JPH04325461A - 自己潤滑性を有する複合セラミックス及びその製法 - Google Patents

自己潤滑性を有する複合セラミックス及びその製法

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JPH04325461A
JPH04325461A JP3096712A JP9671291A JPH04325461A JP H04325461 A JPH04325461 A JP H04325461A JP 3096712 A JP3096712 A JP 3096712A JP 9671291 A JP9671291 A JP 9671291A JP H04325461 A JPH04325461 A JP H04325461A
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JP
Japan
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silicon
particles
boron
nitride
carbide
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JP3096712A
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English (en)
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Motoyuki Miyata
素之 宮田
Yoshiyuki Yasutomi
安富 義幸
Masahisa Sofue
祖父江 昌久
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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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、自己潤滑性をもち、か
つ、高強度を持ち、熱衝撃性,耐摩耗性に優れたセラミ
ックスの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】窒化珪素反応焼結セラミックスや炭化珪
素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。
【0003】このうち、熱衝撃性,耐摩耗性の向上を目
的とした開発は、BN粉末の優れた耐熱衝撃性に着目し
、Si粉末に、BN粉末を混合し、この混合粉末より作
製した成形物をN2 中で焼成する方法が知られている
(特開昭57−67080号公報)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし従来技術では、
その機械的強度は、曲げ強度にして、最大でも200M
Pa程度と低い値しか得られていない(特開昭57−6
7080 号,特開昭59−152269号公報)。
【0005】そこで、本発明者は、熱衝撃性,耐摩耗性
に優れ、自己潤滑性をもつ反応焼結セラミックスの強度
の向上を目的に研究開発を行った。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者は、炭化硼素粒
子と珪素粒子の混合粉末を成形した成形体を窒素を含む
雰囲気中で加熱することにより、炭化硼素の窒化により
生じた窒化硼素及び炭化硼素の窒化過程で生じる炭素、
及び前記炭素と珪素より生じた炭化珪素を珪素の窒化に
より生じた窒化珪素粒子中に整合性良く存在させ、かつ
、この窒化珪素粒子を窒化珪素の粒子及び/又はウィス
カで結合させることにより、自己潤滑性をもつセラミッ
クスの強度の向上を図れることを見出した。
【0007】本発明品では、その加熱条件により、窒化
硼素,炭化珪素,炭素がその中に存在する窒化珪素粒子
が窒化珪素の粒子及び/又はウィスカで結合されている
構造をもっているもの、窒化硼素,炭素,炭化珪素,窒
化珪素がその中に存在する珪素粒子が窒化珪素の粒子及
び/又はウィスカで結合されている構造をもっているも
の、及び二つの構造が混在している構造をもつものの三
種類の複合セラミックスが得られる。また、窒化硼素,
炭化珪素,炭素,窒化珪素の他に炭化硼素が存在してい
るものを得ることも出来る。本発明品は、窒化硼素がそ
の中に板状の窒化硼素を含んでいるため、靭性の向上も
併せて図ることも出来る。
【0008】また、加熱条件によっては、炭化珪素,窒
化硼素,炭素,窒化珪素及びこれらがその中に存在する
窒化珪素粒子及び珪素粒子の少なくとも一種類以上が単
結晶である構造をもつセラミックスを得ることも出来る
【0009】本発明品中の窒化硼素は、その製造条件に
より、等方性の乱層構造をもつ窒化硼素,アモルファス
状の乱相構造をもつ窒化硼素,部分的に六方晶窒化硼素
になりかけている乱層構造をもつ窒化硼素及び六方晶窒
化硼素のいずれか一種類のみの状態又はいずれか二種類
以上が混合した状態で存在する。
【0010】ここで、炭化硼素の他に、Al,Ti,Z
r,Crなどの窒化物,炭化物,酸窒化物,炭窒化物な
どを原料に添加して焼結体の構成相とすることもできる
【0011】また、TiN,ZrNなどの導電性材を添
加して同じくこれを焼結体の構成相とすることにより、
導電性をもった複合セラミックスを得ることもできる。
【0012】原料としては、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。ここで、補助剤の他に、焼結助剤を混合した
ものを使用することもできる。
【0013】成形体の相対密度は、60%以上とするの
が好ましい。
【0014】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。ここで、珪素の融
点以下の温度で加熱後、さらに、珪素の融点以上の温度
まで昇温する二段階加熱により焼結体を作製することも
できる。また、珪素の融点以下の温度で加熱して後、さ
らに、気孔中にポリカルボシランなど加熱後に窒化珪素
や炭化珪素に変化する樹脂を含侵後、再度加熱すること
もできる。
【0015】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ことに
より、窒化硼素の生成量を制御することができる。
【0016】本発明の炭化硼素の配合比は5vol%〜
50vol%とするのが好ましい。なぜなら、炭化硼素
の量が5vol% より少ないと、窒化硼素が十分な量
生成せず、熱衝撃性が低下するためである。また、50
vol% より多くなると、窒化珪素での結合が困難に
なり、強度が低下するためである。
【0017】本発明で原料粉末としての炭化硼素の平均
粒径は200μm以下とするのが好ましい。200μm
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
となり、ひいては強度低下につながるためである。
【0018】本発明において原料粉末としての珪素粒子
の平均粒径は50μm以下とするのが好ましい。50μ
mよりも大きくなると窒化及び炭化時間が長くなる。ま
た、50μm以下では珪素の分散が良好なので、成形体
の相対密度が向上する。
【0019】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。
【0020】
【作用】本発明は、自己潤滑性をもつセラミックスに係
るものである。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
することにより、窒化珪素粒子中に窒化硼素,炭素,炭
化珪素を存在させ、この窒化珪素粒子を窒化珪素の粒子
及び/又はウィスカで結合させることにより、自己潤滑
性をもつ反応焼結セラミックスの強度を高めることが出
来る。
【0021】
【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。
【0022】〈実施例1〉平均粒径1.5μm の炭化
硼素粒子10重量部、平均粒径0.8μm の珪素粉末
90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 ガス中で各金属粉末の融点以下の温度ま
で段階的に長時間かけて加熱処理し、窒化硼素,炭素,
炭化珪素がその中に存在する窒化珪素粒子及び/又は窒
化硼素,炭素,炭化珪素,窒化珪素がその中に存在する
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0.2% 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13%,気孔
径17μm以下,熱衝撃値は680℃,曲げ強度は38
0MPaであった。
【0023】表1に従来品の特性値を示す。
【0024】
【表1】
【0025】これらと比較しても、本発明品が高い強度
をもっていることが判る。
【0026】〈実施例2〉実施例1と同様にして、珪素
粉末と炭化硼素の配合比を変えた場合の曲げ強度を図1
に示す。これより、本発明品の曲げ強度は炭化硼素量の
増加に伴って低下していることが判る。
【0027】〈実施例3〉実施例1と同様にして、珪素
粉末と炭化硼素の平均粒径を変えた場合の曲げ強度を図
2,図3に示す。これより、本発明品の曲げ強度は珪素
粉末と炭化硼素の平均粒径が大きくなるに伴って低下し
ていることが判る。
【0028】〈実施例4〉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2
0重量部,平均粒径0.8μm の珪素粉末60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 ガス中各金属の融点以下の温度まで段階的
に長時間かけて加熱処理し、窒化硼素,炭素,炭化硼素
,炭化珪素がその中に存在する窒化珪素粒子及び窒化硼
素,炭素,炭化硼素,炭化珪素がその中に存在する珪素
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0.3% 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11%,気孔径1
4μm以下,熱衝撃値は720℃,曲げ強度は430M
Paであった。
【0029】〈実施例5〉平均粒径1.5μm の炭化
硼素粒子10重量部,平均粒径0.8μm の珪素粉末
90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 ガス中で所定の温度まで段階的に
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、各金属粉末の融点以下の温度まで再度
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、窒化硼素,炭化
珪素がその中に存在する窒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11μm以下,熱衝撃値は
630℃,曲げ強度は470MPaであった。
【0030】〈実施例6〉平均粒径2.4μm の炭化
硼素粒子20重量部,平均粒径1.2μm の珪素粉末
60重量部,平均粒径3.2μm の窒化珪素粉末20
重量部に焼結助剤及び熱可塑性樹脂を9重量部添加,混
合し、金型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、まず、N2 ガス中で珪素粉末の融点
以下の温度まで段階的に長時間かけて加熱処理し、その
後、最高1800℃まで加熱して窒化硼素,炭素,炭化
珪素がその中に存在する窒化珪素を窒化珪素の粒子及び
/又はウィスカで結合した複合セラミックを得た。焼結
体の気孔率は6%,気孔径10μm以下,熱衝撃値は7
30℃,曲げ強度は670MPaであった。
【0031】〈実施例7〉平均粒径3.1μm の炭化
硼素粒子20重量部,平均粒径1.8μm の珪素粉末
60重量部,平均粒径6.2μm の窒化チタン粉末2
0重量部に熱可塑性樹脂を9重量部添加,混合し、金型
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ガス中で珪素粉末の融点以下の温度まで段階
的に長時間かけて加熱処理し、導電性をもった複合セラ
ミックを得た。このセラミックスの固有抵抗は3×10
−4Ω・cm,焼結体の気孔率は13%,気孔径16μ
m以下,熱衝撃値は730℃,曲げ強度は670MPa
であった。
【0032】
【発明の効果】本発明により、自己潤滑性をもつセラミ
ックスの強度を大幅に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は炭化硼素の配合比を変えた場合の曲げ強
度の特性図。
【図2】図2は原料の珪素粉末の平均粒径を変えた場合
の曲げ強度の特性図。
【図3】図3は原料の炭化硼素の平均粒径を変えた場合
の曲げ強度の特性図。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】窒化珪素粒子中に窒化硼素,炭化珪素,炭
    素が存在し、前記窒化珪素粒子が窒化珪素の粒子及び/
    又はウィスカで結合されていることを特徴とする窒化硼
    素分散複合セラミックス。
  2. 【請求項2】珪素粒子中に窒化硼素,炭化珪素,炭素及
    び窒化珪素が存在し、前記珪素粒子が前記窒化珪素の粒
    子及び/又はウィスカで結合されていることを特徴とす
    る窒化硼素分散複合セラミックス。
  3. 【請求項3】炭化硼素粒子と珪素粒子の混合粉末を成形
    した成形体を窒素を含む雰囲気中で加熱することにより
    、炭化硼素の窒化により生じた窒化硼素と、前記炭化硼
    素の窒化に伴って生じる炭素と、前記炭素と前記珪素粒
    子より生じた炭化珪素が珪素粒子の窒化により生じた窒
    化珪素の粒子中に存在し、この窒化珪素が、窒化珪素の
    粒子及び/又はウィスカで結合されている構造をもつこ
    とを特徴とする窒化硼素分散複合セラミックスの製造方
    法。
  4. 【請求項4】炭化硼素粒子と珪素粒子の混合粉末を成形
    した成形体を窒素を含む雰囲気中で加熱することにより
    、炭化硼素の窒化により生じた窒化硼素と、前記炭化硼
    素の窒化に伴って生じる炭素と、前記炭素と前記珪素粒
    子より生じた炭化珪素が珪素粒子中に存在し、前記珪素
    粒子が、窒化珪素の粒子及び又はウィスカにて結合され
    ている構造をもつことを特徴とする窒化硼素分散複合セ
    ラミックスの製造方法。
  5. 【請求項5】請求項3または4において、前記炭化硼素
    の配合比が5vol%から50vol%である複合セラ
    ミックス。
JP3096712A 1991-04-26 1991-04-26 自己潤滑性を有する複合セラミックス及びその製法 Pending JPH04325461A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0694500A1 (en) 1994-06-30 1996-01-31 Nkk Corporation Boron nitride-containing material and method thereof
JP2006169015A (ja) * 2004-12-13 2006-06-29 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 窒化ホウ素分散複合セラミックス及びその製造方法
US8003557B2 (en) 2008-06-13 2011-08-23 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. Volume-change resistant silicon oxy-nitride or silicon oxy-nitride and silicon nitride bonded silicon carbide refractory

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