(57)【要約】 【課題】  耐酸化性に優れた窒化ケイ素複合材と、その製造方法を提供すること。【解決手段】  本発明に係る窒化ケイ素複合材１０は、耐酸化性を改善したものであり、母相となる窒化ケイ素１１で構成される結晶粒間に希土類元素のケイ酸化物で構成されるケイ酸化物相１２を有し、そのケイ酸化物相１２に金属ケイ化物の粒子１３を分散させたものである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母相となる窒化ケイ素で構成される結晶粒間に希土類元素のケイ酸化物で構成されるケイ酸化物相を有し、そのケイ酸化物相に金属ケイ化物の粒子を分散させたことを特徴とする窒化ケイ素複合材。
【請求項２】
上記希土類元素のケイ酸化物がＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7（ＲＥは希土類元素）である請求項１記載の窒化ケイ素複合材。
【請求項３】
窒化ケイ素、希土類酸化物及び金属酸化物の各粉末体を混合して混合物を形成し、その混合物を窒素雰囲気下、高温で焼成し、母相となる窒化ケイ素で構成される結晶粒間に希土類元素のケイ酸化物で構成されるケイ酸化物相を形成し、そのケイ酸化物相に金属ケイ化物の粒子を分散させることを特徴とする窒化ケイ素複合材の製造方法。
【請求項４】
窒化ケイ素と希土類酸化物の各粉末体を混合して混合物を形成し、その混合物を窒素雰囲気下、高温で仮焼成した後、その仮焼成体を金属化合物を含む溶液中に浸して、仮焼成体に溶液を含浸させ含浸体を形成し、その含浸体を窒素雰囲気下、高温で焼成し、母相となる窒化ケイ素で構成される結晶粒間に希土類元素のケイ酸化物で構成されるケイ酸化物相を形成し、そのケイ酸化物相に金属ケイ化物の粒子を分散させることを特徴とする窒化ケイ素複合材の製造方法。
【請求項５】
上記金属酸化物をＡｘＯｙ（Ａは金属元素）としたとき、その金属酸化物の添加量が、上記希土類酸化物のモル数の４／ｙ倍以上となるように添加する請求項３記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱機関部品などに用いるための窒化ケイ素複合材と、その製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、窒化ケイ素は難焼結材料であるため、窒化ケイ素にマグネシアを助剤として単独添加する、またはイットリアとアルミナ等を助剤として複合添加することで焼結を容易にし、焼結体を作製している（液相焼結法）。液相焼結法で焼結すると、母相の窒化ケイ素粒間に存在していた液相は、焼結後にガラス相となる。この焼結体（窒化ケイ素複合体）を高温酸化雰囲気で処理すると、ガラス相中のマグネシアやイットリアに由来するＭｇ成分やＹ成分は、拡散により表面へ移動し、窒化ケイ素複合体の耐酸化性を劣化させてしまう。このため、焼結体を１３００℃以上の温度では使用することができないのが現状である。
【０００３】
また、上述の窒化ケイ素の内部高温強度を改善するため、窒化ケイ素に酸化イッテルビウム等の希土類酸化物を単独添加、あるいは酸化イッテルビウム等の希土類酸化物と酸化ケイ素を複合して添加することにより、傷や欠陥に対するヒーリング効果を有する窒化ケイ素焼結体が開発された。（特許文献１参照。）
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３０１７７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載の方法を用いたとき、母層となる窒化ケイ素の結晶粒間の結晶化を目的としていないため、酸化イッテルビウムを単独添加する場合では、Ｙｂ2Ｓｉ2Ｏ7の形成に必要となるＳｉＯ2量が不足して、母相の窒化ケイ素粒間に存在する相を完全にＹｂ2Ｓｉ2Ｏ7による結晶質相とすることができない。一方、酸化イッテルビウムと酸化ケイ素を窒化ケイ素に添加した場合でも、焼成処理だけでは母相の窒化ケイ素粒間に存在する相の結晶化が十分に進まないため、焼成後、再度、高温で結晶化処理を行う必要がある、という問題点がある。
【０００６】
