JPH021793B2 - - Google Patents
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- JPH021793B2 JPH021793B2 JP56163278A JP16327881A JPH021793B2 JP H021793 B2 JPH021793 B2 JP H021793B2 JP 56163278 A JP56163278 A JP 56163278A JP 16327881 A JP16327881 A JP 16327881A JP H021793 B2 JPH021793 B2 JP H021793B2
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Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Description
この発明は高温強度が高く、高密度を有する窒
化けい素焼結体を得るための窒化けい素の焼結方
法に関するものである。 最近セラミツクス材料、特に耐熱性材料として
のセラミツクスの開発が盛んに行われており、な
かでも高温において安定な耐熱性粉質である共有
結合性化合物、特に窒化けい素（Si3N4）が非常
にすぐれた材料であることが知られている。 一般にセラミツクスは、原料セラミツクス粉末
を成形焼結して使用されるものであるが、Si3N4
の場合は、一般の酸化物セラミツクスと異なり、
難焼結性物質であるため、単独組成たとえば
Si3N4粉末のみを焼結しても緻密な焼結体を得る
ことは困難である。 このためSi3N4粉末の場合などにはMgO，
Al2O3，Y2O3，CeO2，BeOなどの酸化物粉末を
焼結助剤として添加して焼結することが行われて
いる。 しかしてこのような焼結助剤を加えたSi3N4粉
末を使用して通常行われているプレス成形をして
真空あるいは常圧で加熱焼結する方法は、焼結コ
ストが低く工業的に有用であるが、Si3N4焼結体
に微孔がそのまま残存するので高密度の焼結体を
得ることは困難である。 これに対して、高温下で加圧しながら焼結する
ホツトプレス法は、より緻密な焼結体を得ること
はできるが、高温において強度低下が生ずる欠点
があり、また焼結コストが高くつくという難点が
ある。 この高温における強度低下は、焼結助剤の添加
によりSi3N4の粉末界面に低融点物質が生成する
ことによるものであると考えられ、焼結助剤を使
用する場合は不可避である。 さらに焼結助剤の混合割合を減少し、あるいは
焼結助剤を添加せずに高圧ガス雰囲気中で焼結し
たり、爆発成型などで粉末に瞬間的に高圧を加え
て粉砕したのち、焼結するなどの方法が試みられ
ているが、何れの方法も焼結コストが高く、また
高温強度の低下現象が残る欠点があり、工業的な
方法として成功していない。 本発明者らは上記の点に鑑みて焼結助剤を用い
ながら高温強度、高密度のSi3N4焼結体を得る
Si3N4粉末の焼結法について、けい素以外の各種
金属酸化物を添加したSi3N4粉末をプレス成形し
たのち、真空、減圧あるいは加圧などの各種の雰
囲気および温度など焼結条牛を変化させて焼結を
行つて試験を繰返した結果、この発明に至つたも
のである。 即ち、この発明は焼結助剤としてSiO2以外の
MgO，Al2O3，ZrO2などの金属酸化物を添加し
たSi3N4粉末の成形体を焼結するに際して焼結温
度に達するまでの昇温過程の雰囲気を10-3atm以
下の真空雰囲気から10-3〜0.9atmの減圧窒素雰囲
気、ついで1atm以上の加圧窒素雰囲気と段階的
にかえて焼結することを特徴とするものであり、
これによつて前記焼結体特性の欠点即ち、高温特
性の劣化を解消し、高密度で高温強度にすぐれた
Si3N4焼結体が得られるのである。 以下この発明の焼結法を詳細に説明する。 即ち、けい素以外の金属酸化物の少くとも１種
以上を焼結助剤として添加した窒化けい素粉末を
成形体としたのち、この成形体を焼結炉に装填し
て焼結するに際し、焼結時の昇温から焼結完了ま
での過程を、例えば (1) ０〜1100℃までの第１段階を10-3atm以下の
真空雰囲気とする。 (2) 1100〜1600℃の段２段階を10-3〜0.9atmの窒
素分圧を有する減圧雰囲気とする。 (3) 1600〜2000℃の第３段階を1atm以上の加圧
窒素雰囲気とする。 の３段階の雰囲気とするものであり、(1)の
10-3atm以下の真空雰囲気によつて焼結助剤を含
有するSi3N4粉末成形体に吸着している酸素や水
分を除去し、(2)の段階で該Si3N4粉末成形体表面
の酸化層を除去するものであり、かつ粒界組成を
コントロールし、Si3N4結晶の粗大成長を抑制し
均一化する効果がある。さらに柱状晶成長のＣ
軸／ａ軸比を大ならしめ繊維強大の効果もある。
そして(3)の1atm以上の加圧窒素雰囲気にてSi3N4
の分解を抑制しつつ焼結を完結させるのである。 1atm以上の加圧窒素雰囲気とは、２〜150atm
の加圧雰囲気、2000atm程度の熱間静圧成型
（HIP）のいずれでもよい。 しかしてSi3N4の焼結は第２段階の1100〜1600
℃にて大きく進行するのであり、その時の雰囲気
圧力はできるだけ小さい方が、焼結体中に微孔が
残存しない点から好ましい。 これらのことにより、気孔残存が少なく、密度
向上が計れ強度強化が可能になる。 またこの第２段階における10-3〜0.9atmの減圧
雰囲気としては、N2ガス、N2＋H2の混合ガス
N2＋COの混合ガスあるいはN2＋H2＋COの混合
ガスが有効である。 第１図、第２図は上記に説明したこの発明の焼
結工程における雰囲気圧力と焼結時間、温度の関
係を示したものであり、第１図Ａは第２段階の減
圧雰囲気にN2ガスを用いたものの雰囲気圧力と
焼結時間および第１図Ｂはその場合の焼結温度と
時間の関係を示し、後述する実施例１に相当する
説明図である。 そして第２図Ａ，Ｂも第１図Ａ，Ｂと同様の関
係を示すが、第２段階の減圧雰囲気をN2ガスと
COガスの混合ガス雰囲気としたもので後述の実
施例２に相当する説明図である。 また、この発明にてSi3N4粉末に混合する焼結
助剤としては、SiO2以外の金属酸化物であれば
よく、例えばLi，Be，Mg，Al，Ti，Ca，Ｙ，
Zr，Ba，Ceなどの酸化物の少くとも１種以上が
良好である。 以下この発明を実施例により詳細に説明する。 実施例 １ α型を90％以上含むSi3N4（西独シユタルク社
製）100ｇに対してMgO5ｇをボールミルで混合
し粉砕を行つた。 次いでこの粉末を2t／cm2の圧力で長さ50mm、幅
25mm、厚さ10mmの板に成形したのち、焼結炉に装
填した。 そして炉内を真空（1.3×10-4atm）にしたの
ち、昇温をはじめ1100℃に達したところで流量５
／minでN2ガスを導入し、排気バルブを調整
して0.6atmに設定し、さらに昇温をつづけ、
1600℃に達したところで排気バルブを止め、N2
ガスを導入して雰囲気圧力を10atmとし1800℃ま
で昇温したのち同温度に１時間保持して焼結を行
つた。 次いで炉内を1000℃まで降温したのち、雰囲気
圧力を1atmにしてさらに降温をつづけた。 十分に冷却したのち焼結体を炉から取出し、得
られた焼結体の特性を調べたところ第１表に示す
結果を得た。 なお比較例として実施例１と同じ粉末を用いて
昇温初期より1atmあるいは10atmのN2ガス雰囲
気で焼結したもの、および1100℃までは真空、
1100℃以上を10atmのN2ガス雰囲気として焼結
した焼結体を示した。
化けい素焼結体を得るための窒化けい素の焼結方
法に関するものである。 最近セラミツクス材料、特に耐熱性材料として
のセラミツクスの開発が盛んに行われており、な
かでも高温において安定な耐熱性粉質である共有
結合性化合物、特に窒化けい素（Si3N4）が非常
にすぐれた材料であることが知られている。 一般にセラミツクスは、原料セラミツクス粉末
を成形焼結して使用されるものであるが、Si3N4
の場合は、一般の酸化物セラミツクスと異なり、
難焼結性物質であるため、単独組成たとえば
Si3N4粉末のみを焼結しても緻密な焼結体を得る
ことは困難である。 このためSi3N4粉末の場合などにはMgO，
Al2O3，Y2O3，CeO2，BeOなどの酸化物粉末を
焼結助剤として添加して焼結することが行われて
いる。 しかしてこのような焼結助剤を加えたSi3N4粉
末を使用して通常行われているプレス成形をして
真空あるいは常圧で加熱焼結する方法は、焼結コ
ストが低く工業的に有用であるが、Si3N4焼結体
に微孔がそのまま残存するので高密度の焼結体を
得ることは困難である。 これに対して、高温下で加圧しながら焼結する
ホツトプレス法は、より緻密な焼結体を得ること
はできるが、高温において強度低下が生ずる欠点
があり、また焼結コストが高くつくという難点が
ある。 この高温における強度低下は、焼結助剤の添加
によりSi3N4の粉末界面に低融点物質が生成する
ことによるものであると考えられ、焼結助剤を使
用する場合は不可避である。 さらに焼結助剤の混合割合を減少し、あるいは
焼結助剤を添加せずに高圧ガス雰囲気中で焼結し
たり、爆発成型などで粉末に瞬間的に高圧を加え
て粉砕したのち、焼結するなどの方法が試みられ
ているが、何れの方法も焼結コストが高く、また
高温強度の低下現象が残る欠点があり、工業的な
方法として成功していない。 本発明者らは上記の点に鑑みて焼結助剤を用い
ながら高温強度、高密度のSi3N4焼結体を得る
Si3N4粉末の焼結法について、けい素以外の各種
金属酸化物を添加したSi3N4粉末をプレス成形し
たのち、真空、減圧あるいは加圧などの各種の雰
囲気および温度など焼結条牛を変化させて焼結を
行つて試験を繰返した結果、この発明に至つたも
のである。 即ち、この発明は焼結助剤としてSiO2以外の
MgO，Al2O3，ZrO2などの金属酸化物を添加し
たSi3N4粉末の成形体を焼結するに際して焼結温
度に達するまでの昇温過程の雰囲気を10-3atm以
下の真空雰囲気から10-3〜0.9atmの減圧窒素雰囲
気、ついで1atm以上の加圧窒素雰囲気と段階的
にかえて焼結することを特徴とするものであり、
これによつて前記焼結体特性の欠点即ち、高温特
性の劣化を解消し、高密度で高温強度にすぐれた
Si3N4焼結体が得られるのである。 以下この発明の焼結法を詳細に説明する。 即ち、けい素以外の金属酸化物の少くとも１種
以上を焼結助剤として添加した窒化けい素粉末を
成形体としたのち、この成形体を焼結炉に装填し
て焼結するに際し、焼結時の昇温から焼結完了ま
での過程を、例えば (1) ０〜1100℃までの第１段階を10-3atm以下の
真空雰囲気とする。 (2) 1100〜1600℃の段２段階を10-3〜0.9atmの窒
素分圧を有する減圧雰囲気とする。 (3) 1600〜2000℃の第３段階を1atm以上の加圧
窒素雰囲気とする。 の３段階の雰囲気とするものであり、(1)の
10-3atm以下の真空雰囲気によつて焼結助剤を含
有するSi3N4粉末成形体に吸着している酸素や水
分を除去し、(2)の段階で該Si3N4粉末成形体表面
の酸化層を除去するものであり、かつ粒界組成を
コントロールし、Si3N4結晶の粗大成長を抑制し
均一化する効果がある。さらに柱状晶成長のＣ
軸／ａ軸比を大ならしめ繊維強大の効果もある。
そして(3)の1atm以上の加圧窒素雰囲気にてSi3N4
の分解を抑制しつつ焼結を完結させるのである。 1atm以上の加圧窒素雰囲気とは、２〜150atm
の加圧雰囲気、2000atm程度の熱間静圧成型
（HIP）のいずれでもよい。 しかしてSi3N4の焼結は第２段階の1100〜1600
℃にて大きく進行するのであり、その時の雰囲気
圧力はできるだけ小さい方が、焼結体中に微孔が
残存しない点から好ましい。 これらのことにより、気孔残存が少なく、密度
向上が計れ強度強化が可能になる。 またこの第２段階における10-3〜0.9atmの減圧
雰囲気としては、N2ガス、N2＋H2の混合ガス
N2＋COの混合ガスあるいはN2＋H2＋COの混合
ガスが有効である。 第１図、第２図は上記に説明したこの発明の焼
結工程における雰囲気圧力と焼結時間、温度の関
係を示したものであり、第１図Ａは第２段階の減
圧雰囲気にN2ガスを用いたものの雰囲気圧力と
焼結時間および第１図Ｂはその場合の焼結温度と
時間の関係を示し、後述する実施例１に相当する
説明図である。 そして第２図Ａ，Ｂも第１図Ａ，Ｂと同様の関
係を示すが、第２段階の減圧雰囲気をN2ガスと
COガスの混合ガス雰囲気としたもので後述の実
施例２に相当する説明図である。 また、この発明にてSi3N4粉末に混合する焼結
助剤としては、SiO2以外の金属酸化物であれば
よく、例えばLi，Be，Mg，Al，Ti，Ca，Ｙ，
Zr，Ba，Ceなどの酸化物の少くとも１種以上が
良好である。 以下この発明を実施例により詳細に説明する。 実施例 １ α型を90％以上含むSi3N4（西独シユタルク社
製）100ｇに対してMgO5ｇをボールミルで混合
し粉砕を行つた。 次いでこの粉末を2t／cm2の圧力で長さ50mm、幅
25mm、厚さ10mmの板に成形したのち、焼結炉に装
