JPH07291737A - 窒化ケイ素セラミックスの常圧焼結方法 - Google Patents
窒化ケイ素セラミックスの常圧焼結方法Info
- Publication number
- JPH07291737A JPH07291737A JP6092143A JP9214394A JPH07291737A JP H07291737 A JPH07291737 A JP H07291737A JP 6092143 A JP6092143 A JP 6092143A JP 9214394 A JP9214394 A JP 9214394A JP H07291737 A JPH07291737 A JP H07291737A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sintering
- silicon nitride
- stage
- temperature
- nitrogen
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Abstract
(57)【要約】
【目的】 最低強度及び平均強度がともに高く、低コス
トで信頼性に優れた窒化ケイ素系焼結体を得るための焼
結方法を提供する。 【構成】 焼結助剤を添加した窒化ケイ素粉末の成形体
を焼結するに際し、第１段階で窒素又は窒素含有不活性
ガス雰囲気下に１６００〜１８００℃で常圧焼結した
後、第２段階で第１段階よりも低い温度で３５０torr以
下の減圧雰囲気に保持することを特徴とする。
トで信頼性に優れた窒化ケイ素系焼結体を得るための焼
結方法を提供する。 【構成】 焼結助剤を添加した窒化ケイ素粉末の成形体
を焼結するに際し、第１段階で窒素又は窒素含有不活性
ガス雰囲気下に１６００〜１８００℃で常圧焼結した
後、第２段階で第１段階よりも低い温度で３５０torr以
下の減圧雰囲気に保持することを特徴とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は最低強度及び平均強度が
ともに高く、低コストで信頼性に優れた窒化ケイ素系焼
結体を得るための焼結方法に関するものである。
ともに高く、低コストで信頼性に優れた窒化ケイ素系焼
結体を得るための焼結方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術及びその問題点】熱膨張係数が小さく、強
度、耐摩耗性、耐食性及び耐熱性などに優れた窒化ケイ
素系セラミックスは（高温）構造材料としての最有力候
補である。このため、ガスタービン、ディーゼルエンジ
ンなどへの応用が期待され、それらに関する開発研究が
精力的に進められている。一方、窒化ケイ素は共有結合
性の強い難焼結性材料であるため、自己焼結性は期待で
きない。従って、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3などの金属
酸化物を添加することにより焼結時、粒界に液相を生成
させ、粘性流動機構によりち密化を促進させる方法が一
般的である。
度、耐摩耗性、耐食性及び耐熱性などに優れた窒化ケイ
素系セラミックスは（高温）構造材料としての最有力候
補である。このため、ガスタービン、ディーゼルエンジ
ンなどへの応用が期待され、それらに関する開発研究が
精力的に進められている。一方、窒化ケイ素は共有結合
性の強い難焼結性材料であるため、自己焼結性は期待で
きない。従って、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3などの金属
酸化物を添加することにより焼結時、粒界に液相を生成
させ、粘性流動機構によりち密化を促進させる方法が一
般的である。
【０００３】これらの手法としてホットプレス、常圧、
雰囲気加圧及びＨＩＰなどの焼結方法が採られている。
これらのうち、常圧焼結を除く他の方法は、比較的優れ
た特性の焼結体が得られるものの焼結コストが高くつ
き、しかも処理が繁雑であるという欠点がある。−方、
常圧焼結法は焼結コスト面では有利であるが、優れた特
