JPS6036375A - セラミツク製内燃機関部品の製造方法 - 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】 本発明は炭化珪素系セラミック製内燃機関部品の製造方
法に関する。詳細には炭化珪素系セラミック焼結体より
なり、焼結後の研削仕上げ加工の必要性が殆どなくかつ
、耐熱性、耐摩耗性に優れた廉価な排気量３０ｃｃ以下
のセラミック製内燃機関部品の製造方法に関するもので
ある。

従来、草刈機、チェンソー、エンジン模型等の持ち運び
可能な内燃機関には高シリコンアルミニ゛ウム合金が使
用され、軽量性を満たしていた。しかしながらアルミ合
金は耐熱性に劣るため使用時十分な冷却を施さない場合
には熱膨張により局部的に焼付きを生じ、その稼働時間
が限定される。

更に耐摩耗性も劣るため初期摩耗が大きくかっ、耐久性
も低いという欠点を有している。

他方、近年熱膨張率が小さく、軽量かっ、耐熱性、耐摩
耗性が優れているとの特性が買われ、セラミック材料を
使用した内燃機関用部品の研究開発が進められているか
、セラミック材料は焼結時の収縮が大きいため寸法精度
よく目的とする部品を製造することが困難であり、加え
てセラミック材料が高強度であるとの特性上焼結後の仕
上げ加工はコストが著しく高価につき、該部品のセラミ
ック化は未だ実用化には至っていない状況にある。

かかる事情に鑑み本発明者らは、長時間稼働においても
焼付きがなく、耐摩耗性、耐久性に優れかつ、廉価な小
型内燃機関部品を得るべく鋭意検討を行った結果、上記
目的を満足する炭化珪素系焼結体よりなる排気量３０ｃ
ｃ以下の内燃機関部品の製造方法を見い出し、本発明方
法を完成するに至った。

すなわち本発明は、炭化珪素粉末と焼結助剤からなるセ
ラミック松原材料をその成形密度が理論密度の４０％以
上となるごとく成形し、次いで線収縮率が２４％以下で
焼結密度が理論密度の８５％以上となるよう焼結するこ
とを特徴とする排気量３０ｃｃ以下のセラミック製内燃
機関部品の製造方法を提供するにある。

以下、本発明方法を更に詳細に説明する。

本発明の対象となる排気量３０ｃｃ以下のセラミック製
内燃機関部品は炭化珪素と硼素化合物や有機炭素質化合
物等の焼結助剤を添加混合し、成形密度が理論密度の４
０％以上になる如く成形し、次いで焼結を行うがその焼
結条件は焼結時の線収縮率が２４％以下で焼結密度が理
論密度の８５％以上を達成しうるような条件が選択され
る。

成形時の成形密度が理論密度の４０％未満の場合には焼
結時の線収縮率が大きくなり、焼結時の条件の如何にか
かわらず焼結体製品の寸法精度が悪く、目的とする実質
的に後加工が不要の小型内燃機関部品の取得が困難とな
る。また該部品の場合には焼結時の線収縮率を２４％以
下となる如くその条件を設定しておげば十分内燃機関と
しての特性を満足する製品の取得か可能となる。

更に取得される焼結体の密度が理論密度の８５％未満の
場合には焼結体の機械的強度が低くなり、内＋ｆｆＡ　
機関部材として使用するに十分の特性を有する製品とは
なりがたい。

本発明の対象となる焼結部材の適用範囲は排気ｆｆ１３
０ｃｃ以下の容積を有する内燃機関部品である。

この範囲のものであれば上記条件で取得した焼結体内燃
機関部材は特に仕上げ加工を要することなく寸法公差を
±０．４％以下を実現することが可能であり、使用時の
圧縮漏れや摩擦による亀裂の発生もなく、内燃機関とし
て十分な機能を発揮する。

更に具体的な製造方法としては、有機炭素質化合物を有
機溶剤に溶解し、次いで水にエマルジョン分散させた後
、該分散液に炭化珪素と硼素化合物の混合粉、或いは該
混合粉の水分散液を添加混合し、これを噴霧乾燥するこ
とにより顆粒状粉体を形成し、そのまま或いは該顆粒状
粉体を解砕した後成形し、得られた成形体を常圧焼結す
る方法が１什奨される。

焼結密度の高い炭化珪素系焼結体を製造するに当たって
は、焼結助剤として硼素化合物と有機炭素質化合物等を
用いることば既に公知であり、焼結時にこれらの焼結助
剤が如何に作用するか未だ詳らかでばないが、硼素は炭
化珪素の粒成長を抑制するとともに炭化珪素粒子間に液
相を形成し原子の拡散を促進し、他方炭素は硼素と同じ
く炭化珪素の粒成長を抑制するとともに炭化珪素の粒子
表面の酸化層を高温で還元除去する機能を有し、焼結を
促進する作用を持つ。

しかしてこれらの焼結助剤の添加方法について硼素の場
合は、微粒の硼素化合物を固体で炭化珪素粉末と混合す
ることで十分に効果を発揮するが、炭素の場合には分散
性が特に重要で現段階では高収率に炭化可能な有機炭素
質化合物を有機溶媒に溶解させ、炭化珪素粒子と均一に
混合する方法が最も効果があるとされ、種々の有機炭素
質化合物の分散方法、溶媒の乾燥方法等が提案されてい
る。

例えば特開昭５７−１４９８７０号公報には炭化珪素９
．７６ｇに、Ｏｙ０３６ｇの硼素を含有する炭化ｆ＃Ｉ
素にポリビニルアルコール１０％溶液１ｇと２０ｍ７！
のアセトンに溶解したフェノール樹脂０．５８８３ｇを
混合した後窒素を導入し、アセトン及び水を蒸発させる
方法が示されており、また特開昭５７−１９６７６８号
公報には炭化珪素５００ｇ、炭化硼素６．５ｇ、ノボラ
ック型フェノール樹脂１．９．４ｇの混合物にヘンゼン
２６０ｍ（１、ソルビタンモノオレート１ｇ１ポリエチ
レングリコール５ｇを添加し、振動ミルにより６時間分
散処理を行った後、該混合スラリーを一５０°Ｃに維持
された容器中に噴霧し、凍結物を得、更に０．１１〜２
０龍１１ｇ、０〜−５°Ｃに維持された容器中で凍結乾
燥する方法が示されているが、いずれも高価な有機溶媒
の多量使用を必須要件とすることと、前者はフェノール
樹脂の不均一な析出が生じ分散性が十分ではなく、他方
後者は均一な分散は期待されるものの乾燥処理が噴霧、
乾燥の二工程となるため乾燥処理費用が嵩む。

これら公知の方法に比較し、前記本発明の推奨される方
法は経済的でありかつ、炭素の分散性に優れた製造方法
である。

本発明方法の実施に当たって炭化珪素としてはα型、β
型或いはα、β型混合のザブミクロンの粒子径を有する
ものが使用される。

又焼結助剤としての硼素化合物は１９００〜２３００°
Ｃの焼結温度で蒸気圧の低いものが望ましく、例えば炭
化硼素、窒化硼素、硼素等が挙げられる。炭化珪素に対
する硼素化合物の添加量は硼素として０．１〜３．０重
量％程度が適当であり、この範囲を外れると焼結密度が
低下する。他方有機炭素質化合物としては炭素収率が３
０重量％以上のものか適当であり、例えばノボラック型
ポリフェニレンに代表される芳香族炭化水素重合体が挙
げられる。炭素収率が３０重量％未謂の場合には焼結密
度があがらず機械的強度が低く、適当とはいえない。有
機炭素質化合物の添加量は残留炭素量としてＯ，１〜５
．０重量％の範囲が適当である。添加量が０．１重量％
未渦の場合には焼結密度か低く、他方５Ｎ量％を越える
場合には成形体の破壊の発生点となる炭素の凝集体を形
成するため好ましくない。

有機炭素質化合物は有機溶剤に溶解し、次いで水にエマ
ルジョン粒子させるが、かかる有機溶剤としては水溶性
、非水溶性のいずれを使用してもよい。しかしながら水
溶性有機溶剤はエマルジョン粒子が凝集沈澱状態を経る
ためか非水溶性有機溶剤に比較して分散性が劣るので、
ブチルアルコール等の高級アルコール系、ヘンゼン、ト
ルエン等の芳香族単環式炭化水素系、キノリン等の複素
環式炭化水素系の非水溶性有機溶剤が用いられる。

有機溶剤の使用量は有機溶剤／水の重量比が０．１以下
でありかつ、有機溶剤／有機炭素質化合物の重量比が０
．２以上の条件で実施される。

有機溶剤／水の重量比が０．１を越えると生成するエマ
ルジョン粒子の粒子径が大きくなり、炭化珪素粒子と均
一に混合することが困焚ＩＥとなる。他方有機溶剤／有
機炭素質化合物の重量比が０．２未嵩だと有機炭素質化
合物が局部的に凝集するため好ましくない。

有機炭素質化合物と有機溶剤の水へのエマルジョン分散
方法としては公知のエマルジョン分散方法を適用すれば
よく、例えばプロペラ攪拌機、櫂型攪拌機、タービン型
攪拌機等の攪拌機を用いて行えばよく、又分散時に分散
剤、例えばアルキルフェノール基、エステル基、アミノ
基を有する分散剤を添加することは勿論可能である。

この様にして得たエマルジョン溶液は次いで炭化珪素と
硼素化合物の混合粉、或いは該混合物の水分Ｈ’ｌ　ｌ
ｌνとホールミル、振動ミル、アトライター等の混合機
を用い分ｔｔｋ混合し、その後通常１５０〜２５０℃の
温度に保たれた容器中に該スラリーを噴霧することによ
り乾燥を行う。

次いで噴霧乾燥により得られた顆粒状粉体はそのままプ
レス成形されるか、或いは顆粒を解砕した後、必要によ
り有機結合剤、潤滑剤等を混合し押出成形、射出成形、
スリップキャスティング成形等の成形法により所望形状
に成形される。以上により成形された成形体は次いで焼
結されるが、その焼結条件としては通常は非酸化性雰囲
気下１９００〜２３００℃の温度で、しかも焼結時の線
収縮率が２４％以下で焼結密度が理論値の８５％以上と
なしうるような条件が選択される。以上により本発明の
目的を満足する製品が取得できる。

噴霧乾燥に際し成形体の強度付与を目的とじて予め炭化
珪素量の５重量％以下量の範囲でポリビニルアルコール
、ワックスエマルジョン、ポリアミンスルボン等の成形
助剤の添加、更には焼結に際し該成形体を非酸化性雰囲
気下で予備焼成し、有機物を除去すること、加えて旋盤
、研削加工等により成形体の寸法精度を高める等の予備
処理は本発明の主旨を逸脱しない限り妨げない。

このようにして得られた焼結体は、排気量３０ｃ、ｃ以
下の容積を有するシリンダー、シリンダーライナー、ピ
ストンの如き内燃機関部品を構成する場合に要求される
寸法公差±０．４％以下を満足することができるため、
該機関部品の使用時における圧縮漏れや摩擦による亀裂
発生等のトラブルのない内燃機関部品の提供が可能とな
る。

以下実施例により本発明を更に詳細に説明するが、かか
る実施例は本発明の一実施態様例を示すものであり、本
発明はこれにより制限されない。

実施例　１ コールタールピンチ（炭！収率４５％）１２ｇをキノリ
ン１２ｇに溶解し、分散剤としてソルビタンモノステア
レート１ｇを混合した溶液にポリビニルアルコール０．
５重量％水溶液ヲ徐々に添加しながら攪拌し、コールタ
ールピンチのエマルジョン液６００ｇを造った。

このエマルジョン液に炭化珪素含有量９７重量％、ＢＥ
Ｔ比表面積１３ｍ′／ｇのα型炭化珪素３００ｇ、１２
００メソシユパスの炭化硼素３ｇを加え、プラスチック
ボールミルを用い３時間分散混合した後Ｌ　８０　”ｃ
にて噴霧乾燥を行った。得られた顆粒状粉体をゴム型に
装入し、２　Ｔｏｎ／ｃｎｌの成形圧で静水圧プレス成
形を行いシリンダーライナーの形状に成形した。この成
形体の成形密度は１．　６４　ｇ／ｃｎｔ　（理論値の
５１％）であった。

この成形体をアルゴンガスを流しながら６００℃ｘ３時
間の焼成を行った後更にアルゴンガス雰囲気下２０５０
℃の温度で３０分間焼結した。

得られた焼結体の寸法は外径３６ｍｍ、内径３２ｍｍ、
高さ８０ｍｍの円筒であり、焼結時の線収縮率は１９％
で、寸法公差は±０．３５％、焼結密度は３．　０８　
ｇ／ｃＴａ（理論値の９６％）であった。

この炭化珪素製シリンダーライナーを草刈雌用エンジン
（排気１ｔ３０ｃｃ）に装着し、６０００ｒｐｍで２時
間連続稼働せしめたが異常は認められなかった。

実施例　２ 実施例１と同し方法で得られた顆粒状粉体を解砕後２０
０メソシユの篩を通過した粉体３０００ｇにメチルセル
ロース１５０ｇ、プロピレングリコール７５ｇ、ステア
リン酸３０ｇ、蒸溜水６３０ｇを混合、混練した後８０
ｋｇ／ｃＪの押出圧力で押出成形を行った。得られた成
形体の成形密度は１５０ｇ／ｃ〆（理論値の４７％）で
あった。この成形体を実施例１と同し条件で予備焼成し
た後アルゴンガス雰囲気下２０８０℃の温度で３０分間
焼結を行った。

得られた焼結体の寸法は外径３０龍、内径２６節、高さ
６５ｉｎの円筒であり、収縮率２１％、寸法公差：！：
０．３４％、焼結密度３．　０５　ｇ／ｃｔＡ（理論値
の９５％）であった。この炭化珪素製シリンダーライナ
ーを４サイクル模型用エンジン（排気量１５ｃｃ）に装
着し、９０００ｒｐｍで１時間連続稼働させたが異常は
認められなかった。

実施例　３ ノボラック型フェノール樹脂（炭素収率５０％）８ｇを
ヘンセン１６ｇに熔解し、分散剤としてポリオキシエチ
レンノニルフェノールエーテル１ｇを混合した溶液に蒸
溜水を徐々に添加しながら攪拌し、フェノール樹脂のエ
マルジョン液８００ｇを造った。このエマルジョン液に
炭化珪素含有量９７重量％、ＢＥＴ比表面積１６ｒｄ／
ｇのβ型炭ｊ　化珪素３００ｇ、１２００メソシュ通過
の炭化珪素３ｇを加えプラスチックボールミルを用い、
３時間分散混合した後１８０℃の温度にて噴霧乾燥を行
った。得られた顆粒状粉体を解砕し、２００メソシユの
篩を通過した粉体２００ｇにｐ　Ｈ１２に調整したアン
モニア水溶液１５０ｇを加え、プ）スチソクポールミル
を用い６時間分散混合した後石膏型にてスリップキャス
ティング成形を行った。成形体の成形密度は１．　７２
　ｇ／ｃＪ　（理論値の５４％）であった。この様にし
て得た成形体を実施例１と同じ条件で予備焼成引き続き
焼結を行い、外径３０鰭、内径２６龍、高さ６５關のシ
リンダーライナーを得た。この時の収縮率は１７．５％
、寸法公差±０．３、焼結密度３．０６ｇ／ｃｄ（理論
値の９５％）であった。この炭化珪素製シリンダーライ
ナーを４サイクル模型用エンジン（排気ｆｆ１１５ｃｃ
）に装着し、９０００ｒｐｍで１時間連続稼働せしめ　
たが異常は認められなかった。

実施例４〜５及び比較例１〜２ 第１表に示す条件の他は実施例１と同じ条件で成形、焼
結し、外径３０關、内径２６ｍｍ、高さ６５龍のシリン
ダーライナーを製作した。この成形体ならびに焼結体の
物性とこれを１５ｃｃ排気量の４ザイクル模型用エンジ
ンに組み込み稼働せしめて得た結果を第１表に示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）炭化珪素粉末と焼結助剤からなるセラミック１５）
   原材料をその成形密度が理論密度の４０％以上となるご
   とく成形し、次いで線収縮率が２４％以下で焼結密度が
   理論密度の８５％以上となるよう焼結することを特徴と
   する排気量３０ｃｃ以下のセラミック製内燃機関部品の
   製造方法。 ２）有機炭素質化合物を有ｌａ溶剤に熔解し、次いで水
   にエマルジョン分散させた後、該分散液に炭化珪素と硼
   素化合物の混合粉、或いは該混合粉の水分散液を添加混
   合し、これを噴霧乾燥することにより顆粒１ぺ粉体を形
   成し、そのまま或いは該顆粒状粉体を解砕した後成形密
   度が理論密度の４０％以上となるよう成形し、次いで焼
   結時の線収縮率が２４％以下で焼結密度が理論密度の８
   ５％以上となる条件下に常圧焼結することを特徴とする
   排気量３０ｃｃ以下のセラミック製内燃機関部品の製造
   方法。 ３）有機溶剤／水の重量比が０．１以下であり、かつ有
   機溶剤／有機炭素質化合物の重量比が０．２以上である
   特許請求の範囲第２項記載の排気１ｔ３０ｃｃ以下のセ
   ラミック製内燃機関部品の製造方法。 ４）有機炭素質化合物が炭素収率３０重量％以−ヒの高
   分子芳香族化合物、多核芳香族炭化水素または芳香族炭
   化水素重合体の少なくとも１種である特許請求の範囲第
   ２項記載の排気量３Ｑｃｃ以下のセラミック製内燃機関
   部品の製造方法。 ５）有機溶剤が非水溶性有機溶剤である特許請求の範囲
   第２項記載の排気量３０ｃｃ以下のセラミック製内燃機
   関部品の製造方法。 ６）有機溶剤がブチルアルコール、ヘンセン、トルエン
   またはキノリンである特許請求の範囲第２項記載の排気
   量３０ｃｃ以下のセラミソり製内燃機関部品の製造方法
   。