JPS61215260A - SrO―MgO―CeO2系窒化珪素セラミックスの製造法 - Google Patents

SrO―MgO―CeO2系窒化珪素セラミックスの製造法

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JPS61215260A
JPS61215260A JP60055252A JP5525285A JPS61215260A JP S61215260 A JPS61215260 A JP S61215260A JP 60055252 A JP60055252 A JP 60055252A JP 5525285 A JP5525285 A JP 5525285A JP S61215260 A JPS61215260 A JP S61215260A
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sintering
silicon nitride
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pressure
temperature
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和夫 小林
香一 今尾
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NGK Insulators Ltd
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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】 (産業上の利用分野) 本発明は内部と表面とが均質で強度の大きい窒化珪素セ
ラミックスを工業的に製造することができる窒化珪素セ
ラミックスの製造法に関するものである。
(従来の技術) 窒化珪素セラミックスは高温における強度、破壊靭性、
耐熱衝馨性、耐酸化性等において優れた特性を有し、炭
化珪素、ジルコニアセラミックスとともに構造用セラミ
ックスの中心的存在として期待されている材料であるが
、窒化珪素は自己焼結性に乏しいために焼結時に特別な
手段が必要とされており、工業的な製造法としては特開
昭59−18165号公報、特公昭58−49509号
公報、特開昭57−77072号公報′に示されるよう
な雰囲気加圧焼成法が普通である。ところがこれらの雰
囲気加圧焼成法は、いずれも成形体を高圧のガス雰囲気
中で常温から次第に昇温して焼結を行わせるものであり
、焼結の初期段階から高圧が加えられているために成形
体の内部に存在する気孔の内部も当然に高圧となり、焼
結過程で気孔を排除することが極めて困難となる欠点が
あった。このため、得られた製品は内部に多数の気孔を
含んだものとなり、機械的強度が低いうえに表面と内部
との焼結状態が異なり不均質なものとなり、特にターボ
ローターのような形状が複雑で羽根部分の肉厚と軸部分
の肉厚とが極度に異なる製品においては実用に耐える製
品を得ることが困難とされていた。一方、特開昭58−
64274号公報に示されるように、焼結の初期段階を
減圧下で行う方法も研究されているが、この場合には成
形体に含まれている焼結助剤や窒化珪素、酸化珪素等が
蒸発するために特に表面部分の気孔が多くなり、表面と
内部との特性差や肉厚差による焼結状態の差を防止でき
ないことは前記の方法による場合と同様であった。
(発明が解決しようとする問題点) 本発明はこのような従来の問題点を解決し、形状が複雑
で部分的な肉厚差のある場合にも表面も内部をも均質に
焼結させることができる窒化珪素セラミックスの製造法
を目的として完成されたものである。
(問題点を解決するための手段) 本発明は窒化珪素粉末と焼結助剤とを混合し成形したの
ち、絶対圧で1〜1.3kg/cm2の窒素ガス雰囲気
中においてl・450〜1600℃の範囲内の一定温度
で1〜5時間の1次焼結を行い、次に5〜lokg/c
m2の窒素ガス雰囲気中において1600〜1800℃
の温度で2次焼結を行うことを特徴とするものであり、
これによって表面も内部も特性が均一であり、全体とし
て緻密で高強度の窒化珪素セラミックスを経済的に製造
することができる0次に本発明の工程について更に詳細
に説明する。
窒化珪素セラミックスの原料としては、微細で焼結性の
良好な粉末原料を選択して用いるものとし、市販されて
いる窒化珪素粉末のうち、粒径lμ以下でα−3i、N