性の焼結体が得られないという欠点がある。このように
現状では、焼結体特性と焼結コストを共に満足する焼結
方法は無いのが実状である。これらの方法で得られたセ
ラミックス焼結体は前述のように、金属材料では解決で
きない厳しい環境下での使用も可能な多くの優れた特性
を有している。その反面、ぜい性材料であるため、材料
強度は焼結体内の各種の欠陥によって大きく左右される
ことが分かっている。
雰囲気加圧及びＨＩＰなどの焼結方法が採られている。
これらのうち、常圧焼結を除く他の方法は、比較的優れ
た特性の焼結体が得られるものの焼結コストが高くつ
き、しかも処理が繁雑であるという欠点がある。−方、
常圧焼結法は焼結コスト面では有利であるが、優れた特
性の焼結体が得られないという欠点がある。このように
現状では、焼結体特性と焼結コストを共に満足する焼結
方法は無いのが実状である。これらの方法で得られたセ
ラミックス焼結体は前述のように、金属材料では解決で
きない厳しい環境下での使用も可能な多くの優れた特性
を有している。その反面、ぜい性材料であるため、材料
強度は焼結体内の各種の欠陥によって大きく左右される
ことが分かっている。
【０００４】これらの背景から、セラミックス材料を構
造材料として応用する際の大きな障害のひとつが、強度
のバラツキを含む信頼性の問題である。更に、材料設計
においてはワイブル係数、最低強度及び保証し得る応力
値などが共に高いことが、高信頼性材料の要件と考えら
れている。窒化ケイ素の理論強度は本来極めて高いにも
かかわらず、現実の焼結体強度は、理論強度の１／１０
０以下である。これら強度を低下させている原因として
は、焼結体内に存在する各種の欠陥、つまり異物、ポ
ア、未発達な微細組織及び粒子の異常粒成長などが考え
られている。特に、異物、マクロポア及び異常粒子は最
低強度に直接関係するため、これらの欠陥をなくする、
あるいはこれらの欠陥サイズを小さくすることが最低強
度を向上させる上で最も重要である。
造材料として応用する際の大きな障害のひとつが、強度
のバラツキを含む信頼性の問題である。更に、材料設計
においてはワイブル係数、最低強度及び保証し得る応力
値などが共に高いことが、高信頼性材料の要件と考えら
れている。窒化ケイ素の理論強度は本来極めて高いにも
かかわらず、現実の焼結体強度は、理論強度の１／１０
０以下である。これら強度を低下させている原因として
は、焼結体内に存在する各種の欠陥、つまり異物、ポ
ア、未発達な微細組織及び粒子の異常粒成長などが考え
られている。特に、異物、マクロポア及び異常粒子は最
低強度に直接関係するため、これらの欠陥をなくする、
あるいはこれらの欠陥サイズを小さくすることが最低強
度を向上させる上で最も重要である。
【０００５】粉末から成形体に至る過程で混入する異物
に対しては、製造プロセス及び製造環境を整備すれば、
ほぼ問題解決が可能である。また、異常粒成長に対して
は、焼結助剤の均一混合及び焼結時の温度管理を十分に
行うことで解決が可能であることが分かっている。一
方、焼結体中に残存するポアの生成原因に関しては、粉
末性状、造粒方法、成形方法及び焼結方法など多くの因
子が関係すると言われている。ホットプレス、雰囲気加
圧、ＨＩＰの各焼結方法は、これらのポアを焼結過程で
拡散あるいは消滅させて最終焼結体内にポアを残さない
ことを目的とした手法である。しかし、いずれの方法
も、装置及び焼結コストが高く工業的に有利な方法とは
言えない。
に対しては、製造プロセス及び製造環境を整備すれば、
ほぼ問題解決が可能である。また、異常粒成長に対して
は、焼結助剤の均一混合及び焼結時の温度管理を十分に
行うことで解決が可能であることが分かっている。一
方、焼結体中に残存するポアの生成原因に関しては、粉
末性状、造粒方法、成形方法及び焼結方法など多くの因
子が関係すると言われている。ホットプレス、雰囲気加
圧、ＨＩＰの各焼結方法は、これらのポアを焼結過程で
拡散あるいは消滅させて最終焼結体内にポアを残さない
ことを目的とした手法である。しかし、いずれの方法
も、装置及び焼結コストが高く工業的に有利な方法とは
