JP2022135123A - Sintering aid for silicon nitride and method for producing silicon nitride sintered body - Google Patents

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大 草野
Masaru Kusano
智 若松
Satoshi Wakamatsu
俊之 橋田
Toshiyuki Hashida
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Tohoku University NUC
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Abstract

To provide a sintering aid for silicon nitride that enables the production of a silicon nitride sintered body having high thermal conductivity without using an oxide aid.SOLUTION: An inventive sintering aid for silicon nitride according to the invention is characterized by comprising a silicon carbonitride compound represented by a composition formula: M3Si8N12C2 (where M is Hf, Zr, Sc, Y or a lanthanoid element).SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、窒化ケイ素焼結用助剤及び該窒化ケイ素焼結用助剤を用いた窒化ケイ素焼結体の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a silicon nitride sintering aid and a method for producing a silicon nitride sintered body using the silicon nitride sintering aid.

窒化ケイ素焼結体は、機械的強度が高く、耐酸化性、耐食性、及び熱伝導性にも優れるセラミックス材料として知られており、工業的な利用も多方面にわたっている。例えば、ターボチャージャーローター、ディーゼルエンジンおよびグロープラグやホットプラグなどの自動車部品、研削用チップなどの機械器具用部材、ガスタービン用タービンブレードや燃焼室壁などの熱機関部材、高周波トランジスタやパワーデバイス用の電気絶縁基板などとして使われている。 A silicon nitride sintered body is known as a ceramic material having high mechanical strength, excellent oxidation resistance, corrosion resistance, and thermal conductivity, and is widely used industrially. For example, turbocharger rotors, automotive parts such as diesel engines, glow plugs and hot plugs, parts for machine tools such as grinding tips, heat engine parts such as turbine blades for gas turbines and combustion chamber walls, high frequency transistors and power devices It is used as an electrical insulating substrate, etc.

窒化ケイ素焼結体は、一般には窒化ケイ素粉末に焼結用助剤を配合した混合原料を焼成して製造されるが、得られる窒化ケイ素焼結体の強度や熱伝導率などの物性は、使用する焼結用助剤の種類に依存することが知られている。そのため、焼結用助剤の研究が盛んに行われている。
例えば特許文献1では、焼結用助剤として窒化ケイ素マグネシウム(MgSiN)を用いて、1900℃以下の低温で焼結する窒化ケイ素焼結体の製造方法に関する発明が記載されており、その実施例では、焼結用助剤としてMgSiNと希土類酸化物であるYbとを併用して、緻密で熱伝導率の高い窒化ケイ素焼結体が得られることが示されている。
特許文献2では、ケイ素粉末あるいはケイ素粉末と窒化ケイ素粉末の混合粉末に、希土類酸化物とマグネシウム化合物を同時に添加する、窒化ケイ素焼結体の製造方法に関する発明が記載されており、曲げ強度及び破壊靭性が高く、熱伝導性に優れる窒化ケイ素焼結体が得られることが示されている。
Silicon nitride sintered bodies are generally produced by firing a mixed raw material in which silicon nitride powder is mixed with a sintering aid. Physical properties such as strength and thermal conductivity of the obtained silicon nitride sintered bodies It is known to depend on the type of sintering aid used. Therefore, researches on sintering aids are actively conducted.
For example, Patent Document 1 describes an invention relating to a method for producing a silicon nitride sintered body that uses magnesium silicon nitride (MgSiN 2 ) as a sintering aid and is sintered at a low temperature of 1900° C. or less. The example shows that a dense silicon nitride sintered body with high thermal conductivity can be obtained by using both MgSiN 2 and Yb 2 O 3 which is a rare earth oxide as sintering aids.
Patent Document 2 describes an invention relating to a method for producing a silicon nitride sintered body by simultaneously adding a rare earth oxide and a magnesium compound to silicon powder or a mixed powder of silicon powder and silicon nitride powder. It is shown that a silicon nitride sintered body having high toughness and excellent thermal conductivity can be obtained.

これらの例で見られるように、窒化ケイ素焼結体の製造には、原料の窒化ケイ素粉末に、焼結助剤としての機能に優れる酸化物助剤(Sc、Y、Nd、Yb、HfO、ZrOなど)を付加添加することが一般的である。しかしながら、これら酸化物助剤は、窒化ケイ素焼結体における窒化ケイ素結晶の粒界に存在するなどして、窒化ケイ素焼結体の強度の低下や熱伝導率の低下の原因になることが知られている。
このような観点から、特許文献3では、酸化物助剤を含まない窒化ケイ素焼結体に関する発明について記載されており、窒化ケイ素系化合物であるLnSi(LnはSc、Yまたはランタノイド元素)やLnSiC(LnはSc、Yまたはランタノイド元素)を焼結用助剤として使用することで、酸化物助剤を使用しないで窒化ケイ素焼結体を製造できることが記載されている。
As seen in these examples, in the production of silicon nitride sintered bodies, oxide aids (Sc 2 O 3 , Y 2 O 3 , Nd2O3 , Yb2O3 , HfO2 , ZrO2 , etc.) are commonly added. However, it is known that these oxide auxiliaries exist at the grain boundaries of silicon nitride crystals in the silicon nitride sintered body and cause a decrease in the strength and thermal conductivity of the silicon nitride sintered body. It is
From this point of view, Patent Document 3 describes an invention related to a silicon nitride sintered body that does not contain an oxide auxiliary agent, and LnSi 3 N 5 (Ln is Sc, Y or a lanthanide element), which is a silicon nitride compound ) or Ln 2 Si 4 N 6 C (Ln is Sc, Y or a lanthanoid element) as a sintering aid, a silicon nitride sintered body can be produced without using an oxide aid. ing.

