JPH05301765A

JPH05301765A - 摺動部材用アルミナセラミックス

Info

Publication number: JPH05301765A
Application number: JP4347513A
Authority: JP
Inventors: Takashiro Ootsubo; 隆城大坪; Jun Ujita; 潤氏田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1992-02-27
Filing date: 1992-12-28
Publication date: 1993-11-16
Anticipated expiration: 2016-04-03
Also published as: JP3152774B2

Abstract

(57)【要約】【目的】耐摩耗性、摺動特性に優れ、表面結晶粒子が球
状であるセラミックスを作製する。【構成】アルミナ１００重量部に対して、ＭＴｉＯ
₃（但し、ＭはＣａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｐｂな
どの金属）で示される成分の少なくとも一種を４重量部
を超えない範囲で添加したものを成形、焼成して摺動部
材用アルミナセラミックスを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば紡績機械用糸ガ
イドやテープガイドの他、軸受、バルブ、ポンプ等の各
種摺動部材に用いられるアルミナセラミックスに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、糸ガイド、テープガイド、軸
受、バルブ、ポンプなどの摺動部材にセラミックスが用
いられている。

【０００３】例えば、紡績機械用糸ガイドにはアルミナ
やチタニア等のセラミックス材、あるいは金属材にＣｒ
メッキを施したものが用いられてきた（例えば、特公昭
５２−４８６４７号公報、特開昭５７−１０２４７２号
公報等参照）。このうちチタニアセラミックスは最も古
くより糸ガイドとして用いられており、材質的に比較的
軟らかいため糸との馴染みがよい反面、摩耗しやすく耐
久性に劣るという欠点を持っていた。そのため近年は硬
度が高く耐摩耗性に優れるアルミナ材が幅広く使用され
ている。

【０００４】しかしアルミナセラミックスは、焼結体表
面の結晶が角張っているため、糸の傷つき防止の為にバ
レル研磨等にて加工し、または更にミガキ加工を施して
製品化していた。そのため、摺動面が平坦になりすぎて
摩擦係数が高くなるという問題があった。したがって、
糸ガイドとして使用した場合、低摩擦係数という面でＣ
ｒメッキ品に劣り、特に厳しい摺動特性が要求される場
合には使用されなかった。一方Ｃｒメッキ品は低摩擦係
数を有するが、高価であり耐摩耗性に劣るという欠点を
持っている。

【０００５】また近年、繊維業界では糸速を大幅に向上
することにより生産性を上げ、コストダウンに対応して
いる。しかし糸速が速くなるほど糸ガイドは熱を持ちや
すくなるため、熱の影響による糸の品質低下が問題とな
る。そこで糸ガイドに要求される特性として特に低摩擦
係数を有することが重要となってきた。

【０００６】さらに、繊維業界のもうひとつの流れとし
て、糸の極細化による高品質化がある。具体的には従来
の絹や一般衣料用糸が１ｄ（デニール）または１．５〜
５．６ｄであるのに対して、極細糸（ファインデニー
ル）として０．１〜０．００１ｄと糸の直径を１／５０
〜１／５０００とすることにより高品質化しようとする
ものである。この結果、次の二つの理由により低摩擦係
数を有する糸ガイドが重要となってきた。ひとつは糸が
細くなるために糸とガイド間の摺動特性が糸の品質に大
きく影響するためであり、もうひとつは糸が大幅に細く
なることから従来と同じ生産量を維持するために紡糸速
度を大幅に向上する必要があるため、糸と糸ガイド間の
摺動特性が更に厳しくなるためである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、これらの糸
ガイドに対する要求特性に対し、従来のチタニア材、ア
ルミナ材とも低摩擦係数という面で満足できない状況に
あった。また低摩擦係数の面で最も優れるＣｒメッキの
場合は、コスト的に高く、かつメッキが剥がれやすいた
め耐摩耗の面で問題があった。このように低コスト、耐
久性，低摩擦係数を全て満足する材料はなかった。

【０００８】また軸受、バルブなどの摺動部材において
も、優れた耐摩耗性を維持したまま、摩擦係数を低くす
ることが求められているが、これらの要求特性を満たす
ことは困難であった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記に鑑みて本発明者等
は、Ａｌ₂Ｏ₃１００重量部に対して、ＭＴｉＯ₃（但
し、ＭはＣａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｐｂなどの金
属）で示される成分の少なくとも一種を４重量部を超え
ない範囲で添加したものを成形、焼成することにより、
摺動性に優れたアルミナセラミックスが得られることを
知見した。

【００１０】また、特にＡｌ₂Ｏ₃１００重量部に対し
て、ＣａＴｉＯ₃を０．１〜３．０重量部の範囲で添加
したものを成形、焼成し、焼結体中にアルミン酸カルシ
ウムを含有させることにより、摺動特性に優れるアルミ
ナ系セラミックス材料が得られることを知見した。

【００１１】一般に、低摩擦係数を有するセラミックス
の条件としては、表面の結晶粒子が球形であることが必
要である。この点に関し、本発明では易焼結性アルミナ
粉末に対して、ＣａＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃、ＢａＴｉ
Ｏ₃、ＭｇＴｉＯ₃、ＦｅＴｉＯ₃、ＰｂＴｉＯ₃など
より選ばれる少なくとも一種を添加することにより、焼
結体表面の結晶が球形に近いアルミナセラミックスを得
るようにしたのである。これらの添加剤は、アルミナと
同じ酸素：陽イオン比＝３：２であり、焼結中にアルミ
ナ中へ固溶しやすく、その後添加成分がアルミナ結晶粒
子表面より昇華することにより、結晶表面の表面張力を
大きくして、結晶を丸めるのに重要な役目を果たすので
ある。

【００１２】また、本発明では易焼結性アルミナ粉末に
対し、特にＣａＴｉＯ₃を０．１〜３．０重量部添加し
たもの、あるいはさらにＴｉＯ₂を０．０１〜２．０重
量部添加したものを成形、焼成することによって、焼結
体表面の結晶がより球形に近いアルミナセラミックスを
得るようにした。このＣａＴｉＯ₃は、焼成中に分解し
ながらアルミナ中に固溶しやすく、分解したＣａＯ成分
はアルミナに固溶してアルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ
₁₂Ｏ₁₉）となる。またＴｉＯ₂成分はアルミナ結晶粒子
表面から昇華することにより、結晶表面の表面張力を大
きくして、結果として結晶を丸めるのに非常に大きな役
割を果たすのである。このようにして得られた焼結体
は、アルミナを主成分とし、アルミン酸カルシウムを含
み、表面の結晶が丸いものであるため、耐摩耗性に優れ
るとともに、摺動特性も非常に優れたものとなる。

【００１３】このような効果は、例えばＴｉＯ₂単体で
添加した場合には、その殆どが粒界にて昇華してしまう
ため得られない。そのため、ＴｉＯ₂単体の場合は、必
要添加量が多くなり、ボイドレベルが悪くなったり、強
度低下や異常粒成長等の種々の問題が生じてしまうので
ある。

【００１４】また、本発明で添加するＣａＴｉＯ₃、Ｓ
ｒＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、ＭｇＴｉＯ₃、ＦｅＴｉＯ
₃、ＰｂＴｉＯ₃及びＴｉＯ₂粉末は平均粉砕粒子径
０．７μｍ以下の超微粉のものが好ましい。これは主成
分であるアルミナ中に均一に分散させるため、つまり分
散不良による異常粒成長やボイドの発生を防止するため
である。これらは一部アルミナ中に固溶し、焼結の段階
で結晶表面の表面張力を大きくして、結果として結晶を
丸めるのに重要な役割を果たす。なお添加量としては、
摺動特性を高める効果を得るためには、ＭＴｉＯ₃で示
される成分が０．１重量部以上必要で、４．０重量部を
超えない範囲、好ましくは３．０重量部以下が適当であ
る。特にＣａＴｉＯ₃を用いる場合は、０．１重量％以
上必要であるが、ＣａＴｉＯ₃とＴｉＯ₂を合わせて３
重量％を越えない範囲が最適である。

【００１５】また焼成条件としては、安価材という面で
は大気雰囲気焼成が適するが、特に厳しい面状態を必要
とする場合には、真空雰囲気中にて最高焼成温度１４０
０〜１８００℃の条件にて焼成することにより、焼結時
結晶表面の蒸気圧が高くなり更に結晶が丸く摩擦特性に
優れた焼結体が得られる。

