JPS589787B2 - Manufacturing method for high-strength ceramics - Google Patents
Manufacturing method for high-strength ceramicsInfo
- Publication number
- JPS589787B2 JPS589787B2 JP53004217A JP421778A JPS589787B2 JP S589787 B2 JPS589787 B2 JP S589787B2 JP 53004217 A JP53004217 A JP 53004217A JP 421778 A JP421778 A JP 421778A JP S589787 B2 JPS589787 B2 JP S589787B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- oxide
- silicon nitride
- aluminum
- strength
- effect
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
Links
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は窒化珪素を主体とする高強度セラミクスの製造
方法に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method for producing high-strength ceramics mainly composed of silicon nitride.
ガスタービン部材、製鋼用の高温ロール材等高温での使
用条件が苛酷になるにつれて、金属を素材とするこれら
部材からセラミクスを素材とするものに材質変換が計ら
れつつあり、高強度、高耐熱衝撃性、高耐摩耗性などの
点から窒化珪素が素材として注目を集めている。As the conditions for high-temperature use of gas turbine parts and high-temperature roll materials for steelmaking become more severe, materials are being changed from metal-based materials to ceramic-based materials, with high strength and high heat resistance. Silicon nitride is attracting attention as a material due to its impact resistance and high wear resistance.
しかしながら、窒化珪素は単味では焼結しにくい材料で
あること、高強度が得られにくいこと等の欠点を有して
おり、これの解決のため種々の方法が提供されている。However, silicon nitride has drawbacks such as being a material that is difficult to sinter when used alone and that it is difficult to obtain high strength, and various methods have been proposed to solve these problems.
その主なものを列挙してみると、
(1)酸化マグネシウムなどのアルカリ土類元素の酸化
物を添加する。The main ones are: (1) Adding oxides of alkaline earth elements such as magnesium oxide.
(2)酸化アルミニウムを添加する。(2) Add aluminum oxide.
(3)酸化イットリウムなどの希土類元素の酸化物を添
加する。(3) Adding an oxide of a rare earth element such as yttrium oxide.
(4)窒化アルミニウムなどの非酸化物を添加する。(4) Adding non-oxides such as aluminum nitride.
等の方法がある。There are other methods.
しかし、これらの方法は以下に記すような欠点をもち真
に実用上からみた場合まだ問題があるものである。However, these methods have the following drawbacks and are still problematic from a practical standpoint.
(1)酸化マグネシウムを添加する方法は窒化珪素の焼
結を促進するという点では効果のある方法であるが、酸
化マグネシウムは窒化珪素粒の表面に生成されている酸
化珪素と反応し、低融点ガラス相を生成するため、全体
としての窒化珪素体の高温強度ないしは高温での耐クリ
ープ性が損われ、高温で荷重のかかる部材への適用には
問題がある。(1) The method of adding magnesium oxide is an effective method in terms of promoting sintering of silicon nitride, but magnesium oxide reacts with silicon oxide formed on the surface of silicon nitride grains, and has a low melting point. Since a glass phase is produced, the high temperature strength or creep resistance of the silicon nitride body as a whole is impaired, and there is a problem in its application to members that are subjected to loads at high temperatures.
(2)酸化アルミニウムを添加する方法は酸化アルミニ
ウムが窒化珪素粒に固溶する形で焼結が促進する独特の
効果をもつものであるが、それでもまだ高温強度、高温
耐クリープ性は必ずしも充分ではない。(2) The method of adding aluminum oxide has the unique effect of accelerating sintering as aluminum oxide forms a solid solution in silicon nitride grains, but high-temperature strength and high-temperature creep resistance are still not necessarily sufficient. do not have.
(3)酸化イツトリウムを添加する方法は上記(1)(
2)の欠点を改善するもので確かに窒化珪素粒の粒界が
例えば高粘性のガラスあるいは
Si3N4・Y2O3のような結晶質組成物で結合され
るため、高温強度、高温耐クリープ性が損われることは
少なく、この点では効果のあるものである。(3) The method of adding yttrium oxide is (1) (
This method improves the drawback of 2), and it is true that the grain boundaries of silicon nitride grains are bonded with high viscosity glass or a crystalline composition such as Si3N4/Y2O3, which impairs high-temperature strength and high-temperature creep resistance. This is rare, and in this respect it is effective.
