JPH06199571A - 耐摩耗性セラミックス材料およびその製造方法 - Google Patents
耐摩耗性セラミックス材料およびその製造方法Info
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- JPH06199571A JPH06199571A JP3174744A JP17474491A JPH06199571A JP H06199571 A JPH06199571 A JP H06199571A JP 3174744 A JP3174744 A JP 3174744A JP 17474491 A JP17474491 A JP 17474491A JP H06199571 A JPH06199571 A JP H06199571A
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Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 従来のエンジニアリングセラミックス材料と
比較してきわめて優れた耐摩耗性を有しながら、その製
造工程ではダイヤモンド焼結体のような高温高圧装置を
必要とせず、また比較的大きな部材も製造可能な耐摩耗
性セラミックス材料、およびその製造方法を提供するこ
と。 【構成】 黒鉛・カーボンブラック・加熱により炭素源
となる炭化性有機化合物などの炭素源に必要に応じて炭
化珪素粉粒体を配合した原料層において、炭素源の一部
または全部をダイヤモンド粉粒体とし、真空中または非
酸化性雰囲気中で加熱し、溶融させた珪素を上記原料層
に浸透させ、原料層中の炭素源と反応させて新たに生成
した炭化珪素により結合させたダイヤモンド粉粒体を含
む反応焼結炭化珪素材料。
比較してきわめて優れた耐摩耗性を有しながら、その製
造工程ではダイヤモンド焼結体のような高温高圧装置を
必要とせず、また比較的大きな部材も製造可能な耐摩耗
性セラミックス材料、およびその製造方法を提供するこ
と。 【構成】 黒鉛・カーボンブラック・加熱により炭素源
となる炭化性有機化合物などの炭素源に必要に応じて炭
化珪素粉粒体を配合した原料層において、炭素源の一部
または全部をダイヤモンド粉粒体とし、真空中または非
酸化性雰囲気中で加熱し、溶融させた珪素を上記原料層
に浸透させ、原料層中の炭素源と反応させて新たに生成
した炭化珪素により結合させたダイヤモンド粉粒体を含
む反応焼結炭化珪素材料。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ブロックゲージ・各種
測定器の測定部分・磁気ディスクの読みとり部分やプリ
ンター駆動部などの乾式摺動部材・軸受けやメカニカル
シールなどの比較的高負荷がかかる摺動部材などの寸法
安定性、耐摩耗性が要求される部材に使用される耐摩耗
性セラミックス材料と、その製造方法に関するものであ
る。
測定器の測定部分・磁気ディスクの読みとり部分やプリ
ンター駆動部などの乾式摺動部材・軸受けやメカニカル
シールなどの比較的高負荷がかかる摺動部材などの寸法
安定性、耐摩耗性が要求される部材に使用される耐摩耗
性セラミックス材料と、その製造方法に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】耐摩耗性、寸法安定性が要求される構造
部材にはアルミナ・炭化珪素・窒化珪素・ジルコニアな
どのいわゆるエンジニアリングセラミックス材料が用い
られている。
部材にはアルミナ・炭化珪素・窒化珪素・ジルコニアな
どのいわゆるエンジニアリングセラミックス材料が用い
られている。
【０００３】また代表的な超硬質耐摩耗性材料の例とし
て、ダイヤモンド粉体にコバルトなどの鉄族金属や、耐
熱性を出す場合は珪素などを配合し、良く知られた高温
高圧発生装置（通常５〜６ＧＰａ、１４００〜１５５０
℃）によりダイヤモンドの安定領域で、ダイヤモンド同
士の結合を形成することによりダイヤモンド焼結体とし
て製造されるダイヤモンドバイトの切削用切刃や、ダイ
ヤモンドビットなどに使用されるダイヤモンドコンパッ
クスなどがある。
て、ダイヤモンド粉体にコバルトなどの鉄族金属や、耐
熱性を出す場合は珪素などを配合し、良く知られた高温
高圧発生装置（通常５〜６ＧＰａ、１４００〜１５５０
℃）によりダイヤモンドの安定領域で、ダイヤモンド同
士の結合を形成することによりダイヤモンド焼結体とし
て製造されるダイヤモンドバイトの切削用切刃や、ダイ
ヤモンドビットなどに使用されるダイヤモンドコンパッ
クスなどがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】こういった耐摩耗部材
の中で、最も耐摩耗性の優れた材質はダイヤモンド焼結
体のようなダイヤモンドを配合した部材ということがで
きる。しかしながらこういったダイヤモンド焼結体は、
ダイヤモンドが黒鉛化しないようにダイヤモンドの安定
条件（通常５〜６ＧＰａ、１４００〜１５５０℃）を保
持するため高温高圧装置を用いる必要があり、従来のダ
イヤモンド焼結体より大きな数十ｍｍから１００ｍｍを
越えるような製品を製作する場合は、製造設備をさらに
大きくする必要があり、技術上、コスト上の問題があっ
た。
の中で、最も耐摩耗性の優れた材質はダイヤモンド焼結
体のようなダイヤモンドを配合した部材ということがで
きる。しかしながらこういったダイヤモンド焼結体は、
ダイヤモンドが黒鉛化しないようにダイヤモンドの安定
条件（通常５〜６ＧＰａ、１４００〜１５５０℃）を保
持するため高温高圧装置を用いる必要があり、従来のダ
イヤモンド焼結体より大きな数十ｍｍから１００ｍｍを
越えるような製品を製作する場合は、製造設備をさらに
大きくする必要があり、技術上、コスト上の問題があっ
た。
【０００５】また、アルミナ・炭化珪素・窒化珪素・ジ
ルコニアなどの従来のセラミックス材質は、金属材料に
比べれば優れた耐摩耗性を示すが、ダイヤモンド焼結体
に比較すると一般に耐摩耗性が劣っている。
ルコニアなどの従来のセラミックス材質は、金属材料に
比べれば優れた耐摩耗性を示すが、ダイヤモンド焼結体
に比較すると一般に耐摩耗性が劣っている。
【０００６】本発明は、従来のエンジニアリングセラミ
ックス材料と比較してきわめて優れた、ダイヤモンド焼
結体に近い耐摩耗性を有しながら、その製造工程ではダ
イヤモンド焼結体のような高温高圧装置を必要とせず、
また比較的大きな部材も製造可能な耐摩耗性セラミック
ス材料、およびその製造方法を提供するものである。
ックス材料と比較してきわめて優れた、ダイヤモンド焼
結体に近い耐摩耗性を有しながら、その製造工程ではダ
イヤモンド焼結体のような高温高圧装置を必要とせず、
また比較的大きな部材も製造可能な耐摩耗性セラミック
ス材料、およびその製造方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者は上記課題を解
決するために、反応焼結炭化珪素材質が配合された炭素
源の一部または全部にダイヤモンド粉粒体を配合するこ
とにより、きわめて耐摩耗性に優れたセラミックス材質
を高圧条件を必要とせずに製作することに成功し、本発
明を完成させた。
決するために、反応焼結炭化珪素材質が配合された炭素
源の一部または全部にダイヤモンド粉粒体を配合するこ
とにより、きわめて耐摩耗性に優れたセラミックス材質
を高圧条件を必要とせずに製作することに成功し、本発
明を完成させた。
【０００８】以下、本発明を詳説に説明する。
【０００９】反応焼結炭化珪素材質とは、黒鉛・カーボ
ンブラック・加熱により炭素源となる例えばフェノール
樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂等の炭化性有機化合物
に必要に応じて炭化珪素粉粒体（他の原料と均一に混合
するため２０ミクロン以下が望ましい。）を配合し、真
空中または非酸化性雰囲気中で加熱し、溶融させた珪素
を浸透させ、炭素源と反応させて新たに炭化珪素を生成
させることにより結合させた材質である。
ンブラック・加熱により炭素源となる例えばフェノール
樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂等の炭化性有機化合物
に必要に応じて炭化珪素粉粒体（他の原料と均一に混合
するため２０ミクロン以下が望ましい。）を配合し、真
空中または非酸化性雰囲気中で加熱し、溶融させた珪素
を浸透させ、炭素源と反応させて新たに炭化珪素を生成
させることにより結合させた材質である。
【００１０】この反応焼結炭化珪素材質を生成させるこ
とができる原料層の炭素源の一部または全部をダイヤモ
ンド粉粒体とすることにより、後述するように反応焼結
後の乾式摺動試験における比摩耗量を従来のセラミック
ス材料に比較してけた違いに少なくすることが可能とな
る。
とができる原料層の炭素源の一部または全部をダイヤモ
ンド粉粒体とすることにより、後述するように反応焼結
後の乾式摺動試験における比摩耗量を従来のセラミック
ス材料に比較してけた違いに少なくすることが可能とな
る。
【００１１】原料層に配合したダイヤモンド粒子が粒子
の中心部まで反応して炭化珪素化してしまったのではダ
イヤモンド粒子を配合する意味がないため、反応焼結後
もダイヤモンドとして残存する条件を選定する必要があ
る。
の中心部まで反応して炭化珪素化してしまったのではダ
イヤモンド粒子を配合する意味がないため、反応焼結後
もダイヤモンドとして残存する条件を選定する必要があ
る。
【００１２】一般に黒鉛・カーボンブラック等の炭素源
粒子が溶融珪素と接触して炭化珪素が表面に生成する場
合、表面から５〜１０ミクロン程度が反応する。従っ
て、中心部まで炭化珪素化しないようにするため、数十
ミクロン以上の粒径のダイヤモンド粒子を配合する必要
がある。望ましくは、ダイヤモンド粒子の充填密度をで
きるだけ高めるため、２０ミクロン以上の粒径で粒度分
布にふたつのピークがでるように粒度配合するのがよ
く、また３００ミクロン以上になると成形しにくく、表
面が粗となるため、３００ミクロン以下がよい。
粒子が溶融珪素と接触して炭化珪素が表面に生成する場
合、表面から５〜１０ミクロン程度が反応する。従っ
て、中心部まで炭化珪素化しないようにするため、数十
ミクロン以上の粒径のダイヤモンド粒子を配合する必要
がある。望ましくは、ダイヤモンド粒子の充填密度をで
きるだけ高めるため、２０ミクロン以上の粒径で粒度分
布にふたつのピークがでるように粒度配合するのがよ
く、また３００ミクロン以上になると成形しにくく、表
面が粗となるため、３００ミクロン以下がよい。
【００１３】原料層は粉末層であっても成形体であって
も良い。成形体の場合はあらかじめ製品形状に加工して
おくことによりニアネットシェイプの製品を製造するこ
とができる。いずれの場合においても表面の材質が窒化
ほう素で内側に製品をぴったりとはめ込むことができる
型枠を用いることが、反応焼結後の過剰珪素の除去工程
か簡単になるという点から望ましい。
も良い。成形体の場合はあらかじめ製品形状に加工して
おくことによりニアネットシェイプの製品を製造するこ
とができる。いずれの場合においても表面の材質が窒化
ほう素で内側に製品をぴったりとはめ込むことができる
型枠を用いることが、反応焼結後の過剰珪素の除去工程