特開2002-128569号公報JP 2002-128569 A 特開2007-197226号公報JP 2007-197226 A 特開2015-86125号公報JP 2015-86125 A

上記したように、特許文献3の方法によれば、酸化物助剤を用いずに窒化ケイ素焼結体を製造でき、酸化物助剤を使用することによる熱伝導率低下などの悪影響を一定程度抑制できる。しかしながら、近年、各種工業製品の高性能化の観点から、従来よりも、より熱伝導率の高い窒化ケイ素焼結体が必要とされるようになってきた。
また、既存の窒化ケイ素焼結用助剤を使用する場合において、得られる窒化ケイ素焼結体の熱伝導率を高めるためには、長時間焼成を行い、粒成長を促して窒化ケイ素粒子を純化させる必要があり、生産効率が悪いとう問題があった。
As described above, according to the method of Patent Document 3, a silicon nitride sintered body can be produced without using an oxide auxiliary agent, and adverse effects such as a decrease in thermal conductivity due to the use of an oxide auxiliary agent are reduced to a certain extent. can be suppressed. However, in recent years, from the viewpoint of improving the performance of various industrial products, there has been a need for silicon nitride sintered bodies with higher thermal conductivity than ever before.
In addition, in the case of using an existing silicon nitride sintering aid, in order to increase the thermal conductivity of the silicon nitride sintered body obtained, it is necessary to sinter for a long time to promote grain growth and purify the silicon nitride particles. There was a problem that the production efficiency was poor.

本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであって、酸化物助剤を使用しないで、従来よりも、より熱伝導率の高い窒化ケイ素焼結体を比較的短時間で製造することを可能とする窒化ケイ素焼結用助剤、及び該窒化ケイ素焼結用助剤を用いた窒化ケイ素焼結体の製造方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and is capable of producing a silicon nitride sintered body having a higher thermal conductivity than conventional ones in a relatively short time without using an oxide auxiliary agent. It is an object of the present invention to provide a silicon nitride sintering aid that enables this, and a method for producing a silicon nitride sintered body using the silicon nitride sintering aid.

本発明者らは、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた。その結果、組成式MSi12(ただし、Mは、Hf、Zr、Sc、Yまたはランタノイド元素)で示される炭窒化ケイ素化合物よりなる窒化ケイ素焼結用助剤により上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。 The present inventors have made intensive studies in order to achieve the above object. As a result, the above problem was solved by a silicon nitride sintering aid comprising a silicon carbonitride compound represented by the composition formula M 3 Si 8 N 12 C 2 (where M is Hf, Zr, Sc, Y or a lanthanide element). We have found that the problem can be solved, and completed the present invention.

本発明の要旨は、以下の[1]~[3]である。
[1]組成式MSi12(ただし、Mは、Hf、Zr、Sc、Yまたはランタノイド元素)で示される炭窒化ケイ素化合物よりなることを特徴とする窒化ケイ素焼結用助剤。
[2]窒化ケイ素粉末100質量部に対して、上記[1]に記載の窒化ケイ素焼結用助剤を3~50質量部配合した混合原料を、窒素ガス中、5~300MPaで加圧焼結することを特徴とする窒化ケイ素焼結体の製造方法。
[3]前記加圧焼結をホットプレス法又は放電プラズマ焼結法(SPS)において行う上記[2]に記載の窒化ケイ素焼結体の製造方法。
The gist of the present invention is the following [1] to [3].
[ 1 ] A silicon nitride sintering aid comprising a silicon carbonitride compound represented by the composition formula M Si N C ( where M is Hf, Zr, Sc, Y or a lanthanide element) agent.
[2] A mixed raw material obtained by blending 3 to 50 parts by mass of the silicon nitride sintering aid described in [1] with respect to 100 parts by mass of silicon nitride powder is pressure-sintered in nitrogen gas at 5 to 300 MPa. A method for producing a silicon nitride sintered body, characterized by:
[3] The method for producing a silicon nitride sintered body according to [2] above, wherein the pressure sintering is performed by a hot press method or a spark plasma sintering method (SPS).

