JP2605339B2 - Manufacturing method of composite material heat resistant ceramic article - Google Patents

Manufacturing method of composite material heat resistant ceramic article

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JP2605339B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、浸漬法に由来する被膜を所定箇所に設けた
複合材質耐熱セラミック物品の製法に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a composite material heat-resistant ceramic article provided with a coating derived from an immersion method at a predetermined position.

(従来の技術) 一般に、複合セラミックスと呼ばれているセラミック
スは、異なる材質の粉末を調合の際の混合した後、焼成
してセラミックス体を形成するものであった。この種の
材料としては、例えば、現在市販されている(h−BN)
−(Si3N4)複合セラミックスがある。
(Prior Art) In general, ceramics called composite ceramics are formed by mixing powders of different materials at the time of preparation and then firing to form a ceramic body. Such materials are, for example, currently commercially available (h-BN)
-(Si 3 N 4 ) composite ceramics are available.

しかしながら、これら従来の複合セラミックスは単に
異種の材質の出発材料を混合したに過ぎず、一種の混合
物であって、その得られた複合セラミックスの材質的な
特性、使用する各材料の中間的な特性を示すにすぎな
い。
However, these conventional composite ceramics are simply a mixture of starting materials of different materials, and are a kind of mixture. The material properties of the obtained composite ceramics and the intermediate properties of each material used It just shows.

それらについて文献を例示すれば、Si3N4系について
は特公昭52−3649号、特公昭58−15463号および特開昭5
7−38378号等がみられ、またAlN系についても特開昭60
−195058号、同60−195059号、同60−195060号、および
同61−21977号等がみられる。
To exemplify the literature about them, Si 3 N 4 52-3649 JP-B for system, JP-B-58-15463 and JP-5
No. 7-38378, etc.
Nos. -195058, 60-195059, 60-195060, and 61-21977.

このように、「複合化」といえば粉末混合体から出発
するというのがこれまでの考えであった。
Thus, the idea of "compositing" was to start from a powder mixture.

ところで、近年に至り、より高機能の材料が求められ
るようになり、いわゆるニューセラミックスといわれる
ように、これまでにない優れた機能を備えた新しい材料
が多く要求されるようになった。かかる要求を満たすた
め、種々の高性能を持つ非酸化物粉末の開発が行われる
とともに一層高い機能を付与すべくセラミックバルクに
も一種の表面処理である皮膜形成が行われるようになっ
て来た。例えば、セラミックス表面への窒化物、炭化物
形成である。
By the way, in recent years, materials having higher functions have been demanded, and so many new materials having excellent functions have been demanded, so-called new ceramics. In order to meet such demands, various types of non-oxide powders having high performance have been developed, and a film forming, which is a kind of surface treatment, has been performed on ceramic bulks in order to impart higher functions. . For example, formation of nitride and carbide on a ceramic surface.

第26回窯業基礎討論会(昭和63年1月20日)における
報文「溶融浸漬法によるセラミックスへの窒化物・炭化
物形成」にはいわゆる浸漬法によるセラミックバルク物
体への窒化物および炭化物被覆形成について提案されて
いる。しかしながら、これは単に被膜が形成されたとの
指摘にすぎず、その被膜特性、セラミックス基体の特性
への影響等については何ら明らかにされていない。しか
も、この報文に記されているのはセラミックバルクの被
覆形成であって、これは再び加工、焼結等の手段でもっ
て所定の形状の物品に加工及び成形しなければならず、
材質的にも前述のような混合物から出発して成形したセ
ラミック物品の場合と比較して全く異質な作用効果が得
られるものではない。
In the report of the 26th Ceramic Industry Basic Discussion (January 20, 1988), "Nitride and carbide formation on ceramics by melt immersion method", the formation of nitride and carbide coatings on ceramic bulk objects by the so-called immersion method It has been proposed. However, this is merely an indication that a film has been formed, and the effect of the film on the characteristics of the ceramic substrate and the like have not been clarified. Moreover, what is described in this report is the formation of a coating on the ceramic bulk, which must be processed and formed into articles of a predetermined shape again by means of processing, sintering, and the like.
In terms of the material, no completely different operation and effect can be obtained as compared with the case of the ceramic article molded starting from the above-mentioned mixture.

(発明が解決しようとする課題) かくして、本発明の目的は、必要箇所のみの材質を任
意に変化させた複合材質セラミックス物品の製法を提供
することである。
(Problems to be Solved by the Invention) Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a composite material ceramic article in which only the material of necessary parts is arbitrarily changed.

より具体的には、本発明の目的は、セラミックス基
体、例えば窒化ケイ素基体からなる成形物品の一部に六
方晶窒化ホウ素を表面被膜として備えた複合材質セラミ
ックス物品の製法を提供することである。
More specifically, an object of the present invention is to provide a method for producing a composite ceramic article in which hexagonal boron nitride is provided as a surface coating on a part of a molded article made of a ceramic substrate, for example, a silicon nitride substrate.

(課題を解決するための手段) そこで、本発明者らはセラミックス基体の複合化につ
いて種々検討を重ねていたところ浸漬法に由来する被膜
はセラミックス基体の特性を何ら劣化させることなく、
むしろ耐熱性、強度、溶接における耐溶損性が著しく改
善されることを知り、本発明を完成した。
(Means for Solving the Problems) The inventors of the present invention have been conducting various studies on the composite of the ceramic substrate, and found that the coating derived from the immersion method does not deteriorate the characteristics of the ceramic substrate at all.
Rather, they have found that heat resistance, strength, and erosion resistance during welding are significantly improved, and have completed the present invention.

ここに、本発明は、目的とする金属を含有する、フッ
化物含有溶融ハロゲン化物浴から成る浸漬浴を調製し、
次いで処理すべきセラミックス基体を成形して得た物品
を適宜時間該浸漬浴に浸漬することを特徴とする、セラ
ミックス基体と該セラミックス基体の外表面の所定箇所
に設けた浸漬法に由来する目的金属の炭化物、ホウ化
物、窒化物、およびケイ化物の少なくとも一種からなる
被膜とから構成される複合材質耐熱セラミックス物品の
製法である。
Here, the present invention provides an immersion bath comprising a fluoride-containing molten halide bath containing a target metal,
Next, the article obtained by shaping the ceramic substrate to be treated is immersed in the immersion bath for an appropriate period of time, and the target metal derived from the immersion method provided at a predetermined position on the outer surface of the ceramic substrate. And a coating made of at least one of carbides, borides, nitrides, and silicides.

(作用) 次に、本発明について更に具体的に説明する。(Operation) Next, the present invention will be described more specifically.

本発明において利用する浸漬浴を構成する溶融塩浴の
代表例としての上記溶融塩化物浴は、一般にはKCl−BaC
l2を基体組成とし、これにフッ化物、例えばNaFを添加
したものである。その他、溶融塩化物浴としては、代表
的にはNaCl、LiCl、CaCl2等が例示され、またフッ化物
としてはNaF、KF、LiF、CaF2、BaF2等がある。好ましく
は、アルカリ金属塩化物−アルカリ土類金属塩化物−ア
ルカリ金属フッ化物から成る浴組成が好ましい。そのと
きの具体的組成割合などはすでに以上の説明から当業者
には明らかなところである。一般には、KCl−BaCl2−Na
F系の場合、KClは5〜95モル%、BaCl2は5〜95モル
%、そしてNaFは5〜50モル%である。フッ化物が50モ
ル%を超えると、浴温度が高くなりすぎるばかりでな
く、腐食の問題が生じる。
The molten chloride bath as a representative of the molten salt bath constituting the immersion bath used in the present invention is generally KCl-BaC
The l 2 as a base composition, fluoride which is obtained by adding, for example, NaF. Other examples of the molten chloride bath include NaCl, LiCl, CaCl 2 and the like, and examples of the fluoride include NaF, KF, LiF, CaF 2 and BaF 2 . Preferably, a bath composition composed of alkali metal chloride-alkaline earth metal chloride-alkali metal fluoride is preferred. The specific composition ratio and the like at that time are already clear to those skilled in the art from the above description. Generally, KCl-BaCl 2 -Na
For F-based, KCl 5 to 95 mol%, BaCl 2 5 to 95 mol%, and NaF is 5 to 50 mol%. If the fluoride content exceeds 50 mol%, not only the bath temperature becomes too high, but also corrosion problems occur.

目的とする金属の種類は特に制限されないが、本発明
の目的の1つが複合構造の形成にあることから、従来よ
り被膜形成が困難と考えられていた硬質金属、例えばS
i、Cr、V、B、W、Mo、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta等周期律
表第IV a族、第V a族および第VI a族金属が好ましい。
Although the kind of the target metal is not particularly limited, one of the objects of the present invention is to form a composite structure, and therefore, a hard metal which has conventionally been considered difficult to form a film, such as S
i, Cr, V, B, W, Mo, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta and the like periodic table metals of Groups IVa, Va and VIa are preferred.

このような目的金属は、一部は化合物として代表的に
は、酸化物として上記溶融塩化物浴に加えられるが、こ
れは入手も容易であり、また、一般的に取扱も容易であ
ることから、有利である。また、他の一部は、金属粉末
として添加される。これは目的金属の単体金属またはそ
れを含む合金、例えばフェロアロイなどとして添加して
もよく、これも本発明の有利な点である。
Such a target metal is partly added as a compound, typically as an oxide, to the molten chloride bath, but it is easily available and generally easy to handle. Is advantageous. Another part is added as a metal powder. This may be added as a single metal of the target metal or an alloy containing the same, such as a ferroalloy, which is also an advantage of the present invention.

このように、フッ化物としてナトリウム金属フッ化物
を使用した場合、溶融塩中のNaFと酸化物とが反応し
て、部分的にフッ化金属カリ、ソーダ等が生成する。そ
してそれらは、それぞれ、例えば、TiO2→NaK2TiF6、Cr
2O3→NaCrF3、V2O5→Na3VF6、B2O3→KBF4、WO3→K3WF6
である。そしてそれらは、次いで被処理セラミックス物
品表面で反応して、それぞれ、Ti−C(TiC)、Cr−C
(Cr7C3,Cr3C2,Cr23C6)、V−C(V2C,V4C3,V8C7,VC
0.88)、B−C、W−Cなどとなる。このときの単体金
属あるいは合金は酸化物として添加される金属の還元剤
として作用すると考えられる。
As described above, when sodium metal fluoride is used as the fluoride, the NaF in the molten salt reacts with the oxide to partially generate potassium fluoride, soda, and the like. And they are, for example, TiO 2 → NaK 2 TiF 6 , Cr
2 O 3 → NaCrF 3 , V 2 O 5 → Na 3 VF 6 , B 2 O 3 → KBF 4 , WO 3 → K 3 WF 6
It is. Then, they react on the surface of the ceramic article to be treated, and are Ti-C (TiC) and Cr-C, respectively.
(Cr 7 C 3, Cr 3 C 2, Cr 23 C 6), VC (V 2 C, V 4 C 3, V 8 C 7, VC
0.88 ), BC and WC. The single metal or alloy at this time is considered to act as a reducing agent for the metal added as an oxide.

なお、変更例として、前記溶融塩浴において前記塩化
物に代えてシュウ化物、ヨウ化物あるいはフッ化物を使
用してもよく、その場合にあってもシュウ化物、ヨウ化
物あるいはフッ化物としてはアルカリ金属およびアルカ
リ土類金属のシュウ化物、ヨウ化物もしくはフッ化物か
ら適宜選べばよい。
As a modified example, in the molten salt bath, instead of the chloride, an oxide, an iodide or a fluoride may be used, and even in such a case, an alkali metal is used as the oxide, the iodide or the fluoride. And alkoxides, iodides or fluorides of alkaline earth metals.

目的とする金属の単体、合金の添加量については制限
はないが、浸漬浴におけるそのような金属の酸化物の配
合量は2重量%で十分である。少なすぎると十分な厚さ
の被膜を得ることができない。実用上の下限は1%程度
である。一方、多すぎると炭化物層等の被膜の厚さが不
均一になったりする。実用上7重量%程度までの添加は
許容される。好ましくは5〜7重量%である。
There is no limitation on the amount of the target metal element or alloy, but 2% by weight of the metal oxide in the immersion bath is sufficient. If the amount is too small, a film having a sufficient thickness cannot be obtained. The practical lower limit is about 1%. On the other hand, if the amount is too large, the thickness of the coating such as the carbide layer becomes uneven. Practically, up to about 7% by weight is acceptable. Preferably it is 5 to 7% by weight.

目的とする金属のハロゲン化物の場合には40%までも
含有されるが、それを超えると装置等の機器の腐食の問
題が、またハロゲンガスの発生が多くなり、衛生上の問
題も発生する。
In the case of the target metal halide, it is contained up to 40%, but if it exceeds that, the problem of corrosion of equipment such as equipment, the generation of halogen gas increases, and the problem of hygiene also occurs .

目的とする金属の酸化物を用いる場合にはこの酸化物
を還元するための還元剤を添加する。還元剤としては、
Mn、Al、Ca、Si、Ti、Zrなど、またはこれらの合金、例
えばFe−Mn、Fe−Al、Fe−Ti、Fe−Zr、Fe−Si、Ca−S
i、Ca−Si−Mnなどクロムまたは第V a族元素よりも酸素
との親和力が大きいものが用いられる。これらの還元剤
の処理浴における配合割合は2ないし20重量%程度が適
当である。2重量%に満たないと還元効果が不十分であ
り、20重量%を越えるとむしろ炭化物の形成が妨げられ
るようになるからである。好ましくは5〜15重量%であ
る。
When an oxide of a target metal is used, a reducing agent for reducing the oxide is added. As a reducing agent,
Mn, Al, Ca, Si, Ti, Zr and the like, or alloys thereof, for example, Fe-Mn, Fe-Al, Fe-Ti, Fe-Zr, Fe-Si, Ca-S
i, Ca-Si-Mn or the like having a higher affinity for oxygen than chromium or Group Va element is used. The mixing ratio of these reducing agents in the treatment bath is suitably about 2 to 20% by weight. If it is less than 2% by weight, the reducing effect is insufficient, and if it exceeds 20% by weight, the formation of carbides is rather hindered. Preferably it is 5 to 15% by weight.

本発明にかかる浸漬法における浸漬時間、温度は目的
とする生成金属化合物の種類によっても区々であるが、
一般には、700〜1100℃で1〜数十時間処理すれば十分
である。
Immersion time in the immersion method according to the present invention, the temperature is different depending on the type of the target product metal compound,
Generally, treatment at 700 to 1100 ° C. for 1 to several tens hours is sufficient.

ところで、本発明において使用するセラミックス基体
としては、特に制限はないが、Si3N4、SiC、h−BN、カ
ーボン材等によって代表される非酸化物系セラミックス
が好ましい。
Meanwhile, as the ceramic substrate used in the present invention is not particularly limited, Si 3 N 4, SiC, h-BN, non-oxide ceramics represented by the carbon material or the like are preferable.

これらは予め目的形状に形成した物品として浸漬法に
より複合構造とするのである。
These are made into a composite structure by an immersion method as an article previously formed in a target shape.

すなわち、慣用法にしたがって例えばSi3N4などのセ
ラミックスバルクを十分に混練し、円筒体、筒状体さら
には複雑形状体の型にその混練粉を充填し、調整雰囲気
下で加圧し、焼成する。このような成形手段としてはHI
P(熱間等方圧縮法)を用いてもよい。成形後、得られ
た物品はこれまで詳述してきた浸漬浴に浸漬され所定箇
所に目的金属の炭化物、ホウ化物、窒化物、およびケイ
化物の少なくとも一種から成る被膜が形成され、複合材
となるのである。
That is, ceramic bulk such as Si 3 N 4 is sufficiently kneaded according to a conventional method, and the kneaded powder is filled in a cylinder, a cylindrical body, or a mold of a complicated shape body, and pressed under an adjusted atmosphere, and fired. I do. As such a molding means, HI
P (hot isostatic compression method) may be used. After molding, the obtained article is immersed in the immersion bath described in detail so far, and a coating made of at least one of carbide, boride, nitride, and silicide of the target metal is formed at a predetermined position to form a composite material. It is.

所定箇所にのみ上述の表面被膜を設ける方法としては
次のものが挙げられる。
As a method of providing the above-mentioned surface coating only at a predetermined position, the following method can be used.

(1)所定箇所以外の箇所を、例えば金属コロイダル、
および金属アルコール(例:エチルシリケートおよびコ
ロイダルシリカ)から成る浴に浸漬するかあるいはそれ
を塗布し、乾燥、焼成する。
(1) A part other than the predetermined part is, for example, a metal colloid,
Or dipped or bathed in a bath composed of a metal alcohol (eg, ethyl silicate and colloidal silica), dried and fired.

このようにして用意したセラミックス基体から成る物
品を、今度は、前述の浸漬浴に浸漬して材質の複合化を
図る。
The article made of the ceramic substrate prepared in this way is immersed in the above-described immersion bath to achieve a composite material.

(2)目的金属の酸化物を含有する液をスプレー等によ
り前記物品の所定箇所以外の箇所に塗布し、乾燥する。
(2) A solution containing an oxide of the target metal is applied to a portion other than a predetermined portion of the article by spraying or the like, and dried.

(3)物品形状が容器状であってその内側のみに複合化
を施したい場合には、その内側に前述の浸漬浴を構成し
て、内壁部の複合化を行う。物品形状が容器状でなくと
も、適宜治具を使用することにより容器状とすることが
できれば、この方法による複合化を図ることができる。
(3) When the article is in the shape of a container and it is desired to perform compounding only on the inside thereof, the above-mentioned immersion bath is formed inside the compound, and the inner wall portion is formed. Even if the article shape is not a container shape, if it can be formed into a container shape by using a jig as appropriate, it is possible to achieve compounding by this method.

(4)前記物品の所定箇所以外にワセリン、グリセリン
等の油脂類を塗布してから前述の浸漬浴への浸漬を行
う。
(4) Apply oils and fats such as petrolatum and glycerin to a portion other than the predetermined portion of the article, and then immerse the article in the immersion bath.

もちろん、セラミックス基体物品の全表面に被覆層を
設け、複合化を図る場合には上述のような部分的不活性
化処理は必要なく、そのゝ物品全体を浸漬すればよい。
Needless to say, when a coating layer is provided on the entire surface of the ceramic substrate article to form a composite, the above-described partial passivation treatment is not necessary, and the entire article may be immersed.

本発明におけるセラミックス基体から成る物品の代表
例は、溶融金属の鋳造用リング、鋳造用ノズル、金属ス
パッタ溶接用ノズル、金属溶解用ルツボ、熱電対保護
管、レベル計などの高熱分野で使用される高温部材であ
る。これらの物品の所定箇所、つまり溶融金属などの高
温材料と接触する箇所を本発明により複合化するのであ
る。例えば、金属スパッタ溶接用ノズルにおいては、従
来、スパッタ金属の付着によりSi3N4セラミックノズル
の寿命を短くしていたが、スパッタ金属の付着しにくい
h−BNセラミックは、使用強度を有しないので使用され
ていなかった。しかるに本発明によりスパッタ金属の付
着が生じるSi3N4セラミックノズルの内側のみh−BN化
することにより、h−BNの金属との濡れにくさを利用し
て、強度は従来のSi2N4セラミックノズルと同等の強さ
を持ちながらスパッタ金属の付着による溶損性が小さい
金属スパッタ溶接用ノズルが開発された。また、同様
に、鋳造用熱電対保護管、リング、ノズルにおいてもSi
3N4セラミックをSi3N4−hBNへ複合化することにより、
従来のSi3N4セラミックの高強度特性を失なわずに、耐
熱衝撃性のみを向上させることができ、長寿命化が可能
になる。
Representative examples of articles made of a ceramic substrate in the present invention are used in high heat fields such as a ring for casting molten metal, a nozzle for casting, a nozzle for metal spatter welding, a crucible for melting metal, a thermocouple protection tube, and a level meter. It is a high temperature member. A predetermined portion of these articles, that is, a portion that comes into contact with a high-temperature material such as a molten metal is compounded by the present invention. For example, in metal sputter welding nozzles, conventionally, the life of a Si 3 N 4 ceramic nozzle has been shortened by the adhesion of sputtered metal, but h-BN ceramics to which sputtered metal is less likely to adhere do not have the working strength. Had not been used. However, by forming the h-BN only inside the Si 3 N 4 ceramic nozzle where sputtered metal adheres according to the present invention, the strength of the conventional Si 2 N 4 A nozzle for metal sputter welding has been developed that has the same strength as a ceramic nozzle but has low erosion due to the adhesion of sputtered metal. Similarly, in the thermocouple protection tube, ring, and nozzle for casting, Si
By compounding 3 N 4 ceramic into Si 3 N 4 -hBN,
Without losing the high strength characteristics of the conventional Si 3 N 4 ceramic, only the thermal shock resistance can be improved, and the life can be extended.

しかるに現有の混合法によるSi3N4−hBN複合セラミッ
クは、Si3N4セラミックの高強度性が失なわれ、使用時
の破損頻度が多い。
However, the Si 3 N 4 -hBN composite ceramic obtained by the existing mixing method loses the high strength of the Si 3 N 4 ceramic and frequently breaks during use.

一方、Si3N4セラミック、SiCセラミックのSi3N4−(T
i−N)、Si3N4−(Zr−N)、SiC−(Ti−C)セラミ
ックへの複合化は、内部Si3N4と表面層Ti−N、Zr−
N、Ti−C組成物との熱膨張差による表面に生じる圧縮
応力により、強度の向上がみられ、例えば鋳造用熱電対
保護管、リング、ノズル等に使用した場合、それらの物
品の寿命が長くなる。その他、ロール、パッキン、鋳造
用ノズル、リング、金属溶解用ルツボ等の用途時に、金
属溶解用ルツボの用途においては、耐酸化性、耐摩耗性
が必要な所定箇所のみ、h−BN、C材質のh−BN−(Ti
−N)、h−BN−(Zr−N)、C−(Ti−C)、C−
(Cr−C)等への複合セラミック化により、その箇所の
耐酸化性、強度を向上させ、従来のh−BN、C材質の欠
点であった耐酸化性、耐摩耗性が低いことを克服させ得
る。このことにより、金属溶解ルツボ等の物品の長寿命
化をもたらすことができる。
On the other hand, Si 3 N 4 ceramic and Si 3 N 4 − (T
i—N), Si 3 N 4 — (Zr—N), and SiC— (Ti—C) ceramics are compounded by internal Si 3 N 4 and surface layers Ti—N, Zr—
N, the compressive stress generated on the surface due to the difference in thermal expansion from the Ti-C composition, the strength is improved, for example, when used for casting thermocouple protection tube, ring, nozzle, etc., the life of those articles become longer. In addition, for applications such as rolls, packings, casting nozzles, rings, and crucibles for melting metals, use of crucibles for melting metals requires only oxidation resistance and wear resistance, and only h-BN and C materials H-BN- (Ti
-N), h-BN- (Zr-N), C- (Ti-C), C-
Oxidation resistance and strength are improved by changing the composite ceramic to (Cr-C), etc., and the low oxidation resistance and abrasion resistance, which were the drawbacks of conventional h-BN and C materials, were overcome. I can make it. This can extend the life of an article such as a metal melting crucible.

以上のごとく、本発明にかかる複合化物品は特に耐熱
性、溶接における耐溶損性および高温強度の改善が著し
いため上述の用途に特に適するのである。
As described above, the composite article according to the present invention is particularly suitable for the above-mentioned applications because of its remarkable improvements in heat resistance, erosion resistance during welding and high-temperature strength.

なお、浸漬処理に先立って成形物品には特に予備処理
を施す必要はないが、好ましくは、脱脂等の処理を行う
ことにより、皮膜密着性等を一層高めることができる。
It is not necessary to perform a preliminary treatment on the molded article prior to the immersion treatment, but preferably, a treatment such as degreasing can further enhance the film adhesion and the like.

ところで、本発明にかかる浸漬法による皮膜形成は予
めCVDあるいは真空スパッタリングなどで適宜金属を被
覆したセラミック成形物品に対して行ってもよく、その
場合にはセラミック基体としては、そのような金属被覆
が可能なものであればいずれであってもよく、場合によ
っては酸化物系セラミックスであってもよい。
Incidentally, the film formation by the immersion method according to the present invention may be performed on a ceramic molded article previously coated with a metal by CVD or vacuum sputtering as appropriate, and in such a case, such a metal coating is used as the ceramic substrate. Any material may be used as long as possible, and in some cases, an oxide-based ceramic may be used.

しかし、このように予め設ける皮膜は金属被覆に限ら
ず、これまで説明してきた本発明による金属化合物被覆
についても同様である。すなわち、このようにして金属
層あるいは金属炭化物層を形成した成形物品表面に、再
び同様な溶融塩浴を使った処理によって、好ましくはこ
の場合の目的金属はBであり、金属化合物として例えば
B2O3のような酸化ホウ素を使用することにより、今度は
すでに成形物品表面に形成された炭化金属の金属とホウ
素とが化合し、金属ホウ化物を形成するようにしてもよ
い。つまり、ホウ素化合物(例:酸化ホウ素)はフッ化
物含有溶融塩浴中で、例えばB2O3→KBF4となり、これが
成形物品表面皮膜中の例えばTiと化合してTiB2またはTi
b、つまりMB2またはMB(M:金属)を生成するのである。
かかる処理によればセラミックス物品の複合材としての
特質は一層改善される。
However, the film provided in advance in this way is not limited to the metal coating, and the same applies to the metal compound coating according to the present invention described above. That is, on the surface of the molded article on which the metal layer or the metal carbide layer is formed in this manner, the target metal in this case is preferably B by a treatment using a similar molten salt bath again.
By using a boron oxide such as B 2 O 3, the metal of the metal carbide already formed on the surface of the molded article may then be combined with boron to form a metal boride. That is, a boron compound (eg, boron oxide) is converted into, for example, B 2 O 3 → KBF 4 in a fluoride-containing molten salt bath, and this is combined with, for example, Ti in the surface coating of the molded article to form TiB 2 or TiB.
b, that is, MB 2 or MB (M: metal) is produced.
According to this treatment, the characteristics of the ceramic article as a composite material are further improved.

次に、本発明を、実施例に基づいて、さらに具体的に
説明する。なお、本明細書において「%」は特にことわ
りがなければ、「重量%」である。
Next, the present invention will be described more specifically based on examples. In this specification, “%” is “% by weight” unless otherwise specified.

実施例1 磁製ルツボにKCl、BaCl2およびNaFをそれぞれ42.2、2
0.2および37.6モル%加えて全体を89.3gとして加熱溶融
した後、それぞれTi、Zr、B金属酸化物5gおよび金属ま
たは当該金属の合金粉末(フェロアロイ)25gを添加
し、十分撹拌し、浸漬浴とした。
Example 1 KCl, BaCl 2 and NaF were added to a porcelain crucible in 42.2 and 22.2, respectively.
After adding 0.2 and 37.6 mol% and heating and melting the whole to 89.3 g, 5 g of Ti, Zr, B metal oxide and 25 g of metal or alloy powder (ferroalloy) of the metal are added, and the mixture is sufficiently stirred, and then immersed in an immersion bath. did.

このようにして調製した浸漬浴に慣用の焼結法による
寸法3×4×40mmのSi3N4セラミック基体から成る試料
棒を浸漬させた。浸漬条件は1100℃、10〜20時間であっ
た。Si3N4基体の表面にそれぞれ約100〜200μm厚さのT
i−N、Zr−N、B−N層が形成され複合材質化され
た。
A sample rod made of a Si 3 N 4 ceramic substrate having a size of 3 × 4 × 40 mm by a conventional sintering method was immersed in the immersion bath thus prepared. The immersion conditions were 1100 ° C. for 10 to 20 hours. Each of the Si 3 N 4 substrate surfaces has a thickness of about 100 to 200 μm T
The i-N, Zr-N, and BN layers were formed to make a composite material.

上記の試料棒の特性を調べたところ、強度および耐熱
衝撃性に著しい向上がみられた(第2表参照)。
Examination of the characteristics of the above-mentioned sample rod revealed a remarkable improvement in strength and thermal shock resistance (see Table 2).

Si3N4基体の試料棒に代えて、同一材質のルツボ、お
よびノズルを同じく焼結法により成形し、得られた成形
体について同様な処理を行った。内壁部のみをそれぞれ
Ti−N、Zr−N、B−Nの複合構造にするため外壁部を
エチルシリケート:コロイダルシリカ=1:1の水溶液に
浸漬し、乾燥後、500℃で10分間焼成し、これについて
浸漬処理を行った。いずれの場合も同様の結果が得られ
た。未処理のものと比較して鋳造用ノズル、リング、熱
電対保護管において耐用寿命は約2倍に延長された。特
に、No.3の内壁部B−Nの複合Si3N4セラミックノズル
は、金属溶接用ノズルの用途においては、スパッタ金属
と濡れにくいため、スパッタ金属が付着しにくく耐用寿
命が約5倍に延長された。
Crucibles and nozzles of the same material were molded by the same sintering method in place of the sample rod of the Si 3 N 4 base, and the same processing was performed on the obtained molded body. Only the inner wall
The outer wall is immersed in an aqueous solution of ethyl silicate: colloidal silica = 1: 1 to form a composite structure of Ti—N, Zr—N, and BN, dried, baked at 500 ° C. for 10 minutes, and dipped. Was done. Similar results were obtained in each case. The service life of casting nozzles, rings, and thermocouple protection tubes was extended about twice as compared with the untreated ones. In particular, the No. 3 inner wall BN composite Si 3 N 4 ceramic nozzle is hard to wet with sputtered metal when used as a metal welding nozzle, so spattered metal is less likely to adhere and the service life is about 5 times longer. Extended.

