JP2747635B2 - Method for producing silicon nitride sintered body - Google Patents

Method for producing silicon nitride sintered body

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JP2747635B2
JP2747635B2 JP4309635A JP30963592A JP2747635B2 JP 2747635 B2 JP2747635 B2 JP 2747635B2 JP 4309635 A JP4309635 A JP 4309635A JP 30963592 A JP30963592 A JP 30963592A JP 2747635 B2 JP2747635 B2 JP 2747635B2
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silicon nitride
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は窒化珪素焼結体の製造方
法に関し、特に、肉厚の成形体であってもその中心部ま
で確実に緻密に焼結することができ、優れた機械的強度
及び高靭性を有する窒化珪素焼結体とすることができる
方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a silicon nitride sintered body, and more particularly, to a method for manufacturing a thick molded body, which can surely and densely sinter up to the center of the molded body, and has excellent mechanical properties. The present invention relates to a method for producing a silicon nitride sintered body having strength and high toughness.

【0002】[0002]

【従来の技術】窒化珪素を主体とする焼結体は、高強
度、高耐熱性、高耐熱衝撃性、高耐摩耗性、耐酸性等の
優れた性質を有するので、各種の構造用セラミックスと
しての利用が期待されている。
2. Description of the Related Art A sintered body mainly composed of silicon nitride has excellent properties such as high strength, high heat resistance, high thermal shock resistance, high wear resistance, and acid resistance. The use of is expected.

【0003】ところで、窒化珪素はそれ自体は難焼結性
であるために、その焼結に際しては、原料となる窒化珪
素粉末に各種焼結助剤を添加して成形体を作製し、この
成形体を不活性ガス雰囲気下で焼成する方法が一般に採
用されている。特に最近では、焼結反応を促進し、かつ
高密度で機械的強度に優れた焼結体とするために、ま
た、高温での窒化珪素の熱分解を阻止するために、窒素
ガス等の不活性ガス圧を高くした条件で焼成することが
行われている。
[0003] Since silicon nitride itself is difficult to sinter, a sintered body is prepared by adding various sintering aids to silicon nitride powder as a raw material during sintering. A method of firing the body under an inert gas atmosphere is generally employed. Particularly in recent years, in order to promote a sintering reaction, to obtain a sintered body having high density and excellent mechanical strength, and to prevent thermal decomposition of silicon nitride at a high temperature, it is necessary to use nitrogen gas or the like. Firing is performed under the condition that the active gas pressure is high.

【0004】上記のような不活性ガス雰囲気の圧力を高
くした条件でセラミック成形体を焼成する方法では、図
5に模式的に示すように、不活性ガスの圧力と焼成温度
とを同時に上昇させ、焼結の保持温度Tに達する時に、
不活性ガス圧力も実質的に保持圧力Pとなるような焼成
パターンが最も一般的に用いられる。
In the above-described method of firing a ceramic compact under a condition in which the pressure of the inert gas atmosphere is increased, as shown schematically in FIG. 5, the pressure of the inert gas and the firing temperature are simultaneously increased. When the holding temperature T for sintering is reached,
The firing pattern in which the inert gas pressure is also substantially equal to the holding pressure P is most generally used.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
図5に示すような従来の焼成パターンで肉厚の窒化珪素
焼結体を製造すると、焼結体の中心部が低密度となるこ
とが多かった。これは以下の理由によるものと思われ
る。
However, when a thick silicon nitride sintered body is manufactured by a conventional firing pattern as shown in FIG. 5, for example, the center of the sintered body often has a low density. . This may be for the following reasons.

【0006】すなわち、窒化珪素粉末と焼結助剤粉末と
からなる成形体が加熱されて焼結を始めると、まず、図
6(a) に示すように、成形体2の表面部20から緻密化
が進行する。このような焼成の初期の段階では、成形体
2の内部21はまだ焼結されておらず、緻密化された表
面部20により、内部21には成形体2の外部圧(不活
性ガス圧)と同等の圧力のガスが閉じ込められることに
なる。成形体の焼結がさらに進行すると、この緻密化さ
れた層が表面部からしだいに内部にむけて成長し(図6
の(b) )、緻密化された層20aは徐々に厚くなる。そ
のために、成形体2の内部21に閉じ込められたガスは
さらに成形体2の外部に逃げにくくなり、またそのガス
圧も大きくなる。したがって、成形体内部の中心部に近
いほど残存ガスにより緻密化が遅れ、得られた焼結体2
a(図6の(c) )の内部22付近の密度が低下する。特
に、実際に焼結反応が開始する時点(上述した図6(a)
の状態)での外部圧(不活性ガス圧)を大きくすると、
成形体内部に残存するガス圧は大きくなる(残存するガ
スの量が多くなる)ので、内部の緻密化はいっそう難し
くなる。
That is, when the compact formed of the silicon nitride powder and the sintering aid powder is heated and starts sintering, first, as shown in FIG. Progress. In the initial stage of such firing, the inside 21 of the molded body 2 has not been sintered yet, and due to the densified surface portion 20, the inside 21 has an external pressure (inert gas pressure) of the molded body 2. The gas having the same pressure as that of the gas is confined. When the sintering of the compact further proceeds, this densified layer grows gradually from the surface to the inside (FIG. 6).
(B)), the densified layer 20a gradually becomes thicker. Therefore, the gas trapped in the inside 21 of the molded body 2 is more difficult to escape to the outside of the molded body 2, and the gas pressure is increased. Therefore, the closer to the center of the molded body, the more the densification is delayed by the residual gas, and the resulting sintered body 2
The density in the vicinity of the inside 22 of a (FIG. 6 (c)) decreases. In particular, when the sintering reaction actually starts (see FIG.
When the external pressure (inert gas pressure) in
Since the gas pressure remaining inside the molded body increases (the amount of remaining gas increases), it becomes more difficult to densify the inside.

