JPH06219840A - 窒化珪素焼結体及びその製造方法 - Google Patents
窒化珪素焼結体及びその製造方法Info
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- JPH06219840A JPH06219840A JP5009481A JP948193A JPH06219840A JP H06219840 A JPH06219840 A JP H06219840A JP 5009481 A JP5009481 A JP 5009481A JP 948193 A JP948193 A JP 948193A JP H06219840 A JPH06219840 A JP H06219840A
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 焼成面の強度に優れ、最終製品の製造をコ
ストダウンできる肉薄及び肉厚の窒化珪素焼結体及びそ
の製造方法を提供することにある。 【構成】 窒化珪素と希土類元素化合物とから実質的
に構成される窒化珪素焼結体である。焼成後そのままの
焼結体表面と、焼成後に研削加工した焼結体表面とにお
ける抗折強度の差が小さい。窒化珪素原料のα−Ｓｉ3
Ｎ4とβ−Ｓｉ3Ｎ4とを、所定の割合で混合し、焼成し
て製造する。 【効果】 焼成後、後加工することなく、焼結体表面
をそのまま製品に適用できる。
ストダウンできる肉薄及び肉厚の窒化珪素焼結体及びそ
の製造方法を提供することにある。 【構成】 窒化珪素と希土類元素化合物とから実質的
に構成される窒化珪素焼結体である。焼成後そのままの
焼結体表面と、焼成後に研削加工した焼結体表面とにお
ける抗折強度の差が小さい。窒化珪素原料のα−Ｓｉ3
Ｎ4とβ−Ｓｉ3Ｎ4とを、所定の割合で混合し、焼成し
て製造する。 【効果】 焼成後、後加工することなく、焼結体表面
をそのまま製品に適用できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高強度の窒化珪素焼結
体に関し、更に詳細には、焼成面の強度が高い窒化珪素
焼結体及びその製造方法に関する。
体に関し、更に詳細には、焼成面の強度が高い窒化珪素
焼結体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、窒化珪素焼結体は、高温での高強
度、化学的安定性等の理由から注目されている材料であ
り、ディーゼル、ガスタービン等の熱機関用構造材料へ
の適用が種々研究されている。一般に、窒化珪素は難焼
結体であるため、窒化珪素焼結体は、窒化珪素粉末にＹ
2Ｏ3等の希土類元素酸化物を焼結助剤として添加して成
形用粉末を得、この成形用粉末を所望形状に成形し、得
られた成形体をガス加圧焼成等することにより得られ
る。
度、化学的安定性等の理由から注目されている材料であ
り、ディーゼル、ガスタービン等の熱機関用構造材料へ
の適用が種々研究されている。一般に、窒化珪素は難焼
結体であるため、窒化珪素焼結体は、窒化珪素粉末にＹ
2Ｏ3等の希土類元素酸化物を焼結助剤として添加して成
形用粉末を得、この成形用粉末を所望形状に成形し、得
られた成形体をガス加圧焼成等することにより得られ
る。
【０００３】この焼結体の製造に用いられる窒化珪素原
料粉末としては、その焼結性等を考慮して、α−Ｓｉ3
Ｎ4が９０％以上含まれる原料が用いられていた。この
α−Ｓｉ3Ｎ4は、焼結に際しβ−Ｓｉ3Ｎ4に相転移し柱
状晶を生成することが知られている。ところが、このよ
うなα−Ｓｉ3Ｎ4含有率の大きな原料を用いて焼結体を
焼成すると、上記相転移の際に結晶粒の粗大化等を招
き、得られる焼結体が緻密なものとならず強度等が十分
でないとして、特開昭６２−２９７２６９号公報、特公
平２−５００７６号公報及び特開平２−２５５５７３号
公報には、原料粉末に多量のβ−Ｓｉ3Ｎ4を添加する窒
化珪素焼結体の製造方法が開示されている。
料粉末としては、その焼結性等を考慮して、α−Ｓｉ3
Ｎ4が９０％以上含まれる原料が用いられていた。この
α−Ｓｉ3Ｎ4は、焼結に際しβ−Ｓｉ3Ｎ4に相転移し柱
状晶を生成することが知られている。ところが、このよ
うなα−Ｓｉ3Ｎ4含有率の大きな原料を用いて焼結体を
焼成すると、上記相転移の際に結晶粒の粗大化等を招
き、得られる焼結体が緻密なものとならず強度等が十分
でないとして、特開昭６２−２９７２６９号公報、特公
平２−５００７６号公報及び特開平２−２５５５７３号
公報には、原料粉末に多量のβ−Ｓｉ3Ｎ4を添加する窒
化珪素焼結体の製造方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
α−Ｓｉ3Ｎ4を原料粉末の主成分とする製造方法、及び
多量のβ−Ｓｉ3Ｎ4を添加する製造方法双方により得ら
れる窒化珪素焼結体にあっては、焼成直後（未加工）の
焼結体表面（以下、「焼成面」という。）に存在する気
孔のサイズがかなり大きく、この部分に応力が集中する
ため焼成面の強度が未だ十分とはいえないという課題が
あった。従って、上記２種の焼結体においては、焼成面
を後加工して所望強度の加工面を発現させて最終製品を
作製しなければならず、後加工工程に労力を要し、最終
製品の製造に時間を要するのみならず、コスト的にも高
くなるという課題があった。
α−Ｓｉ3Ｎ4を原料粉末の主成分とする製造方法、及び
多量のβ−Ｓｉ3Ｎ4を添加する製造方法双方により得ら
れる窒化珪素焼結体にあっては、焼成直後（未加工）の
焼結体表面（以下、「焼成面」という。）に存在する気
孔のサイズがかなり大きく、この部分に応力が集中する
ため焼成面の強度が未だ十分とはいえないという課題が
あった。従って、上記２種の焼結体においては、焼成面
を後加工して所望強度の加工面を発現させて最終製品を
作製しなければならず、後加工工程に労力を要し、最終
製品の製造に時間を要するのみならず、コスト的にも高
くなるという課題があった。
【０００５】また、従来の製造法により得られる焼結体
は、上述の如く肉薄体は勿論、肉厚体においても、焼成
面の強度が十分とはいえないという課題があった。本発
明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、焼成面の強度
に優れ、最終製品の製造をコストダウンできる肉薄及び
肉厚の窒化珪素焼結体及びその製造方法を提供すること
にある。
は、上述の如く肉薄体は勿論、肉厚体においても、焼成
面の強度が十分とはいえないという課題があった。本発
明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、焼成面の強度
に優れ、最終製品の製造をコストダウンできる肉薄及び
肉厚の窒化珪素焼結体及びその製造方法を提供すること
にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成すべく、窒化珪素焼結体の焼成面の気孔サイズ、強
度等の特性に着目し鋭意研究した結果、β−Ｓｉ3Ｎ4の
原料粉末への配合比率を特定の値にすることにより、上
記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに
至った。従って、本発明の窒化珪素焼結体は、窒化珪素
と希土類元素化合物から実質的に成る窒化珪素焼結体に
おいて、引張面の表面粗さを０．８ｓに加工したときの
室温での抗折強度に対する、焼成面をそのまま引張面に
したときの室温での抗折強度の強度比が０．７以上であ
り、且つこの強度比が、０．８ｓに加工する引張面を焼
成面以外の任意の部分でとった場合にも満足されること
を特徴とする。
達成すべく、窒化珪素焼結体の焼成面の気孔サイズ、強
度等の特性に着目し鋭意研究した結果、β−Ｓｉ3Ｎ4の
原料粉末への配合比率を特定の値にすることにより、上
記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに
至った。従って、本発明の窒化珪素焼結体は、窒化珪素
と希土類元素化合物から実質的に成る窒化珪素焼結体に
おいて、引張面の表面粗さを０．８ｓに加工したときの
室温での抗折強度に対する、焼成面をそのまま引張面に
したときの室温での抗折強度の強度比が０．７以上であ
り、且つこの強度比が、０．８ｓに加工する引張面を焼
成面以外の任意の部分でとった場合にも満足されること
を特徴とする。
【０００７】また、本発明の窒化珪素焼結体の製造方法
は、窒化珪素と希土類元素化合物を含有する窒化珪素焼
結体を製造するに当たり、α−Ｓｉ3Ｎ4粉末とβ−Ｓｉ
3Ｎ4粉末とが、次式 β／α＋β＝０．０５〜０．５０ （式中のαは、α−Ｓｉ3Ｎ4の重量、βは、β−Ｓｉ3
Ｎ4の重量を示す。）で表される関係を満足する原料粉
末を焼結助剤と混合し、次いで、得られた成形用粉末を
成形し、しかる後、得られた成形体を１気圧以上の窒素
雰囲気下１８００〜２０００℃で焼成することを特徴と
する。
は、窒化珪素と希土類元素化合物を含有する窒化珪素焼
結体を製造するに当たり、α−Ｓｉ3Ｎ4粉末とβ−Ｓｉ
3Ｎ4粉末とが、次式 β／α＋β＝０．０５〜０．５０ （式中のαは、α−Ｓｉ3Ｎ4の重量、βは、β−Ｓｉ3
Ｎ4の重量を示す。）で表される関係を満足する原料粉
末を焼結助剤と混合し、次いで、得られた成形用粉末を
成形し、しかる後、得られた成形体を１気圧以上の窒素
雰囲気下１８００〜２０００℃で焼成することを特徴と
する。
【０００８】
【作用】本発明においては、α−Ｓｉ3Ｎ4とβ−Ｓｉ3
Ｎ4との配合比率を制御すること等により、焼成面強度
と、焼成面を後加工して発現させた面（以下、「加工
面」という。）の強度との強度差が少ないＳｉ3Ｎ4焼結
体を得ることができる。従って、常法の如く、得られた
焼結体を後加工して製品に必要とされる強度を付与しな
くてもよく、成形体を、加工代を見込まないニアネット
シェイプで作成した場合には、該焼結体の後加工が不要
となる。このように、β−Ｓｉ3Ｎ4の配合比率を上記の
値にすることにより、気孔サイズが縮小し、焼成面強度
が向上することの詳細は現時点では明きらかではない
が、以下のように推察できる。
Ｎ4との配合比率を制御すること等により、焼成面強度
と、焼成面を後加工して発現させた面（以下、「加工
面」という。）の強度との強度差が少ないＳｉ3Ｎ4焼結
体を得ることができる。従って、常法の如く、得られた
焼結体を後加工して製品に必要とされる強度を付与しな
くてもよく、成形体を、加工代を見込まないニアネット
シェイプで作成した場合には、該焼結体の後加工が不要
となる。このように、β−Ｓｉ3Ｎ4の配合比率を上記の
値にすることにより、気孔サイズが縮小し、焼成面強度
が向上することの詳細は現時点では明きらかではない
が、以下のように推察できる。
【０００９】即ち、Ｓｉ3Ｎ4焼結体の焼結機構として
は、焼成過程において、まず、Ｓｉ3Ｎ4粉末の表面に存
在するＳｉＯ2とＹ2Ｏ3等の焼結助剤とが溶融・反応し
て液相を生ずる。この液相の生成につれて、もともとラ
ンダムに配列していたα−及びβ−Ｓｉ3Ｎ4が再配列す
る。次に、α−Ｓｉ3Ｎ4（及びβ−Ｓｉ3Ｎ4の一部）が
溶解して、結晶成長の核となるβ−Ｓｉ3Ｎ4（比較的大
きなβ−Ｓｉ3Ｎ4）の近傍にβ−Ｓｉ3Ｎ4の柱状晶とし
て析出・成長することにより、Ｓｉ3Ｎ4焼結体が焼結す
ると考えられる。
は、焼成過程において、まず、Ｓｉ3Ｎ4粉末の表面に存
在するＳｉＯ2とＹ2Ｏ3等の焼結助剤とが溶融・反応し
て液相を生ずる。この液相の生成につれて、もともとラ
ンダムに配列していたα−及びβ−Ｓｉ3Ｎ4が再配列す
る。次に、α−Ｓｉ3Ｎ4（及びβ−Ｓｉ3Ｎ4の一部）が
溶解して、結晶成長の核となるβ−Ｓｉ3Ｎ4（比較的大
きなβ−Ｓｉ3Ｎ4）の近傍にβ−Ｓｉ3Ｎ4の柱状晶とし
て析出・成長することにより、Ｓｉ3Ｎ4焼結体が焼結す
ると考えられる。
【００１０】このような焼結機構において、α−Ｓｉ3
Ｎ4が原料粉末に多量に含まれる場合には、β−Ｓｉ3Ｎ
4へ転移するα−Ｓｉ3Ｎ4の量が多く、また、結晶成長
の核となるβ−Ｓｉ3Ｎ4が少ないため、β−Ｓｉ3Ｎ4の
分布が不均一になり、気孔サイズがかなり大きくなって
焼成面強度が低下するものと考えられる。これに対し、
β−Ｓｉ3Ｎ4が多量に含まれる場合には、β−Ｓｉ3Ｎ4
へ転移するα−Ｓｉ3Ｎ4の量は少なく、結晶成長の核と
なるβ−Ｓｉ3Ｎ4は多く存在するが、この場合には、焼
結後のβ−Ｓｉ3Ｎ4の粒径が小さくなりすぎるととも
に、焼結前に成形体表面に存在する気孔を小さくするこ
とができず、結果として気孔サイズが大きくなり、同様
の弊害を生ずると考えられる。従って、原料粉末に含ま
れるβ−Ｓｉ3Ｎ4の量を本発明の方法のように制御する
ことにより、上記α→β転移の度合を適切なものとし、
気孔サイズを低減し焼成面強度を向上するものと推定で
きる。
Ｎ4が原料粉末に多量に含まれる場合には、β−Ｓｉ3Ｎ
4へ転移するα−Ｓｉ3Ｎ4の量が多く、また、結晶成長
の核となるβ−Ｓｉ3Ｎ4が少ないため、β−Ｓｉ3Ｎ4の
分布が不均一になり、気孔サイズがかなり大きくなって
焼成面強度が低下するものと考えられる。これに対し、
β−Ｓｉ3Ｎ4が多量に含まれる場合には、β−Ｓｉ3Ｎ4
へ転移するα−Ｓｉ3Ｎ4の量は少なく、結晶成長の核と
なるβ−Ｓｉ3Ｎ4は多く存在するが、この場合には、焼
結後のβ−Ｓｉ3Ｎ4の粒径が小さくなりすぎるととも
に、焼結前に成形体表面に存在する気孔を小さくするこ
とができず、結果として気孔サイズが大きくなり、同様
の弊害を生ずると考えられる。従って、原料粉末に含ま
れるβ−Ｓｉ3Ｎ4の量を本発明の方法のように制御する
ことにより、上記α→β転移の度合を適切なものとし、
気孔サイズを低減し焼成面強度を向上するものと推定で
きる。
【００１１】次に、本発明の窒化珪素焼結体について説
明する。本発明の焼結体は、焼成面の強度と加工面の強
度との差異が少ないことを特徴とする。例えば、本発明
の焼結体を、セラミックス製品の表面仕上げに一般的に
用いられる＃８００の砥粒で加工した場合には、表面粗
さが０．８ｓ程度になるが、この加工面を引張面とした
ときの室温における４点曲げ強度（抗折強度）に対する
焼成面を引張面としたときの室温における４点曲げ強度
の強度比は、０．７以上の値を示す。
明する。本発明の焼結体は、焼成面の強度と加工面の強
度との差異が少ないことを特徴とする。例えば、本発明
の焼結体を、セラミックス製品の表面仕上げに一般的に
用いられる＃８００の砥粒で加工した場合には、表面粗
さが０．８ｓ程度になるが、この加工面を引張面とした
ときの室温における４点曲げ強度（抗折強度）に対する
焼成面を引張面としたときの室温における４点曲げ強度
の強度比は、０．７以上の値を示す。
【００１２】更に、この強度比は、本発明の焼結体にお
いて、上記加工面を焼成面以外の任意の部分でとった場
合であっても満足される。即ち、この加工面を、本発明
の焼結体の焼成面近傍や該焼結体内部の中心近傍で発現
させても、上記の強度比が満足されることになる。この
強度比が０．７未満の場合には、焼成面強度が十分では
なく、この焼成面を最終製品の製品表面に供することは
実用上好ましくない。また、焼成面自体の室温強度は、
６５０ＭＰａより大きいのが好ましく、７００ＭＰａが
更に好ましい。
いて、上記加工面を焼成面以外の任意の部分でとった場
合であっても満足される。即ち、この加工面を、本発明
の焼結体の焼成面近傍や該焼結体内部の中心近傍で発現
させても、上記の強度比が満足されることになる。この
強度比が０．７未満の場合には、焼成面強度が十分では
なく、この焼成面を最終製品の製品表面に供することは
実用上好ましくない。また、焼成面自体の室温強度は、
６５０ＭＰａより大きいのが好ましく、７００ＭＰａが
更に好ましい。
【００１３】更に、本発明の焼結体の焼成面における気
孔サイズは、５０×５０μｍ以下であるのが好ましい。
ここで、「気孔サイズ」とは、窒化珪素焼結体に外力を
負荷して破壊した場合に、その破壊の起点部分に存在す
る気孔の大きさをいい、楕円状をなす気孔の場合には長
軸長をａとし、短軸長をｂとし、「ａ×ｂ」で表すもの
とする。また、開口した欠陥の場合には、開口した部分
の長さをａ、深さ方向の長さをｂとして「ａ×ｂ」で表
すものとする。これは、焼成面を引張面とする焼結体が
破壊された際には、このような気孔から亀裂や割れを生
じていることに基づくものである。気孔サイズが５０×
５０μｍを超えると、焼結体の強度が低下するのみなら
ず、耐酸化性も低下するので好ましくない。
孔サイズは、５０×５０μｍ以下であるのが好ましい。
ここで、「気孔サイズ」とは、窒化珪素焼結体に外力を
負荷して破壊した場合に、その破壊の起点部分に存在す
る気孔の大きさをいい、楕円状をなす気孔の場合には長
軸長をａとし、短軸長をｂとし、「ａ×ｂ」で表すもの
とする。また、開口した欠陥の場合には、開口した部分
の長さをａ、深さ方向の長さをｂとして「ａ×ｂ」で表
すものとする。これは、焼成面を引張面とする焼結体が
破壊された際には、このような気孔から亀裂や割れを生
じていることに基づくものである。気孔サイズが５０×
５０μｍを超えると、焼結体の強度が低下するのみなら
ず、耐酸化性も低下するので好ましくない。
【００１４】更にまた、焼成面の表面粗度Ｒmaxは、１
５μｍ以下であるのが好ましい。１５μｍを超えると、
焼結体の強度が低下するため好ましくない。また、焼成
面に存在する窒化珪素柱状粒子の大きさは、短軸長４μ
ｍ×長軸長５０μｍ以下であるのが好ましい。この値を
超えると、柱状粒子が破壊の起点となるとなるため強度
の低下を招き好ましくない。更に、本発明の焼結体は、
肉薄体のみならず肉厚体としても優れた性質を有し、肉
厚体、例えば、肉厚が２０〜１５０ｍｍ程度の場合でも
優れた性質を有し、種々の用途に適用可能である。
５μｍ以下であるのが好ましい。１５μｍを超えると、
焼結体の強度が低下するため好ましくない。また、焼成
面に存在する窒化珪素柱状粒子の大きさは、短軸長４μ
ｍ×長軸長５０μｍ以下であるのが好ましい。この値を
超えると、柱状粒子が破壊の起点となるとなるため強度
の低下を招き好ましくない。更に、本発明の焼結体は、
肉薄体のみならず肉厚体としても優れた性質を有し、肉
厚体、例えば、肉厚が２０〜１５０ｍｍ程度の場合でも
優れた性質を有し、種々の用途に適用可能である。
【００１５】次に、本発明の焼結体の製造方法について
説明する。まず、α−Ｓｉ3Ｎ4とβ−Ｓｉ3Ｎ4とを、次
式 β／α＋β＝０．０５〜０．５０ （式中のαは、α−Ｓｉ3Ｎ4の重量、βは、β−Ｓｉ3
Ｎ4の重量を示す。）で表される関係を満足するように
混合する。この際、α−Ｓｉ3Ｎ4原料粉末の平均粒径は
０．３〜１．０μｍ、β−Ｓｉ3Ｎ4原料粉末の平均粒径
は０．３〜３μｍとするのが好ましい。これは、α−Ｓ
ｉ3Ｎ4の平均粒子径が１．０μｍ以上であると焼結性の
低下を招き、β−Ｓｉ3Ｎ4の平均粒子径が３μｍを超え
ると焼結体として得られるβ−Ｓｉ3Ｎ4の柱状粒子の短
径の大きさが３μｍ以上となり好ましくないからであ
る。また、α−Ｓｉ3Ｎ4原料粉末を、例えば３００〜８
００℃に制御された加熱炉内で１〜２０時間流動させた
り、水分量を制御した３０〜８０℃の泥漿中で攪拌する
こと等により、α−Ｓｉ3Ｎ4原料粉末の酸素含有量を増
大させることができる。かかる処理を施すことにより、
得られるＳｉ3Ｎ4焼結体の強度等を一層向上させること
ができるので、施すのが好ましい。
説明する。まず、α−Ｓｉ3Ｎ4とβ−Ｓｉ3Ｎ4とを、次
式 β／α＋β＝０．０５〜０．５０ （式中のαは、α−Ｓｉ3Ｎ4の重量、βは、β−Ｓｉ3
Ｎ4の重量を示す。）で表される関係を満足するように
混合する。この際、α−Ｓｉ3Ｎ4原料粉末の平均粒径は
０．３〜１．０μｍ、β−Ｓｉ3Ｎ4原料粉末の平均粒径
は０．３〜３μｍとするのが好ましい。これは、α−Ｓ
ｉ3Ｎ4の平均粒子径が１．０μｍ以上であると焼結性の
低下を招き、β−Ｓｉ3Ｎ4の平均粒子径が３μｍを超え
ると焼結体として得られるβ−Ｓｉ3Ｎ4の柱状粒子の短
径の大きさが３μｍ以上となり好ましくないからであ
る。また、α−Ｓｉ3Ｎ4原料粉末を、例えば３００〜８
００℃に制御された加熱炉内で１〜２０時間流動させた
り、水分量を制御した３０〜８０℃の泥漿中で攪拌する
こと等により、α−Ｓｉ3Ｎ4原料粉末の酸素含有量を増
大させることができる。かかる処理を施すことにより、
得られるＳｉ3Ｎ4焼結体の強度等を一層向上させること
ができるので、施すのが好ましい。
【００１６】次に、得られた混合粉末に対し、この混合
粉末と添加する焼結助剤との合計量の３〜２５重量％の
希土類元素酸化物、金属炭化物等の焼結助剤を添加す
る。この焼結助剤としては、特に限定されるものではな
く、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、ＭｏＣ2、ＳｉＣ等
を例示できる。次いで、得られた混合物を、例えば、窒
化珪素玉石を用いて混合粉砕し、乾燥して成形用粉末を
得る。
粉末と添加する焼結助剤との合計量の３〜２５重量％の
希土類元素酸化物、金属炭化物等の焼結助剤を添加す
る。この焼結助剤としては、特に限定されるものではな
く、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、ＭｏＣ2、ＳｉＣ等
を例示できる。次いで、得られた混合物を、例えば、窒
化珪素玉石を用いて混合粉砕し、乾燥して成形用粉末を
得る。
【００１７】次に、得られた成形用粉末を、プレス成
形、押出成形、鋳込み成形等の方法で成形することによ
り所望形状を有する成形体を得る。そして、得られた成
形体を、１気圧以上の窒素雰囲気下約１８００〜２００
０℃で約２〜８時間焼成することにより、Ｓｉ3Ｎ4焼結
体を得ることができる。かかる焼成に際し、焼成時の窒
素雰囲気圧力と温度は、窒化珪素が分解しないような範
囲内に制御するのが好ましい。また、焼成後、所要に応
じて、約１０００〜１５００℃の大気雰囲気中で約０．
５〜１０時間の熱処理を施してもよい。
形、押出成形、鋳込み成形等の方法で成形することによ
り所望形状を有する成形体を得る。そして、得られた成
形体を、１気圧以上の窒素雰囲気下約１８００〜２００
０℃で約２〜８時間焼成することにより、Ｓｉ3Ｎ4焼結
体を得ることができる。かかる焼成に際し、焼成時の窒
素雰囲気圧力と温度は、窒化珪素が分解しないような範
囲内に制御するのが好ましい。また、焼成後、所要に応
じて、約１０００〜１５００℃の大気雰囲気中で約０．
５〜１０時間の熱処理を施してもよい。
【００１８】
【実施例】以下、本発明を実施例及び比較例により詳細
に説明するが、本発明はこれに限定されるものではな
い。 （実施例１〜６）純度９７重量％、酸素含有率１．４０
重量％、ＢＥＴ比表面積１２．０ｍ2／ｇのα−Ｓｉ3Ｎ
4粉末と、純度９８重量％、酸素含有率０．８重量％、
ＢＥＴ比表面積９．０ｍ2／ｇのβ−Ｓｉ3Ｎ4粉末を表
１に示すような比率で配合した。得られた混合粉末に対
し、焼結助剤として、平均粒径０．７μｍ、ＢＥＴ比表
面積１０．０ｍ2／ｇのＹ2Ｏ3、平均粒径１．５μｍ、
ＢＥＴ比表面積２．０ｍ2／ｇのＭｏＣ2及び平均粒径
０．２μｍ、ＢＥＴ比表面積２０．０ｍ2／ｇのＳｉＣ
を添加した。但し、上記混合粉末と添加する焼結助剤と
の合計量に対し、それぞれ８重量％（Ｙ2Ｏ3）、２重量
％（ＭｏＣ2）、１重量％（ＳｉＣ）の割合で添加し
た。
に説明するが、本発明はこれに限定されるものではな
い。 （実施例１〜６）純度９７重量％、酸素含有率１．４０
重量％、ＢＥＴ比表面積１２．０ｍ2／ｇのα−Ｓｉ3Ｎ
4粉末と、純度９８重量％、酸素含有率０．８重量％、
ＢＥＴ比表面積９．０ｍ2／ｇのβ−Ｓｉ3Ｎ4粉末を表
１に示すような比率で配合した。得られた混合粉末に対
し、焼結助剤として、平均粒径０．７μｍ、ＢＥＴ比表
面積１０．０ｍ2／ｇのＹ2Ｏ3、平均粒径１．５μｍ、
ＢＥＴ比表面積２．０ｍ2／ｇのＭｏＣ2及び平均粒径
０．２μｍ、ＢＥＴ比表面積２０．０ｍ2／ｇのＳｉＣ
を添加した。但し、上記混合粉末と添加する焼結助剤と
の合計量に対し、それぞれ８重量％（Ｙ2Ｏ3）、２重量
％（ＭｏＣ2）、１重量％（ＳｉＣ）の割合で添加し
た。
【００１９】得られた混合物２０ｋｇを、窒化珪素質玉
石４０ｇ及び水とともに内容積１００ｌの媒体攪拌型粉
砕機に投入し、３時間粉砕した。次いで、乾燥して水分
を蒸発させ、平均粒径５０μｍに造粒して成形用粉末を
得た。次に、この成形用粉末を２００ｋｇ／ｃｍ2でプ
レス成形した後、５ｔｏｎ／ｃｍ2の圧力で静水圧加圧
し、８０×８０×６ｍｍ（厚さ）の成形体を得た。そし
て、この成形体を９．５気圧の窒素雰囲気下１９００℃
で３時間焼成して約６７×６７×５ｍｍ（厚さ）の窒化
珪素焼結体を得た。
石４０ｇ及び水とともに内容積１００ｌの媒体攪拌型粉
砕機に投入し、３時間粉砕した。次いで、乾燥して水分
を蒸発させ、平均粒径５０μｍに造粒して成形用粉末を
得た。次に、この成形用粉末を２００ｋｇ／ｃｍ2でプ
レス成形した後、５ｔｏｎ／ｃｍ2の圧力で静水圧加圧
し、８０×８０×６ｍｍ（厚さ）の成形体を得た。そし
て、この成形体を９．５気圧の窒素雰囲気下１９００℃
で３時間焼成して約６７×６７×５ｍｍ（厚さ）の窒化
珪素焼結体を得た。
【００２０】（性能評価） （１）焼成面強度 得られた窒化珪素焼結体について、後加工を施さずに焼
成面を引張面とし、引張面粗度以外はＪＩＳ Ｒ １６
０１に準拠した４点曲げ強度（抗折強度）試験を室温及
び１４００℃で行い、得られた結果を表１に示した。 （２）気孔サイズ 焼成面強度を測定した試験片の破壊部分を走査型電子顕
微鏡で観察し、破壊部分の起点に存在する気孔を試料毎
に検査した。５個以上の試料について気孔サイズを測定
し、得られた結果の平均値を表１に示す。
成面を引張面とし、引張面粗度以外はＪＩＳ Ｒ １６
０１に準拠した４点曲げ強度（抗折強度）試験を室温及
び１４００℃で行い、得られた結果を表１に示した。 （２）気孔サイズ 焼成面強度を測定した試験片の破壊部分を走査型電子顕
微鏡で観察し、破壊部分の起点に存在する気孔を試料毎
に検査した。５個以上の試料について気孔サイズを測定
し、得られた結果の平均値を表１に示す。
【００２１】（３）窒化珪素柱状粒子の大きさ 窒化珪素焼結体（加工前）の表面（焼成面）を走査型電
子顕微鏡で観察し、焼成面の柱状粒子を１００個無作為
に抽出し、その柱状粒子の短径と長径の大きさの平均値
を表１に示した。 （４）表面粗度 焼成面の表面粗度Ｒmaxを表面粗さ計にて測定し、その
結果を表１に示した。
子顕微鏡で観察し、焼成面の柱状粒子を１００個無作為
に抽出し、その柱状粒子の短径と長径の大きさの平均値
を表１に示した。 （４）表面粗度 焼成面の表面粗度Ｒmaxを表面粗さ計にて測定し、その
結果を表１に示した。
【００２２】（５）加工面強度 窒化珪素焼結体を＃８００の砥粒を用いて表面粗度が
０．８ｓ以下になるように加工し、この加工を施した焼
結体について、上記同様に常温及び１４００℃で４点曲
げ強度試験を行った。この際、引張面は、得られた５ｍ
ｍ厚焼結体内部の中心部近傍でとった。得られた結果を
表１に示す。また、加工面の室温強度に対する焼成面の
室温強度の強度比（σas／σ#800）を併記した。
０．８ｓ以下になるように加工し、この加工を施した焼
結体について、上記同様に常温及び１４００℃で４点曲
げ強度試験を行った。この際、引張面は、得られた５ｍ
ｍ厚焼結体内部の中心部近傍でとった。得られた結果を
表１に示す。また、加工面の室温強度に対する焼成面の
室温強度の強度比（σas／σ#800）を併記した。
【００２３】（比較例１〜７）α−Ｓｉ3Ｎ4粉末とβ−
Ｓｉ3Ｎ4粉末との配合比率を表１に示すように変化させ
た以外は、実施例１〜６と同様の操作を行い、窒化珪素
焼結体を得た。上記と同様の性能評価を行い、得られた
結果を表１に示した。
Ｓｉ3Ｎ4粉末との配合比率を表１に示すように変化させ
た以外は、実施例１〜６と同様の操作を行い、窒化珪素
焼結体を得た。上記と同様の性能評価を行い、得られた
結果を表１に示した。
【００２４】（実施例７〜１４、比較例８〜１１）α−
Ｓｉ3Ｎ4粉末とβ−Ｓｉ3Ｎ4粉末の配合比率、焼結助剤
の種類及び添加量、並びに焼成条件を表２に示すように
変化させた以外は、実施例１〜６と同様の操作及び性能
評価を行い、得られた結果を表３に示した。但し、用い
た焼結助剤の性状は、下記の通りである。 Ｙｂ2Ｏ3 ・・・平均粒径０．５μｍ、ＢＥＴ比表面積９．０ｍ2／ｇ Ｅｒ2Ｏ3 ・・・平均粒径０．６μｍ、ＢＥＴ比表面積９．０ｍ2／ｇ Ｓｃ2Ｏ3 ・・・平均粒径０．９μｍ、ＢＥＴ比表面積９．０ｍ2／ｇ ＷＣ ・・・平均粒径０．６μｍ、ＢＥＴ比表面積２．５ｍ2／ｇ ＮｂＣ ・・・平均粒径２．０μｍ、ＢＥＴ比表面積３．０ｍ2／ｇ ＭｏＳｉ2・・・平均粒径３．０μｍ、ＢＥＴ比表面積４．０ｍ2／ｇ ＷＳｉ2 ・・・平均粒径３．０μｍ、ＢＥＴ比表面積３．０ｍ2／ｇ
Ｓｉ3Ｎ4粉末とβ−Ｓｉ3Ｎ4粉末の配合比率、焼結助剤
の種類及び添加量、並びに焼成条件を表２に示すように
変化させた以外は、実施例１〜６と同様の操作及び性能
評価を行い、得られた結果を表３に示した。但し、用い
た焼結助剤の性状は、下記の通りである。 Ｙｂ2Ｏ3 ・・・平均粒径０．５μｍ、ＢＥＴ比表面積９．０ｍ2／ｇ Ｅｒ2Ｏ3 ・・・平均粒径０．６μｍ、ＢＥＴ比表面積９．０ｍ2／ｇ Ｓｃ2Ｏ3 ・・・平均粒径０．９μｍ、ＢＥＴ比表面積９．０ｍ2／ｇ ＷＣ ・・・平均粒径０．６μｍ、ＢＥＴ比表面積２．５ｍ2／ｇ ＮｂＣ ・・・平均粒径２．０μｍ、ＢＥＴ比表面積３．０ｍ2／ｇ ＭｏＳｉ2・・・平均粒径３．０μｍ、ＢＥＴ比表面積４．０ｍ2／ｇ ＷＳｉ2 ・・・平均粒径３．０μｍ、ＢＥＴ比表面積３．０ｍ2／ｇ
【００２５】 （実施例１５及び１６、２０、比較例１２及び１３）α
−Ｓｉ3Ｎ4粉末を、粉末と水分の合計量に対して水分５
０重量％及び温度５０℃の条件下アトライターミルを用
いて５時間攪拌処理し、α−Ｓｉ3Ｎ4粉末の酸素含有率
を１．４０重量％から１．５０重量％に増大させた。ま
た、焼結助剤の種類及び添加量を表４に示すものとした
以外は、実施例１〜６と同様の操作及び性能評価を行
い、得られた結果を表５に示した。但し、焼結助剤の性
状については上記と同様である。
−Ｓｉ3Ｎ4粉末を、粉末と水分の合計量に対して水分５
０重量％及び温度５０℃の条件下アトライターミルを用
いて５時間攪拌処理し、α−Ｓｉ3Ｎ4粉末の酸素含有率
を１．４０重量％から１．５０重量％に増大させた。ま
た、焼結助剤の種類及び添加量を表４に示すものとした
以外は、実施例１〜６と同様の操作及び性能評価を行
い、得られた結果を表５に示した。但し、焼結助剤の性
状については上記と同様である。
【００２６】（実施例１７〜１９、比較例１４及び１
５）α−Ｓｉ3Ｎ4粉末を電気炉中５００℃で５時間処理
し、その酸素含有率を１．４０重量％から１．５５重量
％に増大した以外は、実施例１〜６と同様の操作及び性
能評価を行い、得られた結果を表４及び５に示した。但
し、焼結助剤の性状については上記と同様である。
５）α−Ｓｉ3Ｎ4粉末を電気炉中５００℃で５時間処理
し、その酸素含有率を１．４０重量％から１．５５重量
％に増大した以外は、実施例１〜６と同様の操作及び性
能評価を行い、得られた結果を表４及び５に示した。但
し、焼結助剤の性状については上記と同様である。
【００２７】（実施例２１〜２４、比較例１６〜１８）
α−Ｓｉ3Ｎ4粉末として、純度９７重量％、平均粒径
０．６μｍ、酸素含有量１．３重量％及びＢＥＴ比表面
積１２ｍ2／ｇ（α含有率９８％）のもの、β−Ｓｉ3Ｎ
4粉末として、純度９８重量％、平均粒径０．８μｍ、
酸素含有量１．０重量％、ＢＥＴ比表面積９ｍ2／ｇ
（β含有率９５％）のものを用い、表６に示す配合比
率、焼成条件とした以外は、実施例１〜６と同様の操作
及び性能評価を行い、得られた結果を表６に示した。
α−Ｓｉ3Ｎ4粉末として、純度９７重量％、平均粒径
０．６μｍ、酸素含有量１．３重量％及びＢＥＴ比表面
積１２ｍ2／ｇ（α含有率９８％）のもの、β−Ｓｉ3Ｎ
4粉末として、純度９８重量％、平均粒径０．８μｍ、
酸素含有量１．０重量％、ＢＥＴ比表面積９ｍ2／ｇ
（β含有率９５％）のものを用い、表６に示す配合比
率、焼成条件とした以外は、実施例１〜６と同様の操作
及び性能評価を行い、得られた結果を表６に示した。
【００２８】一方、表６に示した条件において、８０×
８０×２４ｍｍ（厚さ）、１００×１００×６０ｍｍ
（厚さ）及び１５０×１５０×１２０ｍｍ（厚さ）の成
形体を処理し、それぞれ厚さが２０ｍｍ、５０ｍｍ及び
１００ｍｍの肉厚焼結体を製造した。これら焼結体の焼
成面強度及び加工面強度を測定し、得られた結果を表７
に示した。但し、強度測定に関しては、焼成面から５０
０μｍ研削して得られた加工面を引張面とする場合（焼
結体外部）と、焼結体の厚みの半分の厚さの部分（面）
を引張面とする場合（焼結体内部）との２態様につき測
定した。焼結体外部と内部に関する室温強度比：（σas
／σout）及び（σas／σin）を併記する。
８０×２４ｍｍ（厚さ）、１００×１００×６０ｍｍ
（厚さ）及び１５０×１５０×１２０ｍｍ（厚さ）の成
形体を処理し、それぞれ厚さが２０ｍｍ、５０ｍｍ及び
１００ｍｍの肉厚焼結体を製造した。これら焼結体の焼
成面強度及び加工面強度を測定し、得られた結果を表７
に示した。但し、強度測定に関しては、焼成面から５０
０μｍ研削して得られた加工面を引張面とする場合（焼
結体外部）と、焼結体の厚みの半分の厚さの部分（面）
を引張面とする場合（焼結体内部）との２態様につき測
定した。焼結体外部と内部に関する室温強度比：（σas
／σout）及び（σas／σin）を併記する。
【００２９】
【表１】
【００３０】
【表２】
【００３１】
【表３】
【００３２】
【表４】
【００３３】
【表５】
【００３４】
【表６】
【００３５】
【表７】
【００３６】表１〜表５に示したように、本発明の範囲
に属する実施例１〜２０の窒化珪素焼結体は、加工面と
焼成面との強度差が小さく、気孔サイズが小さいことが
わかる。また、表５に示したように、α−Ｓｉ3Ｎ4粉末
に酸素富化処理を施すことにより、得られる窒化珪素焼
結体の性能が一層向上することがわかる。更に、実施例
２１〜２４に示したように、本発明の焼結体において
は、焼結体内部及び外部においても、上述の強度比が保
たれており、優れた強度特性を示すことがわかる。
に属する実施例１〜２０の窒化珪素焼結体は、加工面と
焼成面との強度差が小さく、気孔サイズが小さいことが
わかる。また、表５に示したように、α−Ｓｉ3Ｎ4粉末
に酸素富化処理を施すことにより、得られる窒化珪素焼
結体の性能が一層向上することがわかる。更に、実施例
２１〜２４に示したように、本発明の焼結体において
は、焼結体内部及び外部においても、上述の強度比が保
たれており、優れた強度特性を示すことがわかる。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
β−Ｓｉ3Ｎ4の原料粉末への配合比率を特定の値にする
ことにしたため、焼成面の強度に優れ、最終製品の製造
をコストダウンできる窒化珪素焼結体及びその製造方法
