JPS6234711B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は圧媒ガスを使用する熱間静水圧プレス
処理、特に低軟化点のガラス、圧媒ガスを溶解す
るガラスをシール材として用いる前記熱間静水圧
処理法のシール性改善方法に関するものである。

ガラスをシール材として用いる熱間静水圧プレ
ス（以下HIPと略記する）処理方法は異形成形が
可能であること、通常カプセル材として使用され
る銅、鋼などでは使用できない高温下でもHIPす
ることが可能であるなどの利点があり、ガラスカ
プセル法（特公昭46−2731号公報参照）、成形体
をガラス粒中に埋設する方法（特開昭55−89405
号公報参照）などが公知であり、現在、高温構造
材料として広くその開発が進められているセラミ
ツクス粉末の成形加工に利用されている。

ところが耐熱性セラミツクス粉末はその焼結温
度が高く、従つてHIP温度の従前の金属粉末成形
時に比べ高くなるところから低軟化点のガラスを
用いて窒化珪素（Si₃N₄）、炭化珪素（SiC）など
のセラミツクスを処理する際にはHIP温度が1700
℃程度になるため前記ガラス封入方式でもガラス
浴方式でも同じ状態となり、被処理セラミツクス
成形体はガラス浴中に浸漬された状態で、まわり
は溶融ガラスにより覆われることになる。そし
て、この場合、セラミツクス成形体は高密度にな
るまでは比重が1.8〜2.1ｇ／cm³とガラスの比重2.2
〜2.3よりも小さいためガラス浴から成形体の一
部が浮き出てシールが不完全になることがある。
これはHIP処理時、圧力媒体としてAr又はN₂ガ
スが使用されるとき、直接成形体に該圧媒ガスが
触れることとなり、ガス中に含有される微量酸素
とセラミツクスとの反応を誘起するほか、セラミ
ツクス成形体の気孔中に圧媒ガスが入るため、圧
媒ガスの圧力が緻密化のための駆動力として作用
しなくなり、本来目的とする圧力の効果が得られ
ない状況を生ぜしめる。

又、一方、低軟化点ガラスのあるもの例えばパ
イレツクスガラスにあつては特定の温度、圧力領
域では圧媒ガスを溶解し、成形体のポア部にこの
ガスが溜つて内圧を生じ、完全にはHIP処理によ
る高密度化が達成されない場合がある。

しかしながら、このような欠点は有するが、低
軟化点のガラスは取扱いが容易であること、価格
が安いこと等、多くの利点があり、その利用は極
めて工業的であるところから前記欠点の改良はひ
としく望まれている。

本発明は、かかる時代の趨勢に即応し、前記ガ
ラスの欠点を克服することにより極めて有用なシ
ール材であるガラスシール材をより有効に活用し
得る改善されたシール方法を提供することを目的
とするものである。

即ち、かかる目的を達成する本発明の特徴はセ
ラミツクス粉末成形体をガラス浴中に浸漬した状
態で、高温下、気体を圧力媒体として加圧焼結す
るHIP法において前記成形体の全表面をBN粉末
を内層として、前記成形体材料が焼結する温度よ
りも低い温度で焼結する材料よりなる粉末で覆
い、HIP処理途中で、前記被覆材料を先ず焼結さ
せて気密の層とした後、さらに前記成形体が焼結
する温度まで昇温しHIP処理する点にある。

以下、更に上記本発明の具体的な実施態様につ
いて説明する。

先ず本発明の基本的な処理法であるHIP処理法
は、セラミツクス粉末成形体をガラスカプセルに
封入、またはガラス粉粒体中に埋設し、ガラス浴
中に浸漬した状態で、かつ高温下、Ar、N₂ガス
など不活性ガスを圧力媒体として加圧焼結する方
法である。

ここでセラミツクス粉末としては、窒化珪素、
炭化珪素、炭化硼素（B₄C）の何れかを主成分と
するセラミツクスであり、通常、予備成形体ある
いはこれを予備焼結した予備焼結体として形成さ
れ、ガラスカプセル内に封入又はガラス粉粒体中
に埋設されて爾後のHIP処理に付される。

これら予備成形、更に予備焼結された被処理成
形体は、セラミツクス粉末単独の外、Y₂O₃粉
末、Al₂O₃粉末、MgO粉などからなる焼結助剤を
含む場合もある。

一方、前記被処理成形体を被覆する手段として
ガラスカプセル封入方法と、ガラス粉粒体中に埋
設する方法があるがこれらは何れの場合において
もガラスの軟化点以上に加熱すれば同じ状態を呈
することは前述の通りであり、唯、前者の場合に
は封入時に残留空気の影響を避けるため脱気密封
するに当り脱気部分がカプセル内のみとなるから
脱気が簡単であるのに対し、後者の場合には加熱
炉全体を脱気する必要がある点で多少異なるだけ
である。

なお、本発明で使用するガラスとしてはシリカ
ガラス、バイコールガラス、パイレツクスガラス
などがあるがシリカガラスは成形体と反応層を生
成することがあり、又、バイコールガラスは処理
後の除去に難があり、従つて最も好適なものとし
てはパイレツクスガラスであり、通常、使用され
る。又、HIP処理はHIP炉内でAr、N₂などの雰囲
気ガス下において昇温昇圧して行なわれるがガラ
スカプセルの局部的な歪の発生を阻止し、あるい
はガラス粉粒体が相互に融着して被処理成形体外
面に緻密なガラス層が形成される前に被処理体内
に高圧ガスが侵入しHIP処理を不可能ならしめる
のを防止するため、雰囲気圧力が100気圧以下の
状態で先ず温度をガラスの軟化点以上に昇温して
ガラスを容易に塑性流動できる様になし、かつガ
ラス粉粒体を使用する場合は被処理体外周面に緻
密なガラス層を形成させておき、続いて所定の
HIP温度、圧力に昇温昇圧させるようにする。し
かし後述するように本発明においては、ガラス被
覆と、被処理成形体との間に被覆材料が焼結層を
作るので、必らずしも上記HIP方法を採ることは
要求されない。

即ち、本発明は、上述の如きHIP処理において
シールの完全性を確保すべく特有の被覆材料を被
処理成形体の全表面を覆つて層成することであ
る。

そのため前記ガラスカプセルへの封入、ガラス
粉粒体への埋設に先立ち、被処理成形体の外面
に、その全外面を覆い、成形体焼結温度よりも低
い温度で焼結し、かつHIP処理温度においても溶
融しない材料粉末を層着する。

被覆材料としてはAl₂O₃、ZrO₂、BNなどが用
いられ、就中、BN粉末は最も好適であるが、
HIP処理しようとするセラミツクス成形体との関
連があり、必らずしもBN粉末に限られるもので
はない。しかしBN粉末は離型性が良好であり、
被処理成形体を覆う直接の外面にはBN粉末層を
形成しておくことが必要である。従つて、離型性
を容易ならしめるためのBN粉末層を内層とし
て、その外面に前記本発明の特色とする被覆材料
が付着される。

この被覆材料では、勿論、金属粉末を除外する
ものではないが、Mo、Pt、Crなどに限られ、し
かもCrの場合、処理後の剥離性に難があるので
前記材料が好まれる。

そして、これら被覆材料は、その形態保持の点
から、必要に応じ、例えばゴム型の如き柔軟性シ
ート材からなる型などを使用し、該型内に被覆材
料粉末を充填し、その中に所要の被処理成形体を
埋設して常温下で静水圧処理等により層着する。

なお、この被覆材料の厚さは１層以上で0.3mm
以上、好ましくは0.5mm以上である。何れにして
もこの被覆材料はHIP処理途中好ましくは1200℃
程度において気密焼結層を被処理成形体の外面に
形成しHIP処理による緻密化を達成するに足るも
のでなければならない。

因に被覆材料の種類と、それが気密層になるま
で焼結される温度、圧力条件ならびにHIP処理さ
れるセラミツクス成形体の種類とHIP温度、圧力
を示せば下記の通りである。

被覆材料 Al₂O₃ 1200℃ 1000Kgｆ／cm²以上 ZrO₂ 1350℃ 1000Kgｆ／cm²以上 BN 1650℃ 1800Kgｆ／cm²以上 セラミツクス成形体 Si₃N₄ 1750℃ 2000Kg／cm²以上 SiC 1850℃ 2000Kg／cm²以上 B₄C 1850℃ 2000Kg／cm²以上 かくして上記セラミツクス成形体から選ばれる
被処理体に対して前記被覆材料を選択して処理を
行なうときは、添付図面に示す圧力、温度の曲線
をもつて先ずＡ位置で被覆材料の焼結が行われ、
次いでＢ位置で該被覆材料で覆われた被処理成形
体の焼結が行われる。

従つて、このような本発明方法によればガラス
浴中で圧媒ガスを利用し処理するに際し、比重に
差があり、処理途中でガラス浴より浮き上るよう
なことがあるとしても、シールは全く完全とな
り、HIP処理による適確な等方圧縮による高密度
化が期待できる。

以上の如く、本発明方法は低軟化点ガラスをシ
ール材とする特長を活かしつつ、その欠点である
シール性を克服し、HIP処理の工業的利用に大き
く寄与するものである。

なお、圧媒ガスを溶解するガラス、例えばパイ
レツクスガラスをシール材とする場合には、更に
加圧焼結終了後、ガラスに溶解した圧媒ガスを再
び気化させ、ガラスを発泡状態となし、これを冷
却することにより小さな機械的外力で付着したガ
ラスを容易に除去することが出来、一石二鳥であ
る。

以下、更に本発明を実施例につき説明する。

実施例 平均粒径約１μｍ、α相約70％のY₂O₃2.5％含
有のSi₃N₄粉末を5000Kgｆ／cm²の圧力で等方圧縮
成形し相対密度62％の被処理成形体を得た。

この成形体表面にBNを0.3mmの厚さで塗布し、
更にその外面にAl₂O₃を0.3mmの厚さで塗布し、グ
ラフアイトルツボ中にパイレツクスガラス中に埋
設して配置し、HIP装置に挿入した。Al₂O₃は前
述の如く1200℃、1000Kgｆ／cm²以上で焼結される
のでHIP途中の該位置（添付図面Ａ位置）におい
て焼結状態が得られ、引続き昇温、昇圧により
BNも前記所定の温度、圧力で焼結され、更に
Si₃N₄成形体のHIP処理温度、圧力である1750
℃、2000Kgｆ／cm²以上（添付図面Ｂ位置）まで昇
温昇圧した。

HIP処理後、圧力を2000Kgｆ／cm²に保持したま
ま500℃まで降温し、次いで減圧し放冷した。ル
ツボからガラスに覆われた成形体を取り出し、電
気炉中で再び1100℃まで昇温し、30分保持した
後、冷却した。

成形体を覆つていてガラスはガラス中に溶解し
ていた圧媒ガスの気化により発泡ガラスとなつて
おり、シール材の除去は極めて容易であつた。得
られた成形体は相対密度98.5％の高密度焼結体で
全体にわたり等方圧縮は適確で均質な製品であつ
た。

【図面の簡単な説明】

図はHIP処理時における温度及び圧力の態様を
示す図表である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ セラミツクス粉末成形体をガラス浴中に浸漬
   した状態で、高温下、圧媒ガスを使用して加圧焼
   結する熱間静水圧プレス方法において、前記成形
   体の全表面を、BNを内層として前記成形体材料
   が焼結する温度よりも低い温度で焼結し、かつ熱
   間静水プレス時に溶融しない材料からなる粉末で
   覆い、前記熱間静水圧プレス処理途中で前記被覆
   粉末材料をまず焼結させて気密性の層とした後、
   さらに前記成形体が焼結する温度まで昇温するこ
   とを特徴とするセラミツクスの熱間静水圧プレス
   方法。 ２ セラミツクス粉末成形体が窒化珪素、炭化珪
   素、炭化硼素の何れかを主成分とする成形体であ
   る特許請求の範囲第１項記載のセラミツクスの熱
   間静水圧プレス方法。 ３ 被覆材料がAl₂O₃、ZrO₂、BNから選ばれた
   材料である特許請求の範囲第１項又は第２項記載
   のセラミツクスの熱間静水圧プレス方法。 ４ ガラスがパイレツクスガラスである特許請求
   の範囲第１項、第２項又は第３項記載のセラミツ
   クスの熱間静水圧プレス方法。