JPH0211738A

JPH0211738A - セラミック−金属摺動構造

Info

Publication number: JPH0211738A
Application number: JP16025688A
Authority: JP
Inventors: Masahito Taniguchi; 雅人谷口; Katsumi Miyama; 克己見山
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1988-06-28
Filing date: 1988-06-28
Publication date: 1990-01-16

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］本発明は、産業用の球形弁、内燃機関の摺動部材等に使
用するセラミック−金属摺動構造に関する。

［従来の技術］近年、高温、高耐圧、高速等、境界潤滑に近い状態で使
用される摺動部品に対し、これまでの金属材料では、凝
着、溶着といった現象が発生し、異常摩耗や焼き付きを
起こすため、摺動部材を耐熱耐摩耗に優れたセラミック
で構成する試みがなされている。

この場合、指動する部材を共にセラミックとすると、セ
ラミックのヤング率が高いために欠は等が生じる場合が
あり、−・方をセラミック、他方を金属としたセラミッ
ク−金属指動構造が使用される。

しかし、この摺動構造に従来の金属を使用すると以下の
問題が生じることが分かった。

■　セラミックのヤング率が上述のように非電に高いた
め、摺動面の面圧が大きく、金属が摩耗し易い。

■　セラミックは熱膨張率が小さい（通常、約３Ｘ１０
−６１／’Ｃ程度）が、従来より摺動部材に使用される
金属はＤ膨張率が大きい（通常、１０Ｘｌ０−”１／℃
程度）。乙のＤ膨張率の非整合により摺動面が変化する
。

例えは、産業用の球形弁、あるいは内燃機関のピストン
等では、高温においてもシール性を要求されるが、バル
ブシート、シリンダライナー等の金属部材のＤ膨張率が
１０〜ｉ　５Ｘ　ｉ　０−６１／°Ｃであるのに対し、
セラミックは３×１０−６１／°Ｃであり、高温使用時
にシール性が確保できない場合がある。

すなわち、従来より使用される純Ｆｅ系、ＦｅＣｕ系、
ステンレス（ＳＵＳ）系、Ｃｕ　−Ｓ　ｎ系、Ａ　Ｑ　
−ＣＬｌ系等の金属材料は、多孔質とすることにより、
ヤング率を低くすることができ、また、含油潤滑性を持
たぜることができる。

しかし、熱膨張率が高い（１０Ｘ　１０−６１／’Ｃ以
上）ため、上記■の問題点を有する。

一方、Ｗ系合金、ＭＯ系合金等は、高融点、高硬度、低
膨張率の特性を有している。

しかし、ヤング率が５００００〜６００００　ｋｇ／ｍ
１ｌ１２と高いため、面圧が著しく高く上記■の問題点
を有する。また、Ｎ１、ＣＯ等の成分が多いと、耐スカ
ツフ性に欠け、また、少ないと耐熱衝撃性に欠ける。

したがって、従来のセラミック−金属摺動構造は、セラ
ミックの特性を十分生かすことができなかった。

［発明が解決しようとする課題］本発明は、被摺動部材の構成・特性を検討することによ
って、摺動部材としてのセラミックの特性を十分発揮さ
せるセラミック−金属摺動構造を提供することを課題と
する。

［課題を解決するだめの手段］本発明のセラミック−金属ＩＨ動橋造は、摺動部材がセ
ラミックであり、該摺動部材と対する被摺動部材が多孔
質金属焼結体である摺動構造であって・被摺動部材となる多孔質金属焼結体が、合金粉末を焼結
してなるとともに、１〜３０体碩％の気孔を含み、常温から３５０℃ｔこおける熱膨張係数が８×１０−６
１／℃以下であり、常温におけるビッカース硬度がＨｖ２００以−ヒである
ことを特徴とする。

ここで、摺動部材として使用されるセラミックとしては
、窒化珪素焼結体、炭化珪素焼結体、ジルコニア焼結体
等、従来より高強度材として検討されてきたものをあげ
ることができる。

