JPH0544429B2

JPH0544429B2 -

Info

Publication number: JPH0544429B2
Application number: JP61018689A
Authority: JP
Inventors: Koji Oonishi; Katsumi Maeda; Toshio Kawanami; Koichi Niihara
Original assignee: Nikkato Corp
Current assignee: Nikkato Corp
Priority date: 1986-01-30
Filing date: 1986-01-30
Publication date: 1993-07-06
Also published as: JPS62176964A

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野本発明は、炭化珪素繊維を含有するムライト質
複合セラミツクスに関する。従来の技術及びその問題点アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素等
の焼結体は、高強度かつ高硬度であり、更に耐熱
性、耐食性、耐摩耗性等に優れたものであり、構
造材として有望視され、エンジン部材等にその利
用が試みられつつある。しかしながら、アルミ
ナ、ジルコニア等の酸化物系焼結体は、高温強度
や熱衝撃抵抗性が悪く、また窒化珪素や炭化珪素
等は靭性や耐酸化性が悪いという欠点があり、高
温構造材料として広くの利用されるには至つてい
ない。そこで近年セラミツクスの機械的性質を改善す
るため、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素などの
単相セラミツクスに炭化珪素（SiC）繊維を含有
させて靭性の改善を行なうことが研究されてい
る。これらのうちアルミナ−SiCセラミツクス
は、SiC繊維の複合による靭性の改善効果は認め
られているものの、高温強度などの機械的性質が
不充分であり、また、窒化珪素−SiCセラミツク
スは高温強度は優れているものの、低温における
強度の改善に難点があり、また高温での耐酸化性
も悪く、これらの理由により高温構造材料への利
用の拡大が妨げられている。問題点を解決するための手段本発明者は、上記した如き現状に鑑みて高温構
造材料として優れた特性を有するセラミツクス材
料を見出すべく鋭意研究を重ねてきた。その結
果、ムライトを母材とし、SiC繊維を均一に分散
させた緻密な焼結体であつて、特定量のガラス質
相を含み、かつ特定値以上の密度を有するセラミ
ツクスが、室温及び高温において、高い強度及び
靭性を有し、かつ耐熱性に優れたものであること
を見出し、ここに本発明を完成した。即ち本発明は、炭化珪素繊維５〜30容積％及び
ガラス質相0.5〜８容積％を含み、残部の95容積
％以上がムライト晶である焼結体であつて、対論
理密度が90％以上であることを特徴とする炭化水
素珪素繊維含有ムライト質複合セラミツクスに係
る。本発明複合セラミツクスは、耐熱性に優れた酸
化物であるムライトを主とする母材中に、高温ま
で高強度であるSiC繊維を均一に分散させた構造
である。本発明者の研究によれば、SiC繊維を複
合させることによる効果を有効に発揮させるため
には、セラミツクスの微構造を適切に制御するこ
とか重要であることが見出された。特に、従来は
高温強度低下やSiCの酸化の原因となると考えら
れていたガラス質相を特定範囲の量存在させるこ
とが必要であることが判かつた。本発明セラミツ
クスは、具体的には以下に示す条件を満足するこ
とが必要である。 (a) 炭化珪素繊維及びガラス質相を除いた部分の
95容積％以上をムライト晶とする。本発明てでは、セラミツクスの母材としては
耐熱性に優れた酸化物であるムライトを用い
る。本発明においてムライト晶とは、
3Al₂O₃・2SiO₂（Al₂O₃71.8重量％、SiO₂28.2重
量％）で表わされるムライト結晶だけでなく、
そのムライトの固溶体も含む。更に、ムライト
中のAlの30％程度までをCrで置換固溶しても
良い。特に、Alの一部をCrで置換固溶した焼
結体は靭性、耐食性等の改善に寄与する。ムラ
イト晶の平均粒径は8μｍ以下であることが好
ましく、5μｍ以下がより好ましい。ムライト
晶の粒径が大きすぎると母材自体の強度が低い
ものとなると共に、粒界にできるガラス質相の
巾が大きくなり、高温強度が低下し易くなるの
で好ましくない。本発明セラミツクスでは、ムライト晶は、炭
化珪素繊維及びガラス質相を除いた部分の95容
積％以上とする。５容積％未満であれば、
Al₂O₃、Cr₂O₃、ZrO₂等（粉末Ｘ線回折法によ
る）が存在してもよいが、多くなりすぎるとム
ライト晶が粒状結晶となつて、高温強度が低く
なる。このため、ムライト晶単相であることが
好ましい。 (b) 炭化珪素繊維量を５〜30容積％とする。本発明セラミツクスは炭化珪素繊維（SiCウ
イスカー、SiC多結晶体からなるフアイバー
等）が繊維の形態のままセラミツクス中に均一
に分散した構造である。炭化珪素繊維は、焼結
体中に二次元又は三次元的に分散して、強度、
靭性等を向上させる。繊維が大き過ぎると、緻
密な焼結体においてもこの繊維とムライトとの
粒界が破壊の応力集中源となり、強度の低下を
もたらす。また、繊維のアスペクト比（長さ／
直径）は大きいことが望ましいが、大き過ぎる
と母材の緻密化を阻害することとなる。このた
め繊維の平均直径は、0.05〜20μｍ程度とし、
好ましくはムライト結晶粒と同程度の0.1〜8μ
ｍ程度とし、更に好ましくは0.3〜4μｍ程度と
する。また繊維の平均長さは、好ましくは、２
〜30μｍ程度とし、より好ましくは３〜15μｍ
程度とする。セラミツクス中の炭化珪素繊維量は、５〜30
容積％とし、好ましくは10〜25容積％とする。
繊維量が５容積％未満では、強度や靭性を向上
させる効果が少なく、一方30容積％を上回る
と、焼結過程における物質移動が繊維により阻
害されて母材の焼結性が悪くなり、多量の空孔
が存在して焼結体密度が低くなり、その結果常
温における強度も低いものとなる。 (c) ガラス質相を0.5〜８容積％とする。本発明において、ガラス質相とは、ムライト
結晶、炭化珪素繊維等の粒界に存在する非晶質
相をいう。ガラス質相は、セラミツクス中に
0.5〜８容積％存在することが必要であり、１
〜５容積％存在することがより好ましい。ガラ
ス質相の存在により、ムライトの拡散焼結に加
えて、液相焼結が生じるので、セラミツクスを
低温で緻密に焼結させることが可能となる。こ
のため焼結過程における母材のムライトの分解
や炭化珪素繊維の酸化が防止される。また、ガ
ラス質相は、ムライトの粒成長を抑制する効果
があり、緻密で均質なムライト多結晶体からな
る母材を形成させる働きをする。更に、ムライ
ト晶の柱状化にも寄与し、強度、靭性を向上さ
せる。ガラス質相量が少なすぎると、上記効果が充
分に奏されず、且つ母材のムライトと炭化珪素
との熱膨脹の差が小さいために、焼結体中の繊
維に母材からの応力効果がわずかしか寄与せ
ず、引張り応力場で繊維の引抜きが生じ易く、
強度の向上効果が小さくなる。一方ガラス質相
が多すぎる場合には、高温の応力場でガラス質
相の塑性変形と粘性低下によりガラス質相から
の破壊の進展と繊維の引抜きが容易に生じ、強
度の急激な低下を起し易い。ガラス質相としては、特に限定されず、例え
ばNa₂O−Al₂O₃−SiO₂系のものでも良いが、
Ｋ、Li、Ｂ、Mg、Cr及びＹの少なくとも１種
の化合物、例えばこれらの炭酸塩、水酸化物、
塩化物、酸化物等の焼成過程において酸化物と
なる化合物を添加して、これらの成分と、ムラ
イトの構成成分であるAl、Si、Ｏ及び炭化珪
素繊維のSiとを主とするガラス質相を形成させ
ることが好ましい。上記成分は、焼結効果の他
に、Ｋはガラス質相の粘性増加による高温強度
の向上、Liはガラス質相の耐熱衝撃性向上、Ｂ
はSiCとムライトとの焼結性向上、Mg、Cr、
Ｙは靭性の向上に寄与する。 (d) 焼結体の対理論密度を90％以上とする。本発明では、対理論密度とは、焼結体中に空
孔の存在しない100％緻密な焼結体の密度を理
論密度とし、焼結体密度をこの理論密度に対す
る百分率で表わしたものをいう。対理論密度が
90％未満では、焼結体に空孔が多く存在し、連
続孔を生成して、強度の低下や耐食性の低下の
原因となる。しかし、空孔が微細で小容積存在
する場合には、応力場において、空孔が応力分
散効果に寄与する。好ましくは、対理論密度は
92％以上とする。本発明複合セラミツクスは、例えば以下の方法
によつて製造することができる。ムライトとしては、溶液又はゾル状のSi、Al
含有化合物をAl／Si比がムライトの組成となる
ように混合した後、溶媒を飛散させ、焼成して、
予めムライト結晶化したものを用いることが好ま
しいが、カオリン（Al₂O₃・2SiO₂・2H₂O）とア
ルミナなどを用いて、セラミツクスの焼成中にム
ライトを反応析出させる反応焼結法により形成さ
せてもよい。ガラス質相を形成させるための化合
物は、ムライト結晶を予め形成させる際に加えて
おくことが好ましいが、ムライト原料にSiC繊維
を添加する際に加えてもよい。炭化珪素繊維は、湿式でほぐし、繊維の塊とな
つているものを除去した後、ムライト原料及びガ
ラス質相を形成させる化合物からなる混合物に
徐々に加えながら湿式で混合することが望ましい
が、ムライト原料及びガラス質相を形成させるた
めの化合物と同時に配合して湿式粉砕混合しても
良い。このようにして必要原料を加えた混合物を調整
した後、湿式で成形するか、或いは大気中又は減
圧中で炭化珪素繊維が分離しないよう乾燥させて
成形用原料としたものを常法に従い成形加工し、
次いで成形体を焼成することにより本発明複合セ
ラミツクスが得られる。本発明セラミツクスで
は、ガラス質相がセラミツクスの緻密化に寄与す
るため、加圧焼結法だけでなく、常圧焼結法も可
能であり、例えばN₂、Ar等の常圧雰囲気下や真
空中で焼成するか、或いはこれらの雰囲気中又は
非酸化雰囲気中でホツトプレス、ホツトアイソス
タテイツクプレス等で焼成すればよい。焼成条件
は、1500〜1700℃程度で0.5〜10時間程度とすれ
ばよい。発明の効果本発明複合セラミツクスは、高強度の炭化珪素
繊維をムライトの緻密な焼結体中に包み込んだ構
造であり、室温及び1400℃程度の高温における強
度が共に30Kgｆ／mm²以上と高く、且つ繊維強化に
よつて靭性も高いものである。また高温の酸素雰
囲気下において安定なムライトに、炭化珪素繊維
が包み込まれているため、セラミツクス全体とし
ての耐酸化性も良好である。本発明セラミツクスは、このような優れた特性
を有するものであり、エンジン部材、熱交換器部
材、高温の搬送用ロール、バーナーノズル、均熱
管、熱処理用部材など高温における耐久性が要求
される部材として極めて有用である。実施例以下に実施例を示して本発明を詳細に説明す
る。実施例１下記第１表に示す原料のうちSiC繊維を除く原
料を、ボールミルで24時間湿式粉砕し、混合し
た。ムライトとしては、（Al₂O₃＋SiO₂）分99.99
％、比表面積５m²／ｇで結晶相がムライトからな
るものを用いた。ガラス質相形成物としては、
Na及びＫの炭酸塩の１：２（モル比）混合粉末を
用いた。得られた混合スラリーをミキサーで撹拌しなが
ら、平均直径0.4μｍ、平均長さ15μｍのβ−SiCウ
イスカーを第１表に示す配合割合となるように
徐々に添加して混合した。次いで、この混合スラ
リーをスプレードライヤーにて乾燥、造粒し、第
１表に示す各温度で、カーボン型を用いて200
Kg／cm²でホツトプレス焼結させて板状の複合セラ
ミツクスを得た。得られたセラミツクスのムライト量、ガラス質
相量及びSiC量を第２表に示す。また、JIS−Ｒ
−1601による３点曲げ強さの測定結果及びMI法
による靭性値（KIC）の測定結果を第２表に示
す。

【表】

【表】第２表から明らかな様に、本発明セラミツクス
は、室温及び高温における強度、並びに靭性が高
い値を示す。これに対してSiC繊維が５％未満の
セラミツクス（比較品１，２）では靭性値が3.0
以下と低くなり、またSiC繊維が30％を上回る場
合（比較品３）及びガラス質相が0.5％未満の場
合（比較品４）には焼結性が悪く対理論密度が低
くなり、室温及び高温における強度が低くなる。
ガラス質相が８％を上回る場合（比較品５）に
は、高温強度が特に低いものとなる。

Claims

【特許請求の範囲】

１炭化珪素繊維５〜30容積％及びガラス質相
0.5〜８容積％を含み、残部の95容積％以上がム
ライト晶である焼結体であつて、対理論密度が90
％以上であることを特徴とする炭化珪素繊維含有
ムライト質複合セラミツクス。