JP3035163B2 - 窒化珪素質焼結体とその製造方法 - Google Patents
窒化珪素質焼結体とその製造方法Info
- Publication number
- JP3035163B2 JP3035163B2 JP6194158A JP19415894A JP3035163B2 JP 3035163 B2 JP3035163 B2 JP 3035163B2 JP 6194158 A JP6194158 A JP 6194158A JP 19415894 A JP19415894 A JP 19415894A JP 3035163 B2 JP3035163 B2 JP 3035163B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- weight
- silicon nitride
- temperature
- powder
- ytterbium
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は高温高強度、耐酸化性、
耐摩耗性等が要求される機械部品に用いる窒化珪素質焼
結体とその製造方法に関する。
耐摩耗性等が要求される機械部品に用いる窒化珪素質焼
結体とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化珪素焼結体は難焼結体であるため、
焼結助剤として酸化アルミニウム、酸化イットリウム等
を添加して焼結する方法が用いられているが、これらの
助剤成分は焼結後にガラス相として粒界に残り、このガ
ラス相が高温で軟化することにより高温特性を低下させ
ることが知られている。高温強度向上のためには助剤の
絶対量を減少させ、ホットプレスあるいはＨＩＰ等の特
殊な方法で強制的に焼結することが行われているが、耐
酸化性等について効果的な対策はほとんど行われてな
い。
焼結助剤として酸化アルミニウム、酸化イットリウム等
を添加して焼結する方法が用いられているが、これらの
助剤成分は焼結後にガラス相として粒界に残り、このガ
ラス相が高温で軟化することにより高温特性を低下させ
ることが知られている。高温強度向上のためには助剤の
絶対量を減少させ、ホットプレスあるいはＨＩＰ等の特
殊な方法で強制的に焼結することが行われているが、耐
酸化性等について効果的な対策はほとんど行われてな
い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は焼結助剤とし
て、酸化イッテルビウム、酸化アルミニウム及び／又は
酸化珪素の混合系を使用し、その量、組成比の適正化を
図り、かつ焼結後に適正な加熱処理を行うことによって
通常の常圧焼結であっても緻密に焼結し、かつ高温強
度、耐酸化性等の高温特性の低下の少ない窒化珪素焼結
体とその製造方法を提供しようとするものである。
て、酸化イッテルビウム、酸化アルミニウム及び／又は
酸化珪素の混合系を使用し、その量、組成比の適正化を
図り、かつ焼結後に適正な加熱処理を行うことによって
通常の常圧焼結であっても緻密に焼結し、かつ高温強
度、耐酸化性等の高温特性の低下の少ない窒化珪素焼結
体とその製造方法を提供しようとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は （１）窒化珪素を７０〜９７重量％、酸化イッテルビウ
ムを２〜３０重量％、酸化アルミニウムを０．１〜５．
０重量％及び酸化アルミニウムに対する酸化イッテルビ
ウムの重量比が１０以上の組成で、かつ焼結体中の窒化
珪素粒子の間隙である粒界部が安定な結晶相であるイッ
テルビウムシリコンオキシナイトライドの微結晶で構成
されてなることを特徴とする窒化珪素質焼結体、 （２）窒化珪素粉末を７０〜９７重量％、酸化イッテル
ビウム粉末を２〜３０重量％、酸化アルミニウム粉末を
０．１〜５．０重量％及び酸化アルミニウム粉末に対す
る酸化イッテルビウム粉末の重量比が１０以上よりなる
混合粉体を成型し、窒素ガス雰囲気中で１７００〜２１
００℃で焼成した後、９００〜９４０℃の範囲まで毎分
２０℃以上の速度で降温し、５分以上保持した後、再び
１１５０〜１３５０℃の範囲に昇温し、４〜８時間の範
囲で保持することを特徴とする窒化珪素質焼結体製造方
法、 （３） 窒化珪素粉末を７０〜９７重量％、酸化イッテル
ビウム粉末を２〜３０重量％及び酸化珪素粉末を０．５
〜９．５重量％よりなる混合粉体を成型し、窒素ガス雰
囲気中で１７００〜２１００℃で焼成した後、９００〜
９４０℃の範囲まで毎分２０℃以上の速度で降温し、５
分以上保持した後、再び１１５０〜１３５０℃の範囲に
昇温し、４〜８時間の範囲で保持することを特徴とする
窒化珪素質焼結体製造方法、 （４） 窒化珪素を７０〜９７重量％、酸化イッテルビウ
ムを２〜３０重量％、酸化アルミニウムを０．１〜５．
０重量％、酸化アルミニウムに対する酸化イッテルビウ
ムの重量比が１０以上及び酸化珪素を０．５〜９．５重
量％の組成で、かつ焼結体中の窒化珪素粒子の間隙であ
る粒界部が安定な結晶相であるイッテルビウムシリコン
オキシナイトライド及びイッテルビウムシリコンオキサ
イドの微結晶で構成されてなることを特徴とする窒化珪
素質焼結体、並びに、 （５） 窒化珪素粉末を７０〜９７重量％、酸化イッテル
ビウム粉末を２〜３０重量％、酸化アルミニウム粉末を
０．１〜５．０重量％、酸化アルミニウム粉末に対する
酸化イッテルビウム粉末の重量比が１０以上及び酸化珪
素粉末を０．５〜９．５重量％よりなる混合粉体を成型
し、窒素ガス雰囲気中で１７００〜２１００℃で焼成し
た後、９００〜９４０℃の範囲まで毎分２０℃以上の速
度で降温し、５分以上保持した後、再び１１５０〜１３
５０℃の範囲に昇温し、４〜８時間の範囲で保持するこ
とを特徴とする窒化珪素質焼結体製造方法である。
ムを２〜３０重量％、酸化アルミニウムを０．１〜５．
０重量％及び酸化アルミニウムに対する酸化イッテルビ
ウムの重量比が１０以上の組成で、かつ焼結体中の窒化
珪素粒子の間隙である粒界部が安定な結晶相であるイッ
テルビウムシリコンオキシナイトライドの微結晶で構成
されてなることを特徴とする窒化珪素質焼結体、 （２）窒化珪素粉末を７０〜９７重量％、酸化イッテル
ビウム粉末を２〜３０重量％、酸化アルミニウム粉末を
０．１〜５．０重量％及び酸化アルミニウム粉末に対す
る酸化イッテルビウム粉末の重量比が１０以上よりなる
混合粉体を成型し、窒素ガス雰囲気中で１７００〜２１
００℃で焼成した後、９００〜９４０℃の範囲まで毎分
２０℃以上の速度で降温し、５分以上保持した後、再び
１１５０〜１３５０℃の範囲に昇温し、４〜８時間の範
囲で保持することを特徴とする窒化珪素質焼結体製造方
法、 （３） 窒化珪素粉末を７０〜９７重量％、酸化イッテル
ビウム粉末を２〜３０重量％及び酸化珪素粉末を０．５
〜９．５重量％よりなる混合粉体を成型し、窒素ガス雰
囲気中で１７００〜２１００℃で焼成した後、９００〜
９４０℃の範囲まで毎分２０℃以上の速度で降温し、５
分以上保持した後、再び１１５０〜１３５０℃の範囲に
昇温し、４〜８時間の範囲で保持することを特徴とする
窒化珪素質焼結体製造方法、 （４） 窒化珪素を７０〜９７重量％、酸化イッテルビウ
ムを２〜３０重量％、酸化アルミニウムを０．１〜５．
０重量％、酸化アルミニウムに対する酸化イッテルビウ
ムの重量比が１０以上及び酸化珪素を０．５〜９．５重
量％の組成で、かつ焼結体中の窒化珪素粒子の間隙であ
る粒界部が安定な結晶相であるイッテルビウムシリコン
オキシナイトライド及びイッテルビウムシリコンオキサ
イドの微結晶で構成されてなることを特徴とする窒化珪
素質焼結体、並びに、 （５） 窒化珪素粉末を７０〜９７重量％、酸化イッテル
ビウム粉末を２〜３０重量％、酸化アルミニウム粉末を
０．１〜５．０重量％、酸化アルミニウム粉末に対する
酸化イッテルビウム粉末の重量比が１０以上及び酸化珪
素粉末を０．５〜９．５重量％よりなる混合粉体を成型
し、窒素ガス雰囲気中で１７００〜２１００℃で焼成し
た後、９００〜９４０℃の範囲まで毎分２０℃以上の速
度で降温し、５分以上保持した後、再び１１５０〜１３
５０℃の範囲に昇温し、４〜８時間の範囲で保持するこ
とを特徴とする窒化珪素質焼結体製造方法である。
【０００５】
【作用】本発明によると、窒化珪素質焼結体の粒界部に
高温でも安定なイッテルビウムシリコンオキシナイトラ
イド及び／又はイッテルビウムシリコンオキサイドの微
結晶を設けたことにより、高温強度の低下が少なく、耐
酸化性にも優れた高い信頼性をもつ窒化珪素質焼結体
を、通常の常圧焼結法で製造することにより安価で提供
される。以下、更に本発明に係わる数値限定の理由を説
明する。
高温でも安定なイッテルビウムシリコンオキシナイトラ
イド及び／又はイッテルビウムシリコンオキサイドの微
結晶を設けたことにより、高温強度の低下が少なく、耐
酸化性にも優れた高い信頼性をもつ窒化珪素質焼結体
を、通常の常圧焼結法で製造することにより安価で提供
される。以下、更に本発明に係わる数値限定の理由を説
明する。
【０００６】（１）窒化珪素：７０〜９７重量％：窒化
珪素粉末は窒化珪素焼結体を作製する際の主剤となるも
ので、７０重量％未満であると相対的に助剤の量が多す
ぎて焼結の際に変形が著しくなり、室温、高温において
強度を発現することが不可能で、窒化珪素焼結体の一般
的な特徴である優れた機械的性質がすべて失われてしま
う。一方、９７重量％を越えると相対的に助剤の量が少
なくなり、難焼結性である窒化珪素をうまく焼結させる
ことができず、緻密化が難しくなり当然強度が落ちる。
より好ましくは７５〜９５重量％である。
珪素粉末は窒化珪素焼結体を作製する際の主剤となるも
ので、７０重量％未満であると相対的に助剤の量が多す
ぎて焼結の際に変形が著しくなり、室温、高温において
強度を発現することが不可能で、窒化珪素焼結体の一般
的な特徴である優れた機械的性質がすべて失われてしま
う。一方、９７重量％を越えると相対的に助剤の量が少
なくなり、難焼結性である窒化珪素をうまく焼結させる
ことができず、緻密化が難しくなり当然強度が落ちる。
より好ましくは７５〜９５重量％である。
【０００７】（２）酸化イッテルビウム：２〜３０重量
％：酸化イッテルビウムは酸化アルミニウム及び窒化珪
素粉末に酸化層として存在する酸化珪素並びに添加した
酸化珪素と共に焼結温度付近で反応、融解し、窒化珪素
焼結体作製時の助剤として作用し、緻密化に貢献すると
ともに、形成された焼結体の高温強度の低下を防ぐ作用
ももつ。また、酸化アルミニウムを使用しない場合であ
っても、高度に制御された条件下では酸化イッテルビウ
ムと酸化珪素のみで助剤としての作用をはたせる。この
場合には金属元素がひとつ少なくなるので、より共晶温
度が上昇し、高温強度の低下を防ぐ効果が高い。しかし
２重量％未満であると、焼結性が悪化し十分緻密化する
ことが困難で高温強度の低下が著しい。また、３０重量
％を越えると、相対的に酸化アルミニウムの量が少なく
なり、焼結性が低下して強度が低下する。より好ましく
は５〜２３重量％である。
％：酸化イッテルビウムは酸化アルミニウム及び窒化珪
素粉末に酸化層として存在する酸化珪素並びに添加した
酸化珪素と共に焼結温度付近で反応、融解し、窒化珪素
焼結体作製時の助剤として作用し、緻密化に貢献すると
ともに、形成された焼結体の高温強度の低下を防ぐ作用
ももつ。また、酸化アルミニウムを使用しない場合であ
っても、高度に制御された条件下では酸化イッテルビウ
ムと酸化珪素のみで助剤としての作用をはたせる。この
場合には金属元素がひとつ少なくなるので、より共晶温
度が上昇し、高温強度の低下を防ぐ効果が高い。しかし
２重量％未満であると、焼結性が悪化し十分緻密化する
ことが困難で高温強度の低下が著しい。また、３０重量
％を越えると、相対的に酸化アルミニウムの量が少なく
なり、焼結性が低下して強度が低下する。より好ましく
は５〜２３重量％である。
【０００８】（３）酸化アルミニウム：０．１〜５．０
重量％：酸化アルミニウムは酸化イッテルビウム及び窒
化珪素粉末に酸化層として存在する酸化珪素並びに添加
した酸化珪素と共に焼結温度付近で反応、融解し、窒化
珪素焼結体作製時の助剤として作用し緻密化に貢献する
が、高温強度を低下させる作用ももつ。よって高温強度
を低下させないためには酸化アルミニウムの量を少なく
すること、すなわち添加しないことが好ましいが、添加
しないと焼結が不十分になるため、強度の絶対値が低く
なる。また、焼結後の熱処理によって結晶化するイッテ
ルビウムシリコンオキシナイトライドの主構成成分では
ないもののアルミニウムはこの結晶化を容易にし、結晶
中に固溶することにより、結晶の高温安定性を増大す
る。しかし、０．１重量％未満であると結晶化がしにく
くなることがあり、結晶の高温安定性が不安定となるた
め、焼結体の高温強度が低下する。また、５．０重量％
を越えると焼結性は良好で十分緻密化するが、結晶中へ
の固溶量を越えてしまうため高温強度の低下が著しい。
より好ましくは０．１〜２．０重量％である。
重量％：酸化アルミニウムは酸化イッテルビウム及び窒
化珪素粉末に酸化層として存在する酸化珪素並びに添加
した酸化珪素と共に焼結温度付近で反応、融解し、窒化
珪素焼結体作製時の助剤として作用し緻密化に貢献する
が、高温強度を低下させる作用ももつ。よって高温強度
を低下させないためには酸化アルミニウムの量を少なく
すること、すなわち添加しないことが好ましいが、添加
しないと焼結が不十分になるため、強度の絶対値が低く
なる。また、焼結後の熱処理によって結晶化するイッテ
ルビウムシリコンオキシナイトライドの主構成成分では
ないもののアルミニウムはこの結晶化を容易にし、結晶
中に固溶することにより、結晶の高温安定性を増大す
る。しかし、０．１重量％未満であると結晶化がしにく
くなることがあり、結晶の高温安定性が不安定となるた
め、焼結体の高温強度が低下する。また、５．０重量％
を越えると焼結性は良好で十分緻密化するが、結晶中へ
の固溶量を越えてしまうため高温強度の低下が著しい。
より好ましくは０．１〜２．０重量％である。
【０００９】（４）酸化珪素：０．５〜９．５重量％：
酸化珪素は酸化イッテルビウム等と共に焼結温度付近で
反応、融解し、窒化珪素焼結体作製時の助剤として作用
し緻密化に貢献する。焼結後は粒界中に形成されるガラ
ス相の骨格をなし、高温特性を支配する。酸化珪素を助
剤として添加する場合、一般に量が多い方が焼結性が向
上するものの焼結体の高温特性は低下する。しかし０．
５重量％未満であると焼結性が低下し緻密化せず、９．
５重量％を越えると焼結後のガラス相も多量となり、結
果的に高温強度を低下させる。より好ましくは０．７〜
９．０重量％である。酸化珪素を積極的に添加しない場
合であっても、窒化珪素粉末に酸化層として存在する酸
化珪素が同様の作用をするが、この場合微量となり焼結
性の低下が避けられないため、酸化アルミニウムの添加
が不可欠となる。なお、上記いずれの原料も平均粒径２
μｍ以下とするのが望ましい。
酸化珪素は酸化イッテルビウム等と共に焼結温度付近で
反応、融解し、窒化珪素焼結体作製時の助剤として作用
し緻密化に貢献する。焼結後は粒界中に形成されるガラ
ス相の骨格をなし、高温特性を支配する。酸化珪素を助
剤として添加する場合、一般に量が多い方が焼結性が向
上するものの焼結体の高温特性は低下する。しかし０．
５重量％未満であると焼結性が低下し緻密化せず、９．
５重量％を越えると焼結後のガラス相も多量となり、結
果的に高温強度を低下させる。より好ましくは０．７〜
９．０重量％である。酸化珪素を積極的に添加しない場
合であっても、窒化珪素粉末に酸化層として存在する酸
化珪素が同様の作用をするが、この場合微量となり焼結
性の低下が避けられないため、酸化アルミニウムの添加
が不可欠となる。なお、上記いずれの原料も平均粒径２
μｍ以下とするのが望ましい。
【００１０】（５）酸化アルミニウム粉末に対する酸化
イッテルビウム粉末の重量比：１０以上：酸化イッテル
ビウムと酸化アルミニウムは窒化珪素粉末に酸化層とし
て存在する酸化珪素並びに添加した酸化珪素と共に焼結
温度付近で反応、融解し、窒化珪素焼結体作製時の助剤
として作用する。これらの成分は焼結後、主として粒界
中にガラス相として存在し、高温特性を支配する。この
比が１０未満であると形成されるガラス相の粘性が低下
するためと考えられるが、高温強度が低下する。またこ
の比があまり大きすぎると、焼結性が低下するので、よ
り好ましくは２０〜５０である。
イッテルビウム粉末の重量比：１０以上：酸化イッテル
ビウムと酸化アルミニウムは窒化珪素粉末に酸化層とし
て存在する酸化珪素並びに添加した酸化珪素と共に焼結
温度付近で反応、融解し、窒化珪素焼結体作製時の助剤
として作用する。これらの成分は焼結後、主として粒界
中にガラス相として存在し、高温特性を支配する。この
比が１０未満であると形成されるガラス相の粘性が低下
するためと考えられるが、高温強度が低下する。またこ
の比があまり大きすぎると、焼結性が低下するので、よ
り好ましくは２０〜５０である。
【００１１】（６）不純物はいずれの元素にせよ１００
ｐｐｍ以下が望ましい。
ｐｐｍ以下が望ましい。
【００１２】（７）窒素ガス雰囲気：窒素ガス加圧雰囲
気は窒化珪素が高温で昇華するのを防ぐために行うもの
である。なお、１０ｋｇ／ｃｍ2 を超えると高圧ガス取
締法による適用を受け、ガスの製造、容器の取扱等に厳
しい規制を受けるため、実際の製品の製造に不利であり
コストにもひびくので、できれば１０ｋｇ／ｃｍ2 以下
が望ましい。より好ましくは６〜９．９ｋｇ／ｃｍ2 で
ある。
気は窒化珪素が高温で昇華するのを防ぐために行うもの
である。なお、１０ｋｇ／ｃｍ2 を超えると高圧ガス取
締法による適用を受け、ガスの製造、容器の取扱等に厳
しい規制を受けるため、実際の製品の製造に不利であり
コストにもひびくので、できれば１０ｋｇ／ｃｍ2 以下
が望ましい。より好ましくは６〜９．９ｋｇ／ｃｍ2 で
ある。
【００１３】（８）１７００〜２１００℃で焼成：セラ
ミックス材料は粉体を焼き固めて焼結して作製する。焼
結させる時に焼成が必要となるが、窒化珪素の場合は助
剤を添加して焼結させ易くしているものの基本的に難焼
結性であって焼結には高い焼成温度が必要となる。１７
００℃未満の温度では助剤の反応、融解があまり起こら
ずに焼結が進まず、緻密化しない。また２１００℃を越
える温度であると窒化珪素が昇華、分解してしまい同じ
く緻密化しない。より好ましくは１７５０〜２０５０℃
である。
ミックス材料は粉体を焼き固めて焼結して作製する。焼
結させる時に焼成が必要となるが、窒化珪素の場合は助
剤を添加して焼結させ易くしているものの基本的に難焼
結性であって焼結には高い焼成温度が必要となる。１７
００℃未満の温度では助剤の反応、融解があまり起こら
ずに焼結が進まず、緻密化しない。また２１００℃を越
える温度であると窒化珪素が昇華、分解してしまい同じ
く緻密化しない。より好ましくは１７５０〜２０５０℃
である。
【００１４】（９）焼成時間：焼成時間は特に限定はな
いが、セラミックス材料を焼成する際、ごく通常の外部
加熱炉を用いると試料の表面と内部で熱伝導の差により
温度差が少なからず生じてしまうので、目的温度まで昇
温後、ある程度の時間の保持は必要である。なお、１０
時間以上の保持しても、もはや焼結はそれほど進まず、
コストの点からも意味がなくなるので、できればそれ以
下がよい。より好ましくは９時間以下である。
いが、セラミックス材料を焼成する際、ごく通常の外部
加熱炉を用いると試料の表面と内部で熱伝導の差により
温度差が少なからず生じてしまうので、目的温度まで昇
温後、ある程度の時間の保持は必要である。なお、１０
時間以上の保持しても、もはや焼結はそれほど進まず、
コストの点からも意味がなくなるので、できればそれ以
下がよい。より好ましくは９時間以下である。
【００１５】（１０）９００〜９４０℃の範囲まで降
温：粒界ガラス相は加熱処理によって結晶化することが
可能であるが、適正な処理を行わないと安定な結晶相の
析出に膨大な時間がかかったりする等、非効率的なプロ
セスとなりうる。よって一般的な結晶成長理論に基づ
き、適当な結晶核を析出させた後、その核を成長させる
といった２段階の熱処理が効率的となる。ここでは結晶
核析出温度の決定に際し、助剤組成成分を主成分とした
模擬粒界ガラス試料を作製し、これに示差熱分析、Ｘ線
回折法等の方法を用いてガラス転移点の温度を調査した
結果、９１８℃であることが判明した。一般にこの付近
の温度で結晶核の生成速度が最大となることが知られて
おり、この温度より低い９００℃未満であるとガラス構
造が安定な温度領域となり、核の析出はもとより結晶化
がしにくく、９４０℃を越えると融液の状態が安定で、
核の析出がしにくい。より好ましくは９１０〜９３０℃
である。
温：粒界ガラス相は加熱処理によって結晶化することが
可能であるが、適正な処理を行わないと安定な結晶相の
析出に膨大な時間がかかったりする等、非効率的なプロ
セスとなりうる。よって一般的な結晶成長理論に基づ
き、適当な結晶核を析出させた後、その核を成長させる
といった２段階の熱処理が効率的となる。ここでは結晶
核析出温度の決定に際し、助剤組成成分を主成分とした
模擬粒界ガラス試料を作製し、これに示差熱分析、Ｘ線
回折法等の方法を用いてガラス転移点の温度を調査した
結果、９１８℃であることが判明した。一般にこの付近
の温度で結晶核の生成速度が最大となることが知られて
おり、この温度より低い９００℃未満であるとガラス構
造が安定な温度領域となり、核の析出はもとより結晶化
がしにくく、９４０℃を越えると融液の状態が安定で、
核の析出がしにくい。より好ましくは９１０〜９３０℃
である。
【００１６】（１１）２０℃毎分以上で降温：粒界ガラ
ス相中に目的とする結晶核を有効に析出させるために
は、なるべく早く降温する必要がある。２０℃毎分未満
であると望まない相が析出したり、後の熱処理が有効に
作用しない可能性がある。より好ましくは４０℃毎分で
ある。
ス相中に目的とする結晶核を有効に析出させるために
は、なるべく早く降温する必要がある。２０℃毎分未満
であると望まない相が析出したり、後の熱処理が有効に
作用しない可能性がある。より好ましくは４０℃毎分で
ある。
【００１７】（１２）５分以上で保持：粒界ガラス相中
に目的とする結晶核を有効に析出させるために、ガラス
転移点の温度付近で保持をする必要があるが、５分未満
であると核が十分析出しない可能性がある。より好まし
くは１０分以上である。
に目的とする結晶核を有効に析出させるために、ガラス
転移点の温度付近で保持をする必要があるが、５分未満
であると核が十分析出しない可能性がある。より好まし
くは１０分以上である。
【００１８】（１３）１１５０℃〜１３５０℃の範囲に
昇温：粒界ガラス相は加熱処理によって結晶化すること
が可能であるが、適正な処理を行わないと安定な結晶相
の析出に膨大な時間がかかったりする等、非効率的なプ
ロセスとなりうる。よって一般的な結晶成長理論に基づ
き、適当な結晶核を析出させた後、その核を成長させる
といった２段階の熱処理が効率的となる。ここでは結晶
核成長温度の決定に際し、助剤組成成分を主成分とした
模擬粒界ガラス試料を作製し、これに示差熱分析、Ｘ線
回折法等の方法を用いて結晶化開始温度を調査した結
果、１２０９℃であることが判明した。一般にこの付近
の温度で結晶の成長速度が最大となることが知られてお
り、この温度より低い１１５０℃未満であると結晶化の
速度が遅く、別の不安定相が析出する可能性があり、１
３５０℃を越えてもまた速度が遅くなる。より好ましく
は１２００〜１３００℃である。
昇温：粒界ガラス相は加熱処理によって結晶化すること
が可能であるが、適正な処理を行わないと安定な結晶相
の析出に膨大な時間がかかったりする等、非効率的なプ
ロセスとなりうる。よって一般的な結晶成長理論に基づ
き、適当な結晶核を析出させた後、その核を成長させる
といった２段階の熱処理が効率的となる。ここでは結晶
核成長温度の決定に際し、助剤組成成分を主成分とした
模擬粒界ガラス試料を作製し、これに示差熱分析、Ｘ線
回折法等の方法を用いて結晶化開始温度を調査した結
果、１２０９℃であることが判明した。一般にこの付近
の温度で結晶の成長速度が最大となることが知られてお
り、この温度より低い１１５０℃未満であると結晶化の
速度が遅く、別の不安定相が析出する可能性があり、１
３５０℃を越えてもまた速度が遅くなる。より好ましく
は１２００〜１３００℃である。
【００１９】（１４）４〜８時間の範囲で保持：粒界ガ
ラス相中に目的とする結晶を効率的に成長させるため
に、結晶化開始温度付近で保持をする必要があるが、４
時間未満であると成長が十分行われない可能性があり、
８時間を越えてもほとんど変化がない。より好ましくは
４〜６時間である。
ラス相中に目的とする結晶を効率的に成長させるため
に、結晶化開始温度付近で保持をする必要があるが、４
時間未満であると成長が十分行われない可能性があり、
８時間を越えてもほとんど変化がない。より好ましくは
４〜６時間である。
【００２０】
【実施例】試験に供した原料粉末は窒化珪素原料粉末が
平均粒径０．５μｍ（結晶子径は０．２μｍ以下）の高
純度粉末を、焼結助剤の酸化イッテルビウムは平均粒径
が１．２μｍの粉末を、酸化アルミニウムは平均粒径が
０．８μｍの粉末を、酸化珪素は平均粒径が０．３μｍ
の粉末を用いた。各粉末の配合比としては表１に示した
とおりであり、試料番号は窒化珪素粉末が７５．９５
重量％、酸化イッテルビウム粉末が２２．９０重量％及
び酸化アルミニウム粉末が１．１５重量％、試料番号
は窒化珪素粉末が９４．４１重量％、酸化イッテルビウ
ム粉末が５．３２重量％及び酸化アルミニウム粉末が
０．２７重量％、試料番号は窒化珪素粉末が９０．０
０重量％、酸化イッテルビウム粉末が７．６６重量％及
び酸化珪素粉末が２．３４重量％、試料番号は窒化珪
素粉末が７０．００重量％、酸化イッテルビウム粉末が
２２．９９重量％及び酸化珪素粉末が７．０１重量％、
試料番号は窒化珪素粉末が７０．００重量％、酸化イ
ッテルビウム粉末が２２．９０重量％、酸化アルミニウ
ム粉末が１．１５重量％及び酸化珪素粉末が５．９５重
量％の５つの試料について検討した。なお、これらの例
のすべての試験について、分散剤としてはポリエチレン
イミン系のものを、溶媒としては１−ブチルアルコール
を用いた湿式混合、粉砕法によった。
平均粒径０．５μｍ（結晶子径は０．２μｍ以下）の高
純度粉末を、焼結助剤の酸化イッテルビウムは平均粒径
が１．２μｍの粉末を、酸化アルミニウムは平均粒径が
０．８μｍの粉末を、酸化珪素は平均粒径が０．３μｍ
の粉末を用いた。各粉末の配合比としては表１に示した
とおりであり、試料番号は窒化珪素粉末が７５．９５
重量％、酸化イッテルビウム粉末が２２．９０重量％及
び酸化アルミニウム粉末が１．１５重量％、試料番号
は窒化珪素粉末が９４．４１重量％、酸化イッテルビウ
ム粉末が５．３２重量％及び酸化アルミニウム粉末が
０．２７重量％、試料番号は窒化珪素粉末が９０．０
０重量％、酸化イッテルビウム粉末が７．６６重量％及
び酸化珪素粉末が２．３４重量％、試料番号は窒化珪
素粉末が７０．００重量％、酸化イッテルビウム粉末が
２２．９９重量％及び酸化珪素粉末が７．０１重量％、
試料番号は窒化珪素粉末が７０．００重量％、酸化イ
ッテルビウム粉末が２２．９０重量％、酸化アルミニウ
ム粉末が１．１５重量％及び酸化珪素粉末が５．９５重
量％の５つの試料について検討した。なお、これらの例
のすべての試験について、分散剤としてはポリエチレン
イミン系のものを、溶媒としては１−ブチルアルコール
を用いた湿式混合、粉砕法によった。
【００２１】窒化珪素質焼結体の作製に際し、まず混合
には原料粉末１００重量％に対し、ポリエチレンイミン
系分散剤３重量％、１−ブチルアルコール溶媒１２０重
量％を加え、ジルコニアボールを用いて均一に混合した
後、乾燥しプレスで直径６０ｍｍφ、約６ｍｍの円盤状
に成型し、４ｔ／ｃｍ2 の圧力で静水圧プレスして成型
体を得た。この成型体を真空中で５００℃まで加熱し、
１時間保持して脱脂した後、窒素ガス６ｋｇ毎平方セン
チメートルの加圧下、１℃／ｍｉｎで１８００℃まで昇
温し、４時間焼結した。その後９２０℃まで４０℃毎分
で降温し、１０分保持した後、再び１３００℃に昇温
し、４時間保持して結晶化させた試料と、結晶化させな
かった試料とで高温曲げ強さ、酸化増量等の高温特性を
比較した結果を表２に示す。これによると結晶化によ
り、高温における強度低下が抑えられるばかりでなく、
耐酸化性も増大することとなった。
には原料粉末１００重量％に対し、ポリエチレンイミン
系分散剤３重量％、１−ブチルアルコール溶媒１２０重
量％を加え、ジルコニアボールを用いて均一に混合した
後、乾燥しプレスで直径６０ｍｍφ、約６ｍｍの円盤状
に成型し、４ｔ／ｃｍ2 の圧力で静水圧プレスして成型
体を得た。この成型体を真空中で５００℃まで加熱し、
１時間保持して脱脂した後、窒素ガス６ｋｇ毎平方セン
チメートルの加圧下、１℃／ｍｉｎで１８００℃まで昇
温し、４時間焼結した。その後９２０℃まで４０℃毎分
で降温し、１０分保持した後、再び１３００℃に昇温
し、４時間保持して結晶化させた試料と、結晶化させな
かった試料とで高温曲げ強さ、酸化増量等の高温特性を
比較した結果を表２に示す。これによると結晶化によ
り、高温における強度低下が抑えられるばかりでなく、
耐酸化性も増大することとなった。
【００２２】
【表１】
【００２３】
【表２】
【００２４】
【発明の効果】本発明により、高温強度の低下が大幅に
抑えられ、高温強度の高い窒化珪素質焼結体を極一般的
な製造方法によって安価に提供することができ、産業上
の利用価値が大きい。
抑えられ、高温強度の高い窒化珪素質焼結体を極一般的
な製造方法によって安価に提供することができ、産業上
の利用価値が大きい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 博一 神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地 １ 三菱重工業株式会社 基盤技術研究 所内 (56)参考文献 特開 平５−201767（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−208870（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−122556（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C04B 35/584 - 35/596
Claims (5)
- 【請求項１】 窒化珪素を７０〜９７重量％、酸化イッ
テルビウムを２〜３０重量％、酸化アルミニウムを０．
１〜５．０重量％及び酸化アルミニウムに対する酸化イ
ッテルビウムの重量比が１０以上の組成で、かつ焼結体
中の窒化珪素粒子の間隙である粒界部が安定な結晶相で
あるイッテルビウムシリコンオキシナイトライドの微結
晶で構成されてなることを特徴とする窒化珪素質焼結
体。 - 【請求項２】 窒化珪素粉末を７０〜９７重量％、酸化
イッテルビウム粉末を２〜３０重量％、酸化アルミニウ
ム粉末を０．１〜５．０重量％及び酸化アルミニウム粉
末に対する酸化イッテルビウム粉末の重量比が１０以上
よりなる混合粉体を成型し、窒素ガス雰囲気中で１７０
０〜２１００℃で焼成した後、９００〜９４０℃の範囲
まで毎分２０℃以上の速度で降温し、５分以上保持した
後、再び１１５０〜１３５０℃の範囲に昇温し、４〜８
時間の範囲で保持することを特徴とする窒化珪素質焼結
体製造方法。 - 【請求項３】 窒化珪素粉末を７０〜９７重量％、酸化
イッテルビウム粉末を２〜３０重量％及び酸化珪素粉末
を０．５〜９．５重量％よりなる混合粉体を成型し、窒
素ガス雰囲気中で１７００〜２１００℃で焼成した後、
９００〜９４０℃の範囲まで毎分２０℃以上の速度で降
温し、５分以上保持した後、再び１１５０〜１３５０℃
の範囲に昇温し、４〜８時間の範囲で保持することを特
徴とする窒化珪素質焼結体製造方法。 - 【請求項４】 窒化珪素を７０〜９７重量％、酸化イッ
テルビウムを２〜３０重量％、酸化アルミニウムを０．
１〜５．０重量％、酸化アルミニウムに対する酸化イッ
テルビウムの重量比が１０以上及び酸化珪素を０．５〜
９．５重量％の組成で、かつ焼結体中の窒化珪素粒子の
間隙である粒界部が安定な結晶相であるイッテルビウム
シリコンオキシナイトライド及びイッテルビウムシリコ
ンオキサイドの微結晶で構成されてなることを特徴とす
る窒化珪素質焼結体。 - 【請求項５】 窒化珪素粉末を７０〜９７重量％、酸化
イッテルビウム粉末を２〜３０重量％、酸化アルミニウ
ム粉末を０．１〜５．０重量％、酸化アルミニウム粉末
に対する酸化イッテルビウム粉末の重量比が１０以上及
び酸化珪素粉末を０．５〜９．５重量％よりなる混合粉
体を成型し、窒素ガス雰囲気中で１７００〜２１００℃
で焼成した後、９００〜９４０℃の範囲まで毎分２０℃
以上の速度で降温し、５分以上保持した後、再び１１５
０〜１３５０℃の範囲に昇温し、４〜８時間の範囲で保
持することを特徴とする窒化珪素質焼結体製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6194158A JP3035163B2 (ja) | 1994-08-18 | 1994-08-18 | 窒化珪素質焼結体とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6194158A JP3035163B2 (ja) | 1994-08-18 | 1994-08-18 | 窒化珪素質焼結体とその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0859350A JPH0859350A (ja) | 1996-03-05 |
| JP3035163B2 true JP3035163B2 (ja) | 2000-04-17 |
Family
ID=16319891
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6194158A Expired - Fee Related JP3035163B2 (ja) | 1994-08-18 | 1994-08-18 | 窒化珪素質焼結体とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3035163B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| BR112020019575A2 (pt) * | 2018-04-10 | 2021-01-05 | Sintx Technologies,Inc. | Método para melhorar o desempenho de desgaste de pares de articulação cerâmica-polietileno ou cerâmica-cerâmica usados em próteses de articulação ortopédicas |
-
1994
- 1994-08-18 JP JP6194158A patent/JP3035163B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0859350A (ja) | 1996-03-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0589997B1 (en) | High toughness-high strength sintered silicon nitride | |
| JPS64349B2 (ja) | ||
| JPH0232230B2 (ja) | ||
| JP3007730B2 (ja) | 希土類酸化物−アルミナ焼結体およびその製造方法 | |
| JP3035163B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体とその製造方法 | |
| JPS6220151B2 (ja) | ||
| JP2927919B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体の結晶化熱処理方法 | |
| JP2966644B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体及びその製造方法 | |
| JP3152790B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体の製造方法 | |
| JP2742619B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体 | |
| JP3007732B2 (ja) | 窒化ケイ素−混合酸化物系焼結体およびその製造方法 | |
| US5194201A (en) | Method of manufacturing high density silicon nitride sintered bodies | |
| JP3929335B2 (ja) | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 | |
| JP3124867B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体及びその製造方法 | |
| JPH0959069A (ja) | 窒化珪素質焼結体とその製造方法 | |
| JPH01145380A (ja) | 窒化珪素質焼結体の製法 | |
| JP2652936B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体およびその製造方法 | |
| EP0377319B1 (en) | Nethod of manufacturing high density silicon nitride sintered bodies | |
| JPH0559073B2 (ja) | ||
| JP2944787B2 (ja) | ＳｉＣ系酸化物焼結体およびその製造方法 | |
| JPH06122556A (ja) | 窒化珪素質焼結体とその製造方法 | |
| JP2694369B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体 | |
| JP2534214B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体およびその製造方法 | |
| JP2004051459A (ja) | 窒化ケイ素質焼結体およびその製造方法 | |
| JPH06100376A (ja) | β−サイアロン質焼結体及びその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20000125 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |