JP2014129593A

JP2014129593A - 強度、潤滑性および耐摩耗性に優れた自己潤滑性金属複合材料および自己潤滑性金属基複合材料、ならびに当該金属複合材料および金属基複合材料の製造方法

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Publication number: JP2014129593A
Application number: JP2013231403A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sato; 尚佐藤; Kazuaki Oguri; 一晃小栗; Motoko Yamada; 素子山田; Yasumasa Oya; 泰正大矢; Ryo Mizuno; 亮水野; Yoshimi Watanabe; 義見渡辺
Original assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2013-11-07
Publication date: 2014-07-10
Anticipated expiration: 2033-11-07
Also published as: JP6315761B2

Abstract

【課題】金属母材の強度を保ちつつ潤滑特性および耐摩耗性を向上させるために適した固体潤滑粒子分布を持つ自己潤滑性金属複合材料および自己潤滑性金属基複合材料を提供する。
【解決手段】金属母材に対する固体潤滑粒子が母材体積比で１％〜１０％である金属複合材料および金属基複合材料。金属複合材料は、母材金属粉末および固体潤滑粒子からなる混合粉末に母材溶湯を流し込み、遠心力を利用した混合粉末法にて製造され、また、本発明の金属基複合材料は、母材金属粉末、硬質粒子および固体潤滑粒子からなる混合粉末に母材溶湯を流し込み、遠心力を利用した混合粉末法にて製造される。
【選択図】図１６

Description

本発明は、潤滑性および耐摩耗性に優れ、軸受等に使用される金属との複合材料の製造方法に関するものである。

軸受における部品の一つに軸受保持器がある。この軸受保持器に用いられる素材には、プラスチックの他、軸受鋼とのなじみ性に優れた高力黄銅が挙げられる。ここで、高力黄銅とは、ＣｕおよびＺｎを主成分とし、その中に１％程度のＦｅ、ＡｌおよびＭｎが添加された材料あり、ＣｕおよびＺｎのみを成分として黄銅に比べて高い強度をもつ材料である。

現在、高力黄銅性の軸受保持器は、遠心鋳造材の機械加工によって製造されている。ここで、遠心鋳造とは、円筒などの形状を有する鋳型に遠心力を印加し、その鋳型の内部に溶湯を流し込むことによって、巣などの鋳造欠陥のない鋳造材を製造することが可能な技術である。この高力黄銅で製造された軸受保持器は、優れた摩耗特性を必要とする分野に応用されている。特に風力発電の発電機用の軸受においては交換の困難さゆえ、軸受保持器の素材として用いられている高力黄銅には、既存の材料に比較して高い耐摩耗性が求められている。

金属材料あるいは金属基複合材料の耐摩耗性や潤滑性を向上させる手段の一つにグラファイトや二硫化モリブデンのような固体潤滑物質を複合化させる方法がある。ここで、金属材料は硬質粒子を含まない金属材料のこと言い、金属基複合材料は金属母材中に硬質粒子を含む材料を言う。固体潤滑粒子であるグラファイトや二硫化モリブデンは六方晶型の層状結晶構造を有しているため高い潤滑性を持つ。それゆえ、これら固体潤滑粒子を金属母材と複合化することで、その金属材料と相手材料となる異種物質の間における摩擦摩耗において摩擦係数を低下させることにより、金属材料の耐摩耗性を向上させることが可能である。

このような金属母材中に固体潤滑物質が複合化された自己潤滑性金属複合材料の製造手段として、特許文献１および特許文献２に示されている焼結法があげられる。特許文献１にて提案されている自己潤滑性金属複合材料は、質量％でＮｉが２０〜４０％、Ｐが０．１〜０．９％、Ｃが１〜８％を含有し、かつ５〜２５％の気孔率を有する黒鉛分散型Ｃｕ基焼結合金である。さらに、特許文献２の発明は、金属母材中に質量％で０．０１％〜４０％の固体潤滑粒子を含む自己潤滑性焼結体である。しかしながら、この焼結法は、大きな部材の製造が困難であるという欠点を有する。さらに、材料内部における空孔の存在の存在により強度が低いという欠点を有する。

金属母材中に微細な固相粒子を複合化させる方法の一つに、特許文献３に示されている遠心力混合粉末法がある。この技術では、まず母材金属粉末と複合化させたい固相粒子を混合して混合粉末１を作製する（図１参照）。そして、該混合粉末１を円筒形状金型２に投入した後、前記円筒形状金型２を回転させることによって該混合粉末１に遠心力を印加し、湯道３を通じて溶解炉で溶解された母材金属溶湯４を流し込む（図２参照）。凝固後、微細な固相粒子が母材金属に強固に固定され、母材金属中に微細な固相粒子が均一あるいは傾斜分散した鋳造材を得ることできる（図３参照）。本技術による製品の大きさは鋳型のサイズに依存するため、大きな部材を容易に製造することができる。また、材料内部の空孔の低減が可能であることから、該技術を応用することで前記問題点の解決を期待することができる。

