JPH03199164A - 炭化ケイ素炭素複合セラミックス成形体の製造方法 - 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、強度、硬度、破壊靭性、摩擦係数、耐摩耗性
等に優れた炭化ケイ素炭素複合セラミックスに関する。

［従来の技術］ セラミックスは金属に比べ、耐熱性、強度、硬度、耐摩
耗性、耐食性に優れ、しかも軽量であるため、近年、高
温構造材料として、多くの開発がなされ実用化されてい
る。例えば、その一つである炭化ケイ素は高温における
強度の劣化も少なく、耐食性、耐摩耗性にも優れ、熱伝
導率も大きいなど多くの長所を持つため、自動車のエン
ジン部材やメカニカルシール、軸受け、制御バルブなど
の耐食性、耐摩耗性、高温強度が要求される部分や、磁
気ヘッドスライダ−などの精密摺動部材などへの適用が
検討されている。

しかしながら、炭化ケイ素は破壊靭性値が窒化ケイ素、
ジルコニア等に比べ小さいため、構造材料として使用す
る場合は信頼性の面で問題を有する。また、炭化ケイ素
セラミックスそれ自体は摩擦係数が大きく、これを摺動
部材に使用した際は相手材を傷つけたり摩擦熱による膨
張で寸法精度がでなくなるといった問題がある。

これらの問題を解決する手段として、特開昭６３−１４
７８８０号公報の「炭化ケイ素−炭素複合材」及び特開
昭６１−５８８６１号公報の「炭化ケイ素質材料及びそ
の製造法」が提案されている。

しかしこれらは多孔質の炭化ケイ素に有機高分子化合物
または熱硬化性樹脂を含浸焼成させて得られるものであ
るが、機械的強度が十分でなく、実用上問題を有する。

［発明が解決しようとする課題１ 本発明は、強度、硬度、破壊靭性、及び耐摩耗性に優れ
、且つ摩擦係数の小さいセラミックスを提供することを
目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、結晶相と非晶相を特定の割
合で含む炭素と、炭化ケイ素とを複合すれば優れた功を
奏することを見い出し、本発明を成すに至った。

即ち本発明は、炭化ケイ素（ａ）　１００重量部に対し
、０．２〜５０重量部の炭素（ｂ）を含有し、該炭素（
ｂ）の結晶相と非晶相とのレーザーラマン分光強度のピ
ーク面積比が０．１〜ｌ０６０であることを特徴とする
炭化ケイ素炭素複合セラミックスを提供する。更に本発
明は、それを用いた摺動機械部品を提供する。

本発明で使用する炭化ケイ素（ａ）は、セラミックスの
マトリクラスとなるもので、α、βのいずれの結晶型で
あってもよい。また純度は、密度の低下や強度及び破壊
靭性値の劣化等を防ぐために、またヤング率等の機械的
特性の面から、９０ｗｔ％以上が好ましく、より好まし
くは９５ｗ（％以上である。炭化ケイ素の形態は焼結性
の面から、粒径５μｍ以下の粉末が望ましい。

本発明の複合セラミックス中の炭素（ｂ）は、炭素の単
体であって、結晶相と非晶相から成る。具体的には炭素
の単体として、無定形炭素、黒鉛等が挙げられる。これ
ら単体の結晶相は、レーザーラマン分光で１５８０ＣＲ
−’付近を中心とする１４５０〜１７００ＣＪＩ−’ｌ
こかけてのピークを有する。

また非晶相は、１３６０ｃｍ−’付近を中心とする１３
００〜１４５０ｃｍ−’にかけてのピークを有する。

上記結晶相に於ける結晶構造としては、例えばグラファ
イト型平面六角形構造、菱面体形構造等が挙げられる。

単体中の結晶相と非晶相の存在比は、上記ピーク面積比
で０．１〜Ｉ　Ｏ，０である。存在比がこの範囲外だと
機械的特性（即ち、強度、硬度等）に劣るので好ましく
ない。

本発明の複合セラミックスの組成に於いて、上記炭素（
ｂ）は、上記炭化ケイ素（ａ）　１００重量部に対し０
，２〜５０．０重量部、好ましくは０．５〜４５．０重
量部である。０．２重量部未満では、摩擦係数低減効果
が無く、また、５０，０重量部より多いと、強度、硬度
、耐摩耗性が劣るため好ましくない。

本発明の複合セラミックスの製造方法に於いては上記炭
素（ｂ）を、製造工程中に適当な炭素源から生成させて
も良い。即ち、上記炭化ケイ素、後述の炭素源、及び必
要により、通常用いられる添加剤等（例えば、公知のホ
ウ素化合物等の焼結助剤等）を湿式混合し、仮焼する。

この仮焼工程により炭素源は上記炭素（ｂ）に変換され
る。次いで造粒成形後、焼成することにより複合セラミ
ックスが製造される。

上記湿式混合は、ボールミル、振動ミル、遊星ミル等で
行なって良い。又使用する溶剤としては有機溶剤、例え
ばベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族系や、メタ
ノール、エタノール等のアルコール系またメチルエチル
ケトン等のケトン系などが好ましい。

上記仮焼工程は、湿式混合した混合物を好ましくは不活
性雰囲気下（例えば窒素ガス、アルゴンガス等の雰囲気
下）、４００〜８００℃で熱処理して行なわれる。４０
０℃より低いと十分に炭素（ｂ）に変換されず、又、８
００℃より高いと配合粒子の自由焼結が起こり、スプレ
ードライ時の再分散がし難く、好ましくない。

上記炭素源としては、湿式混合に使用する上記有機溶剤
に可溶性若しくは分散性のもので、且つ上記仮焼条件下
に炭素（ｂ）に変換されるものであれば特に限定されな
い。そのような炭素源としては具体的には、フラン樹脂
、フェノール樹脂、コールタールピッチ等が挙げられる
。

上記造粒成形に於いて、造粒はスプレードライ等で行な
って良い。又成形は金型成形法、ＣＩＰ法、又はスリッ
プキャスティング法等で行なっても良い。

上記焼成工程は、不活性雰囲気下若しくは真空下、１８
００〜２３００℃で行なうのが望ましい。

焼成温度がこの範囲外だと焼結体の密度の低下や炭化ケ
イ素（ａ）の粒子成長等による強度、硬度等の機械的特
性の劣化を招くこととなり好ましくない。焼成法として
は、高密度化させるためにホットプレス、ＨＩＰ法等を
用いても良い。

上記のようにして得られる複合セラミックスは摺動特性
が優れ、かつ耐摩耗性にも優れ、摺動部品として極めて
好適である。摺動部品は機械要素がその可動する部分を
有し、−時的または常時接触し、かつ相対的に摺動する
部分に於いて少なくとも、その摺動面が本発明の炭化ケ
イ素炭素複合セラミックスより構成されていることを要
する。

摺動部品の具体例としては軸受はリテーナ−、メカニカ
ルシール、石炭スラリーの流量バルブ、線引きダイス等
が挙げられる。

［実施例］ 以下に本発明を実施例によって更に詳しく説明するが、
本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１〜１７及び比較例１．４〜７）表−１に示す
炭素源、粒径０．５μｍのβ−炭化ケイ素（純度９８ｗ
ｔ％）、−及び焼成助剤としてＢ、Ｃ２ｗｔ％を、振動
ミルでエタノール湿式混合し、アルゴン雰囲気下６００
℃で仮焼した。スプレードライで造粒後、金型成形法で
成形し、次いで表１に示す焼成雰囲気下及び焼成温度で
、１時間焼成した。必要によりこれを表−１に示す加圧
下、ホットプレスして各セラミックスを製造した。

（比較例２及び３） それぞれエタノールを溶解したフェノール樹脂を多孔質
炭化ケイ素に含浸し、アルゴン雰囲気下６００℃で仮焼
し、次いで表−１に示す焼成雰囲気下および焼成温度で
１時間焼成してセラミックス（それぞれ比較例２及び３
）を製造した。

上記各実施例及び各比較例のセラミックス中の、炭化ケ
イ素（ａ）１００重量部に対する炭素（ｂ）の組成比を
表−１に示す。又、ラマン分光により測定した炭素（ｂ
）の結晶相と非晶相との比を表−１に示す。更に、各セ
ラミックスの強度、硬度、ヤング率、破壊靭性、摩擦係
数、及び耐摩耗性を試験し、これらの結果を表−１に示
す。

実施例１を転がり軸受けりテーナーに精密加工し、使用
したところ、無潤滑で長時間の耐久性を示した。

実施例２をメカニカルシールに適用したところ、従来材
料に比べ、シール性も良好で長時間の耐久性を示した。

実施例７を石炭スラリーの流量バルブとして使用したと
ころ、スラリーのカットオフがスムーズに行え、摺動特
性が良好で、耐摩耗性も良好であった。

実施例１１を精密加工し、磁気ヘッド基材として使用し
たところ、相手メディアを傷つけることなく、耐久性も
良好であった。

実施例１６を撚糸リングとして使用したところ、従来セ
ラミックスに比べ、低摩耗性、高耐久性を示した。

［発明の効果］ 実施例より明らかなように、本発明で得られた炭化ケイ
素炭素複合セラミックスは、従来の炭化ケイ素セラミッ
クスに比べ、強度、硬度は保持したまま、破壊靭性、摺
動特性の向上がみとめられ、各種摺動機械部品として産
業上有用である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭化ケイ素（ａ）１００重量部に対し、０．２〜
   ５０重量部の炭素（ｂ）を含有し、該炭素（ｂ）の結晶
   相と非晶相とのレーザーラマン分光強度のピーク面積比
   が０．１〜１０．０であることを特徴とする炭化ケイ素
   炭素複合セラミックス。
2. （２）請求項１記載の炭化ケイ素炭素複合セラミックス
   からなる摺動機械部品。