JP2000199028A

JP2000199028A - 自己潤滑性焼結複合材料

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Publication number: JP2000199028A
Application number: JP10373745A
Authority: JP
Inventors: Takuhiko Nishida; 卓彦西田
Original assignee: RUBUTEKKU KK
Current assignee: RUBUTEKKU KK
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2000-07-18

Abstract

(57)【要約】【課題】材料強度が高く、摩擦係数が小さく、比摩耗
量も小さく、真空中、大気中の低温から高温まで使用で
きる固体潤滑剤を含む金属基の自己潤滑性焼結複合材料
を提供する。【解決手段】二硫化モリブデンを２０重量％〜３５重
量％、黒鉛を３重量％〜１５重量％、二硫化タングステ
ンを８重量％〜２０重量％、銅を０．１重量％〜５重量
％、クロムを０．１重量％〜２重量％、タングステンを
２重量％〜２０重量％含有し、残部が少なくとも鉄を含
有する自己潤滑性焼結複合材料を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば各種機械の
軸受部材又は摺動部材として使用される固体潤滑剤を含
む自己潤滑性金属基複合材料に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、六方晶の結晶構造を持つ粉体であ
る二硫化タングステン（ＷＳ_２）、二硫化モリブデン
（ＭｏＳ_２）や黒鉛、フッ化黒鉛、フッ化カルシウム
等の固体潤滑剤と、各種の金属又は合金の結合材とから
なる焼結体が自己潤滑性複合材料として使用されてい
る。このような焼結複合材料は、例えば特公平７−７６
４０５号公報に記載されているように、固体潤滑剤とし
てＷＳ_２、ＭｏＳ_２、黒鉛を、強度を与える金属結合
剤としてＣｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏを主成分にしたものが代
表的である。

【０００３】一般に固体潤滑剤は高温に弱く、焼結時に
分解して結合剤等の他の金属と反応し、潤滑性を喪失す
る虞がある。そこで、所謂ホットプレスを用いて、型内
で原料粉末を加圧下で焼結させる方法が採用されてい
る。また、結合剤として鉄は、焼結体としての強度が高
く、大気中や高温環境下でも使用可能であるが、上述し
た他の金属に比して摺動性に問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
自己潤滑性焼結複合材料には、以下に述べるような問題
点がある。ＭｏＳ_２及びＷＳ_２を主体にした複合材料
は、製造過程において固体潤滑剤と金属結合剤とが反応
して潤滑性のない化合物を生成し易く、そのために焼結
体中での固体潤滑剤の歩留りが低下するので、固体潤滑
剤の配合量を予め５０重量％以上に多くする必要があ
る。その結果、それだけ結合剤の配合量が少なくなっ
て、複合材料の強度が低下し、摩耗が増大して寿命が低
下してしまうという問題がある。

【０００５】また、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ等の金属、及びＭｏ
Ｓ_２（大気中での酸化開始温度３８０℃）、ＷＳ_２
（大気中での酸化開始温度４３０℃）は大気中では酸化
され易い性質がある。このため、これらの材料を主体と
する複合材料は、主として真空中で使用されており、大
気中での使用温度は２００℃以下に制限されている。

【０００６】固体潤滑剤としての黒鉛は、大気中で使用
可能であるが、乾燥状態では潤滑性が低下する性質があ
る。黒鉛を主体とした複合材料は、多くの場合に銅を用
いた合金として使用されているが、同様に酸化され易い
ため、その使用温度が２００℃以下に制限されている。
また、黒鉛と金属との複合材料は、高荷重、高摺動速
度、真空中での摩耗特性が悪く、特に摩耗量が大きいと
いう問題がある。従って、従来より、室温又は高温での
大気中、真空中など、様々な雰囲気中でも使用できる自
己潤滑性複合材料が要望されている。

【０００７】また、製造過程における固体潤滑剤と金属
結合剤との反応を抑制するために上述したホットプレス
を用いた場合、材料の焼結に非常に長時間を要し、生産
性の低下、コストの増加を招くという問題がある。その
ため、低温でも短時間で焼結できるような複合材料が望
ましい。

【０００８】本発明は、上述のような問題点を解決した
ものであり、材料強度が高く、摩擦係数が低く、摩耗量
が小さく、荷重や摺動速度等の摺動条件の変化によらず
安定した特性を示し、しかも真空中、大気中又は水中等
のあらゆる雰囲気中で低温から高温まで使用できる、固
体潤滑剤を含む自己潤滑性金属基焼結複合材料の提供を
目的とするものである。また、本発明の目的は、低温で
も短時間で焼結させることができ、生産性の向上及びコ
ストの低減を実現できる自己潤滑性金属基焼結複合材料
を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、二
硫化モリブデンを２０重量％〜３５重量％、黒鉛を３重
量％〜１５重量％、二硫化タングステンを８重量％〜２
０重量％、銅を０．１重量％〜５重量％、クロムを０．
１重量％〜２重量％、タングステンを２重量％〜２０重
量％含有し、残部が少なくとも鉄を含有する自己潤滑性
焼結複合材料を提供することによって達成される。尚、
本発明において用いる重量％は、特に説明を行わない限
り、焼結体の全重量に対する固体潤滑剤成分の重量％で
ある。

【００１０】本願発明者は、固体潤滑剤のＷＳ_２、Ｍ
ｏＳ_２、黒鉛と金属又は合金との高温における反応性
及びその複合材料の特性について種々検討した結果、Ｗ
Ｓ_２、ＭｏＳ_２及び黒鉛の３種の固体潤滑剤を一定量
同時に含有したＦｅ又はＦｅ合金の焼結体は、その機械
的強度が高く、幅広い摺動条件下で優れた潤滑特性を示
すこと、大気中では高温まで優れた特性を示すと共に、
真空中、水中等あらゆる雰囲気中で使用できることを見
出し、本発明を完成するに至ったものである。

【００１１】本発明の自己潤滑性焼結複合材料の検討に
際して、最初に、固体潤滑剤としてのＭｏＳ_２単独と
金属結合剤としてのＦｅ、ＷＳ_２単独とＦｅ、黒鉛単
独とＦｅの焼結材料をそれぞれ製造し、それらの特性に
検討を加えた。この結果、以下のような点が明らかにな
った。

【００１２】ＭｏＳ_２は、Ｆｅと最も反応し易く、焼
結温度が７００℃を超えると消失し始める。焼結体が潤
滑性を発揮するのは、ＭｏＳ_２の添加量を５０重量％
以上にした場合である。一方、ＭｏＳ_２の添加量が７
０重量％以上では、焼結体の強度が著しく低下して、摩
耗が増大する。ＭｏＳ_２とＦｅとの焼結体の潤滑性特
性は、かなり広い荷重域、速度域で低い摩擦係数を示
し、比較的荷重依存性、速度依存性の少ない摺動特性を
示すが、低荷重、低摺動速度では摩探係数が大きく、比
摩耗量が大きい。

【００１３】ＷＳ_２は、ＭｏＳ_２よりもＦｅとの反応
性が低く安定で、ＭｏＳ_２よりも約１００℃高い焼結
温度まで反応し難く、焼結体中に残留し易い反面、Ｆｅ
の焼結を阻害し、焼結体の強度を低下させる性質があ
る。ＷＳ_２ −Ｆｅ焼結体は、ＭｏＳ_２ −Ｆｅ系よりも
固体潤滑剤の少ない添加量４０重量％から潤滑性が現れ
るが、６０重量％以上では摩耗が大きく、焼結体の強度
が低下してしまう。また、ＷＳ_２ −Ｆｅ焼結体の潤滑
性は、高荷重で低速の条件下で最も良好であるが、低荷
重かつ高速の場合には、摩擦係数が大きくかつ摩耗も大
きくなり、黒鉛−Ｆｅ焼結体の潤滑特性とは対照的な特
性を示す。

【００１４】黒鉛は、ＭｏＳ_２、ＷＳ_２に比較すると
高温まで安定な固体潤滑剤で、Ｆｅと反応し難い反面、
Ｆｅの焼結を阻害する性質がある。黒鉛−Ｆｅ焼結体の
潤滑性は、１５重量％以上の黒鉛添加量で得られるが、
これが２０量％以上の焼結体は脆弱である。また、黒鉛
−Ｆｅ焼結体は、極低荷重かつ高摺動速度の条件下を除
いて、摩耗が大きく、潤滑性が良くない。しかしなが
ら、ＭｏＳ_２やＷＳ_２が酸化して潤滑性を失う３００
℃以上の大気中で良好な潤滑性を示すことが、明らかに
なった。

【００１５】一般に固体潤滑剤を含む複合材料は、それ
と摺動する相手材料の表面に固体潤滑剤の転移膜が形成
されることによって、潤滑性を発揮する。これに対し、
黒鉛は摺動する相手材料に付着し難く、転移膜が形成さ
れ難いために、黒鉛−Ｆｅ焼結体は、潤滑性が充分では
ないことが確認された。

【００１６】次に、上述したようにＦｅと反応して消失
し易いが、かなり広い荷重域、速度域で安定した潤滑特
性を示すＭｏＳ_２を固体潤滑剤の主成分として用い、
Ｆｅと反応し難い黒鉛を添加することを検討した。その
結果、少量の黒鉛を添加することにより、ＭｏＳ_２と
Ｆｅとの反応を阻止し又は低減できることが分かった。

【００１７】焼結体におけるＭｏＳ_２及び黒鉛の添加
量の合計を１００％として、その約２０％を黒鉛とした
場合、ＭｏＳ_２の添加量がこれを単独で添加した場合
の１／２であっても、それと略同様の潤滑性が得られ
た。即ち、黒鉛の添加により、８％黒鉛−３０％ＭｏＳ
_２ −Ｆｅ焼結体の潤滑性は、６０％ＭｏＳ_２ −Ｆｅ焼
結体の潤滑性と略同等であった。また、焼結体の強度
は、上述したようにＭｏＳ _２が少ない方が向上するの
で、ＭｏＳ_２及び黒鉛の同時添加は、単にＭｏＳ_２と
Ｆｅとの反応を阻止するだけでなく、ＭｏＳ_２添加量
を少なくして潤滑性の向上と焼結体の強度向上とを同時
に達成するいう、一層好ましい相乗的な効果を得ること
ができた。

【００１８】更に、このようにして得られた焼結体は、
ＭｏＳ_２ −Ｆｅ系の問題点、即ち低荷重域での潤滑性
が改良されると共に、高温での潤滑性も向上することが
分かった。これは、黒鉛は焼結体内でＭｏＳ_２と共存
すると、相手材料への転移が容易になったと推定され
る。これは、固体潤滑剤を黒鉛単独で添加した焼結体で
は、その添加量を多くしても達成することができない。

【００１９】更に本願発明者は、このＭｏＳ_２ −黒鉛
系複合材料に、ＭｏＳ_２よりＦｅと反応し難いＷＳ_２
を添加して、その特性について検討した。この結果、Ｍ
ｏＳ _２とＦｅとの反応がより一層抑制され、ＭｏＳ_２
添加量をより一層少なくすることができた。また、この
焼結体は、ＷＳ_２が元より有する高荷重での潤滑性を
発揮することが明らかになった。

【００２０】本発明は、このような検討結果に基づい
て、固体潤滑剤と金属とからなる自己潤滑性金属基焼結
複合材料の製造において、固体潤滑剤のＭｏＳ_２、Ｗ
Ｓ_２、黒鉛を特定の配合量で用いて、特定の金属（Ｆ
ｅ）との焼結体とすることにより、各固体潤滑剤のそれ
ぞれの特長を生かし、かつ欠点を補うと同時に、各成分
の相乗効果により、従来にない優れた潤滑特性を得るこ
とができたものである。

【００２１】本発明において、二硫化モリブデンは、２
０重量％未満では潤滑性が現れず、３５重量％を超える
と摩耗が大きくなるため、２０重量％〜３５重量％の範
囲で添加することが望ましい。黒鉛は、３重量％未満で
は高温での潤滑性が不十分であり、１５重量％を超える
と焼結体の強度が低く、使用に耐えられないため、３重
量％〜１５重量％の範囲で添加することが望ましい。ま
た、二硫化タングステンは、８重量％未満では摩耗量を
減少させることが困難であり、２０重量％を超えると焼
結体の強度が著しく低下してしまうため、８重量％から
２０重量％の範囲で添加することが好ましい。

【００２２】従って本発明において、各固体潤滑剤の配
合量は、二硫化モリブデンを２０重量％〜３５重量％、
黒鉛を３重量％〜１５重量％、二硫化タングステンを８
重量％〜２０重量％とすることが望ましい。これら固体
潤滑剤は、各成分をそれぞれの配合量で同時に金属に添
加する方法と、これら３成分を混合した後、一定の大き
さに造粒して金属に添加する方法とがあるが、いずれの
方法でも優れた潤滑性が得られる。

【００２３】これら固体潤滑剤の金属マトリックスとし
ては、強度、靭性、耐熱性及び固体潤滑剤との反応性の
点から、Ｆｅが最適である。更に、焼結体をより緻密化
し、強度、靭性、耐熱性を高めるために、Ｃｕ及びＣｒ
を添加することが望ましい。Ｃｕは、Ｆｅ単独のマトリ
ックスの場合よりも焼結体の強度を向上させる効果があ
る。しかしながら、Ｃｕ添加量が０．１重量％未満では
十分な効果が現れず、５重量％を超えると、固体潤滑剤
と反応して有害な化合物を生成する。Ｃｒは、耐熱性、
耐食性を与える元素であるが、添加量が０．１重量％未
満では実質的にその効果がなく、２重量％を超えると固
体潤滑剤と反応して潤滑性を損なうことになる。Ｃｕと
Ｃｒとを同時に焼結体に添加すると、それらの相乗効果
が得られる。

【００２４】更に、Ｗは高温での硬度が高く、摩耗量を
減少させるので欠くことができない成分である。Ｗは、
２重量％未満ではその効果がなく、２０重量％を超える
とＦｅの焼結を阻害するため、２重量％〜２０重量％の
範囲で添加することが望ましい。従って、本発明によれ
ば、ＭｏＳ_２、ＷＳ_２、黒鉛の固体潤滑剤とＦｅ、Ｃ
ｕ、Ｃｒ、Ｗなどの金属とからなる焼結複合材料は、大
気中及び真空中において低温から高温まで使用できる優
れた潤滑性を発揮し、かつ強度、靭性に優れている。

【００２５】本発明の焼結体は、例えば、上述した所定
量のＷＳ_２、ＭｏＳ_２、黒鉛の粉末とＦｅ、Ｃｕ、Ｃ
ｒ、Ｗの粉末とを混合し、プレス成形後、７００℃〜１
２００℃の温度範囲で３０分から２００分、真空又は不
活性雰囲気（Ａｒ、Ｎ_２）中で焼結することにより製
造することができる。このように、本発明の焼結体は、
比較的短時間で焼結させることができ、生産性の向上及
びそれによるコストの低減を図ることができる。

【００２６】

【実施例】（実施例１〜３）本発明の実施例１〜３の焼
結体を、以下の表１に示す組成のＭｏＳ_２、ＷＳ _２、
黒鉛の固体潤滑剤粉末と、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｗの金属
粉末とをボールミルを用いて混合した後、プレス成形機
で５トン／ｃｍ^２の圧力で圧粉体を作成し、真空中８
００℃で焼結して製造した。これらの焼結体について圧
縮試験と摩擦摩耗試験を行った。

【００２７】圧縮試験には、直径１０mm、高さ１０mmの
試験片を用いた。摩擦摩耗試験は、二線式トライボメ−
タを用い、摩擦係数は１０mm角の試料にＳＵＳ−３０４
を相手材として、室温及び６００℃において速度２５ｍ
／分、荷重１０ｋｇの条件で求めた。また、比摩耗量は
荷重１０ｋｇ、速度１００ｍ／分、摩擦距離４０００
ｍ、及び荷重１０ｋｇ、速度１０ｍ／分、摩擦距離５０
０ｍの２つの条件より求めた。

【００２８】その試験結果を以下の表２に示す。表２か
ら分かるように、本実施例１、２、３は、強度と潤滑性
のバランスが良く、特に比摩耗量の小さい焼結材料が得
られたことが分かる。また、本実施例は、いずれも比摩
耗量が摺動速度によらず略一定であり、荷重による変化
も小さいことが分かった。また、摩耗係数は、室温にお
いて０．１以下であり、６００℃では０．１前後の極め
て低い値を示すことが分かった。更に圧縮強度について
は、Ｃｕ及びＣｒが共存することにより、高くなってい
る。

【００２９】（比較例４〜１０）表１に示した比較例の
組成を有する焼結体を、本発明の実施例１〜３について
説明したと同様にして製造し、同様の試験を行った。そ
の結果を併せて表２に示す。比較例４は、二硫化モリブ
デンが少ないため、強度は高いが潤滑性が不十分であ
る。比較例５は、黒鉛が多すぎるため、潤滑性が良い反
面、強度が低く、実際の使用には耐えられない。比較例
６は、二硫化タングステンの添加量が少ないため、比摩
耗量が増加した。比較例７は、金属のＣｕ、Ｃｒ、Ｗの
効果を示しており、これらの金属を添加しない場合には
強度が低下し、比摩耗量が大きくなることが分かった。
従って、比摩耗量を小さくするためには、少なくともＷ
の添加が必要なことを示している。

【００３０】比較例８、９、１０は、ＭｏＳ_２、ＷＳ
_２、黒鉛のいずれか１成分とＦｅとの２元系の材料に
ついて示した比較例である。潤滑性は、ＭｏＳ_２ −Ｆ
ｅ系が最も良く、つづいてＷＳ_２ −Ｆｅ系、黒鉛−Ｆ
ｅ系の順となっている。表２から、２元系焼結体は、そ
の強度と潤滑性のバランスが良くないことが分かる。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、上述したように構成す
ることにより、材料強度が高く、摩擦係数が低く、摩耗
量が小さく、荷重、摺動速度等の摺動条件の変化によら
ず安定して優れた特性を示し、真空中、大気中、水中
等、あらゆる雰囲気中で低温から高温まで使用できる、
固体潤滑剤を含む自己潤滑性金属基焼結複合材料の提供
が可能となった。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二硫化モリブデンを２０重量％〜３５重
量％、黒鉛を３重量％〜１５重量％、二硫化タングステ
ンを８重量％〜２０重量％、銅を０．１重量％〜５重量
％、クロムを０．１重量％〜２重量％、タングステンを
２重量％〜２０重量％含有し、残部が少なくとも鉄を含
有する自己潤滑性焼結複合材料。