JP4145504B2

JP4145504B2 - フリクションヒンジ用摩擦部材

Info

Publication number: JP4145504B2
Application number: JP2001137573A
Authority: JP
Inventors: 元博宮坂
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Priority date: 2001-05-08
Filing date: 2001-05-08
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2021-05-08
Also published as: JP2002333008A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、本体部と反復開閉する蓋部とを有する小型ＯＡ機器、例えばノート型パソコンなどの、キーボート部とディスプレー部を結合し開閉および任意の角度に保持することができるようなフリクションヒンジ等に用いられる摩擦部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のヒンジとして、ブラケットに設けた軸受部に回転シャフトを回転自在に挿入し、そのブラケットの両側または片側にワッシャー状の摩擦部材（フリクションプレート）を回転シャフトと共に回転可能に設け、そしてフリクションプレートを皿ばね等の付勢手段によりブラケットに圧接させて、ブラケットと回転シャフトとの間にフリクショントルクを生じさせるようにした構造のものがある。
このようなヒンジは、ブラケットを例えばキーボード部側に固定し、回転シャフトをディスプレー部側に固定して用いれば、所定の回転トルクを与えたときディスプレー部を開閉することができ、また任意の角度に開いた状態て静止させることができる。
このようなフリクションヒンジは、ブラケットは炭素鋼やステンレス鋼製で、相手部材の摩擦部材はブラケットと同じ材料或いはリン青銅で作られ、それらの摺動部にはグリースが塗布されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような小型ＯＡ機器、例えばノート型パソコン等のヒンジは、開閉を繰り返しても各摺動部材の摩耗がなく、回転トルクに変化を生じないことが要求される。摩擦摺動部材の摩耗は摩擦に変化をもたらし、回転トルクが変わることにより、開閉の感触が変わり、或いは、回転トルクが増加した場合は、ディスプレー部を開く際にキーボード部が共に持ち上がるようになったり、回転トルクが減少した場合には、ディスプレー部を所望の角度に保持できない状態が起こる。また、摩耗粉は潤滑グリースやヒンジの周囲を汚染したり、パソコン内にこぼれ落ちた場合は機器を故障させる原因になるおそれがある。
一方、摺動部へのグリース塗布は潤滑のために不可欠であるが、塗布作業が繁雑であり、周囲の余剰なグリースは、機器を構成する樹脂製構造物の変質を助長することになり、また、摺動部のグリースが消費された際、周辺からの補給が不確実であり、長期にわたって潤滑性能を確保できなくなるおそれがある。
この発明は、このような課題を背景とし、長期にわたって、より安定した回転トルクを維持できるヒンジを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明のフリクションヒンジ用摩擦部材は、金属顕微鏡組織がパーライト組織の鉄合金相と銅相または銅−鉄合金相の混合組織中に固体潤滑剤粒子が分散しており、有効多孔率が５〜２５体積％である焼結合金からなり、その気孔に潤滑剤を含浸したものである。
前記固体潤滑剤粒子とは、黒鉛、または黒鉛及び二硫化モリブデンである。焼結合金は、Ｃｕ：３〜３０質量％、Ｃ：１.５〜４質量％を含有している鉄基材料であり、より好ましくはＣｕ：１０〜２０質量％、Ｃ：３〜４質量％、残部が実質的にＦｅからなる鉄基材料である。
また、前記潤滑剤とは、フッ素オイル、炭化水素系合成油、あるいは極圧ギヤ油等の極圧潤滑剤であるが、後者の極圧潤滑剤が好ましい。
前記極圧潤滑剤（extreme pressure lubricant、 EP lubricant）とは、日本潤滑学会編「潤滑用語集」（1992.3.30、養賢堂発行、ｐ．24）に記載されているように、高い接触圧力により油膜破断の生じるような条件下の潤滑に用いられる潤滑油、グリースなどの総称で、極圧添加剤（extreme pressure agent、 EP agent）を添加して耐荷重能を向上させた極圧ギヤ油（ＥＰギヤ油、 EP gear oil）、酸化防止剤、さび止め剤などを含む添加タービン油に極圧添加剤をさらに添加して極圧潤滑性能を向上させた極圧タービン油（EP turbine oil）、あるいは塩素、硫黄、リン等の極圧添加剤を添加して極圧性をもたせた極圧グリース（ＥＰグリース、 EP grease）、前記極圧ギヤ油とワックスとを混合したワックス等をいう。
【０００５】
【発明の実施の形態】
１．焼結合金からなる摩擦部材
この発明の摩擦部材は鉄粉、銅粉または銅箔粉、黒鉛粉、及び二硫化モリブデン粉を原料粉とする。
これらの原料粉を所定の割合で混合し、圧粉成形し、鉄に炭素が拡散し銅が溶融しない温度、すなわち１０００℃程度で焼結する。焼結体は平坦度を向上させるためにサイジングすることが好ましい。また、摺動する面を研磨面としたものも、安定した摺動摩擦を示す。
摩擦摺動面となる端面に同心円状或いは放射状の溝を設けておくと、潤滑剤の収容及び摩耗粉の収容をする余地となるので好ましい。
【０００６】
焼結合金は、金属顕微鏡組織がパーライト組織の鉄粒子が主体で、その粒子間に銅が分散し、さらに黒鉛、または黒鉛と二硫化モリブデンとが分散したものである。
パーライト組織の鉄粒子は、焼結合金の骨格をなしており、適度の硬さをもっており耐摩耗性があり、相手部材を攻撃し難いという性状に基づいている。
鉄の結合炭素量は、Ｆｅ−Ｃ系において０.４〜０.８質量％程度とし、特に０.６質量％程度が耐摩耗性に優れ相手材を攻撃し難いので好ましい。炭素の供給源は、原料粉を混合して得られる混合粉に添加する黒鉛粉であり、焼結によって鉄粒子に拡散される。
【０００７】
混合粉に添加した黒鉛粉の残余は、焼結合金中に固体潤滑剤粒子として残留し混合組織中に分散される。
焼結合金中の固体潤滑剤粒子としては、黒鉛のみでもよいが、二硫化モリブデン粉も一緒に添加すると耐摩耗性が向上する。二硫化モリブデン粉の量は、コストの点から、黒鉛粉の４分の１程度とすることが好ましい。
また、混合粉に含まれる黒鉛粉または黒鉛粉と二硫化モリブデン粉の量が４質量％を越えると、これらの偏析が起こりやすくなり、混合粉の見掛け密度が低くなり、粉末の流動性が悪くなり、また焼結体の強度が低下するので好ましくない。焼結合金中の固体潤滑剤粒子の量が１質量％より少ないと摩耗しやすくなり、摩擦が不安定になる。このようなことから、固体潤滑剤粒子が黒鉛のみの場合、焼結合金中の結合炭素量と合わせた炭素量は１.５質量％以上とし、前記混合粉中の固体潤滑剤粉末の最大添加量は４質量％の範囲である。
【０００８】
