JP5361126B2 - 複層摺動部材及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、複層摺動部材、詳しくは潤滑油あるいは合成樹脂が使用できない高温用途において使用されて好適な複層摺動部材及びその製造方法に関する。
従来から、鋼板と鋼板の表面に一体に接合された多孔質金属焼結層と該多孔質金属焼結層の孔隙及び表面に充填被覆された合成樹脂のすべり層とからなる複層摺動部材が多数提案されている(特許文献1及び特許文献2所載)。
また、高温領域での使用を目的とした複層摺動部材としては、エキスパンドメタルや金網などの金属網状体と膨張黒鉛とを一体化させた摺動シート材が提案されている(特許文献3所載)。
特公昭31−2452号公報(PTFE) 特開平5−99230号公報(ポリアセタール) 特開平9−317772号公報
前者の複層摺動部材は、すべり層を形成する合成樹脂の融点によって使用温度条件が決定されるため、自ら使用範囲が限定され、例えば250℃を超える高温領域での使用は到底不可能となる。また、後者の摺動シート材は、主にシール材やガスケットに使用されて好適であり、軸受などの摺動部材用途においては強度面で問題があり、使用範囲が限定される。
本発明は、前記諸点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、潤滑油あるいは合成樹脂が使用できない高温用途の使用において好適な複層摺動部材及びその製造方法を提供することにある。
本発明の複層摺動部材は、金属裏金の表面に一体に接合された多孔質青銅焼結層の表面に金属網状体が一体に接合されており、該金属網状体の網目及び表面を覆って膨張黒鉛が充填被覆されている。

斯かる複層摺動部材によれば、金属裏金に多孔質青銅焼結層を介して金属網状体が強固に接合されていると共に該金属網状体の網目及び表面に膨張黒鉛が充填被覆されており、すべり面を形成する膨張黒鉛は摺動方向に対して強固に一体化されているので、耐荷重性が高められ、膨張黒鉛自体が具有する耐熱性と相俟って、とくに高温条件において優れた摩擦摩耗特性が発揮される。
本発明の複層摺動部材において、金属裏金は、銅板又は銅合金板あるいは表面に銅メッキ層を備えた鋼板であるとよい。
本発明の複層摺動部材において、金属網状体は、銅又は銅合金からなるエキスパンドメタルあるいは銅又は銅合金からなる線材を経糸(線)と緯糸(線)として織り、その交差部を一体に接合した平織金網であるとよい。これら金属網状体は、その一方の表面が金属裏金の表面に接合された多孔質青銅焼結層と密に接合しているため、該金属網状体の金属裏金の表面からの剥離等の不具合を生じることはない。
本発明の複層摺動部材の製造方法は、金属裏金の表面に青銅粉末を一様に散布して青銅粉末層を形成したのち、該青銅粉末層の表面に金属網状体を該金属網状体の一方の表面が該青銅粉末層と密に接するように載置し、これらを700〜800℃の温度で焼結して金属裏金と多孔質青銅焼結層と金属網状体とを一体に接合した複層板を形成したのち、該複層板の金属網状体の表面に少なくとも0.05gf/cmの密度を有する膨張黒鉛シートを載置し、加圧圧接して該金属網状体の網目及び表面に膨張黒鉛を充填被覆してなる。
斯かる複層摺動部材の製造方法によれば、金属網状体の表面に載置される膨張黒鉛シートは、少なくとも0.05gf/cmの密度であるため、加圧圧接されることにより当該膨張黒鉛シートの密度が高められて金属網状体の網目内及び多孔質青銅焼結層に密に充填される結果、すべり層となる膨張黒鉛のすべり方向に対し該金属網状体及び多孔質青銅焼結層への接合一体化が強固に行われる。
本発明の複層摺動部材の製造方法において、金属裏金の表面に多孔質青銅焼結層を介して一体に接合される金属網状体としては、銅又は銅合金からなるエキスパンドメタル、あるいは銅又は銅合金からなる線材を経糸(線)と緯糸(線)として織り、その交差部が一体に接合された平織金網が使用される。
