JPS5820782A - 窒化けい素焼結体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は電気伝導性にすぐれ、かつ放電加工が可能な
窒化けい素焼細体およびその製造方法に関するものであ
る。

窒化けＶ％嵩焼結体（以下これ′ｔＳｉ、Ｎ、焼結体と
略記する）は耐酸化性にすぐれ、熱＃張車が小さくかつ
高温強度が高い材料として注目されてお）、近年このＳ
ｉ＠Ｎ４焼結体をタービンエンジンのブレードやノズル
ある−は熱交換器部材などの高温構造材料として飲用す
るための研究−発が活発に行われてｉる。

しかしながら、−この５ＩＳＮ４焼結体は通常粉末冶金
法によって製造されるために１焼結体として複雑な形状
を得ることはむづかしく、また寸法や面釉直もｌｎＩ密
なものは得られＫくい。

従って研削等の機械加工を加えて製品としているのが現
状である。

とζろが周知のようＩｃ、　５５Ｎ４焼結体は高硬度物
質であるから、機械加工が困難であ〕、この加工を行っ
たとしても多大の時間と労力を要すること、さらに比較
的単純な形状にしか加工できないこと、特にタニ、ビン
ブレードのような薄肉の部品を得ることは不可能である
−と、などＳｉ＠Ｎ４焼結体の加工技術上の種々の制約
が該焼結体の応用面ににおけゐ一発の妨けとなっている
ので参る。

一般Ｋｌｉ結体を用いて複−な形状の部品を製造するた
めの１つのｉ段として放電加工があることは知られてい
るが、従来からＳｉ、Ｎ、焼結体は完全な絶縁体であっ
て、放電加工は行えないものと考えられてき九のである
。

本発明者らは上記のような従来の考えを打破して５ｉｌ
Ｎ４に対する放電加工を可能にするための方法につき種
々検討を行った。

勿論Ｓｉ、Ｎ４に電気伝導性の物質を多量に＃ａ加すれ
ば放電加工が可能になることは容易に推考しうろことで
ある。しかし、との場合添加する物質およびその添加量
によってはＳｉ、Ｎ、焼結体の性質に大きな影響を与え
てしまうのである。

例えば、電気伝導度のよい伽やＮｉなどの金属を添加し
た場合、これら金属とＳＩ、Ｎ、との濡れ性が悪いため
に焼結が十分に行えず、し九がって満足する強度が得ら
れな−０ また一方、ＡｋＯｍ、ＹｍＯａ、ｋｋｏなとの酸化物を
焼結助剤としてＳｉ、Ｎ、　Ｋ加え九場４ｒＫは、添加
物質の電気伝導度が低いため、電気伝導度の向上はみら
れず、また放電加工は不可能である。

七こで本発明者らｕ、Ｓｉ３Ｎ、の性質に大１！な変化
を与えることなく電気伝導度を向上せしめる添加−負に
ついて検討を行つ九結果、４ｍ％６ａ、ａａ龜族元嵩の
皺化物、炭化物、窒化物、硼化物およびＢ、Ｃ１Ｍ４Ｃ
ｍよ如選んだ１種以上を添加物質として加えれはよいこ
とを見出した。

これら４ｍ、５ａ、６ａ族元素の酸化物、炭化物、窒化
物、や硼化物は、周知のように高硬度物質で高温での電
匿低下も少ない物質であり、互いに広い組成範囲の固溶
体を作９、その固溶体の性質も個々の性質と大差がな１
゜Ｂ４ＣやＡＬ４Ｃ＠も高温での＊ＩｔＬ低下が少ない
。

しかし、これらの物質は高温強−が高いとはいえ５ｉｌ
Ｎ４　Ｋ比べると、低レベルにあ）！酸化性が劣り、ま
たＳｉ、Ｎ４粉末との混合粉末は焼結性が愚い。

本発明者らは、この間照点を解決するべく、種々検討を
行った結果、Ｓ’ｌＮ４粉末に上記した４ａｓ５ａ、６
ａ族の酸化物、炭化物、窒化物、硼化物およびＢ４Ｃ％
１％Ｌ４Ｃ１のうちのｉｓｔ以上の粉末を加える一合に
はその’ｍを０．５〜２０重量％とし、これに鵬知の１
結助剤のう％　Ｙ＠Ｏ＠ｓ　Ｓｃ＊Ｏｓ、Ｌ＠晶、Ｃｅ
＠ＯイＡｔ２０いＣｒＢ２い均Ｏの少なくとも１−以上
の酸化物　、粉末を２〜２０重量−加えた一合粉末を用
いて焼Ｍｔ行った５４１Ｎ、焼結体は電気伝導性が良く
、かつ放電加工が可能であるととを見出したのである。

上記使用する各粉末のうち焼結助剤としての酸化物粉末
は、Ｓｉ畠Ｎ、の焼結性向上をはかるものであシ、七の
便用童ｔ２〜２０重−一と限定したのは、２重重−以下
では焼結性を向上せしめる効果がなく、９０重ｔ＊以上
の密＆を有する焼結体が得られないためであり、また２
０重重量風上を用ｉると、Ｓｉ、Ｎ、の有する％黴であ
る高硬度、低熱彫彊率、高熱伝導などの特性を失なうた
めである。

