JP3861522B2

JP3861522B2 - 低摩擦セラミツクスの製造方法

Info

Publication number: JP3861522B2
Application number: JP23510999A
Authority: JP
Inventors: 岳根平井; 英紀北
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1999-08-23
Filing date: 1999-08-23
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2019-08-23
Also published as: JP2001058868A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は例えば内燃機関のシリンダライナ、ピストンリングなどに供される低摩擦セラミツクスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、低摩擦セラミツクスとして、高硬度、高弾性率、平滑面により低摩擦化されるアルミナ（Al2O3 ）などの酸化物セラミツクスや、固体潤滑性をもつ窒化硼素（BN），グラフアイトなどの層状化合物が知られている。しかし、摺動面ないし摩擦面の硬度や面粗度に頼る低摩擦性には限界があり、固体間接触が定常的に生じる摺動条件下では、摩擦力が増大する。特に、層状化合物は弱い層間結合力により低摩擦性を示すが、摩耗に対する耐久性や強度の点に問題がある。アルミナ（Al2O3 ）などの酸化物セラミツクスと窒化硼素（BN），グラフアイトなどの層状化合物との複合化により緻密な焼結体を得ることは、層状化合物の難焼結性から実現されていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は上述の問題に鑑み、ジルコニア（ ZrO2 ）からなる酸化物セラミツクスと、固体潤滑機能をもつモリブデン（ Mo ）との複合化を可能にした低摩擦セラミツクスの製造方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の方法は酸化物であるジルコニア（ ZrO2 ）粉末と、モリブデン（ Mo ）粉末との混合粉末から成形した成形体を、不活性雰囲気中での焼結により酸化物セラミツクスのジルコニア（ ZrO2 ）からなる母相中にモリブデン（ Mo ）からなる金属相が分散する焼結体をつくり、該焼結体の表面を研磨して前記金属相の表面を露出させ、次いで前記金属相の表面が露出する焼結体を、酸素を含む雰囲気中で熱処理して前記焼結体の金属相の表面を酸化物にしたことを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明ではジルコニア（ ZrO2 ）からなる高硬度の酸化物セラミツクス中に、固体潤滑機能をもつモリブデン（ Mo ）の金属相を均一に分散させることにより、耐久性と低摩擦性を両立させる。そして、表面に露出する前記金属相のモリブデン（ Mo ）を、酸素を含む雰囲気中で熱処理して酸化物とする。
【０００６】
【実施例】
本発明による低摩擦セラミツクスは、金属酸化物であるジルコニア（ ZrO2 ）粉末と、金属であるモリブデン（ Mo ）粉末との混合粉末から成形体を成形し、該成形体を温度１８００℃のアルゴン（Ar）などの不活性雰囲気中で焼結した後、温度６００℃の酸素を含む雰囲気中（高温大気中でもよい）で熱処理することにより得られる。
【０００７】
図１に示すように、本発明による低摩擦セラミツクスは、ジルコニア（ZrO2）からなる酸化物セラミツクス４の母相中に、母相とは異なるモリブデン（ Mo ）からなる金属相３が分散し、金属相３の少くとも表面２は酸化物３ａになつている。金属相３を構成する金属はモリブデン（Mo）の単一の金属元素からなり、外部へ露出する表面２は酸化モリブデン（MoO3）からなる酸化物３ａを形成する。
【０００８】
低摩擦セラミツクスの内で金属相３の含有量は１〜５０vol.％であり、かつ金属相３の粒子の大きさは５０μｍ以下である。
【０００９】
［実施例］
金属酸化物粉末としてのジルコニア（ZrO2）と金属粉末としてのモリブデン（Mo）との混合粉末から成形体を成形し、成形体を温度１８００℃のアルゴン（Ar）雰囲気中で焼結した。得られた焼結体の表面を研磨して平滑にした後、温度６００℃の高温大気中にて酸化処理を行い、モリブデン（Mo）相を強制的に酸化して、本発明による焼結体としての低摩擦セラミツクスを得た。
