JP3250677B2 - 窒化珪素粉末 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、易焼結性で高強度かつ
高靱性の焼結体を製造することができる窒化珪素粉末に
関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化珪素焼結体は、強度、硬度、靱性、
耐熱性、耐蝕性、耐熱衝撃性等に優れた材料であること
から、各種産業機構部品、自動車部品、ガスタービン部
品等の利用が進められている。

【０００３】窒化珪素粉末の製造方法としては、金属珪
素直接窒化法、シリカ還元法、ハロゲン化珪素法が工業
化されている。これらの製法で得られた粉末は、それぞ
れ異なった粉体特性を有し、焼結性と焼結体特性に大き
く影響している。一般的には、高比表面積、高α相含有
率、高純度で粒度分布のシャープなものがよいとされて
おり、このような観点にたって従来より盛んに研究が行
われている。

【０００４】しかしながら、焼結性と焼結体特性に優れ
た窒化珪素粉末を得るには、製造コストが大幅に増大
し、広く普及しないという問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、焼結
性に優れ、強度等の特性に優れた焼結体を製造すること
ができる安価な窒化珪素粉末を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、β
相含有率２０％以上、比表面積２ｍ²/ｇ以上、表面酸素
量０．２〜３．０重量％であることを特徴とする窒化珪
素粉末である。

【０００７】以下、さらに詳しく本発明について説明す
ると、本発明の窒化珪素粉末の上記特性は、製造コスト
面と性能面のバランスから決定されたものである。

【０００８】まず、本発明のように、比表面積２ｍ²/ｇ
以上で表面酸素量が０．２〜３．０重量％の窒化珪素粉
末の場合には、β相の割合は２０％以上であることが必
要であり、好ましくは８０％以上である。β相の割合が
２０％未満では、α相の粒界において溶解析出反応が起
こり、β相に相転移する際の柱状晶の成長が活発になり
すぎて、焼結体の強度が低下する。

【０００９】本発明のような窒化珪素粉末を用いると、
α相の粒界における溶解析出反応がなくなり、原料窒化
珪素粉末の粒度分布に沿った焼結体組織となり、強度、
靱性等のバラツキの少ない均質なものとなる。また、α
相の割合が８０％をこえる窒化珪素粉末を製造するに
は、精密な温度調節と長時間の反応が必要となってコス
ト高となるが、本発明ではコスト軽減できる。

【００１０】本発明において、β相含有率は、Ｘ線回折
法における回折ピークの強度比から次式によって求める
ことができる。 β相含有率（％）＝｛（Ｉβ₁₀₁ ＋Ｉβ₂₁₀ ）／（Ｉα
₁₀₂ ＋Ｉα₂₀₁ ＋Ｉβ₁₀₁ ＋Ｉβ₂₁₀ ）｝×１００ Ｉα₁₀₂ ：α窒化珪素の（１０２）面の回折ピーク強度 Ｉα₂₀₁ ：α窒化珪素の（２０１）面の回折ピーク強度 Ｉβ₁₀₁ ：β窒化珪素の（１０１）面の回折ピーク強度 Ｉβ₂₁₀ ：β窒化珪素の（２１０）面の回折ピーク強度

【００１１】次に、本発明の窒化珪素粉末の粉末度は、
ＢＥＴ法で測定された比表面積が２ｍ²/ｇ以上である。
比表面積が２ｍ²/ｇ未満では焼結性が低下し、強度等の
特性が低下する。比表面積の上限については特に制限は
なく、極端にカサ高となって成形ができなくならなけれ
ばよい。

【００１２】そして、本発明の窒化珪素粉末の表面酸素
量は、０．２〜３．０重量％であることが必要である。
表面酸素量が０．２重量％未満では焼結性が低下し、一
方、３．０重量％をこえると焼結体の強度特に高温曲げ
強度が低下する。窒化珪素粉末の表面酸素量の制御は、
フッ酸又はフッ酸を含む混酸での除去ないしは乾式粉砕
又は酸化雰囲気中での熱処理による酸素付与等の組合せ
操作によって行うことができる。このように、β相含有
率２０％以上の窒化珪素粉末について表面酸素量を調節
することが本発明の大きな特徴の一つである。

