JPH02129071A - 炭化硅素系セラミックスの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 本発明はセラミックスの製造方法に係り、特に切削加工
に好適な炭化珪素系セラミックスの製造方法に関する。

〔従来の技術〕

炭素材料を所要の形状に加工した後、これを炭化珪素に
変換することによる従来の炭化珪素系セラミックスの製
造方法は、特願昭５８−２５２９１号公報、特開昭６０
−２５１１７５号公報にそれぞれの方法が開示されてい
る。特願昭６２−０７６５７０号公報には、切削可能な
炭素／ｍ脂複合成形体を加工することにより所望の形状
となし、しかるのち、樹脂分を分解、炭化、および珪素
の溶浸、ならびに反応と云う一連の過程を経て製品に至
る方法が開示されている。

炭化珪素系セラミックスは高温構造材料、耐摩耗材料、
耐食材料、高熱伝導材料、低熱膨張材料等に有用なセラ
ミックスである。

炭化珪素はＣ＋Ｓｉ→ＳｉＣなる反応によって生成する
ので、加工の容易な炭素材料で予め所望の多孔質の炭素
成形体を製作し、これに珪素を溶浸させ、反応させる事
により、前記炭素成形体を炭化珪素に変換する事によっ
て炭化珪素系セラミックス成形体を製作する事が出来れ
ば、工業的に極めて有効な技術となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、ｌａ品が小さい場合はよいが、大きく
なると切削加工した後に製品に成るまで原理的に寸法変
化が起り、その点について配慮がされておらず樹脂分の
分解炭化後に加工を行えば、この問題は直ちに解決され
るものの、取り扱いに問題があった。

本発明の目的は、形状加工後実質的に寸法変化のない炭
化珪素系セラミックス成形体の製造方法を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の目的は、粒径５μｍ以下の炭素粉末と多環芳香
族系樹脂粉末と珪素とからなり、その５〜７５重量％が
珪素、残りの２０〜８０重量％が炭素粉末である複合成
形体を形成し、該複合成形体を不活性雰囲気中で加熱し
て、切削可能な多孔質炭化珪素焼結体を形成し、該多孔
質焼結体を所望の形状に加工して製品のスケルトンを製
作し、該スケルトンに液状多環芳香族系樹脂を含浸、乾
燥、硬化したのち、含浸炭素分に当量の珪素と共に、不
活性雰囲気中で、初めは徐々に加熱して樹脂を分解し、
炭化し、更に最終的には珪素の融点以上に加熱して珪素
をｉ８融、浸透、反応させて該スケルトンを緻密化する
ことにより達成される。

〔作用〕

粒径５μｍ以下の炭素粉末２０〜８０重量％と多環芳香
族系樹脂粉末８０〜２０重量％を均等に混合し、更にそ
の含有炭素量と当量の珪素粉末を添加混合することによ
り、焼成後、切削可能な炭化珪素微粒多孔質焼結体を形
成する原料混合粉が調製される。更に成形、硬化するこ
とにより、炭素と多環芳香族系樹脂と珪素から成りその
５〜７５重量％が珪素、残の２０〜８０重量％が炭素粉
末である巨視的に均質な複合成形体が形成される。

この複合成形体を不活性雰囲気中で徐々に加熱すること
により有機物が分解炭化する。更に加熱して珪素の融点
直上の温度となすことにより、珪素は溶融し、炭素と反
応して焼結し、切削可能な炭化珪素微粒多孔質体が形成
される。

この時、若し前記原料混合粉中の炭素粉末の粒径が５μ
ｍ以下でないと、この炭化珪素多孔質焼結体は、炭素と
珪素の反応により炭化珪素が形成される際の体積膨張を
分散吸収することができずに亀裂が生ずるので、前記炭
素粉末は粒径が５μｍ以下、好ましくは平均粒径が１μ
ｍ程度以下であることを要する。

又、前記複合成形体において、珪素成分が５重量％より
少ないとセラミックスとしての効果が無く、７５重量％
より多いと切削性が悪くなる。珪素成分を除く残余の中
、炭素粉末成分が２０重量％未満では粒径が５μｍ以下
の炭素粉末を混入する効果がなくて前記多孔質体形成時
に亀裂を発生し、同８０重量％を超えるときは樹脂成分
の量が少なすぎて、前記複合成形体形成時、亀裂を発生
することがある。

前記炭化珪素微粒多孔質体は、適度な機械的強度と切削
性をもつので、任意の形状に容易に加工することができ
る。この様にして製作された製品のスケルトンは、液状
多環芳香族系樹脂を含浸、乾燥、硬化したのち、含浸炭
素分に当量の珪素と共に、不活性雰囲気中で、徐々に加
熱して有機物を分解、炭化することにより、該スケルト
ンの空孔中に、所要量の炭素を含有させることができる
。

更に引きつづき加熱して、珪素の融点以上に昇温するこ
とにより、珪素は溶融してその中に有機物を含まず、炭
素を含有する前記空孔中に浸透してその炭素と反応する
ことにより、該空孔中に炭化珪素を形成し、前記スケル
トンは緻密化される。

