JP3607778B2

JP3607778B2 - カーボン摺動材

Info

Publication number: JP3607778B2
Application number: JP10775196A
Authority: JP
Inventors: 正巳宮沢
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 1996-04-26
Filing date: 1996-04-26
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2016-04-26
Also published as: JPH09295867A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は摺動材に関し、特に、粘性流体や潤滑性の少ない流体中等であっても良好な潤滑性が得られるカーボン摺動材に関するものである。
【０００２】
【従来技術およびその問題点】
一般に、カーボン材は、黒鉛化質成分を含むために自己潤滑性が有り、耐摩耗性、耐薬品性にも優れるため、摺動材として広く使用されている。
【０００３】
しかし、このような特性を有するカーボン材であっても、粘性流体や潤滑性の少ない流体中等で使用した場合には、摺動面にカーボンブリスターが発生する虞がある。
【０００４】
カーボンブリスターは、摺動面に局部的に１〜２μｍの隆起や亀裂等が発生する現象であって、摺動面の平坦度が失われるためにシール性に影響を与え、摺動材としての寿命を低下させる原因となる。
【０００５】
カーボンブリスターの発生原因として、粘性流体による粘性抵抗説、トルクの変動による疲労的破壊現象説等が提唱されているが、何れの説を採るにしても原因が多岐に渡っているため、明確な発生原因は未だ特定されていない。
【０００６】
カーボンブリスターの発生を抑制する対策として、カーボン材の強度を高めたり、耐熱性に限界がある樹脂含浸を止めて緻密質の無含浸のものを使用したり、シリコンカーバイドのような比較的摺動面が粗いセラミックスを相手側摺動材に使用してシール液の液膜構成を容易にして低トルク化を図ったり、摺動面に潤滑溝を形成して摺動中に摺動面に流体を取り込み易くして低トルク化を図ったりすること等の方法が採られている。
【０００７】
しかし、このような方法であっても万全ではなく、カーボン材の強度には限界があるために使用できる範囲が狭い範囲内に制限されたり、相手側摺動材をセラミックスで形成しても使用が進むにつれて初期の表面粗さを維持することが困難となったり、潤滑溝の加工に多大な経費がかかるために全体としてコスト高となったりする等の新たな問題が生じることになる。
【０００８】
この発明は前記のような従来のもののもつ問題点を解決したものであって、粘性流体や潤滑性の少ない流体中で使用した場合であっても、カーボンブリスターが発生する虞がほとんどなく、良好な潤滑状態が得られるとともに、そのような良好な潤滑状態を長期的に維持することができるカーボン摺動材を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【問題点を解決するための手段】
上記の問題点を解決するためにこの発明は、天然黒鉛、人造黒鉛およびコークスの少なくともいずれかからなる骨材と、コールタールピッチおよび合成樹脂の少なくともいずれかからなる結合材とを主成分とする原料に、球状に形成された合成樹脂を所定の温度で焼成して得た硬質の球状カーボンを配合し、これらを混合、混練り、成形の工程を経て所定の温度で焼成することにより得られるマトリックス中に、摺動面に前記球状カーボンによる凸部とともに前記球状カーボンの脱落による凹部が形成されるように前記球状カーボンが独立した状態で存在する、ことを特徴としている。また、前記球状カーボンの粒度は１〜５０μｍであり、配合比は全体の２〜３０ｗｔ％である手段を採用したものである。さらに、前記球状の合成樹脂は、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、ポリエステル樹脂、およびナフタレン樹脂のいずれかの合成樹脂を素材としている。
【００１０】
【作用】
この発明は前記のような手段を採用したことにより、マトリックス中に硬質の球状カーボンが独立した状態で存在するとともに、この球状カーボンによって摺動面に凸部が形成されることになる。そして、相手側部材と摺動接触すると、摺動負荷によって一部の球状カーボンが摺動面から脱落し、その部分に凹部が形成される。したがって、摺動面には球状カーボンによって複数の凹部、凸部が形成され、これらの凹部、凸部によって摺動面の表面粗さが粗く形成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明によるカーボン摺動材の実施の形態について説明する。
この実施の形態によるカーボン摺動材は、粘性流体や潤滑性の少ない流体中等で使用されるものであって、そのような使用条件下であっても良好な潤滑性が得られるようにするため、マトリックス中に硬質の球状カーボンを独立した状態で存在させたものである。
【００１２】
すなわち、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス、メソフェース等の骨材と、コールタールピッチ、合成樹脂等の結合材を主成分とする原材料に硬質の球状カーボンを配合し、これらを混合、混練り、成形の工程を経て所定の温度（１０００〜３０００℃）で焼成することにより、マトリックス中に球状カーボンを独立した状態で存在させたものである。
【００１３】
球状カーボンは、マトリックス中に独立した状態で存在させるため、十分に不融化してあることが条件となる。したがって、３００〜２０００℃の温度で焼成してあることが好ましい。
【００１４】
球状カーボンの配合比は、全原材料の２〜３０ｗｔ％の範囲にあれば良く、好ましくは５〜１５ｗｔ％の範囲にあれば良い。また、球状カーボンの大きさは、１〜５０μｍの範囲であれば良く、好ましくは５〜３０μｍの範囲にあれば良い。これ以上粒度が大きかったり配合量が多いと、強度的に問題が生じたり、表面粗さが大きくなり過ぎて摺動材としての密封性に影響を与えるからである。また、これ以上粒度が小さかったり配合量が少ないと、球状カーボンの添加の効果が薄れるからである。
【００１５】
このようにして配合された球状カーボンは、球状であることから表面積が小さく、結合材と充分な結合力がないため、マトリックス中に独立した状態で存在することになる。
【００１６】
球状カーボンは、特にその組成を問うものではないが、不融化した状態で強度があり、成形時に破壊しないことが必要である。また、添加時に溶融や結合材等と反応しないことも必要である。このような条件を満足するのは、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、ポリエステル樹脂、ナフタレン樹脂等の合成樹脂より作られた硬質のものが好ましい。このような合成樹脂を原料とすることによって黒鉛化しにくい難黒鉛化質となり、コークスや黒鉛に比較して強度や硬度が高く、耐摩耗性に富んだ性質を有することになる。
【００１７】
球状化の方法は、スプレードライヤー等によるのが一般的であるが、これに制限されるものではなく、球状化できれば何れの方法であってもよいものである。なお、球状化する過程で内部が中空になることは特に問題とならない。
【００１８】
上記のような球状カーボンを配合したこの実施の形態によるカーボン摺動材にあっては、耐摩耗性に富む硬質の球状カーボンによって摺動面上に複数の凸部を形成することができるとともに、粘性流体や潤滑性の少ない流体中等で使用した場合に相手側部材と摺動接触すると、そのときの摺動負荷によって摺動面から一部の球状カーボンから脱落し、その部分に凹部を形成することができる。したがって、摺動面上に球状カーボンによって複数の凹部、凸部を形成することができるので、摺動面の表面粗さを大きくすることができる。この結果、摺動面に密封対象流体が浸入し易くなるので、摺動面を流体潤滑条件とすることができ、粘性流体や潤滑性の少ない流体中等であっても、摺動面の温度上昇、トルクの上昇を低く抑えることができ、カーボンブリスターの発生を抑制することができることになる。
【００１９】
以下、この発明の実施の形態によるカーボン摺動材を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００２０】
（実施例１）
人造黒鉛（平均粒度１０μｍ）３０ｗｔ％、コークス粉（平均粒度５μｍ）１５及び２０ｗｔ％、球状のフェノール樹脂を６００℃で焼成して作った球状カーボン（平均粒度約１０μｍ）５及び１０ｗｔ％、コールタールピッチ４０ｗｔ％及びフェノール樹脂５ｗｔ％を原材料として均一に混合した後、加圧ニーダーを用いて１６０℃−６０分間の混練りを行い、冷却後、自由ミルを用いて１００メッシュ以下に微粉砕を行い、成形粉を得た。成型圧力１．３ｔｏｎ／ｃｍ^２、１５０℃−５分の条件で金型プレス成形を行い、φ５０×φ１００×５０ｍｍの成形体を得た。これを１０００℃まで熱処理して炭素黒鉛化質カーボン素材を得た。その特性を表１に示す。そして、このカーボン素材から摺動面がφ５８．６×φ６６．１ｍｍ（大きさφ５６×φ８１×２７）の試験片を作り、評価用の試験片とした。このままでは気密性に問題があるため、フラン樹脂含浸を行い、熱処理を施した。そして、この試験片をメカニカルシール試験機を用い、以下の条件で評価試験を実施した。
（試験条件）
シール流体；タービン油＃１５０、温度；４０℃、シール圧力；１５Ｋｇ／ｃｍ^２、回転数；３０００ｒｐｍ、時間；１００時間、相手摺動材料；ＳｉＣ（シリコンカーバイト）
【００２１】
（比較例１）
人造黒鉛（平均粒度１０μｍ）３０ｗｔ％、コークス粉（平均粒度５μｍ）２５ｗｔ％、コールタールピッチ４０ｗｔ％及びフェノール樹脂５ｗｔ％の配合比率の原材料について、実施例１と同様の方法で、混合、混練り、粉砕、成形の工程を経て所定の温度で焼成し、所定の大きさのカーボン素材を得た。その特性を表１に示す。このカーボン素材から摺動面がφ５８．６×φ６６．１ｍｍ（大きさφ５６×φ８１×２７）の試験片を作り、評価用の試験品とした。このままでは気密性に問題があるため、フラン樹脂含浸を行い、熱処理を施した。そして、この試験片を実施例１と同様の方法でメカニカルシール試験機を用い、同様の試験条件で評価試験を実施した。
【００２２】
（実施例２）
メソフェース（川崎製鉄（株）製）と球状のナフタレン樹脂を１０００℃で焼成して作った球状カーボン（平均粒度約１０μｍ）５、１５及び１０ｗｔ％をそれぞれ配合した原材料を均一に混合した後、ＣＩＰ（静水圧プレス）を用いて１．５ｔｏｎ／ｃｍ^２−５分の条件で約φ１００×５０ｍｍの成形体を得た。これを２０００℃まで熱処理して、黒鉛化質カーボン素材を得た。特性を表１に示す。このカーボン素材から、摺動面がφ５８．６×φ６６．１ｍｍ（大きさφ５６×φ８１×２７）の試験片を作り、評価用の試験片とした。この試験片は、気孔率が低く、気孔径も小さいため、含浸は必要としなかった。そして、実施例１と同様の方法でメカニカルシール試験機を用い、以下の試験条件で評価試験を実施した。
（試験条件）
シール流体；タービン油＃１５０、温度；４０℃、シール圧力；１５Ｋｇ／ｃｍ^２、回転数；３０００ｒｐｍ、時間；１００時間、相手摺動材料；超硬合金
【００２３】
（比較例２）
メソフェース（川崎製鉄（株）製）のみから、実施例２と同様の方法で黒鉛化質カーボン素材を得た。特性を表１に示す。このカーボン素材から、摺動面がφ５８．６×φ６６．１ｍｍ（大きさφ５６×φ８１×２７）の試験片を作り、評価用の試験片とした。この試験片は、気孔率が低く、気孔径も小さいため、含浸は必要としなかった。そして、実施例１と同様の方法でメカニカルシール試験機を用い、実施例２と同様の試験条件で評価試験を実施した。
【００２４】
（実施例３）
人造黒鉛（平均粒度２０μｍ）７０、６５及び６０ｗｔ％と球状のフェノール樹脂を１０００℃で焼成して作った球状カーボン（平均粒度約１０μｍ）５、１０及び１５ｗｔ％とフェノール樹脂２５ｗｔ％を均一に混合した後、加圧ニーダーを用いて１５０℃−１５分間の混練りを行い、冷却後、自由ミルを用いて約１ｍｍ以下に粉砕を行い、成形粉を得た。成型圧力０．６ｔｏｎ／ｃｍ^２、１５０℃−５分の条件で金型プレス成形を行い、φ２０×φ４０×１７ｍｍの成形体を得た。これを１０００℃まで熱処理して、炭素黒鉛化質カーボン素材を得た。特性を表２に示す。そして、このカーボン素材から摺動面形状２３×φ２９ｍｍ（大きさ２３×３５×１０ｍｍ）の試験片を加工し、評価用試験片とした。Ｒｉｎｇ−ｏｎ−Ｒｉｎｇ式摩擦摩耗試験機を用い、以下の試験条件で、カーボンブリスターの発生傾向を初めとする材料の摺動特性の評価試験を実施した。
（試験条件）
流体；タービン油＃１５０、温度；４０℃から自然昇温、圧力；１０Ｋｇ／ｃｍ^２、回転数；３０００ｒｐｍ、時間；２４時間、相手摺動材料；超硬合金
【００２５】
（比較例３）
人造黒鉛（平均粒度２０μｍ）７５ｗｔ％とフェノール樹脂２５ｗｔ％を均一に混合した後、実施例３と同様の方法で炭素質カーボン素材を得た。特性を表２に示す。このカーボン素材から摺動面形状２３×φ２９ｍｍ（大きさ２３×３５×１０ｍｍ）の試験片を加工し、評価用の試験片とした。実施例３と同様の方法でＲｉｎｇ−ｏｎ−Ｒｉｎｇ式摩擦摩耗試験機を用い、実施例３と同様の試験条件で、カーボンブリスターの発生傾向を初めとする材料の摺動特性の評価試験を実施した。
【００２６】
（試験結果の要約）
＜メカニカルシール試験＞
球状カーボンを配合したカーボン摺動材は、球状カーボンを配合していないカーボン摺動材に比べて摺動面温度が低く、試験後の摺動面の表面粗さが大きい（図１参照）。また、球状カーボンを配合したカーボン摺動材は、カーボンブリスターの発生もなく、漏れ量も少なく、球状カーボン配合の顕著な効果が現われている。球状カーボンを配合しないカーボン摺動材は、摺動面温度は最初は高いが、試験途中から急激に温度が低下し、漏れ量も急激に増大する。これは、摺動面にカーボンブリスターが発生し、密封性が失われたからと考えられる。
＜Ｒｉｎｇ−ｏｎ−Ｒｉｎｇ式摩擦摩耗試験＞
球状カーボンを配合したカーボン摺動材は、球状カーボンを配合していないカーボン摺動材に比べて摩擦係数、摺動面温度が低く、表面粗さが大きい。また、摩耗量も少なく、クラックを伴うカーボンブリスターの発生もなく、球状カーボン配合の顕著な効果が現われている。これに対して、球状カーボンを配合していないカーボン摺動材は、摩擦係数、摺動面温度が高く、表面粗さが小さく、カーボンブリスターの発生もある。
試験後の摺動面の拡大図を図２に示す。配合した球状カーボンが強い光沢を持ち、この部分が凸部を形成して強く摺動していたことが分かる。一方、図２上の黒い部分は球状カーボンが脱落した部分であり、この部分に凹部を形成していることが分かる。
【００２７】
【表１】

【００２８】
【表２】

【００２９】
【発明の効果】
この発明は前記のように構成したことにより、以下のような効果を奏することになる。
すなわち、硬質の球状カーボンによって摺動面上に複数の凸部を形成することができるとともに、粘性流体や潤滑性の少ない流体中等で使用した場合に、相手側部材との摺動負荷によって、摺動面から一部の球状カーボンが脱落し、その部分に凹部を形成することができる。したがって、摺動面上に球状カーボンによって複数の凹部、凸部を形成することができるので、摺動面の表面粗さを大きくすることができ、粘性流体や潤滑性の少ない流体中等で使用しても、摺動面にそれらの流体が浸入し易くなるので、摺動面を流体潤滑条件とすることができ、摺動面の温度上昇、トルクの上昇を低く抑えることができ、カーボンブリスターの発生を抑えることができ、良好な潤滑性を長期的に維持することができることになる等の優れた効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるカーボン摺動材の摺動面の表面粗さ及び従来のカーボン摺動材の摺動面の表面粗さを示した説明図である。
【図２】この発明によるカーボン摺動材の摺動面の拡大図である。
【符号の説明】
１……凸部
２……凹部

Claims

天然黒鉛、人造黒鉛およびコークスの少なくともいずれかからなる骨材と、コールタールピッチおよび合成樹脂の少なくともいずれかからなる結合材とを主成分とする原料に、球状に形成された合成樹脂を所定の温度で焼成して得た硬質の球状カーボンを配合し、これらを混合、混練り、成形の工程を経て所定の温度で焼成することにより得られるマトリックス中に、摺動面に前記球状カーボンによる凸部とともに前記球状カーボンの脱落による凹部が形成されるように前記球状カーボンが独立した状態で存在する、
ことを特徴とするカーボン摺動材。
前記球状カーボンの粒度は１〜５０μｍであり、配合比は全体の２〜３０ｗｔ％である請求項１記載のカーボン摺動材。
前記球状の合成樹脂は、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、ポリエステル樹脂、およびナフタレン樹脂のいずれかの合成樹脂を素材としている、
ことを特徴としている請求項１または２に記載のカーボン摺動材。