【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
本発明は、耐摩耗性摺動材料に関する。更に詳
しくは、無給油でも高温迄使用可能な耐摩耗性摺
動材料に関する。
無給油で高温迄使用可能な摺動材料としては、
従来から黒鉛軸受があり、これがすべり軸受とし
て用いられている。黒鉛軸受は、耐薬品性にすぐ
れかつ自己潤滑性があるため、無給油で高温迄使
用できるものの、気孔率が大きく、そのため機械
的強度に劣るのが大きな欠点となつている。
そこで、この機械的強度を補強する意味などか
ら、気孔部に熱硬化性樹脂や比較的低融点の金属
を含浸させることが行われている。しかしなが
ら、含浸物質たる樹脂または金属は、高温高圧下
では膨張、分解、溶融、浸出などがひき起され
る。その結果、樹脂を含浸した場合には、樹脂の
変質、分解があるため、耐熱温度は200℃以下と
なり、また黒鉛と樹脂との熱膨張係数が異なるこ
とが原因となつて、ブリスタリング現象（火ぶく
れ現象）が起る。また、金属を含浸した場合に
は、耐薬品性、耐食性が悪くなり、また摺動特性
も低下し、焼付現象が発生するようになる。
更に、青銅系、鉄系の金属母材中に粉末冶金法
によつて黒鉛、二硫化モリブデンなどを均一に分
散させた固体潤滑剤分散型焼結金属軸受なども用
いられており、これは黒鉛軸受に比べ、機械的強
度は改善され、しかも無給油で高温迄使用できる
が、素地が金属であるので、耐薬品性、耐食性に
劣り、かつ高温では耐摩耗性に劣るばかりではな
く、酸化膨張のため軸受内径が収縮し、軸受隙間
に影響を与えるなどの欠点がみられる。
この他に、プラスチツク軸受、焼結含油軸受も
用いられているが、これらは材料そのものの耐熱
温度あるいは含浸された潤滑油の寿命などを考慮
した使用限界温度から、フツ素樹脂軸受を除いて
は、約80〜120℃あるいはそれ以下の温度で実際
には使用される。また、フツ素樹脂軸受は、耐熱
温度が約250℃と高いばかりではなく、摩擦係数
が低く、耐薬品性にもすぐれているなどの特性を
有しているが、反面柔かく、クリープし易いとい
う欠点を有している。特に、面圧が大きくなつた
り、高温になる程クリープが大きく、変形、流れ
出しなどの障害が起る。更に、熱膨張係数が10-5
のオーダーで金属より一桁大きく、このような熱
膨張係数やクリープのため、実用的には200℃以
下で使用されることが多い。
本発明は、このような欠点をいずれも示さない
耐摩耗性摺動材料を提供するものであり、ガラス
状炭素材料および固体潤滑剤黒鉛よりなる本発明
の耐摩耗性摺動材料は、無給油のまま大気中では
約450℃迄、また不活性ガス雰囲気中では約2500
℃の高温迄自己潤滑性が保持されている。
ガラス状炭素材料は、フラン系樹脂、フエノー
ル系樹脂またはこれらの混合樹脂の硬化成形体を
高温、一般には1000℃以上の温度の不活性雰囲気
中で焼成して炭化させ、必要に応じてこれを更に
黒鉛化することによつて得られる。また、水素／
炭素原子比（Ｈ／Ｃ）を調整したピツチから誘導
された酸素官能基を有する炭素駆動体物質を粉末
成形後、同様に焼成して炭化し、必要に応じてこ
れを更に黒鉛化することによつて得られる。
必要に応じて行われる黒鉛化処理は、一旦焼成
させたものを黒鉛化炉を用いて約2000〜3000℃で
長時間高温処理することによつて行われる。ただ
し、ガラス状炭素材料は難黒鉛化性材料であり、
このような高温熱処理を行なつても、黒鉛化はわ
ずかに進行する程度であるが、この黒鉛化によつ
て、潤滑性に乏しいガラス状炭素材料が金属間接
触を発生させた場合などに、黒鉛構造を発達させ
ることにより、硬度は若干低下するものの、潤滑
性をより良好とさせる。
これらのガラス状炭素材料は、黒鉛などと同様
に比重が軽いが、非常に硬質で強度も大きく、耐
薬品性、耐食性にすぐれ、耐性も大気中で約450
℃、また不活性ガス雰囲気中で約2500℃と高く、
更に比強度のきわめて高い新炭素材料であり、主
としてルツボ、ボート、ヒーター、電極などの用
途に従来から用いられている。
かかるガラス状炭素材料に配合される固体潤滑
剤としての黒鉛は、六方晶系の結晶構造を有し、
層に平行な方向にせん断が起り易いなどのために
自己潤滑作用があり、かつ廉価な材料である。黒
鉛は、ガラス状炭素材料との配合物中約20〜70重
量％の配合割合で用いられる。これにより少ない
使用割合では、潤滑性に欠けるため摩擦係数が高
くなり、一方これにより多い割合で用いられる
と、摺動材料としての機械的強度が不足するよう
になる。
摺動材料の製造は、ガラス状炭素材料形成材料
と黒鉛との均一混合物を所定形状に成形した後、
これをガラス状炭素材料成形材料の焼成温度で炭
化させることにより行われる。樹脂の硬化成形体
を用いる場合には、黒鉛との配合物単独からは厚
さ３mm程度の摺動材料しか製造し得ないので、一
般には黒鉛などの炭素材料あるいは酸素官能基含
有炭素前駆体物質の焼成品から形成される、基材
としての成形体上に被覆させた形で用いられる。
この場合、樹脂が炭素材料などの基材成形体の気
孔部に含浸されるので、被膜が成形体に強固に接
着されると同時に、成形体自体の強度もそれによ
つて向上する。また、酸素官能基含有炭素前駆体
物質がガラス状炭素材料形成材料として用いられ
る場合には、黒鉛との均一配合粉末を常温加圧下
に任意の厚さで所定形状に粉末成形した後、焼
成、炭化が行われる。なお、このようにして製造
される摺動材料は、ガラス状炭素材料を素地とし
ているため、十分な機械的強度を有しているが、
それを更に向上させるためには、そこに炭素繊
維、黒鉛繊維などを配合し、カーボン−カーボン
複合材料とすることもできる。
本発明に係る摺動材料は、非常に硬質で強度が
大きく、しかも耐熱性のあるガラス状炭素材料を
素地材料とし、これに固体潤滑剤としての黒鉛を
含有せしめているため、耐摩耗性にすぐれ、大気
中では約450℃、また不活性ガス雰囲気中では約
2500℃の高温迄潤滑性を保持している。更に、耐
薬品性、耐食性にすぐれ、高温迄化学的にも安定
であるので、従来の金属含浸黒鉛軸受や黒鉛分散
型焼結金属軸受にみられた耐薬品性、耐食性に劣
るという欠点あるいは酸化膨張などという現象
は、いずれも存在しない。また、高温でも、フツ
素樹脂軸受にみられるようなクリープし易いとい
う現象もなく、熱膨張係数も鉄より若干低い程度
であり、軸受隙間のコントロールなども容易であ
る。
次に、実施例について本発明を説明する。
実施例 １
粒径10μ以下のピツチコークスおよびバインダ
