JPH042660A

JPH042660A - 短炭素繊維分散強化炭素材料

Info

Publication number: JPH042660A
Application number: JP2100940A
Authority: JP
Inventors: Ichitaro Ogawa; 一太郎小川; Hisayoshi Yoshida; 吉田　久良; Toru Niwa; 徹丹羽; Susumu Nishikawa; 進西川
Original assignee: KOBE CHUTETSUSHO KK; Agency of Industrial Science and Technology; Kobe Cast Iron Works Ltd
Current assignee: KOBE CHUTETSUSHO KK; Kobe Cast Iron Works Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1990-04-16
Filing date: 1990-04-16
Publication date: 1992-01-07

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〕本発明は高温下て使用される機械構造用部材として用い
られる、高強度、高靭性で耐酸化性を有した短炭素繊維
分散強化炭素材料に関するものである。さらに詳しくい
えば、本発明は特に高温の大気、金属溶湯中などの酸化
性雰囲気において、耐酸化性、高強度、高靭性を要求さ
れるような条件下て使用される、構造用部材としての短
炭素繊維分散強化炭素材料に関するものである。

（従来の技術）炭素材料は耐熱衝撃性、耐摩耗性、加工性、耐濡れ性等
の多くの特性を有し、溶湯部材、モールド部材、摺動部
材などに用いられているが、高温下で酸化されやすいこ
とと、強度か比較的低いという欠点がある。例えば、炭
素材を大気中で加熱すると３００℃付近から酸化され始
め、６００℃以上で急激に酸化が進行する。このため高
温下での使用は非酸化性雰囲気下に限定されていた。ま
た、強度も通常１００〜５００　Ｋｇｆ／ｃｍ”で、高
強度のものても１０口ＯＫｇｆ／ｃ■２程度であり、高
強度部材、とじての使用−７にも制約があった。

これらの欠点を改善するために、高温耐酸化性に優れた
、耐酸化性高強度炭素−セラミックス複合材を先に開発
した。これら材料は生コークスを主体として、炭化ホウ
素と炭化ケイ素粉末を混合し、焼結して得られるもので
ある。この耐酸化性高強度炭素−セラミックス複合材は
１２００°Ｃの大気中で１０００時間放置しても重量減
はわずかに数重量％てあり、強度も１０００〜３０００
Ｋｇｆ／ｃ鳳２と炭素材に比べてはるかに高強度である
。このような特徴を生かして、溶湯部材、モールド部材
、摺動部材などに、実用されている。しかし、機械構造
用部材として使用する場合、靭性に乏しく、機械的衝撃
による割れが生じやすいため、用途が限定されているの
か現状である。

〔発明か解決しようとする課題〕

本発明は、高温下て耐酸化性に優れ、かつ高強度である
、耐酸化性高強度炭素−セラミックス複合材の特性を損
なわず、かつ耐機械的衝撃性を改善した、短炭素繊維分
散強化炭素材料を開発することを課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは生コークスを主体とし、所定のセラミック
ス粉末を混合し、焼結することにより、耐酸化性高強度
炭素−セラミックス複合材を得る方法をすてに開発した
。この製法に基づき、短炭素繊維を複合化した短炭素Ｍ
＆維分散強化炭素材料の製造が可能であることを見出し
た。この知見に基づいて鋭意研究を重ねた結果、本発明
をなすにいたった。

本発明の短炭素繊維分散強化炭素材料は、生コークスの
炭素粉末と、５〜５０容量％のセラミックス粉末と、５
〜２０容量％の短炭素繊維との混合物の焼結体からなる
ものである。

〔作用〕

本発明て用いる生コークス粉末は、石油系、石炭系のい
ずれてもよいが、残留揮発分を８〜２０重量％含むもの
がよい。特に短炭素繊維を多く配合する場合には１５〜
２０重量％の残留揮発分を含む生コークス粉末を配合す
るほうか望ましい。その粒径は３０ルー以下、好ましく
は１ｏｐｓ以下のものか良好である。

セラミックス粉末は、炭化ホウ素、炭化ケイ素、元素周
期律表の第４ａ族の炭化物あるいはホウ化物の中から選
択されたｌまたは２以上を組合せたものである。セラミ
ックス粉末の粒径は、５糾−以下、好ましくはＩｇ■以
下のものか良好である。炭化ホウ素以外のセラミックス
は、１種を単用してもよいが、２種以上を混合して用い
てもよい。セラミックス粉末の配合量か５容量％未溝の
場合には曲げ強さは低く、耐酸化性は悪い。同配合量か
５０容量％をこえると耐衝撃性１機械加工性の低下など
の問題か生しる。本発明の短炭素繊維分散強化炭素材料
か特に高強度を必要とする場合には、炭化ケイ素粉末を
１５〜２５容量％配合するのが好ましい。また、耐酸化
性を必要とする場合には、炭化ホウ素粉末を５〜１０容
量％配合するのが好ましく、特に１４００℃以上の高温
耐酸化性を必要とする場合には、元素周期律表の第４ａ
族の炭化物あるいはホウ化物、例えばホウ化ジルコニウ
ム粉末を１０〜３０容量％配合するのが好ましい。

短炭素繊維は、１００　Ｋｇｆ／ｍ■２以上の引張り強
さをもつ高強度短炭素繊維て、長さ１０〜１０００弘１
のものを用いる。短炭素繊維は有機系、ピッチ系のいず
れてもよいが、引張り強さ１００　Ｋｇｆ／＋＊ｍ２以
上、引張り弾性率２　Ｘ　１０’　Ｋｇｆ／ａｍ２以上
の高強度、高弾性率のものを用いるのか好ましく、これ
より低強度の短炭素ｍ維では、強靭化の効果かあまり期
待てきない。そして、短炭素繊維は１５００°Ｃ以］−
の温度て処理されたものが好ましい。ということは、本
発明の短炭素繊維分散強化炭素材料の熱処理温度か１５
００〜２３００°Ｃの範囲てあり、１５００°Ｃ以下て
処理された短炭素繊維ては劣化してしまうためである。

短炭素繊維の配合量か５％未満の場合には、強靭化の効
果は認められず、２０％をこえると、成形性が低下し、
焼結体の密度、強度の低下か著しくなる。より好ましい
短炭素繊維の配合量は１０〜１５容量％の範囲である。

短炭素繊維の長さは１０ＪＬｍ未満ては強靭化の効果は
認められず１０００ｇｍをこえると混合の不均一性が著
しくなる。より好ましい短炭素繊維の長さは１０〜１０
０ル■の範囲である。

本発明の短炭素繊維分散強化炭素材料の製造方法は例え
ば、生コークス粉末とセラミックス粉末を所定量配合し
、十分に摩砕処理を施し、成形性、焼結性を高めた後、
この処理粉と短炭素繊維を所定量配合しさらに粉砕、摩
砕処理をする。そしてこれら混合粉末を成形し焼結させ
る。熱処理は不活性雰囲気下て、温度は１５００〜２３
００°Ｃの範囲か好ましい。

このように本発明ては揮発分の多い生コークスを用い、
摩砕処理によるメカノケミカル効果を利用して、成形性
、焼結性を付与している。そのため、短炭素繊維とマト
リックスとの接着性か良好てしかも高密度、高強度とな
る。また、短炭素繊維は粉砕、摩砕処理により、均一に
分散させることがてきる。

本発明の短炭素繊維分散強化炭素材料において、マトリ
ックスの炭素は機械加工性、耐熱衝撃性を付与し、セラ
ミックスは高温の耐酸化性とその焼結による高強度を付
与する。さらに、短炭素ｍ維は靭性を付与し、機械的衝
撃に対する割れが改善される。すなわち、短炭素繊維を
複合することにより、破壊時に亀裂の偏向、短炭素繊維
の引抜きなどをおこさせ、クラックの伝播を抑制する効
果かある。

市販の炭素材の曲げ強度は１００〜５００　Ｋｇｆ／ｃ
■２であるのに対して、先に開発した炭素セラミックス
複合材および本発明の短炭素繊維分散強化炭素材てはい
ずれも曲げ強度が１０００〜３０００Ｋｇｆ／ｃ■２て
あり、炭素材に比べるとはるかに高強度である。

高温の耐酸化性は、炭素材ては６００°Ｃて急激に酸化
か進行するのに対して、炭素セラミックス複合材および
短炭素繊維分散強化炭素材ではいずれも１２００℃の大
気中で１００時間放置しても重量減はわずかに５重量％
以下てあり、炭素材に比べてはるかに改善されている。

そして、シャルピー衝撃値は、市販品の中て最も高密度
、高強度の炭素材てもＩ　Ｋｇｆ−ｃｍ／　ｃ■２程度
であるが、炭素セラミックス複合材ては約２　Ｋｇｆ−
ｃｍ／ｃｍ２てあり、短炭素繊維分散強化炭素材では約
４　Ｋｇｆ−ｃｍ／ｃｍ２てあり、破壊エネルギーの増
加かみられ、靭性か大きく改善される。

第１図は生コークスと１４容量％の炭化ケイ素、８容量
％の炭化ホウ素、ｌ容量％のホウ化ジルコニウムおよび
０〜３０容量％の短炭素繊維の混合物の成形体を２１５
０°Ｃて熱処理した焼結体について、曲げ強さとシャル
ピー衝撃値を測定した結果である。シャルピー衝撃値は
計装化によって測定した試料への全吸収エネルギーから
求めた値である。

この結果から、短炭素繊維量が２０容量％をこえると強
度の低下が著しくなることがわかる。

第２図は前記と同様のセラミックス配合て短炭素繊維を
１０容量％一定とし、繊維の長さを１終■〜２５■■ま
で変えた場合の曲げ強さおよびシャルピー衝撃値の測定
値である。繊維長さが１００μ腸をこえると強度の低下
が著しくなり、１０ＪＬ■以下では靭性改善の効果が少
ない。

〔実施例〕

揮発分約１６重量％の生コークス粉末（粒径１０ル■以
下）に全混合粉末に対して、炭化ケイ素粉末（平均粒径
０．８μｍ）と炭化ホウ素粉末（平均粒径２μ重）およ
びホウ化ジルコニウム粉末（平均粒径２＃Ｌｍ）を表１
に実施例１〜５及び比較例１．２として示す割合て配合
し、ボールミルて６時間摩砕処理を施しマトリックス粉
末とした。このマトリックス粉末と有機系短炭素繊維を
実施例１〜５として示す全混合粉末に対して５〜２０容
量％配合し、ボールミルて２時間摩砕処理を施した。短
炭素繊維は引張り強さ３７０　Ｋｇｆ／ａｍ２．引張り
弾性率２４０００にｇｆ／ａｓ２て直径７ＩＬ璽、長さ
１００μ園のものを用しまた。

このようにして得られた実施例１〜５及び比較例１．２
の混合物を１００１００Ｏ／ｃ鳳２の圧力で成形し、不
活性雰囲気下２１５０°Ｃて１時間熱処理し、焼結体を
得た。この実施例１〜５及び比較例１．２の曲げ強さと
密度を表１に示す。また、比較例３として、市販の中で
最も高密度高強度の炭素材の測定値も併記する。曲げ強
さは試料を５　ｘ　７　ｘ　３０−■に切断し、実温３
点曲げにより測定した。

上記実施例２．５及び比較例１．３について計装化シャ
ルピー衝撃試験機で破壊エネルギーな測定し、その結果
を表２に示す。試験片は］Ｏｘ　］Ｏｘ５５ｍｍである
。試験機は５　Ｋｇｆ−ｍて、持ち上げ角は３０°とし
た。計装化により破壊峙の荷重−変位曲線をｆＵた。こ
の曲線のピークまての面積を求め亀裂発生に必要なエネ
ルギー（Ｅ、）とし、ピークから後の面積を求め亀裂進
展に必要なエネルギー（Ｅ２）とした。また、全吸収エ
ネルギー（Ｅ、）も測定した。

表　　　　　　　２」−記実施例２．５及び比較例２．３について高温大気
中における重量増減を測定した。結果を図３に示す。こ
れは、焼結体６　ｘ　８　Ｘ　３０ｍｍの大きさに切断
し、１２００°Ｃに保持された箱型電気炉の中に静置し
、所定時間保持した後重量増減を測定した。

（発明の効果）本発明によれば、炭素セラミックス複合材中に短炭素繊
維を適切に存在させることにより、その炭素セラミック
ス複合材の良好な特性を損なうことなく、耐機械的衝撃
性か改善された短炭素繊維分散強化炭素材料か得られる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はセラミックス配合量を一定とし短炭素繊維配合
量を変えた場合の曲げ強さとシャルピー衝撃値の測定結
果を示すグラフ、第２図は混合の配合を一定とし短炭素
繊維の長さを変えた場合の曲げ強さとシャルピー衝撃値
の測定結果を示すグラフ、第３図は実施例及び比較例の
高温大気中ての酸化による重量変化率を示すグラフであ
る。特許出願人　　工　業　技　術　院　長復代理人　　清
　水　　哲　ほか２名特許出願人　　株式会社　神戸鋳鉄圧伏　　理　　人　　　清　　水　　　哲　　はか２名め図兜凹辻Ｍ東績１ｔ４；”ｌ（ｍｍ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）生コークスの炭素粉末と、５〜５０容量％のセラ
ミックス粉末と、５〜２０容量％の短炭素繊維との混合
物の焼結体からなる短炭素繊維分散強化炭素材料。
（２）上記セラミックス粉末が、炭化ホウ素、炭化ケイ
素、元素周期律表の第４ａ族の炭化物あるいはホウ化物
の中から選択された１または２以上を組合せたものから
なる請求項（１）に記載の短炭素繊維分散強化炭素材料
。
（３）上記短炭素繊維の引張り強さが１００Ｋｇｆ／ｍ
ｍ＾２以上、同短炭素繊維の長さが１０〜１０００μｍ
である請求項（１）または（２）に記載の短炭素繊維分
散強化炭素材料。