JPH0224790B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

(イ) 技術分野 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。 (ロ) 技術の背景 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物質である共有
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、
周期律表ａ、ａ、ａ族金属の窒化物、炭化
物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はあるが、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
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。 (ハ) 発明の開示 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、焼結助剤粉末を添
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
など焼結条件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を添加したSi₃N₄粉
末の成型体を焼結するに際し、昇温して焼結完了
するまで過程の雰囲気を、第１段階を10^-3atm以
下の真空雰囲気とし、第２段階を10^-3〜0.9atmの
減圧窒素雰囲気とし、更に第３段階は1atm以上
の加圧雰囲気というように段階的に変えて焼結す
ることを特徴とするものであり、これによつて前
記従来の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。 窒化硅素粉末に焼結助剤として、周期律表
ａ、ａ、ａ族金属の窒化物、炭化物の１種ま
たは２種以上、又は上記炭化物又は窒化物にLi、
Be、Mg、Al、Ca、Ti、Ｙ、Zr、Ba、Ce等の酸
化物を加えたものの粉末を添加して充分混合後成
型体とし、この成型体を焼結炉に装填し昇温して
焼結する。この昇温開始から焼結完了までの過程
を、例えば第１図にする如く、 (1) 常温〜1100℃までの第１段階を10^-3atm以下
の真空雰囲気とする。 (2) 1100゜〜1800℃までの第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。 (3) 1800℃の焼結キープ途中で1atm以上の加圧
窒素雰囲気とする。 ３段階の雰囲気とするものである。 (1)の10^-3atm以下の真空雰囲気にすることによ
つて焼結助剤を含有するSi₃N₄粉末成型体に吸着
している酸素や水分を除去することができる。 (2)の段階では、該Si₃N₄粉末成型体表面の酸素
を除去すること、粒界組成をコントロールし
Si₃N₄結晶の粗大化成長を抑制すること等の効果
がある。又(3)の第３段階では1atm以上の加圧窒
素雰囲気にすることによつてSi₃N₄の分解を抑制
しつつ焼結を完結させるものである。 上記第１〜３段階の雰囲気を段階的に変えて焼
結することによつて緻密で強度の高い焼結体が得
られるのである。 焼結進行は第２段階の1100〜1800℃において最
も進行し、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細孔が残存しなくなる。 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。 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₂
＋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３段階の1atm以上の加圧窒素雰囲気として
は、２〜150atmでの通常の加圧雰囲気、
2000atm程度の熱間静水圧（HIP）などいずれで
もよい。 第１図は本発明の方法を説明するための昇温カ
ーブ１と雰囲気圧力２の実施例である。 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TiN5ｇ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25
mm、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、
1800℃の焼結キープの途中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、同
温度で焼結を完了せしめた。 次いで炉内を1200℃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。

【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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を説明するための説明図
で実線１が温度カーブ、点線２が雰囲気圧力の劣
化を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 焼結助剤として珪素以外の窒化物またはこれ
   と炭化物、Si以外酸化物と組合せて添加した窒化
   硅素粉末の成型体を焼結するに際し、昇温から焼
   結完了までの雰囲気を第１段階を真空雰囲気、第
   ２段階を減圧窒素雰囲気、第３段階を加圧窒素雰
   囲気と段階的にかえて焼結することを特徴とする
   窒化硅素の焼結方法。 ２ 真空雰囲気が10^-3atm以下であることを特徴
   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。 ３ 減圧窒素雰囲気が窒素分圧10^-3〜0.9atm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。 ４ 加圧窒素雰囲気が1atm以上であることを特
   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。 ５ 焼結助剤がａ，ａ，ａ族金属の窒化
   物、炭化物、Li、Be、Mg、Al、Ca、Ti、Ｙ、
   Zr、Ba、Ce等の酸化物から選ばれた１種または
   ２種以上であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の窒化硅素の焼結方法。