JP4301623B2 - 耐摩耗部材 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミックス焼結体を用いた耐磨耗部材に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、産業機器、自動車において用いられるカムローラ、ベアリングボール、チェックボール、ウエアパッド、プランジャーなどの磨耗部品には金属製部品が用いられていた。しかし、金属製部品を上記のような場所に用いた場合、摩擦によりこれらの部品が激しく磨耗し、所定の性能を発揮することができなくなったり、ひどい場合には破損することがあった。また、これらの金属製部品は重量が重いため、軽量化、高性能化には不向きであり、さらに耐熱性や耐食性が低いため過酷な環境下では耐用年数が短くなり、経済性が優れなかった。このため金属製部品に代わる、高性能部品が望まれていた。
【0003】
これらの問題を解決するため、近年では、セラミックス焼結体を耐磨耗部品に用いるようになってきている。これらのセラミックス焼結体は金属製部品に比べて、耐磨耗性に優れているため、長期間にわたって所定の性能を維持することができ、破損なども起こらないため経済性に優れていた。また、金属製部品に比べて軽量であるため、高回転化が可能となり、これまでより高性能化することができた。
【0004】
しかしながら、このようなセラミックス焼結体を機器に用いた場合、セラミックス焼結体自身は磨耗しないが、セラミックス焼結体と接する部品は逆に磨耗してしまうことがわかった。このようなことは、自動車などの燃料噴射装置に用いられる耐磨耗部品、特にカムローラなどにおいて問題となってきている。この原因としては、セラミックス焼結体の硬度が高いが、セラミックス焼結体と接する金属製部品の硬度が低いことなどが挙げられる。このような問題を解決するため、全ての部品をセラミックス焼結体にすることが考えられるが、加工の容易性や経済性に優れないため行われていない。
【0005】
一方、電子産業の分野においては、高電力を扱う半導体部品の搭載用基板などにおいて、セラミックス基板上に銅板等の金属板を接合したセラミックス回路基板が用いられている。セラミックス焼結体は絶縁性、耐熱性、熱伝導度に優れているため、基板や放熱板などに好んで用いられている。
【0006】
しかしながら、セラミックス焼結体を基板として用いた場合、金属との接合性に優れないため、剥がれや破損が起きることがあった。このため、セラミックス焼結体の組成や構造を制御することによって金属との接合性を高め、剥がれや破損などを防止することが試みられたが、依然としてこのような問題は発生し続けている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
機器などの部品として、金属製部品の代用にセラミックス焼結体を用いた場合、高硬度材であるセラミックス焼結体製部品が相手部品である金属製部品を攻撃してしまい、金属製部品を用いた場合より金属製相手部品の磨耗量が増えてしまうことがあった。特に自動車などの燃料噴射装置に用いられる耐磨耗部品においては重要な問題となってきている。
【0008】
また、電子産業の分野においては、高電力を扱う半導体部品の搭載用基板などにおいては、セラミックス基板上に銅板等の金属板を接合したセラミックス回路基板が用いられている。しかしながら、セラミックス焼結体を基板として用いた場合、金属との接合性に優れないため、剥がれや破損が起きることがあった。
【0009】
本発明ではこのようなことに鑑み、金属製部品からなる相手部材を磨耗させにくい耐磨耗部材の提供を目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の耐磨耗部材は、請求項1に記載されるように、窒化珪素セラミックス焼結体からなり、ディーゼルエンジン用のカムローラ、ベアリングボール、チェックボール、ウエアパッド、プランジャーまたはコロとして用いられる耐磨耗部材であって、金属製部品からなる相手部材との摺接面がスキューネス−0.1〜−1.1の研磨面であり、かつ、前記摺接面から500μmの深さまでにポアが占める面積が単位面積(1mm2)当たり1%以下、さらに平均ポアサイズが30μm以下であることを特徴とするものである。
【0012】
また、本発明の耐磨耗部材は、前記摺接面がスキューネス−0.1〜−1の研磨面であることが好ましい。
【0020】
本発明の耐磨耗部材は金属製部品からなる相手部材との摺接面をスキューネス−0.1〜−1.1の研磨面としたものである。このように、耐磨耗部材の金属製部品からなる相手部材との摺接面をスキューネス−0.1〜−1.1の研磨面とすることによって、金属で作製された相手部材の磨耗を防ぐことができる。
