JPH02212347A - Production of composite material and composition as starting material - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、酸化物、窒化物、窒酸化物のうちの少なくと
も1種のセラミックスをマトリックス(母相)とし、そ
の中に周期律表第IVa〜VIa族元素の炭化物あるい
は該炭化物に窒素や酸素を固溶したものが分散析出して
強化されてなるセラミックス複合材料を製造する方法お
よびその原料組成物に関するものである。Detailed Description of the Invention [Industrial Application Field] The present invention uses at least one type of ceramics selected from oxides, nitrides, and nitrides as a matrix (mother phase), and contains ceramics listed in the periodic table. The present invention relates to a method for producing a ceramic composite material strengthened by dispersion and precipitation of a carbide of a group IVa to VIa element or a solid solution of nitrogen or oxygen in the carbide, and a raw material composition thereof.
アルミナ、ムライト、サイアロン、窒化珪素等の酸化物
、窒酸化物、窒化物のセラミックスは代表的な構造用セ
ラミックスであり、硬度、強度、耐食性等に優れること
から、機械部品、工具、耐火物等広汎な用途に使用され
ている。これらの材料に周期律表の第IVa〜VIa族
元素の炭化物粒子を添加することにより、破壊靭性や硬
度を増加させることができる。例えば、アルミナを主成
分としたセラミックスのマトリックス中にTiC粒子を
配合した複合材料があり、これは切削用工具として優れ
た特性を有する(特公昭60−54266号)。また、
窒化珪素やサイアロンを主成分としたセラミックスのマ
トリックス中に第■a〜■a族元素の炭化物粒子を配合
した複合材料も開発されている(特公昭62−5347
5号)。Ceramics of oxides, nitrides, and nitrides such as alumina, mullite, sialon, and silicon nitride are typical structural ceramics, and because of their excellent hardness, strength, and corrosion resistance, they are used in mechanical parts, tools, refractories, etc. Used for a wide range of purposes. By adding carbide particles of elements from groups IVa to VIa of the periodic table to these materials, fracture toughness and hardness can be increased. For example, there is a composite material in which TiC particles are blended into a ceramic matrix mainly composed of alumina, which has excellent properties as a cutting tool (Japanese Patent Publication No. 54266/1983). Also,
Composite materials have also been developed in which carbide particles of group ■a to ■a elements are blended into a ceramic matrix mainly composed of silicon nitride or sialon (Japanese Patent Publication No. 62-5347).
No. 5).
これら複合材料の製造方法としては、いずれもアルミナ
等のマトリックス原料と、第IVa〜VIa族元素の炭
化物または該炭化物に窒素や酸素等の固溶したもの(炭
窒化物、炭酸化物等)と、必要に応じて添加した焼結助
剤とを混合して加圧焼結あるいは常圧焼結する方法であ
る。しかしながら、この製造方法では、以下のような欠
点がある。The manufacturing methods for these composite materials include a matrix raw material such as alumina, a carbide of a group IVa to VIa element, or a solid solution of nitrogen, oxygen, etc. in the carbide (carbonitride, carbonate, etc.); This is a method of mixing with a sintering aid added as necessary and performing pressure sintering or normal pressure sintering. However, this manufacturing method has the following drawbacks.
(1) 市販の第IVa〜VIa族元素の炭化物およ
び該炭化物に窒素や酸素等が固溶したもの(炭窒化物、
炭酸化物)粉末の粒子は、一般に粒径が大きく、10μ
mを越えるような粗大粒子も混じっている。(1) Commercially available carbides of Group IVa to VIa elements and carbides containing solid solutions of nitrogen, oxygen, etc. (carbonitrides,
The particles of powder (carbonate) generally have a large particle size, 10μ
Coarse particles exceeding m are also mixed in.
この金属元素の炭化物が複合材料中に分散すると、粗大
な粒子が破壊起点となりやすく、強度を低下させる原因
となる。When carbides of this metal element are dispersed in a composite material, coarse particles tend to become fracture starting points, causing a decrease in strength.
(2)近年、粉砕技術の発達と共に、平均粒径が1μm
を下回る微細な金属炭化物も入手できるようになったが
、やはり粗大な粒子は混入しており、かつこうした微粉
末は、高価であると共にFe等の不純物量が多く、かつ
、水との反応性が高い。(2) In recent years, with the development of crushing technology, the average particle size has increased to 1 μm.
It has become possible to obtain metal carbide finer than the above, but it still contains coarse particles, and these fine powders are expensive, contain a large amount of impurities such as Fe, and are highly reactive with water. is high.
このため、原料の混合時に混合媒体としての水を用いる
ことができず、粉末特性を一定に保つことが困難であり
、このような微細な金属炭化物を原料として用いた複合
材料は焼結体の特性のばらつきが大きくなる。For this reason, water cannot be used as a mixing medium when mixing raw materials, and it is difficult to maintain constant powder properties.Composite materials using such fine metal carbides as raw materials The variation in characteristics increases.
〔第1発明の説明〕
本第1発明(請求項(1)に記載の発明)は、上記従来
の技術の問題点に鑑みなされたものであり、特性が劣り
、取り扱いの難しい第1Va〜Vla族元素の炭化物あ
るいは該炭化物に窒素や酸素が固溶したものを原料とし
て使用せずに、これらの炭化物が分散したセラミックス
の複合材料を製造することができる方法を提供しようと
するものである。[Description of the first invention] The first invention (invention as claimed in claim (1)) has been made in view of the problems of the above-mentioned conventional technology. The present invention aims to provide a method that can produce a ceramic composite material in which these carbides are dispersed, without using carbides of group elements or solid solutions of nitrogen and oxygen in the carbides as raw materials.
本第1発明は、酸化物、窒化物、窒酸化物のうちの少な
くとも1種のセラミックスをマトリックスとし、該マト
リックス中に第IVa〜VIa族元素のうちの少なくと
も1種の炭化物、または/および窒素または/および酸
素が固溶した上記周期律表の第IVa〜VIa族元素の
うちの少なくとも1種の炭化物が分散してなる複合材料
の製造方法であって、酸化物、窒化物、窒酸化物のうち
の少なくとも1種のセラミックスの原料と、周期律表第
■a〜Via族元素のうちの少なくとも1種を含む酸化
物または/および該酸化物の前駆体と、炭素または/お
よび熱分解により炭素を生成する有機物質とからなる原
料組成物を調製する工程と、該原料組成物を焼成する工
程とからなることを特徴とする複合材料の製造方法であ
る。The first invention has a matrix of at least one ceramic selected from oxides, nitrides, and nitride oxides, and contains at least one carbide of Group IVa to VIa elements and/or nitrogen in the matrix. and/or a method for producing a composite material comprising a dispersed carbide of at least one of the elements of groups IVa to VIa of the periodic table in which oxygen is dissolved as a solid solution, the method comprising: an oxide, a nitride, a nitride; at least one ceramic raw material of the above, an oxide containing at least one of the elements of Groups A to Via of the Periodic Table and/or a precursor of the oxide, and carbon or/and pyrolyzed This is a method for producing a composite material, which is characterized by comprising a step of preparing a raw material composition comprising an organic substance that generates carbon, and a step of firing the raw material composition.
本第1発明によれば、原料として第IVa〜VIa族元
素の炭化物あるいは、窒素または酸素が固溶した第1V
a〜Vla族元素の炭化物を使用することなく、該炭化
物が分散してなる複合材料を製造することができる方法
を提供することができる。According to the first invention, the carbide of group IVa to VIa elements or the first V in which nitrogen or oxygen is dissolved as a raw material
It is possible to provide a method that can produce a composite material in which carbides of group a to Vla elements are dispersed without using carbides.
すなわち、本第1発明では、上記原料組成物を焼成する
段階で原料組成物中の上記第IVa〜VIa族元素のう
ちの少なくとも1種の酸化物または/および該酸化物の
前駆体と、炭素または/および熱分解により炭素を生成
する有機物質とを反応させて上記第IVa〜VIa族元
素のうちの少なくとも1種の炭化物または/および窒素
または酸素が固溶した上記炭化物を生成させ、該炭化物
が分散してなる複合材料を製造するものである。That is, in the first invention, in the step of firing the raw material composition, at least one oxide and/or a precursor of the oxide of the Group IVa to VIa elements in the raw material composition and carbon or/and react with an organic substance that generates carbon by thermal decomposition to produce a carbide of at least one of the Group IVa to VIa elements and/or the carbide containing nitrogen or oxygen as a solid solution; The purpose is to manufacture a composite material in which the particles are dispersed.
上記酸化物は一般に安価であり、しかも高純度なサブミ
クロン粉末が容易に入手できる。また、該酸化物の前駆
体からも熱分解等により高純度で微細な酸化物粒子が得
られることから、生成する上記炭化物も微細かつ高純度
となる。The above oxides are generally inexpensive, and highly pure submicron powders are easily available. Furthermore, since highly pure and fine oxide particles can be obtained from the oxide precursor by thermal decomposition or the like, the resulting carbide will also be fine and highly pure.
そのため、本第1発明により製造された複合材料は、そ
の中に分散してなる上記炭化物粒子の粒径が小さいので
、強度が高く、しかも破壊靭性、強度等の特性が安定し
ている。Therefore, the composite material manufactured according to the first invention has high strength and stable properties such as fracture toughness and strength because the particle size of the carbide particles dispersed therein is small.
また、上記炭化物を原料として使用しないので、原料組
成物の混合時に水を用いることができ、更に、焼結体特
性のばらつきの小さい複合材料を製造することができる
。Furthermore, since the carbide is not used as a raw material, water can be used when mixing the raw material composition, and furthermore, a composite material with small variations in sintered body properties can be manufactured.
〔第2発明の説明〕
本第2発明(請求項(2)に記載の発明)は、本第1発
明の製造方法に使用することができる原料組成物を提供
しようとするものである。[Description of the second invention] The second invention (the invention according to claim (2)) is intended to provide a raw material composition that can be used in the production method of the first invention.
本第2発明は、酸化物、窒化物、窒酸化物のうちの少な
くとも1種のセラミックスをマトリックスとし、該マト
リックス中に周期律表の第IVa〜VIa族元素のうち
の少なくとも1種の炭化物、または/および窒素または
/および酸素が固溶した上記周期律表の第IVa〜VI
a族元素のうちの少なくとも1種の炭化物が分散してな
る複合材料の原料組成物であって、酸化物、窒化物、窒
酸化物のうちの少なくとも1種からなるセラミックスの
原料と、周期律表の第IVa〜VIa族元素のうちの少
なくとも1種を含む酸化物または/および該酸化物の前
駆体と、炭素または/および熱分解により炭素を生成す
る有機物質とからなることを特徴とする複合材料の原料
組成物である。The second invention has a matrix of at least one ceramic selected from oxides, nitrides, and nitride oxides, and in the matrix at least one carbide of elements from groups IVa to VIa of the periodic table. or/and nitrogen or/and oxygen are dissolved in solid solutions IVa to VI of the above periodic table
A raw material composition for a composite material in which at least one carbide of a group A element is dispersed, the ceramic raw material comprising at least one of an oxide, a nitride, and a nitride oxide, and a periodic rule. It is characterized by consisting of an oxide containing at least one of the Group IVa to VIa elements in the table and/or a precursor of the oxide, and carbon or/and an organic substance that generates carbon by thermal decomposition. This is a raw material composition for a composite material.
本第2発明によれば、本第1発明の製造方法で用いるこ
とができる原料組成物を提供することができる。According to the second invention, it is possible to provide a raw material composition that can be used in the manufacturing method of the first invention.
〔第1発明および第2発明のその他の発明の説明〕以下
、本第1発明および本第2発明をより具体的にしたその
他の発明を説明する。[Description of other inventions of the first invention and the second invention] Hereinafter, other inventions that make the first invention and the second invention more specific will be described.
本発明で使用する原料組成物は、酸化物、窒化物、窒酸
化物のうちの少なくとも1種からなるセラミックスの原
料と、周期律表の第1Va族元素(チタン、ジルコニウ
ム、ハフニウム)、第Va族元素(バナジウム、ニオブ
、タンタル)、または第VIa族元素(クロム、モリブ
デン、タングステン)のうちの少なくとも1種を含む酸
化物または/および該酸化物の前駆体(以下、金属酸化
物とする)と、炭素または/および熱分解により炭素を
生成する有機物質とからなる混合物である。The raw material composition used in the present invention includes a ceramic raw material consisting of at least one of oxides, nitrides, and nitrides, and elements of group 1 Va (titanium, zirconium, hafnium) of the periodic table, and elements of group 1 Va of the periodic table. An oxide containing at least one of Group elements (vanadium, niobium, tantalum) or Group VIa elements (chromium, molybdenum, tungsten) and/or a precursor of the oxide (hereinafter referred to as metal oxide) and carbon or/and an organic substance that produces carbon through thermal decomposition.
なお、該原料組成物は、粉末の状態で複合材料の製造に
使用するのが望ましい。Note that it is desirable that the raw material composition be used in the form of powder for manufacturing the composite material.
本発明において、酸化物、窒化物、窒酸化物のうちの少
なくとも1種からなるセラミックスの原料は、複合材料
の製造方法によりマトリックスとなるものである。上記
酸化物としては、アルミナ(Al2O3)、シリカ(S
iO2)、ムライト(3Ai’xO−・2SiO2)、
イツトリア(Y2O、)、酸化カルシウム(CaO)、
酸化マグネシウム(MgO)、酸化ストンチウム(Sr
O2)、チタニア(TiO2)、酸化クロム(Cr20
3)、希土類元素の酸化物等が挙げられ、それらのうち
の少なくとも1種を用いる。また、上記窒化物としては
、窒化珪素(sijN4)、窒化アルミニウム(A I
N)等が挙げられ、それらのうちの少なくとも1種を
用いる。また、上記窒酸化物としては、酸窒化アルミニ
ウム、酸窒化珪素、各種のαまたはβ−サイアロン等が
挙げられ、それらのうちの少なくとも1種を用いる。こ
れらセラミックスの原料としては、セラミックスそのも
の、あるいは焼成によって該セラミックスを生成する物
質、あるいは該セラミックスの前駆体物質等である。例
えば、焼成によってAl2O5を生成する物質は、Aj
7 (OH)3 、At700H,アルミニウムアルコ
キシド等である。また、5tsN、の前駆体物質は、S
i (NH) 2 、S 12NsH等である。In the present invention, a ceramic raw material made of at least one of oxides, nitrides, and nitride oxides is used as a matrix in the composite material manufacturing method. The above oxides include alumina (Al2O3), silica (S
iO2), mullite (3Ai'xO-・2SiO2),
Ittria (Y2O, ), calcium oxide (CaO),
Magnesium oxide (MgO), stontium oxide (Sr)
O2), titania (TiO2), chromium oxide (Cr20
3), oxides of rare earth elements, etc., and at least one of them is used. Further, as the nitride, silicon nitride (sijN4), aluminum nitride (AI
N), etc., and at least one of them is used. Further, examples of the nitride include aluminum oxynitride, silicon oxynitride, various α- or β-sialons, and at least one of them is used. The raw materials for these ceramics include the ceramic itself, a substance that produces the ceramic by firing, or a precursor substance of the ceramic. For example, a substance that generates Al2O5 by firing is Aj
7 (OH)3, At700H, aluminum alkoxide, etc. Further, the precursor material of 5tsN is S
i (NH) 2 , S 12NsH, and the like.
該セラミックスの原料には、焼結助剤、あるいはYz
O3、Zr0t等の高温強度の改善あるいは破壊靭性の
改善に寄与する添加剤を添加してもよい。The raw materials for the ceramics include a sintering aid or Yz
Additives that contribute to improving high-temperature strength or fracture toughness, such as O3 and Zr0t, may be added.
