【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
［産業上の利用分野］
本発明は炭化珪素質焼結体、更には、常圧焼成
により得られる高密度の炭化珪素質焼結体に関す
る。
［従来の技術］
炭化珪素質焼結体は古くから耐火物用として存
在してきたが、近年は、エンジニアリングセラミ
クスとして、ガスタービン等、高温で作動する装
置類の機構部材としてその応用が展開されつつあ
る。このように耐火物からエンジニアリングセラ
ミクスに用途が変化するにつれて、耐火物的用途
の場合のように粘土類を主体とした添加物では、
エンジニアリングセラミクスの用途には性能的に
充分対応できなくなり、新たな添加剤が種々開発
されつつある。その主なものは、炭素、炭化硼
素、酸化硼素等の炭素または硼素を含む化合物が
多い。これらの他に、酸化アルミニウム、各種の
炭化物等がわずかではあるが提案されている。し
かしながら、炭化珪素は非常に焼結しにくいセラ
ミクスであるため、焼結方法としては、ホツトプ
レス法を採用するものがほとんどである。
しかるに、ホツトプレス法は、複雑な形状物品
を得るには不適当な方法である。そこで、複雑な
形状が要求されることの多いエンジニアリングセ
ラミクスとして、常圧焼結によることが望まれる
わけであるが、現在までのところ、常圧焼結で充
分な高密度、かつ高強度を有する炭化珪素質焼結
体を得るのは困難である。
［発明の解決しようとする問題点］
本発明者は、以上の点に鑑み、常圧焼結により
高密度、高強度を達成すると同時に、高温でも耐
酸化性、耐熱衝撃性および耐摩耗性の大きな真に
有用な炭化珪素質焼結体を得る方法を種々検討の
結果、本発明に至つたものである。
［問題点を解決するための手段］
本発明は、アルミニウム化合物をアルミニウム
に換算して0.1〜20重量％と炭化硼素を５〜40重
量％含む炭化珪素質焼結体を要旨とするものであ
る。
炭化珪素への添加剤としてアルミナなどのアル
ミニウム化合物は既に知られているが、これらの
添加剤のみでは耐摩耗性、耐熱衝撃性が不充分で
あるという欠点がある。
しかしながら、炭化珪素とAl化合物の組合せ
の系にさらに炭化硼素を５〜45重量％加えること
により、上記の欠点が解消されることが見出され
た。
この現象についての解析はまだ充分になされた
わけではないが、炭化硼素は比較的炭化珪素との
親和力が強く、また、相互にわずかではあるが固
溶することにより炭化珪素質焼結体の強度を改善
し、耐熱衝撃性も良くなるものと思われる。ま
た、耐摩耗性の向上も、アルミナなどより一般に
硬度の大きい炭化物を用いることによるものと思
われる。
本発明は、以上のようにアルミニウム化合物と
炭化硼素との相乗作用の効果をうまく利用したも
のであつて、アルミニウム化合物の添加量が0.1
重量％以下では炭化珪素の焼結が不充分であり、
また、20重量％以上では炭化硼素を用いても、耐
摩耗性、耐熱衝撃性等の欠点は改善されないこと
から上記数値限定は必要となる。
また、炭化硼素の量が５重量％以下では目的と
する効果が得られないし、また、40重量％以上で
は、添加剤の量が多くなりすぎて、本来の炭化珪
素の低膨脹性等の良い特性が失なわれることから
上記数値限定は必要となる。
更に、本発明者等が検討を加えた結果による
と、アルミニウム化合物のうち酸化アルミニウ
ム、炭化アルミニウム、窒化アルミニウム、硼化
アルミニウム、わけても酸化アルミニウムが本発
明全体の構成からみて、炭化珪素の焼結効果がよ
いことを見出した。
また、炭化硼素は焼結体の重量を増加せしめず
に高硬度焼結体を得ることができる。
また、本発明で用いる炭化珪素はβ−炭化珪素
であことが好ましいが、必ずしも全部がβ−炭化
珪素である必要はなく、40重量％までのα−炭化
珪素を含んでいても差支えない。
上記の割合で配合した混合粉末は、常法により
成形することが可能である。即ち、比較的単純な
形状の場合には、カルボキシメチルセルローズを
少量結合剤として加えてプレス成形することもで
きるし、やや複雑な形状の場合には、ポリビニル
アルコールなどの結合剤を加えた泥漿にして石膏
型に鋳込成形することも可能である。かようにし
て成形された物品は常法により充分に乾燥した
後、非酸化性雰囲気中で1800〜2400℃で焼成され
る。
焼成時間は、使用する原料のスペツクにより、
あるいは成形品の大きさにより0.1〜24時間程度
から選択される。
［実施例］
炭化珪素粉末に対して酸化アルミニウム粉末、
窒化アルミニウム粉末、炭化硼素粉末を第１表に
示す割合に配合したものをプレス成形ないしは、
泥漿鋳込成形して成形品を得た。次にこれら成形
品を充分に乾燥した後、電気炉で窒素雰囲気中で
所定温度にて焼成した。得られた焼結体の特性を
第１表に併記した。
[Industrial Application Field] The present invention relates to a silicon carbide sintered body, and more particularly to a high-density silicon carbide sintered body obtained by normal pressure firing. [Prior Art] Silicon carbide sintered bodies have been used as refractories for a long time, but in recent years, their applications have been expanded as engineering ceramics and as mechanical components for devices that operate at high temperatures, such as gas turbines. be. As the applications have changed from refractories to engineering ceramics, clay-based additives, such as those used for refractories, have
These additives are no longer suitable for use in engineering ceramics in terms of performance, and various new additives are being developed. The main ones are compounds containing carbon or boron, such as carbon, boron carbide, and boron oxide. In addition to these, aluminum oxide, various carbides, and the like have been proposed to a limited extent. However, since silicon carbide is a ceramic that is extremely difficult to sinter, most sintering methods employ a hot press method. However, the hot press method is unsuitable for obtaining articles with complex shapes. Therefore, pressureless sintering is desired for engineering ceramics, which often require complex shapes, but to date, pressureless sintering has achieved sufficient density and strength. It is difficult to obtain a silicon carbide sintered body. [Problems to be Solved by the Invention] In view of the above points, the present inventor has achieved high density and high strength through pressureless sintering, and at the same time, has achieved high oxidation resistance, thermal shock resistance, and wear resistance even at high temperatures. The present invention was developed as a result of various studies on methods for obtaining large and truly useful silicon carbide sintered bodies. [Means for Solving the Problems] The gist of the present invention is a silicon carbide sintered body containing 0.1 to 20% by weight of an aluminum compound and 5 to 40% by weight of boron carbide in terms of aluminum. . Aluminum compounds such as alumina are already known as additives to silicon carbide, but these additives alone have the disadvantage that wear resistance and thermal shock resistance are insufficient. However, it has been found that the above drawbacks can be overcome by adding 5 to 45% by weight of boron carbide to the combination system of silicon carbide and Al compound. Although this phenomenon has not been fully analyzed yet, boron carbide has a relatively strong affinity with silicon carbide, and the strength of the silicon carbide sintered body is increased by solid solution of boron carbide, albeit slightly. It is thought that this will improve the thermal shock resistance. It is also believed that the improvement in wear resistance is due to the use of carbide, which generally has greater hardness than alumina or the like. The present invention makes good use of the synergistic effect of the aluminum compound and boron carbide as described above, and the amount of the aluminum compound added is 0.1.
If it is less than % by weight, the sintering of silicon carbide is insufficient;
Further, even if boron carbide is used in an amount of 20% by weight or more, defects such as wear resistance and thermal shock resistance cannot be improved, so the above numerical limitation is necessary. In addition, if the amount of boron carbide is less than 5% by weight, the desired effect cannot be obtained, and if it is more than 40% by weight, the amount of additive becomes too large, and the low expansion properties of silicon carbide, etc. The above numerical limitation is necessary because the characteristics will be lost. Furthermore, according to the results of studies conducted by the present inventors, among aluminum compounds, aluminum oxide, aluminum carbide, aluminum nitride, aluminum boride, and especially aluminum oxide have a sintering effect on silicon carbide, considering the overall structure of the present invention. I found out that it is good. Moreover, boron carbide can provide a highly hard sintered body without increasing the weight of the sintered body. Furthermore, although the silicon carbide used in the present invention is preferably β-silicon carbide, it is not necessarily all β-silicon carbide, and may contain up to 40% by weight of α-silicon carbide. The mixed powder blended in the above ratio can be molded by a conventional method. That is, in the case of a relatively simple shape, it is possible to add a small amount of carboxymethyl cellulose as a binder and press-form it, and in the case of a rather complex shape, it is possible to use a slurry with a binder such as polyvinyl alcohol added. It is also possible to cast it into a plaster mold. The thus formed article is sufficiently dried by a conventional method and then fired at 1800 to 2400°C in a non-oxidizing atmosphere. The firing time depends on the specifications of the raw materials used.
Alternatively, the time is selected from about 0.1 to 24 hours depending on the size of the molded product. [Example] Aluminum oxide powder for silicon carbide powder,
A mixture of aluminum nitride powder and boron carbide powder in the proportions shown in Table 1 is press-molded or
A molded product was obtained by slurry casting. Next, after thoroughly drying these molded products, they were fired in an electric furnace at a predetermined temperature in a nitrogen atmosphere. The properties of the obtained sintered body are also listed in Table 1.
【表】【table】
【表】
＊１ 理論密度に対する相対値
耐摩耗性試験
直径30mm、厚さ10mmの試料を回転数200r.p.mの
鉄製回転研摩板上にのせ10Kgの荷重下で180番の
炭化珪素研摩材により10時間研摩し摩耗による厚
さの減少を測定した。
耐熱衝撃性試験
同様の試料を炉中で1400℃にて30分間加熱し、
その後20℃の空気中に急冷し、亀裂の有無を調べ
た。[Table] *1 Relative value wear resistance test for theoretical density A sample with a diameter of 30 mm and a thickness of 10 mm was placed on an iron rotary abrasive plate with a rotation speed of 200 rpm, and the sample was polished with No. 180 silicon carbide abrasive under a load of 10 kg. The thickness reduction due to wear was measured by time-polishing. Thermal shock resistance test A similar sample was heated in a furnace at 1400℃ for 30 minutes,
Afterwards, it was rapidly cooled in air at 20°C and examined for cracks.