JPH10231176A - 窒化珪素焼結体 - Google Patents
窒化珪素焼結体Info
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- JPH10231176A JPH10231176A JP9049873A JP4987397A JPH10231176A JP H10231176 A JPH10231176 A JP H10231176A JP 9049873 A JP9049873 A JP 9049873A JP 4987397 A JP4987397 A JP 4987397A JP H10231176 A JPH10231176 A JP H10231176A
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- silicon nitride
- sintered body
- nitride sintered
- silicon
- oxide
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 焼結による収縮率が小さく、機械的強度と破
壊靭性値が大なる窒化珪素焼結体を得る。 【解決手段】 マグネシウムと、鉄，マンガンの内の少
くとも１つの元素と、珪素と、酸素と、窒素とを含有
し、かつ（Mg，Fe，Mn）2SiO4 を主要構成成分とする粒
界相と、窒化珪素の柱状粒子とからなる。
壊靭性値が大なる窒化珪素焼結体を得る。 【解決手段】 マグネシウムと、鉄，マンガンの内の少
くとも１つの元素と、珪素と、酸素と、窒素とを含有
し、かつ（Mg，Fe，Mn）2SiO4 を主要構成成分とする粒
界相と、窒化珪素の柱状粒子とからなる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は焼結温度が低くて
も、焼結による収縮率が小さく、機械的強度と破壊靭性
値が大なる窒化珪素焼結体に関するものである。
も、焼結による収縮率が小さく、機械的強度と破壊靭性
値が大なる窒化珪素焼結体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、窒化珪素と珪素を主成分とし、
焼結助剤としてアルミナ（Al2O3 ）とイツトリア（Y
2O3）を用いた成形体を、温度１６００〜１９００℃の
窒素雰囲気で焼結すると、窒化珪素粒子が成長する結
果、緻密質の窒化珪素セラミツクスが得られる。また、
普通の反応焼結窒化珪素は気孔率が１５〜３０％、４点
曲げ強度が１５０〜３００MPa 、破壊靭性値（K1C ）が
２MPa・m1/2である（図３，４を参照）。両者を併せて温
度１６００℃以上で２段焼結して得られる窒化珪素焼結
体は、強度が８００〜１０００MPa 、破壊靭性値が６〜
８MPa・m1/2であつた。
焼結助剤としてアルミナ（Al2O3 ）とイツトリア（Y
2O3）を用いた成形体を、温度１６００〜１９００℃の
窒素雰囲気で焼結すると、窒化珪素粒子が成長する結
果、緻密質の窒化珪素セラミツクスが得られる。また、
普通の反応焼結窒化珪素は気孔率が１５〜３０％、４点
曲げ強度が１５０〜３００MPa 、破壊靭性値（K1C ）が
２MPa・m1/2である（図３，４を参照）。両者を併せて温
度１６００℃以上で２段焼結して得られる窒化珪素焼結
体は、強度が８００〜１０００MPa 、破壊靭性値が６〜
８MPa・m1/2であつた。
【０００３】しかし、上述の窒化珪素焼結体は焼結温度
が高いので、焼成炉などの設備費や管理費が嵩むだけで
なく、得られる製品の焼成による収縮率が約２０％と大
きく、製品の寸法のばらつきが大きく、約５％の寸法誤
差が生じるので、機械加工量が多くなるなど、製品の価
格が高くなる。また、低温で焼成した場合には、窒化珪
素の特徴である柱状粒子の成長が生じないので、破壊破
壊靭性値が低いものになる。
が高いので、焼成炉などの設備費や管理費が嵩むだけで
なく、得られる製品の焼成による収縮率が約２０％と大
きく、製品の寸法のばらつきが大きく、約５％の寸法誤
差が生じるので、機械加工量が多くなるなど、製品の価
格が高くなる。また、低温で焼成した場合には、窒化珪
素の特徴である柱状粒子の成長が生じないので、破壊破
