JP2005336364A - 自己潤滑性複合材料及びその製造方法 - Google Patents

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敬 村上
Shinya Sasaki
信也 佐々木
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Abstract

【課題】室温から８００℃までの温度域において自己潤滑性を示して低摩擦であり、且つ、コスト及び環境負荷の点でも問題のない自己潤滑性複合材料及びその製造方法を提供する。
【解決手段】Ａｌ2 Ｏ3 粉末とＢａＳＯ4 粉末を５０：５０の質量比で混合して、その混合物を温度７００℃以上１１５０℃以下、加圧力２０ＭＰａ以上７０ＭＰａ以下の条件で加圧焼結した。
【選択図】 なし

Description

本発明は、自己潤滑性複合材料及びその製造方法に関する。
３００℃以下の低温環境下（例えば自動車用エンジン）においては、摺動部の低摩擦を実現する潤滑剤として、黒鉛，二硫化モリブデン等の固体潤滑剤や潤滑油が使用されている。
一方、近年においては、エンジンの高効率化等の目的から、航空機用エンジンのような高温で過酷な環境下でも使用可能な潤滑剤及びそのような潤滑剤を含有する自己潤滑性複合材料が求められている。そして、室温から８００℃までの温度域において使用可能な固体潤滑剤としては、ＡｇやＢａＣｒＯ4 等が知られている。
特許第２５９０４４４号公報 津谷裕子編集，「固体潤滑ハンドブック」，幸書房，ｐ．４５６〜４５９
しかしながら、黒鉛，二硫化モリブデン等の固体潤滑剤や潤滑油は、３００℃を超える高温環境下では酸化されて潤滑性能が低下するため使用できない。また、ＡｇやＢａＣｒＯ4 等は室温から８００℃までの温度域において固体潤滑剤として機能するものの、コスト及び環境負荷の点で問題があるため、実用化には至っていない。
そこで、本発明は、上記のような従来技術が有する問題点を解決し、室温から８００℃までの温度域において自己潤滑性を示して低摩擦であり、且つ、コスト及び環境負荷の点でも問題のない自己潤滑性複合材料及びその製造方法を提供することを課題とする。
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の自己潤滑性複合材料は、Ａｌ2 Ｏ3 とＢａＳＯ4 とを含有し、そのＡｌ2 Ｏ3 とＢａＳＯ4 との質量比が、５０：５０から８０：２０までの範囲内であることを特徴とする。
このような構成であれば、高温下における強度及び耐酸化性が優れているため、室温から８００℃までの温度域において自己潤滑性を示して低摩擦（摩擦係数が０．２以上０．３以下）である。また、コスト及び環境負荷の点でも問題がない。
上記のようにＢａＳＯ4 の質量比は２０以上５０以下である必要があるが（すなわち、Ａｌ2 Ｏ3 の質量比は５０以上８０以下）、ＢａＳＯ4 の質量比が２０未満であると、潤滑性に寄与するＢａＳＯ4 の量が少ないために、摩擦係数が大きくなる場合がある。また、ＢａＳＯ4 の量が少ないと、緻密な自己潤滑性複合材料を得るために焼結温度を高くする必要が生じて、Ａｌ2 Ｏ3 とＢａＳＯ4 との反応が起こるおそれがある（すなわち、Ａｌ2 Ｏ3 とＢａＳＯ4 との反応が起こらないような焼結温度では、緻密な自己潤滑性複合材料が得られないおそれがある）。
一方、ＢａＳＯ4 の質量比が５０超過であると、強度に寄与するＡｌ2 Ｏ3 の量が少ないために、自己潤滑性複合材料の強度が不十分となるおそれがある。また、脆く、割れやすくなるおそれがある。
また、本発明に係る請求項２の自己潤滑性複合材料は、請求項１に記載の自己潤滑性複合材料において、前記Ａｌ2 Ｏ3 の粒径は２２．５μｍ以下であることを特徴とする。
このような構成の自己潤滑性複合材料は、緻密さが優れている。Ａｌ2 Ｏ3 の粒径が２２．５μｍ超過であると、焼結による製造時に焼結性が不十分となるため、緻密な自己潤滑性複合材料が得られにくい。
さらに、本発明に係る請求項３の自己潤滑性複合材料の製造方法は、５０：５０から８０：２０までの範囲内の質量比でＡｌ2 Ｏ3 粉末とＢａＳＯ4 粉末を混合し、その混合物を含む原料粉末を、温度７００℃以上１１５０℃以下、加圧力２０ＭＰａ以上７０ＭＰａ以下の条件で加圧焼結することを特徴とする。
このような製造方法によれば、高温下における強度及び耐酸化性が優れ、室温から８００℃までの温度域において自己潤滑性を示して低摩擦（摩擦係数が０．２以上０．３以下）である自己潤滑性複合材料を製造することができる。焼結温度が７００℃未満であると、緻密な自己潤滑性複合材料が得られにくく、１１５０℃超過であると、Ａｌ2 Ｏ3 とＢａＳＯ4 との反応が起こるおそれがある。また、加圧力が２０ＭＰａ未満であると、焼結が十分に進行しないおそれがあり、７０ＭＰａ超過であると、焼結に用いる型（例えば黒鉛製の型）が壊れてしまうおそれがある。
本発明の自己潤滑性複合材料は、室温から８００℃までの温度域において自己潤滑性を示して低摩擦であり、且つ、コスト及び環境負荷の点でも問題がない。また、本発明の自己潤滑性複合材料の製造方法は、前述のような自己潤滑性複合材料を製造することができる。
本発明に係る自己潤滑性複合材料及びその製造方法の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
Ａｌ2 Ｏ3 粉末とＢａＳＯ4 粉末を５０：５０の質量比で混合して、その混合物（原料粉末）を例えば黒鉛製の型に充填し、温度７００℃以上１１５０℃以下、加圧力２０ＭＰａ以上７０ＭＰａ以下の条件で加圧焼結した。すると、高温下における強度及び耐酸化性が優れるＡｌ2 Ｏ3 をマトリックス相とし、潤滑性を有するＢａＳＯ4 を分散相とする自己潤滑性複合材料が得られた。
このような自己潤滑性複合材料は、室温から８００℃までの温度域において自己潤滑性を示して低摩擦（摩擦係数が０．２以上０．３以下）である。また、コスト及び環境負荷の点でも問題がない。よって、このような自己潤滑性複合材料で摺動面を構成すれば、自己潤滑性複合材料からＢａＳＯ4 が固体潤滑剤として摺動面に供給されるため、摺動面は低摩擦となる。
なお、Ａｌ2 Ｏ3 とＢａＳＯ4 との質量比（Ａｌ2 Ｏ3 ：ＢａＳＯ4 ）は、上記の例に限定されるものではなく、５０：５０から８０：２０までの範囲内であれば差し支えない。また、Ａｌ2 Ｏ3 粉末の粒径は、２２．５μｍ以下であることが好ましい。さらに、本発明の目的を損なわないならば、Ａｌ2 Ｏ3 及びＢａＳＯ4 以外の成分を混合して焼結し、自己潤滑性複合材料を製造してもよい。
Ａｌ2 Ｏ3 粉末とＢａＳＯ4 粉末の混合粉末（質量比は５０：５０）を加圧焼結した際のストローク変位の例を、図１に示す。なお、このときの加圧力は４０ＭＰａであり、真空度１０Ｐａの真空下で加圧焼結を行った。図１から分かるように、温度上昇と共にストローク変位が起こり、７００℃以上では一定値となっている。この結果から、自己潤滑性複合材料の緻密化が７００℃で完了することが分かる。
次に、得られた自己潤滑性複合材料のＸ線回折パターンを、図２に示す。この自己潤滑
性複合材料は、Ａｌ2 Ｏ3 とＢａＳＯ4 との質量比が５０：５０であり、焼結温度１１５０℃、加圧力４０ＭＰａという条件で焼結されたものである。図２から分かるように、検出されたピークは、Ａｌ2 Ｏ3 のピークとＢａＳＯ4 のピークのみであり、Ａｌ2 Ｏ3 とＢａＳＯ4 の反応生成物のピークは認められなかった。このことから、自己潤滑性複合材料は、Ａｌ2 Ｏ3 とＢａＳＯ4 のみから構成されていることが確認された。
次に、図２において用いたものと同様の自己潤滑性複合材料について、ボールオンディスク法の往復摺動形式で摩擦試験を行い、室温から８００℃までの温度域における摩擦係数を測定した。なお、往復摺動運動の条件は、荷重９．８Ｎ、振幅１０ｍｍ、振動数１Ｈｚである。また、相手材は、直径９．５３ｍｍのＡｌ2 Ｏ3 製のボール（Ａｌ2 Ｏ3 の純度は９９％、光洋精工株式会社製）である。
結果を図３に示す。なお、比較例として、粒径０．１μｍのＡｌ2 Ｏ3 粉末を加圧焼結（焼結温度１６７３℃、加圧力４０ＭＰａ、保持時間５分）した比較材についても同様の摩擦試験を行い、その結果を図３に合わせて示す。図３から分かるように、自己潤滑性複合材料の摩擦係数は、室温から８００℃までの温度域において、比較材よりも大幅に小さな値であった。この結果から、ＢａＳＯ4 が固体潤滑剤として機能していることが分かる。
本発明の自己潤滑性複合材料は、黒鉛等の固体潤滑剤や潤滑油が使用できない過酷な条件下（例えば、大気中高温下）においても、摺動材料として好適に使用可能であり、特に、航空機用エンジン等に使用されるセラミックス製軸受の保持器等の素材として好適である。
Ａｌ2 Ｏ3 粉末とＢａＳＯ4 粉末の混合粉末を加圧焼結した際のストローク変位を示す図である。 自己潤滑性複合材料のＸ線回折パターンを示す図である。 摩擦試験の結果を示すグラフである。

Claims (3)

  1. Ａｌ2 Ｏ3 とＢａＳＯ4 とを含有し、そのＡｌ2 Ｏ3 とＢａＳＯ4 との質量比が、５０：５０から８０：２０までの範囲内であることを特徴とする自己潤滑性複合材料。
  2. 前記Ａｌ2 Ｏ3 の粒径は２２．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の自己潤滑性複合材料。
  3. ５０：５０から８０：２０までの範囲内の質量比でＡｌ2 Ｏ3 粉末とＢａＳＯ4 粉末を混合し、その混合物を含む原料粉末を、温度７００℃以上１１５０℃以下、加圧力２０ＭＰａ以上７０ＭＰａ以下の条件で加圧焼結することを特徴とする自己潤滑性複合材料の製造方法。
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