JPS6022677B2 - 窒化珪素系複合焼結体及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、熱衝撃に対する抵抗性が大で、高強度をも
ち、かつ耐摩耗性、耐食性に優れ、しかも高度の寸法精
度に加工を行なうことができる窒化珪素系複合焼絹体及
びその製造方法に関するものである。

エンジニアリングセラミックス、熱交換器、高温反応容
器等に使用される高温構造材料は、機械的強度が大きく
、耐熱耐衝撃性に優れ、しかも熱膨脹率の小さいことが
要求されているが、近年、このような要求を満足する材
料として、窒化珪素競結体が注三目されている。

窒化珪素暁鯖体には、反応煉絹法により製造した窒化珪
素反応嫌縞体、ホットプレス法により製造した窒化珪素
ホットプレス暁結体等があるが、構造材料が複雑な形状
をもち、かつ高度の寸法精度を要求する場合は、切削加
工の容易な窒化珪素反応糠緒体が有利である。

しかしながら、このような窒化珪素反応焼結体において
も、その熱衝撃値（△Ｔ℃）は３５０〜４５０℃であり
、特に高温からの急熱急袷サイクル環境下では、熱応力
により生ずる亀裂によって、急激にその強度が低下する
ことから、熱衝撃抵抗性に問題のあることがわかった。

熱衝撃抵抗性を改善するためには、亀裂の発生に対する
抵抗性と「亀裂の伸長に対する抵抗性の両面から検討す
る必要がある。即ち、一定の材質のものが、一定の使用
条件下において、亀裂の発生がなけれ‘よ、そのものは
十分な熱衝撃性を有していることになる。これに対し、
その使用条件下においては、亀裂の発生を防ぐことが不
可能な場合には、発生した亀裂の伝播を防ぐこと、即ち
亀裂伸長に対する抵抗性を高めれば、熱衝撃性の改善を
行うことができる。ところで、窒化珪素反応焼結体の場
合には、その製造過程において生ずる気孔の存在が避け
られず、従って内部欠陥を大幅に減少させて亀裂発生抵
抗性を高めることは困難なことから、本発明者等は、窒
化珪素反応嫁結体の亀裂伸長抵抗性を高めることにより
熱衝撃性の改善を図るべく、研究を行なった。

研究に当っては、亀裂伸長抵抗性が高いと思われる六方
晶型窒化棚素焼結体（以下、単に「窒化棚素焼結体Ｊと
いう）に着目し、窒化珪素凝結体のホットプレス品、反
応焼緒品、および窒化棚素焼結体のホットプレス品につ
いてトその曲げ強度および亀裂伸長抵抗性を調べた。

亀裂伸長抵抗性は、セラミックスの亀裂伸長抵抗性の尺
度として知られている次の式を用いた。Ｒｄ＝班２／Ｓ 但し、Ｒｄ：亀裂伸長抵抗性 Ｅ：弾性率 Ｓ：曲げ強度 第１表には、その結果が示されている。

亀裂伸長抵抗性（Ｒｄ）は、亀裂発生の瞬間にお第１表 けるそれまで蓄積された単位面積当りの弾性エネルギー
の逆数を表わしており、その数値が大きいほど、亀裂が
伝播し１こくいことを示す。

第１表から明らかなように、反応競結法により製造され
た窒化珪素焼結体は、ホットプレス法により製造された
窒化珪素齢結体に比べ、初期の曲げ強度は小さいが、亀
裂伸長抵抗性は比較的大きい値を示した。

しかし亀裂伸長抵抗性には限界のあることがわかった。
一方、窒化繊素焼給体は、方向性があるが、亀裂伸長抵
抗性は窒化珪素焼給体に比べて顕著に大きく、亀裂が伝
播し難い性質を有していることが判明した。上記試験結
果から、本発明者等は、亀裂伸長抵抗性に限界がある窒
化珪素反応暁縞体中に、亀裂伸長抵抗性の高い六方晶型
窒化棚素（以下、単に「窒化棚素」という）を分散相と
して存在させ、更に炭化珪素、窒化アルミニウム、炭化
棚素の１種以上を分散させることにより、密度特性およ
び強度特性の高い凝結体の得られることを知見した。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって
、金属珪素粉末と、六方晶型窒化棚素粉末（以下、単に
「窒化棚素粉末」という）と、炭化珪素粉末、窒化アル
ミニウム粉末、炭化棚素粉末の１種以上とを原料とした
反応焼結法製の窒化珪素系複合暁結体であって、窒化珪
素：６０〜９り重量％と、窒化繊素と、炭化珪素、窒化
アルミニウム、炭化棚素の１種以上とが３〜４の重量％
とからなる組成範囲を有し、かつ前記窒化珪素の連続骨
格中に、前記窒化繊素と、前記炭化珪素、窒化アルミニ
ウム、炭化棚素の１種以上とが、分散相として均一に存
在されていることに特徴を有するものである。

