JPS59501627A - 熱間プレスした窒化珪ビレツトの製造方法 - 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】 熱間プレスした窒化ビレットの製造方法本発明の背景及び従来方法について 本発明は、後で成彩する必要性が著しく少ない熱間プレス（ｈｏｔ　ｐｒｅｓｓ 　）によって切断工具として用いるのに適した一層経済的で歪みのない窒化仕業 生成物を製造する方法に関する。

セラミック出発材料の熱間フ０レスは大分前から知られている〔典型的な熱間プ レス法及び装置の脱明としてアレンＭ、アルＡ　−（Ａ１１ｅｎ　Ｍ、　Ａｌｐ ｅｒ　）による［耐火性材料（Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ−Ｍａｔｅｒｌａｌｓ　） 　Ｊ　（１９７０）第５巻、■第１８４頁〜第１８９貞１−高温酸化物（Ｈｉｇ ｈ　Ｔｅｍｐｅｒａ、ｔｕｒｅ　０ｘｉｄｅｓ　）　Ｊ参照〕。高温フ８レスの 手順（ｆ′ｉ、通常ゆるい粒状粉末混合物又は粉末混合物の半緻密化プシヌグロ ノクをプレス用複合体中へ入れ、その複合体を、希望の程度迄粒子勿緻伍化し融 解するのに充分な位、その物体への圧力を加えながら加熱する。典型的にはプレ ス用複合体は端部プラノジャー又はピストンによって閉された円筒状の型であり 、そのような端部プシンジャー又はピストンの一方又は両方がプシン盤によって 強く動かされ、複合体内の物体へ圧力がかかるようになっている。円筒及び端部 プラノジャーはびったジはまシ、典型的には黒鉛からつくられている。円筒状型 複合体の周りには耐熱性絶縁性殻が巻かれており、誘導コイル又は抵抗加熱によ って熱をそれに加える。熱間プレスは典型的には１５００〜１８００°Ｃの温度 範囲で行われ、用いられる圧力は通常２０００〜７０００　ｐｓｉの範囲にあり 、時間は通常５〜１８０分を占める。そのように熱間プシンした窒化珪素で得ら れる密度は通常６．０〜３．３５　、？　／ｃｍ３の範囲にある。

もし上記従来の熱間）０レス法を、多くの冷間圧搾しで積み重ねた平らな板（特 に６インチ後位の大きな径の板）を同時に７０レヌするのに用いようとすると、 いくつかの問題が起きてくる。第一に、温度勾配かそれら板の横幅に亘って生じ 、それが対応する粘度勾配ケもたらすことである。そのような粘度勾配は、プレ ス用複合体により板積屠体ケ通って加わる圧力分石を不均一にする。第二に、フ ０レス用複合体壁と板との間ｐｃ抵抗力（ｄ、ｒａｇ　ｆｏｒｃｅ　）　（プレ ス用複合体壁と板側面との間の摩擦力）が存在し、それが板の横幅を通る圧力分 布を不均一にする働きをする。これら二つの因子が一層になって熱間プシン中の 物質移動を起し、それが今度は平らな板のくぼみ即ちひどい変形を、それらが完 全に緻密になった状態でもたらすことになる。

上で指摘したような問題は、堅い隔離部杓で分離されていない四枚以上の板（今 後之をビレットと呼ぶ）の如き数多くの製品を同時に製造することによって経済 性がめられた時に一層大きくなる。ビレットはここでは適筋な厚さの材料の塊り を意味し、それから単にその厚みを通ってピレノＢ、小さく切ることにより、い くつかの有用な切断工具を直接形成することができる。そのようなビレットは厚 さ対幅比が１：６〜１：４０の非中空の単一層状に形成するか、又はそれらは板 状に形成し、それを、一枚の板肉に多数の切断工具の形を定めるように切断線を 入れることにより分離するようにしてもよい。その分離した片（ｄ線の入ってい ない膜によって一緒に蝶番状にされる。

唯一つの例と−して、多数の窒化珪素部品を同時に熱間プレスすることを試みた 従来技術がある。英国特許第１，４０５，１７１号では多数の冷間圧搾し之予備 成形物をプレス用複合体内に入れる。各予備成形物は全体的にその幅に等しい厚 さをもっている。各予備成形物は剥離剤によって他の全てのものから分離されて いる。

