JPH0789767A - 窒化珪素質焼結体の製造方法 - Google Patents

窒化珪素質焼結体の製造方法

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JPH0789767A
JPH0789767A JP5237742A JP23774293A JPH0789767A JP H0789767 A JPH0789767 A JP H0789767A JP 5237742 A JP5237742 A JP 5237742A JP 23774293 A JP23774293 A JP 23774293A JP H0789767 A JPH0789767 A JP H0789767A
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JP
Japan
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sintered body
silicon nitride
heat treatment
phase
sintered compact
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JP5237742A
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English (en)
Inventor
Hitoshi Matsunosako
等 松之迫
Masahiro Sato
政宏 佐藤
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Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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Abstract

(57)【要約】 【構成】窒化珪素結晶相と、少なくとも周期律表第3a
族元素を含有するガラス相および/または結晶相からな
る粒界相とから構成される窒化珪素質焼結体を、酸化タ
ングステンあるいは酸化珪素を含有する1050〜12
90℃の非酸化性雰囲気で熱処理する。 【効果】機械的強度の劣化なしに焼結体の均質化を図る
ことができ、これにより、高い強度を有する焼結体を特
性のバラツキなく安定して製造できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、熱機関などの構造材料
として適した高温強度を有する窒化珪素質焼結体をバラ
ツキなく製造するための方法に関する。
【0002】
【従来技術】従来から、窒化珪素質焼結体は高温におけ
る強度、硬度、熱的化学安定性に優れた材料として注目
されエンジニアリングセラミックスとして、特に熱機関
用構造材料としての応用が進められている。
【0003】通常、窒化珪素は難焼結性であるために焼
結助剤としてY2 3 等の周期律表第3a族元素酸化物
をはじめ、Al2 3 等の添加が必要とされている。ま
た、焼結体を製造するには、窒化珪素粉末に上記の焼結
助剤粉末を所定量添加混合した後、この混合物を成形し
1500〜2000℃の窒素を含む非酸化性雰囲気中で
焼成することにより高密度の焼結体が得られている。
【0004】このような窒化珪素質焼結体を製品化する
場合には、通常は得られた焼結体の表面を研削加工等に
より所望の形状に仕上げるか、或いは成形時に所望の形
状となし、加工することなく、焼き上げのまま製品とし
て適用したり、あるいは製品の一部のみ、研削研磨加工
し、その他の部位は焼き上げの状態のものもある。
【0005】ところが、上記のようにして研削加工され
た焼結体表面には微細な加工傷が残り、この加工傷がク
ラックの発生源となり、焼結体の強度を著しく低下させ
ていた。一方、研削加工を行わない場合には焼結時の液
相の飛散等により焼き上げ表面に荒れが生じているため
に、同様に強度が低下し、窒化珪素質焼結体本来の強度
が得られないという問題を有している。
【0006】そこで、このような問題に対して、一般的
には大気等の酸素含有雰囲気中で酸化処理し、焼結体表
面の窒化珪素を酸化させて酸化珪素を主体とする膜を形
成することにより前記加工傷、荒れを癒す方法が取られ
ている。
【0007】一方、このような酸化処理は、焼結体自体
の耐酸化性が焼結助剤の種類や場所、焼結条件等により
異なるために、同一の酸化処理を行っても強度にバラツ
キが生じやすく、酸化処理条件によっては逆に表面荒れ
を招く恐れがある。また焼結体表面に形成される酸化膜
の量が少ない場合には、表面の凹凸形状によって強度の
バラツキが生じる。
【0008】そこで、窒化珪素質焼結体をMgO、Mo
3 、WO3 、Cr2 3 を含有する1300〜190
0℃の非酸化性雰囲気で熱処理を行い、焼結体の表面を
バラツキなく均質化に熱処理した後に酸化処理すること
も提案されている。
【0009】
【発明が解決しようとする問題】ところが、上記のよう
な熱処理雰囲気中にMgO、MoO3 、WO3 、Cr2
