JPH07138073A - 窒化珪素反応焼結体の製造方法 - Google Patents
窒化珪素反応焼結体の製造方法Info
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- JPH07138073A JPH07138073A JP5280971A JP28097193A JPH07138073A JP H07138073 A JPH07138073 A JP H07138073A JP 5280971 A JP5280971 A JP 5280971A JP 28097193 A JP28097193 A JP 28097193A JP H07138073 A JPH07138073 A JP H07138073A
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- silicon nitride
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 高密度・高強度の窒化珪素反応焼結体を得
る。 【構成】 平均粒径が５〜３００μｍの珪素粉末で成形
体を製造し、この成形体を窒素と水素の混合ガス雰囲気
中で第１段目の窒化処理をし、次に窒素のみの雰囲気中
で第２段目の窒化処理をし、この後に焼結処理をする。
る。 【構成】 平均粒径が５〜３００μｍの珪素粉末で成形
体を製造し、この成形体を窒素と水素の混合ガス雰囲気
中で第１段目の窒化処理をし、次に窒素のみの雰囲気中
で第２段目の窒化処理をし、この後に焼結処理をする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は窒化珪素反応焼結体の製
造方法の改良に関する。
造方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】車両用等部品のセラミックス化に伴って
窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）の製造技術の改良研究が進めら
れ、例えば特開昭６３−７９７６３号公報にて窒化雰囲
気ガスに窒化促進ガス（水素、ヘリウム、アンモニア、
硫化水素、アルゴンのうちの少なくとも１種）を含有さ
せて窒化の促進を図る技術、また特開昭６２−１３２７
７５号公報にて窒素ガスに３０〜６０容量％の水素を含
有させて窒化率の変動を抑える技術が提案されている。
窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）の製造技術の改良研究が進めら
れ、例えば特開昭６３−７９７６３号公報にて窒化雰囲
気ガスに窒化促進ガス（水素、ヘリウム、アンモニア、
硫化水素、アルゴンのうちの少なくとも１種）を含有さ
せて窒化の促進を図る技術、また特開昭６２−１３２７
７５号公報にて窒素ガスに３０〜６０容量％の水素を含
有させて窒化率の変動を抑える技術が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らも、窒素と
水素の混合ガス中で窒化処理をなす研究を続けている。
即ち窒素と水素の混合ガス中で窒化することで珪素（Ｓ
ｉ）の表面が活性化され１３００℃程度から窒化が進行
し、低温型の微細なα−Ｓｉ3Ｎ4が生成され、その後の
焼結処理を経て高密度・高強度の焼結体が得られる。し
かし、窒素と水素の混合ガス中での窒化時に少量の珪素
が残留し、そのために焼結体に若干ではあるがポア（空
洞）が残り、強度を低下させるなど不都合があることが
分った。
水素の混合ガス中で窒化処理をなす研究を続けている。
即ち窒素と水素の混合ガス中で窒化することで珪素（Ｓ
ｉ）の表面が活性化され１３００℃程度から窒化が進行
し、低温型の微細なα−Ｓｉ3Ｎ4が生成され、その後の
焼結処理を経て高密度・高強度の焼結体が得られる。し
かし、窒素と水素の混合ガス中での窒化時に少量の珪素
が残留し、そのために焼結体に若干ではあるがポア（空
