JPS63260864A - 高強度Ｓｉ↓３Ｎ↓４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） 本発明は窒化ケイ素（ＳｉｓＮ４）セラミックス焼結体
の製造方法に係り、詳しくは、多孔質のＳｉ、Ｎ。

成形体の表面をガラス系の材料で気密にシールして旧Ｐ
処理を行うことにより高強度の上記Ｓｉ、Ｎ。

焼結体を製造する方法に関するものである。

（従来の技術） 窒化ケイ素（ＳｉＪ４）セラミックスは耐熱衝撃性、高
温強度にすぐれているため、ガスタービンエンジン、デ
ィーゼルエンジンなどの熱機関における耐熱構造部材や
切削工具などの材料として近年、その利用が急速に進ん
でいるセラミックスである。

ところで、かかるＳｉ、Ｎ、セラミックス部材の製造方
法の１つとして原料粉末をＣＩＰ法やインジェクション
・モールド法を用いて多孔質の成形体を得た後、ガラス
に対するシール性のあるガラス材で全面をシールしたの
ち、高温下で高圧のガスの圧力を利用して高密度の焼結
体を製造することが知られており、（例えば特開昭５５
−８９４０５号公報など参照）この方法は高温下で高圧
ガスの圧力、通常５００〜２０００ｋｇ／ｃｄの圧力を
利用するため、ボアを含まない緻密な得られることから
特に機械的特性の信幀性が必要とされる部材の製造に適
した方法とされている。

以下、上記特開昭５５−８９４０５号公報に開示された
方法を第１図、第２図を参照しつつ更に説明すると図に
おいて、ボスαυ、ウェブ（２）、エツジＱ３１および
ブレードα船を有するタービン羽根車形状の予備成形粉
末体α呻を黒鉛容器（２）に入れ、該５ｔ２Ｎ４粉末体
Ｑｌをガラス粉末αｅに埋め込み、黒鉛容器α９内面に
はＢＮ剥離層αηが設けられている。ここでガラス粉末
は後掲組成の如きパイレックス系ガラスである。そして
、上記の如き全体を旧Ｐ　（熱間静水圧加圧）装置中に
入れ、室温で２時間脱ガス後、１１５０℃に昇温し、１
１５０℃で一時保持してガラス粉末を低粘度の溶融物と
した後、アルゴンまたはヘリウムを同じ温度で、最終焼
結温度中２００〜３００ＭＰａの圧力を与える圧力水準
まで供給する。次にＳｉ３Ｎ、の焼結に適当な１７００
〜１８００℃まで昇温して約２時間保持する。

保持終了後、冷却減圧し、ガラスに覆われた粉末体をと
り出し、ガラスをサンドブラスティングにより除去して
焼結された粉末体をとり出すのである。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら本発明者らは上記特開昭５５−８９４０５
号公報に開示された如き方法によりパイレックスガラス
を使用し、Ｓｉ３Ｎ、粉末成形体の焼結を試みたところ
、下記の如き欠点が見出された。

即ち、上記方法の適用を試みた焼結前の成形体の密度は
１．９ｇ／ａＪ　（相対密度約５９％）で、旧Ｐ後の焼
結体の密度は３．１２ｇ／−であった、そしてこの焼結
体の組織を調査したところ、殊留気孔は殆どないことが
判明した。さらに詳細に調べた結果、上記のガラスが焼
結体内部にまで浸込んでいることが判明した。

これは上記特開昭５５−８９４０５号公報にはパイレッ
クスガラスのようにＢｔ（ｈを含むガラスを使用すれば
成形体とガラスの今回にＢＮが生成してガラスが浸透し
ないとされているが、これに反し、必ずしもこのような
効果はないことを示しており、焼結体は汚染され、所期
あ高温強度をもつ焼結体を得られないという知見を得た
。

ところで、一方、ＢＮは２０００℃近くの高温までＳｉ
３Ｎ４と反応せず、また溶融ガラスとも反応しないため
、Ｓｉ３Ｎ４をガラス材をシール材として用いてＩＰ”
処理を行う場合にＳｉ３Ｎａとガラスの間に介在させて
剥離材として屡々使用され、その効果が認められている
。そして、かかるＢＮの付与方法に関しては特開昭６１
−４６４３３号公報に記載されているような成形体表面
をＢＮ粉末で覆った後、全体をプレスしてブロック化す
る方法が確実であるが、これは複雑形状の成形体には適
用が困難である。そこで一方８Ｎ粉末を水やメタノール
、エタノールにバインダーをまぜた液体に分散させて成
形体に塗布する方法もあるが、この場合に分散液が成形
体に浸み込み、これら液体にＢＮ粉末表面の８ｚＯｓに
汚染される。

