JPH111375A

JPH111375A - 金属・炭素繊維複合摺動材

Info

Publication number: JPH111375A
Application number: JP9156462A
Authority: JP
Inventors: Kenji Matsumoto; 謙司松本
Original assignee: SENSHIN ZAIRYO RIYOU GAS JIENE; SENSHIN ZAIRYO RIYOU GAS JIENEREETA KENKYUSHO KK
Current assignee: SENSHIN ZAIRYO RIYOU GAS JIENE; SENSHIN ZAIRYO RIYOU GAS JIENEREETA KENKYUSHO KK
Priority date: 1997-06-13
Filing date: 1997-06-13
Publication date: 1999-01-06

Abstract

(57)【要約】【課題】摩擦係数を小さくすることができるととも
に、耐摩耗性も良好にすることができる摺動材を提供す
る。【解決手段】予め金属を蒸着ないしメッキを施した固
体潤滑剤と炭素短繊維とを配合し、真空または不活性ガ
ス雰囲気で焼結する。この時、炭素短繊維の長さを０．
１〜１０ｍｍ、アスペクト比を２００未満、且つ、その
量を体積比０．１〜５０％とし、さらに、炭素短繊維を
酸処理等を施すことで、ある程度強度を低下させた短繊
維で構成した結果、摩擦係数を小さくすることができる
とともに、耐摩耗性も良好にすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、主にメカニカル
シール用摺動材や軸受けに利用可能な強度および耐摩耗
性、低摩擦に優れた金属・炭素繊維複合摺動材に関す
る。特に、各種産業機械装置の高速、高圧、高温化など
により、機器の軸封、軸受けなどの使用条件も厳しくな
ってきており、それらに対応できる摺動材として利用可
能な金属・炭素繊維複合摺動材に関するものである。

【０００２】

【従来技術およびその問題点】従来、金属・炭素繊維複
合摺動材としては、例えば金属メッキ等で被覆を施した
金属繊維を炭素材原料と配合して焼結する方法 (特開平
３−１１２８６４）により製造したものや、あるいは、
予め金属メッキを施した炭素繊維の熱間成形体を還元雰
囲気で焼結する方法 (特開平５−８８８７８）により製
造したもの等がある。これらの材料の多くは鉄道用パン
タグラフ、ブレーキ材、ガスケット等として使用されて
いる。そして、配合している繊維は金属系やＣ／Ｃコン
ポジットを用い、軽量化や強度、耐摩耗性向上を図って
いる。

【０００３】金属・炭素繊維複合摺動材をシールや軸受
け等の摺動材に適用する場合、低摩擦やなじみ性、精密
な加工性等が問題となる。

【０００４】一般に、炭素繊維を複合摺動材に配合する
のは、繊維自体は低摩擦ではないため、強度、耐摩耗性
向上を目的としている。また、製造工程で繊維表面を金
属メッキ等で被覆を行ったり、アスペクト比が大きい繊
維を用いているのは、繊維と金属マトリックスとを強固
に結合させ、強度やクラックの進展を止めたり、摺動の
際、脱落しづらくなるという効果を狙うためである。

【０００５】しかしながら、それらの効果は、同時にシ
ールや軸受け摺動材として重要な要因の一つであるなじ
み性を著しく低下することになってしまう。

【０００６】摺動材に繊維を配合した場合、繊維以外の
マトリックス部分は繊維部分に比べて耐摩耗性が劣るた
め、マトリックス部分が先に摩耗してしまうので、摺動
表面には繊維部分が露出し、繊維自体で荷重を支えるた
め，受圧面積が小さくなり、真実の面圧が高くなる。こ
の面圧が高い状態で繊維部分と相手材との摺動となる
と、場合によっては、相手材表面を摩耗させてしまう。
また、低摩擦をあまり期待できない繊維と相手材との摺
動になるため、摺動トルクが大きくなるとともに、摺動
による発熱量が増大し、材料自体の温度が高くなる。

【０００７】室温で使用するか、あるいは油や空気で十
分な冷却がなされない場合には、摺動発熱による温度上
昇により、強度が極端に低下し、耐摩耗性も低下すると
いう問題点を有していた。

【０００８】

【問題点を解決するための手段】上記の問題点を解決す
るためにこの発明は、予め金属を蒸着ないしメッキを施
した固体潤滑剤と炭素短繊維とを配合し、真空または不
活性ガス雰囲気で焼結したことを特徴とする金属・炭素
繊維複合摺動材を構成したものである。そして、前記炭
素短繊維の長さが０．１〜１０ｍｍ、アスペクト比が２
００未満で、かつ、その量が体積比０．１〜５０％より
なり、また、前記炭素短繊維は酸処理等で、ある程度強
度を低下させてある。

【０００９】

【作用】本発明は上記のような手段を採用したことによ
り、カーボン、窒化ホウ素、二硫化モリブデン、酸化
鉛、二硫化タングステン、ふっ化カルシウム系混合物、
酸化物一黒鉛混合物、耐酸化黒鉛等の固体潤滑剤に予め
金属の蒸着ないしメッキを施し、真空または不活性ガス
雰囲気で焼結することになる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。本発明における予め金属の蒸着ないしメッ
キを施す固体潤滑剤としては、カーボン、窒化ホウ素、
二硫化モリブデン、酸化鉛、二硫化タングステン、ふっ
化カルシウム系混合物、酸化物一黒鉛混合物、耐酸化黒
鉛等の固体潤滑剤を用いるものである。

【００１１】そして、固体潤滑剤の表面を銅、ニッケル
などの金属またはそれらの合金で被覆する。この金属被
覆は蒸着や無電解メッキ等が良く、被膜は焼結時のバイ
ンダーとしての役割も果たすため、より厚い方が良い。
また、固体潤滑剤の形状は球形の方がよい。それは、混
合する際、均一に混ざり、焼結後も固体潤滑剤が球形に
近ければ、近い程良好な摺動特性が期待できるためであ
る。

【００１２】配合する炭素短繊維の長さは０．１〜１０
ｍｍ、アスペクト比が２００未満とする。繊維の長さが
１０ｍｍを越えると摺動時、繊維とバインダーとの接触
面積が大きいため、バインダー部分から繊維が脱落しに
くく耐摩耗性は向上するが摩擦係数が大きくなる。

【００１３】低摩擦を狙う場合、適度に脱落させるよう
にするため繊維の長さは短いものを用い、バインダーと
強固な結合をしにくいようにする方が良い。しかし、繊
維の長さが０．１ｍｍ未満では、繊維の添加効果が現れ
ない。

【００１４】また、短繊維に対して脱落しやすい処理は
行っても強固な結合をもたらす金属被覆等は行わない。
それは、繊維がマトリックスに比べて耐摩耗性があるた
め、マトリックスが先に摩耗し、摺動面に繊維が露出す
る。そのため、相手材を摩耗させてしまったり、繊維自
体が低摩擦ではないため、摩擦係数が高くなる。

【００１５】アスペクト比の小さい短繊維を用いると、
流体潤滑下で使用する場合、短繊維が微小突起となり油
膜や潤滑膜を適度に保持し、流体潤滑を円滑に行う作用
が期待できる。さらに粉末原料と混合させる際に簡易な
攪拌機による混合でも比較的均一に混ぜることができ
る。

【００１６】短繊維の配合は焼結体の硬度、曲げ強度等
を向上させることになる。そのため、荷重が大きな場合
等には変形を少なく抑えることができたり、真実接触面
積を抑えることができるため、摺動トルクを低くするこ
とができる。

【００１７】摺動特性向上に短繊維の量は０．１〜５０
％が好ましい。これは相手材によってそれぞれ繊維量を
変えなければならないが、繊維の量が多すぎると固体潤
滑剤により摺動面に生成した潤滑膜を剥ぎ落としてしま
い、摺動トルクが増大し、相手材摺動面まで傷つけるこ
とになる。また、少なすぎると雰囲気から摺動面に進入
してくる異物や摩耗粉等が堆積してしまい、部分的な突
起ができたり、面が荒れてきて、焼き付き、凝着、偏摩
耗等が生じ、異常振動が生じたりし、シール部材として
使用する場合には漏れ量増大へとつながってしまう。

【００１８】炭素短繊維は未処理の物または酸処理等で
ある程度強度を低下させたものを用いると低摩擦が期待
できる。未処理であれば、バインダーとのぬれ性がある
程度悪いため、焼結の際、若干の隙間がバインダーと炭
素短繊維の間にでき、摺動時にある程度容易に脱落する
ことが期待できる。また、高温酸化雰囲気で熱処理をし
たり、硝酸、硫酸等で酸処理を行い、炭素短繊維の強度
または剪断力を若干低下させると相手材と摺動した時に
炭素短繊維の方が摩耗するため、相手材摺動面を傷つけ
ず、摺動トルクが抑えられ、摺動発熱を少なくすること
ができる。

【００１９】旋盤等を用いた切削加工の際、加工表面が
繊維によって毛羽立つことな< 精度良く行うことができ
るため、セグメントシールやエアー軸受けシール等の精
密加工が可能となる。

【００２０】次に、本発明の実施の形態に基づく具体的
な製造方法と材料特性値について説明する。＜実施例−１＞粒度１０〜８０μｍの窒化ホウ素に厚さ
３〜１０μｍのＮｉの無電解メッキを施した粉末３５３
ｇと、太さ１４．５μｍ、長さ７００μｍの黒鉛系Ｃ／
Ｃコンポジット５４ｇをステアリン酸１０ｇが溶解して
いるアセトン３００ｍｌ中で攪拌機を用いて湿式混合を
行う。

【００２１】その後、ホットプレスで８６０℃、圧力
０．４トン／ｃｍ²、アルゴン雰囲気１時間で焼結を行
い、冷却後、炉外に取り出す。焼結後、加圧方法に対し
て垂直な面を摺動面となるように加工し、摺動特性を測
定する。

【００２２】摺動試験結果を表１に示す。本発明品は、
短繊維無配合と比べて摩耗量が大幅に小さくなっている
ことがわかる。また、窒化ホウ素が配合されていない焼
結体に比べて摩擦係数が低いことがわかる。

【表１】

【００２３】＜実施例−２＞粒度５〜８０μｍの等方性
高強度黒鉛に厚さ３〜１０μｍのＮｉ無電解メッキを施
した粉末４００ｇと、太さ１２．５μｍ、長さ２００μ
ｍの黒鉛系Ｃ／Ｃコンポジット３０ｇをステアリン酸１
０ｇが溶解しているアセトン３００ｍｌ中で攪拌機を用
いて湿式混合を行う。

【００２４】その後、ホットプレスで８６０℃、圧力
０．４トン／ｃｍ²、アルゴン雰囲気１時間で焼結を行
い、冷却後、炉外に取り出す。焼結後、加圧方法に対し
て垂直な面を摺動面となるように加工し、摺動特性を測
定する。

【００２５】摺動試験結果を表２に示す。室温での平均
摩擦係数はアスペクト比２４０より本発明品の方が若干
低い程度であるが、振れ幅が低くなっていることがわか
る。

【表２】

【００２６】＜実施例−３＞粒度５〜７０μｍの等方性
高強度黒鉛に厚さ３〜１２μｍの銅無電解メッキを施し
た粉末４００ｇと、太さ１２．５μｍ、長さ２００μｍ
の黒鉛系Ｃ／Ｃコンポジット５４ｇをステアリン酸４ｇ
が溶解しているアセトン中で５０℃に加熱しながら攪拌
機を用いて湿式混合を行う。

【００２７】その後、ホットプレスで７００℃、圧力
０．４トン／ｃｍ²、アルゴン雰囲気１時間で焼結を行
い、冷却後、炉外に取り出す。焼結後、加圧方法に対し
て垂直な面を摺動面となるように加工し、摺動特性を測
定する。

【００２８】摺動試験結果を表３に示す。室温での摩擦
係数は従来品より本発明品の方が若干低い程度である
が、５００℃では効果が大きいことがわかる。

【表３】

【００２９】＜実施例−４＞粒度５〜８０μｍの等方性
高強度黒鉛に３〜１０μｍＮｉ無電解メッキを施した粉
末４００ｇと、５００℃で４０時間高温大気炉で酸化さ
せた太さ１２．５μｍ、長さ２５０μｍの黒鉛系Ｃ／Ｃ
コンポジット３０ｇをステアリン酸１０ｇが溶解してい
るアセトン３００ｍｌ中で攪拌機を用いて湿式混合を行
う。

【００３０】その後、ホットプレスで８６０℃、圧力
０．４トン／ｃｍ²、アルゴン雰囲気３時間で焼結を行
い、冷却後、炉外に取り出す。焼結後、加圧方法に対し
て垂直な面を摺動面となるように加工し、摺動特性を測
定する。

【００３１】摺動試験結果を表４に示す。摩擦係数は未
処理に比べて、高温大気中で酸化処理を行った方が摩擦
係数が低くなり、摩擦係数の振れ幅も小さくなっている
ことがわかる。

【表４】

【００３２】

【発明の効果】本発明は前記のようであるので、短繊維
を配合することにより摩擦係数を小さくすることができ
て摩耗量を大幅に小さくすることができ、相手材との摺
動を良好とすることができる。また、アスペクト比を小
さくすることで平均摩擦係数を小さくすることができる
とともに、摩擦係数の振れ幅を低くすることができる。
さらに、短繊維に酸処理を施すことにより摩擦係数を小
さくすることができて、摩擦係数の振れ幅も小さくする
ことができる。したがって、本発明による摺動材にあっ
ては、摩擦係数が小さくて相手材との摺動が良好である
とともに、耐摩耗性、すなわち摩耗量も小さくできて長
期間に渡って使用することができ、しかも、摩擦係数の
振れ幅も小さくできるので安定した摺動特性を得ること
ができるという効果を有している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＣ０４Ｂ 35/58 １０３Ｍ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】予め金属を蒸着ないしメッキを施した固
体潤滑剤と炭素短繊維とを配合し、真空または不活性ガ
ス雰囲気で焼結したことを特徴とする金属・炭素繊維複
合摺動材。
【請求項２】前記炭素短繊維の長さが０．１〜１０ｍ
ｍ、アスペクト比が２００未満で、かつ、その量が体積
比０．１〜５０％である請求項１記載の金属・炭素繊維
複合摺動材。
【請求項３】前記炭素短繊維は酸処理等で、ある程度
強度を低下させている請求項１記載の金属・炭素繊維複
合摺動材。