JPH06206770A

JPH06206770A - 炭化珪素−炭素系複合材料の製造法

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Publication number: JPH06206770A
Application number: JP5018234A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Otsuka; 和弘大塚; Mikio Sakaguchi; 阪口　　美喜夫
Original assignee: Kao Corp
Current assignee: Kao Corp
Priority date: 1993-01-08
Filing date: 1993-01-08
Publication date: 1994-07-26
Anticipated expiration: 2017-10-28
Also published as: JP3339645B2

Abstract

(57)【要約】【構成】ピッチのトルエン可溶成分（以下ＴＳと略
す）、またはＴＳとピッチのトルエン不溶成分（以下Ｔ
Ｉと略す）よりなるＴＳ／ＴＩ比が０．０５以上のピッ
チを、炭化珪素および焼結助剤と共に混合し、得られる
混合物を仮焼後に揮発成分が残留するように非酸化性雰
囲気で仮焼し、次いで造粒、成形により得られた圧粉体
を常圧焼結することを特徴とする、焼成体中に１０〜５
０ｗｔ％の炭素が存在し、相対密度が８５％以上で見掛
気孔率が５％以下である炭化珪素−炭素系複合材料の製
造法、該方法により得られる焼成体よりなる摺動材料、
並びにそれを用いた摺動部品。【効果】本発明の製造方法により、複合材料の相対密度
が高く、見掛気孔率が小さいため摺動特性に優れた炭化
珪素−炭素系複合材料を得ることができ、特に摺動部品
の製造に好適に用いることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭化珪素−炭素系複合
材料の製造法に関する。さらに詳しくは、摺動構造部材
等に用いられる炭化珪素−炭素系複合材料の製造法、該
方法により得られる焼成体よりなる摺動材料、及び摺動
部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭化珪素は、硬度、耐熱性、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、メカニカルシール、軸受け等の構造
部材として一部実用化されている。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定されている。

【０００３】これらの問題点を解決するため、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、報告
されている。例えば、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あるい
は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、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点が
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
の炭素源を最適化したものではなく、加圧下焼結という
煩雑な方法で製造するため工業生産性の面から好ましく
ないという問題点が指摘されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、常圧
焼結により、密度、強度、熱衝撃抵抗性、摺動特性に優
れた炭化珪素−炭素系複合材料を製造する方法を提供す
ることにある。本発明の他の目的は、該方法により得ら
れる焼成体よりなる摺動材料及び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
を解決するため鋭意研究を重ねた結果、炭化珪素−炭素
系複合材料において、炭素源として、コールタールピッ
チ、オイルタールピッチあるいはこれらの混合物を用
い、これらの仮焼条件を最適化することにより、常圧焼
結法により、摺動特性に優れる炭化珪素−炭素系複合材
料の製造方法を完成するに至った。

【０００７】即ち、本発明の要旨は、（１）ピッチのト
ルエン可溶成分（以下ＴＳと略す）、またはＴＳとピッ
チのトルエン不溶成分（以下ＴＩと略す）よりなるＴＳ
／ＴＩ比が０．０５以上のピッチを、炭化珪素および焼
結助剤と共に混合し、得られる混合物を仮焼後に揮発成
分が残留するように非酸化性雰囲気で仮焼し、次いで造
粒、成形により得られた圧粉体を常圧焼結することを特
徴とする、焼成体中に１０〜５０ｗｔ％の炭素が存在
し、相対密度が８５％以上で見掛気孔率が５％以下であ
る炭化珪素−炭素系複合材料の製造法、（２）仮焼後の
揮発成分量が０．０５〜３０ｗｔ％となるよう、仮焼を
３００℃〜５５０℃で行なうことを特徴とする前記
（１）記載の製造法、（３）前記（１）又は（２）記載
の方法により得られる焼成体よりなる摺動材料、並びに
（４）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）又は（２）記載
の方法により得られる炭化珪素−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。

【０００８】本発明の炭化珪素−炭素系複合材料におい
て、本発明に用いる炭化珪素は、α型、β型のいずれの
結晶型でもよい。また、純度は密度の低下や強度、破壊
靱性値の劣化や硬度、ヤング率等の面から９０ｗｔ％以
上が好ましく、より好ましくは、９５ｗｔ％以上であ
る。炭化珪素の形態は、焼結性の面から、平均粒径が通
常５μｍ以下、好ましくは、０．１〜３μｍの粉末が望
ましい。平均粒径が５μｍを越えると焼結能が低下し、
緻密化せず、気孔率が増加し、強度が低下する。また、
０．１μｍより小さいと粉末の分散性が悪くなり、焼結
体の複合した炭素の分散状態が不均一となり焼結性が阻
害される。

