JPH0234563A - セラミックス焼結体の製造方法 - Google Patents
セラミックス焼結体の製造方法Info
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- JPH0234563A JPH0234563A JP63185769A JP18576988A JPH0234563A JP H0234563 A JPH0234563 A JP H0234563A JP 63185769 A JP63185769 A JP 63185769A JP 18576988 A JP18576988 A JP 18576988A JP H0234563 A JPH0234563 A JP H0234563A
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Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
本発明は、機械的強度の優れたセラミックス焼結体の製
造方法に係り、ざらに詳しくは、炭化珪素粉末を主原料
とする高強度炭化珪素系セラミックス焼結体を安価に製
造する方法に関する。 ［従来の技術］ セラミックスは周知の通り、高強度、高硬度、耐摩耗性
に優れた材料であり、広範な用途に使用されている。ざ
らに、イオン結合性の高い酸化物系セラミックスと比較
し、共有結合性の高い非酸化物系セラミックスは高強度
であることからその開発が進められている。その中でも
、炭化珪素（ＳＬｃ ）セラミックス、窒化珪素（ＳＬ
３ Ｎ ４ ）セラミックスが最も広く使用されている
。 ＳＬＣセラミックスは、高硬度（ビッカース硬度：２０
００〜２３００ｋｇ−＆）であるために耐摩耗性に優れ
ている。また、ＳＬ３ Ｎ ４より高温での安定性が高
いため、高温でも強度低下が少ない等の特徴を有した材
料である。 しかし、ＳＬＣセラミックスは５ｉ３８４セラミツクス
と比較して脆いという欠点がある。このことはＳＬＣセ
ラミックスの破壊靭性値（ＫＩＣ）が約３ＨＮ／ＩＩ＋
３７２と低いことからも明らかである。また強度もＳＬ
３ Ｎ ４セラミツクスは約１００ｋｉＪであるのに対
し、ＳＬＣセラミックスは約５０ｋｌ、ＩＱと低い。 一方、これらのセラミックスは、焼結する場合に焼結助
剤を必要とする。ＳｊＣセラミックスでは、焼結助剤と
して一般的にＢおよびＣが用いられるが、ＳｉＣが他成
分との反応性が低いため、高温（２０００〜２３００’
Ｃ）で焼結する必要がおり、製造コスト等に問題がめる
。 なお、珪素粉末または有機珪素高分子化合物成形体を窒
化および炭化処理してＳＬ３ Ｎ ４ ＳＬＣセラミ
ックスを製造する方法がある（特開昭５６−１２０５７
４号公報参照）。しかし、この方法で得られた複合セラ
ミックスは強度が低いという欠点がおる。 ［発明が解決しようとする課題］ この発明は高硬度で、かつ高温安定性の優れたＳＬＣセ
ラミックスと、高強度で焼結が容易でおるＳＬ３ Ｎ
４セラミツクスの特徴を併せ持つセラミックス焼結体を
安価に製造し得る方法を提案しようとするものである。 ［課題を解決するための手段］ この発明は、高硬度で、高温でも化学的に安定という特
長を有するＳＬＣセラミックスと、高強度で焼結が容易
という特長を有するＳＬ３ Ｎ ４セラミツクスの特性
を併せ持つセラミックス焼結体を得るだめに、ＳＬＣ粉
末の表面を窒化させＳｉ３ Ｎ ４層を形成させた原料
を用いることを特徴としている。 その要旨は、炭化珪素粉末を、ＮＨ３ガスおよび／また
はＮ２と馬の混合ガス雰囲気中、１８０〜１０４０℃の
温度範囲で加熱することによって、炭化珪素粉末表面に
窒化珪素層を形成させた後、酸化物系焼結助剤を添加し
て焼結することにある。
造方法に係り、ざらに詳しくは、炭化珪素粉末を主原料
とする高強度炭化珪素系セラミックス焼結体を安価に製
造する方法に関する。 ［従来の技術］ セラミックスは周知の通り、高強度、高硬度、耐摩耗性
に優れた材料であり、広範な用途に使用されている。ざ
らに、イオン結合性の高い酸化物系セラミックスと比較
し、共有結合性の高い非酸化物系セラミックスは高強度
であることからその開発が進められている。その中でも
、炭化珪素（ＳＬｃ ）セラミックス、窒化珪素（ＳＬ
３ Ｎ ４ ）セラミックスが最も広く使用されている
。 ＳＬＣセラミックスは、高硬度（ビッカース硬度：２０
００〜２３００ｋｇ−＆）であるために耐摩耗性に優れ
ている。また、ＳＬ３ Ｎ ４より高温での安定性が高
いため、高温でも強度低下が少ない等の特徴を有した材
料である。 しかし、ＳＬＣセラミックスは５ｉ３８４セラミツクス
と比較して脆いという欠点がある。このことはＳＬＣセ
ラミックスの破壊靭性値（ＫＩＣ）が約３ＨＮ／ＩＩ＋
３７２と低いことからも明らかである。また強度もＳＬ
３ Ｎ ４セラミツクスは約１００ｋｉＪであるのに対
し、ＳＬＣセラミックスは約５０ｋｌ、ＩＱと低い。 一方、これらのセラミックスは、焼結する場合に焼結助
剤を必要とする。ＳｊＣセラミックスでは、焼結助剤と
して一般的にＢおよびＣが用いられるが、ＳｉＣが他成
分との反応性が低いため、高温（２０００〜２３００’
Ｃ）で焼結する必要がおり、製造コスト等に問題がめる
。 なお、珪素粉末または有機珪素高分子化合物成形体を窒
化および炭化処理してＳＬ３ Ｎ ４ ＳＬＣセラミ
ックスを製造する方法がある（特開昭５６−１２０５７
４号公報参照）。しかし、この方法で得られた複合セラ
ミックスは強度が低いという欠点がおる。 ［発明が解決しようとする課題］ この発明は高硬度で、かつ高温安定性の優れたＳＬＣセ
ラミックスと、高強度で焼結が容易でおるＳＬ３ Ｎ
４セラミツクスの特徴を併せ持つセラミックス焼結体を
安価に製造し得る方法を提案しようとするものである。 ［課題を解決するための手段］ この発明は、高硬度で、高温でも化学的に安定という特
長を有するＳＬＣセラミックスと、高強度で焼結が容易
という特長を有するＳＬ３ Ｎ ４セラミツクスの特性
を併せ持つセラミックス焼結体を得るだめに、ＳＬＣ粉
末の表面を窒化させＳｉ３ Ｎ ４層を形成させた原料
を用いることを特徴としている。 その要旨は、炭化珪素粉末を、ＮＨ３ガスおよび／また
はＮ２と馬の混合ガス雰囲気中、１８０〜１０４０℃の
温度範囲で加熱することによって、炭化珪素粉末表面に
窒化珪素層を形成させた後、酸化物系焼結助剤を添加し
て焼結することにある。
ＳＬＣ粉末の表面を窒化させてＳＬ３ Ｎ ４層を形成
させる方法としては例えば、プラズマ溶射法、ＣＶＤ法
、スパッタ法等が知られている。しかしながら、これら
の方法では、コーティング層が緻密になり難いこと、ま
たコーティング層と母材境界層に欠陥が生じ易く、機械
的応力、熱サイクル時の両者の膨張差によってコーチイ
ブ層の剥離が生じる等の問題があった。 そこでこの発明では、これらの問題を解決するため、Ｓ
ｊＣ粉末をガス雰囲気中１８０〜１０４０℃の温度範囲
で加熱する方法を採用したのである。 ここで、ガス組成としては、ＮＨ３ガスが好適であるが
、Ｎ２＋ Ｎ２の混合ガスまたはこれらの混合ガス（
ＮＨ３−Ｎ２− Ｎ２系）も勿論支障はない。ざらに、
反応速度は遅くなるが０２を含まない他成分ガスとの混
合ガスも使用可能である。 また、加熱温度を１８０〜１０４０℃の範囲としたのは
、第１図に示すＳｉＣとＮ）＋３ガスとの反応生成自由
エネルギーの検討結果および実験結果による。 すなわち、１８０℃未満ではＮＨ３が分解せずＳｉＣと
の反応に作用しない。一方、１０４０℃を超える温度で
はＳｉＣが安定となり、反応が進まないからである。 このような条件でＳｊＣ粉末を処理した場合、コーティ
ング層とは異なり、ＳＬＣへのＮ２侵入量は連続的に変
化するため表面ではＳＬ３ Ｎ ４であるが、粉末の内
部に入るほどＳＬ３ Ｎ ４が少なくＳＬｃが多くなる
。 この場合、コーティング層とは異なり、母材とＳＬ３
Ｎ ａ 層の境界が無くなるため、境界層の欠陥が皆無
となり強固な結合層となる。 表面にＳＬ３ Ｎ ４層を形成したＳＬＣ粉末を焼結す
る際に添加する酸化物系焼結助剤としては、Ｙ２０３．
Ｍｕｃｈ 、 Ｍｇｏ 、 ５ｊ０２等の酸化物が使
用でき、焼結温度も１５００〜１８００℃とＳｊＣセラ
ミックスの場合と異なり低温での焼結が可能となる。こ
の焼結体の組織を模式的に第２図に示す。 なお、焼結助剤の添加量は１ ｖｔ％未満では、焼結性
が乏しく、１５ｗｔ％を超えるとＳＬＣ本来の特性が失
われるため、添加量は１〜１５Ｗ【％が好ましい。 ［実 施 例］ 平均粒径０．３ｆのＳＬＣ粉末を、９００’Ｃに保持し
た炉中で、流Ｌｉ ５００ｄ／ｍｉｎのＮＨ３ガスを流
して６時間保持してＳｊＣを窒化した。 この窒化処理して得られた原料に、助剤としてＹ２Ｏ，
を５ｗｔ％添加してエタノールと共にボールミルで混合
して乾燥した後、該粉末をホットプレスにより１８００
℃で２時間焼結し、得られた焼結体の特性を調査した結
果を第１表に示す。 なお第１表には、比較のため、未処理ＳＬＣ粉末を原料
として同一条件で焼結した焼結体の特性およびＳｉ３
Ｎ ４を原料として焼結した焼結体の特性を併記した。 第１表より明らかなごとく、試験Ｎｏ、１〜５の本発明
の焼結体は、いずれも高強度のＳＬＣの特性を有するこ
とを確認できた。 又、本発明法に基づき常圧焼結法でハースローラ−を作
製し、亜鉛処理鋼板の熱処理炉で１年使用して点検した
ところ、割れの発生もスケールとの反応も無く健全であ
った。 以下余白 ［発明の効果］ 以上説明したごとく、この発明方法によれば、高硬度で
かつ高温安定性の優れたＳＬＣセラミックスと、高強度
でかつ焼結が容易なＳＬ３ Ｎ ４セラミツクスの特性
を合わせ持つ焼結体を低温での焼結により作製できるの
で、高強度、高硬度、高靭性のセラミックス焼結体を安
価に製造することができるという、大なる効果を奏する
。
させる方法としては例えば、プラズマ溶射法、ＣＶＤ法
、スパッタ法等が知られている。しかしながら、これら
の方法では、コーティング層が緻密になり難いこと、ま
たコーティング層と母材境界層に欠陥が生じ易く、機械
的応力、熱サイクル時の両者の膨張差によってコーチイ
ブ層の剥離が生じる等の問題があった。 そこでこの発明では、これらの問題を解決するため、Ｓ
ｊＣ粉末をガス雰囲気中１８０〜１０４０℃の温度範囲
で加熱する方法を採用したのである。 ここで、ガス組成としては、ＮＨ３ガスが好適であるが
、Ｎ２＋ Ｎ２の混合ガスまたはこれらの混合ガス（
ＮＨ３−Ｎ２− Ｎ２系）も勿論支障はない。ざらに、
反応速度は遅くなるが０２を含まない他成分ガスとの混
合ガスも使用可能である。 また、加熱温度を１８０〜１０４０℃の範囲としたのは
、第１図に示すＳｉＣとＮ）＋３ガスとの反応生成自由
エネルギーの検討結果および実験結果による。 すなわち、１８０℃未満ではＮＨ３が分解せずＳｉＣと
の反応に作用しない。一方、１０４０℃を超える温度で
はＳｉＣが安定となり、反応が進まないからである。 このような条件でＳｊＣ粉末を処理した場合、コーティ
ング層とは異なり、ＳＬＣへのＮ２侵入量は連続的に変
化するため表面ではＳＬ３ Ｎ ４であるが、粉末の内
部に入るほどＳＬ３ Ｎ ４が少なくＳＬｃが多くなる
。 この場合、コーティング層とは異なり、母材とＳＬ３
Ｎ ａ 層の境界が無くなるため、境界層の欠陥が皆無
となり強固な結合層となる。 表面にＳＬ３ Ｎ ４層を形成したＳＬＣ粉末を焼結す
る際に添加する酸化物系焼結助剤としては、Ｙ２０３．
Ｍｕｃｈ 、 Ｍｇｏ 、 ５ｊ０２等の酸化物が使
