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JPS6048475B2 - Silicon nitride hot press sintered body and its manufacturing method - Google Patents
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JPS6048475B2 - Silicon nitride hot press sintered body and its manufacturing method - Google Patents

Silicon nitride hot press sintered body and its manufacturing method

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JPS6048475B2
JPS6048475B2 JP53029812A JP2981278A JPS6048475B2 JP S6048475 B2 JPS6048475 B2 JP S6048475B2 JP 53029812 A JP53029812 A JP 53029812A JP 2981278 A JP2981278 A JP 2981278A JP S6048475 B2 JPS6048475 B2 JP S6048475B2
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JP
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silicon nitride
nitride
sintered body
hot
weight
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弘 阿部
実 川合
正勝 藤崎
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Asahi Glass Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は窒化珪素を主体とする高強度セラミックスとそ
の製造方法に関するのである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a high-strength ceramic mainly composed of silicon nitride and a method for producing the same.

ガスタービン部材、製鋼用の高温ロール材等高温での使
用条件が苛酷になるにつれて、金属を素材とするこれら
部材からセラミックスを素材とするものに材質変換が計
られつつあり、高強度、高耐熱衝撃性、高耐摩耗性など
の点から窒化珪素が素材として注目を集めている。
As the conditions of use at high temperatures for gas turbine parts and high-temperature roll materials for steelmaking become more severe, materials are being changed from metal-based materials to ceramic-based materials, with high strength and high heat resistance. Silicon nitride is attracting attention as a material due to its impact resistance and high wear resistance.

しかしながら、窒化珪素は単味では焼結しにくい材料で
あること、高強度が得られにくいこと等の欠点を有して
おり、これの解決のため種々の方法が提供されている。
その主なものを列挙してみると、(1)酸化マグネシウ
ムなどのアルカリ土類元素の酸化物を添加する。
However, silicon nitride has drawbacks such as being a material that is difficult to sinter when used alone and that it is difficult to obtain high strength, and various methods have been proposed to solve these problems.
The main ones are: (1) Adding an oxide of an alkaline earth element such as magnesium oxide.

(2)酸化アルミニウムを添加する。(2) Add aluminum oxide.

(3)酸化イットリウムなどの希土類元素の酸化物を添
加する(4) 窒化アルミニウムなどの非酸化物を添加
する。
(3) Adding an oxide of a rare earth element such as yttrium oxide (4) Adding a non-oxide such as aluminum nitride.

等の方法がある。しかし、これらの方法は以下に記すよ
うな欠点をもち真に実用上からみた場合まだ問題がある
ものである。(1)酸化マグネシウムを添加する方法は
窒化珪素の焼結を促進するという点では効果のある方法
であるが、酸化マグネシウムは窒化珪素粒の表面に生成
されている酸化マグネシウムと反応し、低融点ガラス相
を生成するため、全体としての窒化珪素の高温強度ない
しは高温ての耐クリープ性が損なわれ、高温で荷重のか
かる部材への適用には問題がある。
There are other methods. However, these methods have the following drawbacks and are still problematic from a practical standpoint. (1) The method of adding magnesium oxide is an effective method in terms of promoting the sintering of silicon nitride, but magnesium oxide reacts with the magnesium oxide formed on the surface of silicon nitride grains, and has a low melting point. Since a glass phase is produced, the high temperature strength or creep resistance of silicon nitride as a whole is impaired, and there is a problem in its application to members that are subjected to loads at high temperatures.

・(2)酸化アルミニウムを添加する方法は酸化アルミ
ニウムが窒化珪素粒に固溶する形で焼結が促進する独特
の効果をもつものであるが、それでもまだ高温強度、高
温耐クリープ性は必ずしも充分ではない。
・(2) The method of adding aluminum oxide has the unique effect of accelerating sintering as aluminum oxide forms a solid solution in silicon nitride grains, but the high temperature strength and high temperature creep resistance are still not always sufficient. isn't it.

(3)酸化イットリウムを添加する方法は上記(1),
(2)の欠点を改善するもので確かに窒化珪素粒の粒界
が例えば高粘性のガラスあるいは、Si。
(3) The method of adding yttrium oxide is the method described in (1) above.
It is true that the drawback of (2) is improved, and the grain boundaries of silicon nitride grains are, for example, highly viscous glass or Si.

N,・Y。O。のような結晶質組成物でされるため、高
温強度、高温耐クリープ性が損われることは少なく、こ
の点では効果のあるものである。しかしながら、酸化イ
ットリウムを添加するこの方法でも、まだ用途によつて
は高温強度等が不充分であり、更には焼成温度をより低
下せしめたいという要求には満足なものではない。(4
)酸化アルミニウムを添加する方法はアルミナなどと併
存仕しめ、硬度、耐酸化性等を改善する効果はあるが強
度的には不充分なものしか提供しえないものであつた。
N,・Y. O. Since it is made of a crystalline composition such as, high-temperature strength and high-temperature creep resistance are rarely impaired, and it is effective in this respect. However, even with this method of adding yttrium oxide, high-temperature strength etc. are still insufficient depending on the application, and furthermore, it does not satisfy the demand for further lowering the firing temperature. (4
) The method of adding aluminum oxide together with alumina, etc., has the effect of improving hardness, oxidation resistance, etc., but only provides insufficient strength.

本発明はこれなの欠点を解決する方法を提供するもので
あり、その要旨は、窒化チタン、窒化タンタルから選ば
れる1種または2種を含有することを特徴とする窒化珪
素ホットブレス焼結体及び窒化珪素粉末に窒化チタン、
窒化タンタルを存在せしめうる物質から選はれる1種ま
たは2種以上を加えホットブレスすることを特徴とする
窒化珪素ホットブレス焼結体の製造方法である。
The present invention provides a method for solving these drawbacks, and the gist thereof is to provide a silicon nitride hot breath sintered body characterized by containing one or two selected from titanium nitride and tantalum nitride. Titanium nitride in silicon nitride powder,
This is a method for producing a hot-breathed silicon nitride sintered body, which comprises adding one or more kinds of substances selected from substances capable of causing the presence of tantalum nitride and hot-blessing.

一般に、焼結法を付与するために種々の添加剤が使用さ
れているが、これら添加剤の多くのものは高温において
、ガラス相を生成するか、ないしは軟化しやすいものが
多く、これは窒化珪素粒の、表面に生成されている窒化
珪素被膜がこれら添加剤と反応した結果生ずるガラス相
ないしは低融点結晶相に起因するものと思われる。
Generally, various additives are used to impart sintering properties, but many of these additives tend to form a glass phase or soften at high temperatures, and this is due to nitridation. This is thought to be caused by a glass phase or a low melting point crystalline phase produced as a result of the silicon nitride film formed on the surface of the silicon grains reacting with these additives.

確かに、酸化イットリウム、酸化セリウム、酸化マグネ
シウム、酸化アルミニウムなどは本来相当の効果を持一
つべき筈の添加剤成分であろうが、これらが単独で使用
される限りにおいては上記の理由によると思われる効果
により不満足な効果しか得られなかつたことは前述した
通りである。そこで本発明者等はこれらの点を深く追求
した4結果、窒化チタン、窒化タンタルを窒化珪素粒に
添加してホットブレスすることにより真に高温強度を改
善しうることを見出した事により、本発明をなしえたも
のである。
It is true that yttrium oxide, cerium oxide, magnesium oxide, aluminum oxide, etc. are additive components that should have a considerable effect, but as long as they are used alone, they cannot be used for the above reasons. As mentioned above, the expected effects were only unsatisfactory. Therefore, the inventors of the present invention have deeply investigated these points, and as a result, they have discovered that high-temperature strength can be truly improved by adding titanium nitride or tantalum nitride to silicon nitride grains and hot-pressing them. It was an invention.

本発明で特定するこれらの窒化物が何故に優れた効果、
特には高温強度を改善しうるという効果を発揮するのか
未だ充分には解明されてはいないが、本発明者等は以下
のように推測している。
Why do these nitrides specified in the present invention have such excellent effects?
In particular, it has not yet been fully elucidated whether the effect of improving high-temperature strength is exhibited, but the present inventors speculate as follows.

即ち、これらの窒化物は窒化珪素にわずかではあるが固
溶されあるいは粒界においてSl。N.一該窒化物の共
融組成を持つことにより焼結性の向上することが考えら
れる。また、Si3N,粒表面を通常被つていると考え
られるSiO2とこれら窒化物フとの共存も焼結に寄与
すると考えられる。このことは焼結体中の酸素量が0.
3%以下である楊合、比較的高密度な焼結体の得にくい
事からも推測される。これらの窒化物はこのように結合
剤としての役割をはたすと同時に高融点のこれら窒化物
は門窒化珪素粒の粒界に存在し高温強度等の高温での機
械的性質に顕著な効果をもつものと考えられる。本発明
において窒化珪素粒に加えられる窒化チタン、窒化タン
タルを存在せしめうる物質から選・ばれる1種または2
種を窒化チタン、窒化タンタルに換算して0.1〜40
重量%、好ましくは1〜30重量%に制限するとよい理
由は、0.1重量%以下では窒化珪素粒を有効に結合せ
しめるのに量的に不足し、局部的に焼結の不充分な個所
や生じ、その結果強度が小さくなることにより、また、
4腫量%以上では窒化珪素粒間に介在する該窒化物量が
増加することにより強度が低下してくると共に、該窒化
物自体のもつ高膨脹性等の属性が窒化珪素焼結体の性質
に大きな影響を与えることになるためである。
That is, these nitrides are dissolved in silicon nitride, albeit in a small amount, or form a solid solution with Sl at grain boundaries. N. It is thought that sinterability is improved by having a eutectic composition of the nitride. It is also believed that the coexistence of these nitrides with Si3N and SiO2, which is thought to normally cover the grain surfaces, also contributes to sintering. This means that the amount of oxygen in the sintered body is 0.
This is also inferred from the fact that it is difficult to obtain a relatively high-density sintered body when the content is less than 3%. These nitrides thus play a role as a binder, and at the same time, these nitrides with high melting points exist at the grain boundaries of silicon nitride grains and have a remarkable effect on mechanical properties at high temperatures such as high-temperature strength. considered to be a thing. In the present invention, one or two selected from substances that can make titanium nitride and tantalum nitride exist, which are added to silicon nitride grains.
0.1 to 40 when converted to titanium nitride or tantalum nitride
The reason why it is recommended to limit it to 1 to 30% by weight is that if it is less than 0.1% by weight, it is insufficient in quantity to effectively bond the silicon nitride grains, and it may cause insufficient sintering locally. and as a result, the strength decreases, and
When the volume is 4% or more, the strength decreases due to the increase in the amount of nitride interposed between silicon nitride grains, and the properties of the nitride itself, such as high expansibility, affect the properties of the silicon nitride sintered body. This is because it will have a big impact.

また、焼結体中に存在する酸素量を0.3〜5重量%に
制限するとよい理由は、0.3重量%以下ではTIN等
の窒化物の添加によつても高密度化がかならずしも十分
でない事のあることと5重量%以上では粒界に比較的多
量のガラス相を生ずるため高温ての好ましい強度を得に
くくなるためてある。
In addition, the reason why it is preferable to limit the amount of oxygen present in the sintered body to 0.3 to 5% by weight is that if it is less than 0.3% by weight, even by adding nitrides such as TIN, it is not always possible to increase the density sufficiently. If the content exceeds 5% by weight, a relatively large amount of glass phase will be formed at the grain boundaries, making it difficult to obtain the desired strength at high temperatures.

本発明で好ましく使用されうる窒化チタン、窒化タンタ
ルは90%程度以上の純度の工業的に入手可能なもので
充分であり粒度についても細い程良好といえるが必ずし
もサブミクロン級が必要というわけではなく、使用され
る窒化珪素粒の粒度に応じて0.5〜44pm平均程度
のものを適宜選択すればよい。
The titanium nitride and tantalum nitride that can be preferably used in the present invention are industrially available with a purity of about 90% or higher and are sufficient, and the finer the particle size, the better, but submicron grade is not necessarily necessary. Depending on the particle size of the silicon nitride particles used, one having an average particle size of about 0.5 to 44 pm may be appropriately selected.

を採用する理由は、更に別の焼結促進助剤を添加する等
ということをせず冷間ブレスしてから焼成する通常の方
法ては窒化チタン、窒化タンタルの窒化珪素粒に対する
結合作用はかならずしも充分とはいえず加圧と同時に加
熱するホットブレス手段によつて有効な結合作用をもた
らすことによると考えられる。
The reason for this is that in the usual method of cold pressing and firing without adding another sintering accelerator, the bonding effect of titanium nitride and tantalum nitride to silicon nitride grains is not always possible. This is thought to be due to the fact that the hot press means, which is not sufficient and heats at the same time, provides an effective bonding effect.

ホットブレスの条件は窒化珪素などの非酸化物のホット
ブレスの場合に通常使用される条件、即ち、温度は16
00〜1900℃、圧力は100〜500k9/cイ、
雰囲気は還元性、中性などの非酸化性雰囲気であればよ
い。なお、窒化チタン、窒化タンタルを存在せしめうる
物質が金属Ti)金属Taなどの窒素を含まない物質の
場合には窒素雰囲気であることが必要である。
The hot-breathing conditions are those normally used for hot-breathing of non-oxides such as silicon nitride, i.e., the temperature is 16
00~1900℃, pressure 100~500k9/c,
The atmosphere may be a non-oxidizing atmosphere such as reducing or neutral atmosphere. Note that if the substance that can cause the presence of titanium nitride or tantalum nitride is a substance that does not contain nitrogen, such as metal Ti or metal Ta, a nitrogen atmosphere is required.

かくして得られる本発明に基く窒化珪素焼結体’は製造
条件如何にもよるが、窒化チタン、窒化タンタルを存在
せしめうる物質を窒化チタン、窒化タンタルに換算して
0.1〜40重量%加え、酸素含有量が0.3〜5重量
%である場合には、少くとも室温で70k9/T!Uf
L以上、1400゜Cで40k9/一以上の曲け強度を
有する優れたものである。
The thus obtained silicon nitride sintered body according to the present invention contains a substance capable of containing titanium nitride or tantalum nitride in an amount of 0.1 to 40% by weight in terms of titanium nitride or tantalum nitride, depending on the manufacturing conditions. , at least 70k9/T at room temperature when the oxygen content is between 0.3 and 5% by weight! Uf
It has an excellent bending strength of 40k9/1 or more at 1400°C.

以下実施例により本発明をさらに詳しく説明する。The present invention will be explained in more detail with reference to Examples below.

実施例 第1表に市販の原料を用いて試料を作製し、測定した結
果を示す。
Examples Table 1 shows the results of measurements made by preparing samples using commercially available raw materials.

第1表に示される調合割合の原料を5日間ポットミルで
粉砕混合したものを用いて60φ×127WLの試料を
得た。ホットブレス条件は350kg/d×1750℃
×1時間であつた。曲げ強度は3点曲げ方式によつて測
定したものである。第1表から分る通り、実施例1〜5
は特に高淵 ’(における強度の優れた性質を示す。
A sample of 60φ×127WL was obtained by pulverizing and mixing raw materials in the proportions shown in Table 1 in a pot mill for 5 days. Hot breath conditions are 350kg/d x 1750℃
It was hot for x1 hour. The bending strength was measured by a three-point bending method. As can be seen from Table 1, Examples 1 to 5
In particular, Takabuchi' (shows excellent properties of strength).

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 窒化チタン、窒化タンタルから選ばれる1種または
2種を含有することを特徴とする窒化珪素ホットプレス
焼結体。 2 窒化チタン、窒化タンタルから選ばれる1種または
2種を0.1〜40重量%含有する特許請求の範囲第1
項の焼結体。 3 酸素含有量が5重量%より少ない特許請求の範囲第
1項または第2項の焼結体。 4 酸素含有量が0.3重量%より多い特許請求の範囲
第1項、第2項または第3項の焼結体。 5 窒化珪素粉末に窒化チタン、窒化タンタルを存在せ
しめうる物質から選ばれる1種または2種以上を加えホ
ットプレスすることを特徴とする窒化珪素ホットプレス
焼結体の製造方法。 6 窒化チタン、窒化タンタルを在存せしめうる物質か
ら選ばれる1種または2種以上を窒化チタン、窒化タン
タルに換算して0.1〜40重量%加える特許請求の範
囲第5項記載の製造方法。
[Scope of Claims] 1. A silicon nitride hot-pressed sintered body characterized by containing one or two selected from titanium nitride and tantalum nitride. 2 Claim 1 containing 0.1 to 40% by weight of one or two selected from titanium nitride and tantalum nitride
sintered body. 3. The sintered body according to claim 1 or 2, having an oxygen content of less than 5% by weight. 4. The sintered body according to claim 1, 2 or 3, having an oxygen content of more than 0.3% by weight. 5. A method for producing a silicon nitride hot-pressed sintered body, which comprises adding one or more selected from substances capable of causing the presence of titanium nitride and tantalum nitride to silicon nitride powder and hot-pressing the mixture. 6. The manufacturing method according to claim 5, in which 0.1 to 40% by weight, calculated as titanium nitride or tantalum nitride, of one or more selected from substances that can cause titanium nitride and tantalum nitride to exist is added. .
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