JP3111656B2 - 窒化ケイ素焼結体の製造方法及び製造装置 - Google Patents
窒化ケイ素焼結体の製造方法及び製造装置Info
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- JP3111656B2 JP3111656B2 JP04184416A JP18441692A JP3111656B2 JP 3111656 B2 JP3111656 B2 JP 3111656B2 JP 04184416 A JP04184416 A JP 04184416A JP 18441692 A JP18441692 A JP 18441692A JP 3111656 B2 JP3111656 B2 JP 3111656B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、窒化ケイ素（Ｓｉ
3Ｎ4）焼結体の製造方法、並びにその製造装置に関す
る。
3Ｎ4）焼結体の製造方法、並びにその製造装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】窒化ケイ素焼結体の製造においては、原
料の窒化ケイ素粉末にＹ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ等の焼
結助剤を添加混合し、混合粉末を成形した後、その成形
体をＮ2ガス又はＮ2ガスを含む不活性ガス雰囲気中にお
いて、１８００℃程度の高温で焼結している。又、上記
のごとく高温で焼結が行われるため、焼結に用いる焼成
炉は図２に例示する焼結炉のごとく、断熱材４等の炉
材、加熱ヒーター５等の加熱源、並びに成形体を保持す
る治具２等は、炭素系材料で構成するのが通常である。
料の窒化ケイ素粉末にＹ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ等の焼
結助剤を添加混合し、混合粉末を成形した後、その成形
体をＮ2ガス又はＮ2ガスを含む不活性ガス雰囲気中にお
いて、１８００℃程度の高温で焼結している。又、上記
のごとく高温で焼結が行われるため、焼結に用いる焼成
炉は図２に例示する焼結炉のごとく、断熱材４等の炉
材、加熱ヒーター５等の加熱源、並びに成形体を保持す
る治具２等は、炭素系材料で構成するのが通常である。
【０００３】最近では、緻密で且つ強度等の特性に優れ
た窒化ケイ素焼結体を得るため、原料粉末や焼結条件等
について各種の検討がなされている。その中で焼成雰囲
気に関しては、例えば特公昭５８−４９５０９号公報に
おいて、高温での窒化ケイ素の熱分解を抑制するため
に、Ｎ2ガス雰囲気を加圧して窒素圧１.５〜５０ｋｇ／
ｃｍ2で焼結する方法が開示されている。
た窒化ケイ素焼結体を得るため、原料粉末や焼結条件等
について各種の検討がなされている。その中で焼成雰囲
気に関しては、例えば特公昭５８−４９５０９号公報に
おいて、高温での窒化ケイ素の熱分解を抑制するため
に、Ｎ2ガス雰囲気を加圧して窒素圧１.５〜５０ｋｇ／
ｃｍ2で焼結する方法が開示されている。
【０００４】又、特公平３−１２７０号公報には、原料
である窒化ケイ素粉末の表面に含まれるＳｉＯ2の蒸発
や窒化を防ぎ焼結体の表面特性を改善するため、Ｎ2ガ
ス雰囲気にＣＯ2ガス又はＣＯ2ガスとＣＯガスを混合
し、このＣＯ2ガスの分離反応によりＯ2を発生させて酸
素分圧を高めることにより、窒化ケイ素粉末に含まれる
ＳｉＯ2の蒸発や窒化を抑制する方法が開示されてい
る。
である窒化ケイ素粉末の表面に含まれるＳｉＯ2の蒸発
や窒化を防ぎ焼結体の表面特性を改善するため、Ｎ2ガ
ス雰囲気にＣＯ2ガス又はＣＯ2ガスとＣＯガスを混合
し、このＣＯ2ガスの分離反応によりＯ2を発生させて酸
素分圧を高めることにより、窒化ケイ素粉末に含まれる
ＳｉＯ2の蒸発や窒化を抑制する方法が開示されてい
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記した従来の方法に
より製造される窒化ケイ素焼結体は、いずれの場合にも
焼成ガス雰囲気に接している焼結体の表面が少なからず
変質し、機械的特性を劣化させていると言う問題があっ
た。
より製造される窒化ケイ素焼結体は、いずれの場合にも
焼成ガス雰囲気に接している焼結体の表面が少なからず
変質し、機械的特性を劣化させていると言う問題があっ
た。
【０００６】そこで従来は、この変質層を研削加工等に
より除去していたが、窒化ケイ素焼結体は難加工性であ
るため変質層の除去が容易ではなかった。又、変質状態
や変質層の厚さが焼結バッチにより異なる上、変質層が
厚い程又変質層の厚さのバラツキが大きい程加工取り代
を多くしなければならないため、コストの上昇及び生産
性の大幅な低下を招いていた。
より除去していたが、窒化ケイ素焼結体は難加工性であ
るため変質層の除去が容易ではなかった。又、変質状態
や変質層の厚さが焼結バッチにより異なる上、変質層が
厚い程又変質層の厚さのバラツキが大きい程加工取り代
を多くしなければならないため、コストの上昇及び生産
性の大幅な低下を招いていた。
【０００７】本発明はかかる従来の事情に鑑み、表面の
変質層が殆どなく高密度で機械的特性に優れた窒化ケイ
素焼結体を安定して製造する方法、並びにそのために使
用する簡単な製造装置を提供することを目的とする。
変質層が殆どなく高密度で機械的特性に優れた窒化ケイ
素焼結体を安定して製造する方法、並びにそのために使
用する簡単な製造装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の窒化ケイ素焼結体の製造方法においては、
窒化ケイ素粉末と焼結助剤との混合粉末を成形し、成形
体をＮ２ガス又はＮ２ガスを含む不活性ガスの雰囲気中
で焼結する窒化ケイ素焼結体の製造方法において、焼成
炉の炉材及び加熱源より内側に少なくとも内面が炭素系
材料以外の耐熱性材料で構成された隔壁を設け、この隔
壁で形成された炉芯室内に前記成形体を直接配置するか
又は炭素系材料以外の耐熱材料からなる治具に保持して
配置し、該炉芯室内に前記雰囲気ガスを直接導入するこ
とにより、焼結中の成形体と接する前記雰囲気中のＣＯ
濃度を３０モルｐｐｍ以下とすることを特徴とする。
め、本発明の窒化ケイ素焼結体の製造方法においては、
窒化ケイ素粉末と焼結助剤との混合粉末を成形し、成形
体をＮ２ガス又はＮ２ガスを含む不活性ガスの雰囲気中
で焼結する窒化ケイ素焼結体の製造方法において、焼成
炉の炉材及び加熱源より内側に少なくとも内面が炭素系
材料以外の耐熱性材料で構成された隔壁を設け、この隔
壁で形成された炉芯室内に前記成形体を直接配置するか
又は炭素系材料以外の耐熱材料からなる治具に保持して
配置し、該炉芯室内に前記雰囲気ガスを直接導入するこ
とにより、焼結中の成形体と接する前記雰囲気中のＣＯ
濃度を３０モルｐｐｍ以下とすることを特徴とする。
【０００９】又、本発明の焼成炉を有する窒化ケイ素焼
結体の製造装置は、焼成炉の炉材及び加熱源より内側に
隔壁を設けて構成した炉芯室と、炉芯室内に直接Ｎ2ガ
ス又はＮ2ガスを含む不活性ガスを導入する雰囲気ガス
導入管とを備え、前記隔壁の少なくとも炉芯室内側の面
が炭素系材料以外の耐熱性材料で構成され、炉芯室内に
成形体を直接配置するか又は炭素系材料以外の耐熱性材
料からなる治具に保持して配置するようにしたことを特
徴とする。
結体の製造装置は、焼成炉の炉材及び加熱源より内側に
隔壁を設けて構成した炉芯室と、炉芯室内に直接Ｎ2ガ
ス又はＮ2ガスを含む不活性ガスを導入する雰囲気ガス
導入管とを備え、前記隔壁の少なくとも炉芯室内側の面
が炭素系材料以外の耐熱性材料で構成され、炉芯室内に
成形体を直接配置するか又は炭素系材料以外の耐熱性材
料からなる治具に保持して配置するようにしたことを特
徴とする。
【００１０】
【作用】本発明者らは、従来の製造方法により得られる
窒化ケイ素焼結体の表面が変質する原因について研究を
重ねた結果、焼結中の焼成ガス雰囲気成分の分析、炉内
の析出物の分析、焼結体の減量率等の検討から、焼成ガ
ス雰囲気に含まれるＣＯが表面変質層の形成に大きくか
かわっていることを突き止めた。
窒化ケイ素焼結体の表面が変質する原因について研究を
重ねた結果、焼結中の焼成ガス雰囲気成分の分析、炉内
の析出物の分析、焼結体の減量率等の検討から、焼成ガ
ス雰囲気に含まれるＣＯが表面変質層の形成に大きくか
かわっていることを突き止めた。
【００１１】即ち、従来の焼成炉は通常ヒーターや炉材
として黒鉛や炭素繊維等の炭素系材料を使用しているの
で、吸着等により炉内に残存している水分や空気中の酸
素とこれら炭素系材料とが高温で反応してＣＯが生成す
る。更にこのＣＯが、Ｙ2Ｏ3やＡｌ2Ｏ3等の酸化物であ
る焼結助剤及び窒化ケイ素粉末に含まれ焼結助剤として
作用するＳｉＯ2を還元し、ガス化させる。その結果、
雰囲気ガスと接触している成形体の表面で焼結助剤やＳ
ｉＯ2の量や組成が変化し、得られる焼結体の表面に変
質層が形成されるのである。
として黒鉛や炭素繊維等の炭素系材料を使用しているの
で、吸着等により炉内に残存している水分や空気中の酸
素とこれら炭素系材料とが高温で反応してＣＯが生成す
る。更にこのＣＯが、Ｙ2Ｏ3やＡｌ2Ｏ3等の酸化物であ
る焼結助剤及び窒化ケイ素粉末に含まれ焼結助剤として
作用するＳｉＯ2を還元し、ガス化させる。その結果、
雰囲気ガスと接触している成形体の表面で焼結助剤やＳ
ｉＯ2の量や組成が変化し、得られる焼結体の表面に変
質層が形成されるのである。
【００１２】例えばＳｉ3Ｎ4粉末中のＳｉＯ2の場合、
下記化１に示す反応より雰囲気中のＣＯと反応してＳｉ
Ｏとなって気化し、これが化２の反応により炉内の炭素
系材料により還元されて再びＣＯを生成する：
下記化１に示す反応より雰囲気中のＣＯと反応してＳｉ
Ｏとなって気化し、これが化２の反応により炉内の炭素
系材料により還元されて再びＣＯを生成する：
【化１】ＳｉＯ2＋ＣＯ→ＳｉＯ↑＋ＣＯ2↑
【化２】ＳｉＯ＋２Ｃ→ＳｉＣ＋ＣＯ↑
【００１３】又、上記化１で生成されたＣＯ2も下記化
３のごとく炭素系材料により還元されて再びＣＯを生成
する。更に成形体を炭素系材料の治具に接触させて焼結
した場合も、下記化４によりＳｉＯ2が炭素により直接
還元されてＳｉＯとＣＯを生成する：
３のごとく炭素系材料により還元されて再びＣＯを生成
する。更に成形体を炭素系材料の治具に接触させて焼結
した場合も、下記化４によりＳｉＯ2が炭素により直接
還元されてＳｉＯとＣＯを生成する：
【化３】ＣＯ2＋Ｃ→２ＣＯ↑
【化４】ＳｉＯ2＋Ｃ→ＳｉＯ↑＋ＣＯ↑
【００１４】この様に一旦焼結助剤やＳｉＯ2の揮散が
生じると、連鎖的に雰囲気中のＣＯ量が増加して行くた
め、ＣＯと焼結助剤等との反応が成形体の内部にまで進
行し易い。又、焼成炉中の水分や残留空気の量、雰囲気
ガスの流量、成形体の量等により、焼成炉中に生成する
ＣＯ濃度が変化するため、焼成ロット毎に表面変質層の
厚さや状態が変わり、機械的特性が変動する結果とな
る。
生じると、連鎖的に雰囲気中のＣＯ量が増加して行くた
め、ＣＯと焼結助剤等との反応が成形体の内部にまで進
行し易い。又、焼成炉中の水分や残留空気の量、雰囲気
ガスの流量、成形体の量等により、焼成炉中に生成する
ＣＯ濃度が変化するため、焼成ロット毎に表面変質層の
厚さや状態が変わり、機械的特性が変動する結果とな
る。
【００１５】そこで本発明者らは、上記化１ないし化４
に示すような反応の連鎖を断ち切るため、焼成中に成形
体と接する雰囲気中のＣＯ濃度を低減させることを検討
し、焼成雰囲気として用いるＮ２ガス又はＮ２ガスを含
む不活性ガス中のＣＯ濃度を３０モルｐｐｍ以下にする
ことによって、成形体からのＳｉＯ２や焼結助剤の揮散
をなくすことができ、得られる焼結体表面における変質
層の生成が大幅に抑制されることを見いだし、本発明に
至ったものである。
に示すような反応の連鎖を断ち切るため、焼成中に成形
体と接する雰囲気中のＣＯ濃度を低減させることを検討
し、焼成雰囲気として用いるＮ２ガス又はＮ２ガスを含
む不活性ガス中のＣＯ濃度を３０モルｐｐｍ以下にする
ことによって、成形体からのＳｉＯ２や焼結助剤の揮散
をなくすことができ、得られる焼結体表面における変質
層の生成が大幅に抑制されることを見いだし、本発明に
至ったものである。
【００１６】尚、焼成ガス雰囲気中のＣＯ濃度が３０モ
ルｐｐｍを越えると、焼結体表面の変質が急激に進行
し、変質層の厚さが層化する。ＣＯ濃度が皿に増加する
に従って、表面ばかりでなく内部からも焼結助剤やＳｉ
Ｏ２の揮散が激しくなり、これらにより形成される液相
が変化するため焼結性が低下し、全体的に緻密な焼結体
が得られなくなる。
ルｐｐｍを越えると、焼結体表面の変質が急激に進行
し、変質層の厚さが層化する。ＣＯ濃度が皿に増加する
に従って、表面ばかりでなく内部からも焼結助剤やＳｉ
Ｏ２の揮散が激しくなり、これらにより形成される液相
が変化するため焼結性が低下し、全体的に緻密な焼結体
が得られなくなる。
【００１７】又、本発明方法によれば、焼結助剤やＳｉ
3Ｎ4粉末中のＳｉＯ2の揮散がないので、従来方法に比
べて低温での焼結が可能である。即ち、従来は焼結性の
低下を補うため１７００〜１９００℃程度の高い焼結温
度が一般的であったが、本発明方法での焼結温度は１３
００〜１８００℃が適当であり、更には１４００〜１７
５０℃が好ましく、この温度範囲内で焼結体の相対密度
が９６％以上となるように焼結助剤の種類や添加量に応
R>じて焼結温度を設定すればよい。尚、焼結温度が１３
００℃未満では、焼結助剤による液相の形成がなく焼結
が進行しない。
3Ｎ4粉末中のＳｉＯ2の揮散がないので、従来方法に比
べて低温での焼結が可能である。即ち、従来は焼結性の
低下を補うため１７００〜１９００℃程度の高い焼結温
度が一般的であったが、本発明方法での焼結温度は１３
００〜１８００℃が適当であり、更には１４００〜１７
５０℃が好ましく、この温度範囲内で焼結体の相対密度
が９６％以上となるように焼結助剤の種類や添加量に応
R>じて焼結温度を設定すればよい。尚、焼結温度が１３
００℃未満では、焼結助剤による液相の形成がなく焼結
が進行しない。
【００１８】更に、本発明方法では窒化ケイ素の熱分解
が始まる１８００℃以下の温度で焼結を行うので、Ｎ2
ガスやＮ2ガスを含む焼成雰囲気の圧力は大気圧で良
く、若しくは１.０〜１.１気圧の範囲であって良い。こ
のため、従来一般的であった加圧Ｎ2ガス雰囲気を使用
する場合に比べ、雰囲気を加圧するための設備や操作が
不要となり、コスト及び生産性の点で非常に有利であ
る。
が始まる１８００℃以下の温度で焼結を行うので、Ｎ2
ガスやＮ2ガスを含む焼成雰囲気の圧力は大気圧で良
く、若しくは１.０〜１.１気圧の範囲であって良い。こ
のため、従来一般的であった加圧Ｎ2ガス雰囲気を使用
する場合に比べ、雰囲気を加圧するための設備や操作が
不要となり、コスト及び生産性の点で非常に有利であ
る。
【００１９】上記方法により得られた窒化ケイ素焼結体
は、更に１０気圧以上のＮ2ガス雰囲気中において１３
００〜１８００℃の温度で２次焼結することにより、一
層緻密化を図り機械的特性を向上させることができる。
この２次焼結において、温度が１３００℃未満あるいは
Ｎ2ガス雰囲気が１０気圧未満の場合は緻密化の効果が
得られず、温度が１８００℃を越えると緻密化と同時に
結晶粒の不均一成長が生じ、微細組織が変化するので好
ましくない。尚、２次焼結における雰囲気中のＣＯ濃度
は、特に制御する必要はない。
は、更に１０気圧以上のＮ2ガス雰囲気中において１３
００〜１８００℃の温度で２次焼結することにより、一
層緻密化を図り機械的特性を向上させることができる。
この２次焼結において、温度が１３００℃未満あるいは
Ｎ2ガス雰囲気が１０気圧未満の場合は緻密化の効果が
得られず、温度が１８００℃を越えると緻密化と同時に
結晶粒の不均一成長が生じ、微細組織が変化するので好
ましくない。尚、２次焼結における雰囲気中のＣＯ濃度
は、特に制御する必要はない。
【００２０】次に、本発明の窒化ケイ素焼結体の製造装
置について説明する。従来の焼成炉は図２に示すごとく
断熱材４等の炉材、加熱ヒーター５、及び必要に応じて
成形体１を保持するため使用する治具２等は全て炭素系
材料で構成されていた。これに対し、本発明の焼成炉で
は、これらを全て炭素系材料以外の耐熱性材料で構成す
るか、若しくは炭素系材料で構成する場合には、残留し
ている水分や空気と炭素系材料との反応により生成した
ＣＯが成形体に接触するのを防止することにより、成形
体と接する雰囲気中のＣＯ濃度を３０モルｐｐｍ以下に
抑えることができる。
置について説明する。従来の焼成炉は図２に示すごとく
断熱材４等の炉材、加熱ヒーター５、及び必要に応じて
成形体１を保持するため使用する治具２等は全て炭素系
材料で構成されていた。これに対し、本発明の焼成炉で
は、これらを全て炭素系材料以外の耐熱性材料で構成す
るか、若しくは炭素系材料で構成する場合には、残留し
ている水分や空気と炭素系材料との反応により生成した
ＣＯが成形体に接触するのを防止することにより、成形
体と接する雰囲気中のＣＯ濃度を３０モルｐｐｍ以下に
抑えることができる。
【００２１】例えば、図１に示すように、焼結されるべ
き成形体１と焼成炉の外壁３の内側に設けた断熱材４等
の炉材及び加熱ヒーター５等の加熱源との間に隔壁９を
設置し、隔壁９全体又は隔壁９のうち炉芯室１０の内側
の面を炭素系材料以外の耐熱性材料で構成する。炭素系
材料以外の耐熱性材料としては、炭化ケイ素、窒化ケイ
素、窒化ホウ素等が好ましい。尚、成形体１の保持に治
具２を用いる場合、この治具２も炭素系材料以外の耐熱
性材料で構成する。
き成形体１と焼成炉の外壁３の内側に設けた断熱材４等
の炉材及び加熱ヒーター５等の加熱源との間に隔壁９を
設置し、隔壁９全体又は隔壁９のうち炉芯室１０の内側
の面を炭素系材料以外の耐熱性材料で構成する。炭素系
材料以外の耐熱性材料としては、炭化ケイ素、窒化ケイ
素、窒化ホウ素等が好ましい。尚、成形体１の保持に治
