JP2631110B2 - 窒化珪素質複合焼結体の製造方法 - Google Patents
窒化珪素質複合焼結体の製造方法Info
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- JP2631110B2 JP2631110B2 JP62247412A JP24741287A JP2631110B2 JP 2631110 B2 JP2631110 B2 JP 2631110B2 JP 62247412 A JP62247412 A JP 62247412A JP 24741287 A JP24741287 A JP 24741287A JP 2631110 B2 JP2631110 B2 JP 2631110B2
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- silicon nitride
- whisker
- nitriding
- whiskers
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はSi3N4あるいはSiCのウイスカーによって強化
された窒化珪素質複合焼結体の製造方法に関する。
された窒化珪素質複合焼結体の製造方法に関する。
従来から、セラミック材料は強度、耐摩耗性、耐酸化
性等の機械的強度に優れた材料として注目されている反
面、致命的欠点として脆性が大きいことから、構造材料
としての十分な利用が阻害されている。
性等の機械的強度に優れた材料として注目されている反
面、致命的欠点として脆性が大きいことから、構造材料
としての十分な利用が阻害されている。
そこで、セラミック材料の脆性を克服することを目的
に、セラミックス中に高ヤング率、高強度のセラミック
繊維状構造体を分散含有させ、破壊に対する靱性を向上
させる試みが成されている。
に、セラミックス中に高ヤング率、高強度のセラミック
繊維状構造体を分散含有させ、破壊に対する靱性を向上
させる試みが成されている。
特に窒化珪素ウイスカーや炭化珪素ウイスカーは高温
強度、高温耐酸化性に優れることから、これらを窒化珪
素質の焼結体中に分散させたものをタービン等の熱機関
用材料に用いることが検討されている。
強度、高温耐酸化性に優れることから、これらを窒化珪
素質の焼結体中に分散させたものをタービン等の熱機関
用材料に用いることが検討されている。
ところが、ウイスカーと窒化珪素粉体の混合物から成
る成形体はその生密度が小さいため、さらにこれを焼結
しようとする大きな収縮を生じさせることが必要であっ
た。しかし乍ら、ウイスカーが存在するとこれが成形体
の収縮を妨げるために十分に緻密な複合体が得られなか
った。
る成形体はその生密度が小さいため、さらにこれを焼結
しようとする大きな収縮を生じさせることが必要であっ
た。しかし乍ら、ウイスカーが存在するとこれが成形体
の収縮を妨げるために十分に緻密な複合体が得られなか
った。
そこで、ウイスカーとSi粉末の混合物から成る成形体
をN2中で窒化して生密度の高い複合材料の予備焼結体を
得、これを高温にて焼結することが試みられている。
をN2中で窒化して生密度の高い複合材料の予備焼結体を
得、これを高温にて焼結することが試みられている。
しかし乍ら、ウイスカーの強度はその表面状態に敏感
であり、Siを窒化する際に従来の方法では必ずSiの融液
を生じ、これがウイスカーと反応し、ウイスカーの強度
を極端に低下させるとともに表面傷の発生の原因となっ
ていた。
であり、Siを窒化する際に従来の方法では必ずSiの融液
を生じ、これがウイスカーと反応し、ウイスカーの強度
を極端に低下させるとともに表面傷の発生の原因となっ
ていた。
よって本発明はSiの窒化に際し、Siの融液の生成を防
ぎウイスカーとSi融液との反応を抑制し、ウイスカーの
強度を低下させずに優れた強度を有する窒化珪素質複合
焼結体の製造方法を提供することを目的とするものであ
る。
ぎウイスカーとSi融液との反応を抑制し、ウイスカーの
強度を低下させずに優れた強度を有する窒化珪素質複合
焼結体の製造方法を提供することを目的とするものであ
る。
本発明者は上記問題に対し、研究を重ねた結果Siの窒
化に際し、Siを溶融させない条件下、即ちSiの融点以下
の低温下でしかもN2分圧の高い条件で窒化を行うと、ウ
イスカーの強度劣化が有効的に防止されそれによって、
窒化後の焼結体の内部あるいは表面に化学気相法によっ
