JP2004106355A

JP2004106355A - セラミックス複合摺動部材

Info

Publication number: JP2004106355A
Application number: JP2002272365A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Hirao; 平尾　喜代司; Yukihiko Yamauchi; 山内　幸彦; Takashi Hirao; 平尾　隆
Original assignee: Fine Ceramics Research Association; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Fine Ceramics Research Association; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-09-18
Filing date: 2002-09-18
Publication date: 2004-04-08

Abstract

【課題】固体潤滑性をもったセラミックス複合摺動部材であって、高強度を維持しつつ摺動特性に優れ、これを維持することのできるセラミックス複合摺動部材を提供する。
【解決手段】セラミックスを第１成分とする第１の層と、前記第１成分を基体とし固体潤滑材を第２成分として含有する第２の層との２種類の薄層を交互に積層することで構成され、それらの２つの層が同時に現れる側面を摺動面として用いるセラミックス複合摺動部材、前記の第１成分が、窒化ケイ素又はこれを母相とするセラミックスからなる、前記セラミックス複合摺動部材、前記の第２成分が、窒化ホウ素、グラファイト、二硫化モリブデンのうちの少なくとも一つを含む成分から構成されている、前記セラミックス複合摺動部材。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体潤滑性をもったセラミックス複合摺動部材に関するものであり、更に詳しくは、高強度を維持しつつ摺動特性に優れ、これを維持することのできる新規セラミックス複合摺動部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、セラミックス焼結体は、高温まで強度低下が少なく、金属材料に比較して、硬度、耐摩耗性、耐腐食性等の諸特性が優れており、しかも、軽量であるという利点を有する。特に、窒化ケイ素は、セラミックスの中でも上記特性に優れていることから、構造用材料として広い分野において使用されている。更に、無潤滑での摺動部材への適用の可能性を考えた場合、低摩擦性と耐摩耗性を与えるために、使用時に摺動面となる表層部に固体潤滑材が分散することが必要である。
【０００３】
例えば、先行文献には、窒化ケイ素中に窒化ホウ素などの固体潤滑材を均一に分散させて固体潤滑材を摺動面に供給する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、このような単純に固体潤滑材をセラミックス中に均一に分散させる方法では、固体潤滑材の添加量が少量に限定されるために、十分な低摩擦性を得ることができない。また、大量に添加した場合には、セラミックスの強度の低下が起こり、それに関連して、摺動時における摩耗量が大きくなることが予想される。
【０００４】
また、他の先行文献には、母剤となるセラミックス上に硬質皮膜層を形成し、その上に摺動面となる固体潤滑材膜を積層する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、この種の方法では、それぞれの層において剥離が起こる可能性があることと、固体潤滑材膜が摩耗して硬質皮膜層が露出した場合に、低摩擦性が失われることが予想される。
【０００５】
【特許文献１】
特開５９−３０７６９号公報
【特許文献２】
特開平７−２８０１７９号公報
【０００６】
上述したように、セラミックス中或いは表面に固体潤滑材を添加させて、低摩擦性を得るための技術開発がなされている。しかし、単純に固体潤滑材をセラミックス中に均一に分散させただけでは、低摩擦性は得られるものの強度が低下し、摺動時における摩耗量が大きくなることが問題とされる。また、摺動面の最表面に固体潤滑材膜を形成する方法は、層剥離、固体潤滑材膜が失われた場合の低摩擦性の喪失が問題とされる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高強度を維持しつつ摺動特性に優れ、これを維持することのできるセラミックス複合摺動部材を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）セラミックスを第１成分とする第１の層と、前記第１成分を基体とし固体潤滑材を第２成分として含有する第２の層との２種類の薄層を交互に積層することで構成され、それらの２つの層が同時に現れる側面を摺動面として用いることを特徴とするセラミックス複合摺動部材。
（２）前記の第１成分が、窒化ケイ素（Ｓｉ_３　Ｎ_４　）又はこれを母相とするセラミックスからなる、前記（１）記載のセラミックス複合摺動部材。
（３）前記の第２成分が、窒化ホウ素（ＢＮ）、グラファイト（Ｃ）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２　）のうちの少なくとも一つを含む成分から構成されている、前記（１）記載のセラミックス複合摺動部材。
（４）前記の第１の層の厚みが、５〜１００μｍであり、前記の第２の層の厚みが、第１の層の厚みの５０％〜２００％、かつ５〜１００μｍである、前記（１）記載のセラミックス複合摺動部材。
（５）前記の第２の層に含有する固体潤滑材の量が、体積パーセントで５％以上４０％以下の割合である、前記（１）記載のセラミックス複合摺動部材。
（６）前記（１）から（５）のいずれかに記載のセラミックス複合摺動部材で摺動面を構成し、他の部分を他の適宜の材料で構成したことを特徴とするセラミックス複合摺動部材。
（７）前記他の部分を、前記（１）記載の第１成分からなる材料又は第２の層と同材料で構成した、前記（６）記載のセラミックス複合摺動部材。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明のセラミックス複合摺動部材は、セラミックスを第１成分とし、厚みが５〜１００μｍである第１の層と、前記第１成分を基体とし、第２成分として固体潤滑材を体積パーセントで５％以上４０％以下の割合で含有する厚みが第１の層の５０％〜２００％、かつ５〜１００μｍである第２の層との２種類の薄層を交互に積層した複合材料の側面を摺動面として用いることを特徴とする摺動部材である。
【００１０】
この摺動部材を製造する場合には、前記の第１成分となるセラミックスとして、窒化ケイ素（Ｓｉ_３　Ｎ_４　）又はこれを母相とするセラミックス、好適には、例えば、窒化ケイ素に炭化ケイ素、チタン化合物を分散させたものが用いられる。第１成分となるセラミックスの原料として用いる窒化ケイ素粉末は、α―窒化ケイ素、β―窒化ケイ素のいずれか、又はこれらの混合物を用いてもよく、これらの平均粒径は、０．１〜１０．０μｍであり、かつ摺動部材を構成する層の厚みの２０％以下であることが望ましい。
【００１１】
また、前記第２成分となる固体潤滑材としては、セラミックスの焼結温度に耐え得るものとして、窒化ホウ素（ＢＮ）、グラファイト（Ｃ）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２　）のうちの少なくとも一つを含む成分から構成される粒子、例えば、窒化ホウ素、グラファイト、二硫化モリブデンの単体、或いはそれらの粉末を速乾性の有機結合材と混合して噴霧状にして乾かす噴霧法により作製した造粒粉、ワックスなど糊状の結合材と混練しながら丸める練球状により作製した造粒粉が用いられる。第２成分となる固体潤滑材の粒子サイズは０．１〜２０μｍであり、かつそれらの粒子の少なくとも一方向における粒径が摺動部材を構成する層の厚みの５０％以下であることが望ましい。
【００１２】
本発明において、前記セラミックスを第１成分とする第１の層としては、好適には、窒化ケイ素粒子の結晶相８５〜９５重量％と、残部の焼結助剤からなる粒界相から構成され相対密度が９８％以上となる構造が例示される。また、前記第１成分を基体とし、固体潤滑材を第２成分として含有する第２の層としては、好適には、窒化ケイ素粒子の結晶相と焼結助剤とからなる粒界相が８０体積％で骨格を形成し、残部が窒化ホウ素粒子から構成され、窒化ホウ素粒子はその骨格の存在しない部分に均一に分散した構造が例示される。また、焼結助剤として、酸化イットリウム、酸化イッテビウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウムなどを配合することが可能であり、これらを一種又はそれ以上添加して用いることができる。
【００１３】
ここで、第２の層に含有させる第２成分は、５％以上４０％以下である必要がある。これは、第２成分が５％未満では摺動部材における摩擦係数の低下は、摺動初期に発生する第２の層の摩耗粉中に含まれる第２成分の拡がりの効果によるものであるが、含有量が５％未満では、摩耗粉が拡がってもその中に含まれる第２成分の割合が低いために、十分に固体潤滑材としての効果を発揮しないためである。また、第２成分が４０％以下である必要があるのは、４０％を越えると、第２の層の強度が大きく低下するために、摺動時にこの摺動部材が破壊される可能性が出てくるためである。
【００１４】
この摺動部材を製造する場合には、第１の層となる薄層と第２の層となる薄層を作製して、これらを交互に積層することで製造することができる。それらの薄層の製造は、所定量の窒化ケイ素粒子、焼結助剤、固体潤滑材を有機溶媒中で混合して、更に、ポリビニルブチラール系などの有機バインダーを加えて作製したスラリーを用いてドクターブレード法により行うことが望ましいが、他にも前記粉末を混合したものにポリビニルアルコール系やメチルセルロース系の成形助剤と水を加えて粘土状にして押出成形法により行うことができる。この際、薄層の厚みは、摺動部材として完成した際に、所定の厚みになるように製造する。
【００１５】
ここで、一層の厚みは、５〜１００μｍである必要があるが、一層の厚みが１００μｍ以上の場合には固体潤滑材が第１の層に十分に拡がらないために、固体潤滑材を含有させたことによる摩擦係数の低下の効果がほとんど得られないためである。また、第２の層の厚みについても１００μｍを越えると、第２の層だけで接触する場合が起こりやすくなるために、１００μｍ以下であることが望ましい。この説明であると一層の厚みは薄い程、固体潤滑材を含有させたことの効果が得られることになるが、第１の層については、接触面において摺動の相手面を支える効果を示すのに十分な強度を示すために一層の厚みが５μｍ以上である必要がある。
【００１６】
この摺動部材を製造する場合には、第１の層となる薄層と第２の層となる薄層を交互積層したものを圧着することが望ましい。また、この摺動部材を製造する場合には、第１の層となる薄層と第２の層となる薄層を交互積層後に圧着したものについて、加熱することによりドクターブレード法或いは押出成形法等により薄層を製造する際に用いたバインダーを除去することが望ましい。この時、最高温度は４００〜９００℃で１〜２時間程度保つことが望ましい。
【００１７】
この摺動部材を製造する場合には、例えば、バインダーを除去した後に、ホットプレス焼結により焼成することが望ましい。この時、焼結温度は１６００〜１９００℃で、常圧から９気圧の窒素雰囲気中で、１０〜４０ＭＰａでのプレスを１時間以上行うことが望ましい。
【００１８】
また、これに替わる方法として、プレスを伴わない、常圧焼結を用いる方法があるが、この際には、焼結後の密度を９５％以上にするために、バインダー除去した後に、ＣＩＰ処理を行うことで、相対密度を６０％以上にしておくことが望ましい。これは、相対密度が６０％に達しない場合には焼結後の密度が低くなるために、強度が大幅に低下することが起こりうるためである。特に第２の層においては、第１成分のみでの相対密度は、全体の相対密度よりも低くなるために、ＣＩＰ処理により相対密度を高めておく必要がある。
【００１９】
本発明では、前記のセラミックス複合摺動部材で摺動面を構成し、他の部分を他の適宜の材料、例えば、窒化ケイ素、サイアロン、アルミナ、炭化ケイ素、ジルコニアのうちの一つ、或いはこれらの複合物、或いは鉄、ステンレスなどの金属で構成したセラミックス複合摺動部材とすることができる。例えば、上記他の部分を前記第１成分からなる材料又は第２層と同材料で構成することができるが、これらに制限されるものではない。
【００２０】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
（１）セラミックス積層体の作製
第１成分となる平均粒径０．５μｍのα―窒化ケイ素（αーＳｉ_３　Ｎ_４　）に焼結助剤として、それぞれ５ｍｏｌ％の酸化イッテリビウム（Ｙｂ_２　Ｏ_３　）と酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を加えて配合したものを、分散剤とともにトルエンとブタノールを４：１で混合した溶媒に加えて混合して作製したスラリーに、バインダーとしてＰＶＢ（ポリビニルブチラール）を加えて、図１に示すように、層１となる厚さ２０μｍのシート１をドクターブレード法により作製した。同様にして、シート１に用いた原料粉末に、短軸の粒径が２μｍの六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）粉末を全体量の２０体積パーセントになるように添加して、固体潤滑材粒子３として窒化ホウ素が分散した層２となる厚さ２０μｍのシート２を作製した。
【００２１】
上記のシート１、２を図２に示すように交互に積層したうえ、熱圧着して表１に示す成形体を作製した。該成形体を脱脂処理した後に、温度１８００℃、９気圧の窒素雰囲気中、４０ＭＰａの圧力をかけてホットプレス焼結した。
【００２２】
【表１】