ーピツチの重量比７：３の粉末混合物を、常温下
に成形圧力3000Kg/cm2で、直径60mm、厚さ10mmの
円板状に粉末成形した。
一方、液状のフラン系樹脂50重量部中に天然黒
鉛（粒径10〜20μ）50重量部を均一に分散させ、
この分散液を上記円板状粉末成形体の表面に数回
刷毛で塗布し、そのたび毎に硬化をくり返し、そ
こに被膜を形成させた。そして、被膜面を平面を
出すために研磨し、不活性ガス雰囲気中、10℃/
ｈｒの昇温速度で1000℃迄昇温し、焼成、炭化を行
なつた。
円板状の表面には、約１mmの厚さの被膜が形成
され、それは50重量％の黒鉛を含有する、非常に
硬質のガラス状炭素材料から形成されていた。
これについて、鈴木式摩擦摩耗試験機（スラス
トタイプ試験機）を用いて、摩擦摩耗特性を調べ
た。摩擦摩耗試験は、この円板体試験片（表面粗
さ3S）の上に、内径20mm、外径25.6mmの円柱状相
手材（S45C浸炭焼入、硬度ＨRC51〜54、表面粗
さ1S、摺動面積２cm2）を固定させるようにして
載せ、下記条件下で試験片の方を回転させること
により行われた。
給油 ：なし
回転速度 ：40ｍ／分一定（回転数559rpm）
面圧 ：0.5、3.0、5.5、8.0Kg/cm2（累積負
荷）
運転時間 ：各面圧に８時間保持（合計32時間）
雰囲気温度：常温
比較例 １
ピツチから誘導された酸素官能基含有炭素駆体
物質のみの粉末成形体の焼成、炭化を、20℃/hr
の昇温速度で1000℃迄昇温して行ない、それ（表
面粗さ3S）についての摩擦摩耗特性を同様に調
べた。
更に比較のために、いずれも表面粗さが3Sの
黒鉛分散型青銅系焼結金属軸受材料（比較例２）
および黒鉛材料（比較例３）についても、同様に
摩擦摩耗特性を調べた。
累積負荷（およびそれの換算PV値）に対する
摩擦係数および上昇温度の値は、いずれも第１図
のグラフに示される。また、32時間運転終了時に
おける各試験片およびそれらの相手材の摩耗量を
測定した結果は、次の表１に示される。
The present invention relates to wear-resistant sliding materials. More specifically, the present invention relates to a wear-resistant sliding material that can be used up to high temperatures even without lubrication. As a sliding material that can be used up to high temperatures without lubrication,
Graphite bearings have long been used as sliding bearings. Graphite bearings have excellent chemical resistance and self-lubricating properties, so they can be used up to high temperatures without lubrication, but a major drawback is that they have a large porosity and therefore poor mechanical strength. Therefore, in order to reinforce this mechanical strength, the pores are impregnated with a thermosetting resin or a metal with a relatively low melting point. However, the impregnating material, resin or metal, expands, decomposes, melts, leaches, etc. under high temperature and high pressure. As a result, when impregnated with resin, the heat resistance temperature is lower than 200℃ due to deterioration and decomposition of the resin, and the difference in thermal expansion coefficient between graphite and resin causes the blistering phenomenon ( blistering phenomenon) occurs. Furthermore, when impregnated with metal, chemical resistance and corrosion resistance deteriorate, sliding properties also deteriorate, and seizure phenomenon occurs. Furthermore, solid lubricant-dispersed sintered metal bearings are also used, in which graphite, molybdenum disulfide, etc. are uniformly dispersed in a bronze-based or iron-based metal base material using a powder metallurgy method. Compared to bearings, it has improved mechanical strength and can be used up to high temperatures without lubrication, but since it is made of metal, it has poor chemical resistance and corrosion resistance, and is not only inferior in wear resistance at high temperatures, but also suffers from oxidation expansion. Therefore, there are drawbacks such as the inner diameter of the bearing shrinking and affecting the bearing clearance. In addition to these, plastic bearings and sintered oil-impregnated bearings are also used, but these have a limited operating temperature that takes into consideration the heat resistance temperature of the material itself or the life of the lubricating oil impregnated with it. , used in practice at temperatures of about 80-120°C or lower. In addition, fluorocarbon resin bearings not only have a high heat resistance temperature of about 250℃, but also have characteristics such as a low coefficient of friction and excellent chemical resistance, but on the other hand, they are soft and prone to creep. It has its drawbacks. In particular, the greater the surface pressure or the higher the temperature, the greater the creep, causing problems such as deformation and flow. Furthermore, the coefficient of thermal expansion is 10 -5
It is one order of magnitude larger than metals, and because of its thermal expansion coefficient and creep, it is often used practically at temperatures below 200°C. The present invention provides a wear-resistant sliding material that does not exhibit any of these drawbacks, and the wear-resistant sliding material of the present invention made of a glassy carbon material and a solid lubricant graphite can be up to about 450°C in the air, and up to about 2500°C in an inert gas atmosphere.
Self-lubricating properties are maintained up to high temperatures of °C. Glassy carbon materials are produced by carbonizing a cured molded product of furan resin, phenol resin, or a mixture of these resins in an inert atmosphere at a high temperature, generally 1000°C or higher, and then carbonizing this as necessary. It can be obtained by further graphitizing. Also, hydrogen/
After powder-molding a carbon driver material having an oxygen functional group derived from a pitch whose carbon atomic ratio (H/C) has been adjusted, it is similarly fired and carbonized, and if necessary, this is further graphitized. You can get it by twisting it. Graphitization treatment, which is performed as necessary, is performed by subjecting the fired material to high temperature treatment for a long time at about 2000 to 3000° C. using a graphitization furnace. However, glassy carbon materials are non-graphitizable materials,
Even if such high-temperature heat treatment is performed, graphitization will only progress slightly, but if this graphitization causes metal-to-metal contact with glassy carbon materials that have poor lubricity, By developing a graphite structure, the hardness is slightly lowered, but the lubricity is improved. These glassy carbon materials have a light specific gravity like graphite, but they are very hard and strong, and have excellent chemical and corrosion resistance, and have a resistance of about 450°C in the atmosphere.
