JP3164917B2 - 低摩擦セラミックス - Google Patents

低摩擦セラミックス

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は，Ｓｉを含む非酸
化物セラミックスを母相とする低摩擦セラミックスに関
する。
【０００２】
【従来の技術】従来，炭化ケイ素ＳｉＣ，窒化硼素ＢＮ
を窒化ケイ素Ｓｉ3 Ｎ4 中に分散させて摩擦係数を低減
するものは，例えば，特開昭５９−３０７６９号公報に
開示されている。また，焼結助剤として，Ｆｅ3 Ｏ4 等
の鉄Ｆｅの酸化物を添加した窒化ケイ素Ｓｉ3 Ｎ4 は，
例えば，特開昭５８−６４２６８号公報，特開昭５９−
８８３７４号公報，特開昭６１−７２６８５号公報等に
開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで，窒化ケイ素
のセラミックスについては，低い摩擦係数を持つものが
望まれている。一般に，Ｓｉ3 Ｎ4 中に，炭化ケイ素，
窒化ホウ素或いは酸化物を分散させた場合には，結合界
面での反応性に乏しく，材料自体の強度が低下し，好ま
しくはない。また，上記公報に開示されているように，
焼結助剤としてＦｅ3 Ｏ4 等の鉄の酸化物を添加したも
のでは，該酸化量が少なく，また低摩擦の特性を得るこ
とができない。
【０００４】この発明の目的は，上記の課題を解決する
ことであり，Ｆｅの酸化物をＳｉを含む非酸化物セラミ
ックスの母相中に所定量添加することによって，オイル
との吸着性を向上させ，低い摩擦係数で且つ高い強度を
持つ低摩擦セラミックスを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この発明は，Ｓｉを含む
非酸化物セラミックスを母相とし，その中にＦｅのケイ
化物及びＦｅの酸化物が分散していることを特徴とする
低摩擦セラミックスに関する。ここで，Ｓｉを含む非酸
化物セラミックスとしては，炭化ケイ素（ＳｉＣ），窒
化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ），炭化ケイ素と窒化ケイ素の複
合材，サイアロン（Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ），Ｓｉ−Ｏ−
Ｎがある。
【０００６】また，この低摩擦セラミックスにおいて，
前記Ｓｉを含む非酸化物セラミックスは，Ｓｉ3 Ｎ4 及
びＳｉＣのうちいずれかである。
【０００７】また，この低摩擦セラミックスにおいて，
前記Ｆｅの化合物のサイズは，５μｍ以下である。
【０００８】また，この低摩擦セラミックスにおいて，
前記Ｆｅの化合物がＦｅＯ，Ｆｅ2Ｏ3 ，Ｆｅ3 Ｏ4 に
換算して，５ｗｔ％〜４０ｗｔ％程度含まれている。
【０００９】この発明による低摩擦セラミックスは，上
記のように構成されているので，Ｓｉを含む非酸化物セ
ラミックスを母相とし，その中にＦｅの化合物が分散し
ているものであり，従来の窒化ケイ素に比較して低い摩
擦係数を示し，しかも低い摩擦係数にありながら強度は
無添加のものと同等であるか，或いはそれ以上の強度を
有するものとなり，エンジン部品等に使用できる十分な
強度を確保できる。
【００１０】また，この低摩擦セラミックスは，Ｆｅ
Ｏ，Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｆｅ3 Ｏ4 等のＦｅの酸化物を添加原
料として窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）の母相中に所定量，
即ち，５ｗｔ％〜４０ｗｔ％分散させることによって，
オイルとの吸着性を良好にして低い摩擦係数で且つ高い
強度を維持した窒化ケイ素と鉄（Ｆｅ）の化合物との複
合材を得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下，この発明による低摩擦セラ
ミックスの実施例を，図面を参照して説明する。図１は
この低摩擦セラミックスの鉄酸化物の添加量に対する摩
擦係数を示すグラフ，図２はこの低摩擦セラミックスの
鉄酸化物の添加量に対する４点曲げ強度の平均を示すグ
ラフ，図３はこの低摩擦セラミックスの鉄酸化物の添加
量についての荷重，速度及び潤滑油粘度のパラメータに
対する摩擦係数の関係を示すグラフ，図４はこの低摩擦
セラミックスの摺動試験片のＳＥＭによる組織を示す５
０００倍の拡大図，図５はこの低摩擦セラミックスの摺
動試験片のＳＥＭによる組織を示す１０００倍の拡大
図，及び図６はこの低摩擦セラミックスの摺動試験片の
Ｘ線マイクロ定性分析法によるグラフである。
【００１２】この低摩擦セラミックスは，炭化ケイ素
（ＳｉＣ），窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4），炭化ケイ素と
窒化ケイ素の複合材，サイアロン（Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−
Ｎ），Ｓｉ−Ｏ−ＮのＳｉを含む非酸化物セラミックス
を，強度を劣化させることなく，低い摩擦係数のセラミ
ックスにすることであり，Ｓｉを含む非酸化物セラミッ
クスを母相とし，その中にＦｅの化合物であるＦｅのケ
イ化物及びＦｅの酸化物を分散させることを特徴とする
ものである。
【００１３】また，この低摩擦セラミックスにおいて，
Ｓｉを含む非酸化物セラミックスは，Ｓｉ3 Ｎ4 及びＳ
ｉＣのうちいずれかであることが好ましいものである。
また，Ｆｅの化合物のサイズは，５μｍ以下であること
が好ましいものである。更に，Ｆｅの化合物がＦｅＯ，
Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｆｅ3 Ｏ4 に換算して，５ｗｔ％〜４０ｗ
ｔ％程度含まれていることが強度を余り低下させず，好
ましいものである。
【００１４】この発明による低摩擦セラミックスは，次
のようにして作製することができる。まず，この発明の
低摩擦セラミックスを製造する実施例１として，次のよ
うな工程で低摩擦セラミックスを作製した。
【００１５】実施例１として，この低摩擦セラミックス
の製造方法において，まず，Ｓｉ3Ｎ4 ，Ａｌ2 Ｏ3 及
びＹ2 Ｏ3 を次の比率で配合する。Ｓｉ3 Ｎ4 ：Ａｌ2
Ｏ3：Ｙ2 Ｏ3 ＝９０：５：５の比率で配合する。この
総量に対して３種類のＦｅの酸化物即ちＦｅＯ，Ｆｅ2
Ｏ3 ，Ｆｅ3 Ｏ4 を所定量加え，蒸留水，バインダと共
に，ボールミルにて約２４時間混合して混合物を作った
後，該混合物をスプレードライヤによって造粒処理を行
なって粒状物を作った。この時，Ｆｅの酸化物の添加量
を種々に変更して種々の粒状物を作った。
【００１６】次いで，造粒処理したこれらの粒状物を，
まず，２５×２０×１００ｍｍの内寸とした金型内で予
備成形した後，予備成形体をＣＩＰによって約２０００
ｋｇｆ／ｃｍ2 の圧力によって直方体の種々の成形体を
得た。これらの成形体を脱脂した後に，これらの脱脂成
形体を９．３ＭＰａのＮ2 雰囲気中で，最高温度１８５
０℃まで加熱焼成して緻密な種々の焼結体を得た。
【００１７】上記の工程を経て作製したこれらの焼結体
を，摺動試験を行なうため，研削し，研磨して１６×１
０×７０ｍｍの摺動試験用テストピースとして種々の直
方体摺動試験片を作製した。これらの焼結体の摺動試験
をするための相手側の部材即ち相手側摺動試験片とし
て，相対密度９９％以上の窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）焼
結体を作製し，この相手側摺動試験片の端面を曲率半径
９ｍｍの球面としたピンを作製した。
【００１８】そこで，直方体摺動試験片の１つの面に，
相手側摺動試験片のピンをほぼ垂直となるようにセット
し，荷重１．０ｋｇｆ，温度１５０℃，摺動速度１．０
ｍ／ｓの摺動試験条件で，それらの摩擦係数を測定し
た。この摺動試験の時に，潤滑油として，耐熱性に優れ
る合成オイルを使用した。各種の鉄酸化物（Ｆｅm Ｏn
＝ＦｅＯ，Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｆｅ3 Ｏ4 ）の添加量を変えた
Ｓｉ3 Ｎ4 の試験結果を図１に示す。図１から分かるよ
うに，Ｓｉ3 Ｎ4 へのＦｅm Ｏn の添加量が１０ｗｔ％
〜２０ｗｔ％の範囲内では，摩擦係数μは約０．０１と
低くなり，それ以上のＦｅm Ｏn の添加量では，摩擦係
数μはやや上昇する傾向であることが認められた。ま
た，緻密な焼結体を選び，その焼結体に対する潤滑油の
接触角度を測定したところ，Ｆｅm Ｏn とＳｉ3 Ｎ4 と
の複合材では，接触角が小さく，吸着性に優れているこ
とを確認した。また，鉄酸化物の添加量を多く（４０ｗ
ｔ％以上）した複合材では，組織観察によると，気孔が
残っており，摺動時には相手材との噛み合いによって摩
擦抵抗が大きくなったものと推察される。また，図１で
Ｆｅm Ｏn の添加量が０の点は従来のＳｉ3 Ｎ4 を示す
比較例となる。
