JPS6241307B2

JPS6241307B2 -

Info

Publication number: JPS6241307B2
Application number: JP3231381A
Authority: JP
Inventors: Katsuzo Okada; Noboru Takahashi; Makoto Yoshida
Original assignee: OOPATSUKU KK
Current assignee: OOPATSUKU KK
Priority date: 1981-03-06
Filing date: 1981-03-06
Publication date: 1987-09-02
Also published as: JPS57145947A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は潤滑性焼結金属材料、即ち金属粉末と
固体潤滑剤粉末との結合粉末の圧粉成形焼結体に
関する。

潤滑性焼結金属材料はアルミニウム・銅・鉄な
どの金属粉末あるいはそれらの合金粉末に二硫化
モリブデン（MoS₂）・二硫化タングステン
（WS₂）・黒鉛(C)などの固体潤滑剤粉末を配合し、
これに必要に応じて酸化防止剤などの助剤を配合
した均一混合粉末を圧粉成形し、その圧粉成形体
を焼結処理したもので、摩擦を受けると摩擦面に
含有固体潤滑剤の被覆膜が生じて自己潤滑性を発
揮する材料であり、例えば軸受部に潤滑油・グリ
ース等の液体系潤滑剤を使用することができな
い、或は好ましくない場合（食品関係機械、化学
関係機械、高温・低温あるいは真空など特殊雰囲
気中で使用される機器類など）のオイルレス軸受
材料などとして活用されている。

この材料の耐久性（耐摩耗性）、機械的強度
（靭性・耐圧性など）は材料のかたさと相関し、
かたさが大きければ耐久性・機械的強度も良好な
ものとなる。

しかし、該材料のかたさ・その他の特性はベー
ス成分である金属の種別により、又同種金属でも
粉末粒度、固体潤滑剤粉末の配合割合、圧粉成形
密度、焼結条件（温度・時間・雰囲気など）など
の違いにより種々異なるが、該材料は粉末の焼結
肉質であること、固体潤滑剤粉末の配合分だけ金
属成分密度が小さいことなどから各金属種別何れ
の場合も同種金属の通常の充実凝固肉質体との比
較に於てかたさ水準は低い。

従つて該材料をオイルレス軸受材料その他とし
て広範囲に有効に活用するためには全般的にその
かたさ水準を高めて耐久性・機械的強度に関しよ
り優れたものを開発することが強く望まれてい
る。

本発明は上記に鑑みてこの種の潤滑性焼結金属
材料につきそのかたさ水準を高めて上記の要望に
応えることを目的とする。

即ち本発明は、金属粉末99〜67重量％と固体潤
滑剤粉末１〜33重量％との混合粉末の圧粉成形焼
結体であつて、金属粉末が重量％比でAl：Cu＝
（99.4〜94）：（0.6〜６）の時効硬化性Al−Cu合
金粉末、Cu：Be＝（99.7〜97）：（0.3〜３）の
時効硬化性Cu−Be合金粉末、又はAl：Ag＝（95
〜50）：（５〜50）の時効硬化性Al−Ag合金粉
末である、ことを特徴とする潤滑性焼結金属材料
を要旨とする。

ここで、時効硬化（age−hardening）とは或
る種の合金につきその合金の過飽和固溶体が時間
の経過によつてかたさ上昇を示す現象で、室温放
置で起こるものを室温時効又は自然時効
（natural ageing）、加熱により起こるものを高温
時効又は人工時効（artifical ageing）とよぶ。
そのような時効硬化性合金としては上記のような
組成のAl−Cu合金、Cu−Be合金、Al−Ag合金
が挙げられ、このような時効硬化性合金自体は公
知のものである。

例えばAl−４％Cu合金（詳しくはCu4％、
Mn0.5％、Mg0.5％、残りAl）は500℃付近から
水中で焼き入れすると時間の経過と共に硬くな
り、強さも数日後には焼き入れ前の２倍位の強さ
になる。

本発明はこのような時効硬化性合金に着目しベ
ース成分たる金属粉末として該時効硬化性合金粉
末を用いて前述の潤滑性焼結金属材料を構成した
もので、該材料はベースたる金属粉末焼結体の自
然時効又は人工時効による硬化現象に基づき、従
来の非時効性の同系金属粉末を原料とするものよ
りも大幅にかたさの高いものとなる。即ち、各金
属種別系に於て夫々その系の時効硬化性合金粉末
をベース金属として用いて潤滑性焼結金属材料を
構成することによりこの種材料のかたさ水準を全
般的にレベルアツプさせることができるものであ
る。

次に製造プロセスについて説明する。

(1) 原料粉末原料たる時効硬化性合金粉末及び固体潤滑剤
粉末の粒径、相互配合割合、その他の添加助
剤、均一混合方法等は従来プロセスに準じる。
一般に合金粉末の粒径は0.1〜100μｍ程度、固
体潤滑剤の粒径は0.1〜50μｍ程度のものが用
いられ、配合割合は求める潤滑性能との関係に
於て合金粉末100部（重量部）に対して一般に
固体潤滑剤粉末１〜50部程度の範囲（重量％換
算では合金粉末：固体潤滑剤粉末≒（99〜
67）：（１〜33））で設定される。尚、固体潤
滑剤粉末の配合割合を多くすれば材料の潤滑性
能は向上するが、逆に材料のかたさは低下する
関係がある。少な過ぎると潤滑性能が低下して
潤滑性材料として実用性がとぼしくなる。

(2) 圧粉成形時効硬化性合金粉末及び固体潤滑剤粉末を主
成分とする均一混合原料粉末を押型の中に充填
して圧迫圧縮して高密度の圧粉成形体とする工
程で、この工程も従来プロセスに準じて行なえ
ばよい。

(3) 焼結焼き締めにより圧粉成形体の粉末粒子相互を
強固に結合させて全体密な固まりにさせる工程
で、焼結温度・焼結時間は圧粉成形体の構成金
属粉末・固体潤滑剤粉末の種類、相互配合割
合、圧縮密度、大きさや形状等の違いにより
夫々その適正値は種々異なるので、ケースバイ
ケースで予備試験等により適正な焼結温度・時
間を設定する。焼結雰囲気はAr等の不活性雰
囲気、水素等の還元性雰囲気、或は真空など非
酸化雰囲気にする。

(4) 溶体化・急冷上記焼結物を、原料として使用した合金粉末
個有の固溶体化温度に加熱してベースたる焼結
合金粉末を過飽和固溶体化する。そして十分な
固溶体化が行なわれたら水中投入等で急冷す
る。この急冷により固溶体の過飽和状態が維持
される。

(5) 時効硬化上記溶体化・急冷処理した焼結物を室温に放
置するか、焼きもどし（加熱）すると、焼結合
金粉末中の余分の溶質原子は所謂Ｇ−Ｐ集合体
をつくつて析出の態勢をとり結晶格子にひずみ
を生じて材料に硬化現象を生じる（自然時
効）、又微細な析出物による分散硬化が起きる
（人工時効）。この時効硬化によりこの種の潤滑
性焼結金属材料のかたさ水準を全般的にレベル
アツプさせることができるものである。

尚上記一連の製造プロセスに於て、(2)の圧粉成
形を高温加熱しながら行なう、即ち所謂高温圧縮
方式で行なうことにより該圧粉成形工程と次工程
である焼結工程を同時工程で行なうようにしても
よい。高温圧縮方式の利点としては圧粉成形と焼
結が同時に行なえる、冷間圧縮法では成形困難な
粉末でも容易に成形できる、冷間圧縮法よりも一
般に物理的性質に優れたものが得られるなどが挙
げられる。

又(3)の焼結工程に於て、焼結温度が合金の溶融
温度をこえる場合には溶融状態に短時間保持後急
冷させる工程により溶体化処理用材料の作成を行
なう。

(3)の焼結処理温度と(4)の溶体化処理温度がたま
たま同じような場合には一工程で焼結と溶体化を
行なわせ、次いで急冷処理すればよい（後述実施
例２・３はこの例）。

(2)の圧粉成形は真空雰囲気で行なうと後述実施
例に例示するように最終的に潤滑性能に優れた材
料が得られる。これは圧粉成形を空気雰囲気で行
なうと圧粉成形体内に空気が必ず含有される。こ
の含有空気は高密度圧粉成形体の粉末粒子間の極
めて微細な空隙内に存在し爾後真空除去処理した
としてもほとんど除去されずに残存する。このよ
うに空気を含んでいる圧粉成形体を焼結処理する
と固体潤滑剤粉末に酸化を生じて変性しその結果
材料の潤滑性能が劣化したものとなる。これに対
して圧粉成形を真空雰囲気で行なえば空気含有の
ない圧粉成形体が容易に得られ次工程の焼結に於
て固体潤滑剤粉末に酸化を生ぜず該粉末本来の潤
滑性がそのまま保持されて潤滑性能に優れた材料
を得ることができるものである。

実施例１原料ａ金属粉末 Al−３％Cu合金粉末（平均粒径50μｍ）
95％（重量）ｂ固体潤滑剤粉末 MoS₂（平均粒径0.5μｍ）５％上記ａ・ｂの両粉末を均一に混合処理し、その
混合粉末を油圧押型装置で高密度（約2.5ｇ／
cm³）に圧粉成形した。

該圧粉成形体をAr雰囲気中で700℃・10分間焼
結処理した後急冷し、次いで540℃で２時間溶体
化処理し、該処理後炉から取り出したものを直ち
に水中に投入して急冷処理した。次いで150℃の
炉内に入れて人工時効処理を行なつた。

第１図は該材料について測定した時効日数とか
たさの関係グラフである。グラフからわかるよう
に、該材料の時効処理前のかたさＨ_Vは約53であ
つた。このかたさは従来の同系材料、即ち原料の
金属粉末として通常の非時効硬化性のAl粉末を
用い、固体潤滑剤粉末の配合量、圧粉成形体密
度、焼結条件は本例の場合と同じにして得た材料
のかたさと実質同じとみなすことができる。

