JPS6227382A - 多孔質炭化珪素焼結体の製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、多孔質炭化珪素焼結体の製造方法に関し、特
に本発明は、三次元的に均一に分散した微細な開放気孔
を有する多孔質炭化珪素焼結体の製造方法に関する。

従来、炭化珪素は高い硬度、優れた耐摩耗性、優れた耐
酸化性、良好な熱伝導率、低い熱膨張率、高い耐熱衝撃
性並びに高温での高い強度等の化学的および物理的に優
れた特性を有し、メカニカルシールや軸受は等の耐摩耗
材料、高温炉用の財人材、熱交換器、燃焼管等の耐熱構
造材料、酸およびアルカリ等の強い腐食性を有する溶液
のポンプ部品等の耐食性材料として広く使用することが
できる材料である。

一方、これらの性質を有する炭化珪素とその結晶が形成
する通気性を有するところの気孔すなわち開放気孔（以
下単に気孔と称す）とからなる多孔質炭化珪素焼結体は
、前記開放気孔内に潤滑剤を含浸あるいは充填すること
により、極めて良好な摺動特性を付与でき、特に高いｐ
ｖ値の条件下で使用される摺動材料、例えばメカニカル
シーμや軸受などに利用し得ることが考えられる。

〔従来の技術〕

従来、多孔質炭化珪素焼結体の製造方法として、（１）
骨材となる炭化珪素粒子にガラス質フラックスあるいは
粘土質などの結合材を加え成形した後、その成形体を前
記結合材が溶融する温度で焼き固めて製造する方法、（
２）粗粒の膨化珪素粒子と微細な炭化珪素粉末を混合し
成形した後、２０００°Ｃ以上の高温で焼成して製造す
る方法あるいは（３）特開昭４８−３９５１５号公報で
開示されている［炭化珪素粉に戻素粉を加え又は加えず
に炭素質バインダーを加えると共にこの戻素粉及び焼成
時に生成されるバインダーからの遊離炭素と反応する理
論量の珪素質粉金添加して形成し、しかる後この成形体
の戻素粉中で１９００〜２４００　”Ｃに加熱して成形
体中の炭素分を珪素化することを特徴とする均質多孔質
再結晶膨化珪素体の製造方法。」等が知られている。

前記（１）の如き結合材としてガラス質フラックスある
いは粘土を加え製造した多孔質体の強度は結合材によっ
て決定され、それ程高強度の多孔質体を得ることができ
ず、また１１′ｌｉｔ薬品性が要求される分野における
使用が困難であるという欠点がある。

一方、上述の（２）や（３）の方法で創造された多孔質
体の構造をモデル的に図示すれば第１図に示すようであ
り、炭化珪素質骨材（Ａ）と骨材全被覆して、骨材同志
を結合する炭化珪素質結合材あるいは炭素質結合材（Ｂ
ｌおよび間隙（Ｃ’ｌとから構成される。

前記多孔質体の強度は骨材粒子と骨材粒子との間の結合
によって決定されるが、前記骨材粒子間の結合は比較的
細く弱いため、高い強度の多孔質体を得ることは困難で
あった。

また、（２）および（３）の多孔質体における気孔径の
制御は骨材の粒度配合により行なわれる。この方法【よ
り比較的小さい断面積の気孔を有する多孔質体とするた
めには骨材の粒度配合を粗粒と中程度の粒子および／ま
たは微粒子と適度に混合し成形することが必要であり、
その結果成形体の慨孔率が著しく小さくなる傾向がある
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、上記従来技術の欠点を除去、改善し、潤滑剤
の保持性が極めて優れた微細な開放気孔が三次元的に均
一に分散した高強度の多孔質炭化珪素焼結体であって、
特に高いｐｖ値の条件下で使用することのできる摺動材
料として適した多孔質炭化珪素焼結体を製造することの
できる方法を提供すること金目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によれば、平均粒径が１０μｍ以下の炭化珪素粉
末であって、β型結晶の炭化珪素を少なくとも３０ｑ６
含有する炭化珪素粉末を主体とする出発原料を所望の形
状の生成形体に成形した後、非酸化性ガス雰囲気中で１
７００〜２１００°Ｃの範囲内に加熱して焼成し、密度
が２．１〜３．０９／禰で強度が３０　ｋＶｆ／−以上
の焼結体となすことを特徴とする多孔質炭化珪素焼結体
の製造方法によって前記目的を達成することができる。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明によれば、前記炭化珪素粉末は平均粒径が１０μ
ｍ以下の微粉末であることが必要である。

その理由は、平均粒径が１０μｍ以下の粉末で成形され
た生成形体は粒子相互の接触点が比較的多く、また炭化
珪素粉末の焼成温度における熱的活性が大であり、炭化
珪素粒子間での原子の移動が著しく大きいため、炭化珪
素粒子相互の結合が極めて起りやすい。したがって比較
的低密度でも高強度の焼結体を得ることができるからで
ある。特に、測記炭化珪素粉末は平均ａ径が５μｍ以下
であることが有利である。

本発明によれば、前記炭化珪素粉末はβ型結晶の炭化珪
素を少なくとも３０％含有する炭化珪素粉末であること
が必要である。その理由は、β型結晶は比較的低温で合
成される低温安定型結晶であり、焼結に際して炭化珪素
粒子相互の結合が起りやすく、比較的低密度でも高強度
の焼結体を製造することができるからであり、なかでも
β型結晶′！１−５０％以上含有する炭化珪素粉末であ
ることが有利である。

本発明によれば、前記出発原料はホウ素、アルミニウム
、秩、クロム、ランタン、チタン、イツトリウム、二〃
ビウムあるいはこれらの化合物から選択されるいずれか
少なくとも１種を０．０１〜５．０重量％含有するもの
であることが好ましい。

前記出発原料が前記物質を含有するものであることが好
ましい理由は、前記物質は炭化珪素の焼結を促進させる
作用を有するものであり、焼結に際して炭化珪素粒子相
互の結合を促進させるため高強度の焼結体を製造するこ
とができるからであり、また前記物質の含有量を０．０
１〜５．０重量％の範囲内が好ましい理由は、前記含有
量が０．０１重量％よりも少ないと焼結に際して炭化珪
素粒子相互の結合を促進させる効果が少ないからであり
、一方５．０重量％よりも多いと前記物質の焼結体に含
有される量が多くなるため炭化珪素本来の特性が失われ
るからである。

本発明によれば、焼成時に遊離カーボンを残す炭素源を
出発原料中に添加することができる。このような炭素源
としては、焼結開始時に炭素の状態で存在するものであ
れば使用することができ、例えばフェノール樹脂、リグ
ニンスルホン酸塩、ポリビニルアルコール、コンスター
チ、ａｍ、コールタ−ルビ、ソチ、アルギン酸塩のよう
な各種有機物質あるいはカーボンブラック、アセチレン
ブラックのような熱分解炭素を有利に使用することがで
きる。

遊離カーボンは前記物質と同時に存在すると、結晶の成
長性を抑え、微細な気孔を有する多孔質炭化珪素焼結体
を得るのに効果がある。

また、前記遊離カーボンの含有量としては、出発原料１
００重量部に対し、５重量部以下であることが有利であ
る。その理由は、５重量部より多く添加してもその効果
は変わらず、逆に前記焼結体に残留する量が多くなり、
焼結体の強度が劣化するからである。

本発明によれば、出発原料を生成形体に成形した後、非
酸化性ガス雰囲完中で１７００〜２１００℃の範囲内に
加算して焼成し、密度が２．１〜３．０ｆ／Ｍで強度が
３０　ｋｑｌ／１ｔｔｄ以上の焼結体が製造される。

前記焼成温度を１７００〜２１００°Ｃの範囲内に限定
する理由は、焼成温度が１７００　’Ｃよりも低いと粒
子相互の結合が不充分で、高い強度含有する焼結体を得
ることが困難であり、２１００″Ｃよりも高いと焼結体
が緻密化し易く、本発明の目的とする多孔５を炭化珪素
焼結体を得ることが困難であるからである。

本発明によれば、多孔質炭化珪素焼結体は密度が２．１
〜３．０９ｋｄで強度が３０ｋｆｌｆ／、−以上である
ことが必要である。前記密度が２．１〜３゜Ｏｙ／−の
範囲内であることが必要である理由は、前記密度が２．
１１／ｃｔｉよりも小さい焼結体は炭化珪素粒子相互の
結合箇所が少ないため、本発明の目的とする３　０　ｋ
ｙｆ／ｍＡ以上の強度を有する焼結体となすことが困難
であるからであり、一方３．　Ｏｌｌ讐より大きい焼結
体は含有される気孔のうち開放気孔の占める割合が小さ
くなるからである。また前記強度が３０ｋｇｆ／ｍｍ２
以上であることが必要な理由は、前記強度が３０　ｋｆ
ｉｆ／−より小さいと使用中に破損し易く、実質的な使
用に酎えないからでありなかでも４０に９ｆ／−以上で
あることが有利である。なお、本発明における強度は平
均曲げ強度である。

本発明によれば、前記多孔質炭化珪素焼結体は開放気孔
率が５〜３０容積％であることが好ましい。その理由は
、前記開放気孔率が５容積％よりも低いと実質的な潤滑
剤の含浸あるいは充填量が少なくなり、潤滑特性を充分
に発揮させることが困難であるからであり、一方３０容
積％よりも高〜いと多孔質炭化珪素焼結体の耐摩耗性が
低く、特にｐｖ値の高い条件下での使用が困難であるか
らである。

前記多孔質炭化珪素焼結体に含浸あるいは充填する潤滑
剤としては、フッ素系オイル、シリコーン系オイル、そ
の他各種潤滑油あるいは各種の潤滑性を有する樹脂を単
独あるいは混合して使用することができる。

前記フッ素系オイルとしては、フルオロエチレン、フル
オロエステル、フルオロトリアジン、ペルフルオロポリ
エーテル、フルオロシリコーン。

これらの誘導体あるいはこれらの重合体から選択される
１種または２種以上の混合物を使用することが有利であ
り、また、前記シリコーン系オイルトシテハ、メチルシ
リコーン、メチルフェニルシリコーン、これらの誘導体
あるいはこれらの重合体から選択される１種またｆ１２
ｍ以上の混合物を使用することが有利である。なお、前
記フッ素系オイｌしおよびシリコーン系オイルは液状、
グリース状あるいはワックス状のいずれの状態であって
も使用することができる。

なお、前記フッ素系オイルおよびシリコーン系オイルは
耐溶剤性、化学的安定性および耐熱性に優れているため
、長期間にわたって極めて艮好な潤滑特性を付与するこ
とができる。

前記潤滑性を有する樹脂としては、ポリアセタール樹脂
、ポリアミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリカーボネー
ト樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、スチレンア
クリロニトリ／Ｌ／樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリウレ
タン樹脂、ポリフェニレンサル、ファイド樹脂、エポキ
シ樹脂、シリコーン樹脂あるいはフッ素樹脂から選択さ
れる樹脂を単独あるいは混合して使用することができる
。

本発明によれば、これらの潤滑剤は前記多孔質炭化珪素
焼結体の開放気孔１００容積部に対して少なくとも１０
容積部含浸あるいは充填することが有利である。その理
由は、潤滑剤の含浸あるいは充填量が１０容積部より少
ないと実質的に潤滑効果を発揮させることが困難である
からである。

前記多孔質炭化珪素焼結体の開放気孔中に潤滑剤を含浸
あるいは充填させる方法としては、加熱により溶融ある
いは低粘度化した潤滑剤中に真空または加圧下で浸漬す
る方法、溶剤により溶解された潤滑剤中に浸漬する方法
、七ツマー状態で含浸した後ポリマーに添加する方法、
あるいは微粒化した潤滑剤を分散媒液中に分散しこの分
散液中に浸漬し含浸した後焼付ける方法が適用できる。

前記潤滑剤が含浸あるいは充填された多孔質炭化珪素焼
結体は、ころがり軸受のポール、リテーナ−および軌道
輪、メカニカルシール、スべり軸受部品あるいはワイヤ
ートッドプリンターガイドなどの摺動材料として極めて
好適なものであり、なかでも、フッ素系オイルなどの耐
薬品性に優れた潤滑剤を含浸せしめたものｉｊ：極めて
過酷な条件下で使用される部材例えば半導体材料の拡散
炉やエツチング装置に使用される摺動材料あるいはエア
ーコンディシロナーの軸受などの用途に対して極めて好
適なものである。

次に本発明を実施例によって説明する。

実施例１ 平均粒径が０．２８μｍ、β型結晶の含有率が９４．６
重量％の炭化珪素粉末１００重量部に対し、炭化ホウ素
粉末１重量部、カーボンブラリク粉末２重量部、ポリビ
重量アフレコ−３５重景部、水３００重量部を配合し、
ボールミル中で５時間混合した後噴霧乾燥した。なお、
前記灰化珪素粉末は遊離炭素を０．２９重量％、酸素を
０．１７重量％、鉄’ｉｏ、０３ｆｉ量％、アルミニウ
ムｉｏ、０３重量％含有していた。

この乾燥物を適量採取して成形し、１９００°Ｃのアμ
ゴンガス雰囲気中で１０分間保持して焼結体を得た。

得られた焼結体は密度が２．５９１／ｃれ強度が４５ｋ
ｇｆ／ｍｍ２で三次元的に均一に分散した微細な開放気
孔を有しており、その開放気孔率は約１６容積％であっ
た。

この焼結体を内径が２０ｊｌｊ、外径が２６ｊ１１１．
厚さが１０１ｕ１１のリング状に加工した後、べｌレフ
ルオロアルキルポリエーテ／Ｉ／を真空下で含浸して空
隙の約７７容積％含浸せしめた材料ｉ１Ｊングオンリン
グ方式の摺動試験機を用いて空剣雰囲完中で理論密度９
８％の炭化珪素焼結体全相手材として使用し、摺動速度
を１．５　ｍ／１ｓｅｅに設定し、端面荷重を種々変化
させて摺動試験全行い、第２図に示す如き結果を得た。

