JPH0826339B2 - 自己潤滑性複合材及びその製造方法 - Google Patents

自己潤滑性複合材及びその製造方法

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JPH0826339B2
JPH0826339B2 JP3086921A JP8692191A JPH0826339B2 JP H0826339 B2 JPH0826339 B2 JP H0826339B2 JP 3086921 A JP3086921 A JP 3086921A JP 8692191 A JP8692191 A JP 8692191A JP H0826339 B2 JPH0826339 B2 JP H0826339B2
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卓彦 西田
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【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
性複合材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
潤滑性材として使用されている。これら従来の自己潤滑
性材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、高温および真空中での摩擦
係数及び比摩耗率が低く、しかも機械的性質に優れた自
己潤滑性複合材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、自己潤滑性複
合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、本発明は、窒化ホウ素と二硫化
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20μm
以上2000μm 以下の粒状潤滑性物質相を、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複合材である。
【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
め本発明は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併用する
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をつくることに成
功した。
【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。このようにして機械
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複合材料は、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複合材料
は、窒化ホウ素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20μm 以上2000μm 以下の粒状
潤滑性物質相を、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、上
記粒状潤滑性物質相は、窒化ホウ素と二硫化タングステ
ンをそれぞれ、少なくとも5体積%以上含み、さらに結
合相は、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種からなるも
のである。
【0012】窒化ホウ素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20μm 以上2000μm 以下
の粒状潤滑性物質相の占める体積が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、逆に体積の和が
80%超になると焼結体の強度が低下して複合材の形成
が困難となる。このため粒状潤滑性物質相の占める割合
には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を主成分とし、NiとBとを含む粒
状潤滑性物質相の大きさが、20μm 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、粒
状潤滑性物質相の大きさは20μm 以上2000μm 以
下とする。粒状潤滑性物質相において、窒化ホウ素と二
硫化タングステンの占める体積がそれぞれ5%未満であ
ると、窒化ホウ素の特徴である高温の潤滑性、及び二硫
化タングステンの特徴である真空中での潤滑性が発揮で
きない。そのため窒化ホウ素及び二硫化タングステンの
占める体積を5%以上とすることが望ましい。
【0013】窒化ホウ素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、N
i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難く、逆にNiが5.
0%超、Bが1.0%超では非常に脆い結合相が形成さ
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%以下とする。しかも、NiとBは共存させることが
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、あるいはNi−Bの合金として
添加しても差し支えない。
【0014】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、潤滑性物質と強固な結合を形
成するものである。この結合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−6Al−4Vなどのチタン系合金等を結合相
にすることができる。
【0015】本発明の自己潤滑性複合材料の製造方法に
おいて、粒状相をつく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。
【0016】本発明の自己潤滑性複合材の製造方法は、
窒化ホウ素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20μm 以上2000μm 以下の粒状潤滑性
物質の粉末と、銅系合金、鉄系合金、ニッケル系合金、
コバルト系合金及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70
0℃以上1300℃以下とする。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とするこ
とが望ましい。
【0017】
【実施例】窒化ホウ素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20μm 以上2000μm 以下の
粒状潤滑性物相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、その
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。
【0018】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/cm2 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10-5torrの真空度で測定し
た。
【0019】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。
【0020】本発明品は試料番号1から4であり、結合
相が銅系合金、鉄系合金、ニッケル合金、チタン合金の
例である。本発明の材料は引張強度が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。
【0021】本発明よりはずれた比較例は試料番号5か
ら8に示す。結合相中にNiとBを含まないか、ないし
はその量が少ない試料番号5と6は摩擦係数が小さいも
のの焼結体の強度が低い。試料番号7はWS2 を含まな
いために真空中での摩擦係数が大きい。試料番号8は潤
滑性物質の配合量が少ないために、強度は高いものの、
摩擦係数、比摩耗率ともに大きい。
【0022】
【表1】
【0023】
【表2】
【0024】
【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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C10M 125:04 125:26) C10N 10:12 10:16 20:00 A Z 20:06 Z 30:06 30:08 40:02 50:08 70:00

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 窒化ホウ素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20μm 以上2000μm 以
    下の粒状潤滑性物相を、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
    する自己潤滑性複合材。
  2. 【請求項2】 粒状潤滑性物相は、窒化ホウ素と二硫化
    タングステンを、それぞれ少なくとも5体積%含んでい
    る請求項1記載の自己潤滑性複合材。
  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記載の自己潤滑性複合
    材。
  4. 【請求項4】 窒化ホウ素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20μm 以上2000μm 以
    下の粒状潤滑性物質の粉末と、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
    己潤滑性複合材の製造方法。
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