JPH0238365A - 耐高温高強度黒鉛系複合摺動部材 - 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 本発明はすべり軸受、ころがり軸受のリテーナやすべり
弁など、摺動による摩擦を生じる部品として有用な耐高
温高強度黒鉛系複合摺動部材に関するものである。さら
に詳しくいえば、本発明は、特に高温における摩擦、摩
耗に対して良好な特性を示し、潤滑油やグリースのよう
な流体潤滑剤の使用が困難な条件、いわゆる乾燥摩擦条
件下での使用に好適な耐高温高強度黒鉛系複合摺動部材
に関するものである。

従来の技術 近年、メカトロニクスの発達に伴ない、特に高温領域に
おける摩擦、摩耗特性の良好な摺動部材に対する要望が
高まってきている。

３００〜５００°Ｃという高温領域で使用される摺動部
材には、接触面間に潤滑油やグリースのような流体潤滑
剤を使用することができないため、通常、黒鉛、二硫化
モリブデンのような固体潤滑剤が用いられる。この固体
潤滑剤は、一般に流体潤滑剤のような流動性、濡れ性を
有しないので、これを使用する場合には、塗布、含浸、
圧加などの手段を用いることができない。

したがって、固体潤滑剤の場合は、該固体潤滑剤を摩擦
面に被覆するか、摺動部材自体を該固体潤滑剤で作成す
るか、他の材料と混合して使用するなどの手段で適用し
なければならない。これらの手段は、いずれも摺動接触
面間において固体潤滑剤の一部が相手材の表面に移着し
、所望の膜厚の固体潤滑剤被膜が形成されることにより
、はじめて潤滑効果が発揮されるものであるから、相手
材表面に対する固体潤滑剤被膜の造膜性の良否が摩擦、
摩耗特性を左右することになる。

しかるに、従来より、固体潤滑剤としては自己潤滑性を
有し、熱伝導性がよく、非溶融性であって、熱膨張率が
小さく、その上耐熱性に優れている黒鉛が最も多く使用
されている。

そして、この摺動部材に使用される黒鉛は一般に天然黒
鉛と人造黒鉛とに大別されるが、固体潤滑剤それ自体を
そのまま摺動部材とする用途においては、摩擦摩耗特性
の点で若干劣るものの、高強度の成形体を得ることがで
きる人造黒鉛が一般的に使用されている。

この高強度の黒鉛成形体を得る方法としては従来より、
例えばコークス粉末などの骨材をそれ自身が加熱焼成に
より炭化、黒鉛化するコールタールピッチなどの粘結材
（バインダー）を使って成形し、これを７００〜１１０
０℃の温度で焼成したのち、ピッチなどの含浸剤を浸透
させて再焼成し、これを２５００〜３０００°Ｃの温度
で熱処理して黒鉛化させて得る方法が採られており、さ
らに高強度の黒鉛成形体を得るべく、黒鉛成形体に樹脂
あるいは金属を含浸させる方法も行われている。

しかしながら、このような方法によって得られた高強度
黒鉛成形体はそのまま摺動部材として使用することがで
きるが、摩擦摩耗特性、特に高温領域における相手材表
面への固体潤滑剤（黒鉛）被膜の造膜性などの点に問題
があり、結果として摩擦係数が高く、摩耗量が大きいと
いう摩擦摩耗特性に欠点をもたらすことになる上、上記
方法においてはコークス粉末の黒鉛化など製造に要する
時間が極めて長時間（一般には２〜３か月といわれてい
る）を要するという欠点も有している。

そこで、本発明者らは、このような欠点を改良した摺動
部材として、先に無定形炭素粉末と特定の金属ホウ化物
粉末と天然黒鉛粉末やキッシュ黒鉛粉末とを所定の割合
で含有する混合物の焼結体から成る黒鉛−金属ホウ化物
系摺動部材を提案した（特公昭６３−１３９５４号公報
）。

しかしながら、この黒鉛−金属ホウ化物系摺動部材にお
いては、短時間で黒鉛成形体を得ることができ、かつ従
来のピッチバインダーを使用して得られた黒鉛摺動部材
の欠点である高温領域における相手材表面への黒鉛被膜
の造膜性や摩擦摩耗特性などの点は改良されたが、摩擦
摩耗特性の向上を目的として一定割合の天然黒鉛やキッ
シュ黒鉛粉末が配合されているため、機械的強度や耐熱
性については不十分であり、特に高強度や耐熱性が要求
される用途には使用できないという欠点がある。

発明が解決しようとする課題 本発明は、従来のピッチバインダーを使用して得られた
黒鉛摺動部材の欠点である高温領域における相手材表面
への固体潤滑（黒鉛）被膜の移着性や造膜性及び摩擦摩
耗特性の不十分な点を解決するとともに、機械的強度や
耐熱性をさらに向上させた摺動部材を提供することを目
的としてなされたものである。

課題を解決するための手段 本発明者らは、高温においても高い強度を示す摺動部材
を開発するために鋭意研究を重ねた結果、炭化ホウ素が
炭素に対して金属ホウ化物と同様に黒鉛化促進作用及び
焼結促進作用を有する上に、耐熱性に優れていることに
着目し、この炭化ホウ素粉末をある種の金属ホウ化物粉
末及び金属炭化物粉末とともに、所定の割合で炭素粉末
に配合して成る混合物を焼結することにより得られる、
黒船中に金属ホウ化物及び炭化ホウ素が分散含有された
焼結体が優れた摩擦摩耗特性を示すとともに、優れた機
械的強度及び耐熱性を有することを見出し、この知見に
基づいて本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、（Ａ）炭素粉末と、（Ｂ）周期律
表の第ＩＶａ族、第Ｖａ族及び第Ｖｉａ族に属する金属
のホウ化物及び炭化物の中から選ばれた少なくとも１種
の粉末３〜２０重量％と、（Ｃ）炭化ホウ素粉末２〜２
５重量％との混合物の焼結体から成り、かつ該焼結体が
黒鉛とこの黒鉛中に分散含有された金属ホウ化物及び炭
化ホウ素とから成ることを特徴とする耐高温高強度黒鉛
系複合摺動部材を提供するものである。

本発明においては、（Ａ）成分として用いる炭素粉末と
しては、コークス粉末、無煙炭粉末、カーボンブラック
粉末、木炭粉末、人造黒鉛などが挙げられる。これらは
それぞれ単独で用いてもよいし、２種以上を混合して用
いてもよい。

本発明においては、（Ｂ）成分として周期律表の第ＩＶ
ａ族、第Ｖａ族及び第ＶＩａ族に属する金属のホウ化物
及び炭化物の中から選ばれた少なくとも１種の粉末が使
用される。前記金属ホウ化物としては、例えばホウ化チ
タン（ＴｉＢ）、ニホウ化チタン（ＴｉＢｚ）、ニホウ
化ジルコニウム（ＺｒＢ２）、ニホウ化ハフニウム（Ｈ
ｆＢ２）、ニホウ化バナジウム（ＶＢ２）、ニホウ化ニ
オブ（ＮｂＢり、ニホウ化タンタル（ＴａＢｚ）、ホウ
化クロム（ＣｒＢ）、ニホウ化クロム（ｃｒＢｚ）、ホ
ウ化モリブデン（ＭｏＢ）、ニホウ化モリブデン（Ｍｏ
Ｂ、）、ホウ化タングステン（ＷＢ）、ニホウ化タング
ステン（ＷＢりなどが挙げられ、これらはそれぞれ単独
で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよ
い。

また、該金属炭化物としては、例えば炭化チタン（Ｔｉ
Ｃ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化ハフニウム（
ＨｆＣ）、炭化バ六ジウム（ＶＣ）、炭化ニオブ（Ｎｂ
Ｃ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ
２）、炭化モリブデン（ＭｏＣ）、炭化タングステン（
ｖｉｃ）などが挙げられ、これらはそれぞれ単独で用い
てもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。さ
らに、本発明においては、前記金属ホウ化物粉末と金属
炭化物粉末とを組み合わせて用いてもよい。

前記金属炭化物粉末は、（Ｃ）成分として配合される炭
化ホウ素粉末と加圧・加熱焼結過程において反応し、金
属ホウ化物に変化して焼結体中に分散含有される。

本発明においては、（Ｃ）成分として炭化ホウ素粉末が
用いられる。この炭化ホウ素粉末は、該炭素粉末焼結時
の黒鉛化促進作用及び焼結促進作用を有するとともに、
（ｂ）成分として金属炭化物粉末を用いる場合には、こ
のものと反応して該金属炭化物を金属ホウ化物に変化さ
せる作用も有している。

前記（Ａ）成分の炭素粉末に対する（Ｂ）成分の金属ホ
ウ化物粉末や金属炭化物粉末及び（Ｃ）成分の炭化ホウ
素粉末の配合割合は、加圧・加熱焼結過程における該炭
素の黒鉛化や高密度化及び焼結体の機械的強度、摩擦摩
耗特性、耐熱性などのバランスの点から決定される。ま
た、該金属ホウ化物及び炭化ホウ素の黒鉛化促進効果は
、加圧・加熱焼結過程において、該金属ホウ化物及び炭
化ホウ素中のホウ素が該炭素粉末に拡散固溶することに
よって発揮される。

このような理由により、本発明においては、（Ｂ）成分
及び（Ｃ）成分の配合量は、（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）
成分の合計重量に基づき、それぞれ３〜２０重量％及び
２〜２５重量％の範囲で選ぶことが必要である。（Ｂ）
成分及び（Ｃ）成分の配合量が前記範囲より少ないと黒
鉛化促進の効果が十分に発揮されないし、また前記範囲
より多いと摩擦摩耗特性が低下する傾向が生じる。

金属ホウ化物及び炭化ホウ素の摩擦摩耗特性に対する効
果は、これら自体黒鉛や二硫化モリブデンのような潤滑
性を示さないが、焼結体（黒鉛体）中に分散含有される
ことにより、相手材との摩擦において相手材表面への固
体潤滑（黒鉛）被膜の造膜性を助長し、乾燥摩擦におけ
る被膜の耐久性を増大させる点である。

したがって、焼結体中にこれらホウ化物が多量に分散含
有されることは、相手材との摩擦においてそれ自体潤滑
性を示さない金属ホウ化物、炭化ホウ素との摩擦になり
、摩擦摩耗特性を低下させることになる。

また、（Ｂ）成分として金属炭化物粉末を用いる場合、
この金属炭化物粉末は、焼結過程において、（Ｃ）成分
の炭化ホウ素と反応して、すべて金属ホウ化物に変化し
て、焼結体中に分散含有されることが必要であり、その
ために、（Ｃ）成分の炭化ホウ素粉末の配合量は、前記
範囲内において、該金属炭化物粉末の配合量より、化学
量論的に多くし、焼結体中に、少なくとも２重量％の炭
化ホウ素が分散含有されることが重要である。

本発明の摺動部材は、前記（Ａ）成分、’（Ｂ）成分及
び（Ｃ）成分をそれぞれ所定の割合で均一に混合し、こ
の混合物を黒鉛型に充填し、１００７２１？／　ｃｍ”
以上、好ましくは１５０〜３００に９／ｃｍ”の加圧下
で、かつ１５００℃以上、好ましくは１８００〜２５０
０℃の温度で焼結することによって、焼結体中に金属ホ
ウ化物及び炭化ホウ素が分散含有された黒鉛系複合摺動
部材が得られる。

このようにして得られた本発明の黒鉛系複合摺動部材の
異なった例の物性値を第１表に示す。

第１表において黒鉛系複合摺動部材■及び■は、それぞ
れ炭素粉末と金属ホウ化物粉末３〜２０重量％と炭化ホ
ウ素粉末２〜２０重量％との混合物及び炭素粉末と金属
炭化物粉末３〜２０重量％と炭化ホウ素粉末５〜２５重
量％との混合物を加圧・加熱して得た焼結体である。

なお、該表中の摩擦摩耗特性は、 摺動部材の寸法：長さ２０ｍｍ、幅２０ｍｔｎ、厚さ７
ｍｍのブロック状摺動部材 相　手　材：外径１８ｍｍ、内径１４龍、長さ２０ｍｒ
ａのステンレス鋼から成る筒状体 筒　　　　重：　２０　ｋｇｆ／　ｃｍ”速　　　　度
：５ｍ／ｍｉｎ 試　験　機：鈴本式スラスト試験機 試験雰囲気温度二５００℃ の試験条件で測定した値である。

また、前記の黒鉛系複合摺動部材■及び■の耐熱性につ
いて試験した結果を図にグラフで示す。

このグラフは、該摺動部材■及び■の試験片を、それぞ
れ５６０℃の温度に保持した炉中に放置し、放置時間と
該摺動部材■及び■の硬度との関係を示すものである。

なお、図中、符号Ａは黒鉛系複合摺動部材■、Ｂは黒鉛
系複合摺動部材■、Ｃ及びＤはそれぞれピッチバインダ
ーを使用した黒鉛摺動部材及び特公昭６３−１３９５４
号公報の黒鉛系摺動部材である。

この図から、本発明の黒鉛系複合摺動部材は、硬度の変
化が認められず、耐熱性に優れていることが分かる。

発明の効果 本発明の黒鉛系複合摺動部材は、優れた摩擦摩耗特性を
有する上に、黒鉛中に金属ホウ化物及び炭化ホウ素が分
散含有されているので、機械的強度及び耐熱性が大幅に
向上しており、従来のものでは使用できなかった５　０
０　’Ｏ程度の高温領域での使用が可能である。

実施例 次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、
本発明はこれらの例によってなんら限定されるものでは
ない。

実施例１ 粒径１５０μｍ以下の仮焼ピッチコークス粉末に、全混
合粉末に対し、平均粒径７μｍのニホウ化クロム粉末３
１ｉ量％及び炭化ホウ素粉末２重量％の割合で混合し、
コークス粉末、ニホウ化クロム粉末及び炭化ホウ素粉末
の均一な混合粉末を得た。

この混合粉末を黒鉛型に充填し、２００ｋｇ／　ｃｍ”
の加圧下で２１００°Ｃの温度まで昇温し、この温度で
１時間保持して焼結した。

次いで、室温（２０°Ｃ）まで冷却したのち取り出し、
黒鉛系複合摺動部材を得た。

このものの物性値及び摩擦摩耗特性を第２表の試料Ｎｏ
、ｌに示す。

なお、表中の摩擦摩耗特性は前記の試験条件と同一の条
件で行い、摩耗量については試験開始５時間後に測定し
た値を示した。

実施例２ 実施例１と同じ仮焼ピッチコークス粉末に、全混合粉末
に対し、ニホウ化クロム粉末１０重量％及び炭化ホウ素
粉末１０重量％の割合で混合し、コークス粉末、ニホウ
化クロム粉末及び炭化ホウ素粉末の均一な混合粉末を得
た。以下、実施例１と同じ方法で焼結し、黒鉛系複合摺
動部材を得た。

このものの物性値及び摩擦摩耗特性を第２表に試料Ｎｏ
、２に示す。

実施例３ 実施例１と同じ仮焼ピッチコークス粉末に、全混合粉末
に対し、ニホウ化クロム粉末２０重量％及び炭化ホウ素
粉末２０重量％の割合で混合し、コークス粉末、ニホウ
化クロム粉末及び炭化ホウ素粉末の均一な混合粉末を得
た。

以下、実施例１と同じ方法で焼結し、黒鉛系複合摺動部
材を得た。

このものの物性値及び摩擦摩耗特性を第２表の試料Ｎｏ
、３に示す。

実施例４ 実施例１と同じ仮焼ピッチコークス粉末に、全混合粉末
に対し、平均粒径７ｐｍのニホウ化ジルコニウム粉末１
０重量％及び炭化ホウ素粉末１０重量％の割合で混合し
、コークス粉末、ニホウ化ジルコニウム粉末及び炭化ホ
ウ素粉末の均一な混合粉末を得た。

以下、実施例１と同じ方法で焼結し、黒鉛系複合摺動部
材を得た。

このものの物性値及び摩擦摩耗特性を第２表の試料Ｎｏ
、４に示す。

実施例５ 実施例１と同じ仮焼ピッチコークス粉末に、全混合粉末
に対し、平均粒径７μｍのニホウ化ニオブ粉末１０重量
％及び炭化ホウ素粉末１０重量％の割合で混合し、コー
クス粉末、ニホウ化ニオブ粉末及び炭化ホウ素の均一な
混合粉末を得た。

以下、実施例１と同じ方法で焼結し、黒鉛系複合摺動部
材を得た。

このものの物性値及び摩擦摩耗特性を第２表の試料Ｎｏ
、５に示す。

実施例６ 実施例１と同じ仮焼ピッチコークス粉末に、全混合粉末
に対し、平均粒径７μｍのニホウ化クロム粉末５重量％
、ニホウ化モリブデン粉末５重量％及び炭化ホウ素粉末
１０重量％の割合で混合し、コークス粉末、ニホウ化ク
ロム粉末、ニホウ化モリブデン粉末及び炭化ホウ素粉末
の均一な混合粉末を得た。

以下、実施例１と同じ方法で焼結し、黒鉛系複合摺動部
材を得た。

このものの物性値及び摩擦摩耗特性を第２表の試料Ｎｏ
、６に示す。

実施例７ 実施例１と同じ仮焼°ピッチコークス粉末に、全混合粉
末に対し、炭化クロム粉末３重量％、炭化ホウ素粉末５
重量％の割合で混合し、コークス粉末、炭化クロム粉末
及び炭化ホウ素粉末の均一な混合物を得た。

以下、実施例１と同じ方法で焼結し、黒鉛系複合摺動部
材を得た。

この黒鉛系摺動部材中には、炭化クロムは炭化ホウ素と
反応してニホウ化クロムにすべて変化していることをＸ
線回折により確認した。このものの物性値及び摩擦摩耗
特性を第２表の試料Ｎ００７に示す。

実施例８ 実施例１で用いたのと同じ仮焼ピッチコークス粉末に、
全混合粉末に対し、炭化チタン粉末５重量％、炭化ホウ
素粉末１０重量％の割合で混合し、コークス粉末、炭化
チタン粉末及び炭化ホウ素粉末の均一な混合物を得た。

以下、実施例１と同じ方法で焼結し、黒鉛系複合摺動部
材を得た。

この黒鉛系複合摺動部材中には、炭化チタンは炭化ホウ
素と反応してニホウ化チタンにすべて変化していること
をＸ線回折により確認した。このものの物性値及び摩擦
摩耗特性を第２表の試料Ｎｏ。

８に示す。

実施例９ 実施例１で用いＩ；のと同じ仮焼ピッチコークス粉末に
、全混合粉末に対し、炭化ニオブ粉末５重量％、炭化ホ
ウ素粉末１０重量％の割合で混合し、コークス粉末、炭
化ニオブ粉末及び炭化ホウ素粉末の均一な混合物を得た
。

以下、実施例１と同じ方法で焼結し、黒鉛系複合摺動部
材を得た。

この黒鉛系複合摺動部材中には、炭化ニオブは炭化ホウ
素と反応してニホウ化ニオブにすべて変化していること
をＸ線回折により確認した。このものの物性値及び摩擦
摩耗特性を第２表の試料Ｎｏ。

９に示す。

比較例１ 実施例１で用いたのと同じ仮焼ピッチコークス粉末に、
全混合粉末に対し、ニホウ化クロム粉末１０重量％、天
然黒鉛粉末１０重量％の割合で混合し、以下実施例１と
同様の方法で焼結して、黒鉛系複合摺動部材を得た（特
願昭５９−２３３２７６号）。

このものの物性値及び摩擦摩耗特性を第２表の試料Ｎｏ
、ＩＯに示す。

比較例２ ピッチ系バインダ１を使用して得た黒鉛成形体から成る
黒鉛摺動部材で、このものの物性値及び摩擦摩耗特性と
を第２表の試料Ｎｏ、ｌｌに示す。

第２表から、本発明の黒鉛系摺動部材（実施例１〜実施
例９）は、機械的強度、特に曲げ強度が大幅に向上して
いることが分かる。また、５００°Ｃという高温雰囲気
下の摩擦においても安定した性能を発揮し、試験後の相
手材表面には黒鉛の薄い被膜が形成されているのが確認
された。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の黒鉛系複合摺動部材と従来の黒鉛摺動部材
との耐熱性について試験した結果を示すグラフである。 特許出願人　工業技術院長　飯塚幸三 （ほか１名） 復代理人阿 形 明

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　（Ａ）炭素粉末と、（Ｂ）周期律表の第IVａ族、第
   Ｖａ族及び第VIａ族に属する金属のホウ化物及び炭化物
   の中から選ばれた少なくとも１種の粉末３〜２０重量％
   と、（Ｃ）炭化ホウ素粉末２〜２５重量％との混合物の
   焼結体から成り、かつ該焼結体が黒鉛とこの黒鉛中に分
   散含有された金属ホウ化物及び炭化ホウ素とから成るこ
   とを特徴とする耐高温高強度黒鉛系複合摺動部材。