JPH06183837A

JPH06183837A - 炭化珪素焼結体の製造方法

Info

Publication number: JPH06183837A
Application number: JP43A
Authority: JP
Inventors: Shigeko Sugiyama; 滋子杉山; Kazuharu Sasa; 一治佐々; Yoshio Nakamura; 好男中村; Masatoshi Onishi; 正俊大西
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 1992-12-14
Filing date: 1992-12-14
Publication date: 1994-07-05

Abstract

(57)【要約】【目的】緻密化焼結助剤が炭化珪素粉末粒子上に均一
に分散されてなるスラリーを容易に調製して、高密度で
高強度の優れた特性を有する炭化珪素焼結体の製造方法
の提供。【構成】炭化珪素の緻密化焼結において、炭化珪素原
料粉末を含有する非アルコール系且つ非水系の分散媒ス
ラリー中に、緻密化焼結助剤のホウ素源及び炭素源化合
物として、該分散媒に可溶なホウ酸及び／またはホウ酸
エステル、並びにフェノール樹脂をそれぞれ添加してな
り、該スラリーから得られる粉粒体を用いることを特徴
とする炭化珪素焼結体の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭化珪素焼結体の製造
方法に関し、特に、炭化珪素の緻密化焼結における操作
を簡便とし、且つ、高密度、高強度の優れた特性を有す
る炭化珪素焼結体を再現性よく得る炭化珪素焼結体の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】いわゆるエンジニアリングセラミックス
の一種の炭化珪素（以下、単にＳｉＣとする。）焼結体
は、耐熱性、耐食性、耐摩耗性に優れ、高温強度が高
く、機械材料としての開発が著しい。機械部品材料とし
ては、主に緻密化焼結によるＳｉＣ焼結体が用いられ
る。緻密化焼結は、反応焼結と異なり添加剤により焼結
するものであり、ＳｉＣの緻密化焼結用添加剤（焼結助
剤）としてホウ素及び炭素の添加が効果的であること
は、よく知られている。従来、炭化珪素焼結体を製造す
る場合には、一般に造粒工程とよばれる工程で上記焼結
助剤を均一に添加する場合が一般的である。このような
造粒工程はＳｉＣ粉末に分散媒を加えて混合し、得られ
たスラリーに焼結助剤等を加えて分散、混合することが
行われている。しかし、ＳｉＣ原料粉末スラリー調製用
の分散媒は、ホウ素源である各ホウ素化合物を溶解する
ことが可能な溶媒とは異なる場合が多いため、使用する
ホウ素化合物を直接上記スラリーに混合することができ
ず、一旦その溶媒に溶解後、例えば、ホウ酸のアルコー
ルまたは水溶液を調製した後、ＳｉＣ原料粉末の非水分
散媒スラリーに添加して用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように従来の方法では、焼結助剤のホウ素源の添加にお
いて、ＳｉＣ原料粉末スラリーの分散媒と異なる溶媒を
使用しなければならないため、スラリー調製の操作が煩
雑となる。また、スラリー分散媒を回収して再使用する
場合、その回収時に揮散等でホウ素源の損失が生じ、分
散媒を除去した後のＳｉＣ質材料の組成が変化するため
ＳｉＣ焼結体特性を容易に制御することができず、高強
度で、高密度のＳｉＣ焼結体が得られにくい等の問題が
あった。そのため簡便な操作で、且つ、焼結助剤を均一
に分散させることができ、優れた特性のＳｉＣ焼結体を
得ることができるスラリー調製が求められている。本発
明は、上記従来法の問題に鑑み、その調製が容易であ
り、且つ、緻密化焼結助剤がＳｉＣ粉末粒子上に均一に
分散してなるスラリーを得て、優れた特性を有するＳｉ
Ｃ焼結体とする炭化珪素焼結体の製造方法の提供を目的
する。発明者らは、上記目的のために、先ず、ＳｉＣ原
料粉末スラリーを構成する分散媒及びそれに溶解可能な
焼結助剤のホウ素源について鋭意検討し、本発明に到達
した。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、炭化珪
素の緻密化焼結において、炭化珪素原料粉末を含有する
非アルコール系且つ非水系の分散媒スラリー中に、緻密
化焼結助剤のホウ素源及び炭素源化合物として、該分散
媒に可溶なホウ酸及び／またはホウ酸エステル、並びに
フェノール樹脂をそれぞれ添加してなり、該スラリーか
ら得られる粉粒体を用いることを特徴とする炭化珪素焼
結体の製造方法が提供される。

【０００５】

【作用】本発明は上記のように構成され、炭化珪素原料
粉末スラリーの非アルコール系且つ非水系の分散媒と同
一分散媒に可溶な緻密化焼結助剤を用いるため、ＳｉＣ
原料粉末と共に焼結助剤を溶媒中に混合溶解させること
ができ、スラリー調製操作が簡便で容易であり、更に、
ＳｉＣ原料粉末と焼結助剤のホウ素源のホウ酸及び／ま
たはホウ酸エステル及び炭素源のフェノール樹脂とがス
ラリー中で均一に分散含有されることになる。従って、
そのようなスラリーから得られる粉粒体は、緻密化焼結
助剤がＳｉＣ原料粉末上に均一に分散されており、当該
粉粒体を使用して焼結処理して得られるＳｉＣ焼結体
は、十分に焼結され高密度で高強度となる。

【０００６】以下、本発明について詳細に説明する。本
発明のＳｉＣ原料粉末は、α型またはβ型のいずれのタ
イプのＳｉＣでもよい。また、ＳｉＣ原料粉末の平均粒
径は、特に制限されるものでなく、従来から各種成形方
法に応じて用いられる粉末と同様の粉末を用いることが
できる。通常、平均粒径０．０５〜５μｍ、好ましくは
１μｍ以下のＳｉＣ原料粉末が用いられる。

【０００７】本発明において、上記ＳｉＣ原料粉末を含
有するスラリーを構成する分散媒には、非アルコール系
から非水系の分散媒が用いられる。アルコール類はホウ
酸とエステルを生成し、ＳｉＣスラリー調製後の分散媒
の回収留去時に、ホウ酸またはホウ酸エステルが同伴除
去されるため使用できない。本発明の分散媒は、その回
収時にホウ酸、ホウ酸エステルを同伴することなく、Ｓ
ｉＣ原料粉末上に均一分散、固定化することができる。
上記したような分散媒としては、一般に、低沸点である
ケトン類やエステル類が用いられ、例えば、アセトン、
メチルエチルケトン、酢酸エチルが挙げられる。これら
のうち、アセトンは低価格で、取扱が簡便であり、特に
好ましい。

【０００８】本発明の緻密化焼結助剤のホウ素源となる
ホウ酸及び／またはホウ酸エステル（Ｒ₃ ＢＯ₃ 但し、
Ｒはアルキル基）は、上記分散媒に可溶であり、ホウ酸
エステルとしては、ホウ酸の低分子量のアルキルエステ
ル、例えば、ホウ酸メチルエステル、ホウ酸エチルエス
テル等である。これらホウ酸エステルは、一般に、低沸
点を有し、上記のＳｉＣ成形スラリーの分散媒の沸点と
近似するが、上記したように本発明の分散媒回収の蒸留
の際に、同伴留去されることがない。従来、これら低沸
点のホウ酸エステルは、スラリーの分散媒留去と同時に
スラリー中から除去されるとして使用されていなかった
ホウ素化合物である。しかし、従来の予測とは異なり、
上記した本発明の非アルコール系且つ非水系の分散媒と
併用した場合には、スラリー分散媒の除去操作において
も留去されることがない。しかも、分散媒留出後も、得
られるＳｉＣ粉粒体上に均一に分散されて存在し、緻密
化焼結助剤として機能することを、発明者らが初めて知
見したものである。また、ホウ酸は、上記したようにア
ルコールとホウ酸エステルを生成するが、本発明のスラ
リー分散媒においてはエステルが生成されず、分散媒留
去後もＳｉＣ粉粒体状に分散保持される。また、ホウ酸
の前記分散媒に対する溶解度が低いため、下記するよう
に従来のホウ素源添加量では使用できないものである
が、本発明のホウ素添加量は、微量でもよく可溶量の範
囲内であり使用することができる。

【０００９】本発明において、ＳｉＣ原料粉末を含有す
る非アルコール系且つ非水系の分散媒スラリー中に添加
される上記ホウ酸及び／またはホウ酸エステルは、ホウ
素元素基準でスラリー中に含有されるＳｉＣ原料粉末の
約０．０５〜０．８重量％とするのが好ましい。添加量
が、０．０５重量％未満であると十分に焼結が進まず、
高密度のＳｉＣ焼結体を得ることができない。一方、
０．８重量％を超えると粒界にボロンが偏析するため耐
酸化性や耐食性が低下し好ましくない。従来法の緻密化
焼結のホウ素源は、スラリー調製の際にはホウ素基準で
原料ＳｉＣ粉末の０．５〜１．５重量％添加する必要が
あったのに対し、本発明のホウ素源のホウ酸及び／また
はホウ酸エステルは、上記のようにスラリー分散媒留去
時に損失されることがないため必要最低限の添加でよ
く、その添加量を従来に比し低減することができる。

【００１０】本発明の緻密化焼結の焼結助剤の炭素源の
フェノール樹脂は、ホウ素源のホウ酸及び／またはホウ
酸エステルと同様に、上記の非アルコール系且つ非水系
の分散媒に可溶なものであればよく、特に制限されるも
のでない。通常、市販されているフェノール樹脂から適
宜選択して用いることができる。フェノール樹脂の添加
量は、炭素元素基準でスラリー中に含有されるＳｉＣ原
料粉末の約１〜５重量％とするのが好ましい。添加量
が、１重量％未満であると十分に焼結が進まず、高密度
のＳｉＣ焼結体を得ることができない。一方、５重量％
を超えると過剰の炭素が残留炭素としてＳｉＣ焼結体中
に残り、耐酸化性低下の原因となり好ましくない。

【００１１】本発明において、ＳｉＣ原料粉末を含有す
る非アルコール系且つ非水系の分散媒スラリーは、上記
分散媒中に、上記したＳｉＣ原料粉末及び緻密化助剤の
ホウ素源及び炭素源の上記各化合物を、混合し、また
は、別々で、非アルコール系且つ非水系の分散媒中に供
給して分散、溶解して調製することができる。ＳｉＣ原
料粉末のスラリー中の濃度は、特に制限されるものでな
く、使用するＳｉＣ原料粉末の粒度分布や所望の粉粒体
性状等により適宜選択することができる。通常は、１２
０〜１４０重量％である。また、本発明の粉粒体は、上
記のようにして調製される非アルコール系且つ非水系の
分散媒スラリーから、過剰の分散媒を通常の方法で留出
除去して得るものであり、その粒径、形状等は任意であ
り、必要に応じ、篩等を用いて粒度調節することができ
る。

【００１２】本発明のＳｉＣ原料粉末の分散媒スラリー
には、通常のスラリーに、必要に応じ添加されるバイン
ダー、成形助剤等の各種添加剤を添加含有させることが
できる。これらの各種添加剤は、本発明において添加す
る焼結助剤のホウ酸エステル及びフェノール樹脂の機能
を損なわない限り、特に制限されるものでなく、適宜選
択して用いることができる。更にまた、本発明のＳｉＣ
焼結体は、上記したように、ＳｉＣ原料粉末、ホウ酸及
び／またはホウ酸エステル並びにフェノール樹脂を同時
に非アルコール系且つ非水系の分散媒中に均一に分散、
溶解させスラリーを調製し、その調製したスラリーから
該分散媒を留去して得られるＳｉＣ粉粒体を用いるもの
であり、その後の工程は、従来と同様に処理して製造す
ることができる。即ち、作製したＳｉＣ粉粒体は、上記
したように従来法と同様に篩分け等により粒径を調整し
て得られた造粒粉を用いて、適宜選択される成形方法に
て成形体を形成し、その成形体を乾燥、脱脂、焼結処理
等して炭化珪素焼結体を得ることができる。この場合の
各工程における処理条件は、適宜選択することができ、
通常、従来法と同様に行うことができる。

【００１３】

【実施例】本発明について実施例に基づき、更に詳細に
説明する。但し、本発明は、下記の実施例に制限される
ものでない。実施例１平均粒径０．５μｍのα型ＳｉＣ粉末１００ｇ、フェノ
ール樹脂（炭化度５０％）７ｇ及びホウ酸メチル１．４
４ｇの混合物に、アセトン３００ｍｌを加え、プラスチ
ック製ボールミルにて２４時間分散、溶解、混合し、混
合スラリーを調製した。得られた混合スラリーを加熱処
理して、アセトンを留出除去してＳｉＣの粉粒体を得
た。得られた粉粒体を、６０メッシュ篩で篩分けして粒
度調節し、篩通過粉粒体を用い、５００ｋｇｆ／ｃｍ²
で一軸プレスし、更に、１．５トン／ｃｍ³ のＣＩＰ
（静水圧成形）処理して、５０×５０×６（ｍｍ）の板
状の成形体を得た。

【００１４】上記のようにして成形した成形体を、窒素
雰囲気中、６００℃で１時間加熱処理して脱脂処理した
後、アルゴン雰囲気中、２１００℃で２時間焼成してＳ
ｉＣ焼結体を得た。得られたＳｉＣ焼結体から試料を切
り出し、その密度及び曲げ強度を、それぞれアルキメデ
ス法及び室温での３点曲げ強さ（ＪＩＳＲ１６０１）
を用いて測定した。その結果を表１に示した。なお、表
１において、ホウ素源添加量は、混合スラリー中のＳｉ
Ｃ原料粉末に対するホウ素元素基準での重量％を示し
た。

【００１５】実施例２添加したホウ酸メチルを２．８９ｇとした以外は、実施
例１と同様にしてＳｉＣ焼結体を作製し、実施例１と同
様に焼結体の密度及び曲げ強度を測定した。その結果を
表１に示した。

【００１６】実施例３ホウ酸メチルの代わりにホウ酸エチルを２．０３ｇ用い
た以外は、実施例１と全く同様にしてＳｉＣ焼結体を得
た。得られた焼結体の密度及び曲げ強度を実施例１と同
様に測定した。その結果を表１に示した。

【００１７】実施例４ホウ酸メチルの代わりにホウ酸を０．８６ｇ用いた以外
は、実施例１と同様にしてＳｉＣ焼結体を得た。得られ
た焼結体の密度及び曲げ強度を実施例１と同様に測定し
た。その結果を表１に示した。

【００１８】比較例１実施例２と同様のＳｉＣ原料粉末、フェノール樹脂及び
ホウ酸メチルの混合物にエタノール３００ｍｌを加え混
合スラリーとした以外は、実施例２と同様にしてＳｉＣ
焼結体を得た。得られた焼結体の密度及び曲げ強度を実
施例１と同様に測定した。その結果を表１に示した。

【００１９】

【表１】 ¹⁾ 水溶性フェノール樹脂

【００２０】比較例２ＳｉＣ原料粉末、フェノール樹脂及びホウ酸の混合物を
エタノール３００ｍｌに添加して混合スラリーとした以
外は、実施例４と同様にしてＳｉＣ焼結体を得た。得ら
れた焼結体の密度及び曲げ強度を実施例１と同様に測定
した。その結果を表１に示した。

【００２１】比較例３フェノール樹脂として水溶性フェノール樹脂を用い、エ
タノールの代わりに水を用いた以外は、比較例２と同様
にしてＳｉＣ焼結体を得た。得られた焼結体の密度及び
曲げ強度を実施例１と同様に測定した。その結果を表１
に示した。

【００２２】比較例４添加したフェノール樹脂を１．０ｇとして以外は、実施
例１と同様にしてＳｉＣ焼結体を作製し、焼結体密度及
び曲げ強度を測定した。その結果を表１に示した。

【００２３】比較例５添加したフェノール樹脂を１６．０ｇとして以外は、実
施例１と同様にしてＳｉＣ焼結体を作製し、焼結体密度
及び曲げ強度を測定した。その結果を表１に示した。

【００２４】上記実施例及び比較例より明らかなよう
に、ホウ素源化合物を、溶媒アセトンにＳｉＣ原料粉末
と共に溶解して調製した混合スラリーを用いて作製した
ＳｉＣ焼結体が、高密度で、高強度であることが分か
る。また、ホウ素源の添加量がＳｉＣ粉末の０．１５重
量％の少量であっても、高密度で、高強度の焼結体が得
られることも明らかである。一方、エタノールまたは水
を分散媒とした混合スラリーを用いたＳｉＣ焼結体は、
同じ添加量で分散媒にアセトンを用いたものに比して、
密度が低く、強度がでないことが分かる。

【００２５】

【発明の効果】本発明は、ＳｉＣ原料粉末スラリーを形
成する非アルコール系且つ非水系の分散媒に可溶なホウ
素源及び炭素源化合物の緻密化焼結助剤を用いることに
より、一段操作でＳｉＣの非アルコール系且つ非水系の
分散媒を用いた混合スラリーを調製でき、且つ得られる
ＳｉＣ焼結体も十分な高密度及び高強度を有し、工業的
に極めて有用である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大西正俊神奈川県秦野市曽屋30 東芝セラミックス株式会社開発研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化珪素の緻密化焼結において、炭化珪
素原料粉末を含有する非アルコール系且つ非水系の分散
媒スラリー中に、緻密化焼結助剤のホウ素源及び炭素源
化合物として、該分散媒に可溶なホウ酸及び／またはホ
ウ酸エステル、並びにフェノール樹脂をそれぞれ添加し
てなり、該スラリーから得られる粉粒体を用いることを
特徴とする炭化珪素焼結体の製造方法。
【請求項２】該炭化珪素原料粉末に対し、該ホウ酸及
び／またはホウ酸エステルの総量がホウ素元素基準で
０．０５〜０．８重量％、該フェノール樹脂が炭素元素
基準で１〜５重量％添加される請求項１記載の炭化珪素
焼結体の製造方法。
【請求項３】該分散媒がアセトンである請求項１また
は２記載の炭化珪素焼結体の製造方法。