JP3251060B2 - 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、高強度で高信頼性の焼
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分率、
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】一方、β窒化珪素については、従来、低純
度で粗粉の粉末しか市販されておらず、その結晶性等の
観点から焼結性と焼結体特性に及ぼす影響については、
ほとんど検討されていないのが現状である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、強度
等の特性に優れた窒化珪素焼結体を製造することができ
る、β窒化珪素を主成分とする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５０％以上で、非晶質成分量５〜５０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。

【０００８】通常、窒化珪素粉末は、結晶質窒化珪素と
非晶質窒化珪素からなっている。本発明の窒化珪素粉末
は、この結晶質窒化珪素部分のβ相含有率が５０％以上
で、α相含有率は５０％未満である。β相の割合が５０
％未満では、α相の粒界における溶解・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、緻密化を阻害したり焼結体の強度がばらついたり
する。

【０００９】本発明のように、β相含有率５０％以上の
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、ファインセラミックス用原料と
して使用されているような高α相の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】本発明の窒化珪素粉末は、上記β相含有率
が５０％以上の窒化珪素粉末において、さらに非晶質成
分量を５〜５０重量％に限定したものである。非晶質成
分量が５重量％未満では、初期焼結時の液相生成量が少
なく、また、窒化珪素の液相に対する溶解・析出速度が
遅いため、焼結末期の高温域で急激な相転移が起こり、
焼結体組織のコントロールが難しくなる。一方、非晶質
成分量が５０重量％をこえると、焼結時に低温より多量
の液相が生成し、また、窒化珪素の液相に対する溶解・
析出速度も速くなって焼結性は向上するが、これまた、
焼結体組織のコントロールが難しくなる。さらには、焼
結体の液相量の増加により高温強度も低下する。

【００１２】窒化珪素粉末の非晶質成分量の測定につい
ては、²⁹Ｓｉ固体ＮＭＲ（日本電子社製「ＧＸ−２７
０」）により、照射時間５．５μ秒、待ち時間２５００
秒の条件で測定を行い、スペクトルのピーク面積より算
出することができる。

【００１３】本発明の窒化珪素粉末の不純物量について
は少ないほど好ましく、また、粉末度は、ＢＥＴ法で測
定された比表面積が２ｍ²/ｇ以上であることが好まし
い。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。

【００１４】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、金属珪素直接窒化法、シリカ還元
法、ハロゲン化珪素法等、その製法は問わない。例え
ば、ハロゲン化珪素法の場合、四塩化珪素とアンモニア
を低温で反応させ、生成したシリコンジイミドを熱分解
して得られた非晶質窒化珪素を原料とし、これにβ窒化
珪素粉末を１０〜３０重量％添加し、窒素雰囲気中、温
度１３００〜１４００℃で加熱結晶化して製造する。

【００１５】一方、金属珪素直接窒化法の場合、比表面
積２ｍ²/ｇ以上の金属珪素粉末をカサ密度１ｇ／ｃｍ³
以下に成形したものを原料とし、窒素及び／又はアンモ
ニアを含む雰囲気中、温度１３００℃までを昇温速度３
０℃／時以上で昇温し、１３００〜１５００℃の温度で
窒化し、それを粉砕することによって製造することがで
きる。

【００１６】

【作用】窒化珪素粉末の非晶質成分量は、焼結時の液相
生成と窒化珪素の液相に対する溶解・析出に大きく関与
している。すなわち、非晶質成分量が多いと、焼結時に
非晶質窒化珪素の一部が焼結助剤と反応して液相を生成
し、低温より液相生成が起こる。この場合、生成する液
相の組成が変化し、窒化珪素の溶解・析出過程及びそれ
に伴う焼結体組織も異なってくる。また、窒化珪素の液
相に対する溶解・析出過程で、非晶質窒化珪素の方が結
晶質窒化珪素よりも液相に対する濡れ性がよく、溶解し
やすい。窒化珪素焼結体の組織は、焼結時の液相組成及
び窒化珪素の液相に対する溶解・析出が起こる温度と速
度を制御することによって、制御することができる。

【００１７】

【実施例】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。

【００１８】実施例１〜７ 比較例１〜５ 四塩化珪素とアンモニアを温度２００℃で気相反応さ
せ、シリコンジイミドを合成した。生成物に、比表面積
１０ｍ²/ｇで、β相含有率９５％又は１０％の窒化珪素
粉末を表１に示す割合で配合し、窒素雰囲気中、ボール
ミルで混合した。

【００１９】この混合物を炭化珪素製ルツボに充填し、
窒素雰囲気中、温度１０００℃で２時間加熱処理し、シ
リコンジイミドを熱分解させ非晶質窒化珪素を合成する
とともに、副生物の塩化アンモニウムを除去した。その
後、表１に示す条件で加熱結晶化を行い、非晶質成分量
の異なる種々の窒化珪素粉末を製造した。

【００２０】

【表１】

【００２１】得られた窒化珪素粉末９３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２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。

【００２２】以上のＣＩＰ成形体をカーボンルツボにセ
ットし、圧力１０ｋｇ／ｃｍ² の窒素ガス雰囲気中、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、ＩＦ法による破壊靱性と、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「オ
ートグラフＡＧ−２０００Ａ」を用いて測定した。ま
た、室温強度のｎ＝３０でのワイブル係数を測定した。
それらの結果を表２に示す。

【００２３】

【表２】

【００２４】

【発明の効果】本発明の窒化珪素粉末は、焼結性に優
れ、高強度で高信頼性の窒化珪素焼結体を製造すること
ができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加賀 鉄夫 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２−255573（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−290370（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C01B 21/068 C04B 35/626

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 β相含有率５０％以上で、非晶質成分量
   ５〜５０重量％であることを特徴とする窒化珪素粉末。