JP2773439B2 - 炭化珪素含有窒化珪素複合体の製造方法 - Google Patents
炭化珪素含有窒化珪素複合体の製造方法Info
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- JP2773439B2 JP2773439B2 JP3022227A JP2222791A JP2773439B2 JP 2773439 B2 JP2773439 B2 JP 2773439B2 JP 3022227 A JP3022227 A JP 3022227A JP 2222791 A JP2222791 A JP 2222791A JP 2773439 B2 JP2773439 B2 JP 2773439B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は炭化珪素含有窒化珪素複
合体の製造方法に係る。
合体の製造方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】窒化珪素と炭化珪素との両方の優れた性
質を具備した耐熱性構造材料を得ることを目的として、
窒化珪素と炭化珪素の複合体の開発が試みられている。
一般的には、 Si3N4粉末と SiC粉末の混合粉末をホット
プレスされる。また、特開平１−298069号公報では、珪
素アルコキシドを加水分解して得られる炭化珪素40wt％
以下の Si3N4−SiC 混合粉末を1550〜1730℃の温度で加
圧焼結する方法が開示されている。
質を具備した耐熱性構造材料を得ることを目的として、
窒化珪素と炭化珪素の複合体の開発が試みられている。
一般的には、 Si3N4粉末と SiC粉末の混合粉末をホット
プレスされる。また、特開平１−298069号公報では、珪
素アルコキシドを加水分解して得られる炭化珪素40wt％
以下の Si3N4−SiC 混合粉末を1550〜1730℃の温度で加
圧焼結する方法が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】一般に、 Si3N4−SiC
(超微粉）複合材は難焼結性であるので、特殊な原料を
用いたり、ホットプレスで強引に焼結させている。特開
平１−298069号公報でもアルコキシド加水分解して得ら
れる原料を用い、しかも実施例ではやはりホットプレス
を採用している。特殊な原料を使用しなければならない
ことは不都合であり、またホットプレスを採用する場合
には製品形状に制約がある。そこで、本発明は、このよ
うに特殊な出発原料を用いたり、ホットプレスなしで S
i3N4−SiC 複合材を緻密に焼結する方法を提供すること
を目的とする。
(超微粉）複合材は難焼結性であるので、特殊な原料を
用いたり、ホットプレスで強引に焼結させている。特開
平１−298069号公報でもアルコキシド加水分解して得ら
れる原料を用い、しかも実施例ではやはりホットプレス
を採用している。特殊な原料を使用しなければならない
ことは不都合であり、またホットプレスを採用する場合
には製品形状に制約がある。そこで、本発明は、このよ
うに特殊な出発原料を用いたり、ホットプレスなしで S
i3N4−SiC 複合材を緻密に焼結する方法を提供すること
を目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 Si3N4と、焼結助剤として重量比で４：
１から１：１の範囲のY2O3とMgAl2O4 をY2O3＋MgAl2O4
＋Si3N4 の総重量を 100wt％として４〜８wt％と、Y2O3
＋MgAl2O4 ＋Si3N4 の総重量を100wt％としてSiCを10〜
20wt％とを含む混合粉末を成形し、該成形体を1700〜18
00℃の範囲の温度まで加熱して予備焼結し、次いで同温
度範囲で雰囲気圧力を1000気圧以上に昇圧し、本焼結す
ることを特徴とする炭化珪素含有窒化珪素複合体の製造
方法を提供する。
成するために、 Si3N4と、焼結助剤として重量比で４：
１から１：１の範囲のY2O3とMgAl2O4 をY2O3＋MgAl2O4
＋Si3N4 の総重量を 100wt％として４〜８wt％と、Y2O3
＋MgAl2O4 ＋Si3N4 の総重量を100wt％としてSiCを10〜
20wt％とを含む混合粉末を成形し、該成形体を1700〜18
00℃の範囲の温度まで加熱して予備焼結し、次いで同温
度範囲で雰囲気圧力を1000気圧以上に昇圧し、本焼結す
ることを特徴とする炭化珪素含有窒化珪素複合体の製造
方法を提供する。
【０００５】本発明の方法の第１の特徴は、焼結助剤と
してY2O3とMgAl2O4 を用いる点にある。これにより Si3
N4−SiC 複合体の焼結性が向上する。MgAl2O4 は MgOと
Al2O 3 の混合粉ではなくMgAl2O4 粉でなければならな
い。Y2O3とMgAl2O4 は重量比で４：１〜１：１の範囲と
し、その合計量は Si3N4＋Y2O3＋MgAl2O4 の総重量 100
wt％に対し４〜８wt％とする。焼結助剤の量が少ないと
緻密に焼結せず、また多すぎると1000℃強度低下の原因
になるからである。Y2O3とMgAl2O4 の重量比が４：１よ
りY2O3が増加すると緻密に焼結せず、１：１よりもY2O3
が減少すると緻密には焼結するがスピネル量が多くなり
すぎて1000℃強度が低下する。
してY2O3とMgAl2O4 を用いる点にある。これにより Si3
N4−SiC 複合体の焼結性が向上する。MgAl2O4 は MgOと
Al2O 3 の混合粉ではなくMgAl2O4 粉でなければならな
い。Y2O3とMgAl2O4 は重量比で４：１〜１：１の範囲と
し、その合計量は Si3N4＋Y2O3＋MgAl2O4 の総重量 100
wt％に対し４〜８wt％とする。焼結助剤の量が少ないと
緻密に焼結せず、また多すぎると1000℃強度低下の原因
になるからである。Y2O3とMgAl2O4 の重量比が４：１よ
りY2O3が増加すると緻密に焼結せず、１：１よりもY2O3
が減少すると緻密には焼結するがスピネル量が多くなり
すぎて1000℃強度が低下する。
【０００６】また、Si3N4, Y2O3, MgAl2O4の出発原料は
できるだけ微細、高純度であることが望ましい。限定す
るわけではないが、 Si3N4は粒径0.６μｍ以下、より好
ましくは0.１〜0.４μｍ、純度は金属不純物総量で100p
pm以下、Y2O3, MgAl2O4 は粒径0.６μｍ以下、より好ま
しくは0.１〜0.４μｍ、純度は99.9％以上である。
できるだけ微細、高純度であることが望ましい。限定す
るわけではないが、 Si3N4は粒径0.６μｍ以下、より好
ましくは0.１〜0.４μｍ、純度は金属不純物総量で100p
pm以下、Y2O3, MgAl2O4 は粒径0.６μｍ以下、より好ま
しくは0.１〜0.４μｍ、純度は99.9％以上である。
【０００７】また、添加する SiC粉末は、 Si3N4＋Y2O3
＋MgAl2O4 の総重量 100wt％に対し、10〜20wt％の範囲
である。 Si3N4に対し SiCを適当量添加することによ
り、高温強度（例えば1000℃強度）と破壊靱性値が向上
するが、添加量が多すぎると緻密に焼結しなくなり、強
度、破壊靱性値とも低下する。Y2O3−MgAl2O4 は Si3N4
の焼結性を良くするが、反面高温強度が低下する欠点が
ある。しかし、 SiCを添加すると、高温強度が改善され
る。 SiCの添加量が少ないとこの効果が十分でない。 S
iCは好ましくは0.１μｍ以下、より好ましくは0.05μｍ
以下の粒径で、99.9％以上の純度を有することが望まし
い。
＋MgAl2O4 の総重量 100wt％に対し、10〜20wt％の範囲
である。 Si3N4に対し SiCを適当量添加することによ
り、高温強度（例えば1000℃強度）と破壊靱性値が向上
するが、添加量が多すぎると緻密に焼結しなくなり、強
度、破壊靱性値とも低下する。Y2O3−MgAl2O4 は Si3N4
の焼結性を良くするが、反面高温強度が低下する欠点が
ある。しかし、 SiCを添加すると、高温強度が改善され
る。 SiCの添加量が少ないとこの効果が十分でない。 S
iCは好ましくは0.１μｍ以下、より好ましくは0.05μｍ
以下の粒径で、99.9％以上の純度を有することが望まし
い。
【０００８】Si3N4, SiC、焼結助剤の混合、成形は慣用
の方法でよく、典型的には300MPa程度の圧力で圧縮成形
する。
の方法でよく、典型的には300MPa程度の圧力で圧縮成形
する。
【０００９】本発明の第２の特徴は、焼結方法としてホ
ットプレスではなく、ガス圧焼結、より詳しくは、先ず
1700〜1800℃の範囲で予備焼結した後、同温度でガス圧
を1000気圧以上に昇圧し、本焼結することにある。この
ホットプレスによらない焼結は、焼結助剤としてY2O3と
MgAl2O4 を用いたことにより可能にされた。
ットプレスではなく、ガス圧焼結、より詳しくは、先ず
1700〜1800℃の範囲で予備焼結した後、同温度でガス圧
を1000気圧以上に昇圧し、本焼結することにある。この
ホットプレスによらない焼結は、焼結助剤としてY2O3と
MgAl2O4 を用いたことにより可能にされた。
【００１０】焼結温度は1700〜1800℃の範囲である。温
度があまり低いと十分に焼結せず、一方温度が高すぎる
と粒成長して室温及び1000℃強度が低下するからであ
る。焼成雰囲気は窒素雰囲気であるが、窒素と不活性雰
囲気との混合雰囲気でもよい。本焼結前に、ガス圧焼結
を効果的にするため常圧付近で予備焼結して被焼結体を
閉気孔化する。閉気孔化の一応の目途として理論密度の
90％程度である。予備焼結後、雰囲気圧力を1000気圧以
上、通常1000〜2000気圧に昇圧し、同じ温度で本焼結す
る。本発明では、この本焼結により理論密度の98〜99％
以上まで緻密化することが可能である。1000気圧未満で
は緻密に焼結しない。そして、本発明はガス圧焼結であ
るので、ホットプレスのように製品形状に制約がない。
度があまり低いと十分に焼結せず、一方温度が高すぎる
と粒成長して室温及び1000℃強度が低下するからであ
る。焼成雰囲気は窒素雰囲気であるが、窒素と不活性雰
囲気との混合雰囲気でもよい。本焼結前に、ガス圧焼結
を効果的にするため常圧付近で予備焼結して被焼結体を
閉気孔化する。閉気孔化の一応の目途として理論密度の
90％程度である。予備焼結後、雰囲気圧力を1000気圧以
上、通常1000〜2000気圧に昇圧し、同じ温度で本焼結す
る。本発明では、この本焼結により理論密度の98〜99％
以上まで緻密化することが可能である。1000気圧未満で
は緻密に焼結しない。そして、本発明はガス圧焼結であ
るので、ホットプレスのように製品形状に制約がない。
【００１１】本発明の方法によれば、室温から1000℃ま
での４点曲げ強度が 900〜1100MPa の範囲で、特に1000
℃の平均強度が900MPaを下まわらない高温高強度の Si3
N4−SiC 複合体が得られる。
での４点曲げ強度が 900〜1100MPa の範囲で、特に1000
℃の平均強度が900MPaを下まわらない高温高強度の Si3
N4−SiC 複合体が得られる。
【００１２】
【作用】Y2O3, MgAl2O4を焼結助剤としたことにより Si
3N4−SiC の難焼結材料をホットプレスによらずに高圧
力ガス圧焼結で緻密化することが可能になり、かつ Y2O
3, MgAl2O4では高温強度が低下する欠点を耐酸化性に優
れるSiC を添加したことにより、特に SiCが Si3N4焼結
体の粒界３重点に入ることにより Si3N4焼結体の耐酸化
性が向上し、1000℃強度が室温強度に比較して低下しな
くなる。
3N4−SiC の難焼結材料をホットプレスによらずに高圧
力ガス圧焼結で緻密化することが可能になり、かつ Y2O
3, MgAl2O4では高温強度が低下する欠点を耐酸化性に優
れるSiC を添加したことにより、特に SiCが Si3N4焼結
体の粒界３重点に入ることにより Si3N4焼結体の耐酸化
性が向上し、1000℃強度が室温強度に比較して低下しな
