JPH0872032A

JPH0872032A - 繊維強化セラミックスの製造方法

Info

Publication number: JPH0872032A
Application number: JP6216192A
Authority: JP
Inventors: Tsuneo Tateno; 常男立野; Takehiro Tsuchida; 武広土田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1994-09-09
Filing date: 1994-09-09
Publication date: 1996-03-19

Abstract

(57)【要約】【目的】より厚肉な部材であっても、強化短繊維に均
一な配向性を付与でき、焼結時に変形や割れ等が発生す
ることがなく、かつ厚さ方向にも均質な材料特性を得る
ことのできる繊維強化セラミックスの製造方法を提供す
る。【構成】セラミックス粉と強化短繊維とを溶媒液中に
分散させたスラリー(S)を、石膏型(3) を配した鋳込み
型(1) に注入すると共に背圧(P) を付加し、この石膏型
(3) を通して前記溶媒液を排出させ、その表面上にセラ
ミックス粉と強化短繊維の着肉層(LA)を成長させて成形
体を形成し、しかる後、その成形体を焼結して繊維強化
セラミックスを製造するについて、前記成形体の形成に
際してスラリー(S) に付加する背圧(P) を、前記着肉層
(LA)の厚さ(L) の増加ないしは加圧開始からの経過時間
に比例して増大させる。【効果】成形体の形成に際する石膏型の吸液速度を一
定として、強化短繊維に均一な配向性を付与できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐食構造部材、切削工
具、耐摩耗治工具、高温用部材等として用いて好適な繊
維強化セラミックスの製造方法に関し、詳細には、強化
繊維の配向性が均一で靭性と強度に優れる繊維強化セラ
ミックスの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高温、腐食および摩耗性環境下で
高強度を必要とされる部材や部品には、セラミックス基
等の複合材料の適用が広く進められている。一方、これ
ら複合材料の靭性・強度を改善するのにウイスカや炭素
短繊維などの強化繊維の添加が試みられ、特に、モノリ
シックなセラミックスの靭性改善には大きな期待がもた
れている。これは、強化繊維のプルアウト機構による靭
性向上と、該繊維の存在による結晶粒の粗大化の抑制に
よる強度向上などが得られるからである。そして、それ
ら繊維強化セラミックスの製造方法としては、種々の試
みがなされているが、従来では、セラミックスにウイス
カや短繊維（以下、ウイスカを含めて短繊維と略称）を
添加すると焼結性が悪くなるため、ホットプレス法によ
る製造が主体を占めていた。しかし、ホットプレス法
は、厚さの比較的薄い部材を製造する場合には、短繊維
の２次元的な配向性付与と緻密化に有効であるものの、
厚肉なものでは短繊維の配向性がランダムになり易く、
また複雑形状のものが成形し難い等の問題があった。

【０００３】そこで近年では、添加した短繊維に配向性
を付与でき、しかもホットプレス法よりも形状の自由度
が高く、かつ型の製造費が安価であるスリップキャスト
法やフイルタープレス法が注目され、その適用が種々試
みられている。そして、通常のスリップキャスト法で
は、原料粉を水等の溶媒液中に分散させたもの（スリッ
プやスラリー等と称されるもの）を、石膏型等の吸湿性
を有する型内に充填し、その型に溶媒液を吸収させて常
圧下で成形体を得るのであるが、繊維強化セラミックス
では、例えば、特開昭63−288973号公報に提案されてい
るように、原料粉を溶媒液中に分散させたスラリー（ス
リップ）を、フイルター等の多孔質体で形成された型内
に充填した後、このスラリーを型の多孔質体に向けて一
定の加圧力で加圧し、その多孔質体を通して溶媒液を排
出させて成形体を得、しかる後にその成形体を焼結する
方法、つまり加圧スリップキャスト法およびフイルター
プレス法の適用が、添加した短繊維の２次元的な配向度
を高めるに効果的であるとされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のスリップキャスト法やフイルタープレス法による成
形体を焼結すると、次のような問題が生じていた。すな
わち、これら成形法では、その概念説明図である〔図
３〕に示すように、セラミックス粉(C) と短繊維(W) を
分散させたスラリー(S) 中の溶媒液(F) を、多孔質の型
(21)を通して排出し、その吸液面(21a) 上にセラミック
ス粉(C) および短繊維(W) の着肉層(LA)を成長させる過
程で、短繊維(W) に配向性を付与するのであるが、その
配向性は型(21)の吸液速度ｖに大きく左右される。しか
し、この吸液面(21a) 上で成長する着肉層(LA)は、それ
自体が通液抵抗を有する圧密層となるため、その成長に
伴って吸液面(21a) に向かう溶媒液(F) の流れに対する
抵抗を高め、型(21)の吸液速度ｖを急激に低下させる。
そのため、 (a)図に示すように吸液面(21a) に近いとこ
ろ、つまり初期に形成された着肉層(LA)では、極めて高
い短繊維(W) の配向性があるものの、その着肉層(LA)厚
さＬがあまり成長しない間に（例えば、１気圧のスリッ
プキャストでは、約 5mmの厚さに成長した時点）、型(2
1)の吸液速度ｖが急激に低下し、それに伴って短繊維
(W) の配向性も失われて行き、結果 (b)図に示すよう
に、得られた成形体(B) は、厚さ方向での短繊維(W) の
配向性が不均一なものとなり易い。またこのことは、一
定の背圧を付加する加圧スリップキャスト法やフイルタ
ープレス法でも同様に生じ、かつ成形体の厚さが厚くな
ればなるほど顕著となる。

【０００５】ここで、短繊維を含まない通常の粉末法に
よる成形体を焼結すると、その説明図である〔図４〕の
(a)図に示すように、その成形体(B")が等方的に均一に
収縮した焼結体(B1") が得られる。また、短繊維をラン
ダムに配向させた成形体を焼結すると、同様に、焼結時
の収縮率に異方性のない焼結体が得られるものの、その
焼結組織の密度が上がり難いという問題が生じる。一
方、同 (b)図に示すように、短繊維(W) を一定方向に配
向させた成形体(B')を焼結すると、その焼結収縮量が、
短繊維の配向方向と直交する方向で大きく、配向方向で
小さい焼結体(B1') となる。つまり短繊維を配向させて
含む粉末成形体には、その短繊維の配向性を高めるほ
ど、配向方向の焼結収縮率が減り、配向方向と直交方向
には焼結収縮率が増加するという収縮の異方性が存在す
る。そのため、前記のように短繊維(W) の配向性が厚さ
方向で不均一な成形体(B)を焼結すると、同 (c)図に示
すように、その配向性に応じて焼結時の収縮率が異方的
に変わるので、得られた焼結体(B1)に著しい変形や場合
によっては割れが発生する。また、その諸特性も不均一
な短繊維の配向性に影響され、均質な材料特性が得難い
という問題が生じる。また、これらの問題は、厚肉な部
材を製造する場合に顕著となる。

【０００６】本発明は、上記従来技術の問題点を解消す
るためになされたもので、より厚肉な部材であっても、
添加した強化短繊維に均一な配向性を付与でき、よって
焼結時に異方収縮が生じても、著しい変形や割れ等が発
生することがなく、靭性と強度に優れ、かつ厚さ方向に
も均質な材料特性の部材を得ることのできる繊維強化セ
ラミックスの製造方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は以下の構成とされている。すなわち、本
発明に係る繊維強化セラミックスの製造方法は、母材と
なすセラミックス粉と強化短繊維とを溶媒液中に分散混
合してなるスラリーを、多孔質体で形成された型枠内に
充填した後、このスラリーに背圧を付加して前記多孔質
体に向けて加圧し、この多孔質体を通して溶媒液を排出
させてその表面上にセラミックス粉および短繊維の着肉
層を成長させることで、前記型枠内でセラミックス粉と
強化短繊維とからなる成形体を形成し、しかる後、この
成形体を高温で焼結する繊維強化セラミックスの製造方
法において、前記成形体の形成に際してスラリーに付加
する背圧を、前記着肉層の厚さの増加ないしは加圧開始
からの経過時間に比例して増大させることを特徴とす
る。

【０００８】

【作用】本発明では、母材となすセラミックス粉と強化
短繊維とを溶媒液中に分散混合してなるスラリーに背圧
を付加して、充填された型枠の多孔質体に向けて加圧
し、この多孔質体を通して溶媒液を排出させてその表面
上にセラミックス粉および短繊維の着肉層を成長させる
ことで、前記型枠内でセラミックス粉と強化短繊維とか
らなる成形体を形成するのであるが、その際の多孔質体
の吸液速度と着肉層の厚さおよび背圧との関係より、下
記 (1)式が成り立つ。ｖ＝ｄｓ／ｄｔ＝Ｋ／η・Δｐ／Ｌ -------(1) 但し、ｖは多孔質体の吸液速度、ｓは吸液量、ｔは吸液
時間、Ｋは着肉層の液透過率、ηはスラリー濃度、Ｌは
着肉層の厚さ、Δｐは背圧と多孔質体の出側圧力との差
圧である。一方、通常の母材粒子や短繊維を用いた場合
には、差圧Δｐが変化してもＫとηは殆ど変わらないこ
とが実験で確認されている。従って、 (1)式のＫ／ηの
値は一定となり、これを定数Ａとおくと下記 (2)式が得
られる。ｖ＝Ａ・Δｐ／Ｌ -------(2) 上記 (2)式より、吸液速度ｖを一定にするには、Δｐ／
Ｌの値を一定にすれば良いことが分かる。また、その値
を定数Ｂとして、上記 (2)式を変形すると下記(3)式が
得られる。 Δｐ＝Ｂ・Ｌ -------(3) 更にまた、着肉層の厚さＬは、加圧開始からの経過時間
Ｔと比例関係にあることより、上記 (3)式を下記 (4)式
に置換することができる。 Δｐ＝Ｂ・Ｔ -------(4) つまり、差圧Δｐを着肉層の厚さＬないしは加圧開始か
らの経過時間Ｔに比例させれば、上記 (2)式より、吸液
速度ｖは一定となる。また、多孔質体の吸液速度ｖが一
定になれば、前述したように、その表面上で形成される
着肉層の短繊維の配向性も一定となる。ここで、本発明
においては、前記成形体の形成に際してスラリーに付加
する背圧を、前記着肉層の厚さの増加ないしは加圧開始
からの経過時間に比例して増大させるので、前記多孔質
体の吸液速度ｖを一定として、添加した強化繊維に均一
な配向性を付与することができ、よって焼結時に変形や
割れの発生がなく、かつ焼結後の材料特性が均質な繊維
強化セラミックスを得ることができる。

【０００９】なお、本発明における成形体の焼結・緻密
化の手段としては、常圧焼結および加圧焼結を始めとし
て、焼結後のＨＩＰやカプセルＨＩＰおよびホットプレ
ス等の一般的に用いられている方法が、目的に応じて適
用できる。

【００１０】

【実施例】本発明の実施例を図面を参照して以下に説明
する。 −実施例１− 平均粒径 0.5μm のα-Al₂0₃粉末を79.5wt％、平均直径
1.0μm でアスペクト比10の SiCウイスカを11.5wt％、
酸化物からなる焼結助剤を 9wt％とした混合物を、ボー
ルミルにて10時間湿式混合してスラリー(S) を製作し
た。また、溶媒液としては純水を用い、固形分の濃度が
64％になるように添加し、更に、スラリー(S) の分散性
を良くするために分散剤を 0.3wt％添加した。

【００１１】一方、その概要図である〔図１〕に示すよ
うに、上部に圧媒ガス導入孔(2a)を設けた倒立コップ状
の鋼製の型枠(2) の内底部に、格子状の支持板(4) に保
持された石膏型(3) を配してなる鋳込み型(1) を用意し
た。この鋳込み型(1) は、通常の加圧スリップキャスト
に用いられる構成のもので、その上部の圧媒ガス導入孔
(2a)は、図示省略の高圧空気供給装置に接続される一
方、石膏型(2) および支持板(3) の下方は大気に開放さ
れている。また本実施例では、石膏型(3) の上方の型枠
(2) 内穴の断面形状を、縦横それそれが40mmの平板が成
形できる方形断面形状とした。

【００１２】そして、この鋳込み型(1) 内に前記スラリ
ー(S) を注入し、石膏型(2) の表面上に着肉層(LA)が 1
mmほど形成された時点で、圧媒ガス導入孔(2a)を経て高
圧空気を導入し、スラリー(S) に背圧(P) を付加して石
膏型(2) に向けて加圧した。またこのとき、スラリー
(S) への背圧(P) を、導入する高圧空気の圧力を調整す
ることで、加圧開始からの経過時間に比例させ、単位面
積当たり0.2MPa/minの比例定数でもって増大させた。

【００１３】上記条件で加圧を続けて、石膏型(2) の表
面上で着肉層(LA)を成長させ、縦横がそれぞれ40mmで、
厚さが12mmの成形体を得た。次いで、この成形体を脱型
して十分に乾燥させた後に、最初の着肉層に相当する下
面部 1mmを削り取り、しかる後に、1800℃の温度で焼結
した。

【００１４】その結果、曲がり変形のない健全な焼結体
が得られた。また続いて、得られた焼結体を研削加工
し、石膏型(2) 面に平行な表裏２面および中央面につい
てＸ線回折により、 SiCウイスカの配向性を調査した。
またその配向性は、 SiCウイスカの(002) 面と(111) 面
の強度比を求め、更に、表面の強度を１として比較する
ことで評価した。その結果、〔表１〕に示すように、本
実施例で得られた焼結体での SiCウイスカの配向性は、
実験の誤差内で均一であることが確認できた。

【００１５】

【表１】

【００１６】ここで、本実施例では、前記スラリー(S)
に付加する背圧(P) を、その加圧開始からの経過時間に
比例させて増大させたが、これは成長する着肉層(LA)の
通液抵抗の増加を補償して解消するためであるので、そ
の背圧(P) は、着肉層(LA)の着肉厚さ(L) に比例して増
大させるものとされて良いことは言うまでもない。

【００１７】−実施例２− 平均粒径 0.8μm のα-Si₃N₄粉末を79.5wt％、平均直径
0.9μm でアスペクト比10の SiCウイスカを11.5wt％、
焼結助剤としてY₂O₄を 4.5wt％および Al₂0₃を4.5wt％
添加した混合物を、ボールミルにて10時間湿式混合して
スラリー(S) を製作した。また、溶媒液としては純水を
用い、固形分の濃度が64％になるように添加し、更に、
スラリーの分散性を良くするために分散剤を 0.3wt％添
加した。

【００１８】そして、このスラリー(S) を、前記実施例
１と同じ鋳込み型(1) 内に注入し、石膏型(2) の表面上
に着肉層(LA)が 1mmほど形成された時点で、前記実施例
１と同様に、そのスラリー(S) に背圧(P) を付加し、か
つ、その背圧(P) を、加圧開始からの経過時間に比例さ
せ、単位面積当たり0.4MPa/minの比例定数でもって増大
させた。

【００１９】上記条件で加圧を続けて、石膏型(2) の表
面上で着肉層(LA)を成長させ、縦横がそれぞれ40mmで、
厚さが12mmの成形体を得た。次いで、この成形体を脱型
して十分に乾燥させ、第１実施例と同様に、最初の着肉
層に相当する下面部 1mmを削り取り、しかる後に、1800
℃の温度で焼結した。

【００２０】その結果、曲がり変形のない健全な焼結体
が得られた。また続いて、得られた焼結体における SiC
ウイスカの配向性を、第１実施例と同様の手順によって
調査した。その結果、〔表２〕に示すように、本実施例
で得られた焼結体での SiCウイスカの配向性は、第１実
施例のものと同様に、実験の誤差内で均一であることが
確認できた。

【００２１】

【表２】

【００２２】−実施例３− 平均粒径 0.8μm のα-Al₂0₃粉末を79.5wt％、平均直径
1.0μm でアスペクト比10の SiCウイスカを11.5wt％、
酸化物からなる焼結助剤を 9wt％とした混合物を、ボー
ルミルにて10時間湿式混合してスラリーを製作した。ま
た、溶媒液としては純水を用い、固形分の濃度が64％に
なるように添加し、更に、スラリーの分散性を良くする
ために分散剤を 0.3wt％添加した。

【００２３】一方、その概要図である〔図２〕に示すよ
うに、円筒状の上金型(12)と、中心部に上下方向の多数
の通水孔(13a) を有して上金型(12)の下開口に嵌着され
た下金型(13)と、この下金型(13)上面に密着して配され
ると共に、外周縁部を該下金型(13)と上金型(12)とに挟
持された金属網製のフイルター(14)と、上金型(12)内に
上方から圧入される加圧ラム(15)とを備えてなる鋳込み
型(11)を用意した。この鋳込み型(11)は、通常のフイル
タープレス法に用いられる構成のもので、その加圧ラム
(15)は、図示省略の加圧装置に連結される一方、下金型
(13)の通水孔(13a) の下方は大気に開放されている。ま
た本実施例では、第１実施例と同様に、フイルター(14)
の上方の上金型(12)内穴の断面形状を、縦横それそれが
40mmの平板が成形できる方形断面形状とした。

【００２４】そして、この鋳込み型(11)内に前記スラリ
ー(S) を注入し、フイルター(14)の表面上に着肉層(LA)
が 1mmほど形成された時点で、加圧ラム(15)を圧下さ
せ、スラリー(S) に背圧(P) を付加してフイルター(14)
に向けて加圧した。またこのときの加圧ラム(15)による
背圧(P) は、その加圧開始からの経過時間に比例させ、
単位面積当たり0.4MPa/minの比例定数でもって増大させ
た。

【００２５】上記条件で加圧を続けて、フイルター(14)
の表面上で着肉層(LA)を成長させ、縦横がそれぞれ40mm
で、厚さが12mmの成形体を得た。次いで、この成形体を
脱型して十分に乾燥させた後に、第１実施例と同様に、
最初の着肉層に相当する下面部 1mmを削り取り、しかる
後に、1800℃の温度で焼結した。

【００２６】その結果、曲がり変形のない健全な焼結体
が得られた。また続いて、得られた焼結体における SiC
ウイスカの配向性を、第１実施例と同様の手順によって
調査した。その結果、〔表３〕に示すように、本実施例
で得られた焼結体での SiCウイスカの配向性は、第１実
施例のものと同様に、実験の誤差内で均一であることが
確認できた。

【００２７】

【表３】

【００２８】ここで、上記３実施例との対比のために、
前記従来の加圧スリップキャスト法に基づいて、前記実
施例１と同組成で同寸法形状の焼結体を製造した。まず
実施例１と同様に、平均粒径 0.5μm のα-Al₂0₃粉末を
79.5wt％、平均直径 1.0μm でアスペクト比10の SiCウ
イスカを11.5wt％、酸化物からなる焼結助剤を 9wt％と
した混合物を、ボールミルにより10時間湿式混合してス
ラリーを製作した。また、溶媒液としては純水を用い、
固形分の濃度が64％になるように添加し、更に、スラリ
ーの分散性を良くするために分散剤を 0.3wt％添加し
た。

【００２９】そして、このスラリー(S) を、前記実施例
１と同じ鋳込み型(1) 内に注入し、石膏型(2) の表面上
に着肉層(LA)が 1mmほど形成された時点で、圧媒ガス導
入孔(2a)を経て高圧空気を導入し、スラリー(S) に単位
面積当たり0.6MPaの一定圧力とした背圧(P')を付加して
石膏型(2) に向けて加圧した。

【００３０】上記一定圧力の加圧を続けて、石膏型(2)
の表面上で着肉層(LA)を成長させ、縦横がそれぞれ40mm
で、厚さが12mmの成形体を得た。次いで、この成形体を
脱型して十分に乾燥させた後に、前記実施例１と同様
に、最初の着肉層に相当する下面部 1mmを削り取り、し
かる後に、1800℃の温度で焼結した。

【００３１】その結果、得られた焼結体は球面の一部の
ように変形したものとなった。また続いて、得られた焼
結体における SiCウイスカの配向性を、第１実施例と同
様の手順によって調査した。その結果、〔表４〕に示す
ように、この比較例で得られた焼結体での SiCウイスカ
の配向性は、その厚さ方向で著しく変化していた。

【００３２】

【表４】

【００３３】すなわち、スラリーに付加する背圧を一定
とする従来技術では、型の吸水速度が成長する着肉層の
厚さに反比例して小さくなり、それに伴いウイスカの配
向度が急速に悪くなる。また、このことは前述の (1)式
により裏付けられる。これに対して、本発明では、スラ
リーに付加する背圧を着肉層の厚さに比例して増大させ
るので、成長する着肉層自体の通液抵抗の増大を解消し
て型の吸水速度を一定に保ち、前記３実施例で確認され
たように、強化繊維として添加されたウイスカ等の配向
度を均一なものとすることができる。

【００３４】なお、前記３実施例で用いたα-Al₂0₃粉末
およびα-Si₃N₄粉末の粒径、強化繊維としての SiCウイ
スカ、その直径とアスペクト比は、好ましい一例であっ
て、本発明はこれらに限定されるものではない。例え
ば、原料セラミックス粉の粒度は、 1μm 以上では十分
な焼結強度が得られないので、その平均粒径は 1μm 以
下が望ましい。また、強化繊維として添加する短繊維と
しては、 SiCウイスカの他に、 Si₃N₄ウィスカ、 TiCウ
ィスカ、 TiNウィスカ、 Al₂0₃ウィスカ、Zr0₂ウィスカ
等を用いることができ、また炭素短繊維も好適である
が、現状の入手容易性、強度および靭性発現の観点から
SiCウイスカが望ましい。また、そのアスペクト比は、
４以下ではプルアウト機構等による靭性強化が十分でな
いので４以上とし、かつ、その長さは、20μm 以上では
該短繊維自体が破壊の起点となり易いので20μm 以下と
し、かつまた直径は、 0.2μm 以下では靭性強化が十分
でなく、 5μm 以上ではアスペクト比との関連で長さが
20μm 以上となるので 0.2μm〜 5μm とすることが望
ましい。更にまた、その添加量は、8vol％以下では靭性
強化が十分でないので8vol％以上とすることが望まし
く、これらの条件を満たす原料を用い、かつ適切な溶媒
液や分散液を選定すれば、本発明に適応する健全なスラ
リーが得られる。

【００３５】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
より厚肉な部材であっても、添加した強化短繊維に均一
な配向性を付与でき、もって焼結時に異方収縮が生じて
も、著しい変形や割れ等が発生することがなく、靭性と
強度に優れ、かつ厚さ方向にも均質な材料特性の繊維強
化セラミックスを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に用いた鋳込み型の概要図であ
る。

【図２】本発明の実施例に用いた別の鋳込み型の概要図
である。

【図３】スリップキャスト法およびフイルタープレス法
による粉末成形体の成形方法の概念説明図である。

【図４】粉末成形体の焼結時に生じる収縮形態の説明図
である。

【符号の説明】

(1) --鋳込み型 (2) --型枠 (2a)--圧媒ガス導入孔 (3) --石膏型 (4) --支持板 (LA)--着肉層 (L) --着肉層厚さ (P) --背圧 (S) --スラリー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】母材となすセラミックス粉と強化短繊維
とを溶媒液中に分散混合してなるスラリーを、多孔質体
で形成された型枠内に充填した後、このスラリーに背圧
を付加して前記多孔質体に向けて加圧し、この多孔質体
を通して溶媒液を排出させてその表面上にセラミックス
粉および短繊維の着肉層を成長させることで、前記型枠
内でセラミックス粉と強化短繊維とからなる成形体を形
成し、しかる後、この成形体を高温で焼結する繊維強化
セラミックスの製造方法において、前記成形体の形成に
際してスラリーに付加する背圧を、前記着肉層の厚さの
増加ないしは加圧開始からの経過時間に比例して増大さ
せることを特徴とする繊維強化セラミックスの製造方
法。