JPH0456791B2 - - Google Patents

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JPH0456791B2
JPH0456791B2 JP61165521A JP16552186A JPH0456791B2 JP H0456791 B2 JPH0456791 B2 JP H0456791B2 JP 61165521 A JP61165521 A JP 61165521A JP 16552186 A JP16552186 A JP 16552186A JP H0456791 B2 JPH0456791 B2 JP H0456791B2
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JP
Japan
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silicon carbide
sintered body
sintering
aluminum
particles
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
JP61165521A
Other languages
Japanese (ja)
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JPS6321251A (en
Inventor
Tosha Kinoshita
Hiroshi Kubo
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Publication date
Application filed by Nippon Steel Corp filed Critical Nippon Steel Corp
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Publication of JPS6321251A publication Critical patent/JPS6321251A/en
Publication of JPH0456791B2 publication Critical patent/JPH0456791B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

産業上の利用分野 この発明は、強靭化された炭化珪素系セラミツ
クのホツトプレス焼結体に関するものである。 従来の技術 炭化珪素系焼結体は、高温まで広い温度範囲に
わたつて強度が大きく、かつ硬度が高く耐摩耗性
に優れるとともに、化学的に安定であり耐酸化性
が良好なために、高温構造材として期待されてい
る素材である。 炭化珪素焼結体は一般に気相法、反応焼結法、
常圧焼結法、ホツトプレス法などにより製造され
る。これらの製造法のうちで、気相法は主として
薄膜製造用に用いられている。また、反応焼結法
では、高密度体は得難いとされている。 常圧焼結法ではプロチヤツカら(Journal of
The American Ceramic Society,58巻、p.72,
1975年)により、硼素および炭素を添加して相対
密度96.4%のものが得られている。しかし、常圧
焼結法により得られた焼結体は到達密度に限界が
あり、また靭性が低く、KIC値は2.0〜
2.5MPam1/2程度であり、構造材への適用には、
より一層の靭性の向上が望まれている。 ホツトプレス法においては、相対密度99%以上
の緻密な焼結体が得られている。例えば、アルミ
ニウム添加炭化珪素焼結体で、相対密度98%の炭
化珪素ホツトプレス焼結体を製造したアリエグロ
ら(Journal of The American Ceramic
Society,39巻、p.386〜389,1956年)の報告が
ある。また、特公昭57−41538号公報ではα−炭
化珪素粉に0.5〜5重量%のアルミニウムを含有
させた、相対密度99%以上で70.31Kg/mm2を越え
る抗折力を有する緻密質炭化珪素焼結体とその製
造法を開示している。 しかしながら、これらのホツトプレス焼結体
も、常圧焼結体と同様に、靭性が低く、KIC値は
2.5MPam1/2程度であり、構造材としての要求を
十分に満たしたものとは言えない。 炭化珪素系焼結体は高温下で熱的、化学的に安
定で、高温構造材として非常に優れた機械的性質
を有している。それにも拘らず、現状では実用化
されるに至つていない。この原因は、もつぱら従
来の炭化珪素系焼結体の靭性の低さに起因してい
ると考えられる。 従来技術における靭性について述べると、硼素
および炭素を焼結助剤に用いた場合は、常圧焼結
体及びホツトプレス焼結体ともに、第2図に示し
たように、ほぼ全面で粒内破壊を起こし、KIC
は2.0〜2.5MPam1/2と低い値となつている。第2
図は、硼素および炭素を助剤として添加した炭化
珪素焼結体組織の粒子構造の光学顕微鏡写真
