JPS6395158A - 炭化珪素および炭素よりなる成形体の製造方法 - Google Patents

炭化珪素および炭素よりなる成形体の製造方法

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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、耐熱材、耐摩耗材あるいは耐薬品材として各
種の産業分野において利用できる炭化珪素および炭素よ
りなる成形体の製造方法に関するものである。
[従来の技術] 従来、炭化珪素と炭素とからなる複合体を得るために種
々の方法が提案されているが、このうち先ず、耐酸化性
、耐摩耗性等の改善を目的として、炭素基材の表面に炭
化珪素の被膜を形成する方法には、次のようなものがあ
る。すなわち、気体珪素化合物の基材表面での分解、反
応による炭化珪素被膜の形成、あるいは気体珪素化合物
、気体炭素源の基材表面での反応付着による炭化珪素被
膜の形成方法などである。
また一方、炭素成形体の内部まで炭化珪素化する方法に
は、上記の気相反応を利用したものの他、炭素成形体に
対する溶融シリコン等の浸透反応を利用した方法が試み
られているが、この方法によると、通常炭素成形体の表
面から数m11程度の深さまでしか炭化珪素化できない
のが実情である。
そこで、本発明者等はさらに厚い部材の内部まで一様に
炭化珪素化することを企図して、先に特願昭59−10
8810号で、炭素成形体を予め400〜600℃で酸
化処理して軽量多孔化してから金属シリコン等の含珪素
材を浸透反応させる方法を提案している。そして、この
方法によれば、炭化珪素化率が高く、シかも1cm以上
の深さまで一様に炭化珪素化した複合成形体を造ること
が可能とされている。
[発明が解決しようとする問題点] しかし、その後更に実験研究を重ねた結果、この既出願
の製造方法に係る多孔化処理を施した炭素材料を用いた
場合にあっても、炭化珪素化が均質に進行せず、反応が
表面にのみとどまってしまうものがあることが知見され
ている。
本発明は、このような問題点に着目し、炭素基材の結晶
性と密度を選択することにより、炭素基材の成形体に含
珪素材°を浸透反応きせるだけで、その表面に簡単でか
つより一層確実に深い厚さの一様な炭化珪素層を形成す
ることができる新たな炭化珪素および炭素よりなる成形
体の製造方法を提供しようとしている。
[問題点を解決するための手段] 本発明は、このような目的を達成すべく、格子定aCが
8.9λ以下でかつ密度が1.7g/c−以下の炭素材
料を所望の形状に成形し、この炭素成形体に含珪素材を
゛浸透反応させて、該炭素成形体と略同形状の炭化珪素
および炭素よりなる成形体を得ることを特徴としている
ものである。
すなわち、本発明がその問題解決のために基本とする考
え方は、その炭素成形体を構成する炭素材料の化学的反
応性と密度に着目し、これらを選択することによって、
均一で深い厚さの炭化珪素層を有する炭化珪素−炭素複
合成形体を製造できるようにすることである。
しかして、本発明者はかかる技術的見地に基づいて、格
子定数C(結晶性)および密度の異なる種々の炭素材料
についてその表面から含珪素材の浸透反応を行なわせて
比較したところ、格子定数Cが6.9λ以下でかつ密度
が1.7g/cm3以下の炭素材料を用いた場合は、い
ずれも均質な炭化珪素化が進行することが確認された。
一般に炭素には、カーボンブラックのように殆ど結晶化
しないものから、天然黒鉛のようにほぼ完全に結晶化し
たものまで、種々の結晶化度の材料がある。天然物を除
くと、その結晶化度は、炭素材料製造時の黒鉛化あ理温
度によって決まる。
黒鉛化処理温度が高い程、黒鉛化が進んでおり、それと
同時に後の実施例1に示すようにその格子定数Cも減少
して、天然黒鉛のc =8.708λに近づいて行く、
従って、炭素材料の格子定数Ct−求めることによって
