JPH09295868A - 窒化珪素系セラミックス摺動材料及びその製造方法 - Google Patents
窒化珪素系セラミックス摺動材料及びその製造方法Info
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- JPH09295868A JPH09295868A JP8107103A JP10710396A JPH09295868A JP H09295868 A JPH09295868 A JP H09295868A JP 8107103 A JP8107103 A JP 8107103A JP 10710396 A JP10710396 A JP 10710396A JP H09295868 A JPH09295868 A JP H09295868A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 電化製品・ＯＡ機器・コンピューター機器等
のモーターまたは自動車のエンジンの回転・摺動部位に
適用可能で耐摩擦摩耗特性に優れたセラミックス摺動材
料を提供する。 【解決手段】 空孔率が２〜１０％かつ空孔の最大径が
２０〜１００μｍの空孔制御された窒化珪素系セラミッ
クス摺動材料である。また同材料の中でもさらにその任
意の二次元断面内に存在する面積０．１〜１０μｍ2の
範囲にある窒化珪素質結晶粒子総面積が全窒化珪素質結
晶粒子総面積に対し３０〜９０％の比率で存在し、かつ
同面内に存在するアスペクト比２〜１０の粒子の全粒子
に対する個数比率が２０％以上である組織構造に制御さ
れた窒化珪素系セラミックス摺動材料である。
のモーターまたは自動車のエンジンの回転・摺動部位に
適用可能で耐摩擦摩耗特性に優れたセラミックス摺動材
料を提供する。 【解決手段】 空孔率が２〜１０％かつ空孔の最大径が
２０〜１００μｍの空孔制御された窒化珪素系セラミッ
クス摺動材料である。また同材料の中でもさらにその任
意の二次元断面内に存在する面積０．１〜１０μｍ2の
範囲にある窒化珪素質結晶粒子総面積が全窒化珪素質結
晶粒子総面積に対し３０〜９０％の比率で存在し、かつ
同面内に存在するアスペクト比２〜１０の粒子の全粒子
に対する個数比率が２０％以上である組織構造に制御さ
れた窒化珪素系セラミックス摺動材料である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＯＡ機器・電化製
品・コンピューター機器及び自動車部品等のモーターや
エンジン等の回転・摺動部位に用いられ、特に室温下で
の耐摩耗性・摺動特性に優れた窒化珪素系セラミックス
摺動材料に関する。
品・コンピューター機器及び自動車部品等のモーターや
エンジン等の回転・摺動部位に用いられ、特に室温下で
の耐摩耗性・摺動特性に優れた窒化珪素系セラミックス
摺動材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化珪素系セラミックスは金属材料に比
べ軽量でかつ耐熱性・耐摩耗性に優れ、また他のセラミ
ックス材料に比べても機械的強度及び靭性の点でバラン
スのとれた材料であり、自動車のエンジン部品やＯＡ機
器の摺動部品、さらにはガスタービンエンジンの耐熱・
耐摩耗部品として幅広い構造部品用途での実用化が期待
されている。
べ軽量でかつ耐熱性・耐摩耗性に優れ、また他のセラミ
ックス材料に比べても機械的強度及び靭性の点でバラン
スのとれた材料であり、自動車のエンジン部品やＯＡ機
器の摺動部品、さらにはガスタービンエンジンの耐熱・
耐摩耗部品として幅広い構造部品用途での実用化が期待
されている。
【０００３】これまでこの種の用途に向けての窒化珪素
系セラミックス材料の研究開発では、主に材料自体の持
つ脆性と耐摩耗性の改善及び高温用途への展開に向けて
の高温での機械的強度の向上を目的とした材料開発が主
流を占めていた。
系セラミックス材料の研究開発では、主に材料自体の持
つ脆性と耐摩耗性の改善及び高温用途への展開に向けて
の高温での機械的強度の向上を目的とした材料開発が主
流を占めていた。
【０００４】例えば特開平７-２６７７３８号公報に
は、ＭｇＯ、ＺｒＯ2、ＣｅＯ2からなる焼結助剤を少量
加えたＳｉ3Ｎ4との混合粉末を、ＭｇＯガス及びＣＯガ
スを含む窒素ガス雰囲気で二度焼結し、粒界相の量を抑
え理論密度まで緻密化した耐摩耗性の窒化珪素系セラミ
ックス材料が開示されている。同様に特開平５-１５５
６６２号公報には、Ａｌ化合物等の粒界ガラス相を少量
に抑えるとともに常圧の一次焼結後雰囲気加圧下で二次
焼結を行い、理論密度近辺まで緻密化し耐摩耗性を向上
させた窒化珪素系セラミックス材料が開示されている。
また特開昭６３-５５１６３号公報には、空孔率を３％
以下とし空孔サイズをコントロールし、摺動時の耐チッ
ピング性を向上させた窒化珪素系セラミックス材料が開
示されている。
は、ＭｇＯ、ＺｒＯ2、ＣｅＯ2からなる焼結助剤を少量
加えたＳｉ3Ｎ4との混合粉末を、ＭｇＯガス及びＣＯガ
スを含む窒素ガス雰囲気で二度焼結し、粒界相の量を抑
え理論密度まで緻密化した耐摩耗性の窒化珪素系セラミ
ックス材料が開示されている。同様に特開平５-１５５
６６２号公報には、Ａｌ化合物等の粒界ガラス相を少量
に抑えるとともに常圧の一次焼結後雰囲気加圧下で二次
焼結を行い、理論密度近辺まで緻密化し耐摩耗性を向上
させた窒化珪素系セラミックス材料が開示されている。
また特開昭６３-５５１６３号公報には、空孔率を３％
以下とし空孔サイズをコントロールし、摺動時の耐チッ
ピング性を向上させた窒化珪素系セラミックス材料が開
示されている。
【０００５】さらに特開平６-２００９３６号公報に
は、等軸晶のα型粒子と針状晶のβ型粒子からなり、粒
界相が１５体積％以下、長さ３０μｍ当たりの線密度
（すなわち一断面を３０μｍの線分で切った時、同線分
によって切られる粒子の個数）が３５以上、空孔率３％
以下の緻密質かつ微細組織を有する高強度の窒化珪素系
セラミックス製高速軸受材料が開示されている。さらに
以上の他に高温での機械的強度を上げるために、緻密質
に焼結後さらに熱処理を行って粒界ガラス相を部分的に
結晶化する方法も試みられてきた。
は、等軸晶のα型粒子と針状晶のβ型粒子からなり、粒
界相が１５体積％以下、長さ３０μｍ当たりの線密度
（すなわち一断面を３０μｍの線分で切った時、同線分
によって切られる粒子の個数）が３５以上、空孔率３％
以下の緻密質かつ微細組織を有する高強度の窒化珪素系
セラミックス製高速軸受材料が開示されている。さらに
以上の他に高温での機械的強度を上げるために、緻密質
に焼結後さらに熱処理を行って粒界ガラス相を部分的に
結晶化する方法も試みられてきた。
【０００６】一方材料の摺動表面の改善については、主
に初期の摺動抵抗を軽減するために表面を極めて平滑に
仕上げたり、基材に耐摩耗性または耐溶着性・耐凝着性
の材料を成膜することが盛んに試みられてきた。
に初期の摺動抵抗を軽減するために表面を極めて平滑に
仕上げたり、基材に耐摩耗性または耐溶着性・耐凝着性
の材料を成膜することが盛んに試みられてきた。
【０００７】以上述べた中で摺動材本体の改善について
は、いずれも空孔の発生を極力抑え緻密化すること、粒
界相である脆性ガラス相の量を極力抑えその組織を微細
化することまたは粒界相の一部を結晶化することによっ
て、常温・高温下摺動時の高負荷に耐えられるように機
械的強度と耐摩耗性を向上させたものである。また摺動
表面の改善については、表面の平滑化と代替材料表面を
新たに形成することによって、耐摩耗・耐摺動特性の向
上を図ったものである。
は、いずれも空孔の発生を極力抑え緻密化すること、粒
界相である脆性ガラス相の量を極力抑えその組織を微細
化することまたは粒界相の一部を結晶化することによっ
て、常温・高温下摺動時の高負荷に耐えられるように機
械的強度と耐摩耗性を向上させたものである。また摺動
表面の改善については、表面の平滑化と代替材料表面を
新たに形成することによって、耐摩耗・耐摺動特性の向
上を図ったものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところで摺動部品には
その用途によっては必ずしも高温または高負荷用途ばか
りでなく、室温下で上記に比べ比較的低負荷への応用が
数多くある。例えば電化製品・ＯＡ機器・コンピュータ
ー機器等のモーターの回転・摺動部位への利用がそれで
ある。また一部の自動車部品用途もある。このような分
野では高い靭性や強度を指向し、緻密化した従来のセラ
ミックス材料の組織設計が必ずしも適切ではない場合も
ある。例えば耐摩耗性を上げるため、ことさらに材料硬
度を高め靭性を犠牲にしたり、形状加工を難しくしてい
る面もある。したがって表面の鏡面研磨による平滑化に
多大な労力が必要になる。さらにこのような緻密質かつ
高強度の材料を得るためには、原料粉末の選定、混合・
成形条件、焼結条件の特定等コストアップにつながる多
くの製造管理が必要となる。また代替材料による耐摩耗
性表面部の形成には、形成のため余分な手間がかかるだ
けでなく、形成界面での接合強度劣化・熱膨張差による
膜の剥離の問題が絶えずつきまとっている。
その用途によっては必ずしも高温または高負荷用途ばか
りでなく、室温下で上記に比べ比較的低負荷への応用が
数多くある。例えば電化製品・ＯＡ機器・コンピュータ
ー機器等のモーターの回転・摺動部位への利用がそれで
ある。また一部の自動車部品用途もある。このような分
野では高い靭性や強度を指向し、緻密化した従来のセラ
ミックス材料の組織設計が必ずしも適切ではない場合も
ある。例えば耐摩耗性を上げるため、ことさらに材料硬
度を高め靭性を犠牲にしたり、形状加工を難しくしてい
る面もある。したがって表面の鏡面研磨による平滑化に
多大な労力が必要になる。さらにこのような緻密質かつ
高強度の材料を得るためには、原料粉末の選定、混合・
成形条件、焼結条件の特定等コストアップにつながる多
くの製造管理が必要となる。また代替材料による耐摩耗
性表面部の形成には、形成のため余分な手間がかかるだ
けでなく、形成界面での接合強度劣化・熱膨張差による
膜の剥離の問題が絶えずつきまとっている。
【０００９】このように種々の生産上・品質上の課題を
かかえてはいるものの、窒化珪素系セラミックス材料は
前述のように金属材料に比べ焼き付きや融着・凝着は起
こし難く、そのメリットを生かした新しい摺動材料とし
て実用化が期待されている。しかしながら厳しい摺動条
件下では、上記高性能材料であっても摩耗は起こす。摺
動の条件によっては一旦摩耗が始まると削り取られた摩
耗粉が加速的に発生し、それによって摺動特性が急速に
悪化することもありうる。極端な場合には摺動面同士が
ロックされて動かなくなることも起こる。一般にこのよ
うなセラミックス摺動材料での摩擦摩耗現象は、摺動圧
力や摺動速度、温度や雰囲気といった摺動環境要因にも
左右されるが、特にその表面での耐摩耗性の良し悪しが
著しく影響する。当然ではあるが摺動時の表面構造によ
って大きく左右される。従来のセラミックス摺動材料の
開発は、既に述べたように、材料本体の改善については
摺動環境への対応が主体であり、また表面構造の改善で
は初期の表面粗さの調製または表面への耐摩耗性材被覆
によるアプローチが主体であった。
かかえてはいるものの、窒化珪素系セラミックス材料は
前述のように金属材料に比べ焼き付きや融着・凝着は起
こし難く、そのメリットを生かした新しい摺動材料とし
て実用化が期待されている。しかしながら厳しい摺動条
件下では、上記高性能材料であっても摩耗は起こす。摺
動の条件によっては一旦摩耗が始まると削り取られた摩
耗粉が加速的に発生し、それによって摺動特性が急速に
悪化することもありうる。極端な場合には摺動面同士が
ロックされて動かなくなることも起こる。一般にこのよ
うなセラミックス摺動材料での摩擦摩耗現象は、摺動圧
力や摺動速度、温度や雰囲気といった摺動環境要因にも
左右されるが、特にその表面での耐摩耗性の良し悪しが
著しく影響する。当然ではあるが摺動時の表面構造によ
って大きく左右される。従来のセラミックス摺動材料の
開発は、既に述べたように、材料本体の改善については
摺動環境への対応が主体であり、また表面構造の改善で
は初期の表面粗さの調製または表面への耐摩耗性材被覆
によるアプローチが主体であった。
【００１０】耐摩擦摩耗性に優れたセラミックス摺動材
料を得るためには、材料本体の耐環境性改善と摺動表面
の平滑性の確保がその基本ではある。しかしこれらがあ
る程度満たされた状況下での摺動摩擦摩耗を抑えるため
には、特にその表面の耐摩耗性材料構造をいかに設計す
るかが重要である。摺動時の材料表面の耐摩耗性のメカ
ニズムに着目し、摺動状態下にあって安定した摺動特性
を効率良く発揮しうる材料の設計が望まれている。
料を得るためには、材料本体の耐環境性改善と摺動表面
の平滑性の確保がその基本ではある。しかしこれらがあ
る程度満たされた状況下での摺動摩擦摩耗を抑えるため
には、特にその表面の耐摩耗性材料構造をいかに設計す
るかが重要である。摺動時の材料表面の耐摩耗性のメカ
ニズムに着目し、摺動状態下にあって安定した摺動特性
を効率良く発揮しうる材料の設計が望まれている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、この課題
を克服するための窒化珪素系セラミックスの材料開発を
進め、材料組織と耐摩擦摩耗特性との相関を定量的に解
析し、ある特定の材料組織・構造を実現することによっ
て、窒化珪素系セラミックス材料の摺動時の摩擦摩耗特
性が向上することを見出し、本発明に至った。
を克服するための窒化珪素系セラミックスの材料開発を
進め、材料組織と耐摩擦摩耗特性との相関を定量的に解
析し、ある特定の材料組織・構造を実現することによっ
て、窒化珪素系セラミックス材料の摺動時の摩擦摩耗特
性が向上することを見出し、本発明に至った。
【００１２】すなわち本発明は、（１）窒化珪素質粒子
と粒界相からなる窒化珪素系セラミックス摺動材料であ
って、その空孔率が２〜１０％であり、かつ空孔の最大
径が２０〜１００μｍである窒化珪素系セラミックス摺
動材料である。さらに本発明は、（２）望ましくはこれ
に加え、その任意の二次元断面内に存在する全ての窒化
珪素質結晶粒子の面積をカウントした場合、面積０．１
〜１０μｍ2の窒化珪素質結晶粒子の占める総面積が、
窒化珪素質結晶粒子全面積の３０〜９０％であり、なお
かつアスペクト比２〜１０の窒化珪素質結晶粒子の全窒
化珪素質結晶粒子に占める個数比率が、２０％以上であ
る組織構造を有する窒化珪素系セラミックス摺動材料で
ある。
と粒界相からなる窒化珪素系セラミックス摺動材料であ
って、その空孔率が２〜１０％であり、かつ空孔の最大
径が２０〜１００μｍである窒化珪素系セラミックス摺
動材料である。さらに本発明は、（２）望ましくはこれ
に加え、その任意の二次元断面内に存在する全ての窒化
珪素質結晶粒子の面積をカウントした場合、面積０．１
〜１０μｍ2の窒化珪素質結晶粒子の占める総面積が、
窒化珪素質結晶粒子全面積の３０〜９０％であり、なお
かつアスペクト比２〜１０の窒化珪素質結晶粒子の全窒
化珪素質結晶粒子に占める個数比率が、２０％以上であ
る組織構造を有する窒化珪素系セラミックス摺動材料で
ある。
【００１３】なお本発明で窒化珪素質結晶粒子というの
は、純窒化珪素Ｓｉ3Ｎ4からなる結晶粒子またはこれに
他元素、例えばＡｌ、Ｍｇ、希土類元素、酸素等の固溶
したサイアロンを含んだ結晶粒子の総称である。本発明
では母相粒子または母相結晶粒子と記述する場合もあ
る。本発明のさらに好ましい態様によれば、（３）その
粒界相が１５体積％以下（但し０は含まず）である窒化
珪素系セラミックス摺動材料である。さらに本発明は、
（４）特にその粒界にＹ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒの少
なくとも１種を含む窒化珪素系セラミックス摺動材料で
ある。
は、純窒化珪素Ｓｉ3Ｎ4からなる結晶粒子またはこれに
他元素、例えばＡｌ、Ｍｇ、希土類元素、酸素等の固溶
したサイアロンを含んだ結晶粒子の総称である。本発明
では母相粒子または母相結晶粒子と記述する場合もあ
る。本発明のさらに好ましい態様によれば、（３）その
粒界相が１５体積％以下（但し０は含まず）である窒化
珪素系セラミックス摺動材料である。さらに本発明は、
（４）特にその粒界にＹ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒの少
なくとも１種を含む窒化珪素系セラミックス摺動材料で
ある。
【００１４】上記（２）及び（３）で述べた本発明材料
の組織構造は、以下のように確認される。すなわち、先
ず材料の組織・構造を定量化するため次のような前処理
を行う。材料の任意の断面を鏡面状態に研磨し、その鏡
面をエッチング処理して窒化珪素質の母相結晶粒子と粒
界相との間に凹凸の差を形成させる。このエッチング処
理は、例えば三フッ化メタンＣＨＦ3と酸素Ｏ2の混合ガ
スを活性化したもので行う方法や塩酸ＨＣｌと過酸化水
素水Ｈ2Ｏ2の混酸を用いて行う方法等があり、いずれの
方法を用いても良い。
の組織構造は、以下のように確認される。すなわち、先
ず材料の組織・構造を定量化するため次のような前処理
を行う。材料の任意の断面を鏡面状態に研磨し、その鏡
面をエッチング処理して窒化珪素質の母相結晶粒子と粒
界相との間に凹凸の差を形成させる。このエッチング処
理は、例えば三フッ化メタンＣＨＦ3と酸素Ｏ2の混合ガ
スを活性化したもので行う方法や塩酸ＨＣｌと過酸化水
素水Ｈ2Ｏ2の混酸を用いて行う方法等があり、いずれの
方法を用いても良い。
【００１５】このようにして母相結晶粒子と粒界相との
間に凹凸差を形成した面の任意の箇所を、走査電子顕微
鏡を用いて５万倍以下の倍率（好ましくは１〜２万倍）
で写真撮影し、それを画像処理によって解析する。画像
処理の解析方法としては、先ず写真視野中の母相結晶粒
子と粒界相を色の濃淡によって二値化して区別し、全て
の母相結晶粒子について各々１個ずつの長軸径と短軸径
の比すなわち粒子のアスペクト比及びその面積を計算す
る。また空孔の最大径及びその面積と粒界相の面積も計
算する。以上のデータ蓄積作業は通常市販の画像処理専
用のコンピューターソフトを使って行い、そのデータを
統計処理することによって、空孔率、空孔の最大径の分
布、母相結晶粒子面積の分布、一定範囲内のアスペクト
比を持つ母相結晶粒子の割合及び粒界相の体積割合を計
算する。
間に凹凸差を形成した面の任意の箇所を、走査電子顕微
鏡を用いて５万倍以下の倍率（好ましくは１〜２万倍）
で写真撮影し、それを画像処理によって解析する。画像
処理の解析方法としては、先ず写真視野中の母相結晶粒
子と粒界相を色の濃淡によって二値化して区別し、全て
の母相結晶粒子について各々１個ずつの長軸径と短軸径
の比すなわち粒子のアスペクト比及びその面積を計算す
る。また空孔の最大径及びその面積と粒界相の面積も計
算する。以上のデータ蓄積作業は通常市販の画像処理専
用のコンピューターソフトを使って行い、そのデータを
統計処理することによって、空孔率、空孔の最大径の分
布、母相結晶粒子面積の分布、一定範囲内のアスペクト
比を持つ母相結晶粒子の割合及び粒界相の体積割合を計
算する。
【００１６】本発明の窒化珪素系セラミックス摺動材料
は、以下の製造方法で作られる。 （１）窒化珪素粉末と焼結助剤粉末とを混合し、その混
合物を成形後窒素を含む減圧下１０００〜１５００℃で
加熱処理し、その後非酸化性雰囲気中常圧下または同雰
囲気ガス加圧下１５５０〜１８００℃で焼結する。さら
に好ましくは （２）当初調製する上記窒化珪素・焼結助剤の混合物
に、さらに平均粒径１０μｍ以下のＦｅまたはＦｅ元素
化合物の粉末を、Ｆｅ元素換算で０．０００５〜０．０
５重量％添加する方法がある。さらに（２）の製造方法
に加えて （３）焼結助剤粉末の量を１５体積％以下に抑える方法
もある。また焼結助剤は （４）特にＹ2Ｏ3とともにＡｌ2Ｏ3・ＭｇＡｌ2Ｏ4・Ｍ
ｇＯ・ＴｉＯ2・ＺｒＯ2の少なくとも１種以上を用いる
方法がある。
は、以下の製造方法で作られる。 （１）窒化珪素粉末と焼結助剤粉末とを混合し、その混
合物を成形後窒素を含む減圧下１０００〜１５００℃で
加熱処理し、その後非酸化性雰囲気中常圧下または同雰
囲気ガス加圧下１５５０〜１８００℃で焼結する。さら
に好ましくは （２）当初調製する上記窒化珪素・焼結助剤の混合物
に、さらに平均粒径１０μｍ以下のＦｅまたはＦｅ元素
化合物の粉末を、Ｆｅ元素換算で０．０００５〜０．０
５重量％添加する方法がある。さらに（２）の製造方法
に加えて （３）焼結助剤粉末の量を１５体積％以下に抑える方法
もある。また焼結助剤は （４）特にＹ2Ｏ3とともにＡｌ2Ｏ3・ＭｇＡｌ2Ｏ4・Ｍ
ｇＯ・ＴｉＯ2・ＺｒＯ2の少なくとも１種以上を用いる
方法がある。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明の目的は、特に常温での摩
擦摩耗特性に優れた窒化珪素系セラミックス摺動材料を
提供することである。
擦摩耗特性に優れた窒化珪素系セラミックス摺動材料を
提供することである。
【００１８】本発明の窒化珪素系セラミックス摺動材料
は、空孔率が２〜１０％でありかつその空孔の最大径が
２０〜１００μｍの範囲内に制御された組織構造の窒化
珪素系焼結体からなる。なお空孔率は２〜４％とするの
が好ましい。空孔率及びその最大径をこの範囲とするこ
とによって摺動時の衝撃エネルギーの吸収が容易にな
り、叩き摩耗現象を伴った高速摺動においても優れた耐
摩耗性・耐チッピング性の摺動材料が得られる。空孔率
が２％に満たないかまたはその最大径が２０μｍ未満の
場合には、衝撃エネルギーの吸収が難しくなる。また空
孔率が１０％を越えるかまたはその最大径が１００μｍ
を越えると、空孔が閉気孔から開気孔になるため、機械
的強度が低下するとともに焼結体に破損が生じやすくな
る。
は、空孔率が２〜１０％でありかつその空孔の最大径が
２０〜１００μｍの範囲内に制御された組織構造の窒化
珪素系焼結体からなる。なお空孔率は２〜４％とするの
が好ましい。空孔率及びその最大径をこの範囲とするこ
とによって摺動時の衝撃エネルギーの吸収が容易にな
り、叩き摩耗現象を伴った高速摺動においても優れた耐
摩耗性・耐チッピング性の摺動材料が得られる。空孔率
が２％に満たないかまたはその最大径が２０μｍ未満の
場合には、衝撃エネルギーの吸収が難しくなる。また空
孔率が１０％を越えるかまたはその最大径が１００μｍ
を越えると、空孔が閉気孔から開気孔になるため、機械
的強度が低下するとともに焼結体に破損が生じやすくな
る。
【００１９】また本発明の摺動材料は、以上の空孔制御
に加え任意の二次元断面内に存在する面積０．１〜１０
μｍ2の母相粒子総面積の全母相粒子面積に占める割合
が、３０〜９０％の範囲になるように同粒子サイズ分布
を制御するとともに、アスペクト比２〜１０の母相粒子
の全母相粒子に占める個数比率が、２０％以上になるよ
うに同粒子形状分布を制御するのが好ましい。粒子サイ
ズ分布及び粒子形状分布をこの範囲に制御することによ
って、耐摩擦摩耗性の点でさらに向上する。この場合面
積０．１〜１０μｍ2の同粒子の占有面積率が３０％未
満になると、母相粒子分布が大きい側と小さい側に分化
する。したがって過小面積粒子による局所剥離や過大面
積粒子による局所亀裂が生じ易くなる。したがって上記
粒子サイズ分布に制御するのが望ましい。なお上記粒子
サイズ分布範囲は５０〜８５％とするのがさらに望まし
い。
に加え任意の二次元断面内に存在する面積０．１〜１０
μｍ2の母相粒子総面積の全母相粒子面積に占める割合
が、３０〜９０％の範囲になるように同粒子サイズ分布
を制御するとともに、アスペクト比２〜１０の母相粒子
の全母相粒子に占める個数比率が、２０％以上になるよ
うに同粒子形状分布を制御するのが好ましい。粒子サイ
ズ分布及び粒子形状分布をこの範囲に制御することによ
って、耐摩擦摩耗性の点でさらに向上する。この場合面
積０．１〜１０μｍ2の同粒子の占有面積率が３０％未
満になると、母相粒子分布が大きい側と小さい側に分化
する。したがって過小面積粒子による局所剥離や過大面
積粒子による局所亀裂が生じ易くなる。したがって上記
粒子サイズ分布に制御するのが望ましい。なお上記粒子
サイズ分布範囲は５０〜８５％とするのがさらに望まし
い。
【００２０】また以上の粒子サイズ制御とともに母相粒
子形状を上記範囲内に制御する。このような範囲内とす
ることによって、上記粒子サイズ制御に加えて、アスペ
クト比の大きい棒状または針状粒子が互いに絡み合った
架橋構造組織となり、焼結体の骨格構造も強化され互い
の粒子間の結合力が強くなり、摩耗しても母相粒子の剥
離が生じ難くなる。この個数比率は好ましくは３０％以
上である。
子形状を上記範囲内に制御する。このような範囲内とす
ることによって、上記粒子サイズ制御に加えて、アスペ
クト比の大きい棒状または針状粒子が互いに絡み合った
架橋構造組織となり、焼結体の骨格構造も強化され互い
の粒子間の結合力が強くなり、摩耗しても母相粒子の剥
離が生じ難くなる。この個数比率は好ましくは３０％以
上である。
【００２１】またこのような粒子サイズ並びに粒子形状
の分布を制御するとともに、さらに粒界相の量を１５体
積％以下（但し０は含まず）に制御することによって、
耐摩擦摩耗性はより向上する。粒界相の量が１５体積％
を越えると粒界相による摺動時の摩耗剥離が起こり易く
なる。より好ましい粒界相の量は５〜１０体積％であ
る。なお焼結助剤としては、特にＹ2Ｏ3とともに、Ｍｇ
Ｏ・ＭｇＡｌ2Ｏ4・ＴｉＯ2・ＺｒＯ2の少なくとも１種
を併用するのが望ましい。
の分布を制御するとともに、さらに粒界相の量を１５体
積％以下（但し０は含まず）に制御することによって、
耐摩擦摩耗性はより向上する。粒界相の量が１５体積％
を越えると粒界相による摺動時の摩耗剥離が起こり易く
なる。より好ましい粒界相の量は５〜１０体積％であ
る。なお焼結助剤としては、特にＹ2Ｏ3とともに、Ｍｇ
Ｏ・ＭｇＡｌ2Ｏ4・ＴｉＯ2・ＺｒＯ2の少なくとも１種
を併用するのが望ましい。
【００２２】次に本発明のセラミックス摺動材料の製造
方法について述べる。本発明の摺動材料は、窒化珪素粉
末と焼結助剤とを混合し、同混合粉末を成形した後、同
成形体を窒素を含む減圧下１０００〜１５００℃で加熱
処理し、その後１５５０〜１８００℃の温度、非酸化性
雰囲気中常圧下または非酸化性雰囲気ガス加圧下で焼結
することによって得られる。
方法について述べる。本発明の摺動材料は、窒化珪素粉
末と焼結助剤とを混合し、同混合粉末を成形した後、同
成形体を窒素を含む減圧下１０００〜１５００℃で加熱
処理し、その後１５５０〜１８００℃の温度、非酸化性
雰囲気中常圧下または非酸化性雰囲気ガス加圧下で焼結
することによって得られる。
【００２３】窒化珪素粉末は特に限定されるものではな
いが、α晶含有率が７０％以上で、平均粒径が１０μｍ
以下のものを用いる。より好ましくはα晶含有率が９０
％以上で平均粒径が１μｍ以下である。α晶含有率及び
平均粒径を上記範囲とすることによって、上記加熱処理
との組み合わせで本発明の焼結粒子サイズ分布並びに焼
結粒子形状分布のものがより得易くなる。焼結助剤粉末
も同程度の平均粒径のものとするのが望ましい。焼結助
剤としては、例えばＹ2Ｏ3等の希土類元素化合物ととも
に、ＡＩ2Ｏ3、ＡｌＮ等のＡｌ元素化合物、ＭｇＯ等の
アルカリ土類元素化合物、ＭｇＡｌ2Ｏ4等のアルカリ土
類元素とＡｌ元素の化合物、ＩＶａ・Ｖａ・ＶＩａ族他
種々の遷移金属元素化合物（例えばＴｉＯ2、ＺｒＯ2、
ＷＯ3、Ｖ2Ｏ5）等の１種以上とを併用し、適宜組み合わ
せる。
いが、α晶含有率が７０％以上で、平均粒径が１０μｍ
以下のものを用いる。より好ましくはα晶含有率が９０
％以上で平均粒径が１μｍ以下である。α晶含有率及び
平均粒径を上記範囲とすることによって、上記加熱処理
との組み合わせで本発明の焼結粒子サイズ分布並びに焼
結粒子形状分布のものがより得易くなる。焼結助剤粉末
も同程度の平均粒径のものとするのが望ましい。焼結助
剤としては、例えばＹ2Ｏ3等の希土類元素化合物ととも
に、ＡＩ2Ｏ3、ＡｌＮ等のＡｌ元素化合物、ＭｇＯ等の
アルカリ土類元素化合物、ＭｇＡｌ2Ｏ4等のアルカリ土
類元素とＡｌ元素の化合物、ＩＶａ・Ｖａ・ＶＩａ族他
種々の遷移金属元素化合物（例えばＴｉＯ2、ＺｒＯ2、
ＷＯ3、Ｖ2Ｏ5）等の１種以上とを併用し、適宜組み合わ
せる。
【００２４】成形体を焼結前に窒素を含む減圧下１００
０〜１５００℃で加熱処理するのは、焼結後の空孔率と
空孔の最大径を前記範囲に制御するためである。なおこ
の処理は焼結の加熱過程内で行い、引き続いて適切な非
酸化性雰囲気に調製し昇温して焼結しても良い。従来よ
り焼結体の空孔制御は、主として粉末中の成形用有機バ
インダー成分とその量の調節、同バインダー抜きの条件
の調節、粉末への同バインダー以外の高温揮発成分の添
加によって行われている。しかしこれらの方法は主に高
い空孔率確保を目的としたものであり、空孔率の比較的
小さい領域で、空孔率とともに空孔サイズ分布をも制御
する方法は見出されていない。
０〜１５００℃で加熱処理するのは、焼結後の空孔率と
空孔の最大径を前記範囲に制御するためである。なおこ
の処理は焼結の加熱過程内で行い、引き続いて適切な非
酸化性雰囲気に調製し昇温して焼結しても良い。従来よ
り焼結体の空孔制御は、主として粉末中の成形用有機バ
インダー成分とその量の調節、同バインダー抜きの条件
の調節、粉末への同バインダー以外の高温揮発成分の添
加によって行われている。しかしこれらの方法は主に高
い空孔率確保を目的としたものであり、空孔率の比較的
小さい領域で、空孔率とともに空孔サイズ分布をも制御
する方法は見出されていない。
【００２５】本発明者等は、窒化珪素を主成分とする成
形体が焼結温度よりも低い温度域で液相生成に起因する
ガスを発生することから、同温度域内の特定の温度範囲
で焼結前に減圧下で加熱処理することによって、前記し
た焼結後の空孔率並びに最大空孔径の制御が可能である
ことを見出した。処理温度が１０００℃より低いとガス
が殆ど発生しないため、本発明の目的とする空孔状態の
形成ができない。また同温度が１５００℃より高くなる
と単位時間当たりのガスの発生量が多くなり過ぎて、焼
結後の空孔の最大径が１００μｍを越えるため好ましく
ない。加えて本発明の焼結前加熱処理を行わない場合に
は空孔率及び空孔の最大径が増大し、本発明外の高い空
孔率及び大きな最大空孔径のものとなる。なお熱処理の
時間は、０．５〜１０時間の範囲とするのが好ましい。
短すぎると上記の空孔制御効果が得難く、長すぎてもそ
の効果の上昇は余り期待できない。したがってこの範囲
とするのが望ましい。通常は１〜５時間程度とする。
形体が焼結温度よりも低い温度域で液相生成に起因する
ガスを発生することから、同温度域内の特定の温度範囲
で焼結前に減圧下で加熱処理することによって、前記し
た焼結後の空孔率並びに最大空孔径の制御が可能である
ことを見出した。処理温度が１０００℃より低いとガス
が殆ど発生しないため、本発明の目的とする空孔状態の
形成ができない。また同温度が１５００℃より高くなる
と単位時間当たりのガスの発生量が多くなり過ぎて、焼
結後の空孔の最大径が１００μｍを越えるため好ましく
ない。加えて本発明の焼結前加熱処理を行わない場合に
は空孔率及び空孔の最大径が増大し、本発明外の高い空
孔率及び大きな最大空孔径のものとなる。なお熱処理の
時間は、０．５〜１０時間の範囲とするのが好ましい。
短すぎると上記の空孔制御効果が得難く、長すぎてもそ
の効果の上昇は余り期待できない。したがってこの範囲
とするのが望ましい。通常は１〜５時間程度とする。
【００２６】焼結は表面酸化による焼結性の低下が生じ
るため非酸化性雰囲気で行う。その場合の温度は１５５
０〜１８００℃とする。１５５０℃未満の温度では焼結
が不十分で本発明の目的とする組織構造のものが得られ
ない。また１８００℃を越えると組織が粗大化し易くな
るとともに、本発明の目的とする空孔構造のものが得ら
れない。したがっていずれの場合も良好な摺動特性は得
られない。また場合によっては常圧焼結後の空孔率が高
い場合、空孔を潰すために焼結後さらに熱間静水圧処理
（ＨＩＰ）を行うことも考えられる。しかしながら比較
的高い空孔率の常圧焼結体では同焼結時のバラツキで、
ロットによって開気孔品が残る場合もあり、ＨＩＰ処理
による空孔制御は必ずしも適切ではない。但し本発明に
おいても空孔の最大径が２０〜１００μｍの範囲にあっ
て、それらが閉気孔であり、あえて空孔制御する必要が
あれば、ＨＩＰ処理を行っても良い。
るため非酸化性雰囲気で行う。その場合の温度は１５５
０〜１８００℃とする。１５５０℃未満の温度では焼結
が不十分で本発明の目的とする組織構造のものが得られ
ない。また１８００℃を越えると組織が粗大化し易くな
るとともに、本発明の目的とする空孔構造のものが得ら
れない。したがっていずれの場合も良好な摺動特性は得
られない。また場合によっては常圧焼結後の空孔率が高
い場合、空孔を潰すために焼結後さらに熱間静水圧処理
（ＨＩＰ）を行うことも考えられる。しかしながら比較
的高い空孔率の常圧焼結体では同焼結時のバラツキで、
ロットによって開気孔品が残る場合もあり、ＨＩＰ処理
による空孔制御は必ずしも適切ではない。但し本発明に
おいても空孔の最大径が２０〜１００μｍの範囲にあっ
て、それらが閉気孔であり、あえて空孔制御する必要が
あれば、ＨＩＰ処理を行っても良い。
【００２７】以上の基本手順によって本発明摺動材料の
空孔状態の制御は可能となるが、これに加え当初の窒化
珪素粉末並びに焼結助剤粉末からなる混合物に、さらに
平均粒径１０μｍ以下のＦｅまたはＦｅ元素化合物粉末
を、Ｆｅ元素換算で０．０００５〜０．０５重量％添加
することによって、より耐摩擦摩耗性に優れた摺動材料
が得られる。ＦｅまたはＦｅ元素化合物を微量添加する
ことによって、材料中の窒化珪素質結晶粒子すなわち母
相粒子のサイズ分布及び同粒子の形状を制御することが
できる。すなわち材料中の任意の二次元断面内に存在す
る面積が０．１〜１０μｍ2の範囲に入る全母相粒子の
占める総面積が、全母相粒子面積の３０〜９０％であ
り、なおかつアスペクト比２〜１０の母相粒子の個数比
率が２０％以上である組織構造の材料を得ることができ
る。その理由は明らかではないが、ＦｅまたはＦｅ元素
化合物は、焼結過程で窒化珪素結晶粒子の粒界相に生成
した液相中に溶解し液相の組成や粘性を変化させる作用
があるため、その液相への溶解再析出によって起こる母
相粒子の粒成長・再配列に何らかの影響を及ぼしている
ものと思われる。
空孔状態の制御は可能となるが、これに加え当初の窒化
珪素粉末並びに焼結助剤粉末からなる混合物に、さらに
平均粒径１０μｍ以下のＦｅまたはＦｅ元素化合物粉末
を、Ｆｅ元素換算で０．０００５〜０．０５重量％添加
することによって、より耐摩擦摩耗性に優れた摺動材料
が得られる。ＦｅまたはＦｅ元素化合物を微量添加する
ことによって、材料中の窒化珪素質結晶粒子すなわち母
相粒子のサイズ分布及び同粒子の形状を制御することが
できる。すなわち材料中の任意の二次元断面内に存在す
る面積が０．１〜１０μｍ2の範囲に入る全母相粒子の
占める総面積が、全母相粒子面積の３０〜９０％であ
り、なおかつアスペクト比２〜１０の母相粒子の個数比
率が２０％以上である組織構造の材料を得ることができ
る。その理由は明らかではないが、ＦｅまたはＦｅ元素
化合物は、焼結過程で窒化珪素結晶粒子の粒界相に生成
した液相中に溶解し液相の組成や粘性を変化させる作用
があるため、その液相への溶解再析出によって起こる母
相粒子の粒成長・再配列に何らかの影響を及ぼしている
ものと思われる。
【００２８】添加するＦｅまたはＦｅ元素化合物の粉末
の平均粒径が１０μｍより大きいと焼成過程での液相へ
の溶解が難しくなることもありうる。したがってこれら
の結果、耐摩耗性・靭性を低下させ摺動特性にかえって
悪影響を及ぼすこともありうる。したがってその粒径は
小さい程望ましく少なくとも１０μｍ以下とするのが好
ましい。より好ましくは１μｍ以下である。添加量が
０．０００５重量％未満では前記の組織制御の効果が得
にくい。また０．０５重量％を越えると母相結晶粒子の
異常粒成長や粒界相の必要以上の増加を招き易い。した
がってその添加量は上記範囲内とするのが望ましい。さ
らに好ましくは０．００１〜０．０２重量％である。と
ころで市販の原料粉末によっては、同粉末中に不純物と
して上記程度の少量のＦｅ成分粒子を含むものがある。
この粒子は１０μｍ以上、通常数十μｍの大きな粒子と
なっており焼結時に液相に溶解せず残留し摺動特性を劣
化させるので、このような場合には予め磁気フィルター
等によって徐去し、その後細粒のＦｅ成分粉末を添加す
るのが望ましい。
の平均粒径が１０μｍより大きいと焼成過程での液相へ
の溶解が難しくなることもありうる。したがってこれら
の結果、耐摩耗性・靭性を低下させ摺動特性にかえって
悪影響を及ぼすこともありうる。したがってその粒径は
小さい程望ましく少なくとも１０μｍ以下とするのが好
ましい。より好ましくは１μｍ以下である。添加量が
０．０００５重量％未満では前記の組織制御の効果が得
にくい。また０．０５重量％を越えると母相結晶粒子の
異常粒成長や粒界相の必要以上の増加を招き易い。した
がってその添加量は上記範囲内とするのが望ましい。さ
らに好ましくは０．００１〜０．０２重量％である。と
ころで市販の原料粉末によっては、同粉末中に不純物と
して上記程度の少量のＦｅ成分粒子を含むものがある。
この粒子は１０μｍ以上、通常数十μｍの大きな粒子と
なっており焼結時に液相に溶解せず残留し摺動特性を劣
化させるので、このような場合には予め磁気フィルター
等によって徐去し、その後細粒のＦｅ成分粉末を添加す
るのが望ましい。
【００２９】本発明によれば、以上の焼結前熱処理によ
る空孔制御とＦｅ成分添加による組織制御に加え焼結助
剤添加量を一定値以下に抑えることにより、さらに優れ
た摺動特性の材料を得ることができる。すなわち当初の
粉末混合時に予め焼結助剤の合計添加量を１５体積％以
下とする。実際の原料配合では、主成分の窒化珪素及び
個々の添加物の成分毎の秤取重量を各々の理論密度で割
った体積値によって、その添加体積％を見積もって行
う。これによって最終焼結体での粒界相量を１５体積％
以下に抑えることができる。焼結助剤としては、希土類
元素化合物ではＹ2Ｏ3が、Ａｌ元素化合物ではＡｌ2Ｏ3
が、アルカリ土類元素化合物ではＭｇＯが、また遷移金
属元素化合物ではＴｉＯ2、ＺｒＯ2が特に好ましい焼結
助剤として挙げられる。これらは例えばＹ2Ｏ3は必須添
加成分とし、これとＡｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、
ＴｉＯ2、ＺｒＯ2の内の１種以上とを併用する。
る空孔制御とＦｅ成分添加による組織制御に加え焼結助
剤添加量を一定値以下に抑えることにより、さらに優れ
た摺動特性の材料を得ることができる。すなわち当初の
粉末混合時に予め焼結助剤の合計添加量を１５体積％以
下とする。実際の原料配合では、主成分の窒化珪素及び
個々の添加物の成分毎の秤取重量を各々の理論密度で割
った体積値によって、その添加体積％を見積もって行
う。これによって最終焼結体での粒界相量を１５体積％
以下に抑えることができる。焼結助剤としては、希土類
元素化合物ではＹ2Ｏ3が、Ａｌ元素化合物ではＡｌ2Ｏ3
が、アルカリ土類元素化合物ではＭｇＯが、また遷移金
属元素化合物ではＴｉＯ2、ＺｒＯ2が特に好ましい焼結
助剤として挙げられる。これらは例えばＹ2Ｏ3は必須添
加成分とし、これとＡｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、
ＴｉＯ2、ＺｒＯ2の内の１種以上とを併用する。
【００３０】
【実施例】以下実施例により本発明を説明する。市販の
Ｓｉ3Ｎ4粉末（α晶含有率９５％、平均粒径０．５μ
ｍ）９１重量％と平均粒径０．６μｍのＹ2Ｏ3粉末４．
５重量％、平均粒径０．７μｍのＡｌ2Ｏ3粉末４．５重
量％（この場合の焼結助剤の体積比率は、Ｓｉ3Ｎ4、Ｙ
2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3の理論密度をそれぞれ３．４ｇ／ｃ
ｍ3、５．０ｇ／ｃｍ3、４．０ｇ／ｃｍ3とすると、
７．０体積％となる）の混合粉末のみ（すなわち下記表
１のＮｏ．１、２、２９、３４及び３８）または同粉末
に各種平均粒径のＦｅ粉末を表１に示す量で添加混合し
た粉末（すなわち表１のＮｏ．３〜２８及び３０〜３
３）をそれぞれ成形し、その成形体を同表に示すように
窒素減圧下、各種温度・時間で熱処理をした。併せ熱処
理しないもの（すなわち表１のＮｏ．１及び１３）も用
意し、その後窒素常圧下、１７００℃で３時間（すなわ
ち表１のＮｏ．１〜２４）またはその温度を変えて（す
なわちＮｏ．２５〜２８）焼結した。
Ｓｉ3Ｎ4粉末（α晶含有率９５％、平均粒径０．５μ
ｍ）９１重量％と平均粒径０．６μｍのＹ2Ｏ3粉末４．
５重量％、平均粒径０．７μｍのＡｌ2Ｏ3粉末４．５重
量％（この場合の焼結助剤の体積比率は、Ｓｉ3Ｎ4、Ｙ
2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3の理論密度をそれぞれ３．４ｇ／ｃ
ｍ3、５．０ｇ／ｃｍ3、４．０ｇ／ｃｍ3とすると、
７．０体積％となる）の混合粉末のみ（すなわち下記表
１のＮｏ．１、２、２９、３４及び３８）または同粉末
に各種平均粒径のＦｅ粉末を表１に示す量で添加混合し
た粉末（すなわち表１のＮｏ．３〜２８及び３０〜３
３）をそれぞれ成形し、その成形体を同表に示すように
窒素減圧下、各種温度・時間で熱処理をした。併せ熱処
理しないもの（すなわち表１のＮｏ．１及び１３）も用
意し、その後窒素常圧下、１７００℃で３時間（すなわ
ち表１のＮｏ．１〜２４）またはその温度を変えて（す
なわちＮｏ．２５〜２８）焼結した。
【００３１】また別途表１のＮｏ．３４〜４０のよう
に、同じＳｉ3Ｎ4粉末に上記以外の成分でその平均粒径
が０．５μｍの各種焼結助剤粉末を加えた混合粉末及び
同表のＮｏ．３０〜３３のように、上記と同じＳｉ
3Ｎ4、Ｙ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3粉末を用い、その配合量を変化
させた混合粉末を同表記載の各種熱処理・焼結条件で作
製した。なお比較のため、市販の緻密な窒化珪素質焼結
体（Ｎｏ．４１）、相対密度９９％以上の前記従来材相
当の高強度焼結体（Ｎｏ．４３、常圧焼結後ＨＩＰ処理
品）及び相対密度８９％でＮｏ．４３のＨＩＰ処理前常
圧焼結体（Ｎｏ．４２）も準備した。
に、同じＳｉ3Ｎ4粉末に上記以外の成分でその平均粒径
が０．５μｍの各種焼結助剤粉末を加えた混合粉末及び
同表のＮｏ．３０〜３３のように、上記と同じＳｉ
3Ｎ4、Ｙ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3粉末を用い、その配合量を変化
させた混合粉末を同表記載の各種熱処理・焼結条件で作
製した。なお比較のため、市販の緻密な窒化珪素質焼結
体（Ｎｏ．４１）、相対密度９９％以上の前記従来材相
当の高強度焼結体（Ｎｏ．４３、常圧焼結後ＨＩＰ処理
品）及び相対密度８９％でＮｏ．４３のＨＩＰ処理前常
圧焼結体（Ｎｏ．４２）も準備した。
【００３２】
【表１】
【００３３】これらの焼結体を切断し、その切断面を鏡
面状態に研磨し、その鏡面をエッチング処理した。エッ
チング処理は反応性イオンエッチング装置（略称ＲＩ
Ｅ）を用い、条件はプロセスガスとして９５％四フッ化
メタンＣＦ4、５％酸素Ｏ2の混合ガスを使用、ＲＦパワ
ー１００Ｗ、処理時間１分で行った。このようにして母
相粒子と粒界相との間に凹凸差を形成した。この面を走
査電子顕微鏡を用いて１万倍の倍率で写真撮影し、その
写真を汎用画像処理装置（東洋紡製イメージアナライザ
ーでＴＯＫＳ法による自動二値化技術を採用）を用いて
画像処理した。そして母相粒子について得られた各々１
個ずつの面積、長軸径／短軸径の比（アスペクト比）の
データ及び粒界相の総面積を集計、統計処理した。表２
にそれぞれの条件で作製した焼結体の（ａ）空孔率、
（ｂ）最大径、（ｃ）粒子面積０．１〜１０μｍ2の範
囲の母相粒子の面積和の全母相粒子面積に対する割合、
（ｄ）アスペクト比（略称ＡＲ）２〜１０の母相粒子の
全母相粒子に占める個数比率及び（ｅ）粒界相の体積割
合を示した。また同表には、各試料と同一条件で作製し
加工した試験片によるＪＩＳＲ１６０１に準拠した
（ｆ）四点曲げ強度値と（ｇ）シャルピー衝撃値も示
す。
面状態に研磨し、その鏡面をエッチング処理した。エッ
チング処理は反応性イオンエッチング装置（略称ＲＩ
Ｅ）を用い、条件はプロセスガスとして９５％四フッ化
メタンＣＦ4、５％酸素Ｏ2の混合ガスを使用、ＲＦパワ
ー１００Ｗ、処理時間１分で行った。このようにして母
相粒子と粒界相との間に凹凸差を形成した。この面を走
査電子顕微鏡を用いて１万倍の倍率で写真撮影し、その
写真を汎用画像処理装置（東洋紡製イメージアナライザ
ーでＴＯＫＳ法による自動二値化技術を採用）を用いて
画像処理した。そして母相粒子について得られた各々１
個ずつの面積、長軸径／短軸径の比（アスペクト比）の
データ及び粒界相の総面積を集計、統計処理した。表２
にそれぞれの条件で作製した焼結体の（ａ）空孔率、
（ｂ）最大径、（ｃ）粒子面積０．１〜１０μｍ2の範
囲の母相粒子の面積和の全母相粒子面積に対する割合、
（ｄ）アスペクト比（略称ＡＲ）２〜１０の母相粒子の
全母相粒子に占める個数比率及び（ｅ）粒界相の体積割
合を示した。また同表には、各試料と同一条件で作製し
加工した試験片によるＪＩＳＲ１６０１に準拠した
（ｆ）四点曲げ強度値と（ｇ）シャルピー衝撃値も示
す。
【００３４】さらに、得られた焼結体の摩擦・摩耗特性
を評価するためＪＩＳ Ｒ１６１３の規定に順じて、セ
ラミックス同士のボールオンディスク法による摩耗試験
を行い、その際の各試料の室温での摩擦係数、ボールの
摩耗量及びチッピングの有無を比較した結果についても
表２に示す。
を評価するためＪＩＳ Ｒ１６１３の規定に順じて、セ
ラミックス同士のボールオンディスク法による摩耗試験
を行い、その際の各試料の室温での摩擦係数、ボールの
摩耗量及びチッピングの有無を比較した結果についても
表２に示す。
【００３５】
【表２】
【００３６】なおＮｏ．４１及び４３については、本実
施例の摩擦摩耗試験条件下ではチッピングは発生しなか
ったが、同試料は本発明品に比べるとシャルピー衝撃値
が低く耐衝撃性に劣るため、叩き摩耗現象を伴った高速
摺動条件下においては、よりチッピングが発生しやすく
なるものと考えられる。以上の結果より、独自の空孔並
びに粒子・粒界構造を有する本発明の窒化珪素系セラミ
ックス摺動材料は、従来材に比べ摩擦係数が低く比摩耗
量が少なくかつ摺動時の耐衝撃性も高く、優れた耐摩擦
摩耗性を示すことが分かる。
施例の摩擦摩耗試験条件下ではチッピングは発生しなか
ったが、同試料は本発明品に比べるとシャルピー衝撃値
が低く耐衝撃性に劣るため、叩き摩耗現象を伴った高速
摺動条件下においては、よりチッピングが発生しやすく
なるものと考えられる。以上の結果より、独自の空孔並
びに粒子・粒界構造を有する本発明の窒化珪素系セラミ
ックス摺動材料は、従来材に比べ摩擦係数が低く比摩耗
量が少なくかつ摺動時の耐衝撃性も高く、優れた耐摩擦
摩耗性を示すことが分かる。
【００３７】
【発明の効果】本発明により耐摩擦摩耗性に優れた窒化
珪素系セラミックス摺動材料を提供することができる。
珪素系セラミックス摺動材料を提供することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小村 修 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 山口 章 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内
Claims (8)
- 【請求項１】 窒化珪素質結晶粒子と粒界相からなる窒
化珪素系セラミックス摺動材料であって、その空孔率が
２〜１０％、かつ空孔の最大径が２０〜１００μｍであ
ることを特徴とする窒化珪素系セラミックス摺動材料。 - 【請求項２】 任意の二次元断面内に存在する全ての窒
化珪素質結晶粒子の面積をカウントした場合、面積０．
１〜１０μｍ2の窒化珪素質結晶粒子の占める総面積が
窒化珪素質結晶粒子総面積の３０〜９０％であり、アス
ペクト比２〜１０の窒化珪素質結晶粒子の全窒化珪素質
結晶粒子に占める個数比率が、２０％以上であることを
特徴とする請求項１に記載の窒化珪素系セラミックス摺
動材料。 - 【請求項３】 粒界相が１５体積％以下（０は含まず）
であることを特徴とする請求項２に記載の窒化珪素系セ
ラミックス摺動材料。 - 【請求項４】 粒界相がＹとＡｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒの
少なくとも１種からなる元素を含むことを特徴とする請
求項３に記載の窒化珪素系セラミックス摺動材料。 - 【請求項５】 窒化珪素粉末と焼結助剤粉末とを混合し
混合物とし、該混合物を成形して成形体とした後、該成
形体を窒素を含む減圧下１０００〜１５００℃で加熱処
理し、その後１５５０〜１８００℃の温度範囲、非酸化
性雰囲気中常圧下または非酸化性雰囲気ガス加圧下で焼
結することを特徴とする窒化珪素系セラミックス摺動材
料の製造方法。 - 【請求項６】 前記混合物は、窒化珪素粉末と焼結助剤
に加えさらに平均粒径１０μｍ以下のＦｅまたはＦｅ元
素化合物粉末をＦｅ元素換算で０．０００５〜０．０５
重量％添加することを特徴とする請求項５に記載の窒化
珪素系セラミックス摺動材料の製造方法。 - 【請求項７】 前記混合物中の焼結助剤粉末の量を１５
体積％以下とすることを特徴とする請求項５に記載の窒
化珪素系セラミックス摺動材料の製造方法。 - 【請求項８】 焼結助剤粉末としてＹ2Ｏ3粉末とともに
Ａｌ2Ｏ3・ＭｇＯ・ＭｇＡｌ2Ｏ4・ＴｉＯ2・ＺｒＯ2の
少なくとも１種を混合することを特徴とする請求項７に
記載の窒化珪素系セラミックス摺動材料の製造方法。
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-
1997
- 1997-04-22 US US08/847,746 patent/US5922629A/en not_active Expired - Lifetime
- 1997-04-24 DE DE69703999T patent/DE69703999T2/de not_active Expired - Lifetime
- 1997-04-24 EP EP97106825A patent/EP0803486B1/en not_active Expired - Lifetime
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