JPH03197003A - 複合セラミックスの成形法 - 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、複合セラミックスの成形法に関し、さらに詳
しくは窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体の超塑性を利
用した成形法に関する。

〔従来技術およびその課題〕

窒化ケイ素や炭化ケイ素はいわゆる非酸化物系の構造材
料用セラミックスとして、近年とみに注目を集め様々な
分野で使用されている。

こうした窒化ケイ素や炭化ケイ素は、耐熱性、耐熱衝撃
性、耐摩耗性あるいは耐食性を生かして利用がはじまっ
ているが、いわゆる脆性材料であるため材料の加工性が
きわめて悪く、通常、窒化ケイ素や炭化ケイ素の部材は
原料粉末を鋳込成形、金型成形、射出成形等によって成
形し、焼結後加工して製造している。また、従来の成形
法ではかなり複雑な形状を付与できるものの、焼結時に
寸法収縮が起こるために、精度を要求される部材におい
ては、この成形品を１次焼結、切削加工、２次焼結した
後、研削・研磨によって最終製品を得なければならなか
った。このようにセラミックスの本来の長所であるはず
の、硬いあるいは脆性を示すという性質は、セラミック
スの製造にとって成形、加工工程に多大の労力を要する
という結果をもたらしている。また、こうした加工効率
の悪さは製造コストの上昇を引き起こし、セラミックス
部材の量産化に大きな障害となっている。

一方、大きな延性を示す金属材料においては、いわゆる
塑性加工によって効率的かつ安価に製造されており、こ
の加工性の良さが金属材料を広く普及させる大きな要因
となっている。このような塑性加工が窒化ケイ素や炭化
ケイ素などの非酸化物系セラミックスに適用できれば、
製造コストは従来の製法に比べて格段に下がり、構造材
料用セラミックスの量産化あるいは用途の飛躍的な拡大
が見込まれる。

しかしながら、従来の窒化ケイ素や炭化ケイ素は室温に
おいては脆性破壊を示し、１２００℃以上の高温域にお
いては、例えば、−軸引っ張りクリープ試験におけるク
リープ破断までの変形量がホットプレス窒化ケイ素で０
．８％、常圧焼結窒化ケイ素で３％以下であり、安定な
変形がおきずに破断してしまう。このため塑性加工を窒
化ケイ素や炭化ケイ素に適用することが不可能であった
。

ところで、ある種の金属合金は塑性加工が困難であり、
こうした金属材料では制御された歪速度と温度域におい
て微細な結晶粒を生成させ、いわゆる超塑性変形をおこ
させて成形・加工することが行われている。この超塑性
変形はくびれを生ずることなく通常の降伏点よりはるか
に低い応力下で変形を起こし、材料の種類によっては数
百％にも及ぶ変形が可能である。このような方法により
、塑性加工が困難な金属合金であっても、複雑形状を持
つ部材が比較的安価に製造できることが知られている。

この超塑性変形の現象は、窒化ケイ素や炭化ケイ素とい
った非酸化物系セラミックスにはいまだに見い出されて
いなかった。

本発明者らは、このような超塑性変形が窒化ケイ素や炭
化ケイ素などの非酸化物系セラミックスにも必ず存在す
ると考え鋭意検討を重ねた結果、微細かつ等軸状の粒を
持つ窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体が制御された温
度と歪速度の一軸引っ張り試験において、くびれを生成
することなく大きな延性を示す、すなわち超塑性を示す
ことを見いだした。本発明の目的は、超塑性変形を利用
して、従来知られていなかった非酸化物系セラミックス
を成形する方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体を超塑性
温度域において応力作用下で変形させ、成形することを
特徴とする複合セラミックスの成形法に関し、詳しくは
、液相焼結によって製造される平均粒径２μｍ以下の微
細組織からなる窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体であ
って、炭化ケイ素が主としてβ相からなり、その含有量
が１０〜５０体積％であり、窒化ケイ素は少なくともβ
相を４０％以上含有し、焼結体の平均粒径が２μｍ以下
の主として等軸状粒子からなる窒化ケイ素−炭化ケイ素
複合焼結体を、超塑性温度域１４００℃〜１７００℃に
おいて応力作用下１０−’５ｅｃ−以下の歪速度で変形
させ成形する複合セラミックスの成形法に関する。

本発明に使用される窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体
の粒径が２μｍ以上の粒径であり、粒径が等軸状でなく
、たとえば柱状粒子が絡み合ったような構造をしている
場合は、本発明の成形法を適用することができない。こ
れは、変形が起こる温度域において応力を作用させた場
合にキャビチーが生成し、得られる成形体の強度や他の
機械的物性が著しく劣化するためである。たとえば、従
来から用いられている窒化ケイ素では粒径が大きく柱状
粒子が絡み合った組織をしているため、高温域において
もその変形量は小さく、安定な変形が起きずに破断した
りキャビチーを生成して機械的物性の著しい劣化を引き
起こすことになる。

また、炭化ケイ素の含有量は１０〜５０体積％が適当で
あり、これより量が少ない場合には、変形過程において
粒成長がおきて変形を阻害したり、また逆に炭化ケイ素
量が多い場合には、緻密な焼結体を得ることが困難にな
る。さらに、窒化ケイ素の生成相は少なくともβ相が４
０％以上である必要がある。β相が少ない場合には、本
発明の成形過程においてα−β転移が起こり、粒成長や
柱状化が促進されるため安定な変形を起こさせることが
できない。

本発明の成形法に適した窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼
結体は、ケイ素、炭素、窒素および酸素からなる組成を
有し、炭素含有量が３．０〜１５．０重量％で、かつ平
均粒径が１μｍ以下の非晶質粉末に、焼結過程において
液相を生成する焼結助剤を混合し、焼結温度１５００〜
２０００℃で焼結することにより得られる。

上記のごとき組成を有する非晶質粉末は、たとえば特開
昭６０−２００８１２号公報、特開昭６０−２００１３
号公報、特開昭６０−２２１３１１号公報、特開昭６０
−２３５７０７号公報、特開昭６１−１１７１０８号公
報等に示される方法により得られる非晶質のケイ素、炭
素、窒素および酸素からなる粉末が用いられる。この粉
末は原料段階ですでに炭化ケイ素と窒化ケイ素がよく混
じり合う様になっており、炭化ケイ素を均一に分散させ
本発明に適した均一な微構造を有する焼結体を得るのに
好適である。この原料粉末に存在する炭化ケイ素は焼結
過程において窒化ケイ素の結晶化の核となったり、窒化
ケイ素の粒成長を抑制するなどの働きがあるため、原料
中の炭化ケイ素の量によって生成する窒化ケイ素−炭化
ケイ素複合焼結体の微構造は異なったものになる。

すなわち、炭化ケイ素の量が少ない場合には、窒化ケイ
素は柱状粒子の多い構造になり、炭化ケイ素の量が多い
場合には、窒化ケイ素は粒成長が抑制されるために等軸
状の粒子が多い構造になりやすい。

したがって、本発明の成形法に適した焼結体を得るには
、原料粉末の炭素量が３．０〜１５．０重量％であるこ
とが必要である。炭素量がこれより少ない場合には、窒
化ケイ素の柱状化と粒成長がおこり、本発明の成形法が
適用できない。また、炭素量がこれよりも多い場合には
、緻密な焼結体を得ることが困難となる。

炭素含有量の適切な本発明の原料粉末を焼結中に液相を
生成する焼結助剤、あるいは成形を行う場合には成形用
バインダーも添加し良く混合する。

本発明に使用する焼結体を得るのに使用される焼結助剤
は、従来から窒化ケイ素、炭化ケイ素に用いられている
いずれのものも使用することができる。　たとえばＭｇ
Ｏ１Ａｉｔ、口３　、Ｙ２Ｏ３、ＡＡＮ。

５１０２やランタン系の酸化物等が例示され、これらは
単独でもしくは混合して使用することができる。

これら焼結助剤の使用量は通常０．１〜２０重量％の範
囲である。この混合方法は従来から行われている乾式あ
るいは湿式混合法のいずれの方法でも構わない。

次に、ホットプレスやＨＩＰのように粉末から直接焼結
する場合以外は、金型成形、鋳込み成形あるいは射出成
形などの方法によりあらかじめ所定の形状を付与する。

その焼結方法は、通常の常圧焼結、ホットプレス、ガス
圧焼結、あるいはＨＩＰ等の従来から実施されている方
法がそのまま適用できる。焼結の温度はその焼結方法に
もよるが、１５００〜２０００℃が適当であり、通常は
、組成の粒成長を抑え、窒化ケイ素の柱状化が進行しな
い温度と時間が選ばれる。この焼結条件は、用いる原料
粉末の組成によっても影響される。例えば、原料粉末に
炭素を１０重量％含有している粉末を代表的なホットプ
レス法で焼結する場合には、１６００〜１７５０℃、２
００〜４００Ｋｇ／ｃｍ２．１〜３　ｈｒｓの条件で焼
結される。

