JPH09324228A - 固体潤滑剤粒子分散金属部材及びその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の強化銅、アルミニウム及び鉄合金の問
題点ならびに酸化物分散強化型銅合金の問題点を克服
し、抵抗電極、摺動材、電気接点などに好適な、優れた
耐摩耗性と高強度を有する固体潤滑剤粒子分散金属部材
及びその製造法を提供する。 【解決手段】 機械的合金化を経て得られる金属部材で
あって、金属基地中にセラミックス微粒子、金属固体潤
滑剤粒子及び固体潤滑剤短繊維が分散してなることを特
徴とする固体潤滑剤粒子分散金属部材。 【効果】 高強度及び高耐摩耗性を有する固体潤滑剤粒
子分散金属部材が得られ、圧縮機等の摺動部材として極
めて有効である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス微粒
子、金属固体潤滑剤粒子、特にＰｂ粒子及び固体潤滑剤
短繊維、特に炭素繊維を分散してなり、高導電性、高熱
伝導性、耐熱性及び耐摩耗性のうち１種以上の特性を具
備する金属部材、特に銅合金、アルミニウム、鉄系合金
の金属部材に関し、特に摺動材、電気接点などの導電性
耐熱性強化部材に好適な固体潤滑剤粒子分散強化銅合
金、固体潤滑剤粒子分散強化アルミニウム合金及び固体
潤滑剤粒子分散強化鉄系合金ならびにその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】銅の有する高導電性、高熱伝導性等の基
本的特性を種々の産業用製品に活用する目的で、銅の弱
点である強度不足を補強した種々の銅合金の製品が製造
されている。銅の強化方法として、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｃｄ、
Ｂｅ等の固溶量の少ない元素を一種又は複数種添加して
時効処理による析出硬化を行う方法や、銅母相にその母
相と難反応性のセラミックス粒子を分散して強化する方
法がある。

【０００３】これらの強化は、いずれも微細に分散する
析出粒子あるいはセラミックス粒子が塑性変形を担う転
位運動を妨げることによりなされる。前者の強化方法
は、特開昭57-9850号公報に、後者の方法については、
酸化物分散強化として特開平2-213433号公報、炭化物強
化として特開平1-96338号公報、窒化物強化として特開
昭60-208402号公報、窒化物分散強化として特開平6-271
956号公報等に開示されている。

【０００４】なお、上記析出硬化型銅合金は約400 ℃以
下であれば強度を保持できるが、その温度を超える高温
では析出物の熱分解により硬化能を失う。一方、グラフ
ァイト粉末又はＢＮ粉末の添加は、銅合金の潤滑性又は
低接触抵抗耐溶着性を向上させる。その製造方法は、例
えば特開昭57-123943号公報に開示されている。また、
低接触抵抗耐溶着性向上のためにグラファイト粉末の添
加を行った電気接点用銅合金は、特開昭62-284031号公
報に開示されている。

【０００５】セラミックス分散強化型銅合金における分
散方法としては、粉末混合法や内部酸化法を利用する酸
化物分散強化方法以外に、銅粉末とセラッミクス微粉末
の混合粉末の機械的合金化法が知られており、これらの
方法は特開平3-2338号公報、特開平2-213433号公報、特
開昭63-83240号公報等に記載されている。セラミックス
粒子の微細化分散としては、上記内部酸化法及び機械的
合金化法が優れており、部材製造方法としては、熱間押
出し等の粉末冶金的手法が用いられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】耐摩耗材料として使用
される銅合金では、一般的に、優れた潤滑性を有するグ
ラファイトあるいはＢＮが添加される。しかし、高荷重
で相手材と接触した場合には、双方に凝着等の損傷が生
じるおそれがある。本発明の目的は、上述した従来の強
化銅、アルミニウム及び鉄合金の問題点ならびに酸化物
分散強化型銅合金の問題点を克服し、抵抗電極、摺動
材、電気接点などに好適な、優れた耐摩耗性と高強度を
有する固体潤滑剤粒子分散金属部材及びその製造法を提
供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者らは、母相中にセラミックス微粒子、
金属固体潤滑剤粒子、更に固体潤滑剤短繊維を分散すれ
ば、従来の銅合金よりも優れた特性を発揮し、耐摩耗
性、接点材料に好適な金属部材が得られることを見出し
た。また、そのような金属部材の原料となる金属粉末の
製造工程を、機械的合金化により金属粉末の内部にセラ
ミックス微粒子及び金属固体潤滑粒子を分散させる第１
段工程と、次いで固体潤滑剤短繊維を混合する第２段工
程とに分けることにより、金属粉末を汚染することなく
固体潤滑剤短繊維を分散させることができ、粒子間の結
合が強固な金属部材が得られることを見出し、本発明を
完成した。

【０００８】即ち、本発明は、機械的合金化を経て得ら
れる金属部材であって、金属基地中にセラミックス微粒
子、金属固体潤滑剤粒子及び固体潤滑剤短繊維が分散し
てなることを特徴とする固体潤滑剤粒子分散金属部材で
ある。また、本発明は、金属基地中にセラミックス微粒
子、金属固体潤滑剤粒子及び固体潤滑剤短繊維が分散し
てなる固体潤滑剤粒子分散金属部材において、金属固体
潤滑剤粒子が主に固体潤滑剤短繊維の周囲に分散してい
ることを特徴とする固体潤滑剤粒子分散金属部材であ
る。

【０００９】さらに、本発明は、機械的合金化を経て得
られる金属粉末であって、金属粉末内部にセラミックス
微粒子、金属固体潤滑剤粒子及び固体潤滑剤短繊維が分
散してなることを特徴とする固体潤滑剤粒子分散金属粉
末である。さらに、本発明は、金属粉末内部にセラミッ
クス微粒子、金属固体潤滑剤粒子及び固体潤滑剤短繊維
が分散してなる固体潤滑剤粒子分散金属粉末において、
金属固体潤滑剤粒子が主に固体潤滑剤短繊維の周囲に分
散していることを特徴とする固体潤滑剤粒子分散金属粉
末である。

【００１０】さらに、本発明は、機械的合金化により金
属粉末の内部にセラミックス微粒子及び金属固体潤滑粒
子を分散させる第１段工程と、前記セラミックス微粒子
及び金属固体潤滑粒子を分散させた金属粉末と固体潤滑
剤短繊維とを混合し、前記金属固体潤滑剤粒子を主に前
記固体潤滑剤短繊維の周囲に分散させる第２段工程とを
有することを特徴とする固体潤滑剤粒子分散金属粉末の
製造法である。

【００１１】さらに、本発明は、上記固体潤滑剤粒子分
散金属粉末を焼結することを特徴とする固体潤滑剤粒子
分散金属部材の製造法である。さらに、本発明は、上記
固体潤滑剤粒子分散金属粉末を焼結した後、さらに熱処
理することを特徴とする固体潤滑剤粒子分散金属部材の
製造法である。

【００１２】

【発明の実施の形態】

〔１〕固体潤滑剤粒子分散金属粉末 本発明の固体潤滑剤粒子分散金属粉末は、金属粉末内部
にセラミックス微粒子、金属固体潤滑剤粒子及び固体潤
滑剤短繊維が分散してなるものであって、特に金属固体
潤滑剤粒子が主に固体潤滑剤短繊維の周囲に分散してな
るものである。また、セラミックス微粒子はマトリック
スの金属粒子内に分散しており、金属固体潤滑剤粒子と
固体潤滑剤短繊維はマトリックスの金属の粒界に主に存
在しているものである。

【００１３】本発明の固体潤滑剤粒子分散金属粉末にお
ける金属は、銅、アルミニウム、鉄又はそれらの混合物
であるのが好ましい。これらの金属は、基地粒子固体潤
滑剤分散金属粉末を製造する際、基地粒子を汚染させる
ことなく、清浄化を保ち、自己潤滑性に優れた金属固体
潤滑剤粒子及び固体潤滑剤短繊維を保持し、個々の粒子
とのなじみ性や結合力を損わずに、強固な金属部材とな
り得る。また、この金属粉末を用いることにより、高強
度、高熱伝導性、高電気伝導性、高耐摩耗性を有する固
体潤滑剤粒子分散金属部材が得られる。

【００１４】本発明の固体潤滑剤粒子分散金属粉末にお
けるセラミックス微粒子は、ＢＮ、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃及
びＢ₄Ｃから選ばれる少なくとも１種であるのが好まし
い。ＢＮ粒子は高熱伝導性六方晶であり、黒鉛と同様の
結晶構造を有するため、優れた固体潤滑性をもってい
る。また、このＢＮ粒子は硬度が高く、化学的安定性に
も優れる。

【００１５】分散強化合金粒子として用いるセラミック
ス微粒子の平均粒径は、１〜200 nmであるのが好まし
い。１nm未満であると又は200 nmを超えると、マトリッ
クス金属の強化効果が十分に得られず、また、金属固体
潤滑剤粒子及び固体潤滑剤短繊維を保有することができ
ず、それら粒子及び短繊維の脱落が顕著になる。セラミ
ックス微粒子の平均粒径は、特に１〜100 nmであるのが
好ましい。

