JP5674602B2 - 炭化珪素焼結体の製造方法および炭化珪素焼結体 - Google Patents

Description

本発明は、２個以上の炭化珪素成形体を基にして得られる一体化された炭化珪素焼結体の製造方法および炭化珪素焼結体に関する。

従来、炭化珪素焼結体の中空構造品、複雑形状品、長尺品等を製造するために、炭化珪素焼結体同士を接合する方法が知られている。そのような方法のうち一般的なものとして、Ｓｉ金属やガラス等を接合材として用いる方法がある。しかし、このようにして得られた生成物は、接合材が母材と異なるため、その炭化珪素固有の特性が損なわれる。例えば、生成物について、強度の低下、ヤング率の低下、電気特性の導通不良が生じる。

また、接合界面に中間層を有する焼結体同士を直接接合する方法も知られている。非特許文献１には、焼結体の接合界面に、接合の中間層として、炭化珪素粉末に、ホウ素およびＡｌを添加した混合粉末を用いて、ホットプレスにより接合する方法が開示されている。しかし、このような方法では、高温での処理や接合面の高精度加工が必要である。また、ホットプレスを用いるためには形状に制約があり、汎用性が低く、コストも嵩んでしまう。

また、接合層を生じない接合方法として、焼結体同士を直接接合させる拡散接合等が試みられている。しかし、このような接合方法では、拡散が起こる高温での処理が必要となるため、接合面を高精度に加工しても未接合の空隙が残り易い。

特開昭５９−１０８８０１号公報

井関孝善、荒川健二、松崎浩、鈴木広茂、「炭化珪素焼結体のホットプレスによる接合」、The Ceramic Society of Japan、窯業協会、1983、91 [8]、p349-354

これに対し、炭化珪素の成形体を接合することで、最終的に炭化珪素の焼結体を得る方法が提案されている。例えば、特許文献１記載のラジアル型セラミックローターの製造方法では、翼部側成形体と軸部成形体とを密接するか、同材料のスラリー又はペースト状の接合剤を介在させて密接し、ＣＩＰ（冷間等方圧加圧法）で結合して接合一体化して焼成している。しかし、このような接合では、中間層が存在せず、成形体の接合面に空隙が残り易い。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、炭化珪素固有の特性を維持しつつ、容易に用途に応じた製造ができ、不良が生じ難い炭化珪素焼結体の製造方法および炭化珪素焼結体を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の炭化珪素焼結体の製造方法は、２個以上の炭化珪素成形体を基に一体化された炭化珪素焼結体の製造方法であって、炭化珪素成形体の間に、炭化珪素、炭化ホウ素、炭素および珪素の粒子が混合された接合中間層を挟む工程と、前記接合中間層が挟まれた炭化珪素成形体をＣＩＰで一体化する工程と、前記一体化された炭化珪素成形体を焼成する工程と、を含み、前記接合中間層は、炭化珪素１００重量部に対し、炭化ホウ素を０．２重量％以上０．６重量％以下、炭素を５重量％以上１５重量％以下、珪素を５重量％以上１０重量％以下の割合で含有し、０．０５ｍｍ以上０．５００ｍｍ以下の厚さを有するセラミックス混合粉末シートであることを特徴としている。

これにより、各部分で炭化珪素固有の特性を維持した中空構造品、複雑形状品、長尺品等に応用可能な炭化珪素焼結体を得ることができる。また、加工や処理の制約が少ないため、容易に用途に応じた製造ができる。また、生成物の接合面に空隙が残り難く、不良が生じ難い。接合中間層は、焼成時に炭素と珪素が反応焼結し炭化珪素化する。その結果、焼成後の接合中間層は母材と同等の特性を有する。接合中間層の厚さを０．０５ｍｍ以上とすることで、炭化珪素成形体の接合界面において、接合中間層がＣＩＰ時の変形に追従できる。また、接合中間層の厚さを０．５００ｍｍ以下とすることで、炭化珪素焼結体の接合界面の密度を均一化することができる。

（２）また、本発明の炭化珪素焼結体の製造方法は、炭化珪素、炭化ホウ素、炭素、珪素、溶媒、結合剤および分散剤を混合したスラリーをドクターブレードによりシート化することで、前記接合中間層を作製する工程を更に含むことを特徴としている。これにより、炭化珪素成形体の接合が容易になる。

（３）また、本発明の炭化珪素焼結体は、２個以上の炭化珪素成形体を基に一体化された炭化珪素焼結体であって、炭化珪素成形体の接合により生じた接合層に対してボンビング法によるＨｅリーク試験を行なったときのＨｅリーク量が１×１０^−７Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ以下であり、前記接合層の接合強度は、４００ＭＰａ以上であることを特徴としている。このように、炭化珪素焼結体は、母材部分と特性が同等の接合層を有しており、欠陥や密度の不均一等の無い接合層が形成されている。したがって、炭化珪素固有の特性を維持した中空構造品、複雑形状品、長尺品等に応用できる。