また、炭素量が６重量％含有の粉末を原料とした場合に
は、１５００〜１７００℃、２００〜４００　Ｋｇ／ｃ
ｍ”、０゜５〜５．０ｈｒｓが適当な条件となる。なお
、このような条件は用いられる焼結助剤によっても影響
されることは言うまでもない。

このようにして得られる窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼
結体は、炭化ケイ素が主としてβ相からなり窒化ケイ素
は少なくともβ相が４０％以上含有した焼結体であり、
その構成粒子は平均粒径が２μｍ以下で主として等軸状
からなる。またその相対密度は少なくとも９０％以上が
必要である。

一方、ＨＩＰやガス圧焼結による場合には、窒化ケイ素
の分解温度を上げることができるため、焼結温度を高く
することができる。このような焼結法によって、窒化ケ
イ素−炭化ケイ素複合焼結体中の炭化ケイ素をα相に富
む相へ変えることも可能である。

次に本発明の成形法を具体的に述べる。

以上のように製造された窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼
結体を、超塑性を示す温度域において応力を作用させて
所定形状の成形を行う。この温度域は通常１４００〜１
７００℃、好ましくは１４５０〜１６５０℃である。こ
れ以上の温度域では窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体
の熱変質が起き、得られる成形体の物性が低下する。ま
た、これ以下の温度域では成形速度が遅くなり、経済的
に好ましくない。

歪速度は、成形する温度により最適化されるが、過度に
速度を上げて成形すると粒界すべりに起因するキャビテ
ィーが材料中に生成し、これらが連結して大きな欠陥と
なって成形体の強度を低下させたり、あるいは多孔質に
なるなど機械的物性に悪影響を及ぼすことがある。した
がって、成形に際しての歪速度は１０−’５ｅｃ−’以
下、好ましくは１０−’５ｅｃ−’以下で実施すること
が好ましい。

形成時の雰囲気は大気中あるいは非酸化雰囲気のいずれ
でもよいが、好ましくは非酸化雰囲気で実施するのが好
ましい。これは使用する窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼
結体が酸化によって変質を受けないようにするためであ
り、短時間で成形を終了する場合には酸化雰囲気でもか
まわないが、長時間になる場合には非酸化雰囲気で行う
のがよい。

また、この成形に使用される治具は、セラミックス製、
黒鉛製、超耐熱合金製であり、成形時の雰囲気と成形温
度に応じて選択される。

このような超塑性温度域で成形することにより、例えば
、圧縮によって薄板を成形したり、薄板を曲げ成形した
り、あるいは所定の形状に加工された精密な型中で精密
成形を行うことができる。

また、この成形法により特に精度が要求される特定の部
分だけを加工し、製造効率やコストの向上を計ることが
できる。このように、本発明によれば単純形状の焼結体
から複雑形状をもつ焼結体へと誘導できる。

〔発明の効果〕

このように液相焼結によって製造される平均粒径２μｍ
以下の微細組織からなる窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼
結体を、超塑性温度域において応力作用下で変形させ成
形することにより、従来のような複雑な成形や加工工程
を経ることなく所定の形状に精密成形を行うことができ
る。

また、超塑性変形による本発明により単純形状の窒化ケ
イ素−炭化ケイ素複合焼結体から複雑な形状を付与する
ことができる。さらに本発明は同一形状の成形において
は使用する型を多く用いることによってセラミックス部
材の量産化を達成することも可能である。

したがって、本発明によって寸法精度の要求されるガス
タービンやエンジン等の高温高強度部材や断熱部材、あ
るいは耐摩耗材や切削工具を効率よく製造することが可
能にである。