しかしながら、酸化イットリウムを添加するこの方法で
も、まだ用途によっては高温強度等が不充分であり、更
には焼成温度をより低下せしめたいという要求には満足
なものではない。However, even with this method of adding yttrium oxide, high-temperature strength and the like are still insufficient depending on the application, and furthermore, it does not satisfy the demand for further lowering the firing temperature.
(4)窒化アルミニウムを添加する方法はアルミナなど
と併存せしめ、硬度、耐酸化性等を改善する効果はある
が強度的には不充分なものしか提供しえないものであっ
た。(4) The method of adding aluminum nitride together with alumina, etc., has the effect of improving hardness, oxidation resistance, etc., but can only provide an insufficient strength.
本願発明はこれらの欠点を全て解決する方法を提供する
ものであり、その要旨は酸化イットリウム、酸化セリウ
ム、酸化マグネシウムの一種または二種以上を0.5〜
30重量%と、金属アルミニウム0.1〜15重量%、
残りが窒化珪素粒である配合物を成形し、非酸化性雰囲
気中で焼成すること、または該配合物を非酸化性雰囲気
中でホットプレスすることを特徴とする高強度セラミク
スの製造方法である。The present invention provides a method for solving all of these drawbacks, and the gist thereof is to add one or more of yttrium oxide, cerium oxide, and magnesium oxide in an amount of 0.5 to
30% by weight, and 0.1 to 15% by weight of metal aluminum,
A method for producing high-strength ceramics, which comprises molding a compound in which the remainder is silicon nitride particles and firing it in a non-oxidizing atmosphere, or hot pressing the compound in a non-oxidizing atmosphere. .
一般に、焼結性を付与するために種々の添加剤が使用さ
れているが、これら添加剤の多くのものは高温において
、ガラス相を生成するか、ないしは軟化しやすいものが
多く、これは窒化珪素粒の表面に生成されている酸化珪
素被膜がこれら添加剤と反応した結果生ずるガラス相な
いしは低融点結晶相に起因するものと思われる。Generally, various additives are used to impart sinterability, but many of these additives tend to form a glass phase or soften at high temperatures, and this is due to nitridation. This is thought to be due to a glass phase or a low melting point crystalline phase produced as a result of the reaction of the silicon oxide film formed on the surface of the silicon grains with these additives.
確かに、酸化イットリウム、酸化セリウム、酸化マグネ
シウム酸化アルミニウムなどは本来相当の効果を持つべ
き筈の添加剤成分であろうが、これらが単独で使用され
る限りにおいては上記の理由によると思われる効果によ
り不満足な効果しか得られなかったことは前述した通り
である。It is true that yttrium oxide, cerium oxide, magnesium oxide, magnesium oxide, aluminum oxide, etc. are additive components that should have a considerable effect, but as long as they are used alone, the effect seems to be due to the above reasons. As mentioned above, only unsatisfactory effects were obtained.
そこで本発明者等はこれらの点を深く追求した結果、金
属アルミニウム、金属ジルコニウム、金属チタニウム等
の金属シリコンより酸素親和性の大きい金属、就中金属
アルミニウムを更に添加することにより、充分に満足す
る結果の得られることを見出したものである。Therefore, the inventors of the present invention deeply investigated these points, and as a result, they were fully satisfied by further adding metals such as metal aluminum, metal zirconium, and metal titanium, which have a higher affinity for oxygen than metal silicon, especially metal aluminum. It has been found that results can be obtained.
金属アルミニウムを更に添加することによる本発明の効
果が何故に得られるのかについては未だ充分に解明され
てはいないが、以下のように考えられる。The reason why the effects of the present invention are obtained by further adding metal aluminum has not yet been fully elucidated, but it is thought to be as follows.
即ち、焼結性については、金属アルミニウムのテルミッ
ト反応による発熱が寄与していることによるものと推測
されるが、後述の実施例にも示す如く、約100℃焼成
温度を低下せしめることが可能となった。That is, it is presumed that the sinterability is due to the heat generated by the thermite reaction of metal aluminum, but as shown in the examples below, it is possible to lower the sintering temperature by about 100°C. became.
また、高温強度に及ぼす好影響については、金属アルミ
ニウムが焼成温度域で窒化珪素粒表面に生成されている
酸化珪素被膜から酸素を奪い、一部はAl203に、一
部は窒化されてAlNになることにより、金属アルミニ
ウムを添加しない場合に生ずるであろうガラス相ないし
は低融点結晶相を減少せしめることにより、酸化イット
リウムなどの添加剤の効果を損うことなく、高温での高
強度を維持せしめるものと考えられる。In addition, regarding the positive effect on high-temperature strength, metal aluminum removes oxygen from the silicon oxide film formed on the surface of silicon nitride grains in the firing temperature range, and some of it becomes Al203 and some of it becomes nitrided and becomes AlN. By reducing the glass phase or low melting point crystal phase that would occur if metallic aluminum is not added, high strength at high temperatures can be maintained without impairing the effects of additives such as yttrium oxide. it is conceivable that.
