JPS5855110B2 - 超硬耐熱セラミックスの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、優れた超硬耐熱セラミックスの製造方法に関
し、さらに詳しくは、高温における改善された強度を有
するサイアロン系超硬耐熱セラミックス焼結体の製造方
法に関するものである。

サイアロンは、Ｓｉ 、ＡＩ 、０およびＮからなる高
温強度及び高温耐食性に優れたセラミックスで、Ｓｉ３
Ｎ４型結晶形態又はＡＩＮ型結高結晶形態し、それらの
焼結体は、例えば高温熱機関用部品材料として注目され
期待されているものである。

一般的にサイアロンは、Ｓｉ３Ｎ４ 、 ＡＩＮおよび
Ａ１□０３の混合粉末、あるいは５ｉｏ２．５ｉ３Ｎ４
およびＡＩＮの混合粉末を１７００℃ないし１９００℃
の温度で焼結させることにより製造される。

本発明者らは、サイアロンの研究過程において、酸化ケ
イ素（８１０２）およびアルミニウム（ＡＩ）、又はＳ
ｉ０２ 、 ＡＩおよびケイ素（Ｓｉ、）を原料とし
て効果的にサイアロンを製造することができることを見
出し、さきに提案した（特公昭５３−４７２４５号およ
び特願昭５１−７８４２６号）。

この提案法によれば、一般的方法と同様に、最終的には
１７００〜１９００℃の高温で焼結させ、気孔率の小さ
い緻密化された焼結体を効果的に製造することができる
。

とくに、緻密化は上記高温焼結条件下て液相が一部生成
し易いような原料組成が配慮され選択される。

その結果、焼結の際に生成した液相がサイアロン構成粒
子間の境界部および気孔部に充てんされ、低気孔率で機
械的強度のよい焼結体を得ることができるというもので
ある。

しかし、このＳ ｉｏ ２を液相として積極的に生成さ
せる上記提案法では、高温焼結した焼結体を室温にもど
すとき、高温で生成した液相はガラス相として残存し、
サイアロン結晶粒子の各境界面にガラス相が存在するの
で、焼結体の高温における強度の低下は避けることがで
きない。

またガラス相が存在する焼結体は腐食性環境にさらすと
き、ガラス相が選択的に侵され易く、焼結体としての耐
食性が低下する原因となるので、ガラス相の存在は好ま
しくないことである。

そこで本発明者らは、このような不都合をなくし、改善
された高温強度及び耐食性を有し、しかも気孔率の小さ
い緻密なサイアロンを得る方法についてさらに研究を重
ねた結果、極めて有効な方法を見出した。

すなわち、本発明は、酸化ケイ素粉末とアルミニウム粉
末または酸化ケイ素粉末とアルミニウム粉末とケイ素粉
末の混合物を原料としてサイアロンを製造するに当り、
前記混合物１００重量部にカーボン粉末０．５〜１５重
量部を加えて成形し、得られた成形体を窒素雰囲気中、
１４００〜１５００℃の温度で窒化し、次いで１７００
〜２０００°Ｃの温度で焼成することを特徴とする、サ
イアロン結晶粒子相およびその各境界面に存在する炭化
ケイ素相から成る超硬耐熱セラミックスの製造方法を提
供するものである。

本発明の方法において、原料として用いる５ｒ０２は石
英粉末、あるいはシリカ粉末いずれでも良いが、純度は
できるたけ高いことが望ましい。

不純物が多いと融点の低いガラス相を形成する原因とな
り易い。

また粒度はとくに細かいことを必要とするものではなく
、８１０２原料粒子の平均径は１間以下であれは十分で
ある。

それは、粉砕混合過程において約１５μｍ以下に微粉化
され、さらにＡＩとの反応および窒化反応により一層微
細化され、最終的にはミクロンサイズの粒子構成になる
からである。

原料ＡＩおよび原料Ｓ１はできるたけ高純度、かつ微粉
であることが望ましい。

添加するカーボン粉末としては、カーボンブラック、あ
るいはコークス粉末でもよく、とくに種類は限定されな
いが、微粉であることが極めて望ましい。

本発明の方法において、カーボン粉末が添加される粉末
原料組成物がＳ ｉｏ ２とＡｌよりなる場合には、通
常８ｉ０□：Ａｌは８０ ： ２０〜２０ ： ８０の
重量範囲で用いられ、また５ｉ０２ 、 ＡＩ及びＳｉ
の３成分の場合には、５ＩＯ２とＡｔの上記混合量１０
０部に対し Ｓ ｔの使用割合は１５〜２７０部の重量
範囲割合で有利に用いられる。

本発明においては、上記サイアロン系原料粉末混合物に
カーボン粉末が添加使用され、望ましくは可及的微細か
つ均一に粉砕混合される。

添加されるカーボン粉末はサイアロン系原料混合物１０
０重量部に対し０．５〜１５重量部の範囲で用いられる
。

０．５重量部未満であればＳｉＣの土族が不十分となり
、１５重量部を超えるとカーボンが焼結体中に残存する
恐れがあるので好ましくない。

ついで、これら粉砕混合粉末は成形される。

この成形体は形を保持する程度で十分であり、次の工程
の窒化反応で成形体の内部まで十分に窒化反応を進行せ
しめることが重要である。

また原料混合粉末に少量のバインダーを添加して成形を
容易にすることもできる。

つきに、これら成形体を窒化炉中に入れ、１４００〜１
５００℃の温度に窒素雰囲気中で加熱し、この温度範囲
に５〜１０時間保持することにより窒化反応を完了させ
る。

窒素ガスは炉中に送入する前にあらかじめ不純物ガスを
除去しておくことが望ましい。

この１４００〜１５００℃の温度での窒化焼成により、
焼結体が得られるが、この温度領域では、また、十分緻
密化が進行せず気孔率も３０％前後の焼結体である。

また組成もβ−８ｉ３Ｎ４結晶構造をもつサイアロン、
あるいはＡＩＮ型結晶構造をもつサイアロンのはかＡｌ
２Ｏ３およびＡＩＮなども混在する複合焼結体である。

つきに、この焼結体をさらに１７００〜２０００℃の温
度範囲で焼結および緻密化させるとともにＡｌ２Ｏ３お
よびＡＩＮをサイアロンに固溶せしめ、同時に、反応過
程で生じた境界蔽相成分と添加したカーホンとを反応さ
せ８ｉ０を生成させることができる。

所定温度までの昇温はできるたけ急速であることが望ま
しい。

Ｓｉ３Ｎ４型サイアロンあるいはＡＩＮ型サ型子イアロ
ンずれを主成分とするかは、原料粉末の混合比によって
決定される。

Ｓ Ｉ３ Ｎ４型サイアロンの場合は、高温処理が１７
００〜１８５０の範囲、ＡＩＮ型サ型子イアロン合は１
８００〜２０００℃の温度範囲が好ましい。

この高温での焼結緻密化は、常圧焼結法、加圧焼結法あ
るいはカス圧力下焼結法のいずれの方法を採用してもよ
い。

上記温度範囲に３０〜６０分間保持後、室温まで冷却す
ることにより、緻密な５ｉ−ＡＩ−０−Ｎ系サイアロン
結晶相とＳｉＯを主族とする相から成る焼結体が得られ
る。

上記の方法により得られる５ｉ−ＡＩ−０−Ｎ系すイア
ロン結晶相とＳｉＣ相とからなる焼結体は、高密度、高
強度、高硬度、特に高温耐食性にすぐれており熱機関用
構造材料、機械用部品、保護管、ルツボなどを始め、種
々の耐熱材料などとして、その用途が期待できる。

以下に、本発明が一層よく理解できるように実施例を挙
げて具体的に説明する。

実施例 １ ８１０２６０重量％とＡ１４０重量％の混合粉末にその
１００重量部に対しカーボンブラック１０重量部を添加
し、十分混合粉砕したのち混合粉末を径３０朋φのペレ
ット状に４００ｋｇ／ｉの加圧力で成形した。

ついでこの成形物を焼成炉に入れ、Ｎ２ガスを流し、１
４００℃まで昇温し、同温度で１０時間保持して窒化さ
せたのち、室温まで冷却した。

つぎに、この窒化焼成体をそのまま黒鉛製ダイス中に入
れ上下より黒鉛パンチ棒をさしこみ２ｏｏｋｇ／＝の加
圧下に１９００℃の温度でホットプレスした。

１９００’Ｃで３０分間焼焼成、β−８１３Ｎ４型サイ
アロン、ＡＩＮ型サオサイアロンびα−８ｉＣとからな
る、粒子境界にガラス相のない緻密な焼結体を得た。

また、比較のために上記方法と同条件、同一原料組成で
カーボンを添加しない場合の焼結体を製造し、それらの
特性をあわせて下表に示した。

実施例 ２ ＳｉＯ２４０重量％とＡ１６０重量％の混合粉末に、そ
の１００重量部に対し石油コークス粉末５重量部を添加
し、十分混合粉砕したのち、混合粉末を径３０１ｒＬｒ
ＩＬのペレット状に４００ｋｇ／ｃ１ｉｔの加圧力で成
形した。

ついで、この成形物を焼成炉に入れ、Ｎ２ガスを流し１
４００℃まで昇温し、同温度で１０時間保持して窒化さ
せた後室温まで冷却した。

つぎに、この窒化焼成体を２００ｋｇ／ＣｒＩｔの加圧
下１８００℃の温度でホットプレスした。

１８００℃で３０分間焼成後、ＡＩＮ型サオサイアロン
びα−８ｉＯとからなる粒子境界にガラス相のない緻密
な焼結体を得た。

比較のために、上記と同条件、同一原料組成でカーボン
のみを添加しない焼結体を製造した。

それらの緒特性を測定した結果を下表に示す。

実施例 ３ ８１０２１６．６重量％、Ａ１１３．６重量％および５
ｉ６９．８重量％の混合粉末に、該粉末合計重量の１０
重量％のカーボンブラックを添加し、十分混合粉砕した
のち、混合粉末を径３０ｍｍのペレット状に４００ ｋ
ｇ／ｆｆｌの加圧力で成形した。

ついで成形物を焼成炉に入れ、Ｎ２ガスを流し１４００
’Ｃまで昇温し、同温度で１０時間保持して窒化させた
後、室温まで冷却した。

この窒化焼成体を２００ｋｇ／−の加圧下１８００’Ｃ
の温度でホットプレスした。

１８００℃で６０分間焼成後、β−５ｉ３Ｎ４型サイア
ロンとα−８ｉＯを主成分とする粒子境界に実質的にガ
ラス相のない緻密な焼結体を得た。

本実施例３と、実施例３と同条件、同−原料組成でカー
ボンのみを添加し７Ｉい比較焼結体を製造して、それぞ
れの焼結体の特性を測定した。

その結果を下表に示す。

実施例 ４ Ｓｉｎ２３２．７重量％、Ａｌ２６．８重量％および５
ｉ４０．５重量％の混合粉末に、これら粉末合計量１０
０重量部に対し１０重量部の石油コークス粉末を添加し
、十分混合粉砕したのち、混合粉末を径３０ｍｍ、高さ
３Ｑｍｍ、内径２０ｍｍのルツボ状に成形した。

ついで得られた成形物を焼成炉に入れ、Ｎ２ガスを流し
１５００℃まで昇温し、同温度で１０時間保持して窒化
させたのち、室温まで冷却した。

つぎに、この窒化焼成体を１８００’Ｃの高温でさらに
焼成緻密化させた。

１８００℃での焼成時間は２時間とした。

この結果、β−８ｉ３Ｎ４型サイアロンとα−８ｉＯを
主成分とする緻密な焼結体を得た。

表４に本実施例４と実施例４と同条件、同一原料組成で
カーボンのみを添加しない焼結体についての特性をも併
記した。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 酸化ケイ素粉末とアルミニウム粉末または酸化ケイ
   素粉末とアルミニウム粉末とケイ素粉末の混合物を原料
   としてサイアロンを製造するに当り、前記混合物１００
   重量部にカーボン粉末０．５〜１５重量部を加えて成形
   し、得られた成形体を窒素雰囲気中、１４００〜１５０
   ０℃の温度で窒化し、次いで１７００〜２０００℃の温
   度で焼成することを特徴とする、サイアロン結晶粒子相
   およびその各境界面に存在する炭化ケイ素相から成る超
   硬耐熱セラミックスの製造方法。