JP2822765B2 - 摺動部材 - Google Patents

摺動部材

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JP2822765B2 JP4089049A JP8904992A JP2822765B2 JP 2822765 B2 JP2822765 B2 JP 2822765B2 JP 4089049 A JP4089049 A JP 4089049A JP 8904992 A JP8904992 A JP 8904992A JP 2822765 B2 JP2822765 B2 JP 2822765B2
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千尋 河合
哲也 片山
晃 山川
健二 松沼
己雄 安岡
松夫 樋口
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、一般的には耐摩耗性
が要求される摺動部材に関し、より特定的には、高速摺
動等の厳しい摺動条件に耐え得る摺動部材に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】一般
に、レーザプリンタ、ファクシミリ、バーコード読取装
置等に設けられる回転駆動部を構成する部材には高速回
転に耐え得るものが要求される。たとえば、印字速度の
高速化に伴い、レーザプリンタにおけるポリゴンミラー
(多面鏡)の回転装置には20000r.p.m.以上
の回転速度が要求されるようになってきた。従来、この
回転装置における摺動部には、たとえば軸受部にはボー
ルベアリングが用いられてきた。しかしながら、焼付き
摩耗等の問題により、従来のボールベアリングを使用す
る限りにおいては16000r.p.m.程度が耐え得
る上限の回転速度であった。
【0003】レーザプリンタにおけるポリゴンミラーを
さらに高速度で回転させるために、SiC、Si3 4
等のセラミックスからなる空気軸受(動圧気体軸受)を
回転摺動部に用いることが特開平2−173610号公
報において提案されている。この空気軸受を用いる回転
装置においては、回転体が回転されると、少なくともラ
ジアル軸受体と回転体との間のクリアランスへ溝を介し
て空気が強制的に導入される。これにより、そのクリア
ランス内の空気圧が高められ、各部材間に設けられた空
気軸受を介して回転体が高速度で回転され得る。このよ
うに、高速回転を実現するために、軸受体と回転体との
間のクリアランスへ空気を強制的に導入するための溝を
軸受体に設ける必要がある。このことは、セラミックス
からなる軸受体に高い加工・組立て精度を要求し、製造
コストの上昇を招く。
【0004】一方、従来のSi3 4 等のセラミックス
によって形成された軸受体は、起動停止時における低速
域での各部材間の摺動には耐え得る。しかしながら、2
0000r.p.m.以上の高速回転における摺動にお
いては、軸受同士の接触による衝撃を伴ったたたき摩耗
現象が発生するため、従来のセラミックスからなる軸受
体はその摺動に耐えることが困難であった。
【0005】また、同様の現象が、フッ素を含む冷却媒
体として代替フロンを用いたコンプレッサ等の潤滑性に
乏しい摺動部でも発生している。
【0006】そこで、この発明は上記の問題点を解決す
るために成されたもので、高速摺動を代表例とする厳し
い摺動条件に耐え得る高い耐摩耗性を備えた摺動部材を
提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明に従った摺動部
材は窒化ケイ素系の焼結体を含む。その窒化ケイ素系の
焼結体は、長さ30μm当りの線密度が35個以上であ
る結晶粒子を含み、その粒界相の体積率が15体積%以
下、好ましくは10体積%以下である。また、その窒化
