JP2706304B2 - 窒化けい素焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、窒化けい素焼結体の製造方法に関し、とく
に、高温構造用材料としてより好適な高熱用窒化けい素
焼結体の製造方法についての提案である。

〔従来の技術〕

窒化けい素焼結体は、窒化けい素粉末に焼結助剤を添
加して所定の形状に成形し、常圧または加圧下の1700〜
1800℃の温度で加熱焼結することによって製造するのが
最も一般的である。

ここで用いられる窒化けい素粉末は、例えば、シリ
コンジイミドやシリコンテトライミドなど、シリコンの
イミド化合物（これを「シリコンイミド」と言う）を、
窒素やアルゴンなどの非酸化性ガス、この非酸化性ガス
と水素ガスとの混合ガス雰囲気中で加熱することによ
り、該前記シリコンイミドを熱分解させる、いわゆる
“イミド分解法”によって得た窒化けい素粉末、金属
けい素粉末を窒素および／またはアンモニアガスの雰囲
気中で1100〜1600℃の温度で加熱して、該金属けい素を
直接窒化させ窒化けい素とする、いわゆる“直接窒化
法”と称する方法によって得た窒化けい素粉末、けい
素酸化物に炭素物質を加え窒素雰囲気中で還元窒化させ
る、いわゆる“シリカ還元法”によって得た窒化けい素
粉末であった。

これらの中で主に用いられている粉末は、従来、イミ
ド分解窒化けい素粉末と直接法窒化けい素粉末のどちら
かを、単独で使用していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

さて、上記従来技術のうち、“イミド分解法”により
得た窒化けい素粉末を原料として用いる方法は、焼結体
の密度が高く、強度の優れた焼結体を得ることができ
る。しかしながら、成形する際の充填率が低いために、
乾燥時や脱バインダー時にひび割れを生じたりしてグリ
ーン成形体に欠陥が入り易かった。また、焼成時の収縮
率が大きくなるため、焼結後の寸法精度が悪くなった
り、特に形状が大きくなった場合や形状が複雑な製品を
製造しようとすると、焼成時の収縮が大きいがために欠
陥が入り易いという重大な問題があった。

これに対し、“直接窒化法”により得た窒化けい素粉
末を原料とする上記従来方法は、プレス成形やスラリー
成形により所定形状に成形した場合、充填率が高く、寸
法精度も良い。しかしながら、焼結体の強度特性がバラ
ツクという欠点があった。すなわち、このような粉末原
料を用いる従来の窒化けい素焼結体の製造方法は、焼結
後の寸法精度も良い反面、高い強度の焼結体製品を歩留
り良く得るのが難しいという状況にあった。

本発明は、前記各従来技術の欠点を克服することを目
的とし、強度特性に優れ、一方では高い充填率が得られ
て寸法精度の良い窒化けい素焼結体を歩留り良く得る有
利な製造方法を開発提案するところにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは、上掲の目的を実現すべく鋭意研究した
結果、出発原料の違いが、最終製品（焼結体）に与える
影響が大きいことに着目し、次のような原料調整を特徴
とする方法によって高熱用窒化けい素焼結体を製造する
方法に想到した。

すなわち、本発明は、シリコンイミドを加熱分解する
ことよって得られるイミド分解窒化けい素粉末と、金属
けい素を窒素雰囲気中で加熱して直接窒化することによ
って得られる直接法窒化けい素粉末とを、前記イミド分
解窒化けい素10〜80wt％に対し、直接法窒化けい素粉末
90〜20wt％を混合し、成形し、その後加熱焼結すること
を特徴とする窒化けい素焼結体の製造方法、 である。

〔作用〕

さて、出発原料の１つであるところの、シリコンジイ
ミドおよびシリコンテトライミドなどのシリコンイミド
は、常温以下での四塩化けい素とアンモニアとの反応に
よって製造することができるものである。このシリコン
イミドは、窒素やヘリウム、アルゴンなどの不活性ガス
または非酸化性ガスと水素との混合ガス雰囲気下で、12
00〜1600℃の温度で加熱することにより、本発明で使用
するイミド分解窒化けい素粉末が得られる。

また、本発明の一方の出発原料である直接窒化による
窒化けい素粉末は、金属けい素を窒素ガスまたは必要に
よりアンモニアガスとの混合ガス雰囲気中で1100〜1600
℃の温度で直接加熱窒化することにより得られる。

なお、上述のようにして得られた窒化けい素は、一部
が焼結しているので、これらを粉砕して微粉末とし、本
発明で使用する原料とする。

この発明の特徴は、原料として上記イミド分解窒化け
い素粉末と金属シリコンの窒化により得た直接法窒化け
い素粉末との混合粉末を用いることにある。出発原料が
これらの混合粉末になることによって、それぞれのもつ
欠点が他方の粉末によって緩和される一方で、利点がそ
のままに残ることにある。

これら両粉末の混合割合は、イミド分解窒化けい素粉
末10〜80wt％に対し、直接法窒化けい素粉末90〜20wt％
を混合する。イミド分解窒化けい素粉末の量が10wt％に
満たないか、前記直接法窒化けい素粉末の量が90wt％を
超えると、両粉末を混合して用いることによる効果が全
く発現せず、直接窒化の窒化けい素粉末を単独で用いる
従来法と同じくなる。

一方、イミド分解窒化けい素粉末の量が80wt％を超え
るか、直接法窒化けい素粉末の量が20wt％未満になる
と、イミド分解窒化けい素粉末の成形性の悪さがそのま
ま現れてしまい、混合する意味がないのである。

上述のように混合調整された混合粉末は、通常の成形
方法、すなわち、金型プレス成形，射出成形，押出し成
形，泥しょう鋳込み法などにより成形し、ついでその成
形体を窒素、アルゴン、ヘリウムなど非酸化性ガス雰囲
気または気流中で1600〜1800℃の温度で加熱焼結する。
この焼結温度が1600℃未満では緻密化が不十分となり、
結果として得られる焼結体の強度が低くなる。一方、18
00℃を超えると窒化けい素自体の分解が激しくなり、や
はり低強度となりがちである。

上記の他、非酸化性ガスにより焼成炉内圧力を加圧条
件として1800℃以上の窒化けい素の分解を抑制しつつ焼
成するガス圧焼結法や、通常のホットプレスHIP法等の
焼結手段も、もちろん本発明に適用すことができる。

なお、上記混合粉末に対しては、窒化けい素粉末総量
に対し、５〜50wt％のSiCなどの炭化物、BNなどのホウ
化物、Al₂O₃,ZrO₂などの酸化物を混合することができ
る。このような添加物を混合して焼結することにより、
例えば靱性，耐酸化性，耐熱衝撃性などの改善を試みる
ことができる。

〔実施例〕

イミド分解窒化けい素粉末（平均粒径0.8μ）と； 直接窒化法により製造された窒化けい素粉末（平均粒
径1.0μｍ）とを； 第１表に示す配合割合で混合し、水を分散媒とした泥し
ょうを作成し、石膏型枠内に流し込み成形した。各配合
で同一形状品を10コずつ作成した。

ついで、この成形体を上記加熱炉内に装入し、窒素雰
囲気中で1750℃,2時間加熱して板状の窒化けい素焼結体
（寸法50mm×50mm×6mm）を得た。得られた焼結体につ
いて外観検査，密度測定を行った後、焼結体よりJIS曲
げ試験片を切り出し、三点曲げ強度を測定した。その結
果をまとめて第１表に示す。

非中の歩留りは、作製した10コの焼結品中、外観検査
により欠陥（ひび割れ、極端な変形）が認められなかっ
た割合を表示した。欠陥品数は、成形品乾燥時に生じた
ものと焼結時に生じたものの合計数である。

この表からわかるように、本発明の焼結体の場合、強
度は95kg/mm²以上と高く、イミド分解窒化けい素粉末の
もつ特徴がそのまま維持できると共に、一方ではグリー
ン密度が大きく、焼結時の収縮が少ないために寸法精度
が良く、グリーン成形体の乾燥中の割れや焼結時の割
れ、変形が少なく、いわゆる直接窒化法で製造した窒化
けい素粉末原料のもつ特徴をも併せ持つものであること
が明らかである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明方法により製造した窒化
けい素焼結体は、強度に優れ、また焼結時の収縮も小さ
く、寸法精度の良好なものが高い歩留りで得られること
から、混合する２種の窒化けい素粉末の特徴が減殺され
るることなく、それらの特徴がそのまま生かされて実用
性の高い焼結体が得られる。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリコンイミドを加熱分解することによっ
   て得られるイミド分解窒化けい素粉末と、金属けい素を
   窒素雰囲気中で加熱して直接窒化することによって得ら
   れる直接法窒化けい素粉末とを、前記イミド分解窒化け
   い素10〜80wt％に対し、直接法窒化けい素粉末90〜20wt
   ％を混合し、成形し、その後加熱焼結することを特徴と
   する窒化けい素焼結体の製造方法。