JP2661761B2 - 窒化珪素焼結体およびその製造方法 - Google Patents

窒化珪素焼結体およびその製造方法

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JP2661761B2 JP2011779A JP1177990A JP2661761B2 JP 2661761 B2 JP2661761 B2 JP 2661761B2 JP 2011779 A JP2011779 A JP 2011779A JP 1177990 A JP1177990 A JP 1177990A JP 2661761 B2 JP2661761 B2 JP 2661761B2
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、高強度および高熱伝導特性を有し耐熱衝撃
性に優れた高温構造材料として好適な窒化珪素焼結体お
よびその製造方法に関するものである。
(従来の技術) 従来から、窒化珪素は高温構造材としての使用が期待
されており、種々の焼結体が開発されている。その一例
として、例えば特公昭55−46997号公報には、機械的強
度と熱衝撃特性が良好な窒化珪素焼結体を得るため、β
相を90重量%以上含み、BeO,MgO,SrOの所定量と希土類
元素酸化物とからなる窒化珪素焼結体が開示されてい
る。
(発明が解決しようとする課題) 上述した特公昭55−46997号公報記載の窒化珪素焼結
体では、例えば650〜700MPaの高強度と0.06〜0.09cal/c
m・sec・℃の熱伝導率を得ることができるが、熱伝導特
性においてそれが良好なセラミック材料例えばSiCと比
較して低く、熱衝撃特性に問題があり、高温構造材料と
して好適に使用できない問題があった。
本発明の目的は上述した課題を解消して、高い熱伝導
率を有し、その結果衝撃特性を改善した窒化珪素焼結体
およびその製造方法を提供しようとするものである。
(課題を解決するための手段) 本発明の窒化珪素焼結体は、10μm以上の粒長を有す
る粒子の割合が20〜50%であるとともに、3μm以下の
粒長を有する粒子の割合が20〜50%である微構造を有
し、熱伝導率が0.13〜0.16cal/cm・sec・℃、4点曲げ
強さが室温で800MPa以上の特性を有することを特徴とす
るものである。
また、本発明の窒化珪素焼結体の製造方法は、純度99
wt%以上、α化率95wt%以上の窒化珪素粉末原料であっ
て、以下のように粒径の異なる助剤未添加の原料1およ
び原料2を準備し、 (1)原料1 平均粒子径D1(0.1〜0.5μm) (2)原料2 平均粒子径D2(0.3〜1.0μm) (3)原料1と原料2の関係 2≦D2/D1≦6 準備した原料1と原料2とを、20〜60重量%の原料1
と80〜40重量%の原料2の割合で混合し、 混合した混合原料にSrO、MgO、CeO2からなる助剤を所
定量加えて調合、成形し、1800〜1900℃の温度で加熱焼
成することを特徴とするものである。
(作 用) 上述した構成において、使用する助剤組成は特公昭55
−46997号公報で開示された焼結体と類似しているが、
本発明においては粒径の大きな原料と粒径の小さな原料
4を混合し、所定の製造法で焼結体を得ることにより、
粒長10μm以上の大きい粒子と粒長3μm以下の小さい
粒子とを所定の割合とした微構造により、従来の窒化珪
素焼結体では得られなかった高強度・高じん性、高熱伝
導率を達成することができる。
すなわち、本発明品はβ−Si3N4の針状結晶が発達
し、最大で20μmを超える一方で、3μm以下の小さな
針状結晶も認められ、広い粒子径分布を示している。従
来品は針状結晶の発達が進んでいない状態に加えて比較
的均一な粒子となっており、これらの微構造の差が強
度、じん性、熱伝導率の点における本発明品と従来品と
の差になって表われている。
また、本発明の製造方法によれば、強度、じん性、熱
伝導率のバランスがとれた範囲の焼成体を得ることがで
きる。すなわち、じん性、熱伝導率は焼成温度を上げる
に従ってそれぞれの値が高くなるが、強度は急激に低下
する。一方、焼成温度を下げるとじん性、熱伝導率が低
下する。そのため、組成および原料の配合比が本発明の
製造方法の範囲内のものが、これらのバランスのとれた
範囲となる。
なお、後述する実施例から明らかなように、10μm以
上の粒長を有する粒子の割合が30〜40%であり、3μm
以下の粒長を有する粒子の割合が30〜40%であると、各
