(57)【要約】【課題】特定の複合部材と金属部材との摺動面の間に炭化水素燃料が介在することにより、両部材の摩耗が抑えられる摺動構造を提供する。【解決手段】本発明の摺動構造は、セラミックス（窒化ケイ素、サイアロン等）に繊維状カーボン（カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ）を分散させた複合材料からなる複合部材と、金属部材（軸受鋼等）とが、互いに摺動する摺動構造（内燃機関に燃料を供給する燃料供給用部品等）において、複合部材と金属部材の各々の摺動面の間に、１０−５〜２×１０−４質量％の水を含有する炭化水素燃料（パラフィン系炭化水素燃料等）が介在している。【選択図】図１
2010089986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスに繊維状カーボンを分散させた複合材料を用いてなる複合部材と、金属部材とが、互いに摺動する摺動構造において、
上記複合部材と上記金属部材の各々の摺動面の間に、１０−５〜２×１０−４質量％の水を含有する炭化水素燃料が介在していることを特徴とする摺動構造。
【請求項２】
上記水の含有量が２×１０−５〜２×１０−４質量％である請求項１に記載の摺動構造。
【請求項３】
上記複合部材のビッカース硬さが１２００以上であり、且つ該ビッカース硬さは上記セラミックスを用いてなるセラミックス部材のビッカース硬さの６０〜９８％である請求項１又は２に記載の摺動構造。
【請求項４】
上記セラミックスと上記繊維状カーボンとの合計を１００質量％とした場合に、該繊維状カーボンは０．５〜７．５質量％である請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の摺動構造。
【請求項５】
セラミックスが窒化ケイ素及びサイアロンのうちの少なくとも一方を主成分とする請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載の摺動構造。
【請求項６】
上記繊維状カーボンがカーボンナノファイバー及びカーボンナノチューブのうちの少なくとも一方である請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載の摺動構造。
【請求項７】
上記繊維状カーボンの長さが５〜２０μｍであり、且つ外径が５０〜２００ｎｍである請求項６に記載の摺動構造。
【請求項８】
上記金属部材が鉄又は鉄基合金からなる請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載の摺動構造。
【請求項９】
上記炭化水素燃料がパラフィン系炭化水素燃料を含有する請求項１乃至８のうちのいずれか１項に記載の摺動構造。
【請求項１０】
内燃機関に上記炭化水素燃料を供給する燃料供給用部品を構成する請求項１乃至９のうちのいずれか１項に記載の摺動構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は摺動構造に関する。更に詳しくは、本発明は、特定の複合部材と金属部材との摺動面の間に炭化水素燃料が介在することにより、両部材の摩耗が抑えられる摺動構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車のエンジン等の内燃機関に燃料を供給するための燃料供給用部品、例えば、燃料噴射ポンプなどは、高い潤滑性を備え、優れた摺動特性を有し、摩耗し難いことが必要とされている。このように、優れた摺動特性を有し、摩耗し難い部品として、例えば、摺動面に、Ｐｄ、Ｐｔ等の遷移金属からなる金属相と、カーボンナノファイバー等からなる炭素相とを備える、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、シリカ等のセラミックスを用いた部品が知られており、このような部品を使用し、摺動面に燃料を優先的に吸着させ、自己潤滑機能を発現させる方法が提案されている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１３９０２１号公報
【非特許文献１】和田匡史他、トライボロジー学会予稿集、佐賀、２００７−９，ｐｐ，１１５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１及び非特許文献１では、窒化ケイ素等に繊維状カーボンを含有させることが、部材の摩耗低減に寄与することは確認されているものの、不純物として燃料に含有される水分量と、部材の耐摩耗性との相関については、何ら検討されておらず、通常、微量の水が含有される炭化水素燃料中で、燃料供給用部品の摺動による摩耗の低減が十分になされるか否か等については全く不明である。また、窒化ケイ素等に代表される非酸化物セラミックスの表面は化学的に極めて安定であり、脂肪酸等の潤滑性向上剤及び燃料の主成分である飽和炭化水素等の吸着が起こり難く、摺動面と脂肪酸等の有機物との相互作用による摩擦、摩耗の低減については十分に検討されてはいない。
【０００５】
本発明は上記の従来の状況に鑑みてなされたものであり、特定の複合部材と金属部材との摺動面の間に炭化水素燃料が介在することにより、両部材の摩耗が抑えられる摺動構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
炭化水素燃料中における窒化ケイ素等のセラミックスの摩耗は、炭化水素燃料に不純物として含有される水を介する酸化摩耗により進行するが、水の含有量が所定範囲内にある場合、セラミックスにカーボンナノファイバー等の繊維状カーボンを含有させた複合材料を用いてなる複合部材では、軸受鋼等を加工してなる金属部材との摺動により、摩擦熱が発生し、昇温するとともに、摺動面に存在する繊維状カーボンの表面にフリーラジカルが生成する。そして、生成したフリーラジカルを介する炭化水素分子の摺動面への吸着が促進され、摺動面における水分濃度が低いままに保たれ、且つ金属部材を構成する金属を介する脱水素反応が起きるこのような機構により、摺動面への炭化水素燃料の供給が促進され、摩耗が低減する。
【０００７】
また、複合部材における繊維状カーボンの含有量が増加することにより、即ち、複合部材の硬さの低下にともなって、脱水素反応の活性点が増加し、炭化水素燃料の吸着がより促進されることで、摺動面における耐摩耗性がより向上する。一方、繊維状カーボンの含有量が更に増加し、即ち、複合部材の硬さがより低下することによって、摩擦による摺動面の温度上昇が抑えられ、摺動面におけるフリーラジカルの生成が抑制される。その結果、炭化水素分子の吸着による摺動面での油膜形成が困難になり、潤滑性が低下するとともに、耐摩耗性が低下する。このように活性点の増加と、硬さの低下（この硬さの低下にともなって摺動面における温度低下により反応性が低下する。）とは二律背反の関係にあるため、繊維状カーボンを含有し、所定以上の硬さを有する複合部材とする必要がある。
本発明は、このような知見に基づきなされたものである。
【０００８】
本発明は以下のとおりである。
１．セラミックスに繊維状カーボンを分散させた複合材料からなる複合部材と、金属部材とが、互いに摺動する摺動構造において、上記複合部材と上記金属部材の各々の摺動面の間に、１０−５〜２×１０−４質量％の水を含有する炭化水素燃料が介在していることを特徴とする摺動構造。
２．上記水の含有量が２×１０−５〜２×１０−４質量％である上記１．に記載の摺動構造。
３．上記複合部材のビッカース硬さが１２００以上であり、且つ該ビッカース硬さは上記セラミックスを用いてなるセラミックス部材のビッカース硬さの６０〜９８％である上記１．又は２．に記載の摺動構造。
４．上記セラミックスと上記繊維状カーボンとの合計を１００質量％とした場合に、該繊維状カーボンは０．５〜７．５質量％である上記１．乃至３．のうちのいずれか１項に記載の摺動構造。
５．セラミックスが窒化ケイ素及びサイアロンのうちの少なくとも一方を主成分とする上記１．乃至４．のうちのいずれか１項に記載の摺動構造。
６．上記繊維状カーボンがカーボンナノファイバー及びカーボンナノチューブのうちの少なくとも一方である上記１．乃至５．のうちのいずれか１項に記載の摺動構造。
