JPH0776405B2

JPH0776405B2 - 固体潤滑性複合材料及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0776405B2
Application number: JP61038246A
Authority: JP
Inventors: 正樹小林; 裕子津谷; 政秋松本
Original assignee: 東芝タンガロイ株式会社
Priority date: 1986-02-25
Filing date: 1986-02-25
Publication date: 1995-08-16
Anticipated expiration: 2010-08-16
Also published as: JPS62196351A

Description

【発明の詳細な説明】（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
は摺動材料に適する固体潤滑性複合材料に関するもので
ある。

（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，
弗化黒鉛，弗化カルシウムなどの潤滑性物質と各種の金
属又は合金とからなる焼結体が固体潤滑性材料として使
用されている。これら従来の固体潤滑性材料の代表的な
ものとしては、本発明者らの内の１人による特開昭49−
7108号公報，特開昭50−30706号公報，特開昭53−58910
号公報及び特開昭53−122059号公報などがある。

（発明が解決しようとする問題点）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又は合金の結合相とからなる固
体潤滑性材料は、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を同時混合して後、焼結して
いるものであるが、こうして得た焼結体の中の潤滑性物
質は分散性が悪く、特に潤滑性物質の含有量が多くなる
とその傾向が著しくなって、固体潤滑性材料の強度低下
及び摩耗の増大となって寿命が著しく低下してしまうと
いう問題がある。

本発明は、上述のような問題点を解決したもので、具体
的には、結合強度を高めた潤滑性物質を主成分とする塊
状相と、この塊状相を保持する結合相とからなる固体潤
滑性複合材料で、特に摩擦係数及び比摩耗率が低く、し
かも機械的強度の著しく高い固体潤滑性複合材料及びそ
の製造方法の提供を目的とするものである。

（問題点を解決するための手段）本発明者らは、固体潤滑性材料の強度を向上させること
について検討していた所、潤滑性物質と結合相とからな
る固体潤滑性材料は、その焼結体の組織構造によって著
しく強度が異なり、強度の向上と共に比摩耗率及び摩耗
係数も低下するという知見を得ることによって本発明を
完成するに至ったものである。

すなわち、本発明の固体潤滑性複合材料は、潤滑性物質
と結合補助物質とを含有する30μｍ以上〜1000μｍ以下
の大きさの塊状相10重量以上％〜80重量％以下と、残部
が金属及び／又は合金を主成分とする結合相とからなる
固体潤滑性材料であって、該塊状相は結晶粒径30μｍ未
満の潤滑性物質を少なくとも60重量％と、残りが主とし
て、Cu,Ag,W,Ta,Mo,Nb及びこれらの２種以上の合金の中
の少なくとも１種の結合補助物質とでなり、該固体潤滑
性材料は、該塊状相中の該潤滑性物質の結晶粒が該結合
補助物質により包囲されており、該塊状相が該結合相に
より包囲されており、該結合相の含有量が該結合補助物
質の含有量よりも多いことを特徴とするものである。こ
こで述べている潤滑性物質を主成分とする塊状相とは、
例えば二硫化モリブデン，二硫化タングステン，黒鉛，
窒化ホウ素，弗化黒鉛，一酸化鉛，三酸化モリブデン，
酸化コバルト，酸化亜鉛，酸化すず，酸化銅，弗化カル
シウム，弗化バリウム，窒化ケイ素及びテルル化物，セ
レン化物など摩擦係数の低い物質が少なくとも１種含ま
れていて、その量が少なくとも60重量％含有しているも
のである。この塊状相は、粒径30μｍ未満の結晶粒が複
数個集まって30μｍ以上〜1000μｍ以下の大きさに形成
されているもので、特に固体潤滑性材料の強度を高める
ために粒径５μｍ以下の結晶粒が複数個集まって形成さ
れているものが好ましいものである。この塊状相の大き
さは、塊状相の量と塊状相を取り囲んでいる結合相の量
との関係によって最適な大きさが異なってくるもので、
塊状相の大きさが30μｍ未満になると分散性が悪くなっ
て結合相が塊状相を取り囲むのが難しくなり粒状組織を
形成し難くなる。逆に、塊状相の大きさが1000μｍを超
えて大きくなると結合相の厚みが増大して、摩擦係数及
び摩耗量が増大する。このために、塊状相の大きさは、
30μｍ以上〜1000μｍ以下と定めたものである。塊状相
の組成と量並びに結合相の組成と量の関係にもよるが、
特に塊状相の大きさは、50μｍ以上〜500μｍ以下であ
ることが好ましいものである。

潤滑性物質を主成分とする塊状相は、摩擦係数の低い物
質を含有していればよく、特に摩擦係数が低く、使用時
に相手材の摩擦面に被膜を形成し易くするような二硫化
タングステン，二硫化モリブデン及び黒鉛の中の少なく
とも１種からなることが好ましく、さらに、二硫化タン
グステン，二硫化モリブデン及び黒鉛の中の少なくとも
１種の潤滑性物質を60重量％以上と、残りCu,Ag,W,Ta,M
o,Nb及びこれら２種以上の合金の中の少なくとも１種の
結合補助物質とからなる塊状相の場合には、潤滑性物質
の微細粒子を結合補助物質が包み込んだ状態になって、
機械的強度及び耐摩耗性が向上するので一層好ましいも
のである。

結合補助物質を含有した塊状相の場合は、結合補助物質
が潤滑性物質の結合を補助して潤滑性，耐酸化性及び強
度を高める効果があり、特にCu又はAgを含有した結合補
助物質が著しい効果を発揮する。また、結合補助物質
は、焼結時に発生するガスを補足して緻密化を高める効
果があり、特にW,Ta又はNbを含有した結合補助物質が著
しい効果を発揮する。従って、Ag及び／又はCuとW,Ta及
びNbの少なくとも１種を含有した結合補助物質は、強
度，潤滑性，熱安定性及び緻密性などの諸特性から好ま
しいものである。

その他、二硫化タングステン，二硫化モリブデン及び黒
鉛の中の少なくとも１種に前述した窒化ホウ素，弗化黒
鉛，一酸化鉛，三酸化モリブデン，酸化コバルト、酸化
亜鉛，酸化すず，酸化銅，弗化カルシウム，弗化バリウ
ム，窒化ケイ素及びテルル化物，セレン化物など微量含
有してなる潤滑性物質の塊状相又はこれらの潤滑性物質
と結合補助物質とからなる塊状相にすることによって、
使用時の温度又は雰囲気などの環境条件に対応できる塊
状相にすることもできる。

上述の塊状相の他に、潤滑性物質と周期律表第4a,第5a,
第6a族金属の炭化物，窒化物，炭酸窒化物，窒酸化物，
ホウ化物，硫化物及びこのらの相互固溶体の中のすくな
くとも１種の高融点金属化合物とからなる塊状相又は潤
滑性物質と結合補助物質と高融点金属化合物とからなる
塊状相の場合には、高温領域側での使用が可能になるこ
と、並びに使用時の許容温度が広くなることから好まし
いことである。

これらの塊状相を取り囲む結合相は、塊状相を保持する
と共に、焼結時に塊状相中の潤滑性物質が変質すること
及び消失することを抑制しているものである。この結合
相は、塊状相の成分及び使用時の環境状態によって種々
の構成にすることができるものである。特に、本発明の
固体潤滑性複合材料の強度を向上させるための結合相
は、Cu,Ag,Sn,Pb,Bi,Fe,Ni,Co,Mn,Cr,Mo,W,Nb,Ta,Al,Z
n,P,B及びこれらの２種以上の合金の中の少なくとも１
種からなるものが好ましい。また使用時の環境状態によ
って、より耐蝕性を必要とする場合は、モネル又は青銅
などの銅系合金、耐蝕性及び耐熱性を必要とする場合
は、ステンレス又はハイスなどの鉄系合金、ハステロ
イ，インコネル又はワスパロイなどのニツケル系合金並
びにステライトなどのコバルト系合金を結合相にするこ
ともできる。

