JPH0259413A - β型炭化珪素粉末の製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、機械的性質および耐熱性に優れたβ型（立方
晶）焼結体の原料粉末の製造方法に関し、詳しくはガス
タービンなどの各種エンジン部品、耐食、耐磨耗部品、
あるいは各種摺動部材等の用途に適したβ型炭化珪素焼
結体の原料粉末として非常に有用な高純度β型炭化珪素
粉末の製造方法に関する。

［従来の技術およびその解決すべき諜ａ］近年、炭化珪
素焼結体は高温での機械的強度が大きいことから、ガス
タービンのような高温構造材料として非常に注目されて
いる。

この炭化珪素焼結体の機械的性質等を決めるのは焼結体
の微構造、不純物濃度等であり、これらの性質が原料粉
末の物性によって大きく左右されることはいうまでもな
く、そのため様々な原料粉末の製造方法が提案されてい
る。−従来、β型炭化珪素の製造方法としては、シリカ
と炭素の粉末を混合、加熱して反応を行う所謂シリカ還
元法と、金属シリコンおよび炭素を同様に反応させる所
謂直接炭化法等が知られている。

しかし、シリカ還元法は、吸熱反応でエネルギー効率が
悪く、有害な一酸化炭素が発生し、その処理が必要とな
る等の問題点がある。

従って、本発明では発熱反応で、エネルギー効率が良く
、有害なガスを発生しない等、優れた特徴を有する直接
炭化法について検討を行った。

本発明者らは、上記直接炭化法についての検討を進めて
行くに従い、製造されたβ型炭化珪素粉末を使用して焼
結体を製造する際、焼結体がα型に転移しやすく、その
ため焼結体の高温強度、摺動特性、破壊靭性、クリープ
特性等が低下するという問題点が存在することがわかっ
た。

［課題を解決するための手段］ 本発明者らはこのような現状において、焼結過程でβ型
よりα型に転移しに＜＜、機械的特性に優れた焼結体が
得られる粉末の製造方法について種々検討をおこなった
ところ、原料の金属不純物濃度および粒度が得られるβ
型炭化珪素粉末の上記焼結特性に大きな影響を及ぼすこ
とを見いだし、本発明に到達したものである。

すなわち本発明は、金属不純物量を量が０．１重量％以
下で粒径が５００μｍ以下の金属珪素と、金属不純物含
有量が０．１重量％以下で粒径が１０μｍ以下の炭素粉
末を、非酸化性雰囲気下、１２５０℃以上１７５０℃以
下で反応させることを特徴とするβ型炭化珪素粉末の製
造方法である。

本発明において原料粒径を上記の範囲に限定した理由は
、反応が効率よく進行し、焼結特性の良好な粉末を得る
ことができるからである。

金属珪素粉末が５００μｍより大きい場合や炭素粉末が
１０μｍより大きい場合、反応が効率的に進行せず、未
反応の金属珪素や炭素が残留して、反応速度が急激に低
下したり、金属珪素が溶融して炭化珪素粉末が粒成長し
やすくなり、好ましくない。

一方、金属不純物の量を上記範囲内としたのは、金属不
純物が焼結の際、β）αの転移を促進させることを見い
だしたからである。を通Ｘ線回折分析で分析できる程度
の６Ｈα、４Ｈα等のα型炭化珪素が存在する場合、そ
れを核としてα型が成長しやすいことは知られているが
、β型より低温で生じるといわれている２Ｈα相は含有
量が余り大きくない場合、６Ｈや４Ｈのα型には転移し
にくい。

しかし、本発明の直接炭化法において、ＸｖＡ回折法に
よる分析では、生成する２Ｈα相の含有量が殆ど同じで
、他のα相が全熱観察されないにも拘わらず、原料の金
属不純物量が金属珪素１、炭素とも０．１重量％を越え
た場合、得られた炭化珪素粉末が焼結時にβ）α転移し
やすくなることがわかった。

これは、原料粉末中に金属不純物が多くなった場合、極
微量のα相が生じるか、格子の乱れが生じて、これが核
となりα相の生成を促すためと考えられる。

金属不純物としてがんかえられるのは、Ｆｅ、（：ｏ、
　Ｎｊ等の遷移金属、Ｍｇ、　Ｃａ等のアルカリ土類金
属、Ｎａ５Ｋ等のアルカリ金属、ＡＩがあるが、なかで
もＦｅ％ＡＩ等が含有量も多く、β→αの結晶転移に影
響していると考えられる。

本発明においては、原料の酸化を防いで反応をスムーズ
に進行させるため、反応は窒素、アルゴン、ヘリウム等
の非酸化性雰囲気で行う必要があり、反応は１２５０℃
以上１７５０℃以下の温度で行う必要がある。

温度が１２５０℃より低い場合、反応が充分に進行せず
、未反応の原料が残留する。また、温度が１７５０℃よ
り高い場合、炭化珪素粉末が粒成長を起こし、得られた
粉末は焼結活性に乏しいものとなる。

このような条件では、反応時間は１０分から２時間とな
る。また、原料の混合モル比は、Ｃ／Ｓｉが０゜９〜２
，０の範囲が好ましい。

すなわち、Ｃ／Ｓｉのモル比が０．９より小さい場合、
未反応の金属珪素が焼結時に悪影響を及ぼすが、炭素が
多い場合反応が進行しやすく、未反応の炭素が残留した
場合も、空気中での焼成により簡単に除くことができる
。

本発明で使用される炭素は、粒径および不純物濃度が本
発明の条件を満たすものなら、何でも使用でき、例えば
カーボンブラック、アセチレンブラック、黒鉛等が使用
できる。

また、本発明で使用される金属珪素も同様に本発明の条
件を満たす粒度および金属濃度を有するものならいずれ
のものも使用でき、粒径が大きすぎるものについては、
粉砕により粒度を整えた後、使用すればよい。

上記反応により得られたβ型炭化珪素中に未反応の金属
珪素が残留した場合、鉱酸たとえば塩酸等で処理するこ
とにより除去することができ、また炭素が残留した場合
は既に述べたように空気中での焼成処理により取り除く
ことができる。

このようにして得られたβ型炭化珪素粉末の金属不純物
は０．１重量％以下となり、平均粒径。

も０．１〜ｌｔＩｍとなり、焼結性の優れた粉末として
様々な用途に使用できる。

本発明による粉末の製造法は、連続式でも、バッチ式で
も実施可能である。

［実施例］ 以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発
明は係る実施例に限定されるものではない。

実施例１ 平均粒径１０μｍの金属珪素　（金属不純物：０．０８
重量％以下）および市販のカーボンブラック（平均粒径
＋　０．０３ａ　ｍ、金属不純物？　０．０７重量％）
をＣ／Ｓｉ（モル比）が１．５になるようにとり、ナイ
ロンボールミルで混合操作を行った後、黒鉛製ル・ンボ
に入れ、縦型タンマン炉で窒素ガスを流しながら、１４
５０℃で２時間維持した後、冷却し、生成物を取り出し
た。　この粉末の平均粒径は０．３μｍであり、反応率
は９８％であった。　Ｘ線回折により、生成粉末中に含
まれる炭化珪素の多形、およびその組成を分析したとこ
ろ、２Ｈα相を少量含むβ型（３Ｃ相）の炭化珪素結晶
であった。

前記炭化珪素１００重量部に対して、炭素源としてフェ
ノール樹脂（レゾール型　残炭素率５２重量％）を炭素
換算で、１．５１［置部になるように添加した。フェノ
ール樹脂を硬化処理後、はう素０．３重量部を添加し、
更にｎ−ヘキサンを加えて２４時間、ポリエチレン製ボ
ールミルで湿式混合した。乾燥後、２００ｋｇ／ｃａＩ
の圧力で金型成形し、次に静水圧プレス機を用いて、１
．５　ｔｏｎ／−の圧力で成形した。

この成形体を高周波加熱炉に装入し、常温〜１５００℃
までは真空引きしながら昇温し、それ以上はアルゴンガ
ス大気圧下で昇温、２０００℃で６０分間保持した。

得られた焼結体は３．１８ｇ／ａＪの密度を有していた
。また、この焼結体の粉末ｘｗａ回折測定を行ったとこ
ろ、炭化珪素はα型結晶を含まないβ型結晶であること
が認められた。

この焼結体の表面を鏡面仕上げし、１００ｍｊｔの水に
Ｎａ０ＨＳＫ３　［Ｆｅ（ＣＮ）ｓ　］を各１０ｇの割
合で添加したエツチング用試薬を用いて、エツチング処
理し、ＳＥＸで観察したところ、異常粒成長粒子は含ま
れていなかった。

ここで、焼結体の密度はアルキメデス法により、炭化珪
素粉末の平均粒径は島津製作所製の遠心沈降式粒度分布
測定装置（ＳＡ−ＣＦ２）により測定した。

上記原料のｆｌ＋４の条件、焼成条件、粉末特性焼結体
特性を第１表に示す。

実施例２〜７、比較例１〜８ 実施例１と同様の方法で、実施例２〜７、比較例１〜８
を実施した。その時の原料の種々の条件、焼成条件、粉
末特性、焼結特性を実施例１と同様に第１表に示す。

［発明の効果］ 本発明の製造法によれば、平均粒径１μｍ以下で焼結性
のすぐれた高純度β型炭化珪素粉末を得ることができ、
該粉末を原料として焼結を行うことにより、６Ｈα、４
Ｈα等のα相や異常粒成長粒子を含まない機械的特性の
優れたβ型炭化珪素焼結体を得ることができる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属不純物含有量が０．１重量％以下で粒径が５
   ００μｍ以下の金属珪素と、金属不純物含有量が０．１
   重量％以下で粒径が１０μｍ以下の炭素粉末を、非酸化
   性雰囲気下、１２５０℃以上１７５０℃以下で反応させ
   ることを特徴とするβ型炭化珪素粉末の製造方法。