JP2005500489A - 軸受面又は耐摩耗面をもつ構成部品 - Google Patents

軸受面又は耐摩耗面をもつ構成部品 Download PDF

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JP2005500489A
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ウォルト、クリストファー、ジョン、ハワード
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エレメント シックス リミテッド
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Abstract

構成部品は、炭化ケイ素基材（１０）、この基材の表面（１２）上にあるＣＶＤダイヤモンドの層（１４）、及び構成部品の非平面の軸受面又は耐摩耗面であるＣＶＤダイヤモンド層（１４）上にある平滑面（１４ａ）を含む。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受面又は耐摩耗面をもつ構成部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化ケイ素などのセラミックスは、バルク形態に作製し、チューブ、ボールなど多様な構造に成形加工することができる。このような構造は、平面、曲面又は他の外形の表面を示す。炭化ケイ素は強度があり、強靭だが、軸受又はブシュ材料として使用した場合、やはり摩耗する。炭化ケイ素は又、それ自体で又は他の多くの材料に対して滑らせた場合、摩擦係数が高い。これらの問題により、炭化ケイ素の三次元軸受又はブシュ材料としての使用が制限されている。
【０００３】
米国特許第５，６４５，６０１号には、ボールとソケットの接触面が多結晶ダイヤモンドで被覆されている人工球窩関節が記載されている。多結晶ダイヤモンドコーティングは、高温高圧での焼結、高温レーザー適用、電気めっき、化学気相成長法あるいは高分子量ポリエチレンとマトリックスを形成することにより、多結晶ダイヤモンド成形体（ｃｏｍｐａｃｔ）の層を荷重軸受又はボールとソケットの接触面に結合させることによって形成される。
【０００４】
多結晶ダイヤモンド成形体は、高温高圧条件下で形成される。このような成形体は、直接的なダイヤモンド間結合を含み、一般に結合相又は第２相を含む。このような結合相又は第２相は通常、コバルト、鉄又はニッケルなどのダイヤモンド溶媒／触媒であり、あるいはそれらを含む。
【０００５】
被覆された荷重軸受面を形成する場合、多結晶ダイヤモンド成形体をまず作製し、それを付着させる荷重軸受面の形状を補完するように成型加工し、その後その面に結合させなければならない。生じる難点は、第１に、非常に硬い材料であるダイヤモンド成形体を成型加工することであり、第２に、荷重軸受面とダイヤモンド成形体の間に優れた結合を確実に形成することである。
【０００６】
欧州特許第５４０３６６号には、炭化ケイ素基材の表面に結合したダイヤモンド層を含む差込み工具が記載されている。このダイヤモンド層は、ＣＶＤダイヤモンドであることが好ましい。このダイヤモンド層は、研磨して切り刃をもたらし得る平坦な平面部分を有する。ダイヤモンド層の平面部分を研磨する目的の１つは、切り刃の鋭さを向上させることである。
【０００７】
米国特許第５，２９８，２８５号には、超硬合金（焼結炭化物）基材と結合したＣＶＤダイヤモンド層を含む工具構成部品の作製方法が記載されている。工具構成部品中の超硬合金（焼結炭化物）基材は、コバルト、鉄又はニッケルなどの金属結合剤によって結合して凝集形態になった多量の炭化物粒子を含む。
【０００８】