本発明の複層摺動部材は、金属裏金と該金属裏金の表面に一体に接合された多孔質青銅焼結層と該多孔質青銅焼結層の表面に一体に接合された金属網状体と該金属網状体の網目及び表面に充填被覆された膨張黒鉛からなるものであり、該複層摺動部材は、板状のまますべり部材として、又は膨張黒鉛を内側にして円筒状に捲回した、所謂巻きブッシュの形態で使用される。
本発明によれば、金属裏金に多孔質青銅焼結層を介して金属網状体が強固に接合されていると共に該金属網状体の網目及び表面に膨張黒鉛が充填被覆されており、すべり面を形成する膨張黒鉛は摺動方向に対して強固に一体化されているので、耐荷重性が高められ、膨張黒鉛自体が具有する耐熱性と相俟って、とくに潤滑油あるいは合成樹脂が使用できない高温条件において優れた摩擦摩耗特性が発揮される複層摺動部材及びその製造方法を提供することができる。
次に本発明を、図に示す好ましい実施の形態の例に基づいて更に詳細に説明する。なお、本発明はこれら例に何等限定されない。
図1は、本発明の実施の形態の例の断面説明図であり、図2は、本発明の他の実施の態様の例の断面説明図である。
図1及び図2において、本例の複層摺動部材1は、金属裏金としての表面に銅メッキ層2を備えた鋼板3と、該鋼板3の銅メッキ層2の表面に一体に接合された多孔質青銅焼結層4と、該多孔質青銅焼結層4の表面に該多孔質青銅焼結層4と一体に接合された金属網状体5と、該金属網状体5の網目6及び表面7に充填被覆された膨張黒鉛8とからなる。
金属裏金としての鋼板3の表面の銅メッキ層2は、鋼板3と多孔質青銅焼結層4との接合性を高めるためのものであり、金属裏金として、銅又は銅合金を使用する場合は、この銅メッキ層2を省略することができる。銅メッキ層2は、電気メッキにより設けることができる。
多孔質青銅焼結層4において、青銅としては、銅錫合金、燐青銅合金、鉛青銅合金、アルミニウム青銅合金等が挙げられ、粒径を32〜200μmに調整したものが好適に使用される。鋼板3の表面の銅メッキ層2上に多孔質青銅焼結層4を形成する方法としては、銅メッキ層2上に多孔質青銅焼結層4を一様な厚さ、例えば0.2mm〜0.5mmの厚さに散布し、下記に説明する金属網状体5とともに、0.1〜0.5MPaの加圧下において、還元性雰囲気に調整された加熱炉で760〜780℃の温度で60〜90分間焼結する方法が挙げられる。なお、本発明でいう「多孔質」とは、例えば気孔率40〜45%を示す状態を意味する。
鋼板3の表面に銅メッキ層2を介して一体に接合された多孔質青銅焼結層4と一体に接合された金属網状体5としては、銅又は銅合金からなるエキスパンドメタル(図1)あるいは銅又は銅合金からなる線材を経糸(線)と緯糸(線)として織り、その交点が一体に接合された平織金網(図2)が使用される。これら金属網状体5は、その一方の表面が多孔質青銅焼結層4と密に接触して一体に接合されているため、該金属網状体5と多孔質青銅焼結層4との接合力は高く、該金属網状体5の金属裏金としての鋼板3の表面からの剥離等の不具合を生じることはない。
金属網状体5としてのエキスパンドメタルは、直線状の刃を有する固定下型と、波形状、台形状、三角形状等の刃を有する可動上型との間に銅又は銅合金板を該固定下型の刃に対して直角方向あるいは固定下型の刃に対して斜め方向に送入し、該可動上型を上下方向に往復させて該銅又は銅合金板に切り込みを入れると同時に該切り込みを拡開して規則正しい網目列を形成したものである。図3から図5はエキスパンドメタル50を示すものであり、図3は、図1に示すエキスパンドメタルの斜視図であり、図4は、図3に示すエキスパンドメタルの平面説明図であり、図5は、図4のI−I線断面説明図である。
