JP2863569B2 - Silicon nitride sintered body and method for producing the same - Google Patents

Silicon nitride sintered body and method for producing the same

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JP2863569B2
JP2863569B2 JP1258571A JP25857189A JP2863569B2 JP 2863569 B2 JP2863569 B2 JP 2863569B2 JP 1258571 A JP1258571 A JP 1258571A JP 25857189 A JP25857189 A JP 25857189A JP 2863569 B2 JP2863569 B2 JP 2863569B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、1000℃を超える高温においても高い強度を
有する耐熱性に優れた窒化珪素焼結体、及びそのような
窒化珪素焼結体を安定的に製造する方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a silicon nitride sintered body having high strength even at a high temperature exceeding 1000 ° C. and excellent in heat resistance, and a method for producing such a silicon nitride sintered body. It relates to a method for stable production.

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by conventional technology and invention]

窒化珪素は、優れた耐熱性、耐熱衝撃性、耐酸化性、
耐薬品性及び靭性を有しており、構造用セラミックスと
して有望視されている。また最近では、エンジン部品に
窒化珪素を利用することも考えられており、種々の研究
開発が行われている。
Silicon nitride has excellent heat resistance, thermal shock resistance, oxidation resistance,
It has chemical resistance and toughness, and is promising as a structural ceramic. Recently, the use of silicon nitride for engine parts has been considered, and various research and development have been conducted.

ところで、窒化珪素は共有結合性の強い化合物である
ので、窒化珪素粉末のみで焼結し成形するのは難しく、
通常MgO、Y2O3、Al2O3等の酸化物を焼結助剤として加
え、焼結を行っている。
By the way, since silicon nitride is a compound having strong covalent bonding, it is difficult to sinter and mold only with silicon nitride powder,
Usually, oxides such as MgO, Y 2 O 3 , and Al 2 O 3 are added as sintering aids for sintering.

焼結において、焼結助剤と窒化珪素とがまず液相を形
成し、そこから窒化珪素が再析出して焼結体が得られる
が、焼結助剤として添加した酸化物は窒化珪素の結晶格
子中にわずかしか固溶できないため、この酸化物は窒化
珪素の粒界にアモルファス相を形成する。このため、得
られる焼結体は、柱状晶の窒化珪素相と、それを取りか
こむアモルファス相との2相混合組織かなる構造をと
る。
In sintering, the sintering aid and silicon nitride first form a liquid phase, from which silicon nitride is reprecipitated to obtain a sintered body. This oxide forms an amorphous phase at the grain boundaries of silicon nitride because it can only form a solid solution in the crystal lattice. For this reason, the obtained sintered body has a structure having a two-phase mixed structure of a columnar crystal silicon nitride phase and an amorphous phase surrounding the same.

したがって、得られた焼結体の耐熱性及び高温強度は
窒化珪素そのものよりも、このアモルファス相の特性に
依存する。とういのは、焼結体を高温となる部位に適用
すると、まず粒界相であるアモルファス相が軟化を起こ
すからである。またこのアモルファス相には、高温にお
いて応力が付加された場合空孔を生じることがあり、ク
ラック発生の原因を生む。さらにアモルファス相に沿っ
てクラックが進展し、焼結体の破壊に到ることにもな
る。
Therefore, the heat resistance and high temperature strength of the obtained sintered body depend on the characteristics of the amorphous phase rather than the silicon nitride itself. This is because, when the sintered body is applied to a portion where the temperature becomes high, first, the amorphous phase which is a grain boundary phase is softened. In addition, when a stress is applied to the amorphous phase at a high temperature, voids may be generated, which causes cracks. Further, cracks develop along the amorphous phase, which leads to destruction of the sintered body.

そこで窒化珪素焼結体の耐熱性及び高温強度を向上さ
せるために、粒界相であるアモルファス相を結晶化する
ことが行われており、通常、1300〜1400℃で長時間熱処
理する方法が採られている。しかしながら、この方法で
は、サイアロン系の焼結体においては一応の成果がえら
れるものの、窒化珪素系の焼結体においては望むような
耐熱性及び高温強度の向上が得られていない。
Therefore, in order to improve the heat resistance and high-temperature strength of the silicon nitride sintered body, the amorphous phase, which is a grain boundary phase, is crystallized, and a method of performing a long-time heat treatment at 1300 to 1400 ° C. is adopted. Have been. However, in this method, although a sialon-based sintered body can provide a reasonable result, a silicon nitride-based sintered body does not achieve desired improvements in heat resistance and high-temperature strength.

