JPH08109083A - 複合材料、その製造方法及びその複合材料から成る摺動封止用部材 - Google Patents

複合材料、その製造方法及びその複合材料から成る摺動封止用部材

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JPH08109083A
JPH08109083A JP25056392A JP25056392A JPH08109083A JP H08109083 A JPH08109083 A JP H08109083A JP 25056392 A JP25056392 A JP 25056392A JP 25056392 A JP25056392 A JP 25056392A JP H08109083 A JPH08109083 A JP H08109083A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】封止性及び機械的強度の優れた摺動封止部材を
炭素−炭化珪素複合部材から製造すること。 【構成】炭素基材の所定部位（摺動部分）の表層部を珪
化処理し、さらに該炭素基材全体に金属を含浸してなる
炭素−炭化珪素−金属複合材料を摺動封止材料として使
用すること。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は新規なる複合材料、とく
に摺動封止用部材として好適な複合材料、その製造方法
並びにその用途に関するものである。
【０００２】さらに詳しくは、炭素基材の所定部位（摺
動部分）の表層部を局所的に珪化処理し、さらに該基材
に金属を含浸してなる新規な炭素−炭化珪素−金属複合
材料、及びその新規なる製造方法並びにその材料を用い
た用途に関するものである。
【０００３】このような複合材料は、耐摩耗性が要求さ
れる摺動封止部材、例えば軸受、シャフト軸、ピストン
シリンダー内壁、ピストンリング、スラスト板、バルブ
摺動部構成部品、ベーン、メカニカルシール部材等に適
用される。
【０００４】
【従来の技術】摺動封止用部材には、従来から炭素基材
が多く用いられるが、炭素基材の硬度、耐摩耗性を改善
するために、その表面をより硬く、より耐摩耗性の高い
炭化珪素質に転換、改質することが必要である。
【０００５】このような場合、必ずしも炭素基材の表面
全体を炭化珪素質に改質する必要はなく、特に摩耗の激
しい摺動部分のみ、即ち所定部分のみを選択的、局所的
に改質すれば事足りることが多い。
【０００６】炭素基材の表面を炭化珪素で被覆する方法
は、既に一般的に良く知られており、これを大別すると
化学蒸着法と転換法とになる。
【０００７】化学蒸着法（ＣＶＤ法）は、珪素化合物の
熱分解と化学反応を利用して炭化珪素を生成させ、これ
を炭素基材の表面に蒸着させる方法である。この方法
は、切削加工が容易な炭素材料が基材なので、形状が複
雑な摺動材料でも、その製造が容易であり、得られた炭
化珪素質被覆層も高純度で緻密なものであるが、被覆層
と基材との結合が弱く、機械的または熱的な繰り返し応
力の作用を受ると、被覆層が剥離し易いという重大な欠
点を持つ。
【０００８】一方転換法（ＣＶＲ法）は、二酸化珪素に
炭素または珪素を反応させることにより、生成させた一
酸化珪素ガスを、炭素基材表面の炭素と直接反応させ
て、炭化珪素からなる被覆層を形成する方法であり、例
えば特開平１−２６４９６９号がある。この方法で得ら
れた炭化珪素質被覆層は、炭素基材との結合は強固であ
るが、緻密さの点で劣るものである。
【０００９】これは［化１］及び［化２］の反応によっ
て炭素原子の半分が一酸化炭素ガスになって飛散してし
まい、その結果被覆層は炭素基材とほぼ同じくらいに気
孔率が大きくなる。したがって、気密性、不浸透性が要
求される部分に使用するためには、熱硬化性樹脂等を含
浸して基材の気密性を向上させる必要がある。
【００１０】
【化１】
【００１１】
【化２】
【００１２】ところが先にも述べたように蒸着法、転換
法共に非常に特殊な装置を必要とし、かつ不必要部分ま
でも被覆されるため、コスト的にも高い材料となる。そ
こで炭素基材のうち、炭化珪素に転化する必要のない部
分は特殊な治具、または不活性な粉体を用いて覆いをし
て被覆する方法が、特開昭５６−１２０５８４号及び特
開昭５７−７８８０号等で提案されている。また炭素基
材の表面に溝を設け、その部分にＳｉをのせて熱処理
し、炭化珪素に転化させる方法も特開昭６１−１３６９
６１号で提案されているが、操作が繁雑であり、作業性
も悪く、コスト的にも高くなる欠点があった。
【００１３】更に若干説明すると、炭素基材を部分的に
炭化珪素化する上記２つの公知例においては、被覆面積
を小さくしようとするものであって、ＣＶＤ法又はＣＶ
Ｒ法で炭化珪素化を行っているために、被覆層が剥離し
易いか、または多孔質となり、上記の欠点がそのまま残
存する。またＳｉを載置する公知例においては、その操
作自体が極めて煩雑であって到底実用性があるとは云い
難く、しかも得られる製品も表面にＳｉの溶融物が固着
し、それを取り除くのが容易でないという難点がある。
【００１４】また、炭素基材はそのままでは一般に封止
性が完全ではない。黒鉛は一般に微細炭素粒を、焼結し
て製造されたものであり、微細な細孔が残るからであ
る。
【００１５】このような多孔質炭素基材での封止性及び
機械的強度等の手段として通常、基材の細孔内に樹脂、
ピッチ、タール、無機質物、金属等を含浸、充填する手
段が知られている。
【００１６】このような多孔性炭素基材は、これを摺動
封止用部材として使用する場合には機械的強度及び不浸
透性を必要とする場合がある。その為封止を目的として
先に述べた熱硬化性樹脂を使用した場合、多孔質の為、
含浸すると、樹脂の含有率が高くなり、含浸後における
硬化の工程で含有樹脂中に含まれている揮発性溶液が多
く発生し、微細気孔を形成し、かつ樹脂が硬化により熱
収縮を生じる為、再び微細気孔が生じ、１回の含浸と硬
化の処理では所望する不浸透性にはならず、再度含浸、
硬化を繰り返す必要が生じる。
【００１７】又樹脂の硬化時における収縮により、製品
である黒鉛基材も同様に収縮し寸法が大きく変化する。
又製品の外周部は樹脂のふき出し等で樹脂が固着した状
態となる為、再度外周を加工する必要がある。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、上記従来のこの種摺動封止材料の欠点を解
消することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明は、様々な条件を
実験した結果、炭素基材好ましくは平均細孔半径が０.
５μｍ以上の炭素基材を、製品形状に加工し必要な部分
にのみケイ素粉末（Ｓｉ）と樹脂、特に残炭率が低いポ
リアミドイミド、ポリビニールアルコール、ポリアミド
樹脂等の溶液に懸濁混合してスラリーとし、これを塗布
し、乾燥、硬化、さらに１５００℃以上の高温で炭素基
材と溶融珪素を反応させ、目的とする部分を局所的にＳ
ｉＣに転化させ、さらに金属を含浸させることにより、
従来の摺動封止材料の問題点をことごとく解決すること
ができる新規な炭素の珪化技術を構成要素として応用し
て完成したものである。
【００２０】
【発明の作用並びに構成】本発明を更に詳しく説明す
る。
【００２１】（１）本発明で使用される炭素基材の製造
方法は通常の炭素材の製造方法を用いて行えば良く、こ
こで用いる炭素基材は、一般黒鉛材、等方性材等があげ
られる。平均細孔半径が０.５μｍ以上の炭素基材を製
品形状に加工したものを用いることが望ましい。炭素基
材の平均細孔半径が０.５μｍ未満であると珪素と樹脂
を混合したスラリーや金属珪素溶融物が細孔内に浸透し
にくくなる傾向がある。本発明は摺動部のみ局所的にＳ
ｉＣ化し、炭素とＳｉＣの比率を調節し、さらに金属を
含浸することにより耐摩耗性、耐食性、耐熱性と、さら
に封止性の良好な複合材料を提供するものである。
【００２２】（２）使用する樹脂は造膜性が高く、かつ
残炭率が低い樹脂、例えばポリアミドイミド、ポリビニ
ールアルコール、ポリアミド樹脂の内より選ばれたもの
が特に好ましく使用される。中でもポリアミドイミドが
更に望ましく、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルム
アミド、ジメチルスルホキサイド、Ｎメチル−２ピロリ
ドン等の溶媒に溶解させる。
【００２３】（３）この溶液に平均粒径が約３０〜５０
μｍの珪素粉末（Ｓｉ）を混合分散してスラリーとす
る。
【００２４】（４）このスラリーを炭素基材の所望する
部分にはけ塗り、手塗り等の適宜な手段で局所的に塗布
することにより必要な部分のみをＳｉＣに転化させるこ
とが可能である。
【００２５】（５）この後約３００℃で２時間乾燥、硬
化する。この工程で溶媒は揮散する。
