JP5166223B2 - Method for joining members to be joined of silicon nitride ceramics - Google Patents

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Description

本発明は、窒化珪素を含むセラミック材料の接合方法に関する。   The present invention relates to a method for bonding ceramic materials containing silicon nitride.

窒化珪素セラミックス材料は、金属に比べて耐熱性、耐食性、耐摩耗性等に優れることから、既に各種産業分野において幅広く使用されている。   Silicon nitride ceramic materials are already widely used in various industrial fields because they are superior in heat resistance, corrosion resistance, wear resistance and the like as compared with metals.

一般に、窒化珪素セラミックス製品は、大別して、2種類の方法により製作される。   Generally, silicon nitride ceramic products are roughly classified into two types.

第1の方法は、原材料として窒化珪素粉末を用いる方法である。この方法では、まず、窒化珪素粉末、あるいはそれに焼結助剤を加えた混合物から、成形体が製作される。さらに成形方法に応じて、各種溶媒、結合剤および/または分散剤が加えられる場合もある。成形体の製作方法としては、金型プレス法、冷間静水圧加圧法、押出法、射出成形法、およびスリップキャスト法等が使用される。例えば、冷間静水圧加圧法は、CIP法とも呼ばれ、原料粉末を充填したゴム型を、圧力容器中に配置し、静水圧を加えることにより、成形体を得る方法である。また、スリップキャスト法では、原料粉末を含むスラリーを石膏型に注入して、水分を吸引させることにより、スラリーが固化され、成形体を得ることができる。次に、いずれかの方法で形成された成形体を焼結処理することにより、窒化珪素セラミックス製品が得られる。一般に、焼結温度は、約1600℃〜2000℃の範囲である。   The first method is a method using silicon nitride powder as a raw material. In this method, a molded body is first manufactured from silicon nitride powder or a mixture obtained by adding a sintering aid thereto. Further, various solvents, binders and / or dispersants may be added depending on the molding method. As a method for producing the molded body, a die pressing method, a cold isostatic pressing method, an extrusion method, an injection molding method, a slip casting method, and the like are used. For example, the cold isostatic pressing method is also called a CIP method, and is a method of obtaining a molded body by placing a rubber mold filled with raw material powder in a pressure vessel and applying hydrostatic pressure. In the slip casting method, a slurry containing raw material powder is poured into a gypsum mold and moisture is sucked, so that the slurry is solidified and a molded body can be obtained. Next, a silicon nitride ceramic product is obtained by sintering the formed body formed by any method. Generally, the sintering temperature is in the range of about 1600 ° C to 2000 ° C.

第2の方法は、原材料としてシリコン粉末を用いる方法である。この方法においても、前述の方法と同様の方法で、成形体が作製される。ただし、この方法の場合、シリコン粉末を窒化珪素に転化させる処理、いわゆる「反応焼結処理」が必要となる。通常の場合、反応焼結処理は、シリコン粉末を含む成形体を、窒素雰囲気中で約1100℃〜1450℃の範囲のいずれかの温度に加熱することにより行われる。さらに、必要な場合、焼結体の強度向上のため、反応焼結処理の後、約1600℃〜2000℃の範囲で、後焼結処理が行われる。   The second method uses silicon powder as a raw material. Also in this method, a molded body is produced by the same method as described above. However, in this method, a process of converting silicon powder into silicon nitride, so-called “reactive sintering process”, is required. Usually, the reaction sintering process is performed by heating the compact containing silicon powder to any temperature in the range of about 1100 ° C. to 1450 ° C. in a nitrogen atmosphere. Furthermore, if necessary, a post-sintering process is performed in the range of about 1600 ° C. to 2000 ° C. after the reaction sintering process in order to improve the strength of the sintered body.

なお、前述のような窒化珪素セラミックスの優れた特性は、逆に生産性の点、特に加工性の面では、大きな問題となる。特に、窒化珪素セラミックス製品は、複雑形状化および/または大型化が難しいという問題がある。   The excellent characteristics of the silicon nitride ceramic as described above are serious problems in terms of productivity, particularly in terms of workability. In particular, silicon nitride ceramic products have a problem that it is difficult to make them complex and / or large.

そこで、2つ以上の窒化珪素セラミックス部材同士を、接合材を介して接合することにより、製品の複雑形状化および/または大型化を実現することが検討されている。   Therefore, it has been studied to realize a complicated shape and / or an increase in size of a product by joining two or more silicon nitride ceramic members through a joining material.

例えば、特許文献1には、窒化珪素とは異なる材料系ではあるが、アルミナおよび窒化アルミニウム等の系において、予め焼結温度以下の温度で仮焼したセラミックス部品と、他の仮焼したセラミックス部品との間に、これらの部品と同じ焼結温度で焼結し、同じ収縮率をもち、かつ焼結後の熱膨張率がこれらのセラミックス部品とほぼ等しくなるようなセラミック粉末を挟んで、2つのセラミックス部品を圧接した状態で焼結することにより、セラミックス部品同士を接合する方法が記載されている。   For example, Patent Document 1 discloses a material system different from silicon nitride, but in a system such as alumina and aluminum nitride, ceramic parts calcined in advance at a temperature equal to or lower than a sintering temperature and other calcined ceramic parts. Between the ceramic powders, which are sintered at the same sintering temperature as these parts, have the same shrinkage, and have a thermal expansion coefficient substantially equal to those of these ceramic parts. A method is described in which two ceramic parts are sintered together in a pressed state, thereby joining the ceramic parts together.

また、被接合部材となる2つのセラミックス焼結体の間に、これらのセラミックス構成金属を挟んでセラミックス焼結体の加熱接合を行い、その後、この金属を酸化、炭化、窒化させることにより、セラミックス焼結体を接合する方法が提案されている(特許文献2)。
特開平11−43379号公報 特開平6−115009号公報
In addition, the ceramic sintered body is heated and bonded between two ceramic sintered bodies to be bonded members, and then the metal is oxidized, carbonized, and nitrided, thereby producing ceramics. A method for joining sintered bodies has been proposed (Patent Document 2).
Japanese Patent Laid-Open No. 11-43379 JP-A-6-115009

しかしながら、前述の特許文献1に記載の方法は、反応焼結処理によって製作される窒化珪素セラミックス製品を想定した方法ではないため、前述の第2の方法、すなわち、シリコン粉末を出発原材料とし、これから窒化珪素セラミックス製品を製作する方法には、適用することができない。また、この方法では、接合の際に、2つのセラミックス部品を相互に圧接する必要があり、このような方法を大型製品の製作に適用しようとした場合、大型の圧接装置(プレス機等)が必要となってしまうという問題がある。   However, since the method described in Patent Document 1 is not a method assuming a silicon nitride ceramic product manufactured by reactive sintering, the second method, that is, silicon powder is used as a starting raw material. It cannot be applied to a method of manufacturing a silicon nitride ceramic product. Also, with this method, it is necessary to press-contact two ceramic parts at the time of joining. When trying to apply such a method to the manufacture of a large product, a large press-contacting device (press machine, etc.) There is a problem that it becomes necessary.

一方、前述の特許文献2に記載の方法では、例えば、被接合セラミックス部材の間に介在される金属の形態として、板状の材料を想定した場合、この板状材料を高温で反応させて、被接合セラミックス部材と同等の特性、例えば材料組成、緻密性(密度)、ポロシティ、および機械的特性等を有する接合部分を得ることは、極めて難しいという問題がある。この場合、最終的に、被接合部材と接合材の間で、特性が異なる接合体が得られる。従って、このような方法では、製作後の接合体において、被接合部材と接合材の接合界面に欠陥が生じる危険性が高まる。また、完成後の接合体に、そのような特性の不均一性が存在する場合、局部的に強度が低下し、その箇所において、ワレや損傷が生じ易くなるという問題がある。   On the other hand, in the method described in Patent Document 2 described above, for example, when a plate-like material is assumed as the form of the metal interposed between the bonded ceramic members, the plate-like material is reacted at a high temperature, There is a problem that it is extremely difficult to obtain a bonded portion having properties equivalent to those of the ceramic member to be bonded, such as material composition, denseness (density), porosity, and mechanical properties. In this case, finally, a joined body having different characteristics between the member to be joined and the joining material is obtained. Therefore, in such a method, there is an increased risk of defects occurring in the bonded interface between the member to be bonded and the bonding material in the bonded body after manufacture. Further, when such a non-uniformity in characteristics exists in the joined body, there is a problem that strength is locally reduced and cracking or damage is likely to occur at that location.

従って、大型形状の製品に容易に適用することができ、接合部分に欠陥が生じにくく、全体的に均質な接合体を得ることが可能な、窒化珪素セラミックス部材の接合方法が要望されている。   Therefore, there is a demand for a method of joining silicon nitride ceramic members that can be easily applied to large-sized products, is less prone to defects at the joints, and can provide a generally uniform joined body.

本発明は、このような背景の下なされたものであり、本発明では、大型形状および/または複雑形状の製品にも適用することができ、接合部分の欠陥が有意に抑制されるとともに、比較的均質な接合体を得ることが可能な窒化珪素系セラミックス部材の接合方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made under such a background, and the present invention can be applied to a product having a large shape and / or a complicated shape. It is an object of the present invention to provide a method for joining silicon nitride ceramic members capable of obtaining a substantially homogeneous joined body.