窒化珪素の焼結には、前述した通り、酸化物からなる
焼結助剤を用いるが、耐熱性にすぐれた焼結体とするに
は、一般にY2O3−Al2O3系の焼結助剤が用いられてい
る。ところが、Y2O3−Al2O3系の焼結助剤を用いて得ら
れた焼結体においても1000℃を超す温度では急激な強度
低下を示すことが知られている。さらに焼結助剤におけ
るY2O3及びAl2O3の混合比を特定しても、得られる焼結
体の耐熱性及び高温強度にバラツキが生じ、製品の品質
を一定に保つことが難しかった。これは、原料となる窒
化珪素に不可避成分であるSiO2が存在することによると
考えられる。すなわち、焼結助剤としてY2O3とAl2O3
を加えた場合、窒化珪素の焼結において実際に助剤とし
て作用するのはSiO2−Y2O3−Al2O3系成分である。窒化
珪素中のSiO2の含有量が用いる原料毎に異なれば、実質
的に助剤として働くY2O3−Al2O3系成分の組成は一定と
ならず、結果として焼結体の耐熱性及び高温強度にバラ
ツキが生じる。
The sintering of silicon nitride, as described above, but using a sintering aid composed of an oxide, in a sintered body having excellent heat resistance is generally Y 2 O 3 -Al 2 O 3 system bake Binders are used. However, it is known that a sintered body obtained using a Y 2 O 3 —Al 2 O 3 sintering aid shows a sharp decrease in strength at a temperature exceeding 1000 ° C. Furthermore, even if the mixing ratio of Y 2 O 3 and Al 2 O 3 in the sintering aid is specified, the heat resistance and high-temperature strength of the obtained sintered body vary, and it is difficult to keep the product quality constant. Was. This is considered to be due to the presence of SiO 2, which is an unavoidable component, in silicon nitride as a raw material. That is, when Y 2 O 3 and Al 2 O 3 are added as sintering aids, what actually acts as an aid in sintering of silicon nitride is a SiO 2 —Y 2 O 3 —Al 2 O 3 system. Component. If the content of SiO 2 in silicon nitride is different for each raw material used, the composition of the Y 2 O 3 -Al 2 O 3 system component that substantially acts as an auxiliary is not constant, and as a result, the heat resistance of the sintered body The properties and high-temperature strength vary.

したがって本発明の目的は、上記問題点を解消し、10
00℃を超す高温においても強度の低下を起こさない耐熱
性に優れた窒化珪素焼結体、及びそのような焼結体を安
定的に製造する方法を提供することである。
Therefore, an object of the present invention is to solve the above problems, and
An object of the present invention is to provide a silicon nitride sintered body having excellent heat resistance that does not cause a decrease in strength even at a high temperature exceeding 00 ° C., and a method for stably producing such a sintered body.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた
結果、原料となる窒化珪素粉末に不可避的に含まれる酸
素の量(SiO2量に換算)に対して、焼結助剤として加え
るY2O3及びAl2O3の量を適切に規定し、かつ焼結の温度
を適切に設定すれば、粒界相を容易に結晶化することが
でき、もって耐熱性及び高温強度にすぐれた窒化珪素焼
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。
The present inventors have conducted intensive studies to achieve the above object, and as a result, added as a sintering aid to the amount of oxygen (in terms of SiO 2 amount) inevitably contained in the silicon nitride powder as the raw material. If the amounts of Y 2 O 3 and Al 2 O 3 are properly specified and the sintering temperature is set appropriately, the grain boundary phase can be easily crystallized, and thus has excellent heat resistance and high-temperature strength. The present inventors have found that a silicon nitride sintered body can be obtained, and have reached the present invention.

すなわち、Y2O3とAl2O3とを焼結助剤として添加して
なる本発明の窒化珪素焼結体は、前記焼結助剤の配合量
が窒化珪素と前記焼結助剤の合計の15重量%以上である
とともに、前記窒化珪素の酸素含有量(SiO2の量で表
す)と、Y2O3及びAl2O3の量との比が、SiO2−Y2O3−Al2
O3三成分系を示す三角図(重量比で表す)において、点
A(0、80、20)、点B(9、73、18)、点C(9、5
5、36)及びD(0、60、40)の4点で囲まれる領域内
にあることを特徴とする。
That is, in the silicon nitride sintered body of the present invention obtained by adding Y 2 O 3 and Al 2 O 3 as sintering aids, the compounding amount of the sintering aid is such that silicon nitride and the sintering aid are mixed. 15% by weight or more of the total, and the ratio of the oxygen content (expressed by the amount of SiO 2 ) of the silicon nitride to the amounts of Y 2 O 3 and Al 2 O 3 is SiO 2 −Y 2 O 3 −Al 2
In a triangular diagram (expressed by weight ratio) showing the O 3 ternary system, point A (0, 80, 20), point B (9, 73, 18), point C (9, 5)
5, 36) and D (0, 60, 40).

またY2O3粉末とAl2O3粉末とを焼結助剤として用いて
窒化珪素焼結体を製造する本発明の方法は、前記焼結助
剤の配合量を、窒化珪素粉末と前記焼結助剤とからなる
原料粉の15重量%以上とするとともに、前記窒化珪素粉
末中の酸素含有量(SiO2量換算値で表す)と、Y2O3量及
びAl2O3量との比が、SiO2−Y2O3−Al2O3三成分系を示す
三角図(重量比で表す)において、点A(0、80、2
0)、点B(9、73、18)、点C(9、55、36)及びD
(0、60、40)の4点で囲まれる領域内にあるように前
記焼結助剤を配合し、焼結することを特徴とする。
Further, the method of the present invention for producing a silicon nitride sintered body using Y 2 O 3 powder and Al 2 O 3 powder as a sintering aid, the compounding amount of the sintering aid, the silicon nitride powder and the The raw material powder comprising the sintering aid is not less than 15% by weight, and the oxygen content (expressed in terms of the amount of SiO 2 ) in the silicon nitride powder, the amount of Y 2 O 3 and the amount of Al 2 O 3 Is a point A (0, 80, 2) in a triangular diagram (expressed in terms of weight ratio) showing a ternary system of SiO 2 —Y 2 O 3 —Al 2 O 3 .
0), point B (9, 73, 18), point C (9, 55, 36) and D
The sintering aid is blended and sintered in a region surrounded by four points (0, 60, 40).

