JPS6252177A - 窒化珪素質焼結体の製造方法 - 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】 通常、セラミックスの焼結は、中期以降第１図にて進行
する。焼結がある程度、進行した段階では、成形体には
成形体を構成する粉体粒子１の粒界に多くの気孔が存在
する。これらの気孔には、周囲が完全に粒子１によって
密閉された閉気孔２と・周囲が粒子１によって囲まれる
ものの、その一部が雰囲気と導通状態にあり、常に雰囲
気圧と同等に保たれた開気孔３が存在する〔第１図ａ〕
。

焼成時、特に高温高圧下で行う場合、閉気孔は高圧によ
り体積は小さく成り得るが、開気孔は、高温による粉体
粒子の焼結によって高圧ガスがトラップされた状態で封
入され閉気孔となる〔第１図ｂ〕。さらに焼成が進行し
、閉気孔中はさらに高圧化するとともに焼結体の表面近
傍の閉気孔からは粒界拡散によりガス放出されて緻密化
が進行する〔第１図Ｃ〕。

このような気孔の挙動と対理論密度比との関係を第２図
に示す。第２図からも明らかなように焼成の進行にとも
なう対理論密度比の増加に対応して、全気孔率は減少す
る。全気孔のうち、対理論密度比８０％以下ではそのほ
とんどを開気孔が占めるが、密度比８５％付近以降開気
孔は閉気孔に変わり急激に減少する一方、閉気孔が発生
し増加する。

さらに密度比が高い状態では、開気孔は存在せず、閉気
孔のみが残存した状況下で緻密化が進行する。

しかしながら、焼結体が大型の場合、内部の閉気孔にト
ラップされた高圧ガスの放出は極めて困難であり、焼結
体の緻密化は進行しない。

本発明によれば気孔の上述したような挙動に対し、初期
焼成工程（ａ）として開気孔率が１０体積％以下、特に
５体積％以下に達するまで焼成雰囲気における窒素ガス
分圧を１乃至５気圧、好ましくは１乃至３気圧低加圧下
で焼成を行うことが極めて重要である。これによって前
述したように開気孔から閉気孔への転換において、閉気
孔中にトラップされるガス圧を小さく制御することが可
能となる。また、焼成工程（ａ）での圧力は窒化珪素の
分解温度との兼ね合いから、分解窒素圧力以上であるこ
とが必須であり、分解抑制の効果とトラップされるガス
圧の兼ね合いから、また操炉上の簡易さから常圧以上、
分解窒素圧力の１０倍以下であることが望ましい。開気
孔率が１０体積％以下に達した後は焼成工程（ｂ）とし
て５気圧を超える圧力、好ましくは焼結温度における窒
化珪素の分解平衡圧の５倍以上の高圧下で焼成すること
によって、緻密化を促進することができる。焼成工程（
ａ）において開気孔率が１０体積％以下に達しない状態
で高温高圧下で焼成を行った場合、また、雰囲気のガス
圧が５気圧を超える場合、いずれも焼結体中の高圧ガス
をトラップした閉気孔の割合が大きいために、緻密化が
進行せず、特に大型品においては、均質な焼結体を得る
ことができない。

一方、開気孔率が１０体積％に達するまでの雰囲気圧力
が１気圧を下回ると、窒化珪素の分解が激しく焼結が進
行しない。

本発明によれば、上述した焼成工程における焼成温度は
、各工程の設定された圧力において窒化珪素が分解しな
い範囲で１７５０乃至２３００℃の温度範囲で焼成工程
（ａ）、焼成工程（ｂ）共に同一温度に設定することも
可能であるが、特に焼成工程（ａ）を１７５０乃至１９
００℃の比較的低温域で、焼成工程（ｂ）を１９００乃
至２３００℃の比較的高温域で行うのが望ましい。これ
は、焼成工程（ａ）では、焼結助剤と窒化珪素、及び窒
化、珪素に不可避的に結合している酸素、例えば、Ｓｉ
　Ｏユが反応し、焼結を促進する酸窒化物を主体するガ
ラス成分の生成が支配的であるが、これらのガラス成分
の存在下にて開気孔が減少していき、閉気孔となった後
、閉気孔の拡散による緻密化は初期の設定温度では遅い
。それゆえ、閉気孔の拡散消滅を早めるために、窒化珪
素の分解を抑制する条件下にて高温に保つことが重要と
なる。

