JPS63260861A - ＳｉＣ−グラフアイト系自己潤滑性セラミツクス複合材およびその製造法 - 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］ 本発明は自己潤滑性セラミックス複合材およびその製造
法に係り、詳しくは５ｉＣ−グラファイト系複合材にお
いて分散相として配合するグラファイト造粒粉の大きさ
と配合量を規制することにより１強度やＩ！！擦係数等
の特性を著しく改善した５ｉＣ−グラファイト系自己潤
滑性セラミックス複合材およびその製造法に関する。

［従来の技術］ 軸受ｍ動部材の潤滑様式としては、流体潤滑剤によるも
のと固体潤滑剤によるものがある。固体潤滑剤は相対運
動中の損傷から表面をｃＡ護し、摩擦や摩耗をひきさげ
るために、ｙｉａまなは粉末として使用される固体であ
る。

固体潤滑剤の用法としては、油やグリースなどに混入す
る場合、固体皮膜とする場合および複合材とする場合に
大別される。油やグリースなどに混入する場合は、固体
粉末が摩擦面に接触し得るほどに油膜がきれた場合に効
果を現す、固体皮膜は電気めっき、蒸着法、イオンブレ
ーティング、スパッタリング等の様々な方法で皮膜が形
成され、潤滑油を併用しなくても小さな摩擦係数を皮膜
が存在する間保つことが可能である。

複合材はいわゆる自己潤滑性材と呼ばれるもので、潤滑
剤を使わずに低い゛＊ｔｍ係数が得られるものである。

複合材としては、プラスチック・ベース、金属・ベース
およびセラミックス・ベースのものがあって、作成方法
としては混合粉末から作る方法と、あらかじめ空隙をも
った７トリツクス材にあとから潤滑物質を注入する方法
がある。

この自己潤滑性複合材のうち、プラスチック・ベースの
ものおよび金属・ベースのものについては古くからいろ
いろな種類のものが発表されているが、セラミックス・
ベースのものは適当な材料が見当たらなかった。しかし
、近年セラミックスマトリックス中に固体潤滑剤を分散
させた例として、Ｓｉ３Ｎ、−ＢＮ系、Ａ　Ｉ　２０　
ｓ−グラファイト系など各種のものが報告されている。

これらセラミックス・ベースの自己潤滑性複合材は、高
密度、高強度を実現するためホットプレスを用いて焼結
を行うため高価な装置を必要とし、得られた複合材は期
待した程ＩＭ擦係数が低くなく、製造面および物性面で
の欠点があった。

発明者等は前記のセラミックス・ベース自己潤滑性複合
材において高強度および高密度が得られない原因を研究
した結果、混合される固体潤滑剤が、マトリクス相を形
成するセラミックスの焼結阻害物質として鋤き、特に固
体潤滑剤が数μ−のオーダーの微粉末である場合におい
て著しく、これが複合材の硬度や密度などの特性を低下
せしめていることを見出だした。

そこで発明者等は、従来のセラミックス・ベース自己潤
滑性複合材の製造方法の欠点を解決すべく、昭和６１年
特許願第１５３６３０号において、任意の粒径に造粒さ
れた固体潤滑剤をマトリクスとなるセラミックス中に均
一分散し、常圧焼結法によって高密度で強度劣化の少な
い自己潤滑性セラミックス複合材の製造方法を提案した
。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、前記発明では高密度で高強度の自己潤滑
性セラミックス複合材を得るための効果的な製造方法を
示したものであるので、個々の系すなわち、　Ｓ　！ａ
Ｎ　４−Ｂ　Ｎ系、ＡＩｔｏ３−グラファイト系、５ｉ
Ｃ−グラファイト系等のそれぞれについて、実用的な高
密度および高強度を保持しつつ低摩擦係数を得るための
種々の条件が吟味されなければならない０本発明は前記
問題点に鑑みてなされたものであって、５ｉＣ−グラフ
ァイト系自己潤滑性セラミックス複合材にって種々の条
件を検討し、高密度および高強度を保持しつつ低摩擦係
数を示す５ｉＣ−グラファイト系自己潤滑性セラミック
ス複合材およびその製造法を提供し、以て前記複合材の
実用化を図ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発噴者等は高密度および高強度を保持しつつ低摩擦係
数を示ず５ｉＣ−グラファイト系自己潤滑性セラミック
ス複合材を得るため鋭意研究を重ねた。その結果グラフ
ァイト造粒粉の粒径が複合材の摩擦特性に重大な′＃響
のあることを新たに知見し、さらに実用的な強度および
相対密度を得るための固体潤滑剤のＲ３ａ成分比のある
ことを見出だして本発明を完成するに至ったものである
。

