JPH0556310B2

JPH0556310B2 -

Info

Publication number: JPH0556310B2
Application number: JP63055965A
Authority: JP
Inventors: Shigeharu Matsubayashi; Goro Saiki
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1988-03-11
Filing date: 1988-03-11
Publication date: 1993-08-19
Also published as: JPH01230477A

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ツク
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ツトプ
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。従来の技術セラミツクス焼結体の中でも、窒化珪素セラミ
ツクスは常温から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
軽比重セラミツクスとしてその用途が広い。これ
まで窒化珪素セラミツクスの焼結法で、ホツトプ
レス法による高密度、高強度化が行なわれてき
た。しかし、このホツ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、ホツ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つて、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
よつて高密度で、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つても機械的
強度の低下が小さい窒化珪素セラミツクス焼結体
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次の手段を要旨とするものである。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ツクス焼結
体。２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
ツ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0.1〜10重量％、
酸化アルミニウム0.1〜５重量％、珪化セリウ
ム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ツクス焼結体の
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ツクス焼結体。５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ツクス焼結体の
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
る窒化珪素セラミツクス焼結体の製造方法。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。珪化セリウムは、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
つて形成される焼結時の濡れ性を向上させる効果
をもつ。本発明の製造方法を示すように、これら
の焼結助剤は1500〜1650℃に融液生成温度がある
ため、比較的融点の低い珪化セリウムを添加す
る。その結果、ホツ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、珪化セリウムは微量添加でその効果が認
められるため、従来のホツ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、珪化セリウムの配合量について、0.1重
量％以上で緻密化の効果を有し、３重量％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。本発明のセラミツ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0.1〜10重量％、酸化アル
ミニウム0.1〜５重量％、珪化セリウム0.1〜３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ツト・ボールによる
遊星型混合機で、アストン及びｎ−ヘキサン等の
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、公知の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１軸成形圧100〜1000Kg
ｆ／cm²、２次静水圧成形圧2000〜7000Kgｆ／cm²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
1780〜2000℃に昇温する２段階焼結法がある。こ
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、焼結体中のポアの拡散や表面
からの逃出が起こり、より緻密化が可能である。
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、いずれの方法もホツト
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98.5％以上の高密度、抗折強度が室温
で80Kgｆ／cm²以上の高強度、熱衝撃性（△Ｔ(K)）
が550K以上の高靭性を有する窒化珪素セラミツ
クスである。これら特性値はホツトプレスするこ
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ツクス
を製造することが可能となつた。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第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製のα化率97％
以上、平均粒径0.5μmを用いた。酸化イツトリウ
ムは日本イツトリウム社製の0.3μm平均粒径、酸
化セリウムは信越化学社製0.6μm平均粒径、酸化
アルミニウムは住友化学製0.2μm平均粒径、窒化
アルミニウムは徳山曹達製の0.5μm平均粒径であ
る。珪化セリウムは、共立窯業製の平均粒径3μm
である。得られた混合粉末を、１軸成形圧1000Kgｆ／
cm²、静水圧による加圧7000Kgｆ／cm²で、50mm×50
mm×10mm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、1600℃まで毎
分10度以下で昇温し、この温度で２時間保持し
た。このことによつて、液相が均一に生成し、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、本発明法によつて
得られた焼結体は、相対密度が98.5％以上と高
く、その抗折強度も室温で80Kgｆ／cm²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、強度、靭性、
熱衝撃性に向上がみられた。

【表】

【表】発明の効果以上説明したように、本発明は高密度、高強
度、高靭性を有する窒化珪素セラミツクスを、ホ
ツ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能にした
ものであり、その工業的有用性は非常に大きい。

Claims

【特許請求の範囲】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ツクス焼結体。２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ツクス焼結体の
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0.1〜10重量％、酸
化アルミニウム0.1〜５重量％、珪化セリウム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
窒化珪素セラミツ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
化珪素セラミツクス焼結体。５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ツ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
ラミツクス焼結体の製造方法。