JPH0459652A

JPH0459652A - 多機能多元系セラミックス

Info

Publication number: JPH0459652A
Application number: JP2169917A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Tsuge; 柘植　章彦; Yasuhiro Itsudo; 康広五戸; Takeshi Yonezawa; 米澤　武之; Toshiaki Mizutani; 水谷　敏昭
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1990-06-29
Publication date: 1992-02-26

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】［発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、機械、鉄鋼、化学、半導体等各種産業用素材
として用いられる多機能多元系セラミックス関する。

（従来の技術）近年、著しい発展を遂げているファインセラミックスは
、耐熱、耐食、耐摩、強度、熱伝導、熱膨張、電気伝導
等の諸機能においてそれぞれの優れた特徴を備えており
、既に産業用機械部品として実用化されているものも多
い。しかしながら、これらの機能はそれぞれが単独に発
揮されていることが殆どである。しかも、往々にして、
各単機能は優れていても、他の機能においては著しく劣
ることかあり、実用上様々な問題を提起している。

このようなことから、セラミックスの多機能化は産業上
極めて重要な問題として各方面から解決か求められてい
る。

（発明か解決しようとする課題）本発明は、上記従来の要望を満たすべくなされたもので
、耐熱性、耐磨耗性、強度、靭性、熱伝導性、電気伝導
性等のいずれか２つ以上の特性を兼ね伺えた多機能多元
系セラミックスを提供しようとするものである。

［発明の構成コ（課題を解決するための手段）本発明に係わる多機能多元系セラミックスは、Ａ、Ｑの
酸化物５０〜９９重量％（好ましくは７０〜９５重量％
）と、Ｔｉ及びＺｒのうちのいずれか一方又は両者の炭
化物３０重量％以下（好ましくは０．５〜１５重量２６
）と、８１３Ｎ４、ＺｒＮなどの窒化物３０重量％以下
（好ましくは　０．５〜１５重量％）と、ＴｉＢ２、Ｚ
ｒＢ２なとの硼化物１５重量％以下（好ましくは０．５
〜５重量％）とからなることを特徴とするものである。

上記多機能多元系セラミックス中の各成分の配合割合を
限定したのは、次のような理由によるものである。

Ａｌの酸化物の配合量を５０重量９０未満、１１及びＺ
ｒのうちのいずれか一方又は両者の炭化物の配合量と窒
化物の配合量が３０重量％を越え、硼化物の配合量か１
５重量％を超えると靭性面での低下を招く。また、Ａｌ
の酸化物量が９９重ｉｆ　９ｏを越えると、導電性の面
での低下を招く。

なお、上記Ａｌの酸化物の一部を８１、Ｔ１、Ｚｒの酸
化物から選ばれる１種以上で置換しても所望の特性を有
する多機能多元系セラミックスを得ることかできる。

また、本発明に係わる別の多機能多元系セラミックスは
Ｓｉの酸化物５０〜９９重量％（好ましくは８０〜９９
重ｆｆｉ　９ｏ）と、Ｓｉの炭化物４０重量％以下（好
ましくは３０重量９０以下）と、Ｓｉ３Ｎ、なとの窒化
物４０％重量以下（好ましくは３０重量％以下）と、Ａ
ｌ７の硼化物１０重−％以下（好ましくは５重量？ｏ以
下）とからなることを特徴とするものである。

Ｓｉの酸化物の配合量を５０Ｔｔｍ％未満にすると、セ
ラミックス密度の著しい低下を招き、実用上不都合さを
生しる。Ｓｌの酸化物の配合量か９９重量％を越えると
耐熱性が著しく劣化して実用上不都合さを生じる。

Ｓｉの炭化物及び窒化物の配合量か４０重量％を越える
と、Ｓｉの酸化物の配合下限と同様にセラミックス密度
の著しい低下を招き、実用上不都合さを生じる。

Ａｌの硼化物は、導電性を制御するために有効であるが
、その配合量か１０重量％を越えると耐熱性が著しく劣
化することによって実用上不都合さを生じる。

なお、上記Ｓｉの酸化物の一部をＡｌ、Ｔｉ、Ｚｒの酸
化物から選ばれる１種以上で置換しても所望の特性を有
する多機能多元系セラミックスを得ることかできる。

更に、本発明に係わる別の多機能多元系セラミックスは
Ｚｒの酸化物５０〜９９重量％（好ましくは７０−９８
重量　９ｏ）と、Ｈｆの炭化物４ｏ重ｆｆｌ　９０以下
（好ましくは２０重量　％以下）と、Ｚｒの窒化物４Ｏ
Ｎ　量９０以下（好ましくは２０重Ｍ１９０以下）と、
Ｔｉの硼化物２０重１ａ　９０以下（好ましくは１０重
量％以下）とからなることを特徴とするものである。

Ｚｒの酸化物は、靭性を効果的に発揮せしめる作用を有
するが、その配合量を５０重量％未満にすると靭性が不
足し、一方その配合量が９９重量％を越えると他のセラ
ミックス成分量が少なくなって耐熱性等の低下を招く。

Ｈｆの炭化物は、耐熱性を効果的に制御する作用を有す
るか、その配合量が４０重量％を越えると靭性を著しく
損い、実用上不都合さを生しる。

Ｚｒの窒化物は、耐熱性の制御に有効に作用することか
明かとなっているか、その配合量か４０重量％を越える
と靭性が著しく損われるため、実用上不都合さを生じる
。

Ｔ１の硼化物は、耐食性の制御に効果的な作用を有する
か、その配合量か２００重量。を越えると靭性の低下を
招き、実用上不都合さを生しる。

なお、上記Ｚｒの酸化物の一部をＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚ
ｒの酸化物から選ばれる１種以上で置換しても所望の特
性を有する多機能多元系セラミックスを得ることかでき
る。

更に、本発明に係わる別の多機能多元系セラミックスは
Ａｌの窒化物８０〜９９重ｔｈ％（好ましくは９５〜９
９重証？。）と、Ｈｆの炭化物１０重量％以下（好まし
くは５重量　９０以下）と、Ｔｉの硼化物１０重量％以
下（好ましくは５重量％以下）とからなることを特徴と
するものである。

八Ωの窒化物は、熱伝導性を効果的に発揮せしめる作用
を有し、その配合量を８０重量％未満にすると熱伝導性
を効果的に向上できなくなり、一方その配合量か９９重
ｆｆｉ　９ｂを越えると他のセラミックス成分か少なく
なって強度の低下を招く。

Ｈｆの炭化物は、機械的強度を効果的に制御でき、その
配合量か１０重量％を越えると熱伝導性を著しく損い、
実用上不都合さを生じる。

Ｔ１の硼化物は、更に靭性を強化するのに有効であるか
、その配合量が１０重量％を越えると熱伝導性を著しく
損い、実用上不都合さを生じる。

また、上述した各多機能多元系セラミックスにおいて、
ＹＳＣｅ、Ｄｙ、Ｓｍ、Ｔｍから選ばれた少なくとも１
種の酸化物を５重量％以下、好ましくは３重ｆｆｉ　９
（ｉ以下添加することができる。

上述した各多機能多元系セラミックスの合成方法は、通
常のセラミックス工業製造プロセスが適用される。即ち
、夫々の金属の酸化物、炭化物、窒化物、硼化物から成
る原料粉体を混合成形して焼成することにより製造する
ことか可能である。

また、各多機能多元系セラミックスの組成物は通常のＣ
ＶＤやプラズマ合成炉などを利用しても製造することか
できる。

更に、各多機能多元系セラミックスの形態は粉末状、膜
状、塊状をその利用目的に応して取ることかできる。

（作用）本発明によれば、特定化された金属の酸化物、炭化物、
窒化物、硼化物を適正な割合で配合することにより、そ
れらの相互作用により諸機能か制御され、以下に詳述す
る耐熱性、耐磨耗性、強度、靭性、熱伝導性、電気伝導
性等のいずれか２つ以上の特性を兼ね備えた多機能多元
系セラミックスを得ることかできる。なお、かかる多機
能多元系セラミックスの特性については、材料の合成過
程における元素間の金属−酸素一炭素一窒素一硼素系の
多元系化学反応は極めて複雑で、充分に解明するに至っ
ていないが、合成に先立つ各出発原料か夫々単独にそれ
らの本質的に有する物理的、化学的諸特性か単に発現さ
れているたけてはなく、殊に金属元素の種類のみならず
、陰性元素の配合組成、童かセラミックスの特性に多大
にに影響を及ぼしているものと推定される。