填した。 そして炉内を真空（1.3×10-4atm）にしたの
ち、昇温をはじめ1100℃に達したところで流量５
／minでN2ガスを導入し、排気バルブを調整
して0.6atmに設定し、さらに昇温をつづけ、
1600℃に達したところで排気バルブを止め、N2
ガスを導入して雰囲気圧力を10atmとし1800℃ま
で昇温したのち同温度に１時間保持して焼結を行
つた。 次いで炉内を1000℃まで降温したのち、雰囲気
圧力を1atmにしてさらに降温をつづけた。 十分に冷却したのち焼結体を炉から取出し、得
られた焼結体の特性を調べたところ第１表に示す
結果を得た。 なお比較例として実施例１と同じ粉末を用いて
昇温初期より1atmあるいは10atmのN2ガス雰囲
気で焼結したもの、および1100℃までは真空、
1100℃以上を10atmのN2ガス雰囲気として焼結
した焼結体を示した。
【表】
実施例 ２
実施例１における流量５／minのN2ガスを
導入して0.6atmに設定するという1100〜1600℃
の昇温過程を流量５／minのN2ガスと流量２
／minのH2ガスを同時に導入して圧力を
0.8atmに設定した以外は実施例１と全く同様に
して焼結し、Si3N4焼結体を得た。 その物性は第２表に示した。
導入して0.6atmに設定するという1100〜1600℃
の昇温過程を流量５／minのN2ガスと流量２
／minのH2ガスを同時に導入して圧力を
0.8atmに設定した以外は実施例１と全く同様に
して焼結し、Si3N4焼結体を得た。 その物性は第２表に示した。
【表】
【表】
上表の第１表、第２表をみると実施例１に比べ
て酸素含有量の低い実施例２の方が高温曲げ強度
も高くなることが認められた。
て酸素含有量の低い実施例２の方が高温曲げ強度
も高くなることが認められた。
第１図Ａはこの発明の一実施例の焼結工程にお
ける焼結雰囲気圧力と焼結時間の関係を示す図
表、第１図Ｂは同じく焼結温度と焼結時間の関係
を示す図表、第２図Ａは他の実施例としての焼結
雰囲気圧力と焼結時間の関係を示す図表、第２図
Ｂは同じく焼結温度と焼結時間の関係を示す図表
である。
ける焼結雰囲気圧力と焼結時間の関係を示す図
表、第１図Ｂは同じく焼結温度と焼結時間の関係
を示す図表、第２図Ａは他の実施例としての焼結
雰囲気圧力と焼結時間の関係を示す図表、第２図
Ｂは同じく焼結温度と焼結時間の関係を示す図表
である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ けい素以外の金属酸化物の１種または２種以
上を焼結助剤として添加した窒化けい素粉末の成
形体を焼結するに際し、焼結温度に達するまでの
昇温過程の雰囲気を真空雰囲気から減圧窒素雰囲
気ついで加圧窒素雰囲気と段階的にかえて焼結す
る方法において (イ) ０〜1100℃までの第１段階を10-3atm以下の
真空雰囲気とする。 (ロ) 1100〜1600℃の第２段階を10-3〜0.9atmの窒
素分圧を有する減圧雰囲気とする。 (ハ) 1600〜2000℃の第３段階を1atm以上の加圧
窒素雰囲気とする。 以上の３つの段階を経て焼結することを特徴と
する窒化けい素の焼結方法。 ２ 焼結助剤がSi以外のLi，Be，Mg，Al，Ca，
Ti，Ｙ，Zr，Ce等の金属の酸化物であることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の窒化けい
素の焼結方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56163278A JPS5864274A (ja) | 1981-10-12 | 1981-10-12 | 窒化けい素の焼結方法 |
| DE8282305421T DE3266050D1 (en) | 1981-10-12 | 1982-10-12 | Method for sintering silicon nitride |
| EP19820305421 EP0079678B1 (en) | 1981-10-12 | 1982-10-12 | Method for sintering silicon nitride |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56163278A JPS5864274A (ja) | 1981-10-12 | 1981-10-12 | 窒化けい素の焼結方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5864274A JPS5864274A (ja) | 1983-04-16 |