本発明では、窒化珪素系セラミックスの被接合部材同士を接合する方法であって、
(a)シリコン粒子を主成分とする第1の原料を調製するステップと、
(b)前記第1の原料から、成形体を形成するステップと、
(c)窒素雰囲気下、1100℃〜1450℃の範囲のいずれかの温度に、前記成形体を保持し、該成形体中のシリコン粒子を反応焼結処理するステップであって、これにより窒化珪素系セラミックスの多孔質な被接合部材が得られるステップと、
(d)シリコン粒子を含む第2の原料を調製するステップであって、前記第1の原料および第2の原料に含まれるシリコン粒子の粒度分布を比較した場合、前記第2の原料に含まれるシリコン粒子の最大粒径、最頻粒径、および最頻粒径を有する粒子の割合のうちの少なくとも一つのパラメータ値は、前記第1の原料に含まれるシリコン粒子の同じパラメータ値の±20%の範囲内にある、ステップと、
(e)前記第2の原料から、スラリーを調製するステップと、
(f)後に接合材が形成される前記被接合部材同士の隙間に、前記スラリーを注入して、前記被接合部材に前記スラリー中の水分を吸収させ、前記スラリーを固化させ、接合材を形成させることにより、組立体を得るステップと、
(g)窒素雰囲気下、1100℃〜1450℃の範囲のいずれかの温度に、前記組立体を保持し、前記接合材中のシリコン粒子を反応焼結処理するステップと、
を有し、
前記ステップ(a)〜(c)は、前記ステップ(d)〜(e)よりも前もしくは後に実施され、または前記ステップ(a)〜(c)は、前記ステップ(d)〜(e)と並列に実施される方法が提供される。
In the present invention, a method of joining members to be joined of silicon nitride ceramics,
(A) preparing a first raw material mainly composed of silicon particles;
(B) forming a molded body from the first raw material;
(C) A step of holding the molded body at a temperature in the range of 1100 ° C. to 1450 ° C. in a nitrogen atmosphere and subjecting silicon particles in the molded body to a reactive sintering treatment, whereby silicon nitride A step of obtaining a porous bonded member made of a ceramic based material
(D) A step of preparing a second raw material containing silicon particles, which is included in the second raw material when the particle size distributions of the silicon particles contained in the first raw material and the second raw material are compared. At least one parameter value among the maximum particle size, the mode particle size, and the ratio of the particles having the mode particle size is ± 20% of the same parameter value of the silicon particles contained in the first raw material. Steps within the range of
(E) preparing a slurry from the second raw material;
(F) Injecting the slurry into the gap between the members to be joined, where the joining material is formed later, causing the joined member to absorb moisture in the slurry, solidifying the slurry, and forming a joining material Obtaining an assembly by:
(G) holding the assembly at a temperature in the range of 1100 ° C. to 1450 ° C. in a nitrogen atmosphere and subjecting the silicon particles in the bonding material to reactive sintering;
Have
The steps (a) to (c) are performed before or after the steps (d) to (e), or the steps (a) to (c) are the steps (d) to (e). A method implemented in parallel is provided.

ここで、当該方法において、前記第1の原料および/または前記第2の原料は、さらに、添加物質を含んでも良い。   Here, in the method, the first raw material and / or the second raw material may further contain an additive substance.

また、前記添加物質は、Mg(マグネシウム)、Al(アルミニウム)、Y(イットリウム)、Sc(スカンジウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Zr(ジルコニウム)、Yb(イッテリビウム)、Hf(ハフニウム)、Ti(チタン)、Lu(ルテニウム)、およびこれらの2種以上の組み合わせからなる群から選定された金属、または前記金属の酸化物、または前記金属の窒化物を含んでも良い。   The additive substances are Mg (magnesium), Al (aluminum), Y (yttrium), Sc (scandium), La (lanthanum), Ce (cerium), Zr (zirconium), Yb (ytterbium), Hf (hafnium). ), Ti (titanium), Lu (ruthenium), and a metal selected from the group consisting of two or more of these, or an oxide of the metal, or a nitride of the metal.

また、当該方法において、前記第1の原料および/または前記第2の原料は、さらに、TiN(窒化チタン)、SiC(炭化珪素)、BN(窒化ホウ素)、C(カーボン)、ZrO(ジルコニア)のうちの少なくとも一つの材料を含んでも良い。 In the method, the first raw material and / or the second raw material may further include TiN (titanium nitride), SiC (silicon carbide), BN (boron nitride), C (carbon), ZrO 2 (zirconia). ) May be included.

また、前記第1の原料と前記第2の原料は、実質的に同一の組成を有しても良い。   The first raw material and the second raw material may have substantially the same composition.

また当該方法において、前記ステップ(g)の後、さらに、
(h)得られた接合体を後焼結処理するステップを有し、
前記後焼結処理の温度は、前記ステップ(c)および前記ステップ(g)における反応焼結処理の温度よりも高く、ならびに/または
前記後焼結処理は、前記ステップ(c)および前記ステップ(g)における反応焼結処理の窒素雰囲気の圧力と同等以上の圧力の窒素雰囲気で実施されても良い。
In the method, after the step (g),
(H) having a step of post-sintering the obtained joined body,
The temperature of the post-sintering process is higher than the temperature of the reactive sintering process in the step (c) and the step (g), and / or the post-sintering process includes the step (c) and the step ( The reaction may be performed in a nitrogen atmosphere at a pressure equal to or higher than the pressure of the nitrogen atmosphere in the reactive sintering process in g).

なおこの場合、前記後焼結処理は、1〜9.5気圧の窒素雰囲気において、1600℃〜2000℃の温度範囲で実施されても良い。   In this case, the post-sintering treatment may be performed in a temperature range of 1600 ° C. to 2000 ° C. in a nitrogen atmosphere of 1 to 9.5 atm.

また当該方法において、前記ステップ(e)で調製されるスラリーは、水と、分散剤および/または結合剤とを含んでも良い。   In the method, the slurry prepared in step (e) may contain water and a dispersant and / or a binder.

本発明では、大型形状および/または複雑形状の製品にも適用することができ、接合部分の欠陥が有意に抑制されるとともに、比較的均質な接合体を得ることが可能な窒化珪素系セラミックス部材の接合方法が提供される。   In the present invention, a silicon nitride-based ceramic member that can be applied to a product having a large shape and / or a complicated shape, can significantly reduce defects in the joint portion, and can obtain a relatively homogeneous joined body. A joining method is provided.

以下、本発明をより詳しく説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

本発明は、窒化珪素系セラミックスの被接合部材同士を接合する方法において、被接合部材および接合材に、「同様の」原料を使用し、被接合部材(正確には被接合部材用成形体)および接合材(正確には接合材用スラリーが固化したもの)に対して、「同様の」反応焼結処理を実施することにより、結果的に均質な接合体を得ることを一つの特徴とするものである。   The present invention uses a “similar” raw material for a member to be bonded and a bonding material in a method for bonding bonded members of silicon nitride ceramics to each other. One characteristic is that a homogeneous bonded body is obtained as a result of performing a “similar” reaction sintering process on the bonding material (precisely, the bonding material slurry is solidified). Is.

より具体的には、本発明の方法は、
(a)シリコン粒子を主成分とする第1の原料を調製するステップと、
(b)前記第1の原料から、成形体を形成するステップと、
(c)窒素雰囲気下、1100℃〜1450℃の範囲のいずれかの温度に、前記成形体を保持し、該成形体中のシリコン粒子を反応焼結処理するステップであって、これにより窒化珪素系セラミックスの多孔質な被接合部材が得られるステップと、
(d)前記第1の原料に含まれるシリコン粒子の粒度分布と「同様の」粒度分布を有するシリコン粒子を含む、第2の原料を調製するステップと、
(e)前記第2の原料から、スラリーを調製するステップと、
(f)後に接合材が形成される前記被接合部材同士の隙間に、前記スラリーを注入して、前記被接合部材に前記スラリー中の水分を吸収させ、前記スラリーを固化させ、接合材を形成させることにより、組立体を得るステップと、
(g)窒素雰囲気下、1100℃〜1450℃の範囲のいずれかの温度に、前記組立体を保持し、前記接合材中のシリコン粒子を反応焼結処理するステップと、
を有する。
More specifically, the method of the present invention comprises:
(A) preparing a first raw material mainly composed of silicon particles;
(B) forming a molded body from the first raw material;
(C) A step of holding the molded body at a temperature in the range of 1100 ° C. to 1450 ° C. in a nitrogen atmosphere and subjecting silicon particles in the molded body to a reactive sintering treatment, whereby silicon nitride A step of obtaining a porous bonded member made of a ceramic based material,
(D) preparing a second raw material containing silicon particles having a particle size distribution “similar” to that of the silicon particles contained in the first raw material;
(E) preparing a slurry from the second raw material;
(F) Injecting the slurry into the gap between the members to be joined, where the joining material is formed later, causing the joined member to absorb moisture in the slurry, solidifying the slurry, and forming a joining material Obtaining an assembly by:
(G) holding the assembly at a temperature in the range of 1100 ° C. to 1450 ° C. in a nitrogen atmosphere and subjecting the silicon particles in the bonding material to reactive sintering;
Have

なお、「窒化珪素系セラミックス」と表現したのは、本発明の方法は、純粋な窒化珪素セラミックス製品に限らず、窒化珪素を主成分とするセラミックス製品にも広く適用することができるためである。すなわち、本願において、「窒化珪素系セラミックス」とは、窒化珪素を主成分とするセラミックスの総称を意味する。   Note that the expression “silicon nitride ceramics” is used because the method of the present invention can be widely applied not only to pure silicon nitride ceramic products but also to ceramic products mainly composed of silicon nitride. . That is, in the present application, “silicon nitride ceramic” means a generic name of ceramics mainly composed of silicon nitride.

また本願において、「反応焼結処理」とは、シリコン粒子を窒化させて窒化珪素を生成すると同時に、生成された窒化珪素を焼結させることにより、窒化珪素系セラミックスの焼結体を得る処理を意味する。   In the present application, the “reactive sintering process” means a process of obtaining a silicon nitride ceramic sintered body by nitriding silicon particles to produce silicon nitride and simultaneously sintering the produced silicon nitride. means.

前述のような特徴的な構成により、本発明の方法では、以下のような効果が得られる。   Due to the characteristic configuration as described above, the method of the present invention provides the following effects.

(i)接合材および被接合部材は、「同様の」原料から、「同様の」反応焼結処理を経て、窒化珪素系セラミックスに転化される。   (I) The bonding material and the member to be bonded are converted from the “similar” raw material to the silicon nitride ceramics through the “similar” reactive sintering process.

従って、最終的に得られる接合材および被接合部材において、両者の特性、例えば、組成、物性(密度、ポロシティ、熱膨張係数等)、機械的特性(強度等)、および/または化学的特性(耐薬品性、濡れ性等)等を、十分に近づけることができる。このため、本発明により得られる接合体は、従来の接合法によって得られる接合体に比べて、より均質となる。   Therefore, in the finally obtained joining material and to-be-joined member, characteristics of both, for example, composition, physical properties (density, porosity, thermal expansion coefficient, etc.), mechanical properties (strength, etc.), and / or chemical properties ( Chemical resistance, wettability, etc.) can be brought close enough. For this reason, the joined body obtained by the present invention is more homogeneous than the joined body obtained by the conventional joining method.

