JPS6065765A - 立方晶炭化けい素粉末の焼結法 - Google Patents

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】 本発明は立方晶炭化けい素（以下β−３ｉ（Ｅと記載す
る）粉末の焼結法に関する。

炭化けい素糸焼結体は硬度と高温強度が大きいことから
耐摩耗、耐熱材料として広く利用されている。炭化けい
素は大別してα、βの２つの結晶形のものがあるが、本
発明はβ−８ｉＯ粉末の焼結法に関する。β−３ｉＯ粉
末の焼結法としては、従来、この粉末に硼素及び炭素を
一定量混合し、真空中、ＣＯガス雰囲気中もしくは不活
性ガス雰囲気中で焼成する方法が知られている。

β−３ｉＯ粉末の焼結において、そのち密化の困難な点
は、焼結の終期に粒成長が生じ、例えば粒径１００μｍ
以上の粒子が多量に生成し、高ち密化し難いことである
。硼素は焼結体のち密化に有効に作用するが、同時に焼
結終期の粒成長を促進する作用を持っている。また炭素
はβ−８ｉＧ粉末中に含まれている不純物の５ｉｎ２（
焼結を阻害する）を除去する作用をするが、脱酸に必要
な量を超えると有害であるとされていた。

従って、β−８ｉＯ粉末に混合する硼素及び炭素の量は
或範囲内において使用されていた。例えば、硼素０．５
〜５．０重量％、炭素１．５〜５．０重量％（特公昭５
８−１７１４６号）、硼素０．３〜３重量％、炭素０．
１〜１．０重量％（特公昭５７−３２０３５号）、用い
られている。

このように、硼素は０．３重量％以上を使用し、炭素は
必要以上には加えないとされた。

しかし、これらの方法では未だ満足すべき高密度の焼結
体は得られない欠点があった。

従来、特定方法で製造したβ−３ｉｆｔ粉末に、炭素及
び硼素をそれぞれＯ１１〜５重量％混合して焼成する方
法が提案されている（特公昭５５−４６９９６号）。こ
の方法では硼素の使用量を０．１重量％まで可、能とし
ているが、その実施例ではすべて１．０本発明の目的は
これらの従来法の欠点をなくし、少量の硼素の使用で特
別な製法によらないβ−８ｉＯ粉末でも高密度のβ−８
ｉ（３粉末の焼結体を製造し得る焼結法を提供するにあ
る。

本発明者らは、β−８ｉＯ粉末の焼結における反応機構
及び条件について詳細に検討した結果、（１）　β−８
ｉＯ粒子の粒界エネルギーは、炭素物質（他の無機物質
でもよい）を粒子間に介在させると低下し、この介在に
よって焼結を促進し粒成長を抑制し得られること。

【ト）　β−８ｉＯに随伴する５１０２は１０００℃以
上で混合した炭素と ５ｉｎ２＋　Ｏ＝　ＳｉＯ＋　００　（１）壕だけ ＳｉＯ＋　３０　＝　ＳｉＯ＋　２００　（２）の反応
によってＣＯガスを発生ずる。このＣＯは混合したＢと
反応し くｊＱ＋１３＝ＢＯ＋Ｇ　（３） この反応によりＢＯガスを生成し、Ｂを消耗する。従っ
て、焼結前にＢを消耗することなく５ｉｎ２を除去すれ
ばＢの使用量を少なくなし得る。それには焼結前に１０
−１〜１０−８気圧の低真空下で１１００〜１５００℃
に加熱することが必要である。すなわち、１０〜１０　
気圧１１００〜１５００℃で（１）　、　（２）の反応
がおこり、発生したＣＯガスは硼素と反応せず県外に放
出され、反応（３）は生じないので硼素の消耗がない。

（５）硼素の混合量は図−２に示すように、前記５１０
２の除去を行わないと、密度を高めるには０．４重量％
と多量の硼素を必要とし、それでも焼結体の密度は３．
Ｏｆｆ／ａｍ２以下のものしか得られない。

これに対し、５１０２の除去の前処理を行うと、０．１
〜０．３重量％でよく、得られる焼結体の密度は３．１
８２／ｃｒＩＬ３までＫも達し得られること。

なお、硼素量をそれより多くすると焼結終期に粒成長を
促し密度を低下させる。

（４）炭素の添加量は図−１に示すように、炭素源の種
類によって多少相違するが、１重量％を超え、３重量％
以下（炭素は５ｉｎ２の除去で１部消費される）である
ことが好ましく、１重量％以下では粒子間に介在させる
相の厚みが不十分でち密化が困難となシ、３重量％を超
えると過剰となシち密化を阻害すること。

以上の知見に基いて本発明を完成したものである。

本発明の要旨は、立方晶炭化けい素粉末に１重Ｒ％を超
え３重量％以下の炭素及び０．１０〜０．３重量％のほ
う素を含ませた混合物を成形し、この成形物を１０””
　〜１０−５１：）圧力下テ１１００〜１５ｏ。

℃に加熱し、生成したＣＯガスを排気除去する前処理を
施した後、真空中または化学的に不活性な雰囲気中で１
９００〜２２００℃で焼成することを特徴とする立方晶
炭化けい素粉末の焼結法にある。

従来、β−８ｉＯ粉末の焼結前に、この粉末に随伴され
ている５ｉ０２を除去することがよいことは知られてい
る。（特開昭５７−１６６３６９号、特開昭５７−１６
６３７２号） これらの方法はいずれも製水表面を活性化１丸冬ために
、還元性ガス（Ｈ２，００）の減圧雰囲勧で処理をして ５ｉｎ２＋　Ｈ２＝　ＳｉＯ＋　Ｈ２Ｏ５ｉｎ２＋　０
０　＝　ＳｉＯ＋Ｃｏ２の反応によｐ　５ｉｎ２を除去
している。還元ガスを用いない場合は１０−４〜１０−
７気圧という高真空べし の反応をうながしている。

以上の方法は、還元性ガスを使用する方法は危険であり
、操作も面倒であるばかりでなく、還元性ガスを必要と
する。また高真空雰囲気の場合は通常の焼結炉で真空を
１０−４〜１０−７気圧に保つのは一般に高級な排気系
を必要とする。

これに対し、本発明の方法は１０〜１０　のガスを必要
とせず、且つｔ簡単な排気装置で審勇し得られる。発生
したＧＯは１５００℃以下の温ｆτ裏空で直ちに排気す
るので、硼素と反応しなく、消耗することがない。

加熱温度は１１００℃よシ低いとＳｉＯ□の分解が起シ
難く、１５００℃を起えるとＳｉＯの分解が生じ焼結を
阻害するので加熱温度は１１００〜１５００℃の範囲で
あることが必要である。また真空度は＾０−１よシ大き
いとＣＯガスへの分解排気がおそく□なシ、また１０−
５よシ低くなると、加熱によシ５ｉ（３の分解を起こす
ので、１０〜１０−３の真空度であることが必要である
。

本発明の方法におけるβ−８ｉＧ粉末への炭素の添加法
としては、重分予重合物、例えば、ピッチタール、フラ
ン樹脂、フェノール樹脂、あるいはポリイミド系または
ポリアクリロニトリル系樹脂原料をアセトン、ベンゼン
、アルコール等の溶剤粉末表面に炭素を形成させること
によって含有させる。

炭素添加量と得られる焼結体の密度の関係は図−１に示
すように、１重量％を超え３重量％（５ｉｎ２の除去の
ため消費される）以下であることが好ましいことは前記
した通りである。

硼素の添加量は、図−２に示すように、本発明における
真空前処理を行わない場合（１曲線）は硼素が消耗する
ため、密度を高めるためには０．４態量％と多量に必要
とするが、高密度のものは得られないが、真空前処理を
行うと（曲線２）硼素添加量は０．１０−０．３重量％
であることが好ましい。

さらにほう素添加量と粒成長の関係であるが、図−３に
ほう素添加量と密度９粒成長の関係（焼成温度２０５０
　Ｃ）を示した。図中の黒丸は粒成長。

白丸は粒成長のないもので、数字は密度である。

図・よりｉう素の最適添加量は０．１　ｉ員％以上０．
３重量％未満であることがわかる。すなわち、はう素が
０．３％以上では粒成長が生じ、０．１０％未満ではち
密化が不十分である。

β−８ｉＣ粉末に前記量の炭素と硼素とを含ませたもの
を成形し、成形物を１０−１〜１ｏ−３の圧力下で１１
００〜１５００　℃に加熱処理する。

得られた成形物を例えばアルゴンガス等の化学的に不活
性な雰囲気中で１９００〜２２ｏｏ℃で焼成する。１９
００　℃よシ低い温度では焼結が不十分で密度の高いも
のが得られず、２２００　’Ｃを超える温度は焼結に必
要でなく、経済的に不利である。

以下実施例を挙げて本発明の特長を明らかにする。

実施例１ 下表１に示すβ−８ｉＯ粉末を使用した。使用したβ−
８ｉＯ粉末は５ｉ０２と炭素を反応して作られたもので
ある。

表１　用いたβ−８ｉＯ粉末 真　比　重　３．１９〜３．２２　タ／α３結　晶　形
　立方晶（３Ｇ） 平均粒径　０．２５〜０．２８　μｍ １μｍ以下の粒　９５〜９８　％ 比表面積　１５．１〜１８．７　ｍ２／ｒ不純物量　Ａ
ｔ　Ｏ，０３〜０．０６％Ｆｅ　Ｏ，０３〜０．０７　
＃ ５ｉｎ２　０．２２〜０．３３／／ Ｃ０８３４〜０．４７／／ 炭素源としてフェノール樹脂を用いた。フェノール樹脂
をアセトンに溶解し、この溶液で残留炭素として２重量
１％になる量をβ−３ｉＯ粉末に付着させ、真空乾燥器
中で約１００℃で２４時間保ち十分乾燥し、アルゴンガ
ス雰囲気の炉中で４００〜５５０℃になるまで毎分３℃
で昇温し、β−８ｉＯ粉末の表面に炭素を均一に形成さ
せた。これにほう素を０．２重量％添加し、十分に混合
し、ラバープレスで理論密度の約６０％に成形した。

この成形物を１４００℃に加熱して１０　に丸ヤ笛ｆ／
３２１００℃で１５分間焼成した。

得られた焼結体は約３〜１０μｍ程度の粒子から成り異
常な粒成長は認められず、密度も３．０８ｆ／儂’　（
理論密度の９６％）に達し、高密な焼結体が得られた。

焼結体の特性を表２に、組織の８３Ｍ写真を図４に示す
。図（ａ）は破面図（ｂ）はエツチング面を示す。

表２　β−８ｉＯ焼結体の特性 Ｃ添加量　２重量％ ｆ３〃０．２／／ 密度　３．１５　ｆ／儒３ 粒径　３〜１０μｍ 強度　室温　６００　ＭＰａ １５００℃　６５０　ＭＰａ 牝較例１ 実施例１の方法で成形物の真空加熱の前処理を哲わずほ
か同様な方法で焼結した。得られた焼結一体は下記のも
のであった。

密度　２４０　ｆ／♂ 強度　室温　３７０　ＭＰａ １５００℃４１０　ＭＰａ 以上のように、本発明の方法によると、従来の方法にお
ける少ないほう素の使用量で、炭化けい素の製法に余シ
左右されることなく、高密度の焼結体が容易に得られる
優れた効果を奏し得られる。

【図面の簡単な説明】

図−１は炭素添加量と得られる焼結体の密度との関係図
１図−２はほう素添加量と得られる焼結体の密度との関
係図で １曲線；真空加熱の予備処理を行なった場合、２曲線：
真空加熱の予備処理を行なわなかった場合 を示す。図−３はほう素添加量と粒成長の関係。 図−４は本発明焼結体の８３Ｍ写真で（ａ）は破断面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 立方晶炭化けい素粉末に１重量％を超え３重量％以下の
   炭素及び０．１０〜０．３重量％のほう素を含ませた混
   合物を成形し、この成形物を１０−１〜化けい素粉末の
   焼結法。