本発明によれば、酸化物助剤を使用しないで、熱伝導率の高い窒化ケイ素焼結体を比較的短時間で製造することを可能とする窒化ケイ素焼結用助剤、及び該窒化ケイ素焼結用助剤を用いた窒化ケイ素焼結体の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, a silicon nitride sintering aid that enables the production of a silicon nitride sintered body with high thermal conductivity in a relatively short time without using an oxide aid, and the silicon nitride A method for producing a silicon nitride sintered body using a sintering aid can be provided.

実施例で製造したCeSi12のXRDパターンである。 Fig . 3 is an XRD pattern of Ce3Si8N12C2 produced in Example. 実施例で製造したZrSi12のXRDパターンである。 Fig . 3 is an XRD pattern of Zr3Si8N12C2 produced in Example.

[窒化ケイ素焼結用助剤]
本発明の窒化ケイ素焼結用助剤は、組成式MSi12(ただし、Mは、Hf、Zr、Sc、Yまたはランタノイド元素)で示される炭窒化ケイ素化合物よりなる。該焼結用助剤を用いることで、酸化物助剤を使用しないで、比較的短時間で熱伝導率の高い窒化ケイ素焼結体を製造することができる。
この理由は定かではないが、以下のように推察される。本発明の窒化ケイ素焼結用助剤は、Cを多く含む化合物である。そのため、従来技術として開示されている焼結用助剤よりも還元作用が強く、得られる窒化ケイ素焼結体の酸素含有量を一層低減できるため、熱伝導率が向上するものと考えられる。また、本発明の窒化ケイ素焼結用助剤を用いることで、窒化ケイ素の粒成長が促進され、短時間で熱伝導率の高い窒化ケイ素焼結体が得られると考えられる。
[Silicon nitride sintering aid]
The silicon nitride sintering aid of the present invention comprises a silicon carbonitride compound represented by the composition formula M 3 Si 8 N 12 C 2 (where M is Hf, Zr, Sc, Y or a lanthanide element). By using the sintering aid, a silicon nitride sintered body having high thermal conductivity can be produced in a relatively short time without using an oxide aid.
The reason for this is not clear, but is presumed as follows. The silicon nitride sintering aid of the present invention is a C-rich compound. For this reason, the reducing action is stronger than that of the sintering aids disclosed in the prior art, and the oxygen content of the obtained silicon nitride sintered body can be further reduced, which is thought to improve the thermal conductivity. In addition, it is believed that the use of the silicon nitride sintering aid of the present invention promotes grain growth of silicon nitride, and a silicon nitride sintered body with high thermal conductivity can be obtained in a short period of time.

本発明における窒化ケイ素焼結用助剤は、組成式MSi12で示される炭窒化ケイ素化合物よりなる。Mは、Hf、Zr、Sc、Yまたはランタノイド元素である。なお、ランタノイド元素とは、原子番号57から71、すなわちランタン(La)からルテチウム(Lu)までの15の元素の総称である。
これらの中でも、得られる窒化ケイ素焼結体の粒子形状を調整しやすく、強度特性を向上させやすいため、Mとしては、Hf、Ce、Zrが好ましい。
また、本発明において窒化ケイ素焼結用助剤の粒径は特に制限されないが、平均粒子径D50が1~10μm、特に、2~5μmであることが好ましい。
The silicon nitride sintering aid in the present invention comprises a silicon carbonitride compound represented by the composition formula M 3 Si 8 N 12 C 2 . M is Hf, Zr, Sc, Y or a lanthanide element. The lanthanoid element is a general term for 15 elements with atomic numbers from 57 to 71, that is, from lanthanum (La) to lutetium (Lu).
Among these, Hf, Ce, and Zr are preferable as M because the particle shape of the obtained silicon nitride sintered body can be easily adjusted and the strength characteristics can be easily improved.
In the present invention, the particle size of the silicon nitride sintering aid is not particularly limited, but the average particle size D50 is preferably 1 to 10 μm, particularly 2 to 5 μm.

