JP3152790B2 - Method for producing silicon nitride based sintered body - Google Patents

Method for producing silicon nitride based sintered body

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JP3152790B2
JP3152790B2 JP07328893A JP7328893A JP3152790B2 JP 3152790 B2 JP3152790 B2 JP 3152790B2 JP 07328893 A JP07328893 A JP 07328893A JP 7328893 A JP7328893 A JP 7328893A JP 3152790 B2 JP3152790 B2 JP 3152790B2
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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】本発明は室温から高温までの強度
特性に優れ、特に、自動車用部品やガスタ−ビンエンジ
ン用部品等に使用される窒化珪素質焼結体の製造方法に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a silicon nitride sintered body having excellent strength characteristics from room temperature to high temperature and particularly used for parts for automobiles and parts for gas turbine engines.

【0002】[0002]

【従来技術】従来から、窒化珪素質焼結体は、耐熱性、
耐熱衝撃性、および耐酸化特性に優れることからエンジ
ニアリングセラミックス、特にタ−ボロ−タ−等の熱機
関用として応用が進められている。この窒化珪素質焼結
体は、一般には窒化珪素に対してY2 3 、Al2 3
あるいはMgOなどの焼結助剤を添加することにより高
密度で高強度の特性が得られている。このような窒化珪
素質焼結体に対しては、さらにその使用条件が高温化す
るに際して、高温における強度および耐酸化特性のさら
なる改善が求められている。かかる要求に対して、これ
まで焼結助剤の検討や焼成条件等を改善する等各種の改
良が試みられている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a silicon nitride sintered body has been known to have heat resistance,
Because of its excellent thermal shock resistance and oxidation resistance, it is being applied to engineering ceramics, especially for heat engines such as turbo rotators. This silicon nitride sintered body is generally made of Y 2 O 3 , Al 2 O 3
Alternatively, by adding a sintering aid such as MgO, high density and high strength characteristics are obtained. As such silicon nitride sintered bodies are required to be further improved in strength and oxidation resistance at high temperatures when their use conditions are further increased. In response to such demands, various improvements have been attempted, for example, by studying sintering aids and improving firing conditions.

【0003】その中で、従来より焼結助剤として用いら
れてきたAl2 3 等の低融点酸化物が高温特性を劣化
させるという見地から、窒化珪素に対してY2 3 等の
周期律表第3a族元素(RE)および酸化珪素からなる
単純な3元系(Si3 4 −SiO2 −RE2 3 )の
組成からなる焼結体において、その焼結体の粒界にSi
−RE−O−NからなるYAM相、アパタイト相等の結
晶相を析出させることにより粒界の高融点化および安定
化を図ることが提案されている。その中でもシリコンオ
キシナイトライド(Si2 2 O)相とダイシリケート
(RE2 Si27 )相は窒化珪素の酸化生成物のSi
2 と平衡に存在し、それらを粒界に析出させると焼結
体の耐酸化性が向上することが知られている。
Among them, from the viewpoint that a low melting point oxide such as Al 2 O 3 which has been conventionally used as a sintering agent deteriorates high-temperature characteristics, the periodicity of Y 2 O 3 or the like with respect to silicon nitride is considered. in the sintered body having a composition of table group 3a element (RE) and a simple ternary system consisting of a silicon oxide (Si 3 N 4 -SiO 2 -RE 2 O 3), the grain boundary of the sintered body Si
It has been proposed to increase the melting point and stabilize the grain boundary by precipitating a crystal phase such as a YAM phase and an apatite phase composed of -RE-ON. Among them, the silicon oxynitride (Si 2 N 2 O) phase and the disilicate (RE 2 Si 2 O 7 ) phase are silicon oxide products of silicon nitride.
It is known that O 2 exists in equilibrium with O 2, and when they are precipitated at grain boundaries, the oxidation resistance of the sintered body is improved.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、粒界
をシリコンオキシナイトライド相とダイシリケート相に
結晶化することにより粒界が非晶質である場合に比較し
て高温特性は改善されるものの、高密度焼結体を得るた
めに高温で焼成しようとする場合に、成形体外部が内部
よりも先に緻密化し、内部に気孔が残存しやすく、これ
により気孔がトラップされてボイドを形成していた。ま
た、助剤量を増加させて焼成温度を下げて焼成すると、
窒化珪素の粒成長速度が速くなり、粒界を拡散するボイ
ドが凝集し大きなボイドを形成していた。
However, by crystallizing the grain boundaries into a silicon oxynitride phase and a disilicate phase, the high-temperature characteristics are improved as compared with the case where the grain boundaries are amorphous. In the case of firing at a high temperature to obtain a high-density sintered body, the outside of the molded body becomes denser than the inside, and pores tend to remain inside, thereby trapping pores and forming voids. I was Also, when firing is performed by lowering the firing temperature by increasing the amount of auxiliary agent,
The grain growth rate of silicon nitride was increased, and voids diffusing at grain boundaries were aggregated to form large voids.

