JPH04280870A - 軽量高剛性セラミックス及びその製法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軽量高剛性セラミック
ス構造体に係り、特に、従来の反応焼結セラミックスよ
り高比弾性率の複合構造セラミックスに関する。

【０００２】

【従来の技術】反応焼結セラミックスは焼結前後の寸法
変化が小さく、焼結後の加工コストを低減できるため、
多くの研究開発が行なわれている。このうち、熱衝撃性
，耐摩耗性の向上を目的としたものが特開昭５６−１２
０５７５号公報に開示され、熱衝撃と酸化抵抗の向上を
目的としたものが特開平１−１８３４６５　号公報に開
示されている。 また、寸法精度，強度，耐熱性，靭性の向上を目的とし
たものが特開昭６１−１０１４６５号公報に開示されて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし上記従来技術は
、反応焼結セラミックスの熱衝撃性，耐摩耗性，耐酸化
性，靭性，強度については改善がなされているが、比弾
性率の改善については全く考慮がなされていない。

【０００４】本発明の目的は、軽量高剛性つまり比弾性
率の高い反応結合セラミックを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、反応結合セ
ラミックスの比弾性率を向上する研究の結果、珪素粉末
中に炭化硼素粒子を混合，成形後、窒素を含む雰囲気中
で珪素の融点以下の温度で焼成し珪素の窒化物である窒
化珪素の粒子、又は、ウィスカで炭化硼素を結合するこ
とにより反応焼結セラミックスの比弾性率を改善できる
ことを発明した。これにより、反応焼結セラミックスの
利点である高寸法精度焼結と併せて、複雑形状の軽量高
剛性セラミックスをほとんど無加工で製造することが可
能となり、反応焼結セラミックスの構造用材料としての
用途、特に、従来アルミニウム部品が使われていた高精
密位置決め制御可能な往復運動及び／または回転運動す
る駆動機構部品への適用が可能となる。また、炭化硼素
を炭化珪素で結合した反応焼結炭化珪素−炭化硼素複合
セラミックスの場合も比弾性率の改善は可能である。

【０００６】原料には、珪素粉末及び炭化硼素粒子を用
いる。ここで、炭化硼素は市販のものをそのまま使用で
きる。また、ミルなどにより粉砕した丸みをおびた粒子
を使用しても良い。この原料粉に、例えば、ポリビニー
ルブチラールやポリエチレン等の有機高分子化合物，シ
リコンイミド化合物やポリシラン化合物などの有機Ｓｉ
高分子化合物，熱可塑性樹脂，可塑剤，安定剤，潤滑剤
などの補助剤を混合後、射出成形，プレス成形，ラバー
プレス成形，押出し成形，鋳込み成形，金型粉末成形な
ど形状と要求特性に応じて成形方法を選択して成形体と
する。成形体の相対密度は、６０％以上とするのが好ま
しい。ここで、原料粉として、炭化硼素の他に炭化物，
窒化物，酸化物，硼化物のうち少なくとも一つを炭化硼
素と共に混合して使用することもできる。この成形体は
成形用助剤として用いた有機高分子化合物，熱可塑性樹
脂，可塑剤，安定剤，潤滑剤などの補助剤が分解昇華す
る温度まで加熱する。成形体は、窒素ガス又は窒素ガス
にＣＯガスなどの炭化性ガス及び必要に応じてアンモニ
ア，水素，アルゴン，ヘリウムなどを混合した雰囲気下
で珪素の融点以下の温度まで段階的に加熱して焼結体と
する。焼結体の相対密度は、７０％以上とするのが好ま
しい。ここで、成形体を、窒素にＣＯガスなどの炭化性
ガス及び必要に応じてアンモニア，水素，アルゴン，ヘ
リウムなどを混合した雰囲気下で加熱するのは、炭化硼
素の窒化により生じる窒化硼素の生成を抑えるためであ
る。

【０００７】本発明の気孔率は、３０ｖｏｌ％　以下と
するのが好ましい。なぜなら弾性率は気孔率に大きく影
響されるため、３０ｖｏｌ％　より多いと、密度の低下
はもたらされるが、弾性率の向上に寄与しないためであ
る。

【０００８】本発明の炭化硼素の配合比は１０〜５０ｖ
ｏｌ％　とするのが好ましい。なぜなら、炭化硼素の量
が１０ｖｏｌ％　より少ないと、弾性率の向上に寄与し
ないためである。また、５０ｖｏｌ％　より多くなると
炭化硼素を窒化珪素で結合できなくなり、弾性率が低下
するためである。

【０００９】本発明において炭化硼素および炭化珪素の
平均粒径は１００μｍ以下とするのが好ましい。１００
μｍより大きな粗粒が存在すると、成形助剤との混合が
難しく、成形時に成形助剤と粗粒粉が分離しやすく成形
困難となるためである。

