JP5084299B2 - 炭素系固体摺動材料とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭素系固体摺動材料及びその製造方法に関するものである。

炭素からなる摺動材料は、耐熱性、耐薬品性に優れ、しかも軽量であるという優れた利点を持っており、従来の金属系、および高分子系の摺動材料が使用できない高温や腐食性などの雰囲気下で使用されている。

従来の炭素からなる摺動材料は主に黒鉛質の等方性炭素からなる材料とガラス状炭素からなる材料とに分類される。黒鉛質の等方性炭素からなる摺動材は自己潤滑性を有するが、機械的強度が劣る。一方、ガラス状炭素からなる摺動材は摩擦係数が低く、比磨耗量が小さいといった優れた摺動特性を示すが、高硬度で耐機械衝撃性が弱いために、加工性が劣る。また、これら従来の炭素からなる摺動材は板形状体やブロック形状体から切削加工により作成するために無駄になる材料の量が多く、煩雑な製造工程を経るため、コストが高くなる欠点を有している。その上任意且つ複雑な形状体を得ることが困難であった。
ガラス状炭素からなる摺動材については、下記特許文献１，２に記載されているように、炭素を含む樹脂を必要とされる形状に賦形後、焼成するという工程で加工性に優れ、任意の複雑な形状の炭素系固体摺動材料を得ることも可能である。しかしながら、焼成時の収縮が大きいことにより、寸法精度を合わせるのが困難であるといった問題点があった。
特開平１１−２９２６２９号公報 特開２００１−１８１０４４号公報 特開２００３−１２８４６７号公報

したがって本発明の目的は、摺動材料として必要な摺動特性や耐機械衝撃性を有する上、任意形状を有する寸法精度の良い摺動材料を安易に且つ安価に得ることにある。

発明者らは、このような実状に鑑み、上記のことを開発の課題として鋭意研究の結果、
自己潤滑性、耐機械衝撃性をもたせることを目的として、
カオリナイト系、セリサイト系、モンモリロナイト系、ベントナイト系の粘土類、ゼオライト、ケイソウ土、活性白土、シリカ、リン酸アルミニウムなどの無機結合材の焼成物と、
該焼成物中に均一に分散した黒鉛、ダイヤモンド、グラファイトクラスターダイヤ、フラーレン、カーボンナノチューブおよびカーボンブラックのうち少なくとも一種からなる炭素粉末とを含む炭素系固体摺動材料は、優れた摺動特性、耐機械衝撃性を有する上、より簡便な工程で製造でき、安価に且つ寸法精度の良いこと、さらには材料の配合比の制御によって機械的強度を容易に調整出来ることを見いだし、本発明に至ったものである。

このとき無機結合材の焼成物は含有率５０質量％以上が好ましく、また、炭素粉末の総含有率は、５質量％以上であることが好ましい。

本発明における粘土の融着によって得られる成形体の方が、従来の炭素からなる摺動材料と比べて、エネルギーコスト、形状管理の面で低コストである。また、結合材としての粘土類は、ガラス状炭素の出発原料であるフラン樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂と比べて安価であり、その配合比の調整によって得られるものの硬度を制御することが出来るという利点を持つ。

また、焼成前に酸化チタン、雲母、タルク、窒化硼素、シリカ、アルミナ、炭酸カルシウム、二硫化モリブテン、二硫化タングステン等の一種または二種以上の体質材がさらに混合されることが焼成時の寸法収縮を抑える効果があり好適である。この含有率は２０質量％以下であることが好ましい。

前述の炭素粉末としては、黒鉛、ダイヤモンド、グラファイトクラスターダイヤ、フラーレン、カーボンナノチューブおよびカーボンブラックなどが挙げられるが、使用する炭素粉末種と量は、目的とする摺動材の形状・強度等の必要特性により適宜選択され、単独でも２種以上の混合体でも使用することができるが、特に摺動特性制御の簡易さ、及び自己潤滑性を高める観点から黒鉛を使用することが好ましい。

平均摩擦係数は０．２０以下であることが望ましい。

更に本発明によれば、炭素粉末と一種または二種以上の無機結合材を混合し、任意の形状に賦形後、非酸化性雰囲気中で焼成して無機結合材の焼成物とその中に均一に分裂した炭素粉末とからなる複合体を得ることを特徴とする炭素系固体摺動材料の製造方法が提供される。

前述の賦形方法には、圧縮成形、押し出し成形、射出成形、真空成形等の一般的に普及している成形方法が挙げられ、圧縮成形や射出成形にて表面にパターンのある板状や、押出し成形にて丸棒や平板状に成形する等、賦形形状により適宜選択使用することが好ましい。また、前述の無機結合材及び炭素粉末の混合物の性状によっても賦形方法は適宜選択する。

本発明による炭素系摺動材料の製造方法をさらに特定すれば、まず、無機結合材と炭素粉末とを混合機を用いてよく混合させる。得られた混合物を、混合物の性状、賦形形状により選択した成型方法を用いて賦形する。

次に賦形体を炭素前駆体化処理し、得られた炭素前駆体を窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中または真空雰囲気下にて１０００℃以上、好ましくは１０００℃〜１３００℃の温度まで加熱昇温し、炭素と無機結合材とからなる炭素系摺動材料を得る。

