(57)【要約】【課題】使用温度により影響を受けず、高寿命で安価な軸受とする。【解決手段】金属粒子２に対して黒鉛粒子３を結合させて、金属粒子２の表面改質を行い、表面改質した金属粒子２を用いて加圧成形を行い（Ｓ４）、その後に焼結させる（Ｓ５）ことにより、金属粒子２に黒鉛粒子３の被膜を形成した。【選択図】  図２
2004176757.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粒子に対して黒鉛粒子を結合させて、前記金属粒子の表面を改質させ、改質させた金属粒子を用いて加圧成形を行った後、加圧成形品を焼結させることにより、前記金属粒子に黒鉛粒子の被膜が形成された焼結体から成ることを特徴とするメタル軸受。
【請求項２】
前記金属粒子の表面の改質には、メカノケミカルな反応を用いることを特徴とする請求項１に記載のメタル軸受。
【請求項３】
気孔を有する金属焼結体を、黒鉛粒子を分散させた熱硬化樹脂の溶液の中に浸漬させた後、減圧により前記金属焼結体内部の気孔に前記溶液の溶媒である熱硬化樹脂溶液を含浸させると共に、前記金属焼結体の表面の気孔に前記溶液の前記黒鉛粒子を固着させた後、前記熱硬化樹脂の熱硬化を行い、前記溶液中の熱硬化樹脂を熱硬化させることにより、前記熱硬化樹脂をバインダーとして前記金属焼結体の表面に前記黒鉛粒子を結合させたことを特徴とするメタル軸受。
【請求項４】
金属粒子に対して黒鉛粒子を結合させる工程と、
前記金属粒子の表面を改質させる工程と、
改質させた金属粒子を用いて加圧成形を行う工程と、
加圧成形を行った後、加圧成形品を焼結させる工程から成り、
前記金属粒子に黒鉛粒子の被膜が形成された焼結体を作ることを特徴とするメタル軸受の製造方法。
【請求項５】
気孔を有する金属焼結体を作る工程と、
黒鉛粒子を分散させた熱硬化樹脂の溶液の中に浸漬させる工程と、
浸漬させた後、減圧により前記金属焼結体内部の気孔に前記溶液の溶媒である熱硬化樹脂溶液を含浸させ、前記金属焼結体の表面の気孔に前記溶液の前記黒鉛粒子を固着させる工程と、
前記黒鉛粒子を固着させた後、前記熱硬化樹脂の熱硬化を行い、前記溶液中の熱硬化樹脂を熱硬化させる工程から成り、
前記熱硬化樹脂をバインダーとして前記金属焼結体の表面に前記黒鉛粒子を結合させてメタル軸受を作るメタル軸受の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属焼結体から成るメタル軸受およびメタル軸受の製造方法に関するものであり、特に、メタル軸受を構成する金属粒子の表面の構造およびその製造方法に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
従来、軸受の中には、金属焼結体の内部に油（油脂）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を参照）。この様な軸受では、金属焼結体の内部に油脂を含浸させて軸受面に滲み出てくる油脂の自己給油性を利用して、軸受面での潤滑性を確保している。
【０００３】
また、軸受には、銅ニッケル合金粉末に対して、黒鉛粒子をボールミルで混合し、加圧成形した後に焼結を行った焼結軸受が知られている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３９１８３号公報（第３図、第４図）
【０００５】
【特許文献２】
特開２００２−１８０１６２号公報（第３頁、第１０段落目）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した含油軸受においては、次に示す様な問題が生じる。つまり、低温領域においては金属焼結体内部に含浸させた油脂は、軸受表面に滲み出にくくなり、軸受表面への自己給油性が悪くなるが故に、含油軸受の低温での使用温度に制約が生じる。これは、含浸させた油脂が有する低温領域での飽和蒸気圧が小さい（表面張力が小さい）、或いは、低温領域での油脂の体積が熱収縮する等の要因によって、低温領域においては軸受の内部に含浸させた油脂が十分に軸受面に滲み出でこなくなり、自己給油性がなくなってしまう。その結果、低温領域における自己潤滑性が良くなくなってしまう。一般的には、使用温度が−３０℃以下では、含油軸受の自己潤滑性が極端に低下してしまう。
【０００７】
一方、高温領域においては、低温領域とは対称的に自己給油性が良すぎる為、含油軸受の使用時間に制約が出てくる。これは、高温領域では低温領域とは反対に、油脂が有する飽和蒸気圧が大きい（油脂の表面張力が大きい）、或いは、熱膨張が大きくなる等の要因によって、高温領域においては軸受内部に含浸させた油脂が滲み出易くなり、使用時間が長くなると、軸受の表面に滲み出る油脂がなくなり、枯渇してしまう。その結果、軸受面に滲み出る油脂の自己給油性がなくなってしまい、高温領域において自己給油性の寿命が短くなる。一般的には、使用温度が１２０℃以上においては、含油軸受の使用時間に制約を受ける。
【０００８】
また、含油軸受に対して軸部材が軸支され、軸部材が軸受に対して摺動または回転をする場合、軸部材と軸受との間の嵌め合いの関係から、軸部材と軸受との間で干渉が発生する場合には、軸受面での油脂が滲み出る焼結体の空孔がつぶされる。焼結体の空孔がつぶされると、軸受内部に含浸された油脂が軸部材と当接する軸受面に滲み出てくることが阻害され、軸受での自己給油性がなくなり自己潤滑性がなくなってしまう。それ故に、軸部材の外径寸法と軸受の内径寸法について、加工精度が必要となり、コストアップにつながる。
【０００９】
一般的には、使用温度の範囲が広い場合や、軸部材と軸受との干渉が避けられない場合、或いは、軸受の使用時間が長い場合においては、含油軸受に代わって転がり軸受（ボールベアリング）を使用するが、ボールベアリングを使用するとコストアップしてしまう。
【００１０】
また、銅ニッケル合金粉末に対して黒鉛粉末をボールミルにて混合し、加圧成形を行った後に焼結して得られる焼結軸受では、単に、銅ニッケル粉末にボールミルにて黒鉛粉末を単純に混合を行う為、黒鉛が塊となって分散してしまう。この為、軸受の軸部材と摺接する表面に必ずしも黒鉛が均一に付かない事が起こり得る。この場合、軸部材と軸受とが摺接時に受ける摺接面の損傷を軸受側にするために、軸部材より柔らかいニッケルを軸受に使用すると、コストアップしてしまう。
【００１１】
そこで、本発明は、上記した含油軸受の問題点を解決し、使用温度により影響を受けない軸受とすること、高寿命で安価な軸受とすることを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するために講じた手段は、金属粒子に対して黒鉛粒子を結合させて、前記金属粒子の表面を改質させて、改質させた金属粒子を用いて加圧成形を行った後、加圧成形品を焼結させることにより、前記金属粒子に黒鉛粒子の被膜が形成された焼結体から成る構成としたことである。
【００１３】
上記した手段によれば、金属粒子（例えば、安価なＦｅ，Ｃｕ、或いは、Ｆｅ−Ｃｕ，Ｆｅ−Ｃｕ−Ｓｎ，Ｃｕ−Ｓｎ，Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐｂの混合物等）に対して黒鉛粒子を結合させ、金属粒子の表面を改質させる。そして、改質させた金属粒子を用いて加圧成形により成形を行った後、加圧成形品を焼結させることによって、金属粒子の周囲に黒鉛粒子を表面改質によって結合させて、強固な黒鉛粒子の被膜を形成させた軸受を構成することが可能である。
【００１４】
この場合、金属粒子の表面に黒鉛粒子が結合された金属粒子から構成されたメタル軸受の軸受面には、自己潤滑性をもつ安価な黒鉛の被膜が形成される。これによって、メタル軸受に軸部材を軸支する場合を考えると、メタル軸受の使用初期においては、次に示す状態が生じる。つまり、黒鉛は六方晶構造の結晶構造を有する。黒鉛は分子レベルでの単一分子層内における結合力（六角形の炭素原子の結合力）は極めて大きいが、分子レベルでの層間結合力は非常に小さい。例えば、黒鉛の表面に小さな外力が作用すると、表面の黒鉛は簡単に分子層の層間結合が破壊されて剥れる現象が発生し得る。この黒鉛固有の分子特性により、軸受の最外層に形成された黒鉛粒子の被膜は分子層のレベルで剥れ易く、黒鉛粒子が剥がれた場合、剥がれた黒鉛粒子はメタル軸受に接する軸部材に付着する。この場合、メタル軸受と軸部材との寸法精度によっては互いに干渉し、両者の寸法精度に基づいて、メタル軸受側の黒鉛が軸部材へと転移する。
【００１５】
この状態が所定時間経過すると、両者の寸法精度に基づいて、メタル軸受側の黒鉛が軸部材側に転移することが完了する。この様に、黒鉛の転移が完了した時点では、黒鉛のメタル軸受側から軸部材側への潤滑性を確保する従来の含油軸受に代表される油脂等の供給は必要ない。黒鉛のメタル軸受から軸部材への黒鉛の転移が完了した時点では、黒鉛のみを媒体に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。
【００１６】
