JPH05345674A - 窒化珪素−窒化硼素系複合セラミックスの製造方法 - Google Patents
窒化珪素−窒化硼素系複合セラミックスの製造方法Info
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- JPH05345674A JPH05345674A JP4157766A JP15776692A JPH05345674A JP H05345674 A JPH05345674 A JP H05345674A JP 4157766 A JP4157766 A JP 4157766A JP 15776692 A JP15776692 A JP 15776692A JP H05345674 A JPH05345674 A JP H05345674A
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- heating
- boron nitride
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Abstract
(57)【要約】
【構成】金属珪素と硼素及び／又は硼化物の混合粉末よ
りなる試料を窒素を含む雰囲気中で加熱して得られるセ
ラミックスであり、この窒化過程で、珪素の融点以下の
温度で加熱中の試料をそれ以下の温度まで冷却後、再び
珪素の融点以下の温度まで加熱するという加熱−冷却−
加熱過程を行う窒化珪素−窒化硼素系複合セラミックス
の製造方法。 【効果】熱衝撃性に優れたセラミックスを得ることが出
来る。
りなる試料を窒素を含む雰囲気中で加熱して得られるセ
ラミックスであり、この窒化過程で、珪素の融点以下の
温度で加熱中の試料をそれ以下の温度まで冷却後、再び
珪素の融点以下の温度まで加熱するという加熱−冷却−
加熱過程を行う窒化珪素−窒化硼素系複合セラミックス
の製造方法。 【効果】熱衝撃性に優れたセラミックスを得ることが出
来る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、熱衝撃性に優れたセラ
ミックスの製造方法に関する。
ミックスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】反応焼結窒化珪素セラミックスは焼結前
後の寸法変化が小さく、焼結後の加工コストを低減でき
るため、多くの研究開発が行なわれている。このうち、
熱衝撃性の向上を目的とした開発としては、ＢＮ粉末の
優れた耐熱衝撃性に着目し、珪素粉末に窒化硼素粉末を
混合し、この混合粉末より作製した成形物を窒素中で焼
成する方法が知られている（特公昭60−22676号公
報）。
後の寸法変化が小さく、焼結後の加工コストを低減でき
るため、多くの研究開発が行なわれている。このうち、
熱衝撃性の向上を目的とした開発としては、ＢＮ粉末の
優れた耐熱衝撃性に着目し、珪素粉末に窒化硼素粉末を
混合し、この混合粉末より作製した成形物を窒素中で焼
成する方法が知られている（特公昭60−22676号公
報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし上記従来技術で
は、窒化硼素中に含まれる硼素酸化物が焼成中にガラス
化して珪素の窒化を阻害するため、Ｓｉを完全に窒化さ
せるためには高純度の原料を用いなければならないとい
う問題点がある。そこで、本発明者は、熱衝撃性に優れ
た窒化珪素−窒化硼素複合セラミックスの窒化促進を目
的に研究開発を行った。
は、窒化硼素中に含まれる硼素酸化物が焼成中にガラス
化して珪素の窒化を阻害するため、Ｓｉを完全に窒化さ
せるためには高純度の原料を用いなければならないとい
う問題点がある。そこで、本発明者は、熱衝撃性に優れ
た窒化珪素−窒化硼素複合セラミックスの窒化促進を目
的に研究開発を行った。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明者は、窒化硼素粒
子と珪素粒子の混合粉末を成形した試料を窒素を含む雰
囲気中で窒化させる際に、珪素の融点以下の温度で加熱
中の試料を、一旦、室温まで冷却し再び珪素の融点以下
の温度まで加熱するという加熱冷却加熱過程を繰り返す
ことにより窒化が促進出来ることを見出した。
子と珪素粒子の混合粉末を成形した試料を窒素を含む雰
囲気中で窒化させる際に、珪素の融点以下の温度で加熱
中の試料を、一旦、室温まで冷却し再び珪素の融点以下
の温度まで加熱するという加熱冷却加熱過程を繰り返す
ことにより窒化が促進出来ることを見出した。
【０００５】珪素と窒化硼素の混合粉末を窒素を含む雰
囲気中で焼成を行った場合、窒化硼素中に含まれる酸化
物層が焼成中にガラス化して珪素の窒化を阻害すること
は知られているが、本方法のように珪素の融点以下の温
度で加熱中の試料を焼成途中で一旦室温まで急冷しさら
に加熱することにより、珪素の窒化を阻害していたガラ
ス層にクラックを発生させ、このクラックを通して窒素
を拡散させることにより珪素の窒化を促進することがで
きる。また、この加熱−冷却−加熱過程を２回以上、特
に異なる温度で繰り返し行うことにより、ガラス層に繰
り返しクラックを発生させることができ、珪素の窒化促
進により効果的である。本発明品は、窒化硼素がその中
に板状の窒化硼素を含んでいるため、靭性の向上も併せ
て図ることも出来る。また、焼結体中の窒化硼素はその
製造条件により、等方性の乱層構造を有する窒化硼素、
アモルファス状の乱相構造を有する窒化硼素、部分的に
六方晶窒化硼素になりかけている乱層構造を有する窒化
硼素及び六方晶窒化硼素のいずれか１種類のみの状態又
はいずれか複数種類が混合された状態で存在する。原料
は、珪素粉末と硼素粉末，硼化物粉末のうちの１種又は
２種以上を用いる。ここで、原料として用いる粉末は市
販のものをそのまま使用できる。また、ミルなどにより
粉砕した丸みをおびた粒子を使用しても良い。この原料
粉に例えば、ポリビニールブチラールやポリエチレン等
の有機高分子化合物，シリコンイミド化合物やポリシラ
ン化合物などの有機Ｓｉ高分子化合物，熱可塑性樹脂，
可塑剤，安定剤，潤滑剤などの補助剤を混合後、射出成
形，プレス成形，ラバープレス成形，押出し成形，鋳込
み成形，金型粉末成形など形状と要求特性に応じて成形
方法を選択し、成形体とする。ここで、補助剤の他に、
焼結助剤を混合したものを使用することもできる。成形
体の相対密度は、６０％以上とするのが好ましい。なぜ
なら、６０％以下では緻密な焼結体を得ることができ
ず、ひいては強度低下につながるためである。この成形
体は成形用助剤として用いた有機高分子化合物，熱可塑
性樹脂，可塑剤，安定剤，潤滑剤などの補助剤が分解昇
華する温度まで加熱する。成形体は、窒素ガス又は窒素
ガスにＣＯガスなどの炭化性ガス及び必要に応じてアン
モニア，水素，アルゴン，ヘリウムなどを混合した雰囲
気下で焼成を行うことができる。珪素の融点以下の所定
の温度まで加熱する際に、５０℃／min 以下の昇温速度
で昇温することが望ましい。なぜなら、珪素の窒化反応
は発熱反応であるため急激に昇温すると珪素が溶融する
からである。また、珪素の融点以下の温度で加熱して
後、さらに、気孔中にポリカルボシランなど加熱後に窒
化珪素や炭化珪素に変化する樹脂を含浸後、再度加熱す
ることもできる。ここで、成形体を、窒素にＣＯガスな
どの炭化性ガス及び必要に応じてアンモニア，水素，ア
ルゴン，ヘリウムなどを混合した雰囲気下で加熱するこ
とにより、窒化硼素の生成量を制御することができる。
本発明の硼素及び／又は硼化物の配合比は５vol％ 〜５
０vol％ とするのが好ましい。なぜなら、硼素及び／又
は硼化物の量が５vol％ より少ないと、窒化硼素が十分
な量生成せず、熱衝撃性が低下するためである。また、
５０vol％ より多くなると、窒化珪素での結合が困難に
なり、強度が低下するためである。本発明において原料
粉末としての硼素及び／又は硼化物の平均粒径は２００
μｍ以下とするのが好ましい。２００μｍより大きな粗
粒が存在すると、成形助剤との混合が難しく、成形時に
成形助剤と粗粒粉が分離しやすく成形困難となり、ひい
ては強度低下につながるためである。本発明において原
料粉末としての珪素粒子の平均粒径は５０μｍ以下とす
るのが好ましい。５０μｍよりも大きくなると窒化及び
炭化時間が長くなるためである。また、５０μｍ以下で
は珪素の分散が良好なので、成形体の相対密度が向上す
る。本発明の反応焼結体は、焼結時の寸法変化率が極め
て少ないので、複雑形状のものでも、特に、二次加工す
ることなく作成できる。
囲気中で焼成を行った場合、窒化硼素中に含まれる酸化
物層が焼成中にガラス化して珪素の窒化を阻害すること
は知られているが、本方法のように珪素の融点以下の温
度で加熱中の試料を焼成途中で一旦室温まで急冷しさら
に加熱することにより、珪素の窒化を阻害していたガラ
ス層にクラックを発生させ、このクラックを通して窒素
を拡散させることにより珪素の窒化を促進することがで
きる。また、この加熱−冷却−加熱過程を２回以上、特
に異なる温度で繰り返し行うことにより、ガラス層に繰
り返しクラックを発生させることができ、珪素の窒化促
進により効果的である。本発明品は、窒化硼素がその中
に板状の窒化硼素を含んでいるため、靭性の向上も併せ
て図ることも出来る。また、焼結体中の窒化硼素はその
製造条件により、等方性の乱層構造を有する窒化硼素、
アモルファス状の乱相構造を有する窒化硼素、部分的に
六方晶窒化硼素になりかけている乱層構造を有する窒化
硼素及び六方晶窒化硼素のいずれか１種類のみの状態又
はいずれか複数種類が混合された状態で存在する。原料
は、珪素粉末と硼素粉末，硼化物粉末のうちの１種又は
２種以上を用いる。ここで、原料として用いる粉末は市
販のものをそのまま使用できる。また、ミルなどにより
粉砕した丸みをおびた粒子を使用しても良い。この原料
粉に例えば、ポリビニールブチラールやポリエチレン等
の有機高分子化合物，シリコンイミド化合物やポリシラ
ン化合物などの有機Ｓｉ高分子化合物，熱可塑性樹脂，
可塑剤，安定剤，潤滑剤などの補助剤を混合後、射出成
形，プレス成形，ラバープレス成形，押出し成形，鋳込
み成形，金型粉末成形など形状と要求特性に応じて成形
方法を選択し、成形体とする。ここで、補助剤の他に、
焼結助剤を混合したものを使用することもできる。成形
体の相対密度は、６０％以上とするのが好ましい。なぜ
なら、６０％以下では緻密な焼結体を得ることができ
ず、ひいては強度低下につながるためである。この成形
体は成形用助剤として用いた有機高分子化合物，熱可塑
性樹脂，可塑剤，安定剤，潤滑剤などの補助剤が分解昇
華する温度まで加熱する。成形体は、窒素ガス又は窒素
ガスにＣＯガスなどの炭化性ガス及び必要に応じてアン
モニア，水素，アルゴン，ヘリウムなどを混合した雰囲
気下で焼成を行うことができる。珪素の融点以下の所定
の温度まで加熱する際に、５０℃／min 以下の昇温速度
で昇温することが望ましい。なぜなら、珪素の窒化反応
は発熱反応であるため急激に昇温すると珪素が溶融する
からである。また、珪素の融点以下の温度で加熱して
後、さらに、気孔中にポリカルボシランなど加熱後に窒
化珪素や炭化珪素に変化する樹脂を含浸後、再度加熱す
ることもできる。ここで、成形体を、窒素にＣＯガスな
どの炭化性ガス及び必要に応じてアンモニア，水素，ア
ルゴン，ヘリウムなどを混合した雰囲気下で加熱するこ
とにより、窒化硼素の生成量を制御することができる。
本発明の硼素及び／又は硼化物の配合比は５vol％ 〜５
０vol％ とするのが好ましい。なぜなら、硼素及び／又
は硼化物の量が５vol％ より少ないと、窒化硼素が十分
な量生成せず、熱衝撃性が低下するためである。また、
５０vol％ より多くなると、窒化珪素での結合が困難に
なり、強度が低下するためである。本発明において原料
粉末としての硼素及び／又は硼化物の平均粒径は２００
μｍ以下とするのが好ましい。２００μｍより大きな粗
粒が存在すると、成形助剤との混合が難しく、成形時に
成形助剤と粗粒粉が分離しやすく成形困難となり、ひい
ては強度低下につながるためである。本発明において原
料粉末としての珪素粒子の平均粒径は５０μｍ以下とす
るのが好ましい。５０μｍよりも大きくなると窒化及び
炭化時間が長くなるためである。また、５０μｍ以下で
は珪素の分散が良好なので、成形体の相対密度が向上す
る。本発明の反応焼結体は、焼結時の寸法変化率が極め
て少ないので、複雑形状のものでも、特に、二次加工す
ることなく作成できる。
【０００６】
【作用】本発明は、熱衝撃性に優れたセラミックスに係
るものである。珪素粉末中に窒化硼素粉末を混合，成形
後、窒素を含む雰囲気中で珪素の融点以下の温度で加熱
−冷却−加熱を繰り返す焼成条件で焼成することによ
り、珪素の窒化を促進することができる。
るものである。珪素粉末中に窒化硼素粉末を混合，成形
後、窒素を含む雰囲気中で珪素の融点以下の温度で加熱
−冷却−加熱を繰り返す焼成条件で焼成することによ
り、珪素の窒化を促進することができる。
【０００７】
【実施例】以下、本発明について、実施例により更に具
体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されな
い。
体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されな
い。
【０００８】〈実施例１〉平均粒径１.５μｍの窒化硼
素粒子１０重量部、平均粒径０.８μｍの珪素粉末９０
重量部に熱可塑性樹脂を９重量部添加、混合し、射出成
形により成形体を作製した。成形体は樹脂分を除去した
後、Ｎ2 ガス中で焼結を行った。この際、１１００℃，
１２００℃及び１３００℃の各温度にて加熱中の試料を
室温まで冷却後、再び、昇温するという加熱−冷却−加
熱を行った。この時の成形体から焼結体への寸法変化率
は０.２％ 以下と小さく寸法精度に優れたものが得られ
た。焼結体の気孔率は１３％、気孔径１７μｍ以下、熱
衝撃値は８２０℃、曲げ強度は４２０ＭＰａであった。
素粒子１０重量部、平均粒径０.８μｍの珪素粉末９０
重量部に熱可塑性樹脂を９重量部添加、混合し、射出成
形により成形体を作製した。成形体は樹脂分を除去した
後、Ｎ2 ガス中で焼結を行った。この際、１１００℃，
１２００℃及び１３００℃の各温度にて加熱中の試料を
室温まで冷却後、再び、昇温するという加熱−冷却−加
熱を行った。この時の成形体から焼結体への寸法変化率
は０.２％ 以下と小さく寸法精度に優れたものが得られ
た。焼結体の気孔率は１３％、気孔径１７μｍ以下、熱
衝撃値は８２０℃、曲げ強度は４２０ＭＰａであった。
【０００９】〈実施例２〉実施例１と同様にして、珪素
粉末と窒化硼素の配合比を変えた場合の曲げ強度を表１
に示す。
粉末と窒化硼素の配合比を変えた場合の曲げ強度を表１
に示す。
【００１０】
【表１】
【００１１】これより、本発明品の曲げ強度は窒化硼素
量の増加に伴い低下していることが判る。
量の増加に伴い低下していることが判る。
【００１２】〈実施例３〉実施例１と同様にして、珪素
粉末と窒化硼素の平均粒径を変えた場合の曲げ強度を表
２，表３に示す。
粉末と窒化硼素の平均粒径を変えた場合の曲げ強度を表
２，表３に示す。
【００１３】
【表２】
【００１４】
【表３】
【００１５】これより、本発明品の曲げ強度は珪素粉末
と窒化硼素の平均粒径が大きくなるに伴い低下している
ことが判る。
と窒化硼素の平均粒径が大きくなるに伴い低下している
ことが判る。
【００１６】〈実施例４〉平均粒径２.５μｍの窒化硼
素粒子２０重量部、平均粒径０.８μｍの珪素粉末８０
重量部に熱可塑性樹脂を１０重量部添加、混合し、射出
成形により成形体を作製した。成形体は樹脂分を除去し
た後、Ｎ2−Ｈ2混合ガス中で焼結を行った。この際、１
１００℃，１２５０℃，１３５０℃の各温度で加熱中の
試料を室温まで冷却後、再び、昇温するという加熱−冷
却−加熱を行った。この時の成形体から焼結体への寸法
変化率は０.３％ 以下と小さく寸法精度に優れたものが
得られた。焼結体の気孔率は１１％、気孔径１４μｍ以
下、熱衝撃値は８５０℃、曲げ強度は４３０ＭＰａであ
った。
素粒子２０重量部、平均粒径０.８μｍの珪素粉末８０
重量部に熱可塑性樹脂を１０重量部添加、混合し、射出
成形により成形体を作製した。成形体は樹脂分を除去し
た後、Ｎ2−Ｈ2混合ガス中で焼結を行った。この際、１
１００℃，１２５０℃，１３５０℃の各温度で加熱中の
試料を室温まで冷却後、再び、昇温するという加熱−冷
却−加熱を行った。この時の成形体から焼結体への寸法
変化率は０.３％ 以下と小さく寸法精度に優れたものが
得られた。焼結体の気孔率は１１％、気孔径１４μｍ以
下、熱衝撃値は８５０℃、曲げ強度は４３０ＭＰａであ
った。
【００１７】〈実施例５〉平均粒径１.５μｍの炭化硼
素粒子１０重量部、平均粒径０.８μｍの珪素粉末９０
重量部に熱可塑性樹脂を１０重量部添加、混合し、金型
粉末成形により成形体を作製した。成形体は樹脂分を除
去した後、Ｎ2 ガス中で所定の温度まで段階的に加熱処
理し、仮焼体を得た。この仮焼体中にポリカルボシラン
を含浸後、１２００℃及び、１４００℃で加熱中の試料
を室温まで冷却後、再び昇温するという加熱−冷却−加
熱を行った。この時の成形体から焼結体への寸法変化率
は０.８％ 以下と小さく寸法精度に優れたものが得られ
た。焼結体の気孔率は８％、気孔径１１μｍ以下、熱衝
撃値は７１０℃、曲げ強度は４７０ＭＰａであった。
素粒子１０重量部、平均粒径０.８μｍの珪素粉末９０
重量部に熱可塑性樹脂を１０重量部添加、混合し、金型
粉末成形により成形体を作製した。成形体は樹脂分を除
去した後、Ｎ2 ガス中で所定の温度まで段階的に加熱処
理し、仮焼体を得た。この仮焼体中にポリカルボシラン
を含浸後、１２００℃及び、１４００℃で加熱中の試料
を室温まで冷却後、再び昇温するという加熱−冷却−加
熱を行った。この時の成形体から焼結体への寸法変化率
は０.８％ 以下と小さく寸法精度に優れたものが得られ
た。焼結体の気孔率は８％、気孔径１１μｍ以下、熱衝
撃値は７１０℃、曲げ強度は４７０ＭＰａであった。
【００１８】
【発明の効果】本発明により、熱衝撃性に優れたセラミ
ックスの強度を大幅に改善することができる。
ックスの強度を大幅に改善することができる。
Claims (6)
- 【請求項１】金属珪素と硼素及び／又は硼化物の混合粉
末よりなる試料を窒素を含む雰囲気中で加熱して得られ
るセラミックスであり、この窒化過程で、珪素の融点以
下の所定の温度で加熱中の試料をそれ以下の所定の温度
まで冷却後再び珪素の融点以下の所定の温度まで加熱す
るという加熱−冷却−加熱過程を行うことを特徴とする
窒化珪素−窒化硼素系複合セラミックスの製造方法。 - 【請求項２】請求項１において、加熱−冷却−加熱過程
を複数回繰り返し行う窒化珪素−窒化硼素系複合セラミ
ックスの製造方法。 - 【請求項３】請求項１または請求項２において、珪素の
融点以下の所定の温度まで加熱する際に、５０℃／min
以下の速度で昇温する窒化珪素−窒化硼素系複合セラミ
ックスの製造方法。 - 【請求項４】請求項１または請求項２において、硼素及
び／又は硼化物の配合比を５vol％から５０vol％ とす
る窒化珪素−窒化硼素系複合セラミックスの製造方法。 - 【請求項５】請求項１または請求項２において、硼素及
び／又は硼化物の平均粒径が２００μｍ以下である窒化
珪素−窒化硼素系複合セラミックスの製造方法。 - 【請求項６】請求項１または請求項２において、珪素の
平均粒径が５０μｍ以下である窒化珪素−窒化硼素系複
合セラミックスの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4157766A JPH05345674A (ja) | 1992-06-17 | 1992-06-17 | 窒化珪素−窒化硼素系複合セラミックスの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4157766A JPH05345674A (ja) | 1992-06-17 | 1992-06-17 | 窒化珪素−窒化硼素系複合セラミックスの製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05345674A true JPH05345674A (ja) | 1993-12-27 |
Family
ID=15656848
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4157766A Pending JPH05345674A (ja) | 1992-06-17 | 1992-06-17 | 窒化珪素−窒化硼素系複合セラミックスの製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05345674A (ja) |
-
1992
- 1992-06-17 JP JP4157766A patent/JPH05345674A/ja active Pending
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