【００１３】また、本発明の窒化珪素粉末の全酸素量
は、４重量％未満であることが好ましく、４重量％以上
であると焼結体の強度特に高温強度が低下する。

【００１４】本発明において、表面酸素量の測定は以下
のようにして行う。まず、窒化珪素粉末の全酸素量をＯ
／Ｎ同時分析計（ＬＥＣＯ社製商品名「ＴＣ−１３
６」）を用いて測定する。次に、窒化珪素粉末１グラム
に１０重量％のフッ化水素水溶液５０ミリリットルを加
え、温度２０℃の恒温槽中で２０分間静かに攪拌した
後、ろ紙を用いてろ過する。ろ液の一部を用いて原子吸
光分析により溶出ＳｉＯ₂ 量を測定する。

【００１５】この場合、次の反応式に示すように、窒化
珪素の一部が溶出していることが考えられるので、それ
を補正するため、ろ液を水蒸気蒸留後、インドフェノー
ル青吸光光度計によりＮＨ₄ ⁺ 量を測定し、そのＮＨ₄
⁺ 量に相当するＳｉＯ₂ 量を求め、それを上記溶出Ｓｉ
Ｏ₂ 量から差し引いて表面ＳｉＯ₂ 量とし、その値から
表面酸素量を算出する。

【００１６】 Ｓｉ₃ Ｎ₄ ＋４Ｈ₂ Ｏ＋１８ＨＦ → ３Ｈ₂ ＳｉＦ₆ ＋４ＮＨ₄ ＯＨ

【００１７】本発明の窒化珪素粉末は、種々の方法で製
造することができる。例えば、金属珪素直接窒化法、シ
リカ還元法、ハロゲン化珪素法により、β相含有率２０
％以上の窒化珪素を製造し、粉砕して比表面積２ｍ²/ｇ
以上の粉末度に調整し、それを空気中、温度６００〜１
２００℃、時間１０分〜４時間で熱処理することによっ
て製造することができる。金属珪素直接窒化法によって
β相含有率２０％以上の窒化珪素を製造するには、カサ
比重０．８〜１．５程度の金属珪素粉末の成形体を窒素
及び／又はアンモニアを含む雰囲気中、温度１３００〜
１５００℃で加熱窒化することによって容易に製造する
ことができる。

【００１８】以下、実施例と比較例をあげてさらに具体
的に本発明を説明する。

【００１９】実施例１〜９ 比較例１〜４ 金属珪素粉末成形体（カサ密度１．０ｇ／ｃｍ³ ）の加
熱窒化条件を変えて種々のβ相含有率を有する窒化珪素
を製造した。次いで、それらの窒化珪素の粉砕時間と、
得られた粉末の大気中における熱処理時間を３０分と
し、熱処理温度を８００〜１１００℃の範囲で変化させ
て、表１に示すように、比表面積と表面酸素量を種々変
化させた窒化珪素粉末を製造した。なお、金属不純物の
合計量は数千ｐｐｍであり、１００μｍ以上の異物・粗
粒はほとんど認められなかった。

【００２０】得られた窒化珪素粉末９２重量部、平均粒
径１．５μｍのＹ₂ Ｏ₃ 粉末５重量部及び平均粒径０．
８μｍのＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末３重量部を１，１，１−トリク
ロロエタン中で４時間ボールミルで湿式混合し乾燥した
後、圧力１００ｋｇ／ｃｍ²で６×１０×６０ｍｍの成
形体を成形し、それを圧力２７００ｋｇ／ｃｍ² でＣＩ
Ｐ成形した。

【００２１】以上のＣＩＰ成形体をカーボンルツボにセ
ットし、圧力１０ｋｇ／ｃｍ² のＮ₂ ガス雰囲気中、温
度１９００℃で４時間焼成して焼結体を製造した。それ
を３×４×４０ｍｍに研削加工後、アルキメデス法によ
る相対密度と、室温及び温度１２００℃における４点曲
げ強度を島津製作所社製商品名「オートグラフＡＧ−２
０００Ａ」を用いて測定した。それらの結果を表１に示
す。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【発明の効果】本発明の窒化珪素粉末は、安価で焼結性
に優れ、焼結体特性の良好な窒化珪素焼結体を製造する
ことができるので、その普及に大きく貢献する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 下平 博 福岡県大牟田市新開町１ 電気化学工業 株式会社 大牟田工場内 審査官 大工原 大二 (56)参考文献 特開 平２−255510（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−124709（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−150212（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−107509（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C01B 21/068 C04B 35/626 ＣＡ（ＳＴＮ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 β相含有率２０％以上、比表面積２ｍ²/
   ｇ以上、表面酸素量０．２〜３．０重量％であることを
   特徴とする窒化珪素粉末。