JP5735501B2 - 硬質非酸化物又は酸化物セラミック／硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体ハイブリッドシール部品 - Google Patents

硬質非酸化物又は酸化物セラミック／硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体ハイブリッドシール部品 Download PDF

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Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２００９年７月７日に出願された「モノリシック／複合体炭化ケイ素層状物品（MONOLITHIC/COMPOSITE SILICON CARBIDE LAYERED ARTICLE）」という題名の米国仮出願第６１／２２３，６２９号、及び２０１０年４月２７日に出願された「硬質非酸化物又は酸化物セラミック／硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体ハイブリッド物品（HARD NON-OXIDE OR OXIDE CERAMIC/HARD NON-OXIDE OR OXIDE CERAMIC COMPOSITE HYBRID ARTICLE）」という題名の米国仮出願第６１／３２８，２６２号に関連し、これらの出願からの優先権を主張する。これらの第６１／２２３，６２９号及び第６１／３２８，２６２号の出願は、参照することにより、それらの全部が本明細書中に援用される。
［発明の分野］
この発明は、硬質非酸化物又は酸化物セラミック材料、及びこれらの同じ材料の複合体の部分から形成される物品の分野に関する。
硬質非酸化物又は酸化物セラミック材料は、高硬度、優れた強度、良好な耐食性及び高熱伝導性をもつ材料（例えば、酸性環境、苛性環境（caustic environment）、腐食環境（corrosive environment）、磨耗環境、高速環境又は高温環境で使用される材料）を要求する用途で一般に使用される。これらの用途の種類としては、回転機器、ポンプシール及びベアリング、ガスタービン部品、混合ノズル、並びに火炎保持器が挙げられる。これらの硬質非酸化物又は酸化物セラミック材料の例としては、炭化ケイ素、常圧焼結炭化ケイ素、液相焼結炭化ケイ素、反応焼結炭化ケイ素、炭化タングステン、酸化アルミニウム及び窒化ケイ素が挙げられるが、これらに限定されない。
これらの硬質非酸化物又は酸化物セラミック材料の欠点は、単独で使用する際の自己潤滑性の欠如である。自己潤滑性固体は、適当な潤滑剤の非存在下で低摩擦を有するものである。例えば、高ＰＶ（圧力−滑り速度）又は境界潤滑（marginal lubrication)条件を有する用途において、同一又は他の硬質非酸化物又は酸化物セラミック材料、他の炭化ケイ素材料、他のセラミック又は鋼からできた他の表面に対して、相対運動と隣接する硬質非酸化物又は酸化物セラミック材料の表面を有する部品（例えば、シール又はベアリング）は、高摩擦によって発生する力によって過度に擦り減るであろう。あわせ面をもつ境界潤滑条件においては、本体の少なくとも一方に特別な磨耗表面を設けなければならない。
グラファイト（黒鉛）は、既知の潤滑剤であり、材料に自己潤滑性を付与するために炭素及び炭化ケイ素材料に組み込まれる。例えば、米国特許第５，５８０，８３４号、同第５，６５６，５６３号及び同第５，９６８，６５３号（これらの内容は、参照することにより本明細書中に援用される）は、炭素黒鉛／炭化ケイ素複合材料の使用を教示している。トライボロジー向上添加剤（tribology enhancing additive)、多孔性の炭化ホウ素などの他の介在物もまた、材料のトライボロジーを改善することができる。複合材料は、本発明の材料が、滑り面の用途（例えば、境界潤滑条件におけるメカニカルシール及びポンプベアリング用）において、それ自身又は他の硬質非酸化物又は酸化物セラミックの非自己潤滑性材料と衝突するという点で、硬質非酸化物又は酸化物セラミック材料よりも優れた耐摩耗性を有する。また、複合材料は、硬質非酸化物又は酸化物セラミック材料よりも優れた耐熱衝撃性も有する。流体がポンプ用途において失われるような突発故障又は乾燥流れ状態（dry run condition）において、複合材料から製造されたシール及びベアリングは、強化された残存性能を有し、それらの完全な状態を維持することができるのに対し、硬質非酸化物又は酸化物セラミック材料から製造されたシール及びベアリングは、ほぼすぐに機能しなくなり得る。しかしながら、複合材料単独の使用の欠点は、複合材料が、硬質非酸化物又は酸化物セラミック材料の強化された物性である、優れた硬度、耐食性、熱伝導性及び強度と同じ水準を示さないことである。
従って、硬質非酸化物又は酸化物セラミック材料の優れた物性と、これらの硬質非酸化物又は酸化物セラミック材料の複合体バージョンの強化されたトライボロジー機能とを組み合わせる必要がある。
