JPS6344929A - 衝撃圧縮による高密度セラミツクス粉末成形体の製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は衝撃圧縮による高密度セラミックス粉末成形体
の製造方法に関するものでガスタービンエンジン、その
ローター、ブレード、アーマ−１防壁などの高温構造材
料の製造に用いるものである。

〔従来の技術〕

近年、セラミックスはその優れた耐熱性−１化学的安定
性、耐摩耗性によって新しい構造用材料として注目され
、研究開発が進められ、上記の用途の高温構造材料とし
て将来量も注目されている。

高温で高強度の特性を示すセラミックスは非酸化物セラ
ミックスと呼ばれる炭化ケイ素や窒化ケイ素を主成分と
したものである。これらの非酸化物セラミックスは高温
で強い反面、製造することが大変難しい。代表的な製造
方法は粉末を成形し、それを高温で焼きしめる。つまり
焼結することによって行っている。ところが、非酸化物
セラミックスにおける原子の移動、つまり拡散が、通常
の酸化物セラミックスに比べはるかに小さいために焼結
も起こりづらい。このため、非酸化物セラミックスは一
般に難焼結性材料とも呼ばれている。

この難焼結性を克服するために、原料の粉末の中に焼結
を助けるための焼結助剤を入れることが一般に行われて
いるが、焼結助剤は焼結体の粒と粒の間に存在して高温
で軟化するために高温での強度を低下させる結果となる
。これを避けるために現在、焼結助剤の量を極端に減ら
したり、場合によっては焼結助剤を使わないで焼結させ
る方法が研究されている。

通常、セラミックス粉末は金型を使用して荷重をかけて
粉末を成形するか、ゴム製の型を使用して静水圧力を利
用して粉体を成形する方法が採られている。更に難焼結
性材料の焼結を容易にするために原料粉末は出来るだけ
微粉のものを使用している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし粉末の粒径が小さくなるほど粉末に荷重をかげて
緻密化できる度合が小さくなる。１ミクロン（μｍ）以
下の粉末では、密度５０Ｖｏ　Ｉ　、％以」二の粉末成
形体を製造することば容易なことではない。

最近、化学反応に伴う発生熱を利用したセラミックスの
合成の研究が盛んに行われているが、その原料となる粉
体の密度は通常の金型による圧粉体を製造する方法では
６０Ｖｏｌ．％以下（空隙率４０％以上）であり、これ
では反応が十分に効果的に行われるとはいえない。

６０Ｖｏｌ．％以下の粉体の発熱化学反応によって得ら
れた焼結体の密度は８０Ｖｏｌ．％以下であり、強度が
十分でなかったり、性質が不均一になったりし、実用に
耐えるものが得られていない。

この難点を克服するためには、焼結前の粉末成形体の密
度が少なくとも８０Ｖｏｌ．％以上、できれば９０Ｖｏ
ｌ．％以上が望ましい。このような高密度粉末成形体を
従来の技術で製造することは不可能であった。

本発明は、爆薬の爆発や、高速で飛翔する物体の衝突を
利用して瞬間的に発生する衝撃圧力によって緻密な粉体
の成形体を製造しようとするものである。

衝撃圧力を利用して緻密な粉体を製造する方法は、ダイ
ナミックコンパクションと呼ばれている。

ダイナミックコンパクションによって炭化ケイ素や窒化
ケイ素の緻密な圧粉体を製造したと云う報告がずでにい
くつかなされている。本発明は単に、ダイナミックコン
パクションによって緻密な圧粉体を得るだけではなく、
原料粉末の成分として非酸化物セラミックスの原料とな
る組成がいくつか含まれており、それらが加熱の過程で
発熱を伴う化学反応を起こし、その反応によって焼結が
著しく進むことを特徴としたものである。

上記発熱を伴う化学反応によって生成する非酸化物セラ
ミックスは、炭化チタン、炭化ケイ素等の炭化物、窒化
アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物、ホウ化チタン、
ホウ化ジルコニウム等のホウ化物及び、これらの固溶体
、混合物等である。

衝撃によって得られる上記の粉末成形体の密度は理論値
の８０Ｖｏｌ．％以上である。

発熱を伴う化学反応による焼結を行う場合、原料粉末の
中に最終製品のセラミックスに必要なすべての元素を含
まれている必要がなく、例えば、炭化ケイ素粉末の中に
、シリコン金属の粉末を加えた高密度圧粉体を衝撃圧縮
によって製造し、その圧粉体を窒素ガスの雰囲気中で加
熱することによって、シリコンと窒素の化学反応が進行
し、窒化ケイ素が生成し、結果として炭化ケイ素と窒化
ケイ素の混合焼結体、つまり複合セラミックスが生成す
る。このように最終製品のセラミックスに必要なすべて
の元素を含まれていない場合もあるし、窒化ケイ素の中
にチタンと炭素粉末を混合し、衝撃圧縮によって緻密な
焼結体を得、それを加熱して反応焼結させることによっ
て窒化ケイ素と炭化ケイ素の混合焼結体を得よ・うとす
る二つの場合がある。セラミックス粉末に金属粉末を用
いた場合には焼結後金属が残存しないようにしなければ
ならない。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明はセラミックス粉末に化学反応によって非酸化物
セラミックスとなる原料粉末を混合し、この混合粉末８
を成形型４内に入れ、この混合粉末８に衝撃波を作用さ
せ、その際発生する高圧により密度８０Ｖｏｌ．％以上
（空隙率２０Ｖｏｌ　、％以下）の粉末成形体を成形し
てなる衝撃圧縮による高密度セラミックス粉末成形体の
製造方法である。

また本発明はセラミックス粉末に発熱化学反応によって
非酸化物セラミックスとなる金属又は金属と非金属粉末
を１０Ｖｏｌ．Ｘ以上混合し、この混合粉末８を成形型
４内に入れ、この混合粉末８に衝撃波を作用させ、その
際発生する高圧により密度８０Ｖｏｌ．％以上（空隙率
２０Ｖｏｌ．％以下）の粉末成形体を成形すると共に粉
末粒子を活性化してなる衝撃圧縮による高密度セラミッ
クス粉末成形体の製造方法である。

〔作　用〕

本発明によれば衝撃圧力の使用によって容易に原料粉末
の成形体密度を８０Ｖｏｌ．％以上、特に９０Ｖｏｌ．
Ｘ以上に高められ、粉末のグイナミソクコンパクシ９ン
によって、８０Ｖｏ　Ｉ　、％以上の密度をもつ高密度
な粉末成形体が得られると同時に、その粉体を構成して
いる成分の粒子が活性化され、化学反応と焼結が起きや
すくなる。したがって次の焼結工程においてその焼結が
容易になると共に収縮が少なく、クラックの発生が少な
く均質なものが得られる。

また本発明ではこの緻密な粉末成形体を加熱することに
よって、発熱を伴う化学反応が進行するので、この反応
を伴わない場合とくらべ、相当に低い温度で焼結が進行
できる。また、加熱によって発熱を伴う化学反応が生じ
るような原料粉末の粉体の中を衝撃波が通過するとき、
粉体内部の衝撃破壊効果によって原料粉末粒の中には結
晶転位などの欠陥が多数化じて粉末が活性化される。こ
のことによって衝撃圧縮によって得られた高密度粉末成
形体は、従来に見られなかった著しい焼結特性を示し、
焼結によってずぐれた複合焼結体が得られるものである
。

〔実施例〕

衝撃圧縮によって高密度な粉体を成形する方法には爆薬
を使う方法と高圧ガスによって発射した飛翔板を衝突さ
せる方法がある。いずれの方法を利用した場合でも、粉
体をバラバラに飛散させることなく、一つの塊として回
収する技術が重要である。幸い、衝撃粉体を有効に回収
する技術が近年進歩しており、円筒中で粉体を回収させ
る方法やカプセルを使用して、一方向から衝撃波を通過
させ、回収させる方法がある。第１図に本発明において
使用した平面衝撃方法の概略を示す。これはマウストラ
ップ法と呼ばれる平面状の爆轟波を発生させることがで
きる装置で、１は平面起爆装置、１ａはその起爆装置の
導線、２は高性能爆薬８を有する塩化ビニールバイブ、
３は飛び板（飛翔体）、４は成形型、５．６はモーメン
タムトラップである。

第２図示のように上記成形型４はステンレス鋼よりなる
直径２４φ、高さ３０ｍの円筒状のカプセル７で、その
中はセラミックス原料８　（混合粉末）とプラグ９．１
０からなっている。プラグ９，１０はカブセルフ内にネ
ジで固定され、成形型４を構成する。

平面起爆装置によって、高性能爆薬２を平面爆発させる
と、厚さ４ｆｌの軟鉄製飛び板３は秒速０．３〜２．５
　ｋｍの間に加速され、ステンレス製カブセルフに平面
衝突する。このカブセルフの中にはセラミックス原料８
が充填してあり、これが衝撃波による粉末成形体となる
。カブセルフは軟鉄型のモーメンタムトラップ５．６の
中に埋め込まれているので、成形型は衝撃によって、バ
ラバラに飛び散らない。

衝撃後カプセル７は水タンクの中で回収され、旋盤を使
用してカプセル７を形成しているステンレス鋼を削り取
り、中のセラミックス粉末成形体を取り出す。

取り出した粉末成形体は嵩密度や硬さなどが試験された
。粉体の中に発生する瞬間的な圧力や温度を求めること
は容易なことではない。このことに関する研究は衝撃圧
力の研究分野の中で最も困難な仕事とされており、現在
、微小な圧カブローブや温度プローブを粉体の中に挿入
して、実際に圧力や温度を計測する試みが行われている
が、成功に至っていない。困ったことに粉体における圧
力や温度は均質ではなく、粉末の粒の表面と内部ではか
なりの温度差があると推定されている。現在までに得ら
れている最も信頬すべき方法はコンピュータを使用した
解析と回収物の微細な組織を比較する方法である。

本発明の利点の一つとして、クランクの発生を抑制でき
ることがあげられる。発熱反応を伴うような非酸化物セ
ラミックスの原料として、金属がある。金属は一般に、
セラミックスにくらべると延性があり、変形が生じやす
いので、ダイナミックコンパクションによっても、クラ
ックが入りづらい。本発明は、延性が大きく、発熱を伴
った化学反応によって、目的のセラミックスが得られる
金属粉末を相当量含む原料粉末をダイナミックコンパク
ションによって、繊密化させる製造方法を特徴としてい
る。

衝撃圧力の程度が適当な範囲にある場合、密度が８０Ｖ
ｏｌ．、Ｘ以上のクラックのない粉体が得られるが、限
界の圧力を超えると、粉体粒間の焼きつき、つまり焼結
による結合が生じ、その結果、成形圧粉体にはクラック
が生じやすくなる。本発明の衝撃圧力の範囲は、粉体中
に焼結が生じないか、生じても、粒の成長が生じない程
度の中庸な圧力の程度に限定されるものである。

尖施勇上 ５〜１５μｍの粒度分布をもつ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）
粉体に、１〜５μｍの粒度分布をもつチタン（Ｔｉ）の
粉末を１．１０，２０．５０．７０体積％（Ｖｏｌ、、
χ）の割合で乾式混合し、その混合物を第２図に示した
ステンレス鋼製カブセルフに、相対密度が６０　　Ｖｏ
ｌ。

χになるよう充填した。比較のため、ＳｉＣ１００Ｖｏ
ｗ、。

χのものを相対密度６０χに充填した。これらの試料を
第１図に示す平面衝撃装置を使用して、飛び板速度０．
３．０．５．１．０．１．５ｋｍ／ｓで衝撃処理をした
。

カプセルより旋盤を使用して、中の粉体を取り出した。

結果を表１にまとめた。

表　　１ ＳｊＣ１００Ｖｏｌ、χのものは、いずれの条件で衝撃
したものでも、圧粉体がボロボロと欠けたり、表面にク
ラックが見られ、良好な圧粉体とは言えない。特にＳｉ
Ｃ１００Ｌ　１．５　ｋｍ／ｓのものは、ビッカース硬
さが１５００に＋ｒ／ｍｍ２以上であり、クランクの発
生が著しかった。Ｔｉを添加した試料では、０．３．０
．５゜１．０，１．５　ｋｍ／ｓいずれの場合も、Ｔｉ
の量が増加するとともに、得られた圧粉体の密度も増加
した。１゜０ｋｍ／ｓと１．５　ｋｍ／ｓの条件によっ
て、得られた圧粉体の密度は、はぼ同じであったが、後
者の方が硬く、多数のクランクが見られた。１．０　ｋ
ｍ／ｓ　Ｔｉ　７０χのものについても同様であった。

１０！　Ｔｉを含むＳｉＣを０．５　ｋｍ／ｓで処理し
たものの、圧粉体の硬さは約５００　ｋｇ／ｍｍ２であ
り、クラックがなく、良好な外形を示した。

この圧粉体を旋盤を使用して、超硬製バイトによる切削
を試みた。試料寸法が小さかったので、十分な周速度で
なかったが、この圧粉体の機械加工が可能であることが
分かった。他の１．０　ｋｍ／ｓで得られた試料につい
ても、Ｔｉ　７０χを除いて同様であった。

０．３．０．５．１．０　ｋｍ／ｓの衝撃試料について
、１気圧の窒素ガスの雰囲気で３０分間の熱処理を行っ
た。

温度は１１００．１３５０．１５００℃である。表１に
結果をＡ−Ｅで示した。Ａは均一によ（焼結され、マイ
クロビッカース硬さが２０００〜３０００ｋｇ／ｍｍ”
のものである。Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅとだんだんと焼結体
の程度が低下している。この表から分かるように、Ｔｉ
が１０〜５０Ｌ熱処理温度が１３５０’ｃと１５００℃
のものが、良好な結果を示した。Ｔｉが１χでは、期待
した　２Ｔｉ　＋Ｎ２−２ＴｉＮの発熱反応が十分でな
く、一方、Ｔｉが７０χでは、反応熱が大きすぎて、一
部が溶けたため、緻密な焼結体が得られなかったものと
考えられる。

去薯ｔじ一 実施例１で用いたのと同じＴｉ粉末と、１μｍ以下の炭
素粉末（カーボンブランク、Ｃ）を重量比８０　：　２
０に調合し、乾式で十分に混合した。この混合粉末（Ｔ
ｉ／Ｃ＝８０／２０）を、実施例１で用いたのと同じＳ
ｉＣ粉末に１　、１０　、２０　、５０　、７０Ｖｏｌ
．χになるよう添加し、乾式混合した。この混合物を、
実施例１と同じように、カプセルに密度６０χになるよ
う充填し、飛び板速度０．３．　Ｑ、５ｋｍ八で、カプ
セルに衝突させた。結果を表２にまとめた。

表　　２ ６、”　表１と同じ 回収物はすべて〜クラックのない良好な圧粉体として回
収できた。各圧粉体を１０−’４ｏｒｒの真空中で３０
分間熱処理した。処理温度は１１００．１３５０．１５
００℃である。表２に示すように、０．３と０．５　ｋ
ｌＩｌ／ｓの衝撃処理では飛び板の速度に関係なく、最
終焼結体の密度に差がなく　、Ｔｉ／Ｃの添加量１０〜
５０χでは、１３５０℃と１５００℃の熱処理によって
、はぼ理論密度に達する緻密な焼結体が得られた。１１
００℃では、３０分間内での、Ｔｉ＋Ｃ→ＴｉＣの反応
が不十分のため、緻密な焼結体を得ることができなかっ
た。化学反応が十分に進行しなかったことは、生成物の
Ｘ線回折による分析の結果明らかになった。

Ｔｔ／Ｃを２０χ添加した粉体を飛び板速度Ｑ、５　ｋ
ｍ／ｓで衝撃処理して得た圧粉体を１３５０℃で熱処理
して得た焼結体の中心部のビッカース硬さは、２３２０
ｋｇ／ｍｍ２であり、電子顕微鏡観察によれば、ＳｉＣ
粒の間にＴｉｃの粒が存在し、強固な結合ができている
ことが分かった。

のＴ１Ｃｏ、　９７粉末を１０及び２０Ｖｏｌ．χ添加
し、乾式混合後、カプセルに封入して、０．５　ｋｍ／
ｓで衝撃処理した。得られた圧粉体の密度は、ｌ０ＺＯ
ものが８９χ、２０χのものが９０χであり、比較的高
密度であったが、クラックが見られた。これを、１０　
’Ｔｏｒｒの真空中で３０分間、　１３５０℃と１５０
０℃で熱処理したが、はとんど密度の増加が認められな
かった。

太施健↓ Ｔ’ｈ粉末とカーボンブラックを重量比８０　：　２０
に乾式混合した。５〜１０μｍのｉＮ粉末に上記の混合
物を、２０及び５０Ｖｏｌ．χになるように添加した。

この混合物を更に乾式混合の後、カプセルに封入して、
０．５　ｋｍ／ｓの衝撃処理を行った。得られた圧粉体
の密度は、Ｔｉ／Ｃが１０χのものが８６χ、２０χの
ものが８８χであった。これらの焼結体にはクラックは
見られず、良好な外見を呈していた。更に、これらの圧
粉体を１０””Ｔｏｒｒの真空中で３０分間、１３５０
℃と１５００℃で熱処理した結果、得られた焼結体の密
度は、はとんど理論値に達しており、いずれの場合も、
外見上クラックのない良好な焼結体が得られた。

〔発明の効果〕 以上のように本発明によれば衝撃圧力の使用によって容
易に原料粉末の成形体密度を８０％以上。

特に９０％以上の密度をもつ高密度な粉末成形体が得ら
れると同時に、その粉体を構成している成分の粒子が活
性化され、化学反応と焼結が起きやすくなる。したがっ
て次の焼結工程においてその焼結が容易になると共に収
縮が少なく、クラックの発生が少なく、均質なものが得
られる。

また本発明ではこの緻密な粉末成形体を加熱す“ること
によって、発熱を伴う化学反応が進行するので、この反
応を伴わない場合とくらべ、相当に低い温度で焼結が進
行できる。また、加熱によって発熱を伴う化学反応が生
じるような原料粉末の粉体の中を衝撃波が通過するとき
、粉体内部の衝撃破壊効果によって原料粉末粒の中には
結晶転位などの欠陥が多数体じて粉末が活性化される。

このことによって衝撃圧縮によって得られた高密度粉末
成形体は、従来に見られなかった著しい焼結特性を示し
、焼結によって優れた複合焼結体が得られるものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施する平面衝撃装置の説明図、
第２図はカプセルの説明図である。 ８・・・・・・混合粉末、４・・・・・・成形型。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックス粉末に化学反応によって非酸化物セ
   ラミックスとなる原料粉末を混合し、この混合粉末を成
   形型内に入れ、この混合粉末に衝撃波を作用させ、その
   際発生する高圧により密度８０Ｖｏｌ．％以上（空隙率
   ２０Ｖｏｌ．％以下）の粉末成形体を成形してなる衝撃
   圧縮による高密度セラミックス粉末成形体の製造方法。
2. （２）セラミックス粉末に発熱化学反応によって非酸化
   物セラミックスとなる金属又は金属と非金属粉末を１０
   Ｖｏｌ．％以上混合し、この混合粉末を成形型内に入れ
   、この混合粉末に衝撃波を作用させ、その際発生する高
   圧により密度８０Ｖｏｌ．％以上（空隙率２０Ｖｏｌ．
   ％以下）の粉末成形体を成形すると共に粉末粒子を活性
   化してなる特許請求の範囲第１項記載の衝撃圧縮による
   高密度セラミックス粉末成形体の製造方法。