JP2756685B2 - Method for producing composite material and raw material composition - Google Patents

Method for producing composite material and raw material composition

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JP2756685B2 JP1031751A JP3175189A JP2756685B2 JP 2756685 B2 JP2756685 B2 JP 2756685B2 JP 1031751 A JP1031751 A JP 1031751A JP 3175189 A JP3175189 A JP 3175189A JP 2756685 B2 JP2756685 B2 JP 2756685B2
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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、酸化物、窒化物、窒酸化物のうちの少なく
とも1種のセラミックスをマトリックス(母相)とし、
その中に周期律表第IV a〜VI a族元素の炭化物あるいは
該炭化物に窒素や酸素を固溶したものが分散析出して強
化されてなるセラミックス複合材料を製造する方法およ
びその原料組成物に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention provides a matrix (mother phase) using at least one kind of ceramics among oxides, nitrides, and nitrided oxides.
The present invention relates to a method for producing a ceramic composite material in which a carbide of an element from Groups IVa to VIa of the periodic table or a solid solution of nitrogen and oxygen in the carbide is dispersed and strengthened, and a raw material composition thereof. Things.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

アルミナ、ムライト、サイアロン、窒化珪素等の酸化
物、窒酸化物、窒化物のセラミックスは代表的な構造用
セラミックスであり、硬度、強度、耐食性等に優れるこ
とから、機械部品、工具、耐火物等広汎な用途に使用さ
れている。これらの材料に周期律表の第IV a〜VI a族元
素の炭化物粒子を添加することにより、破壊靭性や硬度
を増加させることができる。例えば、アルミナを主成分
としたセラミックスのマトリックス中にTiC粒子を配合
した複合材料があり、これは初期用工具として優れた特
性を有する(特公昭60−54266号)。また、窒化珪素や
サイアロンを主成分としたセラミックスのマトリックス
中に第IV a〜VI a族元素の炭化物粒子を配合した複合材
料も開発されている(特公昭62−53475号)。
Alumina, mullite, sialon, silicon nitride and other oxides, nitride oxides, and nitride ceramics are typical structural ceramics, and are excellent in hardness, strength, corrosion resistance, etc., and are therefore used in machine parts, tools, refractories, etc. Used for a wide range of applications. By adding carbide particles of elements from Groups IVa to VIa of the periodic table to these materials, fracture toughness and hardness can be increased. For example, there is a composite material in which TiC particles are blended in a ceramic matrix containing alumina as a main component, which has excellent characteristics as an initial tool (Japanese Patent Publication No. 60-54266). Also, a composite material has been developed in which carbide particles of Group IVa to VIa elements are blended in a matrix of ceramics containing silicon nitride or sialon as a main component (Japanese Patent Publication No. Sho 62-53475).

これら複合材料の製造方法としては、いずれもアルミ
ナ等のマトリックス原料と、第IV a〜VI a族元素の炭化
物または該炭化物に窒素や酸素等の固溶したもの(炭窒
化物、炭酸化物等)と、必要に応じて添加した焼結助剤
とを混合して加圧焼結あるいは常圧焼結する方法であ
る。しかしながら、この製造方法では、以下のような欠
点がある。
As a method for producing these composite materials, a matrix material such as alumina and a carbide of a group IVa to VIa element or a solid solution of nitrogen or oxygen or the like in the carbide (carbonitride, carbonate, etc.) And a sintering agent added as necessary, and then pressure sintering or normal pressure sintering. However, this manufacturing method has the following disadvantages.

(1) 市販の第IV a〜VI a族元素の炭化物および該炭
化物に窒素や酸素等が固溶したもの(炭窒化物、炭酸化
物)粉末の粒子は、一般に粒径が大きく、10μmを越え
るような粗大粒子も混じっている。この金属元素の炭化
物が複合材料中に分散すると、粗大な粒子が破壊起点と
なりやすく、強度を低下させる原因となる。
(1) Particles of commercially available carbides of Group IVa to VIa elements and powders obtained by dissolving nitrogen, oxygen or the like in the carbides (carbonitrides, carbonates) generally have a large particle size and exceed 10 μm. Such coarse particles are also mixed. When the carbide of the metal element is dispersed in the composite material, coarse particles tend to be a starting point of fracture, which causes a reduction in strength.

(2) 近年、粉砕技術の発達と共に、平均粒径が1μ
mを下回る微細な金属炭化物も入手できるようになった
が、やはり粗大な粒子は混入しており、かつこうした微
粉末は、高価であると共にFe等の不純物量が多く、か
つ、水との反応性が高い。このため、原料の混合時に混
合媒体としての水を用いることができず、粉末特性を一
定に保つことが困難であり、このような微細な金属炭化
物を原料として用いた複合材料は焼結体の特性のばらつ
きが大きくなる。
(2) In recent years, with the development of grinding technology,
m, fine metal carbides below m are now available, but coarse particles are still mixed in, and these fine powders are expensive, contain a large amount of impurities such as Fe, and react with water. High in nature. For this reason, water cannot be used as a mixing medium at the time of mixing the raw materials, and it is difficult to keep powder characteristics constant, and a composite material using such a fine metal carbide as a raw material is Variations in characteristics increase.

〔第1発明の説明〕 本第1発明(請求項(1)に記載の発明)は、上記従
来の技術の問題点に鑑みなされたものであり、特性が劣
り、取り扱いの難しい第IV a〜VI a族元素の炭化物ある
いは該炭化物に窒素や酸素が固溶したものを原料として
使用せずに、これらの炭化物が分散したセラミックスの
複合材料を製造することができる方法を提供しようとす
るものである。
[Description of First Invention] The first invention (the invention described in claim (1)) has been made in view of the problems of the above-described conventional technology, and has poor characteristics and is difficult to handle. It is an object of the present invention to provide a method capable of producing a composite material of a ceramic in which these carbides are dispersed without using a carbide of a group VIa element or a solid solution of nitrogen or oxygen in the carbide as a raw material. is there.

本第1発明は、酸化物、窒化物、窒酸化物のうちの少
なくとも1種のセラミックスをマトリックスとし、該マ
トリックス中に第IV a〜VI a族元素のうちの少なくとも
1種の炭化物、または/および窒素または/および酸素
が固溶した上記周期律表の第IV a〜VI a族元素のうちの
少なくとも1種の炭化物が分散してなる複合材料の製造
方法であって、酸化物、窒化物、窒酸化物のうちの少な
くとも1種のセラミックスの原料であり、該セラミック
スそのもの、あるいは金属単体を除く焼成によって該セ
ラミックスを生成する物質、あるいは該セラミックスの
前駆体物質からなる原料と、周期律表第IV a〜VI a族元
素のうちの少なくとも1種を含む酸化物または/および
該酸化物の前駆体と、炭素または/および熱分解により
炭素を生成する有機物を混合することにより原料組成物
を調製する工程と、該原料組成物を焼成する工程とから
なることを特徴とする複合材料の製造方法である。
In the first invention, at least one ceramic selected from oxides, nitrides, and nitrided oxides is used as a matrix, and in the matrix, at least one carbide selected from Group IVa to VIa elements, or / A method for producing a composite material comprising at least one carbide selected from the group consisting of elements from groups IVa to VIa of the periodic table in which nitrogen and / or oxygen is dissolved as a solid solution, comprising: A raw material of at least one kind of ceramics of nitrogen oxides, the ceramic itself, a substance that forms the ceramics by sintering excluding simple metals, or a raw material that is a precursor of the ceramics; Mixing an oxide containing at least one of Group IVa to VIa elements and / or a precursor of the oxide with carbon or / and an organic substance that generates carbon by thermal decomposition Preparing a raw material composition by Rukoto a method of producing a composite material characterized by comprising the step of firing the raw material composition.

本第1発明によれば、原料として第IV a〜VI a族元素
の炭化物あるいは、窒素または酸素が固溶した第IV a〜
VI a族元素の炭化物を使用することなく、該炭化物が分
散してなる複合材料を製造することができる方法を提供
することができる。
According to the first invention, as a raw material, a carbide of a group IVa to VIa element or a group IVa to a solid solution of nitrogen or oxygen is used.
It is possible to provide a method capable of manufacturing a composite material in which the carbide is dispersed without using a carbide of a VIa group element.

すなわち、本第1発明では、上記原料組成物を焼成す
る段階で原料組成物中の上記第IV a〜VI a族元素のうち
の少なくとも1種の酸化物または/および該酸化物の前
駆体と、炭素または/および熱分解により炭素を生成す
る有機物質とを反応させて上記第IV a〜VI a族元素のう
ちの少なくとも1種の酸化物または/および窒素または
酸素が固溶した上記炭化物を生成させ、該炭化物が分散
してなる複合材料を製造するものである。
That is, in the first aspect of the present invention, at the stage of firing the raw material composition, at least one oxide of the above Group IVa to VIa group elements in the raw material composition and / or a precursor of the oxide Reacting with carbon or / and an organic substance which forms carbon by thermal decomposition to form an oxide of at least one of the above-mentioned Group IVa to VIa elements and / or the above-mentioned carbide in which nitrogen or oxygen is dissolved. It is to produce a composite material in which the carbide is dispersed.

上記酸化物は一般に安価であり、しかも高純度なサブ
ミクロン粉末が容易に入手できる。また、該酸化物の前
駆体からも熱分解等により高純度で微細な酸化物粒子が
得られることから、生成する上記炭化物も微細かつ高純
度となる。
The oxides are generally inexpensive and high purity submicron powders are readily available. In addition, since high-purity fine oxide particles can be obtained from the precursor of the oxide by thermal decomposition or the like, the generated carbide also has fine and high purity.

そのため、本第1発明により製造された複合材料は、
その中に分散してなる上記炭化物粒子の粒径が小さいの
で、強度が高く、しかも破壊靭性、強度等の特性が安定
している。
Therefore, the composite material manufactured according to the first invention is
Since the particle diameter of the carbide particles dispersed therein is small, the strength is high and the characteristics such as fracture toughness and strength are stable.

また、上記炭化物を原料として使用しないので、原料
組成物の混合時に水を用いることができ、更に、焼結体
特性のばらつきの小さい複合材料を製造することができ
る。
Further, since the above-mentioned carbide is not used as a raw material, water can be used at the time of mixing the raw material composition, and a composite material having a small variation in the characteristics of the sintered body can be manufactured.

〔第2発明の説明〕 本第2発明(請求項(2)に記載の発明)は、本第1
発明の製造方法に使用することができる原料組成物を提
供しようとするものである。
[Description of Second Invention] The second invention (the invention described in claim (2)) is the first invention.
An object of the present invention is to provide a raw material composition that can be used in the production method of the present invention.

本第2発明は、酸化物、窒化物、窒酸化物のうちの少
なくとも1種のセラミックスをマトリックスとし、該マ
トリックス中に周期律表の第IV a〜VI a族元素のうちの
少なくとも1種の炭化物、または/および窒素または/
および酸素が固溶した上記周期律表の第IV a〜VI a族元
素のうちの少なくとも1種の炭化物が分散してなる複合
材料の原料組成物であって、酸化物、窒化物、窒酸化物
のうちの少なくとも1種からなるセラミックスの原料で
あり、該セラミックスそのもの、あるいは金属単体を除
く焼成によって該セラミックスを生成する物質、あるい
は該セラミックスの前駆体物質からなる原料と、周期律
表の第IV a〜VI a族元素のうちの少なくとも1種を含む
酸化物または/および該酸化物の前駆体と、炭素または
/および熱分解により炭素を生成する有機物質とを混合
することにより調製されたことを特徴とする複合材料の
原料組成物である。
The second invention provides, as a matrix, at least one ceramic selected from the group consisting of oxides, nitrides, and nitrided oxides, wherein the matrix contains at least one of the elements of Groups IVa to VIa of the periodic table. Carbide, or / and nitrogen or /
And a material composition of a composite material in which at least one carbide of Group IVa to VIa elements of the periodic table in which oxygen forms a solid solution is dispersed, comprising oxide, nitride, and oxynitride. A raw material of ceramics consisting of at least one of the following materials, a raw material of the ceramics itself, a substance that forms the ceramics by sintering excluding a simple metal, or a raw material of a precursor of the ceramics, It is prepared by mixing an oxide containing at least one of the elements from IVa to VIa or / and a precursor of the oxide with carbon and / or an organic substance that generates carbon by pyrolysis. A raw material composition for a composite material, comprising:

本第2発明によれば、本第1発明の製造方法で用いる
ことができる原料組成物を提供することができる。
According to the second invention, a raw material composition that can be used in the production method of the first invention can be provided.

〔第1発明および第2発明のその他の発明の説明〕 以下、本第1発明および本第2発明をより具体的にし
たその他の発明を説明する。
[Description of Other Inventions of First and Second Inventions] Hereinafter, other inventions that make the first and second inventions more specific will be described.

本発明で使用する原料組成物は、酸化物、窒化物、窒
酸化物のうちの少なくとも1種からなるセラミックスの
原料と、周期律表の第IV a族元素(チタン、ジルコニウ
ム、ハフニウム)、第Va族元素(バナジウム、ニオブ、
タンタル)、または第VI a族元素(クロム、モリブデ
ン、タングステン)のうちの少なくとも1種を含む酸化
物または/および該酸化物の前駆体(以下、金属酸化物
とする)と、炭素または/および熱分解により炭素を生
成する有機物質とからなる混合物である。なお、該原料
組成物は、粉末の状態で複合材料の製造に使用するのが
望ましい。
The raw material composition used in the present invention comprises a ceramic raw material comprising at least one of an oxide, a nitride, and a nitride oxide, and a Group IVa element (titanium, zirconium, hafnium), Va group elements (vanadium, niobium,
An oxide containing at least one of tantalum) or Group VIa elements (chromium, molybdenum, tungsten) and / or a precursor of the oxide (hereinafter referred to as a metal oxide) and carbon or / and It is a mixture of an organic substance that generates carbon by thermal decomposition. The raw material composition is desirably used in the form of a powder for producing a composite material.

本発明において、酸化物、窒化物、窒酸化物のうちの
少なくとも1種からなるセラミックスの原料は、複合材
料の製造方法によりマトリックスとなるものである。上
記酸化物としては、アルミナ(Al2O3)、シリカ(Si
O2)、ムライト(3Al2O3・2SiO2)、イットリア(Y
2O3)、酸化カルシウム(CaO)、酸化マグネシウム(Mg
O)、酸化ストンチウム(SrO2)、チタニア(TiO2)、
酸化クロム(Cr2O3)、希土類元素の酸化物等が挙げら
れ、それらのうちの少なくとも1種を用いる。また、上
記窒化物としては、窒化珪素(Si3N4)、窒化アルミニ
ウム(AlN)等が挙げられ、それらのうちの少なくとも
1種を用いる。また、上記窒酸化物としては、酸窒化ア
ルミニウム、酸窒化珪素、各種のαまたはβ−サイアロ
ン等が挙げられ、それらのうちの少なくとも1種を用い
る。これらセラミックスの原料としては、セラミックス
そのもの、あるいは金属単体を除く焼成によって該セラ
ミックスを生成する物質、あるいは該セラミックスの前
駆体物質である。例えば、焼成によってAl2O3を生成す
る物質は、Al(OH)、AlOOH、アルミニウムアルコキ
シド等である。また、Si3N4の前駆体物質は、Si(NH)
、Si2N3H等である。
In the present invention, the raw material for ceramics made of at least one of oxides, nitrides, and nitrided oxides becomes a matrix by a method for producing a composite material. As the oxide, alumina (Al 2 O 3 ), silica (Si
O 2 ), mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ), yttria (Y
2 O 3 ), calcium oxide (CaO), magnesium oxide (Mg
O), stomium oxide (SrO 2 ), titania (TiO 2 ),
Examples include chromium oxide (Cr 2 O 3 ) and oxides of rare earth elements, and at least one of them is used. Examples of the nitride include silicon nitride (Si 3 N 4 ) and aluminum nitride (AlN), and at least one of them is used. Examples of the nitric oxide include aluminum oxynitride, silicon oxynitride, various types of α- or β-sialon, and at least one of them is used. The raw material of these ceramics is ceramics itself, a substance that forms the ceramics by sintering excluding simple metals, or a precursor substance of the ceramics. For example, substances that generate Al 2 O 3 by firing include Al (OH) 3 , AlOOH, and aluminum alkoxide. The precursor material of Si 3 N 4 is Si (NH)
2 , Si 2 N 3 H and the like.

該セラミックスの原料には、焼結助剤、あるいはY
2O3、ZrO2等の高温強度の改善あるいは破壊靭性の改善
に寄与する添加剤を添加してもよい。
Raw materials for the ceramic include a sintering aid or Y
Additives such as 2 O 3 and ZrO 2 which contribute to improvement in high-temperature strength or fracture toughness may be added.

前記金属酸化物としては、TiO、TiO2、Ti2O3、ZrO、Z
rO2、HfO2、VO、VO2、V2O3、V2O5、NbO、NbO2、Nb2O5
Ta2O5、Cr2O3、MoO2、MoO3、WO2、WO3等の酸化物、ある
いは金属酸化物間の固溶体、TiZrO4、ZrW2O8等の上記金
属酸化物間の化合物(複酸化物)、ZrSiO4(ジルコン)
等の上記金属酸化物とケイ素化合物との化合物(SiO2
の複酸化物)または固溶体、Al2TiO5等の上記金属酸化
物とアルミニウム化合物との化合物(Al2O3との複酸化
物)または固溶体、加熱により分解して上記金属酸化物
となる水酸化物塩類、アルコキシド類、有機物質等の前
駆体が挙げられ、これらのうちの少なくとも1種を使用
する。これらの物質の形態としては、粒子状でも繊維状
でも液状でもよい。
As the metal oxide, TiO, TiO 2 , Ti 2 O 3 , ZrO, Z
rO 2 , HfO 2 , VO, VO 2 , V 2 O 3 , V 2 O 5 , NbO, NbO 2 , Nb 2 O 5 ,
Oxides such as Ta 2 O 5 , Cr 2 O 3 , MoO 2 , MoO 3 , WO 2 , WO 3 or solid solutions between metal oxides, compounds between the above metal oxides such as TiZrO 4 , ZrW 2 O 8 (Double oxide), ZrSiO 4 (zircon)
And the like (compound oxide with SiO 2 ) or a solid solution of the above metal oxide and a silicon compound, such as Al 2 TiO 5 , and a compound of an aluminum compound (a double oxide with Al 2 O 3 ) Or a solid solution, a precursor such as a hydroxide salt, an alkoxide, or an organic substance which is decomposed by heating to become the above-mentioned metal oxide. At least one of these is used. The form of these substances may be particulate, fibrous, or liquid.

ここで、上記金属酸化物は、製造過程中で炭素(熱分
解により炭素を生成する有機物質を用いる場合、該物質
から生成する炭素)と反応して複合材料中に分散する第
IV a〜VI a族元素の少なくとも1種の炭化物(以下、金
属炭化物とする)となるものである。該金属酸化物が粒
子状あるいは液状の場合、生成する金属炭化物は粒子状
となる。また、金属酸化物が粒子状のものであり、製造
過程中で凝集がなければ、金属酸化物1粒子から金属炭
化物1粒子を生成することが多い。そのため、微細な金
属酸化物を用いれば微細な金属炭化物が生成する。酸化
物が炭化物となる際、体積が膨張するものと収縮するも
のがある。しかしながら、通常は少し収縮する程度で粒
径が大きく変わることはなく、サブミクロンの金属酸化
物からはサブミクロンの金属炭化物、0.5μm以下の金
属酸化物からは0.5μm以下の金属炭化物が生成すると
考えられる。
Here, during the production process, the metal oxide reacts with carbon (in the case of using an organic substance that generates carbon by thermal decomposition, carbon), and is dispersed in the composite material by the carbon oxide.
It is to be at least one type of carbide of the group IVa to VIa element (hereinafter referred to as metal carbide). When the metal oxide is in the form of particles or liquid, the resulting metal carbide is in the form of particles. Further, if the metal oxide is in the form of particles and there is no agglomeration during the production process, one metal oxide particle often produces one metal carbide particle. Therefore, when a fine metal oxide is used, a fine metal carbide is generated. When the oxide turns into a carbide, there are some which expand in volume and some which contract. However, usually, the particle size does not change significantly even if it shrinks a little, and when a submicron metal oxide is formed from a submicron metal oxide and a metal carbide of 0.5 μm or less is formed from a metal oxide of 0.5 μm or less. Conceivable.

また、上記金属酸化物が繊維状のものであると、製造
過程で繊維の破損がなければ、ほぼそのままの大きさの
繊維状の金属炭化物となる。
Further, when the metal oxide is fibrous, if the fiber is not damaged during the manufacturing process, it becomes a fibrous metal carbide of almost the same size.

また、生成する金属炭化物の形状としては、粒子状で
も繊維状でも、あるいはそれらの混合したものでもよ
い。粒子状の場合には、その平均粒径が1μm以下とす
るのがよく、このように微細な粒子が分散していると、
極めて強度が高い。更に望まくは、平均粒径が0.5μm
以下とするのがよい。しかし、繊維状の方が等軸状の粒
子状よりも複合材料の強度が向上する。
Further, the shape of the generated metal carbide may be a particle shape, a fibrous shape, or a mixture thereof. In the case of particles, the average particle size is preferably 1 μm or less, and when such fine particles are dispersed,
Extremely high strength. More preferably, the average particle size is 0.5 μm
It is better to do the following. However, the strength of the composite material is higher in the fibrous state than in the equiaxial state.

炭素、あるいは熱分解により炭素を生成する有機物質
としては、カーボンブラック類、フェノール樹脂、ター
ルピッチ、フラン樹脂等が挙げられ、これらのうちの少
なくとも1種を用いる。
Examples of carbon or an organic substance that generates carbon by thermal decomposition include carbon blacks, a phenol resin, a tar pitch, and a furan resin, and at least one of them is used.

金属酸化物、または炭素または/および熱分解により
炭素を生成する有機物質を粉末状態で用いる場合は、微
細で凝集のないものほど反応性が良く、かつ微細な金属
炭化物を合成できるので望ましい。
When a metal oxide or carbon and / or an organic substance that generates carbon by thermal decomposition is used in a powder state, a finer and less agglomerated material is preferable because it has better reactivity and can synthesize a finer metal carbide.

この金属酸化物と炭素と複合材料を製造する際の焼成
段階で反応して金属炭化物を生成し、該炭化物が複合材
料中に析出分散する。
The metal oxide and carbon react with each other in the firing step in producing the composite material to form a metal carbide, and the carbide is precipitated and dispersed in the composite material.

金属炭化物としては、TiC、ZrC、HfC、VC、Nb2C、Nb
C、Ta2C、TaC、Cr3C2、Mo2C、MoC、W2C、WC等が挙げら
れ、これらのうちの少なくとも1種とする。また、これ
らのいずれでも、酸化物、窒化物、窒酸化物のうちの少
なくとも1種からなるセラミックス中に分散析出した場
合に高い破壊靭性改善効果を示す。なお、一般に遷移金
属の炭化物は必ずしも上記の化学量論組成で存在してい
るとはかぎらず、広い固溶範囲を示す。例えば、TiC、Z
rC等は一般にはTiC1-a、ZrC1-a(0≦a<1)の化学式
で存在している。これらの固溶体でも十分に高い効果を
有する。
As metal carbide, TiC, ZrC, HfC, VC, Nb 2 C, Nb
C, Ta 2 C, TaC, Cr 3 C 2 , Mo 2 C, MoC, W 2 C, WC, etc., and at least one of these. In addition, any of these shows a high effect of improving fracture toughness when dispersed and precipitated in ceramics composed of at least one of oxides, nitrides, and nitrided oxides. In general, the transition metal carbide does not always exist in the above stoichiometric composition, but shows a wide solid solution range. For example, TiC, Z
rC and the like generally exist in the chemical formulas TiC 1-a and ZrC 1-a (0 ≦ a <1). Even these solid solutions have a sufficiently high effect.

上記金属酸化物をMOx、上記金属炭化物をMCyとする
(x、yは正の数)と、MOxと炭素が反応してMCyが生成
する反応は、 MOx+(x+y)C→MCy+xCO↑ で表される。従って、この場合、金属元素M1モルに対
し、(x+y)モルの炭素が必要となる。例えば、TiO2
を原料として用い、TiCが析出した複合材料を製造する
場合には、反応式は TiO2+3C→TiC+2CO↑ であり、反応に必要なTiO2/Cの比は、モル比で1/3、重
量比で79.9/36.0となる。
If the metal oxide is MO x and the metal carbide is MC y (x and y are positive numbers), the reaction between MO x and carbon to produce MC y is expressed as MO x + (x + y) C → It is expressed by MC y + xCO ↑. Therefore, in this case, (x + y) moles of carbon are required for 1 mole of the metal element M. For example, TiO 2
When producing a composite material in which TiC is precipitated by using as a raw material, the reaction formula is TiO 2 + 3C → TiC + 2CO ↑, and the ratio of TiO 2 / C required for the reaction is 1/3 in molar ratio, weight The ratio is 79.9 / 36.0.

ただし、前記の反応は、通常、MO、M(C、O)を経
由してMCyとなる(上記TiCが析出した複合材料を製造す
る反応では、TiO、Ti(C、O)を経由してTiCとな
る。)。従って、原料組成物中に炭素または熱分解によ
り炭素を生成する有機物質の量が少ない場合には酸素が
固溶した炭化物(炭酸化物)、例えば、M(C、O)の
形で複合材料中に分散することがある。また、窒素雰囲
気中で焼成する場合には、窒素が固溶した炭化物(炭窒
化物)、例えばM(C、N)の形で複合材料中に分散す
ることがある。これらの酸素あるいは窒素が固溶した炭
化物もMCxと同様な立方晶形であり性質はMCxと極めて近
く、これらの炭化物が分散した複合材料も同様に優れた
特性を有する。
However, the above reaction usually becomes MC y via MO and M (C, O). (In the above reaction for producing a composite material on which TiC is deposited, it passes through TiO, Ti (C, O). To become TiC.) Therefore, when the amount of carbon or an organic substance that generates carbon by thermal decomposition is small in the raw material composition, the composite material is formed in the form of a carbide (carbon oxide) in which oxygen is dissolved, for example, M (C, O). May be dispersed. In the case of firing in a nitrogen atmosphere, nitrogen may be dispersed in the composite material in the form of a solid solution of carbon (carbonitride), for example, M (C, N). Carbides of these oxygen or nitrogen in a solid solution also similar cubic crystal form and MC x property is very close to the MC x, has the same excellent properties composites these carbides are dispersed.

また、金属酸化物と炭素または/および熱分解により
炭素となる有機物質との配合割合は、上記両物質が反応
して生成した金属炭化物が最終的に製造した複合質材料
中にマトリックス:金属炭化物=95:5〜50:50(体積
比)の範囲で分散するような割合が望ましい。該炭化物
の量が上記範囲よりも少ない場合には、靭性改善効果は
ほとんど見られず、また、金属炭化物の量が上記範囲よ
りも多い場合には高温における耐酸化性が低下してしま
う。
The mixing ratio of the metal oxide and carbon or / and the organic substance which becomes carbon by thermal decomposition is such that the metal carbide produced by the reaction of the two substances is a matrix: metal carbide in the composite material finally produced. = 95: 5 to 50:50 (volume ratio) is desirable. When the amount of the carbide is smaller than the above range, the effect of improving the toughness is hardly observed, and when the amount of the metal carbide is larger than the above range, the oxidation resistance at high temperatures decreases.

例えば、マトリックスとして焼結助剤を含むSi3N4
場合、上記割合をSi3N4:金属炭化物=95:5〜50:50(体
積比)とするには、金属酸化物と炭素または/および熱
分解により炭素となる有機物質との割合は、以下のよう
にするのがよい。
For example, in the case of Si 3 N 4 containing a sintering aid as a matrix, to make the above ratio Si 3 N 4 : metal carbide = 95: 5 to 50:50 (volume ratio), metal oxide and carbon or The ratio of the organic substance that becomes carbon by thermal decomposition is preferably as follows.

例えば、金属酸化物としてMOxを用い、金属炭化物と
してMCyを分散させた複合材料を製造する場合、MOxの分
子量をM1、MCyの分子量をM2、MCxの密度をdc、Si3N4
結体の密度を3.25g/cm3とすると、焼結助剤を含むSi3N4
100重量部に対して金属酸化物(酸化物の前駆体の場合
には酸化物に換算して)は、1.62dc・M1/M2〜30.8dc・M
1/M2重量部、炭素または/および熱分解により炭素とな
る有機物質は炭素に換算して19.4dc(x+y)/M2〜369
dc(x+y)/M2重量部の範囲内で混合するのが望まし
い。
For example, when manufacturing a composite material in which MO x is used as a metal oxide and MC y is dispersed as a metal carbide, the molecular weight of MO x is M 1 , the molecular weight of MC y is M 2 , and the density of MC x is d c Assuming that the density of the Si 3 N 4 sintered body is 3.25 g / cm 3 , the Si 3 N 4
100 metal oxide with respect to weight parts (in terms of oxide in the case of the precursor of the oxides) are, 1.62d c · M 1 / M 2 ~30.8d c · M
1 / M 2 parts by weight, carbon or / and organic substances as a carbon by pyrolysis in terms of carbon 19.4d c (x + y) / M 2 ~369
It is desirable to mix within the range of d c (x + y) / M 2 parts by weight.

本発明の原料組成物を調製する方法としては、マトリ
ックスとなるセラミックスの原料と、金属酸化物と、炭
素または/および熱分解により炭素を生成する有機物質
とを混合することにより上記組成物を得る方法がある。
As a method for preparing the raw material composition of the present invention, the above composition is obtained by mixing a ceramic raw material serving as a matrix, a metal oxide, and carbon or / and an organic substance that generates carbon by thermal decomposition. There is a way.

上記組成物の混合は、乾式でも湿式でもよいが、湿式
の方が十分に均一な混合物を作り得るので望ましい。湿
式の場合、混合媒は水でも有機溶媒でも良く、乾燥は噴
霧乾燥、凍結乾燥、吸引ろ過等どんな乾燥法でもよい。
また、上記乾燥は真空中、不活性雰囲気、酸化雰囲気、
還元雰囲気のいずれでもよい。ただし、原料として有機
物質を用いる場合、混合媒は有機溶媒に限定されること
がある。また、AlNのように水と反応しやすい焼結助剤
を用いる時も、有機溶媒を用いるのがよい。
The composition may be mixed by a dry method or a wet method, but a wet method is preferable because a sufficiently uniform mixture can be formed. In the case of a wet method, the mixed medium may be water or an organic solvent, and drying may be performed by any drying method such as spray drying, freeze drying, and suction filtration.
The drying is performed in a vacuum, an inert atmosphere, an oxidizing atmosphere,
Any of a reducing atmosphere may be used. However, when an organic substance is used as a raw material, the mixed medium may be limited to an organic solvent. Also, when using a sintering aid which easily reacts with water such as AlN, it is preferable to use an organic solvent.

上記以外の場合には、水により混合でき、かつ大気中
で乾燥できるため、通常型、すなわち防爆型でないスプ
レードライヤーにて粉末の多量処理を行うこともでき
る。
In cases other than the above, since the powder can be mixed with water and dried in the atmosphere, a large amount of powder can be treated by a spray dryer not of a normal type, that is, a non-explosion-proof type.

また、炭素粉末を添加する場合には、湿式混合の際に
少量の界面活性剤を加えれば、炭素粉末の分散性を改善
することができる。
When carbon powder is added, the dispersibility of the carbon powder can be improved by adding a small amount of a surfactant during wet mixing.

なお、複合材料の成形品を製造する場合には、焼成の
前に原料組成物を成形するのがよい。
When a molded article of a composite material is produced, the raw material composition is preferably molded before firing.

成形は、セラミックスの成形に通常行われる方法のい
かなる方法も採用することができ、例えば、スリップキ
ャスト、射出成形、押出成形、金型成形、静水圧成形、
湿式プレス成形、ドクターブレード等広範な利用ができ
る。
The molding can be performed by any method commonly used for molding ceramics, for example, slip casting, injection molding, extrusion molding, mold molding, hydrostatic molding,
Wide application such as wet press molding and doctor blade.

焼成工程では、前記原料組成物を真空または非酸化性
雰囲気中で焼成するのがよい。雰囲気を真空または非酸
化性にするのは、原料組成物中の非酸化物が酸化される
ことなく、速やかに複合材料を製造するためである。更
に望ましいのは、金属酸化物が生成するまで真空中で加
熱し、その後窒素または不活性雰囲気で焼成する方法で
ある。特にマトリックスの原料に窒化物または窒酸化物
を含む場合、これらの物質の熱分解を防止するため、金
属炭化物が生成するまで真空中で加熱し、その後1気圧
以上の窒素雰囲気で焼成するのがよい。
In the firing step, the raw material composition is preferably fired in a vacuum or a non-oxidizing atmosphere. The reason why the atmosphere is made vacuum or non-oxidizing is to rapidly produce a composite material without oxidizing non-oxides in the raw material composition. Even more desirable is a method of heating in a vacuum until a metal oxide is formed, followed by firing in a nitrogen or inert atmosphere. In particular, when the matrix contains nitrides or oxynitrides, in order to prevent thermal decomposition of these substances, it is necessary to heat in a vacuum until metal carbides are formed, and then fire in a nitrogen atmosphere of 1 atm or more. Good.

焼成温度としては、1500〜2000℃の範囲から選択する
のがよい。焼成方法としては、常圧焼結、あるいはホッ
トプレス等の加圧焼成等、どのような方法も利用するこ
とができるが、通常は加圧焼結の方が高密度な複合材料
が得られやすい。常圧焼結の場合は、マトリックスの熱
分解を防止するため原料組成物の周囲にマトリックス原
料をいわゆる埋め粉として配置して焼成するのがよい。
なお、ホットプレスを行う場合には、成形と焼成とを同
時に行うことができる。
The firing temperature is preferably selected from the range of 1500 to 2000 ° C. As the sintering method, any method such as normal pressure sintering or pressure sintering such as hot pressing can be used, but usually, pressure sintering is easier to obtain a high-density composite material. . In the case of normal pressure sintering, in order to prevent thermal decomposition of the matrix, it is preferable to arrange the matrix material as a so-called filling powder around the material composition and fire it.
When hot pressing is performed, molding and firing can be performed simultaneously.

この焼成の途中段階で金属酸化物と炭素とが反応する
ことにより金属炭化物が生成し、マトリックス中に分散
析出する。
The metal oxide reacts with the carbon in the middle of the firing to form a metal carbide, which is dispersed and precipitated in the matrix.

炭化物生成反応の速度が小さい反応の場合、生成反応
が生じ、かつ望ましくはマトリックスが熱分解せず、し
かもその緻密化が大きく進行する温度よりも低い温度に
て十分な時間保持を行い、炭化物生成反応を完了してか
ら再昇温するのがよい。この際、保持する間真空排気し
て発生するCOガスを除去すれば、反応は更に速く進む。
例えば、5%のAl2O3と5%のY2O3を含むSi3N4、TiO2
およびCを原料とし、Si3N4焼結体中に20体積%のTiCが
分散析出した複合材料を製造する場合、焼成途中に1300
〜1400℃の温度で真空排気しながら、2時間以上保持す
るのが望ましく、このような真空保持を行った後、N2
ス中で再昇温し、1600〜2000℃で焼成を完了することに
より、高密度な複合材料が得られる。この真空保持時間
が不足しているものは相対密度の低い複合材料となって
しまう。
In the case of a reaction in which the rate of the carbide formation reaction is low, the formation reaction occurs, and desirably, the matrix is not thermally decomposed, and is maintained at a temperature lower than the temperature at which the densification greatly proceeds, and the carbide formation is performed. After the reaction is completed, the temperature is preferably raised again. At this time, if the generated CO gas is removed by vacuum evacuation during the holding, the reaction proceeds even faster.
For example, Si 3 N 4 containing 5% Al 2 O 3 and 5% Y 2 O 3 , TiO 2 ,
In the case of producing a composite material in which 20% by volume of TiC is dispersed and precipitated in a Si 3 N 4 sintered body using
It is desirable to hold for more than 2 hours while evacuating at a temperature of ~ 1400 ° C. After performing such a vacuum holding, raise the temperature again in N 2 gas and complete the firing at 1600 to 2000 ° C. Thereby, a high-density composite material can be obtained. If the vacuum holding time is insufficient, the composite material has a low relative density.

この焼成途中温度で中間保持を行う条件は、反応系の
種類、ガス発生の量、炉の構造、特に発生するガスの排
気されやすさ、等により異なる。
The conditions for carrying out the intermediate holding at the temperature during the firing differ depending on the type of the reaction system, the amount of gas generation, the structure of the furnace, particularly the ease with which the generated gas is evacuated, and the like.

また、焼結方法として熱間静水圧(HIP)成形を用い
ることができる。その中の1つの焼結HIPでは、予め常
圧焼結あるいはホットプレスを行い開気孔がほぼあるい
は全て消滅するまで緻密化させた焼結体を、さらに1700
〜2200℃の温度域で非酸化性雰囲気で静水圧を加えるこ
とにより、さらに密度および強度をたかめることができ
る。静水圧力は、10MPa以上であれば効果があるが、50M
Pa以上の圧力を加えることが望ましい。また、カプセル
HIPでは、予め生成形体を熱処理して金属炭化物生成反
応を完了させた後に、成形体をガラスカプセル中に真空
封入しHIP処理を行う(ガラスカプセル法)、ガラス系
の粉末の中に埋め込んでHIP処理を行う(ガラス浴
法)、ガラス粉末を成形体表面に塗布した後、加熱によ
り塗布層を焼結させて気密のシール層に変換して、HIP
処理を行う(焼結ガラス法)、成形体をガラス粉末に埋
め込んだ状態で加熱し、一軸加圧してガラスを気密なシ
ール層とした後HIP処理を行う(プレスシール法)等の
方法が採用され、やはり焼結HIP法と同様の条件下でHIP
処理することにより緻密な複合材料が得られる。
Also, hot isostatic pressing (HIP) molding can be used as a sintering method. In one of the sintering HIPs, a sintered body that has been subjected to normal pressure sintering or hot pressing and densified until almost or all of the open pores have disappeared is further increased to 1700.
The density and strength can be further increased by applying hydrostatic pressure in a non-oxidizing atmosphere at a temperature range of 22200 ° C. Hydrostatic pressure is effective if 10MPa or more, but 50M
It is desirable to apply a pressure of Pa or more. Also capsule
In HIP, after the formed body is heat-treated in advance to complete the metal carbide formation reaction, the formed body is vacuum-sealed in a glass capsule and subjected to HIP processing (glass capsule method). After performing the treatment (glass bath method), apply the glass powder to the surface of the molded body, and then sinter the applied layer by heating to convert it to an airtight seal layer.
Processing (sintered glass method), a method in which a molded body is embedded in glass powder, heated, and uniaxially pressed to form a hermetic seal layer, followed by HIP processing (press seal method), etc. HIP under the same conditions as the sintering HIP method
By processing, a dense composite material is obtained.

このようにして、焼成の第1段階にて金属酸化物と炭
素との反応で金属炭化物粒子が生成析出し、第2段階に
てマトリックスの緻密化が達成される。
In this way, metal carbide particles are formed and precipitated by the reaction between the metal oxide and carbon in the first stage of firing, and the matrix is densified in the second stage.

なお、焼結体中にマトリックス、金属炭化物の他、残
留した炭素が存在することがあるが、微量であれば特性
を害することはない。
In addition, the residual carbon may be present in the sintered body in addition to the matrix and the metal carbide, but if the amount is small, the characteristics are not impaired.

原料組成物の金属酸化物として繊維状の物質を用いた
場合は、混合、成形あるいは加圧焼成中に繊維の破損を
最小限にとどめるよう注意するのがよい。例えば、ホッ
トプレスを行う際には、金属炭化物が生成した後、徐々
に加圧していくのが良い。
When a fibrous substance is used as the metal oxide of the raw material composition, care should be taken to minimize fiber breakage during mixing, molding, or firing under pressure. For example, when performing hot pressing, it is preferable to gradually pressurize after metal carbide is generated.

本発明により製造された複合材料は、亀裂の進行する
際に析出した金属炭化物により亀裂の屈曲(クラック・
デフレクション)、分岐(クラック・ブランチング)が
生ずるため大きな破壊エネルギーを消費し、このため高
い破壊靭性値を実現する。しかも、金属炭化物は微細で
破壊起点とはなりにくく、強度低下を引き起こすことも
ない。
The composite material produced according to the present invention has cracks (cracks, cracks) due to metal carbides precipitated during the progress of the cracks.
(Deflection) and branching (crack branching) occur, consuming a large amount of fracture energy, thereby realizing a high fracture toughness value. In addition, the metal carbide is fine and hardly serves as a fracture starting point, and does not cause a decrease in strength.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.

