JP4034832B2 - B4C-TiB2-graphite composite ceramics Bearing material - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、Ｂ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミックス軸受材料に係り、特に、Ｂ_４Ｃ−ＴｉＢ_２系複合セラミックスに固定潤滑剤であるグラファイトを添加することにより優れた摺動特性を有するＢ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミックス軸受材料に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
一般に、セラミックスは金属に比べ比重が小さく、高硬度、高耐熱性、高耐食性等の優れた長所を持つことから、輻広い条件下で用いることのできる摺動材料として注目されている。摺動材料として使用されるためには、優れた摩擦摩耗特性を持つことが基本条件である。そして、この摩擦摩耗特性を向上させることにより摩擦摩耗が軽減できれば省エネルギや機械寿命の延命等のメリットを生み出すこととなる。
【０００３】
現在、摺動材料として実用化されている代表的なセラミックスとして、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ、サイアロンなどがある。Ｓｉ_３Ｎ_４はセラミック軸受として使用されているが、高温になると摩擦係数が増加してしまうという問題があり、またＳｉＣは空気軸受として使用されているが、停止の際に摩擦係数が大きくなる等の問題を有している。
【０００４】
これに対し、Ｂ_４Ｃ−ＴｉＢ_２系複合セラミックス（以下、ＢＴＣと略す）は、これらのものと比較して機械的性質や摺動特性が優れており、セラミックス軸受としての応用が期待されている材料である。
【０００５】
本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、前記ＢＴＣの摺動特性をさらに改善するために固体潤滑剤であるグラファイトを添加し、自己潤滑機能を有するＢ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミックス軸受材料を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明の請求項１に記載のＢ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミックス軸受材料は、Ｂ_４Ｃと、ＴｉＢ_２と、グラファイトとからなり室温から１５０℃の範囲の低温環境向けのＢ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミックス軸受材料であって、前記Ｂ_４ＣとＴｉＢ_２との割合は、ＴｉＢ_２が約３０〜７０重量％で残部がＢ_４Ｃであり、前記グラファイトが約３〜１０ｖｏｌ％、残部がＢ_４ＣとＴｉＢ_２とからなることを特徴とする。
【０００９】
【作用】
前述した構成からなる本発明によれば、Ｂ_４Ｃと、ＴｉＢ_２と、グラファイトとからなり室温から１５０℃の範囲の低温環境向けのＢ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミックス軸受材料であって、前記Ｂ_４ＣとＴｉＢ_２との割合は、ＴｉＢ_２が約３０〜７０重量％で残部がＢ_４Ｃであり、前記グラファイトが約３〜１０ｖｏｌ％、残部がＢ_４ＣとＴｉＢ_２とからなる焼結体を得ることができるため、従来のＢ_４Ｃ−ＴｉＢ_２系複合セラミックスの優れた摺動特性に加えて、グラファイトの固体潤滑剤としての機能が発揮されるため、自己潤滑機能を有するきわめて摺動特性に優れた低温環境向けの軸受材料を得ることができる。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明を図面に示す実施例により説明する。
【００１１】
本発明者らは、ＢＴＣの摺動特性をさらに改善するために鋭意研究を重ねた結果、固体潤滑剤であるグラファイトを添加することにより、自己潤滑機能を有し摺動特性が一層優れた本発明のＢ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミックス軸受材料を発明するに至った。
【００１２】
１）本発明の軸受材料の製造方法
本発明のＢ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミックス軸受材料は、まず、粒子径が約０．７μｍのＢ_４Ｃ粉末と粒子径が約６μｍのＴｉＢ_２粉末とをそれぞれ所望の割合で湿式混合方法により混合し、その後、これを乾燥させたものに、粒子径が約２０μｍのグラファイト粉末を所定量添加して乾式混合方法により試料粉末を作製する。そして、この試料粉末をホットプレスにより加圧焼結する。このときの焼結条件は加圧力６０ＭＰａ、焼結温度１９００℃、焼結時間１ｈｒ、焼結雰囲気を真空度１×１０^−１Ｐａ以上とした。
【００１３】
前記したＢ_４Ｃ粉末とＴｉＢ_２粉末との混合割合は、ＴｉＢ_２が約３０〜７０重量％で残部がＢ_４Ｃとされた。また、前記したＢ_４Ｃ粉末とＴｉＢ_２粉末との混合物に対するグラファイト粉末の割合は、グラファイトが約３〜１０ｖｏｌ％で、残部がＢ_４Ｃ粉末とＴｉＢ_２粉末との混合物とされた。
【００１４】
２）試験材料および試験方法
このような条件の下で得られた焼結体を、図１（ａ）に示すような１２．７×１２．７×４．７ｍｍのチップと、同図（ｂ）に示すような５０×１０×５ｍｍのプレートとに作製し、同図（ｃ）に示すようにして同じ材質同士または相手材をＳ５５Ｃとした場合について、摩擦係数の摩擦距離依存性および温度依存性を測定し、さらに比摩耗量を測定した。
【００１５】
この摩擦係数および比摩耗量の測定には図２に示す往復スライダ型摩擦摩耗試験機を使用し、試験条件は、最大摩擦速度１．１４ｍ／ｍｉｎ、温度２５〜８００℃、湿度４０〜５０％とした。そして、摩擦係数の摩擦距離依存性の測定は垂直荷重４．７Ｎおよび４７Ｎの場合について行い、摩擦係数の温度依存性の測定は垂直荷重４．７Ｎの一定荷重で行った。また、比摩耗量は４７Ｎの垂直荷重下で１００ｍ摺動させた後、プレートに対するチップの接触面の体積変化を測定して求めた。
【００１６】
３）試験を行うためのＢＴＣの基本組成の決定
まず、本発明者らは、ＢＴＣセラミックスにグラファイトを添加することにより、その摺動特性が如何に向上し、あるいは変化するかを判断するために、最も全体像を把握するのに好都合なＢＴＣの組成を定めることとした。
【００１７】
すなわち、前記ＢＴＣの組成をＢ_４Ｃ−３０ｗｔ％ＴｉＢ_２（以下、ＢＴＣ＃３と略す）、Ｂ_４Ｃ−５０ｗｔ％ＴｉＢ_２（以下、ＢＴＣ＃５と略す）およびＢ_４Ｃ−７０ｗｔ％ＴｉＢ_２（以下、ＢＴＣ＃７と略す）と変化させて試験材料を作製し、さらに比較試料としてＢ_４Ｃ単独およびＴｉＢ_２単独の試験材料も作製した。そして、これらについて機械的特性および摺動特性を測定し、それぞれを比較して最も平均的で全体的な傾向を把握し易いＢＴＣの組成を基本組成として定めた。
【００１８】
この結果、図３の温度変化に対する摩擦係数の関係において示されるように、ＢＴＣ＃５の摩擦係数が０℃から８００℃の全域で他の組成のＢＴＣ＃３およびＢＴＣ＃７に比較してほぼ平均的な摩擦係数を示している。また、機械的性質に関してもヤング率についてはＢＴＣ＃３が約４５４ＧＰａ、ＢＴＣ＃５が４９４ＧＰａ、ＢＴＣ＃７が４９８ＧＰａであり、さらに、マイクロビッカース硬度については、ＢＴＣ＃３が３８．６〜４５．２ＧＰａ、ＢＴＣ＃５が２８．０〜３２．９ＧＰａ、ＢＴＣ＃７が２５．１〜３２．９ＧＰａとなっており、他のＢＴＣ＃３およびＢＴＣ＃７と比較して平均的な数値を示している。そこで、ＢＴＣ＃５にグラファイトを添加した試料についての測定結果が得られれば、これから他の組成のＢＴＣ＃３およびＢＴＣ＃７についての測定結果も類推できると考えられることからＢＴＣ＃５を基本組成と定めた。
【００１９】
そこで、まず、このＢＴＣ＃５について従来のセラミックスと比較するために予備実験を行った。この結果を図４および図５に示す。図４はＳｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣおよびＢＴＣ＃５についての摩擦距離に対する摩擦係数を示しており、また、図５は同様のセラミックスについての摩擦温度に対する比摩耗量を示している。
【００２０】
図４からわかるように、摩擦距離に対する各セラミックスの摩擦係数はＳｉ_３Ｎ_４およびＡｌ_２Ｏ_３が０．５、ＳｉＣが０．３であるのに対し、ＢＴＣ＃５は０．１と最も小さい値を示した。
【００２１】
また、図５からわかるように、摩擦温度に対する各セラミックスの比摩耗量はＳｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３およびＳｉＣの比摩耗量が１０^−３〜１０^−４ｍｍ^３／Ｎ・ｍの範囲で上下するのに対し、ＢＴＣ＃５は温度上昇にしたがって比摩耗量は低下し、６００℃のときには比摩耗量は１．１×１０^−８ｍｍ^３／Ｎ・ｍと最も小さい値を示した。
【００２２】
これにより、ＢＴＣ＃５は従来のセラミックスと比較して摩擦係数および非摩耗量が小さく、摩擦摩耗特性が非常にに優れていることがわかる。
【００２３】
４）本願発明の実施例等の機械的特性
本発明は、前記したような優れた性質を有するＢＴＣ＃５にグラファイトを添加したものであり、本発明の具体的な実施例として、ＢＴＣ＃５に対してグラファイトを添加したセラミックス軸受材料の機械的特性（密度、焼結体の相対密度、ロックウエル硬度、曲げ強さ、ヤング率、剪断弾性係数、ポアッソン比および体積弾性係数）を下表に示す。
【００２４】
各実施例は、ＢＴＣ＃５（Ｂ_４Ｃ−３６ｖｏｌ％ＴｉＢ_２）に対して、ＢＴＣ＃５−３ｖｏｌ％グラファイト、ＢＴＣ＃５−５ｖｏｌ％グラファイトおよびＢＴＣ＃５−１０ｖｏｌ％グラファイト（以下、ＢＴＣ＃５−３ｖｏｌ％Ｇｒ、−５ｖｏｌ％Ｇｒおよび−１０ｖｏｌ％Ｇｒと略す）の割合となるようにグラファイトを添加したものである。表中には比較材としてＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａ_２ｌＯ_３についての値も示してある。
【００２５】

この表からわかるように、本発明の各実施例の焼結体の相対密度はＢＴＣ＃５と同等以上であり、グラファイトを添加しても焼結性の低下は認められず、軸受材料として焼結する場合の形態保持性にも優れたものである。
【００２６】
５）本願発明の軸受材料の組織
図６は試験材料の表面の光学顕微鏡写真による組織図であり、同図（ａ）はＢＴＣ＃５の試験材料であり、同図（ｂ）はＢＴＣ＃５−１０ｖｏｌ％Ｇｒの試験材料である。図６において、白部分はＴｉＢ_２であり、灰色部分はＢ_４Ｃであり、黒色部分はグラファイトである。この図（ｂ）よりグラファイトがＢ_４ＣおよびＴｉＢ_２に対して均一に分散されていることがわかる。このように分散性がよいので、軸受の形状を自由に設計することができ、その許容度が大ききものである。
【００２７】
６）摩擦係数の温度依存性
図７および図８に垂直荷重を４．７Ｎ、最大摺動速度を１．１４ｍ／分、加熱速度６００℃／時とし、室温から８００℃までの摩擦係数の温度依存性試験の結果を示す。
【００２８】
図７は同じ材質のセラミックス同士を摺動させた場合の結果を示しており、図８はＳ５５Ｃを相手材として摺動させた場合の結果を示している。
