JP2000264762A - 耐酸化性SiC−Si複合材の製造方法 - Google Patents

耐酸化性SiC−Si複合材の製造方法

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JP2000264762A
JP2000264762A JP11066304A JP6630499A JP2000264762A JP 2000264762 A JP2000264762 A JP 2000264762A JP 11066304 A JP11066304 A JP 11066304A JP 6630499 A JP6630499 A JP 6630499A JP 2000264762 A JP2000264762 A JP 2000264762A
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Toshiteru Ono
寿輝 大野
Kimitoshi Satou
仁俊 佐藤
Kazunori Kurahashi
一範 倉橋
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TOKAI KONETSU KOGYO KK
Tokai Konetsu Kogyo Co Ltd
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TOKAI KONETSU KOGYO KK
Tokai Konetsu Kogyo Co Ltd
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    • C04B2103/0004Compounds chosen for the nature of their cations
    • C04B2103/001Alkaline earth metal or Mg-compounds

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子部品やセラミックス製品などを熱処理す
る焼成炉の部材をはじめ高温用の各種耐熱部材として好
適に用いられ、特に酸素濃度が低いアクティブ酸化領域
で優れた耐久性を発揮する耐酸化性SiC−Si複合材
の製造方法を提供する。 【解決手段】 骨格のベースとなるSiCの気孔中に溶
融したSiを含浸充填したSiC−Si複合材にCa塩
を添加し、1〜10kg/cm2の窒素ガス加圧下に1250
〜1400℃の温度で熱処理することを特徴とする耐酸
化性SiC−Si複合材の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は高温加熱炉、例えば
電子部品やセラミックス製品などを熱処理する焼成炉の
部材をはじめ、高温用の各種部材として用いられ、特に
酸素濃度が低いアクティブ酸化領域で優れた耐久性を発
揮する耐酸化性SiC−Si複合材の製造方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】SiC焼結体は、耐熱性、高温強度、耐
熱衝撃性、耐摩耗性、耐蝕性などの材質特性に優れてお
り、高温用の各種構造部材として有用されている。通
常、SiC焼結体はSiC粉粒を原料として、成形、焼
結する方法で製造されているが、SiCは共有結合性が
強いために焼結性が低く、緻密な焼結体を得ることが困
難である。そこで、SiC焼結体の気孔中に溶融したS
iを含浸させて充填し、高緻密化を図ったSiC−Si
複合材が高温用の各種部材、例えば、焼成炉用の治具、
さや、棚板、吊り棒、るつぼ、均熱管などとして使用さ
れている。
【0003】SiC−Si複合材は、高温酸化性雰囲気
下では表層面のSiが酸化されてSiO2 に転化し、酸
素の拡散侵入を阻止する酸化保護膜として機能するため
強い酸化抵抗性を備えている。しかしながら、酸素濃度
が低い、例えば酸素濃度数%以下のアクティブ酸化領域
では、SiC及びSiは酸化されてCOガス及びSiO
ガスを生成し、生成したSiOガスは加熱炉内の被加熱
物や炉部材などと反応して製品を汚染したり、得率低下
を招き、また、部材の耐用寿命を低下させたりする難点
がある。
【0004】すなわち、SiC−Si複合材の表面に露
出しているフリーのSiは非常に活性な状態となってい
るため微量な酸素と反応して容易にSiOガスを発生す
る。したがって、例えば焼成炉を密閉状態にした場合に
は、焼成炉内の雰囲気は容易に酸素濃度が低い状態とな
り、SiOガスが発生し易い状態となる。
【0005】そこで、本出願人は、これらの難点を解消
するために、SiC70〜90重量%とSi30〜10
重量%とからなるSiC−Si複合材の表面に露出して
存在するSiをSi3 4 に転化させたことを特徴とす
る耐酸化性SiC−Si複合材、及び骨材としてのSi
C体にSiを溶融含浸させたSiC−Si複合材を窒素
雰囲気中で1400〜2100℃の温度で熱処理する耐
酸化性SiC−Si複合材の製造方法を提案(特願平10
−96525 号)した。この技術によれば、酸素濃度の低い
酸化領域においてもSiOガスの発生を抑制し、充分な
耐酸化性を付与することができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、SiC
−Si複合材を窒素雰囲気中で熱処理する際に、Siの
融点1410℃近くの温度に加熱すると含浸しているS
iが溶融、液状化して一部が流出する。また、冷却する
際には、溶融Siの固化時に体積膨張が生じるために複
合材表面からSiが吹き出して空隙が発生する。このよ
うにしてSiの流出及び吹き出しによりSiC−Si複
合材の表層部に空隙が発生すると、その部分が起点とな
ってチッピング(表面での組織の一部がはじけ飛ぶ現
象)が生じ、被処理物を汚染したり、材質強度が低下す
るなどの問題が発生する。
【0007】そこで、本発明者らはSiをSi3 4
転化する際の熱処理温度を下げ、少なくともSiの融点
を下回る温度で効率よく窒化する方策について研究を行
った結果、Ca塩を存在させると窒化反応が促進され、
Siの溶融が起こる以下の温度で効率よくSiをSi3
4 に転化できることを見出した。
【0008】すなわち、本発明は上記の知見に基づいて
完成したもので、その目的は電子部品やセラミックス製
品などを熱処理する焼成炉の部材をはじめ、高温用の各
種部材として好適に用いられ、特に酸素濃度が低いアク
ティブ酸化領域で優れた耐久性を発揮する耐酸化性Si
C−Si複合材の製造方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による耐酸化性SiC−Si複合材の製造方
法は、骨格のベースとなるSiCの気孔中に溶融したS
iを含浸充填したSiC−Si複合材にCa塩を添加
し、1〜10kg/cm2の窒素ガス加圧下に1250〜14
00℃の温度で熱処理することを構成上の特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】SiC−Si複合材は、SiC粉
末にメチルセルロースやグリセリンなどの有機バインダ
ー及び水を加えて混練し、混練物を加圧成形や鋳込成形
などにより成形したのち加熱乾燥し、このSiC成形体
を金属Siを接触させた状態、例えばSiC成形体をS
i粉末で被包した状態でアルゴンガスなどの不活性雰囲
気中で加熱し、Si粉末を溶融してSiC成形体の気孔
中に浸透含浸させることにより製造される。
【0011】SiC−Si複合材の組成は特に制限され
るものではないが、SiCが70〜90wt%、Siが3
0〜10wt%の組成比が好ましい。SiCが70wt%未
満、Siが30wt%を超えると含浸したSi量が多いた
めに耐クリープ性や耐摩耗性が低下し、またSiCが9
0wt%を越え、Siが10wt%を下回ると残存する気孔
が多くなって、強度特性や耐酸化性の低下を招くことと
なる。
【0012】本発明の耐酸化性SiC−Si複合材の製
造方法は、このSiC−Si複合材にCa塩を添加し、
1〜10kg/cm2の窒素ガス加圧下に1250〜1400
℃の温度で熱処理することにより複合材表層面に存在す
るSiを窒化してSi3 4に転化することを特徴とす
る。
【0013】Ca塩はSiの窒化反応を促進し、3Si
+2N2 →Si3 4 の反応を生起するための反応温度
の低下に機能する。すなわち、窒化促進剤としてCa塩
を添加することによりSi3 4 に転化するための窒素
ガス中における熱処理温度の低温化を図ることが可能と
なる。したがって、添加されたCa塩はSiC−Si複
合材の表面に存在すれば、窒化促進剤として充分に機能
することができる。
【0014】SiC−Si複合材にCa塩を添加する方
法は、例えば、Ca塩を含む水中にSiC−Si複合材
を浸漬する方法、あるいはCa塩を含む水をSiC−S
i複合材の表面に塗布する方法、などにより行うことが
できる。Ca塩としてはSiC−Si複合材の表面に均
等に存在させるために、塩化カルシウム、酢酸カルシウ
ムなど水溶性の無機塩、有機塩などが好ましく用いられ
るが、水溶解度の小さい硫酸カルシウム、炭酸カルシウ
ムなどのCa塩も水中に分散させて水懸濁液として用い
ることができる。
【0015】Ca塩の添加は、Ca塩を含む水中に浸漬
したり、Ca塩を含む水を塗布されたSiC−Si複合
材を乾燥して、その表面にCa塩を付着させることによ
り行われる。なお、Ca塩の添加量は少量でも窒化促進
剤としての機能を果たすので、Ca塩の水溶液や懸濁液
中のCa塩の濃度を適宜に設定することにより所要量の
Ca塩をSiC−Si複合材の表面に存在させることが
できる。
【0016】更に、窒化反応を窒素ガス雰囲気中1〜1
0kg/cm2の加圧下に行うことによりSi3 4 への転化
が促進され、存在するCa塩と相乗的に機能して窒化反
応を生起させる熱処理温度の低温化を図ることができ
る。なお、圧力が1kg/cm2未満では低温化への効果が少
なく、一方10kg/cm2を越える圧力下で処理しても著し
い低温化への効果は認められない。
【0017】このようにして、SiC−Si複合材の表
層面に存在するSiを窒化するための熱処理温度を低く
してもSi3 4 に転化することができ、具体的には熱
処理温度を金属Siの融点以下の温度である1250〜
1400℃の温度に設定しても、効果的にSiをSi3
4 に転化することが可能となる。
【0018】
【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して具
体的に説明する。
【0019】実施例1〜2、比較例1〜2 平均粒子径50μm のSiC粉末にメチルセルロース及
び水を加えて混練し、混練物を成形したのち加熱乾燥
し、このSiC成形体の上に金属Siを敷きつめ、アル
ゴンガス中2000℃の温度に加熱して金属Siを溶融
させ、SiCが焼結する際に生じる気孔中に金属Siの
融液を含浸充填した。このようにして、SiCが80wt
%、Siが20wt%の組成からなる縦横300mm、高さ
100mmのさや形状のSiC−Si複合材を作製した。
【0020】このSiC−Si複合材を、塩化カルシウ
ム水溶液(濃度5wt%)に浸漬したのち取り出して10
0℃で加熱乾燥し、次いで窒素ガス雰囲気下で窒素ガス
圧力及び温度を変えて熱処理した。このようにして表層
面のSiをSi3 4 に転化したSiC−Si複合材を
製造した。
【0021】実施例3 塩化カルシウム水溶液(濃度5wt%)に代えて酢酸カル
シウム水溶液(濃度5wt%)を用いたほかは、実施例1
と同一の方法により表層面のSiをSi3 4に転化し
たSiC−Si複合材を製造した。
【0022】比較例3〜4 作製したSiC−Si複合材をCa水溶液に浸漬するこ
となく、窒素ガス圧、及び温度を変えて熱処理した。
【0023】これらのSiC−Si複合材について、下
記の方法により耐酸化性能を評価した。得られた結果
を、製造条件と対比して表1に示した。 SiC−Si複合材を加熱炉に入れ、2 vol%の酸素
を含む窒素ガス雰囲気中1300℃の温度に1時間加熱
した後の表面状態を目視観察した。 SiC−Si複合材を加熱炉に入れ、1 vol%の酸素
を含む窒素ガス雰囲気中1250℃の温度に加熱して1
時間保持したのち放冷して常温に冷却するという操作を
繰り返し行って表面状況を目視観察し、異常が発生する
までの繰り返し回数を測定した。
【0024】
【表1】 (表注) *1 ; 塩化カルシウム水溶液(濃度5wt%)に浸漬処理の有無 *2 ; 酢酸カルシウム水溶液(濃度5wt%)に浸漬処理の有無 *3 ; ○…良好、×…生成物多い *4 ; A… 500回以上、B… 100回程度、C… 1〜2 回
【0025】表1の結果から、本発明で特定した製造要
件にしたがって製造した実施例1〜3のSiC−Si複
合材は、いずれか1つの製造要件を欠く比較例1〜3の
SiC−Si複合材に比べて、酸素濃度の低いアクティ
ブ酸化領域における耐酸化性に優れていることが判る。
また、Ca塩を添加せず、Siの融点以上の温度である
1800℃の温度で熱処理した比較例4は、実施例1〜
3のSiC−Si複合材に比較してアクティブ酸化領域
に繰り返し曝された場合の酸化による劣化が大きいこと
が認められる。
【0026】
【発明の効果】以上のとおり、本発明の耐酸化性SiC
−Si複合材の製造方法によれば、表面に露出して存在
するSiを窒化してSi3 4 に転化する場合にSiの
融点以下の温度で熱処理するので、熱処理時にSiの流
出や吹き出しによるSiC−Si複合材表層部の空隙発
生が防止され、耐酸化性に優れ、特に酸素濃度の低いア
クティブ酸化領域における耐久性に優れたSiC−Si
複合材を製造することが可能となる。したがって、電子
部品やセラミックス製品などを熱処理する焼成炉の部材
をはじめ、高温用の各種部材として好適に用いられる耐
酸化性SiC−Si複合材の製造方法として極めて有用
である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 倉橋 一範 東京都新宿区西新宿6丁目14番1号 東海 高熱工業株式会社内 Fターム(参考) 4G001 BA22 BA62 BA76 BA81 BA82 BB07 BB22 BB32 BB62 BC13 BC33 BC45 BC48 BC52 BC54 BD07

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 骨格のベースとなるSiCの気孔中に溶
    融したSiを含浸充填したSiC−Si複合材にCa塩
    を添加し、1〜10kg/cm2の窒素ガス加圧下に1250
    〜1400℃の温度で熱処理することを特徴とする耐酸
    化性SiC−Si複合材の製造方法。
JP11066304A 1999-03-12 1999-03-12 耐酸化性SiC−Si複合材の製造方法 Withdrawn JP2000264762A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001027345A1 (fr) * 1999-10-13 2001-04-19 Asahi Glass Company, Limited Cible de pulverisation et son procede de preparation, et procede de formation de film

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001027345A1 (fr) * 1999-10-13 2001-04-19 Asahi Glass Company, Limited Cible de pulverisation et son procede de preparation, et procede de formation de film

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