JPS62138376A - 炭化珪素質複合材料およびその製造方法 - Google Patents
炭化珪素質複合材料およびその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は炭化珪素質複合材料およびその製造方法に関し
、特に本発明は多孔質炭化珪素焼結体の開放気孔中に炭
素が充填されてなる摺動特性および耐摩耗性に優れた炭
化珪素質複合材料およびその製造方法に関する。
、特に本発明は多孔質炭化珪素焼結体の開放気孔中に炭
素が充填されてなる摺動特性および耐摩耗性に優れた炭
化珪素質複合材料およびその製造方法に関する。
炭化珪素質焼結体は、一般に極めて優れた化学的性質な
らびに物理的性質を有していることから、メカニカルシ
ールや軸受等の摺動部材、酸およびアルカリ等の強い腐
食性を有する溶液のポンプ部品などに優れた材料である
ことが知られている。
らびに物理的性質を有していることから、メカニカルシ
ールや軸受等の摺動部材、酸およびアルカリ等の強い腐
食性を有する溶液のポンプ部品などに優れた材料である
ことが知られている。
ところで、炭化珪素は高い硬度を有し、耐摩耗性に優れ
ているが、自己潤滑性に乏しい欠点を有していることか
ら、特に高温域あるいは真空中等の通常潤滑剤の使用が
困難であるような過酷な条件下で摺動部材として使用さ
れる場合には、その優れた特性を充分に発揮させること
が困難であった。
ているが、自己潤滑性に乏しい欠点を有していることか
ら、特に高温域あるいは真空中等の通常潤滑剤の使用が
困難であるような過酷な条件下で摺動部材として使用さ
れる場合には、その優れた特性を充分に発揮させること
が困難であった。
したがって、前述の如き問題を解決する材料として、特
開昭Go−21864号公報にrSiC,Si、町ま□
たはサイアロンに対してBNまたは炭素を3〜50wt
%添加して成ることを特徴とするセラミックス、」に係
る発明が開示されている。
開昭Go−21864号公報にrSiC,Si、町ま□
たはサイアロンに対してBNまたは炭素を3〜50wt
%添加して成ることを特徴とするセラミックス、」に係
る発明が開示されている。
しかしながら、前記特開昭80−21884号公報に記
載されているセラミックスは、固体潤滑剤となるBNま
たば炭素を焼結前の段階で出発原料と混合し成形した後
、焼成せしめることにより製造されるものであり、セラ
ミックス粒子間に固体潤滑材が介在するため、焼結時に
セラミックス粒子を相互に結合することが困難で、特に
高強度のセラミックスとなすことが困難である欠点を有
するものである。
載されているセラミックスは、固体潤滑剤となるBNま
たば炭素を焼結前の段階で出発原料と混合し成形した後
、焼成せしめることにより製造されるものであり、セラ
ミックス粒子間に固体潤滑材が介在するため、焼結時に
セラミックス粒子を相互に結合することが困難で、特に
高強度のセラミックスとなすことが困難である欠点を有
するものである。
本発明者は、前述の如き問題点を解決することを目的と
して種々研究した結果、本発明者は先に比較的多くの開
放気孔を有する多孔質体であるにもかかわらず極めて高
強度の多孔賀炭化珪素焼結体を新規に知見し、さらに前
記多孔質炭化珪素焼結体の開放気孔中に潤滑性を付与す
ることのできる炭素を充填することにより、極めて摺動
特性および耐摩耗性に優れ、特に高温域あるいは真空中
等の極めて過酷な条件下においても充分適用することの
できる複合材料を製造することのできることに想到し、
本発明を完成した。
して種々研究した結果、本発明者は先に比較的多くの開
放気孔を有する多孔質体であるにもかかわらず極めて高
強度の多孔賀炭化珪素焼結体を新規に知見し、さらに前
記多孔質炭化珪素焼結体の開放気孔中に潤滑性を付与す
ることのできる炭素を充填することにより、極めて摺動
特性および耐摩耗性に優れ、特に高温域あるいは真空中
等の極めて過酷な条件下においても充分適用することの
できる複合材料を製造することのできることに想到し、
本発明を完成した。
本発明は、開放気孔率が10〜60容積%、平均気孔径
が0.1〜200μm、結晶の平均アスペクト比が3〜
50の多孔質炭化珪素焼結体の開放気孔中に炭素が充填
されてなる炭化珪素質複合材料およびその製造方法に関
する。
が0.1〜200μm、結晶の平均アスペクト比が3〜
50の多孔質炭化珪素焼結体の開放気孔中に炭素が充填
されてなる炭化珪素質複合材料およびその製造方法に関
する。
以下、本発明の炭化珪素質複合材料について詳細に説明
する。
する。
本発明の炭化珪素質複合材料は、多孔質炭化珪素焼結体
の開放気孔中に炭素が充填されたものであることが必要
である。その理由は、炭化珪素焼結体自体は自己潤滑性
に乏しいため、特に潤滑剤の存在しない条件下で炭化珪
素焼結体を摺動材料として適用することは極めて困難で
あるが、自己潤滑性を有し、潤滑剤としての作用効果を
発揮させることのできる炭素を多孔質炭化珪素焼結体の
開放気孔中へ充填せしめることにより、極めて優れた摺
動特性および耐摩耗性を有する複合材料となすことがで
きるからである。
の開放気孔中に炭素が充填されたものであることが必要
である。その理由は、炭化珪素焼結体自体は自己潤滑性
に乏しいため、特に潤滑剤の存在しない条件下で炭化珪
素焼結体を摺動材料として適用することは極めて困難で
あるが、自己潤滑性を有し、潤滑剤としての作用効果を
発揮させることのできる炭素を多孔質炭化珪素焼結体の
開放気孔中へ充填せしめることにより、極めて優れた摺
動特性および耐摩耗性を有する複合材料となすことがで
きるからである。
本発明の多孔質炭化珪素焼結体は、開放気孔率が10〜
60容積%であることが必要である。その理由は、前記
開放気孔率がIO容容積上りも低い多孔質炭化珪素を製
造することが困難であるからであり、一方60容積%よ
りも高いと焼結体の強度が低く、炭化珪素粒子が脱離し
易いからである。
60容積%であることが必要である。その理由は、前記
開放気孔率がIO容容積上りも低い多孔質炭化珪素を製
造することが困難であるからであり、一方60容積%よ
りも高いと焼結体の強度が低く、炭化珪素粒子が脱離し
易いからである。
本発明の多孔質炭化珪素焼結体は、平均気孔径が0.1
〜200pmであることが必要である。その理由は、前
記平均気孔径がO,1μmより小さいと炭素を充填する
ことが極めて困難であるからであり、一方200JLm
より大きいと多孔質炭化珪素焼結体の強度が低く、シか
も充填された炭素が脱落し易いからである。
〜200pmであることが必要である。その理由は、前
記平均気孔径がO,1μmより小さいと炭素を充填する
ことが極めて困難であるからであり、一方200JLm
より大きいと多孔質炭化珪素焼結体の強度が低く、シか
も充填された炭素が脱落し易いからである。
本発明の多孔質炭化珪素焼結体は、結晶の平均アスペク
ト比が3〜50であることが必要である。その理由は、
前記結晶のアスペクト比が3以上とすることによって炭
化珪素の結晶によっ°て構成される気孔の焼結体に占め
る割合を比較的大きくすることができるからであり、一
方平均アスペクト比が50よりも大きいと結晶相互の接
合部が少ないため、焼結体自体の強度が低くなるからで
ある。なお、前記平均アスペクト比は5〜30であるこ
とがより有利である。
ト比が3〜50であることが必要である。その理由は、
前記結晶のアスペクト比が3以上とすることによって炭
化珪素の結晶によっ°て構成される気孔の焼結体に占め
る割合を比較的大きくすることができるからであり、一
方平均アスペクト比が50よりも大きいと結晶相互の接
合部が少ないため、焼結体自体の強度が低くなるからで
ある。なお、前記平均アスペクト比は5〜30であるこ
とがより有利である。
本発明の多孔質炭化焼結体は、結晶の長軸方向の長さの
平均値が0.5〜200ILmであることが好ましい、
その理由は、長軸方向の平均長さが0.5μmより小さ
くてなおかつ平均アスペクト比が3以上の結晶よりなる
多孔質炭化珪素焼結体を製造することが困難であるから
であり、一方200pmより長いと、結晶の接合部に応
力が集中し易く、焼結体自体の強度が低いからである。
平均値が0.5〜200ILmであることが好ましい、
その理由は、長軸方向の平均長さが0.5μmより小さ
くてなおかつ平均アスペクト比が3以上の結晶よりなる
多孔質炭化珪素焼結体を製造することが困難であるから
であり、一方200pmより長いと、結晶の接合部に応
力が集中し易く、焼結体自体の強度が低いからである。
前記結晶の長軸方向の長さの平均値は1〜150JLl
であることがより有利である。
であることがより有利である。
なお、本発明でいう気孔径は、焼結体の任意の断面にお
いて観察される個々の気孔の長軸方向の最大長さと前記
長軸方向に直角な方向の最大長さの相加平均値であり、
また結晶のアスペクト比(R)は、同様に観察される個
々の結晶の長軸方向の長さくX)と前記長軸方向に直角
な方向の最大長さくY)の比であり、すなわちR=X/
Yで表わされる。
いて観察される個々の気孔の長軸方向の最大長さと前記
長軸方向に直角な方向の最大長さの相加平均値であり、
また結晶のアスペクト比(R)は、同様に観察される個
々の結晶の長軸方向の長さくX)と前記長軸方向に直角
な方向の最大長さくY)の比であり、すなわちR=X/
Yで表わされる。
本発明の炭化珪素質複合材料に充填されている炭素は黒
鉛質であることが好ましい。その理由は、黒鉛質の炭素
は潤滑性を付与する効果が極めて顕著であり、摺動特性
および耐摩耗性に優れた炭化珪素質複合材料となすこと
ができるからである。本発明の炭化珪素質複合材料は、
前記多孔質炭化珪素焼結体の開放気孔容積100容植部
に対し、炭素が少なくともIO容積部充填されてなるも
のであることが好ましい。その理由は、炭素の充填量が
10容積部より少ないと充分に良好な摺動特性および耐
摩耗性を得ることが困難であるからである。
鉛質であることが好ましい。その理由は、黒鉛質の炭素
は潤滑性を付与する効果が極めて顕著であり、摺動特性
および耐摩耗性に優れた炭化珪素質複合材料となすこと
ができるからである。本発明の炭化珪素質複合材料は、
前記多孔質炭化珪素焼結体の開放気孔容積100容植部
に対し、炭素が少なくともIO容積部充填されてなるも
のであることが好ましい。その理由は、炭素の充填量が
10容積部より少ないと充分に良好な摺動特性および耐
摩耗性を得ることが困難であるからである。
次に1本発明の炭化珪素質複合材料の製造方法について
説明する。
説明する。
本発明の第2発明の製造方法は、下記(a)〜(c)工
程からなることを特徴とする開放気孔率が10〜60容
積%、平均気孔径が0.1〜100茫m、結晶の平均ア
スペクト比が3〜50の多孔質炭化珪素焼結体の開放気
孔中に炭素が充填されてなる炭化珪素質複合材料の製造
方法。
程からなることを特徴とする開放気孔率が10〜60容
積%、平均気孔径が0.1〜100茫m、結晶の平均ア
スペクト比が3〜50の多孔質炭化珪素焼結体の開放気
孔中に炭素が充填されてなる炭化珪素質複合材料の製造
方法。
(a)平均粒径が1101L以下の炭化珪素粉末と焼結
助剤と成形助剤とを混合し、所望の形状の生成形体に成
形する工程: (b)前記(a)工程により得られた生成形体を非酸化
性雰囲気中で1800〜2300℃の温度に加熱して焼
結し、多孔質炭化珪素焼結体とする工程;(c)前記(
b)工程により得られた多孔質炭化珪素焼結体の開放気
孔中に炭素質物質を充填し、次いで非酸化性雰囲気中で
700〜2300℃の温度に加熱して前記炭素質物質を
炭化する工程。
助剤と成形助剤とを混合し、所望の形状の生成形体に成
形する工程: (b)前記(a)工程により得られた生成形体を非酸化
性雰囲気中で1800〜2300℃の温度に加熱して焼
結し、多孔質炭化珪素焼結体とする工程;(c)前記(
b)工程により得られた多孔質炭化珪素焼結体の開放気
孔中に炭素質物質を充填し、次いで非酸化性雰囲気中で
700〜2300℃の温度に加熱して前記炭素質物質を
炭化する工程。
であり、また、
本発明の第3発明の製造方法は、下記(イ)〜(ハ)工
程からなることを特徴とする開放気孔率が20〜60容
積%、平均気孔径が20〜200μm、結晶の平均アス
ペクト比が3〜50の多孔質炭化珪素焼結体の開放気孔
中に炭素が充填されてなる炭化珪素質複合材料の製造方
法。
程からなることを特徴とする開放気孔率が20〜60容
積%、平均気孔径が20〜200μm、結晶の平均アス
ペクト比が3〜50の多孔質炭化珪素焼結体の開放気孔
中に炭素が充填されてなる炭化珪素質複合材料の製造方
法。
(イ)平均粒径が10pm以下の炭化珪素粉末と成形助
剤とを混合し4所望の形状の生成形体に成形する工程; (ロ)前記(イ)工程により得られた生成形体を非酸化
性雰囲気中で1800〜2300℃の温度に加熱して焼
結し、多孔質炭化珪素焼結体とする工程;(ハ)前記(
ロ)工程により得られた多孔質炭化珪素焼結体の開放気
孔中に炭素質物質を充填し、次いで非酸化性雰囲気中で
700〜2300℃の温度に加熱して前記炭素質物質を
炭化する工程。
剤とを混合し4所望の形状の生成形体に成形する工程; (ロ)前記(イ)工程により得られた生成形体を非酸化
性雰囲気中で1800〜2300℃の温度に加熱して焼
結し、多孔質炭化珪素焼結体とする工程;(ハ)前記(
ロ)工程により得られた多孔質炭化珪素焼結体の開放気
孔中に炭素質物質を充填し、次いで非酸化性雰囲気中で
700〜2300℃の温度に加熱して前記炭素質物質を
炭化する工程。
である。
本発明の第2発明の製造方法は、特に開放気孔率が10
〜60容積%の容積質炭化珪素焼結体を製造する方法で
あり、その生成形体は平均粒径が10pLm以下の炭化
珪素粉末と焼結助剤と炭素質添加剤と成形助剤とを混合
し、所望の形状の生成形体に成形する(a)工程によっ
て得られるものであることが必要であり、また第3発明
の製造方法は、特に開放気孔率が20〜60容積%の多
孔質炭化珪素焼結体を製造する方法であり、その生成形
体は平均粒径が10pm以下の炭化珪素粉末と成形助剤
とを混合し、所望の形状の生成形体に成形する(イ)工
程によって得られるものであることが必要である。
〜60容積%の容積質炭化珪素焼結体を製造する方法で
あり、その生成形体は平均粒径が10pLm以下の炭化
珪素粉末と焼結助剤と炭素質添加剤と成形助剤とを混合
し、所望の形状の生成形体に成形する(a)工程によっ
て得られるものであることが必要であり、また第3発明
の製造方法は、特に開放気孔率が20〜60容積%の多
孔質炭化珪素焼結体を製造する方法であり、その生成形
体は平均粒径が10pm以下の炭化珪素粉末と成形助剤
とを混合し、所望の形状の生成形体に成形する(イ)工
程によって得られるものであることが必要である。
前記第2発明の製造方法および第3発明の製造方法にお
いて、炭化珪素粉末の平均粒径がIOpm以下であるこ
とが必要な理由は、平均粒径が10pm以下の粉末は生
成形体を成形した際の粒子相互の接触点が比較的多く、
また焼成温度における熱的活性が大であり、炭化珪素粒
子間での原子の拡散移動が顕著であるため、炭化珪素粒
子相互の結合が極めて生じ易く、比較的低密度でも高強
度の焼結体を得ることができるからである。特に、前記
炭化珪素粉末は平均粒径が5JLm以下であることが有
利である。
いて、炭化珪素粉末の平均粒径がIOpm以下であるこ
とが必要な理由は、平均粒径が10pm以下の粉末は生
成形体を成形した際の粒子相互の接触点が比較的多く、
また焼成温度における熱的活性が大であり、炭化珪素粒
子間での原子の拡散移動が顕著であるため、炭化珪素粒
子相互の結合が極めて生じ易く、比較的低密度でも高強
度の焼結体を得ることができるからである。特に、前記
炭化珪素粉末は平均粒径が5JLm以下であることが有
利である。
ところで、前記炭化珪素の結晶型にはα型結晶、β型結
晶および非晶質のものがあるが、本発明によれば、前記
炭化珪素粉末はβ型結晶の炭化珪素を少なくとも30%
含有する炭化珪素粉末であることが好ましい、その理由
は、β型結晶は比較的低温で合成される低温安定型結晶
であり、焼結に際して炭化珪素粒子相互の結合が起こり
やすく、比較的低密度でも高強度の結晶体を製造するこ
とができるからであり、なかでもβ型結晶を50%以上
含有する炭化珪素粉末であることが有利である。
晶および非晶質のものがあるが、本発明によれば、前記
炭化珪素粉末はβ型結晶の炭化珪素を少なくとも30%
含有する炭化珪素粉末であることが好ましい、その理由
は、β型結晶は比較的低温で合成される低温安定型結晶
であり、焼結に際して炭化珪素粒子相互の結合が起こり
やすく、比較的低密度でも高強度の結晶体を製造するこ
とができるからであり、なかでもβ型結晶を50%以上
含有する炭化珪素粉末であることが有利である。
本発明の第2発明の製造方法において、焼結助剤が混合
される理由は、焼結時に炭化珪素粒子相互の結合性を向
上させるとともに、比較的微細な炭化珪素結晶が三次元
網目状に結合された焼結体を製造するためである。前記
焼結助剤としては、生成形体の焼成時に該焼結助剤の蒸
気および/または分解生成物の蒸気を発生させられるも
のであれば好適に使用することができ、なかでも、ホウ
素、アルミニウム、鉄、クロム、ランタン、チタン、イ
ツトリウム、エルビウムあるいはそれらの化合物から選
ばれるいずれか少なくとも1種を使用することが好まし
い。
される理由は、焼結時に炭化珪素粒子相互の結合性を向
上させるとともに、比較的微細な炭化珪素結晶が三次元
網目状に結合された焼結体を製造するためである。前記
焼結助剤としては、生成形体の焼成時に該焼結助剤の蒸
気および/または分解生成物の蒸気を発生させられるも
のであれば好適に使用することができ、なかでも、ホウ
素、アルミニウム、鉄、クロム、ランタン、チタン、イ
ツトリウム、エルビウムあるいはそれらの化合物から選
ばれるいずれか少なくとも1種を使用することが好まし
い。
前記焼結助剤の含有量は0.01〜10重量%とするこ
とが有利である。その理由は、前記焼結助剤の含有量が
0.01重量%より少ないと、前述の如き効果を充分に
発揮することができないからであり、一方10重量%よ
り多い場合には、前述の如き効果はそれ程変わらないが
、むしろ焼結体内に残留する量が多くなるため炭化珪素
本来の特性が劣化するからである。なお、前記焼結助剤
の含有量は0.02〜5%であるこ゛とがより有利であ
る。
とが有利である。その理由は、前記焼結助剤の含有量が
0.01重量%より少ないと、前述の如き効果を充分に
発揮することができないからであり、一方10重量%よ
り多い場合には、前述の如き効果はそれ程変わらないが
、むしろ焼結体内に残留する量が多くなるため炭化珪素
本来の特性が劣化するからである。なお、前記焼結助剤
の含有量は0.02〜5%であるこ゛とがより有利であ
る。
本発明の第2発明の製造方法および第3発明の製造方法
において使用される成形助剤は、粉末中に配合されるこ
とによって成形時における潤滑剤あるいは結合剤として
用いられるものである。前記成形助剤のうち例えば部層
効果を有するものとしてはカーポワックス、ステアリン
酸マグネシウム、ステアリン醜バリウム、ステアリン酸
アルミニウム、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸、酢酸
セルロース、グリセリン、ポリエチレングリコール等を
使用することができ、結合効果を有するものとしては澱
粉、デキストリン、アラビアゴム、カゼイン、糖類、H
a−カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、
酢酸セルロース、グリセリン、ポリビニルアルコール、
ポリビニルメチルエーテル、ポリアクリル酸アミド、ポ
リエチレングリコール、タンニン酸、流動パラフィン、
ワックスエマルジョン、エチルセルロース、ポリビニル
アセテート、フェノールレジン等を使用することができ
、これらを単独で使用することはもちろん混合して使用
することもできる。
において使用される成形助剤は、粉末中に配合されるこ
とによって成形時における潤滑剤あるいは結合剤として
用いられるものである。前記成形助剤のうち例えば部層
効果を有するものとしてはカーポワックス、ステアリン
酸マグネシウム、ステアリン醜バリウム、ステアリン酸
アルミニウム、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸、酢酸
セルロース、グリセリン、ポリエチレングリコール等を
使用することができ、結合効果を有するものとしては澱
粉、デキストリン、アラビアゴム、カゼイン、糖類、H
a−カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、
酢酸セルロース、グリセリン、ポリビニルアルコール、
ポリビニルメチルエーテル、ポリアクリル酸アミド、ポ
リエチレングリコール、タンニン酸、流動パラフィン、
ワックスエマルジョン、エチルセルロース、ポリビニル
アセテート、フェノールレジン等を使用することができ
、これらを単独で使用することはもちろん混合して使用
することもできる。
本発明の第2発明の製造方法および第3発明の製造方法
によれば、炭化珪素としてはα型結晶、β型結晶、非晶
質のいずれをも使用することができるが、特に高強度の
多孔質炭化珪素焼結体を製造するためにはβ型結晶の炭
化珪素を少なくとも30重量%含有する炭化珪素粉末を
使用することが好ましく、なかでも50重量%以上含有
する炭化珪素粉末を使用することが好適である。
によれば、炭化珪素としてはα型結晶、β型結晶、非晶
質のいずれをも使用することができるが、特に高強度の
多孔質炭化珪素焼結体を製造するためにはβ型結晶の炭
化珪素を少なくとも30重量%含有する炭化珪素粉末を
使用することが好ましく、なかでも50重量%以上含有
する炭化珪素粉末を使用することが好適である。
本発明の第2発明の製造方法によれば、前記(a)工程
により得られた生成形体を非酸化性雰囲気中で1800
〜2300℃の温度に加熱して焼結し、多孔質炭化珪素
焼結体とすることが必要である。前記温度を1800〜
2300℃の範囲内とする理由は、1800℃よりも低
い温度では炭化珪素粒子相互の結合および粒子の成長が
不充分で高い強度を有する焼結体を得ることが困難であ
り、一方2300℃よりも高いと炭化珪素の昇華が盛ん
になり、発達した結晶のネックが逆にやせ細ってしまい
、その結果高い強度を持った炭化珪素焼結体を得ること
が困難であるからである。
により得られた生成形体を非酸化性雰囲気中で1800
〜2300℃の温度に加熱して焼結し、多孔質炭化珪素
焼結体とすることが必要である。前記温度を1800〜
2300℃の範囲内とする理由は、1800℃よりも低
い温度では炭化珪素粒子相互の結合および粒子の成長が
不充分で高い強度を有する焼結体を得ることが困難であ
り、一方2300℃よりも高いと炭化珪素の昇華が盛ん
になり、発達した結晶のネックが逆にやせ細ってしまい
、その結果高い強度を持った炭化珪素焼結体を得ること
が困難であるからである。
一方、本発明の第3発明の製造方法によれば、前記(イ
)工程により得られた生成形体を非酸化性雰囲気中で1
900〜2300℃の温度に加熱して焼結し、多孔質炭
化珪素焼結体とすることが必要である。前記温度を19
00〜2300℃の範囲内とする理由は、1900℃よ
りも低い温度では炭化珪素粒子相互の結合および粒子の
成長が不充分で高い強度を有する焼結体を得ることがで
きず、一方2300℃よりも高いと一旦成長したネック
のうち一定の大きさよりも小さなネックがくびれだ形状
となったり、著しい場合には消失したりして、むしろ強
度が低くなるし、また一部の粒子が粗大化するため表面
の面粗度が劣化するからである。
)工程により得られた生成形体を非酸化性雰囲気中で1
900〜2300℃の温度に加熱して焼結し、多孔質炭
化珪素焼結体とすることが必要である。前記温度を19
00〜2300℃の範囲内とする理由は、1900℃よ
りも低い温度では炭化珪素粒子相互の結合および粒子の
成長が不充分で高い強度を有する焼結体を得ることがで
きず、一方2300℃よりも高いと一旦成長したネック
のうち一定の大きさよりも小さなネックがくびれだ形状
となったり、著しい場合には消失したりして、むしろ強
度が低くなるし、また一部の粒子が粗大化するため表面
の面粗度が劣化するからである。
木発明によれば、比較的大きな開放気孔を有する多孔質
炭化珪素焼結体を製造するには焼成時の昇温速度を比較
的ゆっくりとした速度で焼成すること、最高温度を比較
的高くすることおよび/または最高温度での保持時間を
長くすることが有利である。この条件によれば個々の炭
化珪素の板状結晶を大きく成長させることができ、その
結果、大きな開放気孔を有する多孔質炭化珪素焼結体を
製造することができる。一方、比較的小さな開放気孔を
有する多孔質炭化珪素焼結体を製造するには、焼成時の
昇温速度を比較的速くすること、最高温度を比較的低く
することおよび/または最高温度における保持時間を短
くすることが有利である。この条件によれば個々の炭化
珪素の板状結晶をそれ程成長させることなく多孔質炭化
珪素焼結体を製造することができる。
炭化珪素焼結体を製造するには焼成時の昇温速度を比較
的ゆっくりとした速度で焼成すること、最高温度を比較
的高くすることおよび/または最高温度での保持時間を
長くすることが有利である。この条件によれば個々の炭
化珪素の板状結晶を大きく成長させることができ、その
結果、大きな開放気孔を有する多孔質炭化珪素焼結体を
製造することができる。一方、比較的小さな開放気孔を
有する多孔質炭化珪素焼結体を製造するには、焼成時の
昇温速度を比較的速くすること、最高温度を比較的低く
することおよび/または最高温度における保持時間を短
くすることが有利である。この条件によれば個々の炭化
珪素の板状結晶をそれ程成長させることなく多孔質炭化
珪素焼結体を製造することができる。
本発明の第2発明の製造方法および第3発明の製造方法
によれば、前記多孔質炭化珪素焼結体の開放気孔中に炭
素質物質を充填し、次いで非酸化性雰囲気中で700〜
2300℃の温度に加熱して前記炭素質物質を炭化する
ことが必要である。その理由は、炭化珪素焼結体自体は
自己潤滑性に乏しいため、特に潤滑剤の存在しない条件
下で炭化珪素焼結体を摺動材料として適用することは極
めて困難であるが、前述の如き方法によって自己潤滑性
を有し、潤滑剤としての作用効果を発揮させることので
きる炭素を多孔質炭化珪素焼結体の開放気孔中へ充填せ
しめることにより、極めて優れた摺動特性および耐摩耗
性を有する複合材料となすことができるからである。
によれば、前記多孔質炭化珪素焼結体の開放気孔中に炭
素質物質を充填し、次いで非酸化性雰囲気中で700〜
2300℃の温度に加熱して前記炭素質物質を炭化する
ことが必要である。その理由は、炭化珪素焼結体自体は
自己潤滑性に乏しいため、特に潤滑剤の存在しない条件
下で炭化珪素焼結体を摺動材料として適用することは極
めて困難であるが、前述の如き方法によって自己潤滑性
を有し、潤滑剤としての作用効果を発揮させることので
きる炭素を多孔質炭化珪素焼結体の開放気孔中へ充填せ
しめることにより、極めて優れた摺動特性および耐摩耗
性を有する複合材料となすことができるからである。
本発明によれば、前記炭素質物質は炭化時に炭素をなる
べく多く残すことができるものを使用することが望まし
く、少なくとも5重量%残すことができるものであるこ
とが好ましい、その理由は、炭化時に残る炭素の量が5
重量%よりも少ない炭素質物質を、使用して前記開放気
孔中に充分炭素を充填しようとする場合には炭素質物質
の充填および炭化を何回も繰返さなければならず経済的
でないからである。
べく多く残すことができるものを使用することが望まし
く、少なくとも5重量%残すことができるものであるこ
とが好ましい、その理由は、炭化時に残る炭素の量が5
重量%よりも少ない炭素質物質を、使用して前記開放気
孔中に充分炭素を充填しようとする場合には炭素質物質
の充填および炭化を何回も繰返さなければならず経済的
でないからである。
前記炭素質物質としては、例えば不飽和ポリエステル樹
脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、ジア
リルフタレート樹脂、ユリア樹脂、メラニン樹脂、キシ
レン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリジ
ビニルベンゼン樹脂、芳香族化合物として重質油やター
ル・ピッチ類を用いた縮合多環多核芳香族樹脂、重質油
、タール−ピッチ類、ポリビニルクロライド等を使用す
ることができる。なお、前記炭素質物質のうち重質油、
タール・ピッチ類、ポリビニルクロライドは必要に応じ
て不融化処理を施して使用することが有利である。
脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、ジア
リルフタレート樹脂、ユリア樹脂、メラニン樹脂、キシ
レン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリジ
ビニルベンゼン樹脂、芳香族化合物として重質油やター
ル・ピッチ類を用いた縮合多環多核芳香族樹脂、重質油
、タール−ピッチ類、ポリビニルクロライド等を使用す
ることができる。なお、前記炭素質物質のうち重質油、
タール・ピッチ類、ポリビニルクロライドは必要に応じ
て不融化処理を施して使用することが有利である。
また、前記炭素質物質を炭化する温度を700〜230
0℃とする理由は、前記温度が700℃よりも低いと炭
素質物質の炭化が不充分になりやすく潤滑性に優れた炭
素となすことが困難であるからであり、一方前記温度は
炭素を黒鉛化せしめて潤滑性をさらに向上させる上でな
るべく高くすることが好ましいが、2300℃よりも高
いと炭化珪素の分解が生起するからである。
0℃とする理由は、前記温度が700℃よりも低いと炭
素質物質の炭化が不充分になりやすく潤滑性に優れた炭
素となすことが困難であるからであり、一方前記温度は
炭素を黒鉛化せしめて潤滑性をさらに向上させる上でな
るべく高くすることが好ましいが、2300℃よりも高
いと炭化珪素の分解が生起するからである。
なお、本発明によれば、前記炭素質物質にあらかじめ炭
化せしめた炭素粉末、黒鉛粉末あるいは炭素繊維を混合
して使用することもできる。
化せしめた炭素粉末、黒鉛粉末あるいは炭素繊維を混合
して使用することもできる。
次に木発明を実施例によって説明する。
11撫」
平均粒径が0.28JLm、β型結晶の含有率が94.
6重量%の炭化珪素粉末100重量部に対し、炭化ホウ
素粉末0.3重量部、ポリビニルアルコール5重量部、
水300重量部を配合し、ボールミル中、で5時間混合
した後噴霧乾燥した。なお、前記炭化珪素粉末は遊は炭
素を0.28重量%、酸素を0.17重量%、鉄を0.
03重量%、アルミニウムを0.03重量%含有してい
た。
6重量%の炭化珪素粉末100重量部に対し、炭化ホウ
素粉末0.3重量部、ポリビニルアルコール5重量部、
水300重量部を配合し、ボールミル中、で5時間混合
した後噴霧乾燥した。なお、前記炭化珪素粉末は遊は炭
素を0.28重量%、酸素を0.17重量%、鉄を0.
03重量%、アルミニウムを0.03重量%含有してい
た。
この乾燥物を適量採取して、成形型に装入し。
3000kg/crn’の圧力で加圧成形し生成形体を
得た。
得た。
次いでこの生成形体を2100℃のアルゴンガス雰囲気
中で焼成し、密度が2.88 g/am″、平均気孔径
が3pm、結晶の平均アスペクト比が約8.5、強度が
39kgf/ m m’で三次元的に均一に分散した開
放気孔を有する多孔質炭化珪素焼結体を得た。前記開放
気孔率は約17容積%であった。
中で焼成し、密度が2.88 g/am″、平均気孔径
が3pm、結晶の平均アスペクト比が約8.5、強度が
39kgf/ m m’で三次元的に均一に分散した開
放気孔を有する多孔質炭化珪素焼結体を得た。前記開放
気孔率は約17容積%であった。
次いで、この多孔質炭化珪素焼結体の開放気孔中に融点
が110℃で炭化時に炭素を52重量%残すことのでき
る高ピツチを含浸した。この高ピツチの含浸は、前記ピ
ッチをあらかじめ真空下で120℃まで加熱し1時間保
持することにより真空脱泡した後、200℃まで真空加
熱した前記多孔質炭化珪素焼結体を浸漬し、さらに20
0℃まで昇温し1時間保持してから、10 atmまで
加圧することに、より行った。
が110℃で炭化時に炭素を52重量%残すことのでき
る高ピツチを含浸した。この高ピツチの含浸は、前記ピ
ッチをあらかじめ真空下で120℃まで加熱し1時間保
持することにより真空脱泡した後、200℃まで真空加
熱した前記多孔質炭化珪素焼結体を浸漬し、さらに20
0℃まで昇温し1時間保持してから、10 atmまで
加圧することに、より行った。
前述の如くして高ピツチが含浸された多孔質炭化珪素焼
結体を濃硝酸中に浸漬した後、コークス粉(# 60)
中に埋設し、20℃/時間の昇温速度で900℃まで昇
温し、さらに5℃/分の昇温速度で1900℃まで昇温
し焼成して高ピツチを炭化せしめ炭化珪素質複合材料を
得た。
結体を濃硝酸中に浸漬した後、コークス粉(# 60)
中に埋設し、20℃/時間の昇温速度で900℃まで昇
温し、さらに5℃/分の昇温速度で1900℃まで昇温
し焼成して高ピツチを炭化せしめ炭化珪素質複合材料を
得た。
得られた炭化珪素質複合材料の開放気孔に対する炭素の
占める割合は42容積%であった。
占める割合は42容積%であった。
この複合材料を内径15mm、外径21mm、厚さ5鵬
腸のリング状に加工した後、リングオンリング方式の摺
動試験機を用いて水中で炭化珪素質焼結体(気孔率2%
)を相手材として使用し摺動試験を行ったところ、限界
pv値が14500kgf/crrf−m/a+inで
、その時の摩擦係数が0.005 、比摩耗速度が7.
8×10(−匹「可−アー)であることが認められた。
腸のリング状に加工した後、リングオンリング方式の摺
動試験機を用いて水中で炭化珪素質焼結体(気孔率2%
)を相手材として使用し摺動試験を行ったところ、限界
pv値が14500kgf/crrf−m/a+inで
、その時の摩擦係数が0.005 、比摩耗速度が7.
8×10(−匹「可−アー)であることが認められた。
2、 1
実施例1と同様であるが、生成形体の焼結温度および高
ピツチの炭化温度を第1表に示す如く変化させて複合材
料を得た。
ピツチの炭化温度を第1表に示す如く変化させて複合材
料を得た。
得られた複合材料の特性および実施例1と同様にして測
定された摺動特性は第1表に示した。
定された摺動特性は第1表に示した。
第1表に示した結果よりわかるように、本実施例の複合
材料はいずれも摺動特性に優れていることが認められた
。これに対し、比較例1−1の焼結体は、摺動時におい
て粒子の離脱現象が生じた支ム遣」 実施例1で得られた多孔質炭化珪素焼結体を600℃の
空気中1.で1時間加熱処理し、表面に酸素を含む官能
基を導入した後、軟化点80℃の石油系ピッチのベンゼ
ン可溶分(平均分子量340)とP−キシリレングリコ
ールをモル比で1:2の割合で混合し、そこに1重量%
のP−)ルエンスルホン酸を加えた混合物を130℃で
40分間反応させたBステージ樹脂を150℃の温度で
溶融した液中へ浸漬し、300℃で10時間硬化処理を
行った。
材料はいずれも摺動特性に優れていることが認められた
。これに対し、比較例1−1の焼結体は、摺動時におい
て粒子の離脱現象が生じた支ム遣」 実施例1で得られた多孔質炭化珪素焼結体を600℃の
空気中1.で1時間加熱処理し、表面に酸素を含む官能
基を導入した後、軟化点80℃の石油系ピッチのベンゼ
ン可溶分(平均分子量340)とP−キシリレングリコ
ールをモル比で1:2の割合で混合し、そこに1重量%
のP−)ルエンスルホン酸を加えた混合物を130℃で
40分間反応させたBステージ樹脂を150℃の温度で
溶融した液中へ浸漬し、300℃で10時間硬化処理を
行った。
前述の如くして得られた樹脂が充填された多孔質炭化珪
素焼結体を実施例1と同様の方法で炭化せしめ炭化珪素
質複合材料を得た。
素焼結体を実施例1と同様の方法で炭化せしめ炭化珪素
質複合材料を得た。
得られた複合材料の特性および実施例1と同様にして測
定された摺動特性は第1表に示した。
定された摺動特性は第1表に示した。
第1表に示した結果よりわかるように、本実施例の複合
材料は極めて摺動特性に優れていることが認められた。
材料は極めて摺動特性に優れていることが認められた。
支直遣」
実施例1と同様であるが、炭化ホウ素を添加することな
く顆粒状乾燥物を得た。
く顆粒状乾燥物を得た。
この乾燥混合物を適量採取して、成形型に装入し、30
00kg/cm″の圧力で加圧成形し生成形体を得た。
00kg/cm″の圧力で加圧成形し生成形体を得た。
前記生成形体を黒鉛製ルツボに装入し、タンマン型焼成
炉を使用して1気圧の主としてアルゴンガス雰囲気中で
焼成した。昇温過程は450℃/時間で2200℃まで
昇温し、最高温度2200℃で10分間保持した。焼結
中のCOガス分圧は常温〜1700℃が80Pa以下、
1700℃よりも高温域では300±50Paの範囲内
となるようにアルゴンガス流量を適宜調整して制御した
。
炉を使用して1気圧の主としてアルゴンガス雰囲気中で
焼成した。昇温過程は450℃/時間で2200℃まで
昇温し、最高温度2200℃で10分間保持した。焼結
中のCOガス分圧は常温〜1700℃が80Pa以下、
1700℃よりも高温域では300±50Paの範囲内
となるようにアルゴンガス流量を適宜調整して制御した
。
得られた焼結体の密度は2.05g /cm’で、その
結晶構造は走査型電子顕微鏡によって観察したところ、
平均アスペクト比が11.3の炭化珪素板状結晶が多方
向に複雑に絡み合った三次元構造を有しており、この焼
結体の平均曲げ強度は12kg/mrn’と高い値を示
した。
結晶構造は走査型電子顕微鏡によって観察したところ、
平均アスペクト比が11.3の炭化珪素板状結晶が多方
向に複雑に絡み合った三次元構造を有しており、この焼
結体の平均曲げ強度は12kg/mrn’と高い値を示
した。
支ム1」
実施例4と同様であるが、高ピツチの含浸および焼成を
二度実施し、炭素の充填率を向上させた複合材料を得た
。
二度実施し、炭素の充填率を向上させた複合材料を得た
。
得られた複合材料の特性および実施例1と同様にして測
定された摺動特性は第1表に示した。
定された摺動特性は第1表に示した。
以上述べた如く、本発明の炭化珪素質複合材料は、三次
元的に均一に分散した微細な開放気孔を有する多孔質炭
化珪素焼結体の前記開放気孔中に自己潤滑性を有する炭
素を充填せしめたものであり、水の存在下ではもちろん
のことフレオン等の各種熱媒中において使用されるポン
プ部品、メカニカルシール等の用途に対しても極めて優
れた摺動特性を発揮するもので、さらには高温域、ある
いは真空中等の通常潤滑剤を使用することの困難な過酷
な条件下において使用される各種摺動部材としても充分
に優れた摺動特性を発揮するものであり、使用分野が著
しく広くしかも装置の耐久性および信頼性を著しく向上
させることができる材料であって産業上極めて有用であ
る。
元的に均一に分散した微細な開放気孔を有する多孔質炭
化珪素焼結体の前記開放気孔中に自己潤滑性を有する炭
素を充填せしめたものであり、水の存在下ではもちろん
のことフレオン等の各種熱媒中において使用されるポン
プ部品、メカニカルシール等の用途に対しても極めて優
れた摺動特性を発揮するもので、さらには高温域、ある
いは真空中等の通常潤滑剤を使用することの困難な過酷
な条件下において使用される各種摺動部材としても充分
に優れた摺動特性を発揮するものであり、使用分野が著
しく広くしかも装置の耐久性および信頼性を著しく向上
させることができる材料であって産業上極めて有用であ
る。
以 上
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1)開放気孔率が10〜60容量%、平均気孔径が0.
1〜200μm結晶の平均アスペクト比が3〜50の多
孔質炭化珪素焼結体の開放気孔中に炭素が充填されてな
る炭化珪素質複合材料。 2)前記炭素は、黒鉛質である特許請求の範囲第1項記
載の炭化珪素質複合材料。 3)前記炭素は、前記多孔質炭化珪素焼結体の開放気孔
容積100容積部に対し、少なくとも10容積部充填さ
れてなる特許請求の範囲第1あるいは第2項記載の炭化
珪素質複合材料。 4)前記多孔質炭化珪素焼結体は、結晶の長軸方向の長
さの平均値が0.5〜200μmである特許請求の範囲
第1〜3項のいずれかに記載の炭化珪素質複合材料。 5)下記(a)〜(c)工程からなることを特徴とする
開放気孔率が10〜60容積%、平均気孔径が0.1〜
100μm、結晶の平均アスペクト比が3〜50の多孔
質炭化珪素焼結体の開放気孔中に炭素が充填されてなる
炭化珪素質複合材料の製造方法。 (a)平均粒径が10μm以下の炭化珪素粉末と焼結助
剤と成形助剤とを混合し、所望の形状の生成形体に成形
する工程; (b)前記(a)工程により得られた生成形体を非酸化
性雰囲気中で1800〜2300℃の温度に加熱して焼
結し、多孔質炭化珪素焼結体とする工程;(c)前記(
b)工程により得られた多孔質炭化珪素焼結体の開放気
孔率中に炭素質物質を充填し、次いで非酸化性雰囲気中
で700〜2300℃の温度に加熱して前記炭素質物質
を炭化する工程。 6)前記炭化珪素粉末は、β型結晶の炭化珪素を少なく
とも30重量%含有するものである特許請求の範囲第5
項記載の製造方法。 7)前記焼結助剤は、ホウ素、アルミニウム、鉄クロム
、ランタン、チタン、イットリウム、エルビウムあるい
はそれらの化合物から選ばれるいずれか少なくとも1種
である特許請求の範囲第5あるいは6項記載の製造方法
。 8)前記炭素質物質は、炭化時に炭素を少なくとも5重
量%残すものである特許請求の範囲第5〜7項のいずれ
かに記載の製造方法。 9)下記(イ)〜(ハ)工程からなることを特徴とする
開放気孔率が20〜60容積%、平均気孔径が20〜2
00μm、結晶の平均アスペクト比が3〜50の多孔質
炭化珪素焼結体の開放気孔中に炭素が充填されてなる炭
化珪素質複合材料の製造方法。 (イ)平均粒径が10μm以下の炭化珪素粉末と成形助
剤とを混合し、所望の形状の生成形体に成形する工程; (ロ)前記(イ)工程により得られた生成形体を非酸化
性雰囲気中で1900〜2300℃の温度に加熱して焼
結し、多孔質炭化珪素焼結体とする工程;(ハ)前記(
ロ)工程により得られた多孔質炭化珪素焼結体の開放気
孔中に炭素質物質を充填し、次いで非酸化性雰囲気中で
700〜2300℃の温度に加熱して前記炭素質物質を
炭化する工程。 10)前記炭化珪素粉末は、β型結晶の炭化珪素を少な
くとも30重量%含有するものである特許請求の範囲第
9項記載の製造方法。 11)前記炭素質物質は、炭化時に炭素を少なくとも5
重量%残すものである特許請求の範囲第9あるいは10
項記載の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60278801A JPS62138376A (ja) | 1985-12-10 | 1985-12-10 | 炭化珪素質複合材料およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60278801A JPS62138376A (ja) | 1985-12-10 | 1985-12-10 | 炭化珪素質複合材料およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62138376A true JPS62138376A (ja) | 1987-06-22 |
Family
ID=17602362
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60278801A Pending JPS62138376A (ja) | 1985-12-10 | 1985-12-10 | 炭化珪素質複合材料およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62138376A (ja) |
-
1985
- 1985-12-10 JP JP60278801A patent/JPS62138376A/ja active Pending
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