JP2004099352A - 炭化珪素／炭素複合材料及びこれを用いた摺動材料 - Google Patents
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Abstract
【課題】空気中でも良好な潤滑性を有し、かつ無加圧焼結できる炭化珪素／炭素複合材料及びこれを用いた摺動材料を提供する。
【解決手段】全組成物中にカーボンブラック及び熱硬化性樹脂を焼成して得られる炭素を１１．５〜１６．５重量％含有してなる炭化珪素／炭素複合材料並びに前記の炭化珪素／炭素複合材料を用いた摺動材料。
【選択図】 なし
【解決手段】全組成物中にカーボンブラック及び熱硬化性樹脂を焼成して得られる炭素を１１．５〜１６．５重量％含有してなる炭化珪素／炭素複合材料並びに前記の炭化珪素／炭素複合材料を用いた摺動材料。
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素／炭素複合材料及びこれを用いた摺動材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化珪素は極めて硬く、水潤滑で使用される場合や相手材が炭素の場合には良好な潤滑性を有し、耐摩耗性、耐薬品性に優れるため、メカニカルシールや軸受によく使用されている。しかし、空気中で炭化珪素同士で使用した場合には摩擦係数が大きく、簡単に焼き付いてしまう問題がある。
【０００３】
従来から炭化珪素に炭素、ＢＮ等の固体潤滑剤を添加した材料が提案されている（特許文献１、２、３等参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５９−２２３２７３号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開平０３−１１２８６６号公報（特許請求の範囲）
【特許文献３】
特開平１０−１３９５４６号公報（特許請求の範囲）
【０００５】
しかしながら、ＢＮは高価であり、安価な摺動材料には適さないという問題点がある。
また、炭素との複合材料において、その添加物として、（特許文献４参照）に示されるような黒鉛、（特許文献５参照）に示されるようなコークス、（特許文献６参照）に示されるようなタールピッチ、（特許文献６、７参照）に示されるようなカーボンブラックがある。
【０００６】
【特許文献４】
特開昭５８−１３０１６５号公報（特許請求の範囲）
【特許文献５】
特開平０１−２７８４７５号公報（特許請求の範囲）
【特許文献６】
特開昭６０−２００８６１号公報（特許請求の範囲）
【特許文献７】
特公昭６１−０４３３１０号公報（特許請求の範囲）
【特許文献８】
特開昭６１−０６３５６９号公報（特許請求の範囲）
【０００７】
前記、特許文献７にはα炭化珪素に対し１〜５体積％のカーボンブラックを添加した焼結体が示されるが、該焼結体は、水潤滑での摩擦特性には優れた効果を有するが、空気中における摩擦係数は初期で０．４０程度と大きく、直ぐに焼き付いてしまうという問題点がある。
【０００８】
一方、前記、特許文献８には炭素として６〜１２重量％に相当する量のカーボンブラックを添加した焼結体が示されるが、該焼結体は、油槽中での摩擦係数には優れた効果を有するが、空気中における摩擦係数は大きく、直ぐに焼き付いてしまうという問題点がある。
即ち、上記に示す焼結体は水潤滑や油潤滑での摺動については良好であるが、空気中での摺動については焼き付きが生じ使用することができないという問題点がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
請求項１、２及び３記載の発明は、空気中でも良好な潤滑性を有し、かつ無加圧焼結で焼結できる炭化珪素／炭素複合材料を提供するものである。
請求項４記載の発明は、空気中でも潤滑性に優れた摺動材料を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は次のものに関する。
（１） 全組成物中にカーボンブラック及び熱硬化性樹脂を焼成して得られる炭素を１１．５〜１６．５重量％含有してなる炭化珪素／炭素複合材料。
（２） カーボンブラックの含有量が１０〜１４重量％及び熱硬化性樹脂を焼成して得られる炭素の含有量が１〜５重量％である上記（１）記載の炭化珪素／炭素複合材料。
（３） 空気中での摩擦係数が０．３０以下である上記（１）又は（２）記載の炭化珪素／炭素複合材料。
（４） 上記（１）、（２）又は（３）記載の炭化珪素／炭素複合材料を用いた摺動材料。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明において、カーボンブラック及び熱硬化性樹脂を焼成して得られる炭素の含有量は、全組成物中（炭化珪素／炭素複合材料中）に１１．５〜１６．５重量％、好ましくは１２〜１６重量％の範囲とされ、１１．５重量％未満であると空気中で十分な潤滑性を得ることが困難となり、１６．５重量％を超えると焼結性が悪くなり、摩耗が増加する。
【００１２】
上記成分は、合計が全組成物中に１１．５〜１６．５重量％の範囲とされるが、このうちカーボンブラックの含有量は、１０〜１４重量％の範囲が好ましく、１１〜１３重量％の範囲がさらに好ましい。一方、熱硬化性樹脂を焼成して得られる炭素の含有量は、１〜５重量％が好ましく、２〜３重量％の範囲がさらに好ましい。
【００１３】
焼成して炭素を得るために用いられる熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、フラン樹脂等が挙げられるが、これらのうちフェノール樹脂を用いることが好ましい。
【００１４】
本発明になる炭化珪素／炭素複合材料は、主成分としてＳｉＣ粉が用いられるが、該ＳｉＣ粉としては、α型、β型のいずれでもよいが、価格が安く、また焼成時の結晶構造変化の少ないα型のＳｉＣ粉を用いることが好ましい。ＳｉＣ粉の粒径は平均粒径が０．１μｍ以上が好ましく、０．３〜１．０μｍの範囲がより好ましく、０．５〜０．８μｍの範囲がさらに好ましい。
【００１５】
また、本発明になる炭化珪素／炭素複合材料は、上記成分以外に、炭化珪素の焼結助剤として硼素化合物などを添加することができる。硼素化合物としては元素状硼素、炭化硼素、窒化硼素等種々のものが使用でき、この含有量は、硼素として０．１〜３重量％程度とすることが好ましい。
【００１６】
本発明になる炭化珪素／炭素複合材料は、ＳｉＣ粉、カーボンブラック、熱硬化性樹脂、焼結助剤等を均一に混合し、成形及び焼成することにより得られる。なお、焼成する際の条件として無加圧で焼成することが好ましいが、加圧下で焼成してもよく特に制限はない。焼成温度は、１９００〜２３００℃の範囲で焼成することが好ましく、２１００〜２２００℃の範囲で焼成することがさらに好ましい。
【００１７】
得られる炭化珪素／炭素複合材料には、気孔を埋めるために熱硬化性樹脂や金属を含浸しても差し支えないが、できれば含浸をせずに用いることが好ましい。また、得られる炭化珪素／炭素複合材料は、空気中での摩擦係数は０．３０以下であることが好ましく、０．２５以下であることがより好ましく、０．２０以下であることがさらに好ましい。
炭化珪素／炭素複合材料を用いた摺動材料としては、メカニカルシールや軸受又は電子部品の用途に用いることができる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明を実施例により説明する。
実施例１〜５、比較例１〜６
平均粒径が０．６μｍのα型のＳｉＣ粉８２．５〜９７．５重量部に平均粒径が１．５μｍのＢ４Ｃ粉０．５重量部、炭素０〜２重量部に相当する量のフェノール樹脂、平均粒径が３８ｎｍのカーボンブラック０〜１５重量部、ポリビニルアルコール水溶液を固形分で１重量部及び純水１２０重量部を樹脂製ボールミルで混合後、スプレードライヤーで造粒し、成形粉を得た。
【００１９】