(1500倍)で、焼結体には、インデンテーシヨ
ン・マイクロフラクチヤー法(IM法)によりク
ラツクを導入し、その表面をエツチングしたもの
である。 また、特公昭57−41538号公報では、炭化珪素
焼結体にアルミニウム化合物が助剤として加えら
れているため、粒界破壊が可能である。しかし、
一般的にホツトプレス焼結体は等軸晶の粒子であ
り、特公昭57−41538号公報における焼結体も例
外ではなく等軸晶形の粒子である。このため、た
とえ粒界破壊が起つても、クラツク偏向は起らず
強靭化は期待できないためにKIC値は2.5MPam1/2
程度の低い値となつている。 発明が解決しようとする問題点 炭化珪素焼結体の高温構造材への実用化をはば
む最大の短所は靭性の低さである。そのため、本
発明では、炭化珪素系セラミツク焼結体の靭性を
改善しようと意図したものである。 問題点を解決するための手段 すなわち本発明は、 (1) 炭化珪素粉末を主成分として、アルミニウム
もしくはアルミニウム化合物から選択した少な
くとも1種を0.5〜40重量%含む混合粉末を、
ホツトプレス焼結することにより製造され、焼
結体中にアスペクト比が2以上の炭化珪素粒子
を10容量%以上含むことを特徴とする炭化珪素
系セラミツク焼結体および、 (2) アルミニウム化合物が酸化アルミニウムであ
る特許請求の範囲第1項記載の焼結体および、 (3) 炭化珪素がβ−SiCであり、アルミニウム化
合物がAl2O3であり、焼結温度が1800〜2300℃
であり、焼結時間が15分以上である特許請求の
範囲第1項記載の焼結体である。 作 用 原料とする炭化珪素粉はα相、β相のいずれも
が使用できる。 そして、アルミニウムもしくはアルミニウム化
合物は、ホツトプレス焼結の際の焼結助剤として
作用するとともに、焼結によりアスペクト比の大
きな炭化珪素粒子を生成させて、それに沿つて粒
界破壊を起させ、焼結体のクラツク偏向サイトと
するために添加する。 アルミニウムもしくはアルミニウム化合物とし
ては、金属アルミニウムでもよいし、アルミニウ
ムの酸化物、炭化物、窒化物などでも、高温で分
解してアルミニウムやアルミニウム化合物を生ず
る化合物も使用できる。例えば金属アルミニウ
ム、酸化アルミニウム、炭化アルミニウム、窒化
アルミニウム、アルミニウム含有有機化合物など
であり、これらの少なくとも1種を添加すること
が必要である。 本発明では、炭化珪素焼結体の靭性を向上させ
るために、割れが焼結体内を伝播する際にクラツ
ク偏向が有効に起こるように、炭化珪素粉末にア
ルミニウムもしくはアルミニウム化合物を加えて
焼結を行ない粒界破壊が起こり易い状態とし、更
に一般に行なわれているよりも高い焼結温度での
焼成や、長時間の焼成を行ない、炭化珪素粒子の
成長を生起させアスペクト比の大なる粒子を焼結
体中に存在させることによつてクラツク偏向が起
こるようにしたものである。 第1図は、2重量%の酸化アルミニウムを添加
した炭化珪素粉末を、1900℃×20時間×40MPa
の条件でホツトプレス焼結して作成した焼結体組
織の粒子構造の光学顕微鏡写真(1500倍)であ
る。尚この焼結体のKIC値は5.3MPam1/2であつ
た。炭化珪素焼結体にはIM法によりクラツクが
導入され、その表面をエツチングした写真が示し
てある。図面には焼結体中に多くのアスペクト比
大なる粒子が存在し、かつ割れ形態が粒界破壊
で、クラツク偏向が起つていることがわかる。 一方第2図は、比較のために従来より知られて
いる硼素及び炭素を助剤として添加した炭化珪素
焼結体の光学顕微鏡写真である。この焼結体の
KIC値は1.9MPam1/2であつた。 第1図(本発明)、第2図(比較例)を比べれ
ばわかるように、両者とも、多くのアスペクト比
が大なる粒子を含有しているにも拘らず、従来法
(第2図)では粒内破壊のためクラツク偏向が起
らず、一方、本発明(第1図)では粒界破壊のた
めクラツク偏向が起きていることがわかる。又、
クラツク偏向が強靭化に役立つことを示してい
る。 つまり、従来法である硼素および炭素を助剤と
した炭化珪素焼結体では、アスペクト比大なる炭
化珪素粒子が得られるものの粒内破壊のためクラ
ツク偏向は起らない。また、これまで知られてい
るアルミニウムもしくはアルミニウム化合物を助
剤とした炭化珪素焼結体では、アスペクト比大な
る粒子が存在しておらず、クラツク偏向が生じな
い。 本発明により、アスペクト比大なる炭化珪素粒
子を含有し、破壊経路も粒界破壊である焼結体が
得られた結果、クラツク偏向を有効に起こすこと
ができ、従来法による炭化珪素焼結体に比べ、2
倍以上のKIC値を持つ炭化珪素焼結体が得られた。 本発明においては、アルミニウムもしくはアル
ミニウム化合物の濃度は総量で0.5〜40重量%が
よい。この理由は、0.5重量%未満では焼結が十
分に進まず、40重量%超では高温強度の劣化が著
しいためである。又、アルミニウムもしくはアル
ミニウム化合物は、炭化珪素の粒成長抑制剤とし
ても働くため、望ましくは0.5〜20重量%の範囲