洞）が残り、強度を低下させるなど不都合があることが
分った。
【０００４】
【課題を解決するための手段及び作用】そこで本発明者
らは窒化時での残留珪素の量を減少させるべく鋭意研究
を進め、２段窒化法（第１段目は窒素と水素の混合雰囲
気、第２段目は窒素のみの雰囲気）で残留珪素の減少が
図れることを見出すことに成功した。具体的には、平均
粒径が５〜３００μｍの珪素粉末で成形体を製造し、こ
の成形体を窒素と水素の混合ガス雰囲気中で第１段目の
窒化処理をし、次に窒素のみの雰囲気中で第２段目の窒
化処理をし、この後に焼結処理をする。
らは窒化時での残留珪素の量を減少させるべく鋭意研究
を進め、２段窒化法（第１段目は窒素と水素の混合雰囲
気、第２段目は窒素のみの雰囲気）で残留珪素の減少が
図れることを見出すことに成功した。具体的には、平均
粒径が５〜３００μｍの珪素粉末で成形体を製造し、こ
の成形体を窒素と水素の混合ガス雰囲気中で第１段目の
窒化処理をし、次に窒素のみの雰囲気中で第２段目の窒
化処理をし、この後に焼結処理をする。
【０００５】なお、成形に用いる珪素粉末は、実質的に
独立した粒度領域を有する２種類以上の珪素粉末を混合
したものであることが好ましい。
独立した粒度領域を有する２種類以上の珪素粉末を混合
したものであることが好ましい。
【０００６】また、第１段目の窒化処理において、残留
珪素の割合は１０重量％を超えないようにするとよい。
珪素の割合は１０重量％を超えないようにするとよい。
【０００７】
【実施例】本発明方法の実施例を以下に説明する。 （１）珪素粉末の調整 次に示す独立した粒度分布領域を有する下記，の珪
素粉末に窒化珪素及び助剤を加え、ボールミルで十分に
混合し、乾燥することで成形体用の珪素粉末を調整す
る。 Ｓｉ粉末；混合割合 ６０．５重量％（Ｓｉ3Ｎ4換算値） 平均粒度 ３３μｍ Ｓｉ粉末；混合割合 ２６重量％（Ｓｉ3Ｎ4換算値） 平均粒度 ３μｍ Ｓｉ3Ｎ4粉末；混合割合 １０重量％ Ｙ2Ｏ3粉末；混合割合 ２．５重量％ Ａｌ2Ｏ3粉末；混合割合 １．０重量％ （２）成形 上記珪素粉末を金型プレスにて、仮成形後、ＣＩＰで本
成形する。
素粉末に窒化珪素及び助剤を加え、ボールミルで十分に
混合し、乾燥することで成形体用の珪素粉末を調整す
る。 Ｓｉ粉末；混合割合 ６０．５重量％（Ｓｉ3Ｎ4換算値） 平均粒度 ３３μｍ Ｓｉ粉末；混合割合 ２６重量％（Ｓｉ3Ｎ4換算値） 平均粒度 ３μｍ Ｓｉ3Ｎ4粉末；混合割合 １０重量％ Ｙ2Ｏ3粉末；混合割合 ２．５重量％ Ａｌ2Ｏ3粉末；混合割合 １．０重量％ （２）成形 上記珪素粉末を金型プレスにて、仮成形後、ＣＩＰで本
成形する。
【０００８】（３）第１段目の窒化処理 図１は本発明方法に係る窒化処理のための温度曲線図で
あり、横軸は時間、縦軸は窒化温度である。第１段目の
窒化処理は、成形体を窒化炉（図示せず）に挿入し、次
の条件で実施する。 設 備；窒化炉 窒化温度；１４００℃で４〜８時間保持（図１の左半
部） 雰囲気ガス；窒素ガス９０容量％と水素ガス１０容量％
の混合ガス
あり、横軸は時間、縦軸は窒化温度である。第１段目の
窒化処理は、成形体を窒化炉（図示せず）に挿入し、次
の条件で実施する。 設 備；窒化炉 窒化温度；１４００℃で４〜８時間保持（図１の左半
部） 雰囲気ガス；窒素ガス９０容量％と水素ガス１０容量％
の混合ガス
【０００９】（４）第２段目の窒化処理 前記第１段目の窒化処理後、窒化炉をパージ（掃気）
し、雰囲気ガスを入れ換え、第２段目の窒化処理を次の
条件で実施する。 設 備；窒化炉 窒化温度；１４００℃で４〜８時間保持（図１の右半
部） 雰囲気ガス；窒素ガス１００容量％
し、雰囲気ガスを入れ換え、第２段目の窒化処理を次の
条件で実施する。 設 備；窒化炉 窒化温度；１４００℃で４〜８時間保持（図１の右半
部） 雰囲気ガス；窒素ガス１００容量％
【００１０】（５）焼結処理 図２は本発明方法に係る焼結処理のための温度曲線図で
ある。前記窒化処理を施された窒化体（成形体を窒化し
たものを便宜上窒化体と言う。）を別の焼結炉（図示せ
