JPS59102872A - 炭化珪素．黒鉛複合焼結体の製造方法 - 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】 本発明は高密度、高強度の炭化珪素・黒鉛複合焼結体及
びその製造方法に関するものである。

炭化珪素は極めて優れた化学的・物理的性質を有してい
るため、高温構造材料、摺動材料或いは耐食性材料とし
て注目されておシ汎用のメカニカルシールリング、プラ
ンジャー、軸受、サンドブラストノズル、タペット及び
電波吸収体として数数の利用が可能であり、有用な材料
であろう炭化珪素は極めて優れた化学的、物理的性質を
有している為、高温材料や摺動材料或いは耐食性材料と
して好適な材料であシ、その製造方法としては一般に反
応焼結法、ホットプレス法又は無加圧焼結法等があり、
その中で最も汎用性のある焼結法として無加圧焼結法が
知られているが、炭化珪素が難焼結性の材料である為に
、光分に焼結することは従来困難であるとされていた。

しかし、最近各種の焼結助剤が開発され、前記の困帷性
を克服する試みが外されているが、その代表的なものｔ
こついて、炭化珪素の結晶形別に見ると次の通りである
。

即ち特開昭Ｆｉｌ−１４８７１２号によればべ一８ｉＣ
に（１，１５〜３０市量チの禰素と０．５〜５．０チの
炭化した有機材料に１．０重箪偶までの付加的な炭素を
混合成形し、次にこの成形体を少なくとも２．４　’Ｉ
Ａ−即ち理論密度の７５係以上に焼結する方法が開示さ
れており、父、特開昭５０−７＄（６０９号によればβ
−８ｉＣと０．３〜３．０重［４の１４８素に相当する
量の縛ｄ素含有化合物と０．１〜１．０重量係の炭素に
相当する量の炭素質添加剤とを混合成形し、少なくとも
理論密ＩＷの８５憾を有する炭化珪素焼結体を得る方法
が開示されている。又こ＼で用いられている炭素′Ｗ添
加剤については炭化珪素粉末中に常に少量において存在
しているかあるいは加熱に際して粉末表面に吸着された
酸素から形づくられるシリカの還元や遊離珪素のゲッタ
ー（捕促体）として働き。

ｔｎ＊１１１以上添加した場合の未反応過剰炭素は・永
久的な細孔と酷似した作用をなし、最終的に到達し得る
密度と強度とを制限すると述べている。

ところが、このような従来方法によれば、炭化珪素の結
晶形に拘わらずち密な焼結体を得るために、２０００℃
以上の高温Ｆに於て焼結を行なった場合にはβ−８ｉＣ
はバーＳｉＣへの変態に伴ない粒成長を起し、メー８ｉ
Ｃに於ては相変態こそ起さないものの、やはシ粒成長を
起す為に、微細でち密な焼結体を得ることは不可能であ
った、このような状況に鑑み種々研究の結果、発明者等
は炭化珪素の焼結に於て炭素がＳｉＣの粒成長抑制作用
を持つことに着目し、焼結助剤とは別にカーボンブラッ
クを１〜２０体積チ添加すれば、それが焼結時には８ｉ
Ｃの粒成長を抑制し、焼結後には第２相成分として微細
で均一な状態でＳｉＣの粒界に黒鉛として存在すること
により、耐熱衝撃性に優れた微細でち密な焼結体を得る
ことに成功し、こ＼で得られる焼結体は従来方法により
粒成長したＳｉＣ焼結体に比べて機械的曲げ強度が２０
係以上上昇し、又熱衝撃温度が従来のものに比べて９（
１〜２００℃上昇することがわかった１、父、添加され
たカーボンブラックは焼結中に黒鉛化され、焼結体中の
ＳｉＣ粒界に黒鉛として存在することにより、従来の炭
化珪素焼結体に比べて動摩擦係数が２０係以上低下し、
第２相として粒界に存在する黒鉛は耐食性に優れている
為、炭化珪素の有する化学的安定性をも劣化させること
はないっ 又、かくして生成した８ｉＣ粒界中に第２相として存在
する黒鉛の平均粒径は３μｍ以下であることが判った。

こ＼で添加する炭素源がカーボンブラックである必要性
は次の通りである。

即ちフェノール樹脂のような炭素質有機化合物全炭素綽
々して添加した場合には、均一に分散混合することはで
きてもフェノール樹脂自体に）（インダーとしての性質
があるので、炭化珪素に対して１０取給チ以上添加した
場合には任意の形状に成形及び生加工することが困難に
なり、かつ添加したフェノール樹脂の約５０憾は低温に
於て飛散して行く為に仮焼時に生密廉が極端に低下し、
焼結性を妨げる欠点があり、父、最初から黒鉛粉末を添
加した場合はカーボンブラックを添加した場合に比べて
焼結中におけるＳｉＣ粒子の粒成長抑制作用が小さく、
父、抗折強度の上昇も見られなかった。父、カーボンブ
ラックの添加量を１体積係より下とするときはその添加
による前記の効果が不充分となり、２０体Ｍ係を上相る
ときはＳｉＣの焼結性を低ドさせるとともにＳｉＣの緒
特性を維持できなくなるからである。

なお本発明で炭化珪素として１μｍ以下の粉末を用いれ
ば最も効果的にち密な焼結体を得ることができ、又、複
合体成分として１〜２０体積憾体積−ボンブラックを添
加することによって炭化珪素の結晶成長を抑止しながら
効果的に焼結を行ない得るものであり、カーボンブラッ
クが所定の範囲を外れて少ない場合にはそれだけ相変態
或は結晶成長の危険が大きくなり、又、所定の範囲を外
れて多い場合は無駄な添加量の増大により焼結能率を低
下させるとともに、品質低ドを来すこともあシ得るもの
である。

次に本発明の実施例につい工説明する。

実施例１゜ 平均粒径０．８μｍのａ−ｓｔｃ粉末と、これに対し０
．５重量ヂの炭化旬６素と８．０重景係のフェノール樹
脂とを添加したものに、カーボンブラックを５体積チ添
加し、水中で湿式混合した後、乾燥し、玲通しした後３
０＋ｍＸ１０■Ｘ５鵡の寸法に成形し、窒素中に於て８
００℃で６０分間仮焼した緩、２ｔｏｏ℃のアルゴン雰
囲気中で６０分間常圧焼結した。

次に焼結前の仮焼体及びｎＩＪ記の処理をした焼ｉ体を
それぞれめのう乳鉢で粉砕して粉末となし、Ｘ線１す１
碕装置により回折した。その結果ｔｌ！１図（イ）及び
（ロ）に示す通りで当初添加されたカーボンブラックは
すべて黒鉛化されて焼結体中に存在していることが判っ
た。

実施例２゜ 実施例１．と同様にして得られた焼結体を平面研削した
後、９μｍのダイヤモンドで湿式研磨し光学顕微鋼によ
って焼結体中に存在する黒鉛の分散状ｊ、Ｉ、ｌｉを観
、祭した。父、その後研磨面を村上試薬によってエツチ
ングし、８ｉＣ粒径や８ｉＣの粒界に存在する黒鉛の粒
径を観察した。

父、カーボンブラックの未添加焼結体や黒鉛粉末を添加
した焼結体についても同様にして本発明による焼結体と
の比較試験を行なった。その結果は第２図の顕微鏡写真
＋１）未添加焼結体、（２）黒鉛添加焼結体及び（３）
カーボンブラック添加焼結体で明らかな通り、（１）の
未箔加の場合はＳｉＣの粒成長が激しく黒鉛を添加する
ことにより結晶成長は抑制されるが、カーボンブラック
を添加したものは、黒鉛添加品よりも尚一層微細でち密
な焼結体が得られる。ことを示している。

実施例３゜ 実施例１におけるカーボンブラックの添加量を表１のよ
う圧変化させて焼結した焼結体の嵩密度を測定した後、
　４１１１１１Ｘ８１１１１Ｘ２５ｍｌｌ＋の寸法に平
面研削して３点曲げ強度を測定したうその結果を表ＩＫ
示す。この結果からカーボンブラックの添加量が１体積
チ以上になると、未添加品に比べて抗折強度が２０壬程
度上昇していることが判る。

又、カーボン添加量が２０体体積上り多くなると、理論
密変の９０係以上に焼結することができず、又抗折強度
に於ても極端に低ドすることが判った。又、黒鉛を添加
して焼結した場合には抗折強度の上昇は見られなかった
う 表　　　　　１゜ 実施例４゜ 実施例３．と同様にして得られた焼結体を４簡×８＋ａ
＋Ｘ２５ｍの寸法に平面研削してそれぞれの熱衝撃温度
（ΔＴ）を測定した。測定方法としては水中急冷法を用
い、所定温度（Ｔ℃）で１５分間保持した後に、水中（
’ｒｏ℃）に投下し、その後の試料の抗折強度に劣化が
見られない限界温度ΔＴＩ＝Ｉｌｌ　−ＴＯを測定した
。

その結果を表２に示す。

この結果からカーボンブラックの添加量を増やすに従い
熱衝撃抵抗は上昇し％２０体積チ添加したものについて
は未添加品に比べて熱衝撃温度実施例５゜ 実施例３．と同様にして外径３０鮨内径２０＋ｍｎ厚さ
５晒のリングを焼結し、摺動面を平面研削した後９μｍ
のダイヤモンドで湿式研磨仕上げし、上記の条件で湿式
摺動試験を行なった。その結果を表３に示す。

この結果からカーボンブラックを１体積チ以上添加した
場合、このカーボンブラックが黒鉛となすＳｉＣ粒界に
存在する焼結体の動摩擦係数は未添加品に比べて２０チ
以上小さくなっており、又摩耗量も半減していることが
判る。

然し、３０体積チ以上添加したものは、理論密度の８０
チにも焼結しておらず、＠摩擦係数や摩耗量が大きくな
ることが判った。

なお摺動条件は次の通りである。

試験機　メカニカルシールタイプ　（リングオンリング
方式）　　　。

旧情方法　　水叫渭 摺動連間　　１　ｎ　Ｏｍ／ｍｉ　ｎ 血　　　圧　　　　７にｇ　／　ｔｙｉ時　　　間　　
　１００時間 表　　　　　３ 本発明は上記の比較試験からも明らかな通り、摩擦係数
、抗折強度、熱衝撃温度等の緒特性に優れた複合焼結体
を比較的簡単な方法で提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）、（ロ）は、焼結前の仮焼体及び焼結体に
ついてのＸＩ％！回所したグラフ、第２図は未添加焼結
体、黒鉛添加焼結体及びカーボンブラック冷加焼結体に
ついての顕微鏡写真である。 第１図 （イ） （焼結前） （ロ） ２θ（ｄｅｇ） 第２図 手続補正書（方式） 昭和５８年４月１日 特許庁長官　着杉和夫　殿 １、事件の表示 昭和５７年持物願第２１２７９３号 ２発明の名称 炭化珪素・黒鉛複合焼結体及びその製造方法１補正をす
る者 事件との関係　特許出願人 住　所　　　愛知県名古屋市瑞穂区高辻町１４番１８号
名　称　　（４５４）日本特殊陶業株式会社代表者小川
修次 本代理人 居　所　　　郵便番号　１０１ 東京都千代田区内神田二丁目１５番１３号南部ビル 別紙のとおり

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭化珪素焼結体のＳｉＣ粒界粒界第２相として平
   均粒径３μｍ以ドの黒鉛が、炭化珪素量に対して１〜２
   ０体積−の割合で均一に分散して存在し、理論密度の９
   ０係以上の密度を有することを特徴とする炭化珪素・黒
   鉛複合焼結体（２）黒鉛がカーボンブラックを出発物質
   とし、複合焼結体の焼結時に黒鉛化されたものであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の炭化珪素・
   黒鉛複合焼結体 ｆ、’ｌｌ平均粒径１７ｚｍ以下の炭化珪素に、これに
   対し焼結助剤として０．１〜３．０　　重量係の硼素又
   はアルミニウムに相当する量のノ萌素又けＪｌｆｌｆ素
   化合物或はアルミニウム又はアルミニウム化合物と０１
   〜６．１１ｉｆｆｉチの炭素に相当する量の炭素又は炭
   素質化合物とを添加するとともに、複合体成分として炭
   化珪素量に対し１〜２０体積係体積−ボンブラックを添
   加混合し、成形を結することを特徴とする炭化珪素・黒
   鉛複合体の製造方法