KR101060863B1

KR101060863B1 - 세라믹 소결체 및 이것을 이용한 접동부품, 및, 세라믹소결체의 제조방법

Info

Publication number: KR101060863B1
Application number: KR1020087016233A
Authority: KR
Inventors: 카즈유키 아카사카; 키요시 카와이
Original assignee: 히다치 가세고교 가부시끼가이샤
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2007-02-22
Publication date: 2011-08-31
Also published as: JPWO2007097402A1; JP4998458B2; US8293667B2; CN104692805A; WO2007097402A1; EP1988067A4; US20090149309A1; KR20080076996A; EP1988067B1; EP1988067A1

Abstract

본 발명은, 치밀한 구조를 가지고, 균열의 발생이 적고, 그러면서도, 무윤활 상태라도 우수한 접동특성을 가지는 세라믹 소결체 및 그 제조방법, 및 이를 이용한 접동부품을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 소결체는, 탄화규소를 모재로서 포함하고, 또한, 평균입경이 5㎛ 이하인 고체윤활제A 및 평균입경이 10~70㎛인 고체윤활제 B를 함유한다.

접동특성, 세라믹 소결체, 고체윤활제

Description

세라믹 소결체 및 이것을 이용한 접동부품, 및, 세라믹 소결체의 제조방법{SINTERED CERAMIC, SLIDE PART THEREFROM, AND PROCESS FOR PRODUCING SINTERED CERAMIC}

본 발명은, 세라믹 소결체 및 이것을 이용한 접동부품, 및, 세라믹 소결체의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 탄화규소의 소결체는, 매우 딱딱하고, 또한, 수윤활(水潤滑-water lubrication)로 사용되는 경우 등에 양호한 윤활성을 가지고, 게다가, 내마모성, 내약품성에서도 뛰어난 특성을 가지고 있다. 그 때문에, 메카니컬씰(mechanical seal), 베어링(軸受) 등의 접동부품에 널리 사용되고 있다. 특히, 메카니컬씰의 경우, 접동면의 면압과 회전속도와의 곱(積)인 PV값이 높은 경우에서도 사용할 수 있기 때문에, 탄화규소 소결체(탄화규소 세라믹스)는 유용한 재료로서 평가되고 있다. 또한, 이 탄화규소 소결체는, 기공을 도입하는 것에 의해, PV값이 더욱 높은 경우에서도 사용할 수 있게 되는 것으로 알려져 있다.

상기 종래의 탄화규소 소결체는, 접동면에 액막이 형성되어 있는 상태(이하, 「윤활상태」라고 한다)에서는, 미끄럼 마찰에 대하여 양호한 특성을 가지는 것이었다. 그러나, 접동면에 액막이 전혀 형성되어 있지 않거나, 액막이 충분히 형성되 어 있지 않은 상태(이하, 「무윤활 상태」라고 한다)에서는 고체마찰이 생기기 때문에, 마찰계수의 현저한 상승에 의한 접동면의 버닝이나 이에 따른 이상 마모가 발생하기 쉬운 경향이 있었다. 이와 같이, 순수한 탄화규소 소결체는, 일률적으로 접동특성이 충분한 것이 아니며, 무윤활 상태에서의 사용에는 최적은 아니었다.

탄화규소계의 소결체로서 표면의 마찰이 적어진 재료로서는, 종래에는, 탄화규소에 흑연 등의 탄소재료를 고체윤활제로서 첨가한 재료가 제안되고 있다. 예를 들면, 우선, 탄화규소분말에 대하여 1~5체적%의 카본블랙을 첨가하여 얻어진 소결체가 제시되고 있다(특허 문헌 1 참조). 이 소결체는, 수윤활에서의 마찰계수가 작아지고 있는 것으로 나타나고 있다. 또한, 탄화규소에, 탄소로서 6.0~12.0중량%에 상당하는 양의 카본블랙을 첨가한 소결체가 제시되고 있다(특허 문헌 2 참조). 이러한 소결체는, 유조 중에서의 마찰계수가 양호한 것으로 나타나고 있다.

또한, 탄화규소분말에 흑연을 첨가한 복합재료도 제안되고 있다. 예를 들면, 특허 문헌 3에는, 평균 입자경이 8~100㎛인 인상(鱗狀-scale-like)의 천연흑연을 10~30중량% 함유하고, 상대밀도가 80~92%인 소결체를 제시하고 있다.

또한, 탄화규소 부분 99.9중량%~70중량% 및 탄소 부분 0.1중량%~30중량%를 가지고, 탄화규소는 평균 입도가 10㎛ 보다 크고, 2모드의 입자 구조를 가지는 미세구조를 가지는 미세구조를 가지고 있고, 탄소는 평균 입도가 10㎛ 미만인 세라믹 복합재료가 개시되어 있다(특허 문헌 4 참조).

특허 문헌 1: 일본 특허공고공보 소61-043310호

특허 문헌 2: 일본 특허공개공보 소61-063569호

특허 문헌 3: 일본 특허공보 제3350394호

특허 문헌 4: 일본 특허공개공보 제2002-326873호

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

그렇지만, 상술한 소결체 등은, 순수한 탄화규소 소결체에 비하면 마찰계수가 작은 것이었지만, 여전히 무윤활 상태에서는 충분히 번인(burn-in)을 방지할 수 없는 경우도 있어, 우수한 접동특성을 확실하게 얻는 것이 곤란했다. 또한, 뛰어난 접동특성이 얻어지는 것이어도, 소결체가 치밀하지 않고 씰(seal) 특성이 불충분하거나, 균열이 들어가 있거나 하는 단점을 가지고 있는 것이 많았다.

따라서, 본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 치밀한 구조를 가져, 균열의 발생이 적고, 게다가, 무윤활 상태에서도 뛰어난 접동특성을 발휘할 수 있는 세라믹 소결체 및 이것을 이용한 접동부품을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 또한, 이러한 세라믹 소결체의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명자 등이, 상기 종래 기술이 가지는 불리한 요인에 대해서 상세하게 검토를 실시한 바, 이하와 같은 지견(知見)을 얻었다. 즉, 우선, 탄화규소의 소결체는, 고체윤활제의 첨가량이 많을수록, 또한, 고체윤활제의 입경이 클수록 마찰계수가 낮아지는 경향이 있다.

예를 들면, 카본블랙 등을 첨가하여 소성하는 것에 의해 형성된 흑연은, 미 세한 입자가 되기 때문에, 조대(粗大)한 흑연입자를 포함하는 경우와 비교하여 마찰계수를 저감하는 효과가 적다. 구체적으로는, 특허 문헌 1 및 2에는, 상술한 바와 같이, 탄화규소에 첨가한 카본블랙을 소성하여 형성된 흑연을 포함하는 소결체가 기재되어 있다. 특허 문헌 1에 기재된 재료는, 마찰계수가 0.40정도로 크고, 번인을 충분히 방지하는 것이 곤란한 것이었다. 또한, 특허 문헌 2에 기재된 재료도, 공기 중에서의 마찰계수가 크고, 마찬가지로 번인을 충분히 방지하기는 곤란했다.

보다 뛰어난 마찰계수의 저감 효과를 얻기 위해서는, 흑연을 대량으로 첨가하는 것이 고려된다. 그러나, 이 경우, 소결체의 제조시의 소성 공정에 있어서, 흑연에 의해서 탄화규소의 소결이 불리하게 간섭되기 때문에, 예를 들면, 무가압으로 소결했을 경우 등에 치밀한 소결체가 얻어지기 어려워지는 경향이 있다. 예를 들면, 상기 특허 문헌 3에는, 천연흑연을 대량으로 첨가하여 얻어진 소결체를 나타내고 있다. 이 소결체는, 메카니컬씰로서 사용하는 경우, 그대로는 관통누출(貫通漏)이 발생하기 쉽고, 씰 특성이 불충분한 경향이 있었다. 같은 문헌에서는 소결체에 수지를 함침하고, 그것을 탄화 또는 흑연화하여 봉공재(封孔材)로 하는 대책도 기재되어 있지만, 이러한 소결체는, 제조가 용이하지 않고, 제조원가도 높기 때문에, 개선이 더 요구되고 있다.

한편, 접동특성의 향상을 위해서는, 조대한(입경이 큰) 흑연입자를 첨가하는 것도 생각할 수 있다. 그러나, 조대한 흑연입자를 포함하는 상기 특허 문헌 4의 세라믹 복합재료는, 예를 들면, 그 제조공정에 있어서 프레스 공정 후에 이완 했을 때 등에, 조대한 흑연입자와 탄화규소(SiC)와의 탄성 거동의 차이에 의해서 균열이 생겨, 성형체 균열을 갖는 것이 되는 것이 많았다. 같은 문헌의 비교예에서도, 평균 입도 40㎛ 정도의 조대한 흑연을 첨가했을 경우, 소결체에 있어서 흑연입자 주변에서 균열이 발생한 것이 나타나고 있다.

따라서, 본 발명자 등은, 상기 종래 기술의 검토에 의해 얻어진 지견에 근거하여, 고체윤활제로서 각각 다른 평균입경을 가지는 재료를 조합시켜서 포함하는 것에 의해서, 상술한 바와 같은 종래기술이 가지는 단점을 저감할 수 있게 되는 것을 발견하여, 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.

즉, 본 발명의 세라믹 소결체는, 탄화규소를 모재(母材)로서 포함하고, 또한, 평균입경이 5㎛ 이하인 고체윤활제A 및 평균입경이 10~70㎛인 고체윤활제B를 함유하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이, 본 발명의 세라믹 소결체는, 미세한 고체윤활제A와 조대한 고체윤활제B를 조합시켜서 함유하고 있다. 따라서, 이러한 세라믹 소결체는, 조대한 고체윤활제B에 의해서 마찰계수가 적어져, 뛰어난 접동특성을 가지게 되는 한편, 미세한 고체윤활제A를 포함하는 것에 의해 그 제조공정에 있어서의 탄성 거동 등의 차이가 완화되는 등으로 균열이 적어지는 것이 된다. 또한, 조대한 고체 윤활재 B를 포함하므로써, 마찰계수 저감을 위해 미세한 고체윤활제A의 첨가량을 과도하게 크게할 필요가 없기 때문에, 소성시에 탄화규소의 소결이 충분히 진행하고, 그 때문에 치밀한 구조를 갖는 것으로 되기 쉽다.

본 발명의 세라믹 소결체에 있어서, 고체윤활제A 및 고체윤활제B가, 각각 흑연이면 적합하다. 흑연으로 이루어지는 고체윤활제는, 탄화규소를 모재로 하는 소 결체의 접동특성을 특히 양호하게 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 세라믹 소결체는, 탄화규소 100중량부에 대하여, 고체윤활제A를 3~10중량부, 고체윤활제B를 2~8중량부 함유하는 것이 보다 바람직하다. 이러한 세라믹 소결체는, 고체윤활제A 및 B를 균형있게 포함하기 때문에, 우수한 접동특성을 가지는 것 외에, 지극히 치밀하고 또한 균열이 적은 구조를 가지는 것으로 이루어진다.

보다 구체적으로는, 고체윤활제A는, 카본블랙을 소성하여 얻어지는 흑연 및 열경화성 수지를 소성하여 얻어지는 흑연인 것이 바람직하다. 이와 같이 하여 얻어진 흑연은, 고체윤활제A로서 적합하고, 소결체의 접동특성을 향상할 수 있는 것과 동시에 치밀한 구조를 형성하기 쉽다.

한편, 고체윤활제B는, 인조흑연인 것이 바람직하다. 인조흑연은 도 1에 나타내는 바와 같은 일반적인 세라믹 제조공정 있어서도 입경의 변화가 적은 것이다. 따라서, 인조흑연을 고체윤활제B로서 포함하는 세라믹 소결체는, 고체윤활제B를 안정하게 포함할 수 있고, 뛰어난 접동특성을 가지는 것이 된다.

또한, 고체윤활제A 및 고체윤활제B의 합계 함유량은, 탄화규소 100중량부에 대하여 5~15중량부인 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 소결체는, 양호한 접동특성을 가짐과 동시에, 탄화규소 소결체가 본래 가지고 있는 딱딱함, 내마모성, 내약품성이라고 하는 특성이 양호하게 유지된 것이 된다.

또한, 본 발명의 세라믹 소결체는, 상대밀도가 92% 이상인 것이 바람직하다. 이에 의해, 세라믹 소결체는 우수한 치밀성을 가지는 것으로 되어, 메카니컬씰 등 으로 하여 사용했을 경우에 뛰어난 씰 특성을 발휘할 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이, 종래, 접동특성을 양호하게 하기 위해서 대량의 미세한 고체윤활제를 첨가했을 경우는, 무가압 조건에서 소결하면 치밀한 소결체가 얻어지지 않는 경향이 있었다. 이것에 대하여, 본 발명에 있어서는, 미세한 고체윤활제A와 함께 조대한 고체윤활제B를 조합시켜서 포함하기 때문에, 세라믹 소결체의 제조시에 있어서 고체윤활제A를 형성하기 위한 미세한 원료의 첨가량을 적게해도 충분한 접동특성을 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 세라믹 소결체는, 그 제조시에 있어서 탄화규소의 소결이 충분히 생기게 되어, 무가압으로 소결된 것이어도 치밀한 구조를 가지는 것이 될 수 있다.

또한, 본 발명의 세라믹 소결체에 포함되는 탄화규소는, αSiC이면 한층 바람직하다. αSiC는 결정구조가 안정되어 있는 것이기 때문에, 안정한 소결체를 얻을 수 있는 것 외에, 염가이기 때문에 세라믹 소결체의 제조원가도 저감할 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 본 발명의 세라믹 소결체를 이용한 접동부품을 제공한다. 이러한 접동부품은, 상기 본 발명의 세라믹 소결체로 이루어지기 때문에, 치밀한 구조를 가져, 균열의 발생이 적고, 게다가 무윤활 상태에서도 뛰어난 접동특성을 발휘할 수 있다.

상기 본 발명의 세라믹 소결체는, 탄화규소, 열경화성 수지 및 평균입경이 150nm 이하인 카본블랙, 및, 평균입경이 10~70㎛인 인조흑연을 포함하는 혼합물을 소성(燒成)하는 공정을 포함하는 제조방법에 의해 바람직하게 얻을 수 있다. 이러 한 제조방법에 의하면, 열경화성 수지 또는 카본블랙은 소성에 의해서 미세한 흑연을 일으키는 것과 동시에, 평균입경이 10~70㎛인 인조흑연은 그자체로 조대한 흑연이 된다.

그 결과, 상기 본 발명의 세라믹 소결체가 양호하게 형성된다.

보다 구체적으로는, 본 발명의 세라믹 소결체의 제조방법은, 탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 150nm 이하인 카본블랙을 2~8중량부, 평균입경이 10~70㎛인 인조흑연을 2~8중량부, 및, 열경화성 수지를 탄소로 환산하여 1~3중량부를 포함하는 혼합물을 소성하는 공정을 포함하면 바람직하다. 이러한 제조방법에 따르면, 접동특성이 우수한, 게다가 치밀한 구조를 가지는 세라믹 소결체가 얻어지는 것 외에, 제조공정 중에 있어서의 균열의 발생을 보다 효과적으로 저감할 수 있다.

이 본 발명의 제조방법에 있어서, 열경화성 수지는, 페놀수지 및/또는 푸란수지를 포함하는 것이라면 바람직하다. 이러한 열경화성 수지는, 소성시에 탄화규소(SiC) 입자 표면의 산화막과 반응하여 이 산화막을 제거할 수 있고, 소결보조제로서 기능할 수 있다. 따라서, 이 열경화성 수지를 포함하는 것으로, 더욱 양호하게 소결이 진행하게 된다.

