JPS63112468A - 窒化珪素質焼結体の製造方法 - Google Patents

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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） この発明は、自動車９機械装置、化学装置、宇宙航空機
器等々の広い分野において使用される各種構造部品の素
材として利用され、とくにすぐ九九高温強度を有するフ
ァインセラミンクス材料を得るのに好適な窒化珪素質焼
結体の製造方法に関するものでるる。

（従来の技術お；びその問題点） 窒化珪素を主成分とする焼結体は常温および高温で化学
的に安定でメク、高い機械的強度を有する念め、軸受な
どの摺動部材、ターボチャージャロータなどのエンジン
部材等として好適な材料でろる０ しかし、窒化珪素はこれ単独では焼結が困難なため、通
常の場合、Ｍ　ｇｏ　、　Ａｌｔ　Ｏｓ　−Ｙ！　Ｏｓ
等の焼結助剤を添加して焼結を行う方法が用いられてい
る。

これらの焼結は、焼結時に生ずる液相を媒介とした液相
焼結によると考えられており、焼結後に液相はガラス相
として焼結体中に残留する。一方、焼結体の耐クリープ
特性、高温強度、耐酸化性等の特性については、焼結体
中に残留する第２相すなわちガラス相に犬きく影響を受
ける。そして、上述した工うな焼結助剤から生じるガラ
ス相は軟化温度が低いため窒化珪素質焼結体の高温機械
特性を低下させるので好ましくないという問題点がろつ
几。

一方、高温機械特性に優れる窒化珪素質焼結体として、
窒化珪素粉末にＹ！０１を添加して窒素雰囲気中でホッ
トプレスする方法が知られている。しかしながら、ホン
トプレス法は焼結性ＫＷｌれち密な焼結体が得られるも
のの単純形状の製品しか與造できないという欠点かめる
。

この発明は、上述した従来の問題点に着目してなされた
もので、特に高温における強度にすぐれた。複雑形状の
製品も製造可能な窒化珪素質焼結体の製造方法を提供す
ることを目的としている。

〔発明の構成〕

（問題を解決するための手段） この発明による窒化珪素質焼結体の製造方法は、窒化珪
素：６１〜９５重ｉ％、Ｃｅを除く周期律表第Ｕ［ａ族
元素から選ばれる１種類の酸化物：５〜３５重量シ、Ｓ
ｉＯ，：窒化珪素の４ｍ！％以下、七の他の酸化物：Ｃ
ｅを除く周期律表第１［［ａ族元素の酸化物の５Ｘ量％
以下からなる原料粉末を混合・成形して得た成形体を、
２気圧以上の窒素雰囲気下で１８５０℃以上２２００℃
以下の温度で焼成することで理論密度９３％以上の焼結
体を得ることを特徴としている。

すなわち、この発明では窒化珪素粉末に焼結助剤として
Ｃｅを除く周期律表第ＩＩＩａ族の元素の酸化物を１種
類だけ用いることにより、焼結体に残留する第２相の軟
化温度を高くし得ることに着目して前記問題点を解決し
たものである。

セリウム（Ｃｅ　）を除い九のは、Ｃｅ　Ｏｔ　は焼成
中にＳｉ、Ｎ４と反応して５ｉｏｔを生成するため、焼
結体の高温強度が低くなってしまうためである。

また、Ｓｉｎ、は窒化珪素の４重量％エリ多いと焼結体
の高温強度が極端に低下し、また、その他の酸化物がセ
リウムを除く周期律表第［Ｉａ族元素の酸化物の５重ｉ
１％より多いとやはり焼結体の高温強度が極端に低下す
るため、Ｓｉｎ、及び他の酸化物の配合比率の上限を上
記値以下とした。

セラミックスの焼結助剤としての周期律表第■ａ族元素
の酸化物は１種類の添加では、従来の焼成温度（１６０
０〜１８００℃）の範囲では十分な量の低粘度の液相が
生成しない几め焼結性が悪〈従来はホットプレスの：う
に外から圧力を加えて焼結する場合にのみ用いられてき
念。

この発明によれば、Ｃｅを除く周期律表第ＩＩＩａ族元
素から選ばれる１種類の酸化物を焼結助剤として使用し
、２気圧以上の窒素ガス圧下で１８５０℃以上２２００
℃以下の温度でガス圧焼結することにより、十分な量の
低粘度の液相が生成し、外から圧力を加えることなくち
密化が促進てれ、理論密度の９３％以上の密度の焼結体
が得られる様になった。しかもこの焼結体の第２相は融
点が高い念め、焼結後に焼結体中に残留しても高温にお
いて強度が低下することが少ない。

この発明において用いる原料粉末中の窒化珪素としては
、アルファ型を主とする粉末が好ましいが、ベータ型ま
たはアモルファスの粉末であってもさしつかえない。

また、Ｃｅを除く周期律表第１ｎａ族の元素の酸化物と
しては、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅ
ｕ。

Ｇｄ、Ｔｂ　、Ｄｙ　、Ｈｏ　、Ｅｒ　、Ｔｍ、Ｙｂ　
、Ｌｕの酸化物を挙げることができる。これらの酸化物
の蛍は、種類および組成に＝り最適範囲は異るが、含有
量５〜３５′ｉＬ量％とすることによって、よリー層密
度および強度は向上する。しかし、ち密化に必要な量以
上に助剤を添加すると、高温での強度低下を引き起こす
。

これらの混合粉末の成形方法については特に限定しない
が、例えば、金型プレス成形、ラバープレス、射出成形
など通常のセラミックスの成形方法を、目的とする品物
の形状に合わせて選択できる０ 次に、焼成については２気圧以上の窒素雰囲気下で行わ
れる。この場合、窒素雰囲気は窒化珪素の酸化を防ぎ、
分解を抑制することを目的とし、２気圧未満ではこの効
果は少ない。なお、雰囲気ガスは窒素ガス１００％が望
ましいが、他の不活性ガスとの混合ガスでもさしつかえ
ない。また、焼結時にＳｉＯガスによる蒸散を抑制する
ために、Ｓｉ８Ｎ４　＋　Ｓ　Ｉ　Ｏ！等の混合粉末で
試料を穆うことは必ずしも必要でないが、高い温度で焼
結を行うときには有効な方法でるる。さらに、焼結温度
については、最適な温度は原料粉末の種類および量によ
って異るが、１８５０℃以上２２００℃以下で行う。

１８５０℃以下では液相が生成しないためち密化しない
。２２００℃以上では窒化珪素の粒成長が著しくなり強
度が低下する。

この発明の一実施態様において、成形体を焼成するにあ
たり、■２気圧以上５００気圧以下の圧力で１８５０℃
以上２２００℃以下の温度で１次焼成を行つ九のち、■
５００気圧以上の圧力で１８５０℃以上２２００℃以下
の温度で２次焼成を行うことを特徴としている。これは
、■の工程で理論密度の９０％以上までち密化し成形体
の気孔は閉気孔となる。■の工程で窒素ガス圧力が高く
なることにニジガス圧力で成形体内部の気孔を消滅きせ
る効果がめり、少量の助剤の添加で高密度の焼結体が得
られる効果がろる。■で５００気圧以下の圧力で焼成す
るのは、５００気圧以上のガス圧下では終期焼結がさま
たげられ完全にはち密化しなくなるためである。

（実施ψリ　ｌ−１２） Ｓｉｎ、を不純物として窒化珪素粉末の２．５　ｗｔ％
含む、平均粒径１μｍの窒化珪素粉末に希土類酸化物（
純度９９．９％以上）を第１表の組成で混合し窒化珪素
ボールとプラスチックポットを使用しエタノール添加湿
式ボールミルを２４時（Ｗ行つ文。

この間ボールの磨耗量は少なくボールからの不純物混入
は０．１％以下でめった。得られた混合粉末を２００１
Ｇ９　ｆ　／ｃｒｌの圧力で金型成形し、続いて２００
０＃ｆ／ｄの圧力でラバープレスして５＋ｏ＋Ｘ６ｍｇ
Ｘ５０朋の板状に成形し友。これを第１表に示す窒素ガ
ス圧お二び温度てて所定時間保持することによυ焼成し
た。次に、この焼結体の表面を研削し、３間×４門×４
０關の形状に加工した後、２５℃および１３５０℃の温
度でスパン３０工扉で３点１ｆｌｌｌケによる抗折試験
を行った（実施例１〜９）ａ第１表に示す様に理論密度
の９３％以上のち密な焼結体が得られ、室温で高強度で
ろりかつ高温で強度低下が少なかった。ただし２５℃の
強度は１５本の平均、１３５０℃の強度は３本の平均で
ある。

第２表に示す組成の粉末を第１図の条件（他は上記実施
例と同じ）で焼成した。結果を第２表に示す。（実施例
１０〜１２） （比較例１〜７） 第３表に示す組成の粉末を開成に示す条件で焼成した。

結果を第３表に示す。

〔発明の効果〕

この発明によれば特に高温における強度に優れｔ窒化珪
素質焼結体を、複雑な形状の製品でも製造することので
きるガス圧焼結により製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の実施例ｔｏ−１２の焼成条件を示
す温度、圧力−時間線図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　窒化珪素：６１〜９５重量％、Ｃｅを除く周期律表第
   IIIａ族元素から選ばれる１種類の酸化物：５〜３５重
   量％、ＳｉＯ＿２：窒化珪素の４重量％以下、その他の
   酸化物：Ｃｅを除く周期律表第IIIａ族元素の酸化物の
   ５重量％以下からなる原料粉末を混合・成形して得た成
   形体を、２気圧以上の窒素雰囲気下で１８５０℃以上２
   ２００℃以下の温度で焼成して焼結体を得る窒化珪素質
   焼結体の製造方法。