JPH03290376A - 複合セラミックス製品の製造方法 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は高靭性でかつ高密度の複合セラミックス製品の
製造方法に関する。

［従来の技術］ セラミックスは高温でも高強度でありかつ優れた耐食性
を有するために、例えばヒーターチューブやルツボやシ
リンダーライナー等に広範囲に使用されている。しかし
通常のセラミックスは脆く熱衝撃で破損し易いという問
題点がある。

本発明者等の知見によると、ウィスカーを分散させた複
合セラミックスは靭性に優れ熱衝撃に強い。しかし格別
に工夫しないで、ウィスカーを分散させた複合セラミッ
クスは、ウィスカーが緻密化を妨げるために常圧焼結後
の相対密度は９５％未満であり、相対密度が小さいため
に、例えばシリンダーライナーとしては耐摩耗性が不十
分である。

常圧焼結法で予備焼結体を製造し、この予備焼結体を熱
間静水圧プレスによって再焼結して、強靭でかつ緻密質
でワイブル係数の高いセラミックス製品を製造する方法
が知られている。

この方法では、予備焼結体となる常圧焼結のセラミック
スが相対密度が９５％未満の場合は、予備焼結体をガラ
スカプセルに封入して、熱間静水圧プレスで再焼結する
。予備焼結体となる常圧焼結のセラミックスの相対密度
が９５％以上の場合は、ガラスカプセルに封入しないで
、予備焼結体を直接に熱間静水圧プレスで再焼結するこ
とができる。

既に述べた如く、ウィスカーを分散させた従来の常圧焼
結体は相対密度が９５％未満である。従ってウィスカー
を分散させた従来の常圧焼結体を熱間静水圧プレスで再
焼結するためには、ガラスカプセルに封入することが必
要となる。

しかし予備焼結体をガラスカプセル内に封入する作業は
極めて厄介である。

［発明が解決しようとする課題］ 従来は製造できなかったが、ウィスカーが分散しかつ相
対密度が９５％以上の常圧焼結によるセラミックスが製
造できると、ガラスカプセル内に封入しないで、直接に
熱間静水圧プレスで再焼結できるために、ガラスカプセ
ル内に封入する厄介な作業が省略できる。

本発明は、ウィスカーを分散しかつ相対密度が９５％以
上の常圧焼結によるセラミックスを製造し、この常圧焼
結によるセラミックスを予備焼結体として、ガラスカプ
セル内に封入しないで、直接に熱間静水圧プレスで再焼
結して、強靭でかつ緻密質でワイブル係数の高いセラミ
ックス製品を製造する方法の提供を課題としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明の第１工程では、セラミックスの粉末と、炭化珪
素ウィスカーおよび／または窒化珪素ウィスカーとを溶
媒中に分散せしめて、粘度が３．０ポイズ以下の泥漿を
製造する。

セラミックス粉末としては、各種の窒化珪素粉末やアル
ミナ粉末や炭化珪素粉末やマグネシア粉末やイツトリア
粉末が市販されているが、本発明ではこれ等の粉末を単
独であるいは調合して用いる事ができる。またコージェ
ライトやスピネル等の化合物粉末も調合して用いる事が
できる。セラミックス粉末の粒度は特に限定するもので
はないが、１μｌ以下の微粉が好ましい。

本発明でウィスカーは、直径が０．１〜１μｍで長さが
５〜１００μ−の、炭化珪素の短繊維や窒化珪素の短繊
維を用いる。例えば商品名トーカウィスカ（東海カーボ
ン株製）は市販の炭化珪素の短繊維であるが、本発明の
ウィスカーとして直接使用する事ができる。また市販の
炭化珪素長繊維や窒化珪素長繊維は、５〜１１００ｔＬ
の長さに切断して本発明のウィスカーとして使用する事
ができる。

本発明の第１工程では、セラミックス原料を溶媒中に分
散させて、粘度が３．０ポイズ以下の泥漿を製造する。

本発明でセラミックス粉末と、セラミックスの粉末に対
して５〜２０重量％ウィスカーと、セラミックスの粉末
に対して３〜１５重量％の例えばコージェライト系焼結
助剤とを、分散剤を加えた水を溶媒として混練して、粘
度が３．０ポイズ以下の泥漿とする９本発明で泥漿の粘
度とは、ＪＩＳＺ８８０９による粘度計校正用標準液で
校正された回転型粘度計で測定した粘度をいう、泥漿の
粘度は、例えばセラミックスの粉末の粒度や分散剤の添
加量やＰＨを調整して、３．０ポイズ以下とする。

本発明の第２工程では、この泥漿を石膏型に注入し、着
肉せしめてグリーン成形体を形成する。

このグリーン成形体の相対密度は６０％以上とする。相
対密度を６０％以上とするために、本発明ではグリーン
成形体中のウィスカーの向きを制御する。格別に工夫し
ないで、ウィスカーを含有する泥漿を用いてグリーン成
形体を製造すると、ウィスカーは三次元にランダムに配
向するが、この配向ではウィスカーが相互に篇み合い泥
漿の充填が不十分となって、グリーン成形体の相対密度
は６０％以下となる。後で詳述するが、本発明ではウィ
スカーを石膏形の壁面に平行に配向させる。

また石膏型の壁面に平行でかつ２次元にランダムに配向
させる。ウィスカーをこのように配向させると、ウィス
カーは相互に絡み合わないために、泥漿は十分に充填さ
れて、相対密度が６０％以上のグリーン成形体が得られ
る。本発明者等の知見によると、粘度が３．０ポイズ以
上の泥漿では、グリーン成形体のウィスカーは２次元な
配向がルーズになり、粘度が高くなるに従って三次元に
ランダムになってその相対密度は６０％以下となる。

本発明のウィスカーの向きの制御は、泥漿を構成するセ
ラミックス粉やウィスカーの種類１粒度、形状によって
異なるが、泥漿の粘度を３．０ポイズ以下に適正に調整
する事によって達せられる。

本発明の第３工程では、第２工程で形成したグリーン成
形体を常圧焼結する。この常圧焼結は、通常の常圧焼結
の条件、例えば焼結温度や焼結時間や雰囲気ガスで行う
。既に述べた如く本発明ではウィスカーの向きが制御さ
れれたグリーン成形体を用いる。グリーン成形体の外面
から内面に至る全肉厚に亘って、ウィスカーが石膏型の
壁面に平行でかつ２次元にランダムに配合したグリーン
成形体は、通常の常圧焼結条件で、相対密度が９５％以
上の予備焼結体となる。

本発明の第４工程では、第３工程で製造した予備焼結体
を、ガラスカプセルに封入しないで、直接に熱間静水圧
プレスによって再度焼結する。相対密度が９５％以上の
予備焼結体は、通気性がないので、カプセルに入れなく
ても、例えば１０００〜２０００ｋｇｆ／Ｃｍ”の圧力
、　１５００〜１８００℃の温度で、熱間静水圧プレス
により焼結すると理論密度しこ近い高密度のセラッミク
ス製品となる。

［作用］ 第１図は本発明の泥漿の作用の説明図で、（Ａ）図はグ
リーン成形体あるいは複合セラミックス製品の形状を示
す図、（Ｂｌ）　、　（８２）図１１本発明のウィスカ
ーの向きの説明図である。本発明のグリ−ン成形体では
ウィスカー２は、第１図（１３１）で示した如く、グリ
ーン成形体の表面（石膏型の壁面）番コ略平行に、また
第１図（Ｂ２）で示した如く２次元でランダムな方向に
、またグリーン成形体の全厚さトこ亘って略均−に配さ
れている。グリーン成形体１こおけるウィスカー２のこ
の配向は、常圧焼結した後の予備焼結体や、熱間静水圧
プレス後の複合セラミックス製品においても、そのまト
維持される。

従って本発明の方法で製造した複合セラミックス製品で
は、ウィスカー２は、製品の表面と略平行にかつ２次元
でランダムな方向に配されてｂ）る。

セラミックス製品が第１図（Ａ）で例え【ｆ内面力１ら
加熱されると、内面が熱膨張するため（こ、セラミック
ス製品の外面には、第１図（Ｂ２）でセラミックス製品
の外面と平行なｅ　−ｈ方向の引張熱衝撃応力Ｐ１やｅ
−ｆ方向の引張熱衝撃応力Ｐ２が発生する。

炭化珪素ウィスカーや窒化珪素ウィスカーは極めて高強
度であるが、本発明ではウィスカーはセラミックス製品
の外面と平行にかつ２次元にランダムに向いて配されて
いる。このため本発明ではウィスカーは、外面と平行な
第１図（Ｂ２）の引張熱衝撃応力Ｐ１やＰ２に耐えるし
、また微細なりラックの伝播を阻止して割れの発生を防
止する。このため本発明のセラミックス製品は靭性に優
れ熱衝撃に強い。

第１図（ＣＩ）、（Ｃ２）は粘度が３．０ボイス以上の
泥漿を使用した比較例の説明図である。ウィスカーを複
合させた従来のグリーン成形体や複合セラミックス製品
では、ウィスカー２は三次元にランダムな方向に配され
ている。セラミックス製品が使用の際に第１図（Ａ）で
例えば内面から加熱されると内面が熱膨張するが、しか
しセラミックス製品の肉厚方向（ａ−ｂ方向）の引張衝
撃応力Ｐ□は小さい。従来の複合セラミックス製品では
ウィスカー２が三次元にランダムに配されて引張熱衝撃
応力が小さい肉厚方向にも配向しているため、セラミッ
クス製品の外周と平行に配向しているウィスカーの数が
少ない。このため従来の複合セラミックス製品は使用に
際してセラミックス製品の外周と平行な引張熱衝撃応力
Ｐ１やＰ２に耐えられないで、熱衝撃に弱い。

第１図（Ｂｌ）　、　（Ｂ２）で示した粘度が３．０ポ
イズ以下の本発明の泥漿では、泥漿成形に際して、ウィ
スカー２は層状に順次配列する。従って着肉に際してウ
ィスカー２が相互に絡み合うことがない。

この結果マトリックス材１も緻密に着肉する。従って本
発明によると相対密度が６０％以上の緻密質のグリーン
成形体が得られる。またグリーン成形体の外面から内面
にいたる全肉厚に亘ってウィスカーが石膏型の壁面と平
行でかつ２次元にランダムに配向したグリーン成形体を
常圧焼結すると、相対密度が９５％以上の予備焼結体が
得られる。

この相対密度が９５％以上の予備焼結体は緻密質で表面
に開孔したオープンポアーがないためにガラスカプセル
に封入する必要がなく、そのまＳ熱間静水圧プレスで焼
結すると、理論密度に近い高密度の複合セラミックス製
品となる。

第１図（ＣＩ）、　（Ｃ２）で示した。粘度が３．０ポ
イズ以上の泥漿を使用した従来のグリーン成形体は、泥
漿成形に際してウィスカー２が相互に絡み合うために、
マトリックス材１が十分には充填されない。従って従来
の方法では相対密度が６０％以上のグリーン成形体を製
造し難い。またこの際のグリーン成形体は、常圧焼結し
ても予備焼結体の相対密度は９５％以下である。相対密
度が９５％以下の予備焼結体は１表面に開孔したオープ
ンポアーや連通孔を有するために、ガラスカプセルに封
入する事が不可欠で、そのまＳ熱間静水圧プレスで焼結
しても、高密度の複合セラミックス製品は得られない。

［実施例］ 本発明者等は粒度が約１μの窒化珪素の微粉（商品名：
５ＮＰ−８５，日本重化学工業■製）と、窒化珪素の微
粉の１０重量％の炭化珪素ウィスカ（商品名：トーカウ
ィスカ、東海カーボン株製）を用いて粘度が３．０ポイ
ズ以下の泥漿を作威し、これを用いて、第１図（Ａ）に
示した外径７０ｍｍ　Ｘ高さ１００■履の円筒状のグリ
ーン成形体を形成した。このグリーン成形体を１気圧の
窒素雰囲気炉で３時間の常圧焼結を行ない予備焼結体を
、形成した。この予備焼結体の相対密度は９５％以上で
あり、ガラスカプセルを用いないで直接に熱間静水圧プ
レスを用いて、１６００℃、１５００気圧で１時間の再
焼結を施した。グリーン成形体と常圧焼結後の予備焼結
体と熱間静水圧プレス後の焼結成品の性能を第１表の実
施例Ｎ００１〜６に示した。

第１表のＮｏｌ〜Ｎｏ６にみられる如く、本発明の方法
によると、グリーン成形体の相対密度は６０％以上で緻
密質であり、ウィスカーは１円筒状のグリーン成形体の
全肉厚に亘って成形体の外面と略平行にかつ２次元にラ
ンダムに配向していた。このグリーン成形体を用いて製
造した予備焼結体は緻密質で優れた靭性を有していたが
、更に熱間静水圧プレスで再焼結することにより、曲げ
強度や破壊靭性値が更に向上して極めて優れた性能のセ
ラミックス製品が得られた。

第１表でＮｏ７は比較例であり、　Ｎｏｌ〜Ｎｏ６と同
じ窒化珪素の微粉と炭化珪素ウィスカーの泥漿を用いた
が、泥漿の粘度が３．０ポイズ以上であったために、予
備焼結体の相対密度が小さい。ガラスカプセルを用いな
いで直接に熱間静水圧プレスしたが、熱間静水圧プレス
後の焼結成品の相対密度は低く、曲げ強度や破壊靭性値
も不十分であった。

第１表でＮｏ８．９は比較例であり、窒化珪素の微粉と
窒化珪素の微粉の１０重量％の炭化珪素ウィスカーを用
いて、プレス成形と常圧焼結法で予備焼結体を製造した
例である。この際も予備焼結体の相対密度が小さい。ガ
ラスカプセルを用いないで直接に熱間静水圧プレスした
が、熱間静水圧プレス後の焼結成品の相対密度は低く、
曲げ強度や破壊靭性値も不十分であった。

第１表でＮｏｌ０は炭化珪素ウィスカーを含有しない例
で、窒化珪素の微粉のみで泥漿を形成した。

炭化珪素ウィスカーを複合しない予備焼結体は、相対密
度が高い。ガラスカプセルを用いないで直接に熱間静水
圧プレスしたが、熱間静水圧プレス後の焼結成品の相対
密度は十分に高い。しかしこの焼結成品は炭化珪素のウ
ィスカーを複合していないために、Ｎｏ１〜６の本発明
の実施例に比べて曲げ強度や破壊靭性値が不十分で、あ
る。

［発明の効果コ 本発明の方法で製造した、ウィスカーを複合したセラミ
ックス製品は、ウィスカーが特定の向きに配されている
ため、従来のウィスカーを複合したセラミックス製品よ
りも熱衝撃に強い。

本発明のセラミックス成品は熱間静水圧プレスで焼結さ
れているため、高いワイブル係数の高靭性で高強度なセ
ラミックス製品である。

本発明は泥漿成形法と常圧焼結法で製造した予備焼結体
を使用するため熱間静水圧プレスで複雑な形状のセラミ
ックス製品が製造できる。

本発明では予備焼結体をガラスカプセル等を用いないで
直接に熱間静水圧プレスで焼結するため、予備焼結体を
ガラスカプセル内に減圧封入する従来の複雑な製造工程
が簡易化され、製造コストも安い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ウィスカーを含有するグリーン成形体やセラ
ミックス製品中のウィスカーの向きを説明する図、 である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　セラミックスの粉末と炭化珪素ウィスカーおよび／ま
   たは窒化珪素ウィスカーとを溶媒中に分散せしめて粘度
   が３．０ポイズ以下の泥漿を製造する第１工程と、該泥
   漿を用いて泥漿成形法によって相対密度が６０％以上の
   グリーン成形体を形成する第２工程と、該グリーン成形
   体を常圧焼結して相対密度が９５％以上の予備焼結体を
   製造する第３工程と、該予備焼結体をガラスカプセルな
   しで熱間静水圧プレスにより焼結する第４工程とを有す
   ることを特徴とする、複合セラミックス製品の製造方法
   。