これは、固体潤滑剤として黒鉛を媒体とすることから、メタル軸受のすべり摩擦を黒鉛により低減し、メタル軸受と軸部材との間に黒鉛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。この場合潤滑剤として固体潤滑剤である黒鉛を用いるため、従来の含油軸受に用いる液体の潤滑剤である油脂は使用しないので、使用温度によって油脂が軸受面に滲み出てこなくなったりすることや、油脂が枯渇してしまうこと等がなくなり、使用温度による影響を受けない。従来では含油軸受に必要であった自己給油性は必要なく、上記した如く、黒鉛粒子がメタル軸受の表面に形成されていれば、固体潤滑剤である黒鉛が分子レベルでの分子の層間転移を容易に起こすことによって、黒鉛の自己給油性が得られるので、使用温度範囲の制約を受けない長寿命の軸受となる。
【００１７】
この際、メタル軸受のすべり摩擦係数は、黒鉛を媒体にしていることから、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。この為、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、黒鉛は自ら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。
【００１８】
この場合、金属粒子の表面の改質を行う第一の手段には、メカノケミカルな反応による改質を行えば、メカノヒュージョン法によるメカノケミカルな反応により、粒子同士の結合力が強固なものとなると共に、被膜の生成を短時間に行うことが可能となる。例えば、メカノヒュージョン装置の金属粒子と黒鉛粒子が投入されて回転がなされる容器と、容器内で圧縮力を付与するインナーピースとの間の空隙の調整、容器の回転速度の調整によって、金属粒子の表面に黒鉛粒子による所望の膜厚および所望の結合割合を有する被膜を形成することが可能である。
【００１９】
また、上記した課題を解決するために講じた金属粒子の表面の性質を改質する第２の手段は、気孔を有する金属焼結体を、黒鉛粒子を分散させた熱硬化樹脂の溶液の中に浸漬させた後、減圧により前記金属焼結体の内部の気孔に前記溶液の溶媒である熱硬化樹脂溶液を含浸させると共に、前記金属焼結体の表面の気孔に前記溶液の前記黒鉛粒子を固着させた後、前記熱硬化樹脂に熱硬化を行って、前記溶液中の熱硬化樹脂を熱硬化させることによって、前記熱硬化樹脂をバインダーとして、前記金属焼結体の表面に前記黒鉛粒子を結合させたことである。
【００２０】
上記した金属粒子の表面を改質する第２の手段によれば、気孔を有する金属焼結体（例えば、気孔が表面や内部に形成される金属焼結体）を、黒鉛粒子を分散させた熱硬化樹脂の溶液の中に浸漬させた後、減圧させることによって、金属焼結体の内部の気孔内に熱硬化樹脂の溶液を含浸させる。その後、熱硬化性樹脂を含浸させた金属焼結体の熱硬化を行うことによって、熱硬化された熱硬化樹脂をバインダーとして、金属焼結体の気孔の表面に黒鉛粒子が固着し、黒鉛粒子が金属焼結体の表面に結合される。このような金属焼結体表面の気孔に黒鉛粒子が形成された焼結体の構造によって、メタル軸受に軸部材が軸受面にて軸支される場合、金属焼結体の表面の黒鉛粒子を媒体として、メタル軸受と軸部材との軸受面で黒鉛粒子を軸受から軸部材に転移させることが可能となる。これは、軸受面で固体潤滑剤の黒鉛を摺接面に形成させ、すべり摩擦を小さくして軸部材を軸支することが可能となる。この為、軸受面では焼付けが発生せず、メタル軸受での摺動性を長期にわたって確保することが可能となる。この場合、熱硬化樹脂が溶融後に熱硬化することにより、焼結体内部の気孔内に入った熱硬化樹脂が焼結体表面の気孔に固着された黒鉛粒子の表面と結合した状態で熱硬化することによって、熱硬化樹脂をバインダーとして金属焼結体に対して黒鉛粒子の強固な被膜を金属焼結体の表面に形成させることが可能である。これは、含油軸受に用いる油脂は使用しないので、使用温度による影響を受けず、使用温度範囲の制約を受けない長寿命の軸受となる。
【００２１】
また、この場合でも、メタル軸受のすべり摩擦係数は、黒鉛を媒体にしていることから、軸受にボールベアリングを用いた場合の摩擦係数に比べて小さくなり、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、黒鉛は自ら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。
【００２２】
