JPS61227908A - 窒化珪素質焼結体用原料粉末の製法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は優れた高温高強度特性を達成した窒化珪素質焼
結体を提供すべく、その原料粉末の製法に関するもので
ある。

〔先行技術〕

窒化珪素質焼結体は原子の結合様式が共有結合を主体と
しているので高強度耐熱性部材、高耐食性部材及び高強
度耐摩耗性部材などに期待されている。

従来周知の通シ、窒化珪素質焼結体は焼結助剤の添加に
より液相焼結して緻密化するが、その焼結剤にはＭｇｏ
などのアルカリ土類金属の酸化物、ＹｚＯｓなどの希土
類金属の酸化物、並びにＡＪｚＯｓなどがあり、これら
焼結助剤と窒化珪素粉末を粉砕混合し、窒化珪素質焼結
体の出発原料に供している。

しかしながら、前記添加物は窒化珪素や、窒化珪素粉末
の結晶表面に存在する５ＬＯｔ膜と度広して粒界相を形
成するが、これら原料は十分に粉砕混合しても、添加物
がミクロ的に均一な分布をしておらず、この粒界相の大
きさが不均一となシ、その結果、窒化珪素焼結粒の異常
成長が促進し、これにより出来九厚みの大きい粒界相が
破壊源となっていた。加えて、酸化物を添加することに
よりイオン結合性が増大し、窒化珪素本来の優れた特性
が減じられていく。従って、焼結体の緒特性、特に機械
的特性を向上せんが念めには非酸化物系焼結助剤を用い
て、更にその助剤の添加量を減少させると共に均一分散
させる必要がある。

本発明者は上記事情に鑑みて鋭意研究の結果、出発原料
である窒化珪素粉末の代表的な合成法であるシリコンの
直接窒化法を創意工夫して非酸化物系焼結助剤を窒化珪
素粉末に含有させるという着想に到達したものである。

〔発明の目的〕

従って本発明の目的は高温高強度特性を達成した窒化珪
素質焼結体と成るべき、その原料粉末の製法を提供する
ことにある。

本発明の他の目的は易焼結性の窒化珪素質焼結体用原料
粉末の製法を提供することにある。

本発明の更に他の目的は焼結助剤を出発原料中厚子レベ
ルにまで拡散してその添加量を減少せしめた窒化珪素質
焼結体用原料粉末の製法を提供することにある。

〔発明の要旨〕

本発明によれば、金属シリコンに周期律表ＩＩＩａ族金
属が含有される合金を粉砕し、この粉体を窒素を含む雰
囲気中で窪化反応により窒化珪素を生成して原料粉末に
したことを特徴とする窒化珪素質焼結体用原料粉末の製
法が提供される。

〔問題を解決するための手段〕

窒化珪素質焼結体用原料粉末の製法にはシリコンの直接
窒化法、シリカ還元法、気相合成法、熱分解法などが知
られておシ、現在工業的に最も普及しているのは５／リ
コンの直接窒化法である。この方法はシリコン金属粉末
と窒素ガスを用いて３Ｓ１＋　２Ｎ＊→５ｉｓＮｉの合
成反応を行なわせるものであって反応が簡単で製造工程
も比較的単純であるととが特長である。

本発明によれば、ｙｙコンの直接電化法におけるシリコ
ン金属粉末に窒化珪素質焼結体の焼結助剤となるべき周
期律表ｍａ族元素の金属単体を含有させることが重要で
ある。従って、シリコン金属と周期律表ｍａ族元素の金
属単体から成る合金を粉砕化して得られた金属粉体を周
知の直接窒化法によル合成反応を行なわせることにより
本発明の目的が達せられる。

但し、金属粉体と窒素ガスが直接反応すると発熱が激し
いため、反応を抑制する技術が要求される。例えば、窒
素ガス又はアンモニアガスの共存下で加熱速度をコント
ロールしながら反応温度を１３００〜１４００℃に制御
して合成する方法が主として用いられる。

次いで、反応合成後、粉砕工程を導入することにより焼
結体用原料粉末が提供される。

本発明の製法により得られた原料粉末はシリコン原子と
周期律表Ｈａ族金属原子と窒素原子が完全に結晶状頓に
なっておらず、主として歪んだ晶質を含んでいることが
Ｘ線回折法により確認できた。

従って、本発明者は後述する実施例からして周期律表１
［ａ族金属原子が原子レベルでシリコン原子に分散して
おシ、また格子欠陥を含むため、かかる原料粉末を用い
て焼結するとその焼結を促進すべく内部エネルギーが大
きく寄与して拡散が活性化し、易焼結性となるものと考
え、その結果高強度緻密窒化珪素賞焼結体が提供される
ものと考える。

