JP2828565B2 - セラミック摺動部材およびその製造方法 - Google Patents
セラミック摺動部材およびその製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、フォーセットバルブな
どに好適に使用されるセラミック摺動部材およびその製
造方法に関する。
どに好適に使用されるセラミック摺動部材およびその製
造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】セラミック焼結体は、その優れた機械的強
度、耐化学薬品性、耐摩耗性などの優れた特性を有する
ことから、それぞれの特性を生かした各種の分野での応
用が進められている。
度、耐化学薬品性、耐摩耗性などの優れた特性を有する
ことから、それぞれの特性を生かした各種の分野での応
用が進められている。
【０００３】その中で、フォーセットバルブは、固定デ
ィスクと回転ディスクの２つの部材が湿式環境下で互い
に摺動することから、これらの部材は摺動特性に優れて
いることが要求される。そこで、このような２つの部材
をセラミックなどで構成することにより特性の改善が行
われている。
ィスクと回転ディスクの２つの部材が湿式環境下で互い
に摺動することから、これらの部材は摺動特性に優れて
いることが要求される。そこで、このような２つの部材
をセラミックなどで構成することにより特性の改善が行
われている。
【０００４】このような、従来のセラミック摺動部材
は、例えばＡｌ2 Ｏ3 などからなる高密度の焼結体より
構成され、その摺動面における表面粗さをおよそ０．５
μm 以下に鏡面研磨加工したものが用いられている。
は、例えばＡｌ2 Ｏ3 などからなる高密度の焼結体より
構成され、その摺動面における表面粗さをおよそ０．５
μm 以下に鏡面研磨加工したものが用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする問題点】ところが、従来のセ
ラミックからなるフォーセットバブルにおいて、流水、
特に温水を流しながらのレバー操作において、その作動
荷重が高くなりレバーが重くなる、極端な場合には固定
ディスクと回転ディスクがリンキングしてしまい、レバ
ー操作が出来なくなるという不具合が生じる場合もあ
る。
ラミックからなるフォーセットバブルにおいて、流水、
特に温水を流しながらのレバー操作において、その作動
荷重が高くなりレバーが重くなる、極端な場合には固定
ディスクと回転ディスクがリンキングしてしまい、レバ
ー操作が出来なくなるという不具合が生じる場合もあ
る。
【０００６】この原因は、図２に示すように、セラミッ
ク摺動面１、２間に水分子（Ｈ2 Ｏ）からなる薄い膜が
存在しており、２つのセラミック焼結体（Ａｌ2 Ｏ3 ）
の摺動面の原子（例えばＡｌ原子）がこの水分子を介し
てゆるい結合をつくるためと考えられる。
ク摺動面１、２間に水分子（Ｈ2 Ｏ）からなる薄い膜が
存在しており、２つのセラミック焼結体（Ａｌ2 Ｏ3 ）
の摺動面の原子（例えばＡｌ原子）がこの水分子を介し
てゆるい結合をつくるためと考えられる。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】本発明者は、上記問題
点に対して検討を重ねた結果、セラミック焼結体からな
る摺動部材の摺動面に活性な非晶質炭素を存在させたと
ころ、２つのセラミック部材間のトルクが小さくなり、
リンキングなどの発生を抑制できることを見出した。し
かも、その非晶質炭素を摺動面におけるセラミック結晶
粒子間の空隙あるいは粒界に存在させることにより、高
い摺動特性を維持し耐久性に優れた摺動部材が得られる
ことを知見し本発明に至った。
点に対して検討を重ねた結果、セラミック焼結体からな
る摺動部材の摺動面に活性な非晶質炭素を存在させたと
ころ、２つのセラミック部材間のトルクが小さくなり、
リンキングなどの発生を抑制できることを見出した。し
かも、その非晶質炭素を摺動面におけるセラミック結晶
粒子間の空隙あるいは粒界に存在させることにより、高
い摺動特性を維持し耐久性に優れた摺動部材が得られる
ことを知見し本発明に至った。
【０００８】即ち、本発明のセラミック摺動部材は、相
対密度が９５％以上の２つのセラミック焼結体からなる
部材が互いに摺動するセラミック摺動部材において、少
なくとも片方の部材の摺動面のセラミック結晶粒子間の
空隙あるいはその粒界に非晶質炭素が存在することを特
徴とするものである。また、セラミック摺動部材の製造
方法として、セラミック焼結体の摺動面を酸あるいはア
ルカリにより腐食処理した後、非晶質炭素を含浸塗布す
るか、あるいは熱処理により非晶質炭素を生成する物質
を含浸後、熱処理することにより前記摺動面のセラミッ
ク結晶粒子間の空隙あるいはその粒界に非晶質炭素を生
成させたことを特徴とするものである。
対密度が９５％以上の２つのセラミック焼結体からなる
部材が互いに摺動するセラミック摺動部材において、少
なくとも片方の部材の摺動面のセラミック結晶粒子間の
空隙あるいはその粒界に非晶質炭素が存在することを特
徴とするものである。また、セラミック摺動部材の製造
方法として、セラミック焼結体の摺動面を酸あるいはア
ルカリにより腐食処理した後、非晶質炭素を含浸塗布す
るか、あるいは熱処理により非晶質炭素を生成する物質
を含浸後、熱処理することにより前記摺動面のセラミッ
ク結晶粒子間の空隙あるいはその粒界に非晶質炭素を生
成させたことを特徴とするものである。
【０００９】
【作用】本発明の構成によれば、摺動面に非晶質炭素を
存在させることにより、セラミック部材間のトルクを下
げることができる。この理由としては、図１に示すよう
に、２つのセラミック部材１、２間に存在する水分子が
セラミックを構成する原子（Ａｌ）よりも非晶質炭素３
の炭素原子と結合しやすくなるために、先に図２にて説
明したようなセラミック部材間の水分子を介した結合が
少なくなるためと考えられる。
存在させることにより、セラミック部材間のトルクを下
げることができる。この理由としては、図１に示すよう
に、２つのセラミック部材１、２間に存在する水分子が
セラミックを構成する原子（Ａｌ）よりも非晶質炭素３
の炭素原子と結合しやすくなるために、先に図２にて説
明したようなセラミック部材間の水分子を介した結合が
少なくなるためと考えられる。
【００１０】また、平滑な摺動面に均一に炭素をコーテ
ィングした場合には、摺動により炭素膜が摩耗したり、
剥離するが、非晶質炭素を摺動面におけるセラミック結
晶粒子４間の空隙あるいは粒界に分散して存在させるこ
とにより、セラミック結晶自体が摩耗しない限り、非晶
質炭素が摺動面に残存し、しかもセラミックによる摺動
特性と摺動面の機械的強度を維持できることから、摺動
部材としての耐久性を向上させることができる。
ィングした場合には、摺動により炭素膜が摩耗したり、
剥離するが、非晶質炭素を摺動面におけるセラミック結
晶粒子４間の空隙あるいは粒界に分散して存在させるこ
とにより、セラミック結晶自体が摩耗しない限り、非晶
質炭素が摺動面に残存し、しかもセラミックによる摺動
特性と摺動面の機械的強度を維持できることから、摺動
部材としての耐久性を向上させることができる。
【００１１】さらに、炭素を非晶質炭素として存在させ
たのは、グラファイトのように結晶性炭素では、後述す
る実施例に示すように効果がない。これは、グラファイ
トが炭素原子同士が安定に結合しているために水分子と
の結合への寄与が小さいために上述した作用が期待でき
ないためである。
たのは、グラファイトのように結晶性炭素では、後述す
る実施例に示すように効果がない。これは、グラファイ
トが炭素原子同士が安定に結合しているために水分子と
の結合への寄与が小さいために上述した作用が期待でき
ないためである。
【００１２】本発明の摺動部材は、上記メカニズムによ
り、フォーセットバルブの他に、湿式摺動するセラミッ
クメカニカルシール、ボールバルブ等への応用も当然可
能である。
り、フォーセットバルブの他に、湿式摺動するセラミッ
クメカニカルシール、ボールバルブ等への応用も当然可
能である。
【００１３】
【実施例】以下、本発明を詳述する。通常、セラミック
摺動部材の摺動面は、セラミック多結晶質からなるが、
本発明によれば、その多結晶質の結晶粒子間の空隙、あ
るいは粒界に非晶質炭素が存在する。この非晶質炭素
は、分布の形態によって異なるが、その摺動面における
面積比率でおよそ２〜６０％の割合を占めることが望ま
しい。これは、非晶質炭素量が面積比率で２％より低い
と本発明の前記作用が発揮されず、６０％より大きい
と、セラミック自体の機械的強度が確保できず、摺動面
の耐久性が劣化するためである。
摺動部材の摺動面は、セラミック多結晶質からなるが、
本発明によれば、その多結晶質の結晶粒子間の空隙、あ
るいは粒界に非晶質炭素が存在する。この非晶質炭素
は、分布の形態によって異なるが、その摺動面における
面積比率でおよそ２〜６０％の割合を占めることが望ま
しい。これは、非晶質炭素量が面積比率で２％より低い
と本発明の前記作用が発揮されず、６０％より大きい
と、セラミック自体の機械的強度が確保できず、摺動面
の耐久性が劣化するためである。
【００１４】本発明における摺動部材を構成するセラミ
ック焼結体は、相対密度が９５％、特に９８％以上の高
密度体からなるものであって、フォーセットバルブなど
のように湿式摺動の場合、耐水性、硬度および製造コス
トの点からＡｌ2 Ｏ3 質焼結体であることが望ましい。
Ａｌ2 Ｏ3 質焼結体には、焼結助剤としてＳｉＯ2 、Ｍ
ｇＯ、ＣａＯなどの酸化物を含んでいても問題はない。
ック焼結体は、相対密度が９５％、特に９８％以上の高
密度体からなるものであって、フォーセットバルブなど
のように湿式摺動の場合、耐水性、硬度および製造コス
トの点からＡｌ2 Ｏ3 質焼結体であることが望ましい。
Ａｌ2 Ｏ3 質焼結体には、焼結助剤としてＳｉＯ2 、Ｍ
ｇＯ、ＣａＯなどの酸化物を含んでいても問題はない。
【００１５】なお、本発明におけるセラミック摺動部材
は、２つのセラミック部材が互いに湿式摺動する場合に
おいて特に有効であり、この２つのセラミック部材の少
なくとも片方のセラミック部材の摺動面に前述したよう
な非晶質炭素を含むように構成される。
は、２つのセラミック部材が互いに湿式摺動する場合に
おいて特に有効であり、この２つのセラミック部材の少
なくとも片方のセラミック部材の摺動面に前述したよう
な非晶質炭素を含むように構成される。
【００１６】次に、本発明におけるセラミック摺動部材
を製造する方法について説明すると、まず、摺動部材を
構成するセラミック焼結体を作製する。例えば、Ａｌ2
Ｏ3質焼結体を製造する方法としては、従来より公知の
方法が採用され、具体的にはＡｌ2 Ｏ3 粉末に、所望に
よりＳｉＯ2 、ＭｇＯ、ＣａＯなどを添加し、所望の成
形手段、例えば、金型プレス，冷間静水圧プレス，押出
し成形等により任意の摺動部材形状に成形し、その後、
この成形体を１３００〜１７００℃の酸化雰囲気中で１
〜５時間程度焼成することにより得ることができる。
を製造する方法について説明すると、まず、摺動部材を
構成するセラミック焼結体を作製する。例えば、Ａｌ2
Ｏ3質焼結体を製造する方法としては、従来より公知の
方法が採用され、具体的にはＡｌ2 Ｏ3 粉末に、所望に
よりＳｉＯ2 、ＭｇＯ、ＣａＯなどを添加し、所望の成
形手段、例えば、金型プレス，冷間静水圧プレス，押出
し成形等により任意の摺動部材形状に成形し、その後、
この成形体を１３００〜１７００℃の酸化雰囲気中で１
〜５時間程度焼成することにより得ることができる。
【００１７】次に、上記にて得られた焼結体の少なくと
も摺動面を表面粗さＲａが０．１〜０．３μｍ程度にな
るように鏡面研磨（ラッピング）加工を施す。その後、
その摺動面を酸またはアルカリにより腐食処理する。腐
食処理は、具体的には、塩酸、酢酸、硝酸などの強酸
や、ＮａＯＨ、ＫＯＨなどの強アルカリ液を摺動面に塗
布するか、あるいは焼結体をこれらの液中に、望ましく
は加温して一定時間保持する。この処理により、セラミ
ック焼結体の表面から、表面に存在するセラミック結晶
の粒界成分が溶出したり、結晶粒子自体が浸食され、焼
結体の表面には空隙が形成される。この処理により焼結
体の表面粗さＲａは０．２〜１．０μｍ程度まで低下す
る。
も摺動面を表面粗さＲａが０．１〜０．３μｍ程度にな
るように鏡面研磨（ラッピング）加工を施す。その後、
その摺動面を酸またはアルカリにより腐食処理する。腐
食処理は、具体的には、塩酸、酢酸、硝酸などの強酸
や、ＮａＯＨ、ＫＯＨなどの強アルカリ液を摺動面に塗
布するか、あるいは焼結体をこれらの液中に、望ましく
は加温して一定時間保持する。この処理により、セラミ
ック焼結体の表面から、表面に存在するセラミック結晶
の粒界成分が溶出したり、結晶粒子自体が浸食され、焼
結体の表面には空隙が形成される。この処理により焼結
体の表面粗さＲａは０．２〜１．０μｍ程度まで低下す
る。
【００１８】次に、この処理物を十分に乾燥した後、こ
の処理面に対して非晶質炭素を塗布するか、あるいは熱
処理により非晶質炭素を形成する、例えばフェノール樹
脂のような物質を塗布する。非晶質炭素そのものの塗布
では、不均一になりやすいため、フェノール樹脂などを
塗布する方が望ましい。樹脂の塗布は、樹脂の溶液を塗
布するか、溶液中に焼結体を浸漬することにより行う。
の処理面に対して非晶質炭素を塗布するか、あるいは熱
処理により非晶質炭素を形成する、例えばフェノール樹
脂のような物質を塗布する。非晶質炭素そのものの塗布
では、不均一になりやすいため、フェノール樹脂などを
