JPH0633171B2 - 窒化珪素質焼結体及びその製造方法 - Google Patents

窒化珪素質焼結体及びその製造方法

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JPH0633171B2
JPH0633171B2 JP63309824A JP30982488A JPH0633171B2 JP H0633171 B2 JPH0633171 B2 JP H0633171B2 JP 63309824 A JP63309824 A JP 63309824A JP 30982488 A JP30982488 A JP 30982488A JP H0633171 B2 JPH0633171 B2 JP H0633171B2
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哲郎 野瀬
重治 松林
正憲 植木
利光 藤井
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    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/584Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、機械的強度および靭性の優れた高密度窒化珪
素質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 窒化珪素は共有結合性の強い物質であり単味では焼結が
困難であるため、種々の添加物を加えて焼結することが
行われている。例えば酸化イットリウムと酸化アルミニ
ウムを添加した系では、耐熱衝撃性においては優れたも
のが得られているが、耐熱性、機械的強度、靭性に劣っ
ている場合があった。
耐熱性を向上させることを目的として、特開昭62−2077
66公報に開示されている酸化イットリウム+酸化アルミ
ニウム+窒化アルミニウムを添加した系、特開昭62−20
7765公報に開示されている酸化イットリウム+酸化セリ
ウム+酸化マグネシウムを添加した系などが試みられて
おり、耐熱性の向上等に効果が認められることが知られ
ている。
また、特開昭58-41770公報では酸化イットリウム+酸化
アルミニウム+窒化アルミニウム+各種珪化物を添加し
た系で高温酸化性雰囲気下にあっても機械的強度の低下
が小さい窒化珪素焼結体の作製を試みている。
発明が解決しようとする課題 ところが、上記材料では、耐熱衝撃性、耐熱性は優れる
ものの、機械的強度及び靭性を飛躍的に改善するには至
っていないため、より厳しい使用環境下、特に高応力の
生じる構造部材へ適用するに当たっては信頼性に欠ける
等の問題点があった。従って、耐熱性の向上に加えて、
機械的強度および靭性の向上したものが望まれる。
本発明は上記の如き課題を解決するために行われたもの
である。本発明の目的は、高密度で、高い機械的強度お
よび高い靭性を示し、しかも高温酸化性雰囲気下であっ
ても機械的強度の低下が小さい等の耐熱性を有する窒化
珪素質焼結体及びその製造方法を提供することにある。
課題を解決するための手段 本発明の窒化珪素質焼結体は、1種類以上の希土類酸化
物1〜15重量%、酸化マグネシウム1〜8重量%、珪化
チタンおよび珪化ジルコニウムより選ばれた少なくとも
1種の珪化物 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ものである。
本発明の焼結体は、希土類酸化物が少なくとも一種類以
上含まれるが、本発明の希土類酸化物としては、例え
ば、酸化イットリウム、酸化セリウム、酸化ランタン等
が挙げられる。
希土類元素の酸化物は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に促進させる機能を持ち、
更に窒化珪素の柱状結晶粒を生成することにより高温強
度を向上させる。
これらの成分の合計が、15重量%を超えると得られた焼
結体の高温での機械的強度が低下するので、15重量%以
下であることが好ましい。また1重量%より少ないと融
液が不十分で十分な緻密化がなされないため好ましくな
い。従ってその添加量としては1〜15重量%の範囲であ
ることが望ましいが、特に十分に高い機械的強度、靭性
を得るためには3〜10重量%の範囲であることがより好
ましい。
酸化マグネシウムは上記希土類酸化物と共に焼結時に液
相を形成するが、その融点を希土類酸化物単味の場合に
比べて低下させる効果を持ち、より結晶相転移を促進
し、ひいては緻密化を助長する作用を持つ。また、酸化
マグネシウムが含まれると焼結過程で生成する柱状粒の
アスペクト比(長軸と短軸の比)が大きくなり、かつ短
軸の径が大きくなる性質を有するため靭性の向上が図ら
れる。本発明の焼結体は、1〜8重量%の酸化マグネシ
ウムからなるが、8重量%より多いと組織の均質性が損
なわれ、また1重量%より少ないと十分なアスペクト比
が得られない。特に高い靭性の焼結体を得るためには1
〜6重量%の範囲であることがより望ましい。
珪化チタン及び珪化ジルコニウムは、いずれも焼結時に
上記希土類酸化物と酸化マグネシウムとで形成する融液
中で窒化珪素がα相からβ相へ転移する際の核として作
用すると考えられ、相転移を促進すると共に組織の均質
化にも寄与し、特に大型の焼結体を焼成する場合に安定
して均質な焼結体が得られる。本発明の焼結体では珪化
チタンおよび珪化ジルコニウムより選ばれた少なくとも
1種の珪化物が0.1〜3重量%含まれるが、3重量%よ
り多く添加すると高温での機械的強度が低下し、また
0.1重量%より少ないと組織の均質化に充分寄与が認め
られない。
本発明の窒化珪素質焼結体には、1種類以上の希土類酸
化物1〜15重量%、酸化マグネシウム1〜8重量%、珪
化チタンおよび珪化ジルコニウムより選ばれた少なくと
も1種の珪化物 0.1〜 3重量%が含まれるが、これら組
成の組み合わせにより初めて本課題が達成された。
本発明の窒化珪素質焼結体の製造方法は、1種類以上の
希土類酸化物1〜15重量%、酸化マグネシウム1〜8重
量%、珪化チタンおよび珪化ジルコニウムより選ばれた
少なくとも1種の珪化物 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、該成形体を窒素ガスを
含む雰囲気中で焼結するものである。
本発明において使用される窒化珪素粉末は、α型の結晶
構造をもつ窒化珪素粉末が焼結性の点から好ましいが、
β型あるいは非晶質窒化珪素粉末が含まれていてもかま
わない。焼結時に十分に高い嵩密度とするためには、平
均粒径5μm以下の微粒子である。焼結助剤として添加
する希土類酸化物、酸化マグネシウム、各種珪化物も均
質かつ高密度の焼結体を得るためには平均粒径が10μm
以下の微粒子であることが好ましい。
本発明方法においては、これらの各成分の混合はアセト
ンもしくはn-ヘキサン等の溶媒を用い、窒化珪素もしく
は炭化珪素のポット及びボールを用いて遊星型混合機で
行なう。このように調整された混合粉末を加圧成形し所
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10〜10
0MPa、2次静水圧成形圧 150〜700MPaで成形する。
この成形体を1600〜2000℃で加熱焼結し、焼結体を得
る。焼結方法としては、常圧焼結法、ホットプレス焼結
法、ガス圧焼結法、熱間静水圧プレス焼結法の何れの方
法も用いることが可能であり、更に一種もしくは複数の
焼結法を組み合わせることも可能である。
焼結時の雰囲気は窒化珪素の高温での分解を抑制するた
めの窒化ガスを含む雰囲気であることが好ましい。窒化
珪素は窒素ガス1気圧下では約1800℃以上で分解が生じ
るため、1800℃以上で焼結する際は、その焼結温度の窒
素ガス圧をその温度における窒化珪素の分解臨界圧力以
上に設定する必要がある。
焼結の際には、1500〜1600℃で希土類酸化物、酸化マグ
ネシウム及び珪化チタン、珪化ジルコニウムなどの液相
を均一に分布させるために30分以上保持し、充分に窒化
珪素を濡らさせる。さらに、1600〜2000℃で上記液相中
に窒化珪素が溶解し再析出することで結晶相転移が生じ
ると伴に、緻密化し焼結する。この溶解・再析出過程
で、融液中の固溶限界があるため、30分以上の保持が必
要である。
作用 本発明の窒化珪素質焼結体には、1種類以上の希土類酸
化物、酸化マグネシウム、珪化チタンおよび珪化ジルコ
ニウムより選ばれた少なくとも1種の珪化物が含まれる
が、これら組成の組み合わせにより、得られた焼結体は
柱状結晶粒が絡み合いかつ均質な組織を呈し、抗折強さ
が室温で1000 MPa以上の高強度、靭性が 6.5MPam1/2以
上の高靭性を有する。また、高温酸化性雰囲気下であっ
ても機械的強度の低下が小さい等の耐熱性を有するため
構造材料としての信頼性が高い。
特に高い機械的強度を有する焼結体を得るためには、ホ
ットプレス法を用いると室温における抗折強さが1500 M
Pa程度と極めて高い焼結体が得られている。また複雑形