メタル軸受の製造方法において、上記した課題を解決するために講じた手段は、金属粒子に対して黒鉛粒子を結合させる工程と、前記金属粒子の表面を改質させる工程と、改質させた金属粒子を用いて加圧成形を行う工程と、加圧成形を行った後、加圧成形品を焼結させる工程から成り、前記金属粒子に黒鉛粒子の被膜が形成された焼結体を作る構成としたことである。
【００２３】
上記した製造方法によれば、金属粒子（例えば、安価なＦｅ，Ｃｕ、或いは、Ｆｅ−Ｃｕ，Ｆｅ−Ｃｕ−Ｓｎ，Ｃｕ−Ｓｎ，Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐｂの混合物等）に対して黒鉛粒子を結合させ、金属粒子の表面を改質させる。そして、改質させた金属粒子を用いて加圧成形により成形を行った後、加圧成形品を焼結させることによって、金属粒子の周囲に黒鉛粒子を表面改質によって結合させて、強固な黒鉛粒子の被膜を形成させた軸受を簡単な製造方法により作ることが可能である。
【００２４】
この場合、金属粒子の表面に黒鉛粒子が結合された金属粒子から構成されたメタル軸受の軸受面には、自己潤滑性をもつ安価な黒鉛が用いられて、被膜が形成される。この場合、金属粒子の表面改質にはメカノケミカルな反応を用いれば、金属粒子の表面に黒鉛粒子による所望の膜厚および所望の結合割合を有する被膜を簡単な方法により形成することが可能である。
【００２５】
また、上記した課題を解決するために講じた手段は、気孔を有する金属焼結体を作る工程と、黒鉛粒子を分散させた熱硬化樹脂の溶液の中に浸漬させる工程と、浸漬させた後、減圧により前記金属焼結体内部の気孔に前記溶液の溶媒である熱硬化樹脂溶液を含浸させ、前記金属焼結体の表面の気孔に前記溶液の前記黒鉛粒子を固着させる工程と、前記黒鉛粒子を固着させた後、前記熱硬化樹脂の熱硬化を行い、前記溶液中の熱硬化樹脂を熱硬化させる工程から成り、前記熱硬化樹脂をバインダーとして前記金属焼結体の表面に前記黒鉛粒子を結合させてメタル軸受を作る構成としたことである。
【００２６】
上記した製造方法によれば、気孔を有する金属焼結体を、黒鉛粒子を分散させた熱硬化樹脂の溶液の中に浸漬させた後、減圧させることによって、金属焼結体の内部の気孔内に熱硬化樹脂の溶液を含浸させ、熱硬化性樹脂を含浸させた金属焼結体の熱硬化を行う。これによって、熱硬化された熱硬化樹脂をバインダーとして、金属焼結体の気孔の表面に黒鉛粒子が固着し、黒鉛粒子が金属焼結体の表面に結合されたメタル軸受を簡単な製造方法により作ることが可能である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２８】
図１に、メタル軸受（以下、単に軸受と称す）１が適用される電磁弁１の構成を示す。そこで、電磁弁１９について、最初に説明する。図１に示す電磁弁１０は、鉄等の磁性材より成る中空円筒状のハウジング１１の中に、周方向にコイル１３が巻回されたヨーク６が配設されている。ヨーク６は磁性体から成り立っており、軸方向における中央が凹部状となった中空円筒状を呈している。ヨーク６は、軸方向における中央が磁気および電気を絶縁する非磁性絶縁性部（非磁性部）７となっていると共に、非磁性部７を挟んで両側には磁性絶縁性部（磁性部）が形成されている。ヨーク６は軸方向両端が円周状に径方向に延在したフランジとなっている。ヨーク６のフランジによって形成される中央の凹部の表面には、絶縁膜（樹脂絶縁層）１２が形成され、この絶縁膜１２を介してコイル１３が巻かれている。
【００２９】
ハウジング１１における軸方向の一側には、略中央にターミナル１７がインサート成形されたコネクタハウジング１６が、かしめによってハウジング１１に一体で取り付けられている。コイル１３はターミナル１７に対して電気的に接続されており、ターミナル１７を介してコイル１３に給電できる構成となっている。
【００３０】
ヨーク６の中央には小径孔と大径孔を有する貫通した内孔１９が軸方向にあけられ、大径孔にはプランジャ４が大径孔の内径に沿って軸方向において摺動自在に配設されている。また、プランジャ４の軸方向における一端にはプランジャ４と同軸でピストン（軸部材）が配設されている。ピストン１８は一端がプランジャ４の側壁に圧入されて支持されている。ヨーク内の小径孔には軸受１が圧入されており、ピストン１８の他端は軸受１により軸支され、軸受１の内径の軸受面１ａにて摺動自在に軸支されている。
【００３１】
一方、ヨーク６の他側には、２つのポートＰ１、Ｐ２を有するバルブブロック２４の取付け孔２４ａに、圧入により取り付けられたスリーブ１４が取り付けられている。スリーブ１４にはポートＰ１、Ｐ２に連通する孔が径方向にあけられており、内部にスプール１５が配設される。スプール１５は周面に溝部１５ａが形成されており、軸方向にスリーブ内を移動することによって、ポートＰ１，Ｐ２が溝部２１を介して連通／遮断した状態が作られる構成となっている。スプール１５はコイル１３に通電が成され、プランジャ４の移動に伴ってプランジャ４と一体のピストン１８が移動することによって、ピストン１８によりボール部材２１を介して押圧されて、軸方向に移動することができる。
【００３２】
スプール１５のピストン１８による押圧される側とは反対側の端部には、スリーブにスプリング２２が配設されており、このスプリング２２によって、スプール１５を図１に示す左方向に付勢している。
【００３３】
次に、上記した構成の電磁弁１の作動について説明する。電磁弁１のコネクタハウジング１６に図示しない外部コネクタが接続され、外部コネクタを介してコイル１３に通電を行うことができる。コイル１３に外部コネクタより通電がなされると、コイル１３の通電によりコイル１３は励磁されて、コイル１３に磁界が発生する。発生した磁界は、ヨーク（例えば、図１に示す左側のフロントヨーク）６ｂから、ヨーク６ｂとプランジャ４との間の空隙（エアギャップ）を介して、プランジャ４に伝達される。そして、プランジャ４からヨーク（例えば、図１に示す右側のリアヨーク）６ａを通って、再度、コイル１３に戻る。これにより、ハウジング内で閉ループの磁気回路が形成される。
【００３４】
そして、コイル１３に通電した電流に比例する磁界がコイル１３に生じると、プランジャ４には電磁力が作用する。この結果、プランジャ４は磁気的な吸引力によって軸方向（図１に示す左方向）に引かれ、ヨーク６の大径孔の内孔に沿ってコイル１３に流れる電流の大きさに比例して軸方向に移動する。
【００３５】
しかし、コイル１３への通電がなくなると、プランジャ４を左方向に移動させる電磁力がなくなるので、スプリング２２の付勢力によって、スプール１５およびピストン１８と一体となったプランジャ４は、図１に示す初期位置に戻る。
【００３６】
次に、本実施形態において特徴とする軸受１について、説明する。ここで使用している軸受１は、主として金属粒子２と黒鉛粒子３とから作られ、軸受１の軸受面１ａには黒鉛粒子から成る被膜が形成される。そこで、軸受１の製造方法について、図２を参照して説明する。製造工程の説明では、各工程の流れを単に「Ｓ」と称して説明を行うものとする。
【００３７】
軸受１の製造において、最初に、金属粒子２を用意する（Ｓ１）。ここでは、金属粒子の材質としては、安価で機械的強度が高い鉄を使用する。しかし、本実施形態において、金属粒子２は鉄に限定されるものではなく、鉄以外に鉄と銅との混合物、鉄と銅とスズとの混合物、或いは、銅系の軸受材として使用されている銅ないしは銅とスズとの混合物、銅とスズと鉛の混合物等を使用することが可能である。ここで、鉄粉を使用する場合には、例えば、ミルスケール還元鉄粉として市販されている安価な鉄粉（粒径：４０〜１５０μｍの大きさ）を使用することが可能である。
【００３８】
次に、上記した鉄粒子２の表面に被膜３ａを形成する材料として、黒鉛粒子３を用意する（Ｓ２）。ここで使用する黒鉛粒子３の粒径は、鉄粒子２の粒径に対して、１０分の１程度の大きさを持つ粒子を用いると良い。
【００３９】
そして、上記した鉄粒子２の表面に黒鉛粒子３の被膜３ａを形成するに当たり、両者を結合させるのではあるが、この場合、メカノケミカルな反応を利用して結合させる粒子同士の接合面において結合を強固なものとするために表面改質を行い、粒子同士を結合させるメカノヒュ−ジョン法と呼ばれる結合法を用いる。メカノヒュージョン法では、粒子同士が接触する表面で発生する摩擦力を利用して、メカノケミカルな粉体同士の固体反応として知られている。粒子同士の結合において、メカノヒュージョン装置（回転を行う容器と、容器内の粒子に対して圧縮力を付与して粒子同士を結合させるインナーピースを含む）の中に、原材料となる鉄粒子２と黒鉛粒子３とを投入して入れる。
【００４０】
被覆３ａを形成する材料となる黒鉛粒子３は、容器の回転により発生する遠心力によって、容器の壁面に押し付けられる状態となり、この状態でインナーピースを回転する容器の壁面に押し付ける事により、黒鉛粒子３と鉄粒子２との間には、インナーピースによる径方向の圧縮力と、装置の回転遠心力による当接部位の接線方向でのせん断力とが作用するものとなる。この鉄粒子２に働く圧縮力と、黒鉛粒子３に働く圧縮力とせん断力とによって、鉄粒子２の表面に黒鉛粒子３が結合する。この場合、黒鉛は分子の層間結合力が小さいため、黒鉛粒子に働く圧縮力の大きさとせん断力の大きさとによって、層間結合が破壊される。メカノヒュージョン装置に投入した初期の黒鉛粒子３の大きさは、鉄粒子２の粒径の１０分の１程度の大きさを持っているが、黒鉛粒子３はメカノヒュージョン装置の容器内においては、層間結合が破壊されて黒鉛粒子３が微細化された後に、鉄粒子２の表面に黒鉛粒子３の被膜３ａが、図３に示す様に形成される（Ｓ３）。
【００４１】
この場合、容器の回転速度を増大させると、被覆を形成する黒鉛粒子３に働くせん断力が増大し、黒鉛粒子３は一定以上のせん断力によって層間結合が破壊され、粒子が粉砕される。この様にして、黒鉛粒子３は所定のせん断力によって、一定の大きさになるまで粒子の微細化が進む。黒鉛粒子３の微細化が停止した時点から、黒鉛粒子３の鉄粒子２との接触面は摩擦力によって活性化され、メカノケミカルな反応が生じて、鉄粒子２の表面において黒鉛粒子３が部分的に結合する。この際、鉄粒子２の表面には１／３程度の黒鉛粒子３が周囲に分散した状態で結合されると、この後の工程になる鉄粒子の圧縮性が高まり、更にその後の工程になる鉄粒子の焼結性を高めることに役立つ。
【００４２】
次に、図３に示す様に、表面に黒鉛粒子３が結合した鉄粒子２を、軸受１を成形する所定形状の金型内に充填させると、金型内では図３に示す粒子が多数存在することになり、隣り合う鉄粒子２との間に黒鉛粒子３が存在する図４の模式図に示す状態となる。そこで、金型内に５〜６ｔ／ｃｍ２の圧力をかけて鉄粒子同士を接触させて接触密度を高くして加圧成形を行い、軸受形状の成形体を作る（Ｓ４）。そして、加圧成形により得られた成形体を窒素雰囲気の減圧炉に入れ、約９００〜１０００℃程の温度で所定時間加熱して焼結を行う（Ｓ５）。これによって、鉄粒子が互いに接触した状態で隣り合う粒子との界面は、加熱により溶解して一体となるので、強固な軸受１となる。またこの様にしてできた軸受１は、メカノケミカルな反応を利用して、黒鉛粒子３が鉄粒子２に結合する為、黒鉛粒子３は加圧成形時に加えられた圧縮力によって鉄粒子の表面から剥がれ落ちることが無い。これによって焼結品の表面に黒鉛粒子が結合されており、軸受１の軸受面１ａから剥がれ落ちることはない。
【００４３】
以上、メカノヒュージョン法を利用して軸受１を作る工程について説明を行ったが、以下に示す別の方法により軸受１を作ることも可能である。第２の方法では、図６に示す如く、軸受１の軸受面１ａに気孔１ｂを有する金属焼結体５に対して、熱硬化樹脂（例えば、エポキシ樹脂等）をバインダーとして気孔１ｂの表面に黒鉛粒子３を結合させることを特徴とする。
【００４４】
そこで、図５を参照して、軸受１の製造工程について説明する。
【００４５】
この第２実施形態においては、粒径が第１実施形態と同じ、鉄粒子２と黒鉛粒子３を用いる。軸受１の製造では、最初に、鉄粒子２を用意し（Ｓ１１）、鉄粒子を金型内に入れて所定形状となる様、５〜６ｔ／ｃｍ２の圧力を作用させて加圧成形（Ｓ１２）を行った後、窒素雰囲気の減圧炉に入れ、９００℃程の温度で所定時間の間焼成させ（Ｓ１３）、隣接する鉄粒子２の接触する界面を溶解させることによって、鉄粒子２から軸受１となる多孔質な金属焼結体５が製作される。
【００４６】
一方、被膜３ａの形成には、黒鉛粒子３を用意して（Ｓ１４）、黒鉛粒子３が熱硬化樹脂（例えば、エポキシ樹脂）溶液の中に均一に分散された溶液（分散エポキシ樹脂溶液）を作る（Ｓ１５）。例えば、この場合、エポキシ樹脂をアルコール類やケトン類で溶解した溶液の中に、界面活性剤で処理された黒鉛粒子３を分散させる様にする。この後、必要な粘度に溶液をアルコール類やケトン類で希釈する。
【００４７】
次に、加圧成形後に焼結することにより得られた金属焼結体５をエポキシ樹脂容器内に入れる（Ｓ１６）。この容器内には、黒鉛粒子３が分散されたエポキシ樹脂の溶解液が溜められており、この容器を真空引きして、金属焼結体５の内部の気孔内に存在する大気を減圧によって吸引する（Ｓ１７）。この場合、真空度の目安として０．１３Ｐａ程度の真空度とする。
【００４８】
この場合、所定圧力まで減圧した後、金属焼結体５の外周部を押さえて、金属焼結体５を黒鉛粒子３が分散するエポキシ樹脂溶液の中に浸漬させることによって、一回の溶液内への浸漬で金属焼結体５の表面に１０μｍ程のエポキシ樹脂の溶液をバイダーとして黒鉛粒子の被膜が形成される。この際、金属焼結体５の外周部を押さえる治具を用いると、黒鉛粒子３の付着が不要となる外周部には、黒鉛粒子３は付着されない。
【００４９】
この様な工程において、真空引きされた金属焼結体内部の空孔となる気孔内には、吸引された大気に変わってエポキシ樹脂溶液８が浸入する。この場合、黒鉛粒子３の粒径は気孔の孔径よりも大きくなる様、黒鉛粒子３の大きさが設定されると、気孔内部にはエポキシ樹脂８が浸入してゆくが、気孔１ｂの孔径よりも大きい黒鉛粒子３は、図６の模式図に示す如く、軸受面１ａの表面上に付着し、被膜３ａを形成する。
【００５０】
その後、黒鉛粒子３が気孔１ｂの表面に固着し、気孔内にエポキシ樹脂が含浸した金属焼結体５を、大気中で１５０℃程の温度で１時間程の間放置する。これにより、気孔内部に含浸されたエポキシ樹脂８を熱硬化して、エポキシ樹脂を固体に変えることによって、黒鉛粒子３は固化したエポキシ樹脂８がバインダーとして気孔１ｂの表面に結合する。それ故に、金属焼結体５の内部に存在する気孔１ｂを略満遍なくエポキシ樹脂により充填し、熱硬化したエポキシ樹脂により黒鉛粒子３を結合させることによって、黒鉛粒子３を安定した状態で強固に保持することができる。
【００５１】
しかし、本実施形態においては、軸受面１ａにおいて黒鉛粒子３による被膜が形成されるので、軸受１の使用初期においては、軸受側の黒鉛粒子の表面層がピストン１８との接触によって剥れるが、剥れた黒鉛がピストン側に付着した状態で両者が接触する為、ピストン作動時には黒鉛から構成される極薄い膜がピストン側に略均一な厚みで形成される。その結果、軸受１とピストン１８とが接触する軸受面１ａでは、被膜３ａを作る黒鉛粒子３が接触の媒体になる。この為、自己潤滑性を有する黒鉛粒子を媒体として、ピストン移動時には軸受１とのすべり摩擦係数を小さくすることができる。また、黒鉛粒子３を媒体としているので、ピストン１８の移動が滑らかになり、軸受面１ａに焼付けを発生させなくすることができ、長期にわたってピストン１８の摺動性を確保することができる。また、この様な軸受１には、黒鉛粒子３を媒体としてすべり摩擦係数を小さくすることができ、従来、含浸軸受に代表される様に軸受内部に油脂を含浸せて自己給油を行うことが不要となる。よって、この様な軸受１は、安価な鉄粒子２と黒鉛粒子２とから作ることができるので、安価な軸受１とすることができる。
【００５２】
本実施形態においては、軸受１から軸部材への黒鉛の供給については、軸受１の表面に、黒鉛粒子３の層を形成させる。この為、軸受１の軸受面１ａの最外層には必ず黒鉛粒子３の層が存在することから、軸受１から軸部材１８への黒鉛の供給が、枯渇することがない様にすることができる。つまり、黒鉛の分子構造から考えると、黒鉛の分子は六方晶構造の結晶構造を有する。黒鉛は分子レベルでの層内における六角形の炭素原子同士の結合力は共有結合の為に極めて強いが、分子レベルでの層間結合力は非常に弱い。この為、黒鉛の最外層に外力が作用した場合、黒鉛は簡単に分子層の層間結合が破壊されて黒鉛が剥れる現象が生じる。この黒鉛固有の分子の性質によって、軸受１の軸受面１ａでの最外層に形成された黒鉛粒子３の被膜３ａは、分子層のレベルで剥れ、剥がれた黒鉛粒子３は接触した軸部材１８に付着するものとなる。この場合、軸受１と軸部材１８との寸法精度により、互いに干渉し合う場合においては、両者の寸法精度により、軸受側の黒鉛が反対側の軸部材に転移することが起こり得る。所定時間経過すると、その両者の寸法精度に基づいて、軸受側の黒鉛が軸部材側に転移するのが完了する。黒鉛の転移が完了した時点では、黒鉛の軸受側から軸部材側への供給は行われなくなる。この様にして、黒鉛の軸受側から軸部材側への転移が完了した時点では、黒鉛のみを媒体にしたすべり摩擦によって、軸受１と軸部材１８との滑らかな摺動が行える。
【００５３】
ここで具体的な例をとって説明する。黒鉛の分子レベルの層間距離は、３．５５Åである。そこで、例えば、黒鉛粒子の被膜（例えば、５μｍ）を金属粒子の表面に形成させると、この被膜の中には１４０８５層から成る分子層によって構成される被膜が形成されることになる。この１４０８５層からなる黒鉛の一部の層が、軸部材１８が摺動する場合には、軸受１から軸部材１８に転移する。つまり、軸受１と軸部材１８とが寸法精度により干渉する場合、軸受１と軸部材１８との間隙（クリアランス）が相対的に狭い場合には、軸受１から軸部材１８へ黒鉛が転移する量は相対的に多くなる。これとは反対に、軸受１と軸部材１８との間隙が相対的に広い場合には、両者は干渉する機会は少くなり、軸受１から軸部材１８へ黒鉛が転移する量は相対的に少ない。それ故に、軸受１と軸部材１８とが干渉しやすい間隙では黒鉛の転移がしっかりと行われ、黒鉛を媒体にしてすべり摩擦が小さくなり、滑らかな軸部材１８の摺動性を確保することができる。
【００５４】
この場合、黒鉛のすべり摩擦係数は、ボールベアリングの転がり摩擦係数と比べて小さいので、軸受面１ａで発生する音を小さくすることができる。また、黒鉛は自己潤滑性を有する為、摩擦に伴って発生する異物の発生量も極めて少ない。
【００５５】
尚、本実施形態においては、金属粒子２に対して黒鉛粒子３をメカノケミカルな反応により結合させて、金属粒子の表面を改質させる方法を取ったが、これに限定されるものではなく、メカノケミカルな反応による結合を必ずしも用いなくとも、金属粒子２の表面に黒鉛粒子３を結合させられれば良い。例えば、黒鉛粒子３を含む溶液の中に金属粒子２を浸漬させて、電気化学的な方法によって、金属粒子２の表面に黒鉛粒子３を析出させる方法であっても良い。
【００５６】
【発明の効果】
第１の発明によれば、金属粒子に対して黒鉛粒子を結合させて、金属粒子の表目を改質させて、改質させた金属粒子を用いて、黒鉛粒子を金属粒子の表面改質による強固な結合によって結合させることができる。そして、表面改質された金属粒子を加圧成形により成形を行い、さらに焼結させることによって、金属粒子の界面を溶解させて金属粒子同士を結合させる。これによって、強固な粒子同士の結合された金属粒子の表面に黒鉛粒子の被膜を形成させることができる。
【００５７】
この場合、金属粒子の表面の改質には、メカノケミカルな反応による改質を行えば、メカノヒュージョン法によるメカノケミカルな反応により、粒子同士の結合力が強固なものとすることができる。また、被膜の生成を短時間に行うことができる。
【００５８】
また、第２の発明によれば、表面に気孔を有する金属焼結体を、黒鉛粒子を分散させた熱硬化樹脂の溶液の中に浸漬させ、気孔内に溶液を含浸させ熱硬化を行うことによって、熱硬化した樹脂をバインダーとして、黒鉛粒子を金属焼結体の表面に結合させて、メタル軸受での摺動性を長期にわたって確保することができる。これは、含油軸受に用いる油脂は使用しないので、使用温度による影響を受けないものとなり、さらに固体潤滑剤の黒鉛粒子が軸と軸受との間の摺接面に保持されるため、黒鉛粒子が枯渇することがなく長寿命の軸受になる。また使用する材料が安価であり、金属粒子の表面に黒鉛粒子を結合させる手段も短時間で、かつ大量の金属粒子に結合させる形成できるため、安価な軸受とすることができる。
【００５９】
また、黒鉛粒子を媒体にすることから、軸受面軸受にボールベアリングを用いた場合の摩擦係数に比べて小さくでき、メタル軸受の軸受面から発生する作動音も小さくすることができる。
【００６０】
製造方法に関しては、金属粒子に対して黒鉛粒子を結合させ、金属粒子の表面を改質させて、改質させた金属粒子を用いて加圧成形により成形を行った後、加圧成形品を焼結させることによって、金属粒子の周囲に黒鉛粒子を表面改質により結合させ、強固な黒鉛粒子の被膜が形成した軸受を簡単な製造方法により作ることができる。
【００６１】
また、気孔を有する金属焼結体を、黒鉛粒子を分散させた熱硬化樹脂の溶液の中に浸漬させた後、減圧させることによって、金属焼結体の内部の気孔内に熱硬化樹脂の溶液を含浸させ、熱硬化性樹脂を含浸させた金属焼結体の熱硬化を行うことにより、熱硬化樹脂をバインダーとして、金属焼結体の気孔の表面に黒鉛粒子を固着させて、黒鉛粒子が金属焼結体の表面に結合したメタル軸受を簡単な製造方法により作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態におけるメタル軸受を電磁弁に適用した場合の電磁弁の構成図である。
【図２】図１に示すメタル軸受の第１実施形態における製造方法である。
【図３】図１に示すメタル軸受を作る場合における粒子レベルでの模式図である。
【図４】図３に示す粒子の集合体を示した模式図である。
【図５】図２に示すメタル軸受の第２実施形態における製造方法である。
【図６】図５に示す方法により作られたメタル軸受の軸受面を拡大して示した模式図である。
【符号の説明】
１  メタル軸受（軸受）
１ａ  軸受面
１ｂ  気孔
２  鉄粒子（金属粒子）
３  黒鉛粒子
３ａ  被膜
５  金属焼結体
１８  ピストン（軸部材）
【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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