JPS6364968A

JPS6364968A - 炭化ケイ素質複合セラミツクス

Info

Publication number: JPS6364968A
Application number: JP61207004A
Authority: JP
Inventors: 俊彦谷; 重孝和田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1986-09-03
Filing date: 1986-09-03
Publication date: 1988-03-23
Anticipated expiration: 2010-06-07
Also published as: US4925815A; JPH0753604B2

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）本発明はガスタービンエンジン部品やターボチャージャ
ーロータ部品等１４００℃以上において耐高温性能２５
′Ｅ要求される製品に適用でき。

かつ、放電加工も可能な高靭性炭化ケイ素質複合セラミ
ックスに関するものである。

（従来技術）化ケイ素質材料に比べて耐熱温度が高く、特に炭化硼素
や窒化アルミニウム等の酸化物以外の焼結助剤を添加し
た系では１５００℃以上の温度でも張度が低下しない。

しかしながら、その最大の弱ＳａＣ− ある。このため、蟇−質材料でタービンロ桂夕等を製造
した場合、飛来した異物粒子によって翼に欠けが生じや
すいという致命的な欠点があった。

化アＡ／ミナ複合セラミックスがＷｅｉ　ｂ　（Ｇ、　
Ｏ，Ｗｅａｎｄ　　Ｐ、　Ｆ、　　Ｂｅｏｈｅｒ、Ａｍ
、　　　（ンｅｒａｍ、　　８ｏｃ、　　　Ｂｕｇｌｌ
、　　＊　　６４＋上野ら〔上野和夫、樋端保夫、魚業
協会誌、ｖ。

鬼１１．Ｐ４９１−４９７（１９８３）〕によって製造
され、ウィスカーを加えていないものよシも高い破壊靭
性値を得ている。

しかし、これらの複合セラミックスでは、破壊靭性値は
向上したが、マトリックス材料の耐熱性に限界があシ０
本発明が目的とする１４００℃以上での高温強度は不十
分であった。

（発明が解決しようとする開門点）本発明は高温強度と破壊靭性値がともに太きＳ、Ｑく、かつ、導電性を有する一質複合セラミックスの開発
を目的としてなされたものである。

（問題点を解決するための手段）ウィスカーは、直径が０．０２〜２μｍの範囲が望まし
い。直径が０．０２μｍよシ小さいと添加効果が認めら
れず、破壊靭性値はほとんど改善されない。２１ｔｍよ
り大きくなるとこの大きさの欠陥を導入することになシ
強度は低下する。また、長さと直径の比は５以上が望ま
しい。これ工υ小さいと粉末としての性質が強くなって
ウィスカーとしての効果が出Ｋ＜くなる。また、グラフ
ァイトウィスカーはできるだけ直線罠近い形状が靭性改
佇上有利である。グラファイトウィスカーの含有量は体
積割合で５〜５０％が望ましい。５％未満では破壊靭性
値改善効果がなく、一方、５０５６を越えると緻密化が
困難で強度が著しく低下する。

焼結促進のために加える焼結助剤は、８１Ｃ■焼結助剤
として通常側われているもの９例えば硼素あるいは硼素
化合物。アルミニウムあるいはアルミニウム化合物また
は希土類酸化物等を用いる。

硼素化合物としては炭化硼素（Ｂ、Ｃ）、窒化硼素（Ｂ
Ｎ）燐化硼素（ＢＰ）等がある。アルミニウムＡｅａｏ
ｓ）等があり、希土類酸化物としてはＹ２Ｏ。

等があるが、単独では効果がなく　Ａ　ｅ　ｔ　Ｏｓや
Ｍｆ　Ａ　ｌ　！０４と組み合わせた場合にのみ有効で
ある。焼結助剤の添加量は炭化ケイ素１００重量部に対
し、硼素あるいは硼素化合物は０．１〜５重量部、アル
ミニウムあるいはアルミニウム化合物は１：２０重量部
、希土類酸化物は１＝２０重量部とするのが望ましい。

これらの焼結助剤は２種以上のものを混合して用いても
よい。また、常圧焼結法を用いる場合は０通常、硼素、
　ＢＮ、　Ｂ、Ｃ等の硼素源となる物質とカーボンプラ
、り、フーノー／Ｌ’樹脂等の炭素源となる物質との両
者を添加する。その添加量は炭化ケイ素１００重量部九
対し、硼素源となる物質が０．２〜５重量部、炭素源と
なる物質が焼結後の残量として０．５〜３重景部とする
のが望ましい。

８ｉＣはβ型、β型のいずれでも良い。その平均粒径は
５ｐｍ以下であるのが望ましい。これよシ大きいと強度
が低下する。炭化ケイ素は木複合セラミックスの主構成
成分であり所定量の焼結助剤が添加さ八た後、該混合粉
に上記体積割合のグラファイトウィスカーが混合される
。

本発明におけるグラファイトウィスカー強化炭化ケイ素
複合セラミックスの製造はグラファイトウィスカー、焼
結助剤および炭「ヒケイ素■三者を混合する工程と該混
合粉末を焼結する工程とからなる。いずれもセラミック
スの製造の際に通常用いられる方法でよい。

混合は通常湿式にて行われるが、グラフ１イトウイヌ力
−はエチルアルコール等有機溶媒中で超音波照射や機械
的攪拌等により、あるいはこれに界面活性剤を加えて、
十分分散させ、ＩＱ集塊をなくしておくのが望ましい。

場合罠よっては焼結助剤、　８４０．グラフ１イトウイ
スカーに有機結合剤を加え、混練すること罠よシ、グラ
フ１イトウィスカーを均一に分散させる方法もとられる
。

焼結嫁混合後、乾燥した粉末自体あるいは金型等によシ
成形した成形体をホットプレス法、常圧焼結法または熱
間静水圧焼結法（ＨＩＰ）等の方法によって行なう。ホ
ットプレス１１８００〜２３００℃の温度で、１０ＭＰ
ｍ以上の圧力でなされる。

１８００℃未満の温度では十分緻密なホットプレス体を
得ることはできず、ｌた２５００℃ケ越えると炭化ケイ
素自体の熱分解が始まるため好ましくない。雰囲気は、
　Ａｒ　、Ｎ、　、Ｈ，等非酸化性雰囲気が最も好まし
いが１通常の大気雰囲気ホットプレスでも黒鉛ダイスと
大気との反応によって還元効果を有するＧ　Ｏ＋　Ｎ　
！雰囲気となるため、グラフ１イトウイスカーの損傷は
なく、良好か複合セラミックスが得られる。

グラファイトウィスカーの含有量が１０体積％以下であ
れば、ホットプレス法によらなくても。

常圧焼結法、すなわち、成形体を常圧の非酸化性雰囲気
中において、１８００〜２３００ｔ：の温度で焼成する
ことにより、緻密で靭性の高い焼結体を得ることができ
る。

ＨＩＰ（熱間静水圧装置）を用いる場合には。

混合粉に必要罠応じて有機結合剤等を加え、金型成形、
ラバープレス、押出成形、射出成形等の成形法で所望の
形状だする。あるいは、スラリーを鋳込んで乾燥する。

スリップキャスト法にて所望の形状を得る。成形や−を
脱脂した後、ガラスカプセルあるいはガラスパヌに封入
し、いわゆる「直接ＨＩＰＪにより、緻密で高強度・高
靭性の複合材を得ることができる。ＨＩＰ条件は１７０
０〜２２００℃で５０ＭＰ−以上が望ましい。また、こ
れらの成形体を１８００〜２３００℃で焼成した後、１
７００４１９００℃、５０ＭＰ、以上でＨＩＰ処理する
。いわゆる「ポス）ＨＩＰＪによシ、緻密で高強度・高
靭性の複合セラミックスを得ることもできる。

（作用および効果）本発明においては８ｊＣをグラファイトウィスカーで強
化しているため、亀裂が進行する際に。

ウィスカーによって亀裂の屈曲（クラック・ディフレク
シ曹ン）、亀裂の分岐（クラック・ブランチング）、マ
トリ、クスからの引き抜き（フルアウト）が生じ、こｒ
ｔＫより破壊エネルギーが増大上　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　上　　処ＣＰ’ｍ１程度であるのに対し、４〜８Ｍ
Ｐ、−■吟値が得られる。Ｃの主効果の他、２つＱ副効
果があるｅｌつは、グラフ１イトウイスカーという異物
の存在の九めに１通常２１００℃以上の焼成温度で生じ
る異常粒成長（巨大板状晶の威成）とそれにともなう強
度低下が防止できることであシ。

グラファイトウィスカー添加炭化ケイｇ（ｎ、ｃｔ焼結
助剤として添加）は２１５０℃という高温でホットプレ
スした試料でも、１０μｍ以下の粒子から成り、４００
ＭＰ−以上の抗折強度を維持する。

また、従来の８ｉＣ焼結体は硬く、シかも、もろい念め
、難加工性であるうえ、比抵抗が１０’Ω１以上あり、
放電加工もできなかった。しかし。

グラフ１イトウイスカーを添加した本発明のセラミック
スは、著しく比抵抗が低下するため、放電加工が可能と
なシ、焼結体から望みの形状の部品を得ることができる
。

（実施例）実施例１゜ β−５ｔＣ＜平均粒径０．２７μｍ）Ｋ焼結助剤である
炭化硼素（平均粒径０，６３μｍ）を５重量％加え、易
焼結８ｉＣ原料全作製した。この易焼結原料にグラファ
イトウィスカー（直径０．１〜１μｍ。

長さ５〜１００μｍ）を体積比で９０：１０．８０：２
０．　７０：３０．　６０：４０．　５（１：５ＯＫな
るよう罠混合した。該混□合物に有機結合剤を添加し、
混練すること罠よりグラフ１イトウイスカーを均一に分
散させた。

次に０Ｍ混合物を１００℃尺保持した恒温槽中で乾燥し
た。このよう圧して作製した混合物をＡｒ雰囲気中ＶＣ
訃いて２１５０℃、２５ＭＰａの圧抵抗を調べた結果を
示す。相対密度はアルキメゾに工Ｃ恥ζ値はゲラフッイトウィスカーを添加しないＳｔＣが
２．７　ＭＰ＃ｍｒであるＯＫ対し、グラフディトウィ
スカーを１０体積％添加すると４．１ΔＩＰ　ａ　ｍ丁
と著しく増大し添加量が５０％までは添加量とともに増
加した。四点曲げ強度もグラフ１イトウイスカーを添加
すること罠より増加した。１４００℃）Ｃおいても室温
強度以上の強度を示した。ただし、添加量が６０体積％
になると密度が９２％と低くなシ四点曲げ捺度が無添加
のものよシ低下した。

また、グラファイトウィスカーを添加しでいない５ＩＣ
Ｏ比抵抗は２　Ｘ　１０’Ω備であり、放電加工を行う
ことはできなかったが、グラフ１イトウイスカーを１０
体積％以上添加すると、比抵抗が１０１以下となシ、放
電加工が可能となう九。特に第　　　１　　　表２０体積％以上υウィスカーを添加した焼結体は比抵抗
が０，１０Ｇ以下であシ、厚さ３０のホットプレス体で
も放電加工による切断が可能であった口夾施例２゜次に焼結助剤を変えた場合の効果を調べるためにβ−３
ｊＣ（平均粒径０．２７　μｎ　）　ｉＣ対し、＠２表
に示す焼結助剤（いずれも粒径１μｍ以下）を加え、グ
ラファイトウィスカー（１！径０．１ん１μｍ、長さ５
〜１００μｍ）？添加しないも■と。

３０体積％添加したものとを夫々表に示す温度で。

ムｒ雰囲気中、２５ＭＰＪの圧力で１時間ホットプレス
した。焼結助剤の添加量はβ−３ｉ０１００重量部に対
し硼素およびＢＮが３重量部、Ａ４１Ｎ。

Ａ　ｔ’　ｚ　Ｏ３，＆よびＡｔｔ、Ｃｓが５重量部、
Ａｌｌ＊Ｃｈ　＋　’ｔｘｃｈは各３重量部、　ＭｆＡ
（１＊ｏ＜　＋　Ｙ＊Ｏｓも各３重一部でおる。

第２表■ように、グラファイトウィスカーのした。また
、比抵抗にいずれも１０１以下でアク放電加工が可能で
あった。

実施例３ β−３ｊＣ（平均粒径０．２７ｐｍ　）ｉｃＢ、ｃ！　
（平均粒径０．６５μｍ）を０．５重量％およびカーポ
ンプフック（平均粒径０．０２　呻”）を１．５重量％
加え。

易焼結８７０原料とした。この易焼結原料とグラフ１イ
トウイスカー（直径０．１〜１μｍ、長さ５〜１００μ
ｍ）が６体積比で９５＝５になるように混合し、３０Ｍ
Ｐ−の圧力で金型成形した後、３００ＭＰ、（Ｄ静水圧
で成形した。成形体を１６００℃まで真空中で加熱した
後、炉内ＫＡｒを導入し、２１００℃、１ｈｒ■常圧焼
結を行った。

焼結体の特性は第３表のようＫなシ、ウィスカーを加え
ていないものと比べて強度はほぼ同じだが・Ｋｘｃ値は
１．５倍に増加した。また、比抵抗はいずれも１Ω備以
下であシ、放電加工が可能であった。　　　　　　　第
　Ｓ　表実施例４゜Ｂ、Ｃ（平均粒径０．６３１１ｍ　）を３重量％含むβ
−８ｉＣＣ平均粒径０．２７μｍ）に対し、グラファイ
トウィスカー（直径０．１〜１μｍ、長さ５〜１００μ
ｍ）？３０体積％加え、湿式混合後、乾燥し、３０ＭＰ
、の圧力で金型成形した。この成形体をガラスカプセル
に真空封入後、　　１９００℃、２００ＭＰａの圧力で
１時間ＨＩＰ処理を行ったところ、密度１００％、１４
００℃での４点曲げ強度６８ｋｇｆ／　”’　ｏ　Ｋｘ
ａ値６．６　ＭＰ−ｍｒノ高ｉｌ性複合セ’Ｆ　ミｙク
スを得た。また、比抵抗は１０１以下であシ。

放電加工が可能であった。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）５〜５０体積％のグラフアイトウイスカーを含み
、残部が炭化ケイ素と焼結助剤からなることを特徴とす
る高靭性炭化ケイ素質複合セラミックス。
（２）グラフアイトウイスカーは、その直径が０．０２
〜２μｍである特許請求の範囲第（１）項記載の高靭性
炭化ケイ素質複合セラミックス。