JP2978469B2 - ウイスカ複合セラミックス粉末の製法およびその焼結体の製法 - Google Patents
ウイスカ複合セラミックス粉末の製法およびその焼結体の製法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、機械的特性に優れ
たウイスカ複合セラミックスの原材料となるセラミック
ス粉末中にウイスカが均一に分散形成されたしたウイス
カ複合セラミックス粉末の製法に関する。
たウイスカ複合セラミックスの原材料となるセラミック
ス粉末中にウイスカが均一に分散形成されたしたウイス
カ複合セラミックス粉末の製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、セラミックス材料の機能性、強
度、靭性等の特性の著しい向上に伴い、セラミックスを
より多面的に利用する傾向がみられる。このような需要
に従い、信頼性の高い高強度、高機能、高靭性セラミッ
クスを安全、かつ、安価に製造する技術が望まれてい
る。
度、靭性等の特性の著しい向上に伴い、セラミックスを
より多面的に利用する傾向がみられる。このような需要
に従い、信頼性の高い高強度、高機能、高靭性セラミッ
クスを安全、かつ、安価に製造する技術が望まれてい
る。
【０００３】セラミックスの破壊靭性値を高めるための
一つの手段としては、ウイスカをマトリックス中に分散
することが行われている。例えば、窒化ケイ素は１００
０℃を超す高温においても高い強度を示し軽量で、耐食
性、耐摩耗性および熱衝撃性に優れた材料として知られ
ている。このような窒化ケイ素マトリックス中にウイス
カを分散させたウイスカ分散セラミックスは、モノリシ
ックセラミックスに比べ、靭性、硬度、摩耗特性に優れ
ていることが知られている〔窯業協会誌、９４、第５５
〜５９頁（１９８６）〕。
一つの手段としては、ウイスカをマトリックス中に分散
することが行われている。例えば、窒化ケイ素は１００
０℃を超す高温においても高い強度を示し軽量で、耐食
性、耐摩耗性および熱衝撃性に優れた材料として知られ
ている。このような窒化ケイ素マトリックス中にウイス
カを分散させたウイスカ分散セラミックスは、モノリシ
ックセラミックスに比べ、靭性、硬度、摩耗特性に優れ
ていることが知られている〔窯業協会誌、９４、第５５
〜５９頁（１９８６）〕。
【０００４】ウイスカ分散セラミックスは、通常、セラ
ミックス粉末とウイスカを機械的に均一に混合し、その
成形体を焼結する方法（特開平３−２０５３７８号公
報、特開平１−２０３２６０号公報）、セラミックス粉
末とウイスカを含むスラリーをドクターブレードにより
シート化したグリーンシートを複数枚積層して焼結する
方法（特開平３−２９０３６８）等がある。
ミックス粉末とウイスカを機械的に均一に混合し、その
成形体を焼結する方法（特開平３−２０５３７８号公
報、特開平１−２０３２６０号公報）、セラミックス粉
末とウイスカを含むスラリーをドクターブレードにより
シート化したグリーンシートを複数枚積層して焼結する
方法（特開平３−２９０３６８）等がある。
【０００５】また、セラミックス粉末にカーボン粉末、
金属触媒、および、塩化物またはフッ化物を添加した混
合粉末を、熱処理することで形成されるウイスカが分散
されたセラミックス粉末（金属触媒等を除去した粉末）
の成形体を焼結する方法（山田ら、ジャーナルオブ・マ
テリアル・リサーチ、１９８８年、第３巻、第３号、第
５３８〜５４４頁）等がある。
金属触媒、および、塩化物またはフッ化物を添加した混
合粉末を、熱処理することで形成されるウイスカが分散
されたセラミックス粉末（金属触媒等を除去した粉末）
の成形体を焼結する方法（山田ら、ジャーナルオブ・マ
テリアル・リサーチ、１９８８年、第３巻、第３号、第
５３８〜５４４頁）等がある。
【０００６】さらにまた、窒化ケイ素粉末にウイスカ生
成材として、ＳｉまたはＳｉを含む無機化合物、Ｓｉを
含む有機化合物、非晶質の窒化ケイ素粉末、ＳｉＯ2＋
カーボン等と金属触媒を添加し、窒素含有雰囲気中，１
４００〜１６５０℃で熱処理することにより、窒化ケイ
素ウイスカが分散された窒化ケイ素の製法が特開昭５９
−５４６７８号公報および特開昭５９−５４６７９号公
報に記載されている。
成材として、ＳｉまたはＳｉを含む無機化合物、Ｓｉを
含む有機化合物、非晶質の窒化ケイ素粉末、ＳｉＯ2＋
カーボン等と金属触媒を添加し、窒素含有雰囲気中，１
４００〜１６５０℃で熱処理することにより、窒化ケイ
素ウイスカが分散された窒化ケイ素の製法が特開昭５９
−５４６７８号公報および特開昭５９−５４６７９号公
報に記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ウイスカは一般に高価
なものであり、また、ウイスカとセラミックス粉末は大
きさも形状も異なるため、両者を均一に混合することは
一般に困難である。また、機械的混合はウイスカに欠陥
が生じたり破損する場合があり、実際に機械的混合法に
よるウイスカ複合セラミックスは、その靭性が向上しな
かったと云う報告も多数見られる。従って、ウイスカに
損傷を与えず均一にマトリックス中に分散させる方法が
望まれていた。
なものであり、また、ウイスカとセラミックス粉末は大
きさも形状も異なるため、両者を均一に混合することは
一般に困難である。また、機械的混合はウイスカに欠陥
が生じたり破損する場合があり、実際に機械的混合法に
よるウイスカ複合セラミックスは、その靭性が向上しな
かったと云う報告も多数見られる。従って、ウイスカに
損傷を与えず均一にマトリックス中に分散させる方法が
望まれていた。
【０００８】上記課題を解決すべく、セラミックスプロ
セッシングにてウイスカを生成させる方法については様
々な公知例があるが、未だ完全な方法は確立されていな
い。
セッシングにてウイスカを生成させる方法については様
々な公知例があるが、未だ完全な方法は確立されていな
い。
【０００９】例えば、セラミックス粉末にカーボン粉
末、金属触媒、および、塩化物またはフッ化物を添加し
た混合粉末により得られるウイスカ分散セラミックス粉
末を使用する際には、粉末中に残留した金属触媒等を除
去する工程が必要であり、その除去工程で約半分のウイ
スカが分解、消失してしまう。
末、金属触媒、および、塩化物またはフッ化物を添加し
た混合粉末により得られるウイスカ分散セラミックス粉
末を使用する際には、粉末中に残留した金属触媒等を除
去する工程が必要であり、その除去工程で約半分のウイ
スカが分解、消失してしまう。
【００１０】また窒化ケイ素にウイスカ生成材を添加し
て熱処理する方法は、マトリックス材料である窒化ケイ
素とウイスカ生成材は反応せず、ウイスカ生成材がそれ
自身でウイスカに変態することにより、ウイスカ複合セ
ラミックスを得るものである。しかし、この方法ではウ
イスカ生成材からのウイスカの生成率が低く、また、ウ
イスカ生成材と窒化ケイ素との反応による溶融Ｓｉが局
所的に残留したり、Ｓｉ2Ｎ2ＯやＳｉＣの粒子が生成す
る場合があり、これらはいずれも焼結体の欠陥となる可
能性がある。
て熱処理する方法は、マトリックス材料である窒化ケイ
素とウイスカ生成材は反応せず、ウイスカ生成材がそれ
自身でウイスカに変態することにより、ウイスカ複合セ
ラミックスを得るものである。しかし、この方法ではウ
イスカ生成材からのウイスカの生成率が低く、また、ウ
イスカ生成材と窒化ケイ素との反応による溶融Ｓｉが局
所的に残留したり、Ｓｉ2Ｎ2ＯやＳｉＣの粒子が生成す
る場合があり、これらはいずれも焼結体の欠陥となる可
能性がある。
【００１１】上記のように、従来方法で作製されたウイ
スカ複合セラミックスは、高強度と高靭性を両立したも
のは得られなかった。
スカ複合セラミックスは、高強度と高靭性を両立したも
のは得られなかった。
【００１２】本発明の目的は、高強度、かつ、高靭性の
ウイスカ複合セラミックスを提供することにある。
ウイスカ複合セラミックスを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、ウイスカ
複合化による機械的強度の低下を避け、また、金属触媒
等を用いずにウイスカ複合セラミックスを得る方法につ
いて検討し、本発明に至った。本発明の要旨は次のとお
りである。
複合化による機械的強度の低下を避け、また、金属触媒
等を用いずにウイスカ複合セラミックスを得る方法につ
いて検討し、本発明に至った。本発明の要旨は次のとお
りである。
【００１４】（１） セラミックス粉末とカーボン質物
質とを用いたウイスカ複合セラミックスの原料であるウ
イスカ複合セラミックス粉末の製法であって、 前記セラ
ミックス粉末としてＳｉ 3 Ｎ 4 ，Ａｌ 2 Ｏ 3 またはＴｉＯ 2
を用い、これと金属等の触媒を含まないカーボン質物質
とを混合し、 前記セラミックス粉末がＳｉ 3 Ｎ 4 の場合に
は、窒素を含まない不活性ガス雰囲気中で熱処理して炭
化物ウイスカを形成し、 前記セラミックス粉末がＡｌ 2
Ｏ 3 の場合には、窒素含有不活性ガス雰囲気中で熱処理
して窒化物ウイスカを形成し、 前記セラミックス粉末が
ＴｉＯ 2 の場合には、窒素を含まない不活性ガス雰囲気
中または窒素含有不活性ガス雰囲気中で熱処理して炭化
物ウイスカまたは窒化物ウイスカをそれぞれ形成するこ
とを特徴とするウイスカ複合セラミックス粉末の製法に
ある。
質とを用いたウイスカ複合セラミックスの原料であるウ
イスカ複合セラミックス粉末の製法であって、 前記セラ
ミックス粉末としてＳｉ 3 Ｎ 4 ，Ａｌ 2 Ｏ 3 またはＴｉＯ 2
を用い、これと金属等の触媒を含まないカーボン質物質
とを混合し、 前記セラミックス粉末がＳｉ 3 Ｎ 4 の場合に
は、窒素を含まない不活性ガス雰囲気中で熱処理して炭
化物ウイスカを形成し、 前記セラミックス粉末がＡｌ 2
Ｏ 3 の場合には、窒素含有不活性ガス雰囲気中で熱処理
して窒化物ウイスカを形成し、 前記セラミックス粉末が
ＴｉＯ 2 の場合には、窒素を含まない不活性ガス雰囲気
中または窒素含有不活性ガス雰囲気中で熱処理して炭化
物ウイスカまたは窒化物ウイスカをそれぞれ形成するこ
とを特徴とするウイスカ複合セラミックス粉末の製法に
ある。
【００１５】（２） 前記熱処理時の不活性ガス雰囲気
の圧力が０.１〜１９８ＭＰａであり、前記熱処理時の
温度が前記セラミックス粉末がＳｉ 3 Ｎ 4 では１５００〜
２０００℃、Ａｌ 2 Ｏ 3 では１８００〜２２００℃、Ｔｉ
Ｏ 2 では１４００〜１８００℃である前記のウイスカ複
合セラミックス粉末の製法にある。
の圧力が０.１〜１９８ＭＰａであり、前記熱処理時の
温度が前記セラミックス粉末がＳｉ 3 Ｎ 4 では１５００〜
２０００℃、Ａｌ 2 Ｏ 3 では１８００〜２２００℃、Ｔｉ
Ｏ 2 では１４００〜１８００℃である前記のウイスカ複
合セラミックス粉末の製法にある。
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】（３） 前記ウイスカの含有量が５〜３０
体積％となるよう前記カーボン質物質の添加量、不活性
ガス雰囲気の圧力、および、熱処理時の温度，時間を調
節する前記のウイスカ複合セラミックス粉末の製法にあ
る。
体積％となるよう前記カーボン質物質の添加量、不活性
ガス雰囲気の圧力、および、熱処理時の温度，時間を調
節する前記のウイスカ複合セラミックス粉末の製法にあ
る。
【００２０】（４） 前記ウイスカ複合セラミックス粉
末を加圧焼結することを特徴とするウイスカ複合セラミ
ックス焼結体の製法にある。
末を加圧焼結することを特徴とするウイスカ複合セラミ
ックス焼結体の製法にある。
【００２１】
【発明の実施の形態】機械的混合法を用いないウイスカ
複合セラミックス粉末（以下、ウイスカ複合粉末と云
う）としては、カーボン質物質を添加したセラミックス
粉末を熱処理し、熱処理中にセラミックス粉末の一部ま
たは全部が反応することによって得られる。セラミック
ス粉末中の生成ウイスカは５〜３０体積％が望ましい。
複合セラミックス粉末（以下、ウイスカ複合粉末と云
う）としては、カーボン質物質を添加したセラミックス
粉末を熱処理し、熱処理中にセラミックス粉末の一部ま
たは全部が反応することによって得られる。セラミック
ス粉末中の生成ウイスカは５〜３０体積％が望ましい。
【００２２】なお、上記原料とするセラミックス粉末に
は金属等の触媒を含まず、カーボン質物質の添加量も３
０重量％以下が望ましい。また、本発明のウイスカ複合
粉末を用いることにより、セラミックス粉末とウイスカ
の機械的な混合工程や、ウイスカ分散セラミックス粉末
からの触媒の除去工程を必要としないので、原料粉末の
製造コストを下げることができる。
は金属等の触媒を含まず、カーボン質物質の添加量も３
０重量％以下が望ましい。また、本発明のウイスカ複合
粉末を用いることにより、セラミックス粉末とウイスカ
の機械的な混合工程や、ウイスカ分散セラミックス粉末
からの触媒の除去工程を必要としないので、原料粉末の
製造コストを下げることができる。
【００２３】前記セラミックス粉末を、窒素を含まない
不活性ガス雰囲気中０.１〜１９８ＭＰａの圧力で熱処
理することにより、セラミックス粉末中に炭化物ウイス
カを均一に分散生成させることができる。
不活性ガス雰囲気中０.１〜１９８ＭＰａの圧力で熱処
理することにより、セラミックス粉末中に炭化物ウイス
カを均一に分散生成させることができる。
【００２４】上記炭化物ウイスカは、セラミックス粉末
がＳｉ3Ｎ4の場合は１５００〜１８００℃で、また、Ｔ
ｉＯ2の場合は１４００〜１７００℃の温度条件で熱処
理することが望ましい。
がＳｉ3Ｎ4の場合は１５００〜１８００℃で、また、Ｔ
ｉＯ2の場合は１４００〜１７００℃の温度条件で熱処
理することが望ましい。
【００２５】また、前記セラミックス粉末を、窒素含有
雰囲気中０.１〜１９８ＭＰａの圧力で熱処理すること
により、セラミックス粉末中に窒化物ウイスカを均一に
分散生成させることができる。
雰囲気中０.１〜１９８ＭＰａの圧力で熱処理すること
により、セラミックス粉末中に窒化物ウイスカを均一に
分散生成させることができる。
【００２６】上記窒化物ウイスカは、セラミックス粉末
がＡｌ2Ｏ3の場合は１８００〜２２００℃で、ＴｉＯ2
の場合は１４００〜１７００℃の温度条件で熱処理する
ことが望ましい。
がＡｌ2Ｏ3の場合は１８００〜２２００℃で、ＴｉＯ2
の場合は１４００〜１７００℃の温度条件で熱処理する
ことが望ましい。
【００２７】上記の温度よりも低温度で熱処理した場
合、ウイスカの原料となるウイスカ構成元素含有ガスの
平衡蒸気圧が低いためにウイスカが生成せず、また、上
記温度よりも高温度で熱処理した場合は、ウイスカ構成
元素含有ガスの平衡蒸気圧が高くなりすぎ、セラミック
ス粉末が融解する場合もあって、ウイスカが生成しな
い。
合、ウイスカの原料となるウイスカ構成元素含有ガスの
平衡蒸気圧が低いためにウイスカが生成せず、また、上
記温度よりも高温度で熱処理した場合は、ウイスカ構成
元素含有ガスの平衡蒸気圧が高くなりすぎ、セラミック
ス粉末が融解する場合もあって、ウイスカが生成しな
い。
【００２８】なお、本発明におけるウイスカ複合粉末中
のウイスカ生成量は、カーボン質物質の添加量を調節す
ることにより制御が可能であるが、高強度と高靭性を満
足するためには、ウイスカの生成量は５〜３０体積％に
することが望ましい。
のウイスカ生成量は、カーボン質物質の添加量を調節す
ることにより制御が可能であるが、高強度と高靭性を満
足するためには、ウイスカの生成量は５〜３０体積％に
することが望ましい。
【００２９】また、生成ウイスカの直径および長さは、
雰囲気圧力、熱処理温度および時間を調節することによ
り制御が可能である。
雰囲気圧力、熱処理温度および時間を調節することによ
り制御が可能である。
【００３０】図１は本発明の製法により製造したウイス
カ複合粉末の模式図である。セラミックス粉末とカーボ
ン質物質の混合粉末を熱処理することにより、セラミッ
クス粉末１中にウイスカ２がｉｎ−ｓｉｔｕ生成してい
る様子を示す。機械的な混合工程を経ていないため、生
成されたウイスカ２には欠陥等がほとんど無い。
カ複合粉末の模式図である。セラミックス粉末とカーボ
ン質物質の混合粉末を熱処理することにより、セラミッ
クス粉末１中にウイスカ２がｉｎ−ｓｉｔｕ生成してい
る様子を示す。機械的な混合工程を経ていないため、生
成されたウイスカ２には欠陥等がほとんど無い。
【００３１】このようなウイスカ複合粉末を用いること
により高強度、高靭性のウイスカ複合セラミックスを得
ることができる。
により高強度、高靭性のウイスカ複合セラミックスを得
ることができる。
【００３２】本発明の製法は以下に述べる現象に基づい
たものであり、従来の方法とは区別される。即ち、従来
方法は、マトリックス粉末は未反応の状態で、ウイスカ
生成材のみがウイスカに変態するものである。しかし、
一般に反応してウイスカとなる原料を熱処理しても、そ
の全てがウイスカにはならず、ウイスカと微粒子の混合
物となる。これはウイスカ生成反応が一般に気相反応で
あるため、ウイスカと同組成の微粒子の生成が必ず伴
う。このため純粋なウイスカの製造プロセスでは、ウイ
スカのみを選別するための様々な工夫がなされており、
また、原料からのウイスカの収率を高めるために金属触
媒等を添加する方法もある。
たものであり、従来の方法とは区別される。即ち、従来
方法は、マトリックス粉末は未反応の状態で、ウイスカ
生成材のみがウイスカに変態するものである。しかし、
一般に反応してウイスカとなる原料を熱処理しても、そ
の全てがウイスカにはならず、ウイスカと微粒子の混合
物となる。これはウイスカ生成反応が一般に気相反応で
あるため、ウイスカと同組成の微粒子の生成が必ず伴
う。このため純粋なウイスカの製造プロセスでは、ウイ
スカのみを選別するための様々な工夫がなされており、
また、原料からのウイスカの収率を高めるために金属触
媒等を添加する方法もある。
【００３３】ところがウイスカ生成過程の副産物として
生成するウイスカと同組成の微粒子は、セラミックス焼
結体のマトリックスを構成する材料に適している場合が
多い。
生成するウイスカと同組成の微粒子は、セラミックス焼
結体のマトリックスを構成する材料に適している場合が
多い。
【００３４】本発明では、マトリックス粉末の一部また
は全部を積極的に反応させることにより、ウイスカ複合
セラミックスを得るものである。また、一方、雰囲気の
圧力を高めることにより、ウイスカの原料となるガスの
平衡分圧も高くなり、ウイスカ生成温度を従来よりも高
めることができる。その結果、ウイスカ生成反応時間は
短縮され、ウイスカをより長く成長させることができ
る。本発明はこうした物理現象を巧みに利用したもので
ある。
は全部を積極的に反応させることにより、ウイスカ複合
セラミックスを得るものである。また、一方、雰囲気の
圧力を高めることにより、ウイスカの原料となるガスの
平衡分圧も高くなり、ウイスカ生成温度を従来よりも高
めることができる。その結果、ウイスカ生成反応時間は
短縮され、ウイスカをより長く成長させることができ
る。本発明はこうした物理現象を巧みに利用したもので
ある。
【００３５】本発明のウイスカ複合セラミックス粉末を
焼結することで得られるウイスカ複合セラミックスは、
例えば、火力発電用バーナディフューザ、金属工業用溶
融金属輸送パイプ、切削工具、耐摩耗工具等の材料とし
て好適である。
焼結することで得られるウイスカ複合セラミックスは、
例えば、火力発電用バーナディフューザ、金属工業用溶
融金属輸送パイプ、切削工具、耐摩耗工具等の材料とし
て好適である。
【００３６】
【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
る。
る。
【００３７】〔実施例 １〕純度９９.９９％のＳｉ3Ｎ
4粉末と純度９９.９９％のカーボンブラックをモル比で
１：１の割合で混合し、これをグラファイト製のボート
に入れ、グラファイトヒータを用いた焼結炉に入れた。
炉内を０.１ＭＰａのアルゴンで充填し、昇温速度１０
℃／ｍｉｎで１６００℃まで昇温し、１６００℃で２ｈ
保持後、炉冷した。
4粉末と純度９９.９９％のカーボンブラックをモル比で
１：１の割合で混合し、これをグラファイト製のボート