言えない。
【０００６】
【発明の目的】本発明の目的は、前記問題点を解決し、
最低強度及び平均強度がともに高く、低コストで信頼性
に優れた窒化ケイ素系焼結体を得るための焼結方法を提
供するものである。
最低強度及び平均強度がともに高く、低コストで信頼性
に優れた窒化ケイ素系焼結体を得るための焼結方法を提
供するものである。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】本発明者らは上記の点
に鑑み、前記の高圧あるいは高圧雰囲気に依らず、常圧
と減圧の各雰囲気を組み合わせて利用することにより焼
結コストが安く、信頼性の高い窒化ケイ素系セラミック
ス材料を得るための各種の検討を繰り返した結果、この
発明に至ったものである。即ち、本発明は、焼結助剤を
添加した窒化ケイ素粉末の成形体を焼結するに際し、第
１段階で窒素又は窒素含有不活性ガス雰囲気下に１６０
０〜１８００℃で常圧焼結した後、第２段階で第１段階
よりも低い温度で３５０torr以下の減圧雰囲気に保持す
ることを特徴とする窒化ケイ素セラミックスの常圧焼結
方法に関する。
に鑑み、前記の高圧あるいは高圧雰囲気に依らず、常圧
と減圧の各雰囲気を組み合わせて利用することにより焼
結コストが安く、信頼性の高い窒化ケイ素系セラミック
ス材料を得るための各種の検討を繰り返した結果、この
発明に至ったものである。即ち、本発明は、焼結助剤を
添加した窒化ケイ素粉末の成形体を焼結するに際し、第
１段階で窒素又は窒素含有不活性ガス雰囲気下に１６０
０〜１８００℃で常圧焼結した後、第２段階で第１段階
よりも低い温度で３５０torr以下の減圧雰囲気に保持す
ることを特徴とする窒化ケイ素セラミックスの常圧焼結
方法に関する。
【０００８】以下この焼結法について具体的に説明す
る。まず、窒化ケイ素粉末に焼結助剤を添加、混合して
得られた粉末を成形する。窒化ケイ素粉末としては、特
に制限はないが、非晶質窒化ケイ素粉末及び／又は含窒
素シラン化合物を窒素含有不活性ガス雰囲気下、または
窒素含有還元性ガス雰囲気下に焼成する、いわゆるイミ
ド分解法により得られる窒化ケイ素粉末が好ましく用い
られる。焼結助剤としては、アルミナ、イットリア、シ
リカ等の従来公知の焼結助剤を用いることができる。窒
化ケイ素粉末と焼結助剤との混合粉末は、成形性を良く
するためにスプレー造粒することが好ましい。得られた
混合粉末を、金型プレス成形、泥漿鋳込み成形、ラバー
プレス成形、射出成形等により所望の形状に成形する。
る。まず、窒化ケイ素粉末に焼結助剤を添加、混合して
得られた粉末を成形する。窒化ケイ素粉末としては、特
に制限はないが、非晶質窒化ケイ素粉末及び／又は含窒
素シラン化合物を窒素含有不活性ガス雰囲気下、または
窒素含有還元性ガス雰囲気下に焼成する、いわゆるイミ
ド分解法により得られる窒化ケイ素粉末が好ましく用い
られる。焼結助剤としては、アルミナ、イットリア、シ
リカ等の従来公知の焼結助剤を用いることができる。窒
化ケイ素粉末と焼結助剤との混合粉末は、成形性を良く
するためにスプレー造粒することが好ましい。得られた
混合粉末を、金型プレス成形、泥漿鋳込み成形、ラバー
プレス成形、射出成形等により所望の形状に成形する。
【０００９】次に、この成形体を焼結炉に装てんし、第
１段階で窒素又は窒素含有不活性ガス雰囲気下に１６０
０〜１８００℃で常圧焼結した後、第２段階で第１段階
よりも低い温度で３５０torr以下の減圧雰囲気に保持す
る。第１段階では、加熱に先立ち、炉内雰囲気圧力を１
０-1torrにまで減圧する。そして減圧雰囲気下に４００
〜１３００℃まで昇温する。これにより、成形体表面の
吸着成分を除去する。次いで、窒素又は窒素含有不活性
ガスを導入し、炉内雰囲気圧力を常圧にした後、１６０
０〜１８００℃に昇温し常圧焼結を行う。この段階で焼
結体はほぼ完全にち密化を完了している。次に、第２段
階では、第１段階の焼結温度よりも、好ましくは５０〜
３５０℃、さらに好ましくは１００〜２５０℃低い温度
まで降温する。次いで炉内雰囲気を３５０torr以下の減