従って、これらの結果として高温強度の高いＳｉ３Ｎ４
焼結体を得ることは現在のところ充分には至っていない
。

かくて、本発明は上述の如き実状に対処し上記従来技術
の欠点を排除すべく鋭意研究を重ねた結果、なされたも
ので油脂類の使用をはかることに着目し、シール用ガラ
ス材の浸み込みを少なくし、特に高温での曲げ強度を向
上せしめることを目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 即ち、本発明の特徴とすることろは、前記多孔質のＳｉ
、Ｎ、成形体の表面をガス透過性の少ないガラス材料で
覆い、気密にシールした後、旧Ｐ処理して高密度のＳｉ
３Ｎ４焼結体を製造するに際し、前記成形体表面に油脂
類を塗布した後、ＢＮ粉体層を付与し、その後、ガラス
材料によるシール処理を行うことにある。

ここで上記Ｓｉ３ＮＬ成形体は予備成形体で特に気孔率
７〜４０％になるよう焼成されたものが好適である。な
お、このときの焼成温度としてはガラス材料によるシー
ル処理温度と同等若しくはそれ以上であることが望まし
い。

又、ＢＮ粉体層の付与にあたっては、ＢＮ粉末を水溶性
のバインダーを含む水溶液に分散させ、これを油脂類塗
布後の成形体に付着させ乾燥処理を行なった後、ガラス
材でシールすることも有効である。

以下、更に上記本発明方法をより具体的に詳説する。

先ず、本発明方法は第１に多孔質のＳｉ、Ｎ、成形体表
面に油脂類を塗布し、しかる後、その表面に油脂類のね
ばさを利用してＢＮ粉末を付着させて全体をＢＮ粉体層
で覆う。

ここで油脂類としては鉱物油、植物油のほか、シリコン
オイル、シリコングリス、合成油などが使用される。そ
して、シリコン系の油脂類の場合には焼結体表面には若
干のＳｉＯ□もしくはＳｉＣが、またその他の一般の油
脂の場合には主として若干のＳｉＣもしくはＣが残存す
るが、強度特性に悪影響は及ぼさない。

なお、油脂類のそのねばさを利用するため粘度の比較的
高いもの、例えば粘度１〜１０５ポアズのものが好まし
く、粘度の低いものは成形体に浸み込み易いので好まし
くない。

次いで前記ＢＮ粉体層で覆うた状態でシール処理を行な
うが、処理は通常、加熱してシール処理を行なうので塗
布した油脂類はかなりの部分が揮発し、残りは熱分解し
て不揮発分が一部のみＢＮと共に成形体表面に残る。こ
のＢＮを主体とする層がガラスの浸み込みによる成形体
の汚染とこれに伴う高温強度の低下を防止する。

通常成形体の密度が低い場合、即ち、成形体の気孔率が
多い場合にはそれだけガラスが浸透する確率が高くなる
。そのためこれを改善する１つの方法として油脂類塗布
後の成形体表面に付与するＢＮ粉体層を厚くする方法が
ある。例えば一旦ＢＮ粉末を付着させた後、さらにＢＮ
粉末を分散させたバインダーを含む水溶液（スラリー）
を塗布して乾燥させることにより厚いＢＮを主成分とす
るＢＮ粉体層を付与することができる。バインダーとし
ては水溶性の有機バインダーやコロイダルシリカ、アル
ミナゾルが適当である。この場合、成形体表面は油脂類
により保護されているのでこの水溶液が浸み込むことは
ない。

またもう１つの方法として成形体を焼成して気孔率を低
くする方法がある。

即ち、Ｓｉ３Ｎ４粉末のなかには成形性が悪く、２ｔｏ
ｎ／ｃｊの圧力で成形しても相対密度４０％強にしか成
形できないものもある。

このような成形体は焼成して気孔量を少なくすることに
より、より本発明の効果が期待される。

この場合、焼成温度はシール焼成温度と同等もしくはそ
れ以上であることが好ましい。その理由は成形体の組成
によってはシール処理温度に加熱すると成形体が温度の
みで焼結、収縮して付着させたＢＮ粉体層が破れるから
である。これを防止するため前もってシール処理温度以
上で焼成してから前記本発明の油脂類塗布、ＢＮ粉体層
の付与などの操作を行うことが好ましい。

かくして、叙上のような方法を使用することにより高温
強度の向上を図ることが可能となる。

以下、引続き本発明の実施例を掲げる。

（実施例） シリカ（Ｓｉｎｇ）を還元窒化することにより製造され
た平均粒径０．９μｍのＳｉ３Ｎ４粉末を原料とし、こ
れに５ｗｔ％のドツトリアと２ｗｔ％のアルミナを焼結
助剤に用い、ボールミルにて湿式混合した。

