JPS63282161A - 炭化ケイ素焼結体およびその製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、高硬度で摺動特性が良く、優れた耐食性を持
ち、また１０００℃を超える高温でも強度劣化のない緻
密な炭化ケイ素焼結体およびその製造方法に関する。

［従来の技術］ 近年、工業の発達により、機械部品にはこれまでの金属
材料や有機材料では耐え得ない、高い摺動性、硬度、耐
食性、高温強度などが要求されるようになった。

これらの要求に対して、炭化ケイ素材料はこれらの特性
を満足する優れた材料であるが、圧力をかけずにこの緻
密な焼結体を得ることは困難とされていた。

しかし最近、ホウ素系添加剤、アルミニウム系添加剤お
よび炭素系添加剤等を用いて無加圧で焼結する方法が報
告されている。例えば、■　特公昭５７−３２０３５号
公報には、β型炭化ケイ素に０．３〜３重量％のホウ素
含有物質と０．１〜１．０重量％の炭素材料を加えて無
加圧焼結する方法、 ■　特公昭５９−３４１４７号公報には、５０％以上の
α型、炭化ケイ素に０．１５〜３重量％のホウ素含有物
質と０．５〜５重量％の炭素材料からなる焼結体、■　
特公昭５ｇ−９７８５号、公報には、ホウ素とアルミニ
ウムが総量で０．１５〜０１．６重量％、ホウ素／アル
ミニウムの原子比で０．１５≦ホウ素／アルミニウム＜
２．０の範囲、すなわち重量％でホウ素に対してアルミ
ニウムが過剰である炭化ケイ素焼結体の製造方法、 がそれぞれ開示されている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、上記■の特公昭５７−３２０３５号公報に記載
の方法では、出発原料にβ型の炭化ケイ素を用いている
ため、１６００℃以上で起こるβ−αの結晶変態とそれ
に伴う粒成長を抑えるために窒素と希ガスの混合ガスを
用いることが示されており、結晶変態の制御に注意を要
するという欠点がある。

また、■の特公昭５９−３４１４７号公報の焼結体によ
れば、添加するホウ素量は０．１５〜３．０重量％であ
り、更に好ましくは０．１８〜０．３８重量％であり、
最適量は０．３重量％であることが示されているが、ホ
ウ素の添加量が多すぎるので、ホウ素が粒界層に析出し
やすく、強度低下の原因となる。

さらに、■の特公昭５８−９７８５号公報の方法によれ
ば、ホウ素とアルミニウムの合計量が０．１５〜０．６
重量％で、ホウ素／アルミニウムの原子比が０．１５≦
ホウ素／アルミニウム＜２．０の範囲で添加することが
示されており、ホウ素／アルミニウムが２．０を超える
と、粒成長のため焼結による緻密化が困難となることが
示されている。

本発明は、これらの従来技術の問題点に鑑みてなされた
もので、上記した諸特性に優れ、特に緻密で粒成長がな
く、常温のみならず高温まで高い抗折強度を有する炭化
ケイ素焼結体およびその製造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および作用コ本発明者等
は、上記問題点を解決するために鋭意研究を重ねた結果
、α型を主成分とする炭化ケイ素を用い、ホウ素含有物
質とアルミニウム含有物質を特定範囲で添加して、アニ
ーリングおよび焼成することにより、緻密で粒成長がな
く、高温まで高強度の炭化ケイ素焼結体の得られること
を見出し本発明を完成するに至った。

すなわち本発明は、α型が９０重量％以上の炭化ケイ素
粉末に対して、ホウ素含有物質をホウ素に換算して０．
０３〜０．１２重量％、アルミニウム含有物質をアルミ
ニウムに換算して０．０３〜０．０７重量％、かつホウ
素／アルミニウムの重量比が１．０以上であり、さらに
炭素材料を１〜１０重量％含有することを特徴とする炭
化ケイ素焼結体である。

以下、本発明をさらに詳細に説明する。

本発明で原料となる炭化ケイ素は、α型を主成分とする
炭化ケイ素であって、少なくともその組成が９０重量％
以上のα型相を含有することが必要である（以下、この
炭化ケイ素をα型炭化ケイ素という）。α型相がこれよ
りも少ないと、異常な粒成長が起こったり、高温での抗
折強度が維持できなくなる等、特性的に満足できないも
のとなる。

また、原料となるα型炭化ケイ素は、比表面積が１０ｍ
　／　ｇ以上のものが望ましい。これより比表面積が低
いと緻密化が困難となる。

添加するホウ素含有物質としては、ホウ素、ホウ酸、ホ
ウ化チタン、ホウ化クロム、ホウ化ニオブ、ホウ化ジル
コニウム、ホウ化ニッケル、ホウ化モリブデン、ホウ化
ランタン、ホウ化タンタル、ホウ化アルミニウム、ホウ
化バナジウム、ホウ化マンガン、ホウ化コバルト、ホウ
化タングステン等が適宜用いられ、これらの混合物を用
いてもよい。

これらのホウ素含有物質の添加量は、ホウ素に換算して
０．０３〜０．１２重量％の範囲である。

ホウ素含有量が０．０３％よりも少ないと緻密化が困難
となり、また０、１２％より多いと緻密化は容易である
が、過剰のホウ素が粒界に析出し、て強度劣化の原因と
なる。

アルミニウム含有物質としては、金属アルミニウム、ア
ルミナ、窒化アルミニウム、リン化アルミニウム、硫酸
アルミニウム、硝酸アルミニウム、塩化アルミニウム等
が適宜用いられ、これらの混合物を用いてもよい。

これらのアルミニウム含有物質の添加量は、アルミニウ
ムに換算して、０．０３〜０．０７重量％の範囲である
。アルミニウムの添加量が０．０３重量％未満では、焼
結体中にボイドが多く、強度の低下を招き、強度のバラ
ツキの原因となり、またアルミニウムの添加量が０．０
７重量％を超えると、高温強度に劣る。

また、アルミニウムに対するホウ素（Ｂ／ＡＪ）の重量
比は１．０以上とすることが必要である。このように、
ホウ素に対してアルミニウムをホウ素量よりも少なく微
量添加することで、優れた特性のα型炭化ケイ素焼結体
が得られる。

粒成長抑制剤として添加される炭素材料は、カーボンブ
ラック等の粉末よりも、炭化率の高い、例えばフェノー
ル樹脂等の有機高分子化合物を用いて炭化ケイ素粉末と
の接触性を上げることが、結晶粒径の揃った緻密な炭化
ケイ素焼結体を得るために有効である。この炭素材料の
添加量は、１〜１０重量％の範囲で適宜選択される。

次に、炭化ケイ素焼結体の製造方法について説明する。

すなわち本発明の製造方法は、α型が９０重量％以上の
炭化ケイ素粉末に対して、ホウ素含有物質をホウ素に換
算して０．０３−０．１２重量％、アルミニウム含有物
質をアルミニウムに換算して０．０３〜０．０７重量％
、かつホウ素／アルミニウムの重量比が１．０以上とな
るように添加した混合粉末を成形し、得られた成形体を
１４００〜１８００℃、２時間以上熱処理した後、２１
．００〜２３００℃で焼成することを特徴とする炭化ケ
イ素焼結体の製造方法である。

ここで用いられるホウ素含有物質、アルミニウム含有物
質および炭素材料等の添加剤も分散を助けるため、微細
化することが好ましく、添加量を充分規制出来るのであ
れば、液状にて添加することも可能である。

これら炭化ケイ素粉末とホウ素含有物質等の添加剤の混
合は、添加剤を必要量調合し、湿式にて充分混合を行な
い、溶媒分を除去して乾燥させる。

工業的な粒子の乾燥には、噴霧乾燥、冷凍乾燥等が有効
である。

乾燥された粉末は、篩等を通して粒径を調整した後に、
プレス成形、押出し成形、鋳込み成形、射出成形等で所
望の形状に成形する。

得られた成形体は、不活性炉にて１４００〜１８００℃
、２時間以上熱処理（アニーリング）に供される〇昇温
速度としては、例えば１０〜ｂ 択される。本発明が微量の添加剤（焼結助剤）により充
分焼結する理由は、１４００〜１８００℃、２時間以上
アニーリングを行なうことにより、微量のアルミニウム
分とホウ素分がα型炭化ケイ素の表面に充分拡散するた
めと考えられる。

アニーリングを行なった後、２１００〜２３００℃、好
ましくは２１５０〜２２００℃にて焼成を行なう。昇温
速度としては、アニーリングと同様に、例えば１０〜ｂ 囲気ガスとしては、Ａｒ　ＳＮ２　、Ｎｅ等の不活性ガ
スを用いられる。

なお、本発明者等は、β型を主体とした炭化ケイ素にお
いても、同様の操作を試みたが、α型炭化ケイ素を用い
た場合と比較して、高価なホウ素とアルミニウムが０．
１重量％以上余計に要する結果となワた。

［実施例］ 以下、実施例および比較例により本発明をさらに詳しく
説明する。

実施例１ 平均粒径０．５μ、ＢＥＴ表面積１７７ｒｔ／ｇのα型
炭化ケイ素（原料中、アルミニウム０．０１１重量％、
ホウ素０．００２重量％、鉄０．０２４重量％含有）　
１００ｇに、金属ホウ素ｏ、ｏｇ　ｇ　、アルミナ０．
０５　ｇおよび炭化率４０％のフェノールレジン（レゾ
ールタイプ）　ｌＱｇを加え、メタノール２００ｇにモ
ノボール（１０φ）を１００ｇ投入し、ボールミルで２
０時間間部した。

次に、エバポレーターにてメタノールを蒸発させた後に
３００メツシユの篩を通して解砕した。

得られた粉末を５０Ｘ４０ｓ１１の金型にて、１００Ｎ
９／ｄの圧力で押した後に、油圧成形（ＣＩ　Ｐ）にて
２０００Ｋｇ／ｃｆｆｌの圧力をかけて成形体を得た。

この成形体を不活性炉で昇温速度１５℃／分で昇温し、
１６００℃で２時間保持してアニールした後１再び１５
℃／分で昇温し、２１５０℃で１時間保持して゛焼結さ
せ、その後放冷した。不活性炉中の雰囲気ガスはアルゴ
ンガスを使用した。

得られた焼結体より、３Ｘ４Ｘ３０ｍｓ＋の試験片を切
り出し・アルキメデス法にて密度測定をした後に、下ス
パン３０ＩＩＩｌｌ＋の三点曲げ強度を測定した。

これらの特性測定の結果は、嵩密度３．１７ｇ／ｃｄ。

抗折強度は、常温では５９０　Ｍ　Ｐ　ａ　／ｍ２．１
４００℃では６１０　Ｍ　Ｐ　ａ　／　ｌｌｌｌＩ２で
あった。

また、エツチングした粒子表面の電子顕微鏡写真を第１
図に示す。この第１図から明らかなように、得られた炭
化ケイ素焼結体は、異常な粒成長もなく、粒径の揃った
微細なものであった。

これらの測定結果を第１表に示した。

実施例２〜３、比較例１〜９ 第１表に示したように、炭化ケイ素粉末の種類およびホ
ウ素とアルミニウムの添加量を変量して、実施例１と同
様の操作により焼結体を得た。得られた焼結体を実施例
１と同様に特性を測定した。

これらの結果を第１表に示した。なお、ここにおいて、
炭素材料としては、実施例１と同様のフェノールレジン
を実施例１と同量用いた。

これら第１表の実施例および比較例の結果から明らかな
ように、実施例１〜３の焼結体は、ホウ素／アルミニウ
ム比が１．４〜２．３の範囲で、異常な粒成長もなく、
１４００℃という高温でも充分に抗折強度を維持してい
ることが判る。

これに対し、アルミニウムの量が多すぎる比較例１では
、異常粒子成長が認められ室温および高温抗折強度共に
不十分であり、アニールを行わない比較例２の場合には
焼成後の嵩密度が低く、異常粒子成長が認められ、製品
として供することができず、抗折強度を測定するまでも
なかった。

また、β型を用いた場合には、比較例４のように本発明
と同じ程度のホウ素およびアルミニウム量では、嵩密度
が低く、比較例３の場合には多くのホウ素およびアルミ
ニウム量を必要とし、異常粒子成長も認められた。

さらに、ホウ素に対してアルミニウムが多すぎる比較例
５の場合およびアルミニウムに対してホウ素が少ない比
較例６の場合には焼成後の嵩密度が低く、抗折強度を測
定するまでもなかった。

また、ホウ素の量が多すぎる比較例７では、５”常粒子
成長は認められないが、抗折強度が不＋３であった。逆
に、アルミニウムが多すぎる比較ド８では異常粒子成長
は認められないが抗折強度力不十分であり、アルミニウ
ムが足りない比較例Ｆでは、異常粒子成長は認められな
いが抗折強度ル不十分であった。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の炭化ケイ素焼阜。

体およびその製造方法によれば、粒成長のない本二密な
焼結体が得られる。また、１４００”Ｃという高たでも
抗折強度を維持できるので、摺動特性、硬ｔおよび耐蝕
性等が要求される種々の高温材料とＩて使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により得られた炭化ケイ素焼糺体を示す
電子顕微鏡写真（Ｘ　１０００）。 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、α型が９０重量％以上の炭化ケイ素粉末に対して、
   ホウ素含有物質をホウ素に換算して０．０３〜０．１２
   重量％、アルミニウム含有物質をアルミニウムに換算し
   て０．０３〜０．０７重量％、かつホウ素／アルミニウ
   ムの重量比が１．０以上であり、さらに炭素材料を１〜
   １０重量％含有することを特徴とする炭化ケイ素焼結体
   。 ２、前記炭化ケイ素粉末の比表面積が１０ｍ＾２／ｇ以
   上である特許請求の範囲第１項記載の炭化ケイ素焼結体
   。 ３、前記ホウ素含有物質が、ホウ素、ホウ酸、ホウ化チ
   タン、ホウ化クロム、ホウ化ニオブ、ホウ化ジルコニウ
   ム、ホウ化ニッケル、ホウ化モリブデン、ホウ化ランタ
   ン、ホウ化タンタル、ホウ化アルミニウム、ホウ化バナ
   ジウム、ホウ化マンガン、ホウ化コバルト、ホウ化タン
   グステンから選ばれる少なくとも１種である特許請求の
   範囲第１項または第２項記載の炭化ケイ素焼結体。 ４、前記アルミニウム含有物質が、金属アルミニウム、
   アルミナ、窒化アルミニウム、リン化アルミニウム、硫
   酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、塩化アルミニウム
   から選ばれる少なくとも１種である特許請求の範囲第１
   項、第２項または第３項記載の炭化ケイ素焼結体。 ５、α型が９０重量％以上の炭化ケイ素粉末に対して、
   ホウ素含有物質をホウ素に換算して０．０３〜０．１２
   重量％、アルミニウム含有物質をアルミニウムに換算し
   て０．０３〜０．０７重量％、かつホウ素／アルミニウ
   ムの重量比が１．０以上となるように添加し、さらに炭
   素材料を１〜１０重量％添加した混合粉末を成形し、得
   られた成形体を１４００〜１８００℃、２時間以上熱処
   理した後、２１００〜２３００℃で焼成することを特徴
   とする炭化ケイ素焼結体の製造方法。 ６、前記炭化ケイ素粉末の比表面積が１０ｍ＾２／ｇ以
   上である特許請求の範囲第５項記載の炭化ケイ素焼結体
   の製造方法。 ７、前記ホウ素含有物質が、ホウ素、ホウ酸、ホウ化チ
   タン、ホウ化クロム、ホウ化ニオブ、ホウ化ジルコニウ
   ム、ホウ化ニッケル、ホウ化モリブデン、ホウ化ランタ
   ン、ホウ化タンタル、ホウ化アルミニウム、ホウ化バナ
   ジウム、ホウ化マンガン、ホウ化コバルト、ホウ化タン
   グステンから選ばれる少なくとも１種である特許請求の
   範囲第５項または第６項記載の炭化ケイ素焼結体の製造
   方法。 ８、前記アルミニウム含有物質が、金属アルミニウム、
   アルミナ、窒化アルミニウム、リン化アルミニウム、硫
   酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、塩化アルミニウム
   から選ばれる少なくとも１種である特許請求の範囲第５
   項、第６項または第７項記載の炭化ケイ素焼結体の製造
   方法。