JPS63242982A

JPS63242982A - セラミツクス−炭素複合材料の製造方法

Info

Publication number: JPS63242982A
Application number: JP62077028A
Authority: JP
Inventors: 美喜夫阪口
Original assignee: Kao Corp
Current assignee: Kao Corp
Priority date: 1987-03-30
Filing date: 1987-03-30
Publication date: 1988-10-07
Anticipated expiration: 2010-01-25
Also published as: JPH075403B2

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
攪拌羽根等、耐摩耗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、ころがり軸受のポール
、リテーナ−１磁気ヘッドスライダ−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ー有機物複合材料で、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「Ｚｒｏｔ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、天分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、本発明の詳細な説明する。

本発明で使用するセラミックス粉末は、Ａ１□０３゜Ｚ
ｒ０ｚ、　Ｔｉ（ｈ、　ＭｇＯ等の酸化物、ＳｉＣ＋　
ＴｉＣ＋　Ｂ４．ＣＩＷＣ等の炭化物、ＺｒＢ、、　Ｃ
ｒＢ　、　ＴｉＢ、等の硼化物、Ｓｌ：＋Ｎｔ＋　ＡＩ
Ｎ＋　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
０．０５〜５−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
ス粉末を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
〜１０％の範囲内に抑えなければならない。０．１％未
満では、セラミック粒子の焼きっけが不十分で、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。

本発明で使用するを搬物は、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、天分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。

また天分が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
じて旧Ｐ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０．１−のイツトリア安定ジルコ
ニア粉末と炭素源として平均粒径０．０５−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、３
０Ｘ６Ｑｘ７ｍｍの平板状に１０００ｋｇ／ｃｍ”の圧
力で成形し、真空中１４００℃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２００ｒｐ
ｍ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。

第　　１　　表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を示し、本発明を更に詳細に説明
する。

実施例１平均粒径０．１μのイツ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／ｃｍ”の圧力で３０Ｘ６０Ｘ７ｍｍ
の平板に成形した。この成形体を１１００°ｃｘ１時間
空気中子備焼成した。得られた予備焼成体は、収縮率２
．１％で、空隙率５６％であった。

本予備焼成体に、残炎率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”ｃ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１
１．２％複合されていた。これを精密加工し、磁気ヘッ
ドスライダ−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０．３　ｔａ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　Ｘ　５０　Ｘ　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％、天分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０．５　ｔｔｍ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４
０ＩＩＩＩＩＩφ、厚さ２０ＩＩＩｌｌ＋のリング状に
２０００ｋｇ／ｃｍ”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２
８％であった。

本予備焼成体に、残炭率５０％、灰分０．７５％のピッ
チを１５０℃、１０気圧下で含浸させ、脱脂した後、Ａ
ｒ雰囲気下、２０００℃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りテ
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２Ｉ！ｍの硼化ジルコニウム１００重量部に焼
結助剤としてＢ、Ｃを１５重量部添加し、混合した後、
外径３０ｎ＋ｍφ、厚さ１５Ｒ１１Ｄ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、計容囲
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
５０ｍｍφ、厚さ５ｍｍに金型プレスし、１３００　’
Ｃ×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’Ｃで硬化処理し
た後、計容囲気中１５ｏｏ℃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１００ｎ＋ｍφ、内径８５ｍｍφ、厚み７ｍｍに２
０００ｋｇ／ｃｍ”の圧力でラバープレスした後・１７
００℃×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％、天分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１
６．８％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−、メカニカ
ルシール、磁気ヘッドスライダ−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、信幀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】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。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。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。