具２を用いる場合、この治具２も炭素系材料以外の耐熱
性材料で構成する。
【００２２】更に、図１の焼成炉では、Ｎ2ガス又はＮ2
ガスを含む不活性ガスを雰囲気ガス導入管６から炉芯室
１０内へ直接導入する。雰囲気ガスは隔壁９の隙間を通
して雰囲気ガス排出管７から排出させるが、炉芯室１０
内の圧力を炉内圧力より高めに設定することにより、炉
芯室１０の外で炭素系材料と空気等との反応により生成
したＣＯガスが炉芯室１０内に混入するのを防止するこ
とが望ましい。炉芯室１０内の成形体１に接している雰
囲気中のＣＯ濃度は、雰囲気ガス測定孔８から雰囲気ガ
スを常時サンプリングし、連続的に分析測定する。
ガスを含む不活性ガスを雰囲気ガス導入管６から炉芯室
１０内へ直接導入する。雰囲気ガスは隔壁９の隙間を通
して雰囲気ガス排出管７から排出させるが、炉芯室１０
内の圧力を炉内圧力より高めに設定することにより、炉
芯室１０の外で炭素系材料と空気等との反応により生成
したＣＯガスが炉芯室１０内に混入するのを防止するこ
とが望ましい。炉芯室１０内の成形体１に接している雰
囲気中のＣＯ濃度は、雰囲気ガス測定孔８から雰囲気ガ
スを常時サンプリングし、連続的に分析測定する。
【００２３】又、隔壁９により炉芯室１０を形成しない
場合には、断熱材等の炉材、加熱ヒーター等の加熱源、
治具等を全て炭素系材料以外の耐熱性材料で構成するこ
とにより、ＣＯの生成を抑え、成形体に接する雰囲気中
のＣＯ濃度を３０ｐｐｍ以下にすることが可能である。
例えば、高アルミナ質の断熱材や、ＳｉＣ又はタングス
テン等の加熱ヒーターを用いるが、この場合は焼成ガス
雰囲気中での加熱ヒーターの耐久性ないし寿命の問題か
ら、１５００℃以下の焼結温度を採用することが好まし
い。
場合には、断熱材等の炉材、加熱ヒーター等の加熱源、
治具等を全て炭素系材料以外の耐熱性材料で構成するこ
とにより、ＣＯの生成を抑え、成形体に接する雰囲気中
のＣＯ濃度を３０ｐｐｍ以下にすることが可能である。
例えば、高アルミナ質の断熱材や、ＳｉＣ又はタングス
テン等の加熱ヒーターを用いるが、この場合は焼成ガス
雰囲気中での加熱ヒーターの耐久性ないし寿命の問題か
ら、１５００℃以下の焼結温度を採用することが好まし
い。
【００２４】
【実施例】実施例１ 平均粒径０.４μｍのＳｉ3Ｎ4粉末（α結晶化率９６
％）９１重量％に、焼結助剤として平均粒径０.８μｍ
のＹ2Ｏ3粉末４.５重量％、平均粒径０.４μｍのＡｌ2
Ｏ3粉末２.５重量％、平均粒径０.５μｍのＡｌＮ粉末
１.０重量％及び平均粒径０.５μｍのＭｇＯ粉末１.０
重量％を添加し、ナイロン製ボールミルによりエタノー
ル中で１００時間の湿式混合を行い、乾燥して混合粉末
とした。得られた混合粉末を３０００ｋｇ／ｃｍ2でＣ
ＩＰ成形し、縦横が共に６５ｍｍで厚さが６．２ｍｍの
成形体を作製した。
％）９１重量％に、焼結助剤として平均粒径０.８μｍ
のＹ2Ｏ3粉末４.５重量％、平均粒径０.４μｍのＡｌ2
Ｏ3粉末２.５重量％、平均粒径０.５μｍのＡｌＮ粉末
１.０重量％及び平均粒径０.５μｍのＭｇＯ粉末１.０
重量％を添加し、ナイロン製ボールミルによりエタノー
ル中で１００時間の湿式混合を行い、乾燥して混合粉末
とした。得られた混合粉末を３０００ｋｇ／ｃｍ2でＣ
ＩＰ成形し、縦横が共に６５ｍｍで厚さが６．２ｍｍの
成形体を作製した。
【００２５】この成形体を図１又は図２に示す２種類の
焼成炉を用い、且つ下記表１に示す材質の治具を使用
し、雰囲気ガス導入管から下記表１に示す初期ＣＯ濃度
のＮ２ガスを導入しながら、１.０気圧の雰囲気圧力に
て１４５０℃で４時間、引き続き１５８０℃で２時間の
焼結を実施した。尚、いずれの焼成炉も黒鉛ヒーター及
び炭素系断熱材を使用し、図１の焼成炉の隔壁９にはＳ
ｉＣを使用した。焼成中の炉芯室内の雰囲気ガスを、雰
囲気ガス測定孔８から採取してＣＯ濃度を連続的に測定
し、結果を表１に併せて示した。尚、本発明におけるＣ
Ｏ濃度の単位はモルｐｐｍであるが、以下実施例におい
ては表を含め単にｐｐｍと表示する。
焼成炉を用い、且つ下記表１に示す材質の治具を使用
し、雰囲気ガス導入管から下記表１に示す初期ＣＯ濃度
のＮ２ガスを導入しながら、１.０気圧の雰囲気圧力に
て１４５０℃で４時間、引き続き１５８０℃で２時間の
焼結を実施した。尚、いずれの焼成炉も黒鉛ヒーター及
び炭素系断熱材を使用し、図１の焼成炉の隔壁９にはＳ
ｉＣを使用した。焼成中の炉芯室内の雰囲気ガスを、雰
囲気ガス測定孔８から採取してＣＯ濃度を連続的に測定
し、結果を表１に併せて示した。尚、本発明におけるＣ
