JPS6136173A - 高温固体潤滑性セラミツクス - Google Patents

高温固体潤滑性セラミツクス

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JPS6136173A
JPS6136173A JP59155557A JP15555784A JPS6136173A JP S6136173 A JPS6136173 A JP S6136173A JP 59155557 A JP59155557 A JP 59155557A JP 15555784 A JP15555784 A JP 15555784A JP S6136173 A JPS6136173 A JP S6136173A
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sintered body
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temperature solid
powder
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裕子 津谷
幹夫 福原
府川 明
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Tungaloy Corp
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Agency of Industrial Science and Technology
Toshiba Tungaloy Co Ltd
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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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、硬度、靭性、耐食性、耐酸化性が優れるとと
もに、なによりも摩擦係数が0.25以下であり摩耗率
も小さく自己潤滑性に優れたセラミックス焼結体に関す
る。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
従来から自己潤滑性を有する材料としては、C14、C
o 、 Ni 、 Fe 、 Sn 、 Ag + M
n 等の金属にMoS z + WS2 + CaFa
 HLI F2  +黒鉛のような自己潤滑性の高い物
質を所定量配合した金属基材料が知られている。
この金属基材料に、電気伝導性、熱伝導性に優れている
が、しかしその反面、イ1!:硬度で耐摩耗性に劣り、
高温における軟化が著しくかつ耐食性も劣るため、その
使用分野は制阻ヲ受けざる全得ない状態にある。
このような問題の解決を目的として上記の金稙基材オ」
に更に周期律表IVa 、 Va 、 Va族の遷移金
属又はこれら金属の炭化物、窒化物を配合して成るザー
メット材料が開発されている。たしかに、このザー・メ
ット材料の耐岸耗性は上記金属基材料に比べて向上する
。しかし、その硬度及び靭性は依然として低く、しかも
金&4を含有しているので耐食性が劣り、かつ高温での
軟化、塑性変形會きたすので、やはりその使用分野は狭
く限定せさるを得ない。
〔発明の目的〕
本発明に、土i;r−: t、た従来の潤滑性材料の間
vjAiを解消し、高硬度、高靭性であって、実質的に
金属を単体として含有していないので耐食性、耐酸化性
に優れ、しかも熱伝導性も良好であり高温でも自己潤滑
性を有するセラミックス焼結体の提供を目的とする。
〔発明の概要〕
本発明者らは上記目的を達成すべく鉄量研究を重ねる過
程で、周期律表IVa 、 Va 、 Va族の金属元
素の酸化物はいずれも、大気中、1000℃までの環境
下で固体@滑性を示すこと、とQわけCrの酸化物はそ
の潤滑性が優れている、という事実を見出した。そして
また、上記知見全基礎にして潤滑性材料の摺動面が例え
ば炭化物、窒化物であったとしても上記した高温の大気
中では、摺動面部分に存在するこれら炭化物、窒化物は
容易に酸化して炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物、酸化
物の緻密な被膜となり、その結果、摺動面の潤滑性は向
上するとの着想を得、本発明の自己潤滑性セラミックス
を開発するに到った。
すなわち、本発明の高温固体@滑性セラミックスは、C
rの炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物。
炭酸化物、窒酸化物及び炭窒酸化物の中から選ばれた少
lくとも1種とTiT Zr + Hf ) V t 
Nb +Ta 、 Mo 、 W 、 St 、 B 
、 Yの炭化物、窒化物、酸化物及びこれらの相互固溶
体の中から選ばれた少なくとも1種とからなる硬質相と
、不可避的不純物とでなること全特替とする。 ゛ 本発明セラミックスの必須成分に、次式:(Cra。
Mb) (CX + Ny 、 Oz ) nでその組
成が示されるri11!質相である4、 式中、M n ’ri 、 Zr 、 Hf 、 V 
、 Nb 、 Ta 、 Mo。
Wのいずれか1種又は2種世上の金属元素を表わす。a
 、bUそれぞれCr、Mのモル比であって、0 、2
≦a<1.(1(b≦(]、8.a+b=1の関係を満
足する数であ^O X+ y+ ZuいずれもC、N 、 OZど非金属元
素のモル比であって、それそねは、0.4≦X≦1゜0
≦y≦(+、5 、0≦2≦0.3、ぞしてx十y十z
−1の関係′fr:満足する数である。2が0.3を超
える場合は、得られた焼結体は酸化物生体となりその強
度が低下するのみならずCrの酸化物が高い蒸気圧を有
するため焼結時においても焼結体使用時においてもCr
成分が蒸発し、品質省・埋土及び環境衛生上から好壕し
くない。X * ’! + Zがそれぞれ0.4≦X≦
1,0≦y≦0.5 、0≦2≦0.3 、 x十y+
z=1の関係を満足する数である場合は、硬質相の潤滑
性が優れるのみならずその高温強度も向上するので好適
である。
nは、金属元素(CrとM)に対する非金属元素(Cと
NとO)全体のモル比であって、その値は0.44≦n
<1.33の範囲に設定される。nがこの範囲を外れた
場合、得られた硬質相がB1構造を主体とする強靭な化
合物とはなりにくく、脆弱な低級化合物が形成されるよ
うになって不都合である。
また、上記した硬質相にあってに、更にS1+B+Yの
炭化物、窒化物、酸化物の1種又は2種以上が含有され
ていてもよい。
本発明のセラミックスは次のようにして製造することが
できる。
上記した群に属する各化合物の単−粉末若しくは2種以
上を適宜に混合した混合粉末文にこれらの相互固溶体の
粉末、更には相互固溶体の粉末と各化合物の単−粉末又
に亜化学童論的な化合物を組合わせて混合して成る混合
粉末を、目的とする焼結体における各成分の組成比から
逆規定した割合で混合し、この混合粉末を粉末冶金法で
慣用となっている手法により成形し、ついで得られた成
形体を真空中又は窒素、水素、アルゴン、−酸化炭素な
どの非酸化性雰囲気中で無加圧焼結又は加圧焼結する。
出発P浩に関してけ、Cr+ V 、 Ttなどの周期
律表第四周期の元素の酸化物にその生成自由エネルギー
が小さく、多くの低級酸化物が存在して比較的不安定な
化合物であるため、これら酸化物からのみ焼結体を製造
する場合、ぞの組成の調節が困難であると同時に得られ
た焼結体の強度も非常に低くなり、その実用性が極めて
阻害される。したがって、本発ツJにあっては、原料と
しては酸化物のみではなく、更に炭化物、窒化物、炭窒
化物。
炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物を配合することが望ま
しい。
本発明の焼結体の製造工程において、出発原料の混合粉
砕は、容器としてステンレス製容器、超硬合金を内張り
した答器又汀ウレタンゴムを内張りした容器を使用し媒
体としてステンレス製ボール、超硬合金製ボール又は例
えば、周期律表4a。
5a 、6a族金属の化合物で表面被覆したボールと共
に混合粉砕する。粉砕効果を高めて出発原料を微細化す
るためKは、ステンレス製容器又は超硬合金を内張りし
た容器を使用して超硬合金製ボールと共に混合粉砕する
方法を適用するのがよく、又アセトン、ヘキサン、ベン
ゼン、アルコール等の有機溶媒を加えて湿式混合粉砕す
るのがよい。
耐食性及び高温での耐摩耗性を利用する用途向は等で主
として金属からなる不純物を考慮する必要があるときは
、ウレタンゴムで内張シした容器を使用して表面被覆し
たボールと共に混合するのがよい。不純物は、混合粉砕
工程から混入する場合が多く、混合粉砕工程で使用する
超硬合金の内、超硬合金の主成分である周期律表の■a
、Va、Ma族金属化合物が不純物として混入するのに
割合問題がないのに対して超硬合金の結合相である鉄族
金属の混入に2体積チ以下出来れば1体8t%以下にす
るのが望ましい。
混合粉末の成形に、混合粉砕した粉末を黒鉛モールドに
充填1−で非酸化性雰囲気中でホットプレスする方法、
又は混合粉砕した粉末にパラフィン、カンファ等の成形
助剤を添加して必要ならは細粒状にした後金型モールド
に充填して加圧成形する方法、もしくσラテックスゴム
等で混合粉末を包囲した後静水圧加圧で外圧を加えて成
形する方法などが適用できる。このようにして成形した
粉末圧粉体を直接焼結したシ、又は粉末圧粉体を焼結温
度よシも低い温度で予備焼結した後、切断、研削、切削
等の加工を施してから焼結することができる。
焼結時の条件に関しては、例えば出発原料に亜化学量論
的組成の化合物を用いた場合、原子空孔が焼結の駆動力
として作用して低温無加圧でも焼結性が促進され、また
、Crの含有量が多い場合には、焼結中KCrが蒸発し
て得られた焼結体の固体潤滑性の低下傾向があられれる
ので高真空、高潟焼結を避けなければならなくなる、な
どの実際上生起する問題との関係で適宜に選定すること
が必要になる。したがって、焼結時の条件は、出発原料
の組成等に対応して変化させるので一義的に定められな
い。
なお、得られた焼結体を、更に、熱間静水圧焼結(HI
P)で処理すると、その焼結体の強度が一層高くなるの
で有効である。
また、この焼結体を実際の高温摺動部材として使用する
場合、該焼結体を予め酸化雰囲気中で処理し、その表面
に厚み10μm以下の酸化物の層を形成すると、内部は
高強度で表面のみが潤滑性大という両機能が発現するの
で有効である。
〔発明の実施例〕
実施例1〜12 (11焼結体の製造とその特性 第1表に示した各種の化合物の粉末(平均粒径0.2〜
3μm)を表示の割合に配合し、この配合粉末に3〜5
%のパラフィンを成形助剤として添加し、アセトン溶媒
中、WCC超超硬合金製ボール用いて混合粉砕した。得
られた混合粉末から溶媒を蒸発乾燥後、この混合粉末を
G、)It/d〜5t/crIの加圧で成形、■100
〜300に9/crItの加圧でホットプレス(H,P
 ) t、で成形し、得られた成形体を10〜10mH
rの真空中もしくにAr雰囲気、l 35 (1〜1 
’8 (10℃の温度、30〜60分の条件下で焼結し
た。
得られた各焼結体の特性を一括して第1表に示した。
(2)各温度における摩擦係数の測定 実施例番号] 、 2 、9 、10 、11の各焼結
体につき、摩擦摩耗同時試験機により室温から1000
℃迄の大気中における摺動試験を行った。試験方法に、
外径26障φ内径20縮φ高さ15喘の円筒と34陥φ
XIO關の円板を各焼結体で作製し、同一試料番号の円
筒と円板全面接触はせて荷重50に2、すべり速度20
0 tyn/ secの条件で摩擦摩耗試験を行い、1
時間稜における摩擦係数を測定するという方法である。
その結果を第2表に示した。
第  2  表 (3)  各温度における摩擦係数及び摩耗率の測定実
施例1,3,6,8、比較例2,3の各焼結体からそれ
ぞれ外径26門φ内径20關φ高さ15Iolの円筒を
製作し、直径34咽φ厚み10岨の円板ヲ窒化銅(HR
C55)から製作しそれぞれ全面接触させて荷重30k
fを印加して(2)と同様な条件で摩擦摩耗試験を行な
った。その結果を第3表に示した。なお、比較例2の焼
結体は摩擦係数及び摩耗率共に本発明の焼結体よりも高
く、比較例3の焼結体は強度が低いために荷重を加える
とクラックが入り、特に600℃、1000℃のときに
摩擦係数及び摩耗率の測定が不可能であった。
(4(各温度における摩擦係数の測定 実施例1,3,9.10の焼結体で(2)と同様の円筒
を製作した。円板にSUS 304で製作し、両者を面
接触させたときの荷重はIOk八両へ間にエステル系合
成油を潤滑油として用いたことを除いては(2)の場合
と同様にして各温度における摩擦係数を測定した。その
結果を第4表に示した。
第  4  表 〔発明の効果〕 以上の説明で明らかなように、本発明のセラミックス焼
結体は、従来の潤滑性材料に比較して高硬度であり、抗
折力から判断した靭性も4〜8倍と高く、熱伝導性、耐
食性、耐酸化性に優れ、又、硬質相が金属的性質を有し
ているため電気伝導性も優れ、しかも大気中高温下にお
ける摩擦係数及び摩耗率の低いこと並ひに潤滑油が存在
1〜で300℃と温度が高い場合にも充分に低い摩擦係
数を保持することが確認できた。
したがって、本発明の潤滑性セラミックスに、ターボチ
ャージャー用のジャーナル軸受、熱nJi圧延ロール、
連続6造用軸受、エアスピンドル用軸受、スラスト軸受
などのぢイル【/ス軸受部材及びシールリングの分野か
ら@滑油、有機溶媒、薬品等の腐食性液体と接触しつつ
高温で作動する。j5ンゾ等の摩擦用部分、耐食性が要
求される食品衛生関係用部品などの広範囲の用途に使用
可能であってその工業的価蝕σ極めて犬である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)Crの炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、炭酸
    化物、窒酸化物及び炭窒酸化物の中から選ばれた少なく
    とも1種とTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、
    W、Si、B、Yの炭化物、窒化物、酸化物及びこれら
    の相互固溶体の中から選ばれた少なくとも1種とからな
    る硬質相と、不可避的不純物とでなることを特徴とする
    高温固体潤滑性セラミックス。
  2. (2)前記硬質相が次式:(Cr_a、M_b)(C_
    x、N_y、O_z)_n〔但し、式中Mは、Ti、Z
    r、Hf、V、Nb、Ta、Mo、Wの中の少なくとも
    1種からなる金属元素を表わし、a、bはCr及び金属
    元素Mのモル比を表わし、x、y、zにそれぞれ、C(
    炭素)、N(窒素)、O(酸素)のモル比を表わし、n
    はCrと金属元素Mとの合計に対するC、N、Oを合計
    した非金属元素のモル比を表わし、その関係は、a+b
    =1、1>a≧0.2、0.8≧b>0、x+y+z=
    1、1≧x≧0.4、0.5≧y≧0、0.3≧z≧0
    、1.33>n≧0.44を表わす。〕で表わせる特許
    請求の範囲第1項記載の高温固体潤滑性セラミックス。
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