JP3237963B2 - 窒化珪素質焼結体およびその製法 - Google Patents
窒化珪素質焼結体およびその製法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービンなどの熱
機関用構造材料として有用な窒化珪素質焼結体およびそ
の製法に関する。
機関用構造材料として有用な窒化珪素質焼結体およびそ
の製法に関する。
【０００２】
【従来技術】従来から、窒化珪素質焼結体は、高温にお
ける強度、硬度、熱的化学的安定性に優れた材料として
注目され、エンジニアリングセラミックスとして、特に
熱機関用構造材料としての応用が進められている。
ける強度、硬度、熱的化学的安定性に優れた材料として
注目され、エンジニアリングセラミックスとして、特に
熱機関用構造材料としての応用が進められている。
【０００３】一般に、窒化珪素は、それ自体、難焼結性
であるために焼結助剤としてＹ2 Ｏ3 などの周期律表第
３ａ族元素酸化物や、Ａｌ2 Ｏ3 などを添加し、それを
成形後、窒素を含む非酸化性雰囲気中で１５００〜２０
００℃の温度で焼成することにより高密度の焼結体が得
られている。
であるために焼結助剤としてＹ2 Ｏ3 などの周期律表第
３ａ族元素酸化物や、Ａｌ2 Ｏ3 などを添加し、それを
成形後、窒素を含む非酸化性雰囲気中で１５００〜２０
００℃の温度で焼成することにより高密度の焼結体が得
られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする問題点】通常の焼結体を製品
化する場合には、その表面を研磨加工を施すが、例えば
タービンロータなどの複雑形状品を作製する場合には、
焼結体の表面すべてを研磨することができず、未研磨部
分、いわゆる焼き肌面が残存することとなる。
化する場合には、その表面を研磨加工を施すが、例えば
タービンロータなどの複雑形状品を作製する場合には、
焼結体の表面すべてを研磨することができず、未研磨部
分、いわゆる焼き肌面が残存することとなる。
【０００５】前述したような従来の方法で作製する場合
には、焼成中に非酸化性雰囲気中での窒化珪素と各種焼
結助剤との反応などにより分解が生じやすいため、焼き
肌面近傍では靱性や強度が低下し、複雑形状品の機械的
特性の安定化を阻害するという問題がある。
には、焼成中に非酸化性雰囲気中での窒化珪素と各種焼
結助剤との反応などにより分解が生じやすいため、焼き
肌面近傍では靱性や強度が低下し、複雑形状品の機械的
特性の安定化を阻害するという問題がある。
【０００６】焼成時の窒化珪素と焼結助剤成分との反応
による分解を抑制する方法として、例えば、特開昭６３
−１９０７５９号では、焼成中の雰囲気をＳｉＯを含む
窒素雰囲気にすることが提案されているが、焼き肌面近
傍における強度や靱性を実用的なレベルまで高めるには
至っていないのが現状である。
による分解を抑制する方法として、例えば、特開昭６３
−１９０７５９号では、焼成中の雰囲気をＳｉＯを含む
窒素雰囲気にすることが提案されているが、焼き肌面近
傍における強度や靱性を実用的なレベルまで高めるには
至っていないのが現状である。
【０００７】
【発明が解決しようとする問題点】本発明者らは、焼き
肌面近傍における強度や靱性の劣化の原因について詳細
に検討を行ったところ、焼結体表面における酸素量が分
解により低下することに起因して焼結体表面の組成、具
体的にはＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 （ＲＥ：周期律表第３ａ
族元素）の比が内部の比より低下しているためであるこ
とを突き止めた。
肌面近傍における強度や靱性の劣化の原因について詳細
に検討を行ったところ、焼結体表面における酸素量が分
解により低下することに起因して焼結体表面の組成、具
体的にはＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 （ＲＥ：周期律表第３ａ
族元素）の比が内部の比より低下しているためであるこ
とを突き止めた。
【０００８】そこで、本発明によれば、成形体における
表面の組成に対して焼結後の焼結体表面の組成の変動幅
