JPH07165462A - アルミナ−βサイアロン−YAG複合材 - Google Patents

アルミナ−βサイアロン−YAG複合材

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JPH07165462A
JPH07165462A JP5312293A JP31229393A JPH07165462A JP H07165462 A JPH07165462 A JP H07165462A JP 5312293 A JP5312293 A JP 5312293A JP 31229393 A JP31229393 A JP 31229393A JP H07165462 A JPH07165462 A JP H07165462A
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JP
Japan
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sialon
alumina
composite material
beta
yag
Prior art date
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JP5312293A
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English (en)
Inventor
Ei Uooruzu Fuiritsupu
フィリップ・エイ・ウォールズ
Makoto Hori
誠 堀
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Kurosaki Refractories Co Ltd
Original Assignee
Kurosaki Refractories Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高温における機械的特性の劣化がなく、耐食
性にも優れた高温構造材料としてのアルミナ−βサイア
ロン−YAG複合材の提供。 【構成】 α−Al2 3 とβ−サイアロンとY3 Al
5 12(YAG)の3相とからなる焼結・焼鈍複合材で
あって、α−Al2 3 とβ−サイアロンとの両相が大
部分を占め、且つ、小部分のY3 Al5 12の相がα−
Al2 3 とβ−サイアロンとの両相の間の境界に位置
する。この複合材は、焼結後の加熱処理によって得ら
れ、Al2 3 の含有量が40〜90重量%、β−サイ
アロンの含有量が10〜60重量%、さらにYAGの含
有量は10重量%以下であって、無視できる程度のガラ
ス質を含有する。β−サイアロンの固溶体率Zは4以
下、好ましくは2〜3.5の間にある。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高温構造材料として使
用される高温強度と破壊靱性及び耐食性に優れたアルミ
ナ−βサイアロン−YAG複合材に関する。
【0002】
【従来の技術】従来からセラミックスは耐熱性に優れ、
高温構造材料として利用されている。その中でも、常圧
焼結によって得られた窒化珪素セラミックスは高強度を
有しているために、とくに構造材として嘱望されてきた
が、窒化珪素セラミックスそのものは、室温強度は高い
ものの1000℃以上で強度の低下が著しいという欠点
がある。
【0003】この窒化珪素セラミックスの欠点を解消す
るために窒化珪素とアルミナと窒化アルミニウムを反応
せしめて固溶体として複合化したβサイアロン(Si
6-Z AlZ Z 8-Z (Z=0〜4)が知られている。
【0004】このβサイアロン系セラミックスは、熱膨
張係数が小さく耐熱衝撃性に優れている上に、未反応の
窒化珪素とアルミナの量を調整することによって、熱膨
張率を調整して、金属や他種のセラミックスとの接合部
分に適合できるという利点がある。
【0005】このβサイアロン系セラミックスの特性の
均質性を改善するに、特開昭62−187174号公報
および特開平1−197357号公報には、βサイアロ
ン結晶の連続相とαアルミナ結晶の連続相とを3次元的
に絡み合わせ、さらに、βサイアロン結晶を15〜60
容積%に、αアルミナ結晶を40〜85容積%に規定し
た構造のβサイアロン−アルミナ系セラミックスが提案
されている。
【0006】一方、特開昭63−307166号公報に
は、この窒化珪素系セラミックスの焼結に際しての焼結
助剤添加物による高温強度低下の影響を低減するため
に、窒化珪素の結晶粒界に、Y5 N(SiO4 3 ,
102 (SiO4 6 ,204 (SiO4 12のよう
な六方晶形結晶を析出させたものが提案されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の従来
の高温強度と高温靱性を改良したセラミックスは、例え
ばβサイアロン−アルミナ系セラミックスにおいては、
常圧焼結法により緻密化させる目的でスピネル,イット
リア等の金属酸化物が添加されている。これら成分はβ
サイアロン−アルミナ系セラミックス中で粒界ガラス相
を形成している為に、高温における強度低下を避けるこ
とが不可能である。
【0008】また、窒化珪素系セラミックスにおいて、
