JPH07115933B2 - 窒化珪素焼結体の製造法 - Google Patents
窒化珪素焼結体の製造法Info
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Description
造するための製造法に関するものである。
た窒化珪素焼結体として、例えば特公昭48−7486号公報
において、窒化珪素(Si3N4)85モル%以上とIIIa系元
素の酸化物から選ばれた少なくとも一種15モル%以下と
を混合、成形し非酸化性雰囲気中で焼結する焼結体の製
造方法が、また特公昭49−21091号公報において、Si3N4
が少なくとも50wt%、Y2O3またはLa系元素の酸化物から
選ばれる少なくとも一種50wt%以下、及びAl2O30.01〜2
0wt%からなる窒化珪素焼結体がそれぞれ開示されてい
る。
けでは高温高強度を有する焼結体は得られず、一方、Al
2O3添加では緻密化は促進されるが粒界相は軟化点が低
く高温強度が著しく低下する問題があった。
号公報において、所定組成で所定量比の希土類元素をSi
3N4粉末に添加し、焼結体の結晶相を特定して高温高強
度を達成する技術を開示している。
化珪素焼結体は、ある程度高温で高強度を達成できるが
常温強度よりは低下する問題があった。これは、粒界の
結晶化を行っても、上記組成では若干量のガラス相が残
るためと考えられている。この点に関して、ガラス相の
残留を少なくするため、窒化珪素原料中に含まれる全酸
素量をSiO2量に換算したとき、SiO2に対する添加希土類
酸化物の量比を大きくしてガラス相の残留しにくい組成
とする方法が考えられるが、この方法では緻密化が困難
な問題があった。
合、サヤ内に充填する成形体詰め量には具体的な条件な
どが規定されておらず、同一の焼成条件(温度、時間、
圧力等)で行なっても得られる焼結体の特性が大きく異
なるという事態が生じていた。
を基礎とし、かつサヤ内詰め量等の焼成条件を特定のも
のとすることにより、高温まで強度の劣化しない窒化珪
素焼結体を製造することができることを見出し、本発明
に至ったものである。
末及び炭化物粉末から主としてなる原料を混合し成形し
て成形体を得た後、該成形体を1700〜2100℃の窒素雰囲
気下において、下記式の範囲内で焼成することを特徴と
する窒化珪素焼結体の製造法、が提供される。
る成形体重量(g))/(サヤ内容積(cc))を示
す。〕 [作用] 本発明においては、所定の希土類酸化物を含有するSi3N
4粉末中に炭化物粉末を添加混合し成形して成形体を得
た後、この成形体を所定量サヤ内に詰め、N2雰囲気中で
焼成して結晶化することに特徴を有する。尚、結晶化は
焼成の降温過程において起こる場合や、必要に応じて再
加熱により結晶化することもでき、この場合は1000〜15
00℃で再加熱するのが好ましい。このことにより、Si3N
4粒子の粒界相を実質的に結晶相としたSiC等の炭化物を
含んだ焼結体が得られ、この窒化珪素焼結体は粒界にお
けるガラス相の残留が実質的になく、高温においても常
温強度とほぼ同等の高強度を達成できる。
て、サヤ内への詰め量と焼成時間の関係を下記式に示す
範囲とすることにより、Si3N4粒子の粒界相を実質的に
結晶化した窒化珪素焼結体が得られる。
る成形体重量(g))/(サヤ内容積(cc))を示
す。〕 これをグラフに示すと、第1図の斜線の範囲内となる。
したものである。このようにサヤ内への成形体詰め量が
変わることにより、得られる焼結体の特性、特に高温強
度も大きく影響されるのは、焼成時のサヤ内雰囲気が変
わり、結果として得られる焼結体の組成や微構造等が変
化するためと考えられる。
をいい、焼成時に容器内雰囲気が保持されるものであれ
ば、特にその形状、材質、蓋の有無は問わない。
/サヤ内容積(cc)が上記の範囲外となると、高温強度
が劣化することが実験により確認された。
のみでなく、サヤ内重量を調整する目的で焼結体ダミー
を用いてもよい。
行なって所定形状を付与するか、あるいは焼成面をその
ままの状態で更に大気中1000〜1500℃の温度で熱処理
し、焼結体表面に5〜100μmの希土類珪酸塩酸化物及
び珪酸塩酸化物からなる表面層を形成させると好まし
い。
量%が望ましい。酸素量は窒化珪素原料を酸化すること
によりコントロールできる。あるいはSiO2粉末を加えて
もよい。
い。添加量の合計が6重量%未満では、緻密化に十分な
液相が得られず、21重量%を超えると、炭化物を添加し
ても緻密化が困難となりやすい。またY2O3、Yb2O3以外
の希土類酸化物としてLu2O3、Tm2O3、Er2O3等も同効成
分として使用することができる。焼結体中の希土類元素
量は、調合時と変わらない。
対し、外配量で0.1〜11重量%が好ましい。外配添加量
が0.1重量%未満では十分な緻密化効果及び結晶化促進
効果が得られず、11重量%を超えると炭化物が緻密化を
阻害してしまう場合があり好ましくない。更に好ましく
は0.5〜7重量%が良い。炭化物中、SiCは、α型、β型
あるいは非晶質のうち何れであっても使用することがで
きる。
料粉末と希土類酸化物及び炭化物の混合を調整する。次
に、得られた混合物を所定の形状に成形して成形体を得
る。その後、得られた成形体をサヤ内に上記した範囲量
を充填し、焼成温度に応じた常圧あるいは加圧N2雰囲気
中(N2圧が1〜200atm)において1700〜2100℃、好まし
くは1900〜2000℃の温度で1時間以上焼成し結晶化する
ことにより、Si3N4粒子の粒界相が実質的に結晶相であ
る本発明の窒化珪素焼結体を得ることができる。
が、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。
m、BET比表面積17m2/gの窒化珪素原料粉末82.6重量%
と、純度99.9重量%、平均粒径0.3〜2.5μmの希土類酸
化物(Y2O3/Yb2O3=3.4/14(wt%))17.4重量%と、純
度99重量%、平均粒径0.4μm、BET比表面積20m2/gのSi
Cを外配量で1重量%の割合で調合し、窒化珪素質磁器
製玉石と内容積100の媒体撹拌型粉砕機を用いて、原
料調合物40kgに対して玉石100kg、水を加え、4時間粉
砕した。その後、水を蒸発させ粒径50μmに造粒し成形
用粉末とした。次に、7ton/cm2の圧力で静水圧プレス
し、50×40×6mmの成形体を作製し、第1表記載のサヤ
内成形体を詰め量及び焼成条件で焼成し、本発明の窒化
珪素焼結体No.1〜14を得た。また、同じ原料を用い同一
の調合割合で調合し、同じく粉砕、造粒、成形し、その
後第1表記載のサヤ内成形体詰め量及び焼成条件で焼成
して、比較例No.1〜7の焼結体を得た。
00℃における四点曲げ強度を測定した。結果を第1表に
示す。第1表において、焼結体の嵩密度はアルキメデス
法により測定した。尚、表中には、理論密度に対する値
として記載した。ただし、理論密度は、調合粉末組成と
調合物の密度より計算した。調合物の密度は、Si3N4:3.
2g/cm3,Y2O3:5.0g/cm3,Yb2O3:9.2g/cm3,Tm2O3:8.8g/c
m3,Lu2O3:9.4g/cm3,Er2O3:8.6g/cm3,SiC:3.2g/cm3を用
いた。四点曲げ強度は、JIS R−1601「ファイセラミッ
クスの曲げ強さ試験法」に従って測定した。粒界結晶相
は、CuKα線によるX線回折の結果から求めたものであ
り、第1表中Jはカスピディン構造の結晶でJCPDSカー
ド32−1451で代表されるSi3N4・4Y2O3・SiO2と同じ型の
同折線をもち、Yの結晶学的位置は他の希土類元素で置
換できる。Hはアパタイト構造の結晶でJCPDSカード30
−1462に代表されるSi3N4・10Y2O3・9SiO2と同じ型の回
折線をもち、Yの結晶学的位置は他の希土類元素で置換
できる。Kは珪灰石構造の結晶でJCPDSカード31−1462
で代表される2Y2O3・SiO2・Si3N4と同じ型の回折線をも
ち、Yの結晶学的位置は他の希土類元素で置換できる。
LはRe2SiO5(Re:希土類元素)で表わされる結晶でJCPD
Sカード21−1456,21−1458,21−1461,22−992,36−1476
のいずれかと同じ型の回折線をもつ。SはRe2SiO7(Re:
希土類元素)で表わされる結晶でJCPDSカード20−1416,
21−1457,21−1459,21−1460,22−994,22−1103のいず
れかと同じ型の回折線をもつ。
度99.9重量%、平均粒径0.3〜2.5μmの希土類酸化物、
および純度99重量%、平均粒径0.4μm、BET比表面積20
m2/gのSiC、WC、MoC等の炭化物を第2表記載の割合で調
合し、実施例1〜14と同様に粉砕、造粒、成形し、その
後第2表記載のサヤ内成形体詰め量及び焼成条件で焼成
し、本発明の窒化珪素焼結体No.15〜24を得た。また、
同じ原料を用い同一の調合割合で調合し、同じく粉砕、
造粒、成形し、その後第2表記載のサヤ内成形体詰め量
及び焼成条件で焼成して、比較例No.8〜11の焼結体を得
た。
1400℃における四点曲げ強度を実施例1〜14と同様の方
法で測定した。結果を第2表に示す。
定の範囲内で焼成した本発明の実施例No.1〜24の焼結体
は、高温での強度が高く室温強度からの低下が小さい。
これに対して、サヤ内詰め量が所定の範囲を逸脱した比
較例No.1〜11は高温での強度劣化が著しいことがわか
る。
体の製造法によれば、所定の希土類酸化物を含有するSi
3N4粉末中に炭化物を添加し得られた成形体をN2雰囲気
中所定のサヤ内詰め量の範囲で焼成して結晶化すること
により、Si3N4粒子の粒界相を実質的に結晶相とした焼
結体が得られ、高温においても常温とほぼ同程度の高強
度を有する焼結体を得ることができる。
関係を示すグラフである。
Claims (2)
- 【請求項1】窒化珪素粉末、希土類酸化物粉末及び炭化
物粉末から主としてなる原料を混合し成形して成形体を
得た後、該成形体を1700〜2100℃の窒素雰囲気下におい
て、下記式の範囲内で焼成することを特徴とする窒化珪
素焼結体の製造法。 (0.025x−0.05)<y≦0.1x 〔ここで、xは焼成時間(hr)、yは(サヤ内に充填す
る成形体重量(g))/(サヤ内容積(cc))を示
す。〕 - 【請求項2】前記希土類酸化物粉末がY及び/またはYb
からなる請求項1記載の窒化珪素焼結体の製造法。
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