3 を含有せしめる方法によれば、熱処理温度が130
0〜1900℃と高いことに起因して、窒化珪素質焼結
体の熱処理表面で低融点の粒界相成分が分解したり、変
質が起こり、これにより逆に高温強度が低下するという
問題が発生することがわかった。
【0010】また、又、焼き上げ面では、焼成条件を制
御することにより低融点の粒界相成分の分解を抑制する
ことができる場合もあるが、最終的な熱処理により焼結
体内部や研磨加工された面での表面特性が劣化すること
は製品の信頼性の点から致命的な欠陥となっていた。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記問題
に対して検討を重ねた結果、窒化珪素結晶相と、少なく
とも周期律表第3a族元素を含有するガラス相及び/ま
たは結晶相からなる粒界相より構成される窒化珪素質焼
結体を酸化タングステンあるいは酸化珪素を含有する1
050〜1290℃の低温の非酸化性雰囲気で熱処理す
ることにより、上記問題点を解決できることを知見し
た。
【0012】以下、本発明を詳述する。本発明において
処理される窒化珪素質焼結体は、窒化珪素結晶相と、少
なくとも周期律表第3a族元素を含む粒界相とによりな
るものであり、周期律表第3a族元素は酸化物に換算し
て0.1〜15重量%程度含有されるものである。この
粒界相は、その用途に応じてガラス相や結晶相であった
り、場合によってはガラス相と結晶相との混合相であっ
てもよい。因みに、高温高強度を達成するためには、粒
界相は結晶相を含んでいることが望ましく、例えば結晶
相はアパタイト相、YAM相、ワラストナイト相などの
Si3 4 −RE2 3 (RE:周期律表第3a族元
素)−SiO2 の3元系結晶、シリコンオキシナイトラ
イドなどのSi3 4 −SiO2 の2元系からなること
が望ましい。
【0013】上記窒化珪素質焼結体は、例えば、α型あ
るいはβ型の窒化珪素粉末に対して、周期律表第3a族
元素酸化物を0.1〜15重量%の割合で添加して、所
望の成形手段、例えば、金型プレス,冷間静水圧プレ
ス,押出し成形等により任意の形状に成形後、1600
〜2000℃の窒素などの非酸化性雰囲気中で焼成する
ことにより得ることができる。
【0014】なお、窒化珪素粉末に対する添加物として
は上記以外に、Al2 3 、MgO、SiO2 や、周期
律表第4a、5a、6a族元素化合物を添加してもよ
い。
【0015】このようにして得られる焼結体は、相対密
度95%以上の高密度体であるが、粒界を結晶化させる
目的で、1200〜1400℃の非酸化性雰囲気中で熱
処理を施してもよく、さらに、焼結体を最終製品の形状
に仕上げるために研削加工や研磨加工を施したものであ
ってもよい。
【0016】このようにして得られた焼結体に対して、
本発明に基づき、酸化タングステンあるいは酸化珪素を
含む窒素、アルゴンなどの非酸化性雰囲気中で1050
〜1290℃の温度で1〜10時間程度熱処理を施すこ
とにより、焼結体表面の均質化を図ることができる。こ
の時の熱処理温度を上記範囲に限定したのは、1050
℃よりも低いと熱処理による効果が顕著でなく、129
0℃を越えると、粒界相の変質が生じ焼結体の高温強度
が劣化するためである。
【0017】熱処理時の雰囲気は、例えば熱処理炉中に
熱処理を施す焼結体とともに、焼結体の周囲にSiO粉
末や、Si/SiO2 混合粉末、あるいはWO3 粉末を
配置しておき、これらの化合物をガス化してSiOやW
Oなどのガスを発生させることにより形成することがで
きる。
【0018】この熱処理における最適条件は、雰囲気中
に酸化珪素を含む時は、1050〜1200℃、酸化タ
ングステンを含む時は1150〜1290℃である。
【0019】このようにして得られた焼結体は、この
後、例えば大気などの酸化性雰囲気中で熱処理すること
により焼結体表面に存在する研削や研磨傷などを癒すこ
とができ、これによりさらに機械的特性の安定した焼結
体をばらつきなく製造することができる。
【0020】
【作用】本発明によれば、焼成後の焼結体や、焼成後に
結晶化処理を施した焼結体、あるいは焼成後に研削、研
磨処理を施した焼結体表面は、いずれも焼結体を構成す
る成分の組成がが不均一な状態となっている。このよう
な状態のまま酸化処理しても耐酸化性が不安定であり、
強度もバラツキが生じる。
【0021】そこで、本発明に基づき、酸化処理を行う
前に酸化タングステンや酸化珪素を含む非酸化性雰囲気
中で熱処理することにより、酸化タングステンや酸化珪
素の蒸気が焼結体表面に高分散した状態となり、焼結体
表面の均質化を図ることができるのである。
【0022】本発明によれば、熱処理時の温度が105
0〜1290℃と従来に比較して低いことも大きな特徴
である。SiOやWO3 は、ガス化の温度が比較的低い
ために、熱処理温度が低く設定してもこれらのガスを容
易に発生させることができ、酸化珪素や酸化タングステ
ンを含む雰囲気を形成できる。
【0023】これに対して、熱処理温度が1300℃以
上の高温では従来、粒界相を例えば所定の結晶相に制御
