JP2005225716A - Ceramic material and method of manufacturing the same - Google Patents

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JP2005225716A JP2004035788A JP2004035788A JP2005225716A JP 2005225716 A JP2005225716 A JP 2005225716A JP 2004035788 A JP2004035788 A JP 2004035788A JP 2004035788 A JP2004035788 A JP 2004035788A JP 2005225716 A JP2005225716 A JP 2005225716A
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Tetsuya Katagiri
桐 鉄 哉 片
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KATAGIRI SEISAKUSHO KK
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ceramic material having a novel structure as a non-lubricating material exhibiting characteristics of high hardness/high strength/high melting point/high toughness/non-chemical reactivity remarkably improved compared to that of a conventional one by forming a composite material from vegetable carbon+organic polymer (phenol resin)+SiC whisker (SCW) and a novel method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: The ceramic material is obtained by sintering a kneaded material comprising 5-28 vol% silicon carbide whisker, 60-80 vol% vegetable carbon ceramic powder and the balance being the phenol resin powder. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

この発明は、各種工作機械や医療機器などといった精密機械器具類、あるいはユビキタス・コンピューティング社会で活躍が予想される各種民生機器類等の回転作動部において必須の機械要素である軸受け部や繰り返し摺動部など繰り返し摩擦を受ける部位に好適な新素材として注目されるセラミックス材に関し、特に高硬度・高強度・高融点・高靱性・化学反応性のない性状を具備しているセラミックス材を製造、加工、販売する技術分野は固よりのこと、それらセラミックス材を採用した機械要素を組立、販売する分野や当該機械要素を組み込んで各種目的、用途に適った機械器具、装置を提供する分野など、セラミックス材に直接または間接的に係わりを有するあらゆる関連分野をその技術分野とするものである。     The present invention relates to bearings and repetitive slides, which are essential mechanical elements in the rotational operation parts of precision machine tools such as various machine tools and medical equipment, and various consumer equipment expected to play an active role in the ubiquitous computing society. Manufactures ceramic materials with high hardness, high strength, high melting point, high toughness, and no chemical reactivity, especially for ceramic materials that are attracting attention as a new material suitable for moving parts and other parts that are subject to repeated friction. The technical field of processing and selling is solid, the field of assembling and selling machine elements that employ these ceramic materials, the field of providing machine tools and devices suitable for various purposes and applications by incorporating such machine elements, etc. All related fields that are directly or indirectly related to ceramic materials are used as the technical field.

(視 点)
精密工作機械の分野では、精度の安定化と作業時間の短縮化とを目指して、工作機械の軸受け主軸に一層の高速化が求められ、このような特殊軸受けには、従来からその耐久性と作業性などの観点から、構成素材の構造強度や耐摩耗性をより高めるための努力が続けられ、靭性がある上にできるだけ摩擦係数が小さくて耐磨耗性に富み、熱変形もなるべく少なくて組合せ部材と馴染みが良く、しかも加工性が良くて経済的に納まるといった性状を求め、新しい鉄系、銅系焼結合金や新エンジニアリング・プラスチックなどを実用化してきたが、それら従前の新素材では、特殊軸受けに必要とされる高硬度・高強度・高融点・高靱性・化学反応性のない性状を十分に充足させ得るところまでには至っておらないため、10,000ないし40,000rpmあるいはそれ以上の高速回転を必要とする特殊軸受けには、素材の弱点を補うべく、主軸とそのハウジングとの間の極小間隙に加圧空気を供給し、両者間に発生する静圧によって主軸を非接触支持した状態の回転を可能にする静圧軸受けが多用されているが、その構造は精緻であって製作費が高くつくだけではなく、低速回転時における軸受け特性の低下や、極小間隙内に過って異物(水分や油分あるいは塵埃等)が侵入したときに生じる著しい特性の低下を来すこととなり、そうした事象を回避するためにメンテナンスを心掛けなければならず、作業負担を増大させてしまうという問題を避けることができなかった。
(point of view)
In the field of precision machine tools, with the aim of stabilizing accuracy and shortening work time, higher speeds are required for the spindle of machine tool bearings. From the viewpoint of workability, etc., efforts to further increase the structural strength and wear resistance of the constituent materials are continued, and the toughness is as low as possible, the friction coefficient is as low as possible, the wear resistance is high, and thermal deformation is minimized. We have been working on new iron-based, copper-based sintered alloys, new engineering plastics, etc. to find the properties that are familiar with the combination members, yet have good workability and fit economically. , 10,000 to 40, because it has not reached the point where it can sufficiently satisfy the properties of high hardness, high strength, high melting point, high toughness and chemical reactivity required for special bearings. For special bearings that require high-speed rotation of 00 rpm or higher, pressurized air is supplied to the minimum gap between the main shaft and its housing to compensate for the weakness of the material, and the main shaft is driven by the static pressure generated between them. Hydrostatic bearings that enable rotation in a non-contact supported state are often used, but the structure is sophisticated and not only expensive to manufacture, but also deteriorates the bearing characteristics during low-speed rotation and has a minimal gap. If a foreign object (water, oil, dust, etc.) enters the inside of the product, it will cause a significant deterioration of the characteristics, and maintenance must be taken in order to avoid such an event, increasing the work load. I couldn't avoid the problem.

(従来の技術)
こうした状況から、静圧軸受けの構造特性を活かすためにも、その主軸やハウジングを構成するために必要とされる高硬度・高強度・高融点・高靱性・化学反応性のない性状を満足させる新素材の開発、実用化が急務であり、その候補として注目され始めてきているのが、例えば特開昭62−176952号公報に掲載された小松外発明にある「炭素−セラミックス複合材」や特開平5−248428号公報の「気体軸受け装置」(比叡発明)に採用があるセラミックスあるいはその複合材であって、その後、それら従来のセラミックスが成形性が悪い上に脆性がなくて脆いなどという欠点を解消し、しかも低廉に提供可能なエコロジー素材として開発、実用化された特開平10−101453号の村山外発明である「多孔性炭素材製品および硬質多孔性炭素材製品の製造方法」や、特開2002−181049公報に掲載された堀切川・小原発明「スリーブ軸受装置」や、同一人発明の特開2002−250343公報に掲載のある「特殊軸受装置」のような植物性炭素セラミックス無潤滑材料がある。
(Conventional technology)
Under these circumstances, in order to utilize the structural characteristics of hydrostatic bearings, the high hardness, high strength, high melting point, high toughness, and no chemical reactivity required to construct the main shaft and housing are satisfied. The development and practical application of new materials is an urgent matter, and the “carbon-ceramic composite material” in Komatsugai invention published in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-176952 Ceramics or composites thereof used in “Gas bearing device” (Comparative invention) of Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-248428, and after that, these conventional ceramics have poor formability and are not brittle and brittle. Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-101453, Murayama's outside invention, developed and put into practical use as an ecological material that eliminates the drawbacks and can be provided at low cost. "Production method of hard porous carbon material product", Horikirikawa / Ohara invention "sleeve bearing device" published in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-181049, and "Special" disclosed in Japanese Patent Publication No. 2002-250343 of the same person's invention There are non-lubricating materials of vegetable carbon ceramics such as “bearing devices”.

この従来からの植物性炭素無潤滑セラミックスでは、植物性炭素と有機高分子(フェノールレヂン)とを混合した上、多少の充填材添加によって粘性流動を確保することによってセラミックス結晶体の強度補強を行っており、フェノール樹脂添加焼結ファンデルワールス力(Van
der Waals Force)物理吸着による結晶構造である。
この結晶構造は、不対電子を持たない分子間(原子間)に働く引力(普通分散力を意味する。)であって、原子間距離rに対し、そのポテンシャルはV(r)=−C/r6 で表される(分子間力)中性原子を緩く結合させ、高分子結晶版(ラメラ構造)が幾重にも重なった状態で、捩れながら一定方向に進展、成長して得られるものであり、このセラミックス結晶体は、高い硬度と強度とを有し、植物性炭素添加率60ないし80%のものでは、無潤滑性とセラミックス化とによる高温領域での素材膨張、収縮変形が非常に小さいという特性を備え、現状、植物性炭素セラミックス硬度HV400ないし600、圧縮強度160ないし246MPa、曲げ強度45ないし78.4MPa程度を達成している。
(1)特開平10−101453号公報 (2)特開2002−181049公報 (3)特開2002−250343公報
In this conventional vegetable carbon non-lubricated ceramic, the plant crystal and organic polymer (phenol resin) are mixed, and the strength of the ceramic crystal is reinforced by securing a viscous flow by adding some filler. Phenol resin added sintered van der Waals force (Van
der Waals Force) is a crystal structure by physical adsorption.
This crystal structure is an attractive force (usually a dispersive force) acting between molecules (interatomic) having no unpaired electrons, and the potential is V (r) = − C with respect to the interatomic distance r. It is obtained by loosely bonding neutral atoms (intermolecular force) represented by / r6 and progressing and growing in a certain direction while twisting in a state where the polymer crystal plates (lamellar structures) overlap each other. Yes, this ceramic crystal body has high hardness and strength, and when the plant carbon addition rate is 60 to 80%, material expansion and contraction deformation in a high temperature region due to non-lubricating and ceramicization are very high. At present, the plant has a vegetable carbon ceramic hardness of HV 400 to 600, a compressive strength of 160 to 246 MPa, and a bending strength of 45 to 78.4 MPa.
(1) Japanese Patent Laid-Open No. 10-101453 (2) Japanese Patent Laid-Open No. 2002-181049 (3) Japanese Patent Laid-Open No. 2002-250343

(問題意識)
既に開発された従来の植物性炭素セラミックス無潤滑材料は、既述したようにその硬度はHV400ないし600を達成していて比較的硬度を有し、圧縮強度160ないし246MPa、曲げ強度45ないし78.4MPa程度を達成しているものの、未だ破壊靱性面では少々値が低く、機工部品物性材料として、摺動、軸受、それを取り巻くあらゆる関連分野における素材の強度としては少々脆弱なために、その靱性を可能な限り改善した信頼性の高い無潤滑材料としてのセラミックス材、特に繊維強化型植物性炭素無潤滑セラミックスが求められているものの、現状では存在していない。
(Awareness of problems)
The conventional vegetable carbon ceramic non-lubricated material that has already been developed has a hardness of HV 400 to 600 as described above, has a relatively high hardness, a compressive strength of 160 to 246 MPa, and a bending strength of 45 to 78. Although it has achieved about 4 MPa, it still has a slightly low value in terms of fracture toughness, and it is a little weak as the strength of the material in mechanical and mechanical parts, sliding, bearings, and all related fields surrounding it. Although there is a demand for a ceramic material as a highly reliable non-lubricated material, particularly a fiber reinforced vegetable carbon non-lubricated ceramic, which has been improved as much as possible, it does not exist at present.

この植物性炭素無潤滑セラミックスの繊維強化法としては、一般的に次の二通りの強化方法が想定される。
(1)連続繊維添加強化法
ガラス、ボロン、B4C、Be、カーボン繊維などの何れかを単独あるいは組み 合せて添加する強化方法
(2)ウィスカーファイバー添加強化法
Al203(アルミナ)、SiC(炭化ケイ素)、グラファイトの何れかを単独 あるいは組み合せて添加する強化方法
In general, the following two reinforcing methods are assumed as the fiber reinforcing method of the vegetable carbon non-lubricated ceramics.
(1) Continuous fiber addition strengthening method Reinforcing method in which any one of glass, boron, B4C, Be, and carbon fiber is added alone or in combination (2) Whisker fiber addition strengthening method Al203 (alumina), SiC (silicon carbide) , A strengthening method of adding either graphite alone or in combination

(1)、(2)の材料特性としては、耐熱衝撃、機械的強度、熱膨張、破壊靱性の面で脆弱であり、これらの条件を満たすために、耐熱衝撃、機械的強度、熱膨張、破壊靱性に秀れた繊維強化材の選択が求められていて、その中、特に注目されているのがウィスカーファイバー、即ちSiC(炭化ケイ素)とSCW(シリコンカーバイトウィスカー)であり、SiC(炭化ケイ素)ファイバーは高硬度であるものの破壊靱性は弱く、SCW(シリコンカーバイトウィスカー)はSiC(炭化ケイ素)と同硬度でありながら、破壊靱性値は高く、短繊維絡み組成を実現することにより、高硬度、高強度、高靱性を併せ持った期待どおりの植物性炭素繊維強化無潤滑セラミックスの実現化が可能になるものといえる。     The material characteristics of (1) and (2) are brittle in terms of thermal shock, mechanical strength, thermal expansion and fracture toughness. In order to satisfy these conditions, thermal shock, mechanical strength, thermal expansion, There is a demand for selection of a fiber reinforcement excellent in fracture toughness. Among them, whisker fibers, that is, SiC (silicon carbide) and SCW (silicon carbide whisker) are particularly attracting attention. Although the silicon) fiber is high in hardness, the fracture toughness is weak, SCW (silicon carbide whisker) has the same hardness as SiC (silicon carbide), but the fracture toughness value is high, and by realizing the short fiber entanglement composition, It can be said that realization of vegetable carbon fiber reinforced unlubricated ceramics with high hardness, high strength, and high toughness can be realized as expected.

(発明の目的)
この発明では、上記のような知見の下に、従前のものよりも一段と秀れた高硬度・高強度・高融点・高靱性・化学反応性のないという特性を示し、無潤滑材料としてのセラミックス材を実現させることができるものと確信し、逸速くその開発、研究に着手し、長期に渡る試行錯誤と幾多の試作、実験とを繰り返してきた結果、今回、遂に植物性炭素+有機高分子(フェノールレヂン)+SCW(SiC
Whisker)の複合材料化を図った新規な構造のセラミックス材、およびその新規な製造方法を実現化することに成功したものであり、以下では、その構成を詳述していくこととする。
(Object of invention)
In the present invention, based on the above knowledge, ceramics as a non-lubricated material exhibit characteristics of superior hardness, high strength, high melting point, high toughness, and no chemical reactivity, superior to the conventional ones. We were convinced that we could realize the material, and we started development and research very quickly, and as a result of repeating trial and error over many years and many trial productions and experiments, this time finally plant carbon + organic polymer (Phenolic resin) + SCW (SiC
Whisker) has succeeded in realizing a novel ceramic material having a composite material and a novel manufacturing method thereof, and the configuration will be described in detail below.

(発明の構成)
上記のような経緯から実現されたこの発明のセラミックス材は、基本的に次のような構成から成り立っている。
即ち、シリコンカーバイトウィスカー5ないし28容積%、および植物性炭素セラミックス粉体60ないし80容積%、残部をフェノールレヂン粉末とする混練物を焼結させてなるものとした構成を要旨とするセラミックス材である。
(Structure of the invention)
The ceramic material of the present invention realized from the above circumstances basically has the following configuration.
That is, a ceramic material having a gist of a structure obtained by sintering a kneaded material having silicon carbide whisker 5 to 28% by volume, vegetable carbon ceramic powder 60 to 80% by volume, and the balance being phenol resin powder. It is.

この基本的な構成よるこの発明には、直径が0.05ないし1.5μm、長さが20ないし80μmとしてなるシリコンカーバイトウィスカー5ないし28容積%、および植物性炭素セラミックス粉体60ないし80容積%、残部をフェノールレヂン粉末とする混練物を焼結させてなるものとした構成のセラミックス材が包含されている。     According to the present invention having this basic structure, silicon carbide whiskers having a diameter of 0.05 to 1.5 μm and a length of 20 to 80 μm, 5 to 28% by volume, and vegetable carbon ceramic powder 60 to 80 volumes are included. %, And a ceramic material having a structure obtained by sintering a kneaded product with the remainder being phenol resin powder.

同様に、シリコンカーバイトウィスカー5ないし28容積%、および粒子サイズが20ないし60μmの植物性炭素セラミックス粉体60ないし80容積%、残部をフェノールレヂン粉末とする混練物を焼結させてなる構成のセラミックス材も包含される。     Similarly, a composition obtained by sintering a kneaded product of 5 to 28% by volume of silicon carbide whisker, 60 to 80% by volume of vegetable carbon ceramic powder having a particle size of 20 to 60 μm, and the remainder being phenol resin powder. Ceramic materials are also included.

さらに、直径が0.05ないし1.5μm、長さが20ないし80μmとしてなるシリコンカーバイトウィスカー5ないし28容積%、および粒子サイズが20ないし60μmの植物性炭素セラミックス粉体60ないし80容積%、残部をフェノールレヂン粉末とする混練物を焼結させてなるセラミックス材も包含されている。     Further, silicon carbide whisker 5 to 28% by volume having a diameter of 0.05 to 1.5 μm and a length of 20 to 80 μm, and vegetable carbon ceramic powder 60 to 80% by volume with a particle size of 20 to 60 μm, A ceramic material obtained by sintering a kneaded product with the remainder being phenol resin powder is also included.

