JPH06183841A - 低摩擦セラミックス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、金属化合物を添加したＳｉ₃ Ｎ₄
又はＳｉＣの低摩擦係数で且つ高強度を有する低摩擦セ
ラミックスを提供することである。 【構成】 この低摩擦セラミックスは、Ｓｉを含む非酸
化物セラミックスを母相として、その中に、遷移金属、
又はその化合物のうち少なくとも１種以上が分散してい
るものであり、潤滑油との吸着性に優れ、摩擦係数が低
く、気孔がほとんど存在せず、強度が無添加のものと同
等か、それ以上である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、Ｓｉを含む非酸化物
セラミックスを母相とする低摩擦セラミックスに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、炭化ケイ素ＳｉＣ、窒化硼素ＢＮ
を窒化ケイ素Ｓｉ₃ Ｎ₄ 中に分散させて摩擦係数を低減
するものは、例えば、特開昭５９−３０７６９号公報に
開示されている。また、焼結助剤として、Ｆｅ₃ Ｏ₄ 等
の各種金属酸化物を添加した窒化ケイ素Ｓｉ₃ Ｎ₄ は、
例えば、特開昭５８−６４２６８号公報、特開昭５９−
８８３７４号公報、特開昭６１−７２６８５号公報、特
開昭６３−３０３６６号公報等に開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、窒化ケイ素
のセラミックスについては、低い摩擦係数を持つものが
望まれている。一般に、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 中に、炭化ケイ素、
窒化ホウ素或いは酸化物の粒子を分散させた場合には、
結合界面での反応性に乏しく、材料自体の強度が低下
し、好ましくはない。また、上記公報に開示されている
ように、焼結助剤としてＦｅ₃ Ｏ₄ 等の金属酸化物を添
加したものでは、該添加量が少なく、また低摩擦の特性
を得ることができない。

【０００４】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
解決することであり、炭化ケイ素ＳｉＣ、窒化ケイ素Ｓ
ｉ₃ Ｎ₄ 、炭化ケイ素と窒化ケイ素の複合材、サイアロ
ンＳｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ等のＳｉを含む非
酸化物セラミックスを低い摩擦係数を持つセラミックス
にするために、Ｃｕ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，
Ｗ，Ｐｂ，Ａｇ等の周期律表中の遷移金属、又はその金
属酸化物、金属窒化物等の化合物をＳｉを含む非酸化物
セラミックスの母相中に所定量添加し、その金属化合物
を母相中に分散させることによって、オイルとの吸着性
を向上させ、低い摩擦係数で且つ高い強度を持つ低摩擦
セラミックスを提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために、次のように構成されている。即ち、
この発明は、Ｓｉを含む非酸化物セラミックスを母相と
して、その中に、周期律表中の遷移金属、又はその化合
物のうち少なくとも１種以上が分散していることを特徴
とする低摩擦セラミックスに関する。ここで、Ｓｉを含
む非酸化物セラミックスとしては、炭化ケイ素ＳｉＣ、
窒化ケイ素Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、炭化ケイ素と窒化ケイ素の複合
材、サイアロンＳｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ、Ｓｉ−Ｏ−Ｎがあ
る。

【０００６】また、この低摩擦セラミックスにおいて、
前記Ｓｉを含む非酸化物セラミックスは、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 及
びＳｉＣのうちいずれかである。

【０００７】また、この低摩擦セラミックスにおいて、
前記金属又はその化合物のサイズは、１０μｍ以下であ
る。

【０００８】また、この低摩擦セラミックスにおいて、
前記金属又はその化合物が、酸化物に換算して、５ｗｔ
％〜４０ｗｔ％含まれている。

【０００９】

【作用】この発明による低摩擦セラミックスは、上記の
ように構成されており、次のように作用する。即ち、こ
の低摩擦セラミックスは、Ｓｉを含む非酸化物セラミッ
クスを母相とし、その中に周期律表中の遷移金属又はそ
の化合物が分散しているものであり、従来の窒化ケイ素
に比較して低い摩擦係数を示し、しかも低い摩擦係数に
ありながら強度は無添加のものと同等であるか、或いは
それ以上の強度を有するものとなり、エンジン部品等に
使用できる十分な強度を確保できる。

【００１０】また、この低摩擦セラミックスは、上記金
属又はその化合物のサイズが１０μｍ以下であり、ま
た、酸化物に換算して５ｗｔ％〜４０ｗｔ％含まれてい
ることによって、潤滑油基油及び潤滑油添加剤との吸着
性を良好にして低い摩擦係数でありながら、高い強度を
維持したセラミックスを得ることができる。

【００１１】

【実施例】以下、この発明による低摩擦セラミックスの
実施例を、図面を参照して説明する。図１はこの低摩擦
セラミックスにおける銅酸化物の添加量に対する摩擦係
数を示すグラフ、図２はこの低摩擦セラミックスにおけ
る銅酸化物の所定の添加量に対してステアリン酸の添加
量に対する摩擦係数を示すグラフ、及び図３はこの低摩
擦セラミックスにおける銅酸化物の添加量に対する４点
曲げ強度の平均を示すグラフである。

【００１２】この低摩擦セラミックスは、炭化ケイ素Ｓ
ｉＣ、窒化ケイ素Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、炭化ケイ素と窒化ケイ素
の複合材、サイアロンＳｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ、Ｓｉ−Ｏ−
ＮのＳｉを含む非酸化物セラミックスを、強度を劣化さ
せることなく、低い摩擦係数のセラミックスにすること
であり、Ｓｉを含む非酸化物セラミックスを母相とし、
その中に、Ｃｕ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｗ，
Ｐｂ，Ａｇ等の周期律表中の遷移金属、又はその化合物
のうち少なくとも１種以上が分散していることを特徴と
するものである。

【００１３】また、この低摩擦セラミックスにおいて、
Ｓｉを含む非酸化物セラミックスは、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 及びＳ
ｉＣのうちいずれかであることが好ましいものである。
また、周期律表中の遷移金属、又はその化合物のサイズ
は、１０μｍ以下であることが好ましいものである。更
に、Ｃｕ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｗ，Ｐｂ，
Ａｇ等の遷移金属、又はその化合物が酸化物に換算し
て、５ｗｔ％〜４０ｗｔ％程度含まれていることが強度
を余り低下させず、好ましいものである。

【００１４】この発明による低摩擦セラミックスは、次
のようにして製造することができる。まず、この発明の
低摩擦セラミックスを製造する実施例１として、次のよ
うな工程で低摩擦セラミックスを作製した。

【００１５】実施例１として、この低摩擦セラミックス
の製造方法において、まず、Ｓｉ₃Ｎ₄ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 及
びＹ₂ Ｏ₃ を次の比率で配合する。Ｓｉ₃ Ｎ₄ ：Ａｌ₂
Ｏ₃：Ｙ₂ Ｏ₃ ＝９０：５：５の比率で配合する。この
総量に対してＣｕの酸化物を所定量加え、メタノールと
バインダと共に、ボールミルにて約２４時間混合して混
合物を作った後、該混合物をスプレードライヤによって
造粒処理を行なって粒状物を作った。この時、Ｃｕの酸
化物の添加量を種々に変更して種々の粒状物を作った。

【００１６】次いで、造粒処理したこれらの粒状物を原
料として、まず、２５×２０×１００ｍｍの内寸とした
金型内で予備成形した後、予備成形体をＣＩＰによって
約２０００ｋｇｆ／ｃｍ² のプレス圧によって直方体の
種々の成形体を得た。これらの成形体を脱脂した後に、
これらの脱脂成形体を９．３ＭＰａのＮ₂ 雰囲気中で、
最高温度２０００℃まで加熱焼成して緻密な種々の焼結
体を得た。

【００１７】上記の工程を経て作製したこれらの焼結体
を、摺動試験を行なうため、研削し、研磨して１６×１
０×７０ｍｍの摺動試験用テストピースとして種々の直
方体摺動試験片を作製した。これらの焼結体の摺動試験
をするための相手側の部材即ち相手側摺動試験片とし
て、相対密度９９％以上の窒化ケイ素Ｓｉ₃ Ｎ₄ 焼結体
を作製し、この相手側摺動試験片の端面を曲率半径９ｍ
ｍの球面としたφ８×２３ｍｍのピンを作製した。

【００１８】そこで、直方体摺動試験片の１つの面に、
相手側摺動試験片のピンをほぼ垂直となるようにセット
し、荷重１．０ｋｇｆ、温度１５０℃、摺動速度１．０
ｍ／ｓの摺動試験条件で、それらの摩擦係数を測定し
た。この摺動試験の時に、潤滑油として、各種潤滑油添
加剤を加えて耐熱性に優れる合成オイルを使用した。銅
酸化物（Ｃｕ酸化物）の添加量を変えたＳｉ₃ Ｎ₄ の試
験結果を図１に示す。図１において、横軸にＣｕ酸化物
の添加量（ｗｔ％）を示し、縦軸に摩擦係数を示す。図
１から分かるように、Ｓｉ₃ Ｎ₄ へのＣｕ酸化物の添加
量が１０ｗｔ％〜２０ｗｔ％の範囲内では、摩擦係数μ
は約０．０１と低くなり、それ以上のＣｕ酸化物の添加
量では、摩擦係数μは上昇する傾向であることが認めら
れたが、全領域（５０ｗｔ％以内の添加量）で添加の効
果が認められた。また、銅酸化物の添加量を多く（４０
ｗｔ％以上）した試験片では、その組織観察によると、
気孔が残っており、摺動時には相手材との噛み合いによ
って摩擦抵抗が大きくなったものと推察される。また、
図１でＣｕ酸化物の添加量が０の点は従来のＳｉ₃ Ｎ₄
を示す比較例となるものである。

【００１９】また、潤滑油添加剤を含まない合成油を基
油として、ステアリン酸〔ＣＨ₃ （ＣＨ₂ ）_{1 6} ＣＯＯ
Ｈ〕の添加量を変えた各種潤滑油を用いて摺動試験を行
なった。このとき、荷重０．５ｋｇｆ、温度１００℃、
摺動速度０．５ｍ／ｓという試験条件において、上記の
ピンとＣｕ酸化物添加量を変えたＳｉ₃ Ｎ₄ 、即ち、Ｃ
ｕ酸化物添加量が１０ｗｔ％と２０ｗｔ％とのＳｉ₃ Ｎ
₄ の直方体形状の試験片即ちテストピースを用いた。そ
の結果を、図２に示す。図２において、横軸にステアリ
ン酸の添加量（ｗｔ％）を示し、縦軸に摩擦係数を示
す。図２から分かるように、Ｃｕ酸化物の添加量を増加
させた方が、ステアリン酸の影響が大きくなり、摩擦係
数が低下することが確認された。また、Ｃｕ酸化物を添
加しないＳｉ₃ Ｎ₄ の比較例は、ステアリン酸の添加量
の変化でも摩擦係数の変化はほとんど認められなかっ
た。従って、Ｃｕ酸化物を添加したＳｉ₃ Ｎ₄ は、潤滑
油添加剤又は潤滑油基油の吸着性に優れていることが推
測できる。

【００２０】また、上記の製造方法で作製した直方体摺
動試験片を切削して３×４×４０の４点曲げ強度試験用
テストピースを作製した。４点曲げ強度試験用テストピ
ースの強度を測定したところ、図３に示すような結果を
得た。図３は横軸にＣｕ酸化物の添加量ｗｔ％をとり、
縦軸に４点曲げ強度ＭＰａをとっている。図３から分か
るように、摺動試験で最も良好な結果が認められたＣｕ
酸化物１０ｗｔ％〜２０ｗｔ％を添加したＳｉ₃ Ｎ
₄ は、Ｃｕ酸化物を添加していない通常のＳｉ₃ Ｎ₄ に
比較して強度は同等か、或いはそれ以上の強度を有する
ことが確認された。また、図３でＣｕ酸化物の添加量が
０の点は従来のＳｉ₃ Ｎ₄ を示す比較例となる。

【００２１】また、Ｃｕ酸化物の添加量が１０ｗｔ％の
Ｓｉ₃ Ｎ₄ のテストピースの組織を、ＳＥＭ（Scanning
Electron Microscopy）で観察した。その結果、Ｃｕ酸
化物の添加量が１０ｗｔ％のテストピースでは、Ｃｕを
含んだ部分は固溶せず、分散した状態で存在しているこ
とが分かった。そして、テストピースの組織には、気孔
はほぼ認められず、結晶粒子の成長がＣｕの酸化物によ
って抑制され、微細で且つ均一になっていることが分か
った。このような組織は、グリフィスの関係式から考え
て高強度化に有利と思われる。

【００２２】また、Ｃｕ酸化物の添加量を更に増加させ
たテストピースについては、強度が低下するが、これら
を上記と同様に組織観察したところ、Ｃｕ酸化物の凝集
が認められ、その凝集したところに気孔が存在してい
た。即ち、テストピースに気孔が残存する結果、それら
の気孔が破壊の起点となるため、テストピースの強度が
低下したものと考えられる。

【００２３】次に、この発明による低摩擦セラミックス
の別の実施例を実施例２として説明する。実施例２とし
て、この低摩擦セラミックスの製造方法において、炭化
ケイ素粉末、焼結助剤としてホウ素、及びＣｕ酸化物を
所定量配合する。それに約２倍の蒸留水を加えて、実施
例１と同様に、混合して混合物を作った後、該混合物を
スプレードライヤによって造粒処理を行なって粒状物を
作った。次いで、実施例１と同様の条件によって焼結体
を作製して試験片を作製した。それらの試験片の摺動特
性、４点曲げ強度を測定したところ、表１に示すような
結果を得た。

【表１】

【００２４】表１から分かるように、Ｃｕ酸化物の添加
量が１０ｗｔ％では、摩擦係数μは０．０１２で且つ４
点曲げ強度は５２４ＭＰａであり、Ｃｕ酸化物の添加量
が２０ｗｔ％では、摩擦係数μは０．０１３で且つ４点
曲げ強度は４５４ＭＰａであり、Ｃｕ酸化物の添加量が
３０ｗｔ％では、摩擦係数μは０．０２４で且つ４点曲
げ強度は４２１ＭＰａであった。これに対して、Ｃｕ酸
化物の無添加即ち添加量が０ｗｔ％の従来のＳｉ₃ Ｎ₄
では、摩擦係数μは０．０３９で且つ４点曲げ強度は５
６０ＭＰａであった。上記のように、実施例２で作製し
た低摩擦セラミックスは、実施例１のものよりも強度面
でやや劣るが、Ｃｕ酸化物の添加効果が認められた。

【００２５】また、この発明による低摩擦セラミックス
の更に別の実施例を実施例３として説明する。実施例１
及び実施例２と同様な製造方法によって、上記Ｃｕ酸化
物の代わりに、遷移金属の中からＣｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃ
ｏ，Ｍｎ，Ｗ，Ｐｂ，Ａｇの酸化物及びＴｉ，Ｚｒの窒
化物、即ち、Ｃｒ₂ Ｏ₃ ，ＮｉＯ，ＭｏＯ₂ ，ＣｏＯ，
Ｍｎ₃ Ｏ₄ ，ＷＯ₂ ，ＰｂＯ，Ａｇ₂ Ｏ₂ 及びＴｉＮ，
ＺｒＮの中から選び、それを添加したＳｉ₃ Ｎ₄ 及びＳ
ｉＣを作製し、それらの摺動特性と４点曲げ強度ＭＰａ
を測定した。これらの化合物の添加量を変えた場合の摩
擦係数変化と４点曲げ強度変化の傾向は、Ｃｕ酸化物の
添加量を変えた場合の摩擦係数変化と４点曲げ強度変化
の傾向と同様であった。そこで、上記の各種の金属化合
物を１０ｗｔ％添加したＳｉ₃ Ｎ₄ 及びＳｉＣについて
の結果を表２に示す。

【表２】

【００２６】表２から分かるように、実施例３で作製し
た低摩擦セラミックスは、実施例１のものよりも摩擦係
数及び強度でやや劣るが、各種の金属化合物の添加効果
が認められた。

【００２７】次に、この発明による低摩擦セラミックス
を、従来のセラミックスと比較するため、比較例１とし
て、Ｃｕ酸化物を添加する代わりに、窒化ホウ素ＢＮ及
び炭化ケイ素ＳｉＣを添加したＳｉ₃ Ｎ₄ の比較試料
を、実施例１と同様な工程で種々作製した。これらの比
較試料の摺動特性及び４点曲げ強度を測定したところ、
表３に示すような結果を得た。

【表３】

【００２８】表３から分かるように、ＢＮを添加した比
較例では、ＢＮの添加量が１０，１５，２０ｗｔ％の時
に、摩擦係数μは０．０１８，０．０２６，０．０３２
であり、４点曲げ強度は５６０，４２０，１１６ＭＰａ
であった。また、ＳｉＣを添加した比較例では、ＳｉＣ
の添加量が１０，１５，２０ｗｔ％の時に、摩擦係数μ
は０．０２５，０．０３３，０．０４６であり、４点曲
げ強度は７６８，６４５，４７２ＭＰａであった。従っ
て、ＢＮを添加したＳｉ₃ Ｎ₄ の比較試験片及びＳｉＣ
を添加したＳｉ₃ Ｎ₄ の比較試験片は、この発明による
低摩擦セラミックスに比較して、強度の劣化が著しく、
摩擦係数μに対する低減も効果が少ないことが分かる。

【００２９】

【発明の効果】この発明による低摩擦セラミックスは、
上記のように構成されており、次のような効果を有す
る。即ち、この低摩擦セラミックスは、Ｓｉを含む非酸
化物セラミックスを母相とし、その中に、周期律表中の
遷移金属、又はその化合物のうち少なくとも１種以上が
分散しているものであり、従来の窒化ケイ素に比較して
低い摩擦係数を示し、しかも気孔がほとんどなく、低い
摩擦係数にありながら強度は無添加のものと同等である
か、或いはそれ以上の強度を有するセラミックスの複合
材となり、エンジン部品等に使用できる十分な強度を確
保できる。また、Ｓｉを含む非酸化物セラミックスとし
ては、ＳｉＣ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 或いはその混合材、サイアロ
ンＳｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ、Ｓｉ−Ｏ−Ｎが好ましいもので
ある。

【００３０】また、この低摩擦セラミックスは、上記の
遷移金属又はそれらの化合物を窒化ケイ素又は炭化ケイ
素の母相中に所定量、即ち、酸化物に換算して５ｗｔ％
〜４０ｗｔ％添加させて分散させることによって、オイ
ルとの吸着性を良好にして低い摩擦係数で且つ高い強度
を維持した窒化ケイ素と金属化合物との複合材、或いは
炭化ケイ素と金属化合物との複合材を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この低摩擦セラミックスにおける銅酸化物の添
加量に対する摩擦係数を示すグラフである。

【図２】この低摩擦セラミックスにおける銅酸化物の所
定の添加量に対してステアリン酸の添加量に対する摩擦
係数を示すグラフである。

【図３】この低摩擦セラミックスにおける銅酸化物の添
加量に対する４点曲げ強度の平均を示すグラフである。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｓｉを含む非酸化物セラミックスを母相
   として、その中に、周期律表中の遷移金属、又はその化
   合物のうち少なくとも１種以上が分散していることを特
   徴とする低摩擦セラミックス。
2. 【請求項２】 前記Ｓｉを含む非酸化物セラミックス
   は、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 及びＳｉＣのうちいずれかであることを
   特徴とする請求項１に記載の低摩擦セラミックス。
3. 【請求項３】 前記金属又はその化合物のサイズは、１
   ０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の低
   摩擦セラミックス。
4. 【請求項４】 前記金属又はその化合物が、酸化物に換
   算して、５ｗｔ％〜４０ｗｔ％含まれていることを特徴
   とする請求項１に記載の低摩擦セラミックス。