ＣＶＤダイヤモンドは、化学気相成長法によって形成するダイヤモンドである。このようなダイヤモンドは、本質的に多結晶又は単結晶であってよく、当技術分野でよく知られている方法を用いて様々な基材上で成長させることができる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、構成部品は、炭化ケイ素基材、この基材の表面上にあるＣＶＤダイヤモンドの層、及び構成部品の軸受面又は耐摩耗面であるＣＶＤダイヤモンド層上にある平滑な非平面を含む。通常、ＣＶＤダイヤモンド層がその上に形成されている基材の表面は非平面であり、ＣＶＤダイヤモンド層上の平滑な非平面とほぼ同じ形状であることが好ましい。
【００１０】
基材は炭化ケイ素基材である。この炭化ケイ素は、単結晶又は多結晶であってよい。炭化ケイ素、特に多結晶炭化ケイ素は、今では成熟した工業技術材料であり、当技術分野で周知のいくつかの方法によって作製することができる。これらの方法には、化学気相成長ＣＶＤ、熱間静水圧圧縮成形（ＨＩＰ）、反応焼結（ＲＢ）及び直接焼結（ＤＳ）法がある。
【００１１】
炭化ケイ素は、容易に成型加工して、ＣＶＤダイヤモンド層をその上に形成できる様々な外形の表面をもたらし得るセラミックである。炭化ケイ素基材は耐火性で機械的に強靭であり、ＣＶＤダイヤモンド層の機械的強度及び支持をもたらす。また、ＣＶＤダイヤモンド層を冷たく保つのを助けるのに十分に高い熱伝導性及びＣＶＤダイヤモンドと同等の熱膨張係数を有する。これは、合成温度から冷却したときに、炭化ケイ素／ダイヤモンド界面が示差熱膨張応力によって過度に応力を受けないことを意味する。したがって、炭化ケイ素の表面、すなわち非平面は、容易にＣＶＤダイヤモンドで被覆でき、その後ＣＶＤダイヤモンドは炭化ケイ素表面に極めてよく接着する。代替の硬質な基材材料である炭化タングステンは、ダイヤモンド層が適切に接着するのを妨げる遊離コバルトを含むので、この用途では制限されている。さらに、コバルトなどの遊離重金属は、一般に毒性があると見なされているので、生体適合性であると見なされておらず、あるいは体内で許容されていない。
【００１２】
ＣＶＤダイヤモンドの層は、基材の表面上に形成される。この層は、その表面上に直接合成することができる。上記に記載したように、こうした方法は、当技術分野でよく知られており、ＣＶＤダイヤモンド層を形成し、それを付着させる表面に直接結合できるようにする。任意の別々で単独の結合剤を必要とせずに、有効な結合が生じる。したがって、ＣＶＤダイヤモンド層は、それを付着させる基材表面に直接結合させることが好ましい。
【００１３】
ＣＶＤダイヤモンド層を単独で形成し、次いで例えば蝋付けによって基材表面に結合させることが可能である。この点に関しては、当技術分野で周知のどんな適当な金属蝋付けを使用することもできる。
【００１４】
ＣＶＤダイヤモンド層の層は平滑面を示す。この面の平滑度は、この主要部が用いられる用途によって決まり、通常Ｒａ粗さが４０ｎｍ未満である。特にその面を軸受面として使用する場合に、平滑面を研磨することもできる。
【００１５】
ＣＶＤダイヤモンド層は、通常湾曲している平滑な非平面を有しているか、又は提供する。平面ＣＶＤダイヤモンド面の平滑化又は研磨は一般的な方法であるが、非平面ＣＶＤダイヤモンド面の平滑化ははるかに難しい。機械的研削、ラップ仕上、スパッタエッチング、反応性イオンエッチング及びレーザーアブレーションを含む、非平面ダイヤモンド面を平滑化するためのいくつかの方法が考案されている。平面は、平滑化又は平坦化後に高レベルの「平面度」を維持しなければならない。同様に、非平面も、平滑化又は研磨した場合、必要とされる幾何交差を保持しなければならない。非平面を平滑化する好ましい方法は、完全にその表面の幾何形状によって決まる。
【００１６】
