JPH1025154A - Ceramic excellent in sliding characteristic and its production - Google Patents

Ceramic excellent in sliding characteristic and its production

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JPH1025154A
JPH1025154A JP8198561A JP19856196A JPH1025154A JP H1025154 A JPH1025154 A JP H1025154A JP 8198561 A JP8198561 A JP 8198561A JP 19856196 A JP19856196 A JP 19856196A JP H1025154 A JPH1025154 A JP H1025154A
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JP
Japan
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ceramic
roughness
short
stress
period
Prior art date
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Application number
JP8198561A
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Japanese (ja)
Inventor
Shigeo Inoue
茂夫 井上
Satoshi Kurihara
諭史 栗原
Akira Nonaka
明 野中
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Riken Corp
Original Assignee
Riken Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the sliding characteristics of the surface structure of a ceramic by forming long-periodic unevennesses so as to retain a lubricating oil and short-periodically reducing the surface roughness. SOLUTION: This ceramic has a surface structure thereof in which long- periodic unevenesses so as to hold a lubrication oil are formed on the surface and the surface roughness is short-periodically small. Si3 N4 , SiC, Al2 O3 or ZrO2 or a composite ceramic prepared by dispersing other ceramics in the ceramic as a substrate, e.g. an Al2 O3 /ZrO2 -based, an A2 O3 /TiC-based or an Al2 O3 /SiC whisker/ZrO2 -based ceramic is used as the ceramic. The surface roughness of the long-periodic surface part is 0.1-1.0μm and the average roughness indicating the roughness of the short-periodic surface part is 0.01-0.1μm. Furthermore, the average roughness for 10 points of the roughness in the short-periodic surface part is 0.2-0.6μm and the maximum roughness is 0.3-1.5μm. The surface structure can be changed with the surface roughness of a grindstone in a barrel grinding method used herein. For example, a coarse grindstone having about No. 400 grain size is initially used and then a grindstone composed of abrasive grains is then used. A grindstone composed of fine grains is finally used.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は耐摩耗・耐焼付性等
の摺動特性に優れたセラミック及びその製造方法に関す
るものである。本発明により提供されるセラミックは摺
動特性が優れていることが必要なセラミックエンジン部
品や、耐摩耗性が優れていることが要求される工具等が
その利用分野である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ceramic having excellent sliding characteristics such as wear resistance and seizure resistance, and a method for producing the same. The ceramics provided by the present invention are used in ceramic engine parts which are required to have excellent sliding properties, tools which are required to have excellent wear resistance, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】セラミックの高硬度性から来る耐摩耗
性、及び金属との反応性の低さよりもたらされる耐焼付
性等からセラミックは金属を相手材とした非常に良い摺
動特性を示す可能性があることは従来より指摘されて来
た。しかし、セラミックが脆性材料であるということか
ら来る破壊靭性の低さ、つまり割れやすさのため、いま
だにその適用領域は限定されているというのが現状であ
る。
2. Description of the Related Art Ceramics may exhibit very good sliding characteristics against metals due to wear resistance due to high hardness of ceramics and seizure resistance due to low reactivity with metals. Has been pointed out in the past. However, at present, the application area is still limited because of the low fracture toughness, that is, the fragility that ceramics are a brittle material.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】よって、本発明は、セ
ラミックが摺動部材や工具等として使用された場合、破
壊しないような表面構造及びその表面構造の調整方法を
提供することを目的とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a surface structure which does not break down when ceramic is used as a sliding member or a tool, and a method of adjusting the surface structure. Things.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
セラミックは、その表面構造が、潤滑油が保持されるよ
う長周期的な凹凸が表面に形成されており、かつ短周期
的には表面粗さが小さいことを特徴とする摺動特性に優
れたセラミックであり、また、本発明に係る摺動材用セ
ラミックを製造する方法において、まず、潤滑油が保持
されるよう長周期的な凹凸が表面に形成し、その後前記
凹凸を実質的に維持しつつ、短周期での粗さを減少する
ことを特徴とする摺動特性に優れた表面構造を有するセ
ラミックの製造方法である。
Means for Solving the Problems A ceramic which achieves the above-mentioned object has a surface structure in which long-period irregularities are formed on the surface so as to hold a lubricating oil, and the surface structure is short-periodally. It is a ceramic having excellent sliding characteristics characterized by a small roughness, and in the method for manufacturing a ceramic for a sliding material according to the present invention, first, long-period irregularities are formed so that lubricating oil is retained. Is a method for producing a ceramic having a surface structure excellent in sliding characteristics, characterized in that roughness is formed in a short period while substantially maintaining the irregularities on a surface.

【0005】以下、上記した表面構造を考案するに至る
過程で発明者が行った解析と考察を説明する。まず、摺
動部材としてセラミックを用いる時相手材である金属部
品がセラミック表面に押しつけられた状態で往復運動を
するが、この時、セラミックの破壊の起点となるセラミ
ック表面近傍でどのような応力が発生するかを計算し
た。
Hereinafter, analysis and consideration performed by the inventor in the process of devising the above-described surface structure will be described. First, when using ceramic as a sliding member, a metal component as a mating material reciprocates in a state pressed against the ceramic surface. At this time, what kind of stress is generated near the ceramic surface which is a starting point of ceramic breakage Calculated what would happen.

【0006】この計算モデルとして図1に示す圧縮荷重
モデル及び図2に示すせん断荷重モデルを使用する。 図1において、q :単位面積当りの押付荷重 a :セラミックと金属の当り幅 O :当り面左端 O1 :当り面右端 θ :ONとOMで作る角度 θ1 :ONとO1 Nで作る角度 r :OとMの距離 r1 :O1 とNの距離 α :OMとMNで作る角度 M :解析しようとする点 N :Oからの垂直線とO1 Mとの交点 である。また、図2においてSはせん断荷重である。
As the calculation model, a compression load model shown in FIG. 1 and a shear load model shown in FIG. 2 are used. In Figure 1, q: pressing load a per unit area: per width of the ceramic and metallic O: contact surface leftmost O 1: contact surface rightmost theta: angle theta 1 made of ON and OM: angle formed by the ON and O 1 N r: distance between O and M r 1 : distance between O 1 and N α: angle formed by OM and MN M: point to be analyzed N: intersection of a vertical line from O and O 1 M In FIG. 2, S is a shear load.

【0007】計算モデルとしては圧縮荷重モデルとせん
断モデルを採用し、これらの解析結果を総合して圧縮と
せん断の両方の荷重がセラミックに加わる実際の摺動条
件下における破壊を考察する。図1、2において相手材
はセラミック材に対して紙面と垂直方向で接触してい
る。したがって相手材との接触部分は紙面に垂直な帯状
であるとする。よって、帯の長手方向をZ軸にとると2
次元平面応力問題としてモデルを設定できる。このモデ
ル中の座標軸は図1、図2に示すとおりである。
As a calculation model, a compression load model and a shear model are adopted, and by analyzing these analysis results, fracture under actual sliding conditions in which both compression and shear loads are applied to the ceramic is considered. 1 and 2, the mating material is in contact with the ceramic material in a direction perpendicular to the paper surface. Therefore, it is assumed that the contact portion with the counterpart material is a belt shape perpendicular to the paper surface. Therefore, if the longitudinal direction of the band is taken along the Z axis, 2
The model can be set as a two-dimensional plane stress problem. The coordinate axes in this model are as shown in FIGS.

【0008】図1のモデルの圧縮荷重に対する解は『TH
EORY OF ELASTICITY,S.P.TIMOSHENKO, J.N.GOODIER 』
(出版社McGraw Hill, 1970 )ページ104〜108に
示されている。応力関数φは次式で与えられる。 φ=q/2π・(r2 θ−r1 2θ1 ) ・・・・・・・・ 但し、r1 2=r2 +a2 −2r acos (π/2+θ) θ1 =θ+α(α<90°) 応力解としては、この応力関数を用いて σ r=1/r・∂φ/∂r+1/r2 ・∂φ/∂θ2 =−q/π・(α+2 acos θ/r) ・・・・・・・・
The solution for the compressive load of the model of FIG.
EORY OF ELASTICITY, SPTIMOSHENKO, JNGOODIER
(Publisher McGraw Hill, 1970) at pages 104-108. The stress function φ is given by the following equation. φ = q / 2π · (r 2 θ-r 1 2 θ 1) ········ However, r 1 2 = r 2 + a 2 -2r acos (π / 2 + θ) θ 1 = θ + α (α < 90 °) As the stress solution, using this stress function, σ r = 1 / r∂φ / ∂r + 1 / r 2 ∂φ / ∂θ 2 = -q / π ・ (α + 2 acos θ / r)・ ・ ・ ・ ・ ・ ・

【0009】[0009]

【数1】 (Equation 1)

【0010】[0010]

【数2】 (Equation 2)

【0011】ただし、σ r,応力解によるσ,応力解
によるσはそれぞれ図1におけるr方向、θ方向、r
θ方向の応力である。
Here, σ r , σ due to stress solution, and σ due to stress solution are r direction, θ direction, r direction in FIG.
This is the stress in the θ direction.

【0012】今、Oから左側の部分を考えるとθ=0〜
π/2、α=0〜π/2である。この値を応力解、
に代入すると、
Now, considering the portion on the left side of O, θ = 0 to
π / 2, α = 0 to π / 2. This value is the stress solution,
Substituting into

【0013】[0013]

【数3】 (Equation 3)

【0014】つまり、σr 、応力解の応力は全て圧縮
であり、この応力でセラミックチップが破壊することは
実際上ない(破壊は引張応力下で最も生じやすい)。破
壊の可能性は応力解によるせん断応力がセラミックの
せん断強度を越えた場合である。セラミックチップの表
面すなわちr→0において応力解は発散し∞になって
しまう。しかし、これは数学上の矛盾であり、実際はあ
る有限の値でマイクロクラック、塑性変形等を誘発して
飽和する。そこでこの有限値を究明するために、q=8
0kg/mm2 ,a=0.5mmとし、rを変化させて
応力解によるσの変化を見ることにする。
That is, the stress of σ r and the stress solution are all compression, and the ceramic chip is practically not broken by this stress (breakage is most likely to occur under tensile stress). The possibility of failure is when the shear stress due to the stress solution exceeds the shear strength of the ceramic. On the surface of the ceramic chip, that is, r → 0, the stress solution diverges and becomes ∞. However, this is a mathematical contradiction, and actually saturates at a certain finite value by inducing microcracks, plastic deformation, and the like. Therefore, in order to find this finite value, q = 8
It is assumed that 0 kg / mm 2 and a = 0.5 mm, and r is changed to see the change in σ due to the stress solution.

【0015】r=0.5mmにおける応力解によるσ
Σ by stress solution at r = 0.5 mm
Is

【0016】[0016]

【数4】 (Equation 4)

【0017】r=0.4mmにおける応力解によるσ
Σ by stress solution at r = 0.4 mm
Is

【0018】[0018]

【数5】 (Equation 5)

【0019】r=0.3mmにおける応力解によるσ
Σ by stress solution at r = 0.3 mm
Is

【0020】[0020]

【数6】 (Equation 6)

【0021】r=0.2mmにおける応力解によるσ
Σ by stress solution at r = 0.2 mm
Is

【0022】[0022]

【数6】(Equation 6)

【0023】r=0.1mmにおける応力解によるσ
Σ by stress solution at r = 0.1 mm
Is

【0024】[0024]

【数7】 (Equation 7)

【0025】r=0.01mmにおける応力解による
σは
Σ from the stress solution at r = 0.01 mm is

【0026】[0026]

【数8】 (Equation 8)

【0027】となる。上の計算においてr=0.1〜
0.01mmにおける応力解によるσは通常のセラミ
ックのせん断強度を越えているから、セラミックチップ
の表面に非常に近い部分でのみせん断応力による破壊や
摩耗が起こる可能性がある。
## EQU1 ## In the above calculation, r = 0.1 to
Since σ due to the stress solution at 0.01 mm exceeds the shear strength of ordinary ceramics, there is a possibility that breakage or wear due to shear stress may occur only in a portion very close to the surface of the ceramic chip.

【0028】次に、図2のモデルのせん断荷重に対する
解も前掲THEORY OF ELASTICITYのページ147に応力関
数として与えられている。具体的には、 φ=S/π・〔1/2・y2log( x2 +y2 )+xy arctan (y/x) −y2 〕 ・・・・・・・・ であり、これより σx =S/π・〔log( x2 +y2 )+( 2x2 +3y2 )/(x2 +y2 )−2〕 ・・・・・・・・ σy =−y2 /(x2 +y2 ) ・・・・・・・・ σxy=(2−x2 −y2 )/(x2 +y22 + tan-1(x/y) ・・・・・・・・ が応力解である。
Next, the solution to the shear load of the model in FIG. 2 is also given as a stress function on page 147 of THEORY OF ELASTICITY. Specifically, φ = S / π · [1 / · y 2 log (x 2 + y 2 ) + xy arctan (y / x) −y 2 ] ·········· x = S / π · [log (x 2 + y 2) + (2x 2 + 3y 2) / (x 2 + y 2) -2 ] ········ σ y = -y 2 / ( x 2 + y 2 ) ······ σ xy = (2-x 2 −y 2 ) / (x 2 + y 2 ) 2 + tan -1 (x / y) It is.

【0029】図2の0の位置での応力はx=0,y→0
で与えられるので
The stress at position 0 in FIG. 2 is x = 0, y → 0
Given by

【0030】[0030]

【数10】 (Equation 10)

【0031】σy =1 σxy=π/2 となり、破壊を引き起こす引張応力がこの点で無限大と
なり、この点で非常に破壊が生じやすい事が分かる。し
かし、σx のy方向にはlog yの関数であり、表面から
下方に少し行けばσx は急激に減少する為、この引張応
力も表面に極近い部分でのみ問題となる。
Σ y = 1 σ xy = π / 2, and it can be seen that the tensile stress that causes breakage is infinite at this point, and that breakage is very likely to occur at this point. However, since σ x is a function of log y in the y direction, σ x sharply decreases when going slightly downward from the surface, and therefore this tensile stress is also a problem only in a portion very close to the surface.

【0032】以上の応力解から、金属部品とセラミック
が摺動する時セラミック摺動面の表面部分のみに非常に
大きい引張・せん断応力が発生すると言える。
From the above stress solutions, it can be said that when the metal component slides on the ceramic, a very large tensile / shear stress is generated only on the surface of the ceramic sliding surface.

【0033】上述のように、セラミック表面には非常に
大きい引張及びせん断応力が発生する。セラミックを摺
動部材とするためには適切な潤滑油種を使用することに
より焼付きや摩耗等のトライポロジー的問題を起こさな
いようにすることは従来から提案されていたが、潤滑と
セラミックの表面構造を関連させて行った研究は知られ
ていない。
As mentioned above, very high tensile and shear stresses occur on the ceramic surface. In order to prevent ceramics from becoming tribological problems such as seizure and wear by using an appropriate lubricating oil type in order to make ceramic a sliding member, lubrication and the surface of ceramics have been proposed. There are no known studies that have related structures.

【0034】本発明者が究明した、トライポロジー性を
改善する為のセラミック表面構造は次の条件を具備する
ものである。 表面構造1:潤滑油が保持されるよう長周期的な凹凸が
表面に形成されること。 表面構造2:摺動時の直接接触において摩耗が生じない
ように、短周期的には表面粗さが小さいこと。
The ceramic surface structure for improving the tribology, which the present inventors have found, satisfies the following conditions. Surface structure 1: Long-period unevenness is formed on the surface so that lubricating oil is held. Surface structure 2: The surface roughness should be small in a short period so that abrasion does not occur in direct contact during sliding.

【0035】以下、表面構造1、2については詳しく説
明する。潤滑油が金属部品とセラミック表面の間に存在
することにより摺動面に発生する応力は大幅に軽減され
るが、問題は、この潤滑油を如何に保持するかである
が、セラミック表面が短周期的な凹凸のみを有している
と、金属とセラミックの摺動面で潤滑が切れた時(ある
確率で必ず潤滑切れは生ずると考えられる)非常に大き
い摩耗が生ずると考えられる。そこで、短周期的には表
面の凹凸を小さくしておき、潤滑油保持は長周期的な凹
凸で行うことが上記表面構造1、2の意味である。
Hereinafter, the surface structures 1 and 2 will be described in detail. The presence of the lubricating oil between the metal parts and the ceramic surface greatly reduces the stress generated on the sliding surface, but the problem is how to keep this lubricating oil. It is considered that when only the periodic irregularities are present, when the lubrication is cut off on the sliding surface between the metal and the ceramic (it is considered that the lubrication is cut off at a certain probability), a very large amount of wear occurs. Therefore, it is the meaning of the surface structures 1 and 2 that the irregularities on the surface are reduced in a short period and the lubricating oil is retained by the irregularities in a long period.

【0036】ここで長周期とは表面凹凸の周期であっ
て、相手材からセラミックにかかる応力が実質的に減少
する量の潤滑油を保持することができる幅(摺動方向に
測定)をもって凹凸が繰り返し形成されている状態を指
す。すなわち、非常に微視的な凹凸の凹部内には極少量
の潤滑油が分子もしくは原子間の吸引力で保持されてい
るが、このような極少量の潤滑油は応力軽減には寄与し
ないので、本発明では微視的な凹凸は除外するように長
周期を定めている。
Here, the long period is a period of the surface irregularities, and is a period having a width (measured in the sliding direction) capable of holding an amount of lubricating oil that substantially reduces the stress applied to the ceramic from the mating material. Indicates a state in which is repeatedly formed. That is, a very small amount of lubricating oil is held in the concave portion of the very microscopic unevenness by the attraction between molecules or atoms, but since such a small amount of lubricating oil does not contribute to stress reduction, In the present invention, a long period is determined so as to exclude microscopic irregularities.

【0037】短周期とは、長周期より短い摺動面の長さ
であって、セラミックと相手材が接触した場合には、図
1及び2を参照して解析したセラミックの破壊及び摩耗
が起こり得る摺動面長さである。すなわち、本発明に係
る摺動用セラミックの表面では長周期凹凸により必ず潤
滑油が保持されているが、より短い長さではある確率に
より油切れ状態(すなわち原子もしくは分子レベルでは
潤滑油が存在していても潤滑に寄与しない状態)なり、
そこではセラミックと相手材が接触することを前提とし
ており、かかる接触長さを短周期と言う。
The short cycle is the length of the sliding surface shorter than the long cycle. When the ceramic and the mating material come into contact with each other, breakage and wear of the ceramic analyzed with reference to FIGS. This is the length of the sliding surface to be obtained. That is, the lubricating oil is always held on the surface of the sliding ceramic according to the present invention by long-period irregularities, but with a shorter length, the lubricating oil runs out with a certain probability (that is, the lubricating oil exists at the atomic or molecular level). Even if it does not contribute to lubrication)
Here, it is assumed that the ceramic and the mating material are in contact with each other, and such a contact length is called a short cycle.

【0038】短周期的に粗さが小さい第2の表面構造に
はもう一つの意味もある。それは、図2で生じるせん断
荷重Sが S=μq ・・・・・・・・ つまり、圧縮荷重(q)と摩擦係数(μ)の積で表され
ることに関係がある。短周期的な凹凸が大きいと摩擦係
数μが大きくなり、結果として、Sが大きくなる為、図
2の0点での引張応力が大きくなりミクロ的な破壊が生
じやすくなると考えられるからである。
The second surface structure having a small roughness in a short period has another meaning. This is related to the fact that the shear load S generated in FIG. 2 is represented by the product of the compressive load (q) and the coefficient of friction (μ). This is because if the short-period irregularities are large, the friction coefficient μ becomes large, and as a result, S becomes large, so that the tensile stress at the point 0 in FIG.

【0039】上述の説明のとおり、長周期においては平
坦であるが短周期においては粗い表面構造は好ましくな
いので、本発明は長周期においては粗く短周期において
は粗さが小さいことが必要である。後者の場合長周期に
おいて粗い表面は短周期粗さが通常小さくなるが、本発
明において特に規定する短周期粗さが小さいことは相手
材より粗さが小さく前段落で説明したミクロ的破壊が起
こり難いことを指している。
As described above, since the surface is flat in the long period, but a rough surface structure is not preferable in the short period, the present invention requires that the roughness be large in the long period and small in the short period. . In the latter case, a rough surface in a long cycle usually has a short cycle roughness that is small.However, the short cycle roughness specified in the present invention is smaller than that of a counterpart material, and the microscopic fracture described in the preceding paragraph occurs. It points to difficult things.

【0040】一方、長周期的な凹凸であると摺動の際の
接触点が減少するので、μは大きくなり得ず、結果とし
て、Sも小さくなる。このような観点からも潤滑油保持
という観点からは長周期的な凹凸の方が短周期的凹凸よ
りも望ましいと言える。
On the other hand, if the irregularities have a long period, the number of contact points in sliding decreases, so that μ cannot be increased, and as a result, S also decreases. From such a viewpoint, it can be said that long-period irregularities are more preferable than short-period irregularities from the viewpoint of holding the lubricating oil.

【0041】本発明に係る表面構造の方法は、長周期的
には凹凸があり短周期的には凹凸が少ない表面がを調製
する方法に関し、これは、ある特殊なバレル処理をセラ
ミックに施すことにより可能である。
The method of the surface structure according to the present invention relates to a method of preparing a surface having irregularities in a long period and having a small amount of irregularities in a short period, which comprises subjecting a ceramic to a special barrel treatment. Is possible.

【0042】本発明において、セラミックとは、Si3
4 、SiC、Al23 、ZrO2 、及びこれらを基
地としその中に他のセラミックを分散させた複合セラミ
ックス、代表的な例で示すとAl23 /ZrO2 系、
Al23 /TiC系、Al23 /SiCウイスカー
/ZrO2 系等である。
In the present invention, ceramic refers to Si 3
N 4 , SiC, Al 2 O 3 , ZrO 2 , and composite ceramics based on these and having other ceramics dispersed therein, as a typical example, an Al 2 O 3 / ZrO 2 system,
Al 2 O 3 / TiC type, Al 2 O 3 / SiC whisker / ZrO 2 type, etc.

【0043】また、長周期表面部の平均粗さ(Ra)は
粗さ計で測定して0.1〜1.0μmとすることができ
る。同じく、短周期表面部の粗さを示す平均粗さ(R
a)は粗さ計で測定して0.01〜0.1μmとするこ
とができる。その他、短周期表面部粗さの中で10点平
均粗さを表すRzは0.2〜0.6μm、最大粗さを表
すRmax は0.3〜1.5μmとすることができる。
The average roughness (Ra) of the long-period surface portion can be 0.1 to 1.0 μm as measured by a roughness meter. Similarly, the average roughness (R
a) can be 0.01 to 0.1 μm as measured by a roughness meter. Other, Rz representing the ten point average roughness in the short period surface portion roughness R max representing 0.2 to 0.6 [mu] m, a maximum roughness can be 0.3 to 1.5 .mu.m.

【0044】次に、本発明法の実施に使用するバレル処
理について説明する。バレル処理とは研磨石により表面
研磨を行う処理であるが、研磨石の粗さにより表面構造
を種々に変えることができる。本発明で提案された長周
期的には凹凸があり短周期的には凹凸のない表面構造は
次のようなプロセスにより実現可能である。 (1)セラミック焼成体を研削することにより平面を出
す。但し、この場合400番程度の粒度をもつ粗い砥石
を用いてよい(図3(a)参照)。 (2)砥粒で構成される研磨石を用いて、砥石研削ずみ
のセラミックをバレル荒研磨を行うことにより長周期的
な凹凸を表面にもたせる(図3(b)参照)。 (3)細粒で構成される研磨石を用いてバレル中、仕上
研磨を行うことにより短周期的な凹凸を小さくする(図
3(c)参照)。
Next, a description will be given of the barrel treatment used for carrying out the method of the present invention. The barrel treatment is a treatment in which the surface is polished with a polishing stone, and the surface structure can be variously changed depending on the roughness of the polishing stone. The surface structure proposed in the present invention having irregularities in a long period and having no irregularities in a short period can be realized by the following process. (1) A plane is formed by grinding a ceramic fired body. However, in this case, a coarse grindstone having a grain size of about 400 may be used (see FIG. 3A). (2) Using a grinding stone composed of abrasive grains, rough-polishing is performed on the ceramic that has been ground with a grinding stone to provide long-period irregularities on the surface (see FIG. 3B). (3) Short-period irregularities are reduced by performing finish polishing in the barrel using a polishing stone composed of fine grains (see FIG. 3C).

【0045】[0045]

【作用】本発明が提供するセラミック表面構造が達成さ
せらると次のような特長をもつことになる。まず図3
(c)で示した凹部に潤滑油がたまることになるので金
属部品とセラミック材の間に摺動中潤滑油が存在するこ
とになる。この潤滑作用により薄い膜が形成されるので
直接接触と比べて応力は十分に軽減され、セラミックの
ミクロ的な破壊の確率は激減する。また長周期的な凹凸
であることから金属部品との接触点が少なくなることに
より金属/セラミック間の摩擦係数は小さくなる。また
短周期的な凹凸がなくなっているので接触している部分
の単位面積当りの摩擦係数も小さくなる。
The ceramic surface structure provided by the present invention has the following advantages. First, FIG.
Since the lubricating oil accumulates in the concave portion shown in (c), the lubricating oil exists during sliding between the metal component and the ceramic material. Since a thin film is formed by this lubricating action, the stress is sufficiently reduced as compared with the direct contact, and the probability of microscopic fracture of the ceramic is drastically reduced. In addition, since the unevenness is long-period, the number of contact points with the metal component is reduced, so that the friction coefficient between the metal and the ceramic is reduced. In addition, since the short-period unevenness is eliminated, the friction coefficient per unit area of the contacting portion is reduced.

【0046】本発明に係るセラミックの耐摩耗性が非常
に優れている理由は次のように考えられる。すなわち、
セラミックの摩耗はミクロ的な破壊(結晶粒界等)の集
合により引き起こされるので、本発明で提案された表面
構造であるとまず潤滑油の存在により金属表面とセラミ
ック表面の直接接触が生じないので金属側から付加され
る接触荷重はこの潤滑層の厚さ分だけ離れたセラミック
表面においては、直接接触時の応力に比べて大幅に減衰
された応力しか発生させ得ないからである。また長周期
的な凹凸があり、かつ短周期的な凹凸が少ない本発明に
係る表面構造は金属/セラミックの接触面積数を平滑な
面に比較して減らすことと、接触した部分の摩擦係数が
小さいという2つの効果を同時にもつため、式におい
て示した摩擦係数μを大幅に下げると考えられる。この
ことは破壊の根本的な荷重であるS(せん断荷重)を非
常に小さくするため、図2の0点である一定以上のSで
はミクロ破壊が生じていたものを本発明の表面構造にす
ることにより破壊が生じる応力以下に抑え込むことが可
能となり破壊の生じないものにすることが可能となる。
The reason why the ceramic according to the present invention has such excellent wear resistance is considered as follows. That is,
Since the wear of the ceramic is caused by the aggregation of microscopic fractures (such as grain boundaries), the surface structure proposed in the present invention does not cause direct contact between the metal surface and the ceramic surface due to the presence of the lubricating oil. This is because the contact load applied from the metal side can generate only a stress greatly attenuated compared to the stress at the time of direct contact on the ceramic surface separated by the thickness of the lubricating layer. In addition, the surface structure according to the present invention, which has long-period irregularities and few short-period irregularities, reduces the number of metal / ceramic contact areas as compared with a smooth surface, and reduces the friction coefficient of the contacted portions. It is considered that the frictional coefficient μ shown in the equation is significantly reduced because the two effects of being small are simultaneously obtained. This means that the S (shear load), which is the fundamental load of fracture, is extremely small, so that micro-fracture has occurred at S, which is a certain point or more, which is the zero point in FIG. As a result, it is possible to suppress the stress below the stress at which destruction occurs, and it is possible to prevent the destruction from occurring.

【0047】本発明に係るセラミックの耐焼付性が非常
に優れている理由は次のように考えられる。すなわち、
金属/セラミックの焼付きは金属/セラミック間の潤滑
が切れて生じるよりも、まずセラミックの表面にクラッ
クが発生し、摩耗が進行し、その摩耗した所に金属が入
り込み、その金属と金属部品との摺動により生じ易いか
らである。つまり焼付きの根本原因は摩耗によるセラミ
ック表面の凹凸(短周期的な)であるといえる。本発明
のような表面構造であると破壊が生じにくいから摩耗に
よる表面荒れも生じにくく結果として耐焼付性も良くな
るわけである。以下、実施例によりさらに具体的に本発
明を説明する。
The reason why the ceramic according to the present invention is so excellent in seizure resistance is considered as follows. That is,
The metal / ceramic seizure first cracks on the surface of the ceramic, abrasion progresses, and the metal penetrates into the abraded part, rather than the lubrication between the metal / ceramic being cut off. This is because it is easy to occur due to sliding of. In other words, it can be said that the root cause of seizure is unevenness (short-period) of the ceramic surface due to wear. With the surface structure as in the present invention, destruction hardly occurs, so that surface roughness due to abrasion hardly occurs, and as a result, seizure resistance improves. Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.

【0048】[0048]

【実施例】次のようなプロセスにより本発明で示された
表面構造を持つ試料を作製した。 原料粉 Si34 −15wt%Y23 −2.5wt%Al2
3 の配合粉に成形バインダー5wt%を添加し、ボー
ルミル混合後スプレードライヤーにより80〜100μ
mのか粒に造粒した。 造粒粉を150kg/m2 で単軸成形した後1.5t
on/cm2 の圧力でラバープレスを行った。 図4に示す温度制御プログラムで熱処理を行い500
℃×3hでバインダーを蒸発させる脱脂を行った。その
後図5に示す温度及び圧力制御プログラムで熱処理を行
い、1800℃×70分、8気圧で加圧焼成を行った。
焼成素材の寸法は50φ×6t程度である。 焼成後,400番程度のダイヤモンド砥石で平面研削
を行った(図3(a)参照)。この時の表面粗さは以下
のとおりであった。 Ra=0.43μm、Rmax =3.09μm、Rz=
2.59μm
EXAMPLE A sample having the surface structure shown in the present invention was produced by the following process. Raw material powder Si 3 N 4 -15 wt% Y 2 O 3 -2.5 wt% Al 2
Add 5 wt% of molding binder to the compounded powder of O 3 , mix with a ball mill, and use a spray dryer to
m was granulated. 1.5t After uniaxial molding the granulated powder at 150 kg / m 2
Rubber pressing was performed at a pressure of on / cm 2 . Heat treatment is performed by the temperature control program shown in FIG.
Degreasing was performed by evaporating the binder at a temperature of 3 ° C for 3 hours. Thereafter, heat treatment was performed by the temperature and pressure control program shown in FIG. 5, and pressure firing was performed at 1800 ° C. for 70 minutes at 8 atm.
The size of the fired material is about 50φ × 6t. After firing, surface grinding was performed with a diamond grindstone of about 400 (see FIG. 3A). The surface roughness at this time was as follows. Ra = 0.43 μm, R max = 3.09 μm, Rz =
2.59 μm

【0049】この後この円板から往復摺動試験用を切り
出した。 次に試験片にバレル処理を行った。バレル処理は荒仕
上げ・中仕上げ・仕上げの3つのプロセスを用いた(図
6(a),(b),(c)参照)。また時間としては荒
仕上げ3h、中仕上げ1h、仕上げ8hを要した。図6
でわかるように荒・中・仕上げと進むにつれて長周期的
凹凸は保持されたまま、短周期的凹凸つまり表面粗さは
細くなっていった。このバレル処理により表面粗度は以
下のようになった。 Ra=0.055μm N=16,δ=0.017μm Rmax =0.72μm N=16,δ=0.027μm Rz=0.387μm N=16,δ=0.387μm また表面粗さの別の評価法としての光沢度も測定した。
結果は 光沢度=74.3、N=8,σS.D =5.56 であった。表面粗さ測定のデータより直接測定したこの
サンプルの長周期は74〜680μm、短周期は6〜8
μmであった。長周期粗さは0.25〜1.0μm、短
周期粗さは0.06μmとなった。
Thereafter, a disc for reciprocating sliding test was cut out from the disc. Next, the test piece was subjected to barrel treatment. The barrel processing used three processes of rough finishing, medium finishing, and finishing (see FIGS. 6A, 6B, and 6C). The time required for rough finishing 3h, medium finishing 1h and finishing 8h. FIG.
As can be seen from the above, the short-period unevenness, that is, the surface roughness, became thinner while the long-period unevenness was maintained as the rough, medium, and finish progressed. The surface roughness was as follows by this barrel treatment. Ra = 0.055 µm N = 16, δ = 0.017 µm R max = 0.72 µm N = 16, δ = 0.027 µm Rz = 0.387 µm N = 16, δ = 0.387 µm Gloss as an evaluation method was also measured.
As a result, the gloss was 74.3, N = 8, σ SD = 5.56. The long period of this sample directly measured from the surface roughness measurement data is 74 to 680 μm, and the short period is 6 to 8
μm. The long period roughness was 0.25 to 1.0 μm, and the short period roughness was 0.06 μm.

【0050】評価として往復摺動摩耗テストを行っ
た。評価法及び結果を次に示す。
A reciprocating sliding wear test was performed as an evaluation. The evaluation method and results are shown below.

【0051】往復摺動摩耗試験法 試験装置は図7に示す。図中1は可動側試験片(相手材
ピン)であり、2は試験片(セラミック試験片)であ
り、矢印は押付荷重を示す。試験条件は下記のとおりで
あった。 摺動面速度:0.1265m/s 荷重 :784MPa(ヘルツ応力) 摺動距離 :1.2km 振幅幅 :25mm 潤滑 :スニソ5G,400mL/分、80℃ 試験片ピン側(相手材) 材料:S50C(高周波焼入) 寸法:□5×30mm,先端R=6mm(先端粗さ、R
a=0.24μm,Rz=0.8μm,Rmax =1.0
μm)。 測定方法は次のとおりであった。 ピン材:試験前後の重量測定を行い、摩耗による減量で
比較する。 セラミック試験片:摩耗深さを測定する。 測定の結果は比較例の結果とともに表1に示す。
FIG. 7 shows a reciprocating sliding wear test method test apparatus. In the figure, 1 is a movable-side test piece (a mating material pin), 2 is a test piece (a ceramic test piece), and an arrow indicates a pressing load. The test conditions were as follows. Sliding surface speed: 0.1265 m / s Load: 784 MPa (Hertz stress) Sliding distance: 1.2 km Amplitude width: 25 mm Lubrication: Sniso 5G, 400 mL / min, 80 ° C Test pin side (partner material) Material: S50C (Induction hardening) Dimensions: □ 5 × 30mm, tip R = 6mm (tip roughness, R
a = 0.24 μm, Rz = 0.8 μm, R max = 1.0
μm). The measuring method was as follows. Pin material: Measure the weight before and after the test and compare by weight loss due to abrasion. Ceramic specimen: Measure the wear depth. The results of the measurement are shown in Table 1 together with the results of the comparative example.

【0052】比較例1 実施例と同様のプロセスでセラミックを焼成後、400
番程度のダイヤモンド砥石で平面研削を行った。この時
の表面粗さは以下のとおりであった。 Ra=0.14μm、Rz=1.12μm、Rmax
1.62μm、 この焼成体の表面構造は図8のとおりであり長周期的凹
凸はないものであった。
Comparative Example 1 After firing the ceramic by the same process as in the example,
Surface grinding was performed with the number one diamond grindstone. The surface roughness at this time was as follows. Ra = 0.14 μm, Rz = 1.12 μm, R max =
1.62 μm, and the surface structure of the fired body was as shown in FIG. 8, and there was no long-period unevenness.

【0053】比較例2 実施例と同様のプロセスでセラミックを焼成後,700
番程度のダイヤモンド砥石で平面研削を行った。この時
の表面粗さは以下のとおりであった。 Ra=0.14μm、Rz=0.97μm、Rmax
1.70μm、 この焼成体の表面構造は粗さが違うのみで図8に示すも
のと同じであった。
Comparative Example 2 After firing the ceramic in the same process as in the example, 700
Surface grinding was performed with the number one diamond grindstone. The surface roughness at this time was as follows. Ra = 0.14 μm, Rz = 0.97 μm, R max =
The surface structure of the fired body was the same as that shown in FIG. 8 except for the roughness.

【0054】比較例3 比較例2の処理後ラッピングした。この時の表面粗さは
以下のとおりであった。 Ra=0.06μm、Rz=0.14μm、Rmax
0.18μmこの焼成体の表面構造も粗さが違うのみで
図8に示すものと同じであった。
Comparative Example 3 After the treatment of Comparative Example 2, lapping was performed. The surface roughness at this time was as follows. Ra = 0.06 μm, Rz = 0.14 μm, R max =
The surface structure of this fired body was the same as that shown in FIG. 8 except for the roughness.

【0055】 [0055]

【表1】 セラミック摩耗(μm) 相手材摩耗(mg) 本発明実施例 2 0.9 比較例1 3.4 1 比較例2 2.9 0.8 比較例3 2.5 1.2 Table 1 Ceramic Wear (μm) Counter Material Wear (mg) Inventive Example 2 0.9 Comparative Example 1 3.4 1 Comparative Example 2 2.9 0.8 Comparative Example 3 2.5 1.2

【0056】表1よりわかるように本発明の実施例はセ
ラミック及び相手材両方の摩耗が少ない。
As can be seen from Table 1, in the embodiment of the present invention, the wear of both the ceramic and the mating material is small.

【0057】[0057]

【発明の効果】以上説明したように本発明によると、脆
性の点で問題があったセラミックの摺動特性を改善する
ことができるので、セラミックの摺動材料としての用途
を拡大し、また信頼性が高められる。
As described above, according to the present invention, it is possible to improve the sliding characteristics of ceramics, which had a problem in terms of brittleness. Sex is enhanced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】圧縮荷重モデルによる応力解析図である。FIG. 1 is a stress analysis diagram based on a compression load model.

【図2】せん断荷重モデルによる応力解析図である。FIG. 2 is a stress analysis diagram based on a shear load model.

【図3】本発明によるバレル研磨法による粗さの変化を
説明する概念図である。
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a change in roughness by a barrel polishing method according to the present invention.

【図4】脱脂の温度制御プログラムを示すグラフであ
る。
FIG. 4 is a graph showing a degreasing temperature control program.

【図5】焼成における温度及び圧力制御プログラムを示
すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing a temperature and pressure control program in firing.

【図6】実施例1におけるバレル処理品の表面粗さ測定
結果例である。
FIG. 6 is an example of a surface roughness measurement result of a barrel-treated product in Example 1.

【図7】往復摺動摩耗試験装置の略図である。FIG. 7 is a schematic view of a reciprocating sliding wear test apparatus.

【図8】比較例1における表面粗さ測定結果の一例であ
る。
FIG. 8 is an example of a surface roughness measurement result in Comparative Example 1.

【参照符号の説明】[Description of reference numerals]

1 可動側試験編(相手材ピン) 2 セラミック試験片 1 Movable side test (Material pin) 2 Ceramic test piece

【数9】 (Equation 9)

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 セラミックの表面構造が、潤滑油が保持
されるよう長周期的な凹凸が表面に形成されており、か
つ短周期的には表面粗さが小さいことを特徴とする摺動
特性に優れたセラミック。
1. A sliding characteristic of a ceramic having a surface structure in which long-period irregularities are formed on the surface so as to hold a lubricating oil, and surface roughness is small in a short period. Excellent ceramic.
【請求項2】 セラミックの表面を研磨することにより
摺動材用セラミックを製造する方法において、まず、潤
滑油が保持されるよう長周期的な凹凸が表面に形成し、
その後前記凹凸を実質的に維持しつつ、短周期での粗さ
を減少することを特徴とする摺動特性に優れた表面構造
を有するセラミックの製造方法。
2. A method of manufacturing a ceramic for a sliding material by polishing a surface of a ceramic, wherein firstly, long-period irregularities are formed on the surface so as to hold a lubricating oil.
A method for producing a ceramic having a surface structure with excellent sliding characteristics, characterized by reducing roughness in a short period while substantially maintaining the irregularities.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014047115A (en) * 2012-08-31 2014-03-17 Japan Aviation Electronics Industry Ltd Inorganic solid material and cutter tool
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