実施例1 Al2O3粉末(α型 平均粒径0.1μm)と、TiO2粉末
(ルチル型 平均粒径0.4μm)とカーボンブラック粉
末(平均粒径0.02μm)とを、第1表に示すように、Ti
O2とカーボンブラックのCがモル比で1:3であり、か
つ、Al2O3と、TiO2とCとが化学量論的に反応して合成
されたTiCとが体積比(Al2O3:TiC)で90:10、80:20、7
0:30になるように秤量し、水を用いた湿式ポールミルで
混合してスラリーを形成した。このスラリーを吸引ろ過
後、乾燥し、解砕して原料組成物とした。
Example 1 Table 1 shows Al 2 O 3 powder (α type average particle size 0.1 μm), TiO 2 powder (rutile type average particle size 0.4 μm) and carbon black powder (average particle size 0.02 μm). So, Ti
The molar ratio of O 2 and C of carbon black is 1: 3, and the volume ratio of Al 2 O 3 and TiC synthesized by stoichiometric reaction of TiO 2 and C is (Al 2 90:10, 80:20, 7 for O 3 : TiC)
The mixture was weighed so as to reach 0:30, and mixed by a wet pole mill using water to form a slurry. This slurry was suction-filtered, dried and crushed to obtain a raw material composition.

これを、内側にグラファイトテープをはった黒煙ダイ
スに入れ、加圧せずに真空排気しながら昇温し、1300℃
で6時間保持して成形体とした。その後、排気をやめて
炉内にArガスを導入し、再昇温すると共に、この成形体
に25MPaの一軸加圧を印加してホットプレスし、1700℃
で1時間保持してホットプレスを完了して複合材料(第
1表の試料No.1〜3)を製造した。
Put this in a black smoke die with graphite tape inside, raise the temperature while evacuating without pressurizing, 1300 ℃
For 6 hours to obtain a molded body. Thereafter, the exhaust was stopped, Ar gas was introduced into the furnace, the temperature was raised again, and a uniaxial pressurization of 25 MPa was applied to the compact, followed by hot pressing at 1700 ° C.
For 1 hour to complete hot pressing to produce a composite material (Samples Nos. 1 to 3 in Table 1).

また、比較のため、第1表に示すように、Al2O3のみ
を原料組成物としたもの(試料No.C1)あるいはAl2O3
TiC粉末(平均粒径4μm)とを混合したものを原料組
成物としたもの(試料No.C2)についても上記と同様に
してホットプレスして、試料を製造した。
Also, for comparison, as shown in Table 1, only Al 2 O 3 was used as a raw material composition (sample No. C1) or Al 2 O 3 was used.
A mixture of TiC powder (average particle size: 4 μm) and a raw material composition (sample No. C2) was hot-pressed in the same manner as above to produce a sample.

上記の試料について、相対密度、室温4点曲げ強度
(JIS規格)、および破壊靭性値(KIC、圧痕法)を測定
した。その結果を第1表に示す。
The relative density, room temperature four-point bending strength (JIS standard), and fracture toughness (K IC , indentation method) of the above sample were measured. Table 1 shows the results.

本実施例の複合材料は、X線回折によりα−Al2O3とT
iCのみからなり、α−Al2O3中にTiCが分散してなるもの
であることが確認された。また、第1表より明らかなよ
うに、本実施例の複合材料は、いずれも99%以上の相対
密度を有しており、比較例の試料No.C1よりも高い強度
とKICを有し、また、比較例の試料No.C2よりも高い密度
と強度を有していることが分る。
The composite material of this example was obtained by X-ray diffraction using α-Al 2 O 3 and T
It was confirmed that the film was composed only of iC and was composed of TiC dispersed in α-Al 2 O 3 . As is clear from Table 1, all of the composite materials of this example have a relative density of 99% or more, and have higher strength and K IC than the sample No. C1 of the comparative example. Further, it is found that the sample has higher density and strength than the sample No. C2 of the comparative example.

また、試料No.2、3では、電気抵抗率が0.1Ωcm以下
となり、放電加工によりワイヤーカットおよび型彫り加
工を容易に行うことができた。
In Samples Nos. 2 and 3, the electrical resistivity was 0.1 Ωcm or less, and wire cutting and engraving could be easily performed by electric discharge machining.

実施例2 Si3N4粉末(α型、平均粒径0.5μm)と、Y2O3粉末
(平均粒径0.7μm)と、AlN粉末(平均粒径1μm)と
をモル比で83:1.7:15.3の割合で秤量したものをマトリ
ックスの原料とした。これを1750〜1850℃でホットプレ
スすると密度は3.22〜3.23g/cm3となるため、このマト
リックスの原料より形成されるマトリックスの理論密度
を3.23g/cm3と考え、上記マトリックス原料と、TiO2
末(ルチル型、平均粒径0.4μm)と、フェノール樹脂
(残炭率50%)とを以下のように秤量した。該秤量値
は、マトリックスと、TiO2とフェノール樹脂から熱分解
により生成する炭素とが1:3(モル比)の化学量論的に
反応して合成されるTiCとの体積比(マトリックス:Ti
C)が90:10、80:20、70:30となるようにした。これらを
エチルアルコールを用いた湿式ボールミルで混合し、ス
ラリーとした。このスラリーを吸収し、ろ過後、乾燥
し、解砕して原料組成物とした。これをグラファイトテ
ープを内側に貼った黒鉛ダイスに入れ、加圧せずに真空
排気しながら昇温し、1200℃で8時間保持して成形体と
した。その後、排気をやめて炉内にN2ガスを導入し、再
昇温すると共に、成形体に25MPaの一軸加圧を印加して
ホットプレスし、1800℃で1時間保持してホットプレス
を完了して複合材料(第1表の試料No.4〜6)を製造し
た。
Example 2 Si 3 N 4 powder (α type, average particle diameter 0.5 μm), Y 2 O 3 powder (average particle diameter 0.7 μm), and AlN powder (average particle diameter 1 μm) were in a molar ratio of 83: 1.7. The material weighed at a ratio of 15.3 was used as a matrix raw material. To become When this hot pressing at 1,750-1,850 ° C. Density The 3.22~3.23g / cm 3, consider the theoretical density of the matrix formed from the raw material of the matrix and 3.23 g / cm 3, and the matrix material, TiO Two powders (rutile type, average particle size 0.4 μm) and a phenol resin (residual carbon ratio: 50%) were weighed as follows. The weighed value is determined by the volume ratio (matrix: Ti) of the matrix and TiC synthesized by the stoichiometric reaction of TiO 2 and carbon generated by thermal decomposition from the phenol resin at a molar ratio of 1: 3.
C) was adjusted to 90:10, 80:20, 70:30. These were mixed by a wet ball mill using ethyl alcohol to form a slurry. This slurry was absorbed, filtered, dried and crushed to obtain a raw material composition. This was placed in a graphite die with graphite tape affixed to the inside, heated without evacuation and evacuated, and kept at 1200 ° C. for 8 hours to obtain a molded body. After that, stop evacuation, introduce N 2 gas into the furnace, raise the temperature again, apply uniaxial pressure of 25MPa to the molded body, hot press it, hold at 1800 ° C for 1 hour and complete the hot press To produce composite materials (Sample Nos. 4 to 6 in Table 1).

また、比較のため、第1表に示すように上記マトリッ
クスの原料のみをアルコールと共に混合し、ろ過および
乾燥、解砕したものを原料組成物としたもの(試料No.C
3)あるいは上記マトリックスの原料にTiC粉末(平均粒
径2μm)を添加した混合物を原料組成物としたもの
(試料No.C4)についても上記と同様にしてホットプレ
スして、試料を製造した。
For comparison, as shown in Table 1, only the raw material of the matrix was mixed with alcohol, filtered, dried, and crushed to obtain a raw material composition (sample No. C).
3) Alternatively, a mixture obtained by adding a TiC powder (average particle size: 2 μm) to the raw material of the matrix as a raw material composition (sample No. C4) was hot-pressed in the same manner as above to produce a sample.

上記の試料について、相対密度、室温4点曲げ強度、
およびKICを実施例1と同様にして測定した。その結果
を第2表に示す。
For the above sample, relative density, room temperature 4-point bending strength,
And K IC were measured in the same manner as in Example 1. Table 2 shows the results.