構成部品は、ボール、チューブ又はロッドなどの製品を画成することができる。本発明のこの形態では、炭化ケイ素基材が製品を画成し、その製品の表面はＣＶＤダイヤモンドの層を含む。
【００１７】
構成部品は、より大きな製品の一部を形成するか、又は一部を形成するように適合させることができる。例えば、炭化ケイ素基材は、ＣＶＤダイヤモンドの層がその表面に結合した層、通常は独立層であってよい。したがって、本発明のこの形態の構成部品は、別の主要部に付着させて、その主要部に軸受面又は耐摩耗面をもたらすことができる二層である。炭化ケイ素層の厚さは、通常２００μｍより大きい。炭化ケイ素は、金属及び他のこのような主要部と容易に結合可能である。本発明のこの形態では、炭化ケイ素層は一般にＣＶＤダイヤモンド層よりも厚い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
炭化ケイ素は、ＣＶＤダイヤモンド層の機械的強度及び支持をもたらし、又熱伝導性が高く、ＣＶＤダイヤモンド層を冷たく保つのを助ける。このＣＶＤダイヤモンド層は、耐摩擦及び耐摩耗面並びに摩擦係数が低い面をもたらす平滑面を示す。さらに、このＣＶＤダイヤモンド層は、使用時に発生し得る局部的な過熱点に対して有効なヒートスプレッダである。
【００１９】
ＣＶＤダイヤモンドは、本質的に単結晶又は多結晶であってよい。ＣＶＤダイヤモンド層の外部露出面は、特にこの面を軸受面として使用する場合、平滑であり、好ましくは研磨されている。
【００２０】
ＣＶＤダイヤモンド層の厚さは、通常１〜１００μｍの範囲である。
【００２１】
当技術分野で周知のように、基材の炭化ケイ素は、ケイ素の濃度が化学量論組成を上回り、材料中に、それを導電性にし得る遊離ケイ素が存在するように、ケイ素を多く含むことができる。このような導電性炭化ケイ素は、放電加工（ＥＤＭ）によって加工することができる。さらに、ＣＶＤダイヤモンドにホウ素又は他のドーパントを添加することによって、ＣＶＤダイヤモンド層も導電性にすることができ、ダイヤモンド／炭化ケイ素アセンブリをＥＤＭ切削加工、成形加工又は表面加工に適したものにする。
【００２２】
本発明の構成部品は、軸受面又は耐摩耗面に高い化学的不活性、低い摩擦係数、低い摩耗速度、高硬度、耐摩耗性及び優れた生体適合性が必要とされる状況に対して特定の用途がある。本発明の構成部品の具体例は、以下の通りである。
【００２３】
１．ＣＶＤダイヤモンド層で外面を被覆し、次いで平滑化させた玉軸受などの炭化ケイ素ボール。このようなボールの例を図１によって示す。この図を参照すると、炭化ケイ素ボール１０は、ＣＶＤダイヤモンド層１４が付着している外面１２を有する。ＣＶＤダイヤモンド層１４は、ボール１０の外面１２を完全に被覆している。
【００２４】
２．内側をＣＶＤダイヤモンド層で被覆し、次いでスライディングシール、バルブガイドなどのブシュ、エンジンに使用されているものなどのシリンダバレル、及び腐食性又は摩耗性流体用のパイプ用に平滑化あるいは研磨してもよい炭化ケイ素チューブ。ＣＶＤダイヤモンド層で内側を被覆した炭化ケイ素チューブの例を図２によって示す。この図を参照すると、炭化ケイ素チューブ２０は、ＣＶＤ層２４で完全に被覆された内面２２を有する。
【００２５】
３．ベアリングローラ、スライディングシール、ピストン、カムシャフト又はブシュロッドとして使用できるように研磨してもよいＣＶＤダイヤモンド層で外面を被覆した炭化ケイ素チューブ又はロッド。
【００２６】
４．股継手などの玉継手。ボール又はソケットのいずれかあるいはボールとソケットの両方が炭化ケイ素製であってよく、ソケット又はボールのいずれかあるいは両方の軸受面がＣＶＤダイヤモンド層で被覆されており、次いでそれは平滑化される。このような玉継手の例を図３と４によって示す。
【００２７】
まず図３を参照すると、継手のボール構成部品が３０によって示されており、一端にボール構成部品３４を有する基部３２を含む。ボール構成部品３４の外側の丸みのついた表面３６は、ＣＶＤダイヤモンド層３８を含む。相補のソケット４０は、ＣＶＤダイヤモンド層４４を含む内側の丸い表面４２を有する。本発明のこの形態では、ボール構成部品３４とソケット４０のどちらも炭化ケイ素製である。
【００２８】
玉継手の第２の実施形態を図４によって示す。この図を参照すると、ボール構成部品５０はその一端にボール構成部品５４を有する基部５２を含む。基部５２とボール構成部品５４のどちらもステンレス鋼などの金属製である。ボール構成部品５４の外面５６は、それに結合した二層５８を有する。二層５８は、面５６に結合した炭化ケイ素からなる中間層６０及び炭化ケイ素層６０の面６４と結合したＣＶＤダイヤモンドの外層６２からなる。相補のソケット７０もステンレス鋼などの金属製である。ソケット７０の内面７２は、それに結合した二層７４を有する。この二層は、ソケットの面７８に結合した炭化ケイ素の層７６及び層７６の面８２に結合したＣＶＤダイヤモンドの層８０を有する。
【００２９】
上記のボール及びソケットの実施形態では、それぞれの実施形態の様々な特徴を組み合わせる又は交換することが可能である。例えば、ボール構成部品は二層を含むことができ、ソケット構成部品は、その内面にＣＶＤダイヤモンド層が結合した炭化ケイ素製であってよい。
【００３０】
ＣＶＤダイヤモンド層は、この用途のために炭化ケイ素基材上に直接ニアネットシェイプ（ｎｅａｒ ｎｅｔ ｓｈａｐｅ）に合成することができ、これは軸受面の研磨だけを必要とする。ＣＶＤダイヤモンド層は、結合相を含まない純粋なダイヤモンドであり、それらの生体適合性を向上させる。それとは対照的に、ダイヤモンド成形体は、通常ニアネットシェイプに形成しないが、構成部品をそれから作製する厚い円板であり、結合相を含むことを特徴とする。成形体中のこの結合相は、体内で浸出する可能性があるコバルトを一般に含む。ダイヤモンド成形体表面の摩耗により、この結合相から金属断片が生成されやすく、それはさらに生体適合性を低下させる。
【００３１】
５．平滑化又は研磨し、その一部又は外面全体に付着させたＣＶＤダイヤモンド層を有するカムなどの炭化ケイ素非対称構成部品。
【００３２】
図１〜４によって示した、又上述した実施形態では、構成部品の軸受面又は耐摩耗面をもたらし、平滑であるのは、ＣＶＤダイヤモンド層の外部露出面である。したがってそれは、図１の場合は、外部露出面１４ａであり、図２では内部露出面２４ａであり、図３ではボール構成部品の外部露出面３８ａ及びソケットの内面４４ａであり、図４ではボール構成部品の外部露出面６２ａ及びソケットの内部露出面８０ａである。
【００３３】
上記の実施形態では、ＣＶＤダイヤモンド層を炭化ケイ素基材表面上に直接成長させることが好ましい。これは、股継手の場合に特にそうである。
【００３４】
ＣＶＤダイヤモンド層の軸受面又は耐摩耗面の平滑化あるいは研磨は、上記の方法のうちいずれか１つによって達成することができる。こうした表面を平滑化する２つの方法の実施例を次に記載する。
【実施例１】
【００３５】
円柱がその中心軸を中心に回転中心を有する被覆円柱状試料の外面の平滑化
この場合、スピンドルが試料の回転中心を貫通するように被覆試料をスピンドルに取り付ける。次いでこの試料を、ダイヤモンド研磨媒体に押し付けながら、適当な速度でスピンドルを中心に回転させ、今後はそれ自体を別の軸を中心に回転又は移動させることができる。平滑化を行うためのダイヤモンド研磨媒体は、ダイヤモンドスラリーで被覆した鋼板でもダイヤモンド粒子を含む樹脂結合ホイールでもよい。研磨ダイヤモンド粒子は、露出している湾曲したＣＶＤダイヤモンド面が平滑化されるように選択する。研磨された生成物又は表面粗さが制御されたものを得るためには、このプロセスを、次第に小さい研磨ダイヤモンド粒子を用いて数回繰り返す必要があるかもしれない。
