JPH07165474A - 窒化珪素焼結体の製造方法 - Google Patents
窒化珪素焼結体の製造方法Info
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- JPH07165474A JPH07165474A JP5313614A JP31361493A JPH07165474A JP H07165474 A JPH07165474 A JP H07165474A JP 5313614 A JP5313614 A JP 5313614A JP 31361493 A JP31361493 A JP 31361493A JP H07165474 A JPH07165474 A JP H07165474A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】特に肉厚が厚いSi3 N4 焼結体を形成する場
合においても割れの発生が少なく、強度特性等のばらつ
きが少ない窒化珪素焼結体の製造方法を提供する。 【構成】窒化珪素粉末と焼結助剤との混合物から成る成
形体を、所定の焼結雰囲気中で焼結温度まで昇温し焼結
する窒化珪素焼結体の製造方法において、昇温開始温度
から800℃までの温度範囲においては10-3atm 以下
の真空雰囲気とする第1工程と、800℃から1700
℃までの温度範囲においては1〜1.5atmの非酸化性雰囲
気とする第2工程と、1700℃以上の温度範囲におい
ては5atm以上の非酸化性雰囲気とする第3工程との3
工程を経て焼結することを特徴とする。
合においても割れの発生が少なく、強度特性等のばらつ
きが少ない窒化珪素焼結体の製造方法を提供する。 【構成】窒化珪素粉末と焼結助剤との混合物から成る成
形体を、所定の焼結雰囲気中で焼結温度まで昇温し焼結
する窒化珪素焼結体の製造方法において、昇温開始温度
から800℃までの温度範囲においては10-3atm 以下
の真空雰囲気とする第1工程と、800℃から1700
℃までの温度範囲においては1〜1.5atmの非酸化性雰囲
気とする第2工程と、1700℃以上の温度範囲におい
ては5atm以上の非酸化性雰囲気とする第3工程との3
工程を経て焼結することを特徴とする。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は窒化珪素焼結体の製造方
法に係り、特に肉厚が厚い焼結体を形成する場合におい
ても、割れの発生が少なく、機械的強度特性のばらつき
が少ない窒化珪素焼結体の製造方法に関する。
法に係り、特に肉厚が厚い焼結体を形成する場合におい
ても、割れの発生が少なく、機械的強度特性のばらつき
が少ない窒化珪素焼結体の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】窒化珪素を主成分とするセラミックス焼
結体は軽量で高強度を有し、また耐摩耗特性や摺動性に
優れているため、ベアリングの転動体およびレース材や
各種摺動部材として広く普及し始め、さらに自動車部品
や化学機械部品にも利用されている。特に窒化珪素焼結
体は1900℃程度までの高温度範囲において優れた耐
熱性を有し、かつ熱膨脹係数も小さいため、また熱衝撃
に対する耐性も従来の金属材より優れていることから、
ガスタービン翼、ガスタービンノズル、内燃機関部品を
始め、各種の高強度耐熱部品材料としてその用途開発が
進められている。
結体は軽量で高強度を有し、また耐摩耗特性や摺動性に
優れているため、ベアリングの転動体およびレース材や
各種摺動部材として広く普及し始め、さらに自動車部品
や化学機械部品にも利用されている。特に窒化珪素焼結
体は1900℃程度までの高温度範囲において優れた耐
熱性を有し、かつ熱膨脹係数も小さいため、また熱衝撃
に対する耐性も従来の金属材より優れていることから、
ガスタービン翼、ガスタービンノズル、内燃機関部品を
始め、各種の高強度耐熱部品材料としてその用途開発が
進められている。
【0003】しかしながら、焼結体を構成する窒化珪素
粉末のみでは焼結性が極めて悪いため、通常窒化珪素焼
結体を製造する場合には、所定粒径の窒化珪素粉末に対
して、酸化イットリウム(Y2 O3 )等の希土類酸化物
やマグネシア、アルミナ、ジルコニア等の金属酸化物を
焼結助剤として添加し、得られた原料混合体をプレス成
形法等により成形体とし、この成形体を真空あるいは非
酸化性雰囲気中で常圧焼結して製造されている。
粉末のみでは焼結性が極めて悪いため、通常窒化珪素焼
結体を製造する場合には、所定粒径の窒化珪素粉末に対
して、酸化イットリウム(Y2 O3 )等の希土類酸化物
やマグネシア、アルミナ、ジルコニア等の金属酸化物を
焼結助剤として添加し、得られた原料混合体をプレス成
形法等により成形体とし、この成形体を真空あるいは非
酸化性雰囲気中で常圧焼結して製造されている。
【0004】このように窒化珪素粉末と焼結助剤とから
成る原料混合体を成形し、この成形体を真空下または常
圧焼結法を使用して焼結する工程は連続化が容易であ
り、製造設備も簡素になるため、安価な窒化珪素焼結体
を量産する方法として工業的に広く普及している。しか
しながら、窒化珪素(Si3 N4 )焼結体内に微細な気
孔が残存し易いため、高密度のSi3 N4 焼結体を得る
ことは困難であった。特に成形体の段階において最大肉
厚が20mm以上となるような大型の焼結体を形成しよう
とすると、表面に微小な亀裂やクラックを生じ易くな
り、製品歩留りが大幅に低下してしまう問題点があっ
た。
成る原料混合体を成形し、この成形体を真空下または常
圧焼結法を使用して焼結する工程は連続化が容易であ
り、製造設備も簡素になるため、安価な窒化珪素焼結体
を量産する方法として工業的に広く普及している。しか
しながら、窒化珪素(Si3 N4 )焼結体内に微細な気
孔が残存し易いため、高密度のSi3 N4 焼結体を得る
ことは困難であった。特に成形体の段階において最大肉
厚が20mm以上となるような大型の焼結体を形成しよう
とすると、表面に微小な亀裂やクラックを生じ易くな
り、製品歩留りが大幅に低下してしまう問題点があっ
た。
【0005】これに対して高温度下で加圧しながら焼結
するホットプレス法は気孔が少なく比較的に高密度の焼
結体が得られるが、焼結体は単純形状に限定され、複雑
形状の焼結体は形成しにくい上に焼結コストが高いとい
う問題点がある。
するホットプレス法は気孔が少なく比較的に高密度の焼
結体が得られるが、焼結体は単純形状に限定され、複雑
形状の焼結体は形成しにくい上に焼結コストが高いとい
う問題点がある。
【0006】これらの焼結方法に対して、焼結雰囲気を
加圧することによりSi3 N4 原料の分解を抑制しつつ
高温度で焼結を実施する雰囲気加圧焼結法の研究も盛ん
に実施されている。例えば特公平2−1793号公報に
は、Si3 N4 の焼結が大きく進行する温度範囲110
0〜1600℃において10-3〜0.9atm の窒素分圧
を有する減圧雰囲気を形成することにより、焼結の進行
を促進し、焼結体中の気孔残留を低減し高密度かつ高強
度のSi3 N4 焼結体を製造する方法が開示されてい
る。
加圧することによりSi3 N4 原料の分解を抑制しつつ
高温度で焼結を実施する雰囲気加圧焼結法の研究も盛ん
に実施されている。例えば特公平2−1793号公報に
は、Si3 N4 の焼結が大きく進行する温度範囲110
0〜1600℃において10-3〜0.9atm の窒素分圧
を有する減圧雰囲気を形成することにより、焼結の進行
を促進し、焼結体中の気孔残留を低減し高密度かつ高強
度のSi3 N4 焼結体を製造する方法が開示されてい
る。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記雰囲
気加圧焼結法は、比較的に肉厚が薄い焼結体を得るには
適しているが、例えば成形体の段階において肉厚が20
mm以上となる部位を有する大型の焼結体を形成しようと
すると、焼結体表面に亀裂や微小クラックを生じ製品歩
留りが低下するとともに焼結体の強度特性値等が大きく
ばらつくという問題点があった。
気加圧焼結法は、比較的に肉厚が薄い焼結体を得るには
適しているが、例えば成形体の段階において肉厚が20
mm以上となる部位を有する大型の焼結体を形成しようと
すると、焼結体表面に亀裂や微小クラックを生じ製品歩
留りが低下するとともに焼結体の強度特性値等が大きく
ばらつくという問題点があった。
【0008】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであり、特に、肉厚が厚いSi3 N4 焼結体を
形成する場合においても割れの発生が少なく、強度特性
等のばらつきが少ない窒化珪素焼結体の製造方法を提供
することを目的とする。
れたものであり、特に、肉厚が厚いSi3 N4 焼結体を
形成する場合においても割れの発生が少なく、強度特性
等のばらつきが少ない窒化珪素焼結体の製造方法を提供
することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者らは上記目的を
達成するため、温度、雰囲気圧力等の焼結条件を種々変
えて実験を繰り返し、それらの条件がSi3 N4 焼結体
の特性値に及ぼす影響を定量的に把握した。そして前記
