JPS62148364A

JPS62148364A - セラミツクス製弾性部材

Info

Publication number: JPS62148364A
Application number: JP60290092A
Authority: JP
Inventors: 幹夫福原; 宮川　功男; 沢田　和博
Original assignee: Toshiba Tungaloy Co Ltd
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 1985-12-23
Filing date: 1985-12-23
Publication date: 1987-07-02
Also published as: JPH0469592B2

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、弾性変形を可能にしたセラミックス製弾性部
材に関し、特に、高温下、酸性またはアルカリ性水溶液
中などの特殊環境下でも利用に供し得るようにしたもの
である。

（従来の技術）従来、この種の弾性部材例えば、バネ座金などは、ａ械
部品として、広範囲に使用されているが、一般的には、
全屈、プラスチックスおよびゴムから製作されている。

しかし、金ＦＡ製のバネであっても、例えば８００℃以
上の高温では、熱による塑性変形により使用できず、ま
た酸性、アルカリ性水溶液中あるいは、溶融塩浴中では
腐食するなど用途に限界があった。

このため、＃８性、ｍ食性などからセラミックス類のバ
ネなどが考えられたが、既存技術では、強度が弱くて成
形できなかったり、板金成形できても破壊に至ったりし
て充分なスプリング特性を発揮することができなかった
。

（発明が解決しようとする問題点）セラミックスは、前述したように耐熱性、耐摩耗性なら
びに耐食性に優れており、弾性部材として前述の特殊環
境下で使用できるようになればその工業的意義は極めて
大きい。

しかしながら、セラミックスは、前述したように加工上
、強度上で解決しなければならない問題点があり、特に
弾性部材への適用は、変形性などから加工方法乃至手段
が問題点となり、また曲げ、ねじり強度などから成分組
成が問題点となる。

本発明者等は、鋭意研究した結果、金属の超塑性変形に
おける結晶粒の粒弄すへりに着目した。

これは、セラミックスの中でもジルコニアについては、
粒界すへりの性質があるといわれていることからである
。しかし、ジルコニアは、２００〜３００℃以上の温度
における強度の劣下、金属の反応溶着性及び水、水蒸気
環境下における疲労破壊さらには低熱伝導率、高比重、
低硬度である不都合性を有している。したがって、ジル
コニアは、目下のところ高温における構造用材料として
は、限界があり、特殊環境下における弾性部材として、
不適当であるという問題点がある。

他方、現在使用されているセラミックスの大多数は、ア
ルミナ系であり、このアルミナ系セラミックスを弾性部
材に適用できれば、材料特性から、その利用効果が極め
て大きい。

このようなことから、本発明者等は、ＡＭ化合物系のセ
ラミックス焼結体に的を絞って鋭意研究した結果、異相
界面すべりに起因する超塑性現象を発見するに至り、こ
れに基づいて加工方法に関する内容で特許出願した（特
願昭６０＝１８８４６０号）。

また、超塑性現象に併せて、材料組成を選択し、本発明
にみられるような弾性部材への適用を可能にした。

（問題点を解決するための手段）本発明は、上述の点に鑑みなされたもので、アルミニウ
ム化合物および硬質化合物を必須成分とする複合セラミ
ックス焼結体によって構成されたセラミックス製弾性部
材において、前記複合セラミックス焼結体には、高温下
で所定の応力および歪速度による塑性変形を付与するこ
とにより、弾性変形を可能にした弾性部材が得られ、ま
た、高温下の雰囲気中、酸性またはアルカリ性水溶液中
、溶融塩浴中あるいは、放射線環境下などの特殊環境下
で、８０　ｋｇ／ｍｓ２以上の抗折力値を保持している
ものである。

また、必須成分としての前記アルミニウム化合物は、５
〜９５体積％を含有し、その成分が酸化アルミニウム、
窒化アルミニウムまたは耐密化アルミニウムの少なくと
も１種から選択されているものである。

さらに、残りの前記硬質化合物は、チタン、ジルコニウ
ム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ。

タンタル、クロム、モリフテン、タングステンまたはケ
イ素の炭化物、窒化物または酸化物およびこれらの相互
固溶体の少なくとも１種から選択されているものである
。

（実施例）以下、本発明セラミックス製弾性部材における一実施例
について、図を参照しながら説明する。

第１図および第２図において、（１）は、ねじれを伴な
った略Ｃ字状をなすセラミックス製のバネ座金であり、
ねじれおよびスリットによってスプリング特性が付与さ
れる。また、第３図は、皿バネ（２）を示すが、傾斜面
によってスプリング特性が付与される。

このバネ座金（１）および皿バネ（２）は、前述したよ
うにセラミックス製であるが、アルミニウム化合物およ
び硬質化合物を必須成分とする複合セラミックス焼結体
から構成される。この場合、アルミニウム化合物は、焼
結体中で５〜９５体積％含有し、その成分としては、酸
化アルミニウム（Ａｌｐ　Ｏ３）、窒化フルミニ’ｙ　
ム（Ａ　Ｉ　Ｎ）　マたは酸窒化アルミニウムＣＡｆＬ
Ｎ　（０、Ｎ）　）　（７）うちから少なくとも１種が
選択される。この中で、Ａｌ２Ｏ３は、イオン結合性が
強く、高硬度で低比重であることから最も好ましい。な
お、この含有がは、前述したイオン結合のほか、金属結
合および共有結合などから設定されたもので、好ましく
は４０〜７０体積％である。

また、前記硬質化合物は、チタン（Ｔｉ）。

ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）。

バナジウム（■）、ニオブ（Ｎｂ）。

タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）。

モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）またはケイ素
（Ｓ　ｉ）の炭化物、窒化物または酸化物およびこれら
の相互固溶体の少なくとも１種から選択される。

この選択は、Ａｌ含有化合物のイオン結合性および金属
結合性との関係および要求されるバネ特性、使用環境下
などを配慮して行なわれる。この硬質化合物の具体例と
しては、例えば、ＴｉＣ。

ＺｒＣ，）（ｆＣ，ＶＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ。

Ｃｒ３Ｃ２、Ｍｏ２　Ｃ，ＷＣ，ＳｉＣ；ＴｉＮ。

ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ。

ＣｒＮ、５ｉ３Ｎｐ　　；ＴｉＯ，ＴｉＯ２。

ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ｔａ２０５　　。

５ｉ０２　；Ｔｉ　（Ｃ，Ｎ）、Ｔｉ　　（Ｃ，Ｏ）。

Ｔｉ　（Ｎ、Ｏ）、Ｔｉ　（Ｃ，Ｎ、Ｏ）。

（Ｔｉ　、Ｚｒ）（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ　、Ｔａ）Ｃ。

（Ｔｉ、Ｎｂ）Ｃ，（Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ）Ｃなどをあげる
ことができる。

この硬質化合物は、荊述したように単独で添加しても２
種以上を添加してもよいが、特に、２種以上のものが固
溶している相互固溶体の形で添加すると、複合セラミッ
クス焼結体の強度向上が得られ効果的である。これは、
相互固溶体の形で添加すると焼結時に発生する気孔が減
少するためである。

第１図および第２図で示されたバネ座金（１）は、例え
ば次のような２つの方法で製作される。

その１は、スリットの入った略Ｃ字状リングからなる複
合セラミックス焼結体を素材として、ダイスの使用によ
り熱間塑性変形させる方法である。

また、その２は、リング状の半焼結体にスリットを入れ
て略Ｃ字状にした後、上下におもしをつけて焼結する方
法である。

しかして、これらの方法は１表面仕上げの関係から通常
そのｌの方法が採用されるが、いずれにしても複合セラ
ミックス焼結体の塑性変形条件すなわち、雰囲気、変形
温度、応力および歪速度が重要である。

雰囲気は、Ａｒ、Ｎ２　などの非酸化性雰囲気もしくは
真空中で行なうことが必要である。これは、複合セラミ
ックス焼結体および使用するモールドなどの酸化を防止
するためである。

また、変形温度は、１３００℃以上であることが必要で
ある。１３００　’Ｃ未満である場合には、応力付加状
態でクラックが生じたり、破壊が起こるためである。特
に複合セラミックス焼結体およびモールドの酸化防止、
モールドの強度限界などから、１３００−１５００℃が
好適範囲である。

さらに、変形応力は、１５ｋｇ／膣層２以下に設定する
。この応力が、１５ｋｇ／鳳腸２を超えるとモールドが
破壊したり、セラミックス焼結体にクラックが生じるか
らである。

また、歪速度は、１０−３７秒以下に設定する。

１０−３７秒を超えると複合セラミックス焼結体は変形
せず破壊に至ってしまう、好ましくは、１０−５〜１０
−３／秒である。この場合、応力および歪速度は、プレ
スなどによって付与すればよく、また、皿バネ（２）な
どにみられる単純形状では、製品の最終形状に近い形状
を有する治具などを利用すれば容易に製造できる。

このようにして得られたバネ座金（１）は、１０００℃
までは、抗折力値で最低８０　ｋｇ／ｍｍ２の強度を有
し、耐熱性、耐酸化性、耐薬品性に優れているため、特
殊環境下で効果を発揮する。なお、複合セラミックス焼
結体の超塑性変形機構は、異相界面すべりによるもので
ある。したがって、焼結体の結晶粒径が小さいほど、結
晶粒界が増大してａ塑性変形が容易となる。このことか
ら、焼結体の結晶粒径は、１ｇｍ以下が好ましい。

さらに、前述した複合セラミックス焼結体は、必須成分
としてのＡｎ化合物および硬質化合物のほかに、粒成長
抑制剤を含有せしめると、粒成長抑制効果が高められ、
微細な結晶の焼結体を得ることができる。この粒成長抑
制剤は１周期律表のＩＩ　ａ　、　ｍ　ａ　、　ＶＩＥ
族元素または希土類元素の酸化物、窒化物およびこれら
の相互固溶体の少なくとも１種からなるもので、０．１
〜７体積％が好適範囲である０粒成長抑制剤としては１
例えば、ＭｇＯ，ＣａＯ，５ｃ２０３　　、Ｖ２０３　
　。

Ｎ−１ｏ、Ｃｏｏ、ＦｅＯ，Ｆｅ２Ｏ３。

Ｌａ２０３　　、ＣｅＯ３、Ｐｒ２Ｏ３。

Ｎｂ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｅｕ２０３　　。

Ｄｙ２０３　　、Ｅｒｚ　０３　　、Ｔｂ２Ｏ３。

Ｍｇ３Ｎ２　　、Ｃａ３Ｎ２　　、ＳｃＮ、ＹＮ。

ＣｅＮ、ＤｙＮ、Ｙ３　Ｆｅｓ　　０１２゜ＮｉＦｅ２
　０３　、ＭｇＦｅ　２０ｓ　　、　　ＬａＦｅＯ３な
どをあげることができる。この場合、粒成長抑制剤の添
加量が、Ｏ９１体積％未満であると充分な抑制効果が得
られず、また、添加ら）が７体積％を超えると、逆に粒
成長を起こし、さらには粒界に脆弱な化合物が偏析する
ので好ましくない。

なお１弾性部材は、その用途に応じて前述した元素を選
択でき１例えば低比重、耐酸化性および高強度を発現せ
しめる場合は、Ｔｉを含有する硬質化合物を使用するこ
とが好ましい、また１強靭性かつ良熱絶縁性のものを得
るためには、Ｚｒを含有する硬質化合物を使用すること
が好ましい。

次に、本発明セラミックス製弾性部材について、第１表
に示す実験例について説明する。

第１表では、実験例１〜１０および比較例１１〜１３が
示されている。本発明の弾性部材は、その組成としてＡ
ｎ含有化合物および硬質化合物の場合だけでなく、これ
に粒成長抑制剤を添加した場合（Ｉｌ＆）、　５〜１０
）がある。そして、この配合組成に基づく各試料を混合
、乾燥、成形及び焼結して、各種形状寸法を有する複合
セラミックス焼結体からなる素材を得た０次いで、この
素材表面をダイヤモンド砥石で研削した後、高温下で塑
性変形させ、第１表の用途・適用欄にみられる弾性部材
を製作した。この場合１皿バネ（２）として製作された
ものは、外径＝２３鳳諺φ、内径＝８厘■φ、厚さ＝０
．８ｍｍで、傾斜角＝５°としたものである。また、ス
プリングバネは、押出し法を利用して製作した。

そして、得られた弾性部材は、いずれもＪＩＳで要求さ
れている強度等を有し、特に高温下例えば１１００℃の
状態においても強度低下がみられず、有効なバネ特性を
示した。

これに対し、比較例の１１〜１３は、いずれも破壊して
弾性部材として製作することができなかったφ なお、木実験例では１皿バネ、板バネ、スプリングワッ
シャー、圧縮バネに適用したが、竹の子バネ、引張りバ
ネ等にも適用できることは勿論である。

以下　余白（発明の効果）本発明は、以上説明したように、Ａ文含有化合物系の複
合セラミックス焼結体からなるセラミックス製弾性部材
を提供したものであるから、以下のような効果が期待で
きるものである。

第１に、特殊環境下で、使用できるため、用途が拡大さ
れることである。これは、高温雰囲気中、酸性またはア
ルカリ性水溶液中、溶融塩浴中あるいは放射線環境下な
どの特殊環境下でも耐熱性、＃食性などから使用可悌だ
からである。

第２に、機械的強度も充分あるため、高荷重のものにも
適用できることである。これは、ＡＭ含有化合物系の複
合セラミックス焼結体について、特定の組成を選択して
いるため材料強度を高くできるからである。

第３に、成形性、加工性も充分認められることである。

これは、複合セラミックス焼結体を第１次素材として、
これを研削加工して第２次素材とした後、この第２次素
材をプレス、治具、押出し加工等既存技術を利用して、
圧縮、引張り２曲げ等の加工を付与すれば完成品として
製作できるからである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明セラミックス製弾性部材について、バ
ネ座金に適用した一実施例を示す正面図、第２図は、そ
の側面図、第３図は、皿バネに適用した変形例を示す断
面図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）アルミニウム化合物および硬質化合物を必須成分
とする複合セラミックス焼結体によって構成されたセラ
ミックス製弾性部材において、前記複合セラミックス焼
結体は、高温下の雰囲気中、酸性またはアルカリ性水溶
液中、溶融塩浴中あるいは放射線環境下などの特殊環境
下で、８０ｋｇ／ｍｍ＾２以上の抗折力値を保持してお
り、また、必須成分としての前記アルミニウム化合物は
、５〜９５体積％を含有し、その成分が、酸化アルミニ
ウム、窒化アルミニウムまたは酸窒化アルミニウムの少
なくとも１種から選択され、さらに、残りの前記硬質化
合物は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウ
ム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングス
テンまたはケイ素の炭化物、窒化物または酸化物および
これらの相互固溶体の少なくとも１種から選択されてい
ることを特徴とするセラミックス製弾性部材。
（２）前記複合セラミックス焼結体は、粒成長抑制剤を
０．１〜７体積％含有し、その成分が周期律表のIIａ、
IIIａ、VIII族元素または希土類元素の酸化物、窒化物
およびこれらの相互固溶体の少なくとも１種から選択さ
れていることを特徴とするセラミックス製弾性部材。