【0007】以上の理由から、従来の方法では、特に肉
厚の焼結体を製造する場合、その内部は低密度となりや
すく、機械的強度に劣るようになる。
For the above reasons, in the conventional method, especially when a thick sintered body is manufactured, the inside tends to have a low density and the mechanical strength is inferior.

【0008】このような不都合を回避するため、種々の
焼結方法が提案されている。たとえば特開昭60−186474
号は、窒化珪素粉末と酸化物助剤との混合粉末からなる
成形体を焼成する際に、(イ)液相生成温度である1200〜
1600℃の温度領域のうち、液相が完全に生成する温度近
傍と、(ロ)ガス発生温度である1400〜1850℃の温度領域
のうち特にガス発生が顕著な温度近傍とにおいて、それ
ぞれ0.5 〜3時間保持して成形体を焼成する方法を開示
している。
In order to avoid such inconveniences, various sintering methods have been proposed. For example, JP-A-60-186474
When firing a molded body composed of a mixed powder of a silicon nitride powder and an oxide auxiliary, (a) the liquid phase formation temperature of 1200 to
In the temperature range of 1600 ° C., the temperature is 0.5 to 0.5 in the vicinity of the temperature at which the liquid phase is completely formed, and (b) in the temperature range of 1400 to 1850 ° C., which is the gas generation temperature, in which the gas generation is particularly remarkable. It discloses a method of firing a molded body while holding it for 3 hours.

【0009】上記の方法によれば、焼成におけるガスの
発生によるいわゆる「フクレ」等の欠陥を低減すること
はできるが、得られる焼結体の機械的強度はまだ十分で
はなく、さらに靭性も大きくない。窒化珪素焼結体等の
セラミックスを構造用セラミックスや各種機械部品等に
用いる場合には、機械的強度ばかりでなく、靭性が大き
いことも重要である。靭性が低ければ、信頼性のあるセ
ラミックス部材とは言いがたい。
According to the above method, defects such as so-called "swelling" due to generation of gas during firing can be reduced, but the mechanical strength of the obtained sintered body is not yet sufficient, and the toughness is large. Absent. When ceramics such as silicon nitride sintered bodies are used for structural ceramics and various mechanical parts, not only mechanical strength but also toughness is important. If the toughness is low, it is hard to say that the ceramic member is reliable.

【0010】したがって、本発明の目的は、比較的肉厚
の成形体を焼結しても内部の緻密化を達成でき、もって
機械的強度に優れ、かつ高い靭性をも有する窒化珪素焼
結体を製造することができる方法を提供することであ
る。
[0010] Accordingly, an object of the present invention is to provide a silicon nitride sintered body which is capable of achieving internal densification even when a relatively thick molded body is sintered, and thus has excellent mechanical strength and high toughness. It is to provide a method by which can be manufactured.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者は、窒化珪素粉末と焼結助剤とからな
る成形体を窒素含有雰囲気下で焼成する際に、まず比較
的低い第一の窒素含有雰囲気圧下で成形体を昇温し、1
800℃近傍の第一の保持温度に到達してしばらく経過
した時点で、窒素含有雰囲気圧をある水準以上の大きさ
に急激に上げ、かつ第一の保持温度に到達後30〜18
0分保持し、第二の窒素含有雰囲気圧に到達した後19
00℃以上の第二の保持温度まで昇温し、この第二の保
持温度で30〜240分保持する焼成プログラムとすれ
ば、成形体内部まで緻密に焼結することができるととも
に、焼結体中に針状の結晶組織を発達させることがで
き、大きな強度及び高い靱性を有する焼結体とすること
ができることを発見し、本発明に想到した。
Means for Solving the Problems As a result of intensive studies in view of the above-mentioned objects, the present inventor has found that when firing a molded body composed of silicon nitride powder and a sintering aid in a nitrogen-containing atmosphere, first of all, The molded body is heated under a low first nitrogen-containing atmosphere pressure,
At a point in time after reaching the first holding temperature near 800 ° C. for a while, the nitrogen-containing atmosphere pressure is rapidly increased to a certain level or more, and 30 to 18 after reaching the first holding temperature.
Hold for 0 minutes, and after reaching the second nitrogen-containing atmospheric pressure, 19
A firing program in which the temperature is raised to a second holding temperature of 00 ° C. or more and held at this second holding temperature for 30 to 240 minutes enables the compact to be sintered densely inside the compact, The present inventors have discovered that a needle-like crystal structure can be developed therein, and a sintered body having high strength and high toughness can be obtained, and the present invention has been reached.

【0012】すなわち、窒化珪素粉末と焼結助剤とから
なる成形体を窒素含有雰囲気中で焼成して窒化珪素焼結
体を製造する本発明の方法は、200kg/cm以下
の第一の窒素含有雰囲気圧P下で昇温し、1600〜
1800℃の第一の保持温度Tに到達後10〜100
分経過した時点で前記窒素含有雰囲気圧を300kg/
cm以上の第二の窒素含有雰囲気圧Pに到達するよ
うに急激に昇圧するとともに、前記第一の保持温度T
に30〜180分保持し、前記第二の窒素含有雰囲気圧
に到達した後1900℃以上の第二の保持温度T
まで昇温し、前記第二の保持温度Tに30〜240分
保持することを特徴とする。
That is, the method of the present invention for producing a silicon nitride sintered body by sintering a molded body composed of silicon nitride powder and a sintering aid in a nitrogen-containing atmosphere has a first step of 200 kg / cm 2 or less. The temperature was raised under a nitrogen-containing atmosphere pressure P 1 ,
10 to 100 after reaching the first holding temperature T 1 of 1800 ° C.
Minutes, the nitrogen-containing atmosphere pressure is increased to 300 kg /
with rapidly boosted to reach cm 2 or more second nitrogen-containing atmosphere pressure P 2, the first holding temperature T 1 of
To hold 30 to 180 minutes, the second nitrogen-containing atmosphere pressure P 2 a second 1900 ° C. or more after reaching the holding temperature T 2
Until the temperature was raised, and wherein the holding the second 30 to 240 minutes holding temperature T 2 of the.

【0013】以下、本発明を詳細に説明する。まず、成
形体の製造に用いる原料について説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail. First, raw materials used for manufacturing a molded body will be described.

【0014】(a) 窒化珪素粉末 窒化珪素粉末は、焼結体の高温強度を向上する目的では
含有酸素量が少ないのが好ましいが、余り酸素量が少な
すぎると焼結性が低くなる。本発明の方法では、含有酸
素量が0.5〜2.0重量%程度の窒化珪素粉末を用い
るのが好ましい。含有酸素量が0.5重量%未満である
と焼結性が低下し、また2.0重量%を超すと高温強度
が低下する。また、窒化珪素粉末の平均粒径は0.3 〜1.
0 μm程度であるのが好ましい。
(A) Silicon Nitride Powder The silicon nitride powder preferably has a low oxygen content for the purpose of improving the high-temperature strength of the sintered body. However, if the oxygen content is too small, the sinterability will decrease. In the method of the present invention, it is preferable to use a silicon nitride powder having an oxygen content of about 0.5 to 2.0% by weight. If the oxygen content is less than 0.5% by weight, the sinterability decreases, and if it exceeds 2.0% by weight, the high-temperature strength decreases. The average particle size of the silicon nitride powder is 0.3 to 1.
It is preferably about 0 μm.

【0015】なお、窒化珪素粉末の比表面積は8〜12
2 /g程度であることが望ましい。さらに、金属不純
物量は200ppm 以下であることが望ましい。上記した
範囲の比表面積及び金属不純物量とすると、焼結体組織
中に異常粒が成長するのを抑制して微細な組織とするこ
とができ、もって焼結体の機械的強度を向上させること
ができる。
The specific surface area of the silicon nitride powder is 8 to 12
It is desirably about m 2 / g. Further, the amount of metal impurities is desirably 200 ppm or less. When the specific surface area and the amount of metal impurities are in the above ranges, it is possible to suppress the growth of abnormal grains in the structure of the sintered body and to obtain a fine structure, thereby improving the mechanical strength of the sintered body. Can be.

【0016】(b) 焼結助剤 焼結助剤としては、Al化合物とIIIa族元素化合物との混
合物またはIII a 族元素化合物を用いることができる。
ここでIIIa族元素とは、スカンジウム、イットリウム、
及びランタン系列の元素を言う。Al及びIIIa族元素の化
合物としては、酸化物、有機酸塩等が挙げられる。これ
らは主として粉末の状態で窒化珪素粉末に添加する。な
お、成形体の強度(グリーン強度)を向上する目的で、
上述の成分からなるウィスカー状の焼結助剤を用いるこ
ともできる。
(B) Sintering Aid As the sintering aid, a mixture of an Al compound and a Group IIIa element compound or a Group IIIa element compound can be used.
Here, group IIIa elements are scandium, yttrium,
And lanthanum series elements. Examples of compounds of the Al and IIIa group elements include oxides and organic acid salts. These are mainly added to the silicon nitride powder in a powder state. In order to improve the strength (green strength) of the molded body,
A whisker-like sintering aid composed of the above components can also be used.

【0017】Al化合物としては、Al2 3 、Al2 TiO5
等が好適である。またIIIa族元素化合物としては、Y2
3 、シュウ酸イットリウム、Nd2 3 、Yb2 3 等が
挙げられる。また、3Y2 3 ・5Al2 3 のような固
溶体を用いることもできる。焼結助剤として、より好ま
しくはAl2 3 とY2 3 とを用いる。
Al compounds include Al 2 O 3 and Al 2 TiO 5
Etc. are preferred. Further, as the IIIa group element compound, Y 2
O 3 , yttrium oxalate, Nd 2 O 3 , Yb 2 O 3 and the like can be mentioned. Further, a solid solution such as 3Y 2 O 3 .5Al 2 O 3 can also be used. More preferably, Al 2 O 3 and Y 2 O 3 are used as sintering aids.

【0018】なお、粉末状のAl2 3 とY2 3 とを焼
結助剤として用いる場合、Al2 3粉末の平均粒径は0.4
〜0.5 μm程度、Y2 3 粉末の平均粒径は0.4 〜2
μm程度であるのが好ましい。
When powdery Al 2 O 3 and Y 2 O 3 are used as sintering aids, the average particle size of the Al 2 O 3 powder is 0.4.
About 0.5 μm, the average particle size of Y 2 O 3 powder is 0.4 to 2
It is preferably about μm.

