JPH01230477A - 窒化珪素セラミックス焼結体及びその製造方法 - 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、窒化珪素を主成分とするセラミックス焼結体
及びその製造方法に関し、特に焼結時に理論密度との比
（相対密度）が高く、常温での機械的強度が高く、常圧
焼結法においてもホットプレス法による焼結体に比較し
て物性値の劣らぬ焼結体及びその製造方法に関するもの
である。

従来の技術 セラミックス焼結体の中でも、窒化珪素セラミックスは
常温から１２００℃までの酸化性雰囲気での機械的強度
が高い。特に高抗折強度をもち、靭性値、耐熱衝撃性が
高く、さらに耐摩耗性に優れた軽比重セラミックスとし
てその用途が広い。これまで窒化珪素セラミックスの焼
結法で、ホットプレス法による高密度、高強度化が行な
われてきた。しかし、このホットプレス法では複雑で大
型形状の焼結体を得ることが困難で量産が難しいという
欠点を有する。そこで、常圧での非酸化性雰囲気下で、
ホットプレスすることなしに、そのまま加熱して焼結す
る方法によって、高密度で機械的強度の大きい焼結体を
得ようと様々な試みがなされている。

発明が解決しようとする課題 本発明は上記の問題点を解決し、常圧焼結法によって高
密度で、高靭性、高抗折強度の性質をもち、しかも高温
酸化性雰囲気下であっても機械的強度の低下が小さい窒
化珪素セラミックス焼結体及びその製造方法を提供する
ことを目的とする。

課題を解決するための手段 本発明は、 １、酸化イツトリウム及び酸化セリウムより選ばれる少
なくとも１種の酸化物０．１〜１０重量％、酸化アルミ
ニウム０．１〜５重量％、珪化セリウム及び珪化ハフニ
ウムより選ばれる少なくとも１種の珪化物０．１〜３重
量％、及び残部が窒化珪素からなることを特徴とする窒
化珪素セラミックス焼結体。

２、＃化イツトリウム及び酸化セリウムより選ばれる少
なくとも１種の酸化物０．１〜１０重量％、酸化アルミ
ニウム０．１〜５重量％、珪化セリウム及び珪化ハフニ
ウムより選ばれる少なくとも１種の珪化物０．１〜３重
量％及び残部が窒化珪素からなる混合粉末を成形し、該
成形体を窒素を含む非酸化性ガス雰囲気中で１５００〜
１６５０℃で１時間以上保持した後、１７００〜１７８
０℃で２時間以上保持し、焼結することを特徴とする窒
化珪素セラミックス焼結体の製造方法。

３、酸化イツトリウム及び酸化セリウムより選ばれる少
なくとも１種の酸化物０．１〜ｌＯ重量％、酸化アルミ
ニウム０．１〜５重量％、珪化セリウム及び珪化ハフニ
ウムより選ばれる少なくとも１種の珪化物０．１〜３重
量％及び残部が窒化珪素からなる混合粉末を成形し、該
成形体を窒素を含む非酸化性ガス雰囲気中で１５００−
１６５０℃で１時間以上保持した後、１７００〜１７８
０℃で２時間以上保持した後、さらに１０気圧以上の窒
素を含む非酸化性ガス雰囲気で１７８０〜２０００℃に
昇温し焼結することを特徴とする窒化珪素セラミックス
焼結体の製造方法。

４．酸化イツトリウム及び酸化セリウムより選ばれる少
なくとも１種の酸化物０．１〜１０重量％、酸化アルミ
ニウム０．１〜５重量％、窒化アルミニウム０．１〜８
重量％、珪化セリウム及び珪化ハフニウムより選ばれる
少なくとも１種の珪化物０．１〜３重量％及び残部が窒
化珪素からなることを特徴とする窒化珪素セラミックス
焼結体。

５、醇化イツトリウム及び酸化セリウムより選ばれる少
なくとも１種の酸化物０．１〜１０重量％、酸化アルミ
ニウム０．１〜５重量％、窒化アルミニウム０．１〜８
重量％、珪化セリウム及び珪化ハフニウムより選ばれる
少なくとも１種の珪化物０．１〜３重量％及び残部が窒
化珪素からなる混合粉末を成形し、該成形体を窒素を含
む非酸化性ガス雰囲気中で１５００〜１６５０℃で１時
間以上保持した後、１７００〜１７８０℃で２時間以上
保持し、焼結することを特徴とする窒化珪素セラミック
ス焼結体の製造方法。

６、酸化イツトリウム及び酸化セリウムより選ばれる少
なくとも１種の酸化物０．１〜１０重量％、酸化アルミ
ニウム０．１〜５重量％、窒化アルミニウム０．１〜８
重量％、珪化セリウム及び珪化ハフニウムより選ばれる
少なくとも１種の珪化物０．１〜３重量％及び残部が窒
化珪素からなる混合粉末を成形し、該成形体を窒素を含
む非酸化性ガス雰囲気中で１５００〜１６５０℃で１時
間以上保持した後、１７００〜１７８０℃で２時間以上
保持した後、さらに１０気圧以上の窒素を含む非酸化性
ガス雰囲気で１７８０〜２０００℃に昇温し焼結するこ
とを特徴とする窒化珪素セラミックス焼結体の製造方法
。

である。

酸化イツトリウム、酸化セリウム、酸化アルミニウム、
及び窒化アルミニウムは、いずれも窒化珪素の焼結時に
α相からβ相への結晶相転移をその融液中で促進させる
機能をもつ。

これらの成分の合計が、１５重量％を超えると得られた
焼結体の機械的強度が低下するので、５〜１５重量％の
配合が好ましい。また、酸化イツトリウム及び酸化セリ
ウムが１０重量％より多いと高温での耐酸化性が著しく
劣化し、酸化アルミニウムが５重量％より多い場合も同
様である。さらに、窒化アルミニウムについては、８重
量％を超えると窒化珪素への固溶限界を超えるので良く
ない。

また、これらの化合物の合計が５重量％より少ないと融
液が不十分で常圧では、なかなか緻密化しないので、好
ましくない。

珪化セリウム及び珪化ハフニウムは、いずれも、酸化イ
ツトリウム、酸化セリウム、酸化アルミニウム、窒化ア
ルミニウムによって形成される焼結時の融液の濡れ性を
向上させる効果をもつ。

その結果、ホットプレス法による焼結体に匹敵する緻密
化と高温高強度を有することになる。さらに、これらの
珪化物は微量添加でその効果が認められるため、従来の
ホットプレス法による焼結と変わらぬ物性値を安価に得
られる利点がある。

また、これらの珪化物の配合量について、０．１重量％
以上で緻密化の効果を有し、３量％を超えると焼結後の
組織で粒界層での偏析が現われるので高温強度の劣化を
生じるので良くない。

本発明のセラミックス焼結体の製造方法は、酸化イツト
リウム及び酸化セリウムより選ばれる少なくとも１種の
酸化物０．１〜ＩＯ重量％、酸化アルミニウム０．１〜
５重量％、珪化セリウム及び珪化ハフニウムの少なくと
も１種の珪化物０１〜３重量％及び残部は窒化珪素から
なる混合粉末、または、酸化イツトリウム及び酸化セリ
ウムより選ばれる少なくとも１種の酸化物０．１〜１０
重量％、酸化アルミニウム０．１〜５重量％、窒化アル
ミニウム０．１〜８重量％、珪化セリウム及び珪化ハフ
ニウムの少なくとも１種の珪化物０．１〜３重量％及び
残部は窒化珪素からなる混合粉末を成形し、該成形体を
窒素を含む非酸化性ガス雰囲気中で焼結することを特徴
とする。

本発明方法において、これらの各成分の混合は窒化珪素
または炭化珪素のポット・ポールによる遊星型混合機で
、アセトン及びｎ−へキサン等の低沸点溶媒を用いて行
なう。このように調整された混合粉末に、ポリシラザン
等の無機高分子成形剤を加えるか、無添加で、加圧成形
し所定の形状の成形体とする。成形法としては、公知の
成形法により行なう。例えば、板状体ではｌ軸成形圧１
００〜１００１００Ｏ／ｃｍ２．　２次静水圧成形圧２
０００〜７０００　ｋｇｆ／ｃ＋ｗ２で成形する。

この成形体を１５００〜２０００℃で加熱焼結し、焼結
体を得る。この際に、１５００〜１６５０℃で酸化イツ
トリウム、酸化セリウム、酸化アルミニウム、窒化アル
ミニウム、及び珪化セリウム、珪化ハフニウムなどが融
解するが、ここで、この液相を均一に分布させるために
１時間以上保持し、充分に窒化珪素を濡らさせる。さら
に、１７００〜１７８０℃で上記液相中に窒化珪素が溶
解し、再析出することで相移転を起こしながら焼結する
。この溶解・再析出過程で、融液中の固溶限界があるた
め、２時間以上の保持が必要である。窒素を含む非酸化
性ガス雰囲気として好ましくは、純窒素ないしは少量の
水素またはアンモニアを含む窒素との混合ガスがあげら
れる。

さらに、好ましくは１０気圧以上に雰囲気加圧し１７８
０〜２０００℃に昇温する２段階焼結法がある。こｌ の１０気圧以上でさらに高温焼結を行なうことの意味は
、常圧では分解してしまう窒化珪素の分解が抑えられ、
しかも、焼結体中のボアの拡散や表面からの逃出が起こ
り、よりＷｋ密化が可能である。

２０００℃超では、　１００気圧以上の超高圧ＨＩＰ法
による処理が必要となる。尚、いずれの方法もホットプ
レス法とは異なり、成形時の形状が保たれることが特徴
である。

作用 以上のような本発明により得られた焼結体は、相対密度
が８８．５％以上の高密度、抗折強度が室温で８０ｋｇ
４／ａｍ２以上の高強度、熱衝撃性（ΔＴ（Ｋ））が５
５０に以上の高靭性を有する窒化珪素セラミックスであ
る。これら特性値はホットプレスすることなしに、窒素
雰囲気中の常圧もしくは窒素加圧下で容易に得られ、大
量に窒化珪素セラミックスを製造することが可能となっ
た。以下、本発明の実施例によりさらに詳しく説明する
。

実施例１ ＄１表に示した混合比で、各成分を所定の配合比（重量
％）で配合し、アセトンを適量添加した後、窒化珪素質
ボールミルで２４時間それぞれ混合し、蒸発乾燥し混合
粉末を得、これを成形した。

なお、窒化珪素の粉末は宇部興産型のα化率８７％以上
、平均粒径０，５ｐｍを用いた。酸化イツトリウムは日
本イツトリウム社製の０．３ｐｍ平均粒径、酸化セリウ
ムは信越化学社製（１８ＪＬｍ平均粒径、酸化アルミニ
ウムは住友化学製０．２７ｈｍ平均粒径、窒化アルミニ
ウムは徳山曹達部の０．５１Ｌｍ平均粒径である。各種
珪化物は、共立窯業製の平均粒径３ルｍである。

得られた混合粉末を、１軸成形圧１０００　ｋｇｆ／Ｃ
ｌ１２、静水圧による加圧７０００ｋｇｆ／ｃ厘２で、
５０■×５０ｍ厖Ｘ１０ｍｍの板状体に成形した。これ
を、　２００℃で吸着水、残留溶媒等を除去した後、１
６００℃まで毎分１０度以下で昇温し、この温度で２時
間保持した。このことによって、液相が均一に生成、分
布し、α相の窒化珪素の溶解・再析出をより容易に行な
わせる。

更に、毎分１０〜５０度で１７５０℃に昇温し、ここで
２時間以上保持した。ついで、降温速度は毎分１０度以
下に保ち、室温まで徐冷した。得られた各焼結体につい
て、その密度、室温・高温での抗折強度、破壊靭性値及
び耐熱衝撃性を測定した。その結果を第１表に示す。

第１表から明らかなように、本発明法によって得られた
焼結体は、相対密度が８８．５％以上と高く、その抗折
強度も室温で８０ｋｇｆ／ｃ層２以上と大きく、熱衝撃
性も優れていることが判明した。

