JPS6090866A - セラミツクス構造物の製法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明はセラミックス構造物の製法に係シ、特に複雑な
構造を持ったセラミックス構造物を容易に製造できる製
法に関する。

〔発明の背景〕

金属材料に代る新しい構造材料としてセラミックスが注
目されておシ、セラミックス構造物の実用化研究が活発
におこなわれている。セラミックスのうちでも炭化ケイ
素、窒化ケイ素、サイアロンなどの非酸化物系セラミッ
クスが高温高強度材として最も有望と考えられている。

セラミックスには、耐熱性が大きいこと、高強度である
こと、硬度が大きいことなどの利点がおる反面、金属材
料に較べて加工が困難で複雑な形状品が作りにくい欠点
がメジ、これがセラミックス構造物の実用化のための大
きなネックとなっている。

この欠点を除くため、焼結後の試料の形状を出来るだけ
目的に近づけるためのエアネットセイプ化の研究が射出
成形法やスリップキャスト法などを中心におこなわれて
いるが、これらの方法においても例えば焼結体に定まっ
た形状の多数の穴のおいた多孔質構造や、入口が小さく
て内部に大きな穴のあいた構造などのような複雑な構造
の成形は困難で、実現不可能であった。また、極端に厚
い部分と薄い部分がつながった構造や、角に丸味をつけ
ない構造などは成形できても、焼成時の歪によってつな
がシ部や角部が割れやすく、製造の歩留シが低いという
欠点もあった。

このように、従来のニアネットセイプ化の技術では複雑
な形状のセラミックス構造物を容易に、かつ、歩留り良
く製造することはできなかった。

〔発明の目的〕

本発明は上述の従来技術の欠点を除き、複雑な形状のセ
ラミックス構造物を容易に、かつ、歩留シ良く製造する
ための製法を提供することを目的としている。

〔発明の概要〕

本発明のセラミックス構造物の製法の特徴は、焼結後の
酸化性雰囲気中の熱処理によって組織崩壊をおこす易崩
壊性部分と、上記熱処理によって崩壊しない難崩壊性部
分とを一体成形して成型体を形成する工程、上記成型体
をＸ空中または非酸化性雰囲気中で焼成して焼結体を形
成する工程、上記焼結体を酸化性雰囲気中で熱処理して
、上記易崩壊性部分を崩壊、除去する工程、とから成る
ことにある。

本発明の有利な実施態様として、上記セラミックス構造
物として炭化ケイ素、窒化ケイ素またはサイアロンを主
体とするセラばツクスが、また、上記易崩壊性部分とし
て炭化ケイ素、窒化ケイ素またはサイアロ／と、周期律
表ｎｒ、　、　■、　、　ｖ。

または■、族元素のホウ化物、炭化物または輩化物、と
を主体とする複合セラミックスが用いられる。

本発明者達が種々検討の結果、炭化ケイ素、窒化ケイ素
、サイアロンなどは率独では耐熱性、耐酸化性にすぐれ
ているが、これに周期律表１［Ｉａｌ■、、ｖ、または
■、族元素のホウ化物、炭化物または輩化物の所定量を
加えたｆ＃Ｊ＃体は高温における耐酸化性に劣シ、酸化
性雰囲気中で９００〜１２００ｔ：’に加熱すると焼結
体組織が崩壊してぼろぼろの粉状になることが判った。

本発明はこの事実に基づいておシ、耐酸化性の大きな炭
化ケイ素。

窒化ケイ素、サイアロンなどのような難崩壊性セラミッ
クス部分と、炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイアロンなど
に所定量の周期律表ｍ、、　■、、ｖ。

または■、族元素のホウ化物、炭化物または窒化物など
を加えた易崩壊性部分と、を一体成呈した後、常圧焼結
、ホットプレス焼結、熱間静水圧プレス焼結などの手段
を用いて真空中または不活性雰囲気中などの非酸化性雰
囲気中で焼結して緻密な焼結体を作製し、しかる後、こ
れを酸化性雰囲気中で熱処理して易崩壊性部分を酸化、
崩壊し、除去することにより、複雑形状セラミックスを
形成するものである。

この方法によれば、易崩壊性部分をあらかじめ所定の形
状に成形し、これを難崩壊性部分で鋳ぐるみ成形するな
どの方法によシ、例えば焼結体に多数の穴のあいた多孔
質構造や、入口が小さくて内部に大きな大のめいた構造
などのような複雑な形状の構造物を容易に得ることがで
きる。

また、焼結時の焼成収縮率を難崩壊性部分と易崩壊性部
分とで略一致させることによシ、難崩壊性部分の構造が
例えば極端に厚い部分と薄い部分がつながった構造や、
角に丸味をつけない構造などでも焼成時に割れるなどの
問題がなく、製造の歩留シが高い。焼結が常圧焼結の場
合、難崩壊性部分と易崩壊性部分の焼成収縮率が異ると
焼成時に両者がはがれ、同時に上述の厚い部分と薄い部
分のつなかシ部や角部が割れやすい問題をおこすため、
難崩壊性部分と易崩壊性部分に用いる材料として焼成収
縮率の略一致したものを選ぶ必要がある。一方、ホット
プレス焼結や熱間静水圧プレス焼結法を用いれば焼結時
に外圧が加わるために難崩壊性部分と易崩壊性部分の焼
成収縮率は自動的に略一致し、両者が焼成時にはがれる
問題はない。

さらに、ホットプレス焼結法や熱間静水圧プレス焼結法
を用いれば一般に常圧焼結法よシも高密度で高強度のセ
ラミックスが得られるとと、また、本発明の方法によれ
ば従来は複雑形状品の作製の困難であったホットプレス
焼結法や熱間静水圧プレス法によっても複雑形状のセラ
ミックスが容易に得られることから、高密度、高強度の
複雑形状セラミックスを得るのに本発明の方法は特に適
している。

難崩壊性部分に用いる材料としては、炭化ケイ素、窒化
ケイ素、またはサイアロンのように高温で耐熱性、耐酸
化性の大きいセラミックスが適している。これらのセラ
ミックスは耐酸化性を損わない程腿の量の焼結助剤や炭
化ケイ素、窒化ケイ素、サイアロン以外のセラミックス
を含むことができる。

易崩壊性部分に用いる材料としては、上述の難崩壊性部
分に用いる材料と同じ材料を主体とし、これに周期律表
ｍ、、　■、、ｖ、または■、族元素のホウ化物、炭化
物または窒化物を加えた複合セラミックスを用いれば良
い。加えられた周期律表ｍ、、　■、、ｖ、または■、
族元素のホウ化物。

炭化物または窒化物は一般に高温の耐酸化性が悪く、シ
たがって空気中などの酸化性雰囲気中で９００〜１２０
０１Ｚ’に加熱すると内部まで酸化されて易崩壊性部分
の組織崩壊をもたらす。

易崩壊性部分の主体は炭化ケイ素、窒化ケイ素。

サイアロン等難崩壊性部分と同じ材料を用いることが望
ましい。材料が異ると易崩壊性部分と４６崩壊性部分を
同時に緻密な焼結体とするのが困難となる。

周期律表ｍ、、　■、、ｖ、、ｖｔ、族元素のホウ化物
、炭化物、窒化物の種類、および炭化ケイ素。

窒化ケイ素、サイアロンとの組合せに応じて、易崩壊性
部分の耐酸化性は変化する。一般的には９ｃ、Ｔｉ　、
Ｖ、Ｃｒのように比較的軽元素を用いた場合には耐酸化
性が大きい。また、炭化ケイ素と組合せた場合には一般
にホウ化物の耐酸化性が太きい。し九がって、易崩壊性
部分の主体として窒化ケイ素やサイアロンを用いた時に
はＢｃ。

Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒを除く周期律表Ｉｌｌ　ａ　＋　Ｐｌｍ
　ＨＶａ。

■、族元素のホウ化物、炭化物、全化物との混合セラミ
ックスを用いるのが望ましく、一方、主体として炭化ケ
イ素を用いた時にはＳ　’　＋　Ｔ　’　＋　Ｖ　＋Ｃ
ｒを除く周期律表ｍ、、　■、、Ｖ、、ｖｉ、族元索の
炭化物、全化物を用いるのが望ましい。

また、これらの周期律表ｎ＋、　、　■、　、　ｖ、、
■。

族元素のホウ化物、炭化物、窒化物の添加量としては主
体の炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイアロンに対して５〜
７５　ＶＯｔ％の範囲が望ましい。添加量がこの範囲よ
多少ないと酸化性雰囲気中で熱処理した時の組織崩壊が
おこシにくくなる。一方、添加量が多くな多すぎると易
崩壊性部分の焼結が困難となシ、焼結時に難崩壊性部分
に歪を生じ、割れるなどの問題を生じゃすい。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例に従って説明する。

（実施例１） 粒径す８０００のαｆＪｓｉｃ粉末に対して焼結助剤と
して平均粒径２μｍのＡｔＮを２Ｗｔチ添加したものを
用意した。次に、これに粒径０．５〜５μｍのＷＣを５
０　ＶＯ１％と、バインダーとして５チＰＶＡ水溶液を
全粉末に対して１　ｏｗｔチ加え、金型を用いて第１図
１−Ａに示すように円筒形（４０φｘｓｏ　ｔ　）に成
形した。次に、円筒形の上下端面を１−Ｈのように研削
して、易崩壊性部分１を得た。次に、これを内径４４φ
Ｘ５０　ｔの金型に入れ、すき間に上述のｓｉｃとＡｔ
Ｎの混合粉末に５チＰＶＡ水溶液を１０Ｗｔチ加えた粉
末を充てんし、力１旧成形して、難崩壊性部分２を得た
。なお、この工程によシ、１−Ｃに見られるように、易
崩壊性部分１を難崩壊性部分２が鈎ぐるんだ形の一体成
型体が得られた。次に、これをカーボン型に入れ、真空
中温度２０５０ｃ、圧力２００Ｋｐ／ｃｒ／ｌ’ｔ’＊
ツトプレス焼結して、緻密な一体焼結体を得た。最後に
得られた焼結体を空気中１２０（ｌで５ｈ熱処理した。

この工程で、易崩壊性部分１は選択的に酸化されて、は
ろほろの粉状になり、最終的に１−Ｄ（断面図）に見ら
れるように、難崩壊性部分２のみが残った構造物が得ら
れた。

このように、本実施例によ多空隙の形が内部で大きく、
入口部分で小さい複雑な形状の部品が容易に作製できた
。また、１−Ｄの薄肉部２０の肉厚は約２ｍと薄く、ま
た、入口部２１の肉厚さは約１５簡と厚かったが、割れ
などの問題はまったくなかった。さらに、１−Ｄの試料
から曲げ試験用試料を切シ出して測定の結果、曲げ強匿
は１００±１５Ｋｐ、／ｍ”　と大きく、また、場所に
よる強度のばらつきは少なかった。

なお、第１図のセラミックス部品にＡｔの６俸を、取９
つけることによシ、耐摩耗性の軸受けを作製することが
できた。

また、１−Ａを成形後、表面にネジ切シをして易崩壊部
分を作製し、上記実施例と同様な方法で難崩壊部を鋳ぐ
るみ成形、焼成、空気中で熱処理することによシ、内面
にネジ切シのある円筒状構造物を得ることも可能でおっ
た。この構造物はスクリュウ圧Ｓ機やポンプの部品とし
て有用なものである。

上記実施例において、易崩壊性部分に用いるＷＣの代り
に、ＹＩ　Ｌａｌ　Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ。

ＭＯ，Ｗの炭化物や窒化物を用いても同様な方法で構造
物１−Ｄを得ることが可能であった。また、これらの炭
化物や窒化物の添加針は５〜７５　ＶＯ１％の範囲が適
当であった。

（実施例２） 平均粒径１　μｍＣｌＳｉ３Ｎ４　、　ＡｔＮ、　Ａ１
２ｏｓ　＋５ｉｆｔの粉末をサイアロンの一般式 ％式％） ように配合した。次に、これにｒｖｏｔｔｓのＮ　ｂＢ
　ｚ（粒径２〜２０μｍ）と、バインダーとして全粉末
に対して１５Ｗｔ　％のポリエチレン重合体を加え、射
出成形法（圧力ニ１トン／ｄ）によシ直径５ｍの球を成
形した。次に、この球を４０φＸ６０ｔの円筒状金型に
入れ、球のまわシにサイアロンの粉末と１５ｗｔ　ｑ６
のポリエチレン重合体を加えた混合物を射出成形法（圧
力ニ　７５０Ｋｆ／ｃｒＩ）によシ充てんして、第２図
２＝Ａに示すように一体成形体を得た。ここで１はサイ
アロンとＮｂ　Ｂ２を含む易崩壊性部分、２はサイアロ
ンを含む難崩壊性部分である。

次に、これをバインダー抜きし、常圧焼結法によシＮ２
中１７５０ｔ：’１ｈ焼結した後、空気中１００（ｌで
２０ｈ熱処理して、易崩壊性部分を酸化、除去し、内部
に球状の空孔が多数存在する構造部品２−Ｂ（断面図）
を得た。

この構造部品は触媒担体や熱交換器として有用であった
。

（実施例３） 平均粒径０．５μｍの５ｉｓＮａ粉末に焼結助剤として
平均粒径１μｍのＹ＊Ｏｓ　６　Ｗ　ｔ　＊　＋　ｋＨ
ｚ　０ｓ３Ｗｉ％を混合したものを用意した。これに実
施例１と同様にＰＶＡ水溶液を加え、金型によシ５０φ
×５０ｔの円筒状に成形した。次に、これを旋盤によシ
外面研削し厚さ１．５ｍの円板（５０φ）が３枚が軸（
２４φ）で固定された構造物を成形した。次に、これを
円筒上の金型に入れ、実施例１と同様な方法により、す
き間に、上述のＳ　ｒ　ｓ　Ｎ４１　’Ｙ！　Ｏｓ　＋
　Ａｔ！Ｏｓの混合物に１０ｖｏ１％のＺｒＮとＰＶＡ
水溶液を加えた粉末を充てんし、第３図に示す構造の一
体成形体を得た。

ここで、１は、３ｉ１Ｎ４とＺｒＮを含む易崩壊性部分
、２は５ｊｓＮａを含む難崩壊性部分、２１は難崩壊性
部分の一部を構成する円板部分、２２は細部分である。

次に、この成形体をＮ！中１７５０Ｃで１ｈ常圧焼結し
た後、同じ温度でＡｒ中２トン／ｄの圧力で熱間静水圧
プレス焼結をおこなった。最後に、これを空気中１１０
０Ｃで５ｈ熱処理して、易崩壊性部分１を酸化除去して
、円板２１が軸部２２に接続した構造物を得た。

本実施例においては、熱間静水圧プレス焼結法を用いた
ため、得られた構造物は特に緻密で、強度も大きかった
。また、薄い円板部（厚さ約１■）と太い軸部（約２０
φ）の接続部にも割れ女どの弗化はなく、製造歩留シは
高かった。

また、易崩壊性部分に用いるＺｒＮの代シに、Ｙ、Ｌａ
、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ＋　Ｍｏ、Ｗのホウ化物、炭
化物、窒化物を用いても同様な構造物を容易に得ること
ができた。また、これらのホウ化物、炭化物、雪化物の
添加蓋は５〜７５ＶＯ１％の範囲が適当であり、添加量
が少いほど酸化雰囲気中の熱処理温度を高く、時間を長
くする必要を生じた。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば複雑形状のセラミックス構造物を
歩留り高く、容易に製造できるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の実施例に用いた構造物の製
法を示す工程図、第３図は本発明の実施筋１図 も２図 毛３図 第１頁の続き ０発　明　者　成　沢　敏　明　日立市幸町３丁目所内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、焼結後の酸化性雰囲気中の熱処理によって組織崩壊
   をおこす易崩壊性部分と、上記熱処・理によって崩壊し
   ない難崩壊性部分とを一体成形して成型体を形成する工
   程、上記成型体を真空中または非酸化性雰囲気中で焼成
   して焼結体を形成する工程、上記焼結体を酸化性雰囲気
   中で熱処理して、上記易崩壊性部分を崩壊、除去する工
   程とから成ることを特徴とするセラミックス構造物の製
   法。 ２、特許請求の範囲第１項において、上記セラミックス
   構造材が炭化ケイ素、窒化ケイ素またはサイアロンを主
   体とするセラミックスから成ることを特徴とするセラば
   ツクス構造物の製法。 ３、％許請求の範囲第２項において、上記易崩壊性部分
   が炭化ケイ素１分化ケイ素またはサイアロンと、周期律
   弐ｍ、、　■、、ｖ、また紘■、族元素のホウ化物、炭
   化物または会化物、とを主体とする複合セラミックスか
   ら成ることを特徴とするセラミックス構造物の製法。 ４、特許請求の範囲第１瑣、第２項、第３項または第４
   項において、上記焼成時に加圧し表から焼成することを
   特徴とするセラミックス構造物の製法。