ケイ素系の焼結体は、最大径が20μm以下、好ましく
は10μm以下の気孔を含み、その気孔の含有率が3%
以下である。
【0008】この発明に従った摺動部材は、好ましく
は、フッ素を含む冷却媒体の雰囲気中におかれる摺動面
を備えた摺動部材である。また、摺動部材は、互いに接
触する一対の摺動面を構成する一対の部材からなり、少
なくとも一方の部材が前記窒化ケイ素系の焼結体からな
る。さらに好ましくは、摺動面の表面粗さは1.0μm
Ra以下である。
【0009】
【作用】この発明においては、一定値以上の線密度を有
する結晶粒子を含み、粒界相の体積率が一定値以下に抑
えられており、また気孔率が一定値以下に抑えられてい
るので、微細な結晶粒を備えた窒化ケイ素系の焼結体か
ら摺動部材が構成される。そのため、結晶粒子の脱落等
によって、摺動部材を構成する窒化ケイ素系の焼結体の
表面が欠損することなく、耐チッピング性にも優れる。
したがって、この発明に従った窒化ケイ素系の焼結体か
らなる摺動部材は、たたき摩耗現象を伴った高速摺動に
対しても優れた耐摩耗性を備えている。
【0010】さらに本発明者らは、無潤滑高速摺動に近
い厳しい摺動条件である代替フロン環境下で使用される
摺動部材に本発明に従った窒化ケイ素系の焼結体からな
る摺動部材を適用することを検討し、優れた耐摩耗性を
実証した。
【0011】本発明でいう代替フロン環境下とは、フッ
素を含む冷却媒体としての代替フロンのガス中および/
または液体中、あるいは代替フロンのガスおよび/また
は液体と潤滑剤の混合物中の雰囲気下をいう。また、代
替フロンはヒドロフルオロカーボン(HFC)、ヒドロ
クロロフルオロカーボン(HCFC)の単体または2種
以上の混合物である。
【0012】ヒドロフルオロカーボンの代表的なものの
分子式を表1に示す。
【0013】
【表1】
【0014】なお、本発明の摺動部材は、表1に示した
もの以外のヒドロフルオロカーボンに対しても有効であ
る。
【0015】また、ヒドロクロロフルオロカーボンの代
表的なものの分子式を表2に示す。
【0016】
【表2】
【0017】なお、本発明の摺動部材は、表2に示した
もの以外のヒドロクロロフルオロカーボンに対しても有
効である。
【0018】上記の代替フロンを用いたコンプレッサに
おいては、摺動部に用いられる金属同士が焼付く、ある
いは異常摩耗を起こすといった問題が発生している。本
発明者らは、上記の問題に対して鋭意研究を重ねた結
果、本発明の窒化ケイ素系焼結体を摺動部材に用いるこ
とにより、代替フロン環境下においても焼付きや異常摩
耗を起こさず、正常に作動する摺動部品を開発すること
に成功した。この場合、摺動面を形成する一対の部材の
うちの少なくとも一方が本発明の窒化ケイ素系焼結体か
らなることが必要である。
【0019】また、窒化ケイ素系焼結体からなる摺動部
材の摺動面の表面粗さが1.0μmRa以下であること
が好ましい。これは、摺動面の面圧によっては表面粗さ
が1.0μmRaを越える場合、一方の窒化ケイ素系焼
結体からなる部材が他方の部材を傷つけたり、他方の部
材が異常摩耗を起こすなどの恐れがあるからである。一
方、摺動面の表面粗さが1.0μmRa以下の場合、一
方の窒化ケイ素系焼結体からなる部材が他方の部材を傷
つけたり、他方の部材が異常摩耗を起こすことはほとん
どない。また、より好ましくは本発明の摺動部材の摺動
面の表面粗さを0.1μmRa以下に抑えるのがよい。
表面粗さを0.1μmRa以下に抑えた場合、代替フロ
ン環境下でも特に優れた低摩擦係数と耐摩耗性を達成で
きることを本発明者らは見出した。
【0020】
【実施例】
実施例1 まず、この発明の一実施例の摺動部材の材料として窒化
ケイ素系の焼結体の製造方法について説明する。
【0021】平均粒径が0.3μm、粒度分布が3σ=
0.20μm、α結晶化率が96.5%、酸素量が1.
4重量%であるSi3 4 の原料粉末を準備した。この
Si 3 4 の原料粉末を92重量%、平均粒径が0.8
μmのY2 3 粉末を4重量%、平均粒径が0.5μm
のAl2 3 粉末を3重量%、平均粒径が1.0μmの
AlN粉末を1重量%の割合で、エタノール中で100
時間ボールミルを用いて湿式混合した。その後、乾燥し
て得られた混合粉末を5000kg/cm2 の圧力でC
IP(冷間静水圧)成形した。得られた成形体を1気圧
の窒素ガス雰囲気下で温度1600℃において4時間保
持した。さらに、温度1750℃において6時間、焼結
処理を施すことにより焼結体を得た。その後、この焼結
体に温度1700℃において1000気圧の窒素ガス雰
囲気中で2時間のHIP(熱間静水圧)処理を施した。
【0022】このようにして得られた窒化ケイ素系の焼
結体において、平均長軸粒径は5μm以下であり、その
結晶粒のアスペクト比は4以上、最大の長軸粒径は15
μm以下であった。この焼結体はJIS3点曲げ強度8
0kg/mm2 以上,破壊靱性5MPa・m1/2 以上の
機械的特性を有していた。得られた焼結体からテストピ
ースを切りだし、アムスラー式摩耗試験に従って耐摩耗
性を評価した。
【0023】図1(A)は、サンプルに加えられる荷重
と回転速度の積(P・V)と摩耗率との関係を示すグラ
フである。図1において各曲線a〜eは以下のサンプル
によって得られた測定結果を示す。
【0024】a:本発明例 上記の製造方法によって得られた窒化ケイ素系の焼結体
で、長さ30μm当りの結晶粒子の線密度が40個、粒
界相の体積率が8体積%、気孔率が0.05%、気孔の
最大径が8μmであるもの。
【0025】b:比較例 上記の製造方法によって得られた窒化ケイ素系の焼結体
で、長さ30μm当りの結晶粒子の線密度が30個、粒
界相の体積率が16体積%、気孔率が3.2%、気孔の
最大径が22μmであるもの。
【0026】c,d,e:従来例 窯業協会誌、1985年第93巻第73頁〜第80頁
(特にFig.3)に示された窒化ケイ素系の焼結体の
サンプル。
【0027】なお、アムスラー式摩耗試験は、2個のリ
ング状サンプル(φ16mm×φ30mm×8mm)を
互いの円周面が正確に接触している状態で試験機の回転
軸に固定し、所定の荷重を加え、その回転軸を所定の回
転数で駆動させることにより、約100000回転の摺
動試験を行なった後、2個の試料の重量の減少度合を測
定することにより行なわれた。
【0028】図1の(A)から明らかなように、この発
明に従った焼結体は耐摩耗性に極めて優れている。図1
におけるP・V(kg・m/s)の値を摺動面の単位面
積当りに換算すると、図1の(B)に示されるようにな
る。
【0029】実施例2 実施例1で得られた本発明例aの焼結体と比較例bの焼
結体を用いて、HFC134aの液体中でアムスラー式
摩耗試験を実施した。この際、2個のリング状サンプル
(外径16mm×内径30mm×厚み8mm)の接触部
分がHFC134aの液体中に浸漬された状態で実施例
1と同一の荷重、回転数の条件で摩耗試験を実施した。
【0030】図2は、サンプルに加えられる荷重(面
圧)と回転速度の積(P・V)と摩耗率との関係を示す
グラフである。図2から明らかなように、この発明に従
った焼結体は代替フロン中でも耐摩耗性に極めて優れて
いることがわかる。
【0031】実施例3 実施例1で得られた本発明例aの焼結体、比較例bの焼
結体、軸受鋼、ハイス鋼で各々リングを作製した。各材
料ごとに摺動面の面粗さを0.01、0.1、0.5、
3μmRaにそれぞれ調製したリングを作製した。これ
らのリングに対して摺動する相手材として球状黒鉛鋳鉄
のリングを作製した。各々摺動面の面粗さを変えた各リ
ングと、球状黒鉛鋳鉄からなるリングとをHCFC22
/HFC152a/HCFC124の三種混合代替フロ
ン液体中で摺動させた。このとき、周速2m/秒で荷重
を変化させながら、リングオンリング摩擦試験機を用い
て焼付き荷重を測定した。試験中に鳴きが発生し、試験
機の振動が発生した時点を焼付き荷重とした。その結果
は表3に示される。
【0032】
【表3】
【0033】表3から明らかなように、本発明例aの焼
結体からなる摺動部材を用いると、高い焼付き荷重を得
ることができ、また、表面粗さを1.0μmRa以下、
さらに0.1μmRa以下にすると、より高い焼付き荷
重が得られることが判明した。
【0034】実施例4 斜板式のカーエアコン用コンプレッサにおいてAl−S
i合金製の斜板と接するシューを、実施例1で得られた
本発明例aの焼結体、比較例bの焼結体で構成した。こ
れらのシューを用いて、HFC134aを冷媒に、ポリ
アルキレングリコールを潤滑剤に用いて焼付きが発生し
たときの周速を評価した。シューの摺動面の面粗さは
0.1μmRaとした。焼付きの発生は異音の発生と駆
動電流値の異常上昇によって判断した。その結果は表4
に示される。
【0035】
【表4】
【0036】表4から明らかなように、本発明例の焼結
体からなるシューを用いると、焼付きが発生したときの
周速が高いことが判明した。
【0037】なお、本発明の摺動部材の実施例として、
コンプレッサ用の摺動部品を示したが、これに限定され
ることはない。たとえば、80000〜150000
r.p.m.の高速度で回転する過給機用タービン軸
受、20000〜30000r.p.m.の高速度で回
転するタービン,回転多面鏡の滑り軸受、CNC超精密
旋盤,円筒加工用超精密旋盤,超精密平面研削盤等の工
作機械に用いられる軸受等にも本発明の摺動部材は適用
され得る。
【0038】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、高速
摺動等の厳しい摺動条件下での用途に適用可能な、優れ
た耐摩耗性を備えた摺動部材が提供され得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の摺動部材を構成する焼結体の摩耗率
とP・Vの値との関係を従来例、比較例とともに示すグ
ラフである。
【図2】代替フロン中における、この発明の摺動部材を
構成する焼結体の摩耗率とP・Vとの関係を比較例とと
もに示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C10N 40:02 (72)発明者 山川 晃 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住 友電気工業株式会社 伊丹製作所内 (72)発明者 松沼 健二 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住 友電気工業株式会社 伊丹製作所内 (72)発明者 安岡 己雄 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住 友電気工業株式会社 伊丹製作所内 (72)発明者 樋口 松夫 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住 友電気工業株式会社 伊丹製作所内 (72)発明者 三宅 雅也 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住 友電気工業株式会社 伊丹製作所内 (56)参考文献 特開 昭63−55163(JP,A) 特開 昭63−206359(JP,A) 特開 昭59−197307(JP,A) 特開 平2−124771(JP,A) 特開 平1−242467(JP,A) 特開 平2−49956(JP,A) 特開 平2−173610(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/584 C04B 35/626

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 長さ30μm当りの線密度が35個以上
    である結晶粒子を含み、その粒界相の体積率が15体積
    %以下であり、最大径が20μm以下の気孔を含み、そ
    の気孔の含有率が3%以下である窒化ケイ素系の焼結体
    を含む摺動部材。
  2. 【請求項2】 前記摺動部材が、フッ素を含む冷却媒体
    の雰囲気中におかれる摺動面を備えた摺動部材である、
    請求項1に記載の摺動部材。
  3. 【請求項3】 前記摺動部材は、互いに接触する一対の
    摺動面を構成する一対の部材からなり、少なくとも一方
    の部材が前記窒化ケイ素系の焼結体からなる、請求項2
    に記載の摺動部材。
  4. 【請求項4】 摺動面の表面粗さが1.0μmRa以下
    であることを特徴とする、請求項2に記載の摺動部材。
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