壊靭性値が低いものになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は上述の
問題に鑑み、焼結による収縮率が小さく、機械的強度と
破壊靭性値が大なる窒化珪素焼結体を提供することにあ
る。
問題に鑑み、焼結による収縮率が小さく、機械的強度と
破壊靭性値が大なる窒化珪素焼結体を提供することにあ
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の構成はマグネシウムと、鉄，マンガンの内
の少くとも１つの元素と、珪素と、酸素と、窒素とを含
有し、かつ（Mg，Fe，Mn）2SiO4 を主要構成成分とする
粒界相と、窒化珪素の柱状粒子とから構成されているこ
とを特徴とする。
に、本発明の構成はマグネシウムと、鉄，マンガンの内
の少くとも１つの元素と、珪素と、酸素と、窒素とを含
有し、かつ（Mg，Fe，Mn）2SiO4 を主要構成成分とする
粒界相と、窒化珪素の柱状粒子とから構成されているこ
とを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】マグネシウムと、鉄，マンガンの
内の少くとも１つの元素と、珪素と、酸素と、窒素とを
含有し、かつ（Mg，Fe，Mn）2SiO4 を主要構成成分とす
る粒界相と、平均アスペクト比が２以上である窒化珪素
の柱状粒子とから構成される。
内の少くとも１つの元素と、珪素と、酸素と、窒素とを
含有し、かつ（Mg，Fe，Mn）2SiO4 を主要構成成分とす
る粒界相と、平均アスペクト比が２以上である窒化珪素
の柱状粒子とから構成される。
【０００７】前記マグネシウムがその酸化物に換算して
０．５〜２０wt％であり、前記鉄，マンガンの内の少く
とも１つの元素がその酸化物に換算して０．１〜２０wt
％であり、残部が珪素と酸素と窒素である。
０．５〜２０wt％であり、前記鉄，マンガンの内の少く
とも１つの元素がその酸化物に換算して０．１〜２０wt
％であり、残部が珪素と酸素と窒素である。
【０００８】本発明では約０．５％の鉄分を含む窒化珪
素粉末、珪素粉末または両者の混合粉末に、焼結助剤成
分としてマグネシウム（Mg）とマンガン（Mn）と珪素
（Si）との各酸化物または窒化物を添加することによ
り、低温で焼成（焼結温度が１５００℃以下）しても、
アスペクト比の大きな柱状粒子が成長する結果、十分な
機械的強度と破壊靭性を有する窒化珪素焼結体が得られ
る。つまり、融点が低く揮発性を有する焼結助剤成分を
添加することにより、低温で液相を介して窒化珪素粒子
のα−β転移が起こり、組織が緻密なものになり、気相
でのエピタキシヤルな粒子の成長により、柱状粒子が長
くなる。
素粉末、珪素粉末または両者の混合粉末に、焼結助剤成
分としてマグネシウム（Mg）とマンガン（Mn）と珪素
（Si）との各酸化物または窒化物を添加することによ
り、低温で焼成（焼結温度が１５００℃以下）しても、
アスペクト比の大きな柱状粒子が成長する結果、十分な
機械的強度と破壊靭性を有する窒化珪素焼結体が得られ
る。つまり、融点が低く揮発性を有する焼結助剤成分を
添加することにより、低温で液相を介して窒化珪素粒子
のα−β転移が起こり、組織が緻密なものになり、気相
でのエピタキシヤルな粒子の成長により、柱状粒子が長
くなる。
【０００９】
【実施例】図２に示すように、約０．５％の鉄分を含む
窒化珪素粉末、珪素粉末、または両者の混合粉末である
原料粉末に、焼結助剤として酸化マグネシウム（MgO ）
と２酸化マンガン（MnO2）と２酸化珪素（SiO2）との各
粉末を所定の割合に秤量して混合し、この混合粉末から
所定の成形体を加圧成形した。次いで、成形体を温度１
３００〜１４００℃の窒素雰囲気で約１６時間反応焼結
させ、その後温度１５００℃で８時間の焼結により窒化
珪素焼結体を得た。
窒化珪素粉末、珪素粉末、または両者の混合粉末である
原料粉末に、焼結助剤として酸化マグネシウム（MgO ）
と２酸化マンガン（MnO2）と２酸化珪素（SiO2）との各
粉末を所定の割合に秤量して混合し、この混合粉末から
所定の成形体を加圧成形した。次いで、成形体を温度１
３００〜１４００℃の窒素雰囲気で約１６時間反応焼結
