JPS5848507B2 - 窒化珪素系成形体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は窒化珪素を主或分とする成形体の製造方法に関
する。

窒化珪素は、高い耐熱性、小さな熱膨張率、大きな強度
、従って耐熱衝撃性に優れること、また高硬度で耐磨耗
性に優れること、さらに溶融金属にぬれにくく耐食性に
優れることなどの数多くの特徴を有しており、近年脚光
を浴びている新材料の一つである。

しかし、窒化珪素は焼結性が乏しいがために、優れた性
質を有する戊形体が容易に入手しえないのが実状である
。

窒化珪素成形体の製造方法としでは、ホットプレス法と
反応焼結法（または窒化焼結法）等が知られている。

ホットプレス法による場合、得られる窒化珪素戒形品は
緻密で、窒化珪素本来の特性に近い性質を有する利点が
あるが、形状的には円柱、角柱などの極めて単純なもの
しか得られず、形状の複雑な戒形体を得ようとする時は
、これらの大きなブロックからダイヤモンド研削等の機
械的な加工に依るために高価格となる欠点を有している
。

反応焼結法では、金属珪素ないし金属珪素と窒化珪素の
混合粉末より加圧戒形、押出或形、射出戒形、鋳込戒形
などの方法で、予め戒形体の形状を付与した後に、窒素
雰囲気中で加熱することにより窒化珪素成形体が得られ
る。

従って、この方法はかなり形状の複雑な形状の戒形体が
、比較的容易にしかも多量に得られるという利点がある
が、窒化焼結時に於いては、寸法収縮がほとんどなく、
このために反応焼結法で得られる成形体の見掛密度は、
圧粉体の見掛密度により限定され、緻密な窒化珪素成形
体を得にくいという欠点がある。

現在、反応焼結法で得られる窒化珪素戒形体は、２．０
〜２．４９７一の見掛密度で、９００〜１４００ｋｇ／
ｃｒｉｔの抗折強度のものが一般的であり、このために
用途面でも限られている。

本発明の目的は、金属珪素成形体の反応焼結法の経済的
な利点を活かしながら、成形体の性質を改善する製造方
法を提供することにある。

すなわち、反応焼結法により、抗折強度２０００ｋｇ／
ｃｒｌｔ以上の窒化珪素或形体を製造する方法を提供し
ようとするものである。

反応焼結法においては、高い見掛密度の成形体を得よう
とする時には圧粉体の見掛密度を極力高める必要がある
。

しかし、圧粉体の見掛密度が増加すると、焼結時に窒素
ガスの圧粉体中への浸透が困難となり、窒化反応が容易
に進行せず、焼結スケジュールを長時間にしなければな
らない。

さらに、圧粉体の見掛密度の増加は、窒化反応時に発生
する熱の放散を悪くシ、金属珪素の一部が溶融しがちと
なり、この結果均一性を欠いた成形体しか得られないと
いう欠点があった。

本発明者は、これらの欠点を解決するためいろいろ検討
を重ねた結果、平均粒径５μ以下の微細な金属珪素を主
或分とする粉末を用い、これに適当な分散媒を加えて塊
状としたものを乾燥粉砕して１５０μ以下の粉末となし
、これを加圧威形し窒化焼結することにより、従来のも
のよりも見掛密度が高く、シかも抗折強度が２０００ｋ
ｇ／一以上の窒化珪素威形体が得られる窒化珪素系戊形
体の製造方法を提供しようとするものである。

本発明は、平均粒径が５μ以下の金属珪素を主威分とす
る粉末に、３６〜４５容量φの分散媒を添加混練して塊
状となし、該塊状品を乾燥、粉砕して粒径１５０μ以下
の二次粒子粉末とし、次いでこれを加圧威形して得られ
る圧粉体を窒素雰囲気中加熱することを特徴とする。

以下さらに本発明を詳しく説明する。

本発明の原料に用いる金属珪素の粒子径は、窒化反応を
急速に進めるために、また均一な戒形体を得るために、
可能な限り徴細なものであることが望ましい。

さらに、微細な金属珪素を原料とすると、その高い反応
性によって、焼結のスγジュールが短縮できるという経
済的効果が大きい。

本発明に用いる金属珪素は、平均粒径が５μ以下に微細
化したものであり、５μをこれると、窒化焼結時に容易
に窒化反応が進行せず、未反応の金属珪素が残存し均一
な戊形体を得ることが困難であり、その結果抗折強度の
高いものが得られない○ なお圧粉体を長時間焼結すればこれらの欠点は当然改善
されるが、経済的ではない。

本発明において、微細な金属珪素を使用できない場合な
どに、触媒として鉄や鉄の弗化物が用いられる。

触媒の添加により、窒化反応を容易に進行させ、価格面
で有利に戊形体を製造しつるものである。

触媒の粒径は、金属珪素と同様に平均粒径で５μ以下と
することが望ましい。

また、生威する窒化珪素の微構造を変化させる目的で、
酸化イットリウム等を添加してもよい。

本発明において、二次粒子の強度を高めて高圧力での加
圧成形を町能ならしめるために、さらには圧粉体の生強
度を高めて作業性を良くするため結合剤を添加する。

この結合剤は窒化反応時には、金属珪素の表面から消去
されていることが必要であり、一般にはポリエチレング
リコールやポリビニルアルコールなどの有機結合剤が原
料に対し１〜３饅分散媒に溶解して添加される。

分散媒とは、室温で蔽体である物質をいうが、これらの
中有毒性のもの、劇毒性のもの、易発火性のもの、高価
格なもの、また金属珪素と容易に反応するものは適当で
ない。

分散媒の具体例は結合剤を完全に溶解しうるものが好ま
しく、例えば、メチルセルローズを結合剤とするときは
、トルエン、アセトンなどの有機溶剤、ホリヒニルアル
コールを結合剤とする場合では水などがある。

水を分散媒とするとき、金属珪素と反応して、その表面
を酸化して被膜を作る可能性があるが、作業性、経済性
などの面で水は優れた分散媒の一つである。

この場合には、全工程を通じて得られる成形体物性への
効果を考慮して、経済的にその採択が決められる。

本発明において、分散媒の量が原料粉体に対し３６容量
多以上存在しないと、実質的に高密度でかつ充分に均一
な或形体を得るのが困難であり、特に抗折強度を向上さ
せることはできない。

これは、結合剤が充分均一に分散しにくいこと、従って
一次粒子間の接触が充分でなく、一次粒子間に比較的大
きな気孔を残存させるためと推定される。

このような意味で３６容量φ以上で、粉体を加圧あるい
は加圧せずに、結合剤の充分な分散と一次粒子の緊密な
接触が期待される。

しかし、分散媒が４５容量多をこえると、実質的にヌラ
リーに近い状態となり、かえって分散媒の揮発させるた
めに必要以上の熱量を費やすいことになり、経済上不利
である。

すなわち３６〜４５容量饅では、湿った状態の粉末に圧
力を適宜加えることで、品質的にも、経済的にも良好で
かつ結合剤が充分に均一に分散し、一次粒子が緊密に接
触しているような二次粒子粉末の製造かり能となる。

粉砕の方法については、本発明においては本質的なもの
ではなく、ハンマーミノレ、ボー！レミルなどの常法に
よるものであるが、粉砕して得られる二次粒子の形状は
、なるべく丸みを帯びるような粉砕法が本発明に適する
。

二次粒子粉末については、粒度分布によっても異なるが
、一般的に大きな粒径を含むものでは、圧粉体中に大き
な気孔を残し、この気孔は窒化焼結後も容易に消去され
ずに、成形体中に残存しがちで、結果的に不均一な構造
を有し不充分な特性しか有しない成形体をしばしば生じ
るζとになる。

また、あまりにも細かな二次粒子を用いると、戒形時に
圧縮比が大きく、かつ得られた圧粉体の密度を充分に高
くすることが困難となり、結果的に充分な特性、特に高
強度の成形体を得ることが困難となる。

本発明は、１５０μ以下の二次粒子を用いれば、高密度
で高強度の成形体が得られることを見出したものである
。

本発明法で製造した窒化珪素戒形体は２，５〜２７ｇ／
讃の見掛密度、２０００ｋ，９／扉以上の抗折強度を有
するので、従来のものに比べ、窒化珪素本来の性質によ
り近づいたものである。

本発明品はこのように高い抗折強度を有するので、メカ
ニカルシールなどの摺動部材、高温強度を必要とされる
耐火物構造部品などの分野にその利用範囲を拡大しうる
ものである。

以下実施例及び比較例をあげてさらに本発明を詳しく説
明する。

実施例、比較例 表に示す原利を５００ｇポリエチレン容器に入れ２４時
間乾式混合した。

次いで、これに予じめ分散媒中に結合剤（分散媒が水の
ときはポリビニールアルコールを、分散媒がトルエンの
ときはカルポキシメチルセルローズを用いた）を８重量
幅溶解した混合溶蔽を所要量添加シた後に、モルタルミ
キサーを用いて混練した。

尚、分散媒量が３０及び４０容量饅のときは「湿った粉
末」の状態であり、これらは金型ダイス内で５００ｋｙ
／一の加圧力で加圧威形し、塊状とした後、１０５℃で
２４時間乾燥した。

また、分散媒が５０容量斜ては、非常に軟らかな不土状
態で実質的にヌラリーに近い状態にある。

この場合には、混線後ホーロー容器に移しとり、そのま
ま１０５℃で４８時間乾燥した。

このようにして得られた塊状の試料は、乳鉢により粉砕
し篩い分けにより１５０μ以下の二次粒子粉末とした。

なお実験Ａ７は比較のため２９７μ以下とした。

これらの二次粒子粉末を、金型ダイスを用い２１００ｋ
ｇ／ｆｆｌの圧力で加圧成形することで、１０ｍｍ×８
ｍ７ＩＬ×８０ｒ／Ｌ７ｒｔの寸法で圧粉体を得た。

この圧粉体を窒素雰囲気中で４ ０ ０ ’Ｃで４８時
間加熱することで有機物を揮散させた後に、１２５０°
Ｃで２０時間保持し、さらに１４５０°Ｃで１０時間保
持することで窒化焼結した。

これらの成形体の物性を測定した結果を表に示した。

また実験／Ｉ６８は実施例１の方法において分散媒を用
いなかった以外は実施例１と同様に行った。

その結果も併せて表に示した。

表から明かなように、実施例の実験／１６１〜４はいず
れも成形体の抗折強度２ｏ００ｋｇ／一以上であり比較
例の実験／１６５〜８は見掛密度は実施例のものと差異
のないものもあるが、抗折強度が２０００ｋｇ／ｃｒｊ
．以上のものは認められず、本発明がすぐれていること
が分る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 平均粒径が５μ以下の金属珪素を主威分とする粉末
   に３６〜４５容量俸の分散媒を添加混練して塊状となし
   、該塊状品を乾燥、粉砕して粒径１５０μ以下の二次粒
   子粉末とし、次いでこれを加圧成形して得られる圧粉体
   を窒素雰囲気中加熱することを特徴とする窒化珪素系成
   形体の製造方法。