℃, and as high as approximately 2500℃ in an inert gas atmosphere.
Furthermore, it is a new carbon material with extremely high specific strength, and has traditionally been used mainly for applications such as crucibles, boats, heaters, and electrodes. Graphite as a solid lubricant blended into such a glassy carbon material has a hexagonal crystal structure,
It is an inexpensive material that has a self-lubricating effect because shearing tends to occur in the direction parallel to the layers. Graphite is used in a blending ratio of about 20 to 70% by weight in the blend with the glassy carbon material. If this is used in a small proportion, the friction coefficient will be high due to lack of lubricity, while if it is used in a large proportion, the mechanical strength as a sliding material will be insufficient. The sliding material is manufactured by forming a homogeneous mixture of glassy carbon material forming material and graphite into a predetermined shape,
This is carried out by carbonizing the glassy carbon material at the firing temperature of the molding material. When using a cured resin molded product, since a sliding material with a thickness of about 3 mm can only be produced from a mixture with graphite alone, carbon materials such as graphite or carbon precursor substances containing oxygen functional groups are generally used. It is used in the form of being coated on a molded body as a base material, which is formed from a fired product.
In this case, since the resin is impregnated into the pores of the molded body made of a base material such as a carbon material, the coating is firmly adhered to the molded body, and at the same time, the strength of the molded body itself is improved thereby. In addition, when an oxygen functional group-containing carbon precursor substance is used as a material for forming a glassy carbon material, a uniformly blended powder with graphite is powder-molded into a predetermined shape with an arbitrary thickness under pressure at room temperature, and then fired, Carbonization takes place. Note that the sliding material manufactured in this way has sufficient mechanical strength because it is made of a glassy carbon material.
In order to further improve this, carbon fibers, graphite fibers, etc. can be added thereto to form a carbon-carbon composite material. The sliding material according to the present invention uses a very hard, strong, and heat-resistant glassy carbon material as a base material, and contains graphite as a solid lubricant, so it has excellent wear resistance. Excellent, approximately 450℃ in air and approximately 450℃ in inert gas atmosphere.
Maintains lubricity up to high temperatures of 2500℃. Furthermore, it has excellent chemical resistance and corrosion resistance, and is chemically stable even at high temperatures, so it does not have the drawbacks of poor chemical resistance and corrosion resistance or oxidation that were found in conventional metal-impregnated graphite bearings and graphite-dispersed sintered metal bearings. There is no such phenomenon as expansion. Furthermore, even at high temperatures, it does not tend to creep, which is the case with fluororesin bearings, and its coefficient of thermal expansion is slightly lower than that of iron, making it easy to control the bearing clearance. Next, the present invention will be explained with reference to examples. Example 1 A powder mixture of pitch coke with a particle size of 10 μm or less and binder pitch in a weight ratio of 7:3 was powder-molded at room temperature under a compacting pressure of 3000 Kg/cm 2 into a disk shape of 60 mm in diameter and 10 mm in thickness. On the other hand, 50 parts by weight of natural graphite (particle size 10 to 20μ) was uniformly dispersed in 50 parts by weight of liquid furan resin.
This dispersion was applied several times to the surface of the disk-shaped powder compact with a brush, and each time the dispersion was repeatedly cured to form a film thereon. Then, the coating surface was polished to make it flat and heated at 10℃/in an inert gas atmosphere.
The temperature was raised to 1000°C at a heating rate of hr to perform calcination and carbonization. A coating approximately 1 mm thick was formed on the disc-shaped surface, which was made of a very hard glassy carbon material containing 50% by weight of graphite. Regarding this, the friction and wear characteristics were investigated using a Suzuki type friction and wear tester (thrust type tester). In the friction wear test, a cylindrical counterpart material (S45C carburized and quenched, hardness H R C51 to 54, surface roughness 1S) with an inner diameter of 20 mm and an outer diameter of 25.6 mm was placed on top of this disk specimen (surface roughness 3S). The test piece was mounted so that the sliding area (2 cm 2 ) was fixed, and the test piece was rotated under the following conditions. Lubrication: None Rotation speed: Constant 40m/min (rotation speed 559rpm) Surface pressure: 0.5, 3.0, 5.5, 8.0Kg/cm 2 (cumulative load) Operating time: Maintain each surface pressure for 8 hours (total 32 hours) Ambient temperature : Room temperature comparison example 1 A powder compact containing only an oxygen functional group-containing carbon precursor material derived from pitch was sintered and carbonized at 20°C/hr.
The temperature was raised to 1000°C at a heating rate of 100°C, and the friction and wear characteristics were similarly investigated for that temperature (surface roughness 3S). Furthermore, for comparison, graphite-dispersed bronze-based sintered metal bearing materials with a surface roughness of 3S (Comparative Example 2)
The friction and wear characteristics of the graphite material (Comparative Example 3) were also investigated in the same manner. The values of the friction coefficient and temperature rise with respect to the cumulative load (and its converted PV value) are both shown in the graph of FIG. Further, the results of measuring the amount of wear of each test piece and its counterpart material at the end of 32 hours of operation are shown in Table 1 below.
【表】
第１図および表１の結果から、本発明に係る摺
動材料は、他の材料と比べて、摩擦係数、上昇温
度および摩耗量がいずれも小さく、摺動材料とし
て十分使用できることが分る。
実施例 ２
比較例１において、天然黒鉛（粒径10〜20μ）
50重量％を含有する円板状の粉末成形およびそれ
の焼成、炭火が同様に行われた。
これを高周波加熱装置付きの鈴木式摩擦摩耗試
験機（スラストタイプ試験機）で300℃に加熱し
て、摩擦摩耗試験を行なつた。試験条件は、回転
速度を５ｍ／分、面圧を８Kg/cm2、運転時間を100
時間と変更した以外は、実施例１の場合と同じで
ある。なお、前記各比較例の材料についても、同
様の試験が行われた。
摩耗量についは第２図のグラフに、また100時
間運転終了直前における各試験片の摩擦係数は次
の表２に、それぞれ示される。
表 ２
例 摩擦係数
実施例２ 0.19
比較例１ 0.33
〃 ２ 0.36
〃 ３ 0.28
第２図および表２の結果から、300℃という高
温条件下においても、本発明に係る摺動材料は、
他の材料よりも摩耗量が大幅に少なく、かつ摩擦
係数も小さく安定していることが分る。また、摩
擦摩耗試験後の摺動面を観察すると、他の材料は
摺動痕が明瞭に刻まれ、凹凸が激しくなつていた
が、本発明の摺動材料はその摺動面が滑らかであ
り、良好な摩擦状態が摺動時に維持されていたこ
とを裏付けている。[Table] From the results shown in Figure 1 and Table 1, the sliding material according to the present invention has a smaller coefficient of friction, lower temperature rise, and lower wear amount than other materials, and can be used satisfactorily as a sliding material. I understand. Example 2 In Comparative Example 1, natural graphite (particle size 10-20μ)
The molding of a disc-shaped powder containing 50% by weight and its firing and charcoal firing were carried out in the same manner. This was heated to 300°C using a Suzuki type friction and wear tester (thrust type tester) equipped with a high-frequency heating device, and a friction and wear test was conducted. The test conditions were a rotation speed of 5 m/min, a surface pressure of 8 Kg/cm 2 , and an operating time of 100 m/min.
The process is the same as in Example 1 except for the change in time. Note that similar tests were conducted on the materials of each of the comparative examples. The amount of wear is shown in the graph of Figure 2, and the friction coefficient of each test piece immediately before the end of 100 hours of operation is shown in Table 2 below. Table 2 Example Friction Coefficient Example 2 0.19 Comparative Example 1 0.33 〃 2 0.36 〃 3 0.28 From the results in Figure 2 and Table 2, even under the high temperature condition of 300°C, the sliding material according to the present invention
It can be seen that the amount of wear is significantly less than other materials, and the coefficient of friction is also small and stable. Furthermore, when observing the sliding surface after the friction and wear test, it was found that other materials had clear sliding marks and severe unevenness, but the sliding surface of the sliding material of the present invention was smooth. , confirming that good frictional conditions were maintained during sliding.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]
第１図は、摩擦摩耗試験における累積負荷（お
よびそれの換算PV値）に対する摩擦係数および
上昇温度の値を示したグラフである。また、第２
図は、摩擦摩耗試験における運転時間に対する摩
耗量の値を示したグラフである。
FIG. 1 is a graph showing the values of the friction coefficient and temperature rise with respect to the cumulative load (and its converted PV value) in the friction and wear test. Also, the second
The figure is a graph showing the amount of wear versus operating time in a friction and wear test.