次に本発明の実施例を比較例と共に示す。以下に示す実
施例は本発明の一例を示すものであって本発明の要旨を
超えない限り、これに限定されるものでない。

実施例　１．２ 炭素を９．６重量％含有するケイ素、炭素、窒素および
酸素からなる平均粒径が１μｍ以下の非晶質粉末に、Ｙ
２Ｏ３，６ｗｔ％、ＡＩｌ　２０３２ｗｔ％を加えエタ
ノール中で湿式混合を行い乾燥した後、直径５０ｍｍの
黒鉛ダイスに充填し、窒素ガス中３５０Ｋｇ／ｃｍ’の
圧力で１７００℃、ｌｈｒのホットプレス焼結を行った
。得られた焼結体は密度が３．２８ｇ／ｃｍ’であり、
窒化ケイ素のβ化率は９６％で、平均粒径１μｍ以下の
主として等軸状粒子からなる窒化ケイ素−炭化ケイ素複
合焼結体であった。

この焼結体より、直径３ｍｍ、長さ１０輸の円柱部を有
する供試体を作成し、窒素雰囲気中１６５０℃に設定さ
れた高温炉中において、歪速度８Ｘ１０−’５ｅｃ−’
および４　Ｘ　１０−５ｓｅｃ−’で引張り変形させた
。

変形抵抗は２０〜５０ＭＰａであり、変形後の公称歪は
いずれも１１０％であった。また、変形に伴うくびれは
認められず、均一な伸びが観察された。

実施例　３ 実施例１．２と同一の焼結体（５Ｘ　５　Ｘ　３ｍｍ）
をアルゴン中、１６５０℃において、黒鉛板を介してて
設置した。これを８　Ｘ　１０−’５ｅｃ−’で圧縮変
形させ、厚さ２ｍｍの薄板を得た。この薄板には亀裂や
変質は認められなかった。

実施例　４〜６ 炭素含有量６．２重量％のケイ素、炭素、窒素および酸
素からなる１μｍ以下の非晶質粉末に、Ｙ２Ｏ３６ｗｔ
％、Ａｌｌ　２０３２ｗｔ％を加えエタノール中で湿式
混合を行い乾燥した後、直径５０ｍｍの黒鉛ダイスに充
填し、窒素ガス中３５０　Ｋｇ／ｃｍ３の圧力で１６５
０℃、ｌｈｒのホットプレス焼結を行った。

得られた焼結体は密度が３．２９ｇ／ｃｍ’であり、窒
化ケイ素のβ化率は７３％で、平均粒径が１μｍ以下の
主として等軸状粒子からなる窒化ケイ素−炭化ケイ素複
合焼結体であった。

この焼結体から実施例１．２と同様の供試体を作成し、
１６００℃において歪速度８　Ｘ　１０−５ｓｅｃ−’
４　Ｘ　１０−５ｓｅｃ−’および２　Ｘ　１０−５ｓ
ｅｃ−’の条件で引張り試験を実施した結果、変形後の
公称子はそれぞれ５６％、１０５％および２１０％であ
った。

実施例　７〜９ 実施例４〜６と同一の原料粉末からホットプレス焼結に
よって表１に示す平均粒径２μｍ以下の主として等軸状
からなる窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体を得た。

この焼結体から実施例１．２と同様の供試体を作成し、
歪速度８　Ｘ　１０−３ｓｅｃ−’で種々の温度条件で
引張り試験を行い、表−１の結果を得た。

表−１ 比較例　１ 市販の柱状粒子が絡み合った窒化ケイ素焼結体を、実施
例４と同様に歪速度８　Ｘ　１０−’５ｅｃ−’変形温
度１６００℃で引張り試験を行ったところ５％の歪で破
断した。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 液相焼結によって製造される平均粒径２μｍ以下の微細
   組織からなる窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体であっ
   て、炭化ケイ素が主としてβ相からなりその含有量は１
   ０〜５０体積％であり、窒化ケイ素は少なくともβ相を
   ４０％以上含有し、焼結体を構成する粒子の平均粒径が
   ２μｍ以下の主として等軸状粒子からなる窒化ケイ素−
   炭化ケイ素複合焼結体を、超塑性温度域１４００〜１７
   ００℃において引張り応力あるいは圧縮応力の作用下１
   ０＾−＾１ｓｅｃ＾−＾１以下の歪速度で変形させ成形
   することを特徴とする複合セラミックスの成形法。