Ｏ濃度の単位はモルｐｐｍであるが、以下実施例におい
ては表を含め単にｐｐｍと表示する。
【００２６】
【表１】 （注）表中の＊を付した試料は比較例である（以下同
じ）。
じ）。
【００２７】得られた各焼結体の相対密度、焼結後の減
量率、及び室温での３点曲げ強度を測定し、結果を表２
に示した。尚、相対密度はアルキメデス法により求めた
嵩密度を理論密度で除した値であり、３点曲げ強度はＪ
ＩＳ Ｒ１６０１に準じて、引張面が焼結したままの焼
結面である場合と、表面から０.１ｍｍ、０.３ｍｍ、
０.５ｍｍ及び１.０ｍｍの深さまでダイヤモンド砥粒
（＃８００）で研削加工した研削面である場合について
測定した。
量率、及び室温での３点曲げ強度を測定し、結果を表２
に示した。尚、相対密度はアルキメデス法により求めた
嵩密度を理論密度で除した値であり、３点曲げ強度はＪ
ＩＳ Ｒ１６０１に準じて、引張面が焼結したままの焼
結面である場合と、表面から０.１ｍｍ、０.３ｍｍ、
０.５ｍｍ及び１.０ｍｍの深さまでダイヤモンド砥粒
（＃８００）で研削加工した研削面である場合について
測定した。
【００２８】
【表２】 焼結体の 焼結体 ３ 点 曲 げ 強 度 (kg／mm2) 相対密度 減量率 未研削 研削面（研削加工取り代） 試料 （％） （％） 焼結面 0.1mm 0.3mm 0.5mm 1.0mm ａ 98.2 0.15 85.4 105.2 108.0 104.2 105.0 ｂ 98.2 0.15 85.5 103.6 103.0 106.7 105.1 ｃ 97.8 0.18 79.3 101.3 102.5 99.8 101.0 ｄ 97.9 0.20 79.8 101.2 99.5 100.4 102.9 ｅ 97.4 0.25 78.7 97.9 100.0 98.5 100.3 ｆ＊ 97.0 0.89 75.4 83.2 98.3 98.0 97.6 ｇ＊ 94.5 2.37 49.8 53.0 62.4 75.5 83.9 ｈ＊ 96.5 1.45 67.5 65.4 75.7 95.8 96.3 ｉ＊ 95.5 2.00 53.2 56.8 67.8 89.8 95.4
【００２９】表２から明らかなように、焼結中における
雰囲気中のＣＯ濃度を３０ｐｐｍ以下に制御した本発明
の試料ａ〜ｅでは、取り代０.１ｍｍの研削加工により
強度が焼結体内部とほぼ同等になり、表面の変質が極め
て軽微であることが判る。これに対して、ＣＯ濃度が３
０ｐｐｍを越える比較例の試料ｆ〜ｉでは表面の変質層
が厚く、特に焼結体の減量率の大きい試料ｇとｉでは変
質による強度低下が内部にまで及び、しかも緻密化も不
十分で焼結性の低下が認められる。特に典型的な本発明
例である試料ａと従来の焼成炉を用いた試料ｉを比較す
れば、本発明によるＣＯ濃度の低減作用並びに焼結体表
面の変質防止効果が明瞭である。
雰囲気中のＣＯ濃度を３０ｐｐｍ以下に制御した本発明
の試料ａ〜ｅでは、取り代０.１ｍｍの研削加工により
強度が焼結体内部とほぼ同等になり、表面の変質が極め
て軽微であることが判る。これに対して、ＣＯ濃度が３
０ｐｐｍを越える比較例の試料ｆ〜ｉでは表面の変質層
が厚く、特に焼結体の減量率の大きい試料ｇとｉでは変
質による強度低下が内部にまで及び、しかも緻密化も不
十分で焼結性の低下が認められる。特に典型的な本発明
例である試料ａと従来の焼成炉を用いた試料ｉを比較す
れば、本発明によるＣＯ濃度の低減作用並びに焼結体表
面の変質防止効果が明瞭である。
【００３０】実施例２ 実施例１で得た試料ａ〜ｅの焼結体を、更に１００気圧
のＮ2ガス雰囲気中において１６５０℃で２時間の２次
焼結を行い、それぞれ試料ａ’〜ｅ’の焼結体を得た。
各焼結体を実施例１と同様の測定に供し、求めた相対密
度及び３点曲げ強度を表３において示した。下記表３の
結果から、２次焼結により更に焼結体の強度を向上させ
得ること、及び２次焼結による表面変質は極めて少な
く、取り代０.１ｍｍの研削加工で内部と変わらない強
度が得られることが判る。
のＮ2ガス雰囲気中において１６５０℃で２時間の２次
焼結を行い、それぞれ試料ａ’〜ｅ’の焼結体を得た。
各焼結体を実施例１と同様の測定に供し、求めた相対密
度及び３点曲げ強度を表３において示した。下記表３の
結果から、２次焼結により更に焼結体の強度を向上させ
得ること、及び２次焼結による表面変質は極めて少な
く、取り代０.１ｍｍの研削加工で内部と変わらない強
度が得られることが判る。
【００３１】
【表３】 焼結体の ３ 点 曲 げ 強 度 (kg／mm2) 相対密度 未研削 研削面（研削加工取り代） 試料 （％） 焼結面 0.1mm 0.3mm 0.5mm 1.0mm ａ’ 100 87.0 155.1 152.3 153.0 154.5 ｂ’ 100 85.5 154.0 153.4 151.6 153.8 ｃ’ 99.9 80.0 154.2 151.5 152.2 152.5 ｄ’ 99.9 79.3 152.8 152.0 153.9 153.0 ｅ’ 99.9 79.4 153.5 151.7 151.0 152.6
【００３２】実施例３ 実施例１と同様に作製した成形体を、前記表１の試料ａ
及びｉと同じ条件で繰り返し５回焼結を行い、それぞれ
ロットの異なる５つの試料ａ−１〜ａ−５及びｉ−１〜
ｉ−５を得た。各ロット毎に焼結中に測定した雰囲気中
のＣＯ濃度と共に、得られた各焼結体について実施例１
と同様の測定を行って求めた結果を表４に示した。
及びｉと同じ条件で繰り返し５回焼結を行い、それぞれ
ロットの異なる５つの試料ａ−１〜ａ−５及びｉ−１〜
ｉ−５を得た。各ロット毎に焼結中に測定した雰囲気中
のＣＯ濃度と共に、得られた各焼結体について実施例１
と同様の測定を行って求めた結果を表４に示した。
【００３３】
【表４】 焼結中CO 焼結体の 焼結体 ３点曲げ強度(kg／mm2) 濃度(ppm) 相対密度 減量率 研削面(研削加工取り代) 試料 最高値 (％) (％) 0.1mm 0.5mm 1.0mm ａ−1 2 98.2 0.15 104.3 106.7 105.2 ａ−2 2 98.3 0.14 105.0 104.9 103.0 ａ−3 4 98.2 0.15 103.8 106.0 104.2 ａ−4 3 98.1 0.16 105.6 103.3 108.9 ａ−5 2 98.2 0.15 107.0 106.5 109.4 ｉ−1＊ 165 95.9 1.78 60.2 90.5 94.3 ｉ−2＊ 200 95.1 2.05 54.3 66.6 93.8 ｉ−3＊ 79 97.1 0.87 82.7 97.0 96.4 ｉ−4＊ 100 96.6 1.30 65.4 96.0 97.1 ｉ−5＊ 138 96.0 1.59 63.5 94.9 95.1
【００３４】上記表４から、図２に示す焼成炉を用いた
従来の方法では、焼結毎に雰囲気中のＣＯ濃度が変動
し、それに伴って得られる焼結体の表面変質層の厚さに
相当大きなバラツキが生じるのに対し、本発明の方法で
はＣＯ濃度の変動が少なく、従ってロット間のバラツキ
が極めて少なく安定した品質の焼結体が得られることが
判る。
従来の方法では、焼結毎に雰囲気中のＣＯ濃度が変動
し、それに伴って得られる焼結体の表面変質層の厚さに
相当大きなバラツキが生じるのに対し、本発明の方法で
はＣＯ濃度の変動が少なく、従ってロット間のバラツキ
が極めて少なく安定した品質の焼結体が得られることが
判る。
【００３５】
【発明の効果】本発明によれば、焼結中に焼結体と接す
る雰囲気中のＣＯ濃度を３０モルｐｐｍ以下に低減させ
ることにより、機械的強度を低下させる原因となる表面
変質層が極めて少なく、高密度で機械的特性に優れた窒
化ケイ素焼結体を安定して得ることができる。
る雰囲気中のＣＯ濃度を３０モルｐｐｍ以下に低減させ
ることにより、機械的強度を低下させる原因となる表面
変質層が極めて少なく、高密度で機械的特性に優れた窒
化ケイ素焼結体を安定して得ることができる。
【００３６】得られる焼結体は表面変質層が極めて少な
いので、これを除去するための研削加工に要する負荷が
大幅に低減され、しかも従来に比べて低温且つ低圧での
焼結が可能となるので、コストの削減及び生産性の向上
に多大な効果が得られる。
いので、これを除去するための研削加工に要する負荷が
大幅に低減され、しかも従来に比べて低温且つ低圧での
焼結が可能となるので、コストの削減及び生産性の向上
に多大な効果が得られる。
【図１】本発明による窒化ケイ素焼結体の製造装置の一
例を示す概略断面図である。
例を示す概略断面図である。
【図２】従来の窒化ケイ素焼結体の製造装置を示す概略
断面図である。
断面図である。
１ 成形体 ２ 治具 ３ 外壁 ４ 断熱材 ５ 加熱ヒーター ６ 雰囲気ガス導入管 ７ 雰囲気ガス排出管 ８ 雰囲気ガス測定孔 ９ 隔壁 １０ 炉芯室
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−219065（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C04B 35/584