てSi含有化合物を析出堆積させることにより優れた機械
的特性を有する窒化珪素質焼結体が得られることを知見
した。
化に際し、Siを溶融させない条件下、即ちSiの融点以下
の低温下でしかもN2分圧の高い条件で窒化を行うと、ウ
イスカーの強度劣化が有効的に防止されそれによって、
窒化後の焼結体の内部あるいは表面に化学気相法によっ
てSi含有化合物を析出堆積させることにより優れた機械
的特性を有する窒化珪素質焼結体が得られることを知見
した。
以下、本発明を詳述する。
本発明における特徴は、ウイスカーとSiとの共存下に
おいてSiを窒化させる条件としてSiが融解しない、即ち
Siの融点以下の温度で窒化反応を進行させることにあ
る。しかし、このような低温域における窒化反応は反応
速度が遅いため長時間を要し、残留Siが生じる。よって
窒化反応における雰囲気をN2加圧雰囲気に設定すること
が必要である。即ち、本発明によれば，この窒化条件は
1000〜1400℃、特に1100〜1400℃、N2ガス圧力が1.5乃
至10気圧、特に２〜9.8気圧に設定されるのが望まし
い。特に窒化時のN2ガス圧力が10気圧を越えると、窒化
時に生成される閉気孔中に高圧のガスがトラップされる
ために緻密化を阻害することとなる。
おいてSiを窒化させる条件としてSiが融解しない、即ち
Siの融点以下の温度で窒化反応を進行させることにあ
る。しかし、このような低温域における窒化反応は反応
速度が遅いため長時間を要し、残留Siが生じる。よって
窒化反応における雰囲気をN2加圧雰囲気に設定すること
が必要である。即ち、本発明によれば，この窒化条件は
1000〜1400℃、特に1100〜1400℃、N2ガス圧力が1.5乃
至10気圧、特に２〜9.8気圧に設定されるのが望まし
い。特に窒化時のN2ガス圧力が10気圧を越えると、窒化
時に生成される閉気孔中に高圧のガスがトラップされる
ために緻密化を阻害することとなる。
本発明の製造方法によれば、出発原料としてSi3N4ウ
イスカーあるいはSiCウイスカーとSi粉末を用いる。ウ
イスカーはそれ自体周知の材料が用いられるが、具体的
にはアスペクト比10以上、線径0.1〜10μｍのものが使
用される。さらにこれらのウイスカーはその表面にBN,T
iN,TiCなどを被覆することにより界面反応をさらに抑制
することができる。Si粉末は平均粒径0.5〜２μｍの純
度95％以上のものが使用される。
イスカーあるいはSiCウイスカーとSi粉末を用いる。ウ
イスカーはそれ自体周知の材料が用いられるが、具体的
にはアスペクト比10以上、線径0.1〜10μｍのものが使
用される。さらにこれらのウイスカーはその表面にBN,T
iN,TiCなどを被覆することにより界面反応をさらに抑制
することができる。Si粉末は平均粒径0.5〜２μｍの純
度95％以上のものが使用される。
上記ウイスカー成分は全量に対し、５〜30体積％の割
合で配合されることが望ましい。この理由はウイスカー
の量が５体積％を下回わるとウイスカー添加による靱
性、強度向上の効果が得られず、30体積％を超えると成
形性が不十分となったり、生密度が低くなり、焼結性が
低下することにより気孔等の破壊源が増大し、強度低下
する傾向にある。
合で配合されることが望ましい。この理由はウイスカー
の量が５体積％を下回わるとウイスカー添加による靱
性、強度向上の効果が得られず、30体積％を超えると成
形性が不十分となったり、生密度が低くなり、焼結性が
低下することにより気孔等の破壊源が増大し、強度低下
する傾向にある。
ウイスカーとSi粉末との混合物に対し、所望により公
知の焼結助剤を配合することができ、例えばMg,Sr等の
周期律表第II a族元素、Sc,Y、ランタノイド系等の第II
I a族元素、Ti,Zr,Hf等の第IV a族元素の他、Si,Alなど
各元素の酸化物、窒化物、炭化物およびこれらの複合物
等が挙げられる。
知の焼結助剤を配合することができ、例えばMg,Sr等の
周期律表第II a族元素、Sc,Y、ランタノイド系等の第II
I a族元素、Ti,Zr,Hf等の第IV a族元素の他、Si,Alなど
各元素の酸化物、窒化物、炭化物およびこれらの複合物
等が挙げられる。
これらの焼結助剤は生成されるSi3N4に対し２〜15重
量％の割合で配合される。
量％の割合で配合される。
上記のようにしてウイスカー成分、Si粉末、所望によ
り焼結助剤が前述の範囲で混合された混合物は公知の方
法で成形後、焼成される。焼成はSiの窒化を目的とする
ものであり、先に述べた窒化条件で窒化される。
り焼結助剤が前述の範囲で混合された混合物は公知の方
法で成形後、焼成される。焼成はSiの窒化を目的とする
ものであり、先に述べた窒化条件で窒化される。
窒化後の焼結体はSi3N4ウイスカーあるいはSiCウイス
カーがSi粉末の窒化によって生成されたSi3N4、例えば
α−Si3N4によって結合された構造を有するものであ
り、ほぼ理論密度比50％以上の多孔質焼結体である。
カーがSi粉末の窒化によって生成されたSi3N4、例えば
α−Si3N4によって結合された構造を有するものであ
り、ほぼ理論密度比50％以上の多孔質焼結体である。
この窒化後の焼結体は完全緻密化されないために高温
用構造材料用としては強度が不十分であるため、化学気
相成長法（CVD法）によってSi3N4,SiC,TiSi,TaSi等から
選ばれる１種または２種以上のSi含有化合物を析出させ
堆積させる。この方法によって析出される無機化合物は
緻密質であり、これは焼結体中の気孔、あるいは表面の
ボイド上に析出することにより、少なくとも表面が高緻
密化されそれにより高強度の焼結体を得ることができ
る。また、通常の焼成により緻密化処理すると焼成収縮
を伴い、窒化後の焼結体がさらに収縮するが、本発明の
CVD法によりSi含有化合物を気孔内に析出堆積させて緻
密化すると、窒化後の焼結体寸法をそのまま維持するこ
とができるために、焼結体の寸法精度をさらに高めるこ
とができる。
用構造材料用としては強度が不十分であるため、化学気
相成長法（CVD法）によってSi3N4,SiC,TiSi,TaSi等から
選ばれる１種または２種以上のSi含有化合物を析出させ
堆積させる。この方法によって析出される無機化合物は
緻密質であり、これは焼結体中の気孔、あるいは表面の
ボイド上に析出することにより、少なくとも表面が高緻
密化されそれにより高強度の焼結体を得ることができ
る。また、通常の焼成により緻密化処理すると焼成収縮
を伴い、窒化後の焼結体がさらに収縮するが、本発明の
CVD法によりSi含有化合物を気孔内に析出堆積させて緻
密化すると、窒化後の焼結体寸法をそのまま維持するこ
とができるために、焼結体の寸法精度をさらに高めるこ
とができる。
以下、本発明の次の例で説明する。
SiCウイスカー（線径0.5μｍ、アスペクト比50）、Si
3N4ウイスカー（線径１μｍ、アスペクト比30）、Si粉
末（平均粒径1.5μｍ）を第１表に示す割合で、且つ焼
結助剤を加えて十分に混合した後、成形し、第１表の窒
化条件でSi粉末の窒化を行った。
3N4ウイスカー（線径１μｍ、アスペクト比30）、Si粉
末（平均粒径1.5μｍ）を第１表に示す割合で、且つ焼
結助剤を加えて十分に混合した後、成形し、第１表の窒
化条件でSi粉末の窒化を行った。
また、窒化後の焼結体に対して第１表の条件で処理を
し、最終的に得られた焼結体に対し、密度、抗折強度、
破壊靱性（K1c）の測定を行った。なお密度はアルキメ
デス法により抗折強度はJISR1601に基づく４点曲げ法に
より、破壊靱性はSENB法により室温で行った。
し、最終的に得られた焼結体に対し、密度、抗折強度、
破壊靱性（K1c）の測定を行った。なお密度はアルキメ
デス法により抗折強度はJISR1601に基づく４点曲げ法に
より、破壊靱性はSENB法により室温で行った。
また、比較例としてSiの融点を超える1450℃の１気圧
N2中で窒化を行ったもの（No.7）、SiCウイスカーに単
にSi3N4粉末を加えて焼成したものについて同様に測定
を行った。
N2中で窒化を行ったもの（No.7）、SiCウイスカーに単
にSi3N4粉末を加えて焼成したものについて同様に測定
を行った。
実験の結果、、Siの窒化を1450℃で行ったNo.7の試料
では、ウイスカー成分とSiとの反応が認められ、得られ
た焼結体は比重、抗折強度ともボイドが多いため、低い
強度および靱性値を示した。
では、ウイスカー成分とSiとの反応が認められ、得られ
た焼結体は比重、抗折強度ともボイドが多いため、低い
強度および靱性値を示した。
一方、本発明の試料No.1〜６はいずれも表面層に緻密
な層が形成され抗折強度50Kg/mm2以上、靱性4.5以上の
優れた機械的特性を示した。
な層が形成され抗折強度50Kg/mm2以上、靱性4.5以上の
優れた機械的特性を示した。
以上、詳述した通り、本発明の窒化珪素質複合焼結体
の製造方法によれば、SiCあるいはSi3N4ウイスカーとSi
