JPS62182178A - 炭化珪素質複合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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体の袈６八方法に関し特に−（
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）？耗性にｆａれた炭化珪
素′ｔＩ複合体の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

炭化珪素質複合体は、−・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
ることか知られている。

ところて、炭化珪素は高い硬１バを有し、耐摩耗性に優
れているか、自己潤滑性に乏しい欠点をイ■し′Ｃ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ｂ“て摺動部材とし
て使用される場合には、その優れた特性を充分に発揮さ
せろことか困難であった。

したか−、て、＋ｉｉｉ述の如き問題を解決する材料と
して　特開昭６１１−２１）１６４号公報にｒ　Ｓ　ｉ
Ｃ，Ｓ　ｉ３Ｎ４またはサイアロンに対してＯＮまたは
炭素を３へ一５１１ｗＬ％添加して成ることを特徴とす
るセラミックス。」に係る発明か開ボされている。

（発明か解決しようとずろ問題点） しかしながら、前記特開昭６ｆｌ−２１１３６４号公報
に記載されＣいるセラミックスは、固体間滑剤となるＢ
Ｎまたは１に素を焼結前の段階て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てあり
、セラミックス粒子間に固体潤滑剤か介在するため、焼
結時にセラミックス粒子な相Ｉｃに結合することか困難
て、特に高強度のセラミ・ンクスとなすことが困難であ
る欠点を有するものである。

〔問題点を解決するためのｐ段〕

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／／研究した結果、未完［１１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
めて高強度の多孔質１に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
を伺！ｊ−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４．ＩＩ性および酎摩耗性に優れ、特に高
温域あるいは真空中等の極めてｉ酷な条ヂ［ドにおい゛
〔も充分適用することのてきる複合体を１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、−Ｌとし・て炭化珪素および炭素からなる複
合体の￥！造方Ｖ、てあって、前記複合体の）に素かｉ
；：化珪素１００屯量部に対し、１〜４０屯ｔａ部含ま
れ前記複合体の全気孔か３０容六％以下であることを′
ｌ￥徴とする炭化珪素質複合体の製造方υ；である。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明のし：化珪素焼結体は、多孔質炭化珪素焼結体の
開放気孔中に炭５２か充用されたものであることか必要
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、高速度、高荷重゛Ｃあったり、潤滑剤の
存在しない条件ドて１Ｒ化珪素焼結体を摺動材ネ゛ｌと
して適用することは極めて困難であるか、しＩ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酎摩耗
性を右する複合体となすことかてきるからである。

そして、１１ａ記捗１．８の充填早は、ｊＲ化珪素１０
０屯；１１部に対して１〜４　ｆｌ　ｉｉ’ｉ、　！、
：部であることか必要である。その理由は１屯ｚ１１部
よりも少ないと、炭素の自己潤滑効果か少なくなるため
てあり、また、４０ｆｆ（ｒｊ部よりも多いと複合体自
体の強度か小さくなるためである。

そして前記炭化珪素質複合体中に占める全気孔は３０容
ｊ１１−％以下であることか必要である。その理由は、
３（１容うシ％よりも大きいと複合体自体の強１■か小
さくなり、また、耐摩耗性も低ドするためである。

本発明の１に化珪素質複合体に了己皐されＣいる１に素
は黒鉛質であることか好ましい。その理由は。

ｌＪ￥鉛質の炭素は潤滑性を付ｉｐする効果が極めて顕
著であり、摺動特性および耐斤耗性に優れた炭比重上質
複合体となすことがＣきるからである。

次に、本発明の１妃比重素質複合体の製造方法について
説明する。

未発明の製造方法は、Ｆ記（、ｌ）〜（ｄ）１程からな
る「として１に化ｆ１よおよび炭素からなる複合体の製
造方Ｉノ、てあって、前記複合体の炭素か炭化珪素１０
０屯へ１部に対し、１〜４（）屯１１１一部含まれ、前
記４合体の全気孔か３０容ｒ１１％以トである複合体の
製造方法である。

い）平均粒径か＋１ルｍ以丁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Ｌ＆、形する−［
−石１゜ （ｂ　）　ｌ１ｉｉ記（ａ）１程により得られた生成形
体なノ１°耐化性雰囲気中でＩ　Ｓ　ｎ　ＩＩ〜２１Ｆ
１０℃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）１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および焼結
助剤を充填し、加熱して前記炭素質物質を炭化する「稈
； （ｄ）次いて、（Ｃ）　　［：程により得られた成形体
を非酸化性雰囲気中て１７００〜２３０１１℃の温度に
加熱して焼結し収縮せしめて、ＩＲ化珪素質複合体とす
る１程。

本発明において炭化珪素粉末の１を均粒径かｌ。

ｇ、ｍ以下であることか必要な理由は、平均粒径かｌｆ
ｌｕＬｍ以下の粉末は生成形体を成形した際の粒子−相
１ｔ：の接触点か比較的多く、また焼成温度における熱
的活性が大であり、）？比重ｇ粒子間での原ｆ−の拡散
移動か顕著であるため、１．ν比重素粒子相尾の結合か
極めて生し易く、比較的低密度℃も高強度の多孔質焼結
体を得ることかてきるからである。特に、１ｉｉ記度化
珪素粉末は１部勾粒径か５部ｍ以下であることか（ｆ利
である、。

ところて、前記１父化ｆＥ　Ｊの結晶型にはα型結晶、
β型結晶および−Ｉし＋１７１￥ｔのものかあるか、）
Ｋ発明によれば、前記炭化珪素粉末はβ型結晶の炭化１
７ドを少なくとも旧）％含イ」する炭化珪素粉末である
ことか好まし・い。その理由は、β型°結品は比較的低
温て合成される低温安定型結晶てあり　焼結に際して炭
化ｆｆ　、＆：粒子相７（Ｈの結合か起こりやすく、比
較的低密度でも高強度の焼結体を製造することかてきる
からてあり、なかてもβ型結晶をＳＯ％以１−含有する
）↓゛化１１素粉末゛Ｃあることか右利で」）る、。

本発明の製造月υ、におい′ＣＣ田川れる成形助剤は、
粉末中に配合されることによって成形Ｏｊ←における潤
滑剤あるいは結合剤として用いられろものである。曲記
成形助削のうち例えばＩＴ１滑効果を右するものとして
はカーボワ・ソクス、ステアリン酸マグネシウム、ステ
ア゛リン耐ベリウム、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、酢酪セルロース、グリセ
リン、ポリエチレングリコール等を使用することかてき
、結合効果を有するものとしては澱粉、デキストリン、
アラビアピノ４．カゼイン、糖類、　Ｎａ−カルボキシ
ジチルセルロース、メチルセルロース、酢酸セルロース
、グリセリン、ボリヒニルアルコール、ポリビニルメチ
ルエーテル、ポリアクリル酸アミ１〜．ポリエチレンク
リコール　タンニン酸、流動パラフィン、ワックスエマ
ルシ三１ン、二手ルセルロース、ポリビニルアセテート
、フェノールレジンτを使用することがてき、これらを
巾独゛Ｃ使用することはもちろん混合して使用すること
もてきろう本発明の製造方法によれば、前記（ａ）］程
により得られた生成形体を非酸化性雰囲気中てＩ　５０
　（１〜２１０１１　℃の温度に加熱し℃焼結し　多孔
質炭化珪素焼結体とすることか必要である。前記温ＩＷ
をＩ　５　ｉｌ　０〜２１１１　［１’Ｃの範囲内とす
る理由は、＋　５１１　［１０Ｃよりも低い温度ては）
；“化珪素主４子相７Ｌの結合か不充分て高い強度を４
ｉする焼結体を１することか困難てあり、−力２１１１
０℃よりも高いと−１１，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か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。

むしろ強度か低くなるし、また一部の粒１′−か粗大化
するため表面の面粗度か劣化するからである。

本発明のｓＡ造方７ノ、によれば、前記（ｂ）「程で製
品された多孔’ｅｉ　ｉＱ化珪素焼結体の開放気孔中に
炭、（；物質および焼結助剤を充填することか必要であ
る。前記炭素物質を充４ｔすることか必要な理由は、）
（化ＦＥ素素焼結目自体自己４テ１滑性に乏しいため、
高峻度、高荷屯あるいはＩｌτ１滑剤の在合ニジない条
件ドて炭化珪素焼結体を摺動材料として適用することは
極めて国・１であるか、　＋ｉｉｉ　述の如き方法によ
−、て１°１己ｉ１？ｌ滑性をイｉし、ｆ１滑剤として
の作用効１ｉを・５揮させろことのてきる１）素を多孔
質炭化Ｅ１゛素焼結体の開放気孔中へ充かせしめること
により、極めて優れた摺動特性および１Ｉｌ）ｌ摩耗性
を右する複合体となすことかｒきるからである。

本発明によれば、前記炭、Ｖ質物竹は炭化Ｂｊｒに炭）
；をなるべく多く残すことかてきるものを使用すること
か望ましく、少なくとも５　Ｋｉ　；ｉｊ−％残：ずこ
とか℃きるものであることか好ましい。その理由は、ｋ
Ｗ化面に残る炭素の；ｔか５屯１ｊ℃％よりも少ない）
架素質物質を使用して１ｆ１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皐および炭化
を何回も繰返さなければならず経済的てないからである
。

前記）に−Ｊ′、ｎ物質としては、例えば不飽和ポリニ
スデル樹脂、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、メラミン樹
脂、キシレン樹脂　ポリイミド樹脂、ポリウレタン８１
脂、ポリジヒニルベンゼン樹脂、芳香族化合物としてｉ
Ｔ！質油やタール・ピッチ類を用いた縮合ρ壕多核芳香
族樹脂、重質油、タール・ビ・・・チ類、ポリビニルク
ロライド冨を使用することかてきる。なお、前記炭素質
物質のうちΦ°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
とかＣＩ利である。なお、前記炭素質物質は、炭化［「
素１００屯ｒ、；一部に対し、少なくとも２屯甲部充順
１゛ることか有利である。その理由は、前記充填Ｊ１」
か２ＩｒＣＪ一部より少ないと１本発明のＩＩ的とする
自己潤滑性を充分に発揮させることが困難であるかうで
ある。

本発明によれは、前記炭素質物質にあらかしめ炭化せし
めた炭素粉末、黒鉛粉末、炭素繊維あるいは窒化ホウ素
粉末を混合して充填することもてきる。

また、ＩｒＩＩ記焼結助剤か充積１される理由は、焼結
助剤は焼結に際してＪに化珪素の焼結を促進させる作用
を有するものてあり、（Ｃ）　　ｌ二程で得られた成形
体を収縮せしめ、緻密化せしめることにより炭化珪素粒
子−相−ＩＥの結合を強め高強度の複合体を製造するこ
とかＣきるからである。

＋ｉｉｆ記焼結萌剤としては、ホウ素、アルミニウム、
鉄、クロム、ランタン、チタン、イツ１〜リウノ４、エ
ルビウムあるいはこれらの化合物から選ばれるいずれか
少なくと５一種を使用することか好ましく　その成形体
中における含有ｔは０．１〜５屯品−％とすることか右
利である。前記含有１【）を０．１〜５屯１．１％とす
ることかｔｆ利な理由は、前記含有ニーか０　、　）　
屯Ｆｌ：％よりも少ないと＋ｉｉ＋記成形体を収縮せし
めることか困難になるからてあり、一方５屯！ｔ％より
も多いと複１）体に含イ１されるｊ−か多くなるため炭
化珪素本来の特性例えば、１耐熱性。

ｌｌ１ｌＪ酸化性、高い硬度、あるいは高い強度なとか
そこなわれ、また１ノ素質物質と化合物な形成し、従来
の自己潤滑性を低ドさせるからである。

そして１本発明の（ｄ）　工程によれば、前記（Ｃ）工
程により得られた成形体を、Ｊ１酸化性雰囲気中て１７
００〜２３００℃の温度に加熱して炭化珪素質複り体を
収縮させることか必要である。その理由は、炭化珪素質
複合体を収縮させることにより、炭素を炭化珪素多孔質
体て強１／ｉｆに固定することかてきるからである。こ
れにより、自己潤滑性を増大させ、しかも強度及び耐摩
耗性に優れた複合体を得ることかてきるからである。

１ｉ１記温度を１７００〜２３００℃とする理由は、　
＋７０１１”Ｃよりも低い速成では、多孔質炭化珪素を
収縮せしめることか困難で、収縮槍が小さいため、）に
素物質か十分に固定されず、耐）？！↓［性および強度
か［し較的小さい傾向かあるためである。また、２３０
０℃よりも高いと炭化珪素多孔質体の結晶か粗大化した
り、あるいは炭化珪素か昇崩し始めるために炭比重２も
多孔質体の強度か低ドする傾向かあるためてるう なお、１に７も質物質の充填力υ、としては、（１）炭
素質物質の微粉末を溶媒に分散あるいは溶解させ、その
分散液あるいは溶液を多孔質体に含浸し、しかる後溶媒
を蒸発させる方ツノ、。（２）炭も質物質を加熱溶融し
、含浸する方法。（３）　ｉ５　、’ｒｓ’質物賀を気
化し、多孔質体内て凝縮させる方法。

（４）炭素質物質を合成することのてきる流体を多孔質
体内に含浸せしめ、多孔質体内て反応させる方法等をそ
れぞれ適用することかてきる。

次に本発明を実施例によって説明する。

実施例１ ＋１均粒径かＩｌ、２８ｇｍ、β゛型ム１１品の含有率
か９４．６屯！ＬＩ％の炭化珪十粉末１００屯♀部に対
し、ポリビニルアルコール５屯ｔ）部、水３００屯；ａ
部を配合し、ボールミル中て５面間混合した後１１１霧
乾仔した。なお、前記炭化ｆｌ：ｌ粉素は遊離炭素を０
．２９屯ｊ門４％、酸素を０．１７屯量・％、鉄をｆｌ
　、　１１３東ｊ、艷％、アルミニウムを０．０３重に
％含有していた。

この乾炊物を適量採取して、成形型に装入し、３１１ｆ
ｌＯｋｇ／　ｃ　ｍ″の圧力て加圧成形し生成形体を得
た。前記生成形体を黒鉛智ルツボに挿入し、クンマン形
焼成炉を使用し圧の主としてアルゴンガス雰囲気中て焼
成した。昇温過程は４５０℃／時間で２１１１０℃まて
シ１温し、最高温度２０００℃て１０分間゛Ｃ保持し・
た。焼結中のＣＯガス分圧は、常温〜ｌ　７　ｆＩ　Ｏ
’Ｃか８０Ｐａ以下、　　１７０１１℃よりも高温域で
はコ旧）±５（）Ｐａの範囲内となるようにアルゴンガ
ス流部を適宜調整して制御した。

得られた焼結体の密度は２．０７ｇ／ｃｍ’てあり、曲
は強度は１９．７ｋｇｒ／ｍ　ｒｎ’てあった。

次いで、この多孔質炭化Ｆト素焼結体の開放気孔中に融
点か３５０℃て炭化時に炭ふを７９重、　ｉｊ％残すこ
とのてきる高ピツチを含浸した。この高ピツチの含浸は
、１１０記ピツチをあらかしめ頁空ド（，１００℃まて
加熱し１時間保持することにより真空脱泡した後、４５
０℃まて真空加熱した前記多孔質ｊＲ化工［素焼粘体を
浸漬し、さらに４５０℃まてｙ７温し１時間保持してか
ら、５ａｔｍまで加圧することにより行った。

＋ｉｉ＋述の如くして高ピツチか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（＃［
ｌｌ＋）中に埋設し、２１１’Ｃ／時間の昇温速度て９
０１１　’Ｃまて）１温し、１時間保持した後徐冷した
。

次いて、酸化アルミニウムのＩＩ　、　Ｉ　５μｆｆｉ
微粉末をエタノールに分散しｚＯ％溶藪とした後、常温
常圧下て浸漬することにより酸化アルミニウムを１．５
市１１１部充填した。

次いて、この充顕物を２．５℃、／分のν１温速度て２
２００℃までシ１温し、４時間保持した後２．５℃／分
の速度て徐冷したう ｆｌ）られた炭化珪素質複合体の炭素含有−４＜は２４
Φ−早成てあり、前記複合体の密度は２．８１１　ｇ／
ｃｒｎ’、全気孔−Ｖは６８州％てあった。そしＣ５こ
の複合体の１１１巨−１強度は４６ｋｇｆ／ｍ　ｍ’の
高強度てあった。

この複合体を内径１５…ｌ、外ｆ’Ｙ２１ｍｍ、厚さ５
１ａｍのリンク状に＃ｎ　［した後、リンクオンリンク
方氏の摺動試験機を用いて４Ｏｆｌ”Ｃの高Ｕ丁て炭比
重−も質焼結体（気孔率２％）を相ｆ材として使［１１
シ摺動試験を行ったところ、限界ｐｖイ１６か４Ｒｉｌ
（１ｋｇｆ／ｃｍ’ｘ＋ａ／Ｉｉｎて、その時の斤擦係
数か０　、０６、比摩耗速度れた。

゛乱蓮躬〜６−ル漱ｉｌｌ≦ 実施例１と同様であるか、炭比重、ものオ１７瓜、炭化
−１×の１．％Ｉ、なる炭素質物質を用いて炭もの充胴
１１１−を変化させた場合、多孔蓋炭化ｒ１素の焼結温
度及び複合体の焼結温度を変えた場合に製造された複合
体の特性を表１にまとめた。

（発明の効果） 以Ｉ：、述べた如く１本発明によって製造された炭化珪
素質複合体は過酷な摺動榮件ても耐６；ｆ重性、＋１　
斤耗ｌＩＬ、耐熱性を持った優れた材料てあり、水のイ
ｆ在下てはもちろんのことフレオン等の各種が媒中にお
い゛ＣＣ田川れるポンプ部品、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ドにおいて使用される各種
摺動部材とし℃も充分に優れた摺動特性を発揮するもの
である。

ざらに、Ｋ　Ｊ’を含んたことにより、導電性を（ｆす
る炭化珪素焼結体としても利用することかてきる。

このように、本発明によりイ１＃られる炭化ｆｌ素質複
合体は使用分野か広く、しかも摺動装置に摺動部材とし
て適用した場合には、名該装置の耐久性及び（ｒｆ頼性
な斉しく向［−させることかてき、産ヱＩ−極めてイ口
１１である。

なお、この複合体の製造方法によれば、　（ｄ）　　１
７程における焼成温度範囲内での温度範囲内て分解しな
いような物質、例えば窒化ホウ素等の固体潤滑剤てあれ
ば同様に複合体を製造てきることは勿論のことである。

以　　　　ｌ−

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）下記（ａ）〜（ｄ）工程からなる主として炭化珪
   素および炭素からなる複合体の製造方法であって、前記
   複合体の炭素が炭化珪素１００重量部に対し、１〜４０
   重量部含まれ、前記複合体の全気孔が３０容量％以下で
   ある炭化珪素質複合体の製造方法。 （ａ）平均粒径か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； （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１５００〜２１００℃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および焼結助剤を充填す
   る工程； （ｄ）次いで、前記（ｃ）工程により得られた成形体を
   非酸化性雰囲気中で１７００〜２３００℃の温度に加熱
   して焼結し収縮せしめて、炭化珪素質複合体とする工程
   。
2. （２）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
   １項記載の製造方法。
3. （３）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１あるいは第２
   項記載の製造方法。
4. （４）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１〜第３項のいずれかに記
   載の製造方法。