JPS6033794B2 - 摺動部材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、基体の表面部に、炭化ケイ素を物理蒸着によ
って被覆させた摺動部材に関するものである。

従来、メカニカルシール、軸受、タービン、ポンプ部品
等の機械産業分野に供せられ、摺動する部分に用いられ
る摺動部村として、カーボン基体上に直接炭化ケイ素の
皮膜を形成せしめたものがある。

しかしながら基体はカーボンを用いているため、皮膜で
ある炭化ケイ素に比して機械的強度（特にヤング率）が
小さいので、過酷な条件下において使用するとき、カー
ボン基体に歪等の不都合を生じる。このため皮膜として
形成された炭化ケイ素の皮膜を形成せしめたものが摺動
部村として広く産業用途に供せられようとするとき、負
荷条件等の適用範囲面から目づと制約される実状があっ
た。また近年、カーボン素材の価格アップにより、安価
な摺動部材を産業市場へ供することを鑑みると不適切に
なりつつある。そこで、発明者らは、価格安なアルミナ
（Ａそ２０３）を基体として用いることに着目し、アル
ミナ基体上に炭化ケイ素を被覆する事により、機械的強
度の高い、価格安な炭化ケイ素複合体からなる摺動部材
が期待できる。しかし従釆の化学蒸着法では、蒸着温度
が高い事、およびキャリャ−ガスである水素の還元作用
によるアルミナ基体組織の破壊等により炭化ケイ素を被
覆することは技術的に困難であった。本発明は、係る事
情に鑑みなされたもので、アルミナ基体と炭化ケイ素被
覆層とが非常に強固に接合された構成となり、炭化ケイ
素被覆層に内部応力が生じなく、しかも優れた摺動特性
を有する摺動部材を提供しようとするものである。以下
に、本発明を詳細に説明する。アルミナ基体上に炭化ケ
イ素被覆層を形成せしめるにあたって、この異質な材料
どうしを接合するには熱風彰張差によって生じる欠陥を
出来るだけなくせる構成としなければならずまた内部応
力の生じない構成としなければらない。

このため炭化ケイ素被覆層が施こされるべきアルミナ基
体の表面部に予め金属被覆層を設ければ非常に良好であ
り、つまりァルミナ基体の表面にいわゆるメタライジン
グを施こす。このメタライズ材としては、鉄とニッケル
との合金、モリブデン、マンガン、或いはこれらの合金
等を意図するものである。特に本発明では炭化ケイ素の
結晶系が同じであるモリブデンやマンガンとモリブデン
の合金等を用いることが好ましい。そしてこのメタライ
ジングを施こしたアルミナ基体に、階動部材として好適
な炭化ケイ素被覆層をを物理蒸着によって形成したもの
である。この物理蒸着には、イオンプレーティング法、
真空蒸着法、スパッタリング法等があり、これらの物理
蒸着手段を用いても本発明に係る摺動部材を得ることは
可能かも知れないが、低温蒸着ができ、制御性の良いス
パック法が好適であり「特に蒸着速度が通常の５〜１Ｍ
音速し、マグネトロン型スパッタ法が最適である。この
スバッタ蒸着に従えば、酒動部材として必要な厚さが５
０仏ｍ以上の炭化ケイ素被覆層をも自由に形成でき、し
かも５００〜１０００ｏｏという極めて低温状態にて蒸
着できるので、炭化ケイ素被覆層に内部応力の発生や歪
を生じさせない。従って安定した繊密な炭化ケイ素被覆
層が出来る。しかもメタラィジングを施こしたアルミナ
基体上に蒸着するので、炭化ケイ素と金属がうまく接合
し、例えば、アルミナに直接炭化ケイ素を蒸着させた場
合のような剥離現象は全くなくすることができ、優れた
摺動部材が得られた。次に本発明を例示図面に基づきさ
らに説明する。

第１図は、本発明に係る摺動部材であり、メカニカルシ
ールの密封環を意図した一例である。

この情動部村１の基体２はアルミナ（Ａそ２０３）から
なるものである。

３は金属被覆層であり、炭化ケイ素の被覆が施こされる
べきアルミナ基体の表面部を金属化いわゆるメタラィジ
ングを施こすことによって設けたものである。

４は炭化ケイ素被覆層である。

この炭化ケイ素被覆層４は、繊密でノンポーラスであり
、かつ均質的なものを得ることができるスバッタ蒸着に
よる。このような構成となす摺動部材１は、金属被覆層
３によって、アルミナ基体２と炭化ケイ素被覆層４とが
強固に接合され、しかも熱膨張差や熱歪等が金属被覆層
３によって緩和解消される構造となしたものである。そ
して、本発明に係る摺動部材を得るためのスバッタ蒸着
の好適な装置例を第２図で示した。この第２図において
、５は真空槽、６はケイ素ターゲット、７は永久磁石、
８はヒーター「９はメタラィジングを施こしたアルミナ
基体、１０‘まを甫助電極、１ １と１２は高周波電源
、１３は直流電源、１４はメインバルブ、１５は自動圧
力調節装置、１６はピコアンメータ、１７は質量分析装
置、】８はアルゴンガス導入バルフ、１９はアセチレン
ガス導入バルブを各々示すものである。このスパッタ装
置は形態上、マグトロン型スパッタ装置と称せられよう
。そしてこのスパッタ装置によって、第１図で示した摺
動部村を如何にして得られるかを説明すれば、まずアル
ミナ基体２に予め金属被覆層３を設けた素材則ちメタラ
ィジングを施こしたアルミナ基体９を真空槽５内に入れ
ておき、真空槽５を１０‐６のｒｒオーダーまで真空に
引き、ヒーター８を５００〜１０００００の範囲内にま
で昇温し「バルブ１９よりアセチレンを１０‐４〜１０
‐５オーダ−まで導入し、さらにバルブ１８よりアルゴ
ンを１０‐３オーダーまで導入する。次に高周波電源竃
１または、直流電源１３によってケイ素ターゲット６に
電力を印加し、スバッタ蒸着を開始する。このようにし
てメタラィジングを施こしたアルミナ基体９の金属被覆
層３の上に炭化ケイ素被覆層４が形成されてゆく。そし
て第１図の摺動部材１が出来る。尚、第２図のスパッタ
装置を用いれば、摺動部材１の炭化ケイ素被覆層４の炭
化ケイ素の組成を都合よく連続的に変えることが出来る
。例えば、最初過剰の遊離ケイ素を含む炭化ケイ素を蒸
着させつつ、次第に正規量論組成の炭化ケイ素へと連続
的に組成を変える事が出来る。つまりト第２図において
、質量分析計１７により真空槽５内のアセチレン分圧を
検知し、その電気信号をピコアンメーター１６に導き、
このピコアンメーター１６の電流値がアセトン分圧に対
応するようになしている。従ってピコアンメーター１６
の出力電流を任意に設定しておけば、自動圧力調節装置
１５が、その出力電流に応じて作動し、自圧力調節装置
１５に付いているバルブが開閉し、アセチレン分圧が低
圧から高圧へと自動制御され、過剰のケイ素を含む炭化
ケイ素から正規量論組成の炭化ケイ素へと炭化ケイ素被
覆層４を連続的にかつ精度良く、制御出来る。

このような炭化ケイ素被覆層４となせば遊離ケイ素と金
属被覆層３の金属とが接合されやすくなり、密着性が一
層上昇した摺動部材１を得ることができた。次に実施例
を示す。実施例 基体として外径３０脚×内径２０帆×厚さ８肌のアルミ
ナ（Ａそ２０３）の基体の一端面に通常行なわれている
手段によってモリブデン（Ｍｏ）メタライジングを施こ
した。

そしてこのモリブデンからなる金属被覆層の上に炭化ケ
イ素の被覆を形成すべくスバッタ蒸着の操作条件として
、高周波電力：５００Ｗ、アセチレン分圧：３×１０‐
４のｒｒ、アルゴン分圧：３×１０‐３ｔｏｎ、アルミ
ナ基体温度：−‐５００００、保持時間：１８０分にて
行った結果１１．５〃ｍ厚サの炭化ケイ素被覆層が得ら
れた。炭化ケイ素の表面は鏡面となしており、ビッカー
ス硬度値は３１００ｋｇ／のあった。さらに得られた摺
動部材を鈴木式摩耗試験機にて相手村としてカーボンを
選び、１００Ｈｒのドライ摩耗試験をした結果、１／１
００００肌まで測定できる表面測定機で測定したが、摩
耗量はゼロであった。そして摺動部材の剥離強度をみる
ために引張強度２００ｋ９／地のェポキシ樹脂にて沼動
部材の両端面同志を接着し、引張り試験を行ったところ
ェポキシ樹脂部より破断した。この事から被覆層の剥離
強度は２００ｋｇ／の以上と思われる。以上の如く、詳
述したように本発明に係る情動部材は、アルミナ基体と
炭化ケイ素被覆層とが金属被覆層を介して強固剥離強度
として２００ｋ９／雌以上に援合されており、同時にヤ
ングモジュラスの高い構成材のみを一体化せしめた構成
なので、高負荷（一般に２０００ｋｇ／ｃ材・ｍ／ｓ以
上）に耐え、かつスバッタ蒸着によって繊密な炭化ケイ
素被覆層のものが得られた。

しかも安価なアルミナを基体として用いており、簡便に
製造出来るので、産業市場へ直ちに供することの出来る
摺動部材である。

また、この摺動部材は耐摩耗性が極めて優れているので
、メカニカルシールの密封環、軸受のすべり面、タービ
ン、ポンプ等の摺動部分や他の一般キカィ部品に適用す
れば前述した種々の効果を発揮できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る摺動部材の部分斜視図、第２図
は、第１図の摺動部材を製造するためのスパッタ装置の
概略断面図である。 １・・・摺敷部材、２・・・アルミナ基体、３・・・金
属被覆層、４・・・炭化ケイ素被覆層。 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ スパツタ蒸着によつて、炭化ケイ素の被覆が施こさ
   れるべき、アルミナ基体の表面部に金属被覆層を設けて
   炭化ケイ素を形成させてなる摺動部材。