ぬ）に入れ、次の条件で焼結する。 設 備；焼結炉 焼結温度；１９００℃で４時間保持（図２） 雰囲気ガス；室温にて３．５ｋｇ／ｃｍ2の窒素ガス、
１９００℃にて９．０ｋｇ／ｃｍ2の窒素ガスを封入
ある。前記窒化処理を施された窒化体（成形体を窒化し
たものを便宜上窒化体と言う。）を別の焼結炉（図示せ
ぬ）に入れ、次の条件で焼結する。 設 備；焼結炉 焼結温度；１９００℃で４時間保持（図２） 雰囲気ガス；室温にて３．５ｋｇ／ｃｍ2の窒素ガス、
１９００℃にて９．０ｋｇ／ｃｍ2の窒素ガスを封入
【００１１】以上の要領で製造した焼結体と従来方法で
製造した焼結体との比較を表１で説明する。
製造した焼結体との比較を表１で説明する。
【００１２】
【表１】
【００１３】実施例１は窒素と水素の混合ガス雰囲気中
で第１段目窒化（１４００℃，４時間キープ）と第２段
目窒化（１４００℃，４時間キープ）とを実施したもの
であり、残留Ｓｉは２ｗｔ％と極めて少なかった。そし
て、α型粒子の（α＋β）に対する割合は０．７５（７
５％）であり、室温における強度が５４０ＭＰａ、１３
００℃における強度が５１２ＭＰａと高水準であった。
なお、強度は３点曲げ強度である。
で第１段目窒化（１４００℃，４時間キープ）と第２段
目窒化（１４００℃，４時間キープ）とを実施したもの
であり、残留Ｓｉは２ｗｔ％と極めて少なかった。そし
て、α型粒子の（α＋β）に対する割合は０．７５（７
５％）であり、室温における強度が５４０ＭＰａ、１３
００℃における強度が５１２ＭＰａと高水準であった。
なお、強度は３点曲げ強度である。
【００１４】比較例１は窒素ガス雰囲気中で窒化（１４
００℃，８時間キープ）を実施したものであり、残留Ｓ
ｉは５ｗｔ％と多めであった。そして、α型粒子の（α
＋β）に対する割合は０．５（５０％）であり、室温に
おける強度が２８５ＭＰａ、１３００℃における強度が
２８０ＭＰａと低水準であった。
００℃，８時間キープ）を実施したものであり、残留Ｓ
ｉは５ｗｔ％と多めであった。そして、α型粒子の（α
＋β）に対する割合は０．５（５０％）であり、室温に
おける強度が２８５ＭＰａ、１３００℃における強度が
２８０ＭＰａと低水準であった。
【００１５】比較例２は窒素と水素の混合ガス雰囲気中
で窒化（１４００℃，８時間キープ）を実施したもので
あり、残留Ｓｉは９ｗｔ％と極めて多かった。そして、
α型粒子の（α＋β）に対する割合は０．８５（８５
％）であり、室温における強度が５１０Ｐａ、１３００
℃における強度が４５０ＭＰａとやや高水準であった。
で窒化（１４００℃，８時間キープ）を実施したもので
あり、残留Ｓｉは９ｗｔ％と極めて多かった。そして、
α型粒子の（α＋β）に対する割合は０．８５（８５
％）であり、室温における強度が５１０Ｐａ、１３００
℃における強度が４５０ＭＰａとやや高水準であった。
【００１６】即ち、実施例１は２段窒化を実施したため
に、比較例１よりも残留Ｓｉが減少し、しかも比較例２
よりも高強度である。窒素と水素の混合ガス雰囲気中で
第１段目窒化を行うと、珪素の表面が活性化され１３０
０℃程度から窒化が進行し、低温型の微細なα−Ｓｉ3
Ｎ4が生成される。しかしながら水素ガスの混合により
未反応の珪素が残留しやすくなる。そしてその後の第２
段目の窒素１００％の雰囲気で窒化処理を行うことで若
干α−Ｓｉ3Ｎ4比率は低下するが、残留ＳｉのＳｉ3Ｎ4
化が進行し、残留Ｓｉ量を低下させることができたと考
えられる。α−Ｓｉ3Ｎ4を多く含むことにより焼結体の
組織が針状組織の発達したものとなり残留Ｓｉの低下で
欠陥となるポア発生を低減できる。
に、比較例１よりも残留Ｓｉが減少し、しかも比較例２
よりも高強度である。窒素と水素の混合ガス雰囲気中で
第１段目窒化を行うと、珪素の表面が活性化され１３０
０℃程度から窒化が進行し、低温型の微細なα−Ｓｉ3
Ｎ4が生成される。しかしながら水素ガスの混合により
未反応の珪素が残留しやすくなる。そしてその後の第２
段目の窒素１００％の雰囲気で窒化処理を行うことで若
