(57)【要約】      （修正有）【課題】耐摩耗性および耐荷重性に優れたカーボン摺動部材を提供する。【解決手段】摺動部材４は、カーボン基材１および金属を含み、炭化物または酸化物を含む摺動部材であって、摩擦面は島状に該金属が分散し、該金属の周囲が該炭化物または該酸化物で囲まれていることを特徴とする。また、摺動部材は、摩擦面を含む表層部が、三次元網目構造を有し、互いに連結した金属骨格を内在し、該金属骨格の表面は炭化物あるいは酸化物で覆われ、その他の部分はカーボンで形成されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボン基材および金属を含み、炭化物または酸化物を含む摺動部材であって、その摩擦面には該金属が島状に分散し、該金属の周囲が該炭化物または該酸化物で囲まれていることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
摩擦面を含む表層部が、三次元網目構造を有し、互いに連結した金属骨格を内在し、該金属骨格の表面は炭化物あるいは酸化物で覆われ、その他の部分はカーボンで形成されていることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
【請求項３】
前記カーボン基材がカーボン焼成材で構成され、摩擦面を含む表層部が、該カーボン焼成材の気孔に前記金属が含浸され、かつ、該カーボン焼成材と前記金属との境界部に炭化物層もしくは酸化物層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
【請求項４】
前記カーボン基材の結晶質黒鉛量が、Ｘ線回折による積分強度比で１０〜１００％であることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
【請求項５】
前記カーボン焼成材の見掛け密度が１６００〜１８５０ｋｇ/ｍ３であることを特徴とする請求項４記載の摺動部材。
【請求項６】
前記金属がＡｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項７】
前記炭化物層が、前記カーボン基材の気孔に含浸される前記金属の成分と前記カーボン基材の炭素との化合物であることを特徴とする請求項６記載の摺動部材。
【請求項８】
前記金属が、ＣｒまたはＴｉを含むことを特徴とする請求項６記載の摺動部材。
【請求項９】
前記金属が、Ｃｕを主成分としてＣｒまたはＴｉを０．２重量％以上含むことを特徴とする請求項８記載の摺動部材。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の摺動部材を用いたことを特徴とする軸受。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれかに記載の摺動部材を用いたことを特徴とするポンプ用摺動部品。
【請求項１２】
請求項１〜９のいずれかに記載の摺動部材を用いたことを特徴とする圧縮機用摺動部品。
【請求項１３】
請求項１〜９のいずれかに記載の摺動部材を用いたことを特徴とする搬送装置用摺動部品。
【請求項１４】
請求項１〜９のいずれかに記載の摺動部材を用いたことを特徴とする位置決め装置用摺動部品。
【請求項１５】
カーボン基材および金属を含み、炭化物または酸化物を含む摺動部材の製造方法であって、該カーボン基材の気孔の内壁表面に該酸化物を形成した後、該カーボン基材の気孔に該金属を含浸する工程とを含むことを特徴とする摺動部材の製造方法。
【請求項１６】
前記カーボン基材の気孔に前記金属を含浸する工程は、前記カーボン基材を真空減圧した後、前記カーボン基材を溶湯に浸漬して加圧することにより行うことを特徴とする請求項１５記載の摺動部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動部材に関し、これを用いる軸受または機械製品の摺動部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
潤滑油を供給しないで稼動する軸受や摺動部、あるいは起動時などに潤滑油が少なくなる摺動部に用いられる摺動部材は、金属同士の接触や、潤滑油の枯渇した条件における焼付きを回避するために、一部でカーボン焼成材が採用されてきた。カーボン焼成材は、黒鉛成分を適度に配合することで、黒鉛の自己潤滑性により無給油でも焼付きを起こしにくい。
【０００３】
