JPH02302370A - 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するもので、
特にガラスをカプセル材として用いた熱間静水圧プレス
（以下ｒＨＩ　ＰＪという）工程に適用した窒化珪素焼
結体の製造方法に関する。

（従来の技術） 裏部構造材料セラミックスのうちで、高温下で充分な強
度を有し化学的に安定で熱衝撃にも強い材料の一つとし
て窒化珪素は最も有望なものとして注目されている。

このような窒化珪素焼結体を製造する方法としては、ガ
ラスをカプセル材として使用するＨＩＰ法により窒化珪
素を焼結する方法が極めて有力であり、例えば特公昭４
８−２５６０５号に金属箔により包まれた成形体を媒体
を介して成形および焼結する方法が開示され、また特公
昭６１−４６４３２号または特公昭６３−５９９９３号
には、ＢＮ粉末またはＡＪＮ粉末を介在させてＨＩＰ焼
結させる方法が開示されている。

（発明が解決しようとする課！り しかしながら、このようにガラスをカプセル材として使
用するＨＩＰ処理においては、前記金属箔で包まれた成
形体をＨＩＰ処理するものでは複雑形状品を気密に金属
箔で包囲することは困難であり、単純な球状の成形体で
あっても表面を完全に金属箔で被覆することはできない
ため、その金属箔周囲のガラス質層が内部のＳｉ、Ｎ、
成形体に拡散侵入し、その硬度、靭性、強度等を劣化さ
せる問題がある。

また、窒化珪素粉末と焼結助剤の混合物の成形体にＢＮ
粉末やｉＮ粉末な単味で包囲しガラスカプセルに封入す
る方法では、ＢＮやＡｌ２Ｎが粉末ゆえにその周囲のガ
ラス質層が内部の５ｉｓＮ、成形体中に拡散侵入する前
記の如き問題は回避できるものの、ＢＮ粉末やＡβＮ粉
末と接している５Ｌ３Ｎ４成形体の表層近くは変色が起
りかつこの部分が気孔の多い表面状態を呈する等十分な
焼結がされないという問題がある。この問題の発生原因
については、本発明者が鋭意研究を重ね検討した結果、
５ｉｓＮ＋を焼結する際に用いる焼結助剤成分が成形体
の表面層からＢＮやＡｆ２Ｎのコート層中に拡散移動し
、相当量の焼結助剤成分が焼結体表面層から欠落する等
の理由により、焼結体の表層近傍の焼結が不充分になっ
てしまい変色を引き起し、ひいてはこの部分が他と比し
てわずかではあるが低密度化してしまうことが判明した
。

本発明は、前記問題点を解決するためになされたもので
、従来のカプセルを用いたＨＩＰ処理による窒化珪素焼
結体の製造方法の改善を図り、複雑形状品の製造が可能
でかつ表面層から内部層まで緻密で充分に焼結した高密
度な窒化珪素焼結体を得ることを目的とする。

−（課題を解決するための手段） 前記課題を解決するための本発明の第１の発明の窒化珪
素焼結体の製造方法は、窒化珪素原料粉末と焼結助剤粉
末との混合物を成形し、この成形体をガラス膜で被覆し
た後、熱間等方静水圧プレスするにあたり、前記成形体
の表面にＭｏ粉末と１種以上の焼結助剤粉末との混合物
のスリップを塗布した後、ガラス膜で被覆し熱間等方静
水圧プレスすることを特徴とする。

本発明の第２の発明の窒化珪素焼結体の製造方法は、第
１の発明の前記スリップ中のＭｏ粉末と焼結助剤粉末と
の混合比（Ｍｏ／焼結助剤）が重量比で９９．９５１０
．０５〜５０１５０の範囲にあることを特徴とする。

本発明の第３の発明の窒化珪素焼結体の製造方法は、窒
化珪素原料粉末と焼結助剤粉末との混合物を成形し、こ
の成形体をガラス膜で被覆した後、熱間等方静水圧プレ
スするにあたり、前記成形体の表面にＢＮ粉末と１種以
上の焼結助剤粉末との混合物のスリップを塗布した後、
ガラス膜で被覆し熱間静水圧プレスすることを特徴とす
る。

本発明の第４の発明の窒化珪素焼結体の製造方法は、第
３の発明のスリップ中の前記ＢＮ粉末と焼結助剤粉末と
の混合比（ＢＮ／焼結助剤）が重量比で９９．９１０．
１〜４０／６０の範囲にあることを特徴とする。

窒化珪素原料粉末と焼結助剤粉末からなる成形体の表面
にＭｏ粉末あるいはＢＮ粉末と焼結助剤粉末の混合物の
スリップを塗布したのは、Ｍｏ粉末あるいはＢＮ粉末は
、他のどのような物質と比較しても、前記成形体の表層
からその内部へのカプセル材ガラス質の拡散侵入が効果
的に抑止される点において有利であり、しかも、このス
リップ中には焼結助剤成分があらかじめ添加されている
ので、成形体表面のコート層中においても焼結助剤成分
の濃度が高いため、成形体中の焼結助剤成分がＭＯ粉末
あるいはＢＮ粉末を含むコーティング層側に拡散移動す
るのを抑止することができるからである。そのため、Ｈ
ＩＰ処理後、焼結体の表層面から内部に至るまで均一な
硬度、靭性、強度を有する焼結体が得られる。

前記窒化珪素原料粉末に添加する焼結助剤としては、Ｙ
ｉＯｓ、Ａβ＊Ｏｓ、ＭｇＯ１ＡＩ２Ｎ。

５ｒＯ１ＣｅＯｉ、Ｂｅ０１ＺｒＯｘなど従来より公知
の焼結助剤（高緻密化用添加剤）が用いられる。また、
これらの焼結助剤の添加量は窒化珪素原料粉末に対して
１０ｗｔ％以下が好ましい。

前記成形体に塗布するスリップ中の焼結助剤は、前記窒
化珪素原料粉末に添加する焼結助剤成分と同種の成分が
望ましいが、異種の成分であってもよい。

ガラス膜で成形体を被覆する手段としては、前記スリッ
プを塗布した成形体を容器状のガラスカプセルに封入す
る方法と、前記スリップを塗布した成形体をガラス粉粒
体中に埋設し、これをガラスの軟化点以上に加熱するこ
とにより被覆する方法とがあり、いずれの方法を用いて
もよい。前者の場合には封入時に残留空気の影響を避け
るため脱気密封するにあたり脱気部分がカプセル内のみ
となるから脱気が簡単である点で有利である。後者の場
合は加熱炉内全体を脱気する必要がある。

なお、スリップを塗布した成形体をガラス膜で被覆する
のは、成形体の表層の気孔を消滅させ、表層面の緻密化
を促進させるためである。

本発明で使用するガラス膜の材料としては、高温でＨＩ
Ｐ処理を行なうことから高軟化点のガラス、例えばパイ
レックスガラス、バイコールガラス、石英ガラスあるい
はこれらの混合物が好ましい。

以下、試験例を示すことにより、本発明の内容を具体的
に説明する。

（実施例） 区脹且−ユ ９０％以上がα相からなる５ｉ２Ｎ＋原料粉末９２ｗｔ
％に対し焼結助剤としてＭｇＯ：　２ｗｔ％、ＳｒＯ：
　２ｗｔ％、ＣｅＯｓ：４ｗｔ％を添加したものを原料
とした。この原料を湿式アトライタ粉砕機により５時間
粉砕部合した後、スプレードライ法により造粒した。こ
の粉末を金型内に入れプレス成形し、直径３０ｍｍ、高
さ２０ｍｍの円柱状の成形体を得た。

この成形体に皮膜をコートするための各種成分のスリッ
プを作製した。スリップ材の組成は第１表に示すとおり
である。

（以下、余白、） 第１表に示すように、スリップ材の溶質にはＭｏ粉末を
用い、このＭｏ粉末の平均粒径は２０゜６μｍ、比表面
積は０．４ｍ”／ｇであった。焼結助剤は、ＭｇＯ，５
ｒＯ１Ｃｅ　Ｏｚ系助剤を用いた。溶媒は、水またはイ
ソプロピルアルコールを用い、これに有機バインダとし
てポリビニルブチラールあるいはポリビニルアルコール
を用いた。

次いで、第１表に示す各種のスリップ材を前述した成形
体にスプレーで塗布した。その後、この成形体および塗
布層〔コート層）中に残留する有機物質を除去するため
に、５００℃、大気中で１０時間仮焼した。仮焼して得
られた成形体をパイレックスガラスに真空封入し、加熱
炉中で、１７５０℃、１５００気圧に昇温昇圧し、この
状態で１時間ＨＩＰ処理した。

得られた焼結体を冷却した後、焼結体の周囲のパイレッ
クスガラスをへンマーで砕いて除去し、焼結体を取出し
た。

次に、焼結体の切断面の色相テストを行なった。

前記焼結体をその中心部を通るように切断し、その切断
面の中心部から表層面に至る色相の変化を観察調査した
ところ、第２表に示すような結果を得た。

第２表 第２表において、窒化珪素焼結体の表面変色層は、気孔
が多数散在する低密度の不均質層であるため、製品とす
るためにはこの変色層を加工除去する必要があるので変
色層の厚さは薄い方がよい。

第２表から明らかなように、Ｍｏ粉末に実施例の焼結助
剤を添加したスリップを窒化珪素原料粉末成形体にコー
トした場合、得られたＨＩＰ焼結体においては、多気孔
質かつ低密度の表面変色層を充分薄（することが可能に
なった。これにより、元来難加工材である窒化珪素焼結
体の表層に形成される低密度の不均質層を除去加工する
手間が大幅に低減され、商品価値の高い窒化珪素焼結体
を比較的容易な切削加工作業により得ることができる。

区ＭＪＬｊ ９０％以上がα相からなる５ｉｓＮ４原料９３ｗｔ％に
対し、Ａｌ２２０ｓ　　：　４ｗｔ％、Ｙ−Ｏ８：　３
ｗｔ％を添加した原料を用いた。この原料を試験例１と
同様にして、粉砕、造粒、成形を行なった。

得られた成形体の表面にＢＮ粉末および焼結助剤、溶媒
、有機バインダから成るスリップ材を塗布した。このス
リップ材の組成は第３表に示すとおりである。

（以下、余白、） 第３表に示すスリップ材を塗布した成形体を、試験例１
と同様の条件で仮焼した後、この仮焼体をガラスカプセ
ルに入れ：　ＨＩＰ処理し、焼結体を得た。

得られた焼結体を切断し、その切断面の中心部から表層
面に至る色相の変化を観察調査したところ、第４表に示
す結果を得た。

第４表 第３表および第４表から理解されるように、比較例３で
はＢＮ粉末に比して焼結助剤の総量が比較的多い混合物
で成形体の表面を塗布したものであったために焼結体の
表面変色層の厚さが相対的に厚くなったものと解される
。また比較例４では、スリップ材中に焼結助剤を添加し
なかったためＨＩＰ処理時に５ｉｓＮ＋粉末に添加した
焼結助剤がＢＮ粉末側に拡散移動し、得られた焼結体の
表面変色層の厚さが相対的に厚（なったものと解される
。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の窒化珪素焼結体の製造方
法によれば、窒化珪素原料粉末と焼結助剤粉末の混合物
を成形し、この成形体とその周囲のガラス成分との間の
反応を抑制するために成形体の表面にＭＯ粉末またはＢ
Ｎ粉末と焼結助剤を含むスリップ材を塗布した後、ガラ
スカプセル中でＨＩＰ焼結するようにしたので、得られ
る焼結体の表面変色層が薄く緻密で除去加工代の薄い焼
結体を容易に得られるという効果がある。

本発明の製造方法により得られる焼結体の表層は不均一
な変色層の厚さが薄いので、商品価値が高く、かつ難加
工材であるが変色１の厚さが薄い分だけ焼結体の表層の
不均一変色層を除去加工する作業が比較的簡便に行なえ
るという効果がある。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化珪素原料粉末と焼結助剤粉末との混合物を成
   形し、この成形体をガラス膜で被覆した後、熱間等方静
   水圧プレスするにあたり、前記成形体の表面にＭｏ粉末
   と１種以上の焼結助剤粉末との混合物を塗布した後、ガ
   ラス膜で被覆し熱間等方静水圧プレスすることを特徴と
   する窒化珪素焼結体の製造方法。
2. （２）前記スリップ中のＭｏ粉末と焼結助剤粉末との混
   合比（Ｍｏ／焼結助剤）が重量比で９９．９５／０．０
   ５〜５０／５０の範囲にあることを特徴とする請求項１
   に記載の窒化珪素焼結体の製造方法。
3. （３）窒化珪素原料粉末と焼結助剤粉末との混合物を成
   形し、この成形体をガラス膜で被覆した後、熱間等方静
   水圧プレスするにあたり、前記成形体の表面にＢＮ粉末
   と１種以上の焼結助剤粉末との混合物を塗布した後、ガ
   ラス膜で被覆し熱間静水圧プレスすることを特徴とする
   窒化珪素焼結体の製造方法。
4. （４）前記スリップ中のＢＮ粉末と焼結助剤粉末との混
   合比（ＢＮ／焼結助剤）が重量比で９９．９／０．１〜
   ４０／６０の範囲にあることを特徴とする請求項３に記
   載の窒化珪素焼結体の製造方法。