JP2004035993A - 金属含浸カーボン摺動材 - Google Patents
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Abstract
【課題】鉛を含有せずに、鉛含浸カーボン摺動材と同等の摺動特性を有する金属含カーボン摺動材を提供する。
【解決手段】開気孔率が７体積％〜２５体積％のカーボン基材に、Ｚｎ２０重量％〜２５重量％、Ｃｕ２重量％〜１０重量％、残部Ｓｎを含む合金を含浸してなる金属含カーボン摺動材。
【選択図】 なし
【解決手段】開気孔率が７体積％〜２５体積％のカーボン基材に、Ｚｎ２０重量％〜２５重量％、Ｃｕ２重量％〜１０重量％、残部Ｓｎを含む合金を含浸してなる金属含カーボン摺動材。
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種ポンプ、圧縮機等の軸受及びシール、真空ポンプのベーンなどに使用される金属含浸カーボン摺動材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の金属含浸カーボン摺動材は、例えば（石川敏功、長沖通）著、近代編集社発行の「新炭素工業」などに示されるように、人造黒鉛、天然黒鉛、カーボンブラック、コークス、カーボンファイバー等の骨材の一種以上と、タールピッチ、コールタール、クレオソート等の結合剤の一種以上を適宜配合し、これらを混練機に投入し、最高温度１５０℃〜３００℃の温度で混練する。
【０００３】
次に、この混練物を室温まで冷却した後、平均粒径が１０μｍ〜３００μｍに粉砕し、次いで５０ＭＰａ〜２００ＭＰａの圧力で成形、８００℃〜３０００℃の非酸化雰囲気中で焼成又は必要に応じて黒鉛化し、さらにこの焼成品又は黒鉛化品に鉛、銅等の金属を含浸する。特に、鉛は低融点金属であり含浸作業が容易であるばかりでなく、摩擦係数を下げ、摩耗量を減少させ、さらに耐焼付性を向上させるため、水中ポンプなどの軸受として、鉛含浸カーボン摺動材が広く使用されている。
【０００４】
前記に示す鉛含浸カーボン摺動材は、温度が４００℃〜５００℃、減圧真空度が５ｔｏｒｒ以下の条件で鉛溶融中に前記の焼成品又は黒鉛化品を浸漬した後、窒素、アルゴンガス等の不活性ガスにより０．５ＭＰａ〜１．０ＭＰａまで加圧して、焼成品又は黒鉛化品に有する気孔に鉛を含浸させる。この後、鉛溶融中から引き上げて冷却した後、大気圧に戻して含浸を完了することにより得ることができる。そして得られた鉛含浸カーボン摺動材を機械加工して軸受などに供している。
【０００５】
しかしながら、前記のような鉛含浸カーボン摺動材を用いると重金属である鉛は環境汚染が心配され、廃棄品の市場からの回収が必要となるばかりでなく、鉛そのものの使用を制限するか又は廃止するようになってきている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、鉛を含有せずに、鉛含浸カーボン摺動材と同等の摺動特性を有する金属含浸カーボン摺動材を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は次のものに関する。
（１）開気孔率が７体積％〜２５体積％のカーボン基材に、Ｚｎ２０重量％〜２５重量％、Ｃｕ２重量％〜１０重量％、残部Ｓｎを含む合金を含浸してなる金属含浸カーボン摺動材に関する。
（２）合金の含浸率が、カーボン基材に対して２５重量％〜６５重量％である前記の金属含浸カーボン摺動材に関する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明になる金属含浸カーボン摺動材は、鉛に替わる含浸金属として、Ｚｎ２０重量％〜２５重量％、Ｃｕ２重量％〜１０重量％及び残部Ｓｎを含む合金、好ましくはＺｎ２１重量％〜２４重量％、Ｃｕ３重量％〜９重量％及び残部Ｓｎを含む合金を使用することを特徴とするもので、Ｚｎの量が２０重量％未満であると硬くて脆い合金になり、２５重量％を超えると合金を溶解したときの流動性が悪くなるためカーボン基材の気孔深部へ浸入し難くなり、十分に含浸ができない（含浸率が低い）という問題点が生じる。またＣｕの量が２重量％未満であると柔らかい合金となり、１０重量％を超えると逆に硬くて脆い合金となり、摺動材としての耐摩耗性、耐荷重性、なじみ性、埋収性等が損なわれる。
【０００９】
カーボン基材の開気孔率は、７体積％〜２５体積％、好ましくは７体積％〜２３体積％の範囲とされ、７体積％未満であると溶融した合金が細孔に浸入できず、十分な含浸率が得られなくなり、摺動材として使用した場合に摩耗が大きくなる。一方、２５体積％を超えるとカーボン基材の機械的強度が低くなり、かつ摩擦係数が大きくなる。前記の合金を含浸して機械的強度を向上させると共に耐摩耗性を向上させるためには、カーボン基材の気孔を合金によって埋めつくすことが重要であり、開気孔が少しでも残っていると十分な液膜の形成ができず、摩耗量の増大を引き起こすおそれがある。
【００１０】
本発明において、合金を含浸するカーボン基材には、必要に応じて鉛が有していた摩擦係数低減効果を得るために、二硫化モリブデン、滑石、雲母等、所謂潤滑性のある固体潤滑剤を該カーボン基材全組成物中に１重量％〜１０重量％、好ましくは２重量％〜７重量％、さらに好ましくは２重量％〜５重量％配合される。上記の固体潤滑剤の配合量が１重量％未満であると十分な摩擦係数低減効果が得られない傾向があり、１０重量％を超えるとカーボン基材の機械的強度が低下する傾向がある。
【００１１】