【００１６】セラミックス微粒子は、より微粒であるほ
ど少ない含有量で効果を発揮することができるが、その
含有量は一般に0.01〜1.0 重量％であるのが好ましく、
特に0.03〜0.3 重量％であるのが好ましい。0.01重量％
未満では、本発明の効果を発揮するのが困難となる。ま
た、1.0 重量％を超えると、セラミックス微粒子がマト
リックス粒子間に析出するため、マトリックス粒子間の
結合力が阻害され、そのマトリックス粒子が脱落するお
それがある。

【００１７】金属固体潤滑剤粒子は、Ｐｂ、Ｓｂ及びＢ
ｉから選ばれる少なくとも１種であるのが好ましく、そ
れらの平均粒径は10〜100 μｍ程度であるのが好まし
い。この金属固体潤滑剤粒子の含有量は、0.5 〜10重量
％であるのが好ましい。0.5 重量％未満では、潤滑効果
が得られにくいため耐摩耗性が低くなり、10重量％を超
えると強度が低下する。摩耗特性の向上という面では、
固体潤滑剤短繊維等の固体潤滑剤単独でも効果がある
が、金属固体潤滑剤粒子であるＰｂ等が混在すると著し
い相乗効果が得られる。特に、１〜５重量％が好まし
い。

【００１８】金属固体潤滑剤粒子としてＰｂを0.5 〜10
重量％添加すると、機械的に合金化した金属粉末の収率
が向上し、かつ得られる金属粉末の粒径を小さくするこ
とができる。また、摩擦係数も小さくすることができ
る。低融点合金であって、かつＣｕに対する固溶量が３
重量％以下のＳｂ及び／又はＢｉをＣｕに0.5 〜10重量
％、好ましくは１〜５重量％添加すると、耐摩耗性に優
れた高耐摩耗材料が得られる。

【００１９】固体潤滑剤短繊維としては、黒鉛粉末、そ
のウイスカー、炭素繊維、ＢＮ粉、Ｗ₂Ｓ、Ｍｏ₂Ｓ等の
１種又は複数種が好ましく、それらの中でも、特に炭素
繊維が好ましい。炭素繊維の添加により、第一に高い潤
滑性及び耐熱性が付与されるため、好適な摺動材料が得
られる。第二に、優れた低接触抵抗耐溶着性が付与され
るため、遮断器、開閉器等の電気接点材料として好適な
材料が得られる。

【００２０】固体潤滑剤短繊維の含有量は、５〜25体積
％であるのが好ましく、特に10〜20体積％であるのが好
ましい。５体積％未満では、上記特性を発揮できず、25
体積％を超えると、強度の低下を引き起こす。繊維又は
ウイスカーとしての平均直径は0.25〜10μｍであるのが
好ましく、その長さは10〜500 μｍ、特に20〜100 μｍ
であるのが好ましい。

【００２１】本発明の固体潤滑剤粒子分散金属粉末は機
械的合金化を経て得られるものであるが、このような金
属粉末を製造する場合に、金属、セラミックス微粒子、
金属固体潤滑剤粒子及び固体潤滑剤短繊維を同時に混合
してボールミルを長時間行うと、固体潤滑剤短繊維が微
細に粉砕され、母相である金属の表面が汚染されるた
め、機械的合金化及びそれによるセラミックス微粒子の
分散ができない。また、そのようにして得られた金属粉
末を焼結成形しても、個々の粒子拡散成長がみられない
ため結合力が著しく弱く、粒子の脱落等の欠陥あるいは
破損が生じ、好ましくない。本発明の固体潤滑剤粒子分
散金属粉末は、以下のように、第１段工程及び第２段工
程を行うことによって、上記の問題を解決し、好ましく
製造することができる。

【００２２】(1) 第１段工程 第１段工程では、機械的合金化（メカニカルアロイン
グ）により金属粉末の内部にセラミックス微粒子及び金
属固体潤滑粒子を分散させる。例えば、高エネルギーボ
ールミルを使用して、金属粉末、セラミックス微粒子及
び金属固体潤滑粒子をボールとともに容器内に収容し、
その容器を回転させてボールに遠心力を与え、上記金属
粉末、セラミックス微粒子及び金属固体潤滑粒子を押圧
し、金属を塑性変形させる。

【００２３】このような高エネルギーボールミルによる
機械的合金化は、ミル内で運動するボールの有するボー
ル間又はボール及び容器間の衝撃エネルギーによって金
属を塑性変形させて扁平化するとともに、圧縮粉砕及び
剪断摩砕過程を繰り返すことにより、それらの間に存在
する金属粉末中にセラミックス微粒子及び固体潤滑剤粒
子を埋め込むことにより進行する。