状の焼結体を得るためには、常圧焼結法、ガス圧焼結
法、熱間静水圧プレス焼結法を用いることが好ましい
が、特に高い靭性を有する焼結体を得るためにはガス圧
焼結法を用いることが望ましい。常圧焼結後ガス圧焼結
を施したものでは、柱状粒がよく発達するため、靭性値
ICが 8.6MPam1/2と極めて高い焼結体が得られてい
る。
実施例 次に本発明の実施例を比較例と共に説明する。
実施例1 窒化珪素粉末(平均粒径 0.5μm、α化率97%以上)に
希土類酸化物粉末、酸化マグネシウム粉末、及び各種珪
化物粉末を第1表に示す所定量(重量%)添加し、溶媒
としてアセトンを用いて窒化珪素製ボールミルで24時間
混練した。
なお、用いた希土類酸化物粉末は、酸化イットリウム粉
末としてY2O3粉末(平均粒径 0.3μm)、酸化セリウム
粉末としてCeO2粉末(平均粒径1.0 μm)、酸化ランタ
ン粉末としてLa2O3粉末(平均粒径1.0 μm)である。
酸化マグネシウム粉末はMgO 粉末(平均粒径 0.2μm)
である。各種珪化物は、珪化チタンとしてTiSi2粉末
(平均粒径 2μm)、珪化ジルコニウムとしてZrSi2
末(平均径 2μm)である。
次いで得られた混合粉末を乾燥、成形後焼結した。成形
条件としては金型1軸成形圧100MPa、冷間静水圧による
加圧700MPaとし、50mm×50mm×10mmの板状体を得た。常
圧焼結条件としては窒素ガス雰囲気大気圧中、1600℃の
温度にて2時間保持後、1750℃の温度にて5時間保持で
ある。
ガス圧焼結の場合は、予め上記常圧焼結を施した後、窒
素ガス雰囲気中4MPa の気圧下で、温度2000℃、保持時
間1時間の条件で行った。
また、熱間静水圧プレス焼結の場合は、ガス圧焼結と同
様の予め上記常圧焼結を施した後、窒素ガス雰囲気中10
0 MPa の気圧下で、温度1800℃、保持時間1時間の条件
で行った。
本発明により得られた各焼結体の特性を焼結助剤の添加
量、焼結条件と共に第1表に示す。機械的強度について
は、JIS R1601 に準拠し室温及び窒素雰囲気中1200℃に
て3点曲げ試験を行い抗折強さとして測定した。靭性に
ついてはSEPB(Single Edge Pre-cracked Beam)法によ
り破壊靭性値KICを測定した。
第1表に示すように、本発明の実施例によるものは抗折
強さ、靭性共に優れるが、比較例に該当する試料では本
発明の実施例と比べて特に室温抗折強さ及び靭性が劣る
ことが確認された。
実施例2 前記実施例1と同様に混合粉末を作製し、ホットプレス
焼結により焼結体を作製した。ホットプレス条件は黒鉛
ダイス中にて窒素ガス雰囲気中、40 MPaの圧力下で温度
1700〜1750℃の範囲、保持時間1時間とした。実施例1
と同様に焼結体の特性を焼結助剤の添加量、ホットプレ
ス条件と共に第2表に示す。
実施例1同様、本発明による焼結体の特性は抗折強さ、
靭性共に優れるが、比較例に該当する試料では本発明の
実施例と比べて特に室温抗折強さ及び靭性が劣ることが
確認された。
発明の効果 本発明によれば、上記の如く耐熱性を十分に備えた窒化
珪素質焼結体において、機械的強度、靭性をより優れた
ものとすることが可能となった。このことにより信頼性
の非常に優れた窒化珪素質焼結体の作製が可能となり、
その工業的有用性は非常に大きい。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】1種類以上の希土類酸化物1〜15重量%、
    酸化マグネシウム1〜8重量%、珪化チタンおよび珪化
    ジルコニウムより選ばれた少なくとも1種の珪化物 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
    る窒化珪素質焼結体。
  2. 【請求項2】1種類以上の希土類酸化物1〜15重量%、
    酸化マグネシウム1〜8重量%、珪化チタンおよび珪化
    ジルコニウムより選ばれた少なくとも1種の珪化物 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、該成形体を窒素ガスを含む雰囲気中で焼結すること
    を特徴とする窒化珪素質焼結体の製造方法。
JP63309824A 1988-12-09 1988-12-09 窒化珪素質焼結体及びその製造方法 Expired - Lifetime JPH0633171B2 (ja)

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