JPH04104945A

JPH04104945A - ムライト―Ｓｉｃ複合焼結体

Info

Publication number: JPH04104945A
Application number: JP2220851A
Authority: JP
Inventors: Koji Onishi; 宏司大西; Toshio Kawanami; 利夫河波; Kouichi Niihara; ▲こう▼一新原; Atsushi Nakahira; 敦中平
Original assignee: Nikkato Corp
Current assignee: Nikkato Corp
Priority date: 1990-08-21
Filing date: 1990-08-21
Publication date: 1992-04-07

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、ムライト−ＳｉＣ複合焼結体に関する。

従来技術とその問題点Ａ　１２０３　、Ｚ　ｒ　Ｏ２、Ｓ　ｌ　３　Ｎ４　、
Ｓ　Ｉ　Ｃなどのセラミックスは、一般に高硬度且つ高
強度で、耐磨耗性などにも優れていることから、構造材
料として有用であると考えられており、すでにエンジン
部材などへの利用が試みられている。

しかしながら、Ａ１□０３．およびＺｒＯ２は、高温特
性、特に熱衝撃性に劣り、Ｓｉ３Ｎ４などは、高温での
開放雰囲気での耐酸化性が劣るという欠点を有している
。

そこで、これらのセラミックスの特性を改善するために
、Ａ１２０３、ＺｒＯ２、Ｓｉ３　Ｎ４などの焼結体中
に耐熱性に優れたＳｉＣウィスカーを分散させて、焼結
体の強度、靭性、高温特性などを高める試みがなされて
いる。さらに、耐熱性に優れたムライトをマトリックス
として、Ａ１２０３　、Ｚｒ０ｚ　、Ｓ　ｉ３　Ｎａな
どをマトリックスとする材料よりも、高温特性に優れた
材料を得る試みもなされている。しかしながら、添加す
るＳｉＣウィスカーは、マトリックス中に均一に分散さ
せることが困難であり、ウィスカーが絡み合ったりする
場合には、焼結体中に逆に大きな欠陥が存在することに
なって、その特性が大幅に低下する。また、ウィスカー
の添加により、焼結性が低下するので、ホットプレス焼
成により焼結体を製造するのが常法であるが、この場合
には、ウィスカーが一定方向に配向するので、焼結体は
、強度、靭性などの点で、異方性を呈し、一部の用途以
外には、好適な材料とは言い難い。

ＳｉＣウィスカーに代えて、ＳｉＣ粒子を配合した複合
焼結体の研究もなされているが、これは、ＳｉＣウィス
カーを使用する複合焼結体よりも靭性が低下するという
難点がある。

問題点を解決するための手段本発明者は、上記の様な技術の現状に鑑みて鋭意研究を
重ねた結果、マトリックスとしてのムライト中に特定量
のＳｉＣ粒子とガラス相とを含有させ、ムライトマトリ
ックスにＳｉＣ粒子を均一に分散させ、且っＳｉＣ粒子
をムライト粒子内および粒界に存在させる場合には、室
温および高温において高い強度および靭性を示すのみな
らず、耐熱性に優れた材料が得られることを見出した。

すなわち、本発明は、下記の構成を有するムライト−８
ｉＣ複合焼結体を提供するものである：「ムライト−８ｉＣ複合焼結体であって、（１）ＳｉＣ
粒子５〜３０容積％、および（２）ガラス質相１０〜３
０容量％を含有し、（３）残余が実質的にムライト相からなり、（４）対理
論密度が９５％以上であることを特徴とするムライト−８ｉＣ複合焼結体。」以下
に本発明複合焼結体を構成する各成分、本発明複合焼結
体が充足すべき要件、複合焼結体の製造方法などについ
て、詳細に説明する。

■、ムライト：本発明による複合焼結体においては、マトリックスとし
て、耐熱性に優れたムライトを使用する。

本発明で使用するムライトとは、Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ□
＝７１．８／２８．２　（重量比）で表わされる本来の
意味でのムライト結晶のみならず、この様なムライト結
晶を含む固溶体をも包含するものである。

複合焼結体中のムライトの含有量は、４０〜８５容積％
の範囲内にあり、より好ましくは５０〜７５容積％の範
囲内にある。ムライトの含有量が４０容積％未満の場合
には、耐熱性が不十分となるのに対し、８５容積％を上
回る場合には、強度および靭性が低下する。

焼結体中に存在するムライト粒子は、粒径８μｍ以下で
あることが好ましく、５μｍ以下であることがより好ま
しい。ムライト粒子の粒径が粗大となると、マトリック
スの強度が低下して、ＳｉＣ添加の効果が減少する。

ムライト相は、その５容積％を超えない範囲で、ＺｒＯ
２、ＴｉＯ２およびＣｒ２Ｏ３の少なくとも一種を含ん
でいても良い。ただし、これらの量が多くなると、ムラ
イト相、ＳｉＣ粒子およびガラス相以外の結晶相が析出
するため、複合焼結体の高温強度が低下する。従って、
ムライト相単独であることがより好ましい。

Ｉｌ、ＳｉＣ粒子：本発明複合焼結体においては、ＳｉＣ粒子が焼結体中に
均一に分散した構造となっている。

ＳｉＣ粒子の含有量は、５〜３０容積％の範囲内にあり
、より好ましくは１０〜２５容積％の範囲内にある。Ｓ
ｉＣ粒子の含有量が５容積％未満の場合には、複合焼結
体のクラック防止効果が不十分となり、また強度および
靭性改善の効果も余り発揮されない。また、高温での粒
界滑りの阻止効果があまり発揮されず、耐クリープ性に
劣るものとなる。これに対し、ＳｉＣ粒子の含有量が３
０容積％を上回る場合には、焼結性が低下し、多量の空
孔が発生して、焼結体密度が低くなり、焼結体の特性を
低下させる。

焼結体中に存在するＳｉＣ粒子は、結晶粒子径が１μｍ
以下であることが好ましく、０．７μｍ以下であること
がより好ましい。ＳｉＣ粒子が大きい場合には、特にム
ライト粒子の粒界に存在するＳｉＣ粒子が破壊源となり
やすく、複合焼結体の機械的特性を低下させる。

ＳｉＣ粒子は、α−型、β−型のいずれであっても良く
、形状としては、粒状若しくは板状である。繊維状乃至
ウィスカー状のＳｉＣは、異方性材料を形成するので、
不適当である。

■、ガラス質相：本発明による複合焼結体においては、ガラス質相とは、
ムライト粒子、ＳｉＣ粒子などの粒界に存在する非晶質
相をいう。

ガラス質相としては、特に限定されない。例えば、ムラ
イトの構成成分であるＡ１、ＳｉおよびＯならびにＳｉ
Ｃの構成成分であるＳｉと、Ｎａ。

Ｋ、ＬｉＳＢ５Ｍｇ、ＣｒおよびＹなどの元素を含む化
合物の少なくとも一種とから構成されるガラス質相；長
石、カリ長石などの天然鉱物から構成されるガラス質相
；例えば、Ｎａ２０−Ａｌ１０３−８ｉ０２系ガラス相
などが例示される。

この様なガラス質相の存在により、ムライトの拡散に加
えて、液相焼結が生じるので、複合体を低温で緻密に焼
結させることが可能となる。これにより、焼結中のムラ
イトの分解、ＳｉＣ粒子の酸化などが防止され、ムライ
ト粒子およびＳｉＣ粒子の成長粗大化を防止することが
できる。その結果、緻密で均質なムライト多結晶体から
なるマトリックスを形成させる。また、ガラス質相は、
ムライト粒子の柱状化にも寄与し、焼結体の強度および
靭性を向上させる。

ガラス質相の含有量は、１０〜３０容積％の範囲内にあ
り、より好ましくは１５〜２５容積％の範囲内にある。

ガラス質相の含有量が少なすぎる場合には、上記のガラ
ス質相の存在による効果が十分に発揮されないし、また
、ムライトとＳｉＣとの熱膨張の差が小さいために、応
力効果も少ない。これに対し、ガラス質相の含有量が多
すぎる場合に・は、高温応力場でのガラス質相の塑性変
形と粘性低下により、焼結体の強度が低下する。しかる
に、１０〜３０容積％の範囲内のガラス相が存在する場
合には、熱膨張差による応力効果を大きくすることがで
きるので、焼結体の強度および靭性の向上が達成される
。

■、複合焼結体の対理論密度が９５％以上であること：本発明において、“対理論密度”とは、気孔の存在しな
い理想的な完全緻密焼結体の密度を理論密度とした場合
に、実際の焼結体の密度をこの理論密度に対する百分率
で表わしたものを言う。

複合焼結体の対理論密度が、９５％未満の場合には、焼
結体中に気孔が多数存在するので、強度、靭性、耐蝕性
などの特性が低下する。対理論密度は、９７％以上であ
ることがより好ましい。

■、製造方法：本発明による複合焼結体は、例えば、以下の様にして製
造される。

ムライトは、溶液またはゾル状のＡ１化合物とＳｉ化合
物とをＡ　Ｉ　／　Ｓ　ｉ比がムライトの組成比となる
ように混合した後、溶媒を除去し、焼成してムライト結
晶化する方法；カオリンとアルミナとを原料として使用
して、複合焼結体中に反応析出させる方法などにより、
形成される。

ガラス質相の形成のためには、ムライト結晶を予め形成
させる際にガラス質相を形成させるための化合物を配合
しておいても良く、ムライト原料或いはカオリンとアル
ミナなどのムライト形成原料にＳｉＣ粉末を添加する際
にガラス質相を形成させるための化合物を配合しても良
い。ムライト原料およびアルミナ原料は、比表面積５ｒ
ｄ／ｇ以上であることが好ましく、カオリンは、予め結
晶水を飛散させておくことが好ましい。

ＳｉＣ粉末粒子の平均粒子径は、０．５μｍ以下である
ことが好ましく、０．３μｍ以下であることがより好ま
しい。焼結体製造時にガラス質相を形成させるための化
合物が液相を形成するが、その際上記の粒径のＳｉＣ粒
子は、ムライト粒子内に移動することができる。その結
果、このＳｉＣ粒子が、焼結体のムライト粒子内で発生
するクラックを分枝させ、クラックのそれ以上の伸展を
実質的に防止することができる。また、ムライト粒子の
粒界に存在するＳｉＣ粒子は、高温下での粒界の滑りを
も抑制する。

これらの粉末材料を所定の割合で秤量し、ボールミル、
アトリションミルなどにより、湿式粉砕混合した後、常
法にしたがって、得られた粉砕混合物を湿式成形するか
、或いは例えばスプレードライヤーによりＳｉＣが分離
しないように留意しつつ乾燥・造粒し、成形した後、焼
結する。

本発明の複合焼結体の製造に際しては、ガラス質相が焼
結体の緻密化に寄与するので、常圧焼結法により、優れ
た特性の焼結体が容易に得られる。

より具体的には、Ｎ２、Ａｒなどの不活性ガスの存在下
または真空中で焼成するか、或いはこの様な雰囲気中ま
たは非酸化性雰囲気中でホットプレス法、ホットアイソ
スタティックプレス法などで焼成を行なっても良い。焼
成条件は、１５００〜１８００℃程度で１〜５時間時間
色すれば良い。

発明の効果本発明による複合焼結体は、耐熱性に優れた酸化物であ
るムライトを主とするマトリックスに低温から高温まで
高強度を示すＳｉＣ粒子を均一に分散させた構造を有し
ており、ＳｉＣ粒子は、ムライト粒子内および粒界に存
在する。従って、本発明による複合焼結体は、室温から
１０００℃以上の高温に至る広い温度域において、強度
、靭性および耐磨耗性に優れ、且つ耐熱性にも優れてい
る。

従って、本発明による複合焼結体は、高温における耐久
性が要求される部材、例えば、エンジン部品、熱交換器
部材、高温で使用される搬送用ロール、バーナーノズル
、均熱管などの高温構造用材料として、特に有用である
。

実施例以下に実施例および比較例を示し、本発明の特徴とする
ところをより一層明確にする。

実施例１〜６および比較例１〜５下記第１表に示す割合で各種の原料粉末をボールミルに
より２４時時間式混合した。各種原料粉末の詳細は、以
下の通りである。

＊ムライト原料・・・（Ａ　１２０３　＋Ｓ　ｉ　Ｏ□
）＝９９．８％、比表面積＝５ｒｒｒ／ｇ、ムライト結
晶単相＊ガラス質原料・・・Ｎ　ａ　２　Ｃ０３：　Ｋ２　Ｃ
０３＝１：２（モル比）の混合粉末＊β−８ｉＣ・・・平均粒径０．２μｍ次いで、得られ
た混合スラリーをスプレードライヤーにて乾燥・造粒し
、成形し、所定の温度で所定の方式により焼結して、５
０ｍｍＸ５Ｃ）＋ｍＸ４鰭の板状複合焼結体を得た。

なお、第１表に示す焼結条件中の記号は、それぞれ以下
の方法を意味する。

＊ＨＰ・・・カーボン型を使用して２００ｋｇｆ／ｃｊ
でホットプレス焼結＊ＮＳ・２０００ｋｇｆ／ｃ−でＣＩＰにより成形し、
Ａｒ雰囲気中で常圧焼結得られた複合焼結体の組成（ムライト量、ガラス質相量
およびＳｉＣ量）、対理論密度（ＴＤ）、ＪＩＳ−Ｒ−
１６０１による３点曲げ強さ（σ）およびＭＩ法による
靭性値（Ｋｌｃ）を第２表に示す。

第２表に示す結果から明らかな様に、本発明による複合
焼結体は、室温および高温において高強度且つ高靭性を
示す。

これに対し、ＳｉＣ量が５容積％未満の比較焼結体（試
料９．１０））では、ＳｉＣ粒子添加の効果が少ないた
め、強度および靭性値が低く、またＳｉＣ量が２０容積
％を上回る比較焼結体（試料７）では、焼結性が劣るた
めに対理論密度が低（なり、室温強度も低下している。

ガラス質相量が１０容積％未満の比較焼結体（試料１０
．１１）では、ガラス質相による効果が少ないため、焼
結体の強度および靭性が低くなっている。また、ガラス
質相量が２０容積％を上回る比較焼結体（試料８）では
、強度および靭性値が低く、高温応力場でのガラス質相
の塑性変形と粘性低下とにより、強度が低くなっている
。

（以　上）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ムライト−ＳｉＣ複合焼結体であって、（１）Ｓ
ｉＣ粒子５〜３０容積％、および
（２）ガラス質相１０〜３０容量％を含有し、
（３）残余が実質的にムライト相からなり、
（４）対理論密度が９５％以上であることを特徴とする
ムライト−ＳｉＣ複合焼結体。