JPH0816029B2 - 高強度セラミツクス成形焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、セラミックス成形焼結体の製造方法に係
り、特に製品の機械的特性を改善して、ガスタービン、
ディーゼルエンジン及びスターリングエンジン等の輸送
機械や、過給機及び熱交換器等のエネルギー機械や、工
業炉及び油圧水圧機器等の一般産業機械のような分野に
おいて、回転部品、摺動部品、耐熱部品、耐蝕部品及び
耐摩耗部品等として使用される高強度セラミックス成形
焼結体の製造方法に関するものである。

［従来の技術］ 近年、窒化ケイ素や炭化ケイ素等のセラミックスは高
温において高強度を有することから注目されている。

然しながら、このような高強度セラミックスは焼結が
困難であった。

そこで、従来高強度セラミックス成形焼結体の製造方
法は、上記窒化ケイ素や炭化ケイ素等のセラミックス原
料の粉体に酸化アルミニウムや酸化ベリリウム等の他の
セラミックス粉体粒子を焼結促進剤として混合してなさ
れていた。

また、特に複雑精密形状の製品を形造る場合には、上
記セラミックス原料の粉体をワックスや樹脂等の有機物
の溶融体及び上記焼結促進剤と混合して射出成形する方
法が採用されていた。この場合には、セラミックスを成
形後、加熱して成形助剤としての上記有機物を除去し、
爾後、焼結を行なってセラミックス成形体を緻密化して
いた。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで、この種の高強度セラミックス成形焼結体の
製造方法にあっては次のごとき問題点があった。

上記窒化ケイ素や炭化ケイ素などのセラミックス原料
への上記焼結促進剤の添加は、セラミックス原料の粉体
に他のセラミックスの粉体粒子を混合することによりな
されているため、均一な混合が困難であり、その焼結促
進効果を充分に発揮させるためには数％〜10数％以上の
多量な添加を必要としていた。そのため、このようにし
て製造されたセラミックス成形焼結体にあっては材質が
不均質となり、信頼性或いは機械特性が低いという問題
があった。

また、上記射出成形方法にあっては成形時の原料の流
動性を良くすることが重要であるが、この流動性を良く
するためには体積率で50％近くの上記有機物の混合を必
要とした。このため、セラミックス成形体に歪や亀裂等
の欠陥を発生させずに上記有機物を除去することが困難
となり、又セラミックス成形体の充填密度が低く、最終
的にセラミックス成形焼結体の機械特性も低くなるとい
う問題があった。

上述のごとき問題点に鑑みて本発明は窒化ケイ素や炭
化ケイ素等のセラミック原料への焼結促進剤や成形助剤
としての有機物の混合量が低減できると共に、高品質の
成形焼結体を得ることができる高強度セラミックス成形
焼結体の製造方法を提供することを目的とするものであ
る。

［問題点を解決するための手段］ 従来技術における問題点を解決すべく本発明はセラミ
ックス原料に、脂肪酸金属塩と、これと相溶性のある有
機物との液状混合物を混練し、これを所定の形状に成形
した後、加熱して上記脂肪酸金属塩及び有機物を熱分解
させ、爾後、このセラミックス成形体を焼結して緻密化
するようにしたものである。

上記セラミックス原料には窒化ケイ素粉、炭化ケイ素
粉又はケイ素粉或いはこれらの混合物を主成分として60
体積％以上含むものを用いる。他の40％体積以下の成分
には機械的特性や耐蝕性等を向上させるべく例えば分散
強化用酸化ジルコニウム粒や炭化ケイ素ウィスカー等の
強化剤を含んでも良い。

また、上記脂肪酸金属塩を形成する脂肪酸は、ステア
リン酸、オレイン酸、ラウリン酸及びカプロリン酸等で
あり、金属は周期律表におけるII a族、III族、IV族、
Ｖ族及びVI族等である。

更に、上記有機物には脂肪酸金属塩と相溶性のある例
えばオイル、ワックス、炭化水素系高分子及び含酸素炭
化水素系高分子或いはこれらの混合物等を用いる。脂肪
酸金属塩との相溶性は有機物を250℃以下の温度に加熱
することによって得られても良い。

また更に、上記セラミックス原料に対する脂肪酸金属
塩の添加量は、脂肪酸塩中の金属換算で0.2〜５重量％
とし、セラミックス原料に対する脂肪酸金属塩と、これ
と相溶性のある有機物との液状混合物の混合量は30〜60
体積％とする。

そして、これらの混合物の成形は、混合物を金型内に
高圧で充填し、複雑精密形状を造る射出成形法、或いは
混合物を口金から押し出し、複雑精密形状の断面を有す
る長尺物を造る押出成形法にて行なう。

上記射出成形法或いは押出成形法にて成形したセラミ
ックス成形体の加熱は、酸化性雰囲気又は非酸化性雰囲
気にて行ない、脂肪酸金属塩を熱分解させて酸化物等に
変化させると共に、有機物を熱分解あるいは除去する。
この有機物は炭素として残留することもある。

最終的には脂肪酸金属塩及び有機物を熱分解させたセ
ラミックス成形体を常圧にて雰囲気を調整するか、或い
は加圧して焼結させ緻密化させて高強度、高密度、均質
性の高いセラミックス成形焼結体を得る。上記セラミッ
クス原料としてケイ素粉を含む場合には、窒素雰囲気と
すれば窒化ケイ素が、不活性雰囲気とすれば炭化ケイ素
が得られるものである。

［作 用］ 上述の如くなされ、上記セラミックス原料の粉体を、
脂肪酸金属塩と、これと相溶性のある有機物との液状混
合物に充分混練して分散させることにより、上記有機物
はセラミックス原料粉に流動性を与え、この混練物を所
定の形状に成形する際の成形性を良くさせる。また脂肪
酸金属塩自体も相溶して液体の一部となり、セラミック
ス原料粉に流動性を与えるように作用すると共に、セラ
ミックス原料粉と均一に混合される。更に、この脂肪酸
金属塩は上記セラミックス原料粉の粒表面と上記有機物
液体との濡れ性を良くするため、混練物中におけるセラ
ミックス原料の分散性をより向上させるものである。

また、上記混練物は液状となっているため、射出成形
法や押出成形法等によって良好に成形される。この成形
体は酸化性雰囲気又は非酸化性雰囲気にて加熱され、上
記脂肪酸金属塩はこの加熱により熱分解を経て金属酸化
物等となる。この金属酸化物は成形体を焼結する際、窒
化ケイ素又は炭化ケイ素等のセラミックス原料に対して
焼結促進剤として働くものである。

上記窒化ケイ素粉又は炭化ケイ素粉を主成分とするセ
ラミックス原料は上記焼結により緻密化され、優れた機
械特性を示すことになる。また、ケイ素粉をセラミック
ス原料とした場合には窒素雰囲気で焼結させることによ
り窒化ケイ素を生成し、不活性雰囲気で焼結させれば炭
素との共存により炭化ケイ素を生成するものである。

ここで上記セラミックス原料に対する脂肪酸金属塩の
添加量を脂肪酸塩中の金属換算で0.2〜５重量％とした
のは0.2重量％未満では上記焼結促進効果がほとんど表
われず、また５重量％を超えると焼結体としての特性が
劣化するためである。またセラミックス原料に対する脂
肪酸金属塩と、これと相溶性のある有機物との液状混合
物の混合量を30〜60体積％としたのは、30体積％未満で
は混練物の流動性が不充分となり成形に適さず、他方、
60体積％を超えると、成形体に歪や割れ等が生じ易いた
めである。

尚、上記有機物としては、脂肪酸金属塩を必要量溶解
させ得る相溶性を有するものであることが必要であり、
この相溶性はこれらの熱分解が顕著となる250℃以下の
温度まで加熱して得られても良い。例えば、オイル、ワ
ックス又は低分子量のポリエチレン、ポリプロピレン、
ポリエチレングリコール、ポリスチレン、ポリエチレン
酢酸ビニル等から選定し、必要により更にこれに可塑剤
としてフタール酸系の有機物や、セラミックス原料粉体
との濡れ性を良くするステアリン酸、カップリング剤等
を添加しても上述した作用が得られるものである。

［実施例］ 以下に本発明の高強度セラミックス成形焼結体の製造
方法の実施例を添付図面に基づいて詳述する。

第１図は本発明方法における製造工程を示す説明図で
ある。この製造工程に従って、第１の実施例にあっては
セラミックス原料１として平均粒径0.8μｍで１重量％
の遊離炭素を含有する炭化ケイ素粉100重量部に対し、
脂肪酸金属塩２としてモノステアリン酸アルミニウム10
重量部（金属アルミニウム換算で上記炭化ケイ素に対し
て約１重量％）及びこれと相溶性を有する有機物３とし
てワックス７重量部を添加し、180℃にて充分混練し、
分散させる。この際、上記モノステアリン酸アルミニウ
ムとワックスとを予め液状４に混合させておき、炭化ケ
イ素と混練５する。このようにして炭化ケイ素粉体約65
体積％を含む加熱混練物が得られる。そして、この加熱
混練物を押出成形法により例えばパイプ形状等の所定の
形状に成形６する。次に、このセラミックス成形体をア
ルゴンガス気流中にて800℃まで加熱７する。この加熱
によりセラミックス成形体中の上記ステアリン酸アルミ
ニウム及びワックスを熱分解させる。爾後、このセラミ
ックス成形体を一気圧下のアルゴンガス雰囲気中にて21
50℃で焼結８して緻密化させる。

上記セラミックス成形体の成形６から焼結８までの状
況は第２図に示すような変化を示すものである。

これにより、理論密度の97％以上もの密度を有する均
質な炭化ケイ素成形焼結体を得ることができた。そし
て、このようにして得られた炭化ケイ素成形焼結体より
切り出した試験片により曲げ強度を測定した結果、50kg
f/mm²以上もの高強度を示した。

次に第２の実施例にあっては平均粒径0.5μｍの窒化
ケイ素粉と、平均粒径0.3μｍの酸化ジルコニウム粉と
を重量比で60:40に混合したセラミックス原料１の粉体1
00重量部に対して、脂肪酸金属塩２としてモノステアリ
ン酸アルミニウム３重量部及びラウリン酸アルミニウム
３重量部を添加すると共に、これらと相溶性のある有機
物３としてワックス12重量部、エチレン酢酸ビニル樹脂
（平均分子量3000）２重量部及び魚油１重量部を添加し
て、170℃にて充分混練し分散させる。この際、上記モ
ノステアリン酸アルミニウム及びラウリン酸アルミニウ
ムと、ワックス、エチレン酢酸ビニル樹脂及び魚油とを
予め液状４に混合させておき、上記窒化ケイ素及び酸化
ジルコニウムと混練５する。この加熱混練物を射出成形
法により例えば小型回転円板形状等の所定の形状に成形
６する。次に、このセラミックス成形体を空気流中にて
500℃まで加熱７する。この加熱によりセラミックス成
形体中の上記モノステアリン酸アルミニウム及びラウリ
ン酸アルミニウムを酸化アルミニウムに変化させると共
に、上記ワックスやエチレン酢酸ビニル樹脂等を酸化さ
せて除去する。爾後、このセラミックス成形体を窒化ほ
う素粉体中に埋め込んで1700℃、500kgf/cm²にて加圧焼
結８して緻密化させる。尚、上記酸化ジルコニウムは強
化剤、酸化アルミニウムは焼結促進剤として作用するも
のである。

これにより、略理論密度と等しい均質な窒化ケイ素系
成形焼結体円板を得ることができた。そして、このよう
にして得られた窒化ケイ素成形焼結体より切り出した試
験片により４点曲げ強度80kgf/mm²、破壊靭性7MPa・ｍ
という高い特性が得られることが確認された。

また次に、第３の実施例にあっては平均粒径1.2μｍ
のケイ素粉に平均径１μｍで長さ50μｍの炭化ケイ素ウ
ィスカーを30重量％混合したセラミックス原料1 100重
量部に対して、脂肪酸金属塩２としてステアリン酸アル
ミニウム５重量部及びステアリン酸マグネシウム５重量
部を添加すると共に、これらと相溶性を有する有機物３
としてワックス３重量部及びポリエチレングリコール
（平均分子量5000）５重量部を添加し、160℃にて充分
混練し、分散させる。

この際、上記ステアリン酸アルミニウム及びステアリ
ン酸マグネシウムと、上記ワックス及びポリエチレング
リコールとを予め液状４に混合させておき、上記ケイ素
及び炭化ケイ素ウィスカーと混練５する。この加熱混練
物を射出成形法により例えば小型ガスタービンの静翼形
状等の所定の形状に成形６する。次に、この成形体を大
気中にて600℃まで加熱７する。この加熱によりセラミ
ックス成形体中の上記ステアリン酸アルミニウム及びス
テアリン酸マグネシウムを夫々酸化アルミニウム及び酸
化マグネシウムに変化させると共に、上記ワックス及び
ポリエチレングリコールを酸化させて除去する。そし
て、成形体を窒素気流中で1250℃に加熱してケイ素の窒
化反応焼結を行ない窒化ケイ素セラミックス成形体にす
る。爾後、このセラミックス成形体上にシリカ・ガラス
を含むカプセルを形成した後、熱間等方圧プレス中にて
1700℃、2000気圧で加圧焼結８して緻密化させる。

これにより上記炭化ケイ素ウィスカーにて強化された
高強度窒化ケイ素セラミックス成形焼結体を得ることが
できた。

［発明の効果］ 以上要するに本発明によれば、次のごとき優れた効果
を発揮する。

（１） セラミックス原料粉に、脂肪酸金属塩と、これ
と相溶性のある有機物との液状混合物を混練して成形す
るようにしたので、有機物がセラミックス原料粉に流動
性を与え、脂肪酸自体も有機物と相溶して液体の一部と
なりセラミックス原料に流動性を与え、この脂肪酸金属
塩がセラミックス原料粉の粒表面と上記有機物液体との
濡れ性を良くするため、混練物中にセラミックス原料が
充分に分散され、均質になり成形性を向上させることが
できる。

（２） このように脂肪酸金属塩及びこれと相溶性を有
する有機物は互いにセラミックス原料の流動性や分散性
を高め合うため、これらの添加量を比較的少なくするこ
とができる。

（３） 加熱によりセラミックス成形体中の脂肪酸金属
塩及び有機物を熱分解して脂肪酸金属塩を酸化金属に変
化させ、有機物を酸化させて除去ないし炭化するが、上
述の如く添加量が少ないため、これらの熱分解にあたっ
て、セラミックス成形体に歪や亀裂等の欠陥が生ずるの
を防止することができる。

（４） いわゆる成形助剤として働く脂肪酸金属塩は加
熱により酸化金属に変化するため、これがセラミックス
成形体の焼結の際に、焼結促進剤として働くことにな
り、上述の如くその流動性により極めて均質にセラミッ
クス成形体中に分散されているため、少量の添加で有効
に焼結促進効果を発揮することができる。

（５） 良好な焼結が行なわれ、セラミックス成形焼結
体が緻密化されて均質で高密度となり、優れた特性を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の高強度セラミックス成形焼結体の製造
方法の製造工程を示す説明図、第２図は本発明の高強度
セラミックス成形焼結体の製造方法におけるセラミック
ス成形体の成形から焼結までの状況を示す説明図であ
る。 図中、１はセラミックス原料、２は脂肪酸金属塩、３は
有機物、４は液状、５は混練、６は成形、７は加熱、８
は焼結である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 // Ｃ０４Ｂ 35/00 Ｘ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】窒化ケイ素、炭化ケイ素、ケイ素から選ば
   れた粉体を60％以上含むセラミックス原料に、脂肪酸金
   属塩と、これと相溶性のある有機物との液状混合物を混
   練し、これを所定の形状に成形した後、加熱して上記脂
   肪酸金属塩及び有機物を熱分解させ、爾後、このセラミ
   ックス成形体を焼結して緻密化するようにしたことを特
   徴とする高強度セラミックス成形焼結体の製造方法。