JP2966989B2 - Silicon carbide ceramics - Google Patents
Silicon carbide ceramicsInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、炭化珪素系セラミック
スに関し、一層詳細には、靭性と強度とを著しく向上さ
せることを可能とする炭化珪素系セラミックスに関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon carbide ceramic, and more particularly to a silicon carbide ceramic capable of significantly improving toughness and strength.
【0002】[0002]
【従来の技術】一般に、セラミックスと金属材料とを比
較するとき、セラミックスの靭性および強度は共に低
く、また、セラミックス成形体では強度分布が偏在して
いるために、応力の集中を容易に発生する傾向がある。
このため、セラミックス成形体を高い負荷の掛かる複雑
な形状の部材として用いることは非常な困難を伴い、実
用に供するには至っていない。2. Description of the Related Art In general, when comparing ceramics and metal materials, both the toughness and strength of ceramics are low, and the strength distribution is unevenly distributed in a ceramic molded body, so that stress concentration easily occurs. Tend.
For this reason, it is very difficult to use the ceramic molded body as a member having a complicated shape with a high load, and it has not been put to practical use.
【0003】従って、セラミックス成形体を広範な利用
分野において多様な形状で実用に供すべく、脆性の低下
と靭性並びに強度の向上を図り、また、セラミックス成
形体中の強度分布を均一にすることにより、応力の集中
を回避することが希求されている。[0003] Therefore, in order to put a ceramic molded body into practical use in various shapes in a wide range of applications, it is necessary to reduce brittleness, improve toughness and strength, and make the strength distribution in the ceramic molded body uniform. It is desired to avoid concentration of stress.
【0004】前記の要請に応じて、ウィスカーによって
結晶格子の複合化を図ったセラミックスや、ニューマト
リックスコンポジットによって結晶格子の複合化を図っ
たセラミックスが採用されるに至っている。[0004] In response to the above demand, ceramics whose crystal lattices are compounded by whiskers and ceramics whose crystal lattices are compounded by new matrix composites have been adopted.
【0005】その一例として、本出願人によって提出さ
れた特願平3−60557号の「セラミックス成形体お
よびセラミックス成形体の製造方法」では、焼成あるい
は熱処理により結晶を成長させ極めて純度の高い単結晶
であり3種類の大きさの異なる六角柱状晶ウィスカーを
析出させた基本構成粒子を用いて、太径ウィスカー同士
の間隙に中太径ウィスカーを充填して、さらに残った間
隙に細径ウィスカーを充填することにより、該基本構成
粒子同士の間隙の占める割合を大幅に減じている。従っ
て、該セラミックス成形体中において、前記六角柱状晶
ウィスカーからなる基本構成粒子より靭性と強度が大幅
に劣る焼結助剤が前記間隙を充填する割合を低減化する
ことができるので、靭性と強度を向上させると共に、強
度分布の均一化を図り、応力の集中を回避させている。[0005] As an example, Japanese Patent Application No. Hei 3-60557 filed by the present applicant discloses a "ceramic molded article and a method for producing a ceramic molded article" in which a crystal is grown by firing or heat treatment to obtain a single crystal of extremely high purity. Using the basic constituent particles obtained by depositing three types of hexagonal columnar whiskers of different sizes, fill the gaps between the large diameter whiskers with medium and large diameter whiskers, and further fill the remaining gaps with the small diameter whiskers. By doing so, the ratio of the gaps between the basic constituent particles is greatly reduced. Therefore, in the ceramic molded body, the ratio of the sintering aid, which is significantly inferior in toughness and strength to the hexagonal columnar whisker basic constituent particles to fill the gap, can be reduced, so that the toughness and strength are reduced. And the strength distribution is made uniform to avoid concentration of stress.
【0006】また、本出願人により提出された特開平2
−192448号公報の「セラミックス焼結体およびそ
の製造方法」では、セラミックス粉末、金属粉末あるい
はこれらの混合粉末により成形体を成形し、次いで、前
記成形体を仮焼成した後、この仮焼成中に金属塩または
金属錯体を含浸させ、さらに、本焼成を行うことによ
り、仮焼成体中に形成された気孔に金属塩または金属錯
体を十分に含浸させて、靭性や強度等に優れた高品質な
セラミックス焼結体を得ることを可能としたセラミック
ス焼結体およびその製造方法が開示されている。[0006] Further, Japanese Patent Application Laid-Open No.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 192448 discloses a "ceramic sintered body and a method for producing the same", wherein a formed body is formed from ceramic powder, metal powder or a mixed powder thereof, and then the formed body is pre-baked. By impregnating the metal salt or the metal complex, and further performing the main firing, the pores formed in the calcined body are sufficiently impregnated with the metal salt or the metal complex, and high quality with excellent toughness and strength. A ceramic sintered body capable of obtaining a ceramic sintered body and a method for manufacturing the same have been disclosed.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】ところで、炭化珪素
(SiC) を主成分とする出発物質を用いて焼成して得
られるセラミックスは、その製造に際して、主成分であ
る炭化珪素(SiC) が難燃性であるために、結晶粒の
成長を促進し、また、比較的低温度で結晶粒を成長させ
るべく焼結助剤として炭化硼素(B4 C)、炭素(C)
等の粉末原料を添加した後、水(H2 O)並びに水素
(H2 )の存在する雰囲気下、2000℃を大幅に超え
た焼結温度で焼結している。By the way, ceramics obtained by sintering using a starting material mainly composed of silicon carbide (SiC) have a problem in that, in the production thereof, silicon carbide (SiC), which is the main component, is flame-retardant. In order to promote the growth of crystal grains because of its sintering property, and to grow the crystal grains at a relatively low temperature, boron carbide (B 4 C) and carbon (C) are used as sintering aids.
After the addition of the powdery raw materials such as these, sintering is performed at a sintering temperature significantly exceeding 2000 ° C. in an atmosphere in which water (H 2 O) and hydrogen (H 2 ) are present.
【0008】この時、添加した硼素(B)、水素
(H2 )、水(H2 O)の存在により、得られるセラミ
ックスを構成する結晶粒は、片状、鱗片状、板状を呈す
る。このような片状、鱗片状、板状を呈する結晶粒の引
張強度は、六角柱状の結晶粒が2000kgf/mm2
程度であるのに対して、例えば板状のものでは、250
kgf/mm2 程度に上限があり、結晶強度は著しい劣
性を示す。At this time, due to the presence of added boron (B), hydrogen (H 2 ), and water (H 2 O), the crystal grains constituting the obtained ceramic have a flaky, scaly, or plate-like shape. The tensile strength of such flaky, scaly, and plate-like crystal grains is such that hexagonal column-shaped crystal grains are 2,000 kgf / mm 2.
On the other hand, for example, in the case of a plate,
There is an upper limit of about kgf / mm 2 , and the crystal strength is markedly inferior.
【0009】さらに、添加した硼素(B)、水素
(H2 )、水(H2 O)は、強度を大きく左右する要因
である結晶の割れ2(図3参照)、異物4の析出(図4
参照)、球6の生成(図5参照)等の結晶の欠陥を惹起
している。Further, the added boron (B), hydrogen (H 2 ), and water (H 2 O) cause crystal cracking 2 (see FIG. 3) and precipitation of foreign matter 4 (see FIG. 3), which are factors that greatly influence the strength. 4
(See FIG. 5) and the formation of spheres 6 (see FIG. 5).
【0010】以上の要因から、炭化珪素(SiC) を主
成分とする出発物質を用いて焼成して得られるセラミッ
クスは、常温での曲げ強度が50kgf/mm2 程度を
上限とし、破壊靭性値にいたっては、KIC3.5MPa
m1/2 程度に上限が存在する。この値は、現在市販され
ている窒化珪素系材料の1/2程度であり、酸化アルミ
ニウム系材料とほぼ同程度である。[0010] From the above factors, the ceramic obtained by firing using a starting material composed mainly of silicon carbide (SiC), the flexural strength at room temperature is the upper limit 50 kgf / mm 2 degree, the fracture toughness value In general, K IC 3.5MPa
There is an upper limit at about m1 / 2 . This value is about 1/2 of the silicon nitride-based material currently on the market, which is almost the same as that of the aluminum oxide-based material.
【0011】すなわち、炭化珪素(SiC) を主成分と
する出発物質を用いて焼成して得られるセラミックス
は、広範な利用分野において、多様な形状で実用に供す
るのに必要十分な靭性並びに強度が得られているとは言
い難い。That is, ceramics obtained by firing using a starting material containing silicon carbide (SiC) as a main component have sufficient toughness and strength necessary for practical use in various shapes in a wide range of applications. It is hard to say that it has been obtained.
【0012】従って、本発明の目的は、広範な利用分野
において多様な形状で実用に供するべく、靭性と強度を
著しく向上させた炭化珪素系セラミックスを提供するこ
とを目的とする。Accordingly, it is an object of the present invention to provide a silicon carbide-based ceramic having significantly improved toughness and strength so that it can be put to practical use in various shapes in a wide range of applications.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は、主成分である炭化珪素と、周期表VII
I族に属する金属元素である鉄、ニッケル、コバルトか
らなる群のうち、少なくとも1種類以上を含有する結晶
粒成長材と、マンガン、クロムからなる群のうち、少な
くとも1種類以上を含有する結晶粒成長促進材と、周期
表III族に属する金属元素の酸化物である酸化アルミ
ニウム、酸化イットリウムからなる群のうち、少なくと
も1種類以上を含有する結晶粒成長制御材と、を含有す
る出発物質を形成し、焼成することにより前記炭化珪素
を柱状晶若しくは六角柱状晶に成長させた結晶粒を有す
る炭化珪素系セラミックスであって、前記結晶粒成長材
の組成を前記出発物質の全体重量に対して0.01重量
%以上3.5重量%以下、前記結晶粒成長促進材の組成
を前記出発物質の全体重量に対して0.1重量%以上
1.5重量%以下、に調整したことを特徴とする。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a silicon carbide as a main component and a periodic table VII.
A crystal grain growth material containing at least one or more of the group consisting of iron, nickel, and cobalt which are metal elements belonging to Group I, and a crystal grain containing at least one or more of a group consisting of manganese and chromium Forming a starting material containing a growth promoting material and a crystal grain growth controlling material containing at least one selected from the group consisting of aluminum oxide and yttrium oxide, which are oxides of metal elements belonging to Group III of the periodic table. A silicon carbide-based ceramic having crystal grains obtained by growing the silicon carbide into columnar crystals or hexagonal columnar crystals by firing, wherein the composition of the crystal grain growth material is 0% based on the total weight of the starting material. 0.01% by weight or more and 3.5% by weight or less, and the composition of the crystal grain growth promoting material is 0.1% by weight or more and 1.5% by weight or less based on the total weight of the starting materials. And wherein the adjusted.
【0014】[0014]
【構成の具体的説明】本発明に係る炭化珪素系セラミッ
クスでは、セラミックスを構成する主成分である炭化珪
素(SiC) の結晶粒を結晶強度の低い片状、鱗片状、
あるいは板状結晶粒に代えて、結晶強度の高い六角柱状
晶10(図2参照)若しくは柱状晶の結晶粒を成長させ
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE STRUCTURE In the silicon carbide-based ceramics according to the present invention, crystal grains of silicon carbide (SiC), which is a main component of the ceramic, are formed into flakes, scales, and the like having low crystal strength.
Alternatively, instead of plate-like crystal grains, hexagonal columnar crystals 10 (see FIG. 2) having high crystal strength or crystal grains of columnar crystals are grown.
【0015】従って、難燃性の炭化珪素を焼結させるた
めの反応触媒として片状、鱗片状、あるいは板状結晶粒
の析出と成長を誘発する焼結助剤である硼素(B)に代
えて、六角柱状晶の析出と成長を誘発する周期表VII
I族に属する金属元素である鉄(Fe)、ニッケル(N
i)、コバルト(Co)を反応触媒として用いた反応系
が構成される。Therefore, instead of boron (B), which is a sintering aid for inducing the precipitation and growth of flaky, scaly or plate-like crystal grains, as a reaction catalyst for sintering flame-retardant silicon carbide, Periodic Table VII to induce precipitation and growth of hexagonal columnar crystals
Iron (Fe), nickel (N
i), a reaction system using cobalt (Co) as a reaction catalyst is formed.
