JPH08283759A

JPH08283759A - 自己潤滑性複合材料およびその製造方法

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Publication number: JPH08283759A
Application number: JP9548595A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Sekiguchi; 口昭一関; Hiroko Tsuya; 谷裕子津
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-04-20
Filing date: 1995-04-20
Publication date: 1996-10-29

Abstract

(57)【要約】【目的】軸受け、ベアリングの保持器等の摺動部材に
好適な、安価で耐熱性に優れた自己潤滑性複合材料およ
びその製造方法を提供する。【構成】二硫化タングステン、二硫化モリブデン、黒
鉛、窒化ホウ素の固体潤滑剤のうち一種又は二種以上の
混合物が、体積率で、４０〜６０％、必要に応じてＳ
ｎ、Ｃｕ、Ｚｎ粉末のうち一種又は二種以上の混合物が
５〜１５％、残部がマイカと水ガラスからなる自己潤滑
性複合材料であって、潤滑剤と金属およびマイカを混合
後、水ガラスと水を加え攪拌しスラリー状となし鋳型に
注入、乾燥した後、真空または不活性ガス雰囲気中で７
５０〜８５０℃の温度域で焼成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大気中、真空中および
各種ガス雰囲気中で運転する各種機械の軸受け、ベアリ
ングの保持器等の摺動部材として用いられる、安価で耐
熱性に優れた自己潤滑性複合材料およびその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、油あるいはグリース等の潤滑
油による汚染が問題となる環境、例えば、食料品や医薬
品の製造機械、または潤滑油の使用が不可能な環境、に
おいては、高温、低温、真空中等で用いられる摺動部材
には自己潤滑性複合材料が用いられている。

【０００３】自己潤滑性複合材料は、二硫化モリブデ
ン、二硫化タングステン、黒鉛、窒化ホウ素等の固体潤
滑剤を金属またはプラスチック基地中に分散させた複合
材料であり、無給油もしくは少量の潤滑油を共存させる
ことによって、長時間の連続運転が可能である。このう
ちプラスチック基複合材料は、室温近傍では優れた摩擦
摩耗特性を示すが、耐熱性に難点があり、２５０℃以上
の高温で使用することは困難である。

【０００４】耐熱性の観点から、金属基自己潤滑性材料
は比較的有利と考えられ、各種の材料が開発されてい
る。その代表的なものとして、例えば特開昭５０−１４
７４１１号公報に開示された焼結摺動部材がある。この
材料は潤滑剤として黒鉛を５〜１５ｗｔ％含有した銅合
金焼結材で、機械的強度が高く、大気中では優れた摩擦
摩耗特性を示す。また、特開昭５８−１７８１９号公報
および特開昭６２−１９６３５１号公報に真空中での使
用をも考慮し、潤滑剤に二硫化モリブデン、及び二硫化
タングステンを使用した焼結材料が開示されている。

【０００５】これら金属基自己潤滑性複合材料の製造上
の問題点は、金属と潤滑剤が焼結時に反応し、潤滑特性
が損なわれる場合が多いということである。このため、
潤滑剤の種類と金属の種類の組み合わせは極めて限定さ
れてしまい、実用化されている金属はほとんどがＣｕ−
Ｓｎ合金である。この合金は耐熱性に問題があり、３０
０℃以上の連続使用は困難である。これらの複合材料は
冷間プレス＋焼結のいわゆる粉末冶金法やホットプレス
法により製造されるが、前者は成形性の観点から大きさ
に制約があり、大きなものや厚肉材の製造が本質的に困
難である。また、後者は生産性が低く、製造コストが極
めて高くなるという問題点がある。さらに、プレス成形
を行ったものは結晶方位がそろう、いわゆる集合組織が
発達するため、機械的性質および摩擦摩耗特性がプレス
方向とその直角方向で著しく異なるという問題点があ
る。また、プレスにより圧縮された潤滑剤のスプリング
バックにより、長期間材料を使用しているとクラックが
入り、破壊する場合が多いという問題点もある。

【０００６】これまで潤滑皮膜として、固体潤滑剤、水
ガラス等よりなるものが開示されている（特許１０８２
７３１号）が、鋳込み法によりバルク体としたものは知
られていない。皮膜は使用中に消耗するため、寿命が有
限であるという問題点がある。これに対し、バルク体の
寿命ははるかに長い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の自己
潤滑性複合材料および製造法、また潤滑皮膜における上
記のような問題点を解決するためになされたものであっ
て、耐熱性に優れ、材質異方性のない自己潤滑性複合材
料を、サイズの制約なしに安価にかつ大量に提供するこ
とを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、金属基自
己潤滑性複合材料の研究開発を長年にわたって行い、こ
の材料が油を使用できない環境下で優れた摩擦摩耗特性
を発揮することを確認してきた。にもかかわらず、この
材料が一般に普及しない原因の一端が高価格にあると考
え、設備投資が最小で量産に適した鋳込み法の開発を進
めてきた。その結果、潤滑剤の種類および含有率さらに
結合材の種類を最適化することにより、鋳込み法によっ
ても耐熱性、機械的強度および摩擦摩耗特性に優れた自
己潤滑性複合材料が製造できることを見い出し、本発明
を完成させるに至った。

【０００９】本発明は、下記の事項をその要旨としてい
る。二硫化タングステン、二硫化モリブデン、黒鉛、窒
化ホウ素の固体潤滑剤のうち一種または二種以上の混合
物が、体積率で、４０〜６０％、残部がマイカと水ガラ
スからなり、鋳込み法で製造したことを特徴とする、自
己潤滑性複合材料。二硫化タングステン、二硫化モリブデン、黒鉛、窒
化ホウ素の固体潤滑剤のうち一種または二種以上の混合
物が、体積率で、４０〜６０％、およびＳｎ、Ｃｕ、Ｚ
ｎ粉末のうち一種または二種以上の混合物が５〜１５
％、残部がマイカと水ガラスからなり、鋳込み法で製造
したことを特徴とする、自己潤滑性複合材料。固体潤滑剤と金属およびマイカを混合後、珪酸ナト
リウム溶液（水ガラス）と水を加え攪拌しスラリー状と
なし、鋳型に注入し、乾燥した後、真空または不活性ガ
ス雰囲気中で７５０〜８５０℃の温度域で焼成すること
を特徴とする、前記およびに記載の自己潤滑性複合
材料の製造方法。

【００１０】以下に、本発明を詳細に説明する。まず、
固体潤滑剤の種類および組み合わせについて説明する。
固体潤滑剤にはそれぞれ特長と問題点があり、用途に応
じて最適の潤滑剤を選定することが好ましい。すなわ
ち、二硫化タングステンは、約４５０℃までの大気中及
び約１０００℃までの真空中で優れた摩擦摩耗特性を持
つが、他の潤滑剤に比べ高価である。二硫化モリブデン
は、二硫化タングステンとほぼ同じ性質を持つが、大気
中での使用限界温度は約３００℃である。しかしなが
ら、価格は二硫化タングステンの数分の一程度である。
黒鉛は、最も安価な固体潤滑剤で、大気中５００℃まで
使用可能であるが、２００℃前後の温度で潤滑性が悪く
なる領域がある。また、真空中では潤滑性が劣る。窒化
ホウ素は、大気中軽負荷時には良好な摩擦摩耗特性を示
すが、負荷が大きい場合および真空中では潤滑機能を失
う。しかしながら、耐熱性は最も高く、大気中８００℃
程度まで使用可能である。

【００１１】以上がそれぞれの潤滑剤の持つ固有の特徴
であるが、二種類以上の潤滑剤を複合して使用するとそ
れぞれの利点だけが顕在化する場合が少なくない。例え
ば、二硫化モリブデンと黒鉛を共存させると、大気中で
も真空中でも良好な潤滑性を示し、耐熱性も向上する。
また、黒鉛と窒化ホウ素を共存させると、大気中軽負荷
から高負荷まで安定した潤滑性を示す。以上の観点か
ら、用途に応じて最適の潤滑剤を選択して使用すること
がよい。

【００１２】次に、潤滑剤の体積率について説明する。
本発明に係る自己潤滑性複合材料は、潤滑剤と結合材で
あるマイカ及び水ガラスとから構成されている。一般的
には、潤滑剤の量が多くなるほど潤滑特性は向上し、機
械的強度は低下すると考えられる。しかしながら、本発
明者らの研究によれば、潤滑剤の体積率が６０％を越え
て過剰に添加しても潤滑性は向上することはなく、機械
的強度の低下だけが顕在化する。また、潤滑剤の体積率
が４０％未満になると、潤滑性の低下が顕著となり、潤
滑材料として機能しなくなり、また機械的強度もほとん
ど向上しない。したがって、潤滑剤の体積率は、４０〜
６０％とすることがよい。

【００１３】次に、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｚｎ粉末のうち一種ま
たは二種以上を添加する理由を説明する。これらの金属
は軟質金属であり、それ自体が潤滑機能を持つ他、摺動
相手材料への潤滑剤の転移を促進し、潤滑性を高める。
また、骨材として機能し、材料強度を向上させる。この
ため、体積率で５〜１５％添加することが望ましいが、
過剰に添加した場合は耐熱性が低下してしまう。

【００１４】本発明の最大の特徴は、鋳込み法によって
自己潤滑性複合材料を製造することにある。一般に、溶
融金属中に潤滑剤を混入すると潤滑剤と金属が反応して
金属間化合物を形成し、潤滑剤としての機能を失うの
で、金属基の自己潤滑性複合材料は鋳込み法により製造
することができない。本発明では潤滑剤、金属粉末、マ
イカ、水ガラスおよび水を加えて練り合わせ、スラリー
状にした後、鋳型に注入する。こうすることにより、潤
滑剤の機能が損なわれることなく種々の形状の自己潤滑
性複合材料を大量に製造することが可能となる。

【００１５】水ガラスは潤滑剤を結合するために用いる
が、マイカを適量共存させると水ガラスの結合力が強化
される。マイカは、天然に産する白雲母、黒雲母の他、
人工的に合成されたものが多種あるが、いずれの種類も
本発明に使用することができる。水ガラスとマイカの混
合割合は、製品の機械的強度と密接に関係し、体積比
で、およそ１：１〜１：２の場合に最大の効果が得られ
る。水の量は直接材料特性に影響するものではなく、鋳
込みのしやすさ、気泡のできにくさの観点から適量を決
定すればよい。

【００１６】水ガラスは水分を乾燥させれば硬化する
が、高温で焼成すると機械的強度はさらに向上する。本
発明に係る固体潤滑剤は大気中で加熱すると、酸化・分
解し、潤滑性を失う。このため焼成は真空もしくはアル
ゴン、窒素等の不活性ガス雰囲気中で行う。一般に、焼
成温度が高くなるほど機械的強度は高くなる傾向を持つ
が、８５０℃以上で焼成しても機械的強度は飽和してし
まうばかりか、潤滑剤が分解し潤滑性が低下してしま
う。また、７５０℃以下で焼成した場合は、実用強度の
１５ＭＰａ以上が得られない。このため、焼成温度は７
５０〜８５０℃とすることがよい。焼成時間も材料特性
に影響を及ぼすが、通常は３０〜６０分間が適してい
る。

【００１７】

【実施例】以下、本発明を実施例によって更に具体的に
説明する。実施例１市販の二硫化タングステン粉末（以下、「ＷＳ₂」とい
う。）と黒鉛粉末、マイカ（セリサイト）粉末および３
号水ガラスを、表１（実施例１）に示す組成になるよう
に秤量し、潤滑剤とマイカを乳鉢で十分に混合した。次
いで、水ガラスを加えペースト状に練り上げた後、水を
徐々に加えながら攪拌し、生コンクリートほどの粘度の
スラリーとし、テフロン性の鋳型に注入、赤外線ランプ
を照射して水分を蒸発させ成形体とした。

【００１８】この成形体を真空中で、表１に示す条件で
焼成し、自己潤滑性複合材料を得た。試料番号Ａ〜Ｃは
本発明条件を満足するものであり、試料番号Ｄは本発明
条件より潤滑剤の量が少ないもの、試料番号Ｅは焼成温
度の低い比較例である。

【００１９】表２に直径１０mm、高さ１０mmの円柱状試
験片をクロスヘッドスピード１mm／min で圧縮したとき
の室温および４００℃の高温圧縮強度ならびに大気中お
よび真空中で測定した摩擦摩耗特性を示す。摩擦摩耗試
験の条件は、次の通りである。（１）試験機：二線式ト
ライボメーター（直径２０mmの円柱状相手材を回転さ
せ、１０mm角の試験片を両側より押し付ける方式）、
（２）相手材：ＳＵＳ３０４、（３）荷重：９８Ｎ、
（４）摺動速度：２４ｍ／min 、（５）試験時間：３０
min 。

【００２０】表２から明らかなように、本発明例に示す
ものは４００℃の圧縮強度が１５ＭＰａ以上で、高温に
なっても強度があまり低下せず耐熱性に優れていること
がわかる。また、真空中および大気中の摩擦係数は、共
に０．２以下、比摩耗量は６×１０^-8mm³／kgmm以下で
あり、真空中でも大気中でも優れた摩擦摩耗特性を示
す。これに対して、潤滑剤の量が本発明より少ない比較
例Ｄの摩擦摩耗特性は、著しく劣っている。また、焼成
温度の低い比較例Ｅの圧縮強度は、本発明例の約１／２
以下である。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】実施例２市販の黒鉛粉末と窒化ほう素（以下、「ＢＮ」とい
う。）、合成マイカおよび３号水ガラスを、表１（実施
例２）に示す組成になるように秤量し、実施例１と同様
の方法で成形体を製造した。次いで、アルゴンガス雰囲
気中で、表１に示す条件で焼成した。

【００２４】得られた焼成体について、実施例１と同じ
方法で圧縮試験と摩擦摩耗試験を行った。その結果を、
表３（実施例２）に示す。試料番号Ｆ、Ｇは本発明条件
を満たすものであり、試料番号Ｈは潤滑剤の少ない比較
例である。

【００２５】表３から明らかなように、本発明例に示す
ものは大気中の摩擦摩耗特性が優れており、高温の圧縮
強度も良好である。これに対し、比較例Ｈの大気中摩擦
係数は、本発明例の約２倍である。

【００２６】図１は、本発明例（試料番号Ｇ）と市販の
金属基自己潤滑性複合材料（Ｃｕ−Ｓｎ合金に黒鉛を添
加した材料）について摩擦係数の温度依存性を測定した
結果である。本発明に係る材料は、６００℃まで低い摩
擦係数を維持し、高温まで問題なく使用できることがわ
かる。これに対し、市販の金属基自己潤滑性複合材料
は、摩擦係数が全般的に高く、かつ４００℃以上で摩擦
係数が急増する。

【００２７】

【表３】

【００２８】実施例３市販の二硫化タングステン粉末（以下、「ＷＳ₂」とい
う。）と黒鉛粉末、マイカ（セリサイト）粉末、Ｓｎ粉
末、Ｃｕ粉末および３号水ガラスを、表１（実施例３）
に示す組成になるように秤量し、実施例１と同様の方法
で成形体を製造した。次いで、アルゴンガス雰囲気中
で、表１に示す条件で焼成した。

【００２９】得られた焼成体について、実施例１と同じ
方法で、圧縮試験と摩擦摩耗試験を行った。その結果
を、表３（実施例３）に示す。試料番号Ｉ、Ｊは本発明
条件を満たすものであり、試料番号ＫはＳｎ粉末の多い
比較例である。

【００３０】表３から明らかなように、本発明例に示す
ものは大気中おび真空中の摩擦摩耗特性が優れており、
高温の圧縮強度も良好である。これに対し、金属粉末を
過剰に添加した比較例Ｋは、４００℃の圧縮強度が室温
の約１／４しかなく、耐熱性が著しく低下してしまう。

【００３１】

【発明の効果】本発明により、耐熱性に優れ、材質異方
性のない自己潤滑性複合材料がサイズの制約なしに安価
かつ大量に得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の自己潤滑性複合材料と市販品との摩擦
係数の比較を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体潤滑剤として、二硫化タングステン、
二硫化モリブデン、黒鉛、窒化ホウ素のうち一種または
二種以上を、体積率で、４０〜６０％および残部がマイ
カと水ガラスからなり、鋳込み法で製造したことを特徴
とする、自己潤滑性複合材料。
【請求項２】固体潤滑剤として、二硫化タングステン、
二硫化モリブデン、黒鉛、窒化ホウ素のうち一種または
二種以上を、体積率で、４０〜６０％、さらにＳｎ、Ｃ
ｕ、Ｚｎ粉末のうち一種または二種以上を５〜１５％、
残部がマイカと水ガラスからなり、鋳込み法で製造した
ことを特徴とする、自己潤滑性複合材料。
【請求項３】固体潤滑剤と金属およびマイカを混合後、
さらに珪酸ナトリウム溶液（水ガラス）と水を加え、攪
拌してスラリー状となし、鋳型に注入し、乾燥した後、
真空または不活性ガス雰囲気中で７５０〜８５０℃の温
度域で焼成することを特徴とする、請求項１および２に
記載の自己潤滑性複合材料の製造方法。