に入れ、グラファイトヒータを用いた焼結炉に入れた。
炉内を０.１ＭＰａのアルゴンで充填し、昇温速度１０
℃／ｍｉｎで１６００℃まで昇温し、１６００℃で２ｈ
保持後、炉冷した。
【００３８】冷却後の混合粉末を分析した結果、組成は
Ｓｉ3Ｎ4＋ＳｉＣであり、Ｓｉ3Ｎ4粉末中に直径０.３
〜０.６μｍφ×長さ２０〜３０μｍ程度のＳｉＣウイ
スカが均一に生成していた。なお、上記と同様の方法で
温度のみ１４００℃で熱処理した試料中には、ウイスカ
の生成は確認されなかった。
Ｓｉ3Ｎ4＋ＳｉＣであり、Ｓｉ3Ｎ4粉末中に直径０.３
〜０.６μｍφ×長さ２０〜３０μｍ程度のＳｉＣウイ
スカが均一に生成していた。なお、上記と同様の方法で
温度のみ１４００℃で熱処理した試料中には、ウイスカ
の生成は確認されなかった。
【００３９】その他の圧力条件に関しても同様の方法で
検討し、その結果を表１の試料番号１，２，３で示し
た。
検討し、その結果を表１の試料番号１，２，３で示し
た。
【００４０】本発明の有効性を確認するため、試料番号
１のＳｉ3Ｎ4＋１０ｖｏｌ％ＳｉＣウイスカ、および、
これと同じ比率でＳｉ3Ｎ4＋１０ｖｏｌ％ＳｉＣウイス
カをポットミルにて２４時間機械的に混合した試料のホ
ットプレス焼結体（０.１ＭＰａ，Ｎ2中，１７５０℃，
５０ＭＰａ加圧条件で１時間保持）の４点曲げ強度およ
び破壊靭性値を比較した。
１のＳｉ3Ｎ4＋１０ｖｏｌ％ＳｉＣウイスカ、および、
これと同じ比率でＳｉ3Ｎ4＋１０ｖｏｌ％ＳｉＣウイス
カをポットミルにて２４時間機械的に混合した試料のホ
ットプレス焼結体（０.１ＭＰａ，Ｎ2中，１７５０℃，
５０ＭＰａ加圧条件で１時間保持）の４点曲げ強度およ
び破壊靭性値を比較した。
【００４１】Ｓｉ3Ｎ4＋１０ｖｏｌ％ＳｉＣウイスカを
機械的混合により得られた後者の試料の４点曲げ強度、
破壊靭性値はそれぞれ６６０ＭＰａ、５.５ＭＰａ√ｍ
であるのに対し、本実施例により得られた前者の試料で
は、それぞれ６８０ＭＰａ、７.０ＭＰａ√ｍであっ
た。
機械的混合により得られた後者の試料の４点曲げ強度、
破壊靭性値はそれぞれ６６０ＭＰａ、５.５ＭＰａ√ｍ
であるのに対し、本実施例により得られた前者の試料で
は、それぞれ６８０ＭＰａ、７.０ＭＰａ√ｍであっ
た。
【００４２】上記の各試料の研磨面のＳＥＭ像を観察し
た結果、機械的混合による試料に分散されているウイス
カは、端部が破損しているものが多く、破損部分にボイ
ドの存在するものが多かった。
た結果、機械的混合による試料に分散されているウイス
カは、端部が破損しているものが多く、破損部分にボイ
ドの存在するものが多かった。
【００４３】このボイド部分が破壊起点の一つと考えら
れるが、本発明のウイスカ形成方法は、こうした破壊起
点の生ずるのを防ぐ効果的な方法であることが分かっ
た。
れるが、本発明のウイスカ形成方法は、こうした破壊起
点の生ずるのを防ぐ効果的な方法であることが分かっ
た。
【００４４】また、純度９９.９９％のＳｉ3Ｎ4粉末と
純度９９.９９％のカーボンブラックをモル比で１：３
の割合で混合し、上記と同様の条件で焼結炉に入れた。
炉内を０.１ＭＰａのアルゴンで充填し、昇温速度１０
℃／ｍｉｎで１７５０℃まで昇温し、１７５０℃で２ｈ
保持後、炉冷した。
純度９９.９９％のカーボンブラックをモル比で１：３
の割合で混合し、上記と同様の条件で焼結炉に入れた。
炉内を０.１ＭＰａのアルゴンで充填し、昇温速度１０
℃／ｍｉｎで１７５０℃まで昇温し、１７５０℃で２ｈ
保持後、炉冷した。
【００４５】冷却後の混合粉末を分析した結果、組成は
すべてＳｉＣであり、ＳｉＣ粉末中に直径１〜１.５μ
ｍφ×長さ８０〜１２０μｍ程度のＳｉＣウイスカが均
一に生成していた。
すべてＳｉＣであり、ＳｉＣ粉末中に直径１〜１.５μ
ｍφ×長さ８０〜１２０μｍ程度のＳｉＣウイスカが均
一に生成していた。
【００４６】前記と同様に表１の試料番号３に記載のＳ
ｉＣ＋３０ｖｏｌ％ＳｉＣウイスカのホットプレス焼結
体と、同組成で機械的混合によるＳｉＣ＋３０ｖｏｌ％
ＳｉＣのホットプレス焼結体の４点曲げ強度および破壊
靭性値を比較した。
ｉＣ＋３０ｖｏｌ％ＳｉＣウイスカのホットプレス焼結
体と、同組成で機械的混合によるＳｉＣ＋３０ｖｏｌ％
ＳｉＣのホットプレス焼結体の４点曲げ強度および破壊
靭性値を比較した。
【００４７】その結果、前者の本発明品の強度および靭
性はそれぞれ５５０ＭＰａ、６.５ＭＰａ√ｍであり、
後者の機械的混合によるものはそれぞれ５５０ＭＰａ、
５.８ＭＰａ√ｍであった。
性はそれぞれ５５０ＭＰａ、６.５ＭＰａ√ｍであり、
後者の機械的混合によるものはそれぞれ５５０ＭＰａ、
５.８ＭＰａ√ｍであった。
【００４８】上記試料の研磨面をＳＥＭ観察した結果は
前記と同様に、機械的混合した試料のウイスカ端部には
破損が観察され、同時にボイドも確認された。
前記と同様に、機械的混合した試料のウイスカ端部には
破損が観察され、同時にボイドも確認された。
【００４９】このようにして、Ｓｉ3Ｎ4＋Ｃ混合粉末を
様々な温度、窒素分圧条件で熱処理した場合の試料中に
