JPH06183853A - セラミックスと鉄鋼材料との接合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、低摩擦係数を有するセラミックス
と鉄鋼材料とを高強度に接合することができるセラミッ
クスと鉄鋼材料との接合体を提供する。 【構成】 本発明は、Ｓｉを含む非酸化物セラミックス
を母相とし、その中にＦｅの金属、Ｆｅの酸化物及び珪
化物の化合物のうち１種以上が分散している低摩擦セラ
ミックスと、鉄鋼材料とが直接接合する。低摩擦セラミ
ックスと鉄鋼材料とを低圧で且つ接合温度を鉄鋼材料の
融点以下に設定して直接接合することができ、接合部の
強度はエンジン部品等に使用できる十分な強度を有し、
且つ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
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
の鉄Ｆｅの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号公報等に
開示されている。

【０００３】また、窒化ケイ素と金属とを接合する方法
として、窒化ケイ素と金属との間に、軟質金属、酸化物
等を介在させて接合する方法がある。或いは、窒化ケイ
素と金属とを、高温、高圧の下で直接接合する方法があ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、窒化ケ
イ素と金属との間に軟質金属、酸化物等を介在させて接
合する方法は、高温での接合強度は期待できず、その接
合体をエンジン部品に適用するには十分な強度を確保で
きないものである。また、窒化ケイ素と金属とを高温、
高圧の下で直接接合する方法は、母材の変形により、製
品の寸法精度を保持することができず、その接合体をエ
ンジン部品に適用することはできない。

【０００５】また、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
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Ｆｅ₃Ｏ
₄ 等の鉄の酸化物を添加したものでは、該酸化量が少な
く、また低摩擦の特性を得ることができない。

【０００６】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、ＦｅＯ，Ｆｅ₂ Ｏ₃ ，Ｆｅ₃ Ｏ₄ 等のＦ
ｅの酸化物を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、その鉄酸化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作製し、
その低摩擦セラミックスと鉄鋼材料とを強力に直接接合
したセラミックスと鉄鋼材料との接合体を提供すること
である。

【０００７】

【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、その中にＦｅの金属、Ｆｅの酸化物及び珪化物の化
合物のうち１種以上が分散しているセラミックスと、鉄
鋼材料とが直接接合していることを特徴とするセラミッ
クスと鉄鋼材料との接合体に関する。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Ｓｉ₃Ｎ₄ 、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。

【０００８】また、このセラミックスと鉄鋼材料との接
合体において、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。

【０００９】また、このセラミックスと鉄鋼材料との接
合体において、前記セラミックスの金属又はＦｅの化合
物のサイズは、１０μｍ以下である。

【００１０】また、このセラミックスと鉄鋼材料との接
合体において、前記セラミックスの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
ているものである。

【００１１】

【作用】この発明によるセラミックスと鉄鋼材料との接
合体は、上記のように構成されており、次のように作用
する。即ち、このセラミックスと鉄鋼材料との接合体
は、Ｓｉを含む非酸化物セラミックスを母相とし、その
中にＦｅの金属又はＦｅの化合物が分散しているセラミ
ックスであり、該セラミックスは従来の窒化ケイ素に比
較して低い摩擦係数を示し、その低摩擦セラミックスと
鉄鋼材料とを低圧で且つ接合温度を鉄鋼材料の融点以下
に設定して直接接合することができ、しかも接合部の強
度はエンジン部品等に使用できる十分な強度を有し、且
つ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。

【００１２】また、上記セラミックスは、ＦｅＯ，Ｆｅ
₂ Ｏ₃ ，Ｆｅ₃ Ｏ₄ 等のＦｅの酸化物を添加原料として
Ｓｉを含む非酸化物セラミックスの母相中に、酸化物に
換算して５ｗｔ％〜４０ｗｔ％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Ｓｉを含む非酸化物セラミックスと
鉄の化合物との複合材を得ることができる。

【００１３】

【実施例】以下、この発明によるセラミックスと鉄鋼材
料との接合体の実施例を、図面を参照して説明する。図
１はこの接合体の鉄酸化物の添加量に対する接合強度を
示すグラフ、図２はこの接合体の温度に対する接合強度
を示すグラフ、及び図３はこの接合体の鉄酸化物の添加
量に対する４点曲げ平均強度の関係を示すグラフであ
る。

