JP3481774B2 - セラミック製摺動装置 - Google Patents
セラミック製摺動装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は水栓、湯水混合栓、
浄水器などの水処理付き水栓、薬液用バルブ、医療用サ
ンプリングバルブなどのディスクバルブやシールリン
グ、軸受、電磁弁などを構成するセラミック製摺動装置
に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】従来、水栓、湯水混合栓、薬液用バル
ブ、医療用サンプリングバルブ等のディスクバルブやシ
ールリング、軸受などを構成する摺動装置は、耐摩耗
性、耐食性に優れるとともに、安定した摺動特性を有す
ることが要求されており、上記摺動装置を構成する摺動
部材をセラミックスで形成したものが使用されている。
そして、これらのセラミック製摺動部材同士の摺動では
滑らかな摺動特性が得難いことから、摺接面間に潤滑剤
を介在させて摩擦係数を低減するようになっていた。 【０００３】例えば、湯水混合栓として使用されている
ディスクバルブは、緻密なセラミックスからなる２枚の
弁体の摺接面に微細な凹溝や加工傷を設けて互いの摺接
面を摺り合わせるとともに、摺接面間およびその凹溝や
加工傷に潤滑剤を介在させて相対摺動させることにより
各弁体に形成した流体通路の開閉を行い、供給流体の流
量を調整するようになっていた（特開平２−２３９１７
１号公報参照）。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】ところが、摺動性とシ
ール性は相反するものであり、弁体の摺接面に形成した
凹溝や加工傷が大きすぎるとシール性が損なわれ、逆
に、摺接面の凹溝や加工傷が小さすぎると潤滑剤がなく
なった時に弁体同士が張り付いて動かなくなる、いわゆ
るリンキング現象を生じて摺動トルクが増大し、弁体操
作が困難なものとなってしまうといった課題があった。 【０００５】また、摺接面に凹溝や加工傷を設けたもの
では、摺動に伴い凹溝や加工傷のエッジ部が破損し易
く、その破片が摺接面間に挟まると摺接面を傷付け、シ
ール性が損なわれるとともに、滑らかな弁体操作が損な
われるといった課題があった。 【０００６】そこで、弁体の三次元網目構造を有する多
孔質セラミックスにより形成するとともに、上記多孔質
セラミックスの開気孔中に潤滑剤として樹脂やオイルな
どを含浸させたものが提案されている（特開昭６１−２
０６８７５号公報、特開昭６１−２４４９８０号公報、
特開昭６２−３７５１７号公報参照）。 【０００７】しかしながら、上記多孔質セラミックスか
らなる弁体を用いたものでは、硬度の小さい樹脂やオイ
ル部分の摩耗が激しいために摺接面が凹凸面となり易
く、弁体の操作力が大きくなってしまうといった課題が
あった。 【０００８】しかも、上記多孔質セラミックスは、通常
の焼成温度より低い温度で焼成して形成されたものであ
り、セラミック粒子同士が完全に焼結したものではな
く、緻密なセラミックスに比べて機械的強度および硬度
が低く、比較的短期間で摺接面が摩耗するといった課題
があった。 【０００９】 【課題を解決するための手段】そこで本発明は、上記課
題に鑑み、摺接面間に潤滑剤を介して互いに摺動するセ
ラミック製摺動部材をそれぞれ主成分が同じ材質からな
るセラミックスにより形成するとともに、少なくとも一
方のセラミック製摺動部材を、摺接面に平均気孔径が５
〜３０μｍの独立した開気孔を有するとともに、任意に
１０ヶ所選んだ上記摺接面の１０８０μｍ×１０８０μ
ｍの領域を画像解析装置で測定した実体摺動面積率が４
０〜９０％で、かつ上記１０ヶ所の領域の実体摺動面積
率の標準偏差値が４〜１０％であり、アルキメデス法で
測定した気孔率が４％以下である多孔質セラミックスに
より形成したことを特徴とする。 【００１０】 【課題を解決するための手段】本発明は、摺接面間に潤
滑剤を介して互いに摺動するセラミック製摺動部材をそ
れぞれ主成分が同じ材質からなるセラミックスにより形
成するとともに、少なくとも一方のセラミック製摺動部
材を、摺接面に独立した開気孔を有する多孔質セラミッ
クスで形成したことを特徴とする。 【００１１】即ち、摺接面に独立した開気孔を有する多
孔質セラミックスとは、図１に示すような表面２に独立
した開気孔３を、内部に閉気孔４を備え、一部内部の閉
気孔４同士や表面２の独立した開気孔３同士、あるいは
内部の閉気孔４と表面２の独立した開気孔３とが互いに
連通したものであっても良いが、一方の表面２に存在す
る開気孔３が他の表面２に存在する開気孔３と連通した
貫通孔を実質的に持たない多孔質セラミックス１のこと
であり、図４に示すような一方の表面１２に存在する開
気孔１３と他方の表面１２に存在する開気孔１３とが内
部の気孔１４と連通した貫通孔１５を有する３次元網目
構造をした多孔質セラミックス１１とは明らかに異なる
ものである。 【００１２】その為、他方の摺動部材を緻密なセラミッ
クで形成し、その摺接面を平滑、平坦面としたとしても
接触面積を小さくできるため、リンキングを生じること
なく安定した摺動特性を長期間にわたって維持すること
ができる。しかも、摺接面の独立した開気孔中には潤滑
剤を保持させることができ、摺接面間に介在する潤滑剤
の量が少なくなった時には開気孔中の潤滑剤を摺接面間
に適量供給することができるため、潤滑剤による滑らか
な摺動特性を長期間にわたって得ることができる。 【００１３】ところで、上記多孔質セラミックスからな
る摺動部材の摺接面に存在する独立した開気孔の平均気
孔径は５〜３０μｍの範囲で設けることが重要である。 【００１４】即ち、摺接面に存在する開気孔の平均気孔
径が５μｍ未満では、摺動に伴うリンキングを充分に抑
えることができないために安定した摺動特性が得られ
ず、さらには開気孔中に潤滑剤を充填することが難しい
からであり、逆に、摺接面に存在する開気孔の平均気孔
径を３０μｍより大きくすることは製造上難しく、ま
た、機械的特性が低下することから摺接面が短期間に摩
耗してしまうからである。 【００１５】また、摺接面に存在する開気孔の占める割
合が少なすぎるとリンキングの発生につながり、逆に多
くなりすぎると機械的特性が低下して摩耗し易くなる。 【００１６】その為、摺接面における実体摺動面積率は
４０％〜９０％とする必要がある。 【００１７】ここで、実体摺動面積率とは、摺接面の一
定領域内の特定面積中から独立した開気孔および表面欠
落部等が占有する面積を除いた摺動に寄与する面積率の
ことであり、数１により算出することができる。 【００１８】 【数１】 【００１９】また、摺動面に存在する開気孔の分布状態
が不均一であると、長期間にわたり滑らかな摺動特性が
得られない。 【００２０】そこで、本発明は、上記実体摺動面積率の
標準偏差値を数２により算出することで摺接面に存在す
る開気孔の分布状態を数値化したものであり、この標準
偏差値を１０％以下とすることにより、長期使用におい
ても滑らかな摺動特性が得られることを見出したもので
ある。 【００２１】 【数２】 【００２２】即ち、実体摺動面積率の標準偏差値が１０
％より大きくなると、摺接面に存在する開気孔が一部分
に凝集し、結果として摺接面に気孔径の大きな開気孔が
不均一に存在した状態となるために開気孔に保持した潤
滑剤が流出し易く、その結果、比較的短い期間で摺動特
性が低下してしまうからである。 【００２３】なお、セラミックスからなる摺動部材同士
を安定して摺動させるためには、一方の摺接面を中心線
平均粗さ（Ｒａ）で０．３μｍ以下、好ましくは０．１
μｍ以下の鏡面とし、他方の摺接面は若干粗面とした中
心線平均粗さ（Ｒａ）０．５μｍ以下の面とすれば良
い。 【００２４】また、本発明に係るセラミック製摺動装置
を構成する双方の摺動部材は、耐摩耗性、耐蝕性の点か
らアルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素を主体と
するセラミックスで形成することが好ましく、少なくと
もビッカース硬度１１００ｋｇ／ｍｍ2 以上を有するセ
ラミックスで形成すれば良い。 【００２５】次に、上記多孔質セラミックスからなる摺
動部材の製造方法を説明する。 【００２６】まず、各種のセラミック原料を用意する。
ここで、セラミック原料とは主原料に助剤を添加したも
のであり、例えば、主原料がアルミナ粉末である時に
は、焼結助剤としてＭｇＯ、ＳｉＯ2 、ＣａＯなどのう
ち少なくとも１種を、主原料がジルコニア粉末である時
には安定化剤としてＹ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＣｅＯ
2 などのうち少なくとも１種を添加すれば良い。また、
主原料が炭化珪素粉末である時には助剤としてＣ、Ｂ、
Ａｌ2 Ｏ3 、Ｙ2 Ｏ3 、Ｂ4 Ｏなどのうち少なくとも１
種を、主原料が窒化珪素粉末である時には助剤として周
期律表２ａ、３ａ族元素の酸化物や窒化物などのうち少
なくとも１種をそれぞれ添加すれば良い。 【００２７】 【発明の効果】以上のように、本発明によれば、摺接面
間に潤滑剤を介して互いに摺動するセラミック製摺動部
材をそれぞれ主成分が同じ材質からなるセラミックスに
より形成するとともに、少なくとも一方のセラミック製
摺動部材を、摺接面に平均気孔径が５〜３０μｍの独立
した開気孔を有するとともに、上記摺接面の実体摺動面
積率が４０〜９０％でかつ上記実体摺動面積率の標準偏
差値が１０％以下である多孔質セラミックスにより形成
してセラミック製摺動装置を構成したことにより、双方
の摺接面を摩耗させることなく、安定した摺動特性を長
期間にわたって維持することができる。しかも、上記開
気孔中に潤滑剤を保持させることができるため、摺接面
の潤滑剤が減少したとしても、開気孔中に保持する潤滑
剤を摺接面間に適量供給することができるため、潤滑剤
による滑らかな摺動特性を長期間にわたって維持するこ
とができる。 【００２８】なお、本発明においては互いに摺動するセ
ラミック製摺動部材のうち少なくとも一方の摺動部材
を、摺接面に独立した開気孔を有する多孔質セラミック
スで形成すれば良く、さらには双方のセラミック製摺動
部材を上記多孔質セラミックスで形成したものであって
も構わない。 【００２９】 【実施例】以下、本発明実施例として湯水混合栓を構成
