CN112780680B - 滑动构件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供具备里衬金属层与滑动层的滑动构件，其在提升滑动层的耐磨损性的同时不易损伤对应轴。滑动层由合成树脂和分散于合成树脂中的纤维状粒子构成。滑动层中纤维状粒子的体积比例为1～15％，纤维状粒子由纳米压痕硬度1000～5000MPa的半石墨构成。对于纤维状粒子，由在滑动面看到的纤维状粒子的长轴和短轴的比所表示的平均长宽比为5以上，在与滑动面垂直的剖面视图中所述纤维状粒子的平均粒径为5～50μm。

Description

滑动构件
技术领域
本发明涉及滑动构件，详细而言，涉及具备里衬金属层以及由合成树脂构成的滑动层的滑动构件。
背景技术
作为轴承等所使用的滑动构件，使用金属制的里衬金属层上被覆有由树脂组合物构成的滑动层的材料。此类滑动构件中，已知作为树脂组合物使碳纤维粒子分散于合成树脂中而提高滑动层的耐磨损性和强度的滑动构件(例如，参照专利文献1和专利文献2)。或者，于钢板等设置多孔质层，使包含PTFE等合成树脂的树脂组合物含浸被覆该多孔质层而形成的复层轴承中，也提出了使碳纤维粒子分散于合成树脂中的树脂组合物。例如，专利文献3以耐磨损为目的，专利文献4以树脂层的强度提升为目的，使碳纤维分散于合成树脂中。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开平10-204282号公报
专利文献2：日本专利特开2013-194204号公报
专利文献3：日本专利特开2001-132756号公报
专利文献4：日本专利特开2010-159808号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
使碳纤维分散于合成树脂中具有以下优点：由于碳纤维的硬度大，因此可以提升耐磨损性；因其纤维状的形状而可以提升合成树脂滑动层的强度。但是，由于碳纤维过于硬，因此可能会损坏对应轴。此外问题还有，即使合成树脂基质磨损，碳纤维自体也不会随之磨损，因此随着磨损的进行碳纤维从滑动面突出，进而碳纤维从合成树脂脱落，该脱落的碳纤维进入滑动面，加速磨粒磨损。
因此，本发明的目的为，解决现有技术的上述缺点，提供纤维状粒子适度磨损的滑动构件，由此提供提升滑动层的耐磨损性的同时不易损坏对应轴的滑动构件。
解决技术问题所采用的技术方案
根据本发明的一观点，提供具备里衬金属层以及设在该里衬金属层上的滑动层的滑动构件。该滑动层的表面为滑动面。滑动层由合成树脂和分散于该合成树脂中的纤维状粒子构成。滑动层中纤维状粒子的体积比例为1～15％，纤维状粒子由纳米压痕硬度1000～5000MPa的半石墨构成。对于纤维状粒子，由在滑动面看到的纤维状粒子的长轴和短轴的比所表示的平均长宽比为5以上，在与滑动面垂直的剖面视图中纤维状粒子的平均粒径为5～50μm。
根据本发明的一具体例，滑动构件优选具有大致圆筒形状或大致半圆筒形状。
根据本发明的一具体例，合成树脂优选选自PFTE(聚四氟乙烯)、PAI(聚酰胺酰亚胺)、PI(聚酰亚胺)、PBI(聚苯并咪唑)、PA(聚酰胺)、苯酚、环氧树脂、POM(聚缩醛)、PEEK(聚醚醚酮)、PE(聚乙烯)、PPS(聚苯硫醚)以及PEI(聚醚酰亚胺)的1种或2种以上。
根据本发明的一具体例，合成树脂优选为PTFE。
根据本发明的一具体例，合成树脂优选由PTFE与超过0而在40％体积以下的选自PFA、FEP、PVDF、ETFE以及PVF的1种或2种以上构成。