粉末から成る系をSiの融点以下の窒素加圧雰囲気で窒化
を行い、さらにこの焼結体の表面や内部にCVD法によっ
て無機化合物を析出堆積させることによりウイスカーと
Siとの反応が抑制されることにより、ウイスカーの劣化
および反応に伴うボイドの発生が抑制され、ウイスカー
本来の強度が発揮される。それによって優れた抗折強
度、靱性の機械的特性を有する焼結体を得ることができ
る。
の製造方法によれば、SiCあるいはSi3N4ウイスカーとSi
粉末から成る系をSiの融点以下の窒素加圧雰囲気で窒化
を行い、さらにこの焼結体の表面や内部にCVD法によっ
て無機化合物を析出堆積させることによりウイスカーと
Siとの反応が抑制されることにより、ウイスカーの劣化
および反応に伴うボイドの発生が抑制され、ウイスカー
本来の強度が発揮される。それによって優れた抗折強
度、靱性の機械的特性を有する焼結体を得ることができ
る。
Claims (1)
- 【請求項１】炭化珪素、窒化珪素の少なくともいずれか
を主体とするウイスカーとSi粉末の混合物を成形後、Si
の融点以下、N2分圧1.5乃至10気圧の条件で焼成して、
前記ウイスカーをSiとN2との反応により生成されたSi3N
4によって結合させた焼結体を得、さらに該焼結体の内
部あるいは表面に化学気相法によってSi含有化合物を析
出したことを特徴とする窒化珪素質複合焼結体の製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62247412A JP2631110B2 (ja) | 1987-09-29 | 1987-09-29 | 窒化珪素質複合焼結体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62247412A JP2631110B2 (ja) | 1987-09-29 | 1987-09-29 | 窒化珪素質複合焼結体の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6487571A JPS6487571A (en) | 1989-03-31 |
| JP2631110B2 true JP2631110B2 (ja) | 1997-07-16 |
Family
ID=17163050
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62247412A Expired - Fee Related JP2631110B2 (ja) | 1987-09-29 | 1987-09-29 | 窒化珪素質複合焼結体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2631110B2 (ja) |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5650170A (en) * | 1979-10-02 | 1981-05-07 | Denki Kagaku Kogyo Kk | Manufacture of silicon nitride formed body |
| JPS6021885A (ja) * | 1983-07-18 | 1985-02-04 | 三井造船株式会社 | 複合材料の製造方法 |
| JPS6144767A (ja) * | 1984-08-07 | 1986-03-04 | 黒崎窯業株式会社 | 高密度窒化珪素反応焼結体の製法 |
| JPS61247664A (ja) * | 1985-04-23 | 1986-11-04 | 三井造船株式会社 | セラミツクスの製造方法 |
| JPS6270266A (ja) * | 1985-09-20 | 1987-03-31 | 日本特殊陶業株式会社 | 切削工具用複合焼結体の製造方法 |
| JPS6270267A (ja) * | 1985-09-20 | 1987-03-31 | 日本特殊陶業株式会社 | 窒化ケイ素焼結体の製造法 |
-
1987
- 1987-09-29 JP JP62247412A patent/JP2631110B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6487571A (en) | 1989-03-31 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |