JPH01176010A - 自己潤滑超硬合金およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明はシールリング、軸受なとの摺動部材用材料に適
した自己潤滑超硬合金およびその製造方法に関するもの
である。

〈従来の技術〉 従来のメカニカル・シール部材においては、相手材と接
触・摺動して流体をシールする摺動面は当然ながら平面
状であり、しかもこの面にはポア等が存在しない（少な
くとも故意には存在させない）所謂鏡面状であった。

このタイプのメカニカル・シールの部材には種々の組み
合せがあるが、Ｐｖ値（Ｐは密封流体圧力、■は周速）
の大きな用途では、超硬合金／炭素、超硬合金／超硬合
金の組み合せが用いられている。一方、最近は高能率の
ポンプが要求され、Ｐｖ値も大きくなって来た。そのた
め、従来の超硬合金７炭素では、例えば後者が高熱のた
めに変形し、流体が漏れる、あるいは超硬合金／超硬合
金では摺動面に熱クラツクが生じ、水漏れあるいはまた
リングが破壊されるなどの問題が生じていた。

かかる問題の解決のために、シールリングの形状を変更
して対応したものもある。例えば、摺動面内と他の面と
を貫通する孔を設け、他の面の孔からポンプを使って潤
滑流体を送り込む端面潤滑シール（ハイドロスタティッ
クシール）、または摺動面内に、その中心近くまで流体
側から溝または切り欠きを設け、運転時に潤滑の役割を
する密封流体を、流体の粘性に基づく（さび効果によっ
て摺動部に導くハイドロダイナミックシール、またはサ
ーモハイドロダイナミックシールなどがある。これらは
摩擦係数が低減するため従来のシールに比べて高ＰＶ値
で使うことが出来る。

しかしながら、このようなハイドロスタティックシール
、へイドロダイナミックシール、サーモハイドロダイナ
ミックシールはその効果をもたらすために超硬合金に複
雑な加工を施さねばならず、超硬合金の難加工性を考慮
すると従来のシールに比べて加工時間が著しく長（なる
。しかも超硬合金は形状が複雑になると応力集中が生じ
易くなり崩壊し易いという欠点もある。したがってこの
タイプのシールリングは限られた用途にしか使われない
のが現状であり、このような加工の必要のない新しい材
料が望まれている。また縦軸斜流ポンプの軸受のように
、始動時に短時間（数分）乾式で摺動する場合には、摺
動クラックが生じ易いことが知られている。そのため特
願昭６１−２１５２０９に見られるように摺動クラック
の生じにくぃ超硬合金が提案されている。しかしながら
、この種の超硬合金でも高荷重または高速回転のように
厳しい条件で使用されるとクラックを生じることがあり
、著しい場合には破壊に至り問題になっている。

〈発明が解決しようとする問題点〉 本発明では、高ＰＶ値で使用可能であり、しかも形状も
シンプル化出来加工が容易であると共に複雑形状である
が為の破壊し易いという欠点も無い様なシールリング用
部材あるいは軸受部材に適した超硬合金およびその製造
方法を提供することを目的とするものである。

本発明者等はこの様な目的・追求の為に超硬合金に自己
潤滑性を付与する事を考え、まずは通常用いられている
潤滑性物質を単に超硬合金の原料粉末と共に混合し、通
常の方法で超硬合金を試作してみたが、得られた製品の
潤滑性はあまり向上していなかった。その原因を調べる
と例えばＷＳ、。

ＭｏＳよ、　ＢＮ等の潤滑性物質が焼結の過程でＣｏ、
　Ｔｉ。

Ｖ等と反応し潤滑性の少ない物質に変化する為であると
いう事が判った。

即ち、元来潤滑性がある物質でも、該物質を他の物質に
変化させては無意味である、その為には基体となる超硬
合金を各種潤滑性物質を担持出来る形態とならしめその
後に該潤滑性物質を担持させる必要がある事である。

しかるにシール部材としても使用出来る様な物とする為
には基体となるべき超硬合金が連通状のポアを有する物
ではよくな（あ（までもシール性は保持出来ねばならな
い等々の解決するべき点が明確化出来た。

〈問題点を解決する為の手段〉 上記観点に立脚し、鋭意研究した結果本発明の目的は、
次の如き手段を採用することにより解決出来る。即ち、
周期律表第１Ｖａ、　Ｖａ、　Ｖｉａ族遷移金属の炭化
物、窒化物、硼化物およびそれらの二種以上の固溶体か
らなる硬質物質の中の一種以上からなる焼結体、もしく
は上記硬質物質の一種以上が７０〜９９９質量％で、残
部が鉄族金属の一種以上からなる焼結体であって、しか
も平均直径が５〜１００μＩ１１．平均長さが上記平均
直径の２倍以上でかつ２０〜３００μｍのの略円柱状の
ポアが０５〜２０体積％含まれ、該ポアが２閣以上は連
結していない超硬合金の表面に通じているポアに、Ｍｏ
Ｓよ、ＷＳよ。

ＢＮなどの潤滑性物質の一種以上を含ませたことを特徴
とする自己潤滑超硬合金、並びに周期律表第１Ｖａ、　
Ｖａ、　Ｖｒａ族遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物お
よびそれらの二種以上の固溶体からなる硬質物質の中の
一種以上からなるか、もしくは上記硬質物質の一種以上
が７０〜９９．９質量％で、残部が鉄族金属の一種以上
からなる粉末に対して、室温で固体であり、上記粉末を
焼結するに必要な温度よりも低温で、その９０％以上が
揮散あるいは分解・蒸発するような有機物からなり、そ
の平均直径が７〜１２０μ鴫、平均長さが上記平均直径
の２倍以上でかつ２５〜３５０μｍの略円柱状のポア形
成用物を１〜５０体積％添加し、混合分散するＡ工程と
、Ａ工程によって得られた混合粉末を圧縮等により任意
形状に成形するＢ工程と、Ｂ工程により得られた成形体
を非酸化性雰囲気中で、ポア形成用有機物の９０％以上
が揮散あるいは分解・蒸発するのに十分な温度で予備焼
結するＣ工程と、Ｃ工程により得られた予備焼結体を非
酸化性雰囲気中で、焼結するに必要な温度、時間保持し
焼結するＤ工程からなる一連の工程で、焼結体内に含ま
れるポアが、平均直径：　５〜１００μｍ、平均長さ：
平均直径の２倍以上でかつ２０〜３００μｍの略円柱状
で、そのポアの体積率が０．５〜２０体積％でしかもそ
れらのポアが２ｍ以上連結していない様な焼結体を得、
次いで該焼結体に更に適宜溶剤に分散させた平均直径が
上記ポアの直径の／ｈ以下のＭｏ５Ｊ、　ＷＳａ　、　
ＢＮなどの潤滑性物質の一種以上を含浸させることを特
徴とする自己潤滑超硬合金の製造方法である。

なお、上記硬質物質粉末や鉄族金属粉末等の中には、通
常の方法によって該粉末を得ろ場合に不可避的に含まれ
ろ所謂不可避不純物の微量は含まれており、従って焼結
後の超硬合金にも該不可避不純物は含有されているもの
と考えられる。

また、上記製造方法中で、Ｃ工程とＤ工程とを同一炉で
連続して実施してもよく、またＣ工程とＤ工程との間に
、次の如き工程を入れろ事もある。

即ちＣ工程によって得られた予備焼結体を切削あるいは
研削等で任意形状に加工するという工程である。

以下、上述のようにその組成その他を限定した理由を説
明する。

■超硬合金組成 強度よりも耐食性を重視する用途では鉄族金属を含まな
いものが好ましいので、周期律表第１Ｖａ。

Ｖａ、　Ｖｉａ族遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物、
およびそれらの二種以上の固溶体からなる硬質物質の中
の一種以上から成る組成とする。そしてこの硬質物質に
は上記した不可避不純物が若干含まれその主成分はＷＣ
，Ｃｏ、　Ｎｉ、　Ｆｅ、　Ｃｒであるが、その量は高
々０５質量％である。

一方、耐食性よりも強度を重視する用途では鉄族金属を
含ませ靭性を向上させることが望ましいが、その量が０
１質量％より小では効果がなく、一方、３０質量％を越
えると、靭性はあるものの、硬さが小さくなり、耐摩耗
性に劣るので、その範囲を０１〜３０％質量とした。

■ポアの形状、寸法 ポアは、摺動面上において、潤滑性物質をその中に保持
し、また摺動面内に潤滑性物質を徐々に供給して、摺動
面内の潤滑膜を保持する働きをする。したがって摺動面
に現れるポアの開口面の寸法が、その深さに対して小さ
くないと、潤滑性物質が脱落してしまう。また形状がい
びつで、特に鋭角のコーナーのあるような形状では応力
集中が生じ、合金が破壊し易くなる。この２点からポア
の形状は、長さが直径の２倍以上の略円柱とした。

一方その寸法が小さ過ぎると、潤滑性物質が十分にポア
の内部に含浸・導入されないので、平均直径５μｍ以上
としな。また、その平均長さは、これが長くないと、こ
の材料が使用中に摩耗した時に、潤滑性物質が失われて
しまうので、少な（とも２０μｍ以上とした。これは好
ましくは１００μｍ以上である。このポアはこのように
大きい方が、潤滑性物質の導入および保持には好都合で
あるが、大き過ぎると合金の強度が低下しすぎるので、
その平均直径は１００μ論以下、平均長さは３００μｍ
以下とした。なお、強度を重視する場合は平均直径５０
μｍ以下が好ましい。

■ポアの体積、率 ポア中に潤滑性物質を保持し、それによって自己潤滑性
を付与するのであるから、そのポアの量が多い方が潤滑
性は大となるので、最小０．５体積％とした。一方その
量が２０体積％を越えるとポア同士が連結し易くなり、
かつ強度も低下するので、その上限を２０体積％とした
。

■ポアの連結度 ポアが長範囲に連結し、焼結体を貫通する様になると、
密封流体がこのポアを通して漏れるようになるので、シ
ールリング部材としては役に立たな（なる。また同時に
、該ポア中に導入された潤滑性物質がこの流れに沿って
押し出され、結果的に自己潤滑性が低下することとなる
。それゆえポアは２−以上は連結しないこととした。

■有機物の性状 有機物はその抜は跡がポアになるようにするので、圧縮
等により任意形状に成形する前に添加混合する。したが
ってこの混合およびまたは圧縮の時にその形状が壊れに
くいことが必要である。したがって室温で固体であるこ
とが必要である。

一方、圧縮等により成形された後は焼結に影響を及ぼさ
ないように焼結温度よりも低い温度でその大部分が揮散
していなければならない。

したがって有機物の性状としては室温で固体であり、焼
結温度よりも低い温度でその９０％以上が揮散または分
解・蒸発することとした。

■有機物の形状・寸法 超硬合金の収縮率はその組成によって数％程度は変化す
るが、約２０％である。したがって有機物の揮散または
分解・蒸発した抜は跡も約２０％収縮してポアになる。

それゆえ有機物の形状は目的とするポアの形状とし、寸
法は目的とするポアの寸法の２０％増しとした。

■有機物の体積率 有機物の揮散または分解・蒸発した抜は跡が約２０％収
縮してポアになるのであるが、この寸法が小さいと、焼
結時に完全に収縮してポアにならないものもある。した
がって有機物の添加量は１．０〜５０体積％とした。

■予備焼結、焼結の雰囲気など 超硬合金は非酸化物系の合金であり、高温では酸化する
ので、予備焼結、焼結の雰囲気は非酸化性とした。その
他温度、時間等は超硬合金を製造する時の標準的な方法
で十分である。ただし、有機物の種類、量によっては揮
散または分解・蒸発に時間がかかり、それゆえ予備焼結
の時に割れたり、揮散が不十分になったりする。そのよ
うな場合には予備焼結の昇温速度を小にすることなどが
必要である。

■潤滑性物質 自己潤滑性のあるものならば何でも良いが、ポア中に保
持出来なくてはならないので、固体の方が望ましい。た
だし、粘性の大きな油脂を併用することは、用途によっ
ては好ましい場合もある。

この固体の潤滑性物質はポア中に押し込むことになるの
で、その平均粒径は、ポアの平均直径の以下とした。

（実施例〉 以下本発明を、その実施例を示し乍ら更に詳述する。

ス」１倒」− 原料粉末として、平均粒径：１３μｍのＷＣ粉末。

同１３μｍのＣＯ粉末を用い、これらをｗｃ−ｓ、　ｓ
質量％ＣＯとなるように配合し、メタノール中湿式混合
にて３日間ボール・ミル混合した。この混合粉末を乾燥
後、粉末に対して２％質量となるように、トリクロール
エタンに溶解したパラフィンを添加。

混合、乾燥し、母粉末を得た。この母粉末に対して、ポ
ア形成物として、第１表に示す種類、形状。

寸法、量の有機物をらいかい機にて添加・混合し、各試
料の原料粉末を得た。ここで、焼結後に炭素または真相
を生じないように必要に応じて原料粉末の炭素量を調整
した。

これらの粉末を１ｔｏｎ／ｃｉの圧力で５．５Ｘ　ＩＯ
Ｘ　３０ｍｍの圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を真
空中（約０．１ｔｏｒｒ、　）にて８００℃まで１０時
間で加熱して、予備焼結した。次に０．１〜０．３ｔｏ
ｒｒの真空中で１３７０℃×１時間の焼結をして、本発
明超硬合金１〜８、比較超硬合金１〜３をそれぞれ得た
。ただし、本発明超硬合金５，６，７，８および比較超
硬合金２，３は、この予備焼結条件では割れを生じたの
で昇温時間を１０時間の２倍とした。

このようにして得られた本発明超硬合金１〜８゜比較超
硬合金１〜３についてそれぞれまずダイヤモンドホイー
ルで研削し、４Ｘ８Ｘ２４ｍｎのＪＩＳ抗折試片を各４
個装作した。これらの試片について密度、硬さ（ＨＲＡ
）を測定し、さらにスパン間隔２０閣にて３点曲げによ
る抗折力を測定した。そして密度からポアの体積率も算
出した。

これらの結果を第１表に併記した。

これより、本発明超硬合金１〜８はポアの体積率が０．
５〜１６．６体積％であり、限定範囲である０、５〜２
０体積％を満たしていることが判り、かっ又抗折力も４
０ｋｇ／ａｍ以上で十分な事が判る。しかし、比較合金
１はポアがなく、これを満たしておらず、比較合金２，
３はポアの体積率が共に大き過ぎ、また後述する有機物
の寸法からも判る様にポアのサイズが大き過ぎるため、
いずれも抗折力が不足し、実用に供し得ないことが判る
。なお、これらの試料について組織を検討した所、ポア
のサイズはいずれも有機物のサイズの約８０％であった
。念のためこの例を本発明合金２，３，４．５について
それぞれの金属組織写真を第１図〜第４図に示した。こ
れらの写真より、ポアは高々６個しか連結していないこ
とが判る。これは他の本発明合金でも同様であった。そ
れゆえ、ポアの連結は最大でも０．３ｍｍ　Ｘ　６　＝
　１．８皿と推算され、限定範囲を満たしていることが
判る。

以上より、この方法による本発明合金のみが、限定範囲
を満たしていると言える。

１０蔽Ｕ 原料粉末として、平均粒径：１．０μｍ〜５．０μｍの
ＷＣ粉と、第２表に示される各種粉末（平均粒径１゜０
〜３．０μｍ）とを用い、これらを第２表に示される組
成に配合し、ついで実施例１と同様の条件で混合、乾燥
、パラフィン混合、乾燥し、これにさらに平均直径２０
μｍ、平均長さ１００μｍのポリプロピレンを第２表に
示されろ量添加混合した。これらを実施例１と同様に圧
粉し、得られた圧粉体を実施例１と同様に予備焼結した
。そして第２表に示される温度で１時間真空（０，１〜
０．３ｔｏｒｒ、　）焼結し、本発明合金９〜２２．比
較合金４〜８をそれぞれ得た。

ここに、第２表中のＷＣ／ＴｉＣ／ＴａＣは５０質量％
ＷＣ−３０質量％ＴｉＣ−２０質量％ＴａＣを、又Ｔｉ
Ｃ／ＴｉＮは５０質量％ＴｉＣ−５０質量％ＴｉＮをそ
れぞれ示し、いずれも固溶体である。

得られた合金について実施例１と同様に加工し、実施例
１と同様な性質を測定した。これらの結果を第２表に併
記した。

とれよりポアの体積率は本発明合金９〜２２、比較合金
４はいずれも０，５〜２００体積％の範囲に入っている
が、比較合金５〜８は入っていないことが判る。比較合
金４は既述のようにポアの体積率の面では満足であるが
、硬さが著、シ＜小であり、耐摩耗性に劣る。また写真
は省略するが、本発明合金９〜２２のポアは、実施例１
と同様に添加した有機物の約８０体積％の大きさで、し
かもそのポア同士は高々６個しか連結していなかった。

よって本方法により作られた本発明合金９〜２２のみ限
定範囲内と言える。

演」１桝」一 実施例１，２に示した方法により本発明合金の中間物で
あるポアが分散した超硬合金が得られることが判った。

そこでこの実施例３ではこれらのいくつかについて潤滑
性物質を含浸して、その摺動性能を評価することにした
。

潤滑性物質として平均粒径１μｍのＭｏＳシを準備し、
これをメタノール中に懸濁した液を作成した。

そして真空脱気しながら、ポア分散超硬合金をこの液中
に沈め、ポアの部分にＭＯＳ、Ｌを導入した。そして合
金をこの液中から取り出し、乾燥後、表面に付着したＭ
ｏＳλを除去した。

この試料についてまず蛍光Ｘ線分析によりポア中に導入
されたＭｏＳ２量を見積もった。これは本発明合金１〜
８について実施したが、１〜５はポア中に約５０体積％
、６〜８は６０体積％以上導入されている′ことを確か
めた。

そこで次にピン・ディスク摩耗試験により摩擦係数を評
価することにした。試料はピンが接触面積が３Ｘ１ｎｎ
のグラファイトとし、ディスクが上述の方法によｌ）　
ＭｏＳ２．を導入した本発明合金１，３゜５．６，７お
よびＭｏＳ２を導入出来ない比較合金１とした。加圧力
は１０ｋｇ／ｃｊ、周速は３００ｍ、／＋ｉｎとし、始
動開始５分後の摩擦係数を測定した。

その結果を第１表に併記した。これより本発明の自己潤
滑合金は従来合金である比較合金１に比べて著しく摩擦
係数が低下していることが判る。

同様のテストをＭｏ５ａ、導入の本発明合金９，１３゜
１６、１８および、それぞれに対応するＭｏＳλの導入
出来ない比較合金５，６，７．８について実施したが、
この場合も、本発明合金の摩擦係数は比較合金のそれよ
り著しく小さかった。

この他に平均粒径２μｍのＷＳ、ｌを、本発明合金３に
ついてＭｏＳよと同様にしてテストしたが、この場合は
ＭｏＳコの摩擦係数よりもやや大きかったが、やはり比
較合金１よりも著しく小であった。

すなわち本発明の方法より製作した自己潤滑超硬合金は
従来の超硬合金にくらべて著しく摩擦係数が小さ（、摺
動性能が優れると言える。

〈発明の効果〉 以上述べて来た如く、本発明の自己潤滑合金は、超硬合
金本来の長所である高硬度、高抗折力という特性はさほ
ど低下させる事なく、摩擦係数が小さく摺動性能が向上
している。従って各種の摺動部材用材料に適しており、
しかも本発明合金のポアは、それが連通状ではないので
、該合金中を液体が通過するという事がない為にメカニ
カル・シール用としても十分に用いる事が可能である。

又本発明方法は原料となる硬質物質や有機物、及び潤滑
性物質の選定、その量の調整以外にはさほど煩雑さはな
い為に高効率である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図はそれぞれ本発明合金２，３゜４．５の
金属組織写真であり、倍率は全て５０倍である。 特許出願人　日本タングステン株式会社代　理　　人　
　有　　　　　吉　　　　教　　　晴第１図　　　　第
２図 ン　　゛パ′ 第３図　　　　第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、周期律表第 I Ｖａ、Ｖａ、Ｖ I ａ族遷移金属の炭
   化物、窒化物、硼化物およびそれらの二種以上の固溶体
   からなる硬質物質の中の一種以上からなる焼結体、もし
   くは上記硬質物質の一種以上が７０〜９９．９質量％で
   、残部が鉄族金属の一種以上からなる焼結体であって、
   しかも平均直径が５〜１００μｍ、平均長さが上記平均
   直径の２倍以上でかつ２０〜３００μｍのの略円柱状の
   ポアが０．５〜２０体積％含まれ、該ポアが２ｍｍ以上
   は連結していない超硬合金の表面に通じているポアに、
   ＭｏＳ＿２、ＷＳ＿２、ＢＮなどの潤滑性物質の一種以
   上を含ませたことを特徴とする自己潤滑超硬合金。 ２、周期律表第 I Ｖａ、Ｖａ、Ｖ I ａ族遷移金属の炭
   化物、窒化物、硼化物およびそれらの二種以上の固溶体
   からなる硬質物質の中の一種以上からなるか、もしくは
   上記硬質物質の一種以上が７０〜９９．９質量％で、残
   部が鉄族金属の一種以上からなる混合粉末に対して、室
   温で固体であり、上記粉末を焼結するに必要な温度より
   も低温で、その９０％以上が揮散あるいは分解・蒸発す
   るような有機物からなり、その平均直径が７〜１２０μ
   ｍ、平均長さが上記平均直径の２倍以上でかつ２５〜３
   ５０μｍの略円柱状のポア形成用物を１〜５０体積％添
   加し、混合分散するＡ工程と、Ａ工程によって得られた
   混合粉末を圧縮等により任意形状に成形するＢ工程と、
   Ｂ工程により得られた成形体を非酸化性雰囲気中で、ポ
   ア形成用有機物の９０％以上が揮散あるいは分解・蒸発
   するのに十分な温度で予備焼結するＣ工程と、Ｃ工程に
   より得られた予備焼結体を非酸化性雰囲気中で、焼結す
   るに必要な温度、時間保持し焼結するＤ工程からなる一
   連の工程で、焼結体内に含まれるポアが、平均直径：５
   〜１００μｍ、平均長さ：平均直径の２倍以上でかつ２
   ０〜３００μｍ以下の略円柱状のポアの体積率が０．５
   〜２０体積％でしかもそれらのポアが２ｍｍ以上連結し
   ていない様な焼結体を得、次いで該焼結体に更に適宜溶
   剤に分散させた平均直径が上記ポアの直径の１／３以下
   のＭｏＳ＿２、ＷＳ＿２、ＢＮなどの潤滑性物質の一種
   以上を含浸させることを特徴とする自己潤滑超硬合金の
   製造方法。