そして、その製造方法として、所定割合の金属珪素粉末
と、窒化棚素粉末と、炭化珪素粉末、窒化アルミニウム
粉末、炭化棚素粉末の１種以上とを、分散剤とバインダ
ーとが含有された有機溶媒の存在下において均一に混練
し、次いで前記均一混練物を仮成形の上、非酸化性雰囲
気中で切削加工に十分耐え得る強度に焼成して仮焼結体
となし、次いで前記仮焼縞体を所定形状に成形加工した
後、窒化焼成することに特徴を有するものである。この
発明の室化珪素系複合競結体において、室化珪素、窒化
棚素、炭化珪素、窒化アルミニウム、炭化棚素等の含有
量を上述のように定めた理由は、窒化珪素の含有量が６
の重量％未満では、窒化反応により生成した強固で連続
する窒化珪素結合による機械的強度が発揮し得ず、強度
の低下を招き、また、窒化棚素と、炭化珪素、窒化アル
ミニウム、炭化棚素の１種以上とが３重量％未満では、
窒化棚素の耐熱衝撃性と、炭化珪素、窒化アルミニウム
、炭化棚素の強度特性、密度特性が発揮されないためで
ある。

次に、この発明の窒化珪素系複合競給体の製造方法につ
いて説明する。

原料としての筆化珪素はト金属珪素を原料とし、峯化反
応によって連続骨格としての窒化珪素となすもので、前
記金属珪素は、Ｓｉを９７％以上含有し、かつその粒度
が７４仏以下の粉末を使用することが望ましい。

窒化繊素は、ＢＮを９７％以上、好ましくは９９％以上
含有する高純度で、かつその粒度が最大５００仏以下、
好ましくは４４山以下の六方晶系粉末を使用する。

特に窒化棚素は、不純物であるＢ２０３が多量に存在す
ると、焼成時に前記Ｂ０３が他の成分と反応してガラス
化し、拳化過程において通気性を阻害するため、前記の
如き高純度のものが望ましい。炭化珪素は、等鞠晶系で
高温相Ｑ型、低温相８型の何れの相でも使用が可能で、
ＳＩＣを９５％以上含有し、かつその粒度が最大７４一
以下、好ましくは１０一以下のものを使用する。

炭化棚素は、Ｂ４Ｃを９５％以上含有し、かつその粒度
が最大７４ｒ以下、好ましくは１０山以下のものを使用
する。

窒化アルミニウムは、Ｓｉ０２その他の酸化物と反応し
て針状のサィアロン系化合物を生成し、強度向上に寄与
する効果があり、Ａ〆Ｎを９５％以上含有し、かつその
粒度が最大７４＃以下、好ましくは１０仏以下のものを
使用する。

上記した金属珪素粉末と、窒化棚素粉末と、炭化珪素粉
末、窒化アルミニウム粉末、炭化棚素粉末の１種以上と
を、窒化珪素系複合競縞体として、前述した組成範囲と
なる如くそれぞれ所定量配合のうえ、均一に混合する。

次に、この混合粉末に対し、分散剤とバインダーとが添
加された有機溶媒を、２０〜３屯重量％添加し、強制的
に均一混練を行なう。ついで、この混練物を、造粒機に
よって２次粒子に造粒の上、十分に乾燥してバインダー
を蒸発せしめ除去した後、所定形状の形枠内に充填し、
プレス装置、好ましくはラバープレス菱贋によって仮成
形を行なう。次に、上記仮成形体を、Ａｒ，Ｎ２，Ｎ比
等の非酸化性雰囲気中で、１２００℃の温度により２時
間加熱し、切削加工に十分耐え得る強度を備えた仮競縞
体となした後、この仮蟻結体を高寸法精度の所定形状に
加工し、これを峯化焼成する。

窒化焼成に当っては、前記加工物を１２５０ｏｏ以下の
温度で十分に焼成した後、１４００〜１４５０ｑ０まで
段階的に昇温し、Ｓｉの窒化反応が完了するまで保持す
る。かくして、窒化珪素複合暁給体が得られる。なお、
成形体の厚みが大のとき‘ま、Ｓｉの未反応糠絹を抑制
するために、原料の金属珪素の一部を窒化珪素におきか
えることができる。

次に、この発明を実施例により比較例と共に説明する。

実施例 １原料として、純度９８％、粒度７４ム以下の
Ｓｊ粉末と、純度９９％、粒度４４ム以下のＢＮ粉末と
、純度９５％、粒度４４仏以下のＳＩＣ粉末、ＡそＮ粉
末、＆Ｃ粉末の１種以上とを、第２表に試料Ｎｏ．１〜
１０で示した如き割合で配合した。

この試料的．１〜１０の配合物を、ＰＶＡの有機溶媒下
で均一に混練し、０．２〜０８凧に造粒、乾燥した後、
これを形枠に入れ、ラバープレスを用い、１．５ｔ／地
の成形圧によって、５０×５０×２０仇帆の形状に成形
した。ついで、この成形体をＡｒの非酸化雰囲気下で、
１２００００の温度により２時間焼成し、仮嫌結体とな
し、この仮碗繕体を５×５×５仇舷の形状に成形加工の
後、これを最高温度１４００〜１４５０℃まで１０劉時
間窒化焼成し、窒化珪素系複合暁給体を作つた。第２表
には、上記のようにして製造された窒化珪素系複合煉結
体の相対密度、常温曲げ強度および熱衝撃値が、比較例
と共に示されている。

同表において、相対密度とは、嵩密度と理論密度との比
を百分率で示したものである。また熱衝肇性（△Ｔ℃）
とは、５×５×５仇帆の試験片を、所定温度に加熱の上
、３０分間同温度に保持した後、２５ｑｏの水中に急冷
し、常温強度が低しない温度をもって示したものである
。第２表から明らかなように、窒化珪素単味の比較例１
と比較し、本発明のものは、多少の強度劣化が認められ
るものの、その熱衝撃値は顕著に向上した。

また比較例２の如く、ＢＮ，ＳＩＣ，ＡＺＮの総量が本
発明の範囲を超えて多い場合には、相対密第２表 度が低下し、所定の高強度のものを得ることはできなか
った。

実施例 ２ Ｓｉ３Ｎ４一ＢＮ−ＳＩＣ系で、ＢＮおよびＳＩＣの含
有量を各々１０％とし、ＳＩＣの粒度が、１００４以下
、５０〆以下、２０山以下、１０〃以下、５ム以下、お
よび１仏以下の６種類のものを原料として、前記実施例
１と同様の方法により焼結体となし、夫々の熱衝撃値、
密度、および曲げ強度を調べた。

第３表はその結果を示したもので、同表からわかるよう
に、ＳＩＣの粒度が１０ム以下の場合は、組織の均一化
、充填性の改善、および熱伝導率の向上によって、特に
、その強度、密度、および熱衝撃値が顕著に改善された
。

第３表 以上述べたように、この発明の窒化珪素複合嘘結体によ
れば、従来の反応嬢結法により製造された窒化珪素焼結
体の欠点である亀裂伸長抵抗性の不足する点が改善され
、熱衝撃抵抗性が高く、しかも曲げ強度、圧縮強度が一
段と向上し、高精度の切削加工も容易で経済的に製造し
得る等、工業上極めて優れた効果がもたらされる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属珪素粉末と、六方晶型窒化硼素粉末と、炭化珪
   素粉末、窒化アルミニウム粉末、炭化硼素粉末の１種以
   上とを原料とした反応焼結法製の窒化珪素系複合焼結体
   であつて、窒化珪素が６０〜９７重量％と、六方晶型窒
   化硼素と、炭化珪素、窒化アルミニウム、炭化硼素の１
   種以上とが３〜４０重量％とからなり、前記窒化珪素の
   連続骨格中に、前記六方晶型窒化硼素と、前記炭化珪素
   、窒化アルミニウム、炭化硼素の１種以上とが、分散相
   として均一に存在していることを特徴とする窒化珪素系
   複合焼結体。 ２ 所定割合の金属珪素粉末と、六方晶型窒化硼素粉末
   と、炭化珪素粉末、窒化アルミニウム粉末、炭化硼素粉
   末の１種以上とを、分散剤とバインダーとが含有された
   有機溶媒の存在下におて均一に混練し、次いで前記均一
   混練物を仮成形の上、非酸化性雰囲気中で、切削加工に
   十分耐え得る強度に焼成して仮焼結体となし、次いで前
   記仮焼結体を所定形状に成形加工した後、窒化焼成する
   ことからなる、反応焼結法によつて製造することを特徴
   とする、窒化珪素６０〜９７重量％と、六方晶型窒化硼
   素と、炭化珪素、窒化アルミニウム、炭化硼素の１種以
   上とが３〜４０重量％とからなる窒化珪素系複合焼結体
   の製造方法。