而して時効日数と共にそのかたさは増大し、日
数14日目あたりでかたさＨ_V約92とピークにな
り、その後はかたさの漸減現象がみられる。

従つて時効処理を14日あたりで終了させること
により時効処理前（＝従来の同系材料）の約1.73
倍の高いかたさを有する材料即ち耐久性・機械的
強度に優れた材料を得ることができる。

第２図は本実施例に於て固体潤滑剤粉末の配合
量を種々異ならせて製造した各材料の時効処理前
のかたさ（鎖線グラフ）と時効処理後（150℃・
14日間）のかたさ（実線グラフ）の測定グラフで
ある。時効処理前の材料、時効処理後の材料何れ
の場合も固体潤滑剤粉末の配合量が大きくなるに
つれて材料かたさＨ_Vは低下していくが、時効処
理後のもののかたさは処理前のものより各場合と
も高くかたさレベルが格段に上昇することがわか
る。

又本実施例に於て原料たる前記ａ・ｂ両混合粉
末の圧粉成形を真空中で行なつて得た材料と、空
気中で行なつて得た材料の摩擦係数の具合を測定
した（ピン・オン・デイスク型摩擦試験機、摩擦
ピン＝炭素鋼、すべり速度＝10cm／sec、荷重＝
１Kg、摩擦時間＝１時間）。その結果真空中圧粉
成形のものは焼結温度に関係なく摩擦係数0.18で
あるに対して、空気中圧粉成形のものは焼結温度
600℃で同係数0.58で潤滑性能がかなり悪いもの
であつた。その理由は前述したように空気中圧粉
成形のものはその成形体中に含まれる空気で固体
潤滑剤分が焼結過程で酸化を受けて劣化を生じた
ためである。従つて圧粉成形は真空中（或は不活
性気体雰囲気）で行なうことを可とする。

実施例２原料ａ金属粉末 Cu−2.2％Be合金粉末（平均粒径50μｍ） 95％ｂ固体潤滑剤粉末黒鉛（平均粒径５μｍ）５％製造条件圧粉成形密度約7.2ｇ／cm³、焼結兼溶体化処理
温度800℃・同時間60分・同雰囲気Ar、急冷は水
中投入、時効処理温度350℃。

この焼結体の時効時間とかたさとの関係の測定
グラフを第３図に示す。即ち350℃・１時間の時
効処理でかたさ上昇がピークに達し、この時点で
処理を終了させることにより時効前のかたさＨ_V
約100よりも約3.5倍のかたさＨ_V約350の高いかた
さのこの種の焼結材料が得られる。

第４図は、本実施例に於て固体潤滑剤たる黒鉛
粉末の金属粉末に対する配合量を種々異ならせ、
製造条件は上記と同様（但し圧粉成形は各場合同
一押圧力、時効処理時間は各場合１時間）にして
得た各材料の摩耗率測定グラフである（相手材炭
素鋼、すべり速度10cm／sec、荷重１Kg）。即ち固
体潤滑剤たる黒鉛の配合量を多くするにつれて耐
摩耗性が低下する。

実施例３原料ａ金属粉末 Al−20％Ag合金粉末（平均粒径50μｍ） 95％ｂ固体潤滑剤粉末 MoS₂とWS₂の重量比１：１混合粉末（平均粒
径１μｍ）５％製造条件圧粉成形体密度約3.4ｇ／cm³、焼結兼溶体化処
理温度550℃・同時間60分・同雰囲気Ar、急冷は
水中投入、時効処理温度250℃。

この焼結体の時効温度とかたさとの関係の測定
グラフを第５図に示す。

第６図は本実施例に於て固体潤滑剤たるMoS₂
＋WS₂の混合粉末（重量比１：１）の金属粉末に
対する配合量を種々異ならせ、製造条件は上記と
同様（但し圧粉成形は各場合同一押圧力、時効処
理時間は各場合６時間）にして得た各材料の摩耗
率測定グラフである（相手材炭素鋼、すべり速度
10cm／sec、荷重１Kg）。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は夫々実施例１の材料につい
ての時効硬化進行グラフと、固体潤滑剤粉末の配
合量と材料のかたさとの関係グラフ、第３図及び
第４図は夫々実施例２の材料についての時効硬化
進行グラフと、固体潤滑剤粉末の配合量と材料の
摩耗率との関係グラフ、第５図及び第６図は夫々
実施例３の材料についての時効硬化進行グラフ
と、固体潤滑剤粉末の配合量と材料の摩耗率との
関係グラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

１金属粉末99〜67重量％と固体潤滑剤粉末１〜
33重量％との混合粉末の圧粉成形焼結体であつ
て、金属粉末が重量％比でAl：Cu＝（99.4〜
94）：（0.6〜６）の時効硬化性Al−Cu合金粉
末、Cu：Be＝（99.7〜97）：（0.3〜３）の時効
硬化性Cu−Be合金粉末、又はAl：Ag＝（95〜
50）：（５〜50）の時効硬化性Al−Ag合金粉末
である、ことを特徴とする潤滑性焼結金属材料。