【００２９】
図７からわかるように、同じ材質同士を摺動させた場合のＢＴＣ＃５−１０ｖｏｌ％Ｇｒの摩擦係数は、室温から１５０℃くらいの範囲において０．２５以下であり、ＢＴＣ＃５の０．４５に比較しても大きく改善されている。
【００３０】
また、図８からわかるように、Ｓ５５Ｃを相手材として摺動させた場合のＢＴＣ＃５−１０ｖｏｌ％Ｇｒの摩擦係数は、室温から１５０℃くらいの範囲において０．０４と極めて小さく、ＢＴＣ＃５の０．１５に比較しても大きく改善されている。
【００３１】
このように摩擦係数が非常に小さいことから、軸受材料としての利用範囲が拡大されることとなる。
【００３２】
７）摩擦係数の摩擦距離依存性
ａ）図９および図１０に垂直荷重を４．７Ｎ、最大摺動速度を１．１４ｍ／分、温度条件を室温とした場合における、摩擦距離に対する摩擦係数の関係を示す。
【００３３】
図９は同じ材質のセラミックス同士を摺動させた場合の結果を示しており、図１０はＳ５５Ｃを相手材として摺動させた場合の結果を示している。
【００３４】
図９からわかるように、同じ材質同士を摺動させた場合のＢＴＣ＃５−１０ｖｏｌ％Ｇｒの摩擦係数は約０．１８の一定値を示し、従来のセラミックスであるＳｉＣの摩擦係数が摩擦距離の増加に伴い大きくなって０．５を示し、Ｓｉ_３Ｎ_４の摩擦係数が約０．３という値であるのに対して小さく安定した傾向を示している。また、ＢＴＣ＃５−５ｖｏｌ％Ｇｒの摩擦係数は約０．３を示し、Ｓｉ_３Ｎ_４の摩擦係数よりもわずかに大きいが、ＳｉＣにくらべるとかなり小さい値を示し、前記ＢＴＣ＃５−１０ｖｏｌ％Ｇｒと同様に安定した傾向を示した。
【００３５】
また、図１０からわかるように、Ｓ５５Ｃを相手材として摺動させた場合のＢＴＣ＃５−１０ｖｏｌ％Ｇｒの摩擦係数は、約０．０４と極めて小さな値を示した。これはセラミックス中で最も小さな摩擦係数であり、ＳｉＣの摩擦係数の約１／１０の値に相当し、ＢＴＣ＃５の摩擦係数よりもさらに小さな値である。
【００３６】
ｂ）図１１および図１２に垂直荷重を４７Ｎ、最大摺動速度を１．１４ｍ／分、温度条件を室温とし、同じ材質のセラミックス同士を摺動させた場合における摩擦距離に対する摩擦係数の関係を示す。
【００３７】
この図１１よりＢＴＣ＃５−１０ｖｏｌ％Ｇｒの摩擦係数は、１０〜１００ｍの範囲でほぼ０．３の一定値を示しており、図１２に示すＳｉＣの摩擦係数が全く不安定であるのに対し安定した傾向を示し、また、Ｓｉ_３Ｎ_４の摩擦係数が約０．４であったのに比較してもより小さな値を示した。
【００３８】
一方、図１１に示したＢＴＣ＃５−５ｖｏｌ％Ｇｒの摩擦距離に対する摩擦係数は０．４〜０．４８を示し、ＢＴＣ＃５やＢＴＣ＃５−１０ｖｏｌ％Ｇｒよりも大きな値を示したものの、１０〜１００ｍの広い範囲にもかかわらずほぼ一定の値を示し、図１２に示した不安定な傾向を示すＳｉＣの摩擦係数よりも安定した傾向を示した。
【００３９】
８）比摩耗量
図１３に室温で摺動させた場合の比摩耗量を示す。
【００４０】
ＢＴＣ＃５−１０ｖｏｌ％Ｇｒの比摩耗量は、同じ材質同士を摺動させた場合には、２０３×１０^−８ｍｍ^３／Ｎ・ｍとなりＳｉ_３Ｎ_４の比摩耗量よりも大きい値を示したが、Ｓ５５Ｃを相手材として摺動させた場合には、７８．４×１０^−８ｍｍ^３／Ｎ・ｍの値を示しており、ＳｉＣおよびＳｉ^３Ｎ^４のいずれの比摩耗量よりも小さい値を示した。
【００４１】
さらに、ＢＴＣ＃５−５ｖｏｌ％Ｇｒの比摩耗量は、同じ材質同士を摺動させた場合には、１２６×１０^−８ｍｍ^３／Ｎ・ｍとなりＳｉ_３Ｎ_４の比摩耗量よりも大きい値となったが、Ｓ５５Ｃを相手材として摺動させた場合には、４６．４×１０^−８ｍｍ^３／Ｎ・ｍの値を示し、ＳｉＣおよびＳｉ_３Ｎ_４のいずれの比摩耗量よりも小さい値を示した。
【００４２】
これらの各実施例の試験結果より、本発明の軸受材料は、摩擦係数が従来のセラミックスよりも小さい値を示し、相手材をＳ５５Ｃとした場合の比摩耗量がＳｉ_３Ｎ_４およびＳｉＣよりも小さな値を示し摺動特性が向上したのは、摩擦摩耗面に形成されるＢ_２Ｏ_３膜による潤滑効果が発揮されるとともに、さらに添加したグラファイトの固体潤滑剤としての機能が加わり相乗的な効果を発揮しているためであると考えられる。
【００４３】
さらに、前記各実施例によれば、ＢＴＣ＃５にグラファイトを添加しても焼結性の低下は認められず、グラファイトを１０ｖｏｌ％添加した焼結体であってもその相対密度は９９．６％を維持できる。
【００４４】
また、Ｓ５５Ｃを相手材として摺動させた場合に、垂直荷重４．７Ｎ、室温の条件下でのＢＴＣ＃５の摩擦係数は０．１１であるのに対し、ＢＴＣ＃５−１０ｖｏｌ％Ｇｒの摩擦係数は０．０４ときわめて小さい値を示した。
【００４５】
さらに、室温から８００℃までの摩擦係数の温度依存性試験において、ＢＴＣ＃５にグラファイトを添加したＢ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミックスの摩擦係数は、室温から１５０℃の範囲で改善することができる。また、ＢＴＣ＃５の摩擦係数は０．１５であるのに対し、ＢＴＣ＃５−１０ｖｏｌ％Ｇｒの摩擦係数は、０．０４ときわめて小さい値を示した。
【００４６】
一方、垂直荷重４７Ｎ、摩擦距離１００ｍ、室温の条件下で摺動させた後の比摩耗量は、グラファイトの添加量とともに増加するが、グラファイトを１０ｖｏｌ％添加したＢＴＣの比摩耗量は７．８４×１０^−７ｍｍ^３／Ｎ・ｍであり、Ｓｉ_３Ｎ_４およびＳｉＣのいずれの比摩耗量よりも小さい値となる。
【００４７】
以上より、ＢＴＣ＃５にグラファイトを添加したＢ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミックスは、相手材をＳ５５Ｃとして摺動させた場合に優れた摺動特性を発揮することから、自己潤滑機能を有するセラミック軸受として応用が期待できる材料である。