本発明において、カーボン基材への合金の含浸率は、２５重量％〜６５重量％の範囲が好ましく、３０重量％〜６０重量％の範囲がさらに好ましい。含浸率が２５重量％未満であると開気孔が残っており、十分な被膜が形成できず摩耗量が増大する傾向があり、６５重量％を超えると摺動面でのカーボンの比率が小さく、摩擦係数が増大する傾向がある。
【００１２】
本発明におけるカーボン基材を製造するための原料としては、平均粒径が１μｍ〜５０μｍ程度の各種黒鉛粉、油煙等のカーボン材を骨材として使用し、それに必要に応じて固体潤滑剤として二硫化モリブデン、滑石、雲母等を配合し、さらに結合剤としてタールピッチ、コールタール等が使用される。
【００１３】
本発明におけるカーボン基材は、上記の各原料を配合し、加熱混練、粉砕、成形、焼成することにより製造することができる。
加熱混練は、双腕型ニーダーなどを用いて、各原料を好ましくは１５０℃〜３００℃、より好ましくは１８０℃〜２７０℃、さらに好ましくは２００℃〜２５０℃の温度で混練する。この際、混練温度が高いと機械的強度が低下する傾向があり、反対に低いと混練時間が長くなる傾向がある。なお混練時間については、混練物の量、骨材、結合剤等の配合割合により変化するので、その都度適宜選定する。また上記の他に例えば１７０℃で第一段階の混練を行った後、温度を２５０℃に上げて第二段階の混練をするなど、混練温度を段階的に引き上げることも可能である。ただし、前記の第一段階及び第二段階の混練温度は最高温度を示す。
【００１４】
粉砕は、加熱混練で得られたものを、各種粉砕機を用いて行うことができる。このとき平均粒径が１０μｍ〜３００μｍ程度、より好ましくは２０μｍ〜２００μｍ、さらに好ましくは２０μｍ〜１００μｍの程度になるように粉砕することが好ましい。１０μｍ未満であると機械強度が低下する傾向があり、３００μｍを超えると緻密性が損なわれる傾向がある。なお平均粒径は、後工程の成形方法や焼成又は黒鉛化後に得られるカーボン基材の特性を考慮し、適宜選択することが可能である。
【００１５】
成形は、粉砕して得られた粉体を、ブロック状に金型プレス等の方法でふ形することにより行われる。成形圧力は、５０ＭＰａ〜２００ＭＰａが好ましく、６０ＭＰａ〜１５０ＭＰａがより好ましく、８０ＭＰａ〜１３０ＭＰａがさらに好ましい。成形圧力が５０ＭＰａ未満であると機械的強度が低下する傾向があり、２００ＭＰａを超えると焼成中に揮発分の散逸が抑制されて成形品に内部圧力が生じ、割れ易くなる傾向がある。
【００１６】
次に、上記により得られた成形品を焼成する。焼成は、窒素、アルゴン等の不活性ガスを用いた非酸化雰囲気下又は成形品の周囲に炭素粉を詰めて還元雰囲気下で焼成することができる。焼成時の最高到達温度は８００℃〜１０００℃が好ましく、８５０℃〜１０００℃がより好ましく、９００℃〜１０００℃がさらに好ましい。焼成温度が８００℃未満であると、炭素化が不充分で十分な摺動特性が得られ難い傾向があり、１０００℃を超えると焼成炉が劣化し易くなる傾向がある。
【００１７】
焼成時間は、原料の配合割合や製品形状又は炉の能力などにより決められ特に制限はないが、生産性及び生産コストの点からできるだけ短時間で終了することがよく、具体的には５時間〜５００時間が好ましく、１０時間〜４００時間がより好ましく、２０時間〜３５０時間がさらに好ましい。得られた焼成品をさらに１０００℃以上の高温で黒鉛化してもよい。黒鉛化することによりさらに潤滑性に優れる。この場合の最高温度は１２００℃〜３０００℃が好ましく、１５００℃〜３０００℃がより好ましく、２５００℃〜３０００℃がさらに好ましい。
得られた焼成品又は黒鉛化品の開気孔率は、水中置換法で測定することができる。
【００１８】
次いで上記で得られた焼成品又は黒鉛化品（カーボン基材）に合金を含浸する。含浸方法としては、次の方法が好ましい。即ち焼成品又は黒鉛化品を、金属含浸容器に入れ５ｔｏｒｒ以下に減圧脱気した後、Ｚｎ２０重量％〜２５重量％、Ｃｕ２重量％〜１０重量％及び残部Ｓｎを含む合金溶湯物を該容器に注入し、上記焼成品又は黒鉛化品を浸漬させる。この後、窒素ガスにより０．５ＭＰａ〜５．０ＭＰａに加圧して金属含浸カーボン摺動材を得ることができる。
このようにして得られた金属含浸カーボン摺動材を機械加工して、軸受、シール、ベーン等所望の製品形状にすることができる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明を実施例により説明する。
実施例１
骨材として、平均粒径が２０μｍの自家製人造黒鉛粉４３重量％に、固体潤滑剤として二硫化モリブデン粉末２重量％、結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（株）製、商品名ＰＫＬ）４５重量％及びコールタール１０重量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて温度２５０℃で５時間加熱混練した。
【００２０】
この後、上記の混練物を、平均粒径１３μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１２３ＭＰａの条件で成形した。得られた成形品を、還元雰囲気下で１０００℃まで３５０時間かけて昇温した後冷却した。得られた焼成品（カーボン基材）の開気孔率を水中置換法で測定した結果、７体積％であった。
【００２１】
この焼成品を金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７５重量％、Ｚｎ２０重量％及びＣｕ５重量％からなる合金の溶湯物を注入し、焼成品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ２５重量％であった。
