JPS6359993B2 - - Google Patents

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焼結体の製造方法、詳しく
は熱間静水圧プレス（以下、HIPと略記する）工
程を適用した窒化ケイ素焼結体の製造方法の改良
に関するものである。 （従来の技術） HIP焼結は、被焼結体に対し、高温で等方的な
圧力が加えられるため、難焼結物質の緻密化、複
雑形状物の加圧焼結等に極めて有効な手段とされ
ている。特に、ある程度緻密化された焼結体に対
して行なうHIP焼結は、残留気泡の減少又は微細
化、均一化に有効で、焼結体の機械特性改善、信
頼性向上を目的として粉末冶金の分野では実用化
されている。 ところで、上述したHIP照結は高温熱機関等へ
の適用が有望視されている窒化ケイ素セラミツク
スのような難焼結物質にも応用が考えられ、具体
的な手法、製造条件が検討されている。その一つ
として、通常の焼結法（ホツトプレス法、常圧焼
結法）である程度緻密化された一次焼結体（理論
密度値比≧90％）をそのままHIP焼結する方法が
知られている。しかしながら、かかる方法にあつ
ては、高密度化された窒化ケイ素焼結体を得るこ
とができるものの、その焼結体は高温下での機械
的強度の低いものであつた。 一方、前記一次焼結体をガラスで密封してガラ
スカプセルとし、該焼結体を外部環境から遮断し
た状態でHIP焼結する方法も行なわれている。し
かしながら、かかる方法にあつても、高密度の窒
化ケイ素焼結体を得ることができるものの、その
焼結体は高温下での機械的強度の低いものであつ
た。 ところが、近年、頓に活溌に進められている各
種機器の開発、特に高温下稼動機器の開発は上記
の如き機械的特性では満足できず、高密度で、か
つ高温下機械的強度に優れた高温構造材料の利用
が必至であり、そのためには高温下機械的強度に
優れた窒化ケイ素焼結体の出現が待たれている。 （発明が解決しようとする問題点） 本発明は上述の如き実状に鑑み、高温下での機
械的強度を含め、より高温特性に優れた窒化ケイ
素焼結体を得ることを課題とし、特にそのHIP焼
結における成形体密封手段を問題点としてその解
決をはかるものである。 （問題点を解決するための手段） 即ち、上記問題点に対処する本発明の特徴とす
るところは、窒化ケイ素質の成形体をガラス質材
料で密封した後、熱間静水圧プレスにて緻密化さ
れた窒化ケイ素焼結体を製造するにあたり、前記
成形体を予め焼結した一次焼結体となした後、該
一次焼結体と、密封ガラス層との間に窒化アルミ
ニウム粉末を介在させて前記熱間静水圧プレス焼
結を行なう方法にある。 しかして、かかる本発明の方法は以下の如き研
究と知見に立脚する。 即ち、窒化ケイ素は単体では焼結性が低いとこ
ろから、α型窒化ケイ素粉末に焼結助剤としての
酸化イツトリウム、酸化アルミニウムを添加して
通常の焼結法で緻密化度合の異なる密度80％以上
の窒化ケイ素質一次焼結体を作製し、その焼結体
をガラスで密封し外部から遮断した状態とした
後、HIP焼結を行なつたところ、得られた窒化ケ
イ素焼結体は高密度のものではあつたが、高温下
の機械的強度においては充分でなかつた。 このようなことから、本発明者らは、上述した
ガラスで密封された一次焼結体のHIP焼結による
高温下での機械的強度の低下原因について種々検
討した結果、一次焼結体をガラスで直接密封した
状態でHIP焼結を行なうと、緻密化の促進作用と
して働く酸素分（ケイ素と酸素との化合物と考え
られる）が蒸発散逸できず、必要以上に焼結体内
に押込まれ残留し、同時に密封ガラス層からの酸
素分の浸透も相乗的に生じ、窒化ケイ素質焼結体
中に低融点ガラス質粒界相が形成されることに起
因することを究明した。 つまり、高温での機械的強度は、窒化ケイ素焼
結体の結晶粒界相の耐熱性に大きく関与するた
め、前述の如く低融点ガラス質粒界相が形成され
ると、高温での機械的強度が著しく低下するので
ある。 そこで、本発明者らは、上記の究明結果を踏ま
えて、更に鋭意研究を行ない、上記窒化ケイ素焼
結体内に低融点ガラス質粒界相が形成されるのを
阻止することに観点を絞り、HIP焼結時に窒化ケ
イ素質の成形体と密封ガラス層との間に窒化アル
ミニウム粉末を介在させた状態でHIP焼結を行な
うことによつて、高密度で、高温下での機械的強
度が著しく高い窒化ケイ素質焼結体を製造できる
方法を見出した。かかる効果は、HIP焼結に際
し、焼結体に存在する過剰の酸素分を該焼結体と
密封ガラス層の間に介在させた窒化アルミニウム
粉末でAl−Si−Ｏ−Ｎの形で吸収すると共に、
密封ガラス層からの酸素分の浸透を前記窒化アル
ミニウム粉末で吸収して防止し、焼結体中に低融
点ガラス質粒界相が形成されるのを阻止し、耐熱
性の優れた結晶粒界相が形成された窒化ケイ素質
焼結体となることによるものと考えられる。 かくして、前記本発明において窒化アルミニウ
ム粉末の介在が特徴づけられるが、本発明方法の
適用される成形体としては、ホツトプレス法、常
圧焼結法などの手段によりある程度緻密化した一
次焼結体が含まれる。 なかでも、特に効果の得られる成形体の相対密
度（理論値に対する）は50〜95％である。この場
合、相対密度50％以下の成形体では成形体自体の
強度が不十分で、HIP焼結時に密封ガラス層に作
用する力により成形体が破損することが多く実用
的ではない。また、成形体の密度95％以上では、
成形体中の空孔は閉気孔となつており、密封ガラ
ス層を用いることなく、緻密化が可能であり、こ
の場合には、HIP焼結時に雰囲気調整用の詰め粉
としてAlNを使用すれば良く、本発明による効
果は期待し得るものの必ずしも実用的ではない。 なお、前述の如く成形体は相対密度が低いと強
度が低いために、これを改善すべく焼成もしくは
前記の如き一次焼結を行なつて相対密度を50〜95
％の範囲に調節することは本発明方法の適用に際
し頗る有効である。 又、一方、前記窒化アルミニウム（AlN）は
単体で使用することも勿論可能であるが、HIP焼
結に際しAlN自体が緻密化して出来上がつた窒
化ケイ素焼結体からの除去が困難な場合があるの
で成形体表面に難焼結性の粉末、例えば窒化ボロ
ン（BN）や黒鉛などの被覆層を設けた上でAlN
を介在させたり、又はAlN粉にそれら難焼結性
の粉末を好ましくは50％程度の範囲内で混合して
介在させるようにすることがより効果的である。 （発明の実施例） 以下、本発明の実施例を詳細に説明する。 実施例 １〜７ まず、平均粒径1μｍのα相含有率が95％の窒
化ケイ素粉末、及び平均粒径0.3〜0.5μｍの各種
の焼結助剤を第１表に示す組成割合で配合し、こ
れらを充分に混合した後、パラフインを５重量％
添加して６種の出発原料を調製した。続いて、こ
れら原料を500Kg／cm²の圧力で成形して37×37×
８mmの寸法の成形体とした後、これら成形体を脱
脂し、1780℃，２時間の常圧焼結、ホツトプレス
を行なつて同第１表に示す密度の一次焼結体を作
つた。引き続き、これら一次焼結体を第１表記載
の如く窒化アルミニウム粉末中もしくは窒化アル
ミニウム粉末と窒化ボロン粉末の混合粉末中に
夫々埋没させて全体を軽く加圧し、整型した。次
いで、これら各整型体をシリカガラス中に入れて
脱気し、加熱してガラスで被覆、カプセル化した
後、1750℃，1000atomの条件で２時間HIP焼結
を行なつて７種の窒化ケイ素焼結体を製造した。 かくして、得られた各窒化ケイ素質焼結体につ
いて、各々密度，室温曲げ強度及び1200℃での曲
げ強度を調べた。その結果は第１表に併記した通
りであつた。 なお、第１表中には常圧焼結法により作られた
一次焼結体を、窒化ボロン粉末のみを介在させて
ガラスカプセルした後、HIP焼結して得た窒化ケ
イ素焼結体ならびに介在層を作ることなく直接、
ガラスカプセル化した窒化ケイ素焼結体を、比較
例１及び２として併記した。