種特性がさらに良好になるため好ましい。
(実施例) 以下、実際の例について説明する。
実施例1 第1表に記載する粒径の異なる2種類の窒化珪素粉末
原料1および原料2(両者とも純度99.9%)のいずれか
と添加剤との混合粉末を、各々アトライターミルで窒化
珪素製玉石を用いて24時間湿式粉砕してスラリーを得
た。得られたスラリーにポリビニルアルコール等の成形
助剤および第1表に記載した助剤を加え、噴霧乾燥し、
平均粒子径70μmで球状の造粒粉体を得た。この粉体を
5000kg/cm2の圧力で静水圧形成した後、脱バインダー処
理を行い、60×60×5mmの角板試料を得た。角板試料に
対して、窒素ガス雰囲気中で1時間第1表に示す焼成温
度で焼成を実施して、焼成体を得た。
得られた焼成体のβ化率、熱伝導率、室温および800
℃での4点曲げ強度、破壊じん性値(KIC)、耐熱衝撃
抵抗係数比を測定するとともに、微構造として、焼成体
中の10μm以上の粒長を有する粒子の割合および3μm
以下の粒長を有する粒子4の割合を測定した。結果をあ
わせて第1表に示す。
β化率の測定は、X線回折により行い、α−Si3N4
(210)と(201)面の回折強度α(210)、α(201)
と、β−Si3N4の(101)と(210)面の回折強度β(10
1)、β(210)から次式により求めた。
β化率=〔β(101)+β(210)〕/〔α(210)+ α(201)+β(101)+β(210)〕×100 窒化珪素焼結体の微構造は以下の手法に従う数値化処
理により測定した。まず、試料はダイヤモンド砥粒によ
るラップ仕上げを実施した後、フッ酸原液によって50℃
×4hrsの処理を行い粒界相をエッチングした。この試料
を走査型電子顕微鏡を使用し5000倍で写真撮影し、各試
料10視野分の写真を画像解析装置によりその長径(最大
長)、粒子面積を求め統計処理を行った。従って、ここ
での粒長とは試料断面における粒子の長径(最大長)で
あり、割合は粒子面積率を示す。
熱伝導率は理学電機(株)製レーザーフラッシュ法熱
定数測定装置を用いて測定した。
4点曲げ強度は、JIS R−1601「ファインセラミック
スの曲げ強さ試験法」に従って常温および800℃で測定
した。
破壊じん性値(KIC)は、SEPB法によって測定し、試
料形状は3×4×20mmで内部スパン5mm、外部スパン15m
mの4点曲げ方法を使用した。このときのクロスヘッド
スピードは0.05mm/minであった。
耐熱衝撃性は熱衝撃抵抗係数 を求め実施例1のNo.17試験体との比を算出した。ここ
でSは4点曲げ強さ、νはポアソン比、Eはヤング率、
αは線熱膨張係数である。
第1表の結果から、それぞれ所定の平均粒子径D1,D2
を有し、それらの間の比が所定の値である原料1および
原料2を使用して製造した実施例No.1〜7は、いずれか
の点で本発明の要件を満たしていない比較例No.10〜17
と比べて高い熱伝導率、高い4点曲げ強度、高い破壊じ
ん性値(KIC)、高い耐熱衝撃抵抗係数比を有すること
がわかる。また、焼結体の微構造に着目すると、実施例
No.1〜9は10μm以上の粒長を有する粒子量および3μ
m以下の粒長を有する粒子量が所定値であるのに対し、
比較例No.10〜17はいずれかの点で本発明の要件を満た
していないことがわかる。
第1図および第2図に室温における4点曲げ強度およ
び熱伝導率とD2/D1の値との関係を示す。第1図および
第2図の結果より、適切な粒径比を選ぶことにより、高
強度および高熱伝導率の焼結体を得ることができること
がわかる。
実施例2 粒径の異なる2種類の原料1および原料2の混合比の
影響を調べるため、第2表に記載したように原料1およ
び原料2を種々の混合率で混合して、実施例1と同様に
成形、焼成を行い、実施例No.21〜38と比較例No.39〜50
の焼成体を得た。
得られた焼成体に対し、実施例1と同様にβ化率、熱
伝導率、室温および800℃での4点曲げ強度、破壊じん
性値、耐熱衝撃抵抗係数比を測定するとともに、微構造
も同様に測定した。結果をあわせて第2表に示す。
第2表の結果から、所定の平均粒子径を有する原料1
と原料2とを、20〜60重量%の原料1と80〜40重量%の
原料2の割合で混合した実施例No.21〜38は、混合比が
上記範囲を満たさない比較例No.39〜50と比べて、高い
熱伝導率、高い4点曲げ強度、高い破壊じん性値
(KIC)、高い耐熱衝撃抵抗係数比を有することがわか
る。また、焼結体の微構造に着目すると、実施例No.21
〜38は10μm以上の粒長を有する粒子量および3μm以
