JPS63236764A - 炭化珪素焼結体の製造方法 - Google Patents

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］ 本発明は炭化珪素焼結体の製造方法に係り、特に高温材
料としての耐摩耗性、耐熱衝撃性、耐食性において優れ
た特性を有し、高温物体輸送機器、メカニカルシールの
密封端面材、熱交換器やガスタービン、ディーゼルエン
ジン等の部品等、各種高温構造物、装置類の構成素材へ
の適用に好適な炭化珪素焼結体に関する。

［従来の技術］ 炭化珪素（以下、ｒｓｔｃＪと記すことがある。）は Ｓ　ｉ　０２　＋３Ｃ−Ｓ　Ｌ　Ｃ＋２ＣＯの反応で一
般に生成されるものであって、反応条件に応じて、即ち
、例えば１５００〜１６００℃の温度でβ−３ｉＣが、
また２０００℃以上の高温では安定なα−５ＬＣが生成
する。

このようにして得られたＳｉＣから、炭化珪素焼結体を
製造するには、ＡＩＬ％Ｂ、Ａｕ２０．等を焼結助剤と
して用い、１８００℃以上の温度で５００〜１０００ｋ
ｇ／Ｃ＆の加圧下で焼結する方法が採用されている。ま
た、最近になって、高密度ＳｉＣ焼結体を得る方法とし
て、サブミクロンのβ−３ｉＣ粉末に焼結助剤として炭
素とホウ素、あるいは、アルミニウムとホウ素と炭素等
を添加し、不活性ガス雰囲気下で１９００〜２３００℃
の範囲で焼結する方法が採用されている。この方法は、
また、サブミクロンのα−３ｉＣ粉末についても同様に
実施されている。

［発明が解決しようとする問題点］ このような従来の製造方法において、高密度焼結体を得
るためには、焼結原料として、微粉化したサブミクロン
ＳｉＣ粉末を用いなければならないが、微粉化処理工程
においては、ＳＩＣ粉末の酸化や酸素含有量の増加が起
こる。しかして、ＳｉＣ粉末中の酸素はＳｉＣ粒子表面
上にＳｉＯ：＋とじて存在するが、これら５ｉＣ１＋及
びＳｉはＳＩＣの焼結を著しく阻害する。このため、高
密度な焼結体が得られず、得られる焼結体はＳｉＣ焼結
体の最大の特徴である高靭性、耐摩耗性、耐熱衝撃性、
耐食性が悪いなどの問題が生じる。

従って、従来においては、ＳＩＣ粉末を酸処理すること
により混在するＳｉＯ２を除去し、更に粉末の保存に際
しては不活性ガスを封入して保存している。

しかしながら、酸処理による５ｉ０２の除去処理を行な
うことは、処理コストを高騰させる原因となり、また、
保存に際して不活性ガスにより封入を行なうことは、コ
スト的に不利である。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は上記従来の問題点を解決し、高密度で機械的強
度等の特性に優れたＳｉＣ焼結体を製造することができ
る方法を提供するものであって、平均粒径１．０μｍ以
下の炭化珪素粉末８５〜９８重量部、二酸化珪素０．５
〜５重量部、炭素成分１〜ｌＯ重量部及びホウ素成分０
．１〜３重量部を含む混合物を加圧成型し、１９００〜
２３００℃で焼結することを特徴とする炭化珪素焼結体
の製造方法、 を要旨とするものである。

即ち、本発明者らは、高密度のＳｉＣ焼結体を得る方法
について鋭意検討を重ねた結果、焼結に際して、従来有
害物質と見なされていた微細な５ｔ０２の存在下、５ｉ
Ｃ）２の炭素還元に必要な炭素量＋αの炭素と、ホウ素
とを、ＳｉＣ粉末に十分に混合して焼結し、５ｉＯａを
十分に炭素還元して無害化すると、比較的低温で常圧焼
結法により高密度Ｓ’ｉ　Ｃ焼結体を製造することがで
きることを見出し、本発明を完成させた。

以下に本発明の詳細な説明する。

本発明の方法においては、平均粒径１．０μｍ以下のＳ
ｉＣ粉末８５〜９８重量部、５ｉＯａ０．５〜５重量部
、炭素成分１〜１０重量部及びホウ素成分０．１〜３重
量部を含む混合物を加圧成型し、成型体を１９００〜２
３００℃で焼結する。

本発明において、焼結原料のＳｉＣ粉末の平均粒径が大
きいと十分に緻密な焼結体が得られない。従って、用い
るＳｉＣ粉末の平均粒径は１．０ａｍ以下とする。

また、ＳｉＯ２の量が０．５重量部未満では、ＳｉＯ２
を炭素により還元して生成される活性ｆｚ　Ｓ　ｉ　Ｃ
による効果が十分に得られず、またＳｉＯ２の量が５重
量部を超えると焼結性を阻害することとなる。従って５
ｔＯａは０．５〜５重量部、好ましくは１．０〜３．０
重量部とする。

炭素成分は上記ＳｉＯ２の還元に必要な量より若干多い
量だけが必要とされる。炭素成分が１重量部未満ではＳ
ｉＯ２の還元が十分に行なわれず、また焼結性の改善効
果も低い、一方、炭素成分が１０重量部を超えると密度
、強度の低下をまねくこととなる。

ホウ素成分もまた焼結性の改善に有効であるが、その量
が０．１重量部未満では十分な効果が得られず、また逆
に３重量部を超すと、焼結体の耐熱特性を低下させる。

本発明において、用いる炭素成分としては、カーボンブ
ラック等の元素状炭素の他、加熱により炭素となるもの
、例えばフェノール樹脂、ピッチタール、フラン樹脂な
どの炭化水素系有機物質等を用いることもできる。

また、ホウ素成分としては、金属ホウ素、ホウ酸、ホウ
化ジルコニウム、ホウ化アルミニウム等が有効である。

ところで、本発明において、５ｉ０２は、ＳｉＣ粉末に
所定量のＳｉＯ２を加えることにより反応系に存在せし
める場合に限らず、ＳｉＣ粉末を酸化させてその粒子表
面に５ｉ０２層を生成させることにより反応系に導入す
ることもできる。

本発明においては、ＳｉＣ粉末とＳｉＯ２、炭素成分及
びホウ素の焼結助剤、あるいは、表面にＳｉＯ２が生成
したＳｉＣ粉末と焼結助剤を所定割合で混合して得られ
た混合物を成型する。

混合は、例えばアセトン等の溶媒を用いてポリエチレン
製ボールミルで２４時間程度混合することにより行なう
ことができる。

得られた混合物は乾燥後、約２０００ｋｇ／ｃｒｎ”の
ラバープレス法等により加圧成型する。

得られた成型体は１９００〜２３００℃で焼結するが、
焼結の前焼成として、１３５０〜１６００℃において十
分な時間焼成し、ＳＩＣの炭素還元を行なうのが好まし
い。この際、還元により生成するＣＯガスは系外に取り
出す、焼成後、大気圧の不活性ガス雰囲気下、１９００
〜２３００℃で焼結を行なう。焼結は真空中で行なって
も良い。

［作用］ 本発明の方法は、Ｓ　ｉ　Ｃｋ：Ｓ　ｉ　０２と炭素及
びホウ素を添加する。

炭素添加量が少ないと板状結晶が大きく成長した焼結体
の組織が観察され、これは結晶の緻密化を阻害する。一
方、炭素添加量を増加すると、焼結体の密度が高くなる
傾向にある。これは過剰に添加されている炭素が、遊離
シリカの除去に有効に作用するためと考えられる。

焼結助剤としての炭素は、粒子表面上の５ｉ０２や金属
シリコンを除去し、粒子表面エネルギーを高めることに
より、またホウ素は粒界に偏析して粒界エネルギーを減
少させ、あるいは表面拡散による物質輸送を低減させる
ことにより、緻密化に寄与すると言われている。

従来、５ｉ０２は緻密化を阻害するため、酸処理等によ
り含有量を０．５重量％未満に押えているが、本発明に
よれば５１０２と、その炭素還元に必要な炭素量＋αの
適正量の炭素を添加することにより、５ｉ０２をＳｉＣ
に還元させ緻密な炭化珪素焼結体が得られる。

また、本発明の方法によれば、従来に比し、比較的低温
で緻密な焼結体が得られるが、これは５ｉ０２の還元に
より生成した微細な活性度に富むＳｉＣの効果によるも
のと考えられる。

更に、本発明の方法によれば、焼結体の靭性の向上も図
れるが、これは５ｉ０２の炭素還元から生成したＳｔＣ
が焼結体の微構造に何らかの変化をもたらしているため
と考えられる。

［実施例］ 以下に、実施例及び比較例を挙げて、本発明を更に詳し
く説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下
の実施例に限定されるものではない。

実施例１ 平均粒子径０．３μｍのβ−５ｉＣ粉末を、大気中、Ｓ
ＯＯ℃で２時間焼成し、表面酸化されたＳｉＣ粉末を得
た。（その際、酸化粉末のＳｉＯ２量は２．１重量％で
あつた。）この酸化されたＳｉＯ２粉末にホウ素（金属
ホウ素粉末）１重量％、及び第１表に示す量の炭素（カ
ーボンブラック）を添加した混合物を作成し、アセトン
を溶媒としてポリエチレン製ボールミルで２４時間混合
して乾燥後、２０００ｋｇ／ｃｍ？のラバープレス成型
を行ない、２０００℃で焼結し、ＳｉＣ焼結体（）＆）
、１．２）を得た。

得られたｓｉｃ焼結体の嵩密度及び曲げ強度の測定結果
を第１表に示す。

第１表 比較例１ 平均粒子径０．３μｍのβ−５ＬＣ粉末（粉末中のＳｉ
Ｏ２は０．３重量％であった。）にカーボンブラック１
重量％を添加し、実施例１と同様に混合、成型した後、
２０００℃又は２１００℃で焼結して焼結体（Ｎｏ、　
３．４）を得た。得られた焼結体の特性を第２表に示す
。

比較例２ 平均粒子径０．３μｍのβ−５ｉｃ粉末に日本アエロジ
ル社製超微粒子５Ｌ０２１重量％及びカーボンブラック
１重量％を添加し、実施例１と同様にして混合、成型し
た後、２１００℃で焼結して焼結体（Ｎｏ、５）を得た
。得られた焼結体の特性を第２表に示す。

第２表 第１表及び第２表より本発明の方法によれば、比較的低
温度で、緻密で高強度のＳｉＣ焼結体が容易に得られる
ことが明らかである。

［発明の効果］ 以上詳述した通り、本発明のＳｉＣ焼結体の製造方法は
、平均粒径１．０μｍ以下のＳｉＣ粉末８５〜９８重量
部、５ｉＯ２０，５〜５重量部、炭素成分１〜１０重量
部及びホウ素成分０．１〜３重量部を含む混合物を加圧
成型し、１９００〜２３００℃で焼結することを特徴と
するものであって、 ■　５ｉｎ２の炭素還元により生成した微細なＳｉＣが
焼結性を向上させる。

■　生成した微細なＳｔＣは焼結体の微構造にも関与し
、靭性向上にも寄与する。

等の作用が奏されることから、比較的低温度で、機械的
強度等の緒特性に優れた高密度ＳｉＣ焼結体を容易に得
ることができる。

しかも、５ｉ０２を混合使用するため、■　焼結用Ｓｉ
Ｃ粉末の製造において酸処理工程が省け、また保存に際
し、不活性ガス封入等も不要となる。

ことから、製造コスト、保存コストを低減することがで
きる。

本発明によれば、高温構造物、装置類の構成素材に好適
な高特性ＳｉＣ焼結体を効率的にかつ安価に製造するこ
とができ、工業的、経済的に極めて有利である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）平均粒径１．０μｍ以下の炭化珪素粉末８５〜９
   ８重量部、二酸化珪素０．５〜５重量部、炭素成分１〜
   １０重量部及びホウ素成分０．１〜３重量部を含む混合
   物を加圧成型し、１９００〜２３００℃で焼結すること
   を特徴とする炭化珪素焼結体の製造方法。
2. （２）混合物の加圧成型後、１３５０〜 １６００℃で仮焼した後焼結することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の方法。
3. （３）炭化珪素粉末の粒子表面に二酸化珪素層が形成さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第
   ２項に記載の方法。
4. （４）混合物中の二酸化珪素が０．５〜５．０重量部で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３
   項のいずれか１項に記載の方法。