발명의 효과

본 발명의 세라믹 소결체는, 종래의 탄화규소 소결체에 비하여, 무윤활 상태에서도 우수한 접동특성을 발휘할 수 있고, 또한, 치밀한 구조를 가지고 있고, 게다가, 균열의 발생이 적기 때문에, 접동부품에 바람직하다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 본 발명의 바람직한 실시의 형태에 대해서 설명한다.

우선, 세라믹 소결체의 바람직한 구성에 대해서 이하에 설명한다. 바람직한 실시형태의 세라믹 소결체는, 탄화규소 세라믹스를 모재로 하고, 평균입경이 다른 고체윤활제를 2종 이상 함유하는 것이다. 이 세라믹 소결체에 있어서, 고체윤활제는, 세라믹 소결체에 있어서의 입계(粒界), 입내(粒內) 또는 이들의 양방에 포함된다. 여기에서, 입계란, 세라믹 소결체를 구성하고 있는 결정입자간의 영역을 말하고, 입내란 이 결정입자의 내부의 영역을 말한다.

모재인 탄화규소는, α형 및 β형의 어느 것도 좋지만, 결정구조가 안정하고, 또한, 염가인 것에서, α형(αSiC)이 보다 바람직하다.

고체윤활제로서는, 평균입경이 5㎛ 이하인 미세한 고체윤활제(이하, 「고체윤활제A」라고 한다), 및, 평균입경이 10~70㎛인 조대한 고체윤활제(이하, 「고체윤활제B」라고 한다)의 적어도 2종을 포함한다. 이들의 고체윤활제로서는, 흑연, 육방정 질화붕소, 이황화몰리브데늄 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 고체윤활제A 및 B로서는, 우수한 접동특성을 얻을 수 있고 또한 염가의 흑연이 바람직하다.

따라서, 평균입경으로서는, 이하의 방법에 의해 측정된 값을 적용할 수 있다. 즉, 우선, 고체윤활제를, 주사형 전자현미경(SEM, 예를 들면, (주)히다치제작소 제, 제품명 S-4500 등)에 의해 300~8000배의 범위에서 관찰하고, 복수개의 입자를 랜덤하게 선택한다. 이 때, 정확을 기하기 위해서 200개 이상의 입자를 선택하는 것이 바람직하다. 다음에, 선택한 입자에 대해서, 각각 최대경 및 최소경을 측정하고, 그 곱의 평방근으로서 산출한 것을 각 입자의 입경으로 한다. 그리고, 선택한 모든 입자의 입경의 합계를, 선택한 입자의 개수로 나눈다. 이것에 의해 산출된 값을 평균입경으로 한다.

또한, 이 평균입경은, 예를 들면, 입자 그 자체를 관찰하는 방법 이외에, 예를 들면, 소결체 중에 입자가 존재하고 있는 경우 등은, 소결체의 단면을 관찰하고, 그 단면에 노출하고 있는 입자에 대해서 같은 측정을 실시하는 방법에 의해 구할 수 있다. 이러한 평균입경의 측정방법은, 입자에 한정하지 않고, 세라믹 소결체에 형성된 정공 등에도 적용할 수 있다. 이하에 서술한 「평균입경」은, 모두 같은 방법에 의해 측정된 값을 적용한다.

또한, 세라믹 소결체에 있어서, 고체윤활제A 및 B가 같은 재료(예를 들면, 흑연)로 구성되어 있는 경우, 이들은, SEM 등에 의해서 구별이 가능하고, 입도분포의 피크에 의해 분류할 수 있다. 그리고, 이와 같이 구별된 고체윤활제A 및 B의 각각에 대해 상술한 관찰을 실시하는 것으로, 이들의 평균입경을 산출할 수 있다.

고체윤활제A는, 그 평균입경이 5㎛ 이하이며, 20nm~5㎛이면 바람직하고, 30nm~3㎛이면 보다 바람직하다. 고체윤활제A의 평균입경이 5㎛를 넘으면, 탄화규소 모재 중에 포함되는 고체윤활제의 입자 사이의 거리가 과도하게 커지고, 그 결과, 소결체의 성형시 등에 균열이 발생하기 쉬워진다. 이 고체윤활제A로서는, 카본블랙을 소성하여 얻어진 흑연 및 열경화성 수지를 소성하여 얻어진 흑연의 양방을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 고체윤활제B는, 그 평균입경이 10~70㎛이며, 20~60㎛이면 바람직하고, 30~50㎛이면 보다 바람직하다. 이 평균입경이 10㎛ 미만이면, 세라믹 소결체의 접동특성이 불충분하게 된다. 한편, 70㎛를 넘으면, 성형시에 탄화규소와의 탄성 거동의 차이가 현저해져서, 세라믹 소결체가 균열을 가진 것으로 되기 쉬워진다. 이 고체윤활제B는, 인조흑연이면 바람직하다.

세라믹 소결체에 있어서의 고체윤활제A 및 B의 바람직한 함유량은, 이하와 같다. 즉, 우선, 고체윤활제A의 바람직한 함유량은, 탄화규소 100중량부에 대하여 3~10중량부이고, 3~8중량부이면 보다 바람직하고, 3~6중량부이면 더욱 바람직하다. 고체윤활제A의 함유량이 3중량부 미만이면, 세라믹 소결체에 균열이 생기기 쉬워지는 경향이 있다. 한편, 10중량부를 넘으면, 세라믹 소결체를 치밀한 구조로 하기 때문에, 고체윤활제B의 첨가량을 적게하지 않으면 안 되는 경향이 있다.

또한, 고체윤활제B의 바람직한 함유량은, 탄화규소 100중량부에 대하여, 2~8중량부이고, 2~6중량부이면 보다 바람직하고, 3~6중량부이면 더욱 바람직하다. 고체윤활제B의 함유량이 2중량부 미만이면, 우수한 접동특성이 얻어지기 어려워지는 경향이 있다. 한편, 8중량부를 넘으면, 세라믹 소결체가 균열을 갖는 것으로 되기 쉬워져, 고체윤활제A의 첨가량을 적게하지 않으면 안되는 경향이 있다.

또한, 세라믹 소결체에 있어서의 고체윤활제A 및 고체윤활제B의 합계의 함유량은, 탄화규소 100중량부에 대하여 5~15중량부이면 바람직하고, 5~12중량부이면 보다 바람직하다. 이 합계의 함유량이 5중량부 미만이면, 무윤활상태에 있어서 양호한 접동특성이 얻어지기 어려워지는 경향이 있다. 한편, 15중량부를 넘으면, 세라믹 소결체의 기계적 특성(강도나 경도 등)이나, 메카니컬씰로 했을 경우의 씰의 특성이 불충분하게 되는 경향이 있다.

세라믹 소결체는, 그 상대밀도가 이론 밀도의 92% 이상이면 바람직하고, 94% 이상이면 보다 바람직하고, 95~100%이면 더욱 바람직하다. 세라믹 소결체의 상대밀도가 92% 미만인 경우, 소결체가 충분히 치밀한 구조를 가지지 않고, 메카니컬씰 등으로서 적용한 경우에 누출 등을 발생시키기 쉬운 우려가 있다.

또한, 세라믹 소결체는, 구상 정공(hole)을 가지고 있어도 좋다. 이러한 구상 정공을 가지는 것으로, 윤활 상태에 있어서의 접동특성이 향상하는 경향이 있다. 구상 정공으로서는, 평균입경이 40~100㎛인 것이 바람직하다. 세라믹 소결체에 있어서, 이 구상 정공은 모재 중에 분산하여 형성되어 있으면 특히 바람직하다.

이어서, 상술한 구성을 가지는 세라믹 소결체의 바람직한 제조방법에 대해서 설명한다.

세라믹 소결체는, 탄화규소와, 소성 후에 상술한 고체윤활제A 및 B를 형성할 수 있는 원료를 포함하는 혼합물(이하, 「원료 혼합물」이라고 한다)을 소성하는 것에 의해서 제조할 수 있다. 고체윤활제의 원료로서는, 소성 후에 평균입경 5㎛ 이하의 고체윤활제A로 이루어지는 원료(이하, 「원료 A」라고 한다), 및, 소성 후에 평균입경 10~70㎛의 고체윤활제B로 이루어지는 원료(이하, 「원료 B」라고 한다)를 적어도 사용한다.

상기 원료 혼합물에 포함되는 탄화규소로서는, 상술한 바와 같이, α형의 탄화규소(αSiC)가 바람직하고, 구체적으로는 탄화규소분말이면 바람직하다. 이 탄화규소분말의 평균입경은, 0.1㎛ 이상이면 바람직하고, 0.3~1.0㎛이면 보다 바람직하고, 0.5~0.8㎛이면 더욱 바람직하다. 탄화규소분말의 평균입경이 0.1㎛ 미만이면, 취급이 곤란해져 세라믹 소결체의 제조공정이 번잡하게 되는 것 외에, 이러한 탄화규소분말은 고가(高價)이기 때문에, 제조원가의 증대를 불러올 우려가 있다. 한편, 1.0㎛를 넘으면, 소성시에 소결이 생기기 어려워지는 경향이 있다.

고체윤활제A가 흑연인 경우, 원료 A로서는, 소성에 의해 평균입경 5㎛ 이하의 흑연을 만드는 재료를 들 수 있다. 이러한 재료로서는, 카본블랙 또는 열경화성 수지를 예시할 수 있다. 원료 A가 카본블랙을 포함하는 경우, 이 카본블랙은, 그 평균입경이 150nm 이하이면 바람직하고, 50nm 이하이면 보다 바람직하다. 이러한 카본블랙은, 소성에 의해서 평균입경 5㎛ 이하의 흑연을 양호하게 발생시킬 수 있다. 또한, 원료 A로서 적용할 수 있는 열경화성 수지로서는, 페놀수지 또는 푸란수지를 들 수 있고, 페놀수지가 바람직하다.

원료 A로서는, 카본블랙 및 열경화성 수지의 양방을 포함하는 것이 바람직하다. 그 경우, 이것들에 더하여, 평균입경 5㎛ 이하인 흑연을 더 포함하고 있어도 좋다. 이러한 흑연은, 소성 후에도 평균입경의 변화가 작고, 세라믹 소결체에 있어서 그대로 평균입경 5㎛ 이하의 흑연이 될 수 있다.

원료 혼합물 중의 원료 A의 함유량은, 세라믹 소결체에 있어서의 고체윤활제A의 함유량이 상술한 바람직한 범위가 되도록 조정한다. 예를 들면, 원료 A가 카본블랙과 열경화성 수지의 양방을 포함하는 경우, 카본블랙은, 원료 혼합물 중에, 탄화규소 100중량부에 대하여 2~8중량부 포함되어 있으면 바람직하고, 열경화성 수지는, 탄화규소 100중량부에 대하여, 탄소로 환산하여 1~3중량부 포함되어 있으면 바람직하다. 여기서, 「탄소로 환산한」함유량이란, 탄화규소 100중량부에 대한, 열경화성 수지에 포함되어 있는 탄소의 함유량을 의미한다.

또한, 고체윤활제B가 흑연인 경우, 원료 B로서는, 평균입경이 10~70㎛인 흑연이 바람직하다. 이러한 흑연으로서는, 인조흑연이 보다 바람직하다. 이 흑연(특히 인조흑연)은, 소성에 의해서 평균입경이 크게 변화하는 일이 없기 때문에, 소성 후의 세라믹 소결체에 있어서, 그대로 평균입경 10~70㎛인 흑연을 구성할 수 있다.

원료 혼합물 중의 평균입경이 10~70㎛인 흑연(인조흑연)의 함유량은, 소성전후로 크게 변동하지 않기 때문에, 상술한 세라믹 소결체 중의 고체윤활제B의 함유량과 같게 할 수 있다. 즉, 평균입경이 10~70㎛인 흑연의 적절한 함유량은, 탄화규소 100중량부에 대하여 2~8중량부가 바람직하고, 2~6중량부가 보다 바람직하고, 3~6중량부가 더욱 바람직하다.

원료 혼합물은, 탄화규소, 원료 A 및 원료 B를 포함하는 것이지만, 그 외, 필요에 따라 바인더나 분산제 등을 더 포함하고 있어도 좋다.

세라믹 소결체는, 상술한 원료 혼합물을 소성함으로써 얻을 수 있다. 예를 들면, 우선, 소성전에 원료 혼합물을 건조(예를 들면, 분무 건조)하고, 더욱 성형하여, 소성전의 원료 혼합물을 소정의 형상으로 한다. 그리고, 얻어진 성형체를 소성하는 것에 의해서, 세라믹 소결체를 얻을 수 있다.

이러한 소성은, 가압하에서 실시해도 좋고, 무가압으로 실시해도 좋다. 본 실시형태의 원료 혼합물은, 입경이 작은(미세한) 원료A 및 입경이 큰(조대한) 원료B를 조합시켜서 포함하기 때문에, 무가압 조건에서도 충분히 치밀한 구조의 소결체를 얻을 수 있다. 다만, 세라믹 소결체의 치밀성이 더 요구되는 경우 등은, 가압하에서 소성을 실시하는 것이 바람직하다.

소성시의 소성온도는, 2100~2300℃의 범위가 바람직하고, 2130~2270℃의 범위가 보다 바람직하고, 2150~2250℃의 범위가 더욱 바람직하다. 이 소성온도가 2100℃ 미만이면, 치밀한 세라믹 소결체가 얻기 어려워지는 경향이 있다. 한편, 2300℃를 넘으면, 탄화규소의 결정입자가 과성장하고, 강도가 저하하는 경향이 있다. 또한, 이 소성온도로서는, 소성 대상물의 온도를 직접 측정하는 것은 곤란하기 때문에, 예를 들면, 카본성의 소성 지그(jig-治具)를 소성시에 병존시켜, 그 온도를 열방사 온도계로 계측하는 것에 의해 얻어진 온도를 적용할 수 있다.

이상과 같은 구성을 가지는 세라믹 소결체는, 뛰어난 접동특성을 가지는 것으로부터, 예를 들면, 무윤활 상태로 이용하는 접동부품으로서 바람직하다. 이러한 접동부품으로서는, 메카니컬씰이나 베어링(軸受) 등을 예시할 수 있다.

여기서, 접동부품의 일례로서 메카니컬씰의 바람직한 실시형태에 대해서 설명한다. 도 6은, 메카니컬씰의 단면 구성의 일례를 모식적으로 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이, 메카니컬씰(10)은, 메이팅링(1), 씰링(2) 및 코일형 스프링(3)이 이 순서로 배치되고, 또한, 이들의 약중심(略中心)을 관철하도록 회전축(6)이 배치된 구성을 가지고 있다. 또한, 메이팅링(1)의 외측에는, 고정측 2차 씰(4)이 배치되어 있고, 씰링(2)과 회전축(6)과의 극간(隙間)에는, 이 극간을 메우는 회전측 2차 씰(5)이 배치되어 있다.

이 메카니컬씰(10)에 있어서는, 씰링(2)은, 스프링(3)에 의해서 메이팅링(1)에 눌러 붙여져 있다. 이것에 의해서, 메이팅링(1)과 씰링(2)에 일정한 압력이 가해져, 유체의 흐름이 제한되도록 되어 있다.

이러한 구성을 가지는 메카니컬씰(10)에 있어서는, 메이팅링(1)이 고정되어 있는 한편, 씰링(2)이 회전축(6)과 함께 회전하도록 동작할 수 있다. 그리고, 상기와 같이, 메이팅링(1)과 씰링(2)의 사이는, 누출이 제한되도록 되어 있다. 따라서, 이 메카니컬씰(10)을 소정의 씰 단면에 적용하면, 회전축(6)을 회전시킬 수 있는 것과 동시에, 이 회전 부분에서의 유체의 누출을 막을 수 있게 된다.

이러한 메카니컬씰(10)에 있어서는, 메이팅링(1) 및/또는 씰링(2)이, 상기 본 실시형태의 세라믹 소결체에 의해서 구성된다. 이 세라믹 소결체는, 상술한 바와 같이, 뛰어난 접동특성을 가지고 있기 때문에, 메이팅링(1)과 씰링(2)의 상대적인 회전에 의한 마찰에 의해서도 마모를 잘 일으키지 않는다. 따라서, 상기 구성을 가지는 메카니컬씰(10)은, 장기의 사용에 의해서도 뛰어난 씰 특성을 유지할 수 있다.

이상과 같이, 본 실시형태의 세라믹 소결체는, 탄화규소를 모재로서 포함하고, 평균입경이 5㎛ 이하인 고체윤활제A 및 평균입경이 10~70㎛인 고체윤활제B를, 입내, 입계 또는 이들의 양방에 함유하는 것이다.

여기서, 고체윤활제는, 그 첨가량이 많을수록, 또한, 그 입경이 클수록 마찰계수의 저감효과가 뛰어난 것이다. 따라서, 미세한 고체윤활제, 예를 들면, 카본블랙을 소결하여 형성되는 흑연 등은, 적량이 포함되는 경우, 조대한 고체윤활제에 비교하여, 마찰계수의 저감효과가 충분하지 않다. 따라서, 미세한 고체윤활제에 의해 접동특성의 향상을 도모하는 경우는, 첨가량을 많게 하는 것이 필요하게 되지만, 예를 들면, 카본블랙을 대량으로 첨가한 경우 등은, 소성 후에 치밀한 소결체가 얻어지지 않고, 씰 특성 등이 불충분하게 되는 단점이 생긴다.

한편, 조대한 고체윤활제를 포함하는 경우는, 뛰어난 접동특성이 얻어지게 되지만, 세라믹 소결체가 균열을 가진 것이 되기 쉽다. 이것은, 모재인 탄화규소에 고체윤활제가 첨가된 복합재료는 균질한 재료가 되지 않기 때문에, 예를 들면, 소결체의 제조시에, 프레스 공정 후에 압력이 개방되면, 모재와 고체윤활제와의 다른 탄성 거동에 의해, 모재에 국소적인 인장응력이 발생한 것이 요인이라고 생각된다. 특히, 조대한 고체윤활제는, 상기의 인장응력을 강하게 발생시키기 때문에, 균열을 발생시키기 쉽다고 생각된다.

이것에 대해, 본 실시형태의 세라믹 소결체는, 미세한 고체윤활제와 조대한 고체윤활제와의 양방을 포함하기 때문에, 이들 중 어느 한쪽만을 포함하는 경우에 생기는 단점을 저감하면서, 뛰어난 효과를 얻을 수 있게 된다. 즉, 우선, 조대한 고체윤활제를 포함하는 것에 의해, 미세한 고체윤활제의 첨가량이 적어도 우수한 접동특성이 얻어진다. 또한, 미세한 고체윤활제의 첨가량이 적은 것으로부터, 소결이 과도하게 저해되는 것이 없고, 치밀한 소결체가 얻어지게 된다.

또한, 미세한 고체윤활제는, 모재인 탄화규소 중에 균일하게 분산되기 때문에, 프레스성형 시에 탄화규소와 복합 모재(SiC/C)를 구성할 수 있다고 생각된다. 이것에 의해, 이 복합 모재와 조대한 고체윤활제의 사이의 탄성 거동의 차이가 작아지기 때문에, 조대한 고체윤활제만을 포함하는 경우와 비교하여, 세라믹 소결체의 제조시 등에 있어서의 균열의 발생이 억제되는 것으로 생각된다.

[도 1] 실시예 및 비교예의 소결체의 제조공정을 나타내는 플로우차트이다.

[도 2] 실시예 및 비교예에서 사용한 그라파이트의 입도분포를 나타내는 그래프이다.

[도 3] 실시예 1에서 얻어진 성형분(成刑粉)의 입도분포를 나타내는 그래프이다.

[도 4] 비교예 10에서 얻어진 소결체의 측면의 현미경 사진을 나타내는 도면이다.

[도 5] 실시예 6에서 얻어진 소결체의 측면의 현미경 사진을 나타내는 도면이다.

[도 6] 메카니컬씰의 단면 구성의 일례를 나타내는 도면이다.

부호의 설명

1…메이팅링, 2…씰링, 3…스프링, 4…고정측 2차 씰, 5…회전측 2차 씰, 6…회전축

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들의 실시예로 한정되는 것은 아니다.

[세라믹 소결체의 제조]

실시예 1~8 및 비교예 1~12의 세라믹 소결체를 제작했다. 우선, 각 실시예 및 비교예의 세라믹 소결체의 제조에 있어서 실시한 공통의 공정에 대해서 설명한다. 세라믹 소결체의 제조에 있어서는, 이하에 나타내는 공정A~E를 실시했다. 이러한, 제조공정의 개략은, 도 1의 플로우차트에 나타낸다.

공정A: 소정의 원료 성분을 배합하여 원료 혼합물을 조제하고, 이에 이온교환수를 가하여 20체적%의 농도를 가지는 슬러리를 제작하고, 얻어진 슬러리의 pH를 8~10으로 조정했다.

공정B: 슬러리를 수지 제조의 볼밀로 5시간 혼합한 후, 스프레이 드라이어를 이용하여 입구 온도 160℃, 회전수 7000min^-1의 조건으로 분무 건조를 실시하여 약 70㎛의 과립을 제작했다.

공정C: 얻어진 과립을 210㎛의 체(65메쉬)에 통과시켜, 성형분(成刑粉)을 얻었다.

공정D: 성형분을 금형에 충전하고, 120MPa의 압력으로, 외형이 33mm, 두께가 6mm의 원판 형상으로 성형했다.

공정E: 성형체를, 분위기 소성로(燒成爐)를 이용하여, 소성로 내부를 아르곤 분위기로 하여, 소정의 최고 온도에서 2시간 보관유지함으로써 소결시켰다.

또한, 이하의 실시예 또는 비교예에서는, 고체윤활제의 원료로서, 소성 후에 조립 흑연으로 되는 흑연(인조흑연 또는 천연흑연), 및, 소성 후에 미립 흑연을 만드는 카본블랙 또는 인조흑연을 각각 이용했다.

여기서, 참고로서, 원료 성분인 인조흑연(그라파이트;카탈로그 평균입경 30㎛)의 입경 분포를 측정한 결과를, 도 2에 나타낸다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 원료 성분인 그라파이트는, 넓은 입도분포를 가지고 있는 것이 확인되었다.

또한, 일례로서, 실시예 1에 있어서 공정C에서 얻어진 성형분의 입경 분포를 측정한 결과를 도 3에 나타낸다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 성형분의 입경은, 40~100㎛에 집중하고 있었다.

또한, 카본블랙으로서는, 과립상의 것을 취급하고, 그 평균입경으로서는 카탈로그 값을 채용했다.

게다가 또한, 세라믹 소결체의 제조 후에는, 해당 소결체 중의 흑연 및 기공의 평균입경을, 이들의 입경을 확인할 수 있는 정도로 소결체를 랩 가공한 후, 이것에 상기 실시 형태에서 서술한 평균입경의 측정방법을 적용하는 것에 의해 구했다.

이하, 실시예 1~8 및 비교예 1~12의 세라믹 소결체의 제조방법을 각각 구체적으로 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 상술한 공통의 공정과 같은 부분에 대해서는 설명을 생략한다. 각 실시예 또는 비교예에 있어서의 고체윤활제의 원료(인조흑연, 천연흑연, 카본블랙)의 종류, 평균입경 및 함유량, 및, 각 실시예 또는 비교예에서 이용한 조공재의 평균입경 및 함유량은, 정리하여 표 1에 나타낸다.

(실시예 1)

공정A에 있어서, 평균입경이 0.7㎛인 탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 30㎛인 인조흑연을 4중량부, 평균입경이 43nm인 카본블랙 3중량부를 첨가 했다. 또한, 소결보조제로서 탄화붕소를 0.6중량부, 페놀수지를 탄소환산으로 2중량부 첨가하고, 바인더로서 폴리비닐알코올을 고형분으로 3중량부 첨가하고, 또한 폴리에틸렌글리콜(중합도＃400)을 0.6중량부 첨가했다. 이에 의해 원료 혼합물을 얻었다.

또한, 공정E에 있어서, 성형체의 소결을 2190℃에서 실시하였다.

얻어진 소결체를 관찰한 결과, 균열은 발생하지 않았다. 또한, 소결체의 파단면 및 랩면의 조직관찰을 실시한 결과, 탄화규소의 모재 중에는 2㎛와 30㎛의 2종류의 평균입경을 가지는 흑연이 관찰되었다.

(실시예 2)

공정A에 있어서, 평균입경이 0.7㎛인 탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 30㎛인 인조흑연을 6중량부, 평균입경이 43nm인 카본블랙 3중량부를 첨가했다. 또한, 소결보조제로서 탄화붕소를 O.6중량부, 페놀수지를 탄소환산으로 2중량부 첨가하고, 바인더로서 폴리비닐알코올을 고형분으로 3중량부 첨가하며, 폴리에틸렌글리콜(중합도＃400)을 0.6중량부 더 첨가했다. 이에 의해, 원료 혼합물을 얻었다.

또한, 공정E에 있어서, 성형체의 소결을 2200℃에서 실시하였다.

얻어진 소결체를 관찰한 결과, 균열은 발생하지 않았다. 또한, 소결체의 파단면 및 랩면의 조직관찰을 실시한 결과, 탄화규소의 모재 중에는, 2㎛와 30㎛의 2종류의 평균입경을 가지는 흑연이 관찰되었다.

(실시예 3)

공정A에 있어서, 평균입경이 0.7㎛인 탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 50㎛인 인조흑연을 3중량부, 평균입경이 43nm인 카본블랙을 4중량부 첨가했다. 또한, 소결보조제로서 탄화붕소를 0.6중량부, 페놀수지를 탄소환산으로 2중량부 첨가하고, 바인더로서 폴리비닐알코올을 고형분으로 3중량부 첨가하고, 폴리에틸렌글리콜(중합도＃400)을 0.6중량부 더 첨가했다. 이에 의해 원료 혼합물을 얻었다.

얻어진 소결체를 관찰한 결과, 균열은 발생하지 않았다. 또한, 소결체의 파단면 및 랩면의 조직관찰을 실시한 결과, 탄화규소의 모재 중에 2㎛와 50㎛의 2종류의 평균입경을 가지는 흑연이 관찰되었다.

(실시예 4)

공정A에 있어서, 평균입경이 0.7㎛인 탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 70㎛인 인조흑연을 3중량부, 평균입경이 43nm인 카본블랙을 5중량부 첨가했다. 또한, 소결보조제로서 탄화붕소를 0.6중량부, 페놀수지를 탄소환산으로 2중량부 첨가하고, 바인더로서 폴리비닐알코올을 고형분으로 3중량부 첨가하고, 폴리에틸렌글리콜(중합도＃400)을 0.6중량부 더 첨가했다. 이에 의해 원료 혼합물을 얻었다.

또한, 공정E에 있어서, 성형체의 소결을 2210℃에서 실시하였다.

얻어진 소결체를 관찰한 결과, 균열은 발생하지 않았다. 또한, 소결체의 파단면 및 랩면의 조직관찰을 실시한 결과, 탄화규소의 모재 중에는, 2㎛와 70㎛의 2 종류의 평균입경을 가지는 흑연이 관찰되었다.

(실시예 5)

공정A에 있어서, 평균입경이 0.7㎛인 탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 30㎛인 인조흑연을 2중량부, 평균입경이 43nm인 카본블랙을 3중량부, 평균입경이 60㎛인 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)의 구상 조공재를 1.5중량부 첨가했다. 또한, 소결보조제로서 탄화붕소를 O.6중량부, 페놀수지를 탄소환산으로 2중량부 첨가하고, 바인더로서 폴리비닐알코올을 고형분으로 3중량부 첨가하고, 폴리에틸렌글리콜(중합도＃400)을 0.6중량부 더 첨가했다. 이에 의해 원료 혼합물을 얻었다.

얻어진 소결체를 관찰한 결과, 균열은 발생하지 않았다. 또한, 소결체의 파단면 및 랩면의 조직관찰을 실시한 결과, 탄화규소의 모재 중에 2㎛ 및 30㎛의 2종류의 평균입경을 가지는 흑연과, 평균입경이 50㎛인 구상 기공이 관찰되었다.

(실시예 6)

공정A에 있어서, 평균입경이 0.7㎛인 탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 30㎛인 인조흑연을 4중량부, 평균입경이 43nm인 카본블랙을 3중량부, 평균입경이 60㎛인 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)의 구상 조공재를 1.5중량부 첨가했다. 또한, 소결보조제로서 탄화붕소를 0.6중량부, 페놀수지를 탄소환산으로 2중량부 첨가하고, 바인더로서 폴리비닐알코올을 고형분으로 3중량부 첨가하고, 폴리에틸렌글리콜(중합도＃400)을 0.6중량부 더 첨가했다. 이에 의해 원료 혼합물을 얻었 다.

또한, 공정E에 있어서, 성형체의 소결을 2220℃에서 실시하였다.

얻어진 소결체를 관찰한 결과, 균열은 발생하지 않았다. 또한, 소결체의 파단면 및 랩면의 조직관찰을 실시한 결과, 탄화규소의 모재 중에 2㎛ 및 30㎛의 2종의 평균입경을 가지는 흑연과, 평균입경이 50㎛인 구상 기공이 관찰되었다.

(실시예 7)

공정A에 있어서, 평균입경이 0.7㎛인 탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 30㎛인 인조흑연을 6중량부, 평균입경이 43nm인 카본블랙을 3중량부, 평균입경이 60㎛인 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)의 구상 조공재를 1.5중량부 첨가했다. 또한, 소결보조제로서 탄화붕소를 0.6중량부, 페놀수지를 탄소환산으로 2중량부 첨가하고, 바인더로서 폴리비닐알코올을 고형분으로 3중량부 첨가하고, 폴리에틸렌글리콜(중합도＃400)을 0.6중량부 더 첨가했다. 이에 의해 원료 혼합물을 얻었다.

(실시예 8)

공정A에 있어서, 평균입경이 0.7㎛인 탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 30㎛인 인조흑연을 4중량부, 평균입경이 120nm인 카본블랙을 4중량부 첨 가했다. 또한, 소결보조제로서 탄화붕소를 0.6중량부, 페놀수지를 탄소환산으로 2중량부 첨가하고, 바인더로서 폴리비닐알코올을 고형분으로 3중량부 첨가하고, 폴리에틸렌글리콜(중합도＃400)을 0.6중량부 더 첨가했다. 이에 의해 원료 혼합물을 얻었다.

또한 공정E에 있어서, 성형체의 소결을 2210℃에서 실시하였다.

얻어진 소결체를 관찰한 결과, 균열은 발생하지 않았다. 또한, 소결체의 파단면 및 랩면의 조직관찰을 실시한 결과, 탄화규소의 모재 중에 3㎛ 및 30㎛의 2종류의 평균입경을 가지는 흑연이 관찰되었다.

(비교예 1)

공정A에 있어서, 평균입경이 0.7㎛인 탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 60㎛인 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)의 구상 조공재를 1.5중량부 첨가했다. 또한, 소결보조제로서 탄화붕소를 0.6중량부, 페놀수지를 탄소환산으로 2중량부 첨가하고, 바인더로서 폴리비닐알코올을 고형분으로 3중량부 첨가하고, 폴리에틸렌 글리콜(중합도＃400)을 0.6중량부 더 첨가했다. 이에 의해 원료 혼합물을 얻었다.

또한, 공정E에 있어서, 성형체의 소결을 2160℃에서 실시하였다.

얻어진 소결체를 관찰한 결과, 균열은 발생하지 않았다. 또한, 소결체의 파단면 및 랩면의 조직관찰을 실시한 결과, 탄화규소의 모재 중에 평균입경이 50㎛인 구상 기공이 관찰되었다.

(비교예 2)

공정A에 있어서, 평균입경이 0.7㎛인 탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 43nm인 카본블랙을 8중량부 첨가했다. 또한, 소결보조제로서 탄화붕소를 0.6중량부, 페놀수지를 탄소환산으로 2중량부 첨가하고, 바인더로서 폴리비닐알코올을 고형분으로 3중량부 첨가하고, 폴리에틸렌글리콜(중합도＃400)을 0.6중량부 더 첨가했다. 이에 의해 원료 혼합물을 얻었다.

얻어진 소결체를 관찰한 결과, 균열은 발생하지 않았다. 또한, 소결체의 파단면 및 랩면의 조직관찰을 실시한 결과, 탄화규소의 모재 중에 평균입경이 2㎛인 흑연이 관찰되었다.

(비교예 3)

공정A에 있어서, 평균입경이 0.7㎛인 탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 43nm인 카본블랙을 16중량부 첨가했다. 또한, 소결보조제로서 탄화붕소를 0.6중량부, 페놀수지를 탄소환산으로 2중량부 첨가하고, 바인더로서 폴리비닐알코올을 고형분으로 3중량부 첨가하고, 폴리에틸렌글리콜(중합도＃400)을 0.6중량부 더 첨가했다. 이에 의해 원료 혼합물을 얻었다.

또한, 공정E에 있어서, 성형체의 소결을 2230℃에서 실시하였다.

(비교예 4)

공정A에 있어서, 평균입경이 0.7㎛인 탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 43nm인 카본블랙을 24중량부 첨가했다. 또한, 소결보조제로서 탄화붕소를 0.6중량부, 페놀수지를 탄소환산으로 2중량부 첨가하고, 바인더로서 폴리비닐알코올을 고형분으로 3중량부 첨가하고, 폴리에틸렌글리콜(중합도＃400)을 0.6중량부 더 첨가했다. 이에 의해 원료 혼합물을 얻었다.

(비교예 5)

공정A에 있어서, 평균입경이 0.7㎛인 탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 130㎛인 인조흑연을 6중량부, 평균입경이 43nm인 카본블랙을 3중량부 첨가했다. 또한, 소결보조제로서 탄화붕소를 0.6중량부, 페놀수지를 탄소환산으로 2중량부 첨가하고, 바인더로서 폴리비닐알코올을 고형분으로 3중량부 첨가하고, 폴리에틸렌글리콜(중합도＃400)을 0.6중량부 더 첨가했다. 이에 의해 원료 혼합물을 얻었다.

얻어진 소결체를 관찰한 결과, 측면에 균열이 발생하고 있었다. 또한, 소결체의 파단면 및 랩면의 조직관찰을 실시한 결과, 탄화규소의 모재 중에 2㎛와 130㎛의 2종류의 평균입경을 가지는 흑연이 관찰되었다.

(비교예 6)

공정A에 있어서, 평균입경이 0.7㎛인 탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 30㎛인 인조흑연을 12중량부 첨가했다. 또한, 소결보조제로서 탄화붕소를 0.6중량부, 페놀수지를 탄소환산으로 2중량부 첨가하고, 바인더로서 폴리비닐알코올을 고형분으로 3중량부 첨가하고, 폴리에틸렌글리콜(중합도＃400)을 0.6중량부 더 첨가했다. 이에 의해 원료 혼합물을 얻었다.

얻어진 소결체를 관찰한 결과, 측면에 균열이 발생하고 있었다. 또한, 소결체의 파단면 및 랩면의 조직관찰을 실시한 결과, 탄화규소 모재 중에 평균입경이 30㎛인 흑연이 관찰되었다.

(비교예 7)

공정A에 있어서, 평균입경이 0.7㎛인 탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 7㎛인 인조흑연을 6중량부 첨가했다. 또한, 소결보조제로서 탄화붕소를 0.6중량부, 페놀수지를 탄소환산으로 2중량부 첨가하고, 바인더로서 폴리비닐알코올을 고형분으로 3중량부 첨가하고, 폴리에틸렌글리콜(중합도＃400)을 0.6중량부 더 첨가했다. 이에 의해 원료 혼합물을 얻었다.

얻어진 소결체를 관찰한 결과, 균열은 발생하지 않았다. 또한, 소결체의 파단면 및 랩면의 조직관찰을 실시한 결과, 탄화규소의 모재 중에 평균입경이 7㎛인 흑연이 관찰되었다.

(비교예 8)

공정A에 있어서, 평균입경이 0.7㎛인 탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 8㎛인 천연흑연을 6중량부 첨가했다. 또한, 소결보조제로서 탄화붕소를 0.6중량부, 페놀수지를 탄소환산으로 2중량부 첨가하고, 바인더로서 폴리비닐알코올을 고형분으로 3중량부 첨가하고, 폴리에틸렌글리콜(중합도＃400)를 0.6중량부 더 첨가했다. 이에 의해 원료 혼합물을 얻었다.

얻어진 소결체를 관찰한 결과, 균열은 발생하지 않았다. 또한, 소결체의 파단면 및 랩면의 조직관찰을 실시한 결과, 탄화규소의 모재 중에 평균입경이 8㎛인 흑연이 관찰되었다.

(비교예 9)

공정A에 있어서, 평균입경이 0.7㎛인 탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 30㎛인 인조흑연을 6중량부 첨가했다. 또한, 소결보조제로서 탄화붕소를 0.6중량부, 페놀수지를 탄소환산으로 2중량부 첨가하고, 바인더로서 폴리비닐알코올을 고형분으로 3중량부 첨가하고, 폴리에틸렌글리콜(중합도＃400)을 0.6중량부 더 첨가했다. 이에 의해 원료 혼합물을 얻었다.

얻어진 소결체를 관찰한 결과, 측면에 균열이 발생하고 있었다. 또한, 소결체의 파단면 및 랩면의 조직관찰을 실시한 결과, 탄화규소의 모재 중에 평균입경이 30㎛인 흑연이 관찰되었다.

(비교예 10)

공정A에 있어서, 평균입경이 0.7㎛인 탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 30㎛인 인조흑연을 4중량부, 평균입경이 60㎛인 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)의 구상 조공재를 1.5중량부 첨가했다. 또한, 소결보조제로서 탄화붕소를 0.6중량부, 페놀수지를 탄소환산으로 2중량부 첨가하고, 바인더로서 폴리비닐알코올을 고형분으로 3중량부 첨가하고, 폴리에틸렌글리콜(중합도＃400)을 0.6중량부 더 첨가했다.

얻어진 소결체를 관찰한 결과, 측면에 균열이 발생하고 있었다. 또한, 소결체의 파단면 및 랩면의 조직관찰을 실시한 결과, 탄화규소의 모재 중에 평균입경이 30㎛인 흑연과 평균입경이 50㎛인 구상 기공이 관찰되었다.

(비교예 11)

공정A에 있어서, 평균입경이 0.7㎛인 탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 90㎛인 인조흑연을 3중량부, 평균입경이 43nm인 카본블랙을 2중량부 첨가했다. 또한, 소결보조제로서 탄화붕소를 0.6중량부, 페놀수지를 탄소환산으로 2중량부 첨가하고, 바인더로서 폴리비닐알코올을 고형분으로 3중량부 첨가하고, 폴리에틸렌글리콜(중합도＃400)을 0.6중량부 더 첨가했다. 이에 의해 원료 혼합물을 얻었다.

얻어진 소결체를 관찰한 결과, 측면에 균열이 발생하고 있었다. 또한, 소결 체의 파단면 및 랩면의 조직관찰을 실시한 결과, 탄화규소의 모재 중에 2㎛와 90㎛의 2종류의 평균입경을 가지는 흑연이 관찰되었다.

(비교예 12)

공정A에 있어서, 평균입경이 0.7㎛인 탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 30㎛인 인조흑연을 4중량부, 평균입경이 7㎛인 인조흑연을 3중량부 첨가했다. 또한, 소결보조제로서 탄화붕소를 0.6중량부, 페놀수지를 탄소환산으로 2중량부 첨가하고, 바인더로서 폴리비닐알코올을 고형분으로 3중량부 첨가하고, 폴리에틸렌글리콜(중합도＃400)을 0.6중량부 더 첨가했다. 이에 의해 원료 혼합물을 얻었다.

얻어진 소결체를 관찰한 결과, 측면에 균열이 발생하고 있었다. 또한, 소결체의 파단면 및 랩면의 조직관찰을 실시한 결과, 탄화규소의 모재 중에 7㎛와 30㎛의 2종류의 평균입경을 가지는 흑연이 관찰되었다.

[표 1]

[특성 평가]

우선, 각 실시예 및 비교예에서 얻어진 소결체를 이용하여, 이하에 나타내는 방법에 따라 무윤활 상태에서의 접동평가 시험을 실시했다. 즉, 우선, 원판 형상의 소결체를 랩핑하여, 이를 고정측의 시험편으로 했다. 또한, 접동면을 랩핑한 탄화 규소(Saint Gobain사 제, 상품명 헥사로이SA) 제의 링(외형 24.6mm(φ)×15.5mm(φ)×두께 3mm)을 준비하여, 이를 회전측의 시험편으로 했다. 그리고, 핀 온 디스크식 마찰마모시험기(동양볼드윈사 제의 AFT-6S)를 링온 디스크형으로 개량한 마찰마모시험기를 이용하여, 고체측의 시험편의 한쪽 면에, 회전측의 시험편의 접동면을 접촉시켜 회전시키는 드라이 접동평가 시험을 실시했다. 이 때의 시험 조건은, 접동면 압력 0.15MPa, 주속(周速) 1.Om/s으로 5분간으로 했다.

그리고, 접동평가 시험 후의 소결체(고정측의 시험편)를 관찰하고, 접동면의 상태 및 소결체의 균열의 발생의 유무를 관찰함과 동시에, 소결체의 개기공율(開氣孔率)을 측정했다. 각 실시예 및 비교예의 소결체에서 얻어진 결과를, 정리해서 표 2에 나타낸다. 또한, 개기공율은, JIS R1634 「파인세라믹스의 소결체밀도·개기공율의 측정방법」의 자비법(煮沸法)에 따라 측정했다.

[표 2]

표 2로부터, 실시예 1~4, 6~8의 소결체는, 균열의 발생이 없고, 또한, 무윤활 상태에서의 접동평가 시험 후에도 면거침이 확인되지 않았다. 또한, 실시예 5의 소결체는, 약간의 면거침이 관찰되었지만, 경도(輕度)이고, 또한, 균열은 발생하지 않았다.

이에 대해, 비교예 1의 소결체는, 균열의 발생은 없지만, 고체윤활제를 포함 하지 않기 때문에, 접동특성 시험 후에 면거침이 생기고 있었다. 또한, 비교예 2, 3, 7 및 8의 소결체는, 균열의 발생은 없었지만, 소결체 중의 흑연이 미세하기 때문에 충분한 접동특성이 얻어지지 않고, 접동면이 거칠어 있었다.

또한, 비교예 4 및 6의 소결체는, 접동면이 거칠지는 않았지만, 미세한 흑연만을 대량으로 포함하기 때문에, 모재인 탄화규소의 소결이 충분하지 않고, 개기공율이 높았다. 이와 같이 개기공율이 높은 재료는, 일반적으로 메카니컬씰로서 사용하는 경우, 관통누출을 발생하는 등 트러블의 원인이 된다.

또한, 비교예 5 및11의 소결체는, 입경이 지나치게 큰(평균입경 130㎛ 또는 90㎛) 흑연을 포함하기 때문에, 접동특성은 양호하지만, 균열이 생기고 있었다. 또한, 비교예 9 및 10의 소결체는, 조대한 흑연만을 포함하기 때문에, 양호한 접동특성이 얻어지지만, 측면에 균열이 생기고 있었다. 또한, 비교예 12의 소결체는, 이에 포함되는 적은 쪽의 흑연이어도 7㎛ 이상으로 큰 입경을 가지고 있기 때문에, 소결체에 균열이 생겨 버렸다.

또한, 일례로서, 비교예 10의 소결체의 측면의 현미경 사진을 도 4에, 실시예 6의 소결체의 측면의 현미경 사진을 도 5에 각각 나타냈다. 도 4에 나타낸 소결체의 측면은, 도 5에 나타나는 소결체의 측면에 비하여, 균열이 다수 생기고 있는 것을 확인할 수 있었다.

이상과 같이, 소결체는, 조립흑연만을 포함하는 경우, 양호한 접동특성을 가지는 한편, 균열을 다수 가지는 것이 되었다. 이 균열발생의 문제를 해결하는 방법으로서는, 미립의 흑연을 더 함유하는 것에 의해 균열의 발생을 억제하는 방법이 유효하다는 것이 판명되었다.

Claims

탄화규소를 모재로서 포함하고, 또한, 평균입경이 5㎛ 이하인 고체윤활제A 및 평균입경이 10~70㎛인 고체윤활제B를 함유하며,

탄화규소 100중량부에 대하여, 상기 고체윤활제 A를 3~10중량부, 상기 고체윤활제B를 2~8중량부 함유하고,

상대밀도가 92% 이상인, 세라믹 소결체.
제 1항에 있어서, 평균입경이 40~100㎛인 구상 정공을 가지는, 세라믹 소결체.
제 2항에 있어서, 상기 고체윤활제A 및 상기 고체윤활제B가, 흑연인, 세라믹 소결체.
제 3항에 있어서, 상기 고체윤활제A는, 카본블랙을 소성하여 얻어진 흑연 및 열경화성 수지를 소성하여 얻어진 흑연인, 세라믹 소결체.
제 3항에 있어서, 상기 고체윤활제B는, 인조흑연인, 세라믹 소결체.
제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 고체윤활제A 및 상기 고체윤활제B의 합계 함유량이, 탄화규소 100중량부에 대하여 5~15중량부인, 세라믹 소결체.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 무가압으로 소결된, 세라믹 소결체.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 탄화규소가 αSiC인, 세라믹 소결체.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 기재된 세라믹 소결체를 사용한 접동(摺動)부품.
탄화규소분말 100중량부에 대하여, 평균입경이 150nm 이하인 카본블랙을 2~8중량부, 평균입경이 10~70㎛인 인조흑연을 2~8중량부, 및, 열경화성 수지를 탄소로 환산하여 1~3중량부 포함하는 혼합물을 소성하는 공정을 포함하는, 세라믹 소결체의 제조방법.
제 10항에 있어서, 상기 열경화성 수지가, 페놀 수지 또는 푸란 수지를 포함하는, 세라믹 소결체의 제조방법.
삭제
삭제