【０００９】炭素原料は、ピッチのＴＳ、あるいはＴＳ
及びＴＩよりなるＴＳ／ＴＩ比が０．０５以上のピッチ
が用いられる。ＴＳ／ＴＩ比が０．０５未満のピッチを
用いると、焼結能が低下し、緻密化せず、気孔率が高く
なり、強度が低下する。ＴＩは、ＪＩＳＫ−２４２５−
１９８３に準じて測定され、またＴＳは（１００−Ｔ
Ｉ）×１００％の式により算出されるものである。これ
ら炭素原料中の硫黄、窒素、灰分等の不純物は、焼結性
及び強度等の機械的特性の点からそれぞれ５％以下が好
ましい。より好ましくは、３％以下である。ピッチのＴ
Ｓ成分の調製は、コールタールピッチあるいはオイルタ
ールピッチをトルエンに溶解し、不溶解分をフィルター
等で除去することにより得られる。また、ＴＳ／ＴＩ比
が０．０５以上のピッチは、コールタールピッチあるい
はオイルタールピッチを熱処理することにより得ること
ができるが、ＴＳ／ＴＩ比が所望の比ではない場合、前
記のフィルターによる不溶解物除去の程度を制御して所
望のピッチを得ることができる。

【００１０】このようにして得られた炭素原料を炭化珪
素、焼結助剤と共に混合するには、乾式又は湿式、ある
いは熱間混練等いずれの方法でもよいが、炭素原料の分
散性の観点から、好ましくは湿式混合である。湿式混合
に用いる媒体としては、水または有機溶剤のどちらを用
いても良いが、炭素原料の分散性や炭化珪素の酸化防止
の観点から、有機溶剤を用いる事が好ましい。有機溶剤
としては、例えばメタノール、エタノール、プロパノー
ル等のアルコール系やベンゼン、トルエン、キシレン等
の芳香族炭化水素系やメチルエチルケトン等のケトン系
等を用いることができる。混合装置は、一般の混合機で
よく、例えば、ボールミル、摺動ミル等のポット式ミル
やサンドミル、アトライターミル等の撹拌式があるがこ
れらに限定されるものではない。炭化珪素と炭素原料の
配合量は、焼成後の炭素量が１０〜５０ｗｔ％となるよ
う適宜調整される。

【００１１】本発明で用いる焼結助剤としては、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も使用することができる。例
えば、ＡｌＮ等の窒化物、Ｂ，Ｂ₄Ｃ等のホウ化物、Ａ
ｌ₂Ｏ₃，Ｙ₂Ｏ₃等の酸化物等が挙げられる。焼結助
剤の配合量は、通常０．１〜１５ｗｔ％であり、好まし
くは０．１５〜１０ｗｔ％である。

【００１２】仮焼は、非酸化性雰囲気中で行い、仮焼温
度は、通常３００℃〜５５０℃である。仮焼温度が３０
０℃より低いと揮発成分が多くなり、焼結後の気孔率が
高くなるからであり、５５０℃を越えるとピッチの焼結
能が低下し、緻密な焼結体を得ることが困難である。ま
た、前記仮焼により得られた仮焼体は、仮焼後、揮発成
分を０．０５〜３０ｗｔ％含有するものである。仮焼後
の揮発成分が０．０５ｗｔ％未満では、炭素に由来する
焼結能が低くなり、緻密な焼結体を得ることが困難であ
り、また、３０ｗｔ％を越えると焼成中の揮発成分によ
る亀裂の発生や焼成後の残留気孔の発生率が高くなり、
緻密な焼結体を得ることが困難になる。前記非酸化性雰
囲気は、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、炭酸
ガスあるいはこれらの混合ガスや真空のいずれでもよ
く、場合によっては、ガスによる加圧下で仮焼を行なっ
てもよい。

【００１３】造粒は、その方法を特に限定するものでは
ないが、前記仮焼体を湿式あるいは乾式下で振動ミルや
アトライター等の粉砕機により、粉砕したのち、スプレ
ードライヤー等の造粒機を用いて行なう。造粒の際、必
要に応じ、成形用バインダーを添加することができる。

【００１４】成形は、その方法を特に限定するものでは
ないが、金型、ＣＩＰ、スリップキャスト等の一般の成
形法でよく、場合により、成形後、成形体を加工する。
本発明により調製された成形体は、揮発成分を含むた
め、成形体強度も高く、加工性に優れている。

【００１５】脱脂は必要に応じて行い、非酸化性雰囲気
下で行なう。非酸化性雰囲気ガスは、仮焼工程で用いた
ものと同様のものが使用される。脱脂温度は、通常３０
０℃〜１４００℃がよく、特に、炭素原料からの揮発成
分が多く発生する６００℃以下では、昇温速度を６００
℃／時間以下で行なう必要がある。また、場合によっ
て、ガスによる加圧下で脱脂してもよい。

【００１６】焼成は、焼成温度が１９００℃〜２３００
℃で常圧焼結で行なう。焼成時間は、通常０．５時間か
ら８時間である。焼成温度が１９００℃未満では、緻密
な焼結体を得ることが困難であり、２３００℃を越える
と、焼結体の密度は向上するが、炭化珪素の粒子成長に
より強度が低下する。焼成中の雰囲気は、真空あるいは
前記と同様の非酸化性雰囲気が好ましい。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。

【００１７】このようにして得られた焼成体の炭素量
は、１０〜５０ｗｔ％である。炭素量が１０ｗｔ％未満
では、摺動特性が発現せず、５０ｗｔ％を越えると複合
材料中の炭素の分散状態が悪くなり、強度、硬度等の機
械的特性が劣化する。また、得られた焼成体の相対密度
は８５％以上であり、見掛気孔率が５％以下である。相
対密度が８５％未満では、機械的特性、摺動特性が劣化
する。また、見掛気孔率も５％を越えると、機械的特性
の劣化が生じる。ここで、見掛気孔率とは、開気孔の体
積を固体の体積と開気孔の体積の和で割った値を百分率
で表したものである。

【００１８】本発明により得られる複合材料は、見掛気
孔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
るものである。従って、摺動材料として有用である。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炭化珪素
−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、ボールベアリング、
ロールベアリング、水道およびケミカルバルブ、メカニ
カルシール等の摺動を有する機械部品として良好な結果
が得られる。

【００１９】

【実施例】以下、実施例および比較例により本発明をさ
らに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例等によ
りなんら限定されるものではない。実施例１〜１７炭化珪素１００ｇに対し、焼結助剤（Ｂ₄ Ｃ）２ｇと表
１に示す炭素原料を炭素源としてコールタールピッチ及
びオイルタールピッチから調製した所定量を振動ミルを
用い、有機溶媒中で混合後、脱溶媒を行なった。次い
で、表１の仮焼温度でそれぞれ２時間仮焼し、前記仮焼
粉を振動ミルにより、スラリー化したのち、スプレード
ライヤーにより造粒し、圧力１００ＭＰａでラバープレ
スを行い、６００℃で４時間脱脂を行なった。脱脂後、
表１の焼成温度で４時間焼成し試験片を得た。

【００２０】

【表１】

【００２１】試験片は、イオン交換水を用い、アルキメ
デス法により、相対密度及び見掛気孔率（以下、単に気
孔率と略す）を算出した。また、ＪＩＳＲ１６０１に準
じ、曲げ強度を測定した。摩擦係数は、リングオンディ
スク法（神鋼造機製の摩擦摩耗試験機）により、乾式下
で測定を行なった。リング側の材質をＳＵＳ３０４、ブ
ロック側に本複合材料を用いた。複合材料中の炭素量の
測定は、焼結体１ｇを内容積５０ｃｃのタングステンカ
ーバイト製のポットと直径１３ｍｍのタングステンカー
バイト製ボールを用い、シェーキングミルにより、２０
分間乾式粉砕した試料を、ＪＩＳＲ６１２４に準じ、炭
化珪素の酸化補正を行って算出した。

【００２２】また、焼成後の揮発分量の測定法は、所定
の配合で混合した試料を、仮焼、造粒したのち、ラバー
プレス法により、成形圧力１００ＭＰａで成形した時の
成形体重量と所定温度で焼成した後の焼成体重量をそれ
ぞれ化学天秤を用いて測定し、次式により算出した。（（成形体重量−焼成体重量）／成形体重量）×１００
（％）その結果、本発明で得られた複合材料は、常圧焼結で、
気孔率の小さい高密度焼結体であり、強度が高く、摺動
特性に優れるものであった。