しかしながら、グラファイトなど多くの固体潤滑粒子の強度は、金属材料の強度に比べて低い場合が多い。そのため、特許文献２のように多量の固体潤滑粒子を金属母材中に複合化すると材料強度が低下することが考えられる。よって、金属材料において、金属母材の強度を低下させずに潤滑特性および耐摩耗性を向上させるような固体潤滑粒子の適切な分布を見出す必要があるが、まだ見出されていない。

一方、非特許文献１では、金属基複合材料の耐摩耗性を改善する方法として硬質粒子の分布を変化させる方法が提案されている。しかし、この方法は、強度や耐摩耗性を改善することができるが、摩擦係数のような潤滑特性の改善が困難である。よって、金属基複合材料においても、強度、耐摩耗性および潤滑特性を両立するような材料設計が必要とされている。

特開２００２−１８０１６２特開平１１−２４１１２９特開２００８−２８４５８９

Ｈ．Ｓａｔｏ，Ｅ．Ｍｉｕｒａ−ＦｕｊｉｗａｒａａｎｄＹ．Ｗａｔａｎａｂｅ：ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．５１（２０１２）０１ＡＫ０１（６ｐａｇｅｓ）

本発明の課題は、上記点に鑑みて、金属母材の強度を保ちつつ、潤滑特性および耐摩耗性を向上させるために適した固体潤滑粒子分布を持つ自己潤滑性金属複合材料および自己潤滑性金属基複合材料を提供することである。

本発明者らは、遠心力混合粉末法にてＣｕ等の金属あるいは金属基母材に固体潤滑粒子を適切な体積率で配合して複合化することで、上記課題を解決しうることを見出した。すなわち、本発明によれば、以下の自己潤滑性金属複合材料および自己潤滑性金属基複合材料、ならびにそれら金属複合材料および金属基複合材料の製造方法が提供される。

［１］金属母材に対する固体潤滑粒子が体積比で１ｖｏｌ％〜１０ｖｏｌ％である、金属複合材料および金属基複合材料。

［２］前記金属母材がＣｕもしくはＣｕ合金であり、前記固体潤滑粒子がグラファイトである、前記[１]に記載の金属複合材料および金属基複合材料。

［３］前記金属基複合材料が硬質粒子を含む、前記［１］または［２］に記載の金属基複合材料。

［４］固体潤滑粒子が摺動面近傍により多く傾斜分散した、前記［１］〜［３］のいずれかに記載の金属複合材料および金属基複合材料。

［５］母材金属粉末および固体潤滑物質を混合して混合粉末を作製し、該混合粉末を金型に投入した後、該金型を回転させて該混合粉末に遠心力を作用させながら、鋳造用溶解炉で溶融した母材溶融金属を流し込み、該母材溶融金属の持つ熱により前記母材金属粉末を溶融させ、凝固させる、固体潤滑物質が金属母材に分散した金属複合材料の製造方法。

［６］［５］に記載の混合粉末がさらに硬質粒子を含む金属基複合材料の製造方法。

遠心力混合粉末法における母材金属粉末と固相粒子粉末の混合粉末を回転中の円筒形状金型に投入する方法を模式的に描いた図である。遠心力混合粉末法における母材金属溶湯を回転中の円筒形状金型に流し込む方法を模式的に描いた図である。遠心力混合粉末法にて作製した円筒形状複合材料を模式的に描いた図である。摺動面近傍に固体潤滑粒子がより多く傾斜分散した自己潤滑性金属複合材料を模式的に描いた図である。摺動面近傍に固体潤滑粒子がより多く傾斜分散した自己潤滑性金属基複合材料を模式的に描いた図である。遠心力にて棒状複合材料を作製する際に用いた真空遠心鋳造装置を模式的に描いた図である。本発明の第１実施例において、遠心力混合粉末法によって製造したＣｕとグラファイト粒子から構成されるＣｕ複合材料の断面の走査型電子顕微鏡の二次電子像である。本発明の第１実施例において、遠心力混合粉末法によって製造したＣｕとグラファイト粒子から構成されるＣｕ複合材料の断面の走査型電子顕微鏡の反射電子組成像である。本発明の第１実施例において、遠心力混合粉末法によって製造したＣｕとグラファイト粒子から構成されるＣｕ複合材料および純Ｃｕ鋳造材の摩擦摩耗試験中における摩擦係数の変化を示したグラフである。本発明の第１実施例において、遠心力混合粉末法によって製造したＣｕとグラファイト粒子から構成されるＣｕ複合材料および純Ｃｕ鋳造材の摩擦摩耗試験後における摩耗痕表面を示した光学顕微鏡写真である。本発明の第１実施例において、Ｃｕ複合材料の平均摩擦係数とグラファイト粒子の母材体積比との関係を示すグラフである。本発明の第１実施例において、摩擦摩耗によって生じたＣｕ複合材料の摩耗痕断面積とグラファイト粒子の母材体積比との関係を示すグラフである。本発明の第２実施例において、遠心力混合粉末法にて作製したＣｕ基複合材料の組織を模式的に描いた図である。本発明の第２実施例において、純Ｃｕ母材中に母材体積比が１５％のＳｉＣ粒子および母材体積比２％のグラファイト粒子が複合化されたＣｕ基複合材料における断面微細組織を示す電子顕微鏡写真である。本発明の第２実施例において、Ｃｕ基複合材料の平均摩擦係数とグラファイト粒子の母材体積比との関係を示すグラフである。本発明の第２実施例において、摩擦摩耗によって損失したＣｕ基複合材料の体積とグラファイト粒子の母材体積比との関係を示すグラフである。本発明の第２実施例において、平均粒径が１５０μｍのＳｉＣ粒子を用いたＣｕ基複合材料の０．２％耐力とグラファイト粒子の母材体積比との関係を示している。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

本発明の金属複合材料および金属基複合材料において、金属母材に対する固体潤滑粒子が体積比で１％〜１５％であることが好ましく、１％〜１０ｖｏｌ％がより好ましい。前記金属母材はＣｕもしくはＣｕ合金が好ましい。前記固体潤滑粒子はグラファイトあるいは二硫化モリブデンであることが好ましく、グラファイトがより好ましい。金属基複合材料としては、金属母材と固体潤滑材粒子の他に、硬質粒子を含み、硬質粒子としてはＳｉＣ、ＴｉＣ、ＣＢＮ、ＡｌＮ、ダイヤモンド等が好ましいが、ＳｉＣが特に好ましい。ＳｉＣの平均粒子径は５０μｍ以下が好ましい。ＳｉＣの母材金属に対する体積比は１〜３０％が好ましい。本発明の金属複合材料および金属基複合材料において、固体潤滑粒子が摺動面近傍により多く傾斜分散していることが好ましい（図４および図５参照）。本発明の金属複合材料は、母材金属粉末および固体潤滑粒子からなる混合粉末に母材溶湯を流し込み、遠心力を利用した混合粉末法にて作製されることが好ましい。また、本発明の金属基複合材料は、母材金属粉末、硬質粒子および固体潤滑粒子からなる混合粉末に母材溶湯を流し込み、遠心力を利用した混合粉末法にて作製されることが好ましい。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１：自己潤滑性金属複合材料の作製と評価）
純Ｃｕ母材中にグラファイト粒子が複合化されたＣｕ複合材料を製造する。母材金属粉末である純Ｃｕ粉末に対して平均粒子径５０ミクロン（μｍ）のグラファイト粉末を体積比（グラファイト粉末／純Ｃｕ粉末）で２５％〜５５％添加した混合粉末を作製し、該混合粉末を図６に示す真空遠心鋳造装置の鋳造用鋳型１０に投入した。また、母材金属１１である純Ｃｕインゴット１２０gを該真空遠心鋳造装置の坩堝に装填し、真空中にて該純Ｃｕインゴットを溶解温度１１５０℃〜１１９０℃に加熱することで母材溶融純Ｃｕとした。そして、該鋳造用鋳型および母材溶融純Ｃｕを回転させて重力倍数３２Ｇ（重力倍数１Ｇが重力場に相当）の遠心力を印加して、該母材溶融純Ｃｕを該鋳造用鋳型１０に流し込んだ。この製造工程により、遠心力方向にグラファイト粒子１４が傾斜分散したＣｕ複合材料料を得た。その結果、該Ｃｕ複合材料料における遠心力方向の先端部には、グラファイト粒子が体積比で０％〜２４％分散して複合化される。純Ｃｕ粉末７．５８gと平均粒子径５０μｍのグラファイト粉末１．０３ｇからなる混合粉末（グラファイト粉末の、純Ｃｕ粉末に対する体積比は５４％）を作製し、該混合粉末に純Ｃｕインゴット１２０gを１１７０℃に加熱して溶融させ、重力倍数３２Ｇ（重力倍数１Ｇが重力場に相当）の遠心力を印加して、該溶融純Ｃｕを流し込むことにより、純Ｃｕ母相中にグラファイト粒子が分散して構成されたＣｕ複合材料を得た。図７は、該Ｃｕ複合材料（純Ｃｕ母材に対するグラファイト粒子の体積比が２４％）における断面の走査型電子顕微鏡の二次電子像であり、グラファイト粒子が純Ｃｕ母相に複合化されている様子が確認できる。また、図８は、Ｃｕ基鋳造材における断面の走査型電子顕微鏡の反射電子組成像であり、この写真からも純Ｃｕ母相にグラファイト粒子が複合化されている様子が分かる。以上の結果より、本技術によって純Ｃｕ母相にグラファイト粒子が分散して構成されたＣｕ複合材料の製造が可能であることが分かる。

前記Ｃｕ複合材料と、同じ真空遠心鋳造装置にて純Ｃｕインゴットを溶解して得られた純Ｃｕ鋳造材に対して、ボール・オン・ディスク式摩擦摩耗試験機にて摩擦摩耗試験を行った。該摩擦摩耗試験にて用いた相手材は球状の軸受鋼(ＪＩＳ：ＳＵＪ２)であり、荷重は８００ｇとした。図９は、摩擦摩耗試験中における摩擦係数の変化を示したグラフである。Ｃｕ複合材料の摩擦係数は、純Ｃｕ鋳造材の摩擦係数に比べて小さい。さらに、該Ｃｕ複合材料の摩擦摩耗試験中に生じる音は、該純Ｃｕ鋳造材に比べて小さいことも分かった。また、図１０は、該Ｃｕ複合材料の摩耗痕表面および該純Ｃｕ鋳造材の摩耗痕表面の組織を示す光学顕微鏡写真である。これより、Ｃｕ複合材料の摩耗痕の幅は、該純Ｃｕ鋳造材の摩耗痕の幅に比べて小さく、グラファイト粒子との複合化によって耐摩耗性が向上することも分かった。

次に、平均摩擦係数に対して、グラファイト粒子の純Ｃｕ母材との体積比の関係を調べた。その結果を、図１１に示す。グラファイト粒子を添加することによってＣｕ複合材料の平均摩擦係数は低下する。さらに、Ｃｕ母材に対するグラファイト粒子の体積比が１５％を超えると平均摩擦係数は変化しない。図１２は、摩擦摩耗によってＣｕ複合材料に生じた摩耗痕の断面積とＣｕ母材に対するグラファイト粒子の体積比との関係を示すグラフである。このグラフにおいて、摩耗痕の断面積が増加することは、耐摩耗性に低下していることを意味する。Ｃｕ複合材料の耐摩耗性は、グラファイト粒子の添加にて向上するが、Ｃｕ母材に対するグラファイト粒子の体積比が１５％を超えると変化しない。グラファイトは純Ｃｕに比べて強度が小さいため、該実施例において、強度、潤滑特性および耐摩耗性を両立するために適したＣｕ母材に対するグラファイト粒子の体積比は１％〜１５％であり、１％〜１０％がより好ましい。

（実施例２：自己潤滑性金属基複合材料の作製と評価）
純Ｃｕ母材中に、硬質粒子としてＳｉＣ粒子、さらに固体潤滑粒子としてグラファイト粒子が複合化されたＣｕ基複合材料を遠心力混合粉末法によって製造した。母材金属粉末である純Ｃｕ粉末に平均粒子径５０μｍのグラファイト粉末を母材金属粉末体積比で５％〜２０％、さらに平均粒子径１５０μｍと４０μｍの２種類のＳｉＣ粉末を同体積比で２５％混合した混合粉末を作製し、該混合粉末を図６に示す真空遠心鋳造装置の鋳造用鋳型１０に投入した。また、母材金属１１である純Ｃｕインゴット１００ｇを該真空遠心鋳造装置の坩堝に装填し、その後、真空中にて該純Ｃｕインゴットを溶解温度１２５０℃〜１３００℃で加熱することで母材溶融純Ｃｕとした。そして、該鋳造用鋳型１０および母材溶融純Ｃｕを回転させて重力倍数３５Ｇの遠心力を印加して、該母材溶融純Ｃｕを該鋳造用鋳型１０に流し込み、図１３の模式図のように遠心力方向にグラファイト粒子１４およびＳｉＣ粒子１６が傾斜分散したＣｕ基複合材料を得た。平均粒径１５０μｍのＳｉＣ粒子を用いた場合、純Ｃｕ母材中に母材体積比で１５％〜１９％のＳｉＣ粒子、および母材体積比で１％〜５％のグラファイト粒子が複合化されたＣｕ基複合材料を得た。一方、平均粒径４０μｍのＳｉＣ粒子を用いて作製した場合、純Ｃｕ母材中に母材体積比で６％〜１０％のＳｉＣ粒子、および母材体積比で１％〜３％のグラファイト粒子が複合化されたＣｕ基複合材料を得た。図１４は、純Ｃｕ母材中に母材体積比で１５％のＳｉＣ粒子（平均粒子径１５０μｍ）および２％のグラファイト粒子が複合化されたＣｕ基複合材料における断面組織の走査型電子顕微鏡の反射電子組成像である。これより、遠心力混合粉末法によってＣｕ母材中にＳｉＣ粒子およびグラファイト粒子の両方が複合化されている。

前記Ｃｕ基複合材料に対して、ボール・オン・ディスク式摩擦摩耗試験機にて、実施例１と同様に摩擦摩耗試験を行った。該摩擦摩耗試験にて用いた相手材は、球状の軸受鋼(ＪＩＳ：ＳＵＪ２)であり、荷重は８００ｇとした。図１５は、Ｃｕ基複合材料の平均摩擦係数とグラファイト粒子の母材体積比との関係を示すグラフである。平均粒径１５０μｍのＳｉＣ粒子を用いた場合、グラファイト粒子の添加が母材体積比１％を超えるまでＣｕ基複合材料の平均摩擦係数は低下していない。これは、ＳｉＣ粒子の平均粒径がグラファイト粒子の平均粒径に比べて大きいためである。一方で、グラファイト粒子よりも小さい平均粒径４０μｍのＳｉＣ粒子を用いたＣｕ基複合材料では、グラファイト粒子を添加することでＣｕ基複合材料の平均摩擦係数が低下した。さらに、平均粒径が４０μｍのＳｉＣ粒子を用いたＣｕ基複合材料において、グラファイト粒子の母材体積比が１％を超えると平均摩擦係数は変化しない。図１６は、摩擦摩耗によって損失したＣｕ基複合材料の体積とグラファイト粒子の母材体積比との関係を示すグラフである。摩擦摩耗によって損失する体積が増加することは、耐摩耗性に劣ることを意味する。このグラフから、グラファイト粒子の体積比が１％に到達するまで、Ｃｕ基複合材料の耐摩耗性はグラファイト粒子の体積率の増加に伴って向上している。しかし、Ｃｕ基複合材料の耐摩耗性はグラファイト粒子の母材体積比が１％を超えると飽和する。図１７は、平均粒径が１５０μｍのＳｉＣ粒子を用いたＣｕ基複合材料の０．２％耐力とグラファイト粒子の母材体積比との関係を示している。Ｃｕ基複合材料の０．２％耐力は、グラファイト粒子の体積率の増加に伴い低下しているが、グラファイト粒子の母材体積比が２％を超えるとより顕著に低下している。よって、本Ｃｕ基複合材料において、強度、耐摩耗性および潤滑特性を両立するためには、グラファイト粒子の母材体積比は１％〜３％が好ましく、１％〜２％がより好ましい。

本発明は、軸受など摺動部を有する機械部品や耐久性が高くかつ低いスラスト力での加工が可能なメタルボンド砥石などに利用できる。

Claims

金属母材に対する固体潤滑粒子が体積比で１ｖｏｌ％〜１０ｖｏｌ％である、金属複合材料および金属基複合材料。
前記金属母材がＣｕもしくはＣｕ合金であり、前記固体潤滑粒子がグラファイトである、請求項１に記載の金属複合材料および金属基複合材料。
前記金属基複合材料が硬質粒子を含む、請求項１または２に記載の金属基複合材料。
固体潤滑粒子が摺動面近傍により多く傾斜分散した、請求項１〜３のいずれかに記載の金属複合材料および金属基複合材料。
母材金属粉末および固体潤滑物質を混合して混合粉末を作製し、該混合粉末を金型に投入した後、該金型を回転させて該混合粉末に遠心力を作用させながら、鋳造用溶解炉で溶融した母材溶融金属を流し込み、該母材溶融金属の持つ熱により前記母材金属粉末を溶融させ、凝固させる、固体潤滑物質が金属母材に分散した金属複合材料の製造方法。
請求項５に記載の混合粉末がさらに硬質粒子を含む金属基複合材料の製造方法。