JPH0689156B2

JPH0689156B2 - ウィスカー強化複合摺動材料

Info

Publication number: JPH0689156B2
Application number: JP62-505198A
Authority: JP
Inventors: 公平荒川
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 1986-09-04
Filing date: 1987-09-03
Publication date: 1994-11-09
Anticipated expiration: 2009-11-09
Also published as: JPH0689156B1

Description

【発明の詳細な説明】［技術分野］この発明は、ウィスカー強化複合摺動材料に関し、さら
に詳しく言うと、耐摩耗性および潤滑性に優れたウィス
カー強化複合摺動材料に関する。

［背景技術］一般に、種々の機械的構造において、随伴現象として表
われる摩耗と言う観点から、機械的摺動部分ではどのよ
うな材料、たとえば強化金属、強化合成樹脂あるいは強
化ゴムを選択するかは極めて重要である。

従来では、耐摩耗性の向上を図るために、繊維や微粒子
などを金属、合成樹脂あるいはゴムなどに配合すること
による、材料の強化が行なわれている。

たとえば、自動車のピストンリングなどのように過酷な
摺動条件下で使用される材料にあっては、アルミニウム
またはアルミニウム合金と炭素繊維、アルミナ繊維、ア
ルミナ−シリカ繊維、もしくはセラミックウィスカーな
どとの複合化により一層の改善がなされている。

また、前記のような過酷な条件ではないとしても、歯車
やカム軸などの摺動部分においても、耐摩耗性および／
または潤滑性を改善するための複合材料の研究が数多く
なされている。

しかし、今までの材料に関しては、耐摩耗性と潤滑性と
の両性質を備えたものは少ない。まして、要求に十分に
応じられる程度に両性質を備えた素材は殆どないと言っ
ても過言ではない。

たとえば、SiCウィスカーは耐摩耗性が極めて優れてい
るが、潤滑性に関して問題がある。一般に潤滑性の優れ
た潤滑剤の備える可き条件としては、摩擦の際の相手
材との相互作用がなくて、凝着せず、それ自体の強度
が大きくて、摩擦中に損傷や切断などをあまり生じな
い、長時間の摩擦により蓄積した切断片が相手材に損
傷を与えない、等であり、SiCウィスカーは前記の条
件について問題があると言える。

一方、黒鉛ウィスカーは耐摩耗性がSiCウィスカーより
劣るものの、前記、およびについて卓越しており
潤滑剤として他のウィスカーの追随を許さない。

［発明の目的］この発明の目的は、前記問題点を解決し、耐摩耗性に優
れると共に潤滑性にも優れたウィスカー強化複合摺動材
料を提供することである。換言すると、摩擦の際に、
摩擦の際の相手材との相互作用がなくてたとえば凝着な
どを起さず、それ自体の強度が大きくて摩擦中に損傷
や切断などを生じることがなく、たとえ摩擦中に切断
片が生じ、これがたとえば摺動部分内に蓄積したとして
も、その切断片が相手部材を損傷することがない、など
の優れた性質を有するウィスカー強化複合材料を提供す
ることである。

［発明の開示］前記目的を達成するためのこの発明の要旨は、前記合成
樹脂中に複数種のウィスカーを含有する複合強化材にお
いて、気相成長法により製造された炭素繊維および／ま
たは前記気相成長法により製造された炭素繊維を不活性
ガス中で熱処理してなる繊維である黒鉛ウィスカーと他
のウィスカーとを含有することを特徴とするウィスカー
強化複合摺動材料である。

この発明においては、前記気相成長炭素繊維および前記
気相成長炭素繊維を不活性ガス中で熱処理して得られる
繊維（以下、単に熱処理繊維と略称することがある。）
のいずれか一種を単独で使用しても良いし、両者を併用
しても良い。両者の内いずれか一種を使用する場合、熱
処理繊維のほうが単なる気相成長炭素繊維よりも好まし
い。その理由は、前記潤滑剤の条件、において、熱
処理繊維のほうが優れているからである。

また、前記気相成長炭素繊維および前記熱処理繊維のい
ずれを使用するにせよ、さらに表面処理をしておくのが
好ましい。

好ましい表面処理としては、たとえば、リフラックス硝
酸処理、空気酸化処理などが挙げられる。

ここで前記気相成長炭素繊維としては、たとえば基板成
長炭素繊維および流動気相成長炭素繊維などが挙げられ
るが、流動気相成長炭素繊維が好ましい。流動気相成長
炭素繊維は、その両端が丸みを有しているので、マトリ
クス中に分散した場合に、たとえば応力集中の原因など
がより少なくなるからである。

このような流動気相成長炭素繊維は、たとえば、特開昭
60-54998号公報に開示されたように、炭素化合物と有機
遷移金属化合物のガスとキャリヤガスとの混合ガスを加
熱することを特長とする製造方法、特開昭60-181319号
公報に記載されたように、一酸化炭素と有機遷移金属化
合物のガスとキャリヤガスとの混合ガスを加熱すること
を特長とする製造方法、その外に特開昭60-185818号公
報、特開昭60-216816号公報などに記載された製造方法
により得ることができる。

なお、この発明における気相成長炭素繊維は、前記例示
の製造方法により得られるものに限定されず、要する
に、炭素源となる化合物を遷移金属の触媒作用により浮
遊状態で炭素繊維もしくは炭素ウィスカーとすることが
できる製造方法であればどのような製造方法によって得
られるものであっても良い。

前記熱処理繊維は、前記気相成長繊維を2000℃以上、好
ましくは2800℃以上の高温に加熱することにより製造す
ることができる。

熱処理は、通常、窒素、アルゴンなどの不活性ガスの雰
囲気下に行なわれる。

熱処理に要する時間は、５分以上であれば充分である
が、通常、30分程度の時間がかけられる。

この発明で好ましい黒鉛ウィスカーは、直径が10μｍ以
下、好ましくは0.05〜2.0μｍであり、かつそのアスペ
クト比が3000以下、好ましくは200以下であるものであ
る。

アスペクト比が大きく、直径が大きいと、複合化の段階
でマトリクスとの間のひずみが大きくなることがあり、
また直径が前記範囲内にあったとしてもアスペクト比が
3000を超えると、ウィスカー同志のからみあいが強くな
りフロックが形成される。

次に、黒鉛ウィスカー以外の他のウィスカーとしては、
たとえば SiCウィスカー、Si₃N₄ウィスカー、 Al₂O₃ウィスカー、MgOウィスカー、 AlNウィスカー、B₄C₃ウィスカー、 Fe₂O₃ウィスカー、BeOウィスカー、 MoO₃ウィスカー、NiOウィスカー、 Cr₂O₃ウィスカー、K₂O(TiO₂)₆ウィスカーおよびダイヤ
モンドウィスカーなどが挙げられる。

また、黒鉛ウィスカー以外の他のウィスカーの寸法とし
ては、前記黒鉛ウィスカーと同様に、好ましくは直径が
10μｍ以下、より好ましくは0.05〜2.0μｍであり、か
つそのアスペクト比が好ましくは3000以下、より好まし
くは200以下である。

この発明に係るウィスカー強化複合摺動材料は、前記黒
鉛ウィスカーとこれ以外の他のウィスカーとの混合物を
マトリクス中に分散してなる。もっとも、この発明に係
るウィスカー強化複合摺動材料は、前記混合物をマトリ
クス中に添加、配合するのが好ましいのであるが、マト
リクス中に前記特定の黒鉛ウィスカーと他のウィスカー
とを別々に配合しても良い。要するに、この発明に係る
ウィスカー強化複合摺動材料は、マトリクス中で、前記
特定の黒鉛ウィスカーと他のウィスカーとが、混合した
状態となっているのであれば特に制限がないのである。

前記特定の黒鉛ウィスカーと他のウィスカーとの体積比
率は、通常、1:4〜9:1であり、好ましくは1:2〜3:1であ
る。

前記マトリクスとしては、特に制限がないが、たとえば
ポリエチレンおよびポリプロピレンなどのポリオレフィ
ン系樹脂、ナイロン−６、ナイロン−66、ナイロン−
８、ナイロン−11およびナイロン−610などのポリアミ
ド系樹脂、ポリホルムアルデヒドおよびホルマリン−エ
チレンオキサイド共重合体などのポリアセタール系樹
脂、ポリカーボネート、熱可塑性ポリエステル成形材
料、ポリフェニレンオキサイド、ポリスルフォン、ポリ
エチルエチルケトン、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹
脂、ポリエチルスルフォン、ポリフェニレンサルファイ
ド、ならびにポリ四フッ化エチレンおよびポリ四フッ化
エチレンなどのフッ素系樹脂などの合成樹脂が挙げられ
る。

これらの中で好ましいマトリクスは、ポリオレフィン系
樹脂、ポリアミド系樹脂、エポキシ樹脂、ポリアセター
ル系樹脂であり、特に好ましいのは、超高分子量ポリエ
チレン、ナイロン−66、ポリアセタール、エポキシ樹脂
およびフッ素系樹脂などの合成樹脂である。

前記特定の黒鉛ウィスカーと他のウィスカーとの混合ウ
ィスカーのウィスカー強化複合摺動材料中におけるこの
ウィスカー強化複合摺動材料の体積率は、通常の場合、
0.1〜30％、好ましくは２〜20％である。体積率が0.1％
よりも少ないと前記特定の黒鉛ウィスカーと他のウィス
カーとを配合することによる効果が充分でないことがあ
り、また、30％よりも多いとウィスカー同志の接触が大
きくなり、マトリクス中に前記特定の黒鉛ウィスカーと
その他のウィスカーとを配合してなる組成物が脆くなっ
てしまい、結果的に複合強化材を配合する効果が損なわ
れることがある。

マトリクス中へのこの複合強化材の配合，分散は、この
種の技術の属する分野で公知の手段により、行なうこと
ができる。

［発明を実施するための最良の形態］（実施例１）黒鉛ウィスカーとして、直径0.2μｍ、平均長さ約53μ
ｍの気相成長炭素繊維を2800℃で30分かけて熱処理し、
さらにリフラックス硝酸で５時間表面処理したものを使
用した。この黒鉛ウィスカーと平均直径が0.3μｍであ
り、平均長さが110μｍであるSiCウィスカーとを、体積
比で1:1の割合で調製し、アルコールを加えてミキサー
で充分に撹拌し、その後、アルコールを蒸発させた。次
いで、ペレタイザーで、この混合ウィスカーが体積率で
８％となるように、ナイロン−66とこの混合ウィスカー
とを含有する、ペレット状複合材料を製造した。さら
に、このペレット状複合材料を射出成形法により板状体
にし、その板状体から10mm×10mmの角型試験片を切り出
した。この試験片は、φ100の純鉄のディスクを用い
て、摩耗試験を行なった。

摩耗条件は、荷重FN＝165N（面圧＝1.65MPa）、摩擦の
トラック径がPCDφ84で、すべり距離4kmで行なった。実
験の前後で電子天秤により重量の変化を測定して比摩耗
量を求めたところ、0.035×10^-7mm³/mmNであった。

（比較例１）ウィスカーとしてSiCウィスカーのみを使用したほかは
前記実施例１と同様に実施したところ、比摩耗量は、0.
050×10^-7mm³/mmNであった。

（比較例２）ウィスカーを使用せず、ナイロン−66のみを使用したほ
かは、前記実施例１と同様に実施したところ、比摩耗量
は、0.10×10^-7mm³/mmNであった。

（比較例３）ウィスカーとして黒鉛ウィスカーのみを使用した他は、
前記実施例１と同様に実施したところ、比摩耗量は、0.
065×10^-7mm³/mmNであった。

前記実施例１および比較例１〜３の結果を総合すると、
ナイロン−66にウィスカーを配合するとその比摩耗量が
低下して、耐摩耗性の向上が達成されるのであるが、黒
鉛ウィスカーのみの場合とSiCウィスカーのみの場合と
を比較すると黒鉛ウィスカーはSiCウィスカーほど耐摩
耗性に寄与していないのに（比較例１および３を比
較）、黒鉛ウィスカーとSiCウィスカーとを混合したウ
ィスカーは、SiCウィスカーのみの場合よりも耐摩耗性
の向上が達成され、相剰効果が奏されていることがわか
る。

（実施例２）黒鉛ウィスカーとして、直径0.2μｍ、平均長さ約53μ
ｍの気相成長炭素繊維を2800℃で30分かけて熱処理し、
さらにリフラックス硝酸で５時間表面処理したものを使
用した。この黒鉛ウィスカーと平均直径が0.2μｍであ
り、平均長さが50μｍであるSi₃N₄ウィスカーとを、体
積比で1:2の割合で調製し、アルコールを加えてミキサ
ーで充分に撹拌し、その後、アルコールを蒸発させた。
さらに、この混合ウィスカーの体積比が15％となるよう
に、この混合ウィスカーをアルミニウム合金（AC8A）に
分散させてウィスカー強化アルミニウム（FRM）を製造
した。

このFRMを40×40×4mmの大きさに切り出して試験片とし
た。相手材としてφ４の純鉄のピンを用いて、摩耗試験
を行なった。

摩耗条件は、荷重FN＝32.4N、摩擦のトラック径がPCDφ
31で、すべり速度Ｖ＝0.062〜1.0m/秒、すべり距離4km
で行なった。試験片の摩耗量は、実験の前後で直示視型
電子天秤により重量の変化を測定して比摩耗量を求めた
ところ、0.4×10^-7mm³/mmNであった。

（比較例４）ウィスカーとしてSi₃N₄ウィスカーのみを使用したほか
は前記実施例２と同様に実施したところ、比摩耗量は、
0.6×10^-7mm³/mmNであった。

（比較例５）ウィスカーとして黒鉛ウィスカーのみを使用した他は、
前記実施例２と同様に実施したところ、比摩耗量は0.7
×10^-7mm³/mmNであった。

（実施例３）黒鉛ウィスカーとして直径を0.5μｍ、平均長さ約100μ
ｍの気相成長炭素繊維を2800℃で30分間熱処理し、更に
リフラックス濃硝酸で３時間表面処理したものを使用し
た。このウイスカーと平均直径が0.2μｍであり、平均
長さが90μｍであるSiCウイスカーとを、体積比で3:1の
割合でそれぞれ混合した。この混合物にアルコールを加
えてミキサーで充分に撹拌し、その後アルコールを蒸発
させた。該混合ウイスカーとエポキシ系樹脂（チバガイ
ギー製LY−556）との複合材料を３種類作成した。

該複合材料から外径4mmの丸溝を切り出し、純Feの回転
ディスクとの摩擦における特性を評価した。加重20N、
摩擦速度20cm/sec、摩擦距離2kmにおける結果を表−１
に示す。

（比較例６）樹脂単体および、一種類のウイスカーのみの複合材料に
つき、実施例３と同様のテストをした。

結果を表−２に示す。

以上の実施例および比較例から理解できるように、気相
成長法により製造された炭素繊維および／または前記気
相成長法により製造された炭素繊維を不活性ガス中で熱
処理してなる繊維である黒鉛ウイスカーと他のウイスカ
ーの併用によって耐摩耗性だけでなく、摩擦係数の減少
もみられた。

また、ウイスカー強化複合摺動材料は、相手材に対して
も損傷を与えず、摩擦材料として極めて有望である。

［産業上の利用性］この発明によると、気相成長法により製造された炭素繊
維および／または前記気相成長法により製造された炭素
繊維を不活性ガス中で熱処理してなる繊維である黒鉛ウ
ィスカーと他のウイスカーとをマトリクス中に配合，分
散することによって、他のウィスカーのみをマトリクス
に配合，分散してなる組成物よりもはるかに大きな耐摩
耗性および潤滑性を有する組成物とすることができる、
そのような複合強化材を提供することができる。

一般的には、第１成分の有する優れた性質を保有しつつ
その欠点を補うことを目的に第２成分を添加すると、第
１成分の欠点が第２成分により改善されるものの、第１
成分の優れた性質が第１成分により低下することの多い
ことに鑑みると、この発明において、前記特定の黒鉛ウ
ィスカーの配合により、他のウィスカーが有する優れた
耐摩耗性がさらに高められると共に他のウィスカーの有
する欠点である潤滑性が改善されることは、注目に価す
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マトリクスである合成樹脂中にウィスカー
を含有するウィスカー強化複合材料において、気相成長
法により製造された炭素繊維および／または前記気相成
長法により製造された炭素繊維を不活性ガス中で熱処理
してなる繊維である黒鉛ウィスカーと、他のウィスカー
とを含有することを特徴とするウィスカー強化複合摺動
材料。
【請求項２】前記熱処理温度が2,000℃以上である前記
特許請求の範囲第１項に記載のウィスカー強化複合摺動
材料。
【請求項３】前記黒鉛ウィスカーは、その直径が10μｍ
以下であり、そのアスペクト比が3,000以下である前記
特許請求の範囲第１項に記載のウィスカー強化複合摺動
材料。
【請求項４】前記黒鉛ウィスカーは、その直径が0.05〜
2.0μｍであり、そのアスペクト比が200以下である前記
特許請求の範囲第１項に記載のウィスカー強化複合摺動
材料。
【請求項５】黒鉛ウィスカー以外の他のウィスカーがSi
Cウィスカーである前記特許請求の範囲第１項に記載の
ウィスカー強化複合摺動材料。
【請求項６】黒鉛ウィスカー以外の他のウィスカーがSi
₃N₄ウィスカーである前記特許請求の範囲第１項に記載
のウィスカー強化複合摺動材料。
【請求項７】黒鉛ウィスカー以外の他のウィスカーは、
その直径が0.05〜2.0μｍであり、そのアスペクト比が2
00以下である前記特許請求の範囲第１項に記載のウィス
カー強化複合摺動材料。
【請求項８】ウィスカー強化複合摺動材料中における、
黒鉛ウィスカーと黒鉛ウィスカー以外の他のウィスカー
との体積比率は、1:4〜9:1である前記特許請求の範囲第
１項に記載のウィスカー強化複合摺動材料。
【請求項９】ウィスカー強化複合摺動材料中における、
黒鉛ウィスカーと黒鉛ウィスカー以外の他のウィスカー
との体積比率は、1:2〜3:1である前記特許請求の範囲第
１項に記載のウィスカー強化複合摺動材料。
【請求項１０】前記合成樹脂がポリオレフィン系樹脂、
ポリアミド系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリアセタール系
樹脂およびフッ素系樹脂よりなる群から選択される一種
である前記特許請求の範囲第１項に記載のウィスカー強
化複合摺動材料。
【請求項１１】前記黒鉛ウィスカーと他のウィスカーと
の、ウィスカー強化複合摺動材料中での体積率は、0.1
〜30％である前記特許請求の範囲第１項に記載のウィス
カー強化複合摺動材料。
【請求項１２】前記黒鉛ウィスカーと他のウィスカーと
の、ウィスカー強化複合摺動材料中での体積率は、２〜
20％である前記特許請求の範囲第１項に記載のウィスカ
ー強化複合摺動材料。