【0016】すなわち、主成分である炭化珪素(Si
C) に、周期表VIII族に属する金属元素である鉄
(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)からな
る群のうち、少なくとも1種類以上を含有する結晶粒成
長材と、周期表III族に属する金属元素の酸化物であ
る酸化アルミニウム(Al2 O3 )、酸化イットリウム
(Y2 O3 )からなる群のうち、少なくとも1種類以上
を含有する結晶粒成長制御材と、必要に応じて、周期表
において前記結晶粒成長材の隣接する族の元素であるマ
ンガン(Mn)、クロム(Cr)からなる群のうち、少
なくとも1種類以上を含有する結晶粒成長促進材とが添
加され出発物質が形成される。That is, silicon carbide (Si) as a main component
C) a crystal growth material containing at least one member selected from the group consisting of iron (Fe), nickel (Ni) and cobalt (Co) which are metal elements belonging to Group VIII of the periodic table; A crystal grain growth controlling material containing at least one member selected from the group consisting of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and yttrium oxide (Y 2 O 3 ), which are oxides of metal elements belonging to the group III; In the periodic table, a crystal grain growth promoting material containing at least one or more of a group consisting of manganese (Mn) and chromium (Cr), which are elements belonging to an adjacent group of the crystal grain growing material, is added. A substance is formed.
【0017】前記結晶粒成長材は、酸化物、可溶性塩
類、あるいは金属単体として、出発物質の全体重量に対
して0.01重量%以上3.5重量%以下の組成範囲、
さらに好適には、0.05重量%以上2.3重量%以下
の組成範囲で添加されている。この組成範囲に限定した
理由は、0.01重量%未満では、結晶粒を成長させる
実質的な効果が得られず、3.5重量%を超過すると偏
析や焼結密度の低下を生じるために高温での強度が著し
く低下するためである。The above-mentioned crystal grain growth material, as an oxide, a soluble salt, or a simple metal, has a composition range of 0.01% by weight or more and 3.5% by weight or less based on the total weight of the starting materials.
More preferably, it is added in a composition range of 0.05% by weight to 2.3% by weight. The reason for limiting to this composition range is that if it is less than 0.01% by weight, a substantial effect of growing crystal grains cannot be obtained, and if it exceeds 3.5% by weight, segregation and reduction in sintered density occur. This is because the strength at high temperatures is significantly reduced.
【0018】また、焼結時間の短縮と結晶粒の成長促進
を目的として0.1重量%以上1.5重量%以下の組成
範囲の結晶粒成長促進材が添加される。この組成範囲に
限定した理由は、0.1重量%未満では、実質的な効果
が得られず、1.5重量%を超過すると焼結時に板状の
結晶粒の成長を惹起する傾向を示し、靭性並びに強度の
向上を阻害するためである。Further, for the purpose of shortening the sintering time and promoting the growth of crystal grains, a crystal grain growth promoting material having a composition range of 0.1% by weight to 1.5% by weight is added. The reason for limiting to this composition range is that if it is less than 0.1% by weight, a substantial effect cannot be obtained, and if it exceeds 1.5% by weight, there is a tendency that plate-like crystal grains grow during sintering. , Toughness and strength.