[窒化ケイ素焼結用助剤の製造方法]
窒化ケイ素焼結用助剤として使用される炭窒化ケイ素化合物の製造方法としては、金属酸化物粉末(MO:ただし、Mは、Hf、Zr、Sc、Yまたはランタノイド元素)、窒化ケイ素粉末(Si)および炭素粉末(C)を、前記炭窒化ケイ素化合物の組成式の割合となるように混合後、窒素雰囲気中で1400~1800℃、好ましくは、1500~1700℃で1時間以上、好ましくは、3~10時間反応せしめ、反応生成物を公知の粉砕装置により粉砕することにより製造することができる。
上記原料の混合は遊星ミル等の公知の混合装置を使用して行うことができる。また、混合は、各原料をエタノール等の有機溶媒中での湿式混合を行うことが好ましく、湿式混合により得られたスラリーは、例えば、エバポレータを使用して例えば真空下に、有機溶媒を除去・乾燥した後、反応に供することが好ましい。上記処理温度は、90~120℃程度が好ましい。更に、反応は、真空・加圧雰囲気炉で行うことが推奨される。
また、前記反応生成物である炭窒化ケイ素化合物の同定は、実施例にも示すように、X線回折およびSEM-EDXを用いて行うことができる。
[Method for producing silicon nitride sintering aid]
As a method for producing a silicon carbonitride compound used as a silicon nitride sintering aid, metal oxide powder (MO 2 : where M is Hf, Zr, Sc, Y or a lanthanide element), silicon nitride powder ( Si 3 N 4 ) and carbon powder (C) are mixed so that the ratio of the composition formula of the silicon carbonitride compound is obtained, and then heated in a nitrogen atmosphere at 1400 to 1800° C., preferably 1500 to 1700° C. for 1 hour or more. , preferably by reacting for 3 to 10 hours and pulverizing the reaction product with a known pulverizer.
Mixing of the raw materials can be performed using a known mixing device such as a planetary mill. In addition, mixing is preferably performed by wet-mixing each raw material in an organic solvent such as ethanol, and the slurry obtained by wet-mixing is, for example, using an evaporator, for example, under vacuum to remove the organic solvent. After drying, it is preferably subjected to the reaction. The treatment temperature is preferably about 90 to 120.degree. Furthermore, it is recommended that the reaction be carried out in a vacuum/pressurized atmosphere furnace.
Further, the silicon carbonitride compound, which is the reaction product, can be identified using X-ray diffraction and SEM-EDX, as shown in the Examples.

[窒化ケイ素焼結体の製造方法]
上記した本発明の窒化ケイ素焼結用助剤を用いて、窒化ケイ素焼結体を製造することができる。以下、窒化ケイ素焼結体の製造方法について説明する。
[Manufacturing method of silicon nitride sintered body]
A silicon nitride sintered body can be produced using the silicon nitride sintering aid of the present invention. A method for manufacturing a silicon nitride sintered body will be described below.

本発明における窒化ケイ素焼結体の製造方法は、窒化ケイ素粉末100質量部に対して、組成式MSi12(ただし、Mは、Hf、Zr、Sc、Yまたはランタノイド元素)で示される炭窒化ケイ素化合物よりなる窒化ケイ素焼結用助剤を3~50質量部配合した混合原料を、窒素ガス中、5~300MPaで加圧焼結することを特徴とする。 In the method for producing a silicon nitride sintered body in the present invention, the composition formula M Si 8 N 12 C 2 ( where M is Hf, Zr, Sc, Y or a lanthanoid element) is applied to 100 parts by mass of silicon nitride powder. A mixed raw material containing 3 to 50 parts by mass of a silicon nitride sintering aid composed of a silicon carbonitride compound represented by is pressure-sintered in nitrogen gas at 5 to 300 MPa.

(混合原料)
混合原料は、窒化ケイ素粉末100質量部に対して、窒化ケイ素焼結用助剤を3~50質量部配合したものである。
窒化ケイ素粉末(Si粉末)については、一般に入手できるものを使用することができ、還元窒化法、直接窒化法、イミド分解法など種々の製法で製造された窒化ケイ素粉末を特に制限なく使用することができる。
窒化ケイ素粉末の平均粒径D50は、特に制限されないが、焼結のし易さなどを考慮すると、例えば0.5~10μmであり、好ましくは1~3μmである。
なお、本明細書では平均粒径D50は、レーザ回折散乱法により測定した50%体積基準の値である。
(mixed raw material)
The mixed raw material is obtained by blending 3 to 50 parts by mass of a silicon nitride sintering aid with 100 parts by mass of silicon nitride powder.
Silicon nitride powder (Si 3 N 4 powder) that is generally available can be used, and silicon nitride powder produced by various methods such as reduction nitriding method, direct nitriding method, and imide decomposition method can be used without particular limitation. can be used.
The average particle size D50 of the silicon nitride powder is not particularly limited, but is, for example, 0.5 to 10 μm, preferably 1 to 3 μm, considering ease of sintering.
In this specification, the average particle diameter D50 is a value based on 50% volume measured by a laser diffraction scattering method.

混合原料における窒化ケイ素焼結用助剤の含有量は、窒化ケイ素粉末100質量部に対して、3~50質量部である。窒化ケイ素焼結用助剤の含有量が3質量部未満であると、焼結が進行し難くなり、緻密な焼結体が得られなくなる。50質量を超えると添加量に応じた効果が得難くなる。窒化ケイ素焼結用助剤の含有量は、窒化ケイ素粉末100質量部に対して、好ましくは3~30質量部であり、より好ましくは5~15質量部である。 The content of the silicon nitride sintering aid in the mixed raw material is 3 to 50 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the silicon nitride powder. If the content of the silicon nitride sintering aid is less than 3 parts by mass, sintering will be difficult to proceed and a dense sintered body will not be obtained. If it exceeds 50 mass, it becomes difficult to obtain the effect corresponding to the amount added. The content of the silicon nitride sintering aid is preferably 3 to 30 parts by mass, more preferably 5 to 15 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the silicon nitride powder.

