(57)【要約】【課題】強度や破壊靭性などの機械特性に優れるだけでなく、摺動特性などを主とする耐摩耗特性、特にＳｉＣ系耐摩耗材料とその製造方法を提供する。【解決手段】ＳｉＣ系耐摩耗材料を、気孔率が２％以上かつ６％未満、気孔径は２μｍ以下とし、構成するＳｉＣ粒子の平均結晶粒子径が５μｍ以下であるとともに、ビッカース硬度が１７００以上かつ２０００以下となるようにする。このＳｉＣ系耐摩耗材料は、原料となるＳｉＣ粉末におけるＳｉＣ純度、ＳｉＣの結晶相およびＳｉＣの一次粒子径を制御することにより、得ることができる。【選択図】図４
2010189203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ系焼結体からなるＳｉＣ系耐摩耗材料であって、
ＳｉＣ粒子の平均結晶粒子径が５μｍ以下であり、気孔率が２％以上かつ６％未満であって、その気孔径は２μｍ以下であり、ビッカース硬度が１７００以上かつ２０００以下であることを特徴とするＳｉＣ系耐摩耗材料。
【請求項２】
前記ＳｉＣ系耐摩耗材料中にアルミニウムおよびイットリウムから選ばれる１ないし２成分を含んでおり、前記アルミニウムおよびイットリウムの含有量の合計が、これら成分を酸化物に換算した際の質量を基準とした場合に、ＳｉＣ量に対して１質量％以上かつ５質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載のＳｉＣ系耐摩耗材料。
【請求項３】
前記ＳｉＣ系耐摩耗材料の製造方法であって、
ＳｉＣ原料粉末におけるＳｉＣ純度は９７％以上、不純物である遊離珪素が１％以下かつ遊離炭素が２％以下であって、ＳｉＣ原料粉末中に含まれるＳｉＣ自体は３Ｃ結晶を９０％以上含有しており、
当該ＳｉＣ原料粉末の粒度分布として、ＳｉＣ粉末の粒子径が０．５μｍ以下のものを９０質量％以上含むとともに、当該ＳｉＣ原料粉末中には、一次粒子径が０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下の粉末を５質量％以上含まれるように粉末を混合し、造粒、成形した後で、加圧焼結法による圧力環境下で焼結することを特徴とするＳｉＣ系耐摩耗材料の製造方法。
【請求項４】
助剤として、アルミナおよびイットリアから選ばれる１ないし２成分からなる酸化物系助剤を、ＳｉＣ原料粉末量に対して１質量％以上かつ５質量％以下の割合で混合添加することを特徴とする請求項３に記載のＳｉＣ系耐摩耗材料の製造方法。
【請求項５】
加圧焼結法における焼結温度が１９００℃以上、雰囲気が不活性雰囲気下、加圧力が２０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項３または４に記載のＳｉＣ系耐摩耗材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は摺動部材などの耐摩耗材料として用いられる炭化珪素（ＳｉＣ）系耐摩耗材料およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
耐摩耗材料としては、カーボンやアルミナ系、ＳｉＣ系のセラミックスが主として用いられ、超硬合金などの金属も用いられる。近年、化学的安定性や耐熱性を有し、摺動時の摩擦係数が小さく、かつ平滑性も優れたＳｉＣ系セラミックスを用いる場合が多い。これらのＳｉＣ系セラミックスは、高硬質ではあるが本質的に脆い性質を有しており、クラックや欠けが問題となる。
【０００３】
このような問題を回避するために、特許文献１には、反応焼結によりＳｉＣ内に残留シリコンの粒子径を微細に分散制御することにより、強度や靭性を向上させる技術が開示されている。また特許文献２には、ＳｉＣ内にフラーレン類を添加することで強度を向上させる技術が開示されている。さらに、特許文献３にはＳｉＣ内の気孔やその形状を多孔質に制御して多孔質にすることで強度特性を向上させる技術が開示されている。さらに特許文献４では、ＳｉＣマトリックス中にＳｉＣナノワイヤを含有させることによって強度向上を図ることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７-２２９１４号公報
【特許文献２】特開２００６-２９８６８６号公報
【特許文献３】特開２００６-３６６２４号公報
【特許文献４】特開２００５-１１２７０２号公報
【０００５】
一方、ＳｉＣ系材料による焼結体を得ようとする場合、ＳｉＣは共有結合で難焼結性であるため密度が上がり難く、そのため気孔が残り易い。また焼結性を上げるために焼結温度を２０００℃以上とするために、結晶粒子径が成長して粗大な粒子となり易く、さらに異常な粒子成長も発生するため、気孔径も大きくなる傾向にある。そのため、ＳｉＣ焼結体は強度や靭性、硬度にばらつきが生じ易い。
【０００６】
従って、ＳｉＣ系焼結体を、たとえば耐摩耗材料のような構造部材として用いる場合、長期間信頼性高く使用するために、強度や靭性などの物理的特性を安定させるとともに向上させる必要がある。そのためＳｉＣ系材料では、酸化物（たとえばアルミナやイットリア）や非酸化物（たとえばボロンカーバイドやカーボン）などの助剤を適量添加することにより、焼結性を向上させ、密度を向上させるとともに、異常な結晶粒子成長や気孔率も減少させている。
【０００７】
このように、他材料との複合化や助剤の添加によりＳｉＣ系セラミックスの強度や靭性などを向上させることにより、ＳｉＣ系セラミックスを構造部材として適用させている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで構造部材としての材料選定は、衝撃加重や静的加重を考慮して曲げ強度や破壊靭性値をもとにして破損予測を実施し、その結果によって、材料が選定されることが多い。一方、ＳｉＣ系セラミックスは、前述の通り、化学的安定性や耐熱性を有し、摺動時の摩擦係数が小さく、かつ平滑性も優れていることから、一般的な構造部材としてだけではなく耐摩耗性を併せ持つ材料として用いられている。
【０００９】
しかしながら、ＳｉＣ系セラミックスにおける耐摩耗材料としての特性、たとえば摺動部分の偏摩耗や粒子脱落などによる摩耗損傷の拡大、加速による寿命短命化ならびに相手材への損傷などによる損傷の拡大については、ほとんどが考慮されていない。このため、構造部材として強度、靭性および密度を考慮した選定を実施したにも関わらず、耐摩耗材料としての評価が不十分であったため、偏摩耗などによって耐摩耗材料としての機能が発揮されないという問題が発生していた。
【００１０】
本発明は、上記問題に鑑み、強度や破壊靭性などの機械特性に優れるだけでなく、摺動特性などを主とする耐摩耗特性、特に脆化を抑制してＳｉＣ粒子脱落などを防止してなる、ＳｉＣ系耐摩耗材料とその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記問題を解決すべく、本願発明者らはＳｉＣ系耐摩耗材料におけるＳｉＣ粒子の脱落低減について検討を重ねた結果、焼結後の結晶粒子径、気孔率、気孔径および硬度が重要であることを見出すとともに、その焼結状態を得るための原料ＳｉＣ粉末制御や助剤の添加、焼結などについての条件を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明のＳｉＣ系耐摩耗材料は、
