JPS5837272B2 - Silicon nitride molded body and its manufacturing method - Google Patents

Silicon nitride molded body and its manufacturing method

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JPS5837272B2
JPS5837272B2 JP7368211A JP6821173A JPS5837272B2 JP S5837272 B2 JPS5837272 B2 JP S5837272B2 JP 7368211 A JP7368211 A JP 7368211A JP 6821173 A JP6821173 A JP 6821173A JP S5837272 B2 JPS5837272 B2 JP S5837272B2
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JP
Japan
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silicon
silicon nitride
microns
sintering
strength
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JP7368211A
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Japanese (ja)
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エドワ−ド ウオツシユバ−ン マルカム
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Saint Gobain Abrasives Inc
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Norton Co
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Publication date
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Publication of JPS5837272B2 publication Critical patent/JPS5837272B2/en
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/584Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride
    • C04B35/591Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride obtained by reaction sintering

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Description

【発明の詳細な説明】 反応結合した窒化珪素は最近10年間位の間、英国のパ
ー(parr)、マルテイン(Martin)、ポツパ
ー(Popper)および彼らに関連の部所、ことに英
国海軍本部,原子力研究所その他英国政府の下部組織で
の研究から広く派生する技術文献においてかなりの注目
を集めてきた。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Reactively bonded silicon nitride has been used by the British Parr, Martin, Popper and their associated departments, especially the British Admiralty, for the last ten years or so. It has received considerable attention in the technical literature, widely derived from research at the Atomic Energy Research Institute and other UK government agencies.

窒化珪素の成形物製造工程の最初の記述は1960年に
ロンドンのヘイウツド アンド カンパニーリミツテツ
ド(Heywood &Co,Ltd.)で発行された
「スペシャルセラミックス」(″SpecialCer
amics″)に載せられているものである。
The first description of the manufacturing process for silicon nitride moldings was in 1960 in ``Special Ceramics'' published by Heywood & Co, Ltd., London.
amics'').

102ページから135ページまでに特にパー、マルテ
イン、メイ(May)による記事に関して論述している
Pages 102 to 135 specifically discuss articles by Parr, Martin, and May.

その技術の付加的詳述は、1965年12月5日の米国
特許でなされている。
Additional details of the technology are provided in the December 5, 1965 US Pat.

反応焼結したSi3N’とその使用に関して述べている
他の特許は、英国特許第895,769号、第1.16
8,499号、第1、266,506号、米国特許第2
,7 5 0,2 6 8号、仏国特許第2074.9
20号等がある。
Other patents mentioning reaction-sintered Si3N' and its uses include British Patent No. 895,769, No. 1.16.
No. 8,499, No. 1,266,506, U.S. Pat.
, 7 5 0, 2 6 8, French Patent No. 2074.9
There are No. 20 etc.

ブリティッシュ セラミック ソサエテイ(Briti
sh Ceramic Society)の1967年
の会報第7巻の81〜90頁には、反応結合された窒化
珪素から或形品を製造する技術の現状力\バーとメイに
よって述べられている。
British Ceramic Society (Briti)
The current state of the art for manufacturing certain shapes from reactively bonded silicon nitride is described by Barr and May in the 1967 Bulletin of the Ceramic Society, Vol. 7, pages 81-90.

そのような成形品は、現在、英国の会社AME(Ady
anced Materials Engineeri
ng9Ltd.) によって提供されている。
Such molded products are currently manufactured by the British company AME (Ady
anced Materials Engineeri
ng9Ltd. ) is provided by.

その技術は、上記1967年の記事のパーとメイの技術
を用いていると考えられる。
The technique is thought to be based on the Parr and May technique described in the 1967 article mentioned above.

ノ料とメイによって記述された最大曲げ破壊強度( t
raverse ruptures t ren gt
h)は約2 5 3 0k9/crlt (3 6,
0 0 0psi)である。
The maximum bending failure strength (t
raverse ruptures t ren gt
h) is approximately 2 5 3 0k9/crlt (3 6,
0 0 0 psi).

AME提供の材質は2110kg/Ci( 3 0,0
0 0 psi)位の曲げ破壊強度を有すると広告さ
れている。
The material provided by AME is 2110kg/Ci (30,0
It is advertised as having a bending failure strength of around 0.00 psi).

この材實は、例えばテカツサ(Degussa)、ホフ
マン(Hoffman)及ひカーボランダム カンパ=
(CarborundumCompany)などの
他の供給者から提供される他の材質の代表的なものと思
われる。
This material is, for example, Degussa, Hoffman and Carborundum Campa=
It is believed to be representative of other materials offered by other suppliers such as (Carborundum Company).

商業上流通してイル材質テ2 1 1 0kg/ca(
3 0,0 0 0 psi) ヲ超える曲げ破壊強度
を有すると広告されているものはない。
In commercial distribution, the material used is 2 1 1 0 kg/ca (
None are advertised as having a bending failure strength greater than 30,000 psi).

パーやメイその他英国の研究者によって代表される先行
技術において、珪素粉末は均衡圧(isoetatic
pressing)のような比較的高圧で圧縮されて
圧縮体を形成する。
In the prior art, represented by Parr, May, and other British researchers, silicon powder was
The compressed material is compressed at a relatively high pressure such as by pressing) to form a compressed body.

所定部品の形に機械加工する前に、先行技術では部分的
に圧縮体を窒化して機械操作中の取扱いに十分に耐えら
れる強さを有する”未加工゛圧縮体としている。
Prior to machining into the desired part shape, the prior art partially nitrides the compact to provide a "green" compact sufficiently strong to withstand handling during machine operations.

その機械加工の後で生戒物は、全珪素を窒化珪素に変化
させるために窒素を含む雰囲気中で熱焼される。
After machining, the material is fired in a nitrogen-containing atmosphere to convert all silicon to silicon nitride.

英国特許第942,082号においてパーは、上述の方
法で製造されたアルファとベータs13N4の混合体は
、窒素雰囲気中で1.700℃で熱し続ケルことによっ
て、ベータs t3−dに大量に変化させ得ると述べて
いる。
In British Patent No. 942,082, Parr claims that a mixture of alpha and beta s13N4 produced by the method described above can be converted to beta s t3-d in large quantities by heating at 1.700° C. in a nitrogen atmosphere. He says it can be changed.

上述のように(パーやメイによって述べられている)曲
げ破壊強度は2530kg/crlt(3 6,0 0
0 p s i )が最大強度テアルトこれまで報告
されている。
As mentioned above (stated by Parr and May), the bending failure strength is 2530 kg/crlt (36,00
0 p s i ) is the maximum intensity reported so far.

しかし現状の技術では、3点荷重(3point l
oading)によって測った場合、曲げ強度はほぼ1
4 0 0kg/crA(2 0,0 0 0psi
)カら2 4 0 0k9/crA( 3 0,00
0 psi)であると考えられている。
However, with the current technology, 3-point load (3-point load)
oading), the bending strength is approximately 1
400kg/crA (20,000psi
)Kara2400k9/crA(30,00
0 psi).

A.E.R.Eのイヴアンズ(Evans)とディヴイ
ンヂ(Davidge%J 「ジャ→ルオブマテイア
ルサイエンス 5 ) (Journal of M
aterialSciences 5)( 1 9 7
0年)の314A−325ページにおいて、機械加工
を経てない単純圧縮体をさまざまな条件の下で窒化させ
て得た反応焼結された窒化珪素の強度の研究について述
べている。
A. E. R. E's Evans and Davidge%J ``Ja→Ruob Material Science 5'' (Journal of M
material Sciences 5) (1 9 7
(2013), pages 314A-325, describe a study of the strength of reaction-sintered silicon nitride obtained by nitriding unmachined simple compacts under various conditions.

最高強度は、珪素の融点である1400’C以下の温度
で圧縮体を長く窒化することで得られた。
The highest strength was obtained by long nitriding the compact at a temperature below 1400'C, the melting point of silicon.

イヴアンズとデイヴイツチによる生成物は、本願発明で
使われる粒子径よりも幾分大きい粒子径と、本願発明の
ものより大きい最終気孔径を有している。
The Ivans and Davidch product has a particle size somewhat larger than that used in the present invention and a final pore size larger than that of the present invention.

その破壊強度はほぼ2 8 8 0kg/tst( 4
1.000 psi) (ただし長さの厚さに対する比
がほんの4対1か5対1のものについて測定されただけ
だが)である。
Its breaking strength is approximately 2880 kg/tst (4
1.000 psi) (though only measured for length to thickness ratios of only 4 to 1 or 5 to 1).

この曲げ強度は、成形部品の提供に関係する他の研究者
によって記述されている強度よりも幾分高い。
This bending strength is somewhat higher than that described by other researchers involved in providing molded parts.

テイラーの英国特許第1.1 6 8,4 9 9号は
BSA(Birmingham Small Arm
s Company)による改良につ,・て記述しで
.・る。
Taylor's British Patent No. 1.168,499 is BSA (Birmingham Small Arm
Describe the improvements made by S Company.・Ru.

これは出発珪素粉末圧縮体がアルゴン中で焼結されると
いう点で本願発明に似通っている。
This is similar to the present invention in that the starting silicon powder compact is sintered in argon.

機械加工の後、生成物は十分に窒化される。After machining, the product is fully nitrided.

しかしテイラーの特許は出発珪素粉体の特性について述
べていないし、また本願発明の戒果を達成するために重
要である必須の微細粒子径についても述べていない。
However, the Taylor patent does not describe the characteristics of the starting silicon powder, nor does it describe the requisite fine particle size, which is important to achieving the benefits of the present invention.

BsAグループによって販売に供されている反応結合さ
れた窒化珪素の曲げ破壊強度がほぼ1 7 6 0k’
;i/crA( 2 5,0 0 0 psi)である
(テイラーの特許の発行のいくぶん後に発刊されたと考
えられる文献による)ことから、テイラーの珪素粉体は
事実上そのような微細粒子径を有さないのは明白であろ
う。
The bending fracture strength of the reaction bonded silicon nitride marketed by BsA Group is approximately 1760k'
; i/crA (25,000 psi) (according to a document believed to have been published somewhat after the issuance of Taylor's patent), Taylor's silicon powder effectively has such a fine particle size. It's obvious that it doesn't have one.

これは、他のソースから商業上入手しうる他の反応結合
された窒化珪素生成物の典型的なものである。
This is typical of other reactively bonded silicon nitride products that are commercially available from other sources.

これらの生成物は本願発明によって達成された成果をは
るかに下廻っている。
These products far fall short of the results achieved by the present invention.

成形部品を製造するのに使用される溶躬窒化珪素は、ほ
ぼ2 8 0 1 kg/cA( 4 0, 0 0
0 psi)の応力破断強さを持つと報告されてきた。
The molten silicon nitride used to make molded parts is approximately 280 kg/cA (40,000 kg/cA).
It has been reported to have a stress rupture strength of 0 psi).

この溶躬部品は、出発珪素生成物が比較的高密度である
ためと、全断面を完全に窒化することは困難であるため
に、ほどよい断面厚を持つようにするのは非常に困難で
ある。
It is very difficult to obtain a suitable cross-sectional thickness for this welded part due to the relatively high density of the starting silicon product and the difficulty of completely nitriding the entire cross-section. be.

本発明においては、先行技術のいくつかの困難な点が修
正されて、室温で非常に高い曲げ破断強さを有する最終
生成物を得ることができ、さらにその強度は、1375
゜Cにまで温度を上げるにつれて高くなる。
In the present invention, some of the difficulties of the prior art have been corrected to obtain a final product with very high flexural breaking strength at room temperature, which furthermore has a strength of 1375
It increases as the temperature increases to °C.

パーとメイの技術で製造された材質は、確かめられ得る
範囲において、1300℃あたりの温度で最高強度を示
し、それ.からかなり急速に落ちはじめる。
Materials produced using Parr and May's technology exhibit maximum strength at temperatures around 1300°C, within the range that can be ascertained. It starts to fall off pretty quickly.

イヴアンズとデイヴイッヂのものは温度による強度変化
が僅かである。
Evens and Davids's strength changes little with temperature.

本発明は、等方性構造と2. 4−O ft / cc
をこえる密度と、2 8 0 ’J−kg/cfIL(
4 0,0 0 0 psi) fコえる曲げ強度とを
有し、ほぼ全て0気孔は2ミクロン以下であり、アルフ
ァ窒化珪素のベータ窒化珪素に対する比率が2そこ乙る
窒化珪素或形体を提供する。
The present invention provides an isotropic structure and 2. 4-Oft/cc
with a density exceeding 280' J-kg/cfIL (
To provide a silicon nitride shaped body having a bending strength exceeding 40,000 psi), almost all zero pores being 2 microns or less, and a ratio of alpha silicon nitride to beta silicon nitride of about 2. .

また本発明は、微細な珪素粉体すなわち、およそ10ミ
クロンより大きい直径の粒子を本質的に含まない出発珪
素粉体を少なくとも1.40f?/ccの未加工密度に
圧縮する工程と、この圧縮粉末を窒素,炭素,酸素を本
質的に含まない雰囲気中で焼結する工程と、その後の生
成物を窒素を含む雰囲気中で燃焼し窒化珪素に変化させ
る工程からなる、2 8 0 1kg/cvl.c 4
0,0 0 0 psi)をこえる曲げ破断強さを持
つ窒化珪素の成形体を形成する方法を提供する。
The present invention also provides a starting silicon powder that is at least 1.40 f? fine, ie, essentially free of particles having a diameter greater than approximately 10 microns. sintering of this compacted powder in an atmosphere essentially free of nitrogen, carbon, and oxygen, and subsequent combustion and nitriding of the product in a nitrogen-containing atmosphere. 280 1kg/cvl. c 4
A method of forming a silicon nitride compact having a bending strength to break exceeding 0.000 psi) is provided.

出発材料として用いられる珪素は、非常に微細粉粒であ
ることが好ましく、最大粒子径は10ミクロン、平均粒
子径はほぼ2ミクロンあるいハソれ以下である。
The silicon used as the starting material is preferably in the form of very fine particles, with a maximum particle size of 10 microns and an average particle size of about 2 microns or less.

この微細珪素粉末は均衡圧力をかけられて、ほぼ1.5
5’/ccの勅旺密度に圧縮される。
This fine silicon powder is subjected to an equilibrium pressure of approximately 1.5
It is compressed to a compression density of 5'/cc.

次いで、アルゴンのような不活性気体雰囲気中で焼結さ
れる。
It is then sintered in an inert gas atmosphere such as argon.

不活性気体焼結炉は、数回排気し、アルゴンでフラツシ
して、できるだけ完全に大気汚染物を取り除くことが望
ましい。
It is desirable to evacuate and flush the inert gas sintering furnace with argon several times to remove air contaminants as completely as possible.

焼結操作は、1100℃の温度で実施されることが望ま
しく、時間は珪素の量に依存する。
The sintering operation is preferably carried out at a temperature of 1100°C, the time depending on the amount of silicon.

この工程を経ることによって容易に機械加工するのに十
分な強度を有する結合生戒物が得られる。
This step results in a bonded material with sufficient strength to be easily machined.

この中間生成物はこの段階では生成物に窒化物を本質的
に含まない点で、パーとメイによる生成物とは完全に異
なる。
This intermediate product is completely different from the product of Parr and May in that the product is essentially free of nitrides at this stage.

この焼結操作は珪素粒子を互いに結合させ、連続した珪
素構造を提供する。
This sintering operation bonds the silicon particles together and provides a continuous silicon structure.

このような珪素結合が起こるのは圧縮体の強度が高いこ
とから明白である。
It is clear that such silicon bonding occurs because the strength of the compressed body is high.

また焼結生成物の顕微鏡写真は、珪素粒子の結合を示し
ている。
A micrograph of the sintered product also shows the bonding of silicon particles.

この最初の焼結操作に費やされる時間と温度は、圧縮体
の密度および大きさ、珪素の粒子径および機械加工工程
で圧縮体に要求される強度などによって決定される。
The time and temperature spent in this initial sintering operation are determined by the density and size of the compact, the silicon particle size, and the strength required of the compact during the machining process.

例えば低密度圧縮体に対しては、焼結時間を延長するこ
と、およひ/あるいは温度を上昇させることが必要であ
り、こうすることによって珪素粒子の十分な結合をはか
り、連続構造と高密度高強度を有する最終生成物に到達
させることができる。
For example, for low-density compacts, it may be necessary to extend the sintering time and/or increase the temperature, which ensures sufficient bonding of the silicon particles and creates a continuous structure and high A final product with density and high strength can be reached.

微細な珪素を用いるときには、焼結時間は短かく、焼結
温度は下げられる。
When using fine silicon, the sintering time is shorter and the sintering temperature is lower.

焼結工程6ま圧紬体に機械加工に耐えうる強度を与える
一方、連続珪素構造を生む重要な工程を提供する。
The sintering step 6 provides an important step in creating a continuous silicon structure while giving the pressed pongee body strength to withstand machining.

連続珪素構造から、連続窒化珪素構造ができる。A continuous silicon nitride structure is created from a continuous silicon structure.

機械加工の後、珪素塊は一般的な工程に従って、すなわ
ち窒素を含む雰囲気中で窒化される。
After machining, the silicon mass is nitrided according to a conventional process, ie in a nitrogen-containing atmosphere.

本発明が十分に理解されうるように、次に非限定的な実
施例を述べる。
In order that the invention may be fully understood, the following non-limiting examples are provided.

例 1(実施例) この製法の出発物質は、最大粒子径10ミクロンで平均
粒子径がほぼ2ミクロンの微細な粒状珪素粉末である。
Example 1 The starting material for this process is a finely divided silicon powder with a maximum particle size of 10 microns and an average particle size of approximately 2 microns.

ユニオンカーバイド社製の商業グレード2 0 0 X
Dの珪素粉末がよい。
Union Carbide Commercial Grade 200X
D silicon powder is good.

この粉末は化学分析によると、不純物として0,5%の
鉄、0.4%のアルミニウムおよび0.1%のカルシウ
ムを含んでいた。
According to chemical analysis, this powder contained 0.5% iron, 0.4% aluminum and 0.1% calcium as impurities.

マジックインク社製のような微粉砕機に珪素粉末を7.
25Icg(16ポンド)/時間の供給率で通すことに
よってさらに粒子径の小さな珪素粉末が得られた。
7. Pour silicon powder into a fine grinder such as one made by Magic Ink.
By passing at a feed rate of 25 Icg (16 pounds)/hour, silicon powder with even smaller particle size was obtained.

この粉末の平均粒子径分布は2ミクロンであり、0.5
〜10ミクロンの範囲の粒子径をもつ粒子であった。
The average particle size distribution of this powder is 2 microns and 0.5
The particles had a particle size in the range of ~10 microns.

この粉末の9.1kg(20ポンド)を二重にシールし
たビステン(Visten)バッグに入れ均衡をとりつ
つ3660k9/cr/t(5 2,0 0 0 ps
i)の圧力をかけて直径約1 5. 5CwL( 6イ
ンチ)、高さ約3 5.6cR( 1 4インチ)のシ
リンダーに圧縮した。
9.1 kg (20 lb) of this powder was balanced in a double-sealed Visten bag at 3660 k9/cr/t (5 2,0 0 0 ps).
i) Approximately 1 diameter by applying pressure 5. It was compressed into a cylinder of 5 CwL (6 inches) and approximately 35.6 cR (14 inches) high.

ついでこのシリンダーを前記バッグから取り出して、3
回排気し各回ごとアルゴンでフラツシした真空炉に置き
、1100℃で15時間燃焼させた。
Next, take out this cylinder from the bag and
It was placed in a vacuum furnace that was evacuated twice and flushed with argon each time, and burned at 1100° C. for 15 hours.

こうして得られた製品を機械加工にかけて最終的な形状
にした。
The product thus obtained was machined into its final shape.

この例ではガスタービンのタービン軸に加工された。In this example, it was machined into the turbine shaft of a gas turbine.

その機械加工の際、複写にはマスターによりコントロー
ルされる複写縮図機の先端にダイヤモンドをはめ込んだ
ものを使用した。
During the machining process, a copying machine controlled by a master with a diamond set in the tip was used.

機械加工されたタービン軸は、気密二重壁のほぼ0.1
1328771’( 4 ft3)容積の炭化珪素箱か
らなる窒化炉に入れ、装填,密閉した後、この窒化炉を
炭化珪素抵抗エレメントにより加熱される電気炉に入れ
た。
The machined turbine shaft has an airtight double-walled approximately 0.1
After loading and sealing a nitriding furnace consisting of a silicon carbide box having a volume of 4 ft3, the nitriding furnace was placed in an electric furnace heated by a silicon carbide resistance element.

その炉に窒素を充満させ、1時間当り0.0 2 8
3 2〜0.0566771’(1〜2 ft”)のア
ンモニアを炉に流し込んだ。
The furnace was filled with nitrogen, 0.0 2 8 per hour.
3 1-2 ft" of ammonia was poured into the furnace.

炉全体が一定圧になるようコントロールバルブにより調
節し、窒素を炉に導入した。
A control valve was used to adjust the pressure in the entire furnace to a constant pressure, and nitrogen was introduced into the furnace.

温度を1200℃に上げ24時間その状態を保った。The temperature was raised to 1200°C and maintained at that temperature for 24 hours.

24時間たつ毎に100℃上げながら温度を1450℃
に上げ、最後に1450℃に上げ、最俊に1450℃で
15時間保った。
Increase the temperature by 100℃ every 24 hours to 1450℃
Finally, the temperature was raised to 1450°C, and the temperature was kept at 1450°C for 15 hours.

こうして製造されたタービン軸状の試験棒は解析の結果
以下のような物性を持っていることが明らかとなった。
As a result of analysis, the turbine shaft-shaped test rod manufactured in this way was found to have the following physical properties.

すなわち@度2.4P/cc、曲げ破断強さ3520k
g/cti ( 5 0, O O O IEi )
またほぼ0.4%の鉄、0.3%のアルミニウム、0
.1%以下のカルシウム、70%のα窒化珪素、25%
のβ窒化珪素の成分であった。
That is @ degree 2.4P/cc, bending breaking strength 3520k
g/cti (5 0, O OO O IEi)
Also approximately 0.4% iron, 0.3% aluminum, 0
.. <1% calcium, 70% alpha silicon nitride, 25%
It was a component of β silicon nitride.

化学分析ではX線回析によりほぼ5%の炭化珪素の存在
が明らかとなった。
Chemical analysis revealed the presence of approximately 5% silicon carbide by X-ray diffraction.

製品の気孔は2ミクロン以下であり、その大部分は1ミ
クロン以下である。
The pores of the product are less than 2 microns, and the majority are less than 1 micron.

例 2(比較例) この例では数種の試験棒を使う以外は実施例1と同様な
操作を行なった。
Example 2 (Comparative Example) In this example, the same operation as in Example 1 was performed except that several types of test rods were used.

この例では、出発粉末の粒径は1〜40ミクロンであり
、平均粒子径はほぼ14ミクロンであった。
In this example, the particle size of the starting powder was between 1 and 40 microns, with an average particle size of approximately 14 microns.

この粉末を均衡を取りながら2 8 2 0kg/ca
( 4 0,0 0 0 psi)の圧力をかけ、アル
ゴン炉中で1100℃に焼結し、機械加工により最終的
な形に形成し、その後上記実施例1のようにして141
0℃で15時間窒化を行なった。
While balancing this powder, 2820kg/ca
(40,000 psi), sintered at 1100° C. in an argon furnace, machined to final shape, and then 141° C. as in Example 1 above.
Nitriding was carried out at 0° C. for 15 hours.

最終製品は61%の重量増加を示し、2.51ff/c
cの密度、2 3 2 0k9/crrt (33,
000psi)の曲げ破断強さをもっていた。
The final product showed a 61% weight increase, 2.51ff/c
Density of c, 2 3 2 0k9/crrt (33,
It had a bending breaking strength of 000 psi).

幅広い密度および粒子径を採用して実施例1′:j6よ
び例2と同様にして数種の試験片を製造した。
Several specimens were prepared as in Example 1':j6 and Example 2 using a wide range of densities and particle sizes.

これらを表−1に実施例1および例2の結果とともに示
す。
These are shown in Table 1 together with the results of Example 1 and Example 2.

例3,4.5では、最終製品の密度と同じく未加工密度
を調整するために均衡圧力を変化させた。
In Examples 3, 4.5, the equilibrium pressure was varied to adjust the raw density as well as the final product density.

その結果、密度が強さに及ぼす影響が明らかとなった。The results revealed the effect of density on strength.

例 7(比較例) 混合物は250メッシュ(平均10〜20ミクロン)の
シリコン100重量部と塩化メチレン溶剤にポリプロピ
レングリコールが溶け、かなりスラリー溶液になったカ
ルボワックス4000(カーバイド&カーボンケミカル
社製)12重量部とからなっているが、その正確な量は
臨界ではない。
Example 7 (Comparative Example) The mixture was Carbowax 4000 (manufactured by Carbide & Carbon Chemical Co., Ltd.) 12, which was a slurry solution made by dissolving polypropylene glycol in 100 parts by weight of 250 mesh (average 10 to 20 microns) silicone and methylene chloride solvent. parts by weight, the exact amount being not critical.

そのスラリー液を、塩化メチレンが蒸発するまで混合し
、混合物を紙の上に広げ完全に乾燥させる。
The slurry is mixed until the methylene chloride evaporates and the mixture is spread on paper to dry completely.

1 5.2cIrLX5.0 8crfLX0.6 4
cIrL( 6インチ×2インチ×14インチ)の試験
棒を水圧で圧縮し、ビステインバツク(visten
bag)に入れ、密閉し均衡をとって1 4 0 0峠
/cf/t( 2 0.0 0 0 psi)の圧力で
圧縮した。
1 5.2cIrLX5.0 8crfLX0.6 4
A cIrL (6 inch x 2 inch x 14 inch) test bar was hydraulically compressed and placed in a visten bag.
bag), sealed, balanced and compressed at a pressure of 1400 m/cf/t (20.000 psi).

その棒を250℃まで1時間あたり10℃の割合で上げ
、250℃で24時間窒素炉で燃焼させカルボワックス
を除去した。
The bar was raised to 250°C at a rate of 10°C per hour and burned in a nitrogen oven at 250°C for 24 hours to remove carbowaxes.

それを1時間あたり40℃の割合で1160℃まで上げ
、1200℃で24時間それから1300〜1350℃
に上げ24時間、12時間は1450℃よりいくらか高
い温度に保った。
Raise it to 1160℃ at a rate of 40℃ per hour, then 1200℃ for 24 hours, then 1300-1350℃
The temperature was raised to 1450° C. for 24 hours, and the temperature was maintained at a temperature slightly higher than 1450° C. for 12 hours.

試験棒は焼却したカルボワックスを考慮して理論値の9
0%に相当する43.8%の重量増加を示した。
The test bar has a theoretical value of 9, taking into account the incinerated carbowax.
It showed a weight increase of 43.8%, which corresponds to 0%.

焼結物の密度は2.4 7 F/’ccであった。1
5. 2cWLX O.3 2CrILX0.3 2(
]( 6 X 1/8 X 1/8インチ)の試験棒を
ダイヤモンドといしによってこの棒から切り出した。
The density of the sintered product was 2.4 7 F/'cc. 1
5. 2cWLX O. 3 2CrILX0.3 2(
] (6 x 1/8 x 1/8 inches) test bars were cut from this bar with a diamond wheel.

室温においてMORは3点荷重によって1.9ocrI
L(374インチ)のスパンで測定した。
At room temperature, MOR is 1.9ocrI with 3-point loading.
Measured with a span of L (374 inches).

その平均値は2 4 4 01cg/crA( 3 4
,8 0 0 psi)であり、その範囲は2380k
glcry( 3 3,5 0 0 psi)から2
5 4 0kg/crA( 3 6,2 0 0 ps
i)の範囲にある。
The average value is 2 4 4 01cg/crA (3 4
, 800 psi) and its range is 2380k
glcry (33,500 psi) to 2
540kg/crA (36,200 ps
It is within the range of i).

このものは他の先行技術による良質のものと似た粒状構
造を持っていた。
This had a grain structure similar to other prior art quality products.

例 8(比較例) 前記の方法すなわちBSA技術に似た方法。Example 8 (comparative example) A method similar to the previously described method, ie BSA technology.

直径1 5.2crrL( 6インチ) X3 0.4
cfIL( L2インチ:の寸法で、ほぼ9.1kg(
20ポンド)の棒は二重のビステンバッグに入れた25
0メッシュ(平均粒径10〜20ミクロン)の珪素粉末
を均衡をとって2 8 1 0kg/crtt( 4
0,0 0 0 psi)の圧力をかけて得られた。
Diameter 1 5.2crrL (6 inches) X3 0.4
cfIL (L2 inch) dimensions, approximately 9.1 kg (
20 lbs.) sticks in double Bisten bags.
2810kg/crtt (4
0,000 psi).

その棒はアルゴン中1080℃で予備焼結され、15時
間アルゴンで浸漬された。
The bar was presintered at 1080° C. in argon and soaked in argon for 15 hours.

焼結棒から0.64(IX4インチ)の薄片を切り出し
1200℃にて5時間、1330℃にて28時間、14
10℃にて15時間窒素炉で燃焼した。
A 0.64 (IX 4 inch) thin piece was cut from the sintered rod and heated at 1200°C for 5 hours and at 1330°C for 28 hours for 14 hours.
Fired in a nitrogen oven at 10° C. for 15 hours.

その薄片は93%の理論増加量に対して62.0%の重
量増加を示した。
The flakes showed a weight increase of 62.0% compared to a theoretical increase of 93%.

密度は2.60ft/ccであった。The density was 2.60 ft/cc.

横断面で0,3 2crILX0,3 2CrrL(
1/8X1/8{ ンチ)の試験棒を前記燃焼した薄片
から切り出した。
0,3 2crILX0,3 2CrrL (
A 1/8 x 1/8 inch test bar was cut from the burned flake.

室温におけるMORは1.90cIrL(3/4インチ
)のスパンで3点荷重によって測定した。
MOR at room temperature was measured with a three-point load at a span of 1.90 cIrL (3/4 inch).

5回破壊を行なった平均値は2 1 5 0kg/CJ
( 3 0,6 0 0psi)であり、その偏差は1
5 5 0 kg/crA( 2,2 00 psi
)であった。
The average value of 5 destructions is 2 1 5 0 kg/CJ
(30,600psi), and the deviation is 1
550 kg/crA (2,200 psi
)Met.

このものに対するX線回折の結果はほぼα窒化物とβ窒
化物は等量であった。
The results of X-ray diffraction of this material showed that the amounts of α nitride and β nitride were approximately equal.

砕けた横断面を走査電子顕微鏡にて200倍、i oo
o倍、5000倍にして分析した。
The cross section of the broken pieces was examined using a scanning electron microscope at a magnification of 200 times.
Analyzes were performed at magnifications of o and 5,000 times.

気孔径は写真により調べた。The pore diameter was examined by photography.

1000倍の写真では粗い気孔が観察された一番大きな
気孔は6〜10ミクロンのサイズであった。
In the 1000x photograph, coarse pores were observed, with the largest pores having a size of 6 to 10 microns.

代表的な気孔径としては3ミクロンである。A typical pore size is 3 microns.

ほぼIOOXIOOミクロンの写真の面上でこれらの代
表的な気孔がほぼ50個観察できた。
Approximately 50 of these typical pores could be observed on the photographic surface of approximately IOOXIOO microns.

写真は45°の傾斜でとった。砕いた面と先行技術の代
表的な試験片を磨いた断面とこの発明とは走査電子顕微
鏡(SEM)により200倍〜1000倍にして比較し
た。
The photo was taken at an angle of 45°. The crushed surfaces and polished cross sections of representative specimens of the prior art and the present invention were compared by scanning electron microscopy (SEM) at 200x to 1000x magnification.

これらのことから先行技術においては、15ミクロンよ
り大きい気孔をもったものが相当多くあるのに対して、
この発明の生成物においては15ミクロン以上大きい気
孔のものはほとんどないことが明らかとなった。
For these reasons, in the prior art, there are quite a lot of materials with pores larger than 15 microns, whereas
It has been found that the products of this invention have very few pores larger than 15 microns.

最大気孔の大きさは強度に直接影響する。The maximum pore size directly affects the strength.

大きな気孔はクラツク発生を誘発し欠陥とみなされる。Large pores induce cracks and are considered defects.

この発明の方法においては、10ミクロンよりも大きな
直径の粒子を本質的に含まない微細な粒子を出発材料と
しているので、得られた成形体の気孔は2ミクロンより
小さいサイズとなり、これが強度の高い成形体が得られ
る一つの要因となっている。
Since the method of this invention uses fine particles as a starting material, which essentially do not contain particles with a diameter larger than 10 microns, the pores of the resulting molded product have a size smaller than 2 microns, which gives a high strength This is one of the factors that makes it possible to obtain a molded product.

表−1のデータから判断して、実施例1,実施例5の生
成物は先行技術を実質的にはるかにしのいでいることは
明白である。
Judging from the data in Table 1, it is clear that the products of Examples 1 and 5 substantially outperform the prior art.

例4は先行技術に近いが、例4はこの発明の優先技術を
表わしたものではない。
Although Example 4 is close to the prior art, Example 4 does not represent the preferred technology of this invention.

例2,例3,例6は発明の範囲外である。Examples 2, 3, and 6 are outside the scope of the invention.

この発明が強度において、非常な成果を得た理由は正確
には証明されていないが、この成果に対する論理的説明
がいくつかある。
Although the exact reason why this invention achieved such great results in terms of strength has not been proven, there are several logical explanations for this success.

まずほぼ均一の粒子径の微細粉末が使用されることであ
る。
First, a fine powder with a substantially uniform particle size is used.

この微細粉末は焼結工程で、焼結体全体に拡がっている
比較的均一な気孔径を有する珪素の凝集結合塊となる。
In the sintering process, this fine powder becomes a cohesive mass of silicon having a relatively uniform pore size spread throughout the sintered body.

生成物が一旦温度焼結されると、種々の小さな珪素粒子
間は珪素一珪素結合で結合される。
Once the product is temperature sintered, silicon-silicon bonds form between the various small silicon particles.

これは先行技術の大部分の生成物と著しく異なるところ
であり、先行技術では、機械加工され、ついには窒化珪
素に変換される生成物は、主として窒化珪素結合によっ
て結合した生成物からなるものであった。
This is in marked contrast to most products of the prior art, in which the product that is machined and ultimately converted to silicon nitride consists primarily of products bound by silicon nitride bonds. Ta.

この発明の生成物は非常に微細で均一に分散した気孔と
、やや極微の結晶と、均一構造を有する。
The products of this invention have a homogeneous structure with very fine and evenly distributed pores, rather microscopic crystals.

顕微鏡で調べると反躬光と十字偏光(crossPor
arized light)の照躬でそれぞれ違いを示
す。
When examined with a microscope, reflected light and cross-polarized light (crossPolarized light) are detected.
The differences between the two are shown in the light (arized light).

反別光の場合、生成物が均一分布の気JLごく少数の大
気几平均的小気孔径を有していることを示す。
In the case of anti-separation, the product has a uniform distribution of air and a very small average pore size.

また十字偏光は均等質の光と、微細胞構造の暗いレース
模様とを現出する。
Cross-polarized light also reveals a uniform quality of light and a dark lace pattern of microcellular structures.

しかるに先行技術の生成物は、種々の細胞構造を現わす
のである。
However, the products of the prior art exhibit a variety of cellular structures.

生成物の食刻、無食刻例の試験では、この発明の生成物
をio,ooo倍にまで拡大しても、ごく僅かのそれと
わかる粒子が認められるにすぎない。
Testing of the etched and unetched examples of the product reveals only a few recognizable particles even when the product of this invention is magnified io, ooo times.

認められるごく僅かの粒子は約3ミクロンの粒子径を持
つものである。
The very few particles observed have a particle size of about 3 microns.

これに対し、先行技術の生成物では、多くの粒状構造が
認められ、しかもこれが不均等h{こ分布している。
In contrast, in the products of the prior art, many grain structures are observed, which are unevenly distributed.

この発明の生底物は微細粒子径、構造の均一性、密度の
均一性などによって先行技術の生成物とは明確に区別さ
れる。
The green bottom material of this invention is clearly distinguished from the products of the prior art by its fine particle size, uniformity of structure, uniformity of density, etc.

すなわち欠陥となるような大気孔はなく高強度を有する
ものである。
In other words, it has no large pores that would cause defects and has high strength.

実施例1に示したように、その方法は均一な小気孔生成
物を生成するものである。
As shown in Example 1, the method produces a uniform small pore product.

このように珪素の粒子径はきわめて微細であり、珪素粒
子はプレスの前に一団に固めることなく、また燃焼の際
、異質物あるいは気孔を生ずる有機結合剤は使用してい
ない。
As described above, the particle size of silicon is extremely fine, the silicon particles are not compacted into a mass before pressing, and no organic binder is used that would produce foreign matter or pores during combustion.

その生成物は最大未加工密度、最小の気孔径および均一
な構造を確保するために非常な高圧で圧縮される。
The product is compressed at very high pressure to ensure maximum green density, minimum pore size and uniform structure.

この発明において用いた物質の均一で微細な粒子径は、
比較的低温でもってそれらの粒子により珪素から窒化珪
素へのさらに均一な変換を与えるものであると思われる
The uniform and fine particle size of the substance used in this invention is
It is believed that these particles provide a more uniform conversion of silicon to silicon nitride at relatively low temperatures.

このことはその内部には更に低い応力を与え、さらに均
一な物性を持った生成物を与えるものであると思われる
This is thought to provide a product with lower stress inside and more uniform physical properties.

先行技術〔スペシャルセラミクス( Special
Ceramics)、ヘイウツド社(Heywood)
刊、1960年、ポツパー(P.popper)編13
2ページ〕中には珪素粉末を最初真空中で、次に窒素中
にて加熱したサンプルに関して、有意の窒化は測定され
なかったとの短かい記載が認められる。
Prior art [Special ceramics (Special)
Ceramics), Heywood
Published, 1960, edited by P. popper 13
On page 2] there is a short note stating that no significant nitridation was measured for samples in which silicon powder was heated first in vacuum and then in nitrogen.

ポツパーや彼の同伴研究者らが用いた条件によれば、真
空焼結は、彼が用いたさらに大きい珪素粒子を非常に大
きな凝集塊に結合するので、その結果、その後の窒化操
作によって生成物の大部分を窒化物に変換することに役
立たないのである。
According to the conditions used by Potzper and his fellow researchers, vacuum sintering binds the larger silicon particles he used into very large agglomerates, so that the subsequent nitriding operation removes the product. It does not help in converting most of it into nitride.

この事はポツパーらの場合には、表面積の著しい減少に
起因するものと思われる。
This appears to be due to a significant reduction in surface area in the case of Potsper et al.

本願発明においては、真空あるいは他の不活性、非反応
雰囲気における焼結が用いられるけれども、出発珪素粉
体が微細な粒子径のため、非反応雰囲気中で焼結を行な
う結果、有効表面積が多少減少するとしても、残余の表
面積が完全な窒化を行なうに十分なのである。
Although sintering in a vacuum or other inert, non-reactive atmosphere is used in the present invention, due to the fine particle size of the starting silicon powder, sintering in a non-reactive atmosphere results in some effective surface area. Although reduced, the remaining surface area is sufficient to effect complete nitridation.

したがって結合珪素構造のいかなる部分においても最大
断面積は非常に小さい(数ミクロンの単位)ので窒素が
完全に珪素構造に拡散し、珪素構造の実質的にすべてを
窒化珪素に変換することができるのである。
Therefore, the maximum cross-sectional area in any part of the bonded silicon structure is so small (on the order of a few microns) that nitrogen can completely diffuse into the silicon structure and convert virtually all of the silicon structure into silicon nitride. be.

この発明においては、焼結した珪素粒子は連続構造がさ
らに多いため、その結果最終窒化珪素構造をさらに連続
的にしながら窒化がその構造中で起こるのである。
In this invention, the sintered silicon particles have a more continuous structure so that nitridation occurs within the final silicon nitride structure making it more continuous.

アルゴン焼結前後における珪素圧縮体の強度試験は、焼
結に起因するかなり大幅な強度の増加を示しており、し
たがって珪素と珪素との強い結合が存在することを示す
ものである。
Strength testing of the silicon compacts before and after argon sintering shows a fairly significant increase in strength due to sintering, thus indicating the presence of a strong silicon-to-silicon bond.

焼結は連続した珪素の骨格構造を与え、この珪素骨格構
造が、その場で引き続いて窒化珪素に変換するのである
Sintering provides a continuous silicon framework that is subsequently converted in situ to silicon nitride.

実施例1のアルゴン焼結製品に対する平均曲げ破断強さ
の増加は焼結前が1 0. 4 kg/crA(148
psi)であるのに対して、焼結後が115kg/cr
A( 1 6 3 3 psi)である。
The average bending breaking strength for the argon sintered product of Example 1 increased by 10. 4 kg/crA (148
psi), while after sintering it is 115kg/cr
A (1633 psi).

例6では同様に6.8kg/ca( 9 7 ps i
)から8 0. 5 kp /cwt (11.48p
si)に増加している。
Similarly, in Example 6, 6.8 kg/ca (97 ps i
) to 8 0. 5kp/cwt (11.48p
si).

上記の実施例からこの発明の生成物は最終生成物ではβ
窒化珪素に対するα窒化珪素の比が高いことがわかった
From the above examples, it can be seen that the product of this invention is β in the final product.
It was found that the ratio of α-silicon nitride to silicon nitride was high.

αのβに対する比は、間接的に強度に影響すると考えら
れる。
It is believed that the ratio of α to β indirectly affects the strength.

これは大きな気孔を減少することに起因する。This is due to the reduction of large pores.

これはアルファマットにβ相を充填することあるいは2
相間の結晶生長に伴なう差異に起因する。
This is done by filling the alpha matte with the β phase or by filling the alpha mat with the β phase.
This is due to differences in crystal growth between phases.

つまり、大きな気孔はより大きな、かつ不連続の粒子で
あるβの中に発生する。
That is, large pores occur in larger and more discontinuous particles, β.

そしてこの事は窒化が比較的低温で起り、しかもこの低
温で窒化が完成することによると思われる。
This seems to be due to the fact that nitriding occurs at a relatively low temperature and is completed at this low temperature.

またこのことは最初の圧縮体で用いた小さい粒子径によ
り窒化される固形珪素の中での短かい拡散路によるもの
である。
This is also due to the short diffusion paths in the solid silicon being nitrided due to the small particle size used in the initial compact.

上述の実施例では不純物である鉄、アルミニウムおよび
カルシウムが僅かの濃度で存在することがわかる。
It can be seen that in the above examples the impurities iron, aluminum and calcium are present in small concentrations.

これらの不純物の正確な役割は完全に理解できないが、
非常に純粋な珪素を原材料物質として使用すると機械強
度がほんの僅か低下することが分っている。
Although the exact role of these impurities is not fully understood,
It has been found that the use of very pure silicon as raw material reduces the mechanical strength only slightly.

珪素と珪素の焼結にガラス結合は存在しないとされてい
るが、これらの不純物によって焼結作用が助けられるの
であると信じられている。
Although glass bonds are not believed to exist in silicon-to-silicon sintering, it is believed that these impurities aid the sintering process.

金属不純物はおそらく共融合金を与えるように働き、そ
の結果、通常の焼結温度よりも低い温度で焼結が起るの
であろう。
The metal impurities likely act to provide a eutectic alloy, so that sintering occurs at lower than normal sintering temperatures.

珪素粉体はすべてその表面に幾らかの酸化物膜をもって
いるので、焼結工程中Oここれら不純物がこの酸化物膜
の破壊を助け、珪素一珪素結合を与えるのであろう。
Since all silicon powders have some oxide film on their surface, during the sintering process these impurities may help break down this oxide film and provide a silicon-silicon bond.

上述の特殊な例においては、窒化とアンモニアの混合物
が炉において用いられる。
In the particular case mentioned above, a mixture of nitriding and ammonia is used in the furnace.

このことは一般の手順なのだが、好ましいことと思われ
る。
Although this is a common procedure, it is considered preferable.

一方、機械加工に先立って未加工の珪素比縮体を焼結す
るにはアルゴンが望ましいことを述べたが、他の雰囲気
、すなわちヘリウムや他の希ガス、水素およひ1100
℃の温度で珪素と反応しないガスも用いることができる
On the other hand, although it has been stated that argon is preferred for sintering the raw silicon condensate prior to machining, other atmospheres such as helium, other noble gases, hydrogen and
Gases that do not react with silicon at temperatures of 0.degree. C. can also be used.

窒素,酸素や炭素を含むガスは一般にはこの発明の目的
には適当でない。
Gases containing nitrogen, oxygen or carbon are generally not suitable for purposes of this invention.

以下はこの発明の実施態様である。Below are embodiments of this invention.

1.不活性雰囲気がアルゴンである特許請求の範囲記載
の製造方法。
1. The manufacturing method according to the claims, wherein the inert atmosphere is argon.

2.窒素含有雰囲気がアンモニアを含む特許請求の範囲
記載の製造方法。
2. The manufacturing method according to the claims, wherein the nitrogen-containing atmosphere contains ammonia.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 10ミクロンよりも大きい直径の粒子を本質的に含
まない微細な珪素粉末を圧縮して1.45P/cr#L
上の未焼結密度をもつ成形体を形成する工程、この或形
体を本質的に窒素、炭素および酸素を含まない不活性雰
囲気中で焼結して成形体全域にわたって比較的均一な気
孔径と次の窒素を拡散させるのに十分な気孔構造とをも
つ凝集結合した珪素塊を形成する工程、およびその後こ
の珪素塊を窒化珪素に変換するに足る窒素含有雰囲気中
で焼結する工程からなることを特徴とする、等方性構造
と、2 8 1 2.4kg/ca (40,000p
s i)以上の曲げ強さと、2より犬さいアルファ対ベ
ータ窒化珪素比とをもち、ほぼ全ての気孔は2ミクロン
より小さいサイズである窒化珪素焼結成形体の製造方法
1 Compressed fine silicon powder essentially free of particles with diameters greater than 10 microns to 1.45P/cr#L
forming a green body having a green density of 100 to 100 ml, and sintering this body in an inert atmosphere essentially free of nitrogen, carbon, and oxygen to produce a relatively uniform pore size throughout the green body; forming a cohesively bonded silicon mass with a pore structure sufficient to permit the diffusion of nitrogen; and thereafter sintering the silicon mass in a nitrogen-containing atmosphere sufficient to convert it to silicon nitride. 2 8 1 2.4 kg/ca (40,000p
s i) A method for producing a sintered silicon nitride compact having a bending strength of greater than or equal to 2, an alpha to beta silicon nitride ratio of greater than 2, and substantially all pores having a size of less than 2 microns.
JP7368211A 1972-06-16 1973-06-16 Silicon nitride molded body and its manufacturing method Expired JPS5837272B2 (en)

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