この後、成形粉を金型内に充填し、９８ＭＰａの圧力を加えて外形が３５ｍｍ及び厚さが６ｍｍの円盤を成形した。次いで成形体をアルゴンガス雰囲気中で２１００〜２２００℃の温度で１時間保持して炭化珪素／炭素複合材料を得た。得られた炭化珪素／炭素複合材料の嵩密度を表１に示す。なお嵩密度は、次式から求めた。
【００２０】
【数１】
【００２１】
【表１】
【００２２】
次に、自社製の炭化珪素（商標名：ヘキサロイＳＡ）を外径が２４．６ｍｍ、内径が１５．５ｍｍ及び高さが３ｍｍのリング状に加工し、１μｍのダイヤモンドペーストで鏡面にラッピングして各実施例及び各比較例で得られた炭化珪素／炭素複合材料の摺動試験の相手材とした。一方、各実施例及び各比較例で得られた炭化珪素／炭素複合材料を上記と同様の条件でラッピングし、摺動試験片とした。
【００２３】
各実施例及び各比較例で得られた炭化珪素／炭素複合材料の円盤状の試験片を固定側とし、自社製のリング状の炭化珪素を相手材として、０．３ＭＰａの圧力で加圧しながら２０００ｍｉｎ−１で摺動し、空気中で摩擦係数を測定した。その結果を表２に示す。なお、摩擦係数はリング状の炭化珪素にかかる摩擦力を荷重で割った値である。
【００２４】
【表２】
【００２５】
表２に示されるように、本発明になる実施例の摺動試験片は、摩擦係数が０．２０以下と低く、摺動が安定しており、摺動面の状態も良好であることが明らかである。これに対し比較例１〜５及び比較例７〜９の摺動試験片は、数分で焼き付いた為試験を停止した。また比較例６及び１０の摺動試験片は、摩擦係数が０．１１及び０．１５と低く、摺動が安定しているが、相対密度が低すぎる為摩耗が認められた。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１、２及び３記載の炭化珪素／炭素複合材料は、空気中でも良好な潤滑性を有し、かつ無加圧焼結で焼結でき、乾式で用いる摺動材料に好適である。
請求項４記載の摺動材料は、空気中でも潤滑性に優れ、メカニカルシールや軸受に好適である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素／炭素複合材料及びこれを用いた摺動材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化珪素は極めて硬く、水潤滑で使用される場合や相手材が炭素の場合には良好な潤滑性を有し、耐摩耗性、耐薬品性に優れるため、メカニカルシールや軸受によく使用されている。しかし、空気中で炭化珪素同士で使用した場合には摩擦係数が大きく、簡単に焼き付いてしまう問題がある。
【０００３】
従来から炭化珪素に炭素、ＢＮ等の固体潤滑剤を添加した材料が提案されている（特許文献１、２、３等参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５９−２２３２７３号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開平０３−１１２８６６号公報（特許請求の範囲）
【特許文献３】
特開平１０−１３９５４６号公報（特許請求の範囲）
【０００５】
しかしながら、ＢＮは高価であり、安価な摺動材料には適さないという問題点がある。
また、炭素との複合材料において、その添加物として、（特許文献４参照）に示されるような黒鉛、（特許文献５参照）に示されるようなコークス、（特許文献６参照）に示されるようなタールピッチ、（特許文献６、７参照）に示されるようなカーボンブラックがある。
【０００６】
【特許文献４】
特開昭５８−１３０１６５号公報（特許請求の範囲）
【特許文献５】
特開平０１−２７８４７５号公報（特許請求の範囲）
【特許文献６】
特開昭６０−２００８６１号公報（特許請求の範囲）
【特許文献７】
特公昭６１−０４３３１０号公報（特許請求の範囲）
【特許文献８】
特開昭６１−０６３５６９号公報（特許請求の範囲）
【０００７】
前記、特許文献７にはα炭化珪素に対し１〜５体積％のカーボンブラックを添加した焼結体が示されるが、該焼結体は、水潤滑での摩擦特性には優れた効果を有するが、空気中における摩擦係数は初期で０．４０程度と大きく、直ぐに焼き付いてしまうという問題点がある。
【０００８】
一方、前記、特許文献８には炭素として６〜１２重量％に相当する量のカーボンブラックを添加した焼結体が示されるが、該焼結体は、油槽中での摩擦係数には優れた効果を有するが、空気中における摩擦係数は大きく、直ぐに焼き付いてしまうという問題点がある。
即ち、上記に示す焼結体は水潤滑や油潤滑での摺動については良好であるが、空気中での摺動については焼き付きが生じ使用することができないという問題点がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
請求項１、２及び３記載の発明は、空気中でも良好な潤滑性を有し、かつ無加圧焼結で焼結できる炭化珪素／炭素複合材料を提供するものである。
請求項４記載の発明は、空気中でも潤滑性に優れた摺動材料を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は次のものに関する。
（１） 全組成物中にカーボンブラック及び熱硬化性樹脂を焼成して得られる炭素を１１．５〜１６．５重量％含有してなる炭化珪素／炭素複合材料。
（２） カーボンブラックの含有量が１０〜１４重量％及び熱硬化性樹脂を焼成して得られる炭素の含有量が１〜５重量％である上記（１）記載の炭化珪素／炭素複合材料。
（３） 空気中での摩擦係数が０．３０以下である上記（１）又は（２）記載の炭化珪素／炭素複合材料。
（４） 上記（１）、（２）又は（３）記載の炭化珪素／炭素複合材料を用いた摺動材料。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明において、カーボンブラック及び熱硬化性樹脂を焼成して得られる炭素の含有量は、全組成物中（炭化珪素／炭素複合材料中）に１１．５〜１６．５重量％、好ましくは１２〜１６重量％の範囲とされ、１１．５重量％未満であると空気中で十分な潤滑性を得ることが困難となり、１６．５重量％を超えると焼結性が悪くなり、摩耗が増加する。
【００１２】
上記成分は、合計が全組成物中に１１．５〜１６．５重量％の範囲とされるが、このうちカーボンブラックの含有量は、１０〜１４重量％の範囲が好ましく、１１〜１３重量％の範囲がさらに好ましい。一方、熱硬化性樹脂を焼成して得られる炭素の含有量は、１〜５重量％が好ましく、２〜３重量％の範囲がさらに好ましい。
【００１３】
焼成して炭素を得るために用いられる熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、フラン樹脂等が挙げられるが、これらのうちフェノール樹脂を用いることが好ましい。
【００１４】
本発明になる炭化珪素／炭素複合材料は、主成分としてＳｉＣ粉が用いられるが、該ＳｉＣ粉としては、α型、β型のいずれでもよいが、価格が安く、また焼成時の結晶構造変化の少ないα型のＳｉＣ粉を用いることが好ましい。ＳｉＣ粉の粒径は平均粒径が０．１μｍ以上が好ましく、０．３〜１．０μｍの範囲がより好ましく、０．５〜０．８μｍの範囲がさらに好ましい。
【００１５】
また、本発明になる炭化珪素／炭素複合材料は、上記成分以外に、炭化珪素の焼結助剤として硼素化合物などを添加することができる。硼素化合物としては元素状硼素、炭化硼素、窒化硼素等種々のものが使用でき、この含有量は、硼素として０．１〜３重量％程度とすることが好ましい。
【００１６】
本発明になる炭化珪素／炭素複合材料は、ＳｉＣ粉、カーボンブラック、熱硬化性樹脂、焼結助剤等を均一に混合し、成形及び焼成することにより得られる。なお、焼成する際の条件として無加圧で焼成することが好ましいが、加圧下で焼成してもよく特に制限はない。焼成温度は、１９００〜２３００℃の範囲で焼成することが好ましく、２１００〜２２００℃の範囲で焼成することがさらに好ましい。
【００１７】
得られる炭化珪素／炭素複合材料には、気孔を埋めるために熱硬化性樹脂や金属を含浸しても差し支えないが、できれば含浸をせずに用いることが好ましい。また、得られる炭化珪素／炭素複合材料は、空気中での摩擦係数は０．３０以下であることが好ましく、０．２５以下であることがより好ましく、０．２０以下であることがさらに好ましい。
炭化珪素／炭素複合材料を用いた摺動材料としては、メカニカルシールや軸受又は電子部品の用途に用いることができる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明を実施例により説明する。
実施例１〜５、比較例１〜６
平均粒径が０．６μｍのα型のＳｉＣ粉８２．５〜９７．５重量部に平均粒径が１．５μｍのＢ４Ｃ粉０．５重量部、炭素０〜２重量部に相当する量のフェノール樹脂、平均粒径が３８ｎｍのカーボンブラック０〜１５重量部、ポリビニルアルコール水溶液を固形分で１重量部及び純水１２０重量部を樹脂製ボールミルで混合後、スプレードライヤーで造粒し、成形粉を得た。
【００１９】
この後、成形粉を金型内に充填し、９８ＭＰａの圧力を加えて外形が３５ｍｍ及び厚さが６ｍｍの円盤を成形した。次いで成形体をアルゴンガス雰囲気中で２１００〜２２００℃の温度で１時間保持して炭化珪素／炭素複合材料を得た。得られた炭化珪素／炭素複合材料の嵩密度を表１に示す。なお嵩密度は、次式から求めた。
【００２０】
【数１】
【表１】
次に、自社製の炭化珪素（商標名：ヘキサロイＳＡ）を外径が２４．６ｍｍ、内径が１５．５ｍｍ及び高さが３ｍｍのリング状に加工し、１μｍのダイヤモンドペーストで鏡面にラッピングして各実施例及び各比較例で得られた炭化珪素／炭素複合材料の摺動試験の相手材とした。一方、各実施例及び各比較例で得られた炭化珪素／炭素複合材料を上記と同様の条件でラッピングし、摺動試験片とした。
【００２３】
各実施例及び各比較例で得られた炭化珪素／炭素複合材料の円盤状の試験片を固定側とし、自社製のリング状の炭化珪素を相手材として、０．３ＭＰａの圧力で加圧しながら２０００ｍｉｎ−１で摺動し、空気中で摩擦係数を測定した。その結果を表２に示す。なお、摩擦係数はリング状の炭化珪素にかかる摩擦力を荷重で割った値である。
【００２４】
【表２】
表２に示されるように、本発明になる実施例の摺動試験片は、摩擦係数が０．２０以下と低く、摺動が安定しており、摺動面の状態も良好であることが明らかである。これに対し比較例１〜５及び比較例７〜９の摺動試験片は、数分で焼き付いた為試験を停止した。また比較例６及び１０の摺動試験片は、摩擦係数が０．１１及び０．１５と低く、摺動が安定しているが、相対密度が低すぎる為摩耗が認められた。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１、２及び３記載の炭化珪素／炭素複合材料は、空気中でも良好な潤滑性を有し、かつ無加圧焼結で焼結でき、乾式で用いる摺動材料に好適である。
請求項４記載の摺動材料は、空気中でも潤滑性に優れ、メカニカルシールや軸受に好適である。
Claims (4)
- 全組成物中にカーボンブラック及び熱硬化性樹脂を焼成して得られる炭素を１１．５〜１６．５重量％含有してなる炭化珪素／炭素複合材料。
- カーボンブラックの含有量が１０〜１４重量％及び熱硬化性樹脂を焼成して得られる炭素の含有量が１〜５重量％である請求項１記載の炭化珪素／炭素複合材料。
- 空気中での摩擦係数が０．３０以下である請求項１又は２記載の炭化珪素／炭素複合材料。
- 請求項１、２又は３記載の炭化珪素／炭素複合材料を用いた摺動材料。
Priority Applications (1)
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| JP2002261440A JP2004099352A (ja) | 2002-09-06 | 2002-09-06 | 炭化珪素／炭素複合材料及びこれを用いた摺動材料 |
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2002
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