JPH04103303A - 複合セラミックスの成形加工法 - 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、複合セラミックスの成形加工法に関し、さら
に詳しくは主として等軸状粒子からなる窒化ケイ素−炭
化ケイ素複合焼結体を、引張り応力あるいは圧縮応力の
作用下で超塑性変形させ成形（以下超塑性加工というこ
とがある）した後、熱処理をすることを特徴とする複合
セラミックスの成形加工法に関する。

［従来技術およびその問題点］ 窒化ケイ素や炭化ケイ素はいわゆる非酸化物系の構造材
料用セラミックスとして、近年とみに注目を集め様々な
分野で使用されている。

こうした窒化ケイ素や炭化ケイ素は、耐熱性、耐熱衝撃
性、耐摩耗性あるいは耐食性をいかして利用がはじまっ
ているが、いわゆる脆性材料であるため材料の成形加工
性がきわめて悪い。通常、窒化ケイ素や炭化ケイ素の部
材は原料粉末を鋳込成形、金型成形、射出成形等によっ
て成形し、焼結後加工して製造している。また、従来の
成形法ではかなり複雑な形状を付与できるものの、焼結
時に寸法収縮が起こるために、精度を要求される部材に
おいては、この成形品を１次焼結、切削加工、２次焼結
した後、研削・研磨によって最終製品を得なければなら
なかった。このようにセラミックスの本来の長所である
はずの、硬いあるいは脆性を示すという性質は、セラミ
ックスの製造にとって成形、加工工程に多大の労力を要
するという結果をもたらしている。また、こうした加工
効率の悪さは製造コストの上昇を引き起こし、セラミッ
クス部材の量産化に大きな障害となっている。

一方、大きな延性を示す金属材料においては、いわゆる
塑性加工によって効率的かつ安価に製造されており、こ
の加工性の良さが金属材料を広く普及させる大きな要因
となっている。このような塑性加工が窒化ケイ素や炭化
ケイ素などの非酸化物系セラミックスに適用できれば、
製造コストは従来の製法に比べて格段に下がり、構造材
料用セラミックスの量産化あるいは用途の飛躍的な拡大
が見込まれる。

しかしながら、従来の窒化ケイ素や炭化ケイ素は室温に
おいては脆性破壊を示し、１２００℃以上の高温域にお
いても塑性変形を示し始めるものの変形量は極めて小さ
い。例えば、−軸引っ張りクリープ試験におけるクリー
プ破断までの変形量はホットプレス窒化ケイ素で８％、
常圧焼結窒化ケイ素で３％以下であり、安定な変形がお
きずに破断してしまう。このため塑性変形による加工を
窒化ケイ素や炭化ケイ素に適用することが不可能であっ
た。

ところで、ある種の金属合金には塑性加工が困難なもの
があり、こうした金属材料では高い温度域において制御
された歪速度によって、いわゆる超塑性変形をおこさせ
て成形・加工することが行われている。この超塑性変形
はくびれを生ずることなく通常の降伏点よりはるかに低
い応力下で変形を起こし、材料の種類によっては数百％
にも及ぶ変形が可能である。このような方法により、塑
性加工が困難な金属合金であっても、複雑形状を持つ部
材が比較的安価に製造できることが知られている。

本発明者らは、先に、微細かつ主として等軸状の粒子か
らなる窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体が制御された
温度と歪速度の一軸引っ張り試験において超塑性を示し
、この超塑性変形によって成形する方法を見い出した。

　（特願平１−３３５０６３号）しかしながら、この超
塑性加工によって成形する方法においては、用いる焼結
体は主として等軸状でしかも微細な粒子からなることが
必要であり、また超塑性加工の工程において微細なキャ
ビティーが生成しやすいことなどから、超塑性加工して
得られる成形品をそのまま構造部材等として使用するに
は強度や破壊靭性値あるいは耐熱性が十分とは言えなか
った。

