JPH03226535A - 炭化珪素粉末含有金属複合体の製造方法 - 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、機械的特性に優れた炭化珪素粉末含有金属複
合体の製造方法に関する。

［従来の技術］ 近年、金属の強度や耐熱性を向上させるために、金属中
に炭化珪素粉末を混合分散させて複合体とすることが試
みられている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、前記金属中に混合分散させる炭化珪素粉
末としては、なるべく微細なものが好ましいか、微細な
炭化珪素粉末は、−船釣に凝集し易い特性を有しており
、炭化珪素粉末が不均一な凝集状態のまま混在する複合
体となり、理論的に期待される特性に比較して僅かしか
特性を向上させることができなかった。

［課題を解決するための手段および作用］そこで、本発
明者らは、炭化珪素粉末と金属との複合体を製造するに
あたり、溶融金属中に均一分散させることのできる微細
な炭化珪素粉末を得るへく研究し、特に吸着フッ素量が
１０ｐｐｍ以下、吸着塩素量が１０ｐｐｍ以下の炭化珪
素粉末であれば、極めて容易に溶融金属中に均一分散さ
せることのできることを新規に知見するに到り、本発明
を完成した。

すなわち、本発明によれば、主としてβ型結晶からなる
炭化珪素粉末であって、比表面積か１０、、ｌ　／　２
以上、５ｉＣｈ含有量が２重量％以下、遊離炭素含有量
が２重量％以下、吸着フッ素量が１０ｐｐｍ以下、吸着
塩素量か１０ｐｐｍ以下の炭化珪素粉末を金属溶湯中へ
分散させることにより、極めて機械的特性に優れた炭化
珪素粉末含有金属複合体を製造することかできる。

前記炭化珪素粉末が、主としてβ型結晶からなる炭化珪
素粉末であることが必要である理由は、α型結晶からな
る炭化珪素は、−船釣に粗粒として合成されるため、金
属中に混合分散させて強度や耐熱性を向上させるための
炭化珪素粉末として適していないからであり、これに対
してβ型結晶からなる炭化珪素粉末は、金属中に混合分
散させて強度や耐熱性を向上させるための微細な粉末を
直接合成することができるからである。

前記炭化珪素粉末の比表面積が１０ｒｎ’／ｇ以上であ
ることが必要である理由は、比表面積が１０ｍ′／ｇよ
り小さいと炭化珪素粉末１粒子あたりの金属との接触面
積か大きく機械的特性に優れた炭化珪素粉末含有金属複
合体を製造することができるからである。

前記炭化珪素粉末の５ｉＣｈ含有量が２重量％以下であ
ることが必要である理由は、前記炭化珪素粉末のＳｉＯ
□は、一般に炭化珪素粉末の表面に形成された酸化被膜
であり、ＳｉＯ２含有量か２重量％より多いと炭化珪素
粉末粒子と金属との界面に介在している酸化被膜が炭化
珪素粉末粒子と余興との結合性を劣化させるからである
。

前記炭化珪素粉末の遊離炭素含有量か２重量％以下であ
ることが必要である理由は、遊離炭素含有量が２重量％
より多いと、炭化珪素粉末に含有されている遊離炭素が
、金属中に固溶したり、不純物として介在して金属の特
性を劣化させるからである。

前記炭化珪素粉末の吸着フッ素量が１０ｐｐｍ以下、吸
着塩素量が１０ｐｐｍ以下であることが必要である理由
は、前記炭化珪素粉末に吸着しているフッ素量や塩素量
が１０ｐｐｍより多いと炭化珪素粉末か凝集し易く、金
属中に均一に分散させることか困難であるからである。

前記炭化珪素粉末の吸着フッ素や吸着塩素は、炭化珪素
粉末から炭化珪素粉末の酸化被膜等の５ｉ０２を除去し
たり、粗粒の炭化珪素を微細化する際に機械から混入し
た金属不純物を除去するために施される酸洗浄に起因す
るものである。