【0005】このようなボイドが焼結体中に生成すると
室温強度、高温強度の劣化、耐クリープを特性が劣化す
るなどの問題があり、材料の機械的の信頼性を低下する
要因となっていた。そのために、かかる焼結体を実用化
するには特性的に信頼性に欠けさらなる改善が要求され
ている。
[0005] If such voids are formed in the sintered body, there are problems such as deterioration of room temperature strength, high temperature strength, and deterioration of creep resistance characteristics, and this is a factor that lowers the mechanical reliability of the material. Was. Therefore, in order to put such a sintered body into practical use, characteristics thereof lack reliability and further improvement is required.

【0006】よって、本発明は、室温から高温までの自
動車部品やガスタ−ビンエンジン用等で使用されるに十
分な強度特性、特に、室温から1400℃の高温までの
抗折強度に優れる窒化珪素質焼結体の製造方法を提供す
ることを目的とするものである。
Accordingly, the present invention provides a silicon nitride excellent in strength characteristics sufficient for use in automobile parts from room temperature to high temperature, for use in gas turbine engines, and the like, and particularly excellent in bending strength from room temperature to high temperature of 1400 ° C. It is an object of the present invention to provide a method for producing a porous sintered body .

【0007】[0007]

【問題点を解決するための手段】本発明者等は、焼結体
の前記問題点に対して検討を重ねた結果、所定の組成か
らなる成形体を焼成するにあたり、その焼成温度を粒界
に生成される結晶相の窒化珪素との共晶温度との関係で
特定の範囲に設定して焼成することによりボイドの生成
を抑制することができ、しかも特定の結晶相を析出させ
ることにより、高強度でボイドの小さい高信頼性の窒化
珪素質焼結体が得られることを知見し、本発明に至っ
た。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have repeatedly studied the above-mentioned problems of the sintered body, and as a result, when firing a formed body having a predetermined composition, the firing temperature was set at the grain boundary. By setting a specific range in relation to the eutectic temperature with silicon nitride of the crystal phase generated and firing, the generation of voids can be suppressed, and by precipitating a specific crystal phase, The present inventors have found that a highly reliable silicon nitride-based sintered body having high strength and small voids can be obtained, and the present invention has been accomplished.

【0008】[0008]

【0009】即ち、本発明の窒化珪素質焼結体の製造方
法は、窒化珪素を主体とし、周期律表第3a族元素酸化
物(RE23)および過剰酸素を含有するとともに、前
記過剰酸素のSiO2換算量の周期律表第3a族元素酸
化物に対するモル比が2〜10の組成からなる成形体を
非酸化性雰囲気中、1600〜1950℃の温度で焼成
する窒化珪素質焼結体の製造方法であって、前記焼成温
度が前記周期律表第3a族元素(RE)のRE2Si2
7で表される結晶と窒化珪素との共晶温度よりも高く、
且つ前記焼成温度と前記共晶温度との差が200℃以下
であることを特徴とするものである。
That is, a method for producing the silicon nitride sintered body of the present invention.
The method is mainly composed of silicon nitride, contains a Group 3a element oxide (RE 2 O 3 ) of the periodic table and excess oxygen, and contains a Group 3a element oxide of the periodic table in terms of SiO 2 equivalent amount of the excess oxygen. A method for producing a silicon nitride-based sintered body, comprising: firing a molded body having a composition having a molar ratio of 2 to 10 in a non-oxidizing atmosphere at a temperature of 1600 to 1950 ° C., wherein the firing temperature is the periodic table. Group 3a element (RE) RE 2 Si 2 O
Higher than the eutectic temperature of the crystal and silicon nitride represented by 7 ,
In addition, a difference between the firing temperature and the eutectic temperature is 200 ° C. or less.

【0010】以下、本発明を詳述する。本発明を用いて
製造した窒化珪素質焼結体は、組成上は窒化珪素を主成
分とするものでこれに添加成分として周期律表第3a族
元素および過剰酸素を含む。ここで、過剰酸素とは、焼
結体中の全酸素量から焼結体中のSi以外の周期律表第
3a族元素が化学量論的に酸化物を形成した場合にその
元素に結合している酸素を除く残りの酸素量であり、そ
のほとんどは窒化珪素原料に含まれる酸素、あるいは添
加される酸化珪素として混入するものであり、本発明で
は全てSiO2として存在するものとして考慮する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail. With the present invention
The manufactured silicon nitride-based sintered body has a composition of silicon nitride as a main component, and contains, as additional components, a Group 3a element of the periodic table and excess oxygen. Here, the excess oxygen means that when a group 3a element of the periodic table other than Si in the sintered body forms an oxide stoichiometrically from the total amount of oxygen in the sintered body, it binds to the element. Is the amount of oxygen remaining, excluding oxygen, most of which is mixed as oxygen contained in the silicon nitride raw material or added silicon oxide. In the present invention, it is considered that all are present as SiO 2 .

【0011】本発明を用いて製造した窒化珪素質焼結体
は、組織的には窒化珪素結晶相を主相とするのであっ
て、そのほとんどがβ−Si34からなり、およそ1〜
10μmの平均粒径で存在する。また、その粒界には周
期律表第3a族元素および過剰の酸素(酸化珪素として
存在すると考えられるが)が少なくとも存在し、その粒
界中にはシリコンオキシナイトライド相(Si22O)
および/またはダイシリケート相(RE2Si27)の
結晶相が存在する。
The silicon nitride-based sintered body manufactured by using the present invention is structurally mainly composed of a silicon nitride crystal phase, most of which is composed of β-Si 3 N 4 ,
Present with an average particle size of 10 μm. In addition, at the grain boundaries, at least an element belonging to Group 3a of the periodic table and excess oxygen (which is considered to exist as silicon oxide) are present, and at the grain boundaries, a silicon oxynitride phase (Si 2 N 2 O) is present. )
And / or a crystalline phase of a disilicate phase (RE 2 Si 2 O 7 ).

【0012】また、上記結晶相を析出させるためには焼
結体中の過剰酸素の酸化珪素(SiO2 )換算量の周期
律表第3a族元素の酸化物(RE2 3 )換算量に対す
るSiO2 /RE2 3 で表されるモル比を2〜10、
特に2〜4に組成制御することが必要であり、このモル
比が2より小さいと粒界にSi2 2 OやRE2 Si2
7 以外にRE−Si−O−Nからなる微量のガラス相
が存在しやすく、高温強度を低下させると共に耐酸化性
を劣化させ、場合によってはRE10Si2 234 やR
10(SiO4 6 2 等で記述されるアパタイト相や
RE4 Si2 7 2 で記述されるYAM相などの結晶
相が析出し高温における特性、特に耐酸化性が低下して
しまう。また、上記比率が10を越えると緻密化が阻害
されるためである。
Further, in order to precipitate the crystal phase, the amount of excess oxygen in the sintered body in terms of silicon oxide (SiO 2 ) is based on the amount in terms of oxides (RE 2 O 3 ) of Group 3a elements of the periodic table. The molar ratio represented by SiO 2 / RE 2 O 3 is 2 to 10,
In particular, it is necessary to control the composition to 2 to 4. When this molar ratio is smaller than 2 , Si 2 N 2 O or RE 2 Si 2
In addition to O 7 , a trace amount of a glass phase composed of RE—Si—O—N is likely to be present, lowering high-temperature strength and deteriorating oxidation resistance. In some cases, RE 10 Si 2 O 23 N 4 and R
Crystal phases such as an apatite phase described by E 10 (SiO 4 ) 6 N 2 and a YAM phase described by RE 4 Si 2 O 7 N 2 are precipitated, and properties at high temperatures, particularly oxidation resistance, decrease. I will. Further, when the above ratio exceeds 10, densification is hindered.