本願発明の多孔質体は焼結体であるから緻密化工程によ
って寸法は変化せず主として生成した炭化珪素で空孔が
埋まるだけである。

例えば、フェノール樹脂中の含有炭素量は理論的には７
９．２５％であり、液状フェノール樹脂、例えば−液性
フェノール樹脂系接着剤中の含有樹脂分は５３％である
から、前記スケルトンに含浸残存する炭素分は全空孔容
積の４２％となる。したがって、これと当量の珪素を反
応させることにより、全空孔容積の１００％の炭化珪素
を生成するから、前記スケルトンの空孔は炭化珪素で完
全に埋まり、緻密化する。（Ｃ＋Ｓｉ→ＳｉＣの反応に
於いて、ＳｉＣはＣの体積の２．４倍の体積を有する。

） 〔実施例〕 以下２本願発明の詳細な説明する。

実施例１ 平均粒！１μｍのグラファイト粉末４部（重量部、以下
略）とノボラック型フェノール樹脂粉末５部をボールミ
ルで２０時間粉砕・混合し、グラファイトとフェノール
樹脂とからなる混合粉末をつくり、この混合粉末１部に
対し、珪素粉末２部の割合で珪素を添加して更に３時間
ボールミルで粉砕・混合した。上記フェノール樹脂の代
わりにエポキシ樹脂、ポリカーボネート、ポリエステル
エーテルケトン、ポリアリール、ポリイミド、ロジン、
ピッチ等を用いても同様の効果が得られる。

これを原料粉末として２０ｇ採り、−液性フェノール樹
脂系接着剤２ｇを溶剤メチルエチルケトン４ｇで希釈し
て加え充分に混合、造粒した。この造粒粉を金型で２０
０　ｋｇ／ａ＋ｆの圧力で圧粉成形し、約５０　Ｘ　５
０　Ｘ　５．５ｍｍの板状の圧粉体となし、これを徐々
に加熱して乾燥し、最終的に１７０℃に昇温しで硬化さ
せ、グラファイト、樹脂、珪素粉末混合物からなる複合
成形体を形成した。

この複合成形体は真空電気炉により、排気しつつ、徐々
に加熱して樹脂を分解し、かつ炭化して。

最終的に１４５０℃でＳ分間焼成した。そのまま放冷し
てのち炉からとり出し計測したところ、重量１８．３５
７ｇ、寸法４８．７　Ｘ　４８．９　Ｘ　５．３臘、密
度１．４５ｇ／ｃｏ？、気孔率５５％の実質的に炭化珪
素からなる多孔質体を形成していた。

この多孔質体を半分に切断し、又、一部に錐穴をあける
等通常の工具で切削加工を試みたが、いずれも容易に加
工が可能であった。

加工後、この多孔質体を一液性フエノール樹脂系接着剤
中に浸漬し、真空装置により減圧含浸させた。このよう
にして樹脂を含浸させた多孔質体の表面に付着した余分
の樹脂を拭い去り、徐々に加熱して乾燥後最終的に１８
０℃にして硬化した。

このものの含浸樹脂分は３．６８　ｇで、炭素分として
は約２．９ｇが見込めるので、炭素分と当量の塊状珪素
７ｇと共に、内面に窒化ボロンをコーティングしたカー
ボン坩堝に入れ、はじめは徐々に加熱して樹脂を分解、
炭化し、最終的に１４５０℃で１０分間、真空中で焼成
した。寸法の変化はなく、密度は２．２ｇ／ａｄであっ
た。更にもう一度この工程を繰り返した所、密度は２．
７４ｇ　／　ＣＩｌ？になった。顕微鏡組織は、微細な
炭化物のネットワークとその空間を埋める様な遊離珪素
相でなっており、炭化物相は、荷重３００ｇで平均Ｈｖ
２６８０の硬さを示し、炭化珪素と確認した。

実施例２ 実施例１と同様にグラファイト４重量部、樹脂５重量部
の混合粉末３部と珪素粉末５部を２時間ボールミルで粉
砕・混合した。

これを原料粉末として、実施例１と同様にしてグラファ
イト、樹脂、珪素粉末混合物からなる複合成形体を形成
した。

この複合成形体を実施例１と同様にして初めは除徐に、
そして最終的には１４５０℃で５分間真空焼成した。こ
の多孔質体に実施例１と同様にして、−液性フェノール
樹脂系接着剤を含浸、乾燥、硬化したのち、真空電気炉
中で排気し乍ら初めは徐々に加熱して、有機物をゆっく
りと分解し、最終的に８００℃で炭化焼成した、このも
のの密度は１．４８ｇ／ｃｄであった。

これは実施例１における多孔質体の気孔中に炭素を含有
したものに相当する。この炭素含有多孔質体に更に一液
性フエノール樹脂系接着剤を前工程と同様にして含浸、
乾燥、硬化し、炭化珪素、炭素、樹脂複合成形体を形成
した。