(関連する発明)
また、この発明には、上記したセラミックス材に加え、その製造方法も含んでおり、それは、シリコンカーバイトウィスカー粉末を表面シランカップリング処理し、表面にアミノシラン系シランカップリング剤の被膜を形成した後、その適量に対して所定割合の植物性炭素セラミックス粉末と、それらの残部としてのフェノールレヂン粉末の適量とを混合、混練して適宜成形した上、不活性ガス雰囲気または真空中で焼結、製造するようにした構成からなるセラミックス材の製造方法である。
(Related invention)
In addition to the ceramic material described above, the present invention also includes a method for producing the same, which is obtained by subjecting silicon carbide whisker powder to surface silane coupling treatment and forming a film of aminosilane-based silane coupling agent on the surface. After that, the plant carbon ceramics powder in a predetermined ratio with respect to the appropriate amount, and an appropriate amount of the phenol resin powder as the remainder thereof are mixed, kneaded and appropriately shaped, and then sintered in an inert gas atmosphere or vacuum, It is a manufacturing method of the ceramic material which consists of a structure made to manufacture.

以上のような構成からなるこの発明のセラミックス材は、これまでのセラミックス材で最も高い強度靱性を達成し得ているものであり、従来の射出成形品植物性炭素セラミックスの最高圧縮強度(約246MPa)を33%以上も上回る強度が実現できると共に、同最高曲げ強度(約78.4MPa程度)に対しても12%以上の値を得ることとなって、従前までの植物性炭素セラミックスの圧縮、曲げ応力を大幅に改善できるものとなり、特殊軸受やブレーキなどといった繰り返し摺動部材の素材としてこれまでになく秀れた素材とすることができると共に、このように秀れた特性を有するセラミックス材を製造する方法も、従前までのセラミックス結晶バインダーフェノールレヂンを製造する方法では、その焼結過程で多量のガスが発生することになって内部応力ひずみを発生してしまい、破壊する場合もあるのに対し、真空焼成を採用すると共に、窒素ガス注入仮焼成180ないし250℃真空1/100
で多量のガスを吸収焼成し、その後窒素ガスを注入した上、本焼成700ないし1,100℃、真空1/10000 の焼結方法を用いて焼結製造することから、従来からの弊害を払拭して歩留まりが良く、製品精度において信頼性の高いセラミックス材を確実に製造することができるものとなる。
The ceramic material of the present invention having the above-described configuration has achieved the highest strength toughness of the conventional ceramic materials, and has the highest compressive strength (about 246 MPa) of conventional injection-molded vegetable carbon ceramics. ) Exceeding 33% or more can be realized, and a value of 12% or more can be obtained for the same maximum bending strength (about 78.4 MPa). Bending stress can be greatly improved, and it is possible to make the material superior to ever as a material for repeated sliding members such as special bearings and brakes, and a ceramic material having such excellent characteristics. The conventional method of producing ceramic crystal binder phenol resin is a large amount of gas generated during the sintering process. Would then generate strain internal stress becomes Rukoto, whereas in some cases destroy, while adopting the vacuum baking, the nitrogen gas injected calcined 180 to 250 ° C. Vacuum 1/100
Absorbs and burns a large amount of gas, and then injects nitrogen gas and sinters using a sintering method of 700 to 1,100 ° C. and vacuum 1/10000 of the main firing. Thus, the yield is good, and a ceramic material with high reliability in product accuracy can be reliably manufactured.

上記したとおりの構成からなるこの発明の実施に際し、その最良もしくは望ましい形態について説明を加えることにする。
先ず、この発明のセラミックス材料マトリックスは、植物性炭素セラミックス粉末とフェノールレヂン粉末とで構成されるものであり、これに硬質高靱性ウィスカーSCW粉末を均一に分散して絡み合わせた組成構造とすることによって繊維強化した複合セラミックス材とするものであり、繊維強化材としてのウィスカーとしては、Al203(アルミナ)、SiC(炭化ケイ素)、グラファイトなどに代表されるが、高強度を求めることからシリコンカーバイトウィスカー(SCW)を採用するのが最適であり、我が国では、現在のところ特定の製造元によって限定的にしか供給されていないが、それらメーカーのものに限定されている訳ではなく、シリコンカーバイトウィスカー(SCW)であればあらゆるウィスカーの採用が可能であることはいうまでもない。
In implementing the present invention having the above-described configuration, the best or desirable mode will be described.
First, the ceramic material matrix of the present invention is composed of vegetable carbon ceramic powder and phenol resin powder, and has a composition structure in which hard and tough whisker SCW powder is uniformly dispersed and intertwined. The whisker as a fiber reinforcement is represented by Al203 (alumina), SiC (silicon carbide), graphite, etc., but silicon carbide is required because of high strength. Whisker (SCW) is the best choice, and in Japan, it is currently only supplied by a specific manufacturer, but it is not limited to those of the manufacturer. Silicon carbide whisker (SCW) any whisker can be used It goes without saying.

このウィスカーの特性は、(イ)融点2,690℃と高く、セラミックス焼成温度700ないし1,100℃では全く物性変化は見られず、(ロ)高硬度であって(ハ)高強度に秀れ、(ニ)高耐熱性があり(ホ)低比重を有し、(ト)低熱膨張性があり(チ)化学安定性もある上、(リ)導電性、(ヌ)高熱伝導性にも秀れており、繊維強化炭素セラミックスは、機工部品用のエンヂニアリングセラミックス(WRC)素材として、無潤滑摺動や軸受関連分野も含め、SCW28容積%以下の添加であれば摩擦抵抗値も低く、従来にない材料を実現することができる。     The characteristics of this whisker are as follows: (a) Melting point is as high as 2,690 ° C, and no change in physical properties is observed at ceramic firing temperature of 700 to 1,100 ° C. (B) High hardness and (c) Excellent strength. (D) High heat resistance, (e) Low specific gravity, (g) Low thermal expansion, (h) Chemical stability, (i) High conductivity, (n) High thermal conductivity The fiber reinforced carbon ceramics, as an engineering ceramics (WRC) material for machine parts, including non-lubricated sliding and bearing-related fields, have a low frictional resistance value if SCW is 28 volume% or less, Unprecedented material can be realized.

SCWは、モース硬度9であって略Al203(アルミナ)と同等の高硬度を有し、弾性率(ヤング率)481GPa、引張り強度20.6GPaを示し、また比重は3.18と軽く、高硬度、高靱性、高強度を併せ持つファイバー状繊維であり、そのサイズは、限定されるものではないが、特に製造の容易性や機能発現性などの点から、直径0.05ないし1.5μm、長さ20ないし80μmの範囲のものとすべきであり、マトリックス(炭素セラミックス)粒子20ないし60μm粉体に対し、ファイバーマトリックス絡み繊維強化複合材として最適な条件下にあるものとする。その他化学反応安定性が高く、高熱伝導性も秀れていることから、セラミックス結晶過程での強化結晶に大きく貢献すると共に、マトリックスとなる炭素セラミックス粉末に、均一に混合することが容易である。     SCW has a Mohs hardness of 9 and a hardness substantially equal to that of Al203 (alumina), an elastic modulus (Young's modulus) of 481 GPa, a tensile strength of 20.6 GPa, a specific gravity of 3.18, and a high hardness The fiber is a fiber-like fiber having both high toughness and high strength, and its size is not limited, but it is 0.05 to 1.5 μm in diameter and long in terms of ease of production and function development. It should be in the range of 20 to 80 μm, and the matrix (carbon ceramics) particles 20 to 60 μm powder are under the optimum conditions as a fiber matrix entangled fiber reinforced composite material. In addition, since it has high chemical reaction stability and excellent high thermal conductivity, it greatly contributes to strengthened crystals in the ceramic crystallization process and can be easily mixed uniformly with carbon ceramic powder as a matrix.

このSCWを5ないし28容積%添加することにより、繊維強化された植物性炭素セラミックスで、植物性炭素セラミックス粉体との均一な結びつきは、シランカップリング処理によるファイバーマトリックス関係をコーティング処理によって強固な結合を促進し、更に短繊維の絡み合いにより、より一層強固に接合された組成構造を有するものとなり、繊維強化型セラミックスとして、SCWの物理的特性である高靱性によって、圧縮強度328MPa、曲げ強度90.8MPaと著しく大きな靱性をもたらすことになる。     By adding 5 to 28% by volume of this SCW, the fiber carbon reinforced vegetable carbon ceramics is uniformly bonded to the vegetable carbon ceramic powder. The fiber matrix relationship by the silane coupling treatment is strengthened by the coating treatment. It has a composition structure that promotes bonding and is further strongly bonded due to the entanglement of short fibers, and as a fiber reinforced ceramic, due to the high toughness that is the physical property of SCW, the compressive strength is 328 MPa, the bending strength is 90 This results in a very high toughness of .8 MPa.

なお、ファイバー状繊維のために通常の混合方法では均一に分散、混合することはできないことから、ボールミル粉砕による平均粒長をMAX80μm以下にメッシュラー分級を行い、短繊維化するファイバーの長さを80μm以下の所望のサイズの粉末にすることにより、短繊維絡み合いによる均一分布としなければならない。     Since fiber-like fibers cannot be uniformly dispersed and mixed by ordinary mixing methods, the average particle length by ball milling is classified to MAX 80 μm or less to perform meshler classification, and the length of the fiber to be shortened is reduced. By making a powder of a desired size of 80 μm or less, a uniform distribution due to short fiber entanglement must be obtained.

植物性炭素セラミックス粉末20ないし100μm粒径を20ないし60μmMAXにボールミル粉砕メッシュラー分級を行う必要があり、60μmを超える粉末では、SCWと均一に交じり合わず、絡み合い構造を実現できないことから採用不適である。     It is necessary to perform ball mill pulverization and meshler classification with a vegetable carbon ceramic powder of 20 to 100 μm particle size to 20 to 60 μmMAX. is there.

SCW粉末を表面シランカップリング処理し、アミノシラン系シランカップリング剤(N−フェニル−r−アミノプロピルトリメトキシシラン)などのコーティングを施すものとし、コーティング処理後、植物性炭素セラミックス粉末及びフェノールレヂン粉末を混練機によって分散バランス混練し、組成が均一な状態になるまで十分に混練するようにした上、さらにSCWを添加し、同様に分散バランス混練して組成の均一化を図るようにしなければならない。     SCW powder is subjected to surface silane coupling treatment, and a coating such as aminosilane silane coupling agent (N-phenyl-r-aminopropyltrimethoxysilane) is applied. After the coating treatment, plant carbon ceramic powder and phenol resin powder Kneaded with a kneading machine, and kneaded until the composition is uniform, and then added with SCW and similarly kneaded to achieve uniform composition by dispersing balance kneading. .

