JP2002284588A - 耐酸化性を具備した炭素繊維強化ＳｉＣ系複合材料、およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温の酸化性雰囲気下、とくに、金属溶湯中
で使用する溶湯搬送ポンプやドロスを除去するための溶
湯ポンプの部材等として、高温の酸化性条件下でも使用
しても、金属溶湯中に所望とする金属成分以外の成分が
溶出することがなく、かつ、充分な耐熱衝撃性と耐酸化
性とを備えた複合材料の提供。 【解決手段】 基材としてＳｉ−ＳｉＣ系複合材料また
はＳｉＣ系複合材料を用い、同基材の少なくとも表層部
にリン酸塩からなる耐酸化性層を形成させた炭素繊維強
化ＳｉＣ系複合材料により達成。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、高温の酸化性雰
囲気下で使用される耐酸化性特性に優れた炭素繊維強化
ＳｉＣ系複合材料に関する。特に、金属溶湯中で使用す
る溶湯搬送ポンプやドロスを除去するための溶湯ポンプ
の部材等として高温の酸化性条件下でも使用可能な複合
材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】 高温で、かつ、酸化性雰囲気で使用さ
れるものには、宇宙航空分野における耐酸化性部品は勿
論のこと、各種産業用の大型輸送機械である、自動車、
鉄道車両、航空機などのブレーキ材として使用される材
料がある。また、各種機械などの製造用機械の一部など
においても使用される。例えば、自動車用鋼板等への亜
鉛、アルミニウムによるメッキを行う場合は、加熱して
溶融した金属（金属溶湯）に被メッキ物を浸漬すること
により行う。その際、被メッキ物の浸漬を繰り返すと、
溶湯中の不純物が粒成長を起こすことにより金属溶湯に
固体浮遊物（ドロス）が発生し、これを放置したままメ
ッキ作業を続けると、メッキ厚が不均一になったり、メ
ッキ製品の外観が悪くなるというような不都合が生じ
る。

【０００３】 そのため、このような金属メッキ工程に
おいては、溶湯ポンプを用いてドロスを除去しながらメ
ッキ作業を行っている。そのような装置としては、例え
ば、図１に示すような溶湯ポンプのがある。図１におい
て、被メッキ物である鋼板１は、水素雰囲気下、滑車２
にて金属溶湯３中に浸漬されメッキされる。溶湯ポンプ
４は、一般に、ドロス蓄積部５および両端に開口部を有
するドロス流路６を備え、ドロス流路６の一端側開口部
はドロス蓄積部５外側の金属溶湯液面部においてのみ金
属溶湯３と連通し、ドロス流路６の他端側開口部はドロ
ス蓄積部５内の金属溶湯液面部においてのみ金属溶湯３
と連通する。また、ドロス流路６は、他端側のドロス流
路内に、回転軸７に取り付けられ、一端側から他端側へ
の液流を引き起こすためのインペラ８を有する。図１に
示す溶湯ポンプ４においては、内側容器１０の内部空間
がドロス蓄積部５を形成し、外側容器１１の内壁と内側
容器１０の外壁との間の空間がドロス流路６を構成して
いる。

【０００４】 上記の溶湯ポンプ４において、ドロス流
路６内には、インペラ８の回転により、ドロス流路６の
一端側開口部から他端側開口部へ向かう液流が生じるた
め、金属溶湯３表面に浮いたドロス２はドロス流路６の
一端側開口部からドロス流路６内に取り込まれ、ドロス
流路６内を通ってドロス流路６の他端側開口部からドロ
ス蓄積部５内に入る。ドロス蓄積部５内に溜められたド
ロス１２は真空ポンプ１３等により吸引除去される。

【０００５】 このような溶湯ポンプ４において、例え
ば５００〜８００℃という高温の金属溶湯３と接触する
外側容器１１、内側容器１０、回転軸７、インペラ８等
の部材は、熱により破損しないよう、耐熱衝撃性の材質
にて構成する必要がある。また、溶湯ポンプを構成する
材質の成分が金属溶湯中に滲み出したのでは、メッキ製
品の品質に影響を与えるため、高温下においても成分が
滲み出さないような材質を用いることも必要となる。さ
らに、溶湯ポンプを構成する材質は、大気中で使用され
ることもあるため、耐酸化性を備えることも必要とされ
る。このような観点より、従来においては、溶湯ポンプ
を構成する部材のうち、金属溶湯と接触する外側容器等
の部材の材質にはサイアロンが用いられていた。また、
特開平７−４１３７６号公報においては、摺動材とし
て、炭素繊維を基材とし、その表面にメタリン酸アルミ
からなる耐酸化性層を形成させた複合部材が提案されて
いる。

【０００６】 しかしながら、サイアロンは耐酸化性に
は優れるものの、耐熱衝撃性に劣り、例えば８００℃の
温度で１００時間程度使用すると、特に金属溶湯の液面
近傍に割れが生じるという問題があった。また金属溶湯
との接触により表面に溶融金属が堆積し、管内部を閉塞
してしまうといった問題があった。そこで、上記の問題
を解決するために、本発明者等は、平成１２年１月１４
日の出願にかかる特願２０００−５１６８明細書におい
て、Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料またはＳｉＣ系複合材料を
溶湯ポンプとして使用することを提案しているが、耐熱
衝撃性においては充分な改良効果が期待できるものの、
耐酸化性特性の面で依然として、メッキ現場での要求を
充分に満足させるには至っていないのが現状である。一
方、特開平７−４１３７６号公報に開示されている摺動
材の場合には、基材が炭素繊維そのものであるために、
耐酸化特性の点で、金属溶湯のポンプなどの部材として
使用するには、不完全である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】 本発明の目的は、高
温の酸化性雰囲気下で使用しても、充分な耐熱衝撃性お
よび耐酸化性を備えた新規な複合材料を提供することに
ある。特に、金属溶湯中で使用する溶湯搬送ポンプやド
ロスを除去するための溶湯ポンプの部材等として、高温
の酸化性条件下でも使用しても、金属溶湯中に所望とす
る金属成分以外の成分が溶出することがなく、かつ、充
分な耐熱衝撃性と耐酸化性とを備えた複合材料を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】 本発明者等は、上記の
目的を達成するために、種々検討の結果、基材としてＳ
ｉ−ＳｉＣ系複合材料またはＳｉＣ系複合材料を用い、
同基材の少なくとも表層部にリン酸塩からなる耐酸化性
層を形成させた炭素繊維強化ＳｉＣ系複合材料が上記の
目的を達成することができることを見出して、本発明を
完成させたものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】 即ち、本発明によれば、第１
に、耐酸化性を具備した炭素繊維強化ＳｉＣ系複合材料
であって、その基材がＳｉ−ＳｉＣ系複合材料またはＳ
ｉＣ系複合材料であり、同基材の少なくとも表層部にリ
ン酸塩からなる耐酸化性層が形成されている特徴とする
上記炭素繊維強化ＳｉＣ系複合材料が提供される。さら
に、該Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料が、５５質量％〜７５質
量％の炭素と、１質量％〜１０質量％の珪素と、１０質
量％〜５０質量％の炭化珪素とから構成され、少なくと
も炭素繊維の束と炭素繊維以外の炭素成分とを含有する
ヤーンが層方向に配向しつつ三次元的に組み合わされ、
互いに分離しないように一体化されているヤーン集合体
と、このヤーン集合体中で隣り合う前記ヤーンの間に充
填されているＳｉ−ＳｉＣ系材料からなるマトリックス
とを備え、０．０５〜０．６の動摩擦係数と、０．５％
〜１０％に制御された気孔率とを有する炭素繊維強化Ｓ
ｉＣ系複合材料が提供される。

【００１０】 さらにまた、該ＳｉＣ系複合材料が、炭
化珪素と炭素繊維と炭素繊維以外の炭素成分とから構成
され、骨格部と骨格部の周囲に形成されマトリックスと
からなる構造を有し、炭化珪素の少なくとも５０％はβ
型で、該骨格部は、炭素繊維と炭素繊維以外の炭素成分
により形成されており、該骨格部の一部分には炭化珪素
が存在していてもよく、該マトリックスは、炭化珪素に
より形成され、該マトリックスと該骨格部とは一体的に
形成されており、かつ、該ＳｉＣ系複合材料が０．５％
〜５％の気孔率と二山型の平均気孔径の分布を有する炭
素繊維強化ＳｉＣ系複合材料が提供される。なお、該Ｓ
ｉＣ系複合材料の動摩擦係数が０．０５〜０．６である
炭素繊維強化ＳｉＣ系複合材料が好ましく、また、該Ｓ
ｉＣ系複合材料において、大気中で１０℃／分の割合で
昇温したときに５％質量減少が生じる温度が６００℃以
上である炭素繊維強化ＳｉＣ系複合材料が好ましい。

【００１１】 本発明によれば、第２に、Ｓｉ−ＳｉＣ
系複合材料またはＳｉＣ系複合材料に所望とする量のリ
ン酸塩を含浸させ、減圧下に保持し、リン酸塩を基材の
表面から少なくとも深さ５００μｍまで浸透させ、その
後所定の温度で乾燥させることを特徴とする、Ｓｉ−Ｓ
ｉＣ系複合材料またはＳｉＣ系複合材料を基材とし、同
基材の少なくとも表層部にリン酸塩からなる耐酸化性層
が形成されていることを特徴とする耐酸化性を具備した
炭素繊維強化ＳｉＣ系複合材料の製造方法が提供され
る。

【００１２】 本発明によれば、第３に、ドロス蓄積部
および両端に開口部を有するドロス流路を備え、該ドロ
ス流路の一端側開口部は該ドロス蓄積部外側の金属溶湯
液面部においてのみ金属溶湯と連通し、該ドロス流路の
他端側開口部は該ドロス蓄積部内の金属溶湯液面部にお
いてのみ金属溶湯と連通し、該ドロス流路は、該他端側
のドロス流路内に、回転軸に取り付けられ、該一端側か
ら該他端側への液流を引き起こすためのインペラを有す
る溶湯ポンプであって、該ドロス流路が、外側容器の内
壁と、該外側容器の内側に設置され、該ドロス蓄積部を
構成する内側容器の外壁との間の空間によって構成さ
れ、少なくとも該外側容器、該内側容器、該インペラお
よび該回転軸が上記の炭素繊維強化ＳｉＣ系複合材料で
あることを特徴とする溶湯ポンプが提供される。すなわ
ち、本発明によれば、金属溶湯に浸漬して使用される溶
湯ポンプであって、少なくとも金属溶湯と接触する部分
からなる溶湯ポンプが提供される。

【００１３】 本発明において基材であるＳｉ−ＳｉＣ
系複合材料またはＳｉＣ系複合材料は、「Ｃ／Ｃコンポ
ジット」を原料として以下に記述する方法により製造さ
れるものである。ここで「Ｃ／Ｃコンポジット」とは、
少なくとも炭素繊維の束と炭素繊維以外の炭素成分とを
含有するヤーンを層方向に配向しつつ三次元的に組み合
わせ、互いに分離しないように一体化したヤーン集合体
からなる材料をいうが、より具体的にはヤーン集合体が
複数のヤーン配列体を積層して構成され、各ヤーン配列
体は複数のヤーンを略平行に二次元的に配列することに
よって構成されている材料をいう。本発明において用い
られるＣ／Ｃコンポジットは、隣接するヤーン配列体に
おける各ヤーンの長手方向が互いに交差しているもので
あることが好ましい。

【００１４】 Ｃ／Ｃコンポジットは、炭素繊維束の周
囲に、熱可塑性樹脂等のプラスチックからなる柔軟な被
膜を形成して得た、柔軟性中間材であるプレフォームド
ヤーンを、特開平２−８０６３９号公報に記載されてい
る方法によりシート状または織布状にし、必要量を積層
した後、ホットプレスで成形、または、この成形体を焼
成することにより製造される。

【００１５】 なお、炭素繊維束は、炭素繊維束のマト
リックスとして作用する粉末状のバインダーであって、
焼成後には炭素繊維の束に対して遊離炭素となるピッ
チ、コークス類を包含させ、さらに必要に応じてフェノ
ール樹脂粉末等を含有させることによって調製する。な
お、本発明の基材の製造に使用されるＣ／Ｃコンポジッ
トにおいては、上記のヤーンを構成する炭素繊維以外の
炭素成分は、好ましくは炭素粉末であり、特に好ましく
は黒鉛化した炭素粉末である。

【００１６】 本発明において、「Ｓｉ−ＳｉＣ系複合
材料」とは、Ｃ／Ｃコンポジットからなる基本骨格をＳ
ｉ−ＳｉＣ系材料からなるマトリックスが取り巻いた構
成を有する材料をいう。

【００１７】 より具体的には、「Ｓｉ−ＳｉＣ系複合
材料」とは、５５質量％〜７５質量％の炭素と、１質量
％〜１０質量％の珪素と、１０質量％〜５０質量％の炭
化珪素とから構成され、少なくとも炭素繊維の束と炭素
繊維以外の炭素成分とを含有するヤーンが層方向に配向
しつつ三次元的に組み合わされ、互いに分離しないよう
に一体化されているヤーン集合体と、このヤーン集合体
中で隣り合う前記ヤーンの間に充填されているＳｉ−Ｓ
ｉＣ系材料からなるマトリックスとを備え、０．０５〜
０．６の動摩擦係数と、０．５％〜１０％に制御された
気孔率とを有する複合材料をいう。

【００１８】 「Ｃ／Ｃコンポジット」については前述
の通りであるが、Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料の基本骨格と
して用いられるＣ／Ｃコンポジットとしては、直径が１
０μｍ前後の炭素繊維を、通常、数百本〜数万本束ねて
形成した繊維束（ヤーン）を熱可塑性樹脂で被覆して柔
軟性糸状中間材とし、これを特開平２−８０６３９号公
報に記載されている方法によりシート状にしたものを二
次元または三次元方向に配列して一方向シート（ＵＤシ
ート）若しくは各種クロスとしたり、または上記シート
やクロスを積層することにより、所定形状の予備成形体
（繊維プリフォーム）とし、次いでこの予備成形体の繊
維束の外周に形成されている有機物からなる熱可塑性樹
脂等の被膜を焼成することにより炭化除去したものが使
用される。なお、本明細書においては、参考のために特
開平２−８０６３９号公報の記載を引用する。

【００１９】 また、「Ｓｉ−ＳｉＣ系材料」とは、未
反応の状態で残存する珪素からなる珪素相からほぼ純粋
な炭化珪素に至るまでの、いくつかの相異なる相を含む
材料をいい、典型的には珪素相と炭化珪素相からなる
が、炭化珪素相には、珪素の含有量が傾斜的に変化して
いるＳｉＣ共存相を含んでもよい。従って、Ｓｉ−Ｓｉ
Ｃ系材料とは、このようにＳｉ−ＳｉＣ系列において、
炭素の濃度として、０ｍｏｌ％から５０ｍｏｌ％までの
範囲以内で含まれている材料の総称である。

【００２０】 本発明に用いる「Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材
料」は、ヤーンの表面から離れるにしたがって、珪素の
含有比率が上昇する傾斜組成を有するマトリックスを有
することが好ましい。また、本発明に用いる「Ｓｉ−Ｓ
ｉＣ系複合材料」において、Ｃ／Ｃコンポジットからな
る基本骨格は、炭素繊維から構成される複数のヤーン配
列体を特定方向に積層してなるヤーン集合体からなり、
各ヤーン配列体はそれぞれ特定本数の炭素繊維を束ねて
構成したヤーンをほぼ平行に二次元的に配列したもので
あることが好ましい。

【００２１】 このＳｉ−ＳｉＣ系複合材料は、たとえ
ば、特開平１１−２９２６６２号公報に開示された方法
により製造することができる。したがって、特開平１１
−２９２６６２号公報の開示内容をここに参考までに引
用する。すなわち、炭素繊維の束に対して、最終的にマ
トリックスとなる粉末状のバインダーピッチ、コークス
類を包含させ、さらに必要に応じてフェノール樹脂粉末
等を含有させることによって、炭素繊維束を作製する。
炭素繊維束の周囲に、熱可塑性樹脂等のプラスチックか
らなる柔軟な被膜を形成し、柔軟性中間材料を得る。こ
の柔軟性中間材料を、例えば、特開平２−８０６３９号
公報記載の方法によりヤーン状にし、必要量を積層した
後、ホットプレスで３００〜２０００℃、常圧〜５００
ｋｇ／ｃｍ²の条件下で成形することによって、成形体
を得る。または、この成形体を、必要に応じて７００〜
１２００℃で炭化させ、１５００〜３０００℃で黒鉛化
して、焼結体を得る。

【００２２】 炭素繊維は、石油ピッチ若しくはコール
タールピッチを原料とし、紡糸用ピッチの調整、溶融紡
糸、不融化及び炭素化して得られるピッチ系炭素繊維並
びにアクリロニトリル（共）重合体繊維を耐炎化および
炭素化して得られるＰＡＮ系炭素繊維のいずれのもので
もよいが、コスト面からＰＡＮ系炭素繊維が望ましい。

【００２３】 マトリックスの形成に必要な有機バイン
ダーとしては、フェノール樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬
化性樹脂およびタール、ピッチ等が用いられるが、これ
らはコークス類、金属、金属化合物、無機および有機化
合物等を含んでいてもよい。有機バインダーの一部が炭
素源となる場合もある。

【００２４】 次いで、上記のように作製された成形体
または焼結体とＳｉとを、１１００〜１４００℃の温度
域、炉内圧０．１〜１０ＨＰａで１時間以上保持する。
好ましくは、この際、成形体または焼結体とＳｉの合計
質量１ｋｇ当たり０．１ＮＬ（ノルマルリットル：１２
００℃、圧力０．１ＨＰａの場合、５０６５リットルに
相当）以上の不活性ガスを流しつつ、成形体または焼結
体表面にＳｉ−ＳｉＣ層を形成する．次いで、温度１４
５０〜２５００℃に昇温して前記成形体または焼結体の
開気孔内部へＳｉ−ＳｉＣ系材料を溶融、含浸成形させ
る。また、この過程において、成形体を用いた場合は、
前記成形体の焼成も行われ、Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料が
生成する。Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料全体における、Ｓｉ
−ＳｉＣ系材質の濃度傾斜の調節は、成形体または焼結
体の開気孔率およびその細孔径により行う。

【００２５】 また、本発明において、「ＳｉＣ系複合
材料」とは、Ｃ／Ｃコンポジットからなる基本骨格をＳ
ｉＣ系材料からなるマトリックスが取り巻いた構成を有
する材料をいう。

【００２６】 より具体的には、「ＳｉＣ系複合材料」
とは、炭化珪素と炭素繊維と炭素繊維以外の炭素成分と
から構成され、骨格部と骨格部の周囲に形成されたマト
リックスとからなる構造を有するＳｉＣ−Ｃ／Ｃコンポ
ジット複合材料であって、炭化珪素の少なくとも５０％
はβ型で、骨格部は、炭素繊維と炭素繊維以外の炭素成
分により形成されており、その骨格部の一部分には炭化
珪素が存在していてもよく、マトリックスは、炭化珪素
により形成され、前記マトリックスと前記骨格部とは一
体的に形成されており、かつ、前記複合材料は０．５％
〜５％の気孔率と二山型の平均気孔径の分布を有する複
合材料をいう。ＳｉＣ系複合材料の動摩擦係数は０．０
５〜０．６であることが好ましく、また、大気中で１０
℃／分の割合で昇温したときに５％質量減少が生じる温
度が６００℃以上であることが好ましい。

【００２７】 ここで「Ｃ／Ｃコンポジット」について
は、「Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料」の場合と同様である。

【００２８】 ＳｉＣ系複合材料は、骨格部がＣ／Ｃコ
ンポジットであるため、その一部にＳｉＣが形成されて
いても、各炭素繊維の構造が破壊されることなく保持さ
れているために炭素繊維が炭化珪素化により短繊維化す
ることがなく、原料であるＣ／Ｃコンポジットの有する
機械的強度がほぼ保持されるか、炭化珪素化により増大
するという大きな特徴を有している。しかも、ヤーン集
合体中で隣り合うヤーンの間に、ＳｉＣ系材料からなる
マトリックスが形成された複合構造を有している。この
点で、上記のＳｉ−ＳｉＣ系複合材料とは異なる。な
お、この材料は、平成１２年１月１２日付出願の特願２
０００−３４９９明細書に開示された方法により製造す
ることができる。したがって、特願２０００−３４９９
明細書の内容をここに引用する。なお、得られる材料の
耐酸化性は、他のＳｉ−ＳｉＣ系複合材料と同程度で、
大気中８００℃×１０ｈｒでの重量減少率は３０〜５０
％程度である。

【００２９】 ここで、「ＳｉＣ系材料」とは、炭素と
の結合度を異にする炭化珪素を含有する材料をいい、Ｃ
／Ｃコンポジットに金属珪素を含浸させることにより製
造できる。その際、金属珪素はコンポジット内の炭素繊
維を構成する炭素原子および／または炭素繊維の表面に
残存している遊離炭素原子と反応し、一部が炭化される
ために、Ｃ／Ｃコンポジットの最表面や炭素繊維からな
るヤーンとヤーンとの間には、一部炭化された珪素が生
成し、かくして上記のヤーンとヤーンとの間には炭化珪
素からなるマトリックスが形成される。

【００３０】 このマトリックスにおいては、極微量の
珪素と炭素とが結合した炭化珪素質の相から、純粋な炭
化珪素結晶相に至るまで、いくつかの相異なる相を含み
うる。しかし、このマトリックスには、Ｘ線による検出
限界（０．３質量％）以下の金属珪素しか含まれない。
つまり、このマトリックスは、典型的には炭化珪素相か
らなるが、炭化珪素相には、珪素の含有量が傾斜的に変
化しているＳｉＣ質相を含みうる。従って、ＳｉＣ系材
料とは、このようなＳｉＣ系列において、炭素の濃度と
して、少なくとも０．０１ｍｏｌ％以上から５０ｍｏｌ
％までの範囲以内で含まれている材料の総称である。ま
た、ＳｉＣ系複合材料は、マトリックスが骨格部表面か
ら離れるに従って、珪素の含有比率が上昇する傾斜組成
を有していてもよい。なお、炭素濃度を０．０１ｍｏｌ
％未満に制御するには、Ｃ／Ｃコンポジット中の遊離炭
素の量との関係で、添加する金属珪素の量の厳密な計量
が要求され、また、後述する最終工程での温度管理が複
雑になるため実際的ではない。従って、理論的には、炭
素濃度を０．００１ｍｏｌ％程度まで制御することは可
能である。

【００３１】 このＳｉＣ系複合材料は、たとえば平成
１２年１月１２日付出願の特願２０００−３４９９明細
書に開示された下記の方法にて製造することができる。
すなわち、Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料の場合と同様に製造
した炭素繊維からなる成形体または焼成体と金属珪素と
を、１１００〜１４００℃の温度域、炉内圧０．１〜１
０ＨＰａで１時間以上保持する。保持時間は、種々の要
因により変動しうるが、無機ポリマーないし無機物のセ
ラミックス化への変化に伴うＣＯ等の発生ガスを焼成雰
囲気より除去し、また大気中のＯ₂等による外部からの
焼成雰囲気の汚染を防止するに充分な時間であればよ
い。また、この際、成形体または焼成体と珪素の合計質
量１ｋｇ当たり０．１ＮＬ（ノルマルリットル：１２０
０℃、圧力０．１ＨＰａの場合、５０６５リットルに相
当）以上の不活性ガスを流しつつ、成形体または焼成体
表面にＳｉＣ層を形成することが好ましい。次いで、温
度１４５０〜２５００℃に昇温して前記成形体または焼
成体の開気孔内部へ珪素を溶融、含浸させ、先ず、Ｓｉ
Ｃ系材料を形成させる。

【００３２】 次いで、炉内温度を一旦周囲環境温度
（２０℃〜２５℃）まで冷却するか、あるいは、炉内温
度をそのまま保持しつつ、炉内圧力を約１気圧程度まで
上げ、炉内温度を２０００℃〜２８００℃に引き上げ
て、場合によっては残存していることもある金属珪素
と、既に生成している炭化珪素を炭素繊維と炭素繊維外
の炭素成分中（一部黒鉛化した炭素を含む遊離炭素と同
義である）にまで拡散させ、これら炭素と反応させる。
この場合の保持時間は１時間程度で充分である。また、
この過程において、Ｃ／Ｃコンポジットからなる成形体
を用いた場合は、前記成形体の焼成も行われ、同時にＳ
ｉＣ系複合材料が生成する。

【００３３】 次いで、上記の基材に含浸させ、耐酸化
層を形成させるに使用するリン酸塩について述べること
とする。使用条件などにより異なるが、充分な耐酸化層
を形成させるには、通常は、基材の最表面から少なくと
も５００μｍの深さまで、好ましくは、７５０μｍの深
さまで、より好ましくは、１０００μｍの深さまで、リ
ン酸塩を浸透させる必要がある。使用するリン酸塩とし
ては、基材に溶液状態で浸透させることができること、
少なくとも１０００℃の温度で熱分解しないこと等の性
質を有することが必要である。このような条件を満たす
リン酸塩としては、リン酸アルミニウム、リン酸カルシ
ウム、リン酸ジルコニウム等が挙げられるが、溶湯用の
ポンプの部材として使用する場合には、万が一にも、溶
湯を汚染する金属を溶出させないことが求められるの
で、リン酸アルミニウムが好適に使用される。