ここで、本発明では、接合材用の第2の原料に、被接合部材用の第1の原料と「同様の」原料を使用することを特徴としており、例えば、第2の原料は、第1の原料に含まれるシリコン粒子と同様のシリコン粒子を含む。例えば、前記ステップ(d)では、第2の原料に含まれるシリコン粒子の粒径は、第1の原料に含まれるシリコン粒子の粒径と、実質的に等しくされる。一般に、シリコン粒子の粒径がほぼ等しい場合、実質的に同様の反応焼結処理を実施することにより、実質的に同等の窒化珪素系セラミックス焼結体が得られる。従って、この場合、以降の反応焼結処理を経て得られる接合材の状態を、被接合部材の状態に近づけることができる。   Here, the present invention is characterized in that the same raw material as the first raw material for the member to be joined is used as the second raw material for the bonding material. Silicon particles similar to the silicon particles contained in one raw material are included. For example, in the step (d), the particle size of the silicon particles contained in the second raw material is made substantially equal to the particle size of the silicon particles contained in the first raw material. In general, when the particle diameters of silicon particles are substantially equal, a substantially equivalent silicon nitride ceramic sintered body can be obtained by performing substantially the same reaction sintering treatment. Therefore, in this case, the state of the bonding material obtained through the subsequent reaction sintering process can be brought close to the state of the member to be bonded.

なお、本願において、シリコン粒子の粒度分布は、レーザー回折・散乱法(マイクロトラック法)により測定された値である。また、「シリコン粒子の粒度分布がほぼ(実質的に)等しい」とは、比較される2種類のシリコン粒子の粒度分布において、最大粒径、最頻粒径、および最頻粒径を有する粒子の割合のうちの少なくとも一つが、±20%の範囲内にある場合を言うものとする。例えば、第1の原料に含まれるシリコン粒子の最頻粒径が10μmで、第2の原料に含まれるシリコン粒子の最頻粒径が8μm〜12μmの範囲の場合、両シリコン粒子の粒度分布は、ほぼ(実質的に)等しいと言える。   In the present application, the particle size distribution of silicon particles is a value measured by a laser diffraction / scattering method (microtrack method). Further, “the particle size distribution of silicon particles is substantially (substantially equal)” means that particles having a maximum particle diameter, a mode particle diameter, and a mode particle diameter in the particle size distributions of two types of silicon particles to be compared. The case where at least one of the ratios is within a range of ± 20% shall be said. For example, when the mode particle size of silicon particles contained in the first raw material is 10 μm and the mode particle size of silicon particles contained in the second material is in the range of 8 μm to 12 μm, the particle size distribution of both silicon particles is , Almost (substantially) equal.

前記ステップ(g)では、スラリーを固化することにより形成された接合材中のシリコン粒子を反応焼結処理するため、前記組立体は、前記ステップ(c)と同様、窒素雰囲気下、1100℃〜1450℃の範囲のいずれかの温度に保持される。一般に、同様のシリコン粒子を含む原料を使用して、窒素雰囲気下、1100℃〜1450℃の範囲のいずれかの温度で反応焼結処理を実施した場合、実質的に同等の状態の窒化珪素系セラミックス焼結体が得られる。従って、ステップ(g)により、得られる接合材の状態を、被接合部材の状態に近づけることができる。   In the step (g), since the silicon particles in the bonding material formed by solidifying the slurry are subjected to a reactive sintering process, the assembly is subjected to 1100 ° C. to 1100 ° C. in a nitrogen atmosphere as in the step (c). It is held at any temperature in the range of 1450 ° C. Generally, when a reactive sintering process is performed at a temperature in the range of 1100 ° C. to 1450 ° C. in a nitrogen atmosphere using a raw material containing similar silicon particles, the silicon nitride system in a substantially equivalent state A ceramic sintered body is obtained. Therefore, the state of the joining material obtained by step (g) can be brought close to the state of the member to be joined.

例えば、接合材用のスラリーは、被接合部材用の原料と実質的に同一の原料を用いて調製されても良い。また、接合材用のスラリーは、例えば、被接合部材と実質的に同一の反応焼結処理条件を用いて反応焼結処理されても良い。   For example, the slurry for the bonding material may be prepared using substantially the same raw material as the raw material for the member to be bonded. Moreover, the slurry for joining materials may be subjected to reaction sintering treatment using, for example, substantially the same reaction sintering treatment conditions as the members to be joined.

(ii)本発明では、接合材の導入形態として、流動性の高いスラリーが使用される。この場合、前述のステップ(f)において、被接合部材の間の隙間にスラリーを注入した場合、スラリーに含まれる水等の液体成分は、隙間部分から、多孔質な被接合部材のポアを経由して、容易に外部に排出される。またスラリーは、ペーストとは異なり、流動性が高いため、スラリー中に含まれるシリコン粒子は、水等の液体の流動とともに、隙間中の微小空間部分を充填するように移動する。このステップにより、隙間部分には、シリコン粒子が均質かつ高充填密度で充填される。従って、最終的に、接合材の内部および接合材と非接合材の界面に、欠陥の少ない接合体を得ることができる。   (Ii) In the present invention, a slurry having high fluidity is used as a form for introducing the bonding material. In this case, when the slurry is injected into the gap between the members to be joined in step (f), the liquid component such as water contained in the slurry passes through the pores of the porous member to be joined from the gap portion. And easily discharged to the outside. In addition, unlike the paste, the slurry has high fluidity, so that the silicon particles contained in the slurry move so as to fill the minute space portion in the gap as the liquid such as water flows. By this step, the gap portion is filled with silicon particles uniformly and with a high packing density. Therefore, finally, a joined body with few defects can be obtained inside the joining material and at the interface between the joining material and the non-joining material.

(iii)前述のステップ(g)において、反応焼結処理の際には、接合材用スラリーに含まれるシリコン粒子は、液相と気相の両状態から、窒化珪素に変化する。すなわち、反応焼結処理の際、シリコン粒子の一部は、シリコン表面の酸化層(ガラス)や焼結助剤との反応等により溶融状態または半溶融状態となり、この液相が雰囲気中の窒素と反応して、窒化珪素が形成される。また、シリコン粒子の別の一部は、熱により気化し、気相状態で、雰囲気中の窒素と反応する。後者の場合、得られる窒化珪素は、接合部分のうち、液相および固相で充填されていない部分、すなわち空間部を充填するようにして、ウィスカー状に生成される。従って、反応焼結処理を介して、接合部分のシリコン粒子を窒化珪素系セラミックスに転化した場合、接合部分の空隙が埋められ、処理後には、接合材の内部および接合材と非接合材の界面に欠陥の少ない接合材を得ることができる。   (Iii) In the above-described step (g), during the reactive sintering process, the silicon particles contained in the bonding material slurry change from both the liquid phase and the gas phase to silicon nitride. That is, during the reactive sintering process, some of the silicon particles become molten or semi-molten due to reaction with an oxide layer (glass) on the silicon surface or a sintering aid, and this liquid phase is nitrogen in the atmosphere. Reacts with it to form silicon nitride. Further, another part of the silicon particles is vaporized by heat and reacts with nitrogen in the atmosphere in a gas phase state. In the latter case, the obtained silicon nitride is generated in a whisker shape so as to fill a portion that is not filled with a liquid phase and a solid phase, that is, a space portion, among the bonded portions. Therefore, when silicon particles in the joint portion are converted into silicon nitride ceramics through reaction sintering, the gap in the joint portion is filled, and after the treatment, the inside of the joint material and the interface between the joint material and the non-joint material are filled. In addition, a bonding material with few defects can be obtained.

(iv)本発明の方法では、被接合部材同士の接合箇所(隙間部分)にスラリーを注入することにより、隙間部分に簡単にシリコン粒子を充填することができる。接合過程には、被接合部材同士を圧接する工程は、含まれない。従って、特殊な圧接装置は不要となり、大型製品の接合にも、容易に適用することができる。同様に、複雑形状製品にも、容易に適用することができる。   (Iv) In the method of the present invention, the silicon particles can be easily filled in the gap portion by injecting the slurry into the joining portion (gap portion) between the members to be joined. The joining process does not include a step of pressing the members to be joined together. Therefore, a special pressure welding apparatus is not required and can be easily applied to joining large products. Similarly, it can be easily applied to complex shaped products.

(v)本発明の方法では、被接合部材の接合面に、予め特定の表面仕上げを行っておく必要はない。スラリーの流動性が高いため、被接合部材の接合面に多少の凹凸が存在しても、シリコン粒子を、接合面に均一に充填することができるからである。(従来の一般的なセラミックス部材同士の接合方法では、接合面を平滑化するなど、予め表面に特定の仕上げを実施しておく必要があることに留意する必要がある。)従って、本発明では、極めて単純な処理工程で被接合体の接合を行うことができ、処理コストが抑制される。   (V) In the method of the present invention, it is not necessary to perform a specific surface finish in advance on the joint surface of the member to be joined. This is because the fluidity of the slurry is high, so that even if there are some irregularities on the joint surface of the members to be joined, the silicon particles can be uniformly filled into the joint surface. (It is necessary to keep in mind that in a conventional method for joining ceramic members, it is necessary to perform a specific finish on the surface in advance, such as smoothing the joining surface.) The bonded objects can be bonded by a very simple processing process, and the processing cost is suppressed.

このように、本発明による方法では、接合材と被接合部材の間で特性の差異が小さく、接合部分に欠陥の少ない接合体を、比較的簡単に得ることができる。   As described above, in the method according to the present invention, a joined body having a small difference in characteristics between the joining material and the member to be joined and having few defects in the joined portion can be obtained relatively easily.

以下、図面を参照して、本発明をより具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to the drawings.

図1には、本発明の方法を実施するための概略的なフロー図の一例を示す。   FIG. 1 shows an example of a schematic flow diagram for carrying out the method of the present invention.

図1に示すように、本発明による方法は、被接合部材用の第1の原料を調製するステップ(S110)と、前記第1の原料を用いて、被接合部材の成形体を得るステップ(S120)と、得られた成形体を反応焼結させて、被接合部材を得るステップ(S130)と、接合材用の第2の原料を調製するステップ(S140)と、前記第2の原料を用いて、接合材用のスラリーを調製するステップ(S150)と、前記被接合部材の接合部分に、前記スラリーを注入し、固化させることにより、接合材を形成するステップ(S160)と、前記接合材を反応焼結させ、これにより、被接合部材同士が接合材を介して接合された接合体を得るステップ(S170)と、得られた接合体を後焼結処理するステップ(S180)と、を有する。   As shown in FIG. 1, the method according to the present invention includes a step of preparing a first raw material for a member to be joined (S110), and a step of obtaining a molded body of the member to be joined using the first raw material ( S120), a step of reaction-sintering the obtained molded body to obtain a bonded member (S130), a step of preparing a second raw material for a bonding material (S140), and the second raw material A step of preparing a slurry for bonding material (S150), a step of forming the bonding material by injecting and solidifying the slurry into the bonding portion of the member to be bonded (S160), and the bonding A step of obtaining a joined body in which the materials are subjected to reaction sintering, whereby the members to be joined are joined via the joining material (S170), and a step of post-sintering the obtained joined body (S180); Have

なお、ステップS140〜S150は、ステップS110〜S130の前後のいずれの段階で実施されても良く、またはステップS110〜S130と並列に実施されても良い。また、最後の接合体を後焼結処理するステップ(S180)は、省略しても良い。   Note that steps S140 to S150 may be performed at any stage before and after steps S110 to S130, or may be performed in parallel with steps S110 to S130. Further, the step of post-sintering the last joined body (S180) may be omitted.