また４ａｓ　６ａｓ　６ａ族元素の酸化物、炭化物等々
ｒｌｔＳｉ１Ｎ、焼結体に電気伝導性を付与するための
ものであって、それら自身も電気伝導性の高い化合物で
ある。

そのような化合物の使用量を０．５〜２０重量％とする
のは、０．５重量−以下では充分なる電気伝導性の付与
に欠け、その値が１０１１０１Ｏ−１ａ１以下となるえ
めであり、また２０重諷意−上を用いると、Ｓｉ魯Ｎ４
ＣＤ＠する高硬度などさきにのべた特性を失なうからで
ある。

この４ａｓ　５ａ１６ａ族元索の酸化物、炭化物、窒化
物、硼化物としては、多くの化合物が存在するが、との
発明で紘それら多くの化合物のなかでも軸にＴａＮ、　
Ｔａｇ、　Ｔｉｃ１ＴｉＮ％Ｔｉｅ％Ｔｉ０ｇ、７１％
、価、１１ｆｃ％ＺｒＮ、ＷＣが電気伝導度、焼結体の
高温強度、耐＃ｉ鋏労、耐食性などの向上に大きく寄与
するのであり、このような化合物が僅か０．５重量−以
上の添加でＳｉ＠Ｎ４焼結体の電気伝導度が急激に上昇
して１０１Ω−’ａ−’以上の値を示し、かつ放電加工
が可能となるとｉうことは篇くべき知見である。

−函は５４．Ｎ、にＴｈＮを添加した場合におけるＴａ
Ｎの添加量と電気伝導度の関係を示したものである。

なお図中の理−値は、 （但し、６″ｉ；ｉ、Ｎ４はＳｉ３Ｎ２の電気伝４ｆ、
６’ＴａＨＢＴａＮの電気伝導度、ＶＴ劇はＴａＮの容
積比を示す。）で表わされるＭａｎｒｅｌｌの方程式に
基づいて計算したものである。

この発明におけるＳｉ　＠Ｎ４焼結体において、添加物
質は焼結後も第２相として分散した組織となるが、この
ようＫ　Ｓｉ＠Ｎａ　ｍ細体の電気伝導度が理論値に比
べて極めてすぐれているのは、Ｓｌ、Ｎ４マトリツクス
中に分散された第２相が５ｉｌＮ４粒子周囲に拡散およ
び反応して導電性のよい複合相が形成され、この複合相
が連続するととＫよ？）　、５ｊａＮｉ焼結体の導電性
が向上するためであると考えられる。

この第２相形成時に初期Ｓｉ＠Ｎ、に含有される酸素量
の効果が大きく、５重１１１−以上の酸素を含む場合に
は前記した焼結助剤としての酸化物の添加量の僅かな変
動で電気特性が大幅に変化して製造１松の不安定装置と
なるのである。

また、この放篭九工可能なＳｉ、Ｎ、ｆｉ結細体−製造
するに当り　、Ｓｔ＠Ｎ、および添加物質の平均粒子径
は、１μ以下でわ如、焼結１１度は１７００〜２０００
℃が適当である。

これは、平均粒子径を目μ以上ではＳｉ、Ｎ、と添加物
質が均一に分散しに＜＜、かつ焼結温度が１７００℃以
下では添加物質がＳｉ＠Ｎ４粒子周囲に拡散および反応
しに＜＜、かつ９０％以上の密度を自する焼結体が得ら
れないためであり、従って導電性のある複合相が充分に
形成されないためである。

また焼結温度が２０００℃以上になると、Ｓｉ、Ｎ。

の分解が起り、密度が９０％の強度、耐食性にすぐれて
いる焼結体を得ることができないためである。

上記したこの発９１におゆる焼結はその雰囲気として、
Ｎ！　ｍ　ＮＨ３＊Ｈｅ　ｅ　Ａｒ　＃　Ｎｅ　ａ　Ｈ
ｌ　ｅ　Ｃｏの１種以上よりなるガス雰囲気がよく、こ
れは混合ガスまたは焼結過程に応じてガスの種類を責え
ることによっても可能である。

なおこの発明においてＳｉ、Ｎ、　Ｋ添加する焼結助剤
としての酸化物粉末と４ａｅ６ａ、６ａ族元素の酸化物
、窒化物、縦化物、硼化物にあってはその範鴎に同一の
物質も含まれているが、実際の使用−に当っては同一物
質の使用は避けることが好ましめ。

次にこの発明と実施例により詳細に説明する。

実施例１゜ ８３１Ｎ４粉末に６重量％のＭｇＯを添加し、これにさ
らＫ　ＴａＮ　＠るいはＴｉＣを第１表に示すような種
々の量比で添加して混合したのち、１丁Ｏ・℃で８０分
間２００　Ｋｒ／ｃｍ’の条件下で加圧焼結を行って５
ｔｓＪ焼結体を得九。