（概要）
本発明は、（ａ）理論密度が少なくとも９５％であり、且つ炭化ケイ素、常圧焼結炭化ケイ素、液相焼結炭化ケイ素、反応焼結炭化ケイ素、炭化タングステン、酸化アルミニウム又は窒化ケイ素を含む、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック体であって、下記（ｂ）に直接結合し且つ下記（ｂ）と異なる硬質非酸化物又は酸化物セラミック体（以下、「硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分」と言うこともある）と、（ｂ）炭化ケイ素、常圧焼結炭化ケイ素、液相焼結炭化ケイ素、反応焼結炭化ケイ素、炭化タングステン、酸化アルミニウム又は窒化ケイ素を含み、且つ炭素黒鉛又はグラファイトをさらに含む、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体（以下、「硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分」と言うこともある）とを含む、硬質非酸化物又は酸化物セラミック／硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体ハイブリッドシール部品であって、前記少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体が、前記ハイブリッドシール部品のシール面に設置されている、ハイブリッドシール部品である。
いくつかの実施形態において、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分は、炭化ケイ素、常圧焼結炭化ケイ素、液相焼結炭化ケイ素、反応焼結炭化ケイ素、炭化タングステン、酸化アルミニウム、及び窒化ケイ素からなる群の１つを含む。
いくつかの実施形態において、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分は、炭化ケイ素、常圧焼結炭化ケイ素、液相焼結炭化ケイ素、反応焼結炭化ケイ素、炭化タングステン、酸化アルミニウム、及び窒化ケイ素からなる群の１つを含む。トライボロジー向上添加剤は、多孔性の（porosity）炭素黒鉛、グラファイト及び炭化ホウ素からなる群から選択され得るが、これらに制限されない。
いくつかの実施形態において、硬質非酸化物又は酸化物セラミック／硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体ハイブリッド物品が、少なくとも一部が２．５ｍｍよりも大きい厚さを有する壁（wall）を含む、硬質非酸化物又は酸化物セラミック／硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体ハイブリッドシール部分を含む。
いくつかの実施形態において、ハイブリッド物品は、理論密度が少なくとも９５％の、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック体を調製すること；トライボロジー向上成分を含む、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体を調製すること；これらの体（セラミック体及びセラミック複合体）をお互いに接触させて配置し、ハイブリッド物品を形成すること；並びにハイブリッド物品を処理し、これらの体（セラミック体及びセラミック複合体）を直接結合させることによって形成される。
いくつかの実施形態において、ハイブリッド物品の処理が熱間等静圧圧縮成形を含む。他の実施形態において、ハイブリッド物品の処理が常圧焼結を含む。また、他の実施形態において、ハイブリッド物品の処理が液相焼結を含む。さらに、他の実施形態において、ハイブリッド物品の処理が反応焼結（reaction bonding）を含む。
本発明は、添付の図面と併せて考慮される以下の詳細な説明から、より完全に理解されるであろう。
本発明の１つの実施形態によるハイブリッド物品の正面図である。 線２−２に沿った図１のハイブリッド物品の断面図である。 図１のハイブリッド物品の表面の一部の側面図である。 図１のハイブリッド物品の表面の一部の他の側面図である。 本発明の他の実施形態によるハイブリッド物品の正面図である。 線６−６に沿った図５のハイブリッド物品の断面図である。 図１のハイブリッド物品の断面の顕微鏡写真である。 図１のハイブリッド物品の断面の顕微鏡写真である。 図１のハイブリッド物品の断面の顕微鏡写真である。 図１のハイブリッド物品の断面の顕微鏡写真である。 他の方向からとった図１のハイブリッド物品の断面の顕微鏡写真である。 他の方向からとった図１のハイブリッド物品の断面の顕微鏡写真である。
（詳細な説明）
本発明の実施形態は、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分と結合する少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分を含み、硬質非酸化物又は酸化物セラミック／硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体ハイブリッド物品を作るハイブリッド物品を提供する。
図１〜１２は、ハイブリッド物品１０の実施形態を説明する。ハイブリッド物品１０は、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分１２と、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４とを含む。図７〜１２に示すように、部分１２と部分１４との間に界面１６が形成される。界面１６は、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分１２から少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４への明確な変移を示す。他の実施形態において、ハイブリッド物品１０は、複数の硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４に結合した少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分１２を含む。また、他の実施形態において、ハイブリッド材料は、複数の硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４に結合した複数の硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分１２を含む。
いくつかの実施形態において、ハイブリッド物品１０における部分１２と部分１４との組み合わせは、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４が、強化されたトライボロジー機能を要求するハイブリッド物品１０の隣接面に配置されるように構成する。界面１６は、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分１２と、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４との間の強固な結合を含む。結果として得られるハイブリッド物品１０は、強化されたトライボロジー機能を持つ堅くて強固な物品である。このハイブリッド物品１０は、任意の適切な用途に使用することができるが、シール部品、軸ベアリング（axial bearing）部品、ラジアルベアリング部品に特に適している。
例えば、図１及び５に示すいくつかの実施形態において、ハイブリッド物品１０は、円筒形状を含むことができるが、当業者は、ハイブリッド物品が、任意の適切な形状（直線形状、球状、円錐台形状（frusto-conical shape)又は他の類似形状が挙げられるが、これらに限定されない）を有してもよいことを理解するであろう。例えば、図１〜４に示すハイブリッド物品１０の実施形態は、内面２４が複数の断面形状を含むように、その長さに沿って複数の内径を含む。また、図１〜４に示すハイブリッド物品１０の実施形態は、外面２６が複数の断面形状を含むように、その長さに沿って複数の外径を含む。対照的に、図５及び６に示すハイブリッド物品１０の別の実施形態は、内面２４及び外面２６がそれぞれ均一な断面形状を有するように、その長さに沿って均一な内径及び均一な外径を含む。しかしながら、当業者は、ハイブリッド物品１０について、任意の適切な形状が用いられ得ることを理解するであろう。
図１〜６に示す実施形態において、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４は、ハイブリッド物品１０のシール面２０上に設置される。この実施形態において、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４は、少なくとも一部が２．５ｍｍよりも大きい厚さを有する。しかしながら、当業者は、任意の適切な厚さが用いられ得ることを理解するであろう。他の実施形態において、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４は、ハイブリッド物品１０の反対端部２２、シール面２０及び反対端部２２の両方、内面２４、外面２６、又はこれらの任意の組み合わせに設置され得る。
