JPH04293998A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高強度を有するととも
に摺動特性に優れ、メカニカルシールや軸受等に好適な
摺動部材に関する。

【０００２】

【従来技術】炭化珪素や窒化珪素に代表される非酸化物
系セラミックスは、他のセラミックスや金属に比較して
、硬度、強度、靱性および化学的安定性等に優れる材料
として注目され、たとえば、メカニカルシール部品、軸
受部品、薬品用バルブ部材として用いられている。

【０００３】しかしながら、窒化珪素および炭化珪素単
体では十分な摺動特性が得られないことから、窒化珪素
粉末や炭化珪素粉末に対して、焼結助剤としてＡｌ２　
Ｏ３　や周期律表第３ａ族元素酸化物、あるいは炭素お
よびＢ４　Ｃ等を添加すると同時にグラファイトやＢＮ
等の固体潤滑材を添加し、これを真空中あるいは不活性
雰囲気中で焼成することにより、窒化珪素や炭化珪素か
らなる骨材中に前記固体潤滑材を均一分散させることに
より、焼結体表面の摺動特性を高めようとする試みが行
われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする問題点】摺動特性を高めるた
めには、焼結体表層部における固体潤滑材の量が多い方
が望ましいが、固体潤滑材を多量に添加すると、焼結体
自体の緻密化が阻害されるとともに、いわゆる骨材とし
てのセラミックス自体の強度が低くなるために摺動部材
として割れや欠け等が生じやすくなるという問題があっ
た。そのために固体潤滑材の添加量にもおのずと制限が
あった。

【０００５】また製法上、固体潤滑材自体の分散を均一
に行う必要があり、場合によっては焼結体内部の固体潤
滑材が焼結体の破壊源となり、強度を低下させるという
問題がある。しかも窒化珪素をマトリックスとして固体
潤滑材を分散した焼結体では、その窒化珪素結晶の粒界
に焼結助剤として添加した金属酸化物が存在するために
耐薬品性が悪く、その使用範囲が限定されるという問題
もある。

【０００６】

【問題点を解決するための手段】本発明者等は、上記問
題点に対して検討を重ねた結果、骨材として炭化珪素お
よび／または窒化珪素を用いた系において、固体潤滑材
として分散含有する炭素を焼結体の内部より表層部に多
量に存在させるとともに、かかる系に対してさらに潤滑
油を含浸させることにより、焼結体自体の強度を低下さ
せることなく、表層部における摩擦係数を低減でき、摺
動性を向上することができ、これにより各種の摺動部材
として信頼性の高い安定した特性を発揮することができ
ることを見出したものである。

【０００７】本発明は、セラミックス焼結体における摺
動特性が焼結体の表層部の構造および組織に支配される
特性であり、また焼結体内部はいわゆる摺動に対する支
持部材的な作用をなすという考え方から、摺動特性を大
きく向上させるために添加される固体潤滑材としての炭
素を図１に示すように焼結体の表層部から内部にかけて
の炭素が少なくなるようにしたことを特徴とする。

【０００８】本発明の焼結体を構成する骨材としては、
炭化珪素、窒化珪素、または炭化珪素と窒化珪素との複
合体のいずれでもよく、これらのセラミックスは、それ
自体強度が高く、また摺動特性の点において他のセラミ
ックスに比較して優れた性質を有するものである。また
、固体潤滑材としての炭素は、焼結体の表層部において
その体積比率が５〜３０％程度の割合で存在しているこ
とが望ましく、５％より少ないと所望の摺動特性が得ら
れず、３０％を越えると表層部における強度が低下する
ために摺動面の欠損等が生じやすくなる。一方、焼結体
内部は、摺動特性に関与しないという観点から、実質的
に炭素が含有されていなくてもよく、骨材成分である炭
化珪素や窒化珪素からなることがよい。

【０００９】しかしながら、焼結体表層部から内部にか
けて、その組成や組織が急変すると、その境界部分に特
性の相違により応力が発生しやすく、割れや欠け等を生
じることがあるために、表層部より内部にかけて図１に
示すように、固体潤滑材の量は徐々に少なくなるように
構成することがよい。

【００１０】また、本発明によれば、上記構成からなる
焼結体中に潤滑油を含浸させることを大きな特徴とする
。潤滑油を含浸させるために上記焼結体は適度の開気孔
を有していることが必要で、具体的には０．１〜５％の
開気孔率を有することが望ましい。含浸させる潤滑油と
しては、パラフィン系オイル、シリコン系オイル、ナフ
テン系オイル、フッ素系オイルが挙げられる。なお、焼
結体中への含油量は、０．０１〜１重量％であることが
望ましい。

【００１１】本発明の摺動部材を得る方法について説明
すると、従来のように炭化珪素や窒化珪素等の骨材成分
に対して炭素粉末を混合し焼成する方法では、均一組織
となり、本発明の構成である表層部と内部において炭素
の含有量の異なる組織は形成されない。

【００１２】そこで、本発明によれば、まず原料粉末と
して炭化珪素粉末を準備する。用いる炭化珪素粉末とし
てはα−ＳｉＣ、β−ＳｉＣのいずれか、またはこれら
を混合して使用することもできる。炭化珪素粉末の平均
粒径は０．１〜２μｍ　　が適当である。また上記炭化
珪素粉末に対しては添加物として、カーボンブラックや
グラファイト等の炭素粉末あるいは熱分解により炭素を
生成しうるフェノール樹脂、コールタールピッチ、ショ
糖等の有機材料や、Ｂ４　Ｃ等の硼素含有化合物を１０
重量％以下の割合で添加することができる。

【００１３】上記炭化珪素粉末と、場合により上記添加
物を充分に添加混合した後、上記粉末にバインダー等を
添加し、周知の成形方法、たとえばプレス成形、押出成
形、鋳込み成形、冷間静水圧成形等により所望の形状に
成形する。成形体は、所望により２００〜８００℃で仮
焼することによりフェノール樹脂等の炭素生成化合物よ
り炭素を生成させることができる。

【００１４】次に、上記のようにして得られた成形体を
焼成するが、本発明によれば、この焼成を下記数１

【数
１】　　　　３ＳｉＣ＋２Ｎ２　　　→　　Ｓｉ３　Ｎ
４　＋３Ｃで示されるように炭化珪素と窒素の反応によ
り窒化珪素および炭素が生成可能な雰囲気中で焼成する
。具体的には１０００℃以上、特に１５００℃以上の温
度で雰囲気中に窒素ガスを必須成分として含むとともに
該窒素ガス圧力が５００気圧以上、特に１０００気圧以
上の加圧下で焼成することにより数１の反応を進行させ
ることができる。

【００１５】この焼成によれば、内部および表層部とも
に高緻密化が達成されるとともに、焼結体の表層部にお
いて特に上記反応が活発に生じ、焼結体の表層部に炭素
が内部よりも多くなるという特異的焼結体が形成される
。

【００１６】この焼結のメカニズムについては定かでは
ないが、高温高圧下の窒素雰囲気中で、炭化珪素粒子の
表面から窒化珪素への反応が進行し、それに伴い体積膨
張が生じ、それによりある程度緻密化が進行し、一旦表
層部に緻密層が生じると焼結体内部への窒素ガスの進入
が抑制されるために、結果として表層部、内部ともに気
孔率１０％以下の緻密体となるものの、表層部と内部に
おいてほぼ連続的に異なる組織が形成されると考えられ
る。

【００１７】よって、上記焼成によれば、焼成温度、焼
成時間等を制御することにより表層部において炭素の生
成量を高めるとともに、焼結体内部において炭素の生成
を抑制することができる。望ましくは焼結体の表層部は
完全に反応を進行させ、窒化珪素と炭素から構成される
ことが望ましい。この場合、その表層部には窒化珪素を
骨材とし炭素が約２６体積％を割合で均一に分散した組
織が形成される。

【００１８】また、この焼結体の他の特徴としては、表
層部から内部にかけて骨材である炭化珪素および窒化珪
素の量比が変化することが挙げられ、炭化珪素／（窒化
珪素＋炭化珪素）で表される組成比は表層部から内部に
かけて大きくなる。このような構成によれば、表層部は
窒化珪素的な特性、即ち耐熱衝撃性および靱性に優れた
特性を有する。また、通常の窒化珪素質焼結体によれば
、窒化珪素結晶粒子間に焼結助剤として用いられた金属
酸化物が粒界相として存在するが、この焼結体の表層部
では、窒化珪素結晶粒子間に金属酸化物が実質的に存在
しないことも大きな特徴であり、耐薬品性を高めること
ができ、摺動部材として適用範囲を広げることができる
。

【００１９】なお、炭素量が少なくとも２０体積％以上
の表層部はその厚みが１０〜２０００μｍであることが
望ましく、厚みが１０μｍより薄いと摺動特性の長期安
定性に欠け、２０００μｍより厚いと表層部の強度が低
下し欠け等が発生しやすくなる。

【００２０】一方、焼結体の内部は炭化珪素あるいは炭
化珪素と窒化珪素を主体として構成されることが望まし
く、内部において炭化珪素／（炭化珪素＋窒化珪素）の
組成比率が０．２以上であることが望ましい。

【００２１】つぎに、上記の方法により得られた焼結体
に対して潤滑油を含浸させる。含浸させる方法としては
、焼結体を含浸させようとする潤滑油浴中に浸漬し、８
０〜１２０℃程度に加熱し油の粘土を下げた状態で真空
中に放置して焼結体を脱泡し、その後潤滑油浴より取り
出すことにより潤滑油は焼結体中の開気孔中に含浸され
る。

【００２２】

【作　　用】本発明によれば、表層部における固体潤滑
材である炭素量を焼結体表層部のみに多く存在させると
ともに潤滑油を含浸させることにより、摺動部材として
の使用時に潤滑油が摺動面に滲み出し、液体潤滑をも併
用することができるために、固体潤滑作用と液体潤滑作
用とを合わせ持つことができ、表層部における摩擦係数
を低くすることができる。また、表層部のみ炭素が多量
に存在することにより焼結体全体としての強度を低下さ
せることがなく、表層部において比較的多量の炭素が存
在しても内部における強度が高いことから摺動部材とし
ても安定した摺動特性を発揮することができる。しかも
、表層部から内部にかけての組織的な変化がほぼ連続的
に形成されていることから、焼結体内での特性の相違に
より発生する応力を低減することができる。

【００２３】また、炭素を表層部において多量に存在さ
せることができるために、焼結体自体の熱伝導率を高め
ることができ、これにより摺動時に発生した熱を効率的
に放熱することもできる。さらに炭素を内部においても
適量存在させることにより焼結体全体の電気抵抗を小さ
くすることができ、これにより放電加工を行うことがで
きる。

【００２４】さらに、骨材として表層部の骨材を窒化珪
素を主体として形成することにより摺動部材表層部の耐
熱衝撃性を高めることができる。

【００２５】

【実施例】β−ＳｉＣ粉末（平均粒径０．４μｍ、酸素
含有量０．１重量％）に対して、場合により表１に示す
ように各種の添加物を添加混合し、成形用バインダーと
してレゾール型フェノール樹脂２０％溶液を適量添加し
、さらに溶媒としてアセトンを適量添加し、混練乾燥後
、篩を通して成形用顆粒を得た。この顆粒を金型プレス
を用いて成形圧２０００ｋｇ／ｃｍ２　で外径２０ｍｍ
、厚み１０ｍｍの円板状成形体を作成した。次に成形体
を６００℃の不活性雰囲気（Ｎ２　気流中）　で仮焼し
、フェノール樹脂を炭化し、仮焼体の組成の分析を行っ
た。そして、この仮焼体を表１の条件で焼成し、試料Ｎ
ｏ，１〜８を得た。

【００２６】得られた焼結体に対して、アルキメデス法
により焼結体比重および開気孔率を測定した。また、抗
折強度をＪＩＳＲ１６０１に基づき測定した。さらに焼
結体より表層部と焼結体内部より切り出し粉砕後、ＬＥ
ＣＯ法で全炭素、全窒素を測定し、窒素は窒化珪素とし
て計算し、残る珪素は炭化珪素として存在するとして結
合炭素を求め、残りを遊離炭素として計算で求めた。ま
た、焼結体の構成相をＸ線分析にて行った。なお、添加
物としてＢ４　Ｃを添加した試料においてはＢ４　Ｃも
窒化され、ＢＮとなっているが添加量が微量であるため
にＸ線回折測定では検出されなかった。

【００２７】得られた各焼結体をφ５０×ｔ１０に円板
形状に研磨し、表面をラップ仕上げした後に洗浄乾燥後
、パラフィン系極低流動点基油を用いた汎用潤滑油浴中
に浸漬し、減圧（２０ｍｍｔｏｒｒ）容器中で１１０℃
で１時間加熱した。含浸前後の重量変化より、試料の含
油量を求めた。

【００２８】次に、試料円板にＳＵＪＩＩ鋼球を固定ピ
ンとして接触させ、試料円板を回転させるボールオンデ
ィスク法にて摺動特性評価を行った。接触負荷と摩擦力
を測定し摩擦係数を算出した。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】表１およひ表２によれば、従来のＳｉＣ質
焼結体による摺動部材（試料Ｎｏ，４）は摩擦係数が０
．６程度であるのは対して、本発明の摺動部材はいずれ
も摩擦係数が０．１程度の優れた特性を示した。また、
比較として潤滑油を含浸させなかった試料と比較しても
優れた摺動特性を示した。

【００３２】

【発明の効果】以上、詳述した通り、本発明によれば、
炭化珪素や窒化珪素を骨材とし、その焼結体表層部に炭
素を内部に比較して多く存在させるとともに潤滑油を含
浸させることにより、焼結体全体としての高強度を維持
しつつ、優れた摺動特性が得られる。また、固体潤滑材
としての炭素を表層部において多量に存在させることに
より焼結体自体の熱伝導率および電気伝導率を高めるこ
とができ、それにより摺動時に発生した熱を効率的に放
熱することもできるとともに、放電加工を行うこともで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の摺動部材における炭素量の表層部から
の深さに対する変化を示す図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　炭化珪素および／または窒化珪素を骨
   材とし、固体潤滑材として炭素を分散含有する摺動部材
   において、前記炭素が内部よりも表層部に多く存在する
   とともに潤滑油を含浸することを特徴とする摺動部材。
2. 【請求項２】　　焼結体表層部における炭素量が５〜３
   ０体積％である請求項１記載の摺動部材。
3. 【請求項３】　　内部が炭化珪素を主体とし、表層部が
   少なくとも窒化珪素と炭素とを含有する請求項１記載の
   摺動部材。