JPWO2014162692A1 - 軸受用炭素材料およびその軸受用炭素材料からなる摺動部材 - Google Patents

軸受用炭素材料およびその軸受用炭素材料からなる摺動部材 Download PDF

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Abstract

軸受用炭素材料は、多孔質性の炭素基材および含浸材料を含む。含浸材料は、樹脂または金属からなり炭素基材に含浸される。軸受用炭素材料は複数の細孔を含む。水銀ポロシメータを用いた水銀圧入法により軸受用炭素材料における細孔分布を測定する場合に、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が８ｍｍ３／ｇ以下である。

Description

本発明は、滑り軸受に用いられる軸受用炭素材料およびその軸受用炭素材料からなる摺動部材に関する。
スラスト滑り軸受およびラジアル滑り軸受等の滑り軸受は、それぞれ滑り面を有する摺動部材および相手部材を含む。摺動部材および相手部材は、互いの滑り面が接触した状態で保持される。この滑り軸受においては、摺動部材から相手部材の滑り面に荷重が作用する状態で、摺動部材が相手部材に対して相対的に摺動する。したがって、摺動部材には高い摺動性を有する材料が求められる。
上記の摺動部材に用いる材料として、潤滑性を有する炭素を含む材料が提案されている。例えば、特許文献１には、多孔質のカーボン材の開気孔にタールピッチ、樹脂、金属または合金を含浸させたカーボン摺動材が記載されている。
特開２００８−２４９１２９号公報
滑り軸受においては、摺動部材から相手部材の滑り面に作用する荷重が大きいと、摺動部材の滑り面と相手部材の滑り面との接触部分が発熱し、摺動部材と相手部材との間に焼付きが発生しやすい。焼付きとは、摺動部材と相手部材との溶着、各滑り面の損傷、または各滑り面の変色をいう。
滑り軸受に焼付きが発生すると、相手部材の滑り面上で摺動部材を円滑に摺動させることができない。したがって、大きい荷重が作用する場合でも、焼付きが発生しにくい滑り軸受が求められる。
本発明の目的は、焼付きの発生が抑制された滑り軸受を実現可能な軸受用炭素材料およびその軸受用炭素材料からなる摺動部材を提供することである。
（１）本発明の一局面に従う軸受用炭素材料は、軸受用炭素材料であって、多孔質性の炭素基材と、炭素基材に含浸される、樹脂または金属からなる含浸材料とを含み、水銀圧入法により測定される細孔分布において、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が８ｍｍ３／ｇ以下であるものである。
その軸受用炭素材料を滑り軸受の摺動部材に用いた場合には、滑り軸受に焼付きが発生することが抑制される。
（２）水銀圧入法により測定される細孔分布において、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が５ｍｍ３／ｇ以下であってもよい。
これにより、その軸受用炭素材料を滑り軸受の摺動部材に用いた場合に、滑り軸受に焼付きが発生することがより十分に抑制される。
（３）軸受用炭素材料は、８２ＨＳ以下のショア硬さを有してもよい。
これにより、軸受用炭素材料により形成される摺動部材が滑り軸受に用いられ、より大きな荷重がその滑り軸受に印加された場合でも、摺動部材に接触する相手部材の滑り面に傷が生じることが防止される。
（４）炭素基材のかさ密度は、１．７Ｍｇ／ｍ３以上であってもよい。
軸受用炭素材料を滑り軸受の摺動部材に用いた場合、炭素基材のかさ密度が１．７Ｍｇ／ｍ３以上であることにより、炭素が本来有する潤滑性を十分に保持することが可能である。
（５）炭素基材のかさ密度は、１．８Ｍｇ／ｍ３以下であってもよい。
軸受用炭素材料を滑り軸受の摺動部材に用いた場合、炭素基材のかさ密度が１．８Ｍｇ／ｍ３以下であることにより、０．１μｍよりも小さい細孔が焼付きの抑制に十分寄与することができる。
（６）本発明の他の局面に従う摺動部材は、滑り軸受に用いられる摺動部材であって、上記の軸受用炭素材料により形成されるものである。
上記の軸受用炭素材料を滑り軸受の摺動部材に用いた場合には、滑り軸受に焼付きが発生することが抑制される。したがって、焼付きの発生が抑制された滑り軸受を作製することができる。
本発明によれば、焼付きの発生が抑制された滑り軸受が実現される。
図１はスラスト滑り軸受の分解斜視図である。 図２は図１のスラスト滑り軸受の外観斜視図である。 図３は図１のスラスト滑り軸受の縦断面図である。 図４はラジアル滑り軸受の外観斜視図である。 図５は図４のラジアル滑り軸受の縦断面図である。 図６はサンプル１の累積細孔容積を示すグラフである。 図７はサンプル２の累積細孔容積を示すグラフである。 図８はサンプル３の累積細孔容積を示すグラフである。 図９はサンプル４の累積細孔容積を示すグラフである。 図１０はサンプル５の累積細孔容積を示すグラフである。 図１１はサンプル６の累積細孔容積を示すグラフである。 図１２はサンプル７の累積細孔容積を示すグラフである。 図１３はサンプル８の累積細孔容積を示すグラフである。 図１４はサンプル９の累積細孔容積を示すグラフである。 図１５はサンプル１０の累積細孔容積を示すグラフである。 図１６はサンプル１１の累積細孔容積を示すグラフである。 図１７はサンプル１２の累積細孔容積を示すグラフである。 図１８はサンプル１３の累積細孔容積を示すグラフである。 図１９はサンプル１４の累積細孔容積を示すグラフである。 図２０はキャンドモータポンプの一構成例を示す縦断面図である。