【００２６】（６）（１）〜（５）の様にして得られた
材料を、不活性ガス雰囲気中又は真空中で高温熱処理す
る。昇温速度は約８００℃／ｈｒで約１５５０〜１６０
０℃で２０分間保持する。加熱手段は特に限定されるも
のでなく適当な手段で行えば良い。
【００２７】（７）こうして得られた炭素−ＳｉＣ複合
材料は樹脂の炭化物が炭素基材の表面に付着しているた
めこれを取り除く。
【００２８】（８）（１）〜（７）までの製造方法にさ
らに金属含浸を行い、不浸透性、機械的強度、耐熱性、
耐摩耗性を向上させる。
【００２９】（９）含浸に使用される金属としてはたと
えばＳｎ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｚｎまたはこれらを主成
分として含む合金があげられる。
【００３０】この金属としては、２００℃以上の融点を
持ち、炭素と反応して炭化物を形成しにくい金属または
合金を使用することである。融点が２００℃未満である
と生成される複合材に耐熱性を付与できないことがあ
る。
【００３１】炭素−ＳｉＣ複合体への金属含浸方法は、
まず含浸する金属を含浸装置内にいれ、１〜５Ｔｏｒｒ
で減圧加熱し、金属を溶解させる。この中に（７）まで
の工程で調製したものを入れ、５０〜１００kg／cm2に
加圧して３０ｍｉｎ以上保持し、含浸を行う。
【００３２】本発明で得られる炭素−炭化珪素−金属複
合材料は、炭素基材の所定部位（摺動面）に炭化珪素の
被覆層が形成され、且つ、その全体に（炭素基材及び被
覆炭化珪素層いずれも）金属が含浸された構造のもので
ある。このため、封止性が極めて高くなると共に摺動特
性もまた極めて優れたものとなっている。加えて、被覆
層である炭化珪素層にも金属が含浸されているため、こ
れ等の相乗作用により、摺動面の摺動特性もまた従来の
部分炭化珪素被覆物に比してもより大きくなる。
【００３３】
【実施例】以下に実施例を示し、本発明を詳しく説明す
る。 ［I］供試試料
【００３４】
【実施例１】平均細孔半径２μｍの等方性黒鉛材料（東
洋炭素(株)製ＳＩＣ−１２）をφ５２.２／φ４２.５の
製品形状に加工した。一方ポリアミドイミド樹脂（Ａｌ
−１０、小原化工製）をＮ−メチル−２ピロリドンに１
００重量部溶解し、２０％溶液とした。この溶液にＳｉ
Ｃ粉末（和光純薬工業製平均粒径５０μｍ）を６０重量
部混合しスラリーとした。
【００３５】このスラリーを炭素基材の必要とする部分
に塗布した後乾燥機中３００℃で硬化した。
【００３６】更に真空炉にて１６００℃まで昇温、保持
３０分、冷却後取りだした。
【００３７】さらにＳｂを含浸装置内で溶融し、ＳｉＣ
化された半製品を浸漬後、Ｎ2ガスを導入し、１００kgf
/cm2にて３０分間保持し、冷却後取りだした。Ｓｂの含
浸率は６６％（重量）であった。
【００３８】
【実施例２】平均細孔半径１.５μｍの「ＩＳＥＭ−
１」（東洋炭素(株)製）を用い、以下製造方法は実施例
１と同様にしてＳｉＣを２.０mm浸透させた。含浸条件
は同様にし、含浸金属はＳｎを使用した。
【００３９】
【実施例３】平均細孔半径０.５μｍの「ＩＳＯ−５
０」（東洋炭素(株)製）を用いて、ＳｉＣ層を０.５mm
形成した。含浸方法は同様にし、含浸金属はＣｕを使用
した。
【００４０】
【比較例１】平均細孔半径が１.０μｍの「ＫＣ−１
７」（東洋炭素(株)社製）、φ５２.５／φ４２.５にフ
ェノール樹脂を含浸したものを用意した。
【００４１】
【比較例２】平均細孔半径が１.０μｍの「ＫＣ−１
７」、φ５２.５／φ４２.５の必要な部分を実施例１と
同様にして、Ｓｂ含浸したものを用意した。
【００４２】［II］摺動性能試験 これら実施例１〜４及び比較例１〜２の試料を、図４に
示す形状に成形し、同一条件にて摺動性能試験機にて比
較評価した。
【００４３】（イ）試験条件は下に示す。 試験機 メカニカルシール用試験機を利用 流体圧力 １０kgf／cm2 流体 水 回転数 ３６００rpm 相手材 ＳｉＣ 試験時間 １００ｈｒ 流体温度 ＲＴ〜３０℃ 試験品寸法 φ５２.５／φ４２.５ バランス比 １.２２
【００４４】（ロ）試験結果 表１に示す。
【００４５】
【表１】
【００４６】［III］物性測定試験 実施例１の複合材料の物性、とくに流体封止能について
測定した。 （イ）物性試験結果を表２に示す。
【００４７】
【表２】
【００４８】（ロ）アンチモン含浸の封止性に及ぼす効
果 アンチモン含浸前の細孔半径１.５μｍ。平均１.５μ
ｍ：図１に示す。アンチモン含浸後の細孔半径。殆ど測
定されない。：図２に示す。
【００４９】（ハ）考察 アンチモン含浸によって、硬度、強度が向上し、炭素基
材中に殆ど残存細孔が無くなり、封止性能も向上してい
ることが判った。
【００５０】［IV］珪化部分の顕微鏡写真及び表面組成
珪化した部分の面分析法（コンピューターによる画像積
算法）による成分組成について調べた。
【００５１】（１）前処理 実施例１の試料の珪化処理部分をＭＭＡ（メチルメタア
クリレート）にて包理後研磨した後研磨表面にＣ蒸着を
施した。
【００５２】（２）測定条件 加速電圧 ２０ＫＶ 試料電流 ０.６ｎＡ 測定時間 ２００ｓｅｃ 使用装置 ＥＭＡＸ−２７００（堀場製）
【００５３】（３）結果 Ｓｉの面分析写真を図３に示す。 ２ 面積比率
【００５４】
【表３】
【００５５】珪化をしない部分は、ＳｉＣ成分はなく、
ＣとＳｂのみである。
【００５６】
【実施例４〜８】本発明の複合材料の用途例を図４〜９
に示す。太線表示部（１）は珪化処理を行った部分を、
それ以外の斜線部（２）は珪化処理が施されていない部
分をそれぞれ示す。
【００５７】但し図４はメカニカルシール、図５は軸
受、図６はシャフト軸、図７はブレーキディスク、図８
はピストンシリンダー、図９はボールバルブ用環状封止
摺動部材に応用した場合を示す。
【００５８】
【発明の効果】上記の通り現在メカニカルシール材とし
て広く使用されている既存材料例えば炭素基材に樹脂含
浸したものや炭素基材に単に含浸したものと比較した結
果、不浸透性も良好でかつ耐摩耗性において非常に優れ
た特性値を得た。この事はメカニカルシール、軸受け等
の摺動封止用部材としての使用において極めて良好な材
料で、装置の耐久性、信頼性を著しく向上させる事がで
き、本発明は産業上非常に有用である。
【００５９】
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】
【００６１】アンチモン含浸前の複合材料の細孔半径測
定結果。
【００６２】
【図２】
【００６３】アンチモン含浸後の複合材料の細孔半径の
測定結果。
【００６４】
【図３】
【００６５】面分析写真
【００６６】
【図４】
【００６７】本発明複合材料をメカニカルシール部材に
応用した例を示す説明図。
【００６８】
【図５】
【００６９】本発明複合材料を軸受部材に応用した例を
示す説明図。
【００７０】
【図６】
【００７１】本発明複合材料をシャフト軸部材に応用し
た例を示す説明図。
【００７２】
【図７】
【００７３】本発明複合材料をブレーキディスク部材に
応用した例を示す説明図。
【００７４】
【図８】
【００７５】本発明複合材料をピストンシリンダー部材
に応用した例を示す説明図。
【００７６】
【図９】
【００７７】本発明複合材料をボールバルブ部材に応用
した例を示す説明図。
【００７８】
【符号の説明】
１・・・・・珪化処理が施された部分 ２・・・・・珪化処理が施されていない部分
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成５年４月１３日
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３】 ─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成５年１１月２５日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正内容】
【００５３】（３）結果 Ｓｉの面分析写真を図３に示す。但し図３中白い部分は
ＳｉＣ質の部分、斜線の部分は炭素質の部分を示す。 ２ 面積比率
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３】
【手続補正書】
【提出日】平成７年９月２０日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の詳細な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は新規なる複合材料、とく
に摺動封止用部材として好適な複合材料、その製造方法
並びにその用途に関するものである。
【０００２】さらに詳しくは、炭素基材の所定部位（摺
動部分）の表層部を局所的に珪化処理し、さらに該基材
に金属を含浸してなる新規な炭素−炭化珪素−金属複合
材料、及びその新規なる製造方法並びにその材料を用い
た用途に関するものである。
【０００３】このような複合材料は、耐摩耗性が要求さ
れる摺動封止部材、例えば軸受、シャフト軸、ピストン
シリンダー内壁、ピストンリング、スラスト板、バルブ
摺動部構成部品、ベーン、メカニカルシール部材等に適
用される。
【０００４】
【従来の技術】摺動封止用部材には、従来から炭素基材
が多く用いられるが、炭素基材の硬度、耐摩耗性を改善
するために、その表面をより硬く、より耐摩耗性の高い
炭化珪素質に転換、改質することが必要である。
【０００５】このような場合、必ずしも炭素基材の表面
全体を炭化珪素質に改質する必要はなく、特に摩耗の激
しい摺動部分のみ、即ち所定部分のみを選択的、局所的
に改質すれば事足りることが多い。
【０００６】炭素基材の表面を炭化珪素で被覆する方法
は、既に一般的に良く知られており、これを大別すると
化学蒸着法と転換法とになる。
【０００７】化学蒸着法（ＣＶＤ法）は、珪素化合物の
熱分解と化学反応を利用して炭化珪素を生成させ、これ
を炭素基材の表面に蒸着させる方法である。この方法
は、切削加工が容易な炭素材料が基材なので、形状が複
雑な摺動材料でも、その製造が容易であり、得られた炭
化珪素質被覆層も高純度で緻密なものであるが、被覆層
と基材との結合が弱く、機械的または熱的な繰り返し応
力の作用を受ると、被覆層が剥離し易いという重大な欠
点を持つ。
【０００８】一方転換法（ＣＶＲ法）は、二酸化珪素に
炭素または珪素を反応させることにより、生成させた一
酸化珪素ガスを、炭素基材表面の炭素と直接反応させ
て、炭化珪素からなる被覆層を形成する方法であり、例
えば特開平１−２６４９６９号がある。この方法で得ら
れた炭化珪素質被覆層は、炭素基材との結合は強固であ
るが、緻密さの点で劣るものである。
【０００９】これは［化１］及び［化２］の反応によっ
て炭素原子の半分が一酸化炭素ガスになって飛散してし
まい、その結果被覆層は炭素基材とほぼ同じくらいに気
孔率が大きくなる。したがって、気密性、不浸透性が要
求される部分に使用するためには、熱硬化性樹脂等を含
浸して基材の気密性を向上させる必要がある。
【００１０】
【化１】
【００１１】
【化２】
【００１２】ところが先にも述べたように蒸着法、転換
法共に非常に特殊な装置を必要とし、かつ不必要部分ま
でも被覆されるため、コスト的にも高い材料となる。そ
こで炭素基材のうち、炭化珪素に転化する必要のない部
分は特殊な治具、または不活性な粉体を用いて覆いをし
て被覆する方法が、特開昭５６−１２０５８４号及び特
開昭５７−７８８０号等で提案されている。また炭素基
材の表面に溝を設け、その部分にＳｉをのせて熱処理
し、炭化珪素に転化させる方法も特開昭６１−１３６９
６１号で提案されているが、操作が繁雑であり、作業性
も悪く、コスト的にも高くなる欠点があった。
【００１３】更に若干説明すると、炭素基材を部分的に
炭化珪素化する上記２つの公知例においては、被覆面積
を小さくしようとするものであって、ＣＶＤ法又はＣＶ
Ｒ法で炭化珪素化を行っているために、被覆層が剥離し
易いか、または多孔質となり、上記の欠点がそのまま残
存する。またＳｉを載置する公知例においては、その操
作自体が極めて煩雑であって到底実用性があるとは云い
難く、しかも得られる製品も表面にＳｉの溶融物が固着
し、それを取り除くのが容易でないという難点がある。
【００１４】また、炭素基材はそのままでは一般に封止
性が完全ではない。黒鉛は一般に微細炭素粒を、焼結し
て製造されたものであり、微細な細孔が残るからであ
る。
【００１５】このような多孔質炭素基材での封止性及び
機械的強度等の手段として通常、基材の細孔内に樹脂、
ピッチ、タール、無機質物、金属等を含浸、充填する手
段が知られている。
【００１６】このような多孔性炭素基材は、これを摺動
封止用部材として使用する場合には機械的強度及び不浸
透性を必要とする場合がある。その為封止を目的として
先に述べた熱硬化性樹脂を使用した場合、多孔質の為、
含浸すると、樹脂の含有率が高くなり、含浸後における
硬化の工程で含有樹脂中に含まれている揮発性溶液が多
く発生し、微細気孔を形成し、かつ樹脂が硬化により熱
収縮を生じる為、再び微細気孔が生じ、１回の含浸と硬
化の処理では所望する不浸透性にはならず、再度含浸、
硬化を繰り返す必要が生じる。
【００１７】又樹脂の硬化時における収縮により、製品
である黒鉛基材も同様に収縮し寸法が大きく変化する。
又製品の外周部は樹脂のふき出し等で樹脂が固着した状
態となる為、再度外周を加工する必要がある。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、上記従来のこの種摺動封止材料の欠点を解
消することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明は、様々な条件を
実験した結果、炭素基材好ましくは平均細孔半径が０．
５μｍ以上の炭素基材を、製品形状に加工し必要な部分
にのみケイ素粉末（Ｓｉ）と樹脂、特に残炭率が低いポ
リアミドイミド、ポリビニールアルコール、ポリアミド
樹脂等の溶液に懸濁混合してスラリーとし、これを塗布
し、乾燥、硬化、さらに１５００℃以上の高温で炭素基
材と溶融珪素を反応させ、目的とする部分を局所的にＳ
ｉＣに転化させ、さらに金属を含浸させることにより、
従来の摺動封止材料の問題点をことごとく解決すること
ができる新規な炭素の珪化技術を構成要素として応用し
て完成したものである。
【００２０】
【発明の作用並びに構成】本発明を更に詳しく説明す
る。
【００２１】（１）本発明で使用される炭素基材の製造
方法は通常の炭素材の製造方法を用いて行えば良く、こ
こで用いる炭素基材は、一般黒鉛材、等方性材等があげ
られる。平均細孔半径が０．５μｍ以上の炭素基材を製
品形状に加工したものを用いることが望ましい。炭素基
材の平均細孔半径が０．５μｍ未満であると珪素と樹脂
を混合したスラリーや金属珪素溶融物が細孔内に浸透し
にくくなる傾向がある。本発明は摺動部のみ局所的にＳ
ｉＣ化し、炭素とＳｉＣの比率を調節し、さらに金属を
含浸することにより耐摩耗性、耐食性、耐熱性と、さら
に封止性の良好な複合材料を提供するものである。
【００２２】（２）使用する樹脂は造膜性が高く、かつ
残炭率が低い樹脂、例えばポリアミドイミド、ポリビニ
ールアルコール、ポリアミド樹脂の内より選ばれたもの
が特に好ましく使用される。中でもポリアミドイミドが
更に望ましく、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルム
アミド、ジメチルスルホキサイド、Ｎメチル−２ピロリ
ドン等の溶媒に溶解させる。
【００２３】（３）この溶液に平均粒径が約３０〜５０
μｍの珪素粉末（Ｓｉ）を混合分散してスラリーとす
る。
【００２４】（４）このスラリーを炭素基材の所望する
部分にはけ塗り、手塗り等の適宜な手段で局所的に塗布
することにより必要な部分のみをＳｉＣに転化させるこ
とが可能である。
【００２５】（５）この後約３００℃で２時間乾燥、硬
化する。この工程で溶媒は揮散する。
【００２６】（６）（１）〜（５）の様にして得られた
材料を、不活性ガス雰囲気中又は真空中で高温熱処理す
る。昇温速度は約８００℃／ｈｒで約１５５０〜１６０
０℃で２０分間保持する。加熱手段は特に限定されるも
のでなく適当な手段で行えば良い。
【００２７】（７）こうして得られた炭素−ＳｉＣ複合
材料は樹脂の炭化物が炭素基材の表面に付着しているた
めこれを取り除く。
【００２８】（８）（１）〜（７）までの製造方法にさ
らに金属含浸を行い、不浸透性、機械的強度、耐熱性、
耐摩耗性を向上させる。
【００２９】（９）含浸に使用される金属としてはたと
えばＳｎ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｚｎまたはこれらを主成
分として含む合金があげられる。
【００３０】この金属としては、２００℃以上の融点を
持ち、炭素と反応して炭化物を形成しにくい金属または
合金を使用することである。融点が２００℃未満である
と生成される複合材に耐熱性を付与できないことがあ
る。
【００３１】炭素−ＳｉＣ複合体への金属含浸方法は、
まず含浸する金属を含浸装置内にいれ、１〜５Ｔｏｒｒ
で減圧加熱し、金属を溶解させる。この中に（７）まで
の工程で調製したものを入れ、５０〜１００ｋｇ／ｃｍ
２（こ加圧して３０ｍｉｎ以上保持し、含浸を行う。
【００３２】本発明で得られる炭素−炭化珪素−金属複
合材料は、炭素基材の所定部位（摺動面）に炭化珪素の
被覆層が形成され、且つ、その全体に（炭素基材及び被
覆炭化珪素層いずれも）金属が含浸された構造のもので
ある。このため、封止性が極めて高くなると共に摺動特
性もまた極めて優れたものとなっている。加えて、被覆
層である炭化珪素層にも金属が含浸されているため、こ
れ等の相乗作用により、摺動面の摺動特性もまた従来の
部分炭化珪素被覆物に比してもより大きくなる。
【００３３】
【実施例】以下に実施例を示し、本発明を詳しく説明す
る。 ［Ｉ］供試試料
【００３４】
【実施例１】平均細孔半径２μｍの等方性黒鉛材料（東
洋炭素（株）製ＳＩＣ−１２）をφ５２．２／φ４２．
５の製品形状に加工した。一方ポリアミドイミド樹脂
（Ａｌ−１０、小原化工製）をＮ−メチル−２ピロリド
ンに１００重量部溶解し、２０％溶液とした。この溶液
にＳｉＣ粉末（和光純薬工業製平均粒径５０μｍ）を６
０重量部混合しスラリーとした。
【００３５】このスラリーを炭素基材の必要とする部分
に塗布した後乾燥機中３００℃で硬化した。
【００３６】更に真空炉にて１６００℃まで昇温、保持
３０分、冷却後取りだした。
【００３７】さらにＳｂを含浸装置内で溶融し、ＳｉＣ
化された半製品を浸漬後、Ｎ２ガスを導入し、１００ｋ
ｇｆ／ｃｍ２にて３０分間保持し、冷却後取りだした。
Ｓｂの含浸率は６６％（重量）であった。
【００３８】
【実施例２】平均細孔半径１．５μｍの「ＩＳＥＭ−
１」（東洋炭素（株）製）を用い、以下製造方法は実施
例１と同様にしてＳｉＣを２．０ｍｍ浸透させた。含浸
条件は同様にし、含浸金属はＳｎを使用した。
【００３９】
【実施例３】平均細孔半径０．５μｍの「ＩＳＯ−５
０」（東洋炭素（株）製）を用いて、ＳｉＣ層を０．５
ｍｍ形成した。含浸方法は同様にし、含浸金属はＣｕを
使用した。
【００４０】
【比較例１】平均細孔半径が１．０μｍの「ＫＣ−１
７」（東洋炭素（株）社製）、φ５２．５／φ４２．５
にフェノール樹脂を含浸したものを用意した。
【００４１】
【比較例２】平均細孔半径が１．０μｍの「ＫＣ−１
７」、φ５２．５／φ４２．５の必要な部分を実施例１
と同様にして、Ｓｂ含浸したものを用意した。
【００４２】［ＩＩ］摺動性能試験 これら実施例１〜４及び比較例１〜２の試料を、図４に
示す形状に成形し、同一条件にて摺動性能試験機にて比
較評価した。
【００４３】（イ）試験条件は下に示す。 試験機 メカニカルシール用試験機を利用 流体圧力 １０ｋｇｆ／ｃｍ２ 流体 水 回転数 ３６００ｒｐｍ 相手材 ＳｉＣ 試験時間 １００ｈｒ 流体温度 ＲＴ〜３０℃ 試験品寸法 φ５２．５／φ４２．５ バランス比 １．２２
【００４４】（ロ）試験結果 表１に示す。
【００４５】
【表１】
【００４６】［ＩＩＩ］物性測定試験 実施例１の複合材料の物性、とくに流体封止能について
測定した。 （イ）物性試験結果を表２に示す。
【００４７】
【表２】
【００４８】（ロ）アンチモン含浸の封止性に及ぼす効
果 アンチモン含浸前の細孔半径１．５μｍ。平均１．５μ
ｍ：図１に示す。 アンチモン含浸後の細孔半径。殆ど測定されない。：図
２に示す。
【００４９】（ハ）考察 アンチモン含浸によって、硬度、強度が向上し、炭素基
材中に殆ど残存細孔が無くなり、封止性能も向上してい
ることが判った。
【００５０】［ＩＶ］珪化部分の顕微鏡写真及び表面組
成珪化した部分の面分析法（コンピューターによる画像
積算法）による成分組成について調べた。
【００５１】（１）前処理 実施例１の試料の珪化処理部分をＭＭＡ（メチルメタア
クリレート）にて包理後研磨した後研磨表面にＣ蒸着を
施した。
【００５２】（２）測定条件 加速電圧 ２０ＫＶ 試料電流 ０．６ｎＡ 測定時間 ２００ｓｅｃ 使用装置 ＥＭＡＸ−２７００（堀場製）
【００５３】（３）結果 Ｓｉの面分析写真を図３に示す。但し図３中白い部分は
ＳｉＣ質の部分、斜線の部分は炭素質の部分を示す。 ２ 面積比率
【００５４】
【表３】
【００５５】珪化をしない部分は、ＳｉＣ成分はなく、
ＣとＳｂのみである。
【００５６】
【実施例４〜８】本発明の複合材料の用途例を図４〜９
に示す。太線表示部（１）は珪化処理を行った部分を、
それ以外の斜線部（２）は珪化処理が施されていない部
分をそれぞれ示す。
【００５７】但し図４はメカニカルシール、図５は軸
受、図６はシャフト軸、図７はブレーキディスク、図８
はピストンシリンダー、図９はボールバルブ用環状封止
摺動部材に応用した場合を示す。
【００５８】
【発明の効果】上記の通り現在メカニカルシール材とし
て広く使用されている既存材料例えば炭素基材に樹脂含
浸したものや炭素基材に単に含浸したものと比較した結
果、不浸透性も良好でかつ耐摩耗性において非常に優れ
た特性値を得た。この事はメカニカルシール、軸受け等
の摺動封止用部材としての使用において極めて良好な材
料で、装置の耐久性、信頼性を著しく向上させる事がで
き、本発明は産業上非常に有用である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】アンチモン含浸前の複合材料の細孔半径測定結
果。
【図２】アンチモン含浸後の複合材料の細孔半径の測定
結果。
【図３】面分析図
【図４】本発明複合材料をメカニカルシール部材に応用
した例を示す説明図。
【図５】本発明複合材料を軸受部材に応用した例を示す
説明図。
【図６】本発明複合材料をシャフト軸部材に応用した例
を示す説明図。
【図７】本発明複合材料をブレーキディスク部材に応用
した例を示す説明図。
【図８】本発明複合材料をピストンシリンダー部材に応
用した例を示す説明図。
【図９】本発明複合材料をボールバルブ部材に応用した
例を示す説明図。
【符号の説明】 １・・・・・珪化処理が施された部分 ２・・・・・珪化処理が施されていない部分
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ１６Ｃ 33/04 7123−3Ｊ Ｆ１６Ｄ 69/02 Ｂ Ｆ１６Ｊ 9/26 Ｃ 15/34 Ｚ Ｆ１６Ｋ 5/06 Ｈ

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】炭素基材の所定部位（摺動部分）の表層部
    を珪化処理し、さらに該炭素基材全体に金属を含浸して
    なる炭素−炭化珪素−金属複合材料。
  2. 【請求項２】含浸する金属が、アンチモン、銀、錫、銅
    並びにこれ等の少なくとも１種を主成分とする合金の少
    なくとも１種である請求項１の複合材料。
  3. 【請求項３】炭素基材の所定部位（摺動部分）の表層部
    を珪化処理し、さらに該炭素基材に金属を含浸して炭素
    −炭化珪素−金属複合材料を製造する方法であって、珪
    化処理をしたい所定部位のみを残し、他の部分をＳｉガ
    スの接触を防ぐ覆いを施した状態でＳｉＣ被覆を行った
    のち、基材全体に金属成分を含浸せしめることを特徴と
    する複合材料の製造方法。
  4. 【請求項４】（イ）平均細孔半径が０.５μｍ以上であ
    る炭素基材を製品形状に加工した素材に、 （ロ）ポリイミドアミド、ポリビニルアルコール、ポリ
    アミド樹脂のうち少なくとも一つ以上含む溶液に金属珪
    素粉を懸濁させたスラリーを、 （ハ）炭素基材の所定部位に塗布、乾燥、硬化、さらに
    １５００℃以上で焼成して部分的に珪化処理を施し、 （ニ）さらに金属を含浸せしめることを特徴とする請求
    項３の複合材料の製造方法。
  5. 【請求項５】炭素基材の所定部位（摺動部分）の表層部
    を珪化処理し、さらに該炭素基材全体に金属を含浸して
    なる炭素−炭化珪素−金属複合材料を用いた摺動封止用
    部材。
  6. 【請求項６】炭素基材の所定部位（摺動部分）の表面を
    珪化処理し、さらに該炭素基材全体に金属を含浸せしめ
    てなる炭素−炭化珪素−金属複合材料を用いたメカニカ
    ルシール部材。
  7. 【請求項７】相手部材と接触する部分のみがＳｉＣ化さ
    れ、且つ基材の炭素に金属が含浸されて成る軸受である
    請求項５の部材。
  8. 【請求項８】相手部材と接触する部分のみがＳｉＣ化さ
    れ、且つ基材の炭素に金属が含浸されて成るシャフト軸
    である請求項５の部材。
  9. 【請求項９】相手部材と接触する部分のみがＳｉＣ化さ
    れ、且つ基材の炭素に金属が含浸されて成るブレーキデ
    ィスクである請求項５の部材。
  10. 【請求項１０】相手部材と接触する部分のみがＳｉＣ化
    され、且つ基材の炭素に金属が含浸されて成るピストン
    リングである請求項５の部材。
  11. 【請求項１１】相手部材と接触する部分のみがＳｉＣ化
    され、且つ基材の炭素に金属が含浸されて成るバルブ摺
    動部材である請求項５の部材。
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