圧雰囲気に保持する。このとき、圧力が低すぎると窒化
ケイ素の昇華分解が起こるので、保持温度において昇華
分解が起こる圧力よりも高くすることが好ましい。
１段階で窒素又は窒素含有不活性ガス雰囲気下に１６０
０〜１８００℃で常圧焼結した後、第２段階で第１段階
よりも低い温度で３５０torr以下の減圧雰囲気に保持す
る。第１段階では、加熱に先立ち、炉内雰囲気圧力を１
０-1torrにまで減圧する。そして減圧雰囲気下に４００
〜１３００℃まで昇温する。これにより、成形体表面の
吸着成分を除去する。次いで、窒素又は窒素含有不活性
ガスを導入し、炉内雰囲気圧力を常圧にした後、１６０
０〜１８００℃に昇温し常圧焼結を行う。この段階で焼
結体はほぼ完全にち密化を完了している。次に、第２段
階では、第１段階の焼結温度よりも、好ましくは５０〜
３５０℃、さらに好ましくは１００〜２５０℃低い温度
まで降温する。次いで炉内雰囲気を３５０torr以下の減
圧雰囲気に保持する。このとき、圧力が低すぎると窒化
ケイ素の昇華分解が起こるので、保持温度において昇華
分解が起こる圧力よりも高くすることが好ましい。
【００１０】
【作用】本発明における焼結方法は、第１及び第２の各
段階から成り立っている。前半の第１段階では、常圧雰
囲気でほぼ完全にち密化を行わせ、後半の第２段階で
は、やや温度を低下させ、炉内雰囲気圧力を減圧として
保持することにより、焼結体内のポアを消滅させる。こ
れによって、最低強度及び平均強度が高く、信頼性に優
れた材料が得られる。さらに、使用する焼結炉は基本的
に常圧焼結仕様で良いため、低コストでの焼結処理が可
能である。したがって、焼結特性と焼結コストを両立で
きなかった従来の焼結方法の欠点を克服することができ
る焼結方法である。
段階から成り立っている。前半の第１段階では、常圧雰
囲気でほぼ完全にち密化を行わせ、後半の第２段階で
は、やや温度を低下させ、炉内雰囲気圧力を減圧として
保持することにより、焼結体内のポアを消滅させる。こ
れによって、最低強度及び平均強度が高く、信頼性に優
れた材料が得られる。さらに、使用する焼結炉は基本的
に常圧焼結仕様で良いため、低コストでの焼結処理が可
能である。したがって、焼結特性と焼結コストを両立で
きなかった従来の焼結方法の欠点を克服することができ
る焼結方法である。
【００１１】
実施例１ スプレー造粒粉末４０ｇを金型に充てんした。これを
１．５ton／cm2の圧力でＣＩＰ成形して、７５×４０×
７tmmの板状成形体を作製した後、焼結炉に装てんし
た。この後、炉内雰囲気圧力を１０-1torrにして第１段
階の加熱を開始した。６００℃に達した時点でＮ2ガス
を導入して、炉内を常圧にした。以後、Ｎ2ガス流通下
で昇温を続けた。炉内温度が１７６０℃に達した後、そ
の温度で２時間保持を行った。次いで降温に移り、１７
００℃に達したことを確認した後、第２段階での減圧操
作を開始した。この温度を保持したまま、雰囲気圧力３
００torrで１．５時間焼結を行った。冷却後、得られた
焼結体の特性を調べた結果を表１に示す。
１．５ton／cm2の圧力でＣＩＰ成形して、７５×４０×
７tmmの板状成形体を作製した後、焼結炉に装てんし
た。この後、炉内雰囲気圧力を１０-1torrにして第１段
階の加熱を開始した。６００℃に達した時点でＮ2ガス
を導入して、炉内を常圧にした。以後、Ｎ2ガス流通下
で昇温を続けた。炉内温度が１７６０℃に達した後、そ
の温度で２時間保持を行った。次いで降温に移り、１７
００℃に達したことを確認した後、第２段階での減圧操
作を開始した。この温度を保持したまま、雰囲気圧力３
００torrで１．５時間焼結を行った。冷却後、得られた
焼結体の特性を調べた結果を表１に示す。
【００１２】比較例１〜２ 実施例１において、第２段階の焼結条件を表１に示すよ
うに変えたほかは、実施例１と同様にして焼結体を製造
した。得られた焼結体の特性を調べた結果を表１に示
す。
うに変えたほかは、実施例１と同様にして焼結体を製造
した。得られた焼結体の特性を調べた結果を表１に示
す。
【００１３】
【表１】