本発明における焼成工程での雰囲気は窒素、もしくは窒
素ガスとアルゴンガス、ヘリウムガス、水素ガス等の不
活性ガスとの混合ガスのいずれでも採用し得る。

本発明の製造方法において用いられる窒化珪素粉末は平
均粒子径１．５μ以下であり、窒化珪素粉末と配合し得
る焼結助剤として１よ、イツトリア、マグネシア、アル
ミナ、ベリリア、セリア、ジルコニア、シリカ、窒化ア
ルミニウム等及びその混合物などが使用できる。これら
焼結助剤は原料粉全量に対し１乃至１０重量％の割合で
配合される。

所定の割合で混合された原料粉体は金型成型法、泥しょ
う鋳込法、ラバープレス法、射出成形法等の成形法によ
って、任意の形にされた後・前述した焼成工程（ａ）、
（ｂ）に賦されることによって高密度の均質な焼結体が
得られる。

本発明を次の例で説明する。

（実施例） 粒子径０．６μの窒化珪素粉末と、所望の焼結助剤を第
１表に示す組成比で混合した後、１　（ｔ／ｃｏｔ）の
圧力によってプレス成形し、４０ｘ　４０ｘ　７０の成
形体を得た。得られた成形体を第１表に示す焼成工程（
ａ）の条件で焼成し、開気孔率が１０体積％以下になっ
たことを確認した後、焼成工程（ｂ）の条件によって焼
成を行った。

得られた焼結体光１乃至３に対し、ＪＩＳ　Ｒ−１６０
１による４点曲げ法による抗折強度、およびアルキメデ
ス法によって比重を測定した。また開気孔率の測定はＪ
ＩＳ　Ｃ２１４１−１９７４に基づいて求めた。結果は
第１表に示す。

（比較例） 実施例とまったく同様にして得られた成形体に対し、焼
成工程（ａ）での圧力を５気圧よりも大きい２０気圧に
設定して焼成を行い、焼成工程（ｂ）では実施例での圧
力では焼成が困難であったため、圧力を４Ｑａｔ＋ｎ　
、若しくは１１００ａｔにして焼成するか、あるいは熱
間静水圧プレス法（ＨＩ　Ｐ法）により、２０００ａ　
ｔｍの雰囲気中にて焼成工程（ｂ）を行い、焼結体随４
乃至７を得た。

得られた焼結体は、実施例と同様にして抗折強度および
比重を測定した。

本発明の方法による患１乃至３の焼結体はいずれも高密
度、高強度を示すとともに、１１ｈ３で明らかなように
外部、内部ともにほとんど物性に変化がないことから、
均一な焼結体であることが理解される。

これに対し、焼成工程で当初から高圧下にて行った場合
、同一組成でのＮ［ＬｌとＮｌＸ４とを比較しても、比
重、強度共に寛１の方が優れていた。また一旦当初から
高圧下で焼結したものをさらに高温高圧で焼成しても（
１’＆Ｌ５）緻密化は達成されず、ＨＩＰ法で行っても
本発明１１ｈｌ〜３はど緻密化は進まなかった。

さらに、初期焼成工程（ａ）での圧力を本発明の範囲に
設定したとしても、開気孔率１０体積％より大きいまま
では、！１ｈ７　から明らかなように内部外部に緻密差
が生じ、全体としても十分な緻密化が保たれないことか
ら、本発明の方法による有効性が認識される。

（発明の効果） 本発明の製造方法によれば、焼結体の開気孔率の割合に
応じて、焼成工程での圧力を制御することにより、窒化
珪素の分解を抑制しつつ、焼結体中の閉気孔中にトラッ
プされたガスの圧力を小さくすることが可能となること
から、焼結体の気孔率を低減し、高密度の緻密で且つ均
質な窒化珪素質焼結体を得ることができる。特に本発明
の製造方法によれば厚みが１０＋ｎを超えるような大型
の焼結体を得る場合においても、緻密で均質な高強度の
焼結体を得ることができる。

は気孔の挙動と対理論密度比との関係を示す図である。

１・・・粉体粒子　　２・・・閉気孔 ３・・・開気孔 特許出願人　　京　セ　ラ　株　式　会　社対理實Ｉ比
（％）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　窒化珪素粉末と焼結助剤との混合粉体を成形する工程
   と、成形体を窒素ガス分圧が１気圧乃至５気圧の雰囲気
   中で焼成して、開気孔率を１０体積％以下にする焼成工
   程（Ａ）と、 該焼成工程（Ａ）によって得られた焼結体を窒素ガス分
   圧が５気圧よりも大きい雰囲気下で焼成する焼成工程（
   Ｂ）と、 を備え、且つ上記焼成工程（Ａ）、（Ｂ）が１７５０乃
   至２３００℃の焼成温度で行われることを特徴とする窒
   化珪素質焼結体の製造方法。