JPS5945970A - 窒化硅素の焼結方法 - 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】 （イ）技術分野 この発明は高温強度が高く、高密度を有する窒化けい素
焼結体を得るための窒化けい素の焼結方法に関するもの
である。

（ロ）技術の背景 最近セラミックス材料、特に耐熱性材料としてのセラミ
ックスの開発が盛んに行われており、なかでも高温にお
いて安定な耐熱性物質である共有結合性化合物、特に窒
ｔヒけい素（ＳｉａＮ＋）が非常にすぐれた材料である
ことが知られている。

一般にセラミックスは、原料セラミックス粉末を成形焼
結して使用されるものであるが、Ｓ　＋　３Ｎ　４の場
合は、一般の酸化物セラミックスと異なり、難焼結性物
質であるため、単独組成たとえばＳｉ３Ｎ４粉末のみを
焼結しても緻密な焼結体を得ることは困難である。

このためＳｉ３Ｎ４粉末の場合などにはＭｇＯ１Ａ、７
！、０３、Ｙ２Ｏ３、Ｃｅ０ｇ、ＢｅＯなどの酸化物粉
末、周期律表ＩＶａ、■ａ１■ａ族金属の窒化物、炭化
物を焼結助剤として添加して焼結することが行われてい
る。

しかしてこのような焼結助剤を加えたＳｉ３Ｎ４粉末を
使用して通常行われているプレス成形をして真空あるい
は常圧で加熱焼結する方法は、焼結コストが低く工業的
に有用ではあるが、Ｓｉ３Ｎ４焼結体に微孔がそのまま
残存するので高密度の焼結体を得ることは困難である。

これに対して、高温下で加圧しながら焼結するホットプ
レス法は、より緻密な焼結体を得ることはできるが、高
温において強度低下が生ずる欠点があり、また焼結コス
トが高くつくという難点がある。

この高温における強度低下は、焼結助剤の添加により５
ｉＢＮ４の粉末界面に低融点物質が生成することによる
ものであると考えられ、焼結助剤を使用する場合は不可
避である。

さらに焼結助剤の混合割合を減少し、あるいは焼結助剤
を添加亡ずに高圧ガス雰囲気中で焼結したり、爆発成型
などで粉末に瞬間的に高圧を加えて粉砕したのち、焼結
するなどの方法が試みられているが、何れの方法も焼結
コストが高く、また高温強度の低下現象が残る欠点があ
り、工業的な方法として成功していない。

（へ）発明の開示 本発明者らは上記の点に鑑みて焼結助剤を用いながら高
温強度、高密度のＳｉ３Ｎ４焼結体を得るＳｉ３Ｎ４粉
末の焼結法について、焼結助剤粉末を添加したＳｉ３Ｎ
４粉末をプレス成形したのち、真空、減圧あるいは加圧
などの各種の雰囲気および温度など焼結条件を変化させ
て焼結を行って試験を繰返した結果、この発明に至った
ものである。

即ち、この発明は焼結助剤を添加したＳｉ３Ｎ４粉末の
成型体を焼結するに際し、昇温しで焼結完了するまでの
過程の雰囲気を、第１段階をｉ、（１’ｌａｔｍ以下の
真空雰囲気とし、第２段階を１０−８〜０．９　ａｔｍ
の減圧窒素雰囲気とじ、更に第３段階はｌａｔｍ以上の
加圧雰囲気というように段階的に変えて焼結することを
特徴とするものであり、これによって前記従来の焼結体
特性の欠点即ち、高温特性の劣化を解消し、高密度で高
温強度にすぐれたＳｉ３Ｎ４焼結体が得られるのである
。

以下この発明の焼結法を詳細に説明する。

窒化硅素粉末に焼結助剤として、周期律表ＩＶ　ａ　。

Ｖａ、Ｖｉａ族金属の窒化物、炭化物の１種または２種
以上、又は上記炭化物又は窒化物にＬｉ　、　ＢｅＸＭ
ｇ。

Ａ、ｇ、Ｃａ、　Ｔｉ、　Ｙ、　Ｚｒ、　Ｂａ、　Ｃｅ
　等の酸化物を加えたものの粉末を添加して充分混合後
成型体とし、この成型体を焼結炉に装填し昇温しで焼結
する。この昇温開始から焼結完了までの過程を、例えば
第１図にする如く、 （１）常温−１１００°Ｃまでの第１段階を１０”ａｔ
ｍ以下の真空雰囲気とする。

（２）　１１０（１）〜１８０　ｏ　’Ｃまでの第２段
階を０１−３〜０．９ａｔｍの窒素分圧を有する減圧雰
囲気とする。

（３）１８００°Ｃの焼結キープ途中でｌ　ａｔｍ以上
の加圧窒素雰囲気とする。

３段階の雰囲気とするものである。

（１）の１１０−３ａｔ以下の真空雰囲気にすることに
よって焼結助剤を合有するＳｉＨうＮ、粉末成型体に吸
着している酸素や水分を除去することができる。

（２）の段階では、該Ｓｉ３Ｎ４粉末成型体表面の酸素
を除去すること、粒界組成をコントロールし５ｉＢＮ４
結晶の粗大化成長を抑制すること等の効果がある。

又（３）の第３段階では１　ａｔｍ以−りの加圧窒素雰
囲気にすることによってＳｉ３Ｎ４の分解を抑制しつつ
焼結を完結させるものである。

上記第１〜３段階の雰囲気を段階的に変えて焼結するこ
とによって緻密で強度の高い焼結体が得られるのである
。

焼結進行は第２段階の１１００〜１８ｏＯ°Ｃにおいて
最も進行し、その時の雰囲気圧力はできるだけ小さい方
が焼結体中に微細孔が残存しなくなる。

しかしてＳｉ３Ｎ４の焼結は＠２段階の１１００〜１６
００°Ｃにて大きく進行するのであり、その時の雰囲気
圧力はできるだけ小さい方が、焼結体中に微孔が残存し
ない点から好ましい。

またこの第２段階における１０−３〜０．９ａｔｍ　の
減圧雰囲気としては、Ｎ２ガス、Ｎ２＋）Ｉ２の混合ガ
ス２−１−　ＣＯの混合ガスあるいはＮ２十Ｈ２斗ＣＯ
の混合ガスが有効である。

第３段階のｌ　ａｔｍ以上の加圧窒素雰囲気としては、
２〜ｌ　５　（ｌ　ａｔｍでの通常の加圧雰囲気、２０
００ａｔｍ程度の熱間静水圧（ＨＩＰ）などいずれでも
よい。

第１図は本発明の詳細な説明するための昇温カーブ１と
雰囲気圧力２の実施例である。

以下この発明を実施例により詳細に説明する。

実施例１゜ α型を９０％以−Ｌ含む５１３Ｎ、＞　　（西独シュタ
ルク社製）　１００ｇに対してＴｉＮ　５　ｇをボール
ミルで混合し粉砕を行った。

次いでこの粉末を２ｔ／ｃｎｒ”　の圧力で長さ５　Ｑ
　ｍｙｒｔ幅２５　／ｎｍ　、厚さｌ　Ｏｔｎｘの板に
成形したのち、焼結炉に装填した。

そして炉内を真空（１，３Ｘ　ｉ　Ｏ’　ａｔｍ　）に
したのち、昇温をはじめ１１０　（＋　”Ｃに達したと
ころで流量５）／ｍｊｎＣＮ２ガスを導入し、排気バル
ブを調整して０．６ａｔｍ　に設定し、さらに層温をつ
づけ、１８００°Ｃの焼結キープの途中で排気バルブを
止め、Ｎ２ガスを導入して雰囲気圧力を１０ａｔｍとし
、同温度で焼結を完了せしめた。

次いで炉内を１２００°Ｃまで降温したのち、雰囲気圧
力を１　ａｔｍにしてさらに降温をつづけた。

十分に冷却したのち焼結１本を炉から取出し、得られた
焼結体の特性を調べたところ第１表に示、す結果を得た
。

なお比較例として実施例１と同じ粉末を用いて昇温初期
より１　ａｔｍあるいはｌｏａｔｍのＮ２ガス雰囲気で
焼結したもの、および１１（同°Ｃまでは真空１１００
°Ｃ以上をｌＯａｔｍのＮ２ガス雰囲気として焼結した
焼結体を示した。

実施例２゜ 実施例１における流量５）／繍のＮ２ガスを導入して０
．６ａｔｍに設定するという１１００〜１６００’Ｃの
昇温過程を流量５ノ／―のＮ２ガスと流量２ノ／ｙｎｉ
ｎのＩ］２Ｎ２ガス時に導入して圧力を０．８ａｔｍに
設定した以外は実施例１と全く同庁にして焼結し、５ｉ
３Ｎ１焼結体を得た。

その物性は第２表に示した。

第　　　２　　　表 上表の第１表、第２表をみると実施例１に比べて酸素含
有鼠の低い実施例２の方が高温曲げ強度も高くなること
が認められた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するための説明図で実線１
が温度カーブ、点線２が雰囲気圧力の劣化を示す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）焼結助剤として珪素以外の窒化物またはこれと炭
   化物、Ｓｉ以外酸化物と組合せて添加した窒化硅素粉末
   の成型体を焼結するに際し、昇温から焼結完了までの雰
   囲気を第１段階を真空雰囲気、第２段階を減圧窒素雰囲
   気、第８段階を加圧窒素雰囲気と段階的にかえて焼結す
   ることを特徴とする窒化硅素の焼結方法。
2. （２）真空雰囲気がＩｌｏ−３ａｔ以下であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の窒化けい素の焼結
   方法。
3. （３）減圧窒素雰囲気が窒素分圧ｌ０−３〜０．９ａｔ
   ｍであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   窒化けい素の焼結方法。
4. （４）加圧窒素雰囲気が１　ａｔｍ以上であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の窒化けい素の焼結
   方法。
5. （５）焼結助剤がｌｖａ　、　■ａ　、　Ｖｌａ族金属
   の窒化物、炭化物、Ｌｉ、　Ｂｅ、　Ｍｇ、　Ａノ、Ｃ
   ａ％Ｔｉ、　Ｙ、　Ｚｒ１Ｂａ、　Ｃｅ等の酸化物から
   選ばれた１種または２種以上であることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の窒化硅素の焼結方法。