前記金属酸化物としては、Tie、Tie、、Ti20
3、Zr01 ZrO7、HfO2、VO1VO2、V
2 03 、V、Os 、NbO,NbO2、Nb20
5 、Ta205 、Cr208、MoO2、MoO3
、WO2、WOl等の酸化物、あるいは金属酸化物間の
固溶体、TiZr0< 、ZrSiO4等の上記金属酸
化物間の化合物(複酸化物)、ZrSiO4(ジルコン
)等の上記金属酸化物とケイ素化合物との化合物(S1
02との複酸化物)または固溶体、A12T’io5等
の上記金属酸化物とアルミニウム化合物との化合物(A
lzOgとの複酸化物)または固溶体、加熱により分解
して上記金属酸化物となる水酸化物塩類、アルコキシド
類、有機物質等の前駆体が挙げられ、これらのうちの少
なくとも1種を使用する。これらの物質の形態としては
、粒子状でも繊維状でも液状でもよい。The metal oxides include Tie, Tie, Ti20
3, Zr01 ZrO7, HfO2, VO1VO2, V
2 03 , V, Os , NbO, NbO2, Nb20
5, Ta205, Cr208, MoO2, MoO3
, oxides such as WO2, WOl, or solid solutions between metal oxides, compounds (double oxides) between the above metal oxides such as TiZr0<, ZrSiO4, and silicon compounds with the above metal oxides such as ZrSiO4 (zircon). The compound (S1
02) or solid solutions, compounds of the above metal oxides such as A12T'io5 and aluminum compounds (A
Precursors such as a double oxide with lzOg) or a solid solution, hydroxide salts, alkoxides, and organic substances that are decomposed by heating to become the above-mentioned metal oxides are mentioned, and at least one of these is used. The form of these substances may be particulate, fibrous, or liquid.
ここで、上記金属酸化物は、製造過程中で炭素(熱分解
により炭素を生成する有機物質を用いる場合、該物質か
ら生成する炭素)と反応して複合材料中に分散する第■
a〜VIa族元素の少なくとも1種の炭化物(以下、金
属炭化物とする)となるものである。該金属酸化物が粒
子状あるいは液状の場合、生成する金属炭化物は粒子状
となる。Here, the metal oxide reacts with carbon (in the case of using an organic substance that generates carbon through thermal decomposition, the carbon generated from the substance) during the manufacturing process and is dispersed in the composite material.
At least one carbide of group a to VIa elements (hereinafter referred to as metal carbide) is formed. If the metal oxide is in the form of particles or liquid, the metal carbide produced will be in the form of particles.
また、金属酸化物が粒子状のものであり、製造過程中で
凝集がなければ、金属酸化物1粒子から金属炭化物1粒
子を生成することが多い。そのため、微細な金属酸化物
を用いれば微細な金属炭化物が生成する。酸化物が炭化
物となる際、体積が膨張するものと収縮するものがある
。しかしながら、通常は少し収縮する程度で粒径が大き
く変わることはなく、サブミクロンの金属酸化物からは
サブミクロンの金属炭化物、0.5μm以下の金属酸化
物からは0.5μm以下の金属炭化物が生成すると考え
られる。Furthermore, if the metal oxide is in the form of particles and there is no agglomeration during the manufacturing process, one metal carbide particle is often produced from one metal oxide particle. Therefore, if a fine metal oxide is used, a fine metal carbide will be generated. When an oxide becomes a carbide, some expand in volume while others contract. However, the particle size usually does not change significantly even if it shrinks slightly; submicron metal oxides yield submicron metal carbides, and metal oxides of 0.5 μm or less yield metal carbides of 0.5 μm or less. It is thought that it is generated.
また、上記金属酸化物が繊維状のものであると、製造過
程で繊維の破損がなければ、はぼそのままの大きさの繊
維状の金属炭化物となる。Furthermore, if the metal oxide is in the form of fibers, it becomes a fibrous metal carbide of approximately the same size unless the fibers are damaged during the manufacturing process.
また、生成する金属炭化物の形状としては、粒子状でも
繊維状でも、あるいはそれらの混合したものでもよい。Further, the shape of the metal carbide produced may be particulate, fibrous, or a mixture thereof.
粒子状の場合には、その平均粒径が1μm以下とするの
がよく、このように微細な粒子が分散していると、極め
て強度が高い。更に望ましくは、平均粒径が0.5μm
以下とするのがよい。しかし、繊維状の方が等軸状の粒
子状よりも複合材料の強度が向上する。In the case of particles, the average particle size is preferably 1 μm or less, and when such fine particles are dispersed, the strength is extremely high. More preferably, the average particle size is 0.5 μm.
The following should be used. However, the strength of the composite material is improved in the form of fibers than in the form of equiaxed particles.
炭素、あるいは熱分解により炭素を生成する有機物質と
しては、カーボンブラック類、フェノール樹脂、クール
ピッチ、フラン樹脂等が挙げられ、これらのうちの少な
くとも1種を用いる。Examples of carbon or an organic substance that generates carbon through thermal decomposition include carbon blacks, phenol resins, cool pitch, furan resins, and at least one of these is used.
金属酸化物、または炭素または/および熱分解により炭
素を生成する有機物質を粉末状態で用いる場合は、微細
で凝集のないものほど反応性が良く、かつ微細な金属炭
化物を合成できるので望ましい。When using a metal oxide, carbon, and/or an organic substance that generates carbon through thermal decomposition in powder form, it is preferable that the powder be fine and non-agglomerated, since the reactivity is better and fine metal carbides can be synthesized.
この金属酸化物と炭素とが複合材料を製造する際の焼成
段階で反応して金属炭化物を生成し、該炭化物が複合材
料中に析出分散する。This metal oxide and carbon react during the firing step when manufacturing the composite material to produce a metal carbide, and the carbide is precipitated and dispersed in the composite material.
金属炭化物としては、TiC,ZrC,HfC。Examples of metal carbides include TiC, ZrC, and HfC.
VC,Nb2C5NbCXTaz c、TaC,Cr3
C2、MO2C,MOC,W2 C,WC等が挙げら
れ、これらのうちの少なくとも1種とする。VC, Nb2C5NbCXTaz c, TaC, Cr3
Examples include C2, MO2C, MOC, W2C, WC, and at least one of these.
また、これらのいずれでも、酸化物、窒化物、窒酸化物
のうちの少なくとも1種からなるセラミックス中に分散
析出した場合に高い破壊靭性改善効果を示す。なお、一
般に遷移金属の炭化物は必ずしも上記の化学量論組成で
存在しているとはかぎらず、広い固溶範囲を示す。例え
ば、Tic、ZrC等は一般にはT iC+ −a 、
Z r C+ −(0≦a<1)の化学式で存在してい
る。これらの固溶体でも十分に高い効果を有する。Further, any of these exhibits a high fracture toughness improving effect when dispersed and precipitated in a ceramic made of at least one of oxides, nitrides, and nitride oxides. Generally, carbides of transition metals do not necessarily exist in the above-mentioned stoichiometric composition, but exhibit a wide range of solid solution. For example, Tic, ZrC, etc. are generally T iC+ -a,
It exists with the chemical formula Z r C+ − (0≦a<1). Even these solid solutions have sufficiently high effects.
上記金属酸化物をMOx、上記金属炭化物をMCyとす
る(x、yは正の数)と、MO,と炭素が反応してMC
,が生成する反応は、
MO,+ (x+y)C8MC,+xCO↑で表される
。従って、この場合、金属元素M1モルに対し、(x
+ y)モルの炭素が必要となる。When the above metal oxide is MOx and the above metal carbide is MCy (x, y are positive numbers), MO and carbon react to form MC.
, is expressed as MO, + (x+y)C8MC, +xCO↑. Therefore, in this case, for 1 mole of metal element M, (x
+ y) moles of carbon are required.
