JPS5918347B2 - 窒化ケイ素質焼結体の製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高温特性の優れた窒化ケイ素質焼結体の製法に
関する。

窒化ケイ素は、機械的強度、耐熱性、耐熱衝撃性、耐蝕
性などに優れているため、近年、ガスタービン用部品な
どの高温構造材料の素材として注目されている。

ところが、窒化ケイ素はきわめて難焼結性の物質であり
、それ単独を焼結して高密度焼結体を得ることは困難で
ある。

そこで、窒化ケイ素粉末にマグネシア、アルミナ、イツ
トリアなどの酸化物粉末を焼結助剤として加え、得られ
る混合物を常圧または加圧下に焼結して、高密度焼結体
を製造する方法が提案されている。

提案された方法で得られる焼結体は、焼結助剤として加
えた酸化物中の金属が窒化ケイ素と反応してケイ酸塩を
形成し、このケイ酸塩が、焼結体を構成する窒化ケイ素
粒子の粒界でガラス相を形成し、焼結体の高温使用時に
ガラス相の軟化によって機械的強度が著しく低下するた
め、高温構造材料としては好ましくないという欠点があ
る。

本発明は、提案された方法の欠点を解消し、高温におけ
る機械的強度の低下が小さい窒化ケイ素質焼結体の製法
を提供する。

即ち、本発明は、窒化イツトリウム粉末を２〜１５重量
係重量型含有化ケイ素粉末を、２００ｋｇ／ｄ以上の圧
力下に１５００〜１９００℃の範囲の温度で焼結するこ
とを特徴とする窒化ケイ素質焼結体の製法である。

本発明によれば、１０００℃以上という高温においても
機械的強度の低下が小さい高密度窒化ケイ素質焼結体が
得られるという優れた効果が奏される。

焼結助剤として使用される窒化イツトリウムの使用割合
は、窒化イツトリウムと窒化ケイ素との合計量に対して
２〜１５重量係重量ましくは５〜１０重量係重量る。

窒化イツトリウムの使用割合が過度に小さいと高温にお
ける機械的強度の大きい焼結体を得ることができず、そ
の使用割合が過度に太きいと、得られる焼結体中の粒界
相が多くなりその機械的強度が低下する。

本発明における窒化イツトリウム粉末を含有する窒化ケ
イ素粉末の調製法については特に制限はなく、たとえば
つぎのような方法が採用される。

（１）予め調製した窒化イツトリウム粉末と窒化ケイ素
粉末とを、アセトン、ベンゼン、トルエンなどの有機溶
媒中で混合した後、有機溶媒を留去する方法。

本発明における窒化イツトリウムは加水分解を受けやす
いので、上記方法は乾燥した不活性ガス雰囲気下に実施
することが望ましい。

（２）イツトリウム粉末と窒化ケイ素粉末とを混合後、
窒素ガス雰囲気中で７５０〜１１００℃の範囲の温度に
加熱して、イツトリウムを窒化する方法。

この方法においては、窒素ガス雰囲気中での加熱に先立
ち、粉末混合物を水素流通下に５５０〜９００℃の範囲
の温度に加熱して、原料粉末中に混入する酸素を除去す
ることが好ましい。

本発明において窒化イツトリウムを含有する窒化ケイ素
粉末は、予め成型した後に焼結してもよく、成型と焼結
とを同時に行なってもよい。

本発明においては窒化イツトリウムを含有する窒化ケイ
素粉末あるいはこれの成型体を加圧下に加熱して、窒化
ケイ素質焼結体を得る。

焼結圧力は２００ ｋｙ／ｃｙｉｔ以上である。

焼結圧力がこれより低いと、機械的強度の高い焼結体を
得ることが困難になる。

焼結温度は１５００〜１９００°Ｃ１好ましくは、１６
００〜１８００℃である。

焼結温度が下限より低いと機械的強度の大きい焼結体を
得ることができず、焼結温度が上限より高いと窒化ケイ
素自体の分解が起こる。

つぎに実施例および比較例を示す。

実施例および比較例において、焼結体の密度はアルキメ
デス法によって測定し、そのマイクロビッカース硬度（
以下単に硬度という）は日本光学社製ＱＭ型高温顕微硬
度計により測定した。

焼結体の曲げ強度は、焼結体から３×３×４０ｍｍの試
験片を切り出し、表面を研磨した後、スパン２０ｍ−ク
ロスヘッドスピード０．５ｍｍ１分の条件で、三点曲げ
試験して求めた。

以下の記載において「係」はすべて「重量係」を示す。

実施例１及び２ 第１表に記載の割合の窒化ケイ素粉末（窒素含有率３８
．０％、シリコン含有率６０．０％、酸素含有率１．８
％、比表面積４．２ｍ／ｇ）と窒化イツトリウムとの合
計量１０ｇおよびアセトン１０ｄをアルミナ製ボールミ
ルに仕込み、窒素雰囲気下に室温で１６時間湿式粉砕し
た。

粉砕混合物を窒素雰囲気下に乾燥して、アセトンを除き
粉末混合物を得た。

粉末混合物０．５ｇを１．５ｔｏｎ／ｉの圧力で直径７
ｍｍ、長さ８ｍｍの円柱に成型した後、窒化ホウ素製の
カプセルに入れ、このカプセルを石英ガラス中に真空封
入した。

ついで、石英ガラス封入成型品をパイレックス中に真空
封入した。

こうして得られた二重封入された成型品を、２０″００
ｋｇ／ｉの圧力下に第１表に記載の温度で３０分間熱間
静水圧焼結して、窒化ケイ素質焼結体を得た。

焼結体の密度および硬度を第１表に示す。

比較例１及び２ 窒化イツトリウムに代えて、第１表に記載の量のイツト
リアを使用した以外は実施例１を繰返した。

結果を第１表に示す。実施例 ３ 窒化ケイ素粉末（窒素含有率３５．０ｉ％、シリコン含
有率５９．３％、酸素含有率２，７覧比表面積１１．４
ｍ／ｇ）９３％と窒化イツトリウム粉末７、０ ％から
なる混合物６０ｇおよびアセトン６０ｄを、アルミナ製
ボールミルに仕込み、窒素雰囲気下に室温で１６時間湿
式粉砕した。

粉砕混合物を窒素雰囲気下に乾燥して、アセトンを除き
粉末混合物を得た。

粉末混合物を４０Ｘ２０ｍｍの黒鉛製ダイスに充填し、
窒素雰囲気下、１７８０°Ｃで４８０ ｋｇ／ｉの圧力
をかけて１時間ホットプレスすることにより、粉末混合
物の成型と焼結とを同時に行なった。

焼結体の密度は３．０８９ ／ｃｙｉｔ、その曲げ強度
は２５℃で８８ｋｇ／ｍ４． １２００℃で７５ｋｇ／
ｍａでであった。

比較例 ３ 窒化イツトリウム粉末に代えて混合物に対して７．０係
のイツトリアを使用した以外は実施例３を繰返した。

得られた焼結体の密度は３．１２９／ｉその曲げ強度は
２５℃で７８ ｋｇ／ｒｙａｌ、 １２００°Ｃで６
１ ｋｇ／ｍｍであった。

実施例 ４ 窒化ケイ素粉末（窒素含有率３７゜２係、シリコン含有
率６０．２％、酸素含有率２，１％、比表面積１８．５
ｍｌ ｇ） ９４．５係とイツトリウム粉末５．５係
からなる混合物３０ｇおよびベンゼン３０ｍ１を、アル
ミナ製ボールミルに仕込み、窒素雰囲気下に室温で１６
時時間式粉砕した。

粉砕混合物を窒素雰囲気下に乾燥して、ベンゼンを除き
粉末混合物を得た。

この粉末混合物を石英製ボートに充填して管状電気炉に
入れ、水素雰囲気中７００℃で２時間加熱した。

引き続いて、窒素ガスを流し、９００℃で５時間加熱し
て、窒化ケイ素粉末と窒化イツトリウム粉末との混合物
を得た。

このようにして得られた粉末混合物を使用し、実施例３
と同様にして、窒化ケイ素質焼結体を得た。

焼結体の密度は３．１０ｇ／ｃｒｉＬ、その曲げ強度は
２５℃で８０ｋｇ／ｍ７Ｎ１１２００℃で７２ｋｇ／ｍ
ａであった。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 窒化イツｌ−ＩＪウム粉末を２〜１５重量係重量型
   含有化ケイ素粉末を、２００ｋｙ／ｆｆ１以上の圧力下
   に１５００〜１９００℃の範囲の温度で焼結することを
   特徴とする窒化ケイ素質焼結体の製法。