JPH0442859A - 炭化ケイ素焼結体の製造方法 - 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、反応焼結法による炭化ケイ素焼結体の製造方
法に関し、更に詳述すると、厚肉でも割れ、亀裂等が生
じ難い反応焼結炭化ケイ素の焼結体を製造する方法に関
する。

〔従来の技術〕

炭化ケイ素焼結体は、１０００°Ｃを超える高温下にお
いても良好な耐熱性、耐食性、耐熱衝撃性、耐摩耗性等
を有するため、高温領域で使用可能な構造部材として非
常に注目されている。この炭化ケイ素は、製法により反
応焼結炭化ケイ素、常圧焼結炭化ケイ素、再結晶炭化ケ
イ素等に分けられ、各々特徴ある物性を有する。

これらの炭化ケイ素のなかで、反応焼結炭化ケイ素は、
炭化ケイ素と金属ケイ素の２相から構成されている炭化
ケイ素であり、金属ケイ素の融点である１４１０″Ｃ付
近の高温まで強度の低下が認められないことから、常温
では勿論、高温領域でも使用可能な部材として非常に注
目されている。

この反応焼結法による炭化ケイ素焼結体の製造方法は、
まず、炭化ケイ素粉末に炭素粉末もしくは炭素源となる
有機物質を混合し、有機バインダーで固めて成形し、次
いでこの成形体を加熱して有機バインダー等を分解し、
一部を除去し、一部を炭素源として残留した仮焼結体を
作製する。次いで、この仮焼体にその全面から溶融金属
ケイ素を浸透させて、金属ケイ素を炭素粉末もしくは炭
素源と反応させて炭化ケイ素を生成させることにより、
反応焼結炭化ケイ素焼結体を得るものである。この場合
、その焼結過程で仮焼体に含まれている原料として最初
から存在する炭化ケイ素と新たに生成した炭化ケイ素が
渾然一体となる。

かかる焼結に際し、溶融金属ケイ素は原料の炭素もしく
は炭素源と反応するのに十分な量以上が常に供給される
。このため、得られた焼結体は炭化ケイ素とその間隙を
埋めた金属ケイ素とで構成された均一な相をつくる。し
かも、金属ケイ素は凝固時に約８％の体積膨張を起すた
め、気孔のない焼結体が得られる。また、仮焼体から焼
結体への焼結過程で収縮はほとんど生じないため、仮焼
体の精度を高めておくことにより、寸法精度の高い焼結
体を得ることができる。

従って、反応焼結法は大型厚肉の炭化ケイ素焼結部材を
製造するのに最も適した方法である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述したように反応焼結法による炭化ケ
イ素の焼結体の製造では過剰な溶融金属ケイ素を仮焼体
にその全面から浸透させることで行なうが、このため焼
結終了後の焼結体には過剰な金属ケイ素が含まれ、この
溶融金属ケイ素は凝固時に約８％の体積膨張を生じるの
で、上述したように気孔を閉塞する反面、焼結終了後の
冷却過程で焼結体の表面に金属ケイ素が吹き出してくる
。

このような金属ケイ素が吹き出した箇所は、金属相が偏
在する不均一相となっており、焼結体の機械的強度を低
下させる欠陥部分となる。

また、かかる従来法では仮焼体の焼結時や焼結後の冷却
時に割れや亀裂が生じる場合があり、このような現象が
認められない焼結体でも焼結終了後、焼結体の保管時、
使用時の僅かな力、数百°Ｃ程度の加熱等に依り容易に
割れが生じる場合がある。この傾向は焼結体の厚みが１
０ｍｍを超えると著しくなり、厚肉の反応焼結炭化ケイ
素製品製造における問題点となっていた。

本発明は上記事情に鑑みなされたもので、厚肉の炭化ケ
イ素焼結体を反応焼結法により得る際に、割れや亀裂等
が生じない炭化ケイ素焼結体の製造方法を提供すること
を目的とする。

〔課題を解決するための手段及び作用〕本発明者は上記
目的を達成するため鋭意検討を重ねた結果、炭化ケイ素
、炭素源及び有機バインダーを主成分とする成形体を焼
成した仮焼体に溶融金属ケイ素を浸透させて焼結するこ
とからなる反応焼結法による炭化ケイ素焼結体を製造す
る方法において、溶融金属ケイ素を上記仮焼体の厚さ方
向一面側から他面側へ浸透させて該一面側から該他面側
へ順次焼結を進めることにより、厚肉の炭化ケイ素焼結
体の割れや亀裂を有効に防止し得ることを知見した。

即ち、本発明者は厚肉の反応焼結炭化ケイ素焼結体に割
れや亀裂が発生するのは、従来溶融金属ケイ素を仮焼体
全面から浸透させて焼結していたことにより焼結体内部
に大きい内部応力が発生することが原因であることを見
い出すと共に、溶融金属ケイ素を仮焼体の厚み方向一面
側から他面側へ浸透させて該一面側から該他面側へ順次
焼結を進めることにより、焼結体内部応力発生を有効に
防止することができることを見い出したものである。

これを更に詳しく説明すると、従来は溶融金属ケイ素を
仮焼体の全面から浸透させており、このため溶融金属ケ
イ素の浸透は仮焼体の全表面から内部へ進行し、内部に
溶融金属ケイ素が浸透している間に仮焼体の表面では溶
融金属ケイ素と原料炭素等との反応が終了し、原料とし
て含をしている炭化ケイ素と新たに生成した炭化ケイ素
とが渾然一体となり、仮焼体の表面を覆い、その炭化ケ
イ素の間隙に溶融金属ケイ素が充満した状態になる。こ
の状態では、通常、炭化ケイ素は総量で９０％以上の容
量を占め、残り数％の容量は間隙である。この間隙は溶
融金属ケイ素を表面から内部に供給する道筋であると共
に、同時に反応で消費された残りの過剰な金属ケイ素の
排出孔ともなっている。この場合、焼結のための反応が
表面から内部へ進行するに従って、炭化ケイ素と数％の
間隙とからなる層が漸次厚さを増していくが、この間隙
は非常に微細な入り組んだ孔であるため、この層が厚く
なればなる程、厚肉、特に１０ＩＩＩ１１以上の仮焼体
の焼結の時は、過剰に供給された金属ケイ素の内部から
外部への排出が困難になり、内部に応力が発生し、仮焼
体が焼結を終了した焼結体の亀裂の原因となる。

また、焼結終了後、冷却を開始すると、間隙内の溶融金
属ケイ素の凝固が焼結体の表面から始まり、最終的には
焼結体の中心部で終了するので、厚肉の焼結体の場合は
、外側に固化した金属ケイ素と炭化ケイ素とからなる層
の外殻ができた後、焼結体の内部の溶融金属ケイ素が凝
固して体積膨張を起す。この時既に焼結体の外殻が固化
しているので焼結体には大きな内部応力が発生し、その
まま冷却を続けると室温に至るまでに体積膨張した金属
ケイ素が外殻を突き破ったり、焼結体に亀裂を発生させ
たりする問題が起こる。この外殻を突き破って金属ケイ
素が吹き出した箇所は、金属層が偏在する不均一相とな
り、焼結体の機械的強度を低下させる欠陥部分となる。

また、亀裂が発生した場合、亀裂は内部から外部へと続
き、二の亀裂の裂は目を金属ケイ素が埋める場合もある
が、やはりこれも機械的強度の低下をもたらす欠陥部分
となる。

これに対し、従来のように仮焼体の全面から溶融金属ケ
イ素を浸透させるのではなく、仮焼体の一面側から溶融
金属ケイ素を厚さ方向に層状に浸透させて他面側へ至る
ようにすることにより、内部応力が可及的に減少し、欠
陥を内部に発生させず、該地表面側のみに発生させるこ
とが可能となる。即ち、溶融金属ケイ素が仮焼体の一面
側がら層状に厚さ方向に浸透しながら反応し、他面側へ
と進行し、そして他面側で反応が終了した時に、反応開
始の一面側には必要以上の溶融金属ケイ素が存在せず、
また内部に溶融金属ケイ素が閉じこめられることもなく
、過剰分は他面側に存在し、このため、反応終了後冷却
を開始すると、反応が最後に終了した他面側に内部応力
が集中的に現われ、欠陥が発生する。しがし、この箇所
は表面ないし表面付近であるため、内部応力の外部への
開放も容易で、全面がら反応を開始し、中心部で終了す
る従来法と比較し、圧倒的に欠陥が少なくなり、しかも
、−表面にのみ欠陥が集中しているので、この面を機械
加工で除去することにより、欠陥を含まない、即ち、亀
裂、割れ等がなく、内部応力の発生の少ない良質の焼結
体を得ることが可能となることを見い出し、本発明をな
すに至ったものである。

従って、本発明は、炭化ケイ素、炭素源及び有機バイン
ダーを主成分とする成形体を焼成した仮焼体に溶融金属
ケイ素を浸透させて焼結することからなる反応焼結法に
よる炭化ケイ素焼結体を製造する方法において、溶融金
属ケイ素を上記仮焼体の厚さ方向一面側から他面側へ浸
透させて該一面側から該他面側へ順次焼結を進めること
を特徴とする炭化ケイ素焼結体の製造方法を提供する。

以下、本発明について更に詳しく説明する。

本発明の炭化ケイ素焼結体の製造方法は、仮焼体に溶融
金属ケイ素を浸透させて焼結するものである。

ここで、仮焼体は、炭化ケイ素粉末に炭素粉末や有機物
質等の炭素源を混合し、有機バメンダーで固めて成形し
、この成形体を加熱することによって製造し得、必要に
応じ仮焼体を機械加工して所定の寸法形状にしたもので
あり、炭化ケイ素粉末、炭素源、有機バインダー等の種
類、割合、また加熱方法などは通常の反応焼結法と同様
とすることができる。

なお、本発明方法において、仮焼体としては、その肉厚
が１０ｍｍ〜５０ｍｍのものを好適に用いることができ
る。Ｌｏａｍ未満の肉厚の仮焼体では従来法に代えて本
発明法を採用するメリア）があまりなく、一方５０ｍｍ
を超えると本発明の目的が十分達成できない場合がある
。

本発明の炭化ケイ素焼結体の製造方法は、上述した仮焼
体を作製した後、第１図に示すように、溶融金属ケイ素
を上記仮焼体の厚さ方向（肉厚方向）一面側から他面側
へ浸透させて、該一面側から該他面側へ順次焼結を進め
るものである。

この場合、第２図に示すように、長尺仮焼体の高さ方向
乃至長手方向に沿って熔融金属ケイ素を浸透させても本
発明の目的が達成し得ない。これは、溶融金属ケイ素が
均等に浸透せず仮焼体の各所で浸透の遅速が生じ、各々
の箇所の浸透、焼結が互に巻きこむように進行するため
である。

なお、溶融金属ケイ素を仮焼体の厚さ方向一面側から他
面側へ向けて供給、浸透する方法としては、例えば第１
図に示したように仮焼体の一面側に炭素質のネット等を
当接配置し、このネット等に溶融金属ケイ素を浸透させ
ることにより、毛細管現象を利用して供給、浸透する方
法を好適に採用することができる。

なお、焼結条件は通常と同様の方法でよく、具体的には
温度は１４１０°Ｃを超えて１９００°Ｃ１時間は仮焼
体の厚みにもよるが、通常数分〜２時間とすることがで
きる。

このようにして得られた焼結体は、必要により欠陥が集
中する他面側を機械加工等により削り取ることにより、
欠陥がなく、内部応力の少ない焼結体を得ることができ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の反応焼結炭化ケイ素焼結
体の製造方法によれば、焼結体の内部に応力を発生させ
ることが少ないので、焼結時や焼結後の冷却時、あるい
は保管時、使用時の僅かな力、数百°Ｃ程度の加熱時に
おいても割れ、亀裂等の発生のない厚肉の炭化ケイ素焼
結体を確実に得ることができるものである。

以下、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明
するが、本発明は下記実施例に制限されるものではない
。

〔実施例〕

下記成分 α−５ｉＣ粉末（平均粒径５μｍ）　８０重量部炭素粉
末（平均粒径３μｍ）　　　２０　〃フェノール樹脂　
　　　　　　　１５　〃（レゾールタイプ） をトルエンを用いて１０時間湿式混合した後、乾燥し、
解砕し、２００〜３２５メツシユになるように整粒した
。

この整粒物をプレス機により１．３ｔ／ｃｍ”の圧力で
成形し、第１図に示す肉厚ｔ５０ｍｎ＋、高さｈ３００
ｍｍ、上端部外径ｄ＋２００ｍｍ、下端部外径ｄｚ２５
０ｍｍの中空円錐台状の成形体１を作製し、次いでこの
成形体を７００°Ｃで４時間アルゴンガス気流中で加熱
して仮焼体を得た。

次に、第１図に示すように、この仮焼体１の内周面に網
目を有する炭素質ネット２を当接配置し、かつ該ネット
の下部を下方に延出させ、これを１５００　”Ｃに加熱
しである焼結炉に挿入し、焼結炉の内部に配置した容器
３内に入れた溶融金属ケイ素４に上記炭素質ネット２の
下端部を浸漬し、毛細管現象により、仮焼体１の内周面
側から外周面へ向けて溶融金属ケイ素を浸透させながら
、１時間焼結を行なった。

反応終了後、炉冷を行ない、焼結体を室温まで冷却後、
炉から取り出した。

これを１週間放置した後、機械加工で外周面を３ｍｍ削
り取って製品とした。

この製品には割れ、亀裂などの発生は認められなかった
。

〔比較例１〕 第２図に示すように、焼結炉内において、炭素質ネット
を用いず、溶融金属ケイ素４内に仮焼体１の下端部を直
接浸漬することにより、溶融金属ケイ素を仮焼体の高さ
方向に沿って浸透させた以外は実施例１と同一の条件で
焼結した。

得られた焼結体には亀裂が認められた。

〔比較例２〕 第３図に示すように、炭素質ネット２を中空円錐台状の
仮焼体の内外周面全面を覆って当接配置した以外は実施
例１と同様に焼結を行ない、焼結体を得た。

得られた焼結体は室温放置３日後に亀裂が生じた。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１において、中空円錐台状の仮焼体の内
周面側から外周面側へ溶融金属ケイ素を浸透させた状態
を示す断面図、第２図は比較例１において、上記仮焼体
の下端面から高さ方向に溶融金属ケイ素を浸透させた状
態を示す断面図、第３図は比較例２において、上記仮焼
体全面から溶融金属ケイ素を浸透させた状態を示す断面
図である。 １・−・仮焼体、２・・・炭素質ネット、３・・・容器
、４・・・溶融金属ケイ素。 出　願　人　信越化学工業株式会社 代理人小　島　隆　司（他１名）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．炭化ケイ素、炭素源及び有機バインダーを主成分と
   する成形体を焼成した仮焼体に溶融金属ケイ素を浸透さ
   せて焼結することからなる反応焼結法による炭化ケイ素
   焼結体を製造する方法において、溶融金属ケイ素を上記
   仮焼体の厚さ方向一面側から他面側へ浸透させて該一面
   側から該他面側へ順次焼結を進めることを特徴とする炭
   化ケイ素焼結体の製造方法。