を特定の範囲内となるように焼成雰囲気を制御すること
により焼結体の焼き肌面近傍の靱性および強度を実用的
なレベルにまで高めることができることを見出し本発明
に至った。
表面の組成に対して焼結後の焼結体表面の組成の変動幅
を特定の範囲内となるように焼成雰囲気を制御すること
により焼結体の焼き肌面近傍の靱性および強度を実用的
なレベルにまで高めることができることを見出し本発明
に至った。
【０００９】即ち、本発明の窒化珪素質焼結体は、窒化
珪素を主成分とし、周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）およ
び過剰酸素を含有し、焼結体表面部の前記周期律表第３
ａ族元素の酸化物換算量（ＲＥ2Ｏ3）と過剰酸素のＳｉ
Ｏ2換算量のＳｉＯ2／ＲＥ2Ｏ3で表されるモル比を
Ｉ1、焼結体中心部の前記モル比をＩ2とした時、Ｉ1＜
２．３、Ｉ2＜１．９、−０．３≦Ｉ1−Ｉ2≦０．４を
満足するとともに、焼結体表面を０．０５ｍｍ研磨した
鏡面における破壊靱性（Ｋ1c）が５．５ＭＰａｍ1/2以
上であることを特徴とするものである。また、本発明の
窒化珪素質焼結体の製造方法は、窒化珪素に対して、周
期律表第３ａ族元素酸化物（ＲＥ2Ｏ3）、あるいは周期
律表第３ａ族元素酸化物（ＲＥ2Ｏ3）およびＳｉＯ2を
含有する成形体を窒素含有雰囲気中で１６００〜２００
０℃の温度で焼成するに当たり、焼成炉内に、成形体と
ともに雰囲気制御剤を配置し、前記成形体におけるＳｉ
Ｏ2／ＲＥ2Ｏ3で表されるモル比をＩ3、最終焼結体の表
面部における前記モル比をＩ1とした時、Ｉ3＜１．９、
Ｉ3−Ｉ1≦０．６を満足するように前記雰囲気制御剤の
量を調整しながら焼成することを特徴とするものであ
る。
珪素を主成分とし、周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）およ
び過剰酸素を含有し、焼結体表面部の前記周期律表第３
ａ族元素の酸化物換算量（ＲＥ2Ｏ3）と過剰酸素のＳｉ
Ｏ2換算量のＳｉＯ2／ＲＥ2Ｏ3で表されるモル比を
Ｉ1、焼結体中心部の前記モル比をＩ2とした時、Ｉ1＜
２．３、Ｉ2＜１．９、−０．３≦Ｉ1−Ｉ2≦０．４を
満足するとともに、焼結体表面を０．０５ｍｍ研磨した
鏡面における破壊靱性（Ｋ1c）が５．５ＭＰａｍ1/2以
上であることを特徴とするものである。また、本発明の
窒化珪素質焼結体の製造方法は、窒化珪素に対して、周
期律表第３ａ族元素酸化物（ＲＥ2Ｏ3）、あるいは周期
律表第３ａ族元素酸化物（ＲＥ2Ｏ3）およびＳｉＯ2を
含有する成形体を窒素含有雰囲気中で１６００〜２００
０℃の温度で焼成するに当たり、焼成炉内に、成形体と
ともに雰囲気制御剤を配置し、前記成形体におけるＳｉ
Ｏ2／ＲＥ2Ｏ3で表されるモル比をＩ3、最終焼結体の表
面部における前記モル比をＩ1とした時、Ｉ3＜１．９、
Ｉ3−Ｉ1≦０．６を満足するように前記雰囲気制御剤の
量を調整しながら焼成することを特徴とするものであ
る。
【００１０】以下、本発明を詳述する。本発明における
窒化珪素質焼結体は、組成上、窒化珪素を主成分とし、
望ましくは７０〜９９モル％の割合で含まれるものであ
り、他の成分として周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）およ
び過剰酸素を含有するものである。ここで、過剰酸素と
は、焼結体中に含まれる全酸素量から周期律表第３ａ族
元素酸化物として化学量論量で混入した酸素を除いた残
りの酸素量であり、実際には窒化珪素原料中の不純物酸
素あるいはＳｉＯ2 として添加された酸素から構成され
るものである。
窒化珪素質焼結体は、組成上、窒化珪素を主成分とし、
望ましくは７０〜９９モル％の割合で含まれるものであ
り、他の成分として周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）およ
び過剰酸素を含有するものである。ここで、過剰酸素と
は、焼結体中に含まれる全酸素量から周期律表第３ａ族
元素酸化物として化学量論量で混入した酸素を除いた残
りの酸素量であり、実際には窒化珪素原料中の不純物酸
素あるいはＳｉＯ2 として添加された酸素から構成され
