JPH059055A - セラミツクス−炭素系複合材料、製造方法及び摺動部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】本発明は、炭素のドメイン径が０．０１〜３０
μｍで、炭素のドメイン面積率が５〜７０％であるセラ
ミックス−炭素系複合材料、またさらに全空隙率が２０
％以下であるセラミックス−炭素系複合材料、その製造
方法及びそれを用いた摺動部品に関するものである。 【効果】本発明のセラミックス−炭素系複合材料は、従
来のセラミックス−炭素系複合材料に比べ、強度、摺動
特性、かつ熱衝撃抵抗性にも優れ、摺動部品として極め
て好適なものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は摺動構造部材等に用いら
れるセラミックス−炭素系複合材料、その製造方法及び
それを用いた摺動部品に関するものである。

【０００２】

【従来の技術・発明が解決しようとする課題】セラミッ
クスは金属に比べ、耐熱性、強度、硬度、耐食性に優れ
るため、近年、構造部材としての応用が積極的に検討さ
れている。特に、その中でも炭化珪素セラミックスは、
強度、硬度、耐食性に優れることから、メカニカルシー
ル、軸受け等の摺動部材として一部実用化している。し
かしながら、ドライ雰囲気下での摺動特性が不良である
こと及び熱衝撃抵抗性が低いことからその使用範囲は限
られていた。

【０００３】これらの問題の一つである摺動特性を解決
する手段として、炭素、黒鉛等の固体潤滑材を炭化珪素
中に複合する方法が、特開昭６３−２６０８６１号公報
の「ＳｉＣ−グラファイト系自己潤滑性セラミックス」
及び特開昭６３−２６５８５０号公報の「自己潤滑性セ
ラミックス複合材及びその製造法」に造粒黒鉛粒を複合
する方法、また特開平３−３３０６４号公報の「炭素−
炭化珪素複合材料製造用粉末組成物、炭素−炭化珪素複
合材料の製造方法および炭素−炭化珪素複合材料」に自
己焼結性球状炭素質微粒子を配合する方法等が開示され
ている。

【０００４】しかしながら、いずれの場合も炭素、黒鉛
粒を配合することから摺動時の摩擦係数は低下するもの
の、高密度にならず、強度が低下してセラミックス本来
の特性が損なわれ耐久性に劣るという問題が指摘されて
いる。また、特開平１−３２０２５４号公報の「セラミ
ックス−炭素系複合材料及びその製造方法」にＸ線回折
により複合炭素の黒鉛化度を最適化する方法が開示され
ているが、摺動特性、強度に優れているものの、複合炭
素の存在状態及び炭素源を最適化したものでなく、熱衝
撃抵抗性が劣り、また加圧下焼成という煩雑な方法で製
造するため工業的生産の面から好ましくないという問題
が指摘されている。

【０００５】本発明の目的は、強度、摺動特性、熱衝撃
抵抗性に優れたセラミックス−炭素系複合材料、その製
造方法及びそれを用いた摺動部品を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは前記課題を
解決するために鋭意研究を重ねた結果、セラミックス−
炭素系複合材料において、炭素のドメイン径とドメイン
面積率を特定の範囲とすることによって優れた効果を奏
することを見い出し、本発明を完成するに至った。即
ち、本発明の要旨は、（１）炭素のドメイン径が０．０
１〜３０μｍで、炭素のドメイン面積率が５〜７０％で
あることを特徴とするセラミックス−炭素系複合材料、
またさらに全空隙率が２０％以下であるセラミックス−
炭素系複合材料、（２）セラミックス粉末、Ｈ／Ｃが
０．２〜２．０で、ＮおよびＳ含有量がそれぞれ２％以
下の平均分子量１００〜２０００の縮合多環芳香族化合
物及び／又は重縮合芳香族化合物、および必要に応じて
焼結助剤粉末を混合し、仮焼し、次いで造粒成形後、焼
成することを特徴とする前記（１）記載のセラミックス
−炭素系複合材料の製造方法、並びに（３）機械要素が
その可動する部分を有し、一時的または常時接触し、か
つ相対的に摺動する摺動部品において、少なくとも、そ
の摺動面が前記（１）記載のセラミックス−炭素系複合
材料により構成されていることを特徴とする摺動部品に
関する。

【０００７】本発明のセラミックス−炭素系複合材料に
おいて、炭素のドメイン径とは、セラミックスマトリッ
クス中に分布している炭素粒子あるいはそれらの集合体
の大きさを意味し、鏡面仕上げした試料の走査型電子顕
微鏡により観察し、得られる１００画像中の炭素ドメイ
ンを画像解折装置により解析し、平均値として算出され
たものである。通常０．０１〜３０μｍで好ましくは
０．０５〜２０μｍである。ドメイン径が０．０１μｍ
よりも小さいと摺動特性が発現しなくなり、３０μｍよ
りも大きくなると強度が低下するので好ましくない。

【０００８】炭素のドメイン面積率も、同様に画像解析
により算出されるセラミックスマトリックス中に占める
炭素ドメインの割合の平均値であり、通常５〜７０％、
好ましくは７〜６０％である。５％よりも小さいと摺動
特性が発現しなくなり、また７０％よりも大きいと強度
が低下するので好ましくない。

【０００９】全空隙率とはセラミックスマトリックス及
び炭素ドメイン以外の部分を意味し、同様に画像解析に
より算出される空隙割合の平均値であり、通常２０％以
下、好ましくは１０％以下である。２０％を越えると強
度が低下するので好ましくない。

【００１０】本発明で使用するセラミックス粉末は、Ａ
ｌ₂ Ｏ₃、ＺｒＯ₂ 、ＴｉＯ₂ 、ＭｇＯ、ＳｒＯ、Ｎｉ
Ｏ、ＭｎＯ、Ｙ₂ Ｏ₃ 等の酸化物；ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ｗ
Ｃ、Ｂ₄ Ｃ、ＺｒＣ等の炭化物；Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、ＡｌＮ、
ＢＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮ等の窒化物；ＺｒＢ₂ 、ＣｒＢ、
ＴｉＢ₂等のホウ化物から選ばれる１種あるいは２種以
上のセラミックスが望ましい。２種以上のものである場
合としては、例えばＡｌ₂ Ｏ₃ −ＴｉＯ₂ 系、Ａｌ₂ Ｏ
₃ −ＳｉＣ系、ＺｒＯ₂ −Ｙ₂ Ｏ₃ 系等が例示される。
また、これらの化合物の固溶体であっても構わない。

【００１１】またセラミックスの純度は、密度の低下や
強度及び破壊靱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９５ｗｔ％以上である。即ち、純度
が９０ｗｔ％より低いとセラミックスの耐熱性、高硬度
という特性が発現しない。セラミックスの形態は焼結性
の面から、平均粒径は通常０．０５〜５．００μｍ、好
ましくは０．１〜３．０μｍの粉末が望ましい。平均粒
径が０．０５μｍより小さいと粉末が凝集体を形成し、
均一な複合組織を形成しない。また、粒径が５．００μ
ｍを越えると焼結性が悪くなり、高密度の焼結体を得る
ことは難しい。

【００１２】本発明の複合材料中の炭素の炭素源は、加
熱により炭素に変換するものであって、Ｈ／Ｃが０．２
〜２．０でＮおよびＳ含有量がそれぞれ２％以下であ
り、平均分子量（Ｍｗ）が１００〜２０００の縮合多環
芳香族化合物及び／又は重縮合芳香族化合物を使用する
のが望ましい。例えば、コールタール、ピッチ、フェノ
ールレジン、フランレジン等及びそれらの誘導体が挙げ
られ、特に限定されるものではないが、好ましくは易黒
鉛化性のものが好ましい。Ｈ／Ｃや平均分子量がこの範
囲からはずれると炭素の分散性が悪くなり、強度が低下
する。また、ＮおよびＳ含有量がそれぞれ２％を超える
と、焼成中に複合材料中に微亀裂が発生し、強度の低い
ものしか得られないので好ましくない。ここでいう炭素
とは、Ｘ線回折により黒鉛のピークを呈するものをい
い、黒鉛化度は特に限定されないが、大きい方が望まし
く、通常Ｘ線回折による（００２）面間隔が３．３〜
３．５Åの範囲のものである。

【００１３】本発明のセラミックス−炭素系複合材料
は、上記のセラミックスの粉末、上記の炭素源及び必要
に応じて焼結助剤粉末を混合し、仮焼し、次いで造粒成
形後、焼成することにより製造することができる。ここ
で用いられる焼結助剤は、特に限定されるものではなく
通常、焼結助剤として使用されるものであればいずれの
ものであっても使用することができる。例えば、公知の
ホウ素化合物、アルミナ、イットリア等が挙げられ、こ
れらの１種または２種以上のものを併用して用いられ
る。本発明においては焼結助剤は必ずしも必要ではない
が、難焼結性粉末、例えば炭化珪素等の場合には、用い
ると好ましい結果が得られる。

【００１４】本発明のセラミックス−炭素系複合材料を
製造する際の焼結助剤の配合量は、通常０．１〜２０ｗ
ｔ％であり、好ましくは０．２〜１０ｗｔ％である。

【００１５】上記の混合は、ボールミル、振動ミル、遊
星ミル等を用いて通常、湿式混合で行われる。また、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。

【００１６】上記の仮焼工程は、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）、通常３００〜６００℃で熱処理して行
われる。３００℃より低いと十分に炭素に変換されず、
残留揮発分が多く緻密化しない。また６００℃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
分散が困難となるので好ましくない。

【００１７】上記の造粒成形の工程において、造粒は公
知の方法例えばスプレードライ等で行われる。また、成
形は金型成形法、ＣＩＰ法、またはスリップキャスティ
ング法等で行うこともできる。

【００１８】上記の焼成工程は、通常、常圧で非酸化雰
囲気下、例えば不活性雰囲気下（窒素ガス、アルゴンガ
ス等の雰囲気下）もしくは真空下、１２００〜２３００
℃で行うのが望ましい。焼成温度がこの範囲外であると
焼結体の密度の低下やセラミックス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。焼成時間は通常０．５〜８時間である。焼成
法としては、高密度化させるためにホットプレス、ＨＩ
Ｐ法等を用いても良い。

【００１９】上記のようにして得られる本発明の複合材
料は、前記のような炭素のドメイン径、ドメイン面積率
および全空隙率を有するものであり、強度、摺動特性が
優れ、かつ熱衝撃抵抗性にも優れ、摺動部品として極め
て好適である。即ち、このようにして得られる本発明の
セラミックス−炭素系複合材料は、室温における坑折強
度が２５０ＭＰａ以上、熱衝撃抵抗性が２５０℃以上、
摩擦係数が０．５以下、比摩耗量が１５mm² ／kg以下と
いう優れた特性を有するのである。

【００２０】本発明の摺動部品は機械要素がその可動す
る部分を有し、一時的または常時接触し、かつ相対的に
摺動する摺動部品において、少なくともその摺動面が本
発明のセラミックス−炭素系複合材料により構成されて
いることを要する。摺動部品の具体例としては軸受けリ
テーナー、メカニカルシール、石炭スラリーの流量バル
ブ、混合水栓用ディスクバルブ、線引きダイス等が挙げ
られる。

【００２１】

【実施例】以下に、本発明を実施例および比較例によっ
て更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例になん
ら限定されるものではない。 実施例１〜１３ 表１に示す炭素源、平均粒径０．１〜３μｍのセラミッ
クス粉末および実施例１，２，１０ではさらに焼結助剤
と共にこれらを振動ミルでトルエン湿式混合し、窒素雰
囲気下、表１に示す温度で仮焼した。スプレードライで
造粒後、金型成形法で成形し、表１に示す条件で焼成し
た。得られた複合材料中の炭素のドメイン径、ドメイン
面積率および全空隙率は鏡面仕上げした試料の走査型電
子顕微鏡により観察し、得られた１００画像を画像解折
装置（LUZEX-III 、ニレコ社製）により、それぞれの平
均値として算出した。その結果を表２に示す。また、実
施例１０で得られた本発明の複合材料の走査電子顕微鏡
写真の例を図１に示す。本発明で得られたものは、従来
法である後述の比較例２で得られたものの走査電子顕微
鏡写真の例（図２）に比べ炭素ドメイン径が小さく、大
きな空隙もなく、均一な組織を呈していた。

【００２２】また、得られた複合材料を用いて坑折強
度、熱衝撃抵抗性、摩擦係数及び比摩耗量を測定し、そ
の結果を表２に併せて示した。尚、これらの測定方法は
次のとおりである。坑折強度は、ＪＩＳ−Ｒ１６０１に
準じた３点曲げ試験法により行った。熱衝撃抵抗性は、
ＪＩＳ−Ｒ１６０１に準じた試験片を用い、試験片を不
活性雰囲気下で、所定温度まで加熱した後、直ちに常温
の水中に投下急冷した試料をＪＩＳ−Ｒ１６０１に準じ
た３点曲げ試験を行ない、強度が急激に低下する温度差
により評価を行った。摩擦係数及び比摩耗量は、直径５
０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのディスク状の試験片と直径１０
ｍｍ、長さ１５ｍｍのタングステンカーバイト製のピン
を印加荷重１０ｋｇ、摺動速度１ｍ／秒の条件下で摺動
させ評価した。固定側に試験片、回転側には、タングス
テンカーバイトを用いた。摩擦係数は摺動中のトルクに
より算出し、摩耗量は摺動距離が１０⁴ ｍに達した時点
の試験片の重量変化により算出した。その結果、本発明
で得られた複合材料は、常圧焼結で、空隙率の小さい高
密度焼結体を呈し、強度が高く、熱衝撃抵抗性及び摩擦
係数、比摩耗量が小さく摺動特性に優れるものであっ
た。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【表２】

