JPS5935870B2 - 窒化ケイ素物体製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 粉末を互いに焼結させることによる高密度（理論密度の
９０％以上）を有する物体を窒化ケイ素で製造する際に
は均衡圧搾の使用は多くの利点を示す。

すなわち製造された物体は圧力があらゆる面に及ぶため
にすべての方向にほぼ同一の強度を有するが、他の製造
方法ではこうはならない。

その上圧搾に続いて工具による、例えば研削による機械
加工抜きで、すなわち実質的に行わないで圧搾によって
直接複雑な形状の物体を製造することができ、これは窒
化ケイ素が非常に高い硬度を有していることのために非
常に重要である。

均衡圧搾の別の重要な特性は圧搾工具の使用が避けられ
、従って又必要とされる高圧及び高温、それぞれ少なく
とも２０ＭＰａ及び１６００℃によって起される工具の
使用と関連した非常に重要な材料問題を避けられること
である。

均衡圧搾及びそれと関連した窒化ケイ素粉末の焼結の前
に、プラスチック カプセルのようなたわむ物質の密封
カプセル中に配置された粉末に圧搾を施すことによって
粉末を予備成形して扱いやすい粉末物体にするのが適切
である。

圧縮は室温又は焼結と関連する圧搾中の温度よりもかな
り低い別の温度で、少なくとも１００ＭＰａの圧力で、
仮の結合剤を使用しないで有利に行うことができる。

製品はその後に機械加工によって所望の形状にすること
ができる。

予備成形のためには、なかんずく、窯業製品を製造する
ための通常の技法をも使用することができる。

次に窒化ケイ素粉末は通常成形する前に仮の結合剤、例
えばメチル セルロース、硝酸セルロース、アクリル系
結合剤、ろう又はろうの混合物と混合する。

予備成形粉末物体が実質的に結合剤を含有しな（なるよ
うに予備成形後に加熱によって結合剤を追い出す。

予備成形粉末物体は焼結温度で均衡圧搾を施されるので
、所望のち密な焼結製品を得るためには、圧搾する前に
減圧させることができ、且つ圧搾中にそれと関連して使
用される圧力媒質、通常はガス、が粉末物体中に浸透す
るのを用土することのできるケーシング中に封じ込めな
げればならない。

もちろんケーシングは粉末物体の細孔中に浸透させない
ために、圧搾中には十分高い強度すなわち粘度をも有し
ていなければならない。

ケーシングとしてガラスの予備成形カプセルを使用する
場合には、これは高い焼結温度で流失又は粉末物体中に
浸透しないためには高融点タイプでなげればならないが
、ガラスは軟化する場合に予備成形粉末物体のくぼみ及
び他の凹所に集められるのを防ぐことはできない。

これが、窒化ケイ素及びガラスの熱膨張係数の相違のた
めに、冷却中に焼結物体の突出部分に損傷をもたらすこ
とがよくある。

それよりも、高融点ガラス粒子の懸濁物中に予備成形粉
末物体を浸漬し、あるいはある他の方法で物体をこのよ
うなガラス粒子の層で取り巻き、次に粒子が粉末物体の
周囲にち密なケーシングを形成するような温度で真空中
でそれを加熱することによって即座にケーシングを形成
させることができる。

最後に記載した方法では薄（することができ、且つ粉末
物体の形状に順応し、従って焼結物体上へのガラスの集
積並びにそれに伴う不利益をも避けるケーシングを適用
することができる。

しかしながらガラスは窒化ケイ素の焼結中に流失又は粉
末物体中に浸透しないために高融解タイプでなければな
らないので、この方法にはち密なケーシングは高温度で
始めて得られるという事実と関連した重大な欠点を有し
ている。

ち密なケーシングは高温でだけ得られるという事実は、
焼結された物体の品質劣化を結果する窒素の離脱を受け
る窒化ケイ素の解離を避けろことができないことを意味
している。

本発明は焼結物体上に有害なガラスの蓄積を起すことな
く、且つ有害な窒化ケイ素の解離を防止する、窒化ケイ
素の予備成形粉末物体の周囲にち密なケーシングを得る
問題を解決するものである。

本発明によって均質な組成を有し且つ均質な特性を有す
る窒化ケイ素の複雑な部品の製造をさせることができる
。

本発明は予備成形粉末物体に対して第一物質の内側多孔
質層を適用し、且つこの外側に第二物質の外側多孔質層
を適用し、内側多孔質層はできるだけ第二物質と協同し
て窒化ケイ素に対する焼結温度よりも低い温度で圧力媒
質に対して不浸透性の層に転化させることができ、且つ
外側多孔質層は内側多孔質層に対する温度よりも低い温
度で圧力媒質に対して不浸透性の層に転化させることが
でき、その後予備成形物体に最初に脱気を施し、且つ外
側多孔質層で圧力媒質に不浸透性の層を形成するのに必
要であるが、内側多孔質層を多孔質に維持する温度まで
の加熱を施し、次に内側多孔質層で圧力媒質に不浸透性
の層を形成するのに必要な温度までの加熱を施し、一方
これらの層の内側のガス圧力よりも大きい圧力な該層の
外側に維持し、且つ次に予備成形製品の均衡圧搾を行う
ことを特徴とする、均衡圧搾する前に予備成形物体に脱
気を施し、窒化ケイ素を焼結するのに必要な温度におい
て圧力媒質で窒化ケイ素粉末の予備成形物体を均衡圧搾
することによって窒化ケイ素で物体を製造する方法に関
するものである。

内側多孔質層中の該第−物質としては５ｉＯ２９６，７
重量％、Ｂ２０３２．９重量％及びＡｌ２０３０．４重
量％を含有するバイコール（Ｖｙｃｏｒ ）ガラス、更
に石英ガラス及び加熱中にガス浸透性カラス層を形成す
る物質、例えば５ｉ０２及びＢ２Ｏ３の粒子の混合物の
ような高融解ガラスの粉末を使用することができる。

又内側多孔質層中の該第−物質としてはモリブデン、タ
ングステン及び他の耐火金属のような圧力媒質に対して
不浸透性の金属層を形成することのできる高融解金属物
質の粉末を使用することもできる。

外側多孔質層中の該第二物質としてば５ｉ０２８０．３
重量％、Ｂ２０３１２．２重量％、Ａ１２０３２．８重
量％、Ｎａ２０４．０重量％、Ｋ２Ｏ０，４重量％及び
Ｃａ００．３重量％を含有するパイレックス（Ｐｙｒｅ
ｘ ）ガラス、更に５ｉＯ２５８重量％、Ｂ２０３９重
量％、Ａｌ２０３２０重量％、Ｃａ０ ５重量％及びＭ
ｇ０ ８重量％を含有するケイ酸アルミニウム、５ｉ０
２６０重量％、Ａｌ２０３２０重量％、Ｃａ０１５重量
％及びＭｇ０ ５重量％を含有するケイ酸アルミニウム
、及び加熱中にガス不浸透性ガラス層を形成する物質、
例えばＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３及びアルカリ並
びにアルカリ土類金属酸化物の粒子の混合物のような低
融解ガラスの粉末を使用することができる。

各が０．０５ないし１ｍｍの範囲内の厚さを有するのが
適切である２個の多孔質層はなかんずく予備成形粉末物
体を粒状化物質の懸濁液中に浸漬するか、あるいは溶射
噴霧又は他の熱的噴霧によって適用することができる。

粒子は適切には０、■ないし１００μの範囲内の粒度を
有することができる。

脱気は適切に開始し、且つ予備成形粉末物体の寸法で決
まる時間の間室部において継続させる。

継続減圧下で外側多孔質層が圧力媒質に対して不浸透性
の層に転化されるように温度を上げる。

これがなされる場合には封入された粉末物対にガス圧力
媒質で圧力を適用して温度上昇の継続中に窒化ケイ素の
解離するのを防止することができる。

温度上昇の継続中に層がガラス又はガラス形成物質から
成る場合には外側層中のガラスは内側多孔質層中の物質
と反応し、同時にますます高融点のガラスを形成し、且
つ同時に層を圧力媒質に対して不浸透性に維持し、且つ
最後に外側層中のガラスが流れ去ることができるように
なる前に、内側多孔質層の最も内側の部分で、圧力に対
して不浸透性のガラス層が形成される。

この最後に形成されたガラス層は予備成形製品の均衡圧
搾を焼結温度で行う場合に、粉末物体の周囲にち密なケ
ーシングを形成する。

内側の多孔質層中に金属物質を、又外側多孔質層にガラ
ス又はガラス形成物質を使用する場合には、外側多孔質
層から形成されるガラス層は少なくとも内側金属層が転
化して不浸透性層になってしまうまでは不浸透性層とし
て作用する。

外側多孔質層が不浸透性層に転化させられる温度は６０
０ないし１１００℃の範囲内にあるのが適切であり、且
つ内側多孔質層が不浸透性層に転化させられる温度は１
３００ないし１６００℃の範囲内にある。

しかしながら外側層が気密になった後に行うことのでき
る均衡圧力の下で内側層を圧搾する場合には、温度１０
００ないし１３００℃の問題も起るかも知れなし・。

このような圧搾に対しては大きさ２０ないし３００ＭＰ
ａ程度の圧力が必要である。

粉末物体の焼結は少なくとも１６００℃、好ましくは１
６００ないし１９００℃において行う。

予備成形された窒化ケイ素物体の焼結中の圧力は酸化マ
グネシウムのような焼結促進添加剤を窒化ケイ素に添加
しておいたか否かに左右される。

このような添加剤を使用しない場合には圧力は少なくと
も１００ＭＰａ、好ましくは２００ないし３００ＭＰａ
になるべきである。

焼結促進添加剤を使用する場合にはもつと低い圧力を使
用することができるけれども少な（とも２０ＭＰａ が
適切である。

添付の図面を参考にして実施態様を記載して本発明を非
常に詳細に説明するが、図面中、第１図は２個の多孔質
層を有する窒化ケイ素の予備成形粉末物体を模式的に示
し、且つ第２図では予備成形粉末物体の焼結物体を製造
するための処理サイクルを模式的に示す。

７μ以下の粉末粒度を有し、且つ酸化マグネシウム約０
．１重量％を含有する窒化ケイ素粉末を、製造しようと
する予備成形粉末物体とほぼ同一の形状を有するプラス
チック、例えば軟質ポリ塩化ビニル又はゴムのカプセル
に入れ、その後カプセルを密封して圧搾装置、例えば特
願昭５０−１３３９２８号明細書の第１及び２図に示し
た装置中に入れる。

粉末に５分間の間６００ＭＰａで圧搾を施す。

圧搾の完結後カプセルを取り出し、且つこのようにして
製造した予備成形粉末物体を機械加工して所望の形状に
する。

予備成形粉末物体１はここで最初にＳｉ０２９６．７重
量％、Ｂ２０３２．９重量％及びＡ Ｉ ２０３０．４
重量％から成るガラスの粉末の水懸濁液に浸漬し、次に
この層を乾燥した後に５ｉ０２８０．３重量％、Ｂ２０
３１２．２重量％、Ａｌ２０３２８重量％、Ｎａ２０４
．０重量％、Ｋ２Ｏ０，４重量％及びＣａ００．３重量
％から成るガラスの粉末Ｑ水懸濁液中に浸漬し、続いて
補充乾燥することによって第１図から明らかなように内
側多孔質層２及び外側多孔質層３を与える。

このように処理された予備成形粉末物体はその後、粉末
物体を脱気するためにガスを排出させることができ、且
つ均衡圧搾のために必要な圧力を発生させるためにガス
を供給することのできる導管を備えており、且つ加熱装
置を設備しである高圧炉中に入れる。

このような高圧炉は例えば前記の特願昭５０−１３３９
２８号明細占に記載しである。

第２図に示したように予備成形粉末物体は最初に高圧力
炉中において約２時間室温で脱気する。

減圧継続中に温度を上昇させて約９００℃にする。

温度は非常に徐々に上昇させるのでこの時間中はいつで
も圧力は０．１トルを超過しない。

約９００℃で約２時間部度を一定に保ち、こうして最終
脱気を行い、且つ外部多孔質層中のガラス粉末は互いに
焼結してガス不浸透性層になる。

外側層中のガラスの粘度を減じ、従ってガラス融解物が
内側多孔質層中に浸透する危険を減じるために、温度を
減じて７００℃にする。

その後アルゴン又はヘリウムを供給して最終焼結温度に
おいて圧力２００ないし３００ＭＰａ を与える圧力水
準にする。

次に温度を上げて１７００ないし１８００℃にする、す
なわち窒化ケイ素に対して適切な焼結温度にする。

そこで圧力は同時に上がる。この温度上昇は十分徐々に
達成されて、外側層中の融解ガラスにとっては内側層中
のガラス粉末と反応する時間があり、同時にますます高
融点のガラスを形成し、又内側層中のガラス粉末の最深
部層にとっては外側層中のガラスが流去することができ
ないうちに焼結して不浸透性層になるための時間がある
。

１７００ないし１８００°Ｃ及び２００ないし３００Ｍ
Ｐａ における焼結に適切な時間は、焼結促進添加剤を
使用しない場合には少なくとも２時間であり、又このよ
うな添加剤を使用する場合には少なくとも０．５時間で
ある。

サイクルが完結した後に炉を放冷させて適切な取り出し
温度にし、且つ焼結物体を吹いてガラスをきれいにする
。

先に例示したメチル セルロース、硝酸セルロース、ア
クリル系結合剤、ろう又は異なる融点を有するろうの混
合物のような結合剤を予備成形物体の製造に使用した場
合には多孔質層適用の前又は後に４００ないし７００°
Ｃに加熱して除去するのが適切であり、その後脱気し、
更に、結合剤を使用しない予備成形粉末物について記載
したように処理をすることができる。

本発明は連続製造で使用するのに特に適している。

この場合（ａ）結合剤の除去、（ｂ）真空中における脱
気及び外側層のち密な焼結、（Ｃ）層の内側の圧力より
大きい圧力のガス中における追加加熱、及び（ｄ）最終
加熱及び高温均衡圧搾のような種々の処理段階は高温条
件中において異なった種類の炉装置中でそれらの間で移
動しながら行うことができる。

本発明を使用するのに非常によく適している物体の例と
して、なかんずく、ガス タービン用の翼及び単一ター
ビン ローターを挙げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は２個の多孔質層を有する窒化ケイ素の予備成形
粉末物体を示す模式図であり、１は予備成形粉末物体、
２は内側多孔質層、３は外側多孔質層である。 第２図は本発明による処理中の圧力及び温度の時間的変
化を示し、縦軸は温度及び圧力、横軸は時間である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 窒化ケイ素粉末の予備成形体を脱気処理に付し、次
   いで該予備成形体を窒化ケイ素の焼結温度で、圧力媒質
   を用いて均衡加圧することによる窒化ケイ素物体の製造
   方法において、前記予備成形体上に、窒化ケイ素の焼結
   温度以下の温度で、圧力媒質に対する不浸透層に転化し
   うる高融解ガラス、高融解ガラス形成物質または高融解
   金属物質からなる第一物質の内側多孔質層、および前記
   内側多孔質層における温度よりも低い温度で圧力媒質に
   対する不浸透層に転化しうる低融解ガラスまたは低融解
   ガラス形成物質からなる第二物質の外側多孔質層を施こ
   した後、先づ該予備成形体に脱気処理を施こし、次に前
   記外側多孔質層の圧力媒質に対する不浸透層の形成に必
   要な温度ではあるが、内側多孔質層が多孔質を維持する
   温度までの加熱処理に供し、次いで内側多孔質層の圧力
   媒質に対する不浸透層の形成に必要な温度まで、これら
   の層の外側のガス圧を層の内側ガス圧よりも大きく維持
   しながら加熱した後、前記予備成形体に均衡加圧を施こ
   すことを特徴とする窒化ケイ素物体の製造方法。 ２ 前記内側多孔質層および外側多孔質層の形成に使用
   する第一および第二物質の各粒子サイズが０．１〜１０
   ０ミクロンである特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 前記内側多孔質層および外側多孔質層の各厚さが０
   ６０５〜１ｍｒＩＬである前記特許請求の範囲第１項記
   載の方法。 ４ 前記外側多孔質層の加熱温度が６００〜１１００℃
   である特許請求の範囲第１項記載の方法。 ５ 前記内側多孔質層の加熱温度が１３００〜１６００
   ℃である特許請求の範囲第１項記載の方法。 ６ 圧力媒質に対して不透性である内側多孔質層の層を
   形成するために予備形成物体を同時均衡圧搾下において
   温度１０００〜１３００℃に加熱する、特許請求の範囲
   第１項〜第５項のいずれか１項に記載の方法。