るものである。
【００１１】本発明によれば、焼結体中に含まれる周期
律表第３ａ族元素の酸化物（ＲＥ2Ｏ3 ）換算量と、過
剰酸素をＳｉＯ2 として換算した時の焼結体表面部のＳ
ｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 で表されるモル比をＩ1 、焼結体中
心部の前記モル比をＩ2 とした時、Ｉ1 ＜２．３、Ｉ2
＜１．９、−０．３≦Ｉ1 −Ｉ2 ≦０．４を満足するこ
とが重要である。
律表第３ａ族元素の酸化物（ＲＥ2Ｏ3 ）換算量と、過
剰酸素をＳｉＯ2 として換算した時の焼結体表面部のＳ
ｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 で表されるモル比をＩ1 、焼結体中
心部の前記モル比をＩ2 とした時、Ｉ1 ＜２．３、Ｉ2
＜１．９、−０．３≦Ｉ1 −Ｉ2 ≦０．４を満足するこ
とが重要である。
【００１２】本発明において、Ｉ1 およびＩ2 を上記の
範囲に限定したのは、Ｉ1 が２．３より大きかったり、
Ｉ2 が１．９より大きいと１４００℃の高温強度が十分
でなく、またＩ1 −Ｉ2 が−０．３より小さいと焼結体
表面の特に焼き肌面の靱性および強度の向上がなく、
０．４を越えると、焼結体の内部の高温強度が低下する
ためであり、またＩ1 −Ｉ2 の値が上記範囲を逸脱する
と内外差での組成差が大きいことに起因して内部応力が
発生しクラックなどが生じる場合もある。
範囲に限定したのは、Ｉ1 が２．３より大きかったり、
Ｉ2 が１．９より大きいと１４００℃の高温強度が十分
でなく、またＩ1 −Ｉ2 が−０．３より小さいと焼結体
表面の特に焼き肌面の靱性および強度の向上がなく、
０．４を越えると、焼結体の内部の高温強度が低下する
ためであり、またＩ1 −Ｉ2 の値が上記範囲を逸脱する
と内外差での組成差が大きいことに起因して内部応力が
発生しクラックなどが生じる場合もある。
【００１３】さらに、本発明の焼結体は、その焼結体表
面、例えば焼成後の焼き肌面を０．０５ｍｍ研磨した鏡
面における破壊靱性（Ｋ1c）が５．５ＭＰａ・ｍ1/2 以
上であることも重要である。これは、少なくとも焼き肌
面の機械的強度を高める上で重要な要素であり、上記破
壊靱性値が５．５ＭＰａ・ｍ1/2 より低いと、焼き肌面
に不可避的に存在するボイドなどの欠陥によって容易に
破壊に至り、焼き肌面の高強度化を達成できないためで
ある。
面、例えば焼成後の焼き肌面を０．０５ｍｍ研磨した鏡
面における破壊靱性（Ｋ1c）が５．５ＭＰａ・ｍ1/2 以
上であることも重要である。これは、少なくとも焼き肌
面の機械的強度を高める上で重要な要素であり、上記破
壊靱性値が５．５ＭＰａ・ｍ1/2 より低いと、焼き肌面
に不可避的に存在するボイドなどの欠陥によって容易に
破壊に至り、焼き肌面の高強度化を達成できないためで
ある。
【００１４】本発明における上記Ｉ1 、Ｉ2 の望ましい
範囲は、Ｉ1 ≦１．８、Ｉ2 ≦１．８、０≦Ｉ1 −Ｉ2
≦０．３である。
範囲は、Ｉ1 ≦１．８、Ｉ2 ≦１．８、０≦Ｉ1 −Ｉ2
≦０．３である。
【００１５】次に、本発明における窒化珪素質焼結体の
製造方法について説明すると、まず出発原料として、窒
化珪素粉末を主成分とし、添加成分として周期律表第３
ａ族元素酸化物粉末、場合により酸化珪素粉末を用い
る。なお、上記粉末の他に周期律表第３ａ族元素酸化物
と酸化珪素との複合化合物粉末や、窒化珪素−周期律表
第３ａ族元素酸化物−酸化珪素の複合化合物粉末の形態
で添加することもできる。用いる窒化珪素粉末は、α
型、β型のいずれでもよく、それらの平均粒子径は０．
４〜１．２μｍが適当である。
製造方法について説明すると、まず出発原料として、窒
化珪素粉末を主成分とし、添加成分として周期律表第３
ａ族元素酸化物粉末、場合により酸化珪素粉末を用い
る。なお、上記粉末の他に周期律表第３ａ族元素酸化物
と酸化珪素との複合化合物粉末や、窒化珪素−周期律表
第３ａ族元素酸化物−酸化珪素の複合化合物粉末の形態
で添加することもできる。用いる窒化珪素粉末は、α
型、β型のいずれでもよく、それらの平均粒子径は０．
４〜１．２μｍが適当である。