【００２３】
（２）結果
得られた構造体の側面を図３の方向にして電子顕微鏡で観察したところ、図４に示すように、窒化ケイ素（Ｓｉ_３　Ｎ_４　）からなる厚さ１０μｍの層と窒化ケイ素（Ｓｉ_３　Ｎ_４　）に２０体積パーセントの窒化ホウ素（ＢＮ）が含有された１０μｍの層の交互積層により構成された表１のサンプルＡ−４に該当する交互積層構造体であることを確認した。この得られた交互積層構造体の側面を調べた結果、摩擦係数は図５に示す平行の場合に０．５８、垂直の場合に０．４０、比摩耗量はそれぞれ３．０×１０^−９ｍｍ^２　／Ｎ、１．５×１０^−９ｍｍ^２　／Ｎ、曲げ強度は図６で示した平行の場合には９６６ＭＰａ、図７で示した垂直の場合には９６８ＭＰａであった。
【００２４】
実施例２
実施例１と同様にして、表１に示すサンプルＡ−１、Ａ−２、Ａ−３、Ｂ−１、Ｂ−２、Ｂ−３、Ｂ−４に該当する交互積層構造体を得た。この得られた交互積層構造体の側面を調べた結果、摩擦係数は図８に示すように、比摩耗量は図９に示すように、曲げ強度は図１０に示すようになった。
【００２５】
比較例
平均粒径０．５μｍのα―窒化ケイ素（αーＳｉ_３　Ｎ_４　）に所定量の六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）と、焼結助剤として、それぞれ５ｍｏｌ％の酸化イッテリビウム（Ｙｂ_２　Ｏ_３　）と酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を加えて配合し、混合して作製した粉末をプレスして、成形体を作製した。
上記成形体についてＣＩＰ処理を行ったものを温度１８００℃、９気圧の窒素雰囲気で常圧焼結した。これによって、表１に示すサンプルＣ―１、Ｃ―２、Ｃ−３に該当する均一な組成を持った成形体を得た。この得られた交互積層構造体について調べた結果、摩擦係数は図８に示すように、比摩耗量は図９に示すように、曲げ強度は図１０に示すようになった。
【００２６】
実施例と比較例を比較すると、構造にかかわらず窒化ホウ素（ＢＮ）を分散することにより、均一な窒化ケイ素（Ｃ−１）と比較して摩擦係数が小さくなっていることが確認された。
比摩耗量は、交互積層構造の場合に、比較例よりも大きく低減していることが確認された。
曲げ強度は、交互積層構造では、比較サンプルであるＣ−２、Ｃ−３と比較して、窒化ホウ素（ＢＮ）を分散させたことによる均一な窒化ケイ素（Ｃ−１）と比較しての低下が小さくなることが確認された。
【００２７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、１）セラミックスに固体潤滑材を添加することによる強度の低下が小さく、摺動特性に優れたセラミックス複合摺動部材を提供することができる、２）高強度を維持しつつ摺動特性に優れ、これを維持することのできるセラミックス複合摺動部材を提供することができる、という格別の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるセラミックス複合摺動部材を作製する前工程を示す説明図である。
【図２】本発明に係わるセラミックス複合摺動部材を作製する前工程を示す説明図である。
【図３】本発明に係わるセラミックス複合摺動部材を作製する前工程を示す説明図である。
【図４】本発明に係わるセラミックス複合摺動部材の側面を示す説明図である。
【図５】本発明に係わるセラミックス複合摺動部材の摩擦摩耗試験時におけるサンプルの方向を示す説明図である。
【図６】本発明に係わるセラミックス複合摺動部材の曲げ試験時におけるサンプルの方向が平行となる方向を示す説明図である。
【図７】本発明に係わるセラミックス複合摺動部材の曲げ試験時におけるサンプルの方向が垂直となる方向を示す説明図である。
【図８】本発明に係わるセラミックス複合摺動部材の摩擦摩耗試験時における摩擦係数を示す説明図である。
【図９】本発明に係わるセラミックス複合摺動部材の摩擦摩耗試験における比摩耗量を示す説明図である。
【図１０】本発明に係わるセラミックス複合摺動部材の曲げ強度試験結果を示す説明図である。
【符号の説明】
１：シート１
２：シート２
３：固体潤滑材の粒子
４：第１の層
５：第２の層

Claims

セラミックスを第１成分とする第１の層と、前記第１成分を基体とし固体潤滑材を第２成分として含有する第２の層との２種類の薄層を交互に積層することで構成され、それらの２つの層が同時に現れる側面を摺動面として用いることを特徴とするセラミックス複合摺動部材。
前記の第１成分が、窒化ケイ素（Ｓｉ_３　Ｎ_４　）又はこれを母相とするセラミックスからなる、請求項１記載のセラミックス複合摺動部材。
前記の第２成分が、窒化ホウ素（ＢＮ）、グラファイト（Ｃ）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２　）のうちの少なくとも一つを含む成分から構成されている、請求項１記載のセラミックス複合摺動部材。
前記の第１の層の厚みが、５〜１００μｍであり、前記の第２の層の厚みが、第１の層の厚みの５０％〜２００％、かつ５〜１００μｍである、請求項１記載のセラミックス複合摺動部材。
前記の第２の層に含有する固体潤滑材の量が、体積パーセントで５％以上４０％以下の割合である、請求項１記載のセラミックス複合摺動部材。
請求項１から５のいずれかに記載のセラミックス複合摺動部材で摺動面を構成し、他の部分を他の適宜の材料で構成したことを特徴とするセラミックス複合摺動部材。
前記他の部分を、請求項１記載の第１成分からなる材料又は第２の層と同材料で構成した、請求項６記載のセラミックス複合摺動部材。