(57)【要約】【課題】  潤滑液膜を形成し難い低粘度の液体潤滑条件や、一時的に潤滑液が供給されない可能性のある液体潤滑条件下で使用されるカーボン摺動材において、ＰＲＴＲの法規制対象物質の使用を最低限に留め、潤滑液膜の保持能力を向上させ、耐摩耗性、耐焼付き性に優れた信頼性の高いカーボン摺動材を提供すること。【解決手段】  炭素および黒鉛から選ばれる少なくとも一種の骨材と、結合剤とを含む材料から構成されるカーボン基材を備えたカーボン摺動材であって、０．５μｍ以上の細孔径を有する開気孔の累積容積が、カーボン摺動材の体積の３．０％以下、カーボン摺動材における開気孔の累積容積の４５％以上が０．５μｍ未満の細孔径を有する開気孔となるように調整する。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素および黒鉛から選ばれる少なくとも一種を含むカーボン基材を備えたカーボン摺動材であって、０．５μｍ以上の細孔径を有する開気孔の累積容積が、カーボン摺動材の体積の３．０％以下であることを特徴とするカーボン摺動材。
【請求項２】
炭素および黒鉛から選ばれる少なくとも一種を含むカーボン基材を備えたカーボン摺動材であって、カーボン摺動材に存在する開気孔の累積容積に対して、０．５μｍ未満の細孔径を有する開気孔の累積容積が４５％以上であることを特徴とするカーボン摺動材。
【請求項３】
前記カーボン基材に存在する開気孔に、タールピッチ、樹脂、金属および合金から選ばれる少なくとも１種が含浸されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のカーボン摺動材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボン摺動材に関する。より詳しくは、油または水系の液体潤滑剤の存在下で使用され、常時または間欠的に潤滑剤が供給される、各種ポンプまたは圧縮機の軸受、シール、パッキング、ブレードなどの用途に適用可能なカーボン摺動材に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体潤滑剤の存在下で摺動材を使用する場合、摺動材と摺動相手材との間に潤滑剤の潤滑液膜が形成されることによって摺動性が向上する。したがって、優れた摺動性を得るためには、摺動材と摺動相手材との間に潤滑液膜を保持し、良好な液体潤滑状態を維持する必要がある。
【０００３】
摺動材の代表的な材料として、様々な構造および機能を有するカーボン材が使用されている。代表的なカーボン材は、例えば、人造黒鉛、天然黒鉛、カーボンブラック、コークス、およびカーボンファイバーなどの１種以上の骨材と、タールピッチ、コールタール、およびクレオソートなどの１種以上の結合材との配合物を加工することによって得られる。より具体的な方法としては、最初に、骨材と結合材とを適宜配合した配合物を混練機に投入し、最高温度１５０℃〜３００℃の温度条件下で混練する。次に、得られた混練物を室温まで冷却した後に、それらを平均粒径１０μｍ〜３００μｍの範囲に粉砕し、面圧５０ＭＰａ〜２００ＭＰａで成形する。そして、引き続き、成形品を８００℃〜３０００℃の非酸化雰囲気中で焼成、あるいは必要に応じて黒鉛化する（例えば、非特許文献１を参照）。
【０００４】
通常、カーボン材には多数の開気孔が存在するため、液体潤滑剤がカーボン摺動材の開気孔部に流入し、潤滑液膜が消失することがある。上述の方法を適用した場合においても、気孔径を制御することは難しく、カーボン材の開気孔の細孔分布ピークは細孔径０．１〜１０．０μｍの広範囲に及ぶものとなる。また、潤滑液膜の保持性は、液体潤滑剤の粘度や温度、摺動面にかかる負荷の大きさや速度の影響を受けて変化し易い。そのため、使用条件によっては、潤滑液膜が部分的に途切れ、カーボン摺動材と摺動相手材が局部的に直接接触する、所謂、境界潤滑状態になり易い。境界潤滑状態では、カーボン摺動材や摺動相手材の摩耗が著しく増加するため、摺動負荷の増大や異常発熱などが生じ易く、それらは設備トラブルの原因となる。
【０００５】
このような状況下、潤滑液膜の保持性を高めるために、カーボン材の開気孔にタールピッチ、樹脂、金属または合金を含浸させて摺動材を構成する技術が検討されている（例えば、特許文献１および２を参照）。また、摺動接触面に溝を設けて液体潤滑剤が流れ込み易くする、および液体潤滑剤を強制的に摺動面に供給するポンプ回路を設ける、などの技術が知られている。しかし、それらの技術は加工費の増加や設備スペースの制限のために限界がある。
【０００６】
無潤滑条件や苛酷な条件において耐摩耗性、耐焼付き性に優れたカーボン摺動材として、潤滑性を有するＰｂ又はＳｂと炭素との複合材から構成されるカーボン摺動材が知られている。それらを使用することによって境界潤滑状態での摺動性をある程度は確保することは可能である。しかし、ＰｂやＳｂは環境や人体に対する影響が懸念され、ＰＲＴＲ（環境汚染物質排出・移動登録）の法規制対象物質に該当するものである。
【０００７】
【非特許文献１】「新炭素工業」、石川敏功、長沖通  著、近代編集社
【特許文献１】特開２０００−１２０８７１号公報
【特許文献２】特開２００２−２１３３５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述の状況に鑑みて、摺動面に潤滑液膜を形成し難い低粘度の液体潤滑条件や、一時的に潤滑液が供給されない可能性がある液体潤滑条件下で使用されるカーボン摺動材の摺動性を改善することを課題とする。より具体的には、本発明は、ＰＲＴＲの法規制対象物質の使用を最小限とし、さらにカーボン材の開気孔の細孔径および気孔分布を制御することよって潤滑液膜の保持能力を向上させ、耐摩耗性、耐焼付き性に優れた信頼性の高いカーボン摺動材を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によるカーボン摺動材は、炭素および黒鉛から選ばれる少なくとも一種を含むカーボン基材を備え、０．５μｍ以上の細孔径を有する開気孔の累積容積が、カーボン摺動材の体積の３．０％以下であることを特徴とする。本発明によるカーボン摺動材の別の態様では、炭素および黒鉛から選ばれる少なくとも一種を含む材料から構成されるカーボン基材を備え、カーボン摺動材に存在する開気孔の累積容積に対して、０．５μｍ未満の細孔径を有する開気孔の累積容積が４５％以上であることを特徴とする。
【００１０】
ここで、上記カーボン基材に存在する開気孔には、タールピッチ、樹脂、金属および合金から選ばれる少なくとも１種が含浸されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のカーボン摺動材は、液体潤滑剤の存在下で使用された際に流体潤滑状態を良好に維持することが可能である。その結果、摺動接触面の摩擦係数の低減、摩耗量の低下といったカーボン摺動材の摺動性の改善が可能となるため、工業的に極めて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明について詳細に説明する。本発明のカーボン摺動材は、炭素および黒鉛から選ばれる少なくとも一種を含有するカーボン基材を備え、０．５μｍ以上の細孔径を有する開気孔の累積容積が、カーボン摺動材の体積の３．０％以下であることを特徴とする。
【００１３】
一般に、液体潤滑材の存在下でカーボン摺動材を使用した場合、カーボン材に存在する開気孔に液体が流入し、摺動面に形成される潤滑液膜が消失することがある。しかし、本発明のカーボン摺動材によれば、液体潤滑剤が流入し易い細孔径０．５μｍ以上の大きな開気孔の割合が低減されるため、潤滑液膜の保持能力が向上し、安定した液体潤滑状態を保つことが可能となる。
【００１４】
潤滑液膜の保持性の観点からは、細孔径０．５μｍ以上の大きな開気孔が全く存在しないことが最も好ましい。しかし、細孔径をより小さく制御したカーボン材は、その基材の作製工程において亀裂の発生率が増加する傾向にあり、カーボン摺動材の生産性の阻害要因となる可能性が高い。したがって、本発明では、カーボン摺動材における細孔径０．５μｍ以上の開気孔の累積容積を、カーボン摺動材の体積の３．０％以下、より好ましくは２．５％以下、さらに好ましくは１．５％以下に制御する。
【００１５】
一方、細孔径０．５μｍ未満の開気孔は、液体潤滑剤が流入し難く、一度、それらの開気孔に液体潤滑剤が流入すると、開気孔は液体潤滑剤をそのまま保持する作用を有する。したがって、本発明によるカーボン摺動材は、開気孔の累積容積の４５％以上が、細孔径０．５μｍ未満の開気孔から構成されることが好ましい。潤滑剤の保持能力の観点からは、開気孔の細孔径は、０．３μｍ未満であることがより好ましい。なお、液体潤滑剤が流入可能となるためには、０．０３μｍ以上の細孔径が必要となる。
【００１６】
以上説明したように、本発明の要旨は、カーボン材から構成される基材（以下、「カーボン基材」と称す）を備えたカーボン摺動材における開気孔を所定の範囲に適切に制御することである。より具体的には、液体潤滑条件下に置かれた際のカーボン摺動材の開気孔に関し、液体が流入し易い細孔径０．５μｍ以上の大きな開気孔を低減させる一方で、細孔径０．５μｍ未満の微細な開気孔の内部に液体潤滑剤を予め保持させることである。その結果、本発明では、摺動接触面に一時的に潤滑剤が供給されない場合に生じる境界潤滑状態においても、開気孔内に保持される液体潤滑剤の作用によって、完全な無潤滑状態になることを回避できると考えられる。
【００１７】
本発明の好ましい態様では、細孔径および気孔分布が所定の範囲に制御されたカーボン摺動材の開気孔内に、潤滑性を有する液体を予め含浸させておく。先に説明したように、細孔径０．５μｍ未満の微細孔には液体が流入し難い。したがって、そのような微細孔への液体の含浸は、真空含浸などの方法を使用することによって実施することが好ましい。含浸させる液体は、カーボン摺動材の稼動時に使用される液体潤滑剤と同一成分を含む液体であることが好ましい。なお、カーボン摺動材の稼動時に、開気孔内に含浸させた液体が染み出し、設備の性能低下を招く可能性がある場合、およびカーボン摺動材の摺動性を阻害する要因となり得る場合は、それらは使用しないものとする。
【００１８】
本発明における開気孔の細孔径を制御する方法は、細孔径の大きさおよび気孔分布を所定の範囲に適切に制御することが可能であれば如何なる方法でもよく、特に限定されるものではない。すなわち、カーボン基材それ自体の開気孔を制御するだけでなく、カーボン基材の開気孔に種々の含浸剤を含浸させることによって制御してもよい。本発明では、真空含浸などの方法を用い、カーボン基材の開気孔内に含浸剤を含浸させることによって、カーボン摺動材を使用する際の開気孔の細孔径および気孔分布を調整することが好ましい。
【００１９】
カーボン基材における開気孔は、その構成材料として、骨材、結合材、および各種添加剤などの各種カーボン材を選択し、その配合量および加工条件を適宜選択することによって調整することが可能である。本発明のカーボン摺動材を構成する基材を製造するためのカーボン材としては、黒鉛粉およびコークス粉などの骨材、およびタールピッチ、コールタールなどの結合剤を使用し、さらに必要に応じて、タルク、二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤を使用する。
【００２０】
具体的な骨材としては、炭素および黒鉛から選ばれる少なくとも１種を主成分とすることが好ましく、なかでも、摩擦係数の低減、耐摩耗性を向上させる観点から、黒鉛をカーボン材の全重量を基準として、３０〜７０重量％含有することが好ましい。
本発明で使用可能な黒鉛は、特に限定されるものではない。しかし、黒鉛の硬度は、その黒鉛化度に応じて変化するため、摺動相手材の強度に合せて適切な黒鉛を選択することが好ましい。結晶化度が低い黒鉛は硬く、それらを摺動材に適用すると、摺動相手材を傷つけてしまい、摺動性を悪化させる傾向がある。一方、結晶化度が高い黒鉛は脆く、それらを摺動材に適用すると耐荷重性が損なわれ、摩耗量が増加する傾向がある。そのため、本発明では、摺動相手材の強度に合せて適切な硬度になるように、黒鉛化度の異なる黒鉛を２種以上組み合せて使用してもよい。
【００２１】
結合剤および固体潤滑剤は、特に限定されるものではなく、当技術分野で通常使用されるものであってよい。結合剤は、カーボン材の全重量を基準として、３５〜６０重量％含有することが好ましい。また、固体潤滑剤を使用する場合、それらの含有量は、カーボン材の全重量を基準として、２〜１０重量％の範囲とすることが好ましい。
【００２２】
本発明のカーボン摺動材のカーボン基材は、上述の各成分を使用し、それらを加熱混練、粉砕、成形した後、焼成することによって得ることができる。加熱混練は、双腕型ニーダーなどの混練機を使用し、好ましくは２３０〜２７０℃の温度で各成分を混練する。混練時の温度が高すぎると機械的強度が低下する傾向があり、温度が低すぎると混練時間が長くなる傾向がある。なお、混練時間については、混練物の量、骨材および結合剤の配合割合によって変化するため、その都度、適宜選定する必要がある。
【００２３】
粉砕は、加熱混練で得られた混練物を各種粉砕機を用いて実施する。平均粒径が２０〜３０μｍになるように粉砕することが好ましい。平均粒径が大きいとカーボン基材の緻密性が損なわれる傾向があり、小さいとカーボン基材の機械的強度が低下する傾向がある。
【００２４】
成形は、粉砕して得られた粉体を、ブロック形状に金型プレスなどの方法で成形することによって実施する。成形圧力が低すぎると機械的強度が低下する傾向があり、高すぎると焼成中に割れる傾向がある。
【００２５】
焼成は、成形品を窒素などの不活性ガスの存在下で、好ましくは８００〜１，０００℃に昇温して実施する。焼成時間は、３００〜５００時間の範囲が好ましい。不活性雰囲気下で焼成を実施する場合、成形品の周りに炭素粉を詰め、焼成効率を向上させることも可能である。
【００２６】
本発明のカーボン摺動材は、先に説明したカーボン基材を使用して構成され、好ましくはカーボン基材の開気孔に含浸剤を含浸させて、カーボン摺動材を使用する際の開気孔の細孔径および気孔分布を調整することが好ましい。使用する含浸剤は、カーボン摺動材が使用される温度や環境の影響を受けて、変質するものであってはならない。本発明のカーボン摺動材を製造するにあたり、カーボン基材の開気孔内に使用可能な含浸材としては、例えば、タールピッチ、樹脂、金属および合金が挙げられる。
【００２７】
含浸方法は、特に限定されるものではないが、カーボン基材を真空脱気した後に含浸剤に浸漬する、所謂、真空含浸が好ましい。真空含浸後、使用した含浸剤の種類に応じて、加熱、加圧といった後処理を実施し、開気孔内の含浸物を安定化させることが好ましい。特に、タールピッチや樹脂を含浸する場合は、含浸後に十分な熱処理を行って含浸部を完全に硬化させないと、カーボン摺動材の使用時に含浸剤が流出してしまい、開気孔の細孔径と気孔分布が変化してしまう可能性がある。
【００２８】
より具体的には、タールピッチの含浸は、加熱含浸釜を用いて、カーボン基材を真空度１．０ｋＰａ以下まで真空脱気した状態で実施する。具体的には、タールピッチの溶融温度まで加熱してタールピッチを溶融させ、その内に真空脱気したカーボン基材を浸漬する。次いで、浸漬状態のカーボン基材を、１．０〜１．５ＭＰａの圧力において、１〜２時間にわたって加圧保持した後、カーボン基材を加熱含浸釜から取り出し、冷却する。次に、タールピッチを含浸させたカーボン基材を、不活性雰囲気下で、好ましくは８００〜１，０００℃に昇温して焼成を行い、含浸させたタールピッチを炭化させる。
【００２９】
真空脱気時の真空度が１．０ｋＰａ以下まで到達しない場合、および加圧保持時の加圧力が１．０ＭＰａ未満となる場合、カーボン基材の開気孔内にタールピッチが均一に含浸されず、部分的に気孔分布の差が大きくなる傾向がある。また、含浸後の焼成温度が低いとタールピッチの炭化が不十分となり、使用時にタールピッチが溶出する不具合が発生する可能性がある。一方、焼成温度がカーボン基材の焼成温度よりも高いとカーボン基材に割れが発生し易くなる傾向がある。
【００３０】
樹脂の含浸は、含浸釜を用いて、カーボン基材を真空度０．５ｋＰａ以下まで真空脱気した状態で実施する。真空脱気時の真空度が０．５ｋＰａ以下まで到達しない場合、および加圧保持時の加圧力が０．２ＭＰａ未満となる場合、カーボン基材の開気孔内に樹脂が均一に含浸されず、部分的に気孔分布の差が大きくなる傾向がある。
【００３１】
樹脂の含浸の詳細な手順としては、最初に、樹脂の溶融液に真空脱気したカーボン基材を浸漬する。なお、含浸時には、溶融液だけでなく、樹脂を溶媒に溶解させた溶液を使用することも可能である。但し、そのような溶液を使用する場合、開気孔の割合は、樹脂と溶媒との配合比によっても変化するため、それら配合比を適切に調整することが好ましい。樹脂を溶解させる溶媒としては、特に限定されるものではないが、アセトン、トルエン、メチルエチルケトン、メタノール、ブタノールといった溶媒が好ましい。
【００３２】
次に、浸漬状態のカーボン基材を、０．２〜０．５ＭＰａの圧力において、１〜２時間にわたって加圧保持した後、カーボン基材を含浸釜から取り出す。次に、樹脂を含浸させたカーボン基材を、乾燥機に入れ樹脂の硬化温度まで加熱し、樹脂を硬化させる。含浸後の硬化温度が低いと樹脂の硬化が不十分となり、使用時に樹脂が溶出する不具合が発生する可能性がある。そのため、使用する樹脂の特性を考慮して適切な硬化温度を設定する必要がある。
本発明において含浸剤として使用可能な樹脂としては、例えば、レゾール系フラン樹脂、レゾール系フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フッ素系樹脂、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）が挙げられる。
【００３３】
金属または合金の含浸は、加熱含浸釜を用いて、カーボン基材を真空度１．４ｋＰａ以下まで真空脱気した状態で実施する。具体的には、金属または合金の溶融温度まで加熱した後、溶融した金属または合金内に真空脱気したカーボン基材を浸漬する。次に、浸漬状態のカーボン基材を、不活性雰囲気中、９．０〜１０．０ＭＰａの圧力で、１〜２時間にわたって加圧保持した後、カーボン基材を含浸釜から取り出し、冷却する。不活性雰囲気中で加圧する方法としては、例えば、窒素などの不活性ガスを用いて加圧する方法がある。真空脱気時の真空度が１．４ｋＰａ以下まで到達しない場合、および加圧保持時の加圧力が９．０ＭＰａ未満となる場合、カーボン基材の開気孔内に金属または合金が均一に含浸されず、部分的に気孔分布の差が大きくなる傾向がある。
【００３４】
本発明において含浸剤として使用可能な金属は、例えば、銅、亜鉛、アルミニウム、アンチモン、ニッケルが挙げられ、これらは単独で使用しても、併用してもよい。また、本発明では、上述の金属から構成される合金を含浸剤として使用することも可能である。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はこれらに制限するものではない。
（実施例１）
自家製人造黒鉛粉の調製：コークス粉砕粉７６重量％に、結合剤としてタールピッチ２０重量％およびコールタール４重量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて温度２５０℃で５時間にわたって加熱混練した。この混練物を冷却した後、平均粒径５０μｍに粉砕し、次いで粉砕粉を寸法１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れ、成形時の面圧力１１２ＭＰａにおいて成形して成形品を得た。この成形品を不活性雰囲気下で９００℃まで、４００時間かけて昇温することによって、炭化ブロックを得た。引き続き、炭化ブロックを不活性雰囲気下で３，０００℃まで９６時間かけて昇温し、冷却した後に粉砕することによって、自家製人造黒鉛粉を得た。
【００３６】
先に調製した自家製人造黒鉛粉２３重量％、市販の油煙（商品名：ＳＵＮＢＬＡＣＫ  ＃３５、旭カーボン社製）１５重量％および市販の人造黒鉛粉（商品名：ＴＩＭＲＥＸ  ＫＳ４４  Ｇｒａｐｈｉｔｅ、ＴＩＭＣＡＬ社製）３重量％をそれぞれ骨材として使用し、結合剤となるタールピッチ５４重量％およびコールタール５重量％と配合した。この配合物を、双腕型ニーダーを用いて温度２８０℃で８時間にわたって加熱混練した。
【００３７】
次に、混練物を平均粒径２５μｍに粉砕し、粉砕粉を寸法１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れ、成形面圧力１２３ＭＰａで成形した。得られた成形品を不活性雰囲気下で９００℃まで４００時間かけて昇温した後に冷却することによって、カーボン基材を得た。
【００３８】
作製したカーボン基材を加熱含浸釜に入れ、真空度０．７ｋＰａまで真空脱気した後、２２０℃まで加熱することによって溶融したタールピッチ内に浸漬した。浸漬状態を維持しながら１．２ＭＰａの圧力で加圧した後、含浸釜からタールピッチ含浸品を取り出し、冷却することによって、カーボン基材に含浸したタールピッチを固化させた。それらを不活性雰囲気下で９００℃まで４００時間かけて昇温した後、冷却することによって、カーボン基材の開気孔内にタールピッチが存在するカーボン摺動材を作製した。
【００３９】
得られたカーボン摺動材の細孔分布状態を図１に示す。図１に示した細孔分布曲線から、細孔径０．５μｍ以上の開気孔の累積容積がカーボン摺動材の体積に占める割合、および細孔径０．５μｍ未満の開気孔の累積容積が開気孔の累積容積に占める割合を算出した。その結果を表１に示す。また、得られたカーボン摺動材のかさ密度、曲げ強さ、硬さ、および開気孔率を測定した。さらに、油中摩耗試験を実施し、その磨耗量を検討した。それらの結果を表２に示す。なお、各種測定に関する詳細は以下の通りである。
【００４０】
かさ密度および曲げ強さは、カーボン摺動材から、１０×１０×５０ｍｍの試験片を切り出し加工して、ＪＩＳ規格「ＪＩＳ  Ｒ  ７２１２」に準じて実施した。
【００４１】
硬さの測定は、先と同様に試験片を加工し、Ｄ型ショア硬度計を用いて、ＪＩＳ規格「ＪＩＳ  Ｚ  １１４６」に準じて、３点以上の成形加圧面について実施し、その平均値を算出した。
【００４２】
開気孔率は、カーボン摺動材から６×６×１８ｍｍに切り出し加工した試験片を使用して、ＱＵＡＮＴＡ  ＣＨＲＭＥ社製のＡＵＴＯ  ＡＣＡＮ−３３型水銀ポロシメータによる測定を実施し、その値から得られる細孔分布曲線に基づいて算出した。
【００４３】
油中摩耗試験は、市販の自動車エンジンオイル（商品名：ｅｐｒｏ−ｅｘｔｒａ  １０ｗ−３０、日野自動車純正オイル）中において、５×１０×３６ｍｍの試験片を１０×３６ｍｍの面を上にして、試験機油槽の底部に固定し、内径２６ｍｍ（φ）、外径３０ｍｍ（φ）のお椀形リング（材質ＦＨ−１５）を、周速２．１ｍ／ｓで回転させながら、面圧１６．５ＭＰａの圧力で上部より被せる状態で押し付けて、４時間にわたって試験を実施し、お椀形リングが摺動した部分の試験片の寸法変化を摩耗量として測定した。
【００４４】
（比較例１）
カーボン基材にタールピッチを含浸させないことを除き、実施例１と全て同様にしてカーボン摺動材を作製した。すなわち、本比較例１のカーボン摺動材は実施例１で作製したカーボン基材のみから構成される。得られたカーボン摺動材の細孔分布状態を図２に示す。図２に示した細孔分布曲線から、細孔径０．５μｍ以上の開気孔の割合、および細孔径０．５μｍ未満の開気孔の割合について算出した。その結果を表１に示す。また、得られたカーボン摺動材について、実施例１と同様にして、かさ密度、曲げ強さ、硬さ、および開気孔率の測定を実施した。さらに、実施例１と同様にして、カーボン摺動材の油中摩耗試験を実施し、磨耗量を検討した。それらの結果を表２に示す。
【００４５】
（実施例２）
実施例１と同様にして作製した自家製人造黒鉛粉４０重量％、市販の油煙（商品名：ＳＵＮＢＬＡＣＫ  ＃３５、旭カーボン社製）１０重量％および市販の人造黒鉛粉（商品名：ＴＩＭＲＥＸ  ＫＳ４４  Ｇｒａｐｈｉｔｅ、ＴＩＭＣＡＬ社製）３重量％をそれぞれ骨材として使用し、結合剤となるタールピッチ４５重量％および固体潤滑剤となる市販のタルク（商品名：ＣＴＡ−１、キハラ化成社製）２重量％と配合した。この配合物を、双腕型ニーダーを用い、温度２５０℃で５時間にわたって加熱混練した。
【００４６】
次に、混練物を平均粒径２５μｍに粉砕し、粉砕粉を寸法１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れ、成形面圧力１２３ＭＰａで成形した。得られた成形品を不活性雰囲気下で９００℃まで４００時間かけて昇温した後に冷却することによって、カーボン基材を得た。
【００４７】
上記カーボン基材を含浸釜に入れ、真空度０．４ｋＰａまで真空脱気した後、市販のレゾール系フラン樹脂（商品名：ＶＦ−３０３、日立化成工業社製）８０ｗｔ％およびアセトン２０ｗｔ％の配合比を有する溶液に浸漬した。浸漬状態を維持しながら０．４ＭＰａの圧力で加圧した後、含浸釜からフラン樹脂含浸品を取り出し、乾燥機で１８０℃まで８時間かけて昇温した後、冷却することによって、カーボン摺動材を作製した。
【００４８】
得られたカーボン摺動材の細孔分布状態を図３に示す。図３に示した細孔分布曲線から、細孔径０．５μｍ以上の開気孔の割合、および細孔径０．５μｍ未満の開気孔の割合を算出した。その結果を表１に示す。また、得られたカーボン摺動材について、実施例１と同様にして、かさ密度、曲げ強さ、硬さに関する測定を実施した。さらに、実施例１と同様にして、カーボン摺動材の油中摩耗試験を実施し、磨耗量を検討した。それらの結果を表２に示す。
【００４９】
（実施例３）
本実施例３は、カーボン基材を浸漬するレゾール系フラン樹脂溶液の濃度を変えたことを除き、実施例２と同様にして作製されるカーボン摺動材に関する。より具体的には、実施例２と同様して作製したカーボン基材を含浸釜に入れ、真空度０．４ｋＰａまで真空脱気した後、市販のレゾール系フラン樹脂（商品名：ＶＦ−３０３、日立化成工業社製）７０ｗｔ％およびアセトン３０ｗｔ％の配合比を有する溶液に浸漬した。浸漬状態を維持しながら０．４ＭＰａの圧力で加圧した後、含浸釜からフラン樹脂含浸品を取り出し、乾燥機で１８０℃まで８時間かけて昇温した後、冷却することによって、カーボン摺動材を作製した。
【００５０】
得られたカーボン摺動材の細孔分布状態を図４に示す。図４に示した細孔分布曲線から、細孔径０．５μｍ以上の開気孔の割合、および細孔径０．５μｍ未満の開気孔の割合を算出した。その結果を表１に示す。また、得られたカーボン摺動材について、実施例１と同様にして、かさ密度、曲げ強さ、硬さに関する測定を実施した。さらに、実施例１と同様にして、カーボン摺動材の油中摩耗試験を実施し、磨耗量を検討した。それらの結果を表２に示す。
【００５１】
（比較例２）
本比較例２は、カーボン基材を浸漬するレゾール系フラン樹脂溶液の濃度を変えたことを除き、実施例２と同様にして作製されるカーボン摺動材に関する。より具体的には、実施例２と同様して作製したカーボン基材を含浸釜に入れ、真空度０．４ｋＰａまで真空脱気した後、市販のレゾール系フラン樹脂（商品名：ＶＦ−３０３、日立化成工業社製）６０ｗｔ％およびアセトン４０ｗｔ％からなる溶液に浸漬した。浸漬状態を維持しながら０．４ＭＰａの圧力で加圧した後、含浸釜からフラン樹脂含浸品を取り出し、乾燥機で１８０℃まで８時間かけて昇温した後、冷却することによって、カーボン摺動材を作製した。
【００５２】
得られたカーボン摺動材の細孔分布状態を図５に示す。図５に示した細孔分布曲線から、細孔径０．５μｍ以上の開気孔の割合、および細孔径０．５μｍ未満の開気孔の割合を算出した。その結果を表１に示す。また、得られたカーボン摺動材について、実施例１と同様にして、かさ密度、曲げ強さ、硬さに関する測定を実施した。さらに、実施例１と同様にして、カーボン摺動材の油中摩耗試験を実施し、磨耗量を検討した。それらの結果を表２に示す。
【００５３】
（比較例３）
本比較例３は、カーボン基材を浸漬するレゾール系フラン樹脂溶液の濃度を変えたことを除き、実施例２と同様にして作製されるカーボン摺動材に関する。より具体的には、実施例２と同様して作製したカーボン基材を含浸釜に入れ、真空度０．４ｋＰａまで真空脱気した後、市販のレゾール系フラン樹脂（商品名：ＶＦ−３０３、日立化成工業社製）５０ｗｔ％およびアセトン５０ｗｔ％からなる溶液に浸漬した。浸漬状態を維持しながら０．４ＭＰａの圧力で加圧した後、フラン樹脂含浸品を含浸釜から取り出し、乾燥機で１８０℃まで８時間かけて昇温した後、冷却することによって、カーボン摺動材を作製した。
【００５４】
得られたカーボン摺動材の細孔分布状態を図６に示す。図６に示した細孔分布曲線から、細孔径０．５μｍ以上の開気孔の割合、および細孔径０．５μｍ未満の開気孔の割合を算出した。その結果を表１に示す。また、得られたカーボン摺動材について、実施例１と同様にして、かさ密度、曲げ強さ、硬さに関する測定を実施した。さらに、実施例１と同様にして、カーボン摺動材の油中摩耗試験を実施し、磨耗量を検討した。それらの結果を表２に示す。
【００５５】
（実施例４）
本実施例４は、カーボン基材をレゾール系フラン樹脂の原液（溶剤による希釈なし）に浸漬したことを除き、実施例２と同様にして作製されるカーボン摺動材に関する。より具体的には、実施例２と同様して作製したカーボン基材を含浸釜に入れ、真空度０．４ｋＰａまで真空脱気した後、市販のレゾール系フラン樹脂（商品名：ＶＦ−３０３、日立化成工業社製）の原液に浸漬した。浸漬した状態を維持しながら０．４ＭＰａの圧力で加圧した後、フラン樹脂含浸品を含浸釜から取り出し、乾燥機で１８０℃まで８時間かけて昇温した後、冷却することによってカーボン摺動材を作製した。
【００５６】
得られたカーボン摺動材の細孔分布状態を図７に示す。図７示した細孔分布曲線から、細孔径０．５μｍ以上の開気孔の割合、および細孔径０．５μｍ未満の開気孔の割合を算出した。その結果を表１に示す。また、カーボン摺動材について、実施例１と同様にして、かさ密度、曲げ強さ、硬さに関する測定を実施した。さらに、実施例１と同様にして、カーボン摺動材の油中摩耗試験を実施し、磨耗量を検討した。それらの結果を表２に示す。
【００５７】
（比較例４）
カーボン基材にレゾール系フラン樹脂を含浸させないことを除き、実施例４と全て同様にしてカーボン摺動材を作製した。すなわち、本比較例４のカーボン摺動材は実施例２で作製したカーボン基材のみから構成される。得られたカーボン摺動材の細孔分布状態を図８に示す。図８に示した細孔分布曲線から、細孔径０．５μｍ以上の開気孔の割合、および細孔径０．５μｍ未満の開気孔の割合を算出した。その結果を表１に示す。また、得られたカーボン摺動材について、実施例１と同様にして、かさ密度、曲げ強さ、硬さ、および開気孔率の測定を実施した。さらに、実施例１と同様にして、カーボン摺動材の油中摩耗試験を実施し磨耗量を検討した。それらの結果を表２に示す。
【００５８】
（実施例５）
実施例１と同様にして作製した自家製人造黒鉛粉５重量％およびコークス粉砕粉４５重量％をそれぞれ骨材として使用し、結合剤となるタールピッチ５０重量％と配合し、双腕型ニーダーを用いて、温度２５０℃で５時間にわたって加熱混練した。
【００５９】
混練物を平均粒径２５μｍに粉砕し、粉砕粉を寸法１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れ、成形面圧力１２３ＭＰａで成形した。得られた成形品を不活性雰囲気下で９００℃まで４００時間かけて昇温した後、冷却してカーボン基材を得た。
【００６０】
上記カーボン基材を加熱含浸釜に入れ、真空度１．２ｋＰａまで真空脱気した後、７５０℃まで加熱して溶融した金属アンチモンに浸漬した。浸漬状態を維持しながら９．５ＭＰａの圧力で加圧した後、含浸釜から金属アンチモン含浸品を取り出し、冷却することによって、カーボン摺動材を作製した。
【００６１】
得られたカーボン摺動材の細孔分布状態を図９に示す。図９に示した細孔分布曲線から、細孔径０．５μｍ以上の開気孔の割合、および細孔径０．５μｍ未満の開気孔の割合を算出した。その結果を表１に示す。また、得られたカーボン摺動材について、実施例１と同様にして、かさ密度、曲げ強さ、硬さに関する測定を実施した。さらに、実施例１と同様にして、カーボン摺動材の油中摩耗試験を実施し磨耗量を検討した。それらの結果を表２に示す。
【００６２】
（比較例５）
カーボン基材に金属アンチモンを含浸させないことを除き、実施例５と全て同様にしてカーボン摺動材を作製した。すなわち、本比較例５のカーボン摺動材は実施例５で作製したカーボン基材のみから構成される。得られたカーボン摺動材の細孔分布状態を図１０に示す。図１０に示した細孔分布曲線から、細孔径０．５μｍ以上の開気孔の割合、および細孔径０．５μｍ未満の開気孔の割合を算出した。その結果を表１に示す。また、得られたカーボン摺動材について、実施例１と同様にして、そのかさ密度、曲げ強さ、硬さ、および開気孔率の測定を実施した。さらに、実施例１と同様にして、カーボン摺動材の油中摩耗試験を実施し、磨耗量を検討した。それらの結果を表２に示す。
【００６３】
【表１】
2008249129.tif 000002
【００６４】
注：
（ａ）細孔径０．５μｍ以上の開気孔の累積容積がカーボン摺動材の体積に占める割合
（ｂ）細孔径０．５μｍ未満の開気孔の累積容積が開気孔の累積容積に占める割合
【００６５】
【表２】
2008249129.tif 000003
【００６６】
以上の結果から分かるように、実施例１〜５のカーボン摺動材は、比較例１〜５による摺動材と比較して、細孔径０．５μｍ以上の開気孔の割合が小さい。また、それらの曲げ強度および摩耗量についても、概ね良好な結果が得られた。
【００６７】
（実施例６）
実施例１で作製したカーボン摺動材のリングオンプレート摩擦試験を実施し、カーボン摺動材の摩擦係数について検討した。試験は、リングオンプレート摩擦試験機を使用し、潤滑油中で鋼を相手材とした際の摩擦係数を測定することによって実施し、摩擦係数から簡易的なストライベック曲線を作成した。ストライベック曲線は、縦軸を摩擦係数として、横軸を潤滑油の粘度と摺動速度との積を押し付け面圧で割った値、すなわち潤滑液膜形成パラメータとした。具体的な測定は、荷重を変化させて接触面圧を変化させるとともに摺動速度を０．１ｍ／ｓ〜３．０ｍ／ｓまで変化させ、さらに潤滑油の温度を変化させて潤滑液の粘度を５ｃＰ〜３０ｃＰの範囲で変化させることによって実施し、広範囲の潤滑液膜形成パラメータにおける摩擦係数を測定した。なお、比較対照として、比較例１で作製したカーボン摺動材についても同様の試験を実施した。
【００６８】
一般に、摺動接触面の間に液体が介在し、流体圧力によって摺動接触面が引き離されて接触部が減少すると、摩擦係数は小さくなる。液体が介在する場合の摩擦係数は、固体接触時の摩擦係数に対して１０分の１以下まで減少することが知られている。流体圧力は、摺動材に分散している気孔に液体が流入すると減圧され、摺動接触面を引き離す力が小さくなり、固体接触が発生することになる。通常、液体潤滑条件下で使用され、いわゆる流体潤滑状態を得るためには、摺動部の摩擦係数は０．０１以下であることが望ましい。
【００６９】
上述の試験の結果、比較例１のカーボン摺動材は、潤滑液膜形成パラメータの値を変化させても、摩擦係数は約０．１付近に留まり変化がなかった。一方、本発明に該当する実施例１のカーボン摺動材は、潤滑液膜形成パラメータ０．０１以上で摩擦係数が減少し始め、０．１付近では比較例１における摩擦係数の１０分の１以下になった。これにより、細孔径を小さく制御することおよび大きな細孔径の開気孔を排除することで、液体潤滑状態での要求性能を満足させられることが確認できた。
【００７０】
（実施例７）
実施例１で作製したカーボン摺動材を水循環ポンプの軸受に適用し、その寿命について検討した。水循環ポンプの稼動時に水による流体潤滑を活用できる構造とするために、カーボン摺動材における軸受のクリアランスを０．０８ｍｍまで小さくした。なお、比較対照のために、比較例２で作製したカーボン摺動材を使用して、同様の水循環ポンプを作製し、同様の検討を行った。
【００７１】
ポンプの軸受には、摺動特性のみならず耐食性、摺動接触面の保護の観点から、多くの場合、カーボン製の軸受が使用されるが、カーボン製の軸受では良好な流体潤滑は得難く、その効率向上には限界があった。しかし、本発明によるカーボン摺動材を軸受に適用し、上述のように水循環ポンプを構成することによって、比較例２のカーボン摺動材を適用した場合と比較して、軸受の寿命を３倍まで延長できた。また、ポンプ駆動モータ入力を５０％程度まで小さくすることが可能であった。このように、本発明のカーボン摺動材を使用することによって良好な液体潤滑を得ることが可能であり、軸受の耐荷重性の向上、軸受部の小型化、さらにはポンプの小型化を達成することが可能である。
【００７２】
（実施例８）
実施例１で作製したカーボン摺動材を、キシレンなどの有機溶剤を循環させるポンプ内のスラストシールに適用し、その摩擦損失について検討した。より具体的には、ポンプ内のモータの入力電流における減少率から評価した。比較対照として、比較例２で作製したカーボン摺動材についても同様に検討した。その結果、本発明によるカーボン摺動材を使用することによって、比較例２のカーボン摺動材に対して摩擦損失は３０％低減され、スラストシール部の漏れ量を２０％まで低減することができた。また、スラストシール以外のポンプ用摺動部品についても実施例１で作製したカーボン摺動材を適用し検討を行ったところ、有機溶剤の他、ガソリンやアルコール燃料といった揮発性の液体を搬送するポンプに適用した場合であっても同様の効果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】実施例１で作製したカーボン摺動材の細孔分布状態を示すグラフである。
【図２】比較例１で作製したカーボン摺動材の細孔分布状態を示すグラフである。
【図３】実施例２で作製したカーボン摺動材の細孔分布状態を示すグラフである。
【図４】実施例３で作製したカーボン摺動材の細孔分布状態を示すグラフである。
【図５】比較例２で作製したカーボン摺動材の細孔分布状態を示すグラフである。
【図６】比較例３で作製したカーボン摺動材の細孔分布状態を示すグラフである。
【図７】実施例４で作製したカーボン摺動材の細孔分布状態を示すグラフである。
【図８】比較例４で作製したカーボン摺動材の細孔分布状態を示すグラフである。
【図９】実施例５で作製したカーボン摺動材の細孔分布状態を示すグラフである。
【図１０】比較例５で作製したカーボン摺動材の細孔分布状態を示すグラフである。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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