JPS5874571A - 窒化ケイ素貿焼結体の製造法 - 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】 本発明は窒化ケイ素質蝿曽体のＩＩ造法に係り、更に靜
しくは、高績書質で、耐熱−撃性、高温における機械強
★等実用上の１ｌＩｌ特性□に優れる窒化ケイ素質焼結
体の量産に遺し友方法に関す葛。

熱約性質にすぐれ、かつ高一度のセラミックス焼結体は
、各種構造材料の先端にある亀のと゛して各巌−分費で
広く注目を集めて−るが、□その代表的なものとして窒
化ケイ素の焼結体がある。

従来から、窒化ケイ素焼結体の製造にお−では、反応焼
結法、′ホットプレス法及び曹迩焼結法が一般ｉは採用
されて―る。

このうち、反応焼結法は、金属ケイ素（８１）の粉末で
予めｉ要とするｊを成形し、これを窒素叉はアンモニア
ガス雰囲気中で徐々に加熱して窒化と同時に焼結すると
−う方法である。

また、ホットプレス法は、窒化ケイ素（Ｓｉ、Ｎ４）の
粉末に、例えば、Ｙ、Ｏ，、Ａ慮ｍ０３　＃　’ＩＩＯ
等の焼結助剤を添加し、□これを所定のＩＩ（例えば黒
鉛ｆ）ＩＩ）　ＩＦ）中’ｔ’１７００〜１１１００Ｃ
ノ高ｉｌ下、＊　５ｏ−ｊｓｏｏｋ〜の゛圧力を印加し
て焼結する方法である。この方法によれば、高密度で機
械的強度も大暑く、かつ耐熱衝撃性゛又は高温酸化零−
気下てめ機械的強度低下に対する抵抗などの熱的性質に
すぐれた焼結体を得る夏とができる。しかし、一方で′
、この方法は複軸で大型形状の焼結体を得ることが困難
で、しかも量産性に劣ると≠う欠点を有する。

他方、普通焼結法は、８Ｍ！ＩＮ４粉末と前記のＹ２Ｏ
３，ム息、０３等の焼結助剤をパラフィンのような粘結
剤で予め成形し、これを非酸化性雰囲気下でホットプレ
スすることなくそのまま加熱して焼結する方法である。

しかし、この方法では、高密度で機械的強度の大きい焼
結体とりわけ高温酸化雰囲気下での機械的強度低下に対
する抵抗性の大１１−焼結体を得ることは困難である。

そのため、本発明者らは、上記普通焼結法に関し種々の
検討を加えた結果、ホットプレス法に匹敵して、機械的
強度・耐熱衝撃性にすぐれた高密度焼結体を製造で會る
普通焼結法を提案した（特願＠５４−１會０１３４号、
特願昭５４−２１３８３号）。・丙 しかしながら、ζλ゛シ“の方法で得られた窒化ケイ素
焼結体の高温酸化雰囲気下における機械的強度の低下に
対する抵抗性は必ずしも満足のいくものではなかった。

本発明は、従来の窒化ケイ素質焼結体の製造法が有して
いた上述の不都合を解消すべく、なされたものである。

そこで、本発明の目的は、高緻密質で、耐熱衝撃性、高
温における機械強度等実用上の緒特性に優れる窒化ケイ
素質焼結体の量産に適した方法を提供することにある。

かかる目的を達成した、本発明の窒化ケイ素質焼結体の
製造法は、窒化ケイ素粉末と、次式％式％（１） 〔式中、Ｒはイツトリウム、エルビウム、ツリウム、イ
ツトリウム、ルテニウム、ホルビウム、又はジスプロシ
ウムを表わす。〕 で表わされるニガーネットの粉末を含も混合粉末を、成
形、−結することを特徴とするものであるＯ 本発明に係る、前記式（１）で表わされるガーネツ）粉
末としては、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ、ム
ｉ怠０３）粉末と、Ｒ２０３（Ｒは前述の意味を有する
。）粉末との混合粉末を高温（通常は、１３００〜ｔｓ
ｏｏｃｉｉ度）で固相反応させて得られる多結晶粉末な
どを用いることができる。かかる固相反応によっては、
ｈｔ２ｏ３とＲ２Ｏ３が、必ずし４前記式曽の組珠で生
成物を生ずるとは限らず、例えｉｆ、　Ａｌ２Ｏ，とＲ
８０３の一部分が相互に置換固溶１て、 Ｒ，０３／Ａ慮１０３＞３／ＩｓもしくはＲｇＯ，／Ａ
慮２０．〈３１５なるガーネット、即ち１．次式：％式
％） ） なるａｌｔのガーネットが得られる仁と１ある。

本発明にお−では、かかるＡｔとＲが相互←置換固溶し
たガーネットも使用することができる。

また、式（１）で表わされるガーネツ・）＆Ｌｒは、８
として前記Ｙ　、Ｅｒ、Ｔｂ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｈｏ及びＤ
７の２種以上を含む、例えけ（Ｙ、Ｄｙ）ｓＡＡｇ３Ａ
ＩＯ，）、なる組成を有するガーネット１使用可能であ
る。また、前記式（１）で表わされるガーネットは、Ｂ
の異なる２種以上の混合系粉末としても使用することが
できる。

前記式（１）で表わされるガーネットの、前記混合粉末
中への配合量は、０．５〜２０重量襲、更には３〜１２
重量搭であることが好ましい。α５重量襲未満であると
、窒化ケイ素質焼結体の高緻密化が十分に達成されず、
耐熱衝撃性、高温における機械強度等が劣ることとなる
０２０重量襲を超えると、窒化ケイ素質焼結体の機械的
強、度、耐熱衝、撃性等が、矢針、低下する為である。

　　　　　　　。

前記窒化ケイ素（８４３Ｎ４）は、本発明に用いる前記
混合粉末の主成分であるが、かかる８　１３Ｎ、として
呻、α相型、β相型の何れであ？ても良いが、α相型が
好んで用−られる。

８　ｌ　、Ｎ４　　の混合、粉末中への配合量は、７０
重量囁以上であることが好ましい。

前記混合粉末は、８　ｔ　３Ｎ４及び前記ガーネットの
外に、Ｙ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３等の焼−成助剤などを成分
として含んでいても良−０また、前記混合粉末を得るに
際しては、通常のボールミル等の粉砕混合機によ抄、ｎ
−ブチルアルコール等の溶媒を用いて混合することがで
きる。

かくして得られた混合粉末な成形する。例えば適宜の圧
力で加圧成形して、所定形状の成形体とする。

との成形体を非酸化性雰囲気中、１５００〜１９００Ｕ
、好ましくは１６００〜１８００Ｃで加熱して焼結せし
め、焼結体とする。非酸化性雰囲気としては窒素、アル
ゴン等があけられる。酸化性雰囲気では８　ｉ　、Ｎ４
が僧侶して５ｉｎ２．になるため不可である。なお、こ
の焼結時に、５０〜５　Ｑ　Ｑ　ｋｇ／ｃｐｓ”の圧力
を印加したホットプレス状態で焼結してもよい。

本発明方法によって得られる８窒化ケイ素質焼結体は、
曹通焼結法による焼結体であっても、高緻密質で、耐熱
衝撃性Ｊ高パ温における機械像度等実用上の諸特性に優
れたものとなる。

かかる高品質の焼結体が得られる理由は、必ずしも明ら
かではな−が、例えば、焼結に際して、低い活性化エネ
ルギーでガーネットＸ６（窒イヒケイ素中に固溶するな
どして、窒化ケイ素の焼結が促進される為であると考え
られる。

また、ホットプレス等の煩雑な装置を必要とせずに、か
かる高品質の焼結体が得られる為に、比較的低廉に窒化
ケイ素質焼結体を量産することができるという利点をも
有する。

実施例 本発明方法によ抄、窒化ケイ素質焼結体を得た。。

先ず、酸化アルミニウム（Ａｇ２ｏ３　）　、酸化イツ
トリウム（Ｙ２Ｏ３）及び酸化ジスプロシウム（Ｄｙ２
０３）を表に示した組成（重量部）で混合し、この混合
粉末を１３００〜１６００１：’、３〜１０時間加熱し
てガーネットを合成した。

次−で得られたガーネットを微粉砕（３６０メツシユ以
下）シン全量を、表に示した組成（重量部）の窒化ケイ
素粉末（α相１１ｇ５％以上を含む、平均粒径ｔ２μｍ
）に添加配合し、ｎ−ブチルアルコールを適量添加後、
ゴムライニングプールを用いたボールミルで２４時時間
式混合して、１０種額の混合粉末（試料番号１〜１０）
を得た。得られた混合粉末に更にパラフィンを７重量部
添加して混合した後、室温下、７　Ｑ　Ｑ　ｋｇ／ａｍ
”　（Ｆ）成形圧で、長さ６０１１Ｂ、幅４゜謡、厚み
１０ｍ５の板状成形体を得た。得られた各成形体を、先
ず７００Ｇで加熱処理してパラフィンを熱分解除失した
後、窒素ガスを通流（３Ｑ７ｋｉｎ）　した炉内で１７
５Ｏｒで焼結を行ない、焼結体を得た。

比較例として、ガーネットの代わ抄に表に示した組成（
重量部）のム昨０３と、Ｙ２Ｏ３，又はＡＱｇ０３とＹ
２Ｏ３とＤ）’ｇＯｓから成る混合粉末を用い、焼結温
度を１７８０ｔｌｌ’とした以外は、上記実施例と同一
の原料及び方法により、窒化ケイ素質焼結体を得た（表
中、試料番号１１〜１３）。

かくして、本発明方法によ抄得られた窒化ケイ素質焼結
体及び比較例について、相対密度、室温下での抗折強度
、空気中、ｘｏｏｏｃで１０００　　時間酸化処理した
後の室温下での抗折強度、空気中１２００Ｃ・で１００
０時間酸化処理した後の室温下での抗折強度及び耐・熱
衝撃性を測定した。

それらの結果を、各焼結体の試片番号に対応させて表に
示した。それぞれの測定項目は以下の仕様にしたがった
。

相対密度二組酸比から算出した理論密度に対する相対比
（（５）で示した。

抗折強度：３点曲げ像度試験によるもので、試片のサイ
ズ３Ｘ３Ｘ３０ｍ＋１．ク ロスヘッドスピードα５−／−、ス □　・パン”２０−、温度室温。測定は各試片４枚につ
き行ないその平均値 で示した・。

耐熱衝撃性：抗折強度測定用試験片と同一形状の試験片
をある温度に加熱した後 水中に投入して急冷し、試験片へ のクラック発生の有無を螢光探傷 法で観察し、クランク発生時にお ける加熱温度と水温との差ΔＴを もって表示した。

′→１ １ 表から明らかなように、本発明方法によって得られ光焼
結体（試片番号１〜１Ｇ）は、相対密度は理論密度の９
７憾以上と高密度であり、またその抗折強度も８Ｓｋｙ
／−”　　以上と大きく、耐熱衝撃性もノテで表わして
ｆｆｆｆ６７０ｒ以上である。とシわけ、Ｒ，０，／Ａ
慮２０３（重量比）が１以上のガーネット（試料番号２
，４．．５゜９）を用−た焼結体は、相対密度９ａＯ％
以上の高緻密質のも・のとな抄、抗折強度８５−８以上
、ノＴが６７０Ｃ以上となって−る。

以上詳述したように、本発明方法はホットプレスする仁
とを必要としな−ので大量生産に適合し、し１％高密度
で耐熱衝撃性にすぐれ、かつ高温酸化雰囲気下における
、機械的強度の低下の小さ一焼結体を製造できるので、
その工業的有用性は大である。　　　　　　−・

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 窒化ナイ素輪末と、次式： ％式％ 〔式中、１はイツ）亨會ム、エルビウム、ツリウム、イ
   ツテリビウム、ルテニウム、ホルビウム、叉は゛ジスプ
   四シウムを表わす。〕で褒わされるガー車ツシの□粉末
   を含も混合粉末を、或廖、焼結することを時機とする窒
   化ケイ素質焼結体の一遺決。