させ、その後温度１５００℃で８時間の焼結により窒化
珪素焼結体を得た。
【００１０】得られた窒化珪素焼結体の組織を分析した
ところ、図１に示すように、本発明による窒化珪素焼結
体は窒化珪素の柱状粒子（結晶粒子）２と、マグネシウ
ム（Mg）とマンガン（Mn）と珪素（Si）と酸素（O ）と
窒素（N ）とからなる粒界相３とから構成されており、
粒界相３の主要構成成分は（Mg，Fe，Mn）2SiO4 であつ
た。
ところ、図１に示すように、本発明による窒化珪素焼結
体は窒化珪素の柱状粒子（結晶粒子）２と、マグネシウ
ム（Mg）とマンガン（Mn）と珪素（Si）と酸素（O ）と
窒素（N ）とからなる粒界相３とから構成されており、
粒界相３の主要構成成分は（Mg，Fe，Mn）2SiO4 であつ
た。
【００１１】Fe，MnとMgの関係は、これらの酸化物に換
算してFe，Mnの量とMgの量の比が１：１程度のときに、
ちようど良い粘性の液相が形成される。しかしながら、
Mnの量が多いと揮発成分が多くなり、Mgの量が多いと粘
性が足りなくなる。そして、焼結助剤としてのFe，Mn，
Mgの量がある値を超えると、材料（窒化珪素焼結体）の
強度を低下させる。
算してFe，Mnの量とMgの量の比が１：１程度のときに、
ちようど良い粘性の液相が形成される。しかしながら、
Mnの量が多いと揮発成分が多くなり、Mgの量が多いと粘
性が足りなくなる。そして、焼結助剤としてのFe，Mn，
Mgの量がある値を超えると、材料（窒化珪素焼結体）の
強度を低下させる。
【００１２】図７に示すように、本発明による窒化珪素
焼結体の収縮率は約３％であり、従来の窒化珪素焼結体
の収縮率約２０％よりも非常に小さい。本発明による窒
化珪素焼結体の曲げ強度は図３に示すように、４００〜
７００MPa であり、破壊靭性値は図４に示すように、５
〜７MPa/m1/2であつた。なお、焼結時間を長くすること
により、相対密度が７５％でも、曲げ強度が４５０MPa
、破壊靭性値が５MPa/m1/2の窒化珪素焼結体が得られ
ることが分つた。
焼結体の収縮率は約３％であり、従来の窒化珪素焼結体
の収縮率約２０％よりも非常に小さい。本発明による窒
化珪素焼結体の曲げ強度は図３に示すように、４００〜
７００MPa であり、破壊靭性値は図４に示すように、５
〜７MPa/m1/2であつた。なお、焼結時間を長くすること
により、相対密度が７５％でも、曲げ強度が４５０MPa
、破壊靭性値が５MPa/m1/2の窒化珪素焼結体が得られ
ることが分つた。
【００１３】本発明による窒化珪素焼結体から部品を作
製したところ、得られた部品の寸法誤差は、図８に示す
ように約０．５％であつた。本発明による窒化珪素焼結
体の密度は理論密度の７８〜９５％であつた。従来の窒
化珪素焼結体から得られた部品では、寸法誤差が約５％
であつた。
製したところ、得られた部品の寸法誤差は、図８に示す
ように約０．５％であつた。本発明による窒化珪素焼結
体の密度は理論密度の７８〜９５％であつた。従来の窒
化珪素焼結体から得られた部品では、寸法誤差が約５％
であつた。
【００１４】図５に示すように、焼結助剤にマグネシウ
ム（Mg）、マンガン（Mn）、珪素（Si）の各酸化物また
は窒化物を使用した本発明による窒化珪素焼結体では、
窒化珪素の粒子のアスペクト比が２〜１０（平均５．６
７）の柱状粒子に成長していることが確認された。図６
に示すように、アルミナ（Al2O3 ）とイツトリア（Y
2O3）を焼結助剤に使用し、実施例と同じ条件で焼結し
た従来の窒化珪素焼結体では、窒化珪素の粒子のアスペ
クト比は２未満（平均１．７６）であり、粒子の殆どが
球状のものであつた。
ム（Mg）、マンガン（Mn）、珪素（Si）の各酸化物また
は窒化物を使用した本発明による窒化珪素焼結体では、
窒化珪素の粒子のアスペクト比が２〜１０（平均５．６
７）の柱状粒子に成長していることが確認された。図６
に示すように、アルミナ（Al2O3 ）とイツトリア（Y
2O3）を焼結助剤に使用し、実施例と同じ条件で焼結し
た従来の窒化珪素焼結体では、窒化珪素の粒子のアスペ
クト比は２未満（平均１．７６）であり、粒子の殆どが
球状のものであつた。
【００１５】
【発明の効果】本発明は上述のように、窒化珪素焼結体
