JPS6125676B2 - - Google Patents

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JPS6125676B2
JPS6125676B2 JP57114012A JP11401282A JPS6125676B2 JP S6125676 B2 JPS6125676 B2 JP S6125676B2 JP 57114012 A JP57114012 A JP 57114012A JP 11401282 A JP11401282 A JP 11401282A JP S6125676 B2 JPS6125676 B2 JP S6125676B2
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JP
Japan
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weight
sintered
oxide
silicon nitride
zro
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JP57114012A
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English (en)
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JPS598669A (ja
Inventor
Kenki Ishizawa
Akira Shironida
Takeshi Ishihara
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shinagawa Shiro Renga KK
JFE Engineering Corp
Original Assignee
Shinagawa Shiro Renga KK
Nippon Kokan Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
本発明は溶融金属、とくに高合金鋼に対する耐
食性が大で高強度をもち、しかも複雑で高度の寸
法精度に加工を行なうことができる窒化珪素質複
合焼結体及びその製造方法に関するものである。 窒化珪素焼結体は機械的強度が大きく熱膨張率
が大きく熱衝撃性に優れているため高温構造用材
料として注目されているが、溶融高合金鋼に対す
る耐食性材料としてはその耐用性の点で利用でき
ず、一般にアルミナ、及びジルコニア等の酸化物
セラミツクが使用されている。 そこで第1表に示すように各種酸化物、炭化
物、窒化物セラミツク材料についてステンレス鋼
(SUS321)融体による耐食性を検討した。
【表】
【表】 その結果、ステンレス鋼に対する耐食性の優れ
た材料は緻密質のアルミナ、ジルコニア、サイア
ロン等の酸素含有セラミツクスで、ホツトプレス
ボロンナイトライド(BN)、常圧焼結炭化珪素及
び常圧焼結窒化珪素は必ずしも高耐食性材料でな
いことが判明した。しかし、0.1mm以下の寸法精
度が要求され、かつ耐熱衝撃性等の使用条件が厳
しい所ではこれからの耐火物には限界があり、そ
こで高合金鋼に対する耐食性が大でかつ複雑で高
度の寸法精度を備えた材料を開発するために反応
焼結窒化珪素(Si3N4)を基本に酸化物との複合材
料化について検討した。 上記の点について鋭意検討の結果金属珪素
(Si)20〜80重量%金属アルミニウム(Al)1〜
20重量%と酸化物としてAl2O3,ZrO2,Y2O3
Cr2O3,TiO2,MgOが5〜60重量%の組成範囲
からなりかつ前記Si,Alと前記酸化物の1種もし
くは数種の組合せからなる成形体を窒素雰囲気下
で反応焼結してなる窒化珪素質焼結体は高合金鋼
に対する耐食性が著しく向上することが判明し
た。 すなわち本発明は金属珪素20〜90重量%、金属
アルミニウム1〜20重量%及び酸化物として
Al2O3,ZrO2,Y2O3,Cr2O3,TiO2及びMgOの
少なくとも1種の5〜60重量%を窒化焼結してな
る高合金属用Si3N4―AlN―酸化物系複合焼結体
材料に関するものである。さらに本発明は金属珪
素20〜90重量%、金属アルミニウム1〜20重量%
及び酸化物としてAl2O3,ZrO2,Y2O3,Cr2O3
TiO2及びMgOの少なくとも1種の5〜60重量%
を混練成形し、非酸化性雰囲気中で1000℃〜1300
℃の温度で前焼成後、窒素雰囲気下で1500℃以下
の温度からなる金属珪素窒化焼結条件下で窒化焼
結することを特徴とする、高合金鋼用Si3N4
AlN―酸化物系複合焼結体材料の製法にも関す