例えば、T i O2を原料として用い、TiCが析出
した複合材料を製造する場合には、反応式はTio2+
3C−4Tic+2co↑
であり、反応に必要なTiO□/Cの比は、モル比で1
/3、重量比で79.9/36.0となる。For example, when producing a composite material in which TiC is precipitated using TiO2 as a raw material, the reaction formula is Tio2+
3C-4Tic+2co↑, and the ratio of TiO□/C required for the reaction is 1 in molar ratio.
/3, giving a weight ratio of 79.9/36.0.
ただし、前記の反応は、通常、MO,M (C10)を
経由してMC,となる(上記TiCが析出した複合材料
を製造する反応では、TiO,Ti(C,O)を経由し
てTiCとなる。)。従って、原料組成物中に炭素また
は熱分解により炭素を生成する有機物質の量が少ない場
合には酸素が固溶した炭化物(炭酸化物)、例えば、M
(C,O)の形で複合材料中に分散することがある。However, the above reaction usually leads to MC via MO, M (C10) (in the reaction for producing the composite material in which TiC is precipitated, TiC via TiO, Ti(C,O) ). Therefore, when the amount of carbon or an organic substance that generates carbon by thermal decomposition is small in the raw material composition, carbides (carbonates) in which oxygen is solidly dissolved, such as M
It may be dispersed in composite materials in the form of (C,O).
また、窒素雰囲気中で焼成する場合には、窒素が固溶し
た炭化物(炭窒化物)、例えばM (C,N)の形で複
合材料中に分散することがある。これらの酸素あるいは
窒素が固溶した炭化物もMC,と同様な立方晶形であり
性質はMC,と極めて近く、これらの炭化物が分散した
複合材料も同様に優れた特性を有する。Further, when firing in a nitrogen atmosphere, nitrogen may be dispersed in the composite material in the form of a solid solution carbide (carbonitride), for example, M (C,N). These carbides in which oxygen or nitrogen is solidly dissolved also have a cubic crystal shape similar to MC and have properties very similar to those of MC, and composite materials in which these carbides are dispersed also have excellent properties.
また、金属酸化物と炭素または/および熱分解により炭
素となる有機物質との配合割合は、上記両物質が反応し
て生成した金属炭化物が最終的に製造した複合質材料中
にマトリックス:金属炭化数するような割合が望ましい
。該炭化物の量が上記範囲よりも少ない場合には、靭性
改善効果はほとんど見られず、また、金属炭化物の量が
上記範囲よりも多い場合には高温における耐酸化性が低
下してしまう。In addition, the blending ratio of metal oxide and carbon and/or organic substances that become carbon through thermal decomposition is determined by determining the proportion of metal oxides and carbon and/or organic substances that become carbon through thermal decomposition. It is desirable to have a ratio that makes it count. When the amount of the carbide is less than the above range, there is hardly any effect of improving toughness, and when the amount of the metal carbide is more than the above range, the oxidation resistance at high temperatures is reduced.
例えば、マトリックスとして焼結助剤を含むSi、N、
の場合、上記割合をSi、N+:金属炭化物=95:5
〜50:50(体積比)とするには、金属酸化物と炭素
または/および熱分解により炭素となる有機物質との割
合は、以下のようにするのがよい。For example, Si, N, containing a sintering aid as a matrix,
In the case of , the above ratio is Si, N+:metal carbide = 95:5
In order to achieve a ratio of ~50:50 (volume ratio), the ratio of metal oxide to carbon and/or organic substance that becomes carbon through thermal decomposition is preferably as follows.
例えば、金属酸化物としてMO,を用い、金属炭化物と
してMC,を分散させた複合材料を製造する場合、MO
,の分子量をM’ 、MC,の分子量をM2、MC,の
密度をd、、S i、N4焼結体の密度を3.25 g
/c!とすると、焼結助剤を含む813N4100重量
部に対して金属酸化物(酸化物の前駆体の場合には酸化
物に換算して)は、1.62dc −M’ /M2〜3
0.8dc −M’/M2重量部、炭素または/および
熱分解により炭素となる有機物質は炭素に換算して19
.4d。For example, when manufacturing a composite material in which MO is used as a metal oxide and MC is dispersed as a metal carbide, MO
The molecular weight of , is M', the molecular weight of MC, is M2, the density of MC, is d, , the density of Si, N4 sintered body is 3.25 g
/c! Then, the metal oxide (converted to oxide in the case of an oxide precursor) is 1.62dc -M' /M2~3 for 4100 parts by weight of 813N including the sintering aid.
0.8dc -M'/M2 parts by weight, carbon or/and organic substances that become carbon by thermal decomposition are 19% in terms of carbon.
.. 4d.
(x+y)7M2〜369d。(x十y)/M”重量部
の範囲内で混合するのが望ましい。(x+y)7M2~369d. It is desirable to mix within the range of (xy)/M'' parts by weight.
本発明の原料組成物を調製する方法としては、マトリッ
クスとなるセラミックスの原料と、金属酸化物と、炭素
または/および熱分解により炭素を生成する有機物質と
を混合することにより上記組成物を得る方法がある。As a method for preparing the raw material composition of the present invention, the above composition is obtained by mixing a ceramic raw material serving as a matrix, a metal oxide, and carbon or/and an organic substance that generates carbon through thermal decomposition. There is a way.
上記組成物の混合は、乾式でも湿式でもよいが、湿式の
方が十分に均一な混合物を作り得るので望ましい。湿式
の場合、混合媒は水でも有機溶媒でも良(、乾燥は噴霧
乾燥、凍結乾燥、吸引ろ過等どんな乾燥法でもよい。ま
た、上記乾燥は真空中、不活性雰囲気、酸化雰囲気、還
元雰囲気のいずれでもよい。ただし、原料として有機物
質を用いる場合、混合媒は有機溶媒に限定されることが
ある。The above-mentioned composition may be mixed by a dry method or a wet method, but a wet method is preferable because a sufficiently uniform mixture can be produced. In the case of a wet method, the mixed medium can be water or an organic solvent (and drying can be done by any drying method such as spray drying, freeze drying, suction filtration, etc.). Any of these may be used.However, when an organic substance is used as a raw material, the mixed medium may be limited to an organic solvent.
また、AINのように水と反応しやすい焼結助剤を用い
る時も、有機溶媒を用いるのがよい。Furthermore, when using a sintering aid that easily reacts with water, such as AIN, it is preferable to use an organic solvent.
上記以外の場合には、水により混合でき、かつ大気中で
乾燥できるため、通常型、すなわち防爆型でないスプレ
ードライヤーにて粉末の多量処理を行うこともできる。In cases other than the above, since the powder can be mixed with water and dried in the atmosphere, a large amount of powder can be processed using a conventional spray dryer, that is, a spray dryer that is not explosion-proof.
また、炭素粉末を添加する場合には、湿式混合の際に少
量の界面活性剤を加えれば、炭素粉末の分散性を改善す
ることができる。Furthermore, when carbon powder is added, the dispersibility of the carbon powder can be improved by adding a small amount of surfactant during wet mixing.
なお、複合材料の成形品を製造する場合には1、焼成の
前に原料組成物を成形するのがよい。In addition, when manufacturing a molded article of composite material, 1. It is preferable to mold the raw material composition before firing.
成形は、セラミックスの成形に通常行われる方法のいか
なる方法も採用することができ、例えば、スリップキャ
スト、射出成形、押出成形、金型成形、静水圧成形、湿
式プレス成形、ドクターブレード等広範な利用ができる
。Molding can be done by any of the methods commonly used to mold ceramics, such as slip casting, injection molding, extrusion molding, die molding, isostatic pressing, wet press molding, doctor blade, etc. Can be done.