本発明によれば、この周期律表■ａ族金属原子として希
土類元素であるＳＱ、Ｙ、　Ｌａ、　ｃｅ、　Ｐｒ。

Ｎ！ｉ、Ｐｍ、Ｓｍ、に、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｈ
ｉｒ。

Ｔｍ　、　Ｔｈ　、　Ｌｕが望ましい。かかる元素、例
えばＹとシリコン金属と合金化させて窒化処理して成る
窒化珪素原料粉末はＳＬ　−Ｎ　−Ｙ又はＳｌ−Ｙ　−
Ｎのいずれかの結合を含むことをレーザーフマン及びＥ
ＳＣＡ法により確認した。

更に本発明によればシリコン金属と周期律表Ｎａ族元素
の金属単体から成る合金中、ｍａ族元素の含有原子比率
を０．１〜３０　ａｔｏｍｉｏ％の範囲内に設定するの
が望ましく、Ｑ、ｌ　ａｔｏｍｘｃ％未満であると本発
明の目的を達成せんがための焼結性に及ぼす効果が期待
し燈く、また３０　ａｔｏｍｉｃ％を越えると均質なる
分散が得難いことが判った。好適には０．５〜ｌＱ　ａ
ｔｏｍｉｃ％の範囲内に設定するのがよい。

本発明においては、前述した周期律表ｍａ金金属所定範
囲内に含有設定すると共に単独で或いは組合せて使用し
得る。

更に本発明に係る窒化珪素質焼結体用原料粉末はそれ自
体単独で出発原料に用いることができるが、この本発明
の原料粉末に更に焼結助剤を加えて出発原料とすること
ができる。

〔実施例〕

金属シリコン粉末と希土類金属粉末を第１表に示す通シ
の配合比率で秤量し、混合してから１４００〜１６００
℃の温度範囲で融解して合金を得た。　この合金をボー
ルミ〃等の周知の方法によ）平均粒径２μｍ程度にまで
粉砕し、この粉体を最高１２５０〜１４５０℃の鷹素ガ
ス雰囲気中で窒化度広を行ない、残留シリコン量を極力
少なくした。得られた塊を粗砕し、次いで微粉砕して平
均粒径１　ａｓｓ以下に設定した。

かくして得られた窒化珪素原料粉末の成分をＸ線回折法
により測定したところ、第１表に示す通第１表中、原料
粉末の成分比は次の通シにした設定した。即ち、α−８
ｉｌＮ４　（２０１）　、及びβ−８１ｓＮａ　（１０
１）のＸ線ピーク高さ、並びに希土類金、　属窒化物及
びその他の最大Ｘ線ピーク高さを測定し、これらのうち
最大値が得られるものを１００として、他の３種類の成
分のそれぞれの相対値を求め、この値を３段階に設定し
たものである。従って、Ｘ線ピーク高さの最大値として
選ばれるものは１００であって◎印となシ、この相対値
が１０〜３０であればＯ印、１０未満であればＸ印であ
る。

本発明者は各原料粉末について同じ実験を数回以上縁シ
返して、その平均値を求めたものであって±１５％のバ
ラツキの範囲内にあった。

次に第１表に示した窒化珪素粉末を用いて必要により焼
結助剤を加えて出発原料とし、ボールミルにて２４時間
混合した。

得られたスラリーを乾燥造粒した後、プレス成形して真
空中で脱バインダ後、第２表に示す窒素ガス雰囲気の焼
成条件により焼ｉ体を得た。

かくして得られた焼結体の抗折強度及び理論密度比を測
定したところ、第２表に示す結果が得られた。抗折強度
はＪＩＳ　Ｒ１６０１に従って４点曲げ試験片により　
４　Ｘ　３　Ｘ　４２　ｓｒｓの試験片の抗折強度第２
表よシ明らかな通シ、本発明の試料＆１乃至１０につい
ては高温強度特性に優れ、且つ密度が理論密度に近くな
っている。比較例の試料＆１１、試料ム１２及び試料＆
１３はそれぞれ試料＆４、試料＆１及び試料厖９に対応
しており、いずれも焼結体中の焼結助剤の種類及び配合
比が同じである。

試料ム４，１．９は比較例に比べ、高温強度が２倍前後
にまで向上していることが判る。また、試料ム１及び試
料洗１２は同じ焼結条件により得られたものであっても
試料轟１が優れていることはａ粉末の易焼結性を示して
いる。

〔発明の効果〕

以上の通り、本発明の製法により窒化珪素質焼結体用原
料粉末は易焼結性を備え、これを用いて得られた窒化珪
素質焼結体は高温高強度特性が達成できた。

更に、本発明の原料粉末は窒化珪素質焼結体を得るため
であるが、窒化珪素質と他の焼結体から成る複合焼結体
を得るために用いても何ら差支えなく、かかる複合焼結
体であっても本来具備する好適特性を発揮できると考え
られる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　金属シリコンに周期律表IIIａ族金属が含有される合
   金を粉砕し、この粉体を窒素を含む雰囲気中で窒化反応
   により窒化珪素を生成して原料粉末にしたことを特徴と
   する窒化珪素質焼結体用原料粉末の製法。