JP3607945B2 - 高強度ホウ化ジルコニウム−炭化ケイ素複合体の反応合成 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度ホウ化ジルコニウム−炭化ケイ素複合体の反応合成に関するものであり、更に詳しくは、Zr、SiとB4 Cの化学反応を利用して、微細なSiCがZrB2 のマトリックスに分散した、緻密で均質な組織を有し、その場反応により、優れた強度、耐腐食性、かつ耐摩耗性を有する新規なZrB2 −SiC複合材料を反応合成する方法に関するものであり、特に、耐熱材料、耐腐食材料あるいは耐摩耗材料等として多くの用途に使用できる材料を提供するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、金属ホウ化物を含有するセラミックスは、高融点であり、硬度、強度等に優れるとともに、溶融金属に対する一定の耐食性も備えるところから、例えば、切削工具、高温構造部材等に適用することが種々検討されている。更に、金属ホウ化物を含有するセラミックスは、その性質を改善すれば、使用範囲が一層広がるものと期待される。
【0003】
従来、上記金属ホウ化物を含有するセラミックスとして、二ホウ化ジルコニウム(以下ZrB2 と記載する)を採用したセラミックスが公知であり、例えば、特開昭61−72687号、特開昭61−21980号、特開平5−319936号、等の各公報に開示されるようなSiC、B4 C、TiC等の炭化物を副成分として含有するZrB2 系セラミックスや、あるいは特開昭61−48484号、特開昭61−63573号、等の各公報に開示されるようなTiN、BN等の窒化物を副成分として含有するZrB2 系セラミックスがある。
【0004】
しかるに、元来、ZrB2 複合材料は、既に合成したZrB2 とSiCの粉末を機械的方法で混合して、ホットプレスなどで製造されている。しかしながら、微粒のZrB2 粉末は、製造が困難であり、価格が高いと言う欠点がある。また、上記特開昭61−72687号、特開昭61−21980号公報に開示されたような炭化物を含有するZrB2 系セラミックスは、高硬度、高強度の特性を有するものの、例えば、金属鋳造用部材のような恒常的に苛酷な条件下で使用される部材に適用しようとする場合には、耐食性、耐熱衝撃性等が不充分であるという問題がある。
【0005】
また、BNを含有する材料では、耐食性や耐熱衝撃性が向上するが、硬度や強度の不足が認められ、不適当である。更に、ZrB2 、SiC、B4 C、BN等の非酸化物は、自己拡散係数が非常に小さく、難焼結性であるために、例えば、高温でホットプレス法により焼結させたとしても、緻密な焼結体を得ることが難しく、強度、耐熱衝撃性、耐食性等が劣るものとなり、金属鋳造用部材としてはもとより、高温構造材料としてもふさわしくないという問題がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、上記問題を解消するとともに、優れた強度、耐腐食性、かつ耐磨耗性を有する新しいZrB2−SiC複合材料を製造する新しい技術を開発することを目標として鋭意研究を行い、Zr、SiとB4 Cの化学反応を利用したその場反応により、上記ZrB2 −SiC複合材料を反応合成できるとの知見を得て、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、その場反応により、非常に微細なSiC粒子を微細なZrB2 のマトリックスに分散し、且つ緻密で均質な組織を有する強度、耐食性、耐熱衝撃性等に優れたZrB2 −SiC複合材料を製造し、提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、以下の手段を採用する。
即ち、本発明は、微細なSiC粒子がZrB2 のマトリックスに分散した、緻密で均質な組織を有する高強度ZrB2 −SiC複合材料を製造する方法であって、Zr、SiとB4 Cの化学反応を利用して、Zr粉末、Si粉末、B 4 C粉末から、それらの混合粉末を成形、焼結して緻密化することによりZrB 2 −SiC複合材料を製造することを特徴とするZrB2 −SiC複合材料の製造方法、である。
また、本発明は、上記のZr、SiとB4 Cの化学反応を利用すると同時に、反応に基づく化学量論組成の反応物添加量を、Zr63〜72%、Si9〜12%とB4 C18〜26%の範囲で変化させることを特徴とする上記ZrB 2 −SiC複合材料の製造方法、また、上記のZr、SiとB4 Cの化学反応を利用すると同時に、ZrB2 あるいはSiCの粉末を別に添加することにより、相組成を任意に調整することを特徴とする上記ZrB2 −SiC複合材料の製造方法、更に、上記方法において、焼結を1700℃から2100℃までのホットプレスで行うことを特徴とする上記ZrB2 −SiC複合材料の製造方法、を好ましい実施の態様としている。
【0008】
本発明について、更に詳細に説明すると、本発明では、次の化学反応;
2Zr + Si + B4 C = 2ZrB2 + 3SiC
に基づいて、ZrB2 とSiCの粒子から成るZrB2 −SiC複合材料を製造する。
上記化学反応における原料配合は、Zr63〜72%、Si9〜12%とB4C18〜26%の範囲で変化させることができる。
計算した相組成は、ZrB2 74.85vol%、 SiC 25.15vol%、である。機械的特性の優れた複合材料を得るには、以上の反応に基づく化学量論組成の近くに反応物の添加量を調整することが好ましい。上記化学反応により、微細なSiC粒子が微細なZrB2 のマトリックスに分散した、緻密で均質な組織を有する高強度ZrB2 −SiC複合材料を作製することができる。
【0009】
また、上記反応物に、SiC粉末あるいはZrB2 粉末を別に添加することにより、任意な相組成を有するZrB2 −SiCコンポジットを製造することができる。更に、この場合、その場反応で合成された微細、且つ焼結に活性的なSiCとZrB2 は、直接添加したSiC粉末あるいはZrB2 粉末の焼結及び緻密化を著しく促進する作用がある。それにより、緻密で均質な組織を有し、優れた強度を有する焼結体を作製することが可能となる。
【0010】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例
本実施例では、Zr、SiとB4 Cの化学反応を利用し(表1のA1〜A4)、また、ZrB2 あるいはSiC粉末を別に添加し(表1のA5〜A6)、ZrB2 −SiC複合体を反応合成した。
Zr粉末(粒径43ミクロン)、Si粉末(粒径10ミクロン)、B4 C(平均粒径1ミクロン)を下記の表1に示す原料組成の割合で配合した原料粉末とし、この混合物を1950℃、1時間でホットプレスした。その結果、気孔のない、緻密な材料が得られた。その機械的特性を測定した結果、例えば、3点曲げ強度623MPa 、破壊靭性値4.5MPam1/2 の値を得た。この実施例を表1のA3に示す。また、その他の実施例を表1のA1〜A2、A4〜A6に示す。
【0011】
比較例
比較例として、表1にT1、T2とT3を示す。ZrB2 (平均粒径5ミクロン)とSiC(平均粒径0.63ミクロン)の混合粉末のホットプレス焼結体は、3点曲げ強度350MPaであり(T1)、実施例と比較して著しく低い。
【0012】
【表1】
【0013】
上記の表1から明らかなように、本発明の実施例で作製した焼結体は、比較例の焼結体よりも、緻密、高密度で均質な組織を有し、且つ高い曲げ強度及び破壊靱性を有する高強度のものであることがわかった。本発明において、その原料配合は、前述の範囲で適宜変化させることが可能であり、ここで示した実施例の配合に限定されるものではない。
【0014】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明は、微細なSiC粒子がZrB2 のマトリックスに分散した、緻密で均質な組織を有する高強度ZrB2 −SiC複合材料を製造する方法であって、Zr、SiとB4 Cの化学反応を利用して、それらの混合粉末を成形、焼結して緻密化することを特徴とするZrB2 −SiC複合材料の製造方法に係るものであり、本発明により、1)緻密で均質な組織を有し、優れた強度を有する高強度ZrB2 −SiC複合材料を簡単なプロセス及び低コストで製造することができる、2)機械特性、耐食性、耐熱衝撃性等に優れたZrB2 −SiC複合材料を簡単なプロセッシングのその場反応で製造し、提供することができる、3)本発明の焼結体は、低価格で製造することができ、緻密で均質な組織を有し、強度特性に優れ、鋼鉄とガラス工業用部材、対磨耗材、高温構造部材として有用である、4)また、機械加工性が良好であり、複雑な形状の部品に容易に加工し得るものである、という格別の効果が奏される。
Claims (4)
- 微細なSiC粒子がZrB2 のマトリックスに分散した、緻密で均質な組織を有する高強度ZrB2 −SiC複合材料を製造する方法であって、Zr、SiとB4 Cの化学反応を利用して、Zr粉末、Si粉末、B 4 C粉末から、それらの混合粉末を成形、焼結して緻密化することによりZrB 2 −SiC複合材料を製造することを特徴とするZrB2 −SiC複合材料の製造方法。
- 上記Zr、SiとB 4 Cの化学反応を利用すると同時に、反応に基づく化学量論組成の反応物添加量を、Zr63〜72%、Si9〜12%とB4 C18〜26%の範囲で変化させることを特徴とする請求項1に記載のZrB2 −SiC複合材料の製造方法。
- 上記Zr、SiとB4 Cの化学反応を利用すると同時に、ZrB 2 あるいはSiCの粉末を別に添加することにより、相組成を任意に調整することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のZrB2 −SiC複合材料の製造方法。
- 焼結を1700℃から2100℃までのホットプレスで行うことを特徴とする請求項1、請求項2又は請求項3に記載のZrB2 −SiC複合材料の製造方法。
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