【００２５】比較例１〜３ 表１に示す炭素源、平均粒径０．１〜３μｍのセラミッ
クス粉末および比較例２ではさらに焼結助剤と共にこれ
らを実施例１〜１３と同様に、振動ミルでトルエン湿式
混合し、窒素雰囲気下、表１に示す温度で仮焼した。ス
プレードライで造粒後、金型成形法で成形し、表１に示
す条件で焼成した。得られた複合材料中の炭素のドメイ
ン径、ドメイン面積率および全空隙率を、また得られた
複合材料の坑折強度、熱衝撃抵抗性、摩擦係数及び比摩
耗量を実施例１〜１３と同様にして測定した結果を表２
に示した。その結果、比較例で得られた複合材料は、空
隙率が大きく、強度が低く、熱衝撃抵抗性に劣り、摩擦
係数および比摩耗量が大きく、摺動特性に劣るものであ
った。

【００２６】実施例１４ 実施例１により得られた複合材料を用いて軸受け加工
し、使用したところ無潤滑で長時間の耐久性を示した。

【００２７】実施例１５ 実施例２により得られた複合材料を用いてメカニカルシ
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。

【００２８】実施例１６ 実施例３により得られた複合材料を用いて石炭スラリー
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。

【００２９】実施例１７ 実施例４により得られた複合材料を用いて精密加工し、
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。

【００３０】実施例１８ 実施例７により得られた複合材料を用いて撚糸リングと
して使用したところ、従来セラミックスに比べ、低摩耗
性および高耐久性を示した。

【００３１】実施例１９ 実施例１０により得られた複合材料を用いて混合水栓用
ディスクバルブとして使用したところ、従来セラミック
スに比べ低トルク摺動性および高耐久性を示した。

【００３２】

【発明の効果】本発明のセラミックス−炭素系複合材料
は、従来のセラミックス−炭素系複合材料に比べ、強
度、摺動特性、かつ熱衝撃抵抗性にも優れ、摺動部品と
して極めて好適なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は実施例１０で得られた本発明のセラミッ
クス−炭素系複合材料における炭素の分散状態およびそ
の形状を表す走査電子顕微鏡写真を示す。

【図２】図２は比較例２で得られたセラミックス−炭素
系複合材料における炭素の分散状態およびその形状を表
す走査電子顕微鏡写真を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ０４Ｂ 35/56 １０１ Ｈ 7310−4Ｇ Ｋ 7310−4Ｇ 35/58 １０１ Ｇ 8821−4Ｇ Ｆ１６Ｃ 33/24 Ａ 6814−3Ｊ // Ｃ０４Ｂ 35/04 Ｚ 8924−4Ｇ 35/10 Ｅ 8924−4Ｇ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素のドメイン径が０．０１〜３０μｍ
   で、炭素のドメイン面積率が５〜７０％であることを特
   徴とするセラミックス−炭素系複合材料。
2. 【請求項２】 全空隙率が２０％以下である請求項１記
   載のセラミックス−炭素系複合材料。
3. 【請求項３】 坑折強度が２５０ＭＰａ以上である請求
   項１または２記載のセラミックス−炭素系複合材料。
4. 【請求項４】 熱衝撃抵抗性が２５０℃以上である請求
   項１または２記載のセラミックス−炭素系複合材料。
5. 【請求項５】 セラミックス粉末、Ｈ／Ｃが０．２〜
   ２．０で、ＮおよびＳ含有量がそれぞれ２％以下の平均
   分子量１００〜２０００の縮合多環芳香族化合物及び／
   又は重縮合芳香族化合物、および必要に応じて焼結助剤
   粉末を混合し、仮焼し、次いで造粒成形後、焼成するこ
   とを特徴とする、炭素のドメイン径が０．０１〜３０μ
   ｍで、炭素のドメイン面積率が５〜７０％であるセラミ
   ックス−炭素系複合材料の製造方法。
6. 【請求項６】 セラミックス粉末が酸化物、炭化物、窒
   化物、ホウ化物の１種又は２種以上のものである請求項
   ５記載の製造方法。
7. 【請求項７】 機械要素がその可動する部分を有し、一
   時的または常時接触し、かつ相対的に摺動する摺動部品
   において、少なくともその摺動面が請求項１または２記
   載のセラミックス−炭素系複合材料により構成されてい
   ることを特徴とする摺動部品。