JPS589787B2

JPS589787B2 - 高強度セラミクスの製造方法

Info

Publication number: JPS589787B2
Application number: JP53004217A
Authority: JP
Inventors: 阿部弘; 川合実; 藤崎正勝
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1978-01-20
Filing date: 1978-01-20
Publication date: 1983-02-22
Also published as: JPS5497613A

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。

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。

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。

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。

（２）酸化アルミニウムを添加する。

（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。

（４）窒化アルミニウムなどの非酸化物を添加する。

等の方法がある。

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。

（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。

（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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

）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。

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。

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。

各々の製造条件は以下の通り。

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。

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。

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。

これらの試料の性質については第１表に併記した。

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）。

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。

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。

Claims

【特許請求の範囲】

１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。