JP2011184721A - 摺動材料 - Google Patents

Abstract

【課題】耐焼付き性および機械的強度を両立できる摺動材料を提供すること。
【解決手段】銅系焼結合金を基材とし、硫化マンガンを含有する摺動材料であって、前記硫化マンガンの原料粉末には、粒子径が４〜６μｍの範囲にある粒子が重量基準で５０％以上含まれており、前記原料粉末の粒子径の最大径が１２μｍ以下であることを特徴とする摺動材料。
【選択図】なし

Description

本発明は、摺動材料に関し、さらに詳しくは、各種装置に用いられる軸受、ブッシュ、ガイドなどに使用され、耐焼付き性および機械的強度に優れた摺動材料に関する。

各種装置に用いられる軸受、ブッシュ、ガイドなどに使用される摺動材料としては、金属粉末に各種添加剤粉末を混合して混合粉とし、この混合粉を成形し、その後焼結させることにより製造される金属焼結材が使用されてきた。一般的に、このような金属焼結材においては、焼結後に基材となる金属粉末として、銅あるいは青銅などの銅合金を使用し、これに鉛（Ｐｂ）を含有させていた。そして、Ｐｂの自己潤滑作用により潤滑性を高めて耐摩耗性を向上させ、耐焼付き性を確保していた。

しかしながら、Ｐｂは環境負荷物質であり、その使用は好ましくないため、Ｐｂを使用することなく耐焼付き性に優れた摺動材料が求められていた。このような摺動材料として、特許文献１では、硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）や硫化タングステン（ＷＳ_２）などの硫化物を固体潤滑材として用いた摺動材料が開示されている。

また、特許文献２では、基材中に分散される粒子をセラミックスや金属間化合物など種々のものとして、特性の改善を図ることが開示されている。しかしながら、添加成分を増やすことは、それらの管理や取り扱い等が煩雑となり、コストも高くなるため、好ましくない。

また、特許文献３では、鉄系あるいは銅系焼結合金に硫化マンガン（ＭｎＳ）を固体潤滑材として含有させることが開示されている。ＭｎＳは優れた潤滑性を有するが、高速かつ高荷重の場合など摺動条件が過酷な場合には、耐摩耗性が悪化し、摩耗量が多くなってしまうという問題があった。これに対し、ＭｎＳの含有量を増やして、耐摩耗性を向上させることが考えられる。

しかしながら、ＭｎＳの含有量を増やすことにより、耐摩耗性は向上するものの、機械的強度（たとえば、圧環強度）が低下してしまい、摺動材料としての実用的な強度が得られなかった。

そのため、過酷な摺動条件での使用にも焼き付くことのない、耐摩耗性と機械的強度とを両立できる摺動材料が求められていた。

特開２００６−３７１８０号公報 特開２００３−８９８３１号公報 特開昭５７−１９８２４５号公報

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、耐焼付き性に優れ、耐摩耗性および機械的強度を両立できる摺動材料を提供することである。

本発明者等は、固体潤滑材の原料粉末の粒子径に着目し、その分布が特定の範囲とされた原料粉末を用いることで、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明に係る摺動材料は、
銅系焼結合金を基材とし、硫化マンガンを含有する摺動材料であって、
前記硫化マンガンの原料粉末には、粒子径が４〜６μｍの範囲にある粒子が重量基準で５０％以上含まれており、前記原料粉末の粒子径の最大径が１２μｍ以下であることを特徴とする。

本発明では、固体潤滑材としての硫化マンガンの原料粉末において、粒子径の分布を上記の範囲に制御している。このようにすることで、焼結後の摺動材料において、硫化マンガンが基材中に均等に分散された状態となり、摺動材料の機械的強度を弱めることなく、摺動面での潤滑性を高めることができる。その結果、耐摩耗性および機械的強度に優れた摺動材料を得ることができる。

この摺動材料を、たとえば軸受に適用することで、摺動相手側の材料と良好な潤滑性を保つことができ、焼き付きを効果的に防ぐことができる。

好ましくは、前記摺動材料全体１００重量％に対して、硫化マンガンを２．０〜４．５重量％含有する。

硫化マンガンの含有量を比較的に少なくした場合であっても、本発明の効果を奏することができる。

好ましくは、前記摺動材料全体１００重量％に対して、錫を７．０〜１１．０重量％含有する。また、好ましくは、前記摺動材料全体１００重量％に対して、グラファイトを４．５〜７．５重量％含有する。

錫およびグラファイトを含有させることにより、本発明の効果を高めることができる。

図１は本発明の一実施形態に係る摺動材料から構成される軸受と、その回転軸を示す図である。

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。

図１に示す軸受１は、円筒状となっており、その内周に配置された回転軸２の回転による軸ブレを防止し、安定化させる機能を有している。なお、軸受１の内周面は、通常、回転軸２の外周面と接触しており、回転軸２を相手側摺動部材とする摺動面を形成している。

軸受１
軸受１は、本実施形態に係る摺動材料から構成されており、該摺動材料は、銅系焼結合金を基材とし、硫化マンガン（ＭｎＳ）を含有する。

硫化マンガン（ＭｎＳ）は固体潤滑材であり、上記の基材中に分散されて存在している。そして、摺動時には、摺動面に存在する硫化マンガンが、摩擦によるメカノケミカル反応により活性化され、摺動面において、基材中の金属成分や軸材と反応して、潤滑性を有する表面層が形成される。

この表面層を介して、軸受１と相手側の材料（回転軸２）とが良好に潤滑する。その結果、摺動面において、互いに摩耗せず、耐摩耗性を向上させることができるとともに、焼き付きを防止することができる。

従来は、耐摩耗性を向上させるためには、硫化マンガンの含有量を単に増やすことで対応してきたが、摺動材料の機械的強度の低下を招き、たとえば軸受の場合には、圧環強度が低下してしまう。そのため、高速かつ高荷重などの厳しい摺動条件において使用できなかった。

本実施形態では、後述する軸受１の製造方法において、硫化マンガンの原料粉末として、特定範囲の粒子径の分布を持つ粉末を用いることで、焼結後の摺動材料において、硫化マンガンの分散を最適なものとすることができる。その結果、硫化マンガンの固体潤滑材としての機能を最大限発揮することができ、潤滑性を高めつつ（耐摩耗性を良好にしつつ）、機械的強度の低下を抑制することができる。特に粒子径を小さくし、本発明の範囲内とすることで、上述したメカノケミカル反応を生じやすくすることができる。

硫化マンガンの含有量は、摺動材料全体１００重量％に対して、２．０〜４．５重量％、好ましくは３．０〜３．６重量％である。本実施形態では、硫化マンガンの含有量を比較的に少なくした場合であっても、機械的強度を維持しつつ、耐摩耗性を向上させることができる。

硫化マンガンの含有量が少なすぎると、これらの化合物を含有させた効果が得られなくなる傾向にある。一方、多すぎると、摺動材料の機械的強度が低下してしまう傾向にある。

本実施形態の摺動材料には、さらに、所定量の錫（Ｓｎ）やグラファイト（Ｃ）が含有されていることが好ましい。

錫（Ｓｎ）は、基材である銅と合金化して、強度や焼結性の向上効果を有しており、さらに耐摩耗性を向上させる効果も有している。錫の含有量は、摺動材料全体１００重量％に対して、好ましくは７．０〜１１．０重量％、より好ましくは８．０〜９．５重量％である。錫の含有量が少なすぎると、含有させた効果が得られなくなる傾向にある。一方、多すぎると、摺動材料の機械的強度を低下させてしまう傾向にある。

グラファイト（Ｃ）は、基材中に分散され、固体潤滑材として機能する。グラファイトの含有量は、摺動材料全体１００重量％に対して、好ましくは４．５〜７．５重量％、より好ましくは５．５〜６．５重量％である。グラファイトの含有量が少なすぎると、含有させた効果が得られなくなる傾向にある。一方、多すぎると、摺動材料の機械的強度を低下させてしまう傾向にある。

なお、本実施形態においては、摺動材料に、上述した各化合物あるいは各金属原子以外にも、必要に応じて種々の添加成分が含有されていても良い。

軸受１の製造方法
本実施形態では、軸受１は、摺動材料を構成する成分の原料粉末を混合して混合粉末とし、得られた混合粉末を成形し、得られた成形体を焼結させることにより製造される。以下、軸受１の製造方法について、説明する。

本実施形態の製造方法においては、まず、軸受１を構成することとなる各成分の原料粉末を準備する。

まず、銅の原料粉末（銅粉末）と、硫化マンガンの原料粉末（硫化マンガン粉末）とを準備する。さらに、本実施形態では、原料粉末として錫粉末およびグラファイト粉末を準備する。また、必要に応じて種々の添加成分の原料粉末を準備してもよい。

本実施形態では、硫化マンガンの原料粉末として、粒子径が４〜６μｍの範囲にある粒子が重量基準で５０％以上含まれており、かつ粒子径の最大径が１２μｍ以下である粉末を用いる。

粒度分布が上記の範囲に制御された原料粉末を用いることで、焼結後の摺動材料において、適度な大きさの硫化マンガンが均等に分散されるため、硫化マンガンの分散状態を最適な状態とすることができる。その結果、硫化マンガンの潤滑材としての効果を最大限発揮することができ、良好な耐摩耗性を得ることができる。しかも、硫化マンガンが均等に分散されているため、機械的強度の低下も少ない。したがって、硫化マンガンの含有量を比較的に少なくした場合であっても、摺動材料の機械的強度を確保しつつ、耐摩耗性を良好にすることができる。すなわち、本実施形態に係る摺動材料は、耐摩耗性と機械的強度とを両立することができる。

しかも、硫化マンガンのみを含有させることで、耐摩耗性と機械的強度とを両立できるため、種々の添加成分を含有させる必要がなく、添加成分の管理や取り扱いが容易であるという利点も有する。

５０％以上含まれる粒子の粒子径が小さすぎる場合、粒子同士が凝集してしまい、原料粉末の混合時においても凝集をほぐすことができない。そのため、焼結後の摺動材料において、メカノケミカル反応は生じやすくなるものの、硫化マンガンが凝集体として存在し、その分散状態が悪化してしまう。その結果、機械的強度の低下やバラツキが生じる傾向にある。また、焼結体の膨れや割れが生じ、製品化できなくなる傾向にある。

５０％以上含まれる粒子の粒子径が大きすぎる場合、焼結後の摺動材料において、大きな硫化マンガンが存在することになり、局所的に見ると、硫化マンガンの分散状態が悪く、耐摩耗性が悪化する傾向にある。したがって、この場合、硫化マンガンの含有量が少ないと、耐摩耗性が悪化することとなり、逆に、硫化マンガンの含有量が多いと、機械的強度が低下してしまう傾向にある。

また、原料粉末の粒子径の最大径が大きすぎる場合には、焼結後の摺動材料において、大きな硫化マンガンが存在することになり、局所的に見ると、硫化マンガンの分散状態が悪く、耐摩耗性が悪化する傾向にある。

なお、硫化マンガンの原料粉末の粒子径を測定する方法としては、特に制限されないが、本実施形態では、レーザー回折散乱法により測定されることが好ましい。

次いで、準備した各原料粉末をブレンダーなどを使用して混合し、混合粉末とした後に、図１に示すような円筒状の形状に成形する。成形時の圧力は、特に限定されないが、３〜７ｔ／ｃｍ^２程度である。また、成形時には、必要に応じて加温しても良い。

次いで、得られた成形体を焼成して、焼結体とする。焼成時の温度は、特に限定されないが、通常７３０〜８００℃程度である。

最後に、焼成により得られた焼結体について、寸法精度を向上させるためにサイジング加工を行い、研磨などの表面処理を施すことにより本発明の摺動材料からなる軸受１を得ることができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。たとえば、上述した実施形態では、本発明の摺動材料を含有する摺動部品として軸受を例示したが、本発明の摺動材料は、上述した軸受だけでなく、種々の摺動部品に適用することができる。

また、上述した実施形態では、軸受を製造する際には、原料粉末を混合した後に、成形、焼結するという工程を採用したが、ＨＰ（Ｈｏｔ Ｐｒｅｓｓ）法、ＨＩＰ（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓ）法などの加圧焼結法により製造することも可能である。

以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。

実施例１、比較例１〜３
まず、原料粉末として、銅粉末、硫化マンガン粉末、錫粉末およびグラファイト粉末を準備した。そして、焼結後の含有量を、硫化マンガンが表１に示す量、錫が９．０重量％、グラファイトが６．０重量％、残部が銅となるように配合した。配合した各原料粉末を、Ｖ型ブレンダーを使用して、３０分間混合し、混合粉末を得た。

次いで、この混合粉末を金型に充填し、粉末成型機を使用して面圧３．７ｔ／ｃｍ^２にて成形し、リング状の成形体を得た。得られた成形体を、水素ガスと窒素ガスとの混合雰囲気中、温度７３０〜８００℃で焼結を行った。その後、得られた焼結体について、寸法が所定の公差内となるように、面圧７．４ｔ／ｃｍ^２にてサイジングを行うことにより、本発明の摺動材料から構成される軸受を作製した。なお、軸受の寸法は、外径がφ１６ｍｍ、内径がφ１０ｍｍ、高さが９．１ｍｍとした。

次いで、得られた軸受について、以下に示す摩耗試験および圧環強度試験を行った。

摩耗試験
得られた軸受に対し、軸としてＳＵＳ６３０を用いて、ジャーナル試験機により回転試験を行い、軸受の摩耗量を測定した。試験条件は、滑り速度：１８８．５ｍ／ｍｉｎ、面圧：０．２ＭＰａ（ＰＶ値：３７．７ＭＰａ・ｍ／ｍｉｎ）、試験時間：３５時間とした。結果を表１に示す。

圧環強度試験
得られた軸受に対し、５０ＫＮ簡易型デジタル引張圧縮試験機により、軸方向に対して垂直に荷重を加えて、圧環し、破壊時の強度を圧環強度とした。結果を表１に示す。

表１より、硫化マンガンの原料粉末の粒子径が本発明の範囲内である場合には（実施例１）、摩耗量が少なく、かつ圧環強度が高いことが確認できた。したがって、本発明に係る摺動材料は、耐摩耗性および機械的強度を両立できることが確認できた。

これに対し、硫化マンガンの配合量が実施例１と同じであり、硫化マンガンの原料粉末の粒子径が本発明の範囲よりも大きい場合には（比較例１および２）、圧環強度は比較的高いものの、摩耗量が急激に多くなり、耐摩耗性が悪化していることが確認できた。

また、比較例２において硫化マンガンの配合量を増やした場合には（比較例３）、摩耗量が少なくなり、耐摩耗性は向上するものの、逆に圧環強度は急激に低下してしまうことが確認できた。

実施例２および３
硫化マンガンの含有量を表２に示す量とした以外は、実施例１と同様にして軸受を作製し、実施例１と同様の評価を行った。結果を表２に示す。

表２より、硫化マンガンの含有量を表２に示す範囲内とした場合には（実施例２および３）、圧環強度を高く維持した状態で、耐摩耗性を良好にできることが確認できた。

１… 軸受
２… 回転軸

Claims (4)

1. 銅系焼結合金を基材とし、硫化マンガンを含有する摺動材料であって、
   前記硫化マンガンの原料粉末には、粒子径が４〜６μｍの範囲にある粒子が重量基準で５０％以上含まれており、前記原料粉末の粒子径の最大径が１２μｍ以下であることを特徴とする摺動材料。
2. 前記摺動材料全体１００重量％に対して、硫化マンガンを２．０〜４．５重量％含有する請求項１に記載の摺動材料。
3. 前記摺動材料全体１００重量％に対して、錫を７．０〜１１．０重量％含有する請求項１または２に記載の摺動材料。
4. 前記摺動材料全体１００重量％に対して、グラファイトを４．５〜７．５重量％含有する請求項１〜３のいずれかに記載の摺動材料。

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