がよい。 焼結温度としては1800〜2300℃が適切である。
1800℃未満では焼結が十分に進まず、2300℃超で
は炭化珪素の熱分解が始まるためである。このう
ちでも望ましくは、1900〜2150℃の範囲がよい。
焼結時間については15分間以上が望ましい。これ
は15分間未満では本発明で目的とするアスペクト
比の大なる粒子が得られないからである。 またホツトプレス圧としては、10MPa以上と
することがよく、これより低圧では緻密な焼結体
が得られにくい。より好ましくは20MPa以上で
ある。なお、ホツトプレス圧の上限としては使用
するダイスの耐圧程度にもよるが、一般によく使
われているグラフアイトダイスでは50MPa程度
である。 以上の焼結温度、焼結時間、プレス圧の条件の
うち、アスペクト比の大なる粒子を生成させるた
めには、プレス圧はあまり影響せず、焼結温度と
焼結時間が重要である。また、焼結温度が高けれ
ば高い程、焼結時間が長ければ長い程、粒成長が
起り易くなりアスペクト比大なる粒子が得られ易
い。例えば、2重量%の酸化アルミニウムを添加
した炭化珪素焼結体では、KIC値を4MPam1/2
上とするためには、焼結温度1900℃では焼結時間
は10時間以上、焼結温度2100℃では焼結時間は30
分間以上とすることが望ましい。 なお、ホツトプレス焼結の際の雰囲気として
は、真空、アルゴン等の不活性ガスおよび窒素ガ
スなどを用いる。 以上の条件でホツトプレスを行なうことによ
り、アスペクト比の大なる粒子が得られ、KIC
が上昇する。具体的には、クラツク偏向が靭性強
化に有効に働くためには、アスペクト比2以上の
粒子が10容量%以上存在することが必要である。
特にKIC値を従来の炭化珪素焼結体の2倍以上に
改善する。つまり、4MPam1/2以上とし、これを
安定して発現させるためには、アスペクト比3以
上の粒子が15容量%以上とすることが望ましい。 アスペクト比とアスペクト比大なる粒子の存在
量の測定は、炭化珪素焼結体のエツチング面の光
学顕微鏡もしくは走査型電子顕微鏡による組織の
粒子構造の写真により行なつた。本発明における
炭化珪素粒子のアスペクト比は写真中の粒子の縦
と横の長さの比とした。アスペクト比大なる粒子
の存在量は、所定のアスペクト比以上の粒子の占
める面積の組織写真の面積への割合いとした。 なお、抗折強度については、焼結温度および焼
結時間の上昇とともに強靭化が起こるが、一方で
は粒成長も著しくなるため、一般的に焼結温度お
よび焼結時間の増加に対して、ある最大値を持つ
た上に凸の曲線となる。 以下本発明の実施例を示す。 実施例 実施例 1 平均粒径0.3μmの炭化珪素粉末に、平均粒径
0.2μmの酸化アルミニウムを2重量%添加した。
混合粉をヘキサンを溶媒として、ボールミルで24
時間混練し混合粉を得た。 溶媒を除去した後、混合粉末をグラフアイト製
ダイスに入れ、温度1900℃、プレス圧40MPa、
アルゴンガス雰囲気中でホツトプレス焼結を行な
い炭化珪素焼結体を得た。焼結時間は30分間およ
び20時間とした。 得られた焼結体はJIS−R−1601に基づき曲げ
強度を測定し、SEPB法により破壊靭性KIC値を
測定した。更に各試料を研磨後、エツチングし
て、走査型電子顕微鏡観察を行ない、走査型電子
顕微鏡写真より、アスペクト比2以上の粒子につ
いて、存在量(容量%)と平均アスペクト比を測
定した。 なお、SEPB法は、硬脆金属材料で行なわれて
いる脆性き裂進展を停止させる手法をセラミツク
スに適用したもので、これにより金属材料の疲労
予き裂と同等のき裂先端曲率半径ρ0の予き裂
を導入して、簡便かつ線型破壊力学的に妥当な破
壊靭性値の評価の可能な方法である。 得られた結果を表1に示す。表1より、焼結時
間が長い程、アスペクト比大なる粒子の割合が増
加し強靭化が起こることがわかる。比較例の硼素
および炭素を添加した炭化珪素焼結体はホツトプ
レス法で作成し、その条件は、温度2150℃、焼結
時間30分、プレス圧40MPaで行つたものである。 実施例 2 実施例1と同様の組成の混合粉末を、1900℃お
よび2100℃で30分間、プレス圧40MPa、アルゴ
ンガス雰囲気中でホツトプレス焼結を行ない炭化
珪素焼結体を得た。得られた焼結体を実施例1と
同様に評価し、得られた結果を表2に示す。これ
より、焼結温度が高い程、アスペクト比大なる粒
子の割合は増加し、高靭性であることがわかる。 実施例 3 10重量%の酸化アルミニウムを添加した炭化珪
素粉末より実施例1と同様の方法で炭化珪素焼結
体を得て、評価した。結果を表3に示す。実施例
1と同じく、焼結時間が長い程、高靭性となるこ
とがわかる。ただし、実施例1に比べ酸化アルミ
ニウム含有量が多いため粒成長がやや抑制され、
KIC値の上昇は実施例1よりも小さい。 実施例 4 10重量%の酸化アルミニウムを添加した炭化珪
素粉末より、実施例2と同様の方法で焼結体を得
て評価した。結果を表4に示す。実施例2と同じ
く焼結温度が高い程、高靭性となることがわか
