JPH0339988B2 - - Google Patents
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- JPH0339988B2 JPH0339988B2 JP61253558A JP25355886A JPH0339988B2 JP H0339988 B2 JPH0339988 B2 JP H0339988B2 JP 61253558 A JP61253558 A JP 61253558A JP 25355886 A JP25355886 A JP 25355886A JP H0339988 B2 JPH0339988 B2 JP H0339988B2
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Description
〔技術分野〕
本発明はケイ素酸化物、単体炭素及びホウ素酸
化物を含む微細な新規含炭素混合物を強熱して炭
化ケイ素と炭化ホウ素を含む新規な複合炭化物と
し、これを特定の条件で焼結する新しい複合炭化
物焼結体の製造法に関する。
〔背景技術〕
炭化ケイ素粉を焼結して得られる炭化ケイ素焼
結体は、従来の金属材料に比較して高温における
機械的強度が格段に勝れているので、エンジン、
ガスタービンなどの用途が期待されている。
しかしながら、従来の製造法では、炭化ケイ素
料及びその原料であるケイ砂などのケイ素酸化物
やコークスなどの単体炭素の物性や純度などに由
来して、得られる炭化ケイ素焼結体の機械的強度
のバラツキが大き過ぎることが工業的実用化の障
害となつている。
上記焼結体は、その原料である炭化ケイ素粉が
可能な限り微細である程強度が大きいものが得ら
れ易く、また焼結速度が速い性質である。更に原
料炭化ケイ素粉が高純度である程、焼結体の強度
のバラツキが小さい性質がある。
また炭化ケイ素粉を焼結する過程において、単
体ホウ素、炭化ホウ素などホウ素酸化物以外のホ
ウ素系物質及び単体炭素を添加すると、焼結体の
密度を上げる効果をもたらすことは、特公昭57−
32035号公報、特開昭51−148712号公報などに開
示されている如く公知であり、該添加に用いるホ
ウ素系物質は高純度かつ微細なもの程その効果が
大きいとされている。
かかるホウ素系物質が添加された炭化ケイ素焼
結体を得るには、従来は、炭化ケイ素と単体ホウ
素またはホウ素系物質をボールミルなどを用いて
機械的に粉砕混合した後、これに炭素質物質を加
えて一旦加熱することにより、炭素質物質の熱分
解によつて単体炭素を生成せしめて、炭化ケイ素
粉、ホウ素系物質粉及び単体炭素粉の混合物と
し、これを焼結加工する方法が一般的な製造法で
あつた。
この方法において、炭化ケイ素を製造するには
ケイ砂などの様な二酸化ケイ素とコークスなどの
様な炭素系物質とを粉砕混合し、例えばアチソン
型の直接通電抵抗炉などにより高温下で固相反応
によつて得る方法が一般的である。
しかしながら、この方法は、バツチ方式(回分
方式)であり、原料の混合装入時における作業工
程の煩雑さ、不純物の混入といつた問題がある。
また生成した炭化ケイ素はインゴツトとして取
り出されるので、焼結体原料として必要な微細な
粉体を得るには、このインゴツトをボールミルな
どの粉砕機で長時間粉砕した後、微細な粒子のみ
を分級して取り出す必要があり、従つて経費の増
加、作業工程の煩雑さ、作業工程中の不純物の混
入などの問題がある。
さらに、炭化ケイ素焼結体を得る際に添加する
ホウ素系物質については、ホウ素酸化物は焼結体
中に酸素の混入をもたらし焼結体の密度を上げる
効果が得られず、逆に低下せしめるので不都合で
ある。従つて、ホウ素源としては、酸素を含有し
ないホウ素酸化物以外のホウ素系物質が選ばれる
が、中でも炭化ホウ素は耐酸化性に秀れているの
で特に好ましく、次に単体ホウ素が好ましい。
しかしながら、炭化ホウ素粉は、通常炭化ケイ
素粉と同様に、酸化ホウ素あるいは単体ホウ素と
炭素質物質より高温下で固相反応によつて炭化ホ
ウ素のインゴツトを得た後、これを粉砕、分散し
て製造されているの。従つて従来の方法では炭化
ケイ素粉と同様に高純度かつ微細なものが得られ
にくいと云う問題がある。
一方、ホウ素源として単体ホウ素を使用する場
合も微粉末である程好ましいが、微粉末になる程
空気中に放置しておくだけでも容易に酸化が進行
すると云う大きな欠点が生ずる。しかして、一般
に知られているように、炭化ケイ素の焼結過程に
おいて含有する酸化物の量が増加するに従つて、
得られる焼結体の密度が低下し、成型体の強度が
低下するので、添加するホウ素系物質は、上記し
たごとく炭化ホウ素のほうが酸化物の混入を防ぐ
点で基本的には好ましいが、高純度かつ微細なも
のが得られにくいため、酸化され易いという問題
はあるがやむを得ず主として単体ホウ素が用いら
れているのが実情である。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、ボールミルの如き騒音、摩
耗、不純物混入、粉塵発生等の多くの問題を有す
る機械的な粉砕、混合操作を、全く行うことなし
に得られるところの、ケイ素酸化物、単体炭素及
びホウ素酸化物の微粒子がきわめて均一に混合し
てなる新規含炭素混合物を原料として使用し、こ
の新規含炭素混合物から機械的強度が格段に優れ
勝つ強度のバラツキの少ない新しい複合炭化物焼
結体を製造する方法を提供することである。
本発明のその他の目的は以下の説明から明らか
になるであろう。
〔発明の開示〕
本発明者等は、前記従来の損失を充分に検討し
た結果、物性のすぐれた炭化ケイ素焼結体を得る
方法として、ケイ素化合物などから直接炭化ケイ
素粉などを得る従来の方法とは異なる方法、即ち
充分に均一性が高く、かつ構成粒子の粒度の細か
いケイ素酸化物、単体炭素及びホウ酸化物を含む
新規含炭素混合物を先ず製造し、この規含炭素混
合物を強熱して得た新規な複合炭化物を焼結すれ
ば焼結速度が速く、しかも強度のバラツキの小さ
い複合炭化物焼結体が得られることを見出し、本
発明を完成するに至つたものである。
即ち本発明は、水蒸気を含む熱ガス中に、分解
性ケイ素化合物、分解性炭素化合物及び分解性ホ
ウ素化合物を装入し・分解して、ケイ素酸化物、
単体炭素及びホウ素酸化物のそれぞれのエーロゾ
ルを含む混合エーロゾル分散質を生成せしめ、該
生成した分散質を捕集して得た合炭素混合物であ
つて、式量比C/(Si+B)(g−atms/g−
atms)が3.5以上の含炭素混合物を強熱して得た
複合炭化物100重量部に、炭素質物質を単体炭素
換算量で0.2〜2.0重量部共存させた条件下で一体
に焼結することを特徴とする新しい複合炭化物焼
結体の製造法を要旨とするものであり、特には複
合炭化物焼結体中のケイ素とホウ素の割合がケイ
素100に対しホウ素が0.15〜4.5重量比である製造
法を要旨とするものである。
〔発明の開示〕
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明における含炭素混合物とは、水蒸気含有
ガス中に、分解性ケイ素化合物、分解性炭素化合
物及び分解性ホウ素化合物を装入・分解して、ケ
イ素酸化物、単体炭素及びホウ素酸化物のそれぞ
れのエーロゾルを含む混合エーロゾルを生成させ
て、このエーロゾル分散質を捕集して得たもので
あつて、式量比C/(Si+B)(g−atms/g−
atms)が3.5以上であることによつて特徴ずけら
れる。
しかして本発明における含炭素混合物はケイ素
酸化物、単体炭素およびホウ素酸化物のそれぞれ
の微粒子がミクロのオーダーで均一に混合してい
て、見かけ上は「混合粉」となつているものであ
る。なお、一言付け加えれば、ここにいう「混合
物」とは、「二種以上の物質が全体として均質に
存在し、一物質として把握されるもの」であるか
ら、まさに産業別審査基準にいう「組成物」の要
件を充足するものであり、本来は「含炭素組成
物」と称すべきものあるが、ここでは、習慣上一
応「含炭素混合物」という呼び名に従つた。
本発明で云う混合エーロゾルとは、気体中にケ
イ素酸化物、単体炭素及びホウ素酸化物が微細な
固形物の分散質として混在しているものを意味す
る。本発明における含炭素混合物とは、該混合エ
ーロゾル中の分散質である上記の固形物を捕集し
て得たケイ素酸化物、単体炭素及びホウ素酸化物
を含む混合物である。
本発明においては、まず単体炭素のエーロゾル
は、分解性炭素化合物を熱ガス中に装入・分解し
て容易に得ることができる。他方、酸化ケイ素あ
るいは酸化ホウ素のエーロゾルは、例えば四塩化
ケイ素の如き分解性ケイ素化合物あるいは三塩化
ホウ素の如き分解性ホウ素化合物を水蒸気を含む
熱ガス中に装入すると、熱分解、酸化あるいは加
水分解等を伴う分解をおこし容易に得ることがで
きる。容易に理解できるように、水蒸気を含む熱
ガス中に分解性炭素化合物、分解性ケイ素化合物
及び分解性ホウ素化合物を同時に装入すれば、直
ちにケイ素酸化物と単体炭素及び酸化ホウ素を含
む混合エーロゾル分散質が得られるのである。
本発明で使用しうる分解性ケイ素化合物として
は、一般式SinX2o+2(nは1から4の整数)で表
されるもので、Xは水素、ハロゲン原子、アルキ
ル基もしくはアルコキシル基であり、具体的なケ
イ素化合物を挙げれば、SiCl4、HSiCl3、SiH4、
Si2H6、(CH3)4Si、(CH3)2SiCl2、CH3SiCl3、
SiF4、Si(OC2H5)4などであり、またこれらの混
合物であつても本発明には何等の支障もない。
本発明の実施例に用いられる分解性炭素化合物
は、熱ガス中に装入された場合、容易に分解して
単体炭素(スス)を生成しうるようなもので、そ
のままで気相もしくは液相状態か昇温により容易
に液相状態になり得るものが好適に使用可能であ
る。
例えば、LPG、ナフサ、ガソリン、燃料油、
灯油、軽油、重油、潤滑油、流動パラフインなど
の石油製品類;メタン、エタン、プロパン、ブタ
ン、ペンタンなどの炭化水素;メタノール、エタ
ノール、プロパノール、エチレン、アセチレン、
n−パラフイン、ブタジエン、イソプレン、イソ
ブチレン、ベンゼン、トルエン、キシレン、シク
ロヘキサン、シクロヘキセン、ジシクロペンタジ
エン、エチルベンゼン、スチレン、キユメン、ブ
ソイドクメン、メシチレン、アルキルベンゼン、
α−メチルスチレン、ジシクロドデカトリエン、
ジイソブチレン、塩化ビニル、クロルベンゼン、
C9溜分混合物、エチレンボトムなどの石油化学
製品類;タール、ヒツチ、クレオソート油、ナフ
タリン、アントラセン、カルバゾール、タール
酸、フエノール、クレゾール、キシレゾール、ピ
リジン、ピコリン、キノリンなどのタール製品
類、大豆油、ヤシ油、アマニ油、綿実油、ナタネ
油、キリ油、ヒマシ油、鯨油、牛脂、スクワラ
ン、オレイン酸、ステアリン酸などの油脂類など
が好ましいものとしてあげられるがもちろんこれ
らに限られるものではない。
本発明の実施に使用する分解性炭素化合物は炭
素の供給が目的であるから、この目的からは例え
ば上記の如く、広範囲に選択可能である。しかし
ながら取扱いの簡便さ、炭素収率の面からトルエ
ン、キシレン、ベンゼン、灯油、軽油、重油、
C9留分混合物、エチレンボトムなどが好ましい。
本発明の実施に使用可能な分解性ホウ素化合物
としては、BF3、BCl3、BBr3、BH3、B2H6、
B3N3H6などが挙げられ、またこれらの混合物で
あつても差支えない。
なお、分解性ホウ素化合物として、安価なホウ
酸も使用可能である。この場合ホウ酸を水あるい
はメタノール、エタノールなどの溶媒に溶解した
後、二流体噴霧方式によつて空気、蒸気などと共
に熱ガス中に溶液を装入する方法が便利である。
ホウ素化合物としてホウ酸を用いる場合は、
BCl3、BH3などの上記した分解性ホウ素化合物
と比較して酸化されにくいため、容易に微細なエ
ーロゾルが得られにくいと云う問題があるが、本
発明者らの検討によれば、ホウ酸を上記の如き溶
媒に溶解した後、熱ガス中に装入する手段を採用
することにより本発明の目的を達するに充分な程
度にホウ酸が微細なエーロゾルとなり易くなり、
またこのホウ酸溶液の装入を二流体噴霧方式によ
つて行えば更に好ましいエーロゾルが得られるの
である。
本発明で使用可能な分解性ケイ素化合物、分解
性炭素化合物あるいは分解性ホウ素化合物は、普
通はそのままでまたは加熱により容易に気相もし
くは液相状態とにしえるものであるので、特定不
純物の排除を必要とする場合は蒸留、吸着、洗浄
などの簡便な操作で高純度の混合物を容易に得る
ことができる。
なお、本発明における含炭素混合物中のケイ素
酸化物、単体炭素及びホウ素酸化物の割合の調節
は、ノズルから熱ガス中に注入する原料である分
解性ケイ素化合物、分解性炭素及び分解性ホウ素
化合物の量を変え、相互の割合を調節するだけで
容易に成しうるのである。
本発明における含炭素混合物を得るための具体
的な装置としては、炉を用いるのが好適である。
この炉には加熱装置及び分解性ケイ素化合物、
分解性炭素化合物及び分解性ホウ素化合物のそれ
ぞれの装入用ノズルと熱ガス装入ダクト、混合エ
ーロゾル排出ダクトとが具備されているようなも
のである。また加熱装置としては燃焼バーナー、
通電発熱体などがあるが燃焼バーナーが簡便であ
り、また熱効率の面でも好ましい。
第1図はこれに用いられる炉の1例を示すもの
である。
本発明では炉内に少なくとも600℃以上、好ま
しくは700℃以上、より好ましくは800℃以上の空
間領域がなければならない。この温度以上であれ
ば分解性炭素化合物からは単体炭素が、更に水蒸
気を含む雰囲気下で分解性ケイ素化合物からはケ
イ素酸化物が、分解性ホウ素化合物からはホウ素
酸化物がそれぞれ極めて微細な粒子として得ら
れ、気体とこれら固形物との混合体である混合エ
ーロゾル状態を発生する。
なお、2000℃以上の温度は通常熱ロスを招くだ
けであるのでこの様な高温は不必要である。ま
た、ケイ素酸化物あるいはホウ素酸化物に加え
て、単体ケイ素あるいは単体ホウ素、更にはケイ
素ハロゲン化物あるいはホウ素ハロゲン化物が狭
在していても、本発明での最終目的である複合炭
化物焼結体を得るに格別の妨げにはならない。
本発明で使用する水蒸気を含む熱ガスを得る方
法としては、通電発熱方式、高周波加熱方式、放
電方式によつて得た熱ガス中に水蒸気を注入する
ことによつても得ることが出来るが、水素、メタ
ン、エタン、プロパンなど、あるいは原料とする
炭化水素のように燃焼して水蒸気を生成する可燃
物を空気で燃焼させる方法が、一工程で水蒸気を
含む熱ガスを得ることができるので装置上簡便で
あり、熱効率の面からも経済的である。
本発明の実施に用いられる分解性ケイ素化合物
あるいは分解性ホウ素化合物は、熱ガス中で熱分
解反応によつて容易に単体ケイ素あるいは単体ホ
ウ素の固形物に変化すると共に、水蒸気との加水
分解反応によつてケイ素酸化物あるいはホウ素酸
化物に変化する。かつ、上記反応はその速度がき
わめて大きく0.01〜0.1秒で反応は実質的に完結
するので、反応時間(反応域での滞留時間)は1
秒も取れば充分である。
従つて本発明のような熱と水蒸気が共存する雰
囲気下では、分解性ケイ素化合物あるいは分解性
ホウ素化合物がガス状態のままで反応の系外に揮
散することは実質上無視することが出来る。
この様にして生成したケイ素化合物と単体炭素
及びホウ素酸化物を含む混合エーロゾル分散質
は、炉の外に誘導した後、含まれる固形物をバグ
フイルター、サイクロン、電機集塵機等の公知の
捕集装置を使用する固液分離操作により捕集する
が、捕集装置での熱負荷を軽減するためには予冷
することが望ましい。予冷の方法としては、反応
後の帯域を冷却するとか、または水を注入する等
の手段を採用出来る。
以上の如くして捕集された本発明における含炭
素混合物は高周波加熱炉、通電抵抗炉、直火式管
状加熱炉などを用い、好ましくはアルゴン、ヘリ
ウム、窒素、水素、一酸化炭素などの非酸化性雰
囲気下で、1000〜2500℃好ましくは1200〜2000℃
程度に強熱することによつて、焼結体原料として
好適な炭化ケイ素と炭化ホウ素の均一な混合物か
らなる、複合炭化物とすることができる。
本発明においては、本発明における含炭素混合
物は主として前述の通り複合炭化物を得るのが目
的であるので、該含炭素混合物微粉末中の炭素、
ケイ素及びホウ素の割合は、式量比(g−atmの
比を云う。以下同じ。)C/(Si+B)として3.5
より大であることが要請される。その理由は、混
合物中に炭素に過剰に含む方が、これを加熱して
得られる複合炭化物の平均粒子径が小さくなると
いう本発明者らの実験的知見に基づくものであ
る。
その正確な理由は現在は勿論詳らかにし得ない
が、該含炭素混合物を加熱することによつて該複
合炭化物が生成するところ、この反応過程におい
て複合炭化物微粒子が生成しその粒子が成長する
段階で過剰の炭素の存在が粒子同士の結合をさま
たげる効果をもたらし、粒子径の小さい微細な複
合炭化物が得られるものと推測される。
しかしながら、この式量比が余りに大きいこと
は炭素化合物の単なる損失にしかならない。従つ
て上記式量比としては3.5〜20程度の値が適当で
ある。なお、該式量比の調節は、既に述べた如
く、炉のノズルより注入する原料の量を変更する
だけで容易に成される。
本発明における含炭素混合物を強熱して複合炭
化物を得る工程において、該加熱雰囲気中に酸素
が存在すると単体炭素が燃焼して除去されて仕舞
うので、上記した如くアルゴン、ヘリウム、窒
素、水素などの非酸化性雰囲気下で加熱すること
が好ましい。しかしながら、通常、熱処理段階
で、酸化ケイ素あるいは酸化ホウ素と炭素が反応
し、複合炭化物が生成すると同時に一酸化炭素が
生成して、系内はおのずと非酸化性雰囲気になる
ため、本発明においては、特にアルゴン等の不活
性ガスを系内に供給することは不要である。
なお、この加熱処理する工程において、該含炭
素混合物を一旦緊縮、すなわち嵩比重を増加させ
る操作をおこなつた後加熱するのが微細な複合炭
化物の粉末を得る上で好ましい。けだし、嵩比重
の小さい状態で含炭素混合物を加熱すると、粒子
が一方向に成長した棒状の複合炭化物が生成し易
いが、一旦緊縮して嵩比重を大きくした後加熱す
れば粒子径が均等にそろつた球形の形態のものが
得られるという本発明者らの実験的知見に基づく
ものである。この場合、嵩比重は少なくとも
0.15g/c.c.以上になるように緊縮するのが好まし
い。かかる緊縮操作は圧縮、攪拌式等の造粒など
により容易に行うことが出来る。
該含炭素混合物を強熱処理して得られた本発明
における複合炭化物は、炭化ケイ素と炭化ホウ素
とおよび単体炭素の極めて微細な粒子からなるも
のである。
しかして、該複合炭化物を焼結することにより
本発明の複合炭化物の焼結体を得ることが出来る
が、その場合、ケイ素100に対しホウ素が重量比
で0.15〜4.5の範囲にあることが好ましい。ホウ
素量がこれより少ないと焼結しないし、これを越
えると異常粒成長が起こり、緻密な焼結体が得ら
れないからである。
また、本発明の複合炭化物を焼結することによ
り、複合炭化物焼結体を得るためには、ある程度
(複合炭化物100重量部当たり0.2〜2.0重量物程
度)の炭素の存在が必要である。しかるに本発明
における含炭素混合物を強熱して得られる本発明
の複合炭化物中の炭素の含有量は、上記割合より
通常は過剰となつているので、前記の如き所望の
割合になるように、過剰の炭素を一部除くことが
好ましい。炭素を除去するには、基本的に本発明
の複合炭化物を酸素の存在下で500〜1000℃程度
に加熱することにより容易になされる。具体的に
は、本発明における複合炭化物を空気中で加熱す
るか、または、燃料を過剰空気で燃焼させた酸素
を含む熱ガス雰囲気下に置くことにより簡便に行
うことが出来る。なお、かかる手段で残存炭素の
燃焼除去を行つたり、炭素含有量を調節した複合
炭化物をも本発明における複合炭化物と称するこ
とになる。
また、上記のごとき方法によつて、炭素の割合
を調節した複合炭化物を燃焼して、焼結体を得る
ことはもちろん可能であるが、さらに望ましい方
法は、上に述べたような操作により、一旦複合炭
化物から単体炭素を実質的に完全に焼結除去し、
これに新たに単体炭素を添加した後、焼結するこ
とである。
この理由は、含炭素混合物を加熱して得た単体
炭素を含む本発明における複合炭化物を酸素含有
熱ガス雰囲気下に置くと、粉体をミクロにみた場
合、見掛け上熱ガスに接している部分の単体炭素
のみがより速く燃焼除去されてしまい、単体炭素
の残存形態が必ずしも所望の焼結体を得るのに好
ましい均一なものには成りにくいからであろうと
推察される。
単体炭素を新たに添加する場合の方法として
は、比較的炭素含有率の高い液状炭化水素と、上
記の如くして単体炭素を焼結除去して得られた複
合炭化物の粉末とを混合し、これを非酸化性雰囲
気中で加熱することによつて、単体炭素を複合炭
化物中に生成せしめる方法が好適に採用される。
かかる目的で使用される液状炭化水素として
は、例えば、フエノール・ホルムアルデヒド縮合
物のアセトン溶液、レゾルシノール・ホルムアル
デヒド縮合物のアセトン溶液、グリセリン、コー
ルタールピツチのベンゼン溶液などが好適なもの
として挙げられるがもちろんこれに限られるもの
ではない。
なお、かくして本発明における複合炭化物に単
体炭素を添加して得られた混合物中には、複合炭
化物100重量部に対して1重量部を越える酸素が
ケイ素酸化物、ホウ素酸化物の形態で含まれる場
合がある。かかる場合は、フツ酸水溶液などで酸
化物を洗浄除去し、酸素含有量を少なくとも0.5
重量部以下とすることが、これを焼結、加工して
得られる炭化物焼結体もしくは炭化物成形体の強
度的物性の面から望ましい。
このフツ酸水溶液による洗浄工程は、複合炭化
物に単体炭素を添加する前段階、即ち複合炭化物
より単体炭素を燃焼除去した後の工程で実施する
ことも可能である。
(発明の効果)
以上の如く、本発明においては、原料の含炭素
混合物を得るのに、分解性ケイ素化合物、分解性
炭素化合物及び分解性ホウ素化合物を水蒸気を含
む熱ガス中で化学反応、即ち熱分解、酸化、加水
分解などを行わせ、それぞれの分子が生成した段
階から分子のオーダーで混合されたままで粒子成
長せしめたものであることに特徴を有する。従つ
て、生成するケイ素酸化物、単体炭素及びホウ素
酸化物の微細粒子の混合状態は、従来の機械的な
混合法によるものに比して本質的に均一かつ格段
に微細なものが得られるのであり、従つてこの点
で極めて勝れた品質を有するものとなるのであ
る。またその実施においても粉塵、騒音などの問
題はなく、バツチ方式とは異なり連続的に混合物
を得ることができるため、従来のインゴツトをバ
ツチ方式で機械的に粉砕する方法で問題とされて
きた作業工程の煩雑さ及び粉砕機自身の摩耗等に
よる不純物の混入と云つた問題もない。
本発明の複合炭化物焼結体の製造法は、上記の
ごとき優れた物性の含炭素混合物の出発原料と
し、これを強熱しすることによつて比表面積が極
めて広くしかも極めて微小な粒子からなる複合炭
化物とし、該複合炭化物を焼結するものであるか
ら、焼結速度が速くかつ焼結は容易であり、しか
も緻密な焼結体が得られる特徴があるのである。
また、この際、含炭素混合物中のケイ素及びホ
ウ素に対する炭素の量比を炭素過剰にしておけ
ば、得られる複合炭化物の粉は更に微小となり比
表面積がより広いものが容易に得られ、上記の焼
結性に一層優れたものとなるのである。
さらに、該複合炭化物は、炭化ケイ素と炭化ホ
ウ素から主としてなるものであるから、焼結段階
において、ホウ素系物質特に炭化ケイ素を別に合
成して添加混合する工程が不要となりまた酸化さ
れやすい単体ホウ素を使用する必要もないのであ
る。
〔発明を実施するための好ましい形態〕
以下に実施例を示して本発明を具体的に説明す
る。尚%は重量%を示す。
実施例 1
第1図に示す炉(直径300mm、長さ3m)を用
い、ダクト2より空気を、燃焼バーナー3より熱
風用燃料として水素を夫々80Nm3/h、12Nm3/
hの流量で装入し、また分解性ケイ素化合物とし
てSiCl4を、分解性炭素化合物としてC9留分混合
物を、分解性ホウ素化合物としてBCl3を予め重
量比で1:1.9:0.0077に混合したものをノズル
4より14Kg/hの流量で炉内に装入した。炉内は
第1図のAの位置で1000〜1100℃の温度に保つ
た。炉内に生成したエーロゾルはダクト6より抜
き出し、冷却後バグフイルターで捕集して本発明
の含炭素混合物5.0Kg/h(乾燥重量)を得た。こ
の混合物には単体重量換算でケイ素15.8%、炭素
65.6%、ホウ素0.07%が含まれ(残りは結合性の
酸素18.4%、炭素付着の水素0.1%、その他0.1%
以下)、式量比C/(Si+B)は9.6であつた。
ESCAスペクトル解析の結果、ケイ素あるいはホ
ウ素と他元素との結合形態にはSi−O結合、B−
O結合のみが観察された。
バグフイルターより取り出した本発明における
含炭素混合物の嵩比重は0.096g/c.c.であつた。
この500gを円筒容器に入れ、1軸圧縮し、0.35
g/c.c.の嵩比重とした後、黒鉛坩堝に挿入し、高
周波加熱炉を用いてアルゴン雰囲気中で1700℃で
2時間強熱し、一旦冷却後、空気中で750℃に加
熱して残存した単体炭素を燃焼除去して本発明に
おける複合炭化物115gを得た。
このもののESCAスペクトル解析の結果、Si−
C結合及びB−C結合の存在が確認され炭化ケイ
素と炭化ホウ素からなることが判明した。
また、粉末X線回析スペクトル解析の結果、結
晶形状が立方晶系の炭化ケイ素と、針方晶系の炭
化ホウ素の存在が確認され、電子顕微鏡映像解析
によるその平均粒子径は0.27μで、粒子形状は均
等に揃つた球形であることが認められた。
このものの酸素の含有量は化学分析の結果1.6
%であつた。これを5重量倍のHF水溶液(濃度
10%)に5時間浸した後、乾燥した得た110gを
1の容器に入れ、これに2.7gのレゾルシノー
ルホルムアルデヒド縮合物を溶解させた300c.c.の
アセトン溶液を加え、室温で10時間混合し、さら
に容器を70℃に調節された恒温水槽に浸し、混煉
りを行いながらアセトンを蒸発除去した後、これ
をN2ガス雰囲気中で600℃1時間加熱し、本発明
における複合炭化物と付加的炭素の混合物を得
た。その組成は元素割合でケイ素69.1%、炭素
30.5%、ホウ素0.30%、酸素0.06%(その他0.1%
以下)であり、単体炭素は0.89%であつた。
次にこの混合物100gを円筒容器に入れ、
0.5T/cm2の荷重で1軸圧縮した後、2T/cm2の静
水圧でラバープレスし、さらに10-1〜1mmHgの
窒素雰囲気中で2100℃、15分間一体に焼結して複
合炭化物焼結体を得た。この焼結体の密度を測定
したところ、3.11g/c.c.であり、これは炭化ケイ
素の理論密度3.21g/c.c.の97%に相当する良好な
値であつた。
次にこの焼結体をダイヤモンドカツターで切断
し、30片の試験片を作製し、JIS R−1601(’81)
に従つて曲げ強度を測定した。曲げ強度測定の雰
囲気は室温と1400℃の窒素雰囲気中の2種とし、
それぞれ15片の試験片で3点曲げにより測定し
た。この結果、室温での曲げ強度平均値で46Kg/
mm2で標準偏差は2.6Kg/mm2、1400℃での曲げ強度
平均値は45Kg/mm2で標準偏差は2.5Kg/mm2であつ
た。
比較例 1
実施例1におけるBCl3の使用の点を除く以外
は、実施例1と全く同様にしてケイ素酸化物と炭
素を含む含炭素混合物を製造した。
この含炭素混合物を用いて実施例1と同様に圧
縮した後高周波加熱炉を用いて加熱し、更に単体
炭素を燃焼除去して炭化ケイ素粉末115gを得た。
この粉末のX線回折スペクトル解析の結果、結晶
形状は立方晶形で、電子顕微鏡影像解析によるそ
の平均粒子径は0.25μであつた。
この炭化ケイ素粉末を実施例1と同様にして
HF水溶液で洗浄、乾燥して得た110gに、平均
粒子径が4.0μの単体ホウ素粉末を、ケイ素に対す
るホウ素の割合が実施例1と一致するように0.33
g加え、更に実施例1と全く同様にして付加的炭
素を添加して炭化ケイ素と単体ホウ素及び炭素の
混合物112gを得た。その組成は元素割合でケイ
素69.1%、炭素30.4%、ホウ素0.30%、酸素0.17
%(その他0.1%以下)であり、単体炭素は0.90
%であつた。
この混合物100gを実施例1と全く同様にして、
成型後加熱し、焼結体を得た。
この焼結体の密度を測定したところ3.00g/c.c.
であり、これは炭化ケイ素の理論密度の93%に相
当する。
次にこの焼結体を使用し実施例1と全く同様に
して30片の試験片を切り出し、3点曲げ強度試験
を行つた結果、室温での曲げ強度平均値は40Kg/
mm2で標準偏差は3.5Kg/mm2、1400℃での曲げ強度
平均値は38Kg/mm2で標準偏差は3.8Kg/mm2であつ
た。
実施例 2〜5
熱風用燃料には水素の他にメタン、プロパンも
用い、ケイ素化合物、炭素化合物、ホウ素化合物
としては表1に示すものを夫々用いて、実施例
1
[Technical field] The present invention involves igniting a new fine carbon-containing mixture containing silicon oxide, elemental carbon, and boron oxide to form a new composite carbide containing silicon carbide and boron carbide, and sintering this under specific conditions. This paper relates to a method for producing a new composite carbide sintered body. [Background Art] Silicon carbide sintered bodies obtained by sintering silicon carbide powder have significantly superior mechanical strength at high temperatures compared to conventional metal materials, so they are used in engines,
It is expected to be used in gas turbines, etc. However, in conventional manufacturing methods, the mechanical strength of the resulting silicon carbide sintered body depends on the physical properties and purity of the silicon carbide material and its raw materials, silicon oxide such as silica sand, and elemental carbon such as coke. Excessive variation in the results is an obstacle to industrial implementation. The above-mentioned sintered body is characterized in that the finer the silicon carbide powder that is its raw material, the easier it is to obtain a greater strength and the faster the sintering speed. Furthermore, the higher the purity of the raw material silicon carbide powder, the smaller the variation in the strength of the sintered body. Furthermore, in the process of sintering silicon carbide powder, it is known that adding boron-based substances other than boron oxide, such as elemental boron and boron carbide, and elemental carbon have the effect of increasing the density of the sintered body.