以下、各ステップについて、具体的に説明する。   Hereinafter, each step will be specifically described.

(ステップS110)
このステップでは、窒化珪素系セラミックスの被接合部材を製作するため、第1の原料が調製される。第1の原料は、主成分としてシリコン粉末を含む。
(Step S110)
In this step, a first raw material is prepared in order to manufacture a silicon nitride ceramic member to be bonded. The first raw material contains silicon powder as a main component.

第1の原料は、さらに、添加物質を含んでも良い。例えば、第1の原料は、第1の原料全体の重量に対して、0.1wt%〜10wt%程度の焼結助剤を含んでも良い。通常、焼結助剤としては、金属、酸化物または窒化物等が使用される。金属焼結助剤の例は、Mg(マグネシウム)、Al(アルミニウム)、Y(イットリウム)、Sc(スカンジウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Zr(ジルコニウム)、Yb(イッテリビウム)、Hf(ハフニウム)、Ti(チタン)、Lu(ルテニウム)、およびこれらの2種以上の組み合わせ等である。酸化物および窒化物の焼結助剤の例には、前述の金属の酸化物、窒化物等がある。焼結助剤は、例えば、Y−Al、Y−Al−MgO、ZrO−Al、ZrO−Al−MgO等である。 The first raw material may further contain an additive substance. For example, the first raw material may include a sintering aid of about 0.1 wt% to 10 wt% with respect to the weight of the entire first raw material. Usually, metals, oxides or nitrides are used as sintering aids. Examples of metal sintering aids are Mg (magnesium), Al (aluminum), Y (yttrium), Sc (scandium), La (lanthanum), Ce (cerium), Zr (zirconium), Yb (ytterbium), Hf (Hafnium), Ti (titanium), Lu (ruthenium), and combinations of two or more thereof. Examples of oxide and nitride sintering aids include the aforementioned metal oxides and nitrides. Sintering aid, for example, is Y 2 O 3 -Al 2 O 3 , Y 2 O 3 -Al 2 O 3 -MgO, ZrO 2 -Al 2 O 3, ZrO 2 -Al 2 O 3 -MgO , etc. .

また、第1の原料は、さらに別の添加物質として、TiN(窒化チタン)、SiC(炭化珪素)、BN(窒化ホウ素)、C(カーボン)、ZrO(ジルコニア)等を含んでも良い。これらの添加物質を添加することにより、最終的に得られる窒化珪素系セラミックスの被接合部材に、各種特性を付与することができる。例えば、第1の原料にTiNを添加することにより、被接合部材の導電性を向上させることができる。また第1の原料にSiC(炭化珪素)を添加することにより、被接合部材の耐酸化性、強度、靭性を向上させることができる。また、第1の原料にBN(窒化ホウ素)を添加することにより、被接合部材の耐熱衝撃性を向上させたり、金属溶湯の付着を防止させたりすることができる。さらに第1の原料にC(カーボン)を添加することにより、被接合部材の耐摩耗性や導電性を高めることができる。また、第1の原料にZrO(ジルコニア)を添加することにより、被接合部材の靭性を高めることができる。これらの添加物質は、2種類以上添加されても良い。これらの添加物質の添加量は、第1の原料全体の重量に対して、5wt%〜30wt%程度である。 The first raw material may further contain TiN (titanium nitride), SiC (silicon carbide), BN (boron nitride), C (carbon), ZrO 2 (zirconia), and the like as still another additive substance. By adding these additive substances, various properties can be imparted to the finally obtained silicon nitride ceramic member to be joined. For example, the conductivity of the member to be joined can be improved by adding TiN to the first raw material. Further, by adding SiC (silicon carbide) to the first raw material, the oxidation resistance, strength, and toughness of the bonded members can be improved. Further, by adding BN (boron nitride) to the first raw material, it is possible to improve the thermal shock resistance of the bonded member or to prevent the molten metal from adhering. Furthermore, by adding C (carbon) to the first raw material, it is possible to improve the wear resistance and conductivity of the bonded members. Further, by adding ZrO 2 (zirconia) to the first material, it is possible to improve the toughness of the bonded members. Two or more kinds of these additive substances may be added. The addition amount of these additive substances is about 5 wt% to 30 wt% with respect to the weight of the entire first raw material.

なお、ここに記載された物質は、単なる一例であって、この他にも様々な物質を、第1の原料に添加しても良いことは、当業者には明らかであろう。   It will be apparent to those skilled in the art that the substances described here are merely examples, and various other substances may be added to the first raw material.

これらの成分を十分に混合することにより、第1の原料が得られる。なお、混合(撹拌)の際には、アルコールまたは水等の適当な液体を添加しても良い。その場合、混合(撹拌)後に、適当な乾燥手段(乾燥機の使用、スプレードライ等)により、液体分の除去を行うことにより、混合粉末が得られる。その他、次のステップ(S120)における成形法に応じて、各種粉末処理を行っても良い。   By sufficiently mixing these components, the first raw material can be obtained. In mixing (stirring), an appropriate liquid such as alcohol or water may be added. In that case, after mixing (stirring), the mixed powder is obtained by removing the liquid component by an appropriate drying means (using a dryer, spray drying, etc.). In addition, various powder treatments may be performed according to the molding method in the next step (S120).

(ステップS120)
次に、ステップS110で得られた第1の原料を用いて、被接合部材用の成形体が形成される。この成形方法は、特に限られず、いかなる成形方法を採用しても良い。例えば、成形方法は、金型プレス法、冷間静水圧加圧法(CIP法)、押出法、射出成形法、またはスリップキャスト法等であっても良い。
(Step S120)
Next, a molded body for a member to be joined is formed using the first raw material obtained in step S110. This molding method is not particularly limited, and any molding method may be adopted. For example, the molding method may be a die pressing method, a cold isostatic pressing method (CIP method), an extrusion method, an injection molding method, a slip casting method, or the like.

(ステップS130)
次に、前記成形体を用いて、反応焼結処理(以下、「第1の反応焼結処理」という)が行われる。第1の反応焼結処理の条件は、特に限られず、成形体に含まれるシリコンが窒化珪素に変化する条件であれば、いかなる条件を採用しても良い。一般には、前記成形体を、1気圧の窒素雰囲気中、1100℃〜1450℃の温度範囲に保持することにより、反応焼結が生じ、シリコン粒子が窒化珪素に変化する。
(Step S130)
Next, a reaction sintering process (hereinafter referred to as “first reaction sintering process”) is performed using the molded body. The conditions for the first reactive sintering treatment are not particularly limited, and any conditions may be adopted as long as the silicon contained in the molded body is changed to silicon nitride. In general, by maintaining the molded body in a temperature range of 1100 ° C. to 1450 ° C. in a nitrogen atmosphere of 1 atm, reactive sintering occurs, and silicon particles change to silicon nitride.

なお本発明では、反応焼結を実施した窒化ケイ素系セラミックスを、被接合部材として使用している。これは、反応焼結を実施してない成形体では、シリコン粒子同士の結合が弱く、以降のステップS160において、被接合部材同士の隙間にスラリーを注入した際に、被接合部材が濡れて膨張、崩壊したり、乾燥時の収縮により、被接合部材にき裂が発生したりする危険性があるからである。これに対して、反応焼結を実施した窒化ケイ素系セラミックスを、被接合部材として使用した場合、窒化ケイ素粒子同士が強固に結合されているため、被接合部材が濡れや乾燥による影響を受けることはない。   In the present invention, silicon nitride ceramics subjected to reactive sintering is used as a member to be joined. This is because, in a molded body that has not been subjected to reactive sintering, bonding between silicon particles is weak, and in subsequent step S160, when the slurry is injected into the gap between the members to be bonded, the members to be bonded become wet and expand. This is because there is a risk that the member to be joined is cracked due to collapse or shrinkage during drying. In contrast, when silicon nitride-based ceramics that have been subjected to reactive sintering are used as bonded members, the silicon nitride particles are firmly bonded to each other, so that the bonded members are affected by wetting and drying. There is no.

この処理により、窒化珪素系セラミックスの多孔質被接合部材が得られる。   By this treatment, a porous bonded member made of silicon nitride ceramic is obtained.

(ステップS140)
このステップでは、後に接合材となる第2の原料が調製される。ここで、第2の原料には、前述の第1の原料と「同様の」原料が使用される。すなわち、第2の原料は、主成分として、前述の第1の原料と「同様の」シリコン粉末を含む。例えば、第2の原料に含まれるシリコン粒子は、前述の第1の原料に含まれるシリコン粒子の粒径と実質的に等しい粒径を有する。また、第2の原料は、さらに前述のような添加物質を含んでも良い。特に、第2の原料には、第1の原料と同じものを使用しても良い。
(Step S140)
In this step, a second raw material to be a bonding material later is prepared. Here, the same raw material as the first raw material is used as the second raw material. That is, the second raw material contains silicon powder “similar” to the first raw material described above as a main component. For example, the silicon particles contained in the second raw material have a particle size substantially equal to the particle size of the silicon particles contained in the first raw material. In addition, the second raw material may further contain the additive material as described above. In particular, the same material as the first material may be used as the second material.

このような特徴により、以降のステップを経て得られる窒化珪素系セラミックスの接合材に、被接合部材と同等の特性を発現させることができる。   Due to such features, the silicon nitride ceramic bonding material obtained through the following steps can exhibit the same characteristics as the bonded member.

(ステップS150)
次に、第2の原料を用いて、接合材用のスラリーが調製される。スラリーの調製方法は、特に限られない。スラリーは、例えば、前述の第2の原料に、水を添加し、さらに分散剤および/または結合剤を加え、この混合液を十分に撹拌することにより調製される。分散剤としては、例えば、ポリアクリル酸アンモニウム、ポリカルボン酸アンモニウム等が使用される。また、結合剤としては、例えば、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、アクリルエマルジョン等が使用される。分散剤および結合剤のそれぞれの添加量は、例えば、第2の原料に対して、0.2wt%〜3wt%程度である。
(Step S150)
Next, a slurry for a bonding material is prepared using the second raw material. The method for preparing the slurry is not particularly limited. The slurry is prepared, for example, by adding water to the above-mentioned second raw material, further adding a dispersant and / or a binder, and sufficiently stirring the mixed solution. As the dispersing agent, for example, ammonium polyacrylate, ammonium polycarboxylate or the like is used. Moreover, as a binder, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetal, an acrylic emulsion etc. are used, for example. The added amount of each of the dispersant and the binder is, for example, about 0.2 wt% to 3 wt% with respect to the second raw material.

得られるスラリーの粘度は、500cps以下であり、例えば、50cps〜300cpsの範囲である。従って、このスラリーは、いわゆる「ペースト」とは異なり、比較的高い流動性を有する。   The resulting slurry has a viscosity of 500 cps or less, for example, in the range of 50 cps to 300 cps. Therefore, this slurry has a relatively high fluidity, unlike a so-called “paste”.

(ステップS160)
次に、前記ステップS130で作製された少なくとも2つの被接合部材が所定の形状となるように、隙間を介して組み立てられ、この隙間部分に、ステップS150で調製されたスラリーが注入される。
(Step S160)
Next, it is assembled through a gap so that at least two members to be joined produced in step S130 have a predetermined shape, and the slurry prepared in step S150 is injected into this gap portion.

前述のように、このステップにおいて、スラリーに含まれる液体成分は、隙間部分から、多孔質な被接合部材中に含まれる微細なポアを経由して、容易に外部に排出される。またスラリーの高流動性のため、スラリー中に含まれるシリコン粒子は、液体成分の流動とともに、空間部分を稠密に充填するように移動する。従って、このステップにより、隙間部分に、シリコン粒子を均一かつ高充填密度で充填することができる。   As described above, in this step, the liquid component contained in the slurry is easily discharged to the outside from the gap portion via the fine pores contained in the porous member to be joined. In addition, due to the high fluidity of the slurry, the silicon particles contained in the slurry move so as to densely fill the space with the flow of the liquid component. Therefore, by this step, the silicon particles can be uniformly and highly packed in the gap portion.

ここで、このようなスラリーの特徴のため、このステップを実施する前に、各被接合部材の接合面に対して、特殊な表面仕上げを行っておく必要はない。スラリーの流動性のため、接合面に多少の凹凸が存在しても、液体成分の流出の際に、シリコン粒子が接合面の凹凸を埋めるように移動し、結果的に、シリコン粒子が均一に配置されるからである。   Here, because of the characteristics of such a slurry, it is not necessary to perform a special surface finish on the bonding surface of each member to be bonded before performing this step. Due to the fluidity of the slurry, even if there are some irregularities on the joint surface, when the liquid component flows out, the silicon particles move to fill the irregularities on the joint surface, resulting in uniform silicon particles. It is because it is arranged.

また、本発明では、スラリーの注入により、隙間部分をスラリー成分で充填する方式であるため、隙間部分の幅には、特に制限はなく、いかなる寸法の隙間部分にも容易に適用することができるという特徴がある。   In the present invention, since the gap portion is filled with the slurry component by injecting slurry, the width of the gap portion is not particularly limited, and can be easily applied to the gap portion of any size. There is a feature.

(ステップS170)
ステップS160の後、任意で、得られた組立体の乾燥処理を実施しても良い。乾燥処理は、例えば組立体を室温の大気環境下で保持することにより、実施されても良い。乾燥処理により、スラリーを注入した隙間部分から被接合部材の方に流出した水分を除去することができる。
(Step S170)
After step S160, the obtained assembly may be optionally dried. The drying process may be performed, for example, by holding the assembly in a room temperature atmospheric environment. By the drying treatment, moisture that has flowed out toward the member to be joined can be removed from the gap portion into which the slurry has been injected.

次に、この組立体全体が、窒素雰囲気下で加熱される(接合材の反応焼結処理)。これにより、隙間部分に形成された接合材中のシリコン粒子が反応焼結して、接合材が窒化珪素系セラミックスに変化する。   Next, the entire assembly is heated under a nitrogen atmosphere (reaction sintering treatment of the bonding material). Thereby, the silicon particles in the bonding material formed in the gap portion are reactively sintered, and the bonding material is changed to silicon nitride ceramics.

このステップでの反応焼結処理(以下、「第2の反応焼結処理」という)は、第1の反応焼結処理と「同様の」条件で実施される。例えば、第2の反応焼結処理は、例えば1気圧の窒素雰囲気において、例えば1100℃〜1450℃の範囲のいずれかの温度に、組立体全体を保持することにより実施される。特に、第2の反応焼結処理の際の温度は、第1の反応焼結処理の際の温度に対して、±50℃以内の範囲にあることが好ましい。この場合、被接合部材と接合材との間に、極めて近似した焼結状態を得ることができる。   The reactive sintering process in this step (hereinafter referred to as “second reactive sintering process”) is performed under the same conditions as the first reactive sintering process. For example, the second reaction sintering process is performed by, for example, maintaining the entire assembly at a temperature in the range of 1100 ° C. to 1450 ° C., for example, in a nitrogen atmosphere of 1 atm. In particular, the temperature during the second reaction sintering process is preferably within a range of ± 50 ° C. with respect to the temperature during the first reaction sintering process. In this case, a very similar sintered state can be obtained between the member to be joined and the joining material.

ここで、前述のように、隙間部分には、シリコン粒子が均質かつ高充填密度で充填されているため、この処理により、均質な接合材が形成される。また、被接合部材と接合材の間には、欠陥やクラックが有意に抑制された界面が生じる。   Here, as described above, since the silicon particles are filled in the gap portion with a uniform and high filling density, a uniform bonding material is formed by this treatment. Further, an interface in which defects and cracks are significantly suppressed occurs between the member to be joined and the joining material.

またこの接合材は、被接合部材と同様の原料を用いて、被接合部材に対して実施された反応焼結処理条件と同様の反応焼結処理条件を経て、形成されたものである。従って、隙間部分には、被接合部材と同等の特性を有する窒化珪素系セラミックスの接合材が形成される。   The bonding material is formed using the same raw material as the member to be bonded, through the reaction sintering process conditions similar to the reaction sintering process conditions performed on the member to be bonded. Therefore, a silicon nitride ceramic bonding material having characteristics equivalent to those of the members to be bonded is formed in the gap portion.

従って、このステップを経て得られた接合体では、被接合部材と接合材の間における特性の差異が有意に抑制され、全体的に均質な接合体が得られる。   Therefore, in the joined body obtained through this step, the difference in characteristics between the member to be joined and the joining material is significantly suppressed, and a joined body that is homogeneous throughout is obtained.

(ステップS180)
前述の工程により、本発明の特徴を有する窒化珪素系セラミックス接合体を得ることができるが、必要な場合、ステップS170で得られた接合体を用いて、さらに、後焼結処理が実施される。この処理により、より均質で、高焼結状態の窒化珪素系セラミックス接合体を得ることができる。後焼結処理は、例えば、大気圧または加圧窒素雰囲気下、接合体を1600℃〜2000℃の温度に保持することにより行われる。窒素圧力は、例えば1気圧〜9.5気圧の範囲である。また、処理時間は、例えば、1時間〜10時間程度である。
(Step S180)
Although the silicon nitride ceramic joined body having the features of the present invention can be obtained by the above-described steps, if necessary, a post-sintering process is further performed using the joined body obtained in step S170. . By this treatment, a more uniform and highly sintered silicon nitride ceramic joined body can be obtained. The post-sintering treatment is performed, for example, by maintaining the joined body at a temperature of 1600 ° C. to 2000 ° C. under an atmospheric pressure or a pressurized nitrogen atmosphere. The nitrogen pressure is, for example, in the range of 1 atmosphere to 9.5 atmospheres. The processing time is, for example, about 1 hour to 10 hours.

なお当然のことながら、この後処理工程では、接合体全体が同条件で処理されるため、この処理を経ても、被接合部材と接合材の間における特性の差異が少ない状態、すなわち全体的に均質な状態は、そのまま維持される。   Of course, in this post-processing step, the entire bonded body is processed under the same conditions. Therefore, even after this processing, there is little difference in characteristics between the member to be bonded and the bonding material, that is, overall. The homogeneous state is maintained as it is.

次に実施例により、本発明の効果をより詳しく説明する。   Next, the effects of the present invention will be described in more detail with reference to examples.

(実施例1)
まず、被接合部材用の原料として、粒度#600以下(平均粒径22μm)のシリコン粉末(純度98%)と、焼結助剤とをボールミルにより十分に混合後、乾燥し、混合粉末を得た。焼結助剤には、ジルコニア(ZrO)粒子(平均粒径2μm)およびスピネル(MgAl)粒子(平均粒径4μm)を使用した。各粒子は、焼結後の組成がSi−5wt%ZrO−5wt%MgAlとなるように混合した。
Example 1
First, silicon powder (purity 98%) having a particle size of # 600 or less (average particle size 22 μm) and a sintering aid are sufficiently mixed by a ball mill as a raw material for a member to be joined and dried to obtain a mixed powder. It was. As the sintering aid, zirconia (ZrO 2 ) particles (average particle size 2 μm) and spinel (MgAl 2 O 4 ) particles (average particle size 4 μm) were used. Each particle was mixed so that the composition after sintering was Si 3 N 4 -5 wt% ZrO 2 -5 wt% MgAl 2 O 4 .

次に、この混合粉末を用いて、前述のCIP法により成形を行ない、2つの成形体を得た。処理圧力(静水圧)は、100MPaとした。得られた両成形体は、寸法がいずれも縦60mm×横40mm×厚さ6mm程度の板形状であった。   Next, using this mixed powder, molding was performed by the CIP method described above to obtain two molded bodies. The treatment pressure (hydrostatic pressure) was 100 MPa. Both of the molded bodies thus obtained had a plate shape with dimensions of about 60 mm in length, 40 mm in width, and 6 mm in thickness.

さらに、これらの成形体を反応焼結処理し、窒化珪素系セラミックスの多孔質板状被接合部材を得た。反応焼結処理は、1気圧の窒素雰囲気下で、成形体を室温から1450℃まで30時間かけて昇温した後、この温度に2時間保持することにより実施した。   Furthermore, these compacts were subjected to a reactive sintering treatment to obtain a silicon nitride ceramic porous plate-like member to be joined. The reactive sintering treatment was carried out by heating the molded body from room temperature to 1450 ° C. over 30 hours in a nitrogen atmosphere of 1 atm and then holding at this temperature for 2 hours.