該複合成形体は気孔率を考慮してその体積の１／２に相
当する重量の珪素と共に実施例１と同様にして、最終的
に１４５０℃で５分間焼成した。

このものの密度は２．９　ｇ／ａｄであった。第１図に
その顕微鏡組織を示すように、多量の微細な粒子の結合
による炭化物相ネットワークと小量の遊離珪素相からな
っていた。第１図の白い部分は遊離珪素相、灰色の部分
は炭化珪素相、黒い部分は遊離炭素相である。水皿発明
のセラミックスの組織の特徴は微細な炭素が炭化珪素の
粒内にあることで１周囲の炭化珪素から圧縮力を受けて
緻密になり硬度が高いことである。又炭素の存在は氷原
発明のセラミックスを摺動材料として用いる場合摩擦係
数を低減する効果がある。炭化物相は荷重３００ｇで平
均Ｈν２７５ｏを示し、炭化珪素であることを確認した
。

実施例３ 実施例１と同様なグラファイト４重量部、樹脂５重量部
の混合粉末１重量部と珪素粉末２重量部を２時間ボール
ミルで粉砕・混合し、適量の一液性フエノール樹脂系接
着剤をアセトンに溶解した希釈液で造粒し、金型で６０
０　ｋｇ／ａｊの圧力で圧粉成形し、約５０Ｘ１０Ｘｌ
Ｏａ＋＋の棒状の圧粉体となし、１７０℃で硬化した。

次いで実施例１と同様にして１４５０℃で２分間焼成し
て多孔質体を形成した。この多孔質体の密度は１．３５
　ｇ／ｄで気孔率は５７％であった。

該多孔質体に一液性フエノール樹脂系接着剤を含浸、乾
燥、硬化後、大過剰量である約７ｇの珪素と共に実施例
１と同様にして最終的には１４５０℃で３０分焼成した
。余分の珪素は溶融水酸化すトリウムで溶解除去した。

密度は２．５６　ｇ／−であった。顕微鏡組織は基本的
には第１図と同様だが遊離珪素相が可成り大きな面積を
占め、炭化物相の粒はやや大きく成長していた。炭化物
相の硬さは荷重３００ｇで平均Ｈν２６１０を示し、炭
化珪素と確認された。遊離珪素の相は、荷重３００ｇで
平均Ｈν１１８０であった。以上３例は炭化珪素相の分
量に於いて異なるもので、機械的性質もそれぞれ相応に
異なるものである。

次の表に各実施例の製造条件と物性を示す。

実施例　　　　　　　　　１２ グラファイト　重量部　　４４ フェノール樹脂　　！！５５ 上記混合物　　　　　　　１３ 珪素粉末　　　　　　　　２５ 成形圧力　　ｋｇ／国”　　２００　２００成形後硬化
温度　　℃１７０　１７０ 多孔質体形成温度　℃１４５０　１４５０形成時間　　
　　ＬＩｌｉｎ　　　５　　５形成後書度　　ｇ／ａｎ
３１．４５　１．４８形成後気孔率　　　％　　５５５
０ 含浸後硬化温度　　’Ｃ１８０１８０ 塊状珪素量　１回目　　　当量少過剰 塊状珪素量　２回目　少過剰 ｍ密化焼成温度　　’Ｃ１４５０１４５０焼成時間　　
　　ｗｉｎ　　　１０　　５焼成後書度　　ｇ／■’　
　２，７４　２．９硬度　　　　　　■ν　２６８０　
２７５０曲げ強度　　ｋｇ／　ｌ１ｆｉ”　　２６．７
　４１．１２．５６ １２．５ １．３５ 過剰 但し、実施例２の形成後密度は後記の樹脂含浸炭化工程
を実施した後の多孔質体の値である。実施例２では樹脂
含浸炭化工程を更に実施しその炭化温度は８００℃であ
った。

〔発明の効果〕

本発明により炭化珪素系セラミックスを製造するに当り
１通常の工具で切削可能な中間体及び。

その後の緻密化処理によって寸法変化の無い多孔質体を
用いて、セラミックスの成形加工にかかる多大のエネル
ギと費用を大幅に軽減する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るセラミックスの粒子構造
を示す顕微鏡組織写真である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．粒径５μｍ以下の炭素粉末と多環芳香族系成形用樹
   脂と珪素粉末とからなり，その５〜７５重量％が珪素で
   珪素以外の残りの成分の割合が炭素２０〜８０重量％，
   樹脂８０〜２０重量％である複合成形体を形成する工程
   と，該複合成形体を不活性雰囲気中で加熱して，実質的
   に炭化珪素または炭化珪素と炭素及び・又は珪素とから
   なる，通常工具による切削加工が可能である硬度を有す
   る多孔質体を形成する工程と，該多孔質体に液状の多環
   芳香族系接着用樹脂を含浸させ，それに不活性雰囲気中
   で溶融珪素を浸透させて反応させることにより該多孔質
   体を緻密化する工程とを有することを特徴とする炭化珪
   素系セラミックスの製造方法。
2. ２．前記緻密化した多孔質体が緻密化する以前の寸法形
   状の保持を可能とする請求項１に記載の炭化珪素系セラ
   ミックスの製造方法。