【0013】なお、本発明に用いられる周期律表第3a
族元素としては、Yやランタノイド元素が挙げられる
が、その中でも特にYb、Er、Dy、Luが望まし
く、その量は3〜10モル%、特に3〜7モル%の範囲
に制御することが望ましく、3モル%より少ないと緻密
化が困難となり、10モル%を越えると粒界の絶対量が
増加し高温特性が劣化しやすくなるためである。
The periodic table 3a used in the present invention
Examples of group elements include Y and lanthanoid elements, and among them, Yb, Er, Dy, and Lu are particularly desirable, and the amount thereof is desirably controlled in the range of 3 to 10 mol%, particularly 3 to 7 mol%. If the amount is less than 3 mol%, densification becomes difficult, and if it exceeds 10 mol%, the absolute amount of the grain boundary increases and the high-temperature characteristics are likely to deteriorate.

【0014】さらに、通常、液相焼結により焼結体を得
る場合、そのボイド数を減らすことができてもその表面
または内部へのボイドの形成を完全に防止することは困
難であり、上記組成で表されるように比較的SiO2
分が多い組成系においては前述したようにボイドの形成
が顕著である。しかしながら、本発明によれば、上記系
の相対密度97%以上の緻密体を作成する場合に焼結体
において最大ボイド径を5μm以下、特に3μm以下に
制御すると、ボイドの存在による機械的特性への影響を
小さくし、焼結体本来の特性を発揮することができる。
その最大ボイド径が5μmを越えると、このボイドが破
壊源となり、焼結体強度を低下させるとともに特性のバ
ラツキをもたらす要因となるためである。
Furthermore, when a sintered body is usually obtained by liquid phase sintering, it is difficult to completely prevent the formation of voids on the surface or inside thereof even if the number of voids can be reduced. As described above, void formation is remarkable in a composition system having a relatively large SiO 2 component as represented by the composition. However, according to the present invention, when a dense body having a relative density of 97% or more of the above system is prepared, if the maximum void diameter is controlled to 5 μm or less, particularly 3 μm or less in the sintered body, mechanical properties due to the presence of voids may be reduced. Effect can be reduced, and the original characteristics of the sintered body can be exhibited.
If the maximum void diameter exceeds 5 μm, the voids become a source of fracture, which lowers the strength of the sintered body and causes variations in characteristics.

【0015】なお、焼結体中には、上記組成以外に周期
律表4a、5a、6a族金属やそれらの炭化物、窒化
物、珪化物またはSiCなどは、分散粒子やウイスカー
として本発明の焼結体中に存在しても特性を劣化させる
ような影響が小さいことからこれらを周知技術に基づ
き、適量添加して複合材料として特性の改善を行うこと
も当然可能である。
In the sintered body, in addition to the above composition, metals of Groups 4a, 5a, and 6a of the periodic table and their carbides, nitrides, silicides, SiC, and the like are dispersed particles and whiskers of the present invention. Even if present in the aggregate, the effect of deteriorating the characteristics is small, so that it is naturally possible to improve the characteristics as a composite material by adding an appropriate amount thereof based on a known technique.

【0016】しかし、Al、Mg、Ca等の金属は低融
点の酸化物を形成しこれにより粒界の結晶化が阻害され
るとともに高温強度を劣化させるため、これらの金属は
酸化物換算量で0.5重量%以下に制御することが望ま
しい。
However, metals such as Al, Mg and Ca form oxides having a low melting point, which hinders crystallization of grain boundaries and deteriorates high-temperature strength. It is desirable to control it to 0.5% by weight or less.

【0017】次に、本発明の窒化珪素質焼結体の製造方
法について説明する。本発明によれば、出発原料として
窒化珪素粉末を主成分とし、添加成分として周期律表第
3a族元素酸化物、場合により酸化珪素粉末を添加して
なる。また添加形態として周期律表第3a族元素酸化物
と酸化珪素からなる化合物,または窒化珪素と周期律表
第3a族元素酸化物と酸化珪素の化合物粉末を用いるこ
ともできる。
Next, a method for producing the silicon nitride sintered body of the present invention will be described. According to the present invention, a silicon nitride powder is used as a main component as a starting material, and an oxide of a Group 3a element of the periodic table, and in some cases, a silicon oxide powder are added as an additional component. Further, as an addition form, a compound composed of an oxide of a Group 3a element of the periodic table and silicon oxide, or a compound powder of silicon nitride, an oxide of an element of the Group 3a of the periodic table and silicon oxide can be used.

【0018】用いられる窒化珪素粉末は、α型、β型の
いずれでも使用することができ、その粒子径は0.4〜
1.2μmが適当である。
The silicon nitride powder to be used may be either α-type or β-type, and the particle size is 0.4 to
1.2 μm is appropriate.

