JPS59217675A - 窒化珪素反応焼結体複合材料とその製造方法 - 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】 本発明は、窒化珪素反応焼結体と他の材料との複合＋Ａ
　ＨＥ＋に関し、その製造方法をも包含づる。

金属、合金、有機化金物あるいは無機化合物の７１〜リ
クス中にレラミックスイオ判の粒子や短繊維を分散させ
たり、長繊維を配列させたりして、耐熱性、耐摩耗性、
１入域的強度などを向上させた複合材料が種々試みられ
、実用されているものも少なくない。

従来、この種の複合材料は、その材料全体かはぼ物質の
複合体であるが、用途によっては、材料全体が複合体ど
しての特性をもっている必要はない。　その代表は耐摩
性を要求される部品であって、これは他物と接触する部
品を含めて、表面だりが複合体としての特性をもってい
ればよい。

窒化珪素Ｓｉ　３Ｎ４の製品のうち、反応焼結体とよば
れるものは、ふつう、Ｓ１粉末の成形体ま・ま たは（Ｓｉ４−３ｉ　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／、どなく、寸法精度が高
く得られるという利点があるため、耐火材料、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
である。

本発明者は、窒化珪素反応焼結体のもつ上記特性を生か
し、欠点を補うためこれを他の材料との複合体とするこ
とを着想し、窒化珪素の特徴は構造部品の表層部にこれ
が存在することにより発揮される場合が多いことに注目
して本発明に至った。

すなわち、本発明の窒化珪素反応焼結体複合材料は、内
部がち密な窒化珪素反応焼結体であり表層部が多孔質の
窒化珪素反応焼結体に金属、有機化合物および無機化合
物からえらんだ他の材料を含浸させてなる。

複合する他の材料は、含浸可能なものであれば任意に選
択できる。　最も代表的なものは金属とくに合金であっ
て、炭素鋼、合金鋼あるいはアルミニウム合金などは溶
融状態で含浸さぜることがでさ′、ぞの耐熱性、耐摩耗
性が向上する。

Ｓｉ　３Ｎ４の側からみれば、強度、靭性、耐熱衝撃性
が改善される。　そのほか、有機化合物たとえば熱可塑
性または熱硬化性の樹脂を、前者は溶融状態で、または
溶液どして含浸させることができ、後者はプレポリマー
の段階で含浸させることができる。　各種の無機化合物
も、適宜の媒体中の溶液や分・散液として含浸できよう
。

上述の複合材料は、たとえばつぎのようにして製造でき
る。　サなわら、本発明の窒化珪素反応焼結イホ複合拐
斜の製造方法は、平均粒径が１５μ以下の珪素粉末を成
形し、成形体を１１００℃以上であって珪素の融点Ｊζ
りも低い温度に加熱して子猫焼結し、表層部の気孔率が
内部のそれよりも高い予備焼結体を得、この予備焼結体
に１１００〜１５００℃の溜、度にＪ３いて窒素を作用
させて窒化づることにより表層部の密度が内部のそれよ
りも低い窒化１１素反応焼結体をつくり、ついでこの反
応焼結体の表層部に、金属、有機化合物および無機化合
物からえらんだ他の４Δ料を含浸さぜることからなる。

原料の３ｉ粉末は焼結性の高いものが好ましく、そのた
めにはなるべく微細な粉末を用いるのが有利である。　
平均粒仔１５μ以上のものは焼結困難であるから、使用
に適しない。

上記の製造方法の実施に当っては、本発明者が協廟者と
ともに、または単独で発明した技術に従って、Ｓｉの焼
結性を高める物質および窒化を促進する物質の、一方ま
たは両方を添加することが好ましい。　前者の代表はホ
ウ素であり、後者はＦｅそのほか多くの金属の効果が知
られている。

具体的にいえば、この推奨Ｊべき実施態様は、原料珪素
粉末に、ホウ素またはその化合物を１３どして０．１５
〜５．０重量％、ならびにくまたは）Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ
、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｗ、Ｔｉ。

Ｚｒ　、Ｔａ　５Ｎｉｌ　、Ｖ、Ｍ（１、Ｃａ　、　Ｃ
ｕ　、ＺｎおよびＳＯ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上記元素として（２種以上の
場合は合用開で）Ｑ、０５〜２．０重足％添加して成形
し、予備焼結とそれに続く窒化とを行なうことからなる
。

焼結促進または窒化促進の効果をもつ上記諸物質の含有
量の限界とその理由は、さきに開示のとＪブリである。

　Ｊなわら、小つ木の効果を期待するためには、少なく
とも０．１５重置火の含有を必要とづる。　しかしホウ
素は窒化工程において窒化Ｔ／Ａ索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中量％以内に止めなければならない。

Ｆｅその他の物質の含有量は、Ｓ１粉末に対し０．０５
重置火以上ないと効果が寄られない。

この下限未満では予備焼結体の密度が高くなることしあ
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ｔｉｉｆｉ焼結にお（プ
る高密度化を妨げるので、避（ブなければならない。　
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重量％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、ｌ”ｅ
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。

両者を併用づ−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。

原オタ１のＳｉ粉末は、予備焼結にお（プる高密度化を
容易にするために、平均粒径が１５μ以下のものを使用
すべきであって、望ましいのは１μ以下の微粉末である
。

焼結促進剤および窒化促進剤の諸物質も、３ｉわ）末“
め粒度と同等またはそれ以下の微粒子であることが望ま
しい。

粉末成形および予備焼結は、従来既知技術に従って実施
すればよい。　すなわち、原料粉末または粉末混合物の
成形は、常用のダイス成形をはじめとして、等方圧成形
、スリップキャスト、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。

予備焼結づる成形体の密度は、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を確保づる
ために、０．８２（］　／ｃｍ３　（理論密度の３５％
）以上にづ−べきである。　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、均一な絹様をイ１する
焼結体を得ることが（ホ）ダ・１どなる。

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
法をどろことができる。

予備焼結は、１．１００’Ｃ以上の温度において行なう
。　これより低い温度では、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＄１
のａ１１＋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
蚤であられされる。　これは焼結する成形イ４＼の密度
によっても同じではないが、本発明で実現しようどする
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。

Ｓｉの予備焼結体は、粉末の緒特性すなわちＳｉ源、不
純物含有量、粉末化方法、平均粒径、粒度分布、成形体
密度、および焼結条件Ｊなゎち温度、加熱時間、雰囲気
などの因子によって異なるが、通常は表層部の０．０５
〜３．０ｍｍはどが内部にくらべて低密度の多孔質体と
なる。　このにうな現象がみられる理由は十分明らがで
はないが、原料粉末中に酸化物がひ存するど、Ｓｉ　０
２＋Ｓｉ　−＋２８ｉ　Ｏ↑ の反応によりＳｉ　０２およびＳｉが揮散し、これが表
層の方が起りゃすいからであると考えられる。

３ｉ予備焼結体の窒化もまた、従来の窒化珪素反応焼結
体の製造に際して行なわれていたところど同じようにし
て実施できる。　すなわち、一般的には大気圧の窒素ガ
ス雰囲気下で、１，１００〜１，５００℃の調度に加熱
する。温度は、１゜１００〜１．３５０’Ｃ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（最大１００分の１
気圧程度まで）から加圧（最高２，０００気圧）までの
範囲で選択寸ればよい。　なお、純窒素ガスのはかにも
、水県混合窒県ガスやアンモニアも使用できる。　窒化
に要覆る時間は、予［５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８１
ｍにより大きく異なるが、数時間から２００時間程度で
ある。

前記した３ｉ予備焼結体の表層部の多孔質化は、窒化処
理をへても持ち越され、窒化珪素反応焼結体は表層部が
多孔質のものとして１！７られる。

そこで、この多孔質の表層部に対して、前記したように
、他の月利を含浸させて複合材料とづる。

″ｆ−備焼結体の表層部の多孔度および厚さは、前記し
た諸囚子を選択づ゛ることにより、ある程Ｉ５．コント
ロールでき、それに対応する多孔度と厚さの表層部をも
つ反応焼結体が得られる。　従って、他の月利との複合
の割合および複合部分の厚さも２　　　　また、その範
囲内でコン１へロール可能である。

本発明による、内部がち密なＳｉ　３Ｎ４反応焼結体で
あり、表層部がＳｉ　３Ｎ４に伯の月利を含浸させた複
合材料は新規であって、表面またはその近くだけが複合
材料としてのＭｊ性を有していればよい４Ｍ造部品とし
て、広い用途を見出すことができる。

実施例 平均粒径０．１１μの８１粉末をラバープレス成形（圧
力２　ｔｏｎ　／ｃｍ２　）　して、直径３０ｍｍｘ高
さ１０ｍｍのタブレットにした。

この成形体を、高純度Ａｒ気流中、１３４０℃×２時間
の加熱により予備焼結した。

予備焼結体は、内部が相対密度約８０％であるのに対し
、表層部約１．２ｍｍは多孔質であった。

これを、Ｎ２気流中、１３７５℃×２４時間→１３９０
℃×９６時間→１４１０℃×４８時間の加熱により窒化
した。

得られた窒化珪素反応焼結体は、相対密度が、内部は約
８５％、表引Ｌ１．２ｍｍはどは約５５％であった。

この二重密度の焼結体を、１０５０℃に加熱しであるア
ルミニウム溶湯中に浸漬して引きあげ゛たところ、上記
の表層部だけにアルミニウムが浸透した複合月利が得ら
れた。

特許出願人　　大同特殊鋼株式会社 代理人　弁理士　　須　賀　総　夫

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　内部がち密な窒化珪素反応焼結体であり表層部
   が多孔質の窒化珪素反応焼結体に金属、イ１（幾化合物
   ａ３よび無機化合物からえらんだ他のｖＩ斜を含浸させ
   てなる窒化珪素反応焼結体複合月利３＋　。
2. （２）　平均粒径が１５μ以下の珪素粉末を成形し、成
   形体を１１００℃以上であって珪素の融点よりも低い湿
   度に加熱して予備焼結し、表層部の気孔率が内部のそれ
   よりも高い予備焼結体を１号、この予備焼結体に１１０
   ０〜１５００’Ｃの湿度にｄ３いて窒素を作用させて窒
   化することにより表層部の密度が内部のそれよりも低い
   窒化珪素反応焼結体をつくり、ついでこの反応焼結体の
   表層部に、金属、有機化合物および無機化合物からえら
   んだ他の材料を含浸させることからなる窒化珪素反応焼
   結体複合Ｈ判の製造方法。
3. （３）　原料珪素粉末に、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　、　Ｏｒ　、　ＭＯ。 Ｍｎ　、Ｗ、Ｔｉ　、Ｚｒ　、Ｔａ　、Ｎｂ　、Ｖ、Ｍ
   Ｏ、Ｃａ、（：ｕ　、ｚｎおよび３　ｎ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上記元素と
   して（２種以上の場合は合泪■で）０゜０５〜２．０重
   量％添加して成形する特許請求の範囲第２項の！！Ｉ造
   方法。