JP2506519B2 - 低温・低圧焼結窒化ケイ素質焼結体の製造方法 - Google Patents

低温・低圧焼結窒化ケイ素質焼結体の製造方法

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JP2506519B2 JP3246113A JP24611391A JP2506519B2 JP 2506519 B2 JP2506519 B2 JP 2506519B2 JP 3246113 A JP3246113 A JP 3246113A JP 24611391 A JP24611391 A JP 24611391A JP 2506519 B2 JP2506519 B2 JP 2506519B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、自動車,機械装置,
化学装置,宇宙航空機器等の広い分野において使用され
る各種構造部品の素材として利用でき、安価なβ型窒化
ケイ素粉末を原料として用い、緻密質のファインセラミ
ックス材料を得るのに好適な低温・低圧焼結窒化ケイ素
質焼結体の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】窒化ケイ素を主成分とする焼結体は、常
温および高温で化学的に安定であり、高い機械的強度を
有するため、軸受等の摺動部材、ターボチャージャロー
タ等のエンジン部材として好適な材料である。
【0003】従来より、高強度・緻密質な窒化ケイ素質
焼結体を得るには、α型を主成分とする原料粉末が必要
とされており、一般にα型の含有率が90重量%以上の
粉末が市販されている。ここで、α型を主成分とする原
料粉末を用いるのは、 1.α型は微粉末であり、焼結性が高いこと、 2.焼結中にα型からβ型への相転移が起こり、柱状結
晶が発達した組織となることにより強度および靭性が向
上すること、等の理由からであった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たα型を出発原料とする窒化ケイ素粉末は、α型の含有
量を制御する必要があるため、原料粉末の合成過程が複
雑となり、原料が高価なものになるという問題点があっ
た。
【0005】一方、β型を主成分とする窒化ケイ素粉末
としては、耐火物の原料として使用する粉末が知られて
いる。このβ型を主成分とする窒化ケイ素を原料とする
焼結体としては、J.Am.Ceram.Soc.57
巻25ページ(1974年)、特開昭58−15137
1号等が知られている。
【0006】しかし、β型を主成分とする粉末は粒子が
粗く、α相の含有率が低いため柱状組織が得られず、高
強度の焼結体は得られないので、高強度の焼結体を製造
するための原料粉末としては使用されていなかった。
【0007】現在、窒化ケイ素を構造用材料としてその
使用をさらに拡大するには、コスト低減が強く望まれて
いる。このために、上述した耐火物グレードの安価なβ
型窒化ケイ素原料粉末を使用して、緻密質な高強度窒化
ケイ素質焼結体を得ることが期待されているが、安価な
β型窒化ケイ素粉末では鉄、カルシウム、炭素、酸素等
の不純物が多く、焼結助材を用いた従来の焼結では緻密
質な高強度焼結体を得ることが困難であるという問題点
があった。それゆえ、不純物が多く安価な耐火物グレー
ドのβ型窒化ケイ素粉末を原料として用いたときでも
度および靱性に優れた窒化ケイ素質焼結体を得ることが
できるようにすることが課題となっていた。
【0008】
【発明の目的】この発明は、上記した従来の課題にかん
がみてなされたもので、安価な耐火物グレードのβ型窒
化ケイ素粉末を原料とし、焼結温度と焼結時の窒素圧力
の制御を施すことにより、緻密質な低温・低圧焼結窒化
ケイ素質焼結体を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】この発明に係わる低温
低圧焼結窒化ケイ素質焼結体の製造方法では、安価な耐
火物グレードのβ型窒化ケイ素粉末を原料とし、焼結温
度と焼結時の窒素圧力を制御することにより焼結時に発
生するボイドやふくれのない緻密質な窒化ケイ素質焼結
体が得られることを見い出してこの発明を完成した。
【0010】すなわち、この発明に係わる窒化ケイ素質
焼結体の製造方法は、α型とβ型とを有する窒化ケイ素
原料粉末においてβ型を80重量%以上含み、前記原料
粉末に酸化物系焼結助剤を8〜20重量%添加して成形
した後、1700°C以下の温度で窒素雰囲気1気圧
満の減圧下で焼結する構成としたことを特徴としてお
り、このような低温・低圧焼結窒化ケイ素質焼結体の製
造方法に係わる発明の構成をもって前述した従来の課題
を解決するための手段としている。
【0011】この発明に係わる低温・低圧焼結窒化ケイ
素質焼結体の製造方法において、焼結温度は焼結が可能
な温度以上であり、雰囲気圧力は窒化ケイ素が熱分解を
