JPH01188471A - 窒化珪素焼結体の製造方法 - Google Patents

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］ 本発明は窒化珪素焼結体の製造方法に関し、詳しくは高
温における強度に優れた窒化珪素焼結体の製造方法に関
するものである。

［従来の技術］ 窒化珪素焼結体は、耐熱性、耐熱衝撃性および強度に優
れ、かつ非鉄溶融金属に対する高い耐食性を有するため
、近年各種分野に用いられている。

しかしながら、窒化珪素粉末単独では焼結が困難である
ために、従来各種の焼結助剤を利用した窒化珪素焼結体
の製造方法が提案されている。

例えば特公昭４９−２１０９１号公報には、アルミナ（
Ａ叉ｔｏ３）と酸化イツトリウム（Ｙｚ０３）とを焼結
助剤として用いる製造方法が、特公昭５２−３６４９号
公報には■ａ族酸酸化物アルミナとを焼結助剤として用
いる製造方法が、特公昭５２−４５７２４号公報にはア
ルミナ、酸化珪素（Ｓｉ０２）および酸化チタン（Ｔｉ
Ｏｚ＞を焼結助剤として用いる製造方法が、それぞれ開
示されている。また、他の化合物として、マグネシア（
ＭｑＯ）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、あるいはＭｑＡｌ
ｚＯａなどが知られ、これらの化合物並びに先述の各公
報に開示の化合物を１種あるいは２種以上組合せて焼結
助剤として用いられている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記した各種酸化物は、窒化珪素粒子表面に酸化膜層と
して存在する酸化珪素と加熱により反応して液相を生成
する。これにより物質輸送が促進きれ、焼結体の密度が
向上するものと考えられている。従って特公昭５２−４
５７２４号公報などに見られるように、酸化珪素の添加
も焼結促進に有効である。しかしながら、酸化珪素は焼
結後珪酸塩ガラスとして結晶粒子間に残留し、８００℃
以上の高温における焼結体の機械的強度を低下させる原
因となっている。そのため１２００℃で４５ｋｇ／ｍｍ
２の曲げ強度を有するような、高温における強度に優れ
た焼結体を製造することは困難であった。

なお、上記した酸化物と酸化珪素との間で生成されるガ
ラス相を結晶化させるために、上記特公昭５２−４５７
２４号などには、焼結後所定温度で加熱処理する方法が
開示されている。しかし焼結体を再度加熱することは、
工数、エネルギー面で不具合がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、鋭意研
究の結果、再加熱を不要とするとともに、高温における
強度に浸れた窒化珪素焼結体を製造できる焼結助剤の種
類と量のｒＦ１適値を見出して本発明を完成したもので
ある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の窒化珪素焼結体製造方法は、窒化珪素粉末９４
〜９９．２重Ｍ％と、ムライト（３ＡＪ２２０３・２Ｓ
ｉＯｚ）粉末および酸化イツトリウム（Ｙ２Ｏ２）粉末
の合計ｆｆ１０．８〜６重量％と、を混合して所定形状
の成形体を成形する成形工程と、 成形体を非酸化性雰囲気下で加熱して焼結する焼結工程
と、よりなることを特徴とする。

窒化珪素粉末としては、通常α−３ｉ３Ｎ＋が用いられ
るが、β相を含有していてもよい。その粒子径としては
従来と同様に０．１〜１μｍのものが好適である。

本発明の最大の特徴は、焼結助剤としてムライト粉末と
酸化イツトリウム粉末とを併用するところにある。ムラ
イトとしては、不純物金属をほとんど含有しない、高純
度のものを用いるのが望ましい。なかでもＡ文ｇｏ３７
１．６〜７２．０重量およびＳ　ｉ　Ｏｔ　２８．Ｏ〜
２８．４重ｆｆ１％Ｔ−１純度９９．９％以上のものが
最適である。このムライトは、シリマナイト族鉱物を加
熱する方法、アルミニウム化合物とシリカ化合物とを同
時に加熱して合成する方法などにより形成することがで
きる。その粒子径は０．１〜１μｍの５ｉ３Ｎｎ粉末に
対し同程度か、それより細かい方が好ましい。

酸化イツトリウムは、従来より焼結助剤として用いられ
ているものをそのまま用いることができる。その粒子径
は０．１〜１μｍの５ｉｓＮ＊粉末に対し同程度か、そ
れより細かい方が好ましい。

ムライト粉末と酸化イツトリウム粉末は、合計で０．８
〜６重・潰％となるように窒化珪素粉末と混合される。

この合計量が０．８重量％より少ないと焼結温度が上昇
して、窒化珪素の昇華分解が生じるようになる。また６
重量％より多くなると、得られる焼結体の高温における
強度が低下する。

なお、ムライトと酸化イツトリウムの混合比率は、重分
比で２二１〜１：１の範囲にあることが望ましい。この
範囲をはずれると高温における強度が低下する場合があ
る。

成形工程は、上記窒化珪素粉末、ムライト粉末および酸
化イツトリウム粉末を混合した後、成形して所定形状の
成形体を成形する工程である。圧縮成形、スリップキャ
スティング成形など、従来利用されている成形法を利用
することができる。

