JP2737323B2 - 窒化珪素質焼結体の製造方法 - Google Patents

窒化珪素質焼結体の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 【発明の目的】
(産業上の利用分野) 本発明は、自動車,機械装置,化学装置,宇宙航空機
器などの幅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、特に優れた高温強度を有するファ
インセラミックス部材を得るのに好適な窒化珪素質焼結
体の製造方法に関するものである。 (従来の技術) 窒化珪素を主成分とする窒化珪素質焼結体は、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し
ているため、軸受などの摺動部材、ターボチャージャロ
ーターなどのエンジン部材として好適な材料である。 しかし、窒化珪素はこれ単独では焼結が困難であるた
め、通常の場合には、窒化珪素にMgO,Al2O3,Y2O3など
の酸化物を焼結助剤として多量に添加して焼成する方法
が用いられている(この種の窒化珪素質焼結体の製造方
法としては、特開昭49−63710号,特開昭54−15916号,
特開昭60−137873号などに開示された多くのものがあ
る。)。 (発明が解決しようとする課題) しかしながら、上述したように、窒化珪素にMgO,Al2O
3,Y2O3などの酸化物を焼結助剤として多量に添加して
焼成することにより得られた従来の窒化珪素質焼結体に
おいては、焼結体中の粒界に多量の酸化物成分を含有
し、これが高温で窒化珪素の酸化を促進するため、この
焼結体を素材とする各種構造部品の耐クリープ特性,高
温強度,耐酸化性などの高温特性が低下することがある
という課題があった。 (発明の目的) 本発明は、上記したような従来の課題に着目してなさ
れたもので、常温のみならずとくに高温における強度特
性に優れており、高温において強度低下が少ないと共に
高温における耐酸化性にも優れている窒化珪素質焼結体
を得ることが可能である窒化珪素質焼結体の製造方法を
提供することを目的としている。
【考案の構成】
(課題を解決するための手段) 本発明に係わる窒化珪素質焼結体の製造方法は、0.5
重量%以上4.0重量%以下の酸化珪素を含む窒化珪素粉
末に、0.1重量%以上酸化珪素含有量以下の1種または
2種以上の周期表III a族元素の酸化物(ただし、Sc,E
r,Tm,Yb,Luの1種または2種以上の酸化物のみからなる
ものを除く。)を添加した混合体を5気圧以上200気圧
以下でかつ1800〜2000℃の窒素雰囲気中でかさ密度が理
論密度の95%以上でかつ全酸素量が1.3重量%以下とな
るまで焼成する構成としたことを特徴としており、この
ような窒化珪素質焼結体の製造方法の構成を前述した従
来の課題を解決するための手段としたものである。 一般に、焼結体の酸化は重量増加により評価される。 すなわち、窒化珪素質焼結体を酸素が存在する雰囲気
中で高温に加熱すると、窒化珪素が次の反応により酸化
され、その結果として重量増加が観察される。 Si3N4+3O2→3SiO2+2N2 したがって、重量増加が少ないほど、耐酸化性に優れ
ているといえる。 窒化珪素の酸化では、酸化物粒界相を経由して物質移
動が起こるため、粒界の組成は酸化に大きい影響を及ぼ
す。 本発明では、窒化珪素中の酸化珪素の量と酸化物の添
加量を制御することにより、窒化珪素の粒界に耐熱性に
優れかつ耐酸化性に優れる組成の酸化物が形成され、こ
れによって耐酸化性が向上することを見い出した。 本発明に係わる窒化珪素質焼結体の製造方法におい
て、出発原料は窒化珪素粉末と周期表III a族元素の酸
化物である。 これらのうち、窒化珪素粉末はそれに含まれる不純物
金属元素や酸素含有量は少ない方が望ましく、また、0.
5重量%以上4.0重量%以下の酸化珪素を含む窒化珪素粉
末が使用される。 この場合、窒化珪素粉末中の酸化珪素含有量が0.5重
量%よりも少ないと十分にち密化しないことがあり、ま
た4.0重量%よりも多いと焼結体の高温強度が低下する
こととなるので、酸化珪素含有量が0.5重量%以上4.0重
量%以下の窒化珪素粉末を用いた。 また、同じく出発原料となる酸化物を構成する周期表
III a族元素としては、Sc,Y,ランタノイド(原子番号57
〜71),アクチノイド(原子番号89〜103)などがある
が、通常の場合にはこれらのうちY,La,Nd,Smなどが価
格、入手性あるいは取扱い性の都合などにより使用され
やすい。 この場合、酸化物は1種類の単独添加でもよいが、と
くに酸化物助剤量が少ない場合は焼結性を向上させるた
めに2種類以上の混合系酸化物を焼結助剤として用いる
のがよい。 そして、窒化珪素粉末に対する上記1種または2種以
上の周期表III a族元素の酸化物の添加量は、0.1重量%
未満では十分にち密化しないこととなるので好ましくな
く、また酸化珪素含有量よりも多く添加すると粒界が酸
化珪素の少ない組成となるため、耐酸化性が低下するこ
ととなるので好ましくなく、このようなことから上記酸
化物の添加量は0.1重量%以上酸化珪素含有量以下とし
た。 次に、出発原料である窒化珪素粉末と周期表III a族
元素の酸化物とを混合して混合体としたのち成形するに
際しては、例えば、金属プレス成形,ラバープレス成
形,射出成形など、通常のセラミックスの成形方法が、
目的とする成形部材の形状等にあわせて選択されるが、
特に限定されない。 次に、前記成形体に対しては、第1図に示すように、
5気圧以上200気圧以下でかつ1800〜2000℃の窒素雰囲
気中でかさ密度が理論密度の95%以上でかつ全酸素量が
1.3重量%以下となるまで焼成を行うが、このとき、雰
囲気圧力が5気圧よりも低いと窒化珪素の熱分解がおこ
りやすくなり、ち密な焼結体が得られなくなるので好ま
しくなく、雰囲気圧力が200気圧よりも高いと終期焼結
が妨げられて密度が低下するので好ましくない。また、
焼成温度が1800℃よりも低いと十分な量の液相が生成し
ないため十分にち密化せず、2000℃よりも高いと窒化珪
素の粒成長がおこりやすくなるため強度が低下するので
好ましくない。 そしてこの焼成は、焼結体のかさ密度が理論密度の95
%以上であるち密な焼結体が得られるまで行うようにし
ており、かさ密度が95%よりも低いと室温および高温で
の強度が十分なものとならない。 そして、本発明に係わる製造方法により得られた窒化
珪素質焼結体は、かさ密度が理論密度の95%以上であ
り、全酸素量が1.3重量%以下であって、窒化珪素の粒
界に耐熱性および耐酸化性に優れる組成の酸化物が形成
されているので、耐クリープ特性,高温強度,耐熱性,
耐酸化性などの高温特性に著しく優れたものとなってい
る。 (発明の作用) 本発明に係わる窒化珪素質焼結体の製造方法では、窒
化珪素粉末中の酸化珪素含有量、焼結助剤として添加す
る酸化物の種類と量、焼成温度とガス圧力を制御してか
さ密度が理論密度の95%以上でかつ全酸素量が1.3重量
%以下となるまで焼成を行うようにしているので、窒化
珪素の粒界に耐熱性および耐酸化性に優れた組成の酸化
物が形成されることとなり、耐クリープ特性,高温強
度,耐熱性,耐酸化性などの高温特性に優れたものとな
るという作用がもたらされる。 (実施例) 第1表に示すように、平均粒径が1.0μm,酸化珪素含
有量が3.5重量%の窒化珪素粉末A(実施例1〜51,比較
例57〜62)と、平均粒径が1.5μm,酸化珪素含有量が2.5
重量%の窒化珪素粉末B(実施例52〜56)とを用い、第
1表に示した酸化物を助剤として添加して、エタノール
中で24時間ボールミル混合を行い、乾燥した後、20MPa
の圧力で金型成形したあと200MPaの圧力でラバープレス
成形して、6×6×50mmの成形体を作製した。 次いで、この成形体を第2表に示した条件1,2,3の圧
力の窒素ガス圧下において毎時500℃の昇温速度で昇温
し、同じく第2表に示した条件1,2,3の温度および時間
の焼成を行った。なお、第1表に示すように、実施例1
〜47および比較例57〜62で条件1を採用し、実施例49〜
51で条件2を採用し、実施例52〜56で条件3を採用し
た。 次に、ここで得られた各焼結体中の全酸素量を酸素分
析計により測定し、また各焼結体を3×4×40mmの形状
にダイヤモンドホイールで研削加工し、室温および1400
℃、スパン30mmの3点曲げ試験を行った。 また、前記3×4×40mmの試験片を大気中で1300℃で
100時間加熱し、重量変化(酸化増量)を測定した。 これらの結果を同じく第1表に示す。 第1表に示した結果より明らかなように、本発明の製
造条件を満足する実施例1〜56の窒化珪素質焼結体は、
いずれも全酸素量が1.3重量%以下と少なく、かさ密度
が理論密度の95%以上となっていると共に、高温におけ
る強度低下が少なく、高温での強度が高いものになって
おり、酸化増量も少なく耐酸化性に優れたものになって
いることが認められた。これに対して、酸化物含有量が
酸化珪素含有量よりも多い比較例57〜62の窒化珪素質焼
結体では焼結体中の全酸素量が多く、粒界中に多量の酸
化物成分を含有しているため高温での強度低下が大きい
と共に、耐酸化性にも劣ったものとなっていることが認
められた。
【発明の効果】
以上説明してきたように、この発明に係わる窒化珪素
質焼結体の製造方法によれば、窒化珪素中の酸化珪素含
有量、焼結助剤として添加する酸化物の種類および量,
ガス圧力,焼成温度を制御して焼成することにより、か
さ密度が理論密度の95%以上でかつ全酸素量が1.3重量
%以下の窒化珪素質焼結体を製造するようにしているの
で、粒界には耐熱性および耐酸化性に優れる組成の酸化
物が形成されていることから、常温強度に優れているの
みならず、高温における強度の低下が著しく少ないと共
に、耐酸化性にも著しく優れたものとなっており、耐ク
リープ特性,高温強度,耐熱性,耐酸化性などの高温特
性に優れたファインセラミックス材料を製造することが
可能であり、高温で使用される各種構造部品の素材とし
て好適なものであって、これら各種構造部材の軽量化に
大きく貢献するという非常に優れた効果がもたらされ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の窒化処理条件を示す説明図である。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】0.5重量%以上4.0重量%以下の酸化珪素を
    含む窒化珪素粉末に、0.1重量%以上酸化珪素含有量以
    下の1種または2種以上の周期表III a族元素の酸化物
    (ただし、Sc,Er,Tm,Yb,Luの1種または2種以上の酸化
    物のみからなるものを除く。)を添加した混合体を5気
    圧以上200気圧以下でかつ1800〜2000℃の窒素雰囲気中
    でかさ密度が理論密度の95%以上でかつ全酸素量が1.3
    重量%以下となるまで焼成することを特徴とする窒化珪
    素質焼結体の製造方法。
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