得られた粉末を２　ｔｏｎ／−の圧力で成形し、相対密
度４３％の成形体を得た。この成形体を旋盤加工して直
径３９ｍ、長さ５０ｍの円柱状の試料を幾つか作製し、
第１表の条件にて夫々処理を行った。

なお、シール用のガラスにはパイレックス（Ｓｉ０．８
０．２％、ＢｚＯｚ１２．７％、　Ａ　１２０３２．３
　％、ＦｅｚＯｚｏ、０３％、ＮａｚＯ４，０％、Ｋ２
Ｏ０，０４％）またはバイコールガラス（ＳｉＯｚ９６
％、ＢｚＯｉ　　２．４％、その他１．６％）を使用し
た。

また、旧Ｐ処理条件は１７００℃、１５００　ｋｇ／ｄ
、２時間とした。

かくして得られた焼結体から３Ｘ４Ｘ４０ｆｌのテスト
ピースを切り出し密度および曲げ強度の測定を行なった
。

その結果を下記第１表に示す。

以下余白 上記第１表の結果より本発明による油脂類の塗布を行な
った実施例１〜３では密度値が３．１９８／ＣＪ以上で
、シール用のガラス材（密度２．１〜２．２ｇ／ｃｎｌ
）の浸み込みは比較例１〜３の密度３．１２〜３．１５
ｇ／ｃｕｔと比較するとかなり少ない。これに伴い高温
（１２００℃）での曲げ強度値は実施例１〜３いずれも
５６ｋｇ／ｕ＋”以上が得られており、従来法による比
較例と比較し、大きな改善が達成されていることが理解
される。

（発明の効果） 以上のように本発明方法によればＩＩＩＰ処理してＳｉ
３Ｎ４焼結体を製造するに当たり、多孔質のＳｉ３Ｎ４
成形体表面に予め油脂類を塗布した後、ＢＮ粉体層を付
与し、その後、ガラス材料によるシール処理を行う方法
であり、前記油脂類によってＢＮを主体とする層がシー
ル用ガラス材の浸み込みによる成形体の汚染を防止し、
従ってこれに伴う焼結体の高温強度の低下を防止する効
果を有すると共に、該油脂類の保護によってＢＮ粉末を
分散させたバインダーを含む水溶液が浸み込むことも阻
止し、これに溶は込んでいるＢ２Ｏ３により成形体が汚
染されることも防ぐことができ、結果として高強度Ｓｉ
３Ｎ４焼結体の製造に著しい改善をもたらし同焼結体の
機械的特性の向上を通じ、その利用面における実効に大
きな期待がかけられる。

【図面の簡単な説明】

第１図はガスタービンモータ用のタービン羽根車形状の
予備成形粉床体例を示す軸方向断面図、第２図は同予備
成形粉末体を容器内に埋め込んだ状態を示す説明図であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、多孔質のＳｉ＿３Ｎ＿４成形体の表面をガス透過性
   の少ないガラス材料で覆い、気密にシールした後、熱間
   静水圧加圧処理して高密度のＳｉ＿３Ｎ＿４焼結体を製
   造する方法において、前記成形体表面に油脂類を塗布し
   た後、ＢＮ粉体層を付与し、その後、ガラス材料による
   前記シール処理を行なうことを特徴とする高強度Ｓｉ＿
   ３Ｎ＿４焼結体の製造方法。 ２、多孔質のＳｉ＿３Ｎ＿４成形体が気孔率７〜４０％
   になるよう焼成された予備成形体である特許請求の範囲
   第１項記載の高強度Ｓｉ＿３Ｎ＿４焼結体の製造方法。 ３、焼成温度がガラス材料によるシール処理温度と同等
   もしくはそれ以上である特許請求の範囲第１項又は第２
   項記載の高強度Ｓｉ＿３Ｎ＿４焼結体の製造方法。 ４、ＢＮ粉末を水溶性バインダーを含む水溶液に分散さ
   せ、これを油脂類塗布後の成形体表面に付着させ、乾燥
   処理後、ガラス材でシールする特許請求の範囲第１項、
   第２項又は第３項記載の高強度Ｓｉ＿３Ｎ＿４焼結体の
   製造方法。 ５、成形体表面に塗布する油脂類が鉱物油、植物油、シ
   リコンオイル、シリコングリス、合成油などから選ばれ
   た１種以上である特許請求の範囲第１〜４項の何れかの
   項に記載の高強度Ｓｉ＿３Ｎ＿４焼結体の製造方法。