JP3193761B2 - ＴｉＣ被覆高導電炭素材の製造方法 - Google Patents
ＴｉＣ被覆高導電炭素材の製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ＴｉＣの均質薄層で被
覆された高導電性と耐摩耗性を備えるＴｉＣ被覆炭素材
の製造方法に関する。
覆された高導電性と耐摩耗性を備えるＴｉＣ被覆炭素材
の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】炭素材料（黒鉛を含む）は非金属物質で
ありながら電気および熱に対する優れた伝導性を有し、
そのうえ高度の化学的安定性、非酸化性環境下での耐熱
性、表面潤滑性、易加工性など金属材料にはない多様の
材質特性を備えているため、導電材料、耐火材料、構造
部材、潤滑材等として広い分野で使用されている。これ
ら用途例の１つにメッキローラーがある。この部材は電
解液中に設置して被メッキ材となる鉄板を支持しながら
通電する導電支持ローラーとしての機能を果たすが、常
に高重量の鉄板を支持している関係で及び電解液に浸漬
しているので電解酸化を受け比較的短期間内に表面が損
耗して耐久寿命が尽きる問題がある。
ありながら電気および熱に対する優れた伝導性を有し、
そのうえ高度の化学的安定性、非酸化性環境下での耐熱
性、表面潤滑性、易加工性など金属材料にはない多様の
材質特性を備えているため、導電材料、耐火材料、構造
部材、潤滑材等として広い分野で使用されている。これ
ら用途例の１つにメッキローラーがある。この部材は電
解液中に設置して被メッキ材となる鉄板を支持しながら
通電する導電支持ローラーとしての機能を果たすが、常
に高重量の鉄板を支持している関係で及び電解液に浸漬
しているので電解酸化を受け比較的短期間内に表面が損
耗して耐久寿命が尽きる問題がある。
【０００３】従来、炭素材料の表面をＳｉＣ、Ｓｉ3 Ｎ
4 、ＴｉＣ、Ｂ4 Ｃ、ＴｉＮ，ＢＮ等のセラミックス物
質で被覆することにより耐用性を改善する方法は工業的
手段として実用されており、被覆方法もＣＶＤ法、プラ
ズマ溶射法、スパッタ法など多岐に亘っているが、これ
らの主要な目的は耐酸化性や耐摩耗性の付与にある。上
記した導電性部材となる炭素材料に対してもセラミック
ス被覆を施せば当然に耐摩耗性を向上させることができ
るが、この場合には形成被膜にも導電性が付与されねば
ならない。したがって、被覆物質は例えばＳｉＣ、Ｔｉ
Ｃ、ＭｏＳｉ2のような導電性のセラミックスに限ら
れ、かつ被覆界面が電気抵抗に変動を与えない密着強固
な組織を有することが要求される。
4 、ＴｉＣ、Ｂ4 Ｃ、ＴｉＮ，ＢＮ等のセラミックス物
質で被覆することにより耐用性を改善する方法は工業的
手段として実用されており、被覆方法もＣＶＤ法、プラ
ズマ溶射法、スパッタ法など多岐に亘っているが、これ
らの主要な目的は耐酸化性や耐摩耗性の付与にある。上
記した導電性部材となる炭素材料に対してもセラミック
ス被覆を施せば当然に耐摩耗性を向上させることができ
るが、この場合には形成被膜にも導電性が付与されねば
ならない。したがって、被覆物質は例えばＳｉＣ、Ｔｉ
Ｃ、ＭｏＳｉ2のような導電性のセラミックスに限ら
れ、かつ被覆界面が電気抵抗に変動を与えない密着強固
な組織を有することが要求される。
【０００４】特開昭59−39784 号公報には黒鉛製高温加
熱部材の表面を、炭化チタン、窒化チタン，炭窒化チタ
ンのうちの単層または複層からなり、かつ平均層厚が0.
05〜１mmの熱安定性硬質層で被覆した加熱部材が開示さ
れている。しかし、この技術においては導電性の点は意
図されていないし、適用されている化学蒸着法(CVD)や
高温蒸発蒸着法では電気抵抗に変動を生じない被覆界面
を形成することは困難である。
熱部材の表面を、炭化チタン、窒化チタン，炭窒化チタ
ンのうちの単層または複層からなり、かつ平均層厚が0.
05〜１mmの熱安定性硬質層で被覆した加熱部材が開示さ
れている。しかし、この技術においては導電性の点は意
図されていないし、適用されている化学蒸着法(CVD)や
高温蒸発蒸着法では電気抵抗に変動を生じない被覆界面
を形成することは困難である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明者は、メッキロ
ーラーのような導電炭素材料に対する被覆物質としては
金属材料に近似する電気抵抗値を有し、しかも材質硬度
が高いＴｉＣが最適であることに着目し、炭素質基材の
表面に電気抵抗に変動を与えない密着強固な薄層として
ＴｉＣを被覆形成する手段を解明して本発明に至ったも
のである。
ーラーのような導電炭素材料に対する被覆物質としては
金属材料に近似する電気抵抗値を有し、しかも材質硬度
が高いＴｉＣが最適であることに着目し、炭素質基材の
表面に電気抵抗に変動を与えない密着強固な薄層として
ＴｉＣを被覆形成する手段を解明して本発明に至ったも
のである。
【０００６】したがって、本発明の目的は、高度の導電
性能ならびに耐摩耗性を備えるＴｉＣ被覆炭素材を効率
よく製造するための方法を提供することにある。
性能ならびに耐摩耗性を備えるＴｉＣ被覆炭素材を効率
よく製造するための方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明によるＴｉＣ被覆高導電炭素材の製造方法
は、ＴｉＯ2 粉末と無機質還元性粉末の混合物を不活性
雰囲気下で1800〜2250℃の温度により加熱してＴｉＯガ
スを発生させ、該ＴｉＯガスを炭素質基材に接触させて
基材炭素との反応により基材面に膜厚10〜1000μm のＴ
ｉＣ被膜層を形成することを構成上の特徴とする。
めの本発明によるＴｉＣ被覆高導電炭素材の製造方法
は、ＴｉＯ2 粉末と無機質還元性粉末の混合物を不活性
雰囲気下で1800〜2250℃の温度により加熱してＴｉＯガ
スを発生させ、該ＴｉＯガスを炭素質基材に接触させて
基材炭素との反応により基材面に膜厚10〜1000μm のＴ
ｉＣ被膜層を形成することを構成上の特徴とする。
【０００８】本発明において、ＴｉＯ2 粉末と無機質還
元性粉末はＴｉＯガスを発生させる原料系となるもの
で、十分均一に機械的混合した状態で用いられる。無機
質還元性粉末としては、コークス、炭素、黒鉛のような
炭素質粉末、金属Ｔｉ粉末またはＴｉＨ2 粉末を挙げる
ことができ、いずれも本発明の目的に対して好適に使用
される。原料系の混合物は、ＴｉＯ2 粉末に対し無機質
還元性粉末を反応モル比よりも多く配合した組成として
おくことが好ましい。
元性粉末はＴｉＯガスを発生させる原料系となるもの
で、十分均一に機械的混合した状態で用いられる。無機
質還元性粉末としては、コークス、炭素、黒鉛のような
炭素質粉末、金属Ｔｉ粉末またはＴｉＨ2 粉末を挙げる
ことができ、いずれも本発明の目的に対して好適に使用
される。原料系の混合物は、ＴｉＯ2 粉末に対し無機質
還元性粉末を反応モル比よりも多く配合した組成として
おくことが好ましい。
【０００９】ＴｉＣの被覆処理は、前記の原料混合物を
加熱してＴｉＯ2 の還元反応によりＴｉＯガスを発生さ
せ、該ＴｉＯガスを炭素質基材に接触させて反応させる
ことによっておこなう。炭素質基材は予め製品形状に加
工された炭素もしくは黒鉛材により構成されるが、材質
組織としては緻密で高強度熱膨張係数の高い等方性黒鉛
材から形成することが望ましい。被覆工程は、例えば原
料混合物を黒鉛容器に敷き詰めて密閉系の加熱装置に設
定し、その上部に適宜な間隔を置いて炭素質基材をセッ
トして加熱反応させる方法が採られる。
加熱してＴｉＯ2 の還元反応によりＴｉＯガスを発生さ
せ、該ＴｉＯガスを炭素質基材に接触させて反応させる
ことによっておこなう。炭素質基材は予め製品形状に加
工された炭素もしくは黒鉛材により構成されるが、材質
組織としては緻密で高強度熱膨張係数の高い等方性黒鉛
材から形成することが望ましい。被覆工程は、例えば原
料混合物を黒鉛容器に敷き詰めて密閉系の加熱装置に設
定し、その上部に適宜な間隔を置いて炭素質基材をセッ
トして加熱反応させる方法が採られる。
【００１０】加熱反応の条件は、系内をＡｒガス等で置
換して不活性雰囲気に保持し、昇温する温度を1800〜22
50℃、の範囲に設定する。加熱温度が1800℃未満である
と形成されるＴｉＣ被膜層の膜厚が不足し、2250℃を越
えると逆に被膜層が厚くなり過ぎて被覆界面で層間剥離
が生じるようになる。前記の条件範囲において温度およ
び時間を調整することにより炭素質基材面に膜厚10〜10
00μm で電気抵抗値10〜500 μΩcmのＴｉＣ被膜層を形
成する。ＴｉＣ被膜層の膜厚が10μm 未満では耐摩耗性
を十分に向上させることができず、1000μm を越えると
前記したように被膜層と基材炭素層との界面で層間剥離
が発生する。
換して不活性雰囲気に保持し、昇温する温度を1800〜22
50℃、の範囲に設定する。加熱温度が1800℃未満である
と形成されるＴｉＣ被膜層の膜厚が不足し、2250℃を越
えると逆に被膜層が厚くなり過ぎて被覆界面で層間剥離
が生じるようになる。前記の条件範囲において温度およ
び時間を調整することにより炭素質基材面に膜厚10〜10
00μm で電気抵抗値10〜500 μΩcmのＴｉＣ被膜層を形
成する。ＴｉＣ被膜層の膜厚が10μm 未満では耐摩耗性
を十分に向上させることができず、1000μm を越えると
前記したように被膜層と基材炭素層との界面で層間剥離
が発生する。
【００１１】上記の条件によりＴｉＯガスと基材炭素を
反応させることにより、全体として電気抵抗値が10〜50
0 μΩcmのＴｉＣ被覆高導電炭素材が製造される。
反応させることにより、全体として電気抵抗値が10〜50
0 μΩcmのＴｉＣ被覆高導電炭素材が製造される。
【００１２】
【作用】炭素質基材に、例えばＣＶＤ法、プラズマ溶射
法あるいはスパッタ法などにより直接的に沈着または付
着させる被覆法でＴｉＣ被膜層を形成すると、形成した
ＴｉＣ層と基材炭素との熱膨張係数の差に基づいて冷却
時に被覆層界面に無数のマイクロクラックが発生し、電
気抵抗を高める変動原因となる。これに対し、本発明の
被覆法によればガス状のＴｉＯが基材炭素と気−固反応
して表面の基材炭素を漸次ＴｉＣに転換する機構でＴｉ
Ｃ被膜層が形成される。
法あるいはスパッタ法などにより直接的に沈着または付
着させる被覆法でＴｉＣ被膜層を形成すると、形成した
ＴｉＣ層と基材炭素との熱膨張係数の差に基づいて冷却
時に被覆層界面に無数のマイクロクラックが発生し、電
気抵抗を高める変動原因となる。これに対し、本発明の
被覆法によればガス状のＴｉＯが基材炭素と気−固反応
して表面の基材炭素を漸次ＴｉＣに転換する機構でＴｉ
Ｃ被膜層が形成される。
【００１３】前記の層形成過程では、ＴｉＯガスが炭素
質基材の組織に侵入しながら反応が始まり、最終的に表
面を完全にＴｉＣに転換するプロセスで被覆化が進行す
る。このため、ＴｉＣ被膜層と炭素質基材の間には内部
から表面にかけて次第にＴｉＣ濃度が増大する中間的な
傾斜機能組織が形成される。このような被覆界面のない
傾斜機能組織によるＴｉＣ被膜層が熱膨張差に基づく応
力を巧みに緩和し、この作用で電気抵抗を変動させるマ
イクロクラック等の欠陥現象を伴うことなしに緻密強固
なＴｉＣ被膜層の形成が可能となる。
質基材の組織に侵入しながら反応が始まり、最終的に表
面を完全にＴｉＣに転換するプロセスで被覆化が進行す
る。このため、ＴｉＣ被膜層と炭素質基材の間には内部
から表面にかけて次第にＴｉＣ濃度が増大する中間的な
傾斜機能組織が形成される。このような被覆界面のない
傾斜機能組織によるＴｉＣ被膜層が熱膨張差に基づく応
力を巧みに緩和し、この作用で電気抵抗を変動させるマ
イクロクラック等の欠陥現象を伴うことなしに緻密強固
なＴｉＣ被膜層の形成が可能となる。
【００１４】かかるＴｉＣ被膜層は、不活性雰囲気下18
00〜2250℃の反応条件を設定して10〜1000μm の膜厚に
調整することにより形成され、基材全体の電気抵抗値を
10〜500 μΩcmの高導電範囲に保持するとともに、苛酷
な使用環境に際しても十分に安定使用し得る耐摩耗性が
付与される。
00〜2250℃の反応条件を設定して10〜1000μm の膜厚に
調整することにより形成され、基材全体の電気抵抗値を
10〜500 μΩcmの高導電範囲に保持するとともに、苛酷
な使用環境に際しても十分に安定使用し得る耐摩耗性が
付与される。
【００１５】
【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。
明する。
【００１６】実施例１〜３、比較例１〜２ 平均粒子径 0.6μm の高純度ＴｉＯ2 粉末〔富士チタン
工業（株）製〕90g と平均粒子径７μm の石油系コーク
ス粉末30g を十分均一に混合し、この混合物を黒鉛坩堝
に充填して黒鉛ヒーターを内蔵した密閉型間接加熱炉に
設置し、その上部位置に７mmの間隔を設けて縦横100mm
、厚さ20mmの等方性黒鉛材〔東海カーボン（株）製、G
540〕で形成した炭素質基材をセットした。
工業（株）製〕90g と平均粒子径７μm の石油系コーク
ス粉末30g を十分均一に混合し、この混合物を黒鉛坩堝
に充填して黒鉛ヒーターを内蔵した密閉型間接加熱炉に
設置し、その上部位置に７mmの間隔を設けて縦横100mm
、厚さ20mmの等方性黒鉛材〔東海カーボン（株）製、G
540〕で形成した炭素質基材をセットした。
【００１７】炉内をＡｒガスで置換して不活性雰囲気に
保持した状態で通電し、50℃／hrの昇温速度で所定の反
応温度に加熱してＴｉＣの被覆処理をおこなった。この
ようにして形成されたＴｉＣ被膜層の膜厚、処理基材の
電気抵抗および層間部分におけるクラックの発生状況を
測定・観察し、その結果を適用した反応温度と対比させ
て表１に示した。なお、電気抵抗は定電流電圧降下方法
(JIS R7202準拠) で測定し、ＴｉＣ被覆層の膜厚および
クラックの確認はＳＥＭ観察によった。
保持した状態で通電し、50℃／hrの昇温速度で所定の反
応温度に加熱してＴｉＣの被覆処理をおこなった。この
ようにして形成されたＴｉＣ被膜層の膜厚、処理基材の
電気抵抗および層間部分におけるクラックの発生状況を
測定・観察し、その結果を適用した反応温度と対比させ
て表１に示した。なお、電気抵抗は定電流電圧降下方法
(JIS R7202準拠) で測定し、ＴｉＣ被覆層の膜厚および
クラックの確認はＳＥＭ観察によった。
【００１８】
【表１】
【００１９】表１の結果から、本発明の反応条件を満た
す実施例で形成されたＴｉＣ層は 100〜500 μm の膜厚
範囲にある均質で層間部分にマイクロクラックが認めら
れない正常な被膜で、処理基材全体の電気抵抗は100 μ
Ωcm以下の高導電性を示すものであった。これに対し、
反応温度が1800℃を下廻る比較例１のＴｉＣ被覆層は膜
厚が極端に薄くて耐摩耗性が不足し、逆に反応温度が22
50℃を越える比較例２ではＴｉＣ被膜が厚すぎて層間剥
離が認められた。
す実施例で形成されたＴｉＣ層は 100〜500 μm の膜厚
範囲にある均質で層間部分にマイクロクラックが認めら
れない正常な被膜で、処理基材全体の電気抵抗は100 μ
Ωcm以下の高導電性を示すものであった。これに対し、
反応温度が1800℃を下廻る比較例１のＴｉＣ被覆層は膜
厚が極端に薄くて耐摩耗性が不足し、逆に反応温度が22
50℃を越える比較例２ではＴｉＣ被膜が厚すぎて層間剥
離が認められた。
【００２０】実施例４ 実施例１と同一のＴｉＯ2 粉末90g に粒子径44μm 以下
