JP2012056778A - Fiber-reinforced ceramic composite material and method for producing the same - Google Patents

Fiber-reinforced ceramic composite material and method for producing the same Download PDF

Info

Publication number
JP2012056778A
JP2012056778A JP2010198503A JP2010198503A JP2012056778A JP 2012056778 A JP2012056778 A JP 2012056778A JP 2010198503 A JP2010198503 A JP 2010198503A JP 2010198503 A JP2010198503 A JP 2010198503A JP 2012056778 A JP2012056778 A JP 2012056778A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fiber
silicon carbide
composite material
alloy
copper
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2010198503A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshiaki Kobayashi
慶朗 小林
Shinichiro Aonuma
伸一朗 青沼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Coorstek KK
Original Assignee
Covalent Materials Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Covalent Materials Corp filed Critical Covalent Materials Corp
Priority to JP2010198503A priority Critical patent/JP2012056778A/en
Publication of JP2012056778A publication Critical patent/JP2012056778A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fiber-reinforced ceramic composite material with copper uniformly dispersed and included therein, which can be suitably applied to a brake disk, and a production method efficiently obtaining the same.SOLUTION: The fiber-reinforced ceramic composite material in which copper is uniformly dispersed and included is obtained by impregnating a fiber-reinforced porous ceramic base material, which includes a ceramic matrix composed of silicon carbide and carbon and at least one reinforcing fiber of carbon fiber and silicon carbide fiber having porosity of 5% or more and 50% or less, with a Cu-Si alloy having a Cu/Si weight ratio of 1-3 and one or more metals of Cr, Sn and Sb in an amount of 0.5-3.0 wt.%, relative to the Cu-Si alloy, at 1,350-1,800°C under a decompressed atmosphere.

Description

本発明は、セラミックスマトリックスと強化繊維とからなる繊維強化炭化ケイ素系セラミックスの複合材料に関し、特に、ブレーキディスクに好適に適用することができる繊維強化セラミックス複合材料及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a composite material of fiber-reinforced silicon carbide ceramics comprising a ceramic matrix and reinforcing fibers, and more particularly to a fiber-reinforced ceramic composite material that can be suitably applied to a brake disk and a method for manufacturing the same.

ディスクブレーキは、制動装置の一種であり、主に、鉄道車両や自動車、自転車等に使用されている。車輪とともに回転するブレーキディスクを両面からブレーキパッドで挟み込むことによって摩擦力を発生させ、運動エネルギーを熱エネルギーに変換して制動する仕組みになっている。
鉄道車両や自動車等のブレーキディスクは、通常、ステンレス鋼やクロム鋼等の鋼材が用いられている。
Disc brakes are a type of braking device, and are mainly used in railway vehicles, automobiles, bicycles, and the like. Friction force is generated by sandwiching a brake disk that rotates with the wheels with brake pads from both sides, and the kinetic energy is converted into thermal energy for braking.
Steel materials such as stainless steel and chrome steel are usually used for brake disks of railway vehicles and automobiles.

しかしながら、近年、走行性能の向上や燃費改善のため、車体重量やバネ下重量の軽減が要求されており、ブレーキディスクについても、鋼材よりも軽量な材質への変更が検討されている。このような材質の一つとして、軽量かつ高強度であることから、炭化ケイ素系セラミックスが注目されている。
ただし、従来の炭化ケイ素セラミックスは、脆性材料であり、靱性がなく、衝撃のかかるブレーキディスクに適用するには十分な特性を有していなかった。
However, in recent years, in order to improve driving performance and fuel efficiency, reduction of vehicle body weight and unsprung weight has been demanded, and the brake disc is also being considered to be changed to a material that is lighter than steel. As one of such materials, silicon carbide ceramics are attracting attention because of their light weight and high strength.
However, the conventional silicon carbide ceramics is a brittle material, has no toughness, and does not have sufficient characteristics to be applied to an impact brake disk.

そこで、炭化ケイ素セラミックスを高い破壊エネルギーを有する材料とするために、長繊維としての入手が容易である炭素繊維又は炭化ケイ素繊維との複合材料を用いることが検討されている。
また、より高強度の炭化ケイ素セラミックス複合材料を得る方法としては、炭化ケイ素に溶融シリコンを含浸させる方法が知られている。
Therefore, in order to make silicon carbide ceramics a material having high fracture energy, it has been studied to use a carbon fiber or a composite material with silicon carbide fiber, which is easily available as long fibers.
As a method for obtaining a higher strength silicon carbide ceramic composite material, a method of impregnating silicon carbide with molten silicon is known.

ところで、要求される制動性能が高くなるのに伴い、ブレーキパッドも、材質が有機系から銅系に代わってきている。このため、従来の鋼材ブレーキディスクにも、銅系のブレーキパッドとの焼き付きを防止するために、銅を含有させることが行われており、同様に、セラミックス製のブレーキディスクにも銅を含有させることが求められている。   By the way, as the required braking performance becomes higher, the material of the brake pad has been changed from organic to copper. For this reason, in order to prevent seizure with a copper brake pad, a conventional steel brake disc is also made to contain copper, and similarly, a ceramic brake disc contains copper. It is demanded.

しかしながら、銅は融点が1084℃とセラミックスの製造温度に比べて低いため、セラミックス材料中に含有させようとしても、製造中に溶解し、均一に含有させることが困難である。
これに対しては、例えば、特許文献1に、炭化ケイ素に、シリコンとアルミニウムや銅等の金属とからなる浸透材を含浸させた炭化ケイ素複合体材料が開示されている。
However, since copper has a melting point of 1084 ° C., which is lower than the manufacturing temperature of ceramics, it is difficult to melt and uniformly contain copper even if it is included in a ceramic material.
In response to this, for example, Patent Document 1 discloses a silicon carbide composite material in which silicon carbide is impregnated with a penetrating material made of silicon and a metal such as aluminum or copper.

また、セラミックスの金属による複合化においては、溶融金属のセラミックスに対する濡れ性が重要な要素となると考えられており、例えば、非特許文献1には、銅をチタンとの合金(Cu‐Ti合金)とすることにより、炭化ケイ素に対する濡れ性を改善することができることが記載されている。   In addition, it is considered that wettability of molten metal to ceramics is an important factor in the composite of ceramics with metal. For example, Non-Patent Document 1 discloses an alloy of copper and titanium (Cu-Ti alloy). It is described that the wettability with respect to silicon carbide can be improved.

特表2003−505329号公報Special table 2003-505329 gazette

日本金属学会誌,第54巻,第12号(1990),p.1401-1407Journal of the Japan Institute of Metals, Vol. 54, No. 12 (1990), p.1401-1407

しかしながら、上記特許文献1においては、シリコン浸透材の融点を低下させ、また、シリコン成分の凝固膨張を低減させることを目的として、シリコン浸透材を合金化しているにすぎず、具体的には、銅の融点1084℃よりも低い融点660℃のアルミニウムとの合金化についてしか記載されていない。   However, in the above Patent Document 1, the silicon infiltrant is merely alloyed for the purpose of lowering the melting point of the silicon infiltrant and reducing the solidification expansion of the silicon component. Only the alloying with aluminum with a melting point of 660 ° C. which is lower than the melting point of copper 1084 ° C. is described.

また、非特許文献1は、ホットプレス法により作製された炭化ケイ素セラミックスと金属との接合等による複合化における溶融金属の濡れ性に関して記載されているものであり、ここでいう濡れ性の改善が、必ずしも、炭化ケイ素セラミックス中に均一に含有させることにつながるとは言えない。また、炭素繊維や炭化ケイ素繊維による繊維強化炭化ケイ素セラミックスに対する濡れ性については、明らかにされていない。さらに、チタンは、大変高価な材料であり、コスト面において不利である。   Non-Patent Document 1 describes the wettability of the molten metal in the composite by joining the silicon carbide ceramics produced by the hot press method and the metal. However, it cannot always be said that the silicon carbide ceramics are uniformly contained. Moreover, the wettability with respect to the fiber reinforced silicon carbide ceramics by carbon fiber or silicon carbide fiber is not clarified. Furthermore, titanium is a very expensive material and is disadvantageous in terms of cost.

上記のように、従来から、炭化ケイ素セラミックスに、銅を均一に含浸させるための検討がなされており、また、高強度化された繊維強化炭化ケイ素セラミックスに対しても、銅を均一に含有させようとする試みがなされていた。
しかしながら、従来の含浸法では、強化繊維を含む炭化ケイ素セラミックスに、必要十分な量の銅を効率的に含浸させる方法については、十分な検討はなされていなかった。
As described above, conventionally, studies have been made for uniformly impregnating copper into silicon carbide ceramics, and copper is also uniformly contained in fiber-reinforced silicon carbide ceramics with increased strength. Attempts were made to try.
However, in the conventional impregnation method, sufficient investigation has not been made on a method for efficiently impregnating a silicon carbide ceramic containing reinforcing fibers with a necessary and sufficient amount of copper.

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、繊維強化炭化ケイ素系セラミックスに関し、銅が均一に分散して含有されており、ブレーキディスクに好適に適用することができる繊維強化セラミックス複合材料、及び、これを効率的に得ることができる製造方法を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made to solve the above technical problem, and relates to a fiber-reinforced silicon carbide ceramic, in which copper is uniformly dispersed and contained, and can be suitably applied to a brake disc. An object of the present invention is to provide a reinforced ceramic composite material and a production method capable of efficiently obtaining the same.

本発明に係る繊維強化セラミックス複合材料は、炭化ケイ素、炭素及びシリコンにより構成されるセラミックスマトリックスと、炭素繊維又は炭化ケイ素繊維のいずれか1種以上の強化繊維とからなる繊維強化セラミックスに、Cu3Siと、前記Cu3Siに対して0.5重量%以上3.0重量%以下のCr,Sn又はSbのいずれか1種以上の金属とが含まれていることを特徴とする。
上記のような金属成分を添加して、銅をシリコンとの合金として含有させることにより、銅が均一に分散して含有された繊維強化セラミックス複合材料を得ることができる。
The fiber reinforced ceramic composite material according to the present invention includes Cu 3 , a fiber reinforced ceramic composed of a ceramic matrix composed of silicon carbide, carbon and silicon, and one or more reinforcing fibers of carbon fibers or silicon carbide fibers. Si and one or more metals of Cr, Sn, or Sb of 0.5 wt% or more and 3.0 wt% or less with respect to Cu 3 Si are included.
By adding the metal components as described above and containing copper as an alloy with silicon, a fiber-reinforced ceramic composite material containing copper uniformly dispersed can be obtained.

本発明に係る繊維強化セラミックス複合材料の製造方法は、炭化ケイ素及び炭素により構成されるセラミックスマトリックスと、炭素繊維又は炭化ケイ素繊維のいずれか1種以上の強化繊維とからなる気孔率5%以上50%以下の繊維強化多孔質セラミックス基材に、Cu/Si重量比が1以上3以下のCu‐Si合金と、該Cu‐Si合金に対して0.1重量%以上3.0重量%以下のCr,Sn又はSbのいずれか1種以上の金属とを、減圧雰囲気下、1350℃以上1800℃以下で含浸させることを特徴とする。
このような製造方法によれば、基材中の炭化ケイ素及び炭素に対するCu‐Si合金の濡れ性を向上させることができ、得られる繊維強化セラミックス複合材料中に、銅を均一かつ効率的に分散させて含有させることができる。
The method for producing a fiber reinforced ceramic composite material according to the present invention comprises a ceramic matrix composed of silicon carbide and carbon, and a porosity of 5% to 50% comprising any one or more reinforcing fibers of carbon fiber or silicon carbide fiber. % Of the fiber-reinforced porous ceramic substrate with a Cu / Si weight ratio of 1 to 3 and a Cu-Si alloy of 0.1 to 3.0% by weight with respect to the Cu-Si alloy. It is characterized by impregnating at least 1350 ° C. to 1800 ° C. in a reduced pressure atmosphere with one or more metals of Cr, Sn or Sb.
According to such a manufacturing method, the wettability of the Cu-Si alloy with respect to silicon carbide and carbon in the base material can be improved, and copper is uniformly and efficiently dispersed in the obtained fiber-reinforced ceramic composite material. Can be contained.

本発明によれば、銅が均一に分散して含有されている繊維強化炭化ケイ素系セラミックスを効率的に得ることができる。
したがって、本発明に係る繊維強化セラミックス複合材料は、軽量かつ高強度のブレーキディスク材料として好適に用いることができる。また、銅系のブレーキパッドとの焼き付き防止を図ることが可能となる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fiber reinforced silicon carbide ceramics in which copper is disperse | distributed uniformly can be obtained efficiently.
Therefore, the fiber-reinforced ceramic composite material according to the present invention can be suitably used as a lightweight and high-strength brake disc material. It is also possible to prevent seizure with the copper brake pad.

以下、本発明について、より詳細に説明する。
本発明に係る繊維強化セラミックス複合材料は、セラミックスマトリックスと強化繊維とからなる炭化ケイ素系繊維強化セラミックスであり、Cu3Si及びCr,Sn又はSbのいずれか1種以上の金属が含まれているものである。
これらの金属成分を添加して、銅をシリコンとの合金として含有させることにより、銅がCu3Siとして繊維強化炭化ケイ素系セラミックスに均一に分散して含有された複合材料を得ることができる。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
The fiber-reinforced ceramic composite material according to the present invention is a silicon carbide-based fiber-reinforced ceramic composed of a ceramic matrix and reinforcing fibers, and includes Cu 3 Si and one or more metals of Cr, Sn, or Sb. Is.
By adding these metal components and containing copper as an alloy with silicon, it is possible to obtain a composite material in which copper is uniformly dispersed and contained in fiber-reinforced silicon carbide ceramics as Cu 3 Si.

前記複合材料において、セラミックスマトリックスは、炭化ケイ素、炭素及びシリコンにより構成される。これらは、炭化ケイ素系セラミックスの主原料である。各原料は、通常用いられているものでよく、その形態や製造方法は、特に限定されない。
これらの中でも、高強度とする観点から、炭化ケイ素が主成分であることが好ましい。
In the composite material, the ceramic matrix is composed of silicon carbide, carbon, and silicon. These are the main raw materials for silicon carbide ceramics. Each raw material may be a commonly used material, and its form and manufacturing method are not particularly limited.
Among these, it is preferable that silicon carbide is the main component from the viewpoint of high strength.

また、前記強化繊維は、炭化ケイ素系セラミックスを強化するために配合される繊維であり、炭素繊維又は炭化ケイ素繊維のいずれか1種以上からなる。該複合材料の用途に応じて、炭素繊維又は炭化ケイ素繊維のいずれか1種のみを用いても、あるいはまた、両方を混合して用いてもよい。
炭素繊維及び炭化ケイ素繊維は、溶融シリコンとの濡れ性が良好であるため、毛管現象を利用する該複合材料の製造をシリコン含浸により行う場合、緻密な複合セラミックス材料を得る上で好ましい。
Moreover, the said reinforcement fiber is a fiber mix | blended in order to reinforce silicon carbide ceramics, and consists of any 1 or more types of a carbon fiber or a silicon carbide fiber. Depending on the use of the composite material, only one of carbon fiber or silicon carbide fiber may be used, or both may be used in combination.
Since carbon fiber and silicon carbide fiber have good wettability with molten silicon, it is preferable to obtain a dense composite ceramic material when the composite material utilizing capillary action is produced by silicon impregnation.

前記強化繊維の形状及びサイズは、特に限定されるものではないが、直径0.5〜20μm、平均長さ0.5〜20mmのいわゆる短繊維、前記短繊維が集合して形成された繊維束が好適である。さらに、前記短繊維に加えて、前記短繊維よりも長い、いわゆる長繊維が含まれていてもよい。   The shape and size of the reinforcing fiber is not particularly limited, but a so-called short fiber having a diameter of 0.5 to 20 μm and an average length of 0.5 to 20 mm, and a fiber bundle formed by collecting the short fibers. Is preferred. Furthermore, in addition to the short fibers, so-called long fibers longer than the short fibers may be included.

前記複合材料中の強化繊維の含有量は、15体積%以上40体積%以下であることが好ましい。
前記含有量が15体積%未満の場合、該強化繊維によるセラミックス強化の効果が十分に得られない。
一方、前記含有量が40体積%を超える場合、強化繊維が多すぎて、該複合材料中に所定量のCu3Siの均一な分散が妨げられるおそれがある。
The content of the reinforcing fiber in the composite material is preferably 15% by volume or more and 40% by volume or less.
When the content is less than 15% by volume, the ceramic reinforcing effect by the reinforcing fibers cannot be sufficiently obtained.
On the other hand, when the content exceeds 40% by volume, there are too many reinforcing fibers, which may prevent uniform dispersion of a predetermined amount of Cu 3 Si in the composite material.

また、前記複合材料中のCu3Siの含有量は、前記セラミックスマトリックスの気孔率にもよるが、0.5重量%以上40重量%以下であることが好ましい。
前記含有量が0.5重量%未満の場合は、銅の添加量が少なすぎて添加による効果が認められず、該複合材料をブレーキディスクに用いた際に、銅系のブレーキパッドとの焼き付き防止効果が十分に得られない。
一方、前記含有量が40重量%を超えると、Cu3Siは炭化ケイ素に比べて強度が低いため、該複合材料全体の機械的強度が低下し、ディスクブレーキに使用することは困難となる。
Further, the content of Cu 3 Si in the composite material is preferably 0.5 wt% or more and 40 wt% or less, although it depends on the porosity of the ceramic matrix.
When the content is less than 0.5% by weight, the amount of copper added is too small to show the effect of the addition, and when the composite material is used for a brake disc, seizure with a copper brake pad is caused. The prevention effect is not sufficiently obtained.
On the other hand, when the content exceeds 40% by weight, Cu 3 Si has a lower strength than silicon carbide, so that the mechanical strength of the entire composite material is lowered and it is difficult to use it for a disc brake.

また、前記Cu3Siとともに添加される金属成分であるCr,Sn又はSbは、いずれか1種のみでも、2種以上でもよく、合計含有量は、前記Cu3Siに対して0.1重量%以上3.0重量%以下とする。
上記のような金属成分を添加することにより、炭化ケイ素系繊維強化セラミックスに対するCu‐Si合金の濡れ性が向上し、該複合材料中に銅をより均一に分散させて含有させることができる。
Moreover, Cr, Sn, or Sb, which is a metal component added together with the Cu 3 Si, may be only one type or two or more types, and the total content is 0.1 weight with respect to the Cu 3 Si. % To 3.0% by weight.
By adding the metal component as described above, the wettability of the Cu-Si alloy with respect to the silicon carbide fiber-reinforced ceramic is improved, and copper can be more uniformly dispersed in the composite material.

上記のような繊維強化セラミックス複合材料は、炭化ケイ素、炭素及びシリコンにより構成されるセラミックスマトリックスと、炭素繊維又は炭化ケイ素繊維のいずれか1種以上の強化繊維とからなる気孔率5%以上50%以下の繊維強化多孔質セラミックス基材に、Cu/Si重量比が1以上3以下のCu‐Si合金と、該Cu‐Si合金に対して0.1重量%以上3.0重量%以下のCr,Sn又はSbのいずれか1種以上の金属とを、減圧雰囲気下、1350℃以上1800℃以下で含浸させることにより得られる。
このように、繊維強化多孔質セラミックス基材に、Cu‐Si合金を含浸させる際に、Cr,Sn又はSbを添加することによって、銅が均一に分散して含有されている繊維強化セラミックス複合材料が得られる。
The fiber reinforced ceramic composite material as described above has a porosity of 5% to 50% comprising a ceramic matrix composed of silicon carbide, carbon and silicon, and one or more reinforcing fibers of carbon fiber or silicon carbide fiber. A Cu-Si alloy having a Cu / Si weight ratio of 1 or more and 3 or less, and Cr of 0.1 wt% or more and 3.0 wt% or less based on the Cu-Si alloy. , Sn, or Sb is impregnated at 1350 ° C. or higher and 1800 ° C. or lower in a reduced pressure atmosphere.
Thus, when impregnating the fiber-reinforced porous ceramic base material with the Cu-Si alloy, by adding Cr, Sn or Sb, the fiber-reinforced ceramic composite material in which copper is uniformly dispersed and contained Is obtained.

