(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス焼結体を構成するセラミックス粒子の方位を特定方向に配向制御させた、０．３以下の低摩擦係数を有するセラミックス焼結体摺動部材であって、ランダムに分散した短径がサブミクロン以下の微細なマトリックス中に、短径が数ミクロン以上且つアスペクト比が略２以上の粗大な異方性粒子が摺動面に対し４５度以上ないし垂直に配列した構造を有する窒化けい素焼結体の配向材からなり、該配向材における上記異方性粒子が直立する面を摺動面とした、無潤滑摺動条件においても摺動面はミクロなオーダーで平滑面を維持できる機能を有することを特徴とする窒化けい素焼結体製摺動用部材。
【請求項２】
ランダムに分散した短径がサブミクロン以下の微細なマトリックス中に、短径が数ミクロン以上且つアスペクト比が略２以上の粗大な異方性粒子が摺動面に対し垂直に配列した構造を有することを特徴とする請求項１記載の窒化けい素焼結体製摺動用部材。
【請求項３】
粗大な異方性粒子の含有量が２０ｖｏｌ％以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の窒化けい素焼結体製摺動用部材。
【請求項４】
粗大な異方性粒子のアスペクト比が３．０以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化けい素焼結体製摺動用部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高耐性摺動用セラミックス材料に関するものであり、更に詳しくは、セラミックス焼結体を構成するセラミックス粒子の方位を特定方向に配向制御することにより、硬度によらず高い耐摩耗性を発現せしめ、乾燥摩擦下においても通常の０．８−１．０に対し０．３以下の低摩擦係数を有するセラミックス摺動材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
摺動材料には、高い耐摩耗性が要求される。この要求に対し、適用機器の形状設計による対応では限界があり、特に十分な潤滑が為されない場合若しくは無潤滑である場合、更には高荷重高摺速等の厳しい使用環境下においては、摺動材料自身の耐摩耗性の確保が不可欠である。
この材料自身の耐摩耗性の向上のために、摺動表面の硬度を高くすることは一般的且つ有効な手段である。その具体的手法として、（ａ）表面処理による表面層の硬質化、硬質コーティング層の形成、そして、（ｂ）硬質材料の母材への適用、が挙げられる。また、（ｃ）摺動材料に固体潤滑物質を含有せしめ、摩擦力を低減すること、も一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記（ａ）は、金属材料において有効な手法であるが、ひとたび設計段階での想定を越えるシビアな摩耗状態に至るなどの理由により、表面層が摩耗若しくは破壊され、消失した場合、加速度的に摩耗が進行しうる。即ち、耐久性及び信頼性の点でモノリシックな摺動材料に劣る。
また、前記（ｂ）は、例えば、アルミナ、炭化けい素、窒化けい素などのセラミックス焼結体の母材への適用であるが、高硬度ゆえに相手材の攻撃性も高くなるため、同等以上の硬度を有する相手材の適用が要求される。
更に、高硬度、即ち、高弾性率材同士の組合せとなるため、同一接触荷重下でも発生応力が著しく増大し、微小破壊を誘起する場合がある。
【０００４】
更に、セラミックス焼結体構成粒子の粒子径を小さくすることも良く知られた耐摩耗性向上の一手法であるが、これは、同時に破壊靱性の低下を誘起し、構造用部材としての適性を損ねることとなる。
更に、前記（ｃ）においては、固体潤滑物質自身の強度が低いこと、また、十分な潤滑作用を得るためには一定量以上の添加が必要であり、母材の強度低下を招く。更に、固体潤滑物質のサイズがマトリックス構成粒子を上回った場合などは、破壊起点として作用し、更なる機械的特性の低下を惹起する。
【０００５】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、硬度によらず高い耐磨耗性を付与しうる新しい手法を開発することを目標として鋭意研究を重ねた結果、セラミックス焼結体を構成するセラミックス粒子の方位を特定方向に配向制御することで所期の目的を達成しうるとの知見を得て、本発明を完成するに至った。
本発明は、高耐性摺動用セラミックス材料を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、０．３以下の低摩擦係数を有する窒化けい素焼結体製摺動部材を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）セラミックス焼結体を構成するセラミックス粒子の方位を特定方向に配向制御させた、０．３以下の低摩擦係数を有するセラミックス焼結体摺動部材であって、ランダムに分散した短径がサブミクロン以下の微細なマトリックス中に、短径が数ミクロン以上且つアスペクト比が略２以上の粗大な異方性粒子が摺動面に対し４５度以上ないし垂直に配列した構造を有する窒化けい素焼結体の配向材からなり、該配向材における上記異方性粒子が直立する面を摺動面とした、無潤滑摺動条件においても摺動面はミクロなオーダーで平滑面を維持できる機能を有することを特徴とする窒化けい素焼結体製摺動用部材。
（２）ランダムに分散した短径がサブミクロン以下の微細なマトリックス中に、短径が数ミクロン以上且つアスペクト比が略２以上の粗大な異方性粒子が摺動面に対し垂直に配列した構造を有することを特徴とする前記（１）記載の窒化けい素焼結体製摺動用部材。
（３）粗大な異方性粒子の含有量が２０ｖｏｌ％以上であることを特徴とする前記（１）又は（２）記載の窒化けい素焼結体製摺動用部材。
（４）粗大な異方性粒子のアスペクト比が３．０以上であることを特徴とする前記（１）から（３）のいずれかに記載の窒化けい素焼結体製摺動用部材。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明においては、原料としてα窒化けい素、β窒化けい素、また、焼結助剤として、酸化イットリウム、アルミナ、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｙｂ2 Ｏ3 、ＨｆＯ2、Ｓｉ2 Ｏ3 、ＣｅＯ2 、ＺｒＯ2 、ＳｉＯ2 、Ｃｒ2 Ｏ3 、ＡｌＮ等、有機バインダーとして、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）、メチルセルロース、澱粉、セルロースアセテート、ポリアクリレート、ポリメタクリレート等、が使用される。この場合、α窒化けい素は、平均粒径０．５μｍ以下の微粉末、β窒化けい素は、α窒化けい素粉末の平均粒径より大きくアスペクト比が略２以上、が好適に用いられる。
焼結助剤は、５〜１０％添加する。また、有機バインダーは１０〜２０％添加する。
【０００８】
上記原料をボールミルにてエタノールを加え、ボールミル混合し、乾燥・解砕したものを原料粉末とする。上記原料粉末に有機バインダーを添加し、ボールミル混合、混練、押出し成型し、大気中で十分に乾燥した後、窒素雰囲気中５００〜７００℃、空気中４００〜６００℃の熱処理にて脱脂後、圧力１００〜５００ＭＰａで静水圧成形し、更に、窒素０〜０．９ＭＰａ雰囲気中で１７００〜１９００℃、０．５〜２．０ｈで焼成して目的の部材を得る。
【０００９】
上記方法により、ランダムに分散した微細な短径がサブミクロン以下のマトリックス中に、粗大な短径が数ミクロン以上且つアスペクト比が略２以上の異方性粒子が摺動面に対し４５度〜垂直に配列した構造を有する窒化けい素配向焼結体が得られる。
４５度を下回ると微小突起のヘルツ接触により誘起される亀裂は、摺動方向及び摺動面と平行方向に成長する。本発明の主旨は、摺動面に対し異方性粒子を垂直に、即ち、亀裂の進展方向に垂直に配列させることにより上記亀裂の進展を大幅に抑制するものである。これに対し、異方性粒子が摺動面に対し平行に配列した場合、上記理由により亀裂進展が助長されるため、耐摩耗性は向上しない。上記４５度の根拠は、４５度を下回った場合、先述の理由により亀裂進展抑制効果が発現しない点にある。
粗大な異方性粒子の含有量が２０ｖｏｌ％以上、好適には２０ｖｏｌ％〜１００ｖｏｌ％であることが望ましい。その理由は、２０％を下回ると、上記の構造異方性の効果が摩耗量の低減に貢献しうるほどには発現しないため、即ち、焼結体のほとんどがランダムに配置した粒子になってしまうため、である。
また、粗大な異方性粒子のアスペクト比が３．０以上であること、即ち、３．０を下回らないこと、が好ましい。前述の亀裂が摺動表面から内部方向に進展する場合もあり、このとき、アスペクト比が３を下回ると異方性粒子が摺動面に垂直に配列していても粒子の脱落が誘発され、耐摩耗性の向上は期待できない。
【００１０】
二物質の接触表面において、微小突起のヘルツ接触により誘起される亀裂は、この微小突起の摺動にともない生ずる摩擦力によって摺動方向に成長する。亀裂の進展の結果として発生する粒子の脱落は、摩耗、特に、無潤滑又は潤滑が十分に為されない摺動条件下において、主たる要因である。
本発明では、摺動面に対し垂直に配列した異方性粒子の存在により、上記亀裂の進展が大幅に抑制される。その結果、従来品に比較し、無潤滑下においても耐摩耗性の大幅な向上が得られる。
更に、本発明は、上述の理由により、セラミックス焼結体の摩耗に対する耐性を本質的に向上させるため、無潤滑摺動条件下においても、摺動面はミクロなオーダーで平滑面を維持できる。その結果、高真空若しくは高温度雰囲気下を除く摺動環境においては、雰囲気中の水分との反応で生成される酸化けい素水和物が摺動表面上に残留しやすい。この生成物は、高アスペクト比のロール形状であるため、摺動表面においてローラーの如く作用し、摩擦係数を顕著に低下させることが可能である。
【００１１】
上記の理由により、焼結体構成粒子のすべてを一方向に配向制御したものでは、耐摩耗性の顕著な向上と共に、配向方向平行面で配向方向への引張強度も向上する。
そして、本発明により、微細粒子をマトリックスに残留させることで、先に述べた耐摩耗性の向上と、機械的強度の更なる向上を実現できる。
上記の理由により、亀裂進展抑制因子たる異方性粒子は、一定量以上含有されることが、本発明の耐摩耗性向上効果を得るために不可欠である。更に、窒化けい素においては、機械特性、特に、破壊靱性値は、異方性粒子含有量の増加により増大するため、この点からも一定量以上の含有量が必要となる。
鋭意研究の結果として、窒化けい素焼結体においては粗大な異方性粒子を２０ｖｏｌ％以上の含有とすることにより、上記顕著な効果の発現を得ることが可能である。
【００１２】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は当該実施例によって何ら限定されるものではない。
（１）試料作製
（ａ）標準材
高純度α窒化けい素粉末に、酸化イットリウム粉末を５ｍａｓｓ％、アルミナ粉末を２ｍａｓｓ％添加し、ナイロンポット及び鉄芯入りナイロンボールにて、エタノールを加え、４８時間ボールミル混合し、乾燥・解砕したものを、原料粉末とした。原料粉末は、面圧１０ＭＰａのプレス成形の後、圧力５００ＭＰａで静水圧成形し、窒素０．９ＭＰａ雰囲気中１８５０℃×２ｈで焼成し、標準試料（Ｒ材）とした。
【００１３】
（ｂ）試料Ｂ１（β配向材）
高純度α窒化けい素粉末に、β窒化けい素粉末を１５ｍａｓｓ％、酸化イットリウム粉末を５ｍａｓｓ％、アルミナ粉末を２ｍａｓｓ％添加し、ナイロンポット及び鉄芯入りナイロンボールにて、エタノールを加え、４８時間ボールミル混合し、乾燥・解砕の後、あらたに１５ｍａｓｓ％の有機バインダーを添加し、ナイロンポット及び鉄芯入りナイロンボールにて、水を加え、４８時間ボールミル混合を経て、フック式混練機及びローラー型混練機にて混練したものを、坏土とした。この坏土をスクリュー式押出機にて棒状に押出した成型体を、大気中で十分に乾燥した後、窒素雰囲気中６００℃×４ｈ、続いて空気中４００℃×４ｈの熱処理にて脱脂後、圧力５００ＭＰａで静水圧成形し、窒素０．９ＭＰａ雰囲気中１８５０℃×２ｈで焼成したものを、試料Ｂ１とした。
【００１４】
（ｃ）試料Ｂ２（βバイモーダル配向材）
前述（ｂ）にて、添加するβ窒化けい素粉末量を５ｍａｓｓ％とし、以下の同様の処理を施して得られた焼結体を試料Ｂ２とした。
【００１５】
（ｄ）試料Ａ１４、Ａ２４、Ａ３４、Ａ４４（αマトリックスβ配向材１）
高純度α窒化けい素粉末に、酸化ランタン粉末を５ｍａｓｓ％、また、β窒化けい素粉末を0 、2 、5 、１０ｍａｓｓ％添加し、ナイロンポット及び鉄芯入りナイロンボールにて、ブタノール、トルエン及び有機バインダを加え、４８時間ボールミル混合したものをスラリーとした。このスラリーをドクターブレードによりシート状に押出したものを積層・ 加熱圧着したものを、窒素雰囲気中６００℃×４ｈ、続いて空気中４００℃×４ｈの熱処理にて脱脂後、圧力５００ＭＰａで静水圧成形し、窒素フロー雰囲気中１８００℃×２ｈ、圧力４０ＭＰａでホットプレス焼成したものを、前述のβ窒化けい素粉末添加量0 、2 、5 、１０ｍａｓｓ％  に応じ、それぞれ試料Ａ０、Ａ２、Ａ５、Ａ１０とした。
【００１６】
（２）評価方法
摩擦摩耗試験には、ブロックオンリング型試験機（ファレックスタイプ）を用いた。この際、ブロック側に前項（１）にて作製した試料を用い、リングには市販の等方性窒化けい素焼結体を用いた。垂直荷重は５Ｎ、摺動距離は７５ｍ、摺動速度は１．５ｍ／ｓ、雰囲気は大気中で２５±３℃及び湿度２５±２％ＲＨで無潤滑とした。
また、強度はＪＩＳ  Ｒ１６０１に基づき４点曲げにて、破壊靱性はＪＩＳ
Ｒ１６０７に基づき、ＩＦ法にて評価を実施した。
【００１７】
（３）結果
（ａ）配向とバイモーダルの効果
図１に、Ｒ材、Ｂ１材、及びＢ２材の比摩耗量を示す。
摩耗量は、標準材に較べ微構造（図２：左の上下はＢ１材、右の上下はＢ２材を示す）を有するＢ１材で５．９％、Ｂ２材で２１％と顕著に減少していることが分かる。
図３に、同じくＲ材、Ｂ１材、及びＢ２材の配向方向平行面を引張り面とし、配向方向を試料の長手方向として測定した４点曲げ強度を示す。Ｂ２材ではマトリックス中に存在する微細粒子により焼結体内に潜在する欠陥サイズの分布がより小さな方向へシフトする、いわゆる、粒径効果によりＢ１材に較べ強度が向上することが分かる。
次に、図４に、Ｒ材及びＢ２材の摩擦係数を示す。また、図５に、摩擦試験後の各試料の表面状態を示す（図５：左はＲ材、右はＢ２材を示す）。Ｒ材では、摩擦係数は摺動時間（距離と）共に増加し、最終的には１．０レベルにまで達している。表面も粗く（図５の左）粒子が脱落し、脱落粒子の破砕粉である塊状の粒子が表面に存在している。
一方、本発明品であるＢ２材では、摩擦係数は漸近的に減少し、最終的には０．３以下に収束している。また、表面状態も極めて平滑であり、前述のロール状の摩擦低減物質の生成も認められる。
【００１８】
（ｂ）β量の効果
図６に、異方性粒子（β粒子）の含有量と比摩耗量及び破壊靱性の関係を示す。β粒子の含有量の増加と共に破壊靱性値（図５の右）（ＡＯ材：３．６、Ａ２材：４．６、Ａ５材：５．１、Ａ１０材：５．４）は顕著に増加し、同時に比摩耗量（ＡＯ材：０．８９×１０-8、Ａ２材：０．２２×１０-8、Ａ５材：０．２２×１０-8、Ａ１０材：０．１６×１０-8）も低減され、特に、２０％以上でこの効果が顕著に発現することが分かる。
また、異方性粒子は、それ自身が摺動面に対し直立することにより、粒子の周囲に微小亀裂が生じた場合においても、所謂アンカー効果により脱落しにくいことが重要である。同じく、鋭意研究の結果、異方性粒子のアスペクト比が概ね３以上においてこの効果が得ることが可能である。
【００１９】
【発明の効果】
本発明により、以下のような効果が奏される。
（１）高耐性摺動セラミックス材料を提供することができる。
（２）硬度によらず高い耐磨耗性、機械的強度を向上させることができる。
（３）無潤滑摺動条件下においても摺動面はミクロなオーダーで平滑面を維持できる。
（４）乾燥摩擦下においても０．３以下の低摩擦係数を有するセラミックス摺動材料を提供できる。
（５）粗大な異方性粒子が摺動面に対し４５度以上ないし垂直に配列した構造を有する窒化けい素焼結体製摺動部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】標準材（Ｒ材）、β配向材（Ｂ１材）及びβバイモーダル配向材（Ｂ２材）の比摩耗量を示す。
【図２】Ｂ１材、Ｂ２材の微構造を示す。
【図３】Ｒ材、Ｂ１材及びＢ２材の強度を示す。
【図４】Ｒ材、Ｂ２材の摩擦係数を示す。
【図５】摩擦試験後の各試料（左はＲ材、右はＢ２材）の表面状態を示す。
【図６】異方性粒子（β粒子）の含有量と比摩耗量及び破壊靱性の関係を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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