本発明によれば、炭化珪素粉末を分散させる金属として
は、例えばアルミニウム、マグネシウム、シリコン等の
金属あるいはこれらの合金を使用することができる。

本発明によれば、前記炭化珪素粉末は、ａ）平均粒径が
０．０１〜１００μｍのシリカ粉末と液状の炭素質物質
を固定炭素に換算した炭素とシリカのモル比Ｃ／５ｉＣ
ｈが２．５〜３．５の割合で混合した後、炭化処理し、
粉砕する工程、ｂ）前記ａ）工程で得た混合物にさらに
前記シリカ粉末と液状の炭素質物質を混合して粒状化し
、固定炭素に換算した炭素とシリカのモル比Ｃ／５ｉＣ
Ｌが２．５〜３．５の平均粒径が３〜１５ｍｍの粒状物
とする工程、 Ｃ）前記ｂ）工程で得た粒状物を非酸化性雰囲気中で１
４００〜１９００℃の温度に加熱して炭化珪素とする工
程、 ｄ）前記Ｃ）工程で得た炭化珪素を解砕する工程によっ
て製造されたものであることか好ましい。

前記シリカ粉末の平均粒径が、０．０１−１００μｍの
範囲内であることが好ましい理由は、シリカ粉末の平均
粒径が、１００μｍより大きいと、シリカの比表面積が
著しく小さくて炭素質物質との反応性に劣り、微細な炭
化珪素粉末を得ることが困難であるからであり、一方０
．０１μｍより小さなシリカは、反応性の面では好まし
いか、０゜０１μｍより小さなものは、入手が困難であ
り、実用性に欠けるからである。前記シリカ粉末は、な
かでも平均粒径が、０．０５〜１０μｍの範囲内である
ことが有利である。

前記シリカ粉末と液状の炭素買物質を混合した後、炭化
処理し、粉砕することが好ましい理由は、シリカ粉末の
表面を炭素によって被覆したような形状の混合物とする
ことができ、極めて反応性に優れた混合物とすることか
できるからである。尚、前記混合物は、平均粒径３ｍｍ
以下に粉砕することが有利である。

前記液状の炭素質物質は、石油ピッチ、コールタールピ
ッチ、本クールピッチ、アスファルト、石油タール、コ
ールタール、木タール、フェノール樹脂から選択される
何れか少なくとも一種の炭素質物質を加熱して溶融状態
としたもの、あるいは溶剤に溶解させたものを使用する
ことが有利である。

シリカ粉末と液状の炭素質物質を固定炭素に換算した炭
素とシリカのモル比Ｃ／　Ｓ　ｉ　Ｏ２が２゜５〜３．
５の割合で混合することが好ましい理由は、前記炭素と
シリカのモル比を前記範囲内とすることにより、未反応
の炭素やシリカの少ない高純度の炭化珪素を得ることが
できるからである。

前記粉砕された混合物にさらにシリカ粉末と液状の炭素
質物質を固定炭素に換算した炭素とシリカのモル比Ｃ／
　Ｓ　ｉＯ２が２．５〜３．５となるように混合して粒
状化し、平均粒径が３〜１５ｍｍの粒状物とすることが
好ましい。

前記粒状物の固定炭素に換算した炭素とシリカのモル比
Ｃ／５ｉＯｚが２．５〜３．５であることが好ましい理
由は、未反応の炭素やシリカの少ない高純度の炭化珪素
を得るためである。

前記粒状物の平均粒径を３〜１５ｍｍの粒状物とするす
ることが好ましい理由は、前記粒状物の平均粒径が３ｍ
ｍより小さいと反応時に発生する副成ガスのガス抜けが
不十分となるばかりでなく、熱伝導性が劣化するからで
あり、一方１５ｍｍより大きいと粒状物−個当たりの反
応時間が長くなり、熱効率が悪化するからである。

前記Ｃ）工程で得た粒状物を非酸化性雰囲気中で１４０
０〜１９００℃の温度に加熱して炭化珪素とすることが
好ましい理由は、加熱温度が１４００℃より低いと炭化
珪素反応が生起しないからであり、一方１９００℃より
高いと生成した炭化珪素が粒成長して粗大化してしまう
ためである。