【００２２】
実施例２
骨材として、平均粒径が２０μｍの自家製人造黒鉛粉５０重量％に、結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（株）製、商品名ＰＫＬ）４０重量％及びコールタール１０重量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて温度１７０℃で１時間加熱混練し、次いで２５０℃で５時間加熱混練した。
【００２３】
この後、上記の混練物を、平均粒径３００μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１１０ＭＰａの条件で成形した。得られた成形品を、還元雰囲気下で１０００℃まで４００時間かけて昇温した後冷却し、次いで２８００℃で黒鉛化を行った。得られた黒鉛化品（カーボン基材）の開気孔率を水中置換法で測定した結果、２５体積％であった。
【００２４】
この黒鉛化品を金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７５重量％、Ｚｎ２０重量％及びＣｕ５重量％からなる合金物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ６５重量％であった。
【００２５】
実施例３
骨材として、平均粒径が２０μｍの自家製人造黒鉛粉４５重量％に、結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（株）製、商品名ＰＫＬ）４５重量％及びコールタール１０重量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて２５０℃で５時間加熱混練した。
【００２６】
この後、上記の混練物を、平均粒径３００μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１１０ＭＰａの条件で成形した。得られた成形品を、還元雰囲気下で１０００℃まで４００時間かけて昇温した後冷却し、次いで２８００℃で黒鉛化を行った。得られた黒鉛化品の開気孔率を水中置換法で測定した結果、１３体積％であった。
【００２７】
この黒鉛化品を金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７５重量％、Ｚｎ２０重量％及びＣｕ５重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ４８重量％であった。
【００２８】
実施例４
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７０重量％、Ｚｎ２５重量％及びＣｕ５重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ３３重量％であった。
【００２９】
実施例５
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７６重量％、Ｚｎ２２重量％及びＣｕ２重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで浸漬して窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ４０重量％であった。
【００３０】
実施例６
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ６８重量％、Ｚｎ２２重量％及びＣｕ１０重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ４４重量％であった。
【００３１】
実施例７
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、５ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ６８重量％、Ｚｎ２２重量％及びＣｕ１０重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．５ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ２６重量％であった。
【００３２】
実施例８
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、０．５ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ６８重量％、Ｚｎ２２重量％及びＣｕ１０重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材についてカーボン基材の含浸率を求めたところ５９重量％であった。
【００３３】
比較例１
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、鉛の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して鉛含浸カーボン材を得た。得られた鉛含浸カーボン材について合金の含浸率を求めたところ６４重量％であった。
【００３４】
比較例２
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７６重量％、Ｚｎ１９重量％及びＣｕ５重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ１８重量％であった。
【００３５】
比較例３
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７６重量％、Ｚｎ１９重量％及びＣｕ５重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ６７重量％であった。
【００３６】
比較例４
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７６重量％、Ｚｎ２３重量％及びＣｕ１重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ４０重量％であった。
【００３７】
比較例５
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ６６重量％、Ｚｎ２３重量％及びＣｕ１１重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ４５重量％であった。
【００３８】
比較例６
骨材として、平均粒径が２０μｍの自家製人造黒鉛粉４３重量％に、固体潤滑剤として二硫化モリブデン粉末２重量％、結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（株）製、商品名ＰＫＬ）４５重量％及びコールタール１０重量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて温度２５０℃で５時間加熱混練した。
【００３９】
この後、上記の混練物を、平均粒径１３μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１２３ＭＰａの条件で成形した。得られた成形品を、２０ＭＰａの条件で加圧しながら還元雰囲気下で１０００℃まで３５０時間かけて昇温した後冷却した。得られた焼成品の開気孔率を水中置換法で測定した結果、６体積％であった。
【００４０】
この焼成品を金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７５重量％、Ｚｎ２０重量％及びＣｕ５重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ１２重量％であった。
【００４１】
比較例７
骨材として、平均粒径が３０μｍの自家製人造黒鉛粉５０重量％に、結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（株）製、商品名ＰＫＬ）４０重量％及びコールタール１０重量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて温度１７０℃で１時間加熱混練し、次いで２５０℃で５時間加熱混練した。
【００４２】
この後、上記の混練物を、平均粒径３００μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１１０ＭＰａの条件で成形した。得られた成形品を、還元雰囲気下で１０００℃まで４００時間かけて昇温した後冷却し、次いで２０００℃で黒鉛化を行った。得られた黒鉛化品の開気孔率を水中置換法で測定した結果、２７体積％であった。
【００４３】
この黒鉛化品を金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７５重量％、Ｚｎ２０重量％及びＣｕ５重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧しして金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ６９重量％であった。
【００４４】
参考例１
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、５ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７５重量％、Ｚｎ２０重量％及びＣｕ５重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．３ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ１４重量％であった。
【００４５】
次に、実施例１〜８、比較例２〜７及び参考例１で得られた金属含浸カーボン摺動材並びに比較例１で得られた鉛含浸カーボン材について、物理特性及び摩耗試験を行った。その結果を表１に示す。
なお、曲げ強さは、厚さが１０ｍｍ、幅が１０ｍｍ及び長さが５０ｍｍの直方体の試験片についてＪＣＡＳ（炭素協会規格）−１０−１９６８に準拠して測定した。
【００４６】
また、硬さについては、ショア硬さ試験機で測定し、水中摩耗試験は、８×１２×１８ｍｍの試験片（摺動面１２×１８ｍｍ）を水中で回転する外径寸法８５ｍｍ（φ）の円板（材質ＳＵＳ３０４）上で摺動させ、周速が１０ｍ／ｓ及び面圧が０．９８ＭＰａの条件で１００時間の試験を行って、摩擦係数及び摩耗量を測定した。
【００４７】
【表１】
【００４８】
表１に示されるように、実施例１〜８の金属含浸カーボン摺動材は、曲げ強さ及び硬さについては何ら問題はなく、また比較例２〜７及び参考例１の金属含浸カーボン摺動材に比較して摩擦係数が小さく、かつ摩耗量も少なく、これらの値はほぼ比較例１の鉛含浸カーボン材と同等又はそれ以上の摺動特性が確認された。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の金属含浸カーボン摺動材は、鉛を含有せずに、優れた摺動特性を有し、工業的に極めて好適である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種ポンプ、圧縮機等の軸受及びシール、真空ポンプのベーンなどに使用される金属含浸カーボン摺動材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の金属含浸カーボン摺動材は、例えば（石川敏功、長沖通）著、近代編集社発行の「新炭素工業」などに示されるように、人造黒鉛、天然黒鉛、カーボンブラック、コークス、カーボンファイバー等の骨材の一種以上と、タールピッチ、コールタール、クレオソート等の結合剤の一種以上を適宜配合し、これらを混練機に投入し、最高温度１５０℃〜３００℃の温度で混練する。
【０００３】
次に、この混練物を室温まで冷却した後、平均粒径が１０μｍ〜３００μｍに粉砕し、次いで５０ＭＰａ〜２００ＭＰａの圧力で成形、８００℃〜３０００℃の非酸化雰囲気中で焼成又は必要に応じて黒鉛化し、さらにこの焼成品又は黒鉛化品に鉛、銅等の金属を含浸する。特に、鉛は低融点金属であり含浸作業が容易であるばかりでなく、摩擦係数を下げ、摩耗量を減少させ、さらに耐焼付性を向上させるため、水中ポンプなどの軸受として、鉛含浸カーボン摺動材が広く使用されている。
【０００４】
前記に示す鉛含浸カーボン摺動材は、温度が４００℃〜５００℃、減圧真空度が５ｔｏｒｒ以下の条件で鉛溶融中に前記の焼成品又は黒鉛化品を浸漬した後、窒素、アルゴンガス等の不活性ガスにより０．５ＭＰａ〜１．０ＭＰａまで加圧して、焼成品又は黒鉛化品に有する気孔に鉛を含浸させる。この後、鉛溶融中から引き上げて冷却した後、大気圧に戻して含浸を完了することにより得ることができる。そして得られた鉛含浸カーボン摺動材を機械加工して軸受などに供している。
【０００５】
しかしながら、前記のような鉛含浸カーボン摺動材を用いると重金属である鉛は環境汚染が心配され、廃棄品の市場からの回収が必要となるばかりでなく、鉛そのものの使用を制限するか又は廃止するようになってきている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、鉛を含有せずに、鉛含浸カーボン摺動材と同等の摺動特性を有する金属含浸カーボン摺動材を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は次のものに関する。
（１）開気孔率が７体積％〜２５体積％のカーボン基材に、Ｚｎ２０重量％〜２５重量％、Ｃｕ２重量％〜１０重量％、残部Ｓｎを含む合金を含浸してなる金属含浸カーボン摺動材に関する。
（２）合金の含浸率が、カーボン基材に対して２５重量％〜６５重量％である前記の金属含浸カーボン摺動材に関する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明になる金属含浸カーボン摺動材は、鉛に替わる含浸金属として、Ｚｎ２０重量％〜２５重量％、Ｃｕ２重量％〜１０重量％及び残部Ｓｎを含む合金、好ましくはＺｎ２１重量％〜２４重量％、Ｃｕ３重量％〜９重量％及び残部Ｓｎを含む合金を使用することを特徴とするもので、Ｚｎの量が２０重量％未満であると硬くて脆い合金になり、２５重量％を超えると合金を溶解したときの流動性が悪くなるためカーボン基材の気孔深部へ浸入し難くなり、十分に含浸ができない（含浸率が低い）という問題点が生じる。またＣｕの量が２重量％未満であると柔らかい合金となり、１０重量％を超えると逆に硬くて脆い合金となり、摺動材としての耐摩耗性、耐荷重性、なじみ性、埋収性等が損なわれる。
【０００９】
カーボン基材の開気孔率は、７体積％〜２５体積％、好ましくは７体積％〜２３体積％の範囲とされ、７体積％未満であると溶融した合金が細孔に浸入できず、十分な含浸率が得られなくなり、摺動材として使用した場合に摩耗が大きくなる。一方、２５体積％を超えるとカーボン基材の機械的強度が低くなり、かつ摩擦係数が大きくなる。前記の合金を含浸して機械的強度を向上させると共に耐摩耗性を向上させるためには、カーボン基材の気孔を合金によって埋めつくすことが重要であり、開気孔が少しでも残っていると十分な液膜の形成ができず、摩耗量の増大を引き起こすおそれがある。
【００１０】
本発明において、合金を含浸するカーボン基材には、必要に応じて鉛が有していた摩擦係数低減効果を得るために、二硫化モリブデン、滑石、雲母等、所謂潤滑性のある固体潤滑剤を該カーボン基材全組成物中に１重量％〜１０重量％、好ましくは２重量％〜７重量％、さらに好ましくは２重量％〜５重量％配合される。上記の固体潤滑剤の配合量が１重量％未満であると十分な摩擦係数低減効果が得られない傾向があり、１０重量％を超えるとカーボン基材の機械的強度が低下する傾向がある。
【００１１】
本発明において、カーボン基材への合金の含浸率は、２５重量％〜６５重量％の範囲が好ましく、３０重量％〜６０重量％の範囲がさらに好ましい。含浸率が２５重量％未満であると開気孔が残っており、十分な被膜が形成できず摩耗量が増大する傾向があり、６５重量％を超えると摺動面でのカーボンの比率が小さく、摩擦係数が増大する傾向がある。
【００１２】
本発明におけるカーボン基材を製造するための原料としては、平均粒径が１μｍ〜５０μｍ程度の各種黒鉛粉、油煙等のカーボン材を骨材として使用し、それに必要に応じて固体潤滑剤として二硫化モリブデン、滑石、雲母等を配合し、さらに結合剤としてタールピッチ、コールタール等が使用される。
【００１３】
本発明におけるカーボン基材は、上記の各原料を配合し、加熱混練、粉砕、成形、焼成することにより製造することができる。
加熱混練は、双腕型ニーダーなどを用いて、各原料を好ましくは１５０℃〜３００℃、より好ましくは１８０℃〜２７０℃、さらに好ましくは２００℃〜２５０℃の温度で混練する。この際、混練温度が高いと機械的強度が低下する傾向があり、反対に低いと混練時間が長くなる傾向がある。なお混練時間については、混練物の量、骨材、結合剤等の配合割合により変化するので、その都度適宜選定する。また上記の他に例えば１７０℃で第一段階の混練を行った後、温度を２５０℃に上げて第二段階の混練をするなど、混練温度を段階的に引き上げることも可能である。ただし、前記の第一段階及び第二段階の混練温度は最高温度を示す。
【００１４】
粉砕は、加熱混練で得られたものを、各種粉砕機を用いて行うことができる。このとき平均粒径が１０μｍ〜３００μｍ程度、より好ましくは２０μｍ〜２００μｍ、さらに好ましくは２０μｍ〜１００μｍの程度になるように粉砕することが好ましい。１０μｍ未満であると機械強度が低下する傾向があり、３００μｍを超えると緻密性が損なわれる傾向がある。なお平均粒径は、後工程の成形方法や焼成又は黒鉛化後に得られるカーボン基材の特性を考慮し、適宜選択することが可能である。
【００１５】
成形は、粉砕して得られた粉体を、ブロック状に金型プレス等の方法でふ形することにより行われる。成形圧力は、５０ＭＰａ〜２００ＭＰａが好ましく、６０ＭＰａ〜１５０ＭＰａがより好ましく、８０ＭＰａ〜１３０ＭＰａがさらに好ましい。成形圧力が５０ＭＰａ未満であると機械的強度が低下する傾向があり、２００ＭＰａを超えると焼成中に揮発分の散逸が抑制されて成形品に内部圧力が生じ、割れ易くなる傾向がある。
【００１６】
次に、上記により得られた成形品を焼成する。焼成は、窒素、アルゴン等の不活性ガスを用いた非酸化雰囲気下又は成形品の周囲に炭素粉を詰めて還元雰囲気下で焼成することができる。焼成時の最高到達温度は８００℃〜１０００℃が好ましく、８５０℃〜１０００℃がより好ましく、９００℃〜１０００℃がさらに好ましい。焼成温度が８００℃未満であると、炭素化が不充分で十分な摺動特性が得られ難い傾向があり、１０００℃を超えると焼成炉が劣化し易くなる傾向がある。
【００１７】
焼成時間は、原料の配合割合や製品形状又は炉の能力などにより決められ特に制限はないが、生産性及び生産コストの点からできるだけ短時間で終了することがよく、具体的には５時間〜５００時間が好ましく、１０時間〜４００時間がより好ましく、２０時間〜３５０時間がさらに好ましい。得られた焼成品をさらに１０００℃以上の高温で黒鉛化してもよい。黒鉛化することによりさらに潤滑性に優れる。この場合の最高温度は１２００℃〜３０００℃が好ましく、１５００℃〜３０００℃がより好ましく、２５００℃〜３０００℃がさらに好ましい。
得られた焼成品又は黒鉛化品の開気孔率は、水中置換法で測定することができる。
【００１８】
次いで上記で得られた焼成品又は黒鉛化品（カーボン基材）に合金を含浸する。含浸方法としては、次の方法が好ましい。即ち焼成品又は黒鉛化品を、金属含浸容器に入れ５ｔｏｒｒ以下に減圧脱気した後、Ｚｎ２０重量％〜２５重量％、Ｃｕ２重量％〜１０重量％及び残部Ｓｎを含む合金溶湯物を該容器に注入し、上記焼成品又は黒鉛化品を浸漬させる。この後、窒素ガスにより０．５ＭＰａ〜５．０ＭＰａに加圧して金属含浸カーボン摺動材を得ることができる。
このようにして得られた金属含浸カーボン摺動材を機械加工して、軸受、シール、ベーン等所望の製品形状にすることができる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明を実施例により説明する。
実施例１
骨材として、平均粒径が２０μｍの自家製人造黒鉛粉４３重量％に、固体潤滑剤として二硫化モリブデン粉末２重量％、結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（株）製、商品名ＰＫＬ）４５重量％及びコールタール１０重量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて温度２５０℃で５時間加熱混練した。
【００２０】
この後、上記の混練物を、平均粒径１３μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１２３ＭＰａの条件で成形した。得られた成形品を、還元雰囲気下で１０００℃まで３５０時間かけて昇温した後冷却した。得られた焼成品（カーボン基材）の開気孔率を水中置換法で測定した結果、７体積％であった。
【００２１】
この焼成品を金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７５重量％、Ｚｎ２０重量％及びＣｕ５重量％からなる合金の溶湯物を注入し、焼成品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ２５重量％であった。
【００２２】
実施例２
骨材として、平均粒径が２０μｍの自家製人造黒鉛粉５０重量％に、結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（株）製、商品名ＰＫＬ）４０重量％及びコールタール１０重量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて温度１７０℃で１時間加熱混練し、次いで２５０℃で５時間加熱混練した。
【００２３】
この後、上記の混練物を、平均粒径３００μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１１０ＭＰａの条件で成形した。得られた成形品を、還元雰囲気下で１０００℃まで４００時間かけて昇温した後冷却し、次いで２８００℃で黒鉛化を行った。得られた黒鉛化品（カーボン基材）の開気孔率を水中置換法で測定した結果、２５体積％であった。
【００２４】
この黒鉛化品を金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７５重量％、Ｚｎ２０重量％及びＣｕ５重量％からなる合金物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ６５重量％であった。
【００２５】
実施例３
骨材として、平均粒径が２０μｍの自家製人造黒鉛粉４５重量％に、結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（株）製、商品名ＰＫＬ）４５重量％及びコールタール１０重量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて２５０℃で５時間加熱混練した。
【００２６】
この後、上記の混練物を、平均粒径３００μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１１０ＭＰａの条件で成形した。得られた成形品を、還元雰囲気下で１０００℃まで４００時間かけて昇温した後冷却し、次いで２８００℃で黒鉛化を行った。得られた黒鉛化品の開気孔率を水中置換法で測定した結果、１３体積％であった。
【００２７】
この黒鉛化品を金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７５重量％、Ｚｎ２０重量％及びＣｕ５重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ４８重量％であった。
【００２８】
実施例４
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７０重量％、Ｚｎ２５重量％及びＣｕ５重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ３３重量％であった。
【００２９】
実施例５
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７６重量％、Ｚｎ２２重量％及びＣｕ２重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで浸漬して窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ４０重量％であった。
【００３０】
実施例６
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ６８重量％、Ｚｎ２２重量％及びＣｕ１０重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ４４重量％であった。
【００３１】
実施例７
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、５ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ６８重量％、Ｚｎ２２重量％及びＣｕ１０重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．５ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ２６重量％であった。
【００３２】
実施例８
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、０．５ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ６８重量％、Ｚｎ２２重量％及びＣｕ１０重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材についてカーボン基材の含浸率を求めたところ５９重量％であった。
【００３３】
比較例１
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、鉛の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して鉛含浸カーボン材を得た。得られた鉛含浸カーボン材について合金の含浸率を求めたところ６４重量％であった。
【００３４】
比較例２
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７６重量％、Ｚｎ１９重量％及びＣｕ５重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ１８重量％であった。
【００３５】
比較例３
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７６重量％、Ｚｎ１９重量％及びＣｕ５重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ６７重量％であった。
【００３６】
比較例４
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７６重量％、Ｚｎ２３重量％及びＣｕ１重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ４０重量％であった。
【００３７】
比較例５
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ６６重量％、Ｚｎ２３重量％及びＣｕ１１重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ４５重量％であった。
【００３８】
比較例６
骨材として、平均粒径が２０μｍの自家製人造黒鉛粉４３重量％に、固体潤滑剤として二硫化モリブデン粉末２重量％、結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（株）製、商品名ＰＫＬ）４５重量％及びコールタール１０重量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて温度２５０℃で５時間加熱混練した。
【００３９】
この後、上記の混練物を、平均粒径１３μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１２３ＭＰａの条件で成形した。得られた成形品を、２０ＭＰａの条件で加圧しながら還元雰囲気下で１０００℃まで３５０時間かけて昇温した後冷却した。得られた焼成品の開気孔率を水中置換法で測定した結果、６体積％であった。
【００４０】
この焼成品を金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７５重量％、Ｚｎ２０重量％及びＣｕ５重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ１２重量％であった。
【００４１】
比較例７
骨材として、平均粒径が３０μｍの自家製人造黒鉛粉５０重量％に、結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（株）製、商品名ＰＫＬ）４０重量％及びコールタール１０重量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて温度１７０℃で１時間加熱混練し、次いで２５０℃で５時間加熱混練した。
【００４２】
この後、上記の混練物を、平均粒径３００μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１１０ＭＰａの条件で成形した。得られた成形品を、還元雰囲気下で１０００℃まで４００時間かけて昇温した後冷却し、次いで２０００℃で黒鉛化を行った。得られた黒鉛化品の開気孔率を水中置換法で測定した結果、２７体積％であった。
【００４３】
この黒鉛化品を金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７５重量％、Ｚｎ２０重量％及びＣｕ５重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧しして金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ６９重量％であった。
【００４４】
参考例１
実施例３で得た黒鉛化品を用い、これを金属含浸容器に入れ、５ｔｏｒｒに減圧脱気した後、Ｓｎ７５重量％、Ｚｎ２０重量％及びＣｕ５重量％からなる合金の溶湯物を注入し、黒鉛化品を浸漬させた。次いで窒素ガスにより０．３ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。得られた金属含浸カーボン摺動材について合金の含浸率を求めたところ１４重量％であった。
【００４５】
次に、実施例１〜８、比較例２〜７及び参考例１で得られた金属含浸カーボン摺動材並びに比較例１で得られた鉛含浸カーボン材について、物理特性及び摩耗試験を行った。その結果を表１に示す。
なお、曲げ強さは、厚さが１０ｍｍ、幅が１０ｍｍ及び長さが５０ｍｍの直方体の試験片についてＪＣＡＳ（炭素協会規格）−１０−１９６８に準拠して測定した。
【００４６】
また、硬さについては、ショア硬さ試験機で測定し、水中摩耗試験は、８×１２×１８ｍｍの試験片（摺動面１２×１８ｍｍ）を水中で回転する外径寸法８５ｍｍ（φ）の円板（材質ＳＵＳ３０４）上で摺動させ、周速が１０ｍ／ｓ及び面圧が０．９８ＭＰａの条件で１００時間の試験を行って、摩擦係数及び摩耗量を測定した。
【００４７】
【表１】
表１に示されるように、実施例１〜８の金属含浸カーボン摺動材は、曲げ強さ及び硬さについては何ら問題はなく、また比較例２〜７及び参考例１の金属含浸カーボン摺動材に比較して摩擦係数が小さく、かつ摩耗量も少なく、これらの値はほぼ比較例１の鉛含浸カーボン材と同等又はそれ以上の摺動特性が確認された。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の金属含浸カーボン摺動材は、鉛を含有せずに、優れた摺動特性を有し、工業的に極めて好適である。
Claims (2)
- 開気孔率が７体積％〜２５体積％のカーボン基材に、Ｚｎ２０重量％〜２５重量％、Ｃｕ２重量％〜１０重量％、残部Ｓｎを含む合金を含浸してなる金属含浸カーボン摺動材。
- 合金の含浸率が、カーボン基材に対して２５重量％〜６５重量％である請求項１記載の金属含浸カーボン摺動材。
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-
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