用でき、焼結温度も１５００〜１８００℃とＳｊＣセラ
ミックスの場合と異なり低温での焼結が可能となる。こ
の焼結体の組織を模式的に第２図に示す。 なお、焼結助剤の添加量は１ ｖｔ％未満では、焼結性
が乏しく、１５ｗｔ％を超えるとＳＬＣ本来の特性が失
われるため、添加量は１〜１５Ｗ【％が好ましい。 ［実 施 例］ 平均粒径０．３ｆのＳＬＣ粉末を、９００’Ｃに保持し
た炉中で、流Ｌｉ ５００ｄ／ｍｉｎのＮＨ３ガスを流
して６時間保持してＳｊＣを窒化した。 この窒化処理して得られた原料に、助剤としてＹ２Ｏ，
を５ｗｔ％添加してエタノールと共にボールミルで混合
して乾燥した後、該粉末をホットプレスにより１８００
℃で２時間焼結し、得られた焼結体の特性を調査した結
果を第１表に示す。 なお第１表には、比較のため、未処理ＳＬＣ粉末を原料
として同一条件で焼結した焼結体の特性およびＳｉ３
Ｎ ４を原料として焼結した焼結体の特性を併記した。 第１表より明らかなごとく、試験Ｎｏ、１〜５の本発明
の焼結体は、いずれも高強度のＳＬＣの特性を有するこ
とを確認できた。 又、本発明法に基づき常圧焼結法でハースローラ−を作
製し、亜鉛処理鋼板の熱処理炉で１年使用して点検した
ところ、割れの発生もスケールとの反応も無く健全であ
った。 以下余白 ［発明の効果］ 以上説明したごとく、この発明方法によれば、高硬度で
かつ高温安定性の優れたＳＬＣセラミックスと、高強度
でかつ焼結が容易なＳＬ３ Ｎ ４セラミツクスの特性
を合わせ持つ焼結体を低温での焼結により作製できるの
で、高強度、高硬度、高靭性のセラミックス焼結体を安
価に製造することができるという、大なる効果を奏する
。
第１図はこの発明におけるＳＬＣとガスとの反応性を示
す図、第２図は同上における焼結体の組織を模式的に示
す図である。 出願人 住友金属工業株式会社
す図、第２図は同上における焼結体の組織を模式的に示
す図である。 出願人 住友金属工業株式会社
Claims (1)
- 炭化珪素粉末を、ＮＨ＿３ガスおよび／またはＮ＿２
とＨ＿２の混合ガス雰囲気中、１８０〜１０４０℃の温
度範囲で加熱することによつて、上記炭化珪素粉末表面
に窒化珪素層を形成させた後、酸化物系焼結助剤を添加
して焼結することを特徴とする炭化珪素系セラミックス
焼結体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63185769A JPH0234563A (ja) | 1988-07-26 | 1988-07-26 | セラミックス焼結体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63185769A JPH0234563A (ja) | 1988-07-26 | 1988-07-26 | セラミックス焼結体の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0234563A true JPH0234563A (ja) | 1990-02-05 |
Family
ID=16176563
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63185769A Pending JPH0234563A (ja) | 1988-07-26 | 1988-07-26 | セラミックス焼結体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0234563A (ja) |
-
1988
- 1988-07-26 JP JP63185769A patent/JPH0234563A/ja active Pending
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