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

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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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JP
Japan
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nitrogen gas
pressure
sintering
temperature
atm
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JP58175591A
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English (en)
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森近 俊明
北村 耕二
土田 二朗
卓也 佐々木
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Kubota Corp
Original Assignee
Kubota Corp
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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。

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
[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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
[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。
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
。
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。
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。
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。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  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。
JP58175591A 1983-09-21 1983-09-21 窒化けい素系セラミツクの焼結法 Pending JPS6065766A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

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