特公平2−1793号公報に開示された方法で厚肉焼結
体を形成した場合における亀裂の発生機構を解明した。
すなわち一般に焼結は、成形体の外周部(表面)から中
心部に向って進行するが、上記開示方法における減圧雰
囲気(10-3〜0.9atm )の効果により、温度110
0〜1600℃の範囲で著しく焼結が進行し、その結
果、成形体の中心部と外周部とで焼結進行の差を生じ、
この焼結進行の差が成形体に大きな収縮量の差をもたら
し亀裂が生じることが判明した。また上記収縮量の差は
成形体の肉厚に比例して増大し、大型の成形体になるほ
ど亀裂の発生が顕著になることが判明した。
達成するため、温度、雰囲気圧力等の焼結条件を種々変
えて実験を繰り返し、それらの条件がSi3 N4 焼結体
の特性値に及ぼす影響を定量的に把握した。そして前記
特公平2−1793号公報に開示された方法で厚肉焼結
体を形成した場合における亀裂の発生機構を解明した。
すなわち一般に焼結は、成形体の外周部(表面)から中
心部に向って進行するが、上記開示方法における減圧雰
囲気(10-3〜0.9atm )の効果により、温度110
0〜1600℃の範囲で著しく焼結が進行し、その結
果、成形体の中心部と外周部とで焼結進行の差を生じ、
この焼結進行の差が成形体に大きな収縮量の差をもたら
し亀裂が生じることが判明した。また上記収縮量の差は
成形体の肉厚に比例して増大し、大型の成形体になるほ
ど亀裂の発生が顕著になることが判明した。
【0010】そして上記1100〜1600℃の温度範
囲における雰囲気圧力を、より適正に制御し、焼結の進
行速度を抑制制御することにより、成形体の内外部にお
ける収縮量差を小さくでき、亀裂の発生を効果的に防止
できることが判明した。本発明はこれらの知見に基づい
て完成されたものである。
囲における雰囲気圧力を、より適正に制御し、焼結の進
行速度を抑制制御することにより、成形体の内外部にお
ける収縮量差を小さくでき、亀裂の発生を効果的に防止
できることが判明した。本発明はこれらの知見に基づい
て完成されたものである。
【0011】すなわち本発明に係る窒化珪素焼結体の製
造方法は、窒化珪素粉末と焼結助剤との混合物から成る
成形体を、所定の焼結雰囲気中で焼結温度まで昇温し焼
結する窒化珪素焼結体の製造方法において、昇温開始温
度から800℃までの温度範囲においては10-3atm 以
下の真空雰囲気とする第1工程と、800℃から170
0℃までの温度範囲においては1〜1.5atm の非酸化
性雰囲気とする第2工程と、1700℃以上の温度範囲
においては5atm 以上の非酸化性雰囲気とする第3工程
との3工程を経て焼結することを特徴とする。
造方法は、窒化珪素粉末と焼結助剤との混合物から成る
成形体を、所定の焼結雰囲気中で焼結温度まで昇温し焼
結する窒化珪素焼結体の製造方法において、昇温開始温
度から800℃までの温度範囲においては10-3atm 以
下の真空雰囲気とする第1工程と、800℃から170
0℃までの温度範囲においては1〜1.5atm の非酸化
性雰囲気とする第2工程と、1700℃以上の温度範囲
においては5atm 以上の非酸化性雰囲気とする第3工程
との3工程を経て焼結することを特徴とする。
【0012】ここで上記窒化珪素粉末としては、粒径が
5μm以下好ましくは2μm以下の微細で高純度の原料
粉末を使用する。特に焼結体の粒界に低融点化合物を形
成するリチウム、カリウム、ナトリウム、カルシウム、
鉄などの不純物の含有量が0.5%以下のものを使用す
る。
5μm以下好ましくは2μm以下の微細で高純度の原料
粉末を使用する。特に焼結体の粒界に低融点化合物を形
成するリチウム、カリウム、ナトリウム、カルシウム、
鉄などの不純物の含有量が0.5%以下のものを使用す
る。
【0013】また焼結助剤としては、イットリア、アル
ミナ、マグネシア、ベリリア、セリア、ジルコニア、シ
リカ、窒化アルミニウム等が1種または2種以上組み合
せて使用される。この焼結助剤の窒化珪素粉末に対する
配合量は0.1〜10重量%好ましくは1〜5重量%で
ある。
ミナ、マグネシア、ベリリア、セリア、ジルコニア、シ
リカ、窒化アルミニウム等が1種または2種以上組み合
せて使用される。この焼結助剤の窒化珪素粉末に対する
配合量は0.1〜10重量%好ましくは1〜5重量%で
ある。
【0014】さらに上記成形体は上記窒化珪素粉末と焼
結助剤との混合物を金型成形法、泥漿鋳込法、ラバープ
レス法、射出成形法、押出し成形法によって最終製品形
状に近い(Near Net Shape)形状に成形されたものを使
用する。
結助剤との混合物を金型成形法、泥漿鋳込法、ラバープ
レス法、射出成形法、押出し成形法によって最終製品形
状に近い(Near Net Shape)形状に成形されたものを使
用する。
【0015】ところで、セラミックス焼結体は硬脆材で
あり、金属材料と異なり、塑性加工によって所定形状に
加工することは困難であり、焼結体の段階で最終製品形
状まで加工するには膨大な加工工数が必要となる。一
方、上記プレス成形法およびラバープレス法では比較的
に単純形状の成形体しか形成できないため、複雑形状製
品を対象とする場合には、一旦上記プレス成形法等によ
って単純形状の一次成形体を形成し、しかる後にこの一
次成形体を旋盤等の加工機械を使用して生加工する場合
がある。この場合外径寸法が小さい一次成形体の場合に
は、旋盤加工時における一次成形体表面の周速も小さい
ため、研削抵抗も小さく一次成形体にクラック等の欠陥
が発生することは少ない。
あり、金属材料と異なり、塑性加工によって所定形状に
加工することは困難であり、焼結体の段階で最終製品形
状まで加工するには膨大な加工工数が必要となる。一
方、上記プレス成形法およびラバープレス法では比較的
に単純形状の成形体しか形成できないため、複雑形状製
品を対象とする場合には、一旦上記プレス成形法等によ
って単純形状の一次成形体を形成し、しかる後にこの一
次成形体を旋盤等の加工機械を使用して生加工する場合
がある。この場合外径寸法が小さい一次成形体の場合に
は、旋盤加工時における一次成形体表面の周速も小さい
ため、研削抵抗も小さく一次成形体にクラック等の欠陥
が発生することは少ない。
【0016】しかしながら一次成形体が厚肉で大型にな
ると、研削抵抗も増加し、また切削用バイドの切れが劣
化し易くなる等の要因も加わって、一次成形体が損傷し
たり、機械的な衝撃力の付加により微小なクラックを発
生させる割合が高くなり、最終製品の歩留りを低下させ
る問題点もあった。
ると、研削抵抗も増加し、また切削用バイドの切れが劣
化し易くなる等の要因も加わって、一次成形体が損傷し
たり、機械的な衝撃力の付加により微小なクラックを発
生させる割合が高くなり、最終製品の歩留りを低下させ
る問題点もあった。
【0017】本発明者らは上記一次成形体の生加工時に
発生する加工傷を消滅せしめる方法として、生加工済の
二次成形体を、ナイロン・ポリエチレンフィルム等の袋
に密封収容した状態で、または二次成形体をシリコンゴ
ム等の疎水性の保護膜で被覆した状態で300kgf/cm2
以上の加圧力でCIP(冷間静水圧プレス)処理する方
法を案出した。
発生する加工傷を消滅せしめる方法として、生加工済の
二次成形体を、ナイロン・ポリエチレンフィルム等の袋
に密封収容した状態で、または二次成形体をシリコンゴ
ム等の疎水性の保護膜で被覆した状態で300kgf/cm2
以上の加圧力でCIP(冷間静水圧プレス)処理する方
法を案出した。
【0018】上記二次成形体をCIP処理することによ
り、生加工時に発生した加工傷を消滅させることがで
き、加工傷に起因する焼結体の割れの問題がほぼ解消で
き、Si3 N4 焼結体の製品歩留りを大幅に改善でき
る。上記CIP処理は、特に生成形体の段階で直径が2
0mm以上の大型サイズのものについて優れた効果を発揮
する。
り、生加工時に発生した加工傷を消滅させることがで
き、加工傷に起因する焼結体の割れの問題がほぼ解消で
き、Si3 N4 焼結体の製品歩留りを大幅に改善でき
る。上記CIP処理は、特に生成形体の段階で直径が2
0mm以上の大型サイズのものについて優れた効果を発揮
する。
【0019】次に上記のように形成された成形体は、焼
結炉に装填され、前記のように昇温開始から焼結完了ま
での温度および雰囲気圧力を調整されながら焼結され
る。
結炉に装填され、前記のように昇温開始から焼結完了ま
での温度および雰囲気圧力を調整されながら焼結され
る。
【0020】すなわち前記第1工程においては、10-3
atm 以下の真空雰囲気を利用して、窒化珪素と焼結助剤
とから成る成形体に吸着あるいは付着している水分や酸
素等の不純物を除去する工程である。この真空雰囲気圧
力が10-3atm を超える場合には不純物の除去効率が低
下してしまう。
atm 以下の真空雰囲気を利用して、窒化珪素と焼結助剤
とから成る成形体に吸着あるいは付着している水分や酸
素等の不純物を除去する工程である。この真空雰囲気圧
力が10-3atm を超える場合には不純物の除去効率が低
下してしまう。
【0021】また前記第2工程においては、1〜1.5
atm の非酸化性雰囲気に調整して成形体から放出される
SiOやCO等のガス発生量を制御すると同時に焼結の
進行速度を緩慢に制御することにより、成形体の外周部
と中心部との間の収縮量の差を小さくし亀裂の発生を防
