JPS60186470A - 窒化ケイ素焼結体の製造方法 - 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】 本発明は高強度で高密度な窒化ケイ素焼結体の製造方法
に関する。

一般に窒化ケイ素焼結体はそれが有する高温高応力性か
らタービンブレード材、ノズル材などのエンジニアリン
グセラミックス材料として着目されており、実用化に向
けて各方面で研究開発されつつある。

しかし窒化ケイ素は自己拡散速度が遅く難焼結性物質で
あるから、一般には種々の焼結助剤の使用が提案されて
おシ、例えばＭｇＯ１Ａｔ２０５、ｙ２ｏ　３、ＺｒＯ
２などがある。また窒化ケイ素は大気圧下では１９００
℃付近で分解揮発する性質を有するため、いろいろの焼
結方法、例えばホットプレス法、常圧焼結法等が採用さ
れている。ホットプレス法はかなシの圧力を使用するた
め、緻密な焼結体が製造できる反面、複雑な形状の製品
を大量生産するには効率が非常に悪い。それに反し常圧
焼結法や反応焼結法は簡便な方法であるだけに任意形状
のものを大量に生産するのにむいており、将来の発展が
期待されている。

しかしこれらの方法は前記焼結助剤を用いてもなお実用
的強度を有する焼結体が得られないまま今日に至ってい
る。したがってこれらの方法によって十分な強度を有す
る窒化ケイ累焼結体を製造することができるならば、そ
の工業的意義は太きい。

本発明者らは、この要望に応えるべく鋭意研究を重ねた
結果、窒化ケイ素の焼結反応を窒化ジルコニウムおよび
酸化マグネシウム（これらの化合物は以下それぞれＺｒ
Ｎ、　ＭｇＯで示す）の存在下で行なえば高強度で高密
度な窒化ケイ素焼結体が得られることを見出して本発明
を完−成した。

以下本発明の詳細な説明する。

本発明に使用するＺｒＮおよびＭｇＯはそれぞれを単独
で使用した場合、窒化ケイ素焼結体の強度全ある程度改
善できるが満足できる程ではなく、ＺｒＮとＭｇＯの両
者を重量比ＺｒＮ／Ｍｇ０＝０３−４．０で混合して焼
結助剤として存在させると焼結体の強度は飛躍的に向上
する。特に重量比が１０〜３０の範囲で著しい（例１お
よび第１図）。重量比が０６未満あるいは４，０を超え
ると、それぞれの化合物の作用が顕著となり、単独で用
いた場合とほとんど差がなく、固化合物の相乗効果が薄
れ、得られる焼結体の強度は低くなって好ましくない。

壕だ重量比０６〜４，０の範囲で混合した焼結助剤を窒
化ケイ素に対し６〜４５重量％（外割）存在させた場合
が好ましく、より好ましくは１０〜４００〜４０重量％
２（重量比＝２．０）および第２図）。６ニア間未満で
は焼結助剤が少なすぎるため、十分緻密な焼結体が得ら
れない。

また４５重量％を超えれば粒界相のガラス相が過多とな
る一方、本来強度を発現する窒化ケイ素そのものの量が
少なすぎるため強度が著しく低下するので好ましくない
。

ＺｒＮ、　ＭｇＯは一般に市販されているものをそのま
ま用いることも可能であるが、これら化合物はできるだ
け平均粒径５μｍす、下で使用するのが望ましい。その
ほか−ＭｇＯ源としては加熱焼成によりＭｇＯとなるＭ
ｇＣＯｘ、Ｍｇ（ＯＨ）２、ＭｇＳＯ４、Ｍｇ（ＮＯ３
）２あるいは有機マグネシウム化合物がＭｇＯの代替品
として一部使用でき、焼結体の使用目的に合わせて適宜
選択して用いることが可能である。

窒化ケイ素は市販されているものあるいは独自に合成し
たものを用いることができるが、できるだけ細かい、平
均粒径２．０μｍ以下のものが好ましい。また窒化ケイ
素は焼結中にα相→β相の転移が起こり、その結果焼結
性が向上するのでα／α十β比の大きい窒化ケイ素を使
用するのが好ましい。しかし必ずしもこれに限定される
ものではない。また例えば反応焼結法による場合、窒化
ケイ素合成用原料の段階で所要量の焼結助剤を添加する
ことも可能であり、この方法も本発明の範囲に含まれる
。

上記の材料を用いて窒化ケイ素焼結体を製造する一例を
述べる。

出発原料として窒化ケイ素、ＺｒＮ　、　ＭｇＯを前述
の範囲内で適宜混合したものに、場合により数チの有機
系バインダー（ポリビニルア／ｌｚ　コール、カルボキ
シメチルセルロース等）全添加したのち、所望の形状に
プレスする。得られた成形体は５００〜６００℃程度の
比較的低い温度で結合剤を散逸させた後、非酸化性雰囲
気（Ｎ２ガス、ＣＯガス、アルゴンガス等）中で昇渇し
、１６００〜１８５０℃で焼結が終了するまで保持する
。またより好ましい焼結温度は１６５０〜１８００℃で
ある。焼結温度が１６００℃未満では焼結が不十分であ
り、強度が低い。また１８５０℃を超えれば窒化ケイ素
の分解揮発が活発になり好ましくない。

本発明においてＺｒＮおよびＭｇＯを併用するこ　５− とによって強度の大きい緻密質焼結体がなぜ得られるか
についてはその詳細は不明なるも、　ＭｇＯのみを添加
した焼結体と顕微鏡で観察対比したところ、併用した方
が粒界が小さく、かつ粒界が相互に入りくんでいるとこ
ろから、併用した方が何らかの作用で粒界にかかる変化
をもたらし、このため緻密になるのであろうと考えられ
、この相違が焼結体の特性に著しい差異を生ずるのであ
ろう。

上記したように窒化ケイ素または窒化ケイ素を合成する
原料にＺｒＮおよびＭｇＯからなる焼結助剤を特定割合
添加した混合物をプレス成形し、非酸化性雰囲気で焼結
して得た焼結体は優れた、物性を備えており、機械的強
度が大きく、高緻密で高温下においても強度の低下は少
ない。そのためエンジニアリングセラミックス材料に要
求される特性を十分に満足できる焼結体が得られるので
本発明の工業的価値は大きい。

次に本発明を実施例によって具体的に説明するが、その
要旨を越えない限り、以下の実施例　６− に限定されるものではない。

例１（焼結助剤重量比ＺｒＮ／ＭｇＯの効果）ＺｒＮ（
西独へルマンシー・シュタルク社製）およびＭｇＯ（関
東化学社製）の比を適宜変えて配合した混合物に対し、
エタノールを約３倍（重量）添加したのち、ポットミル
で粉砕し、乾燥して平均粒径１〜３μｍの細かさの焼結
助剤数種を得た。

それらの焼結助剤を平均粒径１，１μｍの窒化ケイ素（
日本電工社製商品名ｒＮＪ）に対し１５重量％（外割）
、さらにエタノールを全固形重量の約６倍添加したのち
、プラスチック製ボットミルで十分混合し乾燥した。

得られたそれぞれの混合物にホＩＪビニルアルコール水
溶液をバインダーとして少量加え混練し、プレス機で１
０００　Ｋｇｆ／ｃｍ２加圧し、直径５゜腋厚さ６−の
円板状成形体を得た。

この成形体は一旦大気中にて５００〜６００℃で加熱し
てバインダーを揮散させたのち、予め窒化ホウ素を塗布
したカーボン製ルツボに入れ窒化ケイ素をつめ粉として
充填したのち、１気圧窒素雰囲気中で１７００℃、１時
間焼結した。

得られたそれぞれの焼結体を研磨し、４×６×６５胴の
大きさに切断してテストピースを作成し、ＪＩＳ　Ｒ−
１６０１に記載された要領にしたがって曲げ強さを測定
し、ＺｒＮ／ＭｇＯ比−曲げ強さの関係を第１図に示し
た。

その結果ＺｒＮ／ＭｇＯ比を０．３〜４．０の範囲にし
た場合、強度が犬であることが判明した。

例２（焼結助剤添加量の効果） ＺｒＮ／ＭｇＯ比ヲ２．０に配合した焼結助剤をシリカ
の窒化還元法で製造した平均粒径０．８μｍの窒化ケイ
素（α相約９８％）に種々混合したこと以外は例１と同
一のプロセスによシテストビースを作成し、得られた焼
結体の曲げ強さを測定し、その結果を第２図に示した。

その結果、焼結助剤の添加量が６〜４５重量係重量へ、
高強度が発現することが判明した。

実施例、比較例 例１のプロセスに従ってテストピースを作成し曲げ強さ
および気孔率を測定した。得られたそれらの結果を表１
に示した。

以上の測定結果から実施例１〜４に示す通り、本発明に
よって得た焼結体の方が従来法による比較例より格段に
優れていることがわかる。

　９− １０−

【図面の簡単な説明】

第１図はＺｒ、Ｎ／ＭｇＯ比と曲げ強さの関係、第２図
は窒化ケイ素に対する焼結助剤添加量と曲げ強さの関係
をそれぞれ表わすグラフである。 特許出願人　日本セメント株式会社 代理人弁理士伊東　彰 −１１＝ ↓目°ｔフＭどセノ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 窒化ケイ素の焼結反応を窒化ジルコニウムおよび酸化マ
   グネシウムの存在下で行うことを特徴とする窒化ケイ素
   焼結体の製造方法。′