(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した配向性セラミックス焼結体表面にイオン注入することにより、当該セラミックス焼結体に所定の注入深さまでイオンを注入した配向性セラミックスであって、機械的特性（強度・靭性）を維持しつつ耐摩耗性向上、低摩擦係数化を実現するとともに、一軸配向性セラミックスの配向方向に平行な面で硬度を増大させたことを特徴とする構造用セラミックス。
【請求項２】
配向性セラミックス焼結体が押出成型法により製造された配向性窒化けい素の焼結体である請求項１に記載の構造用セラミックス。
【請求項３】
請求項１に記載の構造用セラミックスを製造する方法であって、セラミックス焼結体を構成するセラミックス粒子の方向を特定方向に配向制御した配向性セラミックス焼結体において、表面にイオン注入することにより、当該セラミックスに所定の注入深さまでイオンを注入することで、機械的特性（強度・靭性）を維持しつつ耐摩耗性向上、低摩擦係数化を実現するとともに、一軸配向性セラミックスの配向方向に平行な面で硬度を増大させることを特徴とする構造用セラミックスの製造方法。
【請求項４】
所定の注入深さを０〜数百μｍの範囲に設定する請求項３に記載の製造方法。
【請求項５】
注入イオン種として、注入する所望の原子を含む化合物に、真空下において、電子あるいは希ガスイオンによる衝撃を与えて生成させたイオンを用いる請求項３に記載の製造方法。
【請求項６】
所定のイオン種を加速電圧により所望のイオンエネルギーに加速し、注入するとともに、イオン種とイオンエネルギーを変えることにより注入深さを制御する請求項３に記載の製造方法。
【請求項７】
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した配向性セラミックス焼結体において、該配向性セラミックスの配向方向に平行な面にイオン注入することで、機械的特性（強度・靭性）を維持しつつ耐摩耗性向上、低摩擦係数化を実現するとともに、一軸配向性セラミックスの配向方向に平行な面で硬度を増大させることを特徴とするセラミックスの表面改質方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造用セラミックス、その製造方法、及びセラミックスの表面改質方法に関するものであり、更に詳しくは、配向性セラミックス焼結体において、イオン注入法により表面改質して、その摺動特性（比摩耗量、摩耗係数）、及び硬度を顕著に向上させることにより、特に、強度・靱性、耐摩耗性、低摩擦係数を両立させた構造用セラミックスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、耐摩耗性セラミックスの中で、特に、特定方向において高強度と高靱性が同時に発現した、窒化けい素配向焼結体の耐摩耗性向上、低摩擦係数化が注目されている。窒化けい素や炭化けい素に代表されるエンジニアリングセラミックスは、その優れた特性、即ち、高強度、耐熱性、耐食性、軽量、絶縁性のため、金属材料では使用できない環境下（例えば、高温、腐食、真空、磁場）での摺動材料としての期待が大きい。特に、窒化けい素は、高温構造材料として自動車用ターボチャージャーを初めとしてエンジン部品等に実用化され始めている。これらのセラミックスの今後予想される具体的用途としては、半導体製造装置、精密機械部品、原子力関連装置、宇宙関連装置、人工関節を初めとする生体材料などがあげられる。
【０００３】