以下本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明において使用する窒化珪素原料粉は、高純度で
あることが望ましく、Fe、Ca、Al、Cl等の不純物元素は
100ppm以下に抑えることが必要である。また、不純物元
素としては上記した以外に不可避的にOも存在するが、
これは実質的にSiO2の形で存在すると考えることができ
る。
The silicon nitride raw material powder used in the present invention is desirably of high purity, and impurity elements such as Fe, Ca, Al, and Cl are
It is necessary to keep it below 100 ppm. In addition to the above, O is inevitably present as an impurity element,
This can be considered to exist substantially in the form of SiO 2 .

窒化珪素粉末は、微粉であることが望ましく、かつ粒
度分布が狭いことが望ましい。粒径が細いことで焼結助
剤と反応し溶解、再析出する際に核発生の場所が多くな
り、結果として組織は微細化される。また粒径がそろわ
ず、粗い粒子が多少存在すると、その部分の組織が焼結
の際に粗大化し、破壊源となる。粒径の目安となるBET
値は1m2/g以上であることが必要であり、好ましくは10m
2/gである。
The silicon nitride powder is desirably a fine powder, and desirably has a narrow particle size distribution. When the particle diameter is small, the number of nucleation sites increases when reacting with the sintering aid and dissolving and reprecipitating, and as a result, the structure is refined. In addition, if the particle diameters are not uniform and there are some coarse particles, the structure of that part becomes coarse during sintering and becomes a source of destruction. BET as a guide for particle size
The value must be at least 1 m 2 / g, preferably 10 m
2 / g.

窒化珪素にはその結晶系にα−型とβ−型とがある
が、α型を多く含む窒化珪素粉を原料粉として使用す
る。窒化珪素が高靭性を示すのはその結晶の柱状晶化に
よるものであり、この柱状晶化はα−型窒化珪素粉が焼
結助剤と反応して液相を作り、再析出する際にα−型が
β−型に相変態することで助長されるからである。焼結
体が高靭性を有するには窒化珪素粉の少なくとも60%以
上がα−型である必要があり、好ましくは90%以上であ
る。
Silicon nitride has α-type and β-type crystal systems, and silicon nitride powder containing a large amount of α-type is used as a raw material powder. It is due to the columnar crystallization of the crystal that silicon nitride exhibits high toughness. This columnar crystallization is caused when α-type silicon nitride powder reacts with a sintering aid to form a liquid phase and reprecipitates. This is because the α-form is promoted by the phase transformation to the β-form. In order for the sintered body to have high toughness, at least 60% or more of the silicon nitride powder needs to be α-type, preferably 90% or more.

焼結助剤として加えるY2O3は、窒化珪素粉と同様に高
純度であることが必要である。不純物元素としてはCe、
Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Ca、Fe等が考えられるが、それら
をそれぞれ100ppm以下、好ましくは50ppm以下に抑える
ことが望ましい。また粒径は、窒化珪素粉末と同等又は
それ以上に微粉であることが必要である。従ってBET値
は1m2/g以上である必要があり、好ましくは10m2/g以上
である。
Y 2 O 3 to be added as a sintering aid needs to be of high purity like silicon nitride powder. Ce, as an impurity element
Pr, Nd, Sm, Tb, Dy, Ca, Fe and the like can be considered, but it is desirable to suppress each of them to 100 ppm or less, preferably 50 ppm or less. Further, the particle diameter needs to be fine powder equivalent to or more than the silicon nitride powder. Therefore, the BET value needs to be 1 m 2 / g or more, preferably 10 m 2 / g or more.

また焼結助剤のもう一つの成分であるAl2O3も同様に
高純度であることが必要である。不純物元素としては、
Na、Ca、Mg、Fe、Si、Ga、Cr等が考えられるが、それら
は、それぞれ100ppm以下、好ましくは50ppm以下とす
る。Al2O3にはα−型、γ−型があるが、このどちらを
用いてもよい。ただし、α−型はBET値が最高10m2/g程
度であり、一方γ−型はBET値が100m2/g以上のものも存
在するので、一般的にはγ−型のものが焼結助剤として
適している。このどちらを使用するにしてもBET値が1m2
/g以上、好ましくは10m2/g以上のものを使用する。
Also, Al 2 O 3 , another component of the sintering aid, needs to be similarly high in purity. As impurity elements,
Na, Ca, Mg, Fe, Si, Ga, Cr and the like are conceivable, and they are each set to 100 ppm or less, preferably 50 ppm or less. Al 2 O 3 includes α-type and γ-type, and either of them may be used. However, the α-type has a BET value of up to about 10 m 2 / g, while the γ-type has a BET value of 100 m 2 / g or more. Suitable as an auxiliary. Either of these uses a BET value of 1m 2
/ g, preferably 10 m 2 / g or more.

焼結助剤として加えるY2O3とAl2O3の量は、窒化珪素
粉末を加えてなる原料粉全体に対して、15重量%以上と
する。焼結助剤が15重量%未満では、粒界相の結晶化が
起こらず、高温強度の向上がみられない。
The amount of Y 2 O 3 and Al 2 O 3 added as a sintering aid is 15% by weight or more based on the entire raw material powder to which the silicon nitride powder is added. When the amount of the sintering aid is less than 15% by weight, crystallization of the grain boundary phase does not occur, and improvement in high-temperature strength is not observed.