【0019】なお、前記結晶粒成長材並びに結晶粒成長
促進材を構成する鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバ
ルト(Co)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)は、
焼結時に後述の酸化アルミニウム(Al2 O3 )、酸化
イットリウム(Y2 O3 )により形成される粒界ガラス
層内に取り込まれる。また、同時に、前記結晶粒成長材
並びに結晶粒成長促進材は、炭素(C)並びに窒素
(N)等の移送担体としての役割を果たすため、粒界ガ
ラス層内に移送された炭素(C)並びに窒素(N)は、
焼結後の熱処理による粒界結晶化を助長すると共に、粒
界ガラス内に取り込まれた結晶粒成長材並びに結晶粒成
長促進材は、金属間化合物を経た金属として粒界内に析
出され粒界の強度を向上させる。Incidentally, iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn) and chromium (Cr) constituting the crystal grain growth material and the crystal grain growth promoting material are as follows:
At the time of sintering, it is taken into a grain boundary glass layer formed by aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and yttrium oxide (Y 2 O 3 ) described later. At the same time, the crystal grain growth material and the crystal grain growth promoting material play a role as a transfer carrier for carbon (C) and nitrogen (N), so that carbon (C) transferred into the grain boundary glass layer. And nitrogen (N)
In addition to promoting grain boundary crystallization by heat treatment after sintering, the grain growth material and the grain growth promoting material taken into the grain boundary glass are precipitated in the grain boundary as a metal that has passed through the intermetallic compound, and Improve the strength of.
【0020】前記酸化アルミニウム(Al2 O3 )、酸
化イットリウム(Y2 O3 )からなる結晶粒成長制御材
は、焼成時の粒界において、過剰な結晶粒成長材並びに
結晶粒成長促進材を取り込むと共に、粒界ガラス層を形
成して結晶粒の成長を抑制する。The crystal grain growth controlling material made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and yttrium oxide (Y 2 O 3 ) has an excessive grain growth material and a crystal growth promoting material at a grain boundary during firing. At the same time, a grain boundary glass layer is formed to suppress the growth of crystal grains.
【0021】[0021]
【実施例】次に、本発明に係る炭化珪素系セラミックス
について好適な実施例を挙げ、添付の図面を参照しなが
ら以下詳細に説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the silicon carbide-based ceramics according to the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.
【0022】先ず、主成分として、平均粒径0.6μ
m、比表面積12m2 /g、SiC純度98%(遊離炭
素1.0%)の炭化珪素(SiC)と、周期表VIII
族に属する金属元素である鉄(Fe)、ニッケル(N
i)、コバルト(Co)からなる群のうち、少なくとも
1種類以上を含有する結晶粒成長材と、マンガン(M
n)、クロム(Cr)からなる群のうち、少なくとも1
種類以上を含有する結晶粒成長促進材と、周期表III
族に属する金属元素の酸化物である酸化アルミニウム
(Al2 O3 )、酸化イットリウム(Y2 O3 )からな
る群のうち、少なくとも1種類以上を含有する結晶粒成
長制御材を用いて、表1の実験例1乃至10に示す配合
組成に従って10種類の出発物質を形成した。First, as a main component, the average particle diameter is 0.6 μm.
m, specific surface area 12 m 2 / g, silicon carbide (SiC) having a SiC purity of 98% (free carbon 1.0%), and a periodic table VIII.
(Fe), nickel (N
i), a crystal grain growth material containing at least one or more of the group consisting of cobalt (Co);
n), at least one of the group consisting of chromium (Cr)
Grain growth-promoting material containing more than one kind, and Periodic Table III
Using a crystal grain growth controlling material containing at least one kind selected from the group consisting of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and yttrium oxide (Y 2 O 3 ), which are oxides of metal elements belonging to group III , Ten kinds of starting materials were formed according to the composition shown in one experimental example 1 to 10.
【0023】次いで、前記出発物質をアルゴン(Ar)
および窒素(N2 )が存在する雰囲気下、1900℃か
ら2000℃の焼結温度で各々常圧焼結を行い、供試材
1乃至10を得た。Next, the starting material is replaced with argon (Ar)
Atmospheric pressure sintering was performed at a sintering temperature of 1900 ° C. to 2000 ° C. in an atmosphere where nitrogen and nitrogen (N 2 ) were present, to thereby obtain test materials 1 to 10.