従来、先行技術として、セラミックスの強度・靱性を両立した一軸配向窒化けい素の製造技術が種々提案されている（例えば、１．特許第２６１５４３７号「高強度・高靱性窒化けい素焼結体及びその製造方法」、２．J. Am. Ceram. Soc., 78[6] 1687-90 (1995) "Processing Strategy for Producing Highly Anisotropic Silicon Nitride" 、３．Journal of the Ceramic Society of Japan, 107[12] 1216-1220 (1999) 「種結晶添加と押出し成形を組み合わせた手法による一軸配向窒化ケイ素セラミックスの作製と機械特性」、４．J. Am. Ceram. Soc.,83[3] 495-500 (2000) "Further Improvement in Mechanical Properties of Highly Anisotropic Silicon Nitride Ceramics"）。
【０００４】
これらの文献には、例えば、種結晶添加手法と成形時に大きな剪断力が働く押出し成形手法を組み合わせることにより、柱状粒子が一軸配向した窒化けい素焼結体を作製する技術、及び得られた焼結体の微構造と機械特性の評価結果が開示されており、また、強度が１１００ＭＰａ以上かつ破壊靱性が１１ＭＰａ・ｍ1/2 以上の高強度・高靱性窒化けい素の製造方法が開示されている。
また、セラミックスの耐摩耗性の向上のための具体的手法として、（ａ）ＰＶＤ、ＣＶＤ等の真空成膜技術あるいはゾルゲル法、印刷法等を利用した耐摩耗性薄膜の形成、（ｂ) 硬質材料の基材への適用、（ｃ) 摺動材料に固体潤滑物質を含有せしめることによる摩擦力の低減化、が一般的な方法として知られている。
【０００５】
しかしながら、前述の一軸配向窒化けい素は、強度・靱性は両立することができたものの、無潤滑乾燥摩擦下における摩擦係数は０．８〜１、比摩耗量は１０-8ｍｍ2 ／Ｎ程度のレベルに留まっており、期待される摺動材料への適用を考えると、耐摩耗性、摩擦係数の点で改良する必要がある。また、上述の（ａ）は、異種材料の接合であり、基材／皮膜の熱膨張率差や界面状態によっては、皮膜の亀裂発生、剥離等が生じ、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場合、加速度的に摩耗が進行しうる。また、皮膜の種類によっては、セラミックスの優れた特性である耐熱性、耐食性等を損なう恐れがある。
【０００６】
上述の（ｂ）は、例えば、アルミナ、炭化けい素などのセラミックス焼結体の適用であるが、高硬度ゆえ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。
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。
上述の（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、基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。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
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、上述の従来技術における問題点を確実に解消することを実現し得る新しい耐摩耗性セラミックス及びその製造方法を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、配向制御したセラミックス焼結体の表面にイオン注入して表面改質することにより所期の目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、配向制御したセラミックス焼結体の表面にイオン注入することにより表面改質した耐摩耗性セラミックスを提供することを目的とするものである。
また、本発明は、強度・靱性、耐摩耗性、低摩擦係数を両立させた構造用セラミックスを提供することを目的とするものである。
また、本発明は、上述の耐摩耗性セラミックスを簡便な操作により製造する方法を提供することを目的とするものでる。
更に、本発明は、セラミックス焼結体の表面改質方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【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した配向性セラミックス焼結体表面にイオン注入することにより、当該セラミックス焼結体に所定の注入深さまでイオンを注入した配向性セラミックスであって、機械的特性（強度・靭性）を維持しつつ耐摩耗性向上、低摩擦係数化を実現するとともに、一軸配向性セラミックスの配向方向に平行な面で硬度を増大させたことを特徴とする構造用セラミックス。
（２）配向性セラミックス焼結体が押出成型法により製造された配向性窒化けい素の焼結体である前記（１）に記載の構造用セラミックス。
（３）前記（１）に記載の構造用セラミックスを製造する方法であって、セラミックス焼結体を構成するセラミックス粒子の方向を特定方向に配向制御した配向性セラミックス焼結体において、表面にイオン注入することにより、当該セラミックスに所定の注入深さまでイオンを注入することで、機械的特性（強度・靭性）を維持しつつ耐摩耗性向上、低摩擦係数化を実現するとともに、一軸配向性セラミックスの配向方向に平行な面で硬度を増大させることを特徴とする構造用セラミックスの製造方法。
（４）所定の注入深さを０〜数百μｍの範囲に設定する前記（３）に記載の製造方法。
（５）注入イオン種として、注入する所望の原子を含む化合物に、真空下において、電子あるいは希ガスイオンによる衝撃を与えて生成させたイオンを用いる前記（３）に記載の製造方法。
（６）所定のイオン種を加速電圧により所望のイオンエネルギーに加速し、注入するとともに、イオン種とイオンエネルギーを変えることにより注入深さを制御する前記（３）に記載の製造方法。
（７）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した配向性セラミックス焼結体において、該配向性セラミックスの配向方向に平行な面にイオン注入することで、機械的特性（強度・靭性）を維持しつつ耐摩耗性向上、低摩擦係数化を実現するとともに、一軸配向性セラミックスの配向方向に平行な面で硬度を増大させることを特徴とするセラミックスの表面改質方法。
【０００９】
【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。
２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。
本発明は、一軸配向窒化けい素に代表される配向制御したセラミックス焼結体の機械的特性（強度・靱性）及びセラミックス本来の耐熱性、耐食性等を維持しつつ表面の低摩擦係数化、耐摩耗性向上を実現するものであり、その手法として、イオン注入法を利用したことを最大の特徴とするものである。
【００１０】
本発明においては、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したセラミックス焼結体が使用され、その好適な例として、例えば、種結晶添加と押出成型法により製造される一軸配向窒化けい素、シート成形・積層法により製造される面内配向窒化けい素、あるいは同様の手法で製造される配向性炭化けい素が例示されるが、これらに限らず、これらと同等のものであれば同様に使用することができる。
上述の配向制御したセラミックス焼結体の製造方法としては、例えば、高純度α窒化けい素粉末に焼結助剤としてアルミナ、イットリア等を添加し、これらを遊星ボールミルで混合し、乾燥・解砕の後、所定メッシュのふるいを通したものに、種結晶粒子としてβ窒化けい素を添加し、混練機で混練したものを押出成型法、シート成形法等で作製した成型体を、窒素雰囲気中及び空気中で熱処理して脱脂後、静水圧成型し、窒素雰囲気中で１６００〜１９００℃で焼成してセラミックス焼結体を得る方法が例示されるが、これらに制限されるものではない。
【００１１】
次に、本発明において、上述の配向制御したセラミックス焼結体において、その表面にイオン注入する方法について説明する。
まず、注入する所望の原子を含む化合物（気体、液体、固体）に、真空下において、電子あるいは希ガスイオン衝撃を与えてイオンを生成させる。加速電圧により所望のイオンエネルギーに加速し、副成する他のイオンは磁界及び分析スリットを利用して分離することで、所望のイオンのみを注入する。注入時のビーム電流をモニターすることにより、ドーズ量を計測し、所望の量だけイオン注入する。この場合、イオン種とイオンエネルギーを変えることにより、注入深さを制御することができる。
【００１２】
図１にイオンエネルギー２００ｋｅＶで、Ｂ+ ，Ｎ+ ，Ｓｉ+ ，Ｔｉ+ イオンを窒化けい素に注入した場合の深さ方向元素濃度分布のシミュレーション結果を示す。一般的に、質量が小さいほど、また、イオンエネルギーが大きいほど、注入深さは深くなる。質量が最小のプロトンを８ＭｅＶで注入した場合のシミュレーション結果は、３００μｍの深さまでイオン注入することが可能であることを示した。このように、上記方法により、イオンの注入深さは０〜数百μｍの範囲で任意に設定することができる。
【００１３】
図４に、イオン注入装置の一例の概略図を示す。このイオン注入装置は、高電圧部、加速管、Ｑレンズ、スキャナ部、注入室から構成されるが、これらは、適宜設計変更することができる。このイオン注入装置では、試料を真空チャンバー注入室にセットし、一方、イオン源をアークチャンバー内に導入し、アーク電圧を印加し、熱電子によりイオンを生成させる。イオン源前方の引出電極と加速電極に電圧を印加し、発生したイオンを加速させる。生成した各種イオンのうち分析電磁石とスリットにより所望のイオン種のみ取り出し、スキャナ部でビームスキャンして、注入室の試料にイオン注入する。イオン注入装置は、使用目的に応じて適宜の形式のものを使用することができる。
【００１４】
次に、注入イオン種としては、周期律表のほとんど全ての元素が可能であり、例えば、Ｈ，Ｈｅ，Ｌｉ，Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｆ，Ｎｅ，Ｎａ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｃｌ，Ａｒ，Ｃａ，Ｓｃ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ａｓ，Ｓｅ，Ｋｒ，Ｓｒ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｉ，Ｘｅ，Ｂａ，Ｗ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｔｂ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂが例示される。これらのイオン源としては適宜のものが使用され、好適には、例えば、Ｂ+ ，Ｎ+ ，Ｓｉ+ ，Ｔｉ+ イオンを注入する場合のイオン源としては、それぞれ、ＢＦ3 ，Ｎ2 ，ＳｉＦ4 ，ＴｉＣｌ4 が用いられるが、これらに制限されるものではない。
【００１５】
本発明では、一軸配向窒化けい素に代表される配向制御したセラミックス焼結体にイオン注入し、強度・靱性を維持しつつ耐摩耗性向上、低摩擦係数化を実現するものである。一軸配向窒化けい素は、その構造異方性により、配向方向に平行な面（ＸＹ面）と垂直な面（Ｚ面）とで、硬度や摩擦特性等の機械特性が異なる。更に、配向方向に平行な面内で、摩擦特性は摺動方向（Ｘ方向、Ｙ方向）による依存性を有する。図２に、一軸配向窒化けい素の配向方向と摺動方向を示す。
【００１６】
ＸＹ面及びＺ面に各種イオンを注入した一軸配向窒化けい素に代表される配向制御したセラミックス焼結体の機械特性、摺動特性について鋭意研究した結果、後記する実施例に示したように、本発明の材料が、従来にない優れた摺動材料であることが分かった。即ち、ＸＹ面及びＺ面のいずれにおいても、イオン注入により、摺動特性（比摩耗量、摩擦係数）、及び硬度が顕著に向上することが見出された。以上のことから、本発明は、摺動特性及び硬度が顕著に向上した構造用セラミックス及びその製造方法、セラミックス焼結体の表面改質方法として有用であり、本発明は、より厳しい使用環境下におけるセラミックス摺動材料の適用範囲を拡大することを可能とするものである。
【００１７】
【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、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例
（１）試料の作製
（ａ）ランダム材（ＲＤ−ＳＮ材）
高純度α窒化けい素粉末に、焼結助剤として酸化イットリウム粉末を５ｍａｓｓ％、アルミナ粉末を２ｍａｓｓ％添加し、窒化けい素ポット及び窒化けい素ボールにてメタノール（分散剤を添加してあるもの）を加え、１時間、遊星型ボールミルで混合し、乾燥・解砕したものを原料粉末とした。
原料粉末は１．５ｌ／ｍｉｎ．の窒素ガス中で、８００℃、２時間の仮焼を行い脱脂した。次に、これを面圧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℃、２時間で焼成した。この焼結体を摺動試験用に３×４×ｔ１．５５（ｍｍ）に切断し、摺動面を鏡面研磨したものを試料ＲＤ−ＳＮ材（種結晶なし）とした。
【００１８】
（ｂ）β配向材（ＵＡ−ＳＮ材）
高純度α窒化けい素粉末に、焼結助剤として酸化イットリウム粉末を５ｍａｓｓ％、アルミナ粉末を２ｍａｓｓ％添加し、窒化けい素ポット及び窒化けい素ボールにてメタノールを加え、２時間、遊星型ボールミルで混合し、乾燥・解砕の後、６０メッシュのふるいを通した。このようにして得た混合粉末に、β窒化けい素種結晶粒子（平均短軸径：０．５μｍ、平均アスペクト比：４）を５ｍａｓｓ％添加し、蒸留水を分散媒として樹脂ポットとナイロン被覆スチールボールを用いて２４時間ボールミル混合を行った。この際、新たに１５ｍａｓｓ％の有機バインダーを添加し、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、窒素雰囲気中で、６００℃、４時間、続いて空気中で４００℃、４時間の熱処理にて脱脂後、圧力５００ＭＰａで静水圧成形し、窒素０．９ＭＰａの雰囲気中、１８５０℃、２時間で焼成した。この焼結体を、摺動試験用に３×４×ｔ１．５５（ｍｍ）に加工したものを試料ＵＡ−ＳＮ材（一軸配向窒化けい素）とした。この際、前述したように、摺動試験サンプルとして、β窒化けい素の配向方向と摺動方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ）との関係を明らかにする狙いで、図３に示すように、配向方向の異なる３種類に加工した。なお、摺動面は鏡面研磨を施した。摺動方向に応じて、試料ＵＡ−ＳＮ（Ｘ），ＵＡ−ＳＮ（Ｙ），ＵＡ−ＳＮ（Ｚ）とした。
【００１９】
（ｃ）イオン注入品（試料Ｉ−ＳＮ）
試料ＲＤ−ＳＮと試料ＵＡ−ＳＮの鏡面研磨面にイオン注入したものを試料Ｉ−ＳＮとした。イオン注入は、イオン注入装置（イオン工学センター、フリーマン型４００ｋｅＶ）を用いて、次のようなイオン注入条件下で行った（図４）。
・イオン種：Ｂ+ （イオン源ＢＦ3 ），Ｎ+ （イオン源Ｎ2 ），Ｓｉ+ （イオン源ＳｉＦ4 ），Ｔｉ+ （イオン源ＴｉＣｌ4 ）
・イオンエネルギー：２００ｋｅＶ
・ドーズ量：２×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2
・照射角度：０°（イオンビーム入射方向と入射面の法線がなす角）
【００２０】
以下のイオン注入手順により、イオン注入した。試料を４インチウェハーに貼り付け、真空チャンバー試料室内にセットした。Ｂ+ イオン源であるＢＦ3 ガスを０．７０ｃｃ／ｍｉｎ．の流量でアークチャンバー内に導入した。フィラメント電流を１３７±２Ａ流し、アーク電圧１００Ｖ（アーク電流：１．００Ａ）を印加した。フィラメントから出る熱電子によりＢＦ3 ガスはイオン化（プラズマ生成）される。イオン源前方の引出電極に電圧３０Ｖ（電流：３．７〜３．９ｍＡ）、加速電極に全加速電圧２００ｋＶ（リターン電流：０．７０〜０．７２ｍＡ）を印加し、発生したイオンを加速した。加速時のイオンエネルギーは２００ｋｅＶである。なお、生成した各種イオンのうち分析電磁石とスリットにより所望のイオン種であるＢ+ イオンのみを取り出した。注入時の真空度は、イオン源部で９．８×１０-6Ｔｏｒｒ、注入室で７．０×１０-7Ｔｏｒｒであった。ビームスキャンは静電スキャン方式で、注入面積１３．６ｃｍ2 内全域で均一に注入される。イオン注入時のビーム電流を４９〜５３μＡに維持し、注入時間７８０４秒で所望のドーズ量２．００×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2 の注入を完了した。なお、他のイオン種についても同様に実施した。
【００２１】
（２）評価方法
上述した各種試料について、摩擦摩耗試験及び硬度試験を行い、その特性を比較評価した。
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、ブロック側に上記（ａ）〜（ｃ）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０．１５ｍ／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。摺動試験時の荷重及び摩擦力を圧力センサーによりリアルタイムでモニターすることにより摩擦係数を記録した。ブロックオンリング摺動試験により生じた摺動痕を表面粗さ計にて断面解析（９ラインを解析）することにより比摩耗量を算出した。ここで、比摩耗量の単位は、摩耗体積（ｍｍ3）を荷重（Ｎ）・摺動距離（ｍ）で割った値、即ち、ｍｍ2 ／Ｎとした。
硬度はナノインデンテーション法により深さ方向の硬度分布を比較評価した（最大荷重：５００ｍＮ、インデンター角度：６５．３°、５０μｍ間隔の５点測定値の平均）。
【００２２】
（３）評価結果
次に、上述した各種試料の比摩耗量、摩擦係数、及び硬度の測定結果についてそれぞれ説明する。
１）比摩耗量
表１及び図５に、各種試料の比摩耗量の比較を示す。これらの表及び図から明らかなように、ＲＤ−ＳＮ、ＵＡ−ＳＮ（Ｘ）、ＵＡ−ＳＮ（Ｙ）、ＵＡ−ＳＮ（Ｚ）のいずれの試料においても、比摩耗量の著しい低減（１０-10 ｍｍ2 ／Ｎ台を実現）が認められた。イオン注入していないＲＤ−ＳＮのＲＤ（比較例）の比摩耗量を１００とすると、例えば、ＲＤ−ＳＮ（Ｓｉ+ ）：３．７、ＵＡ−ＳＮ（Ｘ（Ｂ+ ））：３．６、ＵＡ−ＳＮ（Ｙ（Ｔｉ+ ））：５．３、ＵＡ−ＳＮ（Ｚ（Ｔｉ+ ））：６．３というように、イオン注入により比摩耗量を１／１０以下に低減することができることが分かった。
【００２３】
【表１】
0004031647.tif 000002
【００２４】
２）摩擦係数
表２に各種試料の摩擦係数の測定結果を示す。各イオンをＵＡ−ＳＮ（Ｘ）に注入した試料の摩擦係数は、いずれの場合も、摩擦係数：０．２５〜０．５という低い値を実現している。各イオンをＵＡ−ＳＮ（Ｙ）に注入した試料の摩擦係数については、Ｂ+ イオン及びＳｉ+ イオンを注入した試料で、摩擦係数が０．３程度と低い値を示している。Ｎ+ イオン及びＴｉ+ イオン注入品では、初期に０．３〜０．５という低い摩擦係数を示している。各イオンをＵＡ−ＳＮ（Ｚ）に注入した試料の摩擦係数は、初期に０．４程度の低摩擦係数を示しているが、その後、０．８程度に落ち着いている。各イオンをＲＤ−ＳＮに注入した試料の摩擦係数は、ＵＡ−ＳＮ（Ｚ）と同様に、初期摩擦係数：０．４が徐々に増大し、０．８程度に落ち着いている。一方、イオン注入していない各種試料のＲＤ−ＳＮ，ＵＡ−ＳＮ（Ｘ），ＵＡ−ＳＮ（Ｙ），ＵＡ−ＳＮ（Ｚ）の摩擦係数は、０．７〜０．９程度の高い摩擦係数を示している。このように、各種試料において、イオン注入による摩擦係数の低減効果が明らかとなった。特に、ＵＡ−ＳＮ（Ｘ），ＵＡ−ＳＮ（Ｙ）で摩擦係数低減効果が顕著である。ＵＡ−ＳＮ（Ｚ），ＲＤ−ＳＮにおいても、イオン注入していない試料と比較すると、摺動試験初期において、摩擦係数の低減効果が認められることから、低荷重条件、低速条件、流体潤滑条件、境界潤滑条件等のマイルドな摩耗条件下において、その効果は十分に発揮できるものと言える。
【００２５】
【表２】
0004031647.tif 000003
【００２６】
３）硬度
図６に、各種試料の硬度（最大荷重時）の比較を示し、図７〜９に、各種試料の硬度の深さ方向分布を示す。図６からＵＡ−ＳＮ（ＸＹ）面がイオン注入により硬度が著しく増大していることが分かる。例えば、Ｂ+ イオン注入により３３．７３ＧＰａから４１．１１ＧＰａまで硬度が２２％増大した。ＵＡ−ＳＮ（Ｚ）では、Ｂ+ イオン及びＳｉ+ イオンの注入により硬度の増大が認められた。ＲＤ−ＳＮにおいては、イオン注入による顕著な効果は特に認められない。図７は、ＵＡ−ＳＮ（ＸＹ）面における硬度ｖｓ深さの関係を示す。表面近傍から最大荷重印加時である約８００ｎｍの深さまでの広い領域において、各イオン注入により硬度が増大した。最大硬度値で比較すると、イオン注入無しの試料で５４．５４ＧＰａの硬度が、例えば、Ｂ+ イオン注入品で、６２．４１ＧＰａ（１４％増）まで増大した。図８は、ＵＡ−ＳＮ（Ｚ）面における硬度ｖｓ深さの関係を示す。最大硬度値で比較すると、イオン注入無しの試料で４４．４９ＧＰａの硬度が、Ｂ+ イオン注入品で５６．０４ＧＰａ（２６％増）、Ｓｉ+ イオン注入品で５４．２８ＧＰａ（２２％増）まで増大した。図９は、ＲＤ−ＳＮにおける硬度ｖｓ深さの関係を示す。表面近傍から４００ｎｍ位の深さまでの領域において、イオン注入による硬度の低下が見られたものの、最大荷重印加時である約７５０ｎｍの深さでは、硬度はほぼ同じ値を示している。
【００２７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、セラミックス焼結体に所定の注入深さまでイオンを注入した耐摩耗性セラミックス及びその製造方法等に係るものであり、本発明により、１）イオン注入により比摩耗量と摩擦係数を低減させ、かつ硬度を増大したセラミックスを提供することができる、２）特に、強度・靱性を両立した一軸配向性セラミックスの配向方向に平行な面で摩擦係数の低減効果及び硬度の増大効果が顕著である、３）本発明により、強度、靱性、耐食性、軽量性、耐熱性等の基材本来の特性を損なうことなく、高硬度、耐摩耗性、低摩擦係数を有するセラミックスを実現することができる、４）本発明は、ガスタービン部品、エンジン部品、機械部品、切削工具類、エレクトロニクス部品、半導体部品、マイクロマシン、生体材料、特殊環境装置（高温、腐食、磁場、真空、宇宙、原子力、クリーンルーム）等の摺動部材に適用できる、という格別の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】イオンエネルギー２００ｋｅＶでＢ+ ，Ｎ+ ，Ｓｉ+ ，Ｔｉ+ イオンを窒化けい素に注入した場合の深さ方向元素濃度分布シミュレーションの結果を示す。
【図２】一軸配向窒化けい素の配向方向と摺動方向（Ｘ方向、Ｙ方向）を示す。
【図３】β窒化けい素（摺動試験サンプル）の異なる３種類の配向方向と摺動方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ）との関係を示す。
【図４】イオン注入装置の概略図を示す。
【図５】各種試料の比摩耗量の比較を示す。
【図６】各種試料の硬度（最大荷重時）の比較を示す。
【図７】ＵＡ−ＳＮ（ＸＹ）面における硬度ｖｓ深さの関係を示す。
【図８】ＵＡ−ＳＮ（Ｚ）面における硬度ｖｓ深さの関係を示す。
【図９】ＲＤ−ＳＮにおける硬度ｖｓ深さの関係を示す。
【図１】
0004031647.tif 000004
【図２】
0004031647.tif 000005
【図３】
0004031647.tif 000006
【図４】
0004031647.tif 000007
【図５】
0004031647.tif 000008
【図６】
0004031647.tif 000009
【図７】
0004031647.tif 000010
【図８】
0004031647.tif 000011
【図９】
0004031647.tif 000012