(57)【要約】【課題】使用温度に影響を受けることなく、使用寿命の長いメタル軸受を提供する。【解決手段】金属又は合金を主成分とし、表面及び内部に気孔を有する焼結体から成るメタル軸受において、炭素を主成分とする粒子が、液体又は気体を伴って気孔内に存在する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属又は合金を主成分とし、表面及び内部に気孔を有する焼結体から成るメタル軸受において、
炭素を主成分とする粒子が、液体又は気体を伴って前記気孔内に存在するメタル軸受。
【請求項２】
前記炭素は、カーボンブラックである請求項１に記載のメタル軸受。
【請求項３】
前記液体又は気体は、前記粒子に含浸又は吸着した構造で存在する請求項１に記載のメタル軸受。
【請求項４】
前記炭素は、非晶質炭素である請求項１に記載にメタル軸受。
【請求項５】
前記粒子は、分散溶媒中に分散されている請求項１に記載のメタル軸受。
【請求項６】
前記粒子は、前記気体内に存在する請求項５に記載のメタル軸受。
【請求項７】
摺接面の温度が昇温することにより、前記粒子を前記摺接面に移動させると共に、前記分散溶媒を前記摺接面に滲み出させて、炭素を主成分とする被膜を前記摺接面に形成させる請求項５に記載のメタル軸受。
【請求項８】
前記分散溶媒は、脂肪酸エステルである請求項５〜７のいずれか一項に記載のメタル軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属又は合金を主成分とし、表面及び内部に気孔を有する焼結体から成るメタル軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属の焼結体を主成分として形成されるメタル軸受として、焼結体の内部に潤滑油を含浸させた含油軸受が知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなメタル軸受によれば、回転軸による発熱等により焼結体内に含浸させた潤滑油が軸受面に滲み出される、所謂自己給油性によって、軸受面における潤滑性を確保することができる。
【０００３】
また、その他のメタル軸受としては、銅−ニッケル系の合金粉末に対して、黒鉛をボールミルで混合して加圧成形した後に焼結を行う黒鉛分散型Ｃｕ基焼結合金製軸受が提案されている（例えば、特許文献２参照）。このようなメタル軸受では、潤滑性の高い遊離黒鉛と優れた強度及び耐食性を有する銅−ニッケル系合金とにより、優れた耐磨耗性を発揮することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３９１８３号公報
【特許文献２】特開２００２−１８０１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、前記従来の焼結体の内部に潤滑油を含浸させた含油軸受は、低温領域においては、蒸気圧が小さい（表面張力が小さい）、或いは、低温領域での潤滑油の体積が熱収縮する等の要因によって焼結体内に含浸させた潤滑油が十分に軸受面に滲み出難くなり、自己給油性がなくなってしまう。その結果、軸と軸受の摺接面での焼きつけ、或いは片あたりによって気孔の目をつぶしてしまう等の問題が発生する。一般的に、使用温度が−３０℃以下となると含油軸受の自己潤滑性が極端に低下するものである。
【０００６】
一方、高温領域においては、蒸気圧が大きい（表面張力が大きい）、或いは、熱膨張が大きくなる等の要因によって焼結体内に含浸させた潤滑油が滲み出易くなり、使用時間が長くなると枯渇してしまう場合がある。その結果、低温時と同様に、潤滑油の潤滑作用が低下することによって軸と軸受の摺接面での焼きつけ、あるいは片あたりによって気孔の目をつぶしてしまう等の問題が発生する。一般的には、使用温度が１２０℃以上となると含油軸受の使用時間に制約を受けるようになる。
【０００７】
また、含油軸受と軸受に軸支された軸部材とが干渉する場合には、軸受面における焼結体の気孔が潰され、潤滑油が滲み出ることを阻害する虞がある。このため、軸受の内径寸法と軸部材の外径寸法とについて高い加工精度が必要となり、コストが高くなるという問題がある。
【０００８】
一般的に、使用温度の範囲が広い場合や用時間が長い場合、また軸部材と軸受との干渉が避けられない場合等においては、含油軸受（すべり軸受）に代えて転がり軸受（ボールベアリング）を使用することも想定されるが、ボールベアリングを使用するとコストが高くなる。
【０００９】
また、前記黒鉛分散型Ｃｕ基焼結合金製軸受では、銅−ニッケル系の合金粉末に対して単にボールミルにて黒鉛粉末を混合するものであるため、黒鉛が塊となって分散してしまう。このため、軸受の軸と摺接する表面に黒鉛が均一に付かない場合がある。
【００１０】
金属粒子の表面に黒鉛粒子が固着したものを焼結する場合には、金属と黒鉛との融点が大きく異なるため、金属粒子同士の接触面での溶融が黒鉛の存在で阻害される。このため、焼結体の機械的強度が大きく低下するという問題も発生する。
【００１１】
本発明は上記問題に鑑み案出されたものであり、使用温度に影響を受けることなく、使用寿命の長いメタル軸受を提供することを解決すべき課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るメタル軸受の第１特徴構成は、金属又は合金を主成分とし、表面及び内部に気孔を有する焼結体から成るメタル軸受において、
炭素を主成分とする粒子が、液体又は気体を伴って前記気孔内に存在する点にある。
【００１３】
つまり、この構成によれば、メタル軸受は軸との摺接によって昇温され、気孔内において液体は気化し、気体は膨張する。そして、このような気体は、気孔内において熱膨張できなくなると、その圧力が高くなり大気圧以上に達した後は、炭素を主成分とする粒子を伴って気孔内から摺接面に移動する。炭素を主成分とする粒子は軸と軸受との摺接により応力を受けて破壊され、より微細な粒子または粉体となって軸及び軸受の摺接面に付着し、炭素の微粒子からなる被膜を形成し、ベアリング効果の媒体として使用することが可能になる。
【００１４】
このように摺接面に被膜が形成させることができるため、従来の含油軸受のようにメタル軸受側からメタル軸受の他の部位および軸部材側への潤滑性を確保するための潤滑油等の供給は必要なくなる。さらには、メタル軸受と軸部材との間に炭素を主成分とする微粒子を介在させることによって、メタル軸受と軸部材との軸受面での焼付けが発生せず、摺動性を長期にわたって確保することが可能となる。そして、被膜によって軸と軸受とが干渉することを防ぐことができるため、加工精度を高くする必要がなくなり、コストを抑えることができる。
【００１５】
また、炭素を主成分とする粒子を潤滑剤として用いるため、従来の含油軸受のように使用温度によって潤滑油が軸受面に滲み出てこなくなったり、潤滑油が枯渇してしまうこと等がなくすことができる。
さらに、炭素を主成分とする粒子は、気体が摺接面に放出されるのに伴って吐き出されるため分散し易く、軸及び軸受と摺接面に均一に付着させることができる。
【００１６】
以上のように、この構成により使用温度に影響を受けることなく、使用寿命の長いメタル軸受を提供することができる。
【００１７】
本発明に係るメタル軸受の第２特徴構成は、前記炭素は、カーボンブラックである点にある。
【００１８】
つまり、この構成によれば、カーボンブラックは破壊し易いため、炭素の被膜を容易に形成させることができる。
【００１９】
本発明に係るメタル軸受の第３特徴構成は、前記液体又は気体は、前記粒子に含浸又は吸着した構造で存在する点にある。
【００２０】
つまり、この手段によれば、炭素を主成分とする粒子は多くの間隙を有するため、十分な量の液体又は気体を保持させることができる。これにより、液体の気化、気体の熱膨張を利用して炭素を主成分とする粒子を容易に摺接面に吐き出させることができる。
【００２１】
本発明に係るメタル軸受の第４特徴構成は、前記炭素は、非晶質炭素である点にある。
【００２２】
つまり、この手段によれば、非晶質炭素は、結合力が小さいため炭素の分子レベルまで微細な粒子に破壊され、かつこの微細な炭素粒子が軸と軸受との摺接面の表面の凹凸に固着させることができる。よって、非晶質炭素の微粒子からなるごく薄い分子膜を摺接面に形成させることができ、ベアリング効果の媒体として使用することが可能になる。
【００２３】
本発明に係るメタル軸受の第５特徴構成は、前記粒子は、分散溶媒中に分散されている点にある。
【００２４】
つまり、この構成によれば、炭素を主成分とする粒子が伴う気体又は摺接面の昇温によって気化した気体は分散溶媒を媒体として気孔内に存在するため、摺接面の昇温によって熱膨張しようとする気体は分散溶媒によって抑制され、圧力が高くなる。そして、この気体の圧力を大気圧以上にさせることよって炭素を主成分とする粒子を分散溶媒の一部と共に摺接面に出すことができる。
また、摺接面に滲み出た分散溶媒は軸と軸受との間隙に応じた被膜を形成し、潤滑作用を発揮することができる。さらに、摺接面に滲み出た分散溶媒は、軸及び軸受に付着した微細な粒子又は粉体が摺接面から脱落することを防止しつつ、炭素を主成分とする粒子のバインダーとなって軸と軸受との摺接面に炭素を主成分とする粒子を固着させることができる。
【００２５】
本発明に係るメタル軸受の第６特徴構成は、前記粒子は、前記気体内に存在する点にある。
【００２６】
つまり、この手段によれば、炭素を主成分とする粒子を気体中に存在させておくことにより、気体の熱膨張を利用して容易に摺接面に吐き出させることができる。
【００２７】
本発明に係るメタル軸受の第７特徴構成は、摺接面の温度が昇温することにより、前記粒子を前記摺接面に移動させると共に、前記分散溶媒を前記摺接面に滲み出させて、炭素を主成分とする被膜を前記摺接面に形成させる点にある。
【００２８】
つまり、この構成によれば、被膜によって、軸と軸受との滑らかな摺動性が可能となる。また、軸受面での焼付けが発生せず、摺動性を長期にわたって確保することが可能となる。さらには、軸と軸受との摺接は、摺接面においてかじり等の現象を防止することができる。
【００２９】
本発明に係るメタル軸受の第８特徴構成は、前記分散溶媒は、脂肪酸エステルである点にある。
【００３０】
つまり、この構成によれば、脂肪酸エステルは耐熱分解性に優れるため、摺接面の昇温によっても熱分解し難い。よって、気孔内において炭素を主成分とする粒子を良好に分散させることができる共に、摺接面においては炭素を主成分とする粒子のバインダーとなって被膜を形成させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明に係るメタル軸受は、金属又は合金を主成分とし、表面及び内部に気孔を有する焼結体から成るメタル軸受において、炭素を主成分とする粒子が、液体又は気体を伴って前記気孔内に存在するものである。これにより、炭素の微粒子からなる分子膜を軸及び軸受の摺接面に被膜として形成することができ、使用温度に影響を受けることなく、使用寿命の長いメタル軸受を提供することができる。
【００３２】
また、炭素の被膜を媒体にしていることから、メタル軸受の滑り摩擦係数はボールベアリングを用いた場合でのボールの転がり摩擦の摩擦係数に比べて小さくなる。このため、メタル軸受の軸受面から発生する作動音も小さくなる。また、炭素を主成分とする粒子は、外力によって容易に１００〜２００ナノレベルの大きさにまで破壊され、摺接面に固着される性質による自己潤滑性を有するため、摩擦に伴って発生する異物の発生をも防止することが可能である。さらに、軸と軸受との摺接は、被膜を介して行われるため摺接面においてかじり等の現象は発生しない。
【００３３】
本発明に係るメタル軸受は、金属又は合金を主成分とする焼結体には２０ｖｏｌ．％程度の割合の気孔を表面及び内部に有する。この体積は、軸と軸受との間隙より著しく大きな体積を占めるものである。このため、軸と軸受の間隙を埋め尽くすのに十分な炭素を主成分とする粒子を気孔内に存在させることができる。よって、本発明に係るメタル軸受は、軸と軸受との間隙を埋め尽くした後も、気孔内部に、液体又は気体を伴って存在する炭素を主成分とする粒子を有しており、枯渇することはない。
【００３４】
なお、焼結体を形成する金属又は合金は、鉄、銅等の従来のメタル軸受と同様のものが適用でき、特に限定されるものではない。
【００３５】
また、前記炭素は、カーボンブラックであることが好ましい。カーボンブラックは結晶性の低い炭素の集まりであって、例えば、クレオソートやエチレンボトム油などの炭素分の多い油を１４００℃以上の高温雰囲気に噴霧し、熱分解するオイルファーネス法によって作製することができる。油の熱分解によって炭素の微結晶が生成され、隣り合う炭素の微結晶が融着してカーボンブラック固有の構造を形成される。カーボンブラックは、疑似グラファイト構造と呼ばれる結晶子から構成される。この結晶子が集合して一次粒子を形成し、一次粒子が融着することでストラクチャーと呼ばれる構造を形成する。さらにストラクチャー同士がファンデルワールス力で結合し、アグロメートと呼ばれる構造体を形成する。一次粒子の大きさは１０ｎｍ〜８０ｎｍ程度の大きさであり、ストラクチャーの大きさは１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度の大きさである。アグロメートは応力によって簡単に破壊され、ストラクチャーに分解される。また、さらに大きな応力が加わると、ストラクチャーの所謂くびれ部分が破断される。
【００３６】
したがって、軸受の摺接面に吐き出されたカーボンブラックのアグロメートは、軸との摺接によって容易に破壊され、ストラクチャーに分解されて軸と軸受の間隙を埋める。ストラクチャーに分解されたカーボンブラックは軸と軸受との摺接によって、さらに細かいストラクチャーに破壊され、場合によってはストラクチャーのくびれ部分も破壊される。そして、細かい炭素の微粒子となり、分散溶媒をバインダーとして摺接面に固着される。このような現象が継続されることにより、カーボンブラックを主成分とする粒子はストラクチャーが破壊された数十ｎｍ〜百数十ｎｍの大きさからなる炭素で構成された微粒子からなるごく薄い膜が摺接面に形成され、摺動効果の媒体として使用することが可能になる。すなわち、初期状態では軸と軸受との摺接面の一部にのみ炭素の微細粒子は転移され、両者の摺接が継続して行われることでメタル軸受と軸部材との寸法精度によって互いに干渉し、両者の寸法精度に基づいてメタル軸受側にある炭素が微細な炭素粒子となって軸受部材と軸部材の間隙に転移する。軸面と軸受面には、自己破壊することで自己潤滑性をもつ炭素の微粒子がごく薄い膜状の構造を形成されるように転移と破壊が継続される。
【００３７】
また、前記炭素は、非晶質炭素であってもよい。非晶質炭素は分子間の結合力が弱い。このため、軸受の摺接面に吐き出された非晶質炭素は軸との接触によって容易に破壊され、非晶質炭素の微粒子が軸側に転移する。そして、転移した非晶質炭素粒子は、軸と軸受との摺接によってさらに細かい微粒子となり、摺接面に固着することができる。このような現象が継続されることにより、非晶質炭素の微粒子からなるごく薄い分子膜が摺接面に形成され、ベアリング効果の媒体として使用することが可能になる。これは、非晶質炭素の結合力が小さいため炭素の分子レベルまで微細な粒子に破壊され、かつこの微細な炭素粒子が軸と軸受との摺接面の表面の凹凸に固着することによるものである。
【００３８】
炭素を主成分とする粒子が伴って分散する液体又は気体は、特に制限はないが、軸受の常用動作温度と摺接面の最高温度に応じて選択することが好ましい。特に、動作温度や摺接面の温度の範囲が広い場合は、沸点が異なる液体あるいは気体の混合物を選択することができる。
【００３９】
そして、前記液体又は気体は、炭素を主成分とする粒子に含浸又は吸着した構造で存在することが好ましい。炭素を主成分とする粒子は多くの間隙を有するため、十分な量の液体又は気体を保持させることができる。これにより、液体の気化、気体の熱膨張を利用して炭素を主成分とする粒子を容易に摺接面に吐き出させることができる。
【００４０】
炭素を主成分とする粒子として、カーボンブラックを主成分とする粒子を例にとると、カーボンブラックは上述の通りストラクチャーおよびアグロメートと呼ばれるカーボンブラック固有の粒子構造を有する。このストラクチャー及びアグロメート構造によって、カーボンブラックには間隙が形成される。この間隙を利用することにより、液体あるいは気体を含浸又は吸着させることができる。特にカーボンブラックは水やアルコール等の多くの有機溶媒を吸着する性能を有しており、また吸着できない液体においては、ストラクチャーおよびアグロメートの間隙に低圧含浸させることができる。
【００４１】
カーボンブラックを主成分とする粒子に液体あるいは気体を含浸又は吸着させ、この液体を気化もしくは気体の蒸気圧を昇圧することで、気体の内部にカーボンブラックを主成分とする粒子を存在させることができる。特に液体を含浸又は吸着させる場合には、気化した気体を理想気体と想定すると液体１モルが気化すると２２．４リットルの体積を有する気体となる。このため、カーボンブラックを主成分とする粒子に極微量の液体を含浸あるいは吸着させれば、気化した気体によって所謂気体バルーンを形成でき、十分にその内部にカーボンブラックを主成分とする粒子を存在させることができる。
【００４２】
カーボンブラックは、個々のストラクチャーに形成される間隙率が高いほど、含浸又は吸着する液体又は気体がストラクチャーの間隙に入り込む。このため、これを気化あるいは昇圧することで、気体がカーボンブラックのストラクチャー全体を覆うことになる。したがって、ストラックチャーの間隙率が高い方が、カーボンブラックは気体の内部に閉じ込められる構造がとり易くなるため好ましい。一般にストラクチャーに形成される間隙率は、カーボンブラックの物理化学特性のＤＢＰ（可塑剤の一種Dibutyl phthalateの略）吸収量で表される。本発明においては、ＤＢＰの吸収量は大きい方が望ましい。
【００４３】
また、カーボンブラックへの液体あるいは気体の吸着量は、カーボンブラックの比表面積と等価である。このカーボンブラックの比表面積は窒素吸着比表面積の特性で与えられる。このため、カーボンブラックに含浸あるいは吸着させる物質の特性に応じて窒素吸着比表面積の値を選択することができる。含浸あるいは吸着させる液体の量が過多であると、液体が気化した状態では気体が占める体積がカーボンブラックのストラクチャーが占める体積に比べて大きすぎ、気孔内に形成できる気体バルーンの数が少なくなる。あるいは、含浸あるいは吸着させる液体の量が少なすぎると、液体が気化した状態では、気体が占める体積がカーボンブラックのストラクチャーが占める体積に比べて小さく、カーボンブラックのストラクチャーを気体で覆うことができなくなる。
【００４４】
カーボンブラックのストラクチャーの大きさは、焼結体の内部に存在する気孔の大きさの最小値に対し五分の一から十分の一程度の大きさであれば、ストラクチャー全体を気体で覆い、これを気孔内部に分散させる大きさとして望ましい。また、焼結体の気孔は、形状及び大きさは任意のものが適用できる。例えば、大きさは１μｍから１０μｍを越える幅を有していてもよい。このような大きさを有する気孔の場合、ストラクチャーの大きさが１μｍ以内であれば気孔から摺接面に吐き出すことが出来る。カーボンブラックのストラクチャーの大きさは、特に制限はされないが、１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度であれば、摺接面にカーボンブラックのストラクチャーが無理なく吐き出されるため好ましい。
【００４５】
カーボンブラックに含浸あるいは吸着する液体又は気体は、軸受の常用動作温度と摺接面の最高温度と液体あるいは気体の沸点とを考慮して選択することができる。例えば、自動車用モータの軸受部品に適用する場合、常用動作温度は約６０℃であるため摺接面の平均温度は約１００℃となる。したがって、この場合には、沸点が１００℃である水をカーボンブラックに吸着させることが好ましい。特にカーボンブラックは水蒸気を吸着する性質を持つので、一定の湿度環境下でカーボンブラックを放置することにより一定の割合で水蒸気を吸着させることができる。その他の沸点が１００℃以下の液体としては、メタノール、２−プロパノール等のアルコール類や、エーテル類、ケトン類等、様々なものが例示できる。
【００４６】
また、炭素を主成分とする粒子は、気孔内において分散溶媒中に液体又は気体を伴って分散させることが好ましい。すなわち、メタル軸受は軸との摺接によって昇温される。これに伴い気孔内も昇温され、特に摺接面に近い気孔ほど昇温され、炭素を主成分とする粒子が伴って分散している液体は気化し、また気体は膨張しようとする。その結果として、摺接面に近い炭素を主成分とする粒子は、気体に取り囲まれることになる。
【００４７】
一方、炭素を主成分とする粒子を取り囲む気体は、分散溶媒を媒体として気孔内に存在するため気体は熱膨張しようとしても分散溶媒によって抑制され、気体の圧力が高くなる。そして、大気圧以上に昇圧されると、気体は大気圧雰囲気にある気孔の外、すなわち摺接面に向けて移動し、大気中に放出される。この時、気体内にある炭素を主成分とする粒子も共に摺接面に出される。
したがって、炭素を主成分とする粒子を分散溶媒中に分散させることにより、粒子を摺接面に吐き出させ易くなり、容易に被膜を形成させることができる。
【００４８】
さらに分散溶媒の一部も、熱膨張によって摺接面に滲み出させることができるため、摺接面に付着した微細な粒子または粉体が脱落することを防止しつつ、バインダーとなって軸と軸受との摺接面に炭素を主成分とする粒子を固着させることができる。
【００４９】
そして、このような炭素を主成分とする粒子の摺接面への吐き出しと破壊と固着とを繰り返すことにより、炭素の微粒子からなる分子膜が分散溶媒をバインダーとして摺接面に形成され、ベアリング効果の媒体として使用することが可能になる。また、摺接面に滲み出た分散溶媒は軸と軸受との間隙に応じた被膜を形成し、潤滑作用を発揮することができる。
すなわち、摺接面の温度が昇温することにより、前記粒子を摺接面に移動させると共に、分散溶媒を摺接面に滲み出させて、炭素を主成分とする被膜を摺接面に形成させる。これにより、炭素の微細粒子と分散溶媒をバインダーとしたすべり摩擦によって、メタル軸受と軸部材との滑らかな摺動性が可能となる。
【００５０】
また、炭素を主成分とする粒子は、焼結体の気孔内の分散溶媒中に液体又は気体を伴って分散していれば、昇温と共に軸受の摺接面に供給される。そして、軸と軸受との摺接を継続することで、炭素を主成分とする微粒子は摺接面の間隙に容易に転移するため使用温度範囲の制約を受けない長寿命の軸受とすることができる。
【００５１】
炭素を主成分とする粒子を分散させる分散溶媒は、特に限定されるものではないが、軸と軸受の摺接面に滲み出てバインダーの役割を担うため、摺接面の昇温によっても熱分解されにくい性質を有することが好ましい。これにより、分散溶媒は摺接面において、バインダーとして被膜を形成すると共に、液体としての潤滑作用をも発揮することができる。一般に、軸と軸受との摺接面の温度は、雰囲気温度に対して約５０℃加えた温度を想定しておくことが好ましい。特に自動車用途に使用する電磁弁やモータの軸受に適用する場合には、電磁弁等の使用環境温度は最高温度で１５０℃になるので、分散溶媒は２００℃においても熱分解し難い物質であることが好ましい。これによれば、摺接面において分散溶媒は常に液体として存在し、炭素を主成分とする粒子を分散させることができる。このような熱分解性を満たす物質の一例としては、グリセリン脂肪酸エステル、ポリグリセリン脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、プロピレングリコール脂肪酸エステル、ポリエチレングリコール脂肪酸エステル等の脂肪酸エステルが挙げられる。
また、分散溶媒は、炭素を主成分とする粒子を安定に分散させるためには親油性であり非極性であることが好ましい。よって、前記の脂肪酸エステルの中で、親油性であり極性が低い溶媒が分散溶媒として特に好ましい。
【００５２】
カーボンブラックを主成分とする粒子を分散させる分散溶媒については、特に限定されないが、カーボンブラックの表面物性からその分散性に優れる親油性で非極性の溶媒が好ましい。また、用途に応じて熱分解性が必要になる場合もある。例えば、自動車用途に適用する場合には、２００℃以上の熱分解性を有することが好ましい。このような性質を持つ分散溶媒の一例として、トリメチロールプロパン脂肪酸エステル、カプリン酸トリグリセライド、カプリル酸トリグリセライド等がある。
【００５３】
上記のようなカーボンブラックを主成分とする粒子を有するメタル軸受の製造方法は、図１に示すように、最初に、カーボンブラックを用意する。次に、カーボンブラックのアグリゲートとストラクチャーに液体又は気体を含浸あるいは吸着させる。これを分散溶媒に混合する。カーボンブラックをストラクチャーレベルの大きさの微粒子に破壊するためには、カーボンブラックを分散溶媒と混合する際に、カーボンブラックにせん断力を発生させることが必要になる。このため、カーボンブラックと分散溶媒との混合比率を、本来のカーボンブラックの混合割合より高めて分散溶媒に混合することが好ましい。すなわち、カーボンブラックは、例えばエステル類を分散溶媒として用いた場合にストラクチャーに吸着する性質を有する。このため、高濃度のカーボンブラックと分散溶媒とを混合し、攪拌することで、カーボンブラックのストラクチャーに分散溶媒が吸着され、この結果、粘度の高い混合物が形成することができる。この後、金属または合金の焼結体からなる気孔に含浸できる粘度になるように分散溶媒で希釈さればよい。
【００５４】
具体的には、高濃度のカーボンブラックと分散溶媒とをニーダなどの攪拌手段に充填し、攪拌することが好ましい。攪拌と共に、分散溶媒がカーボンブラックのストラクチャーに吸着され、これによって混合物の粘度が上昇する。そして、カーボンブラックのストラクチャーに分散溶媒の吸着が収れんすると、粘度の増大も収れんする。この後、さらにニーダを回転させると、効率よくカーボンブラックにせん断力が作用し、カーボンブラックをストラクチャーレベルの大きさに破壊することができる。このようにストラクチャーレベルの大きさに破壊されたカーボンブラックの微粒子を分散溶媒中に分散させることができる。カーボンブラックの分散性を高めるために、必要に応じ、攪拌時に親油性の界面活性剤を添加することができる。
分散溶媒中のカーボンブラックの微粒子の大きさは、１００ｎｍから２００ｎｍであることが好ましい。そして、この混合液を金属又は合金の焼結体の気孔内に低圧含浸させる。このような方法によりカーボンブラックを主成分とする粒子は、液体又は気体を伴って気孔内に閉じ込めることができる。
【００５５】
また、炭素を主成分とする粒子は、分散溶媒中に分散させる場合においては前記気体内に存在させることもできる。すなわち、炭素を主成分とする粒子を予め気体中に存在させておくことにより、気体の熱膨張を利用して容易に摺接面に吐き出させることができる。
【００５６】
このような気体中に存在する炭素を主成分とする粒子は、例えば、合成樹脂を熱分解させることにより製造することができる。気体内に非晶質炭素を主成分とする粒子を存在させる場合について図２にその一例を示す。最初に、合成樹脂の溶解溶液を用意する。次に、これを分散溶媒に混合し、攪拌することで合成樹脂の溶解溶液をエマルション化する。このエマルションを低圧含浸によって、金属又は合金の焼結体の内部気孔に含浸させる。次に、還元雰囲気で焼成する。焼成では、まず合成樹脂溶液の熱分解が始まり、熱分解によって低分子量の物質から順次気化する。続いて合成樹脂の炭化反応が進行する。このような工程により非晶質炭素を主成分とする粒子が気体内に閉じ込められると共に、気体は気孔内の分散溶媒中に分散される。
つまり、熱分解反応によって低分子量物質が気化し、この後に炭化反応が進行して非晶質炭素が形成されるので、生成された気体の内部に非晶質炭素を主成分とする粒子が閉じ込められることになる。なお、これらの反応は不可逆反応であるので、生成された気体と非晶質炭素とは気孔内部に閉じ込められる。
【００５７】
このような製造方法により本発明に係るメタル軸受を製造するためには、気体は、熱分解反応によって低分子量の物質に変化し、分子量に準じて気化されたものであることが好ましい。この気化反応は非晶質炭素を形成する炭化反応が進行する温度よりも低い温度で進行ことが好ましく、不可逆反応であること好ましい。また、生成された気体の体積割合が大きいほど、より大きな気体のバルーンを気孔内に形成することが可能となる。この場合、昇温による体積膨張が大きくなり、確実に気体の膨張によって非晶質炭素を摺接面に吐き出すことができるため好ましい。
【００５８】
また、非晶質炭素を主成分とする粒子は、合成樹脂の炭化反応により生成することが、最も安価であるため好ましい。また、非晶質炭素を主成分とする粒子は気体の内部に閉じ込める必要があり、合成樹脂の熱分解反応の一環として気体が生成され、この後に非晶質炭素を主成分とする粒子を炭化反応で形成させれば、安価に非晶質炭素を気体内部に閉じ込めることができる。また、炭化反応は不可逆反応であり、さらに出来るだけ低温度で炭化反応が進行すれば、非晶質炭素を主成分とする粒子の形成費用をより安価にすることができる。さらに、合成樹脂材料の熱分解反応を利用する方法においては、生成され気体の割合が高く、また炭化反応によって形成される非晶質炭素の割合が高いほうが望ましい。特に熱分解による残留炭素割合が高い合成樹脂材料としては、例えば、フェノール樹脂やエポキシ樹脂等を挙げることができる。一般に、フェノール樹脂は、３０％以上の残留炭素分を有し、炭化反応が進行する温度よりも低い温度領域において熱分解により生成された低分子量の物質が気化するためより好ましい。また、フェノール樹脂の中でも、特に気化する割合が多いものとして変性フェノール樹脂を一例として挙げることができる。
【００５９】
ここで、フェノール樹脂の熱分解性について説明する。図３にはフェノール類がメチレン結合で繋がった構造を有する変性フェノール樹脂の熱分解性の一例であり、その熱分解が２つの温度領域で進行する例を示す。この変性フェノール樹脂は、３００℃近辺までは、最初に未硬化物が揮発し次に硬化の途上で残存するメチロール基が反応することで重量が減少する。３００℃を越えると、急激に硬化物の鎖が切れて低分子量の物質に変化し、分子量に準じて揮発することで重量が減少する。この変性フェノール樹脂の気化成分は、低分子量のフェノールやキシレノール等のフェノール類とメチレン結合に起因するメタンや二酸化炭素である。そして、３６０℃近辺から炭化反応が進行し、これによって順次非晶質炭素が形成される。
【００６０】
一方、図４には、炭化反応が３７０℃近辺から進行する未変性のフェノール樹脂の熱分解性を示す。このフェノール樹脂では、３７０℃までは前記の変性フェノール樹脂で示した２種類の熱分解が昇温と共に順次進行し、３８０℃付近から炭化反応が進行する。炭化率は前記の変性フェノール樹脂に比べると若干大きくなり、炭化開始温度は若干高くなる。
【００６１】
本発明において使用するフェノール樹脂は、より多くの非晶質炭素を生成するという観点からは、炭化率が高い方が望ましく、未変性フェノール樹脂の方が好ましい。一方、前記の変性フェノール樹脂においては、炭化反応が起こる温度より低い温度における熱分解率、特に熱分解された物質の気化の割合が未変性フェノール樹脂に比べて著しく大きい。このため、変性フェノール樹脂の熱分解によってより多くの気体が生成でき、気体の体積を増やすことができる。よって、気体が生成された後に形成される非晶質炭素は、気体の内部に析出することができる。
【００６２】
フェノール樹脂の炭化反応は６００℃付近で完了するものの、ここまで昇温させると、共に用いる分散溶媒自体の熱分解が進行するため、４５０℃付近での還元焼成に留めることが好ましい。この際、フェノール樹脂の熱分解された物質が未炭化物として残るが、これらの未炭化物も非晶質炭素と共に摺接面に吐き出され、固体の潤滑剤として作用することができる。
【００６３】
分散溶媒については、合成樹脂の炭化反応が進んだ温度領域であっても液体として存在する物質であることが好ましい。上述の通り液体として存在することにより気孔内の気体の熱膨張を抑制し、内部に非晶質炭素を主成分とする粒子を有する気体を摺接面に移動させることが可能になる。また、分散溶媒の界面活性が、合成樹脂の溶解溶液の界面活性と大きく異なれば、合成樹脂の溶解溶液のエマルションは容易に作製できるため好ましい。つまり、合成樹脂の溶解溶液が親水性の場合には、分散溶媒に親油性が強い液体を用いれば、単純に攪拌等の手段で機械的に合成樹脂の溶解溶液のエマルション液を作ることが出来る。
以上の通り分散溶媒は、親油性が高く、かつフェノール樹脂の炭化反応が進む温度領域において、熱分解しにくい物質が適切である。このような液体として、脂肪酸エステルや脂肪酸エーテルエステルがある。
【００６４】
例えば、上述のように変性フェノール樹脂を用いる場合には、変性フェノール樹脂をメタノールやアセトン等の溶媒で溶解し、親水性の変性フェノール樹脂の溶解溶液を作製する。そして、この変性フェノール樹脂の溶解溶液を親油性の高い溶媒中に混合し、機械的に攪拌することで、変性フェノール樹脂のエマルションを作製することができる。分散溶媒として、親油性が高く、４５０℃において熱分解率が低い物質は、グリセリン脂肪酸エステル、グリセリン誘導体脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル等の脂肪酸エステルを例示することができる。また、ポリオキシエチレン（ｎ）ジグリセリルエーテルは４００℃を越える温度領域においても熱分解率が低いが親水性の溶媒であり、フェノール樹脂の溶解溶液と相溶性をもつため、この場合にはフェノール樹脂の溶解溶液に親油性を付与する界面活性剤を添加することにより対応することができる。さらに、親油性が高い、例えばＨＬＢ値が３以下のもの脂肪酸エステルとしては、ポリグリセリン脂肪酸エステルの一種であるポリグリセリンポリリシノレート、グリセリン脂肪酸エステルの一種であるジグリセライドとしてグリセリンジ・トリステアレート、グリセリンジ・トリオレート、モノグリセライドとしてグリセリンモノ・ジステアレート、グリセリンモノ・ジベへネート、グリセリンモノ・ジオレート、グリセリンモノ・ジリシノレート、グリセリンモノ・ジパルミテート、ソルビタン脂肪酸エステルとしてソルビタントリベへネート、ソルビタントリオレート、ソルビタントリステアレート等が例示できる。
【００６５】
これらの親油性の高い脂肪酸エステルのうち、例えば、図５に示すように４５０℃における揮発重量が５０％以下であるポリグリセリンポリリシノレートを分散溶媒として用い、前記の変性フェノール樹脂のメタノール溶解溶液に混合した後、攪拌して変性フェノール樹脂溶解溶液のエマルション液を作ることができる。
【００６６】
このようなエマルション液を用いて、本発明に係るメタル軸受を作製する方法の一例を以下に示す。
エマルション液は、その粒径が５μｍ以下になるように回転速度を挙げて攪拌し、機械的にエマルション液を作る。そして、このエマルション液をあらかじめ製作された金属又は合金の焼結体に低圧含浸する。
この後、金属焼結体を、５ｖｏｌ．％が水素ガスで９５ｖｏｌ．％が窒素ガスの雰囲気に放置し、２時間かけて４５０℃まで昇温し、４５０℃に３０分放置して還元焼成する。
このようにして金属又は合金の焼結体の気孔に、ポリグリセリンポリリシノレートを分散溶媒として、無数の気体を閉じ込めることができる。この気体の内部には、フェノール樹脂の炭化物と未炭化物が微細な析出粉体として封じ込められている。なお、ポリグリセリンポリリシノレートの一部は熱分解によって気化するが、この気体は、一部が気孔に閉じ込められ、他の気体は気孔から大気中に放出される。
【実施例】
【００６７】
以下、本発明に係るメタル軸受を自動車の軸受部品に適用した実施例について説明する。
カーボンブラックは、粒子径が５０ｎｍ、窒素吸着比表面積が５０ｍ２／ｇで、ＤＢＰ吸収量が１７５ｃｍ３／１００ｇの特性をもつカーボンブラックを用いた。これを一定の湿度条件に所定時間放置させ、２ｗｔ％の水分を吸着させた。分散溶媒としてカプリル酸トリグリセライドを用い、カーボンブラックと分散溶媒との重量比が１対１０になるように秤量した。
なお、カプリル酸トリグリセライドは、非極性でＨＬＢ値が１．０以下の親油性であり、２５０℃での大気中の揮発重量変化は僅かに４．６ｗｔ％である。
【００６８】
水分を吸着させたカーボンブラックと分散溶媒とをニーダ装置に充填し、１時間攪拌し、カーボンブラックにビーズの衝突による衝撃力とせん断応力とを与え、アグリゲートに近い状態に分散させた。このようにして得られた溶液を容器に移し、これに金属焼結体を浸漬し、容器を真空ポンプにつながれた装置に配置した。この後、一定時間の間装置内の大気を真空ポンプで吸引すると、金属焼結体の気孔にあった大気も吸引され、この後、気孔内に溶液が含浸された。溶液が含浸された金属焼結体を装置から取り出し、金属焼結体の表面に付着した溶液をアルコールでふき取り、モータの軸受部品として用いた。
【００６９】
室温でモータを３００ｒｐｍで動作させたところ、４時間程度の連続動作で軸受の摺接面にカーボンブラックの微粒子が滲み出てきた。さらにモータを動作させたところ、軸受部品の摺接面にカーボンブラックの微粒子が滲み出る面積が広がり、８時間程度の動作時間で摺接面の全体にカーボンブラックが滲み出た。
この後、モータを−４０℃の雰囲気で動作させたところ、２４時間経過した後も軸と軸受との摺接面から異音や異臭が発生せず、−４０℃の低温でも軸受部品として動作することが分かった。また、軸側、軸受側に、かじりなどの機械的な損傷を伴う現象は見られなかった。
また、モータを１５０℃の雰囲気で動作させたところ、２４時間が経過した後も摺接面から異音や異臭が発生せず、１５０℃の高温でも軸受部品として動作することが分かった。また、摺接面にかじりなどの機械的損傷もなかった。
さらに、モータを１２０℃の雰囲気に置き連続動作させたところ、１０００時間が経過しても軸と軸受の摺接面から異音や異臭は発生せず、モータの動きも変わらなかった。これに対し、従来の含油軸受けでは、１００℃での連続動作時間が約１００時間程度で、摺接面から異音が発生した。
以上のように、新規な材料からなる液体を、金属焼結体の気孔に含浸させることで、従来のメタル軸受では−３０℃から１００℃強の動作環境温度であったのに対し、−４０℃から１２０℃の温度範囲で軸受部品として用いることができ、１５０℃の温度環境では１００時間程度の連続時間では軸受部品として使えることが分かった。
【００７０】
また、上述の方法により、変性フェノール樹脂を用い、ポリグリセリンポリリシノレートを分散溶媒として本発明のメタル軸受を作製し、モータの軸受部品として用いて同様の実験を行った。
その結果、非晶質炭素を主成分とする粒子を用いた場合も、カーボンブラックを用いた場合と同様に有効であることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明に係るメタル軸受は、車両用の電磁弁やモータの軸受部品等、様々な軸受部品に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明に係るメタル軸受の製造工程の一例を示す工程図である。
【図２】本発明に係るメタル軸受の製造工程の一例を示す工程図である。
【図３】変性フェノール樹脂の熱分解性を示す図である。
【図４】未変性フェノール樹脂の熱分解性を示す図である。
【図５】ポリグリセリンポリリシノレートの熱分解性を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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