JP3285621B2 - 窒化珪素粉末の製造方法 - Google Patents

窒化珪素粉末の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高温強度、高温クリ−
プ特性等の高温特性に優れた焼結体を製造することがで
きる窒化珪素粉末の製造方法に関する。詳しくは、F、
Fe、Al及びCaの不純物量の少ない窒化珪素粉末を
金属珪素直接窒化法によって製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】窒化珪素焼結体は、強度、硬度、靭性、
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、焼結性や焼結体特性に大き
く影響している。一般に、高温特性は、粒界相の特性に
大きく影響されるので、それを向上させるには高純度の
窒化珪素粉末が用いられている。
【0004】金属珪素直接窒化法の場合、高純度のSi
粉末を原料とし、さらには得られた窒化珪素粉末のFe
等の金属不純物量を低減するために、酸による精製処理
を行って純度の向上を図っている。しかしながら、この
方法で製造された高純度窒化珪素粉末であっても、高温
特性に優れた焼結体が必ずしも得られないという問題が
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、高温強度等の高温特性に優れた焼結体を製造
することができる窒化珪素粉末、すなわちF含有量30
0ppm以下、Fe、Al及びCaの合計含有量が50
0ppm以下の窒化珪素粉末を、量産化の容易な金属珪
素直接窒化法によって製造することである
【0006】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、
酸で処理して金属不純物量を低減させた比表面積1〜2
2 /g程度の金属珪素粉末を、カサ比重0.8〜1.
5の成形体に成形した後、窒素及び/又はアンモニアを
含む雰囲気中、加熱して窒化珪素インゴットを製造し、
次いでそれを所望粒度まで粉砕してから混酸で処理して
Fe、Al及びCaの合計含有量を500ppm以下と
した後、さらに水素及び/又はアンモニアを含む雰囲気
中、温度1000〜1600℃で処理するか、又はアル
カリ性溶液中で処理してF含有量を300ppm以下す
ることを特徴とする窒化珪素粉末の製造方法である。
【0007】以下、さらに詳しく本発明について説明す
る。
【0008】本発明者らは、金属珪素直接窒化法による
窒化珪素粉末を用い、その不純物量と焼結性及び焼結体
特性の関係について種々検討した結果、精製処理を行っ
た高純度の窒化珪素粉末において、Fe等の金属不純物
量が同程度であっても、精製時に使用する酸の種類と濃
度によって得られた窒化珪素粉末のハロゲン不純物量が
異なり、高温強度が著しく影響されることを見いだし
た。
【0009】すなわち、ハロゲン不純物の典型であるF
は、初期焼結時に焼結助剤と反応し、生成する粒界相の
粘性低下等を起こして焼結性を低下させる。また、焼結
体の粒界相中に残留したFは1200℃以上の高温では
不安定であるので高温クリープ等の高温特性を低下させ
る。
【0010】そこで、本発明では、まず窒化珪素粉末の
F含有量を300ppm以下好ましくは100ppm以
下に限定した。Fの含有量が300ppmをこえると、
初期焼結時にFが焼結助剤と反応して生成する液相の粘
性を低下させ、焼結性が低下して十分に緻密化できなか
ったり、焼結体密度がばらついて曲げ強度等が低下した
りする。さらには、焼結体の粒界相に残留したFは、1
200℃の高温で不安定となり、粒界相中を移動したり
揮発したりして高温強度や高温クリープ特性が低下す
る。
【0011】次に、本発明では、金属不純物量として、
Fe、Al及びCaの合計を500ppm以下に限定し
た。本発明において、金属不純物成分としてFe、Al
及びCaに着目した理由は、これらの金属は、焼結時に
粒界相に固溶又は偏析して粒界相の軟化温度を低下させ
たり粒界相の結晶化を阻害させて高温特性を低下させや
すい成分であるからであり、それらの合計を500pp
m以下に限定したのも同様な理由による。Fe、Al及
びCaのそれぞれの含有量は300ppmをこえないこ
とが望ましい。
【0012】本発明の窒化珪素粉末の酸素量について
は、焼結助剤の種類によっても異なるが、3重量%以下
であることが好ましい。3重量%をこえると、焼結助剤
と反応して生成する粒界相中のSiO2 量が増加し、高
温特性を低下させる。
【0013】また、本発明の窒化珪素粉末の粒度につい
ては、BET法で測定された比表面積が6m2/g以上で
あることが好ましい。比表面積が6m2/g未満では焼結
性が低下し、十分に緻密化した焼結体を得ることが困難
となる。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、金属珪素粉末を
比表面積1〜2m2/g程度に粉砕してから塩酸とフッ
酸等の混酸で処理して金属不純物量を低減させた後、カ
サ比重0.8〜1.5程度の成形体に成形し、それを窒
素及び/又はアンモニアを含む雰囲気中、例えば温度1
300〜1500℃で加熱して窒化珪素インゴットを製
造する。次いで、それを所望の粒度まで粉砕した後、上
記混酸で処理してFe、Al及びCaの合計含有量を5
00ppm以下とした後、さらに水素及び/又はアンモ
ニアを含む雰囲気中、温度1000〜1600℃で処理
するか、又はアンモニア、NaOH等のアルカリ性溶液
中で処理してF含有量を300ppm以下に低減させる
ことによって製造することができる。
【0015】
【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。
【0016】実施例1〜6 比較例1〜5 金属珪素粉末(比表面積1.5m2/g)を塩酸とフッ酸
からなる温度50℃の混酸により2時間の純化処理を行
ってから、カサ密度1.0g/cm3 の成形体を成形し
た。それを窒素及びアンモニアを含む雰囲気中、120
0〜1450℃の温度で窒化し、α分率92%の窒化珪
素インゴットを製造し、次いで、それを粗砕・中砕及び
ボールミルで湿式粉砕した後、上記混酸の濃度を変えて
2時間の精製処理を行った。
【0017】得られたFe、Al及びCaの合計含有量
の異なる窒化珪素粉末の100gを直径50mmのアル
ミナ管に充填し、菅状炉にて窒素及び水素の混合雰囲気
中で窒素分圧を変え、温度1300℃、1時間の熱処理
を行い、F含有量の異なる窒化珪素粉末を製造した。そ
れらの粉体特性を表1に示す。
【0018】この窒化珪素粉末94重量部と平均粒径
1.5μmのY23 粉末6重量部とを配合し、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、粉末の50gを直径60mmのカ
ーボンダイスに充填し、窒素雰囲気中、温度1800
℃、圧力400kg/cm2 で2時間のホットプレス焼
結を行った。
【0019】得られた焼結体を3×4×40mmに研削
加工後、相対密度(アルキメデス法)と温度1200℃
及び1300℃における4点曲げ強度(島津製作所社製
「オートグラフAG−200A」)を測定した。また、
大気中、温度1250℃、引っ張り応力250MPaに
おける1000時間の高温クリープ評価を行った。それ
らの結果を表2に示す。
【0020】
【表1】
【0021】
【表2】
【0022】なお、表1及び表3に示した粉体特性の測
定は、以下の方法によった。 (1)Fe、Al及びCaの金属不純物量(ppm):
JIS G 1322に準じる。 (2)F量(ppm):パイロハイドリシス蒸留、イオ
ンクロマトグラフィ−法による。 (3)酸素量(重量%):LECO社製O/N同時分析
計「TC−136」による。 (4)比表面積(m2/g):湯浅アイオニクス社製、カ
ンターソーブJr.BET1点法による。
【0023】実施例7〜9 比較例6〜7 実施例2と同様にして混酸による純化処理を行った窒化
珪素粉末100g、直径15mmの窒化珪素製ボール1
000g及びpHを9〜14に調整したアンモニア水1
リットルを2リットルのボールミルに充填し、2時間湿
式混合した。得られたスラリーをろ過器にて純水で十分
洗浄した後、乾燥・解砕してFe、Al及びCaの合計
含有量が同じでF含有量の異なる窒化珪素粉末を製造し
た。それらの粉体特性を表3に示す。次いで、これらの
窒化珪素粉末を用いて実施例1と同様の手法にて焼結体
を製造し、焼結体特性を評価した。それらの結果を表4
に示す。
【0024】
【表3】
【0025】
【表4】
【0026】
【発明の効果】本発明の窒化珪素粉末によれば、高温強
度と高温クリープ特性に優れた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 (56)参考文献 特開 昭62−143805(JP,A) 特開 平3−177307(JP,A) 特開 昭60−42209(JP,A) 特開 昭62−182163(JP,A) 特開 平2−248309(JP,A) 特開 平2−225304(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】 混酸で処理して金属不純物量を低減させ
    た比表面積1〜2m 2 /gの金属珪素粉末を、カサ比重
    0.8〜1.5の成形体に成形した後、窒素及び/又は
    アンモニアを含む雰囲気中、加熱して窒化珪素インゴッ
    トを製造し、次いでそれを所望粒度まで粉砕してから混
    酸で処理してFe、Al及びCaの合計含有量を500
    ppm以下とした後、さらに水素及び/又はアンモニア
    を含む雰囲気中、温度1000〜1600℃で処理する
    か、又はアルカリ性溶液中で処理してF含有量を300
    ppm以下することを特徴とする窒化珪素粉末の製造方
    法。
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