起こさない圧力以上である。
【0012】この発明に係わる低温・低圧焼結窒化ケイ
素質焼結体の製造方法において、出発原料粉末として
は、α型とβ型とを有する窒化ケイ素原料粉末において
β型を80重量%以上含み、より望ましくは平均粒径が
1μm以下、最大粒径が10μm以下の窒化ケイ素原料
粉末を用いるのが良い。この場合、平均粒径、最大粒径
が上記の範囲を超えると焼結性が低下する。
【0013】次に、上記窒化ケイ素粉末に酸化物系の焼
結助剤を8〜20重量%添加する。ここで使用する焼結
助剤は、通常、α型またはβ型の窒化ケイ素の焼結に用
いる焼結助剤から選ばれる。例えば、MgO、Al
、Yまたはランタニド金属酸化物から選ばれる
1種あるいは2種以上の混合物を用いる。この焼結助剤
の添加量は、8〜20重量%とする必要があり、8重量
%未満では減圧下での焼結性が低下し、20重量%を超
えると焼結体特性が低下するので好ましくない。
【0014】さらに、上記粉末の成形に際しては、金型
プレス成形,静水圧プレス成形,射出成形,鋳込み成形
など、通常の成形法を用いて成形することができる。こ
の後、成形に要した有機バインダーを除去して焼結を行
なう。
【0015】焼結は、窒素雰囲気1気圧未満の減圧下
かつ1700°C以下の温度で行う。窒化ケイ素の焼結
では、窒化ケイ素自体の熱分解、焼結助剤の添加によっ
て生ずる混合物の熱分解および液相生成による焼結体内
部のガスの残留を防ぐことが必要であることから、出来
る限り低い焼結温度で理論密度に到達させることが望ま
しい。また、この様にすることによって、焼結中の異常
粒成長の可能性も少なくなる。
【0016】酸化物系焼結助剤を8〜20重量%含む純
度の低いβ型窒化ケイ素粉末の焼結では、焼結中に生成
される液相により雰囲気ガスである窒素が焼結体内部に
閉じ込められることによってボイドが発生し、また、昇
温過程で前記閉じ込められたガスおよび酸化物系焼結助
剤・窒化ケイ素粉末中の不純物により生じた混合物の熱
分解ガスが膨脹することによってふくれが発生すること
がある。
【0017】そして、1700°Cを超える焼結温度で
は上記ボイドおよびふくれの双方の現象が著しく、17
00°C以下の焼結温度で窒素雰囲気の圧力が1気圧を
超えると焼結体中にボイドが発生しやすくなり、焼結体
の強度低下をもたらす。一方、焼結温度および窒素雰囲
気圧力の下限値が存在することは明白である。すなわ
ち、焼結温度の下限値は、焼結が可能な温度であり、雰
囲気圧力の下限値は窒化ケイ素が熱分解を起こさない圧
力である。例えば、窒化ケイ素の熱分解の観点からは、
所定圧力よりも低いと窒化ケイ素は熱分解を起こし、窒
素を放出してケイ素となるので好ましくなく、1700
°Cでのその圧力は0.5気圧である。
【0018】
【発明の作用】この発明に係わる低温・低圧焼結窒化ケ
イ素質焼結体の製造方法では、α型とβ型とを有する窒
化ケイ素原料粉末においてβ型を80重量%以上含み、
前記原料粉末に酸化物系焼結助剤を8〜20重量%添加
して成形した後、1700℃以下の温度で窒素雰囲気1
気圧未満の減圧下で焼結するようにしているので、安価
な耐火物グレードのβ型窒化ケイ素粉末を使用したとき
でも、焼結時に発生するボイドやふくれのない緻密質な
低温・低圧焼結窒化ケイ素質焼結体が得られることとな
る。
【0019】
【実施例】(実施例1〜,比較例1〜6) 平均粒径0.9μm、最大粒径5μmでかつβ型の含有
量が99重量%の窒化ケイ素粉末に、酸化イットリウム
8重量%、酸化アルミニウム4重量%、酸化マグネシウ
ム4重量%を添加し、水と窒化ケイ素ボールを使ったボ
ールミルで10時間混合した。ついで、空気中でスプレ
ードライヤーを用いて造粒乾燥した後、20MPaの圧
力で金型プレス成形を行い、さらに200MPaの圧力
でラバープレス成形を施すことによって、6mm×6m
m×50mmの成形体を得た。
【0020】次に、この成形体を表1および表2に示す
ように焼結温度および雰囲気窒素圧力を変化させた種々
の焼結条件で焼結することによって各焼結体を得た後、
水を用いたアルキメデス法により各焼結体の気孔率を求
めて密度を算出した。さらに、800メッシュのダイヤ
モンドホイールで平面研削し、3mm×4mm×40m
mの形状に加工し、JIS R 1601に準じた室温
3点曲げにより曲げ強さを求めた。これらの結果を同じ
く表1および表2に示す。
【0021】
【表1】
【0022】
【表2】
【0023】表1および表2に示した結果より明らかな
ように、1700°C以下の温度でかつ窒素雰囲気1気
未満の減圧下とした雰囲気圧力で焼結した実施例1〜
の窒化ケイ素質焼結体にはいずれもボイドおよびふく
れの発生がなく、緻密質で高強度の低温・低圧焼結窒化
ケイ素質焼結体が得られていることが認められた。
【0024】これに対して、焼結温度が1700°C以
下であっても、雰囲気圧力が1気圧を超える比較例1,
比較例2,比較例3ではボイドが発生しやすくなり、焼
結温度が1700°Cを超える比較例4,比較例5,比
較例6では雰囲気圧力にかかわらずボイドおよびふくれ
の両方共が発生していることが認められた。なお、図1
には、焼結温度を1650°C,雰囲気圧力を5気圧と
した比較例2の窒化ケイ素質焼結体におけるボイドの発
生状況を示す。
【0025】(実施例11〜14,比較例11〜17) 平均粒径2.5μm、最大粒径20μmでかつβ型の含
有量が90重量%の窒化ケイ素粉末に、酸化イットリウ
ムと酸化アルミニウムの焼結助剤を表3および表4の組
成となるように添加し、水と窒化ケイ素ボールを使った
ボールミルで48時間混合した。ついで、空気中でスプ
レードライヤーを用いて造粒乾燥した後、20MPaの
圧力で金型成形を行い、さらに200MPaの圧力でラ
バープレス成形を施すことによって、6mm×6mm×
50mmの成形体を得た。
【0026】次に、これらの成形体を同じく表3および
表4に示すように焼結温度および雰囲気窒素圧力を変化
させた種々の焼結条件で焼結することによって各焼結体
を得た後、水を用いたアルキメデス法により各焼結体の
気孔率を求めて密度を算出した。さらに、800メッシ
ュのダイヤモンドホイールで平面研削し、3mm×4m
m×40mmの形状に加工し、JIS R 1601に
準じた室温3点曲げにより曲げ強さを求めた。これらの
結果を同じく表3および表4に示す。
【0027】
【表3】
【0028】
【表4】
【0029】表3および表4に示した結果より明らかな
ように、焼結助剤を8〜20重量%の範囲で添加し、1
700°C以下の温度でかつ窒素雰囲気1気圧未満の減
圧下とした雰囲気圧力で焼結した実施例11〜14の窒
化ケイ素質焼結体にはいずれもボイドおよびふくれの発
生がなく、緻密質で高強度の低温・低圧焼結窒化ケイ素
質焼結体が得られていることが認められた。
【0030】これに対して、焼結助剤が8重量%未満で
ある比較例11,比較例12では、減圧下での焼結性が
低下するため、焼結体の密度が低いものとなり、強度が
低下したものとなっていた。また、焼結温度が1700
°C以下であっても雰囲気圧力が1気圧を超える比較例
13,比較例14,比較例15,比較例16ではボイド
が発生しやすいものとなり、焼結助剤が20重量%超過
である比較例17ではボイドおよびふくれが発生したも
のとなっていた。
【0031】
【発明の効果】この発明に係わる低温・低圧焼結窒化ケ
イ素質焼結体の製造方法では、α型とβ型とを有する窒
化ケイ素原料粉末においてβ型を80重量%以上含み、
前記原料粉末に酸化物系焼結助剤を8〜20重量%添加
して成形した後、1700℃以下の温度で窒素雰囲気1
気圧未満の減圧下で焼結する構成としたから、安価な耐
火物グレードのβ型窒化ケイ素粉末を原料として用いた
ときでも、上記したような特定の焼結助剤,焼結温度,
焼結雰囲気圧力を選定することによって、高純度粉末を
出発原料とした窒化ケイ素質焼結体に劣らない優れた強
度特性を有する緻密質な低温・低圧焼結窒化ケイ素質焼
結体を得ることが可能であるという著しく優れた効果が
もたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の比較例2において製造した窒化ケイ
素質焼結体のボイド発生状況を示す組織写真である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 広 崎 尚 登 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日 産自動車株式会社 内 (56)参考文献 特開 昭58−151371(JP,A) 特開 平2−255573(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 α型とβ型とを有する窒化ケイ素原料粉
    末においてβ型を80重量%以上含み、前記原料粉末に
    酸化物系焼結助剤を8〜20重量%添加して成形した
    後、1700℃以下の温度で窒素雰囲気1気圧未満の減
    圧下で焼結することを特徴とする低温・低圧焼結窒化ケ
    イ素質焼結体の製造方法。
  2. 【請求項2】 焼結温度は焼結が可能な温度以上であ
    り、雰囲気圧力は窒化ケイ素が熱分解を起こさない圧力
    以上である請求項1に記載の低温・低圧焼結窒化ケイ素
    質焼結体の製造方法。
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JPS58151371A (ja) * 1982-02-25 1983-09-08 住友電気工業株式会社 窒化珪素焼結体の製造法
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