JPH03271180A - セラミックス耐摩耗材料 - 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〕 本発明は電子機器用及び一般摺動部用セラミックス構造
体における耐摩耗性表面構造をもつセラミックス耐摩耗
材料及びその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

セラミックス材料は耐熱、耐摩耗性に優れており、摺動
部品として実用化されている。自動車用部品をはじめと
し、最近では電子機器に用いられる摺動部への利用も検
討されている。セラミックス材料は高強度をもつため、
微少部高面圧摺動部に利用される。さらに、セラミック
スは同種材同士、あるいは、相手材を金属、有機材料と
した場合に接触部の凝着性が低く、無潤滑摺動材料とし
ても注目されている。しかし、セラミックスは高速度で
あるために切削摩耗を生じやすい。切削摩耗を低減させ
る方法としては、従来セラミックス表面を研摩し平滑化
すること、あるいは、特開昭６３−８５０７３号公報に
記載のように、セラミックス表面をイオン注入法により
軟化させ相手材とのなじみ性を向上させるものがある。

切削摩耗を発生させる他の原因として、セラミックス表
面が摩擦により破損して形成されたセラミックスを主成
分とする摩耗粉が摩擦面に入り、摺動材を切削すること
があげられる。従って摩耗粉の発生を低減させることに
よりセラミックス構造材及び相手材の摩耗を減少させる
ことができる。

摩耗粉発生を抑制するために、セラミック構造材の加工
時に表面に形成されるクラックをレーザ等の局部加熱２
局部溶解により封止することが検討されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

セラミックス構造材の摺動面は前述した様に切削摩耗を
防止するため、平滑であることが望ましい。一般にセラ
ミックス材料は焼結材であり、その表面は凹凸が多いた
め、摺動面を平滑に加工。

底形する必要がある。また、必要な形状に加工すること
も一般的に行なわれている。第２図は加工後のセラミッ
クス構造体の断面を示す。セラミック加工表面には、第
２図に示すように、加工、成形に伴う表面層５が形成さ
れる。この表面層は、たとえば、加工時に塑性流動を受
は表面から内部に向けてクラックが生じるか、あるいは
、塑性変形により表面凹部上に突出した形状となるため
、摩擦摺動する際に、表面層が破損し摩耗粉を形成する
。従来技術は摺動面がなじむ際の摩耗粉の発生について
考慮されておらず、電子機器等において摩耗粉による事
故、不良発生といった問題があった。

本発明はセラミックス構造体で摺動部が、使用開始時か
ら長期にわたり良好な接触面形状を保ち、かつ、摩耗粉
の発生しにくいセラミック耐摩耗材料を提供することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、セラミックス表面を除去し
、摺動開始時における摩耗粉の発生を防止した。第１図
は本発明のセラミックス耐摩耗材料の断面を示す。表面
層を除去するには機械加工、あるいは、研摩以外の方法
が望ましく、イオン照射によりセラミックス表面原子を
除去するスパッタエツチング法が適している。照射する
イオン種はアルゴン等の不活性ガス、あるいは、窒素、
酸素、炭素、その他の金属元素、あるいは、沸化物分子
のイオンであり、セラミックス表面原子を除去する作用
をもつエネルギを持たせたものを用いる。イオンの照射
角度はセラミックス構造材表面の法線に対し０度から８
０度の範囲で表面の平滑度が保たれる条件に固定あるい
は変動させることが望ましい。

さらに、摺動開始後の摩耗粉の発生を防止するためには
、表面状態を維持する必要がある。表面層を除去したセ
ラミックス摺動部表面の構造材内部に厚さ０．０１μｍ
〜１μｍの改質層４を形成する。改質層は熱拡散法、あ
るいは、イオン注入法によりセラミックス構造体摺動部
に窒素、酸素。

炭素、あるいは、金属元素を侵入させて形成し、該改質
層により表面形状及び表面組織を安定化させ摺動部を摩
耗粉の発生しない良好な状態に保持する。

改質層を形成する際に、イオン注入を用いた場合、前述
の表面層を除去するために照射するイオン種には注入イ
オン種と同じ成分のイオンを用いることができる。０．
１ｋｅＶ〜５　Ｍ　ｅ　Ｖ　のエネルギをもつイオン、
特に、数十ｋｅＶのイオンを照射することにより、セラ
ミックス構造体摺動部の表面層を除去すると同時に改質
層を形成することができる。

さらに、改質層はイオン照射と金属蒸着あるいは化合物
蒸着等の真空蒸着とを、同時、もしくは交互に行うこと
により形成することができ、真空蒸着法を併用すること
により改質層形成速度を速くすることができる。

〔作用〕

本発明のセラミックス耐摩耗材料は、摩耗粉の発生源で
ある加工、成形による表面層が無いため、摩耗粉の発生
しにくい材料、すなわち、耐摩耗性に優れている。さら
に、改質層が摩耗粉発生の一要因であるセラミックス構
造材摺動部表面の摩擦による塑性流動を抑制するように
作用し、新たな摩耗粉を生成しにくい。このように摩耗
粉形成を抑制することにより、摩耗粉による切削摩耗、
あるいは、摩耗粉による他の周辺構成体への悪影響を排
除することができ、かつ、摺動部が平滑で良好な接触状
態を保つことができるため、特に、安定な伝熱特性の要
求される冷却装置の構成体として有効である。

〔実施例〕

〈実施例１〉 一例として高熱伝導電気絶縁性セラミックスである窒化
アルミニウム（ＡｆｉＮ）の耐摩耗性について検討した
。

ここで用いたＡＱＮの母材は平均粒径約５μｍで表面を
ダイヤモンド砥粒を用いて中心線平均粗さＲａ＝０．２
μｍに研摩したものである。第３図に母材表面のＳＥＭ
ＩＩ察像を示す。ＡｕＮ表面の平滑部にクラックが認め
られ、さらに、表面の塑性流動により表面の凹部を覆う
ように広がった突起部分が認められる。

上記クラック及び塑性流動部はＡｆｌＮの加工。

成形により生じた表面層である。本発明の表面形状を得
るために、前記表面層をアルゴンイオン照射により除去
した後、ＡｕＮ表面のＳＥＭ観察結果を第４図に示す。

第４図のＡｕＮ表面にクラックは見られず、さらに凹部
は突起に覆われることなく開放されている。本実施例の
アルゴンイオン照射条件は、イオンのエネルギ；１０ｋ
ｅＶ、照射量；５×１６ｉｏｎ／ａ（とし、照射角度は
ＡＱＮ回転中心軸に対し４５度とした。

さらに、本発明の改質層を形成するために表面層を除去
したＡｕＮ表面に窒素イオンを注入した。

注入条件はイオンのエネルギ１０ｋｅＶ、注入量Ｉ　Ｘ
　１０１５ｉ　ｏ　ｎ／ａ＃とし、照射角度は照射面に
垂直とした。窒素イオン注入後のＡｕＮ表面の形状は注
入前（第４図）に比較してほとんど変化していなかった
。本発明品の改質層の組成分析を行つた結果、表面から
深さ約０．０５μｍに至る層において、窒素濃度がＡｆ
ｌＮ母村内部の窒素濃度に比較して約１０％以上高くな
っていた。

第５図は第３図に示したＡＱＮ母材表面に同質。

同様の形状をもつＡＱＮを相手材として摩擦試験を行っ
た後、再度、ＳＥＭを用いて表面を観察した結果を示す
。ＡＱＮ表面の平滑部に存在したクラックは進展し摩耗
粉が形成されており、特に、摩擦試験前に表面凹部上に
覆うように突出した部分において摩耗粉が著しく形成さ
れている。一方、第６図に示す本発明による表面形状及
び改質層を有するＡＲＮ材の摩擦試験後のＳＥＭ観察結
果では、はとんど摩耗粉が発生していない。従って、本
発明の表面形状及び改質層はセラミックスの耐摩耗性向
上に対し有効であることがわかる。

また、ＡＱＮ表面層を除去するために、窒素イオン照射
をアルゴンイオン照射と同様の照射条件にて行った場合
にも、アルゴン照射の場合と同様、表面層を除去するこ
とができ、同時に窒素イオンがＡｆｆＮ試験片表面に注
入され改質層をも形成できた。

