JPH09268062A - 炭化ケイ素焼結体及びその製造方法 - Google Patents

炭化ケイ素焼結体及びその製造方法

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JPH09268062A
JPH09268062A JP8099501A JP9950196A JPH09268062A JP H09268062 A JPH09268062 A JP H09268062A JP 8099501 A JP8099501 A JP 8099501A JP 9950196 A JP9950196 A JP 9950196A JP H09268062 A JPH09268062 A JP H09268062A
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JP
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silicon carbide
sintered compact
sintered body
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carbide sintered
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JP8099501A
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Yutaka Sato
佐藤  裕
Hidehiro Endo
英宏 遠藤
Toshio Mukai
俊夫 向井
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Nippon Steel Corp
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Nippon Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、高緻密質炭化ケイ素焼結体及びそ
の炭化ケイ素焼結体を得る方法である。 【解決手段】 酸化アルミニウム換算0.1〜5重量
%、ホウ素換算0.05〜0.5重量%及び遊離炭素換
算0.5〜5重量%を含み、残部が炭化ケイ素よりなる
炭化ケイ素焼結体において焼結体密度3.18g/cm
3以上かつ平均表面粗さが20nm以下の鏡面を有する
ことを特徴とする高緻密質炭化ケイ素焼結体であり、そ
の製造方法として、不活性ガス雰囲気中1800〜22
00℃の範囲で常圧焼成した後、1800〜2500℃
で不活性ガスを圧力媒体として50MPa以上の圧力で
HIP処理することにより、上記の高緻密質炭化ケイ素
焼結体を得る。 【効果】 各種耐熱部材、摺動部材、精密部材として有
用な炭化ケイ素材料を得ることが可能となった。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、耐熱部材、摺動部
材、精密部材として有用な炭化ケイ素焼結体の製造方法
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】炭化ケイ素(SiC)セラミックスは、
化学的に安定な材料であり、耐食性、耐摩耗性、耐熱性
などの特性に優れた材料として、実用化が進められてい
る。また、セラミックスの中でも高熱伝導率を有する材
料として、注目されている。
【0003】しかし、炭化ケイ素は、共有結合性の高い
材料であるため、難焼結性であることが知られており、
その焼結には焼結助剤を使用することが必要である。
【0004】炭化ケイ素の焼結助剤としては、ホウ素と
炭素を同時添加したものが知られており、非等軸品のα
型炭化ケイ素にホウ素及び炭素を添加した特公昭59―
34147、立方晶であるβ型炭化ケイ素にホウ素及び
炭素を添加した特公昭57―32035などの方法が開
示されている。
【0005】また、炭素とアルミニウムを使用した例と
して特公昭62―28109、酸化アルミニウムを用い
た特開昭57―22171などが従来の技術として開示
されている。
【0006】しかしながら、これら従来の技術では、炭
化ケイ素を理論密度近くまで緻密化することは困難であ
り、機械的特性における信頼性が十分に得ることができ
ないとともに、鏡面が要求される部材等への応用するこ
とができなかった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、炭
化ケイ素は、難焼結性であるため、緻密化が困難であっ
た。本発明は、その課題を解決し、焼結体密度が3.1
8g/cm3以上で鏡面を得ることが可能である緻密な
炭化ケイ素焼結体とその製造方法を提供しようとするも
のである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、焼結体密度
3.18g/cm3以上かつ平均表面粗さが20nm以
下の鏡面を有することを特徴とする高緻密質炭化ケイ素
焼結体とその製造方法である。
【0009】以下に本発明を詳細に説明する。
【0010】焼結助剤として酸化アルミニウム、ホウ素
及び炭素を使用する。酸化アルミニウムは、焼結時に液
相となり、炭化ケイ素の液相焼結による緻密化を促進す
るとともに、常圧焼結後HIP処理する際に、粒界の流
動性を付与することにより、ポアの系外への移動を促進
し、緻密化をより進めるために必要である。
【0011】しかしながら、酸化アルミニウムを単独で
添加する方法では、十分に緻密な焼結体を得ることがで
きない。
【0012】このため、酸化アルミニウムと同時にホウ
素及び炭素を添加することが必要である。ホウ素は、炭
化ケイ素の拡散を助け焼結を促進するために有用であ
る。
【0013】また、炭素は、炭化ケイ素の表面の酸化ケ
イ素と反応して炭化ケイ素を生成する役割を果たす。
【0014】炭化ケイ素表面の酸化ケイ素は、焼結時に
炭化ケイ素と反応して、金属ケイ素を生成し、焼結を阻
害するため、炭化ケイ素の緻密化にはこれを除去するこ
とが必要である。
【0015】これらの酸化アルミニウム、ホウ素、炭素
を同時添加することによって、より緻密な焼結体を得る
ことが可能となる。
【0016】酸化アルミニウムの添加量は0.1〜5重
量%であることが望ましい。0.1重量%より少ないと
焼結時に粒界に十分な液相が生成せず、緻密化が困難で
あり、5重量%より多いと酸化アルミニウム自体の分解
が顕著に起こし、緻密化を阻害するため、添加量をこの
範囲にすることにより、高密度の焼結体を得ることがで
きる。
【0017】また、原料として用いる酸化アルミニウム
は、均一に分散されることが望ましいため平均粒径が1
μm以下の微細な粉末を用いることが望ましい。
【0018】ホウ素の添加量は、0.05〜0.5重量
%の範囲であることが望ましい。0.05重量%より少
ない添加量では、緻密化が十分に起こらず、0.5重量
%より多く添加しても緻密化は効果は向上しない。
【0019】ホウ素源としては、各種のホウ素含有化合
物の使用も可能であるが、ホウ素自体を原料として用い
る場合は、平均粒径1μm以下の粉末を用いることが望
ましい。
【0020】炭素の添加量は、0.5〜5重量%である
ことが望ましい。炭素の添加量は、炭化ケイ素原料粉末
に含まれる酸化ケイ素の量により、変えることが望まし
いが、本発明で使用するような平均粒径1μm以下の炭
化ケイ素粉末では、1重量%前後の酸化ケイ素を含有し
ているため、0.5重量%以下の炭素添加量では、酸化
ケイ素が多く残存し、緻密化を阻害するため、高密度の
焼結体を得ることができない。
【0021】また、5重量%以上の炭素を添加すると、
酸化ケイ素は、十分に除去できるものの、炭素が焼結体
中に残存するため、焼結後に鏡面を得ることが困難とな
る。
【0022】また、炭素源としては、カーボンブラック
などの炭素をそのまま用いることも可能であるが、炭化
ケイ素粉末や他の焼結助剤との均一な混合が困難である
ため、混合溶媒に溶解する炭素含有化合物を用いて混合
し、焼結時に分解により炭素を生成させる方法により、
より高密度な焼結体を得ることができる。
【0023】このような炭素源としては、混合溶媒とし
てアセトンやアルコール類を使用する場合には、フェノ
ール―ホルムアルデヒド縮合体などの有機高分子化合物
を用いるとその効果が顕著に得ることができる。
【0024】主成分である炭化ケイ素原料としては、非
等軸晶であるα型結晶の粉末を用いることが望ましい。
【0025】炭化ケイ素の結晶系としては、立方晶のβ
型と非等軸晶であるα型の2つが代表的なものである
が、β型結晶は、高温でα型への相転移が起こり、焼結
時に板状の結晶として粒成長が起こる。
【0026】板状晶の成長は、緻密化阻害の原因となる
ため、β型の原料粉末を用いると緻密化が困難である。
このため、本発明では、α型の原料粉末を用いる。原料
粉末の粒径は、平均粒径が1μm以下であることが望ま
しい。
【0027】平均粒径が1μmより大きな粉末を用いる
とそれ自体焼結が進まず緻密化が困難であるとともに、
粗大な粒子が核となって部分的な異常粒成長を起こすこ
とから、粒内ポアが残存するためHIP処理時にポアが
無くならずに鏡面を得ることができない。
【0028】原料粉末の混合は、均一な混合粉体を得る
ために、湿式混合によることが望ましい。炭化ケイ素の
混合では、溶媒に水を用いると粉末の表面の酸化ケイ素
の生成を促すため、有機溶媒による混合が望ましい。
【0029】特に炭素源としてフェノールーホルムアル
デヒド縮合体等の有機高分子化合物を用いる場合には、
これを溶解するようなアセトンやアルコール類を用いる
ことにより、炭素源の均一な分布を得ることができる。
また、他の添加成分の分散をより一層良くするために分
散剤を用いて混合することが望ましい。
【0030】また、必要に応じて混合粉末の成形性を高
めるために、結合剤や可塑剤等の添加物を用いることが
望ましい。これらの混合には、回転式ボールミル、アト
ライターなどを用いる。
【0031】混合後は、乾燥、成形を行うが、特にスプ
レードライを用いることにより流動性の良い粉体を一度
に大量に乾燥させることが可能である。
【0032】乾燥した粉末の成形は、一軸成形やCIP
成形により、所望の形状に成形するが、均一な密度分布
を有する焼結体を得るためには、CIP成形法を用いる
ことが望ましい。また、スプレードライによる乾燥を行
わずに、泥しょう鋳混み成形法や射出成形法により混合
したスラリーから直接成形し、乾燥する方法を用いるこ
ともできる。
【0033】このようにして作製した成形体をまず常圧
焼成により、焼結を行う。常圧焼成は、不活性ガス雰囲
気中で行うことが望ましい。大気中等の酸化雰囲気中で
は、原料の炭化ケイ素が酸化してしまうとともに炭素が
燃焼してしまうため、緻密化させることが不可能であ
る。また、窒素雰囲気中では、原料粉末成分の窒化が起
こるため好ましくない。
【0034】真空中では、炭化ケイ素と酸化ケイ素の反
応・分解が促進されるため、1800℃以上の温度で
は、真空での焼成は避けることが望ましい。真空を用い
る場合は、1800℃以下の温度まで真空中で処理し、
それ以上の温度に昇温する際に、不活性ガスを導入する
ことが必要となる。不活性ガスとしては、アルゴン等を
用いる。
【0035】常圧焼成は、1800〜2200℃の温度
で行う。1800℃より、低い温度では、炭化ケイ素の
拡散が十分に起こらず、焼結が進行しないため、緻密化
させることができない。
【0036】また、2200℃より高い温度では、炭化
ケイ素の粒成長が顕著となり、粒内にポアが取り込まれ
て、粒内ポアとなるため、HIP処理の際、これらのポ
アが粒内から移動し難くなるため、緻密化させることが
困難となる。
【0037】常圧焼成後の密度は、3.0g/cm3
上であることが望ましい。これより低い密度では、開気
孔が多く残存し、HIP処理時に密度向上の効果が得ら
れず、十分に緻密な焼結体を得ることが困難となる。
【0038】常圧焼成した焼結体は、さらにHIP処理
により、緻密化させる。HIP処理は、1800〜25
00℃で不活性ガスを用いて行う。処理温度が1800
℃より低いと、SiCの拡散が起こらず、緻密化効果が
得られない。
【0039】また、2500℃以上の温度では、SiC
の分解が起こるため、金属ケイ素や炭素が生成し、密度
が逆に低下するため、これより低い温度で処理すること
が望ましい。また、HIP処理の圧力媒体としては、ア
ルゴン等の不活性ガスを用いることが望ましい。
【0040】酸素含有雰囲気や窒素ガスを用いると常圧
焼結時と同様に酸化や窒化等が起こるため、緻密化する
ことが困難となる。圧力は、50MPa以上で行うこと
が望ましい。50MPaより低い圧力では、HIP処理
による緻密化の効果を十分に得ることは難しい。
【0041】以上の方法により作製した炭化ケイ素焼結
体は、焼結体密度3.18g/cm3以上の高密度を有
し、平均表面粗さ(中心線平均粗さ、Ra;JIS B
0601準拠)が20nm以下の鏡面が得ることが可能
である。
【0042】
【実施例】
【0043】
【実施例1】炭化ケイ素粉末(平均粒径0.7μm,酸
化ケイ素含有量1.0%)と酸化アルミニウム(平均粒
径0.3μm)、ホウ素(平均粒径0.5μm)及び炭
素源として炭素含有量40重量%のフェノール樹脂をア
セトン中で混合し乾燥したものをアルゴン中1900〜
2100℃で4時間保持し常圧焼成した後、1950及
び2250℃でアルゴンガス圧196MPaで2時間H
IP処理を行った。
【0044】組成は、表1に示す通りであり、本発明の
組成のものと比較例として本発明の組成範囲外のものに
ついて試験を行なった。
【0045】得られた焼結体をアルキメデス法による密
度測定を実施した後、1μmのダイヤモンド砥粒でラッ
プ加工し触針法による表面粗度測定を行なった。
【0046】その結果、本発明によるものは、常圧焼結
後の密度が3.05〜3.19g/cm3でHIP処理
後の密度がいずれも3.18g/cm3以上であるのに
対して、比較例として行なった本発明の範囲外の組成で
は、常圧焼成後の密度が3.10g/cm3以下であ
り、HIP処理後の密度も3.16g/cm3以下であ
り、本発明の組成範囲が有効であることが明らかであ
る。
【0047】また、表面粗度も、本発明によるものが、
平均粗度20nm以下であるのに対して、比較例による
ものは、28nm以上の平均粗度であった。
【0048】
【発明の効果】本発明によって、焼結体密度3.18g
/cm3以上の高密度を有し、平均表面粗さが20nm
以下の鏡面が得ることが可能な高緻密質の炭化ケイ素焼
結体を得ることができ、各種の耐熱部材、摺動部材、精
密部材として有用な材料を得ることが可能となった。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸化アルミニウム換算0.1〜5重量
    %、ホウ素換算0.05〜0.5重量%及び遊離炭素換
    算0.5〜5重量%を含み、残部が炭化ケイ素よりなる
    炭化ケイ素焼結体において、焼結体密度が3.18g/
    cm3以上かつ平均表面粗さが20nm以下の鏡面を有
    することを特徴とする高緻密質炭化ケイ素焼結体。
  2. 【請求項2】 焼結体配合として酸化アルミニウム換算
    0.1〜5重量%、ホウ素換算0.05〜0.5重量%
    及び炭素換算0.5〜5重量%を含み、残部が炭化ケイ
    素になるように原料を混合、成形し、不活性ガス雰囲気
    中1800〜2200℃の範囲で常圧焼成した後、18
    00〜2500℃で不活性ガスを圧力媒体として50M
    Pa以上のガス圧下でHIP処理することを特徴とする
    請求項1記載の高緻密質炭化ケイ素焼結体の製造方法。
  3. 【請求項3】 原料に平均粒径1μm以下のα―炭化ケ
    イ素を用いることを特徴とする請求項2記載の炭化ケイ
    素焼結体の製造方法。
JP8099501A 1996-03-29 1996-03-29 炭化ケイ素焼結体及びその製造方法 Withdrawn JPH09268062A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005314157A (ja) * 2004-04-28 2005-11-10 National Institute For Materials Science 炭化珪素焼結体およびこれを用いた半導体および液晶製造装置用部材
CN114430733A (zh) * 2019-10-02 2022-05-03 日本碍子株式会社 耐火物

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005314157A (ja) * 2004-04-28 2005-11-10 National Institute For Materials Science 炭化珪素焼結体およびこれを用いた半導体および液晶製造装置用部材
CN114430733A (zh) * 2019-10-02 2022-05-03 日本碍子株式会社 耐火物
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Effective date: 20030603