前記粒状物を加熱して炭化珪素とする装置としては、例
えば第２図に示す如き合成炉を使用することができる。

前記炭化珪素は、凝集状態で得られるため、さらに解砕
して微粉末とする。

前記炭化珪素を、解砕する装置とては、例えばシェツト
型微粉砕機、乾式ポットミル、高速ハンマーミル、ピン
ミル等の乾式微粉砕機を使用することが有利である。

以下、本発明を実施例により、比較例と対比させて説明
する。

［実施例１］ （炭化珪素粉末の製造） 先ず、平均粒径が０．２４μｍのシリカ粉末（純度９８
．５％、　Ｆｅ含有率０．０２％）と高ヒツチ（固定炭
素５１％、　Ｆｅ含有率０．００５％）とを５０対５０
の割合で配合し、Ｚ型羽根を有する加熱混捏器内で２５
０℃にて加熱混捏し、高ピツチ中にシリカ粉末が均一に
分散した混合物を得た。

次に、前記混合物を所定の大きさのステンレス製容器に
入れ、大気雰囲気中で８００℃にて０゜５時間焼成して
炭化させた。そして、得られた炭素質物質をショークラ
ッシャーで粉砕し、篩分けを行って粒径３〜５Ｍの粒状
物を得た。

引き続き、前記粒状物１０ｋｇを、第１図に示す造粒機
１に投入し、８００℃に加熱すると同時に、最初の工程
で得られた混合物を２００ｇ／分の速度で前記造粒機１
に供給し、平均粒径５〜１０ｍｍ。

充填嵩密度０．　８ｇ／ｃｒｔ、炭素／シリカのモル比
２゜７の粒状原料を得た。尚、前記造粒機ｌは粒状物等
を収容する収容部２と、収容部２内の粒状物等を撹拌す
る複数のピンスクリュー３とを備え、そのスクリュー３
による撹拌を行いながら、収容部２がヒータ（図示路）
によって加熱されるものである。

次いで、前記粒状原料から炭化珪素を生成するため、第
２図に示す合成炉４の上部より粒状原料を装入して、合
成炉４内を自重により連続的に降下させ、反応温度が１
８５０℃に制御された加熱帯６を通過させた。この際、
加熱帯６における装入物の平均滞留時間が０．５時間に
なるようにしてその装入物を降下させ、粒状原料を水平
方向から加熱して炭化珪素化反応を行わせた。加熱帯６
で生成された反応生成物を冷却帯７で冷却し、合成炉４
の下部排出口から連続的に排出させた。

得られた反応生成物はβ型結晶よりなる粉末状の炭化珪
素であり、固定炭素０．５％及びシリカ０．５％を含ん
でいた。炭化珪素粉末の比表面積はＢＥＴ測定法で測定
したところ、１４．５ｒｒ１１／ｇであった。

更に、この炭化珪素粉末をジェット型微粉砕機（セイシ
ン企業製；シングルトラックジェットミル）に投入して
その凝集部分をほぐした。得られた粉末は、平均粒径が
０．３μｍのサブミクロン単一粒子であり、その後再び
凝集することはなかった。又、粉末蛍光Ｘ線分析による
Ｆｅ含有率は０゜０４ｗｔ％であった。更に、この粉末
のイオンクロマトグラフィーを使用した吸着陰イオン濃
度の測定結果を表１に示す。この測定に際しては、前記
粉末１０ｇと蒸留水を密閉容器中に入れて１３０’Ｃで
２４時間加熱した後、粉末を濾過して得た濾液中のイオ
ン濃度を測定した。

表１ 吸着陰イオン濃度測定結果 （複合材料の製造） 次に、第３図に示す攪拌機の黒鉛製のルツボ８に、純度
９９．９％のアルミニウム８０重量部と金属カルシウム
０．０５重量部とを投入し、ヒータ９により１０００℃
に加熱して、両者を溶融させた。このアルミニウム溶湯
を炭化珪素製の撹拌羽根１０によって撹拌しながら、前
記炭化珪素粉末２０重量部を、電磁フィーダーにより、
１０分間かけて投入した。

炭化珪素粉末を混合したアルミニウム溶湯を冷却して、
アルミニウム複合材料を形成した。そして、この複合材
料を所定の大きさに切り出して常温における引張り強度
を測定した。その時のパウダー特性及びアルミニウム複
合材料の強度を表２に示す。