以下に、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこの実施例によって何等限定されるものではない。

（実施例１）モンモリロナイト７０部に天然黒鉛微粉末（日本黒鉛製 平均粒径５μｍ）３０部を複合した組成物、および水系用分散材３部に、水１００部を添加して、ヘンシェルミキサーを用いて分散した後、表面温度を１２０℃に保ったミキシング用二本ロールを用いて十分に混練を繰り返して組成物を得、ペレタイザーによってペレット化し、成形用組成物を得た。このペレットをスクリュー式押出機でＴダイを用い脱気を行いつつ押し出し、板状の成形体を得た。次に、これを円盤状にカットしたものを窒素ガス雰囲気中において１１００℃で焼成し、板状の炭素系摺動材を得た。

得られた炭素系摺動材料の、動摩擦係数と曲げ強度と曲げ弾性を測定した。結果を表１に示す。

（実施例２）カオリナイト７４部に天然黒鉛微粉末（日本黒鉛製 平均粒径５μｍ）２６部を複合した組成物、タルク１部、および水系用分散材５部に、水１００部を添加して、ヘンシェルミキサーを用いて分散した後、表面温度を１２０℃に保ったミキシング用二本ロールを用いて混練した後に、粉砕機にて粉砕し組成物を得た。得られた組成物を板状にプレス成形した。次に、これを窒素ガス雰囲気中において１３００℃で焼成し、炭素板を得た。

得られた試験片について実施例１と同様に摺動試験、曲げ強度試験を実施した。結果を表１に示す。

（比較例１）黒鉛質等方性炭素材料（東洋炭素社製）のブロックを円盤状に切削加工し、厚さ１．０ｍｍの摺動特性試験片を得た。得られた試験片について実施例１と同様に摺動試験、曲げ強度試験を実施した。結果を表１に示す。

（比較例２）フラン樹脂（日立化成社製 ヒタフランＶＦ−３０３）８０部にカーボンブラック（三菱化成社製一次粒子径５ｎｍ）２０部を混合し、ヘンシェルミキサーにて混合し、次いで１２０℃に加熱したロールミキサーにて混練をおこなった。該混練物を圧縮成形機を使用して円盤状に賦形した。窒素雰囲気中の焼成炉で５００℃までを毎時２５℃の昇温速度で昇温し、その後１４００℃までを毎時１００℃で昇温し、１４００℃で３時間保持した後自然冷却して焼成を完了し、厚さ１．０ｍｍの摺動特性試験片を得た。得られた試験片について実施例１と同様に摺動試験、曲げ強度試験を実施した。結果を表１に示す。

表１に示した結果から明らかなように、本発明の炭素系固体摺動材料は従来の炭素材料に比べて平均摩擦係数、比磨耗量が小さいなど優れた摺動特性を有しているうえ曲げ強度、曲げ弾性率が大きいなど耐機械特性も優れている。また既存のプラスチックの成形方法を用いた本願発明では焼成後に加工することなく任意の形状体を得ることが出来るようになったため、従来の炭素材料とは異なり、簡便な工程で、安価に製品を提供することが可能である。

また、使用材料が安価且つ焼成工程が短時間ですむために、さらにコスト的に安価な摺動材を得ることが可能である。

焼成時の収縮率が小さいため、炭素含有樹脂からの焼成品（比較例２）に比べて寸法精度の良いものを得ることができ、加工工程の削減や簡素化が可能であり、さらなる低コスト化が可能である。

Claims (5)

1. 無機結合材の焼成物と、該焼成物中に均一に分散した炭素粉末とを含み、
   前記無機結合材は、カオリナイト系、セリサイト系、モンモリロナイト系、およびベントナイト系の粘土類、ゼオライト、ケイソウ土、活性白土、シリカ、およびリン酸アルミニウムからなる群から選ばれた少なくとも１つであり、
   前記無機結合材の焼成物は５０質量％以上含まれ、前記炭素粉末は５質量％以上含まれる摺動材料。
2. 前記炭素粉末は、黒鉛、ダイヤモンド、グラファイトクラスターダイヤ、フラーレン、カーボンナノチューブおよびカーボンブラックからなる群から選択された少なくとも１つである請求項１記載の炭素系固体摺動材料。
3. 体質材の焼成物をさらに含む請求項１または２記載の摺動材料。
4. 前記体質材は、酸化チタン、雲母、タルク、窒化硼素、シリカ、アルミナ、炭酸カルシウム、二硫化モリブランまたは二硫化タングステンからなる群から選ばれた少なくとも１つである請求項１〜３のいずれか１項記載の摺動材料。
5. 無機結合材に炭素粉末を混合し、所望の形状に賦形後、非酸化性雰囲気中で焼成することを含み、
   前記無機結合材は、カオリナイト系、セリサイト系、モンモリロナイト系、およびベントナイト系の粘土類、ゼオライト、ケイソウ土、活性白土、シリカ、およびリン酸アルミニウムからなる群から選ばれた少なくとも１つであり、
   前記無機結合材はその焼成物が摺動材料中に５０質量％以上含まれるような割合で混合され、前記炭素粉末はそれが摺動材料中に５質量％以上含まれるような割合で混合される炭素系固体摺動材料の製造方法。