JP2910360B2 - 窒化ケイ素焼結体の製造方法 - Google Patents
窒化ケイ素焼結体の製造方法Info
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- JP2910360B2 JP2910360B2 JP3273905A JP27390591A JP2910360B2 JP 2910360 B2 JP2910360 B2 JP 2910360B2 JP 3273905 A JP3273905 A JP 3273905A JP 27390591 A JP27390591 A JP 27390591A JP 2910360 B2 JP2910360 B2 JP 2910360B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は窒化ケイ素焼結体の製造
方法に係る。
方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】窒化ケイ素焼結体は、典型的には、窒化
ケイ素７０wt％以上に、焼結助剤として、周期律表III
ａ族元素の酸化物の群から選ばれる少なくとも１種の酸
化物３０wt％以下とＡｌ2 Ｏ3 ０．０１〜２０wt％を含
む混合物を非酸化性雰囲気中１５００〜１８５０℃で焼
結することによって製造されている。
ケイ素７０wt％以上に、焼結助剤として、周期律表III
ａ族元素の酸化物の群から選ばれる少なくとも１種の酸
化物３０wt％以下とＡｌ2 Ｏ3 ０．０１〜２０wt％を含
む混合物を非酸化性雰囲気中１５００〜１８５０℃で焼
結することによって製造されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】セラミックス製ガスタ
ービンエンジンは１３５０〜１４００℃の高温で使用さ
れるため、１４００℃での高強度（６００MPa 以上）を
有する必要があるが、従来の窒化ケイ素焼結体は１４０
０℃強度が低くてガスタービンエンジン用には使用でき
なかった。この原因は、上記の如く製造した窒化ケイ素
焼結体を１４００℃の高温状態で使用すると、焼結体の
表面が酸化され、結晶粒界中のＡｌ，Ｙが揮発してポア
が発生する。そのため表面荒れ状態となり、強度低下す
るものと考えられる（亀裂はポアを起点に進展する）。
ービンエンジンは１３５０〜１４００℃の高温で使用さ
れるため、１４００℃での高強度（６００MPa 以上）を
有する必要があるが、従来の窒化ケイ素焼結体は１４０
０℃強度が低くてガスタービンエンジン用には使用でき
なかった。この原因は、上記の如く製造した窒化ケイ素
焼結体を１４００℃の高温状態で使用すると、焼結体の
表面が酸化され、結晶粒界中のＡｌ，Ｙが揮発してポア
が発生する。そのため表面荒れ状態となり、強度低下す
るものと考えられる（亀裂はポアを起点に進展する）。
【０００４】そこで、本発明は、窒化ケイ素焼結体の耐
酸化性を改善し、１４００℃強度低下防止を図ることを
目的とする。
酸化性を改善し、１４００℃強度低下防止を図ることを
目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、平均粒径０．５μｍ以下、金属不純物総
量１００ppm 以下の窒化ケイ素粉末と、焼結助剤として
の、Ｙ2 Ｏ3 粉末２〜５wt％およびＡｌ2 Ｏ3 粉末０．
００５〜０．０１wt％とからなる成形体を、Ｓｃ2 Ｏ3
ガスにさらしながら１６００〜１８５０℃で焼結するこ
とを特徴とする窒化ケイ素の製造方法を提供する。
成するために、平均粒径０．５μｍ以下、金属不純物総
量１００ppm 以下の窒化ケイ素粉末と、焼結助剤として
の、Ｙ2 Ｏ3 粉末２〜５wt％およびＡｌ2 Ｏ3 粉末０．
００５〜０．０１wt％とからなる成形体を、Ｓｃ2 Ｏ3
ガスにさらしながら１６００〜１８５０℃で焼結するこ
とを特徴とする窒化ケイ素の製造方法を提供する。
【０００６】窒化ケイ素粉末は平均粒径０．５μｍ以
下、好ましくは０．２〜０．４μｍのものを用いる。粒
径が小さいことによって焼結の駆動力が大きくなり、緻
密な焼結体が得られる。しかし、粒径が０．１μｍより
小さくなると、粉末自体が嵩高になり、焼結時の収縮量
が大きいので、工業的には不利益である。また、窒化ケ
イ素粉末は金属不純物総量が１００ppm 以下のものを用
いる。金属不純物が多いと１４００℃で焼結体が酸化し
易くなり、焼結体表面にピットが生成されて高温強度が
低下する。
下、好ましくは０．２〜０．４μｍのものを用いる。粒
径が小さいことによって焼結の駆動力が大きくなり、緻
密な焼結体が得られる。しかし、粒径が０．１μｍより
小さくなると、粉末自体が嵩高になり、焼結時の収縮量
が大きいので、工業的には不利益である。また、窒化ケ
イ素粉末は金属不純物総量が１００ppm 以下のものを用
いる。金属不純物が多いと１４００℃で焼結体が酸化し
易くなり、焼結体表面にピットが生成されて高温強度が
低下する。
【０００７】焼結助剤としてはＹ2 Ｏ3 とＡｌ2 Ｏ3 を
用いる。Ｙ2 Ｏ3 は針状晶のβ−Ｓｉ3 Ｎ4 を生成さ
せ、アスペクト比が大きくなり、焼結体の強度、破壊靱
性を向上させる効果がある。Ｙ2 Ｏ3 の添加量は２〜５
wt％の範囲内で、２wt％未満では緻密化されず、５wt％
より多いと高温強度が低下する。Ｙ2 Ｏ3 粉末の粒度は
０．０１〜０．２μｍがよい。
用いる。Ｙ2 Ｏ3 は針状晶のβ−Ｓｉ3 Ｎ4 を生成さ
せ、アスペクト比が大きくなり、焼結体の強度、破壊靱
性を向上させる効果がある。Ｙ2 Ｏ3 の添加量は２〜５
wt％の範囲内で、２wt％未満では緻密化されず、５wt％
より多いと高温強度が低下する。Ｙ2 Ｏ3 粉末の粒度は
０．０１〜０．２μｍがよい。
【０００８】Ａｌ2 Ｏ3 は１６５０〜１８５０℃の焼成
温度で焼結体を緻密化するために必要で、Ｙ2 Ｏ3 のみ
では緻密化が困難である。Ａｌ2 Ｏ3 の添加量は０．０
０５〜０．０１wt％の範囲内で、０．００１wt％未満で
は緻密化せず、０．０１wt％を超えると高温強度が低下
する。Ａｌ2 Ｏ3 粉末の粒度は０．０１〜０．１μｍが
よい。
温度で焼結体を緻密化するために必要で、Ｙ2 Ｏ3 のみ
では緻密化が困難である。Ａｌ2 Ｏ3 の添加量は０．０
０５〜０．０１wt％の範囲内で、０．００１wt％未満で
は緻密化せず、０．０１wt％を超えると高温強度が低下
する。Ａｌ2 Ｏ3 粉末の粒度は０．０１〜０．１μｍが
よい。
【０００９】Ｓｉ3 Ｎ4 粉末、Ｙ2 Ｏ3 粉末、Ａｌ2 Ｏ
3 粉末の混合、成形は常法によることができる。成形体
は１６００〜１８５０℃で焼結させるが、本発明では、
このとき成形体をＳｃ2 Ｏ3 ガスにさらしながら焼結を
行なう。Ｓｃ2 Ｏ3 は、焼結体の表面近傍に吸着され、
表面の耐酸化性を向上させる効果がある。つまり、Ｓｃ
2 Ｏ3 ガスにさらすことによって、焼結体の表面近傍に
おける粒界３重点にＳｃ2 Ｏ3 が加わった耐酸化性に優
れた結晶質相が生成して高温での耐酸化性を向上し、強
度の低下を防止できる。
3 粉末の混合、成形は常法によることができる。成形体
は１６００〜１８５０℃で焼結させるが、本発明では、
このとき成形体をＳｃ2 Ｏ3 ガスにさらしながら焼結を
行なう。Ｓｃ2 Ｏ3 は、焼結体の表面近傍に吸着され、
表面の耐酸化性を向上させる効果がある。つまり、Ｓｃ
2 Ｏ3 ガスにさらすことによって、焼結体の表面近傍に
おける粒界３重点にＳｃ2 Ｏ3 が加わった耐酸化性に優
れた結晶質相が生成して高温での耐酸化性を向上し、強
度の低下を防止できる。
【００１０】焼結時に焼結体をＳｃ2 Ｏ3 ガスにさらす
方法としては、炉内に成形体と共にＳｃ2 Ｏ3 を配置す
るとか、成形体をＳｃ2 Ｏ3 粉に埋める方法が簡便であ
るが、Ｓｃ2 Ｏ3 粉中に埋没させて焼結する方が効果が
大きいので好ましい。このＳｃ2 Ｏ3 ガスにさらす際、
Ｓｃ2Ｏ3 単独よりもＳｃ2 Ｏ3 とＢＮの混合ガスの方
が好ましい。Ｓｃ2 Ｏ3 のみでは成形体（焼結体）の表
面にＳｃ2 Ｏ 3 が焼結する傾向があり、ＢＮが共存する
とこれが防止され、焼結体の強度がより向上するからで
ある。従って、成形体をＳｃ2 Ｏ3 ＋ＢＮの混合粉末中
に埋没させて焼結させることが好ましい。
方法としては、炉内に成形体と共にＳｃ2 Ｏ3 を配置す
るとか、成形体をＳｃ2 Ｏ3 粉に埋める方法が簡便であ
るが、Ｓｃ2 Ｏ3 粉中に埋没させて焼結する方が効果が
大きいので好ましい。このＳｃ2 Ｏ3 ガスにさらす際、
Ｓｃ2Ｏ3 単独よりもＳｃ2 Ｏ3 とＢＮの混合ガスの方
が好ましい。Ｓｃ2 Ｏ3 のみでは成形体（焼結体）の表
面にＳｃ2 Ｏ 3 が焼結する傾向があり、ＢＮが共存する
とこれが防止され、焼結体の強度がより向上するからで
ある。従って、成形体をＳｃ2 Ｏ3 ＋ＢＮの混合粉末中
に埋没させて焼結させることが好ましい。
【００１１】焼結時の雰囲気としては基本的にはＮ2 ガ
ス雰囲気を用いる。焼結の条件は特に限定されないが、
Ｎ2 雰囲気中、Ｓｃ2 Ｏ3 粉の存在下、１６００〜１８
５０℃の温度に達するまで大気圧下で昇温し、最高温度
に達してから同温度で昇圧し、焼結することが好まし
い。
ス雰囲気を用いる。焼結の条件は特に限定されないが、
Ｎ2 雰囲気中、Ｓｃ2 Ｏ3 粉の存在下、１６００〜１８
５０℃の温度に達するまで大気圧下で昇温し、最高温度
に達してから同温度で昇圧し、焼結することが好まし
い。
【００１２】
【作用】Ｓｃ2 Ｏ3 ガスにさらしながら焼結することに
よって、焼結助剤の揮発を防止して内部から表面まで均
一に緻密な焼結体を得ると共に、表面に耐酸化性に有効
な結晶が生成するので、Ｓｉ3 Ｎ4焼結体の耐酸化性が
向上し、ひいては高温強度が向上する。
よって、焼結助剤の揮発を防止して内部から表面まで均
一に緻密な焼結体を得ると共に、表面に耐酸化性に有効
な結晶が生成するので、Ｓｉ3 Ｎ4焼結体の耐酸化性が
向上し、ひいては高温強度が向上する。
【００１３】
【実施例】平均粒径０．２μｍ、金属元素不純物総量５
０ppm のＳｉ3 Ｎ4 粉末に、平均粒径０．１μｍのＹ2
Ｏ3 粉末と平均粒径０．０１μｍのＡｌ2 Ｏ3 粉末を表
１に示す組成になるよう秤量し均一に混合後、該混合粉
末を用いて成形を実施した。１次成形は２００kg／cm2
の圧力で角棒状に金型成形を実施し、続いて３ｔ／cm2
の静水圧を負荷させて２次成形を実施した。
０ppm のＳｉ3 Ｎ4 粉末に、平均粒径０．１μｍのＹ2
Ｏ3 粉末と平均粒径０．０１μｍのＡｌ2 Ｏ3 粉末を表
１に示す組成になるよう秤量し均一に混合後、該混合粉
末を用いて成形を実施した。１次成形は２００kg／cm2
の圧力で角棒状に金型成形を実施し、続いて３ｔ／cm2
の静水圧を負荷させて２次成形を実施した。
【００１４】次に図１に示す焼成炉に該成形体とＳｃ2
Ｏ3 粉末をセットして１６００〜１８５０℃の温度で焼
結を行った。図１中、１はヒータ、２は黒鉛製モール
ド、３は黒鉛製モールド支持台、４はＳｉ3 Ｎ4 製匣
鉢、５は試料（成形体）、６はＳｃ2 Ｏ3 粉末、７はＢ
Ｎ粉末＋Ｓｃ2 Ｏ3 粉末の混合粉を示す。図示の如く、
Ｓｃ2 Ｏ3 粉末６を成形体５と共に炉内に配置する態様
（方法ａ）と、Ｓｃ2 Ｏ3 粉末＋ＢＮ粉末の混合物７を
成形体５と共に配置した態様（方法ｂ）と、Ｓｃ2 Ｏ3
粉末＋ＢＮ粉末の混合粉７中に成形体を埋没させる態様
（方法ｃ）を採用した。
Ｏ3 粉末をセットして１６００〜１８５０℃の温度で焼
結を行った。図１中、１はヒータ、２は黒鉛製モール
ド、３は黒鉛製モールド支持台、４はＳｉ3 Ｎ4 製匣
鉢、５は試料（成形体）、６はＳｃ2 Ｏ3 粉末、７はＢ
Ｎ粉末＋Ｓｃ2 Ｏ3 粉末の混合粉を示す。図示の如く、
Ｓｃ2 Ｏ3 粉末６を成形体５と共に炉内に配置する態様
（方法ａ）と、Ｓｃ2 Ｏ3 粉末＋ＢＮ粉末の混合物７を
成形体５と共に配置した態様（方法ｂ）と、Ｓｃ2 Ｏ3
粉末＋ＢＮ粉末の混合粉７中に成形体を埋没させる態様
（方法ｃ）を採用した。
【００１５】最高温度に到達するまでは１気圧の窒素ガ
ス雰囲気で、最高温度到達後に表１に示す窒素ガス圧力
まで毎分２気圧の昇圧速度で加圧した。得られた焼結体
の室温強度及び１４００℃強度〔ＪＩＳ Ｒ １６０１
（室温）、Ｒ１６０４（高温）〕による試料数１０本の
４点曲げ強度の平均値）を表１に併せて示した。尚、得
られた焼結体の密度は全て９８％ＴＤ以上であった。
ス雰囲気で、最高温度到達後に表１に示す窒素ガス圧力
まで毎分２気圧の昇圧速度で加圧した。得られた焼結体
の室温強度及び１４００℃強度〔ＪＩＳ Ｒ １６０１
（室温）、Ｒ１６０４（高温）〕による試料数１０本の
４点曲げ強度の平均値）を表１に併せて示した。尚、得
られた焼結体の密度は全て９８％ＴＤ以上であった。
【００１６】比較のために、炉内に成形体のみを配置し
た態様（方法ｄ）で焼結した場合、あるいは本発明の範
囲外の原料（Ｓｉ3 Ｎ4 粉末の金属不純物量が多い）、
組成等を用いた場合の結果を併せて表１に示す。
た態様（方法ｄ）で焼結した場合、あるいは本発明の範
囲外の原料（Ｓｉ3 Ｎ4 粉末の金属不純物量が多い）、
組成等を用いた場合の結果を併せて表１に示す。
【００１７】
【表１】
【００１８】
【発明の効果】本発明の方法によれば、Ｓｉ3 Ｎ4 焼結
体が緻密に焼結し、β−Ｓｉ3 Ｎ4 結晶が微細で、かつ
表面に耐酸化性に有効な結晶が生成して、耐酸化性が改
善され、高温強度が向上する。そして、典型的には、１
４００℃で６００MPa 以上の４点曲げ強度が実現され
る。
体が緻密に焼結し、β−Ｓｉ3 Ｎ4 結晶が微細で、かつ
表面に耐酸化性に有効な結晶が生成して、耐酸化性が改
善され、高温強度が向上する。そして、典型的には、１
４００℃で６００MPa 以上の４点曲げ強度が実現され
る。
【図１】実施例の焼成の様子を説明する模式図である。
１…ヒータ ２…黒鉛製モールド ３…黒鉛製モールド支持台 ４…Ｓｉ3 Ｎ4 製匣鉢 ５…試料 ６…Ｓｃ2 Ｏ3 粉末 ７…ＢＮ粉末＋Ｓｃ2 Ｏ3 粉末の混合粉
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−122055（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−185863（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−131572（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−230478（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−231380（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−254472（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−240161（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−17230（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C04B 35/584
Claims (1)
- 【請求項１】 平均粒径０．５μｍ以下、金属不純物総
量１００ppm 以下の窒化ケイ素粉末と、焼結助剤として
の、Ｙ2 Ｏ3 粉末２〜５wt％およびＡｌ2 Ｏ 3 粉末０．
００５〜０．０１wt％とからなる成形体を、Ｓｃ2 Ｏ3
ガスにさらしながら１６００〜１８５０℃で焼結するこ
とを特徴とする窒化ケイ素の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3273905A JP2910360B2 (ja) | 1991-10-22 | 1991-10-22 | 窒化ケイ素焼結体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3273905A JP2910360B2 (ja) | 1991-10-22 | 1991-10-22 | 窒化ケイ素焼結体の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05105519A JPH05105519A (ja) | 1993-04-27 |
| JP2910360B2 true JP2910360B2 (ja) | 1999-06-23 |
Family
ID=17534210
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3273905A Expired - Fee Related JP2910360B2 (ja) | 1991-10-22 | 1991-10-22 | 窒化ケイ素焼結体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2910360B2 (ja) |
-
1991
- 1991-10-22 JP JP3273905A patent/JP2910360B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05105519A (ja) | 1993-04-27 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |