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JPS5860675A - 窒化珪素焼結体及びその製造方法 - Google Patents

窒化珪素焼結体及びその製造方法

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Publication number
JPS5860675A
JPS5860675A JP56155451A JP15545181A JPS5860675A JP S5860675 A JPS5860675 A JP S5860675A JP 56155451 A JP56155451 A JP 56155451A JP 15545181 A JP15545181 A JP 15545181A JP S5860675 A JPS5860675 A JP S5860675A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
boron
sintering
silicon nitride
weight
sintered body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP56155451A
Other languages
English (en)
Other versions
JPS6214506B2 (ja
Inventor
三浦 一則
服部 善憲
康史 松尾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Tokushu Togyo KK
Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
Nippon Tokushu Togyo KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NGK Spark Plug Co Ltd, Nippon Tokushu Togyo KK filed Critical NGK Spark Plug Co Ltd
Priority to JP56155451A priority Critical patent/JPS5860675A/ja
Publication of JPS5860675A publication Critical patent/JPS5860675A/ja
Publication of JPS6214506B2 publication Critical patent/JPS6214506B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/584Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

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】 本発明は機端的強度に優れ、高温下における強膚低下の
少ない高vR度窒化珪素焼結体及びその製造方法に関す
るものである 窒化硼素焼結体は機種的強度、1耐熱性、1#瞑蝕性な
どの諸特性1こ優れているために、例えばガスタービン
部品のような高温構造材料としての用途がある しかし
、一方窒仕珪素は共有結合性が高いために、焼結性に乏
しく高密度かつ高強膚の焼結体を得ることは困難である
。従来窒化珪素粉末の製法tこは、金属珪素を窒化焼結
させる反応焼結法、窒化珪素粉末に焼結助剤を添加して
焼結する常圧焼結法、ホットプレス法がある しかしこ
ilらの方法には次の第1表に示すような侵所、短所が
ある。
第1表 これらのいずれの方法もそれぞれ一長一短があり、例え
ば、ガスタービン、エンジン部品等の複雑形状の耐熱高
部部材を製作するには未だ充分な方法とは言えない。し
かし常圧焼結法又はホットプレス法には上記のような優
れた長所があり、この長所をそのまま生かしつつ短所を
解決する方法を見い出せば耐熱高温部材用として最適な
ものとなるはずである。そこで本発明者等は窒化珪素。
又は窒化珪素を形成しつる原料から常圧焼結法又はホッ
トプレス法により、或いは反応焼結法を適用して焼結体
を得るに当って、添加される焼結助剤につき1種々検討
を行なった。その結果、窒化珪素に焼結助剤として硼素
を始めとする成る柚の硼素化合物、及び希土類元素の酸
化物を始めとする成る種の酸化物をそれぞれ一定の割合
で添加したものから得られる焼結体は高温下においても
強度の劣化が起らず、耐熱高温部材として極めて優れて
いることを見い出した。即ち1本発明は、窒化珪素を6
8〜98.99重敏%と、焼結助剤として硼素、窒化硼
素、硼化フンタン、硼化チタン及び硬化クロムのなかか
ら選ばれた1種又は2種以上の硼素成分を0.O1〜7
重瞳%(以下「重量」を省く)と、希土類元素の酸化物
、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニ
ウム、二酸化珪素のなかから選ばれた1種又は2a1以
上の酸化物を1〜25%とを含有する窒化珪素焼結体及
びその製造方法を要旨とするものである。
u下1本発明を戸に詳細に説明するに、本発明では、窒
化珪素に硼素、窒化硼素、硼化ランタン、1什チタン及
び硼化クロムのなかから選ばれた硼素成分と、希土類元
素の酸化物、酸化アルミニウム、酸イヒマグネνウム、
゛酸化ジルコニラふ及ヒ二酸化珪素のなかから選ばれた
酸化物の両成分を焼結助剤として添加使用してなること
を必須とするものである。、この両成分を焼結助剤とし
て組合わせ使用することにより、その相乗効果として、
室温時は勿論高温度下においても従来のものよりはるか
に優れた機械的強度を有する窒化珪素焼結体が得られる
。特に焼結助剤のうち、硼素化合物は得られる窒化珪素
焼結体の高温度下における機械的強度の向上に大きく貢
献するものであることが本発明者等の検討の結果明らか
となった。このように、焼結助剤として硼素成分を併用
することによって得られる窒化珪素焼結体の高温度下に
おける機械的強度が向上するのは、必ずしも明らかでは
ないが凡そ次のような理由によるものではないかと推測
される1即ち、一般に窒化珪素焼結体の高温下における
II械的強噴の低下は粒界の酸化物ガラス相の軟化に起
因している。これは焼結助〜1として酸化物を添加する
ため粒界のイオン結合性が強いためである。ポーリング
(Pauling )によれば、2つの原子間のイオン
結合性は原子間の電電陰性度の差が大きい程イオン結合
性は強くなる原子の電気陰性度をXム(ムは元素記号と
する)でXB= 2.0 、 Xsl = 1.8 、
 XN= 3.0.Xo−=3゜5であるためこれらの
電9C陰性度の差はXo −Xsi=1.7、XN−X
5i=12. ¥N−Xy==1.0.XB−Xsi 
= 0.2である。1これより、それぞれのイオン結合
性の凡その値は:頼に50%、22%、14%、2.0
%となるが酸化物を添加したことによるイオン結合性の
増加をホウ素元素の添加(よりそのイオン結合性が弱め
られ、かくして、窒化珪素焼結体の高温度下における機
械的強度が向上する本発明の窒化珪素焼結体において 
焼結助剤のうち、硼素化合物は、窒化珪素68〜98.
99重臆%に対し、o、oi〜7重量%の範囲で添加さ
れていることが必要である。この範囲を超えると。
却って焼結性が阻害され1反対にこの範囲より少ないと
高温度下における機械的強度を向上させる効果が充分発
揮されない。又、酸化物は窒化珪素68〜98.99重
li1%に対し、1〜25重t%の範囲で添加されるこ
とが必要である1、この範囲を超えると焼結性は増大す
るが1粒界相の量が多くなるため、高温度下における機
械的強度の低下を招く3反対にこの範囲より少ないと生
成する焼結体が緻密化せず、常温及び高温度下における
機械的強度も弱い。
本発明の窒化珪素焼結体を製造するにはまず窒化珪素、
焼結助剤としての硼素化合物及び酸化物の各々な微粒化
したものを、窒化珪素68〜98゜99市歇%、硼素(
1合物001〜7市瞳%、酸化物1〜25虫量%の割合
で例えばボールミル等により混合粉砕し、約2000&
q/dの圧力を加えて所望の形状に成形する12次に1
600〜2200℃の範囲で常圧又は加圧下で非酸化性
雰囲気。
例えば窒素ガス或いは窒素含有ガス雰囲依下に焼結させ
る。原料の窒化珪素はα相が50 ’/Q以−F含まれ
ていることが望ましい。これは窒化珪素の焼結にはa/
β転移が大ぎ(関係し、α相が50%以下では充分に焼
結が進行しないからである。なお、窒化珪素を充分な焼
結体とするために、焼結助剤も含めて粒度を10ミクロ
ン以下に整粒したものであることが望ましい この場合
、出発1g料の窒化珪素の代りに窒化珪素を形成しつる
原料即ち、金属珪素粉末を用い、これにL記の焼結助剤
を添加混合して成形したものを窒素ガス雰囲気中120
0〜1500℃で焼結して得られる窒化反応焼結体を使
用することもできる。ここに窒素ガス雰囲気とは窒素ガ
ス中若しくは窒素を含む混合ガス雰囲気を指す。この方
法は、窒化焼結時に。
焼結助剤のうち、硼素化合物が充分分散しているため1
反応焼結体の粒径を細かくさせ、その結果として、再焼
結における焼結速度が促進される利点がある。焼結は常
圧で行なう場合、1600〜1900℃の温度範囲で行
なうのが好ましい。この範囲外即ち160()tより低
いと、充分緻密化した機械的強度の高い焼結体が得られ
ず、父、1900℃を超えると窒化珪素自体の分解が著
しくて好結果が得られない4.又、窒素ガス雰囲完下で
加圧焼結を行なうと緻密化された機械的強度の高い焼結
体が得られる。その場合、1〜3000気圧までの範囲
で1600〜2200℃の温度範囲で行なうのが好まし
い。この範囲外、即ち圧力がこの範囲より低いと焼結温
度が190(l層上のとき窒化珪素が分解しやすく、こ
の範囲より高いと安全面と装置の面から工業的には適さ
ない。又、1600℃より低いと充分緻密化した機械的
強度の高い焼結体が得られず、2200tl:を超える
とこれも装置の面及び安全面から工業的に適さない尚、
加圧焼結を500〜3000気圧で行なう場合は、焼結
前の成形体、或いは反応焼結体が開式孔のない場合には
そのまま、焼結又は再焼結を行なっても差支えないが、
開気孔のある場合にはそのまま焼結すると緻密化が阻害
される恐れがあるので1例えばシリカ系のガラス等で表
面を完全clって焼結するのがよい。又、1〜約500
1圧で焼結又は再焼結(金属珪素を原料とする場合)r
る場合には、開気孔があっても表面を覆わずに焼結して
もよい。尚、この焼結工程は金属珪素を原料とする場合
には窒化反応焼結工程に連続して) 行なうことができる。
以上のようにして、窒化珪素又は窒化珪素を形成しつる
原料に焼結助剤として上記の硼素系化合物と酸化物とを
組合せて特定割合で添加した混合物を成形し、常圧又は
加圧焼結するか、窒化反応焼結後再焼結して得られた本
発明の窒化珪素焼結は優れた物性を備えており高緻密性
で機種的強度が高く高温度下においても強度の低下は殆
んど認められない。本発明の窒化珪素焼結体と0本発明
以外の窒化珪素焼結体とを比較すると次表のとおりで9
本発明品の方が物性において明らかに優れている。
第2表 *測定方法は後述する実施例に同じ 本発明は以上述べたように、窒化珪素に焼結助剤として
、特定割合の硼素成分と酸化物とを組合わせ添加してな
る焼結体であり、このような新規な組成としてなること
により高緻密性で常温下は勿論高温度下においても低下
することのないwaIIII強度を備えており、耐熱性
の要求される。ガスタービン部品、エンジン用部品とし
て好適なものである 次に、本発明を実施例により更に詳細に説明するが1本
発明はその要旨を超えない限り以下の実施例に限定され
ることはない。
実施例1 平均粒径が次の第3表に示すような窒化珪素と焼結助剤
としての硼素系化合物、及び酸化物を用い、第4表に示
すような割合でボールミルにより混合粉砕後、2000
&9/c−の圧力で成形し、同表に示す条件により非酸
化性雰囲気下で1時間焼結し、得られた焼結体の室温で
の曲げ強度及び高温強度の変化率を測定し、第4表のよ
うな結果を得た。尚1曲げ強度は4X8X250(スパ
ン20 m )の試験片で測定した。また高温強度の変
化曲げ強度、 $1200 : 1200℃での曲げ強
度〕より算出した。
第3表 実施例2 ′4!施例1における窒化珪素の代りに平均粒径が10
μmの金属珪素を用い、その他の焼結助剤は第3表に示
すものを用い、第5表に示すような郁1合でl−ルミル
により混合粉砕後、2000#/dの圧力で成形し、窒
素ガスを含む雰囲俄下、圧力1〜100完圧、温度12
00〜1450℃で窒化反応焼結後、この度広焼結体を
同表に示す条件により非酸化性雰囲気下で1時間焼結し
、得られた焼結体の曲げ強度及び高1強度の変化率を測
定し第5表のような結果を得た。尚測定法は実施例の場
合と同様である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 i1化珪素68〜98.99重鎗%と、焼結助剤と
    して硼素、窒化硼素、硼化ランタン、硼化チタン及び硼
    化クロムのなかから選ばれた硼素成分の1種又は2種以
    上0.01〜7重量%と、希土類元素の酸化物、酸化ア
    ルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、及
    び二酸化珪素のなかから選ばれた酸化物の1種又は2種
    以上を1〜25市量%含有することを特徴とする窒化珪
    素焼結体。 2 窒化珪素68〜98.99重1%に、焼結助剤とし
    て硼素、窒化硼素、硼化ランタン、硼化チタン及び硼化
    クロムのなかから選ばれた硼素成分の1fa又は2種以
    上0.01〜7重盪%と、希土類元素の酸化物、酸化ア
    ルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、及
    び二酸化珪素のなかから選ばれた酸化物の1櫨又は2種
    以上1〜25−量%を混合成形し、非酸化性雰囲気中で
    焼結することを特徴とする窒化珪素焼結体の製造方法。 3 窒化珪素の78〜98.99N[量%に相当する金
    属珪素に、焼結助剤として硼素、窒化硼素。 硬化ランタン、硼化チタン、及び硼化クロムのなかから
    選ばれた硼素成分のB7又は2種以上0.01〜7重緻
    %と、希土類元素の酸化物、酸化アルミ=つA、酸化マ
    グネシウム、酸化ジルコニウム及び二酸化珪素のなかか
    ら選ばれた酸化物の1種又は2!lU上1〜25重量%
    を混合成形し、窒素ガス雰囲気中で反応焼結し1次いで
    非酸化性雰囲気中で焼結することを特徴とする窒化珪素
    焼結体の製造方法。
JP56155451A 1981-09-30 1981-09-30 窒化珪素焼結体及びその製造方法 Granted JPS5860675A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0123292A2 (en) * 1983-04-22 1984-10-31 Toshiba Tungaloy Co. Ltd. Silicon nitride sintered body and method for preparing the same
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