すなわち、含浸材料にCr,Sn又はSbが添加されることにより、上述したように、基材中の炭化ケイ素及び炭素に対するCu‐Si合金の濡れ性が向上するため、含浸材料のCu‐Si合金のCu/Si重量比を増大させることが可能となる。したがって、得られる複合材料中に、銅を満遍なく行き渡らせ、均一かつ効率的に分散させて含有させることができる。
なお、これらの金属成分の添加により濡れ性が向上する機構については、現時点では十分明らかにはされていないが、濡れ性の向上によって、毛管現象によるCu‐Si合金の含浸が促進されるものと考えられる。
That is, by adding Cr, Sn or Sb to the impregnating material, the wettability of the Cu-Si alloy with respect to silicon carbide and carbon in the base material is improved as described above. It is possible to increase the Cu / Si weight ratio. Therefore, copper can be evenly distributed and uniformly and efficiently dispersed in the obtained composite material.
The mechanism by which the wettability is improved by the addition of these metal components has not been clarified at this time, but the improvement of wettability promotes the impregnation of Cu-Si alloy by capillary action. Conceivable.

銅とシリコンは、シリコンの融点以上に加熱すると、共に融解し、均一な合金液体(Cu‐Si合金)となる。この液状のCu‐Si合金を前記基材に含浸させると、シリコンと基材中の炭素とが反応して、界面で炭化ケイ素を生成する。そして、シリコンの融点以下に冷却すると、前記Cu‐Si合金は、シリコンとCu3Siの2相を生成して固化する。このとき、シリコン相中には、銅はほとんど固溶しない。
したがって、上記のようにしてCu‐Si合金を含浸させて得られた複合材料中では、銅は化合物であるCu3Siの形で含まれる。
When copper and silicon are heated above the melting point of silicon, they are melted together to form a uniform alloy liquid (Cu—Si alloy). When the substrate is impregnated with the liquid Cu—Si alloy, silicon and carbon in the substrate react to generate silicon carbide at the interface. When cooled below the melting point of silicon, the Cu—Si alloy generates two phases of silicon and Cu 3 Si and solidifies. At this time, copper hardly dissolves in the silicon phase.
Therefore, in the composite material obtained by impregnating the Cu—Si alloy as described above, copper is contained in the form of a compound, Cu 3 Si.

上記製造方法においては、含浸材料である前記Cu‐Si合金は、Cu/Si重量比を1以上3以下とする。
前記重量比が1未満では、基材の気孔率にもよるが、5%に近い場合、得られる複合材料中のCu3Si含有量を0.5重量%以上とすることができない。
一方、前記重量比が3を超えると、基材中の炭化ケイ素及び炭素に対するCu‐Si合金の濡れ性が低下するため、毛管現象による含浸が十分に進行せず、該基材中に銅を満遍なく行き渡らせることが困難となる。
In the above manufacturing method, the Cu—Si alloy as the impregnating material has a Cu / Si weight ratio of 1 or more and 3 or less.
When the weight ratio is less than 1, depending on the porosity of the substrate, when it is close to 5%, the Cu 3 Si content in the obtained composite material cannot be 0.5% by weight or more.
On the other hand, if the weight ratio exceeds 3, the wettability of the Cu-Si alloy with respect to silicon carbide and carbon in the base material decreases, so that impregnation by capillary action does not proceed sufficiently, and copper is not contained in the base material. It becomes difficult to spread evenly.

前記含浸材料に添加される金属成分であるCr,Sn又はSbは、いずれか1種のみを用いても、あるいはまた、これらのうち2種以上を任意の割合で混合して用いてもよく、合計添加量は、Cu‐Si合金に対して0.1重量%以上3.0重量%以下とする。
前記添加量が0.1重量%未満の場合、含浸させることができるCu‐Si合金のCu/Si重量比の上限を増大させる効果が十分に得られない。
一方、前記添加量が3.0重量%を超える場合は、これらの金属元素を含む化合物相が析出しやすくなる。これらの析出化合物は、炭化ケイ素に比べて脆く、強度が低いため、得られる複合材料全体の強度特性を低下させることとなる。
Cr, Sn, or Sb, which is a metal component added to the impregnating material, may be used alone, or alternatively, two or more of these may be mixed and used in an arbitrary ratio. The total addition amount is 0.1 wt% or more and 3.0 wt% or less with respect to the Cu—Si alloy.
When the addition amount is less than 0.1% by weight, the effect of increasing the upper limit of the Cu / Si weight ratio of the Cu—Si alloy that can be impregnated cannot be sufficiently obtained.
On the other hand, when the addition amount exceeds 3.0% by weight, a compound phase containing these metal elements is likely to precipitate. Since these precipitated compounds are brittle and low in strength as compared with silicon carbide, the strength characteristics of the entire composite material obtained are deteriorated.

