JPH1179845A - 高靭性炭化けい素セラミックスの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 品質的にばらつきがなく、高い靭性と大きな
強度を有するセラミックスを製造する。 【解決手段】 ５〜４０ｖｏl ％の柱状の炭化けい素粒
子と５〜２０ｗｔ％のアルミナとイットリアとの混合物
からなる焼結助剤と残部の平均粒径０．１μｍ以下の炭
化けい素微粉末とにバインダを加えて混練する第１工程
と、混練物に剪断力を加えて一方向に配向させつつ成形
する第２工程と、成形体を加熱してバインダを除去する
第３工程と、成形体を焼成することにより柱状粒子を成
長させる第４工程とからなるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高い靭性と曲げ強度
を有するセラミックスの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高温ガスタービン、ロケットをはじめと
する輸送機器やエネルギ産業で高温に曝される部分の材
料としてセラミックスが採用される。セラミックスは一
般に高温材料として優れているが靭性が低いという欠点
がある。セラミック材料中にウイスカ等の柱状粒子を添
加し、その粒子を焼成によって成長させることによりセ
ラミックスの靭性が大きくなることが知られている。さ
らに、成形時にウイスカを一方向に並ぶように配向させ
ることにより、その方向の特性を向上させることも知ら
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の従来技
術では原料と焼結助剤が均一に混合されたものに柱状粒
子を添加し、混合して成形するものなので添加した柱状
粒子以外の部分で粒子の成長が起こり、目的の柱状粒子
のみを成長させることはできない。また、添加した柱状
粒子以外の母材中で起こる粒子の成長では柱状粒子の成
長のばらつきが大きく、大きさが不均一になり、その結
果強度がばらつくことになる。また、柱状粒子の添加量
が多くなると柱状粒子同士の接触がおこるため、緻密な
焼結体を得るためには、ごくわずかの柱状粒子しか添加
できず、したがって、柱状粒子による高靭化は限られた
ものとなる。

【０００４】柱状粒子を成形時に配向させるようにして
配向性セラミックスを作る場合においても、成形性、焼
結性の制約から緻密で強靭なセラミックスを製造するた
めに添加できる柱状粒子の添加量が最大３０ｖｏｌ％程
度までに限定され、柱状粒子が高密度に配向した材料が
得られず、柱状粒子による靭性の向上にも限界がある。

【０００５】本発明は従来技術のかかる問題に鑑み案出
されたもので、均一な大きさの柱状粒子を高密度に、か
つ、特定の方向に配向した材料とすることにより強度が
大きくてそのばらつきが小さく、かつ、靭性に優れたセ
ラミックスの製造方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の高靭性炭化けい素セラミックスの製造方法は５
〜４０ｖｏｌ％の柱状の炭化けい素粒子と５〜２０ｗｔ
％のアルミナとイットリアとの混合物からなる焼結助剤
と残部の平均粒径０．１μｍ以下の炭化けい素微粉末と
にバインダを加えて混練する第１工程と、混練物に剪断
力を加えて一方向に配向させつつ成形する第２工程と、
成形体を加熱してバインダを除去する第３工程と、成形
体を焼成することにより柱状粒子を成長させる第４工程
とからなるものである。

【０００７】アルミナとイットリアとの混合物の混合割
合は重量比でＡ／Ｙ＝１〜２０であるのが好ましい。な
お、Ａはアルミナ、Ｙはイットリアを示している。

【０００８】剪断力を加えて一方向に配向させつつ成形
する工程が、押出し成形、ドクタブレード成形および射
出成形の内のいずれか１つ、または、これらの成形法に
よって得られた予備成形体を積層接合する工程であるの
が好ましい。

【０００９】次に本発明の作用を説明する。アルミナと
イットリアの混合物からなる焼結助剤は焼結温度では液
相になる液相焼結助剤である。一方、平均粒径が０．１
μｍ以下の微粉末の炭化けい素は活性化していて、液相
焼結助剤中に溶け込み、一方向に配向した柱状の炭化け
い素粒子の表面に析出し、柱状の炭化けい素粒子を成長
させる。したがって、焼結により、大きな柱状の炭化け
い素粒子が一方向に緻密に並んで結合した高靭性で緻密
な炭化けい素セラミックスが得られる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下本発明の１実施形態について
説明する。本発明の高靭性炭化けい素セラミックスの製
造方法は次の工程からなる。