本実施例の複合材料は、α′−Si3N4(Yが固溶した
α−サイアロン)とβ′−Si3N4(β−サイアロン)とT
iCとからなっており、α′−Si3N4とβ′−Si3N4とをマ
トリックスとし、該マトリックス中にTiCが分散してい
ることが確認された。また、第1表より明らかなよう
に、本実施例の複合材料は、比較例の試料No.C3よりも
高い強度とKICとを有し、また、比較例の試料No.C2より
も高い密度と強度とを有していることが分る。
Composite material of the present embodiment, α'-Si 3 N 4 and (Y is dissolved α- sialon) β'-Si 3 N 4 and (beta-sialon) T
It was confirmed that TiC was dispersed in the matrix consisting of α′-Si 3 N 4 and β′-Si 3 N 4 . Also, as is clear from Table 1, the composite material of this embodiment has a high strength and K IC than sample No.C3 comparative example, also, higher than the sample No.C2 of Comparative Example It can be seen that it has density and strength.

また、試料No.5、6は放電加工を容易に行うことがで
きた。
In addition, electrical discharge machining was easily performed on Samples Nos. 5 and 6.

実施例3 ムライト粉末(平均粒径0.8μm)あるいはβ−サイ
アロン粉末(平均粒径0.8μm)をそれぞれマトリック
スの原料とし、これらとそれぞれ実施例1と同様のTiO2
カーボンブラック粉末とを、上記マトリックス原料によ
り形成されるマトリックスと、上記TiO2とカーボンブラ
ックの粉末が化学量論的に反応して合成されるTiCと
が、体積比(マトリックス:TiC)で80:20になるように
秤量し、実施例1と同様に水を用いて混合し、原料組成
物を調製した。その後、該原料組成物を実施例1と同様
にしてホットプレスして複合材料(試料No.7、8)を製
造した。ただし、ホットプレスの条件はムライトをマト
リックスの原料とする場合はArガス中に1750℃で1時間
ポットプレスする条件とし、また、サイアロンをマトリ
ックスの原料とする場合は真空保持後に導入するガスを
N2とし、1800℃で1時間ホットプレスする条件とした。
Example 3 Mullite powder (average particle diameter 0.8 μm) or β-sialon powder (average particle diameter 0.8 μm) was used as a raw material of a matrix, respectively, and TiO 2 was used in the same manner as in Example 1.
A carbon black powder, a matrix formed from the matrix raw material, and TiC, which is synthesized by stoichiometric reaction of the TiO 2 and carbon black powder, have a volume ratio (matrix: TiC) of 80: It was weighed to 20 and mixed with water in the same manner as in Example 1 to prepare a raw material composition. Thereafter, the raw material composition was hot-pressed in the same manner as in Example 1 to produce composite materials (Sample Nos. 7 and 8). However, the hot pressing conditions are as follows: when mullite is used as the raw material for the matrix, pot press in Ar gas at 1750 ° C for 1 hour, and when using sialon as the raw material for the matrix, the gas introduced after vacuum holding must be used.
And N 2, and a condition for 1 hour hot pressed at 1800 ° C..

また、比較のため、ムライト粉末のみを原料組成物と
したもの(試料No.C5)、サイアロン粉末のみを原料組
成物としたもの(試料No.C6)をそれぞれAr雰囲気中、N
2雰囲気中で上記と同様にしてホットプレスして、試料
を製造した。
Further, for comparison, a material composition using only mullite powder as a raw material composition (Sample No. C5) and a material composition using only sialon powder as a raw material composition (Sample No. C6) were used in an Ar atmosphere, respectively.
A sample was produced by hot pressing in the same manner as above in two atmospheres.

上記の試料について、相対密度、室温4点曲げ強度、
およびKICを実施例1と同様にして測定した。その結果
を第3表、第4表に示す。
For the above sample, relative density, room temperature 4-point bending strength,
And K IC were measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 3 and 4.

試料No.7の複合材料は、X線回折においてムライトの
マトリックスのピークとTiOの方にわずかにずれたTiCの
ピークとがあることより、ムライトマトリックスと、酸
素が固溶したTiCとからなり、マトリックス中に上記TiC
が分散してなることが確認された。また、試料No.8の複
合材料は、X線回折においてβ−サイアロンマトリック
スのピークとTiNの方にわずかにずれたTiCのピークとが
あることにより、β−サイアロンマトリックスと、窒素
が固溶したTiCとからなり、マトリックス中に上記TiCが
分散してなることが確認された。また、第3表、第4表
よりあきらかなように、本実施例の複合材料は、比較例
のものよりも高い強度とKICとを有していることが分
る。
The composite material of Sample No. 7 is composed of a mullite matrix and oxygen-dissolved TiC due to the presence of a mullite matrix peak and a slightly shifted TiC peak toward TiO in X-ray diffraction. The above TiC in the matrix
Was found to be dispersed. Further, in the composite material of Sample No. 8, the β-sialon matrix and nitrogen were dissolved in solid form by the presence of the β-sialon matrix peak and the TiC peak slightly shifted toward TiN in X-ray diffraction. It consisted of TiC, and it was confirmed that the TiC was dispersed in the matrix. Further, Table 3, As is apparent from Table 4, the composite material of the present embodiment is seen to have a high strength and K IC than that of Comparative Example.

実施例4 実施例1と同様なAl2O3あるいはSi3N4(α型 平均粒
径0.5μm):Al2O3(α型平均粒径0.1μm):Y2O3(平
均粒径0.7μm)=90:5:5(重量比)の混合粉末をマト
リックスの原料とし、これに実施例1で用いたTiO2粉末
とカーボンブラック粉末とを、マトリックスの原料によ
り形成されるマトリックスと、TiO2とカーボンブラック
とが化学量論的に反応して生成するTiCとの体積比(マ
トリックス:TiC)が85:15となるように添加し、水を用
いてボールミル混合後、スプレードライヤーで乾燥し、
原料組成物を調製した。この原料組成物を20MPaの圧力
で金型成形後、300MPaの静水圧成形処理を施した。この
成形体をそれぞれマトリックスの原料の埋め粉中に入れ
て真空中で昇温し、1250℃で8時間保持した。その後、
Al2O3マトリックスの試料は炉内にArガスを導入し、Ar1
気圧中1680℃3時間の条件で、Si3N4マトリックスの試
料は炉内にN2ガスを導入し、N210.5気圧中1750℃4時間
の条件で常圧焼結した。
Example 4 Al 2 O 3 or Si 3 N 4 (α-type average particle size 0.5 μm): Al 2 O 3 (α-type average particle size 0.1 μm): Y 2 O 3 (average particle size) similar to that of Example 1 A mixed powder of (0.7 μm) = 90: 5: 5 (weight ratio) was used as a raw material for the matrix, and the TiO 2 powder and the carbon black powder used in Example 1 were mixed with the matrix formed by the raw material for the matrix. TiO 2 and carbon black are added so that the volume ratio (matrix: TiC) of TiC generated by stoichiometric reaction is 85:15, mixed with water using a ball mill, and dried with a spray dryer And
A raw material composition was prepared. This raw material composition was subjected to die molding at a pressure of 20 MPa, and then subjected to a hydrostatic pressure molding treatment of 300 MPa. Each of the compacts was placed in a filling powder of a matrix material, heated in vacuum, and kept at 1250 ° C. for 8 hours. afterwards,
For Al 2 O 3 matrix sample, Ar gas was introduced into the furnace, and Ar1
Under the condition of 1680 ° C. 3 hours in the air pressure, sample the Si 3 N 4 matrix N 2 gas was introduced into the furnace, and pressureless sintering under conditions of N 2 10.5 atm in 1750 ° C. 4 h.

