JPH0256307B2

JPH0256307B2 -

Info

Publication number: JPH0256307B2
Application number: JP59106810A
Authority: JP
Inventors: Hajime Izawa; Kazuyoshi Taniguchi
Original assignee: Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 1984-05-24
Filing date: 1984-05-24
Publication date: 1990-11-29
Also published as: JPS60251175A

Description

【発明の詳細な説明】

(イ) 産業上の利用分野本発明は、耐熱材、耐摩耗材あるいは耐薬品材
等として各種の産業分野において利用され得る炭
化ケイ素および炭素よりなる成形体の製造方法に
関するものである。 (ロ) 背景技術炭化ケイ素は、硬度が高く成形が困難である。
そのため、所望形状の炭化ケイ素成形体を製造す
る場合には、炭化ケイ素粉末を出発原料とする焼
結法が一般に採用されている。ところが、焼結法
による炭化ケイ素成形体の製造においては加圧焼
結による場合、炭化ケイ素粉末を型内で高温に加
圧し強大な力で圧縮しなければならないため、非
常に大がかりな設備が必要になるという問題があ
る。また、かかる方法による場合、炭化ケイ素粉
末単独では焼結しにくいため、焼結助剤として
Ｂ、Al、Ｃ等あるいはそれらの化合物等を添加
する必要があるがこのような焼結助剤を加える
と、高温における強度劣化を生じ、本来の炭化ケ
イ素としての耐熱性を保ち難いという不都合があ
る。また、炭素成形体を基材とし、その表面に炭化
ケイ素を被覆させるようにした方法もあるが、こ
れは気相反応を利用したケイ素化合物蒸気と炭素
基材の表層部との反応による表面の炭化ケイ素
化、あるいは、ケイ素化合物と炭素化合物の気相
反応による生成炭化ケイ素の炭素基材上への被覆
といつた、表面部における炭化ケイ素化に関する
ものである。しかして、このような方法では炭素
基材表面の厚さ１mm以下程度の部分しか炭化ケイ
素化することができない。そこで、最近本発明者はこれら従来技術と発想
を異にして、炭化ケイ素（および炭素よりなる）
成形体を得るための新しい製造方法を開発し、提
案している（特願昭58−25291号）。すなわち、こ
の方法は、あらかじめ所望の形状に成形した炭素
成形体を含ケイ素材とともに、該含ケイ素材の融
点以上の高温における酸素の影響を受けない不活
性雰囲気中に配置し、前記含ケイ素材を前記炭素
成形体に浸透反応させて該炭素成形体を略同形状
の炭化ケイ素および炭素よりなる成形体を得るよ
うにしたものであつて、比較的簡単な設備で不純
物の少ない炭化ケイ素および炭素よりなる複合成
形体が容易に造られる特徴を有し、従来の方法に
代わり得る好適な製造方法を提供することができ
るものである。ところで、本発明者の研究によると、この新し
い製造方法における問題点として、含ケイ素材の
浸透反応後に得られる複合成形体中の炭化ケイ素
の割合が比較的低い水準で飽和してしまう不都合
が知見されている。つまり、この方法によると、
高温で溶融した含ケイ素材が炭素材料（成形体）
の空隙中に浸透していき、そこで炭素と反応して
炭化ケイ素を生成することになるのであるが、こ
の際反応により体積膨張（約2.4倍）を引き起こ
して成形体中の空隙を塞ぎ、この結果それ以上の
浸透反応が抑制されて炭化ケイ素化率の増大に限
界を生じていることである。そして、この炭化ケ
イ素化率は、元の炭素材料（炭素成形体）のもつ
連続した空隙の割合に依存するものである。その
ため、生成物中の炭素と炭化ケイ素との割合を
種々変化させるには、種々の気孔率（特に、開気
孔の気孔率）を有する炭素成形体が必要となる。通常このような種々の気孔率をもつ炭素成形体
を生成するには、使用する炭素粒子の粒径を変化
させたり、結合剤の種類や量を変化させるなどの
方法がとられる。しかし、このような方法は煩雑
であるという欠点をもつ。本発明者は、このような問題を解消すべく鋭意
研究を進めた結果、あらかじめ一定の形状に加工
した炭素材料を400〜600℃の温度下で緩やかに酸
化することによつて、種々の気孔率の炭素成形体
を生成させることができることを見出した。 (ハ) 目的本発明は、かかる究明結果に基いてなされたも
のであり、その目的とするところは、先の本発明
者の提案に係る炭化ケイ素および炭素よりなる成
形体の製造方法を改良して、この種製造方法が固
有にもつ特徴を具備しつつ、特に反応により得ら
れる成形体中の炭化ケイ素の割合を広範囲に亘り
煩雑化を招くことなしに任意に制御できるように
することにある。 (ニ) 構成本発明は、この目的を達成するために、所望の
形状に成形した炭素成形体を、400〜600℃の温度
で緩やかに酸化して軽量多孔化し、この軽量多孔
化された炭素成形体を含ケイ素材とともに、該含
ケイ素材の融点以上の高温における酸素の影響を
受けない不活性雰囲気中に配置し、前記含ケイ素
材を前記炭素成形体に浸透反応させて元の炭素成
形体と略同形状の炭化ケイ素および炭素よりなる
成形体を得ることを特徴とする。本発明は、まずその第１段階として、あらかじ
め所望の形状に成形してある炭素材料（炭素成形
体）を400〜600℃の温度で緩やかに酸化して、最
初の形状を保持しつつ軽量多孔化し、任意のかさ
密度（空隙率）を有する成形体を得るようにす
る。すなわち、この温度範囲で緩やかに酸化する
ようにすると、炭素成形体の軽量多孔化が時間の
関数として進行し、酸化温度と酸化時間を制御す
ることにより、任意のかさ密度を有するものに仕
上げることができるものである。ここに、酸化温
度の上限を600℃としたのは、これを超えると内
部拡酸化から表面酸化に酸化形式が変遷し、最初
の炭素成形体の形状を保ちつつ空隙率を調節する
ことができなくなるためである。また、酸化温度
の下限を400℃としたのは、主として酸化の速度
を確保するためである。次に、第２段階として、上記第１段階で軽量多
孔化され、かさ密度（空隙率）を任意に調節した
炭素成形体を、従前のこの種製造方法と同様のプ
ロセスで炭化ケイ素化する。すなわち、炭素成形
体を含ケイ素材とともに、該含ケイ素材の融点以
上の高温における酸素の影響を受けない不活性雰
囲気中に配置し、前記含ケイ素材を前記炭素成形
体に浸透反応させて元の炭素成形体と略同形状
の、即ち略同一形状でかつ略同一寸法精度を有す
る炭化ケイ素および炭素よりなる成形体を得るよ
うにするのである。このようにして、第１段階で予めかさ密度を調
節した炭素成形体に含ケイ素材を浸透反応させる
ようにすると、前述のように、炭化ケイ素化率が
元の炭素成形体のもつ空隙率に依存するものであ
るから、少なくとも必要な量の含ケイ素材を浸透
反応せしめることを条件として、浸透反応より得
られる複合成形体中の炭化ケイ素の割合をその空
隙率に対応する任意の値に制御することが可能と
なる。本発明において、成形に供する炭素材料として
は、一般の炭素材料ならばどのようなものでも使
用可能であるが、その炭素成形体は、本発明の趣
旨を逸脱するようなものであつてはならないのは
勿論である。すなわち、本発明では、最終生成物
である成形体に、炭素が残留していることが必須
であり、すべてを炭化ケイ素化するようなことは
目的にしていない。そのため、本発明で使用する
炭素成形体は、生成物成形体に炭素を残留させる
ために、次のようにして作製するのが実情に合致
するのは明らかである。すなわち、成形体中の炭
素粒子は、内部までケイ素と反応しないように、
その粒径を100μｍ以上とする。そして、溶融ケ
イ素が、個々の炭素粒子を完全に取り巻かないよ
うに、炭素粒子どうしをピツチのような結合剤で
強固に結合し炭化する。このようにして作製され
た炭素成形体は、1.5ｇ／cm³程度の密度をもつ。
また、含ケイ素材としては、粉末状あるいは小塊
状の金属シリコン、シリコンを含んだ合金（例え
ば、フエロシリコン、チタンシリコン等）、ある
いは、シリコンと他の金属との混合物を使用す
る。そして、この含ケイ素材を炭素成形体に浸透
反応させるにあたつては、例えば、粉末状の含ケ
イ素材を適当なバインダあるいは溶剤に分解させ
たものを前記炭素成形体の表面に付着させ、ある
いは塗り付けておく。また、炭素成形体が比較的
小さなものである場合は、小塊状の含ケイ素材を
炭素成形体に載せておくだけでよい。このように
含ケイ素材の炭素成形体に対する初期の接触様態
は、炭素成形体の形状や大きさに合わせて、適宜
選択する。また、前記第１段階に供する酸化装置について
は、炭素成形体を緩やかに酸化させるために、少
なくとも400〜600℃の温度に維持できるものであ
れば、各種の炉を使用することができる。一方、
前記第２段階で浸透反応の雰囲気作りに供する加
熱装置については、通常の高温加熱装置を用いれ
ばよい。すなわち、かかる加熱装置としては、炉
内の雰囲気を酸素の影響を受けない不活性な状態
（例えば、アルゴン、ヘリウム等）に保ち、かつ
前記炭素成形体を均一に加熱して前記含ケイ素材
を溶融状態に維持できるものであれば、やはりそ
の炉の種別は問わない。しかして、本発明の実施により得られる成形体
は、炭化ケイ素と炭素とからなるものである。換
言すれば、生成物たる成形体には、炭素が残留し
ている。そのため、内部には未反応のケイ素がほ
とんど残つておらず、高温での強度低下を招くこ
とがない。しかも、炭素が残留しているので、導
電性と自己潤滑性を有している。導電性を有して
いると、前処理を施すことなしに放電加工をする
ことができる。また、自己潤滑性を有している
と、潤滑油なしで相手材料との間に良好な滑りを
与えることができ、耐摩耗性を有する“すべり
板”等として有用なものとなる。 (ホ) 実施例以下、実施例を示して本発明を具体的に説明す
る。実施例１かさ密度ρ＝1.47ｇ／cm³の炭素成形体（10×40
×５mm）を空気中で550℃の温度の下に酸化処理
すると、最初の形状を保つたまま時間とともに軽
量多孔化が進むことが確認された。第１表に、処
理日数と成形体のかさ密度の関係を示す。

【表】このように一定温度では、素材成形体のかさ密
度は温度の関数となることが判つた。また、一定
時間では、かさ密度の関数となるが、このさい温
度が600℃を超えると酸化速度が過大となり、ま
た表面酸化が大きくなるため、成形体が最初の形
状を保てないことが判つた。したがつて、酸化の
時間と温度を制御することにより、任意のかさ密
度を有しかつ最初の形状を保持している炭素成形
体を得ることができた。次に、こうして得られた炭素成形体の表面に、
金属シリコンを付着させ、高温加熱装置によりア
ルゴン気流中で、1800℃の温度に加熱した。しか
して、このような条件下では、シリコンは溶融
し、炭素成形体の空隙中に浸透していくのが観察
された。かさ密度ρ＝0.8、1.0および1.3ｇ／cm³の
各炭素成形体に反応させた結果、反応後における
成形体中の炭化ケイ素の割合は、モル比でそれぞ
れ0.95、0.75および0.45であつた。なお、これら
の各反応成形体の粉末Ｘ線回折を測定したとこ
ろ、その組成は主に炭化ケイ素と炭素であつた。実施例２実施例１で得られた組成（モル比）が炭素約55
％、炭化ケイ素約45％の生成物成形体について、
組成、曲げ強さ、モース硬度、動摩擦係数、電気
比抵抗を求め、それらを炭素材料および反応焼結
炭化ケイ素の値と比較検討した。物性値を第２表
に示す。

【表】本発明の生成物成形体の組成は、モル％で炭素
約55％、炭化ケイ素約45％で、遊離ケイ素は、
0.4％であつた。一方、反応焼結炭化ケイ素は、
遊離のケイ素を５％含んでいる。このケイ素を除
去するには、さらに薬品処理が必要である。本発
明の生成物成形体の室温での曲げ強さは、2000
Kg／cm²であり、炭素材料の約10倍、反応焼結炭化
ケイ素の1/2〜2/3の値であつた。モース硬度は約
９で、炭化ケイ素焼結体に匹敵する硬度をもつこ
とがわかる。一方、動摩擦係数は無潤滑油で0.16
と良好な値を示し、炭素材料と同等の滑りの良さ
をもつことがわかる。高い表面硬度を組合せて、
高耐磨耗性の滑り板として最適の性質を備えてい
る。また、電気比抵抗は、50μΩｍと低く、炭化
ケイ素焼結体では、表面に金属コートするなどの
前処理を施してはじめて可能な放電加工を前処理
なしで容易に実施することができる。 (ヘ) 効果以上のように、本発明の製造方法では、炭素成
形体に含ケイ素材を浸透反応させて炭化ケイ素を
生成するにあたり、あらかじめ炭素成形体に所定
の酸化処理を施して軽量多孔化し、そのかさ密度
（空隙率）を任意に制御するようにしたものであ
るから、本発明者が先に提案した製造方法の問題
点を的確に解決して、浸透反応により得られる炭
化ケイ素および炭素よりなる成形体中の炭化ケイ
素の割合を、広範囲に亘り、具体的にはモル比で
0.3〜1.0程度の範囲に亘り任意に制御することが
可能である。詳述すれば、本発明の製造方法によれば、酸化
が炭素材料の開気孔に沿つて進行するため、選択
的に開気孔の気孔率が上昇する。また、炭素材料
の当初の外観（形状）を保つたまま多孔化が進行
するので、多孔化後そのまま溶融ケイ素の含浸反
応処理に使用できる。さらに、温度を一定に保て
ば、気孔率の増加は時間の関数となるので、時間
を調節することによつて得たい気孔率の炭素材料
を容易に作製することができる。したがつて、こ
のような炭素材料を使用することによつて、煩雑
化を招くことなしに広い範囲に亘つて容易に生成
物成形体中の炭素と炭化ケイ素の割合を調節する
ことができる。すなわち、本願発明によれば、任
意の炭素と炭化ケイ素の割合の成形体を安定して
製造することができるものである。なお、酸化処理の工程を付加しても既述の特定
の処理条件に従う限り、出発成形体に対し、最終
成形体が略同形状を保つという利点をそのまま具
備することになり、上述の炭化ケイ素の割合を制
御できるという改良点を除いて、本発明は先に本
発明者が提案した製造方法の特徴をそのまま実現
するものである。

Claims

【特許請求の範囲】

１所望の形状に成形した炭素成形体を、400〜
600℃の温度で緩やかに酸化して軽量多孔化し、
この軽量多孔化された炭素成形体を含ケイ素材と
ともに、該含ケイ素材の融点以上の高温における
酸素の影響を受けない不活性雰囲気中に配置し、
前記含ケイ素材を前記炭素成形体に浸透反応させ
て元の炭素成形体と略同形状の炭化ケイ素および
炭素よりなる成形体を得ることを特徴とする炭化
ケイ素および炭素よりなる成形体の製造方法。