【００１０】本発明で珪素の平均粒径は５μｍ以下とす
るのが好ましい。５μｍよりも大きくなると、焼結体中
に残留珪素が存在するためである。また、５μｍ以下で
は珪素の分散が良好なので、成形体の相対密度が向上し
、弾性率が向上するためである。

【００１１】本発明の炭素の平均粒径は５μｍ以下とす
るのが好ましい。５μｍよりも大きくなると、焼結体中
に残留炭素が存在するためである。また、５μｍ以下で
は炭素の分散が良好なので、成形体の相対密度が向上し
、弾性率が向上するためである。

【００１２】本発明は、反応焼結セラミックス内部及び
／又は表面の気孔中にプラスチック，ガラス，金属，セ
ラミックスの少なくとも一種で含浸、覆われていると表
面からのクラックの発生を防ぐことができるので、より
信頼性の高いセラミックスが得られる。

【００１３】本発明の反応焼結体は、焼結時の寸法変化
率が極めて少ないので、複雑形状のものでも、特に、二
次加工することなく作成できる。

【００１４】本発明では、複合セラミックス焼結体の気
孔中に樹脂，油，潤滑剤などを含浸することも可能であ
リ、摺動部材へも応用可能である。

【００１５】本発明の軽量高剛性セラミックスは、精密
位置制御を必要とする各種機構部品へ応用可能であり、
例えば、ディスク装置用キャリッジ及びアーム，電子部
品をプリント基板に挿入するための自動実装機のアーム
及びステージ，アクチュエーターの部品，ロボットのア
ームなどに好適である。

【００１６】また、熱膨張係数が小さく高剛性のため、
工作機械のステージなどの構造部品にも適している。

【００１７】

【作用】本発明は、珪素粉末中に炭化硼素粒子を混合，
成形後、窒素を含む雰囲気中で珪素の融点以下の温度で
焼成し珪素の窒化物である窒化珪素で炭化硼素を結合す
ることにより比弾性率の高い反応焼結セラミックスを得
ることが出来る。また、剛性の向上により、防振効果の
優れた材料が得ることができ、精密位置制御を必要とす
る各種機構部品へ応用可能であり、アクセスタイムを大
巾に短縮することが出来る。

【００１８】

【実施例】以下、本発明について、実施例により更に具
体的に説明する。

【００１９】〈実施例１〉平均粒径０．８μｍ　の珪素
粉末９０重量部と平均粒径１．５μｍ　の炭化硼素粒子
１０重量部に熱可塑性樹脂を９重量部添加，混合し、射
出成形により成形体を作製した。成形体は樹脂分を除去
した後、Ｎ２　＋ＣＯガス中１３８０℃まで段階的に長
時間かけて加熱処理し、炭化硼素粒子を窒化珪素粒子及
び／又はウィスカで結合したセラミックを得た。この時
の成形体から焼結体への寸法変化率は０．１％以下と小
さく寸法精度に優れたものが得られた。焼結体の気孔率
は１５％、気孔径２０μｍ以下、比弾性率は８７ＧＰａ
／（ｇ／ｃｍ３）　であった。

【００２０】比較のために、炭化硼素粒子を含まない反
応焼結窒化珪素セラミックスを作製し、測定した結果、
比弾性率は、５７ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ３）　であった。 これより、本発明品は、極めて高い弾性率をもつことが
判る。

【００２１】〈実施例２〉平均粒径１．０μｍ　の珪素
粉末６０重量部と平均粒径２．５μｍ　の炭化硼素粒子
２０重量部、平均粒径９μｍの炭化珪素粒子２０重量部
に熱可塑性樹脂を１０重量部添加，混合し、射出成形に
より成形体を作製した。成形体は樹脂分を除去した後、
Ｎ２　＋ＣＯガス中１３８０℃まで段階的に長時間かけ
て加熱処理し、炭化硼素粒子及び炭化珪素粒子を窒化珪
素粒子及び／またはウィスカで結合した反応焼結セラミ
ックを得た。この時の成形体から焼結体への寸法変化率
は０．２％以下と小さく寸法精度に優れたものが得られ
た。焼結体の気孔率は１８％、気孔径２８μｍ以下で、
比弾性率は１０６ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ３）　であった。

【００２２】〈実施例３〉実施例１と同様にして、珪素
と炭化硼素の配合比を変えた場合の結果及びこの成形体
を窒素のみのガス中で加熱した場合の結果を表１に示す
。

【００２３】比弾性率は炭化硼素量の増加に伴い上昇し
４０ｖｏｌ％　付近で最大値を示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】〈実施例４〉平均粒径０．８μｍ　の珪素
粉末９０重量部と平均粒径１．５μｍ　の炭化硼素粒子
１０重量部に熱可塑性樹脂を１０重量部添加，混合し、
金型粉末成形により成形体を作製した。成形体は樹脂分
を除去した後、Ｎ２　＋ＣＯガス中で１２５０℃まで段
階的に加熱処理し、仮焼体を得た。この仮焼体中にポリ
カルボシランを含浸後、１３８０℃まで再度加熱を行な
った。 この含浸，加熱の処理を焼結体の相対密度が８０％以上
になるまで繰り返し、炭化硼素粒子及び炭化珪素粒子を
窒化珪素の粒子及び／又はウィスカで結合した反応焼結
セラミックを得た。この時の成形体から焼結体への寸法
変化率は０．８％　以下と小さく寸法精度に優れたもの
が得られた。焼結体の気孔率は８％、気孔径１２μｍ以
下、比弾性率は１２６ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ３）　であっ
た。