【００４８】
なお、本発明は前記各実施例に限定されるものではなく、必要に応じて変更することができる。
【００４９】
たとえば、本実施例のＢ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミックスはＢＴＣの組成をＢ_４Ｃ−５０重量％ＴｉＢ_２とするＢＴＣ＃５に固定したが、この組成に限られるものではなくＢ_４Ｃ−３０重量％ＴｉＢ_２あるいはＢ_４Ｃ−７０重量％ＴｉＢ_２などの組成に変更してもよい。
【００５０】
また、グラファイトの添加量についても３、５および１０ｖｏｌ％としているが、これらの割合に限定されるものではなく、添加量を増加あるいは減少させてもよい。
【００５１】
さらに、前記Ｂ_４ＣやＴｉＢ_２およびグラファイトの粉末についても、粒子径を変更したりグラファイト粉末として酸化物やほう化物でコーティングした粉末を使用してもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のＢ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミックス軸受材料によれば、ＢＴＣにグラファイトを添加しても焼結性が低下してしまうことはない。
【００５３】
また、相手材をＳ５５Ｃとして摺動させた場合に優れた摺動特性を発揮し、特に、ＢＴＣ＃５に１０ｖｏｌ％のグラファイトを添加したＢＴＣ＃５−１０ｖｏｌ％Ｇｒの摩擦係数は、０．０４ときわめて小さい値を得ることができる。
【００５４】
さらに、Ｓ５５Ｃを相手材として摺動させた場合に、Ｂ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミックスはＳｉ_３Ｎ_４およびＳｉＣのいずれよりも小さな比摩耗量の値を得ることができる。
【００５５】
したがって、ＢＴＣにグラファイトを添加したＢ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミックスは、自己潤滑機能を有する低温環境向けのセラミック軸受として応用が期待できる材料である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）から（ｃ）は、本発明に係るＢ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミックス軸受材料の摩擦係数および比摩耗量の測定に用いた試験材料の形状寸法を示す図
【図２】本発明に係るＢ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミックス軸受材料の摩擦係数および比摩耗量測定に用いた往復スライダ型摩擦摩耗試験機を示す図
【図３】Ｂ_４Ｃ−ＴｉＢ_２系複合セラミックスの同じ材質同士で摺動させた場合における温度に対する摩擦係数の関係を示す線図
【図４】Ｂ_４Ｃ−５０ｗｔ％ＴｉＢ_２および従来のセラミックスの相手材を炭素鋼として摺動させた場合における摩擦距離に対する摩擦係数の関係を示す線図
【図５】Ｂ_４Ｃ−５０ｗｔ％ＴｉＢ_２および従来のセラミックスの相手材を同じ材質同士として摺動させた場合における温度に対する比摩耗量の関係を示す線図
【図６】（ａ）はＢＴＣ＃５、（ｂ）はＢＴＣ＃５−１０ｖｏｌ％Ｇｒの試験材料の表面の光学顕微鏡写真による金属組織図
【図７】ＢＴＣ＃５およびＢＴＣ＃５−１０ｖｏｌ％Ｇｒの同じ材質同士で摺動させた場合における温度に対する摩擦係数の関係を示す線図
【図８】ＢＴＣ＃５およびＢＴＣ＃５−１０ｖｏｌ％Ｇｒの相手材をＳ５５Ｃとして摺動させた場合における温度に対する摩擦係数の関係を示す線図
【図９】本発明に係るＢ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミックス軸受材料の同じ材質同士を摺動させた場合における摩擦距離に対する摩擦係数の関係を示す線図（垂直荷重４．７Ｎ）
【図１０】本発明に係るＢ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミックス軸受材料の相手材をＳ５５Ｃとして摺動させた場合における摩擦距離に対する摩擦係数の関係を示す線図（垂直荷重４．７Ｎ）
【図１１】本発明に係るＢ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミックス軸受材料の同じ材質同士を摺動させた場合における摩擦距離に対する摩擦係数の関係を示す線図（垂直荷重４７Ｎ）
【図１２】従来のセラミックスの同じ材質同士を摺動させた場合における摩擦距離に対する摩擦係数の関係を示す線図（垂直荷重４７Ｎ）
【図１３】本発明に係るＢ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミック軸受材料の同じ材質同士および相手材をＳ５５Ｃとして摺動させた場合における比摩耗量を示す線図[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a B ₄ C—TiB ₂ -graphite composite ceramic bearing material, and in particular, has excellent sliding characteristics by adding graphite as a fixed lubricant to the B ₄ C—TiB ₂ composite ceramics. The present invention relates to a B ₄ C—TiB ₂ —graphite composite ceramic bearing material.
[0002]
[Background Art and Problems to be Solved by the Invention]
In general, ceramics are attracting attention as sliding materials that can be used under a wide range of conditions because they have a smaller specific gravity than metals and have excellent advantages such as high hardness, high heat resistance, and high corrosion resistance. In order to be used as a sliding material, it is a basic condition to have excellent friction and wear characteristics. If the friction and wear characteristics can be reduced by improving the friction and wear characteristics, merits such as energy saving and a longer life of the machine can be produced.
[0003]
At present, typical ceramics that are put into practical use as a sliding material include Si ₃ N ₄ , SiC, and sialon. Si ₃ N ₄ is used as a ceramic bearing, but there is a problem that the coefficient of friction increases at high temperatures, and SiC is used as an air bearing, but the coefficient of friction increases when stopping. Have problems such as.
[0004]
On the other hand, B ₄ C—TiB ₂ composite ceramics (hereinafter abbreviated as BTC) are superior in mechanical properties and sliding characteristics compared to these, and are expected to be applied as ceramic bearings. Material.
[0005]
The present invention has been made in view of these points, and in order to further improve the sliding characteristics of the BTC, graphite as a solid lubricant is added, and B ₄ C—TiB ₂ -graphite having a self-lubricating function. An object of the present invention is to provide a composite ceramic bearing material.
[0006]
[ Means for Solving the Problems ]
To achieve the above object, _B 4 C-TiB ₂ according to claim 1 of the present invention - graphite-based composite ceramic bearing material, and _{B 4} C, and TiB _2, from room Ri Do from graphite 150 ℃ range of a low-temperature environment for a _B 4 C-TiB ₂ - a graphite-based composite ceramic bearing material, the ratio of the _{B 4} C and TiB _2, it balance with TiB ₂ is about 30 to 70 wt% B ₄ C, wherein the graphite is about 3 to 10 vol%, and the balance is B ₄ C and TiB ₂ .
[0009]
[Action]
According to the present invention having the structure described above, and _{B 4} C, and TiB _2, the low-temperature environments in the range of 0.99 ° C. from room Ri Do from the graphite _B 4 C-TiB ₂ - a graphite-based composite ceramic bearing material The ratio of B ₄ C and TiB ₂ is about 30 to 70% by weight of TiB ₂ and the balance is B ₄ C, the graphite is about 3 to 10 vol%, and the balance is B ₄ C and TiB _2. In addition to the excellent sliding characteristics of the conventional B ₄ C—TiB ₂ composite ceramics, the function of graphite as a solid lubricant is exhibited, so that self-lubrication is possible. It is possible to obtain a bearing material for a low temperature environment having a function and extremely excellent sliding characteristics.
[0010]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described with reference to embodiments shown in the drawings.
[0011]
As a result of intensive studies to further improve the sliding characteristics of BTC, the present inventors have added a solid lubricant, graphite, which has a self-lubricating function and has excellent sliding characteristics. the invention _B 4 C-TiB ₂ - has led to the invention the graphite-based composite ceramic bearing material.
[0012]
1) Manufacturing method of bearing material of the present invention The B ₄ C-TiB ₂ -graphite composite ceramic bearing material of the present invention is composed of B ₄ C powder having a particle size of about 0.7 μm and TiB having a particle size of about 6 μm. _Two powders are mixed at a desired ratio by a wet mixing method, and then a predetermined amount of graphite powder having a particle size of about 20 μm is added to the dried powder to prepare a sample powder by a dry mixing method. And this sample powder is pressure-sintered with a hot press. The sintering conditions at this time were a pressure of 60 MPa, a sintering temperature of 1900 ° C., a sintering time of 1 hr, and a sintering atmosphere of a vacuum degree of 1 × 10 ⁻¹ Pa or more.
[0013]
Regarding the mixing ratio of the B ₄ C powder and the TiB ₂ powder, TiB ₂ was about 30 to 70% by weight and the balance was B ₄ C. The ratio of the graphite powder to the mixture of B ₄ C powder and TiB ₂ powder was about 3 to 10 vol% for graphite, and the balance was a mixture of B ₄ C powder and TiB ₂ powder.
[0014]
2) Test Material and Test Method A sintered body obtained under such conditions was used with a 12.7 × 12.7 × 4.7 mm chip as shown in FIG. ), And the same material or the other material is S55C as shown in FIG. 5C, the friction coefficient depends on the friction distance and the temperature. The specific wear amount was further measured.
[0015]
For the measurement of the friction coefficient and the specific wear amount, a reciprocating slider type friction wear tester shown in FIG. 2 is used. The test conditions are a maximum friction speed of 1.14 m / min, a temperature of 25 to 800 ° C., and a humidity of 40 to 50%. It was. The measurement of the friction distance dependency of the friction coefficient was performed in the case of vertical loads of 4.7N and 47N, and the temperature dependency of the friction coefficient was measured at a constant load of 4.7N. The specific wear amount was determined by measuring the volume change of the contact surface of the chip with the plate after sliding 100 m under a vertical load of 47 N.
[0016]
3) Determination of the basic composition of the BTC for conducting the test First, the present inventors are to determine how the sliding characteristics are improved or changed by adding graphite to the BTC ceramics. The composition of BTC that is most convenient for grasping the whole picture was determined.
[0017]
That is, the composition of the BTC is B ₄ C-30 wt% TiB ₂ (hereinafter abbreviated as BTC # 3), B ₄ C-50 wt% TiB ₂ (hereinafter abbreviated as BTC # 5), and B ₄ C-70 wt% TiB. ₂ (hereinafter abbreviated as BTC # 7), and a test material was prepared. Further, test materials of B ₄ C alone and TiB ₂ alone were also prepared as comparative samples. Then, the mechanical properties and the sliding properties were measured for these, and the compositions were compared to determine the average BTC composition that makes it easy to grasp the overall tendency as the basic composition.
[0018]
As a result, as shown in the relationship of the coefficient of friction with respect to the temperature change in FIG. Average coefficient of friction is shown. Regarding the mechanical properties, the Young's modulus is about 454 GPa for BTC # 3, 494 GPa for BTC # 5 and 498 GPa for BTC # 7, and BTC # 3 is 38.6 to 45.45 for micro Vickers hardness. 2GPa, BTC # 5 is 28.0-32.9GPa, BTC # 7 is 25.1-32.9GPa, showing average values compared to other BTC # 3 and BTC # 7 Yes. Therefore, if the measurement results for the sample obtained by adding graphite to BTC # 5 are obtained, it is considered that the measurement results for BTC # 3 and BTC # 7 of other compositions can be estimated from this, so that BTC # 5 is the basic composition. It was determined.
[0019]
Therefore, first, a preliminary experiment was performed to compare this BTC # 5 with a conventional ceramic. The results are shown in FIG. 4 and FIG. FIG. 4 shows the friction coefficient with respect to the friction distance for Si ₃ N ₄ , Al ₂ O ₃ , SiC and BTC # 5, and FIG. 5 shows the specific wear amount with respect to the friction temperature for the same ceramics. .
[0020]
As can be seen from FIG. 4, the friction coefficient of each ceramic with respect to the friction distance is 0.5 for Si ₃ N ₄ and Al ₂ O ₃ and 0.3 for SiC, whereas BTC # 5 is 0.1, which is the most. Small value was shown.
[0021]
Further, as can be seen from FIG. 5, the specific wear amount of each ceramic with respect to the friction temperature is in the range of 10 ⁻³ to 10 ⁻⁴ mm ³ / N · m of the specific wear amount of Si ₃ N ₄ , Al ₂ O ₃ and SiC. In contrast, the specific wear amount of BTC # 5 decreased with increasing temperature, and the specific wear amount was as small as 1.1 × 10 ⁻⁸ mm ³ / N · m at 600 ° C. .
[0022]
Accordingly, it can be seen that BTC # 5 has a smaller friction coefficient and non-abrasion amount than conventional ceramics, and has very excellent friction wear characteristics.
[0023]
4) Mechanical properties such as examples of the present invention The present invention is obtained by adding graphite to BTC # 5 having excellent properties as described above. As a specific example of the present invention, BTC # 5 The table below shows the mechanical properties (density, relative density of sintered body, Rockwell hardness, bending strength, Young's modulus, shear modulus, Poisson's ratio, and bulk modulus) of ceramic bearing materials added with graphite. .
[0024]
In each example, BTC # 5 (B ₄ C-36 vol% TiB ₂ ) was compared with BTC # 5-3 vol% graphite, BTC # 5-5 vol% graphite, and BTC # 5-10 vol% graphite (hereinafter referred to as BTC #). 5-3 vol% Gr, -5 vol% Gr, and -10 vol% Gr)). _SiC as a comparative material in the table, values are also shown for _{Si 3 N 4, A 2 lO} 3.
[0025]

As can be seen from this table, the relative density of the sintered body of each example of the present invention is equal to or higher than that of BTC # 5, and no deterioration in sinterability is observed even when graphite is added. It also has excellent shape retention in the case of tying.
[0026]
5) Structure of bearing material of the present invention FIG. 6 is a structure diagram of the surface of the test material by an optical micrograph, FIG. 6 (a) is a test material of BTC # 5, and FIG. 6 (b) is BTC # 5. -10 vol% Gr test material. In FIG. 6, the white portion is TiB ₂ , the gray portion is B ₄ C, and the black portion is graphite. From this figure (b), it can be seen that graphite is uniformly dispersed in B ₄ C and TiB ₂ . Since the dispersibility is good in this way, the shape of the bearing can be designed freely, and its tolerance is large.
[0027]
6) Temperature dependence of friction coefficient In FIGS. 7 and 8, the vertical load is 4.7 N, the maximum sliding speed is 1.14 m / min, the heating speed is 600 ° C./hour, and the temperature of the friction coefficient from room temperature to 800 ° C. The result of a dependence test is shown.
[0028]
FIG. 7 shows the results when the same ceramic materials are slid, and FIG. 8 shows the results when S55C is slid using the counterpart material.
[0029]
As can be seen from FIG. 7, the friction coefficient of BTC # 5-10 vol% Gr when the same material is slid is 0.25 or less in the range from room temperature to about 150 ° C. Compared to 45, it is greatly improved.
[0030]
Further, as can be seen from FIG. 8, the friction coefficient of BTC # 5-10 vol% Gr when S55C is slid as the counterpart material is extremely small as 0.04 in the range from room temperature to about 150 ° C., and BTC # 5 Compared to 0.15 of the above, it is greatly improved.
[0031]
Thus, since the coefficient of friction is very small, the range of use as a bearing material is expanded.
[0032]
7) Dependence of friction coefficient on friction distance a) The friction coefficient with respect to the friction distance when the vertical load is 4.7 N, the maximum sliding speed is 1.14 m / min, and the temperature condition is room temperature in FIGS. 9 and 10. Show the relationship.
[0033]
FIG. 9 shows the results when the same ceramic materials are slid, and FIG. 10 shows the results when S55C is slid using the counterpart material.
[0034]
As can be seen from FIG. 9, the friction coefficient of BTC # 5-10 vol% Gr when the same material is slid shows a constant value of about 0.18, and the friction coefficient of SiC as a conventional ceramic is the friction distance. As the value increases, the value increases to 0.5, and the coefficient of friction of Si ₃ N ₄ is about 0.3, whereas it shows a small and stable tendency. Further, the friction coefficient of BTC # 5-5 vol% Gr is about 0.3, which is slightly larger than the friction coefficient of Si ₃ N ₄ , but is considerably smaller than SiC, and the BTC # 5-10 vol Similar to% Gr, it showed a stable tendency.
[0035]
Further, as can be seen from FIG. 10, the friction coefficient of BTC # 5-10 vol% Gr when S55C was slid as the counterpart material showed an extremely small value of about 0.04. This is the smallest friction coefficient among ceramics, corresponds to about 1/10 of the friction coefficient of SiC, and is smaller than the friction coefficient of BTC # 5.
[0036]
b) In FIG. 11 and FIG. 12, the relationship between the friction distance and the friction distance when the vertical load is 47 N, the maximum sliding speed is 1.14 m / min, the temperature condition is room temperature, and the same ceramic materials are slid. Show.
[0037]
From FIG. 11, the friction coefficient of BTC # 5-10 vol% Gr shows a constant value of about 0.3 in the range of 10 to 100 m, and the friction coefficient of SiC shown in FIG. 12 is quite unstable. On the other hand, it showed a stable tendency and a smaller value compared with the friction coefficient of Si ₃ N ₄ of about 0.4.
[0038]
On the other hand, the friction coefficient with respect to the friction distance of BTC # 5-5 vol% Gr shown in FIG. 11 is 0.4 to 0.48, which is larger than BTC # 5 and BTC # 5-10 vol% Gr. , Showed a substantially constant value in spite of a wide range of 10 to 100 m, and showed a tendency more stable than the friction coefficient of SiC showing the unstable tendency shown in FIG.
[0039]
8) Specific wear amount Fig. 13 shows the specific wear amount when sliding at room temperature.
[0040]
The specific wear amount of BTC # 5-10 vol% Gr is 203 × 10 ⁻⁸ mm ³ / N · m when the same material is slid, and is larger than the specific wear amount of Si ₃ N _4. As shown, when S55C is slid as the counterpart material, it shows a value of 78.4 × 10 ⁻⁸ mm ³ / N · m, which is based on the specific wear amount of either SiC or Si ³ N ^4. Also showed a small value.
[0041]
Further, the specific wear amount of BTC # 5-5 vol% Gr is 126 × 10 ⁻⁸ mm ³ / N · m when the same material is slid, and is larger than the specific wear amount of Si ₃ N _4. However, when S55C was slid as the mating material, it showed a value of 46.4 × 10 ⁻⁸ mm ³ / N · m, and from the specific wear amount of either SiC or Si ₃ N ₄ Also showed a small value.
[0042]
From the test results of each of these examples, the bearing material of the present invention has a smaller friction coefficient than that of conventional ceramics, and the specific wear amount when the counterpart material is S55C is higher than that of Si ₃ N ₄ and SiC. The small value and improved sliding characteristics are synergistic because the lubricating effect of the B ₂ O ₃ film formed on the frictional wear surface is exhibited and the function of the added graphite as a solid lubricant is added. This is thought to be due to its effect.
[0043]
Furthermore, according to each of the above examples, even when graphite was added to BTC # 5, no decrease in sinterability was observed, and even if the sintered body was added with 10 vol% of graphite, the relative density was 99.6. % Can be maintained.
[0044]
Also, when sliding with S55C as the counterpart material, the friction coefficient of BTC # 5 under the condition of vertical load 4.7N and room temperature is 0.11, whereas BTC # 5-10 vol% Gr The coefficient of friction was as small as 0.04.
[0045]
Furthermore, in the temperature dependence test of the friction coefficient from room temperature to 800 ° C., the friction coefficient of B ₄ C—TiB ₂ -graphite composite ceramics in which graphite is added to BTC # 5 is improved in the range from room temperature to 150 ° C. be able to. The friction coefficient of BTC # 5 was 0.15, whereas the friction coefficient of BTC # 5-10 vol% Gr was 0.04, which was a very small value.
[0046]
On the other hand, the specific wear amount after sliding under conditions of a vertical load of 47 N, a friction distance of 100 m, and room temperature increases with the addition amount of graphite, but the specific wear amount of BTC added with 10 vol% of graphite is 7.84. × 10 ⁻⁷ mm ³ / N · m, which is smaller than any specific wear amount of Si ₃ N ₄ and SiC.
[0047]
From the above, B ₄ C-TiB ₂ -graphite composite ceramics obtained by adding graphite to BTC # 5 exhibits excellent sliding characteristics when the counterpart material is slid as S55C. It is a material that can be expected to be applied as a ceramic bearing.
[0048]
In addition, this invention is not limited to each said Example, It can change as needed.
[0049]
For example, the B ₄ C—TiB ₂ -graphite composite ceramic of this example was fixed to BTC # 5 with a BTC composition of B ₄ C-50 wt% TiB ₂ , but is not limited to this composition. The composition may be changed to ₄ C-30 wt% TiB ₂ or B ₄ C-70 wt% TiB ₂ .
[0050]
Moreover, although the addition amount of graphite is also set to 3, 5 and 10 vol%, it is not limited to these ratios, and the addition amount may be increased or decreased.
[0051]
Further, regarding the powder of B ₄ C, TiB ₂ and graphite, the particle diameter may be changed, or powder coated with oxide or boride as graphite powder may be used.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the B ₄ C—TiB ₂ -graphite composite ceramic bearing material of the present invention, even if graphite is added to BTC, the sinterability does not deteriorate.
[0053]
In addition, when the mating material is slid as S55C, excellent sliding characteristics are exhibited. In particular, the friction coefficient of BTC # 5-10 vol% Gr in which 10 vol% graphite is added to BTC # 5 is 0.04. A very small value can be obtained.
[0054]
Furthermore, when sliding with S55C as the counterpart material, the B ₄ C—TiB ₂ —graphite-based composite ceramics can obtain a specific wear amount smaller than that of either Si ₃ N ₄ or SiC.
[0055]
Therefore, B ₄ C—TiB ₂ -graphite composite ceramics obtained by adding graphite to BTC is a material that can be expected to be applied as a ceramic bearing for a low temperature environment having a self-lubricating function.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1C are diagrams showing the shape and dimensions of a test material used for measuring a friction coefficient and a specific wear amount of a B ₄ C—TiB ₂ -graphite composite ceramic bearing material according to the present invention. [2] according to the present invention B _{4 C-TiB} 2 _- FIG. 1. FIG. 3 showing a reciprocating slider type friction wear tester used in the friction coefficient and the specific wear rate measurement of the graphite-based composite ceramic bearing material B ₄ C- FIG. 4 is a diagram showing the relationship of the friction coefficient with respect to temperature when the same materials of TiB ₂ based composite ceramics are slid between each other. FIG. 4 shows that B ₄ C-50 wt% TiB ₂ and a conventional ceramic counterpart are slid as carbon steel. graph showing the relationship of the friction coefficient to friction distance when obtained by dynamic [5] B _{4 C-50wt%} TiB ₂ and sliding the mating material of the conventional ceramic as the same material with each other FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the specific wear amount with respect to the temperature in the case of being subjected to heat treatment. FIG. 6A is a metal structure obtained by optical micrograph of the surface of a test material of BTC # 5 and FIG. FIG. 7 is a diagram showing the relationship of the coefficient of friction with temperature when sliding between the same materials of BTC # 5 and BTC # 5-10 vol% Gr. FIG. 8 is a diagram showing the relationship between BTC # 5 and BTC # 5-10vol. FIG. 9 is a diagram showing the relationship of the coefficient of friction with respect to temperature when the counterpart material of% Gr is slid as S55C. FIG. 9 shows the same materials of the B ₄ C—TiB ₂ -graphite composite ceramic bearing material according to the present invention. Diagram showing the relationship of the friction coefficient to the friction distance when sliding (vertical load 4.7N)
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the friction coefficient and the friction coefficient when the counterpart of the B ₄ C—TiB ₂ —graphite composite ceramic bearing material according to the present invention is slid as S55C (vertical load 4.7 N )
FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the friction coefficient and the friction coefficient when the same materials of the B ₄ C—TiB ₂ -graphite composite ceramic bearing material according to the present invention are slid (vertical load 47 N).
FIG. 12 is a diagram showing the relationship of the friction coefficient to the friction distance when sliding the same materials of conventional ceramics (vertical load 47N)
FIG. 13 is a diagram showing the specific wear amount when the same material and the mating material of the B ₄ C—TiB ₂ -graphite composite ceramic bearing material according to the present invention are slid as S55C.

Claims (1)

Ｂ_４Ｃと、ＴｉＢ_２と、グラファイトとからなり室温から１５０℃の範囲の低温環境向けのＢ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミックス軸受材料であって、前記Ｂ_４ＣとＴｉＢ_２との割合は、ＴｉＢ_２が約３０〜７０重量％で残部がＢ_４Ｃであり、前記グラファイトが約３〜１０ｖｏｌ％、残部がＢ_４ＣとＴｉＢ_２とからなることを特徴とするＢ_４Ｃ−ＴｉＢ_２−グラファイト系複合セラミック軸受材料。B ₄ and C, and a TiB _2, low-temperature environments in the range of 0.99 ° C. from room Ri Do from the graphite _B 4 C-TiB ₂ - a graphite-based composite ceramic bearing material, and the _{B 4} C and TiB ₂ proportion of is balance the _{B 4} C in TiB ₂ is about 30 to 70 wt%, wherein the graphite is about 3~10vol%, _B 4, characterized in that the balance of _{B 4} C and TiB ₂ Metropolitan C -TiB ₂ - graphite-based composite ceramic bearing material.

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