干α−Ｓｉ3Ｎ4比率は低下するが、残留ＳｉのＳｉ3Ｎ4
化が進行し、残留Ｓｉ量を低下させることができたと考
えられる。α−Ｓｉ3Ｎ4を多く含むことにより焼結体の
組織が針状組織の発達したものとなり残留Ｓｉの低下で
欠陥となるポア発生を低減できる。
【００１７】なお、本発明で用いる珪素粉末の平均粒径
は５〜３００μｍであり、その理由を次に述べる。平均
粒径が５μｍ未満のものを用いると成形体の密度が低下
して焼結による収縮率が大きくなり、良好な寸法精度が
得られない。また、得られる焼結体の強度及び靱性も低
下する。一方、平均粒径が３００μｍを超す珪素粉末を
用いると、Ｓｉが溶出したり、窒化に時間を要すること
になり好ましくない。従って、珪素粉末の平均粒径を５
〜１５０μｍとする。
は５〜３００μｍであり、その理由を次に述べる。平均
粒径が５μｍ未満のものを用いると成形体の密度が低下
して焼結による収縮率が大きくなり、良好な寸法精度が
得られない。また、得られる焼結体の強度及び靱性も低
下する。一方、平均粒径が３００μｍを超す珪素粉末を
用いると、Ｓｉが溶出したり、窒化に時間を要すること
になり好ましくない。従って、珪素粉末の平均粒径を５
〜１５０μｍとする。
【００１８】また本発明では粒径分布領域が実質的に異
なる２種以上の珪素粉末を混合して用いるのが好まし
い。その理由を次に述べる。図３（ａ），（ｂ）は本発
明方法に係る珪素粉末の粒度分布図であり、例えば、図
３の（ａ）又は（ｂ）に示すような粒径分布を有する珪
素粉末を用いるのが好ましい。ここで、（ａ）において
は、粒径が大きめの第一の分布１と、小さな粒径を有す
る第二の分布２とからなり、第一の分布１と第二の分布
２のカーブの裾は重さらない。このような２つの分布領
域を有する珪素粉末を用いる場合、粒径が大きめの第一
の分布１の珪素粉末量と粒径が小さめの第二の分布２の
珪素粉末量との重量比は７：３程度とするのが好まし
い。なお、第一の分布１と第二の分布２とが重なり合う
と（図中のＶの領域に粒子が存在すると）、グリーンの
密度が低下する。
なる２種以上の珪素粉末を混合して用いるのが好まし
い。その理由を次に述べる。図３（ａ），（ｂ）は本発
明方法に係る珪素粉末の粒度分布図であり、例えば、図
３の（ａ）又は（ｂ）に示すような粒径分布を有する珪
素粉末を用いるのが好ましい。ここで、（ａ）において
は、粒径が大きめの第一の分布１と、小さな粒径を有す
る第二の分布２とからなり、第一の分布１と第二の分布
２のカーブの裾は重さらない。このような２つの分布領
域を有する珪素粉末を用いる場合、粒径が大きめの第一
の分布１の珪素粉末量と粒径が小さめの第二の分布２の
珪素粉末量との重量比は７：３程度とするのが好まし
い。なお、第一の分布１と第二の分布２とが重なり合う
と（図中のＶの領域に粒子が存在すると）、グリーンの
密度が低下する。
【００１９】更に、本発明方法においては窒化時の残留
Ｓｉを１０重量％を超えないようにすることが望まし
い。第一段目の窒化で効果的に生じさせたα−Ｓｉ3Ｎ4
の比率を大きく低下させることなく、残留Ｓｉを低下さ
せることができるからである。
Ｓｉを１０重量％を超えないようにすることが望まし
い。第一段目の窒化で効果的に生じさせたα−Ｓｉ3Ｎ4
の比率を大きく低下させることなく、残留Ｓｉを低下さ
せることができるからである。
【００２０】
【発明の効果】以上に述べた通り本発明方法は、平均粒
径が５〜３００μｍの珪素粉末で成形体を製造し、この
成形体を窒素と水素の混合ガス雰囲気中で第１段目の窒
化処理をし、次に窒素のみの雰囲気中で第２段目の窒化
処理をし、この後に焼結処理をすることを特徴とし、２
段窒化することにより残留珪素の量を著しく少なくなる
ことに成功し、その結果、高強度の窒化珪素反応焼結体
を得ることができる。
径が５〜３００μｍの珪素粉末で成形体を製造し、この
成形体を窒素と水素の混合ガス雰囲気中で第１段目の窒
化処理をし、次に窒素のみの雰囲気中で第２段目の窒化
処理をし、この後に焼結処理をすることを特徴とし、２
段窒化することにより残留珪素の量を著しく少なくなる
ことに成功し、その結果、高強度の窒化珪素反応焼結体
を得ることができる。
【００２１】また、成形に用いる珪素粉末を、実質的に
独立した粒度領域を有する２種類以上の珪素粉末の混合
することにより、グリーンの密度を高めることができ
る。
独立した粒度領域を有する２種類以上の珪素粉末の混合
することにより、グリーンの密度を高めることができ
る。
【００２２】更にまた、第１段目の窒化処理において、
残留珪素の割合を１０重量％以下にするようにしたの
で、第１段目の窒化で効果的に生じさせたα−Ｓｉ3Ｎ4
の比率を大きく低下させることなく、残留Ｓｉを低下さ
せることができる。
残留珪素の割合を１０重量％以下にするようにしたの
で、第１段目の窒化で効果的に生じさせたα−Ｓｉ3Ｎ4
の比率を大きく低下させることなく、残留Ｓｉを低下さ
せることができる。
【図１】本発明方法に係る窒化処理のための温度曲線図
【図２】本発明方法に係る焼結処理のための温度曲線図
【図３】本発明方法に係る珪素粉末の粒度分布図
Claims (3)
- 【請求項１】 平均粒径が５〜３００μｍの珪素粉末で
成形体を製造し、この成形体を窒素と水素の混合ガス雰
囲気中で第１段目の窒化処理をし、次に窒素のみの雰囲
気中で第２段目の窒化処理をし、この後に焼結処理をす
ることを特徴とした窒化珪素反応焼結体の製造方法。 - 【請求項２】 前記成形に用いる珪素粉末は、実質的に
独立した粒度領域を有する２種類以上の珪素粉末を混合
したものであることを特徴とする請求項１記載の窒化珪
素反応焼結体の製造方法。 - 【請求項３】 前記第１段目の窒化処理において、残留
珪素の割合は１０重量％を超えない範囲であることを特
徴とする請求項１記載の窒化珪素反応焼結体の製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5280971A JPH07138073A (ja) | 1993-11-10 | 1993-11-10 | 窒化珪素反応焼結体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5280971A JPH07138073A (ja) | 1993-11-10 | 1993-11-10 | 窒化珪素反応焼結体の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07138073A true JPH07138073A (ja) | 1995-05-30 |
Family
ID=17632453
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5280971A Withdrawn JPH07138073A (ja) | 1993-11-10 | 1993-11-10 | 窒化珪素反応焼結体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07138073A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190063580A (ko) * | 2017-11-30 | 2019-06-10 | (주) 존인피니티 | 신규한 질화규소 분말의 제조방법 |
-
1993
- 1993-11-10 JP JP5280971A patent/JPH07138073A/ja not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190063580A (ko) * | 2017-11-30 | 2019-06-10 | (주) 존인피니티 | 신규한 질화규소 분말의 제조방법 |
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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: 20010130 |