か簡単になるという点から望ましい。
【００１４】この原料層に接するように金属珪素粉を配
する。この金属珪素粉は、次工程の加熱によって溶融し
た際外部に流れ出さないよう、表面の材質が窒化ほう素
の型枠で囲うことが望ましい。
する。この金属珪素粉は、次工程の加熱によって溶融し
た際外部に流れ出さないよう、表面の材質が窒化ほう素
の型枠で囲うことが望ましい。
【００１５】そのまま真空中または非酸化性雰囲気中で
加熱し（１４５０〜１５００℃が望ましい。）、金属珪
素粉を溶融させ、炭素との直接反応、すなわちＣ＋Ｓｉ
→ＳｉＣの反応により、炭化珪素を生成させる。
加熱し（１４５０〜１５００℃が望ましい。）、金属珪
素粉を溶融させ、炭素との直接反応、すなわちＣ＋Ｓｉ
→ＳｉＣの反応により、炭化珪素を生成させる。
【００１６】冷却、炉出し後、表面に残存した金属珪素
を除去するとともに、必要に応じて表面を研削して、所
定の寸法に整えることにより製品とする。
を除去するとともに、必要に応じて表面を研削して、所
定の寸法に整えることにより製品とする。
【００１７】本発明によるダイヤモンド粒子を含んだ反
応焼結炭化珪素材料の耐摩耗性の評価基準として、乾式
摺動摩耗試験のピンオンディスク法による比摩耗量を用
いる。比摩耗量とは摺動時の単位荷重あたり、単位摺動
距離あたりの摩耗部分の体積を意味し、乾式摺動摩耗で
あれば摺動速度（周速）および試験荷重に関係なく摺動
材質の組み合わせで決まる性質のものである。
応焼結炭化珪素材料の耐摩耗性の評価基準として、乾式
摺動摩耗試験のピンオンディスク法による比摩耗量を用
いる。比摩耗量とは摺動時の単位荷重あたり、単位摺動
距離あたりの摩耗部分の体積を意味し、乾式摺動摩耗で
あれば摺動速度（周速）および試験荷重に関係なく摺動
材質の組み合わせで決まる性質のものである。
【００１８】比摩耗量は図１に示す装置で一定時間毎に
ピンの重量を測定し、初期摩耗の不安定な部分を除いて
安定な摩耗を示すようになった後の、摺動距離に対する
摩耗量の傾きから計算される。ディスク側材質に砥石材
料に使用されているレジンボンドの＃６００ダイヤモン
ドを用いることにより、従来のエンジニアリングセラミ
ックスとの耐摩耗性の差を明確に評価することができ
る。
ピンの重量を測定し、初期摩耗の不安定な部分を除いて
安定な摩耗を示すようになった後の、摺動距離に対する
摩耗量の傾きから計算される。ディスク側材質に砥石材
料に使用されているレジンボンドの＃６００ダイヤモン
ドを用いることにより、従来のエンジニアリングセラミ
ックスとの耐摩耗性の差を明確に評価することができ
る。
【００１９】ピンオンディスク法による比摩耗量の測定
の結果、従来のエンジニアリングセラミックスの中でも
耐摩耗性がいいとされている常圧焼結炭化珪素材料でも
１０-6〜１０-5ｍｍ2 ／ｋｇ台であるのにたいし、本発
明によるダイヤモンド粒子を含んだ炭化珪素材料では１
０-9ｍｍ2 ／ｋｇの比摩耗量とけた違いに優れた耐摩耗
性が確認された。
の結果、従来のエンジニアリングセラミックスの中でも
耐摩耗性がいいとされている常圧焼結炭化珪素材料でも
１０-6〜１０-5ｍｍ2 ／ｋｇ台であるのにたいし、本発
明によるダイヤモンド粒子を含んだ炭化珪素材料では１
０-9ｍｍ2 ／ｋｇの比摩耗量とけた違いに優れた耐摩耗
性が確認された。
【００２０】以下、本発明の実施例を示すが、本発明
は、下記の実施例に限定されるものではなく、本発明の
技術的思想に基づいて各種の変形および変更が可能であ
ることは当然である。
は、下記の実施例に限定されるものではなく、本発明の
技術的思想に基づいて各種の変形および変更が可能であ
ることは当然である。
【００２１】
【実施例】８８〜１０５ミクロンの粒度、１２〜１５ミ
クロンの粒度の２種類のグレードの市販の人工ダイヤモ
ンドパウダーを、それぞれ７５重量部、２５重量部ずつ
粒度配合し、さらに炭素源および成形バインダーとして
炭化率４０％のノボラック型フェノール樹脂を２５重量
部配合した。乳鉢で混合した後、１０００ｋｇ／ｃｍ2
の成形圧力で１２×５×６０ｍｍに金型成形した。７５
０℃で６０分間、真空脱脂および炭化を行い、３×４×
２０ｍｍに開口して基材とした。内寸法３×４×２０ｍ
ｍの窒化ほう素製の型枠にぴったりと基材をはめ込み、
基材に接して上法に金属珪素粉を１．５ｇ充填した。そ
のまま真空炉で１５００℃で３０分間加熱し、金属珪素
粉を溶融させ基材に浸透反応させて、ダイヤモンド粉粒
体を含んだ反応焼結炭化珪素材料を生成させた。冷却・
脱型後、付着した過剰の金属珪素を研削除去し、３×４
×２０ｍｍのテフトピースを製作した。このテストピー
スを図１に示したピンオンディスク法の試験装置にセッ
トし、試験荷重１．３ｋｇ、６０ｒｐｍで乾式で、しか
し周囲に水を流して摺動発熱を逃がしながら摩耗試験を
行ったところ、表１の結果を得た。３本のテストピース
の平均値は１．５×１０-9ｍｍ2 ／ｋｇの比摩耗量であ
った。
クロンの粒度の２種類のグレードの市販の人工ダイヤモ
ンドパウダーを、それぞれ７５重量部、２５重量部ずつ
粒度配合し、さらに炭素源および成形バインダーとして
炭化率４０％のノボラック型フェノール樹脂を２５重量
部配合した。乳鉢で混合した後、１０００ｋｇ／ｃｍ2
の成形圧力で１２×５×６０ｍｍに金型成形した。７５
０℃で６０分間、真空脱脂および炭化を行い、３×４×
２０ｍｍに開口して基材とした。内寸法３×４×２０ｍ
ｍの窒化ほう素製の型枠にぴったりと基材をはめ込み、
基材に接して上法に金属珪素粉を１．５ｇ充填した。そ
のまま真空炉で１５００℃で３０分間加熱し、金属珪素
粉を溶融させ基材に浸透反応させて、ダイヤモンド粉粒
体を含んだ反応焼結炭化珪素材料を生成させた。冷却・
脱型後、付着した過剰の金属珪素を研削除去し、３×４
×２０ｍｍのテフトピースを製作した。このテストピー
スを図１に示したピンオンディスク法の試験装置にセッ
トし、試験荷重１．３ｋｇ、６０ｒｐｍで乾式で、しか
し周囲に水を流して摺動発熱を逃がしながら摩耗試験を
行ったところ、表１の結果を得た。３本のテストピース
の平均値は１．５×１０-9ｍｍ2 ／ｋｇの比摩耗量であ
った。
【００２２】〔比較例〕一方、同寸法のテストピースを
常圧焼結炭化珪素で作製し、同条件でピンオンディスク
法で摩耗試験したところ、表１に示したように３本のテ
ストピースの平均値は７．２×１０-6ｍｍ2 ／ｋｇと、
本発明のダイヤモンド粉粒体を含んだ反応焼結炭化珪素
材料に比較して非常に大きな比摩耗量であった。
常圧焼結炭化珪素で作製し、同条件でピンオンディスク
法で摩耗試験したところ、表１に示したように３本のテ
ストピースの平均値は７．２×１０-6ｍｍ2 ／ｋｇと、
本発明のダイヤモンド粉粒体を含んだ反応焼結炭化珪素
材料に比較して非常に大きな比摩耗量であった。
【００２３】
【表１】
【００２４】
【発明の効果】本発明のダイヤモンド粉粒体を含んだ耐
摩耗製セラミックス材料およびその製造方法によれば、
従来のエンジニアリングセラミックスでは耐えられなか
った高負荷条件下での使用にも十分に耐えられる耐摩耗
性セラミックス材料を、あるいは潤滑剤を使用しない条
件下での固体接触下の摺動に対する耐摩耗製セラミック
ス材料を従来のダイヤモンド焼結体を製造する場合のよ
うな高温高圧装置を必要とせず通常の真空炉または非酸
化性雰囲気炉で製造し、提供することができる。
摩耗製セラミックス材料およびその製造方法によれば、
従来のエンジニアリングセラミックスでは耐えられなか
った高負荷条件下での使用にも十分に耐えられる耐摩耗
性セラミックス材料を、あるいは潤滑剤を使用しない条
件下での固体接触下の摺動に対する耐摩耗製セラミック
ス材料を従来のダイヤモンド焼結体を製造する場合のよ
うな高温高圧装置を必要とせず通常の真空炉または非酸
化性雰囲気炉で製造し、提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の耐摩耗性セラミックスの乾式摺動摩耗
試験を行うピンオンディスク法を行なう装置を示した概
念図である。
試験を行うピンオンディスク法を行なう装置を示した概
念図である。
１ ピン（３×４×２０ｍｍ） ２ ディスク（φ６０ｍｍレジンボンド＃６００ダイヤ
モンドディスク） ３ ピンホルダー ４ 試験荷重 ５ 回転テーブル
モンドディスク） ３ ピンホルダー ４ 試験荷重 ５ 回転テーブル
Claims (2)
- 【請求項１】 黒鉛・カーボンブラック・加熱により炭
素源となる炭化性有機化合物などの炭素源に必要に応じ
て炭化珪素粉粒体を配合した原料層において、炭素源の
一部または全部をダイヤモンド粉粒体とし、真空中また
は非酸化性雰囲気中で加熱し、溶融させた珪素を上記原
料層に浸透させ、原料層中の炭素源と反応させて新たに
生成した炭化珪素により結合させたダイヤモンド粉粒体
を含む反応焼結炭化珪素材料であって、レジンボンドの
ダイヤモンドディスク（＃６００、集中度１００）を用
いたピンオンディスク法（荷重１ｋｇ、乾式摺動条件）
による比摩耗量が、１×１０-8ｍｍ2 ／ｋｇより少ない
耐摩耗性セラミックス材料。 - 【請求項２】 黒鉛・カーボンブラック・加熱により炭
素源となる炭化性有機化合物などの炭素源に必要に応じ
て炭化珪素粉粒体を配合した原料層において、炭素源の
一部または全部をダイヤモンド粉粒体とし、高温高圧装
置を用いることなく（５〜６ＧＰａ、１４００〜１５５
０℃というダイヤモンドの安定条件下ではなく）、真空
中または非酸化性雰囲気中で加熱し、溶融させた珪素を
上記原料層に浸透させ、原料層中の炭素源と反応させて
新たに生成した炭化珪素により結合させることを特徴と
する耐摩耗性セラミックス材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3174744A JPH06199571A (ja) | 1991-06-20 | 1991-06-20 | 耐摩耗性セラミックス材料およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3174744A JPH06199571A (ja) | 1991-06-20 | 1991-06-20 | 耐摩耗性セラミックス材料およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06199571A true JPH06199571A (ja) | 1994-07-19 |
Family
ID=15983926
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3174744A Pending JPH06199571A (ja) | 1991-06-20 | 1991-06-20 | 耐摩耗性セラミックス材料およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06199571A (ja) |
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-
1991
- 1991-06-20 JP JP3174744A patent/JPH06199571A/ja active Pending
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