即ち、Ａ、Ｑの酸化物とＴｉ及びＺｒのうちのいずれか
一方又は両者の炭化物と５ｉ３Ｎ４ＺｒＮなとの窒化物
とＴｉＢ２、ＺｒＢ２などの硼化物とを特定の割合で配
合した組成にすることによって、導電性と高靭性を兼ね
備えた多機能多元系セラミックスを得ることができる。

また、Ｓｉの酸化物とＳｉの炭化物とＳ　Ｌ　３　Ｎ　４なとの窒化物とＡｌｌの硼化物とを
特定の割合で配合した組成にすることによって、導電性
と耐熱性を兼ね備えた多機能多元系セラミックスを得る
ことかできる。

更に、Ｚｒの酸化物とＨｆの炭化物とＺｒの窒化物とＴ
ｉの硼化物とを特定の割合で配合した組成にすることに
よって、耐熱性、耐食性及び靭性を兼ね備えた多機能多
元系セラミックスを得ることかできる。

更に、八Ωの窒化物とＨｆの炭化物とＴｉの硼化物とを
特定の割合で配合した組成にすることによって、高熱伝
導性及び高強度機能を兼ね備えた多機能多元系セラミッ
クスを得ることかできる。

更にまた、上述した各多機能多元系セラミックスにおい
て、ＹＳＣｅ、Ｄｙ、Ｓｍ％Ｔｍから選ばれた一種もし
くはそれ以上の酸化物を５重ｊ１％以下添加することに
よって、それら多機能多元系セラミックスの諸性性の他
に、更に機械的強度特性を改善することができる。

このようにな本発明に係わる多機能多元系セラミックス
は各種の特性を兼ね備えているため、自動車部品、ガス
タービン部品、各種耐磨耗部品、耐食部品等は勿論のこ
と、新しい産業上の用途の展開が期待される機能部材、
構造部材に有効に利用できる。

（実施例）以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

実施例１まず、平均粒径Ｌ５ｕ　ｍのＡ、Ｃ’　２０３９０重量
％、平均粒径１．５μｍのＴｆＣ３重量％、平均粒径１
．３μｍのＺｒＮ　　１重ｌ１９ｏ、平均粒径１２μ（
７１のＴｉＮ　３重ＭＬ　ＯＯ及び平均粒径ｏ、５μｍ
のＺｒ８　３重量　％の各粉末を均一に混合して混合粉
末を調製した。つついて、二の混合粉末を黒鉛製のモー
ルドに充填した後、１６５０℃、Ｎ２雰囲気中、３００
ｋｇ、／Ｃｍ２の条件にて２時間加圧焼結して緻密質の
焼結体を製造した。

得られた本実施例１の焼結体について、電気抵抗及び破
壊靭性値（ＳＥＢＮ法）を測定したところ、夫々１０−
２Ωｃｎ＋、　５．ＯＭＰａＩ１１’　２てあッｔコ。

これにより導電性と靭性の両特性を兼ね備えたセラミッ
クスが得られたことが確認された。

実施例２〜７平均粒径１．５μｍのＡＲ２０＊　、平均粒径０．５μ
ｍのＴｉＯ２、平均粒径１．０μｍのＴｉｃ、平均粒径
１．０μｍのＺｒＣ１平均粒径１．３μｍのＺ　ｒ　Ｎ
　ｓ平均粒径１．３μｍのＳｉ３Ｎ、　　平均粒径０．
５μｍのＺｒＢ２、平均粒径０．５μｍのＴ　ｉ　Ｂ２
、平均粒径０．３μｍのＹ２Ｏ３、平均粒径０．３μｍ
のＳｍ、０３の各粉末を下記第１表に示す組み合わせ、
割合で均一に混合して６８！の混合粉末を調製した。つ
ついて、これらの混合粉末を黒鉛製のモールドに充填し
た後、同第１表に示す条件にて加圧焼結して６種の緻密
質焼結体を製造した。

得られた本実施例２〜７の焼結体について、電気抵抗及
び破壊靭性値（ＳＥＢＮ法）を測定した。

その結果を同第１表に併記した。なお、同第１表には平
均粒径１，５μｍのＡｌ１２０３粉末のみを焼結して得
られた焼結体（比較例１）について同様な評価を行なっ
た結果も併記した。