【0021】
また、耐磨耗部材を窒化珪素からなるものとすることで、耐磨耗部材自身の磨耗を防ぐことができる。
【0022】
さらに、本発明の耐磨耗部材では、摺接面から500μmの深さまでにポアが占める面積が単位面積(1mm2)当たり1%以下となるようにすることで、金属製部品からなる相手部材の磨耗を一層減少させることができる。
【0023】
特に、摺接面のスキューネスを−0.1〜−1とすることによって、金属でできた相手部材の磨耗を大幅に減少させることができる。
【0024】
本発明の耐磨耗部材は、ディーゼルエンジン用のカムローラ、ベアリングボール、チェックボール、ウエアパッド、プランジャーまたはコロとして用いることで、これらの部材を用いた機器の耐用年数を大幅に長くすることができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
【0029】
本発明に用いられるセラミックス焼結体は、原料を成形し、焼結することによって作製されるセラミックス焼結体であって、当該セラミックス焼結体における接面をスキューネス−0.1〜−1.1の研磨面としたことを特徴とするものである。
【0030】
スキューネス(Sk)とは表面粗さのパラメータでありゆがみとも呼ばれるものである。スキューネスは振幅分布曲線の縦倍率方向の対象性を表す値で次式により与えられる値である。
【0031】
【数1】
すなわち、図1(a)に示すように、表面粗さの上下方向にほぼ均等の場合にスキューネスは零(0)となる。一方図1(b)に示すように、 表面粗さの振幅が上方向に偏っている場合には、スキューネスは正(>0)となる。このような状態は表面に対して凸の部分が多いことを示している。そして、図1(c)にしめすように表面に対して凸の部分を減少させ、表面粗さの振幅を下方向に偏らせた場合にはスキューネスは負(<0)となる。
【0032】
セラミックス焼結体の接面のスキューネスを−0.1以下とすることによって、例えば構造部材として用いた場合には、接触する相手部材の磨耗を減少させることができる。特に、相手部材が金属材料よりなる場合は、この磨耗を減少させる効果が高い。
【0033】
このようなセラミックス焼結体は、材料として窒化珪素を用いて作製される。このような材料は耐熱性、耐食性などに優れており、耐磨耗部材の材料にこのような物質を用いることによって、金属製部品からなる相手部材の磨耗を減らすと同時に耐磨耗部材自身の磨耗も大幅に減らすことができる。
【0034】
また、このようなセラミックス焼結体においては、接面から500μmの深さまでにポアが占める面積が単位面積(1mm2)当り1%を超えないことが好ましい。接面から500μmの深さまでにポアが占める面積が単位面積当り1%を超えると、接面が粗くなり、相手部材を磨耗させやすくなる。従って、スキューネスを−0.1以下とし、接面から500μmの深さまでにポアが占める面積が単位面積当り1%を超えないようにすることによって、例えば構造部材として用いた場合には、相手部材などの磨耗を大幅に減少させることができる。また、このようなセラミックス焼結体の平均ポアサイズは30μm以下である。平均ポアサイズを30μm以下とすることで、一層、磨耗を減少させることができる。
【0035】
本発明の耐磨耗部材は上記したようなセラミックス焼結体からなるものである。本発明の耐磨耗部材においては、接面(摺接面)のスキューネスが−0.1〜−1.1である。
【0036】
耐磨耗部材において、摺接面のスキューネスを−0.1以下としたのは、摺接面のスキューネスを−0.1より大きくすると、表面粗さ上の凸部の分布が大きくなり金属製部品からなる相手部材への攻撃性が増え、金属製部品からなる相手部材を磨耗させやすくなるためである。また、摺接面のスキューネスを−1.1以上としたのは、摺接面のスキューネスを−1.1より小さくすると、耐磨耗部材自体の強度(耐磨耗性)が低下するため、自身(耐磨耗部材)を磨耗させやすくなるためである。従って、本発明の耐磨耗部材は、上記のようなセラミックス焼結体を用い、摺接面のスキューネスを−0.1〜−1.1とすることによって、金属製部品からなる相手部材の磨耗を大幅に減少させることができる。より好ましくは、摺接面のスキューネスを−0.1〜−1の範囲にすることがよい。このようにすることで自部材(耐磨耗部材)並びに金属製部品からなる相手部材の磨耗を一層減少させることができる。
【0037】
このような耐磨耗部材は、材料として窒化珪素を用いて作製する。このような材料は耐熱性、耐食性などに優れており、耐磨耗部材の材料にこのような物質を用いることによって、金属製部品からなる相手部材の磨耗を減らすと同時に耐磨耗部材自身の磨耗も大幅に減らすことができる。
【0038】
耐磨耗部材は、ディーゼルエンジン用のカムローラ、ベアリングボール、チェックボール、ウエアパッド、プランジャー、コロに用いられる。
【0039】
カムローラは例えばディーゼルエンジンの燃料噴射装置などに用いられ、燃料噴射のタイミングをとるためのものである。このカムローラは円筒のカムリングの内側に高速で接しているため、カムローラを金属で作製した場合、カムローラが磨耗してしまう。また、カムローラに従来のセラミックス焼結体を用いた場合、カムローラは磨耗しなくなるが、反対にカムリングが磨耗してしまう。このため、燃料噴射のタイミングにずれが発生し、所定の性能を発揮できなくなる。本発明の耐磨耗部材によりカムローラを作製することによって、このような磨耗による性能低下を防止することができる。
【0040】
ベアリングボールは球状をしており、回転軸を支えるものである。ベアリングボールは回転軸と高速で接し、かつ高い圧力がかかるため、強度や耐磨耗性が要求され、さらに相手部材を磨耗させないことも要求される。このようなベアリングボールに本発明の耐磨耗性部材を用いることにより、これらの課題を解決し、信頼性のある高性能のベアリングボールを作製することができる。
【0041】
チェックボールは球状であり、気体などの流量を測るために流量計中に設けられている。このチェックボールは、流量計の内側壁面と接し、常に移動を繰り返しているため磨耗しやすく、また流量計の内側壁面も磨耗させてしまう。このような磨耗は流量計の精度を悪くし、不正確な値を与えてしまう。従って、本発明の耐磨耗部材を用いてチェックボールを作製することにより、このような磨耗を防ぎ、流量計の精度を一定にすることができる。
【0042】
ウエアパッドは、例えば自動車エンジンのロッカーアームと摺動する部品であり、本発明の耐磨耗部材をウエアパッドに用いることにより、耐磨耗性を向上させ、安定した燃焼を実現し、不完全燃焼を低減させることができる。
【0043】
プランジャーはディーゼルエンジンの燃料噴射装置などに用いられ、カムローラの動きを伝達するものであり、ローターの内部に接し、高速で往復運動するものである。従って、プランジャーは非常に磨耗しやすく、ロータも磨耗させてしまう。このようなプランジャーに本発明の耐磨耗部材を用いることにより、このような磨耗を防ぎ、正確に燃料噴射を行うことができる。
【0046】
本発明に用いられるセラミックス焼結体は、例えば次のようにして作製される。
【0047】
原料粉末として例えば窒化珪素粉末などを用い、これに焼結助剤としてイットリアなどを添加し、所定の組成となるように調合する。これをイソプロピルアルコール中などで窒化珪素ボールを用いて24時間混合後、バインダを添加し冷間静水圧成形(CIP)などを用いて1tonの圧力で成形する。得られた成形体を500℃で4時間脱脂した後、1800℃で4時間焼成する。このような成形・焼成方法としては、公知の方法を適用することができる。さらに、表面をダイヤモンド砥石等で研削し、さらにこの表面をバレル研磨またはラップ加工することによって表面粗さ上の凸部を除去してセラミックス焼結体のスキューネスを−0.1以下にすることができる。
【0048】
また、表面の表面変質層を上記研削加工等によって除去することによって、表面から500μmの深さまでにポアが占める面積が単位面積(1mm2)当たり1%を越えないようなセラミックス焼結を作製することができる。
【0049】
本発明の耐磨耗部材については、このようなセラミックス焼結体を所定の形状に加工する前または後に上記研削加工を施してスキューネスを−0.1〜−1.1とすることが好ましい。
【0051】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例およびその評価結果について述べる。
【0052】
実施例1
原料粉末として窒化珪素、イットリア、アルミナを用い、これらを造粒して1ton/cm2の圧力でラバープレス成形し、φ12.5×26mmの円柱体を成形し、これを脱脂後N2雰囲気中で1800℃、4時間焼結を行い、密度3.33g/ccのSi3N4円柱焼結体を得た。
【0053】
これにダイヤモンド加工を施し、φ9.525±0.001×20.15±0.001mmのカムローラを作製した。
【0054】
さらに、アルミナメディアを使用して湿式遠心バレル加工することにより、異なる4種のSk値を持つカムローラA、B、C、Dを作製した。なお、カムローラAは、Sk値が本発明の範囲外となるものであり、本発明の実施例に対する比較例となるものである。このような異なるSk値をもつセラミックス焼結体の磨耗量を検討するために、ディーゼルエンジン用燃料噴射ポンプに搭載し総磨耗量を測定した。評価はRAIL PRESSURE 1000BAR、2000ERPMで400時間試験を行った。また、比較例としてスチール製のカムローラEを作製し、同様の試験を行った。
【0055】
試験の結果を表1に示す。
【0056】
表1に示すようにSkの値が0以下であるA、B、Cのうち、B、Cでは、磨耗量が大幅に減少した。Skの値が0を大きく下回るAは、磨耗量が逆に増える結果となった。Skの値が0より大きいDでは磨耗量が5.5mm3/N・mmとなり、従来のスチールカムローラEより磨耗量が高くなっていた。
【0057】
【表1】
実施例2
ローラの転がり寿命特性に影響を及ぼす表面ならびに表面近傍の許容ポアサイズ分布の許容範囲を検討するするため、表2に記載されるような6種類のローラを作製し、これらのローラのインジェクションポンプローラとしての適用性を評価した。
【0058】
ローラとしては、粉末を一軸加圧成形することにより、φ12.5×26.0mmの円柱体としたものを用いた。接面のスキューネスは−1とし、ポアの占有面積は一軸加圧成形の圧力を変化させることにより表2のような値にした。
【0059】
【表2】
このようにして得られた6種類のローラを用いて、ERPM、RAIL PRESSUREを変化させて耐久性試験を行った。
【0060】
耐久性試験の結果を図2に示す。
【0061】
平均ポアサイズが等しいC、D、Fでは、ポアの占有面積が最も低い、Cの耐久性が最も高い結果となった。また、DとEでは、一部の例外を除いて、占有面積の低いDの耐久性がEより高くなった。
【0062】
ポアの占有面積が0.8%と等しい、B、D、Fでは、平均ポアサイズの小さいBの耐久性が最も高く、次いでD、Fの順となった。平均ポアサイズの大きいFは所定の耐久性を有せず、破損してしまった。
【0063】
ポアの占有面積が1%であっても、平均ポアサイズが小さいAは、非常に高い耐久性を持つ結果となった。
【0064】
実施例3
実施例2で用いたA及びCの部材を用い、表3に示すようにスキューネス値を変化させた場合の磨耗量を測定した。なお、磨耗量の測定条件は実施例2と同様のものとした。
【0065】
【表3】
表3に示されるように、平均ポアサイズおよびポア占有面積が同一であってもスキューネスが異なることによって磨耗量に大きな違いがでることが分かった。
参考例1
基板表面のスキューネスが接合力に及ぼす影響を調べるために、異なるスキューネスをもつAlN基板に、直接接合法(DBC法)を用いて銅板を接合し、ピール強度を測定した。表4に示すように実施例としてスキューネスが0と−1のAlN基板を用い、比較例としてスキューネスが+0.5のAlN基板を用いた。AlN基板は縦50mm×横25mm×厚さ0.8mm、銅板は厚さ0.25mmのタフピッチ銅を用いて、温度1075℃に設定した加熱炉中に1分間保持することによって、AlN基板と銅板とを接合した。
【0066】
【表4】
表4に示されるように、スキューネスを0以下としたものは、スキューネスを+0.5としたものと比べて、銅板との接合強度が高いことが分かる。特にスキューネスを−1としたものは、接合強度が大幅に向上することが分かる。
【0067】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の耐磨耗部材は、金属製部品からなる相手部材との摺接面をスキューネス−0.1〜−1.1の研磨面とし、かつ、この摺接面から500μmの深さまでにポアが占める面積が単位面積(1mm2)当たり1%を越えないようにし、さらに平均ポアサイズを30μm以下としたものである。このようにすることで、金属製部品からなる相手部材を磨耗させにくい耐磨耗部材とすることができ、より耐久性のある機器を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 スキューネスを説明するための図である。
【図2】 本発明の耐磨耗部材の耐久性試験の結果を示す図である。
Claims (1)
- 窒化珪素セラミックス焼結体からなり、ディーゼルエンジン用のカムローラ、ベアリングボール、チェックボール、ウエアパッド、プランジャーまたはコロとして用いられる耐磨耗部材であって、
金属製部品からなる相手部材との摺接面がスキューネス−0.1〜−1.1の研磨面であり、かつ、前記摺接面から500μmの深さまでにポアが占める面積が単位面積(1mm2)当たり1%以下、さらに平均ポアサイズが30μm以下であることを特徴とする耐磨耗部材。
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