実施例２ 実施例１と同じ条件で製造した焼結体をさらに窒素雰囲
気１０気圧、１８００℃で２時間、焼結した。

その結果、第２表に示したように０、強度、靭性、熱衝
撃性に向上がみられた。

（以下余白） 発明の詳細 な説明したように、本発明は高密度、高強度、高靭性を
有する窒化珪素セラミックスを、ホットプレスすること
なしに、常圧もしくは窒素加圧下で、大量に安価に生産
することを可使にしたものであり、その工業的有用性は
非常に大きい。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．酸化イットリウム及び酸化セリウムより選ばれる少
   なくとも１種の酸化物０．１〜１０重量％、酸化アルミ
   ニウム０．１〜５重量％、珪化セリウム及び珪化ハフニ
   ウムより選ばれる少なくとも１種の珪化物０．１〜３重
   量％、及び残部が窒化珪素からなることを特徴とする窒
   化珪素セラミックス焼結体。
2. ２．酸化イットリウム及び酸化セリウムより選ばれる少
   なくとも１種の酸化物０．１〜１０重量％、酸化アルミ
   ニウム０．１〜５重量％、珪化セリウム及び珪化ハフニ
   ウムより選ばれる少なくとも１種の珪化物０．１〜３重
   量％及び残部が窒化珪素からなる混合粉末を成形し、該
   成形体を窒素を含む非酸化性ガス雰囲気中で１５００〜
   １６５０℃で１時間以上保持した後、１７００〜１７８
   ０℃で２時間以上保持し、焼結することを特徴とする窒
   化珪素セラミックス焼結体の製造方法。
3. ３．酸化イットリウム及び酸化セリウムより選ばれる少
   なくとも１種の酸化物０．１〜１０重量％、酸化アルミ
   ニウム０．１〜５重量％、珪化セリウム及び珪化ハフニ
   ウムより選ばれる少なくとも１種の珪化物０．１〜３重
   量％及び残部が窒化珪素からなる混合粉末を成形し、該
   成形体を窒素を含む非酸化性ガス雰囲気中で１５００〜
   １６５０℃で１時間以上保持した後、１７００〜１７８
   ０℃で２時間以上保持した後、さらに１０気圧以上の窒
   素を含む非酸化性ガス雰囲気で１７８０〜２０００℃に
   昇温し焼結することを特徴とする窒化珪素セラミックス
   焼結体の製造方法。
4. ４．酸化イットリウム及び酸化セリウムより選ばれる少
   なくとも１種の酸化物０．１〜１０重量％、酸化アルミ
   ニウム０．１〜５重量％、窒化アルミニウム０．１〜８
   重量％、珪化セリウム及び珪化ハフニウムより選ばれる
   少なくとも１種の珪化物０．１〜３重量％及び残部が窒
   化珪素からなることを特徴とする窒化珪素セラミックス
   焼結体。
5. ５．酸化イットリウム及び酸化セリウムより選ばれる少
   なくとも１種の酸化物０．１〜１０重量％、酸化アルミ
   ニウム０．１〜５重量％、窒化アルミニウム０．１〜８
   重量％、珪化セリウム及び珪化ハフニウムより選ばれる
   少なくとも１種の珪化物０．１〜３重量％及び残部が窒
   化珪素からなる混合粉末を成形し、該成形体を窒素を含
   む非酸化性ガス雰囲気中で１５００〜１６５０℃で１時
   間以上保持した後、１７００〜１７８０℃で２時間以上
   保持し、焼結することを特徴とする窒化珪素セラミック
   ス焼結体の製造方法。
6. ６．酸化イットリウム及び酸化セリウムより選ばれる少
   なくとも１種の酸化物０．１〜１０重量％、酸化アルミ
   ニウム０．１〜５重量％、窒化アルミニウム０．１〜８
   重量％、珪化セリウム及び珪化ハフニウムより選ばれる
   少なくとも１種の珪化物０．１〜３重量％及び残部が窒
   化珪素からなる混合粉末を成形し、該成形体を窒素を含
   む非酸化性ガス雰囲気中で１５００〜１６５０℃で１時
   間以上保持した後、１７００〜１７８０℃で２時間以上
   保持した後、さらに１０気圧以上の窒素を含む非酸化性
   ガス雰囲気で１７８０〜２０００℃に昇温し焼結するこ
   とを特徴とする窒化珪素セラミックス焼結体の製造方法
   。