JPH08199282A - セラミックスと金属の複合材料及び摺動部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高強度、高硬度でかつ耐摩耗性、摺動特性に
優れたセラミックスと金属の複合材料を提供する。 【構成】 粒子内に連通孔を形成し、かつ粒子寸法３０
０μｍ以下のセラミックス粒子３０〜８０体積％を、２
０〜７０体積％の金属基地に均一に分散させることを特
徴とする。この複合材料において、セラミックス粒子の
平断面における連通孔の最大寸法は１００μｍ以下であ
り、連通孔の体積率は０．１〜５０体積％が望ましい。
セラミックス粒子としては、窒化ケイ素、サイアロンが
好ましく、また金属基地としては、Ｆｅ−Ｎｉ系合金が
好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は耐摩耗性、耐摺動性に優
れたセラミックスと金属の複合材料に関する。具体的に
は、スラストベアリング、ラジアルベアリング、ポンプ
用軸受け、圧縮機用軸受け、メカニカルシール、エンジ
ン用シリンダーライナー、エンジン用ピストン、ダイカ
スト用スリーブ、ダイカスト用チップ、射出成形機用シ
リンダー、成形機用ガイドピンブッシュ、ＸＹテーブル
等の摺動材料として最適なセラミックスと金属の複合材
料に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から摺動面を有する摺動部材として
は、軸受け鋼等の合金特殊鋼が用いられている。この場
合、摺動による金属同志の凝着を防ぎ、摩擦係数を小さ
くする目的で、摺動面の間に潤滑剤を供給して使用され
る。使用される潤滑剤はタービン油やスピンドル油、合
成油等があり、摺動部材が使用される面圧、滑り速度、
環境、温度等を考慮して適度な粘度のものが選ばれ、各
種添加材が添加される。

【０００３】また、摺動面を有する焼結摺動部材として
は、各種の産業機械、モーター、音響機器等に使用され
ている焼結含油軸受けが挙げられる。焼結軸受け合金と
しては、青銅系、鉄銅系等があり、必要に応じてこれら
の合金に黒鉛、二硫化モリブデン、鉛等の固体潤滑作用
のある物質を含むものがある。さらに、焼結摺動部材と
して、炭化ケイ素セラミックス、アルミナ等の硬質セラ
ミックス材料も、耐食性に優れるという特徴を生かしメ
カニカルシール等に利用されている。また、特開昭６１
−２８１０８６号には３次元網目構造を有する開放気孔
を有するセラミックス多孔質体を製造し、開放気孔中に
フッ素系オイルを含浸させた摺動部材が記載されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】摺動部材として軸受け
鋼等の金属材料を用いた場合、金属同志の凝着を防ぐた
めに、通常摺動面間に潤滑油を介在させるが、繰り返し
摺動により潤滑油が消耗して所望の摺動特性が得られな
くなるので、定期的に給油、メンテナンスして摺動特性
を維持する必要がある。また、焼結含油材料は、材料内
部に潤滑油を有しているため給油の必要はないが、材料
内部に開気孔を有しているため、機械強度面で信頼性に
劣り、高速、高面圧等の厳しい摺動条件下では使用でき
ないという問題点がある。更に、摺動部材としてセラミ
ックス単一材料を用いた場合、セラミックス自体の硬度
が高いため相手材となる金属の摩耗が早い、また脆性材
料であるセラミックスを使用しているため衝撃荷重によ
り破損し易いという問題点がある。

【０００５】一方、セラミックスより衝撃に強い材料と
して、例えばＷＣ粒子をＣｏ中に分散させた超硬合金、
或いはＴｉＣ粒子をＮｉ−Ｍｏ合金中に分散させたサー
メットといった硬質粒子と金属を複合させた、いわゆる
セラミックスと金属の複合材料もあるが、これらはその
機械的衝撃に強い特性を発揮させるために液相焼結技術
を利用して緻密な焼結体を得ているため高硬度であり、
セラミックス単一材料と同様に相手材となる金属の摩耗
が早いという問題点がある。

【０００６】本発明は、上記従来の問題点を解決したも
ので、高強度、高硬度でかつ耐摩耗性、摺動特性に優れ
たセラミックスと金属の複合材料を提供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、粒子内に気孔
が連続して連なった連通孔を形成し、かつ粒子寸法３０
０μｍ以下のセラミックス粒子３０〜８０体積％を、２
０〜７０体積％の金属基地に均一に分散させることを特
徴とする複合材料である。

【０００８】本発明の複合材料において、セラミックス
粒子の平断面における連通孔の最大寸法は１００μｍ以
下であり、連通孔の体積率は０．１〜５０体積％である
ことが望ましい。セラミックス粒子としては、高硬度セ
ラミックス系材料であればいずれでも良いが、中でも窒
化ケイ素、サイアロン（以下、これらを窒化ケイ素質セ
ラミックスと称する場合あり）が望ましい。また、セラ
ミックス粒子に周期律表の４ａ族、５ａ族又は６ａ族の
元素の炭化物、ホウ化物又は窒化物からなる非酸化物系
導電材を３０〜７０体積％添加させても良い。

【０００９】また、金属基地としては、前記セラミック
ス粒子を結合できる材料であれば、いずれの材料でも良
いが、中でもＦｅ−Ｎｉ系合金が好ましい。また、Ｆｅ
−Ｎｉ系合金にＴｉ及び／又はＡｌを０．５〜１０重量
％含有させるとさらに好ましい。

【００１０】次の発明は、本発明の複合材料を別の金属
体に接合した複合部材であり、更に次の発明は、本発明
の複合材料を用いて構成した摺動部材である。本発明の
複合材料を用いて構成した摺動部材において、表面に存
在するセラミックス粒子の連通孔内に潤滑性物質、潤滑
油等の液体、固体有機物質等を含有することが好まし
い。

【００１１】

【作用】本発明者らは、セラミックスが本来具備する高
硬度の特性、セラミックス粒子内の連通孔中に潤滑性物
質が含有できることに着目し、セラミックス粒子と金属
とを均一に分散させて複合化することにより、高強度で
摩耗しにくく、摩擦係数が小さく、かつ使用時の破損の
おそれがない材料の開発を検討した。セラミックス粒子
の種類、寸法、添加率及び基地合金の種類を、試験的に
種々変化させた材料を作製して、摩耗試験を行い、耐摩
耗性、摺動特性に優れた複合材料を見いだした。

【００１２】本発明の複合材料において、セラミックス
粒子内の連通孔は、主として複合材料表面においてその
連通孔の機能を発揮する。即ち、このセラミックス粒子
と金属の複合材料を製造するにあたり、複合材料内部に
存在するセラミックス粒子は緻密な金属材料でその周囲
を覆うため、複合材料全体として見た場合、連通孔を構
成することにはならず、複合材料表面に存在するセラミ
ックス粒子の連通孔が複合材料全体として連通孔を構成
するのである。従って、表面のセラミックス粒子内に存
在する網目状の連通孔に潤滑性物質を含有させることが
できる。これにより、複合材料表面に潤滑性物資を介在
させることができるため、部材間の摩擦抵抗を小さく
し、摺動特性を高めることができる。

【００１３】図１は、本発明の複合材料におけるセラミ
ックス粒子の平断面を模式的に示した図である。図１に
おいて、１はセラミックス、２は連通孔である。ａはセ
ラミックス粒子の平断面における連通孔の最大寸法を表
わす。セラミックス粒子内部においては、連通孔２は網
目状に存在する。

【００１４】図２は、本発明の複合材料を模式的に示し
た断面図である。図２において、３は複合材料表面６に
均一に分布するセラミックス粒子であり、セラミックス
粒子１内に存在する網目状の連通孔に潤滑性物質を含有
可能である。４は複合材料内部に均一に分布するセラミ
ックス粒子であり、その周囲は緻密な金属基地５で覆わ
れている。複合材料表面６を加工除去することにより、
複合材料内部に分布するセラミックス粒子４の連通孔の
端部が、表面６に開口して現われてくる。主として表面
に連通孔が存在し、複合材料内部は緻密な焼結体となっ
ているため、強度信頼性の面でも優れている。

【００１５】本発明の複合材料は、連通孔が存在しても
複合材料全体としては緻密な材料であるため高圧雰囲気
下においても潤滑性物質が圧力により流出することはな
く、良好な耐摩耗性、摺動特性が維持される。

【００１６】セラミックス粒子の平断面における連通孔
の最大寸法は１００μｍ以下が望ましい。連通孔の最大
寸法が１００μｍを超えるとセラミックス粒子自体の強
度が低下するため、複合材料の強度が低下し、また潤滑
性物質の保有力が小さくなるため摺動特性が劣化する。
さらに望ましい連通孔の最大寸法は１０μｍ以下であ
る。また、セラミックス粒子内の連通孔の体積率は０．
１〜５０体積％が望ましい。０．１体積％未満では、潤
滑性物質を十分に保有することができず、５０体積％を
超えるとセラミックス粒子自体の強度が低下するため、
複合材料の強度が低下する。さらに望ましい連通孔の体
積率は１〜２０体積％である。

【００１７】本発明のセラミックス粒子としては、アル
ミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイアロ
ン、炭化タングステン、炭化チタン、硼化チタン、硼化
ジルコニウム、窒化ホウ素、立方晶窒化ホウ素、窒化ア
ルミニウム等のセラミックスの他、超硬合金、サーメッ
ト等の高硬度材料であれば良い。中でも窒化ケイ素、サ
イアロンの窒化ケイ素質セラミックスは、硬度、強度面
でバランスがとれており最適である。

【００１８】本発明のセラミックス粒子の形状は、角ば
った形状でも差し支えないが、球状の粒子を用いれば強
度上の切欠き効果が小さくなり、より高い強度が得られ
る。

【００１９】セラミックス粒子の寸法（粒径）は３００
μｍ以下が望ましい。３００μｍより大きい粒子を含有
すると、基地の金属との熱膨張係数差により、製造時の
焼結工程でセラミックス粒子にクラックを生じ易くな
る。さらに、セラミックス粒子はその数の９０％以上が
寸法１０〜１００μｍの範囲内であることが好ましい。
１００μｍを超えた粒子が少ないことで強度がより高く
なり、１０μｍ未満の粒子が少ないことで耐摩耗性を高
めることができる。

【００２０】基地金属中に分散するセラミックス粒子の
添加量は３０体積％以上が望ましい。３０体積％未満で
はセラミックスが本来具備する高硬度の特性が損なわれ
てしまい、セラミックス粒子の添加量が多いほど耐摩耗
性は良くなるが、８０体積％を超えて添加することは困
難であり、仮に得られたとしても脆くなり、耐破損性が
低下すると考えられる。

【００２１】また、セラミックス粒子に周期律表の４ａ
族、５ａ族又は６ａ族の元素の炭化物、ホウ化物又は窒
化物からなる非酸化物系導電材を含有させることによ
り、放電加工が容易にできるようになる。非酸化物系導
電材の含有量が３０体積％未満では放電加工性が十分で
なく、７０体積％を超えるとセラミックスの本来の性質
が失われる。

【００２２】一方、基地となる合金については、前記セ
ラミックス粒子を化学的に結合できる材料であれば、い
ずれでも良くＦｅ系合金、Ｃｕ系合金、Ａｌ系合金、Ｔ
ｉ系合金等がある。例えば窒化ケイ素質セラミックス粒
子の場合、Ｆｅ−Ｎｉ系合金を用いることにより化学的
に結合できる。ここでいう化学的結合とは、機械的結合
以外の反応相生成等による原子的な各種結合を意味す
る。Ｆｅ−Ｎｉ系合金は窒化ケイ素質セラミックス粒子
との化学的結合に有効であり、Ｎｉを５〜９５重量％含
有することが望ましい。

【００２３】このＦｅ−Ｎｉ系合金において、Ｎｉの含
有量が５重量％未満或いは９５重量％を超える場合も、
窒化ケイ素質セラミックス粒子は基地となる合金にとり
囲まれるようにして機械的に結合一体化し、窒化ケイ素
質セラミックス粒子が脱落することはない。この場合
は、化学結合する場合に比べて強度が小さくなるので、
高い強度を必要としない部材に十分適用することができ
る。

【００２４】また、Ｆｅ−Ｎｉ系合金に、Ｃｒ、Ｍｏ、
Ｃｏ、Ｃ、Ｓｉ及び不純物元素等の通常Ｆｅ或いはＮｉ
に添加又は含有される合金元素を含有することができ
る。

【００２５】更に、Ｆｅ−Ｎｉ系合金にＴｉ及び／又は
Ａｌを添加してもよく、むしろ添加したほうが望まし
い。Ｔｉ及び／又はＡｌの含有量はＦｅ−Ｎｉ系合金の
０．５〜１０重量％が好ましく、窒化ケイ素質セラミッ
クス粒子と基地の金属との結合を強化することができ
る。Ｔｉ及び／又はＡｌの添加量は０．５重量％未満で
は効果が小さく、１０重量％を超えて添加しても効果は
それ以上に大きくならない。

【００２６】本発明のセラミックスと金属の複合材料
は、基地が金属であるため、金属部分が接合面となり、
別の金属部材と容易に接合できる。接合法としては、ろ
う付け法、拡散接合法、ホットプレスや熱間等方圧プレ
ス（ＨＩＰ）を利用した一体焼結法等が適用できる。

【００２７】本発明の複合材料を用いて構成した摺動部
材において、表面に存在するセラミックス粒子内の連通
孔に潤滑性物質を予め含浸させておくことにより、潤滑
性物質の潤滑効果を最大限に発揮することができる。そ
して、この潤滑性物質としては例えば水、潤滑油、又は
水と潤滑油の混合物等の液体の他、ワックス、フッ素系
樹脂、テフロン、ポリエチレンのように分子間に溶込み
やすい固体有機物質や、二硫化モリブデンや黒鉛のよう
に特定の結晶面の間のせん断強さが小さい固体潤滑物質
や、ＰｂやＳｎのような軟らかい金属等を含有すること
が望ましい。

【００２８】

【実施例】

（実施例１）セラミックス粒子としてサイアロンとＳｉ
₃Ｎ₄の２種類の窒化ケイ素質セラミックス粒子を準備し
た。それぞれスプレードライ法により顆粒を作成した
後、窒素ガス中にて焼結することにより球状の粒子を得
た。これらの窒化ケイ素質セラミックスは焼結温度、焼
結時間、顆粒密度等の調整により、セラミックス粒子の
平断面における連通孔の最大寸法が１０μｍ及び一部は
２０μｍ、１５０μｍ、またセラミックス粒子内の連通
孔の体積率が４％及び一部は０．０１％、２０％、４５
％、５０％、７０％のものを準備した。また、これらの
窒化ケイ素質セラミックス粒子をふるいに通して２９５
μｍ以下及び一部は３６０μｍ以下に調整した。

【００２９】一方、金属基地材料として８種類（５３重
量％Ｆｅ−３０重量％Ｎｉ−１７重量％Ｃｏ、７４Ｆｅ
−８Ｎｉ−１８Ｃｒ、４４Ｆｅ−３０Ｎｉ−１７Ｃｏ−
９Ｔｉ、４９Ｆｅ−３０Ｎｉ−１７Ｃｏ−２Ｔｉ−２Ａ
ｌ、９５Ｆｅ−５Ｎｉ、９５Ｎｉ−５Ｆｅ、８３Ｆｅ−
５Ｍｏ−６Ｗ−４Ｃｒ−２Ｖ、９８．５Ｆｅ−０．４Ｃ
−０．３Ｓｉ−０．８Ｍｎ）の化学組成の異なる平均粒
径３０μｍの球状のＦｅ系合金粒子を準備した。これら
の窒化ケイ素質セラミックス粒子とＦｅ系合金とを、窒
化ケイ素質セラミックス粒子２０〜８０体積％、これに
対応してＦｅ系合金を８０〜２０体積％の比率で混合し
た。得られた混合粉を軟鋼製の円筒状容器に充填し、真
空脱気した後、１２００℃、１００ＭＰａ、４時間の条
件でＨＩＰ処理した。冷却後各試料を切断して断面を光
学顕微鏡で観察したところ、窒化ケイ素質セラミックス
粒子とＦｅ系合金との界面には隙間がなく、緻密な焼結
体が得られた。

【００３０】次に、セラミックス粒子として前記同様に
スプレードライ法により顆粒を作成した後、窒素中で焼
結することにより、最大寸法８０μｍの連通孔を５体積
％含有し、かつ粒子寸法２９５μｍ以下の球状サイアロ
ン粒子を準備した。一方、金属基地材料として平均粒径
３０μｍの球状の８７Ａｌ−１３Ｓｉ合金粒子、８５Ｃ
ｕ−５Ｓｎ−５Ｚｎ−５Ｐｂ合金粒子及び９０Ｔｉ−６
Ａｌ−４Ｖ合金粒子を準備し、サイアロン粒子と合金粒
子とを、サイアロン粒子５５体積％、これに対応して合
金粒子を４５体積％の比率で各々混合した。得られた混
合粉を軟鋼製の円筒状容器に充填し、真空脱気した後、
Ａｌ−Ｓｉ合金の場合は５５０℃、１００ＭＰａ、４時
間の条件で、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｐｂ合金の場合は９０
０℃、１００ＭＰａ、４時間の条件で、Ｔｉ−６Ａｌ−
４Ｖ合金の場合は１１５０℃、１００ＭＰａ、４時間の
条件でＨＩＰ処理した。冷却後各試料を切断して断面を
光学顕微鏡で観察したところ、サイアロンセラミックス
粒子と各合金との界面には隙間がなく、緻密な焼結体が
得られた。

【００３１】また、セラミックス粒子として部分安定化
ジルコニア粉末及びアルミナ粉末を準備した。サイアロ
ンの場合と同様にスプレードライ法により顆粒を作成し
た後、大気中で焼結することにより球状の粒子を得た。
これらのセラミックス粒子をふるいに通して２９５μｍ
以下に調整した。この時のセラミックス粒子内の連通孔
の寸法は、ジルコニアの場合５０μｍ、アルミナの場合
４５μｍであり、また連通孔の体積率は、ジルコニアの
場合１０体積％、アルミナの場合８体積％であった。一
方、金属基地材料として平均粒径３０μｍの球状Ｆｅー
ＮｉーＣｏ合金粒子を準備し、セラミックス粒子とＦｅ
ーＮｉ−Ｃｏ合金とを、セラミックス粒子５５体積％、
これに対応してＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金を４５体積％の比
率で混合した。得られた混合粉を軟鋼製の円筒状容器に
充填し、真空脱気した後、１１５０℃、１００ＭＰａ、
４時間の条件でＨＩＰ処理した。冷却後各試料を切断し
て断面を光学顕微鏡で観察したところ、ジルコニアセラ
ミックス粒子とＦｅ−Ｎｉ系合金との界面及びアルミナ
セラミックス粒子とＦｅ−Ｎｉ系合金との界面には隙間
がなく、緻密な焼結体が得られた。

【００３２】上記以外に、比較材として従来材である炭
素工具鋼（ＳＫＳ３）、サイアロンセラミックス、及び
炭化ケイ素セラミックスを準備した。炭素工具鋼は熱処
理により硬度をＨRC６３とした。サイアロンセラミック
スは吸水率０％の緻密なセラミックスとしたが、炭化ケ
イ素セラミックスは吸水率２％の多孔質セラミックスと
した。

【００３３】これらの材料からから試験片を切り出し、
破壊靭性値ＫICの測定を行った。本発明の複合材料およ
び炭素工具鋼の場合、ＡＳＴＭ規格Ｅ３９９−７９で推
奨する予亀裂を付した５０ｍｍ×４８ｍｍ×１５ｍｍの
コンパクト試験片により測定した。一方、サイアロンセ
ラミックス及び炭化ケイ素セラミックスの場合、３ｍｍ
×４ｍｍ×４０ｍｍの試験片を用いＪＩＳ Ｒ１６０７
に規定されるファインセラミックスの破壊靭性試験方法
に基き測定した。

【００３４】更に、これらの材料から外径３０ｍｍ×内
径１６ｍｍ×高さ８ｍｍのリング状試験片を作製し、こ
の試験片を８０℃に加熱した潤滑油（ＩＳＯ ＶＧ３
２）中に１２時間浸漬後、表面に残留した潤滑油を取り
去り、島津製作所製西原式摩耗試験機により摩耗テスト
を行った。摩耗試験の相手材は軸受け鋼ＳＵＪ２（ＨRC
６０）とし試験片と同じく外径３０ｍｍ×内径１６ｍｍ
×高さ８ｍｍのリング状の形状とした。試験条件として
は試験片及び相手材をそれぞれ６４０r.p.m.、８００r.
p.m.の速度で回転させ、両者を外周面で３０ｋｇの荷重
で線接触させた。接触回数が５００００回に達した後、
試験片及び相手材の摩耗量をそれぞれ測定した。

【００３５】表１、表２及び表３に上記に述べた各試験
片の作製条件を示す。表４、表５及び表６にこれら試験
片の各試験結果を示す。以下、その内容について説明す
る。Ｎｏ．１〜３の実施例は、最大寸法１０μｍの連通
孔を４体積％含有し、かつ粒子寸法２９５μｍ以下の球
状サイアロン粒子を３０、５５及び８０体積％、これに
対してＦｅ−Ｎｉ系合金として平均粒径３０μｍの５３
％Ｆｅ−３０％Ｎｉ−１７％Ｃｏ合金をそれぞれ７０、
４５及び２０体積％添加混合しＨＩＰ焼結した材料であ
る。これらの材料ではサイアロン添加量の多いものほど
摩耗深さが小さく良好であるが、いずれもＮｏ．２４、
の比較材である炭素工具鋼に比べて４５％以下の摩耗深
さであり、特に相手材についてはＮｏ．２４、２５の比
較材である炭素工具鋼、サイアロンに比べて１８％以下
の摩耗深さを示し、優れた耐摩耗性が得られた。一方、
Ｎｏ．２６の比較材である多孔質炭化ケイ素セラミック
スに比べて破壊靭性値が３倍以上の値を示し、強度信頼
性の面でも優れた材料が得られた。

【００３６】Ｎｏ．４及びＮｏ．５の実施例は、最大寸
法２０μｍの連通孔を各々２０、４５体積％含有し、か
つ粒子寸法２９５μｍ以下の球状サイアロン粒子を５５
体積％、これに対して平均粒径３０μｍの５３％Ｆｅ−
３０％Ｎｉ−１７％Ｃｏ合金を４５体積％添加混合しＨ
ＩＰ焼結した材料である。これらの材料は、いずれもＮ
ｏ．２４、の比較材である炭素工具鋼に比べて３３％以
下の摩耗深さであり、特に相手材についてはＮｏ．２
４、２５の比較材である炭素工具鋼、サイアロンに比べ
て１６％以下の摩耗深さを示し、優れた耐摩耗性が得ら
れた。一方、Ｎｏ．２６の比較材である多孔質炭化ケイ
素セラミックスに比べて破壊靭性値が３倍以上の値を示
し、強度信頼性の面でも優れた材料が得られた。

【００３７】Ｎｏ．６〜１２の実施例は、最大寸法１０
μｍの連通孔を４体積％含有し、かつ粒子寸法２９５μ
ｍ以下の球状サイアロン粒子の添加量を５５体積％一定
とし、金属粒子として７４％Ｆｅ−８％Ｎｉ−１８％Ｃ
ｒ、４４％Ｆｅ−３０％Ｎｉ−１７％Ｃｏ−９％Ｔｉ、
４９％Ｆｅ−３０％Ｎｉ−１７％Ｃｏ−２％Ｔｉ−２％
Ａｌ、９５％Ｆｅ−５％Ｎｉ、９５％Ｎｉ−５％Ｆｅ、
８３％Ｆｅ−５％Ｍｏ−６％Ｗ−４％Ｃｒ−２％Ｖ、９
８．５％Ｆｅ−０．４％Ｃ−０．３％Ｓｉ−０．８％Ｍ
ｎの各合金をそれぞれ４５体積％添加混合しＨＩＰ焼結
した材料である。これらの材料はいずれも摩耗深さが小
さく良好で、いずれもＮｏ．２４の比較材である炭素工
具鋼に比べて４５％以下の摩耗深さであり、特に相手材
についてはＮｏ．２４、２５の比較材である炭素工具
鋼、サイアロンに比べて２９％以下の摩耗深さを示し、
優れた耐摩耗性が得られた。一方、Ｎｏ．２６の比較材
である多孔質炭化ケイ素セラミックスに比べて破壊靭性
値が４倍以上の値を示し、強度信頼性の面でも優れた材
料が得られた。

【００３８】Ｎｏ．１３〜１５の実施例は、最大寸法８
０μｍの連通孔を５体積％含有し、かつ粒子寸法２９５
μｍ以下の球状サイアロン粒子の添加量を５５体積％と
し、金属粒子として平均粒径３０μｍの球状の８７％Ａ
ｌ−１３％Ｓｉ合金粒子、８５％Ｃｕ−５％Ｓｎ−５％
Ｚｎ−５％Ｐｂ合金粒子及び９０％Ｔｉ−６％Ａｌ−４
％Ｖ合金粒子を４５体積％各々添加混合し、ＨＩＰ焼結
した材料である。これらの材料はいずれも摩耗深さが小
さく良好で、いずれもＮｏ．２４、の比較材である炭素
工具鋼に比べて４５％以下の摩耗深さであり、特に相手
材についてもＮｏ．２４、２５の比較材である炭素工具
鋼、サイアロンに比べて２１％以下の摩耗深さを示し、
優れた耐摩耗性が得られた。一方、Ｎｏ．２６の比較材
である多孔質炭化ケイ素セラミックスに比べて破壊靭性
値が３倍以上の値を示し、強度信頼性の面でも優れた材
料が得られた。

【００３９】Ｎｏ．１６〜１８の実施例は、粒子寸法２
９５μｍ以下の球状のＳｉ3Ｎ4粒子、ＺｒＯ2粒子、Ａ
ｌ2Ｏ3粒子の添加量を５５体積％とし、Ｆｅ−Ｎｉ系合
金として５３％Ｆｅ−３０％Ｎｉ−１７％Ｃｏ合金を４
５体積％添加混合しＨＩＰ焼結した材料である。この材
料はいずれも摩耗深さが小さく良好で、いずれもＮｏ．
２４の比較材である炭素工具鋼に比べて５１％以下の摩
耗深さであり、特に相手材についてはＮｏ．２４、２５
の比較材である炭素工具鋼、サイアロンに比べて３０％
以下の摩耗深さを示し、優れた耐摩耗性が得られた。一
方、Ｎｏ．２６の比較材である多孔質炭化ケイ素セラミ
ックスに比べて破壊靭性値が４倍以上の値を示し、強度
信頼性の面でも優れた材料が得られた。

【００４０】Ｎｏ．１９の比較例では、サイアロン粒子
の寸法が３６０μｍまでの大きな粒子を含有したため、
焼結体中のサイアロン粒子及びＦｅ−Ｎｉ系合金に亀裂
を生じ、破壊靭性値が７ＭＰａ・ｍ¹/²と低い値しか得ら
れなかった。

【００４１】Ｎｏ．２０の比較例では、サイアロン粒子
の添加量が２０体積％と少なく、このため摩耗深さが８
μｍと大きく、比較材Ｎｏ．２４の炭素工具鋼と同程度
の耐摩耗性しか得られなかった。

【００４２】Ｎｏ．２１の比較例では、サイアロン粒子
内の連通孔の最大寸法が１５０μｍと大きいため、連通
孔の体積％が５０％と大きくなり、破壊靭性値が３ＭＰ
ａ・ｍ¹/²と低い値しか得られなかった。また、摩耗深さ
が８．６μｍと大きく、比較材Ｎｏ．２４の炭素工具鋼
と同程度の耐摩耗性しか得られなかった。

【００４３】Ｎｏ．２２の比較例では、サイアロン粒子
内の連通孔の体積％が０．０１％と低いため潤滑性物質
を含有することができず、摩耗深さが２５μｍと大き
く、比較材Ｎｏ．２４の炭素工具鋼より耐摩耗性が悪か
った。

【００４４】Ｎｏ．２３の比較例では、サイアロン粒子
内の連通孔の体積％が７０％と高いため、破壊靭性値が
４ＭＰａ・ｍ¹/²と低い値しか得られなかった。

【００４５】

【表１】

【００４６】

【表２】

【００４７】

【表３】

【００４８】

【表４】

【００４９】

【表５】

【００５０】

【表６】

【００５１】（実施例２）次に、前記の窒化ケイ素質セ
ラミックスと金属の複合材料を別の金属体に接合した実
施例について述べる。図３に一実施例である中空円筒複
合部材を示す。図３において、内側材７は本発明のセラ
ミックスと金属の複合材料、外側材８は鋼等で形成さ
れ、両者の界面は化学結合されている。この複合体は円
筒面を有する内側材７が耐摩耗性、摺動特性に優れ、外
側材８がより高い強度及び靭性をもつため、例えば、ス
ラストベアリング、ラジアルベアリング、ポンプ用軸受
け、圧縮機用軸受け、エンジン用シリンダーライナー、
エンジン用ピストン、ダイカスト用スリーブ、ダイカス
ト用チップ、射出成形機用シリンダー、ＸＹテーブル、
等の摺動面を有する、より広範な各種治具・部品・装置
類の用途に適用できる特徴がある。

【００５２】この中空円筒複合部材は次の方法で作製し
た。即ち、外側材８のＪＩＳ ＳＴＫＭ（０．２５％Ｃ
炭素鋼）製円筒容器のなかに、表面に離型剤を塗布した
ＪＩＳ ＳＵＳ３０４ステンレス鋼製丸棒を中心にセッ
トし、両者の隙間に表１の実施例Ｎｏ．２に示す最大寸
法１０μｍの連通孔を４体積％含有し、かつ粒子寸法２
９５μｍ以下の球状のサイアロン粒子５５体積％と、化
学組成が５３％Ｆｅ−３０％Ｎｉ−１７％Ｃｏ合金の平
均粒子径３０μｍの金属粒子４５体積％からなる内側材
７の混合粉末を充填し、円筒容器を真空脱気したのち気
密封止し、１１５０℃、１００ＭＰａ、２時間の条件で
ＨＩＰした。冷却後円柱体の両端部を切断し、中心にセ
ットしたステンレス鋼製丸棒を引き抜いた。これによ
り、図３に示す内側材７と外側材８からなる複合部材を
作製できた。次いで真空中で脱気し、８０℃に加熱した
タービン油（ＩＳＯ ＶＧ３２）の中に浸漬し、複合材
料表面に存在するセラミックス粒子の連通孔中に油を含
浸させた。

【００５３】（実施例３）図４は、本発明の一実施例で
ある窒化ケイ素質セラミックスと金属の複合材料からな
る成形機用のガイドピンブッシュの縦断面図を示す。サ
イアロンにＴｉＮを４０体積％添加した粒子寸法２９５
μｍ以下の球状の導電性サイアロン粒子を５０体積％
と、平均粒径３０μｍの５３％Ｆｅ−３０％Ｎｉ−１７
％Ｃｏ合金を５０体積％添加混合した材料をＨＩＰ焼結
した。この時の導電性サイアロン粒子内に存在する連通
孔は最大寸法１０μｍ、連通孔の体積率は６体積％であ
った。この焼結体を放電加工により、図４に示すように
フランジ部外径６１ｍｍ、外径５５ｍｍ、内径４０ｍ
ｍ、長さ６０ｍｍのガイドピンブッシュ９の形状に加工
した。そして、この焼結体を真空中で脱気し、８０℃に
加熱したタービン油（ＩＳＯ ＶＧ３２）の中に浸漬
し、複合材料表面に存在するセラミックス粒子の連通孔
中に油を含浸させた。

【００５４】また、本発明の他実施例の成形機用ガイド
ピンブッシュとして、実施例２で述べた様にセラミック
スと金属の複合材料を別の金属体に接合した構造にして
もよい。すなわち図５に示すように、ガイドピンと直接
接触、摺動する内側材１０を本発明のセラミックスと金
属の複合材料、外側材１１を工具鋼等で形成してもよ
い。

【００５５】上記のように構成したガイドピンブッシュ
をプレス成形機に取付け、プレス成形を行ったところ、
従来の工具鋼では定期的な給油メンテナンンスが必要で
あったのに比べ、本発明のガイドブッシュは無給油で１
年以上の使用が可能であり、しかもプレス成形品を油で
汚すこともないため、成形品の洗浄の必要が無くなっ
た。

【００５６】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば従
来不十分であった材料の耐摩耗性と耐破損性を大幅に向
上できるため、給油される摺動部材は勿論、無給油状態
で使用される摺動部材の寿命及び信頼性を大幅に高める
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明複合材料のセラミックス粒子の平断面を
模式的に示した図である。

【図２】本発明複合材料の断面を模式的に示した図であ
る。

【図３】本発明実施例の中空円筒複合部材の縦断面図で
ある。

【図４】本発明一実施例の成形機用ガイドピンブッシュ
の縦断面図である。

【図５】本発明他実施例の成形機用ガイドピンブッシュ
の縦断面図である。

【符号の説明】

１ セラミックス、 ２ 連通孔、３ 潤滑性物質を含
有可能なセラミックス粒子、 ４ セラミックス粒子、
５ 金属基地、 ６ 複合材料表面、 ７ 内側材、
８ 外側材、９ ガイドピンブッシュ、 １０ 内側
材、 １１ 外側材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 熊谷 則雄 北九州市若松区北浜一丁目９番１号 日立 金属株式会社若松工場内 (72)発明者 沖津 俊夫 北九州市若松区北浜一丁目９番１号 日立 金属株式会社若松工場内

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粒子内に連通孔を形成し、かつ粒子寸法
   ３００μｍ以下のセラミックス粒子３０〜８０体積％
   を、２０〜７０体積％の金属基地に均一に分散させるこ
   とを特徴とするセラミックスと金属の複合材料。
2. 【請求項２】 セラミックス粒子の平断面における連通
   孔の最大寸法が１００μｍ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金属の複合材料。
3. 【請求項３】 セラミックス粒子内の連通孔の体積率が
   ０．１〜５０体積％であることを特徴とする請求項１又
   は２に記載のセラミックスと金属の複合材料。
4. 【請求項４】 セラミックス粒子が窒化ケイ素質セラミ
   ックスからなることを特徴とする請求項１乃至３のいず
   れか１項に記載のセラミックスと金属の複合材料。
5. 【請求項５】 セラミックス粒子に周期律表の４ａ族、
   ５ａ族又は６ａ族の元素の炭化物、ホウ化物又は窒化物
   からなる非酸化物系導電材を含有させることを特徴とす
   る請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセラミックス
   と金属の複合材料。
6. 【請求項６】 セラミックス粒子に周期律表の４ａ族、
   ５ａ族又は６ａ族の元素の炭化物、ホウ化物又は窒化物
   からなる非酸化物系導電材を３０〜７０体積％含有させ
   ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記
   載のセラミックスと金属の複合材料。
7. 【請求項７】 金属基地がＦｅ系合金、Ｃｕ系合金、Ａ
   ｌ系合金及びＴｉ系合金のうちいずれか１種からなるこ
   とを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の
   セラミックスと金属の複合材料。
8. 【請求項８】 金属基地がＦｅ−Ｎｉ系合金からなるこ
   とを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の
   セラミックスと金属の複合材料。
9. 【請求項９】 金属基地がＴｉ及び／又はＡｌを０．５
   〜１０重量％含有させたＦｅ−Ｎｉ系合金からなること
   を特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセ
   ラミックスと金属の複合材料。
10. 【請求項１０】 請求項１乃至９のいずれか１項に記載
    のセラミックスと金属の複合材料を別の金属体に接合し
    たことを特徴とする複合部材。
11. 【請求項１１】 請求項１乃至９のいずれか１項に記載
    のセラミックスと金属の複合材料を構成部材にすること
    を特徴とする摺動部材。
12. 【請求項１２】 請求項１乃至９のいずれか１項に記載
    のセラミックスと金属の複合材料において、表面に存在
    するセラミックス粒子の連通孔内に潤滑性物質を含有さ
    せることを特徴とする摺動部材。
13. 【請求項１３】 請求項１乃至９のいずれか１項に記載
    のセラミックスと金属の複合材料において、表面に存在
    するセラミックス粒子の連通孔内に液体を含有させるこ
    とを特徴とする摺動部材。
14. 【請求項１４】 請求項１乃至９のいずれか１項に記載
    のセラミックスと金属の複合材料において、表面に存在
    するセラミックス粒子の連通孔内に潤滑油を含浸させる
    ことを特徴とする摺動部材。
15. 【請求項１５】 請求項１乃至９のいずれか１項に記載
    のセラミックスと金属の複合材料において、表面に存在
    するセラミックス粒子の連通孔内に固体有機物質を含浸
    させることを特徴とする摺動部材。