JP2673692B2 - 摺動面構造 - Google Patents

摺動面構造

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JP2673692B2 JP63028258A JP2825888A JP2673692B2 JP 2673692 B2 JP2673692 B2 JP 2673692B2 JP 63028258 A JP63028258 A JP 63028258A JP 2825888 A JP2825888 A JP 2825888A JP 2673692 B2 JP2673692 B2 JP 2673692B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、バルブ類、その他の摺動構造物の摺動界面
の摩擦抵抗,耐摩耗性等の改良に関する。
〔従来の技術〕
バルブ類、軸受、あるいはシリンダとピストンロッド
等の摺動構造体における摺動部材は、その摺動面の摩耗
抵抗性が高く、かつ摺動特性にすぐれたものであること
が必要である。例えば粉粒物(石灰粉、珪砂等)を含む
ガス等の流体の流量調節に使用されるバルブにおいて、
その摺動関係を形成するボディシートとディスクが耐摩
耗性に乏しいと、摺動面の摩損による流体の漏れが発生
し易く、また摺動特性に劣る(摩擦係数が高い)と、バ
ルブ操作に大きな動力を必要とするだけでなく、摺動面
にカジリ等の損傷が生じることにより、流量調節弁とし
ての機能が損なわれ易い等、耐用寿命および機能の維持
に問題が多いからである。
近時、これらの摺動構造体の耐用寿命および摺動機能
の改善を目的として摺動部材にセラミックを適用する試
みが多くなされている。この場合、摺動関係を形成する
一方の部材とその相手材である他方の部材とに同一種の
セラミックを用いると、摺動面の摩擦係数が大きくなる
ので、異種のセラミックの組合せとするか、あるいは一
方の部材のみをセラミックとし、相手部材にはセラミッ
ク以外の材料、例えば超硬合金や鋳鉄材等を使用して異
種材料の組合せとすることも提案されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
摺動部材を異種のセラミックで構成する場合、2つの
部材のセラミック材質の適当な選択と組合せ、例えば窒
化けい素セラミック(Si3N4)と炭化けい素セラミック
(SiC)との組合せとすることにより、高耐摩耗性と摺
動特性とを得ることができるが、両部材共に靭性が低い
ため、機械衝撃による損傷が生じ易い等、大型構造物へ
の適用には問題が多い。
また、セラミック摺動部材に対して炭化物を含む超硬
合金からなる摺動部材を相手材として組合せた場合の摺
動特性および耐摩耗性は比較的良好であるが、超硬合金
は比重が大きく、大型構造物では重量化の問題があり、
また靭性が十分でなく機械衝撃による損傷をうけ易いと
いう難点がある。
更に、セラミック摺動部材に鋳鉄材を相手材として組
み合わせた場合、鋳鉄材の遊離黒鉛が摺動面を潤滑し摩
擦係数を大きく下げることにより、良好な摺動特性が得
られるが、その反面摩耗抵抗性に乏しいため、セラミッ
クとの組合せとしたことによる耐用寿命の改善効果はそ
れほど期待することがでず、また鋳鉄材の耐用温度の関
係から高温用途への適用に制限をうける。
本発明は摺動構造体における上記問題点を解決するた
めになされたものである。
〔問題点を解決するための手段および作用〕
本発明の摺動面構造は、相対向する2つの摺動部材の
一方の摺動部材は、コバルト基合金粉末と、ZrB2,CrB,T
iB2の1種ないし2種以上のホウ化物粉末の混合物の焼
結により形成された、コバルト基合金マトリックスに分
散相粒子としてホウ化物粒子5〜80重量%が混在した複
合組織を有する焼結合金からなり、他方の摺動部材は、
窒化けい素セラミックからなる摺動面を有することを特
徴としている。
本発明の摺動面構造の一方の摺動面を形成する焼結合
金は、コバルト基合金とホウ化物粒子との複合効果によ
り摺動部材として望まれるすぐれた摩耗抵抗性と摺動特
性を兼備し、かつその比重は約8以下と、超硬合金の比
重(約13〜14)に比し極めて小さい。
上記焼結合金における分散相粒子を、ZrB2,CrB,また
はTiB2等のホウ化物粒子に限定したのは、これらの粒子
がマトリックスであるコバルト基合金との濡れ性もよく
均質で緻密な複合組織を形成し、そのすぐれた分散強化
作用により、焼結合金の硬度・耐摩耗性を高めると共
に、その摩擦係数を小さくし、特にセラミックに対する
