JP2012180235A - Method for producing silicon nitride-based ceramic - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a silicon nitride-based ceramic, which suppresses spurt of metal Si in the process of nitriding metal Si.SOLUTION: The method for producing a silicon nitride-based ceramic includes: in a method for producing a silicon nitride-based ceramic by nitriding metal Si, a pore forming step in which a green compact of a mixture comprising metal Si, a sintering aid and a pore-forming agent which forms pores on heating is heated to form pores between metal Si particles in the green compact; a nitriding step in which a porous compact, obtained in the pore-forming step and comprising metal Si with formed pores and the sintering aid, is fired in a nitrogen atmosphere to obtain a reaction sintered compact; and a densification step in which the reaction sintered compact is fired at a temperature exceeding the nitriding temperature at which the reaction sintered compact is obtained in the nitriding step, whereby the reaction sintered compact is densified to obtain a finished sintered compact.

Description

本発明は、ポスト反応焼結法による窒化ケイ素(Si)系セラミックスの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing silicon nitride (Si 3 N 4 ) -based ceramics by a post reaction sintering method.

窒化ケイ素系セラミックスは、耐熱性、高強度、耐摩耗性、耐熱衝撃性などの優れた特徴を有するため、エンジニアリングセラミックスとして注目されており、有用な材料である。これまで、エンジン用部品材料、ベアリング材料、工具材料、溶融金属用部品、軸受部材、圧延用などの各種ロール材、コンプレッサ用ベーン、ターボロータ、切削工具などとして実用化されている。   Since silicon nitride ceramics have excellent characteristics such as heat resistance, high strength, wear resistance, and thermal shock resistance, they are attracting attention as engineering ceramics and are useful materials. Until now, it has been put into practical use as engine parts materials, bearing materials, tool materials, molten metal parts, bearing members, various roll materials for rolling, vanes for compressors, turbo rotors, cutting tools and the like.

窒化ケイ素系セラミックスの製造方法には、主として二種の方法がある。第1の方法は、Si粉末を原料とし、これに焼結助剤を添加して焼結する常圧焼結法である。第2の方法は、金属Si粉末を原料とし、1500℃以下の温度で窒化させる反応焼結法である。 There are mainly two methods for producing silicon nitride ceramics. The first method is a normal pressure sintering method in which Si 3 N 4 powder is used as a raw material and a sintering aid is added to the powder to sinter it. The second method is a reactive sintering method in which metal Si powder is used as a raw material and is nitrided at a temperature of 1500 ° C. or lower.

常圧焼結法では、緻密な焼結体が得られやすいものの、高品質の焼結体を得るためには、微細で不純物の少ないSi粉末を用いる必要があり、高純度のSi粉末が非常に高価であるという問題がある。一方、反応焼結法では、金属Si粉末を用いるため比較的安価に製品を製造することができるものの、常圧焼結法で得られる焼結体に比較して相対密度が70〜80%程度であり、緻密な焼結体を得ることができない。 In the normal pressure sintering method, a dense sintered body can be easily obtained, but in order to obtain a high-quality sintered body, it is necessary to use a fine and low-impurity Si 3 N 4 powder. There is a problem that 3 N 4 powder is very expensive. On the other hand, in the reactive sintering method, since metal Si powder is used, a product can be manufactured at a relatively low cost, but the relative density is about 70 to 80% as compared with a sintered body obtained by the atmospheric pressure sintering method. Thus, a dense sintered body cannot be obtained.

そこで、近年、安価な金属Si粉末を原料とし、かつ、焼結助剤を添加して、反応焼結と緻密化焼結とを併用するポスト反応焼結法(2段焼結法ともいう)が提案されている。ポスト反応焼結法では、反応焼結の出発原料である金属Si粉末に焼結助剤を添加し、金属Siを窒化させる窒化工程を行った後、更に焼成温度を上げることで緻密化させる緻密化工程を行う。なお、ポスト反応焼結法により製造された窒化ケイ素系セラミックスについては、特許文献1、2に開示されている。   Therefore, in recent years, a post-reaction sintering method (also referred to as a two-stage sintering method) in which an inexpensive metal Si powder is used as a raw material, and a sintering aid is added and reaction sintering and densification sintering are used in combination. Has been proposed. In the post-reaction sintering method, a sintering aid is added to metal Si powder, which is the starting material for reaction sintering, and after performing a nitriding step for nitriding metal Si, the densification is achieved by raising the firing temperature further. The process is performed. Note that silicon nitride ceramics manufactured by the post reaction sintering method are disclosed in Patent Documents 1 and 2.

特開2007−197226号公報JP 2007-197226 A 特開2008−24579号公報JP 2008-24579 A

しかしながら、上記金属Siを窒化する方法には、製造過程で金属Siが噴出するという問題点を有している。   However, the method of nitriding the metal Si has a problem that the metal Si is ejected during the manufacturing process.

具体的に説明すると、窒化ケイ素系セラミックスを得るためには、高温条件化で金属Siを窒素によって窒化させるが、高強度の窒化ケイ素系セラミックスを得るには窒化を金属Siが溶融しない寸前の温度で行うことが好ましい。このため、窒化は金属Siにとって高温の条件でなされ、金属Siの噴出が生じ易い。金属Siの噴出が生じれば、最終焼成体の歩留まりの低下および製造コストの増大を招くため、そもそも金属Siを原料とした意義が薄れることとなる。   Specifically, in order to obtain silicon nitride ceramics, metal Si is nitrided with nitrogen under high temperature conditions, but in order to obtain high-strength silicon nitride ceramics, nitridation is just before the melting of metal Si. It is preferable to carry out with. For this reason, nitridation is performed under high temperature conditions for metal Si, and metal Si is easily ejected. If metal Si is ejected, the yield of the final fired body is reduced and the manufacturing cost is increased, so the significance of using metal Si as a raw material is diminished in the first place.

本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、金属Siの窒化過程において、金属Siの噴出を抑制する窒化ケイ素系セラミックスの製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a method for producing silicon nitride-based ceramics that suppresses ejection of metal Si in the nitridation process of metal Si.

本発明の窒化ケイ素系セラミックスの製造方法は、上記課題を解決するために、金属Siを窒化する窒化ケイ素系セラミックスの製造方法において、金属Si、焼結助剤、および、加熱することによって気孔を形成する造孔剤を含む混合物の圧紛体を加熱して、上記圧紛体中の金属Si間に気孔を形成する造孔工程と、上記造孔工程にて得られた、気孔が形成された金属Siおよび焼結助剤を含む多孔体を、窒素雰囲気下にて焼成して反応焼結体を得る窒化工程と、窒化工程での反応焼結体を焼成した窒化温度を超える温度にて反応焼結体を焼成して緻密化し、最終焼結体を得る緻密化工程と、を含むことを特徴としている。   In order to solve the above problems, a method for producing a silicon nitride ceramic according to the present invention is a method for producing a silicon nitride ceramic for nitriding metal Si. In the method for producing silicon nitride ceramics, pores are formed by heating metal Si, a sintering aid, and heating. Heating the powder compact of the mixture containing the pore-forming agent to be formed to form pores between the metal Si in the powder compact, and the metal with pores formed in the pore-forming process A nitriding process in which a porous body containing Si and a sintering aid is fired in a nitrogen atmosphere to obtain a reaction sintered body, and a reaction firing at a temperature exceeding the nitriding temperature at which the reaction sintered body in the nitriding process is fired And a densification step of densifying the sintered body to obtain a final sintered body.

当該製造方法では、造孔工程において金属Si間に気孔を形成する。そして、造孔工程にて得られた多孔体には気孔が多数形成されているため、多孔体の比表面積は大きい。さらに本発明に係る窒化工程では、この気孔に窒素が導入されるので、広範囲にて金属Siと窒素とが接触することができるのである。この条件下では金属Siと窒素とが均一に反応でき、多孔体中の金属Siのうち、窒化せずに過熱される部分が生じ難い。最後に、窒化工程で得られた反応焼結体を焼成して最終焼結体が得られる。当該製造方法によれば、多孔体において金属Siの噴出を抑制することができ、歩留まりを高め、製造コストを抑制することができる。   In the manufacturing method, pores are formed between the metal Si in the hole making step. And since many pores are formed in the porous body obtained at the pore making process, the specific surface area of the porous body is large. Furthermore, in the nitriding step according to the present invention, nitrogen is introduced into the pores, so that the metal Si and nitrogen can be contacted in a wide range. Under these conditions, the metal Si and nitrogen can react uniformly, and a portion of the metal Si in the porous body that is overheated without being nitrided is less likely to occur. Finally, the reaction sintered body obtained in the nitriding step is fired to obtain a final sintered body. According to the manufacturing method, metal Si can be prevented from being ejected in the porous body, yield can be increased, and manufacturing cost can be suppressed.

また、本発明の窒化ケイ素系セラミックスの製造方法では、上記金属Siと焼結助剤の総体積に対する造孔剤の割合が、30体積%以上、60体積%以下であることが好ましい。   In the method for producing a silicon nitride ceramic according to the present invention, the ratio of the pore former to the total volume of the metal Si and the sintering aid is preferably 30% by volume or more and 60% by volume or less.

