JP4550994B2 - ベアリング転動体用材料 - Google Patents
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Description
【発明が属する技術分野】
本発明は、ベアリング転動体に適した多孔質材料に関し、より詳しくは、米ぬかから得られる脱脂ぬかと、熱硬化性樹脂を混合して混錬し、不活性ガス中700℃〜1000℃で一次焼成した後、100メッシュ以下に粉砕して炭化粉末とし、当該炭化粉末又は炭化粉末とセラミックス粉末と熱硬化性樹脂とを混合して混錬し、圧力20MPa〜30MPaで加圧成形した後、成形体を不活性ガス雰囲気中で再び100℃〜1100℃で熱処理したベアリング転動体に適した多孔質材料に関する。
【0002】
【従来技術】
従来、ボールベアリング、ローラベアリングなどの軸受の転動体用材料には、合金やチッ化珪素などのセラミックスが広く使用きれている。これら軸受の転動体用材料には、機械的な強度のほか表面硬度や温度による寸法変化特性などが要求され、合金系の材料は必然的に密度が高くなり、その結果重さのゆえに加速時のベアリング特性が低下し、セラミックスは密度が低いが衝撃に弱いほか高価なばかりか、電気絶縁性であるため、静電気防止の工夫が要求される。
一方、日本において90万トン/年、世界中で3300万トン/年も排出されている米ぬかを利用して、多孔質炭素材料を得ようとすることは、本件の第一発明者である堀切川 一男の研究により知られている。(機能材料 1997年 5月号 Vol.17 No.5 p24〜28参照)
ここには、米ぬかから得られる脱脂ぬかと、熱硬化性樹脂を混合して混錬し、加圧成形した成形体を乾燥させた後、乾燥成形体を不活性ガス雰囲気中で焼成した炭素材料及びその製造方法が示されている。
しかし、この方法によれば、加圧成形した成形体の寸法と、不活性ガス雰囲気中で焼成した出来あがりの成形体との寸法の収縮比率が25%も違ってくるので実質上、精密な成形体を作成することが困難であった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、成形時の寸法と仕上がり時の寸法収縮比率が小さく、かつ、電気伝導性が良く、温度による歪が小さく、損傷しにくい、軽量長寿命でしかも、オイルやグリースを長期間に亘って保持することができる多孔質ベアリング転動体用材料を提供し、同時に従来の工業材料とは異なるバイオマス系資源を用いたハイテクエコマテリアル(環境適合性に優れた先端技術材料)を提供することを目的としている。
【0004】
本発明者は、ベアリング転動体用材料として優れた特性を持ち、かつ成形時の寸法と仕上がり時の寸法収縮比率が小さく精密なベアリング転動体を作成するのに適した多孔質ベアリング転動体用材料を開発した。
日本において90万トン/年、世界中で3300万トン/年も排出されている米ぬかから得られる脱脂ぬかを原料として有効利用し、成形時の寸法と仕上がり時の寸法収縮比率が小さく、耐ホットオイル性が良く、温度による寸法変化が小さく、損傷しにくい、軽量長寿命でしかも、オイルやグリースを長期間に亘って保持する多孔質ベアリング転動体用材料が得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、鋭意研究した結果、米ぬかから得られる脱脂ぬかと、熱硬化性樹脂を混合して混錬し、不活性ガス中700℃〜1000℃で一次焼成した後、100メッシュ以下に粉砕して炭化粉末とし、当該炭化粉末と熱硬化性樹脂を混合して混錬し、圧力20〜30MPaで加圧成形した後、成形体を不活性ガス雰囲気中で再び100℃〜1100℃で熱処理した焼成したところ多孔質材料が得られ、当該多孔質材料がベアリング転動体用材料として理想的な特性を有することを見出した。すなわち、上記の多孔質材料は、成形時寸法と仕上がり時の寸法収縮比率が3%以下と小さく、油保持が13wt%、体積抵抗率4.85×10−3Ωcm、密度が1.1〜1.3g/cm3であり、高温焼成すれば、ビッカース硬度も300〜600以上のものが得られ、しかも摩擦係数が約0.15程度のものが得られた。
【0006】
(本発明の実施の形態)
本発明において用いられる米ぬかから得られる脱脂ぬかは、米の種類に関係なく、国内産でも外国産でも良い。
また、熱硬化性樹脂は、熱硬化しさえすればどのようなものでも良く、代表的にはフェノール系樹脂、ジアリールフタレート系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、トリアジン系樹脂が挙げられる。とくにフェノール系樹脂が好適に用いられる。
また、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、ポリアミド等の熱可塑性樹脂を併用することも出来る。
本発明において炭化粉末の一部として置き換えることが出来るセラミックスとしては、Si3N4,ZrO 2 ,Al2O3,SiC,BN,WC,TiC,サイアロン(Si-Al-O-N系化合物固溶体)等がある。本発明においては、このようなセラミックスの1種又は2種以上を用いることができる。セラミックスの粒径は、50μm以下のものが望ましく、好ましくは20μm以下のものが良く、より好ましくは0.3〜3μmのものを用いる。
炭化粉末の一部を粒径50μm以下のセラミックスで置き換えると、表面硬度が安定化する効果がある。炭素粉末とセラミックス粉末は良く混合することができ、その比は、重量比5〜95:95〜5とすることが可能である。
【0007】
脱脂ぬかと熱硬化性樹脂の混合割合は、重量比で、50〜90:50〜10であるが、好適には75:25が用いられる。ここで用いられる熱硬化性樹脂は、比較的分子量が小さい液体状のものが望ましい。一次焼成温度は、700℃〜1000℃であり、通常はロータリーキルンが用いられ、焼成時間は約40分から120分である。一次焼成した炭化粉末と熱硬化性樹脂の混合割合が、重量比で、50〜90:50〜10であが、好適には75:25が用いられる。一次焼成した炭化粉末と熱硬化性樹脂の混錬物は、加圧成形時の圧力は、20〜30MPaであり、好適には22〜25MPa が用いられる。金型の温度は約150℃が好ましい。熱処理温度は、100℃〜1100℃であり、通常は充分にコントロールされた電気炉で行う。焼成時間は約60分から360分である。本発明の多孔質ベアリング転動体用材料は、高温度の熱処理をすると多孔質となるためにビッカース硬度は、非常にバラつくが、おおよその傾向として焼成温度と関連している。100〜400℃程度の温度で熱処理したものは、機械的な特性が良い。1100℃以上でも、逆にビッカース硬度が小さいものが得られ、としてはベアリング転動体用材料適していない。焼成温度までの昇温速度は、500℃までは比較的穏やかに上げることが要求される。具体的な数値で云うと、0.5〜2℃/分であり、好ましくは1℃/分である。また、焼き上げた後、温度を下げるのには、500℃までは比較的穏やかに下げることが要求される。500℃以下になると自然放冷する。具体的な数値で云うと、0.5〜4℃/分であり、好ましくは1℃〜2℃/分である。また、不活性ガスは、ヘリウム、アルゴン、ネオン、窒素ガスどれでも良いが、好適には窒素ガスが用いられる。
【0008】
本発明の実施の形態をまとめると、以下のとおりである。
(1) 米ぬかから得られる脱脂ぬかと、熱硬化性樹脂を混合して混錬し、不活性ガス中700℃〜1000℃で一次焼成した後、100メッシュ以下に粉砕して炭化粉末とし、当該炭化粉末と熱硬化性樹脂を混合して混錬し、圧力20MPa〜30MPaで加圧成形した後、成形体を不活性ガス雰囲気中で再び100℃〜1100℃で熱処理した多孔質ベアリング転動体用材料。
(2) 熱硬化性樹脂が、フェノール系樹脂、ジアリールフタレート系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、トリアジン系樹脂から選ばれる1種又は2種以上である上記(1)に記載された多孔質ベアリング転動体用材料。
(3) 脱脂ぬかと熱硬化性樹脂の混合割合が、重量比で、50〜90:50〜10である上記(1)又は上記(2)に記載された多孔質ベアリング転動体用材料。
(4) 炭化粉末と熱硬化性樹脂の混合割合が、重量比で、50〜90:50〜10である上記(1)ないし上記(3)のいずれかひとつに記載された多孔質ベアリング転動体用材料。
(5) 炭化粉末の粒径が50〜250μmである上記(1)ないし上記(4)のいずれかひとつに記載された多孔質ベアリング転動体用材料。
(6)脱脂ぬかと混合する熱硬化性樹脂が液体状であり、炭化粉末と混合する熱硬化性樹脂が固体状である上記(1)ないし上記(5)のいずれかひとつに記載された多孔質ベアリング転動体用材料。
(7) 炭化粉末の一部を、Si3N4,ZrO 2 ,Al2O3,SiC,BN,WC,TiC,サイアロンからなる群れより選ばれるセラミックス粉末の1種又は2種以上で置きかえる上記(1)ないし上記(6)のいずれかひとつに記載された多孔質ベアリング転動体用材料。
(8) 炭化粉末とセラミックス粉末の比が、重量比5〜95:95〜5である上記(7)記載の多孔質ベアリング転動体用材料。
(9) 米ぬかから得られる脱脂ぬかと、熱硬化性樹脂を混合して混錬し、不活性ガス中700℃〜1000℃で一次焼成した後、100メッシュ以下に粉砕して炭化粉末とし、当該炭化粉末と熱硬化性樹脂を混合して混錬し、圧力20MPa〜30MPaで加圧成形した後、成形体を不活性ガス雰囲気中で再び100℃〜1100℃で熱処理した後、徐冷する多孔質ベアリング転動体用材料の製造方法。
(10)徐冷速度が500℃までは、1〜4℃/分である上記(9)に記載した多孔質ベアリング転動体用材料の製造方法。
(11)一次焼成をロータリーキルンで行う上記(9)又は上記(10)記載の多孔質ベアリング転動体用材料の製造方法。
(12)不活性ガスが窒素ガスである上記(9)ないし上記(11)のいずれかひとつに記載した多孔質ベアリング転動体用材料の製造方法。
【0009】
(実施例)本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。
多孔質ベアリング転動体用材料の製造方法の例1〜7米ぬかから得られる脱脂ぬか55〜75gと液体状のフェノール樹脂(レゾール)15〜40gを、50℃〜60℃に加熱しながら、混合して混錬した。可塑性を有する均質な混合物が得られた。混合物を、ロータリーキルンを使って窒素雰囲気中で、800〜1000℃で60〜70分焼き上げた。得られた炭化焼成物を、粉砕機を用いて粉砕し、ついで100メッシュの篩にかけて、粒径が50〜250μmである炭化粉末を得た。得られた炭化粉末75g又は炭化粉末45〜70gとセラミックス粉末の1種又は2種10〜40gと固体状の熱硬化型フェノール樹脂(レゾール)15〜25gとを100℃〜150℃に加熱しながら、混合して混錬した。可塑性を有する均質な混合物が得られた。製造方法の4は、炭化粉末45g、粒径が2〜3μmの窒化ホウ素粉末30g及び熱硬化性樹脂(レゾール)を25g、製造方法5は、炭化粉末55g、粒径が2〜3μm炭化珪素粉末20g及び熱硬化性樹脂(レゾール)を25g、製造方法6は、炭化粉末70g、粒径が2〜3μm窒化ホウ素粉末10g及び熱硬化性樹脂(レゾール)を20g、製造方法7は、炭化粉末45g、粒径が2〜3μm窒化ホウ素粉末20g、同炭化珪素20g、熱硬化性樹脂(レゾール)15gをそれぞれ用いた。次いで、可塑物を圧力22MPa で転動体の形に加圧成形した。金型の温度は150℃であった。金型から成形体を取り出し、窒素雰囲気中で500℃までは1℃/分の昇温速度で温度を上げ、500℃で60分間保持し、900℃で約120分燒結した。次いで500℃までは2〜3℃/分の冷却速度で、温度を下げ、500℃以下になると自然放冷した。表1に多孔質ベアリング転動体用材料の製造方法の条件を示す。
【0010】
【表1】
製造例1〜7で得られた、多孔質ベアリング転動体用材料の特性を実施例として表2に示す。さらに、
【0011】
【表2】
圧縮強度は、直径5mm×高さ12.5mmの円柱状試験片で試験した。油保持性は、試料に潤滑油を脱気含浸後、1150rpm,45秒間遠心分離し、試料に対する分離された潤滑油の重量で示した。吸水率は、試料を150℃で6時間加熱し、真空デシケータで20時間処理した後、常温の室内で72時間放置して測定した。
【0012】
【表3】
実施例1の材料を用いて摩擦係数の試験を行った。
摩擦係数は、直径10mmのスチールボールを用いて、荷重10Nと50Nを加えて、常温1mmストロークでSRV試験機により求めた。
【表4】
実施例1の材料を用いてビッカース硬度の試験を行った。
ビッカース硬度は、ビッカース硬度計により測定した。
数値がバラついているのは、試料が多孔質であるためである。
(従来例)
米ぬかから得られる脱脂ぬか7.5kgと、水0.5kgと液状のフェノール樹脂(レゾール)2.5kgを混合して混錬し、乾燥後、可塑物を圧力21.5MPa で転動体の形に加圧成形した。金型の温度は150℃であった。
金型から成形体を取り出し、窒素雰囲気中で500℃までは1℃/分の昇温速度で温度を上げ、900℃で約120分燒結した。
次いで500℃までは2〜3℃/分の冷却速度で、温度を下げ、500℃以下になると自然放冷した。その特性を表2に示す。
【0013】
【本発明の効果】
本発明の多孔質ベアリング転動体用材料は、成形時の寸法と仕上がり時の寸法収縮比率が小さく、電気導電性であり、温度による歪が小さく、損傷しにくい、軽量長寿命でしかも、オイルやグリースを長期間に亘って保持することができるという従来の材料には見られないベアリング転動体に適した特性があることを確認することができた。
Claims (8)
- 米ぬかから得られる脱脂ぬかと、熱硬化性樹脂を混合して混錬し、不活性ガス中700℃〜1000℃で一次焼成した後、100メッシュ以下に粉砕して炭化粉末とし、当該炭化粉末と熱硬化性樹脂を混合して混錬し、圧力20MPa〜30MPaで加圧成形した後、成形体を不活性ガス雰囲気中で再び100℃〜1100℃で熱処理した多孔質ベアリング転動体用材料。
- 熱硬化性樹脂が、フェノール系樹脂、ジアリールフタレート系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、トリアジン系樹脂から選ばれる1種又は2種以上である請求項1に記載された多孔質ベアリング転動体用材料。
- 脱脂ぬかと熱硬化性樹脂の混合割合が、重量比で、50〜90:50〜10である請求項1又は請求項2に記載された多孔質ベアリング転動体用材料。
- 炭化粉末と熱硬化性樹脂の混合割合が、重量比で、50〜90:50〜10である請求項1ないし請求項3のいずれかひとつに記載された多孔質ベアリング転動体用材料。
- 炭化粉末の粒径が50〜250μmである請求項1ないし請求項4のいずれかひとつに記載された多孔質ベアリング転動体用材料。
- 脱脂ぬかと混合する熱硬化性樹脂が液体状であり、炭化粉末と混合する熱硬化性樹脂が固体状である請求項1ないし請求項5のいずれかひとつに記載された多孔質ベアリング転動体用材料。
- 炭化粉末の一部をSi3N4,ZrO 2 ,Al2O3,SiC,BN,WC,TiC,サイアロンからなる群れより選ばれるセラミックス粉末の1種又は2種以上で置き換える 請求項1ないし請求項6のいずれかひとつに記載された多孔質ベアリング転動体用材料。
- 炭化粉末とセラミックス粉末の比が、重量比5〜95:95〜5である請求項7記載の多孔質ベアリング転動体用材料。
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