(57)【要約】【課題】各種産業機械の部品、治具、装置類に適用される摺動部材において、耐摩耗性および耐熱衝撃性に優れる窒化ケイ素系セラミックス製の摺動部材を提供する。【解決手段】窒化ケイ素を主成分とする窒化ケイ素系セラミックス焼結体で摺動面の少なくとも一部を形成した摺動部材であって、窒化ケイ素系セラミックス焼結体の常温における熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする。また、前記窒化ケイ素系セラミックス焼結体が実質的に窒化ケイ素粒子とその周囲の粒界相とで構成され、摺動面において窒化ケイ素粒子が面積率で７０〜９９．９％を占めることを特徴とする。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ケイ素を主成分とする窒化ケイ素系セラミックス焼結体で摺動面の少なくとも一部を形成した摺動部材であって、窒化ケイ素系セラミックス焼結体の常温における熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする窒化ケイ素系セラミックス製摺動部材。
【請求項２】
前記窒化ケイ素系セラミックス焼結体が実質的に窒化ケイ素粒子とその周囲の粒界相とで構成され、摺動面において窒化ケイ素粒子が面積率で７０〜９９．９％を占めることを特徴とする請求項１に記載の窒化ケイ素系セラミックス製摺動部材。
【請求項３】
前記窒化ケイ素系セラミックス焼結体は、相対密度が９８％以上であり、常温における４点曲げ強度が７００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化ケイ素系セラミックス製摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種産業機械の部品、治具、装置類に適用される摺動部材に係り、特に耐摩耗性および耐熱衝撃性に優れた窒化ケイ素系セラミックスからなる摺動部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から軸受など摺動面を有する摺動部材として、軸受鋼などの合金特殊鋼が用いられている。この場合、摺動による金属同士の凝着を防ぎ、摩擦係数を小さくするために、摺動面の間に潤滑剤を供給して使用する。潤滑剤はタービン油、スピンドル油、合成油などがあり、摺動部材が使用される面圧、滑り速度、環境、温度などを考慮して各種の添加剤を添加して適度な粘度のものを選定する。
【０００３】
他の摺動部材として、特許文献１には、窒化ケイ素、アルミナ、炭化ケイ素、ジルコニアなどからなるセラミックス多孔質体の気孔中に、シリコン油、耐熱グリスなどの潤滑油を含浸させた含油セラミックス軸受が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、窒化ケイ素セラミックスからなる摺動面を有する相手材と組み合わされる摺動部材であって、Ｃｏ基合金やＮｉ基合金の金属マトリックスに、４０〜７５体積％の炭化物系、窒化物系、ホウ化物系セラミックスからなる硬質粒子を分散させた摺動部材が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５９−１５５６２１号公報
【特許文献２】
特開２００１−２２０６０５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の軸受鋼などの金属材料からなる摺動部材の場合、摺動面間に介在させた潤滑剤が繰り返し摺動により消耗して所望の摺動特性が得られなくなる。そこで、摺動特性を安定に維持するため定期的な潤滑剤の注入作業やそのための注入機器を必要とする。
【０００７】
含油セラミックス軸受は、予め軸受内部に潤滑油を有しているため給油の必要はないが、含油量に限界があり、長期間の運転では軸受の温度が上昇し過ぎる問題がある。また、セラミックス多孔質体は開気孔を有しているため強度が劣り、高速、高面圧など摺動・摩擦条件の厳しい用途には使用できない。
【０００８】
金属マトリックス中にセラミックスの硬質粒子を分散させた摺動部材は、金属マトリックスによって優れた靭性を確保できるが、セラミックスの硬質粒子に比べて金属マトリックスが優先して摩耗、腐食などを発生しやすいので均一な摺動特性を得難いという問題がある。
【０００９】
セラミックスで摺動面を形成した摺動部材は特に耐摩耗性が優れている。炭化ケイ素セラミックスは靭性が乏しいため、これに替わり窒化ケイ素セラミックスが適用されている。しかしながら、従来の窒化ケイ素セラミックスは、耐熱衝撃性が不十分であるため、摺動部材の用途によっては、熱衝撃により破損するおそれがあった。
