JPH08301662A

JPH08301662A - 窒化珪素質焼結体およびその製造方法

Info

Publication number: JPH08301662A
Application number: JP7127564A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Nose; 哲郎野瀬; Jun Sugawara; 潤菅原
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-04-28
Filing date: 1995-04-28
Publication date: 1996-11-19
Anticipated expiration: 2020-06-22
Also published as: JP3662628B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、高密度で、高い機械的強
度、靭性を示す窒化珪素質焼結体およびその製造方法を
提供することにある。【構成】本発明の窒化珪素質焼結体は、組成の範囲
が、イットリウム０．８〜８重量％、マグネシウム０．
４〜４重量％、チタン０．０５〜１．５重量％、アルミ
ニウム０．０３〜０．２重量％、酸素２．５〜５．５重
量％、珪素５１〜５６重量％、および、窒素３４〜３
７．５重量％（各々の元素の合計は１００重量％）から
なるものである。また、本発明の窒化珪素質焼結体の製
造方法は、酸化イットリウム１〜１０重量％，水酸化マ
グネシウム１〜８重量％，珪化チタン０．１〜３重量
％、２１Ｒ型サイアロン０．０５〜０．４重量％及び残
部が窒化珪素からなる混合粉末を成形し、該成形体を窒
素ガスを含む雰囲気中１５００〜１７００℃の温度範囲
で焼結するものである。【効果】本発明により、高い焼結密度、強度特性を十
分に備えた窒化珪素質焼結体が製造可能となった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、機械的強度の優れた高
密度窒化珪素質焼結体およびその製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】窒化珪素は共有結合性の強い物質であり
単味では焼結が困難であるため、一般に種々の添加物を
加えて焼結される。

【０００３】例えば酸化イットリウムと酸化アルミニウ
ムを添加した系では、耐熱衝撃性においては優れたもの
が得られているが、耐熱性、機械的強度、靭性に劣って
いる場合があった。

【０００４】耐熱性を向上させることを目的として、特
開昭６２―２０７７６６号公報に開示されている酸化イ
ットリウム＋酸化アルミニウム＋窒化アルミニウムを添
加した系、特開昭６２―２０７７６５号公報に開示され
ている酸化イットリウム＋酸化セリウム＋酸化マグネシ
ウムを添加した系などが試みられており、耐熱性の向上
に効果が認められることが知られている。

【０００５】また、特開昭５８―４１７７０号公報で
は、酸化イットリウム＋酸化アルミニウム＋窒化アルミ
ニウム＋各種珪化物を添加した系、特開昭６３―２１８
５８４号公報では、希土類酸化物＋窒化アルミニウム＋
各種酸化物、炭化物、珪化物を添加した系において高温
酸化性雰囲気下にあっても機械的強度の低下が小さい窒
化珪素焼結体の作製を試みている。

【０００６】さらに、特開平２―１５７１６２号公報に
開示されている希土類酸化物＋酸化マグネシウム＋珪化
チタンもしくは珪化ジルコニウムを添加した系が試みら
れており、高い強度と靭性の両立に効果があることが知
られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記材料で
は、耐熱衝撃性、耐熱性は優れるものの、機械的強度及
び靭性を飛躍的に改善するには至っていないため、より
厳しい使用環境下、特に高い応力の生じる構造部材へ適
用するに当たっては信頼性に欠ける等の問題点があっ
た。

【０００８】従って、耐熱性の向上に加えて、機械的強
度および靭性の向上したものが望まれる。

【０００９】本発明は上記の如き課題を解決するために
行われたものである。本発明の目的は、高密度で、高い
機械的強度および高い靭性を有する窒化珪素質焼結体お
よびその製造方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の窒化珪素質焼結
体は、組成の範囲が、イットリウム０．８〜８重量％、
マグネシウム０．４〜４重量％、チタン０．０５〜１．
５重量％、アルミニウム０．０３〜０．２重量％、酸素
２．５〜５．５重量％、珪素５１〜５６重量％、およ
び、窒素３４〜３７．５重量％（各々の元素の合計は１
００重量％）からなるものである。

【００１１】また、本発明の窒化珪素質焼結体の製造方
法は、酸化イットリウム１〜１０重量％，水酸化マグネ
シウム１〜８重量％，珪化チタン０．１〜３重量％、２
１Ｒ型サイアロン０．０５〜０．４重量％及び残部が窒
化珪素からなる混合粉末を成形し、該成形体を窒素ガス
を含む雰囲気中１５００〜１７００℃の温度範囲で焼結
するものである。

