JPH1192231A

JPH1192231A - 高靭性窒化けい素セラミックスの製造方法

Info

Publication number: JPH1192231A
Application number: JP9254975A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Miyahara; 薫宮原; Yasuhiro Shigegaki; 康弘茂垣; Takashi Sugita; 孝志杉田; Tadashi Sasa; 正佐々; Masateru Nishi; 正輝西
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1997-09-19
Filing date: 1997-09-19
Publication date: 1999-04-06

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
強度を有する高靭性窒化けい素セラミックスを製造す
る。【解決手段】５〜４０ｖｏl ％の柱状の窒化けい素粒
子１と５〜２０ｗｔ％の焼結助剤３と残部の平均粒径
０．１μｍ以下の窒化けい素微粉末２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、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
子を添加して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
のみを成長を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起こるため、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も最大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】さらに、従来の技術によって、柱状粒子の
配向成形とその成長を組合せて焼成し、目的物を得よう
とする場合に、一般に広く用いられているα型窒化けい
素では、原料の窒化けい素微粉末自体が焼結温度でβ型
に相転移し、その際、自らが微細な柱状粒子になるとと
もに、これらが無秩序に成長し、目的とする配向した柱
状粒子の成長は起らない。

【０００６】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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の高靭性窒化けい素セラミックスの製造方法
は、５〜４０ｖｏｌ％の柱状の窒化けい素粒子と、５〜
２０ｗｔ％の焼結助剤と、残部の平均粒径０．１μｍ以
下のβ型窒化けい素微粉末とを混ぜ、これにバインダを
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。

【０００８】上記β型窒化けい素微粉末に代えて、α型
あるいはアモルファス窒化けい素微粉末を用い、成形体
を焼成する前に１４００〜１８００℃の温度で熱処理す
ることによりα型あるいはアモルファス窒化けい素微粉
末を相転移させてβ型窒化けい素微粉末としてもよい。

【０００９】上記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
ってもよい。

【００１０】次に、本発明の作用を説明する。一般に用
いられる酸化物系の焼結助剤は、焼結温度で液相を形成
し、この液相を介して物質移動が行われる。一方、平均
粒径が０．１μｍ以下の微粉末のβ型窒化けい素を用い
ることにより、α型窒化けい素微粉末と異り、焼成中に
相転移してその際微細な柱状粒子になることがなく、か
つ、微粒子であるため活性が高いので液相焼結助剤中に
溶け込んだ後、一方向に配向した柱状の窒化けい素粒子
の表面に析出するという焼結反応が促進され、その結
果、柱状の窒化けい素粒子を成長させる。したがって、
焼結により、大きな柱状の窒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窒化けい素セラミッ
クスが得られる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明の１実施形態につい
て、詳細に説明する。（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窒化けい素ウィス
カなど、焼成温度で安定な単結晶柱状粒子が好ましい。

【００１２】この柱状粒子での成長の源となる窒化けい
素原料粉末として、微粉末の窒化けい素粉末を用いる。
この粉末は焼結時に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。

【００１３】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
の粒径を持つ粉末が好ましい。また、窒化けい素原料と
して一般に用いられるα型粉末では焼結温度近傍で、β
型に相転移し、この際、原料粉末自体が微細な柱状粒子
となり成長する。その結果、材料中に無秩序な柱状組織
が形成され、これにより目的とする配向した柱状粒子の
成長が阻害される。したがって、原料粉末としては高温
で安定なβ型粉末あるいは熱処理により微細なβ型粉末
を生成する原料粉末であることが必要である。後者とし
ては微細なアモルファスあるいはα型の原料粉末が使用
できる。これらの粉末を相転移が起こる温度域の比較的
低温領域で熱処理することにより微細なβ型粉末とする
ことが可能である。

【００１４】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。窒化けい素の焼結助剤としては
アルミナ、イットリアに代表される酸化物系助剤を用い
ることができる。これらの焼結助剤は焼結温度では、液
相となっている液相焼結助剤である。焼結助剤は単成分
よりも２つの成分が混合して、液相生成温度を低下させ
るのが好ましい。

【００１５】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％、残りが窒化ケイ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。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。

【００１６】（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、破壊
靭性を向上させる。したがって、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。こうした目的から柱状粒子を一方向に配向させる。
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または棒状の予備成形体を作
成した後、これらを積層または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。

【００１７】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プランジャを配置
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。

【００１８】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。

【００１９】（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１７００
〜２０００℃の温度範囲で、所定の時間熱処理を施し、
配向した柱状粒子を成長させる。

【００２０】ここで、原料としてアモルファスあるいは
α型の窒化けい素微粉末を使用した場合は、これらの微
粉末がβ相への相転移が起こる１４００〜１８００℃の
温度域において所定の時間熱処理した後、先に述べた方
法で焼成を行えばよい。

【００２１】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は柱状の窒化けい素粒子、２は窒化けい素
微粉末、３は焼結助剤である。図に示すように、この状
態では柱状の窒化けい素粒子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
れた柱状の窒化けい素粒子１と窒化けい素微粉末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窒化けい素粒子１を成長
させて高密度の柱状粒子からなる窒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。

【００２２】

【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β型窒化けい素ウィス
カ、平均粒径０．１μｍのアモルファス窒化けい素粉
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５ｗｔ％、イットリアを
５ｗｔ％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、窒素ガス中、４
０ＭＰａの加圧によるホットプレス処理を行った。加熱
条件は１６００℃で４時間加熱後、１７５０℃で２時間
保持し、さらに１９００℃で８時間の熱処理を行った。

【００２３】比較のために、他の条件は同一にし、窒化
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。

【００２４】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及びＳＥＰＢ法による破壊靭性の測
定を行った。

【００２５】得られた焼結体の室温強度は１０５０ＭＰ
ａ、破壊靭性は１２．２ＭＰａ√ｍであった。これらの
値は比較材の室温強度１０００ＭＰａ、破壊靭性８．４
ＭＰａ√ｍと比較していずれも高い値であった。

【００２６】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。

【００２７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の高靭性窒化
けい素セラミックスの製造方法は、柱状の窒化けい素粒
子と窒化けい素微粉末と液相焼結助剤とを混合し、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窒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】本発明の高靭性窒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柱状の窒化けい素粒子２窒化けい素微粉末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

【特許請求の範囲】

【請求項１】５〜４０ｖｏｌ％の柱状の窒化けい素粒
子と、５〜２０ｗｔ％の焼結助剤と、残部の平均粒径
０．１μｍ以下のβ型窒化けい素微粉末とを混ぜ、これ
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窒化けい素セラミッ
クスの製造方法。
【請求項２】上記β型窒化けい素微粉末に代えて、α
型あるいはアモルファス窒化けい素微粉末を用い、成形
体を焼成する前に１４００〜１８００℃の温度で熱処理
することにより、α型あるいはアモルファス窒化けい素
微粉末を相転移させてβ型窒化けい素微粉末とする請求
項１記載の高靭性セラミックスの製造方法。
【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ないし請求項３記載の高靭性窒化けい素セラミ
ックスの製造方法。