JPH02296769A

JPH02296769A - 窒化珪素質焼結体の製造方法

Info

Publication number: JPH02296769A
Application number: JP1117473A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Nose; 哲郎野瀬; Toshimitsu Fujii; 利光藤井; Hiroshi Kubo; 紘久保
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-05-12
Filing date: 1989-05-12
Publication date: 1990-12-07

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、高温における機械的強度および靭性の優れた
高密度窒化珪素質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は一般に共有結合性の強い物質であり、単味で
は焼結が困難であるため、種々の添加物を加えて焼結す
ることが行われている０例えば酸化イツトリウムと酸化
アルミニウムを添加した系では、耐熱衝撃性においては
優れたものが得られているが、高温における機械的強度
に劣っている場合があった。＃熱性を向上させることを
目的として、酸化イツトリウム＋酸化アルミニウム＋窒
化アルミニウムを添加した系、触化イツトリウム＋酸化
セリウム＋酸化マグネシウムを添加した系などが試みら
れており、高温強度の向上環に効果が認められることが
知られている。また、ｌＯ気圧以上の窒素ガス雰囲気中
にてガス圧焼結する方法が、靭性の改善に効果があるこ
とが知られている。

発明が解決しようとする課題しかしながら上記材料では、耐熱衝撃性、耐熱性は優れ
るものの、機械的強度及び靭性を、同時に飛躍的に改善
するには至っていないため、より厳しい使用環境下、特
にガスタービン部品のように、　１３００℃以上の高温
における高い高温強度と靭性が必要である構造部材へ適
用するに当たっては、信頼性に欠ける等の問題点があっ
た。従って、１３００℃の高温における機械的強度およ
び靭性の両方を、同時に向上したものが望まれている。

また、ガス圧焼結を利用することにより、特性の改善は
認められるものの生産性に劣るなどの問題点があった。

本発明は、上記の如き課題を解決するために行われたも
のである０本発明の目的は、高密度で、高い機械的強度
および高い靭性を示し、しかも１３００℃の高温におい
ても機械的強度の低下が小さい等の、耐熱性を有する窒
化珪素質焼結体の生産性の良い製造方法を提供すること
にある。

課題を解決するための手段、作用本発明の窒化珪素質焼結体の製造方法は、１種類以上の
希土類酸化物３〜ｌＯ重量％、２１Ｒ型窒化アルミニウ
ムポリタイプ１〜５重量％、酸化アルミニウム０．５〜
３重星％及び残部が実質的に窒化珪素からなる混合粉末
を成形し、該成形体を１〜２気圧の窒素ガスを含む雰囲
気中において、　１８００〜１８３０°Ｃの温度で焼結
することを特徴とするものである。

希土類酸化物、２１Ｒ型窒化アルミニウムポリタイプ、
および酸化アルミニウムは焼結助剤として作用し、焼結
過程において窒化珪素の粒界で液相を生成し、焼結を促
進する。

本発明の希土類酸化物としては、例えば、酸化イツトリ
ウム、酸化セリウム、酸化ランタン等が挙げられる。希
土類元素の酸化物は窒化珪素の焼結時にα相からβ相へ
の結晶相転移を、その融液中で促進させる機能を持ち、
更に窒化珪素の柱状相を生成することにより、高温強度
および靭性を向上させる。これらの成分の合計が、１０
重量％を超えると得られた焼結体の高温での強度が低下
するので、１０重量％以下であることが必要である。

また３重量％より少ないと液相が十分生成せず、十分な
緻密化がなされないため好ましくない、従ってその添加
量としては３〜１０重量％の範囲であることが望ましい
が、特に十分に高い高温強度、および靭性を得るために
は４〜８重量％の範囲であることが好ましい。

２１Ｒ型窒化アルミニウムポリタイプは、Ａｎ−Ｓｉ−
Ｎ−０の化合物であり、窒化アルミニウムに所定量の窒
化珪素および酸化アルミニウムを、予め固溶させること
により、形成されたものである。

窒化アルミニウムのポリタイプとしては、窒化珪素およ
び酸化アルミニウムの窒化アルミニウムへの固溶量に応
じて、２７Ｒ１２１Ｒ，１２Ｈ１８Ｈ１１５Ｒ型など数
多くの形態をとり得るが、２１Ｒ型窒化アルミニウムポ
リタイプは、その形態の内の一つである。

一般に窒化珪素の高温強度には、焼結体の結晶粒界に残
存した焼結助剤の量および形態が強く反映され１粒界で
の残存助剤量が少ない程高温特性は優れる。

本発明に用いた２１Ｒ型窒化アルミニウムポリタイプは
、上記希土類酸化物と共に焼結時に液相を形成し、緻密
化を促進する効果を持つが、弔相の窒化アルミニウムも
しくは他の型の窒化アルミニウムポリタイプと比べて、
焼結過程において窒化珪素に固溶し易く、焼結後に窒化
珪素の結晶粒界に残存しにくいため、均質かつ高温まで
高い強度を示す焼結体を得ることができる。また、２１
Ｒ型窒化アルミニウムポリタイプを添加すると、焼結過
程で生成する柱状相のアスペクト比（長軸と短軸の比）
が大きくなるため、靭性の向上が図られる。

本発明においては１〜５重量％の２１Ｒ型窒化アルミニ
ウムポリタイプを助剤として用いるが、５重量％より多
いと組織の均質性が損なわれ、また１重置％より少ない
と十分にその添加の効果が認められない、特に高い高温
強度および高い靭性の焼結体を得るためには、２〜４重
量％の範囲であることがより望ましい。

酸化アルミニウムは、上記希土類酸化物と、２１Ｒ型窒
化アルミニウムポリタイプと、焼結時に液相を形成し、
緻密化を促進するとともに組織の均質化に寄手する。３
重量％より多く添加すると高温での機械的強度が低下し
、また０、５重量％より少ないと高いアスペクト比の粒
子が得られず、また組織の均質化に充分寄与が認められ
ない。

焼結助剤として添加する上記希土類酸化物、２１Ｒ型窒
化アルミニウムポリタイプ、および酸化アルミニウム粉
末は、均質かつ高密度の焼結体を得るために、平均粒径
が２ｐｍ以下の微粒子であることが好ましい。

本発明において使用される窒化珪素粉末は、α型の結晶
構造をもつ窒化珪素粉末が焼結性の点から好ましいが、
β型あるいは非晶質窒化珪素粉末が含まれていてもかま
わない、焼結時に十分に高い嵩密度とするためには、平
均粒径３ｐｍ以下の微粒子であることが望ましい。

窒化珪素粉末には通常１〜３重量％の酸素、および０．
０５〜０．５重量％の炭素が不可避不純物として含まれ
るが、本発明に用いる窒化珪素粉末としては酸素が１〜
１．５重量％、および炭素が０．０５〜０．１重量％の
範囲のものを用いることが好ましい、酸素の一部は粒子
表面に酸化珪素もしくは二酸化珪素として存在し、焼結
時の液相生成温度を低下させる作用をもち、一方炭素は
焼結過程で窒化珪素表面上の酸化珪素もしくは二酸化珪
素を還元する作用をもつ。

これら酸素および炭素の量は相互に関係し、焼結性およ
び焼結体の特性に影響を与える。酸素が１．５重量％よ
り多く、かつ炭素が０．０５重量％より少ない場合は、
得られる焼結体の高温強度が低く、酸素が１重量％より
少なく炭素が０．１重量％より多い場合は、高い嵩密度
が得られにくい。

本発明方法においては、これらの各成分の混合はアセト
ンもしくはエタノール等の溶媒を用い、窒化珪素もしく
は炭化珪素のポット及びポールを用いて遊星型混合機で
行なう、このように調整された混合粉末を加圧成形し、
所定の形状の成形体とする。成形法としては、公知の成
形法により行なう０例えば、板状体では１軸成形圧１０
〜１００ＭＰａで成形した後、２次静水圧成形圧１５０
〜７００ＭＰａで成形する。

この成形体を１８００〜１８３０℃で加熱し、１〜２気
圧の窒素ガスを含む雰囲気中において焼結する。

焼結時の雰囲気は、窒化珪素の高温での分解を抑制する
ために、窒素ガスを含む雰囲気であることが好ましい、
また、容易に得ることのできる１〜２気圧の実質的な常
圧において焼結することにより、通常の常圧焼結炉を利
用することが可能等生産性を向上することができる。焼
結に際してはできるだけ高い温度にて焼結した方が、窒
化珪素粒子のアスペクト比が大きくなり、かつ２１Ｒ型
窒化アルミニウムポリタイプが窒化珪素中に充分固溶す
るため、！＆密で高温強度に優れる焼結体が得られるが
、窒化珪素は窒素ガス１気圧下では約１８４０℃以上で
著しい分解が生じるため、１８００〜１８３０℃の温度
範囲にて焼結することが好ましい。

焼結の際には、１５５０〜１６５０℃で希土類酸化物。

２１Ｒ型窒化アルミニウムポリタイプ、および酸化アル
ミニウムなどの液相を、均一に分布させるために３０分
以上保持し、充分に窒化珪素を濡らさせる。さらに、１
８００〜１８３０℃で上記液相中に窒化珪素が溶解し、
再析出することで結晶相転移が生じるとともに、緻密化
し焼結する。この溶解・再析出過程で、融液中の固溶限
界があるため、３０分重重二の保持が必要である。

本発明においては、１種類以上の希土類酸化物３〜ｌＯ
重量％、２１Ｒ型窒化アルミニウムポリタイプ１〜５重
量％、酸化アルミニウム０．５〜３重量％、及び残部が
実質的に窒化珪素からなる混合粉末を成形し、該成形体
を１〜２気圧の窒素ガスを含む雰囲気中において、１８
００〜１８３０℃の温度で焼結することにより焼結体を
得るが、これら条件の組み合わせにより、　１３００℃
における坑折強さが８００ＭＰａ以上の高強度で、かつ
室温にける靭性が６ＭＰａｍ　″以上の高靭性を有する
、窒化珪素質焼結体を製造することが可能となった。

本発明により、高い高温強度と高い靭性を両方とも満足
した窒化珪素質焼結体が、生産性の良い実質的な常圧焼
結法により製造可能となり、本課題が達成された。

次に本発明の実施例を比較例と共に説明する。

実施例実施例１窒化珪素粉末（平均粒径０．５ルｍ、α化率８７％以上
）に希土類酸化物粉末、２１Ｒ型窒化アルミニウムポリ
タイプ粉末、及び酸化アルミニウム粉末を第１表に示す
所定量（重量％）添加し、溶媒としてアセトンを用いて
、窒化珪素製ボールミルで２４時間混練した。

なお、用いた希土類酸化物粉末は、酸化イツトリウム粉
末としてＹ、０３粉末（平均粒径０．３ｇｍ）、酸化セ
リウム粉末としてＣｅＯ２粉末（平均粒径１．Ｏｇｍ）
、　酸化ランタン粉末としてＬａ２Ｏ３粉末（平均粒径
１．０　ルｍ）である、２１Ｒ型窒化アルミニウムポリ
タイプ粉末は珪素および＃素を所定量含有した２１Ｒ型
ＭＮ粉末（平均粒径１．０弘ｍ）である。

酸化アルミニウム粉末はＭ２Ｏ３粉末（平均粒径０．２
　ルｍ）である。

次いで得られた混合粉末を乾燥、成形後焼結した。成形
条件としては金型ｌ軸成形圧１００）ｌＰａ、冷間静水
圧による加圧７００ＭＰａとし、５０ｍｍＸ５０ｍｍＸ
　１０■の板状体を得た。常圧焼結条件としては窒素ガ
ス雰囲気１．１気圧中、１６００℃の温度にて２時間保
持後、１８００〜１８３０℃の温度にて５時間保持であ
る。

本発明により得られた各焼結体の特性を焼結助剤の添加
量、焼結条件と共に第１表に示す、焼結体の密度はアル
キメデス法により相対密度として測定した。Ｉａ械的強
度については、　ＪＩＳ　Ｒ１８０１に準拠し室温及び
大気中１３００℃にて３点曲げ試験を行い抗折強さとし
て測定した。靭性については５ＥＰＢ　（Ｓｉｎｇｌｅ
　Ｅｄｇｅ　Ｐｒｅ−ｃｒａｃｋｅｄ　Ｂｅａｍ）法に
より破壊靭性値Ｋｔｃを°測定した。

比較例として、単相の窒化アルミニウム粉末（平均粒径
１．Ｏｇｍ）を用いた系等の特性値も併せて第１表に示
す。

第１表に示すように、本発明の実施例によるものは高温
抗折強さ、靭性共に優れるが、比較例に該当する試料で
は本発明の実施例と比べて特に高温抗折強さが劣ること
が確認された。

（以下余白）実施例２前記実施例１と同様に混合粉末を作製し、成形後常圧焼
結により焼結体を作製した。窒化珪素粉末としては酸素
１〜３重量％、および炭素０．０５〜０．５重量％を含
むものを用いた。焼結条件としては窒素ガス雰囲気１．
１気圧中、１６００℃の温度にて２時間保持後、　１８
２０℃の温度にて５時間保持とした。実施例１と同様に
焼結体の特性を窒化珪素粉末中の酸素、炭素の含有量、
および焼結助剤の添加量と共に第２表に示す。

実施例１同様、本発明による焼結体の特性は高温におけ
る抗折強さ、靭性共に優れるが、比較例に該当する試料
では本発明の実施例と比べて焼結密度もしくは高温抗折
強さが劣ることが確認された。

（以下余白）発明の効果本発明によれば、上記の如く、窒化珪素質焼結体におい
て高温における機械的強度、および靭性をより優れたも
のとすることが可能となった。このことにより高温にお
ける信頼性の非常に優れた窒化珪素質焼結体の作製が可
能となり、その工業的有用性は非常に大きい。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）１種類以上の希土類酸化物３〜１０重量％、２１
Ｒ型窒化アルミニウムポリタイプｌ〜５重量％、酸化ア
ルミニウム０．５〜３重量％及び残部が実質的に窒化珪
素からなる混合粉末を成形し、該成形体を１〜２気圧の
窒素ガスを含む雰囲気中において１８００〜１８３０℃
の温度で焼結することを特徴とする窒化珪素質焼結体の
製造方法。
（２）窒化珪素粉末が、酸素１〜１．５重量％、および
炭素０．０５〜０．１重量％を含むことを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の窒化珪素質焼結体の製造方法
。