さらに、結合相中に周期律表第4a,第5a,第6a族金属の炭
化物，窒化物，炭酸化物，窒酸化物，ホウ化物，硫化物
及びこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種の高融点
金属化合物を分散させると耐熱性がすぐれて好ましいこ
とである。

本発明の固体潤滑性複合材料及びその製造方法は、潤滑
性物質を主成分とする粒径30μｍ未満の出発原料粉末を
造粒工程により複合粒とし、該複号粒と結合相形成用の
出発原料粉末とを混合及び成形後、非酸化性雰囲気中で
無加圧焼結又は加圧焼結を行なって潤滑性物質を主成分
とする粒径30μｍ未満の結晶粒を複数個で形成してなる
30μｍ以上〜1000μｍ以下の大きさの塊状相10重量％以
上〜80重量％以下と、残り結合相からなる焼結体にする
ことを特徴とするものである。

本発明の固体潤滑性複合材料の製造方法において用いる
出発原料粉末は、粒径が30μｍ未満のものを用いるが、
出来るだけ微細な粒径の方が強度の向上から好ましく、
特に５μｍ以下の粒径のものが好ましい。潤滑性物質を
主成分とする出発原料粉末を必要に応じて混合及び粉砕
を行なった後、造粒工程によって複合粒にする。

造粒工程は、通常、粉末冶金法で用いられる顆粒の製造
工程が全て利用でき、例えば、潤滑性物質を主成分と
する混合粉末に必要に応じてステアリン酸亜鉛，ステア
リン酸リチウム，パラフィン，レジン，樟脳などの滑剤
を添加した後、ヘキサン，アセトン，アルコールなどの
有機溶剤を加えながら回転ドラム中で複合粒にする造粒
処理方法、潤滑性物質を主成分とする混合粉末に必要
に応じて滑剤を添加した後、加圧成形し、次いで粉砕及
び篩別を行なって複合粒にする造粒処理方法、潤滑性
物質を主成分とする混合粉末に必要に応じて滑剤を添加
した後、加圧成形し、次いで非酸化性雰囲気中700℃〜1
200℃で加熱処理を行なった後に粉砕及び篩別して複合
粒にする方法などがある。造粒工程は、造粒処理のみで
もよいが、特に、造粒工程の中で造粒処理の他に加熱処
理を加えることは、潤滑性物質を主成分とする出発原料
粉末中に含まれて付着又は固着している酸素又は窒素な
どをガスとして追出し、安定性の高い複合粒を得ること
ができるので好ましいことである。また、加熱処理をホ
ットプレスで行なうと加圧成形と加熱処理が同時に行な
えるので好ましいことである。

造粒工程により得た複合粒にCu,Ag,Sn,Pb,Bi,Fe,Ni,Co,
Mn,Cr,Mo,W,Nb,Ta,Al,Zn,P,B及び各種の合金などの結合
相形成用の出発原料粉末を加えて混合し、これを成形
後、例えば10^-3mHgよりも高い真空又は水素などの非酸
化性雰囲気中、400℃〜1200℃の温度で無加圧焼結又は
加圧焼結を行なうことによって本発明の固体潤滑性複合
材料を製造することができる。特に、造粒工程において
加熱処理を行なう場合には、無加圧焼結又は加圧焼結に
よる焼結温度は加熱処理温度よりも少し低い方が塊状相
の大きさを安定に保つことができて好ましいことであ
る。

（作用）本発明の固体潤滑性複合材料は、特に、潤滑性物質の結
晶粒界に結合補助物質が介在して潤滑性物質を包み込ん
だ状態の塊状相とこの塊状相を取り囲んでいる結合相と
からなっていることから脆弱な潤滑性物質が強固に結合
された焼結体になっていて、焼結体の強度が著しく高く
なっているものである。また、本発明の固体潤滑性複合
材料は、30μｍ〜1000μｍと大きな塊状相を含有してお
り、この塊状相中に含有してい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、比摩耗率と摩耗係数の両方を著しく低下しているも
のである。

