(57)【要約】【課題】耐摩耗性が向上された摺動部材およびその製造方法を提供することである。【解決手段】摺動部材においては、主として黒鉛およびバインダーからなる黒鉛基材Ｂ中に球状炭化物Ｐが分散的に存在する。摺動部材の製造工程では、黒鉛粉末に球状樹脂粉末および潤滑材を添加することにより混合粉末を調製し、さらに混合粉末とバインダーとを加熱しながら混練することにより混合基材を作製する。混練によって得られた混合基材を粉砕機により粒状に粉砕する。続いて、粉砕後の粒状の混合基材を成形した後に焼成する。これにより、球状樹脂粉末が球状炭化物となる。このようにして、摺動部材が完成する。【選択図】図１
2014152805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛およびバインダーを含む黒鉛基材と、
前記黒鉛基材中に分散的に存在する球状炭化物粒子とを備える、摺動部材。
【請求項２】
前記球状炭化物粒子の粒径は、１μｍ以上１５０μｍ以下の範囲である、請求項１記載の摺動部材。
【請求項３】
前記黒鉛基材は、潤滑材をさらに含む、請求項１または２記載の摺動部材。
【請求項４】
被摺動部材の被摺動面に対して摺動可能な摺動面を有し、
ＦＣ２００の鋳鉄からなる被摺動部材の算術平均粗さが０．０４以下である被摺動面に前記摺動面を０．２ＭＰａの圧力で押し当てた状態で８．１ｍ／ｓの速度で１００時間摺動させた場合に、磨耗によって減少する摺動部材の厚みが０．０９５ｍｍ以下である、請求項１〜３のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項５】
黒鉛および球状樹脂粉末を含む混合粉末とバインダーとを混練することにより混合基材を作製する工程と、
作製された混合基材を成形する工程と、
成形された混合基材を焼成する工程とを備え、
前記球状樹脂粉末は前記焼成する工程における焼成温度で球状炭化物粒子となる、摺動部材の製造方法。
【請求項６】
前記球状樹脂粉末は、球状フェノール樹脂粉末であり、前記焼成する工程における焼成温度は、７００℃以上１３００℃以下である、請求項５記載の摺動部材の製造方法。
【請求項７】
前記混合基材を作製する工程における前記混合基材は、前記混合粉末１００重量部に対して４重量部以上の前記球状樹脂粉末を含む、請求項５または６記載の摺動部材の製造方法。
【請求項８】
前記混合基材を作製する工程における前記混合基材は、前記混合粉末１００重量部に対して２５重量部以下の前記球状樹脂粉末を含む、請求項７記載の摺動部材の製造方法。
【請求項９】
前記混合基材を作製する工程における前記混合粉末中の前記黒鉛に対する前記球状樹脂粉末の重量の割合は、０．０４２以上である、請求項５または６記載の摺動部材の製造方法。
【請求項１０】
前記混合基材を作製する工程における前記混合粉末中の前記黒鉛に対する前記球状樹脂粉末の重量の割合は、０．３６以下である、請求項９記載の摺動部材の製造方法。
【請求項１１】
前記混合基材を作製する工程における前記混合粉末中の前記黒鉛に対する前記球状樹脂粉末の重量の割合は、０．０６５以上である、請求項９または１０記載の摺動部材の製造方法。
【請求項１２】
前記混合基材を作製する工程における前記混合粉末中の前記黒鉛に対する前記球状樹脂粉末の重量の割合は、０．０６７以下である、請求項１１記載の摺動部材の製造方法。
【請求項１３】
前記混合粉末は、潤滑材をさらに含む、請求項５〜１２のいずれかに記載の摺動部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動部材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば真空ポンプにおいては、乾燥雰囲気下でベーンが摺動する。このような乾燥雰囲気下で摺動する摺動部材には、炭素材料が用いられる。具体的には、主として黒鉛粉末にバインダーを加えてそれらを混練、成型および焼成することにより摺動部材が作製される（例えば、特許文献１）。黒鉛粉末は自己潤滑性が高いので、摺動部材が接触する被摺動部材の損傷および磨耗が抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２７９４１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、一般的に、炭素材料からなる摺動部材は被摺動部材に比べて磨耗しやすい。そのため、定期的に摺動部材を交換する必要があり、コストが増大する。
