JPH0791106B2 - 複合炭素材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の属する分野］ 本発明は、複合炭素材に関し、詳しくは、炭素質粉と黒
鉛質粉を特定割合で含有する炭素粉とアルミニウムまた
はその合金からなり、曲げ強さ、衝撃強度、耐摩耗性等
に優れ、ベーン材等の摺動材に好適に用いられる複合炭
素材に関する。

［従来の技術］ 近年、金属またはその合金と無機材料からなる複合材料
により、優れた特性を有する摺動材が種々提案されてお
り、ベーン型圧縮機のベーンまたはロータリーピストン
エンジンのアペックスシール等に汎用されている。例え
ば、アルミニウムまたはアルミニウム合金に炭素粒を分
散させた摺動材をロータリーピストンエンジンのアペッ
クスシールに適用したものが提案されている（特公昭52
−3882号公報）。この摺動材は、耐熱性、耐摩耗性に優
れたものであるが、鉄系摺動材や焼結系摺動材と比較し
て、曲げ強さ、衝撃強度において劣る場合があった。ま
た、オイルレス（無給油）条件では油滑性、耐摩耗性に
劣る等の問題点も有している。

従って、この摺動材を耐熱性、耐摩耗性のみならず、曲
げ強度や衝撃強度等の種々の性能が要求されるインバー
タ機能を備えたベーン型ポンプやベーン型圧縮機に用い
た場合、耐熱性等は充分に満足するものの、上記したよ
うに曲げ強さ、衝撃強度やオイルレス（無給油）条件で
の油滑性、耐摩耗性に問題が生じる。

このように、インバータ機能を備えたベーン型圧縮機等
に用いられるベーン等の摺動材には、従来以上に摺動部
分の耐衝撃性、耐摩耗性および耐熱性が要求されるが、
これらの特性を同時に満足させる摺動材は未だ得られて
いない。

［発明の目的］ 本発明の目的は、かかる従来技術の問題点に鑑み、摺動
部分の曲げ強度、衝撃強度、耐摩耗性、耐熱性等の諸特
性に優れた複合炭素材を提供することにある。

［発明の構成］ 本発明のこの目的は、炭素粉として、炭素質粉と黒鉛質
粉を特定割合で含有する混合粉を用いることによって達
成される。

すなわち本発明は、炭素質粉100容量部に対して黒鉛質
粉３〜10容量部を含有する炭素粉40〜80容量％とアルミ
ニウムまたはアルミニウム合金60〜20容量％とからなる
複合炭素材にある。

本発明の複合炭素材は、炭素粉40〜80容量％、好ましく
は60〜65容量％とアルミニウムまたはアルミニウム合金
60〜20容量％、好ましくは40〜35容量％からなる。炭素
粉が40容量％未満では、均一な複合組織が得難く、80容
量％を越えると耐摩耗性は向上するものの、衝撃強度が
低下する。

また、本発明においては、炭素粉として炭素質粉と黒鉛
質粉の混合粉を用いる。その割合は炭素質粉100容量部
に対して黒鉛質粉３〜10容量部である。黒鉛質粉が３容
量部未満では、曲げ強さ、衝撃強度等に劣り、10容量部
を越えると炭素質粉の粒度分布の最適範囲とならず曲げ
強さ、衝撃強度等が劣る。

ここにおいて、炭素質粉としては、化学構造上炭素質の
ものであればいずれも使用できる。この炭素質粉の好ま
しい粒度分布は、粒径が５〜15μ未満の範囲が10〜30容
量％、15〜45μの範囲で70〜85容量％、45μ超が０〜５
容量％であり、この範囲が衝撃強度等の特性の点から好
ましい。

一方、炭素質粉に添加する黒鉛質粉としては、化学構造
上黒鉛質のものであればいずれも使用できる。好ましい
粒度分布は粒径が５〜10μ未満の範囲で０〜10容量％、
10〜20μの範囲で80〜95容量％、20超〜45μの範囲で０
〜15容量％であり、同様にこの範囲が衝撃強度等の特性
の点から好ましい。

次に、本発明の複合炭素材の製造方法の一例を説明す
る。

先ず、炭素質粉および黒鉛質粉をそれぞれ別々に加熱、
乾燥し、微粉砕した後、篩にかけて粒度を調整する。こ
の場合、炭素質粉の加熱条件は、1300℃〜1400℃で５時
間とし、黒鉛質粉の加熱条件は、120℃〜150℃で16時間
とした。これらの粒度を調整された炭素粉と黒鉛質粉を
Ｖ型ミキサで30分間混合し、上部が開放された耐熱容器
に適量入れる。

充填完了後、振動、プレス、その他の方法で混合粉層を
緊密化し、その上部に耐熱部材からなる有孔の蓋をし
て、アルミニウム（アルミニウム合金）含浸槽に入れ、
アルミニウム含浸槽を密閉する。ここにおいて、混合粉
の温度を溶融アルミニウムの温度と一致させるため混合
粉の予熱を行なう。次いで、アルミニウム含浸槽内部を
減圧して混合粉層の空気を排除した後、耐熱容器を溶融
アルミニウム槽の底部で、予め溶融してあるアルミニウ
ム浴に浸漬し、加圧して溶融アルミニウムを耐熱容器内
の内容物に浸透させる。溶融アルミニウムが容器内の内
容物中に充分浸透した後、容器を溶融アルミニウム中か
ら引き上げ、加圧状態のまま冷却する。冷却して含浸ア
ルミニウムが凝固した後、容器から本発明の炭素複合材
を取り出す。

なお、本発明の複合炭素材を製造するに際して、アルミ
ニウムまたはアルミニウム合金の溶湯と炭素粉とが接触
すると両者の接触面にアルミニウムカーバイド（Al
₄C₃）が生成するが、多くなると耐水性が低下するので
少量にする必要があり、アルミニウムが融点を多少越え
た付近の温度で10分以内保持することが望ましく、含浸
成形圧力は浸漬時間との兼ね合いにより適切に定めれば
よく、一般的な含浸成形条件としては50kg/cm²で５分間
程度が適当である。

また、炭素複合材の母材であるアルミニウムまたはアル
ミニウム合金を強化材で強化する場合は、高強度炭素繊
維またはシリコンカーバイド繊維等の無機繊維、金属繊
維、セラミック粉末または金属粉末の１種以上を混合粉
の上層に充填すればよい。

［実施例］ 以下、本発明を実施例および比較例によりさらに具体的
に説明する。

実施例１ 先ず、炭素質粉および黒鉛質粉をそれぞれ別々に加熱、
乾燥し微粉砕した後、篩にかけて粒度を調整する。この
場合の炭素質粉および黒鉛質粉の粒度分布、平均粒径、
配合割合および加熱条件を第１表に示す。次に、これら
の粒度を調整された炭素質粉および黒鉛質粉をＶ型ミキ
サで30分間混合し、鉄板で作った上部開放の耐熱容器の
底に5mmの厚さに平均に敷く。その上部に強化材である
シリコンカーバイド繊維を充填する。シリコンカーバイ
ド繊維は2mm以下のチョップとすると均一に充填されて
具合がよい。加振機に耐熱容器を載せて加振し、内容物
を緊密化する。多数の細孔を穿った鉄板蓋を載せ、取り
扱い中に内容物が離脱せぬよう針金で縛るか、あるいは
周辺をかしめる。次に、加熱装置を内蔵するアルミニウ
ム合金含浸槽に入れ蓋をする。ここにおいて、アルミニ
ウム合金としては、アルミニウム−ケイ素合金（AC8A:J
IS規格）を用いた。蓋をした後、アルミニウム合金含浸
槽内部の空気を真空吸引し、混合粉層およびその上部の
強化材（シリコンカーバイド繊維）層中の空気を排除す
る。そして、含浸槽の底部で予め溶融してあるアルミニ
ウム合金浴の中に耐熱容器を垂下、浸漬する。この後、
アルミニウム合金含浸槽に加圧不活性ガス（窒素）を導
入し、80〜100kg/cm²に加圧し、混合粉／強化材（シリ
コンカーバイド繊維）の空隙に溶融アルミニウム合金を
浸透させる。溶融アルミニウム合金が充分浸透した後、
アルミニウム合金含浸槽から容器を引き上げ、加圧状態
のまま放冷する。アルミニウム合金が凝固した後、加圧
ガスを放出しアルミニウム合金含浸槽を開いて耐熱容器
を取出し、耐熱容器を切開して炭素複合材を得た。

このようにして得られた炭素複合材について、かさ比重
等６項目について製品特性の評価試験を行なった。この
結果を第２表に示す。

実施例２ 実施例１において、黒鉛質粉の配合量を５容量％とした
以外は実施例１と同様にして炭素複合材を作成し、評価
試験を行なった。この結果を第２表に示す。

比較例１ 実施例１において黒鉛質粉を配合（添加）しなかった以
外は実施例１と同様にして炭素複合材を作成し、評価試
験を行なった。この結果を第２表に示す。

第１表の結果から明らかなように、炭素粉として炭素質
粉と黒鉛質粉の混合粉を用いて得られた炭素複合材（実
施例１〜２）は、炭素粉として炭素質粉のみを用いて得
られた炭素複合材（比較例１）に比べ、曲げ強度、衝撃
強度（シャルピー衝撃値）において優れており、かつ、
その他の諸特性においては、ほぼ同等の値を示すことが
判る。

［発明の効果］ 以上のように、炭素質粉と黒鉛質粉を特定割合で含有す
る炭素粉とアルミニウムまたはその合金からなる本発明
の炭素複合材は、衝撃強度を大幅に向上させ、さらにオ
イルレスの状態で耐摩耗性を大幅に向上でき、しかもそ
の他の特性も優れている。

従って、本発明の炭素複合材は、ベーン型圧縮機やベー
ン型ポンプ等のベーンとして好適に用いられる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭素質粉100容量部に対して黒鉛質粉３〜1
   0容量部を含有する炭素粉40〜80容量％とアルミニウム
   またはアルミニウム合金60〜20容量％とからなる複合炭
   素材。