JPS5930672B2 - 焼結体用炭化ケイ素粉末組成物 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高密度で高強度な焼結体を得るために有効な粉
末組成物に関する。

炭化ケイ素は化学的、熱的に極めて安定な材料であり、
高温における強度が大きく、耐食性や耐酸化性にも優れ
ているなど高温用の構造材料として用い得る。

従来、炭化ケイ素体は気相反応法、反応焼結法、シリコ
ン含浸法、ホットプレス法などの技術により製造が試み
られてきた。

気相反応法は炭素とケイ素の化合物をキャリアガスによ
り反応室に導き、それを熱分解して適当な基体上に炭化
ケイ素としで析出させる方法である。

これによれば均質かつ緻密な皮膜が得られるが、一般に
は薄膜のため厚いものの製造には適さず、主としてコー
ティングに応用されている。

反応焼結法は炭素とケイ素または二酸化ケイ素混合物を
焼成して、炭化ケイ素焼結体を得る方法である。

この方法によれば、形状の大きなものができるが、高密
度焼結体を得ることができない。

主として耐火物等の製造に応用されている。

シリコン含浸法は成形体をシリコン溶融体中に浸し、シ
リコンを含浸させ、これを炭化させ 炭化ケイ素とする
方法であるが、この方法においても高密度体は得難く、
主として耐火物や発熱体などの製造に応用されている。

高密度で形状の大きい炭化ケイ素体はホットプレス法で
製造される。

炭化ケイ素は従来から焼結が難しいとされていた材料で
ある。

しかし、アリエグロら（Ｒ，Ａ、ＡｌｌＡｌ１１ｅ ＋
Ｌ、Ｂ、 Ｃｏｆｆ１ｎ ａｎｄＪ、 Ｒ，Ｔ ｉｎ
ｋｌｅｐａｕｇｈ ＋ Ｊ、Ａｍ、 Ｃｅｒａｍ、Ｓｏ
ｃ 、 ３９゜３８６〜３８９（１９５６））が炭化ケ
イ素にアルミニウムや鉄などを添加してホットプレスす
ることにより理論密度に近い密度を有する焼結体を得、
その強度は室温で５４，０００ ｐｓｉに達することを
報告して以来、種々の添加剤が検討された。

例えばプロチャツカら（Ｓ 、 Ｐｒｏｃｈａｚｋａ
ａｎｄ Ｒ，Ｊ。

Ｃｈａｒｌｅｓ 、 Ａｍ、 Ｃｅｒａｍ、 Ｓｏｃ、
Ｂｕｌ １． ＋ ５２．８８５〜８９１（１９７３
））は平均粒径０．１μｍの炭化ケイ素粉末にホウ素を
１重量％添加しホットプレスして焼結体を製造し、その
結晶の平均粒径は３μｍ以上となっており大きいもので
は５００μｍにも達し該焼結体の曲げ強さは常温で８０
，０００ ｐｓｉであることを述べている。

また、ランデ（Ｆ、Ｆ、Ｌａｎｇｅ。Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ ５ｃｉｅｎｃｅ ｙ １０．
３１４′３２０（１９７５））は炭化ケイ素粉末に酸化
アルミニウムを添加し、密度９９％以上と理論密度に近
い炭化ケイ素焼結体を得、炭化ケイ素粉末の平均粒径が
０．５μｍ以下の場合であっても、ホットプレスして製
造した焼結体の結晶の平均粒径が２μｍの炭化ケイ素粉
末を用いた場合には焼結体の結晶の平均粒径は３．４μ
ｍに成長すると述べている。

本発明の目的は高密度で高温でも安定して高強度を有す
る炭化ケイ素焼結体が得られる焼結体用炭化ケイ素粉末
組成物を提供することにある。

炭化ケイ素粉末に焼結を促進するための添加剤（以下、
焼結助剤と称す）を加え、焼結を行なうと、結晶粒の成
長が見られる。

本発明はこうした結晶粒の成長を抑制するために添加剤
（以下結晶粒成長抑制剤と称す）として窒化ケイ素を配
合したことにある。

かかる結晶粒成長抑制剤の配合量は、用いる炭化ケイ素
粉末の粒径、ホットプレス条件によっても変るが、０．
５〜１０重量％が適当である。

０．５％未満では結晶粒成長の抑制効果がなく、逆に１
０％を越えると炭化ケイ素結晶自体による金納ではなく
なるので、高強度焼結体が得られない。

本発明において用い得る焼結助剤としては、アルミニウ
ム、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ベリリウム
、酸化ベリリウムなどの少なくとも１種を用いることが
できる。

なお、本発明において焼結助剤の添加量としては０．５
〜１０重量％である。

０．５％未満では十分な焼結が得られず、高強度が得ら
れない。

逆に、１０％を越えると炭化ケイ素結晶自体による焼結
ではなくなるので、同じく高強度の焼結体が得られない
。

炭化ケイ素焼結体の焼結を促進する焼結助剤の効果やそ
の挙動は正確には理解されていないが、大路次のように
考えられている。

すなわち、炭化ケイ素と焼結助剤との混合物が約２００
０℃に加熱されると、焼結助剤の原子は拡散して炭化ケ
イ素の粒界内に流れ込み、炭化ケイ素体の微粒子の結合
を促進させるとともに、それによって成長した炭化ケイ
素の結晶格子中に入り込むものと考えられる。

その結果、炭化ケイ素体の結晶の結合が進み緻密な焼結
体になるものと説明される。

このとき焼結体中の結晶粒が大きく成長すると、その結
果焼結体の強度が低下することを実験により確認した。

実施例 １ 平均粒径が０．４μｍのα型炭化ケイ素粉末に対し、焼
結助剤として窒化アルミニウムを０．３〜１５重量％、
結晶粒成長抑制剤として窒化ケイ素を２重量％添加した
。

さらに一時的結合剤として重合度が５００のポリビニー
ルアルコールの４％水溶液を炭化ケイ素１００重量部に
対し５重量部の割合で加え、らいかい機で１５分間混合
し、粉末組成物とした。

該粉末組成物を金型で１０００ｋｇ／ｃｒＡの圧力で所
望の形状に成形した。

該粉末成形体は黒鉛ダイス中に入れ、Ｉ Ｘ １Ｏ−４
ｔｏｒｒ以下の真空中で２０００℃の温度、２００ｋｇ
／ｃｒｔｔの圧力下で３０分間ホットプレスして焼結体
を得た。

該焼結体の密度、室温における曲げ強さは第１図の通り
で窒化アルミニウムの添加量が０．５〜１０重量％のと
き高い強度を有することがわかる。

実施例 ２ 実施例１と同様にして炭化ケイ素の焼結体を得た。

たゾし本実施例では窒化アルミニウムの添加量を２重量
％とし、窒化ケイ素を０．３〜１５重量％とした。

焼結体の密度は炭化ケイ素の理論密度に対する相対値で
９８％以上であった。

強度は第２図に示す通りで、０．５〜１０重量％の範囲
が高い強度を示す。

実施例 ３ 実施例１と同様にして炭化ケイ素の焼結体を得た。

本実施例では焼結助剤としてアルミニウム、酸化アルミ
ニウム、ベリリウムまたは酸化ベリリウムで、その添加
量を０．３〜１５重量％、０．５〜１０重量％の範囲で
変え、結晶粒成長抑制剤として窒素ケイ素の添加量を０
．３〜１５重量％の範囲で変えたが実施例１及び２と同
様に、その焼結体の特性に及ぼす効果は０．５〜１０重
量％の範囲が好ましかった。

実施例 ４ 上記した実施例により得た炭化ケイ素焼結体を鏡面に研
摩し、さらに過酸化ナトリウムと水酸化ナトリウムの熔
融塩でエツチングして、焼結体中の結晶粒成長の状況を
観察した。

結果を表に示した。

表には窒化アルミニウムと窒化ケイ素を添加した場合の
結果を示すが、上記実施例で示す他の添加剤を使用した
場合にも同様な結果が得られた。

表から粒成長を抑制するための添加剤の量は０．５〜１
０重量％が有効であることがわかる。

比較例 平均粒径が０．４μｍのα型炭化ケイ素粉末に対して、
ホウ素を１０重量％添加し、以下実施例１と同様にして
焼結体を得た。

該焼結体の相対密度は９９％以上であったが、結晶粒は
平均値が６μｍ６μｍ、最大１５０μｍで、強度は２１
ｋｇ／−であった。

坊上詳゛−シたように、本発明の組成物によれは、結晶
粒が小さく、高強度の炭化ケイ素焼結体が得られる。

なお、本発明においては、α型の炭化ケイ素粉末を用い
て説明しているが、これに限定するものではない。

例えばβ型あるいはβ型子α型でも同様の効果が得られ
ることを確認している。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明の一実施例の効果の範囲
を示す曲線図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 炭化ケイ素粉末を主成分とし、アルミニウム、窒化
   アルミニウム、酸化アルミニウム、ベリリウム及び酸化
   べＩＪ ＩＪウムの一種又は二種以上の合計量が０．５
   〜１０重量％を含むことを特徴とする焼結体用炭化ケイ
   素粉末組成物。