止する。雰囲気圧力が1atm 未満の減圧雰囲気では焼結
の進行速度が過大になり収縮量差を低減することが困難
となる一方、雰囲気圧力が1.5atm を超える場合に
は、焼結の進行速度が低下し、焼結効率が低下してしま
う。また温度800〜1700℃の範囲における昇温焼
結時間を1時間以上に設定することにより、昇温速度が
過大にならず、また焼結の進行を妨げることなく、気孔
の残存量が極めて少ない高密度かつ高強度のSi3 N4
焼結体を得ることができる。
atm の非酸化性雰囲気に調整して成形体から放出される
SiOやCO等のガス発生量を制御すると同時に焼結の
進行速度を緩慢に制御することにより、成形体の外周部
と中心部との間の収縮量の差を小さくし亀裂の発生を防
止する。雰囲気圧力が1atm 未満の減圧雰囲気では焼結
の進行速度が過大になり収縮量差を低減することが困難
となる一方、雰囲気圧力が1.5atm を超える場合に
は、焼結の進行速度が低下し、焼結効率が低下してしま
う。また温度800〜1700℃の範囲における昇温焼
結時間を1時間以上に設定することにより、昇温速度が
過大にならず、また焼結の進行を妨げることなく、気孔
の残存量が極めて少ない高密度かつ高強度のSi3 N4
焼結体を得ることができる。
【0022】また第3工程の1700℃以上の温度範囲
においては、5atm 以上の加圧した非酸化性雰囲気に調
整し、Si3 N4 の熱分解を抑制しながら焼結を完結さ
せる。
においては、5atm 以上の加圧した非酸化性雰囲気に調
整し、Si3 N4 の熱分解を抑制しながら焼結を完結さ
せる。
【0023】非酸化性雰囲気の圧力は、原料組成および
焼結助剤の添加量によって変化し、5〜2000atm 程
度に設定される。特に雰囲気圧力を150atm 程度にす
ると、Si3 N4 の分解温度は2100〜2200℃ま
で上昇するので、より高温度で焼結ができ緻密化が可能
となる。しかしながら、上記高温度における成分蒸発や
粒子成長による低密度化を防止するため、温度1700
〜1800℃の範囲においては非酸化性雰囲気圧力を5
〜50atm 程度に設定するとともに温度1700〜20
00℃にて焼結を実施する方が好ましい。
焼結助剤の添加量によって変化し、5〜2000atm 程
度に設定される。特に雰囲気圧力を150atm 程度にす
ると、Si3 N4 の分解温度は2100〜2200℃ま
で上昇するので、より高温度で焼結ができ緻密化が可能
となる。しかしながら、上記高温度における成分蒸発や
粒子成長による低密度化を防止するため、温度1700
〜1800℃の範囲においては非酸化性雰囲気圧力を5
〜50atm 程度に設定するとともに温度1700〜20
00℃にて焼結を実施する方が好ましい。
【0024】上記昇温焼結工程においては、成形体の温
度上昇に従って昇温速度が徐々に減少するように制御さ
れる。すなわち昇温開始温度から1200℃の温度範囲
においては成形体から含有ガスが放出されるが収縮は起
こらないため、10℃/分の昇温速度で一気に成形体温
度を上昇させる。そして温度範囲1200〜1500℃
においては、2.5〜5℃/分の昇温速度で成形体を加
熱して焼結を大きく進行せしめ、さらに1500〜17
00℃の範囲では2.5℃/分前後の昇温速度で加熱
し、さらに1700℃から最終焼結温度に達するまでは
1〜2℃/分の昇温速度で加熱するとよい。
度上昇に従って昇温速度が徐々に減少するように制御さ
れる。すなわち昇温開始温度から1200℃の温度範囲
においては成形体から含有ガスが放出されるが収縮は起
こらないため、10℃/分の昇温速度で一気に成形体温
度を上昇させる。そして温度範囲1200〜1500℃
においては、2.5〜5℃/分の昇温速度で成形体を加
熱して焼結を大きく進行せしめ、さらに1500〜17
00℃の範囲では2.5℃/分前後の昇温速度で加熱
し、さらに1700℃から最終焼結温度に達するまでは
1〜2℃/分の昇温速度で加熱するとよい。
【0025】上記雰囲気ガスとしては、N2 ガス、N2
+H2 の混合ガス、N2 +COの混合ガス、またはN2
+H2 +CO等の非酸化性ガスが好適であり、これらの
ガスは焼結炉に接続された高圧ボンベから所定の圧力を
形成するように焼結炉内に充填される。
+H2 の混合ガス、N2 +COの混合ガス、またはN2
+H2 +CO等の非酸化性ガスが好適であり、これらの
ガスは焼結炉に接続された高圧ボンベから所定の圧力を
形成するように焼結炉内に充填される。
【0026】
【作用】上記構成に係る窒化珪素焼結体の製造方法によ
れば、焼結温度に至る各昇温段階において雰囲気圧力を
調整して、成形体全体について焼結進行割合が均一にな