本発明によれば、各部分で炭化珪素固有の特性を維持した中空構造品、複雑形状品、長尺品等に応用可能な炭化珪素焼結体を得ることができる。また、加工や処理の制約が少ないため、容易に用途に応じた製造ができる。また、生成物の接合面に空隙が残り難く、不良が生じ難い。

以下に、本発明の実施の形態を説明する。

（炭化珪素焼結体の製造方法）
まず、炭化珪素成形体を作製する。炭化珪素成形体は、金型プレス成形、ＣＩＰ成形、鋳込み成形、射出成形等の方法により所望の形状に作製できる。また、炭化珪素成形体はいずれの方法による場合でも結合剤として働くバインダーを含んで形成されていることが望ましい。これにより、成形体と接合中間層として用いるセラミックス粉末との結合を強め、接合した成形体に対して生加工するのに十分な接合強度を維持させることができる。

次に、接合中間層を作製する。接合中間層として用いるセラミックス粉末は、炭化珪素１００重量部に対し、炭化ホウ素を０．２重量％以上０．６重量％以下、炭素を５重量％以上１５重量％以下、珪素を５重量％以上１０重量％以下添加したものである。これにより、接合中間層は、焼成時に炭素と珪素が反応焼結し炭化珪素化する。その結果、焼成後の接合中間層は母材と同等の特性を有する。

接合中間層は、炭化珪素、炭化ホウ素、炭素および珪素の粉末に溶媒、結合剤および分散剤を混合したスラリーをドクターブレードによりシート化することで、セラミックス混合粉末シートとして形成することが好ましい。これにより、炭化珪素成形体の接合が容易になる。

また、そのセラミックス混合粉末シートの厚さは、０．０５ｍｍ以上０．５００ｍｍ以下であることが好ましい。接合中間層の厚さを０．０５ｍｍ以上とすることで、炭化珪素成形体の接合界面において、接合中間層がＣＩＰ時の変形に追従できる。また、接合中間層の厚さを０．５００ｍｍ以下とすることで、炭化珪素焼結体の接合界面の密度を均一化することができる。

次に、接合しようとする炭化珪素成形体のそれぞれについて、接合界面で密着する形状に表面を加工する。接合中間層の追従性により表面の凹凸を吸収できるため、炭化珪素成形体の接合界面について高精度加工は不要である。そして、接合界面に接合中間層としてセラミックス混合粉末シートを挟み、ＣＩＰにより接合する。このときのＣＩＰは、９８ＭＰａ以上のＣＩＰ圧力で行なうことが好ましい。ＣＩＰ圧力を９８ＭＰａ以上とすることで、接合中間層であるセラミックス混合粉末シートが母材の炭化珪素成形体と同等の密度になり、接合界面の密度を均一化することができる。

ＣＩＰにより一体化された炭化珪素成形体は、炭化珪素が緻密化する焼成条件で焼成する。具体的には、アルゴン雰囲気において１９００℃以上２１００℃以下で焼成することが好ましい。以上に述べた方法で炭化珪素焼結体を製造することにより、炭化珪素の特性を維持した製品を安価で容易に作製できる。

（炭化珪素焼結体の特徴）
上記の方法で得られた炭化珪素焼結体は、炭化珪素成形体の接合により生じた接合層に対してボンビング法によるＨｅリーク試験を行なったときのＨｅリーク量が１×１０^−７Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ以下である。また、接合層の接合強度は、４００ＭＰａ以上である。このように、作製された炭化珪素焼結体は、母材部分と特性が同等の接合層を有しており、欠陥や密度の不均一等の無い接合層が形成されている。したがって、炭化珪素焼結体を炭化珪素固有の特性を維持した中空構造品、複雑形状品、長尺品等に応用できる。

炭化珪素成形体の原料を作製した。まず、炭化珪素粉末(平均粒径０．５μm)に、焼結助剤として炭化ホウ素を０．５重量％、炭素源としてコールタールを１０重量％添加し、溶媒として水を加えた。これにポリカルボン酸系の分散剤、ＰＶＡ系の結合剤を添加して混合し、スプレードライにより造粒し、水分量０．５質量％の炭化珪素顆粒を得た。そして、この炭化珪素顆粒を用いて１００ｍｍ×１００ｍｍ×３０ｍｍのサイズに成形したものを２個作製した。作製した成形体のうち、一方には、φ２０ｍｍの貫通穴を生加工により設けた。

次に、炭化珪素粉末１００重量部に対し、炭化ホウ素を０．５重量％、炭素源としてコールタールを１〜２０重量％、珪素を１〜１５重量％添加し、溶媒として水を加えた。これにポリカルボン酸系の分散剤、ＰＶＡ系の結合剤を添加し、ボールミルにより混合してスラリーを得た。得られたスラリーを用いて、ドクターブレードにより、厚さ０．０４〜０．６０ｍｍの接合中間層として用いるセラミックス粉末シートを作製した。

次に、炭化珪素成形体の１００ｍｍ×１００ｍｍ面に、セラミックス混合粉末シートを接合中間層として載せ、その上にもう一つのφ２０ｍｍの貫通穴を設けた炭化珪素成形体を載せた後、ＣＩＰにより１４７ＭＰａの圧力で接合し一体化した。一体化した炭化珪素成形体を、大気中５００℃×６時間で脱脂を行い、アルゴン雰囲気において２０００℃×３時間の条件で焼成し、炭化珪素焼結体を得た。

得られた炭化珪素焼結体を評価するため、これに対しボンビング法によるＨｅリーク試験を行なった。また、炭化珪素焼結体を３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍに加工し、接合層を中心とした４点曲げ試験により接合強度を測定した。表１は、炭化珪素焼結体の作製条件および試験結果を示している。

本発明の実施例であるＮｏ.２、３、５〜８、１２、１３、１６〜１８の試料（太枠）については、Ｈｅリーク量が１×１０^−７Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ以下であり、十分な気密性を有していることを確認できた。また、これらの試料は、炭化珪素無垢体とほぼ同等の接合強度を有していることを確認できた。このように、実施例として母材と同等の特性の接合層を有する炭化珪素焼結体が得られた。その結果から、得られた炭化珪素焼結体の接合層には欠陥や密度の不均一等が無いことが分かった。

一方、比較例については、以下の通りであった。すなわち、Ｎｏ.１の試料の気密性は低く、その接合強度も低い値であった。これは、炭化ホウ素は炭化珪素の固相焼結による焼結助剤として機能するところ、接合中間層として用いるセラミックス粉末の炭化ホウ素量が少ないため、反応により生成した炭化珪素に十分な焼結性が得られず、緻密化しなかったためと考えられる。Ｎｏ.９の試料の気密性は低く、その接合強度も低い値であった。これは、接合中間層として用いるセラミックス粉末の炭化ホウ素量が余剰であり、接合中間層内で、炭化ホウ素そのものが残留しためと考えられる。

Ｎｏ.４の試料の気密性は低く、その接合強度も低い値であった。これは、接合中間層として用いるセラミックス粉末の炭素量が少ないため、珪素と反応する炭素源がなく、珪素そのものが残留したためと考えられる。Ｎｏ.１０の試料の気密性は低く、その接合強度も低い値であった。これは、接合中間層として用いるセラミックス粉末の珪素と反応する炭素量が余剰であり、残炭部が空隙となったためと考えられる。

Ｎｏ.１１の試料の気密性は低く、その接合強度も低い値であった。これは、接合中間層として用いるセラミックス粉末における珪素量が少ないため、接合中間層内で、炭化珪素の反応焼結による結合が不足したためと考えられる。Ｎｏ.１４の試料の気密性は低く、その接合強度も低い値であった。これは、接合中間層として用いるセラミックス粉末における珪素量が余剰であるため、接合中間層内で、珪素そのものが残留しためと考えられる。

Ｎｏ.１５の試料の気密性は低く、接合強度も低い値であった。これは、セラミックス粉末シートが薄かったため、接合界面に追従できず、空隙が発生したためと考えられる。Ｎｏ.１９の試料の気密性は低く、接合強度も低い値であった。これは、セラミックス粉末シートが厚かったため、接合層が緻密化できず、空隙が発生したためと考えられる。このように、比較例についてはいずれも問題が生じた。

Claims (3)

1. ２個以上の炭化珪素成形体を基に一体化された炭化珪素焼結体の製造方法であって、
   炭化珪素成形体の間に、炭化珪素、炭化ホウ素、炭素および珪素の粒子が混合された接合中間層を挟む工程と、
   前記接合中間層が挟まれた炭化珪素成形体をＣＩＰで一体化する工程と、
   前記一体化された炭化珪素成形体を焼成する工程と、を含み、
   前記接合中間層は、炭化珪素１００重量部に対し、炭化ホウ素を０．２重量％以上０．６重量％以下、炭素を５重量％以上１５重量％以下、珪素を５重量％以上１０重量％以下の割合で含有し、０．０５ｍｍ以上０．５００ｍｍ以下の厚さを有するセラミックス混合粉末シートであることを特徴とする炭化珪素焼結体の製造方法。
2. 炭化珪素、炭化ホウ素、炭素、珪素、溶媒、結合剤および分散剤を混合したスラリーをドクターブレードによりシート化することで、前記接合中間層を作製する工程を更に含むことを特徴とする請求項１記載の炭化珪素焼結体の製造方法。
3. ２個以上の炭化珪素成形体を基に一体化された炭化珪素焼結体であって、
   炭化珪素成形体の接合により生じた接合層に対してボンビング法によるＨｅリーク試験を行なったときのＨｅリーク量が１×１０^−７Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ以下であり、
   前記接合層の接合強度は、４００ＭＰａ以上であることを特徴とする炭化珪素焼結体。