JP4493738B2 - 複合セラミックスおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は機械的強度と摩擦特性に優れた複合セラミックス、特に固体潤滑材が分散している複合セラミックスおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、窒化ケイ素を主成分とするセラミックスに、窒化ホウ素（ＢＮ），カーボン（Ｃ）の固体潤滑材の粉末ないし粒子を分散させたものが知られている。
【０００３】
窒化ケイ素などのセラミックスに、固体潤滑材としての窒化ホウ素の粒子を分散させる場合、窒化ホウ素の添加量が少量に限定されるうえ、組織の緻密化にはホットプレス成形を必要とするので、大型の部品の製造には不適である。また、窒化ケイ素粒子原料にカーボン粒子を添加して焼成した場合には、窒化ケイ素がカーボンと反応して炭化ケイ素が焼成されるとともに、反応物の一部はガスになって外部へ放散されるので、組織が多孔質になり、高強度の材料が得られない。
【０００４】
【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、窒化ケイ素からなるセラミックスに固体潤滑材を分散させた際に、その組織が緻密な複合セラミックスおよびその製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明は、窒化ケイ素を母相とし、該母相に固体潤滑相が分散された複合セラミックスにおいて、前記固体潤滑相が、球状黒鉛鋳鉄をアトマイズ処理した粉末のグラファイトからなり、前記球状黒鉛鋳鉄の粉末の添加量が総原料に対して３５ｗｔ％以下であり、前記母相と球状黒鉛鋳鉄のグラファイトからなる前記固体潤滑相の境界部分に、球状黒鉛鋳鉄と鉄のケイ化物からなる鉄化合物相が分散していることを特徴とする複合セラミックスである。
【０００６】
また、本発明は、窒化ケイ素を母相とし、該母相に固体潤滑相が分散された複合セラミックスの製造方法において、球状黒鉛鋳鉄をアトマイズ処理した粉末を用い、前記母相を形成する窒化ケイ素と、焼結助剤としての酸化助剤と、総原料に対して３５ｗｔ％以下の球状黒鉛鋳鉄の粉末とを混合し、次いでこの混合物で成形体を作製して焼成することを特徴とする複合セラミックスの製造方法である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明では、窒化ケイ素からなる母相に、カーボンからなる固体潤滑相を分散させる際に、球状黒鉛鋳鉄をアトアイズ処理した粉末を用いて焼成することで、母相とグラファイトからなる固体潤滑相との境界に、両者との親和性に優れた、球状黒鉛鋳鉄と窒化ケイ素の反応物である鉄のケイ化物を介在させることができる。焼成により球状黒鉛鋳鉄の鉄と窒化ケイ素が一部反応して鉄シリサイド（ＦｅＳｉ，ＦｅＳｉ ₂ ，Ｆｅ ₃ Ｓｉ）、つまり鉄のケイ化物に変化する。この鉄のケイ化物は固体潤滑相であるグラファイトを包囲する鋳鉄と窒化ケイ素の両者に対する親和性が良好であり、このため、固体潤滑相と母相の親和性が良好な、欠陥のない組織の緻密な複合セラミックスが得られる。
【０００８】
【実施例】
本発明による複合セラミックスは、窒化ケイ素（ＳｉＮ）からなる母相に、カーボンとしての球状黒鉛鋳鉄をアトマイズ処理した粉末中のグラファイトからなる固体潤滑相が分散し、母相と固体潤滑相の境界部分に、上記球状黒鉛鋳鉄と鉄のケイ化物などの鉄の化合物が分散する。
【０００９】
図１に示す実施例では、窒化ケイ素である母相２に、球状黒鉛鋳鉄と鉄のケイ化物を含む鉄化合物相３を分散させたものであり、鉄化合物相３はグラファイトからなる固体潤滑相４を内包する粒子径の大きな球状黒鉛鋳鉄とケイ化物を含む鉄化合物相３ａと、微細な鉄化合物相３ｂとからなり、鉄化合物相３ｂは吸着相として作用する。
【００１０】
本発明による固体潤滑材が分散している複合セラミックスとその製造方法を具体的実施例に基づき説明する。
【００１１】
［実施例１］
固体潤滑材として、４．８％のカーボンを含む球状黒鉛鋳鉄をアトマイズ処理し、粒子径が１０μｍの粉末ないし粒子を得た。この球状黒鉛鋳鉄粉末の鉄分を化学処理により溶解しながら、球状黒鉛鋳鉄粉末の粒子径を５μｍにまで小さくした。主原料として窒化ケイ素（Ｓｉ ₃ Ｎ ₄ ）を用い、窒化ケイ素（Ｓｉ ₃ Ｎ ₄ ）と、アルミナの酸化物助剤（焼結助剤）と、球状黒鉛鋳鉄粉末とを混合したうえ造粒し、次いで、混合物の粒子からＣＩＰ成形（静水圧成形）により所要の成形体を作製し、該成形体を温度１７００℃の窒素雰囲気で焼成して複合セラミックスを得た。図１に示すように、得られた複合セラミックスの組織に気孔はなく、鉄化合物相３ａの内部にグラファイト相が存在することがＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により確認された。
【００１２】
なお、表１に示すように、総原料量に対するアトマイズ処理した球状黒鉛鋳鉄粒子の添加量は、４０ｗｔ％を超えると、焼結後に鉄が溶けて吹き出した痕跡が見られる。
【００１３】
（表１）
────────────────────────────
球状黒鉛鋳鉄の 焼結後の 境界潤滑域 ４点曲げ
添加量（ｗｔ％） 性状 の摩擦係数 強度（ＭＰａ）
────────────────────────────
０ 緻密・良好 ０．１５ ９００
１０ 緻密・良好 ０．１ ８８８
１５ 緻密・良好 ０．０９ ８２５
２０ 緻密・良好 ０．０８ ８６５
２５ 緻密・良好 ０．０８ ８２５
３０ 緻密・良好 ０．０７ ７５６
３５ 緻密・良好 ０．０６． ７２５
４０ 噴出物生成 − ２１０
４５ 焼結せず − −
────────────────────────────
【００１４】
実施例１で得られた複合セラミックスの摩擦特性は図２に示すとおりであり、これより、本発明による固体潤滑相が分散する複合セラミックスは、境界潤滑領域での摩擦係数が非常に小さいことが分かる。
【００１５】
［比較例１］
固体潤滑材として、グラファイト粒子と窒化ホウ素粒子を各別に用い、実施例１と同様の工程により、窒化ケイ素粒子にそれぞれ添加し、各混合粒子からＣＩＰ成形により作製した成形体を、温度１７００℃の窒素雰囲気で焼成して、窒化ケイ素にグラファイトが分散する複合セラミックスと、窒化ケイ素に窒化ホウ素が分散する複合セラミックスとをそれぞれ得た。得られた各複合セラミックスはいずれも１５％以上の気孔が発生し、各複合セラミックスの平均４点曲げ強度はそれぞれ３６６ＭＰａ，３８０ＭＰａであった。
【００１６】
［比較例２］
固体潤滑材として、グラファイト粒子と窒化ホウ素粒子を各別に用い、これらの粒子の表面または近傍に鉄化合物を介在させないで、窒化ケイ素粒子に配合し、実施例１と同様の工程により、窒化ケイ素にグラファイトが分散する複合セラミックスと、窒化ケイ素に窒化ホウ素が分散する複合セラミックスをそれぞれ焼成した。得られた各複合セラミックスはグラファイトまたは窒化ホウ素の添加量を変えても多孔質になり、平均４点曲げ強度はそれぞれ３３２ＭＰａ，４１１ＭＰａと低く、摩擦係数は０．１１であった。
【００１７】
【発明の効果】
本発明は上述のように、窒化ケイ素からなる母相に、アトマイズ処理した球状黒鉛鋳鉄粉末からなる固体潤滑相が分散しており、前記母相と前記固体潤滑相の境界部分に、球状黒鉛鋳鉄と鉄のケイ化物からなる鉄化合物が分散しているものであり、窒化ケイ素からなる母相とグラファイトからなる固体潤滑相との境界に、両者との親和性に優れた鉄化合物が介在するので、欠陥のない緻密な組織が得られ、機械的強度と摩擦特性に優れた複合セラミックスが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る固体潤滑材が分散する複合セラミックスの組織を拡大して示す断面図である。
【図２】本発明に係る複合セラミックスと従来例の摩擦特性を表す線図である。
【符号の説明】
２：母相 ３：鉄化合物相 ３ａ：固体潤滑相を内包する鉄化合物相 ３ｂ：微細な鉄化合物相 ４：固体潤滑相

Claims (2)

1. 窒化ケイ素を母相とし、該母相に固体潤滑相が分散された複合セラミックスにおいて、前記固体潤滑相が、球状黒鉛鋳鉄をアトマイズ処理した粉末のグラファイトからなり、前記球状黒鉛鋳鉄の粉末の添加量が総原料に対して３５ｗｔ％以下であり、前記母相と前記固体潤滑相の境界部分に、球状黒鉛鋳鉄と鉄のケイ化物からなる鉄化合物相が分散していることを特徴とする複合セラミックス。
2. 窒化ケイ素を母相とし、該母相に固体潤滑相が分散された複合セラミックスの製造方法において、球状黒鉛鋳鉄をアトマイズ処理した粉末を用い、前記母相を形成する窒化ケイ素と、焼結助剤としての酸化助剤と、総原料に対して３５ｗｔ％以下の球状黒鉛鋳鉄の粉末とを混合し、次いでこの混合物で成形体を作製して焼成することを特徴とする複合セラミックスの製造方法。

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