、の含有率が90%以上のものが好ましい。焼結助剤と
してはMgO,5rO1YzOs 、L atos 、
Ce Ox 、A 1zO*等が用いられ、窒化珪素粉
末に対して通常は5〜15%が添加される。窒化珪素粉
末と焼結助剤との混合物は粉砕混合機で更に粉砕して微
粉化するとともに焼結助剤との混合を確実なものとする
0次に少量の有機バインダを加えて顆粒としたうえプレ
ス成形、流込み成形、押出成形、射出成形等の任意の方
法により所定形状に成形する。
成形体は先ずを機バインダを取除くため空気中で約50
0℃まで徐々に加熱し、有機バインダを燃焼させる。昇
温速度は成形体の形状によって異るが20〜b 1.3kg/a!の窒素ガス雰囲気中において1450
〜1600℃の範囲内の一定温度に1〜5時間保持する
1次焼結を行う、この1次焼結中に成形体の表面及び内
部で徐々に焼結が進行し、終了時点では理論密度の80
%以上まで焼結するが、この間の窒素ガス雰囲気圧は常
圧に近いため、焼結助剤の蒸発水l1l(及び成形体内
部の気孔への高圧ガスの封じ込みを生ずることもなく表
面も内部も均一状態に焼結される。この1次焼結の温度
と焼結された窒化珪素セラミックスの抗折強度との関係
は第1図に示されるとおりであって、1450℃未満で
は長時間保持しても焼結が不十分となり、後の2次焼結
時に気孔に高圧ガスが入って緻密な製品が得られず、特
に内部に欠陥が残り易くなる。
逆に1600℃を越えると、窒化珪素の分解や焼結助剤
の蒸発等により表面が多孔質となり易く、最終的に強度
の小さい製品しか得られなくなる。
このように、1450〜1600℃の範囲内の一定温度
に維持しつつ1次焼結を行わせることが好ましく、緩や
かな昇温を行っても近似した結果が得られるものの、昇
温カーブによってはやはり表面と内部との差が出易くな
る。保持時間は第2図のグラフからも明らかなように、
肉厚によっても異なるが1時間未満では焼結が不十分と
なり、5時間を越えると若干の蒸発が生じて強度の低下
を生ずる。更に、窒素ガス雰囲気圧力は第3図からも明
らかなように1.0ki/cd未満、即ち減圧状態とな
ると焼結助剤の蒸発が増加して製品の強度が弱くなり、
逆に1.3kg/−を越えると気孔への高圧ガスの封じ
込みが生じてやはり製品強度の低下を生ずる。
このようにして1次焼結を行わせた後引続き、あるいは
一度常温に冷却したうえで、2次焼結が行われる。2次
焼結は絶対圧で5〜lQkg/e+aの窒素ガス雰囲気
中において1600−1800℃で行われる。2次焼結
は焼結を完全に行わせるために高温で行われ、窒化珪素
の熱分解や焼結助剤の蒸発が生し易い、このために窒素
ガス雰囲気の圧力を高めることが有効であるが、成形体
は1次焼結によって80%以上焼結していて開気孔は少
いため、気孔内に高圧のガスが封入されることもなく焼
結が進行し、これにつれて表面及び内部の気孔は全て排
除されて均質かつ緻密な製品が得られる。なお、2次焼
結の温度が1600℃未満では焼結が完結しにくく、1
800℃を越えると窒化珪素の熱分解及び焼結助剤の蒸
発が顕著となり表面が多孔質となり易い、また2次焼結
における窒素ガス雰囲気圧は第4図に示されるように5
 kg/cd以上で安定した特性が得られるが、10k
r/−を越しても目立った効果はなく、不経済であるこ
のように本発明は1次焼結と2次焼結との組合せによっ
て表面も内部も均質で気孔の少ない高強度の窒化珪素セ
ラミックスを製造することができるものであるが、1次
焼結により10%を越える収縮が生ずるので、高温高圧
を受ける2次焼結用の炉は比較的小さくて済み、経済性
に優れる利点もある。
(実施例) 実施例1 純度99.5%、粒径lμ以下、α−3i、Nn90%
以上の窒化珪素む)末20 kgに対し、3rO1゜5
%、MgO15,0%、Ce Ot 4.0%を加えて
トロンメルに投入し、Zr01球石を用いて乾式にて6
時間粉砕用合した。その後珪石を分離したうえPVA扮
末を全体の“2%加えてV型ミキサーで十分混合した。
これを金型プレスにより2 ton/aJの圧力でプレ
スして60X60X15fiの板状サンプルを成形した
。成形物を電気炉中で加熱して500℃で3時間保持し
、PVAを完全に除去した。その後この成形体を窒素ガ
ス雰囲気焼結炉に入れ、窒素ガス圧1.0kr/cm2
の雰囲気中で500℃/Hの割合で1400.1450
,1500.1550.1600.1650℃まで昇温
し、それぞれの温度で1時間保持して1次焼結したうえ
、引続いて窒素ガス圧を8.0kr/−とし、200℃
/Hの割合で1700℃まで昇温しで1時間保持の2次
焼結を行った。得られた板状のサンプルから曲試験用サ
ンプルを切出し、万能試験機によりJISに規定される
4点曲げ強度を測定した。その結果は第1図に示された
とおりであり、1450−1600℃で1次焼結したも
のは表面、内部ともに均質で高強度の窒化珪素セラミッ
クスが得られた。
実施例2 実施例1と同一の原料から2.5ton/cm2の圧力
で60X60X5重目と60x60x30龍の板状サン
プルを成形し、実施例1と同様にバインダーを除去した
うえ窒素ガス雰囲気焼結炉に入れ窒素ガス圧1.1 k
g / (Jl 、温度1500℃、保持時間0.5〜
6時間の1次焼結と、引続いて窒素ガス圧10kg /
 aJ、温度1700℃、1時間の2次焼結を行った。
1次焼結のための昇温速度は700℃/H12次焼結の
ための昇温速度は300℃/Hである。得られた板状サ
ンプルの中心部から3×4×40 mlのテストピース
を切出して強度測定した結果、第2図に示すように肉厚
30關の場合には1次焼結の保持時間は2〜5時間が好
ましく、肉厚5龍の場合には1〜5時間が適当であるこ
とが明らかとなった。
実施例3 実施例2と同様に60 X 60 X 5 鶴の仮杖サ
ンプルを成形し、0.9〜1.4kg/an!の窒素ガ
ス雰囲気中で1500℃、2時間の1次焼結を行い、次
いて4〜12kr/cm2の窒素ガス雰囲気中で175
0℃、30分の2次焼結を行った。得られた板状サンプ
ルからテストピースを切出し強度測定した結果、第3図
及び第4図に示されるように1次焼結時の窒素ガス雰囲
気圧は1.0〜1.3kg/cm2が好ましく、2次焼
結時の窒素ガス雰囲気圧は5〜lOkg / cdが適
当であることが判明した。
実施例4 実施例1と同様に60 X 60 X 151mの板状
サンプルを成形し、1.2kg/cJの窒素ガス雰囲気
中で1500℃に2時間保持した後、常温まで冷却して
寸法を測定したところ5.20 X 5.22 X 1
3.ommであった。これを7に+r/cm2の窒素ガ
ス雰囲気中で1700℃、1時間の2次焼結を行ったと
ころ、抗折強度が80kt/−を越える高強度の窒化珪
素セラミックスが得られた。2次焼結後に再度寸法を測
定したところ5.13 X 5.14 X 12.8龍
であった。
(発明の効果) 本発明は以上の説明からも明らかなように、比較的低い
焼結温度と雰囲気圧力下で内部、表面ともに均質で強度
の大きい窒化珪素セラミックスを得ることができ、肉厚
差のある場合についても均質で緻密な製品を得ることが
できるものである。
また、本発明は低圧の1次焼結により収縮した成形体を
2次焼結するので、2次焼結を別の炉で行う場合には比
較的小型の炉を用いることができる利点もある。このよ
うに、本発明は構造用セラミックスとして期待されてい
る窒化珪素セラミックスを形状の如何を問わず工業的に
生産することができるものであるから、従来の窒化珪素
セラミックスの製造法の問題点を解消したものとして産
業の発展に寄与するところは極めて大である。
【図面の簡単な説明】
第1図は1次焼結温度と製品の抗折強度との関係を示す
グラフ、第2図は1次焼結時の保持時間と抗折強度との
関係を示すグラフ、第3図は1次焼結時の窒素ガス雰囲
気圧と抗折強度との関係を示すグラフ、第4図は2次焼
結時の窒素ガス雰囲気圧と抗折強度との関係を示すグラ
フである。 第1図 τ、’toy灸−11J虻  (”C)第2図 1吹焼峰膓碕吟− 第3図 1;欠焼物吟11零日帆氏    1 秦4図 1吹ari粂舛 2戻曖玲吟の雰囲駄  τ蒙

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 窒化珪素粉末と焼結助剤とを混合し成形したのち、絶対
    圧で1〜1.3kg/cm^2の窒素ガス雰囲気中にお
    いて1450〜1600℃の範囲内の一定温度で1〜5
    時間の1次焼結を行い、次に5〜10kg/cm^2の
    窒素ガス雰囲気中において1600〜1800℃の温度
    で2次焼結を行うことを特徴とする窒化珪素セラミック
    スの製造法。
JP60055252A 1985-03-19 1985-03-19 SrO―MgO―CeO2系窒化珪素セラミックスの製造法 Granted JPS61215260A (ja)

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