JPH0513905B2 - - Google Patents

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JPH0513905B2
JPH0513905B2 JP60043457A JP4345785A JPH0513905B2 JP H0513905 B2 JPH0513905 B2 JP H0513905B2 JP 60043457 A JP60043457 A JP 60043457A JP 4345785 A JP4345785 A JP 4345785A JP H0513905 B2 JPH0513905 B2 JP H0513905B2
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JP
Japan
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sintering
temperature
mgo
sio
strength
Prior art date
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JP60043457A
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Japanese (ja)
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JPS61201667A (en
Inventor
Koji Hayashi
Masaya Myake
Akira Yamakawa
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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Publication of JPH0513905B2 publication Critical patent/JPH0513905B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

産業上に利用分野 本発明は窒化珪素質セラミツクスの製造方法に
関する。更に詳しくは高温構造材料として有用な
高温強度並びに高温安定性において優れた窒化珪
素質セラミツクス焼結体の製造方法に関する。 従来の技術 一般に、セラミツクスは脆性材料であり、破壊
の際の伸びが殆どないために、低応力状態で、あ
るいは応力を緩和するための各種工夫を施して使
用されていた。また、高耐熱性もセラミツクスの
有する重要な特性であるが、この点についても強
度的な限界から応用面が制限されていた。 しかしながら、セラミツクスに高温強度、高温
安定性が付与できれば、その応用分野の著しい拡
大を図ることが可能となると共に、資源的にも豊
富であることから省エネルギー、各種構造材料の
コストの節減を図ることが可能となる。 そこで、最近注目されているセラミツクスとし
て炭化珪素系、窒化珪素系がある。特に窒化珪素
系セラミツクスは高温強度、耐酸化性に優れ、エ
ンジン部品をはじめとする高温構造材料として期
待され、開発が進められている。 ところで、SiO3N4焼結体の製造方法としては、
反応焼結法、ポスト反応焼結法、常圧焼結法、雰
囲気加圧焼結法、HIP法、超高圧焼結法、ホツト
プレス法等各種の方法が知られている。しかしな
がら、単独での焼結は著しく困難であり、緻密な
焼結体を得るためには焼結助剤を添加することが
必要であつた。 このような焼結助剤としてはMgO、Al2O3
Y2O3、BeOなどの酸化物が主として用いられ、
これらとSiO3N4との混合物を例えば常圧プレス
法、ホツトプレス法等により焼結することによ
り、ほぼ緻密な焼結体を得ていた。 しかしながら、焼結助剤を使用した場合には、
焼結中に液相が生成され、これが緻密化した後に
ガラス相として焼結体中に残存する。そのため
に、高温強度が低くなり、窒化珪素本来の強度が
維持できないという重大な問題があつた。例え
ば、MgOを焼結助剤とした場合には、室温強度
と比較して1300℃ではその強度が1/2程度まで低
下することが知られている。 このような情況の下で、高温強度を向上させる
ために以下のような各種の方法が提案されてい
る。 (i)まず、J.Amer.Ceram.Soc.、1975,58〔7/
8〕、323には、Y2O3を焼結助剤とし、焼結前に
熱処理を施すことによりSi3N4、Y2O3結晶を生成
させ、ガラス相の生成を阻止することからなる方
法が開示されている。その他にも、()Al2O3
(またはBeO)を焼結助剤とし、SiO3N4固溶化さ
せることによりガラス相の残留を阻止する方法、
()炭素を添加し、SiO2を還元することにより
ガラス相の生成量を減少させる方法、()酸素
含有量の低いSiO3N4原料を使用し、かつ焼結助
剤の使用量を制限することによりガラス相を減少
させる方法などが挙げられる。 しかしながら、前記の方法(i)ではホツトプレス
焼結法の使用が必須とされ、またY2O3は高価で
あるために、原料コストが高いといつた欠点があ
る。また、()および()の方法においては、
焼結が十分に進行せず、従つて高強度の焼結体が
得られていない。更に、方法()についても原
料コストが高く、また焼結も困難であるなどの欠
点があつた。 発明が解決しようとする問題点 以上述べてきたように、高温構造材料として注
目されているSiO3N4はこのものが共有結合性の
高い物質であることから焼結体を作製する際に各
種の焼結助剤を使用する必要があつたが、該助剤
は焼結中にガラス相として残留し、高温強度を低
下する。この対策法が種々提案されたが、いずれ
も不十分であり、今までのところ満足な高温強度
改善効果を達成する方法と知られていない。従つ
て、このような方法を開発することは、セラミツ
クスの新たな応用分野を拡大し、各種構造材料の
製造コストを節減する上で大きな意義を有し、各
分野からの強い期待が寄せられている。 本発明の目的もこのような高温強度の向上を図
ることのできる新しい窒化珪素質セラミツクスの
製造方法を提供することにあり、また高温強度並
びに高温安定性が大巾に改善され、高温構造材料
として極めて有用な窒化珪素質セラミツクスを提
供することも本発明の目的の一つである。 問題点を解決するための手段 本発明者等は窒化珪素系セラミツクス材料の、
特に高温構造材料への改良の上記のような現状に
鑑みて種々検討した結果、焼結助剤としてMgO
とAl2O3とSiO2とを使用し、得られる焼結体を最
適条件下で熱処理することにより高温強度の高
い、かつ高温での経時変化の少ない、安定性の優
れたSiO3N4系焼結体が得られることを見出し、
本発明を完成した。 即ち、本発明の窒化珪素質セラミツクスの製造
方法は窒化珪素60〜99重量%および酸化マグネシ
ウムと酸化アルミニウムと酸化珪素とを合計40〜
1.0重量%含み、モル比MgO/Al2O3が0.1〜3、
MgO/SiO2が2以上である原料混合物を焼結し、
得られる焼結体を1150℃〜1500℃の温度下で、非
酸化性雰囲気内に維持し、焼結体中にスピネルを
析出させることを特徴とする。 本発明の方法において、窒化珪素質セラミツク
スの原料混合物は成形、焼結の一般的工程に従つ
て加工され、焼結は従来公知の各種方法で実施さ
れ、例えば以下に示すような非酸化性雰囲気内で
の常圧焼結法、ホツトプレス法、高温静水圧法
(HIP法)等を例示できる。 前記非酸化性雰囲気とは不活性ガス雰囲気ばか
りでなく還元性雰囲気をも包含するものであり、
例えばN2、H2などを典型的な例示として挙げる
ことができる。 本発明の方法において、窒化珪素質セラミツク
ス原料組成物は窒化珪素を主成分としMgO、Al2
O3およびSiO2を焼結助剤として含有する。窒化
珪素は主としてα型であり、粒径は−325メツシ
ユの微粉末を使用する。 一方、MgO、Al2O3およびSiO2は酸化物粉末
あるいは加熱などにより容易に酸化物に添加し得
る化合物、例えば炭酸塩などとして使用すること
ができ、これらは酸化物に換算して合計で1.0〜
40重量%の量で使用する。 焼結助剤を1.0重量%未満で使用した場合には
焼結体の緻密化が不十分であり、また40重量%を
越える量で使用した場合には、窒化珪素自体の優
れた特性が損なわれるのでいずれも好ましくな
い。また、MgOとAl2O3とはモル比で0.1〜3の
範囲となるように混合して使用され、またこのモ
ル比を0.5〜2の範囲とすることにより一層好ま
しい結果を得ることができる。即ち、モル比を3
以上とし、MgOを過剰とした場合には、目的と
するスピネルの生成が不十分であり、ガラス相の
残留率が高くなり、一方0.1以下とし、Al2O3を過
剰とした場合には焼結の進行が不十分であり、高
強度の焼結体を得ることができない。 MgOとSiO2とはモル比で2以上となるように
配合する。これは、2に満たないモル比では一旦
析出したスピネルが1150℃未満の熱処理で溶解し
てしまうためであり、従つてモル比MgO/SiO2
は2以上とすることが必要である。 焼結は、例えば常圧焼結法では1600°〜1900℃、
好ましくは1650°〜1800℃の範囲内の温度にて、
非酸化性雰囲気(通常はN2ガス雰囲気)中で実
施する。この焼結温度も臨界的な条件であり、
1600℃未満では十分に焼結が進行せず、その結果
高強度の焼結体を得ることができず、また1900℃
を越える温度下での焼結ではSiO3N4の分解並び
に粒界成長が著しく、各特性が劣化する。 尚、ホツトプレス等の加圧焼結によつても良好
な結果が得られ、またHIP法によれば更に一層高
い緻密化が達成される。 かくして得られる焼結体は、次いで非酸化性雰
囲気下で焼純し、スピネル構造を析出させる。焼
純温度は1150°〜1500℃の範囲内であり、この焼
純温度は臨界的であり、前記範囲をはずせる場合
にはスピネルが析出しない。即ち、1150℃未満で
はMgOSiO2が析出し、これは焼結体の強度を向
上させず、むしろ低下させることがわかつてお
り、また1500℃を越えた場合にはガラス相からの
結晶化が起こらないので焼純の効果を期待できな
い(添付第1図参照)。 尚、本発明の方法の別の態様によれば、原料組
成物粉末の焼結処理後、冷却速度を調節するたこ
とにより、上記の温度範囲内に少なくとも1時間
保持することによつても、即ち冷却中に温度範囲
1150〜1500℃の焼結体の滞留時間を1時間以上と
なるように調節することにより同様な効果を達成
することができる。 作 用 かくして、本発明の方法に従い、所定組成の原
料組成物を焼結し、次いで焼純処理に付すことに
より、窒化珪素質セラミツクス焼結体の高温強度
を大巾に改善することが可能となる。この効果
は、緻密化の点で有利な高圧焼結法、HIP法の利
用により一層顕著となる。 このような効果は、特に焼結助剤によるガラス
相が焼純過程で消失し、逆に強度的に有利なスピ
ネル(MgAl2O4)が形成されることに基づく。 従つて焼純温度の選択が非常に重要である。従
来1000〜1150℃で使用した場合にMgOSiO2が析
出しSiO3N4焼結体の強度が著しく損われること
が問題となつていた。しかしながら、本発明の方
法により焼純することによりMgOSiO2の形成は
ほぼ完全に阻止できる。 また、SiO3N4としてはα−型及びβ−型が存
在するが、強度的にはα−型が有利であり、本発
明の方法でもα−型のSiO3N4を主として用いる。 実施例 以下、実施例により本発明の方法を更に具体的
に述べる。ただし、これら実施例は本発明を例示
するためのものであり、何等本発明の範囲を制限
するものではない。 実施例 1 α−SiO3N4を90wt%含有するSiO3N4粉末と、平
均粒径0.5μのMgO粉末、Al2O3粉末およびSiO2
末とを以下の表1に示すような配合率で配合し、
ポールミルで混合することにより13種の原料を得
た。なおMgO/SiO2は2.5一定となるように調整
した。かくして得られた混合粉末を型押しした
後、2気圧のN2ガス雰囲気下で、1750℃にて2
時間焼結した。次いで、1200℃まで炉内で冷却
し、この温度で5時間、同様に窒素ガス雰囲気下
で保持することにより焼純した。更に室温まで炉
内で冷却した。尚、比較のために一部の試料につ
いては焼純を省略し、焼結後そのまま室温まで冷
却した。得られた生成物から、寸法3mm×4mm×
40mmの試験片を切り出し、これに対し曲げ試験を
実施した。また、スピネルの形成の有無について
も調べた。結果は表1に示す通りである。
INDUSTRIAL APPLICATION FIELD The present invention relates to a method for manufacturing silicon nitride ceramics. More specifically, the present invention relates to a method for producing a silicon nitride ceramic sintered body useful as a high-temperature structural material and excellent in high-temperature strength and high-temperature stability. BACKGROUND TECHNOLOGY In general, ceramics are brittle materials and have almost no elongation when broken, so they are used in a low stress state or with various measures taken to relieve stress. Furthermore, high heat resistance is also an important property of ceramics, but its application has been limited due to strength limitations. However, if high-temperature strength and high-temperature stability can be imparted to ceramics, it will be possible to significantly expand its application fields, and since it is an abundant resource, it will be possible to save energy and reduce the cost of various structural materials. becomes possible. Therefore, silicon carbide-based and silicon nitride-based ceramics have recently attracted attention. In particular, silicon nitride ceramics have excellent high-temperature strength and oxidation resistance, and are expected to be used as high-temperature structural materials for engine parts and other applications, and their development is progressing. By the way, as a method for manufacturing SiO 3 N 4 sintered body,
Various methods are known, such as a reaction sintering method, a post reaction sintering method, an ordinary pressure sintering method, an atmosphere pressure sintering method, a HIP method, an ultra-high pressure sintering method, and a hot press method. However, sintering alone is extremely difficult, and it is necessary to add a sintering aid to obtain a dense sintered body. Such sintering aids include MgO, Al 2 O 3 ,
Oxides such as Y 2 O 3 and BeO are mainly used,
A substantially dense sintered body has been obtained by sintering a mixture of these and SiO 3 N 4 by, for example, a normal pressure pressing method or a hot pressing method. However, when using a sintering aid,
A liquid phase is generated during sintering, which remains in the sintered body as a glass phase after densification. Therefore, there was a serious problem that the high temperature strength was reduced and the original strength of silicon nitride could not be maintained. For example, when MgO is used as a sintering aid, it is known that the strength at 1300°C decreases to about half of the room temperature strength. Under these circumstances, the following various methods have been proposed to improve high-temperature strength. (i) First, J.Amer.Ceram.Soc., 1975, 58 [7/
8], 323 uses Y 2 O 3 as a sintering aid and heat treatment before sintering to generate Si 3 N 4 and Y 2 O 3 crystals and prevent the formation of a glass phase. A method is disclosed. In addition, ()Al 2 O 3
(or BeO) as a sintering aid to form a solid solution of SiO 3 N 4 to prevent the glass phase from remaining;
() A method of reducing the amount of glass phase produced by adding carbon and reducing SiO 2 , () Using SiO 3 N 4 raw material with low oxygen content and limiting the amount of sintering aid used. Examples include a method of reducing the glass phase by However, the above method (i) requires the use of a hot press sintering method, and since Y 2 O 3 is expensive, there are drawbacks such as high raw material costs. In addition, in methods () and (),
Sintering did not progress sufficiently, and therefore a high-strength sintered body was not obtained. Furthermore, method (2) also had drawbacks such as high raw material cost and difficulty in sintering. Problems to be Solved by the Invention As mentioned above, SiO 3 N 4 , which is attracting attention as a high-temperature structural material, is a material with high covalent bonding properties, so it is difficult to use various materials when producing sintered bodies. It was necessary to use a sintering aid, but the aid remains as a glass phase during sintering and reduces high temperature strength. Various countermeasures have been proposed, but all of them are insufficient, and so far no method has been known to achieve a satisfactory high-temperature strength improvement effect. Therefore, developing such a method has great significance in expanding new application fields for ceramics and reducing manufacturing costs for various structural materials, and there are strong expectations from various fields. There is. The purpose of the present invention is to provide a new method for manufacturing silicon nitride ceramics that can improve such high-temperature strength, and also has greatly improved high-temperature strength and high-temperature stability, and can be used as a high-temperature structural material. It is also an object of the present invention to provide extremely useful silicon nitride ceramics. Means for Solving the Problems The present inventors have discovered that silicon nitride-based ceramic materials,
In particular, in light of the above-mentioned current state of improvement in high-temperature structural materials, we have conducted various studies and found that MgO as a sintering aid has been developed.
By using Al 2 O 3 and SiO 2 and heat-treating the resulting sintered body under optimal conditions, SiO 3 N 4 with high high temperature strength, little change over time at high temperatures, and excellent stability can be obtained. discovered that a system sintered body could be obtained,
The invention has been completed. That is, the method for producing silicon nitride ceramics of the present invention includes 60 to 99% by weight of silicon nitride and a total of 40 to 99% by weight of magnesium oxide, aluminum oxide, and silicon oxide.
Contains 1.0% by weight, molar ratio MgO/Al 2 O 3 is 0.1-3,
Sintering a raw material mixture in which MgO/SiO 2 is 2 or more,
The sintered body obtained is maintained in a non-oxidizing atmosphere at a temperature of 1150°C to 1500°C, and spinel is precipitated in the sintered body. In the method of the present invention, the raw material mixture of silicon nitride ceramics is processed according to the general steps of molding and sintering, and the sintering is performed by various conventionally known methods, such as in a non-oxidizing atmosphere as shown below. Examples include a pressureless sintering method within a chamber, a hot press method, and a high temperature isostatic pressure method (HIP method). The non-oxidizing atmosphere includes not only an inert gas atmosphere but also a reducing atmosphere,
For example, N 2 , H 2 and the like can be cited as typical examples. In the method of the present invention, the silicon nitride ceramic raw material composition mainly contains silicon nitride and contains MgO, Al 2
Contains O3 and SiO2 as sintering aids. Silicon nitride is mainly α type, and fine powder with a particle size of -325 mesh is used. On the other hand, MgO, Al 2 O 3 and SiO 2 can be used as oxide powders or compounds that can be easily added to oxides by heating etc., such as carbonates, and the total amount of these in terms of oxides is 1.0~
Used in an amount of 40% by weight. If the sintering aid is used in an amount less than 1.0% by weight, the densification of the sintered body will be insufficient, and if it is used in an amount exceeding 40% by weight, the excellent properties of silicon nitride itself will be impaired. Both are undesirable because they cause Furthermore, MgO and Al 2 O 3 are used in a mixed manner so that the molar ratio is in the range of 0.1 to 3, and more favorable results can be obtained by setting this molar ratio in the range of 0.5 to 2. . That is, the molar ratio is 3
Based on the above, if MgO is excessive, the desired spinel formation will be insufficient and the residual ratio of glass phase will be high.On the other hand, if MgO is less than 0.1 and Al 2 O 3 is excessive, the sintering will be poor. The progress of sintering is insufficient, and a high-strength sintered body cannot be obtained. MgO and SiO 2 are blended in a molar ratio of 2 or more. This is because if the molar ratio is less than 2, the spinel that has precipitated will be dissolved by heat treatment below 1150°C, and therefore the molar ratio MgO/SiO 2
must be 2 or more. For example, sintering is performed at 1600° to 1900°C in the pressureless sintering method;
Preferably at a temperature within the range of 1650° to 1800°C,
It is carried out in a non-oxidizing atmosphere (usually an N2 gas atmosphere). This sintering temperature is also a critical condition,
Sintering does not proceed sufficiently at temperatures below 1600℃, and as a result, a high-strength sintered body cannot be obtained;
Sintering at a temperature exceeding 100% causes significant decomposition of SiO 3 N 4 and grain boundary growth, resulting in deterioration of various properties. Note that good results can also be obtained by pressure sintering such as hot press, and even higher densification can be achieved by HIP method. The sintered body thus obtained is then sintered and purified in a non-oxidizing atmosphere to precipitate a spinel structure. The sintering temperature is within the range of 1150° to 1500°C, and this sintering temperature is critical, and spinel will not precipitate if it is outside the range. That is, it is known that at temperatures below 1150°C, MgOSiO 2 precipitates, which does not improve the strength of the sintered body but rather reduces it, and at temperatures above 1500°C, crystallization from the glass phase does not occur. Therefore, we cannot expect the effect of sintering (see attached Figure 1). According to another aspect of the method of the present invention, after the sintering treatment of the raw material composition powder, by controlling the cooling rate and maintaining the temperature within the above temperature range for at least 1 hour, i.e. temperature range during cooling
A similar effect can be achieved by adjusting the residence time of the sintered body at 1150 to 1500°C to be 1 hour or more. Function Thus, by sintering a raw material composition of a predetermined composition and then subjecting it to a sintering treatment according to the method of the present invention, it is possible to greatly improve the high-temperature strength of a silicon nitride ceramic sintered body. Become. This effect becomes even more remarkable when the high-pressure sintering method and HIP method, which are advantageous in terms of densification, are used. Such an effect is based on the fact that the glass phase caused by the sintering aid disappears during the sintering process, and on the contrary, spinel (MgAl 2 O 4 ), which is advantageous in terms of strength, is formed. Therefore, selection of the sintering temperature is very important. Conventionally, when used at 1000 to 1150°C, there has been a problem that MgOSiO 2 precipitates and the strength of the SiO 3 N 4 sintered body is significantly impaired. However, by sintering and purifying according to the method of the present invention, the formation of MgOSiO 2 can be almost completely prevented. Further, although there are α-type and β-type SiO 3 N 4 , the α-type is advantageous in terms of strength, and the method of the present invention mainly uses α-type SiO 3 N 4 . Examples Hereinafter, the method of the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, these Examples are for illustrating the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention in any way. Example 1 SiO 3 N 4 powder containing 90 wt% α-SiO 3 N 4 , MgO powder, Al 2 O 3 powder, and SiO 2 powder with an average particle size of 0.5 μ were mixed as shown in Table 1 below. Mixed at a ratio of
Thirteen kinds of raw materials were obtained by mixing in a pole mill. Note that MgO/SiO 2 was adjusted to be constant at 2.5. After the thus obtained mixed powder was pressed, it was heated at 1750°C under 2 atmospheres of N 2 gas atmosphere.
Sintered for hours. Next, it was cooled to 1200° C. in a furnace and kept at this temperature for 5 hours under a nitrogen gas atmosphere to perform sintering purification. It was further cooled to room temperature in the furnace. For comparison, sintering was omitted for some samples, and the samples were cooled to room temperature as they were after sintering. From the obtained product, dimensions 3 mm x 4 mm x
A 40 mm test piece was cut out and subjected to a bending test. The presence or absence of spinel formation was also investigated. The results are shown in Table 1.

【表】 *は参考例
表1の結果から明らかな如く、MgO+Al2O3
1.0wt%に満たない場合(試験片1)には、焼純
を行つても、またモル比MgO/Al2O3に関する条
件が満たされていてもスピネルの析出はみられ
ず、しかも曲げ強度が低い。更に、MgO+Al2O3
が40wt%を越える場合(試験片13)には、本
発明の焼純を行つても、またモル比MgO/Al2O3
に対する条件が満足されていても曲げ強度は低
く、目的とする高強度セラミツクスを得ることが
できない。また、モル比MgO/Al2O3が3を越え
た試験片8,9ではスピネル析出がみられず、曲
げ強度も著しく低く、更に該モル比が0.1に満た
ない例(試験片6)ではスピネル析出がみられは
するが曲げ強度が不十分である。 従つて、本発明の方法において焼結助剤の量な
らびにモル比MgO/Al2O3が臨界的な条件である
ことが明らかである。 更に、試験片7にみられるように焼純処理しな
い場合には、他の条件が満足されていても、スピ
ネル析出がみられず、これから焼純の重要性が理
解できる。 実施例 2 実施例1と同様にα−SiO3N4を90wt%含む
SiO3N4粉末と、平均粒径0.5μのMgO粉末、Al2
O3粉末およびSiO2粉末とを表2に示すような配
合率で配合し、ボールミルで混合することによ
り、9種の原料を得た。なお、MgO/Al2O3比は
0.8一定とした。かくして得られた混合粉末を型
押しした後、2気圧のN2ガス雰囲気下で1750℃
にて2時間焼結した。次いで、1200℃まで炉内で
冷却し、この温度で5時間、同様にN2ガス雰囲
気下で保持することで焼純した。更に室温まで炉
内で冷却した。得られたモル比MgO/SiO2が2
以上の焼結体にはスピネルの析出が確認された。
その後、再度1050℃までN2ガス雰囲気下で加熱
し5時間保持し再焼純し、室温まで炉内で冷却し
た。得られた生成物から寸法3mm×4mm×40mmの
試験片を切出し、これに対して曲げ試験を実施し
た。またスピネルの形成の有無についても調べ
た。結果は第2表に示す通りである。
[Table] * indicates a reference example. As is clear from the results in Table 1, MgO + Al 2 O 3
When the concentration is less than 1.0 wt% (specimen 1), no spinel precipitation is observed even after sintering and even if the conditions regarding the molar ratio MgO/Al 2 O 3 are met, and the bending strength is low. is low. Furthermore, MgO + Al 2 O 3
When the molar ratio MgO/Al 2 O 3 exceeds 40 wt% (test piece 13), even if the sintering of the present invention is performed,
Even if the above conditions are satisfied, the bending strength is low, making it impossible to obtain the desired high-strength ceramics. In addition, in specimens 8 and 9 where the molar ratio MgO/Al 2 O 3 exceeds 3, no spinel precipitation is observed and the bending strength is extremely low, and furthermore, in the case where the molar ratio is less than 0.1 (test specimen 6), Although spinel precipitation is observed, the bending strength is insufficient. It is therefore clear that the amount of sintering aid as well as the molar ratio MgO/Al 2 O 3 are critical conditions in the method of the invention. Furthermore, as seen in Test Piece 7, when no sintering treatment is performed, no spinel precipitation is observed even if other conditions are satisfied, and this makes it possible to understand the importance of sintering. Example 2 Contains 90wt% α-SiO 3 N 4 as in Example 1
SiO3N4 powder , MgO powder with average particle size 0.5μ, Al2
Nine types of raw materials were obtained by blending O 3 powder and SiO 2 powder at the blending ratios shown in Table 2 and mixing them in a ball mill. Furthermore, the MgO/Al 2 O 3 ratio is
It was set as 0.8 constant. After the thus obtained mixed powder was pressed, it was heated at 1750°C under a 2 atm N2 gas atmosphere.
It was sintered for 2 hours. Next, it was cooled to 1200° C. in a furnace and kept at this temperature for 5 hours under a N 2 gas atmosphere for sintering and purification. It was further cooled to room temperature in the furnace. The obtained molar ratio MgO/SiO 2 is 2
Precipitation of spinel was confirmed in the above sintered body.
Thereafter, it was heated again to 1050° C. in an N 2 gas atmosphere and held for 5 hours for re-sintering, and then cooled to room temperature in the furnace. A test piece with dimensions of 3 mm x 4 mm x 40 mm was cut out from the obtained product, and a bending test was performed on it. The presence or absence of spinel formation was also investigated. The results are shown in Table 2.

【表】【table】

【表】 *は参考例
実施例 3 実施例1と同様にα−SiO3N4を90wt含むSiO3
N4粉末と、平均粒径0.5μのMgO粉末、Al2O3
末およびSiO2粉末夫々2wt%、6wt%および1wt
%(モル比MgO/Al2O3=0.8、MgO/SiO2
3)とを混合し、ボールミルで粉砕混合し、1750
℃で2時間焼結した。次いで、800℃〜1600℃の
範囲の各種温度で夫々3時間焼純した多数の製品
を得、これらについて実施例1と同様に曲げ試験
を行い、またスピネルの析出の有無を調べた結果
を添付第1表にグラフで示した。 第1図の結果から、焼純温度1150°〜1500℃に
おいては優れた結果が得られ、この条件が本発明
の方法において臨界的であることがわかる。尚、
第1図の結果では、1500℃以上、1000℃以下にお
いても大きな強度を示している。しかしながら製
品を室温で使用する場合には強度低下は小さい
が、高温(1000℃〜1150℃)で使用した場合に
は、既に述べたようなMgOSiO2の析出が避けら
れず、大きな強度低下がみられる。更に、1000°
〜1150℃においても、製品の強度低下が著しい。 発明の効果 以上詳しく述べたように、本発明の方法に従つ
て、焼結助剤としてMgOとAl2O3とを組合わせて
使用し、その量およびモル比を所定範囲に制限
し、更に所定の温度下で焼純処理することによ
り、スピネル即ちMgAl2O4が析出し、焼結体中
のガラス相粒界が減少する。その結果、得られる
製品セラミツクスの高温強度を大巾に向上させる
ことができ、1000℃〜1150℃で使用した場合に問
題となるMgOSiO2の析出を抑制することができ
る。 従つて、本発明の方法により得られる窒化珪素
質セラミツクス製品は、高温構造材料として、例
えはガスタービンエンジン部品(ブレード、ロー
タ、燃焼筒等)、デイーゼルエンジン部品(ライ
ナー、ピストン、シリンダ等)、をはじめロケツ
ト部材(ラドームなど)、その他の耐熱高強度材
料として極めて有効である。
[Table] * indicates reference example Example 3 Similar to Example 1, SiO 3 containing 90wt of α-SiO 3 N 4
N4 powder, MgO powder with average particle size 0.5μ, Al2O3 powder and SiO2 powder 2wt%, 6wt% and 1wt respectively
% (molar ratio MgO/Al 2 O 3 = 0.8, MgO/SiO 2 =
3) and pulverized and mixed with a ball mill, 1750
Sintered at ℃ for 2 hours. Next, a large number of products were obtained which were sintered at various temperatures in the range of 800°C to 1600°C for 3 hours each, and a bending test was performed on these products in the same manner as in Example 1. The results of examining the presence or absence of spinel precipitation are attached. It is shown graphically in Table 1. From the results shown in FIG. 1, it can be seen that excellent results are obtained at a sintering temperature of 1150° to 1500°C, and this condition is critical in the method of the present invention. still,
The results shown in Figure 1 show great strength even at temperatures above 1500°C and below 1000°C. However, when the product is used at room temperature, the strength decrease is small, but when the product is used at high temperatures (1000°C to 1150°C), precipitation of MgOSiO 2 as mentioned above is unavoidable, resulting in a large strength decrease. It will be done. Furthermore, 1000°
Even at temperatures up to 1150°C, the strength of the product decreases significantly. Effects of the Invention As described in detail above, according to the method of the present invention, MgO and Al 2 O 3 are used in combination as sintering aids, the amount and molar ratio are limited to a predetermined range, and By performing sintering treatment at a predetermined temperature, spinel, that is, MgAl 2 O 4 is precipitated, and the glass phase grain boundaries in the sintered body are reduced. As a result, the high-temperature strength of the ceramic product obtained can be greatly improved, and the precipitation of MgOSiO 2 , which becomes a problem when used at 1000°C to 1150°C, can be suppressed. Therefore, silicon nitride ceramic products obtained by the method of the present invention can be used as high-temperature structural materials, such as gas turbine engine parts (blades, rotors, combustion tubes, etc.), diesel engine parts (liners, pistons, cylinders, etc.), It is extremely effective as a heat-resistant, high-strength material for rocket parts (radomes, etc.) and other materials.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

添付第1図は、焼純温度と曲げ強度の関係およ
びスピネル析出の有無をプロツトしたグラフであ
る。
Attached FIG. 1 is a graph plotting the relationship between sintering temperature and bending strength and the presence or absence of spinel precipitation.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 窒化珪素60〜99重量%および酸化マグネシウ
ムと酸化アルミニウムと酸化珪素とを合計1.0〜
40重量%含み、モル比MgO/Al2O3が0.1〜3、
MgO/SiO2が2以上である原料混合物を焼結し、
得られる焼結体を、1150℃〜1500℃の温度にて、
非酸化性雰囲気下に維持して焼鈍し、該焼結体中
にスピネルを析出させることを特徴とする窒化珪
素質セラミツクスの製造方法。 2 前記モル比MgO/Al2O3が0.5〜2の範囲内
であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記
載の方法。 3 前記焼純を1時間以上行うことを特徴とする
特許請求の範囲第1項または第2項記載の方法。 4 前記焼純が、焼結終了後の冷却速度をコント
ロールし、1150〜1500℃の温度下に1時間以上保
持することにより実施される特許請求の範囲第1
項または第2項記載の方法。
[Claims] 1. 60 to 99% by weight of silicon nitride, and a total of 1.0 to 99% of magnesium oxide, aluminum oxide, and silicon oxide.
Contains 40% by weight, molar ratio MgO/Al 2 O 3 is 0.1 to 3,
Sintering a raw material mixture in which MgO/SiO 2 is 2 or more,
The obtained sintered body is heated at a temperature of 1150°C to 1500°C.
1. A method for producing silicon nitride ceramics, which comprises annealing under a non-oxidizing atmosphere to precipitate spinel in the sintered body. 2. The method according to claim 1, wherein the molar ratio MgO/ Al2O3 is within the range of 0.5 to 2 . 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the sintering is performed for one hour or more. 4. Claim 1, wherein the sintering is carried out by controlling the cooling rate after the completion of sintering and holding the product at a temperature of 1150 to 1500°C for 1 hour or more.
or the method described in paragraph 2.
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