【0024】また、前記実験例1乃至10と同一の原料
を用いて、表2の比較例1乃至7に示す配合組成に従っ
て7種類の出発物質を形成し、次いで、前記実験例1乃
至10と同様の方法で焼結を行い、比較供試材1乃至7
を得た。Also, using the same raw materials as in the above-mentioned experimental examples 1 to 10, seven kinds of starting materials were formed in accordance with the composition shown in comparative examples 1 to 7 in Table 2. Sintering was performed in the same manner, and comparative samples 1 to 7
I got
【0025】さらに、表3の比較例8として、実験例1
乃至実験例10と比較例1乃至7で用いたものと同一の
炭化珪素(SiC) を主成分として出発物質の全体重量
に対して96.0重量%と、炭化硼素(B4 C)3.0
重量%と、炭素(C)1重量%とからなる出発物質を形
成し、次いで、前記出発物質をアルゴン(Ar)および
窒素(N2 )が存在する雰囲気下、2100℃の焼結温
度で常圧焼結を行い、比較供試材8を得た。この比較供
試材8は、従来技術による炭化珪素系セラミックスであ
る。Further, as Comparative Example 8 in Table 3, Experimental Example 1
The same silicon carbide (SiC) as that used in Experimental Example 10 and Comparative Examples 1 to 7 was used as a main component, and 96.0% by weight based on the total weight of the starting materials, and boron carbide (B 4 C) was used. 0
% By weight of carbon (C) and 1% by weight of carbon (C), and then the starting material is constantly subjected to a sintering temperature of 2100 ° C. in an atmosphere in which argon (Ar) and nitrogen (N 2 ) are present. Pressure sintering was performed to obtain comparative test material 8. The comparative test material 8 is a silicon carbide-based ceramic according to the prior art.
【0026】以上のようにして得た実験例1乃至10の
供試材1乃至10と比較例1乃至8の比較供試材1乃至
8に3点曲げ強度試験、シェブロンノッチ法による破壊
靭性試験を実施した。The specimens 1 to 10 of the experimental examples 1 to 10 and the comparative specimens 1 to 8 of the comparative examples 1 to 8 obtained as described above were subjected to a three-point bending strength test and a fracture toughness test by a chevron notch method. Was carried out.
【0027】表4に実験例1乃至10の供試材1乃至1
0の前記試験結果を、表5に比較例1乃至7の比較供試
材1乃至7の前記試験結果を、表6に比較例8の比較供
試材8の前記試験結果を夫々示した。Table 4 shows test materials 1 to 1 of Experimental Examples 1 to 10.
Table 5 shows the test results of Comparative Test Materials 1 to 7 of Comparative Examples 1 to 7, and Table 6 shows the test results of Comparative Test Material 8 of Comparative Example 8.
【0028】前記の試験結果より容易に諒解されるよう
に、実施例1乃至10の曲げ強度は、70kg/mm2
から121kg/mm2 の数値が達成され、破壊靭性値
は7.1MPam1/2 から9.6MPam1/2 の数値が
達成された。従って、従来技術における曲げ強度並びに
破壊靭性値の一般的な上限値を示す比較例8の値に対
し、曲げ強度で約1.5倍から2.5倍、破壊靭性値で
約2倍から3倍程度の数値的な向上が達成された。As can be easily understood from the above test results, the bending strength of Examples 1 to 10 was 70 kg / mm 2.
From 121 kg / mm 2 , and a fracture toughness value from 7.1 MPam 1/2 to 9.6 MPam 1/2 . Therefore, the bending strength and the fracture toughness value are about 1.5 to 2.5 times and the fracture toughness value about 2 to 3 times the values of Comparative Example 8 showing the general upper limits of the bending strength and the fracture toughness value in the prior art. A numerical improvement of about twice was achieved.
【0029】従って、靭性並びに強度の向上がなされた
と判定することができる。Therefore, it can be determined that the toughness and the strength have been improved.
【0030】また、比較例1乃至7を従来技術に係る比
較例8と比較すると、曲げ強度、破壊靭性値は共に数値
的な向上を達成したと判定することができない。When Comparative Examples 1 to 7 are compared with Comparative Example 8 according to the prior art, it cannot be determined that both the bending strength and the fracture toughness have achieved numerical improvements.
