JPS61209975A - 炭化珪素セラミツクス体の強化方法 - Google Patents

炭化珪素セラミツクス体の強化方法

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JPS61209975A JP60051522A JP5152285A JPS61209975A JP S61209975 A JPS61209975 A JP S61209975A JP 60051522 A JP60051522 A JP 60051522A JP 5152285 A JP5152285 A JP 5152285A JP S61209975 A JPS61209975 A JP S61209975A
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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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は。炭化珪素セラミックスの表面層に窒化珪素を
生成させて炭化珪素(8iC)セラミックスを強化する
方法に関するものである。
〔従来技術および問題点〕
窒化珪素、炭化ケイ素、アルミナなどのセラミックスは
1機械部品用として優れたセラミックスである。これら
のセラミックスの性質は、おおむね満足すべきものであ
る。例えば窒化珪素焼結体の強度は、単純な形状ではI
 GP46るいはそれ以上である。しかしながら実際に
使用される機械部品は、複雑な形状をしており1局部的
に強度の弱い部分を生じる。そのためこの部分がセラミ
ックスの性能を限定してしまう。このような局部の強化
は、設計およびプロセスの改良、物質組成の最適化など
によって行なわれるが、必ずしも十分であるとは云えな
い。
そこで2発明者らはセラミックス体にイオンを打込んで
、セラミックスの表面を改質することが出来れば、セラ
ミックス表面の欠陥感受性が低下して、セラミックス体
の強度が向上し、セラミックス部品を局所的に強化する
技術を与えることが出来るのではないかと考え1種々の
研究を進めた。
その結果2本発明を為すに至った。
本発明の目的は、炭化珪素セラミックス体に。
珪素および窒素原子を打込んだのち、加熱処理すること
によって、該セラミックス体の表面を強化する方法、を
提供することである。
〔本発明の構成および作用〕
本発明は、炭化珪素セラミックス体に珪素(8i )お
よび窒素(N)原子を打込んだのち、非酸化性雰囲気中
で加熱することにより、該セラミックス体を強化するこ
とを特徴とするセラミックス体の強化方法である。
本発明におけるセラミックス体は炭化珪素(8iQ粉末
を所望の形状に圧粉後、焼成したものである。
該セラミックス体には焼結に際して焼結用助剤。
B 、 C、BN、 kl、 AIN、 Be、 AI
、O,、Y、01等の添加成分が含まれていてもよい、
。また、製造方法としては、常圧焼結、ホットプレス、
fLIP等、いずれの方法でもよい。セラミックス体の
表面は。
8iおよびN原子の打込みに先立って、応力集中を生じ
るような凹凸をなくすために、0.5S程度に研摩し、
さらに、アセトン等の有機溶媒で洗浄しておくのがよい
。そうして、セラミックス体の所望部に8iおよびNを
打込む。打込み深さは003〜2.0μm程度がセラミ
ックス体の強度向上から見て望ましい。8iおよびN原
子の打込みは各々加熱して得た8i蒸気あるいはN2ガ
スをイオン源中に送り込みイオン化した後、加速管中で
加速した高エネルギーイオンにて行なう。8i原子およ
びN原子を照射する順序は、いずれを先にしてもよいが
、N原子の打込み量を多くする場合には、N原子の打込
みによってブリスターが生じたりするので、81原子を
先に打込む方がよい。
具体的な加速器としては、コツククロフト、パンデグヲ
ー7.綿形加速器、サイクロトロン等を使用することが
できる。
8i、N原子の照射量比としては、原子比(8i/N)
が8isN4化合物の原子比。すなわち3/4を中心に
して、2.4/4〜五6/4にするのがよい。照射量は
、 8i原子で1.2 X 10〜5×1016イオン
/f噛、N原子の照射量は、上記原子比に対応する量と
するのがよい、J8i、Nの原子比が前記範囲外の場合
には、後の熱処理によって生成する窒化珪素の量が少な
くなる。また、81原子の照射量が上記範囲以下では、
セラミックス体強化の程度が若干低下する。逆に該照射
量が上記範囲より多くても。
それに見合うだけの強度向上が得られない。
上記8i原子、N原子を加速するだめのエネルギーは、
 50 keV〜2 MeVの範囲が望ましい。各原子
の加速エネルギーは、各原子のセラミックス体への浸入
深さに関連して決定する。加速エネルギーが低いと、各
原子はセラミックス体の極く浅い部分にしか打込めず、
後の熱処理により得られる窒化珪素と、炭化珪素との結
合が充分でなく、セラミックス体の強化に結びつきにく
い。一方、加速エネルギーを大きくし過ぎても、大きく
した効果は得られにくい。
上記のように、セラミックス体に8i原子、N原子を打
込んだのち、該セラミックス体を非酸化性雰囲気中で加
熱処理を行い、打込んだ81とNラム、窒素ガス中がよ
い。また、これらのガスに水素を5〜20容量%、望ま
しくは8〜12容量%加えるのが、SRとNを化合させ
るという目的から見て望ましい。
加熱処理の温度は、1100〜1600℃9処理時間は
α5〜5時間程度が望ましい。加熱温度が1100℃未
満の場合には、8i、N原子の結合が得られに<<、セ
ラミックス体の強化につながりにくい。一方、温度が1
600℃より高くなると、打込んだ原子、主としてN原
子の散逸割合が急激に大きくなる。
本加熱処理によって1表面に鼠化珪素を含有する層を有
するセラミックス体を得ることができる。
該セラミックス体において、窒化珪素は、炭化珪素粒子
表面で化合するため、炭化珪素粒子にしっかりと密着し
た状態で分散している。該セラミックスの表面には、加
熱処理後の冷却中に、窒化珪素と炭化珪素の熱膨張差に
起因する圧縮応力が残留する。窒化珪素の熱膨張率は、
約3 X 10′1/’C炭化珪素のそれは約5×10
41/”Cであり、冷却過程において窒化珪素の方が炭
化珪素よりも収縮量が小さい。すなわち窒化珪素を含有
する表面層ラミックス体強化の原因の一つと考えられる
〔本発明の効果〕
炭化珪素と窒化珪素との間には化合物の形成あるいは固
溶等の現象は生じないので、従来の化学的な方法で両者
をセラミックス表面で混合し、しかも両セラミックスの
間をしっかりと密着させることは困難であった。しかし
9本発明によれば。
炭化珪素セラミックス体の表面に81およびN原子を打
込み、しかる後これらの原子を、化学的に結会させて、
炭化珪素中に緻密に分散した窒化珪素としたので、セラ
ミックス体表面が改善され。
該セラミックス体の欠陥感受度が低下して、破壊しにく
くなる。
〔実施例〕
実施例 1゜ 炭化珪素セラミックス粉末を焼成し、見られた焼結体を
JIS曲げ強度評価用試験片(寸法5×4x4(lfl
)に加工し9表面を符600の研肖障石でα5S程度に
仕上げた。その後、アセトンを用いて超音波洗浄した。
試料洗浄後、コツククロフト型加速器のサンプルホルダ
ーに上記試験片を。
その幅4flの面が原子打込み面になるように取シつけ
、Si原子、N原子の順序で打込んだ、、81原子の加
速エネルギーは400 keVとし、打込み量は2 X
 1017個/iとした。8i原子のセラミックス体中
での飛程計算値は約5650±800盈である。81原
子打込み後、N原子を打込んだ。N原子の加速エネルギ
ーは200 keVで、打込み量は、Si原子打込み量
の1.53倍とした。N原子のセラミックス体中での飛
程計算値は、約3500士700Xで81原子と同程度
の飛程になるようにした。
8i、N原子を打込んだのち2種々の温度で加熱処理し
た。加熱温度は第1表に示すように1000〜1700
℃とし、加熱雰囲気は、凡ガスに10容量%のルガスを
混合したガス雰囲気とした。また。
加熱時間は2時間で一定とした。
上記のように処理した試験片の曲げ破断強度を測定した
。曲げ試験は、 8i 、 N原子打込゛面が引張負荷
となるように4点曲げにより行なった。なお。
試験片の支持スパンは50B、負荷支点のスパンは10
jEIIgとした。
また、比較例として、8i、N原子を打込んだままのも
の(ACl)および打込んでいないもの(Ac1)につ
いても試験を実施した。試験本数は各条件について5本
ずつとした。結果を第1表に示す。
第1表の結果から明らかなように、セラミックス体の曲
げ強度は、8i、N原子を打込んだだけでは(ACl)
、打込まなかった場会(ム02)と曲げ破断強度はあま
り変らない。加熱処理の温度が1000℃以上になると
9強度は増大し、1400〜1500℃の温度で最大と
なる。1600℃を越えると、再び未処理の強度と同程
度となる。
実施例 Z 実施例1と同じ材質2寸法の曲げ試験片を用意し、実施
例1と同様の装置、方法により、 8i、N原子を打込
んだ。加熱処理は窒素雰囲気中で1400℃,2時間保
持の条件とした。その後、5i!施例1と同様の曲げ試
験を行ない9曲げ破断強度を求めた。その結果を 4原子打込み量とともに第2表に示す。
第  2 表 第2表の結果かられかるように、原子打込み量の増加と
ともに9曲げ破断強度が高くなる。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)炭化珪素セラミックス体に珪素および窒素原子を
    打込んだのち、非酸化性雰囲気中で加熱することにより
    、該セラミックス体を強化する、ことを特徴とするセラ
    ミックス体の強化方法。
  2. (2)上記珪素および窒素原子は、それぞれ1.2×1
    0^1^7〜5×10^1^6イオン/cm^■および
    1.6×10^1^7〜6.7×10^1^6イオン/
    cm^■の打込み量であることを特徴とする特許請求の
    範囲第(1)項記載のセラミックス体の強化方法。
  3. (3)上記加熱は、1000〜1600℃で行うことを
    特徴とする特許請求の範囲第(1)項記載のセラミック
    ス体の強化方法。
JP60051522A 1985-03-14 1985-03-14 炭化珪素セラミツクス体の強化方法 Granted JPS61209975A (ja)

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