【００２３】比較例１〜５炭化珪素１００ｇに対し、焼結助剤（Ｂ₄ Ｃ）２ｇと表
２に示す炭素原料の所定量を実施例１〜１７と同様に、
振動ミルを用い、有機溶媒中で混合後、脱溶媒を行なっ
た。次いで、表２の仮焼温度でそれぞれ２時間仮焼し、
前記仮焼粉を振動ミルにより、スラリー化したのち、ス
プレードライヤーにより造粒し、圧力１００ＭＰａでラ
バープレスを行い、６００℃で４時間脱脂を行なった。
脱脂後、表２の焼成温度で４時間焼成し試験片を得た。

【００２４】

【表２】

【００２５】試験片は、実施例１〜１７と同様に、イオ
ン交換水を用い、アルキメデス法により、相対密度及び
気孔率を算出した。また、ＪＩＳＲ１６０１に準じ、曲
げ強度を測定した。摩擦係数は、リングオンディスク法
（神鋼造機製の摩擦摩耗試験機）により、乾式下で測定
を行なった。複合材料中の炭素量の測定は、焼結体１ｇ
を内容積５０ｃｃのタングステンカーバイト製のポット
と直径１３ｍｍのタングステンカーバイト製ボールを用
い、シェーキングミルにより、２０分間乾式粉砕した試
料を、ＪＩＳＲ６１２４に準じ、炭化珪素の酸化補正を
行なって算出した。

【００２６】また、焼成後の揮発分量の測定法は、所定
の配合で混合した試料を、仮焼、造粒したのち、ラバー
プレス法により、成形圧力１００ＭＰａで成形した時の
成形体重量と所定温度で焼成した後の焼成体重量をそれ
ぞれ化学天秤を用いて測定し、次式により算出した。（（成形体重量−焼成体重量）／成形体重量）×１００
（％）その結果、比較例で得られた複合材料は、常圧焼結で、
気孔率も大きく、低密度の焼結体であり、強度が低く、
摺動特性に劣るものであった。

【００２７】実施例１８実施例３により得られた複合材料を用いて、軸受けに加
工し、使用したところ無潤滑で長時間の耐久性を示し
た。

【００２８】実施例１９実施例４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、従来の材料に比べ、シール性も
良好で長時間の耐久性を示した。

【００２９】実施例２０実施例５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。

【００３０】実施例２１実施例１により得られた複合材料を用いて精密加工し、
磁気ヘッド材料として使用したところ、相手メディアを
傷つける事なく耐久性も良好であった。

【００３１】実施例２２実施例６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、従来のセラミックスに比べ、低摩
耗性及び高耐久性を示した。

【００３２】実施例２３実施例２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、従来のセラミック
スに比べ、低トルク摺動性及び高耐久性を示した。

【００３３】

【発明の効果】本発明の製造方法により、複合材料の相
対密度が高く、見掛気孔率が小さいため摺動特性に優れ
た炭化珪素−炭素系複合材料を得ることができ、特に摺
動部品の製造に好適に用いることができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ピッチのトルエン可溶成分（以下ＴＳと
略す）、またはＴＳとピッチのトルエン不溶成分（以下
ＴＩと略す）よりなるＴＳ／ＴＩ比が０．０５以上のピ
ッチを、炭化珪素および焼結助剤と共に混合し、得られ
る混合物を仮焼後に揮発成分が残留するように非酸化性
雰囲気で仮焼し、次いで造粒、成形により得られた圧粉
体を常圧焼結することを特徴とする、焼成体中に１０〜
５０ｗｔ％の炭素が存在し、相対密度が８５％以上で見
掛気孔率が５％以下である炭化珪素−炭素系複合材料の
製造法。
【請求項２】仮焼後の揮発成分量が０．０５〜３０ｗ
ｔ％となるよう、仮焼を３００℃〜５５０℃で行なうこ
とを特徴とする請求項１記載の製造法。
【請求項３】請求項１又は２記載の方法により得られ
る焼成体よりなる摺動材料。
【請求項４】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又は２記載
の方法により得られる炭化珪素−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。