【００１６】その後、これらの粉末を用いて所定の割合
で混合する。混合する割合としては窒化珪素成分を７０
〜９９モル％、周期律表第３ａ族元素酸化物および酸化
珪素などの添加成分を１〜３０モル％の割合となるよう
に調製する。そして、この混合粉末を所望の成形手段、
例えば、金型プレス，冷間静水圧プレス，押出し成形等
により任意の形状に成形する。
で混合する。混合する割合としては窒化珪素成分を７０
〜９９モル％、周期律表第３ａ族元素酸化物および酸化
珪素などの添加成分を１〜３０モル％の割合となるよう
に調製する。そして、この混合粉末を所望の成形手段、
例えば、金型プレス，冷間静水圧プレス，押出し成形等
により任意の形状に成形する。
【００１７】その後、かかる成形体を窒素を含む非酸化
性雰囲気中で焼成する。焼成方法としては、普通焼成、
ホットプレス法の他、１気圧を越える、望ましくは５気
圧以上の窒素ガス加圧雰囲気中で焼成する方法、あるい
は前記焼成方法で得た焼結体を不活性ガス５００〜２０
００気圧下で焼成する熱間静水圧焼成法などが採用でき
る。
性雰囲気中で焼成する。焼成方法としては、普通焼成、
ホットプレス法の他、１気圧を越える、望ましくは５気
圧以上の窒素ガス加圧雰囲気中で焼成する方法、あるい
は前記焼成方法で得た焼結体を不活性ガス５００〜２０
００気圧下で焼成する熱間静水圧焼成法などが採用でき
る。
【００１８】本発明によれば、上記焼結過程において、
成形体における周期律表第３ａ族元素の酸化物換算量
（ＲＥ2 Ｏ3 ）と過剰酸素のＳｉＯ2 換算量とのＳｉＯ
2 ／ＲＥ2 Ｏ3 で表される比率をＩ3 、最終焼結体の表
面部における前記モル比をＩ1とした時、Ｉ3 ＜１．
９、Ｉ3 −Ｉ1 ≦０．６を満足するように焼成すること
が重要である。特に望ましくは、Ｉ3 ≦１．８、Ｉ3 −
Ｉ1 ≦０である。
成形体における周期律表第３ａ族元素の酸化物換算量
（ＲＥ2 Ｏ3 ）と過剰酸素のＳｉＯ2 換算量とのＳｉＯ
2 ／ＲＥ2 Ｏ3 で表される比率をＩ3 、最終焼結体の表
面部における前記モル比をＩ1とした時、Ｉ3 ＜１．
９、Ｉ3 −Ｉ1 ≦０．６を満足するように焼成すること
が重要である。特に望ましくは、Ｉ3 ≦１．８、Ｉ3 −
Ｉ1 ≦０である。
【００１９】成形体および焼結体表面部のＳｉＯ2 ／Ｒ
Ｅ2 Ｏ3 比Ｉ1 、Ｉ3 を上記の範囲に限定したのは、Ｉ
3 が１．９以上では、焼結過程では最終焼結体のＳｉＯ
2 ／ＲＥ2 Ｏ3 比Ｉ1 が２．３を越えてしまう場合があ
り、高強度の焼結体を安定して作製することができない
ためであり、Ｉ3 −Ｉ1 が０．６を越えると、焼結過程
での分解揮散が激しいことを意味し、ＳｉＯ2 ／ＲＥ2
Ｏ3 比の変動幅が大きくなり焼結体表面近傍の靱性が低
下し焼結体の高温強度の向上が見られないためである。
Ｅ2 Ｏ3 比Ｉ1 、Ｉ3 を上記の範囲に限定したのは、Ｉ
3 が１．９以上では、焼結過程では最終焼結体のＳｉＯ
2 ／ＲＥ2 Ｏ3 比Ｉ1 が２．３を越えてしまう場合があ
り、高強度の焼結体を安定して作製することができない
ためであり、Ｉ3 −Ｉ1 が０．６を越えると、焼結過程
での分解揮散が激しいことを意味し、ＳｉＯ2 ／ＲＥ2
Ｏ3 比の変動幅が大きくなり焼結体表面近傍の靱性が低
下し焼結体の高温強度の向上が見られないためである。
【００２０】また、上記のように、成形体から焼結体に
なる過程においてＳｉＯ2／ＲＥ2Ｏ3比の変動を上記範
囲に抑制する方法としては、雰囲気を細かく制御するこ
とが必要である。具体的には、雰囲気中にＳｉ3Ｎ4の分
解を抑制するためにＳｉ3Ｎ4の分解平衡圧以上の窒素ガ
スを導入するとともに、添加成分の分解を抑制するため
に、焼成炉内に、雰囲気制御剤を成形体とともに配置す
るが、上記関係を満足するように雰囲気制御剤の量を調
整する。雰囲気制御剤としては、窒化珪素粉末、周期律
表第３ａ族元素酸化物粉末やＳｉＯ2粉末、Ｓｉ粉末と
ＳｉＯ2粉末の混合粉末など、あるいはＡｌ2Ｏ3などの
不可避的に成形体中に含まれ低融点物質として揮散され
やすいため、これら不純物成分も雰囲気制御剤として焼
成炉内に配置することも有効である。
なる過程においてＳｉＯ2／ＲＥ2Ｏ3比の変動を上記範
囲に抑制する方法としては、雰囲気を細かく制御するこ
とが必要である。具体的には、雰囲気中にＳｉ3Ｎ4の分
解を抑制するためにＳｉ3Ｎ4の分解平衡圧以上の窒素ガ
スを導入するとともに、添加成分の分解を抑制するため
に、焼成炉内に、雰囲気制御剤を成形体とともに配置す
るが、上記関係を満足するように雰囲気制御剤の量を調
整する。雰囲気制御剤としては、窒化珪素粉末、周期律
表第３ａ族元素酸化物粉末やＳｉＯ2粉末、Ｓｉ粉末と
ＳｉＯ2粉末の混合粉末など、あるいはＡｌ2Ｏ3などの
不可避的に成形体中に含まれ低融点物質として揮散され
やすいため、これら不純物成分も雰囲気制御剤として焼
成炉内に配置することも有効である。
【００２１】
【作用】通常、焼成後の焼結体の表面には、焼結体成分
の分解や揮散などに起因して表面の荒れが生じており、
研磨面に比較して機械的特性が低下するという現象があ
る。単純な形状品においては、表面を研磨加工すること
により焼成時の荒れによる特性の劣化を防止することが
できるが、複雑形状品では研磨することができない箇所
が不可避的に存在するため、焼き肌面の機械的特性は避
けられないものであった。このように焼き肌面の機械的
特性が劣化する原因について検討したところ、焼結過程
でＳｉＯ2 成分が主として分解し焼結体表面の組成、具
体的にはＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 （ＲＥ：周期律表第３ａ
族元素）の比が内部組成より低下していることによるこ
とを突き止めた。
の分解や揮散などに起因して表面の荒れが生じており、
研磨面に比較して機械的特性が低下するという現象があ
る。単純な形状品においては、表面を研磨加工すること
により焼成時の荒れによる特性の劣化を防止することが
できるが、複雑形状品では研磨することができない箇所
が不可避的に存在するため、焼き肌面の機械的特性は避
けられないものであった。このように焼き肌面の機械的
特性が劣化する原因について検討したところ、焼結過程
でＳｉＯ2 成分が主として分解し焼結体表面の組成、具
体的にはＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 （ＲＥ：周期律表第３ａ
族元素）の比が内部組成より低下していることによるこ
とを突き止めた。
【００２２】さらに、本発明によれば、この焼き肌面の
強度を高めることのできる要因について検討したとこ
ろ、焼き肌面近傍の靱性が高いと、焼き肌面を通じて発
生したクラックが焼き肌面直下の高靱性領域でその進展
を抑制し、焼結体の破壊を食い止める作用をなすことが
わかった。このことは、図１の焼き肌面近傍の靱性値と
高温強度との関係から明らかである。図１から明らかな
ように焼き肌面の強度が６００ＭＰａ以上を達成するた
めには、焼き肌面近傍の靱性を５．５ＭＰａ・ｍ1/2 以
上とすることが必要であることがわかる。
強度を高めることのできる要因について検討したとこ
ろ、焼き肌面近傍の靱性が高いと、焼き肌面を通じて発
生したクラックが焼き肌面直下の高靱性領域でその進展
を抑制し、焼結体の破壊を食い止める作用をなすことが
わかった。このことは、図１の焼き肌面近傍の靱性値と
高温強度との関係から明らかである。図１から明らかな
ように焼き肌面の強度が６００ＭＰａ以上を達成するた
めには、焼き肌面近傍の靱性を５．５ＭＰａ・ｍ1/2 以
上とすることが必要であることがわかる。
【００２３】本発明によれば、焼成過程において、成形
体のＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 比を変動が小さくなるように
して焼成すると、焼結体内部と焼き肌面におけるＳｉＯ
2 ／ＲＥ2 Ｏ3 比の差も小さくなり、それと同時に焼き
肌面近傍の靱性の低下がなく、靱性が向上し、結果とし
て焼き肌面を有する焼結体の機械的特性を高めることが
できる。
体のＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 比を変動が小さくなるように
して焼成すると、焼結体内部と焼き肌面におけるＳｉＯ
2 ／ＲＥ2 Ｏ3 比の差も小さくなり、それと同時に焼き
肌面近傍の靱性の低下がなく、靱性が向上し、結果とし
て焼き肌面を有する焼結体の機械的特性を高めることが
できる。
【００２４】また、実用的な強度を得るためには、Ｓｉ
Ｏ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 比は特定の範囲に制御される必要があ
り、焼結体表面部の比Ｉ1 ＜２．３、焼結体内部の比Ｉ
2 ＜１．９、−０．３≦Ｉ1 −Ｉ2 ≦０．４、成形体に
おける比Ｉ3 ＜１．９、Ｉ3−Ｉ1 ≦０．６とすること
により１４００℃における抗折強度６００ｋｇ／ｍｍ2
以上が達成される。さらに、上記構成によれば、１４０
０℃における耐酸化性も向上し、後述する実施例から明
らかなように０．１５ｍｇ／ｃｍ2 以下が達成できる。
Ｏ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 比は特定の範囲に制御される必要があ
り、焼結体表面部の比Ｉ1 ＜２．３、焼結体内部の比Ｉ
2 ＜１．９、−０．３≦Ｉ1 −Ｉ2 ≦０．４、成形体に
おける比Ｉ3 ＜１．９、Ｉ3−Ｉ1 ≦０．６とすること
により１４００℃における抗折強度６００ｋｇ／ｍｍ2
以上が達成される。さらに、上記構成によれば、１４０
０℃における耐酸化性も向上し、後述する実施例から明
らかなように０．１５ｍｇ／ｃｍ2 以下が達成できる。
【００２５】なお、本発明における周期律表第３ａ族元
素とは、Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｌｕ、Ｈｏ、Ｄｙなどが適当
である。
素とは、Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｌｕ、Ｈｏ、Ｄｙなどが適当
である。
【００２６】また、本発明の窒化珪素質焼結体によれ
ば、不純物としてＡｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｆｅなどが含まれ
る場合があるが、これらの成分は低融点物質を生成しや
すいために、高温強度を高める上では、これらの成分量
を０．５重量％以下、特に０．１重量％以下に制御する
ことが望ましい。
ば、不純物としてＡｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｆｅなどが含まれ
る場合があるが、これらの成分は低融点物質を生成しや
すいために、高温強度を高める上では、これらの成分量
を０．５重量％以下、特に０．１重量％以下に制御する
ことが望ましい。
【００２７】さらに、本発明の窒化珪素質焼結体は上記
組成以外に、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏなどの金属の炭
化物、窒化物、炭窒化物、硼化物などを１０重量％以下
の割合で含んでいてもよい。
組成以外に、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏなどの金属の炭
化物、窒化物、炭窒化物、硼化物などを１０重量％以下
の割合で含んでいてもよい。
【００２８】
【実施例】出発原料として、窒化珪素粉末（平均粒径
０．５μｍ、不純物酸素量１重量％、純度９９％）と、
純度９５％以上の周期律表第３ａ族元素酸化物粉末、お
よび酸化珪素粉末を準備し、これらを表１の組成になる
ように秤量混合した。なお、表１中の調合組成における
ＳｉＯ2 量は添加したＳｉＯ2 量と窒化珪素粉末中の不
純物酸素をＳｉＯ2 換算した量の合計量である。そし
て、この混合粉末をプレス成形した。得られた成形体に
対してＩＣＰ分析により組成を分析したところ、調合組
成とほとんどかわらないものであった。
０．５μｍ、不純物酸素量１重量％、純度９９％）と、
純度９５％以上の周期律表第３ａ族元素酸化物粉末、お
よび酸化珪素粉末を準備し、これらを表１の組成になる
ように秤量混合した。なお、表１中の調合組成における
ＳｉＯ2 量は添加したＳｉＯ2 量と窒化珪素粉末中の不
純物酸素をＳｉＯ2 換算した量の合計量である。そし
て、この混合粉末をプレス成形した。得られた成形体に
対してＩＣＰ分析により組成を分析したところ、調合組
