JPH11263667A

JPH11263667A - 炭化ケイ素焼結体およびその製造方法

Info

Publication number: JPH11263667A
Application number: JP10068008A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Suzuki; 利幸鈴木; Shigeki Niwa; 茂樹丹羽; Yutaka Okada; 裕岡田; Tamotsu Wakita; 保脇田
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 1998-03-18
Filing date: 1998-03-18
Publication date: 1999-09-28

Abstract

(57)【要約】【課題】高密度で、かつ炭化ケイ素焼結体本来のすぐ
れた各種特性を有するとともに、電気抵抗率も低く、よ
り汎用性の高い炭化ケイ素焼結体とその製造方法の提
供。【解決手段】炭化ケイ素焼結体の発明は、0.07〜0.15
重量％のホウ素、 1.0〜4.0重量％の遊離炭素、 0.1〜
1.2重量％のアルミニウムを含んだα−炭化ケイ素より
成る焼結体で、かつ嵩密度 3.1g/cm³以上、電気抵抗率
1×10²Ω・cm以下であることを特徴とする。また、製
造方法の発明は、α−炭化ケイ素質粉末に、焼結助剤と
して炭化ホウ素と熱処理過程で炭化可能な有機物、およ
びアルミニウムとして 0.1〜 1.2重量％の比表面積 80m
²/g以上の高純度アルミナを少なくとも添加配合して成
る組成物を成形する工程と、前記成形体を2000〜2200℃
の温度で常圧焼結する工程とを有することを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭化ケイ素焼結体
およびその製造方法に係り、さらに詳しくは高密度で、
かつ電気抵抗率の低い炭化ケイ素焼結体およびその製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭化ケイ素焼結体は、耐熱性、耐酸化
性、耐食性、耐摩耗性および耐熱衝撃性などがすぐれて
いるため、たとえばガスタービン用部材、ボールミルの
内張、高温炉用の熱交換器や耐火材、ダイカスト機用ポ
ンプや燃焼管など高温用構造材料として注目されてい
る。また、高温用構造材料としの用途においては、炭化
ケイ素焼結体が緻密ないし高密度で、その製造も容易な
常圧焼結が望まれる。

【０００３】ところで、炭化ケイ素の常圧焼結では、焼
結体の高密度化を図るため、主原料成分（炭化ケイ素粉
末）に、 (a)ホウ素ないしホウ素化合物および炭素ない
し炭素化合物、 (b)アルミニウム、アルミナ、窒化アル
ミニウムなどのアルミニウム系、 (c)ベリウム、酸化ベ
リウムなどのベリウム系、 (d)前記 (a)， (b)あるいは
(c)に酸化イットリウム、酸化セシウム、酸化ユーロピ
ュームなどの希土類元素化合物を併用したものを、焼結
助剤として添加配合することが知られている（たとえば
特開昭 52-6716号公報、特開昭 55-116664号公報、特開
昭 57-156377号公報、特開昭60-33262号公報、特開昭61
-26566号公報など）。

【０００４】より具体的に挙げると、 (a)ホウ素ないし
ホウ素化合物および炭素ないし炭素化合物を焼結助剤と
した場合、軽量、高硬度で、室温〜1400℃の温度領域に
おいて曲げ強さがほぼ一定の炭化ケイ素の常圧焼結体が
得られるため、幅広い温度範囲内での使用が可能であ
る。また、 (b)アルミニウム、アルミナ、窒化アルミニ
ウムなどのアルミニウム系を焼結助剤とした場合は、前
記 (a)の場合に比べて、室温での曲げ強さが高く、かつ
低温での焼結も可能になる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記焼結助剤
を使用する炭化ケイ素焼結体の場合は、なお、特性的に
十分満足し得るものといえない。すなわち、炭化ケイ素
焼結体は、その用途の拡大に伴って、常圧焼結が容易
で、すぐれた耐熱性や機械的特性などを有するだけでな
く、高純度で、摺動などによる静電対策（低電気抵抗率
化）なども要望されているが、前記焼結助剤を使用する
常圧焼結には、次のような不都合が認められる。

【０００６】(a)の場合は、他の焼結助剤を使用した場
合に比べて容易に、高密度の炭化ケイ素焼結体が得られ
る。しかしながら、その炭化ケイ素焼結体は、一般に、
靭性が低下するため、衝撃が加わる用途に適さないし、
また、電気抵抗率が10⁵〜10⁷Ω・cmと高いため、摺動
部材としての利用などにおいて、静電気を帯び易いなど
の不都合がある。

【０００７】(b)の場合は、各種のアルミニウム化合物
および有機炭素化合物を、アルミニウム換算、炭素換算
で、それぞれ多い場合 8〜15重量％添加配合するため、
一般的に、コストアップとなる。しかも、前記 (a)の場
合に比べて、炭化ケイ素焼結体の機械的特性も大幅に低
下するので、構造材料としての用途が制約される。

【０００８】(c)の場合は、焼結助剤としてのベリウム
の使用が公害上問題になるだけでなく、前記 (a)の場合
に比べて炭化ケイ素焼結体の高密度化が困難であり、機
械的特性が劣るので、構造材料としての用途が制約され
る。また、電気抵抗率が10⁹〜10¹³Ω・cmと大きいた
め、摺動部材としての利用などにおいて、静電気を帯び
易いなどの不都合がある。

【０００９】ここで、高純度、電気的な低抵抗性などを
備えていると、一般的な摺動用部材の他に、たとえば半
導体露光装置用ステージなどの精密機械部品、液体輸送
用ピストンシリンダー、シリコンウエーハ移載用フォー
ク（静電気によるダストの付着防止）、 EBM用セラミッ
クス部材、 CVD装置用ササプターなどに利用できる。本
発明は、上記事情に対処してなされたもので、高密度
で、かつ炭化ケイ素焼結体本来のすぐれた各種特性を有
するとともに、電気抵抗率も低く、より汎用性の高い炭
化ケイ素焼結体、およびその製造方法の提供を目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、0.07
〜0.15重量％のホウ素、 1.0〜 4.0重量％の遊離炭素、
0.1〜 1.2重量％のアルミニウムを含むα−炭化ケイ素
より成る焼結体で、かつ嵩密度 3.1g/cm³以上、電気抵
抗率 1×10²Ω・cm以下であることを特徴とする炭化ケ
イ素焼結体である。

【００１１】請求項２の発明は、α−炭化ケイ素質粉末
に、焼結補助剤として炭化ホウ素、熱処理過程で炭素化
が可能な有機物、およびアルミニウムとして 0.1〜 1.2
重量％相当量の比表面積が 80m²/g以上の高純度酸化ア
ルミニウムを少なくとも添加配合して成る組成物を成形
する工程と、前記成形体を2000〜2200℃の温度で常圧焼
結する工程と、を有することを特徴とする炭化ケイ素焼
結体の製造方法である。

【００１２】上記請求項１の発明において、焼結助剤成
分であるホウ素の組成比が0.07〜0.15重量％、炭素の組
成比が 1.0〜 4.0重量％、アルミニウムの組成比が 0.1
〜 1.2重量％と、それぞれ選択されるのは、次のような
理由による。

【００１３】すなわち、ホウ素の組成比が0.07〜0.15重
量％の範囲外では、焼結助剤として添加配合効果が少な
く、結果的に、強度や硬度など機械的特性のすぐれた焼
結体として機能しないからである。また、炭素の組成比
が 1.0〜 4.0重量％の範囲外でも、ホウ素の場合と同様
に、焼結助剤として添加配合効果が少なく、結果的に、
強度や硬度など機械的特性のすぐれた焼結体として機能
しない。

【００１４】さらに、アルミニウムの場合、その組成比
が 0.1重量％未満では、電気抵抗率が10³Ω・cm以上に
なるだけでなく、抵抗値のバラツキが生じたりし、結果
的に、低抵抗化が図れない。また、 1.2重量％を超える
と、焼結体内に多くの気孔が生成し易い傾向が認められ
るためである。つまり、摺動などに伴う静電気の発生に
よる摩耗粉やダストの吸着などを防止できる機能が得ら
れなかったり、あるいは強度や硬度など機械的特性が損
なわれるため、前記範囲内で選択される。

【００１５】本発明において、上記ホウ素、アルミニウ
ムは、一般的に、α−炭化ケイ素に固溶している。すな
わち、ホウ素はα−炭化ケイ素の Cサイトに、また、ア
ルミニウムはα−炭化ケイ素のSiサイトに、それぞれ置
換固溶している。

【００１６】請求項２の発明において、炭化ケイ素質粉
末に添加配合する焼結助剤のうち、ホウ素成分や炭素成
分は、ホウ素粉末、炭素粉末などでもよいが、たとえば
炭化ホウ素などの化合物粉末、あるいは熱分解する有機
化合物であってもよい。一方、酸化アルミニウム成分
は、99％程度以上の純度であり、かつ比表面積が 80m²/
g以上の微粒子からなるものが選ばれる。その理由は、
高純度で、かつ微粉末でないと、所要の低抵抗化が図ら
れないからである。

【００１７】すなわち、炭化ケイ素焼結体の低抵抗化
は、炭化ケイ素の結晶格子中に、添加した酸化アルミニ
ウム中のアルミニウムがほぼ均一に置換固溶することに
よるが、比表面積が 80m²/g未満の場合は、炭化ケイ素
の結晶粒界に偏析し易くなるためである。ここで、酸化
アルミニウムは、気相合成法で作られた高純度酸化アル
ミニウム微粒子が好ましい。さらに、前記高純度酸化ア
ルミニウム微粒子の代りに、比表面積のより大きいアル
ミナゾル（たとえばアルミナゾル 100、アルミナゾル 2
00など：日産化学社製）を使用することもできる。な
お、これら焼結助剤の添加配合に当たっては、ホウ素粉
末、炭素粉末などが焼結工程において揮散され、その成
分比が変化する恐れがあるので、この点を踏まえて対応
することが望ましい。

【００１８】請求項２の発明において、嵩密度 3.1g/cm
³以上、電気抵抗率 1×10²Ω・cm以下のα−炭化ケイ
素を製造するに当たって、常圧焼結は、一般的に、非酸
化雰囲気中もしくは不活性雰囲気中で行われるが、2000
〜2200℃の温度範囲が選ばれる。その理由は、焼結温度
が2000℃未満では、緻密な焼結体を得ることが困難でで
あり、また、2200℃を超えると、酸化アルミニウム成分
の急激な揮散を招き易いので、結果的に、焼結体中に多
くの気孔が生成し、硬度や強度などの機械的特性が損な
われるからである。

【００１９】

【発明の実施の形態】実施例１〜６，比較例１〜６市販の純度99％、比表面積 15m²/gの炭化ケイ素粉末
に、焼結助剤として平均粒径約 2.5μm の炭化ホウ素
（ B₄C ）0.20重量％、熱分解後の炭素残量が約50重量
％のレゾール型フェノール樹脂 7.0重量％、さらに、表
１に示すように、比表面積の異なる高純度（99.5％）酸
化アルミニウム微粉末を所定量添加した。その後、それ
ぞれエチルアルコールを加え、24時間、湿式粉砕混合し
てスラリーを調製し、これらのスラリーをスプレードラ
イヤーによって造粒した。

【００２０】

【表１】次に、これらの造粒粉をそれぞれ金型に充填して、30 M
Paの成型圧で一次成形した後、さらに、 196 MPaで CIP
成形を行って、約50×50×15mmの成形体を得た。これら
の成形体を、それぞれのカーボンケースに充填し、室温
から1200℃までは真空中で（フェノール樹脂の熱分解を
考慮）、その後は、アルゴン雰囲気に切り替え、1900〜
2250℃まで昇温させ、それぞれ 1時間保持して焼結を行
い、実施例１〜６の試料および比較例１〜６の試料とし
て全数12種の炭化ケイ素焼結体を得た。

【００２１】上記で得た各炭化ケイ素焼結体について、
嵩密度（アルキメデス法，試料２個の平均値）、室温曲
げ強度（ JIS R1601に準拠，試料10個の平均値）、ビッ
カース硬さ（ JIS R1610に準拠，試料10個の平均値）、
電気抵抗率（ 4端子法， 2端子法，試料２個の平均
値）、焼結体中のアルミニウム量（ ICP法）をそれぞれ
測定・評価した結果を表１に併せて示す。なお、比較例
１の試料において検出されたアルミニウム量は、炭化ケ
イ素粉末に不純物として含有されていたものである。
また、上記炭化ケイ素焼結体中、実施例１，２の試料お
よび比較例１，２の試料について、温度25℃，相対湿度
40％のクリーンボックス中、各試料ごとに、焼結体同士
を2 時間往復摺動（ストローク40mm）させ、発生する静
電気が逃げないように工夫し、その摺動直後における摩
擦帯電位をそれぞれ測定したところ、実施例１および２
の各試料は±10 Vであったが、比較例１の試料は＋220
V，比較例２の試料は＋85V であった。なお、他の実施
例に係る炭化ケイ素焼結体の場合も、同様に、いずれも
帯電電位が低かった。

【００２２】実施例７〜11，比較例７〜11 市販の純度99％、比表面積 15m²/gの炭化ケイ素粉末
に、焼結助剤として平均粒径約 5μm の炭化ホウ素（ B
₄C ） 0.1〜 1.5重量％、熱分解後の炭素残量が約50重
量％のレゾール型フェノール樹脂 6〜10重量％、さら
に、比表面積 100 m²/gの高純度（99.5％）酸化アルミ
ニウム微粉末 0〜 3.0重量％を所定量添加した。その
後、それぞれエチルアルコールを加え、24時間、湿式粉
砕混合してスラリーを調製し、これらのスラリーをスプ
レードライヤーによって造粒した。

【００２３】次に、これらの造粒をそれぞれ金型に充填
して、30 MPaの成型圧で一次成形した後、さらに、 147
MPaで CIP成形を行って、約70×45×15mmの成形体を得
た。これらの成形体を、それぞれのカーボンケースに充
填し、室温から1200℃までは真空中で（フェノール樹脂
の熱分解を考慮）、その後は、アルゴン雰囲気に切り替
え、2000〜2200℃まで昇温させ、それぞれ 1時間保持し
て焼結を行い、実施例７〜11の試料および比較例７〜11
の試料として全数10種の炭化ケイ素焼結体を得た。

【００２４】上記で得た炭化ケイ素焼結体について、嵩
密度（アルキメデス法，試料２個の平均値）、室温曲げ
強度（ JIS R1601に準拠，試料10個の平均値）、ビッカ
ース硬さ（ JIS R1610に準拠，試料10個の平均値）、電
気抵抗率（ 4端子法， 2端子法，試料２個の平均値）、
焼結体中のホウ素、炭素、アルミニウム量（ ICP法）を
それぞれ測定・評価した結果を表２に示す。なお、比較
例７，８の試料において検出されたアルミニウム量は、
炭化ケイ素粉末に不純物として含有されていたものであ
る。

【００２５】

【表２】また、上記炭化ケイ素焼結体中、実施例７，８の試料お
よび比較例７，８の試料について、温度25℃，相対湿度
40％のクリーンボックス中、各試料ごとに、焼結体同士
を10,000回往復摺動（ストローク40mm）させ、発生する
静電気が逃げないように工夫し、その摺動直後における
摩擦帯電位をそれぞれ測定したところ、実施例７の試料
は±11 V、実施例８の試料は± 8 Vであったが、比較例
７の試料は＋265V，比較例８の試料は＋245Vであった。
なお、他の実施例に係る炭化ケイ素焼結体の場合も、同
様に、いずれも帯電電位が低かった。

【００２６】なお、本発明は上記例示に限定されるもの
でなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲でいろいろの変形
を採ることができる。たとえば炭化ケイ素質粉末成分や
焼結助剤の組成、平均粒径、およびそれら主成分と焼結
助剤の組成比なども用途に応じて、適宜選択・調整する
ことができる。

【００２７】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、従来の炭化ケ
イ素焼結体に匹敵する耐熱性、耐食性耐熱衝撃性、機械
的強度などを有するだけでなく、摩擦帯電などを容易に
回避できる電気的な低抵抗率を有する。したがって、良
好な耐摩耗性を摺動部材として利用する場合でも、静電
気による摩耗粉やダスト吸着なども容易に防止できるの
で、耐久性および安全性の高い摺動部材が提供されるこ
とになる。

【００２８】請求項２の発明によれば、実用上望まれる
耐久性のすぐれた高温構造用材料としてだけでなく、電
気伝導性ないし摺動摩擦に伴って発生する静電気の除去
など容易に行えるので、実用性がさらに高められた炭化
ケイ素焼結体が提供される。

【００２９】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者脇田保愛知県刈谷市小垣江町南藤１番地東芝セラミックス株式会社刈谷製造所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 0.07〜0.15重量％のホウ素、 1.0〜 4.0
重量％の遊離炭素、0.1〜 1.2重量％のアルミニウムを
含むα−炭化ケイ素より成る焼結体で、かつ嵩密度 3.1
g/cm³以上、電気抵抗率 1×10²Ω・cm以下であること
を特徴とする炭化ケイ素焼結体。
【請求項２】 α−炭化ケイ素質粉末に、焼結助剤とし
て炭化ホウ素、熱処理過程で炭化が可能な有機物、およ
びアルミニウムとして 0.1〜 1.2重量％相当量の比表面
積が 80m²/g以上の高純度酸化アルミニウムを少なくと
も添加配合して成る組成物を成形する工程と、前記成形体を2000〜2200℃の温度で常圧焼結する工程
と、を有することを特徴とする炭化ケイ素焼結体の製造
方法。