実施例１第１表に示した各種出発原料粉末を用いて所定量配合
し、この配合粉末を用いて各種の造粒工程を行ない造粒
粉を得た。

造粒工程は、配合粉末に１重量％のパラフィンを添加
した後、ヘキサンを少量ずつ加えながら回転ドラム中で
混合して造粒し、（以下、動転法と記す。）この造粒粉
を必要に応じて真空中で加熱処理する方法、又は、配
合粉末を混合し、この混合粉末を約5tom/cm²でプレス
し、プレスした状態もしくはプレス後加熱処理し、次い
で粉砕及び篩別する方法（以下、粉砕法と記す。）によ
って行なった。

各、造粒粉の配合組成、造粒工程及び造粒後の粒度を第
２表に示した。

第２表に示した造粒粉に結合相となる結合相形成用の出
発原料粉末を所定量配合し、これを混合，成形及び焼結
して本発明の固体潤滑性複合材料及び比較の固体潤滑性
材料を得た。このようにして得た本発明品の配合組成及
び焼結条件を第３表に示し、本発明を外れた比較品の配
合組成及び焼結条件を第４表に示し、従来品に相当する
比較品の配合組成及び焼結条件を第５表に示した。この
第３表，第４表，及び第５表によって得た各焼結体の硬
さ，圧環強度，摩擦係数及び比摩耗率を測定して、その
結果を第６表，第７表及び第８表に示した。

第３表，第４表及び第５表に示した諸特性の内、圧環強
度は、形状寸法が15φ×８φ×８の円筒状の焼結体を外
周に対して垂直方向に外圧を加えて、破壊することによ
って求めたもので、コンクリート管の耐圧試験又は高圧
ガス容器用管の圧壊試験に相当する方法で行なったもの
である。

また、摩擦係数は、円板状の各試料にSK2（18φ×14φ
×16寸法）を相手材に速度60m/min,面圧50kg/cm²の条件
で端面接触して求めたものであり、比摩耗率は摩擦係数
を求めたのと同様の試料及び相手材でもって面圧100kg/
cm²，摩擦距離500mにより求めたものである。

実施例２実施例１で用いた第１表の出発原料粉末と第２表の造粒
粉Ｈを用いて、 WS₂−（Cu−10wt％Sn）系組成で、 WS₂と（Cu−10wt％Sn）との比率を変化させた本発明品
と従来品に相当する比較品を作製した。この本発明品と
同一組成にした比較品の焼結体でもって実施例１と同様
にして圧環強度及び比摩耗率を測定し、その結果を第１
図及び第２図に示した。

（発明の効果）本発明の固体潤滑性複合材料は、比摩耗率と摩擦係数の
両方が低く、しかも強度が著しくすぐれているもので、
特に比摩耗率は、従来品の10倍〜30倍も低下し、強度は
３倍〜4.5倍も高いというすぐれた効果を有するもので
ある。このために、比摩耗率による寿命又は強度による
寿命で形状的もしくは用途的に使用が困難と考えられて
いるような所、例えば、遠心分離機，カメラ，ボールベ
アリング，ニードルベアリングのリテーナー，シールリ
ングなどの各種の摺動材料や各種の軸受材料として利用
することができる産業上有用な材料である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例１の本発明品の内、試料No2の金属顕
微鏡による組織写真である。第２図は、実施例１の従来品に相当する比較品の内，試
料No11の金属顕微鏡による組織写真である。第３図は、実施例２で求めた本発明品と比較品におけ
る、含有潤滑性物質（WS₂）の量と圧環強度との関係図
であり、図中（ａ）の曲線が本発明品で、（ｂ）の曲線
が比較品を表わすものである。第４図は、実施例２で求めた本発明品と比較品におけ
る、含有潤滑性物質（WS₂）の量と比摩耗率との関係図
であり、図中（ａ）の曲線が本発明品で、（ｂ）の曲線
が比較品を表わすものである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】潤滑性物質と結合補助物質とを含有する30
μｍ以上〜1000μｍ以下の大きさの塊状相10重量％以上
〜80重量％以下と、残部が金属及び／又は合金を主成分
とする結合相とからなる固体潤滑性材料であって、該塊
状相は結晶粒径30μｍ未満の潤滑性物質を少なくとも60
重量％と、残りが主として、Cu,Ag,W,Ta,Mo,Nb及びこれ
らの２種以上の合金の中の少なくとも１種の結合補助物
質とでなり、該固体潤滑性材料は、該塊状相中の該潤滑
性物質の結晶粒が該結合補助物質により包囲されてお
り、該塊状相が該結合相により包囲されており、該結合
相の含有量が該結合補助物質の含有量よりも多いことを
特徴とする固体潤滑性複合材料。
【請求項２】上記塊状相は、粒径５μｍ以下の結晶粒が
複数個で形成されたものであることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の固体潤滑性複合材料。
【請求項３】上記塊状相は、50μｍ以上〜500μｍ以下
の大きさのものが50％以上含まれていることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項又は第２項記載の固体潤滑性複
合材料。
【請求項４】上記塊状相は、二硫化タングステン，二硫
化モリブデン及び黒鉛の中の少なくとも１種の潤滑性物
質からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項，第
２項又は第３項記載の固体潤滑性複合材料。
【請求項５】上記結合相は、Cu,Ag,Sn,Pb,Bi,Fe,Ni,Co,
Mn,Cr,Mo,W,Nb,Ta,Al,Zn,P,B及びこれら２種以上の合金
の中の少なくとも１種からなることを特徴とする特許請
求の範囲第１項，第２項，第３項又は第４項記載の固体
潤滑性複合材料。
【請求項６】上記結合相は、銅系合金，鉄系合金，ニツ
ケル系合金又はコバルト系合金からなることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項，第２項，第３項又は第４項記
載の固体潤滑性複合材料。
【請求項７】潤滑性物質を主成分とする粒径30μｍ未満
の粉末を造粒工程により複合粒とし、該複合粒と結合相
形成用粉末とを混合及び成形後、非酸化性雰囲気中で無
加圧焼結又は加圧焼結を行なって、潤滑性物質と結合補
助物質とを含有する30μｍ以上〜1000μｍ以下の大きさ
の塊状相10重量％以上〜80重量％以下と、残部が金属及
び／又は合金を主成分とする結合相とからなる固体潤滑
性材料を得る方法であって、該塊状相は結晶粒径30μｍ
未満の潤滑性物質を少なくとも60重量％と、残りが主と
して、Cu,Ag,W,Ta,Mo,Nb及びこれらの２種以上の合金の
中の少なくとも１種の結合補助物質でなる焼結体にする
ことを特徴とする固体潤滑性複合材料の製造方法。
【請求項８】上記潤滑性物質は、二硫化タングステン，
二硫化モリブデン又は黒鉛の中の少なくとも１種である
ことを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の固体潤滑
性複合材料の製造方法。
【請求項９】上記造粒工程は、造粒処理と加熱処理によ
って行なわれることを特徴とする特許請求の範囲第７項
又は第８項記載の固体潤滑性複合材料の製造方法。
【請求項１０】上記加熱処理は、非酸化性雰囲気中で70
0℃以上〜1200℃以下により行なわれることを特徴とす
る特許請求の範囲第９項記載の固体潤滑性複合材料の製
造方法。
【請求項１１】上記無加圧焼結又は加圧焼結は、400℃
以上〜1200℃以下で行なわれることを特徴とする特許請
求の範囲第７項，第８項，第９項又は第10項記載の固体
潤滑性複合材料の製造方法。