図中符号51は網目、52は網目51を形成する各辺(ストランド)、53はこれらのストランド52同士の結合部(ボンド部)、tはエキスパンドメタル50の厚さである。図3ないし図5に示したエキスパンドメタル50の網目51の形状は正六角形のものであるが、この網目51の形状は上記したように可動上型の刃の形状を変えることにより、菱形、方形、その他多角形状の網目を形成することができる。
エキスパンドメタル50を形成する銅合金としては、青銅、リン青銅、黄銅、ベリリウム銅、洋白、アルミニウム青銅などが使用される。エキスパンドメタル50の厚さ(エキスパンドメタル加工前の板の厚さ)は0.1〜1.5mm、各辺52(ストランド)の長さが0.1〜1.5mmのものが使用されて好適である。
また、図6は、図2に示す平織金網の断面説明図であり、図7は、図6に示す平織金網の平面説明図である。金属網状体5としての平織金網60は、図6及び図7に示すように、銅又は銅合金からなる線材61を夫々経糸(線)62と緯糸(線)63として平織したものであり、経糸62と緯糸63の交差部64で熱的により互いに溶着されている。銅合金からなる線材61としては、青銅、リン青銅、黄銅、ベリリウム銅、洋白、アルミニウム青銅などが使用され、線材61の直径は0.1〜1.5mmで、網目65は一辺が0.5〜1.5mmの方形状のものが使用されて好適である。
膨張黒鉛8は、天然黒鉛、キッシュ黒鉛、熱分解黒鉛等の黒鉛を、濃硫酸、濃硝酸、濃硫酸と塩素酸カリウム、濃硫酸と硝酸カリウム、又は過酸化水素等の強酸化剤、臭素あるいは塩素化アルミニウム等のハロゲン化物で処理することにより層間化合物を形成し、この層間化合物の形成された黒鉛粒子(酸処理黒鉛)を急激に加熱、例えば950℃以上の高温で1〜10秒間処理して分解ガスを発生せしめ、そのガス圧により黒鉛層間が拡張されることにより形成される。このように形成された膨張黒鉛(粒子)は、そのまま使用されてもよいが、嵩密度が大きく取り扱いにくいので、通常は膨張黒鉛粒子を結合剤の存在下又は不存在下で圧縮成形ないしロール成形によりシートの形態で使用される。
膨張黒鉛8は、上記多孔質青銅焼結層4と一体に接合された金属網状体5の網目6および表面7に充填被覆されている。金属網状体5の網目6および表面7に充填被覆された膨張黒鉛8はすべり層として作用し、耐熱性を有し、相手材とのなじみ性に優れており、また、衝撃強度も著しく改善されており、とくに摺動面に潤滑油あるいは合成樹脂が使用できない高温用途において優れた摩擦摩耗特性を発揮する。
上述した複層摺動部材1は、板状のまますべり部材として、又は膨張黒鉛8を内側にして円筒状に捲回した、所謂巻きブッシュの形態で使用される。
次に、複層摺動部材1の製造方法の一例について説明する。
複層板の作製
金属裏金として、表面に厚さ20〜50μmの銅メッキ層2を備えた板厚0.5〜1.5mmの鋼板(冷間圧延鋼板SPCC)3を準備する。この鋼板3の銅メッキ層2の表面に、粒径45μm以下の不規則形状を呈する青銅(銅90重量%、錫10重量%)粉末を一様な厚さに散布する。板厚0.1〜1.5mmの銅板又は銅合金板にエキスパンド加工を施し、一辺(ストランド)52の長さが0.1〜1.5mmの正六角形の規則正しい網目を備えたエキスパンドメタル50を形成する。鋼板3の表面に銅メッキ層2を介して一様な厚さに散布された青銅粉末層にエキスパンドメタル50を重ね合わせる。
ついで、銅メッキ層2を備えた鋼板3と銅メッキ層2の表面に一様な厚さに散布された青銅粉末層と青銅粉末層に重ね合わされたエキスパンドメタル50とを加圧下において、還元性雰囲気に調整された加熱炉で700〜800℃の温度で60〜90分間焼結する。
この焼結によって、鋼板3の表面に銅メッキ層2を介して一体に接合した多孔質青銅焼結層4と該多孔質青銅焼結層4に一体に接合したエキスパンドメタル50からなる複層板を形成する。
膨張黒鉛シートの作製
濃度98%の濃硫酸300重量部を撹拌しながら、酸化剤として過酸化水素の60%水溶液5重量部を加え、これを反応液とする。この反応液を冷却して10℃の温度に保持し、この反応液に30〜80メッシュの粒度を呈する鱗片状天然黒鉛粉末を添加し、30分間反応を行う。反応後、吸引濾過して酸処理黒鉛を分離し、該酸処理黒鉛を300重量部の水で10分間撹拌して吸引濾過するという洗浄作業を2回繰り返し、酸処理黒鉛から硫酸分を十分除去する。ついで、硫酸分を十分除去した酸処理黒鉛を110℃の温度に保持した乾燥炉で3時間乾燥し、これを酸処理黒鉛原料とする。この酸処理黒鉛原料を1000℃の温度で5秒間膨張処理を施して、分解ガスを発生せしめ、そのガス圧により黒鉛層間を拡張して膨張黒鉛粒子(膨張倍率240倍)を形成する。この膨張黒鉛粒子を双ローラ装置にてロール成形し、密度が少なくとも0.05gf/cm、好ましくは0.5から1.0gf/cmの膨張黒鉛シートを作製する。
複層摺動部材の作製
膨張黒鉛シートを上記複層板の表面のエキスパンドメタル50の表面に載置したのち、プレス機あるいは加圧ローラによって100〜130MPaの圧力を加えながら圧接し、該エキスパンドメタル50の網目51及び表面に充填被覆した膨張黒鉛8からなるすべり層を形成した複層摺動部材1を作製する。すべり層の厚さは、0.03〜0.1mmが例示される。
上記複層摺動部材1の製造方法においては、金属網状体5としてエキスパンドメタル50を使用したが、エキスパンドメタル50に代えて平織金網60を使用する場合は、つぎの製造方法が採られる。
線径が0.1〜1.5mmの銅又は銅合金からなる線材61を準備し、この線材を経糸(線)62と緯糸(線)63として平織し、一辺が0.5〜1.5mmの方形状の網目65に形成した平織金網60を作製する。この平織金網60を還元性雰囲気に調整した加熱炉内で加圧下において該平織金網60の各交差部64を互いに溶着一体化する。この平織金網60の各交差部64を溶着一体化することにより、交差部64の経糸(線)62と緯糸(線)63にずれが生じないため、平織金網60の網目65及び表面に充填被覆される膨張黒鉛8からなるすべり層の保持性が高くなる。以下、前記と同様の方法によって複層摺動部材1を作製する。
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
実施例1
表面に厚さ30μmの銅メッキ層を備えた板厚1.0mmの鋼板(冷間圧延鋼板SPCC)を準備した。この鋼板の銅メッキ層の表面に粒度が45μmに調整された青銅(銅90重量%、錫10重量%)粉末を一様の厚さ(0.3mm)に散布し、青銅粉末層を形成した。
板厚0.3mmのリン青銅板にエキスパンド加工を施し、一辺(ストランド)0.6mmの正六角形の規則正しい網目を備えた厚さ0.43mmのエキスパンドメタルを作製した。
このエキスパンドメタルを、銅メッキ層を介して鋼板の表面に形成された青銅粉末層の表面に載置し、加圧下(0.1MPa)において還元性雰囲気に調整された加熱炉で780℃の温度で1時間焼結し、鋼板と該鋼板の表面に銅メッキ層を介して一体に接合された多孔質青銅焼結層と該多孔質青銅焼結層に一体に接合されたエキスパンドメタルからなる複層板を作製した。
膨張倍率240倍の膨張黒鉛粒子を双ローラ装置にてロール成形し、密度が0.5gf/cmで、厚さが1.0mmの膨張黒鉛シートを作製した。
この膨張黒鉛シートを複層板のエキスパンドメタルの表面に載置したのち、128MPaの圧力でロール成形を施し、エキスパンドメタルの網目及び表面に充填被覆した膨張黒鉛からなるすべり層を形成した。これを一辺30mmの方形状に加工し、複層摺動部材Aとした。
実施例2
表面に厚さ30μmの銅メッキ層を備えた板厚1.0mmの鋼板(冷間圧延鋼板SPCC)を準備した。この鋼板の銅メッキ層の表面に粒度が45μmに調整された青銅(銅90重量%、錫10重量%)粉末を一様の厚さ(0.3mm)に散布し、青銅粉末層を形成した。
線径が0.5mmのリン青銅からなる線材を準備し、この線材を経糸(線)と緯糸(線)として平織し、一辺が0.6mmの方形状の網目に形成した平織金網を作製したのち、この平織金網を還元性雰囲気に調整した加熱炉内で加圧下(0.1MPa)において該平織金網の各交差部を互いに溶着一体化した。
以下、前記実施例1と同様の方法で、平織金網の網目及び表面に充填被覆した膨張黒鉛からなるすべり層を形成した。これを一辺30mmの方形状に加工し、複層摺動部材Bとした。
比較例
板厚5mm、一辺30mmの高力黄銅鋳物4種からなる平板を準備し、この平板に直径6mmの円孔を9個形成すると共に該円孔に黒鉛からなる円柱状の固体潤滑剤を埋設固定し、これを摺動部材Cとした。摺動面(摺動部材の表面)に占める固体潤滑剤の面積比率 は28.3%である。
上述した実施例1及び2の複層摺動部材及び比較例の摺動部材について、表1に示す試験条件で、スラスト試験により摩擦係数及び摩耗量を試験した。スラスト試験の結果を表2に示す。
Figure 0005361126
Figure 0005361126
以上の試験結果から明らかなように、実施例1及び実施例2の複層摺動部材A及びBは、雰囲気温度300℃の高温条件において優れた摩擦摩耗特性を示したのに対し、比較例の摺動部材は、摩擦係数が試験時間を通じて不安定に推移し、摩耗量も極めて大きな値を示した。
本発明の複層摺動部材は、潤滑油あるいは合成樹脂が使用できない高温用途にとくに好適である。
本発明の実施の形態の例の断面説明図である。 本発明の他の実施の態様の例の断面説明図である。 図1に示すエキスパンドメタルの斜視図である。 図3に示すエキスパンドメタルの平面説明図である。 図4のI−I線断面説明図である。 図2に示す平織金網の断面説明図である。 図6に示す平織金網の平面説明図である。
符号の説明
1 複層摺動部材
2 銅メッキ層
3 鋼板
4 多孔質青銅焼結層
5 金属網状体
6 網目
7 表面
8 膨張黒鉛
50 エキスパンドメタル
60 平織金網

Claims (10)

  1. 金属裏金の表面に一体に接合された気孔率40〜45%の多孔質青銅焼結層の表面に金属網状体が一体に接合されており、該金属網状体の網目及び表面を覆って膨張黒鉛が充填被覆されていることを特徴とする複層摺動部材。
  2. 金属裏金は、銅板又は銅合金板である請求項1に記載の複層摺動部材。
  3. 金属裏金は、鋼板と該鋼板の表面に形成された銅メッキ層とからなる請求項1に記載の複層摺動部材。
  4. 金属網状体は、銅又は銅合金からなるエキスパンドメタルである請求項1から3のいずれか一項に記載の複層摺動部材。
  5. 金属網状体は、銅又は銅合金からなる経線(糸)と緯線(糸)との交差部が一体に接合された平織金網である請求項1から3のいずれか一項に記載の複層摺動部材。
  6. 金属裏金の表面に青銅粉末を一様に散布して青銅粉末層を形成したのち、該青銅粉末層の表面に金属網状体を該金属網状体の一方の表面が該青銅粉末層と密に接するように載置し、これらを700〜800℃の温度で焼結して金属裏金と気孔率40〜45%の多孔質青銅焼結層と金属網状体とを一体に接合した複層板を形成したのち、該複層板の金属網状体の表面に少なくとも0.05gf/cmの密度を有する膨張黒鉛シートを載置し、加圧圧接して該金属網状体の網目及び表面に膨張黒鉛を充填被覆してなる複層摺動部材の製造方法。
  7. 金属裏金は、銅板又は銅合金板である請求項6に記載の複層摺動部材の製造方法。
  8. 金属裏金は、鋼板と該鋼板の表面に形成された銅メッキ層とからなる請求項6に記載の複層摺動部材の製造方法。
  9. 金属網状体は、銅又は銅合金からなるエキスパンドメタルである請求項6から8のいずれか一項に記載の複層摺動部材の製造方法。
  10. 金属網状体は、銅又は銅合金からなる経糸と緯糸との交差部が一体に接合された平織金網である請求項6から8のいずれか一項に記載の複層摺動部材の製造方法。
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