いくつかの実施形態において、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分１２は、実質的に高密度セラミック材料を含む。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分１２は、一体構造セラミック（モノリシックセラミック）を含む。ここで、「一体構造セラミック」とは、単一のセラミック、又は個々の部分が区別できない方法で混合されるセラミックの組み合わせから均一に形成されるセラミックを表すように意図される。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分１２は、炭化タングステン、酸化アルミニウム又は窒化ケイ素を含む。他の実施形態において、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分１２は、炭化ケイ素、常圧焼結炭化ケイ素、液相焼結炭化ケイ素、又は反応焼結炭化ケイ素を含む。少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック材料の密度は、理論密度が１００％以下の任意の適切な密度を有することができる。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック材料の密度は、理論密度が少なくとも９５％である。
少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分１２の炭化ケイ素の実施形態に関し、炭化ケイ素材料は、可視細孔を僅かに持つ固体の外観を有する。炭化ケイ素材料は、α型、β型若しくはこれらの組み合わせ、又は他の型からなり得る。
いくつかの実施形態において、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４は、炭化タングステン、酸化アルミニウム又は窒化ケイ素を含む。他の実施形態において、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４は、炭化ケイ素、常圧焼結炭化ケイ素、液相焼結炭化ケイ素、又は反応焼結炭化ケイ素を含む。硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合材料は、相互接続のない介在物（inclusion)の微細構造を有する。
少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４の炭化ケイ素の実施形態に関し、複合材料は、約５０〜９５重量％の炭化ケイ素の高密度化自己焼結マトリックスと、マトリックスの全体に分散された約５．０〜５０重量％の介在物と、少量（約０．３以下〜５．０重量％）の残存する焼結助剤（例えば、アルミニウム、酸化ベリリウム、ホウ素、炭化ホウ素、及び／又は遊離炭素であるが、これらに限定されない）とを含む。
硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合材料は、混合物の規則によって決定される複合材料の組成の代表である密度を典型的に有する。少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４の炭化ケイ素の実施形態に関し、複合材料の炭化ケイ素は、α型、β型若しくはこれらの組み合わせ、又は他の型からなり得る。
少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４の炭化ケイ素の実施形態に関し、介在物は、複合材料の炭化ケイ素の全体に分配される。１つの実施形態において、炭素黒鉛介在物の平均粒径は、炭化ケイ素の平均粒径よりも大きい。例えば、この実施形態において、炭化ケイ素は約１０〜２５μｍの平均粒径を有し、炭素黒鉛介在物は約７５〜１２５μｍの平均粒径を有する。
Ａ．硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分の調製
硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分の材料としては、炭化ケイ素、常圧焼結炭化ケイ素、液相焼結炭化ケイ素、反応焼結炭化ケイ素、炭化タングステン、酸化アルミニウム及び窒化ケイ素が挙げられるが、これらに限定されない。当業者に理解されるように、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分１２の炭化タングステン、酸化アルミニウム及び窒化ケイ素の実施形態は、周知の方法で製造される。
同様に、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分１２の炭化ケイ素、常圧焼結炭化ケイ素、液相焼結炭化ケイ素及び反応焼結炭化ケイ素の実施形態もまた、周知の方法で製造される。少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分１２は、硬質非酸化物又は酸化物セラミック材料を含む原料バッチ（raw batch）から製造してもよい。例えば、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分１２の炭化ケイ素の実施形態は、微細（サブミクロン）で純粋な炭化ケイ素粉末を含む炭化ケイ素の原料バッチから製造してもよい。好ましくは、α−炭化ケイ素が使用される。しかしながら、炭化ケイ素の型の任意の組み合わせを使用してもよい。
炭化ケイ素、常圧焼結炭化ケイ素、及び液相焼結炭化ケイ素の実施形態において、焼結助剤（例えば、非酸化物焼結助剤、アルミニウム；鉱物酸化物（酸化ベリリウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウムが挙げられるが、これらに限定されない）；ホウ素源；及び／又は炭素源）を原料バッチに添加し、完全な分散物を確保するために十分に混合する。ホウ素源としては、元素ホウ素及び炭化ホウ素（Ｂ4Ｃ）が挙げられ、炭素源としては、元素炭素又は炭化可能な（carbonizable）有機材料（例えば、フェノール樹脂、石油ピッチ、コールタールピッチ、フルフリルアルコール又は糖類）が挙げられる。
Ｂ．硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分の調製
硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分の材料としては、炭化ケイ素、常圧焼結炭化ケイ素、液相焼結炭化ケイ素、反応焼結炭化ケイ素、炭化タングステン、酸化アルミニウム及び窒化ケイ素が挙げられるが、これらに限定されない。
当業者に理解されるように、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４の炭化タングステン、酸化アルミニウム及び窒化ケイ素の実施形態は、周知の方法で製造される。
同様に、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４の炭化ケイ素、常圧焼結炭化ケイ素、液相焼結炭化ケイ素及び反応焼結炭化ケイ素の実施形態もまた、周知の方法で製造される。
少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４は、硬質非酸化物又は酸化物セラミック材料と介在物粒子とを含む原料バッチから製造してもよい。少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４の炭化ケイ素の実施形態において、複合材料は、炭化ケイ素の原料バッチから製造してもよい。原料バッチは、微粒子の高純度炭化ケイ素粉末から製造される。好ましくは、β−炭化ケイ素に対して少なくとも０．５％のα−炭化ケイ素が用いられる。しかしながら、炭化ケイ素の型の任意の組み合わせを使用してもよい。典型的に、（全原料バッチの）約５０〜９０重量％の炭化ケイ素を不活性溶媒（例えば、水）に分散し、調製の間に原料バッチ成分の完全な混合を助けるスラリーを形成する。分散剤（例えば、ポリメタクリル酸アンモニウム）などの他の混合助剤、又はキサンタンガムなどの懸濁剤を添加してもよい。
生強度（グリーン強度）を与えるために暫定的充填材（temporary filler）を原料バッチスラリーに添加し、良好な分散のために十分に混合してもよい。典型的に、（全原料バッチの）約０．７５〜１５．０％の暫定的充填材をスラリーに添加する。暫定的充填材は、混合物の炭化温度以下で分解して混合物から揮発し、相互接続のない介在物の微細構造を形成する任意の粒子状物質であることができる。典型的に、暫定的充填材は、有機材料の粒子（例えば、堅果の殻の粉末（ground nutshells）、ワックス粒子、ポリプロピレンビーズ）を含む。ある特定の状況、例えば、暫定的充填材を、真空下、超高温（充填材の融点以上）で揮発させる場合、セラミックビーズなどの無機材料を使用してもよい。好ましくは、暫定的充填材は、約１０〜４５μｍの平均粒径を有する。
また、介在物もスラリーに添加し、良好な分散のために十分に混合される。本発明の使用に適した介在物は、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４のトライボロジー機能を向上させることができる任意の添加剤を含んでもよい。例えば、介在物としては、多孔性のグラファイト、炭素黒鉛、炭化ホウ素、及び他のトライボロジー向上添加剤であり得るが、これらに制限されない。
１つの実施形態において、被覆グラファイト粒子がスラリーに添加される。被覆グラファイト粒子は、炭素前駆体（例えば、フェノール樹脂、又は加熱した際に分解して残留炭素を残す他の樹脂若しくは物質）で被覆された粗いグラファイト粒子である。かかる他の物質としては、フルフリルアルコール、ポリエステル、石油ピッチ、コールタールピッチ若しくはこれらの混合物、又は他の物質が挙げられる。典型的に、塗膜を適切な溶媒中で溶解し、そしてグラファイトと十分に混合してグラファイト粒子と結合させる。次に、混合物を乾燥して溶媒を蒸発させ、粉砕して所望の粒径を有する被覆グラファイト粒子を得る。典型的に、被覆グラファイト粒子を６５メッシュの篩に通して２１２μｍ未満の粒子を得る。次に、その被覆グラファイト粒子をスラリーに添加する。典型的に、（全原料バッチの）少なくとも約５．０〜５０重量％、好ましくは約１０〜２０重量％の被覆グラファイト粒子をスラリーに添加する。しかしながら、あらゆる量の当該粒子が、最終的な複合材料の自己潤滑性を向上させるのに有用である。
原料バッチをグリーン体に鋳造又は成形するのを容易にするため、又は他の加工工程を容易にするために、暫定的バインダ（temporary binder)及び潤滑剤（例えば、オレイン酸又は任意の他の脂肪酸）などの加工助剤をスラリーに添加することができる。介在物粒子が大きければ、懸濁剤又は粘性剤の添加が特に有用である。例えば、キサンタンガムをスラリーに添加して混合するなら、スラリーを凝固させ、懸濁液中で介在物粒子を保持して均一な分散を可能にする。原料バッチに添加されるいくつかの物質は、多数の機能を果たすことができる。例えば、フェノール樹脂は、炭素源焼結助剤及び暫定的バインダの両方として原料バッチ中で機能することができる。ポリエチレングリコールは、暫定的バインダ及び金型潤滑剤の両方として機能することができる。
不活性溶媒、暫定的充填材、暫定的バインダ、分散剤、潤滑剤及び懸濁剤は全て、最終的な硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合材料の一部を形成しない暫定的添加物である。
炭化ケイ素、常圧焼結炭化ケイ素、及び液相焼結炭化ケイ素の実施形態において、焼結助剤（例えば、アルミニウム、鉱物酸化物（酸化ベリリウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウムが挙げられるが、これらに限定されない）、ホウ素源、及び／又は炭素源）をスラリーに添加し、完全な分散を確保するために十分に混合する。ホウ素源としては、元素ホウ素及び炭化ホウ素（Ｂ4Ｃ）が挙げられ、炭素源としては、元素炭素又は炭化可能な有機材料（例えば、フェノール樹脂、石油ピッチ、コールタールピッチ、フルフリルアルコール又は糖類）が挙げられる。典型的に、（全原料バッチの）約２．０〜２０重量％の焼結助剤をスラリーに添加する。
結果として得られるスラリーを、十分な分散を確保するために十分に混合して乾燥する。典型的に、スラリーをスプレードライして球状凝集物を形成する。このような顆粒を得るための他の適切な方法（例えば、パンで乾燥（pan drying）させた後、粉砕及び篩分け）を用いてもよい。
Ｃ．ハイブリッド物品の調製
少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分１２と、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４とは、同じ形成プロセス中に組み立てられ（assembled）、これらの部分間に界面１６を有するハイブリッド物品１０を作る。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分１２と、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４とは、同一の硬質非酸化物又は酸化物セラミック材料を含む。他の実施形態において、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分１２と、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４とは、異なる硬質非酸化物又は酸化物セラミック材料を含んでもよい。
１つの実施形態において、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分１２は、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４と組み立てられる。他の実施形態において、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分１２は、複数の硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４と組み立てられる。また、他の実施形態において、複数の硬質非酸化物又は酸化物セラミック部分１２は、複数の硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４と組み立てられる。
ハイブリッド物品１０における部分１２及び部分１４の組み立ては、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４が、強化されたトライボロジー機能を要求するハイブリッド物品１０の隣接面に配置されるように構成する。ハイブリッド物品をグリーン体に形成する従来の鋳造及び成形方法（例えば、静水圧圧縮成形又はダイ圧縮成形（die pressing））を用いることができる。好ましくは、約３〜９トン／平方インチの範囲の圧力でハイブリッド物品を加圧する。
次に、適切な環境（例えば、熱）にハイブリッド物品１０を曝し、複合体部分中に含まれるあらゆる暫定的バインダを硬化させる。また、ハイブリッド物品１０の鋳造及び成形は、所望の前完成（pre-finished）形状に機械加工し、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体部分１４が、強化されたトライボロジー機能を要求するハイブリッド物品１０の隣接面に配置されるような方法で設計することを含む。
次に、成形されたグリーン体を、非酸化雰囲気中、典型的に約８００°Ｆを超える温度で炭化する。炭化工程は、焼結助剤として使用されるあらゆる炭化可能な炭素源を炭化すると共に、相互接続のない介在物の微細構造を残す暫定的充填材を分解して揮発させる。また、炭化工程は、樹脂被覆グラファイト粒子の樹脂を炭化すると共に、複合体部分中に含まれるあらゆる分散剤、潤滑剤又は懸濁剤のあらゆる残留物を揮発させる。
典型的な炭化サイクルにおいて、グリーン体を、室温〜３５０°Ｆのオーブン中で３０分間加熱し、もう３０分間その温度でそのままにしておく。次に、温度を１０時間にわたって８５０°Ｆまで上昇させ、８５０°Ｆで５時間保持してグリーン体を炭化する。次に、ハイブリッド物品１０を室温まで冷却する。他の炭化サイクルを使用してもよい。
炭化ケイ素、常圧焼結炭化ケイ素及び液相焼結炭化ケイ素の実施形態、並びに炭化タングステン、酸化アルミニウム及び窒化ケイ素のいくつかの実施形態に関し、次に、熱間等静圧圧縮成形、常圧焼結又は液相焼結を介してハイブリッド物品１０を焼結させ、２つの部分間に継ぎ目のない（seamless）接続を作る。典型的な常圧焼結サイクルにおいて、温度を８時間にわたって焼結温度に上昇させ、炉をピーク温度で１時間保持した後、室温に冷却する。実時間は、使用する特定の炉に依存する。また、他の適切な焼結サイクルを使用してもよい。
液相焼結の具体例において、液相が焼結中に固相によって吸収される場合に一時的な液相焼結が起こる。形成する液体の量及びそれが存在する時間が焼結条件に依存するため、一時的な液相焼結はプロセスに敏感である（process sensitive）。液相は、拡散又は初期溶解で形成する共晶相混合物の溶解によって直接的に形成することができる。液体は、粉末粒子間を流れ、毛細管現象及び早い拡散経路の供給を介して、細孔間を充填して緻密化をもたらす。液量が十分に多く、そしてグリーン密度が十分に低いと、形状を変えて良好な充填を可能にする粒子により、充填する細孔により、及びもし固体骨格形状であるなら固相焼結により、粒子再配列による収縮が起こる。
反応焼結炭化ケイ素の実施形態において、ハイブリッド物品１０は、液体ケイ素で浸潤される。ケイ素は炭素と反応して炭化ケイ素を形成する。反応生成物は炭化ケイ素粒子と結合し、過剰のケイ素が、残存する細孔を充填する。
最後に、必要であれば、研削、ダイヤモンド研磨、又は任意の他の仕上げ方法によってハイブリッド物品１０を仕上げることができる。複合材料が、強化されたトライボロジー機能を要求する表面に配置されるのを確保するような方法で物品を設計する。
上記のものは、本発明の実施形態を図解、説明及び記載する目的のために提供される。これらの実施形態の変更及び適応は当業者に明らかであり、本発明の範囲又は精神から逸脱することなく行うことができる。

Claims (3)

  1. （ａ）理論密度が少なくとも９５％であり、且つ炭化ケイ素、常圧焼結炭化ケイ素、液相焼結炭化ケイ素、反応焼結炭化ケイ素、炭化タングステン、酸化アルミニウム又は窒化ケイ素を含む、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック体であって、下記（ｂ）に直接結合し且つ下記（ｂ）と異なる硬質非酸化物又は酸化物セラミック体と、
    （ｂ）炭化ケイ素、常圧焼結炭化ケイ素、液相焼結炭化ケイ素、反応焼結炭化ケイ素、炭化タングステン、酸化アルミニウム又は窒化ケイ素を含み、且つ炭素黒鉛又はグラファイトをさらに含む、少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体と
    を含む、硬質非酸化物又は酸化物セラミック／硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体ハイブリッドシール部品であって、
    前記少なくとも１つの硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体が、前記ハイブリッドシール部品のシール面に設置されている、ハイブリッドシール部品。
  2. 少なくとも１つの前記硬質非酸化物又は酸化物セラミック体が、少なくとも２つの前記硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体に結合し、且つ少なくとも２つの前記硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体と異なる、請求項１に記載の硬質非酸化物又は酸化物セラミック／硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体ハイブリッドシール部品。
  3. 少なくとも１つの前記硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体が、５０〜９５重量％の炭化ケイ素を含み、さらに５〜５０％の炭素黒鉛又はグラファイトを含む、請求項１又は２に記載の硬質非酸化物又は酸化物セラミック／硬質非酸化物又は酸化物セラミック複合体ハイブリッドシール部品。
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