JPH01145380A - 窒化珪素質焼結体の製法 - Google Patents

窒化珪素質焼結体の製法

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JPH01145380A JP62304135A JP30413587A JPH01145380A JP H01145380 A JPH01145380 A JP H01145380A JP 62304135 A JP62304135 A JP 62304135A JP 30413587 A JP30413587 A JP 30413587A JP H01145380 A JPH01145380 A JP H01145380A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は特に抗折強度及び靭性に優れた窒化珪素質焼結
体の製法に関するものである。
〔背景技術〕
窒化珪素を主体とする焼結体は原子の結合様式が共有結
合を主としており、強度、靭性、硬度、熱的化学安定性
等に優れた特性を有している。このことからエンジニア
リングセラミックス、特に熱機関としてガスタービン等
への応用が進められているが、熱機関はその効率化に伴
い作動温度が1400℃以上に上昇しつつあり、この条
件下での特性向上が強く望まれている。
〔先行技術〕
窒化珪素質焼結体はこの焼結性を促進させるために、金
属酸化物、窒化物等の焼結助剤を配合して焼成すること
が知られている。そして、これに使用される窒化珪素粉
末には結晶形態の違いからα型とβ型との2種類が存在
している。高α化率の窒化珪素粉末を原料粉末として用
いた焼結体の製法は窒化珪素粉末と焼結助剤との混合物
を成形後、常圧焼成法、ホットプレス法、ガス圧焼成法
、熱間静水圧焼成法等を用い、1500〜2000℃の
窒素雰囲気で焼成するという一般的な製法が用いられて
いるが、このα−5i3N、の焼結過程には2つの緻密
過程が存在することが知られている。第1の過程は16
00〜1800℃の温度領域でα−5iJaからβ−3
i、N、への転移と同時に焼結助剤によって生成される
液相により緻密化させる。したがって、常圧焼成法、ホ
ットプレス法では1800℃以上まで温度を上げると、
窒化珪素が分解する可能性があることから、主として第
1の過程のみで焼結させる必要があり、そのため多量の
焼結助剤を必要とする。第2の緻密過程は、窒素加圧下
の1800℃以上で起こり、焼結助剤の液相とβ−3i
Jaが反応し5ksNa粒子の溶解析出により緻密化が
進むと考えられている。
また、後者のβ型は焼結温度が1600〜1800℃の
温度範囲においては殆ど焼結せず、また、1800℃以
上の温度領域にて緻密化させると組織が等粒状となり、
強度、靭性が低下してしまう。したがって、高強度、高
靭性焼結体を得るための原料粉末としては高α化率のも
のが主に使用されていた。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記α型の窒化珪素原料粉末から製造される窒化珪素質
焼結体においてはその抗折強度及び靭性等の特性向上に
限界があった。その原因は焼成工程上1800℃までの
低温域におけるα−5i3Nmからβ−5iJ4への転
移に伴う針状結晶の粒成長によって結晶粒が粗大化して
しまい、その後の高温での緻密化が阻害されるためと考
えられる。抗折強度及び靭性に優れた特性を得るために
は焼結体組織を微細にしかつ緻密にする必要があること
を考慮すれば焼成途中にα−5i3N4からβ−3i、
N、への移転過程が存在することは致命的である。18
00℃までの低温域での粒成長を抑えつつ転移させるこ
とも不可能ではないが、焼成条件が極めて難しく焼結体
の安定製造ができない等の不都合が生じる。
一方、β−3i、N4を多量に含む原料粉末を用いるこ
とにより上記よりもより焼結性が改善できることが最近
の研究により分かったが、焼結体組織が等粒状となり抗
折強度及び靭性は未だ充分に改善させることができない
そこで、本発明者は上記問題点に鑑み研究の結果、高β
化率であって粒径が細かい側の窒化珪素粉末原料を使用
すると抗折強度及び靭性が従来よりも向上することが分
かった。
〔発明の目的〕
本発明においては、抗折強度及び靭性をより改善した高
緻密な焼結体を得るための窒化珪素質焼結体の製法を提
供するものである。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明者によれば、β化率χ(x)と粒径μ(y)との
関係が30≦X≦100の範囲内において、y≦る粉末
を成形後、1気圧を越える非酸化性雰囲気中で1800
℃以上の温度で焼成することを特徴とする窒化珪素質焼
結体の製法が提供される。
β−5iJaを多量に含む窒化珪素粉末、即ちβ化率が
30≦X≦10ozの範囲内にある窒化珪素粉末と焼結
助剤とからなる混合粉末の成形体を焼成する場合、初期
からβ−5iJ、を用いるために1850℃以下での従
来の転移工程は殆ど不要となる。温度の上昇に従い18
50℃以下の低温域では焼結助剤によって液相が形成さ
れ、緻密化は進行するがβ−5iJaが多い程、低温で
の粒成長は生じないため、β−3iJ4は原料粉末の粒
径とほぼ同じ粒径のままで1850℃以上の高温域まで
達する。従来−般にはこのようなβ化率は高くなればな
るほど抗折強度及び靭性が劣化すると言われているが、
本発明者においてはβ化率が高い窒化珪素原料粉末であ
っても粒径が細かくなればなるほど抗折強度に示す如く
、β化率%(x)が30〜100χの範囲内において に従って抗折強度及び靭性が太き(なる傾向かある。従
って、本発明の良好なβ化率%(x)と粒径μ(y)と