【実施例２】
【００３６】
ＣＶＤダイヤモンド被覆炭化ケイ素ボールの球状部分の平滑化
この場合、ボールが回転対称の２つの直交軸を中心に回転できるように試料をスピンドルに取り付ける。実施例１に記載のように、このボールを、研磨ダイヤモンド媒体に押し付けながら一方の軸を中心に回転させ、他方を中心に移動させる。このようにして、ボール取付けによって、正確な球面形状に作り出しながら粗いＣＶＤダイヤモンド表面を平滑化させる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の玉軸受の一実施形態を示す側断面図である。
【図２】本発明のチューブの一実施形態を示す透視図である。
【図３】本発明のボールとソケットの一実施形態を示す透視図である。
【図４】本発明のボールとソケットの第２の実施形態を示す透視図である。

Claims (16)

  1. 炭化ケイ素基材、前記基材の表面上にあるＣＶＤダイヤモンドの層、及び構成部品の軸受面又は耐摩耗面である前記ＣＶＤダイヤモンド層上にある平滑な非平面を含む構成部品。
  2. 前記ＣＶＤダイヤモンド層が、それを付着させる前記基材の表面に直接結合している、請求項１に記載の構成部品。
  3. 前記ＣＶＤダイヤモンド層の平滑面のＲa粗さが４０ｎｍ未満である、請求項１又は請求項２に記載の構成部品。
  4. 前記炭化ケイ素基材が炭化ケイ素の層である、前記請求項のいずれか一項に記載の構成部品。
  5. 前記炭化ケイ素層が前記ＣＶＤダイヤモンド層よりも厚い、請求項４に記載の構成部品。
  6. 前記炭化ケイ素層の厚さが２００μｍを超える、請求項４又は請求項５に記載の構成部品。
  7. 前記ＣＶＤダイヤモンド層の厚さが１〜１００μｍの範囲である、前記請求項のいずれか一項に記載の構成部品。
  8. 前記ＣＶＤダイヤモンド層がその上に形成される前記基材の表面が非平面である、前記請求項のいずれか一項に記載の構成部品。
  9. 前記ＣＶＤダイヤモンド層がその上に形成される前記基材の表面が、前記ＣＶＤダイヤモンド層上にある平滑な非平面と本質的に同じ形状を有している、請求項８に記載の構成部品。
  10. 前記軸受面又は耐摩耗面が曲面である、前記請求項のいずれか一項に記載の構成部品。
  11. 前記炭化ケイ素基材が、その外面がＣＶＤダイヤモンド層で被覆されたボールである、前記請求項のいずれか一項に記載の構成部品。
  12. 前記炭化ケイ素基材が、その内面がＣＶＤダイヤモンド層で被覆されたチューブである、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の構成部品。
  13. 前記炭化ケイ素基材が、その外面がＣＶＤダイヤモンド層で被覆されたチューブ又はロッドである、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の構成部品。
  14. 玉継手のボールであり、このボールの軸受面が前記ＣＶＤダイヤモンド層によって形成されている、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の構成部品。
  15. 前記構成部品が玉継手のソケットであり、このソケットの軸受面が前記ＣＶＤダイヤモンド層によって形成されている、請求項１から１０まで又は１４のいずれか一項に記載の構成部品。
  16. 請求項１に記載の、かつ添付図の図１から４までのいずれか１つに関して実質的に本明細書に記載の構成部品。
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