CN118119576A - 石墨轴承及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
石墨轴承包含：78质量％以上且98质量％以下的包含球状石墨及未碳化树脂中的碳成分的碳、12质量％以下且2质量％以上的所述树脂中的挥发成分、以及10质量％以下且0质量％以上的除碳和挥发成分以外的成分。另外，将碳、挥发成分以及除碳和挥发成分以外的成分的合计设定为100质量％。能够通过净形或近净形制造石墨轴承，不需要树脂浸渗及金属浸渗等处理。石墨轴承向壳体压入时的裂纹少，且径向强度高。
Description
技术领域
本发明涉及石墨轴承及其制造方法。
背景技术
石墨轴承的普通的制造方法是：在减压下长时间将树脂浸渗在石墨的成型体内后，将石墨切成所要求的形状，机械加工成轴承的形状。树脂浸渗对于提高石墨轴承的强度是必要的，如果不进行树脂浸渗，则例如因径向强度(也可称为径向挤压强度)不足而有时不能支承半径方向的载荷。该方法因需要时间和劳力而没有效率，特别是存在以下问题：
1)树脂浸渗需要长时间、
2)因不能将树脂均匀地浸渗到成型体中而使材料损耗增大、且
3)需要从成型体切出轴承，而且需要机械加工成轴承形状。
将石墨轴承压入壳体的孔内。壳体的孔的内径小于石墨轴承的外径，一边压缩石墨轴承一边在壳体中组装。此时，如果石墨轴承的强度不足，则发生裂纹，裂痕容易沿着石墨轴承的半径方向扩展。
示出关联的现有技术。在专利文献1(JPS52-38516A)中，将石墨和炭黑及粘结剂的焦油、沥青混炼，在1100～1200℃下烧结成轴承等形状。接着通过浸渗呋喃树脂来提高轴承的强度。
专利文献2(JP4575911B)中，作为以往例子公开了：通过CIP成型(冷等静压加压)制造具有各向同性的石墨基材，然后将其切出，通过机械加工形成轴承([0052]-[0054])。实施例中公开了：对石墨和焦炭及粘结剂的焦油、沥青等的混合物进行成型。在1000℃下烧结0.5个月，接着在真空炉内浸渗熔融金属([0039]-[0049])。对于实施例，虽然机械加工变得容易，但需要长期间的烧结和金属的浸渗。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JPS52-38516A
专利文献2：JP4575911B
发明内容
发明所要解决的问题
本发明的课题是提供下述这样的石墨轴承和其制造方法。
1)能够通过净形(net shape)或近净形(near net shape)进行制造，进而不需要树脂浸渗及金属浸渗等处理、
2)向壳体压入时裂纹等故障少、且
3)径向强度接近于轴向的强度。
用于解决课题的手段
本发明的石墨轴承包含：78质量％以上且98质量％以下的包含球状石墨及未碳化树脂中的碳成分的碳、12质量％以下且2质量％以上的所述树脂中的挥发成分、以及10质量％以下且0质量％以上的除碳和挥发成分以外的成分。另外，碳、挥发成分以及除碳和挥发成分以外的成分的合计为100质量％。优选碳以球状石墨作为主要成分，例如碳的60质量％以上为球状石墨。对于碳，其包含球状石墨和未碳化树脂中的碳成分，除此以外也可以包含焦炭等无定形碳。再者，在本说明书中，未碳化包括从完全未碳化到不完全碳化。此外，优选将挥发成分设定为12质量％以下且3质量％以上，特别优选设定为10质量％以下且5质量％以上。
本发明的石墨轴承的制造方法的特征在于，其进行以下步骤：制备混合物的步骤，所述混合物含有60质量％以上且90质量％以下的含球状石墨且不含树脂的碳、30质量％以下且10质量％以上的树脂、以及10质量％以下且0质量％以上的石墨轴承的除碳和挥发成分以外的成分；通过模具对所述混合物进行挤压成型而形成轴承母体的步骤；以及在所述树脂未完全碳化的温度下，以组成成为包含球状石墨及树脂中的碳成分的碳为78质量％以上且98质量％以下、所述树脂中的挥发成分为12质量％以下且2质量％以上、以及除碳和挥发成分以外的成分为10质量％以下且0质量％以上的方式，对所述轴承母体进行烧结的步骤。再者，本说明书中，有关石墨轴承的记载直接适用于石墨轴承的制造方法。
本发明的石墨轴承能够通过挤压成型进行制造，不需要从石墨块的切出和轴承形状的机械加工。另外由烧结造成的尺寸变化也小，因此通过挤压成型和烧结，可得到接近目标尺寸的烧结体(近净形～净形的烧结体)。再者，在挤压成型为比目标尺寸稍大的尺寸后进行烧结、向目标尺寸的研磨等步骤包含在本发明中。此外，本发明中，不需要树脂浸渗、金属浸渗等处理。也就是说，本发明中能够有效率地制造石墨轴承。
对于本发明的石墨轴承，挤压成型时的加压方向的强度(以下称为“加压方向强度”)与挤压成型时的层间方向强度(以下称为“层间方向强度”)之比比较接近1。加压方向为与石墨轴承的轴向相同的方向，层间方向与加压方向成直角，为与石墨轴承中的半径方向相同的方向。此外，加压方向强度和层间方向强度是采用板状试样通过3点弯曲试验测定的强度。与此相对，后述的轴向强度和径向强度是按石墨轴承的形状测定的压缩强度，试样的形状和测定法有所不同。一般来讲加压方向强度高于层间方向强度，但在本发明中能够使它们的比接近1。另外，如果层间方向强度高，则能够减少向壳体压入时的裂纹等。如以上所述，本发明能够提供向壳体压入时的故障少的石墨轴承。本发明中，加压方向强度与层间方向强度之比例如为1以上且2以下，优选为1以上且1.8以下，特别优选为1以上且1.6以下。
本发明的石墨轴承由于轴向强度与径向强度之比接近1(径向强度接近于轴向强度)，因此石墨轴承能够支承的半径方向的载荷大。
优选所述未碳化树脂由热塑性树脂和热固性树脂这两者构成。特别优选的是，所述热塑性树脂为聚苯硫醚(PPS)、所述热固性树脂为酚醛树脂。
优选的是，所述球状石墨的平均粒径为10μm以上且20μm以下、纵横尺寸比为2以下。优选的是，含有88质量％以上且98质量％以下的包含球状石墨及未碳化树脂中的碳成分的碳、和12质量％以下且2质量％以上的树脂中的挥发成分，碳和挥发成分的合计为100质量％。也就是说，不含有碳和挥发成分以外的成分。更优选是，含有60质量％以上且84质量％以下的球状石墨、0质量％以上且22质量％以下的与球状石墨相比平均粒径大的无定形碳、8质量％以上且15质量％以下的未碳化树脂中的碳成分、和3质量％以上且12质量％以下的所述挥发成分，球状石墨、所述无定形碳、未碳化树脂中的碳成分和所述挥发成分的合计为100质量％。
附图说明
图1是球状石墨的电子显微镜照片。
图2是纵横尺寸比为1.23的球状石墨的电子显微镜照片。
图3是纵横尺寸比为1.95的球状石墨的电子显微镜照片。
图4是鳞片状石墨的加压面的电子显微镜图像，左侧是SEM图像，右侧是EDX图像。
图5是球状石墨的加压面的电子显微镜图像，左侧是SEM图像，右侧是EDX图像。
图6是实施例的石墨轴承的剖视图。
图7是示意性地表示向壳体压入时的石墨轴承中裂纹发生的图。
具体实施方式
以下示出用于实施本发明的最佳实施例。本发明并不限定于实施例，而基于权利要求书来确定，且本领域技术人员可以增加公知的事项对实施例进行变形。
实施例
石墨轴承成分
石墨轴承成分为：
·碳(球状石墨、和未碳化树脂中的碳成分及焦炭等其它碳)、
·树脂中的挥发成分、以及
·除碳和挥发成分以外的成分。除碳和挥发成分以外的成分为二硫化钨等固体润滑剂、金属等碳以外的元素，因此能够通过元素分析测定含量。其它碳例如为焦炭等无定形碳、其是与球状石墨相比平均粒径大的骨料。其它碳也包含鳞片状石墨。
测定法挥发成分
石墨轴承(以下称为“轴承”)中的挥发成分按以下进行测定。从轴承采集规定重量的试样，粉碎后通过热重分析差热分析装置(TG-DTA)，在氮气流下从室温升温到900℃，测定升温开始时的重量和升温结束时的重量。将它们的差除以升温开始时的重量，将所得的值作为轴承的挥发成分浓度。
测定法热塑性树脂和热固性树脂
如果通过GCMS(气相色谱质谱分析仪质量分析)对从轴承采集的试样进行分析，则能够检测树脂成分的分解物。由此能够分析轴承中所含有的树脂的种类。
球状石墨
球状石墨是形状接近球的石墨，是与鳞片状石墨等对比而使用的用语。图1～图3中示出球状石墨的扫描型电子显微镜照片(SEM图像)。本发明中，球状石墨是指由纵横尺寸比(粒子的长轴径与短轴径的比)为2以下的石墨粒子构成的石墨。图2、图3的细线表示石墨粒子的长轴和短轴，图2中的纵横尺寸比为1.23，图3中为1.95。
图4示出鳞片状石墨的加压面的SEM图像(左侧)和EDX图像(右侧：能量色散型X射线分析)，图5示出球状石墨的加压面的SEM图像(左侧)和EDX图像(右侧)。在加压面的图像中，鳞片状石墨形成方形状，球状石墨形成近似球的形状。鳞片状石墨或球状石墨能够通过SEM图像和EDX图像来识别。图4、图5中对具有代表性的石墨粒子附加了标记。
石墨形状、烧结体的强度和尺寸稳定性
通过球状石墨和鳞片状石墨评价了烧结体的强度及尺寸稳定性。在平均粒径(D50)为17μm的球状石墨75重量份(实施例)、或平均粒径(D50)为70μm的鳞片状石墨75重量份(比较例)中，混合无定形碳(焦炭)8重量份、PPS树脂12重量份、酚醛树脂5重量，分别以整体计设定为100重量份。使用各材料作为加压方向强度和层间方向强度的测定试样，对20mm×10mm×5mm的长方体实施挤压成型。若是加压方向强度的测定试样，则厚度方向为加压方向。此外，若是层间方向强度的测定试样，则长度20mm的长边方向为加压方向。
在400℃下对实施例和比较例的测定试样进行烧结。烧结温度为热塑性树脂的熔点以上。再者，当在比熔点稍高的温度下进行烧结时，树脂几乎没有碳化。此外，烧结温度例如设定为500℃以下、为热固性树脂及热塑性树脂都没有完全碳化的温度。
对实施例和比较例的测定试样，作为3点弯曲强度测定加压方向强度及层间方向强度。此外，测定烧结前后的尺寸变化。实施例中，加压方向强度为57.4MPa，层间方向强度为40.4MPa，它们之比为1.4。比较例中，加压方向强度为82.7MPa，层间方向强度为31.2MPa，它们之比大到2.7。关于烧结前后的尺寸减小率，实施例中，在加压方向为0.35％，在层间方向为0.3％，尺寸变化的各向异性小。比较例中，在加压方向为0.4％，在层间方向为0.25％，尺寸变化的各向异性大。
实施例
以成为表1(实施例)及表2(比较例)的组成的方式混炼原料粉末。再者，球状石墨的平均粒径(D50)为17μm，鳞片状石墨的平均粒径(D50)为70μm。此外，其它碳为焦炭，是无定形的碳。将混合粉末挤压成型为轴承形状，在400℃下进行烧结。烧结中酚醛树脂部分分解而使石墨粒子彼此相互结合，热塑性树脂的PPS熔化并填埋石墨粒子间的间隙。通过PPS树脂的熔化而使烧结体的强度增强。实施例中，由烧结造成的尺寸变化在轴向和半径方向均为0.3％左右，不需要用于调整轴承尺寸的研磨。
图6中示出石墨轴承2的形状。轴承2为圆筒状，沿着轴向具有孔4，用于收容未图示的轴。轴承2的外径D为8.9mm，孔4的直径r为5.1mm，长度L为5.0mm，外周上下的缘部为倒角。再者，轴承2的尺寸是任意的。
图7中示意性地示出石墨轴承2向壳体6中的压入。壳体6例如为金属制，轴承2收容在孔8内，未图示的轴穿过孔10。轴承2一边被压缩一边向孔8压入，此时，因作用于轴承2内部的应力而有时发生裂痕11。如图7的右上所示的那样，裂痕11主要发生在挤压成型时的层间方向(轴承中的半径方向)。
对实施例和比较例的各石墨轴承，测定了加压方向强度和层间强度、轴向强度和径向强度、挥发成分的含量及压入时的裂痕的发生频率。将这些数据在表1(实施例)和表2(比较例)中示出。再者，轴承2的径向强度通过(JIS)Z2507中规定的径向强度试验方法进行了测定。此外，轴向强度是对轴向施加压缩载荷时的断裂强度。另外，由于主要成分为石墨，所以实施例/比较例中润滑性都无问题。
表1
*尺寸变化率只记入了实施例1的值，其它实施例的值都类似。
表2
*尺寸变化率只记入了比较例1的值。
在实施例中，层间强度高，加压方向强度与层间强度的比为1.6以下且接近1，压入时的裂纹也少。与此相对，在比较例1、2中，层间强度低，加压方向强度与层间强度的比超过2，压入时的裂纹也多。此外，实施例中径向强度高，轴承能够支承的半径方向的载荷大，但比较例1、2中径向强度低。
比较例3虽使用球状石墨，但径向强度低。其原因是由于挥发成分少，因此球状石墨没有通过热固性树脂而充分结合、或球状石墨间的间隙没有被热塑性树脂充分填埋，因而推断不能支承半径方向的载荷。
符号说明
2：石墨轴承
4：孔
6：壳体
8、10：孔
11：裂痕
Claims (9)
1.一种石墨轴承，其包含：
78质量％以上且98质量％以下的包含球状石墨及未碳化树脂中的碳成分的碳、
12质量％以下且2质量％以上的所述树脂中的挥发成分、以及
10质量％以下且0质量％以上的除碳和挥发成分以外的成分，
其中，碳、挥发成分以及所述除碳和挥发成分以外的成分的合计为100质量％。
2.根据权利要求1所述的石墨轴承，其特征在于，所述未碳化树脂由热塑性树脂和热固性树脂这两者构成。
3.根据权利要求2所述的石墨轴承，其特征在于，所述热塑性树脂为聚苯硫醚(PPS)，所述热固性树脂为酚醛树脂。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的石墨轴承，其特征在于，所述球状石墨的平均粒径为10μm以上且20μm以下，纵横尺寸比为2以下。
5.根据权利要求4所述的石墨轴承，其特征在于，轴向的压缩强度与径向强度之比为1以上且2以下。
6.根据权利要求4所述的石墨轴承，其特征在于，其包含12质量％以下且3质量％以上的所述挥发成分。
7.根据权利要求4所述的石墨轴承，其特征在于，其包含：
88质量％以上且98质量％以下的包含球状石墨及未碳化树脂中的碳成分的碳、以及
12质量％以下且2质量％以上的所述挥发成分，
碳和所述挥发成分的合计为100质量％。
8.根据权利要求7所述的石墨轴承，其特征在于，其包含：
60质量％以上且84质量％以下的球状石墨、0质量％以上且22质量％以下的与球状石墨相比平均粒径大的无定形碳、8质量％以上且15质量％以下的未碳化树脂中的碳成分、以及3质量％以上且12质量％以下的所述挥发成分，
球状石墨、所述无定形碳、未碳化树脂中的碳成分和所述挥发成分的合计为100质量％。
9.一种石墨轴承的制造方法，其特征在于，其进行以下步骤：
制备混合物的步骤，所述混合物含有60质量％以上且90质量％以下的含球状石墨且不含树脂的碳、30质量％以下且10质量％以上的树脂、以及10质量％以下且0质量％以上的除碳和挥发成分以外的石墨轴承成分；
通过模具对所述混合物进行挤压成型而形成轴承母体的步骤；以及
在所述树脂未完全碳化的温度下，以组成成为包含球状石墨及树脂中的碳成分的碳为78质量％以上且98质量％以下、所述树脂中的挥发成分为12质量％以下且2质量％以上、以及除碳和挥发成分以外的石墨轴承成分为10质量％以下且0质量％以上的方式，对所述轴承母体进行烧结的步骤。
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