JPH02296770A - 高温耐酸化性セラミックス複合材料 - Google Patents
高温耐酸化性セラミックス複合材料Info
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Landscapes
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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。
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Description
【発明の詳細な説明】
〈産業上の利用分野〉
本発明は窒化珪素、炭化珪素、酸窒化珪素およびサイア
ロン等の非酸化物と、ムライト、ジルコン、インドリウ
ムシリケート(Y2Siz(h)もしくはクロミア等の
酸化物とからなる非酸化物−酸化物系複合材料に関し、
特にガスタービン部品、ディーゼルエンジン部品等の各
種高温構造部品やバイト、エンドミル、カッター ドリ
ル等の各種切削工具など特に耐酸化性に優れた高温構造
部材、耐摩耗性部材に関するものである。
ロン等の非酸化物と、ムライト、ジルコン、インドリウ
ムシリケート(Y2Siz(h)もしくはクロミア等の
酸化物とからなる非酸化物−酸化物系複合材料に関し、
特にガスタービン部品、ディーゼルエンジン部品等の各
種高温構造部品やバイト、エンドミル、カッター ドリ
ル等の各種切削工具など特に耐酸化性に優れた高温構造
部材、耐摩耗性部材に関するものである。
〈従来の技術〉
従来、高強度化、高靭性化あるいは高硬度化を目的とし
て種々のセラミックスの複合化が検討されている。そし
てそれらは多くの場合Stの非酸化物系セラミックスと
金属元素酸化物との組み合わせになっている。例えば、
アルミナセラミックスの靭性や高温強度を改善すること
を目的として炭化珪素ウィスカーとの複合化が検討され
ていて、比較的良好な結果が得られている(特開昭62
−235265) 。
て種々のセラミックスの複合化が検討されている。そし
てそれらは多くの場合Stの非酸化物系セラミックスと
金属元素酸化物との組み合わせになっている。例えば、
アルミナセラミックスの靭性や高温強度を改善すること
を目的として炭化珪素ウィスカーとの複合化が検討され
ていて、比較的良好な結果が得られている(特開昭62
−235265) 。
〈発明が解決しようとする課題〉
ところが、このようなSiの非酸化物と金属元素酸化物
を複合化した材料を高温構造部材として用いようとした
場合、非酸化物(例えば炭化珪素)および金属元素酸化
物各々単独での耐酸化性は比較的良好であるにも拘わら
ず、それらを組み合わせた材料は高温の酸化性雰囲気中
で酸化され、強度、靭性等の性能劣化が生じる傾向があ
る。
を複合化した材料を高温構造部材として用いようとした
場合、非酸化物(例えば炭化珪素)および金属元素酸化
物各々単独での耐酸化性は比較的良好であるにも拘わら
ず、それらを組み合わせた材料は高温の酸化性雰囲気中
で酸化され、強度、靭性等の性能劣化が生じる傾向があ
る。
そこで本発明は、上記の如き実状に鑑み、Si系非酸化
物と金属元素酸化物とからなる複合材料の耐酸化性を向
上させるべく鋭意研究を行った結果なされたものであり
、Si系非酸化物の酸化によって生成するシリカ(Si
O□)が、Si系非酸化物単独の場合は、該シリカが酸
化を防ぐ層として働くにもかかわらず、該複合材料の場
合は該シリカが保護層とならず酸化物と反応してシリケ
ートを生成しながら、酸化が進行していくことが判った
。そこで本発明者らは、酸化物としてはシリカと反応し
にくい物を選択し、かつシリカと反応しやすい不純物を
含ませないか又はかかる不純物含有量を一定量以下に押
さえることにより、この酸化反応が進行しにくくなり、
耐酸化性に優れた非酸化物酸化物系セラミックス複合材
料となることを見いだし本発明を完成した。なお、Si
の酸窒化物は純粋な酸化物ではなく、非酸化物に近い性
質を示すので本発明では非酸化物系セラミックスに含め
た。
物と金属元素酸化物とからなる複合材料の耐酸化性を向
上させるべく鋭意研究を行った結果なされたものであり
、Si系非酸化物の酸化によって生成するシリカ(Si
O□)が、Si系非酸化物単独の場合は、該シリカが酸
化を防ぐ層として働くにもかかわらず、該複合材料の場
合は該シリカが保護層とならず酸化物と反応してシリケ
ートを生成しながら、酸化が進行していくことが判った
。そこで本発明者らは、酸化物としてはシリカと反応し
にくい物を選択し、かつシリカと反応しやすい不純物を
含ませないか又はかかる不純物含有量を一定量以下に押
さえることにより、この酸化反応が進行しにくくなり、
耐酸化性に優れた非酸化物酸化物系セラミックス複合材
料となることを見いだし本発明を完成した。なお、Si
の酸窒化物は純粋な酸化物ではなく、非酸化物に近い性
質を示すので本発明では非酸化物系セラミックスに含め
た。
又、サイアロンについても同様な思考から非酸化物系セ
ラミックスに含めた。
ラミックスに含めた。
〈課題を解決するための手段〉
請求項1の発明の特徴はSiの窒化物、炭化物、酸窒化
物およびサイアロンの少なくとも一種以上からなる非酸
化物系セラミックスと、周期表rVaVa族元素リケー
ト(MSi04、ただしMはIVaVa族元素希土類元
素のシリケー) (RzSiz07 、ただしRは希土
類元素)、ムライト(3Al2O.・2””z) 、V
a族元素の酸化物およびVTa族元素の酸化物または
これらを主とする複合酸化物から選ばれる少なくとも一
種以上とからなる酸化物セラミックスとを組み合わせと
することにあり、また上記請求項1の発明と関連する請
求項2の発明の特徴は前記セラミックス複合材料を構成
する非酸化物系セラミックスと酸化物系セラミックス中
のアルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、周期表I
VaVa族元素土類元素およびアルミニウムの酸化物か
らなる不純物が合計量が1重量%以下であるようにした
ことにある。
物およびサイアロンの少なくとも一種以上からなる非酸
化物系セラミックスと、周期表rVaVa族元素リケー
ト(MSi04、ただしMはIVaVa族元素希土類元
素のシリケー) (RzSiz07 、ただしRは希土
類元素)、ムライト(3Al2O.・2””z) 、V
a族元素の酸化物およびVTa族元素の酸化物または
これらを主とする複合酸化物から選ばれる少なくとも一
種以上とからなる酸化物セラミックスとを組み合わせと
することにあり、また上記請求項1の発明と関連する請
求項2の発明の特徴は前記セラミックス複合材料を構成
する非酸化物系セラミックスと酸化物系セラミックス中
のアルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、周期表I
VaVa族元素土類元素およびアルミニウムの酸化物か
らなる不純物が合計量が1重量%以下であるようにした
ことにある。
また、特に請求項3のように非酸化物系セラミックスに
ついては窒化珪素、炭化珪素、酸窒化珪素およびサイア
ロンから選ばれる一種以上と、酸化物系セラミックスに
ついてはムライト、ジルコン(ZrSi04) 、イツ
トリウムシリケート(Y、Si。
ついては窒化珪素、炭化珪素、酸窒化珪素およびサイア
ロンから選ばれる一種以上と、酸化物系セラミックスに
ついてはムライト、ジルコン(ZrSi04) 、イツ
トリウムシリケート(Y、Si。
0、)およびクロミア(CrzO:+)から選ばれる一
種以上との組み合わせは特に耐酸化性に優れており、好
適である。
種以上との組み合わせは特に耐酸化性に優れており、好
適である。
なお、希土類元素とはSc、Yおよび原子番号57のL
aから71のLuの元素を指す。ここで実質的にとは非
酸化物系セラミ、クスと、酸化物系セラミックスとが粒
界で反応して微量のガラス層を形成する場合をいう。
aから71のLuの元素を指す。ここで実質的にとは非
酸化物系セラミ、クスと、酸化物系セラミックスとが粒
界で反応して微量のガラス層を形成する場合をいう。
〈作 用〉
本発明では非酸化物系セラミックスは強度、靭性を高め
、酸化物は耐酸化性を高める作用をする。
、酸化物は耐酸化性を高める作用をする。
シリカと反応しに(い酸化物としては、希土類元素のシ
リケート(RzSizOl、Rは希土類元素)、周期表
rVaVa族元素リケート(MSiO4、Mは■aa族
元素、ムライト、Va族元素の酸化物およびVia族元
素の酸化物をあげることができる。
リケート(RzSizOl、Rは希土類元素)、周期表
rVaVa族元素リケート(MSiO4、Mは■aa族
元素、ムライト、Va族元素の酸化物およびVia族元
素の酸化物をあげることができる。
これらは既に安定なシリケート化合物となっているかあ
るいはシリケートを生成しない酸化物である。逆にアル
カリ金属元素、アルカリ土類金属元素、IVaVa族元
素土類元素及びアルミニウムの酸化物はシリカと反応し
てシリケートを生成する酸化物であり、含有しないのが
望ましいが、含むとすればそれら不純物の許容できる含
有量は最大1重量%である。これら不純物の含有量が1
重量%を越えると上記反応により酸化が進行するため耐
酸化性に劣った非酸化物−酸化物系セラミックス複合材
料となる。なお、本発明の非酸化物系セラミックスと酸
化物系セラミックスの組成比について特に制限はないが
、それぞれの成分の特長が生かされた特性を有する非酸
化物−酸化物系セラミソクス複合材料を得るには非酸化
物の含有量を5〜95重量%、好ましくは20〜80重
量%、酸化物の含有量を95〜5重量%好ましくは80
〜20重量%の範囲とするのが耐酸化性、高温強度を得
るのに大きく寄与することができる。上記範囲外では耐
酸化性、高温強度が充分得られない。
るいはシリケートを生成しない酸化物である。逆にアル
カリ金属元素、アルカリ土類金属元素、IVaVa族元
素土類元素及びアルミニウムの酸化物はシリカと反応し
てシリケートを生成する酸化物であり、含有しないのが
望ましいが、含むとすればそれら不純物の許容できる含
有量は最大1重量%である。これら不純物の含有量が1
重量%を越えると上記反応により酸化が進行するため耐
酸化性に劣った非酸化物−酸化物系セラミックス複合材
料となる。なお、本発明の非酸化物系セラミックスと酸
化物系セラミックスの組成比について特に制限はないが
、それぞれの成分の特長が生かされた特性を有する非酸
化物−酸化物系セラミソクス複合材料を得るには非酸化
物の含有量を5〜95重量%、好ましくは20〜80重
量%、酸化物の含有量を95〜5重量%好ましくは80
〜20重量%の範囲とするのが耐酸化性、高温強度を得
るのに大きく寄与することができる。上記範囲外では耐
酸化性、高温強度が充分得られない。
〈実施例〉
実施例I。
非酸化物として第1表に示した特性を有するβ型炭化珪
素ウィスカー(東海カーボン社製トーカイウィスカー)
20重量%と、酸化物としてムライ) (3Altos
・2 Sing)粉末(純度99%、平均粒径1μ
m)80重量%とを用い、エタノール中で湿式混合後、
乾燥し、素地粉末とした。この素地粉末をBNコートし
たカーボン型に充填し、1700℃−20MPaでホッ
トプレス法により約1時間焼成した。
素ウィスカー(東海カーボン社製トーカイウィスカー)
20重量%と、酸化物としてムライ) (3Altos
・2 Sing)粉末(純度99%、平均粒径1μ
m)80重量%とを用い、エタノール中で湿式混合後、
乾燥し、素地粉末とした。この素地粉末をBNコートし
たカーボン型に充填し、1700℃−20MPaでホッ
トプレス法により約1時間焼成した。
焼成後、焼結体を3 X 4 X40mmに切断研磨し
第2表に示す緒特性を測定した。なお、第2表に示す曲