It is known as disclosed in Japanese Patent Application Laid-open No. 32035 and Japanese Patent Application Laid-open No. 148712/1984, and it is said that the higher the purity and fineness of the boron-based substance used for the addition, the greater the effect. In order to obtain such a silicon carbide sintered body to which a boron-based substance is added, conventionally, silicon carbide and elemental boron or a boron-based substance are mechanically pulverized and mixed using a ball mill or the like, and then a carbonaceous substance is added thereto. In addition, by heating once, elemental carbon is generated by thermal decomposition of the carbonaceous material to form a mixture of silicon carbide powder, boron-based material powder, and elemental carbon powder, and this is generally sintered. It was manufactured using a unique manufacturing method. In this method, to produce silicon carbide, silicon dioxide, such as silica sand, and a carbonaceous material, such as coke, are pulverized and mixed, and the mixture is subjected to a solid-phase reaction at high temperatures in, for example, an Acheson-type direct current resistance furnace. A common method is to obtain it by However, this method is a batch method, and has problems such as a complicated work process when mixing and charging the raw materials and the contamination of impurities. In addition, the generated silicon carbide is extracted as an ingot, so in order to obtain the fine powder required as a raw material for a sintered body, this ingot is crushed for a long time using a crusher such as a ball mill, and then only the fine particles are classified. Therefore, there are problems such as increased costs, complexity of the work process, and contamination of impurities during the work process. Furthermore, regarding the boron-based substances added when obtaining a silicon carbide sintered body, boron oxide causes oxygen to be mixed into the sintered body, and is not effective in increasing the density of the sintered body, but on the contrary, it decreases the density. Therefore, it is inconvenient. Therefore, as the boron source, a boron-based substance other than boron oxide that does not contain oxygen is selected, but boron carbide is particularly preferred because it has excellent oxidation resistance, and elemental boron is next preferred. However, boron carbide powder, like silicon carbide powder, is produced by obtaining an ingot of boron carbide through a solid-phase reaction with boron oxide or elemental boron at a higher temperature than a carbonaceous material, and then crushing and dispersing this ingot. It's manufactured. Therefore, with conventional methods, it is difficult to obtain highly pure and fine particles similar to silicon carbide powder. On the other hand, when elemental boron is used as a boron source, the finer the powder, the better, but the finer the powder, the greater the drawback that oxidation easily progresses even if it is left in the air. However, as is generally known, as the amount of oxides contained in silicon carbide increases during the sintering process,
Since the density of the obtained sintered body and the strength of the molded body are lowered, boron carbide is basically preferable as the boron-based substance to be added, as mentioned above, in terms of preventing oxides from being mixed in. Although there is a problem that it is easily oxidized because it is difficult to obtain a pure and fine material, the reality is that elemental boron is mainly used out of necessity. [Object of the Invention] The object of the present invention is to produce silicon that can be obtained without performing any mechanical grinding or mixing operations such as ball mills, which have many problems such as noise, abrasion, contamination of impurities, and generation of dust. A new carbon-containing mixture made of an extremely uniform mixture of fine particles of oxides, elemental carbon, and boron oxides is used as a raw material, and this new carbon-containing mixture produces a new composite with significantly superior mechanical strength and less variation in strength. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a carbide sintered body. Other objects of the invention will become apparent from the description below. [Disclosure of the Invention] As a result of thorough examination of the conventional losses, the present inventors have developed a conventional method for directly obtaining silicon carbide powder from a silicon compound, etc., as a method for obtaining a silicon carbide sintered body with excellent physical properties. A method different from the above is used, in which a novel carbon-containing mixture containing silicon oxide, elemental carbon and borate with sufficiently high uniformity and fine constituent particles is first produced, and this defined carbon-containing mixture is ignited. The inventors discovered that by sintering the obtained new composite carbide, a composite carbide sintered body with a high sintering speed and small variation in strength could be obtained, and the present invention was completed. That is, the present invention introduces a decomposable silicon compound, a decomposable carbon compound, and a decomposable boron compound into hot gas containing water vapor and decomposes them to produce silicon oxide,
A composite carbon mixture obtained by generating a mixed aerosol dispersoid containing aerosols of elemental carbon and boron oxide, and collecting the generated dispersoid, having a formula weight ratio of C/(Si+B)(g- atms/g-
100 parts by weight of a composite carbide obtained by igniting a carbon-containing mixture with an atms) of 3.5 or more is sintered together under conditions in which 0.2 to 2.0 parts by weight of a carbonaceous material coexists in terms of the amount of simple carbon. This paper focuses on a method for manufacturing a new composite carbide sintered body, in which the ratio of silicon to boron in the composite carbide sintered body is 0.15 to 4.5 by weight per 100 parts silicon. This is a summary. [Disclosure of the Invention] The present invention will be described in detail below. The carbon-containing mixture in the present invention refers to a mixture of silicon oxide, elemental carbon, and boron oxide obtained by charging and decomposing a decomposable silicon compound, a decomposable carbon compound, and a decomposable boron compound into a water vapor-containing gas. It is obtained by generating a mixed aerosol containing an aerosol and collecting this aerosol dispersoid, with a formula weight ratio of C/(Si+B)(g-atms/g-
ATMS) is 3.5 or higher. However, the carbon-containing mixture in the present invention has fine particles of silicon oxide, elemental carbon, and boron oxide mixed uniformly on the microscopic order, giving the appearance of a "mixed powder." In addition, the term "mixture" here refers to "a mixture of two or more substances that exist homogeneously as a whole and are understood as a single substance", so it is exactly the same as the "mixture" mentioned in the Industrial Examination Standards. Originally, it should be called a "carbon-containing composition," but here, out of custom, the term "carbon-containing mixture" was used. The mixed aerosol as used in the present invention means a gas in which silicon oxide, elemental carbon, and boron oxide are mixed as fine solid dispersoids. The carbon-containing mixture in the present invention is a mixture containing silicon oxide, elemental carbon, and boron oxide obtained by collecting the above-mentioned solid matter as a dispersoid in the mixed aerosol. In the present invention, an aerosol of simple carbon can be easily obtained by charging a decomposable carbon compound into hot gas and decomposing it. On the other hand, silicon oxide or boron oxide aerosols can be thermally decomposed, oxidized, or hydrolyzed when a decomposable silicon compound such as silicon tetrachloride or a decomposable boron compound such as boron trichloride is introduced into a hot gas containing water vapor. It can be easily obtained by decomposition with etc. As can be easily understood, if a decomposable carbon compound, a decomposable silicon compound, and a decomposable boron compound are simultaneously charged into a hot gas containing water vapor, a mixed aerosol dispersion containing silicon oxide, elemental carbon, and boron oxide is immediately formed. You get quality. Decomposable silicon compounds that can be used in the present invention are those represented by the general formula SinX 2o+2 (n is an integer from 1 to 4), where X is hydrogen, a halogen atom, an alkyl group or an alkoxyl group, Specific silicon compounds include SiCl 4 , HSiCl 3 , SiH 4 ,
Si2H6 , ( CH3 ) 4Si , ( CH3 ) 2SiCl2 , CH3SiCl3 ,
SiF 4 , Si(OC 2 H 5 ) 4, etc., and mixtures thereof do not cause any problem in the present invention. The decomposable carbon compound used in the embodiments of the present invention is one that can easily decompose to produce elemental carbon (soot) when charged into hot gas, and can be used in a gas or liquid phase as it is. Those that can be easily turned into a liquid phase by raising the temperature can be suitably used. For example, LPG, naphtha, gasoline, fuel oil,
Petroleum products such as kerosene, light oil, heavy oil, lubricating oil, and liquid paraffin; hydrocarbons such as methane, ethane, propane, butane, and pentane; methanol, ethanol, propanol, ethylene, acetylene,
n-paraffin, butadiene, isoprene, isobutylene, benzene, toluene, xylene, cyclohexane, cyclohexene, dicyclopentadiene, ethylbenzene, styrene, kyumene, butoidcumene, mesitylene, alkylbenzene,
α-methylstyrene, dicyclododecatriene,
Diisobutylene, vinyl chloride, chlorobenzene,
Petrochemical products such as C9 distillate mixtures and ethylene bottoms; tar products such as tar, hitch, creosote oil, naphthalene, anthracene, carbazole, tar acid, phenol, cresol, xyresol, pyridine, picoline, and quinoline; Preferred examples include, but are not limited to, oils and fats such as bean oil, coconut oil, linseed oil, cottonseed oil, rapeseed oil, tung oil, castor oil, whale oil, beef tallow, squalane, oleic acid, and stearic acid. . Since the purpose of the decomposable carbon compound used in carrying out the present invention is to supply carbon, a wide range of choices can be made for this purpose, for example as described above. However, due to ease of handling and carbon yield, toluene, xylene, benzene, kerosene, light oil, heavy oil, etc.
C9 fraction mixtures, ethylene bottoms, etc. are preferred. Decomposable boron compounds that can be used in the practice of the present invention include BF 3 , BCl 3 , BBr 3 , BH 3 , B 2 H 6 ,
Examples include B 3 N 3 H 6 , and mixtures thereof may also be used. Note that inexpensive boric acid can also be used as the decomposable boron compound. In this case, it is convenient to dissolve boric acid in water or a solvent such as methanol or ethanol, and then introduce the solution into hot gas together with air, steam, etc. by a two-fluid spraying method. When using boric acid as the boron compound,
There is a problem in that it is difficult to easily obtain a fine aerosol because boron is less easily oxidized than the above-mentioned decomposable boron compounds such as BCl 3 and BH 3. However, according to the study of the present inventors, boric acid By adopting a method of dissolving boric acid in the above-mentioned solvent and then charging it into hot gas, boric acid can easily become a fine aerosol to a sufficient extent to achieve the object of the present invention,
Moreover, if this boric acid solution is charged by a two-fluid spraying method, a more preferable aerosol can be obtained. The decomposable silicon compound, decomposable carbon compound, or decomposable boron compound that can be used in the present invention can be easily converted into a gas phase or liquid phase as is or by heating, so it is necessary to eliminate specific impurities. If necessary, a highly pure mixture can be easily obtained by simple operations such as distillation, adsorption, and washing. In addition, the adjustment of the ratio of silicon oxide, elemental carbon, and boron oxide in the carbon-containing mixture in the present invention is based on the decomposable silicon compound, decomposable carbon, and decomposable boron compound, which are the raw materials injected into the hot gas from the nozzle. This can be easily accomplished by simply changing the amounts of and adjusting their ratios. As a specific device for obtaining the carbon-containing mixture in the present invention, it is preferable to use a furnace. This furnace includes a heating device, a decomposable silicon compound,
It is equipped with charging nozzles for decomposable carbon compounds and decomposable boron compounds, a hot gas charging duct, and a mixed aerosol discharge duct. In addition, combustion burners are used as heating devices,
There are electric heating elements, but combustion burners are preferable because they are simple and thermally efficient. FIG. 1 shows an example of a furnace used for this purpose. In the present invention, there must be a spatial region in the furnace at least 600°C or higher, preferably 700°C or higher, more preferably 800°C or higher. At temperatures above this temperature, decomposable carbon compounds produce elemental carbon, and in an atmosphere containing water vapor, decomposable silicon compounds produce silicon oxides, and decomposable boron compounds produce boron oxides as extremely fine particles. The result is a mixed aerosol state, which is a mixture of gases and these solids. Note that such a high temperature is unnecessary since a temperature of 2000° C. or higher usually only results in heat loss. Furthermore, even if elemental silicon or elemental boron, or even silicon halide or boron halide is present in addition to silicon oxide or boron oxide, the composite carbide sintered body, which is the final objective of the present invention, can be achieved. It's not a particular hindrance to getting it. The hot gas containing water vapor used in the present invention can also be obtained by injecting water vapor into hot gas obtained by an electric heating method, a high frequency heating method, or a discharge method. The method of burning combustible materials such as hydrogen, methane, ethane, propane, etc., or raw material hydrocarbons, which produce water vapor by combustion, with air can produce hot gas containing water vapor in one step, so the equipment is suitable. It is simple and economical in terms of thermal efficiency. The decomposable silicon compound or decomposable boron compound used in the practice of the present invention is easily converted into a solid substance of elemental silicon or elemental boron through a thermal decomposition reaction in hot gas, and also undergoes a hydrolysis reaction with water vapor. Therefore, it changes to silicon oxide or boron oxide. In addition, since the speed of the above reaction is extremely high and the reaction is substantially completed in 0.01 to 0.1 seconds, the reaction time (residence time in the reaction zone) is 1.
It is enough to take seconds. Therefore, under an atmosphere in which heat and water vapor coexist as in the present invention, it can be virtually ignored that the decomposable silicon compound or the decomposable boron compound evaporates out of the reaction system while remaining in a gaseous state. The mixed aerosol dispersoid containing silicon compounds, elemental carbon, and boron oxides produced in this way is guided outside the furnace, and the solids contained therein are removed using known collection devices such as bag filters, cyclones, and electric dust collectors. It is collected by a solid-liquid separation operation using a solid-liquid separation operation, but it is desirable to pre-cool it in order to reduce the heat load on the collection device. As a method for pre-cooling, means such as cooling the zone after the reaction or injecting water can be adopted. The carbon-containing mixture according to the present invention collected as described above is preferably heated using a high-frequency heating furnace, an electric current resistance furnace, a direct-fired tubular heating furnace, etc. Under oxidizing atmosphere, 1000-2500℃ preferably 1200-2000℃
By heating to a certain degree, a composite carbide consisting of a uniform mixture of silicon carbide and boron carbide suitable as a raw material for a sintered body can be obtained. In the present invention, since the purpose of the carbon-containing mixture in the present invention is mainly to obtain a composite carbide as described above, the carbon in the fine powder of the carbon-containing mixture,
The ratio of silicon and boron is 3.5 as a formula weight ratio (ratio of g-atm. The same applies hereinafter) C/(Si+B)
It is required to be larger. The reason for this is based on the inventors' experimental findings that the more carbon is included in the mixture in excess, the smaller the average particle diameter of the composite carbide obtained by heating the mixture becomes. The exact reason for this is of course not clear at present, but the composite carbide is generated by heating the carbon-containing mixture, and during this reaction process, composite carbide fine particles are generated and the particles grow. It is presumed that the presence of excess carbon has the effect of hindering the bonding between particles, resulting in a fine composite carbide with a small particle size. However, if this formula weight ratio is too large, the carbon compound will simply be lost. Therefore, a value of about 3.5 to 20 is appropriate for the above formula weight ratio. As already mentioned, the formula weight ratio can be easily adjusted by simply changing the amount of raw material injected from the nozzle of the furnace. In the process of igniting a carbon-containing mixture to obtain a composite carbide in the present invention, if oxygen exists in the heating atmosphere, the elemental carbon will burn and be removed. It is preferable to heat under a non-oxidizing atmosphere. However, normally, in the heat treatment step, silicon oxide or boron oxide reacts with carbon, producing a composite carbide and at the same time carbon monoxide is produced, and the system naturally becomes a non-oxidizing atmosphere. In particular, it is not necessary to supply an inert gas such as argon into the system. In this heat treatment step, it is preferable to once tighten the carbon-containing mixture, that is, to increase the bulk specific gravity, and then heat it, in order to obtain a fine composite carbide powder. If a carbon-containing mixture is heated in a state where the bulk specific gravity is small, a rod-shaped composite carbide with particles growing in one direction is likely to be formed, but if the bulk specific gravity is increased by tightening and then heated, the particle size becomes uniform. This is based on the experimental findings of the present inventors that a uniform spherical shape can be obtained. In this case, the bulk specific gravity is at least
It is preferable to tighten the concentration to 0.15 g/cc or more. Such tightening operation can be easily carried out by compression, stirring type granulation, or the like. The composite carbide of the present invention obtained by igniting the carbon-containing mixture is composed of extremely fine particles of silicon carbide, boron carbide, and elemental carbon. Thus, the composite carbide sintered body of the present invention can be obtained by sintering the composite carbide, but in that case, it is preferable that the weight ratio of boron to 100 silicon is in the range of 0.15 to 4.5. . This is because if the amount of boron is less than this, sintering will not occur, and if it exceeds this, abnormal grain growth will occur and a dense sintered body will not be obtained. Further, in order to obtain a composite carbide sintered body by sintering the composite carbide of the present invention, a certain amount of carbon (approximately 0.2 to 2.0 parts by weight per 100 parts by weight of the composite carbide) is required. However, since the carbon content in the composite carbide of the present invention obtained by igniting the carbon-containing mixture of the present invention is usually in excess of the above ratio, it is necessary to It is preferable to remove some of the carbon. Basically, carbon can be easily removed by heating the composite carbide of the present invention to about 500 to 1000°C in the presence of oxygen. Specifically, this can be easily carried out by heating the composite carbide of the present invention in air or by placing it in a hot gas atmosphere containing oxygen obtained by burning fuel with excess air. Note that a composite carbide in which residual carbon is removed by combustion or the carbon content is adjusted by such means is also referred to as a composite carbide in the present invention. Although it is of course possible to obtain a sintered body by burning a composite carbide with an adjusted carbon ratio by the method described above, a more desirable method is to use the method described above to Once the elemental carbon is substantially completely removed from the composite carbide by sintering,
After newly adding elemental carbon to this, sintering is performed. The reason for this is that when the composite carbide of the present invention containing elemental carbon obtained by heating a carbon-containing mixture is placed in an oxygen-containing hot gas atmosphere, when the powder is viewed microscopically, the portions that are apparently in contact with the hot gas It is presumed that this is because only the elemental carbon of the sintered body is burned and removed more quickly, and the residual form of the elemental carbon is not necessarily uniform enough to obtain the desired sintered body. When newly adding elemental carbon, a liquid hydrocarbon with a relatively high carbon content is mixed with a composite carbide powder obtained by sintering and removing elemental carbon as described above. A method is preferably adopted in which elemental carbon is generated in a composite carbide by heating this in a non-oxidizing atmosphere. Suitable liquid hydrocarbons used for this purpose include, for example, an acetone solution of a phenol-formaldehyde condensate, an acetone solution of a resorcinol-formaldehyde condensate, glycerin, and a benzene solution of coal tar pitch. It is not limited to this. In addition, in the mixture obtained by adding elemental carbon to the composite carbide of the present invention, more than 1 part by weight of oxygen is contained in the form of silicon oxide and boron oxide based on 100 parts by weight of the composite carbide. There are cases. In such cases, remove the oxide by washing with aqueous hydrofluoric acid solution to reduce the oxygen content to at least 0.5.
It is desirable that the amount be less than 1 part by weight from the viewpoint of strength and physical properties of the carbide sintered body or carbide molded body obtained by sintering and processing this. This washing step with an aqueous hydrofluoric acid solution can also be carried out before adding elemental carbon to the composite carbide, ie, in a step after the elemental carbon is burned and removed from the composite carbide. (Effects of the Invention) As described above, in the present invention, in order to obtain a carbon-containing mixture of raw materials, a decomposable silicon compound, a decomposable carbon compound, and a decomposable boron compound are subjected to a chemical reaction in a hot gas containing water vapor. It is characterized by the fact that it undergoes thermal decomposition, oxidation, hydrolysis, etc., and from the stage where each molecule is generated, particles are grown while being mixed at the molecular level. Therefore, the resulting mixture of fine particles of silicon oxide, elemental carbon, and boron oxide is essentially uniform and much finer than that obtained by conventional mechanical mixing methods. Therefore, it has extremely superior quality in this respect. In addition, there are no problems with dust or noise when carrying out this method, and unlike the batch method, the mixture can be obtained continuously, so it is not a work that has been a problem with the conventional method of mechanically crushing ingots using the batch method. There are no problems such as the complexity of the process and the contamination of impurities due to wear of the crusher itself. The method for producing a composite carbide sintered body of the present invention uses a carbon-containing mixture having excellent physical properties as described above as a starting material and ignites it to produce a composite carbide sintered body having an extremely wide specific surface area and consisting of extremely small particles. Since the composite carbide is sintered, the sintering speed is fast and sintering is easy, and a dense sintered body can be obtained. In addition, at this time, if the ratio of carbon to silicon and boron in the carbon-containing mixture is made excessive, the resulting composite carbide powder will be even finer and a powder with a wider specific surface area will be easily obtained. This results in even better sinterability. Furthermore, since the composite carbide is mainly composed of silicon carbide and boron carbide, there is no need to separately synthesize and add and mix a boron-based material, especially silicon carbide, in the sintering step, and the elemental boron, which is easily oxidized, can be removed. There's no need to use it. [Preferred Mode for Carrying Out the Invention] The present invention will be specifically described below with reference to Examples. Note that % indicates weight %. Example 1 Using the furnace shown in Fig. 1 (diameter 300 mm, length 3 m), air was supplied from duct 2 and hydrogen was supplied as hot air fuel from combustion burner 3 at 80 Nm 3 /h and 12 Nm 3 / h, respectively.
SiCl 4 as a decomposable silicon compound, a C 9 fraction mixture as a decomposable carbon compound, and BCl 3 as a decomposable boron compound were mixed in advance at a weight ratio of 1:1.9:0.0077. The material was charged into the furnace through nozzle 4 at a flow rate of 14 kg/h. The inside of the furnace was maintained at a temperature of 1000 to 1100°C at position A in Figure 1. The aerosol generated in the furnace was extracted from the duct 6, and after cooling was collected by a bag filter to obtain 5.0 kg/h (dry weight) of the carbon-containing mixture of the present invention. This mixture contains 15.8% silicon and carbon by weight.
65.6%, boron 0.07% (the rest is 18.4% bonded oxygen, 0.1% hydrogen attached to carbon, 0.1% other)
(below), the formula weight ratio C/(Si+B) was 9.6.
As a result of ESCA spectrum analysis, the bonding forms between silicon or boron and other elements include Si-O bonds and B-
Only O bonds were observed. The bulk specific gravity of the carbon-containing mixture according to the present invention taken out from the bag filter was 0.096 g/cc.
Put 500g of this into a cylindrical container and uniaxially compress it to 0.35
After adjusting the bulk specific gravity to g/cc, it was inserted into a graphite crucible, heated at 1700°C for 2 hours in an argon atmosphere using a high-frequency heating furnace, cooled once, and heated to 750°C in air to form the remaining single substance. Carbon was removed by combustion to obtain 115 g of composite carbide according to the present invention. As a result of ESCA spectrum analysis of this material, Si−
The presence of C bonds and B--C bonds was confirmed, and it was found that the material was composed of silicon carbide and boron carbide. In addition, as a result of powder X-ray diffraction spectrum analysis, the presence of silicon carbide with a cubic crystal structure and boron carbide with an needle crystal structure was confirmed, and the average particle size was 0.27μ according to electron microscope image analysis. It was observed that the particle shape was uniformly spherical. As a result of chemical analysis, the oxygen content of this substance is 1.6
It was %. Add this to 5 times the weight of HF aqueous solution (concentration
10%) for 5 hours, put the obtained 110 g of the dried product in container 1, add 300 c.c. of acetone solution in which 2.7 g of resorcinol formaldehyde condensate was dissolved, and mix for 10 hours at room temperature. Then, the container was immersed in a constant temperature water bath adjusted to 70°C, and the acetone was evaporated while kneading, and then heated at 600°C for 1 hour in a N2 gas atmosphere to form the composite carbide of the present invention. A mixture of carbons was obtained. Its composition is 69.1% silicon, carbon
30.5%, boron 0.30%, oxygen 0.06% (other 0.1%)
(below), and elemental carbon was 0.89%. Next, put 100g of this mixture into a cylindrical container,
After uniaxial compression with a load of 0.5T/ cm2 , rubber press with a hydrostatic pressure of 2T/ cm2 , and further sintering at 2100℃ for 15 minutes in a nitrogen atmosphere of 10-1 to 1mmHg to form a composite carbide. A sintered body was obtained. The density of this sintered body was measured to be 3.11 g/cc, which was a good value corresponding to 97% of the theoretical density of silicon carbide, 3.21 g/cc. Next, this sintered body was cut with a diamond cutter to make 30 test pieces, and JIS R-1601 ('81)
The bending strength was measured according to the following. There were two atmospheres for bending strength measurement: room temperature and nitrogen atmosphere at 1400℃.
Measurements were made using 3-point bending on 15 test pieces each. As a result, the average bending strength at room temperature was 46Kg/
mm 2 and the standard deviation was 2.6 Kg/mm 2 , and the average bending strength at 1400°C was 45 Kg/mm 2 with a standard deviation of 2.5 Kg/mm 2 . Comparative Example 1 A carbon-containing mixture containing silicon oxide and carbon was produced in exactly the same manner as in Example 1 except for using BCl 3 in Example 1. This carbon-containing mixture was compressed in the same manner as in Example 1, heated using a high-frequency heating furnace, and the elemental carbon was further burned off to obtain 115 g of silicon carbide powder.
As a result of X-ray diffraction spectrum analysis of this powder, the crystal shape was cubic, and the average particle size was 0.25 μm as determined by electron microscope image analysis. This silicon carbide powder was prepared in the same manner as in Example 1.
Elemental boron powder with an average particle size of 4.0 μ was added to 110 g obtained by washing with an HF aqueous solution and drying so that the ratio of boron to silicon was 0.33 as in Example 1.
g, and additional carbon was added in exactly the same manner as in Example 1 to obtain 112 g of a mixture of silicon carbide, elemental boron, and carbon. Its composition is 69.1% silicon, 30.4% carbon, 0.30% boron, and 0.17% oxygen.
% (others 0.1% or less), and elemental carbon is 0.90
It was %. 100g of this mixture was prepared in exactly the same manner as in Example 1,
After molding, it was heated to obtain a sintered body. The density of this sintered body was measured and was 3.00 g/cc.
This corresponds to 93% of the theoretical density of silicon carbide. Next, using this sintered body, 30 test pieces were cut out in exactly the same manner as in Example 1, and a three-point bending strength test was performed. As a result, the average bending strength at room temperature was 40 kg/
mm 2 and the standard deviation was 3.5 Kg/mm 2 , and the average bending strength at 1400°C was 38 Kg/mm 2 with a standard deviation of 3.8 Kg/mm 2 . Examples 2 to 5 In addition to hydrogen, methane and propane were used as the fuel for hot air, and the silicon compounds, carbon compounds, and boron compounds shown in Table 1 were used.
1
【表】
と同様な方法で本発明の含炭素混合物を得た。得
られた夫々の本発明の含炭素混合物の組成を表2
に示す。A carbon-containing mixture of the present invention was obtained in the same manner as in [Table]. The composition of each of the obtained carbon-containing mixtures of the present invention is shown in Table 2.
Shown below.
【表】
含炭素混合物のBSCAスペクトル解析の結果、
ケイ素あるいはホウ素と他の元素との結合形態に
はSi−O結合、B−O結合のみが観察された。
なお、表1において、装入ノズルの位置を示す
数字が同一なものは予め混合して装入したことを
意味する。例えば実施例2においては予めSiCl4
とA重油を混合したものをノズル4より炉内に装
入し、同時にBF3はノズル5より炉内に装入した
ことを意味する。
また実施例5においては、予めホウ酸とエタノ
ールを重量比で0.08:1に混合して得た溶液をノ
ズル4より炉内に装入した。装入方法としては空
気を用い二流体噴霧方式とし、空気量は0.25N
m3/hとした。
得られた夫々の含炭素混合物を、夫々表3に示
す条件で実施例1と同様に圧縮、強熱、一旦冷却
及び残存した炭素の燃焼除去を行つて夫々本発明
における複合炭化物を得た。[Table] Results of BSCA spectrum analysis of carbon-containing mixture,
Only Si-O bonds and B-O bonds were observed as bond forms between silicon or boron and other elements. In Table 1, the same number indicating the position of the charging nozzle means that the materials were mixed in advance and charged. For example, in Example 2, SiCl 4
This means that a mixture of A and A heavy oil was charged into the furnace through nozzle 4, and at the same time, BF 3 was charged into the furnace through nozzle 5. In Example 5, a solution prepared by mixing boric acid and ethanol at a weight ratio of 0.08:1 was charged into the furnace through the nozzle 4. The charging method is a two-fluid spray method using air, and the amount of air is 0.25N.
m 3 /h. Each of the obtained carbon-containing mixtures was compressed, ignited, once cooled, and the remaining carbon was burned off in the same manner as in Example 1 under the conditions shown in Table 3 to obtain the composite carbide of the present invention.
【表】【table】
【表】
得られた複合炭化物のESCAスペクトル解析の
結果、Si−C、B−C結合の存在が確認された。
また電子顕微鏡影像解析によるその平均粒子径は
夫々表3に示す通りであつた。
粉末X線回析スペクトル解析の結果、いずれの
本発明における複合炭化物粉末にも立方晶形の炭
化ケイ素と針方晶形の炭化ホウ素の存在が確認さ
れた。また実施例3においては、六方晶形の炭化
ケイ素の存在も確認され、その存在割合は立方晶
形100重量部に対して約10重量部と推算された。
この複合炭化物粉末をそれぞれ実施例1と同様
にしてHF水溶液で洗浄濾過して得た各110gに、
夫々表4に示す量のレゾルシノール・ホルムアル
デヒド縮合物を溶解させた300c.c.のアセトン溶液
を加え、実施例1と全く同様にして付加的炭素を
添加し、複合炭化物と炭素との混合物を得た。
夫々の組成は表4に示す通りであつた。
これらの複合炭化物と炭素との混合物を実施例
1と全く同様して成型後、2100℃で15分間一体に
焼結し、夫々の複合炭化物焼結体を得た。夫々[Table] As a result of ESCA spectrum analysis of the obtained composite carbide, the presence of Si-C and B-C bonds was confirmed.
Furthermore, the average particle diameters determined by image analysis using an electron microscope were as shown in Table 3. As a result of powder X-ray diffraction spectrum analysis, the presence of cubic silicon carbide and needle-shaped boron carbide was confirmed in all of the composite carbide powders of the present invention. In Example 3, the presence of hexagonal silicon carbide was also confirmed, and the proportion thereof was estimated to be about 10 parts by weight per 100 parts by weight of cubic silicon carbide. To 110 g of each of these composite carbide powders obtained by washing and filtering with an HF aqueous solution in the same manner as in Example 1,
Add 300 c.c. of acetone solution in which the amounts of resorcinol formaldehyde condensates shown in Table 4 were dissolved, and add additional carbon in exactly the same manner as in Example 1 to obtain a mixture of composite carbide and carbon. Ta.
The composition of each was as shown in Table 4. A mixture of these composite carbides and carbon was molded in exactly the same manner as in Example 1, and then sintered together at 2100° C. for 15 minutes to obtain each composite carbide sintered body. Respectively
【表】
の焼結体の密度は炭化ケイ素の理論密度に対し、
表4に示す通りの値であつた。
次にこれらの焼結体より実施例1と全く同様に
して30片の試験片を切り出し、3点曲げ強度試験
を行つた結果も表4に示した通りであつた。
実施例1〜実施例5と比較例1より、ケイ素酸
化物、単体炭素及びホウ素酸化物を含む本発明に
おける含炭素混合物を出発原料として得た複合炭
化物焼結体は、ホウ素酸化物を含まない含炭素混
合物を出発原料として得られた焼結体と比較し
て、焼結体の密度が高く、かつ強度は大きくバラ
ツキも小さいことが判る。The density of the sintered body in [Table] is based on the theoretical density of silicon carbide,
The values were as shown in Table 4. Next, 30 test pieces were cut out from these sintered bodies in exactly the same manner as in Example 1, and a three-point bending strength test was conducted. The results are shown in Table 4. From Examples 1 to 5 and Comparative Example 1, the composite carbide sintered body obtained using the carbon-containing mixture of the present invention containing silicon oxide, elemental carbon, and boron oxide as a starting material does not contain boron oxide. It can be seen that compared to the sintered body obtained using the carbon-containing mixture as a starting material, the sintered body has a higher density, greater strength, and less variation.
第1図は本発明の実施に使用する炉の1例を示
す断面図である。
図において、1:炉材、2:ダクト、3:燃焼
バーナー、4:ノズル、5:ノズル、6:ダクト
を示す。
FIG. 1 is a sectional view showing one example of a furnace used in carrying out the present invention. In the figure, 1: furnace material, 2: duct, 3: combustion burner, 4: nozzle, 5: nozzle, 6: duct are shown.
Claims (1)
物、分解性炭素化合物及び分解性ホウ素化合物を
装入し・分解して、ケイ素酸化物、単体炭素及び
ホウ素酸化物のそれぞれのエーロゾルを含む混合
エーロゾル分散質を生成せしめ、該生成した分散
質を捕集して得た含炭素混合物であつて、式量比
C/(Si+B)(g−atms/g−atms)が3.5以
上の含炭素混合物を強熱して得た複合炭化物100
重量部に、炭素質物質を単体炭素換算量で0.2〜
2.0重量部共存させた条件下で一体に焼結するこ
とを特徴とする新しい複合炭化物焼結体の製造
法。 2 ケイ素100に対しホウ素が0.15〜4.5重量比で
ある特許請求の範囲第1項記載の新しい複合炭化
物焼結体の製造法。[Claims] 1. A decomposable silicon compound, a decomposable carbon compound, and a decomposable boron compound are charged into hot gas containing water vapor and decomposed to produce silicon oxide, elemental carbon, and boron oxide, respectively. A carbon-containing mixture obtained by generating a mixed aerosol dispersoid containing an aerosol of Composite carbide obtained by igniting the above carbon-containing mixture 100
0.2 to 0.2 to part by weight of carbonaceous material in terms of simple carbon equivalent
A new method for producing a composite carbide sintered body characterized by sintering it in one piece under conditions in which 2.0 parts by weight coexist. 2. The method for producing a new composite carbide sintered body according to claim 1, wherein the weight ratio of boron to 100 silicon is 0.15 to 4.5.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61253558A JPS6311573A (en) | 1986-10-27 | 1986-10-27 | Manufacture of novel composite carbide sintered body |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61253558A JPS6311573A (en) | 1986-10-27 | 1986-10-27 | Manufacture of novel composite carbide sintered body |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6311573A JPS6311573A (en) | 1988-01-19 |
| JPH0339988B2 true JPH0339988B2 (en) | 1991-06-17 |
Family
ID=17253036
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61253558A Granted JPS6311573A (en) | 1986-10-27 | 1986-10-27 | Manufacture of novel composite carbide sintered body |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6311573A (en) |
-
1986
- 1986-10-27 JP JP61253558A patent/JPS6311573A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6311573A (en) | 1988-01-19 |
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