JPH07206526A - 窒化珪素焼結体の製造方法 - Google Patents

窒化珪素焼結体の製造方法

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JPH07206526A
JPH07206526A JP6000816A JP81694A JPH07206526A JP H07206526 A JPH07206526 A JP H07206526A JP 6000816 A JP6000816 A JP 6000816A JP 81694 A JP81694 A JP 81694A JP H07206526 A JPH07206526 A JP H07206526A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】柱状晶の成長を促進させるとともに焼結体の組
織を微細で均一とする焼結助剤を開拓し、高強度の窒化
珪素焼結体とする。 【構成】窒化珪素粉末と焼結助剤とを混合し、所定形状
の成形体を成形した後、成形体を窒素雰囲気中で140
0〜1650℃の温度範囲で焼結する窒化珪素焼結体の
製造方法であって、焼結助剤としてY2 3 とTiO2
及びMgAl2 4 を総添加量が5〜15重量%となる
ように用い、重量比(Y2 3 +TiO2)/MgAl
2 4 を0.3〜4、重量比Y2 3 /TiO2 を0.
2以上としたことを特徴とする。TiO2 を含む3成分
系の焼結助剤を最適な比率で用いることにより、焼結体
組織が微細化するとともに、柱状晶の成長が促進され、
高強度の焼結体を製造することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス製品とし
て広く用いられている窒化珪素焼結体の製造方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】窒化珪素焼結体の強度を向上させるため
に、従来よりイットリア(Y2 3 )、酸化スカンジウ
ム、酸化ハフニウムあるいはスピネル(MgAl
2 4 )などの焼結助剤が用いられている。例えば、イ
ットリアを焼結助剤として用いることにより、焼結体組
織に柱状晶が生成され、高強度が得られることが知られ
ている。
【0003】またイットリアとスピネルとを併用するの
も有効であり、例えば特開平5−32460号公報に
は、焼結助剤としてイットリアとスピネルを総添加量で
5〜15重量%、スピネルに対するイットリアの重量比
を0.3〜10の範囲で用いることが記載されている。
このようにイットリアとスピネルとを併用することによ
り、1400〜1650℃という低温での焼結が可能と
なる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、特開平5−
32460号公報に記載のようにイットリアとスピネル
を焼結助剤として併用して低温で焼結した場合には、得
られる窒化珪素焼結体の室温強度は向上するものの、そ
の組織は均一とはいえず粗大粒子もみられ、また柱状晶
の成長度合いにばらつきがあることも明らかとなった。
この組織の不均一さが強度に悪影響を及ぼしていること
も充分に考えられる。
【0005】またイットリアなどの希土類酸化物は高価
であり、得られる窒化珪素焼結体も高価となるという問
題がある。本発明はこのような事情に鑑みてなされたも
のであり、柱状晶の成長を促進させるとともに焼結体の
組織を微細で均一とする焼結助剤を開拓し、高強度の窒
化珪素焼結体とすることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の窒化珪素焼結体の製造方法は、窒化珪素粉末と焼結
助剤とを混合し、所定形状の成形体を成形した後、成形
体を窒素雰囲気中で1400〜1650℃の温度範囲で
焼結する窒化珪素焼結体の製造方法であって、焼結助剤
としてイットリア(Y2 3 )とチタニア(TiO2
及びスピネル(MgAl2 4 )を総添加量が5〜15
重量%となるように用い、重量比(Y 2 3 +Ti
2 )/MgAl2 4 を0.3〜4、重量比Y2 3
/TiO2を0.2以上としたことを特徴とする。