また、前記Cu‐Si合金を含浸させる基材として用いられる繊維強化多孔質セラミックスは、セラミックスマトリックスと強化繊維とからなるものである。
この強化繊維は、炭素繊維又は炭化ケイ素繊維のいずれか1種以上であり、上述したものと同様である。また、セラミックスマトリックスも、炭化ケイ素及び炭素により構成されたものである。
シリコンは、炭化ケイ素よりも脆性が高いため、高強度の複合材料を得る観点からは、基材中には含まれていないことが好ましい。上記方法により製造される複合材料中のシリコン成分は、含浸材料からもたらされるものである。
The fiber-reinforced porous ceramic used as a base material impregnated with the Cu-Si alloy is composed of a ceramic matrix and reinforcing fibers.
This reinforcing fiber is at least one of carbon fiber and silicon carbide fiber, and is the same as described above. The ceramic matrix is also composed of silicon carbide and carbon.
Since silicon is more brittle than silicon carbide, it is preferably not contained in the base material from the viewpoint of obtaining a high-strength composite material. The silicon component in the composite material produced by the above method is derived from the impregnated material.

前記繊維強化多孔質セラミックス基材の気孔率は、5%以上50%以下とする。
前記気孔率が5%未満の場合、含浸される合金量が少なくなるため、得られる複合材料中のCu3Siの含有量を0.5重量%以上とすることが困難となる。
一方、前記気孔率が50%を超える場合、炭化ケイ素よりも脆性が高いシリコン成分の含浸量が多くなるため、得られる複合材料において、シリコン物性が支配的となり、ブレーキディスクにおいて必要とされる強度や耐衝撃性が得られない。
The porosity of the fiber-reinforced porous ceramic base material is 5% or more and 50% or less.
When the porosity is less than 5%, the amount of the alloy to be impregnated decreases, so that it is difficult to make the content of Cu 3 Si in the obtained composite material 0.5% by weight or more.
On the other hand, when the porosity exceeds 50%, the amount of impregnation of the silicon component, which is more brittle than silicon carbide, increases, so in the resulting composite material, the silicon physical properties become dominant and the strength required for the brake disc And impact resistance is not obtained.

前記基材にCu‐Si合金を含浸させる際の温度は、1350℃以上1800℃以下とする。
前記温度が1350℃未満の場合は、銅とシリコンの均一な合金液体を得ることが困難である。高温であるほど、合金の粘性が低下して含浸させやすくなるが、1800℃を超える温度では、それ以上の含浸性の向上はみられず、また、製造コストが高くなる。
The temperature at which the base material is impregnated with the Cu—Si alloy is 1350 ° C. or higher and 1800 ° C. or lower.
When the temperature is less than 1350 ° C., it is difficult to obtain a uniform alloy liquid of copper and silicon. The higher the temperature, the lower the viscosity of the alloy and the easier it is to impregnate. However, at temperatures exceeding 1800 ° C., no further improvement in impregnation is observed and the production cost increases.

また、前記含浸は、Cu‐Si合金が前記基材の気孔中に満遍なく行き渡るようにする観点から、減圧雰囲気下で行うことが好ましい。   Further, the impregnation is preferably performed in a reduced pressure atmosphere from the viewpoint of allowing the Cu—Si alloy to spread evenly in the pores of the base material.

以下、本発明の好ましい実施形態を実施例に基づいて説明するが、本発明は、下記実施例により限定されるものではない。
まず、繊維強化セラミックス複合材料の各試料を以下のようにして作製した。
炭化ケイ素粉末OY−15(屋久島電工株式会社製)に、炭素繊維トレカ(登録商標)(東レ株式会社製)と、フェノール樹脂スミライトレジン(登録商標)(住友ベークライト株式会社製)15重量%とを混合し、直径50mm、厚さ40mmの円盤状に加圧成形した後、アルゴン雰囲気下、2000℃で2時間焼成して、気孔率20%の繊維強化多孔質セラミックス基材を作製した。
この多孔質強化繊維セラミックス基材に、所定のCu/Si重量比であるCu‐Si合金と、Cr,Sn又はSbのいずれか1種以上の金属とを、減圧雰囲気下、1450℃で2時間保持して含浸させ、繊維強化セラミックス複合材料の各試料を作製した。
なお、前記炭素繊維は、得られた複合材料の試料中の含有量が20体積%となるように配合した。また、前記Cu‐Si合金は、得られた複合材料の試料中の含有量が30〜35重量%の範囲内となるように調整して配合した。
各試料において、Cu‐Si合金のCu/Si重量比、これに添加する金属種及びCu‐Si合金に対する添加量は、下記表1の実施例1〜21及び比較例1〜11に示すとおりである。
EXAMPLES Hereinafter, although preferable embodiment of this invention is described based on an Example, this invention is not limited by the following Example.
First, each sample of the fiber reinforced ceramic composite material was produced as follows.
Silicon carbide powder OY-15 (manufactured by Yakushima Electric Works), carbon fiber trading card (registered trademark) (manufactured by Toray Industries, Inc.), phenol resin Sumilite resin (registered trademark) (manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd.), 15% by weight Were pressed into a disk shape having a diameter of 50 mm and a thickness of 40 mm, and then fired at 2000 ° C. for 2 hours in an argon atmosphere to prepare a fiber-reinforced porous ceramic substrate having a porosity of 20%.
To this porous reinforcing fiber ceramic substrate, a Cu—Si alloy having a predetermined Cu / Si weight ratio and one or more metals of Cr, Sn, or Sb are placed in a reduced pressure atmosphere at 1450 ° C. for 2 hours. Each sample of fiber reinforced ceramic composite material was produced by holding and impregnating.
In addition, the said carbon fiber was mix | blended so that content in the sample of the obtained composite material might be 20 volume%. Further, the Cu—Si alloy was adjusted and blended so that the content of the obtained composite material in the sample was within the range of 30 to 35% by weight.
In each sample, the Cu / Si weight ratio of the Cu-Si alloy, the metal species added thereto, and the amount added to the Cu-Si alloy are as shown in Examples 1 to 21 and Comparative Examples 1 to 11 in Table 1 below. is there.

上記において作製した各試料について、以下のような各種評価を行った。
密度及び気孔率は、アルキメデス法により測定して算出した。
また、各試料の銅の含有量は、ICP−MSにより測定した。表1においては、Cu3Siに換算した含有量を示す。
さらに、Cu‐Si合金の含浸状態は、各試料の中心部と外周部の任意の2箇所の計3箇所で、劈開面を光学顕微鏡で観察し、基材の気孔内への浸透の有無により確認した。表1の含浸状態の評価において、○:観察箇所の3箇所のいずれにおいてもCu‐Si合金の含浸が確認された場合、×:Cu‐Si合金の含浸が確認された観察箇所が2箇所以下の場合を示している。
また、曲げ強度は、各試料を所定の形状に加工して、日本工業規格JIS R 1663「長繊維強化セラミックス複合材料の曲げ強さ試験方法」に準拠して測定した。
これらの評価結果を表1にまとめて示す。
Each sample produced above was subjected to various evaluations as follows.
The density and porosity were measured and calculated by the Archimedes method.
Further, the copper content of each sample was measured by ICP-MS. In Table 1, the content converted to Cu 3 Si is shown.
Furthermore, the impregnation state of the Cu-Si alloy was determined by observing the cleaved surface with an optical microscope at a total of three locations, the central portion and the outer peripheral portion of each sample, and whether or not the base material had penetrated into the pores. confirmed. In the evaluation of the impregnation state in Table 1, ○: When the impregnation of the Cu—Si alloy was confirmed in any of the three observation places, ×: Two or less observation places where the impregnation of the Cu—Si alloy was confirmed Shows the case.
The bending strength was measured in accordance with Japanese Industrial Standard JIS R 1663 “Bending Strength Test Method for Long Fiber Reinforced Ceramic Composite Material” by processing each sample into a predetermined shape.
These evaluation results are summarized in Table 1.

Figure 2012056778
Figure 2012056778

表1に示すように、含浸材料であるCu‐Si合金のCu/Si重量比を1以上3以下とし、これに、Cr,Sn又はSbを該Cu‐Si合金に対して0.5重量%以上3.0重量%以下添加して得られた繊維強化セラミックス複合材料(実施例)は、いずれも、Cu‐Si合金の含浸状態が良好であった。また、実施例においては、100MPa以上の曲げ強度が得られたことから、曲げ強度に代表される強度特性も優れていることが認められた。   As shown in Table 1, the Cu / Si weight ratio of the impregnated Cu-Si alloy is 1 or more and 3 or less, and Cr, Sn or Sb is added to the Cu-Si alloy in an amount of 0.5% by weight. All of the fiber reinforced ceramic composite materials (Examples) obtained by adding 3.0% by weight or less were excellent in the impregnation state of the Cu—Si alloy. Further, in the examples, since a bending strength of 100 MPa or more was obtained, it was recognized that strength characteristics represented by bending strength were also excellent.

本発明に係る繊維強化セラミックス複合材料は、特に、鉄道車両や自動車等のブレーキディスクとして好適に適用することができるが、軽量かつ高強度であり、耐摩耗性にも優れているという利点を活かして、例えば、高速回転機器のメカニカルシール部材等の摺動部材等にも適用することができる。   The fiber-reinforced ceramic composite material according to the present invention can be suitably applied particularly as a brake disk for railway vehicles, automobiles, etc., but takes advantage of its light weight, high strength, and excellent wear resistance. For example, it can be applied to a sliding member such as a mechanical seal member of a high-speed rotating device.

Claims (2)

炭化ケイ素、炭素及びシリコンにより構成されるセラミックスマトリックスと、炭素繊維又は炭化ケイ素繊維のいずれか1種以上の強化繊維とからなる繊維強化セラミックスに、Cu3Siと、前記Cu3Siに対して0.5重量%以上3.0重量%以下のCr,Sn又はSbのいずれか1種以上の金属とが含まれていることを特徴とする繊維強化セラミックス複合材料。 To a fiber reinforced ceramic comprising a ceramic matrix composed of silicon carbide, carbon and silicon, and one or more reinforcing fibers of carbon fiber or silicon carbide fiber, Cu 3 Si and 0 to Cu 3 Si A fiber reinforced ceramic composite material comprising 5% by weight or more and 3.0% by weight or less of one or more metals of Cr, Sn, or Sb. 請求項1記載の繊維強化セラミックス複合材料を製造する方法であって、炭化ケイ素及び炭素により構成されるセラミックスマトリックスと、炭素繊維又は炭化ケイ素繊維のいずれか1種以上の強化繊維とからなる気孔率5%以上50%以下の繊維強化多孔質セラミックス基材に、Cu/Si重量比が1以上3以下のCu‐Si合金と、該Cu‐Si合金に対して0.5重量%以上3.0重量%以下のCr,Sn又はSbのいずれか1種以上の金属とを、減圧雰囲気下、1350℃以上1800℃以下で含浸させることを特徴とする繊維強化セラミックス複合材料の製造方法。   A method for producing a fiber-reinforced ceramic composite material according to claim 1, wherein the porosity comprises a ceramic matrix composed of silicon carbide and carbon, and one or more reinforcing fibers of carbon fiber or silicon carbide fiber. 5% or more and 50% or less of fiber reinforced porous ceramic base material, Cu / Si weight ratio of 1 or more and 3 or less of Cu-Si alloy, and 0.5% by weight or more and 3.0% of the Cu-Si alloy A method for producing a fiber-reinforced ceramic composite material comprising impregnating at least 1 wt.% Or less of Cr, Sn, or Sb with one or more metals in a reduced pressure atmosphere at 1350 ° C. or higher and 1800 ° C. or lower.
JP2010198503A 2010-09-06 2010-09-06 Fiber-reinforced ceramic composite material and method for producing the same Pending JP2012056778A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010198503A JP2012056778A (en) 2010-09-06 2010-09-06 Fiber-reinforced ceramic composite material and method for producing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010198503A JP2012056778A (en) 2010-09-06 2010-09-06 Fiber-reinforced ceramic composite material and method for producing the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2012056778A true JP2012056778A (en) 2012-03-22

Family

ID=46054323

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010198503A Pending JP2012056778A (en) 2010-09-06 2010-09-06 Fiber-reinforced ceramic composite material and method for producing the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2012056778A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3034298A1 (en) * 2014-12-16 2016-06-22 DACC Carbon Co., Ltd. Method for manufacturing vehicle brake disc

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3034298A1 (en) * 2014-12-16 2016-06-22 DACC Carbon Co., Ltd. Method for manufacturing vehicle brake disc

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5716494B2 (en) Sintered friction material for high-speed railway
JP4430468B2 (en) Copper-based sintered friction material
JPH0788500B2 (en) Friction material
Krenkel et al. Ceramic matrix composites for high performance friction applications
JP4857206B2 (en) Infiltration powder
US11384809B2 (en) Sintered friction material and production method for sintered friction material
Ataya et al. Strength and wear behavior of Mg alloy AE42 reinforced with carbon short fibers
JP5698852B2 (en) Cast iron and brake parts
JP2011011922A (en) Carbon/silicon carbide system composite material
US7045207B2 (en) Friction bodies comprising metal-infiltrated, fiber-reinforced porous carbon
JP2006063400A (en) Aluminum-based composite material
JP6783183B2 (en) Carbon short fiber reinforced composite material and its manufacturing method
JP2006348379A (en) Sintered metal friction material, and friction member
JP6360270B1 (en) Sintered friction material for brake
JP2012056778A (en) Fiber-reinforced ceramic composite material and method for producing the same
Kryachek Friction composites: traditions and new solutions (review). Part 2. Composite materials
JP5522797B2 (en) Carbon fiber reinforced silicon carbide ceramics and method for producing the same
JP2006151804A (en) Member for brake
JP5578391B2 (en) Non-asbestos friction material
JP2012012268A (en) Fiber-reinforced ceramic composite material containing copper, and method for manufacturing the same
JP5405725B2 (en) Sintered friction material
JP2009143772A (en) Slide member and method of manufacturing the same
JP2000355685A (en) Friction material
JP6982401B2 (en) Manufacturing method of carbon short fiber reinforced composite material
JP2007255623A (en) Composite material brake