また、被摺動部材として多孔質金属焼結体の気孔が１体
積％より少ないと得られた多孔質体の保油性が充分では
なく、また、３０体積％より多いと得られた多孔質体の
強度が低下してしまう。したがって、気孔は１〜３０体
積％必要であり、特に５〜２０体積％であると好ましい
。

さらに、多孔質金属焼結体の熱膨張係数が８×１０−６
１／℃以上であると、温度上昇にともなって、セラミッ
クとの熱膨張率差のために、摺動面のクリアランス等が
変化し気密性等を悪化させる。

また、セラミック−金属摺動構造の使用温度は、３５０
°Ｃ程度となることがあるので、３５０℃までの熱膨張
率を上記範囲内とする必要がある。

そして、多孔質金属焼結体の常温におけるビッカース硬
度がＩ−Ｉ　ｖ　２００より小さいと、摺動時に面圧に
より気孔がつぶれてしまう。

上記多孔質金属焼結体の組成どしては、例えは、以下に
記載する４種類をあげることができる。尚、単位は何れ
も重量％である。

１：　Ｎｉ　　３５〜４５．Ｆｅ残部２：　Ｎｉ　２５〜３５．Ｃｏ　　１〜２０．Ｆｅ残部３：　Ｎｉ　　２５〜４０．　　Ｔｉ　　Ｏ〜５．　　
Ｃｏ　　１０〜２０．　　ＡＱ　　Ｏ〜５．　　Ｎｂ＋
Ｔａ　　Ｏ〜５．　　Ｆｅ残部４：Ｎｉ２５〜４０．ＴｉＯ〜５．　ＡＱＯ〜５．Ｎｂ
十Ｔａ　Ｏ〜５．Ｆｅ残部なお、これらの組成では、不可避不純物であるＳｉ、Ｍ
ｎは１．０重量％以下、切削性・焼き入れ性等の改善添
加物であるＣｒ、　　Ｃ，Ｓ、　　Ｐ、　Ｍｏ、　　Ｎ
等は０．５重量％が好ましい。

そして、例えは、予め上記組成しこ調製した合金をガス
噴霧法、水噴霧法、遠心噴霧法等の方法で粉体とし、こ
の粉体を加圧成形、焼結することにより被摺動部材であ
る多孔質金属焼結体を得る。

その際、得ようとする形状、気孔率により、粉体の粒径
、成形圧、成形方法は適時好ましいものを選択すれはよ
い。

また、上記合金の融点をＴ　ｍとすると、焼結温度を０
．６Ｔｍ　〜０．９Ｔｍ、時間１分〜２時間の範囲内で
、焼結温度、時間を制御すれは、気孔率を１〜３０体積
％に容易に調製できる。

さらに、上記合金の焼結における雰囲気としては、真空
、Ｎ２、Ｎ１（３分解ガス、Ｎ２、Ａ「等の非酸化性雰
囲気が望ましく、特に、多孔質金属焼結体が析出硬化系
元素（Ｎｂ、Ｔｉ等）を含む場合にはＮ２が好ましい。

［作用・効果］本発明のセラミック−金属摺動構造では、被摺動部材の
多孔質金属焼結体がセラミックに近い熱膨張率を有する
と共に所定の気孔を含むため、低ヤング率、低熱膨張率
、含油性を備える。

このような性質を備えた多孔質金属焼結体な使用するた
め、本発明のセラミック−金属指動構造はセラミックの
特性を十分発揮することができる。

［実施例］本発明のセラミック−金属摺動構造の効果を確認するた
め、第１図に示す球形コックを作成し、弁体、シール体
の材料として第１衷に示す材料を使用し、後述する試験
１〜４を行った。

第１図に示す球形コックは、コック本体１に流路２が設
げられており、この流路２の流人口２ａには雌ねじ１ａ
が、また流出口２ｂｊこは雌ねじ１ｂが設けられている
。

また、コック弁体３の軸心は流路２に垂直に設けられて
おり、球形弁体３ａ、？ｆｆｉ人口２ａと流出口２ｂと
を貫通ずる通孔３ｂ、操作軸３ｃ、支持軸３ｄを備える
。

環状シール体４ａ、４ｂはそれぞれ流人口２ａ。

流出口２１つ側で球形弁体３ａと密に接触している。

押えナラＩ・５ａは雌ねじ１ａに、また押えナツト５ｂ
は雌ねじ１ｂＬこそれぞれ螺装されている、軸受け６，
７はそれぞれ操作軸３ｃ、支持軸３ｄを支承し、軸３Ｃ
５３ｄとの間ここわずかに隙間が設けられている。

このコックは環状シール体４ａ、４ｂを球形弁体３ａの
流入側と流出側乙こ押さえナツト５ａ、５ｂで締め付け
ることにより、環状シール体４ａ。

４ｂと弁体３ａとを圧接し、環状シール体４ａ。

４ｂの持っている弾性によりお互いのシール面を密着さ
せ、シール性をもたせたものである。

本図では通孔３Ｍ）’ｉ流人口２ａＬこ開口しているの
で、管路の流体を流人口２ａから流出口２ｂへ流ずこと
ができるが、操作軸３ａを９０°回すと。

通孔３ｂは同図の仮想線のようここ流人口２ａと絶縁さ
れ、管路の流体を上記シール性により漏洩なしにとめる
ことができる。

また、第１表で使用した材料は以下の通りである。

合金１：Ｎｉ２９％−Ｃｏ１７％−Ｆｅ残部（いわゆる
コバール）焼結した後に、表面窒化を行っている。

合金２：　Ｎｉ３６％−Ｆｅ残部（いわゆるインバー）焼結した後に、時効処理を行ない、表面をタフトライト処理した。

合金３：　Ｎｉ３８％−〇０１５％−Ｎｂ３％−Ｔｉ１
．４％−Ｆｅ残部焼結した後に、時効処理を行った。

合金４：Ｃ７％−Ｗ７８％−Ｃｏ７％残部ＴｉＴａ（いわゆる超硬合金）合金５：　５ＵＳ３０４の固相焼結晶焼結した後に、表面窒化を行っている。

これらは、噴霧法乙こより粒径１１００Ｂ以下の粉体と
された後、加圧成形され、Ｎ２雰囲気中で焼結され、環
状シール体４ａ、４ｂとされる。上述のように、焼結時
間、温度を変更することにより、気孔率を所望にするこ
とができる。

また、上記コックに対して行った試験は以下の通りであ
り、試験結果を第１表に記す。

試験１：２５０℃、３０気圧の流体を流し、コンク弁体
３を９×１０Ｔ回回す。

試験２：流体を、常温、常圧と２５０℃、３０気圧との
間で、１時間に６回の割合で変化さぜつつ、コック弁体
３を９Ｘ１０７回回す。

試験３：　２５０℃、３０気圧の流体に対し、コック弁
体３を回転させて流体を止めてから、０５時間後に再び
コック弁体３を回転させて流体を流す。この動作を１０
４回繰り返す。

試験４：　　５００℃、　３０気圧の蒸気もこ対し、　
１秒間に１００回の割合で流れを断続させるよう、コッ
ク弁体３を９Ｘ１０了回転させる。

第１衷から、明らかなように、コック弁体３としてセラ
ミックを用いた場合、環状シール体４ａ４、　ｂとして
、１〜３０体積％の気孔を含み、常温から３５０℃にお
ける熱膨張係数が８Ｘ１０−６１／℃以下であり、常温
におけるビッカース硬度がＩ−］　ｖ　２００以上であ
る多孔質金属焼結体を用いると、非常に優れた特性を有
するセラミック−金属摺動構造とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するために用いた球形コッ
クの断面図である。３・・・コック弁体、４ａ、４ｂ・・・環状シール体代
理人　弁理士　定立　勉（他２名）第１図

Claims

【特許請求の範囲】摺動部材がセラミックであり、該摺動部材と対する被摺
動部材が多孔質金属焼結体である摺動構造であつて、被摺動部材となる多孔質金属焼結体が、合金粉末を焼結してなるとともに、１〜３０体積％の気孔を含み、常温から３５０℃における熱膨張係数が８×１０＾−＾
６１／℃以下であり、常温におけるビッカース硬度がＨｖ２００以上であるこ
とを特徴とするセラミック−金属摺動構造。