JPS589071B2 - セラミツク焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はセラミック焼結体の製造方法に係り，さらに詳
しくは，機械的強度および耐熱衝撃性が優れたセラミッ
ク焼結体の製造方法こ関する。

窒化ケイ素を主成分として成るセラミック焼結体は，１
９００℃まで高温に耐えると言うすぐれた耐熱性を示す
とともに．熱膨脹係数が低いため耐熱衝撃性もすぐれて
いる。

従って、この種の窒化ケイ素を主成分として成るセラミ
ック焼結体はガスタービン翼，ノズルなど高温高強度を
要求される構造部品としての応用が試みられている。

ところで，この種のセラミックス焼結体は．例えば窒化
ケイ素一酸化イットリウム一酸化アルミニウムの混合物
を原料とし、所謂るホットプレス法や常圧焼結法によっ
て製造している。

例えばホットプレス法では．本発明者らは先に結晶粒界
をガラス質（非品質）からＳｉ３Ｎ４・Ｙ２０３結晶化
合物にすることによって特性のすぐれた窒化ケイ素系焼
結体が得られることを明らかにした。

また．特願昭５２−１１３２３５号や特願昭５３−９９
１４５号などに開示したように．焼結体中のガラス質の
減少を可能にするセラミック粉末材料の製造方法．或い
は焼結体の高温強度をより向上させうるセラミック粉末
材料としてＳｉ３Ｎ４とＹ２０３との化合物を生成せし
めた窒化ケイ素質粉末を用いることにより好結果が得ら
れることを明らかこした。

しかしながら，これらの方法では，常圧焼結の場合には
緻密な焼結体が得難いため，機械的強度および耐熱衝撃
性が優れた焼結体を得ることが困難であり．ホットプレ
ス焼結の場合には．機械的強度および耐熱衝撃性が優れ
た焼結体は得られるが，焼結体の形状が制約され．かつ
非量産的であるという欠点があった。

本発明は．上記従来技術の欠点を克服したセラミック焼
結体の製造方法を提供することを目的とするものであっ
て，本発明者らは上記の点についで鋭意研究した結果、
常圧焼結法によっても機械的強度および耐熱衝撃性が優
れたセラミック焼結体の製造方法の開発に成功し．本発
明を完成するに至った。

本発明の製造方法は，ｓｉ３Ｎ４・￥２０３１＝１化合
物の正方晶系結晶相を含有する窒化ケイ素質粉末であっ
て．前記８１３Ｎ４・￥２０３１：１化合物の結晶相の
窒化ケイ素結晶相に対するＸ線回折線の最高強度比が０
．０３〜０．６である窒素ケイ素質粉末７５重量係以上
，酸化アルミニウム粉末１〜１０重量係．窒化アルミニ
ウム粉末１〜１０重量係枚びに酸化チタン粉末，酸化マ
グネシウム粉末および酸化ジルコニウム粉末からなる群
より選ばれる少なくとも１種の酸化物粉末０．５〜５重
量係よりなる混合粉末を形成し，次いで非酸化性雰囲気
中，１５００〜１９００℃で焼結することを特徴とする
セラミック焼結体の製造方法である。

Ｓｉ３Ｎ４・Ｙ２０３１：１化合物の正方晶系結晶相の
窒化ケイ素結晶相に対するＸ線回折線の最高強度比が０
．３〜０．６である窒化ケイ素質粉末は，例えばα型窒
化ケイ素粉末に０．５〜１０重量係程度の酸化イットリ
ウムを添加混合し，窒素．アルゴン．一酸化炭素．窒素
一アンモニアガス等の非酸化性雰囲気下，１５５０〜１
７５０℃で３０分〜２時間程度加熱処理（結晶化処理）
することにより得られる。

このようにして得られるＳｉ３Ｎ４・￥２０３１：１化
合物は．他の添加物により焼結中に生成するガラス質（
非品質）が除去あるいは低減され．その結果焼結体の機
械的強度の低下を防止し，耐熱衝撃性を改良することが
できる。

Ｘ線回折分折におけるＳｉ３Ｎ４・￥２０３１：１化合
物結晶相の窒化ケイ素結晶相に対する回折線最高強度比
が０．０３より小さい場合には最高強度に対する寄与は
認められず，０．０６より大きい場合には，窒化ケイ素
自体の特性が損なわれ．気孔率の高い焼結体となり高強
度耐熱材料としての特性が損なわれる。

なお．本発明ではｓｉ３Ｎ４・￥２０３化合物を生成せ
しめた窒化ケイ素質粉末を得る方法は．上記の方法に限
定されないが．加えたＹ２０３量から計算されるＳｉｓ
Ｎ４・￥２０３化合物の量の少くとも５０俤の量がＸ一
線的に検出される結晶相として生成することが他の添加
物との関連で望ましく，また更に好ましくは７０係以上
がＸ一線的に検出される結晶相として生成することが高
温強度および耐熱衝撃性の点で好ましい。

このようにして得られるＳｉｓＮ４・￥２０３１：１化
合物を含む窒化ケイ素質粉末は７５重量チ以上好ましく
は８５重量係以上の組成で用いられ，７５重量チ未満で
はセラミック焼結体の高温強度，耐熱性衝撃性の改善は
見られない。

他の添加成分である酸化アルミニウム粉末および窒化ア
ルミニウム粉末はｓｉ３Ｎ４・￥２０３化合物および他
の添加物と反応して焼結を促進するものであり．特に窒
化アルミニウムは窒化ケイ素の昇華や粒成長を抑制する
働きを有する。

これらの酸化アルミニウムおよび窒化アルミニウムは通
常の入手可能のものを用い，いずれも１〜１０重量係、
好ましくは１．５〜７重量係用い，かつ両者の合計が１
５重量係以下であることが好ましい。

これらはいずれも１０重量係を超える量では焼結体の高
温強度および耐熱衝撃性が低下するため好ましくなく．
１重量係未満では焼結が進まない。

また酸化アルミニウムは前述の結晶化処理の際に添加し
ておくこともできる。

さらに他の添加成分である酸化チタン粉末，酸化マグネ
シウム粉末および酸化ジルコニウム粉末からなる群より
選ばれる酸化物粉末は焼結を促進し．主成分である窒化
ケイ素の濡れ性を改善して焼結体の緻密化．焼結時間の
短縮、焼結温度の低下等をもたらす。

これらの酸化物は通常の入手可能なものを１種または２
種以上用い，２種以上の場合でも合計が０．５〜５重量
係．好ましくは１〜３重量係の量で用いる。

これらの酸化物は５重量係を超える量では，焼結体の高
温強度が損なわれるため好ましくなく、０．５重量係未
満では焼結が進まない。

これらの各成分の混合は．通常のボールミル等の粉砕混
合機により，ｎ−ブチルアルコール等の溶媒を用いて行
なうことができる。

このように調製された混合粉末ｔこステアリン酸等の粘
結剤を添加して５００〜１０００ｋｇ／ｃｍ２程度で成
形する。

このようにして得られた成形体を非酸化性雰囲気中，１
５００〜１９００℃好ましくは１６００〜１８００℃で
１〜２時間焼結することによりセラミック焼結体が得ら
れる。

非酸化性雰囲気としては，アルゴン．窒素，一酸化炭素
，窒素−アンモニアガス等が挙げられ，酸化性雰囲気で
は高温時に窒化ケイ素が酸化されて特性が損なわれる。

焼結温度は１５００℃未満ではセラミック焼結体の生成
が困難であり、１９００℃を超える温度では焼結体が分
解してしまうため好ましくない。

また５０〜５００ｋｇ／ｃＩ２の圧力を加え同様の雰囲
気および温度条件でホットプレス焼結しても同等の特性
を有するセラミック焼結体が得られることは明らかであ
る。

以下，実施例および参考例を掲げて本発明をさらに詳細
に説明する。

実施例および参考例 α型相窒化ケイ素（ＳｌｓＮ４）８５％を含む平均粒度
１．２μの窒化ケイ素粉末に平均粒度１μの酸化イット
リウム（Ｙ２０３）粉末を表に示した如＜０．２〜１５
重量係の範囲（参考例を含む）で添加混合した調合粉末
を窒化雰囲気下で１６５０℃１時間加熱処理を施して，
Ｓｉ３Ｎ４・￥２０３化合物を生成せしめた窒化ケイ素
質粉末を調製した。

この粉末はＸ一線的には８１３Ｎ４・￥２０３化合物結
晶相のＳｉ３Ｎ４結晶相に対する割合が最高強度比で０
．０１〜０．８０の範囲（参考例を含む）のものであり
，且つ、加えた￥２０３量から計算されるＳｉ３Ｎ４・
Ｙ２０３化合物生成の理論量に対し何れも７０係以上の
結晶相が検出された。

この窒化ケイ素質粉末．平均粒度０．５μの酸化アルミ
ニウム粉末（Ａｌ２ｅ３）．平均粒度１．５μの窒化ア
ルミニウム粉末（ＡＡＮ），平均粒度１μの酸化チタン
粉末（ＴｉＯ２），酸化マグネシウム粉末（ＭｇＯ）．
酸化ジルコニウム粉末（Ｚｒ０２）を表に示す組成比（
重量係）に選び，溶媒としてｎ−ブチルアルコールを用
いゴムライニングボールミルにてそれぞれ２４時間粉砕
混合を行ない参考例を含め６４種の原料粉末を調製した
。

上記調製した原料粉末にステアリン酸（粘結剤）を重量
比で７係それぞれ添加配合して７００ｋｇ／ｃｒ２／ｔ
の成形圧で長さ６０ｕｎ．幅４０ｒｎ．厚さ１０ｍｗの
棒状成形体（抗折強度試験用）と．直径３０ｍｍ．厚さ
１０ｍＬの円板（耐熱衝撃試験用）とをそれぞれ形成し
た。

かくして得た成形体につき，先ず７００℃で加熱処理を
施し．粘結剤を揮散除去後，窒化ガス雰囲気下１７００
℃でそれぞれ焼結を行ない窒化ケイ素系セラミック焼結
体を得た。

上記によって得たセラミック焼結体につき密度，抗折強
度（機械的強度）．および耐熱衝撃性をそれぞれ測定し
た結果を表に併せて示した。

尚．表中の密度は理論密度を基礎とする相対密度（％）
であり．抗折強度値は３点曲げ強度試験によるものであ
り．試料サイズは３Ｘ３Ｘ３０（ｍｉ）試験条件はクロ
スヘッドスピード０．５ｍｍ／ｍｍ．スパン２０ｍｎ，
温度は常温，１２００℃とし，各温度での測定はすべて
４回行ない，その平均値で示した。

また．耐熱衝撃値ΔＴｃは焼結体を或る温度から水中へ
投入して気冷し．クラツク発生の有無を螢光探傷法によ
り確認し，まさにクラツクの入り始める温度と水温との
差をΔＴｃとして表示した。

表から明らかなように本発明方法によって得られた焼結
体は常圧焼結にもかかわらず加圧焼結体に匹適する特性
を有し，密度は理論密度の９５係以上．強度は常温で８
５ｋｇ／ｍｍ一以上，１２００℃で７０ｋｇ／ｍｍ２以
上．耐熱衝撃値ΔＴｃについてはほぼ５００℃以上であ
る。

以上説明したように本発明のセラミックス焼結体の製造
方法は加圧を要しないので多量生産に適し工業上大変有
利な焼結法で特性の優れた焼結体が得られることが理解
されよう。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｉ Ｓ１３Ｎ４・￥２０３１：１化合物の正方晶系結晶
   相を含有する窒化ケイ素質粉末であって，前記ｓｉ３Ｎ
   ４・Ｙ２０３１＝１化合物の結晶相の窒化ケイ素結晶相
   に対するＸ線回折線の最高強度比が０．０３〜０．６で
   ある窒化ケイ素質粉末７５重量係以上．酸化アルミニウ
   ム粉末１〜１０重量係、窒化アルミニウム粉末１〜１０
   重量係並びに酸化チタン粉末，酸化マグネシウム粉末お
   よび酸化ジルコニウム粉末からなる群より選ばれる少な
   くとも１種の酸化物粉末０．５〜５重量係よりなる混合
   粉末を成形し．次いで非酸化性雰囲気中，１５００〜１
   ９００℃で焼結することを特徴とするセラミック焼結体
   の製造方法。