JPH01290577A - セラミックス材料の水潤滑特性の改善方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、窒化珪素、アルミナ、ジルコニア等の耐摩
耗性構造材料が水の存在下でも耐摩耗性を保有するよう
にする方法に関するものであり、水の存在する環境下の
摺動部の潤滑や、炭坑や油圧機器等の防災上難燃性を要
する摺動部の潤滑等に利用し得る。

［従来の技術］ 窒化珪素、アルミナ、ジルコニア等のエンジニアリング
セラミックスは耐熱・耐摩耗性において金属を遥かにし
のぐ機械的特性を有し、切削工具、ベアリング、高効率
エンジン、高効率ガスタービン等への用途を期待されて
いる。

特に窒化珪素は、従来の超硬合金がタングステン、コバ
ルト、ニッケル等の存在量の少なくかつ偏在する元素で
構成されるのに対し、どこにでも豊富にある元素により
構成される点でも有望視されている。

［発明が解決しようとする課題］ 水の存在する環境下において駆動する機械部品材料とし
て金属を使用すると錆びる問題があり、錆びる恐れのな
いセラミックス材料がこのような用途に期待されている
。

また炭坑や油圧機器等の防災上、難燃性を必要とする摺
動部の潤滑は、油ｌｒｌ！滑や固体潤滑のような焼けつ
き・発火の恐れのあるものは使用できない。このため水
系ｆｌｌｌｆｆｉが有利であるが、水により錆びる恐れ
のある金属類はこの用途には不向きであり、セラミック
ス材料はこのような用途にも期待されている。

しかるに、これらのセラミックス材料は水中でとくに低
速で＋！！ｉｌした場合には、摩擦係数、摩耗とも大き
くかつ不安定になる（Ｉｔ、　Ｔｏｌｉｚａｗａ　ａｎ
ｄ丁、　　Ｅ、　　Ｆｉｓｈｅｒ　　　ＡＳＬＥ　　Ｔ
ｒａｎｓ、　　３０　　（１９８７）　　　４１．　　
）　　。

特に窒化珪素ではこの傾向は著しく、他の有機溶媒中に
少量の水が混在しただけでもＩ’？擦摩耗特性が悪化す
る。

これは窒化珪素を水中で１！！擦すると、窒化珪素の表
面が酸化されて二酸化珪素が生成され、これが水と反応
して水酸化物を生成し、すなわち表面にシラノール基（
）ｓｉ−ＯＨ）ができ、溶出し１、ｃ口 如すくなるため摩耗しやすいことによる。また、低速下
においてはＩ！ｊ擦係数も大きい。

アルミナやジルコニウム等の酸化物系セラミックスはは
じめから酸化物で構成されており、同様に水と反応して
水酸化物を作り摩擦・摩耗性が不安定になる。

このため前記の如き、水の存在する環境下や水潤滑の摺
動部の構造材料としてこれらのセラミックスを用いるこ
とは不適当であり、これらのセラミックスの水潤滑特性
の改善が強く望まれている。

この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであっ
て、水の存在下で摩擦すると被摩擦面に水酸化物を生ず
るセラミックス材料の水潤滑特性を著しく改善し得る方
法を提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために、この発明のセラミックス材
料の水潤滑特性の改善方法は、水の存在下で摩擦すると
被摩擦面に水酸化物を生成するセラミックス材料の水潤
滑特性の改善方法であって、前記被摩擦面にアルコキシ
基（■Ｓｉ−ＯＲ）を有する房水溶性シラン類を添加し
た水を潤滑剤として供給し、前記潤滑剤中のシラン濃度
は前記摩擦面に生成した前記水酸化物と反応してシロキ
リン結合（〉５ｉ−０−）をイ１“する物質の被膜を生
成し得る濃度であることを特徴としている。

［作用］ 窒化珪素の被Ｓｔａ面にアルコキシ基（■Ｓｉ　−０Ｒ
）を有するシラン類を含む水を供給すると、摩擦によっ
て窒化珪素の表面が酸化してできた酸化珪素と水が反応
してその表面にシラノール基（■Ｓｉ−ＯＨ）を生じ、
このシラノール基と添加したシラン類のアルコキシＭ　
（〉Ｓｉ　−０Ｒ）が縮合反応し、アルコール（Ｒ−０
ト１）を生成するとともに強固な（■Ｓｉ　−０−８ｉ
　＜）結合を含んだシロキサンの被膜が、前記被摩１察
面に生成される。

このシロキサンは安定した物質で軟質のため摩擦係数が
非常に小さくまた保護作用によって耐摩耗性が極めて高
い。すなわちこの被膜が潤滑膜の作用をし、窒化珪素の
被Ｉｆｉ！擦面の摩擦係数を極めて小さくさせかつ耐摩
耗性を付与する。アルミナ、ジルコニアのような酸化物
系のセラミックスの場合も、同様に水と反応して水酸化
物を生じ、その水酸基（−ＯＨ）とアミノシランのアル
コキシ基（＝■Ｓｉ−ＯＲ）とが綜合反応して強固なシ
ロキリン結合（■Ｓｉ−０−）を含んだ物質の膜が生成
され、これにより潤滑特性が著しく改善される。

［実施例］ 前記セラミックスの被摩擦面に供給する潤滑水中に添加
するシラン類としては、例えば表１に示すアミノシラン
■、■、■等を用いることができる。

表１（使用した添加物） また、添加量としては以下に示す実験例のように、例え
ば０．００１　ｍｏｆ／ｎ乃至Ｑ、　１ｍｏｌ／℃とす
ることができるが、０．０１　　ｍｏｌ／Ωで充分な効
果が得られる。

［実験例１］ 第４図（ａ）、（ｂ）に示すように、直径１０Ｍの窒化
珪素ボール１に１ＯＮの荷重を加え、水及び水中アミノ
シラン中において同種のディスク２を相手に摩擦試験を
行った。試験は５０ｓ／Ｓの速度からはじめ一定距１１
（１００ｍ）摩擦ののち、速度を倍増させ８００ｍ／ｓ
まで行った。潤滑水としてイオン交換水並びにそれに表
１に掲げる親水性のアミン基を有するアミノシラン■、
■、■を０．００１ｍｏｌ　、ｌ！、０．　Ｏｌｍｏｌ
　／ｆ２、Ｑ、　１ｍｏｌ　／Ωを添加した。摩擦係数
と摩擦速度との関係を調べた結果が第１図、第２図、第
３図に示されている。それぞれの図には無添加の水の結
果も比較のために含まれている。アミノシランを０．１
ｍｏｌ　／ｆＱ含む場合には、いづれのアミノシランも
４００ｍ／ｓ程度以上の摩擦速度では、Ｆｊ摩擦数は非
常に小さいか、測定不能なほどＯに近い値をしめし、水
だけの潤滑に比べ著しい改善効果を示した。

また、この実験において窒化珪素ボールの比摩耗はを次
式から求めた。

［比摩耗量、−／Ａ：ｇｆ］ ＝［摩耗体積、ＩｎｌＡｌ／［距Ｍ、ｍｍｌ×［荷重、
Ｋｙ／ｆ］ （但し、摩耗体積は第４図（ｂ）の摩耗部分３の体積で
あって、Ｖ＝　（１／３）　πｒ２　（３ｒ−ｈ）で与
えられる。） 測定の結果が第５図に示されている。この図から窒化珪
素の比摩耗量は、水に比べて、アミノシラン■を０．０
１＋ｏｌ　／Ω含む水中では約１／４．０、１ｍｏｌ　
／Ωを含む場合には１１５に減り、また■をＯ，Ｏｌｍ
ｏｌ　／Ω含む水中では約１／９、Ｑ、　　１ｍｏｌ　
／Ω含む水中では１／１０に減った。

アミノシランの添加量が多くなるほどｒ！！擦係数、摩
耗とも減少する傾向をしめしたが、多すぎても不経済か
つ潤滑水の粘性が高くなるなどの問題があって、実用上
は０．０５ｍｏｌ　／Ｄ−０，１ｍ０１／Ω程度が好ま
しい。

［実験例２］ 第６図（ａ＞に示すように、窒化珪素、炭化珪素、アル
ミナボール１ａ（φ約１．５Ｍ＞若しくは半球１ｂを２
履／Ｓの速度で、水及び水中アミノシラン中においてそ
れぞれ同種のブロック面４を相手に往復ＩＩ擦試験を行
った。試験は荷重０．４Ｎからはじめ一定時間（５分）
摩擦ののち、荷重を倍増させ１２．８Ｎまで行った。潤
滑水としてイオン交換水並びにそれに表１に掲げる親水
性のアミン基を有するアミノシラン■を０．０５ｍｏｌ
／ｎを添加した。各材料のＩｌ！！擦係数の荷重依存性
を第７図、第８図、第９図に示した。いずれの場合も荷
重が増すにつれてアミノシランの添加効果が顕著であっ
た。とくに炭化珪素どうしの場合高荷重下でのＩＩ！擦
係数は０．１に近い値となり、粘性の低い水系潤滑で優
れた境界潤滑特性を示した。

このように窒化珪素、炭化珪素、アルミナ等さまざまな
セラミックスについて水に対してアミノシランの添加に
よる潤滑性の改善効果がみられた。

また、摩擦ののら窒化珪素ボールの表面が光学顕微鏡で
観察したところ第１０図に示したように、表面にポリマ
ー膜の生成している様子が確認された。このように１！
！擦によってアミノシランが摩擦材料表面と反応して強
国で潤滑性に富むシロキサン膜が生成することがｒＩＪ
ｓ耗、低１！！ＩＥ！に寄与していると考えられる。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、この発明によれば、水
の存在下でＩ？！擦すると摩擦面に水酸化物を生ずる窒
化珪素、炭化珪素、アルミナ、ジルコニアなどのような
高強度セラミックスの水潤滑特性を著しく改善する方法
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は潤滑水に添加するアミノシラン類として■を用
いた場合の窒化珪素の摩擦係数と速度の関係に及ぼす水
中のアミノシラン濃度の影響を示すグラフ、第２図は同
じく■を用いた場合のグラフ、第３図は同じく水にアミ
ノシラン■、■、■を０、　Ｉｍｏｌ　／Ａ添加したと
きのグラフ、第４図（ａ）は実験例１の試験方法と摩耗
測定方法を示す斜視説明図、第４図（ｂ）は摩擦試験後
の試料の縦断面説明図、第５図は水及び水にアミノシラ
ン■、■を添加した場合の窒化珪素ボールの摩耗を示す
グラフ、第６図（ａ）、（ｂ）は実験例２の試験方法を
示す斜視説明図、第７図は窒化珪素の低ａ＋擦速度にお
ける水潤滑下での摩擦係数と荷重の関係をアミノシラン
■を添加しない場合とした場合について示すグラフ、第
８図は同じことを炭化珪素について調べたグラフ、第９
図は同じことをアルミナについて調べたグラフ、及び第
１０図は摩擦後の窒化珪素の表面の光学顕微鏡写真で、
Ｉ！！ｍによる反応でポリ？躾が摩擦面に生成したこと
を示す写真である。 １・・・窒化珪素ボール ２・・・ディスク ３・・・摩耗部分 ４・・・ブロック面 第１図 讐葆壇、ｊ（ｍｍ／ｓ） 第２図 ノ？　　Ｓ　　ａ　　Ｘ　ｆｍｍ／ｓ　ｌ第３図 摩擦ｊｔ　ｉ　（ｍｍ／ｓ　） 第６図（０） 第６１　（ｂ） Φ 第７図 筒型＋Ｎｌ 第８図 荷重ｆＮ） 第９図 潴重（Ｎ） μｍ−１００終η （官庁手続） 手　続　ネ市　正　書（方式） １、事件の表示 昭和６３年　特許願　第１２２８５０号２、発明の名称 セラミックス月利の水潤滑特性の改善方法３、補正をす
る者 事件との関係　　特許出願人 ４、指定代理人　　〒３０５ ６、補正の対象 （１）明細書の発明の詳細な説明の欄及び図面の簡単な
説明の欄（２）図面 別紙 １、明細用の発明の詳細な説明の欄、 及び図面の簡単な説明の欄の補正 （１）明細書第１１頁第６行を ［微鎖で観察したところ」 と訂正する。 （２）明細書第１２頁第１６行から第２０行を［炭化珪
素について調べたグラフ、及び第９図は同じことをアル
ミナについて調べたグラフである。 ］と訂正する。 ２、図面の補正 図面第１０図を削除する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 水の存在下で摩擦すると被摩擦面に水酸化物を生成する
   セラミックス材料の水潤滑特性の改善方法であつて、前
   記被摩擦面にアルコキシ基（■Ｓｉ−ＯＲ）を有する可
   水溶性シラン類を添加した水を潤滑剤として供給し、前
   記潤滑剤中のシラン濃度は前記摩擦面に生成した前記水
   酸化物と反応してシロキサン結合（■Ｓｉ−Ｏ−）を有
   する物質の被膜を生成し得る濃度であることを特徴とす
   るセラミックス材料の水潤滑特性の改善方法