そこで本発明の目的は、上記課題を解決し、耐酸化性に優れた窒化ケイ素複合材及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る窒化ケイ素複合材は、母相となる窒化ケイ素で構成される結晶粒間に希土類元素のケイ酸化物で構成されるケイ酸化物相を有し、そのケイ酸化物相に金属ケイ化物の粒子を分散させたものである。
【０００８】
本発明に係る窒化ケイ素複合材の製造方法は、窒化ケイ素、希土類酸化物及び金属酸化物の各粉末体を混合して混合物を形成し、その混合物を窒素雰囲気下、高温で焼成し、母相となる窒化ケイ素で構成される結晶粒間に希土類元素のケイ酸化物で構成されるケイ酸化物相を形成し、そのケイ酸化物相に金属ケイ化物の粒子を分散させるものである。
【０００９】
本発明に係る窒化ケイ素複合材の製造方法は、窒化ケイ素と希土類酸化物の各粉末体を混合して混合物を形成し、その混合物を窒素雰囲気下、高温で仮焼成した後、その仮焼成体を金属化合物を含む溶液中に浸して、仮焼成体に溶液を含浸させ含浸体を形成し、その含浸体を窒素雰囲気下、高温で焼成し、母相となる窒化ケイ素で構成される結晶粒間に希土類元素のケイ酸化物で構成されるケイ酸化物相を形成し、そのケイ酸化物相に金属ケイ化物の粒子を分散させるものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、従来の窒化ケイ素複合材に比べ、耐酸化性に優れるという効果を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１２】
本実施の形態に係る窒化ケイ素複合材の透過型電子顕微鏡観察図を図１に示す。図１に示すように、本実施の形態に係る窒化ケイ素複合材１０は、母相となる窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）１１で構成される結晶粒間に希土類ケイ酸化物ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7（ＲＥは希土類元素（図１中ではＹｂ2Ｓｉ2Ｏ7））で構成されるケイ酸化物相１２を有し、そのケイ酸化物相１２に金属ケイ化物（Ｍｏ、Ｔａ等のケイ化物（図１中ではＭｏ5Ｓｉ3））の粒子１３が分散されたものである。
【００１３】
一方、本実施の形態に係る窒化ケイ素複合材の製造方法は、先ず、窒化ケイ素、希土類酸化物及び金属酸化物の各粉末体を混合して混合物を形成する。このとき各粉末体の混合割合は、希土類酸化物ＲＥ2Ｏ3（ＲＥは希土類元素）を１〜１０ｍｏｌ％、好ましくは２〜６ｍｏｌ％、金属酸化物ＡｘＯｙ（Ａは金属元素）を希土類酸化物のモル数の４／ｙ倍以上とし、残りを窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）となるように調整する。その混合物を型に充填して窒素雰囲気下、高温で、例えば１７００〜１９５０℃、好ましくは１７５０〜１９００℃の温度で焼成することで、粉末焼結体である窒化ケイ素複合材が得られる。窒化ケイ素複合材としては、例えば、ターボチャージャーエンジン、ガスタービンエンジン、ジェットエンジン等の翼部材（動翼、静翼）に適用することができる。
【００１４】
ここで上記金属酸化物の金属は特に限定するものではなく、ケイ化物を生成する金属であればよいが、例えばＭｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｖ等が挙げられ、特にＭｏ、Ｆｅが好ましい。
【００１５】
また、上記希土類酸化物の希土類は特に限定するものではなく、例えば、Ｙ、Ｙｂ、Ｃｅ、Ｌｕ等が挙げられ、特にＹｂが好ましい。
【００１６】
また、上記金属酸化物をＡｘＯｙ（Ａは金属元素）としたとき、上記金属酸化物の添加量が、上記希土類酸化物のモル数の４／ｙ倍以上となるように添加する必要がある。
【００１７】
なぜなら、上記金属酸化物の添加量が上記希土類酸化物のモル数の４／ｙ倍未満であれば、母相となる窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）で構成される結晶粒間が結晶化せず、窒化ケイ素複合材の耐酸化性の改善ができないからである。