【００２６】〈実施例５〉平均粒径３．０μｍ　の炭化
硼素粒子６０重量部と平均粒径０．７μｍ　の炭化珪素
粉末３０重量部，平均粒径１．２μｍの珪素粒子５重量
部，平均粒径１．０μｍの炭素粒子５重量部に熱可塑性
樹脂を１２重量部添加，混合し、射出成形により成形体
を作製した。成形体は樹脂分を除去した後、減圧雰囲気
下１６８０℃まで段階的に長時間かけて加熱処理し、炭
化硼素粒子を炭化珪素で結合した反応焼結セラミックを
得た。この時の成形体から焼結体への寸法変化率は１．
２％　以下と小さく寸法精度に優れたものが得られた。 焼結体の気孔率は１８％、気孔径２１μｍ以下で、比弾
性率は１５４ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ３）　であった。

【００２７】

【発明の効果】本発明によりセラミックスの比弾性率を
大幅に改善することができる。従って、駆動，停止を繰
り返す機構部品の剛性や信頼性を著しく向上させること
ができ、高精密制御の機構部品を提供することができる
。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭化硼素粒子を窒化珪素の粒子及び／又は
   ウィスカでお互いに連結させた構造をもち、比弾性率８
   ０ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ３）以上の特性をもつことを特徴
   とする軽量高剛性セラミックス。
2. 【請求項２】炭化硼素粒子，炭化珪素粒子を窒化珪素の
   粒子及び／又はウィスカでお互いに連結させた構造をも
   ち、比弾性率１００ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ３）以上の特性
   をもつことを特徴とする軽量高剛性セラミックス。
3. 【請求項３】炭化硼素粒子，窒化硼素粒子，炭化珪素粒
   子を窒化珪素の粒子及び／又はウィスカでお互いに連結
   させた構造をもち、比弾性率８０ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ３
   ）　以上の特性をもつことを特徴とする軽量高剛性セラ
   ミックス。
4. 【請求項４】炭化硼素粒子を炭化珪素粒子でお互いに連
   結させた構造をもち、比弾性率１３０ＧＰａ／（ｇ／ｃ
   ｍ３）　以上の特性をもつことを特徴とする軽量高剛性
   セラミックス。
5. 【請求項５】平均粒径１００μｍ以下の炭化硼素粉末と
   平均粒径５μｍ以下の珪素粉末及び成形用バインダを混
   合，成形，脱脂後、成形体を窒化性ガスと炭化性ガスの
   混合ガス雰囲気中で加熱して得られる比弾性率８０ＧＰ
   ａ／（ｇ／ｃｍ３）　以上の特性をもつ軽量高剛性セラ
   ミックスの製造法。
6. 【請求項６】平均粒径１００μｍ以下の炭化硼素粉末と
   平均粒径５μｍ以下の珪素粉末，平均粒径１００μｍ以
   下の炭化珪素粉末及び成形用バインダを混合，成形，脱
   脂後、成形体を窒化性ガスと炭化性ガスの混合ガス雰囲
   気中で加熱して得られる比弾性率１００ＧＰａ／（ｇ／
   ｃｍ３）　以上の特性をもつ軽量高剛性セラミックスの
   製造法。
7. 【請求項７】平均粒径１００μｍ以下の炭化硼素粉末と
   平均粒径５μｍ以下の珪素粉末及び成形用バインダを混
   合，成形，脱脂後、成形体を窒化性ガス雰囲気中で加熱
   して得られる比弾性率８０ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ３）　以
   上の特性をもつ軽量高剛性セラミックスの製造法。
8. 【請求項８】平均粒径１００μｍ以下の炭化硼素粉末と
   平均粒径５μｍ以下の珪素粉末、平均粒径１０μｍ以下
   の炭化珪素粉末，平均粒径５μｍ以下の炭素粉末及び成
   形用バインダを混合，成形，脱脂後、成形体を減圧雰囲
   気中で加熱して得られる比弾性率１３０ＧＰａ／（ｇ／
   ｃｍ３）　以上の特性をもつ軽量高剛性セラミックスの
   製造法。
9. 【請求項９】請求項１，２，３または４において、セラ
   ミックスの気孔率が３０ｖｏｌ％　以下である軽量高剛
   性セラミックス。
10. 【請求項１０】請求項１，２，３または４において、セ
    ラミックスの炭化硼素の配合比が１０〜５０ｖｏｌ％　
    である軽量高剛性セラミックス。