【００１１】（１）原料調整 焼成過程での柱状組織を成形するために、核となる柱状
粒子を用いる。この柱状粒子としては炭化けい素ウィス
カなど、焼成温度で安定な単結晶柱状粒子が好ましい。

【００１２】この柱状粒子の成長の源となる炭化けい素
原料粉末として、微粉末の炭化けい素粉末を用いる。こ
の微粉末は焼結時に焼結助剤に溶解する等により一旦消
滅した後、柱状粒子表面に析出し、柱状粒子を成長させ
るものである。このような溶解・析出反応を促進するた
めには、粉末は微細であることが重要で、０．１μｍ以
下の平均粒径を持つ粉末、望ましくは気相法で合成され
た活性の高い粉末が好ましい。さらに、これらと共に焼
結を促進するための焼結助剤を添加する。

【００１３】炭化けい素の焼結助剤としては，炭化ほう
素Ｂ4 ＣなどのＢ−Ｃ系の固相焼結助剤もあるが、Ｂ−
Ｃ系では焼結温度が２０００℃以上と高く、本発明には
適当でない。本発明ではアルミナ、イットリアなどの液
相焼結助剤を用いるが、単成分よりもアルミナ＋イット
リアのように２つの成分を混合して液相生成温度を低下
させるのが好ましい。これに酸化カルシウムなどのアル
カリ土類金属酸化物を混ぜて、さらに液相生成温度を低
下させてもよい。

【００１４】これらの原料を、柱状粒子はその形状等に
依存するが５〜４０ｖｏｌ％、焼結助剤は原料全体の５
〜２０ｗｔ％、残りが炭化けい素粉末となるよう配合
し、ボールミル等、柱状粒子の分散混合プロセスにより
均一に混合する。焼結助剤におけるアルミナとイットリ
アの混合割合は重量比でＡ／Ｙ＝１〜２０とする。上記
混合物にメチルセルロースなどのバインダを添加し混練
する。

【００１５】（２）柱状粒子の配向成形 セラミックス中の柱状粒子は亀裂の進展を抑制し、破裂
靭性を向上させる。材料中の柱状粒子を一方向に配向さ
せることにより、亀裂進展の抑制効果を増大させると共
に、柱状粒子の添加量の増大が可能となる。柱状粒子は
せん断応力により配向させることが可能で、押し出し成
形、テープ成形、射出成形等を用いることにより、流れ
方向に柱状粒子を配向させる。また、これらの成型方法
によりシート状、棒状の予備成形体を作成した後、これ
らを積層、束ねる等して成形体とすることもできる。ま
た、この際積層するシートの配向方向を意図的にずら
し、材料全体の配向性を制御することもできる。

【００１６】さらに強い配向が望ましい場合には例えば
特願平３−２２３５９６号「複合混練物の成形方法」に
開示された方法により成形してもよい。この方法はダイ
スから混練物をピストンの押圧作用で押し出す際、ダイ
ス内にピストンと一体的に移動するブランジャを配置
し、ダイス内面とプランジャ表面との間で混練物に強い
剪断力を作用させるようにしたものである。また実願平
４−４０６３２号「複合混練物の成形装置」に開示され
る装置を使用してもよい。この装置はダイスの複合混練
物の押出流路の一側に複合混練物に接して複合混練物と
は反対の方向に移動する移動部材を設けたり、一側に上
記部材を設け、他側に複合混練物と同方向に移動する移
動部材を設けたりしたものである。

【００１７】このようにして得られた成形体を大気中で
熱処理して成形バインダを除去する。

【００１８】（３）焼成 得られた成形体を焼成により緻密化する。この場合、焼
結助剤に応じ、常圧焼結の他、雰囲気加圧焼結あるいは
ホットプレス、ＨＩＰ等の加圧焼結を選定して用い、１
７００〜２０００℃の温度において焼結することによ
り、充分緻密な焼結体とする。さらに焼結体に所定の条
件での熱処理を施し、配向した柱状粒子を成長させる。

【００１９】以上の工程をさらに図面を用いて説明す
る。図１は本発明の工程を示す説明図である。柱状原料
と原料粉末と焼結助剤を混ぜ、これにバインダを加えて
混練する。図１（Ａ）は混練後の状態を示している。図
において１は、柱状の炭化けい素粒子、２は炭化けい素
微粉末、３は焼結助剤である。図に示すように、この状
態では柱状の炭化けい素粒子１は、アトランダムな方向
を向いている。次にこれに剪断力を加えて配向性を持た
せる。図１（Ｂ）は柱状の炭化けい素粒子１が一方向に
配向された成形体の拡大組成図であり、一方向に配向さ
れた柱状の炭化けい素粒子１と炭化けい素微粉末２と焼
結助剤３が混在している。これを焼成により緻密化する
とともに熱処理によって柱状の炭化けい素粒子１を生成
させて高密度の柱状粒子からなる炭化けい素セラミック
スにする。図１（Ｃ）は最終製品の組成図であり、配向
性を有する肥大化した柱状粒子４が緻密に結合している
ことを示している。

【００２０】

【実施例】本発明の効果を実証するため発明者らは実証
試験を行ったので、以下その結果につき説明する。平均
径２μｍ、平均長さ２０μｍの炭化けい素ウィスカ、平
均粒径０．０３μｍの気相法で合成された炭化けい素粉
末、およびアルミナ＋イットリアを焼結助剤として原料
を調整した。ウィスカの添加量は原料の３０ｖｏｌ％、
また、原料に対してアルミナを６．７ｗｔ％、イットリ
アを３．３ｗｔ％添加した。この粉末にエタノールを加
えてボールミルで混合し、乾燥した後、乾式の粉砕を行
った。さらにこの粉末と水−メチルセルロース系のバイ
ンダとを混合し、混練物を調整した。この混練物を押し
出し成型機を用い厚さ０．５ｍｍのシートに成形した。
このシートを所定寸法に切断後、積層し、加圧により接
着し、成形体を作成した。成形体は大気中５５０℃で熱
処理することにより、成形バインダを除去した。その
後、窒化ほう素でライニングした黒鉛型に充填し、アル
ゴンガス中、１７５０℃、加圧力４０ＭＰａ、２時間の
ホットプレス処理を行い、引き続き１９００℃、８時間
の熱処理を行った。

【００２１】比較のために、他の条件は同一にし、炭化
けい素原料粉末のみを平均粒径０．５μｍのものに変更
した試験も併せて行った。

【００２２】得られた焼結体については、加工後、４点
曲げによる室温強度およびＳＥＰＢ法による破壊靭性の
測定を行った。

【００２３】得られた焼結体の室温強度は６００ＭＰ
ａ、破壊靭性は９ＭＰａ√ｍであった。これらの値は比
較材の室温強度５４０ＭＰａ、破壊靭性６．５ＭＰａ√
ｍと比較していずれも高い値であった。

【００２４】本発明は以上述べた実施形態や実施例に限
定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で
種々の変更が可能である。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたように本発明の高靭性炭化け
い素セラミックスの製造方法は、柱状の炭化けい素粒子
と炭化けい素微粉末と液相焼結助剤とを混練し、混練物
に剪断力を加えて配向性を持たせた成形体を作り、それ
を焼成することにより柱状の炭化けい素粒子を成長させ
るようにしたので、製品のセラミックスは均一な大きさ
の柱状粒子が一定方向に緻密に並んでおり、破壊靭性と
曲げ強度が大きく、かつ、それらのばらつきも小さく、
信頼性の向上が図れるなど優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高靭性炭化けい素セラミックスの製造
方法の説明図である。

【符号の説明】

１ 柱状の炭化けい素粒子 ２ 炭化けい素微粉末 ３ 焼結助剤 ４ 肥大化した柱状粒子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々 正 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社技術研究所内 (72)発明者 西 正輝 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社技術研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ５〜４０ｖｏｌ％の柱状の炭化けい素粒
   子と５〜２０ｗｔ％のアルミナとイットリアとの混合物
   からなる焼結助剤と残部の平均粒径０．１μｍ以下の炭
   化けい素微粉末とにバインダを加えて混練する第１工程
   と、混練物に剪断力を加えて一方向に配向させつつ成形
   する第２工程と、成形体を加熱してバインダを除去する
   第３工程と、成形体を焼成することにより柱状粒子を成
   長させる第４工程とからなることを特徴とする高靭性炭
   化けい素セラミックスの製造方法。
2. 【請求項２】 アルミナとイットリアとの混合物の混合
   割合は、重量比でＡ／Ｙ＝１〜２０である請求項１記載
   の高靭性炭化けい素セラミックスの製造方法。
3. 【請求項３】 剪断力を加えて一方向に配向させつつ成
   形する工程が、押出し成形、ドクタブレード成形および
   射出成形の内のいずれか１つ、または、これらの成形法
   によって得られた予備成形体を積層接合する工程である
   請求項１または請求項２記載の高靭性炭化けい素セラミ
   ックスの製造方法。