【００２４】ボール及び容器の材質は、機械的合金化時
における金属マトリックスへの不純物汚染をできるだけ
防止するために、金属製が好ましい。金属としては、
鉄、ステンレス系綱等が好ましい。酸化物系セラミック
ス製のボール及び容器は、酸化反応等の問題があり好ま
しくない。容器内は、100 〜200 ℃の温度及び10^-4〜10
^-6Torrの圧力に保持するのが好ましく、容器中の空気
は、金属の酸化を防止するために純度99.9％以上のＡｒ
ガスやＮ₂ガス等で置換するのが好ましい。この機械的
合金化は、ボールミルの回転数150 〜200 rpm で30〜50
時間行うのが好ましい。

【００２５】(2) 第２段工程 第２段工程では、第１段工程でセラミックス微粒子及び
金属固体潤滑粒子を分散させた金属粉末と、固体潤滑剤
短繊維とを混合し、金属固体潤滑剤粒子を主に固体潤滑
剤短繊維の周囲に分散させる。この第２段工程は常法に
よって行えばよいが、例えば、ボールミルを使用して、
上記金属粉末と、固体潤滑剤短繊維とを短時間で混合・
分散すればよい。このように、固体潤滑剤短繊維を機械
的合金化とは別個に分散させることにより、金属粉末を
汚染することなく該固体潤滑剤短繊維を粉砕、分散させ
ることができる。

【００２６】第１段工程と同様に、容器内は100 〜200
℃の温度及び10^-4〜10^-6Torrの圧力に保持するのが好ま
しく、容器中の空気は、金属の酸化を防止するために純
度99.9％以上のＡｒガスやＮ₂ガス等で置換するのが好
ましい。この第２段工程は、ボールミルの回転数150 〜
200 rpm で５〜10分間行うのが好ましい。

【００２７】〔２〕固体潤滑剤粒子分散金属部材 本発明の固体潤滑剤粒子分散金属部材は、金属基地中に
セラミックス微粒子、金属固体潤滑剤粒子及び固体潤滑
剤短繊維が分散してなるものであって、特に金属固体潤
滑剤粒子が主に固体潤滑剤短繊維の周囲に分散してなる
ものである。このような固体潤滑剤粒子分散金属部材で
は、粒子間の強固な結合が保持できるため、高荷重時の
摺動における金属粒子及び固体潤滑剤粒子の脱落を顕著
に防止でき、長期にわたって優れた摺動特性が得られ
る。

【００２８】本固体潤滑剤粒子分散金属部材は、前述し
た本発明の固体潤滑剤粒子分散金属粉末を焼結すること
により製造することができるが、焼結を行う前に、当該
金属粉末を高純度水素（好ましくは、99.99 ％以上の純
度の水素）気流中にて焼鈍純化するのが好ましい。ま
た、焼鈍純化の後、上記固体潤滑剤粒子分散金属粉末を
金属製の容器に充填し、その容器内を脱ガス処理した
後、密閉体としておくのが好ましい。

【００２９】固体潤滑剤含有金属粉末の焼結は、常法に
よって行えばよく、ホットプレス、ＨＩＰ、放電焼結法
等により行うことができる。例えば放電焼結を行う場合
には、容器内の圧力を10^-4〜10^-6Torr程度にすることに
より粉末等に吸着しているガス等を除去し、該粉末を50
0 〜1000kgf／cm²で加圧しながら、パルス電流の印加に
より粉末表面の酸化物等を除去して活性化した後、1000
〜2000Ａの直流電流を印加すればよい。

【００３０】また、ＨＩＰ処理を行う場合には、固体潤
滑剤粒子分散金属粉末をＨＩＰ用の軟鋼カプセルに入
れ、約500 〜600 ℃に加熱するとともに、真空度５×10
^-4Torr以下になるまで真空排気脱ガスした後、真空封止
し、次いで昇温速度300 〜600℃／ｈで昇温し、焼結圧
力1000〜2000kg／cm² 、焼結温度600 〜800 ℃を0.5 〜
1.0 時間程度保持すればよい。

【００３１】以上のような焼結を行うことにより固体潤
滑剤粒子分散金属部材が得られるが、焼結を行っただけ
では、得られる金属部材が脆弱な場合があるため、好ま
しくは、さらに熱処理を行う。このような熱処理は常法
によればよく、例えば熱間加工、好ましくはスエージン
グ加工を行う。このような熱処理、特にスエージング加
工を行うと、特にマトリックス粒子同士が強固に結合
し、欠陥がなく、強度の高い金属部材を製造することが
できる。

【００３２】スエージング加工は、一般に以下のように
して行われる。あらかじめ、金属部材を密閉容器に装入
し、10^-4〜10^-6Torr程度に減圧密閉した後、ステンレス
製パイプに入れておく。この金属部材を入れた密閉容器
を高温で加熱し、１回の加熱につき直径１〜２mm程度減
肉させる。この高温加熱工程を数回繰り返し、金属部材
を縮小させる。加熱温度は800 〜900 ℃が好ましく、そ
の温度で0.5 〜1.0 時間（／回）保持するのが好まし
い。

【００３３】以上説明した方法によって得られる本発明
の固体潤滑剤粒子分散金属部材は、高導電性、高熱伝導
性、耐摩耗性、耐熱性等の優れた特性を有するものであ
る。このような固体潤滑剤粒子分散金属部材は、圧縮機
等の摺動部材や、真空遮断器用電極、パンタグラフのス
ライダー等に極めて有効である。

【００３４】

【実施例】

〔実施例１〕粒径149 μｍ以下、純度99.99 ％の電解銅
粉末と、平均粒径1.5μｍ以下の熱伝導性六方晶ＢＮ粒
子0.1 重量％と、粒径10〜60μｍのＰｂ粒子2.0 重量％
との混合粉末を用いて、高エネルギーボールミルにより
分散及び機械的合金化を行った。即ち、鉄製ボールを収
容した鉄製のボールミル容器に混合粉末を装荷し、ボー
ルミル容器を100 ℃の温度に保持するとともに、容器内
を10^-4Torrに脱ガス処理し、次いで、Ａｒガス（純度9
9.9％以上）置換を行い、その後、室温付近の温度下、
回転数150rpmで30時間機械的合金化処理を行った。

【００３５】機械的合金化処理を施した混合粉末に、30
〜40mmの長さに切断した固体潤滑剤炭素繊維を、１、
５、10、15、20、25、30体積％となるように変化させて
添加した（試料No.1,2,3,4,5,6,7）。これら混合粉末、
炭素繊維及び鉄製ボールを収容した鉄製のボールミル容
器を100 ℃の温度に保持するとともに、容器内を10^-4To
rrに脱ガス処理し、次いで、Ａｒガス（純度99.9％以
上）置換を行い、その後、室温付近の温度下、回転数15
0rpmで10分間粉砕、混合化処理を行った。このようにし
て得られた固体潤滑剤粒子分散金属粉末を、99.99 ％以
上の高純度水素気流中にて焼鈍純化した。

【００３６】焼鈍純化した固体潤滑剤含有金属粉末を、
電極を兼ねた上下パンチの間に充填し、黒鉛製ダイ及び
そのパンチを容器内の焼結ステージ上に設置し、上下電
極で挾んだ。次いで、それらを収容した容器内を５×10
^-2Torrになるように排気して、粉末等に吸着しているガ
ス等を除去し、粉体を1000kgf／cm²の成形圧力で加圧し
た。続いて、パルス電流の印加により粉体表面の酸化物
等を除去し、活性化した後、直流電流2000Ａを印加した
（通電時間：３分）。このようにして、固体潤滑剤粒子
分散金属粉末を放電焼結法により焼結し、固体潤滑剤粒
子分散金属部材とした。得られた固体潤滑剤粒子分散金
属部材（試料No.1〜7 ）の原料混合比等を表１に示す。

【００３７】〔比較例１〕粒径149 μｍ以下、純度99.9
9 ％の電解銅粉末と、平均粒径1.5μｍ以下の熱伝導性
六方晶ＢＮ粒子0.1 重量％と、粒径10〜60μｍのＰｂ粒
子2.0 重量％と、30〜40mmの長さに切断した固体潤滑剤
炭素繊維20体積％との混合粉末を用いて、高エネルギー
ボールミルにより分散及び機械的合金化を行った。

【００３８】即ち、鉄製ボールを収容した鉄製のボール
ミル容器に混合粉末を装荷し、ボールミル容器を100 ℃
の温度に保持するとともに、容器内を10^-4Torrに脱ガス
処理し、次いで、Ａｒガス（純度99.9％以上）置換を行
い、その後、室温付近の温度下、回転数150rpmで30時間
機械的合金化処理を行った。得られた固体潤滑剤粒子分
散金属粉末を、実施例１と同様にして焼鈍純化及び放電
焼結し、固体潤滑剤粒子分散金属部材とした。この固体
潤滑剤粒子分散金属部材（試料No.8）の原料混合比等を
表１に示す。

【００３９】

【表１】

【００４０】〔実施例２〕電解銅粉末の代わりに粒径12
5 〜149 μｍ、純度99.99 ％のアルミニウム粉末を使用
する以外、実施例１と同様にして機械的合金化、粉砕、
混合化処理、焼鈍純化及び焼結を行い、固体潤滑剤粒子
分散金属部材を得た。

【００４１】〔実施例３〕電解銅粉末の代わりに粒径12
5 〜149 μｍ、純度99.99 ％の電解鉄粉末を使用する以
外、実施例１と同様にして機械的合金化、粉砕、混合化
処理、焼鈍純化及び焼結を行い、固体潤滑剤粒子分散金
属部材を得た。

【００４２】〔実施例４〕実施例１と同様の原料を使用
するとともに、実施例１と同様にして機械的合金化及び
粉砕、混合化処理を行った。得られた固体潤滑剤粒子分
散金属粉末を肉厚３mmのＨＩＰ（熱間静水圧焼結）用軟
鋼カプセルに入れ、約500 〜600 ℃に加熱するととも
に、真空度５×10^-4Torr以下になるまで真空排気脱ガス
した後、真空封止した。次いで、昇温速度10℃/minで昇
温し、焼結圧力2000kg／cm² 、焼結温度1000℃を２時間
保持してＨＩＰ処理を行うことにより焼結し、固体潤滑
剤粒子分散金属部材とした。

【００４３】〔実施例５〕実施例１と同様にして製造し
た固体潤滑剤粒子分散金属部材を、鉄製の容器に装荷
し、10^-4Torrに減圧密閉した。続いて、減圧密閉した部
材をステンレス製パイプに入れ、熱間圧縮成形加工（ス
エージング加工）を行った。スエージング加工では、80
0 〜900 ℃で１時間加熱保持し、試料の直径を２mm減肉
させる加熱工程を９回繰り返し、直径40mmの試料を直径
23mmまで縮小させた。得られた固体潤滑剤粒子分散金属
部材は、組織が微細化されており、さらに基地粒子間同
士の結合力が強化され、強靱な成形体であった。

【００４４】〔試験例１〕実施例１及び比較例１で得ら
れた固体潤滑剤粒子分散金属部材（試料No.1,4,8）の組
織を分析した。図１は、試料No.1の固体潤滑剤粒子分散
金属部材の組織を光学顕微鏡により分析した結果を示す
写真であり、図２は、試料No.4の固体潤滑剤粒子分散金
属部材の組織を光学顕微鏡により分析した結果を示す写
真である。図１及び図２より、これらの金属部材では、
白色相の基地中に針状又は粒状の黒色相である炭素繊維
が強固に結合され、粒子の脱落、空孔等の欠陥がなく、
極めて緻密な組織となっていることが分かる。また、こ
れら金属部材中では、Ｐｂ（黒鉛）が主に炭素繊維の周
囲に分散していることが分かる。

【００４５】図３〜５に、試料No.4の固体潤滑剤粒子分
散金属部材のＸＭＡ分析結果を示す。図３はＳＥＭ像で
あり、図４は炭素分析、図５はＰｂ分析の結果を示す写
真である。母相中に分布している黒色相では高濃度の炭
素が検出され、更に同一部分にＰｂも検出された。一
方、図６は比較例１で得られた固体潤滑剤粒子分散金属
部材（試料No.8）の組織を光学顕微鏡により分析した結
果を示す写真である。図６の写真中、扁平状の白色相は
基地であり、その周囲の紐状の黒色相は微細に粉砕され
たＰｂ（黒鉛）である。図６から明らかなように、本金
属部材は、母相粒子周囲が黒鉛微粉等により汚染され、
粒子間の結合力が著しく低下した脆弱な組織となってい
る。

【００４６】〔試験例２〕実施例１及び比較例１で得ら
れた固体潤滑剤粒子分散金属部材（試料No.1〜8）につ
いて、以下のようにして摺動摩擦試験を行った。固定片
（φ11×13mm）に試料No.1〜8 、相手材である可動片
（130mm ×15mm×10mm）に純銅を用い、面圧25kg／c
m² 、摩擦速度0.2 m/s 、摩擦距離1000ｍの条件下、無
潤滑状態で試験を行った。結果を図７に示す。

【００４７】試験結果より、実施例１で得られた固体潤
滑剤粒子分散金属部材の中でも、炭素繊維の添加量が５
〜25体積％である金属部材が好ましいことが分かった。
特に、炭素繊維の添加量が15〜20体積％である固体潤滑
剤粒子分散金属部材は、ほとんど摩耗がなく、耐摩耗性
に極めて優れていた。このような金属部材は、基地中に
分散している炭素繊維とＰｂとの相乗効果により、耐摩
耗性を向上させることができる。比較材である金属部材
（試料No.8）では、カジリや凝着等の摩耗が著しく発生
した。また、試験中に粒子の脱落が多く、摩擦距離200
ｍで試験不能になった。

【００４８】〔試験例３〕図６は、実施例１で得られた
固体潤滑剤粒子分散金属部材（試料No.3）を用いたカー
エアコン用斜板式圧縮機の断面図である。この圧縮機で
は、電磁クラッチの動作によりシャフト55が回転し、こ
のシャフト55に取付けられた斜板57がシャフト55の回転
とともに回転して揺動運動する。この揺動運動はピスト
ン53の往復運動を生じさせ、媒体の圧縮を行う。ピスト
ン53には斜板57と接触して摺動する摺動子59が設けられ
る。本試験例では、摺動子59に実施例１で得られた固体
潤滑剤粒子分散金属部材（試料No.3）を用いた。この圧
縮機をカーエアコンに組み込み、耐久試験を行った。

【００４９】試験条件は、回転数：5500rpm 、吐出ガス
圧：30kg/cm²、吸入側ガス圧：２kg/cm²、試験時間：50
0 hr、潤滑油：ポリアレキレングリコール、冷媒：Ｒ１
３４ａであった。なお、比較のため、シリンダにＢ３９
０合金、ピストンリング材にＰＴＦＥ＋30体積％炭素繊
維＋２体積％ＣａＦ₂の組合せについても同様の試験を
行った。

【００５０】試験開始１時間後及び500 時間後における
体積効率と全断熱効率を測定した。体積効率はシリンダ
ボアの理論容積と吐出量との比率であり、シリンダボア
とピストンリング間にギャップが生じると体積効率は低
下する。全断熱効率は、回転エネルギーから変換された
熱エネルギーが圧縮機の冷却エネルギーに寄与する率で
あり、シリンダボアとピストンリング間にギャップが生
じると全断熱効率も低下する。従って、これらはコンプ
レッサの耐久性の目安になり、低下の少ないものが耐久
性に優れる。

【００５１】試料No.3の金属部材を組み込んだ圧縮機
は、500 時間後でも体積効率が60％、全断熱効率が57％
であり、両者ともに低下が少なく、耐久性に優れてい
た。これに対し、シリンダにＢ３９０合金、ピストンリ
ング材にＰＴＦＥ＋30体積％炭素繊維＋２体積％ＣａＦ
₂を用いた組合せについては、体積効率が52％、全断熱
効率が49％であった。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、高強度及び高耐摩耗性
を有する固体潤滑剤粒子分散金属部材が得られ、圧縮機
等の摺動部材として極めて有効である。また、この固体
潤滑剤粒子分散金属部材は、熱伝導性及び電気伝導性に
も優れるため、真空遮断器用電極、パンタグラフのスラ
イダー等としても極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１で得られた固体潤滑剤粒子分散金属部
材（試料No.1）の金属組織を示す顕微鏡写真である。

【図２】実施例１で得られた固体潤滑剤粒子分散金属部
材（試料No.4）の金属組織を示す顕微鏡写真である。

【図３】実施例１で得られた固体潤滑剤粒子分散金属部
材（試料No.4）の金属組織を示すＳＥＭ像の写真であ
る。

【図４】実施例１で得られた固体潤滑剤粒子分散金属部
材（試料No.4）の組織（Ｃ）のＸＭＡ分析結果を示す写
真である。

【図５】実施例１で得られた固体潤滑剤粒子分散金属部
材（試料No.4）の組織（Ｐｂ）のＸＭＡ分析結果を示す
写真である。

【図６】比較例１で得られた固体潤滑剤粒子分散金属部
材（試料No.8）の金属組織を示す顕微鏡写真である。

【図７】実施例１及び比較例１で得られた固体潤滑剤粒
子分散金属部材について摺動摩耗試験を行った結果を示
す棒グラフである。

【図８】試験例３で使用した斜板式圧縮機の断面図を示
す。

【符号の説明】

51…シリンダブロック、52…シリンダボア、53…ピスト
ン、54…中心孔、55…シャフト、56…軸受、57…斜板、
58…スプリングピン、59…摺動子

───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｃ２２Ｃ 33/02 １０３ Ｃ２２Ｃ 33/02 １０３Ａ (72)発明者 馬場 昇 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機械的合金化を経て得られる金属部材で
   あって、金属基地中にセラミックス微粒子、金属固体潤
   滑剤粒子及び固体潤滑剤短繊維が分散してなることを特
   徴とする固体潤滑剤粒子分散金属部材。
2. 【請求項２】 金属基地中にセラミックス微粒子、金属
   固体潤滑剤粒子及び固体潤滑剤短繊維が分散してなる固
   体潤滑剤粒子分散金属部材において、金属固体潤滑剤粒
   子が主に固体潤滑剤短繊維の周囲に分散していることを
   特徴とする固体潤滑剤粒子分散金属部材。
3. 【請求項３】 前記固体潤滑剤粒子分散金属部材が焼結
   体であることを特徴とする請求項１又は２記載の固体潤
   滑剤粒子分散金属部材。
4. 【請求項４】 機械的合金化を経て得られる金属粉末で
   あって、金属粉末内部にセラミックス微粒子、金属固体
   潤滑剤粒子及び固体潤滑剤短繊維が分散してなることを
   特徴とする固体潤滑剤粒子分散金属粉末。
5. 【請求項５】 金属粉末内部にセラミックス微粒子、金
   属固体潤滑剤粒子及び固体潤滑剤短繊維が分散してなる
   固体潤滑剤粒子分散金属粉末において、金属固体潤滑剤
   粒子が主に固体潤滑剤短繊維の周囲に分散していること
   を特徴とする固体潤滑剤粒子分散金属粉末。
6. 【請求項６】 前記金属粉末が、銅、アルミニウム及び
   鉄から選ばれる少なくとも１種からなることを特徴とす
   る請求項４又は５記載の固体潤滑剤粒子分散金属粉末。
7. 【請求項７】 前記セラミックス微粒子が、ＢＮ、Ａｌ
   Ｎ、Ａｌ₂Ｏ₃及びＢ₄Ｃから選ばれる少なくとも１種か
   らなることを特徴とする請求項４又は５記載の固体潤滑
   剤粒子分散金属粉末。
8. 【請求項８】 前記金属固体潤滑剤粒子が、Ｐｂ、Ｓｂ
   及びＢｉから選ばれる少なくとも１種からなることを特
   徴とする請求項４又は５記載の固体潤滑剤粒子分散金属
   粉末。
9. 【請求項９】 前記固体潤滑剤短繊維が炭素繊維である
   ことを特徴とする請求項４又は５記載の固体潤滑剤粒子
   分散金属粉末。
10. 【請求項１０】 セラミックス微粒子の含有量が0.01〜
    1.0 重量％、金属固体潤滑剤粒子の含有量が0.5 〜10重
    量％、固体潤滑剤短繊維の含有量が５〜25体積％である
    ことを特徴とする請求項４又は５記載の固体潤滑剤粒子
    分散金属粉末。
11. 【請求項１１】 機械的合金化により金属粉末の内部に
    セラミックス微粒子及び金属固体潤滑粒子を分散させる
    第１段工程と、前記セラミックス微粒子及び金属固体潤
    滑粒子を分散させた金属粉末と固体潤滑剤短繊維とを混
    合し、前記金属固体潤滑剤粒子を主に前記固体潤滑剤短
    繊維の周囲に分散させる第２段工程とを有することを特
    徴とする固体潤滑剤粒子分散金属粉末の製造法。
12. 【請求項１２】 金属粉末、セラミックス微粒子及び金
    属固体潤滑粒子を金属製ボールとともに金属製容器内に
    収容し、前記金属製容器を回転させることにより前記金
    属粉末を塑性変形させるのに十分な押圧力となり得る遠
    心力を前記金属製ボールに付与し、前記金属製ボールの
    遠心力によって前記金属粉末、セラミックス微粒子及び
    金属固体潤滑粒子を押圧することにより、前記機械的合
    金化を行うことを特徴とする請求項１１記載の固体潤滑
    剤粒子分散金属粉末の製造法。
13. 【請求項１３】 前記機械的合金化を30〜50時間行い、
    前記第２段工程の分散を５〜10分間行うことを特徴とす
    る請求項１１記載の固体潤滑剤粒子分散金属粉末の製造
    法。
14. 【請求項１４】 請求項４乃至１０いずれか記載の固体
    潤滑剤粒子分散金属粉末を焼結することを特徴とする固
    体潤滑剤粒子分散金属部材の製造法。
15. 【請求項１５】 請求項４乃至１０いずれか記載の固体
    潤滑剤粒子分散金属粉末を焼結した後、さらに熱処理す
    ることを特徴とする固体潤滑剤粒子分散金属部材の製造
    法。
16. 【請求項１６】 前記焼結を、放電焼結、ホットプレス
    又はＨＩＰにより行うことを特徴とする請求項１４又は
    １５記載の固体潤滑剤粒子分散金属部材の製造法。
17. 【請求項１７】 前記熱処理として、スエージング加工
    を行うことを特徴とする請求項１５記載の固体潤滑剤粒
    子分散金属部材の製造法。