これにより、造孔剤を加熱することによって形成される気孔が大きくなる。その結果、金属Siと窒素とをより均一に接触させることができ、窒化を好適に行うことができる。   Thereby, the pore formed by heating a pore making agent becomes large. As a result, the metal Si and nitrogen can be contacted more uniformly, and nitriding can be suitably performed.

また、本発明の窒化ケイ素系セラミックスの製造方法では、上記金属Siと焼結助剤の総体積に対する造孔剤の割合が、45体積%以上、60体積%以下であることが好ましい。   Moreover, in the manufacturing method of the silicon nitride ceramics of this invention, it is preferable that the ratio of the pore making agent with respect to the total volume of the said metal Si and a sintering aid is 45 volume% or more and 60 volume% or less.

これにより、金属Siと窒素とを非常に均一に接触させることができ、成形性に有利なα相をより多く含む反応焼結体から窒化ケイ素系セラミックスを得ることができる。   Thereby, metal Si and nitrogen can be contacted very uniformly, and a silicon nitride-based ceramic can be obtained from a reaction sintered body containing more α phase advantageous for formability.

また、本発明の窒化ケイ素系セラミックスの製造方法では、上記造孔工程における混合物の圧粉体を加熱する温度が、500℃以上、1000℃以下であることが好ましい。   Moreover, in the manufacturing method of the silicon nitride ceramics of this invention, it is preferable that the temperature which heats the green compact of the mixture in the said hole making process is 500 degreeC or more and 1000 degrees C or less.

これにより、圧紛体における金属Siまたは焼結助剤上に、造孔剤が変性した炭化物を残存させ難い。上記炭化物は、最終焼結体が割れ等を生じる起点となり得るため、割れ等が生じ難い高品質の窒化ケイ素系セラミックスを提供できる。   Thereby, it is difficult to leave the carbide modified with the pore former on the metal Si or the sintering aid in the compact. Since the carbide can be a starting point for causing cracks in the final sintered body, it is possible to provide high-quality silicon nitride-based ceramics that are unlikely to crack.

本発明の窒化ケイ素系セラミックスの製造方法は、上記課題を解決するために、金属Siを窒化する窒化ケイ素系セラミックスの製造方法において、金属Si、焼結助剤、および、加熱することによって気孔を形成する造孔剤を含む混合物の圧紛体を加熱して、上記圧紛体中の金属Si間に気孔を形成する造孔工程と、上記造孔工程にて得られた、気孔が形成された金属Siおよび焼結助剤を含む多孔体を、窒素雰囲気下にて焼成して反応焼結体を得る窒化工程と、を含むことが好ましい。   In order to solve the above problems, a method for producing a silicon nitride ceramic according to the present invention is a method for producing a silicon nitride ceramic for nitriding metal Si. In the method for producing silicon nitride ceramics, pores are formed by heating metal Si, a sintering aid, and heating. Heating the powder compact of the mixture containing the pore-forming agent to be formed to form pores between the metal Si in the powder compact, and the metal with pores formed in the pore-forming process It is preferable to include a nitriding step of firing a porous body containing Si and a sintering aid in a nitrogen atmosphere to obtain a reaction sintered body.

当該製造方法では、造孔工程において金属Si間に気孔を形成する。そして、造孔工程にて得られた多孔体には気孔が多数形成されているため、多孔体の比表面積は大きい。さらに本発明に係る窒化工程では、この気孔に窒素が導入されるので、広範囲にて金属Siと窒素とが接触することができるのである。この条件下では金属Siと窒素とが均一に反応でき、多孔体中の金属Siのうち、窒化せずに過熱される部分が生じ難い。当該製造方法によれば、多孔体中の金属Siの噴出を抑制することができ、歩留まりを高め、製造コストを抑制することができる。   In the manufacturing method, pores are formed between the metal Si in the hole making step. And since many pores are formed in the porous body obtained at the pore making process, the specific surface area of the porous body is large. Furthermore, in the nitriding step according to the present invention, nitrogen is introduced into the pores, so that the metal Si and nitrogen can be contacted in a wide range. Under these conditions, the metal Si and nitrogen can react uniformly, and a portion of the metal Si in the porous body that is overheated without being nitrided is less likely to occur. According to the manufacturing method, the ejection of metal Si in the porous body can be suppressed, the yield can be increased, and the manufacturing cost can be suppressed.

本発明の窒化ケイ素系セラミックスの製造方法は、以上のように、金属Si、焼結助剤、および、加熱することによって気孔を形成する造孔剤を含む混合物の圧紛体を加熱して、上記圧紛体中の金属Si間に気孔を形成する造孔工程と、上記造孔工程にて得られた、気孔が形成された金属Siおよび焼結助剤を含む多孔体を、窒素雰囲気下にて焼成して反応焼結体を得る窒化工程と、窒化工程での反応焼結体を焼成した窒化温度を超える温度にて反応焼結体を焼成して緻密化し、最終焼結体を得る緻密化工程と、を含むことを特徴としている製造方法である。   As described above, the method for producing a silicon nitride ceramic of the present invention heats a powder compact of a mixture containing metal Si, a sintering aid, and a pore-forming agent that forms pores by heating. A pore-forming step of forming pores between the metal Si in the compact and a porous body containing the metal Si and pores formed in the pore-forming step and a sintering aid in a nitrogen atmosphere Nitriding process to obtain a sintered body by firing and densification to obtain a final sintered body by firing and densifying the reaction sintered body at a temperature exceeding the nitriding temperature at which the reaction sintered body was fired in the nitriding process A process comprising the steps of:

それゆえ、金属Siの窒化過程において、金属Siの噴出を抑制する窒化ケイ素系セラミックスの製造方法を提供できるという効果を奏する。   Therefore, there is an effect that it is possible to provide a method for producing a silicon nitride ceramic that suppresses the ejection of metal Si in the nitriding process of metal Si.

本発明に係る製造方法の工程の流れを示すフロー図である。It is a flowchart which shows the flow of the process of the manufacturing method which concerns on this invention. 比較例1で得られた最終焼結体を示す写真図である。6 is a photographic view showing a final sintered body obtained in Comparative Example 1. FIG. 実施例1で得られた最終焼結体を示す写真図である。2 is a photographic view showing a final sintered body obtained in Example 1. FIG. 実施例1〜3および比較例1で得られた各最終焼成体を示すSEM写真図である。It is a SEM photograph figure which shows each final baking body obtained in Examples 1-3 and the comparative example 1. FIG. 実施例5および比較例1で得られた反応焼結体を示す写真図である。6 is a photographic diagram showing the reaction sintered bodies obtained in Example 5 and Comparative Example 1. FIG. 実施例4、5、6にてそれぞれ得られた反応焼結体を示すSEM写真図である。It is a SEM photograph figure which shows the reaction sintered compact obtained in Example 4, 5, and 6, respectively. 実施例5、比較例1および比較例2における温度変化による窒化ケイ素系セラミックスの収縮率変化を示すグラフである。6 is a graph showing changes in shrinkage rate of silicon nitride ceramics due to temperature changes in Example 5, Comparative Example 1 and Comparative Example 2. 実施例12の最終焼成体を曲げ強度測定した後の破壊源をEDS観察した図である。It is the figure which observed the fracture | rupture source after measuring the bending strength of the final sintered body of Example 12 by EDS.

本発明の一実施形態について図1に基づいて説明すれば、以下の通りである。本発明に係る窒化ケイ素系セラミックスの製造方法は、金属Siを窒化する窒化ケイ素系セラミックスの製造方法であり、最終焼結体(窒化ケイ素系セラミックス)を得る場合、造孔工程、窒化工程および緻密化工程を含む。当該製造方法では、出発原料として金属Siを使用し、これを窒化して窒化ケイ素系セラミックスを得る。したがって、出発原料として窒化ケイ素を使用せず、より安価で窒化ケイ素系セラミックスを製造することが可能である。   An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The method for producing a silicon nitride ceramic according to the present invention is a method for producing a silicon nitride ceramic for nitriding metal Si. When obtaining a final sintered body (silicon nitride ceramic), a pore forming process, a nitriding process and a dense process are performed. Conversion step. In the manufacturing method, metal Si is used as a starting material, and this is nitrided to obtain a silicon nitride ceramic. Therefore, silicon nitride ceramics can be produced at a lower cost without using silicon nitride as a starting material.

ここで、窒化ケイ素系セラミックスとは、窒化ケイ素を主成分とする多結晶体であり、YやMgO等の各種の焼結助剤を含むものである。また、窒化ケイ素のケイ素および窒素の一部をそれぞれ別の原子(例えばアルミニウムと酸素)で置換したセラミックス(例えばサイアロン)も窒化ケイ素系セラミックスに含まれる。図1は、本発明に係る製造方法の工程の流れを示すフロー図である。 Here, the silicon nitride-based ceramic is a polycrystalline body mainly composed of silicon nitride, and includes various sintering aids such as Y 2 O 3 and MgO. In addition, ceramics (for example, sialon) in which part of silicon and nitrogen in silicon nitride are replaced with different atoms (for example, aluminum and oxygen) are also included in the silicon nitride-based ceramics. FIG. 1 is a flowchart showing the flow of steps of the manufacturing method according to the present invention.