得られた複合材料は、Al2O3マトリックスの試料で
は、X線回折においてα−Al2O3のピークとTiOの方にわ
ずかにずれたTiCのピークとがあることより、α−Al2O3
と、酸素が固溶したTiCとからなり、α−Al3O3をマトリ
ックとし、マトリックス中に上記TiCが分散してなるこ
とが確認された。また、Si3N4マトリックスの試料で
は、X線回折においてβ′−Si3N4のピークとTiNの方に
わずかにずれたTiCのピークとがあることにより、β′
−Si3N4と、窒素が固溶したTiCとからなり、β′−Si3N
4をマトリックスとし、該マトリックス中に上記TiCが分
散してなることが確認された。また、複合材料の相対密
度は、Al2O3マトリックスの試料では97.4%、Si2N4マト
リックスの試料で99.0%であった(TiCを含まないSi3N4
焼結体の理論密度は3.25g/cm3とした。)。
The resulting composite material, Al 2 O 3 in the sample of the matrix, from that there is a peak of slightly offset TiC towards the peak and TiO of α-Al 2 O 3 in the X-ray diffraction, alpha-Al 2 O 3
And TiC in which oxygen was dissolved, and it was confirmed that α-Al 3 O 3 was used as a matrix, and the TiC was dispersed in a matrix. Further, in the sample of the Si 3 N 4 matrix, the β′-Si 3 N 4 peak and the TiC peak slightly shifted toward TiN in the X-ray diffraction indicate that β ′
-Si 3 N 4 and TiC in which nitrogen is dissolved, and β′-Si 3 N
4 was used as a matrix, and it was confirmed that the TiC was dispersed in the matrix. The relative density of the composite material was 97.4% for the Al 2 O 3 matrix sample and 99.0% for the Si 2 N 4 matrix sample (Si 3 N 4 without TiC).
The theoretical density of the sintered body was 3.25 g / cm 3 . ).

実施例5 実施例4で用いたSi3N4マトリックスの原料粉末をマ
トリックスの原料とし、これにZrO2(単斜晶型 平均粒
径1μm)、カーボンブラック粉末(平均粒径0.02μ
m)の各粉末を、マトリックスの原料により形成するマ
トリックスと、ZrO2とCとが化学量論的に反応して合成
されたZrCとが体積比(マトリックス:ZrC)で80:20にな
るように添加した。また、上記と同様のSi3N4マトリッ
クスの原料粉末をマトリックスの原料とし、これにNb2O
5(平均粒径0.6μm)、カーボンブラック(平均粒径0.
02μm)の各粉末を、マトリックスの原料により形成す
るマトリックスと、Nb2O5、Cが化学量論的に反応して
合成されたNbCとが体積比(マトリックス:NbC)で80:20
になるように添加した。これら2種の原料組成物をそれ
ぞれ実施例1と同様にして混合、乾燥、解砕およびホッ
トプレスした。ただし、途中保持後に炉内に導入するガ
スはN2ガスとし、かつ、ホットプレスはN21気圧下で180
0℃で1時間行った。
Example 5 The raw material powder of the Si 3 N 4 matrix used in Example 4 was used as the raw material of the matrix, and ZrO 2 (monoclinic type average particle diameter 1 μm) and carbon black powder (average particle diameter 0.02 μm)
m) The powder formed from the raw materials of the matrix and the ZrC synthesized by the stoichiometric reaction of ZrO 2 and C have a volume ratio (matrix: ZrC) of 80:20. Was added. Further, the raw material powder of the same the Si 3 N 4 matrix as a raw material of the matrix, to which Nb 2 O
5 (average particle size 0.6 μm), carbon black (average particle size
02 μm), a matrix formed from the raw material of the matrix and NbC synthesized by stoichiometric reaction of Nb 2 O 5 and C at a volume ratio (matrix: NbC) of 80:20.
Was added so that These two raw material compositions were mixed, dried, crushed and hot pressed in the same manner as in Example 1. However, the gas to be introduced into the furnace after holding halfway was N 2 gas, and hot pressing was performed under N 2 1 atm.
Performed at 0 ° C. for 1 hour.

得られた複合材料は、ZrO2を添加したものでは、β′
−Si3N4とZrCとからなり、β′−Si3N4をマトリックス
とし、該マトリックス中にZrCが分散してなることが確
認された。また、NbO2を添加したものでは、β′−Si3N
4とNbO2とからなり、β′−Si3N4をマトリックスとし、
該マトリックス中にNbが分散してなることが確認され
た。また、相対密度は、ZrO2を添加したものでは、97.8
%、NbO2を添加したものでは、99.8%であった。
The resulting composite material, with ZrO 2 added, has a β ′
-Si 3 N 4 and ZrC, it was confirmed that β′-Si 3 N 4 was used as a matrix, and ZrC was dispersed in the matrix. In the case where NbO 2 is added, β′-Si 3 N
4 and NbO 2 , with β′-Si 3 N 4 as a matrix,
It was confirmed that Nb was dispersed in the matrix. The relative density was 97.8% with ZrO 2 added.
%, And 99.8% when NbO 2 was added.

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−104515(JP,A) 特開 昭62−235258(JP,A) 特開 昭62−256773(JP,A) 特開 昭62−256767(JP,A) 特開 昭62−288166(JP,A) 特開 昭62−288165(JP,A) 特開 昭63−85048(JP,A) 特開 昭63−89457(JP,A)Continuation of front page (56) References JP-A-52-104515 (JP, A) JP-A-62-235258 (JP, A) JP-A-62-256773 (JP, A) JP-A-62-256767 (JP, A) JP-A-62-288166 (JP, A) JP-A-62-288165 (JP, A) JP-A-63-85048 (JP, A) JP-A-63-89457 (JP, A)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】酸化物、窒化物、窒酸化物のうちの少なく
とも1種からなるセラミックスをマトリックスとし、該
マトリックス中に周期律表の第IV a〜VI a族元素のうち
の少なくとも1種の炭化物、または/および窒素または
/および酸素が固溶した上記周期律表の第IV a〜VI a族
元素のうちの少なくとも1種の炭化物が分散してなる複
合材料の製造方法であって、酸化物、窒化物、窒酸化物
のうちの少なくとも1種からなるセラミックスの原料で
あり、該セラミックスそのもの、あるいは金属単体を除
く焼成によって該セラミックスを生成する物質、あるい
は該セラミックスの前駆体物質からなる原料と、同期律
表の第IV a〜VI a族元素のうちの少なくとも1種を含む
酸化物または/および該酸化物の前駆体と、炭素または
/および熱分解により炭素を生成する有機物質とを混合
することにより原料組成物を調製する工程と、該原料組
成物を焼成する工程とからなることを特徴とする複合材
料の製造方法。
1. A ceramic comprising at least one of oxides, nitrides and nitride oxides as a matrix, wherein said matrix contains at least one element selected from the group IVa to VIa of the periodic table. A method for producing a composite material comprising at least one carbide selected from the group consisting of elements of Groups IVa to VIa of the Periodic Table, in which carbides or / and nitrogen and / or oxygen are dissolved as solids, Raw material of ceramics made of at least one of a material, a nitride, and a nitride oxide, the raw material being the ceramic itself, a substance that forms the ceramic by firing except for a simple metal, or a precursor substance of the ceramic And an oxide containing at least one of the elements from Groups IVa to VIa of the Synchronous Table or / and a precursor of the oxide; and carbon or / and carbon by thermal decomposition. Method for producing a composite material comprising the steps of: preparing a raw material composition by mixing the organic material to be generated, characterized by comprising the step of firing the raw material composition.
【請求項2】酸化物、窒化物、窒酸化物のうちの少なく
とも1種からなるセラミックスをマトリックスとし、該
マトリックス中に周期律表の第IV a〜VI a族元素のうち
の少なくとも1種の炭化物、または/および窒素または
/および酸素が固溶した上記周期律表の第IV a〜VI a族
元素のうちの少なくとも1種の炭化物が分散してなる複
合材料の原料組成物であって、酸化物、窒化物、窒酸化
物のうちの少なくとも1種からなるセラミックスの原料
であり、該セラミックスそのもの、あるいは金属単体を
除く焼成によって該セラミックスを生成する物質、ある
いは該セラミックスの前駆体物質からなる原料と、周期
律表の第IV a〜VI a族元素のうちの少なくとも1種を含
む酸化物または/および該酸化物の前駆体と、炭素また
は/および熱分解により炭素を生成する有機物質とを混
合することにより調製されたことを特徴とする複合材料
の原料組成物。
2. A matrix comprising at least one of oxides, nitrides and nitride oxides as a matrix, wherein the matrix contains at least one of the elements of Groups IVa to VIa of the periodic table. A raw material composition for a composite material in which at least one of carbides or / and nitrogen or / and oxygen is dissolved as a solid solution and at least one of Group IVa to VIa group elements of the periodic table is dispersed, It is a raw material for ceramics composed of at least one of oxides, nitrides, and nitric oxides, and is composed of the ceramics itself, a substance that forms the ceramics by firing except for a single metal, or a precursor substance of the ceramics. A raw material, an oxide containing at least one of the elements of Groups IVa to VIa of the periodic table or / and a precursor of the oxide, and carbon or / and Raw material composition of the composite material characterized in that it is prepared by mixing an organic substance which produces.
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