JP3128097B2 - 炭素炭素複合材料からなる摺動材料 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、低（動、静）摩擦係数
を有し、かつ特に熱伝導率異方性の実質的に低い、光学
的異方性ピッチ系炭素繊維強化材及び石油系光学的異方
性ピッチ系マトリックス炭素前駆体を使用した炭素炭素
複合材料からなる摺動材料に関するものである。より詳
細には、本発明の摺動材料は、金属等の面と摺動する際
の（動）摩擦力が小さくて摩耗が少ない利点を有してお
り、回転軸の軸受材料、回転軸材料、軸封材料、スクロ
ールカム等の摺動部分、ガイドバー等に対する摺動部分
に用いて優れた性能を示す。また、本発明の摺動材料
は、非酸化性雰囲気での熱安定性が極めて優れていると
共に、構成炭素繊維の配列方向を調整することにより熱
的物性を或る程度制御可能であるために、オイルレス潤
滑部品として有用である。さらに、本発明の摺動材料は
（静）摩擦係数が低いことから、種々の擦り合わせ面、
ホッパーやシュート等の固体物品を滑落させる装置や固
形物を流体輸送する装置の内張り等に使用することがで
きる。

【０００２】

【従来の技術】炭素炭素複合材料などの炭素材料は非酸
化性雰囲気での熱安定性が優れていることから、使用中
での発熱が問題になることの多い軸受け材料等の摺動材
料として従来から注目されている。また、高度に結晶化
した炭素材料である黒鉛は自己潤滑性を有することも知
られており、その自己潤滑性を利用した摺動材料として
の用途も考えられる。しかし、黒鉛が潤滑性を示すのは
結晶の一方向のみであるため、該黒鉛を潤滑剤として含
む摺動材料は、黒鉛粒子、黒鉛結晶の配向を制御してや
らないと、十分な性能を発揮することができないと言わ
れている。

【０００３】そのために、黒鉛粉末又はコークス粉を成
形物とする場合には、無秩序な配列をさせて、炭素材料
に疑似等方性の組織が構成されるような工夫がなされて
いる。しかし、この方法によって形成される炭素材料は
自己潤滑性に関しては良好な性能を示すが、強度が低い
ために、高速・高負荷のかかる部材用には適さないと言
われている。

【０００４】また、このような炭素材料は、摩擦係数が
低い割に、摩耗量が多い傾向があり、そのため摺動中に
発生する摩耗粉が摺動間隙にたまり、凝着して新たな炭
素質薄塊を形成し易い。その結果、摺動材料として使用
中に突然摩擦力が高くなったり、騒音を発生したりする
ことがある。そのために、使用環境には限界があると言
える。

【０００５】また、炭素成形物の耐熱性だけを利用する
ことを目的として硫化モリブデンなどを使用し、かつマ
トリックスを炭素とする成形物が使用されている。この
炭素成形物は確かに常温では優れた自己潤滑性を示す
が、上記炭素前駆体が炭化時の高温により硫化モリブデ
ン等と反応することが多い問題があり、また界面に不純
物を生成するために硫化モリブデン等の潤滑材粒子が成
形物から剥離し易い問題がある。

【０００６】また、従来から炭素繊維織物等を炭化させ
て得た炭素炭素複合材料を摺動面として用いる軸受けが
一部で使用されている（特開平４−２３４４７６号公報
など）。しかし、この軸受けは自己潤滑性に関しては良
好な性能を示すが、炭素繊維間の間隙を多く持つため
に、摩擦熱がたまり易い問題があり、摩耗が大きい欠点
を有する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の摺動
材料の強度不足や潤滑材成分とマトリックス成分との剥
離による摺動面の摩耗の発生等の問題点を解決すること
を目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、炭素繊維
及び炭素成形物が熱処理（炭化）条件次第でかなり優れ
た潤滑性を示すことに注目し、光学的異方性ピッチ系炭
素繊維及び石油系光学的異方性ピッチ系マトリックス炭
素前駆体を使用した炭素炭素複合材料とした場合に、優
れた潤滑性を保有するのみならず、優れた耐摩耗性及び
熱伝導性を示す条件について種々検討した結果、本発明
に到達したものである。即ち、本発明は： 炭化時の最高温度が７００〜１５００℃で得た光学
的異方性ピッチ系炭素繊維を炭素炭素複合材料用強化材
とし、かつ石油系光学的異方性ピッチを主体とし、必要
に応じて石油系光学的等方性ピッチ、石炭系光学的等方
性ピッチ、フェノール樹脂、フラン樹脂の群から選ばれ
た１種又は２種以上を加えた材料をマト リックス炭素前
駆体として得られた成形物を最高温度７００〜１５００
℃で炭化することにより得られた摺動材料であって、且
つ、(a) 炭素繊維体積含有率が１５〜６０容積％、(b)
摺動材料を構成する炭素炭素複合材のＸ線パラメーター
Ｌ_c （００２）が２〜１０ｎｍ、(c) 熱伝導率異方比が
３以下である、低摩擦係数を有する炭素炭素複合材料か
らなる摺動材料を提供する。また、 (d) 摺動材料の
摩擦係数が、炭素鋼の平滑な平面に対して接触面圧５ｋ
ｇ／ｃｍ² 、相対すべり速度０．２５〜２５．０ｍ／秒
で測定した時に、０．０８〜０．２５である、記載の
低摩擦係数を有する炭素炭素複合材料からなる摺動材料
を提供する。

【０００９】以下、本発明を詳細に説明する。本発明の
光学的異方性ピッチ系炭素繊維強化材及び石油系光学的
異方性ピッチ系マトリックス炭素前駆体を使用した炭素
炭素複合材料からなる摺動材料において、炭素繊維体積
含有率(a) が１５容積％未満の場合には、得られた摺動
材料の強度が低くなり、摩擦係数を十分に小さくするこ
とも難しく、また摺動材料の耐摩耗性が低くなるので好
ましくない。また、炭素繊維体積含有率(a) が６０容積
％を越える場合には、摺動材料を構成する炭素炭素複合
材料内の炭素マトリックス中に隙間が発生することを防
止できなくなり、さらに熱伝導率異方比が大きくなるた
め、摺動材料として使用中の発熱による熱応力歪みが大
きくなり、摺動材料が破損し易くなるので好ましくな
い。本発明の摺動材料の炭素繊維体積含有率(a) は１５
〜６０容積％が好ましく、最も好ましくは２０〜５０容
積％である。ここで、炭素繊維体積含有率(a) とは、主
に炭素マトリックスと共に摺動材料を構成する炭素炭素
複合材料中に存在する炭素繊維の体積当たりの百分率で
あり、炭素炭素複合材料における炭素繊維の充填の割合
を示す。

【００１０】本発明の摺動材料を構成する炭素炭素複合
材のＸ線パラメーターＬ_c （００２）(b) が２ｎｍ未満
の場合、硬質炭素炭素複合材となって脆さがあり、摺動
材料の動摩擦係数を十分に小さくすることができないの
で好ましくない。また、１０ｎｍを越える場合には、炭
素マトリクッスの硬度が小さくなり、摩耗速度が大きく
なるので好ましくない。従って、本発明の摺動材料を構
成する炭素炭素複合材料のＸ線パラメーターＬ_c （００
２）(b) が２〜１０ｎｍと黒鉛化度の比較的低いものが
好ましい。ここで、Ｘ線パラメーターＬ_c （００２）
(b) とは、摺動材料を構成する炭素炭素複合材結晶の炭
素層構造を表すのにＸ線回折パターンを用い、該炭素炭
素複合材結晶のＺ軸方向で単位格子距離Ｃ₀ 当たり２つ
のＸ−Ｙ面に平行な面が存在することを表す（００２）
における層間の距離Ｌ_c の値を言う。これは、炭素炭素
複合材結晶の黒鉛化の程度を表す。

【００１１】本発明の摺動材料を製造するのに用いる炭
素繊維強化材としては、光学的異方性含有ピッチ及び応
力、熱により容易に光学的異方性に転化するピッチより
なる光学的異方性ピッチからのピッチ系炭素繊維を用い
るのが良い。

【００１２】該炭素繊維の繊維形態は、連続長繊維、こ
れを使用した織物、三次元織物、一方向配列シート、不
織布（シート）や、或いは適当な長さに切断したチョッ
プドストランド、紡績糸のような短繊維も適用可能であ
り、繊維形態に左右されることはない。本発明で使用す
る光学的異方性ピッチ系炭素繊維は、特に、黒鉛化の速
度が大きく、比較的低温の炭化で摩擦係数が小さくなる
ので、炭素炭素複合材料としての成形（製織加工、積層
化、巻き付け加工等の各種賦形加工）条件を広くとれる
利点がある。

【００１３】本発明の炭素炭素複合材料からなる摺動材
料の摩擦係数(d) が、炭素鋼の平滑な平面に対して接触
面圧５ｋｇ／ｃｍ² 、相対すべり速度０．２５〜２５．
０ｍ／秒で測定した時に、好ましくは０．０８〜０．２
５、より好ましくは０．１０〜０．２であるものが望ま
しい。本発明の摺動材料の場合に、摩擦係数が小さいほ
ど耐摩耗性が概して良くなるが、０．１０辺りで摩擦傾
向が逆転し、０．０８未満の場合に非常に耐摩耗性が低
くなるので好ましくない。また、摩擦係数が０．２５を
越えると、摩擦発熱量が多くなり、潤滑剤を使用せずに
摺動させることが困難になるので好ましくない。

【００１４】本発明の炭素炭素複合材料からなる摺動材
料の製造法は特に制限されないが、 （イ）光学的異方性ピッチ原料を常法の紡糸法（スパン
ボンド法、メルトスピニング法、メルトブロー法、遠心
紡糸法等）により紡糸して光学的異方性ピッチ系繊維を
得る。 （ロ）次いで、常法により、例えば酸化雰囲気中で２０
０〜４００℃の比較的低温で熱処理してピッチ系不融化
繊維とし、さらに該ピッチ系不融化繊維を常法により、
７００〜１５００℃で炭化することにより光学的異方性
ピッチ系炭素繊維原料を得る。 （ハ）必要に応じてサイジング剤処理された上記炭素繊
維原料を常法により成形（賦形）加工して種々の形状の
賦形物とし、この賦形物表面に或いは成形前の炭素繊維
原料に石油系光学的異方性ピッチ系マトリックス炭素前
駆体による含浸処理を施こして、必要に応じて硬化し、
常法に従って炭化を行うことにより、炭素炭素複合材料
を得る。 （ニ）必要に応じて、該マトリックス炭素前駆体を該炭
素炭素複合材料に再含浸した後炭化する緻密化処理を繰
り返しても良い。

【００１５】本発明の炭素炭素複合材料からなる摺動材
料は、炭化時の最高温度が７００〜１５００℃、より好
ましくは８００〜１４００℃で得た光学的異方性ピッチ
系炭素繊維を炭素炭素複合材料用強化材とし、かつ石油
系光学的異方性ピッチを主体とし、必要に応じて石油系
光学的等方性ピッチ、石炭系光学的等方性ピッチ、フェ
ノール樹脂、フラン樹脂の群から選ばれた１種又は２種
以上を加えた材料をマトリックス炭素前駆体として得ら
れた成形物を最高温度７００〜１５００℃、より好まし
くは最高温度８００〜１４００℃で炭化することにより
製造することが望ましい。この場合、炭化温度を最高温
度７００〜１５００℃として得られた光学的異方性ピッ
チ系炭素繊維を炭素炭素複合材料用強化材とすると、最
高温度１５００℃を越えて炭化した炭素繊維と比較して
繊維の表面が活性であり、かつ該炭素繊維と同質の石油
系光学的異方性ピッチ系をマトリックス炭素前駆体とし
たので、両者間のぬれ性が良く、炭素炭素複合材料とす
るために、成形物を最高温度７００〜１５００℃の温度
範囲内で炭化する間に、炭素繊維−マトリックス炭素間
界面での剥離・亀裂等の欠陥を発生し難いため、この炭
化条件により得られた炭素炭素複合材料は、上記欠陥部
を起点とする摩耗が極めて少なく、耐摩耗性に優れてい
る。

【００１６】また、強化材である光学的異方性ピッチ系
炭素繊維原料を最高温度７００℃未満の炭化温度で炭化
して得られた炭素炭素複合材料からなる摺動材料は、摩
擦係数は小さくできるが、摺動材料自体の摩耗は却って
大きくなるので好ましくない。最高温度１５００℃を越
えた炭化温度の場合には、摺動材料の摩擦係数が大きく
なる問題がある。この炭化は、不活性雰囲気中で発泡を
生じない程度の速度で昇温しながら行うことが必要であ
る。炭化後のマトリックス炭素の性質は、主に前駆体の
種類と炭化時の最高温度に支配される。特に、本発明の
ように炭素炭素複合材料の場合には、成形物の炭化時
に、その最高温度により含有する炭素繊維の性質も大き
な影響を受けるので、この温度は最も重要なパラメータ
ーである。

【００１７】この成形物の炭化温度が最高温度７００℃
未満の場合には、概して摺動材料の強度が低く、摺動材
料として使用中に破損し易いので好ましくない。また、
最高温度１５００℃を越える場合には、摺動材料の
（動）摩擦係数が概して高く、繊維−マトリックス炭素
間界面で剥離や亀裂等の欠陥を生じ易くなり、摺動材料
として使用中に摩耗量増加の傾向を示すため好ましくな
い。従って、成形物の炭化温度は、最高温度７００℃〜
１５００℃、好ましくは最高温度８００〜１４００℃で
ある。

【００１８】また、この範囲外の炭化温度では、摺動材
料を構成する炭素炭素複合材内の炭素繊維の配列に依存
するものであるが、熱物性（熱伝導率）に関する異方比
が大きくなり、好ましくない。従って、本発明に係わる
摺動材料の熱伝導率異方比(c) は３以下と小さくするこ
とが必要である。ここで、熱伝導率異方比(c) とは、レ
ーザー・フラッシュ法等の非定常法で測定される熱伝導
率（最大値／最小値）を算出することにより得られるも
のであり、摺動材料を構成する炭素炭素複合材が熱伝導
率異方比３以下と小さくすることにより、熱伝導に方向
性が少なく、従って、放熱に方向性がなくなるため摺動
材料として使用中の発熱による熱応力歪が緩和される。

【００１９】本発明の炭素炭素複合材料からなる摺動材
料に用いるマトリックス炭素前駆体としては、石油系光
学的異方性ピッチを主体とし、必要に応じて石油系光学
的等方性ピッチ、フェノール樹脂、フラン樹脂の群から
選ばれた１種又は２種以上を加えた材料を用いる。

【００２０】本発明の炭素炭素複合材料からなる摺動材
料には、予め賦形された形状の炭素炭素複合材料をその
ままの摺動構造品に適用してもよいし、また、或る程度
賦形された形状の炭素炭素複合材料を、さらに切削その
他の二次加工に付して摺動構造品に適用し易くしたもの
をも含むものである。

【００２１】

【作用】本発明の光学的異方性ピッチ系炭素繊維強化材
及び石油系光学的異方性ピッチ系マトリックス炭素前駆
体を用いた炭素炭素複合材料からなる摺動材料は、炭素
炭素複合材のＸ線回折パラメーターＬ_c （００２）(b)
が２〜１０ｎｍと比較的黒鉛化度の低い領域の炭素炭素
複合材の採用により（動）摩擦係数が低く、かつ耐摩耗
性に優れた各種条件を見出した点に技術的意義がある。

【００２２】

【実施例】本発明を下記の実施例により詳細に説明する
が、これらは本発明の範囲を制限しない。 （実施例１） 光学異方性分率がほぼ１００％の石油系ピッチである光
学的異方性ピッチを溶融紡糸し、３００℃で空気酸化に
より不融化し、２５０℃から２℃／分の昇温温度により
最高温度８５０℃で炭化を行った炭素繊維束に、ノボラ
ック樹脂を含浸させながら直径１００ｍｍの芯に巻き付
け、厚さ２５ｍｍにした後硬化させ、脱型後に円筒状の
成形物を得た。窒素気流中でこの成形物を２５０℃から
１０℃／時の昇温温度で昇温し、最高温度９５０℃で炭
化した。引き続き、この炭素炭素複合材料である成形物
に石油系光学的異方性ピッチ（軟化点１５０℃、８００
℃残炭率４９重量％）を溶融含浸させ、窒素雰囲気中９
５０℃まで炭化する緻密化処理を３回実施して、嵩密度
約１．７ｇ／ｃｍ³ の摺動材料を得た。得られた摺動材
料の繊維体積含有率は３６容積％であり、Ｘ線パラメー
ターＬ_c （００２）が４．８ｎｍ、熱伝導率異方比２．
４であった。また、同様にして得られた摺動材料の摩擦
係数の測定を行った。すなわち、炭素鋼（ＦＣ−２５）
を摩擦子として接触面圧５ｋｇ／ｃｍ² 、摩擦速度（相
対すべ速度）５．０ｍ／秒で測定したところ、摩擦係数
は０．１８であった。この摺動材料を軸受けとして実用
試験を行った。この軸受けは、無給油で長時間安定した
潤滑性能を示した。

【００２３】（実施例２） 実施例１のピッチ系繊維の炭化温度、樹脂含浸した後の
成形物の炭化温度及び炭素繊維体積含有率(a) を種々変
えて、Ｘ線パラメーターＬ_c （００２） (b)、摩擦係数
(d) 及び潤滑特性を調べた。その結果を表１に示す。

【００２４】

【表１】 （炭素炭素複合材料の製造条件及びそれからの摺動材料
の潤滑特性等）

【００２５】（実施例３） 実施例１のノボラック樹脂の代わりに、石油系光学的異
方性ピッチを使用したところ、実施例１と同様の自己潤
滑性に優れた炭素炭素複合材料の炭素成形体摺動材料を
得た。

【００２６】

【発明の効果】本発明の光学的異方性ピッチ系炭素繊維
強化材及び石油系光学的異方性ピッチ系マトリックス炭
素前駆体を使用した炭素炭素複合材料からなる摺動材料
は、金属等の面と摺動する際の摩擦力、即ち動摩擦係数
が小さく、摩耗が少ない利点を有しており、回転軸の軸
受材料、回転軸材料、軸封材料、スクロールカム等の摺
動部分、ガイドバー等に対する摺動部分に用いて優れた
性能を示す。また、本発明の摺動材料は、非酸化性雰囲
気での熱安定性が極めて優れていると共に、構成炭素繊
維の配列方向を調整することにより熱物性を或る程度制
御可能であるために、オイルレス潤滑部品として有用で
ある。さらに、本発明の摺動材料は（静）摩擦係数が低
いことから、種々の擦り合わせ面、ホッパーやシュート
等の固体物品を滑落させる装置や固形物を流体輸送する
装置の内張り等に使用して有用である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ // Ｆ１６Ｄ 69/02 Ｃ０４Ｂ 35/80 Ｂ Ｃ１０Ｎ 20:00 20:06 30:06 30:08 40:02 70:00 (72)発明者 岡本 久夫 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日 産自動車株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−237062（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−149069（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−182355（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−145374（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−5923（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−305060（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C10M 103/02 C04B 35/80 - 35/84 D01F 9/145 - 9/155 F16C 33/16

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭化時の最高温度が７００〜１５００℃
   で得た光学的異方性ピッチ系炭素繊維を炭素炭素複合材
   料用強化材とし、かつ石油系光学的異方性ピッチを主体
   とし、必要に応じて石油系光学的等方性ピッチ、石炭系
   光学的等方性ピッチ、フェノール樹脂、フラン樹脂の群
   から選ばれた１種又は２種以上を加えた材料をマトリッ
   クス炭素前駆体として得られた成形物を最高温度７００
   〜１５００℃で炭化することにより得られた摺動材料で
   あって、且つ、(a ) 炭素繊維体積含有率が１５〜６０容積％、(b) 摺動
   材料を構成する炭素炭素複合材のＸ線パラメーターＬ_c
   （００２）が２〜１０ｎｍ、(c) 熱伝導率異方比が３以
   下であることを特徴とする、低摩擦係数を有する炭素炭
   素複合材料からなる摺動材料。
2. 【請求項２】 (d) 摺動材料の摩擦係数が、炭素鋼の平
   滑な平面に対して接触面圧５ｋｇ／ｃｍ² 、相対すべり
   速度０．２５〜２５．０ｍ／秒で測定した時に、０．０
   ８〜０．２５であることを特徴とする、請求項１記載の
   低摩擦係数を有する炭素炭素複合材料からなる摺動材
   料。