JPH04119908A - 窒化ケイ素粉末及びその製造方法 - 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】 上の 本発明は、高温強度の優れた窒化ケイ素焼結体を得るこ
とができる窒化ケイ素粉末及びその製造方法に関する。

来の　　　び　　が　　しよ゛とする 従来より、窒化ケイ素粉末を焼結して得られる窒化ケイ
素焼結体は、高強度セラミックスとして位置付けされて
いるが、このような窒化ケイ素焼結体でも１０００℃を
超えるような高温下では。

その強度が劣化するという問題を有していた。

そこで、窒化ケイ素焼結体の高温下における強度を向上
させるために種々の研究が行なわれており、特に焼結助
剤の種類や配合比については種々の提案がなされている
。しかしながら、いずれの焼結助剤においても、またそ
の配合比を種々調節しても１０００℃を超えるような高
温下おける強度の向上には限界があり、未だ十分に満足
し得る結果は得られていない。このため、更なる高温強
度の向上が望まれる。

また、高温強度の高い焼結体を得るための窒化ケイ素粉
末は、比較的高純度のものが得られるイミド法により製
造される場合が多いが、この方法ではコスト高となり、
工業的製法としては問題がある。一方、イミド法に比べ
てコスト的に有利な窒化ケイ素粉末の製造法として金属
ケイ素粉末の直接窒化法が知られているが、この方法で
は金属不純物等の混入により高純度の窒化ケイ素粉末を
得ることが難しく、この方法により得られた窒化ケイ素
粉末は、高温強度の高い焼結体を得る点では不利となる
。このため、高温強度の高い焼結体を得ることができる
窒化ケイ素粉末を工業的有利に製造する方法の開発も望
まれる。

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので。

１０００℃を超えるような高温下においても良好な強度
を保持する焼結体を得ることができる窒化ケイ素粉末、
及びこの窒化ケイ素粉末を工業的有利に製造することが
できる窒化ケイ素粉末の製造方法を提供することを目的
とする。

を　　するための　　　び作用 本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を行なっ
た結果、平均粒子径０．８−以下、ＢＥＴ比表面積１０
ｍ／ｇ以上の窒化ケイ素粉末をアルミニウム含有量が０
．１〜１．１４重量％、酸素含有量が０．５〜１．５重
量％で、かつアルミニウム以外の金属不純物が２００Ｐ
ＰＭ１以下になるように調製することによって、この窒
化ケイ素粉末を焼結して得られた焼結体の１０００℃を
超えるような高温下における強度が通常の窒化ケイ素粉
末から得られた焼結体に比べて顕著に高強度化すること
を見い出した。

また、このような窒化ケイ素粉末は、金属ケイ素粉末を
窒素ガスと水素ガスとの混合ガス雰囲気中で直接窒化し
て窒化ケイ素粉末を得る場合に。

窒化原料の金属ケイ素粉末９６．５〜９９．８重量部に
対して、アルミニウム粉末又はＡｆｆ２０３などのアル
ミニウム化合物の粉末を３．５〜０．２重量部添加し、
１３５０℃以上１４５０℃未満の温度で窒化反応を行な
うと共に、得られた窒化生成物を粉砕した後、酸処理す
ることにより、直接窒化法によって工業的有利に製造し
得ることを見い出し、本発明を完成するに至ったもので
ある。

従って、本発明は、平均粒子径が０．８４以下。

ＢＥＴ比表面積が１０ｉ／ｇ以上、アルミニウム含有量
が０．１〜１．１４重量％、酸素含有量が０．５〜１．
５重量％で、かつアルミニウム以外の金属不純物の合計
含有量が２００ｐｐｍ以下であることを特徴とする窒化
ケイ素粉末、及び金属ケイ素粉末９６．５〜９９．８重
量部とアルミニウム粉末又はアルミニウム化合物の粉末
３．５〜０．２重量部とを混合し、この混合粉末を窒素
ガスと水素ガスとの混合ガス雰囲気中。

１３５０℃以上１４５０”Ｃ未満の温度で窒化し、得ら
れた窒化ケイ素を粉砕して微粉末状とした後、該微粉末
に酸処理を施すことを特徴とする窒化ケイ素粉末の製造
方法を提供するものである。

ここで、金属ケイ素粉末にアルミナ粉末を添加した後、
この混合粉末を直接窒化法により窒化して、窒化ケイ素
固溶液体粉末を得る方法は既に知られている（特公昭５
２−４３４８６号公報）。

しかし、この方法は金属ケイ素粉末４０〜９９モル％に
対してアルミナ粉末１〜６０モル％を添加し、この混合
粉末を窒素ガス雰囲気下に１４５０〜１５５０℃の温度
で加熱窒化するものであるが、このような条件では、本
発明の窒化ケイ素粉末のように酸素含有量を０．５〜１
．５重量％、アルミニウム含有量を０．１〜１．１４重
量％の範囲に制御することができず、この方法により得
られた窒化ケイ素粉末では十分な高温強度を有する焼結
体を得ることはできない。また、この公報には金属ケイ
素粉末にアルミナ粉末と共に鉄粉、ニッケル粉、コバル
ト粉、銅粉等の金属粉末を添加し、１１５０〜１５５０
℃の温度で加熱窒化する方法も開示されているが、この
方法ではアルミニウム以外の金属成分量が２００ｐｐｍ
を超えることは明らかであり、やはり本発明の目的を達
成し得ない。

ここで、本発明の窒化ケイ素粉末から高温強度の優れた
焼結体が得られる理由は明らかではないが、本発明の窒
化ケイ素粉末中のアルミニウム（ＡＱ）及び酸素（○）
は、該窒化ケイ素粉末を製造する際、金属ケイ素の窒化
時に添加されたＡＱ２０□等のアルミニウム化合物又は
原料の金属ケイ素中に当初より含有されていた酸素に由
来するものであり、このためＡＱ及び○は、Ａ［、Ｏ，
として存在しているのではなく、窒化ケイ素を構成して
いるＳｉ原子及びＮ原子と複雑に結合しているものと思
われ（このことは、本発明の窒化ケイ素粉末中の酸素原
子をＥＳＣＡ法で分析することにより見い出される）、
このためこれを焼結して得られた焼結体中の焼結原料由
来のＡＱ及びＯは、焼結時に焼結助剤として添加される
ＡＱ２０．由来のＡＱ及びＯとはその存在形態が異なり
、これら特異な存在形態のＡＱ及びＯの存在が焼結体の
強度を向上させていると考えられる。

以下、本発明につき更に詳しく説明する。

本発明の窒化ケイ素粉末は、平均粒子径が０．８ρ以下
、好ましくは０．４〜０．６−、ＢＥＴ比表面積が１０
ｆｆｌ／ｇ以上、好ましくは１２〜１４ｒｒｒ　／　ｇ
、アルミニウム含有量が０．１〜１．１４重量％、好ま
しくは０．１〜０．２５重量％、酸素含有量が０．５〜
１．５重量％、好ましくは０．６〜０．８重量％で、か
つアルミニウム以外の金属不純物の合計含有量が２００
ｐｐｍ以下、好ましくは１５０ｐｐ■以下のものである
。

ここで、アルミニウム含有量、酸素含有量及びアルミニ
ウム以外の金属不純物の合計含有量のいずれかが上記範
囲外であると、焼結体の高温強度が低下して本発明の目
的を達成することができない。また、ＢＥＴ比表面積が
１０ｒｒｒ／ｇ未満であると焼結性に劣るものになって
しまい、更に平均粒子径についても、これが０．８−を
超えた場合は焼結性に劣るものになる。

この窒化ケイ素粉末は、上述したように、金属ケイ素粉
末９６．５〜９９．８重量部とアルミニウム粉末又はア
ルミニウム化合物の粉末３．５〜０．２重量部とを混合
し、この混合粉末を窒素ガスと水素ガスとの混合ガス雰
囲気中、１３５０℃以上１４５０℃未満の温度で加熱窒
化し、得られた窒化ケイ素を粉砕して微粉末状とした後
、該微粉末に酸処理を施すことにより、直接窒化法によ
って工業的有利に製造することができる。

この場合、窒化原料である上記金属ケイ素粉末としては
、特に制限されないが、酸素含有量が０．２〜０．５重
量％、特にｏ、３〜０．５重量％で平均粒子径０．４〜
０．８４、特に０．５〜０．６−のものが好ましく用い
られる。

ここで、上記金属ケイ素粉末にはアルミニウム粉末又は
上記アルミニウム化合物粉末が混合されるが、この場合
アルミニウム粉末又はアルミニウム化合物粉末は、金属
ケイ素粉末の酸素含有量に応じて適宜選定される。例え
ば金属ケイ素粉末の酸素含有量が０．５重量％未満の場
合はＡＱ、０゜等の酸素を含有するアルミニウム化合物
を好ましく用いることができ、一方酸素含有量が０．５
重量％以上の場合は、アルミニウム粉末を好ましく用い
ることができる。

なお、アルミニウム化合物としては、ＡＱ、Ｏ，。

ＡＱＮ、炭化アルミニウム、硼化アルミニウム等が挙げ
られるが、特にＡＱ□０３が好ましく用いられる。

上記金属ケイ素粉末とアルミニウム粉末又はアルミニウ
ム化合物の粉末との混合割合は上記のように金属ケイ素
粉末９６．５〜９９．８重量部に対してアルミニウム粉
末又はアルミニウム化合物粉末３．５〜０．２重量部で
あり、アルミニウム粉末又はアルミニウム化合物粉末の
混合割合が３．５重量部を超えても、また０、２重量部
未満でも本発明の窒化ケイ素粉末を得ることができない
。なお、好ましい混合割合は２〜０．２重量部である。

上記混合粉末の窒化反応を行なう反応雰囲気は、上記の
通り、窒素ガスと水素ガスとの混合ガス雰囲気とされる
が、この場合窒素ガスと水素ガスとの混合割合は４．７
５：０．２５〜３：１とすることができる。なお、この
混合ガスにアルゴン等の不活性ガスを添加することも可
能である。また、この雰囲気中の水分含有量を調節する
ことによって、得られる窒化ケイ素粉末中の酸素含有量
を調節することもできる。

反応温度は、１３５０℃以上１４５０”Ｃ未満であり、
好ましくは１３８０〜１４００℃である。

反応温度が１４５０”Ｃ以上であると、得られる窒化ケ
イ素粉末のＢＥＴ比表面積が小さくなるため後の粉砕工
程で微粉砕が困難となり、本発明の窒化ケイ素粉末を得
ることができず、一方、１３５０℃未満であると窒化反
応が十分に進行しない場合がある。なお、反応時間は、
通常１〜５時間程度とされる。

次に、上記窒化反応により得られた窒化ケイ素を粉砕し
て微粉末状とし、これに酸処理を施すことにより本発明
の窒化ケイ素粉末が得られるものである。この場合、上
記粉砕操作は、特に限定はされないが、平均粒子径０．
４〜０．６ｎ程度に粉砕することが好ましく、また酸処
理を行なう酸としては、特に制限されないがＨＦとＨＮ
Ｏ３との混酸が好適に用いられる。

本発明の窒化ケイ素粉末は、これを焼結することにより
高温強度の優れた窒化ケイ素焼結体が得られるものであ
る。この場合、焼結方法としては焼結助剤を用いる通常
の方法を採用することができる。例えば、焼結助剤とし
てＡＱ２０．、ＭｇＯ。

Ｙ、Ｏ，、ＴｉＯ□、希土類元素酸化物、ＡＱＮ、Ｔｉ
Ｎ等から１種又は２種以上を選択してその適当量を窒化
ケイ素粉末と混合し、これを成形して不活性ガス雰囲気
中、１８００’Ｃ程度の温度で１〜４時間程度焼結する
方法により焼結体を得ることができ、この場合得られた
焼結体は、１２００℃といった高温下における三点曲げ
試験で通常の窒化ケイ素粉末から得た焼結体より２０　
ｋｇ　／　ｍ”以上も高い強度を得ることができる。

ｌ豆五羞米 以上説明したように、本発明の窒化ケイ素粉末によれば
、１２００℃といった高温下における強度に優れた焼結
体を得ることができ、ガスタービン等の優れた高温強度
が要求される用途に使用される焼結体の焼結原料として
好適に用いられるものである。

また、本発明の窒化ケイ素粉末の製造方法によれば、上
記窒化ケイ素粉末を直接窒化法により、工業的有利に製
造することができる。

以下、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明
するが、本発明は下記実施例に制限されるものではない
。

〔実施例、比較例〕

酸素含有量０．４重量％、平均粒子径２−以下の金属ケ
イ素粉末にアルミナ（ＡＱ、○、）粉末を第１表に示し
た割合で添加し、乾式混合した後、該混合粉末をＮ２を
１５容量％含むＮ２雰囲気下に１３８０℃で１時間加熱
し、窒化した。得られた粉末を湿式粉砕して微粉化した
後、ＨＦとＨＮＯ。

との混酸により酸処理し、窒化ケイ素粉末を得た。

得られた窒化ケイ素粉末の平均粒子径、ＢＥＴ比表面積
、アルミニウム含有量、酸素含有量、他の金属不純物含
有量及びα、β比率を測定した。

結果を第１表に示す。

第 表 上記各窒化ケイ素粉末を窒化ケイ素９０重量部に対して
Ｙ、０３７重量部、ＡＱ２０．３重量部を添加し、ヘキ
サンを用いてボールミルで湿式混合し、混合物を濾過し
、乾燥させた後、１．８ｔｏｎ／ａＪの圧力でＣＩＰ成
形し、１８００℃で４時間焼結して棒状焼結体（３Ｘ４
ｍ）を得た。この焼結体の焼結密度及び１２００℃にお
ける三点曲げ強度をＪＩＳ　　Ｒ−１６０１に基づいて
測定した。結果を第２表に示す。

第　　　２　　表 ＊１：アルキメデス法で測定し、１０個の平均値を示し
た ＊２：５個の平均値 第２表に示した結果から明らかなように、本発明の窒化
ケイ素粉末から得た焼結体は、従来の窒化ケイ素粉末か
ら得た焼結体に比べて高温強度が顕著に向上しているも
のであった。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、平均粒子径が０．８μｍ以下、ＢＥＴ比表面積が１
   ０ｍ＾２／ｇ以上、アルミニウム含有量が０．１〜１．
   １４重量％、酸素含有量が０．５〜１．５重量％で、か
   つアルミニウム以外の金属不純物の合計含有量が２００
   ｐｐｍ以下であることを特徴とする窒化ケイ素粉末。 ２、金属ケイ素粉末９６．５〜９９．８重量部とアルミ
   ニウム粉末又はアルミニウム化合物の粉末３．５〜０．
   ２重量部とを混合し、この混合粉末を窒素ガスと水素ガ
   スとの混合ガス雰囲気中、１３５０℃以上１４５０℃未
   満の温度で加熱窒化し、得られた窒化ケイ素を粉砕して
   微粉末状とした後、該微粉末に酸処理を施すことを特徴
   とする窒化ケイ素粉末の製造方法。