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JPH06116045A - Silicon nitride sintered compact and its production - Google Patents

Silicon nitride sintered compact and its production

Info

Publication number
JPH06116045A
JPH06116045A JP4282358A JP28235892A JPH06116045A JP H06116045 A JPH06116045 A JP H06116045A JP 4282358 A JP4282358 A JP 4282358A JP 28235892 A JP28235892 A JP 28235892A JP H06116045 A JPH06116045 A JP H06116045A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
powder
weight
nitriding
silicon
metal
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.)
Pending
Application number
JP4282358A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazumi Miyake
一實 三宅
Kagehisa Hamazaki
景久 濱崎
Hitoshi Toyoda
均 豊田
Yasunobu Kawakami
泰伸 川上
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.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
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 Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
Priority to JP4282358A priority Critical patent/JPH06116045A/en
Publication of JPH06116045A publication Critical patent/JPH06116045A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 珪素粉末を主成分とする成形体の内部まで短
時間に確実に窒化することができ、強度に優れた窒化珪
素焼結体を製造する方法を提供する。 【構成】 (a) 珪素粉末82.0〜98.4重量%(ただしSi3
4 換算値)と、(b) Y2 3 粉末1.5 〜10.0重量%
と、(c) Al2 3 粉末5.0 重量%以下と、(d) Siと異な
る価数を有するとともにイオン半径が0.3 〜1.0 オング
ストロームで、その珪化物の融点が579 〜1450℃である
金属の粉末、又は前記金属の酸化物粉末0.1〜3.0 重量
%(元素換算値)とから成形体を作製し、この成形体を
窒素含有雰囲気下で加熱して窒化し、さらに1900℃
以上で焼成する方法である。
(57) [Summary] [PROBLEMS] To provide a method for producing a silicon nitride sintered body which is capable of reliably nitriding the inside of a formed body containing silicon powder as a main component in a short time and is excellent in strength. [Constitution] (a) Silicon powder 82.0-98.4% by weight (Si 3
And N 4 converted value), (b) Y 2 O 3 powder 1.5 to 10.0 wt%
And (c) Al 2 O 3 powder 5.0% by weight or less, and (d) a metal having a valence different from that of Si, an ionic radius of 0.3 to 1.0 angstrom, and a melting point of the silicide of 579 to 1450 ° C. A powder or a powder of the metal oxide 0.1 to 3.0% by weight (elemental conversion value) is used to prepare a molded body, which is heated in a nitrogen-containing atmosphere for nitriding, and further at 1900 ° C.
This is the method of firing.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は窒化珪素焼結体及びその
製造方法に関し、特に、珪素を主成分とする成形体の内
部まで確実に窒化することができる窒化珪素焼結体の製
造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon nitride sintered body and a method for manufacturing the same, and more particularly to a method for manufacturing a silicon nitride sintered body capable of reliably nitriding the inside of a molded body containing silicon as a main component. .

【0002】[0002]

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】窒化珪
素系セラミック焼結体は、高強度、高耐熱性、高耐熱衝
撃性、高耐摩耗性、耐酸化性などの点から、ガスタービ
ン部材等、苛酷な条件下で用いられる構造用セラミック
スとしての利用が期待されている。
2. Description of the Related Art A silicon nitride ceramic sintered body is a gas turbine member because of its high strength, high heat resistance, high thermal shock resistance, high wear resistance, oxidation resistance and the like. Etc., it is expected to be used as a structural ceramic used under severe conditions.

【0003】ところで、窒化珪素系セラミック焼結体の
製造方法には、窒化珪素粉末及び焼結助剤を用いて所望
の形状の成形体を作製してこれを焼結する方法がある
が、これとは別な方法として、珪素粉末を用いて成形体
を作製し、この成形体を窒化することにより窒化珪素焼
結体とするいわゆる反応焼結による方法もある。後者の
方法によれば、焼結に際してみられる収縮を低く抑える
ことができ、比較的寸法精度の良い焼結体を得ることが
できる。また、低コスト(原料が安価)でもあるので、
各種エンジニアリングセラミック部材の製造に応用する
ことが試みられている。
By the way, as a method for producing a silicon nitride ceramic sintered body, there is a method in which a compact having a desired shape is produced by using silicon nitride powder and a sintering aid, and this is sintered. As another method, there is a so-called reactive sintering method in which a compact is produced using silicon powder and the compact is nitrided to obtain a silicon nitride sintered body. According to the latter method, the shrinkage observed during sintering can be suppressed to a low level, and a sintered body with relatively high dimensional accuracy can be obtained. Also, because it is low cost (raw materials are cheap),
Attempts have been made to apply it to the production of various engineering ceramic members.

【0004】反応焼結法により窒化珪素焼結体を得る方
法として、特開昭59-88374号は、(a) 珪素と、(b) Mg、
Y、Cr、Mo、Fe、Mn、W、Co、V、U、Ni、Ti、Hf、Z
r、Nb、及びTaの各酸化物からなる群から選ばれた1又
は2以上の酸化物焼結助剤とを含有する成形体を窒化、
焼結する方法を開示している。
As a method for obtaining a silicon nitride sintered body by the reaction sintering method, Japanese Patent Laid-Open No. 59-88374 discloses that (a) silicon, (b) Mg,
Y, Cr, Mo, Fe, Mn, W, Co, V, U, Ni, Ti, Hf, Z
nitriding a compact containing one or more oxide sintering aids selected from the group consisting of r, Nb, and Ta oxides;
A method of sintering is disclosed.

【0005】しかしながら、本発明者等の研究によれ
ば、単に上記の方法に従い、上述した金属の酸化物の中
から無作為に1又は2以上の酸化物を選択して焼結助剤
とし、これと珪素粉末とから成形体を製造して窒化しよ
うとすると、成形体を確実に窒化するのに長時間を要す
る。長時間の窒化処理は、製造時間の増大及び多大なエ
ネルギーの消費という点で好ましくない。また、特に、
成形体が薄肉物でない場合には、成形体の内部までなか
なか窒化されないことがある。万一、成形体が均一に窒
化、焼結されなければ(均一な組織を有する焼結体とな
らなければ)、当然ながらその焼結体の強度は低く、セ
ラミックス部材としての使用範囲が大きく狭められる。
However, according to the study by the present inventors, simply by randomly selecting one or more oxides from the above-mentioned metal oxides according to the above method, and using them as sintering aids, If a compact is manufactured from this and silicon powder to nitrid it, it takes a long time to reliably nitride the compact. The long-time nitriding treatment is not preferable in terms of an increase in manufacturing time and consumption of a large amount of energy. Also, especially
If the molded product is not a thin product, the inside of the molded product may not be easily nitrided. If the molded body is not uniformly nitrided and sintered (if it does not become a sintered body having a uniform structure), the strength of the sintered body is naturally low and the range of use as a ceramic member is greatly narrowed. To be

【0006】したがって本発明の目的は、良好な強度を
有する窒化珪素焼結体を提供することである。
Therefore, an object of the present invention is to provide a silicon nitride sintered body having good strength.

【0007】また、本発明のもう一つの目的は、成形体
の内部まで良好に窒化することができ、もって、良好な
強度を有する窒化珪素焼結体を製造する方法を提供する
ことである。
Another object of the present invention is to provide a method for producing a silicon nitride sintered body which can nitrid the interior of the compact satisfactorily and thus has good strength.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】以上の目的に鑑み鋭意研
究の結果、本発明者等は、(a) 珪素粉末に、焼結助剤と
して所定量の(b) Y2 3 と(c) Al2 3 とを加え、さ
らに、(d) Siと異なる価数を有するとともに特定のイオ
ン半径を有する金属で、その珪化物の融点が所定範囲内
にあるもの、又はこの金属の酸化物を添加すれば、珪素
の窒化反応を大いに促進することができ、もって短時間
で確実に成形体を窒化することができることを発見し、
本発明を完成した。
As a result of earnest research in view of the above object, the present inventors have found that (a) silicon powder contains a predetermined amount of (b) Y 2 O 3 and (c) as a sintering aid. ) Al 2 O 3 is further added, and (d) a metal having a valence different from that of Si and a specific ionic radius, and the melting point of the silicide is within a predetermined range, or an oxide of this metal. It has been discovered that the addition of strontium can greatly accelerate the nitriding reaction of silicon, so that the compact can be reliably nitrided in a short time.
The present invention has been completed.

【0009】すなわち、本発明の窒化珪素焼結体は、
(a) 珪素粉末82.0〜98.4重量%(ただしSi3 4 換算
値)と、(b) Y2 3 粉末1.5 〜10.0重量%と、(c) Al
2 3 粉末5.0 重量%以下と、(d) Siと異なる価数を有
するとともにイオン半径が0.3 〜1.0 オングストローム
で、その珪化物の融点が579 〜1450℃である金属の粉
末、又は前記金属の酸化物粉末0.1 〜3.0 重量%(元素
換算値)とを含有する成形体を、窒素含有雰囲気下で加
熱、焼成してなることを特徴とする。
That is, the silicon nitride sintered body of the present invention is
(a) Silicon powder 82.0-98.4% by weight (Si 3 N 4 conversion value), (b) Y 2 O 3 powder 1.5-10.0% by weight, (c) Al
2 O 3 powder 5.0% by weight or less, (d) a metal powder having a valence different from that of Si, an ionic radius of 0.3 to 1.0 angstrom, and a melting point of the silicide of 579 to 1450 ° C., or A molded body containing 0.1 to 3.0% by weight of oxide powder (elemental conversion value) is heated and fired in a nitrogen-containing atmosphere.

【0010】また、窒化珪素焼結体を製造する本発明の
方法は、(a) 珪素粉末82.0〜98.4重量%(ただしSi3
4 換算値)と、(b) Y2 3 粉末1.5 〜10.0重量%と、
(c) Al2 3 粉末5.0 重量%以下と、(d) Siと異なる価
数を有するとともにイオン半径が0.3 〜1.0 オングスト
ロームで、その珪化物の融点が579 〜1450℃である金属
の粉末、又は前記金属の酸化物粉末0.1 〜3.0 重量%
(元素換算値)とを含有する成形体を作製し、前記成形
体を窒素含有雰囲気下、1250〜1450℃に加熱して窒化
し、さらに1900℃以上で焼成することを特徴とす
る。
Further, the method of the present invention for producing a silicon nitride sintered body is (a) 82.0 to 98.4% by weight of silicon powder (provided that Si 3 N is used).
4 conversion value), and (b) Y 2 O 3 powder 1.5 to 10.0% by weight,
(c) Al 2 O 3 powder 5.0% by weight or less, and (d) a metal powder having a valence different from that of Si, an ionic radius of 0.3 to 1.0 angstrom, and a melting point of the silicide of 579 to 1450 ° C., Or 0.1 to 3.0% by weight of oxide powder of the above metal
(Elemental conversion value) is produced, the formed body is heated to 1250 to 1450 ° C. in a nitrogen-containing atmosphere to be nitrided, and further fired at 1900 ° C. or higher.

【0011】以下、本発明を詳細に説明する。本発明の
窒化珪素焼結体は、(a) 珪素粉末と、(b) Y2 3 粉末
と、(c) Al23 粉末と、(d) Siと異なる価数を有する
とともにイオン半径が0.3 〜1.0 オングストロームの金
属で、その珪化物の融点が579 〜1450℃にあるものの粉
末、又はこの金属の酸化物粉末とからなる成形体を、窒
素含有雰囲気下で加熱して窒化し、さらに所定の高温度
で焼成してなる。ここで、成分(b) 〜(d) のうち、成分
(b) 及び(c) を焼結助剤と呼び、成分(d) を「窒化反応
促進剤」と呼ぶことにする。
The present invention will be described in detail below. The silicon nitride sintered body of the present invention has a valence different from (a) silicon powder, (b) Y 2 O 3 powder, (c) Al 2 O 3 powder, and (d) Si, and has an ionic radius A metal of 0.3 to 1.0 angstrom and the silicide of which has a melting point of 579 to 1450 ° C., or a powder formed of an oxide of this metal is heated in a nitrogen-containing atmosphere to be nitrided. It is formed by firing at a predetermined high temperature. Here, among the components (b) to (d), the component
(b) and (c) will be referred to as sintering aids, and the component (d) will be referred to as "nitriding reaction accelerator".

【0012】(a) 珪素粉末 成形体の製造に用いる珪素粉末の平均粒径は5〜300
μmであるのが好ましい。平均粒径が5μm未満のもの
を用いると成形体の密度が低下して焼結による収縮率が
大きくなり、良好な寸法精度が得られない。また、得ら
れる焼結体の強度及び靭性も低下する。一方、平均粒径
が300μmを超す珪素粉末を用いると、Siが溶出した
り、窒化に時間を要することになり好ましくない。より
好ましくは、珪素粉末の平均粒径を5〜50μmとす
る。
(A) The average particle size of the silicon powder used to manufacture the silicon powder compact is 5 to 300.
It is preferably μm. If an average particle size of less than 5 μm is used, the density of the molded product is reduced and the shrinkage rate due to sintering increases, so that good dimensional accuracy cannot be obtained. Further, the strength and toughness of the obtained sintered body are also reduced. On the other hand, the use of silicon powder having an average particle size of more than 300 μm is not preferable because Si is eluted and nitriding requires a long time. More preferably, the average particle size of the silicon powder is 5 to 50 μm.

【0013】以上に示した平均粒径を有する珪素粉末を
用いると、成形体の密度を上げることができ、その結
果、焼成における成形体の収縮の度合いを小さくするこ
とができる。
By using the silicon powder having the above-mentioned average particle diameter, the density of the molded body can be increased, and as a result, the degree of shrinkage of the molded body during firing can be reduced.

【0014】なお、用いる珪素粉末の最大粒径は50〜
600μmの範囲にあるのが好ましい。最大粒径が50
μm未満の珪素粉末を用いると成形体の密度が低下しや
すく、焼結による収縮が大きくなりやすい。一方、最大
粒径が600μmを超すような珪素粉末を用いると、Si
が溶出したり、窒化しにくくなるので好ましくない。珪
素粉末の最大粒径のより好ましい範囲は50〜100μ
mである。
The maximum particle size of the silicon powder used is 50 to 50.
It is preferably in the range of 600 μm. Maximum particle size is 50
If a silicon powder having a particle size of less than μm is used, the density of the compact tends to decrease, and shrinkage due to sintering tends to increase. On the other hand, if silicon powder with a maximum particle size exceeding 600 μm is used,
Is less likely to elute and nitrid, which is not preferable. The more preferable range of the maximum particle size of the silicon powder is 50 to 100 μm.
m.

【0015】焼結助剤(成分(b) 及び(c) ) 本発明では、焼結助剤としてY2 3 及びAl2 3 を用
いる。これらの焼結助剤は粉末の形態で用いる。焼結助
剤の平均粒径は、Y2 3 、Al2 3 ともに0.1 〜5μ
m程度であるのが好ましい。
Sintering Aid (Components (b) and (c) ) In the present invention, Y 2 O 3 and Al 2 O 3 are used as a sintering aid. These sintering aids are used in powder form. The average particle size of the sintering aid is 0.1 to 5 μ for both Y 2 O 3 and Al 2 O 3.
It is preferably about m.

【0016】窒化反応促進剤(成分(d) ) 珪素の窒化反応を促進するために、Siと異なる価数を有
するとともにイオン半径が0.3 〜1.0 オングストローム
である金属であって、その珪化物の融点が579〜1450℃
であるもの、またはその酸化物の粉末を加える。以下、
窒化反応促進剤の添加理由、及び窒化反応促進剤となり
うる条件について述べる。
Nitriding reaction accelerator (component (d)) A metal having a valence different from Si and an ionic radius of 0.3 to 1.0 angstrom for promoting the nitriding reaction of silicon, and the melting point of the silicide. Is 579 ~ 1450 ℃
Or a powder of its oxide. Less than,
The reason for adding the nitriding reaction accelerator and the conditions that can be the nitriding reaction accelerator will be described.

【0017】珪素が窒化される反応では、まず珪素粒子
の少なくとも表面部が融解し、Si融液と窒素とが反応し
てSi3 4 が生成され、珪素粒子の内部まで徐々に窒化
が進行していくと考えられる。ここで、窒化処理の初期
の段階で珪素粒子の表面部に生成されたSi3 4 中の窒
素(N)の拡散が窒化反応の律速段階となる。したがっ
て、珪素の窒化反応を促進するには、Si3 4 中のNの
拡散速度を上げる必要がある。
In the reaction of nitriding silicon, first, at least the surface portion of the silicon particles is melted, the Si melt and nitrogen react with each other to produce Si 3 N 4 , and the nitriding gradually progresses to the inside of the silicon particles. It is thought to do. Here, diffusion of nitrogen (N) in Si 3 N 4 generated on the surface portion of the silicon particles in the initial stage of the nitriding treatment is the rate-determining step of the nitriding reaction. Therefore, in order to promote the nitriding reaction of silicon, it is necessary to increase the diffusion rate of N in Si 3 N 4 .

【0018】ところで、Si3 4 中の窒素(N)の拡散
は、いわゆる空格子拡散であることが知られているの
で、珪素の窒化反応を速めるには、Si3 4 中にNの空
格子を発生させるような元素を添加するのが好ましい。
By the way, it is known that the diffusion of nitrogen (N) in Si 3 N 4 is so-called vacancy diffusion. Therefore, in order to accelerate the nitriding reaction of silicon, N in Si 3 N 4 should be accelerated. It is preferable to add an element that generates vacancies.

【0019】空格子を発生させるには、価数がSiと異な
り、かつSi3 4 結晶格子中のSiを置換する金属(いわ
ゆるSiと置換固溶する金属)でなければならない。すな
わち、+4以外の価数を有し、イオン半径が0.3 〜1.0
オングストロームの金属を反応促進剤として用いる。好
ましい価数は+3である。また、イオン半径が1.0 オン
グストロームより大きいと、その金属はSiと置換型の固
溶体とならず、いわゆる侵入型の固溶体を形成し、Si3
4 内に空格子が形成されない。一方、イオン半径が0.
3 オングストローム未満の場合には、実質的に金属イオ
ンが存在しないため、空格子が形成されない。好ましい
イオン半径は0.64〜0.67オングストロームである。
In order to generate vacancies, a metal having a valence different from Si and substituting Si in the Si 3 N 4 crystal lattice (a metal that is a so-called solid substitution metal with Si) must be used. That is, it has a valence other than +4 and an ionic radius of 0.3 to 1.0.
Angstrom metals are used as reaction promoters. The preferred valence is +3. When the ionic radius is larger than 1.0 angstrom, the metal does not form a substitutional solid solution with Si but forms a so-called interstitial solid solution, and Si 3
No vacancies are formed in N 4 . On the other hand, the ion radius is 0.
If it is less than 3 angstroms, no vacancy is formed because there is substantially no metal ion. The preferred ionic radius is 0.64 to 0.67 angstroms.

【0020】上述したように、Si融液と窒素とが反応し
てSi3 4 が生成されると考えられるので、窒化反応促
進剤となる金属元素としては、珪素との化合物(珪化
物)の融点が579 〜1450℃であるようなものを選択す
る。珪化物の融点が579 ℃未満であると、窒化処理の温
度において、Siと窒化反応促進剤となる金属元素とを含
有する液相からその金属が蒸発してしまい、窒化反応促
進剤として添加した効果が得られない。一方、珪化物の
融点が1450℃を超すような金属を用いると、窒化処理の
温度において、Siと窒化反応促進剤の金属とが共存する
液相が形成されず、窒化反応が良好に進行しない。な
お、金属珪化物は、一般に金属間化合物の性質を示す。
As described above, it is considered that the Si melt and nitrogen react with each other to produce Si 3 N 4. Therefore, the metal element serving as the nitriding reaction accelerator is a compound with silicon (silicide). The melting point of is 579 to 1450 ° C. If the melting point of the silicide is less than 579 ° C, at the temperature of the nitriding treatment, the metal evaporates from the liquid phase containing Si and the metal element serving as the nitriding reaction promoter, and the metal was added as the nitriding reaction promoter. No effect. On the other hand, when a metal having a melting point of silicide higher than 1450 ° C. is used, at the temperature of the nitriding treatment, a liquid phase in which Si and the metal of the nitriding reaction promoter coexist is not formed, and the nitriding reaction does not proceed well. . The metal silicide generally exhibits the properties of an intermetallic compound.

【0021】以上の条件を満たす金属としては、Fe、C
r、又はCoが挙げられる。
Fe and C are metals that satisfy the above conditions.
r, or Co.

【0022】窒化反応促進剤は、実際には、金属粉末と
して上記(a) 〜(c) 成分に加えることができるが、酸化
物の状態で用いてもよい。金属粉末、又は金属の酸化物
粉末のいずれの場合にせよ、その平均粒径は0.5 〜5μ
mであるのが好ましい。
The nitriding reaction accelerator can actually be added to the above components (a) to (c) as a metal powder, but it may be used in the form of an oxide. In either case of metal powder or metal oxide powder, the average particle size is 0.5 to 5μ.
It is preferably m.

【0023】各成分の配合比は以下の通りとする。 (a) 珪素粉末(ただし、珪素粉末の重量はSi3 4 換算
値である。ここで、Si3 4 換算値とは、存在するSiが
全てSi3 4 に変化すると仮定した場合のSi34 の重
量である。)と、(b) Y2 3 と、(c) Al2 3 と、
(d) 窒化反応促進剤(金属元素換算値)との合計を10
0重量%として、(a) 珪素粉末82.0〜98.4重量%(Si3
4 換算値)、(b) Y2 3 粉末1.5 〜10.0重量%、
(c) Al2 3 粉末5.0 重量%以下、及び(d) 窒化反応促
進剤0.1 〜3.0 重量%(元素換算値)である。
The compounding ratio of each component is as follows. (a) Silicon powder (however, the weight of the silicon powder is a Si 3 N 4 conversion value. Here, the Si 3 N 4 conversion value is the case where all the existing Si is changed to Si 3 N 4 . and Si 3 by weight of N 4.), and (b) Y 2 O 3, and (c) Al 2 O 3,
(d) Total 10 with nitriding reaction accelerator (metal element conversion value)
0% by weight, (a) silicon powder 82.0-98.4% by weight (Si 3
N 4 converted value), (b) Y 2 O 3 powder 1.5 to 10.0 wt%,
(c) Al 2 O 3 powder is 5.0% by weight or less, and (d) nitriding reaction accelerator is 0.1 to 3.0% by weight (elemental conversion value).

【0024】焼結助剤成分(b) の量が上記下限値未満で
あると焼結体の緻密化が進行せず、焼結体の強度及び靭
性が低下する。一方、成分(b) 及び(c) の量がそれぞれ
上記上限値を超す量とすると、得られる焼結体の高温強
度が低下する。
If the amount of the sintering aid component (b) is less than the above lower limit value, the densification of the sintered body does not proceed, and the strength and toughness of the sintered body deteriorate. On the other hand, when the amounts of the components (b) and (c) exceed the upper limits, the high temperature strength of the obtained sintered body decreases.

【0025】また、窒化反応促進剤(d) については、0.
1 重量%未満であると、窒化反応促進剤を添加した効果
が現れず、窒化反応が促進されない。一方、3.0 重量%
を超す配合量とすると得られる焼結体の高温強度が低下
する。
Regarding the nitriding reaction accelerator (d),
If it is less than 1% by weight, the effect of adding the nitriding reaction accelerator does not appear and the nitriding reaction is not promoted. On the other hand, 3.0% by weight
If the blending amount exceeds, the high temperature strength of the obtained sintered body will decrease.

【0026】好ましい配合量は、(b) Y2 3 粉末2.5
〜7.5 重量%、(c) Al2 3 粉末2重量%以下、及び
(d) 窒化反応促進剤0.3 〜1.0 重量%(元素換算値)で
あり、残部(a) 珪素粉末である。
The preferred blending amount is (b) Y 2 O 3 powder 2.5
~ 7.5 wt%, (c) Al 2 O 3 powder 2 wt% or less, and
(d) Nitriding reaction accelerator is 0.3 to 1.0% by weight (elemental conversion value), and the balance (a) is silicon powder.

【0027】次に、本発明の窒化珪素焼結体の製造方法
について説明する。(イ)成形体の作製 まず、上記(a) 〜(d) 成分を上述の配合比となるように
混合し、成形体を作製する。この成形体の作製において
は、上記した各必須成分の他に、通常、セラミック成形
体を製造する際に用いられている各種の有機バインダー
を添加することができる。このようなバインダーとして
は、たとえばエチルシリケート、ポリエチレングリコー
ル、ポリビニルアルコール(PVA)等が挙げられる。
また、無機バインダーも添加することができる。
Next, a method for manufacturing the silicon nitride sintered body of the present invention will be described. (A) Preparation of molded body First, the above-mentioned components (a) to (d) are mixed in the above-mentioned mixing ratio to prepare a molded body. In the production of this molded body, in addition to the above-mentioned essential components, various organic binders that are usually used in the production of ceramic molded bodies can be added. Examples of such a binder include ethyl silicate, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol (PVA) and the like.
Also, an inorganic binder can be added.

【0028】原料(成分(a) 〜(d) 、及び添加剤等)の
混合は、公知の方法、例えばボールミル、分散機等によ
り行うことができる。なおボールミルによる混合では、
混合粉末に水、エタノール、ブタノール等の分散媒体を
加えて行うのが好ましい。
The raw materials (components (a) to (d), additives, etc.) can be mixed by a known method such as a ball mill or a disperser. When mixing with a ball mill,
It is preferable to add a dispersion medium such as water, ethanol or butanol to the mixed powder.

【0029】成形体の作製は、従来公知の各方法、たと
えばスリップキャスティング方法などの鋳込み成形、射
出成形等を採用することができるが、成形体の密度をな
るべく大きくすることが重要であるので、金型プレスま
たは冷間静水圧プレス(CIP)等を採用するのが好ま
しい。
For the production of the molded body, conventionally known methods, for example, casting molding such as slip casting method, injection molding and the like can be adopted, but it is important to increase the density of the molded body as much as possible. It is preferable to adopt a die press or a cold isostatic press (CIP).

【0030】(ロ)窒化処理 次に、成形体を窒素含有雰囲気下、好ましくは窒素ガス
雰囲気下で加熱し、成形体中の珪素を窒化する。
(B) Nitriding treatment Next, the molded body is heated in a nitrogen-containing atmosphere, preferably in a nitrogen gas atmosphere to nitride silicon in the molded body.

【0031】窒化処理では、好ましくは成形体中の珪素
の90%以上、より好ましくは95%以上が窒化されて
窒化珪素となるように、処理温度、窒素含有雰囲気圧、
処理時間を設定する。なお、本発明において窒化の度合
いは百分率で表すが、これは、X線回折におけるチャー
トのピーク高さの比から計算したものである。
In the nitriding treatment, preferably, 90% or more, more preferably 95% or more, of the silicon in the compact is nitrided to form silicon nitride, and the treatment temperature, the nitrogen-containing atmosphere pressure,
Set the processing time. In the present invention, the degree of nitriding is expressed as a percentage, which is calculated from the ratio of the peak heights of the chart in X-ray diffraction.

【0032】窒化処理の諸条件は、成形体の厚さ等によ
り多少変更する必要があるが、処理温度は1250〜1
450℃とする。また、窒素含有雰囲気圧は1kg/cm2
以上とするのが好ましい。温度が1250℃未満、又は
窒素含有雰囲気圧が1kg/cm2 未満であると成形体中の
珪素の窒化が良好に進まない。一方、1450℃を超す
加熱温度とすると、成形体中のSiが溶出したり、又はSi
の気化が起こったりするので好ましくない。窒化処理の
時間は、成形体の厚さ、窒化処理温度等により多少変化
するが、一般に1〜10時間程度とする。より好ましく
は、窒化処理の温度は1350〜1450℃であり、窒素含有雰
囲気圧は5〜2000kg/cm2 である。
The various conditions of the nitriding treatment need to be changed to some extent depending on the thickness of the molded body, but the treatment temperature is 1250 to 1
The temperature is 450 ° C. Also, the nitrogen-containing atmosphere pressure is 1 kg / cm 2
The above is preferable. If the temperature is lower than 1250 ° C. or the nitrogen-containing atmosphere pressure is lower than 1 kg / cm 2 , nitriding of silicon in the molded body does not proceed well. On the other hand, when the heating temperature is higher than 1450 ° C, Si in the molded body may elute or Si
It is not preferable because it causes vaporization. The nitriding time varies depending on the thickness of the compact, the nitriding temperature, etc., but is generally about 1 to 10 hours. More preferably, the nitriding temperature is 1350 to 1450 ° C., and the nitrogen-containing atmosphere pressure is 5 to 2000 kg / cm 2 .

【0033】以上の条件で窒化処理を行うと、成形体中
の珪素粒子は窒化されてα−Si3 4 を含むSi3 4
生成される。珪素粒子が窒化され窒化珪素が生成される
と成形体中の粒子は膨張し、これにより、粉末を固めて
なる窒化処理前の成形体組織中に存在した空孔(粉末粒
子間の空隙部)は大幅に減少する
When the nitriding treatment is performed under the above conditions, the silicon particles in the compact are nitrided to produce Si 3 N 4 containing α-Si 3 N 4 . When silicon particles are nitrided and silicon nitride is generated, the particles in the compact expand, and as a result, the pores existing in the structure of the compact before nitriding (the voids between the powder particles) that solidifies the powder. Is greatly reduced

【0034】(ハ)高温焼成 本発明においては、さらに、上述の窒化処理後の成形体
を1900℃以上、好ましくは1900〜2000℃で
焼成する。焼成温度が1900℃未満であると、焼結体
の強度及び靭性が低下する。焼成は非酸化性雰囲気下、
好ましくは窒素ガス雰囲気下で行う。このとき、雰囲気
ガス圧は5〜2000kg/cm2 程度とするのが好まし
い。また、焼成時間(1900℃以上で保持する時間)
は1〜5時間程度とするのが好ましい。
(C) High-Temperature Firing In the present invention, the molded body after the nitriding treatment is further fired at 1900 ° C. or higher, preferably 1900 to 2000 ° C. When the firing temperature is lower than 1900 ° C, the strength and toughness of the sintered body decrease. Firing in a non-oxidizing atmosphere,
It is preferably performed under a nitrogen gas atmosphere. At this time, the atmospheric gas pressure is preferably about 5 to 2000 kg / cm 2 . Also, firing time (time to hold at 1900 ° C or higher)
Is preferably about 1 to 5 hours.

【0035】上述の温度範囲内で焼成を行うことによ
り、先の窒化処理により生成されたα−Si3 4 粒子が
部分融解し、変わって針状のβ−Si3 4 結晶粒子が密
に生成する。このように針状のβ−Si3 4 結晶粒子が
密に生成すると、焼結体の強度、靭性が大幅に向上する
ことになる。
By firing within the above temperature range, the α-Si 3 N 4 particles produced by the above nitriding treatment are partially melted, and the needle-shaped β-Si 3 N 4 crystal particles are changed into dense particles. To generate. When the acicular β-Si 3 N 4 crystal particles are densely formed in this manner, the strength and toughness of the sintered body are significantly improved.

【0036】[0036]

【実施例】以下、本発明を具体的実施例によりさらに詳
細に説明するが、本発明はこれに限定されない。実施例1 (a) 平均粒径が20μmの珪素粉末95.5重量%(Si3
4 換算値)と、焼結助剤として(b) Y2 3 (平均粒径
1μm、最大粒径5μm、日本イットリウム(株)製)
2.5 重量%及び(c) Al2 3 (平均粒径0.8μm、最
大粒径5μm、住友化学(株)製)1重量%と、(d) 成
分として、Co金属粉末1重量%とを2リットルのポリエ
チレン製ポットに入れ、上記の成分の合計100重量部
に対してエタノール80重量部を加えて18時間のボー
ルミル混合を行った。
EXAMPLES The present invention will now be described in more detail with reference to specific examples, but the present invention is not limited thereto. Example 1 (a) 95.5% by weight of silicon powder having an average particle size of 20 μm (Si 3 N
4 conversion value) and (b) Y 2 O 3 (average particle size 1 μm, maximum particle size 5 μm, manufactured by Japan Yttrium Co., Ltd.) as a sintering aid.
2.5% by weight and (c) Al 2 O 3 (average particle size 0.8 μm, maximum particle size 5 μm, manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) 1% by weight, and (d) component 1% by weight Co metal powder. The mixture was put into a 2 liter polyethylene pot, and 80 parts by weight of ethanol was added to 100 parts by weight of the above components, and the mixture was ball-milled for 18 hours.

【0037】得られた混合物をロータリーエバポレータ
により乾燥し、CIP(3000kg/cm2 の圧力) によ
り30mm×50mm×5mmの大きさの成形体を製造した。
この成形体に対して、窒素ガス圧9kg/cm2 中、145
0℃で4時間加熱して窒化処理を施した。
The obtained mixture was dried by a rotary evaporator, and CIP (pressure of 3000 kg / cm 2 ) was used to produce a molded body having a size of 30 mm × 50 mm × 5 mm.
145 in a nitrogen gas pressure of 9 kg / cm 2 for this compact
Nitriding was performed by heating at 0 ° C. for 4 hours.

【0038】窒化処理直後の焼結体(仮焼体と呼ぶ)の
X線回折を測定し、窒化処理後の窒化度を求めた。結果
を表1に示す。
The X-ray diffraction of the sintered body (referred to as a calcined body) immediately after the nitriding treatment was measured to obtain the nitriding degree after the nitriding treatment. The results are shown in Table 1.

【0039】さらに、仮焼体を窒素ガス圧9kg/cm
2 中、1950℃で4時間焼成した。このようにして得
られた焼結体の窒化度を同様にして調べたところ、窒化
度は100%であった。
Further, the calcined body is subjected to a nitrogen gas pressure of 9 kg / cm.
Baking in 2 at 1950 ° C. for 4 hours. When the nitriding degree of the thus obtained sintered body was examined in the same manner, the nitriding degree was 100%.

【0040】実施例2 成形体の作製において、成分(d) のCo金属粉末を3重量
%とし、その分だけ珪素粉末を減少させた以外は、実施
例1と同様にして成形体を作製し、窒化処理を行った。
実施例1と同様にして仮焼体の窒化度を求めた。結果を
表1に示す。さらに、実施例1と同様にして焼成した。
得られた焼結体の窒化度は100%であった。
Example 2 A molded body was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the Co metal powder of the component (d) was 3% by weight and the silicon powder was reduced by that amount. , Nitriding treatment was performed.
The nitriding degree of the calcined body was obtained in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1. Further, it was fired in the same manner as in Example 1.
The nitriding degree of the obtained sintered body was 100%.

【0041】実施例3 成形体の作製において、成分(d) として、Cr2 3 粉末
(1重量%、酸化物の重量%)を用いた以外は実施例1
と同様にして成形体を作製し、窒化処理を行った。実施
例1と同様にして仮焼体の窒化度を求めた。結果を表1
に示す。さらに、この仮焼体を実施例1と同様にして焼
成した。得られた焼結体の窒化度は100%であった。
Example 3 Example 1 was repeated except that Cr 2 O 3 powder (1% by weight, oxide% by weight) was used as the component (d) in the production of the molded body.
A molded body was produced in the same manner as in 1. and was nitrided. The nitriding degree of the calcined body was obtained in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
Shown in. Further, this calcined body was fired in the same manner as in Example 1. The nitriding degree of the obtained sintered body was 100%.

【0042】実施例4 成形体の作製において、成分(d) としてCr2 3 粉末を
3重量%とし、その分だけ珪素粉末を減少させた以外
は、実施例1と同様にして成形体を作製し、窒化処理を
行った。実施例1と同様にして仮焼体の窒化度を求め
た。結果を表1に示す。さらに、この仮焼体を実施例1
と同様にして焼成した。得られた焼結体の窒化度は10
0%であった。
Example 4 A molded product was prepared in the same manner as in Example 1 except that Cr 2 O 3 powder was 3% by weight as the component (d) and the silicon powder was reduced by that amount. It was produced and nitrided. The nitriding degree of the calcined body was obtained in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1. Furthermore, this calcined body was used in Example 1.
It baked like the above. The nitriding degree of the obtained sintered body is 10
It was 0%.

【0043】比較例1 成形体の作製において、成分(d) を加えず、その分だけ
成分(a) を多くした以外は、実施例1と同様にして成形
体を作製し、窒化処理を行った。実施例1と同様にして
仮焼体の窒化度を求めた。結果を表1に示す。さらに、
この仮焼体を実施例1と同様にして焼成した。なお、最
終的に得られた焼結体の窒化度は94.8%であった。
Comparative Example 1 A molded product was prepared in the same manner as in Example 1 except that the component (d) was not added and the amount of the component (a) was increased. It was The nitriding degree of the calcined body was obtained in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1. further,
This calcined body was fired in the same manner as in Example 1. The nitriding degree of the finally obtained sintered body was 94.8%.

【0044】比較例2 成分(d) を加えず、その分だけ成分(b) を多くした以外
は、実施例1と同様にして成形体を作製した。そして実
施例1と同様にして窒化処理を行い、得られた仮焼体の
窒化度を求めた。結果を表1に示す。さらに、この仮焼
体を実施例1と同様にして焼成した。得られた焼結体の
窒化度は94.5%であった。
Comparative Example 2 A molded product was produced in the same manner as in Example 1 except that the component (d) was not added and the amount of the component (b) was increased accordingly. Then, the nitriding treatment was performed in the same manner as in Example 1 to determine the nitriding degree of the obtained calcined body. The results are shown in Table 1. Further, this calcined body was fired in the same manner as in Example 1. The nitriding degree of the obtained sintered body was 94.5%.

【0045】 表1 例No. 仮焼体の窒化度(1) 焼成後の窒化度 (2) 実施例1 95.3 100 実施例2 96.1 100 実施例3 97.2 100 実施例4 100 100 比較例1 93.9 94.8 比較例2 92.7 94.5 表1注:(1) 、(2) ともにX線回折のチャートのピーク
高さから計算した度合い(%)である。
Table 1 Example No. Nitriding degree of calcined body (1) Nitriding degree after firing (2) Example 1 95.3 100 Example 2 96.1 100 Example 3 97.2 100 Example 4 100 100 Comparative Example 1 93.9 94.8 Comparative Example 2 92.7 94.5 Table 1 Note: (1) and (2) are both degrees (%) calculated from the peak height of the X-ray diffraction chart.

【0046】比較例3 成形体の作製において、成分(d) として+4の価数を有
する金属(Mn又はHf)の酸化物粉末を1重量%とし、他
は実施例1と同様の成分とし、実施例1と同様にして成
形体を作製して窒化処理を行い、仮焼体を得た。仮焼体
の窒化度は以下の通りであった。
Comparative Example 3 In the production of a molded body, 1% by weight of an oxide powder of a metal (Mn or Hf) having a valence of +4 was used as the component (d), and the same components as in Example 1 were used, A molded body was prepared and nitrided in the same manner as in Example 1 to obtain a calcined body. The nitriding degree of the calcined body was as follows.

【0047】 表2注(1) :用いた酸化物の金属元素のみを示す。[0047] Table 2 Note (1): Only the metal elements of the oxides used are shown.

【0048】[0048]

【発明の効果】以上に詳述したように、本発明の方法に
よれば、珪素粉末を含有する成形体を短い時間で確実に
窒化することができる。
As described above in detail, according to the method of the present invention, a compact containing silicon powder can be reliably nitrided in a short time.

【0049】また、本発明の方法では、窒化処理の後に
高温焼成を行うので、得られる焼結体は針状のβ−窒化
珪素粒子が緻密に存在する組織を有し、機械的強度や靭
性にも優れている。本発明の方法により製造された窒化
珪素焼結体は、各種のエンジニアリングセラミック部材
として広く使用できる。
Further, in the method of the present invention, high temperature firing is carried out after the nitriding treatment, so that the obtained sintered body has a structure in which acicular β-silicon nitride particles are densely present, and has mechanical strength and toughness. Is also excellent. The silicon nitride sintered body produced by the method of the present invention can be widely used as various engineering ceramic members.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川上 泰伸 埼玉県和光市中央一丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Yasunobu Kawakami 1-4-1, Chuo, Wako-shi, Saitama Stock Research Institute Honda Technical Research Institute

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 (a) 珪素粉末82.0〜98.4重量%(ただし
Si3 4 換算値)と、(b) Y2 3 粉末1.5 〜10.0重量
%と、(c) Al2 3 粉末5.0 重量%以下と、(d) Siと異
なる価数を有するとともにイオン半径が0.3 〜1.0 オン
グストロームで、その珪化物の融点が579 〜1450℃であ
る金属の粉末、又は前記金属の酸化物粉末0.1 〜3.0 重
量%(元素換算値)とを含有する成形体を窒素含有雰囲
気下で加熱、焼成してなることを特徴とする窒化珪素焼
結体。
1. A silicon powder 82.0-98.4% by weight (however,
(Si 3 N 4 conversion value), (b) Y 2 O 3 powder 1.5 to 10.0% by weight, (c) Al 2 O 3 powder 5.0% by weight or less, and (d) having a valence different from Si and ion Nitrogen-containing compacts containing a metal powder having a radius of 0.3 to 1.0 angstrom and a melting point of the silicide of 579 to 1450 ° C, or an oxide powder of the metal of 0.1 to 3.0% by weight (element conversion value). A silicon nitride sintered body, characterized by being heated and fired in an atmosphere.
【請求項2】 請求項1に記載の窒化珪素焼結体におい
て、前記(d) 金属粉末又はその酸化物の粉末が、Fe、C
r、Co又はこれらの酸化物のいずれかからなることを特
徴とする窒化珪素焼結体。
2. The silicon nitride sintered body according to claim 1, wherein the (d) metal powder or its oxide powder is Fe or C.
A silicon nitride sintered body characterized by comprising r, Co or any of these oxides.
【請求項3】 (a) 珪素粉末82.0〜98.4重量%(ただし
Si3 4 換算値)と、(b) Y2 3 粉末1.5 〜10.0重量
%と、(c) Al2 3 粉末5.0 重量%以下と、(d) Siと異
なる価数を有するとともにイオン半径が0.3 〜1.0 オン
グストロームで、その珪化物の融点が579 〜1450℃であ
る金属の粉末、又は前記金属の酸化物粉末0.1 〜3.0 重
量%(元素換算値)とを含有する成形体を作製し、前記
成形体を窒素含有雰囲気下、1250〜1450℃に加熱して窒
化し、さらに1900℃以上で焼成することを特徴とす
る窒化珪素焼結体の製造方法。
3. (a) Silicon powder 82.0-98.4% by weight (however
(Si 3 N 4 conversion value), (b) Y 2 O 3 powder 1.5 to 10.0% by weight, (c) Al 2 O 3 powder 5.0% by weight or less, and (d) having a valence different from Si and ion A molded body containing a metal powder having a radius of 0.3 to 1.0 angstrom and a melting point of the silicide of 579 to 1450 ° C, or an oxide powder of the metal of 0.1 to 3.0% by weight (elemental conversion value) is prepared. A method for producing a silicon nitride sintered body, comprising: heating the molded body under a nitrogen-containing atmosphere at 1250 to 1450 ° C. for nitriding, and further firing at 1900 ° C. or higher.
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