JPH04270174A - セラミックス複合焼結体およびその製法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭化珪素および窒化珪
素を主成分とするセラミックス複合焼結体に関し、特に
炭化珪素質焼結体において靱性を向上させるために表層
部を改質したセラミックスおよびその製法に関する。

【０００２】

【従来技術】炭化珪素や窒化珪素に代表される非酸化物
系セラミックスは、他のセラミックスや金属に比較して
、硬度、強度、靱性および化学的安定性等に優れる材料
として注目され、あらゆる構造用材料、耐摩耗材料とし
てすでに実用化され、最近に至っては、ガスタービン等
の熱機関構造材料としての開発が進められている。

【０００３】炭化珪素は、Ｂ４　Ｃ等の硼素含有化合物
やや炭素を焼結助剤として添加し、１８００〜２２００
℃の不活性雰囲気中で焼成することにより得られ、強度
、硬度、耐摩耗性に優れ、高温での強度劣化がほとんど
ないという優れた特性を有することから、高温用構造材
料としての応用が進められている。

【０００４】これに対して、窒化珪素はそれ自体難焼結
性であるためにＡｌ２　Ｏ３　や周期律表第３ａ族元素
酸化物等を焼結助剤として添加し１６００〜２０００℃
の窒素雰囲気中で焼成することにより高密度化されるも
ので、炭化珪素に比較して高温において強度が劣化する
という欠点を有しているものの靱性や耐熱衝撃性に優れ
るという特性を有している。

【０００５】そこで、従来から窒化珪素と炭化珪素とを
複合化するという観点から、炭化珪素質焼結体と窒化珪
素質焼結体を接合したり、あるいは炭化珪素と窒化珪素
とを混合し焼成したり、反応焼結法を用いて炭化珪素質
焼結体内に金属Ｓｉを存在せしめ、これを窒素雰囲気中
で窒化させることにより少なくとも表層部に窒化珪素と
炭化珪素との混合層を形成せしめる方法等が特開昭６０
−２６４３６４号等に提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、焼結
体同士を接合する方法によれば、焼結体同士を接合する
ために適当な接合剤を必要とし、しかもその接合部自体
の強度が焼結体自体の強度に比較して弱いことから、接
合によりそれぞれの焼結体本来の特性を発揮するに至っ
ておらず、また、単純混合法においても均一に分散させ
ることが難しく、しかも焼結性が低下するために改良が
必要である。

【０００７】また、反応焼結による方法においても金属
Ｓｉの窒化反応を完全に行う事自体困難であり、焼結体
の内部に金属Ｓｉが残存するために強度の劣化を招く結
果となる。また、得られる焼結体の表層部も炭化珪素と
窒化珪素との混合相からなるもので、窒化珪素の本来の
特性が発揮され得ないという欠点があった。

【０００８】

【問題点を解決するための手段】本発明者等は、上記問
題点に対して検討を重ねた結果、炭化珪素を主成分とす
る成形体を作成し、これを窒素ガス加圧雰囲気下で焼成
すること、この焼成と同時に炭化珪素の窒化珪素への変
換反応を進行させること、さらにその変換反応を制御し
、最終焼結体として、その表層部が窒化珪素を主体とし
てなり、内部が炭化珪素あるいは炭化珪素と窒化珪素か
らなるとともに、炭化珪素の窒化珪素に対する比率が連
続的に大きくなるような組成勾配を形成させることによ
り、炭化珪素の特性を有しつつ窒化珪素の特性が十分に
発揮されることにより、高靱性、高耐熱衝撃性および高
温強度に優れた焼結体となることを見出したのである。

【０００９】以下本発明をさらに詳述すると、本発明の
よれば、まず原料粉末として、炭化珪素粉末を準備する
。炭化珪素粉末としてはα−ＳｉＣ、β−ＳｉＣのいず
れか、または混合して使用することもできる。粉末の平
均粒径は０．１〜２μｍ　が適当である。また上記炭化
珪素粉末に対し、カーボンブラックやグラファイト等の
炭素粉末あるいは焼成により炭素を生成しうるフェノー
ル樹脂やコールタールピッチ等や、Ｂ４　Ｃ等の硼素含
有化合物を１０重量％以下の割合で添加することができ
る。

【００１０】次に上記粉末にバインダー等を添加し、周
知の成形方法、たとえばプレス成形、押出成形、鋳込み
成形、冷間静水圧成形等により所望の形状に成形後、所
望により２００〜８００℃で仮焼後、焼成する。

【００１１】本発明によれば、この焼成を下記数１

【数
１】　　　　３ＳｉＣ＋２Ｎ２　　　→　　Ｓｉ３　Ｎ
４　＋３Ｃで示されるように炭化珪素と窒素の反応によ
り窒化珪素および炭素が生成可能な雰囲気中で性で焼成
する。具体的には、１０００℃以上、特に１５００℃以
上の温度にて、雰囲気中に窒素ガスを必須成分として含
むとともに該窒素ガス圧力が５００気圧以上の加圧下で
焼成することにより十分に数１の反応を進行させること
ができる。

【００１２】なお、この時の焼成条件において上記温度
および圧力を逸脱すると、前記窒化反応が進行しないか
または進行しにくくなる。

【００１３】この焼成によれば、内部および表層部とも
に高緻密化が達成されるとともに、焼結体の表層部にお
いて特に上記反応が活発に生じ、焼結体の表層部に窒化
珪素が内部よりも多くなるという特異的焼結体が形成さ
れる。

【００１４】この焼結のメカニズムについては定かでは
ないが、高温高圧の窒素雰囲気下で炭化珪素粒子の表面
から窒化珪素への反応が進行し、それに伴い体積膨張が
生じるために、ある程度緻密化が進行し、一旦焼結体の
表面に緻密質層が形成されると焼結体内部への窒素ガス
の進入が抑制されるために、結果として表層部、内部と
もに気孔率１０％以下の緻密体が形成されるが、組成的
には表層部と内部において組成がほぼ連続的に変化する
ような組織が形成されると考えられる。

【００１５】本発明のよれば、上記焼成における焼成温
度、焼成時間等を制御し、焼結体の表層部に存在する炭
化珪素成分をすべて窒化珪素に変換させる一方、内部に
は、炭化珪素が残存するように内部を炭化珪素あるいは
炭化珪素と窒化珪素を主体として構成する。また、図１
の窒素の分布図によれば、表層部において窒素が非常に
多量に存在し、内部に向かうに従い、窒素量は表層部よ
り低減していることからも明らかなように、表層部から
内部にかけて炭化珪素／（炭化珪素＋窒化珪素）で表さ
れる組成比が大きくなるような組成勾配を有するような
組成勾配を形成させることができる。

【００１６】このような構成によれば、内部は炭化珪素
的性質を有しつつ、表層部は窒化珪素的な特性、即ち靱
性に優れた特性を有する。また、通常の窒化珪素質焼結
体によれば、窒化珪素結晶粒子間に焼結助剤として用い
られた金属酸化物が粒界相として存在するが、この焼結
体の表層部では、窒化珪素結晶粒子間に金属酸化物が実
質的に存在しないことも大きな特徴であり、これにより
高温における粒界相の存在による強度劣化が小さくなる
。なお、表層部における炭化珪素／（炭化珪素＋窒化珪
素）で表される組成比は０．１以下であることが望まし
い。なお、内部は、炭化珪素あるいは炭化珪素と窒化珪
素を主体として構成されるが、炭化珪素／（炭化珪素＋
窒化珪素）の組成比率は０．２以上であることが望まし
い。

【００１７】

【作　　用】本発明によれば、表層部が窒化珪素を主体
とし、内部が炭化珪素あるいは炭化珪素と窒化珪素を主
体として構成されることにより、炭化珪素の優れた特性
を生かしつつ、焼結体の表層部のみに窒化珪素の特性を
合わせ持つことができる。また、表層部から内部にかけ
て炭化珪素と窒化珪素の組成が徐々に変化するために、
表層部と内部間での熱的特性の相違による応力の発生等
が緩和することができる。

【００１８】また、本発明の製造方法によれば、表層部
から徐々に窒化反応が進行するために、焼結体表層部と
内部の組成を任意に制御することができるとともに、炭
化珪素と窒化珪素との共存域では、炭化珪素と窒化珪素
とが均一に相互分散した組織が形成される。

【００１９】

【実施例】β−ＳｉＣ粉末（平均粒径０．４μｍ　、酸
素含有量０．２重量％）に対して、成形用バインダーと
してレゾール型フェノール樹脂２０％溶液を適量添加し
、さらに溶媒としてアセトンを適量添加し、混練乾燥後
、篩を通して成形用顆粒を得た。この顆粒を金型プレス
を用いて外径２０ｍｍ、厚み１０ｍｍの円板状成形体を
作成した。

【００２０】次に成形体を６００℃の不活性雰囲気（Ｎ
２　気流中）で仮焼し、フェノール樹脂を炭化させた後
、仮焼体の組成の分析を行った。そして、この仮焼体を
Ｎ２　圧力、焼成温度、焼成時間を表１に示した条件に
設定し焼成を行った。

【００２１】得られた焼結体に対して、アルキメデス法
により密度を測定し、また焼結体の表層部に対してＸ線
回折法により解析するとともに、焼結体を粉砕し粉末Ｘ
線回折にて焼結体の組成を解析した。また、焼結体より
試料を切り出し、その切断面における窒素原子の分布を
ＥＰＭＡ分析により調査し図１に示した。結果は表２に
示した。

【００２２】機械的特性の評価として、得られた焼結体
の平面を１００μｍ　研磨し、ポリッシュした後、その
鏡面を用いてインデンテーション法（ＩＦ法）にて靱性
（Ｋ１ｃ）を測定した。なお計算には新原の式を用いた
。

【００２３】比較例として、β−ＳｉＣ粉末（平均粒径
０．４μｍ　）１００重量部にＢ４　Ｃ粉末を０．４重
量部添加混合する以外は前記方法と同様にして成形体を
作成し、その後、１気圧のアルゴン雰囲気中で２０５０
℃で１時間焼成を行い、緻密な炭化珪素質焼結体（表中
、試料Ｎｏ，１）を作成し、前記と同様に特性の測定お
よび評価を行った。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】

【発明の効果】以上、詳述した通り、本発明によれば、
簡単な方法により、炭化珪素と窒化珪素とを接合等の手
法を用いることなく、複合化することができ、また焼結
体として、内部に炭化珪素の優れた特性を有しつつ、焼
結体の表層部を窒化珪素の高靱性を付与することができ
る。これにより、構造用材料あるいは高温材料としての
用途をさらに拡大することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックス複合焼結体の断面におけ
るＥＰＭＡ分析による窒素分布を示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　表層部が窒化珪素を主体としてなり、
   中心部が炭化珪素または炭化珪素と窒化珪素を主体とし
   てなり、前記表層部から中心部にかけて炭化珪素／（炭
   化珪素＋窒化珪素）で表される組成比がほぼ連続的に大
   きくなるような組成勾配を有することを特徴とするセラ
   ミックス複合焼結体。
2. 【請求項２】　　炭化珪素粉末を主成分とする粉末成形
   体を炭化珪素が窒化珪素へ窒化されうる条件下で焼成し
   、表層部が窒化珪素を主体としてなり、中心部が炭化珪
   素または炭化珪素と窒化珪素を主体としてなり、前記表
   層部から中心部になるに従い、炭化珪素／（炭化珪素＋
   窒化珪素）で表される組成比が大きくなるような組成勾
   配が形成される程度に前記炭化珪素を窒化珪素に変換す
   ることを特徴とするセラミックス複合焼結体の製法。