焼結助剤の含有量を15重量%以上とするときに粒界相
が結晶化する理由は以下の理由によるものと考えられ
る。すなわち、粒界相が結晶化するかしないかは、液相
焼結後の凝固において、粒界を形成する液相内に結晶核
が生成するかしないかで決まる。この時の自由エネルギ
ー変化ΔGは、核を球と仮定すると、 ここでrは球核の半径、ΔGnは単位体積当りの核の自由
エネルギー変化、γは核発生における単位面積当りの
表面エネルギー変化である。
The reason why the grain boundary phase is crystallized when the content of the sintering aid is 15% by weight or more is considered to be as follows. That is, whether or not the grain boundary phase is crystallized depends on whether or not crystal nuclei are generated in the liquid phase forming the grain boundary during solidification after liquid phase sintering. The free energy change ΔG at this time is as follows, assuming that the nucleus is a sphere. Here, r is the radius of the spherical nucleus, ΔGn is the change in the free energy of the nucleus per unit volume, and γ s is the change in the surface energy per unit area during nucleation.

液相内に核が発生するためには ΔG≦0 …(2) でなければならない。(2)を(1)に代入して整理す
ると が成り立つ。ここで3γs/ΔGn=rcすると r≧rc …(4) となる。つまり結晶核が発生するには、rcという臨海核
サイズよりも大きな核発生場所が存在する必要がある。
焼結助剤の合計量を15重量%以上とすることで、粒界相
量を多くし、核発生部分を大きくすることにより、粒界
相の結晶化が容易となるものと考えられる。
In order to generate nuclei in the liquid phase, ΔG ≦ 0 (2) must be satisfied. Substituting (2) into (1) and rearranging Holds. Here the 3γ s / ΔGn = r c Then r ≧ r c ... (4) . In other words, in order to generate a crystal nucleus, there must be a nucleus generation site called r c which is larger than the critical nucleus size.
It is considered that by setting the total amount of the sintering aid to 15% by weight or more, the amount of the grain boundary phase is increased, and the nucleation portion is increased, whereby crystallization of the grain boundary phase is facilitated.

ところで、前述したように窒化珪素表面には不可避的
にSiO2が存在するが、本発明においては、あらかじめ用
いる窒化珪素中の化合酸素量を分析により求め、この値
から窒化珪素中のSiO2含有量を推定することができる。
窒化珪素に含まれる化合酸素は、実質的にSiO2によるも
のと考えて良いので、SiO2の量は、分析により得られた
酸素量X(重量%)から以下の式により計算できる。
By the way, as described above, SiO 2 is unavoidably present on the silicon nitride surface. In the present invention, the amount of compound oxygen in silicon nitride used in advance is determined by analysis, and from this value, the content of SiO 2 in silicon nitride is determined. The amount can be estimated.
Since the compound oxygen contained in silicon nitride can be considered to be substantially due to SiO 2 , the amount of SiO 2 can be calculated from the oxygen amount X (% by weight) obtained by the analysis according to the following formula.

窒化珪素中の酸素含有量を把握しておき、これとY2O3
及びAl2O3の量との関係を規定することが重要である。
というのは、実際的に焼結反応に助剤として働くのは添
加したY2O3及びAl2O3だけではなく、窒化珪素中のSiO2
を加えたSiO2−Y2O3−Al2O3三成分系の物質と考えられ
るからである。
Knowing the oxygen content in silicon nitride, this and Y 2 O 3
It is important to define the relationship with the amount of Al 2 O 3 .
This is because not only the added Y 2 O 3 and Al 2 O 3 actually work as an aid to the sintering reaction, but also the SiO 2 in silicon nitride.
This is because it is considered to be a ternary substance of SiO 2 —Y 2 O 3 —Al 2 O 3 to which is added.

本発明においては、SiO2の量がSiO2、Y2O3及びAl2O3
の合計量に対して9重量%を超える量となると、粒界相
が結晶化しにくくなり、高温強度及び耐熱性に劣るよう
になる。従って、SiO2量は9重量%以下であることが必
要である。
In the present invention, the amount of SiO 2 is SiO 2, Y 2 O 3 and Al 2 O 3
When the amount exceeds 9% by weight with respect to the total amount of, the grain boundary phase becomes difficult to crystallize, and the high-temperature strength and heat resistance become poor. Therefore, the amount of SiO 2 needs to be 9% by weight or less.

第1図は、窒化珪素中の酸素含有量から計算されるSi
O2量と、Y2O3及びAl2O3と配合比の範囲を示すSiO2−Y2O
3−Al2O3三成分系の三角図(重量比で表す)である。本
発明においては、窒化珪素の酸素含有量(SiO2の量で表
す)と、焼結助剤として添加するY2O3及びAl2O3の重量
比率が、点A(0、80、20)、点B(9、73、18)、点
C(9、55、36)及びD(0、60、40)の4点(座標は
SiO2、Y2O3、Al2O3の順)によって囲まれた領域内にあ
る。まず線分BCはSiO2量が9重量%の地点を示してい
る。またY2O3とAl2O3との比率は線分ABと線分CDとの間
の領域とする(両線分上を含む)。線分ABより左側の領
域ではY2O3が過多となり、粒界相の結晶化が難しくな
る。また線分CDより右側の領域の組成では逆にAl2O3
過多となり、粒界相の結晶化が難しく、高温強度及び耐
熱性の向上がみられない。
FIG. 1 shows a graph of Si calculated from the oxygen content in silicon nitride.
SiO 2 -Y 2 O showing the range of O 2 amount, Y 2 O 3 and Al 2 O 3 and the mixing ratio
It is a triangular diagram (expressed by weight ratio) of 3- Al 2 O 3 ternary system. In the present invention, the weight ratio of the oxygen content (expressed in terms of the amount of SiO 2 ) of silicon nitride to the Y 2 O 3 and Al 2 O 3 added as sintering aids is represented by the point A (0, 80, 20). ), Point B (9, 73, 18), point C (9, 55, 36) and D (0, 60, 40) (coordinates are
(In the order of SiO 2 , Y 2 O 3 , and Al 2 O 3 ). First, the line segment BC indicates a point where the SiO 2 content is 9% by weight. The ratio between Y 2 O 3 and Al 2 O 3 is defined as a region between the line segment AB and the line segment CD (including the region on both line segments). In a region on the left side of the line segment AB, Y 2 O 3 becomes excessive, and crystallization of the grain boundary phase becomes difficult. On the other hand, in the composition in the region on the right side of the line segment CD, Al 2 O 3 becomes excessively large, making it difficult to crystallize the grain boundary phase, and there is no improvement in high-temperature strength and heat resistance.