塗布する方が望ましい。樹脂の塗布は、樹脂の溶液を塗
布するか、溶液中に焼結体を浸漬することにより行う。
【００１９】そして、この樹脂を塗布したものを乾燥し
た後に、窒素中で４００〜７００℃で熱処理することに
より樹脂が熱分解し非晶質炭素が生成され、焼結体の摺
動面におけるセラミック結晶粒子間の空隙や、結晶粒界
に非晶質炭素が存在した組織が形成される。
た後に、窒素中で４００〜７００℃で熱処理することに
より樹脂が熱分解し非晶質炭素が生成され、焼結体の摺
動面におけるセラミック結晶粒子間の空隙や、結晶粒界
に非晶質炭素が存在した組織が形成される。
【００２０】以下、本発明を具体的な例で説明する。 実施例 アルミナ粉末に対してＳｉＯ2 、ＣａＯ、ＭｇＯの焼結
助剤を４重量％の割合で添加したものをボールミルにて
十分に混合し、これを固定ディスクあるいは回転ディス
ク形状にプレス成形した後、１６００℃の大気雰囲気中
で１時間焼成して、相対密度９９％以上のアルミナ質焼
結体を得た。
助剤を４重量％の割合で添加したものをボールミルにて
十分に混合し、これを固定ディスクあるいは回転ディス
ク形状にプレス成形した後、１６００℃の大気雰囲気中
で１時間焼成して、相対密度９９％以上のアルミナ質焼
結体を得た。
【００２１】次に、この焼結体の表面を表面粗さＲａ
０．１〜０．３μｍになるようにラッピングを行った
後、３０％ＮａＯＨ溶液中にて８０℃で４時間浸漬して
腐食処理をおこなった。この処理により約２〜４ｍｇの
重量減少があり、表面粗さＲａは０．４μｍとなった。
０．１〜０．３μｍになるようにラッピングを行った
後、３０％ＮａＯＨ溶液中にて８０℃で４時間浸漬して
腐食処理をおこなった。この処理により約２〜４ｍｇの
重量減少があり、表面粗さＲａは０．４μｍとなった。
【００２２】次に、この腐食処理した焼結体を残炭率約
２０％のフェノール樹脂溶液中に浸漬し、大気中１１０
℃で乾燥した後、Ｎ2 気流中６００℃にて炭化処理して
摺動部材を得た。摺動面を観察したところ、セラミック
結晶粒子間の空隙およびその粒界が黒くなり炭素が浸透
していることが確認された。
２０％のフェノール樹脂溶液中に浸漬し、大気中１１０
℃で乾燥した後、Ｎ2 気流中６００℃にて炭化処理して
摺動部材を得た。摺動面を観察したところ、セラミック
結晶粒子間の空隙およびその粒界が黒くなり炭素が浸透
していることが確認された。
【００２３】なお、比較として、アルミナ質焼結体に対
して何ら処理を行わないもの（未処理）、腐食処理のみ
行ったもの（腐食処理）、腐食処理をせずに樹脂を塗布
し炭化処理をおこなったもの（炭化処理）を作製した。
さらに、本発明品の製造において、腐食処理後、フェノ
ール樹脂の代わりに超微粉末グラファイト懸濁液に浸
し、その後、不活性雰囲気中で７００℃で加熱処理した
もの（Ｇ処理）を準備した。このＧ処理品の摺動面の結
晶粒間にはグラファイトが固着していた。
して何ら処理を行わないもの（未処理）、腐食処理のみ
行ったもの（腐食処理）、腐食処理をせずに樹脂を塗布
し炭化処理をおこなったもの（炭化処理）を作製した。
さらに、本発明品の製造において、腐食処理後、フェノ
ール樹脂の代わりに超微粉末グラファイト懸濁液に浸
し、その後、不活性雰囲気中で７００℃で加熱処理した
もの（Ｇ処理）を準備した。このＧ処理品の摺動面の結
晶粒間にはグラファイトが固着していた。
【００２４】得られた各摺動部材をＡＢＳ樹脂からなる
フォーセットバルブケーシングに固定ディスク、回転デ
ィスクを表１に示す組み合わせで組み込み、６０℃の温
水を通しながらレバー操作により水の出止を繰り返し、
レバー操作回数によるレバー操作トルクの変化を求め
た。その結果を表１に示す。
フォーセットバルブケーシングに固定ディスク、回転デ
ィスクを表１に示す組み合わせで組み込み、６０℃の温
水を通しながらレバー操作により水の出止を繰り返し、
レバー操作回数によるレバー操作トルクの変化を求め
た。その結果を表１に示す。
【００２５】
【表１】
【００２６】表１に示すように、比較例のもの（試料Ｎ
o.１，２，５，６）のものはレバー操作回数が増すにつ
れてレバー操作荷重が増加し、４００回のレベルで操作
荷重が１．０ｋｇｆを越えてしまうのに対して、本発明
品は、初期は増加傾向にあるものの１０００回に至って
も０．９ｋｇｆ以下に維持されており、レバー操作が軽
く優れていることがわかる。
o.１，２，５，６）のものはレバー操作回数が増すにつ
れてレバー操作荷重が増加し、４００回のレベルで操作
荷重が１．０ｋｇｆを越えてしまうのに対して、本発明
品は、初期は増加傾向にあるものの１０００回に至って
も０．９ｋｇｆ以下に維持されており、レバー操作が軽
く優れていることがわかる。
【００２７】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
従来品に比較して操作トルクが低く、操作回数によるト
ルクの変化が小さく、リンキングなどの不具合を解消
し、長期にわたり優れた摺動特性を得ることができる。
従来品に比較して操作トルクが低く、操作回数によるト
ルクの変化が小さく、リンキングなどの不具合を解消
し、長期にわたり優れた摺動特性を得ることができる。
【００２８】よって、本発明の摺動部材はフォーセット
バルブの他に、湿式摺動するセラミックメカニカルシー
ル、ボールバルブ等への応用も可能である。
バルブの他に、湿式摺動するセラミックメカニカルシー
ル、ボールバルブ等への応用も可能である。
【図１】本発明のセラミック摺動部材の作用を説明する
ための図である。
ための図である。
【図２】従来のセラミック摺動部材における問題を説明
するための図である。
するための図である。
１，２ セラミック部材 ３ 非晶質炭素 ４ セラミック結晶粒子
Claims (2)
- 【請求項１】相対密度が９５％以上の２つのセラミック
焼結体からなる部材が互いに摺動するセラミック摺動部
材において、少なくとも片方の部材の摺動面のセラミッ
ク結晶粒子間の空隙あるいはその粒界に非晶質炭素が存
在することを特徴とするセラミック摺動部材。 - 【請求項２】セラミック焼結体の摺動面を酸あるいはア
ルカリにより腐食処理した後、非晶質炭素を含浸塗布す
るか、あるいは熱処理により非晶質炭素を生成する物質
を含浸後、熱処理することにより前記摺動面のセラミッ
ク結晶粒子間の空隙あるいはその粒界に非晶質炭素を生
成させたことを特徴とするセラミック摺動部材の製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5151832A JP2828565B2 (ja) | 1993-06-23 | 1993-06-23 | セラミック摺動部材およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5151832A JP2828565B2 (ja) | 1993-06-23 | 1993-06-23 | セラミック摺動部材およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0717784A JPH0717784A (ja) | 1995-01-20 |
| JP2828565B2 true JP2828565B2 (ja) | 1998-11-25 |
Family
ID=15527285
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5151832A Expired - Lifetime JP2828565B2 (ja) | 1993-06-23 | 1993-06-23 | セラミック摺動部材およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2828565B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3393724B2 (ja) * | 1995-01-31 | 2003-04-07 | 京セラ株式会社 | 摺動装置及びフォーセットバルブ |
| JP2003026489A (ja) * | 2001-07-16 | 2003-01-29 | Maruwa:Kk | セラミックス製摺動部材の製造方法 |
| JP2005206411A (ja) * | 2004-01-22 | 2005-08-04 | Nippon Kouatsu Electric Co | セラミックスへの炭素皮膜形成方法 |
| WO2018155637A1 (ja) * | 2017-02-27 | 2018-08-30 | 京セラ株式会社 | 耐食性部材 |
-
1993
- 1993-06-23 JP JP5151832A patent/JP2828565B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| JPH0717784A (ja) | 1995-01-20 |
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