焼成工程では、前記原料組成物を真空または非酸化性雰
囲気中で焼成するのがよい。雰囲気を真空または非酸化
性にするのは、原料組成物中の非酸化物が酸化されるこ
となく、速やかに複合材料を製造するためである。更に
望ましいのは、金属酸化物が生成するまで真空中で加熱
し、その後窒素または不活性雰囲気で焼成する方法であ
る。特にマトリックスの原料に窒化物または窒酸化物を
含む場合、これらの物質の熱分解を防止するため、金属
炭化物が生成するまで真空中で加熱し、その後1気圧以
上の窒素雰囲気で焼成するのがよい。In the firing step, the raw material composition is preferably fired in a vacuum or in a non-oxidizing atmosphere. The reason why the atmosphere is vacuum or non-oxidizing is to quickly produce a composite material without oxidizing the non-oxide in the raw material composition. More desirable is a method of heating in a vacuum until a metal oxide is formed, and then firing in a nitrogen or inert atmosphere. In particular, when the matrix raw material contains nitrides or nitride oxides, in order to prevent thermal decomposition of these substances, it is recommended to heat them in a vacuum until metal carbides are formed, and then sinter them in a nitrogen atmosphere of 1 atmosphere or more. good.
焼成温度としては、1500〜2000℃の範囲から選
択するのがよい。焼成方法としては、常圧焼結、あるい
はホットプレス等の加圧焼結等、どのような方法も利用
することができるが、通常は加圧焼結の方が高密度な複
合材料が得られやすい。常圧焼結の場合は、マトリ・ソ
クスの熱分解を防止するため原料組成物の周囲にマトリ
ックス原料をいわゆる埋め粉として配置して焼成するの
がよい。なお、ホットプレスを行う場合には、成形と焼
成とを同時に行うことができる。The firing temperature is preferably selected from the range of 1500 to 2000°C. As for the firing method, any method can be used, such as pressureless sintering or pressure sintering such as hot press, but pressure sintering usually yields a composite material with a higher density. Cheap. In the case of pressureless sintering, in order to prevent thermal decomposition of the matrix material, it is preferable to arrange the matrix raw material as a so-called fill powder around the raw material composition and then perform the firing. In addition, when performing hot pressing, molding and baking can be performed simultaneously.
この焼成の途中段階で金属酸化物と炭素とが反応するこ
とにより金属炭化物が生成し、マトリ・ソクス中に分散
析出する。During the firing process, metal oxides and carbon react to form metal carbides, which are dispersed and precipitated in the matrix.
炭化物生成反応の速度が小さい反応の場合、生成反応が
生じ、かつ望ましくはマトリ・ソクスが熱分解せず、し
かもその緻密化が大きく進行する温度よりも低い温度に
て十分な時間保持を行い、炭化物生成反応を完了してか
ら再昇温するのがよい。In the case of a reaction in which the speed of the carbide production reaction is low, the production reaction occurs, and preferably the matrix is maintained for a sufficient period of time at a temperature lower than the temperature at which the matrix does not decompose thermally and at the same time its densification progresses significantly. It is preferable to raise the temperature again after the carbide generation reaction is completed.
この際、保持する間真空排気して発生するCOガスを除
去すれば、反応は更に速く進む。例えば、5%のAl2
O5と5%のY2O3を含む5tsN4 、T l 0
2 、およびCを原料とし、5isN*焼結体中に20
体積%のTiCが分散析出した複合材料を製造する場合
、焼成途中に1300−1400℃の温度で真空排気し
ながら、2時間以上保持するのが望ましく、このような
真空保持を行った後、N2ガス中で再昇温し、1600
〜2000℃で焼成を完了することにより、高密度な複
合材料が得られる。この真空保持時間が不足しているも
のは相対密度の低い複合材料となってしまう。At this time, if the CO gas generated is removed by evacuation during holding, the reaction will proceed even faster. For example, 5% Al2
5tsN4 containing O5 and 5% Y2O3, T l 0
2, and C as raw materials, 20
When producing a composite material in which vol% TiC is dispersed and precipitated, it is desirable to maintain the vacuum at a temperature of 1300-1400°C during firing for at least 2 hours. Re-heat in gas to 1600℃
By completing the calcination at ~2000°C, a dense composite material is obtained. If the vacuum holding time is insufficient, the composite material will have a low relative density.
この焼成途中温度で中間保持を行う条件は、反応系の種
類、ガス発生の量、炉の構造、特に発生するガスの排気
されやすさ、等により異なる。The conditions for maintaining the temperature during the firing process vary depending on the type of reaction system, the amount of gas generated, the structure of the furnace, and especially the ease with which the generated gas can be exhausted.
また、焼結方法として熱間静水圧(HIP)成形を用い
ることができる。その中の1つの焼結HIPでは、予め
常圧焼結あるいはホットプレスを行い開気孔がほぼある
いは全て消滅するまで緻密化させた焼結体を、さらに1
700〜2200°Cの温度域で非酸化性雰囲気で静水
圧を加えることにより、さらに密度および強度をたかめ
ることができる。静水圧力は、10MPa以上であれば
効果があるが、50MPa以上の圧力を加えることが望
ましい。また、カプセルHIPでは、予め生成形体を熱
処理して金属炭化物生成反応を完了させた後に、成形体
をガラスカプセル中に真空封入しHIP処理を行う(ガ
ラスカプセル法)、ガラス系の粉末の中に埋め込んでH
IP処理を行う(ガラス浴法)、ガラス粉末を成形体表
面に塗布した後、加熱により塗布層を焼結させて気密の
シール層に変換して、HIP処理を行う(焼結ガラス法
)、成形体をガラス粉末に埋め込んだ状態で加熱し、−
軸加圧し・てガラスを気密なシール層としだ後HIP処
理を行う(プレスシール法)等の方法が採用され、やは
り焼結HIP法と同様の条件下でHIP処理することに
より緻密な複合材料が得られる。Additionally, hot isostatic pressing (HIP) can be used as the sintering method. One of these, sintering HIP, is a sintered body that has been sintered under normal pressure or hot pressed in advance to become densified until almost or all of the open pores have disappeared.
Density and strength can be further increased by applying hydrostatic pressure in a non-oxidizing atmosphere at a temperature range of 700 to 2200°C. Although it is effective if the hydrostatic pressure is 10 MPa or more, it is desirable to apply a pressure of 50 MPa or more. In capsule HIP, the formed body is heat-treated in advance to complete the metal carbide generation reaction, and then the formed body is vacuum-sealed into a glass capsule and subjected to HIP treatment (glass capsule method). Embed it H
Perform IP treatment (glass bath method); After applying glass powder to the surface of the compact, sinter the applied layer by heating to convert it into an airtight sealing layer, and perform HIP treatment (sintered glass method); The molded body is heated while embedded in glass powder, and -
Methods such as applying axial pressure to form an airtight sealing layer on the glass and then performing HIP treatment (press sealing method) are adopted, and by performing HIP treatment under the same conditions as the sintering HIP method, dense composite materials can be created. is obtained.
このようにして、焼成の第1段階にて金属酸化物と炭素
との反応で金属炭化物粒子が生成析出し、第2段階にて
マトリックスの緻密化が達成される。In this way, metal carbide particles are formed and precipitated by the reaction between the metal oxide and carbon in the first stage of firing, and the matrix is densified in the second stage.
なお、焼結体中にマトリックス、金属炭化物の他、残留
した炭素が存在することがあるが、微量であれば特性を
害することはない。Note that in addition to the matrix and metal carbides, residual carbon may be present in the sintered body, but if it is in a small amount, the characteristics will not be impaired.
原料組成物の金属酸化物として繊維状の物質を用いた場
合は、混合、成形あるいは加圧焼成中に繊維の破損を最
小限にとどめるよう注意するのがよい。例えば、ホット
プレスを行う際には、金属炭化物が生成した後、徐々に
加圧してい(のが良い。When a fibrous substance is used as the metal oxide in the raw material composition, care should be taken to minimize damage to the fibers during mixing, molding, or pressure firing. For example, when performing hot pressing, it is preferable to gradually apply pressure after the metal carbide is generated.
本発明により製造された複合材料は、亀裂の進行する際
に析出した金属炭化物により亀裂の屈曲(クラック・デ
フレクション)、分岐(クラック・ブランチング)が生
ずるため大きな破壊エネルギーを消費し、このため高い
破壊靭性値を実現する。しかも、金属炭化物は微細で破
壊起点とはなりに((、強度低下を引き起こすこともな
い。The composite material manufactured according to the present invention consumes a large amount of fracture energy because the metal carbide precipitated during the propagation of the crack causes the crack to bend (crack deflection) and branch (crack blanching). Achieves high fracture toughness values. Moreover, metal carbides are fine and do not act as fracture starting points ((), and do not cause a decrease in strength.
以下、本発明の詳細な説明する。 The present invention will be explained in detail below.
実施例1
AltOn粉末(α型 平均粒径0.1μm)と、T
iOを粉末(ルチル型 平均粒径0.4μm)とカーボ
ンブラック粉末(平均粒径0.02μm)とを、第1表
に示すように、T i O2とカーボンブラックのCが
モル比でl:3であり、かっ、・A 1 tO8と、T
i O2とCとが化学量論的に反応して合成されたT
iCとが体積比(Aj’20s : T IC)で9
0:10.80:20.70:30になるように秤量し
、水を用いた湿式ボールミルで混合してスラリーを形成
した。このスラリーを吸引ろ過後、乾燥し、解砕して原
料組成物とした。Example 1 AltOn powder (α type average particle size 0.1 μm) and T
As shown in Table 1, iO powder (rutile type, average particle size 0.4 μm) and carbon black powder (average particle size 0.02 μm) were prepared in a molar ratio of T i O2 and carbon black C: 1: 3, and ・A 1 tO8 and T
i T synthesized by stoichiometric reaction of O2 and C
The volume ratio (Aj'20s: T IC) of iC is 9
They were weighed so that the ratio was 0:10.80:20.70:30, and mixed in a wet ball mill using water to form a slurry. This slurry was suction filtered, dried, and crushed to obtain a raw material composition.
これを、内側にグラファイトテープをはった黒鉛ダイス
に入れ、加圧せずに真空排気しながら昇温し、1300
℃で6時間保持して成形体とした。This was placed in a graphite die with graphite tape on the inside, and the temperature was raised while evacuation without applying pressure.
It was kept at ℃ for 6 hours to form a molded body.
その後、排気をやめて炉内にArガスを導入し、再昇温
すると共に、この成形体に2.5MPaの一軸加圧を印
加してホットプレスし、1700℃で1時間保持してホ
ットプレスを完了して複合材料(第1表の試料No、
1〜3)を製造した。After that, the exhaust was stopped and Ar gas was introduced into the furnace to raise the temperature again. At the same time, a uniaxial pressure of 2.5 MPa was applied to this molded body to hot press it, and it was held at 1700°C for 1 hour to hot press it. Completed composite material (sample No. in Table 1,
1 to 3) were manufactured.
また、比較のため、第1表に示すように、A I 20
、のみを原料組成物としたもの(試料NO,CI)ある
いはAltOaとT i B 2粉末(平均粒径4μm
)とを混合したものを原料組成物としたもの(試料Nα
G2)についても上記と同様にしてホットプレスして、
試料を製造した。Also, for comparison, as shown in Table 1, A I 20
(sample NO, CI) or AltOa and T i B 2 powder (average particle size 4 μm)
) was used as the raw material composition (sample Nα
For G2), hot press in the same manner as above,
A sample was manufactured.
上記の試料について、相対密度、室温4点曲げ強度(J
IS規格)、および破壊靭性値(K+c、圧痕法)を測
定した。その結果を第1表に示す。Regarding the above samples, relative density, room temperature 4-point bending strength (J
IS standard) and fracture toughness value (K+c, indentation method) were measured. The results are shown in Table 1.
第 1 表
本実施例の複合材料は、X線回折によりα−A120、
とTiB2のみからなり、α−AfzOs中にT iB
2が分散してなるものであることが確認された。また
、第1表より明らかなように、本実施例の複合材料は、
いずれも99%以上の相対密度を有しており、比較例の
試料N11C1よりも高い強度とKICを有し、また、
比較例の試料No、C2よりも高い密度と強度を有して
いることが分る。Table 1 The composite material of this example was found to have α-A120,
and TiB2, and TiB in α-AfzOs
2 was confirmed to be dispersed. Furthermore, as is clear from Table 1, the composite material of this example is:
All have relative densities of 99% or more, have higher strength and KIC than comparative sample N11C1, and
It can be seen that it has higher density and strength than Sample No. C2 of the comparative example.
また、試料Nα2.3では、電気抵抗率が0.1Ωcm
以下となり、放電加工によりワイヤーカットおよび型彫
り加工を容易に行うことができた。In addition, in sample Nα2.3, the electrical resistivity was 0.1Ωcm
The following results were obtained, and wire cutting and die-sinking could be easily performed by electrical discharge machining.
実施例2
siaN4粉末(α型、平均粒径0.5μm)と、Y2
O3粉末(平均粒径0.7μm)と、AIN粉末(平均
粒径1μm)とをモル比で83:1.7:15.3の割
合で秤量したものをマトリックスの原料とした。これを
1750〜1850’cでホットプレスすると密度は3
.22〜3.23 g/cnrとなるため、このマトリ
ックスの原料より形成される76トリツクスの理論密度
を3.23 g /ctlと考え、上記マトリックス原
料と、TiC2粉末(ルチル型、平均粒径0,4μm)
と、フェノール樹脂(残炭率50%)とを以下のように
秤量した。該秤量値は、マトリックスと、TiC2とフ
ェノール樹脂から熱分解により生成する炭素とが1:3
(モル比)の化学量論的に反応して合成されるTiCと
の体積比(マトリックス: T i C)が90:10
.80:20.70:30となるようにした。これらを
エチルアルコールを用いた湿式ボールミルで混合し、ス
ラリーとした。このスラリーを吸収し、ろ過後、乾燥し
、解砕して原料組成物とした。これをグラファイトテー
プを内側に貼った黒鉛ダイスに入れ、加圧せずに真空排
気しながら昇温し、1200℃で8時間保持して成形体
とした。その後、排気をやめて炉内にN2ガスを導入し
、再昇温すると共に、成形体に25MPaの一軸加圧を
印加してホットプレスし、1800℃で1時間保持して
ホットプレスを完了して複合材料(第1表の試料Nα4
〜6)を製造した。Example 2 siaN4 powder (α type, average particle size 0.5 μm) and Y2
A raw material for the matrix was prepared by weighing O3 powder (average particle size: 0.7 μm) and AIN powder (average particle size: 1 μm) in a molar ratio of 83:1.7:15.3. When this is hot pressed at 1750-1850'c, the density is 3
.. 22 to 3.23 g/cnr, the theoretical density of 76 Trix formed from this matrix raw material is considered to be 3.23 g/ctl, and the above matrix raw material and TiC2 powder (rutile type, average particle size 0) are used. ,4μm)
and phenol resin (residual carbon percentage 50%) were weighed as follows. The weight value is 1:3 between the matrix and carbon generated by thermal decomposition from TiC2 and phenol resin.
The volume ratio (mole ratio) of TiC synthesized by stoichiometric reaction (matrix: T i C) is 90:10.
.. It was set to 80:20.70:30. These were mixed in a wet ball mill using ethyl alcohol to form a slurry. This slurry was absorbed, filtered, dried, and crushed to obtain a raw material composition. This was placed in a graphite die with a graphite tape attached to the inside, and the temperature was raised while evacuation was performed without applying pressure, and the mixture was held at 1200° C. for 8 hours to form a molded product. After that, the exhaust was stopped, N2 gas was introduced into the furnace, the temperature was raised again, and a uniaxial pressure of 25 MPa was applied to the molded body for hot pressing, and the hot pressing was completed by holding it at 1800°C for 1 hour. Composite material (sample Nα4 in Table 1
-6) were produced.
また、比較のため、第1表に示すように上記マトリック
スの原料のみをアルコールと共に混合し、ろ過および乾
燥、解砕したものを原料組成物としたもの(試料NQ、
C3)あるいは上記マトリックスの原料にTiC粉末(
平均粒径2μm)を添加した混合物を原料組成物とした
もの(試料NQ、C4)についても上記と同様にしてホ
ットプレスして、試料を製造した。For comparison, as shown in Table 1, raw material compositions were prepared by mixing only the above matrix raw materials with alcohol, filtering, drying, and crushing them (Samples NQ,
C3) or TiC powder (
The raw material compositions (samples NQ and C4) were prepared by adding a mixture of particles having an average particle size of 2 μm (average particle size: 2 μm), and were hot-pressed in the same manner as described above to produce samples.
上記の試料について、相対密度、室温4点曲げ強度、お
よびKICを実施例1と同様にして測定した。その結果
を第2表に示す。Regarding the above sample, relative density, room temperature four-point bending strength, and KIC were measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 2.
第
表
本実施例の複合材料は、α’−8i、N、(Yが固溶し
たα−サイアロン)とβ’ 513N+(β−サイア
ロン)とTiCとからなっており、α’513N4 と
β’ 513N4 とをマトリックスとし、該マトリ
ックス中にTiCが分散していることが確認された。ま
た、第1表より明らかなように、本実施例の複合材料は
、比較例の試料kC3よりも高い強度とKICとを有し
、また、比較例の試料NQ、C2よりも高い密度と強度
とを有していることが分る。Table The composite material of this example consists of α'-8i, N, (α-sialon in which Y is dissolved as a solid solution), β' 513N+ (β-sialon), and TiC, and α'513N4 and β' 513N4 as a matrix, and it was confirmed that TiC was dispersed in the matrix. Furthermore, as is clear from Table 1, the composite material of this example has higher strength and KIC than sample kC3 of the comparative example, and has higher density and strength than samples NQ and C2 of the comparative example. It can be seen that it has the following.
また、試料No、5.6は放電加工を容易に行うことが
できた。Further, sample No. 5.6 could be easily subjected to electrical discharge machining.
実施例3
ムライト粉末(平均粒径0.8μm)あるいはβサイア
ロン粉末(平均粒径0.8μm)をそれぞれマトリック
スの原料とし、これらとそれぞれ実施例1ど同様のT
102カーボンブラツク粉末とを、上記マトリックス原
料により形成されるマトリックスと、上記TiQ2とカ
ーボンブラックの粉末が化学量論的に反応して合成され
るTiCとが、体積比(マトリックス:TiC)で80
:20になるように秤量し、実施例1と同様に水を用い
て混合し、原料組成物を調製した。その後、該原料組成
物を実施例1と同様にしてホットプレスして複合材料(
試料Nα7.8)を製造した。ただし、ホットプレスの
条件はムライトをマトリックスの原料とする場合はAr
ガス中に1750℃で1時間ポットプレスする条件とし
、また、サイアロンをマトリックスの原料とする場合は
真空保持後に導入するガスをN2とし、1800°Cで
1時間ホットプレスする条件とした。Example 3 Mullite powder (average particle size 0.8 μm) or β-sialon powder (average particle size 0.8 μm) was used as the raw material for the matrix, and T
102 carbon black powder, a matrix formed from the matrix raw material, and TiC synthesized by stoichiometrically reacting the TiQ2 and carbon black powder at a volume ratio (matrix: TiC) of 80
:20, and mixed with water in the same manner as in Example 1 to prepare a raw material composition. Thereafter, the raw material composition was hot pressed in the same manner as in Example 1 to create a composite material (
Sample Nα7.8) was manufactured. However, the hot pressing conditions are Ar if mullite is used as the matrix raw material.
The conditions were to pot press in a gas at 1750° C. for 1 hour, and when Sialon was used as the matrix raw material, the gas introduced after vacuum maintenance was N2, and the conditions were hot pressed at 1800° C. for 1 hour.
また、比較のため、ムライト粉末のみを原料組成物とし
たもの(試料NαC5)、サイアロン粉末のみを原料組
成物としたもの(試料No、C6)をそれぞれAr雰囲
気中、N2雰囲気中で上記と同様にしてホットプレスし
て、試料を製造した。For comparison, a sample containing only mullite powder as a raw material composition (sample NαC5) and a sample containing only sialon powder as a raw material composition (sample No. C6) were prepared in the same manner as above in an Ar atmosphere and a N2 atmosphere, respectively. Samples were prepared by hot pressing.
上記の試料について、相対密度、室温4点曲げ強度、お
よびKICを実施例1と同様にして測定した。その結果
を第3表、第4表に示す。Regarding the above sample, relative density, room temperature four-point bending strength, and KIC were measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 3 and 4.
第 3 表
第 4
表
試料Nα7の複合材料は、X線回折においてムライトの
マトリックスのピークとTiOの方にわずかにずれたT
iCのピークとがあることより、ムライトマトリックス
と、酸素が固溶したTiCとからなり、マトリックス中
に上記TiCが分散してなることが確認された。また、
試料Nα8の複合材料は、X線回折においてβ−サイア
ロンマトリックスのピークとTiNの方にわずかにずれ
たTiCのピークとがあることより、β−サイアロンマ
トリックスと、窒素が固溶したTiCとからなり、マト
リックス中に上記TiCが分散してなることが確認され
た。また、第3表、第4表よりあきらかなように、本実
施例の複合材料は、比較例のものよりも高い強度とKI
Cとを有していることが分る。Table 3 Table 4 The composite material of sample Nα7 has a T peak slightly shifted toward the mullite matrix peak and TiO in X-ray diffraction.
From the presence of the iC peak, it was confirmed that the sample was composed of a mullite matrix and TiC in which oxygen was dissolved as a solid solution, and the TiC was dispersed in the matrix. Also,
The composite material of sample Nα8 is composed of a β-sialon matrix and TiC in which nitrogen is solidly dissolved, since there is a peak of β-sialon matrix and a peak of TiC slightly shifted toward TiN in X-ray diffraction. It was confirmed that the TiC was dispersed in the matrix. Furthermore, as is clear from Tables 3 and 4, the composite material of this example has higher strength and KI than that of the comparative example.
It can be seen that it has C.
実施例4
実施例1と同様なAl120sあるいは5iaN4(α
型 平均粒径0.5 μm) : A l 203
(α型平均粒径0.1 、czm) : Y203
(平均粒径0.7μm)=90:5:5(重量比)
の混合粉末をマトリックスの原料とし、これに実施例1
で用いたTiO2粉末とカーボンブラック粉末とを、マ
トリックスの原料により形成されるマトリックスと、T
i O2とカーボンブラックとが化学量論的に反応し
て生成するTiCとの体積比(マトリックス: T i
C)が85:15となるように添加し、水を用いてボ
ールミル混合後、スプレードライヤーで乾燥し、原料組
成物を調製した。この原料組成物を20MPaの圧力で
金型成形後、300MPaの静水圧成形処理を施した。Example 4 Al120s or 5iaN4 (α
Type (average particle size 0.5 μm): Al 203
(α type average particle size 0.1, czm): Y203
(Average particle size 0.7 μm) = 90:5:5 (weight ratio)
The mixed powder of Example 1 was used as the raw material for the matrix.
The TiO2 powder and carbon black powder used in
i Volume ratio of TiC produced by stoichiometric reaction of O2 and carbon black (matrix: Ti
C) was added in a ratio of 85:15, mixed in a ball mill using water, and dried with a spray dryer to prepare a raw material composition. This raw material composition was molded into a mold at a pressure of 20 MPa, and then subjected to isostatic pressing treatment at 300 MPa.
この成形体をそれぞれマトリックスの原料の埋め粉中に
入れて真空中で昇温し、1250℃で8時間保持した。Each of these molded bodies was placed in a powder filler of matrix raw material, heated in vacuum, and held at 1250° C. for 8 hours.
その後、Ar20sマトリツクスの試料は炉内にArガ
スを導入し、Ar1気圧中1680°C3時間の条件で
、5iaN4マトリツクスの試料は炉内にN!ガスを導
入し、N210.5気圧中1750℃4時間の条件で常
圧焼結した。After that, Ar gas was introduced into the furnace for the Ar20s matrix sample, and N! Gas was introduced, and normal pressure sintering was performed at 1750° C. for 4 hours in N210.5 atm.
得られた複合材料は、Apt Osマトリックスの試料
では、X線回折においてα−1120xのピークとTi
Oの方にわずかにずれたTiCのピーりとがあることよ
り、α−1120xと、酸素が固溶したTiCとからな
り、α−1120xをマトリックスとし、マトリックス
中に上記TiCが分散してなることが確認された。また
、513N、マトリックスの試料では、X線回折におい
てβ’−3i、N4のピークとTiNの方にわずかにず
れたTiCのピークとがあることにより、β′−8i3
N+と、窒素が固溶したTiCとからなり、β’−3i
3N、をマトリックスとし、該マトリックス中に上記T
iCが分散してなることが確認された。また、複合材料
の相対密度は、A l 203マトリツクスの試料では
97.4%、S is N4マトリツクスの試料では9
9.0%であった(TiCを含まない5iiN*焼結体
の理論密度は3.25g/curとした。)。The obtained composite material has a peak of α-1120x and a peak of Ti in X-ray diffraction in the Apt Os matrix sample.
Since there is a peak of TiC slightly shifted toward O, it is composed of α-1120x and TiC in which oxygen is solidly dissolved, α-1120x is used as a matrix, and the above TiC is dispersed in the matrix. This was confirmed. In addition, in the case of the 513N matrix sample, there is a peak for β'-3i, N4 in X-ray diffraction and a peak for TiC that is slightly shifted toward TiN.
It consists of N+ and TiC in which nitrogen is dissolved, and β'-3i
3N, as a matrix, and the above T
It was confirmed that iC is dispersed. Also, the relative density of the composite material is 97.4% for the A1203 matrix sample and 97.4% for the S is N4 matrix sample.
It was 9.0% (the theoretical density of the 5iiN* sintered body not containing TiC was 3.25 g/cur).
実施例5
実施例4で用いた5iaN4マトリツクスの原料粉末を
マトリックスの原料とし、これにZr0z(単斜晶型
平均粒径1μm)、カーボンブラック粉末(平均粒径0
.02μm)の各粉末を、マトリックスの原料により形
成するマトリックスと、ZrO2とCとが化学量論的に
反応して合成されたZrCとが体積比(マトリックス:
ZrC)で80 : 2.0になるように添加した。ま
た、上記と同様の5isN4マトリツクスの原料粉末を
マトリックスの原料とし、これにNbgOs(平均粒径
0.6μm)、カーボンブラック(平均粒径0.02μ
m)の各粉末を、マトリックスの原料により形成するマ
トリックスと、Nb2o5、cが化学量論的に反応して
合成されたNbCとが体積比(マトリックス:NbC)
で80:20になるように添加した。これら2種の原料
組成物をそれぞれ実施例1と同様にして混合、乾燥、解
砕およびホットプレスした。ただし、途中保持後に炉内
に導入するガスはN2ガスとし、かつ、ホットプレスは
N2 を気圧下で1800℃で1時間行った。Example 5 The raw material powder of the 5iaN4 matrix used in Example 4 was used as the raw material for the matrix, and Zr0z (monoclinic type) was added to it.
average particle size 1 μm), carbon black powder (average particle size 0
.. The volume ratio (matrix:
ZrC) was added at a ratio of 80:2.0. In addition, the raw material powder of the 5isN4 matrix similar to the above was used as the raw material for the matrix, and NbgOs (average particle size 0.6 μm) and carbon black (average particle size 0.02 μm) were used as the raw material for the matrix.
The volume ratio (matrix: NbC) of each powder of m) to the matrix formed from the raw material of the matrix and the NbC synthesized by stoichiometric reaction of Nb2o5,c
The mixture was added at a ratio of 80:20. These two types of raw material compositions were mixed, dried, crushed, and hot pressed in the same manner as in Example 1, respectively. However, the gas introduced into the furnace after the intermediate holding was N2 gas, and hot pressing was performed at 1800° C. for 1 hour under N2 pressure.
得られた複合材料は、ZrO2を添加したものでは、β
’ 513N4とZrCとからなり、β′31 s
N4をマトリックスとし、該マトリックス中にZrCが
分散してなることが確認された。The obtained composite material has β
' Consisting of 513N4 and ZrC, β'31 s
It was confirmed that N4 was used as a matrix and ZrC was dispersed in the matrix.
また、N b O2を添加したものでは、β/ 3i
。In addition, in the case of adding NbO2, β/3i
.
N4とN b 02とからなり、β’−8i3N4をマ
トリックスとし、該マトリックス中にNbが分散してな
ることが確認された。また、相対密度は、Z r Ot
を添加したものでは、97.8%、N b O2を添加
したものでは、99.8%であった。It was confirmed that it is composed of N4 and N b 02, with β'-8i3N4 as a matrix, and Nb is dispersed in the matrix. Also, the relative density is Z r Ot
It was 97.8% in the case where NbO2 was added, and 99.8% in the case where NbO2 was added.
Claims (2)
1種からなるセラミックスをマトリックスとし、該マト
リックス中に周期律表の第IVa〜VIa族元素のうちの少
なくとも1種の炭化物、または/および窒素または/お
よび酸素が固溶した上記周期律表の第IVa〜VIa族元素
のうちの少なくとも1種の炭化物が分散してなる複合材
料の製造方法であって、酸化物、窒化物、窒酸化物のう
ちの少なくとも1種からなるセラミックスの原料と、周
期律表の第IVa〜VIa族元素の酸化物または/および該
酸化物の前駆体と、炭素または/および熱分解により炭
素を生成する有機物質とからなる原料組成物を調製する
工程と、該原料組成物を焼成する工程とからなることを
特徴とする複合材料の製造方法。(1) Ceramics made of at least one of oxides, nitrides, and nitride oxides are used as a matrix, and in the matrix, at least one carbide of elements from groups IVa to VIa of the periodic table is contained, or/ A method for producing a composite material comprising a dispersion of at least one carbide of elements of groups IVa to VIa of the periodic table, in which nitrogen and/or oxygen are dissolved in solid solution, the method comprising: A ceramic raw material consisting of at least one kind of oxide, an oxide of a group IVa to VIa element of the periodic table or/and a precursor of the oxide, and carbon or/and carbon produced by pyrolysis. A method for producing a composite material, comprising the steps of preparing a raw material composition comprising an organic substance, and firing the raw material composition.
1種からなるセラミックスをマトリックスとし、該マト
リックス中に周期律表の第IVa〜VIa族元素のうちの少
なくとも1種の炭化物、または/および窒素または/お
よび酸素が固溶した上記周期律表の第IVa〜VIa族元素
のうちの少なくとも1種の炭化物が分散してなる複合材
料の原料組成物であって、酸化物、窒化物、窒酸化物の
うちの少なくとも1種からなるセラミックスの原料と、
周期律表の第IVa〜VIa族元素の酸化物または/および
該酸化物の前駆体と、炭素または/および熱分解により
炭素を生成する有機物質とからなることを特徴とする複
合材料の原料組成物。(2) Ceramics made of at least one of oxides, nitrides, and nitroxides are used as a matrix, and the matrix contains at least one carbide of elements from groups IVa to VIa of the periodic table, or/ A raw material composition for a composite material comprising a dispersion of at least one carbide of the elements of groups IVa to VIa of the periodic table, in which nitrogen and/or oxygen are dissolved as a solid solution, the composition comprising an oxide, a nitride, A ceramic raw material consisting of at least one kind of nitride,
Raw material composition of a composite material characterized by consisting of an oxide of a group IVa to VIa element of the periodic table and/or a precursor of the oxide, and carbon or/and an organic substance that generates carbon by thermal decomposition. thing.
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1989
- 1989-02-10 JP JP1031751A patent/JP2756685B2/en not_active Expired - Fee Related
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