【表】

【表】 上記第１表より明らかな如く、ガラスカプセル
化を採用した本実施例１〜７の窒化ケイ素焼結体
は一次焼結体を作るための焼結助剤の種類に関係
なく、比較例１及び２の窒化ケイ素質焼結体に比
べて優れた高温機械的強度特性を有することがわ
かる。 （発明の効果） 本発明は以上、詳述した如く、HIP焼結による
窒化ケイ素焼結体の製造において一次焼結体と密
封ガラス層との間に窒化アルミニウム粉末を介在
させてHIP焼結を行なうようにしたものであり、
窒化アルミニウムにより成形体に存在する過剰酸
素分を吸収すると共に、密封ガラス層からの酸素
分の浸透をも防止して焼結体中にガラス質粒界相
が形成されるのを阻止し、従来懸案となつていた
高密度窒化ケイ素焼結体の高温での機械的強度を
向上させ、高密度で、かつ高温下での機械的強度
の優れた窒化ケイ素焼結体を簡単に製造し得る方
法を提供することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 窒化ケイ素質成形体をガラス質材料で密封し
   た後、熱間静水圧プレスにて緻密化された窒化ケ
   イ素焼結体を製造するにあたり、前記成形体を予
   め一次焼結された一次焼結体となし、該一次焼結
   体と、密封ガラス層との間に窒化アルミニウム粉
   末を介在させて熱間静水圧プレス焼結を行うこと
   を特徴とする窒化ケイ素焼結体の製造方法。 ２ 一次焼結体の相対密度が50〜95％である特許
   請求の範囲第１項記載の窒化ケイ素焼結体の製造
   方法。 ３ 窒化アルミニウム粉末に難焼結性の粉末を混
   合して介在させる特許請求の範囲第１項又は第２
   項記載の窒化ケイ素焼結体の製造方法。 ４ 一次焼結体が難焼結性の粉末被覆層により予
   め被覆されている特許請求の範囲第１項又は第２
   項記載の窒化ケイ素焼結体の製造方法。 ５ 難焼結性の粉末が窒化ボロン、黒鉛からなる
   群より選ばれた少なくとも１種の粉末である特許
   請求の範囲第３項又は第４項記載の窒化ケイ素焼
   結体の製造方法。