JPS6212663A - B4c質複合体およびその製造方法 - Google Patents

B4c質複合体およびその製造方法

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JPS6212663A
JPS6212663A JP60151041A JP15104185A JPS6212663A JP S6212663 A JPS6212663 A JP S6212663A JP 60151041 A JP60151041 A JP 60151041A JP 15104185 A JP15104185 A JP 15104185A JP S6212663 A JPS6212663 A JP S6212663A
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はB4C質緻密体の製造方法に関し、更に詳しく
は焼結助剤としてM元素含有物質およびSi元素含有物
質を配合し、成形後無加圧で焼結するいわゆる通常焼結
であっても、緻密かつ高強度の84C質m密体を得るこ
とのできる製造法に関するものである。
〔従来の技術〕
B4Cは従来上り硬度が高く、耐摩耗性にすぐれ、熱膨
張率が小さく、また分解温度が高く、高温水中や放射線
場でも安定で、かつ一般にかなりの電気伝導性を有する
有用なセラミックス材料として知られている。このB4
Cの高密度焼結体は」二足の性質に加え、強度が高温ま
で大きく、耐熱衝撃性にすぐれ、高温構造材料としても
有望とされ、種々の用途にその応用が試みられている。
B4Cは共有結合性の強い化合物であるため、難焼結体
性であり、高密度の焼結体を得るためには、ホットプレ
ス法によるか、常圧焼結法の場合、焼結助剤として炭素
を添加したり (特開昭54−95612)、M又はM
化合物を添加する(特開昭59−184767)方法が
提案されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかし、前記ホットプレス法による場合は、−軸加工し
ながら焼結を進行させるものであるため、単純形状品し
か得られず、複雑な形状のものを製作するには不適当で
ある。
また、前記の焼結助剤を用いて常圧焼結する方法では、
得られる焼結体の性質も最高のものでも、P!!論密度
の96%で、抗折強度が44 Kg/+am2が記載さ
れているに過ぎない。その上、助剤の添加量が限られた
範囲であると共に、助剤化合物も限られているので、得
られるB4C質緻密体の物性も限られたものにすぎない
本発明は84C質緻密体の焼結方法の前記したような問
題点を解決すべくなされたものであって、ホットプレス
法によらず、さらに広範囲な種類及方法によって、従来
と同等以上の特性やさらに広汎な特性を持ったB4C質
緻密体を得ることのできる焼結方法を提供することを目
的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明のB4C質m密体の焼結方法は、焼結助剤として
A!元素含有物質の内少なくともIN1以上とSi元素
含有物質の内少なくともi#gi以上を合計が各々金属
重量換算で20%以下を配合し、必要に応じて焼結助剤
の他にB、At、Si、ITatl[[a+■a+Va
あるいはVla族元素含有物質の内少なくとも1種以上
の添加物を各元素の金属重量換算で0.1%以上配合し
、残部が実質的にB4Cからなる混合物を成形した後、
非酸化性雰囲気で、焼結することを要賃とするものであ
る。
本発明の原料、焼結助剤、添加物、焼結方法などについ
て以下具体的に説明する。
まず[3,C原料としては4.5〜3.5:1の範囲の
B二〇−原子比のものが使泪できる。純度は98%以上
のものが好ましいが、90〜98%のものも有効に油B
’T ffi % 7−  帖卿I十漬届帖ハ惧A 鼠
り帖課トnも比表面積で表わすことが適当であるが、本
発明の目的を有効に達成するには、比表面積5I62/
g以上、好ましくは10+a2/ir以上のものを使用
することが良い。
つぎに焼結助剤としてのAc元素含有物、Si元素含有
物質および添加物としての各種元素含有物は、金属であ
ってもよいし、他元素との化合物であっても構わないが
、粉砕、混合、成形、脱脂等の工程で安定なものが好ま
しく、酸化物、炭化物、窒化物、珪化物、硼化物あるい
はそれらの複合化物であることが好適である。
該化合物は配合時にその形態である必要はなく、例えば
脱脂あるいは焼結の昇温過程等途中の工程で転化するも
のでもよい、該焼結助剤および添加元素の各種アルコレ
ートや水酸化物はその好適な例であって、例えば空気中
であれば酸化物を形成し、窒素雰囲気中であれば窒化物
を形成し、炭素共有状態であれば炭化物が形成される等
の転化が起る。
該添加元素の形状は、成形体中で分散状態の良いことが
必要であるため、液体か、若しくは固体の場合通常5+
112/g以上の比表面積を有するものを使用するのが
好ましい。
焼結助剤のA9元素含有物量およびSi元素含有物量は
f%j / S iの原子比で1〜10、合計は各々の
金属重量換算で20%以下である。20%以上では焼結
体が多孔化し易く、まrL B 、 C本来の特性を劣
化させて好ましくない。
八1/Siの原子比は1〜10、好ましくは1.5〜5
の範囲が良い。この範囲を越えると過剰側の金属元素に
よる焼結体の発泡が起り易くこれは焼結助剤量の多い時
に顕著である。但しAc元素および/またはSi元素が
成形体外部にあって焼成中に成形体へ取込まれる場合は
、成形体中のAI/Siの原子比は1〜10の範囲であ
る必要はなく、不足分のAc元素および/またはSi元
素は自動的に成形体に取込まれると考えられる。
本発明における焼結助剤の好適なものとして、ケイ炭化
アルミニウムがあり、これにはα−A9・4SiCいβ
−八へ4siCいAII+5i2Cs等があるが、これ
らのケイ炭化アルミニウムは天然に存在するものとして
得ることはできないため合成することが必要である。
この合成は特別の困難はなく、例えばケイ炭化アルミニ
ウムの合成について1土J、八−0Cera曽、 So
c誌(1961年、44 号、 299ヘ−’) 、V
、 J、 BARCZAKW H: At 4 C3と
SiCを1870℃で反応させてβ−Al.SiC,を
合成する方法と、金属A9、金属Si、カーボン粉末を
所定の割合で混合し、1620℃で反応させてαAQ 
+ S i C4を合成する方法について述べられてい
る。
本発明では、合成の簡便さから、この後者と同様の方法
を用いて行った。すなわち、純度99.9%以上の金属
AI粒粉末同じ(99,9%以上の金属Si粉末とカー
ボンブラックをモル比にして4:1:4の割合で、エタ
ノールを用いて充分に混合した。
その後、乾燥して得られた混合粉末をペレット状に成形
し、アルゴン雰囲気中で1640℃−ih焼成を行ない
、目的とする化合物を得た。このようにして合成された
化合物を粉末xi回折により固定したところ、α−At
4SiC4が主で、わずがのβAt < S i C4
のピークが認められたが、他の化合物の存在は認められ
なかった。
ケイ炭化アルミニウムは単独で、あるいはB。
C等と共に焼結温度範囲において融液を生成し、焼結を
進めると考えられる。本発明の焼結助剤のAlおよびS
i元索源を、別々に選んだ場合、最適助剤量は、ケイ炭
化アルミニウムを使用した場合より多くなり、また、焼
結体からの飛散量も増加する。なお、B4C焼結助剤と
してAx化合物を使用する特許において、八lの珪化物
が示唆されてはいるが、そこではSi元素は単なる化合
物の相手元素に過ぎず、本発明のごとき優れた効果を発
揮する有効な助剤成分としては認識されていない。
添加物の添加量の下限は添加元素の金属重量%で0,1
%であるが、これ以下では焼結しても緻密化が充分進ま
ないことが多く、また緻密体として特性改善の効果がな
い。添加量の上限は、焼結体のa密度と共に添加物とB
4Cの複合体の好適な特性を実験的に定めることにより
決定されるものであって、実質的な制限は存在しないが
、B4Cの物性を優先させる目的においては、およそ5
0%とするのが常識的である。
添加物の各元素あるいは化合物の中には多量に添加する
と焼結体の緻密化を阻害したり多孔化させるものや焼結
体の物性に好ましくない影響を与。
えるものもあり、これら元素あるいは化合物については
、およそ10%以下という少量にとどめることが良好な
結果を与える。
つぎに、焼結をAu元素および/またはSi元素含有の
分圧雰囲気中で行なうには、焼結温度1700〜220
0℃の範囲で、A++元素および/またはSi元素ある
いはこれら元素含有物で蒸気を発生するものを、焼結物
と共に共存させておくことにより達成される。焼結中に
該雰囲気が逸散しない程度に焼結物と該共存物は密封さ
れた状態にあるのが望ましい。簡便には、AIおよび/
またはSi金属の塊や粉末を成形体と共に蓋をしたルツ
ボ中におくだけで良い0元素量は金属重量%で成形体重
量に討し外部0.01%以上が適当である。これは0.
01%以下だと焼結の簡便性という利点が少なくなるか
らである。上限の制約はないが1、過剰のAlおよび/
またはSiは成形体表面、容器内面あるいは加熱装置表
面等に付着して好ましくない。通常5%以下で好適な結
果が得られる。
つぎに、本発明(′−おける成形方法としては普通セラ
ミックスの成形に使用される方法がすべて使用できる。
すなわち、プレス成形、泥漿鋳込成形、射出成形、押出
成形などが適当である。焼成は非酸化性雰囲気中170
0〜2200“Cで行うことが必要である。非酸化性雰
囲気としては真空中あるいは窒素、アルゴン、ヘリウム
、水素などが使用できる。
焼結温度は1700〜2200℃であるが、より好まし
くは1800〜2150℃である。温度が1700℃よ
り低いと緻密化が充分進まず、高密度焼結体が得られず
、2200°Cより高いと成形体が分解し過ぎ多孔化し
好ましくないからである。なお、時間は通常0.1〜2
4時間必要で、より好ましくは0.5〜10時間である
。これは時間が短か過ぎるとm密化せず、また緻密化し
ても充分な強度が生ぜず、長過ぎると分解し過ぎ多孔化
し好ましくないことが多いからである。
雰囲気圧力は、無加圧あるいは減圧でも良(、またホッ
トアイソスタティックプレス法でも良い。
もちろんホットプレス法も可能である。
〔作用〕
ここで、本発明の焼結過程について説明すると次の通り
である。B4C自体の焼結に本質的な助剤の役割を示す
のは、Ac元素とSi元素と考えられる。Al元素含有
物およびSi元素含有物は、焼結温度においてAtおよ
びSi含有の蒸気を発生して、またはそのままB4Cあ
るいはその表面酸化物等と反応して液相が形成され、該
液相の存在下で84C粒子の好ましい粒成長が起こると
同様に液相を主体とした分解蒸発が起り、成形体からの
脱離も進むと考えられる。
この好ましい液相の生成を阻害しないか助長し、またこ
の液相のB4C表面への濡れ性ひいてはB。
C焼結性を阻害しなか助長する添加物であれば、B4C
IrIt&密体の製造が可能であり、本発明の添加物は
その例である。但し、焼結助剤を含まず、添加物単味の
添加では、焼結が、はとんど起らないことから本発明の
添加物の役割が一層よく理解される。なお、Alおよび
Si含有物質のうち、焼結温度において液相形成に寄与
しないか寄与の少ない化合物の場合、これは添加物とし
て考えられるものである。
本発明以外の元素添加物の場合、成形体がm密化しない
か、あるいはm密化しても発泡し多孔化してしまうこと
から本発明添加物の効果は明らかである。
本発明の添加物の作用は、B4C質![体に種々の特性
を付与する他に、次のような焼結作用も与える。すなわ
ち、焼結助剤としてのAc元素およびSi元素含有物質
単独で焼結を行なう場合、前述の液相の生成が少ないと
![化が充分進行せず、また多過ぎると発泡により、成
形体が多孔化し易い。つまり焼結助剤の最適量が存在し
、この範囲はかなり限られた値であると共に、B4Cの
原料純度9粒度、成形体密度、あるいは焼結の温度。
時間、雰囲気等の変化により、その最適量も変動し、最
適な焼結を行なうことおよびその再現が困難である。
しかるに本発明の添加物を用いた場合は、該液相が成形
体内により均一に浸透し、また、該液相の分解蒸発物を
成形体表面から除去するのを容易にするので、焼結助剤
の最適量範囲を広くできるものである。
これは焼結をAt元素および/またはSi元素含有の分
圧雰囲気下で行なう場合、一層明瞭になる。
すなわち、Ax元素および/またはSi元素含有の分圧
$囲気下では、亀元素および/またはSi元素が焼結と
共に成形体に取込まれ、必要かつ充分な量の液相が自動
的に形成され、より最適な焼結が実現されるのである。
つまり焼結初期の段階では成形体は充分多孔質であるの
でM元素および/またはSi元素は成形体内部まで侵入
可能であり、焼結が進んだ段階では、成形体の緻密化が
進行して空孔量の減少と共に空孔径も減少して過剰のA
t元素および/またはSi元素の侵入が阻止されるので
、焼結が完了すると共に発泡して多孔化することもない
のである。
分圧中のAl元素お上V/またはSi元素量が充分な時
は、極端には、焼結助剤量は不純物程度の少量あるいは
n1Ji的に添加する必要のない程度で焼結可能であり
、これも本発明に含まれるものである。但し、分圧中の
Al元素および/またはSi元素量が充分であっても、
本発明の元素を含む添加物がないがもしくは少な(、が
っ、焼結助剤量が少ない成形体の場合は、内部に比べ成
形体表面で液相が多く生成し速く緻密化してしまい、内
部が緻密化するのに充分なAt元素および/またはSi
元素の侵入が阻止され、全体としての緻密化が達成され
ない6 本発明の添加物の焼結における役割は、前述のような成
形体の内部と表面の不均一な反応を防ぐことにある。つ
まり成形体表面の急激な反応を抑え、緻密化の進行と共
に進む空孔の微細化を均一にするか、添加物とB4Cあ
るいは生成される液相との界面がAl元素および/また
はSi元素の拡散を促進するといった機構によると考え
られる。
しかしながら、添加物とB4Cあるいは生成される液相
との相互の反応等詳しい機構は解明されていない。本発
明以外の元素添加物の場合、成形体がmif化しないが
、あるいはm′fj化しても発泡し多孔化しでしまうこ
とから本発明添加物の効果は明らかである。添加元素の
形態は任意のものが利用できるが、前述の理由により、
焼結温度で安定な酸化物、炭化物、窒化物、珪化物、硼
化物あるいはそれらのm密化物として、または途中工程
で該化合物に転化しうるものとして使用するのが好適で
ある。
〔実施例〕
このように本発明は工業的に極めて有利なものであるが
、以下に本発明の実施例を詳細に説明してその効果を明
らかにする。
比表面積15m27gのB4C粉末と純度98%以上の
焼結助剤および添加物を、液体状もしくは固体の場合は
31I12/g以上の粉末として、第1表の組成とし、
IO×5×60111Iflの成形体とした。この成形
体を蓋付きカーボンルツボに収納し、該カーボンルツボ
をアルゴンガス通気中に置いて、m1表に示した焼成条
件により焼結し焼結体を得た。それぞれの焼結体の密度
1曲げ強度及び電気抵抗を測定し、結果を第1表に示す
f51表において、試料N001〜N004は本発明の
組成範囲内の焼結助剤を含む第1発明例であるが、相対
密度1曲げ強度共に所期の値を示すことが確認された。
試料No、5は焼結助剤を本発明の組成範囲以上に含有
する比較例であるが、焼結工程中において発泡してしま
って特性を測定することができなかった。
No、6〜N o、 14は焼結助剤としてAl及びS
iを配合し、さらに本発明で規定する添加物を配合した
本発明の第2発明例であるが、添加物の配合によって焼
結助剤の効果助長され、比較的短い焼結時間で高い相対
密度と高い曲げ強度の得られることが明らかとなった。
また、BN、AIN、Si、N、。
BeOを配合したNo、6−No、9では、105以上
の゛電気抵抗力1逆にNo、12〜NO出では、10−
2以下の電気抵抗が得られることが判明した。
N o、 15−1No、16及びNo、18は焼結助
剤がMまたはSiの化合物である第2発明例であり、N
o。
17は焼結助剤がAl化合物とSiである第1発明例で
あるが、いずれも良好な結果が得られている。
No、19〜No、21は焼結助剤及び添加物を配合す
ると共にAcおよびSi元素の分圧雰囲気下で焼結する
第2発明例であるが、相対密度1曲げ強度共に所期の値
の得られることが確認された。
No、22は焼結助剤としてケイ炭化アルミニウムを配
合した第1発明例であり、No、23〜No、26も同
じく焼結助剤としてケイ炭化アルミニウムを配合しかつ
添加物としてBeOまたはSiCを配合した第2発明例
であるが、相N密度1曲げ強度共に満足すべき結果とな
っている。
No、27〜No、29は、焼結助剤と添加物を配合し
、分圧を作るAIおよび/またはSi元素または化合物
を共存させて焼結した第2発明例であるが、非常に少な
い焼結助剤の配合でも高′い相対密度及び曲げ強度の得
られることが確認された。
No、30及びNo、31は本発明で規定する以外の添
加物を配合するかまたは全く配合しないで、単にA【お
よびSi$囲気を作る化合物を共存させて焼結した比較
例であるが、相対密度が低く曲げ弛度も極端に低くなる
ことが明らかになった。
〔発明の効果〕
このように本発明は、常圧焼結において、従来の添加元
素よりはるかに広範囲の種類、形態および社が選択でき
ることから、得られるB4C質複合体の物性、例えば電
気伝導度、熱膨張係数、熱伝導度等が、広範囲に選択で
きる利、αを有するものである。
さらに、焼結助剤としてのAx元素含有物、Si元素合
有物および添加物の選択が広いので、B。
Cとの混合に際して、操作容易な水が分散液として使用
可能であるものを選択し得るものである。
また、焼結において非酸化性ガス圧力を高めた〃ス加圧
焼結や、いわゆるホットアイソスタティックプレス法も
適用可能である。
本発明で得られるB4Cと添加物からなる緻密体はB4
Cの特性の他に種々の特性を付与できる。
例えばB4C焼結体の電気抵抗は通常10°〜104Ω
・elll程度であるが、IVa族、Va族、Via族
元素の添加により、その電気抵抗を10−2Ω・eta
以下とすス+″シyTn能で −ハl十靴加丁析めn、
ρ暫鰭察体に、放電加工を容易にするという利、直を付
与する。また、BeO,BN、AiN等の添加によれば
105Ω・cm以上の電気抵抗の焼結体が可能で、これ
は電子回路等に応用できる。その他の物性に関してもそ
の値の幅が広がれば、適用範囲が広くなることは明白で
ある。
以上のごと(本発明の利点は明らかであるが、つぎのよ
うな利点もあげることができる。すなわち、本発明で適
用可能な添加元素は、かなり広範囲なものであるので、
原料84Cの製造時あるいは粉砕工程等で不可避的に混
入する不純物や、意識的に添加する元素を、本発明添加
元素に選べば、特に添加物を配合する工程を経ることな
く、焼結が可能で、これも本発明の適用範囲となる。ま
た、本発明添加元素以外の元素に関しても、少量であれ
ば、焼結に特に悪影響を与えることはなく、添加物とし
て酸化物、窒化物、珪化物等が使用できることは、原料
B4Cが多少酸化あるいは窒化されていても充分焼結可
能であることを示す。

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)焼結助剤としてAl元素含有物質の内少なくとも
    1種以上とSi元素含有物質の内少なくとも1種以上を
    合計が各々金属重量換算で20%以下を配合し、残部が
    実質的にB_4Cからなる混合物を成形後非酸化性雰囲
    気で焼結することを特徴とするB_4C質緻密体の焼結
    方法。
  2. (2)焼結助剤が、配合時に、あるいは焼結に至る工程
    中に転化して、酸化物、炭化物、窒化物、珪化物、硼化
    物あるいはその複合化物である特許請求の範囲第1項記
    載のB_4C質緻密体の焼結方法。
  3. (3)焼結助剤がケイ炭化アルミニウムである特許請求
    の範囲第1項記載のB_4C質緻密体の焼結方法。
  4. (4)非酸化性雰囲気がAl元素および/またはSi元
    素含有の分圧雰囲気である特許請求の範囲第1項乃至第
    3項のいずれかに記載のB_4C質緻密体の焼結方法。
  5. (5)焼結を非加圧で行なう特許請求の範囲第1項乃至
    第4項のいずれかに記載のB_4C質緻密体の焼結方法
  6. (6)焼結を非酸化性ガス加圧で行なう特許請求の範囲
    第1項乃至第4項のいずれかに記載のB_4C質緻密体
    の焼結方法。
  7. (7)焼結温度が1700〜2200℃である特許請求
    の範囲第1項乃至第6項のいずれかに記載のB_4C質
    緻密体の焼結方法。
  8. (8)焼結助剤としてAl元素含有物質の内少なくとも
    1種以上とSi元素含有物質の内少なくとも1種以上を
    合計が各々の金属重量換算で20%以下を配合し、さら
    にB、Al、Si、IIa、IIIa、IVa、Vaあるいは
    VIa族元素含有物質の内少なくとも1種以上の添加物を
    各元素の金属重量換算で0.1%以上を配合し、残部が
    実質的にB_4Cからなる混合物を成形後、非酸化性雰
    囲気で焼結することを特徴とするB_4C質緻密体の焼
    結方法。
  9. (9)焼結助剤および/または添加物が、配合時に、あ
    るいは焼結に至る工程中に転化して、酸化物、炭化物、
    窒化物、珪化物、硼化物あるいはその複合化物である特
    許請求の範囲第8項記載のB_4C質緻密体の焼結方法
  10. (10)焼結助剤がケイ炭化アルミニウムである特許請
    求の範囲第8項記載のB_4C質緻密体の焼結方法。
  11. (11)非酸化性雰囲気がAl元素および/またはSi
    元素含有の分圧雰囲気である特許請求の範囲第8項乃至
    第10項のいずれかに記載のB_4C質緻密体の焼結方
    法。
  12. (12)焼結を非加圧で行なう特許請求の範囲第8項乃
    至第11項のいずれかに記載のB_4C質緻密体の焼結
    方法。
  13. (13)焼結を非酸化性ガス加圧で行なう特許請求の範
    囲第8項乃至第11項のいずれかに記載のB_4C質緻
    密体の焼結方法。
  14. (14)焼結温度が1700〜2200℃である特許請
    求の範囲第8項乃至第13項のいずれかに記載のB_4
    C質緻密体の焼結方法。
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JPS6212664A (ja) * 1985-07-09 1987-01-21 株式会社ノリタケカンパニーリミテド B↓4c質複合体の焼結方法
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