【００１２】本発明の窒化珪素質焼結体には、イットリ
ウムが含まれるが、イットリウムはイットリウムを含有
する複合酸化物ガラス相の形態で窒化珪素粒の粒界相と
して安定に存在し、窒化珪素の焼結時に窒化珪素粒のα
相からβ相への結晶相転移をその融液中で促進させる機
能を持つ。

【００１３】さらに窒化珪素粒の柱状化を促進し、高温
強度を向上させる機能を持つ。イットリウム元素濃度
が、８重量％を超えると得られた焼結体の高温での機械
的強度が低下するので、８重量％以下であることが好ま
しい。

【００１４】また、０．８重量％より少ないと融液が不
十分で充分な緻密化がなされないため好ましくない。

【００１５】従ってその添加量としては０．８〜８重量
％の範囲であることが望ましいが、特に十分に高い機械
的強度、靭性を得るためには１．６〜５重量％の範囲で
あることがより好ましい。

【００１６】本焼結体の製造時には、酸化イットリウム
をその焼結助剤として用いるが、酸化イットリウムとし
ての添加量としては、イットリウム元素の範囲０．８〜
８重量％に相当する１〜１０重量％であることが好まし
い。

【００１７】マグネシウムはマグネシウム含有複合酸化
物の形態で粒界相として存在し、他焼結助剤と共に焼結
時に液相を生成するが、その融点を酸化イットリウム単
味の場合に比べて著しく低下させる効果を持ち、より結
晶相転移を促進し、ひいては緻密化を助長する作用を持
つ。

【００１８】またマグネシウム含有酸化物は、焼結過程
で生成する窒化珪素柱状粒のアスペクト比（長軸と短軸
の比）を大きくし、かつ短軸の径を大きくする性質を有
するため、靭性の向上が図られる。

【００１９】本発明においてはマグネシウム元素濃度の
範囲が０．４〜４重量％であるが、４重量％より多い場
合、もしくは０．４重量％より少ない場合は、焼結性が
損なわれ充分緻密な焼結体が得られない。

【００２０】本発明では、その製造時に水酸化マグネシ
ウムを焼結助剤として用いるが、水酸化マグネシウム
は、一般にＭｇ（ＯＨ）₂の形態を呈し、混合時に溶媒
として水を用いる場合、水中にて安定な化合物として存
在しうる。

【００２１】水酸化マグネシウムは焼結昇温時に約４０
０℃で分解し、酸化マグネシウムを形成し、さらに焼結
時には他の焼結助剤と共にマグネシウム含有ガラス質複
合酸化物となる。水酸化マグネシウムとしての添加量と
しては、マグネシウム元素の範囲０．４〜４重量％に相
当する１〜８重量％であることが好ましい。

【００２２】チタンはその珪化物として珪化チタンの形
態を採り、焼結時に上記のイットリウムとマグネシウム
を含有する複合酸化物ガラス相融液中で窒化珪素粒がα
相からβ相へ転移する際の核として作用すると考えら
れ、相転移を促進すると共に組織の均質化にも寄与し、
特に大型の焼結体を焼成する場合に安定して均質な焼結
体が得られる。

【００２３】また、チタンは、焼結体を黒色化する作用
も併せ持つ。本発明の焼結体ではチタン元素が０．０５
〜１．５重量％含まれるが、１．５重量％より多く添加
すると強度が低下し、また０．０５重量％より少ないと
組織の均質化に寄与が認められない。

【００２４】本発明の製造時には、珪化チタンを焼結助
剤として用いるが、その添加量としてはチタン元素の範
囲０．０５〜１．５重量％に相当する０．１〜３重量％
であることが好ましい。

【００２５】アルミニウムは、焼結時に上記イットリウ
ム等を含有する複合酸化物と共に焼結時に液相を形成
し、緻密化を促進する効果を持つが、焼結過程において
窒化珪素粒に固溶し易く、焼結後に窒化珪素の結晶粒界
に残存しにくいため、強度特性、特に高温強度の優れる
焼結体を得ることが可能となる。

【００２６】本発明においてはアルミニウム元素の範囲
が０．０３〜０．２重量％であるが、０．２重量％より
多いと焼結体に巨視的な色むらが発現し易く、また０．
０３重量％より少ないと強度特性改善の効果が認められ
ない。

【００２７】本発明の焼結体の製造時にはアルミニウム
含有化合物として２１Ｒ型サイアロンを用いるが、２１
Ｒ型サイアロンはＳｉ―Ａｌ―Ｏ―Ｎからなる化合物の
一種で、ＳｉＡｌ₆Ｏ₂Ｎ₆の形態をとる２１Ｒ型菱面体
結晶構造の物質である。

【００２８】２１Ｒ型サイアロンは、単相の窒化アルミ
ニウムもしくは他の型の窒化アルミニウムポリタイプと
比べて焼結過程において窒化珪素に固溶し易い。その添
加量としては本発明のアルミニウムの範囲０．０３〜
０．２重量％に相当する０．０５〜０．４重量％の範囲
が好ましい。

【００２９】本発明の焼結体には、酸素が２．５〜５．
５重量％含まれるが、これはイットリウム酸化物、マグ
ネシウム酸化物、アルミニウム化合物（２１Ｒ型サイア
ロン）からなる複合酸化物に含有される形で含まれ、そ
れぞれの元素の濃度の範囲に依存する。

【００３０】合計で５．５重量％より多いと高温強度特
性が劣化し、２．５重量％より少ないと充分緻密な焼結
体が得られない。

【００３１】本発明においては、珪素が５１〜５６重量
％、窒素が３４〜３７．５重量％含まれるが、これらの
ほとんどは窒化珪素の形で焼結体中に存在する。

【００３２】珪素が５６重量％より多く、かつ窒素が３
７．５重量％より多い場合は、緻密な焼結体が得難く、
また珪素が５１重量％より少なく、かつ窒素が３４重量
％より少ない場合は、強度特性が優れない。

【００３３】本発明の焼結体の製造時には、珪素、およ
び窒素は、窒化珪素粉末の形態で添加され、得られる焼
結体中においても窒化珪素粒の形態で存在する。

【００３４】本発明において使用される窒化珪素粉末
は、焼結性の点からα型もしくはβ型の結晶構造をもつ
窒化珪素粉末が好ましいが、α型＋β型、非晶質窒化珪
素粉末が含まれていてもかまわない。

【００３５】焼結時に十分に高い嵩密度とするために
は、平均粒径５μｍ以下の微粒子であることが望まし
い。

【００３６】焼結助剤として添加する酸化イットリウ
ム、水酸化マグネシウム、珪化チタン、２１Ｒ型サイア
ロンも均質かつ高密度の焼結体を得るためには平均粒径
が１０μｍ以下の微粒子であることが好ましい。

【００３７】なお、これらの窒化珪素、酸化イットリウ
ム、水酸化マグネシウム、珪化チタン、２１Ｒ型サイア
ロンの原料粉末中には、カルシウム、鉄、ナトリウム、
カリウム等の不可避的不純物元素が合計で０．１重量％
以内含まれても得られる諸特性に影響が少ないのでかま
わない。

【００３８】本発明の焼結体の製造においては、これら
の各成分の混合は、精製水、アセトン、エタノール、等
の溶媒を用い、酸化アルミニウム製、樹脂製、窒化珪素
製もしくは炭化珪素製のポット及びボールを用いてボー
ルミルもしくはアトライター等の混合機で行う。

【００３９】また、成形性、成形体強度を向上させるた
めに、焼結助剤に加えて有機物系バインダー等を添加し
てもかまわない。

【００４０】このように調製された混合粉末を加圧成形
し所定の形状の成形体とする。成形は、金型プレス、ラ
バープレス、鋳込成形、射出成形などの公知の成形法に
より行なう。例えば、ラバープレス成形の場合は、板状
体の場合で、成形圧１００〜７００ＭＰａで成形する。

【００４１】この成形体を窒素ガスを含む雰囲気中、１
５００〜１７００℃の温度範囲で焼結する。焼結方法と
しては、常圧焼結法、ガス圧焼結法、熱間静水圧プレス
焼結法、ホットプレス焼結法の何れの方法も用いること
が可能であり、更に一種もしくは複数の焼結法を組み合
わせることも可能である。

【００４２】焼結時の雰囲気は窒化珪素の高温での分解
を抑制するために窒素ガスを含む雰囲気であることが好
ましい。ここで、窒素ガスを含む雰囲気とは実質的にＮ
₂ガスのことであるが、Ａｒ等の他の不活性ガスが含ま
れていてもかまわない。

【００４３】焼結に際しては、１５００℃未満では十分
緻密な焼結体が得られず、また１７００℃を超えると焼
結過程で焼結体中の粒界相が分解・ガス化し焼結体の密
度を低下させるため、１５００℃〜１７００℃の温度範
囲であることが好ましい。

【００４４】焼結の際には、９００〜１５００℃で酸化
イットリウム、酸化マグネシウム、珪化チタン、珪化ジ
ルコニウム、２１Ｒ型サイアロンなどの液相を均一に分
布させるために３０分以上保持する。さらに、１５００
〜１７００℃で上記液相中に窒化珪素が溶解し再析出す
ることで結晶相転移が生じると共に、緻密化し焼結す
る。

【００４５】

【作用】本発明の窒化珪素質焼結体では、イットリウ
ム，マグネシウム，チタン、アルミニウム、酸素、珪
素、および窒素が所定量含まれるが、これらの組成の組
み合わせにより、得られた焼結体は均質な組織を呈し、
高い抗折強さと高い靭性を有する。

【００４６】また、高温大気中であっても抗折強さの低
下が小さい等の耐熱性を有するため構造材料としての信
頼性が高い。

【００４７】次に本発明の実施例を比較例と共に説明す
る。

【００４８】

【実施例】α型窒化珪素粉末（平均粒径０．５μｍ、α
化率９７％以上）もしくはβ型窒化珪素粉末（平均粒径
５μｍ、β化率９５％以上）に酸化イットリウム粉末、
水酸化マグネシウム粉末、珪化チタン粉末、２１Ｒ型サ
イアロン粉末を第１表に示す所定量（重量％）添加し、
ＰＶＡ系のバインダーを５重量％加えて、溶媒として精
製水を用いて窒化珪素製ボールミルで２０時間混練し
た。

【００４９】なお、酸化イットリウム粉末としてＹ₂Ｏ₃
粉末（平均粒径１．０μｍ）、水酸化マグネシウム粉末
はＭｇ（ＯＨ）₂粉末（平均粒径０．５μｍ）、珪化チ
タンとしてはＴｉＳｉ ₂粉末（平均粒径２μｍ）、２１
Ｒ型サイアロンとしてＳｉＡｌ₆Ｏ₂Ｎ₆粉末（平均粒径
２μｍ）を用いた。

【００５０】次いで得られた混合粉末を乾燥、成形後焼
結した。成形条件としては冷間静水圧による加圧１５０
ＭＰａとし、１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×１５ｍｍの板状
体を得た。常圧焼結条件としては窒素ガス雰囲気大気圧
中、１４５０〜１８００℃の温度にて４時間保持であ
る。

【００５１】本発明により得られた各焼結体の組成およ
び特性を焼結助剤の添加量、焼結条件と共に第１表に示
す。なお、得られた焼結体の組成の定量分析には誘導結
合プラズマ発光分光分析装置（ＩＣＰ法）を用いた。

【００５２】機械的強度については、ＪＩＳＲ１６０
１およびＪＩＳＲ１６０４に準拠し室温及び大気中１
０００℃にて４点曲げ試験を行い抗折強さとして測定し
た。靭性についてはＪＩＳＲ１６０７のＳＥＰＢ（Ｓ
ｉｎｇｌｅＥｄｇｅＰｒｅ―ｃｒａｃｋｅｄＢｅ
ａｍ）法により破壊靭性値Ｋ_ICを測定した。

【００５３】第１表に示すように、窒化珪素の同じ結晶
型同士で比べると、本発明の実施例によるものは高温抗
折強さ、靭性共に優れるが、比較例に該当する試料では
本発明の実施例と比べて特に高温抗折強さ及び靭性が劣
ることが確認された。

【００５４】

【表１】

【００５５】

【表２】

【００５６】

【発明の効果】本発明によれば、上記の如く耐熱性を十
分に備えた窒化珪素質焼結体において、機械的強度、靭
性をより優れたものとすることが可能となった。

【００５７】このことにより信頼性の非常に優れた窒化
珪素質焼結体の作製が可能となり、その工業的有用性は
非常に大きい。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】組成の範囲が、イットリウム０．８〜８
重量％、マグネシウム０．４〜４重量％、チタン０．０
５〜１．５重量％、アルミニウム０．０３〜０．２重量
％、酸素２．５〜５．５重量％、珪素５１〜５６重量
％、および、窒素３４〜３７．５重量％（各々の元素の
合計は１００重量％）からなることを特徴とする窒化珪
素質焼結体。
【請求項２】酸化イットリウム１〜１０重量％，水酸
化マグネシウム１〜８重量％，珪化チタン０．１〜３重
量％、２１Ｒ型サイアロン０．０５〜０．４重量％及び
残部が窒化珪素からなる混合粉末を成形し、該成形体を
窒素ガスを含む雰囲気中１５００〜１７００℃の温度範
囲で焼結することを特徴とする請求項１記載の窒化珪素
質焼結体の製造方法。