ＳｉＣウイスカが生成する条件をまとめ図２に示す。
様々な温度、窒素分圧条件で熱処理した場合の試料中に
ＳｉＣウイスカが生成する条件をまとめ図２に示す。
【００５０】図２において、縦軸はウイスカ生成反応に
関する過飽和度（ｌｏｇΣ）、横軸に熱処理温度（Ｔ／
℃）をとり、曲線は雰囲気の窒素分圧で、ウイスカが生
成した条件には黒○印を、生成しなかった条件には×印
を示す。
関する過飽和度（ｌｏｇΣ）、横軸に熱処理温度（Ｔ／
℃）をとり、曲線は雰囲気の窒素分圧で、ウイスカが生
成した条件には黒○印を、生成しなかった条件には×印
を示す。
【００５１】ここで過飽和度とは、ウイスカ原料ガスの
実際の分圧と平衡分圧の比であり、その値が１より大き
い場合は、系に存在するウイスカ原料ガスが非平衡に過
剰に存在することを意味する。この考え方は、ＳｉＣ以
外のウイスカに関しても適用ができ、以下の実施例にそ
の結果を示す。
実際の分圧と平衡分圧の比であり、その値が１より大き
い場合は、系に存在するウイスカ原料ガスが非平衡に過
剰に存在することを意味する。この考え方は、ＳｉＣ以
外のウイスカに関しても適用ができ、以下の実施例にそ
の結果を示す。
【００５２】〔実施例 ２〕純度９９.９９％のＡｌ2Ｏ
3粉末およびカーボンブラックをモル比１：２で混合
し、グラファイト製るつぼに入れ、グラファイトヒータ
を用いた熱間等方加圧装置に入れた。炉内を９.８ＭＰ
ａの窒素で充填し、昇温速度１０℃／ｍｉｎで１８００
℃まで昇温し、１８００℃で２ｈ保持後、炉冷した。
3粉末およびカーボンブラックをモル比１：２で混合
し、グラファイト製るつぼに入れ、グラファイトヒータ
を用いた熱間等方加圧装置に入れた。炉内を９.８ＭＰ
ａの窒素で充填し、昇温速度１０℃／ｍｉｎで１８００
℃まで昇温し、１８００℃で２ｈ保持後、炉冷した。
【００５３】冷却後の粉末を分析した結果、組成はＡｌ
Ｎであり、ＡｌＮ粉末中に直径０.３〜０.５μｍφ×長
さ３０〜５０μｍ程度のＡｌＮウイスカが均一に生成し
ていた。
Ｎであり、ＡｌＮ粉末中に直径０.３〜０.５μｍφ×長
さ３０〜５０μｍ程度のＡｌＮウイスカが均一に生成し
ていた。
【００５４】同様の方法で、１６００℃で熱処理した試
料中には、ウイスカの生成は確認されなかった。その他
の圧力条件に関しても同様の方法で検討し、その結果を
表１に試料番号６，７に示した。
料中には、ウイスカの生成は確認されなかった。その他
の圧力条件に関しても同様の方法で検討し、その結果を
表１に試料番号６，７に示した。
【００５５】〔実施例 ３〕実施例２と同様に、純度９
９.９９％のＴｉＯ2およびカーボンブラックをモル比
１：１で混合し、熱間等方加圧装置に入れた。炉内を窒
素で充填し、昇温速度１０℃／ｍｉｎで１６００℃まで
昇温し、窒素圧力７８ＭＰａ下、１６００℃で２ｈ保持
後、炉冷した。
９.９９％のＴｉＯ2およびカーボンブラックをモル比
１：１で混合し、熱間等方加圧装置に入れた。炉内を窒
素で充填し、昇温速度１０℃／ｍｉｎで１６００℃まで
昇温し、窒素圧力７８ＭＰａ下、１６００℃で２ｈ保持
後、炉冷した。
【００５６】冷却後の粉末を分析した結果、組成はＴｉ
Ｎであり、ＴｉＮ粉末中に直径０.３〜０.５μｍφ×長
さ１０〜２０μｍ程度のＴｉＮウイスカが均一に生成し
ていた。
Ｎであり、ＴｉＮ粉末中に直径０.３〜０.５μｍφ×長
さ１０〜２０μｍ程度のＴｉＮウイスカが均一に生成し
ていた。
【００５７】熱処理温度を１８００℃まで上昇した場
合、試料中にウイスカの生成は確認されなかった。ま
た、同混合粉末に対して、同様の熱処理を０.１ＭＰａ
のＡｒ雰囲気中、１６００℃で行った場合には、試料中
に直径０.１〜０.５μｍφ×長さ２０〜３０μｍのＴｉ
Ｃウイスカが均一に生成していた。その他の圧力条件に
関しても同様の方法で検討した結果を表１の試料番号
８，９，１０に示した。
合、試料中にウイスカの生成は確認されなかった。ま
た、同混合粉末に対して、同様の熱処理を０.１ＭＰａ
のＡｒ雰囲気中、１６００℃で行った場合には、試料中
に直径０.１〜０.５μｍφ×長さ２０〜３０μｍのＴｉ
Ｃウイスカが均一に生成していた。その他の圧力条件に
関しても同様の方法で検討した結果を表１の試料番号
８，９，１０に示した。
【００５８】
【表１】
【００５９】〔実施例 ４〕実施例１と同様に、純度９
９.９９％のＳｉ3Ｎ4粉末と純度９９.９９％のカーボン
ブラックをモル比で１：３、３：１および３：２の割合
でそれぞれ混合した混合粉末を、グラファイト製ボート
に入れ、グラファイトヒータを用いた焼結炉に入れ、ア
ルゴン雰囲気中で熱処理を行った。熱処理温度、圧力お
よび保持時間を調節することにより生成するウイスカの
量、直径、長さを比較した。
９.９９％のＳｉ3Ｎ4粉末と純度９９.９９％のカーボン
ブラックをモル比で１：３、３：１および３：２の割合
でそれぞれ混合した混合粉末を、グラファイト製ボート
に入れ、グラファイトヒータを用いた焼結炉に入れ、ア
ルゴン雰囲気中で熱処理を行った。熱処理温度、圧力お
よび保持時間を調節することにより生成するウイスカの