根据本发明的一具体例，滑动层优选进一步包含1～20体积％的选自MoS2、WS2、石墨以及h-BN的1种或2种以上的固体润滑剂。
根据本发明的一具体例，滑动层优选进一步包含1～10体积％的选自CaF2、CaCo3、硫酸钡、氧化铁、磷酸钙、SnO2以及芳族聚酯的1种或2种以上的填充材料。
根据本发明的一具体例，里衬金属层优选在成为与滑动层的界面的表面具有多孔质金属部分。
附图说明
图1所示为本发明的一例的滑动构件的剖面的图。
图2所示为本发明的其它例的滑动构件的剖面的图。
图3为说明纤维状粒子的长宽比的图。
具体实施方式
图1示意性显示本发明的滑动构件1的一例。滑动构件1在里衬金属层2上设有滑动层3。滑动层3中，纤维状粒子5分散于合成树脂4中。滑动层3的表面为滑动面7。
通过使纤维状粒子5分散于合成树脂4中，提升滑动层3的强度和耐负荷性。以合成树脂4的1～15体积％分散纤维状粒子5。纤维状粒子5不到1体积％时没有充分的强度提升效果，而超过15体积％时损害到合成树脂层的低摩擦性。为3～15体积％时进一步提升该效果，为5～15体积％时更加提升该效果。
纤维状粒子5由半石墨构成。半石墨是将碳原子为近乎100％的无定形碳的碳质在1800℃以上而不到2000℃的温度下烧成而制成的材料，是在一定程度上保持碳质的硬度的同时还兼具石墨质的柔软的材料。由半石墨构成的纤维状粒子5的纳米压痕硬度为1000～5000MPa。
关于包含纤维状粒子5的合成树脂的磨损，由于纤维状粒子5比合成树脂4硬，因此抑制合成树脂4的磨损。如果纤维状粒子5的纳米压痕硬度不到1000MPa则太小，磨损的进行加快，滑动层3的耐磨损性劣化。但是，如果纤维状粒子5的纳米压痕硬度超过5000MPa，则像以往的碳纤维一样过大，在滑动时合成树脂4首先磨损，纤维状粒子从滑动面突出，不仅破坏对应轴，而且该纤维状粒子不磨损(破损或部分剪切)，纤维状粒子整体从合成树脂4中脱落。其结果为，引起磨粒磨损，加速磨损。如果纤维状粒子5的纳米压痕硬度为1000～5000MPa，则在维持耐磨损性的同时，纤维状粒子5与合成树脂4共同磨损，因此可以防止上述的磨粒磨损。纤维状粒子5的纳米压痕硬度进一步优选为1500～5000MPa，进一步优选为2000～5000MPa。
与滑动面7垂直的剖面视图中的纤维状粒子5的平均粒径为5～50μm。如果纤维状粒子5的平均粒径不到5μm，则在滑动时，露出于滑动面7的一部分纤维状粒子5容易从滑动面7脱落，可能会降低滑动层3的耐磨损性。如果纤维状粒子5的平均粒径超过50μm，则对应轴的表面可能产生伤痕。
在滑动面7中看到的纤维状粒子5的平均长宽比为5以上。如果平均长宽比为5以上，则与平均长宽比不到5的情况相比进一步提升耐磨损性。认为这是由于，因纤维状粒子5的表面积变大，导致合成树脂4与纤维状粒子5的接触面积变大，与合成树脂4的密合性变大，因此滑动时不易从滑动面7脱落。
具有以上构成的滑动构件1在具有充分的强度和耐磨损效果的同时不易破坏对应轴。
合成树脂4没有特别限定。但是，合成树脂4可以由选自PFTE(聚四氟乙烯)、PAI(聚酰胺酰亚胺)、PI(聚酰亚胺)、PBI(聚苯并咪唑)、PA(聚酰胺)、苯酚、环氧树脂、POM(聚缩醛)、PEEK(聚醚醚酮)、PE(聚乙烯)、PPS(聚苯硫醚)以及PEI(聚醚酰亚胺)的1种或2种以上构成。
特别地，合成树脂4优选为PTFE。PTFE的摩擦小，滑动特性优良。或者，合成树脂4也优选以PTFE为主体，进一步添加超过0而在40％体积以下的作为熔融氟树脂的PFA(全氟烷氧基烷烃聚合物)、FEP(全氟乙烯丙烯共聚物)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、ETFE(乙烯四氟乙烯共聚物)以及PVF(聚氟乙烯)的1种或2种以上。通过添加熔融氟树脂，可以有助于提升耐磨损性。