としてマグネシウムと、鉄，マンガンの内の少くとも１
つの元素と、珪素と、酸素と、窒素とを含有し、かつ
（Mg，Fe，Mn）2SiO4 を主要構成成分とする粒界相と、
窒化珪素の柱状粒子とから構成されるものであり、焼結
助剤成分としてマグネシウム（Mg）とマンガン（Mn）と
珪素（Si）との各酸化物または窒化物を添加することに
より、低温で焼成（焼結温度が１５００℃以下）して
も、アスペクト比の大きな柱状粒子が成長する結果、十
分な機械的強度と破壊靭性を有する窒化珪素セラミツク
スが得られる。
としてマグネシウムと、鉄，マンガンの内の少くとも１
つの元素と、珪素と、酸素と、窒素とを含有し、かつ
（Mg，Fe，Mn）2SiO4 を主要構成成分とする粒界相と、
窒化珪素の柱状粒子とから構成されるものであり、焼結
助剤成分としてマグネシウム（Mg）とマンガン（Mn）と
珪素（Si）との各酸化物または窒化物を添加することに
より、低温で焼成（焼結温度が１５００℃以下）して
も、アスペクト比の大きな柱状粒子が成長する結果、十
分な機械的強度と破壊靭性を有する窒化珪素セラミツク
スが得られる。
【図１】本発明に係る窒化珪素焼結体の組織を模式的に
表す断面図である。
表す断面図である。
【図２】同窒化珪素焼結体に用いる焼結助剤成分の添加
量を表す線図である。
量を表す線図である。
【図３】本発明に係る窒化珪素焼結体と従来品との特性
を表す線図である。
を表す線図である。
【図４】本発明に係る窒化珪素焼結体と従来品との特性
を表す線図である。
を表す線図である。
【図５】本発明に係る窒化珪素焼結体の組織上の特性を
表す線図である。
表す線図である。
【図６】従来の窒化珪素焼結体の組織上の特性を表す線
図である。
図である。
【図７】本発明に係る窒化珪素焼結体と従来品の収縮率
を表す線図である。
を表す線図である。
【図８】本発明に係る窒化珪素焼結体と従来品の寸法誤
差を表す線図である。
差を表す線図である。
２：粒子 ３：粒界
Claims (3)
- 【請求項１】マグネシウムと、鉄，マンガンの内の少く
とも１つの元素と、珪素と、酸素と、窒素とを含有し、
かつ（Mg，Fe，Mn）2SiO4 を主要構成成分とする粒界相
と、窒化珪素の柱状粒子とから構成されていることを特
徴とする窒化珪素焼結体。 - 【請求項２】前記マグネシウムがその酸化物に換算して
０．５〜２０wt％であり、前記鉄，マンガンの内の少く
とも１つの元素がその酸化物に換算して０．１〜２０wt
％であり、残部が珪素と酸素と窒素である、請求項１に
記載の窒化珪素焼結体。 - 【請求項３】前記窒化珪素の柱状粒子の平均アスペクト
比が２以上である、請求項１に記載の窒化珪素焼結体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9049873A JPH10231176A (ja) | 1997-02-18 | 1997-02-18 | 窒化珪素焼結体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9049873A JPH10231176A (ja) | 1997-02-18 | 1997-02-18 | 窒化珪素焼結体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10231176A true JPH10231176A (ja) | 1998-09-02 |
Family
ID=12843178
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9049873A Pending JPH10231176A (ja) | 1997-02-18 | 1997-02-18 | 窒化珪素焼結体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10231176A (ja) |
-
1997
- 1997-02-18 JP JP9049873A patent/JPH10231176A/ja active Pending
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