を提供することができる。即ち、得られた焼結体を後加
工して製品に必要とされる強度を付与しなくてもよく、
成形体を、加工代を見込まないニアネットシェイプで作
成した場合には、焼結体について後加工が不要となると
いう利点がある。また、肉厚焼結体においても、良好な
強度特性を示し、窒化珪素焼結体の用途を拡大すること
ができる。
β−Ｓｉ3Ｎ4の原料粉末への配合比率を特定の値にする
ことにしたため、焼成面の強度に優れ、最終製品の製造
をコストダウンできる窒化珪素焼結体及びその製造方法
を提供することができる。即ち、得られた焼結体を後加
工して製品に必要とされる強度を付与しなくてもよく、
成形体を、加工代を見込まないニアネットシェイプで作
成した場合には、焼結体について後加工が不要となると
いう利点がある。また、肉厚焼結体においても、良好な
強度特性を示し、窒化珪素焼結体の用途を拡大すること
ができる。
Claims (4)
- 【請求項１】 窒化珪素と希土類元素化合物から実質的
に成る窒化珪素焼結体において、引張面の表面粗さを
０．８ｓに加工したときの室温での抗折強度に対する、
焼成面をそのまま引張面にしたときの室温での抗折強度
の強度比が０．７以上であり、且つこの強度比が、０．
８ｓに加工する引張面を焼成面以外の任意の部分でとっ
た場合にも満足されることを特徴とする窒化珪素焼結
体。 - 【請求項２】 上記焼成面における気孔サイズが５０×
５０μｍ以下であり、その室温での抗折強度が６５０Ｍ
Ｐａ以上であることを特徴とする請求項１記載の焼結
体。 - 【請求項３】 上記焼成面における表面粗度Ｒmaxが１
５μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載
の焼結体。 - 【請求項４】 窒化珪素と希土類元素化合物を含有する
窒化珪素焼結体を製造するに当たり、α−Ｓｉ3Ｎ4粉末
とβ−Ｓｉ3Ｎ4粉末とが、次式 β／α＋β＝０．０５〜０．５０ （式中のαは、α−Ｓｉ3Ｎ4の重量、βは、β−Ｓｉ3
Ｎ4の重量を示す。）で表される関係を満足する原料粉
末を焼結助剤と混合し、次いで、得られた成形用粉末を
成形し、しかる後、得られた成形体を１気圧以上の窒素
雰囲気下１８００〜２０００℃で焼成することを特徴と
する窒化珪素焼結体の製造方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5009481A JP2670221B2 (ja) | 1993-01-22 | 1993-01-22 | 窒化珪素焼結体及びその製造方法 |
| DE4401589A DE4401589C5 (de) | 1993-01-22 | 1994-01-20 | Siliziumnitridkeramik und Verfahren zur Herstellung der Nitridkeramik |
| US08/589,171 US5691261A (en) | 1993-01-22 | 1996-01-22 | Silicon nitride ceramic |
| US08/905,025 US5804521A (en) | 1993-01-22 | 1997-08-01 | Process for production of a silicon nitride ceramic |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5009481A JP2670221B2 (ja) | 1993-01-22 | 1993-01-22 | 窒化珪素焼結体及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06219840A true JPH06219840A (ja) | 1994-08-09 |
| JP2670221B2 JP2670221B2 (ja) | 1997-10-29 |
Family
ID=11721444
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5009481A Expired - Lifetime JP2670221B2 (ja) | 1993-01-22 | 1993-01-22 | 窒化珪素焼結体及びその製造方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5691261A (ja) |
| JP (1) | JP2670221B2 (ja) |
| DE (1) | DE4401589C5 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5945363A (en) * | 1996-08-20 | 1999-08-31 | Ngk Insulators, Ltd. | Silicon nitride sintered material |
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