JPS61205678A - 複合セラミツクスの製造方法 - Google Patents
複合セラミツクスの製造方法Info
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- JPS61205678A JPS61205678A JP60044820A JP4482085A JPS61205678A JP S61205678 A JPS61205678 A JP S61205678A JP 60044820 A JP60044820 A JP 60044820A JP 4482085 A JP4482085 A JP 4482085A JP S61205678 A JPS61205678 A JP S61205678A
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- Japan
- Prior art keywords
- whiskers
- composite ceramics
- sintered body
- temperature
- present
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- Pending
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- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は、複合セラミックスの製造方法に係り、特に高
靭性、高温強度を必要とする構造用材料に有用な複合セ
ラミックスの製造方法に関する。
靭性、高温強度を必要とする構造用材料に有用な複合セ
ラミックスの製造方法に関する。
一般に、エンジンやタービンなどの構造材料に適ｆるエ
ンジニアリングセラミックスとしては耐熱性や耐熱衝撃
性が優れた窒化ケイ素や炭化ケイ素などが知られている
。しかし、窒化ケイ素や炭化ケイ素は共有結合性の強い
化合物であるため、単独では焼結が困難であり、高密度
の焼結体を得るためには焼結助剤の添加が必要である。
ンジニアリングセラミックスとしては耐熱性や耐熱衝撃
性が優れた窒化ケイ素や炭化ケイ素などが知られている
。しかし、窒化ケイ素や炭化ケイ素は共有結合性の強い
化合物であるため、単独では焼結が困難であり、高密度
の焼結体を得るためには焼結助剤の添加が必要である。
例えば、炭化ケイ素をホットプレスで焼結する場合の焼
結助剤としては、ホウ素、ホウ素化合物、アルミニウム
あるいはアルミニウム化合物などが知られている。また
、炭化ケイ素を常圧で焼結する場合には、炭素を添加す
ることで高密度焼結体が得られることか知られている。
結助剤としては、ホウ素、ホウ素化合物、アルミニウム
あるいはアルミニウム化合物などが知られている。また
、炭化ケイ素を常圧で焼結する場合には、炭素を添加す
ることで高密度焼結体が得られることか知られている。
常圧焼結法の場合、炭化ケイ素が分解しやすく、そのた
めに成形体が光分にち密化せず、特に複雑形状品、大寸
法品の場合には問題となってい念。また、一部の焼結助
剤によるガラス相は高温において軟化するため、焼結体
の強度が著しく低下する。この高温での強度低下を防止
するため、焼結助剤の添加量をできるだけ少なくしたシ
、焼結助剤に起因する粒界のガラスを結晶化させるなど
の検討が行われているか、完全な解決には至っていない
。
めに成形体が光分にち密化せず、特に複雑形状品、大寸
法品の場合には問題となってい念。また、一部の焼結助
剤によるガラス相は高温において軟化するため、焼結体
の強度が著しく低下する。この高温での強度低下を防止
するため、焼結助剤の添加量をできるだけ少なくしたシ
、焼結助剤に起因する粒界のガラスを結晶化させるなど
の検討が行われているか、完全な解決には至っていない
。
他方、焼結助剤とは別に、高強度繊維混合による複合化
によって高温強度を高める繊維強化法も考えられている
。（窯業協会誌：９Ｌ［ｌｌ）、１９８３、Ｉ）４９１
） 核方法が有効な理由は、 （１）：高強度繊維セラミックス中の微小な傷の拡大を
停止する、あるいは抑制して応力集中を防ぐ。
によって高温強度を高める繊維強化法も考えられている
。（窯業協会誌：９Ｌ［ｌｌ）、１９８３、Ｉ）４９１
） 核方法が有効な理由は、 （１）：高強度繊維セラミックス中の微小な傷の拡大を
停止する、あるいは抑制して応力集中を防ぐ。
（２）：同繊維がセラミックスと強く結合して、繊維が
応力を担う。
応力を担う。
（３）：弱く結合していればセラミックスからの繊維の
引抜きによるエネルギーの吸収カ起る。
引抜きによるエネルギーの吸収カ起る。
（４）：繊維は弱い部分から順々に破断していくので破
断面が複雑になる。
断面が複雑になる。
以上の様な効果でセラミックスの脆さ及び耐熱衝撃性が
向上するものと考えられている。
向上するものと考えられている。
しかし、この様な繊維強化セラミックスの製造において
、原料混合時にウィスカーは互いに絡まり合い、塊状に
なっている。例えば、ウィスカーをマトリックス中に分
散させる方法として、ウィスカーを水中に投入し、機械
的かくはんや超音波照射により分散させ、フィルターを
通すことにより未分散塊や粒状物を除い″・麦、更に吸
引濾過を行いグリーンシートとすると２次元配合になっ
ているため異方性が生じやすい。したかって、高強度繊
維による高靭性複合焼結体を得るためには、いかにうま
く３次元的に分散させるかが大きな問題となる。
、原料混合時にウィスカーは互いに絡まり合い、塊状に
なっている。例えば、ウィスカーをマトリックス中に分
散させる方法として、ウィスカーを水中に投入し、機械
的かくはんや超音波照射により分散させ、フィルターを
通すことにより未分散塊や粒状物を除い″・麦、更に吸
引濾過を行いグリーンシートとすると２次元配合になっ
ているため異方性が生じやすい。したかって、高強度繊
維による高靭性複合焼結体を得るためには、いかにうま
く３次元的に分散させるかが大きな問題となる。
本発明の目的は高靭性、高温強度を必要とする構造用材
料に可能な複合セラミックス焼結体の製造方法を提供す
ることにある。
料に可能な複合セラミックス焼結体の製造方法を提供す
ることにある。
本発明を概説すれば、本発明は複合セラミックスの製造
方法に関する発明であって、ウィスカー強化複合セラミ
ックスを製造する方法において、セラミックス原料粉末
及び金属ケイ素粉末を含む組成物を成形する工程、成形
体を酸素濃度２〜１０ｐｐｍの窒素ガス中で金属ケイ素
の溶融温度未満の温度において加熱し、成形体中の粒子
間を生成させたウィスカーで結合させる工程、冷却する
工程、及び加圧焼結する工程の各工程を包含することを
特徴とする。
方法に関する発明であって、ウィスカー強化複合セラミ
ックスを製造する方法において、セラミックス原料粉末
及び金属ケイ素粉末を含む組成物を成形する工程、成形
体を酸素濃度２〜１０ｐｐｍの窒素ガス中で金属ケイ素
の溶融温度未満の温度において加熱し、成形体中の粒子
間を生成させたウィスカーで結合させる工程、冷却する
工程、及び加圧焼結する工程の各工程を包含することを
特徴とする。
本発明において、成形体の粒子相互間を成形体を焼成中
に生成させたウィスカーで結合した理由は、原料に混合
、分散させ念ウィスカーの場合、焼成体中の粒子間の空
隙にウィスカーが存在しても、全てのウィスカーが粒子
と結合しておらず、塊状のウィスカーや単独で存在する
ウィスカーが残るが、本発明によれば焼成中に生成した
ウィスカーは粒子間の空隙を成形体中の粒子から生成し
た多数のウィスカーがほぼ真直ぐに交差することにより
結合し、結合状態でないウィスカーは存在しないので高
靭性、高温強度に寄与するからである。本発明による焼
結体の１例中の生成ウィスカーの結合状態を模式図とし
て第１図に示す。また、原料としてウィスカーを混合、
分散した従来法の場合の焼結体の１例中のウィスカーの
結合状態を同じく模式図として第２図に示す。各図にお
いて、符号ｌは無機物粒子、２はＳ！３Ｎ４粒子、３は
生成８ｉｓＮ４ ウィスカーそして４は原料５ｉｓＮ＜
ウィスカーを意味する。
に生成させたウィスカーで結合した理由は、原料に混合
、分散させ念ウィスカーの場合、焼成体中の粒子間の空
