JPH06116577A

JPH06116577A - 機械構成部材の減摩方法、および、機械構造用減摩材料

Info

Publication number: JPH06116577A
Application number: JP26869392A
Authority: JP
Inventors: Katsuzo Okada; 勝蔵岡田; Shigetaka Iwata; 重剛岩田
Original assignee: TAIRIKU BOEKI KK
Current assignee: TAIRIKU BOEKI KK
Priority date: 1992-10-07
Filing date: 1992-10-07
Publication date: 1994-04-26

Abstract

(57)【要約】【目的】機械構造材料の摩擦部分の摩擦係数を、給油
脂の必要無く、格段に減少せしめるとともに、摩擦相手
部材の摩耗を抑制し得る技術を提供する。【構成】基材２の中に、ダイヤモンド超微粉末１を分
散させる。上記ダイヤモンド超微粉末の一部（１ａ）は
摩擦面に露出し、一部（１ｂ）は基材２から剥脱されて
遊離して「ころ」として作用し、一部（１ｃ）は遊離し
た後に相手部材４の摩擦面に半ば埋没してこれを保護す
る。さらに、流体（例えば大気）３の存在によって吸着
層５が形成され、一層の減摩効果が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば軸受や、軸受で
支持された摺動軸，回転軸や、平面軸受などのように、
摩擦面を有する機械構造用部材において、その摩擦係数
を著しく減少させる方法、及び、摩擦係数を著しく減少
させた機械構造用材料に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ころ等のころがり部材を用いることなく
摩擦を減少させる技術としては、給油によって潤滑油膜
を形成することが最も一般的であり、液体潤滑剤を用い
難い場合には二硫化モリブデン，二硫化タングステン，
黒鉛などの層状固体潤滑剤が用いられる。また、固体潤
滑の応用として、上記の固体潤滑剤若しくはテフロン粒
子などを基材中に分散させる技術も公知である。固体潤
滑の代表例である黒鉛や二硫化モリブデンは、原子配列
が多層状をなし、層間結合が弱いので層間滑りを生じ、
自己犠牲型の潤滑効果を果たす。この種の固体潤滑剤は
摩擦の相手部材よりも低硬度であることが必要条件であ
ると信じられていた。その理由は、相手部材よりも高硬
度であると、相手部材の摩擦面を削り込んでしまうから
である。上記の固体潤滑剤を用いた乾燥摩擦における摩
擦係数は０．０５〜０．４程度である。

【０００３】潤滑剤を供給しなくても減摩効果が得られ
るように工夫されたオイルレスベアリングも公知である
が、日刊工業新聞社発行の「オイルレスベアリング」に
も定義されているごとく多孔性材料に油性潤滑剤を含浸
させたものであって、潤滑油の蒸発，劣化などの問題を
有しており、文字通りの無給油性能を有しているもので
はない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の事情に
鑑みて為されたものであって、ａ．給油，給脂の必要が無く（給油による、一層の性能
向上は可能）、ｂ．従来技術に比して格段に摩擦係数を減少せしめ得る
減摩技術を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに創作した本発明の基本的原理について、その実施例
に対応する図１を参照して略述すると次のごとくであ
る。基材２の中にダイヤモンド超微粉末１を分散させ、
摩擦相手部材４と対向せしめる。この図１は模式図であ
って、断面を拡大した実形を描いたものではない。この
例では流体３（例えば空気）を介して対向しているが、
本発明を実施する場合、水，その他各種の流体中であっ
ても良く、また真空中であっても良い。図示の１ａは、
分散された多数のダイヤモンド超微粉末の中で摩擦面に
露出したダイヤモンド超微粒子、１ｂは基材２から遊離
したダイヤモンド超微粉末であり、１ｃは遊離した後に
相手部材中に半ば埋没したダイヤモンド超微粉末であ
る。ダイヤモンド超微粉末が流体３に触れているとき
は、その接触面に吸着層５が形成されて減摩効果を助長
する。上記のダイヤモンド超微粉末については、本発明
者らが発明して本出願人によって別途出願中の「含油軸
受の潤滑方法および含油軸受ならびに含油軸受用潤滑
油」（特願平３−２１１９８９号・末公開）に開示され
ている。ただし、上記の先願に係る発明においては、ダ
イヤモンド超微粉末を潤滑油の添加剤に準じて認識して
おり、これを固体材料中に分散させるという技術的思想
には到達していない。

【０００６】

【作用】図１に示した模式図において、基材２から遊離
したダイヤモンド超微粉末１ｂは、ころがり作用によっ
て減摩機能を果たし、相手部材４に半ば埋没したダイヤ
モンド超微粉末１ｃは該相手部材４を覆ってその摩耗を
減少させる。さらに、流体（例えば空気）３の中で吸着
層５が形成されているときは、この吸着層５の滑り作用
によって一層の減摩機能が得られる。

【０００７】

【実施例】衝撃法で作られた、粒径５〜１０nmのダイヤ
モンド超微粉末と、平均粒度１０μmのアルミニウム
粉末とを混合し、加圧成形した後、焼結して、アルミニ
ウム基材の中にダイヤモンド超微粒子が分散している複
合材を作成し、上記の複合材を試料として、図２（Ａ）
に示す公知のピン・オン・プレート式摩擦試験機を用
い、空気中および真空中のそれぞれについて摩擦試験を
行った。上記の試料１０を回転台上に固定してモータ１
１で回転させつつ、摺動子（サファイヤ又はスティー
ル）９に荷重８を加え、板バネ６に貼着された歪ゲージ
で摩擦抵抗を測定して摩擦係数を算出した。摩擦条件は
次のごとくである。回転速度：２rpm すべり速度：１cm／秒荷重：５〜５０g 真空度：０．００５Pa 摩擦時間：６０分摩耗量は、摩擦前，後の重量をマイクロバランスで測定
して算出した。

【０００８】図２（Ｂ）は、前記の試験機によって、ダ
イヤモンド超微粉末の含有率１０％（重量比）の試料
を、真空中で、直径５ｍｍのサファイヤ球と摩擦させた
ときの成績であり、（Ｃ）は同じく大気中で摩擦させた
ときの成績である。摩擦開始後の２０分間は摩擦係数が
変動し、２０分経過後はほぼ一定となり、真空中（Ｂ）
では摩擦係数が０．７、大気中（Ｃ）では摩擦係数が
０．２である。このように、摩擦係数が安定するまでに
約２０分間を要するので、以下に挙げる測定数値は摩擦
開始後３０〜６０分間のものである。

【０００９】ダイヤモンド超微粉末の含有率（重量比）
と摩擦係数との関係を図３に示す。大気中，真空中、と
もに含有率の増加に伴って摩擦係数が減少すること、お
よび、真空中よりも大気中の方が摩擦係数が小さいこと
を読み取ることができる。摩擦痕を検鏡すると、空気中
で摩擦された面には多数のダイヤモンド多超微粉末が遊
離して（摩耗粉として）散在しているのが認められる。
しかし、真空中で摩擦された面にはほとんど認められな
い。この超微粉末は極めて小さい（径５〜１０nm）の
で、真空排気の流れに乗って排除されたものと考えられ
る。こうした観察結果を勘案すると、本図３に表わされ
ているように大気中で摩擦した場合に摩擦係数が小さい
という事実について、摩耗粉である遊離ダイヤモンド超
微粉末のころがり作用が関与しているものと推定され
る。

【００１０】図４は、ダイヤモンド超微粉末の含有率
（重量比）と比摩耗率との関係を示す図表である。ここ
に比摩耗率とは、単位荷重における単位長さのすべり距
離で得られる摩耗体積量である。本図４により、空気中
での摩耗は真空中での摩耗よりも少ないことが分かる。

【００１１】図３，図４について説明した上述の試験結
果はサファイヤ球を用いた場合のものである。次に、直
径５ｍｍ鋼球を用いた場合について述べる。図５は、ダ
イヤモンド超微粉末の含有率（重量比）と摩擦係数との
関係を示す図表であって、サファイヤ球を用いた場合の
図３に対応する図である。全般的傾向として大気中では
真空中よりも摩擦係数が小さいこと、および、ダイヤモ
ンド超微粉末の含有量増加に伴って摩擦係数が減少する
ことはサファイヤ球の場合（図３）と同様であるが、大
気中における摩擦係数が、ダイヤモンド超微粉末の含有
率１０％（重量比）付近で極小値を示していることが特
徴的である（このような極小値が現われる理由について
は後述する）。

【００１２】図５は前述したようにアルミニウム基材中
にダイヤモンド超微粉末を分散させたものである。アル
ミニウム以外の金属性基材や非金属性基材中にダイヤモ
ンド超微粒子を分散させた場合も、それぞれの基材の種
類に応じた含有率で空気中摩擦係数の極小点が認めら
れ、その範囲は含有率２〜３０％である。基材とする物
質が例えば銅である場合と合成樹脂である場合とでは、
基材の比重が約１〜９の差を有していることからも、摩
擦係数の極小値を示すダイヤモンド超微粉末含有率が２
〜３０％程度の幅を有することは頷かれる。

【００１３】摩擦試験における荷重を変化させた場合の
摩擦係数の変化を図６に示す。従来技術に比して摩擦係
数の絶対値が０．０１〜０．０２３と非常に小さいこと
が分かるが、更に、荷重変化によって摩擦係数が著しく
変化していることからも、本発明材料における摩擦が基
礎力学における摩擦と異なる挙動を示し、従来考えられ
ていなかったメカニズムの摩擦態様であることが推察さ
れる。

【００１４】次に、摩擦相手部材の変化について考察す
る。図７は、摩擦試験に用いた鋼球の、試験後における
硬度とダイヤモンド超微粉末含有率（重量比）との関係
を示す図表である。ダイヤモンド含有率が０の場合の鋼
球硬度に比して、ダイヤモンド超微粉末を分散させた試
料と摩擦した場合の鋼球硬度（Ｈｖ）が７倍以上に増加
しているという現象は、加工硬化などの従来理論では説
明できず、基材から遊離したダイヤモンド超微粉末の一
部が鋼球（摩擦相手部材）の表面に付着し、半ば埋没し
て鋼球の表面を覆っているものと考えられる。

【００１５】上記の仮設（ダイヤモンド超微粉末の付着
による硬化）を裏付けるため、アルミニウム基材中に１
０Wt％のダイヤモンド超微粉末を分散させた試料につい
て、相手部材として各種の材料を用いて同様の試験を行
い、摩擦係数および相手部材の比摩耗率を測定したとこ
ろ、次のごとくであった。試験条件は、荷重３０ｇ、室
温の空気中である。摩擦係数比摩耗率（単位：mm³/ｋｇ・mm) 鋼０．０２８／１００００００鉄０．０３１０／１００００００プラチナ０．０５２０／１００００００パラジウム０．０５２０／１００００００ニッケル０．０７３０／１００００００銀０．３４００／１００００００アルミニウム０．７１０００／１００００００金０．２２００／１００００００黄銅０．１３００／１００００００サファイヤ０．２４０／１００００００上記試験結果において摩擦係数が０．１よりも小さい金
属は、鉄，ニッケル，プラチナ，パラジウムといった、
気体を化学吸着しやすい金属であり、摩擦係数が０．１
よりも大きい金属は、アルミニウム，銀，金，といっ
た、気体（水素，酸素，水蒸気）を化学吸着しにくい金
属である。また、比摩耗率の大小関係も、上記摩擦係数
の大小関係と対応しており、化学吸着しやすい金属の比
摩耗率は化学吸着しにくい金属の比摩耗率よりも小さい
ことが分かる。図８は、アルミニウム基材中に１０Wt％
のダイヤモンド超微粉末を分散せしめた試料と鋼とを、
水中で摩擦した場合の摩擦係数と荷重との関係を示す図
表である。摩擦係数は荷重が小さいほど減少し、その値
はいずれも図６に示した空気中の摩擦係数よりも小さ
い。特に、荷重５グラムでは摩擦係数が０．００５であ
って非常に小さい。

【００１６】以上に説明した試験結果および考察から、
次のような摩擦メカニズムが考えられる（大気中の場
合）。摩擦開始後、当初の不安定期に、基材中に分散し
ているダイヤモンド超微粉末の一部は基材から剥脱さ
れ、遊離した超微粉末は摩擦面の間に散在する。また、
一部は基材から遊離しないで摩擦面に露出する。空気中
に含まれる水素，酸素，水蒸気などの気体は、金属とダ
イヤモンドとからなるゼオライト状に混合した摩耗粉
（遊離したダイヤモンド超微粉末と金属粉との混合物）
に解離吸着され、次いでダイヤモンド超微粉末の表面に
吸着される。その結果、吸着気体で覆われたダイヤモン
ド超微粉末が、すべり接触の界面においてころの役割を
果たす。このダイヤモンド超微粉末は相手部材に直接接
触することなく前記の吸着気体の薄層を介して接触する
ので摩擦は極めて小さくなる。一方、接触界面における
遊離したダイヤモンド超微粒子の分布の疎密は摩擦の大
小に影響する。ダイヤモンド超微粉末の分布が過疎であ
ると「ころ」としての作用が不充分であり、過密である
とダイヤモンド超微粉末同士の接触によって「ころ」と
しての作用が妨げられる。従って、摩擦係数を最小なら
しめるための適正な含有率が存在し、例えば前掲の図５
においては１０％である。以上に説明した摩擦および減
摩作用のメカニズムを模式図として示すと図１のように
なる。この模式図はダイヤモンド超微粉末１を分散させ
た基材２を、流体（例えば空気）３の中で相手部材４に
対向、摺触せしめた状態を描いてある。基材の表面に露
出したダイヤモンド超微粉末１ａ、基材から遊離したダ
イヤモンド超微粉末１ｂ、および、分離した後に相手部
材４に半ば埋没したダイヤモンド超微粉末１ｃのそれぞ
れが流体（空気）３に接触している面には、水素，酸
素，水蒸気などよりなる吸着層５が形成されている。基
材２が相手部材４に対して摺動する際、遊離したダイヤ
モンド超微粉末１ｂのころがり作用と、吸着層５のすべ
り作用とによって、摩擦係数を減少させる。

【００１７】上記図１の模式図は流体２の中での摩擦を
描いてある。真空中においては吸着層５が形成されない
が、遊離したダイヤモンド超微粉末１ｂのころがり作用
による減摩効果が得られる。

【００１８】以上に説明した試験結果および考察に基づ
いて機械構造部材同士の摩擦係数を減少せしめるには、
摩擦面を有する機械構成部材中にダイヤモンドの超微粉
末を分散させておき、上記機械構成部材が摩擦を受けた
とき、該ダイヤモンド超微粉末を上記機械構成部材の基
材から遊離せしめるとともに、遊離したダイヤモンド超
微粉末の一部を摩擦の相手材料中に少なくとも半ば埋没
させて自動的にダイヤモンド超微粉末で被覆し、前記の
遊離されたダイヤモンド超微粉末を機械構成部材と摩擦
相手部材との間に介在せしめることが有効である。この
減摩方法は、雰囲気流体の存在によって一層の優れた効
果を奏するが、実際問題として大気を介在せしめること
は極めて容易である。従って、本発明方法の実用的効果
に着目するならば、給油を必要とせずに極めて優れた減
摩効果が得られ、真空中においても相当の減摩効果が得
られるという認識で把握される。

【００１９】前述した試験においては試料を作る際、ダ
イヤモンド超微粉末とアルミニウム粉末とを混合して加
圧成形し、焼結した。ダイヤモンドは耐熱性が充分でな
いから、基材とする金属の融解温度が６００℃以上の場
合は焼結技術を利用することが適切である。また、融解
温度が６００℃未満の場合は溶融した金属中にダイヤモ
ンド超微粉末を混合し、冷却固化させることも可能であ
る。これらの場合の金属材料としては、アルミニウム，
銅，マグネシウム，亜鉛，錫，鉛の単体金属若しくは合
金、又は、これらの混合物が好適である。

【００２０】また、合成樹脂は一般にダイヤモンドの耐
熱温度以下で溶融せしめ得るので、溶融合成樹脂中にダ
イヤモンド超微粉末を混合，固化させて分散状態の複合
材を得ることも推奨される。

【００２１】従来技術における固体潤滑剤を基材中に分
散させると、該基材である機械構造材料の機械的性質を
低下させ、特に衝撃値を抵下させるという問題が有っ
た。しかしダイヤモンド超微粉末は著しく小さい（ナノ
メートルオーダー）ので、基材に応力集中を生じさせる
ことが少なく、その上、混合率が比較的低くて足りるの
で、素材に与える機械的性質の低下は大きくない。特に
機械的性質の低下を抑制したい場合は、当該機械構成部
材の摩擦面に沿ってダイヤモンド超微粉末の分散してい
る層を形成すれば良い。このように、ダイヤモンド超微
粉末の分布を制御することは、焼結技法を利用すれば容
易に行い得る。例えば軸受裏金の場合は内周面に沿わせ
てダイヤモンド超微粉末を分散させ、また例えば、すべ
り軸受で支承される回転軸の場合は、軸受に対向摺触す
る面に沿わせてダイヤモンド超微粉末を分散させるなど
の手段を用いれば、当該機械構造部材の物理的強度にほ
とんど悪影響を与えることなく減摩効果を発揮させるこ
とができる。

【００２２】以上に述べた本発明方法を実施するための
機械構造用減摩材料の基本的構成は、基材中にダイヤモ
ンド超微粉末が分散されていることである。上記の機械
構造用減摩材料の基材として、金属若しくは合成樹脂が
好適である。セラミックスを基材にすると、焼成温度が
ダイヤモンドの耐熱上限を越えるので適用が困難であ
る。前記の合成樹脂とは、例えばカーボン繊維やガラス
繊維などの補強材料を埋設されているものも含む意であ
る。また、金属基材としてはアルミニウム，銅，マグネ
シウム，亜鉛，錫，鉛，若しくは銀，又はこれらの混合
物ないし合金が好適である。上記ダイヤモンド超微粉末
は当該機械構造材料の全体に一様に分布していても良
く、また、摩擦面付近に密に分布していても良いが、い
ずれの場合にも摩擦面付近におけるダイヤモンド超微粉
末の含有率が適正値（２〜３０Wt％）であることを要す
る。特に、軸受面に沿ってダイヤモンド超微粉末を分散
させた軸受部材は実用価値が高く、従来技術におけるオ
イルレスベアリングの用途範囲に代替し得るものと期待
される。

【００２３】

【発明の効果】以上に説明したように本発明を適用する
と、給油脂の必要無しに著しく低い摩擦係数が得られる
とともに、摩擦面の摩耗を著しく抑制することができ
る。この発明の方法および材料は真空中で使用すること
もでき、また、空気などの流体中で使用すれば一層優れ
た減摩効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本的原理、および本発明における摩
擦のメカニズムを説明するための模式図である。

【図２】（Ａ）は摩擦試験機の構造を示す模式図、
（Ｂ），（Ｃ）は試験結果を示す図表である。

【図３】本発明に係る減摩材料の摩擦係数と、ダイヤモ
ンド含有率との関係を示す図表である。

【図４】本発明に係る減摩材料の比摩耗率と、ダイヤモ
ンド含有率との関係を示す図表である。

【図５】本発明に係る減摩材料の摩擦係数と、ダイヤモ
ンド含有率との関係を示す図表である。

【図６】本発明に係る減摩材料の空気中における摩擦係
数と、摩擦試験の接触荷重との関係を示す図表である。

【図７】本発明に係る減摩材料の摩擦試験後の相手部材
の硬度と、ダイヤモンド含有率との関係を示す図表であ
る。

【図８】本発明に係る減摩材料の水中における摩擦係数
と、摩擦試験の接触荷重との関係を示す図表である。

【符号の説明】

１…ダイヤモンド超微粉末，２…基材，３…流体，４…
相手部材，５…吸着層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ１０Ｎ 50:08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】摩擦面を有する機械構成部材中にダイヤ
モンドの超微粉末を分散させておき、上記機械構成部材
が摩擦を受けたとき、該ダイヤモンド超微粉末を上記機
械構成部材の基材から遊離せしめるとともに、遊離した
ダイヤモンド超微粉末の一部を摩擦の相手材料中に少な
くとも半ば埋没させて自動的にダイヤモンド超微粉末で
被覆し、前記の遊離されたダイヤモンド超微粉末を機械構成部材
と摩擦相手部材との間に介在せしめて、摩擦を減少せし
めることを特徴とする、機械構成部材の減摩方法。
【請求項２】前記機械構成部材と摩擦相手材料とを流
体中で対向せしめて、前記のダイヤモンド超微粉末が流
体に接触している面に該流体の吸着層を成形させ、前記
機械構成部材と摩擦相手部材とを上記吸着層を介して摺
触せしめることを特徴とする、請求項１に記載した機械
構成部材の減摩方法。
【請求項３】前記機械構成部材と摩擦相手部材とを真
空中で対向せしめて、機械構成部材から遊離されて摩擦
相手部材との間に介在するダイヤモンド超微粉末のころ
がり効果によって摩擦を減少せしめることを特徴とす
る、請求項１に記載した機械構成部材の減摩方法。
【請求項４】前記のダイヤモンド超微粉末を金属粉末
と混合して焼結し、若しくは溶融した金属中にダイヤモ
ンド超微粉末を混合し、冷却・凝固させることにより機
械構成部材を成形して該ダイヤモンド超微粉末を機械構
成部材中に分散せしめることを特徴とする、請求項１に
記載した機械構成部材の減摩方法。
【請求項５】前記の金属を、アルミニウム，銅，マグ
ネシウム，亜鉛，錫，鉛若しくは銀、又はこれらの合金
ないし混合物とすることを特徴とする、請求項４に記載
した機械構成部材の減摩方法。
【請求項６】前記のダイヤモンド超微粉末を、合成樹
脂材料中に混合し、機械構成部材を形成して該ダイヤモ
ンド超微粉末を機械構成部材中に分散せしめることを特
徴とする、請求項１に記載した機械構成部材の減摩方
法。
【請求項７】前記のダイヤモンド超微粉末を機械構成
部材の全体にほぼ均一に分散せしめて、その混合率を重
量比２％ないし３０％とすることを特徴とする、請求項
１に記載した機械構成部材の減摩方法。
【請求項８】前記のダイヤモンド超微粉末を、摩擦面
近傍で密に、摩擦面から離間した区域で疎に分散せしめ
るとともに、摩擦面近傍におけるダイヤモンド超微粉末
の混合率を重量比２％ないし３０％とすることを特徴と
する、請求項１に記載した機械構成部材の減摩方法。
【請求項９】摩擦面を有する機械構成用部材の材料で
あって、ダイヤモンド超微粉末が分散されていることを
特徴とする、機械構造用減摩材料。
【請求項１０】金属性基材中にダイヤモンド超微粉末
が分散されていることを特徴とする、請求項９に記載し
た機械構造用減摩材料。
【請求項１１】前記の金属性基材は、アルミニウム，
銅，マグネシウム，亜鉛，錫，鉛，若しくは銀、又はこ
れらの混合物ないし合金であることを特徴とする、請求
項９に記載した機械構造用減摩材料。
【請求項１２】合成樹脂基材中にダイヤモンド超微粉
末が分散されていることを特徴とする、請求項９に記載
した機械構造用減摩材料。
【請求項１３】前記のダイヤモンド超微粉末は、基材
中にほぼ一様に分布していて、その含有率が重量比２％
ないし３０％であることを特徴とする、請求項９に記載
した機械構造用減摩材料。
【請求項１４】前記のダイヤモンド超微粉末は、機械
構成用部材の摩擦面近傍で密に、摩擦面から離間した区
域で疎に分布していて、摩擦面近傍における含有率が重
量比２％ないし３０％であることを特徴とする、請求項
９に記載した機械構造用減摩材料。
【請求項１５】軸受面に沿って、ダイヤモンド超微粉
末が分散されている層を有する軸受部材。