上記第１表から明らかなように本実施例２〜７こおいて
は導電性と靭性の両特性を兼ね備えたセラミックスか得
られたことか確認された。

実施例８ます、平均粒径１．５μｍの５ｉＯ２７０重量９ｏ１平
均粒径１．０μｍの５ｉＣ１０重量％、平均粒径１．５
μｍの５ｉ３Ｎ４１５重量％、及び平均粒径ｌＯμｍの
ＡｇＢ２５重量％の各粉末を均一に混合して混合粉末を
調製した。つづいて、この混合粉末を黒鉛製のモールド
に充填した後、１６５０℃、Ｎ２雰囲気中、３００ｋｇ
／　ｃｍ２の条件にて２時間加圧焼結して緻密質の焼結
体を製造した。

得られた本実施例８の焼結体について、電気抵抗及び１
２００℃における３点曲げ機械強度を測定したところ、
それぞれ１０−３Ωｃｍ、　　４５０ＭＰａであった。

これにより導電性と耐熱性の両特性を兼ね備えたセラミ
ックスが得られたことか確認された。

実施例９〜１７ます、平均粒径　１．５μｍのＳｉＯ２平均粒径　１．
０μｍのＳｉＣ，平均粒径１．５μｍのＳ　Ｌ　３Ｎ　
４　、平均粒径１．０μｍのＡｊ７Ｂ２、平均粒径１．
５．ｃｚ　ｍのＡｇ２ｏ３、平均粒径０．３μｍのＹ、
Ｏ，及び平均粒径０．３μｍのＤｙ２０．の各粉末を下
記第２表に示す組み合わせ、割合で均一に混合して９種
の混合粉末を調製した。つづいて、これらの混合粉末を
黒鉛製のモールドに充填した後、同第２表に示す条件に
て加圧焼結して９種の緻密質焼結体を製造した。

得られた本実施例９〜１７の焼結体について、電気抵抗
及び１２００℃における３点曲げ機械強度を測定した。

その結果を同第２表に併記した。なお、同第２表には平
均粒径１．５μｍのＳｉＯ２粉末のみを焼結して得られ
た焼結体（比較例２）について同様な評価を行なった結
果も併記した。

上記第２表から明らかなように本実施例９〜Ｉ７におい
ては導電性と耐熱性の両特性を兼ね備えたセラミックス
か得られたことが確認された。

実施例１８ます、１４均粒径１．３μｍのＺ　ｒ　Ｏ２９０重量％
、平均粒径　１．０μｍのＨｆＣ３重量％、平均粒径１
．３μｍのＺｒＮ　　３重量％、及び平均粒径０．６μ
ｍのＴ１８２４重量％の各粉末を均一に混合して混合粉
末を調製した。つづいて、この混合粉末を黒鉛製のモー
ルドに充填した後、１６５０℃、Ｎ２雰囲気中、３００
ｋｇ／　ｃｍ２の条件にて２時間加圧焼結して緻密質の
焼結体を製造した。

得られた本実施例１８の焼結体について、破壊靭性値（
ＳＥＢＮ法）耐酸住僧ｆｉ　（ｍｇ／　ｃ＋＋＋２）を
測定したところ、それぞれ１５ＭＰａｍ’　２０．０５
ｍｇ／ｃｍ２であった。これにより靭性、耐熱性、耐食
性を兼ね備えたセラミックスが得られたことが確認され
た。

実施例１９〜３１ます、平均粒径１．３μｍのＺ　ｒ　０２　、平均粒径
１．３ｕ　ｍのＩ（ｆＣ，平均粒径１．３μｍのＺｒＮ
。

平均粒径０．６μｍのＴｉＢ２、平均粒径１．５μｍの
八〇２０３、及び平均粒径０．３μｍのＹ２Ｏ。

の各粉末を下記第３表に示す組み合わせ、割合で均一に
混合して１３種の混合粉末を調製した。つついて、これ
らの混合粉末を黒鉛製のモールドに充填した後、同第３
表に示す条件にて加圧焼結して１３種の緻密質焼結体を
製造した。

得られた本実施例１９〜３１の焼結体について、破壊靭
性値（ＳＥＢＮ法）耐酸住僧ｆｆｉ　（ｍｇ／　ｃｍ２
）を測定した。その結果を同第３表に併記した。なお、
同第３表には平均粒径１，５μｍのＺ　ｒ　Ｏ２粉末の
みを焼結して得られた焼結体（比較例３）について同様
な評価を行なった結果も併記した。

上記第３表から明らかなように本実施例１９〜３１にお
いては、靭性、耐熱性、耐食性を兼ね備えたセラミック
スか得られたことか確認された。

実施例３２ます、平均粒径１．０μｍのＡ［Ｎ９８重量％、平均粒
径１．０μｍのＨｆＣ１重量％、平均粒径０．６μｒＴ
ＩのＴｉＢ、、１重量％の各粉末を均一に混合して混合
粉末を調製した。つづいて、この混合粉末を黒鉛製のモ
ールドに充填した後、１７５０℃、Ｎ２雰囲気中、３０
０ｋｇ／ｃｍ２の条件にて２時間加圧焼結して緻密質の
焼結体を製造した。

得られた本実施例３２の焼結体について、熱伝導率及び
１２００℃における３点曲げ機械強度を測定したところ
、それぞれ１２０Ｗ　／　ｍ　Ｋ　、　　５５０ＭＰａ
であった。これにより熱伝導性と機械的強度の両特性を
兼ね備えたセラミックスが得られたことか確認された。

実施例３３〜４２まず、平均粒径１．０μｍのＡＩ　Ｎ、平均粒径１．０
μｍのＨｆＣ，平均粒径ｏ、ｅμｍのＴｉＢ２及び平均
粒径０，３μｍのＹ２Ｏ３の各粉末を下記第４表に示す
組み合わせ、割合で均一に混合して１０種の混合粉末を
調製した。つづいて、これらの混合粉末を黒鉛製のモー
ルドに充填した後、同第４表に示す条件にて加圧焼結し
て１０種の緻密質焼結体を製造した。

得られた本実施例３３〜４２の焼結体について、熱伝導
率及び１２００°Ｃにおける３点曲げ機械強度を測定し
た。その結果を同第４表に併記した。なお、同第４表に
は平均粒径１．（１μｍのＡρＮ粉末のみを焼結して得
られた焼結体（比較例４）について同様な評価を行なっ
た結果も併記した。

上記第４表から明らかなように本実施例３３〜４２にお
いては、熱伝導性と機械的強度の両特性を兼ね脩えたセ
ラミックスが得られたことか確認された。

［発明の効果］以上詳述した如く、本発明によれば耐熱性、耐磨耗性、
強度、靭性、熱伝導性、電気伝導性等のいずれか２つ以
上の特性を兼ね備え、自動車部品、ガスタービン部品、
各種耐磨耗部品、耐食部品等は勿論のこと、新しい産業
上の用途の展開が期待される機能部材、構造部材に有効
に利用し得る多機能多元系セラミックスを提供できる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ａｌの酸化物５０〜９９重量％と、Ｔｉ及びＺｒ
のうちのいずれか一方又は両者の炭化物３０重量％以下
と、窒化物３０重量％以下と、硼化物１５重量％以下と
からなることを特徴とする多機能多元系セラミックス。
（２）Ｓｉの酸化物５０〜９９重量％と、Ｓｉの炭化物
４０重量％以下と、窒化物４０％重量以下、Ａｌの硼化
物１０重量％以下とからなることを特徴とする多機能多
元系セラミックス。
（３）Ｚｒの酸化物５０〜９９重量％と、Ｈｆの炭化物
４０重量％以下と、Ｚｒの窒化物４０重量％以下と、Ｔ
ｉの硼化物２０重量％以下とからなることを特徴とする
多機能多元系セラミックス。
（４）Ａｌの窒化物８０〜９９重量％と、Ｈｆの炭化物
１０重量％以下と、Ｔｉの硼化物１０重量％以下とから
なることを特徴とする多機能多元系セラミックス。
（５）Ｙ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｓｍ、Ｔｍから選ばれた一種も
しくはそれ以上の酸化物を５重量％以下添加してなるこ
とを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の多機
能多元系セラミックス。