【００１９】次に，鉄の酸化物の添加量を１０％，２０
％としたＳｉ3 Ｎ4 について，その中に存在する相の固
定を，Ｘ線マイクロ定性分析法（Qualitative Analisi
s）によって行なったところ，図６に示すように，Ｆｅ
−Ｓｉから成る化合物，即ち，鉄のケイ化物であること
が分かった。この化合物が潤滑油との吸着性に優れると
推察される。
【００２０】また，上記の製造方法で作製した直方体摺
動試験片を切削して４点曲げ用試験片を作製し，その強
度を測定したところ，図２に示すような結果を得た。図
２から分かるように，Ｆｅm Ｏn の添加量を増加させる
に従って，強度が低下する。そして，Ｆｅm Ｏn の添加
量が１０ｗｔ％〜２０ｗｔ％の４点曲げ用試験片では，
Ｆｅm Ｏn を添加しないＳｉ3 Ｎ4 に比較して，強度は
同等か，或いはそれ以上の強度を有することが分かっ
た。また，図２でＦｅm Ｏn の添加量が０の点は従来の
Ｓｉ3 Ｎ4 を示す比較例となる。
【００２１】また，Ｆｅm Ｏn の添加量が１０ｗｔ％〜
２０ｗｔ％の摺動試験片の組織を，ＳＥＭ（Scanning E
lectron Microscopy）で観察した。図４及び図５には，
Ｆｅm Ｏn の添加量が１０％の摺動試験片の組織を示す
ものである。図４は摺動試験片の５０００倍であり，ま
た，図５は摺動試験片の１０００倍である。また，図４
及び図５において，白く見える部分が，Ｆｅ−Ｓｉ化合
物である。Ｆｅm Ｏnの添加量が１０ｗｔ％の摺動試験
片では，鉄を含んだ部分は固溶せず，分散した状態で存
在していることが分かった。そして，摺動試験片の組織
には，気孔はほぼ認められず，結晶粒子の成長が鉄の酸
化物によって抑制され，微細で且つ均一になっているこ
とが分かった。このような組織は，グリフィスの関係式
から考えて高強度化に有利と思われる。
【００２２】また，Ｆｅm Ｏn の添加量を更に増加させ
る摺動試験片については，強度が低下するが，これらを
上記と同様に組織観察したところ，Ｆｅm Ｏn の凝集が
認められ，その凝集したところに気孔が存在していた。
即ち，摺動試験片に気孔が残存する結果，それらの気孔
が破壊の起点となるため，摺動試験片の強度が低下した
ものと考えられる。
【００２３】更に，摺動試験片の荷重，速度，潤滑油の
粘度をまとめたパラメータを横軸にとり，各条件におけ
る摩擦係数を測定した結果を，図３に示す。図３におい
て，荷重をＦ，速度をＶ及び潤滑油の粘度をηとする
と，上記パラメータＰは次のとおりである。Ｐ＝ｌｏｇ
（η×Ｖ／Ｆ）である。Ｐの単位は次のとおりである。
Ｐの単位は〔×１０-6・（ｍ2 ／Ｓ）・（ｍ／Ｓ）／ｋ
ｇ〕である。図３から分かるように，このＦｅm Ｏn を
添加した試験片は，Ｆｅm Ｏn の無添加のＳｉ3Ｎ4 に
比較して，混合潤滑域での低摩擦化に有効であることが
分かる。
【００２４】次に，この発明による低摩擦セラミックス
の別の実施例を実施例２として説明する。
【００２５】実施例２として，この低摩擦セラミックス
の製造方法において，炭化ケイ素粉末，焼結助剤として
ホウ素，及びＦｅ3 Ｏ4 を所定量配合する。それに２倍
の蒸留水を加えて，実施例１と同様に，混合して混合物
を作った後，該混合物をスプレードライヤによって造粒
処理を行なって粒状物を作った。次いで，実施例１と同
様の条件によって焼結体を作製して試験片を作製した。
それらの試験片の摺動特性，強度を測定したところ，表
１に示すような結果を得た。
【表１】
【００２６】表１から分かるように，Ｆｅ3 Ｏ4 の添加
量が１０ｗｔ％及び２０ｗｔ％では，摩擦係数μは０．
０１５及び０．０２４であり，強度は４７８ＭＰａ及び
４９０ＭＰａであった。そして，Ｆｅ3 Ｏ4 の添加量を
増加させた３０ｗｔ％では，摩擦係数μは０．０３３で
あり，強度は４６３ＭＰａであった。これに対して，Ｆ
ｅ3 Ｏ4 の無添加の場合には，摩擦係数μは０．０３９
であり，強度は５６０ＭＰａであった。上記のように，
実施例２で作製した低摩擦セラミックスは，実施例１の
ものよりも強度面でやや劣るが，鉄酸化物の複合効果が
認められた。
【００２７】次に，この発明による低摩擦セラミックス
を，従来のセラミックスと比較するため，比較例１とし
て，鉄酸化物を添加する代わりに，窒化ホウ素ＢＮを添
加したＳｉ3 Ｎ4 の比較試験片を，実施例１と同様な工
程で種々作製した。これらの比較試験片の摺動特性及び
強度を測定したところ，表２に示すような結果を得た。
更に，この発明による低摩擦セラミックスを，従来のセ
ラミックスと比較するため，比較例２として，鉄酸化物
を添加する代わりに，炭化ケイ素（ＳｉＣ）を添加した
窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）の比較試験片を，実施例１と
同様な工程で種々作製した。これらの比較試験片の摺動
特性及び強度を測定したところ，表２に示すような結果
を得た。
【表２】
【００２８】表２から分かるように，比較例１では，Ｂ
Ｎの添加量が１０，１５，２０ｗｔ％の時に，摩擦係数
μは０．０１８，０．０２６，０．０３２であり，強度
は５６０，４２０，１１６ＭＰａであった。また，比較
例２では，ＳｉＣの添加量が１０，１５，２０ｗｔ％の
時に，摩擦係数μは０．０２５，０．０３３，０．０４
６であり，強度は７６８，６４５，４７２ＭＰａであっ
た。従って，ＢＮを添加したＳｉ3 Ｎ4 の比較試験片及
びＳｉＣを添加したＳｉ3 Ｎ4 の比較試験片は，この発
明による低摩擦セラミックスに比較して，強度の劣化が
著しく，摩擦係数μに対する低減も効果が少ないことが
分かる。
【００２９】
【発明の効果】この発明による低摩擦セラミックスは，
上記のように構成されており，次のような効果を有す
る。即ち，この低摩擦セラミックスは，Ｓｉを含む非酸
化物セラミックスを母相とし，その中にＦｅの化合物が
分散しているものであり，従来の窒化ケイ素に比較して
低い摩擦係数を示し，しかも気孔がほとんどなく，低い
摩擦係数にありながら強度は無添加のものと同等である
か，或いはそれ以上の強度を有するセラミックスの複合
材となり，エンジン部品等に使用できる十分な強度を確
保できる。また，Ｓｉを含む非酸化物セラミックスとし
ては，ＳｉＣ，Ｓｉ3 Ｎ4 或いは混合材が好ましいもの
である。
【００３０】また，この低摩擦セラミックスは，Ｆｅ
Ｏ，Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｆｅ3 Ｏ4 等のＦｅの酸化物を窒化ケ
イ素の母相中に所定量，即ち，５ｗｔ％〜４０ｗｔ％添
加させて分散させることによって，オイルとの吸着性を
良好にして低い摩擦係数で且つ高い強度を維持した窒化
ケイ素と鉄酸化物との複合材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による低摩擦セラミックスの鉄酸化物
の添加量に対する摩擦係数を示すグラフである。
【図２】この発明による低摩擦セラミックスの鉄酸化物
の添加量に対する４点曲げ強度の平均を示すグラフであ
る。
【図３】この発明による低摩擦セラミックスの鉄酸化物
の添加量についての荷重，速度及び潤滑油粘度のパラメ
ータに対する摩擦係数の関係を示すグラフである。
【図４】この発明による低摩擦セラミックスの摺動試験
片のＳＥＭによる組織を示す５０００倍の拡大図であ
る。
【図５】この発明による低摩擦セラミックスの摺動試験
片のＳＥＭによる組織を示す１０００倍の拡大図であ
る。
【図６】この発明による低摩擦セラミックスの摺動試験
片のＸ線マイクロ定性分析法によるグラフである。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−97949（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−166266（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C04B 35/515 - 35/599 C04B 35/78

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 Ｓｉを含む非酸化物セラミックスを母相
    とし，その中にＦｅのケイ化物及びＦｅの酸化物が分散
    していることを特徴とする低摩擦セラミックス。
  2. 【請求項２】 前記Ｓｉを含む非酸化物セラミックス
    は，Ｓｉ3 Ｎ4 及びＳｉＣのうちいずれかであることを
    特徴とする請求項１に記載の低摩擦セラミックス。
  3. 【請求項３】 前記Ｆｅの化合物のサイズは，５μｍ以
    下であることを特徴とする請求項１に記載の低摩擦セラ
    ミックス。
  4. 【請求項４】 前記Ｆｅの化合物がＦｅＯ，Ｆｅ
    2 Ｏ3 ，Ｆｅ3 Ｏ4 に換算して，５ｗｔ％〜４０ｗｔ％
    程度含まれていることを特徴とする請求項１に記載の低
    摩擦セラミックス。
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