実施例2 本例では、実施例1と同じ溶融塩浴を使用し、Ti金属
およびTiO2をそれぞれ25g、5g添加し、十分撹拌し、浸
漬浴とした。このようにして調製した浸漬浴に慣用の焼
結法で成形した寸法3×4×40mmのSiCセラミックス基
体物品である試料棒を浸漬させた。浸漬条件は1050℃、
5時間であった。
Example 2 In this example, the same molten salt bath as in Example 1 was used, and 25 g and 5 g of Ti metal and TiO 2 were added, respectively, and sufficiently stirred to form an immersion bath. A sample rod as a SiC ceramic substrate article having a size of 3 × 4 × 40 mm formed by a conventional sintering method was immersed in the immersion bath thus prepared. Immersion conditions are 1050 ° C,
5 hours.

SiC基体の表面には厚さ100〜150μmのTi−C層が形
成されて複合構造となった。
A Ti—C layer having a thickness of 100 to 150 μm was formed on the surface of the SiC substrate to form a composite structure.

上記試料棒の特性を調べたところ、強度および耐熱衝
撃性に著しい向上が見られた(第4表参照)。
When the characteristics of the sample rod were examined, remarkable improvements in strength and thermal shock resistance were found (see Table 4).

実施例3 本例では実施例1と同じ溶融塩浴を使用し、Ti、Zr金
属およびTiO2、ZrO2をそれぞれ25g、5g添加し、十分撹
拌し浸漬浴とした。このようにして調製した浸漬浴に慣
用法で成形した寸法3×4×40(mm)のh−BN系基体試
料棒を浸漬させた。浸漬条件は950℃、5時間であっ
た。結果は第5表に示すが、h−BNの表面にそれぞれTi
−N、Zr−N層が厚さ10〜30μmにまで形成され複合構
造となった。
Example 3 In this example, the same molten salt bath as in Example 1 was used, and 25 g and 5 g of Ti, Zr metal and TiO 2 and ZrO 2 were added, respectively, and sufficiently stirred to form an immersion bath. The thus-prepared immersion bath was immersed in a 3 × 4 × 40 (mm) dimension h-BN-based substrate sample rod formed by a conventional method. The immersion conditions were 950 ° C. for 5 hours. The results are shown in Table 5, where the surface of h-BN was Ti
The -N and Zr-N layers were formed to a thickness of 10 to 30 µm to form a composite structure.

上記試料の特性を調べたところ、硬度および耐酸化性
に著しい向上がみられた(第6表)。
Examination of the characteristics of the above samples revealed that the hardness and oxidation resistance were significantly improved (Table 6).

h−BN基体試料棒に代えて鋳造用リングおよび鋳造用
ノズル、ルツボを同一材料から焼結法により成形し得ら
れた物品について同様な処理を行った。治具を使って被
処理物品を容器状に構成し、高温溶融金属に接する内壁
部のみそのままにし、酸化されやすい外壁部のみを本発
明により複合構造としたところ、実施例1と同様の結果
が得られた。
The same processing was performed on an article obtained by molding a casting ring, a casting nozzle, and a crucible from the same material by a sintering method instead of the h-BN substrate sample rod. When the article to be treated was formed into a container shape using a jig, only the inner wall portion in contact with the high-temperature molten metal was left as it was, and only the outer wall portion that was easily oxidized was formed into a composite structure according to the present invention. The same result as in Example 1 was obtained. Obtained.

実施例4 本例では、実施例1と同じ溶融塩浴を使用し、加熱溶
融した後、所定の各金属酸化物5gおよび金属または当該
金属の合金扮末(フェロアロイ)25gを添加し、十分撹
拌し、浸漬浴とした。
Example 4 In this example, the same molten salt bath as in Example 1 was used, and after heating and melting, 5 g of each predetermined metal oxide and 25 g of a metal or alloy alloy (ferroalloy) of the metal were added and sufficiently stirred. Then, a immersion bath was used.

このようにして調製した浸漬浴に慣用の焼結法により
成形した寸法3×4×40(mm)のカーボン基体から成る
試料棒を浸漬させた。浸漬条件は950℃、2時間であっ
た。
A sample rod made of a carbon substrate having a size of 3 × 4 × 40 (mm) formed by a conventional sintering method was immersed in the immersion bath thus prepared. The immersion conditions were 950 ° C. for 2 hours.

結果は第7表にまとめて示すが、カーボン基体の表面
に各目的金属の炭化物層が約5〜20μm厚さに形成され
て複合構造となった。
The results are summarized in Table 7. As shown in Table 7, a carbide layer of each target metal was formed to a thickness of about 5 to 20 µm on the surface of the carbon substrate to form a composite structure.