る。ただし、実施例3と同じく、酸化アルミニウ
ム含有量が実施例2の場合より多いため、KIC
の上昇は実施例2より小さい。 実施例 5 平均粒径0.3μmの炭化珪素粉末に、平均粒径
1.8μmの窒化アルミニウムを2重量%添加した。
混合粉をヘキサンを溶媒として、ボールミルで24
時間混練し混合粉を得た。溶媒を除去した後、混
合粉末をグラフアイト製ダイス中に入れ、1950
℃、プレス圧40MPa、真空雰囲気でホツトプレ
ス焼結を行ない炭化珪素焼結体を得た。焼結時間
は30分間および20時間とした。得られた焼結体に
ついて、実施例1と同様の評価を行なつた。結果
を表5に示す。実施例1と同じく焼結時間が長い
程、アスペクト比大なる粒子の割合が増加し強靭
化が起こることがわかる。 実施例 6 平均粒径10μmのアルミニウム粉末を炭化珪素
製ボールミルで48時間粉砕した。平均粒径0.3μm
の炭化珪素粉末に粉砕後のアルミニウム粉末を2
重量%添加し、実施例1と同様の方法で、混練、
焼結、評価を行なつた。結果を表6に示す。実施
例1と同じく、焼結時間が長い程、アスペクト比
大なる粒子の割合いが増加し強靭化が起こること
がわかる。 実施例 7 平均粒径0.3μmの炭化珪素粉末を十分脱水した
イソプロピルアルコール中でスラリー状にし、加
熱・煮沸させた後、ボールミル中で約10時間混合
する。酸化アルミニウム換算で炭化珪素に対し2
重量%となるように、純度99%以上のアルミニウ
ムイソプロポキシド((i−C3H7O)3Al)を調合
し、十分脱水したイソプロピルアルコール中に溶
かし、加熱・煮沸後、約10時間攪拌した。 その後炭化珪素スラリーとアルミニウムイソプ
ロポキシド溶液とを混合し約10時間攪拌した後、
前記混合スラリー中にPH2に調整した水をモル数
でアルミニウムイソプロポキシドの100倍量添加
し、再度約10時間の攪拌を行つた。 混合終了後、噴霧乾燥により混合溶液を乾燥し
た。得られた乾燥粉末をアルゴンガス中、1200
℃、1時間の熱処理を行なつた後では、X線回折
により、炭化珪素と酸化アルミニウムの相が検出
された。 この混合粉末を実施例1と同様の方法で焼結、
評価を行なつた。結果を表7に示す。実施例1と
同じく焼結時間が長い程、アスペクト比大なる粒
子の割合いが増加し強靭化が起こることがわか
る。
INDUSTRIAL APPLICATION FIELD This invention relates to a toughened hot-pressed sintered body of silicon carbide ceramic. Conventional technology Silicon carbide-based sintered bodies have high strength over a wide temperature range up to high temperatures, high hardness and excellent wear resistance, and are chemically stable and have good oxidation resistance. It is a material that is expected to be used as a structural material. Silicon carbide sintered bodies are generally manufactured by vapor phase method, reaction sintering method,
Manufactured by pressureless sintering, hot pressing, etc. Among these manufacturing methods, the gas phase method is mainly used for thin film manufacturing. Furthermore, it is said that it is difficult to obtain a high-density body using the reaction sintering method. In the pressureless sintering method, Prochatka et al. (Journal of
The American Ceramic Society, vol. 58, p.72,
(1975), a material with a relative density of 96.4% was obtained by adding boron and carbon. However, the sintered body obtained by pressureless sintering has a limit to the density that can be achieved, has low toughness, and has a K IC value of 2.0 to 2.0.
