JP4714922B2 - 自己潤滑性複合材料及びその製造方法 - Google Patents
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Description
実現する潤滑剤として、黒鉛,二硫化モリブデン等の固体潤滑剤や潤滑油が使用されてい
る。
一方、近年においては、エンジンの高効率化等の目的から、高温で過酷な環境下でも使
用可能な固体潤滑剤及びそのような潤滑剤を含有する自己潤滑性複合材料が求められてい
る。そして、室温から800℃までの温度域において使用可能な固体潤滑剤としては、A
g,BaCrO4 ,BaSO4 等が知られている。
高温環境下では酸化や蒸発により潤滑性能が低下するため使用できない。また、Agは室
温から800℃までの温度域において固体潤滑剤として機能するものの、コストの点で問
題があるため、使用しにくいという問題点があった。
そこで、本発明は、上記のような従来技術が有する問題点を解決し、室温から800℃
までの温度域において自己潤滑性を示して低摩擦であり、且つ、コストの点でも問題の小
さい自己潤滑性複合材料及びその製造方法を提供することを課題とする。
請求項1の自己潤滑性複合材料は、イットリア安定化ジルコニア,アルミナ,及び硫酸ス
トロンチウムで構成され、アルミナの含有量が10質量%以上20質量%以下、硫酸スト
ロンチウムの含有量が20質量%以上50質量%以下であり、残部はイットリア安定化ジ
ルコニアであることを特徴とする。
このような構成であれば、高温下における強度及び耐酸化性が優れているため、室温か
ら800℃までの温度域において自己潤滑性を示して低摩擦(摩擦係数が0.1以上0.
25未満)である。また、コストの点でも問題が小さい。
以下である必要があるが(すなわち、イットリア安定化ジルコニアとアルミナ(Al2 O
3 )の合計の含有量は50質量%以上80質量%以下)、硫酸ストロンチウムの含有量が
20質量%未満であると、潤滑性に寄与する硫酸ストロンチウムの量が少ないために、摩
擦係数が大きくなる場合がある。一方、硫酸ストロンチウムの含有量が50質量%超過で
あると、強度に寄与するイットリア安定化ジルコニア及びアルミナの量が少ないために、
自己潤滑性複合材料の強度が不十分となるおそれがある。また、脆く、割れやすくなるお
それがある。このような不都合がより生じにくくするためには、硫酸ストロンチウムの含
有量は30質量%以上50質量%以下とすることがより好ましい。
が不十分となるおそれがあり、20質量%超過であると、緻密な自己潤滑性複合材料を得
るために焼結温度を高くする必要が生じ、それに伴って硫酸ストロンチウムの熱分解量が
増大するおそれがある。このような不都合がより生じにくくするためには、アルミナの含
有量は、10質量%以上15質量%以下とすることがより好ましい。
合材料において、前記イットリア安定化ジルコニアは、2mol%以上4mol%以下の
イットリアを含有するジルコニアであることを特徴とする。
ジルコニア(ZrO2 )は、1000℃付近で体積変化を伴う相転移(結晶構造変化)
を起こすため、高温用材料として不適である場合があるが、イットリア(Y2 O3 )を添
加し分散固溶させると体積変化の問題が起こりにくくなり、さらにイットリアの含有量を
少量に抑えると高靭性となる。また、イットリア安定化ジルコニアにアルミナを混合し焼
結すると、強度及び耐摩耗性が向上する。
焼結後の冷却時に体積変化を起こす単斜晶ジルコニア相の体積比が大きくなりすぎて、割
れやすくなる。一方、4mol%超過であると、イットリア安定化ジルコニアの強度が不
十分となる。このような不都合がより生じにくくするためには、イットリアの含有量は2
.5mol%以上3.5mol%以下とすることがより好ましい。
の自己潤滑性複合材料において、前記イットリア安定化ジルコニア及び前記アルミナの粒
径が1μm以下であることを特徴とする。
このような構成の自己潤滑性複合材料は、緻密さが優れている。イットリア安定化ジル
コニア及びアルミナの粒径が1μm超過であると、焼結による製造時に焼結性が不十分と
なるため、緻密な自己潤滑性複合材料が得られにくい。緻密な自己潤滑性複合材料を得る
ためには焼結温度を高くする必要が生じ、それに伴って硫酸ストロンチウムの熱分解量が
増大するおそれがある。
ジルコニア粉末,アルミナ粉末,及び硫酸ストロンチウム粉末の混合粉末から自己潤滑性
複合材料を製造する方法において、前記混合粉末の10質量%以上20質量%以下をアル
ミナ粉末、20質量%以上50質量%以下を硫酸ストロンチウム粉末、残部をイットリア
安定化ジルコニア粉末とし、この混合粉末を温度1000℃以上1250℃以下、加圧力
20MPa以上70MPa以下の条件で加圧焼結することを特徴とする。
0℃までの温度域において自己潤滑性を示して低摩擦(摩擦係数が0.1以上0.25未
満)である自己潤滑性複合材料を製造することができる。焼結温度が1000℃未満であ
ると、緻密な自己潤滑性複合材料が得られにくく、1250℃超過であると、硫酸ストロ
ンチウムが分解・消失するおそれがある。また、加圧力が20MPa未満であると、焼結
が十分に進行しないおそれがあり、70MPa超過であると、焼結に用いる型(例えば黒
鉛製の型)が壊れてしまうおそれがある。このような不都合がより生じにくくするために
は、焼結温度は1150℃以上1250℃以下、加圧力は40MPa以上70MPa以下
とすることがより好ましい。
カで構成され、硫酸鉛の含有量が20質量%以上50質量%以下、シリカの含有量が4質
量%以上8質量%以下であり、残部はアルミナであることを特徴とする。
このような構成であれば、高温下における強度及び耐酸化性が優れているため、室温か
ら800℃までの温度域において自己潤滑性を示して低摩擦(摩擦係数が0.2以上0.
4未満)である。また、コストの点でも問題が小さい。
要があるが(すなわち、シリカ(SiO2 )とアルミナの合計の含有量は50質量%以上
80質量%以下)、硫酸鉛の含有量が20質量%未満であると、潤滑性に寄与する硫酸鉛
の量が少ないために、摩擦係数が大きくなる場合がある。一方、硫酸鉛の含有量が50質
量%超過であると、強度に寄与するアルミナの量が少ないために、自己潤滑性複合材料の
強度が不十分となるおそれがある。また、脆く、割れやすくなるおそれがある。このよう
な不都合がより生じにくくするためには、硫酸鉛の含有量は30質量%以上50質量%以
下とすることがより好ましい。
以下では緻密に焼結できないアルミナの緻密化を促進する。シリカの含有量が4質量%未
満であると、緻密な自己潤滑性複合材料が得られにくく、8質量%超過であると、バイン
ダーとして消費されずに残存したシリカが自己潤滑性複合材料の靭性を低下させるおそれ
がある。このような不都合がより生じにくくするためには、シリカの含有量は5質量%以
上6質量%以下とすることがより好ましい。
複合材料において、前記アルミナの粒径が22.5μm以下であることを特徴とする。
このような構成の自己潤滑性複合材料は、緻密さが優れている。アルミナの粒径が22
.5μm超過であると、焼結による製造時に焼結性が不十分となるため、緻密な自己潤滑
性複合材料が得られにくい。
酸鉛粉末,及びシリカ粉末の混合粉末から自己潤滑性複合材料を製造する方法において、
前記混合粉末の20質量%以上50質量%以下を硫酸鉛粉末、4質量%以上8質量%以下
をシリカ粉末、残部をアルミナ粉末とし、この混合粉末を温度800℃以上900℃以下
、加圧力20MPa以上70MPa以下の条件で加圧焼結することを特徴とする。
0℃までの温度域において自己潤滑性を示して低摩擦(摩擦係数が0.2以上0.4未満
)である自己潤滑性複合材料を製造することができる。焼結温度が800℃未満であると
、緻密な自己潤滑性複合材料が得られにくく、900℃超過であると、硫酸鉛が分解する
おそれがある。また、加圧力が20MPa未満であると、焼結が十分に進行しないおそれ
があり、70MPa超過であると、焼結に用いる型(例えば黒鉛製の型)が壊れてしまう
おそれがある。このような不都合がより生じにくくするためには、加圧力は40MPa以
上70MPa以下とすることがより好ましい。
示して低摩擦であり、且つ、Ag系の固体潤滑剤と比較してコストの点でも問題が小さい
。また、本発明の自己潤滑性複合材料の製造方法は、前述のような自己潤滑性複合材料を
製造することができる。
ら詳細に説明する。
〔実施例1〕
イットリア安定化ジルコニア粉末30質量%と、アルミナ粉末20質量%と、硫酸スト
ロンチウム粉末50質量%と、を混合して、その混合粉末を例えば黒鉛製の型に充填し、
温度1200℃、加圧力40MPa、保持時間5分の条件で加圧焼結した。すると、高温
下における強度及び耐酸化性が優れる自己潤滑性複合材料が得られた。この自己潤滑性複
合材料は、イットリア安定化ジルコニア−アルミナ混合相をマトリックス相とし、潤滑性
を有する硫酸ストロンチウムを分散相とするものである。
を用いた。また、イットリア安定化ジルコニア粉末及びアルミナ粉末は、粒径が1μm以
下のものを用いた。
なお、上記3種の粉末の含有量は上記の例に限定されるものではなく、アルミナ粉末の
含有量が10質量%以上20質量%以下、硫酸ストロンチウム粉末の含有量が20質量%
以上50質量%以下であり、残部がイットリア安定化ジルコニア粉末であればよい。また
、本発明の目的を損なわないならば、上記3種以外の成分を混合して焼結し、自己潤滑性
複合材料を製造してもよい。
アルミナ粉末45質量%と、硫酸鉛粉末50質量%と、シリカ粉末5質量%と、を混合
して、その混合粉末を例えば黒鉛製の型に充填し、温度800℃、加圧力40MPa、保
持時間5分の条件で加圧焼結した。すると、高温下における強度及び耐酸化性が優れる自
己潤滑性複合材料が得られた。この自己潤滑性複合材料は、アルミナ相をマトリックス相
とし、潤滑性を有する硫酸鉛を分散相とするものである。アルミナ粉末は、粒径が22.
5μm以下のものを用いた。
有量が20質量%以上50質量%以下、シリカ粉末の含有量が4質量%以上8質量%以下
であり、残部がアルミナ粉末であればよい。また、本発明の目的を損なわないならば、上
記3種以外の成分を混合して焼結し、自己潤滑性複合材料を製造してもよい。
実施例1,2の自己潤滑性複合材料は、室温から800℃までの温度域において自己潤
滑性を示して低摩擦(摩擦係数が0.1以上0.4未満)である。また、コストの点でも
問題が小さい。よって、このような自己潤滑性複合材料で摺動面を構成すれば、自己潤滑
性複合材料から硫酸ストロンチウム又は硫酸鉛が固体潤滑剤として摺動面に供給されるた
め、摺動面は低摩擦となる。
ボールオンディスク摩擦試験を行い、室温から800℃までの温度域における摩擦係数を
測定した。なお、摩擦試験の条件は、荷重4.9N、振幅10mm、周波数1Hzである
。また、相手材は、直径9.53mmのアルミナ製のボール(アルミナの純度は99%、
光洋精工株式会社製)である。
れているBaCrO4 粉末との混合粉末(両者の質量比は50:50)を、加圧焼結(焼
結温度1100℃、加圧力40MPa、保持時間5分)して得た比較材についても同様の
摩擦試験を行った。
摩擦試験により得られた摩擦係数を、図1に示す。図1から分かるように、実施例1,
2の自己潤滑性複合材料は、室温から800℃までの温度域において、比較材とほぼ同等
又はそれより低い摩擦係数(0.1以上0.4未満)を示した。
また、実施例1の自己潤滑性複合材料の摩擦係数の時間変化を、図2に示す。図2から
分かるように、室温から800℃までの各測定温度において、安定して低い摩擦係数を示
した。
件下(例えば、大気中高温下)においても、摺動材料として好適に使用可能であり、特に
、航空機用エンジン,自動車用エンジン等の高温摺動部への適用も期待できる。
Claims (7)
- イットリア安定化ジルコニア,アルミナ,及び硫酸ストロンチウムで構成され、アルミ
ナの含有量が10質量%以上20質量%以下、硫酸ストロンチウムの含有量が20質量%
以上50質量%以下であり、残部はイットリア安定化ジルコニアであることを特徴とする
自己潤滑性複合材料。 - 前記イットリア安定化ジルコニアは、2mol%以上4mol%以下のイットリアを含
有するジルコニアであることを特徴とする請求項1に記載の自己潤滑性複合材料。 - 前記イットリア安定化ジルコニア及び前記アルミナの粒径が1μm以下であることを特
徴とする請求項1又は請求項2に記載の自己潤滑性複合材料。 - イットリア安定化ジルコニア粉末,アルミナ粉末,及び硫酸ストロンチウム粉末の混合
粉末から自己潤滑性複合材料を製造する方法において、
前記混合粉末の10質量%以上20質量%以下をアルミナ粉末、20質量%以上50質
量%以下を硫酸ストロンチウム粉末、残部をイットリア安定化ジルコニア粉末とし、この
混合粉末を温度1000℃以上1250℃以下、加圧力20MPa以上70MPa以下の
条件で加圧焼結することを特徴とする自己潤滑性複合材料の製造方法。 - アルミナ,硫酸鉛,及びシリカで構成され、硫酸鉛の含有量が20質量%以上50質量
%以下、シリカの含有量が4質量%以上8質量%以下であり、残部はアルミナであること
を特徴とする自己潤滑性複合材料。 - 前記アルミナの粒径が22.5μm以下であることを特徴とする請求項5に記載の自己
潤滑性複合材料。 - アルミナ粉末,硫酸鉛粉末,及びシリカ粉末の混合粉末から自己潤滑性複合材料を製造
する方法において、
前記混合粉末の20質量%以上50質量%以下を硫酸鉛粉末、4質量%以上8質量%以
下をシリカ粉末、残部をアルミナ粉末とし、この混合粉末を温度800℃以上900℃以
下、加圧力20MPa以上70MPa以下の条件で加圧焼結することを特徴とする自己潤
滑性複合材料の製造方法。
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