一方、一般に、カーボン焼成材には内部に開気孔が残存するため、潤滑油や潤滑液による流体潤滑が得られにくいという欠点がある。また、カーボン焼成材は、カーボン同士の焼成結合が弱いこと、および気孔が存在することによって強度が低く、圧縮強度で２８０ＭＰａ程度が限界とされていた。
【０００４】
特許文献１には、圧縮機の軸受部の摩耗や焼付きを防止するため、軸受として、炭素質基材を用い、その気孔に、ＩＢ族、Ｆｅを除くＶＩＩＩ族およびＳｎから選ばれる金属を含浸した部材を用いることが開示されている。
【０００５】
特許文献２には、黒鉛粉末からなる圧粉成型体に珪素が組成比の大部分を占める共晶合金を加圧溶浸して反応させる、黒鉛−炭化珪素系複合材料の製造方法が開示されている。
【０００６】
特許文献３には、カーボン材の気孔に酸化ケイ素と金属リン酸化合物とを含む混合化合物の含有層を設けた摺動部品が開示されている。
【０００７】
特許文献４には、炭化珪素質焼結体に存在する気孔部に炭化物、窒化物、酸化物、硫化物、水酸化物、炭酸塩および比較的低融点の金属のいずれか一種または二種以上の溶融物が含浸された摺動部材が開示されている。
【０００８】
特許文献５には、炭素基材の摺動部分の表層部を珪化処理し、さらに該炭素基材全体に金属を含浸した、炭素−炭化珪素−金属複合材料が開示されている。ここで、含浸する金属として、アンチモン、銀、錫、銅が記載されている。
【０００９】
特許文献６には、カーボン基材にＳｂおよびＣｕを含む合金を含浸した金属含有カーボン摺動材が開示されている。
【００１０】
特許文献７には、カーボン基材に、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｂｅおよび残部Ｚｎを含む合金を含浸した金属含有カーボン摺動材が開示されている。
【００１１】
特許文献８には、摺動面の少なくとも一部に炭素と窒素を含む被覆を具え、この被覆は、他の化合物として、さらに周期律表第ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素、鉄族金属、ＡｌおよびＳｉ、ならびにこれらの炭化物、窒化物および炭窒化物から選択された少なくとも一種を含み、この他の化合物が非晶質である摺動部材が開示されている。
【００１２】
特許文献９には、固体潤滑剤を配合したカーボン基材に、Ｚｎ、Ｃｕおよび残部Ｓｎを含む合金を含浸した金属含浸カーボン軸受材が開示されている。
【００１３】
特許文献１０には、黒鉛を含む炭素質基材の気孔に、ＩＢ族、Ｆｅを除くＶＩＩＩ族およびＳｎから選ばれる一種の金属またはこれらの金属を主にした合金を含浸した圧縮機用軸受が開示されている。
【００１４】
【特許文献１】特開２００２−２１３３５６号公報
【特許文献２】特開平３−２９０３６７号公報
【特許文献３】特開２００２−３２３１４１号公報
【特許文献４】特開昭６０−１４１６８９号公報
【特許文献５】特開平８−１０９０８３号公報
【特許文献６】特開２００７−１６２１１１号公報
【特許文献７】特開２００５−１８７２８８号公報
【特許文献８】特開２０００−１９２１８３号公報
【特許文献９】特開２００３−３２２１５３号公報
【特許文献１０】特開２００３−３１４４４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
摩擦により表面を変形させる力がカーボンに作用した場合、カーボン同士の結合が破壊し、カーボン粒子を脱落させて摩耗に至る。金属に摩擦力が作用した場合は、金属部は、金属の変形あるいは相手材と金属が凝着して、変形・破断して摩耗に至る。従来材では、カーボン部と金属部との結合が弱いため、カーボンおよび金属それぞれが単独で脱落して摩耗することが多かった。
【００１６】
摺動部材としての金属含浸カーボンの強度は、カーボン焼成材の基材強度に依存し、高強度を得るためにはカーボン基材の高強度化が必要である。一方で、金属含浸材の耐摩耗性は、圧縮強度が高くなるほど向上するが、３００ＭＰａ以上になると強度向上による耐摩耗性改善効果は小さくなる。耐摩耗性の向上には強度以外に材料組織を改善する必要がある。
【００１７】
高負荷になる場合、カーボン基材の摩擦面表面層のカーボン粒子が座屈・脱落により摩耗が急増する。部品全体の強度は金属含浸により向上するが、カーボンと含浸金属との結合が弱いため、カーボン粒子の脱落が置きやすかったと考えている。耐摩耗性の向上には、少なくとも摩擦面近傍の強度を向上させる必要である。
【００１８】
さらに、金属含浸には１０ＭＰａ以上の高圧雰囲気でカーボン基材の気孔に金属溶湯を圧入することが必要で、熱間当方圧プレスなどの大型装置を用いるため製造コストが高い。
【００１９】
本発明の目的は、耐摩耗性および耐荷重性に優れた摺動部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の摺動部材は、カーボン基材および金属を含み、炭化物または酸化物を含む摺動部材であって、摩擦面は島状に該金属が分散し、該金属の周囲が該炭化物または該酸化物で囲まれていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、潤滑雰囲気だけでなく、無給油、無潤滑雰囲気においても、耐摩耗性および耐荷重性に優れ、かつ軽量の摺動部材を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明によるカーボン摺動部材の摩擦面の組織は、カーボン基材、金属部および炭化物または酸化物の三相を含む。
【００２３】
一般に、カーボン基材は、これに含まれる黒鉛質が相手材との摩擦により薄い結晶格子間滑りを起こすため、低摩擦である。金属は、カーボン基材に不可避的に生じる気孔に充填され、カーボンの変形や脱落を阻止するとともに、金属自体もカーボン基材により過度な変形が抑制される。ただし、カーボン基材とその気孔に充填された金属とは接触しているのみで化学的に結合していない場合がある。
【００２４】
そこで、本発明においては、カーボン基材と金属との間に、カーボン基材および金属の両方と結合しやすい炭化物層を配置した。これにより、摩擦面の強度を向上することができる。
【００２５】
炭化物はカーボン基材および金属より硬く、摩擦に際しては相手材の押付荷重を支え、カーボン基材および金属部の荷重負荷を軽減することができるため、耐摩耗性が向上する。また、摩擦面において炭化物は金属部を取り囲んでおり、相手材と金属部との凝着による金属部の塑性流動を抑制するため、金属部の摩耗を防止することができる。
【００２６】
金属部を取り囲むように形成した酸化物は、炭化物と同様に、カーボン基材や金属より硬く、カーボン基材および金属部の荷重負荷軽減と相手材との凝着による金属部の塑性変形とを防止し、耐摩耗性が向上する。
【００２７】
摺動部に加わる応力は、荷重と摩擦力との合力であり、摩擦表面だけでなく内部にも及ぶことが知られている。摩擦表面層は摩擦によって内部に加わる応力によって引き剥がされ、摩耗、破壊に至る。したがって、前述の摩擦面に露出している金属部は、引き剥がされる力に対抗するために、表層部において網目状に互いに結合していることが重要である。
【００２８】
カーボン基材はあらかじめ焼成することで互いに結合しており、かつ、互いに連結した開気孔を有している。この開気孔を金属で充填することで、網目状の金属を形成することができる。さらに、該金属とカーボン基材との境界面は、カーボンと金属との結合力を増すための炭化物あるいは酸化物とすることで、表面に露出する金属が相手材に凝着したとしても、内部のアンカー効果により脱落を阻止し、摩擦面の大きな破壊あるいは摩耗を防止することができる。
【００２９】
本発明による摺動部材は、カーボン基材および金属を含み、炭化物または酸化物を含む摺動部材であって、その摩擦面には該金属が島状に分散し、該金属の周囲が該炭化物または該酸化物で囲まれていることを特徴とする。また、本発明による摺動部材は、摩擦面を含む表層部が、三次元網目構造を有し、互いに連結した金属骨格を内在し、該金属骨格の表面は炭化物あるいは酸化物で覆われ、その他の部分はカーボンで形成されていることを特徴とする。さらに、本発明による摺動部材は、カーボン基材がカーボン焼成材で構成され、摩擦面を含む表層部が、カーボン焼成材の気孔に金属が含浸され、かつ、カーボン焼成材と金属との境界部に炭化物層もしくは酸化物層が形成されていることを特徴とする。
【００３０】
ここで、摺動部材の摩擦面を含む表層部が、三次元網目構造を有し、互いに連結した金属骨格を内在するため、その摩擦面に三次元網目構造の断面が露出し、島状に分散して見える。
【００３１】
以上により、摩耗が進行した際も保たれ、継続的に耐摩耗性が向上する。
【００３２】
本発明によるカーボン基材は、炭素および黒鉛から選ばれる少なくとも一種を主成分とするカーボン材である。特に、摩擦係数の低減、耐摩耗性を向上させる観点から、黒鉛を３０〜７０重量％とすることが好ましい。また、黒鉛としては、黒鉛結晶化度の異なる黒鉛を二種類以上組み合わせて使用してもよく、摺動相手材の強度に合わせて硬度を調整することが好ましく、その場合の黒鉛範囲は１０〜１００％である。硬度が低いと耐荷重性が損なわれて摩耗量が増加する傾向がある。一方、硬度が高いと、摺動相手材を傷つけて摺動性を悪化させる傾向にある。
【００３３】
本発明によるカーボン摺動部材のカーボン基材を製造するための原料としては、黒鉛粉、コークス粉等を骨材として使用し、必要に応じて固体潤滑剤としてタルク、二硫化モリブデン等を使用し、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する。
【００３４】
本発明に用いるカーボン基材は、前記各原料を用い、加熱混練、粉砕、成形した後、焼成することにより得ることができる。加熱混練は、双腕型ニーダーなどを用いて、各原料を好ましくは２３０〜２７０℃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。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。
【００３５】
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２０〜３０μｍになるように粉砕することにより行われる。平均粒径が大きいと緻密性が損なわれる傾向があり、平均粒径が小さいと機械的強度が低下する傾向がある。
【００３６】
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り行われる。成形圧力が低いと機械的強度が低下する傾向があり、高いと焼成中に割れる傾向がある。
【００３７】
焼成は、不活性雰囲気下で、好ましくは８００〜１０００℃に昇温して行う。焼成時間は、３００〜５００時間が好ましい。不活性雰囲気下で焼成する方法としては、成形品のまわりに炭素粉などを詰めて焼成するなどの方法がある。
【００３８】
このようにして得られたカーボン焼成材の見掛け密度は１６００〜１８５０ｋｇ/ｍ３である。
【００３９】
金属部は、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、スズ（Ｓｎ）などの炭化物を形成しにくい元素を主成分とし、炭化物あるいは酸化物を介してカーボン基材と金属の結合を高めるために、炭化物を形成しやすいクロム（Ｃｒ）などの元素を添加するか、酸化物と結合しやすいチタン（Ｔｉ）などの元素を添加する。炭化物を容易に形成する元素は、カーボン基材への充填を容易にすることができる。酸化物と結合しやすい元素を用いる場合は、カーボン基材の気孔にあらかじめ金属酸化物を薄く（５０ｎｍ以上）形成しておくことが有効である。
【００４０】
金属酸化物は、アルミナ、チタニア、カルシア、イットリア、ジルコニア、マグネシアから選ばれる少なくとも一種を含むゾル液を溶剤で希釈した液をカーボン基材の気孔に充填し、大気中で加熱して揮発成分を除去することで得られる。
【００４１】
銅を主成分とした合金の場合、炭化物形成を目的としたクロムや、酸化物との結合を目的としたチタンの添加量は、０．２重量％以上が望ましい。これは合金溶湯に含まれるクロムやチタンの拡散、およびカーボン基材の表面での反応を利用するためである。
【００４２】
また、銅を主成分とした合金のクロム添加量は、１．２５重量％を超えると含浸前に溶湯中のクロム析出が起こるため、１．２５重量％未満が望ましい。さらに、銅を主成分とした合金のチタン添加量は、銅にチタンが固溶する部分が生じること、および、同時に銅とチタンとの金属間化合物による銅合金の延性低下が相手材への攻撃性を高めるため、１０重量％以下が望ましい。以下、合金は金属に含まれるものとする。
【００４３】
本発明においては、カーボン基材と金属、あるいはカーボン基材と酸化物相を介した金属との結合が促進するため、真空減圧下でカーボン基材の表面近傍の気孔への溶湯の含浸を行う。複雑な形状や高強度を要求される部品において、内部まで含浸することが必要な場合には、真空減圧下で基材を溶湯に浸漬して加圧する、いわゆる加圧含浸が有効である。
【００４４】
金属の加圧含浸は、加熱含浸釜を用いて、カーボン基材を真空度１．４ｋＰａ以下まで真空脱気を行った状態で、金属の溶融温度まで加熱した後、溶融した金属に浸漬し、浸漬した状態で、不活性雰囲気下において０．９〜１０．０ＭＰａの圧力で１〜２時間加圧保持した後、カーボン基材を取り出して冷却することで本発明によるカーボン摺動部材が得られる。不活性雰囲気下で加圧する方法としては、窒素等の不活性ガスを用いて加圧するなどの方法がある。真空度が１．４ｋＰａに達していない場合や加圧力が０．９ＭＰａ未満である場合は、カーボン基材内に金属が均一に含浸されず、部分的に気孔が残ってしまう。
【００４５】