【0019】本発明によれば、これらの粉末を用いて、
特に窒化珪素が70〜97モル%、周期律表第3a族元
素酸化物(RE2 3 )を3〜10モル%、特に3〜7
モル%および過剰酸素(SiO2 換算量)を含み、Si
2 /RE2 3 で表されるモル比が2以上、特に焼成
時の分解を考慮し2.5以上であることが重要である。
ここでの過剰酸素とは、窒化珪素粉末に含まれる不純物
酸素をSiO2 換算した量と添加したSiO2 粉末の合
量である。
According to the present invention, using these powders,
In particular, 70 to 97 mol% of silicon nitride and 3 to 10 mol%, particularly 3 to 7 mol%, of a Group 3a element oxide (RE 2 O 3 ) of the periodic table.
Mol% and excess oxygen (equivalent to SiO 2 )
It is important that the molar ratio represented by O 2 / RE 2 O 3 is 2 or more, especially 2.5 or more in consideration of decomposition during firing.
Here excess oxygen is the total amount of SiO 2 powder impurities oxygen was added to the amount SiO 2 in terms contained in the silicon nitride powder.

【0020】なお、上記周期律表第3a族元素酸化物量
が3モル%より少ないと焼結性が低下し、10モル%を
越えると粒界成分量が増加し高温強度が低下する。また
上記モル比率が2より小さいとRE−Si−O−Nから
なる微量のガラス相が生成しやすく、シリコンオキシナ
イトライド(Si2 2 O)相および/またはダイシリ
ケート(RE2 Si2 7 )相以外のアパタイト相やY
AM相などの結晶相が析出し高温における特性、特に耐
酸化性が低下してしまうためである。
When the amount of the Group 3a element oxide in the periodic table is less than 3 mol%, the sinterability decreases. When the amount exceeds 10 mol%, the amount of the grain boundary component increases and the high-temperature strength decreases. On the other hand, if the molar ratio is smaller than 2, a trace amount of a glass phase composed of RE-Si-ON is likely to be generated, and a silicon oxynitride (Si 2 N 2 O) phase and / or a disilicate (RE 2 Si 2 O) 7 ) Apatite phase other than phase or Y
This is because a crystal phase such as an AM phase is precipitated, and characteristics at high temperatures, particularly, oxidation resistance are reduced.

【0021】上記の割合で混合された混合粉末を所望の
成形手段、例えば、金型プレス、鋳込み成形、押し出し
成形、射出成形、冷間静水圧プレス等により任意の形状
に成形する。
The mixed powder mixed in the above ratio is formed into an arbitrary shape by a desired molding means, for example, a die press, a casting molding, an extrusion molding, an injection molding, a cold isostatic pressing and the like.

【0022】次に、この成形体を窒素を含む1600〜
1950℃の非酸化性雰囲気中で焼成するが、本発明に
よれば、その焼成温度をRE2 Si2 7 と窒化珪素と
の共晶温度よりも高く、且つ共晶温度と焼成温度の差が
200℃以下、望ましくは共晶温度より100〜150
℃高い温度範囲で焼成することが重要である。これは、
焼成温度が共晶温度より液相が生成せず、緻密化が達成
されず、焼成温度がその共晶温度よりも200℃を越え
る温度では粒成長が促進されるとともに焼結体中でのボ
イドが生成するとともに、ボイドが凝集し大きな径のボ
イドが形成される。なお、RE2 Si2 7 と窒化珪素
との共晶温度は用いる周期律表第3a族元素の種類によ
り異なるため、配合種により適宜設定する必要がある。
Next, the molded product was heated to 1600
According to the present invention, the sintering temperature is higher than the eutectic temperature of RE 2 Si 2 O 7 and silicon nitride, and the difference between the eutectic temperature and the sintering temperature. Is 200 ° C. or less, preferably 100 to 150 ° C. below the eutectic temperature.
It is important to fire at a high temperature range of ° C. this is,
When the sintering temperature is lower than the eutectic temperature, a liquid phase is not formed and densification is not achieved. When the sintering temperature is higher than 200 ° C. than the eutectic temperature, grain growth is promoted and voids in the sintered body are increased. Are generated, and the voids are aggregated to form a void having a large diameter. Since the eutectic temperature of RE 2 Si 2 O 7 and silicon nitride differs depending on the type of Group 3a element in the periodic table, it is necessary to appropriately set the eutectic temperature depending on the compound type.