【００１０】
例えば、待機運転ポンプの軸受を窒化ケイ素セラミックスで構成した場合、待機運転ポンプでは、ポンプ主軸が回転していても、長時間にわたり揚水されない気中運転が行われ、軸受に潤滑水が注入されないのでドライ摺動により軸受が昇温される。しかる後、潤滑状態となる揚水運転に切り換わった際に、自揚水により軸受が急冷されて破損しやすかった。
【００１１】
本発明は、この課題を鑑みて窒化ケイ素系セラミックス製の摺動部材の改良を図ったものであって、各種産業機械の部品、治具、装置類に適用される摺動部材において、耐摩耗性および耐熱衝撃性に優れる窒化ケイ素系セラミックス製の摺動部材を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の摺動部材は、窒化ケイ素を主成分とする窒化ケイ素系セラミックス焼結体で摺動面の少なくとも一部を形成した摺動部材であって、窒化ケイ素系セラミックス焼結体の常温における熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする。
【００１３】
また本発明において、前記窒化ケイ素系セラミックス焼結体が実質的に窒化ケイ素粒子とその周囲の粒界相とで構成され、摺動面において窒化ケイ素粒子が面積率で７０〜９９．９％を占めることを特徴とする。
【００１４】
また、前記窒化ケイ素系セラミックス焼結体は、相対密度が９８％以上であり、常温における４点曲げ強度が７００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【００１５】
【作用】
本発明は摺動部材を構成する窒化ケイ素系セラミックス焼結体自体の熱伝導率を高めることにより、摺動面で発生する摩擦熱が窒化ケイ素系セラミックス焼結体の表面を経て内部まで速く放散して取り除かれるので耐熱衝撃性が高まる。また、待機運転を行うポンプのような場合、ポンプが起動して主軸が回転しているにもかかわらず揚水されず、すなわち潤滑水の無い状態で長時間運転される。この間、窒化ケイ素系セラミックス焼結体からなる軸受は完全なドライ摺動となり昇温される。この後、揚水運転に切り換わった際に、自揚水により軸受が急冷されても熱衝撃により破損するのを防止できる。
【００１６】
従来の窒化ケイ素セラミックス焼結体は、常温における熱伝導率が高々３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であるが、本発明の窒化ケイ素系セラミックス焼結体は、焼結体中に不純物として存在するアルミニウムおよび酸素の含有量を低減することにより、好ましくは焼結体中のアルミニウムの含有量を０．２重量％以下、酸素の含有量を５．０重量％以下に抑えることにより、常温における熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上にすることができる。
【００１７】
窒化ケイ素系セラミックス焼結体中に不純物として存在する異種イオン、特にアルミニウム、酸素はフォノン散乱源となり熱伝導率を低減させる。窒化ケイ素系焼結体は、窒化ケイ素粒子相とその周囲の粒界相とから構成され、アルミニウムおよび酸素はこれら二相にそれぞれ含有される。アルミニウムは、窒化ケイ素の構成元素であるケイ素のイオン半径に近いため窒化ケイ素粒子内に容易に固溶する。アルミニウムの固溶により窒化ケイ素粒子自身の熱伝導率が低下し、結果として焼結体の熱伝導率が著しく低下する。
【００１８】
また、焼結助剤として主に酸化物を添加するため、酸素の多くは粒界相成分として存在する。焼結体の高熱伝導化を達成するには、主相の窒化ケイ素粒子に比べて熱伝導率が低い粒界相の量を低減することが重要である。この目的ならびに耐摩耗性を十分確保する意味で、摺動面において、窒化ケイ素系セラミックス焼結体を構成する窒化ケイ素粒子と粒界相の合計の面積率を１００％としたとき、窒化ケイ素粒子が面積率で７０〜９９．９％を占有することが望ましい。
【００１９】
さらに、高速、高面圧など摺動・摩擦条件の厳しい用途での機械的応力および衝撃に十分に耐えられるように、窒化ケイ素系セラミックス焼結体は、相対密度が９８％以上であり、常温における４点曲げ強度が７００ＭＰａ以上であることが望ましい。
【００２０】
窒化ケイ素系セラミックス焼結体中のβ型窒化ケイ素粒子のうち、短軸径５μｍ以上のβ型窒化ケイ素粒子の割合が、１０体積％以上では焼結体の熱伝導率は向上するが、組織中に導入された粗大粒子が破壊の起点として作用するため破壊強度が低下する。したがって、窒化ケイ素系セラミックス焼結体中のβ型窒化ケイ素粒子のうち、短軸径５μｍ以上のβ型窒化ケイ素粒子の割合が１０体積％未満であるのが好ましい。
【００２１】
本発明の摺動部材は、相対向する２つの部材が回転や往復走行動する相対的摺動運動を行う摺動装置における可動側部材あるいは固定側部材を対象とする。例えば、軸受装置における回転する可動側部材である軸やその固定側部材である軸受を包含する。
【００２２】
具体的に列挙すると、ポンプ用軸受、圧縮機用軸受、スラストベアリング、ラジアルベアリング、メカニカルシール、エンジン用シリンダライナー、エンジン用ピストン、ダイカスト用スリーブ、射出成形機用シリンダ、成形機用ガイドピンブッシュ、ＸＹテーブルなどの摺動面を有する部材に好適なものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
平均粒径０．５μｍの窒化ケイ素粉末に、焼結助剤として、平均粒径０．２μｍの酸化マグネシウム粉末を３．０重量％、平均粒径２．０μｍの酸化イットリウム粉末を３．０重量％添加し、適量の分散剤を加えエタノール中で粉砕、混合した。次いで、噴霧乾燥後、篩を通して造粒した後、ゴム型に充填し、静水圧により冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）を行うことにより成形体を作製した。この成形体を１７００〜１９００℃の不活性ガス雰囲気中で所定時間焼成し、本発明の摺動部材用の窒化ケイ素系セラミックス焼結体を得た。
【００２４】
また、前記の窒化ケイ素系セラミックス焼結体から、直径１０ｍｍ×厚さ３ｍｍの熱伝導率および密度測定用の試験片、縦３ｍｍ×横４ｍｍ×長さ４０ｍｍの４点曲げ試験片を採取した。密度はＪＩＳ  Ｒ２２０５に基づいてアルキメデス法から求めた。相対密度はＪＩＳ  Ｒ２２０５に準拠したアルキメデス法により実測密度を求めこれを計算により算出した理論密度で除した値とした。熱伝導率はレーザーフラッシュ法ＪＩＳ  Ｒ１６１１に準拠して常温での比熱および熱拡散率を測定し熱伝導率を算出した。４点曲げ強度は常温にてＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠して測定を行った。
【００２５】
また、窒化ケイ素粒子の面積％は、焼結体をフッ化水素酸にて粒界ガラス相を溶出することにより、窒化ケイ素粒子を個々に取り出しＳＥＭ観察して求めた。窒化ケイ素系焼結体中のアルミニウム含有量は誘導プラズマ発光分析法（略称ＩＣＰ法）により、酸素含有量は赤外線吸収法により測定した。
【００２６】
本発明の摺動部材用の窒化ケイ素系焼結体は、相対密度が９９％、常温における熱伝導率が６８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、常温における４点曲げ強度が９００ＭＰａであった。また、窒化ケイ素系セラミックス焼結体を構成する窒化ケイ素粒子と粒界相の合計の面積率を１００％としたとき、窒化ケイ素粒子が面積率で９５％であった。さらに、窒化ケイ素系焼結体中のアルミニウムの含有量は０．０２重量％、酸素の含有量は０．５重量％であった。
【００２７】
さらに、往復動摩擦試験機を用いて、軸を相手材として耐摩耗性試験を行った。本発明の窒化ケイ素系焼結体以外に、比較材としてサイアロンセラミックス焼結体を試験した。
【００２８】
往復動摩擦試験の条件を示す。相手材である軸として、ＳＵＳ３１６の表面にＷＣ−１２Ｃｏの超硬合金を溶射したものを用いた。荷重は、１０ｋｇｆの荷重で接触させて第１ステップを開始した後、１ステップ毎に１０ｋｇｆづつ荷重を増大させ、最大荷重３００ｋｇｆまで負荷させた。１ステップあたりの往復動数は５０回である。往復動移動距離は、片道１３０ｍｍで１往復につき２６０ｍｍである。移動速度は０．８３ｍ／秒である。潤滑剤は未使用である。
【００２９】
往復動摩擦試験を行った後、各試験材の摩耗部分に焼付きにより付着した相手材を除去後、各試験材の摩耗量を測定した。本発明の窒化ケイ素系セラミックス焼結体の平均摩耗量は、比較材であるサイアロンセラミックス焼結体のそれと比べて８５％以下であり優れた耐摩耗性を確認できた。
【００３０】
また、本発明の窒化ケイ素系セラミックス焼結体を用いて、待機運転ポンプの軸受を作製した。これを待機運転ポンプ装置に組込み、揚水されない気中運転および揚水運転の耐久試験を繰り返したところ、自揚水により軸受が急冷されても熱衝撃による破損が起きないことを確認した。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の窒化ケイ素系セラミックス焼結体からなる摺動部材によれば、耐摩耗性に優れるとともに、熱伝導率を高めることにより耐熱衝撃性が高まり破損し難く耐用寿命の長いものとすることができる。