It is about 2.5MPam 1/2 , and for application to structural materials,
Further improvement in toughness is desired. In the hot pressing method, a dense sintered body with a relative density of 99% or more is obtained. For example, Alliegro et al. (Journal of The American Ceramic
Society, vol. 39, p. 386-389, 1956). Moreover, in Japanese Patent Publication No. 57-41538, dense silicon carbide having a relative density of 99% or more and a transverse rupture strength of more than 70.31 Kg/mm 2 is prepared by adding 0.5 to 5% by weight of aluminum to α-silicon carbide powder. A sintered body and a method for manufacturing the same are disclosed. However, like pressureless sintered bodies, these hot-pressed sintered bodies have low toughness, and the K IC value is low.
It is about 1/2 of 2.5 MPam, and cannot be said to fully meet the requirements as a structural material. Silicon carbide-based sintered bodies are thermally and chemically stable at high temperatures and have excellent mechanical properties as high-temperature structural materials. Despite this, it has not yet been put into practical use at present. This is thought to be caused solely by the low toughness of conventional silicon carbide-based sintered bodies. Regarding toughness in conventional technology, when boron and carbon are used as sintering aids, intragranular fracture occurs almost over the entire surface of both the pressureless sintered body and the hot press sintered body, as shown in Figure 2. The K IC value is as low as 2.0 to 2.5 MPam 1/2 . Second
The figure is an optical micrograph (1500x) of the grain structure of a silicon carbide sintered body to which boron and carbon are added as auxiliaries. A crack was introduced and the surface was etched. Furthermore, in Japanese Patent Publication No. 57-41538, since an aluminum compound is added as an auxiliary agent to the silicon carbide sintered body, grain boundary fracture is possible. but,
In general, hot-pressed sintered bodies are equiaxed grains, and the sintered body disclosed in Japanese Patent Publication No. 57-41538 is no exception, and is equiaxed grains. Therefore, even if grain boundary fracture occurs, crack deflection does not occur and toughening cannot be expected, so the K IC value is 2.5 MPam 1/2
The value is relatively low. Problems to be Solved by the Invention The biggest drawback that hinders the practical application of silicon carbide sintered bodies to high-temperature structural materials is their low toughness. Therefore, the present invention is intended to improve the toughness of a silicon carbide ceramic sintered body. Means for Solving the Problems That is, the present invention provides: (1) A mixed powder containing silicon carbide powder as a main component and 0.5 to 40% by weight of at least one selected from aluminum or aluminum compounds,
A silicon carbide-based ceramic sintered body produced by hot press sintering and characterized in that the sintered body contains 10% by volume or more of silicon carbide particles with an aspect ratio of 2 or more, and (2) an aluminum compound oxidized. The sintered body according to claim 1, which is aluminum, and (3) the silicon carbide is β-SiC, the aluminum compound is Al 2 O 3 , and the sintering temperature is 1800 to 2300°C.
The sintered body according to claim 1, wherein the sintering time is 15 minutes or more. Function The silicon carbide powder used as the raw material can be used in either the α phase or the β phase. Aluminum or an aluminum compound acts as a sintering aid during hot press sintering, and also produces silicon carbide particles with a large aspect ratio through sintering, causing intergranular fracture along them, and sintering Added to serve as a crack deflection site for the body. As the aluminum or aluminum compound, metal aluminum, aluminum oxides, carbides, nitrides, and other compounds that decompose at high temperatures to produce aluminum or aluminum compounds can also be used. Examples include metal aluminum, aluminum oxide, aluminum carbide, aluminum nitride, and aluminum-containing organic compounds, and it is necessary to add at least one of these. In the present invention, in order to improve the toughness of the silicon carbide sintered body, aluminum or an aluminum compound is added to the silicon carbide powder and sintered so that crack deflection occurs effectively when the crack propagates inside the sintered body. The sintering process is carried out to create a state in which grain boundary fracture is likely to occur, and the sintering process is performed at a higher sintering temperature and for a longer period of time than is generally used, thereby causing the growth of silicon carbide particles and sintering particles with a large aspect ratio. The crack deflection is caused by being present in the structure. Figure 1 shows silicon carbide powder added with 2% by weight of aluminum oxide at 1900℃ x 20 hours x 40MPa.
This is an optical micrograph (1500x magnification) of the grain structure of a sintered body created by hot press sintering under these conditions. The K IC value of this sintered body was 5.3 MPam 1/2 . Cracks were introduced into the silicon carbide sintered body by the IM method, and the photograph shows the etched surface. The drawings show that there are many grains with large aspect ratios in the sintered body, and that the crack form is intergranular fracture, resulting in crack deflection. On the other hand, FIG. 2 is an optical micrograph of a conventionally known sintered silicon carbide body to which boron and carbon are added as auxiliary agents for comparison. This sintered body
The K IC value was 1.9 MPam 1/2 . As can be seen by comparing Figure 1 (present invention) and Figure 2 (comparative example), although both contain many particles with large aspect ratios, the conventional method (Figure 2) It can be seen that in the case of the present invention (FIG. 1), crack deflection does not occur due to intragranular fracture, whereas in the present invention (FIG. 1), crack deflection occurs due to intergranular fracture. or,
This shows that crack deflection helps build toughness. That is, in the conventional method of silicon carbide sintered bodies using boron and carbon as auxiliaries, although silicon carbide particles with a large aspect ratio are obtained, crack deflection does not occur due to intragranular fracture. Furthermore, in the silicon carbide sintered bodies using aluminum or an aluminum compound as an auxiliary agent, which have been known so far, there are no particles with a large aspect ratio, and crack deflection does not occur. As a result of the present invention, a sintered body containing silicon carbide particles with a large aspect ratio and a fracture path of intergranular fracture can be obtained. As a result, crack deflection can be effectively caused, and silicon carbide sintered bodies produced by conventional methods can be produced. compared to 2
A silicon carbide sintered body with a K IC value more than double that was obtained. In the present invention, the total concentration of aluminum or aluminum compound is preferably 0.5 to 40% by weight. The reason for this is that if it is less than 0.5% by weight, sintering will not proceed sufficiently, and if it exceeds 40% by weight, the high temperature strength will deteriorate significantly. Further, since aluminum or an aluminum compound also acts as a grain growth inhibitor for silicon carbide, the amount thereof is desirably in the range of 0.5 to 20% by weight. A suitable sintering temperature is 1800 to 2300°C.
This is because sintering does not proceed sufficiently at temperatures below 1800°C, and thermal decomposition of silicon carbide begins at temperatures above 2300°C. Among these, a range of 1900 to 2150°C is preferable.
The sintering time is preferably 15 minutes or more. This is because particles with a large aspect ratio, which is the objective of the present invention, cannot be obtained if the heating time is less than 15 minutes. In addition, the hot press pressure is preferably 10 MPa or more, and if the pressure is lower than this, it is difficult to obtain a dense sintered body. More preferably it is 20 MPa or more. The upper limit of the hot press pressure depends on the pressure resistance of the die used, but is approximately 50 MPa for commonly used graphite dies. Among the above conditions of sintering temperature, sintering time, and press pressure, in order to generate particles with a large aspect ratio, the press pressure does not have much influence, but the sintering temperature and the sintering time are important. Furthermore, the higher the sintering temperature and the longer the sintering time, the more likely grain growth will occur and the easier it will be to obtain particles with a large aspect ratio. For example, in a silicon carbide sintered body to which 2% by weight of aluminum oxide is added, in order to obtain a K IC value of 4 MPam 1/2 or more, the sintering time must be at least 10 hours at the sintering temperature of 1900°C; At 2100℃ the sintering time is 30
It is desirable that the duration be at least 1 minute. Incidentally, as the atmosphere during hot press sintering, a vacuum, an inert gas such as argon, nitrogen gas, etc. are used. By performing hot pressing under the above conditions, particles with a large aspect ratio are obtained and the K IC value increases. Specifically, in order for crack deflection to work effectively to strengthen toughness, particles with an aspect ratio of 2 or more must be present in an amount of 10% or more by volume.
In particular, the K IC value is improved to more than twice that of conventional silicon carbide sintered bodies. In other words, in order to stably express 4 MPam 1/2 or more, it is desirable that particles with an aspect ratio of 3 or more account for 15% by volume or more. The aspect ratio and the abundance of particles with a large aspect ratio were measured by photographing the grain structure of the etched surface of the silicon carbide sintered body using an optical microscope or a scanning electron microscope. The aspect ratio of the silicon carbide particles in the present invention was defined as the ratio of the vertical and horizontal lengths of the particles in the photograph. The abundance of particles with a large aspect ratio was defined as the ratio of the area occupied by particles with a predetermined aspect ratio or higher to the area of the microstructure photograph. Regarding bending strength, toughening occurs as the sintering temperature and sintering time increase, but grain growth also becomes significant. It becomes an upwardly convex curve with the maximum value. Examples of the present invention will be shown below. Examples Example 1 Silicon carbide powder with an average particle size of 0.3 μm is
2% by weight of 0.2 μm aluminum oxide was added.
The mixed powder was milled in a ball mill using hexane as a solvent for 24 hours.
A mixed powder was obtained by kneading for hours. After removing the solvent, the mixed powder was placed in a graphite die and heated at a temperature of 1900℃ and a press pressure of 40MPa.
Hot press sintering was performed in an argon gas atmosphere to obtain a silicon carbide sintered body. The sintering time was 30 minutes and 20 hours. The bending strength of the obtained sintered body was measured based on JIS-R-1601, and the fracture toughness K IC value was measured using the SEPB method. Furthermore, each sample was polished, etched, and observed with a scanning electron microscope. From the scanning electron micrograph, the abundance (volume %) and average aspect ratio of particles with an aspect ratio of 2 or more were measured. The SEPB method is an application of the method of stopping brittle crack propagation used in hard and brittle metal materials to ceramics, and it allows the crack tip to have a radius of curvature ρ0, which is equivalent to a fatigue pre-crack in metal materials. This method introduces a pre-crack and is a simple and valid method for evaluating fracture toughness values based on linear fracture mechanics. The results obtained are shown in Table 1. From Table 1, it can be seen that as the sintering time becomes longer, the proportion of particles with a larger aspect ratio increases and toughening occurs. A silicon carbide sintered body to which boron and carbon were added as a comparative example was prepared by a hot pressing method, and the conditions were a temperature of 2150° C., a sintering time of 30 minutes, and a pressing pressure of 40 MPa. Example 2 A mixed powder having the same composition as in Example 1 was hot-press sintered at 1900° C. and 2100° C. for 30 minutes under a press pressure of 40 MPa in an argon gas atmosphere to obtain a silicon carbide sintered body. The obtained sintered body was evaluated in the same manner as in Example 1, and the obtained results are shown in Table 2. From this, it can be seen that the higher the sintering temperature, the higher the proportion of particles with a large aspect ratio, and the higher the toughness. Example 3 A sintered silicon carbide body was obtained from silicon carbide powder to which 10% by weight of aluminum oxide was added in the same manner as in Example 1, and evaluated. The results are shown in Table 3. As in Example 1, it can be seen that the longer the sintering time, the higher the toughness. However, since the aluminum oxide content is higher than in Example 1, grain growth is slightly suppressed.
The increase in K IC value is smaller than in Example 1. Example 4 A sintered body was obtained from silicon carbide powder to which 10% by weight of aluminum oxide was added in the same manner as in Example 2, and evaluated. The results are shown in Table 4. As in Example 2, it can be seen that the higher the sintering temperature, the higher the toughness. However, as in Example 3, the aluminum oxide content is higher than in Example 2, so the increase in K IC value is smaller than in Example 2. Example 5 Silicon carbide powder with an average particle size of 0.3 μm was
2% by weight of 1.8 μm aluminum nitride was added.
The mixed powder was milled in a ball mill using hexane as a solvent for 24 hours.
A mixed powder was obtained by kneading for hours. After removing the solvent, the mixed powder was placed in a graphite die and 1950
Hot press sintering was performed in a vacuum atmosphere at a temperature of 40 MPa and a press pressure of 40 MPa to obtain a silicon carbide sintered body. The sintering time was 30 minutes and 20 hours. The obtained sintered body was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 5. As in Example 1, it can be seen that as the sintering time becomes longer, the proportion of particles with a larger aspect ratio increases and toughening occurs. Example 6 Aluminum powder with an average particle size of 10 μm was ground for 48 hours in a silicon carbide ball mill. Average particle size 0.3μm
The aluminum powder after crushing is added to the silicon carbide powder.
% by weight and kneaded in the same manner as in Example 1.
Sintered and evaluated. The results are shown in Table 6. As in Example 1, it can be seen that the longer the sintering time, the more the proportion of particles with a large aspect ratio increases, and toughening occurs. Example 7 Silicon carbide powder with an average particle size of 0.3 μm is made into a slurry in sufficiently dehydrated isopropyl alcohol, heated and boiled, and then mixed in a ball mill for about 10 hours. 2 for silicon carbide in terms of aluminum oxide
Prepare aluminum isopropoxide ((i-C 3 H 7 O) 3 Al) with a purity of 99% or more so that the weight percentage is 99% by weight, dissolve it in sufficiently dehydrated isopropyl alcohol, heat and boil it, and then boil it for about 10 hours. Stirred. After that, the silicon carbide slurry and aluminum isopropoxide solution were mixed and stirred for about 10 hours.
Water adjusted to pH 2 was added to the mixed slurry in an amount 100 times the mole of aluminum isopropoxide, and stirring was performed again for about 10 hours. After the mixing was completed, the mixed solution was dried by spray drying. The obtained dry powder was heated in argon gas for 1200 mL.
After heat treatment at .degree. C. for 1 hour, silicon carbide and aluminum oxide phases were detected by X-ray diffraction. This mixed powder was sintered in the same manner as in Example 1.
We conducted an evaluation. The results are shown in Table 7. As in Example 1, it can be seen that as the sintering time becomes longer, the proportion of particles with a larger aspect ratio increases and toughening occurs.

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】

【表】 発明の効果 本発明により、炭化珪素焼結体のKIC値は、窒
化珪素焼結体のKIC値と同様か、それ以上の値ま
で引き上げることが可能となつた。高温構造材へ
の適用は窒化珪素系焼結体が一歩先んじていた感
があるが、本発明により、炭化珪素焼結体も窒化
珪素焼結体と同程度の靭性を持たせ得ることが明
らかとなつたので、炭化珪素焼結体の高温構造材
への適用が著しく進むことが期待される。 また、品質保証の面でも、KIC値が2倍になる
と、許容できる欠陥の大きさが4倍になり、非破
壊検査の点で非常に大きな利点を持つことにな
り、この面でも貢献するところが大きい。
[Table] Effects of the Invention According to the present invention, it has become possible to raise the K IC value of a silicon carbide sintered body to a value similar to or higher than that of a silicon nitride sintered body. It seems that silicon nitride-based sintered bodies were one step ahead in application to high-temperature structural materials, but it is clear that silicon carbide sintered bodies can have the same toughness as silicon nitride sintered bodies, thanks to the present invention. Therefore, it is expected that the application of silicon carbide sintered bodies to high-temperature structural materials will significantly advance. In addition, in terms of quality assurance, doubling the K IC value quadruples the allowable defect size, which has a huge advantage in terms of non-destructive testing, and contributes in this respect as well. However, it is large.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明の炭化珪素焼結体(2重量%
の酸化アルミニウム添加)におけるクラツクを含
む部分の光学顕微鏡による組織の粒子構造写真
(1500倍)である。第2図は、硼素および炭素を
助剤とした炭化珪素焼結体(比較例)におけるク
ラツクを含む部分の光学顕微鏡による組織の粒子
構造写真(1500倍)である。
Figure 1 shows the silicon carbide sintered body (2% by weight) of the present invention.
This is an optical microscopic photograph (1500x magnification) of the grain structure of the part containing cracks in the case of aluminum oxide (addition of aluminum oxide). FIG. 2 is an optical microscopic photograph (1500x magnification) of the grain structure of a portion containing cracks in a silicon carbide sintered body containing boron and carbon as auxiliaries (comparative example).

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 炭化珪素粉末を主成分として、アルミニウム
もしくはアルミニウム化合物から選択した少なく
とも1種を0.5〜40重量%含む混合粉末を、ホツ
トプレス焼結することにより製造され、焼結体中
にアスペクト比が2以上の炭化珪素粒子を10容量
%以上含むことを特徴とする炭化珪素系セラミツ
ク焼結体。 2 アルミニウム化合物が酸化アルミニウムであ
る特許請求の範囲第1項記載の焼結体。 3 炭化珪素がβ−SiCであり、アルミニウム化
合物がAl2O3であり、焼結温度が1800〜2300℃で
あり、焼結時間が15分以上である特許請求の範囲
第1項記載の焼結体。
[Scope of Claims] 1. A mixed powder containing silicon carbide powder as a main component and 0.5 to 40% by weight of at least one selected from aluminum or an aluminum compound is produced by hot press sintering, and the powder is mixed into a sintered body. A silicon carbide ceramic sintered body characterized by containing 10% or more by volume of silicon carbide particles having an aspect ratio of 2 or more. 2. The sintered body according to claim 1, wherein the aluminum compound is aluminum oxide. 3. The sintering method according to claim 1, wherein the silicon carbide is β-SiC, the aluminum compound is Al 2 O 3 , the sintering temperature is 1800 to 2300°C, and the sintering time is 15 minutes or more. Body.
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