【0023】さらに、焼成時において閉気孔が生成し始
める時期における窒素圧力が10気圧以下、特に1.0
〜5.0気圧であることも重要である。窒素圧力が10
気圧より高いと焼結体中へ気孔がトラップされた際に閉
気孔内の圧力が高くなり閉気孔を焼結過程で消滅させる
ことが困難となり、径の大きいボイドが形成されるため
である。
Further, the nitrogen pressure at the time when closed pores start to be generated during firing is 10 atm or less, particularly 1.0 atm.
It is also important that it be ~ 5.0 atm. Nitrogen pressure is 10
If the pressure is higher than the atmospheric pressure, when the pores are trapped in the sintered body, the pressure in the closed pores increases, making it difficult to eliminate the closed pores during the sintering process, thereby forming voids having a large diameter.

【0024】上記焼成により、最終的に対理論密度比9
7%以上の緻密な焼結体を得ることができるが、本発明
によれば、焼結体中の窒化珪素結晶粒界において、RE
2 Si2 7 および/またはSi2 2 Oを主体とした
結晶相を形成させるために、上記焼成工程における冷却
過程、または冷却段階での一時保持、あるいは焼成工程
終了後の熱処理により粒界にこれらの結晶を析出させ
る。この時の熱処理温度は1100〜1500℃が適当
である。望ましくは、700〜1250℃の範囲で一旦
保持した後、さらに1300〜1600℃の温度で多段
熱処理することが望ましい。かかる多段熱処理によれ
ば、粒界へ析出する結晶サイズを小さくすることがで
き、高温強度を高めることができるためである。
By the above calcination, the theoretical density ratio is finally 9
Although it is possible to obtain a dense sintered body of 7% or more, according to the present invention, RE at the silicon nitride crystal grain boundaries in the sintered body
In order to form a crystal phase mainly composed of 2 Si 2 O 7 and / or Si 2 N 2 O, a grain boundary is formed by a cooling process in the firing step, a temporary holding in the cooling step, or a heat treatment after the firing step. To precipitate these crystals. An appropriate heat treatment temperature at this time is 1100 to 1500 ° C. Desirably, after once holding in the range of 700 to 1250 ° C., it is desirable to further perform multi-stage heat treatment at a temperature of 1300 to 1600 ° C. This is because such a multi-step heat treatment can reduce the crystal size precipitated at the grain boundary and increase the high-temperature strength.

【0025】[0025]

【作用】前述したSiO2 /RE2 3 モル比が2.0
以上の組成からなる窒化珪素質焼結体の粒界相結晶はR
2 Si2 7 (RE:周期律表第3a族元素)および
/またはSi2 2 Oで表される結晶が主なものであ
る。
The aforementioned SiO 2 / RE 2 O 3 molar ratio is 2.0.
The grain boundary phase crystal of the silicon nitride sintered body having the above composition is R
A crystal mainly represented by E 2 Si 2 O 7 (RE: an element of Group 3a of the periodic table) and / or Si 2 N 2 O is mainly used.

【0026】本発明の組成系においては、その焼結過程
でSi3 4 −RE2 3 −SiO2 の反応により、S
i−RE−O−N系の液相が生成される。焼結は液相を
介して溶解−再析出過程により進行するが、気孔はその
際、粒界を拡散して系外に排出される。しかしながら、
気孔の拡散速度は温度を上げることにより速くなるが、
同時に粒成長が進行し拡散を阻害するために気孔は系内
に残留する。その場合の粒成長速度は溶解−再析出過程
における拡散に支配されるため、液相を生成する最低の
温度、即ち、RE2 Si2 7 と窒化珪素との共晶温度
Tcと、焼成温度Tsとの差、ΔT=Ts−Tcにより
支配される。よって、気孔を系外に排出するためにはΔ
Tを小さくすることにより粒成長速度を遅くすることが
必要である。
In the composition system of the present invention, S 3 N 4 —RE 2 O 3 —SiO 2 reacts in the sintering process to form S
An i-RE-ON-based liquid phase is produced. Sintering proceeds through a liquid phase by a dissolution-reprecipitation process. At this time, pores diffuse out of the grain boundary and are discharged out of the system. However,
The diffusion rate of the pores increases with increasing temperature,
At the same time, the pores remain in the system because the grain growth proceeds and the diffusion is inhibited. Since the grain growth rate in that case is governed by diffusion in the dissolution-reprecipitation process, the lowest temperature at which a liquid phase is generated, that is, the eutectic temperature Tc of RE 2 Si 2 O 7 and silicon nitride, the firing temperature It is governed by the difference from Ts, ΔT = Ts−Tc. Therefore, in order to discharge pores out of the system, Δ
It is necessary to reduce the grain growth rate by reducing T.

