JPH013068A - Manufacturing method of alumina-silica sintered body - Google Patents

Manufacturing method of alumina-silica sintered body

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JPH013068A
JPH013068A JP62-156688A JP15668887A JPH013068A JP H013068 A JPH013068 A JP H013068A JP 15668887 A JP15668887 A JP 15668887A JP H013068 A JPH013068 A JP H013068A
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JP
Japan
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sintered body
silica
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alumina
aluminum oxide
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浅海 順治
佐川 雅昭
上赤 日出人
山岸 千丈
菅 敏明
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日本セメント株式会社
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明(マ酸化アルミニウム等、シリカおよびウィスカ
ーの混合物を常圧焼結するか、または常圧焼結後、さら
にホットアイソスタチックプレス処理してつくる高強度
アルミナ・シリカ系焼結体の製造方法に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention (aluminium oxide, etc., a mixture of silica and whiskers is sintered under pressure, or after sintered under pressure and further subjected to hot isostatic press treatment). This invention relates to a method for producing high-strength alumina-silica-based sintered bodies.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

ムライト(3AJ203・25iOz )で代衣される
アルミナ・シリカ系酸化物は熱膨張係数が小さく、密度
が低く、耐クリープ特性が優れるなど多くの長所を有し
ているために、エンジニアリングセラミックス分野への
応用が盛んに研究されている。
The alumina-silica oxide substituted by mullite (3AJ203.25iOz) has many advantages such as a small coefficient of thermal expansion, low density, and excellent creep resistance, so it is being used in the field of engineering ceramics. Applications are being actively researched.

しかし、アルミナ幻シリカ系焼結体は強度が比較的低い
ため、原料に補強材を添加したり、あるいはホストプレ
ス焼結をしたりして、強度を改善する方法がいろいろと
工夫されている。
However, since the strength of alumina-based silica-based sintered bodies is relatively low, various methods have been devised to improve the strength, such as adding reinforcing materials to the raw materials or host press sintering.

たとえば、ムライト粉末にウィスカーまたはセラミック
ス繊維等を混ぜてスラリーをつくり、該スラリーを乾燥
し、加圧成形し、常圧焼結する方法、あるいは特開昭6
1−1974741こ見られるように、該スラリーを遠
心成形し、乾燥し、常圧焼結する方法などである。
For example, there is a method in which mullite powder is mixed with whiskers or ceramic fibers to make a slurry, the slurry is dried, pressure molded, and pressureless sintered, or
1-1974741, the method involves centrifugally molding the slurry, drying, and pressureless sintering.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

しかしながら、上記従来法でいかに高圧、あるいは遠心
力を大きくして原料混合物の圧密成形体をつくったとし
ても、その内部をミクロ的に見れば、圧力開放後には強
制的にねじ曲げられたウィスカーが復元する。そのため
ライト粒子とウィスカー間に空隙が生じ、ムライト粒子
間の接触面積が減少する。このような成形体は長時間常
圧焼結を行っても焼結体の空隙は完全に埋っておらす、
平均匙孔率が1.01%にも達する高いものである。そ
のため従来の改良製法によっても該焼結体の曲げ強度(
以下単に強度という)は15〜25 Kgf/1+!4
程度のものしか得られず、改善も十分でなかった。
However, no matter how high the pressure or centrifugal force is applied to create a compacted compact from the raw material mixture using the conventional method described above, if you look at the inside of the compact, you will notice that after the pressure is released, the forcibly twisted whiskers are restored. do. Therefore, voids are created between the light particles and the whiskers, and the contact area between the mullite particles is reduced. Even if such a compact is sintered under pressure for a long time, the voids in the sintered compact are completely filled.
The average porosity is as high as 1.01%. Therefore, the bending strength of the sintered body (
(hereinafter simply referred to as strength) is 15 to 25 Kgf/1+! 4
The improvement was not sufficient.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

そこで本発明者らは焼結体の強度を高くするには緻密な
焼結体にする必要から、ムライト原料が焼結工程で固相
反応してムライ゛トを生成するさい、生じる収縮現象に
着眼し、その収縮駆動力を利用すれば空隙が著しく減少
し、かつ高強度を発現することを見い出し、以下に述べ
る発明を完成した。
In order to increase the strength of the sintered body, the present inventors believe that it is necessary to make a dense sintered body. Focusing on this, they discovered that by utilizing the contraction driving force, voids can be significantly reduced and high strength can be developed, and the invention described below has been completed.

すなわち本発明の要旨は酸化アルミニウムおよび/また
は水酸化アルミニウム(両者をまとめて酸化アルミニウ
ム等という)をAlzOa換算で65〜75重量%およ
びシリカ粉末を25〜35重量%の配合物にウィスカー
を5〜15重量%(外割り)添加し、湿式混合してスラ
リーそっくり、乾燥し、加圧成形し、常圧焼結すること
によって、アルミナ・シリカ系焼結体を製造する力9六
(以下常圧法という)および前記常圧焼結によって得た
焼結体をさらにホットアイソスタチックプレス処理する
ことlこよってアルミナ・シリカ系焼結体を製造する方
法(以下HIP法という)を提供するものである。
That is, the gist of the present invention is to add whiskers to a mixture containing 65 to 75% by weight of aluminum oxide and/or aluminum hydroxide (both collectively referred to as aluminum oxide, etc.) in terms of AlzOa and 25 to 35% by weight of silica powder. 15% by weight (external) is added, mixed wet to resemble a slurry, dried, pressure molded, and sintered under normal pressure to produce an alumina-silica sintered body (hereinafter referred to as the normal pressure method). The present invention provides a method for producing an alumina-silica sintered body (hereinafter referred to as the HIP method) by further subjecting the sintered body obtained by the above-mentioned pressureless sintering to hot isostatic pressing. .

以下に本発明の詳細な説明する。The present invention will be explained in detail below.

本発明で使用される酸化アルミニウムζこは、γ−1δ
−1θ−1に一1α−アルミナなどがあり、水酸化アル
ミニウムにはギブサイト、バイヤライト、ボーキサイト
、ベーマイトなどがあり、それらの1種または2種以上
を適当に組み合わせて用いる。
The aluminum oxide ζ used in the present invention is γ-1δ
-1θ-1 includes -1α-alumina, and aluminum hydroxide includes gibbsite, bayerite, bauxite, boehmite, etc., and one or more of these are used in an appropriate combination.

酸化アルミニウム等の細かさはムライトの生成をしやす
く、かつ収縮量を大きくするために、できるだけ細かい
ものがよく、好ましくは平均粒子径が1μm以下である
In order to facilitate the formation of mullite and increase the amount of shrinkage, aluminum oxide or the like should be as fine as possible, preferably having an average particle diameter of 1 μm or less.

シリカ粉末は結晶質のもの、非晶質のもの、あるいは天
然産のもの、人工的に製造されたもの、いずれを用いて
もよいが、特にアエロジル法、アルコキシド法などによ
り人工的に製造された非晶質シリカが反応性が高いので
好ましい。
The silica powder may be crystalline, amorphous, naturally produced, or artificially produced, but especially silica powder produced artificially by the Aerosil method, alkoxide method, etc. Amorphous silica is preferred because it has high reactivity.

シリカ粉末は前記酸化アルミニウム等との反応をしやす
くするため、かつ後述の成形体を密実になるようにする
ためにできるだけ細かい粉末を用い、少なくとも平均粒
子径が0.1μm以下のものを用いるのが好ましい。
The silica powder should be as fine as possible, with an average particle diameter of at least 0.1 μm or less, in order to facilitate the reaction with the aluminum oxide, etc., and to make the molded product described later dense. is preferred.

ウィスカーは市販されているAlN、 Al2O3、B
、B4C1BN%MgO1SiC%Si3N4、Ti0
%Ti N。
Whiskers are commercially available AlN, Al2O3, B
, B4C1BN%MgO1SiC%Si3N4, Ti0
%TiN.

カーボン、グラファイト等いずれを採用してもよく、本
発明ではウィスカーの材質については特に限定しない。
Any material such as carbon or graphite may be used, and the material of the whisker is not particularly limited in the present invention.

また異材質のウィスカーの混合物を用いることもさしつ
かえない。
It is also possible to use a mixture of whiskers of different materials.

ウィスカーの長さはあまり長いものを用いると復元力が
大きくなり、成形体内に異常に大きな空隙が局部的にで
きたりして好ましくない場合も生じるので、200μm
以下程度の長さのものを使用するのが望ましい。またア
スペクト比もあまり小さすぎても、太きすぎても前記酸
化アルミニウム等とシリカとの反応を悪くするので好ま
しくなく、およそ5〜40の範囲Oこ入るウィスカーを
用いるのが望ましい。
If the length of the whisker is too long, the restoring force will become large and abnormally large voids may be formed locally within the molded object, which may be undesirable.
It is desirable to use one with the following length. Furthermore, if the aspect ratio is too small or too thick, the reaction between the aluminum oxide, etc. and the silica is undesirable, and it is desirable to use whiskers in the range of about 5 to 40.

酸化アルミニウム等とシリカとの配合割合は、酸化アル
ミニウム等がAl2O3換算で65〜75重量%に対し
、シリカ粉末を25〜35重量%である。酸化アルミニ
ウム等が65重量%未満では相対的にシリカの割合が多
い焼結体となるため、該焼結体は熱間(たとえば100
0°C)でのクリープが大きくなり、高温状態での使用
に制限を受けるために好ましくなく、また逆にAAhO
s換算量が75重量%を超えると常温強度が大幅に低下
するだけでなく、熱間強度が常温のときの約14以下に
低下するために好ましくない。好ましい配合割合は酸化
アルミニウム等がAdz034A’J−で68〜73重
量%、シリカが27〜32重量%である。
The blending ratio of aluminum oxide etc. and silica is 65-75% by weight of aluminum oxide etc. in terms of Al2O3 and 25-35% by weight of silica powder. If the content of aluminum oxide, etc. is less than 65% by weight, the sintered body will have a relatively high proportion of silica, so the sintered body will be heated (for example, 100% by weight).
0°C), which is undesirable because it limits its use in high temperature conditions, and conversely, AAhO
If the amount converted to s exceeds 75% by weight, not only the room temperature strength will be significantly lowered, but also the hot strength will be lowered to about 14 or less than that at room temperature, which is not preferable. The preferred blending ratio is 68 to 73% by weight of aluminum oxide etc. in Adz034A'J-, and 27 to 32% by weight of silica.

ウィスカーは酸化アルミニウム等とシリカとの配合物に
対して5〜15重量%混合される。
The whiskers are mixed in an amount of 5 to 15% by weight with respect to the mixture of aluminum oxide and the like and silica.

その混合割合が5重量%未満ではウィスカーを混合した
効果が現われず、強度の改善に到らないし、逆に15重
量%を超えると配合物の焼結性が低下し、緻密な焼結体
が製造できないので好ましくない。
If the mixing ratio is less than 5% by weight, the effect of whiskers will not be achieved and the strength will not be improved.On the other hand, if it exceeds 15% by weight, the sinterability of the mixture will decrease and a dense sintered body will not be produced. It is not preferred because it cannot be manufactured.

以上説明した酸化アルミニウム等、シリカおよびウィス
カーを所定量配合した配合物に水またはアルコールを添
加゛してホールミル、サンドミル等慣用の混合機に供給
し混合する。得られたスラリーは、たとえば噴霧乾燥法
等によって乾燥される。その乾燥混合物はメカニカルプ
レス法あるいは静水圧プレス法で所要圧を加えて成形さ
れる。
Water or alcohol is added to the above-described composition containing a predetermined amount of silica and whiskers such as aluminum oxide, and the mixture is fed to a conventional mixer such as a hole mill or a sand mill and mixed. The obtained slurry is dried, for example, by a spray drying method. The dry mixture is molded by applying a required pressure using a mechanical press method or an isostatic press method.

得られた成形体は5102とBNの混合粉末あるいはム
ライト粉末あるいは他の珪酸塩化合物あるいは使用した
ウィスカーと同材質の粉末の詰め粉で覆い、大気中ある
いは不活性雰囲気中、たとえばN2、Ar中1650〜
1750℃、0.5時間゛以上で焼結することによって
常圧焼結体が製造される。
The obtained compact is covered with a packing powder of a mixed powder of 5102 and BN, mullite powder, other silicate compound, or a powder of the same material as the whiskers used, and heated in air or an inert atmosphere, for example 1650 in N2 or Ar. ~
A pressureless sintered body is produced by sintering at 1750° C. for 0.5 hours or more.

この常圧焼結体はさらにムライト粉末あるいは他の珪酸
塩化合物粉末の詰め粉で覆い、真空中あるいはNル、A
rの不活性雰囲気中1500〜1800°c、 200
〜250 oKqf/cr&ノホットアイソスタチック
プレス処理すること番こより所望の焼結体が製造される
This pressureless sintered body is further covered with a filling powder of mullite powder or other silicate compound powder, and then
1500-1800 °C in an inert atmosphere at r, 200
~250 oKqf/cr & hot isostatic pressing to produce the desired sintered body.

次に実施例によって本発明を説明する。Next, the present invention will be explained by examples.

〔実施例〕〔Example〕

実施例1〜12、比較例1〜5 表1に示す酸化アルミニウム(α−A1203)、水酸
化アルミニウム(Al(OH) 3 ) 、シリカ(非
晶質〕およびSiCウィスカーの配合物と水とをポット
ミル(ライニング、媒体ともムライト製)に投入し、2
4時時間式混合し、スラリーをつくった。そのスラリー
を200℃のスプレードライヤで乾燥し、得られた混合
粉末を静水圧プレス法(1000に9/洲)により加圧
し、5×÷X O,6cM の成形体をつくった。
Examples 1 to 12, Comparative Examples 1 to 5 A mixture of aluminum oxide (α-A1203), aluminum hydroxide (Al(OH) 3 ), silica (amorphous), and SiC whiskers shown in Table 1 was mixed with water. Pour into a pot mill (both the lining and medium are made of mullite), and
A slurry was prepared by mixing for 4 hours. The slurry was dried in a spray dryer at 200° C., and the resulting mixed powder was pressed by a hydrostatic press method (9/1000) to form a molded body of 5×÷X O, 6 cM.

その成形体は常圧法およびHIP法で焼結体をつくり強
度および気孔率の測定を行った。
The compact was sintered using the normal pressure method and the HIP method, and its strength and porosity were measured.

イ)常圧法 各成形体の常圧焼結条件は酸化アルミニウムを用いた場
合と水酸化アルミニウムを用いた場合(ま成形体を5N
)2とBNの等全混合粉末の詰め粉で覆い、1740°
C,2時間N2雰囲気で焼結し、水酸化アルミニウムを
用いた場合は詰め粉をSiC粉末、雰囲気を大気にした
以外は酸化アルミニウムを用いた場合と同条件でそれぞ
れの成形体を常圧焼結した。
b) Normal pressure method The normal pressure sintering conditions for each compact are when aluminum oxide is used and when aluminum hydroxide is used (or when the compact is 5N
) 2 and BN, covered with a stuffing powder of equal total mixed powder and heated at 1740°
C. Sintered in N2 atmosphere for 2 hours, and when aluminum hydroxide was used, each compact was sintered under normal pressure under the same conditions as when aluminum oxide was used, except that the filling powder was SiC powder and the atmosphere was air. concluded.

また酸化アルミニウムと水酸化アルミニウムを併用した
実施例9については、酸化アルミニウムを単独で用いた
場合と同じ条件で成形体を常圧焼結した。
In addition, for Example 9 in which aluminum oxide and aluminum hydroxide were used in combination, the compact was sintered under normal pressure under the same conditions as in the case where aluminum oxide was used alone.

製造された各焼結体についてJIS几1601に従って
三点曲げ強度を、アルキメデス法に従って気孔率をそれ
ぞれ測定し、得た結果を衣1に併記した。
For each of the produced sintered bodies, the three-point bending strength was measured according to JIS 1601, and the porosity was measured according to the Archimedes method, and the obtained results were also recorded in Cloth 1.

口)  HIP法 実施例1.8、l0111および12の各配合物を上記
イ〕の常圧法に示した要領で常圧焼結体をつくったのち
、該焼結体をムライト粉末(詰め粉)で覆い、Ar雰囲
気中1650℃、1時間1900 Kqf/ai+の条
件でホットアイソスタチックプレス処理を行い、それぞ
れの焼結体を得た。
(1) HIP method Examples 1.8, 10111, and 12 were prepared into pressureless sintered bodies in the manner shown in the normal pressure method in (a) above, and then the sintered bodies were mixed with mullite powder (filling powder). A hot isostatic press treatment was performed under the conditions of 1650° C. and 1900 Kqf/ai+ for 1 hour in an Ar atmosphere to obtain each sintered body.

それらの焼結体を上記イ)で述べた方法に従って曲げ強
度および気孔率を測定し、得た結果を同表(こ併記した
The bending strength and porosity of these sintered bodies were measured according to the method described in (a) above, and the obtained results are also listed in the same table.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明はアルミナ−シリカ−ウィスカー系の焼結体を製
造するにあたり、焼結工程で原料の収縮を利用するよう
にしたため、従来法によって製造される焼結体に比して
空隙は極端に減少し、著しく高い強度を具備する焼結体
が製造できる。
In manufacturing an alumina-silica-whisker-based sintered body, the present invention utilizes the shrinkage of the raw material in the sintering process, so the voids are extremely reduced compared to sintered bodies manufactured by conventional methods. However, a sintered body with extremely high strength can be produced.

この焼結体をさらにホットアイソスタチックプレス処理
を行うとより高強度を具備する焼結体が製造できる。
If this sintered body is further subjected to hot isostatic pressing treatment, a sintered body with higher strength can be produced.

特許中願人 日本セメント株式会社Patent applicant: Nippon Cement Co., Ltd.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)酸化アルミニウムおよび/または水酸化アルミニ
ウムをAl_2O_3換算で65〜75重量%およびシ
リカ粉末を25〜35重量%の配合物に、ウィスカーを
5〜15重量%添加した混合物を成形し、常圧焼結する
ことを特徴とするアルミナ・シリカ系焼結体の製造方法
(1) A mixture of 65 to 75% by weight of aluminum oxide and/or aluminum hydroxide (calculated as Al_2O_3) and 25 to 35% by weight of silica powder, with the addition of 5 to 15% by weight of whiskers, is molded and molded under normal pressure. A method for producing an alumina-silica-based sintered body characterized by sintering.
(2)酸化アルミニウムおよび/または水酸化アルミニ
ウムをAl_2O_3換算で65〜75重量%およびシ
リカ粉末を25〜35重量%の配合物に、ウィスカーを
5〜15重量%添加した混合物を成形し、常圧焼結した
後、該焼結体をホットアイソスタチックプレス処理する
ことを特徴とするアルミナ・シリカ系焼結体の製造方法
(2) A mixture of 65 to 75% by weight of aluminum oxide and/or aluminum hydroxide (calculated as Al_2O_3) and 25 to 35% by weight of silica powder, with the addition of 5 to 15% by weight of whiskers, is molded and molded under normal pressure. A method for producing an alumina-silica sintered body, which comprises subjecting the sintered body to hot isostatic pressing after sintering.
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