夫々の別ＩＮ４焼結体について電気伝導度の測定を行い
、かつ放電加工の可否について判定を行ったところ第１
表に示す結果が得られえ。

ｉｌ　　　　表 実施例２ Ｓｉ、Ｎ、粉末に５重ｉｔ秦のＹ、０．を焼結体助剤と
して加え、さらに０．５％粒子径のＨｆＮまたはＴａＣ
を第２表ｙｃ示す種々の量比にて添加して充分に混合し
たのち、窒素雰囲気中１７００Ｃで３０分関焼結を行っ
てＳｉ＠Ｎ４焼結体ｔ−得た。

得られた夫々のＳｉ３Ｎ２の焼結体について２０■スパ
ン、荷重速度０，５■／−の条件下でｔｏｏｏ℃におけ
る抗折強度を測定したところ第２表の結果を得た。

第　　　！　　　表 実施例８ Ｓｉ、Ｎ４の粉末に５重量％の＾ｔ８０１を添加し、さ
らに第ｓＨに示す各種添加物を容積比にして８％加えて
充分に混合したのち、１７００℃で８０分周、２００　
ｋ／ｃｍ’の条件下で加圧焼結を行って犬々Ｓｉ、Ｎ４
焼結体を得た。

このＳｉ＠Ｎ、焼結体各々について電気伝導度の測定お
よび放電加工性の可否を判定した結果は第８表の通知で
あった。

＠　　８　　表 実施例４ 第４表に示すように平均粒子径の異なるＳｉ、Ｎ。

粉末ｖｃ２重量％のＹ！０．と′６裏散弾のＡｔ高、さ
もに第４表に示す各種平均粒子径の添加物質を容積比で
８％加えた混合物を用ｉて１７００℃で８０分、２００
勾／ｃｍ”の条件で焼結を行った。

得られ九５ｉ、Ｎ４焼結体について電気伝導度、放電加
工性の可否ｔ＃べたところ１１４表の結果を得た。

第　　　４　　　表

【図面の簡単な説明】

図面ｌｌ１ＴｉＮを添加し丸引ｓｌ’Ｉｎ焼結体におけ
るＴａＮ＠加量と電気伝導度の胸像を示すグラフである
。 特許出願人　　　　　　　住友電気工業株式会社同　代
理人　　　　　弁理士和１）昭 Ｖｏｌ°ｂ　ｏｆ　　ＴａＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （ｌバ荀　ｇ臘１ｉ４ｔｓけ一嵩が８０重量−以上であ
   ）、かつ酸素含有量が５重量、−以下である窒化けい素
   粉末９６〜ＴＯ重量−１、 （ｂ）　　　　　ＹｍＯｍ、　　５ｃ富０龜、　　Ｉａ
   ｍｂ＠、　ＣｅｇＯ＠、　ノ１４０ａ、　Ｃｆ＊Ｏａ、
   Ｍ［ＦＯなとの酸化物粉末の少くとも１種以上を２〜２
   ０重量−１ （ｃ）元素の周期律４ｍ、６ｍ、ａｍ　族元素の酸化物
   、窒化物、炭化物、硼化物およびＢ、Ｃ。 ＡＬ４Ｃ＠よ勤選ｄれた粉末のｌｌｉ以上Ｖｔ０．６〜
   ２０重量％、 の混合粉末を用いて焼結したことを特徴とする窒化は一
   素焼結体。 （２）　　電気伝導度が１０−１０−’ａｌｌ”以上で
   、かつ放電加工が可能であることｔ％黴とする４Ｉ奸請
   求の範囲纂重項記載の窒化けい素焼細体。 （Ｓバｌ１ｌ）　　ぼ朧窒化は一素′８０重量−以上で
   あ参、けｉ嵩粉末９６〜７０重量−１ （ｂ）　　Ｙ黛Ｏｓ＊　５ｃａｎｓ、Ｌａ１Ｏａｘ　Ｃ
   ｅ１Ｏ＠、　ＡＪｋＯａｅ　Ｃｒｌ（ＸｓＭｇＯ′など
   の酸化物粉末の少く″とも１種以上ｔ−１！〜２０重量
   ％、 （Ｃ）　　元素の周期律４ａ、Ｋｍ、ｌａ族元素の酸化
   物、窒化物、炭化物、硼化物およびＢ、Ｃ。 ＡＡ、Ｃ，よ）選ばれ九粉末の１種以上を０．６〜の混
   合粉末を用い、該粉末の平均粒子径を電μ以下とし１６
   ００−１！６００ＣＫて焼結すゐことＩｓ黴とする輩化
   妙−嵩焼結体の製造方法。 （４）−結時の雰囲気をＣｏ１島、廟ｓ％Ｈｅｓ　Ａｙ
   ｓ歯、山の１８１以上よｐなるガス！Ｉ！囲気とするの
   窒化けい素焼細体の製造方法。