JPS6241773A - 複合セラミツクスの製造法 - Google Patents

複合セラミツクスの製造法

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JPS6241773A
JPS6241773A JP60175881A JP17588185A JPS6241773A JP S6241773 A JPS6241773 A JP S6241773A JP 60175881 A JP60175881 A JP 60175881A JP 17588185 A JP17588185 A JP 17588185A JP S6241773 A JPS6241773 A JP S6241773A
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安富 義幸
浩介 中村
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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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、複合セラミックスの製造法に係り、特に高靭
性、高温強度を必要とする構造用複合セラミックスの製
造法に関する。
〔発明の背景〕
一般に、エンジンやタービンなどの構造材料に適するエ
ンジニアリングセラミックスとしては、耐熱性や耐熱衝
撃性が優れた窒化珪素や炭化珪素などが知られている。
しかし、窒化珪素や炭化珪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vcハ焼結助剤の添加が必要である。例え
ば、炭化珪素をホットプレスで焼結する場合の焼結助剤
としては停素、硼素化合物、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、炭化珪素を
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が知られている。しかし常圧焼結
法の場合、炭化珪素が分解しやすく、そのなめに成形体
が充分に緻密化せず、特に複雑形状品、大寸法品の場合
には問題となっていた。また、これら焼結助剤によるガ
ラス相は高温において軟化するため、高温における焼結
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たけ少なくした
り、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が完全な解決には至っていない
一方、焼結助剤とに別に、SiC,8jsN<等の高強
度繊維(ウィスカー)混合による複合化によって高温強
度を高めるウィスカー強化法も考えられている(窯業協
会誌、 9x[xtl 1983゜P491 )。
この方法が有効な理由は、 (1):ウイスカーがセラミックス中の微小な傷の拡大
を停止、るるいは抑制して応力の果中を防ぐ。
(2):ウイスカーがセラミックスと強く結合してウィ
スカーが応力を担う。
(3):ウィスカーがセラミックスと弱く結合、例えば
物理的に付着していればセラミックスからのウィスカー
の引き抜きによるエネルギーの吸収が起こる。
(4):ウィスカー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。
以上のような効果でセラミックスの脆ざおよび耐熱衝撃
性が向上するものと考えられている。
しかし、このようなウィスカー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が互いに絡まり合い
、塊状になることが問題となっている。そこでウィスカ
ーをマトリックス中に分散σせる方法として、ウィスカ
ーを水中に投入し、機械的撹拌や超音波照射により分散
させ、フィルタを通すことにより未分散塊や粒状物を除
いた後ざらに吸引FAを行ない、グリーンシートとする
ことが考えられている。ところが、それでは2次元配合
になっているため異方性が生じ易い。従って、ウィスカ
ーによる高強度・扁靭性複合焼結体を得るためには、う
まく3次元的に分散させることが大きな問題となる。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、複合セラミックスの製造法において、
高靭性、高温強度を得るために、セラミックス粒子をウ
ィスカーで結合する製造法?提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明は、焼成中に成形体中の金属Si粉末から生成す
るウィスカーで粒子相互間を結合するとともに粒子間の
空隙を減少させた後、ホット・インスタティク・プレス
(以下)(at l5ostaticpressと記す
。)で緻密化することにより高靭性、高温強度を得るも
のである。本発明複合セラミックスの製造法の特徴は、
金属SI単体からなる成形体、!、念は酸化物、炭化物
、窒化物、酸窒化物などの無機化合物の少なくとも1種
と金属Siとからなる混合物の成形体を、窒化性ガス含
有雰囲気下にて金属S1の融点未満で加熱し、焼成体粒
子間に針状ウィスカーを成長させ、該ウィスカーにより
粒子間を結合した後、Hot l5ostaticPr
e s sで緻密化することである。
本発明において、成形体の粒子相互間を成形体の焼成中
に生成させたウィスカーで結合した理由は、原料に予め
混合、分散させておいた場合、ウィスカーは焼成体中の
粒子間の空隙に存在するが、全てのウィスカーが粒子と
結合しているのではなく、塊状や単独で存在するウィス
カーが残るためである。本発明によれば、粒子間の空隙
を成形体中の粒子から生成した多数の針状のウィスカー
が比較的真直ぐに延びて交差することによ力結合し、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
強度が得られるものである。
本発明による)(at l5ostatic pres
sを行なう前の焼結体中の生成ウィスカーの結合状態の
例を第1図に示す。また、ウィスカーを原料に予め混合
分散した場合の焼結体中のウィスカーの状態を第2図に
示す。
本発明において、Hot 1:5ostatic pr
essを行う理由は、窒化性ガス雰囲気下にて金属SI
の融点未満で加熱して焼成体粒子間に針状ウィスカーを
成長させ、該ウィスカーにより粒子間を結合したのけ多
孔質のために強度が低いので緻密化する必要があるため
である。そして、Hot Press Vc較べ、組織
や密度がより均一になり、しかも大型で複雑な成形品を
つくることができるという利点があるためである。
本発明において、ウィスカー生成温度を1100C〜1
500Cとした理由は、l100Cから窒素との反応が
おこり金属Siの融点以上の温度まで加熱すると急激に
反応が激しくなり、1500Cを越えると、Siが溶融
して、塊状になり大粒径の金属Siが残存するためであ
る。従って、本発明の加熱条件下で成形体の大きさによ
り胸当な時間加熱することにより成形体中にウィスカー
をよシ多く生成させることができる。
また本発明では、焼成体粒子100重量部に対]7、ウ
ィスカーが1〜70重量部好ましくは10〜30重着部
含1れることか好ましい。この理由は、ウィスカーが1
0〜70重量部では靭性がほとんど實わらず、1重針部
未満及び71重量部以上では従来以上の顕著な効果がみ
られないからである。
本発明において、Hot fisostatic pr
ess処理で20〜350°気圧、15000〜220
0Cとした理由は、20気圧より小さく、また1500
c以下だと緻密化せず、2200Cを越えると分解を生
じ易いためである。
〔発明の実施例〕
実施例1 平均粒径16μmの炭化珪素50gと窒化珪素ウィスカ
ーを生成σせるための平均粒径0.9μm■金属812
1〜80gの混合粉末?成形助剤と一緒にボットミルで
混合し、次に室温で乾燥させ供試原料とした。これらの
原料をメカニカルプレスを用いて成形圧力500 kg
 j /cm2で、それぞれ直径50mm、厚さ20鵡
のものに成形した。この各成形体から成形助剤を分解揮
散させた後、窒素ガス含有雰囲気中、l100Cで10
時間、次いで1200t4”20時間、次いT13QO
cで10時間、次いで1400Cで5時間以上保持後、
炉冷した後不活性ガス中20気圧から3soo気圧、1
soocから2200tl’で150分Hot l5o
static Press処理を行った。
得られた焼結体の試験結果を第1表に示す。
比較のために、Hot l5osLatic Pres
sで処理しなかったものを第2表盃1.潟2に示す。ま
た従来のように始めから窒化珪素ウィスカーを原料に混
合、分散させて同様に熱処理(−たものを第2表朧3に
示す。
−OOロ   ロ   − 8 リ  00   の  呼  ω  へ’!4  
     mcq    の巽 餐 g1 実施例2 平均粒径1μmの窒化チタン50gと平均粒径0.9μ
mの金属5150gの混合粉末、平均粒径1μmのアル
ミナ50gと平均粒径0.9μmの金属Si 50gの
混合粉末、平均粒径1μmのS51−Al−0−N50
と平均粒径0.9 μm の金属5150gの混合粉末
に各々成形助剤を添加し、実施例1と同様に混合、成形
、)(ot 工5ostaticPress した焼結
体の試験結果を第3表に示す。
塊−−−−Z 更     −〇Q1(’T’3   ’−1−−−−
−−−1−−−−−」 本発明において原料粉末に、使用用途により金  ′属
Siまたは、炭化物、酸化物、窒化物、酸窒化物などの
無機化合物の少なくとも一種と金属Siおよび遷移金属
、希土類元素、有機化合物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
。また、ミルなどにより粉砕1に丸みを帯びた粒子を使
用してもよい。
なお、本発明の実施においては前述原料に予めウィスカ
ーを混合しておき、こf′Lic @述の加熱処理をし
て金属3iから別個のウィスカーを成長きせるようにす
ることもできる。
実施例3 平均粒径16μmの炭化珪素50gと蒙化アルミウィス
カーを生成させるための平均粒径Jμmのアルミニウム
21〜80gの混合粉末を成形助剤と一緒にポットミル
で混合し、次に室温で乾燥させ供試原料とした。これら
の原料をメカニカルプレスを用いて成形圧力500 k
g f 7cm”で、それぞれ直径50m、厚さ20m
mのものに成形した。
この各成形体から成形助剤を分解揮散させた後、2素ガ
ス含有雰囲気中、1000Cから180Orまで段階的
に長時間加熱した後、不活性ガス中20〜3500気圧
、1300C〜2200Cで数時間)(otisost
atic Press処理を行った。
得られた焼結体の試験結果を第4表に示す。
比較のためにHot l5ostatic Press
で処理しなかったものを第5表A1.2IC示す。また
従来のように始めから窒化アルミウィスカーを原料に混
合、分散させて同様に熱処理したものを第5表、厖3V
c示す。
@ %j4  :  OOI W  、 m 、 CIJlo−雪 実施例4 平均粒径1μmの窒化チタン50gと平均粒径1μmの
金属アルミニウム50gの混合粉末、平均粒径1μmの
アルミナ50gと平均粒径1μmの金属アルミニウム5
0gの混合粉末、平均粒径1 μmの5i−Al−0−
N 50gと平均粒径1μmの金属アルミニウム50g
の混合粉末に各々成形助剤を添加し、実施例3と同様に
混合、成形、加熱処理した焼結体の試験結果を第6表に
示す。
賀      −へ    の 1 なお、本発明の実施例においては前述原料に予めウィス
カーを混合しておき、これVCgJ述の加熱処理をして
金属アルミニワムから別個のウィスカーを成長させるよ
うにすることもできる。
〔発明の効果〕
本発明では粒子相互間を生成物であるウィスカーで3次
元的に結合した後、)(ot l5ostaticpr
essで緻密化するためセラミックスの靭性が向上する
。これにより、高靭性、高温強度、耐熱性、耐熱衝激性
が必要なエンジンやタービンなどの構造用部品をはじめ
、航空、宇宙関係、鉄鋼、海洋開発などの分野への利用
範囲が拡大する7、
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明により生成したウィスカーの)(ot 
 l5ostatic press処理前の組織を示す
顕微9写真、第2図に比較例で、原料にウィスカーをa
% n シた場合のHot l5ostatic pr
ess処理前の組織を示す顕微説写真である。 ■・・・生成ウィスカー、2・・・粒子、3・・・混合
ライス図面の7f・占(内1’r +L :”;−I竺
なし)萼 1 目 6:μζ 第 2 ン〕 5p算 手習δHIf−正孕)(方式) %式% 発明の名称 複合セラミックスの製造法 補正をする者

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1、無機化合物の酸化物、炭化物、窒化物および酸窒化
    物の少なくとも1種と金属Siまたは金属Alとからな
    る混合物の成形体を、窒化性ガス含有雰囲気下にて加熱
    して焼成体粒子間に針状ウィスカーを成長させ、該ウィ
    スカーにより粒子間を結合した後、ホット・イソスタテ
    イク・プレスで緻密化することを特徴とする複合セラミ
    ックス製造法。
JP60175881A 1985-08-12 1985-08-12 複合セラミツクスの製造法 Expired - Lifetime JPH0610115B2 (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6428283A (en) * 1987-03-16 1989-01-30 Hitachi Ltd Sintered composite ceramic material and production thereof
US4923829A (en) * 1986-09-05 1990-05-08 Hitachi, Ltd. Composite ceramics and method of making the same
JPH05148004A (ja) * 1991-11-27 1993-06-15 Nissan Motor Co Ltd タービン用セラミツクス材料

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