JPH1016126A - 機械的複合部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属材料との冶金的接合が困難であるＰＴＦ
Ｅ樹脂のような潤滑性、耐焼付き性および耐腐食性を向
上させるための非金属機能材料をより多く含有し、且
つ、充分な強度を有する複合部材を得ること。 【解決手段】 金属母材と、この母材と接合した金属粒
あるいは金属塊を数層以下に整列した空隙を有する表面
層とからなり、且つ、この表面層の空隙内に非金属材料
を充填したもので、この複合体における表面層の形成
は、上記の金属粒あるいは線材その他の形状の金属塊と
ともに、これらより低融点の金属材料を介在させて、そ
の一部に液相が発生する温度以上に加熱して金属母材と
接合することによって得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は摺動部材および軸受
部材に適した金属と非金属を機械的に結合した複合部材
とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、摺動部材および軸受部材として、
金属母材上に金属材料を焼結や圧接によって結合した複
合部材が使用されていたが、焼結層および母材となる鋼
等の厚さおよび面積に制限があり、寸法的な自由度に乏
しく、厚物および大型品には不適である。

【０００３】また、最近はセラミックスあるいはプラス
チックスのような非金属材料が盛んに用いられるように
なってきた。

【０００４】しかし、これら非金属材料は、融点、伸び
および強度などの特性が金属材料とは著しく異なるため
焼結や圧接などの冶金的接合が困難であり、リベットや
ボルトによる機械的接合、接着剤による接着および寸法
的嵌め合い等による接合方法が主に用いられてきた。

【０００５】特に、潤滑性、耐焼付き性および耐腐食性
が要求される運搬機械および産業機械の摺動部材および
軸受部材では、非金属材料としてＰＴＦＥ（四弗化エチ
レン）樹脂等のプラスチック、黒鉛、二硫化モリブデン
および二硫化タングステン等の化合物が固体潤滑材とし
ての機能材料として用いられてきた。この金属材料と非
金属材料との複合化は、ＰＴＦＥ樹脂の場合、金属粉末
を成形焼結して多孔質とし、これにＰＴＦＥ樹脂を塗布
または散布した上で圧力および温度の適当な条件下で含
侵させる機械的接合である。

【０００６】ところで、一般に金属多孔質体への含侵に
よる複合化では、基体となる多孔質体の機械的強度が乏
しいため、その基体を鋼板等の充分な強度をもった母材
と接合した形態で用いられることが多い。

【０００７】しかし、多孔質化した金属材料と母材との
間の接合強度は低く、例えば接合面に事前にメッキ等の
予備処理を行ってその接合強度を高める方法もあるが、
これによっても充分な接合強度は望めず、工程数の増加
による製造コストの増大につながるという問題がある。

【０００８】また、ＰＴＦＥ樹脂等の機能材料を部材中
により多く含有するほど摺動部材および軸受部材の潤滑
性や耐焼付き性および耐腐食性等の機能の向上を期待で
きるが、その反面、金属多孔質体はそれ自体の強度が低
下し鋼等の母材との接合が困難となるため、含侵して複
合化できる非金属機能材料の含有割合はせいぜい２０重
量％程度である。

【０００９】このように、ＰＴＦＥ樹脂等の機能材料の
含侵による複合体の製造は、金属材料同志の場合におけ
る焼結、圧接などの接合による製造方法と比べると、簡
便でかつ製造コストも安価であるという反面、接合強度
や気密性において信頼性に乏しいという問題がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】この発明が解決しよう
とする課題は、金属材料との冶金的接合が困難であるＰ
ＴＦＥ樹脂のような潤滑性、耐焼付き性および耐腐食性
を向上させるための非金属機能材料をより多く含有せし
めることによって、潤滑性のような非金属機能材料が有
する機能が充分に発揮でき、且つ、強度面でも優れた複
合部材を得ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明の機械的複合部
材は、金属母材と、この母材と接合した金属粒あるいは
金属塊を数層以下に整列した空隙を有する表面層とから
なり、且つ、この表面層の空隙内に非金属材料を充填し
たことを特徴とする。

【００１２】これによって、鋼等の母材と充分な強度を
もって接合された寸法制限の少ない部材を安価に得るこ
とができる。

【００１３】この複合体における表面層の形成は、上記
の金属粒あるいは線材その他の形状の金属塊とともに、
これらより低融点の金属材料を介在させて、その一部に
液相が発生する温度以上に加熱して金属母材と接合する
ことによって得られる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明によって、板状の
摺動部材または軸受部材を製造の過程として、粒状また
は塊状の材料の配置の一例を示すもので、鋼板等からな
る母材４、母材４より低融点の銅板３、整列のための金
網２と粒状または塊状の材料１としてのボールが全面整
列した状態を示す。

【００１５】図２および図３は本発明により製造され
た、規則的な形状と大きさをもち、且つ、整列した空隙
を有する表面層が母材となる鋼等に接合された複合体の
断面拡大図の例を示す。

【００１６】図４は粒状または塊状の材料１として、線
材を直径程度の長さに切断したカットワイヤーを原料と
した場合であり、直径程度の長さに切断した円柱形状と
なるが、切断長さが直径の３倍以上になると形成される
空隙の形状および大きさが不均一となりやすく、線材の
直径にほぼ等しい長さで切断して等軸形状としたほうが
好適である。

【００１７】金属母材４としては、炭素鋼、ステンレス
鋼および合金鋼の組成をもつ材料であれば良い。

【００１８】従来、多孔質化のために用いられる粉末の
粒度は３２メッシュ以下がほとんどであるが、本発明に
おいて原料として用いる粒状または塊状の材料は粒度が
３２メッシュ超過で、むしろ施工時の配置作業において
は大きい粒あるいは塊の方が取扱いが簡便である。ま
た、粒状または塊状の材料は製造履歴および製造方法に
制限がなく、等軸形状で平滑な表面をもつ材料が好適で
あるが、粒度の小さい粉末でも適当な方法で固化成形し
造粒した塊状の異形体でもそれ自身が形状保持できる程
度の構造強度をもっていれば使用可能である。

【００１９】そして、本発明における空隙を有する表面
層は粒状または塊状の材料を、隣同志で接触しない間隔
で単層に配置するが、単層とすることで粒状または塊状
の材料と母材となる鋼等との界面で表面層は接合され、
規則的な形状と大きさの空隙をもつ表面層を形成できる
ことから、ＰＴＦＥ樹脂等の異種機能材料を空隙に圧入
充填することが容易に行える。

【００２０】粒状または塊状の材料は、母材となる鋼等
の表面に不規則的に配置するより整列させて配置するほ
うが施工後に形成される空隙の形状および大きさが均一
となり、施工前において形成される空隙の形状および大
きさを制御することが可能となる。つまり不規則な配置
を行うと空隙の形状および大きさが乱雑になり、さらに
空隙の分布および表面層の厚さも不均一となるため、摺
動部材および軸受部材としての充分な機能を付与するこ
とができない。

【００２１】したがって粒状または塊状の材料を母材と
なる鋼等の表面に整列させて配置するため、例えば図１
に示す例においては金網２を用いての配列を行うことが
できる。金網は等間隔および一定形状の目開きをもった
網であれば良く、その製造方法には制限がない。

【００２２】金網の材質は母材となる鋼等の主成分であ
る鉄を含有する合金、例えば炭素鋼、ステンレス鋼およ
び合金鋼等の組成をもつ材料が入手しやすい。整列配置
のために用いた金網は施工後も表面層内に残留し、金網
自体も表面層内に空隙を形成し、ＰＴＦＥ樹脂等の異種
材料を表面層に固着する機能を持つ。

【００２３】また、金網の材質を母材となる鋼等より融
点の低い材料、例えば銅または銅合金とすることにより
施工後においても金網を残留させることなく、施工前お
よび施工中において整列配置させるだけではなく、母材
となる鋼等とのろう付けによる接合を行う場合、銅製の
金網にろう材としての機能をもたせることも可能であ
る。

【００２４】粒状あるいは塊状の材料を整列させるため
に用いた金網３等の整列材を、処理後残留させないよう
にする手段としては、この融点の低い金網を用いる以外
にも、図１に示す母材４または押圧材としての重し５
を、図５、図６および図７に示す断面形状に母材となる
鋼等を加工したものを使用することも可能である。つま
り、図５に示す角溝３１、図６に示す三角溝３２、また
は図７に示す丸溝３３の断面形状に母材となる鋼等を加
工すれば、これに沿って粒状または塊状の材料を配置
し、規則的に整列した状態を得ることは容易であり、施
工後においても異種材料として残留することはない。配
列材としての金網３の断面形状の加工を母材ではなく、
図１に示す重し５に整列のための断面形状の溝を加工す
る場合、溝に沿って配置した上で、固定して上下を逆転
すれば良い。重し５に配列のための断面形状の溝加工を
行えば、重し５は配列のために繰り返して用いることが
可能なため、製造コストの低減につながる。

【００２５】また図１に示す押圧材としての重し５の表
面に適当な穴形状および寸法をもったエキスパンドメタ
ルを配置し、その穴に粒状または塊状の材料を配置する
方法であれば、重しへの断面形状加工が不要となり、繰
返し利用も可能であるためより経済的である。

【００２６】何れにしろ、配置のための断面形状は空隙
を形成する粒状または塊状の材料の形状に対応してより
密着する形状を選択すれば良く、施工前においてできる
だけ密着させることにより施工作業が簡便となり、接合
強度を高くすることができる。

【００２７】そして母材となる鋼等の母材と表面層を構
成する粒状または塊状の材料を一体化接合するために、
母材となる鋼等の母材および粒状または塊状の材料より
融点が低い金属材料を介在させて、その一部に液相が発
生する温度以上に加熱することによリ、液相となった介
在する金属材料は溶解流動し、母材となる鋼等の母材と
粒状または塊状の材料を冶金的に接合する。この接合方
法に類するものとして通常のろう付けもその範疇にある
が、本発明のおける接合方法はろう付けによる方法より
も広い意味をもつ。つまり通常のろう付けでは本来接合
のため介在する金属材料は施工中においては液相のみと
なる温度に加熱するのに対し、本発明においてはその一
部に液相が発生する温度以上に加熱するため広い温度域
での施工が可能となる。

【００２８】したがって施工のための装置設備としては
通常のろう付け炉が適用でき、図１に示す金属板の一例
として通常のろう材として用いられている銀ろう、リン
銅ろう、黄銅ろうおよびニッケルろうも適用できる。

【００２９】図１に示す母材４となる鋼等と粒状または
塊状の材料１の間にこれらより融点の低い金属材料を介
在させて、その一部に液相が発生する温度以上に加熱す
ることにより溶解流動させ冶金的に接合させるため、母
材４となる鋼等と粒状または塊状の材料１の間隙におい
て均一に広がり、濡れる性質があれば良く、市販のろう
材でなくても上記で挙げた銅製金網でも充分にその特性
を有する。

【００３０】介在させる金属材料は形状および寸法が自
由に選択でき、図１に示すような板および箔状の銅であ
れば入手が容易で、製造コストに占める原料費の割合を
低くするすることができる。線材の銅であれば適当な長
さに切断し、必要な位置に液相となり広がったときに接
合するのに充分な量を配置すれば良い。

【００３１】さらに予め粒状または塊状の材料の表面に
接合のため介在させる金属材料を被覆しておけば、母材
となる鋼等と粒状または塊状の材料の接触位置に液相状
態で流動することにより補足して供給することも可能で
ある。この場合の介在させる金属の粒状または塊状の材
料の表面への被覆方法は、めっき、バレルコーティング
および溶射等の通常用いられる被覆方法でよく、粒状ま
たは塊状の材料の形状、寸法および材質により適当な方
法を選択すれば良い。

