(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、鉛を含有しない金属含浸カーボン摺動材を提供する。【解決手段】  カーボン基材に、Ａｌ１重量％〜３０重量％、Ｃｕ２重量％〜１５重量％、Ｍｇ０．０１重量％〜７重量％、Ｔｉ０．０１重量％〜３重量％、Ｂｅ０．０１重量％〜０．３重量％及び残部Ｚｎを含む合金を含浸してなる金属含浸カーボン摺動材に関するものであり、カーボン基材への合金の含浸率は、カーボン基材に対して２５重量％〜６１重量％の範囲が好ましい。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボン基材に、Ａｌ１重量％〜３０重量％、Ｃｕ２重量％〜１５重量％、Ｍｇ０．０１重量％〜７重量％、Ｔｉ０．０１重量％〜３重量％、Ｂｅ０．０１重量％〜０．３重量％及び残部Ｚｎを含む合金を含浸してなる金属含浸カーボン摺動材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種ポンプ、圧縮機等の軸受、シール又は真空ポンプのベーンなどに使用される金属含浸カーボン摺動材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の金属含浸カーボン摺動材は以下のようにして得られる。例えば、非特許文献１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、カーボンファイバー等の骨材の一種以上と、タールピッチ、コールタール、クレオソート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、最高温度１５０℃〜３００℃の温度で混練する。
【０００３】
【非特許文献１】（石川敏功、長沖通）著、近代編集社発行の「新炭素工業」
【０００４】
次に、この混練物を室温まで冷却した後、平均粒径が１０μｍ〜３００μｍに粉砕し、次いで５０ＭＰａ〜２００ＭＰａの圧力で成形した後、８００℃〜３０００℃の非酸化雰囲気中で焼成、必要に応じて黒鉛化し、さらにこの焼成品又は黒鉛化品に鉛、銅等の金属を含浸する。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。
【０００５】
鉛含浸カーボン摺動材は、温度４００℃〜５００℃及び減圧真空度５torr以下の条件で鉛溶融槽に前記の焼成品又は黒鉛化品を浸漬した後、窒素、アルゴンガス等の不活性ガスにより０．５ＭＰａ〜１．０ＭＰａまで加圧して、カーボン基材に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することにより得ることができる。そして得られた鉛含浸カーボン摺動材を機械加工して軸受などに供している。
【０００６】
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するか又は廃止するようになってきているのが現状である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、鉛を含有しない金属含浸カーボン摺動材を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、  カーボン基材に、Ａｌ１重量％〜３０重量％、Ｃｕ２重量％〜１５重量％、Ｍｇ０．０１重量％〜７重量％、Ｔｉ０．０１重量％〜３重量％、Ｂｅ０．０１重量％〜０．３重量％及び残部Ｚｎを含む合金を含浸してなる金属含浸カーボン摺動材に関する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の金属含浸カーボン摺動材は、鉛を含有せずに、鉛含浸カーボン摺動材と同等の摺動特性を有し、工業的に極めて好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明になる金属含浸カーボン摺動材は、鉛に替わる含浸金属として、Ａｌ１重量％〜３０重量％、Ｃｕ２重量％〜１５重量％、Ｍｇ０．０１重量％〜７重量％、Ｔｉ０．０１重量％〜３重量％、Ｂｅ０．０１重量％〜０．３重量％及び残部Ｚｎを含む合金を含浸することを特徴とするものであり、Ａｌの量が１重量％未満であると硬くて脆い合金となり、３０重量％を超えると合金を溶解したときの流動性が悪くなり、カーボン基材の気孔深部へ浸入し難くなり、十分な含浸率が得られない（含浸率が低い）という問題点が生じる。
【００１１】
Ｃｕの量が２重量％未満であると柔らかい合金となり、１５重量％を超えると逆に硬くて脆い合金となり、摺動材としての耐摩耗性、耐荷重性、なじみ性、埋収性等が損なわれる。Ｂｅの量が０．０１重量％未満であると高荷重又は高周速時の摺動特性が低下し、０．３重量％を超えると相手材への攻撃性が強くなり、シャフト、ハウジング等の相手材に傷をつけ易くなり、この傷によって摩耗が増大するなど、軸受としての性能が低下する。Ｍｇ及びＴｉはＡｌ、Ｃｕ及びＢｅの均一分散性を向上させる働きがあり、特にＭｇは０．０１重量％〜７重量％の範囲及びＴｉは０．０１重量％〜３重量％の範囲のときに均一分散性が良好となる。
【００１２】
カーボン基材の開気孔率については特に制限はないが、７体積％〜２０体積％の範囲であることが好ましく、８体積％〜１８体積％の範囲であることがより好ましく、９体積％〜１６体積％の範囲であることがさらに好ましい。開気孔率が７体積％未満であると溶融した合金が細孔に浸入できず、十分な含浸効果が得られない傾向があり、摺動材として使用した場合に摩耗が大きい傾向にある。開気孔率が２０体積％を超えると機械的強度が低くなる傾向があると共に摩擦係数が大きくなる傾向にある。上記の合金を含浸して機械的強度を向上させると共に耐摩耗性を向上させるためには、カーボン基材の気孔を合金によって埋めることが重要であり、開気孔が少しでも残っていると十分な液膜の形成ができず、摩耗量の増大を引き起こすおそれがある。
【００１３】
また、カーボン基材への合金の含浸率は、カーボン基材に対して２５重量％〜６１重量％の範囲が好ましく、２５重量％〜５０重量％の範囲がより好ましく、２７重量％〜４７重量％の範囲がさらに好ましい。含浸率が２５重量％未満であると合金による摺動特性の効果が十分ではなく、摩耗が大きくなる傾向があり、５０重量％を超える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る傾向がある。
【００１４】
本発明において、合金を含浸するカーボン基材には、鉛が有していた摩擦係数低減効果を得るために、二硫化モリブデン、滑石、雲母等の固体潤滑剤を適宜配合してもよい。固体潤滑材の配合量は、カーボン基材に対して２重量％〜７重量％配合することが好ましく、２重量％〜５重量％配合することがさらに好ましい。固体潤滑剤の配合量が２重量％未満であると十分な摩擦係数低減効果が得られない傾向があり、７重量％を超えるとカーボン基材の機械的強度が低下する傾向がある。
【００１５】
本発明になる金属含浸カーボン摺動材を製造するための原料としては、平均粒径が１μｍ〜５０μｍ程度の各種黒鉛粉、油煙等を骨材として使用し、これに必要に応じて固体潤滑剤として二硫化モリブデン、滑石、雲母等を配合し、さらに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。
【００１６】
本発明になる金属含浸カーボン摺動材は、上記の各原料を配合し、加熱混練、粉砕、成形、焼成し、必要に応じて黒鉛化した後、合金を含浸して得ることができる。
このうち、加熱混練は、双腕型ニーダーなどを用いて、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。この際、混練温度が１５０℃未満であると混練時間が長くなる傾向があり、３００℃を超えると機械的強度が低下する傾向がある。
【００１７】
なお、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。また、例えば１７０℃で第一段階の混練を行った後に温度を２５０℃に上げて第二段階の混練をするなど、混練温度を段階的に引き上げることも可能である。この場合、前記混練温度の範囲は最高温度を示すこととなる。
【００１８】
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１０μｍ〜３００μｍ程度、より好ましくは２０μｍ〜２００μｍ、さらに好ましくは２０μｍ〜１００μｍになるように粉砕することにより行われる。ただし、平均粒径は、続く成形方法、焼成又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。
【００１９】
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などの方法でふ形することにより行われる。成形圧力は、５０ＭＰａ〜２００ＭＰａが好ましく、６０ＭＰａ〜１５０ＭＰａがより好ましく、８０ＭＰａ〜１３０ＭＰａがさらに好ましい。成形圧力が５０ＭＰａ未満であると機械的強度が低下する傾向があり、２００ＭＰａを超える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、割れ易くなる傾向がある。
【００２０】
次に、上記で得られた成形品を焼成する。焼成は、窒素、アルゴン等の不活性ガスを用いた非酸化雰囲気下又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などの方法がある。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℃がさらに好ましい。焼成温度が８００℃未満であると、炭素化が不充分で十分な摺動特性が得られ難く、１０００℃を超えると焼成炉が劣化し易くなる。
【００２１】
焼成時間は、原料の配合割合、製品形状、炉の能力等により決定されるものであり、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できるだけ短時間で終了することが好ましく、具体的には５時間〜５００時間が好ましく、１０時間〜４００時間がより好ましく、２０時間〜３５０時間がさらに好ましい。
【００２２】
目標とするカーボン基材を得るには、得られた焼成品をさらに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℃がさらに好ましい。
このようにして得られた焼成品又は黒鉛化品の開気孔率を、水中置換法により測定することができる。
【００２３】
次いで、上記で得られたカーボン基材を、金属含浸容器に入れ５torr以下に減圧脱気後、該容器中にＡｌ１重量％〜３０重量％、Ｃｕ２重量％〜１５重量％、Ｍｇ０．０１重量％〜７重量％、Ｔｉ０．０１重量％〜３重量％、Ｂｅ０．０１重量％〜０．３重量％及び残部Ｚｎを含む合金溶融物を注入して、カーボン基材に合金を含浸し、その後、窒素ガスにより０．５ＭＰａ〜１．０ＭＰａに加圧して金属含浸カーボン摺動材を得ることができる。
このようにして得られた金属含浸カーボン摺動材を機械加工し、軸受、シール、真空ポンプのベーン等、所望の製品形状にすることができる。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明を実施例により説明する。
実施例１
骨材として、平均粒径が２０μｍの自家製人造黒鉛粉４３重量％に、固体潤滑剤として二硫化モリブデン粉末２重量％、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％及びコールタール１０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。
【００２５】
この後、上記の混練物を平均粒径１３μｍ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１２３ＭＰａの条件で成形した。得られた成形品（カーボン基材）を、還元雰囲気下で１０００℃まで３５０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、７体積％であった。
【００２６】
この焼成品を金属含浸容器に入れ、３torrに減圧脱気後、該容器内にＡｌ２重量％、Ｃｕ７重量％、Ｍｇ４重量％、Ｔｉ１重量％、Ｂｅ０．１３重量％及びＺｎ８５．８７重量％からなる合金溶融物を注入して、焼成品に合金を含浸し、次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。
【００２７】
実施例２
骨材として、平均粒径が２０μｍの自家製人造黒鉛粉５０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）４０重量％及びコールタール１０重量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて温度１７０℃で１時間加熱混練し、次いで２５０℃で５時間加熱混練した。
【００２８】
この後、上記の混練物を平均粒径３００μｍ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１１０ＭＰａの条件で成形した。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、次いで２８００℃で黒鉛化処理を行った。得られた黒鉛化品（カーボン基材）の開気孔率を水中置換法により測定した結果、２０体積％であった。
【００２９】
この黒鉛化品を金属含浸容器に入れ、３torrに減圧脱気後、該容器内にＡｌ２７重量％、Ｃｕ７重量％、Ｍｇ３重量％、Ｔｉ１重量％、Ｂｅ０．１３重量％及びＺｎ６１．８７重量％からなる合金溶融物を注入して、黒鉛化品に合金を含浸し、次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。
【００３０】
実施例３
骨材として、平均粒径が２０μｍの自家製人造黒鉛粉４５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％及びコールタール１０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。
【００３１】
この後、上記の混練物を平均粒径３００μｍ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１１０ＭＰａの条件で成形した。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、次いで２８００℃で黒鉛化処理を行った。得られた黒鉛化品（カーボン基材）の開気孔率を水中置換法により測定した結果、１３体積％であった。
【００３２】
この黒鉛化品を金属含浸容器に入れ、３torrに減圧脱気後、該容器内にＡｌ２０重量％、Ｃｕ３重量％、Ｍｇ７重量％、Ｔｉ１重量％、Ｂｅ０．１３重量％及びＺｎ６８．８７重量％からなる合金溶融物を注入して、黒鉛化品に合金を含浸し、次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰaまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。
【００３３】
実施例４
実施例３で得た黒鉛化品（カーボン基材）を金属含浸容器に入れ、３torrに減圧脱気後、該容器内にＡｌ２０重量％、Ｃｕ１５重量％、Ｍｇ０．０２重量％、Ｔｉ２．６重量％、Ｂｅ０．０１重量％及びＺｎ６２．３７重量％からなる合金溶融物を注入して、黒鉛化品に合金を含浸し、次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰaまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。
【００３４】
実施例５
実施例３で得た黒鉛化品（カーボン基材）を金属含浸容器に入れ、３torrに減圧脱気後、該容器内にＡｌ２０重量％、Ｃｕ８重量％、Ｍｇ４重量％、Ｔｉ０．０１重量％、Ｂｅ０．２８重量％及びＺｎ６７．７１重量％からなる合金溶融物を注入して、黒鉛化品に合金を含浸し、次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。
【００３５】
実施例６
実施例３で得た黒鉛化品（カーボン基材）を金属含浸容器に入れ、３torrに減圧脱気後、該容器内にＡｌ１５重量％、Ｃｕ４重量％、Ｍｇ０．０２重量％、Ｔｉ０．０１重量％、Ｂｅ０．０３重量％及びＺｎ８０．９４重量％からなる合金溶融物を注入して、黒鉛化品に合金を含浸し、次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。
【００３６】
実施例７
実施例３で得た黒鉛化品（カーボン基材）を金属含浸容器に入れ、５torrに減圧脱気後、該容器内にＡｌ２８重量％、Ｃｕ１４重量％、Ｍｇ６重量％、Ｔｉ３重量％、Ｂｅ０．２８重量％及びＺｎ４８．７２重量％からなる合金溶融物を注入して、黒鉛化品に合金を含浸し、次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。
【００３７】
実施例８
実施例３で得た黒鉛化品（カーボン基材）を金属含浸容器に入れ、０.５torrに減圧脱気後、該容器内にＡｌ２８重量％、Ｃｕ１４重量％、Ｍｇ６重量％、Ｔｉ３重量％、Ｂｅ０．２８重量％及びＺｎ４８．７２重量％からなる合金溶融物を注入して、黒鉛化品に合金を含浸し、次いで窒素ガスにより０．６ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。
【００３８】
比較例１
実施例３で得た黒鉛化品（カーボン基材）を金属含浸容器に入れ、３torrに減圧脱気後、該容器内に鉛溶融物を注入して、黒鉛化品に鉛を含浸し、次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して鉛含浸カーボン摺動材を得た。
【００３９】
比較例２
実施例３で得た黒鉛化品（カーボン基材）を金属含浸容器に入れ、３torrに減圧脱気後、該容器内にＣｕ１４重量％、Ｍｇ６重量％、Ｔｉ３重量％、Ｂｅ０．１４重量％及びＺｎ７６．８６重量％からなる合金溶融物を注入して、黒鉛化品に合金を含浸し、次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。
【００４０】
比較例３
実施例３で得た黒鉛化品（カーボン基材）を金属含浸容器に入れ、３torrに減圧脱気後、該容器内にＡｌ２０重量％、Ｍｇ６重量％、Ｔｉ３重量％、Ｂｅ０．１４重量％及びＺｎ７０．８６重量％からなる合金溶融物を注入して、黒鉛化品に合金を含浸し、次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。
【００４１】
比較例４
実施例３で得た黒鉛化品（カーボン基材）を金属含浸容器に入れ、３torrに減圧脱気後、該容器内にＡｌ２０重量％、Ｃｕ５重量％、Ｔｉ３重量％、Ｂｅ０．１４重量％及びＺｎ７１．８６重量％からなる合金溶融物を注入して、黒鉛化品に合金を含浸し、次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。
【００４２】
比較例５
実施例３で得た黒鉛化品（カーボン基材）を金属含浸容器に入れ、３torrに減圧脱気後、該容器内にＡｌ２０重量％、Ｃｕ１２重量％、Ｍｇ６重量％、Ｂｅ０．１４重量％及びＺｎ６１．８６重量％からなる合金溶融物を注入して、黒鉛化品に合金を含浸し、次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。
【００４３】
比較例６
実施例３で得た黒鉛化品（カーボン基材）を金属含浸容器に入れ、５torrに減圧脱気後、該容器内にＡｌ２８重量％、Ｃｕ１４重量％、Ｍｇ６重量％、Ｔｉ３重量％及びＺｎ４９重量％からなる合金溶融物を注入して、黒鉛化品に合金を含浸し、次いで窒素ガスにより０．９８ＭＰａまで加圧して金属含浸カーボン摺動材を得た。
【００４４】
次に、実施例１〜８及び比較例２〜６で得られた金属含浸カーボン摺動材について、焼成品又は黒鉛化品への合金の含浸率を表１に、物理特性及び摩耗試験の結果を表２に示す。また比較例１で得られた鉛含浸カーボン摺動材について、黒鉛化品への鉛の含浸率を表１に、物理特性及び摩耗試験の結果を表２に示す。
【００４５】
なお、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８５ｍｍ（φ）の円板（材質ＳＵＳ３０４）上で摺動させ、周速が１０ｍ／秒及び面圧が０．９８ＭＰａの条件で１００時間の試験を行って、摩擦係数及び摩耗量を測定した。
また、曲げ強さは、厚さが１０ｍｍ、幅が１０ｍｍ及び長さが５０ｍｍの直方体の試験片についてＪＣＡＳ（炭素協会規格）−１０−１９６８に準拠して測定し、硬さについては、ショア硬さ試験機で測定した。
【００４６】
【表１】
2005187288.tif 000002
【００４７】
【表２】
2005187288.tif 000003
【００４８】
表２に示されるように、実施例１〜８の金属含浸カーボン摺動材は、比較例２〜８の金属含浸カーボン摺動材に比較して摩擦係数が小さく、かつ摩耗量も少なく、これらの値は比較例１の鉛含浸カーボン摺動材とほぼ同等の摺動特性が確認された。また物理特性においても実施例１〜８の金属含浸カーボン摺動材と比較例１の鉛含浸カーボン摺動材及び比較例２〜８の金属含浸カーボン摺動材とはほぼ同程度の値であることが確認された。