【０００５】
本発明の目的は、耐摩耗性が向上された摺動部材およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）第１の発明に係る摺動部材は、黒鉛およびバインダーを含む黒鉛基材と、黒鉛基材中に分散的に存在する球状炭化物粒子とを備えるものである。
【０００７】
その摺動部材においては、黒鉛およびバインダーを含む黒鉛基材中に球状炭化物粒子が分散的に存在する。それにより、摺動部材の耐摩耗性が向上される。
【０００８】
（２）球状炭化物粒子の粒径は、１μｍ以上１５０μｍ以下の範囲であってもよい。この場合、摺動部材の耐摩耗性がより向上される。
【０００９】
（３）黒鉛基材は、潤滑材をさらに含んでもよい。この場合、摺動部材の耐摩耗性がより向上される。
【００１０】
（４）摺動部材は、被摺動部材の被摺動面に対して摺動可能な摺動面を有し、ＦＣ２００の鋳鉄からなる被摺動部材の算術平均粗さが０．０４以下である被摺動面に摺動面を０．２ＭＰａの圧力で押し当てた状態で８．１ｍ／ｓの速度で１００時間摺動させた場合に、磨耗によって減少する摺動部材の厚みが０．０９５ｍｍ以下であってもよい。この場合、摺動部材の摺動面の耐摩耗性が十分に向上される。
【００１１】
（５）第２の発明に係る摺動部材の製造方法は、黒鉛および球状樹脂粉末を含む混合粉末とバインダーとを混練することにより混合基材を作製する工程と、作製された混合基材を成形する工程と、成形された混合基材を焼成する工程とを備え、球状樹脂粉末は焼成する工程における焼成温度で球状炭化物粒子となるものである。
【００１２】
この製造方法により製造された摺動部材においては、黒鉛およびバインダーを含む黒鉛基材中に球状炭化物粒子が分散的に存在する。それにより、摺動部材の耐摩耗性が向上される。
【００１３】
（６）球状樹脂粉末は、球状フェノール樹脂粉末であり、焼成する工程における焼成温度は、７００℃以上１３００℃以下であってもよい。この場合、摺動部材の耐摩耗性がより向上される。
【００１４】
（７）混合基材を作製する工程における混合基材は、混合粉末１００重量部に対して４重量部以上の球状樹脂粉末を含んでもよい。この場合、摺動部材の耐摩耗性が十分に向上される。
【００１５】
（８）混合基材を作製する工程における混合基材は、混合粉末１００重量部に対して２５重量部以下の球状樹脂粉末を含んでもよい。この場合、摺動部材の耐摩耗性が十分に向上される。
【００１６】
（９）混合基材を作製する工程における混合粉末中の黒鉛に対する球状樹脂粉末の重量の割合は、０．０４２以上であってもよい。この場合、摺動部材の耐摩耗性が十分に向上される。
【００１７】
（１０）混合基材を作製する工程における混合粉末中の黒鉛に対する球状樹脂粉末の重量の割合は、０．３６以下であってもよい。この場合、摺動部材の耐摩耗性が十分に向上される。
【００１８】
（１１）混合基材を作製する工程における混合粉末中の黒鉛に対する球状樹脂粉末の重量の割合は、０．０６５以上であってもよい。この場合、摺動部材の耐摩耗性がより十分に向上される。
【００１９】
（１２）混合基材を作製する工程における混合粉末中の黒鉛に対する球状樹脂粉末の重量の割合は、０．０６７以下であってもよい。この場合、摺動部材の耐摩耗性がより十分に向上される。
【００２０】
（１３）混合粉末は、潤滑材をさらに含んでもよい。この場合、摺動部材の耐摩耗性が向上される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、摺動部材の耐摩耗性が向上される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】摺動部材について説明するための模式図である。
【図２】光学顕微鏡により観察される実施例１の摺動部材の断面を示す図である。
【図３】摺動試験について説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
互いに接触した状態で相対的に移動する２つの部材のうち一方の部材を摺動部材と呼び、他方の部材を被摺動部材と呼ぶ。
【００２４】
以下、本発明の一実施の形態に係る摺動部材について図面を参照しながら説明する。
【００２５】
（１）構成
本実施の形態では、摺動部材は可動部材であり、被摺動部材は固定部材である。例えば、ベーンポンプでは、ベーンが摺動部材であり、ケーシングが被摺動部材である。摺動部材および被摺動部材は、互いに接触した状態で摺動可能な面（以下、それぞれ摺動面および被摺動面と呼ぶ）を有する。
【００２６】
本実施の形態に係る摺動部材は、黒鉛粉末に球状樹脂粉末を添加してそれらを混練、成形および焼成することにより作製される。図１は、摺動部材について説明するための模式図である。図１に示すように、摺動部材においては、主として黒鉛およびバインダーからなる黒鉛基材Ｂ中に球状炭化物Ｐが分散的に存在する。球状炭化物Ｐは、黒鉛基材Ｂ中の他の材料よりも硬度が高いことが好ましい。
【００２７】
被摺動部材は、例えば、鋳鉄、ステンレス、アルミ合金またはクロームめっきからなる。被摺動部材の摺動面の表面粗さ（算術平均粗さＲａ；ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１−２００１）は、例えば０．０２５μｍ以上０．８μｍ以下であり、０．０２５μｍ以上０．２μｍ以下であることが好ましい。
【００２８】
（２）製造方法
摺動部材の製造工程の一例について説明する。まず、黒鉛粉末に球状樹脂粉末および潤滑材を添加することにより混合粉末を調製し、さらに混合粉末とバインダーとを加熱しながら混練することにより混合基材を作製する。球状樹脂粉末の添加量は、混合粉末１００重量部に対して、例えば１重量部以上３０重量部以下であり、４重量部以上２５重量部以下であることが好ましい。球状樹脂粉末の粒径は、例えば１μｍ以上１５０μｍ以下であり、５μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。また、球状樹脂粉末の平均粒径は、１０μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。
【００２９】
黒鉛粉末としては、人造黒鉛粉末、天然黒鉛粉末、鱗状黒鉛粉末またはスート（すす）等を用いることができ、これらのうち複数を混合して用いてもよい。例えば、真比重が２．１以上２．２以下で平均粒径が２０μｍ以上４０μｍ以下である人造黒鉛粉末（以下、人造黒鉛粉末Ａと呼ぶ）および真比重が２．２５以上で平均粒径が２０μｍ以上４０μｍ以下である人造黒鉛粉末（以下、人造黒鉛粉末Ｂと呼ぶ）が混合されて用いられる。球状樹脂粉末としては、非融解性を有し、焼成後にも球状の炭化物として残存する樹脂材料が用いられる。焼成後の樹脂材料の残炭率は、例えば４０％以上９０％以下であり、６０％以上７０％以下であることが好ましい。例えば、樹脂粉末として、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アミノ樹脂（例えば、メラニン樹脂または尿素樹脂等）、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体、またはポリイミド樹脂等を用いることができ、これらのうち複数を混合して用いてもよい。
【００３０】
バインダーとしては、ピッチ、タールまたは熱硬化性樹脂等を用いることができ、これらのうち複数を混合して用いてもよい。バインダーの添加量は、混合粉末１００重量部に対して、例えば３０重量部以上１００重量部以下であり、５０重量部以上８０重量部以下であることが好ましい。
【００３１】
混練時における加熱温度は、例えば１００度以上３００度以下である。
【００３２】
潤滑材としては、タルク（Ｍｇ３Ｓｉ４Ｏ１０(ＯＨ)２）、カオリン（Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２・２Ｈ２Ｏ）またはベントナイト等を用いることができ、これらのうち複数を混合して用いてもよい。潤滑材の添加量は、上記混合粉末１００重量部に対して、例えば１重量部以上１０重量部以下であり、２重量部以上５重量部以下であることが好ましい。混合粉末が潤滑材を含むことにより、摺動部材の摺動面と被摺動部材の被摺動面との間の摩擦を小さくすることができる。また、混合粉末が潤滑材を含むことにより、被摺動部材の被摺動面に炭素皮膜が付着しても、摺動部材の摺動によってその炭素皮膜を削り取ることができる。
【００３３】
なお、黒鉛粉末および球状樹脂粉末により摺動部材の摺動面と被摺動部材の被摺動面との間の潤滑性が確保される場合には、混合粉末が潤滑材を含まなくてもよい。
【００３４】
次に、混練によって得られた混合基材を粉砕機により粒状に粉砕する。粉砕後の粒状の混合基材の平均粒径は、１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。続いて、粉砕後の粒状の混合基材を成形した後に焼成する。これにより、球状樹脂粉末が球状炭化物となる。球状炭化物は、主として炭素からなり、樹脂を焼成することにより得られる中間生成物を含んでもよい。このようにして、摺動部材が完成する。混合基材の成形は、例えば、金型を用いた成形であってもよく、またはＣＩＰ（Cold Isostatic Pressing）成形であってもよい。焼成温度は、例えば５００℃以上１５００℃以下であり、７００℃以上１３００℃以下であることが好ましい。
【００３５】
（３）効果
本実施の形態に係る摺動部材においては、黒鉛基材中に球状炭化物粉末が分散的に含まれることにより、摺動面の耐摩耗性が向上される。これは、摺動面に存在する球状炭化物粉末が被摺動部材の被摺動面に点接触するため、摩擦係数が低くなることによると考えられる。
【００３６】
後述するように、製造工程における混合粉末中の球状樹脂粉末の割合が４重量部以上２５重量部以下であることが好ましい。また、製造工程における混合粉末中の黒鉛に対する球状樹脂粉末の重量の割合が０．０４２以上０．３６以下であることが好ましい。これらの場合には、摺動面の対磨耗性が十分に向上する。例えば、摺動部材の摺動面を鋳鉄製の被摺動部材の被摺動面に０．２ＭＰａの荷重で押し当てた状態で８．１ｍ／ｓの速度で１００時間摺動させる摺動試験の結果、厚み減少量が０．０９５ｍｍ以下となる。
【００３７】
また、製造工程における混合粉末中の黒鉛に対する球状樹脂粉末の重量の割合が０．０６５以上０．０６７以下であることが好ましい。この場合には、摺動面の対磨耗性がさらにより十分に向上する。例えば、上記の摺動試験の結果、厚み減少量が０．０４５ｍｍ以下となる。
【００３８】
（４）実施例および比較例
（４−１）実施例
（４−１−１）実施例１
比較的真比重が小さい人造黒鉛粉末Ａ８２重量部と人造黒鉛粉末Ａより真比重が大きい人造黒鉛粉末Ｂ１０重量部とからなる合計９２重量部の黒鉛粉末に、球状樹脂粉末として６重量部の球状フェノール樹脂粉末および潤滑材として２重量部のタルクを添加し、混合粉末を調製した。さらに、その混合粉末にバインダーとして７５重量部のピッチを加えて、混合粉末およびバインダーを２５０℃で加熱しながら混練した。混練によって得られた混合基材を粉砕機により粒状に粉砕した。この場合、混合基材全体のうち６０重量％以上７０重量％以下の混合基材の粒径が６３μｍより小さくなるように、粉砕機の回転数および粉砕時間等の粉砕条件を調整した。
【００３９】
その後、金型成形により、１００ＭＰａの圧力で混合基材を約１７０×３４０×８０ｍｍの略直方体形状に成形し、約９００℃で焼成して摺動部材を得た。
【００４０】
（４−１−２）実施例２
人造黒鉛粉末Ａの割合を８０重量部とし、タルクの割合を４重量部とした点を除いて、実施例１と同様に摺動部材を作製した。
【００４１】
（４−１−３）実施例３
人造黒鉛粉末Ａの割合を７０重量部とし、球状フェノール樹脂粉末の割合を２５重量部とし、タルクの割合を５重量部とし、人造黒鉛粉末Ｂを用いない点を除いて、実施例１と同様に摺動部材を作製した。
【００４２】
（４−１−４）実施例４
人造黒鉛粉末Ａの割合を８４重量部とし、球状フェノール樹脂粉末の割合を４重量部とした点を除いて、実施例１と同様に摺動部材を作製した。
【００４３】
（４−１−５）実施例５
人造黒鉛粉末Ａの割合を８０重量部とし、人造黒鉛粉末Ｂの割合を５重量部とし、さらに真比重が２．２６である天然黒鉛粉末５重量部を加え、タルクの割合を４重量部とした点を除いて、実施例１と同様に摺動部材を作製した。
【００４４】
（４−２）比較例
（４−２−１）比較例１
人造黒鉛粉末Ａ８８重量部と真比重が２．２５である天然黒鉛粉末７．５重量部とからなる合計９５．５重量部の黒鉛粉末に４．５重量部のタルクを添加し、混合粉末を調製した。さらに混合粉末にバインダーとして５５重量部のピッチを加えた。その後、実施例１と同様に混合粉末およびバインダーを混練、粉砕、成形および焼成することにより摺動部材を得た。
【００４５】
（４−２−２）比較例２
人造黒鉛粉末Ａの割合を８０重量部とし、タルクの割合を１０重量部とし、球状フェノール樹脂粉末を用いない点を除いて、実施例１と同様に摺動部材を作製した。
【００４６】
（４−２−３）比較例３
人造黒鉛粉末Ａの割合を８４重量部とし、タルクの割合を６重量部とし、球状フェノール樹脂粉末を用いない点を除いて、実施例１と同様に摺動部材を作製した。
【００４７】
（４−２−４）比較例４
人造黒鉛粉末Ａの割合を８０重量部とし、人造黒鉛粉末Ｂの割合を１５重量部とし、タルクの割合を５重量部とし、球状フェノール樹脂粉末を用いない点を除いて、実施例１と同様に摺動部材を作製した。
【００４８】
（４−３）評価
表１には、実施例１〜５および比較例１〜４における黒鉛粉末、球状樹脂粉末、タルクおよびバインダーの割合、黒鉛粉末に対する球状樹脂粉末の重量の割合（以下、重量割合と呼ぶ）、ならびに焼成後のかさ密度および硬さ（ＨＳＤ）が示される。
【００４９】
【表１】
2014152805.tif 000003
【００５０】
図２は、光学顕微鏡により観察される実施例１の摺動部材の断面を示す図である。図２に示すように、実施例１の摺動部材においては、周囲の組織と構成が異なる球状の焼成体の存在が確認された。また、他の実施例２〜５の摺動部材の断面を光学顕微鏡により観察したところ、実施例１と同様に、周囲の組織と構成が異なる球状の焼成体の存在が確認された。この焼成体が、球状樹脂粉末を焼成することにより得られる球状炭化物に相当する。
【００５１】
また、実施例１〜５および比較例１〜４で得られた摺動部材を１２．５×２０×３２ｍｍの略直方体形状に加工し、さらに２０×５ｍｍの摺動面を形成することにより摺動試験用のサンプルを作製した。
【００５２】
被摺動部材として鋳鉄製リングを用い、作製されたサンプルの摺動試験を行った。図３は、摺動試験について説明するための模式図である。図３の鋳鉄製リング１の外径は９０ｍｍであり、被摺動面である外周面１ａの表面粗さＲａは、摺動試験前で０．０４μｍであった。摺動面２ａが鋳鉄製リング１の外周面に接触するように、作製されたサンプル２が支持部材３に取り付けられる。支持部材３は、支点３ａを軸に揺動可能に設けられる。支持部材３の先端部に分銅４が取り付けられる。分銅４の重さは、サンプル２の摺動面２ａが鋳鉄製リング１の外周面１ａに０．２ＭＰａの荷重で押し当てられるように設定される。
【００５３】
この状態で、鋳鉄製リング１が回転されることにより、サンプル２と鋳鉄製リング１とが相対的に摺動される。本試験は、大気中において室温で行い、鋳鉄製リング１の周速度を８．１ｍ／ｓとし、回転速度を１７３０ｒｐｍとし、摺動時間を１００時間とした。
【００５４】
表２には、摺動試験におけるサンプルの摺動面の摩擦係数、摺動試験時における室温と摺動部材の温度との差（以下、摺動温度差と呼ぶ）、磨耗によって減少した摺動部材の厚み（以下、厚み減少量と呼ぶ）、および摺動試験後における鋳鉄製リングの外周面の表面粗さＲａが示される。
【００５５】
【表２】
2014152805.tif 000004
【００５６】
表２に示されるように、実施例１〜５においては、厚み減少量が０．０３３ｍｍ以上０．０９５ｍｍ以下となった。一方、比較例１〜４においては、厚み減少量が０．１１１ｍｍ以上０．１８４ｍｍ以下となった。これにより、製造工程における混合粉末が球状樹脂粉末を含むことにより、製造工程における混合粉末が球状樹脂粉末を含まない場合に比べて、厚み減少量が低減されることがわかる。
【００５７】
また、製造工程における混合粉末中の球状樹脂粉末の割合が４重量部以上２５重量部以下である場合には、厚み減少量が０．０９５ｍｍ以下となった。それにより、製造工程における混合粉末中の球状樹脂粉末の割合が４重量部以上２５重量部以下であることが好ましいことがわかる。
【００５８】
また、製造工程における混合粉末中の黒鉛粉末に対する球状樹脂粉末の重量の割合が０．０４２以上０．３６以下である場合には、厚み減少量が０．０９５ｍｍ以下となった。それにより、製造工程における混合粉末中の黒鉛粉末に対する球状樹脂粉末の重量の割合が０．０４２以上０．３６以下であることが好ましいことがわかる。
【００５９】
さらに、製造工程における混合粉末中の黒鉛粉末に対する球状樹脂粉末の重量の割合が０．０６５以上０．０６７以下である場合には、厚み減少量が０．０４５ｍｍ以下となった。それにより、製造工程における混合粉末中の黒鉛粉末に対する球状樹脂粉末の重量の割合が０．０６５以上０．０６７以下であることがより好ましいことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、種々の摺動部材に有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００６１】
Ｂ  黒鉛基材
Ｐ  球状炭化物
【図１】
2014152805.tif 000005
【図２】
2014152805.tif 000006
【図３】
2014152805.tif 000007