するディスクバルブを例にとって説明する。 【００３０】図２は本発明に係るディスクバルブの弁体
のみを示す斜視図であり、可動弁体２０および固定弁体
３０は共に、上下面を貫通する流体通路２２、３２を備
えた外径４０ｍｍ、厚み５ｍｍの円盤状をしたもので、
可動弁体２０をアルミナ純度が８０％の緻密なアルミナ
セラミックスにより形成するとともに、その摺接面２１
を中心線平均粗さ（Ｒａ）０．１μｍ、平坦度１μｍと
し、固定弁体３０は表面に独立した開気孔を有するアル
ミナ純度が８０％の多孔質アルミナセラミックスにより
形成するとともに、その摺接面３１を中心線平均粗さ
（Ｒａ）０．２μｍ、平坦度１μｍとしてある。 【００３１】そして、双方の弁体２０、３０の摺接面２
１、３１間に潤滑剤４０を介在させて摺接させ、可動弁
体２０を矢印の方向へ移動させることで互いの弁体２
０、３０に備える流体通路２２、３２の開閉を行い、供
給流体の流量調整を行うようにしてある。 【００３２】ここで、上記ディスクバルブの固定弁体３
０を構成する多孔質アルミナセラミックスの気孔率、平
均気孔径、実体摺動面積率、実体摺動面積率の標準偏差
値、ビッカース硬度を変化させ、摺接面２１、３１間に
潤滑剤４０を介在させない状態で可動弁体２０を移動さ
せた時のリンキングの有無およびシール性について実験
を行った。 【００３３】本実験では、図３に示すように双方の弁体
２０、３０の摺接面２１、３１同士を２２０ｋｇｆ・ｃ
ｍの軸力で押さえ付け、流体通路２２、３２に８０℃の
湯水を１ｋｇｆ／ｃｍ2 の圧力で供給した状態で可動弁
体２０を移動させた時のリンキングの有無およびシール
性について測定した。 【００３４】ただし、気孔率はアルキメデス法により測
定し、平均気孔径は任意に１０か所選んだ摺動面３１の
１０８０μｍ×１０８０μｍ（１．１７ｍｍ2 ）領域を
金属顕微鏡で５０倍に拡大し、画像解析装置（装置名：
ルーゼックス、ＴＨＲ（コントラスト）６０〜７０％）
によりその領域における気孔径を測定し、これらの平均
値を平均気孔径とした。 【００３５】また、実体摺動面積率は、任意に１０か所
選んだ摺動面３１の１０８０μｍ×１０８０μｍ（１．
１７ｍｍ2 ）領域を金属顕微鏡で２００倍に拡大し、画
像解析装置（装置名 クオンティメータ）によりその領
域における摺動面積率を測定し、これらの平均値を実体
摺動面積率とするとともに、実体摺動面積率の標準偏差
値（σn-1 ）は数２により上記１０カ所の摺動面積率を
用いて算出した。 【００３６】さらに、ビッカース硬度（Ｈｖ）は荷重１
ｋｇｆで３カ所測定した時の最小値を採用した。 【００３７】結果は表１に示す通りである。 【００３８】 【表１】 【００３９】この結果、試料Ｎｏ．１〜４では、摺接面
３１に存在する独立した開気孔の平均気孔径が５μｍ未
満と小さく、また、実体摺動面積率が９０％以上である
ためにリンキングが発生した。 【００４０】一方、試料Ｎｏ．１４、１５は、摺接面３
１に存在する独立した開気孔の平均気孔径が３０μｍよ
り大きく、実体摺動面積率も４０％未満であるために摺
接面２１、３１間より水漏れが見られた。 【００４１】また、試料Ｎｏ．９、１０は、摺接面３１
に存在する独立した開気孔の平均気孔径が５〜３０μｍ
で、かつ実体摺動面積率が４０〜９０％の範囲にあるた
めにリンキングの発生はなかったものの、実体摺動面積
率の標準偏差値（σn-1 ）が１０％より大きいために摺
接面２１、３１間より若干の水漏れが見られた。 【００４２】これに対し、試料Ｎｏ．５〜１３の本発明
に係るものでは、摺接面３１に存在する独立した開気孔
の平均気孔径が５〜３０μｍで、かつ実体摺動面積率が
４０〜９０％の範囲にあることからリンキングを生じる
ことがなく、また、実体摺動面積率の標準偏差値（σn-
1 ）が１０％以下であるために水漏れを生じることもな
かった。 【００４３】そこで、図３に示すディスクバルブの摺接
面２１、３１間に約４００ｍｇのシリコングリースを介
在させ、１０万回摺動させた時の弁体操作力と摺動試験
後の固定弁体３０の摩耗量を測定した。 【００４４】弁体操作力は、ハンドル視点から測定位置
までの距離を８３ｍｍとして力を加えた時に、可動弁体
２０が動き始める力をロードセル（不図示）にて測定し
た。 【００４５】そして、近年要求されている弁体操作力が
１．０ｋｇｆ以下であるとともに、固定弁体３０の摩耗
量が３μｍ以下であるものを優れたものとした。 【００４６】なお、固定弁体３０の摩耗量については３
μｍ以下であるものを○、３μｍを越えたものを×とし
た。 【００４７】結果は表２に示す通りである。 【００４８】 【表２】 【００４９】この結果、試料Ｎｏ．１〜４は、摺接面３
１に存在する独立した開気孔の平均気孔径が５μｍ未満
と小さく、また、実体摺動面積率が９０％以上であるた
めに、２万回程度の摺動により弁体操作力が増大し、４
万回摺動させた時点では弁体操作力が１．０ｋｇｆを越
え、６万回の摺動では潤滑剤がなくなり弁体操作力が
２．０ｋｇｆ以上となった。しかも、試料Ｎｏ．３、４
は、ビッカース硬度が１１００ｋｇｆ／ｍｍ2 未満であ
ることから、可動弁体２０との摺動に伴い摺接面３１の
摩耗量が３μｍを越えた。 【００５０】一方、試料Ｎｏ．９、１０は、摺接面３１
に存在する独立した開気孔の平均気孔径が５〜３０μｍ
でかつ実体摺動面積率が４０〜９０％の範囲にあるもの
の、実体摺動面積率の標準偏差値が１０％より大きいた
めに６万回までは滑らかな摺動特性が得られたものの、
６万回を越えた時点から急激に摺接面２１、３１間の潤
滑剤がなくなり、８万回摺動させた時点では摺接面２
１、３１間の潤滑剤がほぼ完全になくなり、弁体操作力
が２．０ｋｇｆ以上となった。 【００５１】これに対し、試料Ｎｏ．６、８、１１、１
３は、摺接面３１に存在する独立した開気孔の平均気孔
径が５〜３０μｍで、摺接面３１の実体摺動面積率が４
０〜９０％の範囲にあり、かつ上記実体摺動面積率の標
準偏差値が１０％以下であるために、１０万回の摺動に
おいても摺接面２１、３１間の潤滑剤が完全になくなる
ことはなく、弁体操作力１．０ｋｇｆ以下を満足するこ
とができた。 【００５２】このことから、摺接面間に潤滑剤を保持さ
せ、長期間にわたり滑らかな摺動特性を維持するために
は、摺接面３１に存在する独立した開気孔の平均気孔径
を５〜３０μｍとし、摺接面３１の実体摺動面積率を４
０〜９０％とするとともに、上記実体摺動面積率の標準
偏差値を１０％以下とすれば良いことが判る。 【００５３】 【発明の効果】以上のように、本発明によれば、摺接面
間に潤滑剤を介して互いに摺動するセラミック製摺動部
材のうち少なくとも一方の摺動部材を、摺接面に平均気
孔径が５〜３０μｍの独立した開気孔を有するととも
に、上記摺接面の実体摺動面積率が４０〜９０％でかつ
上記実体摺動面積率の標準偏差値が１０％以下である多
孔質セラミックスにより形成してセラミック製摺動装置
を構成したことにより、双方の摺接面を摩耗させること
なく、安定した摺動特性を長期間にわたって維持するこ
とができる。しかも、上記開気孔中に潤滑剤を保持させ
ることができるため、摺接面間の潤滑剤が減少したとし
ても、開気孔中に保持する潤滑剤を摺接面間に適量供給
することができるため、潤滑剤による滑らかな摺動特性
を長期間にわたって維持することができる。
浄水器などの水処理付き水栓、薬液用バルブ、医療用サ
ンプリングバルブなどのディスクバルブやシールリン
グ、軸受、電磁弁などを構成するセラミック製摺動装置
に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】従来、水栓、湯水混合栓、薬液用バル
ブ、医療用サンプリングバルブ等のディスクバルブやシ
ールリング、軸受などを構成する摺動装置は、耐摩耗
性、耐食性に優れるとともに、安定した摺動特性を有す
ることが要求されており、上記摺動装置を構成する摺動
部材をセラミックスで形成したものが使用されている。
そして、これらのセラミック製摺動部材同士の摺動では
滑らかな摺動特性が得難いことから、摺接面間に潤滑剤
を介在させて摩擦係数を低減するようになっていた。 【０００３】例えば、湯水混合栓として使用されている
ディスクバルブは、緻密なセラミックスからなる２枚の
弁体の摺接面に微細な凹溝や加工傷を設けて互いの摺接
面を摺り合わせるとともに、摺接面間およびその凹溝や
加工傷に潤滑剤を介在させて相対摺動させることにより
各弁体に形成した流体通路の開閉を行い、供給流体の流
量を調整するようになっていた（特開平２−２３９１７
１号公報参照）。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】ところが、摺動性とシ
ール性は相反するものであり、弁体の摺接面に形成した
凹溝や加工傷が大きすぎるとシール性が損なわれ、逆
に、摺接面の凹溝や加工傷が小さすぎると潤滑剤がなく
なった時に弁体同士が張り付いて動かなくなる、いわゆ
るリンキング現象を生じて摺動トルクが増大し、弁体操
作が困難なものとなってしまうといった課題があった。 【０００５】また、摺接面に凹溝や加工傷を設けたもの
では、摺動に伴い凹溝や加工傷のエッジ部が破損し易
く、その破片が摺接面間に挟まると摺接面を傷付け、シ
ール性が損なわれるとともに、滑らかな弁体操作が損な
われるといった課題があった。 【０００６】そこで、弁体の三次元網目構造を有する多
孔質セラミックスにより形成するとともに、上記多孔質
セラミックスの開気孔中に潤滑剤として樹脂やオイルな
どを含浸させたものが提案されている（特開昭６１−２
０６８７５号公報、特開昭６１−２４４９８０号公報、
特開昭６２−３７５１７号公報参照）。 【０００７】しかしながら、上記多孔質セラミックスか
らなる弁体を用いたものでは、硬度の小さい樹脂やオイ
ル部分の摩耗が激しいために摺接面が凹凸面となり易
く、弁体の操作力が大きくなってしまうといった課題が
あった。 【０００８】しかも、上記多孔質セラミックスは、通常
の焼成温度より低い温度で焼成して形成されたものであ
り、セラミック粒子同士が完全に焼結したものではな
く、緻密なセラミックスに比べて機械的強度および硬度
が低く、比較的短期間で摺接面が摩耗するといった課題
があった。 【０００９】 【課題を解決するための手段】そこで本発明は、上記課
題に鑑み、摺接面間に潤滑剤を介して互いに摺動するセ
ラミック製摺動部材をそれぞれ主成分が同じ材質からな
るセラミックスにより形成するとともに、少なくとも一
方のセラミック製摺動部材を、摺接面に平均気孔径が５
〜３０μｍの独立した開気孔を有するとともに、任意に
１０ヶ所選んだ上記摺接面の１０８０μｍ×１０８０μ
ｍの領域を画像解析装置で測定した実体摺動面積率が４
０〜９０％で、かつ上記１０ヶ所の領域の実体摺動面積
率の標準偏差値が４〜１０％であり、アルキメデス法で
測定した気孔率が４％以下である多孔質セラミックスに
より形成したことを特徴とする。 【００１０】 【課題を解決するための手段】本発明は、摺接面間に潤
滑剤を介して互いに摺動するセラミック製摺動部材をそ
れぞれ主成分が同じ材質からなるセラミックスにより形
成するとともに、少なくとも一方のセラミック製摺動部
材を、摺接面に独立した開気孔を有する多孔質セラミッ
クスで形成したことを特徴とする。 【００１１】即ち、摺接面に独立した開気孔を有する多
孔質セラミックスとは、図１に示すような表面２に独立
した開気孔３を、内部に閉気孔４を備え、一部内部の閉
気孔４同士や表面２の独立した開気孔３同士、あるいは
内部の閉気孔４と表面２の独立した開気孔３とが互いに
連通したものであっても良いが、一方の表面２に存在す
る開気孔３が他の表面２に存在する開気孔３と連通した
貫通孔を実質的に持たない多孔質セラミックス１のこと
であり、図４に示すような一方の表面１２に存在する開
気孔１３と他方の表面１２に存在する開気孔１３とが内
部の気孔１４と連通した貫通孔１５を有する３次元網目
構造をした多孔質セラミックス１１とは明らかに異なる
ものである。 【００１２】その為、他方の摺動部材を緻密なセラミッ
クで形成し、その摺接面を平滑、平坦面としたとしても
接触面積を小さくできるため、リンキングを生じること
なく安定した摺動特性を長期間にわたって維持すること
ができる。しかも、摺接面の独立した開気孔中には潤滑
剤を保持させることができ、摺接面間に介在する潤滑剤
の量が少なくなった時には開気孔中の潤滑剤を摺接面間
に適量供給することができるため、潤滑剤による滑らか
な摺動特性を長期間にわたって得ることができる。 【００１３】ところで、上記多孔質セラミックスからな
る摺動部材の摺接面に存在する独立した開気孔の平均気
孔径は５〜３０μｍの範囲で設けることが重要である。 【００１４】即ち、摺接面に存在する開気孔の平均気孔
径が５μｍ未満では、摺動に伴うリンキングを充分に抑
えることができないために安定した摺動特性が得られ
ず、さらには開気孔中に潤滑剤を充填することが難しい
からであり、逆に、摺接面に存在する開気孔の平均気孔
径を３０μｍより大きくすることは製造上難しく、ま
た、機械的特性が低下することから摺接面が短期間に摩
耗してしまうからである。 【００１５】また、摺接面に存在する開気孔の占める割
合が少なすぎるとリンキングの発生につながり、逆に多
くなりすぎると機械的特性が低下して摩耗し易くなる。 【００１６】その為、摺接面における実体摺動面積率は
４０％〜９０％とする必要がある。 【００１７】ここで、実体摺動面積率とは、摺接面の一
定領域内の特定面積中から独立した開気孔および表面欠
落部等が占有する面積を除いた摺動に寄与する面積率の
ことであり、数１により算出することができる。 【００１８】 【数１】 【００１９】また、摺動面に存在する開気孔の分布状態
が不均一であると、長期間にわたり滑らかな摺動特性が
得られない。 【００２０】そこで、本発明は、上記実体摺動面積率の
標準偏差値を数２により算出することで摺接面に存在す
る開気孔の分布状態を数値化したものであり、この標準
偏差値を１０％以下とすることにより、長期使用におい
ても滑らかな摺動特性が得られることを見出したもので
ある。 【００２１】 【数２】 【００２２】即ち、実体摺動面積率の標準偏差値が１０
％より大きくなると、摺接面に存在する開気孔が一部分
に凝集し、結果として摺接面に気孔径の大きな開気孔が
不均一に存在した状態となるために開気孔に保持した潤
滑剤が流出し易く、その結果、比較的短い期間で摺動特
性が低下してしまうからである。 【００２３】なお、セラミックスからなる摺動部材同士
を安定して摺動させるためには、一方の摺接面を中心線
平均粗さ（Ｒａ）で０．３μｍ以下、好ましくは０．１
μｍ以下の鏡面とし、他方の摺接面は若干粗面とした中
心線平均粗さ（Ｒａ）０．５μｍ以下の面とすれば良
い。 【００２４】また、本発明に係るセラミック製摺動装置
を構成する双方の摺動部材は、耐摩耗性、耐蝕性の点か
らアルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素を主体と
するセラミックスで形成することが好ましく、少なくと
もビッカース硬度１１００ｋｇ／ｍｍ2 以上を有するセ
ラミックスで形成すれば良い。 【００２５】次に、上記多孔質セラミックスからなる摺
動部材の製造方法を説明する。 【００２６】まず、各種のセラミック原料を用意する。
ここで、セラミック原料とは主原料に助剤を添加したも
のであり、例えば、主原料がアルミナ粉末である時に
は、焼結助剤としてＭｇＯ、ＳｉＯ2 、ＣａＯなどのう
ち少なくとも１種を、主原料がジルコニア粉末である時
には安定化剤としてＹ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＣｅＯ
2 などのうち少なくとも１種を添加すれば良い。また、
主原料が炭化珪素粉末である時には助剤としてＣ、Ｂ、
Ａｌ2 Ｏ3 、Ｙ2 Ｏ3 、Ｂ4 Ｏなどのうち少なくとも１
種を、主原料が窒化珪素粉末である時には助剤として周
期律表２ａ、３ａ族元素の酸化物や窒化物などのうち少
なくとも１種をそれぞれ添加すれば良い。 【００２７】 【発明の効果】以上のように、本発明によれば、摺接面
間に潤滑剤を介して互いに摺動するセラミック製摺動部
材をそれぞれ主成分が同じ材質からなるセラミックスに
より形成するとともに、少なくとも一方のセラミック製
摺動部材を、摺接面に平均気孔径が５〜３０μｍの独立
した開気孔を有するとともに、上記摺接面の実体摺動面
積率が４０〜９０％でかつ上記実体摺動面積率の標準偏
差値が１０％以下である多孔質セラミックスにより形成
してセラミック製摺動装置を構成したことにより、双方
の摺接面を摩耗させることなく、安定した摺動特性を長
期間にわたって維持することができる。しかも、上記開
気孔中に潤滑剤を保持させることができるため、摺接面
の潤滑剤が減少したとしても、開気孔中に保持する潤滑
剤を摺接面間に適量供給することができるため、潤滑剤
による滑らかな摺動特性を長期間にわたって維持するこ
とができる。 【００２８】なお、本発明においては互いに摺動するセ
ラミック製摺動部材のうち少なくとも一方の摺動部材
を、摺接面に独立した開気孔を有する多孔質セラミック
スで形成すれば良く、さらには双方のセラミック製摺動
部材を上記多孔質セラミックスで形成したものであって
も構わない。 【００２９】 【実施例】以下、本発明実施例として湯水混合栓を構成
するディスクバルブを例にとって説明する。 【００３０】図２は本発明に係るディスクバルブの弁体
のみを示す斜視図であり、可動弁体２０および固定弁体
３０は共に、上下面を貫通する流体通路２２、３２を備
えた外径４０ｍｍ、厚み５ｍｍの円盤状をしたもので、
可動弁体２０をアルミナ純度が８０％の緻密なアルミナ
セラミックスにより形成するとともに、その摺接面２１
を中心線平均粗さ（Ｒａ）０．１μｍ、平坦度１μｍと
し、固定弁体３０は表面に独立した開気孔を有するアル
ミナ純度が８０％の多孔質アルミナセラミックスにより
形成するとともに、その摺接面３１を中心線平均粗さ
（Ｒａ）０．２μｍ、平坦度１μｍとしてある。 【００３１】そして、双方の弁体２０、３０の摺接面２
１、３１間に潤滑剤４０を介在させて摺接させ、可動弁
体２０を矢印の方向へ移動させることで互いの弁体２
０、３０に備える流体通路２２、３２の開閉を行い、供
給流体の流量調整を行うようにしてある。 【００３２】ここで、上記ディスクバルブの固定弁体３
０を構成する多孔質アルミナセラミックスの気孔率、平
均気孔径、実体摺動面積率、実体摺動面積率の標準偏差
値、ビッカース硬度を変化させ、摺接面２１、３１間に
潤滑剤４０を介在させない状態で可動弁体２０を移動さ
せた時のリンキングの有無およびシール性について実験
を行った。 【００３３】本実験では、図３に示すように双方の弁体
２０、３０の摺接面２１、３１同士を２２０ｋｇｆ・ｃ
ｍの軸力で押さえ付け、流体通路２２、３２に８０℃の
湯水を１ｋｇｆ／ｃｍ2 の圧力で供給した状態で可動弁
体２０を移動させた時のリンキングの有無およびシール
性について測定した。 【００３４】ただし、気孔率はアルキメデス法により測
定し、平均気孔径は任意に１０か所選んだ摺動面３１の
１０８０μｍ×１０８０μｍ（１．１７ｍｍ2 ）領域を
金属顕微鏡で５０倍に拡大し、画像解析装置（装置名：
ルーゼックス、ＴＨＲ（コントラスト）６０〜７０％）
によりその領域における気孔径を測定し、これらの平均
値を平均気孔径とした。 【００３５】また、実体摺動面積率は、任意に１０か所
選んだ摺動面３１の１０８０μｍ×１０８０μｍ（１．
１７ｍｍ2 ）領域を金属顕微鏡で２００倍に拡大し、画
像解析装置（装置名 クオンティメータ）によりその領
域における摺動面積率を測定し、これらの平均値を実体
摺動面積率とするとともに、実体摺動面積率の標準偏差
値（σn-1 ）は数２により上記１０カ所の摺動面積率を
用いて算出した。 【００３６】さらに、ビッカース硬度（Ｈｖ）は荷重１
ｋｇｆで３カ所測定した時の最小値を採用した。 【００３７】結果は表１に示す通りである。 【００３８】 【表１】 【００３９】この結果、試料Ｎｏ．１〜４では、摺接面
３１に存在する独立した開気孔の平均気孔径が５μｍ未
満と小さく、また、実体摺動面積率が９０％以上である
ためにリンキングが発生した。 【００４０】一方、試料Ｎｏ．１４、１５は、摺接面３
１に存在する独立した開気孔の平均気孔径が３０μｍよ
り大きく、実体摺動面積率も４０％未満であるために摺
接面２１、３１間より水漏れが見られた。 【００４１】また、試料Ｎｏ．９、１０は、摺接面３１
に存在する独立した開気孔の平均気孔径が５〜３０μｍ
で、かつ実体摺動面積率が４０〜９０％の範囲にあるた
めにリンキングの発生はなかったものの、実体摺動面積
