(57)【要約】【課題】優れた摺動特性とシール特性とを維持しつつ、高い耐久性を有するセラミック部材、このセラミック部材の製造方法、このセラミック部材によって形成されたセラミック摺動部材、及び、このセラミック摺動部材を備えた摺動装置の提供。【解決手段】平均開口径が５０〜５００μｍである複数の凹部を有し、摺動面積率が２０〜８５％である表面を有するセラミック部材、セラミック粉末と造孔剤とを混合し、得られた混合物を成形し、次いで、焼結するセラミック部材の製造方法、前記セラミック部材によって形成されたセラミック摺動部材（２０）及び（３０）、及び、このセラミック摺動部材（２０）又は（３０）を少なくとも１つ備えた摺動装置（１０）。前記セラミック部材は、前記表面を有する緻密なセラミックであるので、優れた摺動特性とシール特性とを維持しつつ高い耐久性を有し、摺動部材及び摺動装置に好適に使用可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均開口径が５０〜５００μｍである複数の凹部を有し、摺動面積率が２０〜８５％である表面を有することを特徴とするセラミック部材。
【請求項２】
前記摺動面積率は４０〜７５％である請求項１に記載のセラミック部材。
【請求項３】
前記平均開口径は６０〜１２０μｍである請求項１又は２に記載のセラミック部材。
【請求項４】
前記セラミック部材はアルミナ質焼結体又は窒化ケイ素質焼結体で形成されて成る請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミック部材。
【請求項５】
前記複数の凹部は、前記表面に分散している請求項１〜４のいずれか１項に記載のセラミック部材。
【請求項６】
前記セラミック部材は独立空孔部を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載のセラミック部材。
【請求項７】
セラミック粉末と造孔剤とを混合することにより混合物を調製する混合工程と、
前記混合物を成形することにより成形体を得る成形工程と、
前記成形体を前記造孔剤の焼失温度よりも高温で焼結することにより焼結体を得る焼結工程と、
を含む請求項１〜６のいずれか１項に記載のセラミック部材の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のセラミック部材によって形成されて成ることを特徴とするセラミック摺動部材。
【請求項９】
請求項８に記載のセラミック摺動部材を少なくとも１つ備えて成ることを特徴とする摺動装置。
【請求項１０】
前記摺動装置が、水道用ディスクバルブ又はシールリングを備えて成る装置である請求項９に記載の摺動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック部材、セラミック部材の製造方法、セラミック摺動部材及び摺動装置に関し、さらに詳しくは、優れた摺動特性とシール特性とを維持しつつ、高い耐久性を有するセラミック部材、このセラミック部材の製造方法、このセラミック部材によって形成されたセラミック摺動部材、及び、このセラミック摺動部材を備えた摺動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、湯水混合バルブ、シールリング装置、軸受装置等として、所定の形状に成形された二以上の摺動部材を互いに摺り合せて動くことができるように配置してなる摺動装置が知られている。このような摺動装置は、二以上の摺動部材を相互に摺動させることによって、バルブ機能、シール機能を果たすので、この摺動部材は、互いに相反する特性である摺動特性とシール特性とを共に有している必要がある。このような摺動部材として、セラミック部材で形成されたセラミック摺動部材がある。
【０００３】
セラミック摺動部材を形成する多孔質セラミック材料の一例として、例えば、「セラミック焼結体中に、空孔が分散して存在し、かつそれらの空孔のうちの少なくとも一部のものの孔表面又は孔表面を含む層のＳｉ含有量が、前記空孔の存在しない部分のＳｉ含有量より多くされていることを特徴とする多孔質セラミック材料」が挙げられる（特許文献１参照。）。この多孔質セラミック材料において、空孔が、空孔の存在しない部分のＳｉ含有量よりＳｉ含有量が多い孔表面等を有し、平均径が５〜３００μｍであると、摺動特性、シール特性及び材料自体の強度が確保されることが記載されている（特許文献１の０００６欄及び０００７欄）。
【０００４】
一方、セラミック摺動部材の一例として、例えば、「摺接面に平均気孔径が５〜３０μｍの独立した開気孔を有するとともに、任意に１０ヶ所選んだ上記摺接面の１０８０μｍ×１０８０μｍの領域を画像解析装置で測定した実体摺動面積率が４０〜９０％で、かつ上記１０ヶ所の領域の実体摺動面積率の標準偏差値が４〜１０％であり、アルキメデス法で測定した気孔率が４％以下である多孔質セラミックスにより形成したセラミック製摺動部材」が挙げられる（特許文献２参照。）。このセラミック製摺動部材は、それを形成する多孔質セラミックの孔を、平均気孔径が５〜３０μｍの独立した開気孔にすることを特徴の１つとするものである。したがって、焼結により形成される「開気孔の平均気孔径を３０μｍより大きくすることは製造上難しく、また、機械的特性が低下することから摺接面が短期間に摩耗してしまう」ことから、「開気孔の平均気孔径は５〜３０μｍの範囲で設けることが重要」とされている（特許文献２の００１３欄及び００１４欄参照。）。
【０００５】
また、セラミック摺動部材の一例として、例えば、「緻密質セラミック体の摺動面に、細長部及び／又はまたは鋭角部を有する複数のディンプルから成る潤滑剤保持機構を備え、この中に潤滑剤を保持したことを特徴とする摺動部材」が挙げられる（特許文献３参照。）。この摺動部材は、ディンプルの細長部及び／又はまたは鋭角部によって、潤滑剤が保持されやすく、耐久性が向上すると記載されている（例えば、００２２欄参照。）。
【０００６】
ところで、近年、摺動装置には製品寿命の長期化が求められている。それに伴い、この装置に使用される摺動部材にも、摺動特性とシール特性とを維持しつつ、長時間又は多数回にわたって摺動特性とシール特性とを維持可能な高い耐久性が要求されるようになってきた。
【０００７】
しかし、特許文献２に記載された、表面に平均気孔径が５〜３０μｍの独立した開気孔を形成した多孔質セラミックにより形成されたセラミック製摺動部材は、このセラミック製摺動部材を長時間又は多数回にわたって摺動させると、次第に摺動トルクが増大し、鏡面を有する摺動部材同士が張り付いて摺動しにくくなるリンキング現象が起こることがあった。
【０００８】
【特許文献１】特開平８−１４３３８１号公報
【特許文献２】特許第３４８１７７４号明細書
【特許文献３】特開平８−１２８４４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この発明の課題は、セラミック摺動部材としたときに、優れた摺動特性とシール特性とを維持しつつ、高い耐久性を有するセラミック部材を提供すること、及び、このセラミック部材の製造方法を提供することにある。
【００１０】
また、この発明の他の課題は、優れた摺動特性とシール特性とを維持しつつ、高い耐久性を有するセラミック摺動部材を提供すること、及び、このセラミック摺動部材を備え、優れた摺動特性とシール特性とを維持しつつ、高い耐久性を有する摺動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するための手段として、
請求項１は、平均開口径が５０〜５００μｍである複数の凹部を有し、摺動面積率が２０〜８５％である表面を有することを特徴とするセラミック部材であり、
請求項２は、前記摺動面積率は４０〜７５％である請求項１に記載のセラミック部材であり、
請求項３は、前記平均開口径は６０〜１２０μｍである請求項１又は２に記載のセラミック部材であり、
請求項４は、前記セラミック部材はアルミナ質焼結体又は窒化ケイ素質焼結体で形成されて成る請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミック部材であり、
請求項５は、前記複数の凹部は、前記表面に分散している請求項１〜４のいずれか１項に記載のセラミック部材であり、
請求項６は、前記セラミック部材は独立空孔部を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載のセラミック部材であり、
請求項７は、セラミック粉末と造孔剤とを混合することにより混合物を調製する混合工程と、
前記混合物を成形することにより成形体を得る成形工程と、
前記成形体を前記造孔剤の焼失温度よりも高温で焼結することにより焼結体を得る焼結工程と、
を含む請求項１〜６のいずれか１項に記載のセラミック部材の製造方法であり、
請求項８は、請求項１〜６のいずれか１項に記載のセラミック部材によって形成されて成ることを特徴とするセラミック摺動部材であり、
請求項９は、請求項８に記載のセラミック摺動部材を少なくとも１つ備えて成ることを特徴とする摺動装置であり、
請求項１０は、前記摺動装置が、水道用ディスクバルブ又はシールリングを備えて成る装置である請求項９に記載の摺動装置である。
【発明の効果】
【００１２】
この発明において、平均開口径が５０〜５００μｍの複数の凹部を表面に有するセラミック部材の一例である摺動部材を長期間又は多数回にわたって摺動しても、その強度とシール特性とを損なうことがない上、流体中の異物又はセラミック部材の摺動くず等が複数の凹部にわずかに蓄積するだけで、リンキング現象を生じさせるほど複数の凹部に蓄積又は複数の凹部を塞ぐことはないから、摺動特性とシール特性とを長期間又は多数回にわたって維持することができる。また、前記複数の凹部を有する表面の摺動面積率が２０〜８５％であると、強度及び摺動特性を損なうことがない上、シール特性をも損なうことがないから、摺動特性とシール特性とを長期間又は多数回にわたって維持することができる。その結果、この発明に係るセラミック部材を摺動部材とする場合、それによって形成されたセラミック摺動部材を備えた摺動装置を長時間使用しても、摺動特性とシール特性とが損なわれることがなく、優れた摺動特性とシール特性とをより長時間又はより多数回にわたって維持することが可能になる。したがって、この発明に係るセラミック部材によって形成された摺動部材及びそれを備えた摺動装置は、近年の摺動装置に要求される耐久性を十分に満足させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
この発明に係るセラミック部材は、その表面に複数の凹部を有している。この複数の凹部は、複数の凹部の内の一凹部と近傍に存在する他の凹部とは互いに接することも連通することもなく、表面に独立して分散している。この複数の凹部は、後述するように、摺動面の平滑部分を減らすと共に潤滑剤を保持し、かつ、流体中の異物、セラミック部材の摺動くず等を貯蔵することができる。したがって、摺動部材のリンキング現象の発現を防止することができる。また、前記複数の凹部は、独立して分散しているから、セラミック部材自体の強度を低下させることはない。
【００１４】
この発明に係るセラミック部材において、複数の凹部は、少なくともその表面に分散していればよい。例えば、後述するように、造孔剤を焼結時に焼失させることによって複数の凹部を形成する場合には、セラミック部材の内部に、同様にして形成された空孔部を複数有していてもよい。なお、造孔剤によって形成された中空空間であって、セラミック部材の内部に有するものを空孔部と称し、表面に有するものを複数の凹部と称する。この空孔部は、前記複数の凹部と同様に、他の空孔部と互いに連通していないで、セラミック部材の内部に独立して存在している。また、前記複数の凹部と前記空孔部とは、互いに連通することもなく、互いに独立して存在している。したがって、摺動部材として使用されるこのセラミック部材が摺動運動をすることによりセラミック部材の表面が摩耗した結果として、摩耗する以前においてはセラミック部材の内部に存在していた空孔部が摩耗後にセラミック部材の表面に露出することとなったとしても、露出するに到った空孔部は新たに形成された凹部を形成すると共に摩耗前にセラミック部材の表面に分散していた前記凹部と同様の作用を有し、しかも摩耗したからといって、セラミック部材自体の強度が低下することがなく、摺動部材としてのセラミック部材はリンキング現象を引き起こすこともない。
【００１５】
このような複数の凹部は、セラミック部材の表面に多数分散していればよく、その複数の凹部の個数は、後述する平均開口径及び摺動面積率に応じて、決定される。
【００１６】
複数の凹部は、５０〜５００μｍの平均開口径を有している。平均開口径が５０μｍ未満であると、後述する摺動面積率が大きくなり、摩擦抵抗が増大するので、耐久性が低下する場合がある。また、複数の凹部が比較的小さく、潤滑剤を長期間にわたって保持しにくくなると共に、長期間又は多数回摺動させると、流体中の異物及びセラミック部材の摺動くず等が複数の凹部に蓄積し、複数の凹部を塞いでしまうから、摺動トルクが増大し、リンキング現象が発現して、摺動特性が劣る場合がある。これに対して、平均開口径が５００μｍを超えると、摺動面積率が極端に小さくなるから、シール特性が低下する場合がある。この複数の凹部は、摺動特性、シール特性及び耐久性を何れも高い水準で満足させられる点で、５５〜３００μｍの平均開口径を有しているのが好ましく、６０〜１２０μｍの平均開口径を有しているのが特に好ましい。なお、この複数の凹部は、その平均開口径の上限値又は下限値として、後述する実施例又は比較例における平均開口径に設定することもできる。
【００１７】
前記複数の凹部の平均開口径は、以下のようにして、測定することができる。すなわち、１０００μｍ×７００μｍの表面領域を、金属顕微鏡（ＯＬＹＭＰＵＳ株式会社製、「ＢＸ６０Ｍ」）を用いて、倍率５０倍で観測し、観測した画像イメージを画像解析・計測ソフトウェア（三谷商事株式会社製、「Ｗｉｎ  Ｒｏｏｆ」）にて解析して、各複数の凹部の開口面積を測定し、この開口面積から円相当径に換算し、この領域における算術平均径を算出する。この操作を任意に選択した１０個所について行い、それらの１０個所の平均値を平均開口径とする。
【００１８】
なお、この発明における複数の凹部は、例えば、後述する造孔剤等によってセラミック部材の表面に形成される。一方、セラミック部材の表面には、たとえそのセラミック部材が緻密質のセラミックで形成されているとしても、不可避的に小孔が形成されている。その小孔は、通常４０μｍ未満の孔径を有する。したがって、この発明における平均開口径は、セラミック部材の表面に形成されている４０μｍ以上の口径を有する窪み部分を、その窪み部分が不可避的に形成された小孔であるか否かに拘わらずに、凹部として取り扱って算出されるものとする。
【００１９】
前記複数の凹部を有する表面は、２０〜８５％の摺動面積率（％）を有している。ここに、摺動面積率（％）は、前記複数の凹部及び前記小孔が形成されていないと仮定したときのセラミック部材の特定範囲における表面積ＳＳに対する、前記複数の凹部及び前記小孔が形成されていない表面の表面積の割合、すなわち、「前記表面積ＳＳ」に対する、「前記表面積ＳＳと前記４０μｍ以上の孔径を有する複数の凹部と前記小孔の開口面積との総和ＳＲとの差」の割合［（ＳＳ−ＳＲ）／ＳＳ］×１００（％）である。なお、前記４０μｍ以上の孔径を有する凹部の開口面積は、セラミック部材の表面に存在する開口部の開口面積であり、凹部の表面積ではない。
【００２０】
摺動面積率が２０％未満であると、セラミック部材の摺動表面が減少しすぎて、シール特性が低下する場合がある。これに対して、摺動面積率が８５％を超えると、摺動抵抗が増大するため、耐久性が低下する場合がある。また、潤滑剤の保持量が少なくなり、セラミック部材の摺動面積が増大すると共に、長期間又は多数回摺動させると、流体中の異物及びセラミック部材の摺動くず等が複数の凹部に蓄積し、複数の凹部を塞いでしまうから、摺動トルクが増大し、又は、リンキング現象が発現して、摺動特性が劣る場合がある。前記複数の凹部を有する表面は、摺動特性、シール特性及び耐久性を何れも高い水準で満足させられる点で、３０〜８０％の摺動面積率を有しているのが好ましく、４０〜７５％の摺動面積率を有しているのが特に好ましい。
【００２１】
前記摺動面積率は、以下のようにして、測定することができる。すなわち、１０００μｍ×７００μｍの表面領域を、金属顕微鏡（ＯＬＹＭＰＵＳ株式会社製、「ＢＸ６０Ｍ」）を用いて、倍率５０倍で観測し、観測した画像イメージを画像解析・計測ソフトウェア（三谷商事株式会社製、「Ｗｉｎ  Ｒｏｏｆ」）にて解析して、各複数の凹部及び各小孔における開口部の開口面積を測定し、合計面積ｓＲを算出する。この領域における表面積ＳＳ（７０００００μｍ２）とこの合計面積ｓＲとの差分を、表面積ＳＳ（７０００００μｍ２）で除して、算術平均面積率（％）を算出する。この操作を任意に選択した１０個所について行い、それらの１０個所の平均値を摺動面積率（％）とする。
【００２２】
セラミック部材の前記複数の凹部が存在しない表面は、高いシール特性を確保するためには平滑であるのがよいが、その一方で、その表面の平滑度が高すぎると、リンキング現象が発生しやすくなるので、その表面は、ある程度の平滑度に設定されるのがよい。例えば、高いシール特性を確保すると共に、リンキング現象の発生を阻止するには、その表面の表面粗さＲａが、０．０５〜０．３０（μｍ）であるのが好ましく、０．１〜０．２５（μｍ）であるのがさらに好ましい。表面粗さＲａは、ＪＩＳ  Ｂ０６３３−２００１に準拠して、前記複数の凹部が形成されていない表面を測定することによって、求めることができる。
【００２３】
セラミック部材の前記複数の凹部が存在しない表面には、セラミック粉末を焼結して緻密質セラミックとする際に必然的に形成される小孔を有していてもよい。この小孔は、通常、その近傍に存在する他の小孔と互いに接することも連通することもなく、独立に分散している。この小孔は、セラミック部材の内部に独立に分散していてもよい。
【００２４】
前記小孔の孔径及びその面積率等は、特に限定されるものではない。例えば、前記小孔の孔径は１〜４０μｍであり、その面積率（セラミック部材の全表面積ＳＳに対する前記小孔の開口面積の総和Ｓｒ［（Ｓｒ／ＳＳ）×１００］（％））は１５〜６０％である。前記小孔は、前記複数の凹部と共に、摺動特性、シール特性及び耐久性を何れも高い水準で満足させられる点で、前記小孔の孔径は５〜３０μｍであるのがよく、その面積率は３５〜５０％であるのがよい。
【００２５】
このセラミック部材は、セラミック粉末を焼結してなる焼結体で形成されることができる。セラミック粉末としては、アルミナ粉末又は窒化ケイ素粉末を含有する粉末であるのが好ましい。これらの粉末を用いて製造し、この発明に係るセラミック部材がアルミナ質焼結体又は窒化ケイ素質焼結体で形成され、このセラミック部材が摺動部材に適用されるときに、その摺動部材は高い耐久性を発揮し、長時間又は多数回にわたって、優れた摺動特性とシール特性とを維持することができる。ここで、アルミナ質焼結体としては、アルミナ粉末を含有する粉末を焼結してなる焼結体であればよく、例えば、アルミナ粉末を焼結してなる焼結体、アルミナ粉末に加えて、例えば、後述する焼結助剤、バインダ等を含有する粉末を焼結してなる焼結体が挙げられる。具体的には、例えば、焼結アルミナ、アルミナセラミックス等が挙げられる。窒化ケイ素質焼結体としては、窒化ケイ素粉末を含有する粉末を焼結してなる焼結体であればよく、例えば、窒化ケイ素粉末を焼結してなる焼結体、窒化ケイ素粉末に加えて、例えば、後述する焼結助剤、バインダ等を含有する粉末を焼結してなる焼結体が挙げられる。具体的には、窒化ケイ素焼結体、α−サイアロン（α−ＳｉＡｌＯＮ）、β−サイアロン（β−ＳｉＡｌＯＮ）等が挙げられる。
【００２６】
この発明のセラミック部材は、前記したように、平均開口径が５０〜５００μｍである複数の凹部を有し、摺動面積率が２０〜８５％である表面を有しているから、このセラミック部材によって形成されたセラミック摺動部材を備えた摺動装置を長時間使用しても、摺動特性とシール特性とが損なわれることがなく、優れた摺動特性とシール特性とをより長時間又はより多数回にわたって維持することが可能になる。
【００２７】
前記セラミック部材は、例えば、セラミック粉末と造孔剤とを混合することにより混合物を調製する混合工程と、前記混合物を成形することにより成形体を得る成形工程と、前記成形体を前記造孔剤の焼失温度よりも高温で焼結することにより焼結体を得る工程とを含む製造方法によって、製造される。
【００２８】
前記セラミック部材を製造するには、まず、セラミック粉末と造孔剤とを混合し、混合物を調製する。前記セラミック粉末は、前記したように、アルミナ粉末又は窒化ケイ素粉末を含有する粉末であるのが好ましい。前記造孔剤は、後述する成形体を焼結する工程において、焼失するものであればよく、例えば、黒鉛、炭素及び炭素前駆体が挙げられる。より具体的には、黒鉛又は炭素として、黒鉛、コークス、木炭、カーボンブラック及び活性炭等が挙げられ、炭素前駆体としては、木粉、合成樹脂等の容易に炭化する材料が挙げられる。造孔剤は、１種又は２種以上を混合して用いることができるが、粒度を調整し、均一な粒度を持つものを用いるのがよい。この造孔剤の粒度及び混合量を調製することにより、セラミック部材の表面に形成される複数の凹部の開口径、数及び表面の摺動面積率を調整することができ、また、セラミック部材の内部に形成される空孔部の径及び数を調整することができる。所望の開口径を有する複数の凹部を形成するには、焼結時の収縮等を考慮し、所望の開口径よりもわずかに大きめの粒度を持つ造孔剤を使用すればよく、例えば、５０〜５００μｍの平均開口径を有する複数の凹部を形成するには、５５〜５５０μｍ平均粒度を有する造孔剤を使用すればよく、６０〜１２０μｍ平均開口径を有する複数の凹部を形成するには、９０〜１５０μｍの平均粒度を有する造孔剤を使用すればよい。また、２０〜８５％の摺動面積率を有する複数の凹部を形成するには、造孔剤の平均粒度にも依存するが、造孔剤の混合量を、前記混合物の０．５〜１０質量％、好ましくは１．０〜５質量％に調整すればよい。造孔剤の形状は、球状であるのがよい。
【００２９】
前記セラミック粉末には、造孔剤に加えて、焼結助剤、バインダ等を混合してもよい。焼結助剤としては、セラミック粉末がアルミナ粉末である場合には、酸化マグネシウム、二酸化ケイ素、酸化カルシウム等を使用することができ、セラミック粉末が窒化ケイ素粉末である場合には、周期律表第２族元素、第３族元素又はアルミニウムの酸化物又は窒化物等を使用することができる。焼結助剤の混合量は、適宜、設定できる。バインダは、後述する金型プレス成形を用いて成形工程を行う場合に、使用すると特に有利である。バインダは公知のバインダを特に制限されることなく用いることができる。
【００３０】
混合物は、セラミック粉末及び造孔剤、所望により、焼結助剤、結合剤、バインダ等を、ミキサ等の攪拌機、混合機等を用いて、乾式法又は湿式法により、均一になるまで混合して、調製される。このときの、混合温度、混合時間、攪拌速度等の混合条件は、混合物が均一になる条件であればよい。
【００３１】
次いで、得られた混合物を成形し、成形体を得る。前記混合物の成形には、金型プレス成形、射出成形、スリップキャスティング等、公知の方法により成形体を形成することができる。成形方法として金型プレス成形法を選択する場合には、その成形圧力は、使用するセラミック粉末に応じて、決定される。例えば、セラミック粉末がアルミナ粉末を含有する場合には、７５０〜１５００ｋｇ／ｃｍ２であるのがよく、１０００〜１２５０ｋｇ／ｃｍ２であるのがさらによい。セラミック粉末が窒化ケイ素粉末を含有する場合には、９００〜１８００ｋｇ／ｃｍ２であるのがよく、１１００〜１５００ｋｇ／ｃｍ２であるのがさらによい。成形方法として射出成形法を選択する場合には、混合物を所定の射出成形機から金型内に射出すればよい。
【００３２】
前記混合物が成形される形状は、いかなる形状であってもよいが、摺動部材に求められる形状に容易に適合させることができる形状、例えば、円盤状、多角形の平面状、シート状、リング状、棒状等であるのがよい。
【００３３】
成形体にバインダ等が含まれている場合には、所望により、後述の焼結工程前に、バインダ等を除去する工程を行うのがよい。この工程は、成形体を大気中、真空中、その他適宜の雰囲気中において、前記造孔剤が焼失しない温度で加熱し、蒸発、分解又は燃焼させることにより、バインダ等を除去する。このとき、成形体が損傷しないように、加熱温度及び加熱速度を調整するのがよい。
【００３４】
次いで、得られた成形体を造孔剤の焼失温度よりも高温で焼結し、焼結体を得る。成形体の焼結は、公知の電気炉又はガス炉を用いて、大気雰囲気、真空雰囲気、窒素雰囲気、非酸化性雰囲気又は酸化性雰囲気等の各種雰囲気中で行われる。その雰囲気と焼結温度については、焼結が十分進行しつつも、形成された空孔が収縮してその体積率が過度に低下しないように、使用されるセラミック粉末に応じて、決定される。例えば、セラミック粉末がアルミナ粉末を含有する場合には、酸化性雰囲気中、１４００〜１７００℃、好ましくは１５５０〜１６５０℃の温度範囲で焼結するのがよく、セラミック粉末が窒化ケイ素粉末を含有する場合には、非酸化性雰囲気中、１５００〜１７５０℃、好ましくは１６００〜１７００℃の温度範囲で焼結するのがよい。焼結体を得るに際し、常温から前記焼結温度にまで到達させる昇温加熱時間は６〜２０時間とするのが好ましい。前記焼結温度にまで昇温している昇温期間中に、例えば、造孔剤の焼失温度よりも高い温度、例えば２００〜８００℃に成形体が加熱されると、成形体中の造孔剤が焼失してしまい、造孔剤の分解により発生するガスが抜け去り、上記焼結温度で本格的な焼結を行うときには前記ガスが存在しないので、得られる焼結体には孔径の大きなボイドの発生が極めて少なくなり、強度の低下のないセラミック焼結体を得ることができる。
【００３５】
このようにして、セラミック部材を得ることができる。
【００３６】
前記造孔剤を用いる他に、加圧面に複数の凹部に対応する凸状部を備えた金型を用いて成形プレスする方法、又は、焼結体の表面に掘削加工する方法等によっても、前記セラミック部材を得ることができる。この発明に係るセラミック部材は、平均開口径が５０〜５００μｍである複数の凹部を有し、摺動面積率が２０〜８５％である表面を有するという特性を生かして種々の部材に適用されることができる。この発明に係るセラミック部材が適用される好適部材として摺動部材が挙げられる。
【００３７】
この発明の摺動部材は、このようにして製造されたこの発明のセラミック部材によって、形成されている。例えば、前記の製造方法において、摺動部材に要求される形状に成形し、焼結して得られたセラミック部材を、そのまま、摺動部材としてもよく、また、得られたセラミック部材に、切削又は研磨等して、摺動部材としてもよい。
【００３８】
このようにして製造される摺動部材は、前記セラミック部材と同様に、平均開口径が５０〜５００μｍである複数の凹部を有し、摺動面積率が２０〜８５％である表面を有している。その結果、前記したように、この摺動部材を備えた摺動装置は、長時間使用しても、摺動特性とシール特性とが損なわれることがなく、優れた摺動特性とシール特性とをより長時間又はより多数回にわたって維持することが可能になり、近年の摺動装置に要求される耐久性を十分に満足させることが可能になる。
【００３９】
この発明に係る摺動装置は、前記セラミック摺動部材を少なくとも１つ備えている。このような摺動装置は、例えば、各種の水道用ディスクバルブ、各種のシールリングを備えた装置等が挙げられる。水道用ディスクバルブとしては、例えば、温度の異なる二以上の液体を混合する混合バルブ、異なる二以上の液体を混合する水道蛇口用混合栓ディスクバルブ等が挙げられる。シールリングを備えた装置としては、ポンプ、例えば自動車のウォーターポンプ等のメカニカルシール等が挙げられる。
【００４０】
この摺動装置は、前記セラミック摺動部材と、例えば、金属、カーボン等からなる他の摺動部材とを接してなる装置であっても、二以上の前記セラミック摺動部材同士を接してなる装置であってもよい。また、摺動装置は、一方の摺動部材を固定し、他方を摺動可能に構成してなる装置であってもよく、全ての摺動部材が摺動可能に構成してなる装置であってもよい。なお、二以上の摺動部材を接してなる装置である場合には、摺動特性を向上させるための、シリコーングリーズ等の潤滑剤等をこれらの間に介在させてもよい。
【００４１】
以下、この発明の一例である摺動装置１０を図面に基づいて説明する。摺動装置１０は、例えば、温水と冷水など、温度の異なる液体を混合させる水道蛇口用混合栓ディスクバルブに備えられる摺動装置である。
【００４２】
図１に示されるように、この摺動装置１０は、供給側摺動部材２０と流量調整摺動部材３０と、液体の流入管（図示しない。）と、流出管（図示しない。）と、前記流入管及び流出管が接続されたケーシング（図示しない。）と、操作レバ（図示しない。）とを備え、前記供給側摺動部材２０の摺動面２１と前記供給側摺動部材３０の摺動面３１とが向かい合うように、潤滑剤（図示しない。）を介して重ね合わされて、前記ケーシング内に収納されてなる。
【００４３】
供給側摺動部材２０は、この発明に係るセラミック部材によって、円盤状に形成され、その厚さ方向に貫通する高温液体供給部２２と、その厚さ方向に貫通する低温液体供給部２３と、その厚さ方向に貫通する混合液体流出部２４と、前記供給側摺動部材２０を前記ケーシングに固定する固定部２５とを有している。
【００４４】
前記高温液体供給部２２は、高温液体を、前記供給側摺動部材２０の底面側から摺動面２１側に通水して、供給する。前記低温液体供給部２３は、低温液体を、前記供給側摺動部材２０の底面側から摺動面２１側に通水して、供給する。前記混合液体流出部２４は、前記高温液体と前記低温液体との混合液体を、前記供給側摺動部材２０の摺動面２１側から底面側に通水して、流出させる。前記混合液体流出部２４は、前記底面側の開口部が細径に形成されている。図１において、前記高温液体供給部２２、前記低温液体供給部２３及び前記混合液体流出部２４は、断面が円形の貫通孔とされているが、その断面形状は円形に限られず、多角形、流線形等であってもよい。また、その大きさも、混合液体の流量を調整できる限り、任意の大きさに調整することができる。
【００４５】
図１に示されるように、流量調整摺動部材３０は、円盤状の基部３２と、円盤状の蓋部３３とを備えてなる。前記基部３２は、この発明に係るセラミック部材によって形成され、前記供給側摺動部材２０の外径よりもやや小さな外径を有し、前記高温液体供給部２２、前記低温液体供給部２３及び前記混合液体流出部２４とそれぞれ連通し、かつ、前記流量調整摺動部材３０の厚さ方向に貫通する混合部３４を有してなる。前記蓋部３３は、前記基部３２の外径よりも小さく、かつ、前記混合部３４を完全に覆うことができる外径を有し、前記操作レバに係合する係合部３５を有してなる。前記蓋部３３は、この発明に係るセラミック部材によって形成されても、他のセラミック部材、金属等の材料によって形成されてもよい。この蓋体３３は、前記混合部３４を覆うように、前記基部３２上に積み重ねられ、固着される。前記混合部３４は、図１に示された形状に限られず、多角形、円形、流線形等に形成されてもよい。また、その大きさも、前記高温液体供給部２２、前記低温液体供給部２３及び前記混合液体流出部２４とそれぞれ連通することができる限り、任意の大きさに調整することができる。
【００４６】
図２に示されるように構成された摺動装置１０は、以下のように機能する。例えば、初期状態として、図２に示される位置に、前記流量調整摺動部材３０が位置していると、前記低温液体供給部２３及び前記混合液体流出部２４と前記混合部３４がそれぞれ連通している。前記供給側摺動部材２０と前記流量調整摺動部材３０とがこのような位置関係にある状態では、底面側から前記摺動面２１側方向に前記低温液体供給部２３を経由して前記混合部３４内に低温液体が供給され、この混合部３４を通って、前記混合液体流出部２４から低温液体のみが流出する。
【００４７】
操作レバを図２の矢印Ａで示される方向に所定量移動させると、前記操作レバに係合した前記係合部３５を介して、操作レバと同様に、前記流量調整摺動部材３０が、図２の矢印Ａの方向に所定量摺動する。そうすると、前記低温液体供給部２３及び前記混合液体流出部２４と前記混合部３４がそれぞれ連通した状態を維持しつつ、さらに、前記高温液体供給部２２と前記混合部３４が連通する。前記供給側摺動部材２０と前記流量調整摺動部材３０とがこのような位置関係にある状態では、底面側から前記摺動面２１側方向に前記低温液体供給部２３を経由して前記混合部３４内に低温液体が供給されると共に、底面側から前記摺動面２１側方向に前記高温液体供給部２２を経由して前記混合部３４内に高温液体が供給され、前記低温液体と前記高温液体とが前記混合部３４内で混合され、ある温度を有する混合液体が、前記混合液体流出部２４から流出する。
【００４８】
混合液体の温度を調節する場合には、操作レバを操作することによって、前記流量調整摺動部材３０を、図２の矢印Ａ又はＢで示される方向に摺動させ、前記高温液体供給部２２及び前記低温液体供給部２３と前記混合部３４とが連通した面積、換言すると、前記混合部３４に供給される前記低温液体と前記高温液体と供給量を変化させればよい。より詳しくは、前記流量調整摺動部材３０を図２の矢印Ａで示される方向に摺動させると、混合液体流出部２４から流出する混合液体の温度は高温になり、逆に、前記流量調整摺動部材３０を図２の矢印Ｂで示される方向に摺動させると、前記混合液体流出部２４から流出する混合液体の温度は低温になる。
【００４９】
このように、前記流量調整摺動部材３０を、前記供給側摺動部材２０上を摺動させて、前記流量調整摺動部材３０の回転角度を調整することによって、流出する混合液体の温度を自由に変化させることができる。
【００５０】
この摺動装置１０は、前記供給側摺動部材２０及び前記流量調整摺動部材３０が、何れも、この発明に係るセラミック部材によって形成されているので、この摺動装置１０を長時間使用しても、摺動特性とシール特性とが損なわれることがなく、優れた摺動特性とシール特性とをより長時間又はより多数回にわたって維持することが可能になる。
【００５１】
前記摺動装置１０においては、前記混合液体流出部２４は前記供給側摺動部材２０に形成されているが、前記流量調整摺動部材３０、例えば、前記蓋部３３に形成されていてもよい。
【００５２】
次に、この発明の他の一例である摺動装置を図面に基づいて説明する。この摺動装置は、機体の回転軸部を軸封する軸封装置として使用されるメカニカルシール５０である。
【００５３】
図３に示されるように、このメカニカルシール５０は、この発明に係るセラミック部材によって形成されたメイティングリング６２と、カーボン又は金属等によって形成されたシールリング６３とを備え、機体の回転側ハウジング６０に固定された前記メイティングリング６２と、機体の固定側ハウジング６１に固定された前記シールリング６３とが、前記メイティングリング６２の摺動面６２Ａと前記シールリング６３の摺動面６３Ａとが向かい合うように当接されて、摺動可能に構成されてなる。
【００５４】
具体的には、メカニカルシール５０は、機体の固定側ハウジング６０の内周に挿通されて先端に図示しないウォーターポンプのインペラが装着された回転軸６４を軸封するシールであって、一方の回転環である前記メイティングリング６２は、前記インペラに形成された回転側ハウジング６０にカップガスケット６５を介して固定され、他方の回転環であるシールリング６３は、前記メイティングリング６２に当接され、摺動可能になっている。また、前記シールリング６３は、前記機体の固定側ハウジング６１側に固定された外筒状のケーシング６６内にカートリッジ式に組み込まれたゴムベローズ６７及びコイルスプリング６８を介して軸方向に押圧付勢されている。前記メイティングリング６２は、軸封する機体の回転軸部に応じて、所望の形状、大きさ、厚さ等に形成される。
【００５５】
このような構成を有するメカニカルシール５０は、回転軸６４を軸封することができるうえ、前記メイティングリング６２がこの発明に係るセラミック部材によって形成されているので、メカニカルシール５０を長時間使用しても、摺動特性とシール特性とが損なわれることがなく、優れた摺動特性とシール特性とをより長時間又はより多数回にわたって維持することが可能になる。
【００５６】
また、この発明のまた別の一例である摺動装置を図面に基づいて説明する。この摺動装置は、機器の回転軸の軸周を軸封する装置として使用されるメカニカルシール５１である。図４は、メカニカルシール５１の断面のうち、中心軸Ｃに対する略片側半分を示した概略断面図であり、図示しない残りの部分は図示した部分と同様である。
【００５７】
図４に示されるように、このメカニカルシール５１は、この発明に係るセラミック部材によって形成された回転環７０と、カーボン又は金属等によって形成された固定環７１とを備え、回転軸７２先端のインペラ７３に嵌め込まれた前記回転環７０と、ハウジング７４の例えば金属製のケーシング７５に、軸方向移動自在かつ回り止めされた状態に支持された前記固定環７１とが、前記回転環７０の摺動面７０Ａと前記固定環７１の摺動面７１Ａとが向かい合うように当接されて、摺動可能に構成されてなる。
【００５８】
具体的には、メカニカルシール５１は、ポンプ室を通る水などの密封対象液Ａが、回転軸７２の軸周から大気Ｂ側（モータ側又はポンプ外部）へ漏れるのを阻止するシールであって、回転環７０は、回転軸７２先端のインペラ７３に弾性体ガスケット７６を介して嵌め込まれ、固定環７１は、ハウジング７４に嵌め込まれた断面略コ字形の環状の前記ケーシング７５に、軸方向移動自在かつ回り止めされた状態に支持されると共に、前記ケーシング７５内のばね７７によって前記ケーシング７５から抜け出す方向（回転環７０側）に付勢され、前記回転環７０の摺動面７０Ａと前記固定環７１の摺動面７１Ａとが摺動可能になっている。このメカニカルシール５１において、前記固定環７１と前記ケーシング７５との間はゴムベローズ７８で密封されている。前記回転環７０は、軸封する機器の回転軸７２に応じて、所望の形状、大きさ、厚さ等に形成される。
【００５９】
このような構成を有するメカニカルシール５１は、機器の回転軸の軸周を軸封することができるうえ、前記回転環７０がこの発明に係るセラミック部材によって形成されているので、メカニカルシール５１を長時間使用しても、摺動特性とシール特性とが損なわれることがなく、優れた摺動特性とシール特性とをより長時間又はより多数回にわたって維持することが可能になる。
【実施例】
【００６０】
以下、実施例を挙げて、この発明をさらに具体的に説明するが、この実施例によって、この発明はなんら限定されることはない。
【００６１】
焼結助剤が含まれたアルミナ粉末と人工黒鉛とを均一になるまで混合した。ここに、人工黒鉛は球状をしており、その平均粒径は平均粒径４０〜７５０μｍの範囲で選択した。また、人工黒鉛の混合量は、全質量に対して、０．１〜２０質量％の範囲で選択した。アルミナ粉末の混合量は合計質量が１００質量％になるように調整した。
【００６２】
得られた混合粉末を、金型プレスを用いて、１０００ｋｇ／ｃｍ２の成形圧力下、供給側摺動部材として、３個の円形状開口（縦９ｍｍ×横４ｍｍ、縦９ｍｍ×横４ｍｍ及び縦８ｍｍ×横１１ｍｍ）を有する、外径３７ｍｍ、厚さ８ｍｍの円盤状に成形した。また、同様に、得られた混合粉末を、金型プレスを用いて、１０００ｋｇ／ｃｍ２の成形圧力下、流量調整摺動部材として、外径３２ｍｍ、厚さ７ｍｍの異形状の開口（縦２０ｍｍ×横１５ｍｍ）を有する円盤状に成形した。
【００６３】
このようにして成形した成形体を、電気炉を用いて、大気中、１６００℃の焼結温度下、２時間焼結して、供給側摺動部材用及び流量調整摺動部材用セラミック部材を得た。常温から前記１６００℃にまで昇温する時間は７５０分であった。
【００６４】
得られたセラミック部材を、遊離研削砥粒を用いた研削盤によって、その表面を研磨加工した。このようにして、種々の平均開口径及び摺動面積率を有する供給側摺動部材及び流量調整摺動部材を作製した。
【００６５】
これら種々の平均開口径及び摺動面積率を有する供給側摺動部材及び流量調整摺動部材の一部を用いて、平均開口径、摺動面積率及び表面粗さＲａを測定し、摺動特性、シール特性及び耐久性を評価した。
【００６６】
得られた供給側摺動部材及び流量調整摺動部材における研磨した表面の表面粗さＲａを、ＪＩＳ  Ｂ０６３３−２００１に準拠して、測定した。その結果を第１表に示した。
【００６７】
得られた供給側摺動部材及び流量調整摺動部材の研磨した表面に存在する複数の凹部の平均開口径を、以下のようにして、測定した。すなわち、１０００μｍ×７００μｍの表面領域を、金属顕微鏡（ＯＬＹＭＰＵＳ株式会社製、「ＢＸ６０Ｍ」）を用いて、倍率５０倍で観測し、観測した画像イメージを画像解析・計測ソフトウェア（三谷商事株式会社製、「Ｗｉｎ  Ｒｏｏｆ」）にて解析して、４０μｍ以上の複数の凹部の開口面積を測定し、この開口面積から円相当径に換算し、この領域における算術平均径を算出した。この操作を任意に選択した１０個所について行い、それらの１０個所の平均値を平均開口径とした。その結果を第１表に示した。なお、孔径４０μｍ未満の小孔の平均孔径を同様にして測定したところ、約５μｍであった。
【００６８】
次いで、表面の摺動面積率を、前記平均開口径の測定で得られた画像イメージを同様にして解析して、各凹部及び４０μｍ未満の各小孔における開口部の開口面積を測定し、合計面積ｓＲを算出した。この領域における表面積ＳＳ（７０００００μｍ２）と算出した合計面積ｓＲとの差分を、表面積ＳＳ（７０００００μｍ２）で除して、算術平均面積率（％）を算出した。この操作を任意に選択した１０個所について行い、それらの１０個所の平均値を摺動面積率（％）とした。その結果を第１表に示した。
【００６９】
同一の平均開口径及び摺動面積率を有する供給側摺動部材及び流量調整摺動部材を１組として、混合水栓用耐久試験機を用いて、ディスク締め付け力（供給側摺動部材及び流量調整摺動部材の締め付け力）９８０Ｎ・ｃｍ、水圧１．５ｋｇ／ｃｍ２、水温８０℃の条件で、摺動特性、シール特性及び耐久性を、評価した。
【００７０】
摺動特性は、前記混合水栓用耐久試験機に供給側摺動部材及び流量調整摺動部材を取付けたときの摺動トルク（取付け初期トルク）を、ハンドル支点から１０ｃｍの距離をおいた位置で、測定した。評価は、測定したトルクが、７８．４Ｎ・ｃｍ以下である場合を「○」とし、７８．４Ｎ・ｃｍを超えた場合を「△」とした。その結果を第１表に示した。
【００７１】
耐久性は、前記混合水栓用耐久試験機に供給側摺動部材及び流量調整摺動部材を取付け、距離２０ｍｍ（摺動角度７０°）、速度３０ｍｍ／ｓｅｃで、右回転と左回転を交互に繰り返し、前記摺動特性と同様にして測定した摺動トルクが、７８．４Ｎ・ｃｍを超えたときの摺動回数を測定した。評価は、測定した摺動回数が、１０万回を超えた場合を「○」とし、１万回を超え、１０万回以下であった場合を「△」、１万回以下を「×」とした。その結果を第１表に示した。
【００７２】
シール特性は、前記混合水栓用耐久試験機に供給側摺動部材及び流量調整摺動部材を取付けて、前記耐久性の評価と同様にして、供給側摺動部材及び流量調整摺動部材の内部及び外部からの水漏れの有無を、目視で評価した。評価は、供給側摺動部材及び流量調整摺動部材を取付けた後（取付け初期）、及び、摺動回数１０万回を超えて摺動させた後に、水漏れが認められなかった場合を「○」、取付け初期には水漏れが認められなかったが、摺動回数１０万回以下に摺動させた後に、水漏れが認められた場合を「△」、取付け初期に水漏れが認められた場合を「×」とした。その結果を第１表に示した。
【００７３】
これらの摺動特性、シール特性及び耐久性を総合して、摺動部材としての総合評価をした。摺動特性、シール特性及び耐久性のうち１つでも「×」評価がある場合を「×」、「△」評価が２つある場合を「△」、「△」評価が１つある場合を「○」、すべて「○」評価である場合を「◎」とした。その結果を第１表に示した。
【００７４】
【表１】
2007119338.tif 000003
【００７５】
このように、平均開口径が５０〜５００μｍである複数の凹部を有し、摺動面積率が２０〜８５％である表面を有するセラミック部材によって、形成された摺動部材は、摺動特性とシール特性とを長期間又は多数回にわたって維持することができた。したがって、この発明に係るセラミック部材によって形成された摺動部材及びそれを備えた摺動装置は、近年の摺動装置に要求される耐久性を十分に満足させることが可能になる。
【００７６】
また、前記と同様にして、メカニカルシール５０及び５１を作製して、同様に評価した。その結果、第１表と同様の結果が得られ、メカニカルシール５０及び５１においても、平均開口径が５０〜５００μｍである複数の凹部を有し、摺動面積率が２０〜８５％である表面を有するセラミック部材によって、形成された摺動部材は、摺動特性とシール特性とを長期間又は多数回にわたって維持することができた。
【００７７】
また、前記アルミナ粉末の代わりに、窒化ケイ素粉末、及び、窒化ケイ素粉末とアルミナ粉末との混合粉末を用いて、同様に、供給側摺動部材及び流量調整摺動部材、並びに、２種のメカニカルシールを作製した。作製した供給側摺動部材及び流量調整摺動部材、並びに、メカニカルシールにおける摺動特性、シール特性及び耐久性を同様にして評価したところ、前記アルミナ粉末を用いた場合と同様の評価結果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】図１は、この発明の一例である摺動装置を示す概分解略斜視図である。
【図２】図２は、この発明の一例である摺動装置を示す概略斜視図である。
【図３】図３は、この発明の他の一例である摺動装置を示す概略要部断面図である。
【図４】図４は、この発明のまた別の一例である摺動装置の一部を示す概略要部断面図である。
【符号の説明】
【００７９】
１０  摺動装置
２０  供給側摺動部材
２１、３１  摺動面
２２  低温液体供給部
２３  高温液体供給
２４  混合液体流出部
２５  固定部
３０  流量調整摺動部材
３２  基部
３３  蓋部
３４  混合部
３５  係合部
５０、５１  メカニカルシール
６０  回転側ハウジング
６１  固定側ハウジング
６２  メイティングリング
６２Ａ、６３Ａ、７０Ａ、７１Ａ  摺動面
６３  シールリング
６４、７２  回転軸
６５  カップガスケット
６６、７５  ケーシング
６７、７８  ゴムベローズ
６８  コイルスプリング
７０  回転環
７１  固定環
７３  インペラ
７４  ハウジング
７６  弾性体ガスケット
７７  ばね
【図１】
2007119338.tif 000004
【図２】
2007119338.tif 000005
【図３】
2007119338.tif 000006
【図４】
2007119338.tif 000007