［比較例１及び２］ 比較例１では、平均粒径７０μｍのシリカ粉末（純度９
９．７％）１００重量部、平均粒径１８μｍのオイルコ
ークス（固定炭素８５％）８０重量部に、糖蜜（固定炭
素３７％）３７重１部を添加し、フレットミルにてそれ
らが粉化するまで混合した。次に、前記混合物に２％の
ＣＭＣ水溶液を添加しながらパン型ペレタイザーによっ
て粒径５〜９　ｍｍの造粒体を形成した。この造粒体を
前記合成炉４を使用し前記実施例１と同様に加熱して炭
化珪素化することにより、シリカ１〜６．２％及び固定
炭素２２〜３１％を含み、かつ比表面積１．５％／ｇ、
平均粒径２．９μｍの炭化珪素粉末を得た。尚、この時
の加熱帯６の温度は２０００℃とし、その滞留時間を２
時間とした。

得られた炭化珪素粉末から遊離カーボンを除去するため
、酸化炉中にて７００℃で燃焼させ、その後、鉄製のボ
ールミルにて５０時間にわたって湿式粉砕した。この粉
砕物に塩酸及びフッ化水素酸を加え、それらの酸により
鉄及びシリカを溶解させた後、フィルタープレスにて、
濾過及び水洗を行い、酸を除去して乾燥させることによ
り、炭化珪素粉末を得た。そして、この粉末を使用して
前記実施例と同様にアルミニウム複合材料を得た。

一方、比較例２では、不二見研磨材株式会社製の市販品
炭化珪素粉末（ＧＣ＃１００００）を使用し、前記実施
例１と同様にしてアルミニウム複合材料を得た。そして
、各比較例１．２における粉末及び複合材料の物性を前
記実施例１と同様に測定した。その結果を表１及び２に
示した。

前記測定結果によれば、実施例１における粉末は各比較
例１，２の粉末よりも中性度が高（、炭化珪素粒子の外
周に酸イオンが吸着していないことが明らかである。そ
のためアルミニウム溶渦中に炭化珪素粉末を分散させて
、アルミニウム複合材料を形成する場合等にも、炭化珪
素粉末が均一に分散され、その強度を確実に高めること
ができた。

［発明の効果］ 以上詳述したように、この発明は炭化珪素粉末の製造に
際して酸による洗浄を行う必要がないため、製造後にお
ける炭化珪素粉末の凝集を未然に防止することができる
。

従って、本発明によれば、微細な炭化珪素粉末を金属溶
湯中に均一に分散させることができ、これによって理論
的に期待される特性を発揮しうる炭化珪素粉末含有金属
複合体を確実に製造することができるという優れた効果
を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例における造粒機を示す断面図
、第２図は同じく合成炉を示す断面図、第３図は撹拌機
を示す断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、主としてβ型結晶からなる炭化珪素粉末であって、
   比表面積が１０ｍ＾２／ｇ以上、ＳｉＯ＿２含有量が２
   重量％以下、遊離炭素含有量が２重量％以下、吸着フッ
   素量が１０ｐｐｍ以下、吸着塩素量が１０ｐｐｍ以下の
   炭化珪素粉末を金属溶湯中へ分散させることを特徴とす
   る炭化珪素粉末含有金属複合体の製造方法。 ２、前記炭化珪素粉末は、下記のａ）からｅ）の工程に
   よって製造されたものである請求項１記載の炭化珪素粉
   末含有金属複合体の製造方法。 ａ）平均粒径が０．０１〜１００μｍのシリカ粉末と液
   状の炭素質物質を固定炭素に換算した炭素とシリカのモ
   ル比Ｃ／ＳｉＯ＿２が２．５〜３．５の割合で混合した
   後、炭化処理し、粉砕する工程、 ｂ）前記ａ）工程で得た混合物にさらに前記シリカ粉末
   と液状の炭素質物質を混合して粒状化し、固定炭素に換
   算した炭素とシリカのモル比Ｃ／ＳｉＯ＿２が２．５〜
   ３．５の平均粒径が３〜１５ｍｍの粒状物とする工程、 ｃ）前記ｂ）工程で得た粒状物を非酸化性雰囲気中で１
   ４００〜１９００℃の温度に加熱して炭化珪素とする工
   程、 ｄ）前記ｃ）工程で得た炭化珪素を解砕する工程。