の範囲は30≦X≦100であり、かつx+0.4)以
下、さらにより好ましくは線分G−Hを囲を外れると充
分高い抗折強度及び強靭性を有する窒化珪素焼結体が得
られない。β−5iJ4の含有率が30重量%未満とな
ると低温域において針状結晶の成長が大きくなり、本発
明の目的が達成されない。
また、原料粉末中の全酸素含有量は2〜0.5重量%が
望ましく、不純物濃度は0.5重量%以下であることが
望ましい。
焼結助剤としては、スカンジウム、イツトリウム、ラン
タノイド元素等の周期律表第ma族元素の酸化物、窒化
物、酸窒化物あるいはBeJg、Ca、Sr、Ba等の
周期律表第11a族元素の酸化物、窒化物等の他、^l
 z(h+ AIN+ 5tot、 Zr0z+ Zr
N、 Hf0z等を1種または2種以上の組み合わせで
用いることができる。
これらの焼結助剤は、全体量に対し0.1〜20重量%
の割合で前述の窒化珪素粉末と均一に混合粉砕した後、
公知の成形手段、例えば鋳込み成形、射出成形、インジ
ェクシッン成形手段等によって所望の形に成形され、焼
成工程に移される。
焼成工程は、1気圧を超える窒素ガス加圧雰囲気で焼成
温度は1800℃以上、特に1850〜1950℃に設
定される。詳細には焼成温度と窒素ガス圧との関係は、
設定される焼成温度における窒化珪素の分解平衡圧を超
える窒素圧に設定されることが必要がある。好ましくは
雰囲気に酸素あるいはSiOを導入し、そのガス圧をそ
の焼成温度における窒化珪素とSiO□との反応、即ち
次式(1)%式%(1) の反応におけるStOの平衡蒸気圧以上に設定すること
が望ましい、これによって、雰囲気を低圧下にすること
ができ、焼成中に焼結体の気孔中に高圧ガスがトラップ
され、緻密化が阻害されるのを防止するためである。こ
の時、SiOの制御は焼成炉内に成形体とともに窒化珪
素とSin、の混合粉末あるいはSi0g粉末、SiO
粉末、St粉末と5i(h粉末との混合粉末を配置させ
焼成時にSiOを生成すればよい。
焼成パターンはβ化率30χを下回る従来の場合、18
00℃まで一気に昇温するとαからβへの変換に伴う急
激な粒成長によって緻密化は困難であるがβ化率30%
以上含む場合は急激な粒成長を起こすことなく昇温開始
時から1800℃以上の温度まではほぼ連続的に昇温す
ることができるため、極めて焼成時間は短縮される。
最終的に得られる焼結体はβ−Si、N、が90%以上
の結晶粒子相と粒界相から成るもので、粒界相はガラス
あるいは結晶相となり得ることもある。
〔実施例〕
窒化珪素原料粉末として第1表に及び図面に示す14種
類のものを用意した。これら平均粒子径については遠心
沈降式粒度分布測定装置(島津製作所5A−CP2型)
により、また酸素含有量については酸素分析装置(LE
CO社 TC−136型)により夫々測定した。
第1表 *印を付した番号は本発明の範囲外の原料粉末である。
第1表の窒化珪素粉末に第2表に示す焼結助剤を加えた
混合粉末を5 x4 X45(+++m)に成形した後
、第2表の条件にて焼成を行った。
得られた焼結体に対し、比重(対理論密度比)と、JI
SR1601による3点曲げ法により室温および140
0℃における抗折強度を測定し、さらにビッカースイン
デンテーション法により靭性を測定した。
これらの結果を第2表に示す。
〔以下余白〕
第2表から明らかなように、β化率が30%以上と本発
明の範囲内であるが粒径が0.9μ以上と本発明の範囲
外である原料粉末11(第1表)を使用した試料番号1
1は焼結が不十分でありかつ抗折強度は常温で53Kg
/++v+”、1400℃で37Kg/mm”と低く、
更に靭性が5.4MPam””と弱い。また、β化率が
302以下である原料粉末1及び2(第1表)を使用し
た試料番号1及び2のものは焼結が不十分であり対理論
密度比が低くかつ抗折強度も低い。更に原料粉末は本発
明の範囲内であるが、焼成温度が1800℃以下で圧力
をかけずに焼成した試料番号16のものも同様充分緻密
化せず抗折強度及び靭性も劣化していた。
これに対し、本発明の範囲内である原料粉末3〜10及
び12〜14(第1表)を使用した試料番号3〜10及
び12〜15は夫々理論密度まで緻密化しており、抗折
強度も常温で60〜88Kg/m+m”、1400℃で
50〜65Kg/ms”と高く靭性も7.9〜8.2M
Pam””と強い。
また、図面及び第2表から理解されるようにβ化率χ(
×)と粒径μ(y)との関係がβ化率30〜100χの
範囲内において常温抗折強度が となっている。
〔発明の効果〕
以上詳述したように、本発明はβ化率χ(x)と粒径μ
(y)との関係が、30≦X≦100の範囲内において
、図面に示す少なくとも線分A−Bより粒径が小さい窒
化珪素粉末に焼結助剤を含む混合粉末を成形後、1気圧
を越える非酸化性雰囲気中で1800℃以上の温度で焼
成する様にしたので、抗折強度及び靭性の向上した高緻
密な窒化珪素焼結体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
図面は窒化珪素原料粉末のβ化率χ(x)と粒径μ(y
)との関係図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)β化率%(x)と粒径μ(y)との関係が、30
    ≦x≦100の範囲内において、y≦1/250x+0
    .6である窒化珪素粉末を主成分とする粉末を成形後、
    1気圧を越える非酸化性雰囲気中で1800℃以上の温
    度で焼成することを特徴とする窒化珪素質焼結体の製法
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