次に本発明の窒化珪素焼結体の製造方法について説明
する。
Next, a method for manufacturing a silicon nitride sintered body of the present invention will be described.

まず窒化珪素粉末と焼結助剤であるY2O3及びAl2O3
末とを混合する。
First, silicon nitride powder and Y 2 O 3 and Al 2 O 3 powders as sintering aids are mixed.

混合はボールミル法により行うのが確実でしかも安価
である。ボールミル法による混練の時間は長い程好まし
く、10時間以上とする。望ましくは78時間以上混合す
る。このように両者を良く混合することにより、均一な
微細組織を得るとができる。
It is reliable and inexpensive to perform the mixing by a ball mill method. The longer the kneading time by the ball mill method is, the more preferable it is 10 hours or more. Desirably mix for at least 78 hours. Thus, by mixing both well, a uniform fine structure can be obtained.

なお混練に使用するポット及びボールは、原料粉の成
分の一種又は二種以上の組合せの成分からなるものを使
用するのが好ましい。具体的には窒化珪素からなるもの
を使用するのが最適である。窒化珪素からなるポット及
びボールは高価であることから、アルミナ製のポット及
びボールを使用しても良い。これによりポットやボール
の摩耗による原料への異種成分の混入を防ぐことができ
る。
It is preferable that the pot and the ball used for kneading are composed of one or a combination of two or more components of the raw material powder. Specifically, it is optimal to use one made of silicon nitride. Since pots and balls made of silicon nitride are expensive, pots and balls made of alumina may be used. Thereby, mixing of different components into the raw material due to abrasion of the pot or ball can be prevented.

また混練時の分散媒体としては、メチルアルコール、
エチルアルコール、アセトン、水等を使用することがで
きる。
In addition, as a dispersion medium at the time of kneading, methyl alcohol,
Ethyl alcohol, acetone, water and the like can be used.

混練が終了したらスラリーを乾燥、造粒する。乾燥造
粒法には大別して二つの方法がある。第一の方法は乾燥
により溶媒を除去(熱的に、または電子レンジ等により
溶媒を除去)した後、ふるいにより造粒する方法であ
る。第二の方法はスプレードライヤーによる方法で、乾
燥と造粒を同時に行う方法である。本発明においてはど
ちらの方法でも良い。
After kneading, the slurry is dried and granulated. The dry granulation method is roughly classified into two methods. The first method is a method of removing the solvent by drying (thermally or removing the solvent by a microwave oven or the like), and then granulating by sieving. The second method is a method using a spray drier, in which drying and granulation are performed simultaneously. In the present invention, either method may be used.

次に成形であるが、プレス成形、ラバープレス成形、
射出成形、鋳込み成形等を利用することができる。
Next is molding, press molding, rubber press molding,
Injection molding, casting and the like can be used.

次に焼結について説明する。 Next, sintering will be described.

本発明においては、窒化珪素の液相焼結法を有効にす
るため、例えば第2図に示す焼成プログラムを用いて焼
結することができる。
In the present invention, in order to make the liquid phase sintering method of silicon nitride effective, for example, sintering can be performed using a firing program shown in FIG.

まず第1ステップとして、成形体を300〜600℃で30〜
60分加熱し、焼結粉末表面に付着している水分やアルコ
ール分を除去する。
First, as a first step, the compact is heated at 300-600 ° C for 30-
Heat for 60 minutes to remove moisture and alcohol adhering to the surface of the sintered powder.

次に第2ステップとして、温度を800〜1200℃に上
げ、15〜40分間保持する。これは成形体の均熱化を行う
ためであり、焼結時の割れや内部応力の発生を防ぐ目的
で行われる。
Next, as a second step, the temperature is raised to 800-1200 ° C. and held for 15-40 minutes. This is for the purpose of equalizing the temperature of the molded body, and is performed for the purpose of preventing generation of cracks and internal stress during sintering.

第3ステップでは、温度を1700〜1750℃に上げ、5〜
10分間保持する。これも成形体の均熱化のために行う
が、上記した組成の成形体では、液相晶質温度が1600〜
1700℃付近にあるものと考えられるので、このステージ
で液相が形成される。
In the third step, raise the temperature to 1700-1750 ° C and
Hold for 10 minutes. This is also performed for soaking the molded body, but in the molded body having the above composition, the liquid crystallinity temperature is from 1600 to
Since it is considered to be around 1700 ° C., a liquid phase is formed at this stage.

さらに第4ステップとして、温度を1800〜1950℃に上
げ、1〜30分間保持する。このように液相晶出温度より
も100〜250℃程度高い温度とすることで、液相焼結を短
時間で終了させることができる。液晶焼結の時間が長い
と、結晶組織で粗大化して得られる焼結体の機械的性質
を低下させるので、30分以内とする。また1分未満の加
熱保持では焼結が完了せず、好ましくない。なお温度を
上記範囲内の高めに設定すれば、その温度の保持時間を
短くすることができるが、窒化珪素の昇華又は分解が生
じるおそれがあるので、そのときには10atm未満のN2
ス下で焼結を行う。
As a fourth step, the temperature is raised to 1800 to 1950 ° C. and held for 1 to 30 minutes. By setting the temperature higher by about 100 to 250 ° C. than the liquid phase crystallization temperature, liquid phase sintering can be completed in a short time. If the liquid crystal sintering time is long, the mechanical properties of the sintered body obtained by coarsening the crystal structure are reduced, so that the time is set to 30 minutes or less. If the heating and holding time is less than 1 minute, the sintering is not completed, which is not preferable. If the temperature is set higher within the above range, the holding time of the temperature can be shortened.However, since sublimation or decomposition of silicon nitride may occur, in this case, sintering is performed under N 2 gas of less than 10 atm. Perform a knot.

最後に成形体を1700〜1750℃に30〜60分間保持し、焼
結後期に残存した粒界相中の空孔を消滅させて、焼結体
を得る。
Finally, the compact is kept at 1700 to 1750 ° C. for 30 to 60 minutes to eliminate pores in the grain boundary phase remaining at the latter stage of sintering, thereby obtaining a sintered body.

なお、焼成プログラム中の昇温速度及び降温速度は、
それぞれ40℃/分及び1000℃/分程度が良い。
The heating rate and the cooling rate during the firing program are:
The temperature is preferably about 40 ° C./min and 1000 ° C./min, respectively.

以上に説明した焼成プログラムにより本発明の窒化珪
素焼結体を得ることができるが、焼結体の強度を高める
ためにHIP処理を施してもよい。
The silicon nitride sintered body of the present invention can be obtained by the firing program described above, but may be subjected to HIP processing to increase the strength of the sintered body.

本発明を以下の具体的実施例によりさらに詳細に説明
する。
The present invention will be described in more detail with reference to the following specific examples.

〔実施例〕〔Example〕

実施例1、比較例1〜6 内容積2のAl2O3製ポット中に、それぞれ第1表に
示す割合のY2O3粉と、Al2O3粉、及び窒化珪素粉を全重
量で200gとなるように投入した。なお用いた窒化珪素粉
の含有酸素量は1.26重量%であった。
Example 1, Comparative Examples 1-6 Y 2 O 3 powder, Al 2 O 3 powder, and silicon nitride powder in the proportions shown in Table 1 were all charged in an Al 2 O 3 pot having an internal volume of 2, respectively. And put it to 200g. The oxygen content of the used silicon nitride powder was 1.26% by weight.

それぞれのポットにエタノール1を加え、20φで1.
3kgのアルミナボールを入れ、96時間の湿式ボールミル
混合を行った。
Add ethanol 1 to each pot and add 1 at 20φ.
3 kg of alumina balls were put therein, and mixed in a wet ball mill for 96 hours.

なお、使用した窒化珪素粉末、Y2O3及びAl2O3粉末の
分析値をそれぞれ第2、3及び4表に示す。
The analysis values of the used silicon nitride powder, Y 2 O 3 and Al 2 O 3 powder are shown in Tables 2, 3 and 4, respectively.

混練終了後、電子レンジでアルコールを飛ばし、ふる
いで造粒(<#60)したものを最終原料粉とした。
After completion of the kneading, the alcohol was removed by a microwave oven, and the mixture was granulated by a sieve (<# 60) to obtain a final raw material powder.

次に、原料粉50gに10ccのアルコールを加えてよく撹
拌した後、1.5トンのプレス圧力で60φの円板にプレス
成形した。さらに3.5トン/cm2の圧力でラバープレスを
行い、成形体を得た。
Next, 10 cc of alcohol was added to 50 g of the raw material powder, and the mixture was stirred well, and then pressed into a 60φ disk at a pressing pressure of 1.5 tons. Further, rubber pressing was performed at a pressure of 3.5 ton / cm 2 to obtain a molded body.

得られた成形体を窒化珪素粉末と窒化ホウ素粉末との
混合粉末に埋没し、窒素ガス雰囲気中で常圧焼結を行っ
た。焼結温度は第2図に示すようなプログラムに従っ
た。ここで第1ステップは500℃で30分、第2ステップ
は1190℃で40分、第3ステップは1750℃で10分、第4ス
テップは1850℃で10分、第5ステップは1750℃で40分と
し、昇温速度及び降温速度はそれぞれ40℃/分及び1000
℃/分とした。
The obtained compact was buried in a mixed powder of a silicon nitride powder and a boron nitride powder, and was subjected to normal pressure sintering in a nitrogen gas atmosphere. The sintering temperature followed a program as shown in FIG. Here, the first step is 30 minutes at 500 ° C., the second step is 40 minutes at 1190 ° C., the third step is 10 minutes at 1750 ° C., the fourth step is 10 minutes at 1850 ° C., and the fifth step is 40 minutes at 1750 ° C. Min, and the temperature rise and fall rates are 40 ° C / min and 1000, respectively.
° C / min.

焼成後、研削切断を行い、4.0mm×3.0mm×36mmのテス
トピースを製作した。
After firing, grinding and cutting were performed to produce a test piece of 4.0 mm × 3.0 mm × 36 mm.

得られたテストピースにつき、密度、硬度、破壊靭
性、抗折強度の測定を行った。結果を第9表に示す。
The density, hardness, fracture toughness, and bending strength of the obtained test pieces were measured. The results are shown in Table 9.

また粒界相における結晶相の有無の確認をするため
に、X線回折及び破面の走査電子顕微鏡による観察を行
った。実施例1のテストピースのX線回折では、窒化珪
素の結晶によらない複数のピークが観測された。これに
より粒界相が結晶化していることを確認した。
In order to confirm the presence or absence of a crystal phase in the grain boundary phase, X-ray diffraction and observation of the fracture surface by a scanning electron microscope were performed. In the X-ray diffraction of the test piece of Example 1, a plurality of peaks independent of the silicon nitride crystal were observed. This confirmed that the grain boundary phase was crystallized.

なお第3図に、実施例及び比較例におけるSiO2、Y2O3
及びAl2O3の成分比を表す。ここで黒丸(●)は実施例
を、白ぬきの丸(○)は比較例を示し、各丸の後の番号
は例No.を示す。
FIG. 3 shows SiO 2 and Y 2 O 3 in Examples and Comparative Examples.
And the component ratio of Al 2 O 3 . Here, black circles (•) indicate Examples, white circles (O) indicate Comparative Examples, and the numbers after each circle indicate Example No.

実施例2、3、比較例7〜11 第5表に示す割合のY2O3粉と、Al2O3粉及び窒化珪素
粉を用い、実施例1と同様にして窒化珪素焼結体を製造
した。なお用いたY2O3及びAl2O3粉は実施例1と同一の
ものを用いた。また用いた窒化珪素粉の酸素含有量は0.
8重量%であった。窒化珪素粉の分析値を第6表に示
す。
Examples 2 and 3, and Y 2 O 3 powder in the proportions shown in Comparative Examples 7-11 Table 5, using the Al 2 O 3 powder and silicon nitride powder, the Likewise silicon nitride sintered body as in Example 1 Manufactured. The same Y 2 O 3 and Al 2 O 3 powder as used in Example 1 was used. The oxygen content of the silicon nitride powder used was 0.
It was 8% by weight. Table 6 shows the analysis values of the silicon nitride powder.

得られたテストピースにつき、密度、硬度、破壊靭
性、抗折強度の測定を行った。結果を第9表に示す。
The density, hardness, fracture toughness, and bending strength of the obtained test pieces were measured. The results are shown in Table 9.

またそれぞれの例におけるSiO2、Y2O3及びAl2O3の成
分比を第3図の三角図中に示す。
The composition ratio of SiO 2 , Y 2 O 3 and Al 2 O 3 in each example is shown in the triangular diagram of FIG.

実施例4、5、比較例12〜16 第7表に示す割合のY2O3粉と、Al2O3粉、及び窒化珪
素粉を用い、実施例1と同様にして窒化珪素焼結体を製
造した。なお用いたY2O3粉及びAl2O3粉は実施例1と同
一のものを用いた。また窒化珪素粉の酸素含有量は0.4
重量%であった。窒化珪素の分析値を第8表に示す。
Examples 4 and 5, Comparative Examples 12 to 16 and Y 2 O 3 powder in the proportions shown in Table 7, Al 2 O 3 powder, and using a silicon nitride powder, the same way silicon nitride sintered body as in Example 1 Was manufactured. The same Y 2 O 3 powder and Al 2 O 3 powder as those used in Example 1 were used. The oxygen content of the silicon nitride powder is 0.4
% By weight. Table 8 shows the analysis values of silicon nitride.

得られたテストピースにつき、密度、硬度、破壊靭
性、抗折強度の測定を行った。結果を第9表に示す。ま
たそれぞれの例におけるSiO2、Y2O3及びAl2O3の成分比
を第3図の三角図中に示す。
The density, hardness, fracture toughness, and bending strength of the obtained test pieces were measured. The results are shown in Table 9. The composition ratio of SiO 2 , Y 2 O 3 and Al 2 O 3 in each example is shown in the triangular diagram of FIG.

〔発明の効果〕 以上に詳述したように、本発明ではY2O3及びAl2O3
らなる焼結助剤の配合量を特定量以上にするとともに、
窒化珪素粉の不可避的に存在するSiO2の量を推定し、こ
のSiO2量と添加した焼結助剤のY2O3量及びAl2O3量との
関係も規定するので、焼結により形成される粒界相を容
易に結晶化することができ、もって高温強度及び耐熱性
に優れた焼結体とすることができる。このように、実際
に焼結助剤として働く成分の組成が規定されるので、粒
界相を確実に結晶化することができ、高温強度及び耐熱
性のバラツキが製品毎に生ずることはない。
(Effects of the Invention) As described in detail above, in the present invention, the compounding amount of the sintering aid composed of Y 2 O 3 and Al 2 O 3 is set to a specific amount or more,
The amount of inevitably SiO 2 in the presence of silicon nitride powder was estimated, since also defines the relationship between the Y 2 O 3 amount and the amount of Al 2 O 3 sintering aid added with the amount of SiO 2, sintered Can easily crystallize the grain boundary phase formed by the above, and thus a sintered body excellent in high-temperature strength and heat resistance can be obtained. As described above, since the composition of the component actually acting as a sintering aid is defined, the grain boundary phase can be reliably crystallized, and variations in high-temperature strength and heat resistance do not occur for each product.

また本発明では、焼結において液相晶出温度より高い
温度で短時間保持する工程を含んでおり、窒化珪素の結
晶粒径を小さく形成しているので、機械的強度に優れた
焼結体とすることができる。
Further, in the present invention, the sintering includes a step of holding at a temperature higher than the liquid phase crystallization temperature for a short time, and since the crystal grain size of silicon nitride is formed small, the sintered body having excellent mechanical strength is formed. It can be.

このような窒化珪素焼結体は1200℃程度の高温におい
ても、室温におけるのと同程度の強度を有しており、高
温にさらされる部位の構造用セラミックスとして使用で
きる。
Such a silicon nitride sintered body has the same strength even at a high temperature of about 1200 ° C. as at room temperature, and can be used as a structural ceramic in a portion exposed to a high temperature.

【図面の簡単な説明】 第1図は、本発明における窒化珪素中の酸素含有量(Si
O2で表す)と、焼結助剤として添加するY2O3及びAl2O3
量の重量比の範囲を示すSiO2−Y2O3−Al2O3三元系の三
角図であり、 第2図は、本発明の方法により窒化珪素焼結体を製造す
る際に用いる焼成プログラムの一例を示すグラフであ
り、 第3図は実施例及び比較例におけるSiO2、Y2O3及びAl2O
3の成分比を表す三角図である。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 shows the oxygen content (Si) in silicon nitride according to the present invention.
O 2 ), and Y 2 O 3 and Al 2 O 3 added as sintering aids.
FIG. 2 is a triangular diagram of a ternary system of SiO 2 —Y 2 O 3 —Al 2 O 3 showing the range of the weight ratio of the amount, and FIG. 2 is used when producing a silicon nitride sintered body by the method of the present invention. FIG. 3 is a graph showing an example of a firing program. FIG. 3 shows SiO 2 , Y 2 O 3 and Al 2 O in Examples and Comparative Examples.
3 is a triangular diagram showing a component ratio of 3. FIG.

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/584Continuation of front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) C04B 35/584

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】Y2O3とAl2O3とを焼結助剤として添加して
なる窒化珪素焼結体であって、前記焼結助剤の配合量
は、窒化珪素と前記焼結助剤の合計の15重量%以上であ
るとともに、前記窒化珪素の酸素含有量(SiO2量換算値
で表す)と、Y2O3及びAl2O3の量との比は、SiO2−Y2O3
−Al2O3三成分系を示す三角図(重量比で表す)におい
て、点A(0、80、20)、点B(9、73、18)、点C
(9、55、36)及び点D(0、60、40)の4点で囲まれ
る領域内にあることを特徴とする窒化珪素焼結体。
1. A silicon nitride sintered body obtained by adding Y 2 O 3 and Al 2 O 3 as sintering aids, wherein the amount of said sintering aid is such that silicon nitride and said sintering agent are mixed. with 15 wt% or more of total auxiliaries, the ratio between the amount of the oxygen content of the silicon nitride and (expressed in SiO 2 equivalence), Y 2 O 3 and Al 2 O 3 is, SiO 2 - Y 2 O 3
In a triangular diagram (expressed in terms of weight ratio) showing the ternary system of —Al 2 O 3 , points A (0, 80, 20), points B (9, 73, 18), and points C
(9, 55, 36) and a point D (0, 60, 40) in a region surrounded by four points, a silicon nitride sintered body.
【請求項2】Y2O3粉末とAl2O3粉末とを焼結助剤として
用いて窒化珪素焼結体を製造する方法において、前記焼
結助剤の配合量を、窒化珪素粉末と前記焼結助剤とから
なる原料粉の15重量%以上とするとともに、前記窒化珪
素粉末中の酸素含有量(SiO2量換算値で表す)と、Y2O3
及びAl2O3量との比が、SiO2−Y2O3−Al2O3三成分系を示
す三角図(重量比で表す)において、点A(0、80、2
0)、点B(9、73、18)、点C(9、55、36)及びD
(0、60、40)の4点で囲まれる領域内にあるように前
記焼結助剤を配合し、焼結することを特徴とする窒化珪
素焼結体の製造方法。
2. A method for producing a silicon nitride sintered body using a Y 2 O 3 powder and an Al 2 O 3 powder as sintering aids, wherein the compounding amount of the sintering aids is The raw material powder comprising the sintering aid is 15% by weight or more, and the oxygen content (expressed in terms of the amount of SiO 2 ) in the silicon nitride powder and Y 2 O 3
And the ratio of the amount of Al 2 O 3 is in a triangular diagram showing the SiO 2 -Y 2 O 3 -Al 2 O 3 ternary system (expressed by weight), the point A (0,80,2
0), point B (9, 73, 18), point C (9, 55, 36) and D
A method for producing a silicon nitride sintered body, comprising mixing and sintering the sintering aid so as to be in a region surrounded by four points (0, 60, 40).
【請求項3】請求項2に記載の方法において、前記原料
粉をボールミル法により10時間以上混練した後成形し、
少なくとも1800〜1950℃の温度で1〜30分焼成する工程
を含む焼成プログラムにより焼結することを特徴とする
窒化珪素焼結体の製造方法。
3. The method according to claim 2, wherein the raw material powder is kneaded for at least 10 hours by a ball mill method and then molded.
A method for producing a silicon nitride sintered body, comprising sintering by a firing program including a step of firing at a temperature of at least 1800 to 1950 ° C. for 1 to 30 minutes.
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