くなる。
【００１３】
【実施例】Si3N4粉末（平均粒径0.２μｍ、金属不純物
総量30ppm 、α化率ほぼ 100％）に第２相粒子として炭
化珪素（製法；プラズマＣＶＤ法、比表面積47ｍ2 ／
ｇ、平均粒径0.03μｍ、純度99.9％、β相ほぼ 100
％）、焼結助剤としてY2O3粉末（平均粒径0.３μｍ、純
度99.9％）、 MgAl2O4粉末（平均粒径0.３μｍ、純度9
9.9％）の添加量を表１に示すような組成で混合(Si3N4
製ボールミル）した各種粉末を200kgf／cm2 の圧力で加
圧成形し、その成形体を薄ゴムにつめ真空封入後ＣＩＰ
（静水圧成形）にて 3000kgf／cm2 の圧力で加圧した。
その後、この成形体を表１に示す条件でＮ2 雰囲気中の
炉内で焼結させた。昇温速度は５℃／min 、最高温度に
到達後４時間までは０kgf／cm2(１気圧）のＮ 2 雰囲気
下で、その後表１に示す最高圧力まで毎分 15kgf／cm2
の昇圧速度で加圧し、最高温度での総保持時間が８時間
になるまで加熱・加圧した。この昇温・昇圧スケジュー
ルを図１に示す。これらの焼結体の室温４点曲げ強度
（JIS R 1601) 、高温４点曲げ強度（JIS R 1604、大気
中）及び破壊靱性値（JIS R 1607、SEPB法）を測定して
表１に示す結果を得た。焼結体の相対密度はｎ−ブタノ
ール置換法で求めた嵩密度を理論密度で除して得た値で
ある。残部は気孔率であるが、光学顕微鏡による鏡面研
磨面の観察結果からも裏付けられた。曲げ試験のｎ数は
15、破壊靱性値のｎ数は５で、値はその平均値である。
曲げ強度の標準偏差値はいずれの試料も室温で 80MPa以
下、1000℃で 50MPa以下であった。実施例の試料 NO.２
の焼結体組織をＴＥＭにて詳細に観察した結果、本発明
の製造法により炭化珪素粉末は均質に分散しており、炭
化珪素は焼結体の窒化珪素の粒界また粒界３重点に存在
していることが観察できた。また一部の SiCは Si3N4粒
内にも存在していた。
総量30ppm 、α化率ほぼ 100％）に第２相粒子として炭
化珪素（製法；プラズマＣＶＤ法、比表面積47ｍ2 ／
ｇ、平均粒径0.03μｍ、純度99.9％、β相ほぼ 100
％）、焼結助剤としてY2O3粉末（平均粒径0.３μｍ、純
度99.9％）、 MgAl2O4粉末（平均粒径0.３μｍ、純度9
9.9％）の添加量を表１に示すような組成で混合(Si3N4
製ボールミル）した各種粉末を200kgf／cm2 の圧力で加
圧成形し、その成形体を薄ゴムにつめ真空封入後ＣＩＰ
（静水圧成形）にて 3000kgf／cm2 の圧力で加圧した。
その後、この成形体を表１に示す条件でＮ2 雰囲気中の
炉内で焼結させた。昇温速度は５℃／min 、最高温度に
到達後４時間までは０kgf／cm2(１気圧）のＮ 2 雰囲気
下で、その後表１に示す最高圧力まで毎分 15kgf／cm2
の昇圧速度で加圧し、最高温度での総保持時間が８時間
になるまで加熱・加圧した。この昇温・昇圧スケジュー
ルを図１に示す。これらの焼結体の室温４点曲げ強度
（JIS R 1601) 、高温４点曲げ強度（JIS R 1604、大気
中）及び破壊靱性値（JIS R 1607、SEPB法）を測定して
表１に示す結果を得た。焼結体の相対密度はｎ−ブタノ
ール置換法で求めた嵩密度を理論密度で除して得た値で
ある。残部は気孔率であるが、光学顕微鏡による鏡面研
磨面の観察結果からも裏付けられた。曲げ試験のｎ数は
15、破壊靱性値のｎ数は５で、値はその平均値である。
曲げ強度の標準偏差値はいずれの試料も室温で 80MPa以
下、1000℃で 50MPa以下であった。実施例の試料 NO.２
の焼結体組織をＴＥＭにて詳細に観察した結果、本発明
の製造法により炭化珪素粉末は均質に分散しており、炭
化珪素は焼結体の窒化珪素の粒界また粒界３重点に存在
していることが観察できた。また一部の SiCは Si3N4粒
内にも存在していた。
【００１４】
【表１】
【００１５】
