(57)【要約】【課題】鉛含浸カーボン摺動材と同等の摺動特性を有する、鉛を含まない金属含浸カーボン摺動材を提供する。【解決手段】学振法による黒鉛の格子定数測定法より求めた格子定数Ｃｏ＝０．６７２ｎｍ〜０．６８５ｎｍのカーボン基材にＡｌが２〜１０重量％、Ｃｕが０．５〜３重量％、残部がＺｎの比率の金属を２０〜６５重量％含浸した金属含浸カーボン摺動材。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
学振法による黒鉛の格子定数測定法より求めた格子定数Ｃｏ＝０．６７２ｎｍ〜０．６８５ｎｍのカーボン基材にＡｌが２〜１０重量％、Ｃｕが０．５〜３重量％、残部がＺｎの比率の金属を２０〜６５重量％含浸した金属含浸カーボン摺動材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種ポンプや圧縮機などの軸受及びシール、真空ポンプのベーン等に使用される金属含浸カーボン摺動材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の金属含浸カーボン摺動材は、例えば（石川敏功、長沖通）著、近代編集社発行の「新炭素工業」などに示されるように、人造黒鉛、天然黒鉛、カーボンブラック、コークス等の骨材の一種以上と、タールピッチ、コールタール等の結合剤の一種以上を適宜配合し、これらを混練機に投入し、１５０〜３００℃の温度で混練する。次にこの混練物を室温まで冷却した後、平均粒径１０〜３００μｍに粉砕し、次いで５０〜２００ＭＰａの圧力で成形、８００〜３０００℃の非酸化雰囲気中で焼成または必要に応じて黒鉛化し、さらにこの焼成品または黒鉛化品に鉛、銅などの金属を含浸する。特に、鉛は低融点金属であり含浸作業が容易であるばかりでなく、摩擦係数を下げ、摩耗量を減少させ、さらに耐焼付性を向上させるため、水中ポンプなどの軸受として、鉛含浸カーボン摺動材が広く使用されている。鉛含浸カーボン摺動材の場合、温度４００〜５００℃、減圧真空度５ｔｏｒｒ以下の条件で鉛溶融槽に上記の焼成品または黒鉛化品を浸漬した後、窒素やアルゴンガス等の不活性ガスにより０．４９〜０．９８ＭＰａまで加圧して、カーボン基材が有する気孔に鉛を含浸させる。この後、鉛溶融槽から引き上げて冷却した後、大気圧に戻して含浸を完了し、鉛含浸カーボン摺動材としている。この鉛含浸カーボン摺動材を機械加工して摺動材に供している。
【０００３】
しかしながら、重金属である鉛は環境汚染が心配され、廃棄品の市場からの回収が必要となるばかりでなく、鉛そのものの使用を制限あるいは廃止するようになってきている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、鉛含浸カーボン摺動材と同等の摺動特性を有する、鉛を含まない金属含浸カーボン摺動材を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、学振法による黒鉛の格子定数測定法より求めた格子定数Ｃｏ＝０．６７２ｎｍ〜０．６８５ｎｍのカーボン基材にＡｌが２〜１０重量％、Ｃｕが０．５〜３重量％、残部がＺｎの比率の金属を２０〜６５重量％含浸した金属含浸カーボン摺動材。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明になる金属含浸カーボン軸受材は、鉛に替わる含浸金属として、Ａｌが２〜１０重量％、Ｃｕが０．５〜３重量％、残部がＺｎの比率の金属を使用する。格子定数Ｃｏ＝０．６７２ｎｍよりも小さいカーボン基材では軟らかく耐荷重性の低下、摩耗量の増大を引き起こす。また格子定数Ｃｏ＝０．６８５ｎｍより大きいと十分な摩擦係数低減効果が得られず、耐摩耗性、摩擦特性、なじみ性などが損なわれる。また、金属の含浸量は２０重量％〜６５重量％が好ましく２０重量％よりも少ないと、カーボン基材の気孔を金属によって埋めることが出来ず、機械的強度の低下、摺動特性の効果が十分でなく摩耗量の増大を引き起こす。含浸率が６５重量％より多いとカーボン基材の潤滑効果が得られず、摩擦係数が大きくなり摩耗量も増加する。
本発明になる金属含浸カーボン軸受材を製造するための原料としては、平均粒径が２０μｍ程度の黒鉛粉、油煙等を骨材として使用し、結合剤としてタールピッチ、コールタール等が使用される。本発明になる金属含浸カーボン摺動材は、前記各原料を用い、加熱混練、粉砕、成形、焼成した後、金属含浸することにより製造する事ができる。
【０００７】
加熱混練は、双腕型ニーダー等を用いて、各原料を１５０℃〜３００℃、より好ましくは１８０℃〜２７０℃、さらに好ましくは２００℃〜２５０℃の温度で混練する。混練温度が高いと機械的強度が低下する傾向があり、低いと混練時間が長くなる傾向がある。尚、混練時間については、混練物の量、骨材、結合剤の配合割合により変化するので、その都度適宜選定する必要がある。
【０００８】
粉砕は、加熱混練で得られたものを、各種粉砕機を用いて、平均粒径が２０〜３００μｍ程度、より好ましくは２０〜２００μｍ、更に好ましくは２０〜１００μｍになるように粉砕することにより行われる。但し、平均粒径は続く成形方法や、焼成または黒鉛化後に得られるカーボン基材の特性を考慮し、適宜選択することが可能である。
【０００９】
成形は、粉砕して得られた粉体を、ブロック状に金型プレス等の方法でふ形することにより行われる。成形圧力は、５０〜２００ＭＰａが好ましく、６０〜１５０ＭＰａがより好ましく８０〜１３０ＭＰａがさらに好ましい。成形圧が低いと機械的強度が低下する傾向があり、高いと焼成中に揮発分の散逸が抑制されて成形品に内部圧力が生じ、割れやすくなる傾向がある。
【００１０】
上記により得られた成形品を焼成する。焼成は、窒素又はアルゴン等の不活性ガスを用いた非酸化雰囲気下または成形品の周囲に炭素粉を詰めて還元雰囲気下で焼成する方法が取られる。焼成時の最高到達温度は８００℃〜１０００℃が好ましく、８５０〜１０００℃がより好ましく、９００〜１０００℃が更に好ましい。焼成は温度が８００℃よりも低い場合、炭素化が不十分で十分な摺動特性を得られにくく、１０００℃以上の場合、焼成炉が劣化しやすくなる。焼成時間は原料の配合割合や製品形状あるいは炉の能力などにより決められるものであり、本発明においては特に制限されるものではないが、生産性及び生産コストの点から出来るだけ短時間で終了することが良い。具体的には５時間〜１００時間が好ましく、１０時間〜４００時間がより好ましく、２０時間〜３５０時間が更に好ましい。
【００１１】
目標とするカーボン基材を得るには、得られた焼成品を更に１０００℃以上の高温で黒鉛化しても良い。この場合の最高温度は１２００〜３０００℃が好ましく、１５００〜３０００℃がより好ましく、２５００〜３０００℃が更に好ま
しい。
このようにして得られた焼成品又は黒鉛化品を学振法による黒鉛の格子定数測定法より測定する。
【００１２】
金属含浸は、上記により得られた学振法による黒鉛の格子定数測定法より求めた格子定数Ｃｏ＝０．６７２ｎｍ〜６８５ｎｍのカーボン基材を金属含浸容器に入れ５ｔｏｒｒ以下に減圧減圧脱気後、Ａｌが２〜１０重量％、Ｃｕが０．５〜３重量％、残部がＺｎの比率の金属からなる合金溶湯中に浸漬して窒素ガスにより０．４９〜０．９８ＭＰａまで加圧することにより行われる。このようにして得られた金属含浸カーボン材を機械加工し、所望の形状の軸受、シール、ベーン等の製品形状にすることができる。
【００１３】
【実施例】
以下本発明の実施例を説明する。
実施例１
骨材として、平均粒径が２０μｍの自家製人造黒鉛粉５５重量％に、結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（株）製、商品名ＰＫＬ）４５重量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて温度２５０℃で５時間加熱混練した。
この後上記の混練物を、平均粒径２５μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１００ＭＰａで成形した。得られた成形品を、還元雰囲気下で１０００℃まで４００時間かけて昇温した後冷却した。
この焼成品を金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気後、Ａｌが４重量％、Ｃｕが１重量％、Ｚｎが９５重量％からなる合金の溶湯中に浸漬して窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧した。
得られた金属含浸カーボン材の物理特性，格子定数，含浸率及び摩耗試験の結果を表１に示す。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
実施例２
骨材として、平均粒径が２０μｍの自家製人造黒鉛粉４０重量％に、天然黒鉛１０重量％（日本黒鉛（株）製、商品名ＣＢ１５０）並びに結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（株）製、商品名ＰＫＬ）５０重量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて温度２５０℃で５時間加熱混練した。この後上記の混練物を、平均粒径２５μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１００ＭＰａで成形した。得られた成形品を、還元雰囲気下で１０００℃まで４００時間かけて昇温した後冷却した。
この焼成品を金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気後、Ａｌが４重量％、Ｃｕが１重量％、Ｚｎが９５重量％からなる合金の溶湯中に浸漬して窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧した。
得られた金属含浸カーボン材の物理特性，格子定数，含浸率及び摩耗試験の結果を表１に示す。
【００１６】
実施例３
骨材として、平均粒径が２０μｍの自家製人造黒鉛粉７重量％に、平均粒径が２０μｍのピッチコークス５３重量％並びに結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（株）製、商品名ＰＫＬ）４０重量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて温度２５０℃で５時間加熱混練した。
この後上記の混練物を、平均粒径２５μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１００ＭＰａで成形した。得られた成形品を、還元雰囲気下で１０００℃まで４００時間かけて昇温した後冷却した。得られた焼成品の開気孔率を水中置換法により測定した結果、この焼成品を金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気後、Ａｌが４重量％、Ｃｕが１重量％、Ｚｎが９５重量％からなる合金の溶湯中に浸漬して窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧した。
得られた金属含浸カーボン材の物理特性，格子定数，含浸率及び摩耗試験の結果を表１に示す。
【００１７】
実施例４
実施例１記載のカーボン基材を用い、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気後、Ａｌが１０重量％、Ｃｕが３重量％、Ｚｎが８７重量％からなる合金の溶湯中に浸漬して窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧した。
得られた金属含浸カーボン材の物理特性，格子定数，含浸率及び摩耗試験の結果を表１に示す。
【００１８】
実施例５
実施例１記載のカーボン基材を用い、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気後、Ａｌが２重量％、Ｃｕが０．５重量％、Ｚｎが９７．５重量％、からなる合金の溶湯中に浸漬して窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧した。
得られた金属含浸カーボン材の物理特性，格子定数，含浸率及び摩耗試験の結果を表１に示す。
【００１９】
比較例１
実施例２で得られたカーボン基材さらに３０００℃で黒鉛化を行った。この黒鉛化品を金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気後、鉛溶湯中に浸漬して窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧した。
得られた金属含浸カーボン材の物理特性，格子定数，含浸率及び摩耗試験の結果を表１に示す。
【００２０】
比較例２
比較例１で得られたカーボン基材を用いて、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気後、Ａｌが１１重量％、Ｃｕが４重量％、Ｚｎが８５重量％からなる合金の溶湯中に浸漬して窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧した。
得られた金属含浸カーボン材の物理特性，格子定数，含浸率及び摩耗試験の結果を表１に示す。
【００２１】
比較例３
比較例１で得られたカーボン基材を用いて、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気後、Ａｌが１１重量％、Ｃｕが０．４重量％、Ｚｎが８８．６重量％からなる合金の溶湯中に浸漬して窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧した。
得られた金属含浸カーボン材の物理特性，格子定数，含浸率及び摩耗試験の結果を表１に示す。
【００２２】
比較例４
骨材として、平均粒径が２０μｍの自家製人造黒鉛粉３重量％に、平均粒径が２０μｍのピッチコークス５７重量％並びに結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（株）製、商比較例１で得られたカーボン基材を用いて、これを品名ＰＫＬ）４０重量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて温度２５０℃で５時間加熱混練した。
この後上記の混練物を、平均粒径２５μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１００ＭＰａで成形した。得られた成形品を、還元雰囲気下で１０００℃まで４００時間かけて昇温した後冷却した。実施例１記載のカーボン基材を用い、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気後、Ａｌが１重量％、Ｃｕが０．４重量％、Ｚｎが９８．６重量％からなる合金の溶湯中に浸漬して窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧した。
得られた金属含浸カーボン材の物理特性，格子定数，含浸率及び摩耗試験の結果を表１に示す。
【００２３】
比較例５
比較例４で得られたカーボン基材を用いて、これを金属含浸容器に入れ、３ｔｏｒｒに減圧脱気後、Ａｌが１重量％、Ｃｕが４重量％、Ｚｎが９５重量％からなる合金の溶湯中に浸漬して窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧した。
得られた金属含浸カーボン材の物理特性，格子定数，含浸率及び摩耗試験の結果を表１に示す。
尚、水中摩耗試験は、８×１２×１８ｍｍの試験片（摺動面１２×１８ｍｍ）を水中で回転する外径寸法φ８５ｍｍの円板（材質ＳＵＳ３０４）上で摺動させて行なった。周速は１０ｍ／ｓ、面圧は０．９８ＭＰａとして１００時間試験を行ない、摩擦係数及び摩耗量を測定した。
表１に示されるように、実施例１〜５は、比較例２及び３に比べて摩擦係数が小さく、摩耗量も少なく、比較例１の鉛含浸カーボン軸受と同等の摺動特性が確認された。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、請求項１記載の金属含浸カーボン摺動材は鉛を含まず、鉛含浸カーボン摺動材と同等の摺動特性を有しており、工業的に極めて好適である。