【００３２】また母材となる鋼等の接合面の外縁には、
接合のため介在する金属が液相となって流失するのを防
止するための堰となる薄板をこの薄板の上辺から粒状ま
たは塊状の材料の上端がわずかに出る程度に母材の側面
にスポット溶接で取付けるか、母材の接合面に接合のた
め介在させる金属材料、金網および粒状または塊状の材
料が配置できる面積でかつ粒状または塊状の材料の上端
がわずかに出る程度の深さをもった空間を堀込んで加工
しても良い。

【００３３】このように、図２、図３または図４に示さ
れるようなＰＴＦＥ樹脂等の異種機能材料を多く含有す
るための整列した空隙をもつ表面層が母材となる鋼等と
充分な強度をもって接合された複合材は、空隙が表面層
に占める割合は３０体積％以上であり、空隙の開口部は
内部より小さいため圧入充填されたＰＴＦＥ樹脂等の異
種材料が抜けにくい構造となっている。図８は、ＰＴＦ
Ｅ樹脂を表面層に含まれる空隙中に圧入充填した摺動部
材または軸受部材に適した機能をもつ複合部材の断面拡
大図の一例を示す。

【００３４】

【実施例】以下に真空ろう付炉によるろう付けによって
角板状の複合材を製造した具体的な例について説明す
る。

【００３５】実施例１ 図９に示すような、板厚２２ｍｍで３００ｍｍ×３００
ｍｍの面積をもったＳＳ４００の軟鋼板４ａを母材と
し、ろう付けによる接合面上にろう材となる厚さ０．１
ｍｍで２９０ｍｍ×２９０ｍｍの面積を持った銅板３を
軟鋼板４ａの接合面上に配置し、その上にバレル玉１ａ
を整列させるためのステンレス製の目開き：３ｍｍ、線
径：０．６５ｍｍの金網２を置き、５ｍｍ×５ｍｍの網
目１つにつき直径３．２ｍｍの鋳鉄製のバレル玉１ａを
１個づつ配置した。そして、銅板３、金網２およびバレ
ル玉１ａを軟鋼板４ａに密着および固定するために重し
５をバレル玉１ａ上に接触させて配置した。

【００３６】鋳鉄製バレル玉１ａは事前に、バレルコー
ティングにより厚さ２０μｍの銅層がバレル玉１ａ全面
に被覆したものを用いた。

【００３７】軟鋼板の外縁には、ろうの流失を防止する
ため、軟鋼板４ａの接合面に上記の銅板３、金網２およ
びバレル玉１ａが配置できる面積およびバレル玉１ａの
上面がわずかに飛び出す程度の深さをもった平底の空間
を堀込んだ。

【００３８】多孔質表面層は、通常の真空ろう付炉を用
いて、真空度を約１０^-4ｔｏｒｒとした真空雰囲気中で
ろう材となる銅の融点直下１０００°Ｃで９０分保持し
た上で最終的に１１３５°Ｃで２０分保持した後に冷却
した。１０００°Ｃ保持後および１１３５°Ｃ保持後に
段階的に窒素ガスで雰囲気置換を行い、ガス加圧しなが
ら冷却させて形成した。

【００３９】冷却後、炉より取り出したろう付け複合体
は図３に示すように、施工前における銅板３が溶けて形
成された銅ろう３ａにより軟鋼板４ａ、金網２およびバ
レル玉１ａが全面整列して一体化接合されていた。

【００４０】バレル玉１ａの軟鋼板４ａへの接合程度を
調べるため、１４０ｍｍ×３００ｍｍの面積を持つろう
付け複合体を切り出し、バレル玉１ａが接合した面を内
側にした曲げ試験を行った。曲げ試験の条件は、内側曲
げ半径を２５ｍｍとし、曲げ試験片の両側をローラーで
支持した３点曲げを行った。全体の曲げ角度が約１４０
度になるまで曲げを行ったが、バレル玉１ａは押し込み
治具と接触した面が扁平に変形したが、バレル玉１ａは
すべて軟鋼板４ａから脱落分離することなく、軟鋼板４
ａと充分な強度で接合されていることが確認された。

【００４１】複合体断面のミクロ組織観察においても、
銅ろう３ａにより軟鋼板４ａ、金網２およびバレル玉１
ａが健全に一体化接合されていることが確認された。

【００４２】さらに摺動部材および軸受部材とするため
に、バレル玉１ａの形成する空隙にＰＴＦＥ樹脂を充填
するため、冷間プレスによってＰＴＦＥ樹脂粉末を空隙
へ圧入充填し、その後に３５０〜４００°Ｃで５〜３０
分間保持の焼成を行って固化密着させると、軟鋼板の片
面にＰＴＦＥ樹脂、バレル玉１ａおよびステンレス金網
が複合一体化した約３．５ｍｍ厚さの表面層をもつ積層
構造の複合板を得ることができた。

【００４３】実施例２ 板厚２０ｍｍで１２０ｍｍ×１２０ｍｍの面積をもった
ＳＳ４００の軟鋼板を母材とし、ろう付けによる接合面
上にろう材となる厚さ０．０３ｍｍの箔状のＢＮｉ−２
ニッケルろうを軟鋼板の接合面上にほぼ全面を覆う程度
に配置し、その上に整列させるためのステンレス製の目
開き：５．５ｍｍ、線径：０．９ｍｍの金網を置き、網
目１つにつき直径５ｍｍのステンレス製のボールを１個
を配置した。そして、箔状ニッケルろう、網およびボー
ルを軟鋼板に密着および固定するために重しをボールに
接触させて配置した。

【００４４】実施例１の場合には、鋳鉄製バレル玉１ａ
には事前に銅層をコーティングしたが、ステンレス製ボ
ールの場合コーテイングは行わずそのままで使用した。

【００４５】多孔質表面層は、通常の真空ろう付炉を用
いて、アルゴンガス雰囲気下で真空度を約０．３ｔｏｒ
ｒとした真空雰囲気中で前記ニッケルろうの融点直下９
６０°Ｃで８０分保持した上で、最終的に融点直上の１
０３０°Ｃで３０分保持した後に冷却して形成した。

【００４６】冷却後、炉より取り出したろう付け複合体
は図２に示すように、ニッケルろう３ｂにより軟鋼板４
ａ、金網２およびステンレス製ボール１ｂが全面整列し
て一体化接合されていた。

【００４７】実施例３ 実施例２におけるステンレス製ボールの代わりに、線径
３ｍｍのステンレス製線材をほぼ線径に等しい長さに切
断したカットワイヤーを用いた以外、すべて実施例２と
同じ条件でろう付け複合体を製作した。カットワイヤー
は網目１つに１個を、カット面ではなく線材表面がろう
付け面となるように配置した。

【００４８】得られたろう付け複合体は図４に示すよう
に、ニッケルろう３ｂにより軟鋼板４ａ、金網２および
ステンレス製カットワイヤー１ｃが全面整列して一体化
接合されていた。

【００４９】実施例４ 実施例２における整列のためのステンレス製金網を用い
ず、ステンレス製のボール上に配置する重しのボールと
の接触面側に整列のための窪みをボール配置に対応する
ように設けた以外、すべて実施例２と同じ条件でろう付
け複合体を製作した。

【００５０】得られたろう付け複合体は、ニッケルろう
により軟鋼板とステンレス製ボールが全面整列して一体
化接合されていた。

【００５１】実施例５ 実施例１におけるステンレス製金網の代わりに、銅製金
網（目開き：１．８ｍｍ、線径：０．８ｍｍ）を用いた
以外、すべて実施例１と同じ条件でろう付け複合体を製
作した。

【００５２】冷却後、炉より取り出したろう付け複合体
は図３に示すように、ろう付け前における銅製金網およ
び銅板の双方が溶けて形成された銅ろう３ａにより軟鋼
板４ａ、金網２およびバレル玉１ａが全面ほぼ整列して
一体化接合されていた。

【００５３】実施例２から実施例５のいずれの場合も、
その後、実施例１と同様に、ＰＴＦＥ樹脂を充填して、
同様の結果を得た。

【００５４】

【発明の効果】

（１） ＰＴＦＥ樹脂等の異種材料を含有するための空
隙が表面層の３０体積％以上を占めた表面層が母材とな
る鋼等と充分な強度で接合された複合部材を得ることが
できる。

【００５５】（２）ＰＴＦＥ樹脂等の異種材料を表面層
に含まれる空隙中に圧入充填するという、比較的簡単な
手段で、潤滑性、耐焼付き性および耐腐食性に優れた摺
動部材または軸受部材とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明によって、板状の摺動部材または軸受
部材を製造の過程として、粒状または塊状の材料の配置
の一例を示す断面配置図である。

【図２】 本発明により製造された、規則的な形状と大
きさをもち、且つ、整列した空隙を有する表面層が母材
となる鋼等に接合された複合体の一例を示す断面拡大図
である。

【図３】 本発明により製造された、規則的な形状と大
きさをもち、且つ、整列した空隙を有する表面層が母材
となる鋼等に接合された複合体の他の例を示す断面拡大
図である。

【図４】 粒状または塊状の材料としてカットワイヤー
を用いて、多くの規則的な形状と大きさをもちかつ整列
した空隙を有する表面層が母材となる鋼と接合された複
合体の断面拡大図である。

【図５】 粒状または塊状の材料を整列させるために母
材または重しに加工する断面形状のうち、角溝を示す断
面図である。

【図６】 粒状または塊状の材料を整列させるために母
材または重しに加工する断面形状のうち、三角溝を示す
断面図である。

【図７】 粒状または塊状の材料を整列させるために母
材または重しに加工する断面形状のうち、丸溝を示す断
面図である。

【図８】 本発明により製造された複合部材の断面拡大
図である。

【図９】 本発明によって、板状の摺動部材または軸受
部材を製造の過程として、粒状または塊状の材料の配置
の実施例を示す断面配置図である。

【符号の説明】

１ 粒状または塊状の材料 １ａ バレル玉 １ｂ ステンレス製ボール １ｃ ステンレス製カットワイヤー ２ 金網 ３ 銅板 ３ａ 銅ろう ３ｂ ニッケルろう ４ 母材 ４ａ 軟鋼板 ５ 重し ３１ 角溝 ３２ 三角溝 ３３ 丸溝

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属母材と、この母材と接合した金属粒
   あるいは金属塊を数層以下に整列した空隙を有する表面
   層とからなり、且つ、この表面層の空隙内に非金属材料
   を充填した機械的複合部材。
2. 【請求項２】 空隙を有する表面層が、金属粒あるいは
   金属塊が隣同志で接触しない間隔で単層に整列した請求
   項１に記載の機械的複合部材。
3. 【請求項３】 金属粒あるいは金属塊を数層以下に、金
   属母材より低融点の金属材料とともに金属母材上に規則
   的に配置し、さらに、その金属母材上に規則的に配置し
   た金属粒あるいは金属塊の上に押圧材を載置し、低融点
   の金属材料を溶融しつつこの押圧材により金属粒あるい
   は金属塊を金属母材上に押圧して接合させることによっ
   て、金属母材上に金属粒あるいは金属塊からなる多孔質
   の表面層を形成したのち、この多孔質の表面層に非金属
   材料を充填する機械的複合部材の製造方法。
4. 【請求項４】 金属粒あるいは金属塊を隣同志で接触し
   ない間隔で単層に整列する請求項３に記載の機械的複合
   部材の製造方法。
5. 【請求項５】 金属母材上に金網を配置し、その金網上
   に金属粒あるいは金属塊を配置する請求項３または請求
   項４に記載の機械的複合部材の製造方法。
6. 【請求項６】 金属粒あるいは金属塊の金属母材上への
   配置を、金属粒あるいは金属塊の形状および大きさに対
   応した配列用凹部を金属母材あるいは押圧材の何れかに
   形成し、この配列用凹部に金属粒あるいは金属塊を配置
   する請求項３または請求項４に記載の機械的複合部材の
   製造方法。