任选地，滑动层3可以进一步包含1～20体积％的选自MoS2、WS2、石墨以及h-BN的1种或2种以上的固体润滑剂。通过含有该固体润滑剂，可以提高滑动层的滑动特性。
任选地，滑动层3可以进一步包含1～10体积％的选自CaF2、CaCo3、硫酸钡、氧化铁、磷酸钙、SnO2以及芳族聚酯的1种或2种以上的填充材料。通过含有该填充材料，可以提高滑动层的耐磨损性。
里衬金属层2支承滑动层3，保证滑动构件的强度。其材料虽然没有特别限定，但是可以使用Fe合金、Cu、Cu合金、Al、Al合金等金属板。
图2示意性显示本发明的滑动构件1的其他例的剖面。该例中，里衬金属层2在成为与滑动层3的界面的表面具有多孔质金属部分6。其他构成与上述图1的例相同。通过在里衬金属层2的表面设置多孔质金属部分6，可以提高滑动层3与里衬金属层2的接合强度。即，通过构成滑动层3的组合物含浸于多孔质金属部分6的空孔部分所导致的锚固效果，可以强化里衬金属层2与滑动层3的接合力。
可以通过在金属板或条等表面上烧结Cu、Cu合金、Fe、Fe合金等金属粉末来形成多孔质金属部分6。多孔质金属部分6的空孔率为20～60％左右即可。多孔质金属部分6的厚度为0.05～0.5mm左右即可。该情况下，含浸被覆于多孔质金属部分6表面的滑动层3的厚度为0.05～0.4mm左右即可。但是，此处所述的尺寸为一个例子，本发明不限定于该值，可以变更为不同尺寸。
滑动构件可以具有大致圆筒形状或大致半圆筒形状。该情况下，滑动层3为内面侧，里衬金属层2为外面侧，内面为滑动面7。大致圆筒形状是指，剖面可以不是严格意义上的圆形圆筒形状。此外，大致圆筒形状例如可以具有槽或孔，在轴线方向的端部可以具有凸缘。大致半圆筒形状是指，剖面可以不是严格意义上的半圆形圆筒形状。大致半圆筒形状例如可以具有轴线方向等的槽或孔，在轴线方向的端部可以具有凸缘。
接着，对测定方法进行说明。
纤维状粒子的平均粒径的测定方法
对于纤维状粒子的平均粒径，用电子显微镜(下文进行说明)在200倍下拍摄滑动构件的大致圆筒形状或大致半圆筒形状的轴方向剖面(与轴方向垂直且与滑动面垂直的剖面，该剖面被称为“与滑动面垂直的剖面”)的多个地方的电子图像，测定纤维状粒子的平均粒径。滑动构件的大致圆筒形状或大致半圆筒形状的轴方向为下述制造方法所说明的辊通过的方向。具体而言，对所获得的电子图像使用常规图像分析手法(分析软件：Image-ProPlus(Version4.5)；株式会社扑拉捏多隆(プラネトロン)制)，测定各纤维状粒子的面积，换算成将其假定为圆时的平均直径，以求出纤维状粒子的平均粒径。其中，电子照片的拍摄倍率不限定于200倍，可以变更为其它倍率。
另外，里衬金属层的表面具有多孔质金属部分时，里衬金属层的表面呈凹凸状。该情况下，对于滑动层与里衬金属层的界面，以拍摄图像中位于里衬金属层(多孔质金属部分)的表面的最靠近滑动面侧的凸部作为顶部，从所述顶部画一条与滑动面平行的假想线，求出该假想线与滑动面之间的纤维状粒子的平均粒径。
纤维状粒子的平均长宽比的测定方法
关于纤维状粒子的长宽比，用显微镜在200倍下拍摄滑动构件的滑动面的图像，测定纤维状粒子的平均长宽比。具体而言，用显微镜附带的分析软件(数字显微镜VHX－7000：基恩斯(キーエンス)制)从所获得的图像求出各纤维状粒子的长轴长度L与短轴长度S的比(长轴长度L/短轴长度S)的平均值，作为纤维状粒子的平均粒径(参照图3)。另外，纤维状粒子的长轴长度L表示在上述图像中的纤维状粒子的长度最长的位置上的长度，纤维状粒子的短轴长度S表示与该长轴长度L的方向正交的方向上长度最长的位置上的长度。
其中，显微镜图像的拍摄倍率不限定于200倍，可以变更为其它倍率。
纤维状粒子的纳米压痕硬度的测定方法
使用纳米压痕仪，测试力设为1mN，测试力到达时间、保持时间、卸载时间分别设为10秒，使用先端形状由钻石尖而成的正三角锥伯克维奇(バーコビッチ)压头，用附带的光学显微镜，确认滑动层的剖面的合成树脂中的纤维状粒子的位置，同时向该纤维状粒子的中心压入压头，任意地在各5个地方测定此时压入压头时的硬度(MPa)后，求出平均值，作为纤维状粒子的纳米压痕硬度(MPa)。
以下沿着制造工序详细说明上述滑动构件。
(1)原材料纤维状粒子的准备
为半石墨的纤维状粒子的原材料，例如可列举，将由煤焦油制造的硬碳(难石墨化性碳)中纤维状物(硬碳纤维)在由1800℃至不到2000℃的温度下烧成而使石墨化度为70～80％的材料等。通常被称为碳纤维的制品，其纳米压痕硬度大多都超过5000MPa，无法使用于本发明。此外，通常被称为石墨的制品，其纳米压痕硬度几乎都不到500MPa，耐磨损性显著欠缺，无法使用于本发明。另外，纤维状粒子的原材料不限定于上述材料。例如可以以其他热处理时间进行调整。另外，使用原材料的平均粒径(圆当量径)为150～350μm者。
(2)合成树脂粒子的准备
为原材料的合成树脂粒子优选使用平均粒径为纤维状粒子的平均粒径的50～500％的粒子。作为合成树脂，如上所述，可以使用选自PTFE、PAI、PI、PBI、PA、苯酚、环氧树脂、POM、PEEK、PE、PPS以及PEI的1种或2种以上的树脂，但是合成树脂特别优选为PTFE。或者，可以使用由PTFE与超过0而在40％体积以下的选自为熔融氟树脂的PFA、FEP、PVDF、ETFE以及PVF的1种或2种以上所构成的树脂。
(3)混合
将合成树脂粒子与纤维状粒子、固体润滑剂以及填充材料按规定比例搅拌混合，相对于100重量％所获得的混合物添加10～25重量％有机溶剂，进一步搅拌混合。另外，合成树脂、纤维状粒子、固体润滑剂以及填充材料不受搅拌混合方法限定，例如也可以用加热熔融混炼等其他混合条件来调整(参照实施例9)。
(4)里衬金属层
作为里衬金属层可以使用Fe合金、Cu、Cu合金、Al、Al合金等金属板。在具有多孔质金属部分的情况下，多孔质金属部分可以具有与里衬金属层相同的组成，也可以使用不同的组成或材料。
(5)被覆工序
将混合后的树脂组合物被覆在里衬金属层上。作为被覆方法，可以在里衬金属层的一个表面或里衬金属层上的多孔质金属部分载有树脂组合物的情况下使其在规定的具有一定间隙的辊间直接通过。
(6)干燥、烧成工序
被覆了组合物的里衬金属层通过实施使组合物中的有机溶剂干燥的加热以及烧成组合物中的树脂的加热来获得滑动构件。这些加热条件可以采用对所使用的树脂通常利用的条件。
然后，将上述工序中所获得的滑动构件加工成所需制品形状。例如，为大致圆筒形状或大致半圆筒形状的轴承的情况下，使其在规定的具有一定间隙的辊间通过并进行定径以达到规定的尺寸，然后成形为圆筒形状，使得滑动构件的树脂组合物成为内径侧。此时，以使通过上述辊的方向基本为大致圆筒形状或大致半圆筒形状的周向的方式进行成形。
实施例
如下所述制造了本发明的具有里衬金属层和滑动层的滑动构件的实施例1～9和比较例10～17。实施例1～9和比较例10～17的滑动构件的滑动层的组成如表1所示。表1的“合成树脂”栏显示合成树脂内PTFE、PEEK和PVF的体积比例，“添加剂”栏显示各添加剂相对于滑动层整体的体积比例。
[表1]
Figure BDA0002764840300000091
＊显示合成树脂内的组成(体积比例)。
＊＊显示添加剂在滑动层内的体积比例。
比较例17的括号内的数值为球状石墨粒子的测定值。
表1所示的分散于滑动构件滑动层的纤维状粒子的原材料为在实施例1～9和比较例10～12、15、16中的平均粒径约为200μm、在比较例13中的平均粒径约为30μm、在比较例14中的平均粒径约为300μm的粒子。另外，比较例17的滑动构件的滑动层中未使用纤维状粒子，而是使用了平均粒径约为50μm的球状石墨粒子的原材料。
此外，表1所示的分散于滑动构件滑动层的纤维状粒子的原材料的纳米压痕硬度，在实施例1～9、比较例10～14中为1000～5000MPa，在比较例15中为500MPa，在比较例16中为10000MPa。比较例17中球状石墨粒子的原材料的纳米压痕硬度为100MPa。关于上述原材料的硬度，即使用纳米压痕仪测定分散于滑动层之后的在滑动层剖面中的各粒子，也是相同值。
作为实施例1～4和比较例10中合成树脂的原材料使用PTFE粒子，作为实施例5～8和比较例11～17中合成树脂的原材料使用PTFE粒子和PVF粒子。这些粒子使用平均粒径是作为原材料的纤维状粒子的平均粒径的125％的粒子。此外作为实施例9中合成树脂的原材料使用PEEK粒子。该粒子使用平均粒径是作为原材料的纤维状粒子的平均粒径的150％的粒子。
作为实施例6和实施例8中添加的固体润滑剂(MoS2、WS2)的原材料粒子，使用平均粒径为相对于纤维状粒子原材料的平均粒径的30％的粒子，作为实施例7和实施例8中添加的填充材料(CaCO3)的原材料粒子，使用平均粒径为相对于纤维状粒子的平均粒径的25％的粒子。
将上述原材料(除实施例9以外)以表1所示组成比例搅拌混合，制备树脂组合物。实施例9以表1所示组成比例进行熔融混炼，制备树脂组合物的片。
然后，将搅拌混合后的树脂组合物被覆于Fe合金制的里衬金属层的一个表面，然后用辊使组合物达到规定厚度。另外，实施例1～4和比较例10～12的里衬金属层使用Cu合金，实施例5～9和比较例13～17使用表面具有Cu合金多孔质烧结部分的Fe合金。
然后，实施使组合物中的有机溶剂干燥的加热以及烧成组合物中的合成树脂的加热处理，制备滑动构件。所制备的实施例1～8和比较例10～15的滑动构件的滑动层的厚度为0.10mm，里衬金属层的厚度为1.9mm。实施例9的滑动构件的滑动层的厚度为0.25mm，里衬金属层的厚度为1.75mm。
对于所制备的实施例1～9和比较例10～17的各滑动构件，根据上述说明的测定方法测定分散于滑动层中的纤维状粒子或球状石墨粒子的平均粒径以及平均长宽比，其结果示于表1的“平均粒径”栏以及“平均长宽比”栏中。此外，通过上述说明的方法进行纤维状粒子或球状石墨粒子的纳米压痕测定，其结果示于表1的“纳米压痕硬度”栏中。
对各实施例以及各比较例的构件以滑动层作为内侧形成了圆筒形状，并按照示于表2的条件进行了滑动试验。各实施例以及各比较例的滑动试验后的滑动层的磨损量示于表1的“磨损量”栏中。另外，各实施例以及各比较例中，对滑动试验后的对应轴的表面的多个部分，利用粗糙度检测仪评价了表面的伤痕发生的存在与否。在对应轴的表面上测得深度在5μm以上的伤痕的情况设为“有”，未测得的情况下设为“无”，示于表1的“伤痕有无”栏中。
[表2]
Figure BDA0002764840300000111
由表1所示结果可知，实施例1～9与比较例10～17相比，滑动试验后的滑动层的磨损量较少。此外，实施例1～9中，在滑动试验后的对应轴的表面未观察到伤痕的产生。
比较例10中，认为由于纤维状粒子的平均长宽比为3而过小，因此纤维状粒子从滑动面脱落，磨损量变多。
比较例11中，认为由于滑动层中的纤维状粒子的体积比例为0.5％而过低，因此纤维状粒子的耐磨损性效果较少，滑动层的磨损量变多。相反在比较例12中，认为由于纤维状粒子的体积比例为20％而过高，因此滑动层的摩擦变大，由滑动时的发热导致滑动层的磨损量变多。
比较例13中，认为由于纤维状粒子的平均粒径为3μm而过小，因此纤维状粒子从滑动面脱落，磨损量变多。比较例14中，认为由于纤维状粒子的平均粒径为70μm而过大，因此在对应轴的表面产生了较深的伤痕。
比较例15中，认为由于纤维状粒子的纳米压痕硬度为500MPa而过低，因此无法获得耐磨损效果，磨损量变多。比较例16中，认为由于使用碳纤维导致纤维状粒子的纳米压痕硬度高达10000MPa，纤维状粒子不发生部分磨损以及剪切，纤维状粒子整体从滑动面脱落，因此促进磨损，磨损量变多，进一步，脱落的纤维状粒子进入滑动面与对应轴之间而使对应轴的表面产生较深的伤痕。
比较例17中，由于使用了球状石墨粒子，导致粒子的纳米压痕硬度为100MPa而非常低，此外，由于粒子形状为球状，导致提高滑动层强度的效果不充分，因此，完全无法获得耐磨损效果，磨损量变多。

Claims (9)

1.滑动构件，
为具备里衬金属层以及该里衬金属层上的滑动层，该滑动层具有滑动面的滑动构件，其特征在于，
所述滑动层由合成树脂以及分散于该合成树脂中的纤维状粒子所构成，该纤维状粒子在所述滑动层中的体积比例为1～15％，
所述纤维状粒子由纳米压痕硬度为1000～5000MPa的半石墨构成，
对于所述纤维状粒子，由在所述滑动面看到的纤维状粒子的长轴和短轴的比所表示的平均长宽比为5以上，
在与所述滑动面垂直的剖面视图中所述纤维状粒子的平均粒径为5～50μm。
2.如权利要求1所述的滑动构件，其中，所述滑动构件具有大致圆筒形状或大致半圆筒形状。
3.如权利要求1所述的滑动构件，其中，所述合成树脂选自PFTE(聚四氟乙烯)、PAI(聚酰胺酰亚胺)、PI(聚酰亚胺)、PBI(聚苯并咪唑)、PA(聚酰胺)、苯酚、环氧树脂、POM(聚缩醛)、PEEK(聚醚醚酮)、PE(聚乙烯)、PPS(聚苯硫醚)以及PEI(聚醚酰亚胺)的1种或2种以上。
4.如权利要求1所述的滑动构件，其中，所述合成树脂为PTFE。
5.如权利要求1所述的滑动构件，其中，所述合成树脂由
PTFE、与
超过0而在40％体积以下的选自PFA、FEP、PVDF、ETFE以及PVF的1种或2种以上
构成。
6.如权利要求1所述的滑动构件，其中，所述滑动层进一步包含1～20体积％的选自MoS2、WS2、石墨以及h-BN的1种或2种以上的固体润滑剂。
7.如权利要求1所述的滑动构件，其中，所述滑动层进一步包含1～10体积％的选自CaF2、CaCo3、硫酸钡、氧化铁、磷酸钙、SnO2以及芳族聚酯的1种或2种以上的填充材料。
8.如权利要求6所述的滑动构件，其中，所述滑动层进一步包含1～10体积％的选自CaF2、CaCo3、硫酸钡、氧化铁、磷酸钙、SnO2以及芳族聚酯的1种或2种以上的填充材料。
9.如权利要求1～7中任一项所述的滑动构件，其中，所述里衬金属层在成为与所述滑动层的界面的表面具有多孔质金属部分。
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