JPS63265850A - 自己潤滑性セラミツクス複合材およびその製造法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は自己潤滑性セラミックス複合材およびその製造
法に係り、詳しくは分散相となる固体潤滑剤を造粒する
過程において、有機バインダと共に界面改善添加剤とし
て焼結助剤を添加することによって固体潤滑剤とマトリ
クス相の界面を強化した自己潤滑性セラミックス複合材
およびその製造法に関する。

［従来の技術］ 固体潤滑剤の用法としては、油やグリースなどに混入す
る場合、固体皮膜とする場合および複６材とする場合に
大別される。複合材とする場合はいわゆる自己潤滑性材
と呼ばれるもので、潤滑剤を使わずに低いＩ擦傷数が得
られるものである。

複合材としては、プラスチック・ベース、金属・ベース
およびセラミックス・ベースのものがあって、作成方法
としては混合粉末から作る方法と、あらかじめ空隙をも
ったマトリックス材にあとから潤滑物質を注入する方法
がある。

この自己潤滑性複合材のうち、プラスチック・ベースの
ものおよび金属・ベースのものについては古くからいろ
いろな種類のものが発表されているが、セラミックス・
ベースのものは適当な材料が見当たらなかった。しかし
、近年セラミックスマトリックス中に固体潤滑剤を分散
させた例として、５ｉ）Ｎ４−ＢＮ系、ＡｌｚＯ＊−グ
ラファイト系、５ｉＣ−グラファイト系など各種のもの
が報告されている。これらセラミックス・ベースの自己
潤滑性複合材は、高密度、高強度を実現するためホット
プレスを用いて焼結を行うため高価な装置を必要とし、
得られた複合材は期待した程摩擦係数が低くなく、複雑
な工程が必要であったり、寸法管理がむづかしかったり
で、製造面および物性面での欠点があった。さらに、こ
れら複合体の欠点として、成形時あるいは焼結時の高圧
により固体潤滑剤の破壊・膜面剥離、分散相の固体潤滑
剤の大きさおよび形状などの制御困難、複雑形状のもの
が製作できないなどの問題点があった。

そこで発明者等は、従来のセラミックス・ベース自己潤
滑性複合材の製造方法の欠点を解決すべく、昭和６１年
特許願第１５３６３０号において、任意の粒径に造粒さ
れた固体潤滑剤をマトリクスとなるセラミックス中に均
一分散し、常圧焼結法によって高密度で強度劣化の少な
い自己潤滑性セラミックス複合材の製造方法を提案した
。

しかしながら、前記提案では固体潤滑剤の微粉がマトリ
クス材へ取り込まれるのを防止し、マトリクス材の焼結
が阻害されることなく進行するので、相対密度および硬
度の優れた複合材を得ることが出来るものの、固体潤滑
剤とマトリクス材との境界層にはクラックあるいは空隙
が存在し界面が未だ充分に改善されておらず、固体潤滑
剤とマトリクス層との界面においてマトリクス層が脱落
したり、そのために分散相である固体潤滑剤の脱落が伴
うといった問題点があった。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は自己潤滑性セラミックス複合材の前記のごとき
問題点に鑑みてなされたものであって、固体潤滑剤とマ
トリクス材となるセラミックスとの境界面の親和力と整
合性を改善し、固体潤滑剤保持力を強化し、強度および
Ｉ２擦特性に優れた自己潤滑性セラミックス複合材およ
びその製造法を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明者等は自己潤滑性セラミックス複合材においてマ
トリクス材と固体潤滑剤との界面を改善するため鋭意研
究を重ねた。その結果、固体潤滑剤造粒時に、有機バイ
ンダと共に焼結助剤を同時に添加することによって、マ
トリクス材との境界層の親和性および整合性が改善され
ることを見出だし、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の自己潤滑性セラミックス複き材は、
分散相を形成する固体潤滑材の表面にマトリクス材を形
成するセラミックスを空隙を生じさせることなく密着せ
しめて界面を強化したことを要旨とする。

また、本発明の自己潤滑性セラミックス複合材の製造法
は、マトリクス材を形成するセラミックス粉末に焼結助
剤および結合剤を混合し造粒する一方、分散相を形成す
る固体潤滑剤粉末に結合剤と界面改善添加物として前記
セラミックス粉末に混合した焼結助剤とを混合し造粒す
る工程と、前記セラミックス造粒粉と前記固体潤滑剤造
粒前とを混合し圧縮成形して圧粉体を作る工程と、前記
圧粉体を焼結する工程とからなることを要旨とする。

［作用］ 本発明の自己潤滑性セラミックス複合材は分散相を形成
する固体潤滑剤とマトリクス材を形成するセラミックス
との境界層はクラックや空隙を生ずることなく緊密に密
着しているので、界面が強化されて高強度を発現すると
共に固体潤滑剤の脱落が生じない。

本発明において、目的とする自己潤滑性を有する複合材
のマトリクス材を形成するために用いられるセラミック
ス粉末は、マトリクス材として要求される特性に基づい
て公知の各種のセラミックス粉末の中から選択されるも
のであり、例えばＳｉ、Ｎ、、ＳｉＣなどの非酸化物、
Ａ　Ｉ　２０３、ＰｓＺ（部分安定化ジルコニア）など
の酸化物が使用されることとなる。一方、自己潤滑性を
有する複合材の分散相である潤滑性用を形成するために
用いられる固体潤滑剤粉末としては、公知の各種固体潤
滑剤粉末が適宜に選択され、例えばグラフアイＩ〜、Ｂ
　Ｎ　、Ｍ　ＯＳ　２、ＷＳ２などがある。

本発明方法においては７１−リクス相となるセラミック
ス粉末は焼結助剤およびバインダを混合した後造粒して
用いる。造粒はスプレー・ドライヤや粉砕などの常法に
従って造粒分級し所定の粒径とする。このようにセラミ
ックス粉を造粒することによって、後に分散相となる固
体潤滑剤と混合されたとき、個々のセラミックス粒子と
固体潤滑剤粉末との接触が断たれ、セラミックスの焼結
が阻害されることなく進行し、高密度に焼結したマトリ
クス化が得られる。

分散相となる固体潤滑剤粉末も所定の範囲の粒径に造粒
したものを用いる。造粒は固体潤滑剤粉末に結合剤およ
び界面改善用添加剤を配合し、混合媒体中において均一
に混合・分散し、スプレー・ドライヤや乾燥・粉砕によ
る造粒手法によって実施される。固体潤滑剤の結合とし
ては、一般セラミックス成形用バインダ、例えば各種熱
可塑性および熱硬化性樹脂やワックス類を使用する。他
方、界面改善添加剤としては、マトリクス化を形成する
セラミックスの焼結助剤群から使用する固体潤滑剤の種
類を加味して選択すればよい。

固体潤滑剤造粒粉は造粒時に添加されるバインダの結合
力によって、後にマトリクス化となるセラミックス造粒
粉と混合されたときに、固体潤滑剤微粉末がマトリクス
化となるセラミックスに取り込まれるのを防止し得るた
め、マトリクス化の焼結が阻害されない。また、造粒時
にマトリクス化との適合性を考慮して焼結助剤を添加す
るので、分散相とマトリクス化との親和力を高め、分散
相を形成する固体潤滑剤とマトリクス化を形成するセラ
ミックスとの境界にクラックや空隙の発生を防止し、分
散相である固体潤滑剤の保持力を強化すると共に、高密
度および高強度を実現することができる。

本発明をマトリクス化を形成するセラミックスとして５
ｉＣ１分散相を形成する固体潤滑剤としてグラファイト
を使用した系についてさらに詳しく説明する。

界面改善添加物としては、ＳｉＣ焼結助剤として最も一
般的なホウ素および炭素系を用いる。結合剤としては、
熱硬化性樹脂例えばフェノール、エポキシ樹脂等をグラ
ファイト粉末に対して５〜２５重量％の範囲で添加する
。この範囲に限定した理由は結合剤が５重量％以下にな
ると潤滑性を有するグラファイトは造粒されず、非常に
小さな外力によって一次粒子（原料グラファイト）にま
で細かくなり任意の造粒粉が得られないからである。

また、マトリクス形成粉との混合時に細かくなってしま
うなど不備な点が多い、逆に２５重量％以上の結合剤を
用いると、非常に硬い造粒粉となり、マトリクス形成粉
との混合粉末の成形に際して、変形による成形圧縮応力
を緩和する効果を失い、結果として成形体にクラックと
発生させてしまう。

界面改善添加物としては、この熱硬化性樹脂の熱分解に
よって得られる残留炭素と、別に添加されたホウ素化合
物（アモルファスホウ素、炭化ホウ素、ホウ化ジルコニ
ウム等）が全体として３〜２０容量％の範囲で添加する
。この範囲に限定したのは、３容量％以下では境界改善
効果が殆ど観察されず、２０容量％以上であると、潤滑
剤としてのグラファイトの効果が低下し、潤滑効果が期
待できなくなるからである。

このようにして調製されたグラファイト逍粒粉はマトリ
クス化となるＳｉＣ造粒粉に混合されて成形用粉体が調
整される。成形用粉体の成形は常法に従って行なわれ、
例えば金型成形法にて予備成形した後冷間静水圧成形法
によって本成形される。成形時の圧縮応力はマトリクス
化を介して分散相に働くが、分散相を形成するグラファ
イト逍粒粉はバインダの作用によって容易に変形するの
で、圧縮応力を緩和しマトリクス化を形成するＳｉＣの
クラック発生を防止する。成形体の焼結は、マトリクス
化に応じた焼結温度および雰囲気によって厳密に制御さ
れて行なわれる。

［実施例］ 本発明の実施例を５ｉＣ−グラファイト系について詳細
に説明し、本発明の効果を明らかにする。

マトリクス成形用粉として、β−８ｉＣ粉末（平均粒径
０．５μ＋ｎ）に対して、フェノール樹脂１０重量％（
残炭量として３重量％）およびＢ、Ｃ粉末０．４！！ｕ
旦％をエタノール中で湿式混合し、スプレードライヤに
て球形造粒したものを用いた。

一方、固体潤滑剤として、グラファイト粉〈平均粒径５
〜８μ翔）に対し、結合剤および界面改善添加物として
フェノール樹脂１０ｆｆｉ景％（残炭量として５容量％
）と、Ｂ４Ｃ粉末０．４容量％を混合し、添加された炭
素量を全体で５．４容量％とし、エタノール中で湿式混
合を行い、撹拌乾燥の後、適度に■粉砕したものを、５
０〜１００　ｋｇ／ｃ１ｍ２の圧力で加圧処理しその後
粉砕した。粉砕粉は角張った形状を有するので、これを
転勤造粒により球状化し、フェノール硬化温度で熱処理
し分散用造粒粉（Ａ造粒粉）とした。

次に比較のために、グラファイト扮に残炭量の無いＰＶ
Ａのみな添加した造粒粉（Ｂ造粒粉）、およびフェノー
ル２．５容量％とＢ、Ｃ０，２容量％を添加した造粒粉
（Ｃ造粒粉）を調製しな。

これらＡ、ＢおよびＣの分散用造粒粉（粒度６０〜１２
０メツシユ）１０容量％とマトリクス用のＳｉＣ造粒粉
９０容量％を湿式混合し、０．２５ｔｏｎ／ａｍ２で予
備成形１ｋ　２　ｔｏｎ／　ｃｍ”で本成形した。

これら成形体は、Ａｒ雰囲気中２１８０℃で４５分間焼
結し焼結体を得た。各試料について測定に必要な加工を
施した後、分散相の固体潤滑剤とマトリクス用のＳｉＣ
との境界の状態を走査顕微鏡で観察すると共に、抗折テ
ストピースを作成し、３点曲げ試験による抗折試験を行
った。分散相とマトリクス用の境界状態を表す３０倍の
顕微鏡写真を第１図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に、１０００倍
の顕微鏡写真を第２図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示す、また
、第３図には曲げ強度と炭素＋Ｂ＋Ｃの合計量との関係
を示した。

第１図の３０倍の顕微鏡写真ではＡ、ＢおよびＣ造粒粉
による差異は判別できないが、第２図の１０００倍でＳ
ＥＭ観察しな顕微鏡写真では、Ｂ造粒粉を使用した焼結
体の第２図（Ｂ）では殆どの所でＳｉＣ相とグラファイ
ト相の間に空隙が存在しており、Ｃ造粒粉を使用した焼
結体の第２図（Ｃ）では一部に空隙が観察された。これ
に対してＡ造粒粉を使用した第２図（Ａ＞では、ＳｉＣ
相とグラファイト相との境界層に空隙が全く観察されず
、分散相であるグラファイト相とマトリクス用であるＳ
ｉＣ相が緊密に密着し界面が強化されていることが確；
２できた。

また、抗折強度と炭素量Ｂ、Ｃの会計量との関係を示し
た第３図から明らかなように、Ａ造粒粉を使用した焼結
体が他の２つの比較例より優れた強度を示した。また、
炭素量Ｂ、Ｃの合計量が３容量％以下では強度の改善が
不十分であることが確認された。

次に、炭素量Ｂ４Ｃの添加量と摩擦係数の関係を調べる
ため、第１表に示す５種の固体潤滑剤造粒粉（粒径６０
〜１２０メツシユ）を選定し、ＳｉＣ造粒１５１に対し
２０容量％混合し、成形・焼結したものを、大月式摩擦
試験機によって、相手材をクロミア系溶射材にて行った
。得られた結果は、炭素量８４Ｃの合計量と摩擦係数の
関係として第４図に示した。

（以下余白） 第４図から明らかなように炭素＋Ｂ、Ｃの合計量が１０
容量％前後で摩擦係数は最低を示し、添加量の増加と共
に漸次中擦係数は上昇するが、炭素とＢ４Ｃの合計量が
２０容量％以上になると複き材としての摩擦係数は劣化
してしまうことが確認された。

［発明の効果コ 本発明の自己潤滑性セラミックス複き剤は、以上詳述し
たように、分散相を形成する固体潤滑材の表面にマトリ
クス相を形成するセラミックスを空隙を生じさせること
なく密着せしめて界面を強化したものであって、固体潤
滑剤の脱落が無く、高密度および高強度を実現し摩擦特
性においても優れているので、摺動部材として極めて有
用である。

また、本発明の自己潤滑性セラミックス複合材の製造方
法は、マトリクス相を形成するセラミックスの造粒粉と
混合する固体潤滑剤を造粒するにあたって、結合剤と共
にマトリクス相との境界改善のための添加物として、マ
トリクスを焼結する焼結助剤を添加するものであって、
分散相とマトリクス相との整合性を良くしかつ親和力を
高めるので、分散相を形成する固体潤滑剤とマトリクス
相を形成するセラミックスとの境界にクラック（空隙の
発生を防止し、分散相である固体潤滑剤に保持力を強化
すると共に、高密度および高強度を実現した自己潤滑性
セラミ・ツクス複合材を製造づることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ　＞（Ｂ　ＨＣ）は分散相とマトリクス相グ
境界状想を表す３０倍の顕徽鎖写真、第２図（Ａｔ（Ｂ
）（Ｃ）は分散相とマトリクス相の境界状態をｌす１０
００倍の顕ｖ＆鏡写真、第３図は自己潤滑子セラミック
ス複合材の曲げ強度と固体潤滑性造ｔ′１粉に添加した
炭素＋Ｂ＋Ｃの合計量との関係を示した図、第４図は自
己潤滑性セラミックス複合本に添加した炭素＋Ｂ、Ｃの
合計量と１！ＩＩ擦係数の関係を示した図である。 禎３図 炭素＋８４Ｃで量６１．） 炭素−８４Ｃ（容量０１．） 手続補正書く方式〉 昭和６２年　７月−９日 特許庁長官　黒　１）明　雄　殿　　　　　　　　　　
ζ三二１、事件の表示 昭和６２年　特　許　願　第０９６９５５号２、発明の
名称 自己潤滑性セラミックス複合材およびその製造法３、補
正をする者 事件との関係　　　特許出願人 住　所　　名古屋市瑞穂区堀田通９丁目３５イ地氏　名
（名称＞（５２Ｂ）ブラザー工業株式会社代表者　取締
役社長　河　鴫　勝　二 ４、代理人〒４６４ 住　所　　名古屋市千種区鏡池通２丁目５番地昭和６２
年　６月　３日（発送日昭和６２年　６月３０日）６、
補正の対象 明細書の「図面の簡単な説明」の欄。 方式■

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）分散相を形成する固体潤滑材の表面にマトリクス
   相を形成するセラミックスを空隙を生じさせることなく
   密着せしめて界面を強化したことを特徴とする自己潤滑
   性セラミックス複合材。
2. （２）マトリクス相を形成するセラミックス粉末に焼結
   助剤および結合剤を混合し造粒する一方、分散相を形成
   する固体潤滑剤粉末に結合剤と界面改善添加物として前
   記セラミックス粉末に混合した焼結助剤とを混合し造粒
   する工程と、前記セラミックス造粒粉と前記固体潤滑剤
   造粒粉とを混合し圧縮成形して圧粉体を作る工程と、前
   記圧粉体を焼結する工程とからなることを特徴とする自
   己潤滑性セラミックス複合材の製造法。