７．上記繊維状カーボンの長さが５〜２０μｍであり、且つ外径が５０〜２００ｎｍである上記６．に記載の摺動構造。
８．上記金属部材が鉄又は鉄基合金からなる上記１．乃至７．のうちのいずれか１項に記載の摺動構造。
９．上記炭化水素燃料がパラフィン系炭化水素燃料を含有する上記１．乃至８．のうちのいずれか１項に記載の摺動構造。
１０．内燃機関に上記炭化水素燃料を供給する燃料供給用部品を構成する上記１．乃至９．のうちのいずれか１項に記載の摺動構造。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の摺動構造によれば、セラミックスにカーボンナノファイバー等の繊維状カーボンを分散させた複合材料からなる複合部材を、金属部材と摺動させるときに、摺動面の間に炭化水素燃料が介在しているため、この燃料の潤滑作用により、互いに摺動する複合部材及び金属部材の各々の摩耗を十分に抑えることができる。
また、水の含有量が２×１０−５〜２×１０−４質量％である場合は、複合部材及び金属部材のそれぞれの摩耗をより十分に低減させることができる。
更に、複合部材のビッカース硬さが１２００以上であり、且つこのビッカース硬さがセラミックスを用いてなるセラミックス部材のビッカース硬さの６０〜９８％である場合は、この範囲の硬さ未満であるとき、及びこの範囲の硬さを越えるとき、に比べて、この特定の硬さ範囲であることによって、より十分に摩耗が抑えられる。
また、セラミックスと繊維状カーボンとの合計を１００質量％とした場合に、繊維状カーボンが０．５〜７．５質量％である場合は、この範囲の含有量未満であるとき、及びこの範囲の含有量を越えるとき、に比べて、この特定の含有量であることによって、より十分に摩耗が抑えられる。
更に、セラミックスが窒化ケイ素及びサイアロンのうちの少なくとも一方を主成分とする場合は、本来、優れた耐摩耗性を有するセラミックスであるうえに、繊維状カーボンの配合により、炭化水素燃料の介在による耐摩耗性の更なる向上が十分に発現される。
また、繊維状カーボンがカーボンナノファイバー及びカーボンナノチューブのうちの少なくとも一方である場合は、繊維状カーボンの配合による耐摩耗性の向上がより顕著である。
更に、繊維状カーボンの長さが５〜２０μｍであり、且つ外径が５０〜２００ｎｍである場合は、セラミックスにより容易に、且つより均一に分散させ、含有させることができるため、耐摩耗性をより向上させることができる。
また、金属部材が鉄又は鉄基合金からなる場合は、これらの多くの用途において用いられる金属、特に軸受鋼等を用いることにより、相手材である複合部材との間で良好な耐摩耗性が発現される摺動構造とすることができる。
更に、炭化水素燃料がパラフィン系炭化水素燃料を含有する場合は、このパラフィン系炭化水素燃料がガソリン、軽油（ケロシン）、灯油等として、自動車用のガソリンエンジン及びディーゼルエンジン、ジェットエンジン、家庭用等として多用される燃料であるため、本発明の摺動構造とすることにより、実用面で特に有用である。
また、摺動構造が、内燃機関に炭化水素燃料を供給する燃料供給用部品を構成する場合は、特に、近年のディーゼル車の排ガス規制にともなう軽油に含有される硫黄成分の削減、燃料効率の向上、及び低公害化のための燃料噴射圧の高圧化、等のため、耐摩耗性の更なる改善が必要とされている燃料供給用部品において、本発明の摺動構造とすることにより、耐摩耗性を十分に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の摺動構造は、セラミックスに繊維状カーボンを分散させた複合材料からなる複合部材と、金属部材とが、互いに摺動する摺動構造であり、複合部材と金属部材の各々の摺動面の間に、１０−５〜２×１０−４質量％の水を含有する炭化水素燃料が介在していることを特徴とする。
【００１１】
上記「セラミックス」は特に限定されず、窒化ケイ素、サイアロン、炭化ケイ素、アルミナ、ジルコニア、シリカ、酸化クロム及び酸化モリブデン等が挙げられる。また、これらのセラミックスに、炭化チタン及び窒化チタン等を分散させ、配合させることもできる。このセラミックスは、摺動の相手材である金属部材と摺動させて用いる部材を構成するセラミックスであるため、優れた耐摩耗性及び十分な強度等を有する、窒化ケイ素、サイアロン、炭化ケイ素等であることが好ましく、窒化ケイ素及びサイアロンのうちの少なくとも一方を主成分とすることがより好ましい。更に、これらの特定のセラミックスが用いられる場合、焼結助剤を除くセラミックスの全量が窒化ケイ素及び／又はサイアロンであってもよく、他のセラミックスが含有されていてもよいが、上記「主成分」とは、窒化ケイ素及び／又はサイアロンと、他のセラミックスとの合計を１００質量％とした場合に、窒化ケイ素及び／又はサイアロンが９０質量％以上、特に９５質量％以上含有されていることを意味する。
【００１２】
上記「繊維状カーボン」も特に限定されず、セラミックスに分散させ、含有させた場合に、所定の摺動条件下で耐摩耗性等を向上させることができる繊維状カーボンを用いることができる。この繊維状カーボンとしては、カーボンナノファイバー（以下、「ＣＮＦ」と略記することもある。）及びカーボンナノチューブ（以下、「ＣＮＴ」と略記することもある。）が挙げられる。これらの繊維状カーボンの繊維径及び繊維長は特に限定されず、繊維径が５０〜３００ｎｍ、特に５０〜２００ｎｍ、繊維長が１〜５０μｍ、特に５〜２０μｍのＣＮＦ、及び繊維径が２ｎｍ以上、５０ｎｍ未満、特に１０〜３０ｎｍ、繊維長が１〜５０μｍ、特に５〜２０μｍのＣＮＴを用いることができる。また、ＣＮＴは、グラフェンシートが円筒形状になった構造を有しており、グラフェンシートが１層の単層ＣＮＴ、２層以上の多層ＣＮＴがあるが、いずれのＣＮＴも用いることができる。更に、カーボンナノファイバーとカーボンナノチューブとを併用することもできる。
【００１３】
上記「複合材料」は、セラミックスに繊維状カーボンを分散させ、含有させてなる。分散、含有の方法は特に限定されず、例えば、複合材料の組成に応じて、セラミックス原料粉末、セラミックスの種類により選択される焼結助剤粉末、繊維状カーボン、及び媒体、並びに必要に応じて、バインダ、可塑剤等を、ボールミル等の混合装置を用いて、湿式混合して、分散させ、含有させることができる。媒体としては、水、エタノール、イソプロパノール、ブチルカルビトール等のアルコール類、メチルエチルケトン、アセトン等のケトン類などを用いることができる。また、バインダとしては、アクリル樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ポリビニルアルコール等を用いることができる。更に、可塑剤としては、ジブチルフタレート、ジオクチルフタレート、ジオクチルアジペート等を用いることができる。また、複合材料には、レベリング剤、消泡剤、分散剤等を配合し、含有させることもできる。
【００１４】
上記「複合部材」は、複合材料を用いて作製することができる。作製方法は特に限定されず、複合材料を所定形状に成形し、その後、乾燥して媒体を除去し、次いで、焼成することによりで作製することができる。成形体は、媒体の沸点等により所定温度に調温された乾燥炉を通過させる等の方法により乾燥させることができる。また、焼成は、乾燥後の成形体を、焼成温度より低い温度で加熱し、可塑剤を除去し、その後、所定の焼成温度に所定時間保持することによりなされる。
【００１５】
焼成温度は特に限定されず、セラミックスの種類及びセラミックス原料粉末の平均粒径、並びに焼結助剤の種類等によって適宜設定することができる。焼成雰囲気は、大気雰囲気等の酸化雰囲気ではカーボンの酸化が起こるため、非酸化雰囲気であることが望ましい。この非酸化雰囲気は特に限定されず、セラミックスの種類によって選択することができ、窒素ガス雰囲気及びアルゴン等の不活性ガス雰囲気などの不活性雰囲気、又は少量の水素ガスを含有する還元雰囲気とすることができる。更に、焼成時間、即ち、焼成温度を保持する時間も特に限定されず、焼成温度等により適宜設定することができる。
【００１６】
複合部材におけるセラミックスと繊維状カーボンとの質量割合は特に限定されないが、セラミックスと繊維状カーボンとの合計を１００質量％とした場合に、繊維状カーボンが０．５〜７．５質量％、特に１．０〜７．０質量％、更に２．０〜６．０質量％であることが好ましい。繊維状カーボンの含有量が０．５〜７．５質量％であれば、繊維状カーボンを含有していないセラミックスを用いてなる部材の場合と比べて、金属部材と摺動させたときの耐摩耗性を十分に向上させることができる。
【００１７】
また、複合部材の硬さは繊維状カーボンの含有量とともに低下し、金属部材と摺動させたときの耐摩耗性も変動するが、複合部材のビッカース硬さが１２００以上、特に１３００以上、更に１４００以上であり、且つこのビッカース硬さはセラミックス部材（繊維状カーボンを含有していないセラミックスを用いてなる部材）のビッカース硬さの６０〜９８％［（複合部材のビッカース硬さ／セラミックス部材のビッカース硬さ）×１００（％）］であることが好ましい。複合部材のビッカース硬さが１２００以上であり且つセラミックス部材のビッカース硬さの６０〜９８％であれば、セラミックス部材、及び繊維状カーボンが含有されていても、ビッカース硬さが１２００未満である場合と比べて、金属部材と摺動させたときの耐摩耗性をより十分に向上させることができる。
【００１８】
更に、複合部材に含有される繊維状カーボンは、その一部が複合部材の表面に露出しており、これにより摺動面への炭化水素燃料の供給が促進され、耐摩耗性が十分に向上する。この繊維状カーボンの一部は、当初より複合部材の表面に露出していてもよく、摺動による摩耗によって複合部材の表面に露出するようになってもよい。このように、耐摩耗性の向上は、複合部材の表面に露出した繊維状カーボンによりなされるため、繊維状カーボンは、必ずしも複合部材の全体に含有されている必要はなく、複合部材の摺動されることになる表面側のみに含有されていてもよい。
【００１９】
上記「金属部材」は、金属を所定形状に加工してなる部材であり、複合部材と互いに摺動することになる部材である。金属部材も、複合部材との摺動に耐えられる優れた耐摩耗性及び十分な強度等を有していることが好ましい。この金属部材を構成する金属は特に限定されないが、鉄又は鉄基合金であることが好ましい。また、鉄基合金としては、鉄に少量のニッケル、クロム等が配合されたステンレス鋼、鉄に少量の炭素、ケイ素等が配合された炭素鋼、鉄に少量の炭素、ケイ素、クロム等が配合された軸受鋼等が挙げられる。本発明の摺動構造では、金属部材が過酷な摺動に曝される軸受鋼等を加工してなる部材である場合でも、優れた耐摩耗性が発現され、複合部材及び金属部材のいずれの部材の摩耗量も低減させることができる。
【００２０】
金属部材の硬さは、摺動構造に用いることができる限り、特に限定されないが、そのビッカース硬さが４５０以上であることが好ましい。このビッカース硬さは、４５０〜１０００、特に６５０〜１０００であることがより好ましく、金属部材のビッカース硬さが４５０以上、特に４５０〜１０００であれば、複合部材及び金属部材ともに十分な耐摩耗性を有する摺動構造とすることができる。
【００２１】
本発明の摺動構造では、複合部材と金属部材とが、各々の摺動面の間に炭化水素燃料が介在した状態で互いに摺動するときに、優れた潤滑性が発現され、耐摩耗性が向上する。上記「炭化水素燃料」は特に限定されないが、炭素と水素とを有し、少なくともパラフィン系炭化水素、オレフィン系炭化水素、アセチレン系炭化水素、芳香族系炭化水素を含有する燃料である。また、これらの炭化水素は、直鎖構造、分枝構造のいずれの構造を有していてもよい。この炭化水素燃料としては、例えば、ガソリン、軽油（ケロシン）、灯油等の、自動車のエンジン、ジェットエンジン、温風ヒータ等の家庭用品などに用いられる燃料が挙げられる。これらの燃料は、いずれもパラフィン系炭化水素を主成分（炭化水素燃料を１００質量％とした場合に、パラフィン系炭化水素を５０質量％以上、特に８０質量％以上含有する。）とする燃料であり、本発明の摺動構造では、このパラフィン系炭化水素を主成分として含有する燃料を介在させることにより、耐摩耗性を十分に向上させることができる。
【００２２】
この炭化水素燃料に含有される上記「水」の含有量は、１０−５〜２×１０−４質量％であり、２×１０−５〜２×１０−４質量％、特に２×１０−５〜１０−４質量％、更に２×１０−５〜７×１０−５質量％であることが好ましい。炭化水素燃料の水分含有量が１０−５〜２×１０−４質量％であれば、セラミックスに繊維状カーボンを含有させることにより、耐摩耗性が十分に向上する。また、水分含有量が３×１０−５質量％付近で、耐摩耗性の指標である比摩耗量が最少となり、この含有量の付近では、より優れた耐摩耗性が発現される。
【００２３】
本発明の摺動構造は特に限定されず、炭化水素燃料を介して摺動する各種の摺動部材を有する摺動構造、例えば、内燃機関に炭化水素燃料を供給する燃料供給用部品を有する摺動構造が挙げられる。この燃料供給用部品としては、例えば、自動車、航空機、船舶等の内燃機関、特に軽油（ケロシン）を燃料とするディーゼルエンジンに燃料を供給する部品、より具体的には、ピストンリング及びシリンダライナ、カム及びタペット、ローラ及びローラブッシュ等の燃料噴射ポンプの部材、噴射弁及びノズル本体などの燃料噴射ノズルの部材などが挙げられる。自動車、航空機、船舶等の内燃機関では、近年、低硫黄化にともなって、硫黄分の除去とともに、潤滑成分も同時に除去されてしまうため、より優れた潤滑性、耐摩耗性等が必要とされており、現状、窒化ケイ素等からなる摺動部材が特に問題なく用いられているが、本発明の摺動構造であれば、より一層優れた燃料供給用部品とすることができる。
【００２４】
また、自動車、航空機等の燃料として用いられる硫黄分０．０５重量％以下の規格に適合した軽油（ケロシン）であっても、高圧で燃料を噴射することができる部材として、窒化ケイ素等からなる摺動部材が用いられているが、本発明の摺動構造を摺動面に備える燃料噴射ポンプ等の摺動部材であれば、将来、より高圧で燃料が噴射される場合にも十分に対応可能である。更に、本発明の摺動構造は、炭化水素燃料を介する複合部材と金属部材との摺動によって、潤滑性及び耐摩耗性が発現されるものであり、この潤滑性等は摺動時の炭化水素燃料の吸着現象によるものであるため、複合部材及び金属部材の摺動面の粗度等が耐摩耗性等に及ぼす影響を低減させることもできる。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
実施例１
複合部材として、窒化ケイ素にカーボンナノファイバーを配合した複合材料を用いて成形したプレート試験片を使用し、金属部材として、軸受鋼（ＳＵＪ２）を用いて成形したディスク試験片を使用し、この複合部材と金属部材との間に、水の含有量の異なるケロシンを介在させて摺動させ、水の含有量が耐摩耗性に及ぼす影響を評価した。また、比較のため、カーボンナノファイバーが配合されていない窒化ケイ素を用いて同様にしてプレート試験片を作製し、同様にして耐摩耗性を評価した。
【００２６】
（１）複合部材（プレート試験片）の作製
Ｓｉ３Ｎ４粉末（宇部興産社製、商品名「Ｅ１０」）８５質量％、カーボンナノファイバー（昭和電工社製、商品名「ＶＧＣＦ」、繊維径；１５０ｎｍ、繊維長；１０〜２０μｍ）３質量％、及び焼結助剤としてＹ２Ｏ３粉末５質量％、Ａｌ２Ｏ３粉末２質量％、及びＭｇＯ粉末５質量％、をエタノールに分散させ、その後、ボールミルにより湿式混合した。次いで、エタノールを減圧乾燥により除去し、その後、整粒して混合粉末を得た。次いで、この混合粉末を使用し、温度１６００℃、圧力４０ＭＰａで、窒素雰囲気下、１時間保持し、ホットプレス焼成して焼結体を得た。その後、切削加工により、この焼結体を縦１０ｍｍ、横１５ｍｍ、厚さ４ｍｍのプレート状に加工し、次いで、摺動面（寸法；１０×１５ｍｍ）をラップ研磨し、プレート試験片を作製した［平均表面粗さ（Ｒａ）；０．０１μｍ未満］。
尚、比較のため、カーボンナノファイバーを配合しなかった他は、複合部材の場合と同様にして、同形状、同寸法、同表面粗さの窒化ケイ素試験片を作製した。
【００２７】
（２）金属部材を用いたディスク試験片の作製
複合部材（プレート試験片）と摺動させる相手材である金属部材として、軸受鋼（ＳＵＪ２）を、外径４０ｍｍ、内径２０ｍｍ、厚さ４ｍｍのディスク状に研削加工し、外周面を摺動面［平均表面粗さ（Ｒａ）；０．８μｍ以下］とするディスク試験片を作製した。
【００２８】
（３）摩擦摩耗特性の評価
図５のような摺動試験装置（この図５における矢印は荷重が加わり、押圧される方向を表す。）を使用し、水の含有量が調整されたケロシンが投入された密閉容器４１内で、上記（１）で作製したプレート試験片５（又は窒化ケイ素試験片）と、上記（２）で作製したディスク試験片６とがケロシンに浸漬された状態で、回転するディスク試験片６の外周面にプレート試験片５の一方の平面（摺動面）を押し付け、ディスク試験片６を回転させて摩擦摩耗特性を評価した。ケロシンはアルゴン爆気により溶存酸素を除去したうえで試験に供した。また、ケロシンには、通常、３．５×１０−５質量％程度の水が不純物として含有されているため、水の含有量が０．５×１０−５質量％のケロシンは、モレキュラシーブ３Ａを用いて水を除去し、水分含有量を調整した。
【００２９】
摺動試験条件は、試験温度２００℃、押付荷重７８．４Ｎ、摺動速度０．８４ｍ／秒、摺動距離５０ｋｍとした。このような条件で摺動させ、摩耗体積、摺動試験前後のディスク試験片の質量変化、及び回転軸のトルク値を測定し、下記の式によって、複合部材（又は窒化ケイ素部材）の比摩耗量、金属部材の比摩耗量、及び摩擦係数を算出した。尚、回転軸のトルク値は、摺動初期においては大きく、摺動距離の増加とともに急激に減少して一定値になるが、この一定値を上記のトルク値として用いた。また、摩耗体積は、プレート試験片（又は窒化ケイ素試験片）の摺動面の摩耗痕形状より算出した。
複合部材（プレート試験片）（又は窒化ケイ素部材）の比摩耗量（ｍｍ２／Ｎ）＝摩耗体積（ｍｍ３）／［押付け荷重（Ｎ）×摺動距離（ｍ）×１０００］
金属部材（ディスク試験片）の比摩耗量（ｍｍ２／Ｎ）＝[試験前重量（ｇ）−試験後重量（ｇ）]／［ディスク試験片の密度（ｇ／ｃｍ３）×押付け荷重（Ｎ）×摺動距離（ｍ）］
摩擦係数＝回転軸のトルク値（Ｎｍ）／［押付荷重（Ｎ）×ディスク試験片の外径（ｍｍ）］（尚、この摩擦係数は試験終了前５ｋｍの摺動における平均値である。）
結果を図１〜３に記載する。図１〜３において、「ＳＮ／３ＣＮＦ」は、窒化ケイ素に３質量％のカーボンナノファイバーを含有させた複合部材、「ＳＮ」は、窒化ケイ素のみからなる部材、をそれぞれ表す。
【００３０】
図１〜３によれば、窒化ケイ素部材の比摩耗量は、ケロシンに含有される水の増加とともに増加し、水の含有量が５×１０−５〜３×１０−４質量％の範囲ではほぼ一定となり、水の含有量が３×１０−４質量％を越えると再び増加に転じる。一方、複合部材では、水の含有量が極微量であるときは窒化ケイ素部材より比摩耗量が多いが、その後、水の含有量の増加とともに減少し、水の含有量が１０−５質量％付近から窒化ケイ素部材より比摩耗量が少なくなり、水の含有量が３×１０−５質量％付近で最小値となり、その後、水の含有量の増加とともに再び増加に転じ、水の含有量が２×１０−４質量％を越えると窒化ケイ素部材とほぼ同等となる。このように、ケロシンの水分含有量が１０−５〜２×１０−４質量％の範囲で、カーボンナノファイバーの配合により耐摩耗性が向上していることが裏付けられている。
【００３１】
また、金属部材の比摩耗量も、ケロシンの水分含有量が２×１０−５〜２×１０−４質量％の範囲で、相手材が複合部材である場合は、窒化ケイ素部材と摺動させたときと比べて比摩耗量が少なくなっており、ケロシンの水分含有量が特定の範囲内にあるとき、カーボンナノファイバーの配合により、複合部材のみでなく、金属部材の耐摩耗性も向上することが裏付けられている。
尚、摩擦係数は、ケロシンの水分含有量、及びカーボンナノファイバーの配合による大きな変動はなく、０．２０〜０．３０の間で推移している。
【００３２】
実施例２
複合部材として、窒化ケイ素に、所定量のカーボンナノチューブ又はカーボンナノファイバーを配合した複合材料を用いて成形したプレート試験片を使用し、金属部材として、軸受鋼（ＳＵＪ２）を用いて成形したディスク試験片を使用し、この複合部材と金属部材との間に、３．５×１０−５質量％程度の水を含有するケロシンを介在させて摺動させ、複合部材のビッカース硬さの耐摩耗性に及ぼす影響を評価した。また、比較のため、繊維状カーボンが配合されていない窒化ケイ素を用いて同様にしてプレート試験片を作製し、同様にして耐摩耗性を評価した。
【００３３】
（１）複合部材（プレート試験片）の作製
Ｓｉ３Ｎ４粉末（宇部興産株式会社製、商品名「Ｅ１０」）８５質量％、カーボンナノチューブ（アルドリッチ社製、繊維径；５〜４０ｎｍ、繊維長；０．５〜２μｍ）１、３、５及び１０質量％、又はカーボンナノファイバー（昭和電工社製、商品名「ＶＧＣＦ」、繊維径；１５０ｎｍ、繊維長；１０〜２０μｍ）０．５、１、３及び５質量％、及び実施例１で用いた焼結助剤を実施例１と同量、用いた他は、実施例１と同様にして、焼結体を得た。その後、実施例１と同様にして、同形状、同寸法、同表面粗さであり、ビッカース硬さが異なるプレート試験片を作製した。
尚、比較のため、繊維状カーボンを配合しなかった他は、複合部材の場合と同様にして同形状、同寸法、同表面粗さの窒化ケイ素試験片を作製した。
また、実施例１と同様にして、同形状、同寸法、同表面粗さのディスク試験片を作製した。
【００３４】
（３）摩擦摩耗特性の評価
ケロシンの水分含有量が３．５×１０−５質量％程度で一定である他は、実施例１と同様にして摩擦摩耗特性を評価し、実施例１と同様にして、複合部材（又は窒化ケイ素部材）の比摩耗量を算出した。また、複合部材のビッカース硬さはＪＩＳ  Ｒ  １６０７−１９９０により測定した。
結果を表１及び図４に記載する。表２の「ＣＮＴ」はカーボンナノチューブ、「ＣＮＦ」はカーボンナノファイバー、図４における「ＳＮ／ＣＮＴ」は、窒化ケイ素に所定量のカーボンナノチューブを含有させた複合部材、「ＳＮ／ＣＮＦ」は、窒化ケイ素に所定量のカーボンナノファイバーを含有させた複合部材、「ＳＮ」は窒化ケイ素のみからなる部材、をそれぞれ表す。
【００３５】
【表１】
2010089986.tif 000003
【００３６】
表１及び図４によれば、複合部材の比摩耗量は、繊維状カーボンの種類によらず、配合量の増加とともに減少し、最小値となった後、増加に転じる。カーボンナノチューブの場合は、配合量が５質量％のときに、カーボンナノファイバーの場合は、配合量が３質量％のときに、それぞれ比摩耗量が最小値となった。また、繊維状カーボンの配合量の増加とともに低下するビッカース硬さとの相関でみると、比摩耗量は、ビッカース硬さの低下とともに減少し、ビッカース硬さが１４００〜１５００より低くなると、再び増加する。更に、窒化ケイ素部材の比摩耗量との相関でみると、所定のビッカース硬さを有する場合、複合部材の比摩耗量が窒化ケイ素部材の比摩耗量より少なく、ビッカース硬さが特定の範囲内にあるときに、優れた耐摩耗性が発現されることが裏付けられている。
尚、実施例１と同様にして摩擦係数を測定したが、カーボンナノチューブ又はカーボンナノファイバーの配合による大きな変動はなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】ケロシンに含有される水分量と、複合部材等の比摩耗量との相関を説明するためのグラフである。
【図２】ケロシンに含有される水分量と、金属部材等の比摩耗量との相関を説明するためのグラフである。
【図３】ケロシンに含有される水分量と、摩擦係数との相関を説明するためのグラフである。
【図４】複合部材等のビッカース硬さと、比摩耗量との相関を説明するためのグラフである。
【図５】摺動試験用装置及び試験方法を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００３８】
１；複合部材、１１；セラミックス、１２；繊維状カーボン、２；金属部材、３；炭化水素燃料、４１；密閉容器、４２；回転軸、４３；押圧棒、４４；磁気カップリング、４５；負荷器、５；プレート試験片、６；ディスク試験片。
【図１】
2010089986.tif 000004
【図２】
2010089986.tif 000005
【図３】
2010089986.tif 000006
【図４】
2010089986.tif 000007
【図５】
2010089986.tif 000008