JPH01502264A - 強化用フィラメント含有複合セラミック材及び該セラミック材の製造方法 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は強化用フィラメント顛（ウィスカー類）を複合した窒化珪素粉末を加圧 下で焼結することにより得られるセラミックに関する。

熱・機械的特性を有するセラミック材には軽量、高温での高機械強度、化学的不 活性、及び摩擦及び京粍に関する良好な挙動のような金属を上回る多数の利点が 存在することが知られている。

上述の強靭な実質上セラミック材単身からなるセラミック材の機械特性及び物理 的特性を更に増大するために、セラミック母材中に耐熱性補強用繊維類（ウィス カー類）を複合することが既に教示されている。

例えば、ケー・ウエノ（Ｋ　、Ｕ　ｅ＋＋ｏ）及びワイ・トイボナ（Ｙ　、Ｔｏ ｉｂｏｎａ）によるＪ　、ｏｆ　Ｃｅｒａｍ、ｓ　ｏｅ、Ｊ　ａ　ａｎ−１９１ ゜１１（１９８３年）、第４９１〜４９７頁の論文は炭化珪素繊維で補強された 窒化珪素粉末から造られたセラミック材を開示している。

しかし、焼結により前記セラミック材を得るための該粉末への上述のような強化 用繊維類の導入は下記のような多数の困難を引き起こす＝（ａ）強化用繊維は凝 集する傾向にあり、焼結される粉末中に強化用繊維を分散することが難しい：粉 末−繊維混合物は均質ではなく、結果として得られる強化セラミックス、及びそ の機械的及び物理的特性についても同様のことが当てはまる：更に、粉末中への ｌｌ維の分散の上述の困難さは前記混合物に間して高い密度を得ることを阻害し 、他方、相当の多孔度が存在する。

（ｂ）耐火性粉末の焼結は高温（上述の論文の場合には１８００℃）の適用を必 要とし、２種の影響をもつ＝（１）繊維の熱損傷はその機械的強度を損失し、そ れ故、もはや強化の役割を果たすことが°できない；（２）繊維と母材の間の界 面の化学的相互作用の増加は繊維と母材の間の凝固の方向に作用し、従って、セ ラミック材の機械的強度が低減する方向に作用する。

（ｃ）粉末の焼結は高圧（５０ＭＰａ程度の高圧）の適用を必要とし、これは焼 結中に強化用繊維の粉末粒子による粉砕及び／または破壊を生じ、機械的特性を 損失する。

本発明は上述°の欠点を克服し、特に高機械的強度をもつ焼結セラミック／セラ ミック複合材を製造することを目的とするものである。

該目的のために、本発明によれば、強化用繊維を複合した窒化珪素粉末を加圧下 で焼結することにより得られるセラミック材は、強化用フィラメントが長さ１０ 〜３００ミクロン及び直径約０．１〜０．５ミクロンをもつ炭化珪素及び／また は窒化珪素のウィスカーであり、粉末の粒度分布が強化用フィラメントの直径に 応じて０．１〜０．８ミクロンの間に包含されることにより特徴付けられる。

強化用フィラメントの重量（こよる割合は最高４０％が有利である。

更に、セラミック材は最高１０％の重量割合で密度を高めるための添加材を複合 することができる。

本発明によるセラミック材の有利な特性（上述に示す）を説明するために、以下 の好適な条件を使用するのが有利であると推測することができるニ ー第１に、強化用フィラメントは短い（３００ミクロン以下である）ために、前 記フィラメントの充分な分散を得ることが可能であり、それによって粉末−フィ ラメント混合物の良好な均質性を得ることが可能である０次に、混合は後に詳述 するような既知の手段により行なうことができるニ ー粉末の粒度が小さく（０，１〜０．８ミクロンの間）、フィラメントの直径と 一致するためにフィラメントは焼結圧力を適用する際に損傷を受けず、従ってフ ィラメントはその機械的特性を保持する； 一粉末の粒度が小さいために、焼結圧力の作用がより効率的であり、結果として この圧力は低下させることができる； 一同様に、粉末の粒度が小さいために、焼結温度を低下することができ、これは 強化用フィラメントの機械的特性の保持に関与する； 一比較的低い焼結温度と強化用フィラメントと窒化珪素の物理的及び化学的混和 性の組み合わせは界面での相互作用を制限することができる。

最高１０％の割合での密度を高めるための添加材の複合は焼結温度及び圧力を更 に低下させることができる。

本発明の他の面によれば、強化用フィラメントを複合した窒化珪素粉末を加圧下 で焼結することによりセラミック材を得るための方法は、窒化珪素粉末、炭化珪 素及び／または窒化珪素よりなる強化用フィラメント、及び少なくとも１種の密 度を高めるための添加材より緊密混合物を遺り、該強化用フィラメントが長さ１ ０〜３００ミクロン、直径約０．１〜０．５ミクロンをもち、前記粉末の粒度が 強化用フィラメントの直径に応じて０．１〜０．８ミクロンであり、次に、該混 合物を最高４０ＭＰａの圧力下で１５００〜１７５０℃の温度で焼結することを 特徴とするものである。

最高焼結温度及び圧力を約２時間にわたり維持することが有利である。焼結前に 、該混合物をフィルタープレス処理により濾過することが好適である。

添付図面は、本発明をいかにして行なうことができるのかを明確に示すものであ る。

第１図はフィルタープレス処理と呼称される技法を行なうための装置の概略図で ある。

第２図は焼結装置の概略図である。

第３図は種々のセラミック材の熱間破壊強度の曲線を示すものである。

強化用フィラメントを（最高４０重量％の割合で）対応すル粒［）’ｉｌ化珪素 粉末及Ｕ　Ｃｈ　０５Ａ１２０．、Ｍ、ＯｌＹ、０３、ＺｒＯ２または希土票金 属酸化物のような密度を高めるための添加材へ添加する。加圧下で焼結される材 料の密度を高めるための上述の添加材の割合は良く知られている０本発明の範囲 内においては、最高１０重量％、好適には約７重量％の割合の密度を高めるため の添加材が使用される。

該フィラメントの解凝集を促進し且つ可能な限り均質である粉末−フィラメント 混合物を得るために、粉末冶金学及び／または熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂の 使用のような種々の既知の技法を使用することができる。

、　窒化珪素粉末、高密度化用添加材及び強化用フィラメントは１種または２種 以上の分散剤を含有する水またはアルコールのような極性溶媒中で高速回転式機 械的分散機により混合することが好ましい０例えば、商標名ポリトロン（ＰＯＬ ＹＴＲＯＮ）の分散機を使用することができる。この分散機の高速回転（１５０ ００ｒｐｍ）は相当の衝撃及び乱流を遺り出し、それによってフィラメントと粉 末粒子特表平ｔ−５ｏ２２に４（３） の凝集体を消滅させる。上述のようにして得られたサスペンションを次に超音波 で処理して均質化することができ、次に、再度、機械的分散機により激しく混合 することができる０次に、液体を除去し且つ加圧下で焼結するために適応できる 濾過ケーキを供給するためにサスペンションを枦遇し、°乾燥する。上述の濾過 ケーキは例えば超音波でできる限り予備圧縮し、次に、焼結する。

サスペンションとして後で混合物をできるだけ早く濾過してウィスカーと粉末の 沈降を回避しなければならない。

一過はフィルタープレス処理技法と呼称される技法により行なうことができる。

混合後、サスペンションを装！（１）（第１図）へ注入し、該装置（１）の低端 部（２）は排出用溝（６）を備える磁器タイプのフィルター（３）を備え、フラ ンジ（７）により保持されている上端部は圧力発生器（図示せず）へ接続してい る。

適用される圧力Ｐは５バ一ル以上である。鋳型（５）中で回収される粉末−ウィ スカー混合物をオーブン乾燥する。

次に、焼結を行なうために、例えば第２図に示す装置（１０）を使用する。この 装置は例えば油圧−空気圧対向ピストン（１３）により支持されている支持体（ １２）上に設置された鋳型（１１）を備え、該鋳型（１１）は電気誘導加熱装置 （１５）により囲まれ、該鋳型（１１）内を摺動可能な前記油圧−空気圧対向ピ ストン（１３）と協（至）する油圧−空気圧ピストン（１４）が備えられている 。鋳型（１１）は内部グラファイトジャケット（１６）を備え、焼結される濾過 ケーキ（１７）は内部グラファイトジャケットの内側に設置される。油圧−空気 圧ピストン（１４）と油圧−空気圧対向ピストン（１３）間の圧力がグラファイ トペレット（１８）及び（１９）を介して濾過ケーキ（１７）へ適用される。

焼結装置中に濾過ケーキ（１７）を設置した後、電気誘導加熱袋！　（１５）を 制御し、それによって温度を約１２５０℃まで急速に昇温し、次に、１５００〜 １７５０℃の高原部温度まで温度を昇温させながら油圧−空気圧ピストン（１４ ）と油圧−空気圧対向ピストン（１３）を制御して圧力をＯから約４０　Ｍ　Ｐ 　ａへと変化させることが好都合である。４０ＭＰａの圧力と高原部温度を約２ 時間にわたり適用し、次に、濾過ケーキ（１７）から得られた焼結済試料を冷却 する。該冷却は自由な方法またはプログラムされた方法により行なわれる。

比較試験を行なうために、全て同じ操作条件下で第２図の装置で以下に記載する ような試料を製造するニー粒度約１モクロンの実質上窒化珪素粉末だけがらのセ ラミック材（強化用フィラメント不在、添加材含有）；−粒度約１ミクロンの窒 化珪素粉末と強化用ウィスカーとからのセラミック材； 一粒度約０．６ミクロンの窒化珪素粉末と強化用ウィスカーとからのセラミック 材。

後者２つの場合において、供試セラミック材は窒化珪素粉末７０％と長さ１０〜 ４０ミクロン、直径０．１〜０．５ミクロンの炭化珪素ウィスカー３０％からな る。

粒度約１ミクロンの窒化珪素粉末はＡ　ｌｘ　Ｏ３添加材（２％）及びＹ２Ｏ， 添加材（１，５％）を含有し、粒度的０．６ミクロンの窒化珪素粉末は４％マグ ネシウム酸化物（％割合は全組成物を基準として表示する）を含有する。

サスペンションの形成は０．１％の分散剤を使用して９６．２％のエタノール中 で行なわれる。

−過はフィルタープレス処理により行なわれ、焼結条件は上述の通りである。

の円盤形態である。該試料をダイアモンド装着工具により整形し且つ切断する１ 次に、機械的試験を行なうための４ｍｍＸ４＋５ｍＸ３０＋ｓｍの試験片を炭化 珪素紙上で研摩する。

第３図は前記試料について行なわれた熱間破壊試験の結果を示す曲線である０曲 ｍ！（２０）は上述の実質上セラミック材だけからなるセラミック材の挙動を、 曲線（２１）は粒度約１ミクロンの粉末から造られた強化用ウィスカー含有セラ ミック材の挙動を、曲！　（２２）は粒度的０．６ミクロンの粉末から遣られた 強化用ウィスカー含有セラミック材の挙動を示すものである。

複合セラミック材の破断強度はセラミック材単身のものよりも大きいことがまず 認められる。更に、全く予期せぬように、粒度約１ミクロンの粉末から造られた セラミック材より粒度的０．６ミクロンの粉末から造られたセラミック材につい て明確な改善が認められる。

この効果は粉末の粒子寸法が強化用ウィスカーの寸法によく合っていることから 得られるものと推測される。

更に、複合セラミックスは実質上セラミックス単身のものより２００〜３００℃ 高い温度に耐えるより良好な挙動が観察される０粒度約０．６ミクロンの粉末か ら遺られた複合セラミックスの場合において、該挙動は更に改善される。

更に、冷間試験は、セラミックス単身のものの破断強度より高く、粒度約１ミク ロンの粉末からなる複合セラミックスより粒度的０．６ミクロンの粉末を主体と する複合セラミックスの方が高いことを示し、個々の値はそれぞれ４５０　Ｍ　 Ｐ　ａ、６００　Ｍ　Ｐ　ａ及び７００　Ｍ　Ｐ　＊であることを記憶されたい 。

それ故、約０．６ミクロンの粒度は複合セラミックスの機械的強度に関する限り 特に臨界的であると思われる。

同じタイプの試料において行なわれた靭性試験は２種の供試複合セラミックスに ついてと同等の結果を示し、セラミックス単身のものよりかなり高い結果を示す 、事実、セラミックス単身からなるセラミックス材の靭性は５　Ｍ　Ｐ　ａ−ｍ ”’程度の靭性強度であるが、本発明によるセラミックスの靭性強度は１０ＭＰ ａ・−１７２程度である。

上述の条件下で、本発明によるセラミック材は高機械的強度、特に、高温での高 機械的強度のために例えばエンジン部材（ディーゼルエンジン、ターボエンジン 、プロペラ顕等）、発射体に対する遮蔽、摩擦部材、切断及び掘削工具等を製造 するための耐火性金属顕の１換物として使用することが特に適当である。

−門一− 特表千１−５０２２６４　（５）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．強化用フィラメントを複合した窒化珪素粉末の加圧下での焼結により得られ るセラミック材において、前記フィラメントが長さ１０〜３００ミクロン、直径 ０．１〜０．５ミクロンをもつ炭化珪素及び／または窒化珪素のウイスカーであ り、前記粉末の粒度が前記強化用フィラメントの直径に応じて０．１〜０．８ミ クロンの間であることを特徴とするセラミック材。 ２．強化用フィラメントの重量割合が最高４０％である請求項１記載のセラミッ ク材。 ３．高密度化用添加材を最高１０％の重量割合で複合する請求項１または２記載 のセラミック材。 ４．強化用フィラメントを複合した粉末を加圧下で焼結することによりセラミッ ク材を得るための方法において、窒化珪素粉末、炭化珪素及び／または窒化珪素 より造られた強化用フィラメント及び少なくとも１種の高密度化用添加材から緊 密混合物を造り、ここに強化用フィラメントが１０〜３００ミクロンの長さ及び ０．１〜０．５ミクロンの直径をもち、粉末の粒度が前記強化用フィラメントの 直径に応じて０．１〜０．８ミクロンの間であり、次に、前記混合物を１５００ 〜１７５０℃の間の温度で、最高４０ＭＰａの圧力下で焼結することを特徴とす る方法。 ５．最高焼結温度及び圧力を約２時間にわたり維持する請求項４記載の方法。 ６．混合物をフィルタープレス処理により濾過した後、焼結する請求項４または ５記載の方法。