【0019】上述した窒化珪素粉末と焼結助剤との配合
比は、用いる焼結助剤により多少異なるが、Al2 3
2 3 とを焼結助剤として用いる場合、Al2 3
0.5〜2重量%、Y2 3 が2.5〜5重量%、残部
実質的に窒化珪素とするのが好ましい。Al2 3 量が2
重量%を上回ると耐酸化性及び高温での強度が低下し、
また0.5重量%を下回ると焼結体の緻密化が進行せ
ず、耐酸化性及び高強度が得られない。一方、Y2 3
量が5重量%を上回ると高温での耐酸化性が低下し、
2.5重量%を下回ると、焼結体の緻密化が進行せず、
耐酸化性及び高強度が得られない。
The compounding ratio of the silicon nitride powder and the sintering aid as described above, when used as a slightly different but, Al 2 O 3 and Y 2 O 3 and the sintering aid by sintering agent used, Al 2 It is preferable that O 3 is 0.5 to 2% by weight, Y 2 O 3 is 2.5 to 5% by weight, and the balance is substantially silicon nitride. Al 2 O 3 content is 2
If the content exceeds 10% by weight, oxidation resistance and strength at high temperatures decrease,
On the other hand, if the content is less than 0.5% by weight, the densification of the sintered body does not proceed, and oxidation resistance and high strength cannot be obtained. On the other hand, Y 2 O 3
If the amount exceeds 5% by weight, the oxidation resistance at high temperatures decreases,
If it is less than 2.5% by weight, the densification of the sintered body does not progress,
Oxidation resistance and high strength cannot be obtained.

【0020】次に、本発明の方法について説明する。ま
ず、上記の窒化珪素粉末及び焼結助剤を用い、以下の方
法により成形体を製造する。
Next, the method of the present invention will be described. First, using the above-mentioned silicon nitride powder and a sintering aid, a compact is manufactured by the following method.

【0021】窒化珪素粉末と、Al2 3 粉末、Y2 3
粉末等の焼結助剤とを混合する。この混合は、公知の方
法、例えばボールミル、分散機等により行うことができ
る。なおボールミルによる混合では、混合粉末にエタノ
ール等を加えて行うのが好ましい。また、混合に用いる
ボールとしては、窒化珪素からなるものを用いるのが好
ましい。これによって、混合時に不純物が混入するのを
極力避けることができるようになる。
Silicon nitride powder, Al 2 O 3 powder, Y 2 O 3
Mix with a sintering aid such as powder. This mixing can be performed by a known method, for example, a ball mill, a disperser, or the like. In addition, it is preferable to perform mixing by a ball mill by adding ethanol or the like to the mixed powder. Further, it is preferable to use a ball made of silicon nitride as the ball used for mixing. Thereby, it is possible to minimize mixing of impurities during mixing.

【0022】得られた混合粉は、金型プレスまたは冷間
静水圧プレス(CIP)等を用いた公知の方法により所
望の形状の成形体とする。なお、成形に際して、必要に
応じてポリビニルアルコール溶液等の成形助剤を添加す
ることができる。
The obtained mixed powder is formed into a desired shape by a known method using a die press or a cold isostatic press (CIP). At the time of molding, a molding aid such as a polyvinyl alcohol solution can be added as needed.

【0023】次に、上記で得た成形体を焼成するが、本
発明では、焼成温度の変化に合わせて窒素含有雰囲気の
圧力を以下に示すようにコントロールする。
Next, the compact obtained above is fired. In the present invention, the pressure of the nitrogen-containing atmosphere is controlled as shown below in accordance with the change in the firing temperature.

【0024】成形体の焼成は、典型的には図1に模式的
に示す焼成パターンにより行う。ここで、図1の上部に
は焼成温度パターンが示されており、下部には窒素含有
雰囲気の圧力変化パターンが示されている。以下、図1
に従って成形体の焼成方法を説明する。
The firing of the molded body is typically performed according to a firing pattern schematically shown in FIG. Here, the firing temperature pattern is shown in the upper part of FIG. 1, and the pressure change pattern of the nitrogen-containing atmosphere is shown in the lower part. Hereinafter, FIG.
The method of firing the compact will be described below.

【0025】第一段階(I) 焼成の第一段階(I) では、成形体を第一の保持温度T1
に向けて昇温するが、窒素含有雰囲気の圧力は比較的低
く維持する。まず、昇温速度は6〜10℃/分程度とす
るのが好ましい。一方、窒素含有雰囲気圧は、図1に示
すように徐々に増加させていってもよいし、また、ある
一定の比較的低い圧力に保持していてもよい。ただし、
窒化珪素が分解しない程度の圧力をかけておく必要があ
り、第一段階(I) での窒素含有雰囲気圧は5〜200kg
/cm2 とするのが好ましい。より好ましくは、10〜5
0kg/cm2 とする。
First Step (I) In the first step (I) of firing, the compact is held at a first holding temperature T 1.
, But the pressure of the nitrogen-containing atmosphere is kept relatively low. First, it is preferable that the heating rate be about 6 to 10 ° C./min. On the other hand, the nitrogen-containing atmosphere pressure may be gradually increased as shown in FIG. 1, or may be kept at a certain relatively low pressure. However,
It is necessary to apply pressure such that silicon nitride does not decompose, and the nitrogen-containing atmosphere pressure in the first stage (I) is 5 to 200 kg.
/ Cm 2 is preferable. More preferably, 10-5
0 kg / cm 2 .

【0026】第二段階(II) 温度が上昇して第一の保持温度Tに達すると第二段階
(II)に入るが、第二段階(II)でも、窒素含有雰
囲気圧を上述した第一段階(I)における雰囲気圧の程
度に低く維持する。図1に示す例では、第二段階(I
I)における第一の窒素含有雰囲気圧を一定圧Pに設
定しているが、必ずしも第二段階(II)の間を一定圧
力とする必要はなく、第一段階(I)における第一の窒
素含有雰囲気圧Pの範囲内であれば多少変化してもよ
い。より好ましくは第一の窒素含有雰囲気圧Pを10
〜50kg/cmとする。
The first will enter into the second stage (II) the temperature reaches the first holding temperature T 1 of rising second stage (II), was the second step (II) but, a nitrogen-containing atmosphere pressure above It is kept low to the level of the atmospheric pressure in step (I). In the example shown in FIG. 1, the second stage (I
While setting the first nitrogen-containing atmosphere pressure at I) to a constant pressure P 1, it is not necessary to the during the second stage (II) and constant pressure, first in the first stage (I) some may vary as long as it is within the range of nitrogen-containing atmosphere pressure P 1. More preferably the first nitrogen-containing atmosphere pressure P 1 10
5050 kg / cm 2 .

