JPH0712988B2 - ケイ素含有非酸化物セラミツクスの保護層及びその製造方法 - Google Patents

ケイ素含有非酸化物セラミツクスの保護層及びその製造方法

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JPH0712988B2
JPH0712988B2 JP18262386A JP18262386A JPH0712988B2 JP H0712988 B2 JPH0712988 B2 JP H0712988B2 JP 18262386 A JP18262386 A JP 18262386A JP 18262386 A JP18262386 A JP 18262386A JP H0712988 B2 JPH0712988 B2 JP H0712988B2
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広隆 富沢
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Description

【発明の詳細な説明】 [従来の技術] 最近、窒化ケイ素や炭化ケイ素のようなケイ素含有非酸
化物セラミックスは、その大きな強度、耐腐食性、耐熱
性等の優れた性質が注目され、広範囲に用いられるよう
になってきた。その結果、例えばセラミックエンジン等
のように、摺動する部材にもケイ素含有非酸化物セラミ
ックスが用いられるようになっている。セラミックスで
摺動部材を形成する際には、摺動部分をダイヤモンド又
はアルミナを用いて研磨する。
[従来技術の欠点] しかしながら、ダイヤモンド又はアルミナを用いてケイ
素含有非酸化物セラミックスを研磨すると、表面傷が多
く形成されて脆性破壊が起き易くなる。また、表面粗さ
が50nm以上と大きく、その結果応力が不均一にかかって
応力集中が起き、摩耗速度が大きくなる。
[発明が解決しようとする問題点] この発明の目的は、摺動部材として用いられるケイ素含
有非酸化物セラミックスの平滑で摩擦係数の小さな保護
層及びその製造方法を提供することである。
[発明の構成] すなわち、この発明は、ケイ素含有非酸化物セラミック
ス上に形成され、下記一般式で表わされる非晶質水化二
酸化ケイ素から成る保護層を提供する。
(ただし、式中Aはケイ素含有非酸化物セラミックス中
の原子又はケイ素含有非酸化物セラミックス中の原子と
結合した酸素原子、nは0ないし2000の整数、mは1以
上の数を示す) さらにまた、この発明は、水分子の存在下においてケイ
素含有非酸化物セラミックス同志を擦り合わせることか
ら成る前記保護層の製造方法を提供する。
[発明の効果] この発明によると、表面粗さ10nm以下の非常に平滑な表
面を有し、摩擦係数が約0.001と極めて小さな非晶質水
化二酸化ケイ素から成る保護層がケイ素含有非酸化物セ
ラミックス上に提供される。その結果、ケイ素含有非酸
化物セラミックスの脆性破壊がなくなり、応力が均一に
分布し、摩耗速度が大幅に減少する。従って、この発明
の保護層で保護されたケイ素含有非酸化物セラミックス
を断熱型ディゼルエンジンやガスタービンエンジンの摺
動部分、耐摩耗工具として用いると、それらの耐久性が
非常に増大し、また、これをエンジンに用いた場合に
は、摺動部分の摩擦が小さくなるので効率の良いエンジ
ンが得られる。
[発明の具体的説明] 上述したように、この発明の保護層は、下記一般式で表
わされる。
式中、Aはケイ素含有非酸化物セラミックス中の原子、
又はケイ素含有非酸化物セラミックス中の原子に結合し
た酸素を示す。すなわち、ケイ素含有非酸化物セラミッ
クスがSi3N4の場合には、AはSi3N4を構成するSi若しく
はN、又はSi若しくはNに結合したOを示す。同様に、
ケイ素含有非酸化物セラミックスがSiCの場合にはAはS
iCを構成するSi若しくはC、又はSi若しくはCに結合し
たOを示す。nは、式中2本の破線ではさまれた繰返し
単位の数(紙面縦方向の繰返し数)を示し、0ないし20
00の整数である。mは式中括弧でくくられた繰返し単位
の数を示すもので1以上の数である。mは保護層の横方
向の広がりを示すものであるから、特に上限はなく、ま
た、整数である必要もない。なお、この水化二酸化ケイ
素層は非晶質であるので、原子の配列が不規則になって
いる。
この発明の保護層は、ケイ素含有非酸化物セラミックス
同志を水分子の存在下において擦り合わせることによっ
て形成することができる。この摩擦操作は水中で行なう
ことが好ましいが、湿気を含む空気中で行なうこともで
きる。摩擦操作は20℃ないし100℃の温度下で行なうこ
とが好ましい。また、摩擦時の荷重は約200グラムない
し約10キログラム、すべり速度は約1cm/secないし約50c
m/secがそれぞれ好ましい。また、すべり距離は約2mな
いし約2700mが好ましい。
[発明の実施例] 実施例1 Si3N4同志を、20℃の温度下で相対湿度98%のアルゴン
中で、荷重1kg、すべり速度1mm/secの条件下で20分間摩
擦した。摩擦面を走査電子顕微鏡で観察したところ、極
めて平滑な表面が得られ、表面損傷もほとんどなかっ
た。また、この表面の表面粗さを触針式表面粗さ測定機
(商品名Talysurf)で測定したところ10nm以下であっ
た。さらに、この表面の摩擦係数を測定したところ約0.
7であった。摩擦係数の測定はピン/ディスク型の摩擦
試験機で行なった。
得られた摩擦表面を、常法に基づき、走査型オージェ電
子分光法により分析した。分析の条件は以下の通りであ
る。
電子ビーム電圧:5kV 走査回数:6回 アルゴンスパッタリング(イオンビームエネルギー):3
kV 結果を第1図及び第2図に示す。また、比較のため、摩
擦していないSi3N4も同様に分析した。この結果を第3
図及び第4図に示す。第3図に示されるように、Si3N4
では、Siのピーク(ピークは図面の下方向に向かう)
(83eV)と、Nのピーク379eVとOのピーク503eVとが現
われる(Oのピークが現われることから、多少SiO2を含
むと考えられる)。Siのピークが83eVであることは、Si
がNと結合していることを示している。一方、本願発明
の保護層である摩擦表面では、第1図に示されるよう
に、Siのピーク76eVとOのピーク503eVとが現われ、N
のピークは現われない。Siのピークが83eVではなく76eV
であり、また、第2図(Siのピーク付近の拡大図)に示
されるように、59eVのピークがさらに現われていること
はSiとOと結合していることを示しており、摩擦表面が
SiO2であることがわかる。
この走査型オージェ電子分光法では水素が検出されなか
った。しかしながら、(1)上記摩擦表面は水分子の存
在下で摩擦しないと生成しない、すなわち、乾燥空気又
は乾燥酸素中で摩擦しても上記摩擦表面は生成しないこ
と、及び(2)この摩擦表面の摩耗粉は水に溶け、その
水を乾燥させると透明な膜になるが、SiO2は水に極めて
難溶であり、これが水化されるとより易溶になることか
ら、この摩擦表面は水化二酸化ケイ素であると同定でき
る。
上記摩擦表面につき、常法に基づき、100kVの電子顕微
鏡を用いて電子線回折写真を撮ったところ、結晶の回折
像は得られなかった。このことから、摩擦表面は結晶状
態になく、非晶質となっていることがわかる。
以上の実験結果から、この発明の保護層である前記摩擦
表面は非晶質水化二酸化ケイ素であることがわかる。
さらに、上記摩擦表面につき、20kVの電子顕微鏡を用い
て常法に基づきEDAX分析(エネルギー分散型のX線分
析)を行なった。EDAX分析ではもともとH、N、Oは検
出できないが、セラミックスの製造工程においてバイン
ダー元素として用いられるMgやFeが、摩擦により摩擦面
に偏析していないかどうかを調べるために行なった。比
較のため、摩擦していない反対側の面についても分析し
た。その結果、両面ともSiだけが検出された。このこと
から、バインダー元素が摩擦面に偏析していないことが
わかった。
実施例2 SiCを用いて実施例1と同様な実験を行なった。その結
果、実施例1と同様な平滑な摩擦表面が得られた。これ
を実施例1と同様に分析した。走査型オージェ電子分光
分析の結果は第4図及び第5図に示されている。比較の
ためのSiCの分析結果は第6図及び第7図に示されてい
る。第6図に示されるように、摩擦しないSiCは、Siの
ピーク95eVとCのピーク272eVが現われる。また、第7
図(Siのピーク付近の拡大図)に示されるように、59eV
付近にピークはない。一方、これを水分子の存在下で摩
擦して得られた摩擦表面では、第4図に示されるように
Siのピークが78eVに移動し、Oのピーク503eVが現われ
る。さらに、第5図(Siのピーク付近の拡大図)に示さ
れるように、59eVにピークができていることから、摩擦
面はSiO2であることがわかる。なお、第4図にはCのピ
ークも存在するが、Cと結合したSiのピークである95eV
にピークが全く存在しないことから、このCは摩擦表面
に付着したCOやCO2等の汚れであると考えられる。他の
実験結果も実施例1と同様であるので、この摩擦表面も
非晶質水化二酸化ケイ素であると同定できる。
実施例3 相対湿度50%の空気中で、以下の条件でSi3N4同志を摩
擦した。
荷重:1kg すべり速度:1mm/sec すべり距離:4m(すべり時間4000秒) 温度:25℃ その結果、実施例1と同様なスペクトルを有する、極め
て平滑な非晶質水化二酸化ケイ素層が形成された。
実施例4 相対湿度100%の空気中で、以下の条件でSi3N4同志を摩
擦した。
荷重:1kg すべり速度:1mm/sec すべり距離:4m(すべり時間4000秒) 温度:25℃ その結果、実施例1と同様なスペクトルを有する、極め
て平滑な非晶質水化二酸化ケイ素層が形成された。
実施例5 相対湿度80%のアルゴン中で、以下の条件でSi3N4同志
を摩擦した。
荷重:1kg すべり速度:1mm/sec すべり距離:4m(すべり時間4000秒) 温度:25℃ その結果、実施例1と同様なスペクトルを有する、極め
て平滑な非晶質水化二酸化ケイ素層が形成された。
実施例6 相対湿度50%の空気中で、以下の条件でSi3N4同志を摩
擦した。
荷重:1kg すべり速度:10cm/sec すべり距離:180m(すべり時間1800秒) 温度:25℃ その結果、実施例1と同様なスペクトルを有する、極め
て平滑な非晶質水化二酸化ケイ素層が形成された。
実施例7 相対湿度50%の空気中で、以下の条件でSiC同志を摩擦
した。
荷重:1kg すべり速度:1mm/sec すべり距離:4m(すべり時間4000秒) 温度:25℃ その結果、実施例2と同様なスペクトルを有する、極め
て平滑な非晶質水化二酸化ケイ素層が形成された。
実施例8 相対湿度100%の空気中で、以下の条件でSiC同志を摩擦
した。
荷重:1kg すべり速度:1mm/sec すべり距離:4m(すべり時間4000秒) 温度:25℃ その結果、実施例2と同様なスペクトルを有する、極め
て平滑な非晶質水化二酸化ケイ素層が形成された。
実施例9 相対湿度50%の空気中で、以下の条件でSiC同志を摩擦
した。
荷重:1kg すべり速度:10cm/sec すべり距離:180m(すべり時間1800秒) 温度:25℃ その結果、実施例2と同様なスペクトルを有する、極め
て平滑な非晶質水化二酸化ケイ素層が形成された。
実施例10 水中で以下の条件下でSi3N4同志を摩擦した。
荷重:500g 温度:25℃ すべり速度及び時間:1cm/secで20分間 3cm/secで20分間 5cm/secで20分間 7cm/secで30分間 その結果、表面粗さ10nm以下の極めて平滑な表面が得ら
れ、これを走査型電子顕微鏡で観察すると表面傷が非常
に少なかった。
実施例11 水中で以下の条件下でSi3N4同志を摩擦した。
荷重:1000g 温度:50℃ すべり速度及び時間: 2cm/secで20分間 6cm/secで20分間 10cm/secで20分間 14cm/secで30分間 その結果、表面粗さ10nm以下の極めて平滑な表面が得ら
れ、これを走査型電子顕微鏡で観察すると表面傷が非常
に少なかった。
実施例12 水中で以下の条件下でSiCプレートをSi3N4で研磨した。
荷重:500g 温度:25℃ すべり速度及び時間: 2cm/secで20分間 4cm/secで20分間 10cm/secで20分間 18cm/secで30分間 その結果、SiCプレート上に表面粗さ10nm以下の極めて
平滑な表面が得られ、これを走査型電子顕微鏡で観察す
ると表面傷が非常に少なかった。
実施例13 水中で以下の条件下でSi3N4プレートをSiCビンで研磨し
た。
荷重:500g 温度:25℃ すべり速度及び時間: 2cm/secで20分間 4cm/secで20分間 10cm/secで20分間 18cm/secで30分間 その結果、Si3N4プレート上に表面粗さ10nm以下の極め
て平滑な表面が得られ、これを走査型電子顕微鏡で観察
すると表面傷が非常に少なかった。
実施例14 水中で以下の条件下でSiC同志を摩擦した。
荷重:500g 温度:25℃ すべり速度及び時間: 2cm/secで20分間 4cm/secで20分間 12cm/secで20分間 25cm/secで30分間 その結果、SiC上に表面粗さ10nm以下の極めて平滑な表
面が得られ、これを走査型電子顕微鏡で観察すると表面
傷が非常に少なかった。
【図面の簡単な説明】
第1図はSi3N4同志を摩擦して得られたこの発明の非晶
質水化二酸化ケイ素層を走査型オージェ電子分光法によ
り分析した際に得られたスペクトルを示す図、第2図は
第1図のSiのピーク付近の拡大図、第3図は比較のため
Si3N4を走査型オージェ電子分光分析した際に得られた
スペクトルを示す図、第4図はSiC同志を摩擦して得ら
れたこの発明の非晶質水化二酸化ケイ素層を走査型オー
ジェ電子分光法により分析した際に得られたスペクトル
を示す図、第5図は第4図のSiのピーク付近の拡大図、
第6図は比較のためSiCを走査型オージェ電子分光分析
した際に得られたスペクトルを示す図、第7図は第6図
のSiのピーク付近の拡大図である。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ケイ素含有非酸化物セラミックス上に形成
    され、下記一般式で表わされる非晶質水化二酸化ケイ素
    から成る保護層。 (ただし、式中Aはケイ素含有非酸化物セラミックス中
    の原子又はケイ素含有非酸化物セラミックス中の原子と
    結合した酸素原子、nは0ないし2000の整数、mは1以
    上の数を示す)
  2. 【請求項2】前記ケイ素含有非酸化物セラミックスはSi
    3N4又はSiCである特許請求の範囲第1項記載の保護層。
  3. 【請求項3】水分子の存在下においてケイ素含有非酸化
    物セラミックス同志を擦り合わせることから成る、非晶
    質水化二酸化ケイ素から成る保護層の製造方法。
JP18262386A 1986-08-05 1986-08-05 ケイ素含有非酸化物セラミツクスの保護層及びその製造方法 Expired - Lifetime JPH0712988B2 (ja)

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