JPH03218974A

JPH03218974A - 窒化珪素焼結体およびその製造方法

Info

Publication number: JPH03218974A
Application number: JP2011779A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Miwa; 真一三輪; Tsutomu Kato; 務加藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1990-01-23
Filing date: 1990-01-23
Publication date: 1991-09-26
Anticipated expiration: 2012-10-08
Also published as: JP2661761B2

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、高強度および高熱伝導特性を有し耐熱衝撃性
に優れた高温構造材料として好適な窒化珪素焼結体およ
びその製造方法に関するものである。

（従来の技術）従来から、窒化珪素は高温構造材としての使用か期待さ
れており、種々の焼結体が開発されている。その一例と
して、例えば特公昭５５−４６９９７号公報には、機械
的強度と熱衝撃特性か良好な窒化珪素焼結体を得るため
、β相を９０重量％以上含み、Ｂｅｄ．　ＭｇＯ．　Ｓ
ｒＯの所定量と希土類元素酸化物とからなる窒化珪素焼
結体か開示されている。

（発明か解決しようとする課題）上述した特公昭５５−４６９９７号公報記載の窒化珪素
焼結体では、例えば６５０〜７００　ＭＰａの高強度と
０．　０６　〜０．　０９　ｃａｌ／ａｍ　−　ｓｅｅ
　−　”Ｃの熱伝導率を得ることができるが、熱伝導特
性においてそれか良好なセラミック材料例えばＳｉＣと
比較して低く、熱衝撃特性に問題があり、高温構造材料
として好適に使用できない問題があった。

本発明の目的は上述した課題を解消して、高い熱伝導率
を有し、その結果熱衝撃特性を改善した窒化珪素焼結体
およびその製造方法を提供しようとするものである。

（課題を解決するための手段）本発明の窒化珪素焼結体は、１０μｍ以上の粒長を有す
る粒子の割合が２０〜５０％であるとともに、３μｍ以
下の粒長を有する粒子の割合か２０〜５０％である微構
造を有し、熱伝導率か０．１３〜０．１６ｃａｌ／　ｃ
ｍ　”　ＳｅＣ　”　”Ｃ、４点曲げ強さか室温で８０
０ＭＰａ以上の特性を有することを特徴とするものであ
る。

また、本発明の窒化珪素焼結体の製造方法は、純度９９
ｗｔ％以上、α化率９５ｗｔ％以上の窒化珪素粉末原料
であって、以下のように粒径の異なる原料ｌおよび原料
２を準備し、（１）原料１平均粒子径Ｄ１（０．１　〜０．５　μｍ　）（２）原
料２平均粒子径Ｄ２（０．３〜１．０μｍ）（３）原料１と
原料２の関係２≦Ｄ２／Ｄ，≦６準備した原料ｌと原料２とを、２０〜６０重量％の原料
１と８０〜４０重量％の原料２の割合で混合し、混合し
た混合原料に助剤を所定量加えて調合、成形し、１８０
０〜１９００℃の温度で加熱焼成することを特徴とする
ものである。

（作　用）上述した構成において、使用する助剤組或は特公昭５５
−４６９９７号公報で開示された焼結体と類似している
か、本発明においては粒径の大きな原料と粒径の小さな
原料を混合し、所定の製造法で焼結体を得ることにより
、粒長ｌＯμｍ以上の大きい粒子と粒長３μｍ以下の小
さい粒子とを所定の割合とした微構造により、従来の窒
化珪素焼結体では得られなかった高強度・高じん性、高
熱伝導率を達成することができる。

すなわち、本発明品はβ−ＳｉａＮｉの針状結晶が発達
し、最大で２０μｍを超える一方で、３μｍ以下の小さ
な針状結晶も認められ、広い粒子径分布を示している。

従来品は針状結晶の発達か進んでいない状態に加えて比
較的均一な粒子となっており、これらの微構造の差か強
度、じん性、熱伝導率の点における本発明品と従来品と
の差になって表われている。

また、本発明の製造方法によれば、強度、じん性、熱伝
導率のバランスかとれた範囲の焼成体を得ることかでき
る。すなわち、じん性、熱伝導率は焼成温度を上げるに
従ってそれぞれの値か高くなるか、強度は急激に低下す
る。一方、焼成温度を下げるとじん性、熱伝導率か低下
する。そのため、組成および原料の配合比か本発明の製
造方法の範囲内のものか、これらのバランスのとれた範
囲となる。

なお、後述する実施例から明らかなように、１０μｍ以
上の粒長を有する粒子の割合が３０〜４０％であり、３
μｍ以下の粒長を有する粒子の割合が３０〜４０％であ
ると、各種特性がさらに良好になるため好ましい。

