JP3632219B2

JP3632219B2 - 傾斜組成摺動部材

Info

Publication number: JP3632219B2
Application number: JP11176294A
Authority: JP
Inventors: 英紀北
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1994-04-28
Filing date: 1994-04-28
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: JPH07300366A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，固体潤滑剤と化学吸着促進分散材とを潤滑条件の変化に対応させて傾斜組成とした傾斜組成摺動部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，セラミックスを摺動部材として実用化されているものがある。また，窒化ケイ素Ｓｉ₃Ｎ₄中に窒化硼素ＢＮ，ＳｉＣ等の固体潤滑剤を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。
【０００３】
また、特開昭６３−５３３１６号公報には、摺動部材及びその製造方法が開示されている。該摺動部材は、非酸化物セラミック焼結体を基材とし、接触面の一部が固体潤滑剤によって形成されている。非酸化物セラミック焼結体は、ＳｉＣ炭化ホウ素或いはＳｉ_３Ｎ_４から選択される一種を含有しており、固体潤滑剤は炭素或いは黒煙から選択される一種を含有している。
【０００４】
また，特開平２−１８３６９号公報には，摺動部材が開示されている。該摺動部材は，セラミックス母材をなす互いに焼結したセラミックス頸粒間を連続気孔に，固体潤滑剤を充填したものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，複合摺動部材は，セラミックスを主に耐摩耗性材料として機能させており，摩擦係数μの低下を意図するものではなく，あるいは摩擦係数μを大幅に低下させることを意図したものではない。また，ＳｉにＡｌ₂Ｏ₃，Ｙ₂Ｏ₃等の添加剤を加えるものでは，十分に摩擦係数μを低減することができない。また，ＢＮ等の固体潤滑剤をＳｉ₃Ｎ₄中に含有させるものでは，強度低下が著しく，ある程度の強度を要求されるエンジン部品には使用することができない。
【０００６】
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、Ｓｉ_３Ｎ_４中に、炭化ケイ素、窒化ホウ素或いは酸化物の粒子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する。また、窒化ホウ素を複合した材料では高温中その部分が酸化され結晶構造が変化し、摩擦係数が上昇することがある。上記公報に開示されているように、焼結助剤として、Ｆｅ_３Ｏ_４等の金属酸化物を添加したものでは、該添加量が少なく、また低摩擦の特性を得ることができない。また、固体潤滑剤を分散させたタイプのセラミックスについては、境界潤滑域で低摩擦の効果はあるが、境界潤滑域と流体潤滑域との中間の混合潤滑域では低摩擦の効果は発揮されないものである。
【０００７】
そこで、本出願人は、化学吸着促進剤としてＦｅ酸化物をＳｉ_３Ｎ_４セラミックスに分散させて低摩擦効果を達成した低摩擦セラミックスを開発し、特願平４−３５３９１６号として先に出願した。しかしながら、セラミックスに化学吸着促進剤を分散させたものは、混合潤滑域で摩擦低減効果があるが、固体間接触が定常的となる境界潤滑域で効果が期待できないものである。