以下、本発明の一実施の形態に係る軸受用炭素材料およびその軸受用炭素材料からなる摺動部材について説明する。本実施の形態に係る軸受用炭素材料および摺動部材は、例えばスラスト滑り軸受およびラジアル滑り軸受等の滑り軸受に用いられる。
（１）滑り軸受
図１はスラスト滑り軸受の分解斜視図であり、図２は図１のスラスト滑り軸受の外観斜視図であり、図３は図１のスラスト滑り軸受の縦断面図である。
図１〜図３に示すように、スラスト滑り軸受４０は、それぞれ円環形状を有する回転側摺動板４１および固定側摺動板４２を含む。このスラスト滑り軸受４０においては、回転側摺動板４１が摺動部材として機能し、固定側摺動板４２が相手部材として機能する。本例では、回転側摺動板４１および固定側摺動板４２の内径はほぼ等しい。本例では、固定側摺動板４２の外径は回転側摺動板４１の外径よりも大きい。回転側摺動板４１および固定側摺動板４２は、互いに接触する滑り面４１ｆおよび滑り面４２ｆをそれぞれ有する。
スラスト滑り軸受４０の使用時には、図２および図３に一点鎖線の矢印で示すように、回転側摺動板４１の滑り面４１ｆと固定側摺動板４２の滑り面４２ｆとが接触した状態で、回転側摺動板４１が固定側摺動板４２に対して相対的に周方向に回転する。また、スラスト滑り軸受４０の使用時には、図２および図３に太い矢印で示すように、固定側摺動板４２の滑り面４２ｆへ向かうスラスト荷重が回転側摺動板４１に作用する。
本実施の形態においては、固定側摺動板４２はステンレスにより作製される。回転側摺動板４１は、後述する軸受用炭素材料により作製される。それにより、回転側摺動板４１に作用するスラスト荷重が大きい場合でも、スラスト滑り軸受４０に焼付きが発生することが抑制される。焼付きとは、回転側部材と固定側部材との溶着、回転側部材と固定側部材との接触部分の損傷、または回転側部材と固定側部材との接触部分の変色をいう。
図４はラジアル滑り軸受の外観斜視図であり、図５は図４のラジアル滑り軸受の縦断面図である。
図４および図５に示すように、ラジアル滑り軸受５０は、それぞれ円筒形状を有する回転側摺動筒５１および固定側摺動筒５２を含む。このラジアル滑り軸受５０においては、回転側摺動筒５１が摺動部材として機能し、固定側摺動筒５２が相手部材として機能する。回転側摺動筒５１の外径は、固定側摺動筒５２の内径よりもやや小さい。固定側摺動筒５２の内部に回転側摺動筒５１が挿入された状態で、回転側摺動筒５１の外周面５１ｆと固定側摺動筒５２の内周面５２ｆとが接触する。
ラジアル滑り軸受５０の使用時には、図４および図５に一点鎖線の矢印で示すように、回転側摺動筒５１が固定側摺動筒５２に対して相対的に周方向に回転する。また、ラジアル滑り軸受５０の使用時には、図４および図５に太い矢印で示すように、固定側摺動筒５２の内周面５２ｆへ向かうラジアル荷重が回転側摺動筒５１に作用する。
本実施の形態においては、固定側摺動筒５２はステンレスにより作製される。回転側摺動筒５１は、後述する軸受用炭素材料により作製される。それにより、回転側摺動筒５１と固定側摺動筒５２との接触部分に作用するラジアル荷重が大きい場合でも、ラジアル滑り軸受５０に焼付きが発生することが抑制される。
（２）軸受用炭素材料およびその製造方法
上記の回転側摺動板４１および回転側摺動筒５１に用いられる軸受用炭素材料およびその製造方法について説明する。本実施の形態に係る軸受用炭素材料は、炭素基材および含浸材料を含む。
炭素基材を例えば次のように作製する。まず、炭素粉体にバインダを添加する。次に、炭素粉体およびバインダを含む混合物を、型押し成形法、押出し成形法、または冷間静水圧プレス成形法により所定形状に成形する。その後、成形品を焼成することにより炭素基材を完成する。
炭素粉体としては、人造黒鉛、天然黒鉛、か焼コークス、カーボンブラックもしくはコールタールピッチの粉体またはこれらの粉体のうち２種以上の粉体を含む混合粉体を用いることができる。バインダとしては、タールピッチ、石油ピッチまたはフェノール樹脂等を用いることができる。
炭素基材に、例えば次のようにして含浸処理を施す。含浸材料としては、フラン樹脂またはフェノール樹脂等の樹脂材料を用いることができる。
含浸材料としてフラン樹脂またはフェノール樹脂等の樹脂材料を用いる場合には、まず大気圧から所定圧力に減圧されたチャンバ内で、炭素基材を含浸材料（本例では樹脂材料）に浸漬させる。この状態で、チャンバ内に高圧の不活性ガス（例えば窒素またはアルゴン等）を供給する。それにより、炭素基材内の微細な空隙に含浸材料が浸み込む。その後、炭素基材を含浸材料から引き上げる。それにより、軸受用炭素材料が完成する。
また、含浸材料として、樹脂材料に代えて、アンチモン、鉛、銅、またはこれらの合金等の金属材料を用いることもできる。含浸材料としてアンチモン、鉛、銅、またはこれらの合金等の金属材料を用いる場合には、まず大気圧から所定圧力に減圧されたチャンバ内で、炭素基材を溶融状態の含浸材料（本例では金属材料）に浸漬させる。この状態で、チャンバ内に高圧の不活性ガス（例えば窒素またはアルゴン等）を供給する。それにより、炭素基材内の微細な空隙に含浸材料が浸み込む。その後、炭素基材を含浸材料から引き上げる。それにより、軸受用炭素材料が完成する。
上記のようにして完成した軸受用炭素材料を加工することにより、滑り軸受の摺動部材（図２および図４の例では、回転側摺動板４１および回転側摺動筒５１）を作製することができる。