(S1.原料準備工程)
まず、窒化ケイ素系セラミックの原料となる金属Si、焼結助剤および造孔剤を準備する。
(S1. Raw material preparation step)
First, metal Si, a sintering aid, and a pore former, which are raw materials for a silicon nitride ceramic, are prepared.

窒化ケイ素の主原料である金属Siは市販品を使用することができ、例えば、半導体用途で使用されるシリコンウェハー作製時の低純度原料もしくは低純度シリコンウェハーの粉砕粉で、いわゆる#200から#600相当の粉末が例示される。金属Siの純度は例えば96.0%以上、98.5%以下のものを用いればよい。   Metal Si, which is the main raw material of silicon nitride, can be a commercially available product. For example, it is a low-purity raw material or a pulverized powder of a low-purity silicon wafer at the time of producing a silicon wafer used for semiconductor applications. A powder equivalent to 600 is exemplified. The purity of the metal Si may be, for example, 96.0% or more and 98.5% or less.

本発明に係る窒化ケイ素系セラミックの製造方法は、ポスト反応焼結法であり、原料として金属Siを使用するが、金属Siの使用量の一部をSiに代えてもよい。例えば、金属SiおよびSiの総量に対するSiの割合を0重量%以上、50重量%以下としてもよい。ただし、Siの割合が増加するとコスト的に不利なため、Siの割合を0重量%以上、30重量%以下とすることが好ましく、0重量%以上、10重量%以下とすることがさらに好ましく、0重量%とすることが最も好ましい。 The method for producing a silicon nitride ceramic according to the present invention is a post-reaction sintering method, and uses metal Si as a raw material, but part of the amount of metal Si used may be replaced with Si 3 N 4 . For example, the proportion the Si 3 N 4 with respect to the total amount of the metal Si and Si 3 N 4 0 wt% or more, may be 50 wt% or less. However, since increasing the proportion of Si 3 N 4 is disadvantageous in terms of cost, the proportion of Si 3 N 4 is preferably 0% by weight or more and 30% by weight or less, preferably 0% by weight or more and 10% by weight or less. More preferably, it is most preferably 0% by weight.

金属Siの形状は、粒状、棒状、繊維状、破砕状であってもよい。金属Siは少なくも焼結助剤および造孔剤と混合されるため、均一な混合ができるよう、平均粒子径が比較的小さいことが好ましい。しかし、小さ過ぎると作業性が低下するため、実用的には、金属Siの平均粒子径は、0.5μm以上、40μm以下、好ましくは0.5μm以上、10μm以下である。   The shape of the metal Si may be granular, rod-like, fibrous, or crushed. Since the metal Si is mixed with at least a sintering aid and a pore-forming agent, it is preferable that the average particle diameter is relatively small so that uniform mixing can be performed. However, since workability | operativity will fall when too small, practically the average particle diameter of metal Si is 0.5 micrometer or more and 40 micrometers or less, Preferably it is 0.5 micrometer or more and 10 micrometers or less.

焼結助剤は、金属Siおよび造孔剤と共に混合され、金属Siが窒化された後に、高温にて融解し、窒化ケイ素同士の隙間に液相を形成することによって窒化ケイ素を緻密化するものである。これらは得られた窒化ケイ素系セラミックスにおいて粒界相の構成成分となるものである。   Sintering aid is mixed with metal Si and pore former, and after metal Si is nitrided, it melts at high temperature and densifies silicon nitride by forming a liquid phase in the gap between silicon nitrides It is. These are constituents of the grain boundary phase in the obtained silicon nitride ceramics.

焼結助剤としては公知の物を使用でき、例えば希土類元素(イットリウムを含むランタノイド元素)の酸化物が用いられ、イットリウム(Y)、イッテルビウム(Yb)、エルビウム(Er)などの酸化物を使用することが好ましい。また、MgO、Alなどを用いることもできる。これらの焼結助剤は、単独または2種類以上を併用してもよい。なお、焼結助剤として、焼結時に酸化物となる希土類元素やアルカリ土類元素の化合物(炭酸塩など)を用いてもよい。 As the sintering aid, known materials can be used, for example, oxides of rare earth elements (lanthanoid elements including yttrium) are used, and oxides such as yttrium (Y), ytterbium (Yb), and erbium (Er) are used. It is preferable to do. It is also possible to use MgO, and Al 2 O 3. These sintering aids may be used alone or in combination of two or more. As a sintering aid, a rare earth element or alkaline earth element compound (such as carbonate) that becomes an oxide during sintering may be used.

また、上述した焼結助剤に加えて、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなどのアルミニウム化合物;さらにチタン、ジルコニウム、ハフニウムの酸化物または窒化物;などを、焼結助剤の一部として用いることも有効である。アルミニウム化合物は窒化ケイ素結晶粒間の結合力の強化に寄与する。これらの化合物は酸化物や窒化物として添加してもよいし、焼結時に酸化物や窒化物となる化合物を添加してもよい。   In addition to the above-mentioned sintering aid, it is also effective to use aluminum compounds such as aluminum nitride and aluminum oxide; and oxides or nitrides of titanium, zirconium and hafnium as a part of the sintering aid. It is. The aluminum compound contributes to strengthening the bonding force between the silicon nitride crystal grains. These compounds may be added as oxides or nitrides, or compounds that become oxides or nitrides during sintering may be added.

上述した焼結助剤の割合は、100重量部の金属Siに対して2重量部以上、17重量部の範囲であることが好ましい。焼結助剤量が2重量部未満であると、窒化ケイ素系セラミックスを十分に緻密化できないおそれがある。一方、焼結助剤量が17重量部を超えると、粒界相や焼結助剤成分の偏析の形成量が必要以上に増加し、これにより窒化ケイ素系セラミックスの耐摩耗性や強度の低下などを招くおそれがある。   The ratio of the sintering aid described above is preferably in the range of 2 to 17 parts by weight with respect to 100 parts by weight of metal Si. If the amount of the sintering aid is less than 2 parts by weight, the silicon nitride ceramic may not be sufficiently densified. On the other hand, when the amount of the sintering aid exceeds 17 parts by weight, the amount of segregation of the grain boundary phase and the sintering aid component increases more than necessary, thereby reducing the wear resistance and strength of the silicon nitride ceramic. There is a risk of inviting.

造孔剤は、金属Siおよび焼結助剤と共に混合されるものであり、金属Si、焼結助剤および造孔剤を含む混合物の一成分として含まれる。造孔工程では、混合物の圧紛体において造孔剤が加熱されることによって気孔が形成される。金属Siの平均粒子径が小さい場合(例えば、0.5μm以上、40μm以下)、金属Si同士が密接するため、気孔が形成され難い。しかし、本発明によれば、そのような金属Siを使用した場合であっても容易に気孔を形成できる為、特に、金属Siの平均粒子径が小さい場合に造孔剤の使用意義が大きいといえる。   The pore-forming agent is mixed together with the metal Si and the sintering aid, and is included as one component of the mixture containing the metal Si, the sintering aid, and the pore-forming agent. In the pore-forming step, pores are formed by heating the pore-forming agent in the powder compact of the mixture. When the average particle diameter of the metal Si is small (for example, 0.5 μm or more and 40 μm or less), the metal Si is in close contact with each other, so that pores are hardly formed. However, according to the present invention, since pores can be easily formed even when such metal Si is used, particularly when the average particle diameter of metal Si is small, the use significance of the pore former is great. I can say that.

造孔剤としては、金属Siの窒化温度以下で溶融または気化するものであれば、公知の物を採用できる。すなわち、造孔剤は加熱されて気孔が形成されるが、造孔剤は溶融することによって気孔を形成するものでも、気化することによって気孔を形成するものであってもよい。   Any known pore-forming agent can be used as long as it melts or vaporizes below the nitriding temperature of metal Si. That is, the pore-forming agent is heated to form pores, but the pore-forming agent may be one that forms pores by melting or one that forms pores by vaporization.

例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチル、ポリビニルアルコール、ポリフェノール、パラフィンなどの樹脂;でんぷん、ナッツ殻、胡桃殻、コーンなどの植物系材料;黒鉛や炭素繊維などの炭素系材料を挙げる事ができる。造孔剤が樹脂の場合、100℃以上、500℃以下で通常、溶融し、植物系材料または炭素系材料の場合、約400℃で一酸化炭素、二酸化炭素への酸化が生じて約800℃で通常、気化する。   For example, resins such as polyethylene, polypropylene, polymethyl acrylate, polymethyl methacrylate, polyvinyl alcohol, polyphenol, and paraffin; plant materials such as starch, nut shell, walnut shell, and corn; carbon materials such as graphite and carbon fiber Can be mentioned. When the pore-forming agent is a resin, it normally melts at 100 ° C. or more and 500 ° C. or less, and when it is a plant-based material or carbon-based material, oxidation to carbon monoxide and carbon dioxide occurs at about 400 ° C. Usually vaporizes.

造孔剤の割合は、上記金属Siと焼結助剤の総体積に対して10体積%以上、60体積%以下であることが好ましい。10体積%未満であると気孔の形成量が少なくなるからである。一方、60体積%を超えると造孔剤の使用量に比例した効果が得られ難くなり、造孔剤を不要に消費することとなる。   The ratio of the pore former is preferably 10% by volume or more and 60% by volume or less with respect to the total volume of the metal Si and the sintering aid. This is because the amount of pores formed is less than 10% by volume. On the other hand, if it exceeds 60% by volume, it becomes difficult to obtain an effect proportional to the amount of pore-forming agent used, and the pore-forming agent is unnecessarily consumed.

また、造孔剤の割合は、金属Siと焼結助剤の総体積に対して30体積%以上、60体積%以下であることがより好ましい。下限値を30体積%とする事により、造孔剤の溶融によって形成される気孔が大きくなる。より好ましくは、40体積%以上、60体積%以下である。これにより、金属Siと窒素とをより均一に接触させることができ、窒化を好適に行うことができる。   Further, the ratio of the pore former is more preferably 30% by volume or more and 60% by volume or less with respect to the total volume of the metal Si and the sintering aid. By setting the lower limit to 30% by volume, pores formed by melting of the pore-forming agent are increased. More preferably, it is 40 volume% or more and 60 volume% or less. Thereby, metal Si and nitrogen can be made to contact more uniformly, and nitriding can be performed suitably.

さらに好ましくは、造孔剤の割合は、金属Siと焼結助剤の総体積に対して45体積%以上、60体積%以下である。造孔剤の割合の下限を45体積%以上とすることにより、金属Siと窒素とを非常に均一に接触させることができ、成形性に有利なα相をより多く含む反応焼結体から窒化ケイ素系セラミックスを得ることができる。60体積%を超える量を使用しても、反応焼結体におけるα相の割合を増加させる効果は得られ難い。なお、窒化工程後の金属Si:α−Si:β−Siの重量分率は、窒化工程後の反応焼結体を粉砕し、X線回折のピーク強度から求められる。 More preferably, the ratio of the pore former is 45% by volume or more and 60% by volume or less with respect to the total volume of the metal Si and the sintering aid. By setting the lower limit of the ratio of the pore forming agent to 45% by volume or more, the metal Si and nitrogen can be contacted very uniformly, and nitriding from a reaction sintered body containing more α phase advantageous for formability. Silicon-based ceramics can be obtained. Even if an amount exceeding 60% by volume is used, it is difficult to obtain the effect of increasing the proportion of the α phase in the reaction sintered body. In addition, the weight fraction of the metal Si: α-Si 3 N 4 : β-Si 3 N 4 after the nitriding step is obtained from the peak intensity of X-ray diffraction after pulverizing the reaction sintered body after the nitriding step.

造孔剤の形状は、特に限定されるものではなく、球状、粒状、棒状、繊維状、破砕状であってもかまわない。   The shape of the pore former is not particularly limited, and may be spherical, granular, rod-like, fibrous, or crushed.

上記混合物にはその他の成分として種々の添加剤が含まれていてもよい。例えば、導電性を向上させるためのカーボンナノチューブ、カーボンナノコイル;機械的特性向上のための炭化ケイ素や金属粒子などを挙げることができる。添加剤の添加量はその使用目的に従って適宜設定される。   The above mixture may contain various additives as other components. Examples thereof include carbon nanotubes and carbon nanocoils for improving electrical conductivity; silicon carbide and metal particles for improving mechanical properties. The addition amount of the additive is appropriately set according to the purpose of use.

上記混合物に含まれる各成分は、微細な状態にて混合される事が望ましい。そのような状態にて混合されることにより、造孔剤による気孔が均一に形成され、金属Siと窒素とがより均一な状態にて接触させることができ、窒化を好適に行うことができる。また、焼結助剤がより均一に分散していることにより、後述する窒化ケイ素の緻密化がより好適になされる。各成分の好ましい平均粒子径は、3μm以上、20μm以下であり、好ましくは5μm以上、15μm以下である。各成分の平均粒子径が3μm未満であると、平均粒子径が小さすぎることにより、各成分を扱い難くなるため作業性が低下する。一方、平均粒子径が20μmを超えると、各成分の混合を均一に行い難くなる。なお、平均粒子径とは、各成分の形状が球状でなく、棒状、繊維状などである場合、最も短い辺の平均値を示すものとする。すなわち、形状が棒状の場合、平均粒子径は、長さでも長径でもなく、短径の平均値を示す。   Each component contained in the mixture is desirably mixed in a fine state. By mixing in such a state, pores by the pore-forming agent are uniformly formed, metal Si and nitrogen can be brought into contact in a more uniform state, and nitriding can be suitably performed. Further, since the sintering aid is more uniformly dispersed, densification of silicon nitride described later is more suitably performed. The preferable average particle diameter of each component is 3 μm or more and 20 μm or less, preferably 5 μm or more and 15 μm or less. When the average particle size of each component is less than 3 μm, the average particle size is too small, and it becomes difficult to handle each component, so that workability is lowered. On the other hand, when the average particle diameter exceeds 20 μm, it becomes difficult to uniformly mix the components. In addition, the average particle diameter indicates an average value of the shortest side when the shape of each component is not spherical but is a rod shape, a fiber shape, or the like. That is, when the shape is a rod shape, the average particle diameter is not a length or a long diameter, but shows an average value of the short diameter.

(S2.粉砕工程)
各成分の平均粒子径が所望の値よりも大きい場合、各成分を粉砕してサイズを小さくする(粉砕工程)ことが望ましい。粉砕にはボールミル、ビーズミル、ロールミルなどを使用することができ、不純物の混入を防止する観点から窒化ケイ素製のボールミルまたはビーズミルが好適に使用される。
(S2. Grinding step)
When the average particle diameter of each component is larger than a desired value, it is desirable to pulverize each component to reduce the size (grinding step). A ball mill, a bead mill, a roll mill, or the like can be used for pulverization, and a silicon nitride ball mill or bead mill is preferably used from the viewpoint of preventing impurities from being mixed.

各成分の混合は、液体を添加せず乾式で行ってもよいし、液体を添加して湿式で行ってもよい。湿式混合の場合に添加する液体としては、水の他に、エタノールやキシレンなどの有機溶媒が挙げられる。液体の使用量としては、例えば、混合物の各成分の総体積に対して、5体積%以上、50体積%以下とすればよい。なお、湿式混合の場合、スラリー状の混合物に各種の分散剤を添加し、スラリー粘度を制御することが好ましい。   The mixing of each component may be performed dry without adding a liquid, or may be performed wet by adding a liquid. Examples of the liquid added in the case of wet mixing include organic solvents such as ethanol and xylene in addition to water. As a usage-amount of a liquid, what is necessary is just to be 5 volume% or more and 50 volume% or less with respect to the total volume of each component of a mixture, for example. In the case of wet mixing, it is preferable to add various dispersants to the slurry mixture to control the slurry viscosity.

粉砕後の金属Siは、粒径が小さく、かつ、均一であることが好ましい。具体的には、粉砕後の金属Siのメジアン径(体積基準の累積粒度分布における累積パーセントが50%であるときの粒径(d50))は、1.7μm以下であることが好ましく、さらに好ましくは1.1μm以下である。また、累積パーセントが90%のときの粒径(d90)と10%のときの粒径(d10)との差が2.0μm以下であることが好ましく、さらに好ましくは1.2μm以下である。なお、このメジアン径(d50)、d90およびd10は、レーザ回折式粒度分布測定装置(島津製作所製、SALD-7000、光源405nm、設定屈折率4.0-0.01i)により測定される値である。   The ground metal Si preferably has a small particle size and is uniform. Specifically, the median diameter of the metal Si after pulverization (particle diameter (d50) when the cumulative percentage in the volume-based cumulative particle size distribution is 50%) is preferably 1.7 μm or less, and more preferably. Is 1.1 μm or less. Further, the difference between the particle size (d90) when the cumulative percentage is 90% and the particle size (d10) when the cumulative percentage is 10% is preferably 2.0 μm or less, and more preferably 1.2 μm or less. The median diameters (d50), d90 and d10 are values measured by a laser diffraction particle size distribution measuring apparatus (manufactured by Shimadzu Corporation, SALD-7000, light source 405 nm, set refractive index 4.0-0.01i).

金属Siのメジアン径(d50)を1.7μm以下とすることにより、表面積を大きくすることができ、窒化工程において、窒化が促進されるとともに、異常粒成長を防止することができる。また、d90とd10との差が2.0μm以下であることにより、金属Si粉末の粒径が均一化され、各粒子を均一に窒化させることができる。   By setting the median diameter (d50) of metal Si to 1.7 μm or less, the surface area can be increased, and in the nitriding step, nitriding can be promoted and abnormal grain growth can be prevented. Moreover, when the difference between d90 and d10 is 2.0 μm or less, the particle size of the metal Si powder is made uniform, and each particle can be nitrided uniformly.

(S3.混合・造粒工程)
次に、粉砕後の金属Si、焼結助剤および造孔剤が所定の組成比になるように、金属Si、焼結助剤および造孔剤を混合する(混合工程)。混合工程で用いる混合装置としては例えばボールミルを使用でき、その場合、ボール径10mmのSiボールを用いて24h混合させればよい。その後、得られた混合物を乾燥させて造粒する(造粒工程)。この際、顆粒状にするために適宜バインダー樹脂等を添加してもよい。これにより、混合物を造粒し易くなる。造粒剤としては、パラフィンなどが挙げられ、シクロヘキサン等の有機溶媒に溶解して混合物に添加すればよい。
(S3. Mixing and granulating process)
Next, the metal Si, the sintering aid, and the pore former are mixed so that the ground metal Si, the sintering aid, and the pore former have a predetermined composition ratio (mixing step). As a mixing apparatus used in the mixing step, for example, a ball mill can be used. In that case, mixing may be performed for 24 hours using a Si 3 N 4 ball having a ball diameter of 10 mm. Then, the obtained mixture is dried and granulated (granulation process). At this time, a binder resin or the like may be appropriately added to form granules. Thereby, it becomes easy to granulate the mixture. Examples of the granulating agent include paraffin, which may be dissolved in an organic solvent such as cyclohexane and added to the mixture.

(S4.成形工程)
続いて、造粒物を所定形状の成形型に充填し、加圧成形することで圧粉体を形成する。加圧成形の方法としては、公知の成形方法を適用でき、一軸プレス成形法、冷間静水等方圧プレス(CIP)法などを用いることができる。また、一軸プレス成形法により仮成形した後にCIPを用いて本成形してもよい。
(S4. Molding process)
Subsequently, the granulated product is filled into a mold having a predetermined shape, and pressure-molded to form a green compact. A known molding method can be applied as the pressure molding method, and a uniaxial press molding method, a cold isostatic pressing method (CIP) method, or the like can be used. Moreover, after temporary molding by a uniaxial press molding method, the main molding may be performed using CIP.

(S5.造孔工程)
造孔工程では、上記混合物の圧粉体を加熱して造孔剤が溶融または気化して、金属Si間に気孔を形成する(造孔工程)。気孔の形成には、常圧加熱、加圧加熱(ホットプレス)、雰囲気加圧加熱、HIP(熱間静水圧プレス:ホットアイソスタティックプレス)加熱などの様々な加熱方法を適用可能である。造孔工程では、金属Si、焼結助剤および造孔剤を含む圧紛体を加熱して金属Si間に気孔を形成する。
(S5. Hole making process)
In the hole making step, the green compact of the above mixture is heated to melt or vaporize the pore forming agent to form pores between the metal Si (hole forming step). Various heating methods such as atmospheric pressure heating, pressure heating (hot press), atmospheric pressure heating, HIP (hot isostatic pressing: hot isostatic press) heating can be applied to the formation of pores. In the hole forming step, the powder body containing metal Si, a sintering aid, and a hole forming agent is heated to form pores between the metal Si.

造孔工程における圧紛体を加熱する温度は、造孔剤が溶融または気化する温度であればよい。通常、造孔剤が樹脂の場合、100℃以上、500℃以下で造孔剤を溶融させることが可能であり、造孔剤が植物系材料または炭素系材料の場合、800℃以上、900℃以下にて造孔剤を気化させることが可能である。なお、成形工程で得られた圧粉体の中には、粉砕工程で添加した分散剤や造粒工程で添加したバインダー樹脂などの有機物が含まれている。造孔工程では圧紛体を加熱するため、これらの有機物を除く脱脂処理が同時になされこととなる。   The temperature at which the compact is heated in the pore making process may be any temperature at which the pore former melts or vaporizes. Usually, when the pore forming agent is a resin, the pore forming agent can be melted at 100 ° C. or more and 500 ° C. or less. When the pore forming agent is a plant-based material or a carbon-based material, 800 ° C. or more and 900 ° C. It is possible to vaporize the pore former below. The green compact obtained in the molding process contains organic substances such as a dispersant added in the pulverization process and a binder resin added in the granulation process. Since the compact is heated in the pore forming process, the degreasing process for removing these organic substances is performed at the same time.

金属Siまたは焼結助剤上に造孔剤が変性した炭化物が残存した場合、炭化物が、最終的に得られる窒化ケイ素系セラミックス(反応焼結体および反応焼結体)において割れ等の起点となる虞がある。そこで炭化物をガス化して除去するために、造孔工程における混合物の圧紛体を加熱する温度は、500℃以上、1000℃以下であることが好ましい。これにより、窒化ケイ素系セラミックスに割れが生じ難くなるため、高品質の窒化ケイ素系セラミックスを提供できる。   When carbide with modified pore former remains on metal Si or sintering aid, the carbide is the starting point of cracks in the silicon nitride ceramics (reaction sintered body and reaction sintered body) finally obtained. There is a risk of becoming. Therefore, in order to gasify and remove the carbide, the temperature at which the powder compact of the mixture is heated in the pore forming process is preferably 500 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. Thereby, since it becomes difficult to produce a crack in silicon nitride ceramics, high quality silicon nitride ceramics can be provided.

造孔工程は、空気雰囲気下で行ってもよいが、後の窒化工程を連続して行う場合、窒素雰囲気下で行うことが好ましい。通常、造孔工程における圧紛体の加熱時間は1時間以上、5時間以下である。この造孔工程での加熱によって金属Si間に気孔が形成され、窒化する前の中間材料である多孔体が得られる。上記多孔体に造孔剤に起因する気孔が形成されていることによって、金属Siの比表面積が増大し、次に行う窒化工程において窒素を金属Siに対してより全体的に接触させることができ、すなわち、金属Siと窒素とをより均一に接触させることが可能となる。   The pore forming step may be performed in an air atmosphere, but when the subsequent nitriding step is continuously performed, it is preferably performed in a nitrogen atmosphere. Usually, the heating time of the compact in the pore making process is 1 hour or more and 5 hours or less. By the heating in this pore forming process, pores are formed between the metal Si, and a porous body which is an intermediate material before nitriding is obtained. By forming pores due to the pore-forming agent in the porous body, the specific surface area of the metal Si is increased, and nitrogen can be brought into contact with the metal Si more entirely in the subsequent nitriding step. That is, it becomes possible to make metal Si and nitrogen contact more uniformly.

(S6.窒化工程(反応焼結工程))
窒化工程は、上記造孔工程にて得られた、気孔を有した金属Siを含む多孔体を、窒素雰囲気下にて焼成して窒化ケイ素系セラミックスである反応焼結体(ポスト反応焼結体)を得る工程である。造孔工程では加熱処理を行うため、温度を上げることによって造孔工程および窒化工程を連続的に行うことができる。なお、一旦、多孔体を取り出した後に窒化工程を行ってもよい。
(S6. Nitriding process (reaction sintering process))
The nitriding step is a reaction sintered body (post-reaction sintered body) which is a silicon nitride ceramic by firing the porous body containing metal Si having pores obtained in the pore forming step in a nitrogen atmosphere. ). Since the heat treatment is performed in the hole forming step, the hole forming step and the nitriding step can be performed continuously by raising the temperature. Note that the nitriding step may be performed once the porous body is taken out.

窒化工程は造孔工程と同様の加熱方法にて行うことができ、常圧加熱、加圧加熱(ホットプレス)、雰囲気加圧加熱、HIP(熱間静水圧プレス:ホットアイソスタティックプレス)加熱などの様々な加熱方法を適用可能である。   The nitriding process can be performed by the same heating method as the hole making process, such as atmospheric pressure heating, pressure heating (hot press), atmospheric pressure heating, HIP (hot isostatic pressing: hot isostatic press) heating, etc. Various heating methods can be applied.

窒化工程における多孔体を焼成する温度は、多孔体中の金属Siが窒化する温度であればよい。通常、上記温度は1200℃以上、1450℃以下であるが、窒化を促進する観点から、高い温度で窒化を行うことが望ましい。従来、上記観点から、シリコンが溶融しない程度の高い温度で窒化を行っていたため、金属Siが過熱されて噴出が生じていた。上述したように、本発明の目的は当該噴出を抑制することにある。なお、本明細書でいう噴出とは、溶融したSiが試料外部に流れ出てくる状態をいう。   The temperature for firing the porous body in the nitriding step may be any temperature at which metal Si in the porous body is nitrided. Usually, the temperature is 1200 ° C. or more and 1450 ° C. or less, but it is desirable to perform nitriding at a high temperature from the viewpoint of promoting nitriding. Conventionally, from the above viewpoint, since nitriding has been performed at a high temperature at which silicon does not melt, metal Si is overheated and jetting occurs. As described above, an object of the present invention is to suppress the ejection. In this specification, the term “spout” refers to a state in which molten Si flows out of the sample.

本発明の製造方法では、造孔工程において金属Si間に気孔を形成する。そして、造孔工程にて得られた多孔体には気孔が多数形成されているため、多孔体の比表面積は大きい。本発明に係る窒化工程では、この気孔に窒素が導入されるので、広範囲にて金属Siと窒素とが接触することができるのである。この条件下では金属Siと窒素とが均一に反応でき、多孔体中の金属Siのうち、窒化せずに過熱される部分が生じ難い。その結果、多孔体中の金属Siの噴出を抑制することができ、歩留まりを高め、製造コストを抑制することができる。   In the manufacturing method of the present invention, pores are formed between the metal Si in the hole making step. And since many pores are formed in the porous body obtained at the pore making process, the specific surface area of the porous body is large. In the nitriding step according to the present invention, since nitrogen is introduced into the pores, the metal Si and nitrogen can be contacted in a wide range. Under these conditions, the metal Si and nitrogen can react uniformly, and a portion of the metal Si in the porous body that is overheated without being nitrided is less likely to occur. As a result, ejection of metal Si in the porous body can be suppressed, yield can be increased, and manufacturing cost can be suppressed.

上記反応焼成体では気孔が多数形成されており、反応焼成体の相対密度が小さいことが好ましい。造孔剤により形成される気孔は比較的均一な大きさであるため、緻密化工程においてα−Siからβ−Siへの相変化に伴う粒成長が生じる空間が好適に確保されるからである。当該観点から、反応焼成体の相対密度は、75%以下であることが好ましく、さらに好ましくは60%以下であり、特に好ましくは55%以下である。下限値については特に限定されないが、概して45%以上である。 The reaction fired body has a large number of pores, and it is preferable that the reaction fired body has a small relative density. Since the pores formed by the pore-forming agent have a relatively uniform size, a space in which grain growth accompanying a phase change from α-Si 3 N 4 to β-Si 3 N 4 occurs in the densification step is preferable. This is because it is secured. From this viewpoint, the relative density of the reaction fired body is preferably 75% or less, more preferably 60% or less, and particularly preferably 55% or less. The lower limit is not particularly limited, but is generally 45% or more.

本製造方法では、造孔剤を用いて気孔を形成するが、窒化工程後には後述するように窒化温度よりも高温にて緻密化工程がなされる。そして、緻密化工程では反応焼結体を焼成して密度を向上させる。このため、緻密化工程の前工程においても最終的に高い密度の窒化ケイ素系セラミックスを得ることを想定して各工程での設定がなされる。   In this production method, pores are formed using a pore-forming agent, but after the nitriding step, a densification step is performed at a temperature higher than the nitriding temperature as will be described later. In the densification step, the reaction sintered body is fired to increase the density. For this reason, the setting in each process is made on the assumption that a high-density silicon nitride-based ceramic is finally obtained also in the previous process of the densification process.

この点に鑑みると、本発明では造孔剤によって気孔を有する多孔体を形成しており、原料に気孔を形成することは、その後、得られる窒化ケイ素系セラミックスの密度が低くなる要因になり得ることが通常予想される。すなわち、原料の処理過程において、一旦、原料の密度を低下させるような工程がなされており、緻密化を行う目的とは一見、反対の処理がなされている。したがって、本発明に係る製造方法は緻密化とは逆に密度の小さな最終焼成体が得られるとの予想を招くものであり、従来法に比して特殊であるといえ、本発明者らの鋭意検討により見出されたものに他ならない。   In view of this point, in the present invention, a porous body having pores is formed by a pore-forming agent, and the formation of pores in the raw material can cause a decrease in the density of the resulting silicon nitride ceramics. It is usually expected. That is, in the raw material processing process, a process for reducing the density of the raw material is once performed, and at first glance, a process opposite to the purpose of densification is performed. Therefore, the manufacturing method according to the present invention invites the expectation that a final fired body having a low density is obtained contrary to densification, and it can be said that the manufacturing method is special compared to the conventional method. It is none other than what was discovered by earnest examination.

(S7.緻密化工程)
緻密化工程は、窒化工程での窒化温度を超える温度にて反応焼結体を焼成して緻密化する工程であり、本工程によって窒化ケイ素系セラミックスである最終焼結体が得られる。
(S7. Densification step)
The densification step is a step of firing and densifying the reaction sintered body at a temperature exceeding the nitriding temperature in the nitriding step, and a final sintered body that is a silicon nitride ceramic is obtained by this step.

緻密化工程は造孔工程と同様の加熱方法にて行うことができ、常圧加熱、加圧加熱(ホットプレス)、雰囲気加圧加熱、HIP(熱間静水圧プレス:ホットアイソスタティックプレス)加熱などの様々な加熱方法を適用可能である。   The densification process can be performed by the same heating method as the hole making process, and normal pressure heating, pressure heating (hot press), atmospheric pressure heating, HIP (hot isostatic pressing: hot isostatic press) heating. Various heating methods such as these can be applied.

反応焼結体を焼成する温度は通常、1600℃以上であり、好ましくは1750℃以上である。上限は特に限定されないが、最終焼結体に破損等を生じさせない観点から、1950℃以下であることが望ましい。また、通常、焼成時間は、1時間以上、10時間以下である。   The temperature for firing the reaction sintered body is usually 1600 ° C. or higher, preferably 1750 ° C. or higher. The upper limit is not particularly limited, but it is preferably 1950 ° C. or lower from the viewpoint of preventing the final sintered body from being damaged. Further, the firing time is usually 1 hour or more and 10 hours or less.

前工程の窒化工程にて金属Siの噴出が抑制されているため、緻密化工程で焼成の対象となる反応焼結体ではその品質が損なわれることなく、好適な焼成対象となっている。また、金属Siの噴出が起これば、焼成炉等の清掃が必要となり、製造コストの低下はもちろん、タクトタイムが増大するが、そのような虞も低減される。元来、金属Siを原料とするポスト反応焼結法は、常圧焼結法に比較してコスト的に有利であり、本製造方法によれば低コストかつ短いタクトタイムで窒化ケイ素系セラミックスを製造できる。   Since the ejection of metal Si is suppressed in the nitriding process of the previous process, the quality of the reaction sintered body to be fired in the densification process is suitable without being impaired. Further, if metal Si is ejected, it is necessary to clean the firing furnace and the like, and the tact time is increased as well as the manufacturing cost is lowered, but such a possibility is also reduced. Originally, the post-reaction sintering method using metal Si as a raw material is advantageous in terms of cost compared with the atmospheric pressure sintering method. According to this manufacturing method, silicon nitride ceramics can be produced at low cost and with a short tact time. Can be manufactured.

なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims, and the technical means disclosed in different embodiments can be appropriately combined. Such embodiments are also included in the technical scope of the present invention.

本発明について、実施例および比較例、並びに図1〜8に基づいてより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。当業者は本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更、修正、および改変を行うことができる。なお、以下の実施例および比較例における各物性は次のようにして評価した。   Although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example and FIGS. 1-8, this invention is not limited to this. Those skilled in the art can make various changes, modifications, and alterations without departing from the scope of the present invention. In addition, each physical property in the following examples and comparative examples was evaluated as follows.

(1)相対密度
理論密度に対するアルキメデス法による実測密度の比率を算出することによって、圧紛体、反応焼結体および最終焼結体の相対密度を求めた。
(1) Relative density The relative density of the compact, the reactive sintered body, and the final sintered body was determined by calculating the ratio of the measured density by the Archimedes method to the theoretical density.

(2)ビッカース硬さ、破壊靭性値および曲げ強度
最終焼結体から試験片を切り出し、JIS R1603に規定する方法に従って曲げ強度を測定した。曲げ試験後の最終焼結体を鏡面研磨し、JIS R160Xに規定する方法に従って荷重20Kgにてビッカース硬度を測定すると共に、IF法に基づく新原の計算式により破壊靭性値(MPa・m1/2)を算出した。
(2) Vickers hardness, fracture toughness value and bending strength A test piece was cut out from the final sintered body, and the bending strength was measured according to the method specified in JIS R1603. The final sintered body after the bending test is mirror-polished, and the Vickers hardness is measured at a load of 20 kg according to the method specified in JIS R160X. The fracture toughness value (MPa · m 1/2 ) Was calculated.

(3)窒化ケイ素相の重量分率
X線回折によって、反応焼成体におけるSi、α−Si、β−Siの重量分率を各成分のX線回折ピークから求めた。
(3) Weight fraction of silicon nitride phase By X-ray diffraction, the weight fraction of Si, α-Si 3 N 4 , and β-Si 3 N 4 in the reaction fired body was determined from the X-ray diffraction peaks of the respective components.

(4)Siの噴出
窒化工程にて金属Siの噴出が生じた否かを、目視によって観察することによって判断した。
(4) Ejection of Si Whether or not ejection of metal Si occurred in the nitriding step was judged by visual observation.

(5)収縮率
窒化工程から緻密化工程における窒化ケイ素系セラミックス(反応焼結体から最終焼結体へ焼成される)の収縮率を、マイクロメーター(株式会社ミツトヨ社製、No.293-661-10N)を使用して測定した。
(5) Shrinkage rate The shrinkage rate of silicon nitride ceramics (fired from the reaction sintered body to the final sintered body) in the nitriding process to the densification process was measured using a micrometer (No.293-661, manufactured by Mitutoyo Corporation). -10N).

(6)薄片透光法による反応焼結体の観察
研磨機を用いて試験片を100μm程度の厚みに薄片加工し、当該薄片を光学顕微鏡の透過モードで観察した。
(6) Observation of reaction sintered body by thin piece translucent method The test piece was processed into a thickness of about 100 μm using a polishing machine, and the thin piece was observed in a transmission mode of an optical microscope.

〔実施例1〜12〕
(S1.原料準備工程)
出発原料である金属Si、焼結助剤および造孔剤として、以下のものを用いた。
・金属Si
山石金属株式会社製の#600粉末、平均粒径12.6μm
・焼結助剤
:信越化学工業株式会社製「RU−P」、平均粒径1.1μm
MgO:宇部興産株式会社製「500A」、平均粒径0.05μm
ZrO:東ソー株式会社製「TZ−O」、平均粒径0.07μm
・分散剤:共栄社化学(株)製「フローレンG」
・造孔剤:エア・ウォーター・ベルパール株式会社製「ベルパール R200」(フェノール樹脂)
(S2.粉砕工程)
以下の粉砕条件により粉砕を行った。なお、得られた金属Siをビーズミル粉砕物とする。
[Examples 1 to 12]
(S1. Raw material preparation step)
The following were used as the starting metal Si, sintering aid and pore former.
・ Metal Si
# 600 powder manufactured by Yamaishi Metal Co., Ltd., average particle size 12.6 μm
Sintering aid Y 2 O 3 : “RU-P” manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., average particle size 1.1 μm
MgO: “500A” manufactured by Ube Industries, Ltd., average particle size 0.05 μm
ZrO 2 : “TZ-O” manufactured by Tosoh Corporation, average particle size 0.07 μm
・ Dispersant: “Floren G” manufactured by Kyoeisha Chemical Co., Ltd.
・ Poreforming agent: “Bellpearl R200” (phenol resin) manufactured by Air Water Bellpearl Co., Ltd.
(S2. Grinding step)
Grinding was performed under the following grinding conditions. In addition, let the obtained metal Si be a bead mill ground material.

(粉砕条件)ビーズミルとして、アシザワファインテック社製の「ミニツェア」を用い、粉砕メディアとしてビーズ径0.5mmのSiビーズを290g用いた。そして、金属Si粉末1200gとエタノール4000gを混合したスラリーをビーズミルに10パス通過させ、粉砕した。なお、ビーズミルの回転数は3000rpmである。 (Crushing conditions) “Minizea” manufactured by Ashizawa Finetech was used as the bead mill, and 290 g of Si 3 N 4 beads having a bead diameter of 0.5 mm were used as the grinding media. Then, a slurry obtained by mixing 1200 g of metal Si powder and 4000 g of ethanol was passed through a bead mill for 10 passes and pulverized. The rotation speed of the bead mill is 3000 rpm.

ビーズミル粉砕物(金属Siの粉末):Y:MgO:ZrOおよび分散剤の重量比が93:2:5:1:3となるように、これらを配合した出発原料に対して、表1に示す割合となるように所定の体積のベルパールを使用してボールミル湿式混合を行った。具体的には、ボールミル粉砕物50gに対して各種の焼結助剤および分散剤が上記重量比となるように配合し、この出発原料をエタノール400mlに加え、ボール径10mmのSiボールを用いて、ボールミル混合を24h行った。 With respect to the starting materials blended so that the weight ratio of the bead mill pulverized product (metal Si powder): Y 2 O 3 : MgO: ZrO 2 and the dispersant is 93: 2: 5: 1: 3, Ball mill wet mixing was performed using a certain volume of pearl so that the ratio shown in Table 1 was obtained. Specifically, various sintering aids and dispersants are blended in the above weight ratio with respect to 50 g of the ball mill pulverized product, this starting material is added to 400 ml of ethanol, and a Si 3 N 4 ball having a ball diameter of 10 mm. Was used to perform ball mill mixing for 24 hours.

その後、出発原料に対して、パラフィン、DOP(ジオクチルフタレート)およびシクロヘキサン35mlを添加して造粒した。   Then, 35 ml of paraffin, DOP (dioctyl phthalate) and cyclohexane were added to the starting material and granulated.

(S4.成形工程)
その後、外径15mmの円柱状の中空部を有する金型を用いて、一軸プレス成形法により、50MPaの圧力を30秒間加えて成形した。さらに、冷間静水等方圧プレス(CIP)法により、200MPaの圧力を60秒間加えて成形した。これにより、圧粉された圧粉体を得た。
(S4. Molding process)
Thereafter, using a mold having a cylindrical hollow portion having an outer diameter of 15 mm, molding was performed by applying a pressure of 50 MPa for 30 seconds by a uniaxial press molding method. Furthermore, it was molded by applying a pressure of 200 MPa for 60 seconds by a cold isostatic press (CIP) method. Thereby, the compacted green compact was obtained.

(S5.造孔工程)〜(S7.緻密化工程)
得られた圧粉体を500℃で3時間保持し、造孔および脱脂を行った。その後、各実施例において、表1に記載の焼成条件で窒化工程および緻密化工程を行った。窒化工程では、窒素雰囲気中にて焼成を行った。また、緻密化工程では、0.9MPaの窒素を4l(4リットル)/minの速度で流しながら焼成を行った。
(S5. Hole making step) to (S7. Densification step)
The obtained green compact was held at 500 ° C. for 3 hours to perform pore formation and degreasing. Then, in each Example, the nitriding process and the densification process were performed on the baking conditions of Table 1. In the nitriding step, firing was performed in a nitrogen atmosphere. In the densification step, firing was performed while flowing 0.9 MPa of nitrogen at a rate of 4 l (4 liters) / min.

(評価)
実施例1〜3に関する圧紛体、反応焼結体および最終焼結体の相対密度、ビッカース硬さ、破壊靭性、曲げ強度およびSiの噴出結果を表2に示した。また、実施例4〜12に関する圧紛体、反応焼結体および最終焼結体の相対密度、反応焼結体における、Si、α−Siおよびβ−Siの重量分率並びにSiの噴出結果、最終焼結体の曲げ強度を表2に示した。
(Evaluation)
Table 2 shows the relative density, Vickers hardness, fracture toughness, bending strength, and Si ejection results of the compacts, reaction sintered bodies, and final sintered bodies for Examples 1 to 3. Moreover, the relative density of the compact, the reaction sintered body, and the final sintered body in Examples 4 to 12, the weight fraction of Si, α-Si 3 N 4 and β-Si 3 N 4 in the reaction sintered body, and Table 2 shows the bending strength of the final sintered body as a result of the ejection of Si.

〔比較例1〕
ベルパールを使用しなかった以外は、実施例1と同様にして最終焼結体を得た。比較例1に関する圧紛体、反応焼結体および最終焼結体の相対密度、ビッカース硬さ、破壊靭性、曲げ強度およびSiの噴出結果を表2に示した。
[Comparative Example 1]
A final sintered body was obtained in the same manner as in Example 1 except that Belpearl was not used. Table 2 shows the relative density, Vickers hardness, fracture toughness, bending strength, and Si ejection results of the compact, reaction sintered body, and final sintered body for Comparative Example 1.

〔比較例2〕
比較例1において金属Siに代えて、Si粉末(宇部興産(株)製の「SN−E10」)を使用して最終焼結体を得た。
[Comparative Example 2]
In Comparative Example 1, a final sintered body was obtained using Si 3 N 4 powder (“SN-E10” manufactured by Ube Industries, Ltd.) instead of metal Si.

(実施例および比較例の結果検討)
表1に示されるように、造孔剤であるベルパールを使用しなかった比較例1では、窒化工程において反応焼結体に金属Siが噴出してしまい、最終焼結体の相対密度、ビッカース硬さおよび破壊靭性に影響は良好な値であったものの、最終焼結体として製品価値が低いものであった。また、反応炉の清掃に時間を費やすこととなった。比較例1で得られた最終焼結体の写真図を図2に示す。
(Examination of results of Examples and Comparative Examples)
As shown in Table 1, in Comparative Example 1 in which the pore forming agent Bell Pearl was not used, metal Si was ejected to the reaction sintered body in the nitriding step, and the relative density of the final sintered body, Vickers hardness Although the influence on the thickness and fracture toughness was good, the product value was low as the final sintered body. Also, it took time to clean the reactor. A photograph of the final sintered body obtained in Comparative Example 1 is shown in FIG.

一方、実施例1〜12における反応焼結体では金属Siの噴出が生じず、金属Siの噴出による最終焼結体の破損等も生じなかった。造孔剤によって気孔を形成したことに起因する結果である。実施例1にて得られた最終焼結体の写真図を図3に示す。   On the other hand, in the reaction sintered bodies in Examples 1 to 12, no metal Si was ejected, and the final sintered body was not damaged by the metal Si ejection. This is a result resulting from the formation of pores by the pore-forming agent. A photograph of the final sintered body obtained in Example 1 is shown in FIG.

比較例1、実施例1〜3での最終焼成体は何れも良好な相対密度を有している。各最終焼成体のSEM(走査型電子顕微鏡)写真図を図4(a)〜(d)に示す。特に造孔剤としてパラフィンを使用した実施例3(図4(d))では、相対密度が95.8%と高い最終焼成体を得ることができた。   The final fired bodies in Comparative Example 1 and Examples 1 to 3 all have a good relative density. The SEM (scanning electron microscope) photograph figure of each final sintered body is shown to Fig.4 (a)-(d). Particularly in Example 3 (FIG. 4D) using paraffin as a pore-forming agent, a final fired body having a high relative density of 95.8% could be obtained.

また、薄片透光法による反応焼結体の写真図を図5に示す。図5(a)は、実施例5に係る反応焼結体を示す写真図であり、図5(b)は、比較例1に係る反応焼結体を示す写真図である。図5(a)では均一な気孔(図中の白い箇所)が観察されており、図5(b)では気孔が観測されていないことから、造孔剤に起因して気孔が形成されることが確認された。   Moreover, the photograph figure of the reaction sintered compact by a thin piece translucent method is shown in FIG. FIG. 5A is a photographic view showing a reaction sintered body according to Example 5, and FIG. 5B is a photographic view showing a reaction sintered body according to Comparative Example 1. In FIG. 5 (a), uniform pores (white portions in the figure) are observed, and since pores are not observed in FIG. 5 (b), pores are formed due to the pore-forming agent. Was confirmed.

さらに、実施例4、5、6にてそれぞれ得られた反応焼結体のSEM写真図を図6に示す。図6の下段に示す(b)、(d)、(f)はそれぞれ上段(a)、(c)、(d)の拡大図である。図6に示されるように、実施例4の造孔剤が25vol%である場合には、形成される気孔のサイズは小さいが、実施例5のように造孔剤を30vol%使用した場合にはサイズがより大きな気孔を形成できることが分かる。さらに、実施例6のように造孔剤を35vol%使用した場合、気孔の撮影断面は実施例5よりも約2倍となっており、好適に気孔が形成されていることが明らかとなっている。   Furthermore, the SEM photograph figure of the reaction sintered compact obtained in each of Example 4, 5, and 6 is shown in FIG. (B), (d), and (f) shown in the lower part of FIG. 6 are enlarged views of the upper parts (a), (c), and (d), respectively. As shown in FIG. 6, when the pore forming agent of Example 4 is 25 vol%, the size of the pores formed is small, but when the pore forming agent is used at 30 vol% as in Example 5, It can be seen that larger pores can be formed. Further, when 35 vol% of the pore-forming agent was used as in Example 6, the photographing cross-section of the pores was about twice that of Example 5, and it was clear that the pores were suitably formed. Yes.

また、実施例5(造孔剤30%)、比較例1(造孔剤なし)および比較例2における温度変化による窒化ケイ素系セラミックスの収縮率変化を図7に示す。比較例2では、金属Siに代えてSi粉末を原料としているため、金属Siの噴出は当然生じず、窒化ケイ素系セラミックスは緻密化するに従って序々に収縮率が増加する。これに対して、比較例1では、1800℃付近まで収縮率はあまり変化しないが、緻密化工程での処理温度1850℃を境にして、反応焼成体の収縮が急激に生じている。 Further, FIG. 7 shows changes in the shrinkage rate of the silicon nitride ceramics due to temperature changes in Example 5 (30% pore-forming agent), Comparative Example 1 (no pore-forming agent) and Comparative Example 2. In Comparative Example 2, since Si 3 N 4 powder is used as a raw material instead of metal Si, the ejection of metal Si does not naturally occur, and the shrinkage rate gradually increases as silicon nitride ceramics become denser. On the other hand, in Comparative Example 1, the shrinkage rate does not change much up to around 1800 ° C., but the reaction fired body rapidly contracts at the processing temperature of 1850 ° C. in the densification step.

最終焼成体の製造過程では、緩やかに緻密化を行うことにより、粗大な粒子の成長を抑制でき、均一な緻密化がなされる。本発明に係る実施例5では、比較例1に比してより緩やかに緻密化がなされていることが明白であり、得られる最終焼成体では異常な粒成長が抑制されていると予想される。   In the manufacturing process of the final fired body, by gently densifying, the growth of coarse particles can be suppressed and uniform densification is achieved. In Example 5 according to the present invention, it is clear that densification is performed more slowly than in Comparative Example 1, and it is expected that abnormal grain growth is suppressed in the obtained final fired body. .

実施例4〜12では、ベルパールを25体積%以上使用している。実施例8のようにベルパールを45体積%使用した場合には、実施例7のベルパールを40体積%使用した場合に比較してα−Siの割合が急激に増加していることが分かる。また、実施例12までベルパールの使用量を増加させたが、α−Siの割合は使用量に比例してさほど増加しなかった。使用量に対する効果を勘案するとベルパールの使用量は60体積%であると判断される。 In Examples 4 to 12, 25% by volume or more of bell pearl is used. When 45% by volume of Belpearl was used as in Example 8, the proportion of α-Si 3 N 4 was rapidly increased as compared with the case of 40% by volume of Bell Pearl of Example 7. I understand. Also, it increased the amount of BELLPEARL to Example 12, the proportion of α-Si 3 N 4 did not increase much in proportion to the amount of use. Considering the effect on the usage amount, the usage amount of Belpearl is determined to be 60% by volume.

最後に、実施例12の最終焼成体を曲げ強度測定した後の破壊源をEDS(エネルギー分散型X線分光法)にて分析した。最終焼成体のEDS観察図を図8に示す。図8(a)は最終焼成体の破壊源を示す図であり、図8(b)はケイ素の分布を示す図であり、図8(c)は炭素の分布を示す図である。   Finally, the fracture source after measuring the bending strength of the final fired body of Example 12 was analyzed by EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy). An EDS observation diagram of the final fired body is shown in FIG. FIG. 8A is a view showing a source of destruction of the final fired body, FIG. 8B is a view showing a distribution of silicon, and FIG. 8C is a view showing a distribution of carbon.

図8(a)の破壊源には炭素が残存しており、この炭素が破壊源となっていることが分かった。このため、造孔工程において圧紛体をより高温で加熱し、炭素の残留量を低減させれば最終焼成体が破壊され難くなると予想される。   It was found that carbon remains in the destruction source of FIG. 8A and this carbon is the destruction source. For this reason, it is expected that the final fired body is less likely to be destroyed if the powder body is heated at a higher temperature in the hole making step to reduce the residual amount of carbon.

本発明は、エンジン用部品材料、ベアリング材料、工具材料、溶融金属用部品、軸受部材、圧延用などの各種ロール材、コンプレッサ用ベーン、ターボロータ、切削工具等の各種構造用材料に用いられる窒化ケイ素系セラミックスに利用することができる。   The present invention is used for engine parts materials, bearing materials, tool materials, molten metal parts, bearing members, various roll materials for rolling, nitriding used for various structural materials such as compressor vanes, turbo rotors and cutting tools. It can be used for silicon-based ceramics.

Claims (5)

金属Siを窒化する窒化ケイ素系セラミックスの製造方法において、
金属Si、焼結助剤、および、加熱することによって気孔を形成する造孔剤を含む混合物の圧紛体を加熱して、上記圧紛体中の金属Si間に気孔を形成する造孔工程と、
上記造孔工程にて得られた、気孔が形成された金属Siおよび焼結助剤を含む多孔体を、窒素雰囲気下にて焼成して反応焼結体を得る窒化工程と、
窒化工程での反応焼結体を焼成した窒化温度を超える温度にて反応焼結体を焼成して緻密化し、最終焼結体を得る緻密化工程と、
を含むことを特徴とする窒化ケイ素系セラミックスの製造方法。
In the method for producing silicon nitride ceramics for nitriding metal Si,
Forming a pore between the metal Si in the powder body by heating the powder body of the mixture containing the metal Si, the sintering aid, and a pore-forming agent that forms pores by heating; and
A nitriding step for obtaining a reactive sintered body by firing a porous body containing metal Si having pores formed therein and a sintering aid obtained in the pore forming step in a nitrogen atmosphere;
A densification step in which the reaction sintered body is fired and densified at a temperature exceeding the nitriding temperature at which the reaction sintered body in the nitriding step is fired, and a final sintered body is obtained;
A method for producing silicon nitride ceramics, comprising:
上記金属Siと焼結助剤の総体積に対する造孔剤の割合が、30体積%以上、60体積%以下であることを特徴とする請求項1に記載の窒化ケイ素系セラミックスの製造方法。   The method for producing a silicon nitride-based ceramic according to claim 1, wherein the ratio of the pore former to the total volume of the metal Si and the sintering aid is 30% by volume or more and 60% by volume or less. 上記金属Siと焼結助剤の総体積に対する造孔剤の割合が、45体積%以上、60体積%以下であることを特徴とする請求項2に記載の窒化ケイ素系セラミックスの製造方法。   The method for producing a silicon nitride-based ceramic according to claim 2, wherein the ratio of the pore former to the total volume of the metal Si and the sintering aid is 45% by volume or more and 60% by volume or less. 上記造孔工程における混合物の圧粉体を加熱する温度が、500℃以上、1000℃以下であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の窒化ケイ素系セラミックスの製造方法。   The method for producing a silicon nitride ceramic according to any one of claims 1 to 3, wherein a temperature for heating the green compact of the mixture in the pore forming step is 500 ° C or higher and 1000 ° C or lower. . 金属Siを窒化する窒化ケイ素系セラミックスの製造方法において、
金属Si、焼結助剤、および、加熱することによって気孔を形成する造孔剤を含む混合物の圧紛体を加熱して、上記圧紛体中の金属Si間に気孔を形成する造孔工程と、
上記造孔工程にて得られた、気孔が形成された金属Siおよび焼結助剤を含む多孔体を、窒素雰囲気下にて焼成して反応焼結体を得る窒化工程と、
を含むことを特徴とする窒化ケイ素系セラミックスの製造方法。
In the method for producing silicon nitride ceramics for nitriding metal Si,
Forming a pore between the metal Si in the powder body by heating the powder body of the mixture containing the metal Si, the sintering aid, and a pore-forming agent that forms pores by heating; and
A nitriding step for obtaining a reactive sintered body by firing a porous body containing metal Si having pores formed therein and a sintering aid obtained in the pore forming step in a nitrogen atmosphere;
A method for producing silicon nitride ceramics, comprising:
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