JPS61127664A - 炭化珪素質摺動部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は摺動部材に関し、特に本発明は湿式状態におい
て優れた摺動特性を有する主として炭化珪素質焼結体か
らなる炭化珪素質摺動部材に関す、るものである。

〔従来の技術〕

炭化珪素質焼結体は、一般に極めて侵れた化学的性質並
びに物理的性質を有していることから、特にガスタービ
ン部品や高温の熱交換器などのような苛酷な条件下で使
用される各種の用途に対１〜好適な材料として知られて
おり、特に機械装田の軸受やシール部分のような回転、
摺動部などの摺動部材として有用な材料である。

従来、炭化珪素を摺動部材として適用する試みとしては
、例えば、特開昭５４−１４３４１２号公報に「機械装
置の回転、摺動部に用いる摺動部材において、炭化珪素
を主成分とする炭化物の焼結体で構成したことを特徴と
する乾式摺動部材。」に係る発明が、また特開昭５５−
１００４２１号公報に［機械装置における回転部、固定
部の摺動部材である回転部材及び固定部材のいずれか一
方を窒化珪素を主成分とする焼結体で、他方を炭化珪素
を主成分とする焼結体で各々を構成したことを特徴とす
るセラミック摺動装置。」に係る発明が開示されている
。また、特開昭５５−３２７６１号公報に　「黒鉛リン
グの表面を炭化珪素（ＳｔＣ）に転化し表面の気孔に熱
分解炭素を充填することを特徴とする炭化珪素被覆黒鉛
シール材の製造方法。」に係る発明が開示されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記特開昭５４−１４３４１２号および特開昭５５−１
００４２１号公報には炭化珪素質焼結体が乾式摺動部材
として適していることは記載されているが、これらの摺
動部材が特に湿式状態において優れた摺動特性を有する
ことは何ら記載されていない。

また前記特開昭５５−３２７６１号公報に記載の発明の
炭化珪素は黒鉛材の表面を炭化珪素に転化したものであ
り、炭化珪素質焼結体を摺動部材として使用するもので
はない。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、従来知られた炭化珪素質焼結体よりなる摺動
部材に比較して、特に湿式状態下の使用において摩擦係
数が著しく低く、摩擦熱の放散効率が良好で、耐久性に
極めて優れた摺動部材を提供することを目的とするもの
であり、摺動面の少なくとも一部が炭化珪素質焼結体よ
りなる摺動部材において、前記炭化珪素質焼結体のうち
少なくとも５０重量％はβ型炭化珪素よりなることを特
徴とする炭化珪素質摺動部材を提供することによって前
記目的を達成することができる。

次に本発明の詳細な説明する。

摺動部材に要求される性質すなわち摺動特性としては、
密度、硬度および熱伝導率が大きく、また摩擦係数およ
び摩耗量の小さいことであり、炭化珪素を主成分とする
焼結体は硬度、熱伝導率および摩耗量等の諸性質におい
て摺動部材として適することが知られているが、摩擦係
数が一部に高いことから、これを低くするため潤滑剤と
の併用が試みられ、上述のように種々の提案がなされて
来た。

ところで、炭化珪素にはα型とβ型があることは知られ
ているが、従来工業的にはアチソン法により製造された
α型炭化珪素のみが使用されている。一方、β型炭化珪
素は学術的には試料として化学気相反応沈積法で製造さ
れたものが用いられているが、工業的には非常に高価で
あるため実用されたことはなかった。本発明者等はβ型
炭化珪素の工業的製造方法ならびに装置を発明して初め
てβ型炭化珪素の工業的生産を開始し、初めてβ型炭化
珪素の製造コストが低減され、コストの低摩なβ型炭化
珪素を主体とする焼結体を製造し、（ｊ　） この焼結体について種々の特性を研究したところ、α型
炭化珪素を出発原料として得られる焼結体は擬球状すな
わちアスペクト比が小さい比較的粗大な結晶粒よりなる
構造を有するのに対し、β型炭化珪素を出発原料として
得られる焼結体は比較的均一な粒径を有する板状すなわ
ちアスペクト比の大きな結晶が相互に交差し、その間隙
をさらに微細な粒径を有する結晶粒で埋められた微細構
造を有する。

従って、β型炭化珪素焼結体はα型のそれに対して高強
度および耐熱衝撃性に優れることが判つ、　た。

ところで、本発明者らは上記２種の焼結体を摺動部材と
して用いる場合の摺動特性を比較実験したところ、乾式
条件下では両者間においてそれほどの差異は認められな
かったが、特に湿式条件下で、かつ高負荷時では摩擦係
数および耐摩耗性において著しく相異し、β型のそれは
α型のそれに比して極めて良好な摺動特性を有している
ことを新規に知見して本発明を完成するに至った０前記
炭化珪素質焼結体の少なくとも５０重量％がβ型炭化珪
素よりなる炭化珪素質焼結体の摺動特性が良好な理由と
しては、β型炭化珪素はその結晶構造が立方晶糸であり
、強度、硬度、熱伝導率などの諸物性に異方性が少ない
ことに基因するものと考えられる。

また、前記β型炭化珪素の含有量を５０重量％以上に限
定する理由は、β型炭化珪素の含有量が５０重量％より
少ないと、すなわちα型炭化珪素の含有量が５０重量％
より多いと、後述するように実質的に摩擦係数が高くな
り摩耗量が多くなるからである。

本発明の摺動部材の炭化珪素質焼結体を構成する炭化珪
素の結晶粒は平均粒径が２０μｍ以下、平均アスペクト
比が２〜５０であることが好捷しい。

前記平均粒径が２０μｍ以下であることが好ましい理由
は、平均粒径が２０μｍよりも大きいと炭化珪素質焼結
体の強度が低くなるからであり、また前記平均アスペク
ト比が２〜５０の範囲であることが好ましい理由は、平
均アスペクト比が２よりも小さいと摩耗量が多くなるか
らであり、一方平均アスペクト比が５０よりも大きな焼
結体は高密度化が困難であるからである。

前記平均アスペクト比が２より小さい場合に摩耗量が多
くなる原因としては、平均アスペクト比が２よりも小さ
い焼結体は結晶粒相互の絡み合いが少ないため結晶粒子
が脱離し易く、脱離した結晶粒子が研摩材的に作用して
さらに摺動部材を摩耗させるためではないかと考えられ
る。

本発明の摺動部材に用いられる炭化珪素質焼結体を構成
する炭化珪素の結晶粒のうちアスペクト比が２〜５０の
板状結晶は５０重量％以上であることが好ま、しい。そ
の理由は、板状結晶の含有量が５０ｆｆｉｉ１％より少
ないと板状結晶相互の絡み合いが不充分となり、炭化珪
素質焼結体の強度が低くなるからである。

本発明の摺動部材に用いられる炭化珪素質焼結体は平均
粒径が１１１ｍ以下の炭素質物質を均一分散状態で０．
３〜ｌＯ重量％含有することが好ましい。

前記炭素質物質は特公昭５７−３２０３５号公報にも記
載されている如く、焼成時における炭化珪素結晶粒の成
長を抑制する作用を有するものであり、前記炭素質物質
の平均粒径は１μ毎以下であることが好ましい理由は、
前記平均粒径が１μｍより大きいと炭素質物質の単位重
量当りの粒成長抑制効果が低くなるばかりでなく、高密
度の炭化珪素質焼結体を得ることが困難になるからであ
る。また前記炭素質物質の含有量が０．３〜ｌＯ重量％
の範囲が好ましい理由は、０．３重量％よりも少ないと
結晶粒の粒成長を制御することが困難であるからであり
、一方　１０重量％よりも多い場合には高密度の炭化珪
素質焼結体を得ることが困難になるからである。前記炭
素質物質の含有量は２〜５重量％の範囲内であるときよ
り好適な結果が得られる。

前記炭素質物質は、焼結助剤として原料混合物中に添加
され九フェノール樹脂、リグニンスルホン酸［Ｊリビニ
ルアルコール、コンスターチ。

糖蜜、コールタールピッチ、アルギン酸塩のような各種
有機物質あるいはカーボンブラック、アセチレンブラッ
クのような熱分解炭素に由来するも（デ　　） のが有利である。

本発明の摺動部材は湿式条件下での使用に特に適するも
のであり、前記湿式条件とは前記摺動部材が使用される
状態において、摺動部材と被摺動部材との摺動面間の少
なくとも一部に液体が介在している条件をいう。

前記湿式条件を満足させる液体としては、摺動時の摺動
部材と被摺動部材との摺動面間の少なくとも一部にその
液体の１分子層を形成させることのできる物質であれば
有利に使用することができ、例えば水、油、フレオン・
メタノール・エタノール、プロパツール、ブタノール、
イソブチルアルコール、ペンタノール、インペンチルア
ルコール。

アリルアルコール、フェノール、クレゾール、アンモニ
アなどの１種または２種以上を有利に使用することがで
きる。なお、上記液体中に各種の微粉状固体物質が混入
したスラリー状の液体および各種化学物質が混入した液
体も使用することができる。

本発明の摺動部材に用いられる炭化珪素質焼結体は２０
００ＫＩ！・ｆ／ｗｍ２以上のヌープ硬度を有する本の
であることが有利である。その理由はヌープ硬度が２０
００　Ｋｌ−ｆ／１ｍ２よりも低い炭化珪素質焼結体は
耐摩耗性に劣るため摺動部材としての適用に著しい制限
を受けるからである。

本発明の摺動部材に用いられる炭化珪素質焼結体は０．
１　（ＢＢＩ／ａｎ・ｓｅｅ・Ｃ以上の熱伝導率を有す
るものであることが有利である。その理由は熱伝導率が
Ｑ、１ｃａｌｚ−・ｓａｅ＃ｃよりも低い炭化珪素質焼
結体は摺動面の摩擦により発生する熱を系外へ放散させ
ることが困難で摺動面が焼付きを生じ易いため摺動部材
としての適用に著しい制限を受けるからである。

本発明の摺動部材に用いられる炭化珪素質焼結体は２．
８　ｇ／ｃＩＬ３以上の密度を有するものであることが
有利である。その理由は、密度が２６８か−３に満たな
い炭化珪素質焼結体は強度、硬度、熱伝導率などが低く
摺動部材としての特性に劣るからである。

なお、本発明の摺動部材は、少なくとも摺動面が前述の
如き種々の特性を満足する炭化珪素質焼結体で構成され
ておれば良く、摺動面以外の他の部分は炭化珪素質焼結
体以外の物質または各種の複合体を使用することができ
、特に熱伝導率の高いものを使用することが有利である
。

本発明の摺動部材は、端面荷重が大きくまた摺動速度が
速い場合、例えば端面荷重が２　Ｋｙ−ｆ　／ｃｒｎ２
以上、摺動速度が３３０　ｓｕ／ｓｅｅ以上の湿式条件
下で使用される場合、従来のα型炭化珪素よりなる摺動
部材に比べて極めて優れた摺動特性が発揮されることが
新規に知見された。

次に本発明を実施例および比較例について具体的に説明
する。

炭化珪素微粉は、特公昭５５−４０５２７号公報に記載
の主としてβ型結晶よりなる炭化珪素の製造方法により
製造し、さらに精製１分級した炭化珪素微粉（以下β−
８ＩＣ微粉と称す）と、市販の主としてα型結晶よりな
る炭化珪素微粉（以下α−８ＩＣ微粉と称す）を使用し
た。

β−８ＩＣ微粉とα−８ＩＣ微粉の特性を第１表に示し
た。

第　　１　　表 前記β−８ＩＣ微粉とα−８ｉＣ微粉をそれぞれ単独又
は第２表に示した割合にて配合した炭化珪素微粉９７．
２：９．Ｋｉ、比表面積１２０ｆｆｉ”／ｇのカーボン
ブラックを２９と市販の粒度１５００番の炭化ホウ素０
．８７とベンゼン５００−およびポリエチレングリコー
ル４ｇを添加し、ボールミルにて４時間混合した。

得られた混合物を凍結乾燥し、この乾燥混合物を直径４
０話の成形型にて１．５ｔ／ｃＩＬ”の圧力で成形した
。前記成形体をタンマン型焼結炉に装入し、ア／／、？
） ルゴンガス気流中で第２表に示した温度にて焼結した。

得られた焼結体の物性および摺動特性を第２表に示した
。

なお、摩擦係数（１１）と摩耗量（ｍｙ）は得られた焼
結体を内径が２０ｍ５．外径が２５．６１１１１．厚さ
が１５１１１１のリングに加工し、約３０Ｃに維持され
た水中で２個のリングの端面を６００−８ｅＯ摺動速度
で摺動させるリングオンリング法で１０．５　ＫＰ−ｆ
／ＣＩＬ２の端面荷重を負荷して測定した。

第２表に示した結果よりわかるように、本発明の主とし
てβ型炭化珪素より構成される炭化珪素質焼結体はα型
炭化珪素より構成される炭化珪素質焼結体に比較して摩
擦係数が著しく小さく、シかも耐摩耗性が良好であり、
摺動部材として優れている。

実施例２．比較例２ 実施例１と同様のβ−８ｉＣ微粉とカーボンブラックを
第３表に示しｆｃ、割合にて配合し、これらの配合物９
９９に対して前記炭化ホウ紫１ｇと水４０〇−とポリエ
チレングリコール５９と分散剤０．５７を添加し、振動
ボールミルにて１時間混合した。得られた混合物を実施
例１と同様の方法で乾燥し、成形した後アルゴンガス気
流中で２１００　Ｃにて焼結した。得られた焼結体の特
性および実施例１と同様の方法で測定した摺動特性は第
３表に示した。

実施例３．比較例３ 実施例１と同様のβ−８ｉＣ微粉９７．４　ｇにフェノ
ールＶジン４ｇ、前記炭化ホウ素０．６９　、ベンゼン
６００−とポリエチレングリコール４ｖを添加し、ボー
ルミルにて１２時間混合した。得られた混合物をスプレ
ードライヤーにて乾燥し、実施例１と同様の方法にて成
形した後アルゴンガス気流中で第４表に示１〜た温度で
焼結した。

得られた焼結体の特性および実施例１と同様の方法で測
定した摺動特性は第４表に示した。

Ｃ／６） 比較例４ 実施例３と同様であるが、フェノールレジンの配合量を
８２．焼成温度を２０００　ｔ：’　Ｋ変えて焼結体を
得た。得られた焼結体の特性および実施例１と同様の方
法で測定した摺動特性は第４表に示した。

第３表および第４表に示した結果よりわかるように、本
発明の平均アスペクト比が高く板状結晶の含有量が多い
炭化珪素質焼結体はいずれも摩擦係数が低く、シかも耐
摩耗性が良好であり、摺動部材として優れていることが
認められた。

実施例４．比較例５ 実施例１に示したリングオンリング法によって、−発明
の実施例１−１によって得られた炭化珪素質焼結体、比
較例１によって得られた炭化珪素質焼結体、窒化珪素焼
結体（Ｓ　ｉ　３Ｎ４　）、アルミナ焼結体（Ａ２２０
３　）　オヨヒスｆ　ｙ　ｖ　ス鋼：　ＳＵＢ　３０４
　（以下ＳＵＢと称す）のＳＯ８に対する湿式摺動試験
を行った。

なお、前記摺動試験に供した摺動部材の主な特性は第５
表の通りである。摺動試験の結果は第１〜６図および第
６表に示した。

第５表 第６表 第１図は、前記各種摺動部材とＳＵＳとの水潤滑摺動試
験において端面荷重を種々変化させた際の端面荷重と摩
擦係数との関係を表すグラフである。

第１図より明らかなように８ＵＳ相互の摩擦係数は端面
荷重が０．５に９・ｆ／ｃＩｒＬ”と比較的低い場合で
も約０．６と極めて高く、また窒化珪素焼結体やアルミ
ナ焼結体で構成された摺動部材のＳＵＳに対する摩擦係
数は端面荷重が０．５　Ｋｌ−ｆ／ＣＩＬ”と低い場合
は０．２〜０．３と比較的低いが、端面荷重を３にｙ　
−ｆ／ｍ２と高くすると０．５前後と著しく高くなる。

これに対し、炭化珪素質焼結体で構成された摺動部材の
ｊ■ＵＳに対する摩擦係数は端面荷重がｏ、ｓ　Ｋｐ−
ｆ／ａｎ２志゛の場合は結晶系にかかわらずいずれも約
０．０６でノあっ−ｒｇｌｈ−’ｃ　い、ヵ１、　。カ
イ、イ、よ　４．ゎてなる炭化珪素質焼結体の摩擦係数
は端面荷重が高くなるのにつれて高くなり、１０，５　
Ｋｐ−ｆ／ｃｍ”で約０．１５と高くなるのに対し、本
発明のβ型炭化珪素より構成されてなる炭化珪素質焼結
体は端面荷重が高くなるとむしろ小さくなる傾向があり
、１０．５Ｋｌ−ｆ／Ｃ１ｌ”で約０．０１と著しく小
さくなる。

（＆　） 第２〜６図は、前記各種摺動部材とＳＵＳとの水潤滑摺
動試験を端面荷重２．０に？・ν♂の条件で１時間実施
した後の８０８表面の走査型電子顕微鏡写真（８０倍）
であり、第２図は摺動部材が実施例１−１によって得ら
れた炭化珪素質焼結体（β型Ｓ　ｔＣ）によるものであ
り、第３図は摺動部材が比較例１によって得られた炭化
珪素質焼結体（α型ＳｔＣ）によるものであり、第４図
は摺動部材が窒化珪素焼結体（ＳＩ３Ｎ４）によるもの
であり、第５図は摺動部材がアルミナ焼結体しり２０３
）によるものであり、第６図は摺動部材がステンレス鋼
：　８Ｕ８３０４　によるものである。

第２〜６図および第６表に示した結果より各種摺動部材
による９ＵＳ表面の荒れおよび摩耗量は本発明のβ型炭
化珪素から構成されてなる炭化珪素質焼結体による場合
が最も少ないことがわかる。

前述のことから、β型炭化珪素から構成されてなる炭化
珪素質焼結体は湿式摺動部材として極めて適しているこ
とがわかる。

Ｃコノ） 実施例５ 本発明の実施例１−１によって得られた炭化珪素質焼結
体相互の摺動試験をビンオンディスク法により摺動面全
体にＩ　ＫＦの荷重をかけ、摺動時の相対湿度を種々変
化させて行った。摺動試験の結果は第２図に示した。

第１図は、炭化珪素質焼結体相互の摩擦係数と相対湿度
との関係を表すグラフである。なお、相対湿度が０％の
値は約１Ｏ−５Ｔｏｒｒの真空中で測定した値であり、
その他は大気圧中で測定した値である。

第１図より明らかなように、真空中すなわち和声湿度が
０％の場合の炭化珪素質焼結体の摩擦係数は約０．５５
であるのに対し、相対湿度が高くなると摩擦係数は次第
に小さくなり、相対湿度が８０％よりも高くなると摩擦
係数は０．１〜０．２となり摺動部材として極めて適し
た状態となる。この理由としては、炭化珪素質焼結体の
表面には通常極〈薄い酸化被膜（８ｉ０２）が形成され
ており、この酸化被膜が水に濡れ易い性質を有している
ことから、しての潤滑層が形成され易いことによるもの
と推定される。このように、本発明の炭化珪素質焼結体
は特に摺動時の摺動面に水寸たは水蒸気などの吸着によ
り潤滑層が形成される湿式摺動部材として極めて有利に
使用することができる。なお、炭化珪素質焼結体表面に
微細な気孔が存在すると、その気孔内に水や油のような
液体潤滑剤を保持することができるので更に好ましい状
態となる。

、実施例６ 本発明の実施例１−１によって得られた炭化珪素質焼結
体相互の摺動試験を実施例１に示したと同様の方法であ
るが、２００〜３００Ｃの水蒸気雰囲気中で摺動試験を
行ったところ、極めて優れた摺動特性を有していること
が認められた。

実施例７ 実施例６と同様の方法であるが、約−１０Ｃのガス状お
よび液状のフレオン２２の存在下で摺動試験を行ったと
ころ、極めて優れた摺動特性を有していることが認めら
れた。

実施例８ 実施例７と同様であるが、フレオン２２に代えてエチル
アルコールを使用して摺動試験を行ったところ、極めて
優れた摺動特性を有していることが・　　認められた。

〔発明の効果〕

以上述べた如く、本発明の炭化珪素質焼結体より構成さ
れてなる摺動部材は極めて優れた摺動特性を有しており
、本発明の摺動部材を機械装置の軸受やシール部分のよ
うな回転、摺動部などに適用することにより、摺動部の
摩擦や摩耗量が少なくなり、装置の耐久性および信頼性
を著しく向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は各種摺動部材の摺動端面に負荷された端面荷重
と摩擦係数との関係を示すグラフ、第２図は実施例４の
摺動試験後の８ＵＳ表面の走査型電子顕微鏡写真１８０
倍）、第３図は比較例５−１の摺動試験後の８ＵＳ表面
の走査型電子顕微鏡写真（８０倍）、第４図は比較例５
−２の摺動試験後の（ｘ　　） ＳＯ８表面の走査型電子顕微鏡写真（８０倍）、第５図
は比較例５−３の摺動試験後の８０８表面の走査型電子
顕微鏡写真（８０倍）、第６図は比較例５−４の摺動試
験後の８０８表面の走査型電子顕微鏡写真（８０倍）、
第１図は本発明の炭化珪素質焼結体の摩擦係数と相対湿
度との関係を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、摺動面の少なくとも一部が炭化珪素質焼結体よりな
   る摺動部材において、前記炭化珪素質焼結体のうち少な
   くとも５０重量％はβ型炭化珪素よりなることを特徴と
   する炭化珪素質摺動部材。 ２、前記炭化珪素質焼結体を構成する炭化珪素の結晶粒
   は平均粒径が２０μｍ以下、平均アスペクト比が２〜５
   ０である特許請求の範囲第１項記載の摺動部材。 ３、前記炭化珪素質焼結体は平均粒径が１μｍ以下の炭
   素質物質を均一分散状態で０．３〜１０重量％含有する
   特許請求の範囲第１項記載の摺動部材。 ４、前記炭化珪素質焼結体を構成する炭化珪素の結晶粒
   のうちアスペクト比が２〜５０の板状結晶は５０重量％
   以上である特許請求の範囲第１項記載の摺動部材。 ５、前記摺動部材は端面荷重２Ｋｇｆ／ｃｍ＾２以上で
   摺動速度３３０ｍｍ／ｓｅｃ以上、湿式条件下での使用
   に特に適する特許請求の範囲第１項記載の摺動部材。 ６、前記摺動部材は摺動部材と被摺動部材との摺動面間
   に少なくとも液体が介在している湿式条件下での使用に
   特に適する特許請求の範囲第１項記載の摺動部材。