JPS605074A - 炭化ケイ素焼結体及びその製造方法 - Google Patents

炭化ケイ素焼結体及びその製造方法

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JPS605074A
JPS605074A JP58113596A JP11359683A JPS605074A JP S605074 A JPS605074 A JP S605074A JP 58113596 A JP58113596 A JP 58113596A JP 11359683 A JP11359683 A JP 11359683A JP S605074 A JPS605074 A JP S605074A
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silicon carbide
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満彦 古川
北平 孝
栄 田中
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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】 本発明は炭化ケイ素焼結体及びその製造方法に関する。
炭化ケイ素焼結体はその優れた耐酸化性、耐熱衝撃性、
耐食性及び高温強度の為に従来から各種耐火材、発熱体
あるいは研摩材等に広く使用されている。そしてこれら
の用途に用いる場合には焼結体に気孔が相当存在してい
てもあまり問題とされず現にその様な焼結体が使われて
いる。
ところが近年上述の炭化ケイ素焼結体の特長を活かし各
種構造用材料、腐食性液体用の逆止弁やシール材、高温
炉用熱交換譬用材更には強度の耐摩耗用部材へその用途
が拡大されるに至り、気孔が殆へと存在せずより強度が
大なる焼結体が要望される様になった。
炭化ケイ素体の製造方法としては、(イ)気相反応法、
(ロ)反応焼結塊、(1))熱間焼結法があるが、(イ
)の方法は均質かつ緻密な炭化ケイ素が得られるが通常
薄膜しか造り得ず実際上は各種材料のコーティング法に
しか適しておらず、(ロ)の方法は通常炭素とケイ素あ
るいは二酸化ケイ素の粉末を混合し、これを焼成する方
法で形状の大なる物は得られるが緻密な物は得難く現状
では耐火物や発熱体の製造に応用されているに過ぎない
。従って形状がか太き(、かつ緻密な焼結体を得るには
上記(ハ)の方法が最適であるといえる。
ところが炭化ケイ素は、共有結合性の大きな化合物であ
る為に硬く、強靭でかつ高温に於いても安定した物質で
ある為にそれ単味では焼結性が著しく悪く実用に供し得
る焼結体を得ることは困難である所から、種々の焼結助
剤を混入する研究がなされている。例えばアリエグロ等
の報告(R,^11−11−1e at、al、 Jo
urnal of Aw+erican Ceremi
cSocietg 、1956年、39巻、386〜3
89P)や、特開昭49−7311号公報、特開昭49
−99308号公報、特開昭50−78609号公報、
特開昭51−65111号公報、特開昭53−8401
3号公報、特開昭53767711号公報及び特開昭5
2−6716号公報等で、AL、 Fa、 B、 B、
IC等を焼結助剤として用いれば気孔が少なく強度が大
なる焼結体が得られる旨が報告されている。
ところで焼結体の強度は種々の要因で決まるが、(イ)
気孔率、(ロ)表面傷、(ハ)粒子の大きさはその強度
に及ぼす影響が大なるものである。
この中(ロ)の表面傷は加工を留意する事で回避出来、
又(イ)の気孔率については上述の如く種々の焼結助剤
を用い気孔率が非常に少ない焼結体を得る事でほぼ解決
出来る。しかるに(ハ)の粒子の大きさの問題は最も困
難で焼結時に粒成長゛が起こり、微細粒状の焼結体が得
難(その事が強度をある限度以上にする事が出来ない原
因となっている。これらの事実についてはB′を焼結助
剤として用いた炭化ケイ素焼結体についてプ四チャック
等(S、Prochazka et、al、、 ate
、 aram、 Soc、 Bull。
52885〜891 (1973))が結晶粒が成長し
、その強度があまり大とならない旨を報告している事か
らも明らかである。
本発明は上述の諸問題を解決し、高密度でかつ結晶粒が
微細な炭化ケイ素焼結体及びその製造方法を提供せんと
するものであり、その要旨は、(a)酸化エルビウム5
〜15重量%、(b)イツトリア1〜4モル%、マグネ
シア2〜6モル%、カルシア2〜7モル%の中の一種以
上が固溶せしめられた部分安定化酸化ジルコニウム2〜
6重量%及び残部が(c)炭化ケイ素なる組成の炭化ケ
イ素焼結体及び(8)酸化エルビウム粉末を5〜15重
量%、(b]イツトリア1〜4モル%、マグネシア2〜
6モル%、カルシア2〜7モル%の中の一種以上が固溶
せしめられた部分安定化酸化ジルコニウム粉末2〜6重
量%及び残部が(c)・炭化ケイ素粉末とを混合後成型
し、次いで熱間焼結法により焼結せしめることを特徴と
する炭化ケイ素焼結体の製造方法である。
以下本発明をなすに至った実験並びにひの結果を示す。
〈実験I〉 純度98.5%、平均粒子径0.5PIIIのSiC粉
末と純度99.9%平均粒子径5pHlのZ「02粉末
及び粒度5mの第1表に示す様な部分安定化Zrよ08
粉末とを第1表記載の割合で各種配合したものをボール
ミル混合機によす10時時間式混合粉砕を行なった後、
これを充分に乾燥して焼結用原料とし、50X 50(
Wl)角、高さ60.mmの黒鉛型内に上記各種焼結用
原料を充填すると共に高周波コイルに押入し、1800
℃〜2050℃の温度範囲内で各所定温度にて200k
g/dの圧力を加え60分間保持し、次いで圧力を抜い
て放冷することにより50X50X5.5 (m)の目
的の焼結体を得た。各々の焼結体をダイヤモンド砥石で
切断後研削して各10個の3X4X36(■゛)の試験
片を作成し各種試験をして得られた測定値を同じく第1
表に示す。
第1表の1(ホットプレス温度1800℃)第1表の4
(ホットプレス温度2000℃)なお上記第1表中、例
えば6 (ZrQL+6モル%M90) としているの
は、6(94モル%ZrOよ+6モル%M90 )の事
である(以下同じ)。
く実験■〉 実験■と同様に作った焼結用原料を第2表に示す様な熱
同等方圧加圧焼結(以下HIPとする)条件にて焼結さ
せた場合の焼結体の緒特性を第2表に示す。
第2表 以上の結果から炭化ケイ素に、酸化エルビウム及び部分
安定化した酸化ジルコニウムを添加する事により、得ら
れる焼結体が緻密かつ微細粒状のものとなる事は判るが
、その機構+rついては必ずしも正確には解明し得ては
ない。がしかし概路次の如(であると考えられる、即ち
酸化エルビウムは高温域で炭化ケイ素め結晶格子中に入
り込み、その過程で焼結が進行し該酸化エルビウムが結
晶粒成長を抑制する、又部分安定化した酸化ジルコニウ
ムは炭化ケイ素に固溶する事なく均一に分散された状態
で存在しており焼結冷却途上で一部含まれる少量の正方
晶が単斜晶へ相変態を起こし、それに伴う体積膨張によ
り周囲の炭化ケイ素母材に応力を与え高い密度と強度を
示す様になるという事である。従って用いる酸化ジルコ
ニウムが安定化状態の物であれば体積膨張が無いので密
度及び強度の上昇が見られないし、又未安定化酸化ジル
コニウムを使えば体積膨張する正方晶が多すぎる為に焼
結体に過度の応力がかかり割れを生じる。
ここで上述の実験結果から熱間焼結法(ホットプレス法
及びHIP法)の焼結条件につき検討すると、緻密で強
度が大なる焼結体を得る為には温度は1850℃以上が
必要であるが、逆にあまり高くなれば粒成長が激しくな
る為に十分に緻密化する以前に過度な粒成長が生起し気
孔が残存するのでその上限は2000℃とすべきである
。又圧力については100kg/d以上あれば十分でそ
の上限については特に限定されるものではない。次にホ
ットプレス法の場合にあっては焼結雰囲気は真空中ある
いは不活性ガス中でなす事が、又HIP法の場合は不活
性ガス中でなす事が望ましい。
上述の第1表〜第2表中の焼結温度1850〜2000
℃、焼結圧力100kg/cIIr以上の場合データの
みをまとめると第3表の如くなる。
化エルビウムの量は、それを少なくとも5重量%用いな
ければ対理論密度が低(、かつ抗折力その他の特性も良
くないが、逆jζあまり多すぎ18重量%ともなれば粒
成舵に伴う弊害が生じるのでその量は5〜15重量%と
する。又部分安定化酸化ジルコニウムは、それを少なく
とも2重量%用いなければ上述の添加効果を発揮し得ず
抗折力、シャルピー衝撃値も共に低い、一方あまり多(
その量が8重量%ともなれば粒成長に伴なう種々の弊害
が生じるのでその量は2〜6重量%とする。なお酸化ジ
ルコニウムを部分安定化させる為の添加物たるイ1ドリ
ア、マグネシア及びカルシアは実験上それぞれ1〜4モ
ル%、2〜6モル%及び2〜7モル%が好ましい。
次に用いる炭化ケイ素の一部がBe、 BeO+8J、
C+AI、 AIN、A1.0.で置換されている場合
についての実験を示す。
く実験I〉 純度98.5%、平均粒子径0 、5)t、mのSiC
粉末と純度99.9%、平均粒子径5PmのEr工04
粉末及び第3表に記載する様な各種添加物を実験Iに記
載と同様な方法にて1950℃にて焼結させ各種特性を
調査し測定値を第4表に示す。
第4表 この第4表から、炭化ケイ素の一部を上記種々の添加物
で置換した場合にあっても、酸化エルビウム及び部分安
定化酸化ジルコニウムを適正量添加する事により、緻密
で微細粒状焼結体とする事が出来る事が確認されるが、
この場合の置換量は0.5重量%位なければ無置換の物
と比べて大差はないが、あまり多量となり 3.0重量
%にもなると抗折力や硬さの低下が見られる為その置換
量は2重量%以下好ましくは0.5〜2重量%とする。
以上述べて来た如く、本発明によれば非常に緻密、かつ
結晶粒が微細で強靭性に富む炭化ケイ素焼結体が得られ
、その焼結体は実用上の緒特性においても優れており、
しかもホットプレス法あるいはHIP法によ炒製造する
ので大型の焼結体の製造が容易であるので、耐酸化性、
耐熱衝撃性、耐食性、高温強度等を要求される各種構造
用部材や耐摩耗用部材として広範に利用する事が出来る
ものである。
特許出願人 日本タングステン株式会社代理人有吉教晴

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、(a)酸化エルビウム5〜15重量%、(b)イツ
    トリア1〜4モル%、マグネジ12〜6モル%。 カルシア2〜7モル%の中の一種以上が固溶せシメられ
    た部分安定化酸化ジルコニウム2〜6重量%及び残部が
    (c)炭化ケイ素なる組成の炭化ケイ素焼結体。 2、理論密度の96%以上の密度を有する特許請求の範
    囲第1項記戦の炭化ケイ素焼結体。 3、焼結体の粒径が平均10ibm以下である特許請求
    の範囲第1項記載の炭化ケイ素焼結体。 4・軸)酸化エルビウム5〜15重量%、(b)イツト
    リア1〜4モル%、マグネジ12〜6モル%。 カルシア2〜7モル%の中の一種以上が固溶せシメられ
    た部分安定化酸化ジルコニウム2〜6重量%及び残部が
    (C)その2重量%以下(0を含まず)をBe、 Be
    0r B 、 B、C+^I、 A11ll、^1ニル
     の一種以上で置換した炭化ケイ素なる組成の炭化ケイ
    素焼結体。 5、理論密度の96%以上の密度を有する特許請求の範
    囲第4項記載の炭化ケイ素焼結体。 6、焼結体の粒径が平均IIS以下である特許請求の範
    囲第4項記載の炭化ケイ素焼結体。 7 、 (a)酸化エルビウム粉末を5〜15重量%、
    (b)イツトリア1〜4モル%、マグネシア2〜6モル
    %、カルシア2〜7モル%の中の一種以上が固溶せしめ
    られた部分安定化酸化ジルコニウム粉末2〜6重量%及
    び残部が(c)炭化ケイ素粉末とを混合後成型し、次い
    で熱間焼結法により焼結せしめる乙とを特徴とする炭化
    ケイ素焼結体の製造方法。 8、熱間焼結法がホットプレス法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造
    方法。 9、ホットプレス焼結条件を、温度1850〜2000
    ℃、圧力100kg / cd以上とする乙とを特徴と
    する特許請求の範囲第8項記載の炭化ケイ素焼結体の製
    造方法。 10.熱間焼結法が熱間等方圧加圧法であることを特徴
    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
    製造方法。 11、熱間等方圧加圧焼結条件を、温度1850〜20
    00℃、圧力100kg / cd以上とすることを特
    徴とする特許請求の範囲第10項記載の炭化ケイ素焼結
    体の製造方法。 12、 (a)酸化エルビウム粉末を5〜15重景%重
    量b)イツトリア1〜4モル%、マグネシア2〜6モル
    %、カルシア2〜7モル%の中の一種以上が固溶せしめ
    られた部分安定化酸化ジルコニウム粉末2〜6重量%及
    び残部が(c)その2重量%以下(0を含まず)をBe
    、 Bed、 B 、 B、C1Alp^1.Q7粉末
    の一種以上で置換した炭化ケイ素粉末とを混合後成型し
    、次いで熱間焼結法により焼結せしめることを特徴とす
    る炭化ケイ素焼結体の製造方法。 13、熱間焼結法がホットプレス法であることを特徴と
    する特許請求の範囲第12項記載の炭化ケイ素焼結体の
    製造方法。 14、ホットプレ゛ス焼結条件を、温度1850〜20
    00℃、圧力100kg / ci以上とすることを特
    徴とする特許請求の範囲第13項記載の炭化ケイ素焼結
    体の製造方法。 15、熱間焼結法が熱間等方圧加圧法である乙とを特徴
    とする特許請求の範囲第12項記載の炭化ケイ素焼結体
    の製造方法。 16、熱間等方圧加圧焼結条件を、温度1850〜20
    00℃、圧力100kg / cd以上とすることを特
    徴とする特許請求の範囲第15項記載の炭化ケイ素焼結
    体の製造方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61281071A (ja) * 1985-06-07 1986-12-11 株式会社日立製作所 強靭性セラミツクスおよびその製法
JPS6365250U (ja) * 1986-10-17 1988-04-30
US4746635A (en) * 1985-05-25 1988-05-24 Kabushiki Kaisha Riken High strength and high hardness alumina-zirconia-silicon carbide sintered ceramic composite and its manufacturing process

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