JPS5888171A - 高密度窒化珪素焼結体の製造方法 - Google Patents

高密度窒化珪素焼結体の製造方法

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JPS5888171A
JPS5888171A JP56185122A JP18512281A JPS5888171A JP S5888171 A JPS5888171 A JP S5888171A JP 56185122 A JP56185122 A JP 56185122A JP 18512281 A JP18512281 A JP 18512281A JP S5888171 A JPS5888171 A JP S5888171A
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JP
Japan
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sintered body
silicon nitride
density
strength
type
Prior art date
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JP56185122A
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English (en)
Inventor
岡田 広
立野 常男
克彦 本間
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Publication date
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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】 本発明は高密度でかつ高強度の窒化珪素焼結体を製造す
る方法に関するものである。
近年、熱効率の向上、燃料の節約、低公害、軽址化を目
的として高温ガスタービンを始め、テイーゼルエンジン
、MID発電など高温で稼動する機器の開発が活発に行
なわれている。ところが、これら機器の開発は一途に高
温構造材料の開発にかかつており、これら高温材料の製
造が注目されているが、か\る高温下では従来の耐熱金
属では必ずしも満足な機械的強度を得るに至らず、又、
資源の乏しい耐熱金属材料の節約という観点から地上に
比較的豊富なSi、AI!、C,、Nなどを原料とする
セラミックスを高温構造材料として開発が進められつつ
ある。
又、かかる高温構造材料の開発は高硬度部材としての工
具や耐食材料としての用途を目的としても同様にその重
要性が認識され、大きな関心が寄せられている。
とりわけ、これらセラミックス高温構造材料の中で高温
下で充分な強度を有し化学的に安定で熱衝撃にも強い材
料として窒化珪素(SigN4)は最も有望なものの一
つとして注目されている。
このSi8N4 は上述の如き優れた物理的特性を有す
るが、これはSi3N4 が珪素(Si)  と窒素■
との強固な共有結合よりなる化合物であることによる。
このことは、反面において、518N4単独で高密度・
高強度の製品を製造することが極めて困難であることを
意味し、従ってこの分野における研究の殆んどは如何に
して高密度・高強度のSi8N4 の成形体を製造する
かに費やされており、しかもその殆んど全ては、S+s
 N4  単独での焼結が困難なことから、焼結助剤を
添加して焼結する方法である。
焼結助剤上しては、Y2O3、Al2O8、MgO1T
1o2、SiO2、ZrO2等が代表的な成分であり、
これら助剤はSi3N4粉末粒子の境界面でガラス質を
形成することによりSi 8N、粒子相互を結合する役
目を持つものであるが、5iBN4  自体は優れた耐
熱性及び高強度を有するにも拘らず、焼結助剤を用いた
焼結体にあっては、その耐熱限度及び強度は、焼結助剤
の性質に左右される七いう問題がある。
一方、焼結体の強度は一般にその密度に比例する傾向が
あることから、高密度焼結体の製造方法として、最近、
熱間静水圧プレス(以下HIPという)法により、高温
高圧の不活性ガスをS+aN4粉末を所定の形状にした
成形体あるいはこれを予備焼結した予備焼結体に作用さ
せて高密度化する方法が提案されている。
しかしながら、本発明者等がこのようにして得られた5
18N4  焼結体の相対密度と強度との相関量′係に
ついて研究を行ったところ、5iBN4 焼結体の相対
密度と強度とは必ずしも相関関係があるとけ云えないこ
とが判明した。そこで本発明者等は更に検討を重ね、予
備焼結体のβ型S rBN4 に着目して研究を゛行っ
た結果、予備焼結体のβ型5i8N4含有率と焼結体の
強度とに相関があることを知見し先に、これらの関係に
ついて特許出願を行なっている。(特願昭56−111
80号)。
本発明者等は、更に研究を重ね、β型Si8N4  含
有率と焼結体強度との相関原因について調べたところ、
HIP処理前の予備焼結工程即ち熱処理工程におけるα
−β変態によって複雑にからみ合った柱状或いは針状晶
を形成し、HIP処理時におけるβ変態と緻密化によっ
て強固にからみ合った組織が形成される事が判明した。
そこで、本発明者等はとのα−β変態を利用すれば、前
述の焼結助剤を用いることなくSi3N4の高強度焼結
体が得られるのではないかと考え、種々の実験を行なっ
た結果、前記予見に確信を持ち、本発明を完成するに至
った。
即ち、本発明は焼結助剤を用いることなく高密度・高強
度のSi3N4  焼結体を製造する方法を提供するも
ので、その特徴とするところは、α型S+BN4を45
重量%(以下同じ)含有す全Si8N4 粉末を所定形
状に圧粉成形し、この圧粉成形体を1600〜1800
°CのN2ガス雰囲気下で15分以上熱処理することに
よって、Si8N4 全量に対する割合で、前記α型S
 iB N4の45%以上をβ型5i8N4に変態させ
て柱状晶或いは針状晶のからみ合った組織体となし、続
いてこれをHIP処理することにより高強度Si3N4
 焼結体を製造する点にある。
以下本発明を更に詳細に説明する。
先つ本発明方法に用いるS 1BN4粉末の原料は金属
Si  の窒化法′により得られるものの他、sio、
還元粉あるいは気相反応法、熱分解法により5iC14
や5i(NH)1から製造されたもの等が使用される。
なお、Si8N4粉米中のα型5I8N4  の含有率
は後述する如く45%以上必要であり、多い程好ましい
と云える。
このSi3N4 粉末を予備成形する方法としては、射
出成形法、押出成形法、型プレス成形法、静水圧成形法
等の任意の成形法が採用できる。
次にこの成形体を熱処理することによりα型S+BN4
  をβ型Si3N4 に変態させて柱状晶或いは針状
晶が複雑にからみ合った組織体を形成するが、α−β変
態の割合が少ないと充分な強度が得られないので、α−
β変態の割合は、全S 18N4量に対する割合で、α
型Si8N4  の45%以上をβ型に変態させる必要
がある。即ち、全Si3N4に対して45%以上が熱処
理工程でα−β変態を生じている様にする必要がある。
なおこの熱処理はSi8N4の分解を抑制するためN2
  ガス雰囲気下で行なう必留があるが、次に熱処理条
件について図面によって説明する。添付図面は、97%
α型S Ill N4 (3%βSiB N4 )の原
料粉末をN2ガス雰囲気下で1600℃、1700°C
及び1750°Cの各温度で加熱したときのα型Si8
N4含有量の熱処理時間による変化を示したもので、同
図よりα−β変態の速度は温度が高い程速いことが分か
る。即ち1750℃の場合には約15分で47%かα→
β変態しているに対し、同−変態竜を得るのに1700
℃では約50分、1600℃では約80分装している。
このことから、熱処理温度は高い方が熱処理時間が短か
くて済むことになり、好ましいと言えるが、温度が高過
ぎると、N2雰囲気下といえども、Si3N4の熱分解
が生じ、強度低下の原因となるので少くとも1800℃
以下とする必要がある。一方温度が低いと所定のα−β
変恵を得るのに長時間を要し、実用面で問題が生じるの
で、少くとも1600℃以上とする必要がある。従って
熱処理時間も同図より15分以上とする必要のあること
が分かる。
次に上述の如く熱処理によって所定のα−β変態を生じ
させた成形体にHIP処理を施こして高密度焼結体とす
るわけであるが、熱処理により予備焼結された成形体の
密度は、熱処理温度、時間及び予備成形法の種類によっ
て異なっており、相対密度が低いものは、成形体中の気
孔が表面に連通した開孔となっているものがあるため、
そのままHIP処理したのでは閉孔部のみが消滅し、開
孔部がその捷ま残留することになるので、相対密度の低
い予備焼結体は5iXAI! 等の酸化物または窒化物
等を被覆して封孔処理を行いHIP処理に付すか或いは
ガラスカプセル等に封入してHIP処理することが必要
であ゛るが、本発明者等の研究によると、予備焼結体の
相対密度が92%以上の場合には焼結体中の気孔は、そ
の殆んどが表面に開口していない閉孔となっているから
、封孔処理することカく、そのままHIP処理に付すこ
とができる。勿論、相対密度が92%以上の予備焼結体
であっても、例えば圧媒ガスとしてMガスを用いる場合
におけるS iB N4の分解反応の防止等値の目的の
ために被覆処理を行ってHIP処理し得ることは云う迄
もない。
HIP処理はArガス、N2ガス等の不活性ガス雰囲気
下で行われるが、カプセルを用いない場合には5rBN
40分解反応を防止して、高密度化しりることからして
N2ガス雰囲気下で行うことが好ましい。
HIP温度としては、1600℃以上、好ましくは17
00〜2000°Cであり、前記熱処理温度より高いこ
とが望ましい。このHIP#fA度は当然Si8N4 
の分解温度以下でなければならず、この分解温度もHI
P圧力の上昇と共に高くなるが、少くともそのHIP処
理処理圧力における分解温度よりも100°C低い1昔
度以下で行うことが好ましい。
次にHIP圧力は、500気圧以上で行うのかよく、5
00気圧以下ではHIP処理に長時間を要すると共にS
i8N4 の分解反応量が時間に比例して大きくなるた
め焼結体の重量減少を招′くのみならず、高密度焼結体
卆達成し難くなる。従ってHIP圧力は少くとも500
気圧、好ましくは700気圧以上にすることが望ましい
一方、HIPl:圧力は高ければ高い程、S iB N
4の分解反応が抑止され高密度化が達成され易いが、昇
圧に時間を要し、かつ、昇圧用のコンプレッサをはじめ
本体圧力容器などHIP処理装置が大型化するので実用
的でなくなる。従って実用的には2500気圧までの圧
力でHIP処理することが望ましい。
またHIP処理時間は5分〜5間間の範囲で処理するこ
とが好ましい。
上記の如くしてHIP処理が施されたSi8N4 焼結
体は相対密度が95%以上の高密度焼結体となる。
次に本発明の実施例について説明する。
(実施例) 第1表に示す如く、種々のα型Si3N4を有する原料
S iB N、−を用いて、1 ton/iの圧力で冷
間成形した圧粉成形体を、大気圧のN2気流中で種々の
熱処理条件で熱処理し、そのときのα−β変態量を測定
すると共に、熱処理して得られた予備焼結体をガラスカ
プセル内に装入し、脱気密封した後種々のHIP条件で
HIPして得られた焼結体の密度・強度及びβ型Si、
N4 量を測定したところ第1表の如き結果を得た。
第1表から明らかな通り、熱処理によるβ型S IB 
N4の増加量が45%以上の本発明実施例(No。
1〜6)と、それ以下の比較例(No、7〜12)とで
は、HIP処理後の焼結体の密度は殆んど同一であり、
またそのβ型S iB N’4は全て100%に達して
いるにも拘らず、本発明実施例のもののみが著しく高い
抗折強度を示している。これは、ひとえに熱処理時のβ
型5i8N4 の多撤生成により柱状晶或いは針状晶が
複雑にからみ合って、5i8N4粉末粒子相互間を強固
に結合せしめた結果によるものと考えられる。このこと
はNo、 6の本発明実施例によって得られた焼結体の
顕微鏡組織(3280倍)を示す参考写真1と、No、
 8の比較例によって得られた焼結体の顕微鏡組織(3
280倍)を示す参考写真2とを対比すると明らかな様
に、本発明方法による焼結体の参考写真1では、柱状成
いは針状の結晶が複雑にからみ合って各結晶が相互に強
固に結合されているのに対し、比較例の参考写真では、
各βQ S IB N4が等軸晶を示し、結晶相互間の
結合が弱いことからも明らかである。
以上詳述した通り本発明方法によるとα9 Si、N4
を多量に含むS rBN4 を原料とし、これを所定形
状に成形した後、特定条件で熱処理することにより、一
定量以上のα−β転移を生せしめ、柱状或いは針状のβ
梨S+8N4 を発生させて粒子相互のからみ合いを強
固なものとし、続いてこれをHIP処理することにより
高密度焼結体となすと共にβ型S r B Naを生成
させて粒子相互のからみ合いをより一層強固なもの、と
じて焼結体の強度を著しく高めるものであり、特に従来
法では不可避的に使用していた焼結助剤を用いることな
く Si、’N4の焼結を可能にしたものであるから、
5iBN4 自体の有する卦j熱性並びに強度をそのま
ま発現させることを可能にした成果には顕著なものが認
められる。
【図面の簡単な説明】
図はα型si、N4量の熱処理条件による変化を示すグ
ラフである。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 ■、α梨窒化珪素を45重縁形以上含有する窒化珪素粉
    末を所定形状に成形し、該成形本を1600〜1800
    ℃の窒素ガス雰囲気下で15分以上熱処理して窒化珪素
    粉末に対する割さで萌1犯α梨窒化珪素の45重量%以
    上をβ型窒化珪素に変態させた後、該成形体を1600
    °C以上、500気圧以りの条件で熱間静水圧プレス処
    理することを特徴とする高密度窒化珪素・焼結体の製造
    方法。 2、熱処理した成形体をガラスカプセル内Vで封入して
    熱間静水圧プレス処理する特許請求の範囲第1項記載の
    高密度窒化珪素焼結体の製造方法。
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