【００１０】
本発明による低摩擦セラミツクスから試験片としての板と先端が半球形のピンとを作成し、往復動試験機を用いて板に対してピンを垂直に押し付けながら往復摺動させる摩擦試験を行い、ピンの押付荷重と摺動速度を種々変えて摩擦係数を測定した。また、本発明による低摩擦セラミツクスから作成した３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍの角棒について、４点曲げ強度試験（JIS R1601 ）を行つた。
【００１１】
図２は本発明による低摩擦セラミツクスの原料に対する、金属相３を構成するモリブデン（Mo）の添加量と摩擦係数の関係と、モリブデン（Mo）の添加量と４点曲げ強度の関係をそれぞれ示す。本発明による低摩擦セラミツクスは金属相３の含有量が１〜５０vol.％の場合に、摩擦係数が０．０６以下であり、４点曲げ強度が６００〜３００ＭＰａであり、高弾性率の酸化物セラミツクス４の母相が強度と低摩耗性を担い、モリブデン（Mo）の金属相３の露出部分の酸化物３ａが層状化合物として低摩擦性を担う。金属相３の粒子の大きさは５０μｍ以下であることが好ましい。
【００１２】
［参考例］
鋳鉄基材の表面に、金属酸化物粉末としてのジルコニア（ZrO2）と金属粉末としてのモリブデン（Mo）との混合粉末をプラズマ溶射して被膜を形成した後、温度６００℃の高温大気中にて酸化処理を行い、鋳鉄基材の表面の溶射被膜のモリブデン（Mo）相を強制的に酸化して、低摩擦セラミツクスを得た。
【００１３】
前述のジルコニア（ ZrO2 ）の代りに、アルミナ（ Al2O3 ）を用いて同様に低摩擦セラミツクスを得た。
また、金属相３を複数の金属から構成した。つまり、例えばモリブデン（ Mo ）の金属相３とタングステン（ W ）の金属相３とし、外部へ露出する表面２をそれぞれ酸化モリブデン（MoO3）と酸化タングステン（WO3）との酸化物３ａに形成した。
【００１４】
参考例による低摩擦セラミツクスの組織は、図１に示すものと同様の傾向を呈し、低摩擦セラミツクスの表面のモリブデン（ Mo ）相とタングステン相の酸化被膜は潤滑性を有し、図２に示すものと同傾向の摩擦特性を呈することが分つた。
【００１５】
【発明の効果】
本発明は上述のように、酸化物であるジルコニア（ ZrO2 ）粉末と、モリブデン（ Mo ）粉末との混合粉末から成形した成形体を、不活性雰囲気中での焼結により酸化物セラミツクスのジルコニア（ ZrO2 ）からなる母相中にモリブデン（ Mo ）からなる金属相が分散する焼結体をつくり、該焼結体の表面を研磨して前記金属相の表面を露出させ、次いで前記金属相の表面が露出する焼結体を、酸素を含む雰囲気中で熱処理して前記焼結体の金属相の表面を酸化物にしたものであり、高弾性率の酸化物セラミツクスの母相をなすジルコニア（ZrO2）が強度と低摩耗性を発揮し、モリブデン（Mo）からなる金属相の酸化物が層状化合物として低摩擦性を発揮する。
【００１６】
モリブデン（Mo）からなる金属が酸化しないで、セラミツクスの内部に存在するので、モリブデン（Mo）の内部組織が安定である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る低摩擦セラミツクスの組織を模式的に示す側面断面図である。
【図２】同低摩擦セラミツクスのモリブデンの添加量と摩擦係数との関係を表す線図である。
【符号の説明】
２：表面３：金属相３ａ：酸化物４：酸化物セラミツクス

Claims

酸化物であるジルコニア（ ZrO2 ）粉末と、モリブデン（ Mo ）粉末との混合粉末から成形した成形体を、不活性雰囲気中での焼結により酸化物セラミツクスのジルコニア（ ZrO2 ）からなる母相中にモリブデン（ Mo ）からなる金属相が分散する焼結体をつくり、該焼結体の表面を研磨して前記金属相の表面を露出させ、次いで前記金属相の表面が露出する焼結体を、酸素を含む雰囲気中で熱処理して前記焼結体の金属相の表面を酸化物にしたことを特徴とする低摩擦セラミツクスの製造方法。
前記金属相の含有量が１〜５０vol.％であり、かつ前記金属相の粒子の大きさが５０μｍ以下である、請求項１に記載の低摩擦セラミツクスの製造方法。