のＴｉＨ2 粉末〔大阪チタニウム（株）製〕30g を均一
に機械混合した。この混合物を用いて実施例と同様に操
作し、反応温度1900℃により炭素質基材にＴｉＣ被膜層
を形成した。この条件で形成されたＴｉＣ層の膜厚は 8
00μm で層間部分にクラック等の欠陥現象は認められ
ず、処理基材の電気抵抗は40μΩcmと高導電性能を示し
た。
のＴｉＨ2 粉末〔大阪チタニウム（株）製〕30g を均一
に機械混合した。この混合物を用いて実施例と同様に操
作し、反応温度1900℃により炭素質基材にＴｉＣ被膜層
を形成した。この条件で形成されたＴｉＣ層の膜厚は 8
00μm で層間部分にクラック等の欠陥現象は認められ
ず、処理基材の電気抵抗は40μΩcmと高導電性能を示し
た。
【００２１】
【発明の効果】以上のとおり、本発明に従えばＴｉＯガ
スとの反応を介して炭素質基材面をＴｉＣ層に転換させ
る機構の被覆プロセスにより高導電性と耐摩耗性を兼備
するＴｉＣ被覆炭素材を効率よく製造することができ
る。したがって、鉄板の表面処理に適用されるメッキロ
ーラー等の導電部材を製造するための技術として極めて
有用である。
スとの反応を介して炭素質基材面をＴｉＣ層に転換させ
る機構の被覆プロセスにより高導電性と耐摩耗性を兼備
するＴｉＣ被覆炭素材を効率よく製造することができ
る。したがって、鉄板の表面処理に適用されるメッキロ
ーラー等の導電部材を製造するための技術として極めて
有用である。
Claims (2)
- 【請求項１】 ＴｉＯ2 粉末と無機質還元性粉末の混合
物を不活性雰囲気下で1800℃〜2250℃の温度により加熱
してＴｉＯガスを発生させ、該ＴｉＯガスを炭素質基材
に接触させて基材炭素との反応により基材面に膜厚10〜
1000μm のＴｉＣ被膜層を形成することを特徴とするＴ
ｉＣ被覆高伝導炭素材の製造方法。 - 【請求項２】 無機質還元性粉末が、炭素質粉末、金属
Ｔｉ粉末またはＴｉＨ2 粉末である請求項１記載のＴｉ
Ｃ被覆高導電炭素材の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06905692A JP3193761B2 (ja) | 1992-02-17 | 1992-02-17 | ＴｉＣ被覆高導電炭素材の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06905692A JP3193761B2 (ja) | 1992-02-17 | 1992-02-17 | ＴｉＣ被覆高導電炭素材の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05221757A JPH05221757A (ja) | 1993-08-31 |
| JP3193761B2 true JP3193761B2 (ja) | 2001-07-30 |
Family
ID=13391538
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06905692A Expired - Fee Related JP3193761B2 (ja) | 1992-02-17 | 1992-02-17 | ＴｉＣ被覆高導電炭素材の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3193761B2 (ja) |
-
1992
- 1992-02-17 JP JP06905692A patent/JP3193761B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05221757A (ja) | 1993-08-31 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |