JP2016060952A - 摺動部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動面が主に黒鉛で構成された摺動部品の生産性を高めることが可能な摺動部品及びその製造方法を提供する。【解決手段】摺動面において黒鉛粒子Ｇｒが最大面積を占めており、各黒鉛粒子Ｇｒにバインダ金属１ａとしての銅Ｃｕが付着しており、銅Ｃｕ同士が焼結により結合されており、原料粉末の結合剤を省略（あるいは低減）することができるため、焼結時の分解ガスの発生が抑えられ、焼結時間を短縮して生産性を高めることができる摺動部品１。【選択図】図２

Description

本発明は、摺動面が主に黒鉛で構成された摺動部品およびその製造方法に関する。

摺動面が主に黒鉛で構成された摺動部品は、黒鉛の自己潤滑性により優れた摺動性を有するため、油による潤滑が難しい用途に好適に使用される。具体的に、上記のような摺動部品は、例えば真空ポンプ用ロータおよびベーン、２００℃を超える高温環境下で用いられる軸受、あるいは建機用軸受として使用される。

上記のような摺動部品は、黒鉛粒子を主に含む原料粉末を圧縮成形して圧粉体を形成し、この圧粉体を焼結することで製造される。しかし、黒鉛粒子自体はほとんど塑性変形しないため、原料粉末の大部分を黒鉛粒子で構成すると、圧縮成形により原料粉末を固めることができず、圧粉体を成形することができない。このため、通常、黒鉛を主成分とする圧粉体を成形する場合は、黒鉛粒子と、タールピッチやコールタール等の結合剤とを混合した原料粉末を使用している（例えば、下記の特許文献１参照）。

特開２０００−２６６０５６号公報

しかし、上記のような方法で圧粉体を成形するためには、原料粉末の５０ｗｔ％近くを結合剤とする必要がある（上記特許文献１の段落００１０参照）。このため、焼結時に結合剤が分解することで多量の分解ガスが発生し、焼結炉の汚染や排気ガスの問題が生じる。このような問題を低減するためには、長時間かけてゆっくりと焼結を進める必要があり、生産性が著しく低下する。

以上の事情に鑑み、本発明は、摺動面が主に黒鉛で構成された摺動部品の生産性を高めることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、摺動面において黒鉛粒子が最大面積を占める摺動部品の製造方法であって、バインダ金属粉末が付着した前記黒鉛粒子を含む原料粉末を圧縮成形して圧粉体を得る圧粉工程と、前記圧粉体を、前記バインダ金属の融点以下の温度で焼結することにより、前記バインダ金属同士を結合する焼結工程とを有する摺動部品の製造方法を提供する。

上記の製造方法により、摺動面において黒鉛粒子が最大面積を占める摺動部品であって、各黒鉛粒子にバインダ金属が付着しており、前記バインダ金属同士が焼結により結合されている摺動部品を得ることができる。

このように、本発明の摺動部品は、バインダ金属が付着した黒鉛粒子を含む原料粉末を用いることで、原料粉末に含まれる黒鉛粒子の間にバインダ金属が介在した状態となる。これにより、圧縮成形時にバインダ金属が塑性変形することで、原料粉末が固められて圧粉体の成形が可能となる。また、各黒鉛粒子に付着したバインダ金属同士を焼結により結合することで、バインダ金属を介して黒鉛粒子同士を結合することができる。以上により、原料粉末の結合剤を省略（あるいは低減）することができるため、焼結時の分解ガスの発生が抑えられ、焼結時間を短縮して生産性を高めることができる。

銅付着黒鉛粉末の粒子の断面図であり、（ａ）は黒鉛粒子の表面が全て銅で覆われたもの、（ｂ）は黒鉛粒子の表面の一部が銅で覆われたものを示す。 本発明の一実施形態に係る摺動部品の摺動面付近の拡大断面図である。

本発明の一実施形態に係る摺動部品は、原料粉末を圧縮成形して圧粉体を得る圧粉工程と、圧粉体を焼結して焼結体を得る焼結工程と、焼結体を再圧縮して整形するサイジング工程とを経て製造される。以下、各工程の詳細を説明する。

（１）圧粉工程
まず、黒鉛粒子、バインダ金属、及び低融点金属を含む各種粉末を混合して、原料粉末を作成する。

黒鉛粒子としては、人造黒鉛や天然黒鉛を使用できる。黒鉛粒子は、粒状（鱗片状や土状でないもの）であることが好ましく、本実施形態では粒状の人造黒鉛が使用される。また、黒鉛粒子は、造粒されていないものでも、造粒されたものでも使用できる。ただし、黒鉛粒子を造粒するためには、各黒鉛粒子を結合するバインダが必要となり、各粒子における黒鉛の割合が低下するため、黒鉛粒子としては造粒されていないものを用いることが好ましい。

バインダ金属は、各黒鉛粒子の表面に付着している。バインダ金属には、後述する焼結温度よりも高い融点を有する金属が用いられる。バインダ金属には、黒鉛粒子よりも硬度が低く、塑性変形しやすい材料が用いられる。具体的に、バインダ金属としては、例えば銅やニッケルが使用でき、本実施形態では銅が用いられる。

低融点金属には、後述する焼結温度よりも低い融点を有する金属が用いられる。低融点金属としては、例えば、錫や亜鉛が使用でき、本実施形態では錫が用いられる。

原料粉末は、例えば、黒鉛粒子の表面にバインダ金属としての銅が付着した銅付着黒鉛粉末と、低融点金属となる錫粉末とを混合して作成される。本実施形態では、銅付着黒鉛粉末として、黒鉛粒子の表面に銅メッキを施した銅メッキ黒鉛粉末が使用される。また、銅付着黒鉛粉末としては、例えば、図１（ａ）に示すように黒鉛粒子（Ｇｒ）の表面を全て銅（Ｃｕ）で覆ったものや、銅付着黒鉛粉末として、図１（ｂ）に示すように、黒鉛粒子（Ｇｒ）の表面に銅（Ｃｕ）を島状に分散させて付着させたものを使用することができる。図１（ａ）に示した銅付着黒鉛粉末と、図１（ｂ）に示した銅付着黒鉛粉末は、それぞれ単独で使用することもできるし、これらを混合して使用することもできる。本実施形態では、図１（ｂ）に示す銅付着黒鉛粉末が単独で使用される。

上記の原料粉末を、成形金型に充填する。通常、黒鉛粒子は非常に微細であるため、流動性に乏しく、成形金型への充填性が悪い。本実施形態では、黒鉛粒子に銅を付着させることで、見掛密度が上がり黒鉛粒子の流動性が高められるため、成形金型への充填性が高められ、成形金型に原料粉末を均一に充填することが可能となる。

こうして成形金型に充填された原料粉末を圧縮成形することで、圧粉体が形成される。このとき、黒鉛粒子は塑性変形しないが、各黒鉛粒子に付着した銅同士が塑性変形しながら噛み合うことで、所定形状に成形することが可能となる。これにより、タールピッチやコールタール等の結合剤を用いることなく、黒鉛粒子を主成分とした圧粉体を成形することが可能となる。

（２）焼結工程
次に、上記の圧粉工程で得られた圧粉体を焼結炉で加熱することで、各黒鉛粉末に付着した銅同士が焼結により結合され、焼結体が形成される。詳しくは、圧粉体を加熱することで、圧粉体に含まれる錫粉末が溶融し、その一部が、各黒鉛粒子に付着した銅の表層内に拡散して、銅の表面に銅−錫合金層を形成する。この銅−錫合金層同士が固相状態で拡散接合されることにより、銅メッキ黒鉛粉末同士が接合されて、焼結体が形成される。このときの焼結温度は、銅の融点よりも低く、錫の融点よりも高い。

ところで、従来の摺動部品ように、圧粉体にタールピッチやコールタール等の結合剤が含まれていると、焼結時に結合剤の分解ガスが発生する共に、焼結により結合剤がほとんど消失するため、焼結による寸法変化（圧粉体と焼結体との寸法差）が大きくなる。この場合、短時間で急激に焼結させると、急激な寸法変化により焼結体にワレ等が生じる恐れがあるため、圧粉体を長時間かけて加熱して焼結をゆっくりと進める必要があった。これに対し、本実施形態では、上記のように圧粉体にタールピッチやコールタール等の結合剤が含まれていないため、焼結時に結合剤の分解ガスが発生せず、且つ、焼結による寸法変化が抑えられる。従って、焼結体のワレ等の懸念が小さく、焼結時間を比較的短くすることができる。

（３）サイジング工程
上記のように圧粉体を焼結すると収縮が生じるため、焼結後、焼結体にサイジングを施して整形することが望ましい。例えば、黒鉛粒子と結合剤とを含む圧粉体を焼成してなる従来の摺動部品は、焼成により炭化した結合剤で黒鉛粒子同士が結合された状態となる。このような摺動部品にサイジングを施すと、上述のように黒鉛粒子自体はほとんど塑性変形しないため、摺動部品が破損する恐れが高い。このため、従来の摺動部品の整形は、機械加工により行う必要があり、コストアップや生産性の低下を招くことが問題であった。

本実施形態の焼結体は、黒鉛粒子の間にバインダ金属が介在しているため、サイジングを施すことにより、バインダ金属を塑性変形させて整形することができる。具体的には、サイジング金型（ダイ、コア、上パンチ、および下パンチ）により焼結体を圧縮することで、焼結体が所望の寸法に整形される。これにより、従来の摺動部品のような機械加工による整形が不要となり、コスト低減および生産性の向上が図られる。以上により、摺動部品が完成する。

このサイジング工程では、焼結体とサイジング金型のダイおよびコアとが圧接状態で摺動する。これにより、焼結体の表面に露出した銅メッキ黒鉛粉末の銅が黒鉛粒子から剥がされて、焼結体の表面に露出する黒鉛粒子の割合を増加させることができる。従って、焼結体のうち、摺動面となる部分をサイジング金型と圧接状態で摺動させることで、摺動面に露出する黒鉛粒子の割合を増やして、摺動性を高めることができる。もちろん、このように、サイジングにより摺動面の銅メッキ黒鉛粉末の銅を剥がす必要がなければ、焼結体の摺動面となる部分を、サイジング金型と摺動しない面（例えば上下パンチの端面）と当接させてもよい。

上記のようにして形成された摺動部品１は、図２に拡大して示すように、黒鉛粒子（Ｇｒ）、バインダ金属としての銅（Ｃｕ）、および低融点金属としての錫（Ｓｎ）を有する。尚、図２では、黒鉛粒子（Ｇｒ）を散点で示し、銅（Ｃｕ）をハッチングで示し、錫（Ｓｎ）の図示は省略している。

各黒鉛粒子に付着した銅同士は、焼結により結合されている。銅は、焼結温度では溶融せず、他の黒鉛粒子に付着した銅と固相状態のまま接合されている。詳しくは、焼結により溶融した錫の一部又は全部が銅の内部に拡散して表層に銅−錫合金層を形成し、この銅−錫合金（青銅）領域同士が拡散接合されている。また、焼結により溶融した錫のうち、銅に拡散していないものが、各黒鉛粒子に付着した銅の間で固化することで、この錫が糊のような役割を果たし、銅同士の接合力の向上に寄与する。

摺動部品１の表面、特に、他部品と摺動する摺動面１ａは、黒鉛粒子が最大面積を占め、例えば摺動面における黒鉛粒子の面積比が５０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上とされる。本実施形態では、摺動部品１は、黒鉛粒子が体積比で最大であり、例えば体積比で５０％以上の黒鉛粒子を含む。

上記のように、摺動面に黒鉛粒子を多く露出させることで、黒鉛の自己潤滑性により、摺動部品１と相手材との摺動性が高められる。このため、摺動部品１は、無潤滑環境下で（すなわち油等の潤滑剤を介在させずに）相手材と摺動する摺動部品として好適に用いられる。具体的に、摺動部品１は、例えば真空ポンプ用ロータおよびベーンや、２００℃を超える高温環境下で用いられる軸受、あるいは建機用軸受として使用することができる。尚、摺動部品１は、無潤滑環境下で使用する用途に限らず、油等の潤滑剤を介在させて相手材と摺動する潤滑環境下で使用する用途に用いることもできる。

本発明は、上記の実施形態に限られない。例えば、上記の実施形態では、銅付着黒鉛粉末と錫粉末とで原料粉末を構成しているが、これに限らず、例えば、黒鉛粉末に付着させたバインダ金属の表面に、さらに低融点金属を付着させた粉末を用いてもよい。例えば、銅メッキ黒鉛粉末にさらに錫メッキを施して、銅の表面に錫を付着させた粉末を用いることができる。

また、上記の実施形態では、摺動部品が、黒鉛粒子、バインダ金属、および低融点金属からなる場合を示したが、さらに、鉄などの他の金属を含んでもよい。

また、上記の実施形態では、焼結部品が低融点金属を有する場合を示したが、特に必要ない場合は低融点金属を省略してもよい。この場合、各黒鉛粒子に付着した銅が合金層を形成せずに、純銅同士が焼結により拡散接合される。

また、上記の実施形態では、焼結体にサイジング処理を施す場合を示したが、サイジング処理が特に必要ない場合は、サイジング処理を省略してもよい。

本発明は、以上の実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で適用可能であることは言うまでもない。

１ 摺動部品
１ａ 摺動面

Claims (6)

1. 摺動面において黒鉛粒子が最大面積を占める摺動部品であって、
   各黒鉛粒子にバインダ金属が付着しており、前記バインダ金属同士が焼結により結合されている摺動部品。
2. サイジング処理が施された請求項１記載の摺動部品。
3. 前記焼結により溶融する低融点金属を含む請求項１又は２記載の摺動部品。
4. 摺動面において黒鉛粒子が最大面積を占める摺動部品の製造方法であって、
   バインダ金属粉末が付着した前記黒鉛粒子を含む原料粉末を圧縮成形して圧粉体を得る圧粉工程と、
   前記圧粉体を、前記バインダ金属の融点以下の温度で焼結することにより、前記バインダ金属同士を結合する焼結工程とを有する摺動部品の製造方法。
5. 前記焼結工程の後、サイジング処理を施す請求項４記載の摺動部品の製造方法。
6. 前記原料粉末が、焼結温度よりも低い融点を有する低融点金属を含む請求項４又は５記載の摺動部品の製造方法。
   

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