上記試料棒の特性を調べたところ、硬度および耐酸化
性に著しい向上がみられた(8表参照)。
Examination of the characteristics of the sample bar revealed that hardness and oxidation resistance were significantly improved (see Table 8).

上記カーボン基体試料棒に代えて同一材料でロール、
パッキン、ノズル、ルツボを成形し、各物品について実
施例3の場合に準じて同様に処理を行ったところ、同様
な結果が得られた。
A roll of the same material in place of the carbon substrate sample rod,
A packing, a nozzle, and a crucible were formed, and each article was treated in the same manner as in Example 3 to obtain similar results.

比較例1 本例では、実施例との比較のため、平均粒径1μmの
Si3N4と平均粒径0.1〜0.5μm h−BNの粉末を任意の割合
で混合し、成形圧1t/cm2で成形し、N2ガス雰囲気で1750
℃(2hr保持)で焼成し、3×4×40mmの形状の焼成物
を得た。
Comparative Example 1 In this example, for comparison with the example, the average particle size was 1 μm.
Si 3 N 4 and powder having an average particle diameter of 0.1 to 0.5 μm h-BN are mixed at an arbitrary ratio, molded at a molding pressure of 1 t / cm 2 , and 1750 in a N 2 gas atmosphere.
C. (holding for 2 hours) to obtain a 3 × 4 × 40 mm fired product.

比較例2 平均粒径1μmのSi3N4粉末を実施例1に準じて浸漬
法により表面を0.1、0.14μm h−BN化した。この粉末を
用いて1t/cm2の成形圧で成形し、N2ガス雰囲気で1750℃
(2hr保持)で焼成し、3×4×40mmの形状の焼成物を
得た。
Comparative Example 2 The surface of Si 3 N 4 powder having an average particle diameter of 1 μm was converted into 0.1 and 0.14 μm h-BN by the dipping method according to Example 1. Using this powder, molding was performed at a molding pressure of 1 t / cm 2 , and 1750 ° C. in a N 2 gas atmosphere.
(Holding for 2 hours) to obtain a fired product having a shape of 3 × 4 × 40 mm.

比較例1、2の試料の特性を第9表に記載する。第9
表から明確なように本発明の複合セラミックス物品と比
較すると強度もしくは耐熱衝撃性において著しく劣って
いる。
Table 9 shows the characteristics of the samples of Comparative Examples 1 and 2. Ninth
As is clear from the table, the strength or the thermal shock resistance is remarkably inferior to the composite ceramic article of the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青木 哲史 愛知県西春日井郡新川町大字土器野新田 418―14 (56)参考文献 特開 昭63−147882(JP,A) 特開 昭63−147883(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Tetsushi Aoki 418-14, Potterino Nitta, Niikawa-cho, Nishi-Kasugai-gun, Aichi (56) References JP-A-63-147882 (JP, A) JP-A-63-147883 (JP, A)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】目的とする金属を含有する、フッ化物含有
溶融ハロゲン化物浴から成る浸漬浴を調製し、次いで処
理すべきセラミックス基体を形成して得た物品を適宜時
間該浸漬浴に浸漬することを特徴とする、セラミックス
基体と該セラミックス基体の外表面の所定箇所に設けた
浸漬法に由来する目的金属の炭化物、ホウ化物、窒化
物、およびケイ化物の少なくとも一種からなる被膜とか
ら構成される複合材質耐熱セラミックス物品の製法。
1. An immersion bath comprising a fluoride-containing molten halide bath containing a target metal is prepared, and an article obtained by forming a ceramic substrate to be treated is immersed in the immersion bath for an appropriate period of time. Characterized by comprising a ceramic substrate and a coating made of at least one of carbide, boride, nitride, and silicide of a target metal derived from an immersion method provided at a predetermined position on the outer surface of the ceramic substrate. A method for manufacturing composite heat-resistant ceramic articles.
【請求項2】前記フッ化物含有溶融ハロゲン化物浴が、
目的金属の酸化物および単体金属もしくは合金を添加し
て調製したことを特徴とする請求項(1)記載の製法。
2. The fluoride-containing molten halide bath according to claim 1, wherein
3. The method according to claim 1, wherein the oxide is prepared by adding an oxide of the target metal and a simple metal or alloy.
【請求項3】前記フッ化物含有溶融ハロゲン化物浴のハ
ロゲン化物が、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の
ハロゲン化物の少なくとも一種からなる請求項(1)ま
たは(2)記載の製法。
3. The method according to claim 1, wherein the halide of the fluoride-containing molten halide bath comprises at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal halide.
【請求項4】前記フッ化物含有溶融ハロゲン化物浴のフ
ッ化物が、アルカリ金属およびアルカリ土類金属のフッ
化物の少なくとも一種からなる請求項(1)ないし
(3)のいずれか1項記載の製法。
4. The process according to claim 1, wherein the fluoride in the fluoride-containing molten halide bath comprises at least one of alkali metal and alkaline earth metal fluorides. .
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