ＳｉＣ系焼結体からなるＳｉＣ系耐摩耗材料であって、ＳｉＣ粒子の平均結晶粒子径が５μｍ以下であり、気孔率が２％以上かつ６％未満であって、その気孔径は２μｍ以下であり、ビッカース硬度が１７００以上かつ２０００以下であることを特徴とする。
【００１３】
前記ＳｉＣ系耐摩耗材料はアルミニウムおよびイットリウムから選ばれる１ないし２成分を含んでおり、前記アルミニウムおよびイットリウムの含有量の合計は、これら成分を酸化物に換算した際の場合の質量を基準として、ＳｉＣ量に対して１質量％以上かつ５質量％以下であることが好ましい。
【００１４】
また、本発明のＳｉＣ系耐摩耗材料の製造方法は、
ＳｉＣ原料粉末におけるＳｉＣ純度は９７％以上、不純物である遊離珪素が１％以下かつ遊離炭素が２％以下であって、ＳｉＣ原料粉末中に含まれるＳｉＣ自体は３Ｃ結晶を９０％以上含有しており、当該ＳｉＣ原料粉末の粒度分布として、ＳｉＣ粉末の粒子径が０．５μｍ以下のものを９０質量％以上含むとともに、当該ＳｉＣ原料粉末中には、一次粒子径が０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下の粉末を５質量％以上含まれるように粉末を混合し、造粒、成形した後で、加圧焼結法による圧力環境下で焼結することを特徴とする。
【００１５】
前記ＳｉＣ系耐摩耗材料の製造方法は、助剤として、アルミナおよびイットリアから選ばれる１ないし２成分からなる酸化物系助剤を、ＳｉＣ原料粉末に対して１質量％以上かつ５質量％以下の割合で混合添加することが好ましい。
前記ＳｉＣ系耐摩耗材料の製造方法は、加圧焼結法における焼結温度が１９００℃以上、雰囲気が不活性雰囲気下、加圧力が２０ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００１６】
なお、本発明における“ＳｉＣ系”とは、ＳｉおよびＣ以外に、焼結に際して使用する前述などの助剤や、製造過程に起因として取り込まれる必然的な元素などを含むことを意味し、意図的な他の元素を含有させるものではないことを意味している。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のＳｉＣ系耐摩耗材料によれば、ＳｉＣ系焼結体からなるＳｉＣ系耐摩耗材料であって、ＳｉＣ粒子の平均結晶粒子径が５μｍ以下であり、気孔率が２％以上かつ６％未満であって、その気孔径は２μｍ以下であり、ビッカース硬度が１７００以上かつ２０００以下としたので、特に理由は明確でないものの、ＳｉＣ粒子の脱落などが防止され、耐摩耗性に優れたＳｉＣ系耐摩耗材料を得ることができる。
【００１８】
本発明のＳｉＣ系耐摩耗材料の製造方法によれば、ＳｉＣ原料粉末におけるＳｉＣ純度は９７％以上、不純物である遊離珪素が１％以下かつ遊離炭素が２％以下であって、ＳｉＣ原料粉末中に含まれるＳｉＣ自体は３Ｃ結晶を９０％以上含有しており、当該ＳｉＣ原料粉末の粒度分布として、ＳｉＣ粉末の粒子径が０．５μｍ以下のものを９０質量％以上含むとともに、当該ＳｉＣ原料粉末中には、一次粒子径が０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下の粉末を５質量％以上含まれるように粉末を混合し、造粒、成形した後で、加圧焼結法による圧力環境下で焼結したので、ＳｉＣ粒子の脱落などが防止され、耐摩耗性に優れたＳｉＣ系耐摩耗材料を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明におけるＳｉＣ系耐摩耗材料製造の一実施形態を示したフローである。
【図２】実施例におけるＳｉＣ粉末の粒度分布を示すグラフであって、（Ａ）はＳｉＣ−１Ａの粒度分布、（Ｂ）はＳｉＣ−１Ｂの粒度分布、（Ｃ）はＳｉＣ−１Ｃの粒度分布である。
【図３】ＳｉＣ系耐摩耗材料の摩耗評価を行うための乾式摩耗評価装置の概略構成図である。
【図４】実施例１のＳｉＣ系耐摩耗材料であって、（Ａ）はＳｉＣ系耐摩耗材料の断面組織の一例を示した顕微鏡写真、（Ｂ）は、摺動摩耗試験前の摺動面の状態を示す顕微鏡写真、（Ｃ）は、摺動摩耗試験後の摺動面の状態を示す顕微鏡写真である。
【図５】実施例７のＳｉＣ系耐摩耗材料であって、（Ａ）はＳｉＣ系耐摩耗材料の断面組織の一例を示した顕微鏡写真、（Ｂ）は、摺動摩耗試験前の摺動面の状態を示す顕微鏡写真、（Ｃ）は、摺動摩耗試験後の摺動面の状態を示す顕微鏡写真である。
【図６】比較例１のＳｉＣ系耐摩耗材料であって、（Ａ）はＳｉＣ系耐摩耗材料の断面組織の一例を示した顕微鏡写真、（Ｂ）は、摺動摩耗試験前の摺動面の状態を示す顕微鏡写真、（Ｃ）は、摺動摩耗試験後の摺動面の状態を示す顕微鏡写真である。
【図７】比較例２のＳｉＣ系耐摩耗材料であって、（Ａ）はＳｉＣ系耐摩耗材料の断面組織の一例を示した顕微鏡写真、（Ｂ）は、摺動摩耗試験前の摺動面の状態を示す顕微鏡写真、（Ｃ）は、摺動摩耗試験後の摺動面の状態を示す顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の詳細、その他の特徴及び利点について説明する。なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
【００２１】
「ＳｉＣ系耐摩耗材料」
本発明のＳｉＣ系耐摩耗材料は、主に乾燥状態で用いられるもの（以下「乾式」と称する）であって、例えばメカニカルシールのように常時水等が存在する条件下（以下「湿式」と称する）で用いられるものではない。なお、乾式で使用される条件下であれば、その使用形態や使用方法に特段の制限はない。
【００２２】
本発明においては、ＳｉＣ系耐摩耗材料を構成するＳｉＣ系焼結体におけるＳｉＣ粒子の平均結晶粒子径が５μｍ以下であることが必要であり、４μｍ以下であればより好ましい。ＳｉＣ粒子が小さければ、粒子界面がより多く形成されることから、ＳｉＣ粒子間の結合力が増し、ＳｉＣ粒子の脱落を抑制することができる。また、ＳｉＣ粒子の脱落が発生しても、脱落したＳｉＣ粒子の粒子径が小さいため相手材の損傷も効果的に抑制できる。なお、上記平均結晶粒子径の下限は、ＳｉＣ原料粉末の平均粒子径以上とすることができる。
【００２３】
また、本発明のＳｉＣ系耐摩耗材料は、そのＳｉＣ系焼結体における気孔率が２％以上６％未満であることが必要であり、２％以上５％未満とすることがより好ましい。気孔率を２％以上とすることにより、ＳｉＣ系耐摩耗材料の表面に相手材が衝突した際の衝撃に対して適度な「逃げ」が得られることから、相手材の種類によるスクラッチなどを抑制することができる。一方、気孔率が６％以上になると、気孔を多く含むことでＳｉＣ系焼結体自体の強度が劣化することと焼結体が吸水していくため、好ましくない。
【００２４】
また、気孔径は２μｍ以下とすることが必要であり、より好ましくは、１．５μｍ以下である。気孔が存在すると、この気孔を介在したクラックの進展が起こるが、気孔径を減少ないしは消滅させることにより、クラック進展の影響を抑えることができる。本発明のＳｉＣ系耐摩耗材料においては、気孔率を２％以上とする必要があるので、気孔径を２μｍ以下と小さくすることにより、実質的にクラックなどの進展を防げることができる。
【００２５】
また、本発明のＳｉＣ系耐摩耗材料は、そのビッカース硬度が１７００以上かつ２０００以下となることが必要である。この硬度は、構造部材として強度、靭性および密度を考慮して選定したＳｉＣ系焼結体に比べて低いが、上記のとおり平均結晶粒子径、気孔径、気孔率を制御し、さらに後述のように助剤量を制御していることから、耐摩耗性はより向上している。
【００２６】
さらに、硬度が制御されることで、被摩耗材における摩耗をも抑制することができるので、ＳｉＣ系耐摩耗材料と被摩耗材を併せた耐摩耗性をより向上させることが可能である。
【００２７】
このように、平均結晶粒子径、気孔率、気孔径、硬度を制御することにより、ＳｉＣ系焼結体の破壊靭性値を向上させることができ、ＳｉＣ粒子間の結合が強くなるため、ＳｉＣ粒子の脱落を効果的に抑制することができる。
【００２８】
さらに、後述する製造方法に示すように、本発明のＳｉＣ系焼結体の材料として３Ｃ結晶（β相）を９０％以上含有するＳｉＣ粉末を用いた場合には、得られたＳｉＣ系焼結体中の結晶相もβ相が多く含まれる。β相の結晶形は板、柱状であることから、β相が多く含まれるＳｉＣ系焼結体は、焼結体中の結晶粒子が相互に複雑に絡み合う形となる。したがって、ＳｉＣ系焼結体のＳｉＣ粒子の平均結晶粒子径を５μｍ以下に保つとともにβ相が多く含まれる状態とすることにより、より効果的にＳｉＣ粒子の脱落を抑制することができる。特にβ相量が８０％以上であれば、乾式の場合だけでなく湿式で用いる場合の特性も向上する。
【００２９】
また、本発明においては、ＳｉＣ系耐摩耗材料中にアルミニウムおよびイットリウムから選ばれる１ないし２成分を含んでいることが好ましく、アルミニウムおよびイットリウムの含有量の合計は、これら成分を酸化物に換算した場合の質量を基準として、ＳｉＣ量に対して１質量％以上かつ５質量％以下であることが好ましい。
【００３０】
ここで、アルミニウムおよびイットリウムから選ばれる１ないし２成分を含むことが好ましいのは、これら成分からなる酸化物系の助剤を焼結時に添加することにより、焼結温度を下げることができ、よってＳｉＣの粒子成長が抑制され、さらに、気孔率および気孔径も抑制することができるからである。
【００３１】
「ＳｉＣ系耐摩耗材料の製造方法」
本発明のＳｉＣ系耐摩耗材料の製造方法においては、ＳｉＣ原料粉末におけるＳｉＣ純度は９７％以上、不純物である遊離珪素が１％以下かつ遊離炭素が２％以下であって、ＳｉＣ原料粉末中に含まれるＳｉＣ自体は３Ｃ結晶を９０％以上含有しており、当該ＳｉＣ原料粉末の粒度分布として、ＳｉＣ粉末の粒子径が０．５μｍ以下のものを９０質量％以上含むとともに、当該ＳｉＣ原料粉末中には、一次粒子径が０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下の粉末を５質量％以上含まれるように粉末を混合し、造粒、成形した後で、加圧焼結法による圧力環境下で焼結する。
【００３２】
本方法によれば、純度および結晶形ならびに粒度構成を制御したＳｉＣ原料粉末を用いることにより、本発明のＳｉＣ系耐摩耗材料を容易に製造することができる。特に原料の粒子径を構成することにより、その粒子径差による駆動力によって焼結を促進させることができることから、通常の（原料の粒子径を制御していない）ＳｉＣ粒子を用いた場合の焼結温度に比べて、より低温で焼結が可能となる。したがって、焼結体中のＳｉＣ粒子径の増加を抑制することができる。
【００３３】
また、ＳｉＣ原料粉末中に含まれるＳｉＣ自体が３Ｃ結晶（β相）を９０％以上含有するようにするとともに、β相がα相に転移する温度である２０００℃より低い温度で焼結した場合には、得られたＳｉＣ系焼結体中の結晶相もβ相が多く含まれる。β相は結晶構造が立方晶系であり、強度、硬度および熱伝導特性などの諸物性に異方性が少ないことから、α相に比べて機械的、熱的特性に優れている。
【００３４】
さらに、β相の結晶形は板、柱状であることから、β相が多く含まれるＳｉＣ系焼結体は、焼結体中の結晶粒子が相互に複雑に絡み合う形となる。したがって、ＳｉＣ系焼結体中にβ相が多く含まれる状態とすることにより、ＳｉＣ粒子の平均結晶粒子径を５μｍ以下に保つことと併せ、より効果的にＳｉＣ粒子の脱落を抑制することができる。特にβ相量が８０％以上であれば、乾式の場合だけでなく湿式で用いる場合の特性も向上する。
【００３５】
なお、ＳｉＣ原料粉末中のＳｉＣ純度及びＳｉＣ粉末中の３Ｃ結晶の割合は、より高いことが好ましい。これらの値は、ＳｉＣ原料粉末の製造方法により左右されるが、例えばシリカ還元法においては、ＳｉＣ純度として９８％、３Ｃ結晶の割合は９２％のものが得られている。また、プラズマＣＶＤ法やプレカーサー法によるＳｉＣ原料粉末においては、ＳｉＣ純度として９９．９％以上、３Ｃ結晶の割合は９９％以上のものが得られている。
【００３６】
また本発明のＳｉＣ原料粉末においては、ＳｉＣ原料粉末の粒度分布として、ＳｉＣ粉末の粒子径が０．５μｍ以下のものを９０質量％以上含むようにする。なお、ここで単に粒子径と称するものは、混合後のＳｉＣ原料粉末中におけるＳｉＣ粉末の粒子径であり、例えばレーザー回折・散乱法などにより測定されるものであって、構成する粒子は一次粒子、二次粒子（凝集粒子）のいずれであっても、あるいは両粒子の混合物であってもかまわない。
【００３７】
ここで、粒子径が０．５μｍ以下のものを含むＳｉＣ粉末は、主にシリカ還元法により得ることができる。
【００３８】
シリカ還元法によるＳｉＣ粉末は、合成されたＳｉＣインゴット（塊）を粉砕・精錬して製造されるため、一定の粒度分布を有している。この粒度分布は、平均粒子径を含む範囲を最大量とし、粒子径の範囲が平均粒子径から外れるに従ってその存在量が減少していく１山形の分布を示す通常の粒度分布である。このような粒度分布を有する、すなわち粒子径の異なる粒子が存在すれば、径の大きな粒子同士の隙間を径の小さい粒子が埋めるなど、成型時の緻密化に寄与するから、得られる焼結体の密度も向上させることができる。
【００３９】
一方、０．５μｍを越える粒子径のＳｉＣ粉末の割合が多くなると、焼結時の緻密化を阻害することなどから、ＳｉＣ系耐摩耗材料における気孔率を６％未満に保つことが難しくなる。特に、粒子径が２μｍを越えるものは少ないことが望ましい。これらのことから、ここで選択するＳｉＣ粉末としては、粒子径の構成が０．５μｍ以下の範囲を９０質量％以上含むＳｉＣ粉末とする。
【００４０】
しかしながら、通常の粒度分布を有するのみを用いて造粒、成形した後に加圧焼結を行っても、本発明のＳｉＣ系耐摩耗材料を得ることは難しい。
【００４１】
本発明のＳｉＣ原料粉末においては、ＳｉＣ原料粉末の粒度分布として、ＳｉＣ粉末の粒子径が０．５μｍ以下のものを９０質量％以上含むようにするとともに、当該ＳｉＣ原料粉末中には、一次粒子径が０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下のものを５質量％以上含むようにする。
【００４２】
前述の通り、シリカ還元法によるＳｉＣ粉末は粉砕により製造されるため、一次粒子径が０．０７μｍ以下の粒子量は非常に少ないと考えられる。このようなＳｉＣ粉末に対して、一次粒子径が０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下のＳｉＣ粉末を、ＳｉＣ原料粉末全量の５質量％以上追加することにより、ＳｉＣ原料粉末中における一次粒子径が０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下のものの含有量を５質量％以上とすることができる。
【００４３】
ここで、一次粒子径が０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下のＳｉＣ粉末を追加しても、ＳｉＣ原料粉末における粒度分布として、ＳｉＣ粉末の粒子径が０．５μｍ以下の範囲を９０質量％以上含む範囲から外れることはない。これは、一次粒子径が０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下のＳｉＣ粉末は、その一次粒子径が小さいため、凝集した二次粒子となった場合でも粒子径が０．５μｍを超えることはないこと、また追加される側のＳｉＣ粉末の粒子径の構成も、予め０．５μｍ以下の範囲を９０質量％以上含むものとしてあるからである。
【００４４】
一次粒子径が０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下のＳｉＣ粉末は、主にプラズマＣＶＤ法（気相成長法）ないしはプレカーサー法（液相法）により得ることができる。これらの方法により合成されたＳｉＣ粉末は、微細でかつ粒度の均一性が高く、一次粒子径が０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下のもののみを含む粉末を比較的容易に得ることができる。従って、一次粒子径が０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下のＳｉＣ粉末源としては、一次粒子径の構成が０．０３μｍから０．０７μｍ以下の範囲を１００質量％含むＳｉＣ粉末を選択することができる。
【００４５】
従って、ＳｉＣ原料粉末の構成は、「一定の粒度分布を持ち、０．５μｍ以下のものを９０質量％以上含むもの」を９５質量％未満、「一次粒子径の範囲が０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下の範囲のものを１００質量％含むもの」を５質量％以上の割合で選択すればよい。そして、「一定の粒度分布を持ち、粒子径の範囲が０．５μｍ以下のものを９０質量％以上含むもの」はシリカ還元法により合成されたＳｉＣ粉末、「一次粒子径の範囲が０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下の範囲のものを１００質量％含むもの」はプラズマＣＶＤ法ないしはプレカーサー法により合成されたＳｉＣ粉末を用いればよい。
【００４６】
ＳｉＣ原料粉末の粒度分布と粒子径をこの範囲内に調整することにより、その粒子径差による駆動力によって焼結状態を制御し、ＳｉＣ焼結体の平均結晶粒子径、気孔率、気孔径や密度を制御することにより、本発明のＳｉＣ系耐摩耗材料を得ることができる。
【００４７】
なお、本発明におけるＳｉＣ原料粉末の構成は、一定の粒度分布を持つことが望ましいから、粒子径が均一なＳｉＣ粉末のみをＳｉＣ原料粉末としても良い特性が得られにくい。このことから、「一定の粒度分布を持ち、粒子径の範囲が０．５μｍ以下のものを９０質量％以上含むもの」の割合は６０質量％以上であることが好ましく、より好ましくは７０質量％以上である。また「一次粒子径の範囲が０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下の範囲のものを１００質量％含むもの」の割合は４０質量％未満であることが好ましく、より好ましくは３０質量％未満である。
【００４８】
また、上記方法においては、助剤として、アルミナおよびイットリアから選ばれる１ないし２成分からなる酸化物系助剤を使用し、その添加量がＳｉＣ原料粉末に対して１質量％以上かつ５質量％以下の割合となるように混合添加して、加圧焼結法により焼結することが好ましい。
【００４９】
ここで、アルミナおよびイットリアから選ばれる１ないし２成分からなる酸化物系の助剤を添加するのは、焼結中にＳｉＣ成分と液相をつくり、ＳｉＣを易焼結化させるためである。これらの酸化物系助剤を添加した際の液相生成温度は、ＳｉＣ単体の場合に比べて低いから、低温で液相が形成して緻密化が促進されることで焼結温度を低く設定することができる。そのために、ＳｉＣは粒子成長が活発になる温度域へ達することなく所望の密度へ到達するため、粒子成長が抑制されさらに、気孔径の拡大も抑制することができる。
【００５０】
また、上記方法においては、加圧焼結法で、焼結温度が１９００℃以上の不活性雰囲気下、加圧力が２０ＭＰａ以上の条件で焼結することが好ましく、１９００℃以上かつ２０００℃以下で２０ＭＰａ以上かつ４０ＭＰａ以下であればより好ましい。
【００５１】
２０００℃以下で焼結すれば、ＳｉＣ原料粉末中のβ相がα相に転移することを防げるので、得られたＳｉＣ系焼結体中の結晶相もβ相が多く含まれ、機械的、熱的特性に優れるほか、その結晶粒子形状から、より効果的にＳｉＣ粒子の脱落を抑制することができる。
【００５２】
ＳｉＣ系耐摩耗材料を得るためには、原料粉末を適正な温度と圧力を加えた状態で焼結する必要がある。ここで、上記のようにＳｉＣ原料粉末の粒度構成を制御し、さらに酸化物系助剤を添加することにより、通常は２０００℃以上の焼結温度を必要とするＳｉＣ系材料の焼結温度を１９００℃以上の範囲まで下げることができる。
【００５３】
ただし、無加圧の状態では十分な焼結が進まず、気孔率も過大となるので、焼結時には２０ＭＰａ以上の加圧を行うことが好ましい。
【００５４】
次に、本願発明におけるＳｉＣ系材耐摩耗料の製造方法について説明する。図１は、本発明におけるＳｉＣ系耐摩耗材料製造の一実施形態を示したフローである。
【００５５】
第一のＳｉＣ原料Ｋ１は、ＳｉＯ２系材料とカーボン源を原料とし、還元法によりＳｉＣを形成する「シリカ還元法」により合成されたＳｉＣ原料粉末であり、原料粉末中に占めるＳｉＣ純度は９７％以上であり、不純物である遊離ケイ素が１％以下であって、遊離炭素が２％以下である。粒度分布としては、粒子径が０．５μｍ以下の範囲のものが９０質量％以上である。また、ＳｉＣ自体は３Ｃ結晶が９０％以上、より好ましくは９２％以上を有している。
【００５６】
第二のＳｉＣ原料Ｋ２は、プラズマＣＶＤ法（気相成長法）により合成されたＳｉＣ原料粉末である。第三のＳｉＣ原料Ｋ３は、プレカーサー法（液相法）により合成されたＳｉＣ原料粉末である。第二および第三のＳｉＣ原料粉末は、原料粉末中に占めるＳｉＣ純度が９７％以上であり、不純物である遊離ケイ素が１％以下であり、さらにＡｌなどの金属不純物は０．０００１ｗｔ％以下の極めて高純度な粉末である。その一次粒子径は０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下の範囲が１００質量％である。また、ＳｉＣ自体は３Ｃ結晶を９５％以上、より好ましくは９７％以上有している。
【００５７】
第一、第二および第三の原料の混合比率Ｋ４は、混合後のＳｉＣ原料粉末の粒度分布として、粒子径が０．５μｍ以下の粉末が９０質量％以上、かつ一次粒子径が０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下の粉末が５質量％以上となるようにする。この条件が満たされていれば、第一、第二および第三の原料の選択は任意であって、２ないし３種類を一定の割合で混合することができる。なお、本発明におけるＳｉＣ原料粉末の構成は、一定の粒度分布を持つことが望ましいから、第一原料の割合は６０質量％以上であることが好ましく、第二および第三の原料を合わせた割合は４０質量％未満であることが好ましい。
【００５８】
次いで、助剤添加工程Ｋ５を行なう。助剤としては、アルミナおよびイットリアから選ばれる１ないし２成分からなる酸化物系助剤を使用し、その添加量がＳｉＣ原料粉末に対して１質量％以上かつ５質量％以下となるようにする。
【００５９】
次いで、混合・分散工程Ｋ６で、これらの原料粉末および焼結助剤に分散剤と溶媒を加え、ボールミルなどの混合容器で混合し、スラリーを得る。次いで、造粒工程Ｋ７で、スプレードライ法などにより焼結用ＳｉＣ系粉末として造粒する。次いで、成形工程Ｋ８により、この造粒したＳｉＣ系粉末を、金型成形法などを用いて成形体とする。なお、成形体は焼結後の加工が容易となることを考慮した形状としておくことが好ましい。
【００６０】
次いで、脱脂工程Ｋ９で成形体の脱脂を行なった後、加圧焼結工程Ｋ１０で焼結を行なう。加圧焼結法としては、ホットプレス、ＨＩＰ、プラズマ焼結を用い、アルゴン、窒素などの不活性雰囲気中で行う。ここで、気孔率を２％以上６％未満にするためには、適正な圧力を加えた状態で焼結する必要がある。また焼結温度については、過度の温度上昇がＳｉＣ自体の分解や昇華を招きボイドの発生などを招き、気孔率の上昇や気孔径を大きくすることから、添加した助剤の種類や量を考慮し、平均気孔径が２μｍ以下となるように適正な温度をもって焼結する。
【００６１】
以上から、加圧焼結工程Ｋ１０における焼結条件は、焼結温度が１９００℃以上、加圧力が２０ＭＰａ以上であることが好ましい。さらに、焼結温度が１９００℃以上２０００℃以下、加圧力が２０から４０ＭＰａとすれば、より好ましい。
【００６２】
なお、焼結保持時間としては、焼結が充分に進行し焼結体の緻密化が図れる時間が必要である。一方、過剰な焼結時間は、焼結体中の結晶粒が粒成長を起こすため好ましくない。これらを考慮した場合、焼結保持時間としては１時間から２時間が好ましい。
【００６３】
このようにして得られたＳｉＣ系焼結体は、ＳｉＣ粒子の平均結晶粒子径が５μｍ以下であり、気孔率が２％以上６％未満であって、その気孔径は２μｍ以下であり、ビッカース硬度が１７００以上かつ２０００以下であるから、本発明のＳｉＣ系耐摩耗材料としての条件を備えており、ＳｉＣ系耐摩耗材料として十分な特性を有している。さらに、原料ＳｉＣにおける結晶状態が制御され、かつ低温で焼結されていることから、得られたＳｉＣ系焼結体はβ相である３Ｃ結晶の比率が高く、板、針状結晶となるため、高い強度と破壊靭性値を呈する。これにより、ＳｉＣ系耐摩耗材料としてより高い特性を持たせることができる。
【実施例】
【００６４】
以下、実施例に基づいて、本発明を具体的に説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
【００６５】
「ＳｉＣ粉末−１Ａの調整」
始めに、本実施例に用いるＳｉＣ粉末について説明する．
ＳｉＣ粉末−１Ａは、第一のＳｉＣ原料（Ｋ１）として用いられるものであって、シリカ還元法により合成されたＳｉＣ粉末である。ＳｉＣ粉末−１ＡにおけるＳｉＣ純度は９７％、β−ＳｉＣ割合は９２質量％であった。また、粒子径はレーザー回折式粒度分布測定器、マルバーン社製マスターサイザー２０００を用い測定した結果、０．５μｍ以下の範囲のものが９１質量％含まれており、１μｍを越えるものは存在しなかった。本粉末の粒度分布を、図２（Ａ）に示す。
【００６６】
「ＳｉＣ粉末−１Ｂの調整」
ＳｉＣ粉末−１Ｂも、第一のＳｉＣ原料（Ｋ１）として用いられるものであって、シリカ還元法により合成されたＳｉＣ粉末である。ＳｉＣ粉末−１ＢにおけるＳｉＣ純度は９７％、β−ＳｉＣ割合は９２質量％であった。また、粒子径はレーザー回折式粒度分布測定器、マルバーン社製マスターサイザー２０００を用い測定した結果、０．５μｍ以下の範囲のものが９３質量％含まれており、１．５μｍを越えるものは存在しなかった。本粉末の粒度分布を、図２（Ｂ）に示す。
【００６７】
「ＳｉＣ粉末−１Ｃの調整」
ＳｉＣ粉末−１Ｃは、比較例における第一のＳｉＣ原料（Ｋ１）として用いられるものであって、シリカ還元法により合成されたＳｉＣ粉末である。ＳｉＣ粉末−１ＣにおけるＳｉＣ純度は９７％であるが、他のものとは製造条件が異なるため、β−ＳｉＣ割合は１質量％以下でありα−ＳｉＣ相：六方晶系を主体とするものであった。また、粒子径はレーザー回折式粒度分布測定器、マルバーン社製マスターサイザー２０００を用い測定した結果、０．５μｍ以下の範囲のものが６６質量％含まれており、また２μｍを越えるものも０．５質量％含まれていた。本粉末の粒度分布を、図２（Ｃ）に示す。
【００６８】
「ＳｉＣ粉末−２の調整」
ＳｉＣ粉末−２は、第二のＳｉＣ原料（Ｋ２）として用いられるものであって、プラズマＣＶＤ法により合成されたＳｉＣ粉末である。ＳｉＣ粉末−２におけるＳｉＣ純度は９９．９％以上、β−ＳｉＣ割合は９９質量％以上であった。また、平均一次粒子径を、ＢＥＴ測定装置、ベル社製ＢＥＬＳＯＲＰ−ｍｉｎｉを用いて測定した比表面積（５３．１ｍ２／ｇ）より求めた結果、３６．６ｎｍであった。さらに、ＴＥＭ観察により粒子径測定結果の確認を行った結果、０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下の範囲ものを１００質量％含むことを確認した。
【００６９】
「ＳｉＣ粉末−３の調整」
ＳｉＣ粉末−３は、第三のＳｉＣ原料（Ｋ３）として用いられるものであって、プレカーサー法により合成されたＳｉＣ粉末である。ＳｉＣ粉末−３におけるＳｉＣ純度は９９．９％以上、β−ＳｉＣ割合は９９質量％以上であった。また、平均一次粒子径を、ＢＥＴ測定装置、ベル社製ＢＥＬＳＯＲＰ−ｍｉｎｉを用いて測定した比表面積（４５．７ｍ２／ｇ）より求めた結果、４０．８ｎｍであった。さらに、ＴＥＭ観察により粒子径測定結果の確認を行った結果、０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下の範囲ものを１００質量％含むことを確認した。
これらＳｉＣ粉末の特性をまとめて、表１に示す。
【００７０】
【表１】
2010189203.tif 000003
【００７１】
「ＳｉＣ系耐摩耗材料の評価方法」
次に、本実施例および比較例で作製したＳｉＣ系対摩耗材料の評価方法を示す。
ＳｉＣ系耐摩耗材料の耐摩耗特性は、乾式の摩耗試験により評価した。摩耗試験方法を図３に示す。被摩耗材として選択した円筒状のカーボン材（カーボン筒）を回転し、この側面にＳｉＣ系耐摩耗材（ＳｉＣプレート）を一定圧力で押し付け、一定距離摺動後の摩耗状態を測定して評価した。
【００７２】
試験条件としては、大気中、押し付け荷重１０Ｎ、摺動速度４４ｍ／分、摺動距離８８０ｍとした。また評価は、ＳｉＣ系耐摩耗材の表面状態（表面粗さ）およびカーボン材の摩耗深さを測定することで行なった。
【００７３】
「実施例１」
ＳｉＣ原料粉末として、ＳｉＣ粉末−１Ａを９５質量％、ＳｉＣ粉末−２を５質量％とした。このＳｉＣ原料粉末に、助剤としてのＡｌ２Ｏ３を、ＳｉＣ原料全量に対して１質量％添加した。これらの原料粉末と溶媒としての純水に、分散剤およびバインダーを添加し、ボールミルで１６時間混合した。得られたスラリーは、造粒装置を用いて顆粒とした。この顆粒をφ２２０の金型に投入し、面圧１５ＭＰａで成形した。得られた成形体を、窒素中・６５０℃で脱脂後、ホットプレスを用いて圧力２０ＭＰａ、アルゴン雰囲気中、温度２０００℃で加圧焼結を行い、焼結体を得た。なお、実施例１の実験条件を表２に示す。
【００７４】
得られたＳｉＣ系焼結体材料は、平均結晶粒子径が２．５μｍ、気孔率が４．０％、平均気孔径が１．５μｍ、ビッカース硬度が１７１０であり、本願発明の要件である平均結晶粒子径が５μｍ以下、気孔率が５．０％以下、平均気孔径が２．０μｍ以下、ビッカース硬度が１７００以上２０００以下であることを満足している。
【００７５】
実施例１の評価結果をまとめて、表３に示す。実施例１においては、摩耗試験後のＳｉＣ系耐摩耗材の表面粗さは小さく、またカーボン材の摩耗深さも非常に小さい。また、乾式摩耗のため相当量の摩擦熱が発生しているにもかかわらず、カーボン筒やＳｉＣプレートの熱変形による偏摩耗も見られない。すなわち、乾式の耐摩耗特性に優れており、ＳｉＣ系耐摩耗材料として極めて良好な特性を示している。
【００７６】
実施例１の断面組織（顕微鏡写真）を、図４（Ａ）に示す。ＳｉＣ焼結体は、微小な板、柱状の結晶粒子が相互に複雑に絡み合う形となっており、また気孔率は低く気孔径も小さいことがわかる。
【００７７】
実施例１における摺動摩耗試験前後の表面状態変化（顕微鏡写真）を、図４（Ｂ）および（Ｃ）に示す。（Ｂ）が試験前、（Ｃ）が試験後の表面状態である。本実施例では（Ｃ）に示す試験後も（Ｂ）に示す試験前と大きな変化は認められず、良好な表面状態であることがわかった。
【００７８】
「実施例２」
ＳｉＣ原料粉末として、ＳｉＣ粉末−１Ａを９５質量％、ＳｉＣ粉末−２を５質量％とした。このＳｉＣ原料粉末に、助剤としてのＡｌ２Ｏ３を、ＳｉＣ原料全量に対して１質量％添加した。これらの原料粉末と溶媒としての純水に、分散剤およびバインダーを添加し、ボールミルで１６時間混合した。得られたスラリーは、造粒装置を用いて顆粒とした。この顆粒をφ２２０の金型に投入し、面圧１５ＭＰａで成形した。得られた成形体を、窒素中・６５０℃で脱脂後、ホットプレスを用いて圧力４０ＭＰａ、アルゴン雰囲気中、温度１９００℃で加圧焼結を行い、焼結体を得た。なお、実施例２の実験条件を表２に示す。
【００７９】
得られたＳｉＣ系焼結体材料は、平均結晶粒子径が２．０μｍ、気孔率が２．５％、平均気孔径が１．０μｍ、ビッカース硬度が１７９７であり、本願発明の要件である平均結晶粒子径が５μｍ以下、気孔率が５．０％以下、平均気孔径が２．０μｍ以下、ビッカース硬度が１７００以上２０００以下であることを満足している。
【００８０】
実施例２の評価結果をまとめて、表３に示す。実施例２においては、摩耗試験後のＳｉＣ系耐摩耗材の表面粗さは小さく、またカーボン材の摩耗深さも小さい。また、乾式摩耗のため相当量の摩擦熱が発生しているにもかかわらず、カーボン筒やＳｉＣプレートの熱変形による偏摩耗も見られない。すなわち、乾式の耐摩耗特性に優れており、ＳｉＣ系耐摩耗材料として良好な特性を示している。
【００８１】
「実施例３」
ＳｉＣ原料粉末として、ＳｉＣ粉末−１Ｂを９５質量％、ＳｉＣ粉末−２を５質量％とした。このＳｉＣ原料粉末に、助剤としてのＡｌ２Ｏ３を、ＳｉＣ原料全量に対して３質量％添加した。これらの原料粉末と溶媒としての純水に、分散剤およびバインダーを添加し、ボールミルで１６時間混合した。得られたスラリーは、造粒装置を用いて顆粒とした。この顆粒をφ２２０の金型に投入し、面圧１５ＭＰａで成形した。得られた成形体を、窒素中・６５０℃で脱脂後、ホットプレスを用いて圧力３０ＭＰａ、アルゴン雰囲気中、温度２０００℃で加圧焼結を行い、焼結体を得た。なお、実施例３の実験条件を表２に示す。
【００８２】
得られたＳｉＣ系焼結体材料は、平均結晶粒子径が３．５μｍ、気孔率が２．１％、平均気孔径が１．５μｍ、ビッカース硬度が１９９１であり、本願発明の要件である平均結晶粒子径が５μｍ以下、気孔率が５．０％以下、平均気孔径が２．０μｍ以下、ビッカース硬度が１７００以上２０００以下であることを満足している。
【００８３】
実施例３の評価結果をまとめて、表３に示す。実施例３においても、摩耗試験後のＳｉＣ系耐摩耗材の表面粗さは小さく、またカーボン材の摩耗深さも小さい。また、乾式摩耗のため相当量の摩擦熱が発生しているにもかかわらず、カーボン筒やＳｉＣプレートの熱変形による偏摩耗も見られない。すなわち、乾式の耐摩耗特性に優れており、ＳｉＣ系耐摩耗材料として良好な特性を示している。
【００８４】
「実施例４」
ＳｉＣ原料粉末として、ＳｉＣ粉末−１Ｂを９４質量％、ＳｉＣ粉末−３を６質量％とした。このＳｉＣ原料粉末に、助剤としてのＡｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３（Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３の質量比は７：３）を、ＳｉＣ原料全量に対して３質量％添加した。これらの原料粉末と溶媒としての純水に、分散剤およびバインダーを添加し、ボールミルで１６時間混合した。得られたスラリーは、造粒装置を用いて顆粒とした。この顆粒をφ２２０の金型に投入し、面圧１５ＭＰａで成形した。得られた成形体を、窒素中・６５０℃で脱脂後、ホットプレスを用いて圧力２０ＭＰａ、アルゴン雰囲気中、温度１９００℃で加圧焼結を行い、焼結体を得た。なお、実施例４の実験条件を表２に示す。
【００８５】
得られたＳｉＣ系焼結体材料は、平均結晶粒子径が４．９μｍ、気孔率が５．９％、平均気孔径が２．０μｍ、ビッカース硬度が１８０５であり、本願発明の要件である平均結晶粒子径が５μｍ以下、気孔率が５．０％以下、平均気孔径が２．０μｍ以下、ビッカース硬度が１７００以上２，０００以下であることを満足している。
【００８６】
実施例４の評価結果をまとめて、表３に示す。実施例４においても、摩耗試験後のＳｉＣ系耐摩耗材の表面粗さは小さく、またカーボン材の摩耗深さも小さい。また、乾式摩耗のため相当量の摩擦熱が発生しているにもかかわらず、カーボン筒やＳｉＣプレートの熱変形による偏摩耗も見られない。すなわち、乾式の耐摩耗特性に優れており、ＳｉＣ系耐摩耗材料として良好な特性を示している。
【００８７】
「実施例５」
ＳｉＣ原料粉末として、ＳｉＣ粉末−１Ａを９４質量％、ＳｉＣ粉末−３を６質量％とした。このＳｉＣ原料粉末に、助剤としてのＡｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３（Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３の質量比は７：３）を、ＳｉＣ原料全量に対して３質量％添加した。これらの原料粉末と溶媒としての純水に、分散剤およびバインダーを添加し、ボールミルで１６時間混合した。得られたスラリーは、造粒装置を用いて顆粒とした。この顆粒をφ２２０の金型に投入し、面圧１５ＭＰａで成形した。得られた成形体を、窒素中・６５０℃で脱脂後、ホットプレスを用いて圧力２０ＭＰａ、アルゴン雰囲気中、温度２０００℃で加圧焼結を行い、焼結体を得た。なお、実施例５の実験条件を表２に示す。
【００８８】
得られたＳｉＣ系焼結体材料は、平均結晶粒子径が４．５μｍ、気孔率は５．２％、平均気孔径は１．９μｍ、ビッカース硬度が１８３２であり、本願発明の要件である平均結晶粒子径が５μｍ以下、気孔率が５．０％以下、平均気孔径が２．０μｍ以下、ビッカース硬度が１７００以上２，０００以下であることを満足している。
【００８９】
実施例５の評価結果をまとめて、表３に示す。実施例５においても、摩耗試験後のＳｉＣ系耐摩耗材の表面粗さは小さく、またカーボン材の摩耗深さも小さい。また、乾式摩耗のため相当量の摩擦熱が発生しているにもかかわらず、カーボン筒やＳｉＣプレートの熱変形による偏摩耗も見られない。すなわち、乾式の耐摩耗特性に優れており、ＳｉＣ系耐摩耗材料として良好な特性を示している。
【００９０】
「実施例６」
ＳｉＣ原料粉末として、ＳｉＣ粉末−１Ｂを９２質量％、ＳｉＣ粉末−２を５８質量％とした。このＳｉＣ原料粉末に、助剤としてのＹ２Ｏ３を、ＳｉＣ原料全量に対して３質量％添加した。これらの原料粉末と溶媒としての純水に、分散剤およびバインダーを添加し、ボールミルで１６時間混合した。得られたスラリーは、造粒装置を用いて顆粒とした。この顆粒をφ２２０の金型に投入し、面圧１５ＭＰａで成形した。得られた成形体を、窒素中・６５０℃で脱脂後、ホットプレスを用いて圧力２０ＭＰａ、アルゴン雰囲気中、温度１９００℃で加圧焼結を行い、焼結体を得た。なお、実施例６の実験条件を表２に示す。
【００９１】
得られたＳｉＣ系焼結体材料は、平均結晶粒子径が２．２μｍ、気孔率は２．５％、平均気孔径は１．０μｍ、ビッカース硬度が１８３０であり、本願発明の要件である平均結晶粒子径が５μｍ以下、気孔率が５．０％以下、平均気孔径が２．０μｍ以下、ビッカース硬度が１７００以上２，０００以下であることを満足している。
【００９２】
実施例６の評価結果をまとめて、表３に示す。実施例６においても、摩耗試験後のＳｉＣ系耐摩耗材の表面粗さは小さく、またカーボン材の摩耗深さも小さい。また、乾式摩耗のため相当量の摩擦熱が発生しているにもかかわらず、カーボン筒やＳｉＣプレートの熱変形による偏摩耗も見られない。すなわち、乾式の耐摩耗特性に優れており、ＳｉＣ系耐摩耗材料として良好な特性を示している。
【００９３】
「実施例７」
ＳｉＣ原料粉末として、ＳｉＣ粉末−１Ｂを９２質量％、ＳｉＣ粉末−２を８質量％とした。このＳｉＣ原料粉末に、助剤としてのＹ２Ｏ３を、ＳｉＣ原料全量に対して５質量％添加した。これらの原料粉末と溶媒としての純水に、分散剤およびバインダーを添加し、ボールミルで１６時間混合した。得られたスラリーは、造粒装置を用いて顆粒とした。この顆粒をφ２２０の金型に投入し、面圧１５ＭＰａで成形した。得られた成形体を、窒素中・６５０℃で脱脂後、ホットプレスを用いて圧力２０ＭＰａ、アルゴン雰囲気中、温度１９００℃で加圧焼結を行い、焼結体を得た。なお、実施例７の実験条件を表２に示す。
【００９４】
得られたＳｉＣ系焼結体材料は、平均結晶粒子径が２．０μｍ、気孔率は２．２％、平均気孔径は１．０μｍ、ビッカース硬度が１８０１であり、本願発明の要件である平均結晶粒子径が５μｍ以下、気孔率が５．０％以下、平均気孔径が２．０μｍ以下、ビッカース硬度が１７００以上２，０００以下であることを満足している。
【００９５】
実施例７の評価結果をまとめて、表３に示す。実施例７においても、摩耗試験後のＳｉＣ系耐摩耗材の表面粗さは小さく、またカーボン材の摩耗深さも小さい。また、乾式摩耗のため相当量の摩擦熱が発生しているにもかかわらず、カーボン筒やＳｉＣプレートの熱変形による偏摩耗も見られない。すなわち、乾式の耐摩耗特性に優れており、ＳｉＣ系耐摩耗材料として良好な特性を示している。
【００９６】
実施例７の断面組織（顕微鏡写真）を、図５（Ａ）に示す。本例においても、ＳｉＣ焼結体は、微小な板、柱状の結晶粒子が相互に複雑に絡み合う形となっており、また気孔率は低く気孔径も比較的小さいことがわかる。
【００９７】
実施例７における摺動摩耗試験前後の表面状態変化（顕微鏡写真）を、図５（Ｂ）および（Ｃ）に示す。（Ｂ）が試験前、（Ｃ）が試験後の表面状態である。本実施例においても、（Ｃ）に示す試験後も（Ｂ）に示す試験前と大きな変化は認められず、良好な表面状態であることがわかった。
【００９８】
「比較例１」
ＳｉＣ原料粉末として、ＳｉＣ粉末−１Ｃを１００質量％とした。一次粒子径の範囲が０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下のものは用いていない。このＳｉＣ原料粉末に、助剤としてのＢ４Ｃ（ボロンカーバイド）およびＣ（カーボン）を、ＳｉＣ原料に対してそれぞれ１質量％および２質量％添加した。これらの原料粉末と溶媒としての純水に、分散剤およびバインダーを添加し、ボールミルで１６時間混合した。得られたスラリーは、造粒装置を用いて顆粒とした。この顆粒をφ２００の金型に投入し、面圧２０ＭＰａで成形した。得られた成形体を、窒素中・６００℃で脱脂後、常圧で、アルゴン雰囲気中、温度２２００℃で焼結を行い、焼結体を得た。
【００９９】
得られたＳｉＣ系焼結体材料は、平均結晶粒子径が６．０μｍ、気孔率が１．５％、平均気孔径が３.０μｍ、ビッカース硬度が２３４０であり、気孔率と平均気孔径については本願発明の要件を満足しているが、平均結晶粒子径とビッカース硬度は本願発明の要件を満たしていない。
【０１００】
比較例１の評価結果をまとめて、表３に示す。比較例１では、摩耗試験後のＳｉＣ系耐摩耗材の表面粗さ、カーボン材の摩耗深さとも、実施例のものに比べて２ないし２．５倍と大きく、乾式の耐摩耗特性に劣っており、ＳｉＣ系耐摩耗材料としての特性は不良であった。
【０１０１】
比較例１の断面組織（顕微鏡写真）を、図６（Ａ）に示す。ＳｉＣの結晶粒子は実施例に比べて大きく、また気孔径が大きいため気孔率も実施例に比べて高いことがわかる。
【０１０２】
比較例１における摺動摩耗試験前後の表面状態変化（顕微鏡写真）を、図６（Ｂ）および（Ｃ）に示す。（Ｂ）が試験前、（Ｃ）が試験後の表面状態である。（Ｃ）に示す試験後の表面においてＳｉＣ粒子の脱落による線状の摩耗痕が見られた。すなわち本比較例では、カーボン部材との摺動に際してＳｉＣ粒子の脱落が発生しており、さらに脱落したＳｉＣ粒子による摩耗損傷が発生していると考えられる。
【０１０３】
「比較例２」
ＳｉＣ原料粉末として、ＳｉＣ粉末−１Ａを１００質量％とした。一次粒子径の範囲が０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下のものは用いていない。このＳｉＣ原料粉末に、助剤としてのＡｌ２Ｏ３を、ＳｉＣ原料に対して１質量％添加した。これらの原料粉末と溶媒としての純水に、分散剤およびバインダーを添加し、ボールミルで１６時間混合した。得られたスラリーは、造粒装置を用いて顆粒とした。この顆粒をφ２００の金型に投入し、面圧２０ＭＰａで成形した。得られた成形体を、窒素中・６５０℃で脱脂後、常圧で、アルゴン雰囲気中、温度２０００℃で焼結を行い、焼結体を得た。
【０１０４】
得られたＳｉＣ系焼結体材料は、平均結晶粒子径が８．０μｍ、気孔率が６％、平均気孔径が３．０μｍ、ビッカース硬度が２２００であり、平均結晶粒子径、気孔率、平均気孔径については本願発明の要件を満たしていない。
【０１０５】
比較例２の評価結果をまとめて、表３に示す。比較例２においても、摩耗試験後のＳｉＣ系耐摩耗材の表面粗さおよびカーボン材の摩耗深さは、実施例のものに比べて２倍程度と大きく、乾式の耐摩耗特性に劣り、ＳｉＣ系耐摩耗材料としての特性は不良であった。
【０１０６】
比較例２の断面組織（顕微鏡写真）を、図７（Ａ）に示す。本比較例においても、ＳｉＣの結晶粒子は実施例に比べて大きく、また気孔径が大きいため気孔率も実施例に比べて高いことがわかる。
【０１０７】
比較例２における摺動摩耗試験前後の表面状態変化（顕微鏡写真）を、図７（Ｂ）および（Ｃ）に示す。（Ｂ）が試験前、（Ｃ）が試験後の表面状態である。（Ｃ）に示す試験後の表面においてＳｉＣ粒子の脱落による線状の摩耗痕が見られた。すなわち本比較例においても、カーボン部材との摺動に際してＳｉＣ粒子の脱落が発生しており、さらに脱落したＳｉＣ粒子による摩耗損傷が発生していると考えられる。
【０１０８】
これらの結果から、比較例２においても比較例１と同様の摺動摩耗が発生していると考えられる。
【０１０９】
表２に、各例の実験条件をまとめて示す。
なお、表２の「ＳｉＣ原料粉末中の粒度分布」中、一次粒子径の範囲が０．０３μｍ以上かつ０．０７μｍ以下のものの量は、ＳｉＣ粉末２ないしはＳｉＣ粉末３の量をそのまま示しているが、ＳｉＣ粉末−１Ａ、１Ｂ、１Ｃ中に上記一次粒子径を有するものが含まれている可能性があるため、実際の量はこの値より若干増加する可能性がある。また、粒子径が０．５μｍ以下のものの量は、ＳｉＣ粉末−１Ａ、１Ｂ、１Ｃ中に含まれる粒子径が０．５μｍ以下のものとＳｉＣ粉末２ないしはＳｉＣ粉末との合計量である。
【０１１０】
また、表３には、各例におけるＳｉＣ系耐摩耗材料における、気孔径、気孔率、平均結晶粒子径、ビッカース硬度と、摺動摩耗量に加えて、曲げ強度、破壊靭性値も示してある。
【０１１１】
【表２】
2010189203.tif 000004
【０１１２】
【表３】
2010189203.tif 000005
【０１１３】
実施例１から７においては、摩耗試験後のＳｉＣ系耐摩耗材の表面粗さは小さく、またカーボン材の摩耗深さも小さい。また、乾式摩耗のため相当量の摩擦熱が発生しているにもかかわらず、カーボン筒やＳｉＣプレートの熱変形による偏摩耗も見られない。すなわち、乾式の耐摩耗特性に優れており、ＳｉＣ系耐摩耗材料として良好な特性を示している。
【０１１４】
一方比較例１、２では、摩耗試験後のＳｉＣ系耐摩耗材の表面粗さ、カーボン材の摩耗深さとも、実施例のものに比べて２ないし２．５倍以上と大きいことが示されており、乾式の耐摩耗特性に劣っており、ＳｉＣ系耐摩耗材料としての特性は不良であることがわかる。この理由としては、カーボン部材との摺動に際してＳｉＣ粒子の脱落が発生しており、さらに脱落したＳｉＣ粒子による摩耗損傷が発生していることが考えられる。
【０１１５】
なお本例では、常圧（無加圧）焼結の場合であっても、酸化物系助剤を添加し２０００℃程度の焼結温度とすることにより、得られるＳｉＣ系焼結体の気孔率が、本願ＳｉＣ系耐摩耗材料を得るための要件である２から６％未満の範囲内に入ることが示されている。ただし、これはあくまで気孔率に限定した場合であって、他の要件も考慮した場合においては、２０ＭＰａ以上の加圧下で焼結を行うことが好ましい。
【０１１６】
同様に、本例においては焼結温度が１９００℃から２１００℃の範囲で気孔率の低下が著しいが、これをもって最適焼結温度範囲が１９００℃〜２１００℃と決定されるものではない。実際の最適焼結温度範囲は、加圧方法や気孔径、結晶粒子径の増大などを併せて考慮する必要があり、このような多数の条件を基に検討を行なった場合には、最適焼結温度範囲は前記のとおり１９００℃以上２０００℃以下となる。
【０１１７】
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【図１】
2010189203.tif 000006
【図２】
2010189203.tif 000007
【図３】
2010189203.tif 000008
【図４】
2010189203.tif 000009
【図５】
2010189203.tif 000010
【図６】
2010189203.tif 000011
【図７】
2010189203.tif 000012