【００１６】なお、これらＣａＴｉＯ₃、ＳｒＴｉ
Ｏ₃、ＢａＴｉＯ₃、ＭｇＴｉＯ₃、ＦｅＴｉＯ₃、Ｐ
ｂＴｉＯ₃やＴｉＯ₂成分のアルミナセラミックス中へ
の含有の手法としては前述の様に原料段階で混合添加す
る製造方法の他に、これらの成分を含むスラリーを含浸
させる方法もある。つまり、アルミナ成形体を用意し、
これを、上記ＣａＴｉＯ₃、ＴｉＯ₂などを溶質として
含むスラリー中に浸し、アルミナ成形体の表層部にこれ
らの成分を含浸させた状態で焼成すればよい。このよう
にすれば、上記成分の含浸した表層部分のみ、結晶を丸
くすることができる。したがって、この製造方法で得ら
れたアルミナセラミックスは表層部のみ結晶が丸くなっ
ており、優れた摺動特性を得られるとともに、強度を高
くできる。

【００１７】また、本発明のアルミナセラミックスに
は、更に他の成分としてＭｇＯ、ＳｉＯ₂、Ｃｒ
₂Ｏ₃、ＮｉＯ、ＣｏＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃の少なくとも一種
を合計８重量％を越えない範囲で添加することが出来
る。これらのうち、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂は焼結助剤や結晶
成長抑制剤として作用し、結晶を丸くする作用があるた
め、０．０１重量％以上の範囲で添加することが望まし
い。一方Ｃｒ₂Ｏ₂、ＮｉＯ、ＣｏＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃は着
色剤として作用し、これらの着色剤を添加することによ
り、例えば糸ガイドとして使用した場合、糸の摺動状況
を目視確認することが出来る。

【００１８】更に、本発明のアルミナセラミックスの平
均結晶粒子径は２〜３０μｍの範囲内であることが必要
である。これは、２μｍよりも小さいと表面が滑らかに
なりすぎて、低摩擦特性を示さなくなり、逆に３０μｍ
よりも大きいと脱粒や強度劣化を生じるためである。例
えば糸ガイドとして、特に低摩擦が要求される部位に使
用される場合には、平均結晶粒子径１０〜３０μｍのも
のが、摺動の際の接触点が少なく、非常に低摩擦係数を
示すために好ましい。但し、表面平滑性と優れた摺動性
の両面が必要な部位には、平均結晶粒子径２〜１０μｍ
のものが適している。

【００１９】

【実施例】以下本発明の実施例を説明する。

【００２０】表１の組成となるように各原料を調合し、
湿式粉砕機にて平均結晶粒径１．０μｍまで粉砕した
後、噴霧乾燥、成形、焼成したものをバレル研磨して本
発明実施例のアルミナセラミックスを得た。それぞれ、
平均結晶粒子径、表面粗さ、ビッカース硬度を測定し、
且つ表２の条件にて摩擦係数を測定した。なお比較例と
して、アルミナセラミックス（９９．７重量％Ａｌ₂Ｏ
₃）とチタニアセラミックス、Ｃｒメッキ品についても
測定を実施した。

【００２１】これらの結果は表３に示す通りである。な
お平均結晶粒径については、焼成面の５６２倍走査電子
顕微鏡写真を撮影し、この写真上に任意に８ｃｍの直線
を３本引き、この線上にある結晶粒の数をＮとして平均結晶粒径（μｍ）＝８０×３÷５６２÷Ｎにより算出した。また表面粗さは、バレル研磨後の表面
の中心線平均粗さ（Ｒａ）を測定した。更にビッカース
硬度は、鏡面研磨後、荷重５００ｇｆで測定した。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】

【表３】

【００２５】これらの結果より、比較例であるＮｏ．１
４の従来アルミナセラミックス（９９．７重量％Ａｌ₂
Ｏ₃）は、硬度が高く耐摩耗性に優れるが、表面の粒子
が比較的角張っているため、バレル研磨にて角張りを取
り除く必要があった。その結果、焼結体表面部には平坦
部が形成され、摩擦係数が０．３１と高かった。またＮ
ｏ．１５のチタニアセラミックスは硬度が８．８ＧＰａ
と非常に低く、摩擦係数も０．３５と高いため、耐摩耗
性、摺動特性の両面で他のサンプルより大幅に劣ってい
た。更にＮｏ．１６のＣｒメッキ品については、摩擦係
数は低いが、ビッカース硬度が非常に低く、且つメッキ
の接着強度の問題より耐摩耗性が劣ることが確認でき
た。また、Ｎｏ．１２、１３のチタニアを添加したアル
ミナセラミックスについては、粒子のある程度の球状化
は確認されたが、ボイドレベルが非常に悪く、且つ異常
粒成長の影響により結晶が不均一であり、結果として摩
擦係数が０．２９〜０．３０と高かった。

【００２６】これら比較例に対して、Ｎｏ．１〜５、８
〜１１の本発明実施例によるアルミナセラミックスは、
ビッカース硬度１６ＧＰａ以上、摩擦係数０．２５以下
と、耐摩耗性、摺動特性両面で優れていることが判る。
特にＮｏ．２のものはＣｒメッキ品と同等の優れた摺動
性を示した。なお、このＮｏ．２と、比較例であるＮ
ｏ．１２について、それぞれ表面形状のチャート図を図
１に比較するように、本発明実施例のアルミナセラミッ
クスは、表面の凹凸が滑らかであり、結晶が丸くなって
いることが確認できる。また、本発明実施例のアルミナ
セラミックスの組成をＸ線回折法により分析したとこ
ろ、主成分のＡｌ₂Ｏ₃の他に、アルミン酸カルシウム
（Ｃａ−Ａｌ−Ｏ）および微量のＴｉＯ₂が検出され、
前述したＣａＴｉＯ₃の固溶により結晶が丸くなったも
のであることが確認された。

【００２７】なおＣａＴｉＯ₃の添加量を４重量部以上
にしたＮｏ．６、７では、硬度が１４．７ＧＰａと低
く、表面粗さＲａも１．８μｍと大きかった。また異常
粒成長や、粒界の一部にはクラックが確認されたため摺
動部材としては不適であった。

【００２８】次に上記表３中のＮｏ．１〜３、１３、１
５、１６について、糸速度を１０００ｍ／ｍｉｎにして
摩擦係数を測定した結果は表４の通りである。

【００２９】

【表４】

【００３０】この結果より、比較例であるＮｏ．１３、
１５、１６は、すべて糸速度を上げることにより摩擦係
数が高くなる傾向が確認された。これらに対して、Ｎ
ｏ．１〜３の本発明実施例は、低速よりも高速の方が摩
擦係数が低く、且つＣｒメッキ品よりも優れた摺動性を
示した。これは硬度が高く、且つ表面結晶粒子が球状で
あることが原因と考えられる。

【００３１】以上のように本発明の摺動部材用アルミナ
セラミックスは、従来のアルミナセラミックスと同等の
優れた耐摩耗性を有するとともに、繊維との摺動におい
て低速、高速ともに非常に低い摩擦係数を示すことが確
認された。

【００３２】また、上記実施例では、添加剤として、Ｃ
ａＴｉＯ₃、ＭｇＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃を用いたもの
のみを示したが、この他にＳｒＴｉＯ₃、ＦｅＴｉ
Ｏ₃、ＰｂＴｉＯ₃などを用いても同様の結果であっ
た。

【００３３】さらに、以上の実施例では糸ガイドに適し
た例についてのみ述べたが、本発明の摺動部材用アルミ
ナセラミックスは、他の様々な摺動部材としても適用で
きることは言うまでもない。

【００３４】

【発明の効果】叙上のように本発明によればアルミナ１
００重量部に対して、ＭＴｉＯ₃（但し、ＭはＣａ、Ｂ
ａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｐｂなどの金属）で示される成
分の少なくとも一種を４重量部を超えない範囲で添加し
たことによって、表面結晶粒子が丸みを帯び、摺動特性
および耐摩耗性に優れたアルミナセラミックスが得られ
る。特に、ＣａＴｉＯ₃０．１〜３．０重量部を添加し
たものを成形、焼成して成り、アルミン酸カルシウムを
含有する平均結晶粒子径２〜３０μｍの焼結体は、特に
摺動特性及び耐摩耗性に優れたものとできる。したがっ
て、特に紡糸機械のガイド部において、今後糸が益々高
品質化、ファインデニール化していく中で、求められる
耐久性と摺動特性を満足することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明および比較例の摺動部材用アルミナセラ
ミックスの表面形状を示すチャート図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ａｌ₂Ｏ₃１００重量部に対して、ＭＴｉ
Ｏ₃（但し、ＭはＣａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｐｂ
などの金属）で示される成分の少なくとも一種を４重量
部を超えない範囲で添加したものを成形、焼成してなる
摺動部材用アルミナセラミックス。
【請求項２】Ａｌ₂Ｏ₃１００重量部に対して、ＣａＴ
ｉＯ₃０．１〜３．０重量部を添加したものを成形、焼
成してなり、アルミン酸カルシウムを含有する摺動部材
用アルミナセラミックス。