JPH0426557A - 窒化珪素質焼結体の製造方法 - 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、原料としてβ−窒化珪素を含有する窒化珪素
を用いてα　−窒化珪素を含有する焼結体を製造する方
法に関するものである。

〔従来の技術〕

窒化珪素（８１２Ｎ４　）の焼結体は、強度か高く、耐
熱衝撃性、耐食性が優れるために、例えばガスタービン
部材、熱交換材料、ベアリング等に用いられつつある。

しかしなから、５ｊｓＮｉは単独では焼結か困難なため
に、通常ＭｇＯ，ＭｇＡｚｔ　Ｏ，、Ａ１．０３、Ｙ２
Ｏ，等の酸化物を焼結助剤として添加し、焼結している
。これらの焼結助剤を用いた焼結は、焼結時に生ずる液
相を媒介としだ液相焼結によるものと考えられている。

多くの場合、焼結後液相はガラス相として焼結体中に残
存し、高温強度、耐クリープ性なとの高温特性を低下さ
せる。

また、二〇液相の存在により、Ｓ　Ｌ　２　Ｎ＜結晶粒
の粒成長が起こりやすく強度を低下させる原因となる。

このために、焼結助剤の添加量を少なくし、液相の量を
少なくすると、粒成長は多少は抑えられるが、逆に焼結
性か著しく低下する。

一方、Ｓ　ｉ　ｚ　Ｎａに種々の元素か固溶したもの（
一般にサイアロンと呼ばれるもの）か注目されている。

例えば、α−８ｉｚＮａ構造で、Ｓｉ位置にＡＡ’が、
Ｎ位置に０が置換し、更に格子間位置に他の元素（Ｌｉ
、Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ等）が侵入型として固溶した、一般弐
Ｍエ　（Ｓ　ｉ、　Ａｉ）　ｒｔ（０、Ｎ）＋ｓ（０＜
Ｘ≦２、ＭはＬｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ等のうちの少なくと
も１種）で表されるα−３ｉｓＮ４　（一般にα−サイ
アロンと呼ばれる）あるいはβ−３ｉｓＮａ構造で、Ｓ
ｉ位置に１が、Ｎ位置にＯが固溶し、一般式Ｓｌｓ−ｚ
Ａｆｍ　Ｏｘ　Ｎ５−ｓ　　（０＜ｚ≦４．２）で表さ
れるβ−３ｔｓＮｓ（一般にβ−サイアロンと呼ばれる
）が注目されている。

上記の中でもα　−３ｊ　ｓ　Ｎａが含まれてなる窒化
珪素質焼結体は、高温特性に優れ、高温構造用材料とし
て注目されている。

α　−３ｔｓＮ４が含まれてなる窒化珪素質焼結体を製
造する方法としては、α−３ｉｓＮ４の含有量の非常に
高い（９５％以上）の５ｉａＮ４原料を使用し、これを
焼結している。これは、αＳｉ＊Ｎ４のα　−３ｉｚＮ
＊およびβ−３ｉｓ　Ｎａあるいはβ　　ＳｉｚＮｎへ
の変態を利用したものである。

二のように原料としてα−３ｉｓ　Ｎａの含有量の高い
窒化珪素原料を用いる方法では、該窒化珪素原料が高価
なためにコストか高くなってしまう。

しかも、上記原料により製造した窒化珪素質焼結体は、
生成するα−３ｉ＊Ｎａの結晶粒が大きく、強度等が低
下してしまう。

〔第１発明の説明〕 本第１発明（特許請求の範囲に記載の発明）は、上記従
来技術の欠点に鑑みなされたものであり、原料としてα
−窒化珪素の含有量の高い窒化珪素原料を使用すること
なく、結晶粒の小さなα′窒化珪素を含有する窒化珪素
質焼結体を製造する方法を提供することを目的とする。

本第１発明の窒化珪素質焼結体の製造方法は、β−窒化
珪素を含有する窒化珪素にイツトリアおよび憲化アルミ
ニウムを添加するとともにこれらを焼成することにより
α　−窒化珪素を含有する焼結体を形成することを特徴
とするものである。

本第１発明によれば、イツトリアおよび窒化アルミニウ
ムがβ−窒化珪素に作用して、焼成時にβ−窒化珪素が
α　−窒化珪素に変態し、α窒化珪素を含有する焼結体
を形成する。しかも、生成するα　−窒化珪素の結晶粒
が小さくなる。

このため、原料として高価なα−窒化珪素を多量に含有
する窒化珪素原料を使用することがないため低コストで
１．結晶粒の小さいα′−窒化珪素を含有する焼結体を
形成することができる。

〔第１発明のその他の発明の説明〕 本第１発明をより具体的にしたその他の発明を説明する
。

本発明は、β−窒化珪素を含有する窒化珪素にイツトリ
アおよび窒化アルミニウムを添加する（第１工程）とと
もに上記原料組成物を焼成する（第２工程）。

本＄１工程において、β−窒化珪素を含有する窒化珪素
（Ｍ化珪素原料）にイツトリアおよび窒化アルミニウム
を添加して原料組成物を調製する。

窒化珪素（ＳｉｚＮｎ）原料としては、β−３ｔ、Ｎａ
を含有するものである。なお、該窒化珪素原料には、β
−３ｔ　ｓ　Ｎ４以外にα−８ｉｓＮａ等が含まれてい
てもよい。β−５ｉ２ｒ’Ｊ４の含有量としては、窒化
珪素原料全体に対して５重量％以上が望ましい。５重量
％以上であると、β−３ｉ２Ｎ４以外の５ｉ＝Ｎ、がβ
−８ｉｓＮａあるいはβ−３ｉｓＮａに変態し、その際
に伴う粒成長、または窒化珪素原料中に含まれるα−５
ｉ２　Ｎａからβ−３ｉｓＮ４あるいはβ−３ｉｓＮａ
への変態に伴う粒成長を抑制して微細な結晶粒を形成す
ることができる。また、原料中にα−３ｉ＊Ｎａが多い
と、焼成の際にこのα−３ｉｘＮ４が生成した液相中に
溶解し、β−５ｉ＝Ｎ。

あるいはβ’　−Ｓ　１　ｓ　Ｎａとなって再析出し、
結晶粒の粒成長が進行してしまい、粗い結晶粒で強度の
低い焼結体になる。従って、α−３ｉｓＮ４の含有量は
窒化珪素原料全体に対して９５％以下とするのが望まし
い。

β−３ｊｓＮａを含有する窒化珪素原料に添加するイツ
トリアおよび窒化アルミニウムは、焼成時に窒化珪素原
料中のβ−３ｉ　＊　Ｎａをα−３ｉ＊Ｎａに変態させ
る作用を行うものである。しかも、α　−３ｉｚＮ４の
結晶粒を小さ（し、さらにα　−３１ｚＮ４以外の５ｉ
ｚＮ４の結晶粒も小さくする。

イツトリア（Ｙ、○、）および窒化アルミニウム（Ａｆ
Ｎ）の添加量としては、窒化珪素原料、Ｙ、０．および
ＡＩＮを含めた原料組成物全体に対してＹ、Ｏ，か１，
０〜５，０重量％、ＩＮが２．０〜ＩＯ重量％が望まし
い。また、Ｙ、　０、とＡＩＮとの添加量の合計は、上
記原料組成物全体に対して３〜１５重量％が望ましい。

この範囲より添加量が少ないと焼結性が著しく低下し、
また、この範囲より添加量が多いと粒成長が著しくなり
、強度が低下してしまう。

原料組成物は、粉末の形状で使用するのがよい。

この場合、β−８ｉ２　Ｎａを含有する窒化珪素原料粉
末の平均粒径は１．０μｍ以下の範囲、Ｙ。

０、粉末の平均粒径も１．０μｍ以下の範囲、ＡｉＮ粉
末の平均粒径も１．０μｍ以下の範囲か望ましい。

原料組成物には、β−５ｉｚＮｎを含有する窒化珪素原
料、Ｙ、０１　、およびＡｆＮ以外にＹＮ、α　−３ｉ
ｓ　Ｎａ等の焼結助剤等が含まれていてもよい。

原料組成物は、混合して使用するのがよい。混合方法と
しては、有機溶媒を用いる湿式混合法等がある。

第２工程においては、原料組成物を焼成してα−Ｓ　ｉ
　ｔ　Ｎａを含有する窒化珪素質焼結体を形成する。

焼成方法としては、常圧焼結法、ガス圧焼結法、熱間静
水圧焼結（ＨＩＰ）法等を用いることができる。焼成雰
囲気としては、Ｎ、ガス、アルゴンガス等の不活性ガス
雰囲気、あるいは真空中等の非酸化性雰囲気とするのが
望ましい。焼成温度は、１６５０〜１９００℃が望まし
い。焼成温度が１６５０℃より低いと十分に緻密化が進
行せず、１９００℃を越えると粒成長が著しくなり、十
分な強度が得られない。

なお、β−３ｉｉＩ’Ｌ、焼結助剤の添加量、焼成条件
を制御して、焼結体中のα　−３ｉｘＮ４の含有割合、
結晶粒の大きさ、および組成を制御することができる。

製造する窒化珪素質焼結体は、α　−３ｉｓＮ４の含有
量か、そのＸ線回折による存在比で０゜０５〜０．５０
、残部β−３ｉｉＮａあるいはβ−８ｉｓＮａ等のその
他の物質で、合計が１となるような範囲が望ましい。

また、α’−３ｉｓＮ４の結晶粒の大きさについては、
平均粒径が２μｍ以下の範囲が望ましい。

また、焼結体中にβ−３１１Ｎａあるいはβ′Ｓ　ｊ　
ｓ　Ｎａか含まれる場合、β−３ｉｓ　Ｎａあるいはβ
−３ｉｓＮａ 方向の平均粒径が５μｍ以下、短径方向が１μｍ以下の
範囲が望ましい。

なお、窒化珪素質焼結体を成形品として製造する場合に
は、原料組成物を成形するのがよい。

この成形法としては、金型ブレス、ラバープレス、押し
出し、スリップキャスト、射出成形等を用いることがで
きる。

〔実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する。

（実施例１） β−３ｉｚＮａを含有し、平均粒径か約０，５μｍ以下
の５ｉｓＮａ原料粉末（含有量は、β−３ｉｓＮ４が第
１表に示す値、全金属不純物量０゜１ｗｔ％以下、残部
α−３１ｚＮａであり、合計１００ｗｔ％となる）を用
い、この５ｉｚＮ＊原料粉末に、平均粒径が約０．５μ
ｍ以下の高純度（９９，９％）のＹ、０．粉末、および
平均粒径が約０．５μｍ以下の高純度（９９，９％）の
ＡＩＮ粉末をそれぞれ、重量％で９４％、２．３％、３
．７％の配合割合で混合した。この混合物を金型ブレス
により成形し、その後ホットプレス法により焼成した。

なお、ホットプレスは、１８００°Ｃ１２時間の条件で
行った。これにより、第１表に示すような構成相、結晶
粒を有するα’　−３ｉｘＮｔを含有する窒化珪素質焼
結体（試料磁１〜９）を製造した。なお、上記焼結体に
はβ′＝ＳＬ２Ｎ４も含まれており、その構成相、結晶
粒も第１表に示す。

また、上記Ｓ　１２　Ｎ４原料、Ｙｔ　０１　、ＩＮの
配合割合を重量％で、９１％、３．４％、５゜６％とし
た以外は、上記と同様にしてα’　−３ｉ、Ｎ、を含有
する窒化珪素質焼結体（試料ＮＣＬＩＯ〜１７）を製造
した。製造した焼結体の構成相、結晶粒を第１表に示す
。

また、比較のため、原料組成物として上記β−８ｉｚＮ
４を含有する５ｉｊＮ４原料粉末に平均粒径０．５μｍ
のＹを固溶したα’　−Ｓ　ｉ　２　Ｎ４（Ｙ・、＊　
　（Ｓ　ｉ、Ａｆ）　Ｉｔ　（０、Ｎ）＋−）粉末を２
５ｗｔ％添加したもの（配合量は、５ｉｓＮ４原料７５
ｗｔ％、ａｓｉ＊Ｎａ２５％ｗｔ）を用いた以外は、上
記と同様にして窒化珪素質焼結体−（試料＆Ｃｌ−Ｃ３
）を製造した。その焼結体中の構成相、結晶粒を第１表
に示す。

また、得られた焼結体中のα　−８ｊ３Ｎ４、β’　−
３ｉ２　Ｎ４の存在比、結晶粒の平均粒径をＸ線回折に
より求め、またその４点曲げ強度をＪＩＳＲ１６０１に
準じて測定した。その結果を第１表に示す。なお、α　
−３ｉｓＮ４の存在比の求め方は、焼結体のＸ線回折チ
ャートにおけるα型の強度の高い上位２個のピークの合
計とβ型の強度の高い上位２個のピークの合計を比較す
ることによって行った。表中のα　−３ｔ＊Ｎａの存在
比は、α’−３ｉｓＮ４とβ’−３ｉｉＮａとの存在比
の合計を１とした場合の値である。

第１表より明らかなように、本実施例により製造した焼
結体は、比較例のものよりも結晶粒の平均粒径か小さく
、また強度も高いことが分かる。

（実施例２） 実施例１と同様な出発原料を用い、実施例１と同様にし
て、これを混合したものを成形し、常圧焼結法によりα
’　　５ｉｚＮ４を含有する窒化珪素質焼結体を製造し
た。なお、上記出発原料のβ−３ｔｚＮｉの含有量は第
２表に示すようなものであり、常圧焼結は、Ｎ、中１８
５０°Ｃ１４時間の条件で行った。また、第２表の試料
Ｎｌｌ８〜２４は第１表の試料ｉｔ〜９と同様な条件で
あり、第２表の試料魚２５〜３１は第１表の試料ＮＣＬ
ＩＯ〜１７と同様な条件である。また、第２表の試料Ｎ
ｃｈＣ４〜Ｃ７は第１表の試料ＮｃｉＣ１〜Ｃ３と同様
な条件で上記と同様にして製造した。

得られた焼結体のα’−３ｉ３Ｎａとβ′−８ｉｓＮａ
の存在比、結晶粒の平均粒径、および４点曲げ強度を実
施例１と同様にして測定した。その結果を第２表に示す
。

第２表より明らかなように、本実施例により製造した焼
結体は、比較例のものよりも結晶粒の平均粒径が小さく
、また強度も高いことが分かる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　β−窒化珪素を含有する窒化珪素にイットリアおよび
   窒化アルミニウムを添加するとともにこれらを焼成する
   ことによりα′−窒化珪素を含有する焼結体を形成する
   ことを特徴とする窒化珪素質焼結体の製造方法。