るように制御しているため、成形体の内外部において収
縮量の差が表われることが少ない。したがって、特に肉
厚の大型焼結体を製造する場合においても、割れ等の欠
陥の発生が少なく、強度特性値等のばらつきが小さい高
品質の窒化珪素焼結体を製造することができる。
れば、焼結温度に至る各昇温段階において雰囲気圧力を
調整して、成形体全体について焼結進行割合が均一にな
るように制御しているため、成形体の内外部において収
縮量の差が表われることが少ない。したがって、特に肉
厚の大型焼結体を製造する場合においても、割れ等の欠
陥の発生が少なく、強度特性値等のばらつきが小さい高
品質の窒化珪素焼結体を製造することができる。
【0027】
【実施例】次に本発明の一実施例について添付図面等を
参照してより具体的に説明する。
参照してより具体的に説明する。
【0028】実施例1 平均粒径1μmの窒化珪素粉末に5重量%のイットリア
(Y2 O3 )および2重量%のアルミナ(Al2 O3 )
を焼結助剤として添加し、エチルアルコール中で24時
間混合した。混合体を乾燥後、プレス成形型に充填し
て、加圧力350kg/cm2 で成形して50mm×50mm×
厚さ30mmの成形体を調製した。
(Y2 O3 )および2重量%のアルミナ(Al2 O3 )
を焼結助剤として添加し、エチルアルコール中で24時
間混合した。混合体を乾燥後、プレス成形型に充填し
て、加圧力350kg/cm2 で成形して50mm×50mm×
厚さ30mmの成形体を調製した。
【0029】次に得られた成形体を、表1に示すような
各温度範囲、N2 ガス雰囲気圧力および昇温焼結時間で
焼結し、実施例1に係るSi3 N4 焼結体を多数製造し
た。なお、焼結温度と焼結時間との関係を図1に示す。
そしてこのSi3 N4 焼結体から3mm×4mm×40mmの
抗折試験片を切り出し、JIS−1061抗折強度測定
法に基づき、抗折強度の平均値を測定するとともに、密
度のばらつき、表面部の亀裂の深さおよび破壊靭性値K
ICのばらつきを求め、さらに最終製品としての割れ等の
欠陥がない焼結体製品の製造歩留りを測定して表2に示
す結果を得た。
各温度範囲、N2 ガス雰囲気圧力および昇温焼結時間で
焼結し、実施例1に係るSi3 N4 焼結体を多数製造し
た。なお、焼結温度と焼結時間との関係を図1に示す。
そしてこのSi3 N4 焼結体から3mm×4mm×40mmの
抗折試験片を切り出し、JIS−1061抗折強度測定
法に基づき、抗折強度の平均値を測定するとともに、密
度のばらつき、表面部の亀裂の深さおよび破壊靭性値K
ICのばらつきを求め、さらに最終製品としての割れ等の
欠陥がない焼結体製品の製造歩留りを測定して表2に示
す結果を得た。
【0030】実施例2 平均粒径1μmの窒化珪素粉末に5重量%のイットリア
(Y2 O3 )および2重量%のアルミナ(Al2 O3 )
を焼結助剤として添加し、エチルアルコール中で24時
間混合した。混合体を乾燥後、プレス成形型に充填し
て、加圧力1000kg/cm2 で成形して円柱状の一次成
形体を多数形成した。次に得られた円柱状の一次成形体
の長手方向両端部を旋盤加工によって半球状に生切削加
工して球状の二次成形体を調製した。次に得られた球状
の二次成形体をナイロン−ポリエチレンフィルム製の袋
内に挿入して真空引き後、袋の開口部を熱シールし、袋
に充填した二次成形体(ボールベアリング用球体)を圧
力800kgf/cm2 でCIP(冷間静水圧)処理して直径
が40mmである球状の成形体を調製した。
(Y2 O3 )および2重量%のアルミナ(Al2 O3 )
を焼結助剤として添加し、エチルアルコール中で24時
間混合した。混合体を乾燥後、プレス成形型に充填し
て、加圧力1000kg/cm2 で成形して円柱状の一次成
形体を多数形成した。次に得られた円柱状の一次成形体
の長手方向両端部を旋盤加工によって半球状に生切削加
工して球状の二次成形体を調製した。次に得られた球状
の二次成形体をナイロン−ポリエチレンフィルム製の袋
内に挿入して真空引き後、袋の開口部を熱シールし、袋
に充填した二次成形体(ボールベアリング用球体)を圧
力800kgf/cm2 でCIP(冷間静水圧)処理して直径
が40mmである球状の成形体を調製した。
【0031】次に得られたCIP処理済の二次成形体
を、表1に示すような各温度範囲、N2 ガス雰囲気圧力
および昇温焼結時間で焼結し、実施例2に係るSi3 N
4 焼結体を多数製造した。そして得られた球状のSi3
N4 焼結体を半分に切断して、球表面から発生した亀裂
長さの最大値を測定した。また図2に示すように切断面
の外周部に8ヶ所の測定点P01〜P08を設定し、中心部
に6ヶ所の測定点PI1〜PI6を設定し、中心部における
破壊靭性値PI1〜PI6の平均値と外周部における破壊靭
性値P01〜P08の平均値との差を破壊靭性値KICのばら
つきとして測定評価した。
を、表1に示すような各温度範囲、N2 ガス雰囲気圧力
および昇温焼結時間で焼結し、実施例2に係るSi3 N
4 焼結体を多数製造した。そして得られた球状のSi3
N4 焼結体を半分に切断して、球表面から発生した亀裂
長さの最大値を測定した。また図2に示すように切断面
の外周部に8ヶ所の測定点P01〜P08を設定し、中心部
に6ヶ所の測定点PI1〜PI6を設定し、中心部における
破壊靭性値PI1〜PI6の平均値と外周部における破壊靭
性値P01〜P08の平均値との差を破壊靭性値KICのばら
つきとして測定評価した。
【0032】比較例1 実施例1において調製した成形体を焼結するに際して、
第2工程におけるN2 ガス雰囲気圧力を6atm と過大に
設定した以外は実施例1と同様に処理して同一寸法のS
i3 N4 焼結体を製造し、実施例1と同様に各種特性値
を測定した。
第2工程におけるN2 ガス雰囲気圧力を6atm と過大に
設定した以外は実施例1と同様に処理して同一寸法のS
i3 N4 焼結体を製造し、実施例1と同様に各種特性値
を測定した。
【0033】比較例2 実施例1において調製した成形体を焼結するに際して、
第1〜3工程における温度範囲を表1に示したように変
則的に設定するとともに、第2工程におけるN2 ガス雰
囲気圧力を0.1atm と減圧し昇温焼結時間を1時間に
設定した以外は実施例1と同様に処理してSi3 N4 焼
結体を製造し、その強度特性値を測定した。
第1〜3工程における温度範囲を表1に示したように変
則的に設定するとともに、第2工程におけるN2 ガス雰
囲気圧力を0.1atm と減圧し昇温焼結時間を1時間に
設定した以外は実施例1と同様に処理してSi3 N4 焼
結体を製造し、その強度特性値を測定した。
【0034】比較例3 実施例1において調製した成形体を焼結するに際して、
第3工程におけるN2 ガス雰囲気圧力を2.5atm と過
小に設定した以外は実施例1と同様に処理して同一寸法
のSi3 N4 焼結体を製造し、実施例1と同様に各種特
性値を測定した。
第3工程におけるN2 ガス雰囲気圧力を2.5atm と過
小に設定した以外は実施例1と同様に処理して同一寸法
のSi3 N4 焼結体を製造し、実施例1と同様に各種特
性値を測定した。
【0035】上記実施例1〜2および比較例1〜3に係
るSi3 N4 焼結体の焼結条件および各特性値をまとめ
て下記表1〜2に示す。
るSi3 N4 焼結体の焼結条件および各特性値をまとめ
て下記表1〜2に示す。
【0036】
【表1】
【0037】
【表2】
【0038】上記表2に示す結果から明らかなように、
実施例1〜2に係るSi3 N4 焼結体は、比較例1〜3
と比較して密度および破壊靭性値のばらつきが小さく抗
折強度も高くなり、高品質の焼結体となった。特に亀裂
の発生が少なく製品歩留りを大幅に改善することができ
た。
実施例1〜2に係るSi3 N4 焼結体は、比較例1〜3
と比較して密度および破壊靭性値のばらつきが小さく抗
折強度も高くなり、高品質の焼結体となった。特に亀裂
の発生が少なく製品歩留りを大幅に改善することができ
た。
【0039】一方、比較例1に係る焼結体によれば、第
2工程の低温度域で加圧して焼結しているため、成形体
の表面部が緻密化するため、成形体内部からの揮散ガス
が抜けず、膨れを生じるとともに内外部における密度お
よび強度のばらつきが大きくなり、亀裂の発生もあり製
造歩留りが大幅に低下した。
2工程の低温度域で加圧して焼結しているため、成形体
の表面部が緻密化するため、成形体内部からの揮散ガス
が抜けず、膨れを生じるとともに内外部における密度お
よび強度のばらつきが大きくなり、亀裂の発生もあり製
造歩留りが大幅に低下した。
【0040】また比較例2に係る焼結体によれば、第2
工程において減圧雰囲気としているため、成形体の内外
部における焼結の進行割合に差を生じ、収縮量の差が現
われ、その結果、亀裂の発生が多く製造歩留りがやや低
下した。
工程において減圧雰囲気としているため、成形体の内外
部における焼結の進行割合に差を生じ、収縮量の差が現
われ、その結果、亀裂の発生が多く製造歩留りがやや低
下した。
【0041】一方比較例3においては、実施例1と比較
して、密度および強度特性においてばらつきは大差ない
が、焼結体表面に肌荒れを生じる割合が多く、結果とし
て製品歩留りが低下してしまった。
して、密度および強度特性においてばらつきは大差ない
が、焼結体表面に肌荒れを生じる割合が多く、結果とし
て製品歩留りが低下してしまった。
【0042】
【発明の効果】以上説明の通り本発明に係る窒化珪素焼
結体の製造方法によれば、焼結温度に至る各昇温段階に
おいて雰囲気圧力を調整して成形体の全体について焼結
進行割合が均一になるように制御しているため、成形体
の内外部において収縮量の差が表われることが少ない。
したがって、特に肉厚の大型焼結体を製造する場合にお
いても、割れ等の欠陥の発生が少なく、強度特性値等の
ばらつきが小さい高品質の窒化珪素焼結体を製造するこ
とができる。
結体の製造方法によれば、焼結温度に至る各昇温段階に
おいて雰囲気圧力を調整して成形体の全体について焼結
進行割合が均一になるように制御しているため、成形体
の内外部において収縮量の差が表われることが少ない。
したがって、特に肉厚の大型焼結体を製造する場合にお
いても、割れ等の欠陥の発生が少なく、強度特性値等の
ばらつきが小さい高品質の窒化珪素焼結体を製造するこ
とができる。
【図1】実施例1における焼結時間と焼結温度との関係
を示すグラフ。
を示すグラフ。
【図2】実施例2に係るSi3 N4 焼結体の破壊靭性値
KICの測定点を示す断面図。
KICの測定点を示す断面図。
1 Si3 N4 焼結体 P01〜P08,PI1〜PI6 KICの測定点
Claims (3)
- 【請求項1】 窒化珪素粉末と焼結助剤との混合物から
成る成形体を、所定の焼結雰囲気中で焼結温度まで昇温
し焼結する窒化珪素焼結体の製造方法において、昇温開
始温度から800℃までの温度範囲においては10-3at
m 以下の真空雰囲気とする第1工程と、800℃から1
700℃までの温度範囲においては1〜1.5atm の非
酸化性雰囲気とする第2工程と、1700℃以上の温度
範囲においては5atm 以上の非酸化性雰囲気とする第3
工程との3工程を経て焼結することを特徴とする窒化珪
素焼結体の製造方法。 - 【請求項2】 成形体の最大肉厚が20mm以上であるこ
とを特徴とする請求項1記載の窒化珪素焼結体の製造方
法。 - 【請求項3】 800〜1700℃の温度範囲における
焼結時間を1時間以上に設定することを特徴とする請求
項1記載の窒化珪素焼結体の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5313614A JPH07165474A (ja) | 1993-12-14 | 1993-12-14 | 窒化珪素焼結体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5313614A JPH07165474A (ja) | 1993-12-14 | 1993-12-14 | 窒化珪素焼結体の製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07165474A true JPH07165474A (ja) | 1995-06-27 |
Family
ID=18043444
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP5313614A Pending JPH07165474A (ja) | 1993-12-14 | 1993-12-14 | 窒化珪素焼結体の製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH07165474A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001192258A (ja) * | 1999-12-28 | 2001-07-17 | Toshiba Corp | セラミックス焼結体とその製造方法、及びそれを用いた摺動部材、ベアリングボール、ベアリング |
-
1993
- 1993-12-14 JP JP5313614A patent/JPH07165474A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001192258A (ja) * | 1999-12-28 | 2001-07-17 | Toshiba Corp | セラミックス焼結体とその製造方法、及びそれを用いた摺動部材、ベアリングボール、ベアリング |
JP4642956B2 (ja) * | 1999-12-28 | 2011-03-02 | 株式会社東芝 | ベアリングボール、ベアリング、およびベアリングボールの製造方法 |
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