JPH0244073A - 耐摩性摺動部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、優れた摺動特性及び耐摩耗性が要求される摺
動部材、例えばエンジンの動弁機構に用いられろロッカ
アームのような耐摩性摺動部材に関するものである。

［従来の技術］ 摺動部を有する各種機構、例えばエンノンの動弁機構に
おいては、エンジンの性能を十分に発揮させるために、
ロッカアームやロッカシャフト等の各摺動部材が苛酷な
摺動条件に耐えられる耐摩耗性を有することが要求され
る。そして、エンジンの高出力化を図るために多弁機構
やバルブタイミング可変機構などが採用された動弁機構
においては、バルブリフト量が大きくなり、これに伴っ
て摺動部材に加えられる力も大きくなるので、とくに高
い摺動特性及び耐゛摩耗性を有する摺動部材が必要とな
る。

従来、このような摺動部材は、耐摩耗性焼結合金等の金
属材料で形成されているが、金属材料は一般的に凝着性
が強いので、上記焼結金属製の摺動部材はとくに低速域
において凝着・摩耗を起こしやすいといった欠点がある
。このため、例えばロッカアーム側の焼結合金製摺動部
材のチップが摩耗して変形すると、これと接触するカム
に不均一な力が作用するようになるので、かかるカムも
摩耗して動弁機構が十分に機能しなくなり、エンジン出
力が低下する場合があるなどといった問題があった。

そこで、凝着性が低く、かつ機械特性や耐摩耗性の優れ
た、例えばＳｉ３Ｎ、（窒化珪素）を主成分とするセラ
ミックなどで形成される摺動部材、あるいは金属製基材
上にセラミックを接合して形成される摺動部材などが提
案されている（例えば、特開昭５９−３０８１号公報、
実開昭５９−９１４０４号公報参照）。

ところが、上記セラミック製摺動部材は、普通の状聾で
は良好な摺動特性及び耐摩耗性を有するものの、エンジ
ンオイル中に各種部材の摩耗粉の酸化物や硬質の異物が
混入している場合には、かかる混入物によってセラミッ
ク製摺動部材に摩耗が生しろといった問題があった。

そこで、Ｓｉ３Ｎ４を主成分とするセラミック基材に、
例えばＳｉＣウィスカなどの摺動特性の優れたウィスカ
（繊維型単結晶）を配合したセラミック製摺動部材が提
案されている（例えば、特開昭５９−５４６８０号公報
参照）。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、このようなＳｉＣウィスカを分散させたセラ
ミック製摺動部材は摺動特性及び耐摩耗性が非常に優れ
ているものの、曲げ強度、衝撃強度、剪断強度等の強度
特性が低いといった問題があった。かつ、材料が高価な
ためコスト的に不利であるといった問題があった。

本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであっ
て、優れた摺動特性及び耐摩耗性を確保しつつ、強度特
性の向上を図ることができる、ウィスカを分散させたセ
ラミック製の耐摩性摺動部材を提供することを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段］ 本願発明者らは、ウィスカを分散させたセラミック摺動
部材の耐摩耗性のウィスカ含有量に対する特性について
詳細な実験・研究を行い、耐摩耗性はウィスカ含有量の
増加とともに高まるが、ウィスカ含有量が０５％より少
なくなると耐摩耗性が急激に低下するという事実を発見
した。さらに、セラミック摺動部材の強度はその相対密
度の増加とともに高まるか、相対密度が９４％より小さ
くなると急激に低下する。そして、このような相対密度
はウィスカ含有量の増加とともに減少し、とくにウィス
カ含有量が１５％を越えると急激に低下するという事実
を発見した。さらに、焼結温度か１６００℃より低いと
、焼結が不完全となるため、相対密度が急激に低下する
という事実を発見した。

本発明は、このような実験的事実に濫み、上記の目的を
達するため、窒化珪素系セラミック基材上に、ウィスカ
が分散されたセラミック耐摩耗層が形成される耐摩性摺
動部材において、セラミック耐摩耗層のウィスカ含有量
を０．５重量パーセントから１５重量パーセントまでの
範囲内に設定し、かつ、セラミック耐摩耗層を、焼結温
度を１６００℃から２０００℃までの範囲内に設定した
ときにセラミック耐摩耗層の相対密度が９４パーセント
以上となるような易焼結材料で形成することを特徴とす
る耐摩性摺動部材を提供する。

［発明の作用・効果］ 本発明によれば、セラミック製摺動部材の本体を、強度
の浸れた窒化珪素系セラミック基材で形成する一方、摺
動部を一般的に耐摩耗性の浸れたウィスカ分散セラミッ
ク耐摩耗層で形成しているので、摺動部の耐摩耗性を確
保しつつ、摺動部材本体の強度特性の向上を図ることが
できる。

さらに、ウィスカを分散させたセラミック耐摩耗層の特
性の詳細な研究結果に基づき、セラミック耐摩耗層のウ
ィスカ含有量を、耐摩耗性が高くかつ相対密度（すなわ
ち強度）を高く維持てきるような範囲（０５〜！５ｗｔ
％）に設定するようにしている。かっ、適正な焼結温度
条件（１６００〜２０００℃）で、所定の必要な強度に
対応する相対密度（９４％以上）が得られるような易焼
結材料でセラミック耐摩耗層を形成するようにしている
ので、セラミック耐摩耗層の耐摩耗性を高く維持しつつ
、セラミック耐摩耗層自体の強度を高めることができる
。

したがって、より一層セラミック耐摩耗層の耐摩耗性の
向上と強度特性の向」ことを図ることができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を具体的に説明する。

Ｓ　ｌ　３Ｎ　４を主成分とし、焼結助剤としてＹ、０
３、Ａｌｚ０３等を所定量含むセラミック基材材料を調
製する。このセラミック基材材料は、所定の焼結条件で
の焼結後、常温での曲げ強度が５０ｋｇｆ／ｍｍ２とな
るような組成にセットする。セラミック基材材料をこの
ような組成にすることによって、焼結後の摺動部材の衝
撃力や剪断力に対する強度を所定値以上に高めることが
できる。

続いて、５ｉ３Ｎｔを主成分とし、ＭｇＯ１ＡＩｔ。

３、Ｃｅ　Ｏｖ等の焼結助剤を所定量含み、かつ５ｉＣ
１ＴｉＣ，Ｂ、Ｃ等のウィスカ（繊維型単結晶）を０゜
５〜１５ｗｔ％の範囲内の所定量含み、易焼結性組成に
調整されたセラミック耐摩耗層材料を調製する。なお、
易焼結性組成とは、ウィスカを加えずにセラミック耐摩
耗層を、焼結温度１６５０〜２０００℃で０５時間以上
焼結したときに焼結後の相対密度が９７％より大きくな
るような物性ないし組成であるということを意味する。

このような易焼結性組成に調整されたセラミック耐摩耗
層材料は、所定の焼結条件での焼結後、相対密度が９４
％以上となるような組成にセットされる。上記ウィスカ
は直径０．１〜５μｍ１長さ１〜２００μｍとするのが
好ましい。また、ウィスカ含有量が上記範囲内（０５〜
１５ｗｔ％）にあっても、かかる範囲内で、ウィスカ含
有量が少ない程耐摩耗性か低下し、強度特性か高まる一
方、ウィスカ含有量が多い程耐摩耗性が高まり、強度特
性が低下する。なお、強度が余り低下すると摺動時にピ
ッチングが生じることかある。

実験結果によれば、第１図中の曲線Ｇ１で示すように、
ウィスカ添加量が０　、５　ｗｔ％より少なくなると比
摩耗量が急激に増加し、すなわち耐摩耗性が急激に低下
するので、ウィスカ添加量を０５％以上に設定している
。かつ、第２図中の曲線Ｇ、で示すように、ウィスカ添
加量が１５ｖｔ％を越えて多くなると相対密度が急激に
低下し、すなわち強度特性が急激に低下するので、ウィ
スカ添加量を１５ｗｔ％以下に設定している。

さらに、実験結果によれば、第３図中の曲線■（で示す
ように、相対密度か９４％より小さくなると強度特性か
急激に低下するので、本発明ではセラミック耐摩耗層材
料を、焼結体の相対密度か９１％以上となるような易焼
結性組成に調整するようにしている。

なお、上記セラミック基材材料とセラミック耐摩耗層材
料のいずれにらＳ　ｉ３Ｎ、か用いられるか、セラミッ
ク耐摩耗層材料のＳｉ３Ｎ４の粒径をセラミック基材材
料の５１１１’＋４の粒径より小さくするのか好ましい
。第４図中の曲線Ｈ３て示すように、セラミック耐摩耗
層の５ｉ３Ｎｔの粒径が小さいほどセラミック耐摩耗層
の相対密度が高くなるとと乙に、セラミック耐摩耗層と
セラミック基材層の境界部の密着性が高まるからである
。

次に、上記セラミック基材材料とセラミック耐摩耗層材
料とから、摺動部にセラミック耐摩耗層材料が配置され
るようにして、所定の形状を打する焼結用成形体を製作
する。焼結用成形体の製作方法は、例えば、プレス成型
機にセラミック基材材料を充填し、この上にセラミック
耐摩耗層材料を充填し、これをプレス成形するなとして
、セラミック基材層とセラミック耐摩耗層とを一体的に
形成して焼結用成形体を製作するのが好ましい。

セラミック基材層成形体とセラミック耐摩耗層成形体と
を別々に成形して、これらを重ね合わせて焼結用成形体
を製作する場合は、画成形体間にミクロ的には無視でき
ない隙間が形成され、この隙間によって焼結時の画成形
体間の液相の拡散か妨害されるので、セラミック基材層
とセラミック耐摩耗層の結合が弱くなる。

この後、上記焼結用成形体を、加圧下あるいは常圧下の
Ｎ２雰囲気中において、１６００〜２０００℃の範囲内
の所定の焼結温度で、所定時間焼結を行い、摺動部材を
製作する。第５図の曲線Ｈ３、ｌ−（４，８ｓは、３種
のセラミック材料を焼結して、各焼結体の相対密度と焼
結温度の関係を調べた結果である。第５図から明らかな
ように、焼結温度が１６００℃より低いと焼結が不完全
となるので焼結体の相対密度か急激に低下する。また焼
結温度を２０００℃より高くしても相対密度は上昇せず
、かえって焼結体が破壊される可能性があるのて、焼結
温度は１６００〜２０００℃の範囲内にセットされる。

このようにして製作される摺動部材は、本願発明の作用
・効果で説明したように、耐摩耗層が高く、かつ強度特
性が良好となる。

〈第１具体例〉 ５ｉ３Ｎ、とＭｇ０（焼結助剤）の重量配合比が８８１
２にセットされた材料に、直径０．５〜２．０μｍ、長
さ５５−５０７ｚのＳｉＣウィスカを１０ｗｔ％加え、
ホールミルで３０時間混合・粉砕した後乾燥してセラミ
ック耐摩耗層材料を調製した。なお、このセラミック耐
摩耗層材料のみをプレス成型機でプレス圧を０　、５　
ｔｏｎ／　ｃｍ”としてプレス成形し、この成形体を焼
結温度１−８００℃で２時間焼結して焼結体を製作した
ところ、この焼結体の相対密度は９６％であり、曲げ強
度は７２ｋｇｆ／ｍｍ２であった。

次に、５１３Ｎ４とＡｔ２０３とＹ、０３の重量配合比
か９２・３．５にセットされた材料を十分に混合・粉砕
してセラミック基材材料を調製した。なお、このセラミ
ック基材材料のみから上記と同様の条件で成形・焼結し
て得られた焼結体の強度特性は、曲げ強度８８　ｋｇｒ
／　ｍｍ２、熱衝撃ΔＴ＝５８０℃、相対密度９８％で
あった。

上記セラミック耐摩耗層材料とセラミック基材材料とか
ら、上記所定の成形・焼結方法で摺動部材を製作した。

この摺動部材を用いて、衝撃テストを行ったところ、衝
撃強度は、セラミック耐摩耗層厚さか１０ｍｍのときは
０．８２ｋｇｍであり、セラミック耐摩耗層厚さか２　
、０　ｍｍのときは０．７５ｋｇｍであった。

セラミック耐摩耗層はセラミック基材層よりも強度が低
いので、セラミック耐摩耗層か厚い方は、若干衝撃強度
が低くなっている乙のの、これらの衝撃強度はいずれも
実用に十分耐えうる値であった。なお、衝撃テストは、
第６図に示すように、摺動部（オｌをセラミック基材層
２を下にして横型固定手段３に固定し、セラミック耐摩
耗層４側から衝撃力Ｆ１を加え、摺動部材ｌが破壊され
るときの衝撃力を測定することによって行った。

また、上記摺動部材を用いて、剪断テストを行ったとこ
ろ、剪断強度は平均８３０ｋｇであった。この剪断強度
は普通の焼結合金性摺動部材の平均剪断強度７２０ｋｇ
を上回っており、申し分なく実用に耐えうるものである
。なお、上記剪断テストは、第７図に示すように、摺動
部材Ｉをセラミック耐摩耗層４側を縦型固定手段６に固
定してＦ、で示す剪断力を加え、セラミック基材層２が
破壊されるときの剪断力を測定することにより行った。

そして、上記摺動部材を用いてアルミニウムで鋳ぐるみ
を行ったところ、摺動部材に何ら問題は生じなかった。

なお、比較のため、上記セラミック耐摩耗層材料のみて
、」１記と同様の成形・焼結方法で摺動部材を製作して
、剪断テストを行ったところ、剪断強度は７４０ｋｇで
あり、必要な剪断強度は得られていた。しかし、衝撃テ
ストの結果、衝撃強度は０．６０ｋｇｍで侍通の焼結合
金製摺動部材の６割しかなく、実用に耐えうるちのとは
ならなかった。

また、この摺動部材を用いてアルミニウムで鋳ぐるみを
行ったところ、ｌ（ｌに１個の割合で摺動部材に割れが
発生した。

〈具体例２〉 α化率９０％かつ平均粒径０．１７１ｍのＳｉ３Ｎ。

を８５ｗｔ％、平均粒径ｌ　、０　μｍのＡＩ、０３を
５ｗｔ％、平均粒径１．０μｍのＣｅ　Ｏｔをｌ０ｉｖ
ｔ％含む材料１００に対して、直径０．１〜５０μｍ、
長さ２００μｍ以下のＳｉＣウィスカ添加量を種々変え
てセラミック耐摩耗層材料を調製し、これらのセラミッ
ク耐摩耗層材料を用いて製作した成形体を、８気圧のＮ
、雰囲気中１８５０℃で３時間焼結して、いくつかの摺
動部材を製作した。そして、これらの摺動部材から、相
対密度のＳｉＣウィスカ添加１に対する特性を求めた結
果を第２図中の曲線Ｇ、て示す。この図から明らかなよ
うに、ＳｉＣウィスカ添加量がｌ０ｗｔ％までは相対密
度はほとんど低下しないが、添加量か１５ｗｔ％以上と
なると相対密度は低下し、とくに添加量が２０ｗｔ％を
越えると用対密度が急激に低下することが分かる。

これは、添加量が１５ＷＬ％程度まではＳｉＣウィスカ
がＳ　ｉｓ　Ｎ　ａ中に個々に独立して分散しているの
で、ＳｉＣウィスカが’；　＋　＊　Ｎ　４の焼結を妨
害しないが、添加量が２０ｗｔ％を越えるとＳｉＣウィ
スカ同士が絡み合いＳｉ３Ｎ、の焼結を妨害するように
なるためであると考えられる。なお、第２図において、
曲線Ｇ３は、本発明のようにセラミック耐摩耗層材料を
易焼結性組成とせす、ふつうの組成としたらのであり、
本発明にかかる曲線Ｇ２の場合に比へ相対密度が大幅に
低下しているのか分かる。

く具体例３〉 粒径が０．１μｍと１．０μｍの５１３Ｎ４を用いて、
夫々、具体例１と同様の製造方法で２種類の摺動部材を
製作１−１これらの摺動部材をテストピース形状に加工
して、夫々ＰＣＨを相手材として、オイル潤滑下、摺動
速度５．Ｏｍ／ｓ、荷重２０ｋｇ／ｃｍ、で６０分摺動
テストを行って摩耗量を測定した。このとき、粒径０１
μｍの場合ら、粒径ＩＯμｍの場合らいずれらテストピ
ースおよび相手材の摩耗量は同量であった。しかし、相
手材の表面粗さを測定したところ、粒径０．１μｍの方
はＲｍａｘ　＝　０　、　Ｉてあり、はぼ正常な表面状
態となっていたが、粒径１１１ｍの方はｆ１ｍａｘ＝　
ｌ　、　Ｏμｍであり、表面がかなり粗面化していた。

このことより、粒径１７ｚｍの方は相手材を傷めろとい
うことが分かる。

く比較例〉 ５１３Ｎ４とＣｅ　ＯｔとＺ　ｒ　Ｏ２の重量配合比が
８０゜４１６である材料にＳｉＣウィスカを５ｗｔ％加
え、十分に混合・粉砕した後、所定の方法で成形し、９
気圧のＮ、雰囲気中、１９００℃で２時間焼結し摺動部
材を製作した。この摺動部材は相対密度が８７％しかな
く実用的な強度か得られなかった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、セラミック耐摩耗層の比摩耗量のウィスカ添
加量に対する特性を示す図である。 第２図は、セラミック耐摩耗層の相対密度のウィスカ添
加量に対する特性を示す図である。 第３図は、セラミック耐摩耗層の強度の相対密度に対ケ
る特性を示す図である。 第４図は、セラミック耐摩耗−の相対密度のウィスカ粒
径に対する特性を示す図である。 第５図は、セラミック耐摩耗層の相対密度の焼結温度に
対する特性を示す図である。 第６図は、摺動部材の衝撃強度のテスト方法を示す図で
ある。 第７図は、摺動部材の剪断強度のテスト方法を示す図で
ある。 Ｉ・・・摺動部材、２・・セラミック基材層、３　溝型
固定手段、４・・セラミック耐摩耗層、６・縦型固定手
段。 箒　１　図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化珪素系セラミック基材上に、ウィスカが分散
   されたセラミック耐摩耗層が形成される耐摩性摺動部材
   において、 セラミック耐摩耗層のウィスカ含有量を０．５重量パー
   セントから１５重量パーセントまでの範囲内に設定し、
   かつ、セラミック耐摩耗層を、焼結温度を１６００℃か
   ら２０００℃までの範囲内に設定したときにセラミック
   耐摩耗層の相対密度が９４パーセント以上となるような
   易焼結材料で形成することを特徴とする耐摩性摺動部材
   。