焼結合金中のＣｕの含有量は、３〜３０質量％の範囲であり、より好ましくは１０〜２０質量％である。Ｃｕは、焼結により極わずかに鉄と合金化するが、殆どはＣｕとして残留し、金属顕微鏡組織は、鉄合金粒子の間に銅粒子が点在した状態となる。Ｃｕは、銅粉、銅箔粉、または銅被覆黒鉛粉の形で添加することができる。
Ｃｕの成分は、合金の強度を高め、相手材とのなじみ性をよくし、耐摩耗性を向上する。
焼結金属のＣｕの含有量が３質量％に満たないと、相手部材と凝着を起こしやすくなり、摺動量の増加に伴い、摩耗が速くなり、相手部材を摩耗させやすく、摩擦力が上昇して変化が大きくなる。また、Ｃｕの含有量が３０質量％を越えた場合も耐摩耗性が悪くなる。
このような焼結合金が良好な摺動摩擦特性を維持できる理由は、前述のパーライト鉄粒子、銅相、及び固体潤滑剤粒子のそれぞれの性質が交互に作用しており、パーライト組織の鉄合金相が強度、耐摩耗性及び適度な摩擦特性をもつ骨格となり、比較的軟質な銅相が点在することにより相手部材とのなじみ性及び適度な摩擦特性を発揮し、かつ固体潤滑剤粒子の分散によって摺動潤滑性及び耐摩耗性が向上するためであると考えられる。
【０００９】
このような焼結合金からなる摩擦部材は、油やワックス等が含浸する気孔を有しており、その有効多孔率は５〜２５体積％である。有効多孔率が小さいものは含油能が低く、潤滑性が乏しくなり、摩擦力が過度に上昇する原因になる。有効多孔率が大きいものは焼結合金の密度が低く、耐摩耗性が劣る。なお、有効多孔率はより好ましくは１５〜２０体積％である。
【００１０】
２．気孔に含浸する潤滑剤
潤滑剤としては、極圧潤滑剤が摩擦係数の変化が少なく良好な摺動摩擦を示す。その他の潤滑剤としては、フッ素オイルや炭化水素系合成油でもよい。フッ素系オイルとしては、例えばアウジモンド社製の商品名フォンブリンＭ３０が挙げられ、炭化水素系合成油としては、昭和シェル石油(株)製の商品名テラス６８が挙げられる。
【００１１】
極圧潤滑剤は、前記の極圧添加剤入りのギヤ油やタービン油、これらの潤滑油とワックスとの混合物、極圧添加剤入りのグリースなどである。
いずれの形態の極圧潤滑剤でもよいが、含浸作業性がよく、使用中に摺動面にしみ出しやすい液状の極圧潤滑剤が望ましい。
極圧潤滑剤は、摩擦部材の気孔中に含浸しているため、摩擦面を長期間にわたって潤滑し、安定した摩擦特性を持続する。また、従来のグリースによる潤滑のように、ヒンジ内に余分な潤滑剤を充填する必要がないので、ヒンジの組み立てが容易となり、周囲を汚染するおそれも少なくすることができる。
極圧潤滑剤の含浸は、ギヤ油やタービン油では摩擦部材を油中に浸漬して含浸するか、通常の減圧含浸を行い、ワックスやグリースは極圧潤滑剤を加熱溶融して減圧含浸する。
【００１２】
【実施例】
１．好ましい摩擦部材の実施例
（摩擦部材の製作）
下記の原料粉を準備する。
（１）鉄粉粒度１００メッシュ以下
（２）銅粉粒度２００メッシュ以下
（３）黒鉛粉粒度２５０メッシュ以下
（４）銅被覆黒鉛粉Ｃｕ：５０質量％
（５）二硫化モリブデン粉粒度２５０メッシュ以下
（６）銅被覆二硫化モリブデン粉Ｃｕ：５０質量％
（７）ステアリン酸亜鉛粉（成形潤滑剤）
これらの原料粉を所定割合で混合する。銅被覆黒鉛粉は、焼結中に鉄粉への浸炭を少なくし、遊離黒鉛を多くすることができる。上記原料粉を一緒に混合する方法でもよいが、鉄粉に微量の低粘度油を加えて混合した後、黒鉛粉を混合して付着させ、その後に銅粉を混合する手順とすることもできる。