【0027】本発明によれば、上記観点から焼成温度T
sを共晶温度Tcよりもわずかに高い温度に設定するこ
とにより、成形体表面における焼成の進行を抑制すると
ともに粒成長速度を遅くすることができるため、粒界を
拡散する気孔が系内にトラップされることを防止するこ
とができる。それに伴い、ボイドの凝集による大きなボ
イドの生成も抑制することができる。
According to the present invention, the firing temperature T
By setting s to a temperature slightly higher than the eutectic temperature Tc, the progress of sintering on the surface of the compact can be suppressed and the grain growth rate can be slowed. Trap can be prevented. Accordingly, generation of large voids due to aggregation of voids can be suppressed.

【0028】これにより、焼結体の表面や内部において
ボイド数が少なくできるとともに、その最大径をも小さ
くすることができるために、焼結体の機械的特性を高め
ることができ、特性の信頼性を高めることができる。
Thus, the number of voids on the surface and inside of the sintered body can be reduced, and the maximum diameter can be reduced, so that the mechanical properties of the sintered body can be improved and the reliability of the properties can be improved. Can be enhanced.

【0029】[0029]

【実施例】原料粉末として窒化珪素粉末(BET比表面
積10m2 /g、α率95%、酸素量1.2重量%、金
属不純物量0.03重量%、直接窒化原料)と、各種の
周期律表第3a族元素酸化物粉末および酸化珪素粉末を
用いて、Si3 4 、RE2 3 、SiO2 の量が表1
になるように調合し、イソプロピルアルコールを溶媒と
して窒化珪素ボールを用いて72時間振動ミルで混合粉
砕し、スラリーを乾燥後、直径60mm、厚み10mm
の形状に3t/cm2 の圧力でラバープレス成形した。
EXAMPLES Silicon nitride powder (BET specific surface area 10 m 2 / g, α rate 95%, oxygen content 1.2 wt%, metal impurity content 0.03 wt%, direct nitriding raw material) as raw material powder and various periods Table 1 shows the amounts of Si 3 N 4 , RE 2 O 3 , and SiO 2 using the oxide powder of the Group 3a element and the silicon oxide powder.
And crushed with a vibration mill for 72 hours using silicon nitride balls with isopropyl alcohol as a solvent, and after drying the slurry, a diameter of 60 mm and a thickness of 10 mm.
Was subjected to rubber press molding at a pressure of 3 t / cm 2 .

【0030】そして、かかる焼結体を表1に示す条件下
で焼成した。焼成時の分解を抑制するために焼成時の入
炉量は300g/リットルと一定にした。また焼成後の
冷却過程で結晶化処理を行った。
The sintered body was fired under the conditions shown in Table 1. In order to suppress decomposition during firing, the furnace input during firing was fixed at 300 g / liter. Further, a crystallization treatment was performed in a cooling process after firing.

【0031】得られた焼結体を3×4×40mmのテス
トピース形状に切断研磨しJIS−R1601に基づき
室温および1400℃での4点曲げ抗折強度試験を実施
した。ボイド径については、ダイヤモンドペーストにて
鏡面加工された試料の表面をSEM観察し400×40
0μmの面積から観察される最も大きなボイド径で、5
箇所の平均を最大ボイド径とした。
The obtained sintered body was cut and polished into a test piece of 3 × 4 × 40 mm, and subjected to a four-point bending strength test at room temperature and 1400 ° C. based on JIS-R1601. Regarding the void diameter, the surface of the sample mirror-finished with a diamond paste was observed with an SEM and observed at 400 × 40.
The largest void diameter observed from an area of 0 μm,
The average of the locations was defined as the maximum void diameter.