すなわち、本発明の５ｉＣ−グラファイト系自己潤滑性
セラミックス複合材は、ＳｉＣを７トリツクス材とし粒
径が６０〜２５０メツシュの範囲のグラファイト造粒粉
を１０〜３０容１％含有することを要旨とする。

また、本発明の５ｉＣ−グラファイト系自己潤滑性セラ
ミックス複合材の製造法は、マトリックス相となるＳｉ
Ｃ粉末を造粒する一方、潤滑剤となるグラファイト粉末
を６０〜２５０メツシュの範囲の粒径に造粒する工程と
、前記ＳｉＣ造粒粉に前記グラファイト造粒粉を１０〜
３０容量％混合し圧縮成形して圧粉体を得る工程と、前
記圧粉体を焼結する工程とからなることを要旨とする。

［作用］ マトリクス相となるＳｉＣ粉末は焼結助剤および結合剤
を混合した後造粒される。造粒はスプレー・ドライヤや
粉砕などの常法にしたがって造粒分級せしめられ、所定
の粒径の造粒粉とする。このＳｉＣ粉末の造粒は後に固
体潤滑剤であるグラファイトと混合された時、個々のＳ
ｉＣ造粒粉へのグラファイト微粉の混入が防止されるの
で、ＳｉＣの焼結が阻マｆされずに進行する。

潤滑剤となるグラフ７・イト粉末は６０〜２５０メツシ
ュの範囲の粒径に造粒される。造粒はＳｉＣ粉末に混合
したと同様の焼結助剤および結合剤を混合して造粒する
。造粒時に添加される結合剤の結合力によって、グラフ
ァイト造粒粉が後にＳｉＣ造粒粉と混合された時に、グ
ラファイトの微粉末がマトリクス相となるＳｉＣに取り
込まれるのを防止しうるため、ＳｉＣ相の焼結が阻害さ
れない、また、造粒時にＳｉＣとの適合性を、考慮して
焼結助剤を添加することができるので、潤滑剤相とマト
リクス相との親和力を高め、潤滑剤の保持力を強化する
と共に、高密度および高強度を実現することができる。

さらに、グラファイト造粒わ）は成形時および焼結時に
発生する圧縮応力によって寥易に変形し、その応力を吸
収し緩和し得るため、マトリクス相のクラックの発生を
防ぎ、複合材の強度劣化を生じさせない。

この固体潤滑剤の造粒操作は前記セラミックスわ）末の
造粒操作と同様に、焼結助剤および結合剤を配合し、均
一に混合分散せしめ、スプレー・ドライヤや乾燥・粉砕
による造粒手法によって実施され、所定の粒径のものを
分級操作によって取り出す、固体潤滑剤であるグラファ
イト造粒粉の粒径は６０〜２５０メツシュの範囲にする
ことによって優れた摩擦特性が得られる。好ましくは６
０〜１２０メツシュにすることによって、さらに優れた
１ツ擦特性を得ることができる。

ＳｉＣ造粒粉に混合されるグラファイト造粒粉の８及％
は１０〜３０％である。グラファイト造粒粉はこの範囲
で混合すると、実用上充分な曲げ強度と相対密度を得る
ことができる。混合するグラファイト造粒粉が１０容五
％以下では自己潤滑性複合材としての効果が充分に発現
されないからであり、３０容景％以上になると、曲げ強
度および相対密度の低下が甚だしく、摺動部材として使
用に耐えないからである。

このようにして得られた２種の造粒物は、所定の配合割
合において均一に混合せしめられた後、常法に従ってプ
レス成形などの成形手法にて、目的とする複合材に対応
する形状に成形し、マトリクス相を形成するセラミツ・
クス粉末を公知の焼結手段により焼結し、目的とするＳ
ｉ′Ｃ−グラファイト系自己潤滑性セラミックス複合材
を得る。

［実施例］ 本発明を実施例を以て説明し、本発明の効果を明らか呻
する。

マトリクス相となるＳｉＣ原料として市販のβ−５ｉＣ
粉（粒径：０．５μ−）を用い、その１００ｆｆｉ旦部
に対して焼結助剤および結合剤としてＢ、Ｃ；０．４ｆ
ｆｉ旦部、フェノール樹脂；４ｆｆｉ旦部を配合し、１
１ｆｉのエタノール存在下においてボールミルにて湿式
混合した後、乾燥し、その戟燥物を粉砕し、さらに分級
することにより、１２０メツシュ・アンダーの粒度のＳ
ｉＣｍ粒粉を調製した。

一方、固体潤滑剤として一次粒子が５〜８μ−のグラフ
ァイト粉末を用い、その１００ｆｆｉｉ部に対して、焼
結助剤および結合剤としてＢ　、Ｃ：Ｏ。

４Ｔｎ！！に部、フェノール樹脂；１５ｆｆｉ量部を配
合し、さらに３Ｉ！Ｉｍのエタノールを添加してボール
ミルにて湿式混合し、その混合物を乾燥した後粉砕し１
６〜３２メツシュ、３２〜６０メツシュ、６０〜１２０
メツシュ、１２０〜２５０メツシュ、２５０メツシュ以
上の粒度の５段階に分級してグラファイト造粒粉を得た
。

これらの分級されたグラファイト造粒粉を前記ＳｉＣ′
ａ粒粉ニソれぞれ０．５，１０．２０．３０．４０容盟
％添加し、乾式混合して成形用粉体を！Ｉｌｌ製した。

これらＳｉＣ、グラファイトの混合造粒粉は金型成形法
にて２５０　ｋｇ／　ａｍ”の圧力で予備成形した後冷
間静水圧成形法にて２０００ｋｇ／ｃ＋ｓ”の圧力で本
成形した０次いでそれら各種の成形体をＡｒガス雰囲気
中常圧において２１８０℃で４５分間焼結し、５ｉＣ−
グラファイト系自己潤滑性セラミックス複合材を得た。

この焼結体を曲げ強度試験片および１！ｓ擦試験片に加
工し、それぞれ試験に供した０曲げ強度試験はＪＩＳの
ファインセラミックスの曲げ強度試験法に準じて三点曲
げ試験を行った。また、摩擦試験は大角式摩耗試験機を
改造したものを用いた。

この摩擦試験での相手材は溶射法によりクロミア系セラ
ミックスの表面皮膜を形成させたリング状のものとした
。さらに荷重は１．２．３．５　ｋｇｒ、ｌツ擦速度は
４．４論／Ｓとした。

５ｉＣ−グラファイト系自己潤滑性セラミックス複合材
の真比重は、グラファイト添加量がＯ１５，１０，２０
，３０，４０容量％においてそれぞれ３．２．３．１６
．３．１１．３．０２．２．９３．２．８４ｇ／ａｍ３
として、得られた複合材の相対密度を求めた。

以上測定の結果は、第１図においてグラファイト造粒粉
の各サイズ別のグラファイト添加量と曲げ強度の関係を
、第２図においてグラファイト造粒粉の各サイズ別のグ
ラファイト添加量と相対密度のｒｍｇＡを、第３図はお
いてグラファイト造粒粉の各サイズ別のグラファイト添
加量とｍｌ係数との関係をそれぞれ示した。なお、第３
図のｇｙ擦係数は１．２．３．５　ｋｇｆの荷重での試
聴結果の平均値を示した。

第３図に示したように、グラファイト造粒粉が６０〜１
２０メツシュおよび１２０〜２５０メツシュであって、
グラファイト造粒粉が１０〜３０容量％の場合番こ、摩
擦係数が著しく低い値を示し、特に６０〜１２０メツシ
ュに才３いて優れていることが確認された。

また、第１図から知られるように、焼結体の強度はグラ
ファイト造粒粉の添加量が少なくなるほど高強度を示し
、また、グラファイト造粒粉の粒径が小さくなるほど高
強度を示すが、グラファイト造粒粉の粒径が６０〜１２
０メツシュ、添加量１０容■％において１５．９ｋｇ／
鰺ｖｓｌ、粒径が１２０〜２５０メツシュ、添加量が１
０容量％において１８　、１　ｋｇ／　ｍｍ”を示し、
軸受等の慴動部材として実用範囲の強度を示した。また
、グラファイト造粒粉の添加量の増加と共に強度は低下
するが、３０容量％まではその低下は比較的ゆるやかで
あって、所望の強度か維持されることが確認された。

相対密度については、第２図から明らかなように、グラ
ファイト造粒粉の添加量の増加と共に低下するが、相対
密度の低下量は添加量が３０容量％まではグラファイト
造粒粉の粒径によって有為な差は認められない、しかし
、グラファイト造粒粉の粒径が６０メツシュ以上ｖ＆綱
になると、３０容量％以上の添加によって、相対密度が
急激に低下することが明確となった。

［発明の効果］ 本発明の５ｉＣ−グラファイト系自己潤滑性セラミック
ス複合材は、ＳｉＣをマトリックス材とし粒径が６０〜
２５０メツシュの範囲のグラファイト造粒粉を１０〜３
０容量％含有するものであって、グラファイト造粒粉の
粒径を規制することによって、低摩擦係数の複合材を得
ることができると共に、グラファイト造粒粉の組成範囲
を規制することによって実用的な強度を示し、軸受等摺
動部材として極めて有用な複合材である。

このような５ｉＣ−グラファイト自己潤滑性セラミック
ス複合材を得るための本発明方法は、マトリクス相を形
成するＳｉＣ粉末を造粒する一方、分散相となるグラフ
ァイト粉末を造粒し両者を混合し成形後に常圧で焼結す
るものであって、グラファイトの微粉末がマトリクス相
となるＳｉＣに取り込まれるのを防止しうるため、Ｓｉ
Ｃ相の焼結が阻害されない、また、造粒時にＳｉＣとの
適合性を考慮して焼結助剤を添加することができるので
、潤滑剤用とマトリクス相との親和力を高め、潤滑剤の
保持力を強化すると共に、高密度および高強度を実現す
ることができ、実用的な強度を持った低！！擦係数の５
ｉＣ−グラファイト系自己潤滑性セラミックス複合材を
製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はグラファイト造粒粉の各サイズ別のグラファイ
ト添加量と曲げ強度の関係を示す図、第２図はグラファ
イト造粒粉の各サイズ別のグラファイト添加量と相対密
度の関係を示す図、第３図はグラファイト造粒粉の各サ
イズ別のグラファイト添加量とＦ？！擦係数との１ｍ係
を示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＳｉＣをマトリックス材とし粒径が６０〜２５０
   メッシュの範囲のグラファイト造粒粉を１０〜３０容量
   ％含有することを特徴とするＳｉＣ−グラファイト系自
   己潤滑性セラミックス複合材。
2. （２）マトリックス相となるＳｉＣ粉末を造粒する一方
   、潤滑剤となるグラファイト粉末を６０〜２５０メッシ
   ュの範囲の粒径に造粒する工程と、前記ＳｉＣ造粒粉に
   前記グラファイト造粒粉を１０〜３０容量％混合し圧縮
   成形して圧粉体を得る工程と、前記圧粉体を焼結する工
   程とからなることを特徴とするＳｉＣ−グラファイト自
   己潤滑性セラミックス複合材の製造法。