使われるのは二層以下である。この発明ＶＣよって解決される問題は本願の適用 分野では経験されないでるろう。側壁抵抗は、層間の動きにほとんど差はないの で、変形を促すには不充分であろう。予備成形物は、型の壁には接触せず、厚さ 対幅比は１：１でしかない。物質移動は圧力及び熱的勾配の結果として起きるは すはない。なぜなら層間の相対的移動はほとんとなく、側壁抵抗もほとんど又は 全くなく、厚さ対幅比は唯１：１だけだからである。従ってその記載は、厚対幅 比か１：６〜１．４０の多数のビレットを熱間）０レスする４ 際のくぼみ変形をなくすような独特の積層方法をとる必要性を認識させるような ものではない。

本発明の要約 本発明は複数の形状が正確な熱間プレスセラミック物体を製造する方法にある。

その方法は、（ａ）厚さ対幅比が１：３〜１：４０の範囲で、密度が２．０〜２ ．７ｇ／ｃｍ３である複数のセラミックビレットをつくり、（１））　前記ビレ ットを圧力の方向とは直角の方向に支える壁を有するプレス用複合体中に独特な やシ方で積み重ね、そして（Ｃ）前記積み重ねたビレット群を圧力及び温度を加 えて熱間プレスし、前記ビレットの各々〒１．２　：　１〜２：１の圧搾比で理 論密度の少なくとも９５％迄緻密にする、ことからなる。積み重ねは、プレス方 向に沿って起きる移動が最も小さくなるような圧搾域中に存在するビレット群に 対しては、ビレット携み重ね数がそのような群内で最大になるように、次第に数 が減少していく群として重ねる。プレス方向に沿って起きる移動が最も大きい圧 搾域中に存在するビレット群（Ｃ対しては、そのような群内のビレットの績み重 ね数を最小にし、各群は不活性の堅い隔離部材によって隣接群から分離する。

もし、（ａｌ熱間プレスを一軸的圧力で行い、前記群〕各々中のビレット数が５ 〜乙の最大数から２〜１へ進み、後者の群が最低数をもち、最大の相対的移動を 経験するか、或は（ｂ）熱間プレスが二軸的に適用され、群の順序が１．２，３ ，１０，３，２．１のような数を順次もっていて、１の数をもつ群が圧搾中最大 の移動を経験し、１０の数をもつ群が圧搾中最低の相対的移動を経験するように なっているのが好ましい。

ビレットは珪素粉末、Ｙ２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３の乾式粉砕混合物を冷間圧搾し、 次いでその混合物を窒素雰囲気中で、その物体を約２．３　ｇ　／ｃｍ３の密度 及び、α及びβ相のＳｉ３Ｎい珪素イツトリウムオキシ窒化物及びいくらかの無 定形珪酸塩の化学的含有物をもつものへ凝集させる時間及び温度で加熱すること により製造するのが有利である、冷間圧搾は１ｓｏｏ〜２０００ｐｓｉの圧力で 行われる。

隔離部材は、熱間プレス力に耐え、型の壁に対するそのような力を完全に伝達す るのに適切な厚さく　０．２５〜１．００″）をもつ微粒質の高強度黒鉛である のが好ましい。隔離部材の厚さは、物体の軸方向移動が最大の領域では、それに 付随させる隔離部材は、そこで受ける力が最大になるので最大の厚さであるとの 規則によって決定される。

図面の簡単な説明 第１図はプレス用複合体の中心断面の概略的例示図であり、−軸的圧力の場合の 本発明に従う積み重ねの独特な順序を示す。

第２図は二軸的プレスの状況の中で用いられる第１図のものに類似の図である。

第３図は、本発明によらない積み重ね順序を用いた場合の欠点を示す、積み重ね 順序を用いた緻密化後のプレス用複合体の概略的例示図である。

詳細な記述 本発明による窒化珪素含有体（５ｉｌｉｃｏｎ　ｎ１ｔｒｉｄｅ　ｃｏｍｐｒｉ ｓｉｎｇｏｂ、）ｅｃｔ　）の好ましい製造方法は次の通りである。

粉末珪素と反応性酸素保有剤粉末との混合物から圧搾物を形成する。反応性酸素 保有剤粉末とは、ここでは加熱された窒素雰囲気中で珪素と反応した時、オキシ 窒化物及び過半な珪酸塩乞形成するのに有効な粉末成分を意味するものとして定 義する。それら粉末剤は、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｓ］、０２　、ＭｇＯＸＣｅ Ｏ２、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２及び希土類からなる群から有利に選択される。選択さ れた量のＹ２Ｏ３及びＡ１．２０３を用いると、珪素イツトリウムオキシ窒化物 相の形成をもたらし、その相は（、）均一に分散され、（ｂ）通常形成される有 害なガラス状珪酸塩相と、調節され限定された量のその相を除き、置き代えてい る。好ましい方法の目的として、均一な粉末混合物を、２０００！？の珪素粉末 （混合物の８６．６重量％）、２７８１０Ｙ２０３　（混合物の１２重量％で、 珪素粉末の１ろ９重量％）、及びろ２１のＡｌ２Ｏ３（混合物の１４重量楚で、 珪素の１．６重量％）を用いて調製する。

珪素は９８％以上の純度及び８〜９．２μの出発平均粒径をもつように選択され る。そのような不純物と共に経験される主たる微量金属汚染物には、鉄、アルミ ニウム、Ｃａ及びＭｎが含まれる。非金属汚染物には炭素及び０２が含まれる。

混合物を、粒状の粉砕媒体と共に不活性粉砕ジャー（ｊａｒ　）中に入れ、４８ 時間６４　ｒｐｍで粉砕することによって粉砕混合し、次いでその混合物な媒体 から分離する。得られた粉砕混合物は少なくとも９０％が２６μより小さな平均 粒径の大きさにされ、空気中で粉砕後、酸素水準は珪素の１．６重量％へ増大し 、酸化物被覆は６．０重量％の量で珪素上に存在するであろう。Ｙ２Ｏ３／　５ ｉ０２の比は１〜７の範囲、好ましくは約４になるように調節される。

粉砕混合物をその量を測って冷間プレス型装置中へ入れ、１４００〜１５００　 ｐｓｉを用いて周囲条件下でプレスして径約６インチ、厚さ１／２インチ、生の 密度１．４ｇ／ｃｒｎ３の圧搾物を形成する。

２　窒化物への加熱 圧搾物を窒素雰囲気中で加熱し、少なくとも一つの分散した珪素イツトリウムオ キシ窒化物相と、０．５重量％迄の遊離珪素と、未反応酸素保有剤とを有する窒 化珪素含有物体（ビレット）を生成させる。その物体は後で形成しようとする目 的物より大きな大きさをもち、その目的物より小さな密度を有するであろう。

加熱を行うため圧搾物を閉じた炉に入れ、好ましくは８ １μより小さな圧力迄真空にし、速い速度で６４９°Ｃ（１２００’Ｆ）へ加熱 する。次に炉を７２重量％の窒素、３重量％の水素、２５重量％のヘリウムから なるガス状混合物で約２．７　ｐｓｉｇの圧力に満す。そのようなガス状混合物 中の全０２＋Ｈ２０含有量は４ｒＩｒＭより小さい。炉の温度を次に１０９３〜 １４２７°Ｃ（２０００〜２５００°Ｆ’）の窒化温度迄、遅い速度で上昇させ る。新しい窒素を連続的に炉に供給してＳｉ３Ｎ４及び珪素イツトリウムオキシ 窒化物を形成するのに消費された窒素を補う。

窒化物体（ビレット）は、窒化珪素（その少なくとも６０％はα型になっている ）　、ＹＩＳｉ０２Ｎ相中の珪素イツ）　ＩＪウムオキシ窒化物及び０．５％迄 の未反応又はイツ）　ＩＪアからなるのが好ましいであろう。この物体は中間的 な生成物即ち必要物で、熱間プレス法Ｋかける出発材料として特に有用性を有す る。ビレットは０．３〜１．０インチの範囲の厚さ、３〜１２インチの幅又は径 をもち、厚さ７幅比は１：６〜１：４０である。

６、　熱間プレス それらビレットをプレス用複合体内て積み重ねる。

複合体は圧力の方向に直角に配列した一連のビレットを支持する壁を有する。第 １図に示す如く、上方ピストンを、その積み重ねた一連のぎレットに一軸的な圧 力を加えるのに用いる。

プレス用複合体は黒鉛壁４０−４１−４２−４３を有する。それらの壁及び窒化 物体は共に窒化硼素のスラリーで被覆し、乾燥する。黒鉛壁は追加的に黒鉛箔及 び（又は）モリブデン箔で覆う、 ビレットの積層順序は本発明にとって重要である。

ビレットは次第に少なくなる数の群として積み重ね、圧力方向に沿って最も少な い移動を経験するであろう圧搾域中に存在するビレット群についてはビレットの 積み重ね数を最大にするようにする。前記圧力方向に沿って最大の移動を経験す るであろう圧搾域中に存在するビレット群については、ビレットの積み重ね数を 最小にする。各ビレット群は、黒鉛或は実質的に完全密度の窒化硼素、或は他の 圧力伝達材からなる不活性で堅い隔離部材によって隣接したビレット群から分離 する。黒鉛隔離部材は窒化硼素で覆われ、それが今度は黒鉛箔で覆われているの が好ましい。隔離部材は幾何学的形態を維持し、物質移動は起さず、熱圧力勾配 ＶＣよって影響を受けることはない。隔離部材の厚さは。

物体が最大の軸方向の移動を受ける領域中ではそれに伴われる隔離部材は、受け る力が一層太さいため最大の厚さになっているという規則によって決定される。

特に第１図の積み重ね順序では、五つのビレット−１０−１１−１２−１３−１ ４が積み重ねの最低位置である移動域１５中に互に連続させて置かれていること が示されている。その領域は圧搾方向１６に受ける相対的軸方向移動量が最も少 ない所である。

次のビレット群は、三つのビレット１８−１９−０ ２０からなり、中間的移動領域１７中Ｏ・て存在し、従って９なくなった数にな っている。最も少ない数のビレットを含むビレット群はビレット２１を有し、最 大移動域２２中にある。

最小ビレット移動量域〔ビレット１４〕から最大ピレノ）ｇ動を域〔ビレット２ １〕の方向に進んでいくにつれてビレット群中に用いられるビレット数を減少し ていくという基本的な条件を用いる限り、他のビレット群の組み合せを描くこと ができる。

第２図に示したような二軸的圧力の環境中では、１斤し７たような積み重ね順序 になっている。最小移動領域２３中Ｐｉ二は、１０枚のピレノＩＣ２Ｘ　５　） があり、最大移動領域２４中には一つのビレットがある。積み重ね順序は１，２ ．ろ、１ｏ、３，２．１である。

もし不発明の積み重ね順序を用いないと１次のような現象が起きるでるろう。第 ６図に示しであるように、一部側壁抵仇からもたらされる圧力分布が存在する。

即ちビレット２９〜３４の縁は黒鉛側壁に接触し、圧搾に対する抵抗を与え、引 きずりを大きくするでめろう。その圧力勾配は、ビレット３０−３１−３２−３ ３の外周から中心へ、ビレット３４−３５−３６では中ノＣｒから外周へ物質移 動を促進する。冷却すると之等の効果はくぼんだ熱間フ０レスＳｉ３Ｎ４ビレッ トを生じ。

それは平らな製品を作るためには実質的な量の材料を除去しなければならなくす る（ダイヤモンド研削）。

熱間プレスのための圧搾比が１．２　：　１〜２：１の範囲にあることが重要で ある。圧力は段階的に適用するのが好ましく、加熱前、室温で約１５０　ｐｓｉ である。

次に圧力を９８２°Ｃ（１８００’Ｆ）で５００　ｐｓｉへ増大し、次に圧力を 、温度を１６７１°Ｃ（２５００６Ｆ　）へ上昇させなから２５００　ｐｓｉへ 増大し、最終的に温度は１６４９℃（３００口’Ｆ　）、圧力ば３７　Ｄ　Ｏｐ ｓｌへ上昇させるへ後者の条件は完全密度が達成される迄維持するっ之は通常最 終的プレス温度で２．０時間を必要とする。次に目的物を任意の速度で室温へ冷 却する。

さの無定形珪酸塩相によって包まれたβ相窒化珪素、珪素イツトリウムオキ／窒 化物（主としてＹＩＳｉ０２Ｎ　）から本質的になるであろう。好ましくは目的 物は４５−Ｎスケールで８９．０〜９１．０の硬度、３．３１Ｊ〜３．３３　ｇ ／ｃ−ｍ”の密度、四点的は試験で１２００’Ｃで８５．０００　ｐｓｉより大 きな破壊強度及び、１０００℃で空気中で４５０時間後、その目的物による重量 増加を防ぐ酸化抵抗を有する。

−二野至Ｉ＝；；・上・

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の形状が正確な熱間プレスしたセラミック物体の製造方法において、 （ａ）１：３〜１：４０の厚き対幅比と、１．７〜２７Ｉ／−３の密度を有する セラミックピレノ）ｋつくり、 （ｂ）　前記ビレットを、圧力の方向に対し直角にそれらビレットを支持するだ めの壁を有するフ０レス複合体中に積み重ね、然もその積み東ねが、前記圧力の 方向に沿って最小の移動が起きるような圧搾領域中【で存在するビレット群につ いては、ビレットの積み重ね数が前記群内で最大であり、前記圧力の方向に沿っ て最大の移動か起きるような圧搾領域中に存在するビレット群については、前記 群内でのビレットの積み重ね数が最小であるように、次第に小さくなる数の群と して積み重ねられており、然も各群は不活性な堅い隔離部材によって隣接群から 分離きれており、そして （Ｃ１前記ビレットの各々ｉ１．２：１〜２：１の圧搾比で、理論的密度の少な くとも９５％迄緻密にするような圧力及び温度下で前記積み重ねたビレット群を 熱間）０レヌする。 ことからなるセラミック物体の製造方法。 ２　熱ｊＢ］グレヌを一軸的圧力ケ用いて行い、＠群中のビレット数が５〜乙の 最大数から２〜１へ進み、後者が最大の相対的移動を経験する群に対応している 前記第１項に記載の方法。 ３　圧力を二軸的に適用し、群の順序に、１　、２　、３゜１０．３．２．１の 数を順次含み、１の数をもつ群が圧搾中段大移動を経験し、１０の数をもつ群が 圧搾中最低の移動を経験する前記第１項に記載の方法。 ４、セラミックビレットが窒化珪素ビレットで、珪素粉末、Ｙ２Ｏ３及びＡｌ２ Ｏ３の混合物を窒素雰囲気中で、その物体を約２．６＆／ｃｍ３の密度を有し、 α相窒化珪素と珪素イノトリウムオキシ窒化物から本質的になる化学的含有物へ 凝集させる時間及び温度で加熱することにより製造されたものである前記第１項 に記載の方法。 ５　熱間プレスを、室温で約１５０　ｐｓｉ適用し、　ｂｏ。 ｐｓｉの圧力を伴わせて１８００下に加熱し、次いで更に２５　［Ｊ　Ｏｐｓｌ の圧力で２４００°Ｆに加熱し、そして最後に３７００　ｐｓｉの圧力で３００ ０’Ｆ−・加熱することにより段階的に行う前記第１項に記載の方法。 ６　セラミックビレットが窒化珪素ビレットであり。 珪素、Ｙ２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３粉末の乾式ボールミル粉砕混合物を冷間圧搾し、 次いで窒素雰囲気中で加熱して前記混合物を実質的に窒化珪素と珪素イノトリウ ムオキシ窒化物に変え、然も前記冷間圧搾が約１４００〜１５０Ｄｐｓｉの圧力 で行われる前記第１項に記載の方１４ 法。 ７　工程（＋））中のビレット群が、熱間プレヌカを伝達するのに有効な材料か らなる隔離部材によって分離されている前記第１項に記載の方法。 ８　各隔離部材が０．２５〜１．０インチの厚さを有する前記第８頂に記載の方 法。 ９　不活性材料の厚さがその不活性材料に直ぐ隣接するビレット群の合計の全厚 さと共に変り、その厚さが。 物体Ｖこついての最大軸方向移動域中ではそれに伴われる隔離部材が最も厚いと いう規則によって決定される。 前記第８項に記載の方法。