JPH10194877A - タングステン／カーボン複合材料 - Google Patents
タングステン／カーボン複合材料Info
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- JPH10194877A JPH10194877A JP1458097A JP1458097A JPH10194877A JP H10194877 A JPH10194877 A JP H10194877A JP 1458097 A JP1458097 A JP 1458097A JP 1458097 A JP1458097 A JP 1458097A JP H10194877 A JPH10194877 A JP H10194877A
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/009—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
-
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- C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
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- C04B41/5053—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials non-oxide ceramics
- C04B41/5057—Carbides
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- C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
- C04B2111/00241—Physical properties of the materials not provided for elsewhere in C04B2111/00
- C04B2111/00405—Materials with a gradually increasing or decreasing concentration of ingredients or property from one layer to another
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 タングステンとカーボンのそれぞれの材料特
性を十分生かした複合材料でありながら、従来型のタン
グステン／カーボン複合材料よりもはるかに熱的衝撃性
や耐摩耗性が高く、かつ安価な複合材料を提供する点に
ある。 【解決手段】 カーボン基材（Ｃ／Ｃ材を含む）の表層
部にタングステン／カーボンの傾斜機能化された組織層
が形成されてなるタングステン／カーボン複合材料とし
た。
性を十分生かした複合材料でありながら、従来型のタン
グステン／カーボン複合材料よりもはるかに熱的衝撃性
や耐摩耗性が高く、かつ安価な複合材料を提供する点に
ある。 【解決手段】 カーボン基材（Ｃ／Ｃ材を含む）の表層
部にタングステン／カーボンの傾斜機能化された組織層
が形成されてなるタングステン／カーボン複合材料とし
た。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特に耐熱衝撃性、
耐摩耗性等に優れるカーボン−金属系の複合材料に関す
るものである。
耐摩耗性等に優れるカーボン−金属系の複合材料に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】核融合炉の炉壁内張りに適した材料とし
て従来では、カーボン材料の有する耐熱性（大気圧以下
での不溶融性）、熱的安定性、耐食性や軽量でありなが
ら高強度、高靭性等といった特性及びカーボンの原子番
号が小さく、プラズマ温度の低下を小さく抑えられるこ
と等の利点が着目され、このカーボン材料、特に熱伝導
率の大きい炭素繊維強化カーボン複合材（以下、「Ｃ／
Ｃ材」と略称する。）が使用されている。
て従来では、カーボン材料の有する耐熱性（大気圧以下
での不溶融性）、熱的安定性、耐食性や軽量でありなが
ら高強度、高靭性等といった特性及びカーボンの原子番
号が小さく、プラズマ温度の低下を小さく抑えられるこ
と等の利点が着目され、このカーボン材料、特に熱伝導
率の大きい炭素繊維強化カーボン複合材（以下、「Ｃ／
Ｃ材」と略称する。）が使用されている。
【０００３】但し、核融合炉の炉壁としては、プラズマ
の安定化を確保するためにさらに高純度なもの、つまり
不純物（ガス）が放出されないような部材であることが
求められる。同時にプラズマ粒子による損耗がカーボン
材料に比べて、より少ないことも要求されている。そこ
で、これらの条件を満たすべく、実際の炉壁内張り材と
しては、Ｃ／Ｃ材を母材としてその表面にタングステン
をコーティングしたものが使用されている。このタング
ステンでコーティングしたＣ／Ｃ材の製作には、一般に
大規模な化学気相蒸着（以下「ＣＶＤ（Chemical Vapor
Deposition)」）装置を使用する方法やプラズマ溶射法
により行っている。
の安定化を確保するためにさらに高純度なもの、つまり
不純物（ガス）が放出されないような部材であることが
求められる。同時にプラズマ粒子による損耗がカーボン
材料に比べて、より少ないことも要求されている。そこ
で、これらの条件を満たすべく、実際の炉壁内張り材と
しては、Ｃ／Ｃ材を母材としてその表面にタングステン
をコーティングしたものが使用されている。このタング
ステンでコーティングしたＣ／Ｃ材の製作には、一般に
大規模な化学気相蒸着（以下「ＣＶＤ（Chemical Vapor
Deposition)」）装置を使用する方法やプラズマ溶射法
により行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のタング
ステンでコーティングしたＣ／Ｃ材（以下、「Ｗコート
Ｃ／Ｃ材」という。）の場合には、熱的な衝撃を受けた
ときに表面のＷコートが剥離しやすく、一旦剥離が生じ
ると、母材たるＣ／Ｃ材が露出し、Ｃ／Ｃ材から放出さ
れるガスの影響を受けて、プラズマが不安定になるとい
う問題がある。また、ＷコートＣ／Ｃ材の製作には、大
規模なＣＶＤ装置やプラズマ溶射装置を使用するため、
材料費が非常に高いものとなっていた。
ステンでコーティングしたＣ／Ｃ材（以下、「Ｗコート
Ｃ／Ｃ材」という。）の場合には、熱的な衝撃を受けた
ときに表面のＷコートが剥離しやすく、一旦剥離が生じ
ると、母材たるＣ／Ｃ材が露出し、Ｃ／Ｃ材から放出さ
れるガスの影響を受けて、プラズマが不安定になるとい
う問題がある。また、ＷコートＣ／Ｃ材の製作には、大
規模なＣＶＤ装置やプラズマ溶射装置を使用するため、
材料費が非常に高いものとなっていた。
【０００５】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、タングステンとカ
ーボンのそれぞれの材料特性を十分生かした複合材料で
ありながら、従来型のタングステン／カーボン複合材料
よりもはるかに熱的衝撃性や耐摩耗性が高く、かつ安価
な複合材料を提供する点にある。
のであり、その目的とするところは、タングステンとカ
ーボンのそれぞれの材料特性を十分生かした複合材料で
ありながら、従来型のタングステン／カーボン複合材料
よりもはるかに熱的衝撃性や耐摩耗性が高く、かつ安価
な複合材料を提供する点にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、まず従来
のタングステン／カーボン複合材料が熱的衝撃性に弱い
原因について種々調べた結果、最外層のＷコートと母材
たるＣ／Ｃ材層との間にタングステンカーバイト（Ｗ
Ｃ）という比較的脆い性質を有する炭化物の膜がいわば
境界層として一様に連続した状態で形成されており、こ
れが原因であることを見い出し、さらにこの原因を取り
除くべく研究を重ねた末、本発明を完成したものであ
る。
のタングステン／カーボン複合材料が熱的衝撃性に弱い
原因について種々調べた結果、最外層のＷコートと母材
たるＣ／Ｃ材層との間にタングステンカーバイト（Ｗ
Ｃ）という比較的脆い性質を有する炭化物の膜がいわば
境界層として一様に連続した状態で形成されており、こ
れが原因であることを見い出し、さらにこの原因を取り
除くべく研究を重ねた末、本発明を完成したものであ
る。
【０００７】即ち、上記目的を達成し得た本発明のうち
請求項１記載の発明のタングステン／カーボン複合材料
とは、カーボン基材の表層部にタングステン／カーボン
の傾斜機能化された組織層が形成されてなることを特徴
とする。また請求項２記載の発明は、前記カーボン基材
がＣ／Ｃ材であることを特徴とする。
請求項１記載の発明のタングステン／カーボン複合材料
とは、カーボン基材の表層部にタングステン／カーボン
の傾斜機能化された組織層が形成されてなることを特徴
とする。また請求項２記載の発明は、前記カーボン基材
がＣ／Ｃ材であることを特徴とする。
【０００８】これにより、カーボン基材（たとえＣ／Ｃ
材であっても事情は同じであるため、以下カーボン基材
で代表的に説明する。）の表層部における組織は、タン
グステンカーバイトの膜がカーボン母材中に分散して存
在するタングステン粒子の表面に形成された状態とな
る。さらに、カーボン基材の表層部の最外表面はタング
ステンの含有率が１００％であり、表層部の下側はカー
ボンの含有率が１００％であり、表層部下側から最外表
面にかけてのカーボン粒子，タングステン粒子の含有率
は互いに反比例、即ちタングステン粒子の含有率の増加
に伴ってカーボン粒子の含有率が減少する状態となって
いる。
材であっても事情は同じであるため、以下カーボン基材
で代表的に説明する。）の表層部における組織は、タン
グステンカーバイトの膜がカーボン母材中に分散して存
在するタングステン粒子の表面に形成された状態とな
る。さらに、カーボン基材の表層部の最外表面はタング
ステンの含有率が１００％であり、表層部の下側はカー
ボンの含有率が１００％であり、表層部下側から最外表
面にかけてのカーボン粒子，タングステン粒子の含有率
は互いに反比例、即ちタングステン粒子の含有率の増加
に伴ってカーボン粒子の含有率が減少する状態となって
いる。
【０００９】従って、カーボン基材の表層部におけるタ
ングステンカーバイトの膜（球形の膜）の存在状態は、
従来のタングステン／カーボン複合材料の場合（層状の
膜）と比べると、水平方向に分断されると共に、その分
断された独立の膜が球形で、しかもその密集度を垂直方
向に直線的に変化させながら所定の厚みで存在するとい
う状態にある。さらに、各タングステン粒子はタングス
テンカーバイトを介して周囲のカーボン粒子と強固に結
合された状態となっている。
ングステンカーバイトの膜（球形の膜）の存在状態は、
従来のタングステン／カーボン複合材料の場合（層状の
膜）と比べると、水平方向に分断されると共に、その分
断された独立の膜が球形で、しかもその密集度を垂直方
向に直線的に変化させながら所定の厚みで存在するとい
う状態にある。さらに、各タングステン粒子はタングス
テンカーバイトを介して周囲のカーボン粒子と強固に結
合された状態となっている。
【００１０】この結果、カーボン基材の表層部の最外表
面に熱衝撃が加えられたときでも、熱応力がそのタング
ステン／カーボンの傾斜機能化された組織層からなる表
層部内で緩和され、従来のようにカーボン基材の表層部
が剥離されるという現象はなくなる。また、カーボン基
材の表層部にタングステン／カーボンの傾斜機能化され
た組織層を形成する場合は、タングステンをコーティン
グするときのように大がかりなＣＶＤ装置等を使用せず
とも、一般の炭素部材を製造する方法、例えば加圧焼結
プロセスをそのまま利用することによって実現できるの
で、タングステン／カーボン複合材料の製作コストを低
減することも可能である。
面に熱衝撃が加えられたときでも、熱応力がそのタング
ステン／カーボンの傾斜機能化された組織層からなる表
層部内で緩和され、従来のようにカーボン基材の表層部
が剥離されるという現象はなくなる。また、カーボン基
材の表層部にタングステン／カーボンの傾斜機能化され
た組織層を形成する場合は、タングステンをコーティン
グするときのように大がかりなＣＶＤ装置等を使用せず
とも、一般の炭素部材を製造する方法、例えば加圧焼結
プロセスをそのまま利用することによって実現できるの
で、タングステン／カーボン複合材料の製作コストを低
減することも可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。図１は、本発明のタングステン
／カーボン複合材料の要部断面模式説明図である。図１
において、カーボン基材１の表層部２は、最外表面のタ
ングステン層３とその下側にあるタングステン／カーボ
ンの傾斜機能化された組織層４とからなっている。即
ち、タングステン層３のタングステンの含有率は１００
％である。また、表層部２の下側はカーボンの含有率が
１００％のカーボン基材１である。そして、表層部２下
側から最外表面のタングステン層３にかけてのカーボン
粒子，タングステン粒子の含有率は互いにほぼ反比例す
る状態、即ちタングステン粒子の含有率の増加に伴って
カーボン粒子の含有率が減少する状態となっている。
を参照しつつ説明する。図１は、本発明のタングステン
／カーボン複合材料の要部断面模式説明図である。図１
において、カーボン基材１の表層部２は、最外表面のタ
ングステン層３とその下側にあるタングステン／カーボ
ンの傾斜機能化された組織層４とからなっている。即
ち、タングステン層３のタングステンの含有率は１００
％である。また、表層部２の下側はカーボンの含有率が
１００％のカーボン基材１である。そして、表層部２下
側から最外表面のタングステン層３にかけてのカーボン
粒子，タングステン粒子の含有率は互いにほぼ反比例す
る状態、即ちタングステン粒子の含有率の増加に伴って
カーボン粒子の含有率が減少する状態となっている。
【００１２】また、表層部２におけるタングステン粒子
をミクロ的に観察すると、その表面にはカーボンとの反
応によってタングステンカーバイトの膜が生じると共
に、このタングステンカーバイトの膜は一種のバインダ
ーとなって、タングステン粒子とカーボン粒子とが強固
に結び付けられた組織構造となっている。
をミクロ的に観察すると、その表面にはカーボンとの反
応によってタングステンカーバイトの膜が生じると共
に、このタングステンカーバイトの膜は一種のバインダ
ーとなって、タングステン粒子とカーボン粒子とが強固
に結び付けられた組織構造となっている。
【００１３】また、特にタングステンカーバイトの膜
（球形の膜）の存在状態に注目すれば、従来のタングス
テン／カーボン複合材料におけるタングステンカーバイ
トの場合（層状の連続した膜）と比べると、水平方向に
分断されると共に、その分断された独立の膜が球形で、
しかもその密集度を垂直方向に直線的に変化させながら
所定の厚みで存在するという状態にある。即ち、タング
ステン層３の下側が最も多く、表層部２の下側にかけて
直線的に減少し、ついには全く存在していないという状
態にある。
（球形の膜）の存在状態に注目すれば、従来のタングス
テン／カーボン複合材料におけるタングステンカーバイ
トの場合（層状の連続した膜）と比べると、水平方向に
分断されると共に、その分断された独立の膜が球形で、
しかもその密集度を垂直方向に直線的に変化させながら
所定の厚みで存在するという状態にある。即ち、タング
ステン層３の下側が最も多く、表層部２の下側にかけて
直線的に減少し、ついには全く存在していないという状
態にある。
【００１４】この結果、カーボン基材１の表層部２の最
外表面に熱衝撃が加えられたときでも、熱応力はその表
層部２内で十分緩和されるため、従来のようにカーボン
基材の表層部が剥離されるという現象はなくなる。
外表面に熱衝撃が加えられたときでも、熱応力はその表
層部２内で十分緩和されるため、従来のようにカーボン
基材の表層部が剥離されるという現象はなくなる。
【００１５】次に、本発明のタングステン／カーボン複
合材料の製造方法の一例を図面に基づき説明する。図２
は、その製造方法の概略説明図である。原料粉末である
カーボン粉末５とタングステン粉末６とさらに必要な合
成樹脂やピッチなどの結合材７を調合した後、混合機８
でよく混合し、予め定められた組成分布に従って、タン
グステン／カーボン比が段階的に異なるタングステン／
カーボン混合粉末１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，……（同図
（ｂ）参照）を事前に調製しておく。
合材料の製造方法の一例を図面に基づき説明する。図２
は、その製造方法の概略説明図である。原料粉末である
カーボン粉末５とタングステン粉末６とさらに必要な合
成樹脂やピッチなどの結合材７を調合した後、混合機８
でよく混合し、予め定められた組成分布に従って、タン
グステン／カーボン比が段階的に異なるタングステン／
カーボン混合粉末１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，……（同図
（ｂ）参照）を事前に調製しておく。
【００１６】そして、まずタングステン１００％の粉末
１１を金型９の下金型１０内に装填した後、上記のとお
り事前調製した混合比の異なるタングステン／カーボン
混合粉末１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，……を下金型１０内
に積層充填する。最後に、複合材料の基材となるべきカ
ーボン１００％のカーボン粉末１３を装填した後、上金
型１４を圧下して金型成形を実施し、タングステン／カ
ーボン混合粉末の圧密体１５を得る。なお、タングステ
ン／カーボン混合粉末１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，……の
層の厚みは任意に決めることができる。
１１を金型９の下金型１０内に装填した後、上記のとお
り事前調製した混合比の異なるタングステン／カーボン
混合粉末１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，……を下金型１０内
に積層充填する。最後に、複合材料の基材となるべきカ
ーボン１００％のカーボン粉末１３を装填した後、上金
型１４を圧下して金型成形を実施し、タングステン／カ
ーボン混合粉末の圧密体１５を得る。なお、タングステ
ン／カーボン混合粉末１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，……の
層の厚みは任意に決めることができる。
【００１７】得られた圧密体１５を常圧焼結炉又は加圧
焼結炉１６に入れ、成分粉末の焼結挙動を考慮して適当
な焼結温度（例えば、１０００〜２８００°Ｃ程度）
で、熱応力が発生しないように、ゆっくりと加熱して焼
結する。得られた焼結体１７は、図１に示すように、カ
ーボン基材１の表層部２にタングステン／カーボンの傾
斜機能化された組織層４が形成されたタングステン／カ
ーボン複合材料である。
焼結炉１６に入れ、成分粉末の焼結挙動を考慮して適当
な焼結温度（例えば、１０００〜２８００°Ｃ程度）
で、熱応力が発生しないように、ゆっくりと加熱して焼
結する。得られた焼結体１７は、図１に示すように、カ
ーボン基材１の表層部２にタングステン／カーボンの傾
斜機能化された組織層４が形成されたタングステン／カ
ーボン複合材料である。
【００１８】本発明のタングステン／カーボン複合材料
は、上記のとおり一般の炭素焼結体を得る方法、例えば
常圧又は加圧焼結プロセスをそのまま利用することによ
って実現でき、従来におけるタングステンをコーティン
グするときのように大がかりなＣＶＤ装置等を使用しな
くて済むので、タングステン／カーボン複合材料の製作
コストを大幅に低減することができる。
は、上記のとおり一般の炭素焼結体を得る方法、例えば
常圧又は加圧焼結プロセスをそのまま利用することによ
って実現でき、従来におけるタングステンをコーティン
グするときのように大がかりなＣＶＤ装置等を使用しな
くて済むので、タングステン／カーボン複合材料の製作
コストを大幅に低減することができる。
【００１９】なお、上記実施形態においては、複合材料
の母材としてカーボン材で代表的に説明したが、前述し
たようにカーボン材がＣ／Ｃ材の場合であっても勿論有
効であり、あらゆる形態のカーボン材に対して適用可能
である。
の母材としてカーボン材で代表的に説明したが、前述し
たようにカーボン材がＣ／Ｃ材の場合であっても勿論有
効であり、あらゆる形態のカーボン材に対して適用可能
である。
【００２０】
（実験例１）油圧プレスの金型（φ５０ｍｍ）内に、下
記する〜の粉末原料をの順に積層充填し
た。 タングステン粉末（純度９９．９９％、平均粒径約５
μｍ）。 上記タングステン粉末４００重量部に対して、黒鉛粉
末１００重量部及びノボラックフェノール樹脂５０重量
部を加え、５０〜１５０°Ｃで約１０分間混練した。こ
の混練物を平均粒径が数十μｍになるように粉砕したも
の。 上記と同じ工程により得られる粉砕品であるが、特
に組成分布をタングステン粉末２００重量部、黒鉛粉末
１００重量部、ノボラックフェノール樹脂５０重量部と
したもの。 上記と同じ工程により得られる粉砕品であるが、特
に組成分布としてタングステンを除き、黒鉛粉末１００
重量部に対しノボラックフェノール樹脂５０重量部とし
たもの。
記する〜の粉末原料をの順に積層充填し
た。 タングステン粉末（純度９９．９９％、平均粒径約５
μｍ）。 上記タングステン粉末４００重量部に対して、黒鉛粉
末１００重量部及びノボラックフェノール樹脂５０重量
部を加え、５０〜１５０°Ｃで約１０分間混練した。こ
の混練物を平均粒径が数十μｍになるように粉砕したも
の。 上記と同じ工程により得られる粉砕品であるが、特
に組成分布をタングステン粉末２００重量部、黒鉛粉末
１００重量部、ノボラックフェノール樹脂５０重量部と
したもの。 上記と同じ工程により得られる粉砕品であるが、特
に組成分布としてタングステンを除き、黒鉛粉末１００
重量部に対しノボラックフェノール樹脂５０重量部とし
たもの。
【００２１】上記の積層充填が終了した後、室温下、１
トン／ｃｍ2 の圧力を作用させて金型成形を実施した。
こうして得られた成形体をさらに約２０００°Ｃで焼成
し、焼結体とした。この焼結体の表層部の走査型電子顕
微鏡写真（ＳＥＭ写真）を図３（ａ）に示す。また、同
じ部位について、Ｘ線マイクロアナライザーで分析した
結果得られたタングステン分布図を同図（ｂ）に示す。
図３から、最外表面から内部にかけてタングステンの濃
度が変化している様子が認められる。
トン／ｃｍ2 の圧力を作用させて金型成形を実施した。
こうして得られた成形体をさらに約２０００°Ｃで焼成
し、焼結体とした。この焼結体の表層部の走査型電子顕
微鏡写真（ＳＥＭ写真）を図３（ａ）に示す。また、同
じ部位について、Ｘ線マイクロアナライザーで分析した
結果得られたタングステン分布図を同図（ｂ）に示す。
図３から、最外表面から内部にかけてタングステンの濃
度が変化している様子が認められる。
【００２２】上記で得られた焼結体の耐熱衝撃性と耐摩
耗性を、従来品のそれと比較するテストを行った。な
お、従来品としては、ＣＶＤ法によって等方性黒鉛基材
上にタングステンを１００μｍの厚みにコーティングし
たものを用いた。 （イ）耐熱衝撃性テスト 上記焼結体及び従来品のそれぞれに対して、電子ビーム
を５ＭＷ／ｍ2 、１秒間照射し、この照射により表層部
にどのような変化が生じたかを調べた。この結果、従来
品では、黒鉛基材とタングステンコーティング層とのち
ょうど境界面付近にクラックの発生が認められた。これ
に対し、本発明に係る焼結体では、タングステンの剥離
等は全く認められなかった。 （ロ）耐摩耗性テスト ステンレス製のリング（φ９０ｍｍ）にクロムメッキを
施したものを用いて、該リングを、焼結体及び従来品の
表面（５ｍｍ×２０ｍｍに加工した面）に面圧５ｋｇ／
ｃｍ2 の圧力で付勢しつつ回転（周速８．４ｍ／ｓ）す
ることにより、摺動面にどのような変化が生じたかを調
べた。この結果、従来品では、摩擦係数が高くなり、焼
き付けが発生したのに対し、本発明に係る焼結体では、
そのような焼き付けは全く認められず、良好な摺動性能
が得られることが確認できた。
耗性を、従来品のそれと比較するテストを行った。な
お、従来品としては、ＣＶＤ法によって等方性黒鉛基材
上にタングステンを１００μｍの厚みにコーティングし
たものを用いた。 （イ）耐熱衝撃性テスト 上記焼結体及び従来品のそれぞれに対して、電子ビーム
を５ＭＷ／ｍ2 、１秒間照射し、この照射により表層部
にどのような変化が生じたかを調べた。この結果、従来
品では、黒鉛基材とタングステンコーティング層とのち
ょうど境界面付近にクラックの発生が認められた。これ
に対し、本発明に係る焼結体では、タングステンの剥離
等は全く認められなかった。 （ロ）耐摩耗性テスト ステンレス製のリング（φ９０ｍｍ）にクロムメッキを
施したものを用いて、該リングを、焼結体及び従来品の
表面（５ｍｍ×２０ｍｍに加工した面）に面圧５ｋｇ／
ｃｍ2 の圧力で付勢しつつ回転（周速８．４ｍ／ｓ）す
ることにより、摺動面にどのような変化が生じたかを調
べた。この結果、従来品では、摩擦係数が高くなり、焼
き付けが発生したのに対し、本発明に係る焼結体では、
そのような焼き付けは全く認められず、良好な摺動性能
が得られることが確認できた。
【００２３】（実験例２）嵩密度１．３ｇ／ｃｍ3 のカ
ーボンファイバーフェルト成形体（以下「フェルトＣ／
Ｃ成形体」という。）を基材として用い、いわゆる含浸
焼成法の繰り返しにより、該基材の表層部を、タングス
テン／カーボン比が段階的に異なる組織層とした。即
ち、まず３００重量部のタングステンを１００重量部の
レゾール系フェノール樹脂に分散させたものを、前記フ
ェルトＣ／Ｃ成形体に含浸させた。含浸は、そのフェル
トＣ／Ｃ成形体をタングステン分散樹脂中に浸漬したも
のをオートクレープに入れ、窒素ガスでオートクレープ
内を１０ｋｇ／ｃｍ2 に加圧することにより行った。含
浸材は２０００°Ｃで焼成した。
ーボンファイバーフェルト成形体（以下「フェルトＣ／
Ｃ成形体」という。）を基材として用い、いわゆる含浸
焼成法の繰り返しにより、該基材の表層部を、タングス
テン／カーボン比が段階的に異なる組織層とした。即
ち、まず３００重量部のタングステンを１００重量部の
レゾール系フェノール樹脂に分散させたものを、前記フ
ェルトＣ／Ｃ成形体に含浸させた。含浸は、そのフェル
トＣ／Ｃ成形体をタングステン分散樹脂中に浸漬したも
のをオートクレープに入れ、窒素ガスでオートクレープ
内を１０ｋｇ／ｃｍ2 に加圧することにより行った。含
浸材は２０００°Ｃで焼成した。
【００２４】次に、この一次焼成材に対し、５００重量
部のタングステンを１００重量部のレゾール系フェノー
ル樹脂に分散させたものをさらに含浸させた後、同様に
２０００°Ｃで焼成した。含浸時には、タングステンは
フェルトＣ／Ｃ成形体の内部までは入りにくく、従って
成形体のより表面部ほどタングステンの濃度が高いとい
う組織が形成されることになる。そして、最終段階でタ
ングステンの濃度をより高めるために、メチルアルコー
ルにタングステンを分散したものを表面に塗布し乾燥さ
せた後、２０００°Ｃで焼成し、焼結体とした。
部のタングステンを１００重量部のレゾール系フェノー
ル樹脂に分散させたものをさらに含浸させた後、同様に
２０００°Ｃで焼成した。含浸時には、タングステンは
フェルトＣ／Ｃ成形体の内部までは入りにくく、従って
成形体のより表面部ほどタングステンの濃度が高いとい
う組織が形成されることになる。そして、最終段階でタ
ングステンの濃度をより高めるために、メチルアルコー
ルにタングステンを分散したものを表面に塗布し乾燥さ
せた後、２０００°Ｃで焼成し、焼結体とした。
【００２５】上記で得られた焼結体の耐熱衝撃性と耐摩
耗性を、従来品のそれと比較するテストを（実験例１）
と同じ要領で行った。なお、従来品としては、ＣＶＤ法
によってフェルトＣ／Ｃ成形体の基材上にタングステン
を１００μｍの厚みにコーティングしたものを用いた。
耐熱衝撃性テストの結果、従来品では、タングステンコ
ーティング層が一部剥離した。これに対し、本発明に係
る焼結体では、タングステンの剥離等は全く認められな
かった。また、耐摩耗性テストの結果、従来品では、摩
擦係数が高くなり、焼き付けが発生したのに対し、本発
明に係る焼結体では、そのような焼き付けは全く認めら
れず、良好な摺動性能が得られることが確認できた。
耗性を、従来品のそれと比較するテストを（実験例１）
と同じ要領で行った。なお、従来品としては、ＣＶＤ法
によってフェルトＣ／Ｃ成形体の基材上にタングステン
を１００μｍの厚みにコーティングしたものを用いた。
耐熱衝撃性テストの結果、従来品では、タングステンコ
ーティング層が一部剥離した。これに対し、本発明に係
る焼結体では、タングステンの剥離等は全く認められな
かった。また、耐摩耗性テストの結果、従来品では、摩
擦係数が高くなり、焼き付けが発生したのに対し、本発
明に係る焼結体では、そのような焼き付けは全く認めら
れず、良好な摺動性能が得られることが確認できた。
【００２６】上記（実験例１）及び（実験例２）の結果
からも明らかなように、焼結体の表層部にタングステン
をその濃度が傾斜するように存在させることによって、
耐熱衝撃性及び耐摩耗性を向上できたことが理解でき
る。なお、耐摩耗性の改善は、焼結体の表面近傍にまで
カーボンが存在することにより、いわゆる自己潤滑性が
発揮されたものと考えられる。従って、耐摩耗性の改善
を重視する場合は、表層部の最も外側の純タングステン
の層はあまり厚くないことが望ましい。
からも明らかなように、焼結体の表層部にタングステン
をその濃度が傾斜するように存在させることによって、
耐熱衝撃性及び耐摩耗性を向上できたことが理解でき
る。なお、耐摩耗性の改善は、焼結体の表面近傍にまで
カーボンが存在することにより、いわゆる自己潤滑性が
発揮されたものと考えられる。従って、耐摩耗性の改善
を重視する場合は、表層部の最も外側の純タングステン
の層はあまり厚くないことが望ましい。
【００２７】
【発明の効果】本発明のうち請求項１記載の発明のタン
グステン／カーボン複合材料は、カーボン基材の表層部
にタングステン／カーボンの傾斜機能化された組織層を
形成したものである。従って、カーボン基材の表層部の
最外表面に熱衝撃が加えられたときでも、熱応力がその
タングステン／カーボンの傾斜機能化された組織層から
なる表層部内で緩和され、従来のようにカーボン基材の
表層部が剥離されるという現象はなくなる。この結果、
タングステンとカーボンのそれぞれの材料特性を十分生
かした複合材料でありながら、従来型のタングステンコ
ート／カーボン複合材料よりもはるかに熱的衝撃性や耐
摩耗性が高く、かつ安価な複合材料を提供することがで
きる。従って、核融合炉の炉壁内張り材などの高熱流束
部材として好適である。また、機械部品（摺動部品）と
しては、特にスラリーが存在するような場合に好適であ
る。
グステン／カーボン複合材料は、カーボン基材の表層部
にタングステン／カーボンの傾斜機能化された組織層を
形成したものである。従って、カーボン基材の表層部の
最外表面に熱衝撃が加えられたときでも、熱応力がその
タングステン／カーボンの傾斜機能化された組織層から
なる表層部内で緩和され、従来のようにカーボン基材の
表層部が剥離されるという現象はなくなる。この結果、
タングステンとカーボンのそれぞれの材料特性を十分生
かした複合材料でありながら、従来型のタングステンコ
ート／カーボン複合材料よりもはるかに熱的衝撃性や耐
摩耗性が高く、かつ安価な複合材料を提供することがで
きる。従って、核融合炉の炉壁内張り材などの高熱流束
部材として好適である。また、機械部品（摺動部品）と
しては、特にスラリーが存在するような場合に好適であ
る。
【００２８】また、カーボン基材の表層部にタングステ
ン／カーボンの傾斜機能化された組織層を形成する場合
は、従来のようにタングステンをコーティングするとき
のように大がかりなＣＶＤ装置等を使用せずとも、一般
の炭素部材を製造する方法、例えば常圧又は加圧焼結プ
ロセスをそのまま利用することによって実現できるの
で、タングステン／カーボン複合材料の製作コストを大
幅に低減することも可能である。
ン／カーボンの傾斜機能化された組織層を形成する場合
は、従来のようにタングステンをコーティングするとき
のように大がかりなＣＶＤ装置等を使用せずとも、一般
の炭素部材を製造する方法、例えば常圧又は加圧焼結プ
ロセスをそのまま利用することによって実現できるの
で、タングステン／カーボン複合材料の製作コストを大
幅に低減することも可能である。
【００２９】また、請求項２記載の発明のタングステン
／Ｃ／Ｃ材複合材料によれば、請求項１記載の発明の効
果に加えて、特に核融合炉の炉壁内張り材として性能的
にも価格的にも満足できるものを提供することができ
る。
／Ｃ／Ｃ材複合材料によれば、請求項１記載の発明の効
果に加えて、特に核融合炉の炉壁内張り材として性能的
にも価格的にも満足できるものを提供することができ
る。
【図１】本発明のタングステン／カーボン複合材料の要
部断面模式説明図である。
部断面模式説明図である。
【図２】本発明のタングステン／カーボン複合材料の製
造方法の一例を示す図であり、（ａ）は工程説明図、
（ｂ）は（ａ）のＡ部を拡大した図である。
造方法の一例を示す図であり、（ａ）は工程説明図、
（ｂ）は（ａ）のＡ部を拡大した図である。
【図３】実験例１で得た本発明に係る焼結体の表層部の
組織を観察した図であり、（ａ）はＳＥＭ写真を示す図
であり、（ｂ）はＸ線マイクロアナライザーによるタン
グステンの分布図である。
組織を観察した図であり、（ａ）はＳＥＭ写真を示す図
であり、（ｂ）はＸ線マイクロアナライザーによるタン
グステンの分布図である。
１ カーボン基材 ２ 表層部 ３ タングステン層 ４ 傾斜機能組織層 ５ カーボン粉末 ６ タングステン粉末 ７ 結合材 ８ 混合機 ９ 金型 １０ 下金型 １１ タングステン１００％の粉末 １２ａ，１２ｂ，１２ｃ タングステン／カーボン混
合粉末 １３ カーボン１００％の粉末 １４ 上金型 １５ 圧密体 １６ 常圧焼結炉 １７ 焼結傾斜機能材
合粉末 １３ カーボン１００％の粉末 １４ 上金型 １５ 圧密体 １６ 常圧焼結炉 １７ 焼結傾斜機能材
Claims (2)
- 【請求項１】 カーボン基材の表層部にタングステン／
カーボンの傾斜機能化された組織層が形成されてなるこ
とを特徴とするタングステン／カーボン複合材料。 - 【請求項２】 前記カーボン基材が炭素繊維強化カーボ
ン複合材である請求項１記載のタングステン／カーボン
複合材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1458097A JPH10194877A (ja) | 1997-01-09 | 1997-01-09 | タングステン／カーボン複合材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1458097A JPH10194877A (ja) | 1997-01-09 | 1997-01-09 | タングステン／カーボン複合材料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10194877A true JPH10194877A (ja) | 1998-07-28 |
Family
ID=11865112
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1458097A Pending JPH10194877A (ja) | 1997-01-09 | 1997-01-09 | タングステン／カーボン複合材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10194877A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1367040A1 (en) | 2002-05-24 | 2003-12-03 | Mitsubishi Chemical Functional Products, Inc. | Friction material |
| WO2012165208A1 (ja) * | 2011-05-27 | 2012-12-06 | 東洋炭素株式会社 | 金属材とセラミックス－炭素複合材との接合体、その製造方法、炭素材接合体、炭素材接合体用接合材及び炭素材接合体の製造方法 |
-
1997
- 1997-01-09 JP JP1458097A patent/JPH10194877A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1367040A1 (en) | 2002-05-24 | 2003-12-03 | Mitsubishi Chemical Functional Products, Inc. | Friction material |
| US7449234B2 (en) | 2002-05-24 | 2008-11-11 | Mitsubishi Chemical Functional Products, Inc. | Sliding material |
| WO2012165208A1 (ja) * | 2011-05-27 | 2012-12-06 | 東洋炭素株式会社 | 金属材とセラミックス－炭素複合材との接合体、その製造方法、炭素材接合体、炭素材接合体用接合材及び炭素材接合体の製造方法 |
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