(57)【要約】【課題】その場反応により、微細な組織と高密度、高強度を有するアルミナ−窒化ホウ素複合体の製造方法を提供する。【解決手段】ホウ酸化アルミニウムと窒化アルミニウム或いは窒化ケイ素のその場反応を基づいて、必要な焼結助剤、例えば、Ｙ２  Ｏ３  を加えて、ホットプレス或いは無圧焼結することを特徴とする、高密度、均一、かつ微細な組織、高性能を持つアルミナ−窒化ホウ素とムライト−窒化ホウ素複合材料の製造方法、及び上記複合材料を含む高耐熱性部材。【効果】非常に微細な窒化ホウ素薄片をアルミナ或いはムライトのマトリックスに均一に分散したアルミナ−ＢＮとムライト−ＢＮ複合材料を製造し、提供することができる。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホウ酸化アルミニウムと、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素のその場反応を利用して、アルミナ−ＢＮ複合材料、ＡｌＯＮ−ＢＮ複合材料又はムライト−ＢＮ複合材料を製造することを特徴とするアルミナ−窒化ホウ素系複合材料の製造方法。
【請求項２】
その場反応を利用する時に、アルミナを添加することによりＢＮの量を１ｖｏｌ％から２２．１ｖｏｌ％まで調整する請求項１記載の方法。
【請求項３】
その場反応を利用する時に、窒化アルミニウムを過量に添加することによりＡｌＯＮ−ＢＮ複合材料を製造する請求項１記載の方法。
【請求項４】
ホウ酸化アルミニウムと窒化ケイ素のその場反応を利用して、ムライト−ＢＮ複合材料を製造する請求項１記載の方法。
【請求項５】
上記出発原料を、１４００℃から１９００℃でホットプレス或いは常圧焼結して上記複合材料を製造する請求項１から４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の方法で製造されたアルミナ−ＢＮ系複合材料を構成要素として含むことを特徴とする高耐熱性部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミナ−窒化ホウ素複合材料を製造する方法に関するものであり、更に詳しくは、その場反応により高強度と高耐熱衝撃性、かつ高耐腐食性を有する新規なアルミナ−窒化ホウ素複合材料の製造方法及び該方法で製造されたアルミナ−ＢＮ系複合材料を含む高耐熱性部材に関するものである。本発明は、耐熱材料、耐熱衝撃材料、或いは耐腐食材料等の多くの用途に使用できるアルミナ−窒化ホウ素複合材料を提供するものとして有用である。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、アルミナセラミックスは、高強度、高硬度、耐熱性、耐腐食性に優れるため、多くの工業分野で応用されている。また、アルミナに窒化ホウ素を添加して複合化することで、加工性、耐腐食性、耐熱性と耐熱衝撃性を一層改善できるため、該複合材料は、腐食性と熱衝撃のある環境下における応用が強く期待される。
【０００３】
従来は、上記複合材料は、構成相を混合して、焼結するかホットプレスで製品を製造する。しかし、この方法では、緻密度と強度の高い材料を得ることが困難であり、一方、得られた材料は、一般に異方性があることが分かっている。先行技術文献には、酸化ホウ素を用いて、その場反応により上記材料を製造する方法が提案されているが（特許文献１参照）、酸化ホウ素が低温で融解し、高温になると蒸発しやすいことから、製造上に問題点がある。これらの性質を更に改善することができれば、更にその使用範囲が広がると期待される。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−１５８０５４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
元来、アルミナ−ＢＮ複合材料は、既に合成したアルミナとＢＮの粉末を機械方法で混合して、ホットプレスで製造されている。しかし、この方法では、窒化ホウ素粉末が粗大であれば、得られる複合材料の窒化ホウ素粒子が粗大となる。
