JP2534213B2 - 窒化珪素質焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温における機械的強
度および靭性の優れた高密度窒化珪素質焼結体の製造方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】窒化珪素は一般に共有結合性の強い物質
であり単味では焼結が困難であるため、種々の添加物を
加えて焼結することが行われている。

【０００３】例えば酸化イットリウムと酸化アルミニウ
ムを添加した系では、耐熱衝撃性においては優れたもの
が得られているが、高温における機械的強度に劣ってい
る場合があった。

【０００４】耐熱性を向上させることを目的として、特
開昭５３―１４７１７号公報、特開昭６２―２０７７６
６号公報および特開平２―２９６７６９号公報に開示さ
れている酸化イットリウム＋酸化アルミニウム＋窒化ア
ルミニウムを添加した系、特開昭６２―２０７７６５号
公報に開示されている酸化イットリウム＋酸化セリウム
＋酸化マグネシウムを添加した系などが試みられてお
り、高温強度の向上等に効果が認められることが知られ
ている。

【０００５】また、１０気圧以上の窒素ガス雰囲気中に
てガス圧焼結する方法が靭性の改善に効果があることが
知られている。

【０００６】しかしながら上記材料では、耐熱衝撃性、
耐熱性は優れるものの、機械的強度及び靭性を同時に飛
躍的に改善するには至っていないため、より厳しい使用
環境下、特にガスタービン部品のように１３００℃以上
の高温における高い高温強度と靭性が必要である構造部
材へ適用するにあたっては信頼性に欠ける等の問題点が
あった。

【０００７】従って、１３００℃以上の高温における機
械的強度および靭性の両方を同時に向上したものが望ま
れている。

【０００８】ガス圧焼結を利用する方法については、こ
のことにより特性の改善は認められるものの生産性に劣
るなどの問題点があった。

【０００９】また、窒化アルミニウムは窒化珪素の焼結
過程で焼結を促進すると共に、窒化珪素に固溶し、安定
なＳｉ―Ａｌ―Ｏ―Ｎ相を形成するため高温特性の向上
に寄与することが知られている。

【００１０】しかし、窒化珪素との混合粉末を作製する
際、窒化アルミニウムの酸化を抑制するため混練用の溶
媒として、アセトン、エタノール等の有機溶媒を用いる
必要があり、安価な精製水を用いることができない等、
生産性に劣る問題点があった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高密
度で、高い機械的強度および高い靭性を示し、しかも１
３００℃の高温においても機械的強度の低下が小さい等
の良好な耐熱性を有する窒化珪素質焼結体の生産性の良
い製造方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の窒化珪素質焼結
体の製造方法は、１種類以上の希土類酸化物３〜１２重
量％，Ａｌ ₉ Ｏ ₃ Ｎ ₇ 、Ａｌ ₇ Ｏ ₃ Ｎ ₅ 、Ａｌ ₆ Ｏ ₃ Ｎ ₄ から選
ばれる少なくとも１種の酸窒化アルミニウムポリタイプ
４〜１０重量％及び残部が実質的に窒化珪素からなる混
合粉末を成形し、該成形体を１〜２気圧の窒素ガス雰囲
気中において１７００〜１８００℃の温度で焼結するこ
とを特徴とするものである。

【００１３】

【作用】希土類酸化物、酸窒化アルミニウムポリタイプ
は焼結助剤として作用し、焼結過程において窒化珪素の
粒界で液相を生成し焼結を促進する。

【００１４】本発明の希土類酸化物としては、例えば、
酸化イットリウム、酸化エルビウム、酸化イッテルビウ
ム、酸化スカンジウム、酸化セリウム等が挙げられる。

【００１５】希土類元素の酸化物は窒化珪素の焼結時に
α相からβ相への結晶相転移をその融液中で促進させる
機能を持ち、更に窒化珪素の柱状相を生成することによ
り高温強度および靭性を向上させる。

【００１６】これらの成分の合計が、１２重量％を超え
ると得られた焼結体の高温での耐酸化性が低下するの
で、１２重量％以下であることが必要である。

【００１７】また３重量％より少ないと液相が十分生成
せず十分な緻密化がなされないため好ましくない。

【００１８】従ってその添加量としては３〜１２重量％
の範囲とし、特に十分に高い高温強度、および靭性を得
るためには４〜８重量％の範囲であることが好ましい。

【００１９】酸窒化アルミニウムポリタイプはＡｌ―Ｏ
―Ｎの化合物であり、窒化アルミニウムに所定量の酸化
アルミニウムを予め固溶させることにより形成されたも
のである。

【００２０】酸窒化アルミニウムのポリタイプとして
は、酸化アルミニウムの窒化アルミニウムへの固溶量に
応じて３２Ｈ，２７Ｒ，２１Ｒ，１２Ｈ，１５Ｒ型など
数多くの形態が存在する。

【００２１】２７Ｒ型酸窒化アルミニウムポリタイプは
Ａｌ₉Ｏ₃Ｎ₇であり、２１Ｒ型酸窒化アルミニウムポリ
タイプはＡｌ₇Ｏ₃Ｎ₅であり、１２Ｈ型酸窒化アルミニ
ウムポリタイプはＡｌ₆Ｏ₃Ｎ₄である。

【００２２】本発明に用いられる酸窒化アルミニウムポ
リタイプは、Ａｌ₉Ｏ₃Ｎ₇、Ａｌ₇Ｏ₃Ｎ₅、Ａｌ₆Ｏ₃Ｎ₄
から選ばれる少なくとも１種のＡｌ―Ｏ―Ｎ化合物であ
る。

【００２３】これらのＡｌ―Ｏ―Ｎ化合物は他の酸窒化
アルミニウムポリタイプに比べて化合物中のＡｌＮモル
比が高く、かつ水中でも安定である特徴を有している。

【００２４】これらは上記希土類酸化物と共に焼結時に
液相を形成し、緻密化を促進する効果を持つが、単相の
窒化アルミニウムもしくは他の型の窒化アルミニウムポ
リタイプと比べて焼結過程において窒化珪素に固溶し易
く、焼結後に窒化珪素の結晶粒界に残存しにくいため均
質かつ高温まで高い強度を示す焼結体を得ることができ
る。

【００２５】本発明においては、焼結助剤として酸窒化
アルミニウムポリタイプのＡｌ₉Ｏ₃Ｎ₇、Ａｌ₇Ｏ₃Ｎ₅、
Ａｌ₆Ｏ₃Ｎ₄から選ばれる少なくとも１種のＡｌ―Ｏ―
Ｎ化合物を４〜１０重量％添加するが、１０重量％より
多いと得られる焼結体の高温耐酸化性が劣化し、また４
重量％より少ないと十分緻密な焼結体が得られない。

【００２６】特に高い高温強度および高い靭性の焼結体
を得るためには６〜８重量％の範囲であることがより望
ましい。

【００２７】焼結助剤として添加する上記希土類酸化物
および酸窒化アルミニウムポリタイプ粉末は均質かつ高
密度の焼結体を得るために平均粒径が２μｍ以下の微粒
子であることが好ましい。

【００２８】本発明において使用される窒化珪素粉末
は、α型の結晶構造をもつ窒化珪素粉末が焼結性の点か
ら好ましいが、β型あるいは非晶質窒化珪素粉末が含ま
れていてもかまわない。

【００２９】焼結時に十分に高い嵩密度とするために
は、平均粒径１μｍ以下の微粒子であることが望まし
い。

【００３０】本発明方法においては、これらの各成分の
混合は精製水、アセトンもしくはエタノール等の溶媒を
用い、窒化珪素もしくは炭化珪素のポット及びボールを
用いて遊星型混合機で行なう。

【００３１】このように調整された混合粉末を加圧成形
し所望の形状の成形体とする。成形法としては、公知の
成形法により行なうことができる。

【００３２】例えば、板状体では１軸成形圧１０〜１０
０ＭＰａで成形した後、２次静水圧成形圧１５０〜７０
０ＭＰａで成形する。

【００３３】この成形体を１〜２気圧の窒素ガス雰囲気
中、１７００〜１８００℃の温度範囲において焼結す
る。

【００３４】焼結時の雰囲気は窒化珪素の高温での分解
を抑制するために窒素ガス雰囲気であることが好まし
い。

【００３５】ここで、窒素ガスとは、実質的にＮ₂ガス
のことであるが、Ａｒ等の他の不活性ガスが含まれてい
てもかまわない。

【００３６】また、容易に得ることのできる１〜２気圧
の実質的な常圧において焼結することにより、通常の常
圧焼結炉を利用することが可能で生産性を向上すること
ができる。

【００３７】焼結に際しては１７００℃未満の温度では
十分緻密な焼結体が得られにくく、また、窒化珪素は窒
素ガス１気圧下では約１８００℃超で著しい分解が生じ
るため、１７００〜１８００℃の温度範囲にて焼結する
ことが必要である。

【００３８】焼結の際には、１５５０〜１６５０℃で希
土類酸化物および酸窒化アルミニウムポリタイプの液相
を均一に分布させるために３０分間以上保持する。

【００３９】さらに、１７００〜１８００℃で上記液相
中に窒化珪素が溶解し再析出することで結晶相転移が生
じると共に、緻密化し焼結する。

【００４０】この溶解・再析出過程で、融液中の固溶限
界があるため、３０分間以上の保持が必要となる。

【００４１】本発明においては、１種類以上の希土類酸
化物３〜１２重量％，Ａｌ₉Ｏ₃Ｎ₇、Ａｌ₇Ｏ₃Ｎ₅、Ａｌ
₆Ｏ₃Ｎ₄から選ばれる少なくとも１種の酸窒化アルミニ
ウムポリタイプ４〜１０重量％，及び残部が実質的に窒
化珪素からなる混合粉末を成形し、該成形体を１〜２気
圧の窒素ガス雰囲気中において１７００〜１８００℃の
温度で焼結することにより焼結体を得るが、これら条件
の組み合わせにより、１３００℃における坑折強さが７
００ＭＰａ以上の高強度でかつ室温における靭性が６Ｍ
Ｐａｍ^1/2 以上の高靭性を有する窒化珪素質焼結体を製
造することが可能となった。

【００４２】本発明により、高い高温強度と高い靭性を
両方とも満足した優れた窒化珪素質焼結体が、比較的安
価な水溶媒等を用いた粉末混合法および加圧を必要とし
ない常圧焼結法により生産性良く製造可能となり、本課
題が達成された。

【００４３】次に本発明の実施例を比較例と共に説明す
る。

【００４４】

【実施例】窒化珪素粉末（平均粒径０．５μｍ、α化率
９７％以上）に希土類酸化物粉末、及び、酸窒化アルミ
ニウムポリタイプ粉末を第１表に示す所定量（重量％）
添加し、溶媒として精製水を用いて窒化珪素製ボールミ
ルで２４時間混練した。

【００４５】なお、用いた希土類酸化物粉末は、酸化イ
ットリウム粉末としてＹ₂Ｏ₃粉末（平均粒径０．３μ
ｍ）、酸化エルビウム粉末としてＥｒ₂Ｏ₃粉末（平均粒
径０．８μｍ）、酸化イッテルビウム粉末としてＹｂ₂
Ｏ₃粉末（平均粒径０．９μｍ）である。

【００４６】酸窒化アルミニウムポリタイプ粉末は酸素
を所定量含有した，Ａｌ₉Ｏ₃Ｎ₇、Ａｌ₇Ｏ₃Ｎ₅、Ａｌ₆
Ｏ₃Ｎ₄化合物（いずれも平均粒径１．０μｍ）である。

【００４７】次いで得られた混合粉末を乾燥、成形後焼
結した。成形条件としては金型１軸成形圧１００ＭＰ
ａ、冷間静水圧による加圧１５０ＭＰａとし、５０ｍｍ
×５０ｍｍ×１０ｍｍの板状体を得た。

【００４８】常圧焼結条件としては窒素ガス雰囲気１．
１気圧中、１６００℃の温度にて２時間保持後、１７０
０〜１８００℃の温度にて４時間保持である。

【００４９】本発明により得られた各焼結体の特性を焼
結助剤の添加量、焼結条件と共に第１表に示す。焼結体
の密度はアルキメデス法により相対密度として測定し
た。

【００５０】機械的強度については、ＪＩＳ Ｒ１６０
１およびＪＩＳ Ｒ１６０４に準拠し室温及び大気中１
３００℃にて３点曲げ試験を行い坑折強さとして測定し
た。

【００５１】１３００℃での試験に際しては、大気中で
の酸化劣化を考慮し、予め１３００℃大気中に２４時間
保持した試験片を用いた。

【００５２】靭性についてはＪＩＳ Ｒ１６０７のＳＥ
ＰＢ法により破壊靭性値Ｋ_ICを室温にて測定した。

【００５３】比較例として、単相の窒化アルミニウム粉
末（平均粒径１．０μｍ）を用いた系等の特性値も併せ
て第１表に示す。

【００５４】第１表に示すように、本発明の実施例によ
るものは高温坑折強さ、靭性共に優れるが、比較例に該
当する試料では本発明の実施例と比べて特に高温坑折強
さが劣ることが確認された。

【００５５】

【表１】

【００５６】

【表２】

【００５７】

【発明の効果】本発明によれば、上記の如く、窒化珪素
質焼結体において高温における機械的強度、および靭性
をより優れたものとすることが可能となった。

【００５８】このことにより高温における信頼性の非常
に優れた窒化珪素質焼結体の作製が可能となり、その工
業的有用性は非常に大きい。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １種類以上の希土類酸化物３〜１２重量
   ％、Ａｌ ₉ Ｏ ₃ Ｎ ₇ 、Ａｌ ₇ Ｏ ₃ Ｎ ₅ 、Ａｌ ₆ Ｏ ₃ Ｎ ₄ から選ば
   れる少なくとも１種の酸窒化アルミニウムポリタイプ４
   〜１０重量％及び残部が実質的に窒化珪素からなる混合
   粉末を成形し、該成形体を１〜２気圧の窒素ガス雰囲気
   中において１７００〜１８００℃の温度範囲で焼結する
   ことを特徴とする窒化珪素質焼結体の製造方法。