JP2670221B2 - 窒化珪素焼結体及びその製造方法 - Google Patents
窒化珪素焼結体及びその製造方法Info
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Description
体に関し、更に詳細には、焼成面の強度が高い窒化珪素
焼結体及びその製造方法に関する。
度、化学的安定性等の理由から注目されている材料であ
り、ディーゼル、ガスタービン等の熱機関用構造材料へ
の適用が種々研究されている。一般に、窒化珪素は難焼
結体であるため、窒化珪素焼結体は、窒化珪素粉末にY
2O3等の希土類元素酸化物を焼結助剤として添加して成
形用粉末を得、この成形用粉末を所望形状に成形し、得
られた成形体をガス加圧焼成等することにより得られ
る。
料粉末としては、その焼結性等を考慮して、α−Si3
N4が90%以上含まれる原料が用いられていた。この
α−Si3N4は、焼結に際しβ−Si3N4に相転移し柱
状晶を生成することが知られている。ところが、このよ
うなα−Si3N4含有率の大きな原料を用いて焼結体を
焼成すると、上記相転移の際に結晶粒の粗大化等を招
き、得られる焼結体が緻密なものとならず強度等が十分
でないとして、特開昭62−297269号公報、特公
平2−50076号公報及び特開平2−255573号
公報には、原料粉末に多量のβ−Si3N4を添加する窒
化珪素焼結体の製造方法が開示されている。
α−Si3N4を原料粉末の主成分とする製造方法、及び
多量のβ−Si3N4を添加する製造方法双方により得ら
れる窒化珪素焼結体にあっては、焼成直後(未加工)の
焼結体表面(以下、「焼成面」という。)に存在する気
孔のサイズがかなり大きく、この部分に応力が集中する
ため焼成面の強度が未だ十分とはいえないという課題が
あった。従って、上記2種の焼結体においては、焼成面
を後加工して所望強度の加工面を発現させて最終製品を
作製しなければならず、後加工工程に労力を要し、最終
製品の製造に時間を要するのみならず、コスト的にも高
くなるという課題があった。
は、上述の如く肉薄体は勿論、肉厚体においても、焼成
面の強度が十分とはいえないという課題があった。本発
明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、焼成面の強度
に優れ、最終製品の製造をコストダウンできる肉薄及び
肉厚の窒化珪素焼結体及びその製造方法を提供すること
にある。
を達成すべく、窒化珪素焼結体の焼成面の気孔サイズ、
強度等の特性に着目し鋭意研究した結果、β−Si3N
4 の原料粉末への配合比率を特定の値にすることによ
り、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成
するに至った。従って、本発明の窒化珪素焼結体は、窒
化珪素と希土類元素化合物から実質的に成る窒化珪素焼
結体において、焼成面における気孔サイズが50×50
μm以下であり、引張面の表面粗さを0.8sに加工し
たときの室温での抗折強度に対する、焼成面をそのまま
引張面にしたときの室温での抗折強度の強度比が0.8
3以上であることを特徴とする。
法は、窒化珪素と希土類元素化合物を含有する窒化珪素
焼結体を製造するに当たり、α−Si3 N4 粉末とβ−
Si3 N4 粉末とが、次式 β/α+β=0.05〜0.50 (式中のαは、α−Si3 N4 の重量、βは、β−Si
3 N4 の重量を示す。)で表わされる関係を満足すると
ともに、該α−Si 3 N 4 粉末を予め加熱処理するか又
は泥漿中で攪拌してその酸素含有量を増大させた原料粉
末を焼結助剤と混合し、次いで、得られた成形用粉末を
成形し、しかる後、得られた成形体を1気圧以上の窒素
雰囲気下1850〜2000℃で焼成することを特徴と
する。
i3 N4 との配合比率を制御するとともに、α−Si 3
N 4 粉末を予め加熱処理するか又は泥漿中で攪拌してそ
の酸素含有量を増大させること等により、焼成面強度
と、焼成面を後加工して発現させた面(以下、「加工