焼結工程は、成形工程で成形された成形体を非酸化性雰
囲気下で加熱して焼結する工程である。

なお、加熱温度は１６５０〜１８５０℃の範囲が望まし
い。１６５０℃より低いと焼結が困難となり、１８５０
℃より高くなると窒化珪素の昇華分解が生じるようにな
る。

［発明の作用および効果］ 本発明の窒化珪素焼結体の製造方法では、焼結助剤とし
てムライトと酸化イツトリウムが併用される。これによ
り焼結が促進されるとともに高温における強度が向上す
る。この理由は明らかではないが、焼結時にはＹｔＯ３
−Ａλ２０３−８ｉＯ２系の液相を生成し、従来より少
量の添加であっても焼結を促進し、また冷が固化時には
、酸化珪素はメリライトやムライトとして結晶化して粒
界に残留するため、高温における強度が向上するものと
考えられる。

すなわち、本発明の製造方法によれば、高い密度を有し
、常温および高温での強度に優れた窒化珪素焼結体を、
工数およびエネルギーの増加無く容易に、かつ確実に製
造することができる。

［実施例］ 以下、実施例により具体的に説明する。

（実施例１） （１）成形工程 ジイミドを熱分解して得られた平均粒径約０゜３μｍの
α−３ｉ３Ｎ４粉末９７重邑％と、平均粒径約０．４μ
ｍのＹ２Ｏ３粉末１重量％と、平均粒径０．１５μｍの
高純度ムライト粉末２重量％とを、エチルアルコールと
ともに樹脂製ボールミルにて７２時間混合する。なお、
５ｔ３Ｎａ粉末中には酸素が１．６重量％、金属不純物
が２０ｏｐｐｍ以下含有されている。Ｙ２Ｏ３粉末中に
は不純物が０．１重量％以下含有されている。またムラ
イトは、アルミニウムインプロキシド（Ａｆｆｉ（ＯＣ
２Ｈう）３）とテトラエトキシシラン（Ｓｉ　（ＯＣ２
Ｈ５）４）を原料としたゾル−ゲル法で合成され、Ｘ線
回折の結果から結晶相ムライト（３Ａ文ｔＯ３・２Ｓｉ
Ｏｚ）と同定された。

また化学分析の結果、ＡＪ２０３は７１．６〜７２．０
重量％、５ｉＯｚは２８．０〜２８．４重間％であり、
不純物は０．０３重階％以下である。

上記混合物からエチルアルコールを蒸溜除去し、さらに
１５０℃に加熱して乾燥後、１００ｋａ／ｃｍ”の圧力
で１次成形し、次いで３０００ｋｇ／ｃｍ’で静水圧成
形して所定形状の成形体を成形した。

（２）焼結工程 この成形体を、昇温速度２℃／分、圧力１気圧の条件で
窒素ガス中で１７６０℃まで加熱し、１７６０℃に到達
した後さらに９．５気圧まで加圧して４時間保持して焼
結した。

（３）試験 得られた焼結体は、密度、室温での曲げ強度、さらに１
０００℃および１２００℃における曲げ強度が測定され
、結果を表に示す。なお、密度はｎ−ブチルアルコール
を用いたアルキメデス法により測定し、曲げ強度はＪ　
ｌ５−Ｒ１６０１に従って測定した。高温での曲げ強度
は、炭化珪素製治具を用い窒素ガス１気圧下で測定した
。

表より、本実施例の製造方法により得られた焼結体は、
理論密度の９８．８％の密度を有し、高温における強度
にも優れていることがわかる。なお、この焼結体の気孔
は大部分が閉気孔であった。

（他の実施例、比較例） ムライト粉末および酸化イツトリウム粉末の配合量を表
に示すように種々変化させ、実１ＮＩ９４１と同様にし
て成形、焼結し、同様に試験して結果を表に示す。表よ
り、実施例の焼結体は、理論密度の少なくとも９５％の
密度を有している。またムライトと酸化イツトリウムの
混合比率が２＝１〜１：１の範囲にあれば、１２００℃
においても曲げ強度が４５ｋＧ／ｍｍ２以上と高い値を
示し、高温における強度に特に優れている。さらに、両
者の合計量が少なくなるにつれて焼結温度が高くなって
いることもわかる。

特許出願人　　トヨタ自動車株式会社 代理人　　　弁理士　　　大川　宏

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化珪素粉末９４〜９９．２重量％と、ムライト
   （３Ａｌ＿２Ｏ＿３・２ＳｉＯ＿２）粉末および酸化イ
   ットリウム（Ｙ＿２Ｏ＿３）粉末の合計量０．８〜６重
   量％と、を混合して所定形状の成形体を成形する成形工
   程と、 該成形体を非酸化性雰囲気下で加熱して焼結する焼結工
   程と、よりなることを特徴とする窒化珪素焼結体の製造
   方法。