JPS63123868A - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、自動車、機械装置、化学装置、宇宙航空機
器等々の広い分野において使用される各種構造部品の素
材として利用され、特にすぐれた高温強度を有するファ
インセラミックス材料を得るのに好適な窒化珪素質焼結
体の製造方法に関するものである。

（従来の技術） 窒化珪素を主成分とする焼結体は常温および高温で化学
的に安定であり、高い機械的強度を有するため、軸受な
どの摺動部材、クーボチャージャロータなどのエンジン
部材等として好適な材料である。

しかし、窒化珪素はこれ単独では焼結が困難なため、通
常の場合、ＭｇＯ，ＡＬＯａ　　Ｙ２Ｏ３等の焼結助剤
を添加して焼結を行う方法が用いられている。

また、高温機械特性に優れる窒化珪素質焼結体として、
液相を生成する助剤の量を減じ、ホットプレスにより焼
結体を作成する方法、組成をβ−サイアロン組成とする
ことにより液相を窒化珪素粒子に固溶させる方法などが
知られている。

（発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、上述する焼結助剤を添加する焼結は、焼
結時に生ずる液相を媒介としだ液相焼結によると考えら
れており、焼結後に液相はガラス相として焼結体中に残
留する。一方、焼結体の耐クリープ特性、高温強度、耐
酸化性等の特性については、焼結体中に残留する第２相
、すなわち、ガラス相に大きく影響を受ける。そして、
特に、軟化温度の低いガラス相の存在は窒化珪素質焼結
体の高温機械特性を大きく低下させるので好ましくない
という問題点があった。

一方、上述するホットプレスによ６方法は焼結性に優れ
緻密な焼結体が得られるものの単純形状の製品しか製造
できないし、また、β−サイアロンは高温領域での強度
低下は少ないものの室温強度が極端に低いという問題点
があった。

（問題点を解決するだめの手段） この発明は、上述した従来の問題点に着目してなされた
もので、窒化珪素粉末にＮｄ２Ｏ，、Ｓｍ、Ｏ。

よりなる群から選ばれた少なくとも１種とＹ２Ｏ３の組
合せからなる酸化物を、 式： ％式％（１） （ただし、ＭはＮｄ、　Ｓｍよりなる群から選ばれた少
なくとも１種であって、６．１　＜　Ｘ＜０．９　　（
モル比）を表わす）の割合で添加した原料粉末を混合し
、この混合物から成形して得た成形体を１気圧以上５０
０気圧未満の窒素雰囲気下で１７５０〜２２００℃の範
囲の温度で焼成することにより上記問題点を解決したも
のである。

この発明で焼結助剤として用いられるＹ２Ｏ３は融点が
高いため、単独の成分では通常の常圧焼結またはガス圧
焼結の焼結温度（１６００℃以上２２００℃以下）の範
囲では十分な量の低粘度の液相が生成しないため焼結性
が悪く、従来はホットプレスなど外から圧力を加える場
合に用いられてきた。そこで、この発明においては、Ｙ
２Ｏ３にＮｄ２Ｏ３およびまたはＳｍ２０．を添加した
酸化物を使用することにより焼結温度１７５０℃以上２
２００℃以下において焼結に十分な量の液相が得られる
までに酸化物の融点を低下させたものである。しかもこ
の液相は、従来のＭｇＯ，Ａβ２６　　Ｙ２Ｏ３などを
助剤として利用した場合の液相に比べて融点が高いため
、焼結後に焼結体中に残留しても高温において強度が低
下することが少ないものと考えられる。

この発明において、原料粉末は窒化珪素、およびＹ２Ｏ
３とＮｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｑ、よりなる群から選ばれた少
なくとも１種の組合せの酸化物からなる。ここで、窒化
珪素としては、アルファ型を主とする粉末が好ましいが
、ベータ型車たはアモルファスの粉末であってもさしつ
かえない。Ｙ２Ｏ，、Ｎｄ２Ｏ，１よびＳｍ２Ｏ３は微
細な粉末がより好ましいが、これらの水酸化物、炭酸塩
など熱処理によって酸化物を生成するものであってもよ
い。

焼結助剤は、Ｙ２Ｏ３とＮｄ２Ｏ３を使用する場合、（
Ｙ２Ｏ３）　Ｘ　（Ｎｄ２０３）　Ｉ−Ｘ　（前記（１
）式参照）で０．１≦ｘ＜０．９（モル比）の範囲で焼
結が可能である。

また、Ｙ２Ｏ３とＳｍ２０．を使用する場合、（Ｙ２Ｏ
３）Ｘ（ｓｍ２ｏ３）　ｌ−Ｘで０．１≦Ｘ≦０．９（
モル比）の範囲で焼結が可能である。ｘ＞Ｑ、９では十
分な量の液相が生成せず、緻密化しない。ｘ　＜０．　
ｌでは、焼結体の強度が低下する。添加する焼結助剤の
量は、種類および組成により最適範囲は異なるが、含有
量５〜３０重堡％とすることによって、より一層密度お
よび強度は向上する。しかし、緻密化に必要な量以上に
助剤を添加すると、高温での強度低下を引き起こす。