隙にウィスカーが存在しても、全てのウィスカーが粒子
と結合しておらず、塊状のウィスカーや単独で存在する
ウィスカーが残るが、本発明によれば焼成中に生成した
ウィスカーは粒子間の空隙を成形体中の粒子から生成し
た多数のウィスカーがほぼ真直ぐに交差することにより
結合し、結合状態でないウィスカーは存在しないので高
靭性、高温強度に寄与するからである。本発明による焼
結体の１例中の生成ウィスカーの結合状態を模式図とし
て第１図に示す。また、原料としてウィスカーを混合、
分散した従来法の場合の焼結体の１例中のウィスカーの
結合状態を同じく模式図として第２図に示す。各図にお
いて、符号ｌは無機物粒子、２はＳ！３Ｎ４粒子、３は
生成８ｉｓＮ４ ウィスカーそして４は原料５ｉｓＮ＜
ウィスカーを意味する。
本発明において、原料粉末は、便用用途により炭化物、
酸化物、窒化物などの無機化合物の少なくとも１種と金
属ケイ素及び必要に応じて遷移金属、希土類元素、史に
例えばポリビニルブチラールのような有機化合物系成形
助剤などを出発物質とする。ここで、これらの原料は市
販のものをそのまま使用できる。′ｉた、ミルなどによ
り粉砕した丸みを帯びた粒子を使用してもよい。
酸化物、窒化物などの無機化合物の少なくとも１種と金
属ケイ素及び必要に応じて遷移金属、希土類元素、史に
例えばポリビニルブチラールのような有機化合物系成形
助剤などを出発物質とする。ここで、これらの原料は市
販のものをそのまま使用できる。′ｉた、ミルなどによ
り粉砕した丸みを帯びた粒子を使用してもよい。
成形方法は、射出成形、鋳込み成形、ラバープレス成形
、押出し成形、金型成形、熱間静水圧プレス（以ＷＨＩ
Ｐと略記すル）、ホットプレス（以下ＨＰと略記する）
など形状と要求特性に応じて成形方法を選択する。
、押出し成形、金型成形、熱間静水圧プレス（以ＷＨＩ
Ｐと略記すル）、ホットプレス（以下ＨＰと略記する）
など形状と要求特性に応じて成形方法を選択する。
この成形体から成形助剤等を分散揮発させた後、本発明
に従って、ウィスカー生成熱処理を行う。
に従って、ウィスカー生成熱処理を行う。
本発明における加圧焼結工程では、ＨＰ処理又はＨＩＰ
処理で行うのか好適である。
処理で行うのか好適である。
本発明において、成形体中にウィスカーを生成させるの
に酸素濃度２〜ｔｏｐｐｍの窒素ガス中、金属ケイ素の
融点未満で加熱成長させた理由は、酸素濃度がｔ ｏ
ｐ ｐｍを越える窒素ガス中であると成形体表面にウィ
スカーが生成し、酸素濃度が２ｐｐｍ未満の窒素ガス中
であるとウィスカーの生成量が少ないためである。また
、金属ケイ素の融点以上の温度まで加熱すると金属ケイ
素が溶融し、表面にしみ出てくるからでらる。それ故、
このウィスカー生成熱処理温度はｔｔｏｏｃ−ｔ４ｏｏ
ｃが好適である。し次がって、本発明の加熱条件下で成
形体の大きさにより適当な時間加熱することにより成形
体中にウィスカーをより多く生成量せることかできる。
に酸素濃度２〜ｔｏｐｐｍの窒素ガス中、金属ケイ素の
融点未満で加熱成長させた理由は、酸素濃度がｔ ｏ
ｐ ｐｍを越える窒素ガス中であると成形体表面にウィ
スカーが生成し、酸素濃度が２ｐｐｍ未満の窒素ガス中
であるとウィスカーの生成量が少ないためである。また
、金属ケイ素の融点以上の温度まで加熱すると金属ケイ
素が溶融し、表面にしみ出てくるからでらる。それ故、
このウィスカー生成熱処理温度はｔｔｏｏｃ−ｔ４ｏｏ
ｃが好適である。し次がって、本発明の加熱条件下で成
形体の大きさにより適当な時間加熱することにより成形
体中にウィスカーをより多く生成量せることかできる。
）（ＰやＨＩＰ処理の刀口圧は、成形体中のウィスカー
が塑性変形できる温度まで加熱後行う。
が塑性変形できる温度まで加熱後行う。
本発明における焼結体中にはウィスカーが焼結体粒子１
００重量部に対し、１〜７０重量部特にｌＯ〜３０重量
部含まれていることが好適である。
００重量部に対し、１〜７０重量部特にｌＯ〜３０重量
部含まれていることが好適である。
その理由は、ウィスカーが１０〜７０重量部では靭性が
ほとんど変わらない。他方、１重量部未満及び７０重量
部超では顕著な効果かみられないからである。
ほとんど変わらない。他方、１重量部未満及び７０重量
部超では顕著な効果かみられないからである。
本発明によれば、生成ウィスカー強化セラミックス焼結
体は、特に高靭性、高強度、ｌ１ｉｌｔ熱性を必要とす
るエンジンをはじめ、航空、宇宙関係、鉄鋼、海洋開発
などの分野への利用範囲を拡大するものである。
体は、特に高靭性、高強度、ｌ１ｉｌｔ熱性を必要とす
るエンジンをはじめ、航空、宇宙関係、鉄鋼、海洋開発
などの分野への利用範囲を拡大するものである。
以下、本発明を実施例によす更に具体的に説明するか、
本発明はこれら実施例に限定されない。
本発明はこれら実施例に限定されない。
実４的ｌ
平均粒径１６μｍの炭化ケイ素と窒化ケイ素ウィスカー
を生成させるための平均粒径ＬμＩｎの金属ケイ素の混
せ粉末に成形助剤としてポリビニルブチラール１Ｏｃｓ
溶液を１０Ｏｃｃ＠加し、ポットミルで２４時間混合し
、次に室温で乾燥させ供試原料とした。この原料をメカ
ニカルプレスを用いて成形圧力５００Ｋｇ／Ｃｄで直径
５０１ｔ１１１厚さ１０ｍのものを成形した。この成形
体から成形助剤を分散揮発させた後、酸素濃度３ｐｐｍ
の窒素ガス（ｌ縁／−ン申、ｌ１００Ｃで１０時間、ｌ
２００Ｃで１０時間、１２５０Ｇで１０時間、１３００
Ｃで１０時間、１３５０ｃで５時間以上保持後炉冷した
。そして、３００Ｑ／ｃｙｔの圧力下、１５００Ｇ以上
で数時間ＨＰ処理した。
を生成させるための平均粒径ＬμＩｎの金属ケイ素の混
せ粉末に成形助剤としてポリビニルブチラール１Ｏｃｓ
溶液を１０Ｏｃｃ＠加し、ポットミルで２４時間混合し
、次に室温で乾燥させ供試原料とした。この原料をメカ
ニカルプレスを用いて成形圧力５００Ｋｇ／Ｃｄで直径
５０１ｔ１１１厚さ１０ｍのものを成形した。この成形
体から成形助剤を分散揮発させた後、酸素濃度３ｐｐｍ
の窒素ガス（ｌ縁／−ン申、ｌ１００Ｃで１０時間、ｌ
２００Ｃで１０時間、１２５０Ｇで１０時間、１３００
Ｃで１０時間、１３５０ｃで５時間以上保持後炉冷した
。そして、３００Ｑ／ｃｙｔの圧力下、１５００Ｇ以上
で数時間ＨＰ処理した。
傅らｔ′した焼結体の試験結果を第１表に示す。破ｗ４
４ＸＪｔ％ＩＩＩ （Ｋｌｃ ）はノンテドビーム法で
測定した。
４ＸＪｔ％ＩＩＩ （Ｋｌｃ ）はノンテドビーム法で
測定した。
比較のために、酸素濃度３０ ｐ ｐｍの窒素ガス中で
同様に熱処理したものをｗＪ１表に希号７にボす。
同様に熱処理したものをｗＪ１表に希号７にボす。
原料に窒化ケイ素ウィスカーを混合ざぞて同様に熱処理
したものを第１表にｆ号８に示す。
したものを第１表にｆ号８に示す。
本発明の焼結体の試験後の破面を走査電子顕微鏡（ＳＥ
Ｍ）で観察してみると炭化ケイ素粒子間の空隙を針状及
び繊維状の窒化ケイ素ウィスカーがほぼ真直ぐに伸びて
３次元的に交差して結合していることが分った。
Ｍ）で観察してみると炭化ケイ素粒子間の空隙を針状及
び繊維状の窒化ケイ素ウィスカーがほぼ真直ぐに伸びて
３次元的に交差して結合していることが分った。
比較例蕾号７の酸素濃度が高い窒素ガス中で熱処理した
ものは、焼結体中にはほとんどウィスカーが生成せず、
焼結体の人面に白色の窒化ケイ素ウィスカーか生成して
いた。
ものは、焼結体中にはほとんどウィスカーが生成せず、
焼結体の人面に白色の窒化ケイ素ウィスカーか生成して
いた。
比較ＩＨＪ−１を号８の原料ウィスカーの場合は、塊状
窒化ケイ素が多く見られ、粒子間の空間を完全に結合し
ていないことが分った。
窒化ケイ素が多く見られ、粒子間の空間を完全に結合し
ていないことが分った。
実施列２
平均粒径２μｍの窒化チタン、平均粒径Ｌμｍのアルミ
ナ、平均粒径１μｍのサイアロンの各々と平均粒径Ｌμ
ｍの金属ケイ素の混合粉末を実施列ｌと同様に混曾、成
形、加熱、ＨＰ処理した焼結体の試験結果を第２表に示
す。
ナ、平均粒径１μｍのサイアロンの各々と平均粒径Ｌμ
ｍの金属ケイ素の混合粉末を実施列ｌと同様に混曾、成
形、加熱、ＨＰ処理した焼結体の試験結果を第２表に示
す。
以上説明したように、本発明に従って粒子相互間を生成
物のウィスカーで３次元的に結合することによシセラミ
ックスの靭性か向上した。これによシ、高温強度、耐熱
性、耐熱衝撃性が必要な耐火物、エンジンやタービンな
どの構造用部品などへの利用範囲を拡大するものでるる
。
物のウィスカーで３次元的に結合することによシセラミ
ックスの靭性か向上した。これによシ、高温強度、耐熱
性、耐熱衝撃性が必要な耐火物、エンジンやタービンな
どの構造用部品などへの利用範囲を拡大するものでるる
。
第１図は本発明の焼結体の１例中の生成ウィスカーの結
合状態を示す模式図そして第２図は従来の原料としてウ
ィスカーを混合、分散した場合の焼結体の１例中のウィ
スカーのＭ曾状態を示す模式図である。
合状態を示す模式図そして第２図は従来の原料としてウ
ィスカーを混合、分散した場合の焼結体の１例中のウィ
スカーのＭ曾状態を示す模式図である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、ウィスカー強化複合セラミックスを製造する方法に
おいて、セラミックス原料粉末及び金属ケイ素粉末を含
む組成物を成形する工程、成形体を酸線濃度２〜１０ｐ
ｐｍの窒素ガス中で金属ケイ素の溶融温度未満の温度に
おいて加熱し、成形体中の粒子間を生成させたウィスカ
ーで結合させる工程、冷却する工程、及び加圧焼結する
工程の各工程を包含することを特徴とする複合セラミッ
クスの製造方法。 ２ 該ウィスカー生成の熱処理温度が、１１００℃〜１
４００℃である特許請求の範囲第１項記載の複合セラミ
ックスの製造方法。 ３、該加圧焼結を、ホットプレス方法又は熱間静水圧プ
レス方法で行う特許請求の範囲第１項又は第２項記載の
複合セラミックスの製造方法。 ４、該焼結体中のウィスカーの割合が、焼結体粒子１０
０重量部に対して１〜７０重量部である特許請求の範囲
第１項〜第３項のいずれかに記載の複合セラミックスの
製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60044820A JPS61205678A (ja) | 1985-03-08 | 1985-03-08 | 複合セラミツクスの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60044820A JPS61205678A (ja) | 1985-03-08 | 1985-03-08 | 複合セラミツクスの製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61205678A true JPS61205678A (ja) | 1986-09-11 |
Family
ID=12702078
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60044820A Pending JPS61205678A (ja) | 1985-03-08 | 1985-03-08 | 複合セラミツクスの製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61205678A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4923829A (en) * | 1986-09-05 | 1990-05-08 | Hitachi, Ltd. | Composite ceramics and method of making the same |
-
1985
- 1985-03-08 JP JP60044820A patent/JPS61205678A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4923829A (en) * | 1986-09-05 | 1990-05-08 | Hitachi, Ltd. | Composite ceramics and method of making the same |
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