【００１４】このセラミックスと鉄鋼材料との接合体
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
ックスを作製し、そのセラミックスと鉄鋼材料とを低
温、低圧で直接接合することである。即ち、Ｓｉを含む
非酸化物セラミックスを母相とし、その中にＦｅの金
属、Ｆｅの酸化物及びＦｅの珪化物の化合物のうち１種
以上が分散しているセラミックスと鉄鋼材料とを直接接
合したものである。

【００１５】また、この接合体において、Ｓｉを含む非
酸化物セラミックスは、Ｓｉ₃ Ｎ₄及びＳｉＣのうちい
ずれかであることが好ましいものである。また、セラミ
ックスに含有されるＦｅの金属又はＦｅ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、セラミックスに含有されるＦｅの金属又はＦｅの
化合物が、Ｆｅの酸化物ＦｅＯ，Ｆｅ₂ Ｏ₃ ，Ｆｅ₃ Ｏ
₄ に換算して、５ｗｔ％〜４０ｗｔ％程度含まれている
ことが接合強度を余り低下させず、好ましいものであ
る。

【００１６】この発明によるセラミックスと鉄鋼材料と
の接合体は、次のようにして作製することができる。ま
ず、この発明のセラミックスと鉄鋼材料との接合体を製
造する実施例１として、次のような工程で接合体を作製
した。

【００１７】実施例１として、鉄鋼材料と接合するため
のセラミックスの製造方法において、まず、Ｓｉ
₃ Ｎ₄ 、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。この総重量に対してＦｅの酸化物即
ちＦｅＯ，Ｆｅ₂ Ｏ₃ ，Ｆｅ₃ Ｏ₄ を所定量加え、メタ
ノール、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、
Ｆｅ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。

【００１８】次いで、造粒処理したこれらの粒状物を、
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２０００
ｋｇｆ／ｃｍ² の圧力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２００
０℃まで加熱焼成して緻密な種々の焼結体を得た。上記
の工程を経て作製したこれらの焼結体を、強度試験を行
なうため、研削し、研磨して１６×１０×７０ｍｍの強
度試験用テストピースとして種々のセラミックス試験片
を作製した。

【００１９】一方、上記セラミックスに接合する相手材
は、カーボン含有量が２５の鋼であるＳ２５Ｃ及びクロ
ム・モリブデン鋼であるＳＣＭ４２０の鉄鋼材料を使用
し、該鉄鋼材料を上記セラミックス試験片と同寸法の鉄
鋼試験片に加工した。

【００２０】そこで、セラミックス試験片と鉄鋼試験片
の接合面を研磨した後、セラミックス試験片と鉄鋼試験
片との各研磨面を互いに当接させた状態で真空炉内に設
置した。セラミックス試験片と鉄鋼試験片とに加えた荷
重は、４０ｇ／ｍｍ² とした。更に、セラミックス試験
片と鉄鋼試験片との接合は、接合温度１１００℃であ
り、接合時間は２時間であり、炉内圧力は１×１０^{- 6}
Ｐａ以下の条件で行なった。また、接合体の寸法は、接
合前に比べて変化は認められなかった。

【００２１】図１に示すグラフは、これらのセラミック
スと鉄鋼材料との接合体について、Ｓｉ₃ Ｎ₄ の母相中
のＦｅ酸化物の添加量を変えた場合の接合体の引張強度
を示している。横軸がＦｅ酸化物の添加量ｗｔ％を示
し、縦軸に接合強度ＭＰａを示している。このグラフか
ら分かるように、Ｓｉ₃ Ｎ₄ の母相中のＦｅ酸化物の添
加量が増加するに従って接合体の強度が高くなってい
る。また、Ｆｅ酸化物を添加しないＳｉ₃ Ｎ₄ と鉄鋼材
料との接合はできなかった。

【００２２】図２に示すグラフは、Ｆｅ酸化物の添加量
が５０ｗｔ％の接合体と、Ｆｅ酸化物の添加量が１０ｗ
ｔ％の接合体とについての温度に対する接合強度をそれ
ぞれ示している。横軸が試験温度℃を示し、縦軸に接合
強度ＭＰａを示している。このグラフから分かるよう
に、両者とも８００℃までは強度の低下現象は生じなか
った。

【００２３】上記の強度試験用テストピースから３×４
×４０の４点曲げ強度試験用テストピースを切り出し、
それらの強度試験用テストピースの強度測定を行なっ
た。結果を図３に示す。図３のグラフは、これらの接合
体のＦｅ酸化物の添加量に対する４点曲げ平均強度の関
係を示している。横軸がＦｅ酸化物の添加量ｗｔ％を示
し、縦軸に４点曲げ平均強度ＭＰａを示している。グラ
フから分かるように、Ｆｅ酸化物の添加量１０ｗｔ％ま
では、Ｆｅ酸化物を添加しない０ｗｔ％添加のＳｉ₃ Ｎ
₄ に比べても強度は同等か或いはそれ以上の強度を有し
ていることが確認された。更に、Ｆｅ酸化物の添加量を
増加させた接合体は、強度が低下することが分かる。

【００２４】更に、Ｆｅ酸化物の添加量１０ｗｔ％を含
有する接合体についての組織を、ＳＥＭ（Scanning Ele
ctron Microscopy）で観察したところ、Ｆｅを含んだ部
分は固溶せずに分散した状態で存在していることが確認
できた。接合体には、気孔はほぼ認められず、結晶粒子
の成長がＦｅの酸化物によって抑制され、微細で且つ均
一となっていることが確認された。このような接合体の
組織は、グリフィスの関係式から考慮すると、接合体を
高強度にするのに有利と考えられる。更に、Ｆｅ酸化物
の添加量を増加させた接合体の組織を観察したところ、
酸化物の凝集が認められ、その凝集領域に気孔が残存し
ており、それが破壊の起点になって強度が低下したもの
と考えられる。従って、セラミックスと鉄鋼材料との接
合部の強度を確保するには、Ｆｅ酸化物の添加量に限界
があることが確認できた。例えば、エンジン部品等で要
求される強度を確保するには、Ｆｅ酸化物の添加量は、
５ｗｔ％〜４０ｗｔ％の範囲であることが好ましいこと
が確認できた。

【００２５】また、上記セラミックスについて、上記強
度試験用テストピースから摺動試験片を切り出し、該摺
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１
５０℃、摺動速度１．０ｍ／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、耐熱性に優れる合成オイルを使用した。各種の
鉄酸化物（Ｆｅ_m Ｏ_n＝ＦｅＯ，Ｆｅ₂ Ｏ₃ ，Ｆｅ₃ Ｏ
₄ ）の添加量を変えたＳｉ₃ Ｎ₄ の試験を行なった。Ｓ
ｉ₃ Ｎ₄ へのＦｅ_m Ｏ_n の添加量が１０ｗｔ％〜２０ｗ
ｔ％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Ｆｅ_m Ｏ_n の添加量では、摩擦係数μは
やや上昇する傾向であることが認められた。また、緻密
な焼結体を選び、その焼結体に対する潤滑油の接触角度
を測定したところ、Ｆｅ_m Ｏ_n とＳｉ₃ Ｎ₄ との複合材
では、接触角が小さく、吸着性に優れていることを確認
した。また、鉄酸化物の添加量を多く（４０ｗｔ％以
上）した複合材では、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。

【００２６】また、上記直方体摺動試験片を切削して４
点曲げ用試験片を作製し、その強度を測定したところ、
Ｆｅ_m Ｏ_n の添加量を増加させるに従って、強度が低下
する。そして、Ｆｅ_m Ｏ_n の添加量が１０ｗｔ％〜２０
ｗｔ％の４点曲げ用試験片では、Ｆｅ_m Ｏ_n を添加しな
い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分かった。

【００２７】また、Ｆｅ_m Ｏ_n の添加量が１０ｗｔ％〜
２０ｗｔ％の摺動試験片の組織を、ＳＥＭで観察した。
Ｆｅ_m Ｏ_n の添加量が１０ｗｔ％の摺動試験片では、鉄
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、摺動試験片の組織には、気孔
はほぼ認められず、結晶粒子の成長が鉄の酸化物によっ
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。

【００２８】また、Ｆｅ_m Ｏ_n の添加量を更に増加させ
る摺動試験片については、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、Ｆｅ_m Ｏ_n 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、摺動試験片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、摺動試験片の強度が低下した
ものと考えられる。

【００２９】更に、摺動試験片の荷重、速度、潤滑油の
粘度をまとめたパラメータを横軸にとり、各条件におけ
る摩擦係数を測定すると、このＦｅ_m Ｏ_n を添加した試
験片は、Ｆｅ_m Ｏ_n の無添加のＳｉ₃ Ｎ₄ に比較して、
混合潤滑域での低摩擦化に有効であることが分かる。

【００３０】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Ｆｅ₃ Ｏ₄ を所定量配合する。それに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、強度を測定した。

【００３１】その結果、Ｆｅ₃ Ｏ₄ の添加量が１０ｗｔ
％及び２０ｗｔ％では、摩擦係数μは０．０１５及び
０．０２４であり、強度は４７８ＭＰａ及び４９０ＭＰ
ａであった。そして、Ｆｅ₃ Ｏ₄ の添加量を増加させた
３０ｗｔ％では、摩擦係数μは０．０３３であり、強度
は４６３ＭＰａであった。これに対して、Ｆｅ₃ Ｏ₄ の
無添加の場合には、摩擦係数μは０．０３９であり、強
度は５６０ＭＰａ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、鉄酸化物の複合効果が認められ
た。

【００３２】従って、セラミックスとして低摩擦を確保
するには、Ｆｅ酸化物の添加量に限界があることが確認
できた。例えば、エンジン部品等として好ましい低摩擦
を確保するには、Ｆｅ酸化物の添加量は、５ｗｔ％〜４
０ｗｔ％の範囲であることが好ましいことが確認でき
た。

【００３３】

【発明の効果】この発明によるセラミックスと鉄鋼材料
との接合体は、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、このセラミックスと鉄鋼材料と
の接合体は、Ｓｉを含む非酸化物セラミックスを母相と
し、その中にＦｅの金属、Ｆｅの酸化物及び珪化物の化
合物のうち１種以上が分散しているセラミックスと、鉄
鋼材料とが直接接合しているので、接合面に分散したＦ
ｅ化合物が鉄鋼材料との拡散、反応を生じ易くし、且つ
高強度を有するセラミックスを用いていることで、Ｓｉ
を含む非酸化物セラミックスと鉄鋼材料を低圧、低温で
両者間に何も介在させずに直接接合することができる。
また、このセラミックスと鉄鋼材料との接合体は、高温
での強度低下も見られない。そして、この接合体は、エ
ンジン部品等に使用できる十分な強度を確保できる。

【００３４】また、Ｓｉを含む非酸化物セラミックスを
母相とし、その中にＦｅの化合物が分散しているセラミ
ックスは、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る。ま
た、Ｓｉを含む非酸化物セラミックスとしては、Ｓｉ
Ｃ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 或いは混合材が好ましいものである。

【００３５】また、このセラミックスは、ＦｅＯ，Ｆｅ
₂ Ｏ₃ ，Ｆｅ₃ Ｏ₄ 等のＦｅの酸化物を窒化ケイ素の母
相中に所定量、即ち、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Ｓｉを含む非
酸化物セラミックスと鉄酸化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】この発明によるセラミックスと鉄鋼材料との接
合体の鉄酸化物の添加量に対する接合強度を示すグラフ
である。

【図２】この発明によるセラミックスと鉄鋼材料との接
合体の温度に対する接合強度を示すグラフである。

【図３】このセラミックスと鉄鋼材料との接合体の鉄酸
化物の添加量に対する４点曲げ平均強度の関係を示すグ
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、その中にＦｅの金属、Ｆｅの酸化物及び珪化物の
   化合物のうち１種以上が分散しているセラミックスと、
   鉄鋼材料とが直接接合していることを特徴とするセラミ
   ックスと鉄鋼材料との接合体。
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に記載のセラミックスと鉄鋼材料と
   の接合体。
3. 【請求項３】 前記セラミックスの金属又はＦｅの化合
   物のサイズは、１０μｍ以下であることを特徴とする請
   求項１に記載のセラミックスと鉄鋼材料との接合体。
4. 【請求項４】 前記セラミックスの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
   ていることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス
   と鉄鋼材料との接合体。