【0031】一方、本実施例において数値限定した組成
範囲を逸脱する比較例1乃至7では、平均曲げ強度は3
3.1kg/mm2 、平均破壊靭性値は8.7MPam
1/2 を示した。実施例1乃至10では、平均曲げ強度は
98.8kg/mm2 、平均破壊靭性値は8.7MPa
m1/2 を示すので、実施例1乃至10と比較例1乃至7
との間には、平均曲げ強度で約3倍、平均破壊靭性値で
約2.5倍の数値的差異が存在した。On the other hand, in Comparative Examples 1 to 7, which deviate from the composition range limited in numerical values in the present embodiment, the average bending strength is 3
3.1 kg / mm 2 , average fracture toughness is 8.7 MPa
Showed 1/2 . In Examples 1 to 10, the average bending strength was 98.8 kg / mm 2 and the average fracture toughness value was 8.7 MPa.
m 1/2 , so that Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 7
And a numerical difference of about 3 times in average bending strength and about 2.5 times in average fracture toughness.
【0032】従って、本実施例における配合成分の組成
範囲の限定は適切であると諒解される。Therefore, it is understood that the limitation of the composition range of the components in the present embodiment is appropriate.
【0033】図1に当該実施例の炭化珪素系セラミック
ス20の破断面の粒界エッチングの模式図を示す。該炭
化珪素系セラミックス20は、3種の大きさからなる六
角柱状晶により構成される。第1の六角柱状晶22は、
径が4μmから5μm程度、長さが12μmから15μ
m程度の形状で3から4程度のアスペクト比を有し、第
2の六角柱状晶24は、径が1μmから2μm程度、長
さが6μmから8μm程度の形状で4から8程度のアス
ペクト比を有する。また、第3の六角柱状晶26は、径
が0.3μmから0.5μm程度、長さが4μm12μ
m程度の形状で4から12のアスペクト比を有する。FIG. 1 is a schematic diagram of grain boundary etching of a fractured surface of the silicon carbide-based ceramics 20 of the present embodiment. The silicon carbide-based ceramic 20 is composed of hexagonal columnar crystals having three sizes. The first hexagonal columnar crystals 22
Diameter is about 4μm to 5μm, length is 12μm to 15μ
The second hexagonal columnar crystal 24 has an aspect ratio of about 4 to 8 in a shape having a diameter of about 1 μm to 2 μm and a length of about 6 μm to 8 μm. Have. The third hexagonal columnar crystal 26 has a diameter of about 0.3 μm to 0.5 μm and a length of 4 μm 12 μm.
It has an aspect ratio of 4 to 12 with a shape of about m.
【0034】これらの六角柱状晶は、周知のように概ね
単結晶からなり、結晶性が極めて高いために粒界内の強
化がなされる。As is well known, these hexagonal columnar crystals are generally made of a single crystal, and have extremely high crystallinity, so that the grain boundaries are strengthened.
【0035】また、該炭化珪素系セラミックス20は、
太径の第1六角柱状晶22同士の間に、中間の径を有す
る第2六角柱状晶24が充填され、さらにその間隙に細
径の第3六角柱状晶26が充填されているので、間隙の
占める割合を減ずることができ、粒界間、すなわち間隙
が脆弱であることを原因とする脆性を減ずることができ
る。従って、図1に示す当該炭化珪素系セラミックス2
0の破断面では、粒界が強化されているために、粒内破
壊と粒界破壊が同時に発生したことが観察された。The silicon carbide ceramic 20 is
The space between the large-diameter first hexagonal columnar crystals 22 is filled with the second hexagonal columnar crystal 24 having an intermediate diameter, and the gap is filled with the small-diameter third hexagonal columnar crystal 26. Can be reduced, and brittleness due to brittleness between grain boundaries, that is, gaps can be reduced. Therefore, the silicon carbide-based ceramic 2 shown in FIG.
In the fracture surface of 0, it was observed that the intragranular fracture and the intergranular fracture occurred simultaneously because the grain boundary was strengthened.