【００１４】実施例２ スプレー造粒粉末４０ｇを金型に充てんした。これを
１．５ton／cm2の圧力でＣＩＰ成形して、７５×４０×
７tmmの板状成形体を作製した後、焼結炉に装てんし
た。この後、炉内雰囲気圧力を１０-1torrにして第１段
階の加熱を開始した。６００℃に達した時点でＮ2ガス
を導入して、炉内を常圧にした。以後、Ｎ2ガス流通下
で昇温を続けた。炉内温度が１７６０℃に達した後、そ
の温度で２時間保持を行った。次いで降温に移り、１６
００℃に達したことを確認した後、第２段階での減圧操
作を開始した。この温度を保持したまま、雰囲気圧力８
０torrで１．５時間焼結を行った。冷却後、得られた焼
結体の特性を調べた結果を表２に示す。
１．５ton／cm2の圧力でＣＩＰ成形して、７５×４０×
７tmmの板状成形体を作製した後、焼結炉に装てんし
た。この後、炉内雰囲気圧力を１０-1torrにして第１段
階の加熱を開始した。６００℃に達した時点でＮ2ガス
を導入して、炉内を常圧にした。以後、Ｎ2ガス流通下
で昇温を続けた。炉内温度が１７６０℃に達した後、そ
の温度で２時間保持を行った。次いで降温に移り、１６
００℃に達したことを確認した後、第２段階での減圧操
作を開始した。この温度を保持したまま、雰囲気圧力８
０torrで１．５時間焼結を行った。冷却後、得られた焼
結体の特性を調べた結果を表２に示す。
【００１５】比較例３〜４ 実施例２において、第２段階の焼結条件を表２に示すよ
うに変えたほかは、実施例２と同様にして焼結体を製造
した。得られた焼結体の特性を調べた結果を表２に示
す。
うに変えたほかは、実施例２と同様にして焼結体を製造
した。得られた焼結体の特性を調べた結果を表２に示
す。
【００１６】
【表２】
【００１７】実施例３ スプレー造粒粉末４０ｇを金型に充てんした。これを
１．５ton／cm2の圧力でＣＩＰ成形して、７５×４０×
７tmmの板状成形体を作製した後、焼結炉に装てんし
た。この後、炉内雰囲気圧力を１０-1torrにして第１段
階の加熱を開始した。６００℃に達した時点でＮ2ガス
を導入して、炉内を常圧にした。以後、Ｎ2ガス流通下
で昇温を続けた。炉内温度が１７６０℃に達した後、そ
の温度で２時間保持を行った。次いで降温に移り、１６
００℃に達したことを確認した後、第２段階での減圧操
作を開始した。この温度を保持したまま、雰囲気圧力８
０torrで３．０時間焼結を行った。冷却後、得られた焼
結体の特性を調べた結果を表３に示す。
１．５ton／cm2の圧力でＣＩＰ成形して、７５×４０×
７tmmの板状成形体を作製した後、焼結炉に装てんし
た。この後、炉内雰囲気圧力を１０-1torrにして第１段
階の加熱を開始した。６００℃に達した時点でＮ2ガス
を導入して、炉内を常圧にした。以後、Ｎ2ガス流通下
で昇温を続けた。炉内温度が１７６０℃に達した後、そ
の温度で２時間保持を行った。次いで降温に移り、１６
００℃に達したことを確認した後、第２段階での減圧操
作を開始した。この温度を保持したまま、雰囲気圧力８
０torrで３．０時間焼結を行った。冷却後、得られた焼
結体の特性を調べた結果を表３に示す。
【００１８】比較例５〜６ 実施例３において、第２段階の焼結条件を表３に示すよ
うに変えたほかは、実施例３と同様にして焼結体を製造
した。得られた焼結体の特性を調べた結果を表３に示
す。
うに変えたほかは、実施例３と同様にして焼結体を製造
した。得られた焼結体の特性を調べた結果を表３に示
す。
【００１９】
【表３】
【図１】 図１は、本発明の実施例２の焼結スケジュー
ルを示す図面である。
ルを示す図面である。
Claims (1)
- 【請求項１】 焼結助剤を添加した窒化ケイ素粉末の成
形体を焼結するに際し、第１段階で窒素又は窒素含有不
活性ガス雰囲気下に１６００〜１８００℃で常圧焼結し
た後、第２段階で第１段階よりも低い温度で３５０torr
以下の減圧雰囲気に保持することを特徴とする窒化ケイ
素セラミックスの常圧焼結方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6092143A JPH07291737A (ja) | 1994-04-28 | 1994-04-28 | 窒化ケイ素セラミックスの常圧焼結方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6092143A JPH07291737A (ja) | 1994-04-28 | 1994-04-28 | 窒化ケイ素セラミックスの常圧焼結方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07291737A true JPH07291737A (ja) | 1995-11-07 |
Family
ID=14046223
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6092143A Pending JPH07291737A (ja) | 1994-04-28 | 1994-04-28 | 窒化ケイ素セラミックスの常圧焼結方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07291737A (ja) |
-
1994
- 1994-04-28 JP JP6092143A patent/JPH07291737A/ja active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2657838B2 (ja) | 窒化珪素製品の製造方法 | |
| JPH05117038A (ja) | 窒化アルミニウム焼結体およびその製法、並びにそれを用いた焼成用治具 | |
| JP2507480B2 (ja) | ＳｉＣ−Ａｌ▲下２▼Ｏ▲下３▼複合焼結体及びその製造法 | |
| JPH021793B2 (ja) | ||
| JPH07291737A (ja) | 窒化ケイ素セラミックスの常圧焼結方法 | |
| JP2001089270A (ja) | シリコン含浸炭化珪素セラミックス部材の製造方法 | |
| JPS5918165A (ja) | 窒化珪素焼結体の製造方法 | |
| JP2742619B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体 | |
| JPH025711B2 (ja) | ||
| JP2696735B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体の製造法 | |
| JP3007732B2 (ja) | 窒化ケイ素−混合酸化物系焼結体およびその製造方法 | |
| JP2694369B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体 | |
| JP2003002760A (ja) | セラミックス多孔体の製造方法 | |
| JP3062767B2 (ja) | セラミック接合体およびその製造方法 | |
| JP2747635B2 (ja) | 窒化珪素焼結体の製造方法 | |
| JP2694368B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体の製造方法 | |
| JPH0733528A (ja) | セラミック複合焼結体及びその製法、並びにそれを用いた半導体製造用治具 | |
| JPH0283270A (ja) | セラミックス成形体のガラスカプセルｈｉｐ方法 | |
| JP2671539B2 (ja) | 窒化珪素焼結体の製造方法 | |
| JPH02172853A (ja) | セラミックス焼結体の製造方法 | |
| JPH0723270B2 (ja) | 窒化ケイ素系セラミックス部品 | |
| JPH07165474A (ja) | 窒化珪素焼結体の製造方法 | |
| JP2000128644A (ja) | 窒化珪素質部材およびその製造方法 | |
| JPH0416562A (ja) | 窒化けい素系焼結体の製造方法 | |
| JPH0375506B2 (ja) |