窒化ホウ素は、熱膨張異方性が大きく、界面で亀裂が発生しやすいので、粒子が粗大となると、得られる複合材料の強度が低下するという問題がある。したがって、窒化ホウ素粉末は、微粒子であることが望ましいが、そのような粉末は、高価格であり、また、粗い粉末を完全に除却することは困難である。一方、粒子が細かくても、機械分散の場合、粒子の凝集を避けることがプロセシング的に難しいという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記従来技術に鑑みて、上記諸問題を解決するためになされたものであって、その場反応により、非常に微細なＢＮ粒子をアルミナのマトリックスに分散した組織を有する、強度、耐食性、耐熱衝撃性等に優れたアルミナ−ＢＮ複合材料を製造する方法及び該方法で製造されたアルミナ−ＢＮ系複合材料を含む高耐熱性部材を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）ホウ酸化アルミニウムと、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素のその場反応を利用して、アルミナ−ＢＮ複合材料、ＡｌＯＮ−ＢＮ複合材料又はムライト−ＢＮ複合材料を製造することを特徴とするアルミナ−窒化ホウ素系複合材料の製造方法。
（２）その場反応を利用する時に、アルミナを添加することによりＢＮの量を１ｖｏｌ％から２２．１ｖｏｌ％まで調整する前記（１）記載の方法。
（３）その場反応を利用する時に、窒化アルミニウムを過量に添加することによりＡｌＯＮ−ＢＮ複合材料を製造する前記（１）記載の方法。
（４）ホウ酸化アルミニウムと窒化ケイ素のその場反応を利用して、ムライト−ＢＮ複合材料を製造する前記（１）記載の方法。
（５）上記出発原料を、１４００℃から１９００℃でホットプレス或いは常圧焼結して上記複合材料を製造する前記（１）から（４）のいずれかに記載の方法。（６）前記（１）から（５）のいずれかに記載の方法で製造されたアルミナ−ＢＮ系複合材料を構成要素として含むことを特徴とする高耐熱性部材。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、ホウ酸化アルミニウムと窒化アルミニウムのその場反応（ｉｎ−ｓｉｔｕ  ｒｅａｃｔｉｏｎ）を利用して、Ａｌ２  Ｏ３  −ＢＮ複合材料を製造することを特徴とするものである。更に詳細に説明すると、本発明では、次の化学反応式に基づいて、Ａｌ２  Ｏ３  −ＢＮ複合材料を製造する：
９Ａｌ２  Ｏ３  ・２Ｂ２  Ｏ３  ＋４ＡｌＮ＝１１Ａｌ２  Ｏ３  ＋４ＢＮ  （１）
２Ａｌ２  Ｏ３  ・Ｂ２  Ｏ３  ＋２ＡｌＮ＝３Ａｌ２  Ｏ３  ＋２ＢＮ      （２）
計算した体積組成は、反応式（１）の場合、Ａｌ２  Ｏ３    ８６．６２％、ＢＮ１３．３８％であり、反応式（２）の場合、Ａｌ２  Ｏ３    ７７．９４％、ＢＮ２２．０６％である。この二つの反応を組み合わせて利用すると、ＢＮ相の量を１３．３８〜２２．０６％までの範囲で調整することができる。
【０００９】
また、Ａｌ２  Ｏ３  粉末を添加することにより、１３．３８％以下のＢＮ量を有するＡｌ２  Ｏ３  −ＢＮコンポジットを製造することができる。上記の反応に基づいて、過量のＡｌＮ粉末を添加すると、ＡｌＯＮ−ＢＮ複合材料を合成することができる：
９（９Ａｌ２  Ｏ３  ・２Ｂ２  Ｏ３  ）＋９１ＡｌＮ＝１１ＡｌＯＮ＋３６ＢＮ（３）
３（２Ａｌ２  Ｏ３  （Ｂ２  Ｏ３  ）＋１１ＡｌＮ＝ＡｌＯＮ＋６ＢＮ  （４）
上記の反応式中において、ＡｌＯＮは、９Ａｌ２  Ｏ３  ・５ＡｌＮである。
【００１０】
ホウ酸化アルミニウムと窒化ケイ素の反応を利用することにより、ムライト−ＢＮ複合材料を製造することができる：
０．２（９Ａｌ２  Ｏ３  ・２Ｂ２  Ｏ３  ）＋３．６（２Ａｌ２  Ｏ３  ・Ｂ２  Ｏ３  ）＋２Ｓｉ３  Ｎ４  ＝３（Ａｌ２  Ｏ３  ・２ＳｉＯ２  ）＋８ＢＮ            （５）
計算した体積組成は、ムライト８２．１７％、ＢＮ  １７．８３％である。
【００１１】
このように、本発明は、ホウ酸化アルミニウム（９Ａｌ２  Ｏ３  ・２Ｂ２  Ｏ３  、２Ａｌ２  Ｏ３  ・Ｂ２  Ｏ３  ）と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は窒化ケイ素（Ｓｉ３  Ｎ４  ）を、所定の温度でホットプレス又は常圧焼結することにより、その場反応を利用して化学反応させて、アルミナ−ＢＮ複合材料、ＡｌＯＮ（＝９Ａｌ２  Ｏ３  ・５ＡｌＮ）−ＢＮ複合材料又はムライト（＝Ａｌ２  Ｏ３  ・２ＳｉＯ２  ）−ＢＮ複合材料のアルミナ−ＢＮ系複合材料を製造することを特徴とするものである。本発明では、上記プロセスにおいて、ホウ酸化アルミニウムと窒化アルミニウムの化学反応により、アルミナ−窒化ホウ素複合材料を製造する。また、本発明では、上記化学反応において、窒化アルミニウムを過量に添加することにより、ＡｌＯＮ−ＢＮ複合材料を製造する。更に、本発明では、上記プロセスにおいて、ホウ酸化アルミニウムと窒化ケイ素の化学反応によりムライト−ＢＮ複合材料を製造する。これらのプロセスにより、高い相対密度及び強度を有するアルミナ−ＢＮ系複合材料からなる高耐熱性部材を製造し、提供することができる。
【００１２】
出発原料の平均粒径は、好適には、ホウ酸化アルミニウムが０．１〜１０μｍ、窒化アルミニウムが０．１〜１０μｍ、アルミナが０．１〜２０μｍ、窒化ケイ素が０．１〜１０μｍである。その場反応は、上記出発原料を１４００〜１９００℃でホットプレス又は常圧焼結して実施される。反応の雰囲気は、好適には、１気圧の窒素雰囲気であるが、アルゴン雰囲気でもかまわない。反応条件は、３０分〜５時間、ホットプレスの場合の圧力は２０〜４０ＭＰａである。上記反応により得られた各々の生成物は、約１０ｎｍの厚さと１００ｎｍの長さのＢＮ薄片から成る約０．５μｍ球状ＢＮ凝集体粒子が均一に１〜５μｍのアルミナ、アロン或いはムライトのマトリックスに分散された組織を有する。それらの生成物は、アルミナセラミックスの高強度を保つほか、微細かつ均一分散したＢＮを含有するため、耐熱衝撃性が良く、耐溶融金属腐食性が高い材料特性を示す。上記複合材料は、その特性に基づいて、高耐熱性、耐腐食性部材として有用であり、特に、鋼鉄工業用耐火材料としての応用が期待される。
【００１３】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
用いた９Ａｌ２  Ｏ３  ・２Ｂ２  Ｏ３  、２Ａｌ２  Ｏ３  ・Ｂ２  Ｏ３  及びＡｌＮ粉末の平均粒径は、２．３６、２．８５及び１．２３ミクロンであった。前記反応式（１）により算出した反応物の量をエタノールとアルミナボールで混合した。得られたスラリーを乾燥させてから、１６００℃、窒素雰囲気中で１時間、３０ＭＰａの条件下でホットプレス法によりＡｌ２  Ｏ３  −ＢＮ複合材料を製造した。Ｘ線回折法で同定した組成はＡｌ２  Ｏ３  とＢＮであった。図１に、Ｘ線回折結果を示す。また、得られた材料（９Ａ２Ｂ−１６００）の相組成及びその特性を表１に示す。材料の相対密度は９７．２９％であり、緻密な材料が得られた。材料の３点曲げ強度は８０６ＭＰａであり、高い材料強度を示した。
【００１４】
実施例２
焼結温度を１５００℃にした以外は、上記実施例１と同様にして、アルミナ−ＢＮ複合材料を製造した。Ｘ線回折法で同定した組成は、Ａｌ２  Ｏ３  とＢＮであった。得られた材料（９Ａ２Ｂ−１５００）の相組成及びその特性を表１に示す。材料の相対密度は９４．４％であり、３点曲げ強度は６０４ＭＰａであった。
【００１５】
実施例３
焼結温度を１７００℃にした以外は、上記実施例１と同様にして、アルミナ−ＢＮ複合材料を製造した。Ｘ線回折法で同定した組成は、Ａｌ２  Ｏ３  とＢＮであった。得られた材料（９Ａ２Ｂ−１７００）の相組成及びその特性を表１に示す。材料の相対密度は９８．４％であり、３点曲げ強度は６９４ＭＰａであった。
【００１６】
実施例４
焼結温度を１８００℃にした以外は、上記実施例１と同様にして、アルミナ−ＢＮ複合材料を製造した。Ｘ線回折法で同定した組成は、Ａｌ２  Ｏ３  とＢＮであった。得られた材料（９Ａ２Ｂ−１８００）の相組成及びその特性を表１に示す。材料の相対密度は９９．１％であり、３点曲げ強度は７２１ＭＰａであった。
【００１７】
実施例５
用いた２Ａｌ２  Ｏ３  ・Ｂ２  Ｏ３  とＡｌＮ粉末の平均粒径は、２．８５と１．２３ミクロンであった。前記反応式（２）により算出した反応物とエタノールをアルミナボールで混合した。得られたスラリーを乾燥させてから、１６００℃、窒素雰囲気中で１時間、３０ＭＰａの条件下でホットプレス法によりＡｌ２  Ｏ３  −ＢＮ複合材料を製造した。Ｘ線回折法で同定した組成はＡｌ２  Ｏ３  とＢＮであった。図２に、Ｘ線回折結果を示す。また、得られた材料（９Ａ２Ｂ−１６００）の相組成及びその特性を表１に示す。材料の相対密度は７５．７％であり、緻密な材料が得られた。材料の３点曲げ強度は１７１ＭＰａであり、高い材料強度を示した。
【００１８】
実施例６
焼結温度を１７００℃にした以外は、上記実施例５と同様にして、アルミナ−ＢＮ複合材料を製造した。Ｘ線回折法で同定した組成は、Ａｌ２  Ｏ３  とＢＮであった。得られた材料（９Ａ２Ｂ−１７００）の相組成及びその特性を表１に示す。材料の相対密度は７７．７％であり、３点曲げ強度は２７５ＭＰａであった。
【００１９】
実施例７
焼結温度を１８００℃にした以外は、上記実施例５と同様にして、アルミナ−ＢＮ複合材料を製造した。Ｘ線回折法で同定した組成は、Ａｌ２  Ｏ３  とＢＮであった。得られた材料（９Ａ２Ｂ−１８００）の相組成及びその特性を表１に示す。材料の相対密度は８２．８％であり、３点曲げ強度は２５４ＭＰａであった。
【００２０】
実施例８
前記反応式（１）と（２）を組み合わせて、アルミナ−１８ｖｏｌ％ＢＮの複合材料を作製した。用いた原料粉末は実施例１と実施例５と同じとした。焼結条件は、焼結温度を１７００℃にした以外は、上記実施例１と同様にした。得られた材料（９Ａ２Ｂ−１７００）の相組成及びその特性を表１に示す。材料の相対密度は９２．３％であり、３点曲げ強度は４８２ＭＰａであった。
【００２１】
実施例９
前記反応式（１）により、アルミナを添加することによりＢＮの量を減らして、アルミナ−５ｖｏｌ％ＢＮの複合材料を作製した。０．２ミクロンのアルミナ粉末を用いた以外は、用いた原料粉末は実施例１と同じとした。焼結条件は、焼結温度を１６００℃にした以外は、上記実施例１と同様にした。得られた材料（Ａｌ２  Ｏ３  −５ＢＮ）の相組成及びその特性を表１に示す。材料の相対密度は９９．２％であり、３点曲げ強度は８２７ＭＰａであった。
【００２２】
実施例１０
前記反応式（３）により、過量のＡｌＮ粉末を添加することによりＡｌＯＮ−ＢＮの複合材料を作製した。用いた原料粉末は実施例１と同じとした。焼結条件は、焼結温度を１７５０℃と保持時間を２時間にした以外は、上記実施例１と同様にした。得られた材料（ＡｌＯＮ−ＢＮ）の相組成及びその特性を表１に示す。材料の相対密度は９９．１％であり、３点曲げ強度は７３１ＭＰａであった。
【００２３】
実施例１１
上記反応式（５）により、ムライト（ｍｕｌｌｉｔｅ）−ＢＮの複合材料を作製した。０．５ミクロンの窒化ケイ素粉末を用いた以外は、用いた原料粉末は実施例１と同じとした。焼結条件は、焼結温度を１７００℃と雰囲気をアルゴンにした以外は、上記実施例１と同様にした。得られた材料（ｍｕｌｌｉｔｅ−ＢＮ）の相組成及びその特性を表１に示す。材料の相対密度は９４．４％であり、３点曲げ強度は３９１ＭＰａであった。
【００２４】
【表１】
2004224662.tif 000002
【００２５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、ホウ酸化アルミニウムと窒化アルミニウム或いは窒化ケイ素のその場反応に基づいて、ホットプレス或いは無圧焼結でＡｌ２Ｏ３  −ＢＮとムライト−ＢＮ複合材料の製造方法に係るものであり、本発明により、１）非常に微細な窒化ホウ素薄片をアルミナ或いはムライトのマトリックスに均一に分散したＡｌ２  Ｏ３  −ＢＮとムライト−ＢＮ複合材料を製造し、提供することができる。２）簡単な、ホウ酸化アルミニウムと窒化アルミニウム或いは窒化ケイ素のその場反応を利用して、高い密度を持つ高強度のアルミナ−ＢＮとムライト−ＢＮ複合材料を得ることができる。３）得られた複合材料は、均質な組織を有し、強度特性に優れ、耐火材料、耐火物等として有用である、４）上記複合材料は、機械加工性が良好であり、複雑な形状の部品に容易に加工し得るものである、という格別の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１におけるＸ線回折結果を示す。
【図２】実施例５におけるＸ線回折結果を示す。
【図１】
2004224662.tif 000003
【図２】
2004224662.tif 000004