Claims (4)
- 【請求項１】 窒化ケイ素粉末と焼結助剤との混合粉末
を成形し、成形体をＮ２ガス又はＮ２ガスを含む不活性
ガスの雰囲気中で焼結する窒化ケイ素焼結体の製造方法
において、焼成炉の炉材及び加熱源より内側に少なくと
も内面が炭素系材料以外の耐熱性材料で構成された隔壁
を設け、この隔壁で形成された炉芯室内に前記成形体を
直接配置するか又は炭素系材料以外の耐熱材料からなる
治具に保持して配置し、該炉芯室内に前記雰囲気ガスを
直接導入することにより、焼結中の成形体と接する前記
雰囲気中のＣＯ濃度を３０モルｐｐｍ以下とすることを
特徴とする窒化ケイ素焼結体の製造方法。 - 【請求項２】 上記雰囲気の圧力を大気圧若しくは１.
０〜１.１気圧の範囲とし、１３００〜１８００℃の温
度で焼結することを特徴とする、請求項１記載の窒化ケ
イ素焼結体の製造方法。 - 【請求項３】 請求項１又は２の方法により得られた焼
結体を、１０気圧以上のＮ2ガス雰囲気中において１３
００〜１８００℃の温度で２次焼結することを特徴とす
る窒化ケイ素焼結体の製造方法。 - 【請求項４】 窒化ケイ素粉末と焼結助剤の混合粉末か
らなる成形体を焼結するための焼成炉を有する窒化ケイ
素焼結体の製造装置において、焼成炉の炉材及び加熱源
より内側に隔壁を設けて構成した炉芯室と、炉芯室内に
直接Ｎ2ガス又はＮ2ガスを含む不活性ガスを導入する雰
囲気ガス導入管とを備え、前記隔壁の少なくとも炉芯室
内側の面が炭素系材料以外の耐熱性材料で構成され、炉
芯室内に成形体を直接配置するか又は炭素系材料以外の
耐熱性材料からなる治具に保持して配置するようにした
ことを特徴とする窒化ケイ素焼結体の製造装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04184416A JP3111656B2 (ja) | 1992-06-18 | 1992-06-18 | 窒化ケイ素焼結体の製造方法及び製造装置 |
| EP93109718A EP0574926B1 (en) | 1992-06-18 | 1993-06-17 | Process and apparatus for producing silicon nitride ceramic |
| DE69315261T DE69315261T2 (de) | 1992-06-18 | 1993-06-17 | Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Siliciumnitridkeramik |
| US08/219,719 US5533930A (en) | 1992-06-18 | 1994-03-29 | Apparatus for producing a silicon nitride sintered body |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04184416A JP3111656B2 (ja) | 1992-06-18 | 1992-06-18 | 窒化ケイ素焼結体の製造方法及び製造装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH061664A JPH061664A (ja) | 1994-01-11 |
| JP3111656B2 true JP3111656B2 (ja) | 2000-11-27 |
Family
ID=16152788
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04184416A Expired - Lifetime JP3111656B2 (ja) | 1992-06-18 | 1992-06-18 | 窒化ケイ素焼結体の製造方法及び製造装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3111656B2 (ja) |
-
1992
- 1992-06-18 JP JP04184416A patent/JP3111656B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH061664A (ja) | 1994-01-11 |
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