【0027】第一の保持温度T1 は1600〜1800
℃とする。T1 が1600℃未満では焼結反応を良好に
進行させることが難しく、また1800℃を超える温度
とすると、窒化珪素が熱分解するおそれがある。好まし
い第一の保持温度T1 は1750〜1800℃である。
The first holding temperature T 1 is 1600 to 1800
° C. If T 1 is less than 1600 ° C., it is difficult to promote the sintering reaction satisfactorily. If T 1 exceeds 1800 ° C., silicon nitride may be thermally decomposed. Preferred first holding temperature T 1 of is 1,750 to 1,800 ° C..

【0028】なお、本発明では、第一の保持温度T1
図1に示すように一定の温度とする必要はなく、T1
温度域に入れば多少変化してもよく、一時的であればT
1 ±30℃程度に変化してもよい。
In the present invention, the first holding temperature T 1 does not need to be a constant temperature as shown in FIG. 1, and may slightly change within the temperature range of T 1. If there is T
It may change to about 1 ± 30 ° C.

【0029】この第二段階(II)において、成形体の表面
部には緻密化された層が形成され始めるが、この段階で
はまだ窒素含有雰囲気圧P1 が低いので、緻密化された
表面層により成形体内部に閉じ込められるガス圧は低い
(ガス量は少ない)。また、緻密化された表面層はまだ
完全には硬化しておらず、焼成中の成形体内部に生じる
ガスも比較的容易に外部に放出される。
In the second step (II), a densified layer starts to be formed on the surface of the molded body. At this stage, the nitrogen-containing atmosphere pressure P 1 is still low, so the densified surface layer is formed. , The gas pressure confined inside the compact is low (the gas amount is small). In addition, the densified surface layer has not been completely cured yet, and the gas generated inside the molded body during firing is relatively easily released to the outside.

【0030】第二段階(II)の所要時間Δt(=t2 −t
1 )は、10〜100分とする。時間Δtを10分未満
とすると、成形体の表面部に比較的柔らかい緻密化され
た層が形成されず、そのため後述する第三段階(III) に
おいて従来の方法で得られるのと同様の緻密化し硬化し
た表面層ができることになる。そうすると、ガスが焼結
中の成形体内部に閉じ込められてしまい、焼結体内部の
緻密化が達成できない。一方、100分を超すΔtとす
ると、緻密化された層の焼結が過度に進行して異状粒成
長を起こし、強度低下の原因となる。好ましくは、時間
Δtを30〜60分とする。
The required time Δt (= t 2 −t) in the second stage (II)
1 ) is 10 to 100 minutes. If the time Δt is less than 10 minutes, a relatively soft densified layer is not formed on the surface of the molded body, and therefore, the same densification as that obtained by the conventional method in the third step (III) described later is performed. A cured surface layer will result. Then, the gas is confined inside the compact during sintering, and it is not possible to achieve densification inside the sintered compact. On the other hand, when Δt exceeds 100 minutes, the sintering of the densified layer excessively proceeds to cause abnormal grain growth, which causes a decrease in strength. Preferably, the time Δt is 30 to 60 minutes.

【0031】第三段階(III) 第一の保持温度T1 に達した時点t1 から所定の時間Δ
tが経過した時点t2で、こんどは窒素含有雰囲気圧を
急激に上げる。この時、昇圧後の雰囲気圧(保持圧力)
2 を300kg/cm2 以上とする。保持圧力P2 が30
0kg/cm2 未満であると、焼結体の内部のほぼ全体がた
とえ高密度となっても、ごく僅かに焼結体内に残る微小
な空孔部をより小さくすることができず、そのためその
空孔部が欠陥となり機械的強度が低下する。本発明者の
研究によれば、保持圧力を300kg/cm2 以上とすると
空孔部の最大径を非常に小さく抑えることができ、機械
的強度を向上することができる。好ましくは保持圧力P
2 を500〜2000kg/cm2 とする。
Third stage (III) A predetermined time Δ from time t 1 when the first holding temperature T 1 is reached.
In time t 2 that t has elapsed, turn sharply raise the nitrogen-containing atmosphere pressure. At this time, the atmospheric pressure (holding pressure) after pressure increase
P 2 is set to 300 kg / cm 2 or more. Holding pressure P 2 is 30
When it is less than 0 kg / cm 2 , even if almost the entire inside of the sintered body has a high density, it is not possible to make the minute pores remaining in the sintered body slightly smaller, so that The voids become defects and the mechanical strength decreases. According to the study of the present inventors, when the holding pressure is set to 300 kg / cm 2 or more, the maximum diameter of the hole can be extremely small, and the mechanical strength can be improved. Preferably holding pressure P
2 is set to 500 to 2000 kg / cm 2 .

【0032】なお、本発明では、保持圧力P2 を昇圧前
の圧力P1 の2倍以上とするのが好ましい。保持圧力P
2 が圧力P1 の2倍未満であると焼結体の内部の緻密化
(高密度化)が難しくなる。
[0032] In the present invention, preferably the holding pressure P 2 and at least twice the boosting before the pressure P 1. Holding pressure P
2 densification inside the sintered body (density) is difficult to be less than twice the pressure P 1.

【0033】第三段階(III) の所要時間(t3 −t2
は60〜120分とするのが好ましいが、これは上述の
第二段階(II)の所要時間(t2 −t1 )の長さを考慮し
て設定する。具体的には、第二段階(II)と第三段階(II
I) の合計の時間(t3 −t1)が30〜180分となる
ように設定する。
Time required for the third step (III) (t 3 -t 2 )
Is preferably 60 to 120 minutes, which is set in consideration of the length of the required time (t 2 −t 1 ) of the second step (II) described above. Specifically, the second stage (II) and the third stage (II
The total time (t 3 −t 1 ) of I ) is set to be 30 to 180 minutes.

【0034】第四段階(IV) 第二段階(II)の初期(時刻t)から30〜180
分経過した時点(時刻t)で、窒素含有雰囲気圧を第
二の窒素含有雰囲気圧Pに保ったまま第二の保持温度
まで昇温する。このときの昇温速度は6〜10℃/
分とするのが好ましい。第二の保持温度Tに達した
ら、その温度に30〜240分保持する。すなわち、図
1においてt−tを30〜240分とする。
Fourth stage (IV) 30 to 180 from the beginning of the second stage (II) (time t 1 )
After a lapse of minutes (time t 3 ), the temperature is raised to the second holding temperature T 2 while maintaining the nitrogen-containing atmosphere pressure at the second nitrogen-containing atmosphere pressure P 2 . The heating rate at this time is 6 to 10 ° C /
Minutes is preferred. When the second holding temperature T 2 is reached, it holds 30 to 240 minutes at that temperature. That is, in FIG. 1, t 5 -t 4 is set to 30 to 240 minutes.

【0035】第二の保持温度T2 は1900℃以上、好
ましくは1900〜1950℃とする。第二の保持温度
2 が1900℃未満では、窒化珪素焼結体中に針状結
晶組織が形成されず、靭性に富んだ焼結体とすることが
できない。なお、第二の保持温度T2 は必ずしも一定に
固定する必要はなく、上記した温度範囲内であれば多少
変化してもよい。
The second holding temperature T 2 is 1900 ° C. or higher, preferably 1900 to 1950 ° C. If the second holding temperature T 2 is less than 1900 ° C., no needle-like crystal structure is formed in the silicon nitride sintered body, and a sintered body having high toughness cannot be obtained. Incidentally, the second holding temperature T 2 need not necessarily be fixed to a constant, it may vary slightly as long as it is within the temperature ranges described above.

【0036】第五段階(V) 上記の第四段階(IV)での高温高圧の焼成が終了した
ら冷却する。この第五段階(V)の冷却は炉冷(放冷)
としてよい。また高い窒素含有雰囲気圧もすぐに解除し
てよい。
Fifth Step (V) After the high-temperature and high-pressure firing in the fourth step (IV) is completed, cooling is performed. The cooling of the fifth stage (V) is furnace cooling (cooling)
It may be. Also, the high nitrogen-containing atmosphere pressure may be released immediately.

【0037】以上の方法によれば、成形体がたとえば1
00mm程度の肉厚物であっても、その中心部付近を緻密
に焼結することができ、機械的強度を低下させるような
空孔部等の欠陥を残すこともない。さらに、焼結体中に
針状の結晶組織を発達させることができる。
According to the above-mentioned method, for example, the molded body is 1
Even in the case of a thick material having a thickness of about 00 mm, it is possible to densely sinter the vicinity of the center portion, and does not leave defects such as voids and the like that lower the mechanical strength. Further, a needle-like crystal structure can be developed in the sintered body.

【0038】上記した本発明の方法により製造された窒
化珪素焼結体における針状結晶組織中の針状粒子の大き
さは、長径の平均で50〜70μmとなる。またアスペ
クト比は10〜15となる。さらに、中心部における密
度は3.2g/cm3 以上となる。
The size of the needle-like particles in the needle-like crystal structure of the silicon nitride sintered body produced by the above-described method of the present invention is 50 to 70 μm on average of the major axis. The aspect ratio is 10 to 15. Further, the density at the center is 3.2 g / cm 3 or more.

【0039】[0039]

【作用】本発明の方法によれば、焼結の初期段階の窒素
含有雰囲気圧がまだ低圧である時に(上述した第二段階
までに)比較的柔らかな表面緻密層が形成され、そのた
め焼成中の成形体内部に存在するガスが容易に成形体外
部に抜けることができる。また、成形体の内部に閉じ込
められるガスの圧力も低くなり(閉じ込められるガスの
量が少なくなり)、ガス成分は容易に成形体内部に拡散
できる。次に、第三段階として窒素含有雰囲気圧を急激
に上げるので、内部に空孔を形成することなく確実に緻
密化される。
According to the method of the present invention, when the nitrogen-containing atmosphere pressure in the initial stage of sintering is still low (by the second stage described above), a relatively soft surface dense layer is formed, and The gas existing inside the compact can easily escape to the outside of the compact. Further, the pressure of the gas confined inside the molded body is also reduced (the amount of the gas confined is reduced), and the gas component can be easily diffused inside the molded body. Next, as a third step, the pressure of the nitrogen-containing atmosphere is rapidly increased, so that densification is ensured without forming voids inside.

【0040】本発明では、さらに1900℃以上の高い
第二の保持温度に特定時間保持するので、焼結体中に緻
密な針状結晶組織が形成され、高い靭性を有する焼結体
となる。
In the present invention, since the sintered body is kept at the high second holding temperature of 1900 ° C. or more for a specific time, a dense needle-like crystal structure is formed in the sintered body, and the sintered body has high toughness.