る。 本発明の高合金鋼用窒化珪素質複合焼結体材料
は前記成分Si,Alと酸化物(例えばAl2O3)の窒
化反応によりSi3N4―AlN―Al2O3系もしくは
Si3N4―AlN―前記酸化物系の組成物を形成し未
反応なSi及びAlはなく、強固な結合組織を呈す
る。また熱膨張率も2.5〜2.9×10-6/℃(室温〜
500℃)と低い値を示す。 次に本発明の窒化珪素質焼結体のスチンレス鋼
溶融体に対する耐食性について窒化珪素反応焼結
体(Si3N4単体)との比較において説明する。 ステンレス鋼は一般の構造用鋼と比較して
Cr,Ni,Ti,MO,Mn等の成分を含みかつ溶融
状態での粘性及び融点も低い。そこで1500℃近傍
におけるN21モル当りのSi3N4の生成自由エネルギ
ーを比較計算するとエネルギーレベルに逆転が生
じSi3N4中のNとステンレス鋼成分との反応によ
りSi3N4焼結体の侵食が生じることになる。また
ステンレス鋼中のFeとSi3N4中のSiとの親和性が
強くステンレス鋼とSi3N4焼結体が濡れやすくな
る。 一方、本発明の窒化珪素質複合焼結体が耐食性
に優れているのは骨格および分散相がSi3N4
Al2O3―AlN系及びSi3N4―Al2O3前記酸化物系の
ステンレス鋼に濡れにくい組成物から構成されて
いるためである。本発明品とステンレス鋼との侵
食試験後のX線マイクロアナライザー(XMA)
解析の結果、本発明品とステンレス鋼との反応は
なく、セラミツク界面にはAl2O3系化合物及び前
記酸化系化合物による保護膜の形成が認められ
た。 以上の結果より高合金鋼に対する耐食性材料と
は本発明品の如く本質的に濡れにくい材料で構成
されていることである。 次に本発明の製造方法及び組成の限定理由につ
いて説明する。本発明の焼結体はSi20〜90重量
%、Al1〜20重量%と酸化物Al2O3,ZrO2
Y2O3,Cr2O3,TiO2,MgOの少くとも1種が5
〜60重量%の組成範囲からなりかつ前記Si,Alと
前記酸化物の1種もしくは数種の組合せからなる
成形体を窒素含有雰囲気下1500℃以下で焼成し反
応焼結してなる高合金鋼用窒化珪素質複合焼結体
である。組成範囲をSi20〜90重量%、Al1〜20重
量%と限定した理由は骨格としてのこれら窒化物
による強度を保持するためでAl1〜20重量%、酸
化物Al2O3,ZrO2,Y2O3,Cr2O3,TiO2,MgO
の少くとも1種を5〜60重量%とした理由は耐食
性を保持するためである。次に出発原料としての
Siは純度97重量%以上のSlを有しかつその粒度が
74μ以下の粉末を使用した。Alは純度97重量%
以上でかつその粒度が44μ以下の粉末を使用す
る。酸化物Al2O3,ZrO2,Y2O3,Cr2O3,TiO2
MgOは純度98重量%以上でかつその粒度が44μ
以下を使用した。またZrO2はCaO,Y2O3,MgO
による安定化ジルコニアを使用する。上記したSi
粉末、Al粉末と前記酸化物粉末の1種もしくは
数種からなる原料を用い前記組成範囲内の所定の
割合に配合したのちアルコール等の非酸化性溶媒
(場合によつては水を使用してもよい)及びPVA
等の結合剤を適量添加し均一混合、混練したのち
造粒乾燥を行ない成形用原料とする。この原料を
ラバープレス及び金型を用いた機械プレス等で成
形後、Ar,H2等の非酸化性雰囲気下1000℃〜
1300℃、好ましくは1200℃近傍で前焼成し、アル
コール、水分及びバインダーを除下するとともに
成形体に強度を付与し切削可能な状態とする。切
削加工の必要な場合はこの成形体を目的に応じた
寸法精度で加工したのち窒素ガス雰囲気中900℃
以上1500℃以下で焼成することによりSi―Al―前
記酸化物系での窒化反応が完了し窒化珪素質複合
焼結体が得られる。 本発明の窒化珪素質焼結体は高合金鋼に対する
高耐食性材料で一般の反応焼結Si3N4とほぼ同様
な製法でかつ焼成後の寸法変化もほとんどなく複
雑形状の製造が可能である。 実施例 1 原料として純度98%以上、粒度74μ以下のSi粉
末と純度98%以上、粒度10μ以下のAl粉末およ
び純度99%以上粒度5μ以下のAl2O3粉末の3種
を前記組成範囲内で第2表の如く配合した。この
配合物に0.5%PVAを含むアルコール溶媒下で均
一に混練し0.2〜1.0mmに造粒乾燥した後ラバープ
レスを用い、1.5t/cm2の成形圧で成形した。つい
でこの成形体をAr雰囲気下1000℃〜1300℃の温
度で2時間保持し仮焼結体とし、強度測定用試料
5×5×50mmと侵食試験用ルツボとしてφ30×
30t(内径φ20×20t)の形状に加工後これを最高
温度1500℃で窒化焼成し窒化珪素質焼結体を作成