成とほとんどかわらないものであった。
【００２９】次に、この成形体をカーボンヒータを配置
した焼成炉内で炭化珪素質の匣鉢内に入れ、成形体と一
緒に雰囲気制御剤としてＳｉ粉末とＳｉＯ2粉末とを
１：１．５の重量比で混合した混合粉末および窒化珪素
粉末を表１に示すような量で配合し、１８００℃、窒素
ガス圧力１０気圧の雰囲気で５時間焼成した。
した焼成炉内で炭化珪素質の匣鉢内に入れ、成形体と一
緒に雰囲気制御剤としてＳｉ粉末とＳｉＯ2粉末とを
１：１．５の重量比で混合した混合粉末および窒化珪素
粉末を表１に示すような量で配合し、１８００℃、窒素
ガス圧力１０気圧の雰囲気で５時間焼成した。
【００３０】得られた焼結体に対して、厚さ１０ｍｍの
平板を焼結体内部および焼き肌面を含む表面から切り出
し、その試験についてＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 比、抗折強
度、酸化重量増、破壊靱性を測定した。
平板を焼結体内部および焼き肌面を含む表面から切り出
し、その試験についてＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 比、抗折強
度、酸化重量増、破壊靱性を測定した。
【００３１】ＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 比Ｉ1 、Ｉ2 は、上
記の試験片を用いて、ＩＣＰ分析および窒素酸素同時分
析を行い、ＳｉＯ2 量は、全酸素量からＩＣＰ分析によ
り定量した周期律表第３ａ族元素量に対して酸化物とし
て結合する量の酸素量を差し引いた残りの酸素量をＳｉ
Ｏ2 換算したものである。
記の試験片を用いて、ＩＣＰ分析および窒素酸素同時分
析を行い、ＳｉＯ2 量は、全酸素量からＩＣＰ分析によ
り定量した周期律表第３ａ族元素量に対して酸化物とし
て結合する量の酸素量を差し引いた残りの酸素量をＳｉ
Ｏ2 換算したものである。
【００３２】抗折強度はＪＩＳＲ１６０１に基づき、上
記試験片よりＪＩＳによる試験片を切り出し（表面の試
験片では焼き肌面を含む）、室温での抗折強度を測定し
た。
記試験片よりＪＩＳによる試験片を切り出し（表面の試
験片では焼き肌面を含む）、室温での抗折強度を測定し
た。
【００３３】また、内部試験片については１４００℃の
高温における抗折強度も測定した。
高温における抗折強度も測定した。
【００３４】また、焼き肌面を含む試験片による強度測
定後、その試験片を用いて焼き肌面を０．０１〜０．０
５ｍｍ研磨して鏡面出しを行い、ＩＭ法により破壊靱性
Ｋ1ｃを測定した。さらに、酸化重量増は、大気中で１
４００℃で２４時間の酸化処理をして重量変化から算出
した。結果は、表１に示した。
定後、その試験片を用いて焼き肌面を０．０１〜０．０
５ｍｍ研磨して鏡面出しを行い、ＩＭ法により破壊靱性
Ｋ1ｃを測定した。さらに、酸化重量増は、大気中で１
４００℃で２４時間の酸化処理をして重量変化から算出
した。結果は、表１に示した。
【００３５】
【表１】
【００３６】表１から明らかなように、最終焼結体にお
ける表面部のＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3比Ｉ1 が２．３以
上、あるいは内部における比Ｉ2 が１．９以上の試料Ｎ
o.７，８，９，１７はいずれも１４００℃における強度
が低く、またＩ1 −Ｉ2 が−０．３より小さい試料Ｎo.
１では焼き肌面近傍の靱性および強度が低く、Ｉ1 −Ｉ
2 が０．４を越える試料Ｎo.８，１０では、焼結体の内
部の高温強度が低下した。なお、試料Ｎo.１〜９，１２
について、焼き肌面近傍の靱性と焼き肌面強度とを図１
にプロットした。この図１から明らかなように焼き肌面
近傍の靱性が高いほど焼き肌面強度が高いことがわか
る。
ける表面部のＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3比Ｉ1 が２．３以
上、あるいは内部における比Ｉ2 が１．９以上の試料Ｎ
o.７，８，９，１７はいずれも１４００℃における強度
が低く、またＩ1 −Ｉ2 が−０．３より小さい試料Ｎo.
１では焼き肌面近傍の靱性および強度が低く、Ｉ1 −Ｉ
2 が０．４を越える試料Ｎo.８，１０では、焼結体の内
部の高温強度が低下した。なお、試料Ｎo.１〜９，１２
について、焼き肌面近傍の靱性と焼き肌面強度とを図１
にプロットした。この図１から明らかなように焼き肌面
近傍の靱性が高いほど焼き肌面強度が高いことがわか
る。
【００３７】また、成形体のＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 比Ｉ
3 が１．９以上では、試料Ｎo.１７のように焼結過程で
最終焼結体のＩ1 が２．３を越えてしまい高温強度が低
くかったり、試料Ｎo.１８のように所望の特性が発揮さ
れなかった。Ｉ3 −Ｉ1 が０．６を越える試料Ｎo.１，
２，１１，１８では、焼結体表面近傍の靱性が低下し焼
結体の高温強度の向上が見られなかった。
3 が１．９以上では、試料Ｎo.１７のように焼結過程で
最終焼結体のＩ1 が２．３を越えてしまい高温強度が低
くかったり、試料Ｎo.１８のように所望の特性が発揮さ
れなかった。Ｉ3 −Ｉ1 が０．６を越える試料Ｎo.１，
２，１１，１８では、焼結体表面近傍の靱性が低下し焼
結体の高温強度の向上が見られなかった。
【００３８】これらの比較例に対して、本発明の試料
は、いずれも焼き肌面靱性が５．５ＭＰａ・ｍ1/2 以上
で、焼結体の焼き肌面の室温強度６００ＭＰａ以上、内
部６５０ＭＰａ以上、１４００℃の内部強度６００ＭＰ
ａ以上が達成された。
は、いずれも焼き肌面靱性が５．５ＭＰａ・ｍ1/2 以上
で、焼結体の焼き肌面の室温強度６００ＭＰａ以上、内
部６５０ＭＰａ以上、１４００℃の内部強度６００ＭＰ
ａ以上が達成された。
【００３９】
【発明の効果】以上、詳述したように、本発明によれ
ば、成形体の焼結過程および得られた焼結体におけるＳ
ｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 比を特定の条件を満足するように制
御するとともに焼結体の表面近傍の靱性を高めることに
より、焼き肌面における強度を高めることができる。こ
れにより、複雑形状品で表面研磨ができないような製品
においても高い強度を付与することができ、信頼性の高
い製品を提供することができる。
ば、成形体の焼結過程および得られた焼結体におけるＳ
ｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 比を特定の条件を満足するように制
御するとともに焼結体の表面近傍の靱性を高めることに
より、焼き肌面における強度を高めることができる。こ
れにより、複雑形状品で表面研磨ができないような製品
においても高い強度を付与することができ、信頼性の高
い製品を提供することができる。
【図１】焼き肌面近傍の靱性と焼き肌面強度との関係を
示した図である。
示した図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C04B 35/584 - 35/596
Claims (2)
- 【請求項１】窒化珪素を主成分とし、周期律表第３ａ族
元素（ＲＥ）および過剰酸素を含有し、焼結体表面部の
前記周期律表第３ａ族元素の酸化物換算量（ＲＥ2Ｏ3）
と過剰酸素のＳｉＯ2換算量のＳｉＯ2／ＲＥ2Ｏ3で表さ
れるモル比をＩ1、焼結体中心部の前記モル比をＩ2とし
た時、Ｉ1＜２．３、Ｉ2＜１．９、−０．３≦Ｉ1−Ｉ2
≦０．４を満足するとともに、焼結体表面を０．０５ｍ
ｍ研磨した鏡面における破壊靱性（Ｋ1c）が５．５ＭＰ
ａ・ｍ1/2以上であることを特徴とする窒化珪素質焼結
体。 - 【請求項２】窒化珪素に対して、周期律表第３ａ族元素
酸化物（ＲＥ2Ｏ3）、あるいは周期律表第３ａ族元素酸
化物（ＲＥ2Ｏ3）およびＳｉＯ2を含有する成形体を窒
素含有雰囲気中で１６００〜２０００℃の温度で焼成す
るに当たり、焼成炉内に、成形体とともに窒化珪素粉
末、周期律表第３ａ族元素酸化物粉末、ＳｉＯ 2 粉末、
Ｓｉ粉末とＳｉＯ 2 粉末の混合粉末及びＡｌ 2 Ｏ 3 のうち
少なくとも１種からなる雰囲気制御剤を配置し、前記成
形体におけるＳｉＯ2／ＲＥ2Ｏ3で表されるモル比を
Ｉ3、最終焼結体の表面部における前記モル比をＩ1とし
た時、Ｉ3＜１．９、Ｉ3−Ｉ1≦０．６を満足するよう
に前記雰囲気制御剤の量を調整しながら焼成することを
特徴とする窒化珪素質焼結体の製法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18787493A JP3237963B2 (ja) | 1993-07-29 | 1993-07-29 | 窒化珪素質焼結体およびその製法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18787493A JP3237963B2 (ja) | 1993-07-29 | 1993-07-29 | 窒化珪素質焼結体およびその製法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0741367A JPH0741367A (ja) | 1995-02-10 |
| JP3237963B2 true JP3237963B2 (ja) | 2001-12-10 |
Family
ID=16213726
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18787493A Expired - Fee Related JP3237963B2 (ja) | 1993-07-29 | 1993-07-29 | 窒化珪素質焼結体およびその製法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3237963B2 (ja) |
-
1993
- 1993-07-29 JP JP18787493A patent/JP3237963B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0741367A (ja) | 1995-02-10 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |