JPH03502682A - 硬質エンジニヤリングセラミック材料の表面を変性するための方法 - 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】 硬質エンジニャリングセラミック材料の表面を変性するための方法 本発明は、硬質エンジニャリングセラミック材料の表面を変性するための方法に 関する。これらの材料は、元素ケイ素、ホウ素及びその他の遷移金属類の化合物 （酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物）を包含し、そして本発明の目的のために は、１ｋｇの通常負荷を用いたときに１０００ｋｇ／　ｍ＝ｘ（またはＬＯＧＰ ａ）より大きい室温ヌープ押込み硬さを有すると一般的に定義されうる。

硬質エンジニャリングセラミック材料は、比較的新しく、多くの場合にそれらの 有用な応用の完全な範囲なまだ充分に探査されるべきである。しかしながら、そ のような材料はそれらの融点の約０．５（０，５Ｔｍ）より低い温度で応力に付 されるときに塑性変形するよりもむしろ破壊する傾向を有することが知られてい るーすなわち、それらはそのような温度において脆い傾向がある。従って、それ らは何形するのが困難であり、そして最もしばしば、そのような材料から作られ る部材はホットプレス加工または焼結加工それに続く最終寸法までの研削により 製造されなければならない。研削は、使用中、殊にピストンシリンダ内のピスト ンのような摩擦発生応用において、時期尚早な破損の原因となりうる微細な表面 欠陥及び割れを不可避的に招く。

そのような材料を加工するときのこれらの問題は、それらの有用な応用を明らか に制限する。

本発明の一目的は、硬質エンジニャリングセラミック材料の表面を変性するため の方法、そしてさらに特定的には、それにより材料の表面における微細な表面欠 陥及び割れがアンニールされ　　’　　ｍ’　　　−ｊる方法を提供することで ある。

本発明の一態様によれば、材料の表面が、第２の材料の表面により伝えられる点 ／線負荷によって引き起される可塑変形に付される、硬質エンジニャリングセラ ミック材料の表面を変性するための方法が提供される。

この明細書全体を通して、用語「点負荷」は、鉛筆と紙との間のように、点状表 面から平坦表面へ移行される力を定義するために意図されている。用語「線負荷 」は、くさび、たがねまたはシリンダと平坦表面との間のように、線表面から平 坦表面へ移行される力を定義するために意図されている。

好ましくは、第２の材料は、第２の材料を硬質エンジニアセラミックス材料の表 面特徴中ヘクリーブによって成人しそしてその表面特徴のレプリカを作るように させるのに充分に高い温度で処理されている硬質エンジニャリングセラミックス 材料に対して負荷される。このプロセスは０．５Ｔ　ｔｒｒより低い温度で実施 されるのが好都合である（Ｔｍは硬質エンジニャリングセラミックス材料が溶解 する温度に等しい）。第２の材料は、都合よくは、第２の硬質エンジュャリング セラミック材料からなるが、これは処理されつつある硬質エンジニャリングセラ ミック材料と同じ硬さであるか、またはそれより軟くてよい。

本発明の方法を用いると二つの主要な利益が生じる：ｌ、第１に、材料を研削す ることにより導入される割れのような欠陥が、いやされ、その結果耐摩耗性の改 善が伴なう。

２、第２に、表面特徴の小さな変化が発現及び制御されうる。

従って一方のセラミック表面は、クリープ条件下でこれらの表面を変形させるこ とにより他方の表面への最適な適合を発現するようにさせられうる。これは、ピ ストン及びピストンシリンダは、通常の運転温度での使」における最適な摩擦カ ップリングのために相互に適合するように処理されうる。

好適には、硬質エンジニャリングセラミックス材料の表面は、それをより軟い潤 滑された金属で繰返し横断する（こする）ことにより硬化されうる。実験により 、硬質エンジニャリングセラミックス材料の硬さはこのようなやり方でほぼ６０ ％も増加されることがあり、そして硬さの増加は永久的であることが示された。

さらには、材料の耐摩耗性は、三体摩耗条件下で、すなわち摩耗砕片または酸化 物粒子が、相互に摩耗し合っている二つの表面の間に取り込まれた場合に、増大 される。

前述の利益を達成するために本発明の方法による硬質エンジニアリングセラミッ クス材料の処理中に制御されるべき主要な変動因子は下記の通りであることが発 見された：１、点／線負荷中に発現される応力は、変性される結晶固体中の転位 を移動させ増大させるための臨界確定剪断応力を超えるのに充分であるべきであ るが、局部的割れを生じさせるのに充分であってはならない。

点／線負荷を掛けている第２の材料との間で接合及び焼付きが起こる温度よりも 低いが、それでもなお、有意な転位易動性を可能にするのに充分に高くなければ ならない。これは普通０．３Ｔｍから０．５Ｔｍの範囲内であろう。

３、硬質エンジニャリングセラミックス材料及び点／線負荷を掛けている第２の 材料の表面の間の接触の最適時間は温度に依存することになる。

４、本発明の方法を実施する雰囲気は、制御されてよく、例えばそれは、表面の 劣化を防ぐためあるいは改善された表面特性（非化学論的組成への調節等のよう な）を誘起するために真空、不活性または反応性でありうる。

本発明の一態様によれば、材料の表面が第２の硬質エンジニャリングセラミック 材料の表面により移行された点／線負荷によって引き起される塑性変形に付され る、硬質エンジニャリングセラミックス材料からなる部材の表面を処理するため の方法が提供される。

本発明の好適な具体列においては、２つの成分が両者とも硬質エンジニャリング セラミック材料から成り、摩擦的使用のために本発明の方法に従って処理され、 一方が他方に対し、これらの２成分の対面する表面間で最適な調和を確立する。

これらの成分は両者とも同じ硬質のエンジニャリングセラミック材料から構成さ れ、その一方が他方よりもソフトな硬質エンジニャリングセラミック材料から構 成されている。

本発明の具体例が実施例により述べられるであろう。

ピストンシリンダー内のピストンを考えると、これらの一方又は両者が硬質のエ ンジニャリングセラミック材料を使用して利益及び利点を達成するために作られ ることができる。しかしながら、通常の製造技術を使用すると、ピストンがピス トンシリンダー穴内に正確に適合させるためならば、この硬質エンジニャリング セラミック材料はその最終の大きさに研磨されねばならないし、これがより大き いか小さいかすると、研磨された表面に表面破損（ｄｅｆｅｃｔｓ）又はクラッ ク（ｃｒａｃｋｓ）を起こす。

本発明の方法において、ピストンシリンダー穴が幾分小さ目に作られ、ピストン リングの径がこのピストンシリンダー穴に一致させる以外は、ピストン及びピス トンシリンダーが研磨の直前の工程まで普通に作られる。通常、ピストンリング もピストンシリンダーも同じ硬度であると理解されるべきであるが、ピストンリ ングはピストンシリンダー自身より硬いエンジニャリングセラミック材料で作ら れている。

ピストンリングは、０．５７ａ＋とほぼ等しい温度でシリンダー穴に挿入され、 ピストンの可動長さで動かされる。ピストンシリンダー穴内表面に接しているピ ストンリングの周囲長さがその間の接触線を限定し、そしてこの２つの表面間の 線負荷は、ピストンシリンダーの内表面に接触するピストンリングの表面がピス トンシリンダーの内表面に合わせるためにクリープのプロセスによって変性され る。ピストンシリンダー穴を通してのピストンリングの行動の活動割合は、変性 される表面粗さ、サイズの小ささの程度、温度及び変形割合のような他のプロセ スの操作特性にしたがって決定され、そして特定化される。

ピストンシリンダー穴の内表面に適合するシリンダーリングの調整は、前に述べ たのと同じ方法で行われるであろうが、この際に―、ピストンリングの径が僅か に大きくされ、ピストンシリンダーが硬質のエンジニャリングセラミック材料か ら作られる。

本発明はピストン及びピストンシリンダーを参考にして述べられたが、硬質エン ジニャリングセラミック材料がら作られた他の成分が本発明の方法を使用して処 理されることが認められるべきである。本発明の方法を行うために使用される道 具及び装置は、その特別な型及び概要にしたがっである成分から他の成分に変わ るであろうことが当業者に明らかであろうが、その全表面を越える点／線負荷を 使用する基本的原則は同じままであろう。

補正書の翻訳文提出書 （特許法１８４条の８） 平成　２年　５月７日 ＰＣＴ／ＧＢ　８８１００９５０ ２、発明の名称 硬質エンジニャリングセラミック材料の表面を変性するための方法 ３、特許出願人 住　所　イギリス国ノース・バンパーサイド、エイチュー９・５アールエイ、ハ ル、マーフリート（番地なし）名　称　ジエイ・エイチ・ツェナー・アンド・カ ンパニー・リミテッド ４、代理人 住　所　　　東京都千代田区大手町二丁目２番１号新大手町ビル２０６区 ５、補正書の提出日 平成　２年　１月３１日 （１）　　補正書の翻訳文　　　　　　　　１通　　Ｑ６、添付書類の目録 ＋−□ 浄書（内容に変更なし） 明　　　細　　　書 本発明は、硬質エンジニャリングセラミック材料の表面を変性するための方法に 関する。これらの材料は、元素ケイ素、ホウ素及びその他の遷移金属類の化合物 （酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物）を包含し、そして本発明の目的のために は、１ｋｇの通常負荷を用いたときに１０００ｋｇ／＋ａｊｉ　（またはＬＯＧ Ｐａ）より大きい室温ヌープ押込み硬さを有すると一般的に定義されうる。

硬質エンジニャリングセラミック材料は、比較的新しく、多くの場合にそれらの 有用な応用の完全な範囲なまだ充分に探査されるべきである。しかしながら、そ のような材料はそれらの融点の約０．５（０，５Ｔｍ）より低い温度で応力に付 されるときに塑性変形するよりもむしろ破壊する傾向を有することが知られてい るーすなわち、それらはそのような温度において脆い傾向がある。従って、それ らは何形するのが困難であり、そして最もしばしば、そのような材料から作られ る部材はホットプレス加工または焼結加工それに続く最終寸法までの研削により 製造されなければならない。研削は、使用中、殊にピストンシリンダ内のピスト ンのような摩擦発生応用において、時期尚早な破損の原因となりうる微細な表面 欠陥及び餉れを不可避的に招く。

そのような材料を加工するときのこれらの問題は、それらの有用な応用を明らか に制限する。

本発明の一目的は、硬質エンジニャリングセラミック材料の表面を変性するため の方法、そしてさらに特定的には、それにより材料の表面における微細な表面欠 陥及び割れがアンニールされ及び／またはシールされうる方法を提供することで ある。

本発明の一態様によれば、材料の表面が、第２の材料の表面により伝えられる点 ／線負荷によって引き起される可塑変形に付される、硬質エンジニャリングセラ ミック材料の表面を変性するための方法が提供される。

この明細書全体を通して、用語「点負荷」は、鉛筆と紙との間のように、点状表 面から平坦表面へ移行される力を定義するために意図されている。用語Ｆ線負荷 」は、くさび、たがねまたはシリンダと平坦表面との間のように、線表面から平 坦表面へ移行される力を定義するために意図されている。

好ましくは、第２の材料は、第２の材料を硬質エンジニアセラミックス材料の表 面特徴中ヘクリープによって流入しそしてその表面特徴のレプリカを作るように させるのに充分に高い温度で処理されている硬質エンジニャリングセラミックス 材料に対して負荷される。このプロセスは０．５Ｔｍより低い温度で実施される のが好都合である（Ｔｍは硬質エンジニャリングセラミックス材料が溶解する温 度に等しい）。第２の材料は、都合よくは、第２の硬質エンジニャリングセラミ ック材料からなるが、これは処理されつつある硬質エンジニャリングセラミック 材料と同じ硬さであるか、またはそれより軟くてよい。

本発明の方法を用いると二つの主要な利益が生じる：１、第１に、材料を研削す ることにより導入される割れのような欠陥が、いやされ、その結果耐摩耗性の改 善が伴なう。

２、第２に、表面特徴の小さな変化が発現及び制御されうる。

従って一方のセラミック表面は、クリープ条件下でこれらの表面を変形させるこ とにより他方の表面への最適な適合を発現するようにさせられうる。これは、ピ ストン及びピストンシリンダは、通常の運転温度での使用における最適な摩擦カ ップリングのために相互に適合するように処理されうる。

好適には、硬質エンジニャリングセラミックス材料の表面は、それをより軟い潤 滑された金属で繰返し横断する（こする）ことにより硬化されうる。実験により 、硬質エンジニャリングセラミソクス材料の硬さはこのようなやり方でほぼ６０ ％も増加されることがあり、そして硬さの増加は永久的であることが示された。

さらには、材料の耐摩耗性は、三体摩耗条件下で、すなわち摩耗砕片または酸化 物粒子が、相互に摩耗し合っている二つの表面の間に取り込まれた場合に、増大 される。

前述の利益を達成するために本発明の方法による硬質エンジニアリングセラミッ クス材料の処理中に制御されるべき主要な変動因子は下記の通りであることが発 見された：１、点／線負荷中に発現される応力は、変性される結晶固体中の転位 を移動させ増大させるための臨界確定剪断応力を超えるのに充分であるべきであ るが、局部的割れを生じさせるのに充分であってはならない。

２、方法を実施する温度は、処理されている硬質エンジニャリングセラミックス 祠料の表面と、バルク拡散の過程を介して点／線負荷を掛ｊすている第２の材料 との間で接合及び焼付きがの際には、ピストンリングの径が僅かに大きくされ、 ピストンシリンダーが硬質のエンジニャリングセラミック材料から作られる。

本発明はピストン及びピストンシリンダーを参考にして述べられたが、硬質エン ジニャリングセラミック材料から作られた他の成分が本発明の方法を使用して処 理されることが認められるべきである。本発明の方法を行うために使用される道 具及び装置は、その特別な型及び概要にしたがっである成分から他の成分に変わ るであろうことが当業者に明らかであろうが、÷÷÷アナ井、　　＋　　＋　　 、ｗ　　　、−二　　゛　　′寮÷…キ÷ぺ→腎←　、−＋−＃　　、　　　　 　＋　　−＋　　、−一′″二　　゛　＃　　　１７　、−／二　　゛　′嚢に 璋士　　　　−一こ　朴÷ｏ７Ｂ−４゜、　　°　　ゴ　　　：　　　　　　　 ”　　　　　　＋　９　　　　　、：８、第１エンジニヤリング成分がピストン リングから成り、第２エンジニヤリング成分がピストンシリンダ又はパイスーベ ルサ（ｖｉｓｅ　−ｖｅｒｓａ）から成る請求の範囲第７項に記載の方法。

手続補正書（ｊ５幻 平成　３年　２月２≦日 特許庁長官　　　植　松　　　敏　　殿ＰＣＴ／ＧＢ８８１００９５０ ２、発明の名称 硬質エンジニャリングセラミック材料の表面を変性するための方法 ３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 住所 名称　　　ジエイφ−イチ・ツェナー拳アンド・カンパニーリミテッド ４、代理人 住　所　　東京都千代田区大手町二丁目２番１号新大手町ビル　２０６区 電話３２７０−６６４１〜６６４６ ５、補正命令の日付　　平成　３年　１月２２日　溌送印国際調査報告 国際調査報告　　　、。Ｔ／ＧＢ　Ｂ８１００９５０

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．硬質エンジニヤリングセラミック材料の表面を変性するための方法であって 、点又は線負荷（ｐｏｉｎｔｏｒｌｌｎｅｌｏａｄ）が、硬質エンジニヤリング セラミック材料の塑性変形（ｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を生起さ せるような第２材料により前記硬質エンジニヤリングセラミック材料の表面に付 与される方法。
2. ２．第２材料が硬質エンジニヤリングセラミック材料の表面を横断して繰り返し 通過する請求の範囲第１項に記載の方法。
3. ３．硬質エンジニヤリングセラミック材料は、第２材料がクリープ（ｃｒｅｅｐ ）によって硬質エンジニヤリング材料の表面構成（ｓｕｒｆａｃｅｆｅａｔｕｒ ｅｓ）に流れ込み（ｆｌｏｗｉｎｔｏ）、そして曲げ返す（ｒｅｐｌｉｃａｔｅ ）のを確実にするような十分に高い温度で、処理される請求の範囲第１項又は第 ２項に記載の方法。
4. ４．前記方法が０．３Ｔｍ〜０．５Ｔｍの範囲内の温度で行われ、Ｔｍは硬質エ ンジニヤリングセラミック材料が熔融する温度と等しい請求の範囲第３項に記載 の方法。
5. ５．第２材料が硬質エンジニヤリングセラミック材料から成り、その硬度が処理 される硬質エンジニヤリングセラミック材料の硬度より大きくない請求の範囲第 １項〜第４項のいずれか１つに記載の方法。
6. ６．第２材料が比較的ソフトでなめらかにされた（ｌｕｂｒｉｃａｔｅｄ）材料 である請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１つに記載の方法。
7. ７．第１のエンジニヤリング成分が硬質エンジニヤリングセラミック材料から作 られ、第２エンジニヤリング成分が第２材料から作られ、第１及び第２成分が摩 擦的使用において用いられ、使用の際に第２エンジニヤリング成分が第１エンジ ニヤリング成分の表面を変性させるようにそれらの間で点又は線接触を限定する 請求の範囲第１項〜第６項のいずれか１つに記載の方法。