JPS5851911B2 - 繊維強化型窒化ケイ素焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は繊維強化型窒化ケイ素焼結体、より詳細には強
化材としての繊維状炭化ケイ素により複合強化された窒
化ケイ素焼結体の製造方法に関する。

窒化ケイ素や炭化ケイ素は耐熱性、耐蝕性に極めて優れ
ており、従来の耐熱金属に代って高温ガスタービン用部
材やディーゼルエンジン用構造材として用いられつつあ
る。

ところが窒化ケイ素や良化ケイ素は、これ自身では焼結
し難く、従来種種の酸化物や窒化物を数％ないし数１０
％添ｆＪＯシて焼結を容易ならしめていた。

たとえば、窒化ケイ素に対して焼結助剤として酸化マグ
ネシウム、酸化イツトリウム、酸化アルミニウムなど５
〜２０％添加して加圧焼結（ホットプレス）すると、は
ぼ理論密度に近い焼結体が得られる。

しかしながら、これら焼結助剤によるガラス相は高温に
おいて軟化し、焼結体の強度は室温値より著るしく低下
する。

この高温での強度低下を防止するため、焼結助剤に起因
する粒界のガラスを結晶化させたり、焼結助剤の添加量
をできるだけ少くするなどの検討がなされているが、未
だ完全な解決には至っていない。

一方、焼結助剤の検討とは別に、複合化、特に高強度の
繊維によって焼結体の高温強度を高める繊維強化法とい
う考え方もある。

こ、の目的のために用いられる繊維は十分な強度を持つ
ことは当然としても、加圧焼結時に破壊されることがな
く、かつ高温においても強度が低下しないことが望まれ
る。

かかる繊維強化剤としては炭素繊維をはじめ、炭化ケイ
素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、アルミナなどのセラミッ
ク繊維が有力な候補となる。

特に炭化ケイ素の繊維状結晶、一般にウィスカーと呼ば
れるものは、はぼ単結晶に近いため、強度が極めて高く
、また耐熱性も優れていることから注目されていた。

また、近年では有機ケイ素ポリマーから得られる炭化ケ
イ素長繊維も複合強化材として有力と考えられている。

しかしながら、これら炭化ケイ素ウィスカーあるいは炭
化ケイ素長繊維を複合させた窒化ケイ素複合焼結体は、
繊維自身の嵩密度が低いために複合処理をしたときに高
密度の焼結体とすることができず、そのため十分な強度
が得られない欠点があった。

そこで本発明はかかる現状にかんがみなされたものであ
り、従来全く得られなかった、はぼ完全に焼結した、す
なわち理論値との相対密度が９９％以上にも緻密化でき
た複合焼結体を得ることができ、また１０００℃以上の
高温においても優れた強度を保持する焼結体が得られる
などの特長を有するものである。

すなわち本発明は、窒化ケイ素粉末およびこの１０〜４
０重量％の繊維状炭化ケイ素を粘結剤中に分散させてペ
ーストとし、これを板状に成形して乾燥したものを積層
して７７１１圧、焼結することを特徴とする繊維強化型
窒化ケイ素焼結体の製造方法である。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明ではまず、窒化ケイ素粉末と、この１０〜４０重
量％の繊維状炭化ケイ素を粘結剤中に分散させて、十分
に混合してペーストを製造する。

ここで繊維状炭化ケイ素とは、炭化ケイ素ウィスカー、
あるいは有機ケイ素ポリマーから得られる炭化ケイ素長
繊維などであり、窒化ケイ素との混合量がその１０重量
％に満たないと十分な複合強化効果が得られないので好
ましくなく、また混合量が４０重量％を越えると板状成
形物の嵩密度が著るしく小さくなり、緻密な焼結体が得
られにくくなる。

また粘結剤としては窒化ケイ素と繊維状炭化ケイ素とか
らのペーストを成形できる粘度を有し、かつ乾燥および
脱脂処理により容易に除去できれば如何なるものであっ
ても良いが、焼結体をより高密度化するためには、ポリ
ビニルアルコール、アクリル樹脂、セルロース、アルギ
ン酸ソーダの水、アルコールその他の有機溶剤溶液など
を粘結剤として使用することが好ましい。

かかる粘結剤の使用量はその種類によっても異なるが、
通常ではペーストを板状に成形できる程度の量、すなわ
ち、窒化ケイ素と繊維状炭化ケイ素の合計量に対して１
〜２０重量％である。

次にこのペーストを板状に成形し、乾燥する。

この成形方法としては、紙あるいは布類を使った常圧流
過または加圧濾過、ペーストからのドクターブレード法
、あるいは射出成型法などが用いられる。

この成形板の厚さは特に限定されないが、後述する加圧
、焼結を容易にするため、通常では０．５〜３ｇｍ、好
ましくは１〜２ｉｍの薄板状とする。

得られた成形板を通常では加熱あるいは減圧下で乾燥し
、加熱して粘結剤を６００℃以下の温度で完全に除去す
る。

次に乾燥終了後、成型板を積層し、これを加圧下に焼結
して焼結体を得る。

この加圧、焼結方法としては、いわゆるホットプレス法
、成形板をまず３〜１０トンの静水圧でまず予備的な緻
密化を行なったのち、窒化ガス雰囲気下、１６００〜１
８００℃で焼結する常圧焼結法、さらにはホットプレス
法もしくは常圧焼結法で得られた焼結体を、不活性ガス
の１５００〜２０００気圧、１６００〜１８５０℃で更
に焼結する熱間静水圧加圧法などが用いられる。

前述したように、従来の窒化ケイ素複合焼結体では窒化
ケイ素粉末と強化用繊維の混合物を加圧、焼結させても
、高密度の焼結体が得られなかったが、これは混合物の
嵩密度が極めて小さく、焼結操作時の加圧だけでは内部
に気孔が残るためであった。

しかしながら、本発明の板状成形を経由する加圧、焼成
法によれば、ペースト状混合物から板を成形する段階で
、成形法にもよるが理論密度に対する相対値で２０〜４
０％程度の密度を得ることができる。

このため焼結操作で気孔をほぼ完全に除くことができ、
高密度化が容易に達成されるのである。

なお、比較的緻密な板状成形物を得る場合には、前述の
ようにセルロース、ポリビニルアルコール、アクリル樹
脂などの粘結剤を用い、緻密化を促進すると同時に、乾
燥時での成形体の強度を適宜高めることが好ましい。

かかる粘結剤の添加により、濾過や射出成型なと種々の
高密度化操作を経た成型体は乾燥後も比較的高い密度を
有し、強度もある程度あって後の取扱い操作上に便利で
ある。

ただし、射出成形による板の成形などのように、相当多
重の粘結剤を添加して流動性を持たせたものは、前処理
として板状成形物をいわゆる脱脂処理して粘結剤を気化
、除去しておく必要がある。

この脱脂処理が不十分であると、炭素分が焼結体中に残
留し、強度の低下をきたす恐れがある。

更に本発明においては、板状成形物を成形する際に、ペ
ーストを一方向に流動させると、この流れに沿った形で
強化用繊維の配向を促進することができる。

したがって本発明により得られた焼結体は繊維状炭化ケ
イ素が一次ないし二次的に配向されているので、三次的
にランダムに配向されたものに比較して繊維状炭化ケイ
素の強化剤としての効果を格段に発揮することができ、
著るしく高強度の焼結体となる。

以上述べた如く、本発明によれば、まず窒化ケイ素粉末
と繊維状炭化ケイ素とのペーストで板状物を成形し、こ
の成形物を積層したのち、加圧、焼結しているので、成
形物に残存する気孔が焼結後には著るしく減少し、高密
度の焼結体が得られる。

また、ペーストを一定方向に流動させて板状物を成形す
れば繊維状炭化ケイ素のランダム配向が減少し、従って
焼結体の強度が更に高められる。

すなわち本発明は、従来の窒化ケイ素−繊維状炭化ケイ
素焼結体の欠点を一挙に解決した画期的な発明と云える
。

以下、本発明を実施例により説明する。

実施例 １ 窒化ケイ素粉末（５重量％の酸化マグネシウムを含む９
５％のα型窒化ケイ素）に炭化ケイ素ウィスカーを強化
用繊維として夫々１０，２０，３０゜および４０重量％
加え、これに水中で超音波照射を行なって繊維の絡まり
を解くと同時に、十分に中本混合した。

次いで約５重量％のポリビニルアルコールを粘結剤とし
て加えてペーストとした後、減圧濾過法によって厚さ５
ｍ以下の薄板を成形した。

この薄板をホットプレス用黒鉛型の大きさに切り出し、
乾燥後、所定数を積層し、黒鉛型内で加熱脱脂処理を行
なったのち１８００℃、４ｏｏｋｇ／ｃｒ／１で６０分
間、ホットプレスを行なった。

かくして得られた４種類の焼結体（試料Ａ−Ｄ）につい
て冷却後、密度を測定した。

結果を下記第１表に示す。

比較のために、薄板成形を経由せず、粉末状態から直接
ホットプレスして得られた焼結体の密度も示した。

第１表から明らかなように、本発明の焼結体は粉末状態
でホットプレスしたものに比較して高密度である。

実施例 ２ 実施例１と同様にして３０重量％の炭化ケイ素ウィスカ
ーを含む焼結体を得た。

ただし原料窒化＊＊ケイ素としてα相を９０％および９
５％含む粉末（Ａ粉末およびＢ粉末）を用いた。

得られた焼結ｉ 体の室温、１１００℃および１３００
℃における曲げ強度を下記第２表に示す。

また、強化用ウィスカーを入れない焼結体についても比
較のために同様に曲げ強度を測定した。

この第２表から、室温での曲げ強度は実施例２の焼結体
が、Ａ、Ｂ粉末ともにウィスカー無添加のものに比較し
て低いが、１１００℃以上の高温になると、逆に繊維強
化焼結体の方が高い曲げ強度を示すことが明らかである
。

このことから、本発明の製造方法が窒化ケイ素焼結体の
高温強度の向上に有効であることが実証される。

実施例 ３ 実施例２のＢ粉末窒化ケイ素（酸化マグネシウムを５重
量％含む）に炭化ケイ素ウィスカーを３０重量％加えた
ものを水中に分散させ、これにアルギン酸ソーダを粘結
剤として約５重量％加え、ドクターブレード法により薄
板を成形し、所定の大きさに切り出し、乾燥後に積み重
ねて１７５０℃、３００に９／ｃＩｌで９０分間ホット
プレスし、冷却後にこの焼結体の曲げ強度を測定した。

結果を第３表に示す。

ドクターブレード法を使用せずに、＊＊粉末状態から直
接ホットプレスした焼結体についても比較のために同様
に測定した。

ドクターブレード法により、強化用繊維の配向を促進し
た実施例３の焼結体は、無配向状態である粉末からホッ
トプレスしたものに比べ、いずれの温度でも、より高い
曲げ強度を示した。

このことから強化用繊維配向の効果が明らかである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 窒化ケイ素粉末と、この１０〜４０重量％の繊維状
   炭化ケイ素を粘結剤中に分散させてペーストを形威し、
   これを板状に成形して乾燥したものを積層して加圧、焼
   結することを特徴とする繊維強化型窒化ケイ素焼結体の
   製造方法。