JPH02116617A - 窒化硼素・窒化珪素複合粉末の製造方法 - 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］ 本発明は六方品窒化硼素（ＢＮ）　　・窒化珪素ｆｓｉ
３Ｎ４）Ｐａ合粉末の製造方法に関し、本複合粉末を用
いた焼結体は、各種溶融金属、ガラスの治具等として使
用される。

［従来の技術１ 従来、Ｓ　ｉ　３　Ｎ　４とＢＮを含有する粉末を製造
するには、一般に混合法により製造していた。この方法
だと各々の粒子の大きさが異なるため均一な混合が困難
で、分子レベルからみた均一混合は難しかった。

また粒子もＩ￥Ｌに混じりあっているだけで結合等は生
じていない。このためこの粉末を焼結させた場合には製
品の均一性において十分でなかった。

混合法に使用するＳｉ３Ｎ４扮宋の製造方法は、シリコ
ン粉末の直接窒化方法、５ｉ０２をＣで還元した後窒化
する還元窒化方法、四塩化珪素（Ｓ　１ｃｆｆ４）　と
７７モ：７　（ＮＨ３）　を低温テ反応させるとシリコ
ンジイミドを生成するので、このシリコンジイミドを窒
素雰囲気中で加熱してα−５ｉ３Ｎ４を生成する方法が
代表的なＴ業的方法として採用されている。

一方、ＢＮ粉末の製造方法は、硼砂と尿素の混合物をア
ンモニア雰囲気中で加熱する方法、硼酸と窒素含有化合
物を加熱する方法が代表的な方法である。

Ｓｉ３Ｎ４粉末とＢＮ粉末を単に混合するだけでは、焼
結体を製造した場合に製品の均一性が確保できない、こ
れはＳｉ３Ｎ４扮末とＢＮ粉末の粒子形状、粒径が異な
るためである。特にＢＮ粉末は鱗片状をしているために
均一混合は不可能である。このため製品の特性、たとえ
ば曲げ強度を調べても値の分布が大きい。このため構造
材として信頼性が乏しいため使用できなかった、またＳ
　ｉ　３Ｎ４をフィラーとして還元法あるいはＣＶＤ法
によりＢＮとの合成粉末を製造する方法（例えば特開昭
６２−５６３０７）があるが、この方法では合成過程で
どうしても８２０３等の酸化物が残留するため、Ｓｉ３
Ｎ４中の酸窒化珪素と反応して低融点のＢ２Ｏ３５ｉ０
２のガラス相を生成し高温強度特性が劣る。またこの方
法ではＳｉ３Ｎ４のフィラー材の周囲を難焼結性のＢＮ
がコートすることになり焼結特性においても著しく劣る
。特に常圧焼結法では焼結しない。

Ｃ発明が解決しようとする課題Ｊ 本発明は、上記従来技術の欠点を解決するために、ＢＮ
とＳｉ３Ｎ４が均一に混合していると共に強固に結合し
、Ｓｉ３Ｎ４が表面に析出し、かつ酸素化合物が安定な
相となっているＢＮ・Ｓ　ｉ　３Ｎ４複合粉末の製造方
法を提供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段１ 本発明者は前記混合粉末、合成粉末の欠点を解決すべ（
検討した結果２本発明に到達したものである。

すなわち本発明は、 六方品窒化硼素扮末噂味または六方品窒化硼素粉末およ
び窒化珪素粉末と、シリコン粉末と、アルミニウム粉末
とよりなる混合粉末を、アルミニウム粉末が混合粉末に
対して０．５〜１５巾看％になるように混合し。

該混合粉末を窒素ガスを含有する非酸化性雰囲気中で１
０００〜２１００℃に加熱した擾粉砕することにより、 六方品窒化硼素を５〜８０巾看％含有し、酸素化合物を
β−サイアロン相（Ｓｉｓ−ｚＡｇｚＯｚＮ日−ｚ、ｏ
＜Ｚ≦４．３）として安定化させた粉末を得ることを特
徴とする窒化硼素・窒化珪素複合粉末の製造方法。

である。

［作用］ 本発明で使用するＢＮ粉末は高純度であるほど好ましい
。通常、不純物として存在している酸素はＢＮ粉末の表
面にＯＨ基、酸窒化硼素の形態で存在しておりＳｉと一
緒に焼成すると５ｉ０２゜５ｉ０２　・Ｂ２Ｏ３等の酸
化物になり　５　ｔ　３Ｎ４の高温強度を劣化させたり
、ガラス相と反応しやすい成分となる。このことから使
用するＢＮ粉末の酸素含有量は５％を越えないことが好
まししＸ。

粒径については特に規定はしないが、凝集状態にあるも
のよりも一次粒子に分散している方が好ましい。この理
由は、加熱により溶融したＳｉがＢＮ粉末表面をコート
し雰囲気中のＮ２と反応しＳｉ３Ｎ４を生成することか
ら、分散状態の均一な方が粒径が均一で未反応のＳｉが
残留しないため純度の高い粉末が得られる。

ＢＮの結晶化状態については、焼結特性はＳｉ３Ｎ４に
よって決まるために特に規定はしないが、純度からいえ
ば結晶子の比較的大きいものが好ましい。

フィラー粉末とＳｉ粉末の混合比は、フィラー粉末３０
重量部に対してＳｉ粉末を７０重量部以下にしないと十
分な窒化が進行しない。この理由はＳｉを加熱すると溶
融して表面張力により球状になり、Ｓｉの表面がＳ　ｉ
　３　Ｎ　４になると内部まで反応が進行しないため未
反応Ｓｉが残留するからである。理想的には薄膜状で存
在する状態が望ましい。このためフィラー材のＢＮ粉末
あるいはＢＮとＳ　ｉ　３　Ｎ　４の混合粉末は多いほ
ど好ましいが、生産性からいえばフィラーの添加量はで
きるだけ少量に抑えたいため、フィラー粉末はフィラー
粉末とＳｉ粉末の合計重量の３０〜５０重量％が好まし
い、ＢＮの含有量を多くするにはフィラー材の添加量を
多くすれば製造可能であるが。

ＢＮの含有量を少なくするにはフィラー材としてＢＮ扮
末単味では製造不可能で、ＢＮ粉末とＳｉ３Ｎ４粉末を
混合したフィラー材を使用する必要がある。

本発明の複合粉末においてＢＮの特性を生かすには、５
〜８０重量％のＢＮを含有させる。５重量％未満である
と機械加工が難しくマシナブル性が失なわれ、８０重量
％を越えると焼結特性が失なわれるため、ＢＮ含有量と
しては５〜８０重量％とする。

混合粉末中の酸素成分は加熱されるとＢ２Ｏ３，５ｉ０
２などの低融点の酸化物になるため、Ｂ２Ｏ３−５ｉ０
２の硼珪酸ガラス相として粒界に存在することになる。

このＢ２Ｏ３−５ｉ０２相は低融点のため焼結体の高温
での機械特性、電気特性が室温に比べて非常に悪くなる
。そこでＡＲを添加することによりＢ２０３−３　ｉ　
０２相をβ−サイアロン相（Ｓ　１ｓ−ｚ　ＡＱｚＯ２
Ｎｒ３−２　、ｏ＜ｚ≦４．３）に転化させることによ
り安定化できた。Ａｇは雰囲気中のＮ２と反応してＡｌ
２Ｎを生成したり、混合粉末中の酸素成分と反応してＡ
ｇ２Ｏ３を生ずる。このＡｆｆ２０３はＳｉ３Ｎ４と反
応してβ−サイアロン相になり安定化される。不純物の
Ｂ２Ｏ３は洗浄、加熱蒸発処理により除去できる。

添加するＡβ扮末の量は混合粉末中の酸素量に応じて変
化させる必要がある。

複合粉末中のＢＮの酸素含有量が５％以下でないと、高
温でＢ２Ｏ３になり蒸気圧分圧が高まったり焼結体中の
酸素量が多くなり高温強度が低下する。Ａｆｆ粉末の添
加量は混合粉末中の酸素をβ−サイアロン相として安定
化するのに必要であるため混合粉末中の酸素量によって
変動するが。

混合粉末に対して０．５〜１５重咀％使用すればよい、
０．５重１％未満では効果が不十分で、１５！Ｈ！Ｔｔ
％を越えるとβ−サイアロン相のみならずＡ４２Ｎが多
量に生成するため機械強度が低下し構造材料として不適
切である。

加熱雰囲気は、酸化性であるとＢＮ、ＡＱの酸化により
Ｂ２Ｏ３，ＡＲ２０３を生成し目的の粉末が得られない
ので非酸化性雰囲気とする。

また加熱温度はＳｉの窒化を生じさせるためには１００
０℃以上が必要であり、２１００℃を越えるとＳｉ３Ｎ
４の分解を生じるためｌ０００〜２１００℃とする。

なお、この複合粉末の焼結助材として、Ｙ２Ｏ３、アル
カリ土類金属の酸化物等を使用しても、焼結体の特性は
なんら失なわれない。

［実施例１ 実施例１ 酸素含有量が１．４％で平均粒径が４μｍのＢＮＮ粉末
１０垂 １００μｍの篩を全通したＳｉ粉末１００１１部と，酸
素含有１０．８％で１００μｍ以下の粒径のＡｇ粉末２
＠置部を，ナイロン製ポットとボールを用いエタノール
を分散媒として湿式混合により均一に混合し、ＢＮ扮末
、Ｓｉ粉末，Ａ２粉末の合計屯看に対しＡＩ２粉末含有
遣が１．０重量％の混合粉末を製造した。