その結晶化(黒鉛化)度を推定することができる。そし
て、一般に同一物質においては、非晶質状態のものの方
が結晶状態のものより活性が高く、反応性が高いことが
知られている1以上の二とより、炭素材料の格子定数C
をX線回折法などによって求めることにより、その反応
性を推測することができると考えられる。
また、炭素材料の密度はその空隙率に大きく影!を与え
、本発明のような溶融シリコン等の炭素中への侵透反応
には非常に大きな影響を与えると考えられる。事実、後
の実施例2と3を比較すれば、格子定数Cが6.9λ以
下の炭素材料においても、密度が1.7g/cm3を超
えるものは、充分な浸透反応を示さなかった。
本発明は、このような考察、知見結果をもとにして、格
子定数Cが6.9Å以下でかつ密度が1.7g/cm3
以下の炭素材料を成形して、これに含珪素材を浸透反応
せしめることにより、元の炭素成形体と略同形状で、し
かもこの種従来の方法で得られるものよりも内部まで深
く一様に炭化珪素化できる製造方法を提供するものであ
る。
[作用] このように、格子定数Cが6.9Å以下でかつ密度が1
.7g/c+s3以下の炭素材料が均質に表面から深く
炭化珪素化できる理由は、以下のような作用に基づくも
のと推測される。
まず、本発明の炭化珪素化反応は、溶融シリコン等が炭
素材料の空隙中に浸透しながら反応して炭化珪素を生成
するものである。また、この炭化珪素化が約2.4倍の
体am張を伴なうため空隙が塞がれて行く、そのため炭
素材料には溶融シリコン等が浸透できる空隙が必要とな
る。これが炭素材料の密度を1.7g/cm3以下とし
た理由である。しかし、後の実施例3に示すように密度
が1.5g/Cm’の炭素材料でも、黒鉛化処理温度が
低く結晶化度の低いものは、表面からの浸透反応深さが
浅い。
これには炭化珪素化反応を構成する下記の2種類の現象
が進行する速さが影響していると考えられる。つまり、 (i)溶融シリコン等が毛管現象によって炭素の空隙中
に浸透する速さ、 (ii)溶融シリコン等が空隙表面の炭素と反応して炭
化珪素を生成し、その約2.4倍の体積膨張によって空
隙を埋めて行く速さ、 とである。
そして、前項で述べたように、結晶化度の低い炭素は結
晶化度の高い炭素よりも活性で、溶融シリコン等との反
応も速やかに進行すると考えられる。そのため前記(i
i)の反応が前記(i)の浸透より速く進行して表面付
近の空隙を埋めてしまい、それ以降珪素が内部まで浸透
することができなくなり1表面付近しか炭化珪素化でき
ないものと考えられる。
これに対し、結晶化が格子定数Cで8.9λ以下まで進
行した炭素では、前記(ii)の反応が緩やかになり、
まず前記(i)の浸透が炭素の内部まで進行し、その後
(ii)の反応が進行して深くまで炭化珪素化できるも
のと考えられる。
[実施例] 以下に実施例を挙げて説明する。
〈実施例1〉 黒鉛化処理温度が各々既知の880.1000.155
0、1800.2070.230G、2600および2
900℃の各炭素材料にそれぞれ17重量%のケイ素を
加え、粉砕・混合した後、X線回折(Cu Ka、 3
5KV−15mA)を測定した。ケイ素は格子定数決定
の際の内部標準である。002の回折線のd値(面間隔
)より求めた各炭素材料の格子定数Cを黒鉛化処理温度
に対してプロットして添付図に示す、処理温度が880
と1000℃の炭素は非常に幅の広い002の回折線を
グ・え、殆ど結晶化していないことを示した。また、a
Oaより求めた格子定数Cは約7.0λであった。一方
、処理温度が1550℃以上の炭素材料は、温度の上昇
とともに鋭い回折線を与え、結晶化が進んでいることを
示した。同時に、図示するように、格子定数Cも小さく
なり、天然黒鉛の8.708人に近づいて行った。この
ように黒鉛化処理温度によって、炭素の結晶化度(黒鉛
化度)はほぼ決定されることが判る。
〈実施例2〉 第1表に示すように黒鉛化温度の異なる種々の炭素材料
を各基材として成形した炭素成形体に。
それぞれ炭素に対して重量比で0.05の溶融シリコン
を浸透反応させ、その浸透深さを調べた。但し、反応は
アルゴンガス雰囲気下1800℃で1時間行ったもので
ある。
得られた反応生成物をそれぞれ目視観察すると、格子定
IaCが6.9λ以下(黒鉛化処理温度が1550℃以
上)の炭素では、珪素の残留は認められなかった。一方
、格子定数Cが8.9人を超える(黒鉛化処理温度が8
80およびtooo℃の)炭素では1表面に溶融珪素が
固まった残留物が認められた。各反応生成物を粉砕して
X線回折を測定すると、格子定数Cが6.9λ以下の炭
素、から得られた生成物は、β−炭化珪素、炭素と微量
の珪素から構成されており、また反応前後の重量より求
めた反応率は88〜100%であった0次に1反応生成
物の破断面をX線マイクロアナライザで観察し、表面か
らどの程度珪素が浸透して炭化珪素化しているかを調べ
た。結果を第1表に示す。
第1゛表 上表に示す通り、格子定数Cが8.8人を超える炭素で
は充分な炭化珪素化反応は進行せず、珪素の浸透深さも
ほぼ零であった。一方、8.9λ以下の炭素では反応は
良好で、表面から0.5〜1.5mmの深さまで炭化珪
素化された。
〈実施例3〉 実施例2では1反応の良好であった格子定数Cが6.9
A以下の材料間にも、珪素の浸透深さのバラツキが認め
られた。このバラツキは密度がすべてf、7g/ca3
を超えており、しかも密度の異なる炭素材料を使用した
ために生じたものと考えられる。そこで、炭素材料の密
度を1.5g/cm3に揃えて各処理温度の炭素材料に
珪素を浸透反応させた。
この結果を、第2表に示す、但し、浸透反応は各炭素成
形体の表面に金属シリコンを付着させ、高温加熱装置に
よりアルゴン気流中で1800℃の温度に加熱して行な
わしめたものである。なお、各炭素成形体に反応させた
珪素は重量比でS i / C=0.4〜0.7であっ
た。
この表に示すように、炭素材料の密度を揃えて浸透反応
を実施すれば1反応S i / C比を0.05か第2
表 ら0.4〜0.7に上げることができ、格子定数Cが8
.9λ以下の炭素材料を用いたものではすべて反応が良
好で、珪素が表面から1.4mm以上と深く均質に反応
することが確かめられる。また、格子定数Cが8.9人
を超える炭素についても、密度を1.5g/cm3にす
ることによって、珪素の浸透深さは改善された。しかし
、その値は!、2mm以下であり、生成物の表面には未
反応の珪素の残留が認められた。これらのことから、炭
素の均質な炭化珪素化には、炭素の密度を下げるだけで
は充分でなく、炭素の結晶化度と密度が密接に関係して
いると考えられる。そして、その理由については[作用
]で述べたように、炭素の結晶化度の違いによる反応プ
ロセスの違いによるものと考えられる。
[発明の効果] 以上のように、本発明の方法によると、格子定数Cが8
.9A以下でかつ密度が1.7g/cI13以下の炭素
材料より成形した炭素成形体に含珪素材を浸透反応させ
ることにより、その表面から深くて一様に炭化珪素化さ
れた成形体を得ることができ、所期の高密度、高強度の
炭化珪素および炭素よりなる成形体を簡単かつ確実に製
造することができるものとなる。
【図面の簡単な説明】
図面は炭素の黒鉛化処理温度と格子定数Cとの関係を示
す図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1.  格子定数cが6.9Å以下でかつ密度が1.7g/c
    m^3以下の炭素材料を所望の形状に成形し、この炭素
    成形体に含珪素材を浸透反応させて、該炭素成形体と略
    同形状の炭化珪素および炭素よりなる成形体を得ること
    を特徴とする炭化珪素および炭素よりなる成形体の製造
    方法。
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