JPH0832590B2

JPH0832590B2 - 炭化ケイ素焼結体およびその製法

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Publication number: JPH0832590B2
Application number: JP61237949A
Authority: JP
Inventors: 弘則児玉; 忠彦三▲吉▼
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-10-08
Filing date: 1986-10-08
Publication date: 1996-03-29
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: JPS6395159A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、炭化珪素焼結体に係り、特に高温構造材料
として好適なじん性の優れた炭化ケイ素焼結体およびそ
の製法に関する。

〔従来の技術〕

炭化ケイ素焼結体は、極めて優れた物理的性質を有
し、化学的にも安定であり、特にガスタービンおよびエ
ンジン用部品材料、高温熱交換器材料、原子炉用壁材な
ど高温用構造材料として好適な材料である。しかしなが
ら炭化珪素焼結体をこのような構造材料として利用しよ
うとする場合には、高い強度およびじん性が要求され、
特に動的部分に応用する場合には、材料のじん性を向上
させることが不可欠である。

じん性を向上させるためには、材料の破壊エネルギー
を大きくする必要がある。この方法としてフアイバーや
ウイスカで複合化したり、マトリツクスとは物理的性質
の異なる粒子を分散して、じん性を向上させようとする
研究が数多くなされている。これらの材料においては、
複合化のために添加した材料によつて、クラツクの進行
方向が折れ曲がつたり、クラツクの進展が阻止されるた
め通常の複合化しないセラミツクスに比べて破壊にをす
るエネルギーが大きくなる。またフアイバーやウイスカ
などの繊維状の材料を複合化したセラミツクスでは、上
記と同様な機構に加えて、さらに破壊の際にフアイバー
やウイスカがマトリツクスから引き抜けることによる破
壊エネルギーの増加機構が考えられる。このように破壊
に要するエネルギーが大きくなることによつて、セラミ
ツクスは高じん化する。しかしながら、高温構造材とし
て、これら複合セラミツクスを考える場合には、強度・
じん性の他に耐熱性，耐酸化性なども大きな要素とな
る。この点で、まだまだ不充分な複合材料が多く、問題
は多く残されている。例えば、ZrO₂の相転移を利用した
高じん化材は、ZrO₂の相転移温度付近より高い温度（＜
1000℃）では、高じん性が失なわれる。また金属やこれ
らの炭化物窒化物、ホウ化物、ケイ化物といつた化合物
を複合添加して高じん化させる場合にも、耐熱性，耐酸
化性がマトリツクス単体より劣化する場合が非常に多
い。従つて、少なくともマトリツクス材（母材）及び複
合添加する材料が共に、単体では耐熱性，耐酸化性に優
れたものであり、それらの中から、高じん化する組合せ
を選択しなければならない。

ところが耐熱性，耐酸化性に非常にすぐれた材料であ
る炭化ケイ素のウイスカを、耐酸化性にすぐれた酸化物
系マトリツクスに複合添加した場合にも、高温でSiCウ
イスカが周囲のマツリツクスと反応してしまい、複合セ
ラミツクスの耐酸化性が劣化する場合などが有り、問題
は複雑である。

従つて、複合化でなく、本質的に耐熱性に優れたセラ
ミツクス自身の微構造を変化させて、高じん化させる方
法が有望視される。

耐熱性に優れ、かつ高強度であるとして注目されてい
る窒化ケイ素及びサイアロンについては、窒化ケイ素原
料粉中のα型粉末の占める割合（α化率）を高めること
で、焼結中に結晶をα型からβ型へ相転移させ、結晶の
異方性粒成長をうながす方法が一般に行われている。窒
化ケイ素，サイアロンでは、この異方性粒成長によつて
結晶粒子が針状となるので、繊維を複合した場合と同様
の機構によつてじん性を向上させることに成功してい
る。

これに対して、窒化ケイ素，サイアロンよりも、さら
に耐熱性に優れ、将来性には高温構造材料の最有力候補
と目されている炭化ケイ素においても、同様に焼結中に
結晶を異方性成長させる方法が、例えば特開昭57-17465
号公報などすでに提案されている。ところが炭化ケイ素
は、窒化ケイ素，サイアロンと違つて、異方性粒成長さ
せた粒子は板状となり、針状粒子として生成しない。板
状粒子が生成した焼結体では、もしクラツクがこれらの
板状粒子にぶつかつてクラツクの進展を止められ、さら
にクラツクが板状粒子をう回し、板状粒子が大きく引き
抜けるようになれば、じん性は大きく向上すると考えら
れるが、実際には大きな板状粒子は、同じアスペクト比
（粒子長／粒子径の比）をもつ針状粒子に比べて体積
（もしくは表面積）が大きい（板状粒子のアスペクト比
≡直径／厚さ比とする）ので、その分欠陥を含み、強度
的に弱い。従つて大きな板状粒子は針状粒子に比べて焼
結体から引き抜けず、粒内破壊しやすくなるのが一般的
である。

炭化ケイ素焼結体においては、比較的均一な大きさの
板状粒子が相互に交錯し、その間隙を微細で等方的な粒
子が埋めているような微構造が実現でき、このような組
織を有する炭化ケイ素焼結体の破壊じん性値はK_IC＝５
〜6MN/m^3/2で、通常の等方的な結晶粒子のみによつて構
成される炭化ケイ素（K_IC＝３〜4MN/m^3/2）に比べて、
じん性は向上している。しかし、破面観察からは、板状
粒子の小規模な引抜けは見られるが、大きな引抜けは見
られず、クラツクが板状粒子を大きくう回することな
く、そのまま、もしくは途中で板状粒子を破壊して進展
することがわかる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上述べたように、炭化ケイ素焼結体では、板状粒子
の効果が充分に発揮されず、じん性が充分に向上してい
ない。また炭化ケイ素では、通常の焼結では針状粒子を
生成させることは困難である。

本発明の目的は、主として針状粒子より構成された高
精度・高じん性の炭化ケイ素焼結体を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、炭化ケイ素焼結体製造用の原料粉末を通
常の比較的等方的な粉末から、針状の粉末へ変えること
により、達成される。

炭化ケイ素，針状物としては、繊維状物，ウイスカが
考えられるが、具体的には、針状原料の径があまり大き
いと焼結性が著しく悪くなるし、さらに炭化ケイ素の焼
結温度まで、針状物が高強度を保つ必要があるので、ウ
イスカが最も有効である。

近年、炭化ケイ素ウイスカを、耐熱性のマトリツクス
である、アルミナ，窒化ケイ素，炭化ケイ素へ複合添加
することでじん性を向上させようとする研究が盛んであ
る。これらの研究によれば、炭化ケイ素ウイスカの添加
量が30〜40容量％位までは、じん性はウイスカ添加量が
増加すると共に、向上するが、これ以上ウイスカの添加
量を増すと焼結性が悪くなり複合焼結体の密度が著しく
低下する。このため複合焼結体は、強度，じん性とも低
くなつてしまう。

これは、ウイスカという針状の粉末と、等方的な粒子
より成る微細粉末の混合粉末を焼結する際に、等方的な
粉末の方が針状粉末より焼結性に優れるため、この部分
が先に焼結を始め、不均一に焼結が進行するようにな
る。従つて、ウイスカの添加量が増加すると、この不均
一性が増大するため、徐々に焼結性が悪くなり、易焼結
部分が他の部分の焼結を妨げるので緻密化が困難となる
と考えられる。

しかしながらウイスカの量が非常に多くなる（70vol
％以上）と、逆に焼結の進行の不均一性は減少してく
る。全体的な焼結性は、通常の等方性粉末のみを用いた
場合に比べると悪いが、最終的な緻密化は可能である。
ただし、ウイスカのような針状粉末は緻密に充てんする
こと自体、非常に難しいので、あまりアスペクト比（粒
子長／粒子径の比）が大きい粉末では針状粒子同志がか
らみ合つて緻密化が困難となる。

緻密化するためには、アスペクト比が50以下、好まし
くは20以下が望ましい。一方、じん性向上に寄与するた
めには、焼結体中の針状粒子のアスペクト比が３以上で
あることが必要である。このような好ましいアスペクト
比をもつた焼結用針状粉末を得るためには、入手した針
状粉末を粗粉砕したり、さらにそれらを分級する必要が
ある。例えば、ボールミル粉砕や、らいかい機による粉
砕を行つても、すぐには等方的粉末まで粉砕するには至
らないので、適当な手法と時間を選べば、良好なアスペ
クト比を持つた粉末が得られる。さらに高強度焼結体を
得るためには、粒子径が小さい方（≦15μｍ）が好まし
い。とくに３μｍ以下が望ましい。

このような粉末を原料粉末とし、焼結体を構成する粒
子のうち、アスペクト比が３以上の針状粒子を70容量％
以上含有させることにより相対密度90％以上（好ましく
は95％以上）を有する炭化ケイ素焼結体が得られる。

さらに上記のような原料粉末を用いて焼結体を製造す
る際、成形時に押し出し成形，テープ成形あるいは焼結
時に一軸加圧などの方法を用いることにより、針状粒子
を一軸方向もしくは一定面方向に配向させることもでき
る。

〔作用〕

本発明の焼結体においては、クラツクは針状粒子、特
にクラツク進行面に対して大きな角度（＜90°）をもつ
て存在する針状粒子によつて、その進展が止められた
り、進行方向を曲げられたり、さらに針状粒子の引き抜
けにより破壊エネルギーを吸収するため、焼結体のじん
性が向上する。特に針状粒子に配向性を持たせた焼結体
では、針状粒子の配向方向に対して垂直な方向で、じん
性はより向上する。

また、焼結体の強度に対し、針状粒子径が小さいので
これら針状粒子が欠陥として作用することは少く、従つ
て、通常の炭化ケイ素焼結体と同程度の強度を有する。

さらに、本発明の焼結体は本質的に炭化ケイ素単体の
焼結体であるので、耐熱性，耐酸化性等も非常に優れて
いる。

〔実施例〕

以下，本発明の実施例を説明する。

［実施例１］炭化ケイ素ウイスカ（平均直径約0.5〜0.6μｍ、平均
長さ約40.60μｍ）98mol％に対して、焼結助剤としてAl
粉末を2mol％添加した混合粉末を、ボールミルで６〜24
h粉砕・混合した。得られた粉末を電子顕微鏡で観察し
たところ、長さは短くなつているがほとんどが針状のま
まの形状を保つており、粒子長／粒子径の比が３〜20の
針状粒子が約90％以上を占めていた。又平均長さは約７
μｍであつた。

これらの針状粉末を1900〜2100℃でホツトプレス焼結
した。得られた焼結体の微構造を、ホツトプレス方向の
垂直な面を研磨、エツチングして、観察したところ、粒
子長／粒子径比が３〜20の炭化ケイ素の針状粒子が全体
の約90％を占めていた。

1900℃でホツトプレスした焼結体の相対密度（Dr）は
95％、破壊じん性値K_IC＝6.1MPam^1/2、2050℃での焼結
体のDrは98％、K_IC＝8.3MPam²、2100℃^1/2での焼結体で
Dr＞99％、K_IC＝8.6MPam^1/2であり、通常の等方的な粒
子より成る炭化ケイ素焼結体に比べて、じん性が約1.7
〜2.5倍向上している。

［実施例２］あらかじめボールミルで12h粉砕した炭化ケイ素ウイ
スカを60〜100％の範囲に対し通常の等方性のα型炭化
ケイ素粉（平均粒径0.5μｍ）より成る混合粉末98mol％
にして、AlN粉末を2mol％添加・混合し、焼結用混合粉
末とした。

これらの粉末を、真空中、2050℃でホツトプレス焼結
した。結果を第１表及び第１図に示す。

針状粒子の配合量が多くなるに従つて、相対密度およ
び強度が向上する。

［実施例３］実施例１で用いたと同じ原料粉末を用い、これにさら
に熱可塑性樹脂を加えて十分混練した後、射出成形によ
り棒状成形体を成形した。成形体中の針状粒子は、一方
向に配向していた。この様子を第２図に示す。

得られた成形体を、黒鉛ダスト中にセツトし、ホツト
プレス焼結（2000℃，真空中，加圧力50MPa）した後、
さらにHIP焼結した（2000℃,Ar中，ガス圧196MPa）。

得られた焼結体はDr＝97％，K_IC＝8.8MPam^1/2、曲げ
強度（σ_ｆ）903MPaであつた。但し、K_IC，σ_ｆの測定
は、クラツクが、針状粒子の配向方向に対して垂直に進
むようにして行つた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、針状粒子により構成された焼結体は
緻密でじん性の大きい炭化ケイ素焼結体が得られる。こ
れらは本質的に炭化ケイ素のみで構成されているので高
温構造材に好適な特性を兼ね備えた焼結体が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例により得られた焼結体の密
度及び破壊じん性値と針状粒子の含有量との関係を示す
曲線図、第２図は、実施例３の成形及びその際の針状粒
子の配向の様子を概略的に示したものである。１……成形体、２……混練粉、３……ノズル。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】焼結体を構成する炭化ケイ素結晶粒子のう
ち、粒子長／粒子径の比が３〜50の針状粒子を70容量％
以上含むことを特徴とする炭化ケイ素焼結体。
【請求項２】針状粒子90％以上が粒子径15μｍ以下であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の炭化ケ
イ素焼結体。
【請求項３】粒子長／粒子径の比が３〜20である針状粒
子を70容量％以上含むことを特徴とする特許請求の範囲
第２項記載の炭化ケイ素焼結体。
【請求項４】針状粒子の70％以上が一方向に配向してい
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項
のいずれかに記載の炭化ケイ素焼結体。
【請求項５】密度が理論密度の90％以上である特許請求
の範囲第１項ないし第３項のいずれか記載の炭化ケイ素
焼結体。
【請求項６】焼結体中に、Al,Y,Mg,B,C,Beの元素および
これらの化合物から選ばれた１種以上を、各元素に換算
して、0.2〜10mol％含有することを特徴とする特許請求
の範囲第１項ないし第３項のいずれか記載の炭化ケイ素
焼結体。
【請求項７】炭化ケイ素ウイスカを粉砕することにより
粒子長／粒子径の比が３〜20の針状単結晶粒子を70容量
％以上含有した炭化ケイ素粉末の原料粉末を作成し、こ
れに焼結助剤を加えて成形し、1600〜2200℃の非酸化性
雰囲気中で加圧焼結することを特徴とする炭化ケイ素焼
結体の製法。
【請求項８】針状粒子の90％以上が粒子径15μｍ以下で
あることを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の炭化
ケイ素焼結体の製法。