結晶粒界相を結晶化させたものは高温における強度低下
を低減することは可能であるが、セラミックス組織を均
質化することが非常に難しく、主要結晶相であるSi3
4 の高温における耐食性が劣るという点で改善の余
地、欠点を有する。
【0009】本発明において解決すべき課題は、上記従
来の高温構造材用セラミックスの高温における機械的特
性の劣化或いは耐食性不良などの欠点を解消することに
あって、その目的は、高温における機械的特性の劣化が
なく、耐食性にも優れた高温構造材料としてのアルミナ
−βサイアロン−YAG複合材を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】βサイアロンの固溶体化
率(Z値)と耐食性,耐熱衝撃性等との関係をみると、
Z値が高いほど耐食性は高く、耐熱衝撃性は低くなるこ
とがよ<言われている。
【0011】次に、複合材料中のアルミナとβサイアロ
ンとの比率の影響を考えると、βサイアロンの比率が高
いほど耐熱衝撃性は高くなり、耐食性は低下する。
【0012】さらに、結晶粒界相の影響を考えると、粒
界相が結晶質であるほど、耐食性に優れ、かつ機械的特
性の高温における劣化の程度が低減される。
【0013】これらの考えをもとにして、緻密なアルミ
ナーβサイアロン系複合材料において、粒界ガラス相が
実質的に存在しない高温構造材料として優れた材料であ
るアルミナーβサイアロン−YAG複合材を完成するに
至った。
【0014】すなわち、本発明の焼結複合材は、α−A
2 3 とβ−サイアロンとY3 Al5 12(YAG)
の3相とからなる焼結・焼鈍複合材であって、α−Al
2 3 とβ−サイアロンとの両相が大部分を占め、且
つ、小部分のY3 Al5 12の相がα−Al2 3 とβ
−サイアロンとの両相の間の境界に位置することを特徴
とする。
【0015】このアルミナ−βサイアロン−YAG複合
材は、焼結後の加熱処理によって得られ、Al2 3
含有量が40〜90重量%、β−サイアロンの含有量が
10〜60重量%、さらにYAGの含有量は10重量%
以下であって、無視できる程度のガラス質を含有する。
【0016】β−サイアロンの固溶体率Zは4以下、好
ましくは2〜3.5の間にある。
【0017】本発明により得られる焼結複合材は、この
ようにアルミナ,イットリア等の金属酸化物成分を使用
して製造することができるために、無加圧状態の焼結に
よって、容易に相対密度90%以上の緻密な焼結材を得
ることができる。
【0018】このアルミナ−βサイアロン−YAG複合
材は、α−Al2 3 とβ−サイアロンとY3 Al5
12との混合粉末にY2 3 とAl2 3 とからなる焼結
助剤を添加して、或いは、窒化珪素と窒化アルミニウム
とアルミナとイットリアの各粉末を所定の割合で混合し
た混合粉体を高密度化した成形体を非加圧状態で不活性
雰囲気このましくは窒素雰囲気中で1500〜1750
℃に30分〜5時間加熱することによって得られる。
【0019】焼結後の焼鈍加熱は、結晶粒界のガラスを
YAGに変換するのに必要であって、1250℃〜14
50℃に5〜40時間、加熱することによって早期に結
晶化することができる。さらにYAGの含有量は10重
量%以下であって、焼結複合材の結晶粒界部は実質的に
ガラス質成分を含有していない。ここで、実質的に含有
していないとは、粒径0.5mm以下に粉砕した焼結材
を例えば500℃の溶融NaOH中で20hr熱処理し
た後の処理物、或いはHF−HNO3 混酸中で20hr
熱処理した後の処理物を定量分析して、焼結複合材を構
成している金属元素成分の検出濃度が1重量%未満であ
る場合を意味している。
【0020】
【作用】本発明により得られる焼結複合材は、結晶相と
してa−アルミナとβサイアロンとYAGとからなって
いる。結晶相がβサイアロンのみからなる緻密な焼結材
は、一般に焼結助剤として添加された金属酸化物等が結
晶粒界にガラス相として存在している。この焼結助剤と
しては、アルミナ,イットリア,マグネシア或いは希土
類金属酸化物等がよく知られている。本発明により得ら
れる焼結複合材では、これら焼結助剤成分をβサイア口
ンと複合化させることによって、緻密化と同時にβサイ
アロンのみからなる緻密な焼結材に欠けている優れた特
性が付与されている。
【0021】すなわち、焼結助剤成分のひとつであるア
ルミナは、βサイアロンのような非酸化物でしばしば問
題になる耐酸化性の懸念が全く不要であり、酸化鉄等に
対する耐食性は非常に優れている。別の焼結助剤成分と
して作用するイットリアは、結晶相がβサイアロンのみ
からなる緻密な焼結材では、一般に粒界ガラス相として
βサイアロン結晶粒の間に存在している。本発明により
得られる焼結複合材では、イットリアはガラス相ではな
く、YAGとして結晶化しており、高温構造材料として
必要な高温強度,耐食性等の向上に有効に作用してい
る。
【0022】βサイアロンの固溶体化率Zを2〜3.5
の範囲にすることで、構造材料としての機械的特性と耐
食性とを両立させることができて実用化範囲が広くな
る。
【0023】
【実施例】図1は、本発明の実施例として調製した組成
物の配合組成を示す。
【0024】同図において、点1〜12で示す範囲内の
組成物が98重量%とYAGが2重量%とからなるよう
に、平均粒径が0.5μmの窒化珪素、平均粒径が1μ
mの窒化アルミ、平均粒径が0.5μのアルミナ、それ
に、および平均粒径が0.8μmのイットリアの各粉末
を秤量混合し、アセトン中でボールミル混練したスラリ
ーを乾燥後、解砕したものを、50×50×10mmの
平板状に加圧成形した。黒鉛ヒーター抵抗加熱式電気炉
を使用して、一気圧の窒素雰囲気中で1600℃にて3
時間焼結した後、1250℃と1400℃とで各5時間
ずつ焼鈍加熱を行った。
【0025】得られた各焼結体について測定したX線回
折チャートを図2に示す。
【0026】3、4、6〜8、10〜12の各焼結体
は、結晶相がa−アルミナとβサイアロンとYAGとか
らなっていることが確認された。1,5,9の各焼結体
にはYAGが存在しておらず、2の焼結体ではこれらの
結晶相以外にα−サイアロンの回折ピークが現れてお
り、いずれも目的とするa−アルミナとβサイアロンと
YAGとからなる結晶相ではなかった。
【0027】回折ピークから求めた焼結体中のa−アル
ミナの割合を図3に、また、βサイアロンのZ値を図4
に示す。
【0028】これらの図から、以下のことが分かる。
【0029】本実施例の焼結焼鈍条件により得られる焼
結体の主要結晶相はα−アルミナとβサイアロンとであ
り、それらの存在比率およびβサイアロンのZ値を図
1.と比較するとき、得られた焼結体はα−アルミナ/
βサイアロンの比率が予想値よりも高く、βサイアロン
のZ値は予想値よりも小さかった。
【0030】これら焼結体の諸特性として、水置換法に
より求めた嵩密度と計算から求めた理諭密度との比であ
る相対密度、室温と1200℃における3点曲げ強さ
(JIS−R1601)を測定した。それらの結果を表
1に示す。
【0031】このようにして得られた焼結体から30×
30×5mmの平板を切り出し、表面を#400砥粒の
ダイヤモンドブレードで研磨仕上げした。この研磨面上
に機械構造用炭素鋼S45Cの金属円柱(直径10m
m,高さ10mm)を立てて起き、下記条件で熱処理し
た。
【0032】熱処理条件: 熱処理炉 大気雰囲気の抵抗加熱式電気炉 処理温度 1300℃ 処理時間 30分 熱処理後、各焼結体の金属円柱との接触界面について電
子線マイクロアナライザーによる特性X線像を観察し、
Fe成分の浸透深さを計測した結果を図5に示す。
【0033】図5から、以下のことが分かる。
【0034】複合材の結晶粒界にはYAGが生成して実
質的にガラス質成分を含有していない〜,〜及
び(10)〜(12)の各焼結体は結晶粒界にガラス質
成分を含有している,およびの各焼結体に比較し
て、酸化鉄に対する耐食性が優れている。
【0035】
【発明の効果】本発明のアルミナ−βサイアロン−YA
G複合材は、以下の効果を奏する。
【0036】(1)実質的にガラス相を含まないアルミ
ナ−βサイアロン−YAG相からなる緻密な組織を形成
し、高温における機械的特性及び耐食性に優れた特性を
有する。
【0037】(2)複合材料中のアルミナ対βサイアロ
ンの割合とβサイアロンの組成を自在に制御することが
できるために、適用する用途に最適な特性を有する高温
構造材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例として調製した組成物の配合組成を示
す。
【図2】 図1に示す組成を有する各焼結体のX線回折
チャートを示す。
【図3】 回折ピークから求めた焼結体中のa−アルミ
ナの割合を示す。
【図4】 βサイアロンのZ値を示す。
【図5】 熱処理後の焼結体のFe成分の浸透深さを示
す図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】α−Al2 3 とβ−サイアロンとY3
    5 12の3相とからなる焼結・焼鈍複合材であって、
    α−Al2 3 とβ−サイアロンとの両相が大部分を占
    め、且つ、小部分のY3 Al5 12の相がα−Al2
    3 とβ−サイアロンとの両相の間の境界に位置すること
    を特徴とするアルミナ−βサイアロン−YAG複合材。
JP5312293A 1993-12-13 1993-12-13 アルミナ−βサイアロン−YAG複合材 Pending JPH07165462A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1493515A1 (en) * 2002-04-02 2005-01-05 Nippon Steel Corporation Ceramic plate as side weir for twin drum type thin-sheet continuous casting
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JP2014055088A (ja) * 2012-09-13 2014-03-27 Yokohama National Univ 鋼材取り扱い用部材及びその製造方法
US11486550B2 (en) 2019-05-22 2022-11-01 Nichia Corporation Method for producing wavelength conversion sintered body

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