【００３４】 リン酸塩を含浸させるには、通常減圧
下、たとえば、０．１ＨＰａ〜３ＨＰａの減圧下で、数
分〜数時間程度、５〜３０質量％のリン酸塩溶液、好ま
しくは第一リン酸アルミニウムの水溶液中に上記の基材
を浸漬すればよい。なお、リン酸塩溶液は、有機酸のア
ルミニウム塩、たとえば、酢酸アルミニウムとリン酸と
を混合して使用してもよい。減圧下での浸漬の後に、常
圧下で、さらに、１〜２時間程度浸漬を続けてもよい。
リン酸アルミニウム塩を基材中に含浸させた後、自然乾
燥させるか、１２０℃程度の温度で乾燥し、つづいて、
３００℃以上、好ましくは、６００℃〜９００℃で加熱
処理して、不溶性のリン酸アルミニウムに変換する。か
くして、基材の最表面から少なくとも５００μｍの深さ
まで耐酸化特性に富んだリン酸塩の層が形成されること
となる。Ｓｉ−ＳｉＣ系材料のリン酸アルミニウムが染
み込むべき気孔の表面はＳｉまたはＳｉＣ化されてい
る。このため従来Ｃ／Ｃコンポジットよりリン酸アルミ
ニウムとなじみがよく、温度が上がったときにカーボン
と反応し、脆性材料を形成することがない等の効果を発
揮する。

【００３５】 つぎに、本発明にかかる複合材料を使用
した溶湯ポンプについて説明する。溶湯ポンプは、ドロ
ス蓄積部および両端に開口部を有するドロス流路を備
え、上記ドロス流路の一端側開口部は上記ドロス蓄積部
外側の金属溶湯液面部においてのみ金属溶湯と連通し、
上記ドロス流路の他端側開口部は上記ドロス蓄積部内の
金属溶湯液面部においてのみ金属溶湯と連通し、上記ド
ロス流路は、上記他端側のドロス流路内に、回転軸に取
り付けられており、場合によっては、上記一端側から上
記他端側への液流を引き起こすためのインペラを有して
いてもよい。

【００３６】 また、上記の溶湯ポンプは、ドロス流路
が、外側容器の内壁と、上記外側容器の内側に設置さ
れ、上記ドロス蓄積部を構成する内側容器の外壁との間
の空間によって構成され、少なくとも外側容器、内側容
器、インペラおよび回転軸が本発明にかかる複合材料か
らなるものであることが好ましい。また、本発明の溶湯
ポンプは、亜鉛溶湯又はアルミニウム溶湯に対して用い
るものであってもよい。本発明においては、溶湯ポンプ
の少なくとも金属溶湯と接触する部分を本発明にかかる
複合材料で構成することにより、溶湯ポンプに充分な耐
熱衝撃性と耐酸化性を付与するとともに、金属溶湯中に
溶湯ポンプを構成する素材の成分が溶出するのを防止し
ている。

【００３７】 すなわち、本発明にかかる複合材料は、
表１に示すように、室温（２０℃）のみならず、高温下
においても優れた耐熱衝撃性を有し、また、高温下にお
いても耐酸化性に優れるため、溶湯ポンプに上記の特性
を付与できるのである。特に耐熱衝撃性はサイアロンに
比べ著しく大きいことがわかる。

【００３８】

【表１】

【００３９】 なお、表１において耐熱衝撃性の値は、
幅２５ｍｍ×長さ５０ｍｍ×厚さ１０ｍｍの試験ピース
を用いて、８００℃×５分のサイクル試験を１００回繰
り返すことにより測定した。

【００４０】 また、耐酸化性の値の測定は、上記と同
寸法の試験ピースを作成し雰囲気炉内にセットし、大気
中で３００℃／ｈｒで昇温し、８００℃の温度下で５時
間放置した場合の質量減少を測定することにより行っ
た。

【００４１】 本発明にかかる複合材料を使用した溶湯
ポンプの場合、その方式、種類にとくに制限はなく、金
属溶湯に浸漬して使用されるものであればよいが、たと
えば金属溶湯中のドロスを除去するための溶湯ポンプ
は、一般には、図１に示すように、ドロス蓄積部と両端
に開口部を有するドロス流路を備えており、ドロス流路
の一端側開口部がドロス蓄積部外側の金属溶湯液面部と
連通し、ドロス流路の他端側開口部がドロス蓄積部内の
金属溶湯液面部と連通するように構成されたものであ
る。また、ドロス流路は、回転軸に取り付けられたイン
ペラ等のように、ドロス流路の一端側から他端側への液
流を引き起こすための手段を有する。

【００４２】 上記の溶湯ポンプのより具体的な態様
は、図１に示すように、溶湯ポンプ４を少なくとも内側
容器１０、外側容器１１、回転軸７、インペラ８および
回転軸駆動部１４から構成し、内側容器１０の内部空間
がドロス蓄積部５を形成し、外側容器１１の内壁と内側
容器の外壁との間の空間がドロス流路６を構成するよう
にしたものである。この場合、溶湯ポンプ４の使用時に
おいて金属溶湯３と接触するのは、内側容器１０、外側
容器１１、回転軸７およびインペラ８であるため、少な
くともこれらの部材が本発明にかかる複合材料で構成さ
れることになる。ただし、回転軸駆動部１４等の他の部
材をも上記材料で構成してもよい。

【００４３】 また、本発明の溶湯ポンプが使用される
金属溶湯の種類にも特に制限はなく、亜鉛、アルミニウ
ム、鉄、錫、銅等の金属溶湯に好適に用いることができ
るが、溶湯温度を考慮した場合、亜鉛溶湯又はアルミニ
ウム溶湯に対して特に好適に用いることができる。

【００４４】

【実施例】 以下、本発明について、製造例および使用
例を挙げてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの
製造例および使用例により何ら制限的に解されるべきも
のではない。

【００４５】 （製造例）特開平１１−２９２６６２号
公報の記載にしたがって製造した大きさ幅２５ｍｍ×長
さ５０ｍｍ×厚み１０ｍｍで、気孔率が３％のＳｉ−Ｓ
ｉＣ系複合材料をあらかじめ耐圧装置に収容した１０質
量％の第一リン酸アルミニウム水溶液に浸漬して、０．
１ＨＰａの減圧下で、１時間保持した。このものを耐圧
装置から取り出し、１２０℃で乾燥し、さらに窒素雰囲
気中で、８００℃に加熱し、表層部に厚さ５００μｍの
深さまでリン酸アルミニウムを浸透させて形成させた耐
酸化性層を有する本発明にかかる複合材料を製造し、上
述した耐酸化性試験に供した。その際、対照として、基
材としてＣ／Ｃコンポジットに上記と同一条件下で耐酸
化性層を形成させて製造した複合材料、Ｃ／Ｃコンポジ
ットそのもの、およびＳｉ−ＳｉＣ系複合材料そのもの
を使用した。その結果は表２に示す。

【００４６】

【表２】

【００４７】 上記の結果から、本発明にかかる複合材
料の場合においては、予想を超えた耐酸化性を示すこと
が明らかとなった。その原因としては、Ｃ／Ｃコンポジ
ットは気孔率が１５％程度あり、また１００μｍ程度の
細孔が多く、リン酸アルミニウムが充分に気孔を埋める
ことが難しいが、Ｓｉ−ＳｉＣは気孔率が３％程度でか
つ１００μｍ程度の細孔が消失しているため、リン酸ア
ルミニウムが充分気孔に充填されたためと考えられる。

【００４８】 （使用例）溶湯ポンプを構成する部材を
上記の製造例にしたがって製造した本発明にかかる複合
材料から構成した溶湯ポンプを用いてアルミニウム溶湯
のドロス除去を行い、溶湯ポンプを構成する部材におけ
る割れの発生、酸化および珪素の溶出について調べた。

【００４９】 金属（アルミニウム）溶湯３は、図１に
示すように、鋼板メッキ用のものであり、その温度は７
５０℃であった。また、溶湯ポンプ４は、図１に示すよ
うに、内側容器１０、外側容器１１、回転軸７、インペ
ラ８および回転軸駆動部１４からなり、内側容器１０の
内部空間がドロス蓄積部５を形成し、外側容器１１の内
壁と内側容器１０の外壁との間の空間がドロス流路６を
構成する。上記部材のうち、内側容器１０、外側容器１
１、回転軸７およびインペラ８を上記材料により構成し
た。

【００５０】 上記溶湯ポンプ４をアルミニウム溶湯３
に浸漬し、インペラ８を回転させつつ、１００時間ドロ
ス１２の除去を行った後、溶湯ポンプを構成する部材に
おける割れの発生、および酸化について調べた。

【００５１】 割れの発生は、内側容器、外側容器、回
転軸、インペラの各部材について目視にて観察すること
により調べた。酸化の程度の指標としては、これらの部
材の質量減少を測定した。耐酸化性の評価については、
質量減少率５％未満の場合を○、質量減少率５％以上、
１０％未満の場合を△、質量減少率１０％以上の場合を
×とした。珪素の溶出については、試験ピースの組成変
化を調べることにより判断した。珪素の溶出についての
評価は、アルミニウム中に珪素が混在していることがＸ
線により確認された場合を「有り」、珪素の混在が確認
されなかった場合を「無し」とした。結果を表３に示
す。

【００５２】 （比較例）内側容器、外側容器、回転軸
およびインペラをサイアロンにて構成した点を除いては
実施例と同様の溶湯ポンプを用いて、実施例と同様にア
ルミニウム溶湯のドロス除去を行い、溶湯ポンプを構成
する部材における割れの発生、酸化および珪素の溶出に
ついて調べた。結果を表３に示す。

【００５３】

【表３】

【００５４】 サイアロンを用いた比較例の溶湯ポンプ
を用いた場合は、酸化の程度は小さかったものの、外側
容器のアルミニウム溶湯液面近傍部分に割れの発生が認
められた。一方、本発明にかかる複合材料から構成した
溶湯ポンプを用いた場合は、内側容器、外側容器、回転
軸、インペラの各部材において割れの発生は認められ
ず、酸化の程度も低かった。また、本発明にかかる複合
材料を用いた場合、溶湯中へのアルミニウムや珪素の溶
出量はほとんど見られなかった。

【００５５】

【発明の効果】 本発明の溶湯ポンプは、少なくとも金
属溶湯と接触する部分が優れた耐熱衝撃性と耐酸化性を
有する本発明にかかる複合材料から構成されているた
め、高温の金属溶湯中で長時間使用しても割れたり、酸
化することがなく、溶湯ポンプの寿命を長くすることが
できるため、メッキ製品の製造コストを低減することが
できる。また、金属溶湯中に珪素が溶出しにくいため、
溶出した珪素がメッキ製品のメッキ純度を低下させるの
を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 溶湯ポンプの一般的構成を示す模式断面図で
ある。

【符号の説明】

１…鋼板、２…滑車、３…金属溶湯、４…溶湯ポンプ、
５…ドロス蓄積部、６…ドロス流路、７…回転軸、８…
インペラ、１０…内側容器、１１…外側容器、１２…ド
ロス、１３…真空ポンプ、１４…回転軸駆動部。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 耐酸化性を具備した炭素繊維強化ＳｉＣ
   系複合材料であって、その基材がＳｉ−ＳｉＣ系複合材
   料またはＳｉＣ系複合材料であり、同基材の少なくとも
   表層部にリン酸塩からなる耐酸化性層が形成されている
   ことを特徴とする炭素繊維強化ＳｉＣ系複合材料。
2. 【請求項２】 該Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料が、５５質量
   ％〜７５質量％の炭素と、１質量％〜１０質量％の珪素
   と、１０質量％〜５０質量％の炭化珪素とから構成さ
   れ、少なくとも炭素繊維の束と炭素繊維以外の炭素成分
   とを含有するヤーンが層方向に配向しつつ三次元的に組
   み合わされ、互いに分離しないように一体化されている
   ヤーン集合体と、このヤーン集合体中で隣り合う前記ヤ
   ーンの間に充填されているＳｉ−ＳｉＣ系材料からなる
   マトリックスとを備え、０．０５〜０．６の動摩擦係数
   と、０．５％〜１０％に制御された気孔率とを有する請
   求項１に記載の炭素繊維強化ＳｉＣ系複合材料。
3. 【請求項３】 該ＳｉＣ系複合材料が、炭化珪素と炭素
   繊維と炭素繊維以外の炭素成分とから構成され、骨格部
   と骨格部の周囲に形成されマトリックスとからなる構造
   を有し、 炭化珪素の少なくとも５０％はβ型で、 該骨格部は、炭素繊維と炭素繊維以外の炭素成分により
   形成されており、該骨格部の一部分には炭化珪素が存在
   していてもよく、 該マトリックスは、炭化珪素により形成され、 該マトリックスと該骨格部とは一体的に形成されてお
   り、かつ、 該ＳｉＣ系複合材料が０．５％〜５％の気孔率と二山型
   の平均気孔径の分布を有する請求項１に記載の炭素繊維
   強化ＳｉＣ系複合材料。
4. 【請求項４】 該ＳｉＣ系複合材料の動摩擦係数が０．
   ０５〜０．６である請求項１〜３のいずれか１項に記載
   の炭素繊維強化ＳｉＣ系複合材料。
5. 【請求項５】 該ＳｉＣ系複合材料において、大気中で
   １０℃／分の割合で昇温したときに５％質量減少が生じ
   る温度が６００℃以上である請求項１〜４のいずれか１
   項に記載の炭素繊維強化ＳｉＣ系複合材料。
6. 【請求項６】 Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料またはＳｉＣ系
   複合材料に所望とする量のリン酸塩を含浸させ、減圧下
   に保持し、リン酸塩を基材の表面から少なくとも深さ５
   ００μｍまで浸透させ、その後所定の温度で乾燥させる
   ことを特徴とする、Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料またはＳｉ
   Ｃ系複合材料を基材とし、同基材の少なくとも表層部に
   リン酸塩からなる耐酸化性層が形成されていることを特
   徴とする耐酸化性を具備した炭素繊維強化ＳｉＣ系複合
   材料の製造方法。
7. 【請求項７】 ドロス蓄積部および両端に開口部を有す
   るドロス流路を備え、 該ドロス流路の一端側開口部は該ドロス蓄積部外側の金
   属溶湯液面部においてのみ金属溶湯と連通し、該ドロス
   流路の他端側開口部は該ドロス蓄積部内の金属溶湯液面
   部においてのみ金属溶湯と連通し、 該ドロス流路は、該他端側のドロス流路内に、回転軸に
   取り付けられ、該一端側から該他端側への液流を引き起
   こすためのインペラを有する溶湯ポンプであって、 該ドロス流路が、外側容器の内壁と、該外側容器の内側
   に設置され、該ドロス蓄積部を構成する内側容器の外壁
   との間の空間によって構成され、 少なくとも該外側容器、該内側容器、該インペラおよび
   該回転軸が請求項１〜５のいずれか１項に記載の炭素繊
   維強化ＳｉＣ系複合材料であることを特徴とする溶湯ポ
   ンプ。