【0007】また第2の発明の本発明の窒化珪素焼結体
の製造方法は、窒化珪素粉末と焼結助剤とを混合し、所
定形状の成形体を成形した後、成形体を窒素雰囲気中で
1400〜1650℃の温度範囲で焼結する窒化珪素焼
結体の製造方法であって、焼結助剤としてジルコニア
(ZrO2 )とチタニア(TiO2 )及びスピネル(M
gAl2 4 )を総添加量が5〜15重量%となるよう
に用い、重量比(ZrO2 +TiO2 )/MgAl2
4 を0.3〜4、重量比ZrO2 /TiO2を0.2以
上としたことを特徴とする。
【0008】
【作用】本発明の窒化珪素焼結体の製造方法では、焼結
助剤をイットリア、チタニア及びスピネルの3成分系、
又はジルコニア、チタニア及びスピネルの3成分系と
し、各酸化物の混合比率を請求項1又は請求項2に記載
の構成としたことにより、理由は不明であるが2成分系
に比べて窒化珪素焼結体の組織が一層微細化され、柱状
晶の成長が促進される。したがって焼結体の強度が向上
する。
【0009】またイットリアの代わりにジルコニアを用
いることにより、焼結助剤が安価となりその結果窒化珪
素焼結体も安価となる。焼結助剤の総添加量を5〜15
重量%としたのは、5重量%未満では低温域での焼結が
困難となって焼結体の強度が低下するからであり、15
重量%を超えて添加すると緻密な焼結体は得られるもの
の強度が低下するからである。
【0010】また重量比(Y2 3 +TiO2 )/Mg
Al2 4 を0.3〜4としたのは、この比が0.3よ
り小さいと柱状晶の成長が見られず強度が低下するから
であり、この比が4を超えると焼結体の緻密化が困難と
なるからである。そして重量比Y2 3 /TiO2
0.2以上としたのは、0.2より小さいと緻密化が阻
害されるからである。なお上限は特に規定されないが、
重量比Y23 /TiO2 =1をピークとして強度は徐
々に低下する傾向にあり、イットリア/スピネルの2成
分系の焼結助剤を用いて焼結された焼結体の強度に漸近
する。
【0011】また重量比(ZrO2 +TiO2 )/Mg
Al2 4 を0.3〜4としたのは、この比が0.3よ
り小さいと柱状晶の成長が見られず強度が低下するから
であり、この比が4を超えると焼結体の緻密化が困難と
なるからである。そして重量比ZrO2 /TiO2
0.2以上としたのは、0.2より小さいと緻密化が阻
害されるからである。なお上限は特に規定されないが、
重量比ZrO2 /TiO2 =1をピークとして強度は徐
々に低下する傾向にあり、ジルコニア/スピネルの2成
分系の焼結助剤を用いて焼結された焼結体の強度に漸近
する。
【0012】
【実施例】以下、実施例により具体的に説明する。 (実施例1〜25,比較例1〜7)先ず、シリコンジイ
ミドの熱分解法で得られた窒化珪素粉末(平均粒径0.
2μm,α化率97%)と、金属シリコンの直接窒化法
で得られた窒化珪素粉末(平均粒径0.9μm,α化率
92%)の2種類の窒化珪素(Si3 4 )粉末を用意
した。
【0013】また別に、イットリア(Y2 3 )粉末
(平均粒径0.3μm,純度99.9%)、ジルコニア
(ZrO2 )粉末(平均粒径0.3μm,純度99.9
%)、チタニア(TiO2 )粉末(平均粒径0.2μ
m、純度99.9%)及びスピネル(MgAl2 4
粉末(平均粒径0.3μm,純度99.9%)を用意し
た。
【0014】これらの粉末を、表1に示す比率でそれぞ
れ窒化珪素製ボールミルに投入して混合した。なお、実
施例10〜実施例12、実施例16、比較例15にのみ
直接窒化法で形成された窒化珪素粉末を用い、他は全て
シリコンジイミドの熱分解法で形成された窒化珪素粉末
を用いた。また実施例16と比較例15で用いた窒化珪
素は耐火物グレードのものである。
【0015】次に、得られた混合粉末を19.6MPa
の圧力で加圧成形し、さらに薄ゴムに詰めて真空封入後
294MPaの圧力でCIP処理して成形体を形成し
た。この成形体を表1に示す条件で、窒素ガス雰囲気中
で焼結した。昇温速度は1℃/minで最高温度に到達
するまでは圧力0.1Paの窒素ガス雰囲気下で昇温
し、最高温度到達後に表1に示す焼結圧力まで毎分1.
6Paの昇圧速度で加圧した。また最高温度での保持時
間は4時間である。
【0016】得られた焼結体について、それぞれ相対密
度とJIS−R−1601に規定される室温4点曲げ強
度を各10本測定し、平均値としての結果を表1に示
す。なお相対密度は、n−ブタノール置換法で求めた嵩
密度を理論密度で除して求めた値である。 (比較例8〜20)上記と同様のイットリア粉末、ジル
コニア粉末及びスピネル粉末を用意し、イットリア−ス
ピネル、又はジルコニア−スピネルの2成分系の混合焼
結助剤として、シリコンジイミドの熱分解法で形成され
た窒化珪素粉末と表2に示す比率で混合した。
【0017】この混合粉末から上記と同様にして成形
し、上記と同様に昇温して表1に示す条件で焼結した。
そして上記と同様にして相対密度と室温4点曲げ強度を
測定し、結果を表2に示す。
【0018】
【表1】
【0019】
【表2】
【0020】(評価)実施例1〜15と比較例8〜20
を比較すると、チタニアを加えた3成分系の焼結助剤を
用いることにより、2成分系に比べて室温強度が向上し
ていることが明らかである。また、強度のばらつきの度
合いはワイブル係数で実施例の焼結体は比較例に比べて
1〜5大きな値を示し、実施例の方が強度のばらつきが
小さいことも確認された。このように実施例の焼結体が
高い強度を示すのは、焼結体組織が細かいこと、及び柱
状晶の成長が顕著となったことに起因すると考えられ
る。
【0021】実施例16と比較例15の焼結体の内部組
織写真(SEM)を図1及び図2に示す。これより実施
例16の焼結体の方が比較例15に比べて組織が細かく
均一となっていることが明らかである。実施例において
は、重量比(Y2 3 +TiO2 )/MgAl2 4
び重量比(ZrO2 +TiO2 )/MgAl2 4
1.5で、1550℃で焼結したものが最高の強度を示
し、最も好ましい条件といえる。そしてこの組成では、
1400℃という極めて低温の焼結でも900MPaを
超える強度を発現している。
【0022】そして焼結助剤総量が5重量%より少ない
比較例1では、1550℃の焼結では緻密化が困難で強
度が低い。また15重量%より多い比較例2では、焼結
体は緻密となるものの高い強度は得られない。重量比Y
2 3 /TiO2 が0.2より小さい比較例3では、緻
密化が困難となって強度が低くなっている。
【0023】重量比(Y2 3 +TiO2 )/MgAl
2 4 が0.3より小さい比較例4では、緻密な焼結体
は得られるが強度が低い。これは柱状晶の成長が顕著で
はないからである。またこの重量比が4より大きな比較
例5では、緻密化しないため強度が低い。さらに、焼結
温度が1400℃より低い比較例6では、緻密化が困難
であるため強度が低く、1650℃を超える温度で焼結
された比較例7では、緻密化は達成されているものの、
焼結体組織が大きくなるため高い強度は得られない。
【0024】
【発明の効果】すなわち本発明の窒化珪素焼結体の製造
方法によれば、低温焼結によっても高強度の窒化珪素焼
結体を安定して容易に製造することができる。そしてイ
ットリアに代えてジルコニアを用いれば、高強度を維持
しつつ原料が安価な分だけ安価な窒化珪素焼結体を製造
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例で得られた焼結体の結晶構造
を示す顕微鏡写真の代用図面である。
【図2】比較例で得られた焼結体の結晶構造を示す顕微
鏡写真の代用図面である。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成6年1月18日
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図1
【補正方法】変更
【補正内容】
【図1】
【手続補正2】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図2
【補正方法】変更
【補正内容】
【図2】

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 窒化珪素粉末と焼結助剤とを混合し、所
    定形状の成形体を成形した後、該成形体を窒素雰囲気中
    で1400〜1650℃の温度範囲で焼結する窒化珪素
    焼結体の製造方法であって、 前記焼結助剤としてイットリア(Y2 3 )とチタニア
    (TiO2 )及びスピネル(MgAl2 4 )を総添加
    量が5〜15重量%となるように用い、重量比(Y2
    3 +TiO2 )/MgAl2 4 を0.3〜4、重量比
    2 3 /TiO2 を0.2以上としたことを特徴とす
    る窒化珪素焼結体の製造方法。
  2. 【請求項2】 窒化珪素粉末と焼結助剤とを混合し、所
    定形状の成形体を成形した後、該成形体を窒素雰囲気中
    で1400〜1650℃の温度範囲で焼結する窒化珪素
    焼結体の製造方法であって、 前記焼結助剤としてジルコニア(ZrO2 )とチタニア
    (TiO2 )及びスピネル(MgAl2 4 )を総添加
    量が5〜15重量%となるように用い、重量比(ZrO
    2 +TiO2 )/MgAl2 4 を0.3〜4、重量比
    ZrO2 /TiO2 を0.2以上としたことを特徴とす
    る窒化珪素焼結体の製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007308368A (ja) * 2007-07-13 2007-11-29 Toshiba Corp 窒化けい素製耐摩耗性部材の製造方法
WO2024043230A1 (ja) * 2022-08-24 2024-02-29 Agc株式会社 窒化ケイ素焼結体及び窒化ケイ素焼結体の製造方法

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