面」という。)の強度との強度差が少ないSi3 N4 焼
結体を得ることができる。従って、常法の如く、得られ
た焼結体を後加工して製品に必要とされる強度を付与し
なくてもよく、成形体を、加工代を見込まないニアネッ
トシェイプで作成した場合には、該焼結体の後加工が不
要となる。このように、β−Si3 N4 の配合比率を上
記の値にすることにより、気孔サイズが縮小し、焼成面
強度が向上することの詳細は現時点では明きらかではな
いが、以下のように推察できる。
は、焼成過程において、まず、Si3N4粉末の表面に存
在するSiO2とY2O3等の焼結助剤とが溶融・反応し
て液相を生ずる。この液相の生成につれて、もともとラ
ンダムに配列していたα−及びβ−Si3N4が再配列す
る。次に、α−Si3N4(及びβ−Si3N4の一部)が
溶解して、結晶成長の核となるβ−Si3N4(比較的大
きなβ−Si3N4)の近傍にβ−Si3N4の柱状晶とし
て析出・成長することにより、Si3N4焼結体が焼結す
ると考えられる。
N4が原料粉末に多量に含まれる場合には、β−Si3N
4へ転移するα−Si3N4の量が多く、また、結晶成長
の核となるβ−Si3N4が少ないため、β−Si3N4の
分布が不均一になり、気孔サイズがかなり大きくなって
焼成面強度が低下するものと考えられる。これに対し、
β−Si3N4が多量に含まれる場合には、β−Si3N4
へ転移するα−Si3N4の量は少なく、結晶成長の核と
なるβ−Si3N4は多く存在するが、この場合には、焼
結後のβ−Si3N4の粒径が小さくなりすぎるととも
に、焼結前に成形体表面に存在する気孔を小さくするこ
とができず、結果として気孔サイズが大きくなり、同様
の弊害を生ずると考えられる。従って、原料粉末に含ま
れるβ−Si3N4の量を本発明の方法のように制御する
ことにより、上記α→β転移の度合を適切なものとし、
気孔サイズを低減し焼成面強度を向上するものと推定で
きる。
説明する。本発明の焼結体は、焼成面の強度と加工面の
強度との差異が少ないことを特徴とする。例えば、本発
明の焼結体を、セラミックス製品の表面仕上げに一般的
に用いられる#800の砥粒で加工した場合には、表面
粗さが0.8s程度になるが、この加工面を引張面とし
たときの室温における4点曲げ強度(抗折強度)に対す
る焼成面を引張面としたときの室温における4点曲げ強
度の強度比は、0.83以上の値を示す。
おいて、上記加工面を焼成面以外の任意の部分でとった
場合であっても満足される。即ち、この加工面を、本発
明の焼結体の焼成面近傍や該焼結体内部の中心近傍で発
現させても、上記の強度比が満足されることになる。こ
の強度比が0.83未満の場合には、焼成面強度が十分
ではなく、この焼成面を最終製品の製品表面に供するこ
とは実用上好ましくない。また、焼成面自体の室温強度
は、650MPaより大きいのが好ましく、700MP
aが更に好ましい。
孔サイズは、50×50μm以下であるのが好ましい。
ここで、「気孔サイズ」とは、窒化珪素焼結体に外力を
負荷して破壊した場合に、その破壊の起点部分に存在す
る気孔の大きさをいい、楕円状をなす気孔の場合には長
軸長をaとし、短軸長をbとし、「a×b」で表すもの
とする。また、開口した欠陥の場合には、開口した部分
の長さをa、深さ方向の長さをbとして「a×b」で表
すものとする。これは、焼成面を引張面とする焼結体が
破壊された際には、このような気孔から亀裂や割れを生
じていることに基づくものである。気孔サイズが50×
50μmを超えると、焼結体の強度が低下するのみなら
ず、耐酸化性も低下するので好ましくない。
5μm以下であるのが好ましい。15μmを超えると、
焼結体の強度が低下するため好ましくない。また、焼成
面に存在する窒化珪素柱状粒子の大きさは、短軸長4μ
m×長軸長50μm以下であるのが好ましい。この値を
超えると、柱状粒子が破壊の起点となるとなるため強度
の低下を招き好ましくない。更に、本発明の焼結体は、
肉薄体のみならず肉厚体としても優れた性質を有し、肉
厚体、例えば、肉厚が20〜150mm程度の場合でも
優れた性質を有し、種々の用途に適用可能である。
て説明する。まず、α−Si3 N4 とβ−Si3 N4 と
を、次式 β/α+β=0.05〜0.50 (式中のαは、α−Si3 N4 の重量、βは、β−Si
3 N4 の重量を示す。)で表わされる関係を満足するよ
うに混合する。ここで、α−Si 3 N 4 は予め加熱処理
するか又は泥漿中で攪拌して、α−Si 3 N 4 の酸素含
有量を増大させる。この際、α−Si3 N4 原料粉末の
平均粒径は0.3〜1.0μm、β−Si3 N4 原料粉
末の平均粒径は0.3〜3μmとするのが好ましい。こ
れは、α−Si3 N4 の平均粒子径は1.0μm以上で
あると焼結性の低下を招き、β−Si3 N4 の平均粒子
径は3μm以上を超えると焼結体として得られるβ−S
i3N4 の柱状粒子の短径の大きさが3μm以上となり
好ましくないからである。α−Si3 N4 原料粉末は、
例えば300〜800℃に制御された加熱炉内で1〜2
0時間流動させたり、水分量を制御した30〜80℃の
泥漿中で攪拌すること等により、α−Si3 N4 原料粉
末の酸素含有量を増大させることができる。かかる処理
を施すことにより、得られるSi3 N4 焼結体の強度等
を一層向上させることができる。
粉末と添加する焼結助剤との合計量の3〜25重量%の
希土類元素酸化物、金属炭化物等の焼結助剤を添加す
る。この焼結助剤としては、特に限定されるものではな
く、Y2O3、Yb2O3、Er2O3、MoC2、SiC等
を例示できる。次いで、得られた混合物を、例えば、窒
化珪素玉石を用いて混合粉砕し、乾燥して成形用粉末を
得る。
形、押出成形、鋳込み成形等の方法で成形することによ
り所望形状を有する成形体を得る。そして、得られた成
形体を、1気圧以上の窒素雰囲気下1850〜2000
℃で約2〜8時間焼成することにより、Si3 N4 焼結
体を得ることができる。かかる焼成に際し、焼成時の窒
素雰囲気圧力と温度は、窒化珪素が分解しないような範
囲内に制御するのが好ましい。また、焼成後、所要に応
じて、約1000〜1500℃の大気雰囲気中で約0.
5〜10時間の熱処理を施してもよい。
細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではな
い。 (実施例1及び2、4、比較例1及び2) 純度97重量%、酸素含有率1.40重量%、BET比
表面積12.0m2 /gのα−Si3 N4 粉末につい
て、粉末と水分の合計量に対して水分50重量%及び温
度50℃の条件下アトライターミルを用いて5時間攪拌
処理し、α−Si 3 N 4 粉末の酸素含有率を1.40重
量%から1.50重量%に増大させた。このα−Si 3
N 4 粉末と、純度98重量%、酸素含有率0.8重量
%、BET比表面積9.0m2 /gのβ−Si3 N4 粉
末を表1に示すような比率で配合した。得られた混合粉
末に対し、焼結助剤として、表2に示す種類及び添加量
のものを添加した。なお、焼結助剤の性状は、下記の通
りである。 Y 2 O 3 ・・・ 平均粒径0.7μm、BET比表面積10.0m 2 /g MoC 2 ・・・ 平均粒径1.5μm、BET比表面積2.0m 2 /g SiC ・・・ 平均粒径0.2μm、BET比表面積20.0m 2 /g Yb 2 O 3 ・・・ 平均粒径0.5μm、BET比表面積9.0m 2 /g Sc 2 O 3 ・・・ 平均粒径0.9μm、BET比表面積9.0m 2 /g NbC ・・・ 平均粒径2.0μm、BET比表面積3.0m 2 /g MoSi 2 ・・・ 平均粒径3.0μm、BET比表面積4.0m 2 /g
玉石40g及び水とともに内容積100lの媒体攪拌型
粉砕機に投入し、3時間粉砕した。次いで、乾燥して水
分を蒸発させ、平均粒径50μmに造粒して成形用粉末
を得た。次に、この成形用粉末を200kg/cm2 で
プレス成形した後、5ton/cm2 の圧力で静水圧加
圧し、80×80×6mm(厚さ)の成形体を得た。そ
して、この成形体を窒素雰囲気下表2に示す条件で焼成
して約67×67×5mm(厚さ)の窒化珪素焼結体を
得た。得られた窒化珪素焼結体について、下記のような
性能評価を行ない、その結果を表1に示す。
成面を引張面とし、引張面粗度以外はJIS R 16
01に準拠した4点曲げ強度(抗折強度)試験を室温及
び1400℃で行い、得られた結果を表1に示した。 (2)気孔サイズ 焼成面強度を測定した試験片の破壊部分を走査型電子顕
微鏡で観察し、破壊部分の起点に存在する気孔を試料毎
に検査した。5個以上の試料について気孔サイズを測定
し、得られた結果の平均値を表1に示す。
子顕微鏡で観察し、焼成面の柱状粒子を100個無作為
に抽出し、その柱状粒子の短径と長径の大きさの平均値
を表1に示した。 (4)表面粗度 焼成面の表面粗度Rmaxを表面粗さ計にて測定し、その
結果を表1に示した。
0.8s以下になるように加工し、この加工を施した焼
結体について、上記同様に常温及び1400℃で4点曲
げ強度試験を行った。この際、引張面は、得られた5m
m厚焼結体内部の中心部近傍でとった。得られた結果を
表1に示す。また、加工面の室温強度に対する焼成面の
室温強度の強度比(σas/σ#800)を併記した。
攪拌処理をせず、 α−Si3 N4 粉末とβ−Si3 N4
粉末との配合比率を表3に示すように変化させ、かつ成
形体を9.5気圧の窒素雰囲気下1900℃で3時間焼
成した以外は、実施例1と同様の操作を行い、窒化珪素
焼結体を得た。上記と同様の性能評価を行い、得られた
結果を表3に示した。
し、その酸素含有率を1.40重量%から1.55重量
%に増大した以外は、実施例1と同様の操作及び性能評
価を行い、得られた結果を表1及び2に示した。但し、
焼結助剤の性状については上記と同様である。
囲に属する実施例1〜4の窒化珪素焼結体は、加工面と
焼成面との強度差が小さく、気孔サイズが小さいことが
わかる。また、表1に示したように、α−Si3 N4 粉
末に酸素富化処理を施すことにより、得られる窒化珪素
焼結体の性能が一層向上することがわかる。
β−Si3N4の原料粉末への配合比率を特定の値にする
ことにしたため、焼成面の強度に優れ、最終製品の製造
をコストダウンできる窒化珪素焼結体及びその製造方法
を提供することができる。即ち、得られた焼結体を後加
工して製品に必要とされる強度を付与しなくてもよく、
成形体を、加工代を見込まないニアネットシェイプで作
成した場合には、焼結体について後加工が不要となると
いう利点がある。また、肉厚焼結体においても、良好な
強度特性を示し、窒化珪素焼結体の用途を拡大すること
ができる。
Claims (4)
- 【請求項1】 窒化珪素と希土類元素化合物から実質的
に成る窒化珪素焼結体において、焼成面における気孔サ
イズが50×50μm以下であり、引張面の表面粗さを
0.8sに加工したときの室温での抗折強度に対する、
焼成面をそのまま引張面にしたときの室温での抗折強度
の強度比が0.83以上であることを特徴とする窒化珪
素焼結体。 - 【請求項2】 焼成面の室温での抗折強度が650MP
a以上であることを特徴とする請求項1記載の焼結体。 - 【請求項3】 上記焼成面における表面粗度Rmaxが1
5μm以下であることを特徴とする請求項1又は2記載
の焼結体。 - 【請求項4】 窒化珪素と希土類元素化合物を含有する
窒化珪素焼結体を製造するに当たり、α−Si3 N4 粉
末とβ−Si3 N4 粉末とが、次式 β/α+β=0.05〜0.50 (式中のαは、α−Si3 N4 の重量、βは、β−Si
3 N4 の重量を示す。)で表わされる関係を満足すると
ともに、該α−Si3 N4 粉末を予め加熱処理するか又
は泥漿中で攪拌してその酸素含有量を増大させた原料粉
末を焼結助剤と混合し、次いで、得られた成形用粉末を
成形し、しかる後、得られた成形体を1気圧以上の窒素
雰囲気下1850〜2000℃で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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