| JPH021793B2 true JPH021793B2 (ja) | 1990-01-12 |
Family
ID=15770767
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56163278A Granted JPS5864274A (ja) | 1981-10-12 | 1981-10-12 | 窒化けい素の焼結方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5864274A (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60171268A (ja) * | 1984-02-10 | 1985-09-04 | トヨタ自動車株式会社 | 窒化珪素焼結体の製造方法 |
| US5120328A (en) * | 1988-01-27 | 1992-06-09 | The Dow Chemical Company | Dense, self-reinforced silicon nitride ceramic prepared by pressureless or low pressure gas sintering |
| US4883776A (en) * | 1988-01-27 | 1989-11-28 | The Dow Chemical Company | Self-reinforced silicon nitride ceramic of high fracture toughness and a method of preparing the same |
| US4919689A (en) * | 1988-01-27 | 1990-04-24 | The Dow Chemical Company | Self-reinforced silicon nitride ceramic of high fracture toughness |
| US5160508A (en) * | 1988-01-27 | 1992-11-03 | The Dow Chemical Company | Self-reinforced silicon nitride ceramic of high fracture toughness |
| US5021372A (en) * | 1988-01-27 | 1991-06-04 | The Dow Chemical Company | Method of preparing a self-reinforced silicon nitride ceramic of high fracture toughness |
| US5118645A (en) * | 1988-01-27 | 1992-06-02 | The Dow Chemical Company | Self-reinforced silicon nitride ceramic of high fracture toughness and a method of preparing the same |
| US5091347A (en) * | 1990-08-15 | 1992-02-25 | The Dow Chemical Company | Self-reinforced silicon nitride ceramic body and a method of preparing the same |
| US5312785A (en) * | 1993-05-18 | 1994-05-17 | The Dow Chemical Company | Sintered self-reinforced silicon nitride |
-
1981
- 1981-10-12 JP JP56163278A patent/JPS5864274A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5864274A (ja) | 1983-04-16 |
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