このようにして得られた混合粉末を乾燥後、ＢＮを表面
にコートした黒鉛るつぼ中に混合粉末１００ｇを充填密
度０．　２　５　ｇ　／　ｃ　ｒｒｒ’でソフトに充填
し、高純度ＮＦ（３ガス中で５７温速度５℃／ｍｉｎに
て１８００℃まで加熱した後３ｈ保持し、Ｎ２ガス中で
炉冷後、試料を取出した。取出した試料は振動ボールミ
ルにより平均粒径５ｕｍまで粉砕した。

このようにして得られた粉末のＢＮ含何川用３５重漬％
で、Ｘ線回折により生成物を同定したところ、ＢＮ．Ｓ
ｉ３Ｎ＋を主成分として徴用のβーサイアロン相が同定
され、他の鉱物相のピークは観察されなかった。

電子顕微鏡で生成物を観察すると４〜５μｍの鱗片状の
ＢＮ粉末の表面にＩａｍ程度の粒径の微粉が付着した状
態の生成物であった。

この様にして製造した粉末１００ｇをプレス成形後ガラ
スカプセルに装入して、ＨＩＰ（）ｌｏｔＩｓｏｓｔａ
ｔｉｃ　　Ｐ　ｒ　ｅ　ｓ　ｓ　）処理を１８００℃で
２０００気圧処理を行なった後、試験片を切出して物性
測定を行った。

密度の測定はアルキメデス法で、３点曲げ試験はＪＩＳ
Ｒ１６０１法で行なった。また、光学ガラスを８００℃
まで加熱して焼結体に押しつけて加圧成形して表面性状
を観察した。

実施例２ 実施例１のＢＮ扮末ｌＯＯ重量部の代わりに、実施例１
に用いたＢＮ粉末６０重量部と酸素含有ｌが１．５％で
平均粒径が０．６５　ｇ　ｍのＳ　ｉ　３　Ｎ　４粉末
４０重量部を使用し、実施例１と同様な方法で粉末を製
造した後ＨＩ　Ｐ処理により焼結体を製造して評価した
。この粉末のＢＮ含有量は２０％で、Ｘ線回折および電
子顕微鏡観察の結果は実施例１とほぼ同様であった。

比較例１ 酸素含有量が１．４％で平均粒径が４μｍのＢＮ粉末８
０部と、酸素含有量か１．４％で平均粒径が０．７μｍ
の窒化珪素粉末１２０部をエタノールを分散媒としてナ
イロン製ポットとポールを用いて混合後乾燥して混合粉
末を製造し、この混合粉末を実施例１と同様に処理して
焼結体を製造した。

なお、この混合粉末を加熱、粉砕した複合粉末のＢＮ含
有量は４０重量％であった。

比較例２ 実施例１の混合粉末中の、４４２粉末を除いた混合粉末
を実施例１と同様に処理した。

実施例および比較例の試験結果を第１表に示した。

本発明の複合粉末は、ＢＮとＳ　ｉ　３　Ｎ　４の混合
粉末（比較例１）、あるいはＡ２扮末を添加しない混合
粉末（比較例２）の場合に比べて、高温曲げ強度、ガラ
スの成型品の表面平滑度において優れていた。

〔発明の効果］ 本発明により、ＢＮを母材とし、その表面に薄いコート
膜状のＳｉ３Ｎ４を有する窒化硼素・窒化珪素複合粉末
が得られ、この複合粉末は、高温での曲げ強度、耐食・
ｒトの優れた焼結体の原料粉末として好適である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　六方晶窒化硼素粉末単味または六方晶窒化硼素粉末
   および窒化珪素粉末と、シリコン粉末と、アルミニウム
   粉末とよりなる混合粉末を、アルミニウム粉末が混合粉
   末に対して０．５〜１５重量％になるように混合し、 該混合粉末を窒素ガスを含有する非酸化性雰囲気中で１
   ０００〜２１００℃に加熱した後粉砕することにより、 六方晶窒化硼素を５〜８０重量％含有し、 酸素化合物をβ−サイアロン相（Ｓｉ＿６＿−＿ＺＡｌ
   ＿ＺＯ＿ＺＮ＿８＿−＿Ｚ、０＜Ｚ≦４．３）として安
   定化させた粉末を得ることを特徴とする窒化硼素・窒化
   珪素複合粉末の製造方法。