従って金属アルミニウムに代えてアルミナないし窒化ア
ルミニウムを添加することは多少の焼結促進効果はもつ
ものの、窒化珪素粒表面の酸化珪素被膜を消失せしめる
までの効果は持ちえず、従って金属アルミニウムを添加
する場合程の顕著な焼結効果ならびに高温強度増大の効
果は認められない。Therefore, although adding alumina or aluminum nitride instead of metallic aluminum has the effect of promoting sintering to some extent, it does not have the effect of eliminating the silicon oxide film on the surface of silicon nitride grains, and therefore, adding metallic aluminum Neither the remarkable sintering effect nor the effect of increasing high temperature strength as in the case was observed.
かくして、従来、有望な添加剤として提案されながらも
、実用化が困難であった酸化イットリウム、酸化セリウ
ム、酸化マグネシウムを添加剤とする方法も本発明の如
く、更に金属アルミニウムを添加することにより、真に
実用可能な窒化珪素体を提供することが可能となったも
のである。Thus, the method of using yttrium oxide, cerium oxide, and magnesium oxide as additives, which have been proposed as promising additives but have been difficult to put into practical use, can be improved by further adding metal aluminum, as in the present invention. This makes it possible to provide a truly practical silicon nitride body.
本発明において、酸化イットリウム、酸化セリウム、酸
化マグネシウムの一種または二種以上を0.5〜30重
量%添加する理由は、添加される金属アルミニウムの量
にもよるが、30重量%以上となると、全体としての窒
化珪素体の強度が低下し、場合によっては窒化珪素体の
低膨脹性が失われることになり、逆に0.5重量%以下
となると、窒化珪素体の焼結が不充分なものになること
による。In the present invention, the reason for adding 0.5 to 30% by weight of one or more of yttrium oxide, cerium oxide, and magnesium oxide depends on the amount of metal aluminum added, but if it is 30% by weight or more, The strength of the silicon nitride body as a whole will decrease, and in some cases, the low expansion property of the silicon nitride body will be lost.On the other hand, if it is less than 0.5% by weight, the silicon nitride body may not be sintered sufficiently. By becoming a thing.
金属アルミニウムの量を0.1〜15重量%、好ましく
は0.5〜10重量%に制限する理由は、15重量%以
上添加すると、粒界に未反応の金属アルミニウムが残存
し、窒化珪素体の強度が低下することになり、また、0
.1重量%以下では窒化珪素粒表面の酸化珪素被膜を消
失せしめるのに充分ではなく、全体としての窒化珪素体
の高温強度を充分に改善しえず、また、焼結性を改善す
るという本発明の目的の一つを充分に達成できないこと
による。The reason why the amount of metallic aluminum is limited to 0.1 to 15% by weight, preferably 0.5 to 10% by weight is that if 15% by weight or more is added, unreacted metallic aluminum will remain at the grain boundaries, causing the formation of silicon nitride bodies. The strength of 0 will decrease, and 0
.. If it is less than 1% by weight, it is not sufficient to eliminate the silicon oxide film on the surface of the silicon nitride grains, and the high temperature strength of the silicon nitride body as a whole cannot be sufficiently improved, and the present invention claims to improve the sinterability. due to failure to fully achieve one of the objectives of
本発明で使用されうる金属アルミニウムの粒度は特に限
定を要するわけではなく、通常の粒度のもので充分であ
る。The particle size of the metallic aluminum that can be used in the present invention is not particularly limited, and a normal particle size is sufficient.
当然のことながら粒度が大きすぎると、酸化珪素被膜と
の反応が不充分となり、また、未反応の金属アルミニウ
ムが残存するということになり、また、小さすぎると原
料の金属アルミニウムの入手が困難(経済的にもコスト
高になる)になることから、1〜500μm、好ましく
は5〜200μm程度が最適である。Naturally, if the particle size is too large, the reaction with the silicon oxide film will be insufficient, and unreacted metal aluminum will remain.If the particle size is too small, it will be difficult to obtain the raw material metal aluminum ( From an economic point of view, the optimum thickness is about 1 to 500 μm, preferably about 5 to 200 μm.