混合原料は、乾式混合又は湿式混合により調製することができ、混合効率の観点から、湿式混合が好ましい。
湿式混合は、窒化ケイ素粉末、窒化ケイ素焼結用助剤に、溶媒を加えて、ボールミル、遊星ボールミル、自転公転ミキサー又はアペックスミルを用いて3分から3時間の範囲で行うとよく、このようにしてスラリー状の混合原料が得られる。3分未満であれば混合が不十分であり、混合を3時間超行っても混合への効果は少ない。窒化ケイ素焼結用助剤が空気中において不安定で酸化されやすいものについては、混合を窒素ガスなどの不活性ガス中で行うと、混合中の酸化を防ぐことができる。
The mixed raw material can be prepared by dry mixing or wet mixing, and wet mixing is preferred from the viewpoint of mixing efficiency.
Wet mixing may be performed by adding a solvent to the silicon nitride powder and the silicon nitride sintering aid and using a ball mill, planetary ball mill, rotation-revolution mixer or apex mill for 3 minutes to 3 hours. A slurry-like mixed raw material is obtained. Mixing for less than 3 minutes is insufficient, and mixing for more than 3 hours has little effect on mixing. If the silicon nitride sintering aid is unstable and easily oxidized in the air, it can be prevented from being oxidized during mixing by performing the mixing in an inert gas such as nitrogen gas.

混合原料を使って焼結する方法には、2つの方法がある。一つは、スラリー状の混合原料の溶媒の量を調整してから、射出成型機や押出し成型機を使って成型体をつくり、この成型体を十分乾燥してから、雰囲気焼結炉を用いて焼結する方法である。この焼結の雰囲気は窒素ガスであり、その圧力は大気圧の0.05MPa~300MPaの範囲である。0.05MPa未満では、窒化物からの窒素の蒸発の可能性があり、300MPa超になるとこの圧力を支える金属容器の材質で制限されるようになる。焼結温度は1500℃から1900℃の範囲である。1500℃以下では焼結を十分に進行させることができない。1900℃以上になると窒化物の分解が始まる。焼結時間は5分から10時間である。5分以下では焼結が十分に行われない。10時間以下で焼結が十分に進行しており、これ以上の時間を必要としない。 There are two methods of sintering using mixed raw materials. One is to adjust the amount of solvent in the slurry mixed raw material, make a molded body using an injection molding machine or an extrusion molding machine, dry the molded body sufficiently, and then use an atmosphere sintering furnace. It is a method of sintering under pressure. The atmosphere for this sintering is nitrogen gas, and the pressure is in the range of 0.05 MPa to 300 MPa of atmospheric pressure. If the pressure is less than 0.05 MPa, nitrogen may evaporate from the nitride, and if it exceeds 300 MPa, the material of the metal container that supports this pressure will be limited. The sintering temperature ranges from 1500°C to 1900°C. At 1500° C. or less, sintering cannot proceed sufficiently. When the temperature reaches 1900° C. or higher, decomposition of the nitride begins. The sintering time is 5 minutes to 10 hours. If the time is less than 5 minutes, the sintering will not be sufficiently performed. Sintering proceeds sufficiently in 10 hours or less, and longer time is not required.

もう一つの焼結法は、混合原料を窒素ガス中で加圧焼結する方法である。加圧焼結はホットプレス法又は放電プラズマ焼結法で行うことが好ましい。具体的には、スラリー状の混合原料を乾燥し、あるいはスラリー状の混合原料から造粒してペレットを作って乾燥し、これら乾燥原料を黒鉛型につめ、ホットプレスあるいは放電プラズマ焼結法により加圧焼結する方法である。加圧焼結の雰囲気は窒素ガスであり、ガス圧は0.05MPaから0.2MPaの範囲である。0.2MPa以下とするのは、加圧焼結機が耐圧容器となっていないためである。焼結のための加圧力は5~300MPaである。5MPa未満では、圧力の効果が小さく無加圧焼結と変わらない製品となる。300MPaを上限にするのはこれ以上に加圧できる黒鉛型が存在しないためである。
焼結温度は1500℃から1900℃の範囲である。1500℃以下では焼結を十分に進行させることができない。1900℃以上になると窒化物の分解が始まる。焼結時間は5分から10時間である。5分以下では焼結が十分に行われない。10時間以下で焼結が十分に進行しており、これ以上の時間を必要としない。
Another sintering method is a method of pressurizing and sintering the mixed raw material in nitrogen gas. Pressure sintering is preferably performed by a hot press method or a discharge plasma sintering method. Specifically, the slurry-like mixed raw material is dried, or the slurry-like mixed raw material is granulated to make pellets and dried, and these dry raw materials are packed in a graphite mold and hot-pressed or spark plasma sintered. This is a method of pressure sintering. The pressure sintering atmosphere is nitrogen gas, and the gas pressure ranges from 0.05 MPa to 0.2 MPa. The reason why the pressure is set to 0.2 MPa or less is that the pressure sintering machine is not a pressure-resistant container. The pressure for sintering is 5-300 MPa. When the pressure is less than 5 MPa, the effect of pressure is small and the product is the same as pressureless sintering. The reason why the upper limit is 300 MPa is that there is no graphite mold that can be pressurized beyond this.
The sintering temperature ranges from 1500°C to 1900°C. At 1500° C. or less, sintering cannot proceed sufficiently. When the temperature reaches 1900° C. or higher, decomposition of the nitride begins. The sintering time is 5 minutes to 10 hours. If the time is less than 5 minutes, the sintering will not be sufficiently performed. Sintering proceeds sufficiently in 10 hours or less, and longer time is not required.