げ強度、破壊靭性及び耐酸化抵抗は10頁に記載の方法
により測定した。これによれば緒特性特に耐酸化抵抗が
優れていることがわかる。
第2表に示す緒特性を測定した。なお、第2表に示す曲
げ強度、破壊靭性及び耐酸化抵抗は10頁に記載の方法
により測定した。これによれば緒特性特に耐酸化抵抗が
優れていることがわかる。
実施例2゜
酸化物としてムライトに代えてジルコン(ZrS 10
4)粉末(純度99%、平均粒径1μm)を用い160
0℃−40MPaでホットプレスした外は実施例1と同
様にして試料を作成し、緒特性を調べた。この特性は第
2表に示すとおりで、実施例1同様に満足すべきもので
あった。
4)粉末(純度99%、平均粒径1μm)を用い160
0℃−40MPaでホットプレスした外は実施例1と同
様にして試料を作成し、緒特性を調べた。この特性は第
2表に示すとおりで、実施例1同様に満足すべきもので
あった。
実施例3゜
酸化物としてムライトに代えてクロミア(CrzO,)
粉末(純度99%、平均粒径1μm)を用い1550℃
20MPaでホットプレスした外は実施例1と同様にし
て試料を作成し、緒特性を調べた。その特性は第2表に
示すとおりで、実施例I同様に満足すべきものであった
。
粉末(純度99%、平均粒径1μm)を用い1550℃
20MPaでホットプレスした外は実施例1と同様にし
て試料を作成し、緒特性を調べた。その特性は第2表に
示すとおりで、実施例I同様に満足すべきものであった
。
比較例1゜
酸化物としてムライトに代えてアルミナ(AI□03)
粉末(純度99%、平均粒径1μm)を用い1850”
C20MPaでホットプレスした外は実施例1と同様に
して試料を作成し、緒特性を調べた。その特性は第2表
に示すとおりで、耐酸化性が不十分であった。
粉末(純度99%、平均粒径1μm)を用い1850”
C20MPaでホットプレスした外は実施例1と同様に
して試料を作成し、緒特性を調べた。その特性は第2表
に示すとおりで、耐酸化性が不十分であった。
比較例2゜
酸化物としてムライトに代えてY−TZP (2,6モ
ル%イツトリア(Y2O2)含有共沈ジルコニア(Zr
Oz))粉末(純度99χ、平均粒径0.5 μm )
を用い1500 ’C−20MPaでホットプレスした
外は実施例1と同様にして試料を作成し、緒特性を調べ
た。
ル%イツトリア(Y2O2)含有共沈ジルコニア(Zr
Oz))粉末(純度99χ、平均粒径0.5 μm )
を用い1500 ’C−20MPaでホットプレスした
外は実施例1と同様にして試料を作成し、緒特性を調べ
た。
その特性は第2表に示すとおりで、耐酸化性が不十分で
あった。
あった。
第1表
曲げ強度測定法
曲げ強度はJIS規格R1601に従ってスパン301
1で大気中3点曲げ強度を測定した。
1で大気中3点曲げ強度を測定した。
破壊靭性測定方法
破壊靭性値はインデンティジョン・マイクロッラフチャ
ー法によって測定した。
ー法によって測定した。
耐酸化抵抗測定方法
大気中1300℃の条件で100時間保持し保持後の単
位表面積当たりの重量増加を測定した。
位表面積当たりの重量増加を測定した。
第2表より明らかなように酸化物としてシリカと反応し
やすい物を用いた場合、シリケートを生成しながら酸化
が進行しでいくが、安定なシリケート化合物やシリケー
トを作らない酸化物を用いると耐酸化性に優れたものと
なっていることが判る。
やすい物を用いた場合、シリケートを生成しながら酸化
が進行しでいくが、安定なシリケート化合物やシリケー
トを作らない酸化物を用いると耐酸化性に優れたものと
なっていることが判る。
実施例4゜
非酸化物として窒化珪素(Si3Na)粉末(宇部興産
社製E−10)90重量%と、酸化物としてイツトリウ
ムシリケート(YzSitOt)粉末(純度99%、平
均粒径1μm)10重量%とをエタノール中で混合し、
乾燥し、素地粉末とした。この素地粉末を金型にて予備
成形後150MPaの圧力でラバープレス成形して成形
体を得た。得られた成形体を窒素雰囲気中、800〜1
200℃の温度で仮焼した後バイコール製ガラス管中に
真空封入し、1750℃−200MPaで直接HIP(
熱間静水圧プレス)を行った。得られた焼結体の特性を
実施例1と同様の方法で測定した結果を第3表に示す。
社製E−10)90重量%と、酸化物としてイツトリウ
ムシリケート(YzSitOt)粉末(純度99%、平
均粒径1μm)10重量%とをエタノール中で混合し、
乾燥し、素地粉末とした。この素地粉末を金型にて予備
成形後150MPaの圧力でラバープレス成形して成形
体を得た。得られた成形体を窒素雰囲気中、800〜1
200℃の温度で仮焼した後バイコール製ガラス管中に
真空封入し、1750℃−200MPaで直接HIP(
熱間静水圧プレス)を行った。得られた焼結体の特性を
実施例1と同様の方法で測定した結果を第3表に示す。
第3表より明らかなように酸化物としてシリカと反応し
にくい酸化物を用いるので耐酸化性に優れたものとなっ
ている。
にくい酸化物を用いるので耐酸化性に優れたものとなっ
ている。
実施例5゜
非酸化物として酸窒化珪素(S1zJO)粉末(純度9
8%、平均粒径1μm)を用い、酸化物としてクロミア
(CrzO:+)粉末(純度99%、平均粒径1μm)
を用いた外は実施例1と同様にして1750℃−200
MPaで直接HIP(熱間静水圧プレス)を行って試料
を作成し、緒特性を調べた。その結果は第3表に示すと
おりで、耐酸化性に優れたものとなっている。
8%、平均粒径1μm)を用い、酸化物としてクロミア
(CrzO:+)粉末(純度99%、平均粒径1μm)
を用いた外は実施例1と同様にして1750℃−200
MPaで直接HIP(熱間静水圧プレス)を行って試料
を作成し、緒特性を調べた。その結果は第3表に示すと
おりで、耐酸化性に優れたものとなっている。
実施例6゜
非酸化物としてβ型サイアロン粉末(宇部興産社製52
2004、Z=2)を用い、酸化物としてクロミア(c
r、o、)粉末(純度99%、平均粒径1μm)を用い
た外は実施例1と同様にして1750℃−200MPa
で直接HIP(熱間静水圧プレス)を行って試料を作成
し、緒特性を調べた。その結果は第3表に示すとおりで
、耐酸化性に優れたものとなっている。
2004、Z=2)を用い、酸化物としてクロミア(c
r、o、)粉末(純度99%、平均粒径1μm)を用い
た外は実施例1と同様にして1750℃−200MPa
で直接HIP(熱間静水圧プレス)を行って試料を作成
し、緒特性を調べた。その結果は第3表に示すとおりで
、耐酸化性に優れたものとなっている。
実施例7゜
酸化物としてバナジア(vzos)粉末(純度99%、
平均粒径1μm)を用いた外は実施例1と同様にして1
750℃−200MPaで直接HIP (熱間静水圧プ
レス)を行って試料を作成し、緒特性を調べた。
平均粒径1μm)を用いた外は実施例1と同様にして1
750℃−200MPaで直接HIP (熱間静水圧プ
レス)を行って試料を作成し、緒特性を調べた。
その結果は第3表に示すとおりで、耐酸化性に優れたも
のとなっている。
のとなっている。
比較例3゜
酸化物としてイツトリア(yzoi)粉末(純度99%
、平均粒径1μm)を用いた外は実施例1と同様にして
1750℃−200MPaで直接HIP(熱間静水圧プ
レス)を行って試料を作成し、緒特性を調べた。その結
果は第3表に示すとおりで、耐酸化性が著しく悪いもの
であった。
、平均粒径1μm)を用いた外は実施例1と同様にして
1750℃−200MPaで直接HIP(熱間静水圧プ
レス)を行って試料を作成し、緒特性を調べた。その結
果は第3表に示すとおりで、耐酸化性が著しく悪いもの
であった。
比較例4゜
酸化物としてイツトリア(YzOi)粉末(純度99%
、平均粒径1μm)2重量%、酸化タンタル(Tag’
s)粉末8重量%を用いた外は実施例1と同様にして1
750℃−200MPaで直接HIP(熱間静水圧プレ
ス)を行って試料を作成し、緒特性を調べた。その結果
は第3表に示すとおりで、耐酸化性が悪いものであった
。
、平均粒径1μm)2重量%、酸化タンタル(Tag’
s)粉末8重量%を用いた外は実施例1と同様にして1
750℃−200MPaで直接HIP(熱間静水圧プレ
ス)を行って試料を作成し、緒特性を調べた。その結果
は第3表に示すとおりで、耐酸化性が悪いものであった
。
〈発明の効果〉
本発明によれば、耐酸化性および耐熱性に優れた非酸化
物−酸化物系セラミックス複合材料を容易に提供するこ
とができる。
物−酸化物系セラミックス複合材料を容易に提供するこ
とができる。
Claims (3)
- 1.Siの窒化物、炭化物、酸窒化物およびサイアロン
の少なくとも一種以上からなる非酸化物系セラミックス
と、周期表IVa族元素のシリケート(MSiO_4、た
だしMはIVa族元素)、希土類元素のシリケート(R_
2Si_2O_7、ただしRは希土類元素)、ムライト
(3Al_2O_3・2SiO_2)、Va族元素の酸
化物およびVIa族元素の酸化物またはこれらを主とする
複合酸化物から選ばれる少なくとも一種以上の酸化物系
セラミックスとから実質的になる非酸化物−酸化物系セ
ラミックス複合材料。 - 2.前記該複合材料中に、アルカリ金属元素、アルカリ
土類金属元素、周期表IVa族元素、希土類元素およびア
ルミニウムの酸化物からなる不純物が合計で1重量%以
下であることを特徴とする請求項1記載の非酸化物−酸
化物系セラミックス複合材料。 - 3.非酸化物系セラミックスが窒化珪素、炭化珪素、酸
窒化珪素およびサイアロンの少なくとも一種以上からな
り、酸化物系セラミックスがムライト、ジルコン(Zr
SiO_4)、イットリウムシリケート(Y_2Si_
2O_7)およびクロミア(Cr_2O_3)の少なく
とも一種以上からなることを特徴とする請求項1記載の
非酸化物−酸化物系セラックス複合材料。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1117542A JPH02296770A (ja) | 1989-05-12 | 1989-05-12 | 高温耐酸化性セラミックス複合材料 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1117542A JPH02296770A (ja) | 1989-05-12 | 1989-05-12 | 高温耐酸化性セラミックス複合材料 |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7269018A Division JPH08104560A (ja) | 1995-09-25 | 1995-09-25 | 炭化珪素ウイスカー・シリケート系耐酸化性セラミックス複合材料 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH02296770A true JPH02296770A (ja) | 1990-12-07 |
Family
ID=14714377
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1117542A Pending JPH02296770A (ja) | 1989-05-12 | 1989-05-12 | 高温耐酸化性セラミックス複合材料 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH02296770A (ja) |
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-
1989
- 1989-05-12 JP JP1117542A patent/JPH02296770A/ja active Pending
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