第２図よりわかるように、この材料は広いｐｖ値の範囲
において極めて優れた摺動特性を有していることが認め
られ、メカニカルシー〃やすべり軸受などの耐摩耗摺動
材料として適していることがわかる。

実施例２、比較例１ 実施例１と同様であるが、焼成温度を第１表に示す如く
変化させて焼結体を得た。

得られ九焼結体の強度および実施例１と同様にしてべｌ
レフルオロアルキルポリエーテ／Ｉ／ｅ含ｆｉＬ摺動速
度が１．５　ｍ１ｓｅｃ　、　ｒ＋ｓ而荷重荷重５　ｋ
ｇｆ／ｅ４の条件で測定した摺動特性の結果を第１表に
示した第１表に示した結果よりわかるように、本実施例
の焼結体は比較的低密度でも高い強度を有しており、摺
動′ｖＰ性ＶＣ優れていた。これに対し、比較例１ｙ）
Ｊ結体は、摺動時において粒子の著しい税離現象が牛じ
、摩耗係数を測定するに至らなかった。

第１表 比較例２ 実施例１と同様であるが、炭化珪素粉末として市販のＧ
Ｃ１６０００ｉさらに粉砕し、粒度分級した炭化珪素粉
末を使用して焼成温度を２０００”Ｃにかえて焼結体を
得た。なお、前記炭化珪素粉末は平均粒径が０．５μｍ
１　α型結晶の含有率が殆ど１００重量％であり、遊Ｍ
戻素を０．７重量％、酸素を０．３重量％、鉄′ｔ−０
，０２重量％、アルミニウムを０．０２重量％含有して
いた。

得られた焼結体の強度および実施例１と同様にしてベル
フルオロアルキルホリエーテ／Ｌ／ヲ含浸シ、摺動速度
がｌ、　５　Ｔｎ／８６６、端面荷重が１５　Ｉｃｇｆ
／ｅ４の条件で測定した摺動特性の結果を謂１表に示し
た。

第１表に示した結果よりわかるように、木比較例の焼結
体は、β型結晶の炭化珪素粉末を主として含有する炭化
珪素粉末を出発原料とした実施例の焼結体に比較して強
度が低く摺動特性にも劣っており、摺動時における摩耗
が著しく摩耗係数を測定するに至らなかった。

〔発明の効果〕

以上述べた如く、本発明によれば、潤滑剤の保持性に極
めて優れ、特に高いｐｖ値の条件下で使用することので
きる摺動材料、すなわち三次元的に均一に分散した微細
な開放気孔を有する多孔質炭化珪素焼結体を提供するこ
とができ、しかも高温下、真空生金はじめ様々な雰囲気
における用途についても適宜潤滑剤を選択することによ
って有利に適用することができ、使用分野の拡大がはか
れるばかりでなく、装置の耐久性および信頼性を著しく
向上させることができる材料であって産業上極めて有用
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来法による多孔質炭化珪素焼結体の構造を
示す模式図、第２図は、実施例１の摺動材料の摩擦係数
とｐｖ値との関係を示すグラフである。 Ａ・・・・・・炭化珪素質骨材、Ｂ・・・・・・結合剤
、Ｃ・・・・・・多孔質体の間隙。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、平均粒径が１０μｍ以下の炭化珪素粉末であって、
   β型結晶の炭化珪素を少なくとも３０％含有する炭化珪
   素粉末を主体とする出発原料を所望の形状の生成形体に
   成形した後、非酸化性ガス雰囲気中で１７００〜２１０
   ０℃の範囲内に加熱して焼成し、密度が２．１〜３．０
   ｇ／ｃｍ＾３で強度が３０ｋｇｆ／ｍｍ＾２以上の焼結
   体となすことを特徴とする多孔質炭化珪素焼結体の製造
   方法。 ２、前記多孔質炭化珪素焼結体は開放気孔率が５〜３０
   容積％である特許請求の範囲第１項記載の製造方法。 ３、前記出発原料はホウ素、アルミニウム、鉄、クロム
   、ランタン、チタン、イットリウム、エルビウムあるい
   はこれらの化合物から選択されるいずれか少なくとも１
   種を０．０１〜５．０重量％含有する特許請求の範囲第
   １あるいは２項記載の製造方法。