鉄粉に、Ｃｕの量が３〜３０質量％、黒鉛量または黒鉛と二硫化モリブデン量が１.５〜４質量％となるように、銅粉、黒鉛粉、銅被覆黒鉛粉、二硫化モリブデン粉、銅被覆二硫化モリブデン粉の中から組み合わせて混合する。二硫化モリブデン粉を添加する場合、黒鉛粉の添加量は、鉄のパーライト組織を形成するのに必要な少なくとも約０.５質量％以上とされる。
摩擦部材の特性とコストを考慮した好ましい配合は、質量で鉄粉７８.６％、銅粉１６％、黒鉛２.４％、銅被覆黒鉛粉３％とし、成形潤滑剤をこれらに対して１％添加する。
【００１３】
この混合粉を金型を用いてワッシャー形状に圧縮成形する。成形密度は６.４〜６.８ｇ／ｃｍ^３程度とする。ワッシャー状摩擦部材は、シャフトにはめ込まれる内孔が小判形で、端面に放射状に溝を設ける。これは成形金型にて造形する。
この成形体を還元性ガス雰囲気中で加熱し最高温度約１０００℃で焼結する。
焼結体は、前記の好ましい原料配合としたものの場合、組成が、Ｃｕ：約１７.５質量％、Ｃ（全炭素量）：約３.８質量％、鉄との結合炭素量が約０.６質量％（全体組成中では約０.４７質量％）、及び遊離黒鉛量（フリーカーボン量）：約３.３質量％であり、鉄相はパーライト組織であって、銅相が鉄相の約５分の１の面積を占め、鉄相を囲みまたは鉄相に分散した金属顕微鏡組織を呈する。前記の全炭素量は、用いた黒鉛粉の不純物が２.５質量％の場合である。
ついで、焼結体を金型を用いてサイジングし、寸法および形状を整える。
サイジングされた摩擦部材は、密度が６.６ｇ／ｃｍ^３の場合は、有効多孔率が約１５体積％である。
摩擦部材の摩擦面を研磨やラッピングを行い、表面気孔量を少なくする工程を加えてもよい。また、後述の潤滑剤を焼結体に予め含浸してサイジングすることもできる。
【００１４】
（潤滑剤の含浸）
潤滑剤は、極圧潤滑剤が好ましく、より好ましくは極圧ギヤ油（EP gear oil）である。例えば、温度４０℃における粘度４６０ｃＳｔ（４.６ｃｍ^２／ｓ）のギヤ油（出光興産(株)製、ダフニー・スーパ・ギヤ４６０）が一例として挙げられる。これら潤滑剤は真空含浸装置で含浸する。
【００１５】
２．ヒンジ試験装置
図１は、本発明の実施例で用いたフリクションヒンジの断面図である。
軸受孔１ａがあるブラケット１（オーステナイト系ステンレス鋼、ＳＵＳ３０４製）が図示していない基盤に固定されている。可動軸３は、大径部３ａ、断面が小判形をした軸部３ｂ、ねじ部３ｃからなっている。摩擦部材２ａ、２ｂはブラケット１を挟んで配置され、摩擦部材２ｂの外側には座金５ａ、板ばね４及び座金５ｂを付設し、ナット６により締め付けられ、これらは可動軸３と一体に回転する。板ばね４は摩擦部材２ａ、２ｂをブラケット１に圧接させる付勢手段であり、ブラケット１と摩擦部材２ａ、２ｂとに所定の摩擦力が生ずる。
可動軸３を角度１８０度の領域内で往復揺動させ、所定回数揺動させたのちに、ロックトルク（静止トルク）を測定して、その変化量によりロックトルクの安定性を評価する。
試験方法は、ヒンジ装置のナット６を締め付けて、ロックトルク（静止トルク）の初期値を５０ｋｇｆ・ｍｍに設定する。そして、可動軸３を角度１８０度の範囲内で２万回往復開閉し、千回、５千回、１万回、２万回におけるロックトルクの測定を行いまた摺動部の状態を観察する。
【００１６】
３．ヒンジ試験特性
前記の好ましい焼結合金の場合、２万回時のロックトルクは、初期値と殆ど変わりなく、摩擦部材の摩耗量は３μｍ以下で、ブラケットの摩耗が認められないものとなる。
焼結合金のＣｕ含有量が１０質量％程度までは特性値の変化が認められないが、Ｃｕ含有量がそれより少ないものは、摩擦部材の摩耗が多くなる傾向があり、Ｃｕ含有量が３質量％より少ないものでは、往復揺動回数が増加するにつれロックトルクが低下する。摩擦面の観察から、Ｃｕ含有量の少ない摩擦部材は、ブラケットとの凝着が起こりやすくなっているものと思われる。
焼結合金のＣｕ含有量が多いものが、耐摩耗やトルク変動が少なくなる。ただし、Ｃｕ含有量が３０質量％を越えるものでは、往復揺動回数が増加するにつれロックトルクが低下し、摩耗しやすくなる。摩擦面の観察によると、銅相が塑性流動して鉄相の役割を減少させ、表面の気孔を封孔させるためであると思われる。
黒鉛の一部を二硫化モリブデンに置換した焼結合金は、摩耗、トルク変動共に良好なものとなる。
固体潤滑剤粒子の含有量が多いものほど、安定したロックトルクを維持する。焼結合金の固体潤滑剤粒子の含有量が１質量％程度までは、耐摩耗、トルク変動は少ないが、それより少なくなると、ブラケットとの凝着摩耗が認められるようになり、特性が不安定である。
これらのことから、摩擦部材に適する焼結合金は、Ｃｕ含有量が３〜３０質量％の範囲内とし、より好ましくは１０〜２０質量％であり、鉄相はＦｅ−Ｃ系における結合炭素量が０.６質量％前後のパーライト組織を呈し、固体潤滑剤粒子としての遊離炭素は１〜３.５質量％程度とし、そのために全炭素量が１.５〜４質量％、より好ましくは３〜４質量％である。
【００１７】
従来の例として、摩擦部材２ａ、２ｂをステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）板を切削加工したもの、リン青銅板を切削加工したものをヒンジに組み立て、それぞれ摺動部に極圧グリース（出光興産(株)製ダフニー・モリブデングリース）を塗布したものについて、同様に揺動試験を行う。
これらのヒンジは、揺動回数を重ねると、摺動面のグリース潤滑が悪くなりロックトルクが増加したり、あるいは低下したりして変動が大きくなる。摩擦部材がリン青銅製のものが摩耗が比較的速い。摩耗粉は、グリースを混濁し、潤滑性をさらに劣化させる。
【００１８】
【発明の効果】
以上、説明したように、この発明のフリクションヒンジ用摩擦部材を用いれば、ヒンジの開閉感触及びロックトルクの変化が少ないものとなるから、ノート型パソコンなどの小型ＯＡ機器に用いれば、長期にわたって初期と同じ機能を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いたフリクションヒンジの断面図である。
【符号の説明】
１ブラケット
１ａ軸受孔
２ａ摩擦部材
２ｂ摩擦部材
３可動軸
３ａ大径部
３ｂ軸部
３ｃねじ部
４板ばね
５ａ座金
５ｂ座金
６ナット

Claims

ブラケットと、ブラケットの軸受孔に回転自在に装着された回転シャフトと、該回転シャフトが貫通し、かつ共に回転可能な少なくとも１個のワッシャー状摩擦部材と、摩擦部材をブラケットに圧接させる付勢手段を備えたフリクションヒンジにおいて、
前記摩擦部材が、パーライト組織の鉄合金相と銅相との混合組織中に黒鉛、または黒鉛及び二硫化モリブデンからなる固体潤滑剤粒子が分散した金属顕微鏡組織を呈し、有効多孔率が５〜２５体積％であり、前記混合組織が、前記焼結合金の組成でＣｕ：３〜３０質量％、Ｃ：０．４〜０．８質量％、残部が実質的にＦｅからなるとともに、前記固体潤滑剤粒子が、前記焼結合金の組成で１〜４質量％である焼結合金から構成されるとともに、その気孔に潤滑剤を含浸してなることを特徴とするフリクションヒンジ用摩擦部材。
前記潤滑剤が極圧潤滑剤であることを特徴とする請求項１に記載のフリクションヒンジ用摩擦部材。
ノート型パソコンのヒンジに用いられることを特徴とする請求項１または２に記載のフリクションヒンジ用摩擦部材。