これらの混合粉末の成形方法については特に限定しない
が、例えば金型プレス成形、ラバープレス、射出成形な
ど通常のセラミックスの成形方法を目的とする品物の形
状に合わせて選択できる。

この発明において焼成は１気圧以上５００気圧未満、更
に好ましくは２気圧以上１００気圧以下の窒素雰囲気下
で行う。この場合、窒素雰囲気は窒化珪素の酸化を防ぎ
、分解を抑制することを目的とし、１気圧未満ではこの
効果は少ない。また、５００気圧以上のガス圧下では終
期焼結が妨げられ完全には緻密化しなくなる。なお、雰
囲気ガスは窒素ガス１００％が望ましいが、他の不活性
ガスとの混合ガスでもさしつかえない。また、焼結時に
Ｓ！０ガスによる蒸散を抑制するために、Ｓｉ、Ｎ、、
　５ｉ０２等の混合粉末で試料を覆うことは必ずしも必
要でないが、高い温度で焼結を行うときには有効な方法
である。更に、焼結温度については、最適な温度は原料
粉末の種類および量によって異なるが、１７５０℃以上
２２００℃以下で行う。１７５０℃以下では液相が生成
しないため緻密化しない。２２００℃以上では窒化珪素
の粒成長が著しくなり、強度が低下する。

（発明の効果） 上述するように、この発明によれば窒化珪素粉末にＮｄ
２Ｏ３，Ｓｍ、０３よりなる群から選ばれた少なくとも
１種とＹ２Ｏ，の組合せからなる焼結助剤を（Ｙ２Ｏ３
）Ｘ（Ｙ２Ｏ３）　ｌ−Ｘ　　（ただし、ＭはＮｄ、　
Ｓｍよりなる群から選ばれた少なくとも１種であって、
Ｑ、ｌ　＜ｘ＜Ｑ、９（モル比）を表わす）の割合で添
加した原料混合物を混合し、この混合物から成形して得
た成形体を１気圧以上５００気圧未満の窒素雲囲気下で
１７５０〜２２００℃の範囲の温度で処理することによ
って高温において機械特性に優れた窒化珪素質焼結体を
得ることができる。

（実施例１〜９） 窒化珪素粉末（３１３Ｎ４）、酸化イブ）　ＩＪウム（
Ｙ２Ｏ３）および酸化ネオジウム（Ｎｄ２０３）を表１
に示す組成の割合で混合し、混合粉末を２００ｋｇｆ／
ｃｍ２の圧力で金型成形し、続いて２０００ｋｇｆ／Ｃ
ｍ２の圧力でラバープレスして５　Ｘ　６　Ｘ５Ｑｍｍ
の板状に成形した。この板状成形体を窒朱雰囲気下１０
０気圧において、表１に示す焼成温度で１時間焼成した
。次いで、この焼結体の表面を研削し、３　ｘ　４　ｘ
４Ｑｍｍの形状に加工した後、焼結体を２５℃および１
３００℃の温度で、スパン３Ｑｍｍで３点曲げによる抗
折試験を行った。これらの試験結果を表１に示す。表１
に示すように緻密で、室温において高強度を有し、かつ
高温での強度低下の少ない焼結体を得た。

ただし、２５℃の強度は１５本の平均、１３００℃の強
度は３本の平均である。なお、Ｙ２Ｏ３とＮｄ２Ｏ３の
モル（実施例１Ｏ〜ｌ：３） 窒化珪素粉末（ＳｈＮ４）、　　酸化イツトリウム（Ｙ
２Ｏ３）および酸化サマリウム（Ｓｍ２０いを表２に示
ず組成の割合で混合し、実施例１〜９に記載すると同様
にして焼結体を作成し、曲げ試験を行った。これらの試
験結果を表２に示す。表２に示すように室温において高
強度を有し、かつ高温で強度低下の少ない緻密な焼結体
を得た。Ｙ２Ｏ３とＳｍ２Ｏ３のモルｍ２ｕ３ （比較例１〜５） 窒化珪素粉末、酸化イツトリウムおよび酸化ネオジウム
を表３に示す組成の割合で混合し、実施例１〜９に記載
すると同様にして焼結体を作成し、焼結体の密度を調べ
た。この結果を表３に示す。

表３に示すように、本発明の範囲以外の組成および温度
では十分に緻密化しなかった。

表　　３ （比較例６〜８）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、窒化珪素粉末にＮｄ＿２Ｏ＿３、Ｓｍ＿２Ｏ＿３よ
   りなる群から選ばれた少なくとも１種とＹ＿２Ｏ＿３と
   の組合せからなる酸化物を式： （Ｙ＿２Ｏ＿３）＿ｘ（Ｍ＿２Ｏ＿３）＿１＿−＿ｘ（
   １）（ただし、ＭはＮｄ、Ｓｍよりなる群から選ばれた
   少なくとも１種であって、０．１≦ｘ≦０．９（モル比
   ）を表わす）の割合で添加した原料粉末を混合し、この
   混合物から成形して得た成形体を１気圧以上５００気圧
   未満の窒素雰囲気下で１７５０〜２２００℃の範囲の温
   度で焼成することを特徴とする窒化珪素質焼結体の製造
   方法。