本発明の窒化ケイ素焼結用助剤を用いることで、酸化物助剤を使用しないで、熱伝導率の高い窒化ケイ素焼結体を短時間で製造することができる。
また、本発明の窒化ケイ素焼結用助剤を用いて製造された窒化ケイ素焼結体は、その組織が大きさの異なる柱状結晶が絡み合った構造になっている。そのために、球状結晶で構成されているほかのセラミックス材料に比較して、強度と靭性とが2倍近く、あるいはそれ以上に大きくなっている。すなわち、本発明の窒素・ケイ素系焼結体の強度は、800MPa以上であり、靭性は8MPa・m1/2以上となっている。
By using the silicon nitride sintering aid of the present invention, a silicon nitride sintered body with high thermal conductivity can be produced in a short time without using an oxide aid.
In addition, the silicon nitride sintered body produced using the silicon nitride sintering aid of the present invention has a structure in which columnar crystals of different sizes are intertwined. Therefore, the strength and toughness are nearly doubled or more than those of other ceramic materials composed of spherical crystals. That is, the strength of the nitrogen-silicon-based sintered body of the present invention is 800 MPa or more, and the toughness is 8 MPa·m 1/2 or more.

本発明において製造される窒化ケイ素焼結体は、工業的に多方面に利用できる。すなわち、ターボチャージャーローター、ディーゼルエンジンのグロープラグやホットプラグ、タペット、インジェクターリンクなどの自動車部品、研削用チップ、ガスタービン用タービンブレードや燃焼室壁などの熱機関および熱交換器部材、熱電対保護管、ノズル、ノズルカバー、塑性加工用ローター、アルミ溶湯部品、研磨布ドレッシングプレート、モーターシャフト、軸受、釣具糸道などの耐摩耗性部品、IC用検査台、クランパー、チャック、突き上げ台などの半導体製造装置部品、高周波トランジスタやパワーデバイス用の電気絶縁基板などとして利用することができる。さらに、炭化ケイ素繊維と複合材料にすることで、高信頼性が要求されるジェットエンジン用のタービンブレードとして利用できる。 The silicon nitride sintered body produced in the present invention can be industrially utilized in many fields. Automotive parts such as turbocharger rotors, diesel engine glow and hot plugs, tappets and injector links, grinding tips, heat engine and heat exchanger components such as turbine blades and combustion chamber walls for gas turbines, and thermocouple protection. Pipes, nozzles, nozzle covers, rotors for plastic working, molten aluminum parts, abrasive cloth dressing plates, motor shafts, bearings, wear-resistant parts such as fishing gear thread paths, semiconductors such as IC inspection tables, clampers, chucks, and push-up tables It can be used as a manufacturing equipment part, an electrically insulating substrate for high-frequency transistors and power devices, and the like. Furthermore, by making it into a composite material with silicon carbide fiber, it can be used as a turbine blade for a jet engine, which requires high reliability.

以下、本発明をさらに具体的に説明するため実施例を示すが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, examples will be shown to describe the present invention more specifically, but the present invention is not limited to these examples.

