JPH075403B2

JPH075403B2 - セラミツクス−炭素複合材料の製造方法

Info

Publication number: JPH075403B2
Application number: JP62077028A
Authority: JP
Inventors: 阪口　　美喜夫
Original assignee: Kao Corp
Current assignee: Kao Corp
Priority date: 1987-03-30
Filing date: 1987-03-30
Publication date: 1995-01-25
Anticipated expiration: 2010-01-25
Also published as: JPS63242982A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、高強度、高硬度で、摺動特性及び耐摩耗性に
優れたセラミックス−炭素複合材料の製造方法に関す
る。

〔従来の技術及びその問題点〕

セラミックスは、優れた耐熱性、耐食性をもち、高硬
度、高強度であるためスラリー輸送パイプ内張り、鋳物
砂撹拌羽根等、耐摩耗性材料として広く利用されてい
る。しかしながら、メカニカルシール、ころがり軸受の
ボール、リテーナー、磁気ヘッドスライダー等の摺動材
料として利用する場合、その摺動特性が低い、例えば摩
擦係数が高い等で、広く実用化には至っていない。

これを解決する手段として、特開昭61-281086号公報に
「セラミックス多孔体にフッ素オイルを含浸する方
法」、特開昭61−251586号公報に「セラミックス多孔体
に樹脂を含浸する方法」が開示されているが、いずれも
セラミックス−有機物複合材料で、セラミックスの優れ
た耐熱性を発現できない。又、セラミックス多孔体に有
機物を含浸しただけなので、強度、硬度が不十分であ
る。

又、特開昭61−51614号公報に「ZrO₂とカーボンとの混
合物を焼結する方法」が開示されているが、セラミック
ス粉末とカーボンを予め混合するということは、セラミ
ックス粒子の表面が、カーボンで被覆され、焼結を阻害
され、高密度の焼結体を得ることは困難である。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者らは前述の問題点を解決するため、鋭意研究を
重ねた結果、高密度に焼結し、強度、硬度、摺動特性に
優れるセラミックス−炭素複合材料の製造方法を確立
し、本発明を完成するに到った。

即ち、本発明は、セラミックス圧粉体を焼成収縮率0.1
〜10％で予備焼成した後、その予備焼成体の空隙に、残
炭率20％以上、灰分１％以下の有機物を含浸し、非酸化
性雰囲気で、該当セラミックスの焼成温度で本焼成する
ことを特徴とするセラミックス−炭素複合材料の製造方
法に係わるものである。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明で使用するセラミックス粉末は、Als₂O₃,ZrO₂,Ti
O₂,MgO等の酸化物、SiC,TiC,B₄C,WC等の炭化物、ZrB₂,C
rB,TiB₂等の硼化物、Si₃N₄,AlN,BN等の窒化物から選ば
れる１種あるいは２種以上である。またこれらの化合物
を使用してもよい。これらのセラミックス粉末としては
純度90％以上、粒径が0.05〜５μｍのものが望ましい。
純度90％未満では、該当セラミックスの特性が発現せ
ず、粒径が上記範囲未満では、粉末が凝集し、均一な圧
粉体が出来なく、焼結体組織が不均一となる。又、粒径
が上記範囲を越えると、焼結性が悪くなり、高密度の焼
結体を得ることは難しい。

本発明に係わるセラミックス圧粉体は、上記セラミック
ス粉末は該当セラミックス焼結助剤と混合した後、適当
量のバインダーを加えて、金型プレス、鋳込成形、ラバ
ープレス等で圧粉することにより得られる。

得られた圧粉体は、該当セラミックスの焼成雰囲気下で
予備焼成される。予備焼成は、その焼成線収縮率0.1〜1
0％の範囲内に抑えなければならない。0.1％未満では、
セラミックス粒子の焼きつけが不十分で、後工程の有機
物含浸で予備焼成体が破壊する恐れがある。又、10％を
越えると、セラミックス圧粉体が、焼結し過ぎ、その空
隙が閉鎖され、後工程の有機物含浸が困難となる。

このようにして得られた予備焼成体の空隙はほとんど開
気孔で、有機物の含浸は、真空あるいは、加圧下で容易
に行える。

本発明で使用する有機物は、ピッチ、タール、フェノー
ル樹脂、フラン樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂などか
ら選ばれ、残炭率20％以上、灰分１％以下である必要が
ある。残炭率20％未満のものは本焼成時、未残炭分が多
量に揮発するため、焼成キレツ等が発生し高密度な、セ
ラミックス−炭素複合材料を得ることは難しい。また灰
分が１％を越えるものでは、該当セラミックスの特性が
発現せず好ましくない。

前記有機物のセラミックス予備焼成体への含浸は、必要
に応じて、加温下で行うが、易含浸性とするため、該当
有機物を有機溶媒等で希釈し、含浸時、20cp以下に調整
しておく方が望ましい。又、予備焼成体の空隙孔表面
を、シランカップリング剤等で処理してもよい。

前記有機物が含浸されたセラミックス予備焼成体を、必
要に応じて、乾燥、脱バインダー処理を行い、該当セラ
ミックスの焼成温度、非酸化性雰囲気下で常圧、加圧あ
るいは真空下で本焼成を行う。又、本焼成後、用途に応
じてHIP処理を施してもよい。

本発明のセラミックス−炭素複合材料において、セラミ
ックス−炭素の割合は、セラミックス圧粉体の予備焼成
温度、時間の違いによって、その空隙率制御より行う
か、あるいは含浸有機物の残炭率を20％以上任意に選ぶ
ことにより可能である。

このような本発明の方法により得られたセラミックス−
炭素複合材料は、セラミックス粒子が焼きついた予備焼
成体に有機物を含浸し、更に、本焼成しているため、セ
ラミックス粒子の焼結性も良好で、セラミックス本来の
高強度、高硬度を保ったまま、炭素が焼結体のセラミッ
クス粒子内及び粒界に均一に分散しているので、摺動特
性も、従来セラミックスに較べ格段に優れる。

次に従来法により調製したセラミックス−炭素複合材料
と、本発明法により調製したセラミックス−炭素複合材
料との物性の差異をジルコニア−炭素系を例にとって示
す。

従来法Ａは、平均粒径0.1μｍのイットリア安定ジルコ
ニア粉末と炭素源として平均粒径0.05μｍのカーボンブ
ラックを炭素複合割合11％になるように混合し、30×60
×7mmの平板状に1000kg/cm²の圧力で成形し、真空中140
0℃で４時間焼結した。従来法Ｂは炭素源としてレゾー
ルタイプのフェノール樹脂を用い、従来法Ａと同様に成
形、焼成した。本発明法は、後述実施例１と同等品であ
る。その嵩密度、強度、硬度、及び相手材に理論密度99
％の炭化ケイ素材を選び、1kgの荷重下、ピンオンディ
スク法により200rpmの回転数でその摩擦係数、摩耗量を
測定した。その結果を第１表に示す。

本発明法によって得られたジルコニア−炭素複合材は、
従来法によって得られたものに較べ、高密度で、強度、
硬度、摺動特性にも優れることがわかる。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例に示し、本発明を更に詳細に説明
する。

実施例１平均粒径0.1μｍのイットリア部分安定化ジルコニア粉
末100重量部に、ポリビニルアルコールを0.2重量部、ス
テアリン酸0.1重量部、水100重量部加え、混合し、スプ
レードライ粉末を得た。この粉末を金型プレス1000kg/c
m²の圧力で30×60×7mmの平板に成形した。この成形体
を1100℃×１時間空気中予備焼成した。得られた予備焼
成体は、収縮率2.0％で、空隙率56％であった。

本予備焼成体に、残炭率30％、灰分0.02％のフラン樹脂
を常温、真空下で含浸させ、80℃で硬化処理を行った
後、真空中1400℃で４時間焼成した。

得られた焼結体の嵩密度は4.5g/ccで、炭素が11.2％複
合されていた。これを精密加工し、磁気ヘッドスライダ
ーとして使用したところ、相手メディアを傷つけなく、
耐久性も良好であることが確認された。

実施例２平均粒径0.3μｍのアルミナ100重量部に焼成助剤とし
て、正炭酸マグネシウム0.05重量部、ポリアクリル酸ソ
ーダ0.2重量部、水を30重量部加え、スラリー状態と
し、50×50×50mmの形状に鋳込成形し、乾燥後、1300℃
×１時間空気中で、予備焼成したところ、収縮率7.8％
で、空隙率33％であった。

本予備焼成体に、残炭率40％、灰分0.3％のフェノール
樹脂を60℃、加温、真空下で含浸させ、90℃で硬化処理
を行った後、N₂雰囲気中、1700℃で４時間焼成した。

得られた焼結体の嵩密度は3.57g/ccで、炭素が4.8％複
合されていた。

本材料を石炭スラリーの流量調整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３平均粒径0.5μｍのβ型炭化ケイ素100重量部に焼結助剤
としてB₄C、カーボンブラックをそれぞれ１重量部添加
し、混合した後、外径50mmφ、内径40mmφ、厚さ20mmの
リング状に2000kg/cm²の圧力でラバープレスした。

この成形体を1800℃×１時間真空中で予備焼成した。得
られた予備焼成体は、収縮率4.8％で、空隙率28％であ
った。

本予備焼成体に、残炭率50％、灰分0.75％のピッチを15
0℃、10気圧下で含浸させ、脱脂した後、Ar雰囲気下、2
000℃で２時間本焼成した。

得られた焼結体の嵩密度は2.98g/ccで、炭素が3.5％複
合されていた。本材料をころがり軸受のリテーナーに精
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４平均粒径２μｍの硼化ジルコニウム100重量部に焼結助
剤としてB₄Cを15重量部添加し、混合した後、外径30mm
φ、厚さ15mmの円板状にラバープレスし、1650℃×１時
間真空中で予備焼成した。得られた予備焼成体は、収縮
率2.1％で、空隙率41％であった。

本予備焼成体に、残炭率22％、灰分0.5％のタールを100
℃、２気圧下で含浸させ、脱脂した後、Ar雰囲気下1800
℃で２時間本焼成した。

得られた焼結体の嵩密度は5.11g/ccで、炭素が4.8％含
有されていた。

本材料を加工し、鋼線の線引きダイスに適用したとこ
ろ、鋼線の焼きつき、傷発生もなく、長時間の耐久性を
示した。

実施例５実施例１に示すジルコニア粉末を外径60mmφ、内径50mm
φ、厚さ5mmに金型プレスし、1300℃×１時間、空気中
で予備焼成した。得られた予備焼成体は収縮率9.1％
で、空隙率17％であった。

本予備焼成体に、残炭率55％、灰分0.1％のフラン樹脂
を常温５気圧下で含浸させ、80℃で硬化処理した後、Ar
雰囲気中1500℃で２時間本焼成を行った。

得られた焼結体の嵩密度は5.4g/ccで炭素が1.5％複合さ
れていた。本材料を加工し、撚糸リングとして使用した
ところ、従来のジルコニア単味のものに較べ、低摩擦、
高耐久性を示した。

実施例６実施例３に示す炭化ケイ素及び焼結助剤を混合した後、
外径100mmφ、内径85mmφ、厚み7mmに2000kg/cm²の圧力
でラバープレスした後、1700℃×１時間、真空中で予備
焼成した。得られた予備焼成体は収縮率0.5％で、空隙
率55％であった。

本予備焼成体に、残炭率45％、灰分0.3％のフェノール
樹脂を常温、真空下で含浸させ、2050℃×２時間、Ar雰
囲気下で本焼成した。

得られた焼結体の嵩密度は2.67g/ccで炭素が16.8％複合
されていた。

本材料をメカニカルシールに適用したところ、従来材料
に較べ、シール性も良好で長時間の耐久性を示した。

〔発明の効果〕以上述べた如く、本発明により製造されたセラミックス
−炭素系複合材料は、セラミックス圧粉体を予備焼成し
た後、有機物を含浸して本焼成するため、セラミックス
が強固に結合されており、炭素の分散状態も良好である
ことから、高密度で、セラミックス本来の高強度、高硬
度を保ったまま、摺動特性に優れる材料である。

それ故、ころがり軸受のボール、リテーナー、メカニカ
ルシール、磁気ヘッドスライダー等、すべての摺動部材
として、極めて好適な材料である。そのため、装置の耐
久性、信頼性を著しく向上させることができ、本発明の
セラミックス−炭素複合材料の製造方法は産業上有用で
ある。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス圧粉体を焼成収縮率0.1〜10
％で予備焼成した後、その予備焼成体の空隙に、残炭率
20％以上、灰分１％以下の有機物を含浸し、非酸化性雰
囲気で、該当セラミックスの焼成温度で、本焼成するこ
とを特徴とするセラミックス−炭素複合材料の製造方
法。
【請求項２】前記セラミックス圧粉体が、酸化物、炭化
物、硼化物、窒化物の１種あるいは２種以上と、該当セ
ラミックスの焼結助剤とから構成されている特許請求の
範囲第１項記載のセラミックス−炭素複合材料の製造方
法。
【請求項３】前記有機物が、ピッチ、タール、フェノー
ル樹脂、フラン樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂から選
ばれるものである特許請求の範囲第１項又は第２項記載
のセラミックス−炭素複合材料の製造方法。