）を
示す。
相対密度は、アルキメデス法により測定した。
４点曲げ強度は、JIS規格の曲げ試験片（３×４×36m
m）に加工し、JIS規格に基づき室温、1200℃、1400℃の
曲げ強度を測定した。
m）に加工し、JIS規格に基づき室温、1200℃、1400℃の
曲げ強度を測定した。
その結果、実施例のNo.1〜９は、密度が98.0％TD以上
あり、曲げ強度は室温で800（MPa）以上あり、1200℃で
は690〜790（MPa）あり、1400℃では605〜670（MPa）で
低下の度合が著しく少ない。特にNo.5は温度による強度
の低下が特に少ない焼結体である。
あり、曲げ強度は室温で800（MPa）以上あり、1200℃で
は690〜790（MPa）あり、1400℃では605〜670（MPa）で
低下の度合が著しく少ない。特にNo.5は温度による強度
の低下が特に少ない焼結体である。
比較例No.1、２では焼結助剤の量が多いため1400℃の
強度が450、300（MPa）と低下が著しい。しかし相対密
度は99.2、99.5％で焼結温度が1750℃でも充分な緻密 性を有する。No.3は、ムライトが少ない場合で、焼結温
度が高くても相対密度が97.0％で緻密化していない。そ
して1200℃および1400℃における強度低下は、比較例の
No.1および２の場合より少ないが実施例よりは低い値で
ある。No.4はNo.3の逆でムライトの多い場合で、室温で
の強度はNo.3より高いが1200℃および1400℃ではNo.3よ
り強度が低い。No.5、６は従来のスピネルとイットリア
を焼結助剤としその量と割合を変えた場合で、高温度で
の強度の低下が大きい。
強度が450、300（MPa）と低下が著しい。しかし相対密
度は99.2、99.5％で焼結温度が1750℃でも充分な緻密 性を有する。No.3は、ムライトが少ない場合で、焼結温
度が高くても相対密度が97.0％で緻密化していない。そ
して1200℃および1400℃における強度低下は、比較例の
No.1および２の場合より少ないが実施例よりは低い値で
ある。No.4はNo.3の逆でムライトの多い場合で、室温で
の強度はNo.3より高いが1200℃および1400℃ではNo.3よ
り強度が低い。No.5、６は従来のスピネルとイットリア
を焼結助剤としその量と割合を変えた場合で、高温度で
の強度の低下が大きい。
［効果］ 本発明の窒化珪素焼結体の製造方法によれば、焼結助
剤に酸化イッテルビウムとムライトとを特定組成割合の
混合物を用いて焼結することにより、焼結体中の粒界に
Yb4Si2N2O7の結晶質相が形成されるので、焼結体の高温
度での強度低下が抑制できる。またこの方法で製造され
た窒化珪素の焼結体は、酸化による増量が少なくエンジ
ン部品としての使用が可能となる。
剤に酸化イッテルビウムとムライトとを特定組成割合の
混合物を用いて焼結することにより、焼結体中の粒界に
Yb4Si2N2O7の結晶質相が形成されるので、焼結体の高温
度での強度低下が抑制できる。またこの方法で製造され
た窒化珪素の焼結体は、酸化による増量が少なくエンジ
ン部品としての使用が可能となる。
Claims (1)
- 【請求項１】窒化珪素粉末と焼結助剤粉末との混合粉末
から成形体を成形する成形工程と、該成形体を非酸化性
雰囲気で焼結して焼結体とする焼結工程とからなる窒化
珪素焼結体の製造方法において、 該成形工程では、該混合粉末を100重量％とした場合、
該窒化珪素粉末99〜94重量％に、酸化イッテルビウム
（Yb2O3）粉末とムライト（3Al2O3・2SiO2）粉末の比率
が3/1〜1/1の割合で混合した該焼結助剤粉末１〜６重量
％を配合して該混合粉末とすることを特徴とする窒化珪
素焼結体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1302986A JP2687633B2 (ja) | 1989-11-21 | 1989-11-21 | 窒化珪素焼結体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1302986A JP2687633B2 (ja) | 1989-11-21 | 1989-11-21 | 窒化珪素焼結体の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03164473A JPH03164473A (ja) | 1991-07-16 |
| JP2687633B2 true JP2687633B2 (ja) | 1997-12-08 |
Family
ID=17915558
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1302986A Expired - Fee Related JP2687633B2 (ja) | 1989-11-21 | 1989-11-21 | 窒化珪素焼結体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2687633B2 (ja) |
-
1989
- 1989-11-21 JP JP1302986A patent/JP2687633B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03164473A (ja) | 1991-07-16 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |