JPS6253473B2

JPS6253473B2 -

Info

Publication number: JPS6253473B2
Application number: JP52140099A
Authority: JP
Inventors: Henrii Sumooku Richaado
Original assignee: Kennecott Corp
Current assignee: Kennecott Corp
Priority date: 1976-11-26
Filing date: 1977-11-24
Publication date: 1987-11-10
Also published as: JPS5367711A; SE7713343L; GB1558254A; JPS6325274A; CA1079309A; BR7707857A; DE2751851A1; JPH0253388B2

Description

【発明の詳細な説明】炭化ケイ素、すなわち金属ケイ素と非金属炭素
との結晶性化合物は、その硬さ、強さ、および酸
化と腐食とに対する抵抗性について長い間知られ
てきている。炭化ケイ素は、低い膨張係数、すぐ
れた熱伝導性をもち、高温において高い強さを保
持する。最近において、炭化ケイ素粉末から高密
度の炭化ケイ素物体を製造する技術が開発され
た。このような技術には反応結晶、化学蒸気析
出、加熱圧縮および無加圧焼結（初め物品を成形
し、次いで焼結する）が含まれる。これらの技術
の例は、米国特許3853566、3852099、3954483お
よび3960577に記載されている。このようにして
製造された高密度の炭化ケイ素物体は、きわめて
すぐれた工業材料であり、タービン、熱交換単
位、ポンプならびに、か酷な摩耗および／または
高温条件下の運転にさらされる他の装置や工具の
成分の製作に利用される。本発明は、高密度の炭
化ケイ素物体を加熱圧縮または焼結により製造す
る種々の方法における使用に適する炭化ケイ素粉
末混合物、およびそれから製造されたセラミツク
物品に関する。

高密度および高強度の炭化ケイ素セラミツク材
料を得るため、種々の添加剤が利用されてきた。
たとえば、高密化助剤としてアルミニウムと鉄の
添加により炭化ケイ素を理論密度の98％程度の密
度に加熱圧縮する方法は、Alliegro、et al.、J.
Ceram.、Soc.、Vol.39、No.11、Nov.、1965、386
〜389ページに開示されている。彼らは１重量％
のアルミニウムを含有する粉末から密な炭化ケイ
素を製造できることを発見した。それらの製品は
室温において54000psi3797Kg／cm²）、1371℃にお
いて70000psi（4922Kg／cm²）の破壊係数を有し
た。最近の進歩は、高密化剤としてホウ素を通常
粉末の約0.03〜約3.0重量％の範囲で使用するこ
とである。ホウ素添加剤は、元素状ホウ素または
ホウ素含有化合物、たとえば炭化ホウ素の形であ
ることができる。ホウ素含有炭化ケイ素粉末の例
は、米国特許3852099、3954483および3968194に
記載されている。

さて、本発明によれば、焼結された炭化ケイ素
材料の製造における高密化助剤としてベリリウム
を使用できることがわかつた。粉末の約0.03〜約
3.0重量％の範囲のベリリウムは主として有用で
あることがわかり、さらにとくに粉末の約0.1〜
約1.0重量％は炭化ケイ素粉末成形体の高密化の
促進に適することがわかつた。ベリリウムは高密
化助剤として利用でき、あるいは、他の高密化助
剤、たとえばホウ素に加えて利用できる。したが
つて、ベリリウムとホウ素または他の助剤との混
合物を利用できる。通常このような助剤の範囲
は、ケイ素粉末の約0.03〜約3.0重量％である。

約0.5〜約5.0重量％の過剰炭素を含有する出発
炭化ケイ素粉末は、微細なベリリウムまたはベリ
リウム含有化合物と混合する。好ましくは、両方
の成分の粘度は５ミクロンより小さらに好ましく
は２ミクロンより小である。これらの成分が約
1.0ミクロンより小さいとき、きわめてすぐれた
分布が得られる。高密化を得るためには、ベリリ
ウムまたはベリリウム含有添加剤は、粉末の約
0.03〜約3.0重量％がベリリウムであるような量
で利用すべきである。約0.03重量％より少ない量
の使用は、焼結製品の密度を実質的に増加させな
いことがわかつた。約3.0重量％より多い量のベ
リリウムの添加は追加の高密化をほとんど与え
ず、過度の粒子生長に導びきかつ焼結製品の強さ
を低下させる。

理論密度の少なくとも75％のかさ密度はほとん
どの応用に要求され、理論密度の少なくとも85％
のかさ密度はしばしば要求される。理論密度の85
％の密度をもつ加熱圧縮または焼結製品は、本発
明によつて得られる。

本発明のベリリウム添加剤は、単独で利用でき
または他の高密化助剤、最もふつうにはホウ素と
混合できる。このような添加剤を使用するとき、
ベリリウム成分はホウ素または他の高密化助剤と
完全に置換でき、またはホウ素または他の高密化
助剤の一部分と置換できる。一般に、このような
混合物は、焼結する状態にあるとき、約0.03〜約
3.0重量％の合計の高密化助剤を含有する。

炭化ケイ素源材料は、表面積が8.0m²／ｇより
大きく、約0.5〜約5.0重量％の過剰炭素を含有す
るサブミクロンの粉末であることが好ましい。一
般に表面積が約５〜約20m²／ｇの粉末組成物は、
主として有用であることがわかつた。過剰炭素
は、たとえば、製造過程中、炭素または炭素質材
料の引き続く添加により、または焼結前の結合剤
として導入できる。

有用であることがわかつたベリリウムまたはベ
リリウム含有添加剤の出発材料は、一般に50ミク
ロンより小、好ましくは10ミクロンより小さい粒
度をもつ。５ミクロンより小さい粒度は主として
有用であり、そしてベリリウムまたはベリリウム
含有添加剤と炭化ケイ素粉末とを容易に分布させ
て焼結に有用な均質混合物を得るためには、約
1.0ミクロンより小さい粒度は非常に有用であ
る。

他の添加剤は利用できるが、焼結中の高密化の
促進には不必要である。好ましくは、焼結は不活
性雰囲気中で実施し、アルゴンまたはヘリウムは
不活性雰囲気として適切である。還元性雰囲気も
利用できる。

本発明の粉末組成物は、加熱圧縮または無加圧
焼結に利用できる。たとえば、加熱圧縮におい
て、約0.5〜約5.0重量％の過剰炭素を含有する炭
化ケイ素粉末をベリリウムまたはベリリウム含有
添加剤と混合して、合計約0.03〜約3.0重量％の
ベリリウムが存在する均質な混合物を形成する。
この混合物を加熱圧縮型に入れ、1000〜10000psi
（70.3〜703.1Kg／cm²）の圧力下に約1900〜約2200
℃の温度に十分な時間加熱して、理論密度の75％
より大きい密度をもつ炭化ケイ素製品を得る。さ
らに特定的には、表面積が約11m²／ｇであり約
2.0重量％の過剰炭素を含有する炭化ケイ素粉末
をBe₂Cとして加えた約0.1〜約1.0重量％のベリリ
ウムと混合し、この混合物をグラフアイトの圧縮
型に入れ、約2000℃および約5000psi（352Kg／
cm²）の圧力において加熱圧縮できる。このように
して形成した炭化ケイ素製品は、典型的には理論
密度の85％より大きい密度をもち、形成したまま
で使用でき、あるいは機械加工して複雑な形状の
物品にすることができる。

無加圧焼結において、約0.5〜約5.0重量％の過
剰炭素を含有する炭化ケイ素粉末をベリリウムま
たはベリリウム含有添加剤と混合して、約0.03〜
約3.0重量％のベリリウムが存在する均質混合物
を形成する。次いで、この均質混合物を生製品に
成形する。粒子の流動と結合を増加させる適当な
添加剤を、出発混合物に混入できる。この生製品
を引き続いて不活性雰囲気中または還元性雰囲気
中で約1950〜約2300℃において十分な時間焼結し
て、理論密度の75％より大きい密度をもつ炭化ケ
イ素製品を得る。さらに特定的には、表面積がほ
ぼ11m²／ｇであり、約2.0重量％の過剰炭素を含
有する炭化ケイ素粉末を、適当にはBe₂Cとし
て、または元素状の、約0.03〜約1.0重量％のベ
リリウムと混合できる。生じた混合物を圧縮し
て、約1.76ｇ／cm²の密度にすることができる。結
合剤を使用して、粉末の流動性を増加でき、ある
いは圧縮製品の生強度を増加できる。次いで、圧
縮粉末成形体を、好ましくは不活性雰囲気中で、
約2100℃において約30分間焼結する。冷却後、焼
結粉末は典型的には理論密度の85％より大きい密
度をもつ。

次の実施例により、本発明を説明する。

実施例１加熱圧縮次の仕様をもつ炭化ケイ素粉末を、出発材料と
して使用した。炭化ケイ素粉末は8.0m²／ｇより
大きい表面積と次の重量％で表わした分析値を有
した：酸素 0.8より小鉄 0.2 〃アルミニウム 0.4 〃ニツケル 0.1 〃チタン 0.1 〃タングステン 0.5 〃遊離ケイ素 0.4 〃炭化ケイ素 97.5より大 97.5ｇの前記粉末を4.8ｇのフエノール樹脂
（Resin No.8121として知られている、Varcum
Chemical Companyの製品）および0.5ｇのマイ
ナス325メツシユのベリリウム金属粉末と混合し
た、フエノール樹脂は引き続く加熱圧縮温度に加
熱して分解すると、炭素残留物が残つた。この混
合物を閉じた環境内で配合し、次いで約2000psi
（141Kg／cm²）の圧力で３インチ（7.6cm）のスラ
グに圧縮した。このスラグは技術分野でよく知ら
れた技術すなわち約4000psi（281Kg／cm²）の圧力
において約2000℃の温度に加熱することによつて
加熱圧縮するのに適する。最終密度を達成するの
に要する時間は、約30分であつた。高密度化後、
圧力を減少し、温度を低下させた。上の技術によ
つて製造された製品は、2.88ｇ／cm³（理論密度の
約90％）以上のかさ密度をもつことを期待でき
る。

実施例２無加圧焼結実施例１の記載の特性をもち、フエノール樹脂
（Varcum Chemical Company No.8121）の形で
加えられたほぼ２重量％の炭素を含有する炭化ケ
イ素粉末49.75ｇを、0.25ｇのマイナス325メツシ
ユのベリリウム金属粉末と混合した。３％のポリ
ビニルアルコールを、粉末混合物の生強度を高く
するための結合剤として加えた。この混合物の調
製は閉じた環境内で実施した。粉末中の添加剤の
すぐれた分散を確保するため、湿式混合技術を用
いた。この混合物を80容量％のメチルアルコール
と20容量％の水との混合物中のスラリーとした。
よく混合したのち、このスラリーを蒸発乾固し、
生じた粉末混合物を、直径1.125インチ（2.85
cm）、重さ約10ｇのペレツトに、約12000psi（844
Kg／cm²）の圧力において圧縮した。次いで、得ら
れた粉末成形体をグラフアイト抵抗加熱要素炉に
入れ、ゆつくり加熱して揮発性物質を除去し、次
いで約2100℃に急速に加熱し、この温度に30分間
維持した。

典型的な加熱速度表は、次のとおりである：室温から150℃ 30分 150℃から400℃ 120分 400℃から800℃ 60分 800℃から2100℃ 180分焼結後、電力を切り、焼結製品を炉といつしよ
に放冷した。焼結過程中、アルゴン雰囲気を利用
した。製造した粉末成形体は、2.75ｇ／cm³（理論
密度の85％）より大きいかさ密度を有する。

比較例１対照実施例１に記載するような特性をもち、フエノ
ール樹脂（Varcum Chemical Company No.
8121）の形で加えたほぼ２重量％の過剰炭素を含
有する50ｇの炭化ケイ素粉末を、ベリリウム粉末
を添加しない以外は実施例２の操作に従つて、調
製し、焼結した。製造した粉末成形体は、約2.25
ｇ／cm³（理論密度の70％）より少ないかさ密度を
有することがわかつた。

Claims

【特許請求の範囲】１ 0.5〜５重量％の過剰炭素を含有する炭化ケ
イ素粉末と、この粉末に対しベリリウムとして約
0.03〜約3.0重量％のベリリウム又はベリリウム
含有化合物を含有して成る炭化ケイ素焼結体製造
用原料粉末混合物。２粉末は約0.5〜5.0重量％の過剰炭素を含有す
る特許請求の範囲第１項記載の粉末混合物。３平均粒度は５ミクロンより小さい特許請求の
範囲第１項記載の粉末混合物。４粉末は約0.03〜約1.0重量％のベリリウムを
含有する特許請求の範囲第１項記載の粉末混合
物。５ベリリウムは元素状ベリリウムである特許請
求の範囲第１項記載の粉末混合物。６ベリリウムは炭化ベリリウムの形態にある特
許請求の範囲第１項記載の粉末混合物。７ (a) 0.5〜５重量％の過剰炭素を含有する炭
化ケイ素粉末と、この粉末に対しベリリウムと
して約0.03〜約3.0重量％のベリリウム又はベ
リリウム含有化合物を含有して成る均質な粉末
混合物を形成し、 (b) 該粉末混合物を、約1900〜約2200℃の温度
に、約1000〜約10000psi（70.3〜703.1Kg／
cm²）の圧力下で加熱し、そして (c) 該温度と該圧力を、理論密度の85％より大き
い密度をもつ炭化ケイ素製品を得るのに十分な
時間、維持する、ことを特徴とする炭化ケイ素製品を製造する方
法。８ (a) 0.5〜５重量％の過剰炭素を含有する炭
化ケイ素粉末と、この粉末に対しベリリウムと
して約0.03〜約3.0重量％のベリリウム又はベ
リリウム含有化合物を含有して成る均質な粉末
混合物を形成し、 (b) 該混合物を生製品に成形し、 (c) 該生製品を不活性雰囲気中で約1950〜約2300
℃の温度において焼結し、そして (d) 該温度を、理論値の85％より大きい密度をも
つ炭化ケイ素製品を得るのに十分な時間、維持
する、ことを特徴とする炭化ケイ素製品の製造法。９約0.03〜約3.0重量％のベリリウム；約0.5〜
約5.0重量％の過剰炭素：および不純物として2.0
重量％より少ない他の元素を含有する残部量の炭
化ケイ素からなることを特徴とする理論密度の85
％より大きいかさ密度を有する焼結セラミツク製
品。