次に、前述の混合粉末重量に対し、分散剤0.7wt%、結合剤1wt%および水35wt%を加え、十分に撹拌することにより、接合材用のスラリーを調製した。分散剤には、ポリアクリル酸アンモニウムを使用した。また結合剤には、ポリビニルアルコールを使用した。スラリーの粘度は、110cpsであり、固形分濃度は、55%であった。   Next, a slurry for a bonding material was prepared by adding 0.7 wt% dispersant, 1 wt% binder, and 35 wt% water to the above-mentioned mixed powder weight and sufficiently stirring. As the dispersant, ammonium polyacrylate was used. Moreover, polyvinyl alcohol was used for the binder. The viscosity of the slurry was 110 cps and the solid content concentration was 55%.

次に、前述の接合材用のスラリーを用いて、以下の方法により、前述の2枚の板状被接合部材を接合した。   Next, the above-mentioned two plate-like members to be joined were joined by the following method using the aforementioned slurry for joining material.

まず、各板状被接合部材の一つの端面(縦60mm×厚さ6mmの領域)を、表面を粗くするため、#220の研磨紙により研磨した。次に、それぞれの板状被接合部材を、研磨された端面同士が約1.5mmの隙間を介して対向するようにして、板状被接合部材よりも十分に大きな寸法のアルミナ製の台座上に配置した。次に、板状被接合部材の間の隙間部分の両端を、目留め材で目留めした後、この隙間部分に前述のスラリーを注入した。スラリーは、隙間部分が固形分で完全に充填されるまで注入した。   First, one end face (region of 60 mm length × 6 mm thickness) of each plate-like member to be joined was polished with # 220 polishing paper in order to roughen the surface. Next, each plate-like member to be bonded is placed on an alumina pedestal having a dimension sufficiently larger than that of the plate-like member to be bonded so that the polished end faces face each other with a gap of about 1.5 mm. Arranged. Next, both ends of the gap portion between the plate-like members to be joined were fastened with a sealing material, and the above-described slurry was poured into this gap portion. The slurry was poured until the gap was completely filled with solids.

この状態で、得られた組立体を、大気中室温で保持し、組立体中に含まれる水分を十分に乾燥させた。   In this state, the obtained assembly was kept at room temperature in the atmosphere to sufficiently dry the moisture contained in the assembly.

次に、この組立体を台座ごと雰囲気炉内に設置し、接合材(スラリーが固化した部分)の反応焼結処理を実施した。反応焼結処理は、1気圧の窒素雰囲気下で、組立体を室温から1450℃まで30時間かけて昇温した後、この温度に2時間保持することにより実施した。その後、組立体を室温まで冷却(炉冷)することにより、2枚の被接合部材が接合材により接合された接合体(縦60mm×横81.5mm)が得られた。   Next, this assembly was installed in the atmosphere furnace together with the pedestal, and the reaction material was subjected to reactive sintering treatment (part where the slurry was solidified). The reaction sintering process was carried out by heating the assembly from room temperature to 1450 ° C. over 30 hours under a nitrogen atmosphere of 1 atm, and holding at this temperature for 2 hours. Thereafter, the assembly was cooled to room temperature (furnace cooling) to obtain a joined body (60 mm long × 81.5 mm wide) in which two members to be joined were joined by a joining material.

次に、得られた接合体を用いて、後焼結処理を実施した。後焼結処理は、5気圧の窒素雰囲気下で、接合体を室温から1800℃まで、3時間かけて昇温した後、この温度に8時間保持することにより実施した。   Next, post-sintering was performed using the obtained joined body. The post-sintering treatment was performed by raising the temperature of the joined body from room temperature to 1800 ° C. over 3 hours under a nitrogen atmosphere of 5 atm, and then holding at this temperature for 8 hours.

以下、このような工程を経て得られた窒化珪素系セラミックスの接合体を、「実施例1に係る接合体」と称する。   Hereinafter, the bonded body of silicon nitride ceramics obtained through such a process is referred to as “bonded body according to Example 1”.

(比較例1)
被接合部材用の原料として、粒度#320以下(平均粒径4μm)の窒化珪素粉末(純度99%)と、焼結助剤とをボールミルにより混合、乾燥し、混合粉末を得た。焼結助剤には、ジルコニア(ZrO)粒子(平均粒径2μm)およびスピネル(MgAl)粒子(平均粒径4μm)を使用した。各粒子は、焼結後の組成がSi−5wt%ZrO−5wt%MgAlとなるように混合した。
(Comparative Example 1)
As raw materials for the members to be joined, silicon nitride powder (purity 99%) having a particle size of # 320 or less (average particle size 4 μm) and a sintering aid were mixed by a ball mill and dried to obtain a mixed powder. As the sintering aid, zirconia (ZrO 2 ) particles (average particle size 2 μm) and spinel (MgAl 2 O 4 ) particles (average particle size 4 μm) were used. Each particle was mixed so that the composition after sintering was Si 3 N 4 -5 wt% ZrO 2 -5 wt% MgAl 2 O 4 .

次に、この混合粉末を用いて、実施例1の場合と同様、CIP法により成形を行ない、窒化珪素系の2つの成形体を得た。処理圧力(静水圧)は、100MPaとした。得られた両成形体は、寸法がいずれも縦60mm×横40mm×厚さ6mm程度の板形状であった。   Next, using this mixed powder, molding was performed by the CIP method in the same manner as in Example 1 to obtain two silicon nitride-based molded bodies. The treatment pressure (hydrostatic pressure) was 100 MPa. Both of the molded bodies thus obtained had a plate shape with dimensions of about 60 mm in length, 40 mm in width, and 6 mm in thickness.

さらに、これらの成形体を焼結処理(いわゆる仮焼成処理)し、多孔質板状被接合部材を得た。仮焼結処理は、1気圧の窒素雰囲気下で、成形体を室温から1300℃まで2時間かけて昇温した後、この温度に2時間保持することにより実施した。   Furthermore, these molded bodies were subjected to a sintering process (so-called calcination process) to obtain a porous plate-shaped bonded member. The pre-sintering treatment was performed by raising the temperature of the molded body from room temperature to 1300 ° C. over 2 hours in a nitrogen atmosphere of 1 atm and then holding at this temperature for 2 hours.

次に、前述の混合粉末重量に対し、分散剤0.8wt%、結合剤1wt%および水35wt%を加え、十分に撹拌することにより、接合材用のスラリーを調製した。分散剤には、ポリアクリル酸アンモニウムを使用した。また結合剤には、ポリビニルアルコールを使用した。スラリーの粘度は、130cpsであり、固形分濃度は、47%であった。   Next, a slurry for a bonding material was prepared by adding 0.8 wt% dispersant, 1 wt% binder, and 35 wt% water to the mixed powder weight described above and stirring sufficiently. As the dispersant, ammonium polyacrylate was used. Moreover, polyvinyl alcohol was used for the binder. The viscosity of the slurry was 130 cps and the solid content concentration was 47%.

次に、前述の接合材用のスラリーを用いて、以下の方法により、前述の2枚の板状被接合部材を接合した。   Next, the above-mentioned two plate-like members to be joined were joined by the following method using the aforementioned slurry for joining material.

まず、各板状被接合部材の一つの端面(縦60mm×厚さ6mmの領域)を#220の研磨紙により研磨した。次に、それぞれの板状被接合部材を、研磨された端面同士が約1.5mmの隙間を介して対向するようにして、板状被接合部材よりも十分に大きな寸法のアルミナ製の台座上に配置した。次に、板状被接合部材の間の隙間部分の両端を、目留め材で目留めした後、この隙間部分に前述のスラリーを注入した。スラリーは、隙間部分が固形分で完全に充填されるまで注入した。   First, one end face of each plate-like member (60 mm long × 6 mm thick region) was polished with # 220 polishing paper. Next, each plate-like member to be bonded is placed on an alumina pedestal having a dimension sufficiently larger than that of the plate-like member to be bonded so that the polished end faces face each other with a gap of about 1.5 mm. Arranged. Next, both ends of the gap portion between the plate-like members to be joined were fastened with a sealing material, and the above-described slurry was poured into this gap portion. The slurry was poured until the gap was completely filled with solids.

この状態で、得られた組立体を、大気中に室温で保持し、組立体中に含まれる水分を十分に乾燥させた。   In this state, the obtained assembly was kept in the atmosphere at room temperature to sufficiently dry the moisture contained in the assembly.

次に、この組立体を台座ごと雰囲気炉内に設置し、接合材(スラリー)の焼結処理を実施した。焼結処理は、1気圧の窒素雰囲気下で、組立体を室温から1300℃まで3時間かけて昇温した後、この温度に2時間保持することにより実施した。その後、組立体を室温まで冷却(炉冷)することにより、2枚の被接合部材が接合材により接合された接合体(縦60mm×横81.5mm)が得られた。   Next, this assembly was installed in the atmosphere furnace together with the pedestal, and the bonding material (slurry) was sintered. Sintering was carried out by heating the assembly from room temperature to 1300 ° C. over 3 hours under a nitrogen atmosphere of 1 atm and then holding this temperature for 2 hours. Thereafter, the assembly was cooled to room temperature (furnace cooling) to obtain a joined body (60 mm long × 81.5 mm wide) in which two members to be joined were joined by a joining material.

次に、得られた接合体を用いて、後焼結処理を実施した。後焼結処理は、5気圧の窒素雰囲気下で、接合体を室温から1800℃まで、3時間かけて昇温した後、この温度に8時間保持することにより実施した。   Next, post-sintering was performed using the obtained joined body. The post-sintering treatment was performed by raising the temperature of the joined body from room temperature to 1800 ° C. over 3 hours under a nitrogen atmosphere of 5 atm, and then holding at this temperature for 8 hours.

以下、このような工程を経て得られた窒化珪素系セラミックスの接合体を、「比較例1に係る接合体」と称する。   Hereinafter, the bonded body of silicon nitride ceramics obtained through such a process is referred to as “bonded body according to Comparative Example 1”.

(比較例2)
まず、被接合部材用の原料として、実施例1の場合と同様、粒度#600以下(平均粒径22μm)のシリコン粉末(純度98%)と、焼結助剤とをボールミルにより混合、乾燥し、混合粉末を得た。焼結助剤には、ジルコニア(ZrO)粒子(平均粒径2μm)およびスピネル(MgAl)粒子(平均粒径4μm)を使用した。各粒子は、焼結後の組成がSi−5wt%ZrO−5wt%MgAlとなるように混合した。
(Comparative Example 2)
First, as in the case of Example 1, as a raw material for the member to be joined, silicon powder (purity 98%) having a particle size of # 600 or less (average particle size 22 μm) and a sintering aid are mixed by a ball mill and dried. A mixed powder was obtained. As the sintering aid, zirconia (ZrO 2 ) particles (average particle size 2 μm) and spinel (MgAl 2 O 4 ) particles (average particle size 4 μm) were used. Each particle was mixed so that the composition after sintering was Si 3 N 4 -5 wt% ZrO 2 -5 wt% MgAl 2 O 4 .

次に、この混合粉末を用いて、実施例1の場合と同様、CIP法により成形を行ない、2つの成形体を得た。処理圧力(静水圧)は、100MPaとした。得られた両成形体は、寸法がいずれも縦60mm×横40mm×厚さ6mm程度の板形状であった。   Next, using this mixed powder, as in Example 1, molding was performed by the CIP method to obtain two molded bodies. The treatment pressure (hydrostatic pressure) was 100 MPa. Both of the molded bodies thus obtained had a plate shape with dimensions of about 60 mm in length, 40 mm in width, and 6 mm in thickness.

さらに、実施例1の場合と同様、これらの成形体を反応焼結処理し、窒化珪素系セラミックスの多孔質板状被接合部材を得た。反応焼結処理は、1気圧の窒素雰囲気下で、成形体を室温から1450℃まで30時間かけて昇温した後、この温度に2時間保持することにより実施した。   Further, as in the case of Example 1, these compacts were subjected to a reactive sintering treatment to obtain a porous plate-like member to be joined made of silicon nitride ceramics. The reactive sintering treatment was carried out by heating the molded body from room temperature to 1450 ° C. over 30 hours in a nitrogen atmosphere of 1 atm and then holding at this temperature for 2 hours.

次に、前述の混合粉末重量に対し、結合剤1wt%、可塑剤0.5wt%および水35wt%を加え、十分に撹拌することにより、接合材用のペーストを調製した。結合剤には、ポリビニルアルコールを使用した。可塑剤には、グリセリンを使用した。ペーストの固形分濃度は、55%であり、粘度は、940cpsであった。   Next, a paste for a bonding material was prepared by adding 1 wt% binder, 0.5 wt% plasticizer, and 35 wt% water to the mixed powder weight described above and stirring sufficiently. Polyvinyl alcohol was used as the binder. Glycerin was used as the plasticizer. The solid content concentration of the paste was 55% and the viscosity was 940 cps.

次に、前述の接合材用のペーストを用いて、以下の方法により、前述の2枚の板状被接合部材を接合した。   Next, the above-mentioned two plate-like members to be joined were joined by the following method using the above-described paste for joining material.

まず、各板状被接合部材の一つの端面(縦60mm×厚さ6mmの領域)を#220の研磨紙により研磨した。次に、それぞれの板状被接合部材を、研磨された端面同士が約1.5mmの隙間を介して対向するようにして、板状被接合部材よりも十分に大きな寸法のアルミナ製の台座上に配置した。次に、板状被接合部材の間の隙間部分に前述のペーストを塗布した後、直ちに両板状被接合部材を両側から相互に圧接することにより、両板状被接合部材を仮接合した。この操作により、前述の隙間(ペースト)の幅は、約70μmとなった。次に、この組立体を台座ごと雰囲気炉内に設置し、実施例1の場合と同様の条件により、接合材(ペースト)の反応焼結処理、および後焼結処理を実施した。   First, one end face of each plate-like member (60 mm long × 6 mm thick region) was polished with # 220 polishing paper. Next, each plate-like member to be bonded is placed on an alumina pedestal having a dimension sufficiently larger than that of the plate-like member to be bonded so that the polished end faces face each other with a gap of about 1.5 mm. Arranged. Next, after applying the above-mentioned paste to the gap portion between the plate-like members to be joined, the two plate-like members to be joined were temporarily joined together from both sides, thereby temporarily joining both the plate-like members to be joined. By this operation, the width of the aforementioned gap (paste) was about 70 μm. Next, this assembly was installed in the atmosphere furnace together with the pedestal, and under the same conditions as in Example 1, a reactive sintering process and a post-sintering process of the bonding material (paste) were performed.

これにより、2枚の被接合部材が接合材により接合された接合体(縦60mm×横80mm)が得られた。以下、このような工程を経て得られた窒化珪素系セラミックスの接合体を、「比較例2に係る接合体」と称する。   As a result, a joined body (60 mm long × 80 mm wide) in which two members to be joined were joined by the joining material was obtained. Hereinafter, the bonded body of silicon nitride ceramics obtained through such steps is referred to as “bonded body according to Comparative Example 2”.

(比較例3)
比較例2と同様の方法により、被接合部材同士を接合した。
(Comparative Example 3)
The members to be joined were joined together by the same method as in Comparative Example 2.

ただし、この比較例3では、被接合部材のみの反応焼結処理の後、さらに、被接合部材を緻密化するため、被接合部材単独で、追加焼結処理を行った。この追加焼結処理は、5気圧の窒素雰囲気下、被接合部材を室温から1800℃まで、3時間かけて昇温した後、この温度に8時間保持することにより実施した。   However, in Comparative Example 3, after the reaction sintering process for only the members to be joined, in order to further densify the members to be joined, an additional sintering process was performed for the members to be joined alone. This additional sintering treatment was carried out by heating the member to be joined from room temperature to 1800 ° C. over 3 hours in a nitrogen atmosphere of 5 atm and then holding at this temperature for 8 hours.

なお、この比較例3では、両板状被接合部材を、ペーストを介して両側から相互に圧接した際に、隙間(ペースト)の幅は、約30μmとなった。   In Comparative Example 3, the width of the gap (paste) was about 30 μm when the two plate-like members were pressed against each other from both sides via the paste.

その他の工程および条件は、比較例2と同様である。   Other steps and conditions are the same as in Comparative Example 2.

以下、このような工程を経て得られた窒化珪素系セラミックスの接合体を、「比較例3に係る接合体」と称する。   Hereinafter, the bonded body of silicon nitride ceramics obtained through such steps is referred to as “bonded body according to Comparative Example 3”.

(各サンプルの評価試験)
実施例1および比較例1〜3に係る接合体を、接合材部分が中央部分に含まれるように切り出したサンプルを用いて、評価試験を行った。評価試験として、接合部分の顕微鏡観察、および強度測定を実施した。
(Evaluation test for each sample)
An evaluation test was performed using samples obtained by cutting the joined bodies according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 so that the joining material portion was included in the central portion. As an evaluation test, microscopic observation and strength measurement of the joint portion were performed.

顕微鏡観察は、光学顕微鏡およびSEM(走査型電子顕微鏡)を用いて、接合材内部、ならびに接合材と被接合部材の界面を観察することより実施した。また、サンプルの表面に青インクを塗布してから、青インクの浸透状態を実体顕微鏡で観察した。強度測定は、JS−R1601に規定される曲げ強度試験法に準拠し、縦3mm×横4mm×長さ40mmに切り出した試験片を用いて、4点曲げ試験により実施した。   Microscopic observation was carried out by observing the inside of the bonding material and the interface between the bonding material and the member to be bonded using an optical microscope and SEM (scanning electron microscope). Further, after applying blue ink to the surface of the sample, the penetration state of the blue ink was observed with a stereomicroscope. The strength measurement was performed by a four-point bending test using a test piece cut out in a length of 3 mm, a width of 4 mm, and a length of 40 mm in accordance with a bending strength test method defined in JS-R1601.

各サンプルにおける評価試験の結果を表1にまとめて示す。なお、各サンプルの強度は、4点曲げ試験の10回の平均値(平均強度)で示した。   The results of the evaluation test for each sample are summarized in Table 1. In addition, the intensity | strength of each sample was shown by the average value (average intensity | strength) of 10 times of a 4-point bending test.

図2には、実施例1のサンプルの接合材のSEM写真を示す。また、図3には、比較例2のサンプルにおける、強度試験後の接合材破面のSEM写真を示す。図4には、比較例3のサンプルにおける、接合材/被接合部材界面の光学顕微鏡写真を示す。さらに、図5および図6には、それぞれ、実施例1および比較例1のサンプルにおける、青インク塗布試験後の状態の一例を示す。   In FIG. 2, the SEM photograph of the joining material of the sample of Example 1 is shown. FIG. 3 shows an SEM photograph of the fracture surface of the bonding material after the strength test in the sample of Comparative Example 2. FIG. 4 shows an optical micrograph of the bonding material / bonded member interface in the sample of Comparative Example 3. Further, FIGS. 5 and 6 show examples of states after the blue ink application test in the samples of Example 1 and Comparative Example 1, respectively.

顕微鏡観察の結果、比較例1〜3のいずれのサンプルにおいても、接合材内部に欠陥が生じていることがわかった。また、接合材と被接合部材の界面に、欠陥が生じていることが確認された。例えば、図3から、比較例2のサンプルでは、接合材中に、多数の欠陥が含まれていることがわかる。また図4に示すように、比較例3のサンプルの場合、界面には、矢印に示す位置に多数の欠陥が生じていることがわかる。   As a result of microscopic observation, it was found that any sample of Comparative Examples 1 to 3 had defects inside the bonding material. Further, it was confirmed that a defect occurred at the interface between the bonding material and the member to be bonded. For example, it can be seen from FIG. 3 that the sample of Comparative Example 2 contains a large number of defects in the bonding material. Further, as shown in FIG. 4, in the case of the sample of Comparative Example 3, it can be seen that a large number of defects are generated at the positions indicated by arrows on the interface.

青インクの塗布試験では、いずれのサンプルにおいても、接合材と被接合部材の界面に、青インクが進入していることが確認された。一例として、図6には、比較例1のサンプルにおける、青インク塗布試験後の状態を示した。   In the blue ink application test, it was confirmed that the blue ink entered the interface between the bonding material and the bonded member in any sample. As an example, FIG. 6 shows the state of the sample of Comparative Example 1 after the blue ink application test.

さらに、表1に示すように、比較例1〜3のサンプルでは、強度が170〜260MPa程度であり、いずれも十分な強度が得られていないことがわかった。特に、比較例3のサンプルでは、強度が後述する実施例1の結果の半分以下となった。   Furthermore, as shown in Table 1, in the samples of Comparative Examples 1 to 3, the strength was about 170 to 260 MPa, and it was found that no sufficient strength was obtained. In particular, the strength of the sample of Comparative Example 3 was less than half of the result of Example 1 described later.

