JPS63252967A - 窒化珪素質焼結体の製造方法 - Google Patents
窒化珪素質焼結体の製造方法Info
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- JPS63252967A JPS63252967A JP62087842A JP8784287A JPS63252967A JP S63252967 A JPS63252967 A JP S63252967A JP 62087842 A JP62087842 A JP 62087842A JP 8784287 A JP8784287 A JP 8784287A JP S63252967 A JPS63252967 A JP S63252967A
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Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は高温強度に優れた窒化珪素質焼結体の製造方法
に関し、より詳細には、高温易焼結性に優れ、高温強度
に優れた窒化珪素質焼結体の製造方法に関する。
に関し、より詳細には、高温易焼結性に優れ、高温強度
に優れた窒化珪素質焼結体の製造方法に関する。
窒化珪素を主体とする焼結体は原子の結合様式が共有結
合を主として成り、強度、硬度、熱的化学的安定性にお
いて優れた特性を有することからエンジニアリングセラ
ミックス、特に熱機関として例えばガスタービン等への
応用が進められているが、熱機関はその効率化に伴い熱
機関の作動温度も1400℃以上に上昇しつつあり、こ
の条件での使用可能な材料が望まれている。
合を主として成り、強度、硬度、熱的化学的安定性にお
いて優れた特性を有することからエンジニアリングセラ
ミックス、特に熱機関として例えばガスタービン等への
応用が進められているが、熱機関はその効率化に伴い熱
機関の作動温度も1400℃以上に上昇しつつあり、こ
の条件での使用可能な材料が望まれている。
窒化珪素質焼結体の製造方法には窒化珪素単独での焼結
性を上げるために、金属酸化物、窒化物等の焼結助剤を
配合することが知られている。
性を上げるために、金属酸化物、窒化物等の焼結助剤を
配合することが知られている。
また、窒化珪素粉末にはその結晶形態の違いにより、α
型とβ型との2種が存在することが知られているが焼結
体を得るための原料粉末としては、そのほとんどが高α
化率のものを用いている。
型とβ型との2種が存在することが知られているが焼結
体を得るための原料粉末としては、そのほとんどが高α
化率のものを用いている。
これは焼結温度が1600℃〜1800℃の温度範囲で
はβ型ではほとんど焼結しないためである。そのため、
従来から高緻密の焼結体を得るためには高α化率の窒化
珪素粉末が必要とされ、高α化率の窒化珪素粉末を製造
するための研究が数多く進められている。
はβ型ではほとんど焼結しないためである。そのため、
従来から高緻密の焼結体を得るためには高α化率の窒化
珪素粉末が必要とされ、高α化率の窒化珪素粉末を製造
するための研究が数多く進められている。
高α化率の窒化珪素粉末を原料粉末として用いた焼結体
の製造方法としては窒化珪素粉末と焼結助剤との混合物
を成形後、常圧焼成法、ホットプレス法、ガス圧力焼成
法、熱間静水圧焼成法等を用い、1500〜2000℃
の窒素雰囲気で焼成するものである。
の製造方法としては窒化珪素粉末と焼結助剤との混合物
を成形後、常圧焼成法、ホットプレス法、ガス圧力焼成
法、熱間静水圧焼成法等を用い、1500〜2000℃
の窒素雰囲気で焼成するものである。
また、α−5tJ4の焼結過程には2つの緻密化過程が
存在することが知られている。第1の過程は1600℃
〜1800℃の温度領域で生じα−5iJaからβ−5
i3N4への転移と同時に焼結助剤によって生成される
液相により緻密化が生じると考えられている。この両者
が同時に生じる為に緻密化と共に針状の粒成長も生じる
。常圧焼成法、ホットプレス法では1800℃以上まで
温度を上げるは、窒化珪素が分解する可能性があること
から、主として第1の過程のみで焼結させる必要がある
ことから、多量の焼結助剤を必要とする。
存在することが知られている。第1の過程は1600℃
〜1800℃の温度領域で生じα−5iJaからβ−5
i3N4への転移と同時に焼結助剤によって生成される
液相により緻密化が生じると考えられている。この両者
が同時に生じる為に緻密化と共に針状の粒成長も生じる
。常圧焼成法、ホットプレス法では1800℃以上まで
温度を上げるは、窒化珪素が分解する可能性があること
から、主として第1の過程のみで焼結させる必要がある
ことから、多量の焼結助剤を必要とする。
第2の緻密化過程は、窒素加圧下の1800℃以上で起
こり、焼結助剤の液相とβ−5iJ4が反応し、5iJ
4粒子の溶解析出により緻密化が進むと考えられている
。
こり、焼結助剤の液相とβ−5iJ4が反応し、5iJ
4粒子の溶解析出により緻密化が進むと考えられている
。
本発明者等は高α化率の窒化珪素粉末を用いて上記の方
法にて高密度で高温強度に優れた焼結体を得ようと試み
たが、その特性上限界があることを知見した。その原因
を追求したところ、焼成工程上、低温域におけるα−S
i、tLからβ−5iJnへの転移に伴う針状の焼結粒
成長によって結晶粒が粗大化してしまい、その後の高温
化での高緻密化が阻害されるためと考えられる。高温強
度に優れた特性を得るためには焼結体の組織を微細緻密
化にする必要があることを考慮すればα−5i3N4か
らβ−5hNaへの転移工程が存在することはほとんど
致命的であると言える。低温域での粒成長を抑えつつ転
移させることも不可能ではないが、条件設定が極めて難
しく焼結体の安定製造ができない等の不都合がある。よ
って、本発明の目的は上記問題点を解決することを主た
るもので、詳細には微細な構造から成る高緻密な焼結体
を得るための製造方法を提供することにある。本発明の
他の目的は対理論密度比98%以上、1400℃におけ
る抗折強度40 Kg/wm”以上の高温強度に優れた
焼結体を安定して得るための製造方法を提供することに
ある0本発明のさらに他の目的は易焼結性に優れ、焼成
工程が簡略化された製造方法を提供することにある。
法にて高密度で高温強度に優れた焼結体を得ようと試み
たが、その特性上限界があることを知見した。その原因
を追求したところ、焼成工程上、低温域におけるα−S
i、tLからβ−5iJnへの転移に伴う針状の焼結粒
成長によって結晶粒が粗大化してしまい、その後の高温
化での高緻密化が阻害されるためと考えられる。高温強
度に優れた特性を得るためには焼結体の組織を微細緻密
化にする必要があることを考慮すればα−5i3N4か
らβ−5hNaへの転移工程が存在することはほとんど
致命的であると言える。低温域での粒成長を抑えつつ転
移させることも不可能ではないが、条件設定が極めて難
しく焼結体の安定製造ができない等の不都合がある。よ
って、本発明の目的は上記問題点を解決することを主た
るもので、詳細には微細な構造から成る高緻密な焼結体
を得るための製造方法を提供することにある。本発明の
他の目的は対理論密度比98%以上、1400℃におけ
る抗折強度40 Kg/wm”以上の高温強度に優れた
焼結体を安定して得るための製造方法を提供することに
ある0本発明のさらに他の目的は易焼結性に優れ、焼成
工程が簡略化された製造方法を提供することにある。
本発明者等は前述した問題点に対し研究を進めた結果、
β−5il!Naを多量に含む原料粉末を窒素ガス加圧
下の1800℃以上の高温で焼成することによって前述
した第1の緻密化過程における針状結晶の成長を抑制せ
しめ、第2の緻密化過程のみで、高緻密質の高温強度に
優れた焼結体を得ることができることを知見した。
β−5il!Naを多量に含む原料粉末を窒素ガス加圧
下の1800℃以上の高温で焼成することによって前述
した第1の緻密化過程における針状結晶の成長を抑制せ
しめ、第2の緻密化過程のみで、高緻密質の高温強度に
優れた焼結体を得ることができることを知見した。
即ち、β−5iJnを多量に含む窒化珪素原料粉末と焼
結助剤とから成る成形体を焼成する場合、初期からβ−
Si:+N4を用いるために1850℃以下での従来で
の転移工程はほとんど不用となる。
結助剤とから成る成形体を焼成する場合、初期からβ−
Si:+N4を用いるために1850℃以下での従来で
の転移工程はほとんど不用となる。
温度の上昇に従い、1850℃以下の低温域では焼結助
剤によって液相が形成され緻密化は進行するがβ−5i
J4が多い程、低温での粒成長は生じないため、β−5
isNnは原料粉末の粒径とほぼ同じ粒径のままで18
50℃以上の高温域まで達する。原料粉末中にα−5i
Jaを含む場合、低温域での粒成長は温度保持時間に依
存することから、保持時間を短縮することによって、粒
成長を抑制できる。つまり、昇温過程にて粒成長を抑制
しつつ、微細なβ−9i3N、のまま、あるいは微細な
β−5iJnとαからβへの転移に伴い粒成長したβ−
5t1N、との混合物のままで1850℃の高温に昇温
することができる。高温域ではβ−5isN4と液相と
が反応しβ−3iJa粒子の溶解析出により緻密化が進
むと同時に残存するα−Si、N、のβ−3i3N4へ
の転移とが同時進行し、最終的には微細なβ−3i、N
、結晶粒子および焼結助剤成分を主体とする粒界とから
成る極めて緻密な焼結体となるのである。
剤によって液相が形成され緻密化は進行するがβ−5i
J4が多い程、低温での粒成長は生じないため、β−5
isNnは原料粉末の粒径とほぼ同じ粒径のままで18
50℃以上の高温域まで達する。原料粉末中にα−5i
Jaを含む場合、低温域での粒成長は温度保持時間に依
存することから、保持時間を短縮することによって、粒
成長を抑制できる。つまり、昇温過程にて粒成長を抑制
しつつ、微細なβ−9i3N、のまま、あるいは微細な
β−5iJnとαからβへの転移に伴い粒成長したβ−
5t1N、との混合物のままで1850℃の高温に昇温
することができる。高温域ではβ−5isN4と液相と
が反応しβ−3iJa粒子の溶解析出により緻密化が進
むと同時に残存するα−Si、N、のβ−3i3N4へ
の転移とが同時進行し、最終的には微細なβ−3i、N
、結晶粒子および焼結助剤成分を主体とする粒界とから
成る極めて緻密な焼結体となるのである。
本発明において用いられる窒化珪素粉末は、β−Si
J、の含有率が30重量%以上、好ましくは40重量%
以上、その平均粒子径が1μm以下、特に0.7μ讃以
下の微細な球状あるいは不定形の粒子であることが望ま
しい。
J、の含有率が30重量%以上、好ましくは40重量%
以上、その平均粒子径が1μm以下、特に0.7μ讃以
下の微細な球状あるいは不定形の粒子であることが望ま
しい。
β−3iJ4の含有率が30重量%を下回ると低温域に
おいて針状結晶の成長が大きくなり、本発明の目的が達
成されない。
おいて針状結晶の成長が大きくなり、本発明の目的が達
成されない。
また、平均粒子径が1μmを上回ると緻密化し難くなる
。
。
また、原料粉末中の全酸素含有量は2〜0.5重量%が
望ましく、不純物濃度は0.5重量%以下であることが
望ましい。
望ましく、不純物濃度は0.5重量%以下であることが
望ましい。
焼結助剤としては、スカンジウム、イツトリウム、ラン
タノイド元素等の周期律表第ma族元素の酸化物、窒化
物、酸窒化物あるいはBe+Mg+Ca、Sr、Ba等
の周期律表第11a族元素の酸化物、窒化物等の他、A
h03.AIN、5i(h、Zr(h、ZrN、114
02等を1種または2種以上の組み合わせで用いること
ができる。
タノイド元素等の周期律表第ma族元素の酸化物、窒化
物、酸窒化物あるいはBe+Mg+Ca、Sr、Ba等
の周期律表第11a族元素の酸化物、窒化物等の他、A
h03.AIN、5i(h、Zr(h、ZrN、114
02等を1種または2種以上の組み合わせで用いること
ができる。
これらの焼結助剤は、全体量に対し0.1〜20重量%
の割合で前述の窒化珪素粉末と均一に混合粉砕した後、
公知の成形手段、例えば鋳込み成形、射出成形、インジ
ェクション成形手段等によって所望の形に成形され、焼
成工程に移される。
の割合で前述の窒化珪素粉末と均一に混合粉砕した後、
公知の成形手段、例えば鋳込み成形、射出成形、インジ
ェクション成形手段等によって所望の形に成形され、焼
成工程に移される。
焼成工程は、1気圧を超える窒素ガス加圧雰囲気で焼成
温度は1800℃以上、特に1850〜1950℃に設
定される。詳細には焼成温度と窒素ガス圧との関係は、
設定される焼成温度における窒化珪素の分解平衡圧を超
える窒素圧に設定されることが必要である。好ましくは
雰囲気に酸素あるいはSiOを導入し、そのガス圧をそ
の焼成温度における窒化珪素とSiOとの反応、即ち次
式%式%(1) の反応におけるSiOの平衡蒸気圧以上に設定すること
が望ましい、これによって、雰囲気を低圧下にすること
ができ、そのによって焼成中に焼結体の気孔中に高圧ガ
スがトラップされ、緻密化が阻害されるのを防止するた
めである。この時、SiOの制御は焼成炉内に成形体と
ともに窒化珪素とSin、の混合粉末あるいはSiO□
粉末、SiO粉末、Si粉末とSiO□粉末との混合粉
末を配置させ焼成時にSiOを生成すれば良い。
温度は1800℃以上、特に1850〜1950℃に設
定される。詳細には焼成温度と窒素ガス圧との関係は、
設定される焼成温度における窒化珪素の分解平衡圧を超
える窒素圧に設定されることが必要である。好ましくは
雰囲気に酸素あるいはSiOを導入し、そのガス圧をそ
の焼成温度における窒化珪素とSiOとの反応、即ち次
式%式%(1) の反応におけるSiOの平衡蒸気圧以上に設定すること
が望ましい、これによって、雰囲気を低圧下にすること
ができ、そのによって焼成中に焼結体の気孔中に高圧ガ
スがトラップされ、緻密化が阻害されるのを防止するた
めである。この時、SiOの制御は焼成炉内に成形体と
ともに窒化珪素とSin、の混合粉末あるいはSiO□
粉末、SiO粉末、Si粉末とSiO□粉末との混合粉
末を配置させ焼成時にSiOを生成すれば良い。
焼成パターンはβ−Si、N、が30重量%を下回る従
来の場合、1800℃まで一気に昇温するとαからβへ
の変換に伴う急激な粒成長によって緻密化は困難である
がβ−5iJ4を30重量%以上含む場合は急激な粒成
長を起こすことなく昇温開始時から1800℃以上の温
度までほぼ連続的に昇温することができるため、極めて
焼成時間は短縮される。
来の場合、1800℃まで一気に昇温するとαからβへ
の変換に伴う急激な粒成長によって緻密化は困難である
がβ−5iJ4を30重量%以上含む場合は急激な粒成
長を起こすことなく昇温開始時から1800℃以上の温
度までほぼ連続的に昇温することができるため、極めて
焼成時間は短縮される。
最終的に得られる焼結体はβ−3iJ4が90%以上の
結晶粒子相と粒界相から成るもので、粒界相はガラスあ
るいは結晶相となり得ることもある。
結晶粒子相と粒界相から成るもので、粒界相はガラスあ
るいは結晶相となり得ることもある。
本発明は前述したように簡単な焼成によって微細な構造
の緻密体を得ることができるものであって焼結体の結晶
粒子相は平均粒径が1〜10μm、アスペクト比1〜1
0である。
の緻密体を得ることができるものであって焼結体の結晶
粒子相は平均粒径が1〜10μm、アスペクト比1〜1
0である。
以下、本発明を次の例で説明する。
実施例
窒化珪素粉末として第1表に示す5種のものを用意した
。
。
c以下余白〕
第 1 表
第1表の窒化珪素粉末に第2表に示す焼結助剤を加えた
混合粉末を5 X 4 X45(mm)に成形した後、
第1表の条件にて焼成を行った。
混合粉末を5 X 4 X45(mm)に成形した後、
第1表の条件にて焼成を行った。
得られた焼結体に対し、比重(対理論密度比)と、JI
SR1601による3点曲げ法により室温および140
0℃における抗折強度を測定した。
SR1601による3点曲げ法により室温および140
0℃における抗折強度を測定した。
結果は第2表に示す。
第2表から明らかなように、β化率が30%を下回る5
iJ4粉末aを用いた!lhl、9の試料はいずれも緻
密化が不十分であり、平均粒子径が1μ−を超えるSi
3N4粉末dを用いた患6の試料も緻密化は不十分であ
った。また、焼成温度が1800℃を下回る場合(N1
4)でも高密度の焼結体を得ることができなかった。
iJ4粉末aを用いた!lhl、9の試料はいずれも緻
密化が不十分であり、平均粒子径が1μ−を超えるSi
3N4粉末dを用いた患6の試料も緻密化は不十分であ
った。また、焼成温度が1800℃を下回る場合(N1
4)でも高密度の焼結体を得ることができなかった。
これらの比較例に対し、本発明の試料隘2.3.5.7
.8.10はいずれも対理論密度比98%、室温強度6
4Kg/mm”以上、1400℃における強度40Kg
/lerm”の優れた強度を有する焼結体を得ることが
できた。
.8.10はいずれも対理論密度比98%、室温強度6
4Kg/mm”以上、1400℃における強度40Kg
/lerm”の優れた強度を有する焼結体を得ることが
できた。
以上詳述した通り、本発明は高β化率の窒化珪素粉末と
焼結助剤の混合物から成る成形体を1800℃以上の高
温で窒素ガス加圧雰囲気で焼成することにより、低温域
での針状結晶の成長を抑制することができ、それにより
微細構造の高緻密体であって、高温強度に優れた焼結体
を得ることができる。また、この方法は高温易焼結性に
優れ、しかも焼成工程も簡略化できることから、哀詩性
の焼結体を安定して供給することができる。
焼結助剤の混合物から成る成形体を1800℃以上の高
温で窒素ガス加圧雰囲気で焼成することにより、低温域
での針状結晶の成長を抑制することができ、それにより
微細構造の高緻密体であって、高温強度に優れた焼結体
を得ることができる。また、この方法は高温易焼結性に
優れ、しかも焼成工程も簡略化できることから、哀詩性
の焼結体を安定して供給することができる。
Claims (1)
- β化率が30%以上で、平均粒子径が1μm以下の窒
化珪素粉末と焼結助剤との混合物を成形後1気圧を超え
る窒素ガス含有雰囲気下で1800℃以上の温度で焼成
したことを特徴とする対理論密度比98%以上の窒化珪
素質焼結体の製造方法。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62087842A JP2662863B2 (ja) | 1987-04-09 | 1987-04-09 | 窒化珪素質焼結体の製造方法 |
US07/176,605 US4920085A (en) | 1987-04-02 | 1988-04-01 | Silicon nitride sintered body and process for preparation thereof |
US07/446,598 US5219500A (en) | 1987-04-02 | 1989-12-06 | Silicon nitride sintered body and process for preparation thereof |
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