【０００８】
また、Ｓｉ_３Ｎ_４とＦｅの酸化物との複合では、焼成時に還元反応が起こり、ＦｅＯ，Ｆｅ_２Ｏ_３，Ｆｅ_３Ｏ_４の形で混合段階で添加しても、焼成後には、Ｆｅ−Ｓｉ系の化合物に変化する。このような化合物も潤滑油との吸着性に優れるが、更に一層吸着性を高め、低摩擦化するためには、酸化物の状態で残すことが望ましいものである。
【０００９】
この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、固体間の摺動面において、Ｓｉ_３Ｎ_４等セラミックスを母相とし、該母相中に固体潤滑剤と化学吸着促進剤との分散状態をコントロールし、セラミックス中に固体潤滑剤を分散させることで境界潤滑域での低摩擦化を確保すると共に、セラミックス中に化学吸着促進剤を分散させることで混合潤滑域での低摩擦化を確保し、境界潤滑域と混合潤滑域との両潤滑域での低摩擦化を達成し、摺動面全体にわたって低摩擦化を達成した傾斜組成摺動部材を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、セラミックスを基材とし、摺動面における潤滑条件の変化に起因する固体間の接触の頻度に対応して、摺動面の面積における固体潤滑剤の専有面積と化学吸着を促進するＦｅ化合物の専有面積とが傾斜状に制御されて変化しており、前記潤滑条件は境界潤滑域、流体潤滑域、及び境界潤滑と流体潤滑の両者を有する混合潤滑域のいずれかの潤滑域であり、前記境界潤滑域では前記固体潤滑剤の専有面積が大きくなっており、前記混合潤滑域では前記境界潤滑域から前記流体潤滑域へ向けて前記固体潤滑剤の専有面積が前記Ｆｅ化合物の専有面積より漸次小さくなっていることを特徴とする傾斜組成摺動部材に関する。
【００１１】
また，この傾斜組成摺動部材において，前記固体潤滑剤がＣ−Ｃａ−Ｐ−Ｏ，Ｍｏ−Ｓ−Ｃａ−Ｐ−Ｏ，Ｍｏ−Ｓ及びＢ−Ｎのいずれか一種以上から構成されているものである。
【００１２】
また，この傾斜組成摺動部材は，前記固体潤滑剤が，基材との間に拡散したＡｌ，Ｙを介して前記基材と結合しているものである。
【００１３】
また、この傾斜組成摺動部材については、前記固体間の接触はシリンダを構成するシリンダライナと前記シリンダ内で往復動するピストンのピストンリング溝に嵌入したピストンリングとの接触であり、前記摺動面は前記シリンダライナの壁面に対応しているものである。
【００１４】
この発明による傾斜組成摺動部材は，摺動面における潤滑条件の変化に起因する固体間接触の頻度に対応して，固体潤滑剤の専有面積と化学吸着を促進するＦｅ化合物の専有面積とが傾斜状に制御されて変化しているので，固体潤滑剤による境界潤滑域での摩擦低減と化学吸着促進剤による混合潤滑域での摩擦低減とを活かして境界潤滑域と混合潤滑域とにわたって摩擦係数を低減することができる。例えば，ピストンが往復運動するシリンダライナのように，流体潤滑域，混合潤滑域及び境界潤滑域の各条件を辿る摺動部材については，摺動面において，各潤滑モードに合わせて固体潤滑剤及び化学吸着促進剤の各々の分散量が傾斜組成となるように構成することができ，摺動面の摩擦係数を低減できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して，この発明による傾斜組成摺動部材の実施例を説明する。この傾斜組成摺動部材は，摺動面における潤滑条件の変化に起因する固体間接触の頻度に対応して固体潤滑剤の専有面積と，化学吸着促進剤即ち化学吸着を促進するＦｅ化合物の専有面積とが長さ方向に傾斜状にコントロールされて変化しているものである。図１に示すように，この傾斜組成摺動部材については，摺動の折り返し端となる速度ｖが零になる点からｘ＝５ｍｍまでは固体潤滑剤が多くなるようにコントロールし，ｘ＝５ｍｍから１５ｍｍまでは固体潤滑剤と化学吸着促進剤とを混合して分散されるようにコントロールされている。この傾斜組成摺動部材については，前記固体潤滑剤がＣ−Ｃａ−Ｐ−Ｏ，Ｍｏ−Ｓ−Ｃａ−Ｐ−Ｏ，Ｍｏ−Ｓ及びＢ−Ｎのいずれか一種以上から構成されており，例えば，グラファイトＧ（Ｃ）−Ｃａ−Ｐ，ＢＮ，或いはＭｏＳ₂である。また，化学吸着促進剤としては，Ｆｅ₃Ｏ₄である。
【００１６】
この傾斜組成摺動部材は、次のようにして製造できる。この傾斜組成摺動部材として、ストロークが６０ｍｍの往復動試験機用のテストピースを作製する。この傾斜組成摺動部材の一番端（シリンダライナではピストン上死点となる点に相当する）即ち速度ｖが０となる点をｘ＝０とし、ｘ＝０〜ｘ＝５ｍｍの範囲では、Ｓｉ_３Ｎ_４；９３、Ｙ_２Ｏ_３；５、Ａｌ_２Ｏ_３；５の組成になるように配合して混合物を作製する。また、ｘ＝５〜ｘ＝１５ｍｍの範囲では、Ｓｉ_３Ｎ_４；８０、Ｙ_２Ｏ_３；５、Ａｌ_２Ｏ_３；３、Ｆｅ_３Ｏ_４；１２の組成になるように配合して混合物を作製する。これらの混合物を金型によって成形して中間成形体を作製した後、これらの中間成形体をＣＩＰによって密度を高めて成形体を作製した。次に、これらの成形体を、ガス圧炉に入れて１８５０℃で３時間にわたって焼結せしめ、１０×５×８０ｍｍの角棒状のＳｉ_３Ｎ_４焼結体を作製した。言い換えれば、この製造工程で作製したＳｉ_３Ｎ_４焼結体は、ｘ＝０〜ｘ＝５ｍｍの範囲では化学吸着促進剤を含んでいない焼結体領域であり、ｘ＝５〜ｘ＝１５ｍｍの範囲では化学吸着促進剤としてＦｅ_３Ｏ_４を含んだ焼結体領域である。
【００１７】
次に、この傾斜組成摺動部材を作製するため、上記の工程で得たＳｉ_３Ｎ_４焼結体に対して、レーザ加工機を使用してｘ＝０〜ｘ＝５ｍｍの範囲にはｃｍ^２当たり１００個のφ２００μｍのミクロポアを加工し、これらのミクロポアに固体潤滑剤としてＧ（グラファイト）−Ｃａ−Ｐ或いはＭｏＳ_２を充填してテストピースを作製した。
【００１８】
ここで、Ｓｉ_３Ｎ_４焼結体のミクロポアへの固体潤滑剤の充填方法としては、次のようにして行った。まず、固体潤滑剤として、Ｃａ_３（ＰＯ_４）_２を表面にコーティングした平均粒径１μｍ程度のＭｏＳ_２及びグラファイト（Ｇ）粉末を作製した。別の試験において、Ｃａ_３（ＰＯ_４）_２は、Ｇ或いはＭｏＳ_２の耐酸化性を向上させると共に、Ｓｉ_３Ｎ_４との反応性の改良に効果があることを確認している。そこで、これらの固体潤滑剤の粉末をＳｉ_３Ｎ_４焼結体のプレートのミクロポアを有する表面に覆い被せ、Ｓｉ_３Ｎ_４ピンによって雰囲気温度を３００℃として擦り込んで、Ｓｉ_３Ｎ_４焼結体の表面に固体潤滑剤を充填した。
【００１９】
この発明による傾斜組成摺動部材の一実施例を作製するため、上記の工程で作製した基体となるＳｉ_３Ｎ_４焼結体のプレート摺動面のうち、例えば、０＜ｘ＜５の範囲には、１．２５個／ｍｍ^２の密度でミクロポアを形成し、５＜ｘ＜１０の範囲には、０．７５個／ｍｍ^２の密度でミクロポアを形成し、更に１０＜ｘ＜１５の範囲には、０．３個／ｍｍ^２の密度でミクロポアを形成した。上記と同様の方法によって、Ｓｉ_３Ｎ_４焼結体のプレート摺動面に形成したミクロポアに固体潤滑剤を充填した。
【００２０】
図１はこの発明による傾斜組成摺動部材の摺動面に対する摩擦係数，固体間接触頻度及び固体潤滑剤と化学吸着促進剤との分散割合を示すグラフである。図１において，図１の（ニ）は，この傾斜組成摺動部材の摺動面を示しており，ｘ＝０からｘ＝１５までの固体潤滑剤１とＦｅ₃Ｏ₄との充填状態であり，×印の符号１は固体潤滑剤を示し，○印の符号２は化学吸着促進剤としてのＦｅ₃Ｏ₄を示し，符号３はＳｉ₃Ｎ₄焼結体を示している。図１の（イ）は，Ｓｉ₃Ｎ₄焼結体の摺動面に対するピンの移動速度ｖに対する摩擦係数μを示しており，摺動条件として領域Ａが境界潤滑域，領域Ｂが混合潤滑域，及び領域Ｃが流体潤滑域を示している。従って，シリンダを構成するシリンダライナを往復運動するピストンに対応させた場合には，ｘ＝０はｖ＝０に対応し，ピストン上死点の位置に対応する。また，ストロークを６０ｍｍとすれば，ｘ＝３０ｍｍの地点でｖ_MAXとなる。図１の（ロ）は，Ｓｉ₃Ｎ₄焼結体の摺動面に対する固体間接触頻度を示している。図１の（ハ）は，Ｓｉ₃Ｎ₄焼結体の摺動面におけるＧ−Ｃａ−Ｐの固体潤滑剤１とＦｅ₃Ｏ₄の化学吸着促進剤２との分散割合（個／ｍｍ²）を示している。
【００２１】
この傾斜組成摺動部材を従来品と比較するため、比較品を、化学吸着促進剤を含んでいないＳｉ_３Ｎ_４焼結体のプレート摺動面に全面にわたってミクロポアを形成し、これらのミクロポアに固体潤滑剤を上記と同様の方法で充填して作製した。
【００２２】
この傾斜組成摺動部材は、上記のように作製したものであり、Ｓｉ_３Ｎ_４焼結体のプレート部材に対する相手材としてＳｉ_３Ｎ_４焼結体から作製した球面半径ＳＲ１８のピンを用い、プレート部材に対してピンを摺動させて摺動試験を行った。この時、ポリオールエステルを基油とした合成オイルを潤滑油として用い、温度は１５０℃であり、ピンの移動速度ｖを２．５ｍ／ｓとした。その結果を、図２に示す。
【００２３】
図２はこの発明による傾斜組成摺動部材と従来品とについてパラメータＰに対する摩擦係数を示すグラフである。図２において、縦軸には摩擦係数μをとり、横軸にはパラメータＰをとった。パラメータＰは、ｌｏｇ（η×Ｖ／Ｆ）であり、Ｆは荷重、Ｖは速度、及びηは潤滑油の粘度を示す。ここで、パラメータＰの単位は〔×１０^{− ６}・（ｍ^２／Ｓ）・（ｍ／Ｓ）／ｋｇｆ〕である。図２から分かるように、この発明による傾斜組成摺動部材（図２では本発明品として示す）は、摺動面の全領域にわたって摩擦係数μが０．２以下に低減されており、従来品に比較して、摩擦係数μが大幅に低減されていることが分かる。
【００２４】
次に、この発明による傾斜組成摺動部材の別の実施例を説明する。この実施例による傾斜組成摺動部材は、上記実施例の傾斜組成摺動部材において、固体潤滑剤の部分にＡｌ，Ｙが拡散しており、セラミックスの基材と結合しているものである。この傾斜組成摺動部材を作製するには、所望量のグラファイト粉末（Ｇ）をＣａ_３（ＰＯ_４）_２、Ｈ_３ＰＯ_４及びＨ_２Ｏから成る溶媒中に混入させ、懸濁液を作製した。該懸濁液に、Ｆｅ−Ｓｉ化合物が分散したＳｉ_３Ｎ_４焼結体のプレートを浸漬し、該懸濁液を前記プレートの表面に存在するミクロポアの内部へ注入即ち充填した後に、該プレートを１５０℃で乾燥させた。Ｈ_３ＰＯ_４はＳｉ_３Ｎ_４の粒界部分と反応し、粒界相成分であるＡｌ，Ｙが充填成分に拡散する結果、付着力が発生するようになる。このようにして作製した傾斜組成摺動部材を、上記と同様な摺動試験を行った。この摺動試験は、温度１５０℃で、トータル時間で５００時間行った。摺動試験の結果、この傾斜組成摺動部材については、充填部は安定しており、Ｓｉ_３Ｎ_４焼結体のミクロポアの内部にホールドされていることが確認できた。
【００２５】
この傾斜組成摺動部材は、上記のように構成することによって摺動面に対する摩擦係数を大幅に低減できるので、例えば、シリンダを構成するシリンダライナを作製するのに適している。この傾斜組成摺動部材によってシリンダライナを作製した場合には、固体間の接触は、シリンダを構成するシリンダライナとシリンダ内で往復動するピストンのピストンリング溝に嵌入したピストンリングとの接触に相当し、摺動面はシリンダライナの壁面に対応していることになる。また、Ｓｉ_３Ｎ_４焼結体として、ストロークが６０ｍｍであるとすると、６０ｍｍがピストン上死点から下死点までの長さに相当することになる。
【００２６】
この発明による傾斜組成摺動部材について、基体としてＳｉ_３Ｎ_４焼結体を用いたが、基体はＺｒＯ_２を用いて作製することもできる。
【００２７】
【発明の効果】
この発明による傾斜組成摺動部材は、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、この傾斜組成摺動部材は、摺動面における潤滑条件の変化に起因する固体間の接触の頻度に対応して、摺動面の面積における固体潤滑剤の専有面積と化学吸着を促進するＦｅ化合物の専有面積とが傾斜状に制御されて変化しており、境界潤滑域では固体潤滑剤の専有面積を大きくし、混合潤滑域では境界潤滑域側から流体潤滑域側へ固体潤滑剤の専有面積を漸次低減すると共に、Ｆｅ_３Ｏ_４等の化学吸着促進剤を充填することによって、境界潤滑域と混合潤滑域の全領域で摩擦係数を低減できる。従って、この傾斜組成摺動部材によってシリンダライナ等の摺動部材を作製すると、摩擦係数を低減できる極めて好ましい摺動部材を作製することができる。
【００２８】
また、この傾斜組成摺動部材は、前記固体潤滑剤の部分にＡｌ，Ｙが拡散させると、Ｓｉ_３Ｎ_４焼結体のミクロポア内へ充填される固体潤滑剤が安定してミクロポアの内部にホールドされるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による傾斜組成摺動部材の摺動面に対する摩擦係数、固体間接触頻度及び固体潤滑剤と化学吸着促進剤との分散割合を示すグラフである。
【図２】この発明による傾斜組成摺動部材と従来品とについてパラメータＰに対する摩擦係数を示すグラフである。
【符号の説明】
１固体潤滑剤
２化学吸着促進剤
３Ｓｉ_３Ｎ_４焼結体
Ａ境界潤滑域
Ｂ混合潤滑域
Ｃ流体潤滑域

Claims

セラミックスを基材とし、摺動面における潤滑条件の変化に起因する固体間の接触の頻度に対応して、摺動面の面積における固体潤滑剤の専有面積と化学吸着を促進するＦｅ化合物の専有面積とが傾斜状に制御されて変化しており、前記潤滑条件は境界潤滑域、流体潤滑域、及び境界潤滑と流体潤滑の両者を有する混合潤滑域のいずれかの潤滑域であり、前記境界潤滑域では前記固体潤滑剤の専有面積が大きくなっており、前記混合潤滑域では前記境界潤滑域から前記流体潤滑域へ向けて前記固体潤滑剤の専有面積が前記Ｆｅ化合物の専有面積より漸次小さくなっていることを特徴とする傾斜組成摺動部材。
前記固体潤滑剤がＣ−Ｃａ−Ｐ−Ｏ，Ｍｏ−Ｓ−Ｃａ−Ｐ−Ｏ，Ｍｏ−Ｓ及びＢ−Ｎのいずれか一種以上から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の傾斜組成摺動部材。
前記固体潤滑剤が、基材との間に拡散したＡｌ，Ｙを介して前記基材と結合していることを特徴とする請求項１又は２に記載の傾斜組成摺動部材。
前記固体間の接触はシリンダを構成するシリンダライナと前記シリンダ内で往復動するピストンのピストンリング溝に嵌入したピストンリングとの接触であり、前記摺動面は前記シリンダライナの壁面に対応していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の傾斜組成摺動部材。