JPS59217673A - 高密度の窒化珪素反応焼結体の製造方法 - Google Patents

高密度の窒化珪素反応焼結体の製造方法

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JPS59217673A
JPS59217673A JP58092166A JP9216683A JPS59217673A JP S59217673 A JPS59217673 A JP S59217673A JP 58092166 A JP58092166 A JP 58092166A JP 9216683 A JP9216683 A JP 9216683A JP S59217673 A JPS59217673 A JP S59217673A
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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(よ、高密度の窒化珪素反応焼結体の製法に関J
る。
窒化珪素Si 3N4の製品のうち、反応焼結体とよ(
、工れるものは、ふつう、Si粉末の成形体または(S
i +Si 3N4 )粉末混合物の成形体に窒素ガス
を作用させて窒化しつつ焼結することにより製造されて
いる。 この種の製品は、耐熱衝撃性、硬度、高温での
電気絶縁性および化学的安定性にすぐれているうえ、反
応焼結時の収縮がほとんどなく、舅法精度が高く得られ
るという利点があるため、耐火4Δ(′31、耐摩耗材
料、耐食材料、絶縁材料などの用途に広く使用されてい
る。
従来の窒化珪素反応焼結体の欠点は機械的に弱いことで
あって、曲げ強度は20 K (Jf/mm2程度、高
くても30 Kl f /+nm2止まりであり、耐熱
構造用材料どしては不満足なことである。 これは1、
?      珪素を完全に窒化して19だ製品でも、
20〜30%の気孔率をもつ比較的低密度の焼結体でし
かないことが原因である。 にり高密度の反応焼結体を
製造できれば、常温から高温にわたって強度を特徴とす
る特性を改善できるから、高温でも強度が低下しないと
いう特徴を生がして、耐熱溝    ゛進用材料として
きわめて有用なものとなる。
反応焼結体の密度を向−ヒさせるlcめにこれまでとら
れた対策は、3iまたは(Si +Si 3N4)成形
体の密度を高めることである。 具体的には、まずわ)
未成形圧力の増大であるが、実用できる限度で高い圧力
を加えても、窒化後の製品の密度は、せいぜい2.39
(1/cm3(理論密度の75%)でしかない。 粉末
の粒度を調節して種々の粒径のちのを配合することも試
みられlcが、それでも反応焼結体の密度は2.54g
/cm3が限界とされていた。
さらに高密度の反応焼結体を得る目的で、Si成形体の
予m焼結、すなわち窒化に先立つ不活性雰囲気中での焼
結を導入して、Si成形体の高密度の焼結体をつくるこ
とが提案されたく特開昭52−121613号)。
しかし、上記開示の方法は、予備焼結によるSi成形体
の高密度を実効あるものとするために、平均粒径0.2
μ以下というきわめて微細なSi粉末を使用−すること
を必須条件とづる。 そのような微粉末の製造が容易で
ないという問題は別にしても、得られる反応焼結体の密
度は、なお、2.399/cm3 (理論密度の92%
)が限度であった。
本発明者は、予備焼結を利用するSi成形体の高密度化
をさらにおし進めることを意図して協働者とともにli
J+究を重ね、最高3 、05(+ /cm3(理論密
度の96%)に達するきわめて高密度の反応焼結体を1
りることに成功し、すでに開示したく特開昭57−18
8465号d)よび57−188466号)。 その方
法は、3i粉末に特定■のホウ素を加えて焼結性を向上
させるか、または特定の元素、りなわちFe、Co、N
i 、Cr。
Mo、Mn、W、Ti、7r、T’a、Nb、V。
Mg、Ca、Cu、Znおよび3nからえらんだ1種ま
たは2種以上の元素またはその化合物を一定m加えて、
窒化を促進りることを要旨とづる。
その後の研究により、Feなどの窒化促進剤は焼結性向
上の効果もあり、広い添加量範囲で有用であることがわ
かった。 上記BおよびFeなどの添加剤は、もちろん
併用してもよく、それが好ましい。
さらに本発明者は、窒化珪素反応焼結体の強度を高める
ことを企てて、原料5i粉末が製品反応焼結体の密度に
与える影響を詳細に検討したところ、S!11)末の平
均粒径および粒度分布、粒子の形状、不純物含有量など
多くの因子があり、かつそれらと成形性との関連も重要
であることが判明し lこ 。
いずれにせよ、第一の関門は高密度の予備焼結体を得る
ことであり、予備焼結体の密度が高まらなければ、製品
である反応焼結体の密度も高められない。 しかし、た
とえ平均粒径1μ以下の微細S1粉末を用いてもなお、
常に高密度の予備焼結体が得られるとは限らないことも
経験した。
高密度の反応焼結体を得るために高密度の予備焼結体を
安定して得る手段を求めて試み、成功をa3さめたのは
、通常使用するSi粉末に超微細なわ)末を若干配合す
ることである。
本発明の、高密度の窒化珪素反応焼結体の製造方法は、
ホウ素またはその化合物をBとして0゜15〜5.0重
量%、ならびに(J、たは)Fe、Co XNi 、C
r ’t Mo 、Mn 、W、Ti 、7r 。
Ta 、NbXV、Mg、Ca 、Cu 、7nおよび
Snの1種または2種以上の元素またはその化合物を」
二記元素としてく2種以上の場合は合泪早て)0.05
〜2.0重…%含有ターる珪S粉末を成形し、成形体を
不活性ガス雰囲気中で1,100°C以上であるがSl
の融点よりは低い温度に加熱して予備焼結し、得られた
予備焼結体を’1100〜1500’Cの温IXに加熱
してN2を作用させ窒化づることからなる高密度の窒化
珪素反応焼結体の製法において、珪素¥5)末どして、
平均粒径0. 1〜10μの粉末と比表面積35m2/
!II以上の超?    微粉末とを配合使用すること
を特徴と覆る。
主体どなる通常のSi粉末は、一般に細かいほど焼結性
がよく、高密度の予備焼結体を与える。
平均粒径が10μを超えると、高密度の焼結体を得るの
が困難になる。 一方、0.1μより微細なものは成形
性がよくないため、かえって好ましくない。
これに配合するSi超微粉末は、35m2/g以上の比
表面積を有するものをえらぶ。 これより比表面積の小
さい粉末では、配合の効果が乏しい。 このような超微
粉末は、たとえばケイ素化合物を気相において分解また
は)9元することによって得られる。 電子顕微鏡で観
察すると、広い比表面積をもったSi超微粉末も、はぼ
球形であって特異な形状ではなく、一方で完全な球形と
仮定して比表面積から逆算した粒径にくらべれば、オー
ダーがひとつ上の実測粒径を示すことが多い。
このことから、広い比表面積をもった3i超微粉末の表
面は、通常の3i粉末のそれとは異なる様相のものであ
り、それが超微粉末の配合による焼結性の顕著な向上と
開運があるものと考えられる。
通常の81粉末に対して超微粉末を配合すべき割合は、
前記したように後者が配合物中の0.5車バ1%以上を
占めるように寸−る。 超微粉末の割合が凸くなるほど
焼結性は向上し、低い焼結温度と短い加熱時間でも、高
密度の予11b焼結体を1りることが容易になる。 た
だし、超微粉末は成形性がよくないので、焼結性向上の
効果がそれによって相殺され、かえって良好な予備焼結
体が得られなくなることと、超微粉末は当然に高111
1iであるから、あまり多聞に用いることはjワ策では
ない。
粉末配合物中60%が限界である。
焼結促進ま1.:は窒化促進の効果をもつ前記諸物質の
含有量の限界とその理由は、さきに開示の発明と同じで
ある。 すなわち、ホウ素の効果を期待Jるためには、
少なくとも0.15重量%の含有を必要とする。しかし
ホウ素は窒化工稈において窒化囮素BNを生成し、これ
が多量になると反応焼結を阻害する。そのため、5.0
重量%Jメ内に止めなければならない。
F eその他の物質の含有量は、Si粉末に対し0.0
5重量%以上ないと効果が得られない。
この下限末渦では予備焼結体の密度が高くなることもあ
って、3iを高度に窒化するのに要する時間が、実用的
といえないほど長くなる。 一方、2.0%を超える含
有は、著しい粒成長を招き、予備焼結に、1ハブる高密
度化を妨げるので、避けなければならない。 好ましい
範囲は使用元素により異なるが、ふつう0,1〜0.6
@ffi%である。
存在形態は、ホウ素の場合、金属ホウ素、非晶質物、ま
たは金属ホウ化物などのいずれであってもよく、Feそ
の他は、元素状態であっても、また酸化物などの化合物
であってもよく、それら同士の化合物は、もちろん好ま
しいものである。
両者を併用する場合は、ホウ素とこれら元素との化合物
をえらべば、両者を一挙に存在させることができて好ま
しい。
焼結促進剤および窒化促進剤の諸物質も、Si粉末の粒
度と同等ま/=はそれ以下の微粒子であるこくが望まし
い。
粉末成形および予備焼結に関する技術は、さきに開示し
たところと変らない。 すなわち、原料粉末または粉末
混合物の成形は、常用のタイス成形をはじめとして、等
方圧成形、スリップギヤスト、射出成形など任意の手段
によることができるのはもちろんである。
予備焼結する成形体の密度は、その取り扱いや加工を容
易にするとともに、予備焼結における焼結性ヲuli保
Jるために、0.82(+ /Cl113 (理論密度
の35%)以上にサベきである。 これより低い密度で
は、予備焼結により高密度化できても、均一な組織を有
する焼結体を得ることが困難となる。
予備焼結の方法は、自由焼結のほか、−軸加工焼結(い
わゆるホットプレス)、熱間等方圧焼結などの通常の方
法をとることができる。
予備焼結は、1,100℃以上の温度において行なう。
 これより低い湿度では、微細な粉末を使用しても高密
度化が期待できない。 上限の温度は、もちろん3iの
融点である。 雰囲気はアルゴンのような不活性ガスが
好適であるが、真空であってもよい。
予備焼結の段階での高密度化の程度は、焼結に伴う収縮
量であられされる。 これは焼結する成形体の密度によ
っても同じではないが、本発明で実現しようとする高密
度反応焼結製品を与えるには、体積収縮率にして、少な
くとも10%必要であり、20%以上あることが好まし
い。
3i予備焼結体の窒化は、本発明においても、従来の窒
化珪素反応焼結体の製j問に際して行なわれていたとこ
ろと同じようにして実施できる。
J゛なわち、一般的には大気圧の窒素ガス雰囲気下で、
1,100〜1.’500’Cの温度に加熱する。
温度は、1,100〜1,350℃の低温側から段階的
に昇温してゆくこともできる。 反応速度を調節するた
めには、窒素の圧力を減圧(a大100分の1気圧程度
まで)から加圧(最高2,000気圧)までの範囲で選
択づればよい。 なお、純窒素ガスのほかにも、水素混
合窒素ガスやアンモニアも使用できる。 窒化に要する
時間は、予備焼結体の密度、平均粒径、窒化温度および
雰囲気条件により、また許容できる残留5ifflによ
り大きく異なるが、数時間から200時間程度である。
実U列および比中 」 純度99.999%の81塊を粉砕して、種々の平均粒
径の3i粉末を用意した。
別に、Si C14ガスをプラズマ熱源を用いてH2還
元して、比表面積が32.40d3よび60m2/gの
3種の81超微粉末を1qた。
両者を種々の割合で配合し、81.0%およびTaN1
.0%を添加してポリエチレン製ボールミルを用いて、
0−ヘキサン媒体で湿式混合し、n−へ4−リンを揮発
させ−て乾燥したのらラバープレスで成形しく圧ノーJ
 2 ton /cm2 ) 、直径10mm×高さ1
QII1mの円柱状体とした。−A r気流中、(A)
1360’CX2時間または(B)1320℃X2時間
、のいずれかの加熱条件で予備焼結し、続いてN2気流
中で、1370℃×48時間→1385℃×96時間→
1420℃×24時間の窒化処理を行なった。
得られた窒化珪素反応焼結体の密度を測定した。
使用原料、配合率および反応焼結体密度を、まとめて次
の表に示す。 比較例は本発明の範囲外のものである。
3i粉末  3i超微粉  超微粉末 No  粒 径   未化表面積  配合率−(μ) 
    (m2/c+)   (%)(実施例) 1  0.15   40    0.72  0.1
5   40    2 3  0.15   40   10 4  0.15   40   30 5  0.15   40   70 6  0.15   60   30 7  0.92    /!10   308  3.
3    40   40 96      4040 (比較例) 1  0.15   40    0.22  0.1
5   32   40 312      40   40 予備焼  反応焼結 結条件  体密度 ((1/Cm3) A    2.77 A    2.81 A    2.85 A    2.89 B    2.99 B    3.01 A    2.83 A    2.88 A    2.87 A    2.44 A    2.60 A    2.54

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) ホウ素またはその化合物をBとして0゜15〜
    5.0重量%、ならびに(または)Fe、Co、Ni、
    Cr、Mo、Mn、W、Ti1Zr 、Ta 、Nb 
    、V、MO、Ca 、Cu 。 znJ3よびSl′lの1種または2種以上の元素また
    はその化合物を上記元素として(2種以上の場合は合も
    1量で)0.05〜2.0重φ%含有する珪素粉末を成
    形し、成形体を不活性ガス雰囲気中で1,100″C以
    上であるがSlの融点よりは低い温度に加熱して予備焼
    結し、得られ1ζ予備焼結体を1100〜1500℃の
    温度に加熱してN2を作用させ窒化することからなる高
    密度の窒化珪素反応焼結体の製法において、珪素わ)末
    として、平均粒径0.1〜10μの粉末と比表面積35
    m2/g以上の超微粉末とを配合使用することを特徴と
    づ−る製造方法。
  2. (2) 珪素粉未配合物中の超微粉末が少なくとも0.
    5重量を占める特許請求の範囲第1項の製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5616527A (en) * 1993-09-13 1997-04-01 Isuzu Motors Limited Composite ceramic
US6384415B1 (en) 2000-06-20 2002-05-07 Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho (Kobe Steel, Ltd.) Method of evaluating quality of silicon wafer and method of reclaiming the water

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US5616527A (en) * 1993-09-13 1997-04-01 Isuzu Motors Limited Composite ceramic
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