【0041】[0041]

【実施例】以下の具体的実施例により、本発明をさらに
詳細に説明する。実施例1 窒化珪素粉末(SN−E10、宇部興産(株)製)9
6.5重量%と、Al2 3 粉末(AKP30、住友化学
(株)製)2.5重量%と、Y2 3 (微粉末、日本イ
ットリウム株式会社製)1.0重量%とからなる粉末混
合物500gに、エタノール500gを加え、400g
の窒化珪素製ボールを用いて16時間のボールミル混合を
行った。
The present invention will be described in more detail with reference to the following specific examples. Example 1 Silicon Nitride Powder (SN-E10, manufactured by Ube Industries, Ltd.) 9
6.5% by weight, 2.5% by weight of Al 2 O 3 powder (AKP30, manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) and 1.0% by weight of Y 2 O 3 (fine powder, manufactured by Japan Yttrium Co., Ltd.) 500 g of ethanol to 500 g of a powder mixture
For 16 hours using a silicon nitride ball.

【0042】得られた混合物をロータリーエバポレータ
により乾燥し、CIP(3000kg/cm2 の圧力) によりφ
40mm×高さ50mmの大きさに成形した。
The obtained mixture was dried by a rotary evaporator, and dried by CIP (pressure of 3000 kg / cm 2 ).
It was formed into a size of 40 mm × 50 mm in height.

【0043】上記の成形体を窒素ガス雰囲気下で、図1
に示す焼成パターンで焼成した。ここで第一段階(I)に
おける昇温速度を10℃/分とし、第一の保持温度T1
を1800℃、第二の保持温度T2 を1950℃とし
た。なお、第四段階の初期における第二の保持温度T2
までの昇温速度は6℃/分とした。
FIG. 1 shows the above-mentioned molded body in a nitrogen gas atmosphere.
Was fired in the firing pattern shown in FIG. Here, the temperature rising rate in the first stage (I) is set to 10 ° C./min, and the first holding temperature T 1
Was set to 1800 ° C., and the second holding temperature T 2 was set to 1950 ° C. Note that the second holding temperature T 2 at the beginning of the fourth stage is
The heating rate up to 6 ° C./min.

【0044】また圧力については、第二段階における第
一の窒素ガス雰囲気圧Pを30kg/cm、第二の
窒素含有雰囲気圧Pを1000kg/cmとした。
さらに各段階の時間については、第二段階の所要時間
(Δt=t−t)及び第三段階の所要時間(t
)をそれぞれ60分とした。また第四段階において
第二の保持温度Tに保持する時間(t−t)を1
20分とした。なお第五段階の冷却は炉冷とした。
[0044] For addition pressure was first nitrogen gas atmosphere pressure P 1 in the second stage 30kg / cm 2, a second nitrogen-containing atmosphere pressure P 2 and 1000 kg / cm 2.
Further, regarding the time of each step, the required time of the second step (Δt = t 2 −t 1 ) and the required time of the third step (t 3
t 2 ) was 60 minutes each. The 1 time (t 5 -t 4) to hold the second holding temperature T 2 in a fourth stage
20 minutes. The cooling in the fifth stage was furnace cooling.

【0045】得られた焼結体の強度をJIS R1601 に準拠
して測定したところ、20本の焼結体の平均で95kg/mm
2 であった。また、破壊靭性をJIS R 1607に準拠して測
定したところ7.0 MPa(m)1/2 であった。さらに、そ
のワイブル係数も求めた。破壊靭性値とワイブル係数の
値を図2に示す。さらにまた、焼結体の中心部の密度を
測定したところ3.2g/cm3 であった。
When the strength of the obtained sintered body was measured in accordance with JIS R1601, an average of 20 sintered bodies was 95 kg / mm.
Was 2 . In addition, when the fracture toughness was measured in accordance with JIS R 1607, it was 7.0 MPa (m) 1/2 . Further, the Weibull coefficient was also obtained. FIG. 2 shows the values of the fracture toughness and the Weibull coefficient. Furthermore, the density of the central portion of the sintered body was measured and found to be 3.2 g / cm 3 .

【0046】また、焼結体の中心部の組織を走査型電子
顕微鏡により観察したところ、緻密な針状結晶組織がみ
られた。電子顕微鏡写真を図3に示す。
When the structure at the center of the sintered body was observed with a scanning electron microscope, a dense needle-like crystal structure was observed. An electron micrograph is shown in FIG.

【0047】比較例1 図1に示す焼成プログラムにおいて、第四段階での第二
の保持温度(T2 =1950℃)への昇温を行わず、第
二段階〜第四段階を通して第一の保持温度1800℃に
保持した以外は、実施例1と同様にして焼結体を製造し
た。
COMPARATIVE EXAMPLE 1 In the firing program shown in FIG. 1, the temperature was not raised to the second holding temperature (T 2 = 1950 ° C.) in the fourth step, and the first to fourth steps were performed through the second to fourth steps. A sintered body was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the holding temperature was maintained at 1800 ° C.

【0048】得られた焼結体について、実施例1と同様
にして強度を測定した。平均の強度は93kg/mm2 であ
った。また、同様に破壊靭性及びワイブル係数を求め
た。破壊靭性及びワイブル係数の値を図2に示す。さら
に、実施例1と同様に焼結体の中心部の密度を測定した
ところ3.2g/cm3 であった。
The strength of the obtained sintered body was measured in the same manner as in Example 1. The average strength was 93 kg / mm 2 . Similarly, the fracture toughness and Weibull coefficient were determined. FIG. 2 shows the values of the fracture toughness and the Weibull coefficient. Furthermore, the density at the center of the sintered body was measured in the same manner as in Example 1, and it was 3.2 g / cm 3 .

【0049】また、焼結体の中心部の組織を走査型電子
顕微鏡により観察したところ、十分な針状結晶組織はみ
られなかった。電子顕微鏡写真を図4に示す。
When the structure at the center of the sintered body was observed with a scanning electron microscope, no sufficient needle-like crystal structure was found. An electron micrograph is shown in FIG.

【0050】[0050]

【発明の効果】以上に詳述したように、本発明の方法に
よれば、100mm程度の比較的肉厚の焼結体でもその
中心部を確実に緻密化することができ、機械的強度の高
い焼結体を製造することができる。また本発明の方法に
よれば、緻密な針状結晶組織を有する窒化珪素焼結体と
することができるので、機械的強度のみならず、高い靱
性を有する焼結体とすることができる。
As described in detail above, according to the method of the present invention, even a relatively thick sintered body having a thickness of about 100 mm can be reliably densified at the center thereof, and the mechanical strength can be reduced. A high sintered body can be manufactured. Further, according to the method of the present invention, a silicon nitride sintered body having a dense needle-like crystal structure can be obtained, so that a sintered body having not only mechanical strength but also high toughness can be obtained.

【0051】本発明の方法は、肉厚の焼結体の内部を緻
密化する目的ばかりではなく、焼結助剤を少なくした
系、また焼結助剤が高融点である系(例えばY2 3
Yb2 3 との混合物を焼結助剤とする系)等の焼結しに
くい系の焼結にも適用することができる。
The method of the present invention is not only for the purpose of densifying the inside of a thick sintered body, but also for a system in which the sintering aid is reduced or a system in which the sintering aid has a high melting point (for example, Y 2). O 3 and
The present invention can also be applied to sintering of a system that is difficult to sinter, such as a system using a mixture with Yb 2 O 3 as a sintering aid.

【0052】本発明の方法による窒化珪素焼結体は、上
述の通り高密度で大きな機械的強度を有し、且つ高い靭
性を有しているので、自動車部品を始めとする各種機械
部品、構造用材等に好適である。
As described above, the silicon nitride sintered body according to the method of the present invention has a high density, a large mechanical strength, and a high toughness. It is suitable for lumber and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の方法における焼成温度と不活性ガス圧
力の変化パターンの典型的な例を示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing a typical example of a change pattern of a firing temperature and an inert gas pressure in a method of the present invention.

【図2】実施例1及び比較例1の焼結体における破壊靭
性値とワイブル係数とを示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing a fracture toughness value and a Weibull coefficient in the sintered bodies of Example 1 and Comparative Example 1.

【図3】実施例1の焼結体中の粒子構造を示す電子顕微
鏡写真である。
FIG. 3 is an electron micrograph showing a particle structure in a sintered body of Example 1.

【図4】比較例1の焼結体中の粒子構造を示す電子顕微
鏡写真である。
FIG. 4 is an electron micrograph showing a particle structure in a sintered body of Comparative Example 1.

【図5】従来のセラミック成形体の焼成パターンの典型
的な例を模式的に示すグラフである。
FIG. 5 is a graph schematically showing a typical example of a firing pattern of a conventional ceramic molded body.

【図6】セラミック成形体の焼成時における焼結挙動を
示す模式断面図である。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a sintering behavior during firing of a ceramic molded body.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 成形体 2a 焼結体 20 緻密化された表面層 21 成形体内部 20a 緻密化された層 Reference Signs List 2 Molded body 2a Sintered body 20 Densified surface layer 21 Inside molded body 20a Densified layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 樋口 義勝 埼玉県和光市中央一丁目4番1号 株式 会社本田技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−113769(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (72) Inventor Yoshikatsu Higuchi 1-4-1 Chuo, Wako-shi, Saitama Pref. Honda Technical Research Institute Co., Ltd. (56) References

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 窒化珪素粉末と焼結助剤とからなる成形
体を窒素含有雰囲気中で焼成して窒化珪素焼結体を製造
する方法において、200kg/cm以下の第一の
素含有雰囲気圧下で昇温し、1600〜1800℃の第
一の保持温度に到達後10〜100分経過した時点で前
記窒素含有雰囲気圧を300kg/cm以上の第二の
窒素含有雰囲気圧に到達するように急激に昇圧するとと
もに、前記第一の保持温度に30〜180分保持し、前
記第二の窒素含有雰囲気圧に到達した後1900℃以上
の第二の保持温度まで昇温し、前記第二の保持温度に3
0〜240分保持することを特徴とする窒化珪素焼結体
の製造方法。
1. A method for producing a silicon nitride sintered body by sintering a compact comprising silicon nitride powder and a sintering aid in a nitrogen-containing atmosphere, wherein the first nitride of 200 kg / cm 2 or less is used . The temperature was raised under a nitrogen-containing atmosphere pressure, and when 10 to 100 minutes had elapsed after reaching the first holding temperature of 1600 to 1800 ° C., the nitrogen-containing atmosphere pressure was increased to 300 kg / cm 2 or more . > together rapidly boosted to reach a nitrogen-containing atmosphere pressure, and held for 180 minutes 30 to the first holding temperature, before
After reaching the second nitrogen-containing atmosphere pressure, the temperature is raised to a second holding temperature of 1900 ° C. or more, and
A method for producing a silicon nitride sintered body, which is held for 0 to 240 minutes.
【請求項2】 請求項1に記載の方法において、前記第
二の保持温度を1900〜2000℃とすることを特徴
とする窒化珪素焼結体の製造方法。
2. The method for producing a silicon nitride sintered body according to claim 1, wherein the second holding temperature is 1900 to 2000 ° C.
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