量、直径、長さを比較した。
【００６０】熱処理後の混合粉末をＳＥＭにより観察
し、生成ウイスカの直径、長さを測定し、その平均値を
表２に示す。
し、生成ウイスカの直径、長さを測定し、その平均値を
表２に示す。
【００６１】本実施例により、カーボンブラックの添加
量と生成ウイスカ量が対応することが分かった。また、
系の圧力を高めることによりウイスカ原料ガスの平衡分
圧が高くでき、それに伴い従来よりも高温でウイスカ生
成反応を進行させることができた。その結果、粉末中に
おいてもウイスカを太く、長く成長させることができる
ことが分かった。
量と生成ウイスカ量が対応することが分かった。また、
系の圧力を高めることによりウイスカ原料ガスの平衡分
圧が高くでき、それに伴い従来よりも高温でウイスカ生
成反応を進行させることができた。その結果、粉末中に
おいてもウイスカを太く、長く成長させることができる
ことが分かった。
【００６２】
【表２】
【００６３】〔実施例 ５〕実施例１で得られた試料番
号１に記載のＳｉＣウイスカ分散Ｓｉ3Ｎ4粉末に、５重
量％のＡｌ2Ｏ3および５重量％のＹ2Ｏ3を添加し、らい
かい機にて混合しながらＰＶＢ（ポリビニルブチラー
ル）のエタノール溶液を添加（ＰＶＢ添加量１重量％）
して、混合粉末の成形性を高めた後、混合粉末を直径６
０ｍｍ×厚さ１０ｍｍに成形し、１ＭＰａの窒素中１７
５０℃、圧力条件５０ＭＰａにてホットプレスを行っ
た。
号１に記載のＳｉＣウイスカ分散Ｓｉ3Ｎ4粉末に、５重
量％のＡｌ2Ｏ3および５重量％のＹ2Ｏ3を添加し、らい
かい機にて混合しながらＰＶＢ（ポリビニルブチラー
ル）のエタノール溶液を添加（ＰＶＢ添加量１重量％）
して、混合粉末の成形性を高めた後、混合粉末を直径６
０ｍｍ×厚さ１０ｍｍに成形し、１ＭＰａの窒素中１７
５０℃、圧力条件５０ＭＰａにてホットプレスを行っ
た。
【００６４】得られた焼結体の相対密度は９７％、抗折
強度９８０ＭＰａ、破壊靭性１０.５ＭＰａ／√ｍ、ビ
ッカース硬度１６.５ＧＰａであり、耐熱部材や切削工
具に適する特性を有することが分かった。
強度９８０ＭＰａ、破壊靭性１０.５ＭＰａ／√ｍ、ビ
ッカース硬度１６.５ＧＰａであり、耐熱部材や切削工
具に適する特性を有することが分かった。
【００６５】得られた焼結体をＪＩＳＢ４１２１に記載
の四角形Ｇ級穴なしネガティブチップＳＮＧＮ４３２の
形状に加工し、次の条件で切削テストを行い、フレーキ
ングの有無およびフランク摩耗幅を評価した。
の四角形Ｇ級穴なしネガティブチップＳＮＧＮ４３２の
形状に加工し、次の条件で切削テストを行い、フレーキ
ングの有無およびフランク摩耗幅を評価した。
【００６６】 被削材 ：インコネル７１８ 切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ 送り ：０.３５ｍｍ／ｒｅｖ 切込み ：１.０ｍｍ その結果フレーキングは認められず、またフランク摩耗
幅は０.３３ｍｍであり、該焼結体が切削工具に適して
いることが分かった。
幅は０.３３ｍｍであり、該焼結体が切削工具に適して
いることが分かった。
【００６７】〔実施例 ６〕実施例５に記載のホットプ
レス焼結体をＪＩＳの曲げ試験片に準じ、断面形状が３
ｍｍ×４ｍｍの長方形で、長さ６０ｍｍの角柱に加圧成
形した。試験片の両端を試料ホルダで固定した後、高温
耐久性試験装置に組み込んだ。
レス焼結体をＪＩＳの曲げ試験片に準じ、断面形状が３
ｍｍ×４ｍｍの長方形で、長さ６０ｍｍの角柱に加圧成
形した。試験片の両端を試料ホルダで固定した後、高温
耐久性試験装置に組み込んだ。
【００６８】試験装置上流部から供給されるＬＰＧ燃料
を燃焼空気と共に燃焼させ、平均ガス温度１５００℃、
最高ガス温度１５３０℃、絶対圧力０.１６〜０.１７Ｍ
Ｐａ、酸素濃度約８％、平均ガス流速１５０ｍ／ｓの条
件で試験片に燃焼ガスを導く曝露試験を行った。
を燃焼空気と共に燃焼させ、平均ガス温度１５００℃、
最高ガス温度１５３０℃、絶対圧力０.１６〜０.１７Ｍ
Ｐａ、酸素濃度約８％、平均ガス流速１５０ｍ／ｓの条
件で試験片に燃焼ガスを導く曝露試験を行った。
【００６９】上記の曝露試験を最高１０００時間まで行
った結果、試料の側面方向幅は約３０μｍ増加、重量は
約１２０ｍｇ減少、抗折強度は７５０ＭＰａにまで低下
したものの、実用上さしつかえのない程度で、本発明品
は耐熱部材に適していることが分かった。
った結果、試料の側面方向幅は約３０μｍ増加、重量は
約１２０ｍｇ減少、抗折強度は７５０ＭＰａにまで低下
したものの、実用上さしつかえのない程度で、本発明品
は耐熱部材に適していることが分かった。
【００７０】
【発明の効果】本発明のウイスカ複合セラミックス粉末
は、含まれるウイスカに欠陥が無く、従って、該粉末を
用いたウイスカ複合セラミックスは高強度、高靭性の両
特性を満足できるものであった。これにより、優れた特
性の切削工具や耐熱部材を提供することができる。
は、含まれるウイスカに欠陥が無く、従って、該粉末を
用いたウイスカ複合セラミックスは高強度、高靭性の両
特性を満足できるものであった。これにより、優れた特
性の切削工具や耐熱部材を提供することができる。
【図１】ウイスカ複合粉末の模式図である。
【図２】熱処理条件とＳｉＣウイスカの生成の関係を示
すグラフである。
すグラフである。
１…セラミックス粉末、２…ウイスカ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安富 義幸 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社日立製作所 日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−107861（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−190752（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−182254（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C04B 35/80
Claims (4)
- 【請求項１】 セラミックス粉末とカーボン質物質とを
用いたウイスカ複合セラミックスの原料であるウイスカ
複合セラミックス粉末の製法であって、 前記セラミックス粉末としてＳｉ 3 Ｎ 4 ，Ａｌ 2 Ｏ 3 または
ＴｉＯ 2 を用い、これと 金属等の触媒を含まないカーボ
ン質物質とを混合し、 前記セラミックス粉末がＳｉ 3 Ｎ 4 の場合には、窒素を含
まない不活性ガス雰囲気中で熱処理して炭化物ウイスカ
を形成し、 前記セラミックス粉末がＡｌ 2 Ｏ 3 の場合には、窒素含有
不活性ガス雰囲気中で熱処理して窒化物ウイスカを形成
し、 前記セラミックス粉末がＴｉＯ 2 の場合には、 窒素を含
まない不活性ガス雰囲気中または窒素含有不活性ガス雰
囲気中で熱処理して炭化物ウイスカまたは窒化物ウイス
カをそれぞれ形成することを特徴とするウイスカ複合セ
ラミックス粉末の製法。 - 【請求項２】 前記熱処理時の不活性ガス雰囲気の圧力
が０.１〜１９８ＭＰａであり、前記熱処理時の温度が
前記セラミックス粉末がＳｉ 3 Ｎ 4 では１５００〜２００
０℃、Ａｌ 2 Ｏ 3 では１８００〜２２００℃、ＴｉＯ 2 で
は１４００〜１８００℃である請求項１に記載のウイス
カ複合セラミックス粉末の製法。 - 【請求項３】 前記ウイスカの含有量が５〜３０体積％
となるよう前記カーボン質物質の添加量、不活性ガス雰
囲気の圧力、および、熱処理時の温度，時間を調節する
請求項１または２に記載のウイスカ複合セラミックス粉
末の製法。 - 【請求項４】 請求項１，２または３に記載のウイスカ
複合セラミックス粉末を加圧焼結することを特徴とする
ウイスカ複合セラミックス焼結体の製法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10095580A JP2978469B2 (ja) | 1998-04-08 | 1998-04-08 | ウイスカ複合セラミックス粉末の製法およびその焼結体の製法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10095580A JP2978469B2 (ja) | 1998-04-08 | 1998-04-08 | ウイスカ複合セラミックス粉末の製法およびその焼結体の製法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11292644A JPH11292644A (ja) | 1999-10-26 |
| JP2978469B2 true JP2978469B2 (ja) | 1999-11-15 |
Family
ID=14141541
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10095580A Expired - Fee Related JP2978469B2 (ja) | 1998-04-08 | 1998-04-08 | ウイスカ複合セラミックス粉末の製法およびその焼結体の製法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2978469B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105060922A (zh) * | 2015-08-14 | 2015-11-18 | 福建紫荆环境工程技术有限公司 | 添加锆铝陶瓷短纤维生产蜂窝陶瓷蓄热体的配方和工艺 |
-
1998
- 1998-04-08 JP JP10095580A patent/JP2978469B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11292644A (ja) | 1999-10-26 |
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