JPH02311368A

JPH02311368A - Ｓｉ↓３Ｎ↓４焼結体

Info

Publication number: JPH02311368A
Application number: JP1134068A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Hanzawa; 茂半澤; Tsutomu Kato; 務加藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1989-05-26
Filing date: 1989-05-26
Publication date: 1990-12-26
Anticipated expiration: 2012-11-19
Also published as: JP2680127B2

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、Ｓｉ３Ｎ４原料粉末およびこの原料粉末を用
いた焼結方法に関するもので、例えば、ディーゼルエン
ジン部品、ガスタービンエンジン部品、軸受等の製造方
法に利用すると有効である。

（従来の技術）高強度かつ高硬度セラミクスの一つである窒化珪素Ｓｉ
、Ｎ、は、周知のごとく、常温から約１４００℃の高温
まで高強度を示し、比重が約３゜２ｇ／ｃｃと金属の半
分以下の軽量であり、耐摩耗性、耐熱性、耐食性が優れ
ている等の特性をもつことから、エンジン部品、摺動部
材等の利用分野への研究開発が盛んに行なわれている。

５ｉａＮ４の焼結法としては、大別して次の３法があり
、■常圧焼結法は大気圧下のＮ２等のガス雰囲気中で焼
結する方法、■加圧焼結法は１゜５〜１００気圧程度の
Ｎ２等のガス雰囲気中で焼結する方法、■熱間等方静水
圧プレス（以下［ＨＩＰＪという）法は５００〜３００
０気圧のガス圧下で等方加圧して焼結する方法である。

これらの■■■の焼結法により得られた焼結体の特性は
、曲げ強度、硬度、密度などの点において一般に■より
も■、■よりも■が優れている。

さらに、前記■のＨＩＰ法には一般に■焼結ＨＩＰ法と
■ガラスカプセルＨＩＰ法があり、このうちの■焼結Ｈ
ＩＰ法は、前記■または■の方法で理論密度９５％以上
に一次焼結しこの一次焼結体をＨＩＰ法で再焼結する方
法であり、■ガラスカプセルＨＩＰ法は、セラミクス成
形体の表面を緻密なガラスの膜で覆った後、ＨＩＰ法で
焼結する方法である。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、前述した焼結ＨＩＰ法あるいはガラスカ
プセルＨＩＰ法により得られたＳ　ｉ　３　Ｎ４焼結体
によると、その焼結体表面の近傍から深さ約３ｍｍ程度
までの表層に多数の気孔が残留しやすく、この多孔質表
層が一因となって、焼結体の密度、強度、靭性等の点に
おいてバラツキが生じる問題がある。また、焼結体表面
近傍から深さ５ｍｍ程度までの表層に中心部と色相の異
なる変色層が生成されやす（、この変色層によって焼結
体の商品としての価値を低下させるという問題がある。

このようなＳｉ３Ｎ４焼結体の特性が得られる結果につ
いて原料粉末から焼結体に至る過程を一つの粉体現象と
して解析するためにはＳ　ｉ３Ｎ４粉末、成形体などの
中間体キャラクタを適切に記述できる粉体パラメータが
必要になり、これらの粉体パラメータとおのおのの製造
段階で起こる粉体現象との間の相関関係が明確になれば
、製造プロセスの制御や焼結体の品質管理を能率良（行
なうことができるようになる。

本発明者らは、かかる観点より前記５Ｌ３Ｎ４焼結体の
有する問題の解決策を見出すためにまず第１に原料粉末
の制御が重要であることに着目し、５Ｌ３Ｎ４原料粉末
粒子の比表面積とその平均含有酸素量を一定範囲に限定
して使うことで、上記問題点を解決する手法を見出し本
発明を完成するに至った。

本発明が解決しようとする課題は、焼結体表層の気孔の
残留割合が少な（、表面変色層が薄く、かつ焼結体の密
度、強度、硬度のバラツキが小さく、外観面からの焼結
体の商品価値を高めるようにした焼結用Ｓｉ３Ｎ４原料
粉末およびそれを用いた５Ｌ３Ｎ４の焼結方法を提供す
ることにある。

（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５ｉａＮ４原料粉末
は、Ｓｉ３Ｎ４原料粉末であって、その粉末粒子の比表
面積が９．５〜１１．０ｍ２．／ｇであって、かつその
粉末粒子の含有する平均酸素量が１．００〜１．５０ｗ
ｔ％の範囲にあることを特徴とする。

本発明のＳｉ３Ｎ４原料粉末を用いた焼結方法は、前記
５Ｌ３Ｎ４原料粉末または該原料粉末に焼結助剤を添加
した粉末を成形して一次焼結（予備焼結）し、この−法
規粘体を熱間等方静水圧プレス焼結すること、あるいは
、前記５１ｉＮ４原料粉末または該原料粉末に焼結助剤
を添加混合した粉末を成形し、この成形体をガラスカプ
セルで被覆した後、熱間静水圧プレスすることを特徴と
する。

以下、本発明の実施例を示すことにより本発明の内容を
明らかにする。

（実施例）基１１舛−」２まず５ｔａＮ４原料粉末粒子の比表面積、平均粒径およ
び含有酸素量を一定の範囲に限定した原料粉末を用いた
。第１表に原料粉末の比表面積、平均粒径および平均含
有酸素量を示す。

このＳｉ３Ｎ＋粉末に焼結助剤としてＳｒ０１Ｍｇ０１
Ｃｅｏｚを第１表に示すように総量１０ｗｔ％以下にな
るよう添加した。これらの原料粉末を調合した後成形し
、１４８０〜１５００°Ｃに昇温し一次焼結を行なった
。得られた一次焼結体を温度１６００℃、圧力８００気
圧に昇温昇圧し、ＨＩＰ処理した。

得られた焼結体について、理論密度、気孔が残存する表
層の厚さ、変色層の厚さをそれぞれ測定したところ、そ
の結果は第１表に示すとおりであった・（以下、余白。）第１表において、比表面積はＢＥＴ法によりＮ２ガスの
吸着量で決定し、その測定誤差は±０゜１ｍ２７ｇ以下
であった。気孔残存厚さについては、気孔の径が１０μ
ｍのものが存在する表層の深さを測定値とし、変色層の
厚さは、焼結体の切断面の表層部から中心方向の変色層
の深さを測定値とした。

第１表から明らかなように、本発明の範囲では理論密度
が９８．０％以上あり気孔の残存厚さも１．５ｍｍ以下
でかつ変色層の厚さも３．０ｍｍ以下となった。

これに対し比較例では、理論密度が９８．０％未満でか
つ気孔残存厚さは２．１ｍｍ以上、変色層の厚さは３゜
２ｍｍ以上あった。

さらに、比表面積が９．５〜１１．０ｍ２／ｇの原料粉
末のうち、比表面積が１０．ｏ〜１０゜５ｍ２／ｇの原
料粉末を用いると、より一層好ましいことも第１表から
理解される。

この結果から、Ｓ　１３Ｎ４原料粉末粒子の比表面積と
含有平均酸素量を一定の範囲に限定することによって、
焼結体の密度、強度、硬度、靭性等の特性が改善される
とともに焼結体表層面に形成される変色層の厚さが薄（
なり、商品価値が向上されることが解った。

なお、焼結体の製品としては、表層の除去加工代を考慮
すると、気孔径１０μｍ以上の気孔が残存する領域つま
り表面部分からの深さを２ｍｍ以下にするのが好ましい
。変色層は、特性的には問題は少ないが商品としての価
値を下げるという点で薄いほど好ましい。

試験例　２試験例１と同様に、Ｓｉ３Ｎ＜原料粉末粒子の比表面積
、平均粒径および含有酸素量を一定の範囲に限定した原
料粉末を用いた。第２表にその比表面積、平均粒径およ
び含有酸素量を示す。

このＳｉ、Ｎ、粉末に焼結助剤として、Ｙ２Ｏ３、Ａｆ
２２０ｓを第２表に示すように総量１０ｗｔ％以下にな
るよう添加した。これらの原料粉末を成形し、１５８０
°Ｃに昇温し一次焼結し、得られた一次焼結体を温度１
６００℃、圧力８００気圧に昇温昇圧し、ＨＩＰ処理し
た。

得られた焼結体について、理論密度、気孔が残存する表
層の厚さ、変色層の厚さをそれぞれ測定したところ、そ
の結果は第２表に示すとおりであった・（以下、余白。）第２表から明らかなように、本発明の範囲では理論密度
が９８，０％以上あり気孔の残存厚さも２．０ｍｍ以下
でかつ変色層の厚さも３．５ｍｍ以下となった。

これに対し比較例では、理論密度が９８．０％未満でか
つ気孔残存厚さも２．４ｍｍ以上、変色層の厚さは４．
０ｍｍ以上あった。

この結果から、Ｓ　ｘ　ｚ　Ｎ４原料粉体粒子の比表面
積と含有平均酸素量を一定の範囲に限定することによっ
て、焼結体の密度、強度、硬度、靭性等の特性が改善さ
れるとともに焼結体表層面に形成される変色層の厚さが
薄くなり商品価値が向上されることが解った。

弐狭五−１試験例１．２と同様に、Ｓｉ３Ｎ４原料粉末粒子の比表
面積、平均粒径および含有酸素量を一定の範囲に限定し
た原料粉末を用いた。第３表にその比表面積、平均粒径
および含有酸素量を示す。

このＳｉ３Ｎ４粉末に焼結助剤として、Ｙ２０ａ　、Ｍ
ｇＯ，ＺｒＯ□を第３表に示すように総量１１ｗｔ％以
下になるよう添加した。これらの原料粉末を成形しＬ　
６００　’Ｃに昇温し一次焼結し、得られた一次焼結体
を温度１６００℃、圧力８００気圧に昇温昇圧し、ＨＩ
Ｐ処理した。

得られた焼結体について、理論密度、気孔が残存する表
層の厚さ、変色層の厚さをそれぞれ測定したところ、そ
の結果は第３表に示すとおりであった・（以下、余白。）第３表から明らかなように、本発明の範囲では理論密度
が９８．０％以上あり気孔の残存厚さが１．５ｍｍ以下
でかつ変色層の厚さが２．８ｍｍ以下となった。

これに対し比較例では、理論密度が９８．０％未満でか
つ気孔残存厚さは２．１ｍｍ以上、変色層の厚さは３．
０ｍｍ以上あった。

この結果から、５ｉｚＮ４原料粉体粒子の比表面積と含
有平均酸素量を一定の範囲に限定することによって、焼
結体の密度、強度、硬度、靭性等の特性が改善されると
ともに焼結体表層面に形成される変色層の厚さが薄（な
り商品価値が向上されることが解った。

弐狭五−ＡＳｉ、Ｎ４原料粉末粒子の比表面積、平均粒径および含
有酸素量を一定の範囲に限定した原料粉末を用いた。第
４表にその詳細を示す。

この５Ｌ３Ｎ４粉末にＳｒＯ，ＭｇＯ，ＣｅＯ２を所定
量添加した。これをアトライターで調合した後、スプレ
ードライ法で造粒し、成形した。

この成形体を大気中、５００℃で５時間仮焼し、この成
形体中の残留有機質を除去した。得られた成形体をガラ
スカプセルで被覆した後、１５００気圧のＮ２雰囲気中
で熱間静水圧プレス焼結した。

得られた焼結体についての測定結果は第４表に示すとお
りである。

（以下、余白。）第４表から明らかなように、ガラスカプセルＨＩＰ法に
おいても、所定の原料比表面積と酸素量を有するＳｉ３
Ｎ４原料粉末を利用すると、気孔残存量が少な（、表面
変色層が薄（、高密度の焼結体が得られることが判る。

さらに、原料比表面積が１０〜１０．５ｍ”　／ｇのも
のは、一層好ましい効果が発現することは第４表からも
理解される。

（発明の効果）以上説明したように、本発明の窒化珪素の原料粉末また
は焼結方法を用いると、使用原料の比表面積と酸素量を
所定範囲に限定して使うことにより、焼結体表層面の気
孔が残存する領域を薄くし、難加工材の除去加工代を狭
め、後加工を容易に行なえるという効果がある。　。

また、５ｉａＮ＜焼結体の商品価値を低下させる一因と
なる変色層の厚さを薄くあるいは無くすことで、外観面
からの商品価値を向上させることができるだけでなく、
焼結体の特性面での密度、強度、硬度のバラツキを少な
くし、商品としての信頼性を大幅に高めることができる
。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｓｉ＿３Ｎ＿４原料粉末であって、その粉末粒子
の比表面積が９．５〜１１．０ｍ＾２／ｇであって、か
つその粉末粒子の含有する平均酸素量が１．００〜１．
５０ｗｔ％の範囲にあることを特徴とするＳｉ＿３Ｎ＿
４原料粉末。
（２）請求項１に記載のＳｉ＿３Ｎ＿４原料粉末または
該原料粉末に焼結助剤を添加混合した粉末を成形した後
、予備焼結し、この予備焼結体を熱間等方静水圧プレス
焼結することを特徴とするＳｉ＿３Ｎ＿４原料粉末を用
いたＳｉ＿３Ｎ＿４の焼結方法。
（３）請求項１に記載のＳｉ＿３Ｎ＿４原料粉末または
該原料粉末に焼結助剤を添加混合した粉末を成形し、こ
の成形体をガラスカプセルで被覆した後、熱間静水圧プ
レス焼結することを特徴とするＳｉ＿３Ｎ＿４原料粉末
を用いたＳｉ＿３Ｎ＿４の焼結方法。