率の標準偏差値（σn-1 ）が１０％より大きいために摺
接面２１、３１間より若干の水漏れが見られた。 【００４２】これに対し、試料Ｎｏ．５〜１３の本発明
に係るものでは、摺接面３１に存在する独立した開気孔
の平均気孔径が５〜３０μｍで、かつ実体摺動面積率が
４０〜９０％の範囲にあることからリンキングを生じる
ことがなく、また、実体摺動面積率の標準偏差値（σn-
1 ）が１０％以下であるために水漏れを生じることもな
かった。 【００４３】そこで、図３に示すディスクバルブの摺接
面２１、３１間に約４００ｍｇのシリコングリースを介
在させ、１０万回摺動させた時の弁体操作力と摺動試験
後の固定弁体３０の摩耗量を測定した。 【００４４】弁体操作力は、ハンドル視点から測定位置
までの距離を８３ｍｍとして力を加えた時に、可動弁体
２０が動き始める力をロードセル（不図示）にて測定し
た。 【００４５】そして、近年要求されている弁体操作力が
１．０ｋｇｆ以下であるとともに、固定弁体３０の摩耗
量が３μｍ以下であるものを優れたものとした。 【００４６】なお、固定弁体３０の摩耗量については３
μｍ以下であるものを○、３μｍを越えたものを×とし
た。 【００４７】結果は表２に示す通りである。 【００４８】 【表２】 【００４９】この結果、試料Ｎｏ．１〜４は、摺接面３
１に存在する独立した開気孔の平均気孔径が５μｍ未満
と小さく、また、実体摺動面積率が９０％以上であるた
めに、２万回程度の摺動により弁体操作力が増大し、４
万回摺動させた時点では弁体操作力が１．０ｋｇｆを越
え、６万回の摺動では潤滑剤がなくなり弁体操作力が
２．０ｋｇｆ以上となった。しかも、試料Ｎｏ．３、４
は、ビッカース硬度が１１００ｋｇｆ／ｍｍ2 未満であ
ることから、可動弁体２０との摺動に伴い摺接面３１の
摩耗量が３μｍを越えた。 【００５０】一方、試料Ｎｏ．９、１０は、摺接面３１
に存在する独立した開気孔の平均気孔径が５〜３０μｍ
でかつ実体摺動面積率が４０〜９０％の範囲にあるもの
の、実体摺動面積率の標準偏差値が１０％より大きいた
めに６万回までは滑らかな摺動特性が得られたものの、
６万回を越えた時点から急激に摺接面２１、３１間の潤
滑剤がなくなり、８万回摺動させた時点では摺接面２
１、３１間の潤滑剤がほぼ完全になくなり、弁体操作力
が２．０ｋｇｆ以上となった。 【００５１】これに対し、試料Ｎｏ．６、８、１１、１
３は、摺接面３１に存在する独立した開気孔の平均気孔
径が５〜３０μｍで、摺接面３１の実体摺動面積率が４
０〜９０％の範囲にあり、かつ上記実体摺動面積率の標
準偏差値が１０％以下であるために、１０万回の摺動に
おいても摺接面２１、３１間の潤滑剤が完全になくなる
ことはなく、弁体操作力１．０ｋｇｆ以下を満足するこ
とができた。 【００５２】このことから、摺接面間に潤滑剤を保持さ
せ、長期間にわたり滑らかな摺動特性を維持するために
は、摺接面３１に存在する独立した開気孔の平均気孔径
を５〜３０μｍとし、摺接面３１の実体摺動面積率を４
０〜９０％とするとともに、上記実体摺動面積率の標準
偏差値を１０％以下とすれば良いことが判る。 【００５３】 【発明の効果】以上のように、本発明によれば、摺接面
間に潤滑剤を介して互いに摺動するセラミック製摺動部
材のうち少なくとも一方の摺動部材を、摺接面に平均気
孔径が５〜３０μｍの独立した開気孔を有するととも
に、上記摺接面の実体摺動面積率が４０〜９０％でかつ
上記実体摺動面積率の標準偏差値が１０％以下である多
孔質セラミックスにより形成してセラミック製摺動装置
を構成したことにより、双方の摺接面を摩耗させること
なく、安定した摺動特性を長期間にわたって維持するこ
とができる。しかも、上記開気孔中に潤滑剤を保持させ
ることができるため、摺接面間の潤滑剤が減少したとし
ても、開気孔中に保持する潤滑剤を摺接面間に適量供給
することができるため、潤滑剤による滑らかな摺動特性
を長期間にわたって維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック製摺動部材に使用する多孔
質セラミックスを示す概略図である。 【図２】本発明に係るセラミック製摺動装置の一例を示
すディスクバルブの弁体のみを示す斜視図である。 【図３】図２のディスクバルブを備えた実験装置を示す
概略図である。 【図４】従来の多孔質セラミックスを示す概略図であ
る。 【符号の説明】 １：多孔質セラミックス ２：表面 ３：開気孔 ４：閉気孔 ２０：可動弁体 ２１：摺接面 ２２：流体通路 ３０：固定弁体 ３１：摺接面 ３２：流体通路
質セラミックスを示す概略図である。 【図２】本発明に係るセラミック製摺動装置の一例を示
すディスクバルブの弁体のみを示す斜視図である。 【図３】図２のディスクバルブを備えた実験装置を示す
概略図である。 【図４】従来の多孔質セラミックスを示す概略図であ
る。 【符号の説明】 １：多孔質セラミックス ２：表面 ３：開気孔 ４：閉気孔 ２０：可動弁体 ２１：摺接面 ２２：流体通路 ３０：固定弁体 ３１：摺接面 ３２：流体通路
─────────────────────────────────────────────────────
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(56)参考文献 特開 平６−58434（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−128540（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−121617（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−163174（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−332361（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−37517（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−38772（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
F16K 3/00 - 3/36
F16K 11/06 - 11/24
C04B 35/00
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】摺接面間に潤滑剤を介して互いに摺動する
セラミック製摺動部材をそれぞれ主成分が同じ材質から
なるセラミックスにより形成するとともに、少なくとも
一方のセラミック製摺動部材を、摺接面に平均気孔径が
５〜３０μｍの独立した開気孔を有するとともに、任意
に１０ヶ所選んだ上記摺接面の１０８０μｍ×１０８０
μｍの領域を画像解析装置で測定した実体摺動面積率が
４０〜９０％で、かつ上記１０ヶ所の領域の実体摺動面
積率の標準偏差値が４〜１０％であり、アルキメデス法
で測定した気孔率が４％以下である多孔質セラミックス
により形成したことを特徴とするセラミック製摺動装
置。
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|---|---|---|---|
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12712196A JP3481774B2 (ja) | 1996-05-22 | 1996-05-22 | セラミック製摺動装置 |
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|---|---|---|---|
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| WO2009069787A1 (ja) * | 2007-11-29 | 2009-06-04 | Kyocera Corporation | 摺動部材、メカニカルシールリング、メカニカルシールおよびフォーセットバルブ |
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| JPH08128540A (ja) * | 1994-10-31 | 1996-05-21 | Kyocera Corp | 摺動装置 |
-
1996
- 1996-05-22 JP JP12712196A patent/JP3481774B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| US8158248B2 (en) | 2005-04-27 | 2012-04-17 | Kyocera Corporation | Porous ceramic for slide member, method for preparing the same, and mechanical seal ring |
| WO2009069787A1 (ja) * | 2007-11-29 | 2009-06-04 | Kyocera Corporation | 摺動部材、メカニカルシールリング、メカニカルシールおよびフォーセットバルブ |
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| KR101217580B1 (ko) * | 2007-11-29 | 2013-01-02 | 쿄세라 코포레이션 | 슬라이딩 부재, 메커니컬 시일 링, 메커니컬 시일 및 포셋 밸브 |
| US8366071B2 (en) | 2007-11-29 | 2013-02-05 | Kyocera Corporation | Sliding member, mechanical seal ring, mechanical seal and faucet valve |
| JP2014126191A (ja) * | 2012-12-27 | 2014-07-07 | Kyocera Corp | 回転継手 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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