以上、説明してきた如く、本発明は金属アルミニウムを
添加することに大きな特徴を有するものであり、焼結助
剤としての添加剤は本発明範囲として限定する酸化イッ
トリウム、酸化セリウム、酸化マグネシウム以外にも、
例えば酸化ベリリウム、酸化チタニウム、酸化ジルコニ
ウム等の通常知られている焼結助剤にもそれなりの効果
を有するものである。As explained above, the present invention is characterized by the addition of metallic aluminum, and additives as sintering aids may be used in addition to yttrium oxide, cerium oxide, and magnesium oxide, which are limited to the scope of the present invention. too,
For example, commonly known sintering aids such as beryllium oxide, titanium oxide, and zirconium oxide have certain effects.
(ただし、これらの添加剤の場合は本発明範囲の酸化イ
ットリウムなどに比べて添加剤としての絶対値的効果が
小さいため、金属アルミニウムの添加により相対的には
それ相応の効果は認められるものの、例えば高温強度等
の絶対値レベルは大きくはならない。(However, in the case of these additives, the absolute value effect as an additive is smaller than that of yttrium oxide, etc. within the scope of the present invention, so although a corresponding effect can be recognized relatively by adding metal aluminum, For example, the absolute value level of high temperature strength etc. does not become large.
)次に、本発明でいう酸化イットリウム、酸化セリウム
、酸化マグネシウム、とはたんに酸化物の状態のものを
意味するのではなく、熱処理により上記酸化物に変りう
るものを全て含むものであり具体的には、イットリウム
、セリウム、マグネシウムの酸化物は勿論のこと、これ
らの金属元素のハロゲン化物、炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩
、有機酸等が有効に使用されうる。) Next, in the present invention, yttrium oxide, cerium oxide, and magnesium oxide do not simply mean those in the oxide state, but include all of the above-mentioned oxides that can be converted into the above oxides by heat treatment. Specifically, oxides of yttrium, cerium, and magnesium, as well as halides, carbonates, sulfates, nitrates, organic acids, and the like of these metal elements can be effectively used.
また、窒化珪素粒、金属アルミニウム及び酸化イットリ
ウム等の本発明範囲の添加剤に含まれるないしは原料の
粉砕、調合等の工程で混入する不純物(例えばアルミナ
等)も5重量%以下であれば本発明の効果を損わない。In addition, if impurities (such as alumina) contained in the additives within the scope of the present invention such as silicon nitride particles, metal aluminum, and yttrium oxide or mixed in during the grinding and blending process of raw materials are 5% by weight or less, the present invention also applies. does not impair the effect of
実施例
第1表に示すように諸原料を調合し、成形して、通常焼
成ないしはホットプレスにより試料を作製した。Examples Various raw materials were prepared as shown in Table 1, and samples were prepared by molding and usually firing or hot pressing.
各々の製造条件は以下の通り。The manufacturing conditions for each are as follows.
通常焼成:所定配合に調合された原料を窒化珪素製のポ
ットミル中で窒化珪素ボールを使用して5日間粉砕を兼
ねて混合した。Normal firing: Raw materials prepared to a predetermined composition were mixed and pulverized for 5 days using a silicon nitride ball in a silicon nitride pot mill.
その後、この混合物を200kg/cm2の圧力で35
×12×13mmの成形体にプレスし、窒化珪素質の匣
材に収めて窒素気流中で1700〜1800℃の温度範
囲で1時間焼成した。This mixture was then heated at a pressure of 200 kg/cm2 for 35 min.
It was pressed into a molded body of 12 x 13 mm, placed in a silicon nitride box material, and fired in a nitrogen stream at a temperature in the range of 1700 to 1800°C for 1 hour.
ホットプレス:混合物を得るまでは上記通常焼成と同じ
に行い、この混合物を黒鉛型で1750℃、350kg
/cm2、1時間のホットプレス(窒素雰囲気中)を行
い、60φ×12mmの試料を得た。Hot pressing: The process is the same as the above normal firing until the mixture is obtained, and this mixture is heated in a graphite mold at 1750°C and weighed 350 kg.
/cm2 for 1 hour (in a nitrogen atmosphere) to obtain a sample of 60φ x 12mm.
これらの試料の性質については第1表に併記した。The properties of these samples are also listed in Table 1.
第1表からも分る通り、金属アルミニウムを本発明の範
囲に添加することの効果は大きく(実施例1〜7と実施
例9〜16との比較)、酸化イットリウムが本発明範囲
をはずれると金属アルミニウム添加の効果はみられない
(実施例8、17参照)。As can be seen from Table 1, the effect of adding metallic aluminum within the range of the present invention is large (comparison between Examples 1 to 7 and Examples 9 to 16), and when yttrium oxide is outside the range of the present invention, No effect of adding metal aluminum was observed (see Examples 8 and 17).
また、実施例18は、金属アルミニウムに代えて、金属
チタニウムを添加した場合であるが、かなりの効果がみ
もれるものの、金属アルミニウムの効果には今一歩及ば
ないものである。Further, in Example 18, metallic titanium was added instead of metallic aluminum, and although a considerable effect can be seen, the effect is not even close to that of metallic aluminum.
実施例2、9の比較から両者は略同じ性質をもつものの
両者には100℃の焼成温度の差があることが分る。A comparison of Examples 2 and 9 reveals that although they have substantially the same properties, there is a 100° C. difference in firing temperature between the two.
Claims (1)
ムの一種または二種以上を0.5〜30重量%と金属ア
ルミニウム0.1〜15重量%、残りが窒化珪素粒であ
る配合物を成形し、非酸化性雰囲気中で焼成すること、
または該配合物を非酸化性雰囲気中でホットプレスする
ことを特徴とする高強度セラミクスの製造方法。1 A mixture of 0.5 to 30% by weight of one or more of yttrium oxide, cerium oxide, and magnesium oxide, 0.1 to 15% by weight of metal aluminum, and the remainder silicon nitride particles is molded to form a non-oxidizing mixture. firing in an atmosphere;
Alternatively, a method for producing high-strength ceramics, which comprises hot pressing the blend in a non-oxidizing atmosphere.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP53004217A JPS589787B2 (en) | 1978-01-20 | 1978-01-20 | Manufacturing method for high-strength ceramics |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP53004217A JPS589787B2 (en) | 1978-01-20 | 1978-01-20 | Manufacturing method for high-strength ceramics |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5497613A JPS5497613A (en) | 1979-08-01 |
| JPS589787B2 true JPS589787B2 (en) | 1983-02-22 |
Family
ID=11578439
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP53004217A Expired JPS589787B2 (en) | 1978-01-20 | 1978-01-20 | Manufacturing method for high-strength ceramics |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS589787B2 (en) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS531765B2 (en) * | 1972-01-27 | 1978-01-21 |
-
1978
- 1978-01-20 JP JP53004217A patent/JPS589787B2/en not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5497613A (en) | 1979-08-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JPH0680470A (en) | Method for manufacturing silicon nitride sintered body | |
| JP2007197226A (en) | High thermal conductivity silicon nitride ceramics with high reliability and manufacturing method thereof | |
| JP2577899B2 (en) | Silicon nitride sintered body and method for producing the same | |
| JPS60246268A (en) | Sialon base ceramic | |
| US5302329A (en) | Process for producing β-sialon based sintered bodies | |
| JPS589787B2 (en) | Manufacturing method for high-strength ceramics | |
| JPS5930766A (en) | Silicon nitride sintered body | |
| JP2684250B2 (en) | Silicon nitride sintered body and method for producing the same | |
| JPS6337075B2 (en) | ||
| JPH07165462A (en) | Alumina-beta-sialon-yag composite material | |
| JPS59131579A (en) | Silicon nitride sintered body | |
| JPH06321641A (en) | Composite ceramics | |
| JP2851721B2 (en) | Silicon nitride sintered body for cutting tools | |
| JPH0372031B2 (en) | ||
| JPS6047228B2 (en) | Silicon nitride sintered body | |
| JPS6048475B2 (en) | Silicon nitride hot press sintered body and its manufacturing method | |
| JPS60137873A (en) | Silicon nitride sintered body | |
| JPS593073A (en) | Sialon base sintered material for cutting tool and antiabrasive tool | |
| JPS61158868A (en) | Manufacture of ceramic sintered body | |
| SU471342A1 (en) | Refractory material | |
| JPH04104944A (en) | Al2o3-sic-zro2 composite sinter | |
| JPH0717457B2 (en) | Aluminum nitride sintered body | |
| JPS59232972A (en) | Abrasion resistant sialon base ceramics | |
| TIEN | The State Key Lab on High Performance Ceramics and Superfine Microstructure, Shanghai Institute of Ceramics, Shanghai, China | |
| JPH0470270B2 (en) |