JPS6395160A - 耐摩耗性摺動部材 - 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、窒化珪素を主成分とするセラミック製の耐摩
耗性摺動部材に関する。

（従来の技術） 従来より、セラミック特に窒化珪素系のせラミックは高
温強度が高くかつ耐衝撃性が他のセラミックに比べて優
れているという特性を有していることから、例えば自動
車等車両のエンジン部品等のように耐摩耗性が要求され
る部品として実用に供されている。そして、このような
窒化珪素系のセラミックとして、例えば特開昭６０−１
３７８７３号公報にｆ７ｆＪ示されているように、酸化
物系焼結助剤として、柱状化促進作用を有する酸化イツ
トリウムと、該酸化イツトリウムとの共晶点が低い酸化
マグネシウムとを用い、酸化イツトリウムによる組織の
柱状化効果および共晶による融点低下の作用により、低
い温度で焼結したときでも強度の高い窒化珪素系セラミ
ックを得ることができるようにしたものが知られている
。

（発明が解決しようとする問題点） ところが、上記の従来のものでは、酸化物系焼結助剤と
して酸化イツトリウムおよび酸化ングネシウムを用いる
ことにより強度の改良はなされるものの、硬度に関して
は改良がなされていない。

このため、例えば自動車等車両のロータリーピストンエ
ンジンにおけるロータの頂部に装着されるアペックスシ
ールに適用する場合には、該アペックスシールは高圧燃
焼ガスにざらされるとともに、遊星回転運動に伴う各種
の拘束力を受けることから、これらの苛酷な条件に十分
に耐え得ない場合も考えられ、したがって、高温強度の
向−ヒに加えて特に耐摩耗性つまり硬度の向上したもの
が望まれる。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目
的とするところは、上述の如く窒化珪素に添加される酸
化物系焼結助剤として、酸化イツトリウムおよび酸化マ
グネシウムに加えて別の酸化物系焼結助剤を添加すると
ともに、これら各酸化物系焼結助剤の配合比を特定する
ことにより、これら各酸化物系焼結助剤同士および窒化
珪素との化学反応により物性を改質ばしめ、これにより
高温強度の向上に加えて特に耐摩耗性つまり硬度の向上
した摺動部材を得んとすることにある。

（問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するため、本発明の解決手段は、窒化
珪素と酸化物系焼結助剤との混合粉末を成形焼結してな
る耐摩耗性摺動部材の組成比を、酸化イツトリウム２〜
１４型口％、酸化マグネシウム１〜６重最％、酸化セリ
ウム４〜１４重量％。

残部が窒化珪素よりなるように設定する。この場合、上
記酸化イツトリウムと酸化マグネシウムとの和を３〜１
６重四％、かつ上記酸化セリウムが酸化イツトリウムと
酸化マグネシウムとの和の０゜４〜３．０倍になるよう
にそれぞれ設定する構成とする。

（作用） 上記の構成により、本発明では、窒化珪素と酸化物系焼
結助剤との混合粉末を成形焼結した際、上記酸化物系焼
結助剤としての酸化イツトリウムが窒化珪素粒子を柱状
化させ、この柱状化した窒化珪素粒子が複雑に絡み合う
ことによって焼結体の高温強度の向上が図られる。また
、別の酸化物系焼結助剤としての酸化マグネシウムが酸
化イツトリウムと共晶することにょ６上記窒化珪素の融
点を低下せしめ、これにより低い温度で焼結したときで
も強度の高い焼結体が得られる。ざらに、別の酸化物系
焼結助剤としての酸化セリウムが酸化イツトリウムと反
応して化合物を生成し、その一部が窒化珪素に固溶して
窒化珪素粒子間の結合が強固になって高温強度および硬
度つまり！舌動部材としての耐摩耗性の向上が図られる
。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

本発明の実施例に係る耐摩耗性摺動部材は、例えばロー
タリーピストンエンジンにおけるロータのアベックシー
ル等、高温強度特に耐摩耗性（高硬度）が要求される部
材であって、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ＊＞と各種の酸化物系
焼結助剤との混合粉末を成形焼結することにより得られ
るセラミック製のものである。

上記酸化物系焼結助剤としては、液化イツトリウム（Ｙ
２０３　）および酸化マグネシウム（ＭＣＩＯ）、そし
て、本発明の特徴として、酸化セリウム（ＣｅＯｚ　）
がそれぞれ用いられ、これら各酸化物系焼結助剤が上記
窒化珪素に対し所定の割合で調合される。具体的には、
酸化イツトリウム２〜１４重台％、酸化マグネシウム１
〜６但最％。

酸化セリウム４〜１４型組％、残部が窒化珪素よりなる
組成比に設定されている。また、上記酸化イツトリウム
と酸化マグネシウムとの和が３〜１６重母％型口つ上記
酸化セリウムが酸化イツトリウムと酸化マグネシウムと
の和の０．４〜３．０倍になるようにそれぞれ設定され
ている。

そして、上述の如き割合に設定された各該化物系焼結助
剤と窒化珪素とを用いて本実施例に係る耐摩耗性摺動部
材を成形焼結する要領を説明するに、まず、窒化珪素（
Ｓｉ３Ｎ＋＞粉末としてα化率９１％、平均粒径０．７
μ而のものを、酸化物系焼結助剤としての酸化イツトリ
ウム（Ｙ２０３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）および
酸化セリウム（ＣｅＯｚ　）として平均粒径０．４μｍ
のものをそれぞれ用意し、これらを表１のＮα１〜８に
示す如き組成比にてそれぞれ調合した。次に、窒化珪素
製ボールとナイロン樹脂製ポットを用いて上記調合粉末
５００ｇに対しエタノール５００戒を加えたものを振動
ミルにて２５時間混合粉砕した後、この混合粉砕により
１ｑられたスラリーを真空乾燥して乾燥粉末となし、こ
の乾燥粉末の粒度を約１００μ而に整えた。その後、ご
の乾燥粉末に対し静水圧プレス（ラバープレス）により
３゜５ｔｏｎ／ｃｄの圧力を加えて２０Ｘ３０Ｘ６０ｍ
の成形体を成形した。しかる後、この焼結体を窒素ガス
雰囲気中で表１に掲載する如＜１７００℃〜１８５０℃
の焼結温度の範囲内で３時間保つことにより焼結を行っ
た。

このようにして得られた焼結体を試験片としてスパン３
０ｍｍの４点曲げ試験（Ｊ　ｌＳ−１６０１＞を行って
得た曲げ強度、ビッカース硬度および密度の各データを
、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎａ）に対する上記３成分の酸化物
系焼結助剤のうち少なくとも１成分が上記組成比の範囲
を逸脱している比較例Ｎα９〜２０と共に下記表１に示
す。

以下、このデータに基づき上記各酸化物系焼結助剤の含
有量について考察する。

まず、酸化イツトリウム（Ｙ２０３　＞の含有量が２〜
１４重量％の範囲である本￥施例（１）〜（８）では、
密度１曲げ強度および硬度共に問題がなかったが、比較
例（１６）のように１６臣ａ％になると密度および曲げ
強度に若干の低下がみられた。このことは、酸化イツト
リウム（Ｙ２Ｏ２）の含有口が多くなり過ぎると、窒化
珪素（Ｓｉ３Ｎａ＞粒子を柱状化させて焼結体の強度向
上を図るという上記潴化イツトリウム（Ｙ２０３　）の
効果が逆に災いして、窒化珪素（Ｓ！３Ｎａ＞粒子の異
常粒成長を起こし、かえって強度低下の原因になるもの
と推量される。一方、酸化イツトリウム（Ｙｚ　０３　
）の含有口が少な過ぎると上記柱状化効果が余り期待で
きなくなる。したがって、上記順化イツトリウム（Ｙ２
０３　）の含有口は２〜１４瞳Ｈ％の範囲に設定するの
が好適である。

次に、潴化マグネシウム（ＭｇＯ）の含有量が６重辺％
である本実施例（２）では、密度および曲げ強度共に問
題がなかったが、比較例（１４）。

（１５）、（１７）、（１９）のように８＠但％以上で
は曲げ強度が低下した。このことは、酸化マグネシウム
（ＭｇＯ）の含有口が多くなり過ぎると、酸化マグネシ
ウム（ｌＶｔＱｏ）により粒界に形成されるガラス質が
増大して焼結体に良い影響を与えないからであると推量
される。一方、上記酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の含有
量が１透間％である本実施例（１）においては他の本実
施例と同様に密度および曲げ強度の低下はみられなかっ
た。したがって、上記酸化マグネシウム（ＭｑＯ）の含
有量は１〜６重量％の範囲に設定するのが好適である。

また、上記酸化イツトリウム（Ｙ２０３　）と酸化マグ
ネシウム（ＭｇＯ）との含有口の和については、１６重
量％に設定された本実施例（７）では密度および曲げ強
度共に低下がみられなかったが、上記用が２０重囲％に
設定された比較例（１６）、（１９）では密度および曲
げ強度が共に低下した。一方、酸化イツトリウム（Ｙ２
０３　）と酸化マグネシウム（ＭｑＯ）との含有量の和
が３重量％に設定された本実施例（１）では密度および
曲げ強度共に低下がみられなかったが、上記用が２重子
％に設定された比較例（１８）で□は密度および曲げ強
度が共に低下した。このことは、第１図および第２図に
示すように、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の含有ｍを２
重量％に設定した状態で酸化イツトリウム（Ｙ２０３　
＞の含有量を漸次増大していくと、酸化イツトリウム（
Ｙ２０３　）の含有量が８型口％前後になる相対密度お
よび曲げ強度が共に低下していることからも知ることが
できる。したがって、上記酸化イツトリウム（Ｙ２Ｏ２
）と酸化マグネシウム（Ｍｇｄ）との含有量の和は、３
〜１６重量％の範囲に設定するのが好適である。

ざらに、上記酸化イツトリウム（Ｙ２０３　）および酸
化マグネシウム（ＭｇＯ）に加えて酸化セリウム（Ｃｅ
Ｏｚ　＞を添加することが焼結体の曲げ強度および硬度
特性の改善に効果的であることは、第３図および第４図
に示されている如く明らかであり、また、表１に示すよ
うに酸化セ１人つム（Ｃｅ０２　）の含有量が多い方が
上記効果も増大することが判る。しかし、第５図および
第６図に示すように、酸化イツトリウム（Ｙ２０３　）
の含有量を４型組％に、酸化マグネシウム（ＭｑＯ）の
含有量を２重量％にそれぞれ設定した状態で酸化セリウ
ム（ＣｅＯｚ　）の含有量を漸次増大していくと、酸化
セリウム（ＣｅＯｚ　＞の含有量が１４但担％を越える
と焼結体の相対密度が低くなり、その結果曲げ強度が低
下する一方、４重子％をきると上記強度はそれほど低下
しないが硬度の低下が著しくなる。したがって、上記酸
化セリウム（ＣｅＯｚ　）の含有分は４〜１４重徂％の
範囲に設定するのが好適である。また、上記酸化セリウ
ム（ＣｅＯｚ　）に対する酸化イツトリウム（Ｙ２Ｏ２
）と酸化マグネシウム（ＭｇＯ）との和は、表１および
第３図〜第６図から明らかなように、Ｃｅ０ｚ　／（Ｙ
２０３　＋Ｍｇ０）＝０．４〜３゜０：１になるよう設
定することが望ましい。

このように酸化セリウム（ＣｅＯｚ）を添加することに
より上述の如き密度２曲げ強度および硬度の増大を図り
得るのは、５ｔ３Ｎ４−Ｙ２０３−ＭＣＪＯ系にＣｅ０
ｚを添加した場合、特に上記Ｃｅ０ｚがＹ２０３と化合
物を生成し、その一部がＳｉ３Ｎ＋に固溶することによ
り、Ｓ！ｘＮ４粒子間の結合を強固にすることに基づく
ものであるものと推量される。しかし、上述の如く酸化
セリウム（ＣｅＯｚ　）の添加量に制限があるのは、Ｃ
ｅ０ｚの添加量が多いと粒界に形成するＣｅＯ２化合物
が増大し、一部のＣｅ０ｚのセリウムの原子価が変わっ
て３酸化２セリウム（Ｃｅｚ　０３　）となることによ
る。つまり、この際、副生したシリカ（’Ｓ！Ｏｚ＞が
ざらに他の酸化物系焼結助剤と低融点化合物特にガラス
相を形成し、ざらに、これらの反応時にＳ！３Ｎｉの分
解を促し、そうした結果、焼結体の密度が低下して組織
の緻密化が行われず、曲げ強度および硬度共に向上しな
かったものと思われる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、窒化珪素と酸化
物系焼結助剤との混合粉末を成形焼結してなる耐摩耗性
摺動部材の組成比を、酸化イソトリ９６２〜１４重但％
、酸化マグネシウム１〜６＠ａ％、＠化セリウム４〜１
４重量％、残部がを化珪素よりなるように設定し、上記
酸化イツトリウムと酸化マグネシウムとの和が３〜１６
臆旦％、かつ上記酸化セリウムが酸化イツトリウムと酸
化マグネシウムとの和の０．４〜３．０倍になるように
それぞれ設定したので、窒化珪素と酸化物系焼結助剤と
の混合粉末を成形焼結した際、上記酸化物系焼結助剤と
しての酸化イツトリウムが窒化珪素粒子を柱状化させ、
この柱状化した窒化珪素粒子が複雑に絡み合うことによ
って焼結体の高温強度の向上を図ることができる。また
、酸化物系焼結助剤としての酸化マグネシウムが酸化イ
ツトリウムと共晶することにより上記窒化珪素の融魚を
低下せしめ、これにより低い温度で焼結したときでも強
度の高い焼結体を得ることができる。ざらに、酸化物系
焼結助剤としての酸化セリウムが酸化イツトリウムと反
応して化合物を形成し、その一部が窒化珪素に固溶して
窒化珪素粒子間の結合が強固になって高温強度および硬
度の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は酸化イツトリウムの添加…の変化
に伴う焼結体の相対密度および曲げ強度の変化をそれぞ
れ示すデータ、第３図は酸化セリウムの添加」の変化に
伴う焼結体のビッカース硬度の変化を示すデータ、第４
図は酸化物系焼結助剤のトータル添加量の変化に伴う焼
結体の曲げ強度の変化を示すデータ、第５図および第６
図は酸化セリウムの添加量の変化に伴う焼結体の相対密
度および曲げ強度の変化をそれぞれ示すデータである。 第２図 ○：１７５６Ｅ　スノＬ牽占 ０　　　　　　　　　　　５．０　　　　　　　　　　
１０．ＯＹ２０３３志卯量（豐１／ゆ） 第１図 Ｙ２０３５ｆｆ、７７０１檀１　’／−）第４図 大ヲ！ａ＃１ＰＩ）、−タ／１４　　（Ｉｎ！ｔ　°／
、）第３図 Ｃｅｏ２添加量Ｃ巾＠　’／ｅ　） 第５図 ＣｅＯ２法、〃ｌ］ｌ（皇１１゜） 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化珪素と酸化物系焼結助剤との混合粉末を成形
   焼結してなる耐摩耗性摺動部材であつて、酸化イットリ
   ウム２〜１４重量％、酸化マグネシウム１〜６重量％、
   酸化セリウム４〜１４重量％、残部が窒化珪素よりなり
   、上記酸化イットリウムと酸化マグネシウムとの和が３
   〜１６重量％、かつ上記酸化セリウムが酸化イットリウ
   ムと酸化マグネシウムとの和の０．４〜３．０倍になる
   ようにそれぞれ設定されていることを特徴とする耐摩耗
   性摺動部材。