【００１８】
一方、上記金属酸化物の添加量が、上記希土類酸化物のモル数の４／ｙ倍以上となるように添加した場合、上記希土類酸化物ＲＥ2Ｏ3が上記希土類ケイ酸化物ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7となるための酸素を十分に確保でき、母相となる窒化ケイ素で構成される結晶粒間の結晶化が実現される。
【００１９】
また、酸素の添加が過剰の場合、上記粉末焼結体中に上記希土類ケイ酸化物や上記金属ケイ化物の他にＳｉ2Ｎ2Ｏが生成するが、このＳｉ2Ｎ2ＯはＳｉ3Ｎ4焼結体に完全に取り込まれるため、耐酸化性の改善に悪影響を及ぼすことはない。
【００２０】
また、本実施の形態に係る窒化ケイ素複合材の製造方法においては、混合物を型に充填した後に焼成を行い、直接、成型品を製造する場合について説明を行ったが、特にこれに限定するものではない。例えば、混合物を直接焼成して、一旦、焼結粉末を製造した後、この焼結粉末を用いて、射出成形、泥しょう鋳込み、押し出し成形などの手法により成型品を製造するようにしてもよい。
【００２１】
次に、本実施の形態の作用について説明する。
【００２２】
本実施の形態に係る窒化ケイ素複合材は、窒化ケイ素、希土類酸化物、金属酸化物の各粉末を混合した混合体を焼結することで得られる。その結果、母相となる窒化ケイ素で構成される結晶粒間に希土類元素のケイ酸化物で構成されるケイ酸化物相が完全に結晶化される。故に従来の窒化ケイ素複合材のようにガラス相中のＭｇやＹが拡散するということがないから、本実施の形態に係る窒化ケイ素複合材は耐酸化性に優れたものとなる。
【００２３】
また、本実施の形態に係る窒化ケイ素複合材は、希土類ケイ酸化物相が金属ケイ化物の粒子により強化されていることから、高温強度が更に向上する。
【００２４】
よって、これらの耐酸化性の向上、高温強度の向上により、１３００℃以上の高温、特に１４００℃以上の高温にさらされるような環境、例えば、ターボチャージャーエンジン、ガスタービンエンジン、ジェットエンジン等の翼部材（動翼、静翼）に適用したとしても、十分な耐酸化性及び高温強度が得られる。
【００２５】
また、本実施の形態に係る窒化ケイ素複合材の製造方法は、窒化ケイ素、希土類酸化物、金属酸化物の各粉末を混合した混合体を焼成することである。その際、金属酸化物ＡｘＯｙ（Ａは金属元素）は希土類酸化物のモル数の４／ｙ倍以上添加している。このため、希土類酸化物から希土類ケイ酸化物への形成に必要なＳｉ成分及びＯ成分（ＳｉＯ2）が十分に供給されることになり、母相の窒化ケイ素粒間を完全に希土類ケイ酸化物（ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7）で結晶化することができる。
【００２６】
さらに、本実施の形態に係る窒化ケイ素複合材の製造方法では、窒化ケイ素、希土類酸化物、金属酸化物の各粉末を混合した混合体を焼成することで、焼成処理を施すだけで母相の窒化ケイ素粒間に存在する相の結晶化を十分に進行させることができる。
【００２７】
つまり、従来では母相の窒化ケイ素粒間の結晶化が不完全だったために、再焼成処理をする等、複数の焼成処理工程を要していたのに対し、本実施の形態に係る窒化ケイ素複合材の製造方法では、一回の焼成処理工程だけで結晶化をほぼ完全に行うことができるようになる。よって、本実施の形態に係る窒化ケイ素複合材の製造方法によれば、容易に窒化ケイ素複合材を得ることができ、延いては、製造コストの低減を図ることができる。
【００２８】
次に、本発明の他の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２９】
前実施の形態に係る窒化ケイ素複合材の製造方法は、窒化ケイ素、希土類酸化物、金属酸化物の各粉末を同時に混合するものであった。
【００３０】