した。 第2表には上記のようにして製造された焼結体
の溶融金属に対する耐食性と強度特性及び密度特
性について比較例とともに示した。
【表】
【表】 耐食性については前記ルツボに炭素鋼
(S45C)ステンレス鋼SUS321(SUS)の約25g
のブロツクを用い、温度1500℃、Ar雰囲気下で
2時間保時した後ルツボの侵食量を測定した。そ
の結果本発明品は比較品に比べ炭素鋼、ステンレ
ス鋼とも優れた耐食性を示すことが判る。また、
強度特性、密度特性について検討を行なつた結
果、Al2O3、含有量60%以内では良好な特性を示
した。 実施例 2 原料として純度98%以上、粒度74μ以下のSi
と、純度98%以上、粒度10μ以下のAlと、酸化
物として純度99%以上粒度5μ以下のAl2O3
ZrO2,Y2O3,Cr2O3,TiO2,MgOからなり1種
もしくは数種を用い、第3表の如く配合した。こ
の配合物を実施例1と同様な方法で強度測定用試
料及び侵食試験用ルツボを作成し、実施例1と同
様な検討を行なつた。 その結果、耐食性については酸化物として
Al2O3,ZrO2を添加したものが特に優れた性質を
示すが、他の酸化物添加物系のものも反応焼結窒
化焼結体(Si3N4単体)に比べ良好な特性を示し
た。また、強度特性、密度特性について検討した
結果、実施例1と同様酸化物の添加が60%以内で
良好な特性を示した。
【表】
【表】 実施例 3 実施例1と同様な方法で製造した本発明品の熱
膨張率についてAl2O3添加物、常圧焼結サイアロ
ン(Z=2)及び反応焼結Si3N4等の比較例とと
もに第4表に示した。熱膨張率は常温(RT)〜
1500℃までの結果である。その結果本発明の窒化
珪素質焼結体は反応焼結Si3N4と同様小さい熱膨
張率の値をとることがわかつた。その結果を第4
表に示す。
【表】 号組成である。
実施例 4 前記実施例1と同様な方法で製造した窒化珪素
質複合焼結体(サイアロン組成物Z=1)と反応
焼結Si3N4及びホツトプレスBNについて1500℃に
おける濡性及び耐食性について検討した。濡性の
測定は10×10×3mmのセラミツクの試験片にφ
1.5×1.5mmのステンレス鋼(SUS321)をのせAr
雰囲気中5℃/分の速度で昇温し1500℃での接触
角及び1500℃1時間保持後の接触角を測定し冷却
後セラミツク試験片の侵食量を検鏡した。 その結果、本発明品は接触角110℃で時間経過
後も変化が認められず、また、侵食もほとんどな
く良好な耐食性を示すが反応焼結Si3N4及びホツ
トプレスBNは接触角が40゜〜60゜と小さく組織
的にも侵食が認められる。その結果を第5表に示
す。 以上述べたように本発明の窒化珪素質複合焼結
体は従来の反応焼結Si3N4の欠点である、溶融金
属とくに高合金鋼に対する耐食性が著しく改善さ
れかつ常圧焼結法及びホツトプレス法によるサイ
アロンと違い同一の組成物であつても1500℃以下
での反応焼結による製造方法であるため高寸法精
度の加工が容易でかつ経済的にも優れた材料であ
る。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 金属珪素20〜90重量%、金属アルミニウム1
    〜20重量%及び酸化物としてAl2O3,ZrO2
    Y2O3,Cr2O3,TiO2及びMgOの少なくとも1種
    の5〜60重量%を窒化焼結してなる高合金鋼用
    Si3N4―AlN―酸化物系複合焼結体材料。 2 金属珪素20〜90重量%、金遷アルミニウム1
    〜20重量%及び酸化物としてAl2O3,ZrO2
    Y2O3,Cr2O3,TiO2及びMgOの少なくとも1種
    の5〜60重量%を混練成形し、非酸化性雰囲気中
    で1000℃〜1300℃の温度で前焼成後、窒素雰囲気
    下で1500℃以下の温度からなる金属珪素窒化焼結
    条件下で窒化焼結することを特徴とする、高合金
    鋼用Si3N4―AlN―酸化物系複合焼結体材料の製
    法。
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US4937211A (en) * 1986-06-09 1990-06-26 Norton Company High strength nitride bonded silicon carbide refractories
JP4969030B2 (ja) * 2003-08-26 2012-07-04 京セラ株式会社 耐溶融金属用部材およびその製造方法

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