(炭窒化ケイ素化合物の製造:CeSi12
酸化セリウム粉末(CeO:高純度化学研究所)、窒化ケイ素粉末(Si:宇部興産)および炭素粉末(C:三菱化学)を組成比でCeO:Si:C=54:40:6になるように秤量を行い、遊星ミル(フリッチュ・ジャパン株式会社製)を用いエタノール中で回転速度250rpmの条件で2時間混合おこなった。混合には窒化ケイ素製ポット及び窒化ケイ素製ボール(径φ1.0mm)を用いた。
得られたスラリーは、エバポレータで溶剤を揮散させ110℃、4時間真空乾燥を行い出発原料とした。得られた混合粉末は、BN坩堝に秤量し、真空・加圧雰囲気炉(富士電波工業株式会社製 型式:Multi500)にセットし窒素雰囲気中、1650℃で合成を行った。合成後の粉末は乳鉢粉砕を行い、平均粒子径D503.1μmの窒化ケイ素焼結用助剤を得た。
上記得られた粉末は、X線回折(株式会社リガク 型式:RINT2500)およびSEM-EDX(日本電子株式会社 型式:JSM-5600)を用い化合物の同定を行った。XRD結果を図1に示す。
(Production of silicon carbonitride compound: Ce 3 Si 8 N 12 C 2 )
Cerium oxide powder (CeO 2 : Kojundo Chemical Laboratory), silicon nitride powder (Si 3 N 4 : Ube Industries) and carbon powder (C: Mitsubishi Chemical) in a composition ratio of CeO 2 :Si 3 N 4 :C=54 A planetary mill (manufactured by Fritsch Japan Co., Ltd.) was used to mix in ethanol at a rotational speed of 250 rpm for 2 hours. A silicon nitride pot and a silicon nitride ball (diameter 1.0 mm) were used for mixing.
The resulting slurry was vacuum-dried at 110° C. for 4 hours to volatilize the solvent with an evaporator to obtain a starting material. The obtained mixed powder was weighed in a BN crucible, set in a vacuum/pressurized atmosphere furnace (manufactured by Fuji Dempa Kogyo Co., Ltd., model: Multi500), and synthesized at 1650° C. in a nitrogen atmosphere. The synthesized powder was pulverized in a mortar to obtain a silicon nitride sintering aid having an average particle size D 50 of 3.1 μm.
Compounds of the obtained powder were identified by X-ray diffraction (Rigaku Co., model: RINT2500) and SEM-EDX (JEOL Ltd., model: JSM-5600). XRD results are shown in FIG.

(炭窒化ケイ素化合物の製造:ZrSi12
酸化ジルコニウム粉末(ZrO:高純度化学研究所)、窒化ケイ素粉末(Si:宇部興産)および炭素粉末(C:三菱化学)を組成比でZrO:Si:C=46:46:7になるように秤量を行い、遊星ミル(フリッチュ・ジャパン株式会社製)を用いエタノール中で回転速度250rpmの条件で2時間混合おこなった。混合には窒化ケイ素製ポット及び窒化ケイ素製ボール(径φ1.0mm)を用いた。
得られたスラリーは、エバポレータで溶剤を揮散させ110℃、4時間真空乾燥を行い出発原料とした。得られた混合粉末は、BN坩堝に秤量し、真空・加圧雰囲気炉(富士電波工業株式会社製 型式:Multi500)にセットし窒素雰囲気中、1650℃で合成を行った。合成後の粉末は、乳鉢粉砕を行い、平均粒子径D503.3μmの窒化ケイ素焼結用助剤とした。
上記得られた粉末は、X線回折(株式会社リガク 型式:RINT2500)およびSEM-EDX(日本電子株式会社 型式:JSM-5600)を用い化合物の同定を行った。XRD結果を図2に示す。
(Production of silicon carbonitride compound: Zr 3 Si 8 N 12 C 2 )
Zirconium oxide powder (ZrO 2 : Kojundo Chemical Laboratory), silicon nitride powder (Si 3 N 4 : Ube Industries) and carbon powder (C: Mitsubishi Chemical) in a composition ratio of ZrO 2 :Si 3 N 4 :C=46 A planetary mill (manufactured by Fritsch Japan Co., Ltd.) was used to mix in ethanol at a rotational speed of 250 rpm for 2 hours. A silicon nitride pot and a silicon nitride ball (diameter 1.0 mm) were used for mixing.
The resulting slurry was vacuum-dried at 110° C. for 4 hours to volatilize the solvent with an evaporator to obtain a starting material. The obtained mixed powder was weighed in a BN crucible, set in a vacuum/pressurized atmosphere furnace (manufactured by Fuji Dempa Kogyo Co., Ltd., model: Multi500), and synthesized at 1650° C. in a nitrogen atmosphere. The synthesized powder was pulverized in a mortar to obtain a silicon nitride sintering aid having an average particle diameter D 50 of 3.3 μm.
Compounds of the obtained powder were identified by X-ray diffraction (Rigaku Co., model: RINT2500) and SEM-EDX (JEOL Ltd., model: JSM-5600). XRD results are shown in FIG.

(比較化合物の製造:LaSi
窒化ケイ素粉を1.914gと、LaNを2.086gの量で秤量し、これらを窒素ガス中で、メノー製乳鉢を用いて混合し、無加圧雰囲気炉を用い、0.2MPaの窒素ガス下において1550℃で2時間反応させてLaSiを生成させた。
(Production of comparative compound: LaSi 3 N 5 )
Weigh 1.914 g of silicon nitride powder and 2.086 g of LaN, mix them in nitrogen gas using a mortar made of agate, use a non-pressurized atmosphere furnace, and pressurize nitrogen gas at 0.2 MPa. LaSi 3 N 5 was produced by reacting at 1550° C. for 2 hours under low temperature.

