WO1995030029A1

WO1995030029A1 - Materiau composite auto-lubrifiant a haute resistance utilise a haute temperature et son procede de production

Info

Publication number: WO1995030029A1
Application number: PCT/JP1995/000856
Authority: WO
Inventors: Tokuhiko Nishida; Shoichi Sekiguchi; Toru Ono; Yuko Tsuya
Original assignee: Nippon Steel Corporation
Priority date: 1994-04-28
Filing date: 1995-04-28
Publication date: 1995-11-09
Also published as: EP0769562A1; EP0769562A4; CN1149321A; JP3782446B2; KR100206502B1; KR970702934A; US5714700A; CN1047805C

Description

明細書高強度高温用自己潤滑性複合材料およびその製造方法技術分野

本発明は、強度並びに高温での耐酸化性に優れ、大気中および真空中で使用できる自己潤滑性複合材料とその製造方法に関するものである。背景技術

金属中に固体潤滑剤を分散させた自己潤滑性複合材料は、 1 950年代から米国を中心に多くの研究がなされてきた。中でも C u合金をマトリックスとする複合材料については C u— S n系を中心として日本国内でも研究、実用化がなされてきた。例えば、特開昭 62— 1 9635 1号公報では、潤滑性物質を主成分とする塊状相 1 0〜 8 0 %以下と、金属の結合相からなる固体潤滑性材料であって、前記塊状相は粒径 3 0 m未満の結晶粒を複数個で形成してなる 3 0〜 1 0 0 0 m である自己潤滑性複合材料に関する技術が開示されている。この従来技術では、潤滑性物質の原料粉末と金属結合相としての粉末とを同時に添加することを避け、潤滑性物質に事前に結合補助剤を添加し、塊状となすものである。

また、特開平 4 - 99834 号公報では、 C u— S n合金中に黒鉛、ニ硫化モリブデン、 WS ₂等を添加することにより、耐焼き付き性、耐摩耗性等の向上を図る技術が開示されている。この従来技術においては、 P bを添加することによって、潤滑油による耐食性を増大目的としたものである。

しかし、前記従来の材料は、いずれも高温では分解や酸化を生じてしまい、実用的な連続使用は 300°Cが限界であった。また、機械的強度および耐力に劣るという問題があった。

最近では潤滑油が使用出来ない高温域である 3 0 0 ^eC以上の使用範囲での、酸化雰囲気における良好な潤滑性の保持を要求される高強度機械摺動部材とか、高真空下での高強度摺動部材についての材料に対する要求が高まっている。すなわち、マトリックス金属に耐熱合金系の金属成分を検討し、固体潤滑剤として、潤滑性および安定性の面から、使用雰囲気や荷重条件によらず摺動特性を発揮する自己潤滑性複合材料を、極力廉価に製造できる複合材料およびその製造方法に関する技術開発が望まれていた。発明の開示

前述のように、従来の C u系合金をマトリックスに用いた自己潤滑性複合材料は本来無潤滑摺動部材が必要とされるような高温大気中への適用は不可能であった。また機械的特性が低いために、この点からも構造用材料として用いる場合制約を受けざるを得なかった。本発明の目的は、高温での使用に耐え、高温摺動特性の改良を図るべく固体潤滑剤の種類と量、マトリックス金属の最適化、製造方法の検討を行い、 700°Cまでの真空中および 500 てまでの大気中での機械的並びに摩擦特性に優れた自己潤滑性複合材料とその製造方法を提供するものである。前記目的を達成する本発明の要旨とするところは、次のとおりである。

( 1 ) 固体潤滑成分として 2 0〜 7 0 vo l %のグラフアイト粒子および W S ₂ の混合粒子を含有し、気孔率が 2 5 vo l %以下である C u— N i — S n系複合焼結体であって、マトリックスが C u—N i 合金粒子と、該粒子の粒界に均一に分散し、該粒子を強固に結合する S n単相または S n— N i 金属間化合物からなる二相合金で、このマトリツクス合金が固体潤滑剤粒子の周囲を取り囲む組織からなることを特徴とする高強度高温用自己潤滑性複合材料。

( 2 ) 前記マトリックスが、合金組成として、重量％表示で、 N i : 5〜4 0 %、 S n : 4〜 1 5 %、残部が C uおよび不可避不純物からなる（ 1 ) 記載の高強度高温用自己潤滑性複合材料。

( 3 ) 前記マトリックス合金の C u— N i粒子並びに、 S n単相または S n—N i金属間化合物粒子の粒径が、 5〜 1 0 0 ;zmである（ 1 ) 記載の高強度高温用自己潤滑性複合材料。

( 4 ) 前記固体潤滑成分として、グラフアイトと WS ₂ の比率が、体積比で、 1 5 ： 1〜 1 ： 1であり、潤滑剤粒子は球またはプレートレツト状の形態で、粒径が 1 0〜 5 0 0 mである（ 1 ) 記載の高強度高温用自己潤滑性複合材料。

( 5 ) 前記複合材料は、良好な自己潤滑性を有し、真空中および大気中で無注脂にて摺動部材として使用可能であり、かつ耐熱性として空気中で 5 0 0 °Cまたは真空中で 7 0 0 °Cでの使用が可能である（ 1 ) 記載の高強度高温用自己潤滑性複合材料。

( 6 ) 固体潤滑成分としてグラフアイト粒子および WS ₂ 粒子を含有する C u— N i — S n系複合焼結体の製造方法において、グラフアイト粒子および WS ₂ 粒子からなる混合粉体を造粒する工程と、固体潤滑剤造粒物に C u—N i合金粉末および S n粉末を混合して混合物を形成する工程、および混合物を加圧成形し、その後加圧成形体を非酸化雰囲気または真空中で焼結する工程からなることを特徴とする高強度高温用自己潤滑性複合材料の製造方法。

( 7 ) 前記グラフアイト粒子および WS ₂ 粒子からなる混合粉体に、バインダーを添加して造粒する（ 6 ) 記載の高強度高温用自己潤滑性複合材料の製造方法。

( 8 ) 前記加圧成形が、金型プレスまたは静水圧プレスによって、成形圧力を 1 0 0〜 5 0 O M P aにして行われる（ 6 ) 記載の高強度高温用自己潤滑性複合材料の製造方法。図面の簡単な説明

第 1 図は本発明の自己潤滑性複合材料の製造フロー図である。第 2図は本発明の自己潤滑性複合材料の微細構造を示す概念図である。

第 3図（ A) 〜（D) は本発明と Cu—Snをマトリックスとする従来技術との機械的特性の差異を示す図で、第 3図（A) 室温圧縮強度、第 3図（ B ) 高温圧縮強度、第 3図（ C ) 降伏点および第 3図 ( D) 弾性率とグラフアイト含有率との関係を示す図である。

第 4図（A) および（ B ) は本発明と従来技術との大気中並びに真空中での摩擦係数の比較を示す図で、第 4図（A) 大気中および第 4図（ B ) 真空中での摩擦係数と温度との関係を示す。発明を実施するための最良の形態

本発明は、まず第一の特徴として、マトリックス金属として Cu— Ni - Snの三元合金系を選んだ理由は、これらの成分が固体潤滑剤であるグラフアイト並びに WS₂と焼成温度並びに使用温度にて反応しないことと、焼結性に優れていること、および高温大気中での耐酸化性に優れているためである。また Cu— Ni— Sn合金をマトリックスとして用いた場合、 Cu- Sn合金に比較して機械的特性、特に弾性率、降伏点、及び高温強度が向上することも、他の合金系を排して本合金系を用いるに至った大きな理由の一つである。

このことは、マトリックスとして、一般に使用されている Cu-Ni 合金では、焼結温度は 1000°C以上になってしまうことによる。この温度では WS₂ やグラフアイトとの反応が生じ、目的とする自己潤滑性は得られない。

一方、 Snの添加は耐酸化性を低下させてしまうものの、焼結温度を 800 °C以下に低下させることができ、さらに Cu-N i 合金粒子同志を強固に密着させることになり、この点で極めて有効である。その結果、従来の Cu- Sn 合金に比べて耐酸化性および機械的強度に優れたマトリックスとなる。

すなわち、本発明の複合材料のマトリツクスである Cu-N i は、従来のマトリツクス金属である Cu- Sn 合金等に比較して、耐酸化性および機械的強度に優れ、また、固体潤滑剤粒子の周囲を覆い、空気から遮断することによって、複合材内部の固体潤滑成分の酸化を抑制する効果がある。しかし、本発明の焼結温度である 800 °C以下では、 Cu- N i 単体ではほとんど焼結しない。そこで Snを添加すると、焼結温度で液相を生じ、これが Cu- N i や固体潤滑剤粒子の粒界に均一に浸透して、粒子間の接着剤の役割を果たす。冷却時に凝固した Snまたは一部は N iと反応して N i - Sn 金属間化合物となるが、これが Cu-N i 粒界上に均一に析出した状態で認められる。

次に、第二の特徴として、固体潤滑剤としてグラフアイトおよび WS ₂ の混合粒を選択したことにより、使用雰囲気や荷重条件によらず、優れた摺動特性を発揮せしめ、かつ製造コスト的も極力廉価であり、さらに材料特性として柽量化を達成可能にしたことである。 WS ₂ は固体潤滑剤としての性能は優れているが、大気中での耐酸化性は、 425 てが限界であり、グラフアイトに比べて 100 °C程低い。また、これ自体は極めて高価な材料である。一方、グラフアイトは、 WS ₂ に比べて柽量で、耐酸化性にも優れ、また、安価な材料であるが、その潤滑性は雰囲気や荷重条件に極めて敏感で、特に真空中では潤滑特性を発揮しないとされている。

本発明においては、グラフアイトに、所定の量の WS ₂ を添加することによって、グラフアイトの摺動特性を大幅に改善し、特に真空中でも自己潤滑効果を実現するものである。

この添加された WS₂ は周囲をグラフアイトに囲まれており、高温中でもその酸化が防止される。 WS₂ 添加による摺動特性改善の効果は、ほぼ 1:1 の混合比まで改善されるが、それ以上の WS₂ を添加しても、顕著な改善効果は見られず、耐酸化性の低下や重量増加、コストの上昇などの問題が生じて来る。

以下、具体的に本発明の限定理由について説明する。

本発明のマトリックスは、 Niが 5〜40wt%、 Snが 4〜15wt%、残部が Cuと不可避的不純物からなる Cu— Ni— Sn合金とし、固体潤滑成分としてグラフアイト粒子と WS₂粒子を合計で 20〜 70vol%均一に分散したものである。合金中の Niの占める比率が 5〜40wt%としたのは、 Niが 5 wt%未満の場合、耐酸化性並びに機械的強度ともに従来の Cu— Sn合金系と比べて大きな向上が見られないためである。一方、 40wt%を超えると焼結性が低下してしまう。また、合金中の Snの割合を 4〜15wt%としたのは、 4 wt%未満の場合、合金の焼結性が低下することと、 15wt%を超えた場合、高温での耐酸化性が低下するためである。 Ni及び Snのより好ましい範囲はそれぞれ 20〜 30, 8〜12wt%である。

固体潤滑成分として 15 : 1 〜 1 ： 1 の混合比のグラフアイト粒子と WS₂粒子を用いた理由は次の通りである。

グラフアイトは他の固体潤滑剤に比べて経済性に優れ、また耐酸化性も BNに次いで優れている。しかしながらグラフアイ卜の潤滑特性は雰囲気条件によって左右され、特に真空中では潤滑性を発揮しないとされている。そこで、潤滑特性の雰囲気依存性が少なく、真空中で優れた摺動特性を有する WS₂を少量加えることによって、大気中並びに真空中での適用が可能となる。また低荷重において低摩擦係数を実現するためにも WS₂の混合は必須である。

グラフアイトと WS₂の混合比を 15 : 1〜 1 ： 1 としたのは、 WS₂ が 15 : 1 より少なければ WS₂の添加効果が得られず、また 1 ： 1 より多ければ、 WS₂の酸化 · 分解による高温特性の低下が顕著となるためである。このため好ましくは、グラフアイトと WS₂の比率が体積比で 15 : 1〜 1 ： 1 で、より好ましい範囲は、 5 〜 10:1である。

グラフアイト及び WS₂の平均粒径は特に規定しないが、焼結体の強度及び摺動特性の観点から 10〜60 mが望ましい。

固体潤滑成分の添加量を 20〜 70vol%としたのは、 20vol%未満の添加では潤滑特性が不足し、また 70vol%を超えた場合は潤滑特性の向上は小さく強度低下が大きいためである。使用条件によって望ましい添加量は決まるが、高強度を要求される場合には 20〜35wt %、潤滑特性を要求される場合には 50〜 70vol%が望ましい。

なお、気孔率については、極力低い方が機械的強度および耐酸化性に優れるわけであるが、もともと本発明材料が難焼結性であることもあり、通常で 10〜20vol %程度の気孔が含まれている。これが、 25%を超えた気孔を含む場合には、前記機械的強度や耐酸化性が著しく低くなるため、この範囲に限定した。また、本発明のような常圧焼結で気孔を残さないためには、液相成分である Snを増加すればよいが、 Snの増大は耐酸化性や機械的強度の劣化を招くので望ましくない。従って、気孔は本発明の複合材微細構造の組織要素ではあるが、本来望ましいものではない。

本発明の複合材料の構造は、固体潤滑成分として 2 0〜 7 0 vol %のグラフアイト粒子および WS ₂ の混合粒子を含有し、気孔率が 2 5 vol %以下である C u— N i — S n系複合焼結体であって、マトリックスが C u - N i 合金粒子と、該粒子の粒界に均一に分散し、該粒子を強固に結合する S n単相または S n— N i 金属間化合物からなる二相合金で、このマトリックス合金が固体潤滑剤粒子の周囲を取り囲む組織からなることを特徴とするものである。また、前記マトリックス合金の C u _ N i粒子および S n単相または S n — N i 金属間化合物粒子の粒径が、 5〜 1 5 0 z m、好ましくは 5〜 1 0 0 mであり、かつ、潤滑剤粒子は球またはプレートレツト状の形態で、粒径が 1 0〜 5 0 0 mであり、固体潤滑剤成分の体積比率が、マトリックスと固体潤滑剤の合計に対して 2 0〜了 0 vol 気孔率が 2 5 vol %以下である。その複合材としての特性は、良好な自己潤滑性を有し、真空中および大気中で無注脂にて摺動部材として使用可能であり、かつ耐熱性として空気中で 5 0 0 °C, 真空中で 7 0 0ての使用が可能である。

このことは、大気中では、固体潤滑剤の耐酸化性が律速であり、真空中ではマトリックス金属の軟化によって律速されるからである。これは、従来から用いられている Cu_Sn 合金系の自己潤滑性複合材料の、大気中での 300 °Cに比べてはるかに高いものである。また、機械的特性も強度、耐カ、硬度等の面で、従来材をはるかに凌いでいる。例えば、圧縮強度では 3 〜5 倍の特性値を示す。

次に、第 2の発明の製造方法について説明する。

2 〜100 i m の粒径のグラフアイ卜と 2 〜100 m の粒径の WS₂ を所要量を秤量し、ボールミルなどの混合装置で十分に混合する。この混合粉に適量のバインダーを加えてよく混練し、 10〜500 a m となるように造粒する。バインダーとしては、脱脂温度で WS₂ ゃグラファイ卜と反応しないものを用いなければならない。造粒には網目造粒、スパルタン造粒、スプレイドライなどの造粒方法を用いてよい。その他、バインダーを加えない混合粉をプレスし、その後粉砕して分級するプレス造粒法でもよい。

このようにして、複合材料中に分散する固体潤滑粒子を製造する。なお、この工程では、複合材料中に分散させる固体潤滑剤混合粒子を事前に作るものである。原料粉末の粒径は、それほど重要ではなく、要するに両者が均一に混合できればよい。原料があまり細かすぎると均一に混合することが困難になる。また、あまり大き過ぎても最大 500 ΐα の造粒の中で均一とすることが困難となる。

次いで、前記の方法で造粒した固体潤滑剤混合粒子に、 C u - N i 合金粉末と S n粉末を加え、均一に混合する。混合には湿式、乾式いずれの方法でも可能であるが、極力酸化させないような方法、媒体を用いる方が望ましい。ここで合金成分原料粉の平均粒径は、成形性および焼結性の観点から、 5〜30 mが望ましい。

その後、前記混合粉末を金型プレスまたは静水圧プレス等により加圧成形する。この成形体はできるだけ緻密であることが望ましく、好ましくは成形圧力は 1 00 〜500MPaである。成型方法も通常の粉末冶金に用いられる方法ならいずれの方法も可能である。

最後に、前記成形体を Ar等の非酸化雰囲気、 C0Z C0 ₂ 等の還元雰囲気、あるいは真空中で 700 〜800 °Cで焼結する。その焼結時間としては、 30〜1 80 分程度である。ここで、最適な焼結温度は固体潤滑剤の含有量およびマトリックス金属の組成によって決定され、固体潤滑剤が少なく、マトリックスの N iが少なく、 Snが多いほど低温 (〜700 °C ) で、一方、固体潤滑剤の含有量が多く、また、マトリックス中の N iが多く Snが少ないほど高温（〜800 °C ) となる。ただし、 WS ₂ とマトリックス金属と反応を防ぐため、焼結温度は 800 °C を超えてはならない。また、焼結時間も成形体の焼結性によって異なるが、 30分未満の保持では緻密化が達成されず、一方 1 80分間超保持すると粒成長が著しくなり焼結体の強度が低下してしまう。より望ましい保持温度は 30〜90分である。

焼結温度は固体潤滑剤の含有量によって決定される。固体潤滑剤の含有量が少ない場合は 700°C、多い場合でも 800°Cは超えてはならない。これは WS₂の分解、マトリックス金属との反応を防止する； Γこめである。

以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明する。

実施例

本発明の実施例および比較例に用いた原料は次のとおりである。グラフアイト：平均粒径 50〃m のプレートレット状粒子、

WS₂:平均粒径 2 〃m のプレートレット状粒子、

Cu-Ni 合金：平均粒径 15 m の 70wt Cu- 30wt Ni 合金粒子、

Sn: 平均粒径 10 m の球状粒子、

Cu: 平均粒径 10 im の球状粒子である。

また、第 1 図に製造フロー図を示す。

本実施例および比較例の組成および各製造条件、並びに得られた焼結体の機械的特性を第 1 表にまとめて示す。ここで、それぞれの特性の測定方法は次のとおりである。まず、気孔率および嵩比重は JIS R2205 により、ケロシンを用いて測定した。室温圧縮強度、降伏点並びに弾性率は、直径 10X高さ 10 の試験片を用い、クロスへッドスピード 0.5mm/min の条件で測定した。高温圧縮強度は、前記と同様の試験片、加圧スピードを用い、 150 、 250 、 350 および 45 0 ての大気中にて測定した。

摺動特性に関しては、摩擦係数の荷重依存性、滑り速度依存性および大気と真空での摩擦係数の周囲温度依存性を第 2 表に示す。各摩擦係数依存性の測定方法は次のとおりである。まず、摩擦係数の荷重依存性は、 2 線式トライボメータを用い、 SUS 30 を相手材料として、摺動速度を 0.4m/sの一定条件にて測定した。また、荷重依存性は、同様の装置を用い、荷重を 20kgf の一定条件にて測定した。一方、大気および真空中での摩擦係数の周囲温度依存性は、ピン • オン · ディスク法を用い、 SUS 304 をディスク材とし、摺動速度および荷重をそれぞれ 0. 4m/s、 2. 2kg fで一定の条件によって測定した。

第 1 表

測定項目実施例 1 難例 2 鶴例 3 難例 4 難例 5 赚例 1 赚例 2 腿例 3 腿例 4 製造方法真口ホ 7トブレス真^

7トリ，クス Cu 63 63 63 63 63 90 90 90 63 繊 Ni 27 27 27 27 27 一一一 27

Sn 10 10 10 10 10 10 10 10 10 潤滑剤グラファ仆 4 7 10 10 10 4 7 10 1 w\% WS₂ 1 1 1 1 1 1 1 1 0 潤滑剤解 V0 25 40 55 55 55 25 40 55 55 嵩 i s 6.25 5.54 4.73 5.32 5.34 5.96 5.16 4.67 4.11 気解 (%) 19.6 12.7 10.6 3.0 1.9 19.5 20.4 13.8 15.8 弾性率 (GPa) 91 50 29 48 45 34 14 13 23 降伏点 (MPa) 138 87 63 108 107 49 33 24 26 圧至 inn 268 131 76 118 117 162 113 56 70 縮 150°C 266 135 68 109 109 282 111 49 71 強 250°C 242 123 67 101 99 232 105 61 71 さ 350"C 225 118 62 95 91 146 87 52 73

MPa 450°C 176 91 54 91 87 72 44 32 70

2 表

測定項目実施例 1 実施例 2 実施例 3 実施例 4 実施例 5 比較例 1 比較例 2比較例 3 比較例 4

2kgf U. 75 0. 263 0. 160 0， 143 0. 150 0. 475 0. 468 0. 255 0. 210 荷重依存性

5kgf 0. 230 0. 200 0. 160 0. 120 0. 1 2 0. 272 0. 190 0. 180 0. 190 lOkgf 0. 280 0. 273 0. 220 0. 121 0. 133 0. 435 0. 335 0. 170 0. 205 速度条件

20kgf 0. 233 0. 170 0. 110 0. 098 0. 102 0. 360 0. 165 0. 120 0. 146

0. 4m/s

40kgf 0. 210 0. 152 0. 085 0. 092 0. 1 10 0. 310 0. 143 0. 102 0. 113

0. 2m/s 0. 300 0. 210 0. 168 0. 139 0. 138 0. 360 0. 283 0. 195 0. 245 速度依存性

0. 4m/s 0. 233 0. 170 0. 1 10 0. 098 0. 102 0. 360 0. 165 0. 120 0. 146

0. 8m/s 0. 145 0. 143 0. 070 0. 085 0. 090 0. 310 0. 123 0， 073 0. 128 荷重条件ハゾ

1. 6m/s 0. 168 0， 085 0. 043 0. 059 0. 063 0. 158 0. 070 0. 048 0. 095 20kgf 「

2. 4m/s U. 095 0. 035 0. 028 0. 021 0. 024 n

0. 129 0. 055 0. 040 0. 052 至 ¾m U. U9U 0. ODD 0. 062 0， 061 0. 248 0. 265

Inn 真

200 C 0. 059 0. 055 0. 164 0. 079 0. 068 0. 175 0. 277 度

oUUし U. 045 U. Ur U. 105 ϋ， 075 0. 074 0. 128 0. 244 依

400°C U. U I U. U o U. U4b υ. υ i U n U. n UebeO U. Uob U. ^I U 存中

500°C 0. 064 0. 032 0. 046 0. 074 0. 068 0. 078 0. 212 性

.？ fnt 0. 270 0. 198 0. 162 0. 092 0. 099 0. 318 0. 210 速度条件大

200°C 0. 172 0. 141 0. 135 0. 085 0. 082 0. 191 0. 163

0. 4m/s

気 300°C 0. 150 0. 1 12 0. 098 0. 076 0. 076 0. 182 0. 138 荷重条件

400°C 0. 129 0. 101 0. 084 0. 070 0. 068 0. 409 0. 126 lOkgf 中

500°C 0. 121 0. 103 0. 082 0. 063 0. 071 0. 523 0. 133

実施例 1

グラフアイト粒子と WS ₂ 粒子を体積比で 4 ： 1 となるように抨量し、ボールミルにて乾式混合し均一な混合粉末を得た。この混合粉を 300MPaの加圧力にて一軸成形し、これを粉砕、分級することによつて、平均粒径 50 z m の固体潤滑剤複合造粒物（1 ) を製造した。この固体潤滑剤造粒物と、 Cu- N i 合金と Snの比率が重量比で 9 ： 1 となるように秤量したマトリックス金属混合粒子（2) とを、（1 ) と（2) との比率が体積比で 25 ： 75 となるように秤量し、ボールミルを用いて均一に混合した。これを金型プレスを用いて 300MPaの圧力にて成形し、得られた成形体をコークス粗粒中に埋設し、真空中 740 で 60分間加熱して焼結体を得た。

得られた焼結体の微細構造の概念図を第 2図に示す。この図では、複合材料の構成要素の配置のみを示す概念図であって、その形状を表すものではない。この図から、主たるマトリックスである C u - N i 合金粒子が、粒界の Snまたは Sn- N i 合金によって強固に結合されており、そのマトリックス金属中にグラフアイトと WS ₂ の固体潤滑剤造粒物が均一に分散している。 N iを含まず、固体潤滑剤成分を同体積比含む比較例 1 に比べて、弾性率および降伏点が約 3倍となつていることがわかる。また、 350 °Cを超える高温にて強度が著しく改善されていることがわかる。さらに、ほとんど全ての荷重、速度並びに温度条件で、固体潤滑成分を同体積比含む比較例 1 に比べて、摩擦係数が低く、摺動特性も改善されている。

比較例 1

マトリックスへの N i添加効果を調べるために、 N iを含まない 90w t ¾Cu - 1 0w t ¾Sn をマトリックス金属に用い、それ以外の組成は全て実施例 1 と同様とした,自己潤滑性複合材料を、実施例 1 と同じ条件で製造した。実施例 2

グラフアイトと WS₂ の体積混合比を 7 ： 1 とし、固体潤滑成分と金属マトリックスとの体積比を、 40 ： 60 とした自己潤滑性複合材料を、実施例 1 と同様に成形し、 750 て、 60分間の条件にて焼結体を得た。実施例 1 の場合と同様、固体潤滑成分を同体積比含む比較例 2に比べて、弾性率、降伏点並びに高温強度の点で大幅な改善が認められる。また、摩擦係数も比較例 2に比べて、ほぼ全ての条件で低い。

比較例 2

マトリックスへの Ni添加効果を調べるために、 Niを含まない 90wt %Cu-10wt¾Sn をマトリックス金属に用い、それ以外の組成は全て実施例 2 と同様とした自己潤滑性複合材料を、実施例 2 と同じ条件で製造した。

実施例 3

グラフアイトと WS₂ の体積混合比を 10 ： 1とし、固体潤滑成分と金属マトリックスとの体積比を 55 ： 45 とした自己潤滑性複合材料を、実施例 1 と同様に成形し、 770 °C、 60分間の条件にて焼結体を得た。実施例 1 および 2の場合と同様に、 Niを含まない比較例 3に比べて、弾性率、降伏点並びに高温強度の点で大幅な改善が認められる。

ここで、機械的特性に与える Ni添加の効果を、より明確にするために、本発明として実施例 1 〜 3および従来技術として比較例 1 〜 3の特性を、固体潤滑成分の体積分率をパラメ一夕として第 3 ( A ) 〜（D) に示す。第 3図（A) 〜（ D ) では、第 3図（A) は室温圧縮強度、第 3図（ B ) は高温圧縮強度、第 3図（ C ) は降伏点および第 3図（D) は弾性率とグラフアイト含有率との関係を示すものである。これらの図から、 Ni添加によって、複合材料の機械的特性が大幅に改善されていることがわかる。

また、摩擦係数の大気および真空中での温度依存性を第 4 ( A ) および（ B ) に示す。第 4図（A) 〜（ B ) では、第 4図（A) は大気中および第 4図（ B ) は真空中での摩擦係数と温度との関係を示すものである。これらの図から、本発明の自己潤滑性複合材料は、大気中並びに真空中において、室温から 500 °Cにわたる広い温度範囲で、摩擦係数 0.2 以下の優れた摺動特性を示している。マトリックスに Niを含まない比較例 3の場合、大気中で使用した場合、 300 °Cを超える高温において、マトリックス金属が酸化してしまい、摩擦係数が急激に上昇する。

また、固体潤滑成分として WS₂ を含まない比較例 4の場合、大気中では実施例 3 とほとんど同等の低い摩擦係数を示すものの、真空中においては、全ての温度範囲で摩擦係数が、 0.2 を超えてしまう ο

比較例 3

マトリックスへの Ni添加効果を調べるために、 Niを含まない 90wt %Cu-10wt¾Sn をマトリックス金属に用い、それ以外の組成は全て実施例 3 と同様とした自己潤滑性複合材料を、実施例 3 と同じ条件で製造した。

比較例 4

固体潤滑成分中の WS₂ の有無による効果を調べるために、実施例 3 と同一のマトリックス中に、グラフアイトのみを 55vo を含む自己潤滑性複合材料を製造した。

実施例 4

実施例 3 と同一の組成、同一の粉体処理を施した固体潤滑剤複合造粒物とマトリックス金属粒子の混合粉を、内面に窒化ホウ素を塗布した直径 60mmx高さ 90隱のカ一ボンダイスに充塡し、アルゴン中、 40 Pa 、 630 て、 60分の条件でホットプレスして焼結体を得た。真空焼結で製造した実施例 3比べて、ホットプレスでは気孔率の少ない焼結体が得られ、特に固体潤滑成分を多量に含む材料の製造に適してレ、。

実施例 5

実施例 3 と同一の組成、同一の粉体処理を施した固体潤滑剤複合造粒物とマトリックス金属の混合粉体を、カーボンダイスに充填し、カーボン製の押し棒間に 800Aの直流電流を約 40秒間流した。この時の被焼結体温度は 700 °Cであり、収縮率計で緻密化が完全に達成されたことを確認した。本実施例において、短時間焼結にも関わらず、ホットプレスと同様に緻密な自己潤滑性複合材料が得られた。産業上の利用可能性

本発明によって、マトリックスを Cu- N i - Sn合金として、これに固体潤滑成分として、グラフアイトおよび WS ₂ 粒子を均一分散させ、かつこれらを S n単相または S n— N i 金属間化合物で取り囲む微細構造となし、耐酸化性を向上させ、従来にない高温強度、耐力に優れ、大気中のみならず真空中でも使用できる自己潤滑性複合材料が得られる。

Claims

請求の範囲

1. 固体潤滑成分として 2 0〜 7 0 vol %のグラフアイト粒子および WS ₂ の混合粒子を含有し、気孔率が 2 5 vol %以下である C u - N i - S n系複合焼結体であって、マトリックスが C u— N i 合金粒子と、該粒子の粒界に均一に分散し、該粒子を強固に結合する S n単相または S n -N i金属間化合物からなる二相合金で、このマトリツクス合金が固体潤滑剤粒子の周囲を取り囲む組織からなることを特徴とする高強度高温用自己潤滑性複合材料。

2. 前記マトリックスが、合金組成として、重量％表示で、 N i ： 5〜4 0 %、 S n ： 4〜 1 5 %、残部が C uおよび不可避不純物からなる請求の範囲 1記載の高強度高温用自己潤滑性複合材料。

3. 前記マトリックス合金の C u— N i粒子並びに、 S n単相または S n— N i金属間化合物粒子の粒径が、 5〜 1 0 0 mである請求の範囲 1記載の高強度高温用自己潤滑性複合材料。

4. 前記固体潤滑成分として、グラフアイトと WS ₂ の比率が、体積比で、 1 5 ： 1〜 1 ： 1であり、潤滑剤粒子は球またはプレートレット状の形態で、粒径が 1 0〜 5 0 O ^mである請求の範囲 1 記載の高強度高温用自己潤滑性複合材料。

5. 前記複合材料は、良好な自己潤滑性を有し、真空中および大気中で無注脂にて摺動部材として使用可能であり、かつ耐熱性として空気中で 5 0 0でまたは真空中で 7 0 0 °Cでの使用が可能である請求の範囲 1記載の高強度高温用自己潤滑性複合材料。

6. 固体潤滑成分としてグラフアイト粒子および WS ₂ 粒子を含有する C u— N i — S n系複合焼結体の製造方法において、グラフアイト粒子および WS ₂ 粒子からなる混合粉体を造粒する工程と、固体潤滑剤造粒物に C u— N i合金粉末および S n粉末を混合して混合物を形成する工程、および混合物を加圧成形し、その後加圧成形体を非酸化雰囲気または真空中で焼結する工程からなることを特徵とする高強度高温用自己潤滑性複合材料の製造方法。

7 . 前記グラフアイト粒子および W S 2 粒子からなる混合粉体に、バインダーを添加して造粒する請求の範囲 6記載の高強度高温用自己潤滑性複合材料の製造方法。

8 . 前記加圧成形が、金型プレスまたは静水圧プレスによって、成形圧力を 1 0 0〜 5 0 O M P aにして行われる請求の範囲 6記載の高強度高温用自己潤滑性複合材料の製造方法。