良好な摺動特性をもたらすからである。
上記ホウ化物粒子の複合組織中に占める割合を5重量
%以上に規定したのは、それより少ないと、ホウ化物粒
子による耐摩耗性よよび摺動特性の改善効果が不足する
からである。その割合を増すと共に耐摩耗性や摺動特性
の向上をみるが、80重量%をこえると、マトリックス金
属の相対的不足による靭性の低下を生じるので、80重量
%を上限とする。2種以上のホウ化物粒子を複合使用す
る場合は合計量が上記範囲内であればよい。なお、ホウ
化物粒子の粒度は特に限定されないが、その分散効果を
十分ならしめるために、例えば1〜10μmの範囲のもの
が好ましく使用される。
他方、マトリックスを形成するコバルト基合金は公知
の各種コバルト基合金から適宜選択することができ、そ
の化学成分組成は特に限定されないが、好ましい例とし
て、Cr:20〜40%,W:1〜20%,Fe:5%以下,C:0.5〜5%,S
i:5%以下,Mn:5%以下,残部実質的にCoからなる成分組
成を有する合金(ステライト合金相当)、またはそのCo
の一部が、Mo:1〜35%,Ni:1〜15%,Nb:1〜10%,B:1〜5
%の1種もしくは2種以上の元素で置換された合金等が
挙げられる。
上記摺動面を形成する焼結合金は、マトリックスとな
る金属粉末と分散相となるホウ化物粉末とを所定の割合
で配合した混合粉末を焼結原料とし、ホットプレス法、
熱間静水圧加圧焼結法等の公知の焼結法により製造する
ことができる。
本発明の上記焼結合金からなる摺動部材は、その部材
全体をその焼結合金で形成する必要はなく、適当な金属
材料を基材として摺動面となる部分の表層のみを上記焼
結合金で形成するようにしてもよい。
本発明の摺動面構造は、一方の摺動部材に上記焼結合
金からなる摺動面が形成され、これと対向する他方の摺
動部材は、窒化けい素セラミックからなる摺動面が与え
られる。例えば、石炭ガス化炉のガス遮断弁等として使
用されるガスシールドバルブでは、ボディシートとディ
スクの2つの摺動部材の一方、例えばディスクの摺動面
に前記焼結合金が適用され、これと対向するボディシー
トに窒化けい素セラミックの摺動面が形成される。この
焼結合金と窒化けい素セラミックの組合せにより、摺動
界面の摩擦係数の低減,摩耗・損傷の軽減緩和等の改良
された摺動特性が確保される。
第1図はガスシールバルブを構成するディスクと、ボ
ディシートの例を示している。ボディシート(10)は円
筒状金属部材であり、ディスク(20)は板面にボディシ
ート(10)の中空孔(11)の孔径とほぼ同じ孔径の流体
流通孔(21)を有する金属板材である。そのディスク
(20)の表面には、流体流通孔(21)を囲む部材と、そ
れに隣接する流体遮断面部(22)を囲む部分、およびそ
の中間部分に、本発明の焼結合金からなる表層(23)
(24)(25)が形成されている。他方、ボディシート
(10)の摺動面である円環端面にはセラミックからなる
表層(12)が形成されている。なお、ボディシート(1
0)はその全体がセラミックからなる焼結成形品であっ
てもよい。上記ディスク(20)は、その流体流通孔(2
1)がボディシート(10)に対面する位置と、流体遮断
面部(22)がボディシート(10)に対面する位置との間
を矢符a方向に往復摺動して流体(F)の流路を開閉す
る。上記の説明では、ディスク(20)の摺動面を本発明
の焼結合金で形成し、ボディシート(10)の摺動面をセ
ラミックで形成することとしたが、その逆にディスク
(20)摺動面にセラミック、ボディシート(10)摺動面
に本発明の焼結合金を適用してガスシールバルブを構成
してもよいことは言うまでもない。
〔実施例〕
実施例1 コバルト基合金粉末とホウ化物粉末とを乾式混合した
混合粉末を金属カプセルに充填し、室温または加熱下に
脱気したうえ密封し、ついで熱間静水圧加圧焼結を行っ
て焼結合金供試材(No.1〜4)を得た。使用したコバル
ト基合金粉末は平均粒径15μmのステライト#6相当合
金(Cr:27%,W:4%,Fe:1.3%,C:0.9%,Si:0.9%,Mn:0.1
%,残部Co)であり、ホウ化物粉末は平均粒径5μmの
ZrB2,CrB,またはTiB2粉末である。また、熱間静水圧加
圧焼結は、加圧力:1000kg f/cm2、焼結温度:1100℃、保
持時間:2時間の条件で行った。
各供試焼結合金(No.1〜4)から試験片を切り出し、
大越式迅速摩耗試験機による摩耗試験(但し、相手材回
転輪:浸炭焼入れSUJ−2、摺動速度:3.4m/秒、最終荷
重:17.8kg f、摺接距離:200m)、および窒化けい素セラ
ミックプレートに対する摩擦係数(μ)の測定を行っ
た。
第1表に、各供試焼結合金のホウ化物粉末の種類、お
よび割合(重量%)と共に、上記測定結果並びに硬度Hv
(室温,600℃)の測定結果を示す。
また、比較例として、ホットプレス法により製造され
た各種セラミック焼結体(No.11〜13)について上記と
同じ摩耗試験および摩擦係数測定を行った。その結果を
第1表に併記する。
なお、第1表中、「摺動面状況」欄は、上記摩擦係数
測定(相手材:窒化けい素焼結体プレート)を行った後
の摺動面の損傷状況の肉眼観察結果を示している。
第1表の試験結果から明らかなように、本発明の焼結
合金(No.1〜4)は、高硬度・高耐摩耗性を有し、かつ
窒化けい素セラミックに対する摩擦係数は、セラミック
同士を摺動面とした場合(比較例No.11〜13)の摩擦係
数に比べて極めて小さく、また比較例(No.11〜13)の
摩擦係数測定後の試片の摺動面には摺動疵が生じている
のに対し、発明例(No.1〜4)はいずれも、スクラッ
チ、ゴーリング等の損傷は全くみとめられず、平滑面を
有していることが観察された。
実施例2 第1図に示すディスク(20)およびボディシート(1
0)からなるガスシールバルブを製作する。ディスク(2
0)の基材はステンレス鋼(SUS 304)であり、図示のよ
うに本発明の焼結合金層(23)(24)(25)を熱間静水
圧加圧焼結法により形成した。ディスクの板厚は21mm、
焼結合金層の層厚は1.75mmである。焼結合金のマトリッ
クスはステライト#6合金相当(Cr:28%,W:4.2%,Fe:1
%,C:1.2%,Si:1.2%,Mn:0.05%,残部Co)、ホウ化物
粒子はZrB2粒子(平均粒径:2μm)であり、ホウ化物粒
子の混合割合は60重量%である。また、熱間静水圧加圧
焼結は、加圧力:1200kg f/cm2、温度:1180℃、保持時
間:2Hrとした。なお、ボディシート(10)は、窒化けい
素セラミックからなるホットプレス焼結成形品(外径12
5mm、内径100mm)を用いた。
上記ディスクとボディシートを以て形成されるシール
バルブを、石炭ガス、珪砂または石炭灰を含むガス流の
遮断弁として使用し、流路の開閉を高頻度で行う実機試
験に供した。
また、比較例として、上記ディスクに代えて、窒化け
い素セラミック焼結品をディスクとして使用した以外
は、上記と同じシールバルブを製作し、同一の実機使用
試験に供した。
上記試験の結果、窒化けい素セラミック同士を摺動面
とする比較例の摺動部材に摺動疵が発生した時点におい
ても、発明例では摺動面の損傷・摩耗は全くなく、引き
続いて長期使用の可能な表面状態を呈しており、両者の
耐摩耗性および摺動特性に大きな差異が認められた。
〔発明の効果〕
本発明の焼結合金と窒化けい素セラミックの組合せに
なる摺動面構造は、バルブ類,軸受,シリンダとピスト
ン等の摺動構造体における摺動界面の摩擦抵抗の低減、
摩損・疵等の抑制防止に奏効し、健全な摺動界面および
摺動機能の向上安定化に寄与し、摺動構造物の耐用寿命
の改善,メンテナンスの軽減効果をもたらすものであ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図〔I〕は本発明の実施例を示す断面図、〔II〕お
よび〔III〕は同図〔I〕に示す部材の正面図である。 10:ボディシート、20:ディスク、23,24,25:焼結合金
層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柳瀬 啓一 大阪府枚方市中宮大池1丁目1番1号 久保田鉄工株式会社枚方製造所内 (72)発明者 好光 新 大阪府枚方市中宮大池1丁目1番1号 久保田鉄工株式会社枚方製造所内 (56)参考文献 特開 昭51−146318(JP,A) 特開 昭61−266209(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】相対向する2つの摺動部材の一方の摺動部
    材は、コバルト基合金粉末と、ZrB2,CrB,TiB2の1種な
    いし2種以上のホウ化物粉末の混合物の焼結により形成
    された、コバルト基合金マトリックスに分散相粒子とし
    てホウ化物粒子5〜80重量%が混在した複合組織を有す
    る焼結合金からなる摺動面を有し、他方の摺動部材は、
    窒化けい素セラミックからなる摺動面を有することを特
    徴とする摺動面構造。
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