(実施例1)
窒化ケイ素粉末(95%以上α相)100質量部と、窒化ケイ素焼結用助剤として10質量部のCeSi12とをアルコール15mLに加えて、自転公転ミキサーを使い、2000rpmの条件下で、5分間混合してスラリー状の混合原料を調製した。該混合原料を乾燥後、窒素雰囲気下で、放電プラズマ焼結機を用い40MPaの加圧下の条件で、1700℃まで20分で昇温し、この温度に15分間保持して焼結を完了し、窒化ケイ素焼結体を得た。
得られた窒化ケイ素焼結体について、熱伝導率、曲げ強度、破壊靭性を以下のとおり測定し、測定結果を表1に記載した。
熱伝導率は、レーザーフラッシュ法により測定した。
曲げ強度は、JIS R1601に準拠して3点曲げ強度として測定した。
破壊靭性は、JIS R1607に準拠したSEPB(Single Edge Pre-Cracked Beam)法で測定した。
(Example 1)
100 parts by mass of silicon nitride powder (95% or more α phase) and 10 parts by mass of Ce 3 Si 8 N 12 C 2 as a silicon nitride sintering aid were added to 15 mL of alcohol. A slurry mixed raw material was prepared by mixing for 5 minutes under the conditions of . After drying the mixed raw material, in a nitrogen atmosphere, using a discharge plasma sintering machine, the temperature was raised to 1700 ° C. in 20 minutes under the condition of a pressure of 40 MPa, and this temperature was maintained for 15 minutes to complete sintering. , to obtain a silicon nitride sintered body.
Thermal conductivity, bending strength and fracture toughness of the obtained silicon nitride sintered body were measured as follows, and the measurement results are shown in Table 1.
Thermal conductivity was measured by the laser flash method.
Bending strength was measured as three-point bending strength in accordance with JIS R1601.
The fracture toughness was measured by the SEPB (Single Edge Pre-Cracked Beam) method according to JIS R1607.

(実施例2、比較例1)
窒化ケイ素焼結用助剤を表1のとおり変更した以外は、実施例1と同様にして窒化ケイ素焼結体を得た。
得られた窒化ケイ素焼結体について、熱伝導率、曲げ強度、破壊靭性を上記のとおり測定し、測定結果を表1に記載した。
(Example 2, Comparative Example 1)
A silicon nitride sintered body was obtained in the same manner as in Example 1, except that the silicon nitride sintering aid was changed as shown in Table 1.
The thermal conductivity, bending strength and fracture toughness of the obtained silicon nitride sintered body were measured as described above, and the measurement results are shown in Table 1.

Figure 2022135123000001
Figure 2022135123000001

各実施例の結果から明らかなように、組成式MSi12(ただし、Mは、Hf、Zr、Sc、Yまたはランタノイド元素)で示される炭窒化ケイ素化合物よりなる窒化ケイ素焼結用助剤により、酸化物助剤を使用することなく、比較的短時間の焼成時間で窒化ケイ素焼結体が得られた。得られた窒化ケイ素焼結体は、熱伝導率、曲げ強度及び破壊靭性に優れていた。 As is clear from the results of each example, silicon nitride sintered silicon nitride compounds made of silicon carbonitride compounds represented by the composition formula M 3 Si 8 N 12 C 2 (where M is Hf, Zr, Sc, Y or a lanthanide element) A silicon nitride sintered body was obtained in a relatively short firing time by using a cohesion aid without using an oxide aid. The obtained silicon nitride sintered body was excellent in thermal conductivity, bending strength and fracture toughness.

Claims (3)

組成式MSi12(Mは、Hf、Zr、Sc、Yまたはランタノイド元素)で示される炭窒化ケイ素化合物よりなることを特徴とする窒化ケイ素焼結用助剤。 A silicon nitride sintering aid comprising a silicon carbonitride compound represented by the composition formula M 3 Si 8 N 12 C 2 (M is Hf, Zr, Sc, Y or a lanthanide element). 窒化ケイ素粉末100質量部に対して、請求項1に記載の窒化ケイ素焼結用助剤を3~50質量部配合した混合原料を、窒素ガス中、5~300MPaで加圧焼結することを特徴とする窒化ケイ素焼結体の製造方法。 A mixed raw material obtained by blending 3 to 50 parts by mass of the silicon nitride sintering aid according to claim 1 with respect to 100 parts by mass of silicon nitride powder is sintered under pressure at 5 to 300 MPa in nitrogen gas. A method for producing a silicon nitride sintered body characterized by: 前記加圧焼結をホットプレス法又は放電プラズマ焼結法において行う請求項2に記載の窒化ケイ素焼結体の製造方法。


3. The method for producing a silicon nitride sintered body according to claim 2, wherein the pressure sintering is performed by a hot press method or a discharge plasma sintering method.


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