（実施例）以下、実際の例について説明する。

実施例１第１表に記載する粒径の異なる２種類の窒化珪素粉末原
料１および原料２（両者とも純度９９．９％）のいずれ
かと添加剤との混合粉末を、各々アトライターミルで窒
化珪素製玉石を用いて２４時間湿式粉砕してスラリーを
得た。得られたスラリーにポリビニルアルコール等の成
形助剤を加え、噴霧乾燥し、平均粒子径７０μｍで球状
の造粒粉体を得た。

この粉体を５０００ｋｇ／ａｄの圧力で静水圧成形した
後、脱バインダー処理を行い、６０Ｘ６０Ｘ５ｍｍの角
板試料を得た。角板試料に対して、窒素ガス雰囲気中で
１時間第１表に示す焼成温度で焼成を実施して、焼成体
を得た。

得られた焼成体のβ化率、熱伝導率、室温および８００
゜Ｃでの４点曲げ強度、破壊しん性値（ＫＩｃ）、耐熱
衝撃抵抗係数比を測定するとともに、微構造として、焼
成体中のＩＯμｍ以上の粒長を有する粒子の割合および
３μｍ以下の粒長を有する粒子の割合を測定した。結果
をあわせて第１表に示す。

β化率の測定は、Ｘ線回折により行い、α一Ｓｉ３Ｎ４
の（２１０）と（２０１）面の回折強度α（２１０）α
（２０１）と、β−Ｓｉ＊Ｎ４の（１０１）と（２１０
）面の回折強度β（１０１）　、β（２１０）から次式
により求めた。

β化率＝〔β（１０１）＋β（２１０））　／　（α（
２１０）＋α（２０１）＋β（１０１）十β（２１０）
）　　ＸＩＯＯ窒化珪素焼結体の微構造は以下の手法に
従う数値化処理により測定した。まず、試料はダイヤモ
ンド砥粒によるラップ仕上げを実施した後、フッ酸原液
によって５０゜Ｃ　Ｘ　４ｈｒｓの処理を行い粒界相を
エッチングした。この試料を走査型電子顕微鏡を使用し
５０００倍で写真撮影し、各試料ｌＯ視野分の写真を画
像解析装置によりその長径（最大長）、粒子面積を求め
統計処理を行った。従って、ここでの粒長とは試料断面
における粒子の長径（最大長）であり、割合は粒子面積
率を示す。

熱伝導率は理学電機■製レーザーフラッシュ法熱定数測
定装置を用いて測定した。

４点曲げ強度は、ＪＩＳ　Ｒ−１６０１　ｒファインセ
ラミックスの曲げ強さ試験法」に従って常温および８０
０゜Ｃて測定した。

破壊しん性値（Ｋ．）は、ＳＥＰＢ法によって測定し、
試料形状は３Ｘ４　Ｘ２０ｍｍで内部スパン５ｍｍ，外
部スパン１５ｍｍの４点曲げ方法を使用した。このとき
のクロスヘッドスピードは　０．０５■／ｗｉｎであっ
た。

を求め実施例１のＮａｌ７試験体との比を算出した。

ここでＳは４点曲げ強さ、νはボアソン比、Ｅはヤング
率、αは線熱膨張係数である。

第１表の結果から、それぞれ所定の平均粒子径Ｄ．，　
Ｄ２を有し、それらの間の比が所定の値である原料ｌお
よび原料２を使用して製造した実施例嵐１〜７は、いず
れかの点で本発明の要件を満たしていない比較例ｋｌＯ
〜１７と比べて高い熱伝導率、高い４点曲げ強度、高い
破壊しん性値（Ｋ，ｃ）　、高い耐熱衝撃抵抗係数比を
有することがわかる。また、焼結体の微構造に着目する
と、実施例ＮｃＬ１〜９は１０μｍ以上の粒長を有する
粒子量および３μｍ以下の粒長を有する粒子量が所定値
であるのに対し、比較例ＮａｌＯ〜１７はいずれかの点
で本発明の要件を満たしていないことかわかる。

第１図および第２図に室温における４点曲げ強度および
熱伝導率とＤ２／Ｄ，の値との関係を示す。

第１図および第２図の結果より、適切な粒径比を選ぶこ
とにより、高強度および高熱伝導率の焼結体を得ること
かてきることかわかる。

実施例２粒径の異なる２種類の原料１および原料２の混合比の影
響を調べるため、第２表に記載したように原料１および
原料２を種々の混合率で混合して、実施例ｌと同様に成
形、焼成を行い、実施例Ｎα２ｌ〜３８と比較例陽３９
〜５０の焼成体を得た。

得られた焼成体に対し、実施例１と同様にβ化率、熱伝
導率、室温および８００゜Ｃでの４点曲げ強度、破壊し
ん性値、耐熱衝撃抵抗係数比を測定するとともに、微構
造も同様に測定した。結果をあわせて第２表に示す。

第２表の結果から、所定の平均粒子径を有する原料１と
原料２とを、２０〜６０重量％の原料１と８０〜４０重
量％の原料２の割合で混合した実施例Ｎｌ１２１〜３８
は、混合比か上記範囲を満たさない比較例魚３９〜５０
と比へて、高い熱伝導率、高い４点曲げ強度、高い破壊
しん性値（Ｋ，．）　、高い耐熱衝撃抵抗係数比を有す
ることがわかる。また、焼結体の微構造に着目すると、
実施例Ｎα２１〜３８は１０μｍ以上の粒長を有する粒
子量および３μｍ以下の粒長を有する粒子量か所定値で
あるのに対し、比較例嵐３９〜５０はいずれかの点て本
発明の要件を満たしていないことかわかる。

第３図および第４図に室温における４点曲げ強度および
熱伝導率と原料１の混合率との関係を示す。第３図およ
び第４図の結果より、適切な混合率を選ぶことにより、
高強度および高熱伝導率の焼結体を得ることかできるこ
とかわかる。

実施例３本発明の実施例における焼成温度の変化の影響を調へる
ため、第３表に示す原料１、原料２を使用し、第３表に
示す焼成温度で実施例１と同様に焼成して実施例Ｎα５
ｌ〜５９と比較例Ｎａ６０〜６５の焼成体を得た。

得られた焼成体に対し、実施例１と同様にβ化率、熱伝
導率、室温およびｓｏｏ”ｃでの４点曲げ強度、破壊し
ん性値、耐熱衝撃抵抗係数比を測定するとともに、微構
造も同様に測定した。結果をあわせて第３表に示す。

第３表の結果から、焼成温度か低いほど高い強度を得ら
れるか熱伝導率は低いのに対し、焼成温度が高いほど高
い熱伝導率を得られるが強度は低くなり、第５図および
第６図に示すように、室温における４点曲げ強度および
熱伝導率と焼成温度を選ぶことにより、バランスのとれ
た高い強度と高い熱伝導率の焼結体を得ることかできる
ことがわかる。

実施例４本発明の実施例における助剤調含量の変化の影響を調べ
るため、第４表に示す原料ｌ１原料２を使用し、第４表
に示す助剤の割合で実施例１と同様に焼成して実施例Ｎ
α７１〜７３および比較例７４．　７５の焼成体を得た
。

得られた焼成体に対し、実施例ｌと同様にβ化率、熱伝
導率、室温および８００゜Ｃての４点曲げ強度、破壊し
ん性値、耐熱衝撃抵抗係数比を測定するとともに、微構
造も同様に測定した。結果をあわせて第４表に示す。

第４表の結果から、助剤調含量が多少変化しても本発明
範囲内のものは、高い強度および高い熱伝導特性を示す
ことがわかる。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明によれば、粒径
の大きな原料と粒径の小さな原料とを混合し、所定の製
造法で焼結体を得ることにより、粒長１０μｍ以上の大
きい粒子と粒長３μｍ以下の小さい粒子とを所定の割合
とした微構造により、従来の窒化珪素焼結体では得られ
なかった高強度・高じん性・高熱伝導率を達成すること
かできる。

そのため、本発明の窒化珪素焼結体は従来のセラミック
スと比較して高温構造材料として好適であり、セラミッ
クスローター、副燃焼室、バルブ、ピストンヘッド、プ
レート等に使用した場合、熱応力を低減し、セラミック
スの信頼性を改善することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例における室温強度とＤ２／Ｄ，
との関係を示すグラフ、第２図は本発明の実施例における熱伝導率とＤ２／Ｄ，
との関係を示すグラフ、第３図は本発明の実施例における室温強度とｗ１との関
係を示すグラフ、第４図は本発明の実施例における熱伝導率とＷ．どの関
係を示すグラフ、第５図は本発明の実施例における室温強度と焼成温度と
の関係を示すグラフ、第６図は本発明の実施例における熱伝導率と焼成温度と
の関係を示すグラフである。第１図第３図第４図Ｗｌ（ｗ１％）

Claims

【特許請求の範囲】１．　１０μｍ以上の粒長を有する粒子の割合が２０〜
５０％であるとともに、３μｍ以下の粒長を有する粒子
の割合か２０〜５０％である微構造を有し、熱伝導率か
０．１３〜０．１６ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃、４点曲
げ強さが室温で８００ＭＰａ以上の特性を有することを
特徴とする窒化珪素焼結体。２．　純度９９ｗｔ％以上、α化率９５ｗｔ％以上の窒
化珪素粉末原料であって、以下のように粒径の異なる原
料１および原料２を準備し、（１）　原料１平均粒子径Ｄ＿１（０．１〜０．５μｍ）（２）　原料２平均粒子径Ｄ＿２（０．３〜１．０μｍ）（３）　原料１と原料２の関係２≦Ｄ＿２／Ｄ＿１≦６準備した原料１と原料２とを、２０〜６０重量％の原料
１と８０〜４０重量％の原料２の割合で混合し、混合した混合原料に助剤を所定量加えて調合、成形し、
１８００〜１９００℃の温度で加圧焼成することを特徴
とする窒化珪素焼結体の製造方法。