〈実施例２〉 第７図は本発明によるセラミックス構造材の耐摩耗評価
装置を示す。平板試験片７は摺動台１２に取付けられて
おり、アクチュエータ１０により直線的に往復移動する
。曲面試験片８は平板の片面を半径１５０ｍｏ＋、幅１
０ｍｍの曲面に成形したもので負荷装ｗ９により平板試
験片７に押しつけられる。平板試験片７と曲面試験片８
との接触、摺動部より発生する摩耗粉１３は下方に落下
し粒子計数器１１により摩耗粉の大きさと数を測定する
。

負荷装置による押しつけ力は０．１　ｋｇｆ、摺動速度
はＯ，１ｍ／ｓｅｅ　　とした。試験雰囲気は３×１０
−５Ｔｏｒｒ真空中とした。

表１に上記耐摩耗試験の結果を示す。

表１　耐摩耗試験結果 平板試験片及び曲面試験片は同じ表面状態をもつものを
用い、同種材摩擦を行った。結果は１０００回往復摺動
させた間に発生した摩耗粉の総数で示した。試験片ＡＮ
ＯＯＩは加工、成形による表面層をもつもので、他の試
験片は本発明品である。試験片ＡＮ１２１及びＡＮ１２
３゜ＡＮ１３０はアルゴンイオン照射により表面層を除
去したＡＱＮであり、イオン照射量は、それぞれ、１．
０Ｘ１０１６，１．０Ｘ１０１７１．０Ｘ１０”δｉｏ
ｎ／’ＱＪイオンのエネルギはどれも１ｋｅＶとした。

試験片ＡＮ２０１．ＡＮ２１５゜ＡＮ２１７はアルゴン
イオンを１Ｘ１０”ｉｏｎ／ｄ照射した後に、窒素イオ
ンをそれぞれ１．○Ｘ１０１４１．０Ｘ１０”　　１．
０Ｘ１０１６ｉｏｎ／ａ＋？注入したものでイオンのエ
ネルギはどれも］、　Ｏｋ　ｅ　Ｖとした。試験片ＡＮ
４０１　。

ＡＮ４０３は、加工、成形のままのＡＱＮ表面に窒素イ
オンをそれぞれ１．ＯＸ　１０１ｅ１．ＯＸ１０１７ｉ
ｏｎ／ｃｊ注入したもので、イオンのエネルギはどちら
も１０ｋｅＶとした。

試験片ＡＮ１２１．ＡＮ１２３．ＡＮ１３０ではアルゴ
ンイオン照射により未処理である試験片ＡＮＯＯＩに比
べ摩耗粉の数が減少した。アルゴンイオン照射量が１．
ＯＸ　１０１７ｉ　ｏ　ｎ／ａＪ以上の試験片ＡＮ１２
３．ＡＮ１３０とでは、摩耗粉数にあまり変化がなく、
アルゴンイオン照射量１、ＯＸ　１０よりｉ　ｏ　ｎ／
ａ＃の試験片ＡＮ１２１に比較して摩耗粉数が少いため
、照射による効果が充分であることがわかった。アルゴ
ンイオンにより表面層を完全に除去するには１．ＯＸ　
１０１７ｉｏｎ／ａ＋を以上のアルゴンイオン照射が必
要である。

さらに、アルゴンイオン照射により表面層を完全に除去
した後、窒素イオン注入した処験片ＡＮ２０１．ＡＮ２
１５．ＡＮ２１７では、窒素イオンを１．０Ｘ１０工Ｉ
）ｉｏｎ／ａＪ注入した試験片ＡＮ２１５．同１．０Ｘ
１０１８ｉ　ｏｎ／ａｊ注入したＡＮ２１７においてア
ルゴンイオン照射のみの場合より摩耗粉数が減少した。

アルゴンイオン照射後の窒素イオン注入の効果が顕著に
なるのは、窒素イオン注入量１．ＯＸ　１０”ｉ　ｏ　
ｎ／ａｄ以上であった。

アルゴンイオンを照射せず、窒素イオンのみ注入した場
合、１．ＯＸ　１０工６ｉ　ｏ　ｎ　／ａ！窒素イオン
注入した試験片ＡＮ４０１で未処理材ＡＮＯＯＩよりも
摩耗粉発生量は少く、１．０Ｘ１０”ｉｏｎ／ａ＃窒素
イオン注入した場合はアルゴンイオン照射後窒素イオン
注入した試験片ＡＮ２１５及びＡＮ２１７と同程度の摩
耗粉発生抑制効果が認められた。

〈実施例３〉 金属イオン注入効果を検証結果について以下に述べる。

セラミックスを窒化アルミニウムとし、１、ＯＸ　１０
”ｉ　ｏ　ｎ／ａ＋ｆアルゴンイオンを照射し表面層を
除去した後、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｎｉイオンをそれぞれ１．Ｏ
ＸＩ○１５ｉｏｎ／ａＪ注入した。

金属イオン注入した後に実施例２で示した耐摩耗試験に
供し発生する摩耗粉数を測定した。摺動条件は前述の試
験と同様とした。表２に耐摩耗試験の結果を示す。

表２　耐摩耗試験結果 試験片ＡＮ６０１はＴｒ、試験片ＡＮ６０２はＮｂ、試
験片６０３はＮｉを注入したものである。

金属イオン注入したいずれの試験片でも、摩耗粉数は未
処理材であるＡＮＯＯＩに比較して３分のｌ以下であっ
た。金属イオンを注入した場合、窒素イオン注入よりも
少い注入量で摩耗粉発生を抑制する効果が得られた。

本実施例では窒化アルミニウムの一成分であるアルミニ
ウムと化合物を作りやすい金属元素を注入し、耐摩耗性
向上効果が得られたが、他の金属元素でも、セラミック
ス構造体をなす成分元素と化合、あるいは、摩擦摺動雰
囲気中の元素と化合物を形成することで同様の耐摩耗効
果が得られた。

さらに、イオン注入と真空蒸着を併用することにより改
質層を形成することができ、同時に真空容器中の雰囲気
ガスを酸素、窒素、アルゴン、炭化水素等とすることに
より、改質層の形成効率を高めることができた。

〈実施例４〉 電子計算機の半導体には使用中に発熱するものがある。

第８図及び第９図は電子計算機の半導体素子の冷却装置
を示す。半導体の自己発熱による過熱を防ぐための冷却
装置として、半導体１４と冷媒１５の間に伝熱ブロック
１６及び熱伝導ディスク１７を介した構成体が使用され
る。伝熱ブロック１６及び熱伝導ディスク１７は絶縁性
を確保するためセラミックスが適しており、半導体の熱
膨張により生じる変位を吸収するための摺動部をもつ。

従来のセラミックスを伝熱ブロック及び熱伝導ディスク
に用いた場合、伝熱ブロックと熱伝導ディスク間の摺動
部でかじりあるいは焼付が発生し、半導体の熱膨張によ
り生じる変位が吸収されないため半導体が破損する現象
、もしくは、摩耗粉が摺動部に介在することで熱伝導性
が劣化し半導体が過熱する現象が認められた。

本発明の摺動部材を同様の伝熱ブロック及び熱伝導ディ
スクに用いた場合、半導体の発熱、冷却をくり返した後
も摺動部は良好な接解状態を保っており、半導体素子の
破損、過熱は見られなかった。

〈実施例５〉 第１０図は磁気記録装置を示す。磁気記録媒体で磁気デ
ィスク１９は回転しており、磁気ディスク上を磁気ヘッ
ド２０及び磁気ヘッド保持部であるスライダー２１を摺
動させる。

摺動寿命試験は摺動速度（周速）２４．５ｍ／Ｓとした
時にスライダを加速度７５０Ｇ、周波数５４Ｈｚの打撃
条件で磁気ディスクと接触させる方法により行った。ス
ライダ材質を窒化アルミニウム、炭化硅素、ジルコニア
、部分安定化ジルコニアとした。

切削加工及びラップ加工のままのスライダの場合いずれ
の材質でも約３０分〜５０分でセラミックスライダによ
り磁気ディスクが摩耗し信号出力が摺動初期の５０％以
下まで減衰した。一方、本発明の表面を有するセラミッ
クスのスライダーを用いた場合、−時間摺動試験を行っ
た後も初期出力の５０％以上の信号出力を保つことがで
きた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、セラミックスを加工、あるいは、成形
する際に形成される表面層を除去したため、摺動部にお
ける摺動開始時の摩耗粉の発生を抑制できるので、耐摩
耗性を向上させることができる。

また、表面層を除去し、さらにセラミックス表面下に改
質層を形成することにより、表面を良好な状態に保つこ
とができるので、摺動開始後の耐摩耗性を向上させるこ
とができる。

加えて、イオン照射、イオン注入、イオン注入と真空真
着を併用することで、セラミックス表面の状態を再現良
く、かつ、迅速に制御することができるため、生産性が
向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のセラミックス耐摩耗材料の一例として
の表面近傍の断面図、第２図は第１図に示す表面構造を
形成する前の断面図、第３図は切削加工したままのＡ１
２Ｎ母材表面の粒子構造を示すＳＥＭ写真、第４図は切
削加工後イオン照射したＡＱＮ表面の粒子構造を示すＳ
ＥＭ写真、第５図は第３図のＡｆｆＮについて摩擦試験
を行った後のＡＱＮ表面の粒子構造を示す写真、第６図
は第４図のＡｆｌＮについて摩擦試験を行った後のＡＲ
Ｎ表面の粒子構造を示すＳＥＭ写真、第７図は耐摩耗評
価装置の説明図、第８図、第９図は半導体素子の冷却装
置の断面図、第１０図は磁気記録装置の斜視図である。 １・・セラミックス、２・・・結晶粒、３・・・表面、
４・・・改質層、５・・・表面層、６・・・クラック、
７・・・平板試第１図 第２図 第３図 第５図 う；　４　、ｑ 第６遼 第７図 ／２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、切削加工あるいはラップ加工されたセラミックス構
   造体の切削面に実質的に加工変質層がないことを特徴と
   するセラミックス耐摩耗材料。 ２、切削加工、あるいは、ラップ加工されたセラミック
   ス構造体の切削面にばりがないことを特徴とするセラミ
   ックス耐摩耗材料。 ３、請求項１において、前記加工変質層が塑性流動層、
   あるいは、表面近傍のクラックで構成されたセラミック
   ス耐摩耗材料。 ４、請求項１において、前記セラミックスが窒化物、酸
   化物、炭化物、ホウ化物のいずれかであるセラミックス
   耐摩耗材料。 ５、切削加工されたセラミックス構造体の切削面に実質
   的に加工変質層がなく、前記切削面に改質層をもつこと
   を特徴とするセラミックス耐摩耗材料。 ６、請求項５において、前記改質層は窒化、酸素、炭素
   もしくは金属元素のうち、いずれか一種もしくは二種以
   上の原子濃度がセラミックス母材内部よりも高い濃化層
   であるセラミックス耐摩耗材料。 ７、請求項５において、前記改質層の厚さが０．０１μ
   ｍ〜５．０μｍであるセラミックス耐摩耗材料。 ８、請求項１において、前記加工変質層を含む表面層を
   エッチングによつて除去するセラミックス耐摩耗材料の
   製法。 ９、請求項８において、前記表面層を０．１ｋｅＶ〜１
   ＭｅＶのエネルギをもつイオンを照射することにより除
   去したセラミックス耐摩耗材料。 １０、請求項５において、前記改質層を１．０ｋｅＶ〜
   ５ＭｅＶのエネルギをもつイオンを照射することにより
   形成したセラミックス耐摩耗材料。 １１、請求項１０に記載のイオン照射と、金属蒸着ある
   いは化合物蒸着を同時もしくは交互に行い、改質層を形
   成したセラミックス耐摩耗材料。 １２、請求項１に記載の構造体をもつ電子機器用摺動部
   材。 １３、請求項１に記載の構造体をもつ放熱器用摺動部材
   。 １４、冷媒により冷却される伝熱ブロックと、半導体素
   子と伝熱ブロックとの両者に接触させた熱伝導ディスク
   とが、請求項１に記載のセラミック構造体である冷却装
   置。 １５、請求項１１に記載の摺動部材を用いた摺動部をも
   つ電子計算機。 １６、請求項１２に記載の摺動部材を集積回路の摺動部
   に用いた電子計算機。 １７、請求項１３に記載の冷却装置を有した電子計算機
   。 １８、請求項１に記載の摺動部材を磁気記録媒体との接
   触、摺動部に用いた磁気ヘッド。 １９、請求項１７に記載の磁気ヘッドを用いた磁気記録
   装置。 ２０、請求項１に記載の摺動部材を磁気記録媒体と接触
   、摺動する磁気ヘッド保持部に用いた磁気ヘッド。 ２１、請求項１９に記載の磁気ヘッドを用いた磁気記録
   装置。