これに対し、本実施の形態に係る窒化ケイ素複合材の製造方法は、窒化ケイ素と希土類酸化物の各粉末体を混合して混合物を形成する。その混合物を型に充填して窒素雰囲気下、１５００℃程度の温度で仮焼成した後、その仮焼成体を金属化合物を含む溶液中に浸して、仮焼成体に溶液を含浸させ含浸体を形成する。その含浸体を窒素雰囲気下、１７００〜１９５０℃で焼成するものである。これによって図１に示した窒化ケイ素複合材１０を得ることができる。
【００３１】
金属化合物を構成する金属としては、ケイ化物を生成可能な金属であればよく、例えばＭｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｖ等が挙げられ、特にＭｏ、Ｆｅが好ましい。
【００３２】
また、本実施の形態に係る窒化ケイ素複合材の製造方法においては、混合物を型に充填した後に焼成を行い、直接、仮焼成体を製造する場合について説明を行ったが、特にこれに限定するものではない。例えば、混合物を直接仮焼成して、一旦、仮焼粉末を製造した後、この仮焼粉末を用いて、射出成形、泥しょう鋳込み、押し出し成形などの手法により仮焼成体を製造するようにしてもよい。
【００３３】
以上、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
【００３４】
次に、本発明の実施の形態について、実施例に基づいて説明するが、本発明の実施の形態はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３５】
Ｓｉ3Ｎ4、８ｗｔ％Ｙｂ2Ｏ3、６ｗｔ％ＭｏＯ3の各粉末を混合し、窒素雰囲気下、１８５０℃で焼成し、窒化ケイ素複合材を製造した（本発明材）。次にこの本発明材の耐酸化性を評価するために比較材１、比較材２、比較材３を作製した。
【００３６】
比較材１はＳｉ3Ｎ4に５ｗｔ％Ｙ2Ｏ3、３ｗｔ％Ａｌ2Ｏ3を添加して焼成した従来の窒化ケイ素複合材である。比較材２はＳｉ3Ｎ4に８ｗｔ％Ｙｂ2Ｏ3を添加して焼成した窒化ケイ素複合材である。比較材３はＳｉ3Ｎ4にＹｂ2Ｏ3とＳｉＯ2を添加して焼成した窒化ケイ素複合材である。
【００３７】
比較材１、比較材２、比較材３及び本発明材を空気中で１４００℃、１００時間の酸化処理を行い、酸化による重量の増加を評価した。その結果は図２の通りであった。
【００３８】
比較材１の酸化増量は０．７８ｍｇ／ｃｍ2、比較材２の酸化増量は０．３３ｍｇ／ｃｍ2、比較材３の酸化増量は０．１８ｍｇ／ｃｍ2であった。それらに対して本発明材の酸化増量は０．０６ｍｇ／ｃｍ2であった。
【００３９】
本発明材の酸化増量は、比較材１の酸化増量の１／１０以下、比較材３の酸化増量と比べても１／２以下となり、優れた耐酸化性を有していることが確認できた。
【００４０】
また、本発明材の室温での曲げ強度は１１２４ＭＰａであった。
【実施例２】
【００４１】
Ｓｉ3Ｎ4、８ｗｔ％Ｙｂ2Ｏ3、５ｗｔ％Ｆｅ2Ｏ3の各粉末を混合し、窒素雰囲気下、１８５０℃で焼成し、窒化ケイ素複合材を製造した。この窒化ケイ素複合材を空気中で１４００℃、１００時間の酸化処理を行い、酸化による重量の増加を評価したところ、酸化重量は０．０７ｍｇ／ｃｍ2であり、優れた耐酸化性が得られることが確認できた。
【００４２】
また、この窒化ケイ素複合材の室温での曲げ強度は１０５０ＭＰａであった。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施の形態に係る窒化ケイ素複合材の透過型電子顕微鏡観察図である。
【図２】実施例における各窒化ケイ素複合材の酸化増量を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
１０  窒化ケイ素複合材
１１  母相を構成する窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）
１２  希土類元素のケイ酸化物で構成されるケイ酸化物相（Ｙｂ2Ｓｉ2Ｏ7）
１３  金属ケイ化物相（Ｍｏ5Ｓｉ3）
【図２】
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【図１】
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