本発明の摺動部材は、カーボン基材に配合する結晶質黒鉛粒子により、潤滑油、特に鉱物油の供給は必須ではないため、潤滑油を供給しないことが望まれるような、液体の搬送ポンプや気体の圧縮ポンプの摺動部品に適している。さらに、気体雰囲気や液体雰囲気における高速摺動を行う場合、カーボン基材の気孔を炭化物あるいは酸化物と金属で封孔しているため、気体や液体が圧力流体として摩擦面に作用する流体潤滑状態を得ることができる。
【００４６】
位置決め搬送装置では、本発明による摺動部材を部品として用いることで、強度および耐摩耗性が高く、潤滑剤を不要とし、環境に優しい部品を用いることができるため、高信頼性および高精度を実現することができる。
【実施例１】
【００４７】
カーボン基材は、カーボン粉末粒子をバインダと混合し、加圧成形した後、高温度で焼成して形成した。
【００４８】
コークス粉砕生成物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時間加熱混練し、この混練物を冷却後、平均粒径５０μｍに粉砕し、粉砕生成物を寸法１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れて成形面圧力１１２ＭＰａで成形した。そして、得られた成形品を不活性雰囲気下で９００℃まで４００時間かけて昇温して得た炭化ブロックを、不活性雰囲気下で３０００℃まで９６時間かけて昇温した後、冷却してから粉砕して得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、結合剤としてタールピッチ５４重量％およびコールタール５重量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて温度２８０℃で８時間加熱混練した。
【００４９】
この混練物を平均粒径２５μｍに粉砕し、粉砕生成物を寸法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。得られたカーボン基材の黒鉛量は、Ｘ線回折によりグラファイト（２００）面の回折ピークプロファイルを黒鉛成分と炭素成分に分離解析したところ、積分強度比で４５．９％であった。
【００５０】
この後、上記カーボン基材に充填する金属は、銅を主成分としてクロムを０．４重量％添加した銅合金を用いた。
【００５１】
上記カーボン基材を加熱含浸釜により真空度１．２ｋＰａまで真空脱気した後、１１５０℃まで加熱して溶融した前記銅合金に浸漬し、浸漬した状態で９．５ＭＰａの圧力で加圧した後、取り出し冷却してカーボン摺動部材を得た。得られたカーボン摺動部材について、かさ密度、曲げ強さ、硬さおよび開気孔率を測定した。その測定結果を表１に示す。
【００５２】
ここで、かさ密度は日本工業規格ＪＩＳ  Ｒ  ７２１２に準拠し、試験片の寸法（概略１０×１０×５０ｍｍ）をマイクロメーターで測定して体積を求め、試験片の重量を天秤で測定して次式により算出する。
【００５３】
ｄ＝（Ｗ／Ｖ）×１０００
（ｄ：かさ密度（ｋｇ／ｍ３）、Ｗ：重量（ｇ）、Ｖ：体積（ｃｍ３））
曲げ強さは日本工業規格ＪＩＳ  Ｒ  ７２１２に準拠し、試験片の厚さ（試験片概略寸法１０×１０×５０ｍｍ）をマイクロメーターで測定する。つぎに、４０ｍｍ支点間距離で試験片を下方から支え、その中央上方から加圧クサビで荷重を加え、試験片が折れた時の荷重を測定する。曲げ強さは次式により算出する。試験片の採取においては、成形の際の厚み方向を試験片の厚さ方向とする。
【００５４】
Ｓａ＝（３ＰＬ／２ａ２ｂ）×０．０９８
（Ｓａ：曲げ強さ（ＭＰａ）、Ｐ：試片が折れた時の荷重（ｋｇ）、ａ：試片の厚さ（ｃｍ）、ｂ：試片の幅、（ｃｍ）、Ｌ：支点間距離（ｃｍ））
硬さは日本工業規格ＪＩＳ  Ｚ  ２２４６に準拠し、Ｄ型ショア硬度計で概略寸法１０×１０×５０ｍｍの試験片の成型加圧面を３点以上測定し、その平均値をもって硬度とする。ただし、極端に高い値および低い値は除くものとする。
【００５５】
開気孔率は、水銀ポロシメータを用いて水銀圧入法に基づいて測定する。測定装置としては、例えばＱＵＡＮＴＡ  ＣＨＲＭＥ社製のＡＵＴＯ  ＳＣＡＮ−３３型水銀ポロシメータが挙げられる。この方法にて採取した細孔分布曲線から累積気孔容積を算出し、「累積気孔容積」×「カーボン摺動材の比重」×１００（％）により開気孔率を求める。
【００５６】
図１に得られた摺動部材内部の断面組織の模式図を示す。摺動部材４の内部は、カーボン基材１の気孔に銅合金２１および炭化物３１が充填され、炭化物３１は基材１と銅合金２１との境界で銅合金２１を囲んで形成されている。本実施例では、炭化物３１の厚さは平均約３μｍであった。でき上がったカーボン基材１の最外表面はクロム炭化物で覆われているため、摺動部材表面の炭化物層は機械加工により除去し、摺動面はカーボン基材１を露出させ、かつ銅合金２１およびクロム炭化物が表れるように調整した。表１には、後述する油中摩耗試験の結果も併せて示してある。
【００５７】
本実施例のカーボン基材１中の黒鉛量は、Ｘ線回折による積分強度比で４５．９％であったが、黒鉛量は、Ｘ線回折による積分強度比で少なくとも１０％以上であることが必要である。そして、望ましい黒鉛量は２０％以上、更に望ましい黒鉛量は４０％以上である。
〔比較例１〕
コークス粉砕生成物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時間加熱混練し、この混練物を冷却後平均粒径５０μｍに粉砕し、粉砕生成物を寸法１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れ、成形面圧力１１２ＭＰａで成形し、得られた成形品を不活性雰囲気下で９００℃まで４００時間かけて昇温して得た炭化ブロックを、不活性雰囲気下で３０００℃まで９６時間で昇温した後、冷却してから粉砕して得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、結合剤としてタールピッチ５４重量％およびコールタール５重量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて温度２８０℃で８時間加熱混練した。
【００５８】
この混練物を平均粒径２５μｍに粉砕し、粉砕生成物を寸法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。
【００５９】
図４に得られたカーボン基材の断面組織の模式図を示す。カーボン基材１には気孔７が分散している。
【００６０】
得られたカーボン摺動部材について、かさ密度、曲げ強さ、硬さおよび開気孔率を測定した。その測定結果を表１に示す。また、後述する油中摩耗試験の結果も併せて表１に示す。
〔比較例２〕
上記比較例１のカーボン基材を用いてクロムを添加しない銅合金（青銅ＣＡＣ４０３（ＢＣ３））を含浸した摺動部材について、かさ密度、曲げ強さ、硬さと開気孔率を測定した。その測定結果を表１に示す。ここで、銅合金を含浸したときの条件は、実施例１の場合と同様であり、加熱含浸釜により真空度１．２ｋＰａまで真空脱気した後、１１５０℃まで加熱して溶融した前記銅合金に浸漬し、浸漬した状態で９．５ＭＰａの圧力で加圧した。
【００６１】
この比較例の場合、カーボン基材の気孔であった部分には銅が侵入している。図２は比較例２の摺動部材５の断面組織を示す模式図である。クロムを添加しない銅合金は炭化物を形成しにくく、カーボン基材１と銅合金２２の二相で構成される複合材となっている。また、後述する油中摩耗試験結果も併せて表１に示す。
【実施例２】
【００６２】
コークスを粉砕した粉砕生成物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時間加熱混練し、この混練物を冷却した後、平均粒径５０μｍに粉砕し、粉砕生成物を寸法１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れて成形面圧力１１２ＭＰａ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時間かけて昇温させ、得られた炭化ブロックを不活性雰囲気下で３０００℃まで９６時間で昇温した後、冷却してから粉砕した。これにより得られ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％を骨材とし、結合剤としてタールピッチ５４重量％およびコールタール５重量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて温度２８０℃で８時間加熱混練した。
【００６３】
この混練物を平均粒径２５μｍに粉砕し、粉砕生成物を寸法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。
【００６４】
この後、上記カーボン基材に充填する金属は、銅を主成分としてクロムを０．４重量％添加した銅合金を用いた。
【００６５】
上記カーボン基材を加熱含浸釜により真空度１．２ｋＰａまで真空脱気した後、１１５０℃まで加熱して溶融した上記銅合金に浸漬した後、取り出して冷却し、大気圧に開放してカーボン摺動部材を得た。得られた摺動部材の表層付近における断面組織の模式図を図３に示す。
【００６６】
本実施例では、カーボン基材１の最外表面はクロム炭化物３１で覆われており、内部はカーボン基材１の表面６側から深さ約３０μｍの基材気孔まで銅合金２１が浸入しており、銅合金２１とカーボン基材１の境界部にクロム炭化物３１が形成されている。カーボン基材１の最外表面のクロム炭化物３１は機械加工により除去し、摺動面はカーボン基材１を露出させ、かつ銅合金２１およびクロム炭化物３１が表れるように調整した。後述する油中摩耗試験結果を表１に示す。
【実施例３】
【００６７】
コークス粉砕生成物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時間加熱混練し、この混練物を冷却した後、平均粒径５０μｍに粉砕した。得られた粉砕生成物を寸法１５０×２５０×５０ｍｍの金型に入れて成形面圧力１１２ＭＰａ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時間かけて昇温して得た炭化ブロックを、不活性雰囲気下で３０００℃まで９６時間で昇温した後、冷却してから粉砕した。得られ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、結合剤としてタールピッチ５４重量％およびコールタール５重量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて温度２８０℃で８時間加熱混練した。
【００６８】
この混練物を平均粒径２５μｍに粉砕し、粉砕生成物を寸法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。
【００６９】
得られたカーボン基材の気孔の内壁表面に、イットリア（酸化物、Ｙ２Ｏ３）の被膜を形成した。酸化物被膜の形成は、カーボン基材を、イットリアのゾルを溶剤で３％に希釈した液に浸漬し、大気中に室温で４時間以上放置、予備乾燥した。さらに、大気中常圧で１００℃、１時間加熱後、１５０℃まで昇温して２時間の熱処理を行い、気孔の内壁表面に平均約５０ｎｍの厚さの酸化物被膜を形成した。
【００７０】
図５は酸化物を形成したものの断面組織を示す。カーボン基材１の気孔３０７の内壁表面に酸化物３３が形成されている。
【００７１】
ここで、イットリアゾル液の製造方法は次に示す通りである。
【００７２】
塩化イットリウム六水和物（ＹＣｌ３・６Ｈ２Ｏ）０．０１３モルを９９．５％エタノール１．２６８モル中に溶解した。そして、水０．２６３モルと６０％硝酸０．０７９モルとの混合液を添加した後、４０℃、２時間加熱した。得られた液をエタノールで希釈し、気孔に浸透させるために好適な、３％イットリアゾル液を調製した。
【００７３】
ここでは述べないが、イットリアゾル液の他の製造方法としては、酢酸イットリウムを出発物質として用いる方法もある。
【００７４】
また、ここではイットリアについてのみ説明したが、アルミナ、チタニア、カルシア、ジルコニア、マグネシアなど、複数の酸化物を組み合わせた複合酸化膜でもよい。
【００７５】
この後、上記カーボン基材に充填する金属としては、銅を主成分としてチタンを０．２重量％添加した銅合金を用いた。
【００７６】
上記カーボン基材を加熱含浸釜により真空度１．２ｋＰａまで真空脱気した後、１１５０℃まで加熱して溶融した前記銅合金に浸漬し、浸漬した状態で９．５ＭＰａの圧力で加圧し、取り出して冷却し、カーボン摺動部材を得た。得られたカーボン摺動部材について、かさ密度、曲げ強さ、硬さおよび開気孔率を測定した。その測定結果を表１に示す。
【００７７】
図６に得られた摺動部材内部の断面組織の模式図を示す。摺動部材５の内部はカーボン基材１の気孔に銅合金２３および酸化物３３が充填され、酸化物３３は、カーボン基材１と銅合金２３との境界で銅合金２３を囲む形で形成されている。酸化物３３の厚さは平均約４０ｎｍであった。カーボン基材１の最外表面は酸化物で覆われているため、カーボン基材１の最外表面の酸化物層は機械加工により除去し、摺動面はカーボン基材１を露出させ、かつ銅およびイットリア（酸化物）が表れるように調整した。また、後述する油中摩耗試験の結果も併せて表１に示す。
【００７８】
【表１】
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【００７９】
図７に摩耗試験機の概略を示す。本発明の実施例の試験片１００または比較例の試験片１００は、上部の試験片ホルダ１０２に固定され、試験片１００はホルダ１０２を介してバネ１０３により相手材リング１０１に押し付けられる。リング１０１を回転させることで摩擦し、摩擦トルクはロードセル１０４により測定する。
【００８０】
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の面を下にして、試験機の上部ホルダに固定し、内径２６ｍｍ（Ф）外径３０ｍｍ（Ф）のリング（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、１時間の試験を行い、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。
【００８１】
比較例１、２および実施例１〜３の結果を表１に示す。実施例１の摩耗量は、比較例１の無含浸材に対して１／１５まで改善し、さらに、炭化物のない比較例２の１／７であることから、含浸金属と炭化物とが共存することで耐摩耗性を飛躍的に向上できることは明らかである。
【００８２】
実施例２の摩耗量は１時間の試験で１０μｍであり、摩擦表面のみが金属、炭化物およびカーボン基材であれば耐摩耗性が確保される。しかし、２時間以上摩擦すると、金属および炭化物が存在する部分が摩滅して、摩擦面はカーボン基材のみとなるため、摩耗が加速する。しかし、荷重を軽減するなど、摩耗速度を遅くなる条件にすれば、実用に供することができ、比較材よりも摩耗が少なく、しかも実施例１よりも部品を軽量化できる。部品に必要な本発明の表面層の厚さは、含浸圧力を高めることにより厚く形成することが可能である。
【００８３】
図８は本発明による摺動部材の断面組織の模式図を示す。摺動部材４はカーボン基材１の気孔が炭化物または酸化物３および金属２で充填されており、炭化物または酸化物３は金属２とカーボン基材１との境界にある。
【実施例４】
【００８４】
本発明による摺動部材を軸受ブッシュに適用した例を図９に示す。カーボン基材で中空の軸受ブッシュ２０１を成形し、内面２０２を本発明の実施例２と同様の方法を用いて、金属および炭化物が共存する層を表面から約３０μｍの深さまで形成した。軸受ブッシュ２０１を水中ポンプの軸受として用いたところ、シール性ならびに耐摩耗性が向上した。
【実施例５】
【００８５】
図１０に本発明による摺動部材を位置決め用摺動ガイド機構２０３に用いた例を示す。往復直線運動するピン部２０５に接するガイドレール２０４を炭素鋼で形成し、ピン２０５との接触面２０６を本発明の実施例１と同様の摺動部材にすることで、ガイドレールの耐久性を約１０倍向上させることができた。
【００８６】
これらの軸受やガイドレール、あるいはその相手材に相当する部品を、本発明の摺動部材で構成することにより、装置の軽量化および耐摩耗信頼性の向上を図ることができる。さらに、摺動部の低摩擦化も実現できる。本発明による摺動部材は、同様の摩擦形態をとる他の部品にも適用可能で、例えばカム機構部品、転がり軸受、歯車、スライダなどにおいて、軽量化、耐摩耗性の向上および低摩擦ロスを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明による実施例１を示す炭化物を形成した金属含浸摺動部材の断面組織の模式図である。
【図２】比較例２の摺動部材の断面組織を示す模式図である。
【図３】本発明による実施例２を示す炭化物を形成した金属含浸摺動部材の表面近傍における断面組織の模式図である。
【図４】カーボン基材の断面組織を示す模式図である。
【図５】気孔の内壁表面に酸化物皮膜を形成したカーボン基材の断面組織を示す模式図である。
【図６】本発明による実施例３を示す酸化物を形成した金属含浸摺動部材の表面近傍における断面組織の模式図である。
【図７】比較試験で使用した摩耗試験機の概略図である。
【図８】本発明による摺動部材の断面組織の模式図である。
【図９】本発明による摺動部材を軸受ブッシュに適用した例を示す斜視図である。
【図１０】本発明による摺動部材を位置決め用摺動ガイド機構に用いた例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００８８】
１…カーボン基材、２…金属、３…炭化物または酸化物、４…摺動部材、６…基材表面、７…気孔、３１…クロム炭化物、３３…イットリア。
【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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