そこで本発明者らは、この成形性に検討を加えた結果、
超塑性加工後の加工品に熱処理を施すことにより、得ら
れる加工品の強度や破壊靭性値あるいは耐熱性が超塑性
加工直後の成形品に比較して格段に向上することを見い
出した。

すなわち、本発明は、非酸化物系セラミックスを超塑性
加工しこれを熱処理することによって、安価にしかも超
塑性加工後よりもさらに強度や破壊靭性値あるいは耐熱
性に優れた加工品を与える方法を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体を超塑性
温度域において応力作用下で変形させ、次いで熱処理す
ることによって強度や破壊靭性に優れた加工品を与える
複合セラミックスの成形加工法に関する。詳しくは、主
として等軸状粒子からなる窒化ケイ素−炭化ケイ素複合
焼結体を引張り応力あるいは圧縮応力の作用下で超塑性
変形した後、非酸化性雰囲気中、常圧あるいは加圧下、
１０００〜２３００℃で熱処理を行うことを特徴とする
複合セラミックスの成形加工法に関する。

本発明において、超塑性加工に使用される窒化ケイ素−
炭化ケイ素複合焼結体は粒径が微細かつ主として等軸状
からなることが必要である。使用される窒化ケイ素−炭
化ケイ素複合焼結体の粒径が２μｍ以上の粒径であった
り、粒径が等軸状でなく例えば柱状粒子がからみあった
ような構造をしている場合は、本発明の超塑性加工によ
る成形を実施することが困難となる。これは、変形が起
こる温度域において応力を作用させた場合にキャビティ
ーが生成し、得られる成形体の強度や他の機械的物性が
著しく劣化するためである。たとえば、従来から用いら
れている窒化ケイ素では粒径が大きく柱状粒子が絡み合
った組織をしているため、高温域においてもその変形量
は小さく、安定な変形がおきずに破断したりキャビティ
ーを生成して機械的物性の著しい劣化をひきおこしてし
まう。

そこで、本発明においてはまず微細かつ主として等軸状
の粒子からなる窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体を、
超塑性を示す温度域において応力を作用させて所定形状
の成形を行う。

この温度域は通常１４００〜１７００℃、好ましくは１
４５０〜１６５０℃である。これより高い温度域では窒
化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体の熱変質が起き、安定
な変形を起こさせることが困難になる。

また、これより低い温度域では成形速度が遅くなり、経
済的に好ましくない。

本発明において、引っ張り応力あるいは圧縮応力等作用
下の歪速度は、成形する温度により最適化されるが、過
度に速度を上げて成形すると粒界すベリに起因するキャ
ビティーが材料中に生成し、これらが連結して大きな欠
陥となって成形体の強度を下げたり、あるいは多孔質に
なるなど機械的物性に悪影響を及ぼすことがある。

また、あまり小さな速度で成形した場合には、高温に焼
結体が長時間さらされるため、熱変質を受は易くなる。

したがって、成形に際しての歪速度は１０−’　５ｅｃ
−’以上、１０−’　５ｅｃ−’以下、好ましくは１０
−’　５ｅｃ−’以下で実施することが望ましい。

その雰囲気は酸化雰囲気あるいは非酸化雰囲気のいずれ
でもよいが、好ましくは非酸化雰囲気で実施するのが好
ましい。これは超塑性加工中に窒化ケイ素−炭化ケイ素
複合焼結体が酸化によって変質を受けないようにするた
めであり、短時間で成形を終了する場合には酸化雰囲気
でもかまわないが、長時間になる場合には非酸化雰囲気
で行うのがよい。

このように超塑性加工された焼結体の組織は、加工前と
同様に主として等軸状の粒子から成っている。このため
破壊靭性値は従来の柱状粒子の発達した窒化ケイ素に比
べると低い値を示す。

また、超塑性加工によって焼結体内部や表面には微小の
キャビティーが生成し易く、加工後の強度は加工前より
低くなる傾向がある。そのため超塑性加工して得られる
成形品をそのまま構造部材等として使用するには強度や
破壊靭性値が十分とは言い難い面がある。

そこで本発明は、超塑性加工後に熱処理を施すものであ
る。この熱処理の目的の一つは、焼結体の組織を変えて
破壊靭性および強度を向上させたり、あるいは、生成し
たキャビティーを熱処理によって消滅あるいは低減させ
たりすることによって高い強度を持たせることにある。

また、別の目的は、粒界相を耐熱性の高い組成に変成さ
せたり、ガラス相を結晶相に変えたりすることにより耐
熱性を向上させることにある。

このような目的を達成させるための本発明における熱処
理は、非酸化性雰囲気中、常圧あるいは加圧下、１ｏｏ
ｏ〜２３００℃で実施される。

この熱処理を常圧で行う場合にはその温度は１８００℃
以下が好ましく、ガス圧やＨＩＰなどの加圧下で実施す
る場合には窒化ケイ素の分解が起きない範囲、すなわち
、２３００℃以下が好ましい。熱処理時間は、成形体の
組成や形状あるいは熱処理温度によって異なるが、通常
１〜２４時間程度である。

この熱処理によって焼結体の組織は等軸状で微細な組織
から粒成長した柱状粒子と等軸状粒子からなる組織へと
変化し、この微構造変化によって破壊靭性値と強度が加
工直後に比べて格段に向上するようになる。また、焼結
体に生成したキャビティーが減少あるいは消滅すること
により焼結体の強度が向上することにもなる。特にガス
圧やＨＩＰなどの加圧下でこの熱処理を実施した場合に
は、窒化ケイ素の分解が押えられたり、成形体中のキャ
ビティーが減少、消滅し易くなるので、より効果的であ
る。またこの熱処理によって粒界相が耐熱性の高い組成
に変化したり、結晶化するため破壊靭性値や耐熱性が向
上する。

この熱処理は超塑性加工後−旦冷却することなく引き続
いて実施してもよく、超塑性加工を実施した後焼結体を
室温まで冷却し、しかるのち所定温度まで上昇して熱処
理を実施してもよい。

このように、本発明においてはまず超塑性温度域で成形
することにより、例えば、圧縮によって薄板を成形した
り、薄板を曲げ成形したり、あるいは所定の形状に加工
された精密な型中で精密成形を行うことができる。さら
に本発明に従って熱処理を行うことにより、得られる成
型加工品の強度や破壊靭性値あるいは耐熱性が超塑性加
工直後の成形品に比較して格段に向上する。また、本発
明に従って熱処理を実施した後、酸化雰囲気下でさらに
熱処理をすることも差し支えない。このような酸化雰囲
気下での熱処理を行うことにより成型加工品の表面状態
を良好にすることができる。

次に本発明の実施例を示す。以下に示す実施例は本発明
の一例を示すものであって本発明の要旨を超えない限り
、これに限定されるものでない。

実施例　１ 炭素を７．２重量％含有するケイ素、炭素、窒素および
酸素からなる平均粒径が１μｍ以下の非晶質粉末に、Ｙ
２Ｏ３６重量％、Ａｊ２２０．２重量％、を加えエタノ
ール中で湿式混合を行い乾燥した後、直径５０Ｍの黒鉛
ダイスに充填し、窒素ガス中３５０Ｋｇ／ｃｍ３の圧力
で１６５０℃、１時間のホットプレス焼結を行った。得
られた焼結体は密度が３．２ｇ／ｒａ３であり、主とし
て等軸状粒子からなる窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結
体であった。

この焼結体より、直径３ＩｎＩｌｌｌ、長さ１０工の円
柱部を有する供試体を作成し、窒素雰囲気中１６００℃
に設定された高温炉中において、歪速度４　Ｘ　１Ｏ−
５ＳｅＣ−’で引っ張り応力を作用させ、円柱部の長さ
を１４．４ｍｍになるまで引っ張り、直径２．５ｍ［１
１に加工した。超塑性加工後の破壊靭性値は５．４ＭＰ
ａ−ｍ　”２、室温曲げ強度は５２０ＭＰａであった。

次に、この超塑性加工した試験片を常圧において窒素雰
囲気中、１７５０℃２時間保持したのち、破壊靭性値と
曲げ強度を測定した結果、破壊靭性値は６．４ＭＰａ−
ｍ””、室温曲げ強度８５０ＭＰａに向上した。

実施例　２−５ 実施例１と同一の焼結体から作成した供試片（３５ｘ　
３５ｘ　５　ｍｍ）を窒素中、１６００℃において、黒
鉛板を介して設置した。これを８　Ｘ　１Ｏ−５ｓｅｃ
−’で圧縮変形（超塑性加工）させ、厚さ４ｍｍの薄板
を得た。この薄板には亀裂や変質は認められず、超塑性
加工後の破壊靭性値と曲げ強度はそれぞれ５．３Ｍｐ　
ａ　−ｍ　ｌ　／　２．６２０ＭＰａであった。

次にこの超塑性加工品を表１に示す条件で熱処理を行っ
た結果、いずれの場合も熱処理前の破壊靭性値や強度に
優る物性が得られた。

表−１ 実施例　６ 炭素含有量９，６重量％のケイ素、炭素、窒素および酸
素からなる１μｍ以下の非晶質粉末にＹ２Ｏ。

６重量％、ＡＡ２０３２重量％、を加えエタノール中で
湿式混合を行い乾燥した後、直径５０１ｎＩｎの黒鉛ダ
イスに充填し、窒素ガス中３５０Ｋｇ／ｃｍ’の圧力で
１６５０℃、１時間のホットプレス焼結を行った。得ら
れた焼結体は密度が３．２６８／ＣＪ　３であり、主と
して等軸状粒子からなる窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼
結体であった。

この焼結体から実施例２と同様の条件で超塑性変形させ
、厚さ４画の試験片（超塑性加工品）を作成した。

この試験片の破壊靭性値は５−２ＭＰ　ａ−ｍ＋　／２
であり、室温曲げ強度は７４０ＭＰａであり、また、１
３００℃における曲げ強度は３７０ＭＰａで、塑性変形
していることが認められた。次に超塑性加工後の成形品
を窒素中、１７５０℃で４時間保持した後、破壊靭性値
と室温強度および高温強度を測定したところ、破壊靭性
値は６．２ＭＰａ−ｍ　’　”であり、室温曲げ強度は
８９０ＭＰａであった。また、１３００℃における曲げ
強度は７００ＭＰａであり、このとき塑性変形は認めら
れなかった。（すなわち成型加工品の耐熱性の向上が認
められた。） 〔発明の効果〕 以上のように、本発明に示す如きの微細組織からなる窒
化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体を、超塑性加工するこ
とにより、従来窒化ケイ素焼結体窒化ケイ素−炭化ケイ
素複合焼結体る成形加工に行われるような複雑な成形や
加工工程を経ることなく所定の形状に精密成形を行うこ
とができ、さらに加工後熱処理を行うことにより強度、
破壊靭性値あるいは耐熱性を向上させることができ、寸
法精度および優れた機械的特性の要求されるガスタービ
ン、エンジン等の高温高強度部材、断熱部材、あるいは
耐摩耗材や切削工具等を効率よくしかも安価に製造する
ことができる。

特許出願人　工　業　技　術　院　長 三菱瓦斯化学株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 主として等軸状粒子からなる窒化ケイ素−炭化ケイ素複
   合焼結体を、引張り応力あるいは圧縮応力の作用下で超
   塑性変形させ成形した後、非酸化性雰囲気中、常圧ある
   いは加圧下、１０００〜２３００℃で熱処理を行うこと
   を特徴とする複合セラミックスの成形加工法。