JPH035370A - 窒化珪素焼結体用原料粉末、それを用いた焼結体およびその製造方法 - 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、均質かつ緻密な窒化珪素焼結体を得るための
原料粉末およびこの原料粉末がら得られた窒化珪素焼結
体およびその製造方法に関するもので、焼結体表面に生
成される変色屡の厚さの薄い窒化珪素焼結体に係る。

（従来の技術） セラミクス高温材料のうち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
（ＳｉｓＮ４）焼結体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の製造法としては、Ｓ　ｉｓ
　Ｎ４粉末原料をガラスカプセルに封入し熱間静水圧プ
レス（以下ｒＨＩ　ＰＪという）する方法や、５ｉｚＮ
＜粉末原料を一次焼結した後ＨＩＰ処理する方法が知ら
れている。

５Ｌ３Ｎ４の焼結性を向上するためには、５Ｌ２Ｎ４粉
末に焼結助剤を添加することが効果的であるが、そのた
めの最良の焼結助剤として、ＭｇＯやＡ２□０８等の焼
結助剤があり、これらの焼結助剤についてはその応用も
含め多種多様の研究開発がなされている。また、焼結体
の特性特に高温強度を改善するための方法として、原料
粉末中の不純物を一定量以下にし、Ｙ２Ｏ，などの希土
類元素の焼結助剤を用いて、焼結時に粒界結晶化を行な
う方法なども提案されている。

（発明が解決しようとする課題） ところで、このようにして得られた従来の５Ｌ３Ｎ４焼
結体を切断してみると、焼結体切断面の中心部と表層部
の色相が異なるのが多く見うけられる。

商品としての５ｘｓＮ４焼結体を考′えると、焼結体表
層の色相の違いはなるべく少な（して識別しに（いもの
が好ましい０色相の違いは不均質さを連想させ、商品価
値を低下させるものだからである。

焼結体切断面の中心部と表層部の色相が異なることを研
究調査した文献としては、「新素材焼結」　（株式会社
内田老鶴圃１９８７年１０月１日発行Ｐ、１００〜１０
６）が挙げられるが、この文献によると、焼結体の色相
に影響を与えるのは、Ａｒ１なのかＹなのかあるいは他
の物質なのか不明であり、とりあえずＡｆｌＮ粉中に埋
設したＳｉ３Ｎ４粉末を常圧焼結するという煩雑な方法
を採用することで色相の均質な５Ｌ３Ｎ４焼結体が得ら
れることが開示されている。

そして、このような５Ｌ３Ｎ＋焼結体の変色層の厚さを
制御する手段は、現在のところ知られておらず、このよ
うな変色層の厚さを制御することができれば、所望の外
観および特性等をもつ商品価値の高いＳ　１　ｚ　Ｎ４
焼結体を提供することが可能になる。

そこで、本発明者らは、どのようにすれば変色層の少な
い５ｉｉＮ４焼結体を安定して製造できるかについて色
相の面から鋭意研究した結果、焼結体の表層中に残留す
る所定の元素に応じて該表層に中心部と色相の異なる変
色層が造られるケースが多いことを知見し、このような
知見に基づいて変色層の色相差の少ない高品質な５ｉｓ
Ｎ−焼結体を安定して製造することができる原料粉末を
見出した。

（課題を解決するための手段） 本発明の第１の発明の窒化珪素焼結体用原料粉末は、５
ｔｓＮ４および５ｉＯ−からなる窒化珪素原料粉末と焼
結助剤と不純物から成り、前記焼結助剤および不純物を
構成する元素のうち、原子番号２１以上の元素の重量和
と、ＳＬ％Ｎおよび０を除く原子番号２０以下の元素の
重量和の比が５以上であ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は、前記第１の発
明の窒化珪素焼結体用原料粉末を成形および焼結して得
られた焼結体で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、前
記第１発明の窒化珪素焼結体用原料粉末をガラスカプセ
ルに入れ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４の発明の窒化珪素焼結体の製造方法は、前
記第１発明の窒化珪素焼結体用原料粉末を一次焼結した
後、この一次焼結体を熱間等方静水圧プレスすることを
特徴とする。

一般に、多孔質、低密度である変色層は、その多くは軽
元素が焼結体中に拡散侵入したことを要因として生成さ
れるもので、焼結体の商品価値を低下させる原因になる
から、このような変色１は除去加工するのが望ましい。

しかし、Ｓｉ３Ｎ４の難加工材という性質上、表層除去
時の加工作業がなかなか困難である。

このため、変色層の厚さの薄いあるいは変色層の無い５
ｔｓＮ４焼結体を製造することができれば、加工作業が
容易になり生産効率を著しく向上することができるので
、このような観点に基づいて、変色層の薄い焼結体をつ
くるために５ｉｘＮ４原料粉末に対し軽元素よりも重元
素の重量和の割合の多い焼結助剤を添加し、すなわち、
ＳＬ、Ｎおよび０を除（原子番号２０以下の軽元素の酸
化物よりも原子番号２１以上の重元素の酸化物の配合量
を多くした焼結助剤を５ｉｘＮ４扮末に添加し、成形お
よび焼結することにより、変色層の厚さを制御すること
ができた。

本発明者らの実験したところによると、焼結助剤中の重
元素と軽元素の重量比 が一定値以上になるとき、表面変色層の厚さが減少する
ことが判明した。実験結果は、第１図に示すとおりであ
った。

第１図に示されるように、焼結体表面の変色層の厚さは
軽元素よりも重元素の重量和が大きいほど次第に薄くな
ることが解る。この場合、変色層の厚さを１．５ｍｍ以
下にするためには、焼結助剤の軽元素と重元素の重量比
を５以上にすることが必須である。

なお、このように焼結体の中心部と表層部の色相が異な
る原因は、焼結時に１６００〜２１００℃程度の高温下
におかれるので、焼結初期の１４００〜１６００℃で収
縮されるＭｇＯ，Ａβ２０、等の焼結助剤あるいは不純
物が１６００　’Ｃを超える温度下におかれたとき、こ
れらの焼結助剤あるいは不純物が非常に活性の高い状態
になり５ｉａＮ４粒子の粒界にとどまりにくくなってＳ
　ｉ　ｓＮ４粒子中に拡散侵入するという現象が起りや
す（なり、特に原子の体積の小さいもの（軽元素）の場
合、拡散速度が速（、体積の大きいもの（重元素）はそ
れよりも拡散速度が遅いためと考えられる。

一般に、５ｉａＮ、粉末原料中には不純物としてＢ、Ｃ
１０、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｊ２、Ｃ２、Ｋ、　Ｃａ、Ｔｉ、
Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｗなどが含まれるのであり、
これらの影響もあるが僅かである。また、窒化珪素の焼
結助剤としては、ＬｉｚＯｌＢｅｄ、Ａｊ２２０！　、
５ｉｆ２．Ｃａｂ、Ｚｎｏ、Ｎｉｏ、Ｓｒ○、Ｙ２０ｓ
　、Ｚｒ０ｚ　、Ｓｎ○、ＣｅＯ２、Ｓｍｚ　Ｏ３，Ｄ
３’２０３．Ｙｂ２０、、ＷＣ，Ｔｈ２０．などが使用
される。

（作用） 本発明による窒化珪素焼結体用原料粉末を用いると、５
Ｌ３Ｎ４とＳｉＯ２と不可避不純物とからなる窒化珪素
原料粉末に相対的に軽元素が少な（重元素の多い所定の
重量比の焼結助剤を添加した後、焼成という製造工程を
とることによって、外し面からの色相の差が少なく、商
品価値の高い窒化珪素焼結体が得られる。

（実施例） 以下、試験例を示すことにより、本発明の内容を明らか
にする。

試Ｊｕ＝件 ５ｉｓＮ４原料に対して所定の焼結助剤を所定量添加し
原料粉末を作製した。

ここに焼結助剤は、第１表に示すように、それぞれの原
子番号に対応する元素に対して所定の混入形態をとる。

（以下、余白、） 第１表 ＊　２　　：　Ｎｄｚ　　ＣＣＯ５）ｓ　　・８Ｈ２０
そして第２表は、この試験例における原料粉末に対する
焼結助剤中に含まれるそれぞれの元素の重量％を示して
いる。

第３表は、第２表に示すそれぞれの試験Ｎｏにおける各
元素の重元素の重量和と軽元素の重量和の重量比（’Ｘ
ＡＴＭｉ／Σ”ＡＴＭｉ　　）を示している。ここに、
軽元素は原子番号１〜２０番のものを指し、重元素は原
子番号が２１〜９０のものを指している。

（以下、余白。） 第３表 前述した原料粉末を混合した後、圧力５００ｋｇ　ｆ　
／　ｃ　ｍ　”でプレス成形し、直径４０ｍｍ、高さ２
０ｍｍの円板に成形した。

このプレス成形により得られた成形体を下記の条件で焼
成した。

第２表中、試験Ｎｏ、　１．２．３．４．５．６は、ガ
ラスカプセル中にて温度１８００℃、圧力２０００気圧
、Ｎ２ガス中で１時間ＨＩＰ処理した。

試験Ｎｏ、　７．８．９．１６．１７は、ガラスカプセ
ル中にて温度１７５０℃、圧力２０００気圧、Ｎ２ガス
中で１時間ＨＩＰ処理した。

試験Ｎｏ、　１０．１１．１２．１３．１４．１５．１
８はガラスカプセル中にて温度１７００℃、圧力２００
０気圧、Ｎ２ガス中で１時間ＨＩＰ処理した。

試験Ｎｏ、１９．２０．２１は温度１６００℃、圧力１
気圧、Ｎ２ガス中で２時間１次焼成後、温度１６５０℃
、圧力１８ｏＯ気圧、Ｎ２ガス中で１時間ＨＩＰ処理し
た。

得られた焼結体を中心部を通る断面で切断し、それぞれ
の切断面において除去すべき表面変色層（変色の著しい
層）の厚さを測定した。

結果を第１図に示す。

艮狭皿遇 第１図に示すように、表面変色層の厚さを減らすには重
元素（原子番号２１〜９０番）の重量和と軽元素（原子
番号１〜２０番）の重量和の比を一定値以上に大きくす
べきことが解る。

表面変色層の後加工は、片側１．５ｍｍ程度までであれ
ば、かなり経済的に行なえるため、加工代として許され
る厚さ１．５ｍｍを目安とし、上述の比を測定した。

この比が１０２以上になると加工代は０．５ｍｍまで達
するためこの方がより好ましい。

なお、表面変色層（不均一層、加工代層）は焼結体の中
心部分と比較して、気孔的にみて異なる領域である。た
だし、この気孔差は、アルキメデス法で測定が困難な量
である。また、窒化珪素の焼結時に高圧ガスを媒体に用
いる焼結では色相の差が激しいことの詳細な原因は不明
であるが、おそらく、原子の体積の大きいものは拡散速
度が遅く、体積の小さいものは拡散速度が速いことに起
因するものであると考えられる。

また第２図、第３図に、それぞれ試験Ｎｏ、　８、試験
Ｎｏ、　１２の焼結体の表面石から内部までの元素の分
布の状況を模式的に示した。

ここで、各元素の分布状態はＸ線マイクロアナライザー
で調査し、表面部から２．５〜３．０ｍｍ内側部までの
各元素の存在量を調査測定した。

なお、第２図、第３図において、縦軸の各元素の存在量
の値は、定性的数値を示すものであって定量的数値を示
すものでない。

（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、５ｉｘＮ４とＳｉＯ２と不可避不純物とから
なる窒化珪素原料粉末に焼結助剤を添加するにあたり、
原料調製の段階で焼結助剤中に含有される軽元素の重量
和を重元素の重量和よりも相対的に少量値に設定するこ
とにより、焼結体断面の色相の差が少な（、商品価値の
高い窒化珪素焼結体が得られるという効果がある。

また、本発明の原料粉末を用いることにより、焼結体の
表層に形成される変色層の厚さを薄く制御することが可
能となるため、難加工性の窒化珪素焼結体の表面切削加
工が容易となり、加工時の作業効率が著しく向上される
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は焼結助剤中の重元素と軽元素の重量和の比と焼
結体の表面変色層の厚さとの関係を示す図、第２図は本
発明の比較例を示す試験Ｎｏ、　８の焼結体の各元素の
存在量と表面変色層の深さの関係を示す図、第３図は本
発明の実施例を示す試験Ｎｏ。 １２の焼結体の各元素の存在量と表面変色層の深さの関
係を示す図である。 出順人二　日本碍子株式会社

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）　Ｓｉ＿３Ｎ＿４およびＳｉＯ＿２からなる窒化
   珪素原料粉末と焼結助剤と不純物から成り、 前記焼結助剤および不純物を構成する元素のうち、原子
   番号２１以上の元素の重量和と、Ｓｉ、ＮおよびＯを除
   く原子番号２０以下の元素の重量和の比が５以上である ことを特徴とする窒化珪素焼結体用原料粉末。
2. （２）　請求項１に記載の窒化珪素焼結体用原料粉末を
   成形および焼結して得られた焼結体であることを特徴と
   する窒化珪素焼結体。
3. （３）　請求項１に記載の窒化珪素焼結体用原料粉末を
   ガラスカプセルに入れ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。
4. （４）　請求項１に記載の窒化珪素焼結体用原料粉末を
   一次焼結した後、この一次焼結体を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。