このように、シリコン粒子の反応焼結を利用しない方法(比較例1)、および反応焼結を利用する方法であっても、接合材の導入形態として、ペーストを使用した場合(比較例2、3)には、いずれの場合も、良好な接合状態を得ることができないことがわかった。   Thus, even if it is the method (comparative example 1) which does not utilize the reactive sintering of a silicon particle, and the method which utilizes reactive sintering, when a paste is used as an introduction form of a joining material (comparative example 2, In 3), it was found that a good bonding state could not be obtained in any case.

比較例1の場合は、製作工程に反応焼結過程が含まれないため、気相から窒化珪素が形成されることがなく、空間を埋めるような形態で窒化珪素を配置させることが難しく、均一な接合材が形成されなかったものと考えられる。   In the case of Comparative Example 1, since the reaction process is not included in the manufacturing process, silicon nitride is not formed from the gas phase, and it is difficult to arrange the silicon nitride in a form that fills the space. It is considered that a simple bonding material was not formed.

また、比較例2、3の場合は、ペーストの低流動性のため、隙間部分にシリコン粒子を稠密に充填することが難しく、均一な接合材が形成されなかったものと考えられる。特に、比較例3のサンプルでは、接合材の設置形態として、流動性の悪いペーストを使用した上、被接合部材が高焼結化されている。このため、ペースト中に含まれるシリコン粒子が、隙間内に均一かつ高充填密度で配置され得ず、結果的に、接合材の強度が大きく低下したものと考えられる。   Further, in Comparative Examples 2 and 3, it is difficult to densely fill the silicon particles in the gap due to the low fluidity of the paste, and it is considered that a uniform bonding material was not formed. In particular, in the sample of Comparative Example 3, a member having poor fluidity is used as an installation form of the bonding material, and the bonded members are highly sintered. For this reason, the silicon particles contained in the paste cannot be arranged uniformly and with a high packing density in the gap, and as a result, it is considered that the strength of the bonding material is greatly reduced.

これに対して、実施例1のサンプルでは、接合材内部に欠陥は認められず、接合材と被接合部材の界面には、欠陥がほとんど存在しなかった。図2には、実施例1のサンプルの接合材のSEM写真を示す。この写真から、接合材の内部および界面には、欠陥がほとんど認められないことがわかる。また接合材は、被接合部材と同質化しており、境界が不明瞭になっていることがわかる。   On the other hand, in the sample of Example 1, no defects were recognized inside the bonding material, and almost no defects were present at the interface between the bonding material and the member to be bonded. In FIG. 2, the SEM photograph of the joining material of the sample of Example 1 is shown. From this photograph, it can be seen that almost no defects are observed inside and at the interface of the bonding material. Moreover, it turns out that the joining material is homogenous with the to-be-joined member, and the boundary is unclear.

また、図5に示すように、青インクの塗布試験の結果、実施例1のサンプルでは、青インクは、接合材内部にほとんど浸透していないことがわかった。さらに、表1に示すように、実施例1のサンプルでは、強度が400MPaを超え、他のサンプルに比べて十分に大きな強度が得られることが確認された。   Further, as shown in FIG. 5, as a result of the blue ink application test, it was found that in the sample of Example 1, the blue ink hardly penetrated into the bonding material. Further, as shown in Table 1, it was confirmed that the sample of Example 1 had a strength exceeding 400 MPa, and a sufficiently large strength was obtained as compared with other samples.

本発明は、窒化珪素系セラミックスの被接合部材同士を、接合材を介して接合する方法に利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICATION This invention can be utilized for the method of joining the to-be-joined members of silicon nitride ceramics via a joining material.

本発明の方法を実施するための概略的なフローの一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the schematic flow for enforcing the method of this invention. 実施例1のサンプルの接合材のSEM写真である。2 is a SEM photograph of a bonding material of a sample of Example 1. 比較例2のサンプルにおける接合材の破断面を示したSEM写真である。5 is a SEM photograph showing a fracture surface of a bonding material in a sample of Comparative Example 2. 比較例3のサンプルにおける接合材/被接合部材界面の光学顕微鏡写真である。6 is an optical micrograph of a bonding material / bonded member interface in a sample of Comparative Example 3. 実施例1のサンプルにおける、青インク塗布試験後の状態を示した写真である。2 is a photograph showing a state after a blue ink application test in the sample of Example 1. FIG. 比較例1のサンプルにおける、青インク塗布試験後の状態を示した写真である。6 is a photograph showing a state after a blue ink application test in the sample of Comparative Example 1.

Claims (9)

窒化珪素系セラミックスの被接合部材同士を接合する方法であって、
(a)シリコン粒子を主成分とする第1の原料を調製するステップと、
(b)前記第1の原料から、成形体を形成するステップと、
(c)窒素雰囲気下、1100℃〜1450℃の範囲のいずれかの温度に、前記成形体を保持し、該成形体中のシリコン粒子を反応焼結処理するステップであって、これにより窒化珪素系セラミックスの多孔質な被接合部材が得られるステップと、
(d)シリコン粒子を含む第2の原料を調製するステップであって、前記第1の原料および第2の原料に含まれるシリコン粒子の粒度分布を比較した場合、前記第2の原料に含まれるシリコン粒子の最大粒径、最頻粒径、および最頻粒径を有する粒子の割合のうちの少なくとも一つのパラメータ値は、前記第1の原料に含まれるシリコン粒子の同じパラメータ値の±20%の範囲内にある、ステップと、
(e)前記第2の原料から、50cps〜300cpsの範囲の粘度を有するスラリーを調製するステップと、
(f)後に接合材が形成される前記被接合部材同士の隙間に、前記スラリーを注入して、前記被接合部材に前記スラリー中の水分を吸収させ、前記スラリーを固化させ、接合材を形成させることにより、組立体を得るステップと、
(g)窒素雰囲気下、1100℃〜1450℃の範囲のいずれかの温度に、前記組立体を保持し、前記接合材中のシリコン粒子を反応焼結処理するステップと、
を有し、
前記ステップ(a)〜(c)は、前記ステップ(d)〜(e)よりも前もしくは後に実施され、または前記ステップ(a)〜(c)は、前記ステップ(d)〜(e)と並列に実施される、方法。
A method of joining members to be joined of silicon nitride ceramics,
(A) preparing a first raw material mainly composed of silicon particles;
(B) forming a molded body from the first raw material;
(C) A step of holding the molded body at a temperature in the range of 1100 ° C. to 1450 ° C. in a nitrogen atmosphere and subjecting silicon particles in the molded body to a reactive sintering treatment, whereby silicon nitride A step of obtaining a porous bonded member made of a ceramic based material,
(D) A step of preparing a second raw material containing silicon particles, which is included in the second raw material when the particle size distributions of the silicon particles contained in the first raw material and the second raw material are compared. At least one parameter value among the maximum particle size, the mode particle size, and the ratio of the particles having the mode particle size is ± 20% of the same parameter value of the silicon particles contained in the first raw material. Steps within the range of
(E) preparing a slurry having a viscosity in the range of 50 cps to 300 cps from the second raw material;
(F) Injecting the slurry into the gap between the members to be joined, where the joining material is formed later, causing the joined member to absorb moisture in the slurry, solidifying the slurry, and forming a joining material Obtaining an assembly by:
(G) holding the assembly at a temperature in the range of 1100 ° C. to 1450 ° C. in a nitrogen atmosphere and subjecting the silicon particles in the bonding material to reactive sintering;
Have
The steps (a) to (c) are performed before or after the steps (d) to (e), or the steps (a) to (c) are the steps (d) to (e). A method that is performed in parallel.
前記第1の原料および/または前記第2の原料は、さらに、添加物質を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the first raw material and / or the second raw material further includes an additive substance. 前記添加物質は、Mg(マグネシウム)、Al(アルミニウム)、Y(イットリウム)、Sc(スカンジウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Zr(ジルコニウム)、Yb(イッテリビウム)、Hf(ハフニウム)、Ti(チタン)、Lu(ルテニウム)、およびこれらの2種以上の組み合わせからなる群から選定された金属、または前記金属の酸化物、または前記金属の窒化物を含むことを特徴とする請求項2に記載の方法。   The additive substances include Mg (magnesium), Al (aluminum), Y (yttrium), Sc (scandium), La (lanthanum), Ce (cerium), Zr (zirconium), Yb (ytterbium), Hf (hafnium), 3. A metal selected from the group consisting of Ti (titanium), Lu (ruthenium), and a combination of two or more thereof, or an oxide of the metal, or a nitride of the metal. The method described in 1. 前記第1の原料および/または前記第2の原料は、さらに、TiN(窒化チタン)、SiC(炭化珪素)、BN(窒化ホウ素)、C(カーボン)、ZrO(ジルコニア)のうちの少なくとも一つの材料を含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の方法。 The first raw material and / or the second raw material is further at least one of TiN (titanium nitride), SiC (silicon carbide), BN (boron nitride), C (carbon), and ZrO 2 (zirconia). 4. A method according to any one of the preceding claims, comprising one material. 前記第1の原料と前記第2の原料は、実質的に同一の組成を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the first raw material and the second raw material have substantially the same composition. 前記ステップ(g)の後、さらに、
(h)得られた接合体を後焼結処理するステップを有し、
前記後焼結処理の温度は、前記ステップ(c)および前記ステップ(g)における反応焼結処理の温度よりも高く、ならびに/または
前記後焼結処理は、前記ステップ(c)および前記ステップ(g)における反応焼結処理の窒素雰囲気の圧力と同等以上の圧力の窒素雰囲気で実施されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一つに記載の方法。
After the step (g),
(H) having a step of post-sintering the obtained joined body,
The temperature of the post-sintering process is higher than the temperature of the reactive sintering process in the step (c) and the step (g), and / or the post-sintering process includes the step (c) and the step ( The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the method is performed in a nitrogen atmosphere having a pressure equal to or higher than the pressure of the nitrogen atmosphere in the reactive sintering treatment in g).
前記後焼結処理は、1〜9.5気圧の窒素雰囲気において、1600℃〜2000℃の温度範囲で実施されることを特徴とする請求項6に記載の方法。   The method according to claim 6, wherein the post-sintering treatment is performed in a temperature range of 1600 ° C. to 2000 ° C. in a nitrogen atmosphere of 1 to 9.5 atm. 前記ステップ(e)で調製されるスラリーは、水と、分散剤および/または結合剤とを含むことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一つに記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the slurry prepared in step (e) comprises water and a dispersant and / or binder. 前記被接合部材同士の隙間は、1.5mm以上であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一つに記載の方法。  The method according to any one of claims 1 to 8, wherein a gap between the members to be joined is 1.5 mm or more.
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