しても熱処理によって変質してしまい、所望の高温特性
が得られなかったが、熱処理温度を低く設定できること
により粒界相への影響を解消し、特性を劣化させること
なく、焼結体の均質化を図ることができる。
【0024】
【実施例】出発原料として、平均粒径0.7μm、酸素
含有量1.0〜1.5%のα型窒化珪素粉末に対して、
表1に示す周期律表第3a族元素酸化物を添加混合し、
それをプレス成形して1800℃の窒素ガス1atmの
雰囲気中で5時間焼成して相対密度98%の焼結体を得
た。
【0025】次に、この焼結体に対して、研削加工を行
ったもの(加工品)と、何ら加工を施さない焼き上げ状
態まま(as−fire品)に対して、表1に示すよう
な条件の熱処理を1時間施した。そして、この熱処理前
と熱処理後の室温強度(JISR16013点曲げ)を
測定した。なお、加工品については、1400℃の高温
強度についても同様に測定し、結果を表1に示した。
【0026】また、上記と同様にして作製した焼結体の
一部分を研磨処理した後に表1の熱処理を施した後に1
400℃で1時間、大気中で酸化処理した。そして、研
磨面とas−fire面より抗折試験片を5個づつ切り
出し、これを同ロットで3つの試料から合計30個の試
験片を切り出し、熱処理前後でのワイブル係数を算出
し、特性のバラツキを評価した。結果は表1に示した。
【0027】
【表1】
【0028】表1から明らかなように、熱処理時の雰囲
気が窒素のみの試料No.1では焼結体表面の組成が不均
一であり、熱処理しても強度が劣化するとともにバラツ
キも大きいものであった。熱処理時の雰囲気をCr2
3 とした試料No.13、14、15では、Cr2 3
ガス化温度が高いために熱処理温度も高くしないと効果
がなく、1500℃以上で熱処理することにより特性の
バラツキはある程度低減されたが、抗折強度の低下が見
られた。
【0029】熱処理雰囲気を酸化珪素あるいは酸化タン
グステンとした場合、熱処理温度が1050℃よりも低
い試料No.2,3では、処理前に比較して特性の劣化が
見られ、特性のバラツキの改善効果もほとんどなかっ
た。また熱処理温度が、1290℃を越える試料No.9
では高温強度の劣化が認められ、バラツキも大きいもの
であった。
【0030】これらの比較例に対して、熱処理雰囲気を
酸化珪素あるいは酸化タングステンとして処理温度を1
050〜1290℃に設定した試料は、処理前に対して
処理後の強度劣化が5kg/mm2 以内とほとんど劣化
がなく、しかも熱処理を施すことによって、特性のバラ
ツキなく15以上のワイブル係数を示した。
【0031】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、焼
成後の焼結体に対して特定の条件で熱処理を施すことに
より、機械的強度の劣化なしに焼結体の均質化を図るこ
とができる。これにより、高い強度を有する焼結体を特
性のバラツキなく安定して製造できる。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】窒化珪素結晶相と、少なくとも周期律表第
    3a族元素を含有するガラス相および/または結晶相か
    らなる粒界相とから構成される窒化珪素質焼結体を、酸
    化タングステンあるいは酸化珪素を含有する1050〜
    1290℃の非酸化性雰囲気で熱処理することを特徴と
    する窒化珪素質焼結体の製造方法。
JP5237742A 1993-09-24 1993-09-24 窒化珪素質焼結体の製造方法 Pending JPH0789767A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6359261B1 (en) 1999-10-29 2002-03-19 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Silicon nitride sintered body, process for producing the same, ceramic heater employing the silicon nitride sintered body and glow plug containing the ceramic heater

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6359261B1 (en) 1999-10-29 2002-03-19 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Silicon nitride sintered body, process for producing the same, ceramic heater employing the silicon nitride sintered body and glow plug containing the ceramic heater

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