作製された軸受用炭素材料は複数の細孔を含む。水銀ポロシメータを用いた水銀圧入法により軸受用炭素材料における細孔分布を測定することができる。具体的には、水銀圧入法によれば、あるサイズ（半径または直径）よりも大きなサイズを有する細孔の累積容積を測定することができる。ここで、細孔の半径および直径は、細孔の形状に関らず、水銀圧入法により測定される細孔の半径および直径をいう。本明細書では、細孔のサイズを直径で表す。
本実施の形態に係る軸受用炭素材料においては、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が８ｍｍ３／ｇ以下である。この場合、後述するように、軸受用炭素材料を滑り軸受の摺動部材に用いた場合に滑り軸受に焼付きが発生することが抑制される。
また、上記の軸受用炭素材料において、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が５ｍｍ３／ｇ以下であることが好ましい。この場合、後述するように、軸受用炭素材料を滑り軸受の摺動部材に用いた場合に滑り軸受に焼付きが発生することがより十分に抑制される。
軸受用炭素材料の累積細孔容積は、例えば、炭素基材の成形条件（混合物の成形圧力等）、炭素基材の焼成条件（焼成時間もしくは焼成温度等）、または炭素基材の含浸処理条件（含浸時間、含浸温度もしくは含浸処理時の圧力）等により調整される。
この場合、後述する実施例のように、複数のサンプルを異なる条件で作製し、水銀ポロシメータを用いた水銀圧入法により細孔分布を測定することにより、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が８ｍｍ３／ｇ以下となる条件を特定することができる。
炭素基材の成形条件、炭素基材の焼成条件、および炭素基材の含浸処理条件等の条件は、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が８ｍｍ３／ｇ以下となれば、特定の値または特定の範囲に限定されない。
（３）実施例
以下、異なる方法および条件で摺動部材の複数のサンプルを作製した。各サンプルについて、累積細孔容積を測定した後、摺動試験を行い、累積細孔容積と摺動試験の結果との関係について評価した。
（３−１）サンプルの作製
上記実施の形態の方法に従って、それぞれ異なる作製条件で摺動部材のサンプル１〜９，１１〜１４を作製した。また、含浸処理を行わない点を除いて上記実施の形態と同じ方法に従ってサンプル１０を作製した。
具体的には、各サンプル１〜１４の作製時には、まず炭素粉体１００重量部に対してバインダを約４０重量部添加した。また、炭素粉体およびバインダを含む混合物を成形し、成形品を焼成することにより炭素基材を完成した。
後述する表１、表２および表３に示すように、サンプル１〜１４では、２種類の炭素粉体を用いた。また、サンプル１〜５，８，９，１１〜１４では、バインダとしてタールピッチを用いた。サンプル６，７，１０では、バインダとしてフェノール樹脂を用いた。
上記の炭素基材の完成後、サンプル１，３，４，５，９，１１〜１４を作製するための含浸処理では、各炭素基材をチャンバ内で常温（例えば２５℃）のフラン樹脂（花王クエーカー株式会社製；カオーライトナーＥＦ−５１０２：粘度２５ｍＰａ・ｓ／２５℃）に浸漬させた。含浸処理後の各炭素基材に熱処理を施した。それにより、サンプル１，３，４，５，９，１１〜１４を完成した。サンプル１，３，４，５，９，１１〜１４の各々について、フラン樹脂への浸漬時間は３時間以上２４時間以下の所定の時間に設定した。
この場合、炭素基材の成形圧力、炭素基材の焼成温度、炭素基材の焼成時間、炭素基材のフラン樹脂への浸漬時間、炭素基材のフラン樹脂への浸漬中のチャンバ内の圧力、含浸処理後の炭素基材の熱処理温度、または含浸処理後の炭素基材の熱処理時間等の作製条件を異ならせることにより、サンプル１，３，４，５，９，１１〜１４の累積細孔容積を異なる値に調整することができる。
炭素基材の完成後、サンプル２，８を作製するための含浸処理では、各炭素基材をチャンバ内で常温（例えば２５℃）のフェノール樹脂（住友ベークライト株式会社製；ＰＲ−５０７８１：粘度８０ｍＰａ・ｓ／２５℃）に２４時間浸漬させた。含浸処理後の各炭素基材に熱処理を施した。それにより、サンプル２，８を完成した。
この場合、炭素基材の成形圧力、炭素基材の焼成温度、炭素基材の焼成時間、炭素基材のフェノール樹脂への浸漬中のチャンバ内の圧力、含浸処理後の炭素基材の熱処理温度、または含浸処理後の炭素基材の熱処理時間等の作製条件を異ならせることにより、サンプル２，８の累積細孔容積を異なる値に調整することができる。
炭素基材の完成後、サンプル６を作製するための含浸処理では、アンチモンを真空状態のチャンバ内で溶融し、炭素基材をアンチモンに浸漬させた。この状態で、１０ＭＰａの圧力でチャンバ内に窒素ガスを供給し、３０分間保持した。最後に、炭素基材をアンチモンから引き上げ、炭素基材を冷却した。それにより、サンプル６を完成した。
サンプル６の累積細孔容積は、上記の作製条件に加えて、炭素基材の成形圧力、炭素基材の焼成温度、または炭素基材の焼成時間等の作製条件により調整することができる。
炭素基材の完成後、サンプル７を作製するための含浸処理では、サンプル６を作製するための含浸処理と同様に、鉛を真空状態のチャンバ内で溶融し、炭素基材を鉛に浸漬させた。この状態で、５ＭＰａの圧力でチャンバ内に窒素ガスを供給し、３０分間保持した。最後に、炭素基材を鉛から引き上げ、炭素基材を冷却した。それにより、サンプル７を完成した。
サンプル７の累積細孔容積は、上記の作製条件に加えて、炭素基材の成形圧力、炭素基材の焼成温度、または炭素基材の焼成時間等の作製条件により調整することができる。
上記のように、サンプル１，３，４，５，９，１１〜１４では含浸材料としてフラン樹脂を用い、サンプル２，８では、含浸材料としてフェノール樹脂を用いた。また、サンプル６では含浸材料としてアンチモンを用い、サンプル７では含浸材料として鉛を用いた。上記のサンプル１〜９，１１〜１４に用いた含浸材料の種類が、表１〜３に示される。
サンプル１〜１４は円環形状を有する。各サンプル１〜１４の外径は６５ｍｍであり、内径は２９ｍｍであり、高さは８．５ｍｍである。
（３−２）累積細孔容積
水銀ポロシメータを用いた水銀圧入法によりサンプル１〜１４の累積細孔容積をそれぞれ測定した。
図６〜図１９は、それぞれサンプル１〜１４の累積細孔容積を示すグラフである。図６〜図１９において、縦軸が累積細孔容積を表し、横軸が細孔の直径を表す。各細孔の直径における累積細孔容積の値は、当該直径よりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積を表す。したがって、横軸の細孔の直径が小さいほど、累積細孔容積は大きくなる。
図６に示すように、サンプル１においては、０．５μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が２．２ｍｍ３／ｇであり、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が４．０ｍｍ３／ｇであった。
図７に示すように、サンプル２においては、０．５μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が１．１ｍｍ３／ｇであり、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が１．７ｍｍ３／ｇであった。
図８に示すように、サンプル３においては、０．５μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が０．７ｍｍ３／ｇであり、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が２．３ｍｍ３／ｇであった。
図９に示すように、サンプル４においては、０．５μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が０．５ｍｍ３／ｇであり、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が１．５ｍｍ３／ｇであった。
図１０に示すように、サンプル５においては、０．５μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が６．８ｍｍ３／ｇであり、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が７．８ｍｍ３／ｇであった。
図１１に示すように、サンプル６においては、０．５μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が０．１ｍｍ３／ｇよりも小さく、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が０．１ｍｍ３／ｇよりも小さかった。
図１２に示すように、サンプル７においては、０．５μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が０．２ｍｍ３／ｇであり、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が１．６ｍｍ３／ｇであった。
図１３に示すように、サンプル８においては、０．５μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が０．１ｍｍ３／ｇよりも小さく、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が０．２ｍｍ３／ｇであった。
図１４に示すように、サンプル９においては、０．５μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が０．１ｍｍ３／ｇよりも小さく、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が０．８ｍｍ３／ｇであった。
図１５に示すように、サンプル１０においては、０．５μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が２８．６ｍｍ３／ｇであり、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が３８．７ｍｍ３／ｇであった。
図１６に示すように、サンプル１１においては、０．５μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が１．８ｍｍ３／ｇであり、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が１５．４ｍｍ３／ｇであった。
図１７に示すように、サンプル１２においては、０．５μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が８．８ｍｍ３／ｇであり、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が１２．４ｍｍ３／ｇであった。
図１８に示すように、サンプル１３においては、０．５μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が２．７ｍｍ３／ｇであり、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が１２．９ｍｍ３／ｇであった。
図１９に示すように、サンプル１４においては、０．５μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が４．６ｍｍ３／ｇであり、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が９．０ｍｍ３／ｇであった。
上記のように、サンプル１〜９については、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が８ｍｍ３／ｇ以下であった。一方、サンプル１０〜１４については、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が８ｍｍ３／ｇよりも大きかった。
表１にサンプル１〜５の累積細孔容積の測定結果を示し、表２にサンプル６〜９の累積細孔容積の測定結果を示し、表３にサンプル１０〜１４の累積細孔容積の測定結果を示す。
Figure 2014162692
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（３−３）かさ密度、ショア硬さ、曲げ強さおよび圧縮強さ
サンプル１〜１４の作製の過程で形成される炭素基材の一部分を用いてサンプル１〜１４の炭素基材のかさ密度を測定した。かさ密度は、１０×１０×６０ｍｍの試験片を用いて、ＪＩＳ Ｒ ７２２２に規定される黒鉛素材の物理特性試験方法に準じて測定した。
また、サンプル１〜１４の作製の過程で得られる各軸受用炭素材料の一部分を用いて各軸受用炭素材料のかさ密度を上記の方法で測定した。なお、サンプル１０については、含浸処理が施されないため、炭素材料と軸受用炭素材料とは同じである。
上記の表１〜表３に、サンプル１〜１４の炭素基材のかさ密度および軸受用炭素材料のかさ密度の測定結果を示す。
また、サンプル１〜１４の一部分を用いて各サンプル１〜１４の物性としてショア硬さ、曲げ強さおよび圧縮強さを測定した。ショア硬さは、ＪＩＳ（日本工業規格） Ｚ ２２４６に規定されるショア硬さ試験−試験方法に準じて測定した。ショア硬さの測定には、Ｄ型ショア硬度計を用いた。曲げ強さは、１０×１０×６０ｍｍの試験片を用いて、ＪＩＳ Ｒ ７２１２に規定される黒鉛素材の物理特性試験方法に準じて測定した。圧縮強さは、１０×１０×１０ｍｍの試験片を用いて、ＪＩＳ Ｒ ７２２２に規定される黒鉛素材の物理特性試験方法に準じて測定した。
上記の表１〜表３に、サンプル１〜１４のショア硬さ、曲げ強さおよび圧縮強さの測定結果を示す。
（３−４）摺動試験方法
サンプル１〜１４の摺動試験方法について説明する。まず、サンプル１〜１４にそれぞれ対応する１４個の相手部材を用意した。各相手部材は、ステンレス（ＳＵＳ４２０Ｊ１）により作製した。また、各相手部材は、平坦な滑り面を有する。
続いて、各サンプル１〜１４の一面を、対応する相手部材の滑り面に接触させた。この状態で、各サンプル１〜１４と対応する相手部材とを６０℃の温水中に配置した。
次に、各サンプル１〜１４から対応する相手部材の滑り面に向かって荷重を印加した。この状態で、モータを用いて各サンプル１〜１４を対応する相手部材に対して相対的に回転させることにより、各サンプル１〜１４を各相手部材に対して摺動させた。各サンプル１〜１４の回転速度を３０００ｒｐｍに維持しつつ、モータに流れる電流の値を測定した。
各サンプル１〜１４の回転開始後、１０分ごとに各サンプル１〜１４に印加する荷重を一定値ずつ増加させた。各サンプル１〜１４と対応する相手部材との間に焼付きが生じたときに、モータに流れる電流の値が急峻に変化する。そこで、モータに流れる電流の値が急峻に変化する時点（本例では、モータに流れる電流の変化率が３０Ａ／ｓｅｃを超えた時点）で焼付きが発生したとみなして各サンプル１〜１４の回転を停止させた。
各サンプル１〜１４について、モータに流れる電流の値が急峻に変化する時点で印加された荷重よりも上記一定値小さい荷重を、各サンプル１〜１４において焼付きが生じない最大荷重（以下、最大許容荷重と呼ぶ。）として記録した。また、各サンプル１〜１４の回転が停止した後の対応する相手部材の滑り面を目視により観察し、各相手部材の滑り面に傷があるか否かを判定した。
（３−５）摺動試験結果
上記の表１〜表３に、サンプル１〜１４の摺動試験結果を示す。
表１に示すように、サンプル１〜５の最大許容荷重は、それぞれ２０．９ＭＰａ、１７．４ＭＰａ、２０．９ＭＰａ、２０．９ＭＰａおよび１２．２ＭＰａであった。表２に示すように、サンプル６〜９の最大許容荷重は、それぞれ２０．９ＭＰａ、１９．１ＭＰａ、１５．６ＭＰａおよび１３．９ＭＰａであった。表３に示すように、サンプル１０〜１４の最大許容荷重は、それぞれ３．５ＭＰａ、５．２ＭＰａ、５．２ＭＰａ、７．０ＭＰａおよび８．７ＭＰａであった。
滑り軸受の通常の使用時には、５ＭＰａよりも小さな荷重が作用するが、一時的に１０ＭＰａ程度の荷重が作用する場合がある。そのため、滑り軸受の最大許容荷重は、１０ＭＰａ以上であることが好ましく、１２ＭＰａ以上であることがより好ましく、１３ＭＰａ以上であることがさらに好ましい。表１〜表３においては、より好ましい最大許容荷重に“○”を付し、さらに好ましい最大許容荷重に“◎”を付し、好ましくない最大許容荷重に“×”を付している。
上記のように、サンプル１〜９においては、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が８ｍｍ３／ｇ以下である。これらのサンプル１〜９については、印加された荷重が少なくとも１２．２ＭＰａに達するまで焼付きが発生しなかった。表１および表２においては、焼付きが発生しなかった場合の累積細孔容積に下線を付している。
一方、サンプル１０〜１４においては、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が８ｍｍ３／ｇよりも大きい。これらのサンプル１０〜１４については、印加された荷重が８．７ＭＰａ以下であるときに焼付きが発生した。
これらの結果、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が８ｍｍ３／ｇ以下である摺動部材を用いる場合には、０．１μｍよりも大きい細孔径を有する細孔の累積細孔容積が８ｍｍ３／ｇよりも大きい摺動部材を用いる場合に比べて、焼付きの発生が抑制されることが明らかとなった。
また、サンプル１〜４，６〜９においては、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が５ｍｍ３／ｇ以下である。これらのサンプル１〜４，６〜９については、印加された荷重が少なくとも１３．９ＭＰａに達するまで焼付きが発生しなかった。
これらの結果、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が５ｍｍ３／ｇ以下である摺動部材を用いる場合には、０．１μｍよりも大きい細孔径を有する細孔の累積細孔容積が５ｍｍ３／ｇよりも大きい摺動部材を用いる場合に比べて、焼付きの発生がより十分に抑制されることが明らかとなった。
なお、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積の下限は特に限定されないが、サンプル１〜５，７〜９においては、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が０．２ｍｍ３／ｇ以上である。また、サンプル１〜５，７においては、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が１ｍｍ３／ｇ以上である。また、サンプル１，３，５においては、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が２ｍｍ３／ｇ以上である。また、サンプル１，５においては、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が４ｍｍ３／ｇ以上である。また、サンプル６においては、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が０ｍｍ３／ｇよりも大きく０．１ｍｍ３／ｇよりも小さい。
また、表１〜３に示すように、サンプル１〜７にそれぞれ対応する相手部材には傷が確認されなかった。サンプル１〜７のショア硬さは８２ＨＳ以下である。一方、表２に示すように、サンプル８，９にそれぞれ対応する相手部材には傷が確認された。サンプル８，９のショア硬さは８２ＨＳよりも大きい。これらより、摺動部材のショア硬さが８２ＨＳ以下である場合には、２０．９ＭＰａという大きい荷重が印加された場合でも、相手部材における傷の発生を防止できることが明らかとなった。サンプル８のショア硬さがサンプル１〜７のショア硬さに比べて高いのは、サンプル８においては炭素粉体としてか焼コークスが用いられているためと考えられる。同様に、サンプル９のショア硬さがサンプル１〜７のショア硬さに比べて高いのは、サンプル９においては炭素粉体としてカーボンブラックが用いられているためと考えられる。
なお、サンプル１０〜１４については、印加された最大荷重が８．７ＭＰａ以下と小さいため、相手部材において傷が発生しなかったものと考えられる。
さらに、表１および表２に示されるように、サンプル１〜９は、７５ＨＳ以上１０９ＨＳ以下のショア硬さを有する。それにより、摺動部材の耐摩耗性を確保しつつ焼付きの発生を抑制することが可能となる。このように、摺動部材のショア硬さは７５ＨＳ以上であることが好ましい。また、摺動部材のショア硬さは例えば１０９ＨＳ以下であり、大きい荷重が印加される場合には、上記のように８２ＨＳ以下であることが好ましい。
また、表１および表２に示されるように、サンプル１〜９は、６４ＭＰａ以上８２ＭＰａ以下の曲げ強さおよび２０５ＭＰａ以上３５０ＭＰａ以下の圧縮強さを有する。それにより、摺動部材の機械的強度を確保しつつ焼付きの発生を抑制することが可能となる。このように、摺動部材の曲げ強さは６４ＭＰａ以上であることが好ましい。摺動部材の圧縮強さは２０５ＭＰａ以上であることが好ましい。また、摺動部材の曲げ強さは例えば８２ＭＰａ以下である。摺動部材の圧縮強さは例えば３５０ＭＰａ以下である。
さらに、表１および表２に示されるように、サンプル１〜９の炭素基材は１．７４Ｍｇ／ｍ３以上１．８０Ｍｇ／ｍ３以下のかさ密度を有する。一方、サンプル１０〜１４の炭素基材は１．７４Ｍｇ／ｍ３以上１．８１Ｍｇ／ｍ３以下のかさ密度を有する。このように、サンプル１〜９は、サンプル１０〜１４とほぼ同等の１．７Ｍｇ／ｍ３以上１．８Ｍｇ／ｍ３以下のかさ密度を有する。
サンプル１〜９については、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が８ｍｍ３／ｇ以下と小さいため、０．１μｍ以下の直径を有する細孔の合計の容積が比較的大きいと考えられる。そのため、サンプル１〜９では、０．１μｍよりも小さい細孔が焼付きの発生の抑制に寄与していると考えられる。したがって、炭素基材のかさ密度が、１．８Ｍｇ／ｍ３以下であることにより、０．１μｍよりも小さい細孔が焼付きの抑制に十分寄与することができる。また、炭素基材のかさ密度が１．７Ｍｇ／ｍ３以上であることにより、摺動部材において炭素が本来有する潤滑性を十分に保持することが可能である。
（４）実施の形態の効果
本実施の形態に係る軸受用炭素材料においては、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が８ｍｍ３／ｇ以下である。このような軸受用炭素材料を滑り軸受の摺動部材に用いた場合に、滑り軸受に焼付きが発生することが抑制される。
軸受用炭素材料において、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が、５ｍｍ３／ｇ以下であることが好ましい。それにより、軸受用炭素材料を滑り軸受の摺動部材に用いた場合に、滑り軸受に焼付きが発生することがより十分に抑制される。
軸受用炭素材料のショア硬さは８２ＨＳ以下であることが好ましい。これにより、１２ＭＰａよりも大きな荷重が印加された場合でも、摺動部材の滑り面に接触する相手部材の滑り面に傷が生じることが防止される。例えば、図２のスラスト滑り軸受４０においては、回転側摺動板４１に接触する固定側摺動板４２の滑り面４２ｆに傷が生じることが防止される。また、図４のラジアル滑り軸受５０においては、回転側摺動筒５１に接触する固定側摺動筒５２の内周面５２ｆに傷が生じることが防止される。
（５）キャンドモータポンプ
図２のスラスト滑り軸受４０および図４のラジアル滑り軸受５０は、例えばキャンドモータポンプに用いることができる。図２０は、キャンドモータポンプの一構成例を示す縦断面図である。図２０のキャンドモータポンプ１は、主としてポンプケーシング１０、羽根車２０およびキャンドモータ３０からなる。
ポンプケーシング１０の上端部に吸入ポート１１ｐが形成され、ポンプケーシング１０の下端部に吐出ポート１３ｐが形成されている。ポンプケーシング１０の内部に、羽根車２０およびキャンドモータ３０が収容されている。キャンドモータ３０は、固定子収容ケーシング３３、固定子３４、上下方向に延びる回転軸３５、回転子３６、１つのスラスト滑り軸受４０および２つのラジアル滑り軸受５０を含む。
回転軸３５の上端部に羽根車２０が取り付けられている。固定子収容ケーシング３３は両端部が閉塞された２重管構造を有する。内側の管と外側の管との間に固定子３４が収容される。この状態で、固定子収容ケーシング３３は、回転軸３５を取り囲むようにポンプケーシング１０の内周面に固定される。回転子３６は、固定子収容ケーシング３３の内側で回転軸３５の中央部に取り付けられる。
１つのスラスト滑り軸受４０および２つのラジアル滑り軸受５０は、固定子収容ケーシング３３の内側の管に取り付けられる。回転軸３５は、１つのスラスト滑り軸受４０および２つのラジアル滑り軸受５０により、固定子３４に対して相対的に回転可能に支持される。
このキャンドモータポンプ１においては、回転子３６を回転させることにより、回転軸３５および羽根車２０が回転する。羽根車２０が回転することにより、吸入ポート１１ｐからポンプケーシング１０内に液体（例えば、水）が流れる。ポンプケーシング１０内を流れる液体は吐出ポート１３ｐから吐出される。
上記のように、スラスト滑り軸受４０およびラジアル滑り軸受５０は、軸受用炭素材料により形成される回転側摺動板４１および回転側摺動筒５１を備える。それにより、キャンドモータポンプ１の液体の吐出流量が増大することによりスラスト荷重が増大しても、スラスト滑り軸受４０に焼付きが発生することが抑制される。また、ラジアル荷重が増大しても、ラジアル滑り軸受５０に焼付きが発生することが抑制される。したがって、キャンドモータポンプ１の液体の吐出流量の調整可能な範囲を大きくすることができる。
上記の軸受用炭素材料は、キャンドモータポンプ以外の機械的構造物（エンジンまたはタービン等）に設けられる滑り軸受に用いることもできる。この場合、機械的構造物の使用時における焼付きの発生が抑制される。
（６）請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各構成要素との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
上記実施の形態においては、回転側摺動板４１および回転側摺動筒５１が摺動部材の例である。
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の構成要素を用いることもできる。
本発明は、荷重を受けつつ摺動する滑り軸受およびそれを備える機械的構造物に有効に利用することができる。
【０００２】
［０００６］
本発明の目的は、焼付きの発生が抑制された滑り軸受を実現可能な軸受用炭素材料およびその軸受用炭素材料からなる摺動部材を提供することである。
課題を解決するための手段
［０００７］
（１）本発明の一局面に従う軸受用炭素材料は、軸受用炭素材料であって、炭素粉体およびバインダを含む混合物を成形後、焼成することにより得られる多孔質性の炭素基材と、炭素基材に含浸される、樹脂または金属からなる含浸材料とを含み、水銀圧入法により測定される細孔分布において、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が８ｍｍ３／ｇ以下であるものである。
［０００８］
その軸受用炭素材料を滑り軸受の摺動部材に用いた場合には、滑り軸受に焼付きが発生することが抑制される。
［０００９］
（２）水銀圧入法により測定される細孔分布において、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が５ｍｍ３／ｇ以下であってもよい。
［００１０］
これにより、その軸受用炭素材料を滑り軸受の摺動部材に用いた場合に、滑り軸受に焼付きが発生することがより十分に抑制される。
［００１１］
（３）軸受用炭素材料は、８２ＨＳ以下のショア硬さを有してもよい。
［００１２］
これにより、軸受用炭素材料により形成される摺動部材が滑り軸受に用いられ、より大きな荷重がその滑り軸受に印加された場合でも、摺動部材に接触する相手部材の滑り面に傷が生じることが防止される。
［００１３］
（４）炭素基材のかさ密度は、１．７Ｍｇ／ｍ３以上であってもよい。
［００１４］
軸受用炭素材料を滑り軸受の摺動部材に用いた場合、炭素基材のかさ密度が１．７Ｍｇ／ｍ３以上であることにより、炭素が本来有する潤滑性を十分に保持することが可能である。
［００１５］
（５）炭素基材のかさ密度は、１．８Ｍｇ／ｍ３以下であってもよい。
［００１６］
軸受用炭素材料を滑り軸受の摺動部材に用いた場合、炭素基材のかさ密度が１．８Ｍｇ／ｍ３以下であることにより、０．１μｍよりも小さい細孔が焼付きの抑制に十分寄与することができる。
［００１７］
（６）本発明の他の局面に従う摺動部材は、滑り軸受に用いられる摺動部
図１はスラスト滑り軸受の分解斜視図である。 図２は図１のスラスト滑り軸受の外観斜視図である。 図３は図１のスラスト滑り軸受の縦断面図である。 図４はラジアル滑り軸受の外観斜視図である。 図５は図４のラジアル滑り軸受の縦断面図である。 図６はサンプル１の累積細孔容積を示すグラフである。 図７はサンプル２の累積細孔容積を示すグラフである。 図８はサンプル３の累積細孔容積を示すグラフである。 図９はサンプル４の累積細孔容積を示すグラフである。 図１０はサンプル５の累積細孔容積を示すグラフである。 図１１はサンプル６の累積細孔容積を示すグラフである。 図１２はサンプル７の累積細孔容積を示すグラフである。 図１３はサンプル８の累積細孔容積を示すグラフである。 図１４はサンプル９の累積細孔容積を示すグラフである。 図１５はサンプル１０の累積細孔容積を示すグラフである。 図１６はサンプル１１の累積細孔容積を示すグラフである。 図１７はサンプル１２の累積細孔容積を示すグラフである。 図１８はサンプル１４の累積細孔容積を示すグラフである。 図１９はキャンドモータポンプの一構成例を示す縦断面図である。
図６〜図１８は、それぞれサンプル１〜１２，１４の累積細孔容積を示すグラフである。図６〜図１８において、縦軸が累積細孔容積を表し、横軸が細孔の直径を表す。各細孔の直径における累積細孔容積の値は、当該直径よりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積を表す。したがって、横軸の細孔の直径が小さいほど、累積細孔容積は大きくなる。
サンプル１３においては、０．５μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が２．７ｍｍ３／ｇであり、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が１２．９ｍｍ３／ｇであった。
図１８に示すように、サンプル１４においては、０．５μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が４．６ｍｍ３／ｇであり、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が９．０ｍｍ３／ｇであった。
（５）キャンドモータポンプ
図２のスラスト滑り軸受４０および図４のラジアル滑り軸受５０は、例えばキャンドモータポンプに用いることができる。図１９は、キャンドモータポンプの一構成例を示す縦断面図である。図１９のキャンドモータポンプ１は、主としてポンプケーシング１０、羽根車２０およびキャンドモータ３０からなる。

Claims (6)

  1. 軸受用炭素材料であって、
    多孔質性の炭素基材と、
    前記炭素基材に含浸される、樹脂または金属からなる含浸材料とを含み、
    水銀圧入法により測定される細孔分布において、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が８ｍｍ３／ｇ以下である、軸受用炭素材料。
  2. 水銀圧入法により測定される細孔分布において、０．１μｍよりも大きい直径を有する細孔の累積細孔容積が５ｍｍ３／ｇ以下である、請求項１記載の軸受用炭素材料。
  3. ８２ＨＳ以下のショア硬さを有する、請求項１または２記載の軸受用炭素材料。
  4. 前記炭素基材のかさ密度は、１．７Ｍｇ／ｍ３以上である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の軸受用炭素材料。
  5. 前記炭素基材のかさ密度は、１．８Ｍｇ／ｍ３以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の軸受用炭素材料。
  6. 滑り軸受に用いられる摺動部材であって、請求項１〜５のいずれか一項に記載の軸受用炭素材料により形成される、摺動部材。
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