【発明の効果】Si3N4−SiC 複合体において高温強度が
向上し、かつ製品形状の自由度が拡大する。
向上し、かつ製品形状の自由度が拡大する。
【図１】実施例の焼結の昇温・昇圧スケジュールを示す
図である。
図である。
Claims (1)
- 【請求項１】 Si3N4と、焼結助剤として重量比で４：
１から１：１の範囲のY2O3とMgAl2O4 をY2O3＋MgAl2O4
＋Si3N4 の総重量を 100wt％として４〜８wt％と、Y2O3
＋MgAl2O4 ＋Si3N4 の総重量を 100wt％として SiCを10
〜20wt％とを含む混合粉末を成形し、該成形体を1700〜
1800℃の範囲の温度まで加熱して予備焼結し、次いで同
温度範囲で雰囲気圧力を1000気圧以上に昇圧し、本焼結
することを特徴とする炭化珪素含有窒化珪素複合体の製
造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3022227A JP2773439B2 (ja) | 1991-02-15 | 1991-02-15 | 炭化珪素含有窒化珪素複合体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3022227A JP2773439B2 (ja) | 1991-02-15 | 1991-02-15 | 炭化珪素含有窒化珪素複合体の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04260669A JPH04260669A (ja) | 1992-09-16 |
| JP2773439B2 true JP2773439B2 (ja) | 1998-07-09 |
Family
ID=12076918
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3022227A Expired - Fee Related JP2773439B2 (ja) | 1991-02-15 | 1991-02-15 | 炭化珪素含有窒化珪素複合体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2773439B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003034581A (ja) | 2001-07-24 | 2003-02-07 | Toshiba Corp | 窒化けい素製耐摩耗性部材およびその製造方法 |
| CN102951905B (zh) * | 2003-09-25 | 2016-02-17 | 株式会社东芝 | 氮化硅耐磨部件及其制造方法 |
| DE10353973B4 (de) * | 2003-11-19 | 2006-08-17 | Beru Ag | Verfahren zum Herstellen eines keramischen Glühstiftes für eine keramische Glühkerze |
| CN107879753B (zh) * | 2017-11-24 | 2020-10-23 | 中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司 | 一种碳化硅-镁铝尖晶石复合耐火材料 |
| CN115677357B (zh) * | 2022-11-10 | 2023-07-11 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种高耐磨氮化硅陶瓷及其制备方法 |
-
1991
- 1991-02-15 JP JP3022227A patent/JP2773439B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04260669A (ja) | 1992-09-16 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |