JPH06279125A - 窒化ケイ素基複合材料の製造方法 - Google Patents
窒化ケイ素基複合材料の製造方法Info
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- JPH06279125A JPH06279125A JP5071680A JP7168093A JPH06279125A JP H06279125 A JPH06279125 A JP H06279125A JP 5071680 A JP5071680 A JP 5071680A JP 7168093 A JP7168093 A JP 7168093A JP H06279125 A JPH06279125 A JP H06279125A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 緻密質で寸法精度の高い窒化ケイ素基複合材
料を、安価にかつ再現性よく得ることを可能にした窒化
ケイ素基複合材料の製造方法を提供する。 【構成】 少なくとも希土類酸化物を窒化ケイ素の焼結
助剤として含有し、かつ鉄およびカルシウムから選ばれ
た少なくとも 1種を微量含むケイ素粉末を主成分とする
出発原料を、セラミックス繊維やセラミックスウィスカ
ーに含有させて、所望形状に成形する。次に、上記成形
体を窒素中で熱処理して窒化反応焼結させる。この後、
窒化反応焼結工程で得た反応焼結体を、高温下で熱処理
して緻密化させる。
料を、安価にかつ再現性よく得ることを可能にした窒化
ケイ素基複合材料の製造方法を提供する。 【構成】 少なくとも希土類酸化物を窒化ケイ素の焼結
助剤として含有し、かつ鉄およびカルシウムから選ばれ
た少なくとも 1種を微量含むケイ素粉末を主成分とする
出発原料を、セラミックス繊維やセラミックスウィスカ
ーに含有させて、所望形状に成形する。次に、上記成形
体を窒素中で熱処理して窒化反応焼結させる。この後、
窒化反応焼結工程で得た反応焼結体を、高温下で熱処理
して緻密化させる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、反応焼結法と緻密化焼
結法とを組合せた二段焼結法を適用した窒化ケイ素を基
とする複合材料の製造方法に関する。
結法とを組合せた二段焼結法を適用した窒化ケイ素を基
とする複合材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化ケイ素（Si3 N 4 ）焼結体は、強度
や耐熱衝撃性等に優れることから、エンジン用部品材
料、ベアリング材料、工具材料等の各種構造用材料とし
て開発が進められ、実用化が開始されている。破壊靭性
に関しても、他のセラミックスに比べてかなり優れるこ
とが、窒化ケイ素の構造材料としての応用を可能にして
きたといえる。
や耐熱衝撃性等に優れることから、エンジン用部品材
料、ベアリング材料、工具材料等の各種構造用材料とし
て開発が進められ、実用化が開始されている。破壊靭性
に関しても、他のセラミックスに比べてかなり優れるこ
とが、窒化ケイ素の構造材料としての応用を可能にして
きたといえる。
【０００３】しかし、機械部品材料としては、より一層
の破壊靭性が求められるため、新たに複合材料としての
開発が進められている。例えば、粒子分散型、ウィスカ
ー分散型、繊維強化型等の種々の窒化ケイ素基複合材料
の開発が進められている。
の破壊靭性が求められるため、新たに複合材料としての
開発が進められている。例えば、粒子分散型、ウィスカ
ー分散型、繊維強化型等の種々の窒化ケイ素基複合材料
の開発が進められている。
【０００４】これらの内、破壊靭性の向上効果が高いウ
ィスカー分散型や繊維強化型の複合材料は、常圧焼結や
雰囲気加圧焼結では緻密質な焼結体が得られにくいた
め、通常はホットプレスやカプセルＨＩＰ（高温静水圧
プレス）等の助けを借りて緻密質な焼結体を作製してい
る。
ィスカー分散型や繊維強化型の複合材料は、常圧焼結や
雰囲気加圧焼結では緻密質な焼結体が得られにくいた
め、通常はホットプレスやカプセルＨＩＰ（高温静水圧
プレス）等の助けを借りて緻密質な焼結体を作製してい
る。
【０００５】また、繊維やウィスカーで予め目的とする
部品形状に近似した予備成形体を作製し、これに気相反
応を利用してマトリックスとする窒化ケイ素を表面部か
ら含浸して、複合材料を作製すること等も検討されてい
る。これらの方法によって、試作段階ではあるが、かな
り高い破壊靭性値（10〜 30MPa m1/2 程度）が得られる
ようになってきている。
部品形状に近似した予備成形体を作製し、これに気相反
応を利用してマトリックスとする窒化ケイ素を表面部か
ら含浸して、複合材料を作製すること等も検討されてい
る。これらの方法によって、試作段階ではあるが、かな
り高い破壊靭性値（10〜 30MPa m1/2 程度）が得られる
ようになってきている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の窒化ケイ素基複合材料のうち、前者の方法（ホ
ットプレスやカプセルＨＩＰ等を利用）は、成形体形状
が比較的単純な形状に限られてしまうと共に、常圧焼結
や雰囲気加圧焼結に比べて製造コストが高いという問題
を有している。また、後者の方法（気相反応を利用）
も、装置コストや製造コストが高く、さらに気相反応自
体はバルクの形状物の作製には適切な方法とはいえな
い。さらに、窒化ケイ素の原料粉末自体も高価であるこ
とから、複合材料の製造コストの増大を招いている。
た従来の窒化ケイ素基複合材料のうち、前者の方法（ホ
ットプレスやカプセルＨＩＰ等を利用）は、成形体形状
が比較的単純な形状に限られてしまうと共に、常圧焼結
や雰囲気加圧焼結に比べて製造コストが高いという問題
を有している。また、後者の方法（気相反応を利用）
も、装置コストや製造コストが高く、さらに気相反応自
体はバルクの形状物の作製には適切な方法とはいえな
い。さらに、窒化ケイ素の原料粉末自体も高価であるこ
とから、複合材料の製造コストの増大を招いている。
【０００７】窒化ケイ素基複合材料を工業材料として利
用するためには、高品質のものを安価に作製可能にする
ということが重要であり、このような点を含めて従来の
窒化ケイ素基複合材料の製造方法は、満足のいくもので
はなかった。
用するためには、高品質のものを安価に作製可能にする
ということが重要であり、このような点を含めて従来の
窒化ケイ素基複合材料の製造方法は、満足のいくもので
はなかった。
【０００８】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、窒化ケイ素基複合材料を、安価にか
つ再現性よく得ることを可能にした窒化ケイ素基複合材
料の製造方法を提供することを目的としている。
になされたもので、窒化ケイ素基複合材料を、安価にか
つ再現性よく得ることを可能にした窒化ケイ素基複合材
料の製造方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の窒化ケイ素基複
合材料の製造方法は、少なくとも希土類酸化物を窒化ケ
イ素の焼結助剤として含有し、かつ鉄およびカルシウム
から選ばれた少なくとも 1種を含むケイ素粉末を主成分
とする出発原料を、セラミックス繊維およびセラミック
スウィスカーから選ばれた少なくとも 1種に含有させて
所望形状に成形する工程と、前記成形体を窒素中で熱処
理して窒化反応焼結させる第１の熱処理工程と、前記第
１の熱処理工程で得た反応焼結体を、高温下で熱処理し
て緻密化させる第２の熱処理工程とを具備することを特
徴としている。
合材料の製造方法は、少なくとも希土類酸化物を窒化ケ
イ素の焼結助剤として含有し、かつ鉄およびカルシウム
から選ばれた少なくとも 1種を含むケイ素粉末を主成分
とする出発原料を、セラミックス繊維およびセラミック
スウィスカーから選ばれた少なくとも 1種に含有させて
所望形状に成形する工程と、前記成形体を窒素中で熱処
理して窒化反応焼結させる第１の熱処理工程と、前記第
１の熱処理工程で得た反応焼結体を、高温下で熱処理し
て緻密化させる第２の熱処理工程とを具備することを特
徴としている。
【００１０】本発明の窒化ケイ素基複合材料の製造方法
は、基本的にはウィスカー分散型や繊維強化型等の複合
材料のマトリックスとして窒化ケイ素を用い、このマト
リックスとなる窒化ケイ素の焼結法として、反応焼結法
と緻密化焼結法とを組合せた、いわゆる二段焼結法を適
用したものである。二段焼結法は、原料として安価なケ
イ素粉末を用いることができ、また焼結時の収縮率を低
く抑えることができる、すなわち寸法精度が高く、後加
工を少なくすることができることからも、窒化ケイ素基
複合材料の製造コストの低減を図る上で有利な方法とい
える。
は、基本的にはウィスカー分散型や繊維強化型等の複合
材料のマトリックスとして窒化ケイ素を用い、このマト
リックスとなる窒化ケイ素の焼結法として、反応焼結法
と緻密化焼結法とを組合せた、いわゆる二段焼結法を適
用したものである。二段焼結法は、原料として安価なケ
イ素粉末を用いることができ、また焼結時の収縮率を低
く抑えることができる、すなわち寸法精度が高く、後加
工を少なくすることができることからも、窒化ケイ素基
複合材料の製造コストの低減を図る上で有利な方法とい
える。
【００１１】このような二段焼結法においては、第１段
の窒化反応工程で鉄あるいはカルシウムがケイ素の反応
を十分に促進すると共に、生成する窒化ケイ素粒子を微
細化（原料Siの 1/2〜1/50程度に微細化）することが確
認されており、これが緻密質な焼結体を得る上で重要と
なる。本発明の製造方法は、これらを満足させることに
より、緻密質の窒化ケイ素基複合材料を、安価にかつ再
現性よく得ることを可能にしたものである。以下に、そ
の詳細について説明する。
の窒化反応工程で鉄あるいはカルシウムがケイ素の反応
を十分に促進すると共に、生成する窒化ケイ素粒子を微
細化（原料Siの 1/2〜1/50程度に微細化）することが確
認されており、これが緻密質な焼結体を得る上で重要と
なる。本発明の製造方法は、これらを満足させることに
より、緻密質の窒化ケイ素基複合材料を、安価にかつ再
現性よく得ることを可能にしたものである。以下に、そ
の詳細について説明する。
【００１２】本発明の製造方法で用いる出発原料は、鉄
およびカルシウムから選ばれた少なくとも 1種を含むケ
イ素粉末に、窒化ケイ素の焼結助剤として少なくとも希
土類酸化物を配合したものである。ここで、鉄やカルシ
ウムは、ケイ素の窒化反応を促進すると共に、第１の熱
処理工程で生成される窒化ケイ素粒子を微細化し、第２
の熱処理工程における反応焼結体の緻密化を容易にする
ものである。このように、出発原料に微量の鉄やカルシ
ウムを添加することによって、ケイ素の窒化反応が極め
て顕著に進み、さらに例えば生成した窒化ケイ素粒子の
粒径を、用いたケイ素粉末より微細化することができる
ため、緻密で均質な組織構造を有する複合材料を得るこ
とができる。
およびカルシウムから選ばれた少なくとも 1種を含むケ
イ素粉末に、窒化ケイ素の焼結助剤として少なくとも希
土類酸化物を配合したものである。ここで、鉄やカルシ
ウムは、ケイ素の窒化反応を促進すると共に、第１の熱
処理工程で生成される窒化ケイ素粒子を微細化し、第２
の熱処理工程における反応焼結体の緻密化を容易にする
ものである。このように、出発原料に微量の鉄やカルシ
ウムを添加することによって、ケイ素の窒化反応が極め
て顕著に進み、さらに例えば生成した窒化ケイ素粒子の
粒径を、用いたケイ素粉末より微細化することができる
ため、緻密で均質な組織構造を有する複合材料を得るこ
とができる。
【００１３】上記した鉄やカルシウムは、単体金属粉
末、 Si-Fe合金、 Si-Ca合金のような合金粉末、酸化
物、炭酸塩、硝酸塩のような化合物粉末等の各種形態で
添加することができる。また、鉄やカルシウムは出発原
料中に、鉄およびカルシウムの換算量として、0.05〜 3
重量% の範囲となるように添加することが好ましい。こ
れらの添加量が0.05重量% 未満であると、上記した効果
が十分に得られず、また 3重量% を超えると、逆に窒化
ケイ素の焼結を阻害したり、得られる窒化ケイ素基焼結
体の特性を劣化させるおそれがある。鉄やカルシウムの
さらに好ましい添加量（換算量）は0.07〜 1重量% の範
囲である。
末、 Si-Fe合金、 Si-Ca合金のような合金粉末、酸化
物、炭酸塩、硝酸塩のような化合物粉末等の各種形態で
添加することができる。また、鉄やカルシウムは出発原
料中に、鉄およびカルシウムの換算量として、0.05〜 3
重量% の範囲となるように添加することが好ましい。こ
れらの添加量が0.05重量% 未満であると、上記した効果
が十分に得られず、また 3重量% を超えると、逆に窒化
ケイ素の焼結を阻害したり、得られる窒化ケイ素基焼結
体の特性を劣化させるおそれがある。鉄やカルシウムの
さらに好ましい添加量（換算量）は0.07〜 1重量% の範
囲である。
【００１４】上述した本発明の出発原料の主成分となる
鉄やカルシウムを含むケイ素粉末としては、平均粉体粒
径が 0.5〜10μm の範囲のものを用いることが好まし
い。ケイ素粉末の平均粒径が10μm を超えると窒化反応
が遅くなり、また 0.5μm 未満であると取扱いが困難と
なる。また、本発明においては、平均粒径が 0.5μm 未
満というような微細粉末を使用しなくとも、十分に反応
を促進することができる。鉄やカルシウムを含むケイ素
粉末のより好ましい平均粒径は 1〜 7μm の範囲であ
る。
鉄やカルシウムを含むケイ素粉末としては、平均粉体粒
径が 0.5〜10μm の範囲のものを用いることが好まし
い。ケイ素粉末の平均粒径が10μm を超えると窒化反応
が遅くなり、また 0.5μm 未満であると取扱いが困難と
なる。また、本発明においては、平均粒径が 0.5μm 未
満というような微細粉末を使用しなくとも、十分に反応
を促進することができる。鉄やカルシウムを含むケイ素
粉末のより好ましい平均粒径は 1〜 7μm の範囲であ
る。
【００１５】また、本発明で用いる出発原料には、希土
類酸化物の他に、酸化アルミニウム、窒化アルミニウ
ム、酸化チタン、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、
酸化クロムおよび酸化マグネシウムから選ばれた少なく
とも 1種を、窒化ケイ素の焼結助剤として、さらに添加
することができる。また、希土類酸化物としては、酸化
イットリウムまたは酸化イッテルビウムを用いることが
好ましく、特に酸化イットリウムと酸化アルミニウムと
を併用することが望ましい。これら添加化合物は、希土
類酸化物を 0.5〜10重量% 、その他を 0.5〜10重量% の
範囲で出発原料に添加することが好ましい。
類酸化物の他に、酸化アルミニウム、窒化アルミニウ
ム、酸化チタン、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、
酸化クロムおよび酸化マグネシウムから選ばれた少なく
とも 1種を、窒化ケイ素の焼結助剤として、さらに添加
することができる。また、希土類酸化物としては、酸化
イットリウムまたは酸化イッテルビウムを用いることが
好ましく、特に酸化イットリウムと酸化アルミニウムと
を併用することが望ましい。これら添加化合物は、希土
類酸化物を 0.5〜10重量% 、その他を 0.5〜10重量% の
範囲で出発原料に添加することが好ましい。
【００１６】なお、本発明においては、出発原料中のSi
源として、Si3 N 4 を50重量% 程度まで加えることもで
きる。この場合、収縮率は若干増加するが、均一性の向
上等に寄与する。
源として、Si3 N 4 を50重量% 程度まで加えることもで
きる。この場合、収縮率は若干増加するが、均一性の向
上等に寄与する。
【００１７】本発明の窒化ケイ素基複合材料の製造方法
においては、上述したような出発原料とセラミックス繊
維やセラミックスウィスカーを用いて、以下に示すよう
な工程を経て、窒化ケイ素基複合材料を得る。
においては、上述したような出発原料とセラミックス繊
維やセラミックスウィスカーを用いて、以下に示すよう
な工程を経て、窒化ケイ素基複合材料を得る。
【００１８】ここで、本発明で用いるセラミックス繊維
としては、セラミックス長繊維、セラミックス短繊維
等、種々の繊維状物質を使用することができる。これら
セラミックス繊維やセラミックスウィスカーの材質は、
特に限定されるものではないが、炭化ケイ素や窒化ケイ
素等の高温高強度材料を用いることが好ましい。このよ
うなセラミックス繊維やウィスカーの配合量は、上記出
発原料に対して 5〜30重量% 程度の範囲とすることが好
ましい。セラミックス繊維の配合量があまり多いと、緻
密化が困難となる。
としては、セラミックス長繊維、セラミックス短繊維
等、種々の繊維状物質を使用することができる。これら
セラミックス繊維やセラミックスウィスカーの材質は、
特に限定されるものではないが、炭化ケイ素や窒化ケイ
素等の高温高強度材料を用いることが好ましい。このよ
うなセラミックス繊維やウィスカーの配合量は、上記出
発原料に対して 5〜30重量% 程度の範囲とすることが好
ましい。セラミックス繊維の配合量があまり多いと、緻
密化が困難となる。
【００１９】本発明においては、まず上述したような出
発原料を所望形状に成形し、この成形の際にセラミック
ス繊維を成形体内に含有させる。セラミックス繊維やウ
ィスカーを成形体内に内含させる方法としては、種々の
方法を採用することができる。例えば、セラミックス短
繊維やウィスカーの場合には、出発原料をバインダや解
膠剤と共に湿式で混合する際に、セラミックス短繊維や
ウィスカーを同時に混合し、この混合粉を用いて成形体
を作製する。成形法としては、プレス成形法、スリップ
キャスティング法等の各種公知の成形法を適用すること
ができる。
発原料を所望形状に成形し、この成形の際にセラミック
ス繊維を成形体内に含有させる。セラミックス繊維やウ
ィスカーを成形体内に内含させる方法としては、種々の
方法を採用することができる。例えば、セラミックス短
繊維やウィスカーの場合には、出発原料をバインダや解
膠剤と共に湿式で混合する際に、セラミックス短繊維や
ウィスカーを同時に混合し、この混合粉を用いて成形体
を作製する。成形法としては、プレス成形法、スリップ
キャスティング法等の各種公知の成形法を適用すること
ができる。
【００２０】また、セラミックス長繊維を使用する場合
には、例えばセラミックス長繊維で予め予備成形体を作
製したり、型内にセラミックス長繊維を配置しておき、
これに上記出発原料を含むスラリーを含浸させて成形体
を作製する。出発原料を含むスラリーの含浸は、必要に
応じて複数回繰り返し行ってもよい。また、後述する第
２の熱処理工程後に、再度スラリーを含浸し、第１およ
び第２の熱処理工程を複数回繰り返し行うことも可能で
ある。
には、例えばセラミックス長繊維で予め予備成形体を作
製したり、型内にセラミックス長繊維を配置しておき、
これに上記出発原料を含むスラリーを含浸させて成形体
を作製する。出発原料を含むスラリーの含浸は、必要に
応じて複数回繰り返し行ってもよい。また、後述する第
２の熱処理工程後に、再度スラリーを含浸し、第１およ
び第２の熱処理工程を複数回繰り返し行うことも可能で
ある。
【００２１】次に、上述したような工程により作製した
セラミックス繊維やウィスカーを含有する成形体に、第
１の熱処理工程として窒化処理を施して、反応焼結体を
得る。この窒化処理は、大気中や窒素雰囲気中等で脱脂
処理した後、窒素中にて例えば1100〜1500℃程度の温度
で、 2〜40時間程度熱処理することによって行う。窒化
処理温度が1100℃未満であると、窒化反応が十分に進行
せず、また1500℃を超えると、特に大型製品では昇温に
留意しないと窒化が不十分になり、Siメルトが移動する
ために不均質になりやすい。
セラミックス繊維やウィスカーを含有する成形体に、第
１の熱処理工程として窒化処理を施して、反応焼結体を
得る。この窒化処理は、大気中や窒素雰囲気中等で脱脂
処理した後、窒素中にて例えば1100〜1500℃程度の温度
で、 2〜40時間程度熱処理することによって行う。窒化
処理温度が1100℃未満であると、窒化反応が十分に進行
せず、また1500℃を超えると、特に大型製品では昇温に
留意しないと窒化が不十分になり、Siメルトが移動する
ために不均質になりやすい。
【００２２】上記第１の熱処理工程で得た反応焼結体
に、第２の熱処理工程として高温下で熱処理を施し、反
応焼結体を緻密化して、目的とする高密度の窒化ケイ素
基複合材料（焼結体）を得る。この第２の熱処理工程
は、1750〜2100℃の範囲の温度で、 2〜10時間程度行う
ことが好ましい。この緻密化工程の処理温度が1750℃未
満であると、窒化ケイ素マトリックスの緻密化が十分に
進行せず、また2100℃を超えると過焼結を起こしてしま
う。なお、緻密化熱処理温度を1850℃以上とする場合に
は、加圧雰囲気とすることが好ましい。また、1850℃未
満の場合に、加圧雰囲気を用いてもよい。この際の圧力
は、 1気圧を超えて1000気圧未満とすることことが好ま
しく、より好ましくは 3〜 200気圧の範囲である。
に、第２の熱処理工程として高温下で熱処理を施し、反
応焼結体を緻密化して、目的とする高密度の窒化ケイ素
基複合材料（焼結体）を得る。この第２の熱処理工程
は、1750〜2100℃の範囲の温度で、 2〜10時間程度行う
ことが好ましい。この緻密化工程の処理温度が1750℃未
満であると、窒化ケイ素マトリックスの緻密化が十分に
進行せず、また2100℃を超えると過焼結を起こしてしま
う。なお、緻密化熱処理温度を1850℃以上とする場合に
は、加圧雰囲気とすることが好ましい。また、1850℃未
満の場合に、加圧雰囲気を用いてもよい。この際の圧力
は、 1気圧を超えて1000気圧未満とすることことが好ま
しく、より好ましくは 3〜 200気圧の範囲である。
【００２３】
【作用】本発明の窒化ケイ素基複合材料の製造方法にお
いては、基本的にマトリックスとなる窒化ケイ素を二段
焼結法で焼結しているため、原料として安価なケイ素粉
末を用いることが可能で、かつ焼結時の収縮率を低く抑
えることができ、後加工を少なくすることが可能となる
ことから、安価に窒化ケイ素基複合材料を作製すること
ができる。また、成形体形状が限定されるようなことも
ない。そして、本発明の製造方法では、ケイ素および焼
結助剤となる化合物を含む出発原料に、鉄およびカルシ
ウムから選ばれた少なくとも 1種を微量添加しているた
め、第１の熱処理工程におけるケイ素の窒化反応が促進
されると共に、生成される窒化ケイ素粒子を微細化する
ことができる。これらによって、緻密で均質な組織構造
を有する窒化ケイ素基複合材料を得ることが可能とな
る。このように、本発明の製造方法によれば、緻密質の
窒化ケイ素基複合材料を、安価にかつ再現性よく得るこ
とが可能となる。
いては、基本的にマトリックスとなる窒化ケイ素を二段
焼結法で焼結しているため、原料として安価なケイ素粉
末を用いることが可能で、かつ焼結時の収縮率を低く抑
えることができ、後加工を少なくすることが可能となる
ことから、安価に窒化ケイ素基複合材料を作製すること
ができる。また、成形体形状が限定されるようなことも
ない。そして、本発明の製造方法では、ケイ素および焼
結助剤となる化合物を含む出発原料に、鉄およびカルシ
ウムから選ばれた少なくとも 1種を微量添加しているた
め、第１の熱処理工程におけるケイ素の窒化反応が促進
されると共に、生成される窒化ケイ素粒子を微細化する
ことができる。これらによって、緻密で均質な組織構造
を有する窒化ケイ素基複合材料を得ることが可能とな
る。このように、本発明の製造方法によれば、緻密質の
窒化ケイ素基複合材料を、安価にかつ再現性よく得るこ
とが可能となる。
【００２４】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。
【００２５】実施例１ まず、Feを 0.3重量% 含有させた平均粒径 5μm のSi粉
末に、平均粒径 0.5μm の Y2 O 3 粉末を 5重量% 、お
よび平均粒径 0.2μm のAl2 O 3 粉末を 3重量% 添加
し、ボールミルを用いた湿式混合法により十分に混合し
て出発原料粉末を調製した。次いで、上記出発原料粉末
に有機バインダと解膠剤を加え、さらにボールミルで十
分に混合して、所定のスラリーを作製した。
末に、平均粒径 0.5μm の Y2 O 3 粉末を 5重量% 、お
よび平均粒径 0.2μm のAl2 O 3 粉末を 3重量% 添加
し、ボールミルを用いた湿式混合法により十分に混合し
て出発原料粉末を調製した。次いで、上記出発原料粉末
に有機バインダと解膠剤を加え、さらにボールミルで十
分に混合して、所定のスラリーを作製した。
【００２６】一方、セラミックス繊維として、 SiC繊維
（ニカロン：商品名）を用いて、φ50×φ30×30mmの管
状の予備成形体を作製した。この SiC繊維からなる予備
成形体に、上記スラリーを含浸して、 SiC繊維含有成形
体を作製した。
（ニカロン：商品名）を用いて、φ50×φ30×30mmの管
状の予備成形体を作製した。この SiC繊維からなる予備
成形体に、上記スラリーを含浸して、 SiC繊維含有成形
体を作製した。
【００２７】次に、上記 SiC繊維含有成形体を乾燥し、
窒素雰囲気中で脱脂した後、第１の熱処理（窒化処理）
として、 1ｌ/mimの窒素気流中にて、1100℃まで 3時間
で昇温し、さらに1100℃から1400℃まで 2時間で昇温し
た後、1400℃で 3時間保持した。この後、放冷すること
によって、反応焼結体を得た。
窒素雰囲気中で脱脂した後、第１の熱処理（窒化処理）
として、 1ｌ/mimの窒素気流中にて、1100℃まで 3時間
で昇温し、さらに1100℃から1400℃まで 2時間で昇温し
た後、1400℃で 3時間保持した。この後、放冷すること
によって、反応焼結体を得た。
【００２８】この後、上記第１の熱処理工程で得た反応
焼結体を、窒化ケイ素焼結体製の容器に収容し、第２の
熱処理として、 9.5気圧の加圧窒素中にて1850℃で 4時
間焼成して、緻密化した窒化ケイ素基複合焼結体を得
た。
焼結体を、窒化ケイ素焼結体製の容器に収容し、第２の
熱処理として、 9.5気圧の加圧窒素中にて1850℃で 4時
間焼成して、緻密化した窒化ケイ素基複合焼結体を得
た。
【００２９】得られた窒化ケイ素基複合焼結体は、 SiC
繊維が 2次元的に配向しており、密度は3.01g/cm3 で、
面に直角方向におけるＫ1c値は 25MPa m1/2 と良好な値
を示した。
繊維が 2次元的に配向しており、密度は3.01g/cm3 で、
面に直角方向におけるＫ1c値は 25MPa m1/2 と良好な値
を示した。
【００３０】また、本発明との比較として、平均粒径 1
μm の高純度Si粉末（Fe含有量0.02重量%)を用いる以外
は、上記実施例１と同一組成および同一条件で二段焼結
を行い、窒化ケイ素基複合焼結体を作製した。この比較
例による窒化ケイ素基複合焼結体は、微粒子状のSi粉末
を用いたにもかかわらず、第１の熱処理工程での窒化が
十分に進まず、第２の熱処理工程（高温焼成）において
未反応のSiがメルトして凝集し、反応が進みにくいまま
粗大化したSiが 20%以上残存することが確認された。
μm の高純度Si粉末（Fe含有量0.02重量%)を用いる以外
は、上記実施例１と同一組成および同一条件で二段焼結
を行い、窒化ケイ素基複合焼結体を作製した。この比較
例による窒化ケイ素基複合焼結体は、微粒子状のSi粉末
を用いたにもかかわらず、第１の熱処理工程での窒化が
十分に進まず、第２の熱処理工程（高温焼成）において
未反応のSiがメルトして凝集し、反応が進みにくいまま
粗大化したSiが 20%以上残存することが確認された。
【００３１】また、実施例１においては、第１の熱処理
で生成された窒化ケイ素は著しく微細化し、 5μm のSi
が 0.5〜 0.1μm のSi3 N 4 粒子に変化していたが、 1
μmの高純度Siを用いた比較例では、逆にSi3 N 4 粒子
が 2μm 以上に粗大化していた。これらから、微量のFe
を含む出発原料は、高温での緻密化に極めて有効である
ことが確認された。
で生成された窒化ケイ素は著しく微細化し、 5μm のSi
が 0.5〜 0.1μm のSi3 N 4 粒子に変化していたが、 1
μmの高純度Siを用いた比較例では、逆にSi3 N 4 粒子
が 2μm 以上に粗大化していた。これらから、微量のFe
を含む出発原料は、高温での緻密化に極めて有効である
ことが確認された。
【００３２】実施例２〜４ 平均粒径 1μm の高純度Si粉末に、Fe2 O 3 をFe量で
0.5重量% 、また平均粒径 0.5μm の Y2 O 3 粉末を 5
重量% 、および平均粒径 0.2μm のAl2 O 3 粉末を 3重
量% 添加し、さらに SiCウィスカーを10重量%(実施例
２）、20重量%(実施例３）、30重量%(実施例４）で加え
てそれぞれ 100重量% とした各調合バッチに、有機バイ
ンダと解膠剤を加え、ボールミルを用いた湿式混合法に
より十分に混合した後に溶媒を除去し、それぞれ原料粉
末を調製した。次いで、上記各原料粉末を50×50× 5mm
の板状に、 1ton/cm2 の圧力で成形して、それぞれ SiC
ウィスカー含有成形体を作製した。
0.5重量% 、また平均粒径 0.5μm の Y2 O 3 粉末を 5
重量% 、および平均粒径 0.2μm のAl2 O 3 粉末を 3重
量% 添加し、さらに SiCウィスカーを10重量%(実施例
２）、20重量%(実施例３）、30重量%(実施例４）で加え
てそれぞれ 100重量% とした各調合バッチに、有機バイ
ンダと解膠剤を加え、ボールミルを用いた湿式混合法に
より十分に混合した後に溶媒を除去し、それぞれ原料粉
末を調製した。次いで、上記各原料粉末を50×50× 5mm
の板状に、 1ton/cm2 の圧力で成形して、それぞれ SiC
ウィスカー含有成形体を作製した。
【００３３】次に、上記各 SiCウィスカー含有成形体を
乾燥し、窒素雰囲気中で脱脂した後、第１の熱処理（窒
化処理）として、 1ｌ/mimの窒素気流中にて、1100℃ま
で 3時間で昇温し、さらに1100℃から1400℃まで 2時間
で昇温した後、1400℃で 3時間保持した。この後、放冷
することによって、それぞれ反応焼結体を得た。
乾燥し、窒素雰囲気中で脱脂した後、第１の熱処理（窒
化処理）として、 1ｌ/mimの窒素気流中にて、1100℃ま
で 3時間で昇温し、さらに1100℃から1400℃まで 2時間
で昇温した後、1400℃で 3時間保持した。この後、放冷
することによって、それぞれ反応焼結体を得た。
【００３４】この後、上記第１の熱処理工程で得た各反
応焼結体を、窒化ケイ素焼結体製の容器に収容し、第２
の熱処理として、 9.5気圧の加圧窒素中にて1850℃で 4
時間焼成して、緻密化した窒化ケイ素基複合焼結体をそ
れぞれ得た。
応焼結体を、窒化ケイ素焼結体製の容器に収容し、第２
の熱処理として、 9.5気圧の加圧窒素中にて1850℃で 4
時間焼成して、緻密化した窒化ケイ素基複合焼結体をそ
れぞれ得た。
【００３５】得られた窒化ケイ素基複合焼結体は、いず
れも SiC繊維が 2次元的に配向しており、密度は3.14g/
cm3 （実施例２）、3.05g/cm3 （実施例３）、2.92g/cm
3 （実施例４）で、面に直角方向におけるＫ1c値は8.1M
Pa m1/2 （実施例２）、 9.5MPa m1/2 （実施例３）、
9.8MPa m1/2 （実施例４）といずれも良好な値を示し
た。
れも SiC繊維が 2次元的に配向しており、密度は3.14g/
cm3 （実施例２）、3.05g/cm3 （実施例３）、2.92g/cm
3 （実施例４）で、面に直角方向におけるＫ1c値は8.1M
Pa m1/2 （実施例２）、 9.5MPa m1/2 （実施例３）、
9.8MPa m1/2 （実施例４）といずれも良好な値を示し
た。
【００３６】実施例５ 上記実施例３(SiCウィスカー20重量% 添加）において、
Si粉末の一部（30重量%)を窒化ケイ素粉末（イミド分解
法による合成粉）に変更する以外は、同様にして原料粉
末を調合し、これを用いて同様に成形、熱処理を行っ
た。この場合には、第１の熱処理工程の1100℃から1400
℃への昇温を 1時間にしても、窒化は完結することがで
きた。
Si粉末の一部（30重量%)を窒化ケイ素粉末（イミド分解
法による合成粉）に変更する以外は、同様にして原料粉
末を調合し、これを用いて同様に成形、熱処理を行っ
た。この場合には、第１の熱処理工程の1100℃から1400
℃への昇温を 1時間にしても、窒化は完結することがで
きた。
【００３７】実施例６〜１１ 表１に示す原料粉末、およびセラミックス繊維を用い
て、実施例１および実施例２と同様にして、窒化ケイ素
基複合焼結体をそれぞれ作製した。これらの特性を、実
施例１と同様にして測定、評価した。それらの結果を表
２に示す。
て、実施例１および実施例２と同様にして、窒化ケイ素
基複合焼結体をそれぞれ作製した。これらの特性を、実
施例１と同様にして測定、評価した。それらの結果を表
２に示す。
【００３８】
【表１】
【表２】
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化ケイ
素基複合材料の製造方法によれば、第１の熱処理工程で
ケイ素の窒化反応を十分に促進することができると共
に、生成される窒化ケイ素を微細化することができるた
め、第２の熱処理工程で良好に反応焼結体の緻密化を図
ることができる。よって、緻密質で、寸法精度の高い窒
化ケイ素基複合材料を、安価にかつ再現性よく得ること
が可能となる。このように、本発明の製造方法は、窒化
ケイ素基複合材料の製造コストの低減に大きく寄与する
ものである。
素基複合材料の製造方法によれば、第１の熱処理工程で
ケイ素の窒化反応を十分に促進することができると共
に、生成される窒化ケイ素を微細化することができるた
め、第２の熱処理工程で良好に反応焼結体の緻密化を図
ることができる。よって、緻密質で、寸法精度の高い窒
化ケイ素基複合材料を、安価にかつ再現性よく得ること
が可能となる。このように、本発明の製造方法は、窒化
ケイ素基複合材料の製造コストの低減に大きく寄与する
ものである。
【００４０】
Claims (7)
- 【請求項１】 少なくとも希土類酸化物を窒化ケイ素の
焼結助剤として含有し、かつ鉄およびカルシウムから選
ばれた少なくとも 1種を含むケイ素粉末を主成分とする
出発原料を、セラミックス繊維およびセラミックスウィ
スカーから選ばれた少なくとも 1種に含有させて所望形
状に成形する工程と、 前記成形体を窒素中で熱処理して窒化反応焼結させる第
１の熱処理工程と、 前記第１の熱処理工程で得た反応焼結体を、高温下で熱
処理して緻密化させる第２の熱処理工程とを具備するこ
とを特徴とする窒化ケイ素基複合材料の製造方法。 - 【請求項２】 請求項１記載の窒化ケイ素基複合材料の
製造方法において、 前記鉄およびカルシウムは、前記出発原料中に0.05〜 3
重量% の範囲で含まれていることを特徴とする窒化ケイ
素基複合材料の製造方法。 - 【請求項３】 請求項１記載の窒化ケイ素基複合材料の
製造方法において、 前記鉄およびカルシウムは、単体金属、合金、化合物等
の形態で、前記出発原料中に含まれていることを特徴と
する窒化ケイ素基複合材料の製造方法。 - 【請求項４】 請求項１記載の窒化ケイ素基複合材料の
製造方法において、 前記出発原料は、その平均粉体粒径が 0.5〜10μm の範
囲であることを特徴とする窒化ケイ素基複合材料の製造
方法。 - 【請求項５】 請求項１記載の窒化ケイ素基複合材料の
製造方法において、 前記第１の熱処理工程は1100〜1500℃の範囲の温度で行
い、かつ前記第２の熱処理工程は1750〜2100℃の範囲の
温度で行うことを特徴とする窒化ケイ素基複合材料の製
造方法。 - 【請求項６】 請求項１記載の窒化ケイ素基複合材料の
製造方法において、 前記第１の熱処理工程で生成する窒化ケイ素粒子を、前
記出発原料中のケイ素粒子より微細化することを特徴と
する窒化ケイ素基複合材料の製造方法。 - 【請求項７】 請求項１記載の窒化ケイ素基複合材料の
製造方法において、 前記出発原料は、窒化ケイ素の焼結助剤として、さらに
酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化チタン、酸
化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化クロムおよび酸
化マグネシウムから選ばれた少なくとも 1種を含むこと
を特徴とする窒化ケイ素基複合材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5071680A JPH06279125A (ja) | 1993-03-30 | 1993-03-30 | 窒化ケイ素基複合材料の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5071680A JPH06279125A (ja) | 1993-03-30 | 1993-03-30 | 窒化ケイ素基複合材料の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06279125A true JPH06279125A (ja) | 1994-10-04 |
Family
ID=13467528
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5071680A Withdrawn JPH06279125A (ja) | 1993-03-30 | 1993-03-30 | 窒化ケイ素基複合材料の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06279125A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008024579A (ja) * | 2006-03-31 | 2008-02-07 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 反応焼結窒化ケイ素基複合材料及びその製造方法 |
-
1993
- 1993-03-30 JP JP5071680A patent/JPH06279125A/ja not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008024579A (ja) * | 2006-03-31 | 2008-02-07 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 反応焼結窒化ケイ素基複合材料及びその製造方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20000530 |