JPS60245738A - 強靭炭化硅素焼結体の製法 - Google Patents

強靭炭化硅素焼結体の製法

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JPS60245738A
JPS60245738A JP59102215A JP10221584A JPS60245738A JP S60245738 A JPS60245738 A JP S60245738A JP 59102215 A JP59102215 A JP 59102215A JP 10221584 A JP10221584 A JP 10221584A JP S60245738 A JPS60245738 A JP S60245738A
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silicon carbide
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明弘 後藤
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忠彦 三吉
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は炭化ケイ素焼結体、特に耐熱構造部材として利
用するに適した強靭性の炭化ケイ素焼結体の製法に関す
る。
〔発明の背景〕
炭化ケイ素焼結体は耐熱性、耐酸化性、高温強度が大き
いため、耐熱構造部品としての幅広い応用が期待されて
いる。しかしながら、靭性が小さいために構造材として
の信頼性が低いという欠点があシ、この欠点が実用上の
ネックとなっている。
この欠点をなくすために、炭化ケイ素焼結体に高強度、
強靭性の金属を加えて靭性を高めようとする試みもなさ
れている。しかしながら、そのような従来の試みでは、
例えば特開昭55−37414号に見られるように、C
r * Fe * Co r Nlなどのような高強度
、強靭性金属の添加量が少なすぎ、また、焼結助剤とし
てホウ素系化合物が用いられていて、焼結時に金属とホ
ウ素系化合物が反応するため、金属添加量を増すと焼結
密度があがシにくくなることから、得られるセラミック
スの密度、強度、破壊靭性値を充分には大きくできない
という欠点があった。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、構造用部品として用いるのに適した、
高温強度及び破壊靭性値が大きく、構造材としての信頼
性の高い炭「ヒケイ素焼結体の製法を提供するにある。
〔発明の概要〕
本発明の強靭炭化ケイ素焼結体の製法は、炭fヒケイ素
を主体とし、これに周期律表1[a’、■a。
V a r Vl a *■a、■族及び希土類元素の
うちから選ばれた1種以上の金属6〜30 vat%と
、At又はAt化合物をfitに換算して0.2〜20
vot%を混合し、焼成することを特徴としている。
本発明者らが種々検討した結果、炭化ケイ素に高強度・
強靭性の金属を添加して焼結する際、焼結助剤としてA
t又はAt化合物を用いると、金属添加量Kかかわらず
充分に焼結して高強度となシ、かつ、添加した金属の効
果で破壊靭性値が向上することが判明した。
添加する金属は、高強度、強靭性の金属である必要があ
シ、具体的には周期律表m a * IVI’、■a+
VI a t■a、■族または希土類元素の使用が必要
である。これらの金属は比較的融点が高く、シたがって
、それ自身高強度、強靭な機械的性質を持つこと、およ
び、焼結時に炭化ケイ素と反応して機械的強度の大きな
炭化物やケイ化物を生成することから、炭化ケイ素の破
壊靭性向上に大きな効果を持つ。
添加した金属の大部分または全部は焼結時に炭化ケイ素
と反応して、炭化物またはケイ1ヒ物を生成する。主に
炭化物を生成する金属としてはCr。
Nl) r Ta 、 Ti + Zr + Hf +
 Wなど、また主にケイ化物を生成する金属としてはM
Or Mn 、 Fe * CanNi r Pt r
 Ceなど、また条件によって炭化物となったシケイ化
物となったシする金属としてはLaなどがある。
これらの金属のうちでは、Or、TL Zr r Hf
 * Nb+Ta、Wのように主に炭化物を形成する金
属を用いるのが特に好ましい。この場合、一部の炭化ケ
イ素は金属と反応して金属ケイ素を放出するが、この金
属ケイ素は焼結時液相となって、添加したAt又はAt
(ヒ合物の焼結助剤としての効果を助け、炭(5ケイ素
焼結体の密度、強度、破壊靭性値を特に大きくする効果
がある。なお、過剰の金属ケイ素は焼結時に揮散するた
めに、一般に破壊靭性値や高温強度が炭化ケイ素に比べ
て劣る金属ケイ素が焼結体中に大量に残留して、機械的
特性を損う恐れはない。破壊靭性値向上の効果は、TI
、Wを用いた時に最も太き(、Nb、Ta1Tiを用い
た場合には、大きな破壊靭性値と共に耐酸化性のすぐれ
た高信頼性の炭化ケイ素焼結体が得られることがわかっ
た。
これらの金属の添加量としては6〜30 voL %の
範囲が望ましい。添加量がこの範囲よシ少いと破壊靭性
値の向上に充分な効果がなく、この範囲よシ多いと、一
般に焼結性が悪くなり、強度や耐酸化性が低下しやすい
。また、高温強度を特に高くするためには焼結体中の炭
化ケイ素の含有量は70 voL 4以上であることが
望ましい。
さらに、金属としてケイ化物を作シやすい金属を用いる
場合には、炭化ケイ素と金属の反応の結果炭素が生成し
、これが焼結体中に残留して、焼結体の密度低下と強度
低下をまねく恐れがある。
この欠点を除くためには、この種の金属の添加量fc1
0 vo1%以下にすれば良い。
なお、金属を加えて焼結することにょシ炭化ケイ、素焼
細体の破壊靭性値が向上する理由としては、下記のこと
が考えられる。
(1)焼結時に金属が炭fヒケイ素と反応して、炭化物
やケイ化物を生成するため、生成した炭化物やケイ化物
と炭化ケイ素の粒子間の密着性が良好なこと、 (2)生成した炭化物やケイ化物の強度が大きいこと、 (3)生成した炭化物やケイ化物の機械的性質が炭化ケ
イ素とは異るため、及び上記(1) 、 (2)のため
、クラックの進展が生成した炭化物やケイ化物に阻止さ
れて、破壊に要するエネルギーすなわち破壊靭性値が大
きいこと、 (4)未反応のまま焼結体中に残留する金属がある場合
には、金属自身が高強度、強靭性であるために、焼結体
の強度と破壊靭性値が向上すること。
上記(3) 、 (4)の理由から、添加する金属の粒
径は焼結体の焼結性を損わない範囲で大きいほど望まし
く、具体的には炭化ケイ素の粒径の30倍以上である場
合に特に大きな破壊靭性値が得られる。
なお、炭化ケイ素の粒径としては一般に用いられる02
〜5μm程度でよい。
焼結助剤のltまたはAt化合物の添加量はltに換算
して0.2〜20 voA q6の範囲内であることが
望ましい。添加量がこの範囲よシ少いと焼結性が不充分
となり、多いと焼結体の高温強度が低下する。なお、A
t化合物としてはAtの酸化物、炭化物、窒化物、ケイ
化物、および加熱した時にAtや上記化合物に変化する
化合物などを用いることができる。
本発明の焼結体の製造方法においては、炭化ケイ素に周
期律表1[a、■a、Va・■a・■a・■族及び希土
類元素のうちから選ばれた1程以上の金属6〜30 v
ot%と、At又はAt化合物をAtに換算して0.2
〜20vo1.%を粉末状態で混合し、加圧し寿から最
高温度1900〜2300℃に昇温後、最高温度に保持
することなく、直ちに冷却するのが望ましい。また、こ
のときの昇降温速度は10〜b い。このような方法を用いると、 (1)焼結体中に未反応の金属が残留する可能性が大き
いこと、 (2)焼結時に反応した炭化物やケイrヒ物同志が凝集
する恐れが少く、炭化ケイ素中に金属の炭化物やケイ化
物が良く分散した構造の焼結体が得られやすいこと、 の理由から、大きな破壊靭性値を持った焼結体が得られ
やすい利点がおる。
〔発明の実施例例〕
以下、本発明の実施例を比較例と共に説明する。
実施例1 粒径0.5μmのSlC粉末を主体とし、これに粒径1
〜2 AmのAt、 AtN又はAt203粉末、及び
粒径15〜30μmのTi又はW粉末を第1表の割合に
配合した。これにバインダとしてシリコーンt5vot
%加え、らいかい機を用いて混合後、16メツシユのふ
るいを用いて整粒した。次にこれを金型に入れ、成形圧
500 kg/cmで60φxiotの円板状に成形し
、成形体を黒鉛製の金型に入れて、ホットプレス焼結し
た。この際、加圧力は300 ky/cm2とし、昇温
速度20〜b2050〜2200℃まで昇温し、直ちに
同じ速度で冷却する温度プロフィルを用いた。得られた
焼結体から3咽X4wX45mの柱状試料を作製し、そ
の試料の1000℃における4点曲げ強度、空気中11
00℃で100h熱処理後の1000℃における曲げ強
度、および試料表面にビッカース硬度計を用いて圧痕を
設け、圧痕の面積と曲げ強度を用いて計算した破壊靭性
値(K1.)の大きさを第1表に示す。なお、K2.の
計算には下式を用いた。
ここで、σは曲げ強度、Sは圧痕の面積である。
第1表に見られるように、本発明のSiC焼結体のに!
cは比較例に較べて、KICまたはに1cと曲げ強度が
大きいこと、酸化後の曲げ強度およびに1cはTi添加
試料で特に大きいこと、がわかる。また、試料&3と扁
12の組織を調べた結果、SICの粒子集合体中に炭化
チタン又は炭化タングステンの粒子が分散し、かつ、S
ICの粒界にAtヲ含む粒界相が存在することがわか−
)た。一方、SiCにAtNのみを加えた比較例ではこ
のような粒界相は存在しなかった。したがって、これら
の炭化物粒子及び粒界相によってに1cが増加している
ものと考えられる。
実施例2 実施例1と同じ粒径のStC粉末を主体として実施例1
と同様な方法で、第2表に示す試料を作製し、1ooo
℃における曲げ強度、1100℃で100h酸化後の1
000℃における曲げ強度、及びKlcを測定した。な
お、焼成の最高温度はNi 、 Goなどのような比較
的低融点の金属を用いた場合は1900〜2050℃、
比較的高融点の金属では2050〜2200℃とした。
本実施例においても、比較例よシもに工。や曲げ強度が
大きかった。また、KlcはNb 、 Ta r Zr
Hf添加試料で特に大きく、このうちではNb、Ta添
加試料が酸(ヒ後の曲げ強度が大きい結果が得られた。
実施例3 実施例1と同様な方法で、粒径0.5又は3μmのsi
cに粒径2μmのAtN 3 vot%及び粒径を種々
違えたTiを8 voL%加えて、2100℃で焼成し
た。得られた試料のに、。を第3表に示す。
第3表に見られるように、KloはTiの粒径としてS
iCの粒径の30倍以上の時に特に大きくなることがわ
かる。
また、第3表の試料A3とA7の組成を用い、焼成条件
のみを2050℃で1h保持する方法によシ焼結した試
料のに1cは、それぞれl Q MN/m”’およびI
 L MN/m”’であった。したがって、第3表のよ
うに、焼成時にに高温度で保持しない方法で焼成した方
が大きなに1cが得られることがわか壊靭性値及び強度
が大きい!徴を持つ炭化ケイ素焼結体が得られ、この焼
結体は高信頼性の耐熱構造部材として適用することがで
きる長所がある。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、 炭化ケイ素を主体とし、これに周期律表 m a
    t N a、 V ai VI a、■a1■族及び希
    土類元素のうちから選ばれた1種以上の金属6〜30v
    ot%およびAt又はAt化合物をAtに換算して0.
    2〜20 voL%を混合し、焼結することを特徴とす
    る強靭炭(Il:ケイ素焼結体の製法2、金属が、焼結
    時に炭化ケイ素と反応して、主に炭化物を形成する金属
    である特許請求の範囲第1項記載の強靭炭化ケイ素焼結
    体の製法。 3、 金属が、Cr 、 Nb # Ta 、 Ti 
    r Zr # HfまたはWである特許請求の範囲第2
    項記載の強靭炭化ケイ素焼結体の製法。 4、金属の粒径が、炭化ケイ素の原料粉末の粒径の30
    倍以上の大きさである特許請求の範囲第1項、第2項ま
    たは第3項記載の強靭炭化ケイ素焼結体の製法。 5、焼結は、加圧下において最高温度1900℃〜22
    00℃に昇温後、直ちに冷却することによって行う特許
    請求の範囲第1項ないし第4項のいずれかに記載の強靭
    性炭化ケイ素焼結体の製法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5537414A (en) * 1978-09-04 1980-03-15 Hitachi Ltd Manufacture of silicon carbide sintered body

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS5537414A (en) * 1978-09-04 1980-03-15 Hitachi Ltd Manufacture of silicon carbide sintered body

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