下の粒長を有する粒子量が所定値であるのに対し、比較
例No.39〜50はいずれかの点で本発明の要件を満たして
いないことがわかる。
第3図および第4図に室温における4点曲げ強度およ
び熱伝導率と原料1の混合率との関係を示す。第3図お
よび第4図の結果より、適切な混合率を選ぶことによ
り、高強度および高熱伝導率の焼結体を得ることができ
ることがわかる。
実施例3 本発明の実施例における焼成温度の変化の影響を調べ
るため、第3表に示す原料1、原料2を使用し、第3表
に示す焼成温度で実施例1と同様に焼成して実施例No.5
1〜59と比較例No.60〜65の焼成体を得た。
得られた焼成体に対し、実施例1と同様にβ化率、熱
伝導率、室温および800℃での4点曲げ強度、破壊じん
性値、耐熱衝撃抵抗係数比を測定するとともに、微構造
も同様に測定した。結果をあわせて第3表に示す。
第3表の結果から、焼成温度が低いほど高い強度を得
られるが熱伝導率は低いのに対し、焼成温度が高いほど
高い熱伝導率を得られるのが強度は低くなり、第5図お
よび第6図に示すように、室温における4点曲げ強度お
よび熱伝導率と焼成温度を選ぶことにより、バランスの
とれた高い強度と高い熱伝導率の焼結体を得ることがで
きることがわかる。
実施例4 本発明の実施例における助剤調合量の変化の影響を調
べるため、第4表に示す原料1、原料2を使用し、第4
表に示す助剤の割合で実施例1と同様に焼成して実施例
No.71〜73および比較例74,75の焼成体を得た。
得られた焼成体に対し、実施例1と同様にβ化率、熱
伝導率、室温および800℃での4点曲げ強度、破壊じん
性値、耐熱衝撃抵抗係数比を測定するとともに、微構造
も同様に測定した。結果をあわせて第4表に示す。
第4表の結果から、助剤調合量が多少変化しても本発
明範囲内のものは、高い強度および高い熱伝導特性を示
すことがわかる。
(発明の効果) 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、粒
径の大きな原料と粒径の小さな原料とを混合し、所定の
製造法で焼結体を得ることにより、粒長10μm以上の大
きい粒子と粒長3μm以下の小さい粒子とを所定の割合
とした微構造により、従来の窒化珪素焼結体では得られ
なかった高強度・高じん性・高熱伝導率を達成すること
ができる。
そのため、本発明の窒化珪素焼結体は従来のセラミッ
クスと比較して高温構造材料として好適であり、セラミ
ックスローター、副燃焼室、バルブ、ピストンヘッド、
プレート等に使用した場合、熱応力を低減し、セラミッ
クスの信頼性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例における室温強度とD2/D1との
関係を示すグラフ、 第2図は本発明の実施例における熱伝導率とD2/D1との
関係を示すグラフ、 第3図は本発明の実施例における室温強度とW1との関係
を示すグラフ、 第4図は本発明の実施例における熱伝導率とW1との関係
を示すグラフ、 第5図は本発明の実施例における室温強度と焼成温度と
の関係を示すグラフ、 第6図は本発明の実施例における熱伝導率と焼成温度と
の関係を示すグラフである。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】10μm以上の粒長を有する粒子の割合が20
    〜50%であるとともに、3μm以下の粒長を有する粒子
    の割合が20〜50%である微構造を有し、熱伝導率が0.13
    〜0.16cal/cm・sec・℃、4点曲げ強さが室温で800MPa
    以上の特性を有することを特徴とする窒化珪素焼結体。
  2. 【請求項2】純度99wt%以上、α化率95wt%以上の窒化
    珪素粉末原料であって、以下のように粒径の異なる助剤
    未添加の原料1および原料2を準備し、 (1)原料1 平均粒子径D1(0.1〜0.5μm) (2)原料2 平均粒子径D2(0.3〜1.0μm) (3)原料1と原料2の関係 2≦D2/D1≦6 準備した原料1と原料2とを、20〜60重量%の原料1と
    80〜40重量%の原料2の割合で混合し、 混合した混合原料にSrO、MgO、CeO2からなる助剤を所定
    量加えて調合、成形し、1800〜1900℃の温度で加熱焼成
    することを特徴とする窒化珪素焼結体の製造方法。
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