【0036】[0036]
【表1】 [Table 1]
【0037】[0037]
【表2】 [Table 2]
【0038】[0038]
【表3】 [Table 3]
【0039】[0039]
【表4】 [Table 4]
【0040】[0040]
【表5】 [Table 5]
【0041】[0041]
【表6】 [Table 6]
【0042】[0042]
【発明の効果】以上のように本発明に係る炭化珪素系セ
ラミックスでは、セラミックスを構成する主成分である
炭化珪素(SiC) の結晶粒を結晶強度の低い片状、鱗
片状、あるいは板状結晶粒に代えて、結晶強度の高い六
角柱状晶若しくは柱状晶の結晶粒を配することにより、
靭性と強度を著しく向上させる効果を奏する。As described above, in the silicon carbide-based ceramics according to the present invention, the crystal grains of silicon carbide (SiC), which is the main component of the ceramic, are formed into flakes, scales, or plate-like crystals having low crystal strength. By arranging hexagonal columnar crystals or columnar crystal grains with high crystal strength instead of grains,
It has the effect of significantly improving toughness and strength.
【0043】従って、広範な利用分野において、炭化珪
素系セラミックスを多様な形状で実用に供すことができ
る。Accordingly, the silicon carbide ceramics can be put to practical use in various shapes in a wide range of applications.
【図1】本発明に係る炭化珪素系セラミックスの破断面
を拡大して示す模式図である。FIG. 1 is an enlarged schematic view showing a fracture surface of a silicon carbide-based ceramic according to the present invention.
【図2】本発明に係る炭化珪素系セラミックスを構成す
る六角柱状晶を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing hexagonal columnar crystals constituting the silicon carbide-based ceramic according to the present invention.
【図3】従来技術に係るセラミックスを構成する結晶粒
の結晶割れを示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory view showing crystal cracks of crystal grains constituting a ceramic according to a conventional technique.
【図4】従来技術に係るセラミックスを構成する結晶粒
の異物析出を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory view showing foreign matter precipitation of crystal grains constituting a ceramic according to a conventional technique.
【図5】従来技術に係るセラミックスを構成する結晶粒
の球の生成を示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory view showing generation of spheres of crystal grains constituting a ceramic according to a conventional technique.
10…六角柱状晶 20…炭化珪素系セラミックス 22…第1六角柱状晶 24…第2六角柱状晶 26…第3六角柱状晶 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Hexagonal columnar crystal 20 ... Silicon carbide type ceramics 22 ... 1st hexagonal columnar crystal 24 ... 2nd hexagonal columnar crystal 26 ... 3rd hexagonal columnar crystal
Claims (1)
族に属する金属元素である鉄、ニッケル、コバルトから
なる群のうち、少なくとも1種類以上を含有する結晶粒
成長材と、 マンガン、クロムからなる群のうち、少なくとも1種類
以上を含有する結晶粒成長促進材と、 周期表III族に属する金属元素の酸化物である酸化ア
ルミニウム、酸化イットリウムからなる群のうち、少な
くとも1種類以上を含有する結晶粒成長制御材と、 を含有する出発物質を形成し、この出発物質を焼成する
ことにより前記炭化珪素を六角柱状晶若しくは柱状晶に
成長させた結晶粒を有する炭化珪素系セラミックスであ
って、 前記結晶粒成長材の組成を前記出発物質の全体重量に対
して0.01重量%以上3.5重量%以下、 前記結晶粒成長促進材の組成を前記出発物質の全体重量
に対して0.1重量%以上1.5重量%以下、 に調整したことを特徴とする炭化珪素系セラミックス。1. A silicon carbide as a main component and a periodic table VIII
A grain growth material containing at least one member selected from the group consisting of iron, nickel, and cobalt which are metal elements belonging to the group III, and a grain growth material containing at least one member selected from the group consisting of manganese and chromium Forming a starting material containing: an accelerator; and a crystal grain growth controlling material containing at least one member selected from the group consisting of aluminum oxide and yttrium oxide, which are oxides of metal elements belonging to Group III of the periodic table. A silicon carbide-based ceramic having crystal grains in which the silicon carbide is grown into hexagonal columnar crystals or columnar crystals by firing the starting material, wherein the composition of the crystal grain growing material is based on the total weight of the starting material. 0.01% by weight or more and 3.5% by weight or less, and the composition of the crystal grain growth promoting material is 0.1% by weight or more and 1% by weight based on the total weight of the starting materials. 5 wt% or less, silicon carbide based ceramics, characterized in that the adjustment.
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