【0032】なお、RE2 Si2 7 と窒化珪素との共
晶温度はRE2 Si2 7 に対して8モル%のSi3
4 を添加した混合物が1.2気圧窒素中で溶融し始める
温度とした。また、X線回折測定により焼結体中の粒界
相の結晶を同定した。さらに、耐酸化性を評価するため
に焼結体を大気中、1300℃で100時間保持し、焼
結体の酸化重量増を測定した。結果は表2に示した。
[0032] Incidentally, RE 2 Si 2 O 7 and the eutectic temperature of the silicon nitride RE 2 Si 2 O 7 with respect to 8 mol% of Si 3 N
The temperature at which the mixture to which 4 was added began to melt in nitrogen at 1.2 atm. Further, the crystal of the grain boundary phase in the sintered body was identified by X-ray diffraction measurement. Further, in order to evaluate the oxidation resistance, the sintered body was kept at 1,300 ° C. for 100 hours in the air, and the weight increase of the sintered body by oxidation was measured. The results are shown in Table 2.

【0033】[0033]

【表1】 [Table 1]

【0034】[0034]

【表2】 [Table 2]

【0035】表1および表2の結果からも明らかなよう
に、焼成温度がRE2 Si2 7 と窒化珪素との共晶温
度より200℃を越えると、ボイド径が大きくなり、強
度が低下し、共晶温度より低いと緻密化することができ
なかった。また、SiO2 /RE2 3 モル比が2より
低いと強度は高いものの耐酸化性が低下した。これに対
して、本発明における条件を満足する試料は、いずれも
室温から高温まで高強度を示し、しかも耐酸化性に優れ
たものであった。
As is clear from the results of Tables 1 and 2, when the firing temperature exceeds 200 ° C. from the eutectic temperature of RE 2 Si 2 O 7 and silicon nitride, the void diameter increases and the strength decreases. However, if the temperature was lower than the eutectic temperature, it could not be densified. If the SiO 2 / RE 2 O 3 molar ratio is lower than 2, the strength is high but the oxidation resistance is reduced. On the other hand, all of the samples satisfying the conditions in the present invention exhibited high strength from room temperature to high temperature and were excellent in oxidation resistance.

【0036】[0036]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
ボイドの発生を抑制するとともにボイドによる特性への
影響を極力小さくし焼結体本来の特性を発揮させること
ができ、室温から高温まで高い強度を有するとともに、
耐酸化性に優れた窒化珪素質焼結体を作製することがで
きる。
As described in detail above, according to the present invention,
In addition to suppressing the generation of voids and minimizing the effect of voids on the characteristics, the original characteristics of the sintered body can be exhibited, and while having high strength from room temperature to high temperature,
A silicon nitride-based sintered body having excellent oxidation resistance can be manufactured.

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/584 Continuation of front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) C04B 35/584

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】窒化珪素を主体とし、周期律表第3a族元
素酸化物(RE23)および過剰酸素を含有するととも
に、前記過剰酸素のSiO2換算量の周期律表第3a族
元素酸化物に対するモル比が2〜10の組成からなる成
形体を窒素雰囲気中、1600〜1950℃の温度で焼
成する窒化珪素質焼結体の製造方法であって、前記焼成
温度が前記周期律表第3a族元素(RE)のRE2Si2
7で表される結晶と窒化珪素との共晶温度よりも高
く、前記焼成温度と前記共晶温度との差が200℃以下
であり、且つ焼成時における閉気孔が生成し始める時期
における窒素分圧が10気圧以下であることを特徴とす
る窒化珪素質焼結体の製造方法。
An element mainly composed of silicon nitride, containing an oxide of a Group 3a element (RE 2 O 3 ) and excess oxygen of the Periodic Table, and an element of Group 3a of the Periodic Table in terms of SiO 2 equivalent amount of the excess oxygen. A method for producing a silicon nitride-based sintered body, comprising firing a molded body having a composition having a molar ratio to an oxide of 2 to 10 in a nitrogen atmosphere at a temperature of 1600 to 1950 ° C. RE 2 Si 2 of Group 3a element (RE)
Nitrogen at a time when the temperature is higher than the eutectic temperature of the crystal represented by O 7 and silicon nitride, the difference between the sintering temperature and the eutectic temperature is 200 ° C. or less, and the generation of closed pores during sintering starts. A method for producing a silicon nitride-based sintered body, wherein a partial pressure is 10 atm or less.
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JP5200741B2 (en) * 2007-08-01 2013-06-05 三菱化学株式会社 Crystalline silicon nitride and method for producing the same, and phosphor using the same, phosphor-containing composition, light emitting device, lighting device, image display device, sintered body, and pigment

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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