JPH04320494A - 自己潤滑性材料及びその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種の機械部品として
用いられる軸受材料又はしゅう動材料に適する自己潤滑
性材料とその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、二硫化タングステン、二硫化モリ
ブデン、黒鉛、フッ化黒鉛、フッ化カルシウムなどの潤
滑性物質と各種の金属及び合金とからなる焼結体が自己
潤滑性材料として使用されている。これら従来の自己潤
滑性材料が記載されている代表的なものとしては特開昭
５３−１２２０５９号公報、特開昭６２−１９６３５１
号公報などがある。

【０００３】二硫化タングステン、二硫化モリブデン又
は黒鉛などの潤滑性物質と、各種の金属及び合金の結合
相からなる自己潤滑性材料は、潤滑性物質としての出発
原料粉末と結合相としての出発原料粉末とを混合、成形
後焼結しているが、こうして得た焼結体の中の潤滑性物
質は結合相の金属及び合金と反応して潤滑性のない物質
に変化して、その歩留りを低下させるか、金属又は合金
との濡れ性が悪いために結合力が低く、自己潤滑性材料
の摩耗の増大及び強度低下をもたらし、寿命が著しく低
下してしまうという問題がある。さらに、二硫化タング
ステン、二硫化モリブデン又は黒鉛などの潤滑性物質を
含む自己潤滑性材料は大気中で３００℃以上の温度にな
ると酸化して潤滑性が無くなってしまう。そのため大気
中にて、高温で使用することが困難である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述のよう
な問題点を解決したもので、摩擦係数及び比摩耗率が低
く、しかも機械的性質に優れ、高温、かつあらゆる雰囲
気中で使用できる自己潤滑性材料及びその製造方法の提
供を目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、自己潤滑性材
料における潤滑性物質と結合相の金属及び合金との反応
性や濡れ性について検討した結果、潤滑性物質の組成、
そのサイズと結合相の金属及び合金との結合性に少量の
元素が効果的に作用するという知見を得ることによって
発明を完成するに至ったものである。

【０００６】すなわち、粒径１μｍ　以上２０００μｍ
　以下の窒化ホウ素と、粒径１μｍ　以上２０００μｍ
　以下の二硫化タングステンの両方をあわせて５体積％
以上８０体積％以下含み、残りが０．５〜５．０重量％
のＮｉと０．０５〜１．０重量％のＢを含む金属及び合
金の結合相からなることを特徴とする自己潤滑性材料、
および窒化ホウ素を主成分とし、０．５〜５．０重量％
のＮｉと０．０５〜１．０重量％のＢを含む粒径１μｍ
　以上２０００μｍ　以下の粒状物相と、二硫化タング
ステンを主成分とし０．５〜５．０重量％のＮｉと０．
０５〜１．０重量％のＢを含む粒径１μｍ　以上２００
０μｍ　以下の粒状物相の両方をあわせて５体積％以上
８０体積％以下含み、残りが金属及び合金の結合相から
なることを特徴としている。

【０００７】窒化ホウ素は化学的に安定な物質で、大気
中では最も高温まで摩擦係数の低い物質である。そのた
め窒化ホウ素を主成分に選んだ。しかし窒化ホウ素は真
空中では摩擦係数が大きいため、真空中での摩擦係数の
低い物質である二硫化タングステンを用いることにより
真空から大気中までのあらゆる雰囲気中で使用すること
ができる自己潤滑性複合材料をつくることができる。

【０００８】窒化ホウ素は化学的に安定な物質で、大気
中では最も高温まで摩擦係数の低い物質である。しかし
ながら、化学的に安定であることは反面、金属および合
金との濡れ性、結合性が悪く、これまで窒化ホウ素を用
いた金属および合金の自己潤滑性複合材料はほとんどな
く、あっても機械的強度が低く、使用に耐えられなかっ
た。また、二硫化タングステンは金属及び合金と反応し
易く、焼結時に潤滑性のない物質に変質し、金属及び合
金中の歩留りが極端に低かった。そこで潤滑性物質と結
合相の金属及び合金との濡れ性反応性について詳細に検
討した結果、ＮｉとＢとを添加することにより問題点を
解決することができることが分かった。

【０００９】すなわち、ＮｉとＢは焼結時に反応して低
融点の化合物を形成し、これが液相となって窒化ホウ素
同志及び窒化ホウ素と金属及び合金との界面に浸透し、
焼結後の冷却過程で固化して両者を強固に結合すること
、及び液相は金属及び合金の焼結を促進して強い結合相
を形成すること、さらにＮｉは焼結時に二硫化タングス
テンと反応して低融点のニッケル硫化物を生成し、これ
が液相焼結助剤となって低温短時間の焼結によって焼結
体を緻密化すると同時に二硫化タングステンの歩留りを
向上させることを明らかにした、ＮｉとＢとは金属及び
合金の結合相に含ませるか、潤滑性物質に含ませるかに
よって２種類の自己潤滑性材料とすることができ、低温
の焼結により機械的強度が高く、大気中から真空中まで
のあらゆる雰囲気中で、しかも高温においても潤滑性に
優れた焼結体を造ることができる。

【００１０】

【作用】本発明の自己潤滑性材料は、潤滑性物質を主成
分とする相を金属及び合金の結合相が取り囲んだ構造に
よって焼結体の強度が高く、しかも複合材料中に含まれ
る潤滑性物質が使用時に相手材との接触面に被膜として
供給されることによって大気中ないし真空中で高温まで
、比摩耗率と摩耗係数の両者を著しく低下しているもの
である。

【００１１】すなわち、本発明の自己潤滑性材料は、粒
径１μｍ　以上２０００μｍ　以下の窒化ホウ素と粒径
１μｍ　以上２０００μｍ　以下の二硫化タングステン
の両方を合わせて５体積％以上８０体積％以下含み、残
りが０．５〜５．０重量％のＮｉと０．０５〜１．０重
量％のＢを含む金属及び合金の結合相からなることを特
徴とし、さらに、窒化ホウ素を主成分とし０．５〜５．
０重量％のＮｉと０．０５〜１．０重量％のＢを含む粒
径１μｍ　以上２０００μｍ　以下の粒状物質相と、二
硫化タングステンを主成分とし０．５〜５．０重量％の
Ｎｉと０．０５〜１．０重量％のＢを含む粒径１μｍ　
以上２０００μｍ　以下の粒状物質相の両方をあわせて
５体積％以上８０体積％以下含み、残りが金属及び合金
の結合相からなることを特徴とするものである。

【００１２】窒化ホウ素と二硫化タングステンを加えた
潤滑性物質の占める体積が５％未満であると高温及び真
空中での潤滑性が発揮できず、逆に両者の体積の和が８
０％超になると焼結体の強度が低下して複合材料になら
なくなる。このため潤滑性物質相の占める割合は５体積
％以上８０体積％以下とする。窒化ホウ素と二硫化タン
グステンの潤滑性物質相の大きさが１μｍ　未満である
と分散性が悪く、また結合相と反応し、複合材料の摩擦
係数が増大して潤滑性が低下し、２０００μｍ　超にな
ると結合相の厚みが増大して摩擦係数が増大する。この
ために、窒化ホウ素と二硫化タングステンの潤滑性物質
相の大きさは１μｍ　以上２０００μｍ　以下とする。

【００１３】窒化ホウ素を主成分とし、ＮｉとＢとをふ
くむ粒状潤滑性物質相と二硫化タングステンを主成分と
しＮｉとＢとを含む粒状潤滑性物質相の両方を合わせた
割合が５体積％未満であると高温での摩擦係数及び摩耗
量が増大し、８０体積％超になると金属及び合金との結
合性が弱くなり焼結体の強度が著しく低下する。そのた
め潤滑性物質相の占める割合は５体積％以上８０体積％
以下とする。窒化ホウ素を主成分とし、ＮｉとＢとを含
む潤滑性物質相と二硫化タングステンを主成分とし、Ｎ
ｉとＢとを含む潤滑性物質相の大きさがそれぞれ１μｍ
　未満であると分散性が悪く、また結合相と反応し、複
合材料の摩擦係数が増大して潤滑性が低下し、２０００
μｍ　超になると結合相の厚みが増大して摩擦係数が増
大する。このために、潤滑性物質相の大きさは１μｍ　
以上２０００μｍ　以下とする。

【００１４】潤滑性物質として窒化ホウ素と二硫化タン
グステンを用い、金属及び合金を結合相とする場合には
、結合相中に０．５重量％以上５．０重量％以下のＮｉ
と０．０５重量％以上１．０重量％以下のＢを含む必要
がある。Ｎｉの含有量が０．５重量％未満、Ｂの量が０
．０５重量％未満であると低融点の化合物が形成が困難
になり、Ｎｉが５％超、Ｂが１．０％超では非常に脆い
化合物が形成されて、かえって潤滑性物質との結合力が
弱くなるため、Ｎｉを０．５重量％以上〜５％以下、Ｂ
を０．０５％以上１．０％以下とする。しかもＮｉとＢ
は共存することが重要であり、単独ではその効果が発揮
されない。ＮｉとＢはそれぞれ元素として添加しても、
あるいはＮｉ−Ｂの合金として添加しても差し支えない
。なお、ニッケル合金を結合相とする場合にもＮｉの添
加は効果的である。

【００１５】窒化ホウ素を主成分としＮｉとＢとを含む
粒状潤滑性物質相と、二硫化タングステンを主成分とし
ＮｉとＢとを含む粒状潤滑性物質相においてＮｉの含有
量が０．５重量％未満、Ｂが０．０５％未満であると低
融点の化合物が形成されず、逆にＮｉが５％超、Ｂが１
．０％超では非常に脆い化合物が形成されて、かえって
結合相との結合力が弱くなるため、Ｎｉを０．５重量％
以上５％以下、Ｂを０．０５％以上１．０％以下と定め
た。しかもＮｉとＢは共存することが重要であり、単独
ではその効果が発揮されない。ＮｉとＢはそれぞれ元素
として添加しても、あるいはＮｉ−Ｂの合金として添加
しても差し支えない。

【００１６】これらの潤滑性物質相を取り囲む結合相は
潤滑性物質相を保持するとともに、焼結時に潤滑性物質
相の変質と消失を抑制し強固な結合を形成するものであ
る。この結合相は潤滑性物質相の組成や使用環境によっ
て種々の構成にすることができる。耐食性を必要とする
場合は、青銅又はモネルなどの銅系合金、耐食性及び耐
熱性を必要とする場合は、炭素鋼、合金鋼ステンレス鋼
などの鉄系合金、インコネル、ハステロイなどのニッケ
ル系合金、ステライトなどのコバルト系合金、Ｔｉ−６
Ａｌ−４Ｖなどのチタン系合金等を結合相にすることが
できる。

【００１７】本発明の自己潤滑性材料の製造方法は、粒
径１μｍ　以上２０００μｍ　以下の窒化ホウ素粉末と
、粒径１μｍ　以上２０００μｍ以下の二硫化タングス
テン粉末と、０．５〜５．０重量％のＮｉと０．０５〜
１．０重量％のＢを含む銅系合金、鉄系合金、ニッケル
系合金、コバルト系合金およびチタン系合金等の少なく
とも１種からなる結合相形成用の合金粉末とを、混合及
び成形後、非酸化性雰囲気中で７００℃以上１３００℃
以下の温度で焼結すること、および窒化ホウ素を主成分
として０．５〜５．０重量％のＮｉと０．０５〜１．０
重量％のＢを含む粒径１μｍ　以上２０００μｍ　以下
の粒状物相粉末と、二硫化タングステンを主成分とし、
０．５〜５．０重量％のＮｉと０．０５〜１．０重量％
のＢを含む粒径１μｍ　以上２０００μｍ　以下の粒状
物相粉末と、銅系合金、鉄系合金、ニッケル系合金、コ
バルト系合金およびチタン系合金等の少なくとも１種か
らなる結合相形成用粉末とを、混合及び成形後、非酸化
性雰囲気中で７００℃以上１３００℃以下の温度で焼結
することを特徴とする。温度７００℃未満では焼結の進
行がほとんどなく、１３００℃を越えると潤滑性物質が
分解ないし変質してしまうため、焼結温度を７００℃以
上１３００℃とする。酸化性雰囲気中では潤滑性物質が
酸化してしまうため非酸化性雰囲気が望ましい。

【００１８】本発明の自己潤滑性複合材料の製造方法に
おいて、粒状相を造る造粒工程は一般に行われている造
粒方法が利用できる。例えば、回転ドラム中で、潤滑性
物質を主成分とする混合粉末に、水、アルコール、エチ
ルシリケート、水ガラスなどを添加しながら造粒する方
法、あるいは潤滑性物質を主成分とする混合粉末を加圧
成形し、次いで粉砕して造粒する方法などである。造粒
後は非酸化性雰囲気中で５００〜１２００℃で加熱処理
を行うと、原料粉末に含まれているガスなどを追い出す
ことができ、また、造粒粉が硬くなって取扱が容易にな
って好ましい。

【００１９】

【実施例】実施例１ 潤滑性物質の窒化ホウ素粉末、二硫化タングステン粉末
および結合相の銅粉末、ステンレス鋼などの金属及び合
金の粉末、さらにＮｉ，Ｂなどの粉末とをボールミルを
用いて混合した後、プレス成形機で３トン／ｃｍ２　の
圧力で圧粉体を作成した。その圧粉体を真空中で焼結し
た後、引張試験と摩擦摩耗試験を行った。

【００２０】引張試験には３×２×３０ｍｍの試験片を
用いた。摩擦係数は円板状の試料にＳＵＳ３０４を相手
材にして、速度６０ｍ／ｍｉｎ　、面圧５０ｋｇ／ｃｍ
２　の条件で端面接触して求めたものであり、比摩耗率
は面圧１００ｋｇ／ｃｍ２　、摩擦距離５００ｍ　の条
件より求めたものである。真空中の摩擦係数は１０−５
ｔｏｒｒの真空度で測定した。

【００２１】本発明の潤滑性物質を主体にした粒状相の
粒度、配合量およびその組成と結合相の組成と製造条件
を表１に示した。焼結体の引張強度と摩擦係数及び比摩
耗率を表２に示した。本発明をはずれた比較例の組成と
、製造条件、焼結体の特性も表１、表２に記載した。

【００２２】本発明品は試料番号１と２であり、結合相
が銅系合金と鉄系合金の例である。本発明品は、引張強
度が２０ｋｇ／ｍｍ２　以上で、大気及び真空中の摩擦
係数は０．２以下で強度、潤滑性ともに優れた自己潤滑
性複合材料である。本発明よりはずれた比較例は試料番
号３と４であり、結合相中にＮｉとＢが含まれていない
ため摩擦係数が小さいものの焼結体の強度が低い。

【００２３】実施例２ 窒化ホウ素を主成分とし、０．５〜５．０重量％のＮｉ
と０．０５〜１．０重量％のＢを含む粒径１μｍ　以上
２０００μｍ　以下の粒状物相粉末と、二硫化タングス
テンを主成分とし、０．５〜５．０重量％のＮｉと０．
０５〜１．０重量％のＢを含む粒径１μｍ　以上２００
０μｍ　以下の粒状物相粉末と結合相のニッケル合金、
チタン合金粉末とをボールミルを用いて混合した後、プ
レス成形機で３トン／ｃｍ２　の圧力で圧粉体を作成し
た。その圧粉体を真空中で焼結した後、引張試験と摩擦
摩耗試験をおこなった。

【００２４】引張試験には３×２×３０ｍｍの試験片を
用いた。摩擦係数は円板状の試料にＳＵＳ３０４を相手
材にして、速度６０ｍ／ｍｉｎ　、面圧５０ｋｇ／ｃｍ
２　の条件で端面接触して求めたものであり、比摩耗率
は面圧１００ｋｇ／ｃｍ２　、摩擦距離５００ｍ　の条
件より求めたものである。真空中の摩擦係数は１０−５
ｔｏｒｒの真空度で測定した。

【００２５】本発明の潤滑性物質主体にした粒状相の粒
度、配合量およびその組成と結合相の組成と製造条件を
表３に示した。焼結体の引張強度と摩擦係数及び比摩耗
率を表４に示した。本発明をはずれた比較例の組成と、
製造条件、焼結体の特性も表３、４に記載した。。

【００２６】本発明品は試料番号１と２であり、結合相
がニッケル系合金、チタン系合金の例である。本発明品
は、引張強度が３０ｋｇ／ｍｍ２　以上で、大気及び真
空中の摩擦係数は０．２以下で強度、潤滑性ともに優れ
た自己潤滑性材料である。本発明よりはずれた比較例は
試料番号３は配合量が少ないために、強度は高いが潤滑
性は劣化する。試料番号４は窒化ホウ素を主成分とする
粒状相中にＢが含まれないため潤滑性物質と金属結合相
との結合力が弱く、焼結体の強度が低い。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】

【表３】

【００３０】

【表４】

【００３１】

【発明の効果】本発明の自己潤滑性複合材料は摩擦係数
と比摩耗率が低く、かつ機械的性質に優れたもので、こ
れまで使用できなかった５００℃のような高温ならびに
苛酷な雰囲気で使用することができる画期的な材料であ
る。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　粒径１μｍ　以上２０００μｍ　以下
   の窒化ホウ素と、粒径１μｍ　以上２０００μｍ　以下
   の二硫化タングステンの両方をあわせて５体積％以上８
   ０体積％以下含み、残りが０．５〜５．０重量％のＮｉ
   と０．０５〜１．０重量％のＢを含む金属及び合金の結
   合相からなることを特徴とする自己潤滑性材料。
2. 【請求項２】　　窒化ホウ素を主成分とし０．５〜５．
   ０重量％のＮｉと０．０５〜１．０重量％のＢを含む粒
   径１μｍ　以上２０００μｍ　以下の粒状物相と、二硫
   化タングステンを主成分とし０．５〜５．０重量％のＮ
   ｉと０．０５〜１．０重量％のＢを含む粒径１μｍ　以
   上２０００μｍ　以下の粒状物相の両方をあわせて５体
   積％以上８０体積％以下含み、残りが金属及び合金の結
   合相からなることを特徴とする自己潤滑性材料。
3. 【請求項３】　　結合相が、銅系合金、鉄系合金、ニッ
   ケル系合金、コバルト系合金及びチタン系合金の少なく
   とも１種からなる請求項１または２記載の自己潤滑性材
   料。
4. 【請求項４】　　粒径１μｍ　以上２０００μｍ　以下
   の窒化ホウ素粉末と、粒径１μｍ　以上２０００μｍ　
   以下の二硫化タングステン粉末と、０．５〜５．０重量
   ％のＮｉと０．０５〜１．０重量％のＢを含む結合相成
   形用の合金粉末とを、混合及び成形後、非酸化性雰囲気
   中で７００℃以上１３００℃以下の温度で焼結すること
   を特徴とする自己潤滑性材料の製造方法。
5. 【請求項５】　　窒化ホウ素を主成分とし０．５〜５．
   ０重量％のＮｉと０．０５〜１．０重量％のＢを含む粒
   径１μｍ　以上２０００μｍ　以下の粒状物相粉末と、
   二硫化タングステンを主成分とし０．５〜５．０重量％
   のＮｉと０．０５〜１．０重量％のＢを含む粒径１μｍ
   　以上２０００μｍ　以下の粒状物相粉末と、結合相形
   成用の合金粉末とを、混合及び成形後、非酸化性雰囲気
   中で７００℃以上１３００℃以下の温度で焼結すること
   を特徴とする自己潤滑性材料の製造方法。