混合物中の混合比は、植物性炭素セラミックス粉末60ないし80容積%に対し、SCW粉末5ないし28容積%、残部をフェノールレヂン粉末となるような割合に設定するのが望ましく、この範囲外である植物性炭素セラミックス粉末60容積%未満では、潤滑性と硬度が低下してしまい、その割合において80容積%を超えると、セラミックス結晶が脆くなってしまい、また、SCW5容積%未満では繊維強化の効果が乏しく、28容積%を超えてしまうと潤滑時の摩耗抵抗が増大するため、それら範囲外となる割合の採用は好ましくないといえる。     The mixing ratio in the mixture is desirably set to a ratio of SCW powder 5 to 28% by volume with respect to vegetable carbon ceramic powder 60 to 80% by volume, and the balance being phenol resin powder, and is outside this range. If the plant carbon ceramic powder is less than 60% by volume, the lubricity and hardness are reduced. If the ratio exceeds 80% by volume, the ceramic crystal becomes brittle. If the SCW is less than 5% by volume, the effect of reinforcing the fiber is obtained. When the amount exceeds 28% by volume, the wear resistance during lubrication increases, so it can be said that the use of a ratio outside these ranges is not preferable.

混合物は、次で金型に充填し、粉体圧縮ホットプレス(180℃)およびゴム型静水圧プレスなどによって成形し、成形体とする。続いて成形体を仮焼結(1/100真空炉、180ないし250℃)して不純物を飛ばした後、真空度1/10000
、加熱温度700ないし1,100℃の高温焼結して本焼成する。なお、この高温焼結前の未硬化状態のときに所望の形状に切削加工によるブランク加工成形を行うものとし、高温焼結後は、研削加工を必要とする。
The mixture is then filled into a mold and molded by a powder compression hot press (180 ° C.), a rubber-type hydrostatic press, or the like to obtain a molded body. Subsequently, the molded body was pre-sintered (1/100 vacuum furnace, 180 to 250 ° C.) to remove impurities, and then the degree of vacuum was 1/10000.
The main firing is performed by high-temperature sintering at a heating temperature of 700 to 1,100 ° C. In addition, blank processing shaping | molding by cutting is performed to a desired shape in the uncured state before this high temperature sintering, and grinding processing is required after high temperature sintering.

焼結は、不活性ガス雰囲気中か、または、真空中で行うものとし、望ましくは1/100 程度の真空度での仮焼成とし、1/10000の真空度での本焼結とするのが望ましいといえる。なんとなれば、大気中で実施する場合、酸化現象によって不純物堆積および体積異常消耗、内部発生ガスの内部応力ひずみを生じてしまい、焼成中に破壊する可能性が大であるからである。したがって、窒素ガス注入によって炉内の酸化防止を行った上、真空バキュームによって焼成中に発生する不純物を吸収すると共に、焼成終了後の高温からの除冷速度をコントロールするようにするのが望ましい。焼成には、圧粉によるホットプレスした後で仮焼成するか、常温静水圧プレス(CIP)した後で仮焼結するかの何れかによるものとし、その後、真空本焼結を実施するようにするのが望ましく、場合よっては熱間粉末押出し成形を採用することもできる。     Sintering is performed in an inert gas atmosphere or in a vacuum, preferably pre-baking at a vacuum degree of about 1/100, and main sintering at a vacuum degree of 1/10000. This is desirable. This is because, when carried out in the atmosphere, the oxidation phenomenon causes impurity deposition, abnormal volume consumption, and internal stress distortion of the internally generated gas, and there is a high possibility of destruction during firing. Therefore, it is desirable to prevent oxidation in the furnace by injecting nitrogen gas, absorb impurities generated during firing by vacuum vacuum, and control the cooling rate from a high temperature after completion of firing. For firing, either hot pressing with compaction is followed by temporary firing, or normal temperature isostatic pressing (CIP) is followed by preliminary sintering, and then vacuum main sintering is performed. In some cases, hot powder extrusion may be employed.

平均粒径20ないし100μmの植物性炭素セラミックス粉体を、超硬ボール(φ3ないしφ10)回転型粉砕機で粉砕し、造粒機で成形、造粒した上、網目メッシュラーで分級して平均粒径20ないし60
μmの微粒子とした。
また、植物性炭素セラミックス粉末として、三和油脂株式会社製の粉末(特許文献1(1)で取り上げた発明による植物性炭素セラミックス粉末)RBC100μmを用意した。
Vegetable carbon ceramic powder having an average particle size of 20 to 100 μm is pulverized with a carbide ball (φ3 to φ10) rotary pulverizer, molded and granulated with a granulator, and classified with a mesh mesher to obtain an average. Particle size 20-60
Fine particles of μm were used.
In addition, as a vegetable carbon ceramic powder, a powder manufactured by Sanwa Yushi Co., Ltd. (a plant carbon ceramic powder according to the invention taken up in Patent Document 1 (1)) RBC 100 μm was prepared.

繊維強化材として、SCW粉末(直径0.05ないし1.5μm、長さ20ないし200μm)をセラミックスボール(Al203)φ10、セラミックスポット(Al203)φ150×150L
を用意し、回転型粉砕機で粉砕して網目メッシュラーで分級、直径0.05ないし1.5μm、長さ80μmのファイバーとした。
As a fiber reinforcement, SCW powder (diameter 0.05 to 1.5 μm, length 20 to 200 μm) is ceramic ball (Al203) φ10, ceramic spot (Al203) φ150 × 150L.
Was prepared, and pulverized with a rotary pulverizer, and classified with a mesh mesher to obtain a fiber having a diameter of 0.05 to 1.5 μm and a length of 80 μm.

SCW粉末の表面シランカップリング処理によってコーティングを施すが、表面シランカップリングは次のように行った。
即ち、希釈されたシランカップリング液体を、SCW粉末に点滴滴下し満遍なく混練した上、ウェット状態の均一化されたコーティングを行う。これを乾燥機に入れて12ないし15時間程度乾燥して取り出すようにする。この処理により、SCW粉末表面に0.03ないし0.05μm程度のアミノシラン系コーティング剤の被膜を形成することができる。
The coating was applied by the surface silane coupling treatment of the SCW powder, and the surface silane coupling was performed as follows.
That is, the diluted silane coupling liquid is dropped onto the SCW powder and uniformly kneaded, and a uniform coating in a wet state is performed. This is put into a drier and dried for about 12 to 15 hours. By this treatment, a film of an aminosilane coating agent having a thickness of about 0.03 to 0.05 μm can be formed on the surface of the SCW powder.

表面シランカップリングコーティング処理したこのSCW5ないし28容積%を、フェノールレヂン粉末および植物性炭素セラミックス粉末20ないし60μmとなるよう均一に混練されたものに対して添加、混合し、回転型混練機で10ないし20時間の間に渡って均一に混練する。そして、これら均一に混練した微粒子粉体混合物を、直径80mm、
深さ50mmの金型に充填した上、油圧ホット圧縮プレスにより、500ないし2,000kg/平方cmの圧力でプレスし、180℃まで昇温またはゴム型による静水圧(CIP)によって900ないし2,000kg/平方cmによってプレスし、径80mm、厚み13ないし15mmの圧粉成形体を形成した。
この成形体をバッチ式真空炉内に設置し、温度180ないし250℃で約20時間程に渡って仮焼結し、外径厚さ余肉1ないし3mmのブランクに成形した後、加熱温度700ないし1,100℃で30ないし35時間に渡る本焼成を施した。その焼成体の比重は、1.3ないし1.4であった。
The SCW of 5 to 28% by volume subjected to the surface silane coupling coating treatment was added to and mixed with a homogeneous mixture of phenol resin powder and vegetable carbon ceramic powder of 20 to 60 μm. Knead uniformly over 20 hours. And these uniformly kneaded fine particle powder mixture has a diameter of 80 mm,
The mold is filled in a 50 mm deep mold, pressed with a hydraulic hot compression press at a pressure of 500 to 2,000 kg / square cm, heated to 180 ° C. or hydrostatic pressure (CIP) with a rubber mold to 900 to 2, Pressed at 000 kg / square cm to form a green compact having a diameter of 80 mm and a thickness of 13 to 15 mm.
This molded body was placed in a batch type vacuum furnace, pre-sintered at a temperature of 180 to 250 ° C. for about 20 hours, formed into a blank having an outer diameter thickness of 1 to 3 mm, and a heating temperature of 700 The main calcination was performed at 1,100 ° C. for 30 to 35 hours. The calcined product had a specific gravity of 1.3 to 1.4.

その結果、得られた焼結体の圧縮強度、曲げ強度は、山形県工業技術センターの試験によるデータシートを縮小して示す図1中の値に見るとおりのものである。
また、その試験結果を、従来の植物性炭素無潤滑セラミックスと比較したものとして以下に示してある。

Figure 2005225716
As a result, the compressive strength and bending strength of the obtained sintered body are as shown in the values in FIG.
Moreover, the test result is shown below as a comparison with the conventional vegetable carbon non-lubricated ceramics.
Figure 2005225716

(実施例の効果)
この比較データから、この発明のセラミックス材は、従前のもののデーターに対し、圧縮強さで+108MPaと49%増加し、曲げ強さでは+30.8MPaと51.3%の増加を示すと共に、摩擦係数についても低下し、SCW添加による繊維強化がセラミックス自体の高硬度、高強度、高靱性、低摩擦としてセラミックス自体の脆性を大幅に改良すると共に、潤滑性も向上している。したがって、これらのデータから、この発明のセラミックス材は、脆性破壊に強い潤滑性が高い無潤滑セラミックスとしての特徴を有することが裏付けられた。
(Effect of Example)
From this comparison data, the ceramic material of the present invention shows a 49% increase in compressive strength and +108 MPa, and a +30.8 MPa and 51.3% increase in bending strength, as well as the coefficient of friction. The fiber reinforcement due to the addition of SCW significantly improves the brittleness of the ceramic itself as high hardness, high strength, high toughness and low friction of the ceramic itself, and also improves the lubricity. Therefore, from these data, it was confirmed that the ceramic material of the present invention has characteristics as a non-lubricated ceramic having high lubricity against brittle fracture.

(結 び)
叙述のとおり、この発明のセラミックス材、即ち植物性炭素繊維強化無潤滑セラミックスは、従来の特殊軸受用、繰り返し摺動用素材として未だ脆弱であった植物性炭素セラミックスに比較し、大幅に所要特性の改善を図ることが可能となることから、無潤滑すべり軸受や気体静圧軸受用の素材、あるいは繰り返し摺動用材として、高硬度、高強度、高靱性、低摩擦、秀れた耐摩耗性、および化学反応性のない特性を普く有し、これらの条件を必要とする軸受、摺動の分野においては勿論のこと、この分野に直接、間接に関係する分野からも高い評価を得て拡範に渡って採用、普及していくことが予想される。
(Conclusion)
As described above, the ceramic material of the present invention, that is, the vegetable carbon fiber reinforced unlubricated ceramic, has significantly required characteristics as compared with the vegetable carbon ceramics that were still fragile as a conventional special bearing and repeated sliding material. Because it is possible to improve, as a material for non-lubricated plain bearings and hydrostatic bearings, or as a material for repeated sliding, high hardness, high strength, high toughness, low friction, excellent wear resistance, In addition to the fields of bearings and sliding that generally have non-chemically reactive properties and require these conditions, they have been highly evaluated and expanded in fields directly and indirectly related to this field. It is expected that it will be adopted and spread throughout the range.

図面は、この発明の代表的な実施例によって得られたセラミックス材による試験結果を示したものである。
山形県工業技術センターの試験によるデータシートである。
The drawing shows the test results of the ceramic material obtained by the typical embodiment of the present invention.
This is a data sheet from a test conducted by the Yamagata Industrial Technology Center.

Claims (10)

シリコンカーバイトウィスカー5ないし28容積%、および植物性炭素セラミックス粉体60ないし80容積%、残部をフェノールレヂン粉末とする混練物を焼結させてなるものとしたことを特徴とするセラミックス材。   A ceramic material obtained by sintering a kneaded material having silicon carbide whiskers of 5 to 28% by volume, vegetable carbon ceramics powder of 60 to 80% by volume, and the balance being phenol resin powder. 直径が0.05ないし1.5μm、長さが20ないし80μmとしてなるシリコンカーバイトウィスカー5ないし28容積%、および植物性炭素セラミックス粉体60ないし80容積%、残部をフェノールレヂン粉末とする混練物を焼結させてなるものとしたことを特徴とするセラミックス材。   A kneaded product having a diameter of 0.05 to 1.5 μm, a length of 20 to 80 μm of silicon carbide whiskers of 5 to 28% by volume, a vegetable carbon ceramic powder of 60 to 80% by volume, and the balance of phenol resin powder. A ceramic material characterized by being sintered. シリコンカーバイトウィスカー5ないし28容積%、および粒子サイズが20ないし60μmの植物性炭素セラミックス粉体60ないし80容積%、残部をフェノールレヂン粉末とする混練物を焼結させてなるものとしたことを特徴とするセラミックス材。   It was obtained by sintering a kneaded material containing 5 to 28% by volume of silicon carbide whisker, 60 to 80% by volume of vegetable carbon ceramic powder having a particle size of 20 to 60 μm, and the remainder being phenol resin powder. Characteristic ceramic material. 直径が0.05ないし1.5μm、長さが20ないし80μmとしてなるシリコンカーバイトウィスカー5ないし28容積%、および粒子サイズが20ないし60μmの植物性炭素セラミックス粉体60ないし80容積%、残部をフェノールレヂン粉末とする混練物を焼結させてなるものとしたことを特徴とするセラミックス材。   5 to 28% by volume of silicon carbide whisker having a diameter of 0.05 to 1.5 μm and a length of 20 to 80 μm, and 60 to 80% by volume of vegetable carbon ceramic powder having a particle size of 20 to 60 μm. A ceramic material obtained by sintering a kneaded material to be a phenol resin powder. シリコンカーバイトウィスカー粉末を表面シランカップリング処理し、表面にアミノシラン系シランカップリング剤の被膜を形成した後、その適量に対して所定割合の植物性炭素セラミックス粉末と、それらの残部としてのフェノールレヂン粉末の適量とを混合、混練して適宜成形した上、不活性ガス雰囲気または真空中で焼結、製造するようにした、請求項1ないし4何れかに記載したセラミックス材の製造方法。   Silicon carbide whisker powder is subjected to surface silane coupling treatment to form a film of aminosilane-based silane coupling agent on the surface, and then a certain proportion of plant carbon ceramic powder with respect to the appropriate amount, and phenol resin as the balance thereof The method for producing a ceramic material according to any one of claims 1 to 4, wherein an appropriate amount of the powder is mixed, kneaded and appropriately shaped, and then sintered and produced in an inert gas atmosphere or vacuum. カップリング処理するシリコンカーバイトウィスカー粉末は、直径0.05ないし1.5μm、長さ20ないし80μmのものである、請求項5記載のセラミックス材の製造方法。   6. The method for producing a ceramic material according to claim 5, wherein the silicon carbide whisker powder to be subjected to the coupling treatment has a diameter of 0.05 to 1.5 μm and a length of 20 to 80 μm. 植物性炭素セラミックス粉末は、粒子サイズ20ないし60μmのものである、請求項5記載のセラミックス材の製造方法。   The method for producing a ceramic material according to claim 5, wherein the vegetable carbon ceramic powder has a particle size of 20 to 60 µm. カップリング処理するシリコンカーバイトウィスカー粉末は、直径0.05ないし1.5μm、長さ20ないし80μmのものであり、植物性炭素セラミックス粉末は、粒子サイズ20ないし60μmのものとした、請求項5記載のセラミックス材の製造方法。   6. The silicon carbide whisker powder to be subjected to coupling treatment has a diameter of 0.05 to 1.5 μm and a length of 20 to 80 μm, and the vegetable carbon ceramic powder has a particle size of 20 to 60 μm. The manufacturing method of the ceramic material of description. 焼結温度が、700ないし1,100℃の範囲内で製造するようにした、請求項5ないし8何れかに記載したセラミックス材の製造方法。   The method for producing a ceramic material according to any one of claims 5 to 8, wherein the sintering temperature is 700 to 1,100 ° C. 前記請求項9の焼結、製造に先んじ、180ないし250℃の範囲で真空仮焼結した上にブランク加工する工程を経過するようにした、請求項9記載のセラミックス材の製造方法。   The method for producing a ceramic material according to claim 9, wherein a blanking process is performed after vacuum pre-sintering in a range of 180 to 250 ° C prior to the sintering and production of claim 9.
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