JP2004161558A

JP2004161558A - 炭化珪素／炭素複合材及びこれを用いた摺動材料

Info

Publication number: JP2004161558A
Application number: JP2002330786A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Aiba; 康博愛場
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】空気中でも良好な潤滑性を有し、かつ無加圧焼結で焼結できる炭化珪素／炭素複合材を提供する。
【解決手段】ロックウエル硬さがＡスケールで６５〜８５及びビッカース硬さが２０００未満である炭化珪素／炭素複合材。
【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及び３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５９−２２３２７３号公報（第１頁、特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開平０３−１１２８６６号公報（第１頁、特許請求の範囲）
【特許文献３】
特開平１０−１３９５４６号公報（第１頁、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及び５参照）に示されるような黒鉛、（特許文献６参照）に示されるようなコークス、（特許文献７参照）に示されるようなタールピッチ、（特許文献８及び９参照）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６０−１４１６７６号公報（第１頁、特許請求の範囲）
【特許文献５】
特開平０２−２２１３５２号公報（第１頁、特許請求の範囲）
【特許文献６】
特開平０１−２７８４７５号公報（第１頁、特許請求の範囲）
【特許文献７】
特開昭６０−２００８６１号公報（第１頁、特許請求の範囲）
【特許文献８】
特公昭６１−０４３３１０号公報（第１頁、特許請求の範囲）
【特許文献９】
特開昭６１−０６３５６９号公報（第１頁、特許請求の範囲）
【０００７】
前記、特許文献４には黒鉛を１〜４８重量％及び特許文献５には黒鉛を０．３〜１５体積％添加した焼結体が示されるが、空気中の摩擦係数は大きく、簡単に焼き付いてしまう問題点がある。また特許文献６のコークス〜３５〜４５重量％、特許文献７のタールピッチからの炭素を４〜６重量％添加した焼結体も上記と同様の問題点がある。
【０００８】
特許文献８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。
【０００９】
一方、特許文献９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。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
請求項１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／炭素複合材を提供するものである。
請求項２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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ロックウエル硬さがＡスケールで６５〜８５及びビッカース硬さが２０００未満である炭化珪素／炭素複合材に関する。
また、本発明は、上記の炭化珪素／炭素複合材を用いた摺動材料に関する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明において、ロックウエル硬さは、Ａスケールで６５〜８５、好ましくは７７〜８３の範囲とされ、８５を超えると空気中で十分な潤滑性を得ることが困難となり、６５未満では摩耗が増加する。
一方、マイクロビッカース硬さは、２０００未満、好ましくは１５００未満とされ、２０００以上の部分があると、異常摩耗し易いという欠点がある。
【００１３】
ロックウエル硬さは、押し込み深さを自動的に計測して硬度を測定する方式のため、多孔質な材料や不均質な材料でも平均的な値が個人差なく測定できる。
また、セラミックスでよく用いられるマイクロビッカース硬度計によるビッカース硬さはダイヤモンド圧子の圧痕を顕微鏡で目視で測定するため、多孔質な材料や不均質な材料の微小部分の硬さを測定することができる。
【００１４】
ビッカース硬さはＳｉＣ部分が見えれば測定可能であるが、ＳｉＣ部分が不明瞭な場合は硬さを明確に測定することができない。このような場合、本発明においては、ビッカース硬さは２０００未満とした。
なお、本発明において、ロックウエル硬さは、ＪＩＳＺ２２４５及びビッカース硬さは、ＪＩＳＲ１６１０に準じて測定した。
【００１５】
炭化珪素／炭素複合材を得るのに用いられる炭素は、カーボンブラック、黒鉛等が好ましいものとして挙げられ、これらは粉状のものが最適である。有機化合物からの炭素を主とする場合は、焼結前に仮焼が必要であり、また仮焼物の粉砕も必要となり、特に仮焼物をよく粉砕しなければ焼結し難いという傾向がある。
【００１６】
上記の炭素の含有量は、全組成物中（炭化珪素／炭素複合材中）に９〜１４重量％の範囲が好ましく、１０〜１３重量％の範囲がさらに好ましい。９重量％未満であると摩擦係数が高くなる傾向があり、１４重量％を超えると摩耗が増加する傾向がある。
【００１７】
本発明になる炭化珪素／炭素複合材は、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。
【００１８】
また、本発明になる炭化珪素／炭素複合材は、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。
【００１９】
本発明になる炭化珪素／炭素複合材は、ＳｉＣ粉、炭素粉、バインダ、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。
【００２０】
得られる炭化珪素／炭素複合材には、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。
【００２１】
【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１〜９
平均粒径が０．６μｍのα型のＳｉＣ粉８２．５〜９２．５重量部に平均粒径が１．５μｍのＢ_４Ｃ粉０．５重量部、カーボンブラック０〜１５重量部、人造黒鉛又は炭素０〜１３重量部、バインダとして、炭素２重量部に相当する量のフェノール樹脂及び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。
【００２２】
比較例１０
平均粒径が０．６μｍのα型のＳｉＣ粉８９重量部と炭素１５重量部に相当するフェノール樹脂を溶剤と共に混合し、１０００℃で仮焼した。この仮焼物を６０メッシュ以下に粉砕し、さらにフェノール樹脂を固形分で４重量部、ポリビニルアルコール水溶液を固形分で１重量部を添加し、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。
【００２３】
この後、上記で得た成形粉を金型内に充填し、９８ＭＰａの圧力を加えて外径が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２１５０℃の温度で１時間保持して炭化珪素／炭素複合材を得た。得られた炭化珪素／炭素複合材の炭素の組成と焼結体のロックウエル硬さ（ＨＲＡ）、ビッカース硬さ（ＨＶ）及び嵩密度を表１に示す。なお嵩密度は、次式から求めた。
【００２４】
【数１】

【００２５】
【表１】

【００２６】
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／炭素複合材を上記と同様の条件でラッピングし、摺動試験片とした。
【００２７】
各実施例及び各比較例で得られた炭化珪素／炭素複合材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。
【００２８】
【表２】

【００２９】
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１〜８の摺動試験片は、摩擦係数が高く、数分で焼き付いた為試験を停止した。また比較例９、１０の摺動試験片は、摩擦係数が低く、摺動が安定しているが、相対密度が低すぎるため摩耗が認められた。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１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２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

ロックウエル硬さがＡスケールで６５〜８５及びビッカース硬さが２０００未満である炭化珪素／炭素複合材。
請求項１記載の炭化珪素／炭素複合材を用いた摺動材料。