JP2588096B2 - 固体潤滑複合摺動材料およびその製造方法 - Google Patents

固体潤滑複合摺動材料およびその製造方法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、各種の機械部品として
軸受又は摺動部分に用いるのに適した固体潤滑複合摺動
材料に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、二硫化タングステン(WS2)、
二硫化モリブデン(MoS2)、黒鉛、フッ化黒鉛、フ
ッ化カルシウムなどの潤滑性物質と各種の金属及び合金
とからなる焼結体が自己潤滑性材料として使用されてい
る。
【0003】これら従来の自己潤滑性材料が記載きれて
いる代表的なものとしては特開昭53―122059号
公報、特開昭62―196351号公報などがある。
【0004】二硫化タングステン、二硫化モリブデンな
どの潤滑性物質と、各種の金属及び合金の結合相からな
る自己潤滑性材料は、潤滑性物質としての出発原料粉末
と結合相としての出発原料粉末とを混合、成形後、焼結
しているが、こうして得た焼結体の中の潤滑性物質は結
合相の金属及び合金と反応して潤滑性のない物質に変化
して、その歩留りを低下させ自己潤滑性材料の磨耗の増
大及び強度低下をもたらし、寿命が著しく低下してしま
うという問題がある。
【0005】そのため潤滑性物質の歩留りをあげるため
に、潤滑性物質の含有量を増加させると焼結体の強度は
低下し、焼結体の加工性は極端に低下するとともに、高
い荷重がかかる摺動部分には使用することが困難であ
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述のよう
な問題点を解決したもので、摩擦係数及び比磨耗率が低
く、しかも機械的性質に優れ、かつ雰囲気を問わずに使
用できる固体潤滑複合摺動材料及びその製造方法の提供
を目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明では、自己潤滑性
材料における潤滑性物質と結合相の金属及び合金との反
応性や濡れ性、焼結性などについて検討した結果、潤滑
部材層と金属層間に緻密な化合物相を生成させることに
よって本発明を完成するに至ったものである。
【0008】すなわち、本発明は、すべり、ないしころ
がり部材に接する摺動面に潤滑部材層、それと接合した
裏金層からなる摺動材料であって、前記潤滑部材層の厚
さが0.1〜10mmで、粒径1μm以上500μm以
下の固体潤滑剤のWS2、MoS2を単独または両者で5
重量パーセント以上95重量パーセント以下含み、残り
の結合部分が、Ni,Fe,Cr,Mo,W,Ta,C
o,Sn,Cuの1種または2種以上を含む金属もしく
は合金粉末と0.05重量パーセント以上2.0重量パ
ーセント以下のBを含む焼結相であることを特徴とする
固体潤滑複合摺動材料である。
【0009】二硫化タングステンおよび二硫化モリブデ
ンは、粒径が1〜2μmの燐片状粉末で真空中での摩擦
係数の低い物質である。
【0010】しかし水分のある雰囲気では摩擦係数が高
く、また金属との反応性に富んでおり金属粉と混合して
加熱すると分解してしまうか、他の硫化物に変化してし
まい、金属および合金中の歩留りが極端に低く、二硫化
タングステンおよび二硫化モリブデンを含む金属基の複
合材料の製造は困難である。
【0011】そめため現在実用化されている材料は、1
〜2μmの燐片状の二硫化タングステンおよび二硫化モ
リブデンを数10μm以上に造粒したものを55〜80
容積パーセントと、比較的反応しにくい金属であるT
a,W,Cu、Agを選び複合化している。
【0012】そのため焼結体の強度は低く、加工性も悪
く、高荷重がかかる所には使用することができない。
【0013】そこで摺動面には潤滑性に富んだ潤滑部材
を用い、強度は裏金の金属部材でもたせる構造にっいて
検討した結果、この構造材の問題点は両部材の接合性で
あることがわかった。
【0014】そこで、さらに潤滑性物質と結合相の金属
もしくは合金との濡れ性、反応性および焼結性について
詳細に検討した結果、両部材間に緻密で接合力の強い化
合物相を生成させることにより問題点を解決することが
できた。
【0015】すなわち、固体潤滑剤の二硫化タングステ
ンおよび二硫化モリブデンとFe,Cr,Niなどの金
属結合相との混合物にBを添加することにより、潤滑部
材と裏金の金属部材間に緻密な硫化物が生成することが
分かった。
【0016】このような生成相により機械的強度が高
く、大気中から真空中までのあらゆる雰囲気中で、しか
も高温においても潤滑性に優れた焼結体を造ることがで
きる。
【0017】
【作用】本発明の固体潤滑複合摺動材料は、潤滑性物質
を主成分とする潤滑部材により比磨耗率と磨耗係数の両
者が著しく低い優れた摺動特性と金属部材により高い強
度を得たもので、大気中ないし真空中で高温まで使用で
きる軸受部材である。
【0018】すなわち、本発明の固体潤滑複合摺動材料
は、すべり、ないしころがり部材に接する摺動面に潤滑
部材層、それと接合した裏金層からなる摺動材料であっ
て、前記潤滑部材層の厚さが0.1〜10mmで、粒径
1μm以上500μm以下の固体潤滑剤のWS2、Mo
2を単独または両者で5重量パーセント以上95重量
パーセント以下含み、残りの結合部分が、粒径100μ
m以下のNi,Fe,Cr,Mo,W,Co,Sn,T
a,Cuの1種または2種以上を含む金属もしくは合金
粉末と0.05重量パーセント以上2.0重量パーセン
ト以下のBを含むことを特徴とする固体潤滑複合摺動材
料である。
【0019】固体潤滑剤のWS2、MoS2を含む潤滑部
材層は、WS2,MoS2の単独または両者でその割合が
5重量パーセント未満であると潤滑性が悪く、摩擦係数
が著しく高くなる。
【0020】また95重量パーセント超であると焼結性
が悪く、極めて強度の低い焼結体しか出来ない。
【0021】そのため固体潤滑剤のWS2、MoS2を単
独または両者で5重量パーセント以上95重量パーセン
ト以下とした。望ましくは30重量パーセント以上85
重量パーセント以下である。
【0022】固体潤滑剤のWS2、MoS2は粒径が1μ
m未満であると金属との反応が激しくて変質し易く、5
00μm超では金属粉との混合が不均一になり、均質な
複合材料ができない。そのため1μm以上500μm以
下とした。
【0023】潤滑部材層は厚さは0.1mm未満である
と磨耗による寿命が短い。また潤滑部材層は数mm厚さ
磨耗すると相手材とのクリアランスが大きくなりすぎて
使用に耐えられなくなる。そのため、0.1〜10mm
とした。望ましくは0.2〜5mmである。
【0024】潤滑性物質の残りは、Ni,Fe,Cr,
Mo,W,Ta,Co,Sn,Cuの金属ないし合金粉
末を1種または2種以上を用いた結合相である。
【0025】Ni,Fe,Cr,Mo,W,TaはWS
2,MoS2と反応して潤滑性に富む硫化物を形成すると
ともに、潤滑性物質と金属とを強固に結合する働きがあ
り、Co,Sn,Cuは潤滑性物質と反応しにくく、潤
滑性物質の歩留りを高める作用がある。
【0026】これらの金属ないし合金粉末の結合相は複
合材料の使用目的によって配合組成をかえることが望ま
しい。
【0027】耐熱性が必要な場合は、Fe,Cr,N
i,Mo,Coなどの配合量を多くするか、それらの合
金を使用し、通電性にはCu,Snなどを用いる。
【0028】さらに潤滑性物質との反応性を抑制するた
めにW,Taなどの金属を使用する。
【0029】これらの結合相を形成する金属ないし合金
粉末は粒径が100μm超になると潤滑性物質との混合
が不均一になるため100μm以下が望ましい。
【0030】潤滑部材層と裏金層との接合性は固体潤滑
剤のWS2およびMoS2が裏金層の金属と反応して脆弱
な化合物が生成するため問題である。
【0031】そこで固体潤滑剤のWS2およびMoS2
金属との反応、焼結性について鋭意検討し、少量のボロ
ン(B)が問題点を解消することを見出した。
【0032】すなわち、Bは固体潤滑剤のWS2および
MoS2と金属との間で緻密なBを含む複合硫化物を生
成させる。
【0033】この硫化物は強度の高い焼結体をつくると
ともに潤滑部材層と裏金層とを強力に接合する。
【0034】B量が0.05重量パーセント未満では複
合硫化物は生成せず、2.0重量パーセント超では融点
の低い化合物が生成する。
【0035】そのため潤滑部材層に添加するB量を0.
05重量パーセント以上2.0重量パーセント以下とし
た。
【0036】裏金層の金属は目的によって選択する。高
い強度を必要とするときは炭素鋼、合金鋼が適切であ
り、耐熱、耐食性が要求されるときはステンレス鋼、ニ
ッケル合金、チタン合金を、電気伝導性が必要な場合は
銅合金を用いることが良い。
【0037】本発明の固体潤滑複合材料軸受部材の製造
方法としてはその組成が固体潤滑剤のWS2、MoS2
単独または両者で5重量パーセント以上95重量パーセ
ント以下含み、残りの結合部分を形成する粒径100μ
m以下のNi,Fe,Cr,Mo,W,Ta,Co,S
n,Cuの1種または2種以上を含む金属もしくは合金
粉末と0.05重量パーセント以上2.0重量パーセン
ト以下のBを含む混合粉末と、裏金層となる金属粉末も
しくは金属粉末混合物とをプレス方向と平行ないし垂直
方向に層状になるように金型内に充填した後、プレス成
形して所望の形状の成形体にする。
【0038】成形体は、非酸化雰囲気中で700℃から
1200℃の温度範囲で焼結する。
【0039】焼結により裏金層と潤滑部材層とは強固に
接合して潤滑性と強度を兼ね備えた固体潤滑複合摺動材
料を製造することができる。
【0040】さらに、潤滑部材層と裏金層とを別々に成
形したものを、重ね合わせるか、嵌め込み等により密着
させて一体状にした後、焼結することにより固体潤滑複
合摺動材料をつくることができる。
【0041】固体潤滑剤を含んだ潤滑部材層は焼結時の
膨張率が金属の裏金層のそれよりわずかに大きい。
【0042】そのため図1に示すように、円筒形の部材
で、摺動面が内面である場合には、裏金層2を外筒に、
潤滑部材層1を内筒となるように組み合わせると、両者
は強固に接合すると同時に、両者間で反応がおき、強固
な接合相が形成される。
【0043】裏金層が溶解鍛造材等の場合にも同じ原理
により固体潤滑複合摺動材料を製造することができる。
【0044】また潤滑部材層と裏金層との物理的性質が
極端に異なる場合には両者間に中間的組成の層を挿入す
ることにより、傾斜材料とすることができる。
【0045】例えば、潤滑部材層が固体潤滑剤のWS2
とCuの結合相からなり、裏金層がTi合金からなる場
合には、図2に示すように、片面が摺動面の場合、中間
層3としてWS2,Cu,Tiの混合物層をいれるとよ
く、さらに裏金層2側は二層ないしはそれ以上の多層構
造としてもよい。
【0046】焼結の際の温度としては、700℃未満で
は焼結の進行がほとんどなく、1200℃を越えると固
体潤滑剤が分解ないし変質してしまうため、焼結温度を
700℃以上1200℃以下とすることがよい。
【0047】酸化性雰囲気中では潤滑性物質が酸化して
しまうため焼結雰囲気としては、真空あるいはAr,N
2などの非酸化性雰囲気が望ましい。
【0048】
【実施例】
【0049】
【実施例1】固体潤滑剤の二硫化タングステン粉末、二
硫化モリブデン粉末および結合相のNi,Fe,Cr,
Mo,W,Ta,Co,Sn,Cu,Bなどの金属及び
合金の粉末をボールミルを用いて混合した混合粉末と裏
金層のステンレス鋼粉末、銅粉末とを金型に層状に充填
し、粉体成形機で3〜5ton/cm2の圧力で圧粉体
を作成し、真空中で焼結した後、曲げ試験と摩擦磨耗試
験を行った。
【0050】曲げ試験には10×30mmで、厚さをか
えた試験片を用い、潤滑部材層の方向から荷重を加え
た。
【0051】摩擦係数は円板状の試料にSUS―304
を相手材にして、速度25m/min,面圧50kg/
cm2の条件で端面接触して求めたものであり、比磨耗
率は面圧100kg/cm2,摩擦距離500mの条件
より求めたものである。
【0052】本発明の固体潤滑複合材料軸受部材の組成
と製造条件を第1表に示した。焼結体の曲げ強度と摩擦
係数及び比磨耗率を第2表に示した。本発明をはずれた
比較例の組成と、製造条件、焼結体の特性も第1、2表
に記載した。
【0053】本発明品は試料番号1〜5であり、裏金層
が鉄系合金および銅系合金の例である。
【0054】本発明品は、潤滑部材層と裏金層の間に潤
滑性に富んだボロンを含む化合物が形成されて、曲げ強
度が20kg/mm2以上で、大気及び真空中の摩擦係
数は0.1以下で、強度、潤滑性ともに優れた自己潤滑
性複合材料であることがわかる。
【0055】本発明よりはずれた比較例は試料番号6と
7であり、6は摩擦係数が小さいものの裏金層がないた
め焼結体の強度が低く、7は潤滑部材層の固体潤滑剤が
少ないため強度はたかいが潤滑性が悪い。
【0056】
【実施例2】粒径100μmのWS2を80重量%、粒
径15μmの鉄粉を15重量%、粒径5μmのニッケル
粉を4.5重量%,粒径3μmのボロン粉を0.5重量
%混合した混合粉末を5t/cm2の圧力でプレス成形
して内径34mm,外径40mm,長さ59mmの圧粉
体を作成し、内径40mm,外径50mm,長さ60m
mのSUS304Lステンレス鋼パイプの内側に嵌め込
み、真空中、1100℃で30分焼結して軸受部材を作
成した。
【0057】潤滑部材層と裏金層のステンレス鋼とは強
固に接着しており、潤滑性に優れ、高荷重にたえる軸受
部材として運転中である。
【0058】
【表1】
【0059】
【表2】
【0060】
【表3】
【0061】
【発明の効果】本発明の固体潤滑複合材料軸受部材は摩
擦係数と比磨耗率が低く、かつ機械的性質に優れたもの
で、これまで使用できなかった高温ならびに苛酷な雰囲
気で使用することができる画期的な材料である。
【図面の簡単な説明】
【図1】内側を摺動面とする軸受部材の説明図である。
【図2】上面を摺動部とし、1の潤滑部材層と2の裏金
属の間に3の中間層が入った材料を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 潤滑部材層 2 裏金層 3 中間層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C10N 10:02 10:08 10:10 10:12 10:16 20:06 40:02 50:08 70:00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 すべり、ないしころがり部材に接する摺
    動面に潤滑部材層、それと接合した裏金層からなる摺動
    材料であって、前記潤滑部材層の厚さが0.1〜10m
    mで、粒径1μm以上500μm以下の固体潤滑剤のW
    2、MoS2を単独または両者で5重量パーセント以上
    95重量パーセント以下含み、残りの結合部分が、N
    i,Fe,Cr,Mo,W,Ta,Co,Sn,Cuの
    1種または2種以上を含む金属もしくは合金粉末と0.
    05重量パーセント以上2.0重量パーセント以下のB
    を含む焼結相であることを特徴とする固体潤滑複合摺動
    材料。
  2. 【請求項2】 粒径1μm以上500μm以下の固体潤
    滑剤のWS2、MoS2を単独または両者で5重量パーセ
    ント以上95重量パーセント以下含み、残りの結合部分
    を形成する粒径100μm以下のNi,Fe,Cr,M
    o,W,Ta,Co,Sn,Cuの1種または2種以上
    を含む金属もしくは合金粉末と0.05重量パーセント
    以上2.0重量パーセント以下のBからなる混合粉末と
    裏金層を形成する金属粉末もしくは金属粉末混合物を、
    金型内に層状に充填し、加圧成形後、非酸化性雰囲気中
    で700℃以上1200℃以下の温度で焼結することを
    特徴とする固体潤滑複合摺動材料の製造方法。
  3. 【請求項3】 粒径1μm以上500μm以下の固体潤
    滑剤のWS2、MoS2を単独または両者で5重量パーセ
    ント以上95重量パーセント以下含み、残りの結合部分
    を形成する粒径100μm以下のNi,Fe,Cr,M
    o,W,Ta,Co,Sn,Cuの1種または2種以上
    を含む金属もしくは合金粉末と0.05重量パーセント
    以上2.0重量パーセント以下のBからなる混合粉末の
    プレス成形体を、裏金層を形成する金属または金属粉末
    のプレス成形体と密着させて、非酸化性雰囲気中で70
    0℃以上1200℃以下の温度で焼結することを特徴と
    する固体潤滑複合摺動材料の製造方法。
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