JPS6065766A - 窒化けい素系セラミツクの焼結法 - Google Patents
窒化けい素系セラミツクの焼結法Info
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- JPS6065766A JPS6065766A JP58175591A JP17559183A JPS6065766A JP S6065766 A JPS6065766 A JP S6065766A JP 58175591 A JP58175591 A JP 58175591A JP 17559183 A JP17559183 A JP 17559183A JP S6065766 A JPS6065766 A JP S6065766A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は窒化けい素系セラミックの焼結法に関し、特に
常圧焼結での焼結過程における焼結体表面の炭化反応を
防止するものであるらなお、ここに窒化けい素系セラミ
ックとは、窒化けい素(S i 3N4 ) を主体と
し、これに焼結助剤として、例えば酸化マグネシウム(
MgO)、アルミナ(AA’+03)、イツトリウム酸
化物(Y2O2)、ジルコニウム酸化物(Zr02)な
どの1種または2種以上を混合したものを言う。
常圧焼結での焼結過程における焼結体表面の炭化反応を
防止するものであるらなお、ここに窒化けい素系セラミ
ックとは、窒化けい素(S i 3N4 ) を主体と
し、これに焼結助剤として、例えば酸化マグネシウム(
MgO)、アルミナ(AA’+03)、イツトリウム酸
化物(Y2O2)、ジルコニウム酸化物(Zr02)な
どの1種または2種以上を混合したものを言う。
窃Jkけし)麦藁セラミックの堂庄位枯り寸 −鐙鑑こ
窒化けい素粉末と焼結助剤粉末とを混合混練しくこれに
は、適宜成形助剤が配合される)、所要形状に成形した
のち、成形体を1650〜1800°Cの窒素ガス(N
2)雰囲気(通常1気圧〜数十気圧)に調整された焼結
炉内に所定時間保持することにより行なわれる。
窒化けい素粉末と焼結助剤粉末とを混合混練しくこれに
は、適宜成形助剤が配合される)、所要形状に成形した
のち、成形体を1650〜1800°Cの窒素ガス(N
2)雰囲気(通常1気圧〜数十気圧)に調整された焼結
炉内に所定時間保持することにより行なわれる。
その焼結工程について説明すると、まず成形体を成形の
まま、あるいは脱脂処理または仮焼処理した状態で適当
な容器(黒鉛ルツボなど)に入れて焼結炉(焼結容器)
内に装入する。成形体装入後、炉内を排気、真空にする
とともに昇温を開始し、400〜800°Cに到達する
まで雰囲気を真空に保ち、この温度で窒素ガスを所定の
圧力まで封入する。この温度まで炉内を真空に保持する
のは成形体から放出される水分、有機分を雰囲気から除
去するためであり、この温度で窒素ガスを封入するのは
5i3N4の分解を防止するためである。
まま、あるいは脱脂処理または仮焼処理した状態で適当
な容器(黒鉛ルツボなど)に入れて焼結炉(焼結容器)
内に装入する。成形体装入後、炉内を排気、真空にする
とともに昇温を開始し、400〜800°Cに到達する
まで雰囲気を真空に保ち、この温度で窒素ガスを所定の
圧力まで封入する。この温度まで炉内を真空に保持する
のは成形体から放出される水分、有機分を雰囲気から除
去するためであり、この温度で窒素ガスを封入するのは
5i3N4の分解を防止するためである。
窒素ガス封入後、所定の焼結温度まで昇温しで所定時間
保持することにより焼結を完了し、冷却して焼結体を得
る。これが通常の工程である。
保持することにより焼結を完了し、冷却して焼結体を得
る。これが通常の工程である。
しかるに、こうして得られる焼結体は表面に炭化物(S
iC)層を伴うことが多い。この炭化物層は脆弱であり
、剥離して肌荒れを生じる。剥離しないとしてもかかる
炭化物層が生じるのは好ましいことではない。
iC)層を伴うことが多い。この炭化物層は脆弱であり
、剥離して肌荒れを生じる。剥離しないとしてもかかる
炭化物層が生じるのは好ましいことではない。
このような現象が生じる原因は次のように考えられる。
すなわち、前記焼結工程において、窒素ガス封入前に炉
内を排気、真空にするが、その真空は完全真空ではなく
、一般に10−4〜1O−5torrであるので、炉内
にはわずかながら大気あるいは成形体から放出された酸
素分が残留する。
内を排気、真空にするが、その真空は完全真空ではなく
、一般に10−4〜1O−5torrであるので、炉内
にはわずかながら大気あるいは成形体から放出された酸
素分が残留する。
そのため、封入された窒素ガス雰囲気中には、この微量
残留した酸素分がそのまま混在することになる。これら
の酸素分は、H2O、Co ’、 02などである。一
方、焼結炉内には、通常発熱体、支持部材などに黒鉛が
使用され、また成形体を炉内に装入する際の容器として
黒鉛ルツボなどの黒鉛製容器が使用されることが多い。
残留した酸素分がそのまま混在することになる。これら
の酸素分は、H2O、Co ’、 02などである。一
方、焼結炉内には、通常発熱体、支持部材などに黒鉛が
使用され、また成形体を炉内に装入する際の容器として
黒鉛ルツボなどの黒鉛製容器が使用されることが多い。
従って、炉内が高温になるとともに、下記の反応式で示
されるように、容器などの表面で炭素と雰囲気中に混在
する酸素分とが反応してCOが生成し、このCOが成形
体と表面反応を起して窒化けい素を炭化する。
されるように、容器などの表面で炭素と雰囲気中に混在
する酸素分とが反応してCOが生成し、このCOが成形
体と表面反応を起して窒化けい素を炭化する。
2C(黒鉛)+02→2CO・・・・・・山2Si 3
N4 + 6CO→6S iC+4N2 + 802
・・・・・・出lSi3N4 の炭化反応で解放された
酸素は再ひ炭素(黒鉛)と反応してCOとなり、更にS
i3N4の炭化反応に関与する。この反応の繰返し、に
より焼結体表面の炭化が進行し、炭化物層の成長、剥離
・肌荒れが生じるわけである。
N4 + 6CO→6S iC+4N2 + 802
・・・・・・出lSi3N4 の炭化反応で解放された
酸素は再ひ炭素(黒鉛)と反応してCOとなり、更にS
i3N4の炭化反応に関与する。この反応の繰返し、に
より焼結体表面の炭化が進行し、炭化物層の成長、剥離
・肌荒れが生じるわけである。
上記焼結体表面の炭化防止策として一般に次の2つの方
法がある。その1つは、成形体を黒鉛容器に入れる際に
窒化けい素粉末にくるんで装入する方法である。こうす
れば、容器表面でCOが生成しても、生成したCOは成
形体表面に到達する前に窒化けい素粉末と反応するので
、成形体にとどきにくくなり表面炭化が防止される。他
の方法は、雰囲気窒素ガス圧力を高め、例えば約10k
Q/cA以上に調整する方法である。窒素ガス圧力を上
げれば、00分圧が低下するとともに、S i 3N4
0分解炭化は抑制される。しかし、第1の方法では、
充填用窒化けい素粉末を必要とし、かつ装入の工数が増
加する。また第2の方法では焼結炉が高耐圧構造である
ことを要し、設備費の増大を余儀なくされる。
法がある。その1つは、成形体を黒鉛容器に入れる際に
窒化けい素粉末にくるんで装入する方法である。こうす
れば、容器表面でCOが生成しても、生成したCOは成
形体表面に到達する前に窒化けい素粉末と反応するので
、成形体にとどきにくくなり表面炭化が防止される。他
の方法は、雰囲気窒素ガス圧力を高め、例えば約10k
Q/cA以上に調整する方法である。窒素ガス圧力を上
げれば、00分圧が低下するとともに、S i 3N4
0分解炭化は抑制される。しかし、第1の方法では、
充填用窒化けい素粉末を必要とし、かつ装入の工数が増
加する。また第2の方法では焼結炉が高耐圧構造である
ことを要し、設備費の増大を余儀なくされる。
本発明は上記問題を解決し、安価にかつ確実に焼結体の
表面炭化を防止し得る焼結方法を提供する。
表面炭化を防止し得る焼結方法を提供する。
本発明の焼結方法は、焼結炉内の雰囲気窒素ガス中の酸
素分の残留量を低下させて表面炭化を防止するものであ
り、その特徴とするところは、昇温過程において、炉内
封入窒素ガスを減圧排除し、新たな窒素カスを封入する
操作を1回もしくは複数回反復実施するこ−とにある。
素分の残留量を低下させて表面炭化を防止するものであ
り、その特徴とするところは、昇温過程において、炉内
封入窒素ガスを減圧排除し、新たな窒素カスを封入する
操作を1回もしくは複数回反復実施するこ−とにある。
本発明によれば、成形体装入後、大気を減圧排除して封
入された窒素ガスは、少くとも1回減圧排除され、新た
な窒素ガスに置換される。例えば、第1回目に封入され
た窒素ガス(例えば1気圧)に酸素分がAp pm混在
していると仮定し、これを+11−6mI工rr ?d
j DG +41: M l +−M七、甫yN 1.
s ”IL−Id7r−封入して1気圧にした場合の酵
素分混在量を単純に試算すればA X i O’ppm
となる。窒素ガスの封入・減圧排除および再封入をくり
返せば、更に酸素分の減少をみる。酸素分の低下ととも
に、焼結体の表面炭化が生起しにくくなることは前記説
明から明らかである。
入された窒素ガスは、少くとも1回減圧排除され、新た
な窒素ガスに置換される。例えば、第1回目に封入され
た窒素ガス(例えば1気圧)に酸素分がAp pm混在
していると仮定し、これを+11−6mI工rr ?d
j DG +41: M l +−M七、甫yN 1.
s ”IL−Id7r−封入して1気圧にした場合の酵
素分混在量を単純に試算すればA X i O’ppm
となる。窒素ガスの封入・減圧排除および再封入をくり
返せば、更に酸素分の減少をみる。酸素分の低下ととも
に、焼結体の表面炭化が生起しにくくなることは前記説
明から明らかである。
もちろん、窒素ガス雰囲気中の残留酸素分量は前記のよ
うに単純に算出し得るものではな(、窒素ガスの封入・
排除と再封入の反復操作途中に成形体から放出される水
分、その他の酸素分や封入窒素ガス中に不純物として付
随する酸素分などが考慮されねばならないが、窒素ガス
の再封入操作を適当回数(例えば、2回〜数回)実施す
ることにより、後実施例にも示されるように、酸素分の
十分な低減とそれによる確実な炭化防止効果が奏せられ
る。
うに単純に算出し得るものではな(、窒素ガスの封入・
排除と再封入の反復操作途中に成形体から放出される水
分、その他の酸素分や封入窒素ガス中に不純物として付
随する酸素分などが考慮されねばならないが、窒素ガス
の再封入操作を適当回数(例えば、2回〜数回)実施す
ることにより、後実施例にも示されるように、酸素分の
十分な低減とそれによる確実な炭化防止効果が奏せられ
る。
窒素カスの封入と減圧排除および再封入の操作は、常温
〜1400°Cの温度範囲で行なわれる。
〜1400°Cの温度範囲で行なわれる。
成形体から放出される水分などの酸素分の炉外排除を促
進するためには昇温中に行うのがよく、高混捏有利であ
るが、1400°Cをこえる温度域で炉内を減圧すると
、S i 3N4の分解が起る。このため、1400°
Cを上限とする。水分等の酵素分の放出促進と、S i
3N4の分解防止の両面を考慮すると、500〜11
00°Cの範囲が最適である。
進するためには昇温中に行うのがよく、高混捏有利であ
るが、1400°Cをこえる温度域で炉内を減圧すると
、S i 3N4の分解が起る。このため、1400°
Cを上限とする。水分等の酵素分の放出促進と、S i
3N4の分解防止の両面を考慮すると、500〜11
00°Cの範囲が最適である。
なお、これらの操作は連続的に行ってもよく、断続的に
行ってもよい。また、操作中は昇温を停止してもよいし
、昇温と併行して実施してもよい。
行ってもよい。また、操作中は昇温を停止してもよいし
、昇温と併行して実施してもよい。
次に本発明の実施例について説明する。
実施例1
窒化けい素粉末(平均粒度1.0μm0 α化率91%
)と酸化マグネシウム粉末(平均粒度1.3μm)9重
量%とをボールミルで混合混練し、−軸プレスにて円板
状成形体(直径60mm×厚さ7〜8關)に成形したの
ち、これを大気中、300°Cで乾燥した。
)と酸化マグネシウム粉末(平均粒度1.3μm)9重
量%とをボールミルで混合混練し、−軸プレスにて円板
状成形体(直径60mm×厚さ7〜8關)に成形したの
ち、これを大気中、300°Cで乾燥した。
[I] 上記成形体を蓋付黒鉛ルツボに納めて焼結炉内
に装入し、常温で炉内の大気雰囲気を1O−5torr
まで減圧排除する。減圧を保ちながら昇温し、600°
Cで窒素ガスを1.1気圧まで封入する。
に装入し、常温で炉内の大気雰囲気を1O−5torr
まで減圧排除する。減圧を保ちながら昇温し、600°
Cで窒素ガスを1.1気圧まで封入する。
ついで、650°Cにおいて10 torr に減圧し
たのち、直ちに1.1気圧まで窒素カスを封入し、再び
10−5Lorr まで減圧し、直ちに窒素ガスを封入
する。その雰囲気圧力を1.1気圧に保ちながら170
0°Cまで胃温し、同温度に1時間保持して焼結を完了
したのち、1.1気圧に保ちながら自然冷却した。
たのち、直ちに1.1気圧まで窒素カスを封入し、再び
10−5Lorr まで減圧し、直ちに窒素ガスを封入
する。その雰囲気圧力を1.1気圧に保ちながら170
0°Cまで胃温し、同温度に1時間保持して焼結を完了
したのち、1.1気圧に保ちながら自然冷却した。
間 上記[I]と同様に成形体を焼結炉に装入し、炉内
大気雰囲気を10−5torrに減圧排除し、減圧を保
ちながら昇温しで600°Cで窒素ガスを1.1気圧ま
で封入する。ついで、800°Cにおいて、10−5t
orrまで減圧したのち直ちに窒素ガスを1.1気圧ま
で封入、更にこれをIQ torrまで減圧排除後1.
直ちに窒素ガスを1.1気圧まで封入する。そのまま窒
素ガス雰囲気を1.1気圧に保持しながら上記[I]と
同じ条件で焼結を完了して焼結体を得た。
大気雰囲気を10−5torrに減圧排除し、減圧を保
ちながら昇温しで600°Cで窒素ガスを1.1気圧ま
で封入する。ついで、800°Cにおいて、10−5t
orrまで減圧したのち直ちに窒素ガスを1.1気圧ま
で封入、更にこれをIQ torrまで減圧排除後1.
直ちに窒素ガスを1.1気圧まで封入する。そのまま窒
素ガス雰囲気を1.1気圧に保持しながら上記[I]と
同じ条件で焼結を完了して焼結体を得た。
比較例1
実施例1と同じように成形、乾燥した成形体を蓋付黒鉛
ルツボに入れて焼結炉内に装入し、常温で炉内大気雰囲
気を10−5torr に減圧排除する。
ルツボに入れて焼結炉内に装入し、常温で炉内大気雰囲
気を10−5torr に減圧排除する。
減圧を保ちながら昇温し、600°Cで窒素ガスを封入
して1.1気圧に保ちながら1700°Cまで昇温する
。同温度に1時間保持して焼結を完了したのち、1.1
気圧に保ちながら自然冷却した。
して1.1気圧に保ちながら1700°Cまで昇温する
。同温度に1時間保持して焼結を完了したのち、1.1
気圧に保ちながら自然冷却した。
上記実施例1[■]、間および比較例1で得られた各焼
結体(各試験繰返し数N−2)についてそれぞれの表面
炭化物の有無とその層厚を測定した。
結体(各試験繰返し数N−2)についてそれぞれの表面
炭化物の有無とその層厚を測定した。
炭化物は極めて脆弱でサンドブラストにて容易に剥離脱
落する。炭化物層厚は、各試験のサンドブラスト前後の
厚さを測定して算出した。測定結果を第1表に示す。
落する。炭化物層厚は、各試験のサンドブラスト前後の
厚さを測定して算出した。測定結果を第1表に示す。
実施例2
窒化けい素粉末(平均粒度1.0μm1 α化率92%
))こジルコニウム酸化物(Zr0z )粒末(平均粒
度1.3μm)8重量%を焼結助剤として加え、ボール
ミルで混合混練したのち、−軸プレスにて円板状成形体
(直径60朋×厚さ7〜B ytrm )を成形し、こ
れを大気中、300°Cにて乾燥した。
))こジルコニウム酸化物(Zr0z )粒末(平均粒
度1.3μm)8重量%を焼結助剤として加え、ボール
ミルで混合混練したのち、−軸プレスにて円板状成形体
(直径60朋×厚さ7〜B ytrm )を成形し、こ
れを大気中、300°Cにて乾燥した。
口] ト1−−1Zli−ん芸承士甲」ムルツゼLr
λ引旬竪京占利五内に装入して常温で炉内大気雰囲気を
10 ”torrに減圧排除する。減圧を保ちながら昇
温し、600°Cに達したとき、窒素ガスを封入し1,
1気圧としたのち直ちに10−5torrまで減圧し、
再び窒素ガスを1.1気圧まで封入する。これを10
−5torrに減圧したのち、更に窒素ガスを封入し1
.1気圧に保持しながら1730°Cに昇温する。同温
度に1時間保持して焼結を完了したのち、■、1気圧に
保ちながら自然冷却した。
λ引旬竪京占利五内に装入して常温で炉内大気雰囲気を
10 ”torrに減圧排除する。減圧を保ちながら昇
温し、600°Cに達したとき、窒素ガスを封入し1,
1気圧としたのち直ちに10−5torrまで減圧し、
再び窒素ガスを1.1気圧まで封入する。これを10
−5torrに減圧したのち、更に窒素ガスを封入し1
.1気圧に保持しながら1730°Cに昇温する。同温
度に1時間保持して焼結を完了したのち、■、1気圧に
保ちながら自然冷却した。
[111上記[I]と同様に成形体を焼結炉内に装入し
、炉内大気雰囲気を10−5torr に減圧排除し、
減圧を保ちながら昇温して600°Cで窒素ガスを1.
1気圧まで封入する。ついで700°Cにおいて10−
5torr に減圧したのち直ちに1゜1気圧まで窒素
カスを封入する。更に1100°Cにおいて10 ”t
orr に減圧し、直ちに窒素ガスを1.1気圧まで封
入する。そのまま窒素カス雰囲気を1.1気圧に保ちな
がら、1730°Cまで昇温し、同温度に1時間保持し
たのち自然冷却して焼結体を得た。
、炉内大気雰囲気を10−5torr に減圧排除し、
減圧を保ちながら昇温して600°Cで窒素ガスを1.
1気圧まで封入する。ついで700°Cにおいて10−
5torr に減圧したのち直ちに1゜1気圧まで窒素
カスを封入する。更に1100°Cにおいて10 ”t
orr に減圧し、直ちに窒素ガスを1.1気圧まで封
入する。そのまま窒素カス雰囲気を1.1気圧に保ちな
がら、1730°Cまで昇温し、同温度に1時間保持し
たのち自然冷却して焼結体を得た。
比較例2
実施例2と同じように成形、乾燥した成形体を蓋付黒鉛
ルツボに入れ焼結炉に装入し、前記比較例1と同じ工程
で焼結を行った。但し、焼結温度は1780’Cである
。
ルツボに入れ焼結炉に装入し、前記比較例1と同じ工程
で焼結を行った。但し、焼結温度は1780’Cである
。
上記実施例2[月、川および比較例2で得られた各焼結
体(N=2)につき、前記と同じ方法で表面の炭化物層
厚を測定し、第1表に示す結果を得た。
体(N=2)につき、前記と同じ方法で表面の炭化物層
厚を測定し、第1表に示す結果を得た。
第 1 表
第1表のように、窒素ガスの減圧排除と再封入を実施し
ない比較例では、炭化物層が著しく生成しているのに対
し、本発明例では、表面の炭化反応は実質上完全に防止
されていることがわかる。
ない比較例では、炭化物層が著しく生成しているのに対
し、本発明例では、表面の炭化反応は実質上完全に防止
されていることがわかる。
このように、本発明によれば、窒素カス雰囲気の減圧排
除・再封入という簡単な操作で表面の炭化物化を防止し
健全な窒化けい素焼結体を得ることができる。本発明に
おける焼結過程での窒素ガス雰囲気圧力は任意であり、
1気圧〜数十気圧の範囲内で適宜調節されるが、必ずし
も圧力を高める必要はなく、1〜3気圧程度の低圧力域
で炭化反応を防止し得ることは、高耐圧構造を不要とし
、設備・製造コストの低減、操業の容易化をもたらすも
のであり、工業的に非常に有用である。
除・再封入という簡単な操作で表面の炭化物化を防止し
健全な窒化けい素焼結体を得ることができる。本発明に
おける焼結過程での窒素ガス雰囲気圧力は任意であり、
1気圧〜数十気圧の範囲内で適宜調節されるが、必ずし
も圧力を高める必要はなく、1〜3気圧程度の低圧力域
で炭化反応を防止し得ることは、高耐圧構造を不要とし
、設備・製造コストの低減、操業の容易化をもたらすも
のであり、工業的に非常に有用である。
Claims (1)
- (1)窒化けい素系セラミックの常圧焼結において、昇
温中、1400’Cまでの温度にて雰囲気窒素ガスを減
圧排除したのち新たな窒素ガスを封入する操作を1回以
上実施することを特徴とする窒化けい素系セラミックの
焼結法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58175591A JPS6065766A (ja) | 1983-09-21 | 1983-09-21 | 窒化けい素系セラミツクの焼結法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58175591A JPS6065766A (ja) | 1983-09-21 | 1983-09-21 | 窒化けい素系セラミツクの焼結法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6065766A true JPS6065766A (ja) | 1985-04-15 |
Family
ID=15998756
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58175591A Pending JPS6065766A (ja) | 1983-09-21 | 1983-09-21 | 窒化けい素系セラミツクの焼結法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6065766A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5049531A (en) * | 1988-09-09 | 1991-09-17 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Silicon nitride sintered body |
| WO2017090718A1 (ja) * | 2015-11-25 | 2017-06-01 | 日本碍子株式会社 | 不活性ガスの置換方法、及び不活性ガスの置換方法を用いたセラミック構造体の製造方法 |
-
1983
- 1983-09-21 JP JP58175591A patent/JPS6065766A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5049531A (en) * | 1988-09-09 | 1991-09-17 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Silicon nitride sintered body |
| WO2017090718A1 (ja) * | 2015-11-25 | 2017-06-01 | 日本碍子株式会社 | 不活性ガスの置換方法、及び不活性ガスの置換方法を用いたセラミック構造体の製造方法 |
| CN108290796A (zh) * | 2015-11-25 | 2018-07-17 | 日本碍子株式会社 | 非活性气体的置换方法以及使用非活性气体的置换方法的陶瓷结构体的制造方法 |
| CN108290796B (zh) * | 2015-11-25 | 2020-08-28 | 日本碍子株式会社 | 非活性气体的置换方法以及使用非活性气体的置换方法的陶瓷结构体的制造方法 |
| US10774009B2 (en) | 2015-11-25 | 2020-09-15 | Ngk Insulatros, Ltd. | Inert gas substituting method and ceramic structure manufacturing method using inert gas substituting method |
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