JP2009091661A - 複合材料、複合材料の製造方法及び該複合材料を用いた摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】強度低下の防止、クラック発生の防止および生産性の向上を図った複合材料、その製造方法及び該複合材料を用いた摺動部材を提供することである。
【解決手段】複合材料は、主にカーボンからなる摺動層７と、摺動層７の外周に結合されたカーボンを含まない焼結体層８とで構成されている。摺動部材には、この複合材料が用いられている。複合材料の製造方法は、焼結体層の材料９を型に充填する第１充填工程と、摺動層の材料１０を焼結体層の内周に位置する型に充填する第２充填工程と、第１充填工程及び第２充填工程において充填された材料を同時に加圧成形して粉末成形体を得る成形工程とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、摺動部材に用いる複合材料に関し、さらに詳しくいえば、主にカーボンからなる摺動層と、前記摺動層周囲に結合された焼結体層とで構成される複合材料、その製造方法及び該複合材料を用いた摺動部材に関する。

従来から、下記特許文献１に開示される複層構造を有する軸受がある。この特許文献１には、主にカーボンからなる摺接層と、主にカーボンおよび金属からなり該摺接層に結合して該摺接層を支持する支持層とで構成される燃料ポンプ用軸受が開示されている。
特開２００３−２８６９２２号公報

しかし、特許文献１のものは、支持層が主にカーボンおよび金属からなるため、支持層が金属単独の場合よりも軸受の強度が低く、支持層を後加工した際の寸法精度が悪くなる。また、摺接層を粗形成した後に支持層を結合させるため、摺接層と支持層の界面が明確にできてしまい、充分な界面の接着力が得られず、後加工時に摺接層にクラックが発生するといった問題がある。さらに、特許文献１のものは、２回加圧成形しなければならず、生産性が悪いといった問題がある。

そこで、本発明の目的は、自己潤滑性、耐蝕性に優れるが、強度が弱いカーボンと、強度は強いが、自己潤滑性がなく、耐蝕性に問題がある金属及び／又はセラミックスの両者の長所を活かすべく、カーボン層と金属及び／又はセラミックス層を別々に作製し一体化させるのではなく、カーボン層と金属及び／又はセラミックス層を同時に形成する一体成形により、カーボン層と金属及び／又はセラミックス層からなり、両層の界面が不明瞭である構造とし、摺動部材としての性能改善と生産性向上を図った複合材料を提供することである。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、摺動層に用いられる黒鉛粉の粒子径、バインダーの配合割合、焼結体層に用いられる金属及び／又はセラミックス粉体の粒子径を特定し、摺動層と焼結体層を同時に形成する一体成形を行うことで、強度低下の防止、クラック発生の防止および生産性の向上できることを見出し、本発明を完成するに到ったものである。

すなわち、本発明の複合材料の製造方法は、主にカーボンからなる摺動層と、前記摺動層の外周に結合された焼結体層とで構成される複合材料の製造方法であり、前記焼結体層の材料を型に充填する第１充填工程と、前記摺動層の材料を前記焼結体層の内周に位置する型に充填する第２充填工程と、前記第１充填工程及び前記第２充填工程において充填された材料を同時に加圧成形して粉末成形体を得る成形工程とを有している。また、本発明の複合材料は、主にカーボンからなる摺動層と、前記摺動層の外周に結合されたカーボンを含まない焼結体層とで構成されている。また、本発明の複合材料は、前記摺動層と前記焼結体層との界面が不明瞭であることが好ましい。また、本発明の複合材料は、前記摺動層が平均粒子径１〜２００μｍの黒鉛粉１００重量部に対して、バインダー５〜８０重量部を混合、焼成してなるものであることが好ましい。また、本発明の複合材料は、前記焼結体層が平均粒子径１〜２００μｍの金属及び／又はセラミックスの粉体を焼結してなるものであることが好ましい。また、前記摺動層と前記焼結体層との厚みの比が５：９５〜７０：３０であることが好ましい。さらには、本発明の複合材料は摺動部材として使用されることが好ましい。

上記構成により、本発明によれば、摺動層は自己潤滑性、耐蝕性に優れたカーボンの特性が活かせ、金属及び／又はセラミックスからなる支持層により複合材料の強度を高くでき、良好な寸法精度の後加工が可能となる複合材料及びこの複合材料を製造する方法を提供できる。また、カーボン層と金属及び／又はセラミックス層を一体成形することにより、成形時における生産性向上を図ることができる。
また、本発明の複合材料によれば、カーボン層と金属及び／又はセラミックス層の層間に明確な界面がないので、剥離やクラックを発生しない。なお、本発明の明細書中において、「層」と表現しているが、これは界面が明瞭であるもののみならず、界面が不明瞭であるものをも含む広い概念である。
さらに、本発明の複合材料によれば、寸法出しを行う仕上げ工程において、プレス加工による寸法出し（以下、サイジングという）が使用可能である。本発明ではサイジングによってカーボン層にクラックが発生しないため、寸法精度が優れた摺動部材を、効率的に安価に生産できる。なお、ドリル等による仕上げでは、寸法精度が悪く、生産性も悪く、コストがかかる。

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。
本発明の複合材料は、主にカーボンからなる摺動層と、前記摺動層の外周に結合された焼結体層とで構成される複合材料である。前記摺動層は平均粒子径１〜２００μｍの黒鉛粉１００重量部に対して、バインダー５〜８０重量部を混合、焼成してなるものである。また、本発明の複合材料は、前記摺動層と前記焼結体層との厚みの比が５：９５〜７０：３０である。厚みの比が５：９５未満であると、摺動層が薄いため摺動材料としての寿命が短くなり、実用的ではない。また、７０：３０を越えると、支持層の強度的な補強効果が小さくなるため好ましくない。

本発明に用いられる黒鉛粉（カーボン）としては、人造黒鉛、天然黒鉛、スート等が挙げられるが、特に限定はされない。平均粒子径が１μｍ未満では、成形粉の流動性が悪くなり、成形性が低下する。平均粒子径が２００μｍを越えると、強度が低下するばかりではなく、摺動層の剥離が起こりやすくなる。従って、黒鉛粉の平均粒子径は１０〜１００μｍがさらに好ましい。

本発明に用いられるバインダーとしては、ピッチ、タール、合成樹脂等が挙げられる。合成樹脂としては、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂のいずれをも使用することができる。特に好適な合成樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂が挙げられる。

本発明に用いられる金属、セラミックスの粉体の種類については特に限定はされず、市販のものが使用できる。金属粉としては、各種金属の金属粉末でも合金粉末でもよい。金属粉としては、銅、鉄、亜鉛、錫、真鍮、青銅およびこれらの合金が好適である。また、添加剤として、銅−リン合金、硼化鉄等を使用することができる。セラミックス粉としては、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素等が使用でき、また、各種焼結助剤を用いてもよい。なお、金属粉とセラミックス粉は混合して使用してもよい。
本発明に用いられる金属、セラミックスの粉体の平均粒子径は１〜２００μｍである。平均粒子径が１μｍ未満では、成形粉の流動性が悪くなり、成形性が低下する。２００μｍを越えると、材料組織が粗くなり、材料強度の低下や摺動特性の悪化を引き起こす。従って、平均粒子径は５〜１００μｍがさらに好ましい。

次に、本発明の複合材料の製造工程を説明する。第１工程として、本発明の複合材料の摺動層に用いる材料の作製工程について説明する。
まず、黒鉛粉とバインダーを混練する。黒鉛粉とバインダーの配合比は、黒鉛粉１００重量部に対して、バインダー５〜８０重量部、好ましくはバインダー１０〜５０重量部である。バインダー量が５重量部未満では、摺動層の剥離が起こりやすく、摺動時の摩耗量が増加する。また、バインダー量が８０重量部を越えると、焼成時の収縮が大きく、割れが発生しやすい。また、黒鉛量が少なくなるため、摺動特性が悪くなる。なお、混練の際には必要に応じてアルコール類、アセトン類の有機溶剤を適量加えてもよい。また、必要に応じて黒鉛粉に添加剤、例えば固体潤滑材、皮膜調整剤を加えてもよい。すなわち、二硫化モリブデン、二硫化タングステン等の固体潤滑材を加えてもよく、アルミナ、シリカ、炭化珪素等の皮膜調整剤を加えてもよい。次に、混練した塊を粉砕して成形用の粉体（以下、成形用粉体という）に調整する。なお、得られた成形粉に離型剤、滑剤等の添加剤を加えてもよい。

次に、第２工程として、本発明の複合材料を製造するための成形工程について説明する。図１（ａ）に示す断面模式図のように、この成形工程で用いる金型１１は、円筒状のダイス５と、ダイス５に下方から嵌装され、下方端に押圧用リングを有する円筒状の下パンチ２と、下パンチ２の筒内壁に沿って嵌装され、下方端に押圧用リングを有する円筒状のしきり部材６と、しきり部材６の筒内壁に沿って嵌装され、下方端に押圧用リングを有する円筒状の下パンチ３と、下パンチ３の筒内壁に沿って嵌装される棒状の下パンチ４と、ダイス５に上方から嵌装可能な上パンチ１とを備えてなる。

次に、金型１１を用いて成形体を成形する工程について具体的に説明する。
まず、金型１１のダイス５、下パンチ２及びしきり部材６で囲まれた空間に斜線で示す金属及び／又はセラミックス粉体９を充填する（図１（ａ）参照）。
次いで、下パンチ３の上端と下パンチ２の上端とが同位置になるまで下パンチ３を下方に移動させ、主にカーボンからなる成形用粉体１０をしきり部材６と下パンチ３、４とに囲まれた空間に充填する（図１（ｂ）参照）。
そして、成形用粉体１０と、金属及び／又はセラミックス粉体９との間のしきり部材６の上端を下パンチ３の上端及び下パンチ２の上端と同位置になるまでしきり部材６を下方に移動させる（図１（ｃ）参照）。このように、しきり部材６が下降することにより、成形用粉体１０と、金属及び／又はセラミックス粉体９が一体成形可能となるとともに、両層の界面が生じなくなる。
その後、上パンチ１を上方からダイス５に嵌装し、かつ、下方へ押圧するとともに、下パンチ２、３及びしきり部材６各々の一端の位置がずれないようにしながら上方に各々の押圧用リングを押圧し、金属及び／又はセラミックス粉体９と成形用粉体１０とを加圧成形する（図１（ｄ）参照）。このようにして、金属及び／又はセラミックス粉体９、成形用粉体１０の両層は強固に接着、成形され、金属及び／又はセラミックス層７、成形用層８となる。
成形後、上パンチ１をダイス５から上方に取り外し、下パンチ２、３及びしきり部材６それぞれの一端の位置がずれないように上方に押し上げ、成形体から下パンチ４を下方に移動させて引き抜いて（図１（ｅ）参照）、金属及び／又はセラミックス層７及び成形用層８からなる円筒状の成形体を金型１１から取り出す。このようにして成形体が得られる。
なお、図１で示した成形方法は支持層の内側に摺動層が形成されるものであるが、支持層の外側に摺動層が形成されるものであってもかまわない。

次に、第３工程として、上記成形体の焼成について説明する。
成形体の焼成は、非酸化性雰囲気下あるいは還元雰囲気下で実施されることが好ましい。また、焼成温度は、金属、セラミックスが溶融または分解しない温度であり、例えば、５００〜２０００℃である。非酸化性雰囲気下あるいは還元雰囲気下で焼成することによって、成形品の酸化劣化を防止する。焼成温度は、支持層に使用した金属、セラミックスの融点に応じて適宜選択することができる。なお、焼成された成形品には、酸化防止剤を塗布する等の防錆処理を施してもよい。

上記実施形態によれば、摺動層は自己潤滑性、耐蝕性に優れたカーボンの特性が活かせ、金属及び／又はセラミックスからなる支持層により複合材料の強度を高くでき、良好な寸法精度の後加工が可能となる複合材料及びその製造方法を提供できる。また、カーボン層と金属及び／又はセラミックス層を一体成形することにより、成形時における生産性向上を図ることができる。また、上記実施形態で得られた成形品の寸法出しを行う仕上げ工程において、優れた寸法精度を得ることができるサイジングの使用が可能である。さらに、サイジングによって摺動層にクラックが発生しないため、効率的かつ安価に生産することできる。

なお、本発明の複合材料は、摺動部材に用いることができる。好ましくは軸受、特に好ましくは、液体中、ガス雰囲気中、３００℃程度までの高温大気中で使用される軸受である。

以下に、実施例を挙げて、本発明を具体的に説明する。
（実施例１）
人造黒鉛粉（平均粒子径１０μｍ）１００重量部に対して、フェノール樹脂２５重量部を配合し、人造黒鉛粉と樹脂とが均一に混合されるように、常温で混練した。得られた混練物を平均粒子径４０μｍに粉砕して成形用粉体とした。

銅粉（平均粒子径４０μｍ）を図１（ａ）に示すように金型に充填した後、前記成形用粉体を図１（ｂ）に示すように金型に充填し、上記実施形態で説明した成形工程により常温にて加圧力３００ＭＰａで圧縮成形した。得られた成形品は、還元雰囲気下８００℃で焼成した。

焼成された成形品にサイジングを施した。このとき、成形品の摺動層にクラックは発生しなかった。得られた製品は、製品寸法が外径１５ｍｍ×内径５ｍｍ×高さ１０ｍｍ、摺動層と支持層の厚みの比が３０：７０であった。

（実施例２）
金属粉に鉄粉（平均粒子径８０μｍ）を用い、還元雰囲気下１１００℃で焼成した以外は、実施例１の場合と同様の操作を行った。焼成された成形品にサイジングを施したが、実施例１の場合と同様に、成形品の摺動層にクラックは発生しなかった。

（実施例３）
金属粉に、銅粉（平均粒子径４０μｍ）と鉄粉（平均粒子径８０μｍ）の重量比が５０：５０の混合金属粉を用い、還元雰囲気下８００℃で焼成した以外は、実施例１の場合と同様の操作を行った。焼成された成形品にサイジングを施したが、実施例１の場合と同様に、成形品の摺動層にクラックは発生しなかった。

（比較例１）
銅粉（平均粒子径４０μｍ）を先に圧縮成形した後、銅粉成形品を金型から取り出さず、その金型の内側部分に、実施例１で使用した成形用粉体を充填してから、再度、圧縮成形した以外は、実施例１の場合と同様の操作を行った。焼成された成形品にサイジングを施したが、カーボン層と金属層の界面にクラックが発生した。

このように、本発明に係る実施例で得られた成形品にサイジングを施しても、成形品の摺動層にクラックが発生しないことが確認できた。

なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態や実施例に限定されるものではない。

（ａ）は、金型に金属及び／又はセラミックスの粉体を充填したときの断面模式図である。（ｂ）は、次いで、成形用粉体を充填したときの断面模式図である。（ｃ）は、成形用粉体と、金属及び／又はセラミックスの粉体との間のしきり部材が外されたときの断面模式図である。（ｄ）は、加圧成形時の断面模式図である。（ｅ）は、成形終了時の断面模式図である。

符号の説明

１ 上パンチ
２，３，４ 下パンチ
５ ダイス
６ しきり部材
７ 成形用粉体層
８ 金属及び／又はセラミックス層
９ 金属及び／又はセラミックス粉体
１０ 成形用粉体
１１ 金型

Claims (7)

1. 主にカーボンからなる摺動層と、前記摺動層の外周に結合された焼結体層とで構成される複合材料の製造方法であり、
   前記焼結体層の材料を型に充填する第１充填工程と、
   前記摺動層の材料を前記焼結体層の内周に位置する型に充填する第２充填工程と、
   前記第１充填工程及び前記第２充填工程において充填された材料を同時に加圧成形して粉末成形体を得る成形工程とを有していることを特徴とする複合材料の製造方法。
2. 主にカーボンからなる摺動層と、前記摺動層の外周に結合されたカーボンを含まない焼結体層とで構成された複合材料。
3. 前記摺動層と前記焼結体層との界面が不明瞭であることを特徴とする請求項２に記載の複合材料。
4. 前記摺動層が平均粒子径１〜２００μｍの黒鉛粉１００重量部に対して、バインダー５〜８０重量部を混合、焼成してなる請求項２又は３に記載の複合材料。
5. 前記焼結体層が平均粒子径１〜２００μｍの金属及び／又はセラミックスの粉体を焼結してなる請求項２〜４のいずれか１項に記載の複合材料。
6. 前記摺動層と前記焼結体層との厚みの比が５：９５〜７０：３０である請求項２〜５のいずれか１項に記載の複合材料。
7. 請求項２〜６のいずれか１項に記載の複合材料を用いた摺動部材。

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