JP2007162111A

JP2007162111A - 金属含浸カーボン摺動材

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Publication number: JP2007162111A
Application number: JP2005363097A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Momoi; 正行桃井; Keiichiro Mizuta; 計一郎水田; Toru Kanazawa; 透金澤
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2007-06-28

Abstract

【課題】各種ポンプ、圧縮機等の軸受、シール又は真空ポンプのベーン、ボールシート等に使用され、鉛含浸カーボン摺動材と同等の摺動特性を有する鉛を含有しない金属含浸カーボン摺動材を提供する。
【解決手段】カーボン基材に、Ｓｂ７０〜９０重量％及びＣｕ１０〜３０重量％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し、特に、カーボン基材が、学振法による黒鉛の格子定数測定法より求めた格子定数Ｃｏ＝０．６５４〜０．６９４ｎｍの範囲であることが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、各種ポンプ、圧縮機等の軸受、シール又は真空ポンプのベーン、ボールシート等に使用される金属含浸カーボン摺動材に関する。

従来の金属含浸カーボン摺動材は、以下のようにして得られる。例えば、非特許文献１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。
（石川敏功、長沖通）著、「新炭素工業」、改訂版、近代編集社、昭和６１年７月１日

次に、この混練物を室温まで冷却した後、平均粒径１０〜３００μｍに粉砕し、次いで５０〜２００ＭＰａの圧力で成形した後、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などの金属を含浸する。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。

鉛含浸摺動材は、温度４００〜５００℃及び減圧真空度５ｔｏｒｒ以下の条件で鉛溶融槽に上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０．４９〜０．９８ＭＰａまで加圧して、カーボン基材が有する気孔に鉛を含浸させる。
この後、鉛溶融槽から引き上げて冷却した後、大気圧に戻して含浸を完了した後、機械加工して軸受などの摺動材としている。

しかしながら、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のが現状である。

本発明は、鉛含浸カーボン摺動材と同等の摺動特性を有する鉛を含有しない金属含浸カーボン摺動材を提供するものである。

本発明は、カーボン基材に、Ｓｂ７０〜９０重量％及びＣｕ１０〜３０重量％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。
また、本発明は、カーボン基材が、学振法による黒鉛の格子定数測定法より求めた格子定数Ｃｏ＝０．６５４〜０．６９４ｎｍの範囲である前記の金属含浸カーボン摺動材に関する。

本発明の金属含浸カーボン摺動材は、鉛含有せずに、鉛含浸カーボン摺動材と同等の摺動特性を有し、工業的に極めて好適である。

本発明になる金属含浸カーボン摺動材は、鉛に替わる金属含浸として、Ｓｂが７０〜９０重量％及び、Ｃｕが１０〜３０重量％含む合金を含浸することを特徴とするものである。
また、本発明は、学振法による黒鉛の格子定数測定法より求めた格子定数Ｃｏ＝０．６５４〜０．６９４ｎｍの範囲のカーボン基材を用いることが好ましく、格子定数Ｃｏ＝０．６５４ｎｍ未満のカーボン基材用いると、得られる金属含浸カーボン摺動材が軟らかく耐荷重性の低下、摩耗量の増大を引き起こす傾向があり、格子定数Ｃｏ＝０．６９４を超えるカーボン基材を用いると十分な摩擦係数低減効果が得られず、得られる金属含浸カーボン摺動材の耐摩耗性、摩擦特性、なじみ損等が損なわれる傾向がある。

また、合金の含浸量は、２０〜７０重量％が好ましく、２０重量％未満であると、カーボン基材の気孔を金属によって埋めることが出来ず、機械的強度の低下、摺動特性の効果が十分でなく摩耗量の増大を引き起こす傾向があり、含浸率が７０重量％を超えると、カーボン基材の潤滑効果が得られず、摩擦係数が大きくなり摩耗量も増加する傾向がある。

本発明になる金属含浸カーボン軸受材を製造するための原料としては、平均粒径が２０μｍ程度の黒鉛粉、油煙等を骨材として使用し、こ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。
本発明になる金属含浸カーボン摺動材は、前記各原料を配合し、加熱混練、粉砕、成形、焼成、必要に応じて黒鉛化処理した後、金属含浸することにより得ることができる。

このうち、加熱混練は、双腕型ニーダーなどを用いて、各原料を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。混練温度が１５０℃未満であると、混練時間が長くなる傾向があり、３００℃を超えると、機械的強度が低下する傾向がある。
なお、混練時間については、混練物の量、骨材、結合剤の配合割合により変化するので、その都度適宜選定する必要がある。

粉砕は、過熱混練で得られたものを、各種粉砕機を用いて、平均粒径が１０〜３００μｍ程度、より好ましくは２０〜２００μｍ、さらに好ましくは２０〜１００μｍになるよう粉砕することにより行われる。但し、平均粒径は続く成形方向、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。

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などの方法でふ形することにより行われる。成形圧力は、５０〜２００ＭＰａが好ましく、６０〜１５０ＭＰａがより好ましく、８０〜１３０ＭＰａ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。

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方法がある。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、炭素化が不十分で十分な摺動特性を得られ難く、１０００℃を超えると、焼成炉が劣化し易くなる。

焼成時間は、原料の配合割合、製品形状、炉の能力等により決定されるものであり、本発明においては特に制限されるものではないが、生産性及び生産コストの点から出来るだけ短時間で終了することが望ましく、具体的には５〜１００時間が好ましく、１０〜４００時間がより好ましく、２０時間〜３５０時間がさらに好ましい。

目標とするカーボン基材を得るには、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。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。
このようにして得られた焼成品又は黒鉛化品を学振法による黒鉛の格子定数測定法より測定する。

学振法による黒鉛の格子定数測定法より求めた格子定数Ｃｏ＝０．６５４〜０．６９４ｎｍのカーボン基材を金属含浸容器に入れ１０ｔｏｒｒ以下に減圧脱気後、Ｓｂが７０〜９０重量％及びＣｕが１０〜３０重量％含む合金溶湯中に浸漬して窒素ガスにより０．４９〜０．９８ＭＰａまで加圧して含浸することにより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材を機械加工して、所望の形状の軸受、シール、ベーン、ボールシート等の製品形状にすることができる。

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６０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％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。

この後、上記の混練物を平均粒径２５μｍ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１００ＭＰａ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た。

この焼成品を金属含浸容器に入れ、７ｔｏｒｒに減圧脱気後、Ｓｂ８０重量％及びＣｕ２０重量％からなる合金の溶湯中に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材を得た。
得られた金属含浸カーボン材の物理特性、格子定数、含浸率及び摩耗試験の結果を表１に示す。

実施例２
骨材として、平均粒径が２０μｍの自家製人造黒鉛５０重量％に、天然黒鉛１０重量％（日本黒鉛（株）製、商品名ＣＢ１５０）及び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％を配合し、双腕型ニーダーを用いて温度を２５０℃で５時間加熱混練した。

実施例３
骨材として、平均粒径が２０μｍの自家製人造黒鉛粉５重量％に、平均粒径が２０μｍのピッチコークス５５重量％及び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％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。

実施例４
実施例１で得た焼成品（カーボン基材）を用い、これを金属含浸容器に入れ、７ｔｏｒｒに減圧脱気後、Ｓｂ７０重量％及びＣｕ３０重量％からなる合金の溶湯中に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材を得た。
得られた金属含浸カーボン材の物理特性、格子定数、含浸率及び摩耗試験の結果を表１に示す。

実施例５
実施例１で得た焼成品（カーボン基材）を用い、これを金属含浸容器に入れ、７ｔｏｒｒに減圧脱気後、Ｓｂ９０重量％及びＣｕ１０重量％からなる合金の溶湯中に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材を得た。
得られた金属含浸カーボン材の物理特性、格子定数、含浸率及び摩耗試験の結果を表１に示す。

比較例１
実施例１で得た焼成品（カーボン基材）をさらに３０００℃で黒鉛化を行った。この黒鉛化品を金属含浸容器に入れ、７ｔｏｒｒに減圧脱気後、鉛の溶湯中に浸漬して窒素ガスにより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の物理特性、格子定数、含浸率及び摩耗試験の結果を表１に示す。

比較例２
実施例１で得た焼成品（カーボン基材）を用い、これを金属含浸容器に入れ、７ｔｏｒｒに減圧脱気後、Ｓｂが６９重量％及びＣｕが３１重量％からなる合金の溶湯中に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材を得た。
得られた金属含浸カーボン材の物理特性、格子定数、含浸率尾よび摩耗試験の結果を表１に示す。

比較例３
骨材として、平均粒径が２０μｍの自家製人造黒鉛粉４重量％に、平均粒径が２０μｍのピッチコークス５６重量％及び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％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。

この後、上記の混練物を、平均粒径２５μｍ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１００ＭＰａ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た。

この焼成品を金属含浸容器に入れ、７ｔｏｒｒに減圧脱気後、Ｓｂ９１重量％及びＣｕ９重量％からなる合金の溶湯中に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材を得た。
得られた金属含浸カーボン材の物理特性、格子定数、含浸率及び摩耗試験の結果を表１に示す。

なお、試験において、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１０ｍ／ｓ、面圧０．９８ＭＰａの条件で１００時間の試験を行い、摩擦係数及び摩耗量を測定した。

表１に示されるように、実施例１〜５の金属含浸カーボン摺動材は、比較例２及び３の金属含浸カーボン摺動材に比べて摩擦係数が小さく、かつ摩耗量も少なく、これらの値は、比較例１の鉛含浸カーボン軸受とほぼ同等の摺動特性が確認された。

Claims

カーボン基材に、Ｓｂ７０〜９０重量％及びＣｕ１０〜３０重量％を含む合金を含浸してなる金属含浸カーボン摺動材。
カーボン基材が、学振法による黒鉛の格子定数測定法より求めた格子定数Ｃｏ＝０．６５４〜０．６９４ｎｍの範囲である請求項１記載の金属含浸カーボン摺動材。