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JP7500737B2 - 摺動部材 - Google Patents
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JP7500737B2 - 摺動部材 - Google Patents

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Description

開示の実施形態は、摺動部材に関する。
従来、炭化珪素などのセラミックで構成される摺動部材が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２－２５５６５１号公報
実施形態の一態様は、長期間にわたって良好な摺動性を維持できる摺動部材を提供することを目的とする。
実施形態の一態様に係る摺動部材は、セラミックで構成される本体部の摺動面に、複数の気孔が密集した気孔密集部を有する。
図１は、実施形態に係る摺動部材の斜視図である。 図２は、実施形態に係る摺動面のＳＥＭ観察写真を示す図である。 図３は、実施形態に係る摺動面のＳＥＭ観察写真を示す図である。 図４は、実施形態に係る摺動面のＳＥＭ観察写真を示す図である。 図５は、実施形態に係る摺動面のＳＥＭ観察写真を示す図である。 図６は、実施形態に係る摺動面のＳＥＭ観察写真を示す図である。 図７は、実施形態に係る気孔密集部の構成の一例を示す図である。 図８は、実施形態に係る気孔密集部の構成の一例を示す図である。
以下、添付図面を参照して、本願の開示する摺動部材の実施形態について説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
従来、炭化珪素などのセラミックで構成される摺動部材が知られている。しかしながら、上記の従来技術では、長期間にわたって摺動性を良好に維持する点について改善の余地があった。
そこで、上述の問題点を克服し、摺動部材において長期間にわたって摺動性を良好に維持することができる技術の実現が期待されている。
図１は、実施形態に係る摺動部材１の平面図である。図１に示すように、実施形態に係る摺動部材１は、セラミックで構成される本体部２を備える。かかる本体部２は、摺動面３を有する。
この摺動面３は、鏡面加工された面であり、図示しない他の部材と摺動する。本開示において、本体部２はたとえばリング状であり、両方の主面が摺動面３となっている。
実施形態に係る摺動部材１は、たとえば、軸受、フォーセットバルブ、ドリル加工における工具、鋸刃、滑車、ギヤ、ねじ継手、ベアリング、シールリングおよびガイド部材などに用いることができる。
本体部２を構成するセラミックとしては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）などの酸化物セラミックス、または、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）などの非酸化物セラミックスなどが挙げられる。
この中でも摺動面３の摺動性を向上させるという観点から、本体部２は、炭化珪素、窒化珪素またはアルミナを主成分としていることが好ましい。
また、実施形態では、本体部２が炭化珪素を主成分としているとさらによい。これにより、本体部２の熱伝導率を向上させることができることから、他の部材と摺動する際に発生する摩擦熱を効率よく放熱することができる。
図２～図６は、実施形態に係る摺動面３のＳＥＭ観察写真を示す図である。なお、以下に示すＳＥＭ観察写真では、濃色の部位が表面に物質の存在しない部位である。実施形態に係る摺動部材１の摺動面３は、図２などに示すように、気孔（pore）１０（図７参照）が密集した気孔密集部４を有する。
１つの気孔密集部４に含まれる気孔１０の個数は、たとえば、４０（個）以上かつ１０００（個）以下であり、特に、１００（個）以上かつ５００（個）以下であることが好ましい。
また、気孔密集部４の大きさは、たとえば、断面視野に観察される場合で、２５（μｍ）以上かつ３００（μｍ）以下であり、特に、３０（μｍ）以上かつ１５０（μｍ）以下であることが好ましい。
また、気孔密集部４の面積は、たとえば、断面視野に観察される場合で、４５０（μｍ２）以上かつ７５０００（μｍ２）以下であり、特に、６００（μｍ２）以上かつ２００００（μｍ２）以下であることが好ましい。
また、気孔密集部４に密集する気孔１０の大きさは、たとえば、０．５（μｍ）以上かつ１０（μｍ）以下である。
ここで、実施形態では、摺動面３が気孔密集部４を有することにより、かかる気孔密集部４内の数多くの気孔１０に潤滑剤を保持させることができる。これにより、摺動部材１が他の部材と摺動する際に、気孔密集部４に保持された潤滑剤を摺動面３に供給することができる。
したがって、実施形態によれば、長期間にわたって良好な摺動性を維持できる摺動部材１を実現することができる。
また、実施形態に係る気孔密集部４には、図３などに示すように、複数の気孔１０（図７参照）が球状に密集しているとよい。これにより、他の部材と摺動する際に発生する摩擦力を分散させることができることから、摺動面３で偏摩耗を生じにくくすることができる。
したがって、実施形態によれば、さらに長期間にわたって良好な摺動性を維持できる摺動部材１を実現することができる。なお、実施形態では、球状に密集した気孔密集部４と、球状とは異なる形状に密集した気孔密集部４とが摺動面３に混在していてもよく、球状とは異なる形状に密集した気孔密集部４のみが摺動面３に存在していてもよい。
また、実施形態では、図５などに示すように、摺動面３が、気孔密集部４と、かかる気孔密集部４の周囲に位置する空隙（void）５とを有してもよい。かかる空隙５は、気孔密集部４の輪郭に沿って位置しており、たとえば、気孔密集部４内の気孔１０（図７参照）よりも大きく、かつ端部に鋭角を有する形状である。
このように、摺動部材１の摺動面３が気孔密集部４に加えて空隙５も有することで、かかる空隙５にも潤滑剤を保持させることができる。これにより、摺動部材１が他の部材と摺動する際に、気孔密集部４および空隙５に保持された潤滑剤を摺動面３に供給することができる。
したがって、実施形態によれば、さらに長期間にわたって良好な摺動性を維持できる摺動部材１を実現することができる。
また、実施形態にかかる空隙５は、気孔密集部４内の気孔１０よりも大きいとよい。気孔密集部４の輪郭に沿った空隙５の長さは、たとえば、２０（μｍ）以上かつ６０（μｍ）以下である。なお、空隙５の長さは、２０（μｍ）未満でもよいし、６０（μｍ）よりも長くてもよい。
これにより、大きな空隙５に保持された潤滑剤を気孔密集部４内の小さな気孔１０に順次供給することができる。したがって、実施形態によれば、さらに長期間にわたって良好な摺動性を維持できる摺動部材１を実現することができる。
また、実施形態にかかる空隙５は、端部に鋭角を有する形状であるとよい。これにより、空隙５で潤滑剤をさらに保持しやすくすることができる。
したがって、実施形態によれば、さらに長期間にわたって良好な摺動性を維持できる摺動部材１を実現することができる。
また、実施形態では、摺動面３において気孔密集部４に位置する気孔１０の内径が、気孔密集部４以外の本体部２に位置する気孔１０の内径よりも大きいとよい。たとえば、気孔密集部４に位置する気孔１０の内径は、０．８（μｍ）～５．０（μｍ）程度であり、気孔密集部４以外の本体部２に位置する気孔１０の内径は、０．５（μｍ）～２．０（μｍ）程度であるとよい。
これにより、気孔密集部４における気孔１０の全体の容積を大きくすることができるため、気孔密集部４により多くの潤滑剤を保持させることができる。そのため、摺動部材１が他の部材と摺動する際に、気孔密集部４に保持されたより多くの潤滑剤を摺動面３に供給することができる。
したがって、実施形態によれば、さらに長期間にわたって良好な摺動性を維持できる摺動部材１を実現することができる。
また、実施形態では、気孔密集部４の気孔率が５（％）～１５（％）の範囲であるとよい。仮に気孔密集部４の気孔率が５（％）未満である場合、潤滑剤の保持量が少なくなることから、良好な摺動性を維持可能な期間が短くなってしまう。また、気孔密集部４の気孔率が１５（％）よりも大きい場合、気孔密集部４の強度が低下してしまうため、他の部材が摺動する際に本体部２が脱粒しやすくなってしまう。
しかしながら、実施形態では、気孔密集部４の気孔率を５（％）～１５（％）の範囲にすることで、長期間にわたって良好な摺動性を維持できるとともに、本体部２の脱粒を抑制することができる。
また、実施形態では、気孔密集部４の気孔率が、気孔密集部４以外の本体部２の気孔率の１．５倍～５倍の範囲であるとよい。これにより、気孔密集部４の気孔率を５（％）～１５（％）の範囲に容易に設定することができる。
また、実施形態では、図７および図８に示すように、気孔密集部４内に連通した気孔１０が存在しているとよい。図７および図８は、実施形態に係る気孔密集部４の構成の一例を示す図である。
このように、気孔密集部４に連通した気孔１０が存在することで、気孔密集部４における気孔１０の全体の容積が大きくすることができるため、気孔密集部４により多くの潤滑剤を保持させることができる。
また、多数の気孔１０や大小の気孔１０が互いに連通することで、潤滑剤との接触面積を増加させることができることから、気孔密集部４における潤滑剤の保持力を高めることができる。
さらには、図８に示すように、深さ方向にも複数の気孔１０同士が連通していることで、深さ方向に連通した気孔１０内に潤滑剤を保持できるため、潤滑剤の保持量をさらに増加させることができるとともに、潤滑剤の保持力をさらに向上させることができる。
したがって、実施形態によれば、さらに長期間にわたって良好な摺動性を維持できる摺動部材１を実現することができる。
つづいて、実施形態に係る摺動部材１における製造工程の概要について説明する。なお、以下の説明では、炭化珪素を主成分とする摺動部材１について示すが、本開示は以下の例に限定されるものではない。
まず、主成分である炭化珪素の粉末と、焼結助剤（たとえば、アルミナや酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）など）の粉末とを準備する。そして、炭化珪素の粉末および焼結助剤の粉末を所定の割合で混合し、水および分散剤を加えて、ボールミルやビーズミルなどにより所定時間混合して１次スラリーとする。
次に、得られた１次スラリーに有機バインダを添加して混合し、２次スラリーとする。そして、得られた２次スラリーを噴霧乾燥（スプレードライ）することで、主成分が炭化珪素である顆粒を得る。
なお、かかる顆粒を得る際には、大きさが３０（μｍ）以上かつ１２０（μｍ）以下の顆粒が、顆粒全体のうち７０（体積％）以上を占めるように、噴霧乾燥の条件を適宜設定する。
次に、得られた顆粒の一部に対して、熱硬化性樹脂を含有させる処理を行い、さらに１００（℃）～２００（℃）程度の温度で熱処理を施すことにより、かかる顆粒を熱硬化する。
なお、顆粒に含有させる熱硬化性樹脂は、たとえば、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、またはシリコン樹脂などであり、このうち、フェノール樹脂が好ましい。また、顆粒に含有させる熱硬化樹脂の量は、たとえば、０．１（重量％）以上かつ４０（重量％）以下であり、特に、１（重量％）以上７（重量％）以下であることが好ましい。
そして、熱硬化されていない顆粒と熱硬化された顆粒とを所定の割合で混合し、所定の成形型に充填して、適宜設定される圧力でリング形状にプレス成形する。
この成形工程において、熱硬化されていない顆粒は圧力で潰され、かかる顆粒の内部に密集するボイドも潰されるのに対し、熱硬化された顆粒は圧力では潰されず、かかる顆粒の内部に密集する数多くのボイドは成形体の内部にそのまま残る。
次に、得られた成形体をアルゴン雰囲気中で焼成する。なお、主成分として窒化珪素を用いる場合には窒素雰囲気中で焼成し、主成分としてアルミナを用いる場合には、大気雰囲気中で焼成するとよい。
この焼成工程では、最初に、所定の焼結温度よりも５０℃から１００℃低い温度で２時間～１０時間保持する。次に、所定の焼結温度で１～１０時間保持し、その後室温まで冷却して、焼成体を得る。
この焼成工程において、熱硬化された顆粒の内部に密集する数多くのボイドが残ったまま焼成されることにより、焼成体の内部に気孔密集部４が形成される。また、熱硬化された顆粒と熱硬化されていない顆粒との硬さおよび熱収縮率の差などに起因して、焼結体を冷却する際に、気孔密集部４（すなわち、熱硬化された顆粒）の周囲に空隙５が形成される。
最後に、得られた焼成体に鏡面加工などの研磨処理を施す。これにより、鏡面加工された摺動面３に気孔密集部４および空隙５が露出した摺動部材１を得ることができる。
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。たとえば、上述の実施形態では、リング状の摺動部材１について示したが、摺動部材１の形状はリング状に限られず、様々な形状の摺動部材１に本開示の技術を適用することができる。
今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
１ 摺動部材
２ 本体部
３ 摺動面
４ 気孔密集部
５ 空隙（void）
１０ 気孔（pore）

Claims (7)

  1. セラミックで構成される本体部の摺動面に、複数の気孔が密集した気孔密集部と、該気孔密集部の周囲に位置する空隙と、を有する
    摺動部材。
  2. 前記空隙は、前記気孔よりも大きい
    請求項１に記載の摺動部材。
  3. 前記空隙は、端部に鋭角を有する形状である
    請求項１または２に記載の摺動部材。
  4. 前記気孔密集部には、前記複数の気孔が円状に密集する
    請求項１～３のいずれか一つに記載の摺動部材。
  5. 前記摺動面において前記気孔密集部に位置する前記気孔の内径は、前記気孔密集部以外の前記本体部に位置する前記気孔の内径よりも大きい
    請求項１～４のいずれか一つに記載の摺動部材。
  6. 前記気孔密集部内に、連通した前記気孔が存在する
    請求項１～５のいずれか一つに記載の摺動部材。
  7. 前記本体部は、炭化珪素が主成分である
    請求項１～６のいずれか一つに記載の摺動部材。
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