CN113217544B - 滑动构件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供在轴承装置的运转时在滑动层表面不易产生裂纹等损伤、且不易发生滑动层和里衬金属层的剪切的滑动构件。由里衬金属层和滑动层构成的推力轴承用的滑动构件，其具有部分圆环形状，滑动层具有由合成树脂构成的滑动面。在滑动层的中心线区域中，将与滑动构件的周向平行的方向上的滑动层的线膨胀系数记为KS、与滑动构件的中心轴线方向平行的方向上的滑动层的线膨胀系数记为KJ、与滑动面垂直的方向上的滑动层的线膨胀系数记为KT时，满足以下的式(1)和式(2)。式(1)：1.1≤KS/KJ≤2，式(2)：1.3≤KT/{(KS+KJ)/2}≤2.5。

Description

滑动构件
技术领域
本发明涉及推力轴承用的滑动构件，详细而言，涉及具备里衬金属层和由合成树脂组合物构成的滑动层的部分圆环形状的滑动构件。本发明还涉及具备该滑动构件的推力轴承。
背景技术
作为乏汽汽轮机或大型发电机等的旋转轴用的推力轴承，使用将多个具有部分圆环形状的轴承垫形状的滑动构件相对于旋转轴的推力环面沿周向配置而成的推力轴承。在这样的可倾瓦块式推力轴承中，部分圆环形状的滑动构件以相对于轴构件的推力环面能自枢轴稍微摆动的方式受到支承。在乏汽汽轮机或大型发电机等的正常运转时，随着轴构件的旋转，润滑剂流入轴构件的推力环面和滑动构件的滑动面之间。此时，滑动构件摆动，滑动面和轴构件的推力环面之间的间隙在旋转方向上逐渐变小，所以由于楔效应而产生动压力，润滑剂形成流体膜。通过该流体膜，支承旋转轴的轴向负荷。一般而言，部分圆环形状的滑动构件的摆动中心以位于部分圆环形状的滑动构件的周向长度的中央部且径向长度的中央部的方式设置。在流体膜中，在该部分圆环形状的滑动构件的摆动中心产生成为最大压力的压力分布(参照例如专利文献1的第0020段、图2)。
作为这样的推力轴承的滑动构件，已知在金属制的里衬金属层上覆盖由树脂组合物构成的滑动层而成的滑动构件(例如参照专利文献2)。作为树脂组合物，例如专利文献3、专利文献4和专利文献5中记载了使玻璃纤维粒子、碳纤维粒子、金属间化合物纤维粒子等纤维状粒子分散于合成树脂中从而提高滑动层的强度的树脂组合物。
此外，专利文献6中记载了在成形模具内进行冷却且使拉出辊的拉出速度周期性变化的树脂组合物片的制造方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2015-94373号公报
专利文献2：日本专利特开2001-124062号公报
专利文献3：日本专利特开平10-204282号公报
专利文献4：日本专利特开2016-079391号公报
专利文献5：日本专利特开2013-194204号公报
专利文献6：日本专利特开2018-146060号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
乏汽汽轮机及大型发电机等在正常运转时，由于在轴构件和滑动构件之间形成油等流体膜，因此防止轴构件表面和滑动构件的滑动面之间直接接触。但是，在运转中、特别是在轴的旋转为高速的状态下，作用于流体膜的离心力的影响变大，流体膜的压力为最大的摆动中心附近(部分圆环形状的滑动构件的周向中央部、且径向的中央部的附近)的滑动面附近的树脂组合物被流体膜的压力挤压，朝向滑动构件的外径方向发生弹性变形。
该状况下发现，滑动层的树脂组合物因滑动的摩擦热而在滑动面的面内方向上几乎各向同性地热膨胀的情况下，由于流体膜的压力而发生弹性变形时，在滑动层的表面产生大约周向上延伸的裂纹等损伤的可能性增大。
进一步，发现还会产生其他问题，即滑动层的树脂组合物在滑动面面内方向上的热膨胀与在滑动面垂直方向(厚度方向)上的热膨胀几乎相同的情况下，在金属制的里衬金属层与滑动层的界面容易发生剪切。
因此，本发明的目的是克服现有技术的上述缺点，提供在轴承装置运转时在滑动层的表面不易发生裂纹等损伤、且不易发生滑动层和里衬金属层的剪切的滑动构件。
解决技术问题所采用的技术方案
根据本发明的一个观点，提供由里衬金属层和该里衬金属层上的滑动层构成的、具有部分圆环形状的推力轴承用的滑动构件。该滑动层由合成树脂构成，具有滑动面。此处，在滑动层的中心线区域中，将与滑动构件的周向平行的方向上的滑动层的线膨胀系数记为KS、滑动构件的径向上的滑动层的线膨胀系数记为KJ、与滑动面垂直的方向上的滑动层的线膨胀系数记为KT时，满足以下的式(1)和式(2)。
式(1)：1.1≤KS/KJ≤2
式(2)：1.3≤KT/{(KS+KJ)/2}≤2.5
本发明的一个具体例中，滑动层优选满足以下的式(3)。
式(3)：1.1≤KS/KJ≤1.7
本发明的一个具体例中，合成树脂优选由选自聚醚醚酮、聚醚酮、聚醚砜、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺、聚苯并咪唑、尼龙、酚醛树脂、环氧树脂、聚缩醛、聚苯硫醚、聚乙烯和聚醚酰亚胺的1种以上构成。
本发明的一个具体例中，滑动层优选进一步包含1～20体积％的选自石墨、二硫化钼、二硫化钨、氮化硼和聚四氟乙烯的1种以上的固体润滑剂。
本发明的一个具体例中，滑动层优选进一步包含1～10体积％的选自CaF2、CaCO3、滑石、云母、莫来石、氧化铁、磷酸钙、钛酸钾和Mo2C的1种或2种以上的填充材料。
本发明的一个具体例中，滑动层优选进一步包含1～35体积％的选自玻璃纤维粒子、陶瓷纤维粒子、碳纤维粒子、芳族聚酰胺纤维粒子、丙烯酸纤维粒子和聚乙烯醇纤维粒子的1种以上的纤维状粒子。
本发明的一个具体例中，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。
根据本发明的另一个观点，提供具备多个上述所记载的滑动构件的推力轴承。
以下，参照所附示意图对本发明的构成和优点进行详细说明。虽然附图显示了多个用于例示目的的实施例，但是本发明不限定于这些实施例。
附图说明
图1所示为显示本发明的一例的滑动构件的剖面的图。
图2所示为显示本发明的其它例的滑动构件的剖面的图。
图3所示为本发明的滑动构件的一例的示意图。
图4所示为示意性显示树脂的分子链(弯曲结构)的示意图。
图5所示为说明树脂的流动的图。
图6所示为显示图5的树脂片的VI-VI剖面的图。
图7所示为用于显示中心线区域的滑动构件的滑动面的俯视图。
具体实施方式
图3示意性显示本发明的部分圆环形状的滑动构件1的一例。该滑动构件1具有平板形状，该平板面的形状具有将圆环(以下称为“原来的圆环”)以两个半径切断而得的形状、即部分圆环形状。部分圆环形状的中心角度优选为25°～60°，但并不限定于该角度。滑动构件1是在具有平板的部分圆环形状的里衬金属层2上形成有滑动层3的构成。滑动层3的部分圆环形状的表面为滑动面30。
本说明书中，部分圆环形状的“圆周方向”是指相当于原来的圆环的圆周方向的方向，部分圆环形状的“径向”是指相当于原来的圆环的半径方向的方向。部分圆环形状的周向也称为“S方向”，部分圆环形状的径向也称为“J方向”。另一方面，上述部分圆环形状的厚度方向、即与部分圆环形状的表面(滑动面30)垂直的方向称为“垂直方向”(T方向)。此外，通过部分圆环形状的周向中央的径向上的假想线称为“中心轴线”或“中心线”。另外，在将该滑动构件1作为轴承使用时，为对象材料的轴构件沿着“周向”滑动，所以“周向”是滑动方向。
接着，对滑动层3的“中心线区域”进行说明。图7所示为从滑动面30侧看滑动构件1的滑动层3的俯视图。滑动面30具有与滑动构件1相同的部分圆环形状，可以按上述来规定中心轴线34。此处，将2个径向上的直线间所成角度称为圆周角度时，以中心轴线34作为基准，以圆周角度(θ1)相隔±3°的2个假想的径向线35、35(径向线35、35之间形成的角度、即圆周角度为6°)之间的区域定义为“中心线区域31”。即，“中心线区域31”是由2个假想的径向线35、35与滑动层3的外周和内周所围成的区域。
另外，“中心线区域31”不限于滑动面30，为包含滑动层3的厚度整体的体积部分。
图1示意性显示本发明的滑动构件1的剖面。滑动构件1在里衬金属层2上设有由合成树脂4构成的滑动层3。滑动层3的(与里衬金属层相反侧的)表面起到滑动面30的作用。另外，图1的剖面为相对于滑动面30垂直方向上的滑动构件1的剖面。
合成树脂4优选由选自聚醚醚酮、聚醚酮、聚醚砜、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺、聚苯并咪唑、尼龙、酚醛树脂、环氧树脂、聚缩醛、聚苯硫醚、聚乙烯和聚醚酰亚胺的1种以上构成。
滑动层3可以进一步包含1～20体积％的选自石墨、二硫化钼、二硫化钨、氮化硼、聚四氟乙烯的1种以上的固体润滑剂。固体润滑剂的平均粒径优选为0.5～20μm。通过含有该固体润滑剂，可以提高滑动层的滑动特性。此外，滑动层3可以进一步包含1～10体积％的选自CaF2、CaCO3、滑石、云母、莫来石、氧化铁、磷酸钙、钛酸钾和Mo2C(碳化钼)的1种或2种以上的填充材料。填充材料的平均粒径优选为0.1～10μm。通过含有该填充材料，可以提高滑动层的耐磨损性。
滑动层3可以进一步含有1～35体积％的分散于合成树脂4中的纤维状粒子。纤维状粒子优选由选自玻璃纤维粒子、陶瓷纤维粒子、碳纤维粒子、芳族聚酰胺纤维粒子、丙烯酸纤维粒子和聚乙烯醇纤维粒子的1种以上构成。通过含有该纤维状粒子，可以提高滑动层的强度。
纤维状粒子的平均粒径可以为0.1～25μm(纤维状粒子的粒径为剖面观察时与纤维状粒子的面积相当的正圆的直径，即“圆当量径”)。但是，在滑动层承受高负荷的规格的轴承装置中使用滑动构件的情况下，优选使用纤维状粒子的平均粒径为0.1μm以上且小于5μm、纤维状粒子的长轴长度为15μm以下的滑动构件。这是因为，滑动层包含长轴长度大于15μm的纤维状粒子的情况下，在露出于滑动面的长轴长度大于15μm的大纤维状粒子处可能产生裂纹，并在滑动面与轴构件的表面之间的间隙处脱落，因而可能弄伤滑动面并引起损伤。另一方面，长轴长度为15μm以下的纤维状粒子即使露出于滑动面也不易产生裂纹。
里衬金属层2可以使用亚共析钢以及不锈钢等Fe合金及Cu合金。
滑动层3的厚度(即从滑动面30到滑动层3与里衬金属层2的界面7为止之间的、在与滑动面30垂直方向上的距离)优选为0.5～6mm。
在滑动层3的中心线区域31中，将滑动构件1的“周向”(S方向)上的滑动层3的线膨胀系数记为KS、滑动构件1的“径向”(J方向)上的滑动层3的线膨胀系数记为KJ、与滑动面30“垂直方向”(T方向)上的滑动层3的线膨胀系数记为KT时，滑动层3满足下述的式(1)和式(2)。
式(1)：1.1≤KS/KJ≤2
式(2)：1.3≤KT/{(KS+KJ)/2}≤2.5
换而言之，在滑动层3的中心线区域31中，在滑动层中，滑动构件的“周向”(S方向)上的线膨胀系数KS为滑动构件的“径向”(J方向)上的线膨胀系数KJ的1.1～2倍，并且与滑动面“垂直方向”(T方向)上的线膨胀系数KT为滑动构件的“周向”(S方向)上的线膨胀系数KS和“径向”(J方向)上的线膨胀系数KJ的平均值的1.3～2.5倍。
另外，滑动层3的线膨胀系数KS、KJ和KT均为温度23℃～100℃下的平均线膨胀系数。
滑动构件的“周向”(S方向)上的线膨胀系数KS优选为滑动构件的“径向”(J方向)上的线膨胀系数KJ的1.1～1.7倍(即1.1≤KS/KJ≤1.7)。
已知合成树脂的热膨胀量大。这是因为，虽然合成树脂由许多树脂分子相连而成的众多分子链(高分子)所构成，但是由于树脂的分子链之间仅通过范德华力相连，结合较弱，因此温度上升时分子链相互之间的间隙(距离)大幅增加。另一方面，通过共价键连接的树脂分子链的长边方向上的热膨胀量小。合成树脂受到外力发生断裂时，断裂主要发生在结合较弱的树脂分子链之间，分子链自身的断裂不易发生。
部分圆环形状的滑动构件1的摆动中心位于周向长度的中央部且径向长度的中央部的附近。轴承装置运转时，受到离心力作用的流体膜的高压力作用于摆动中心附近的滑动层3的滑动面30。因此，在摆动中心附近，由流体膜的压力而导致的外力达到最大，在流体膜产生的离心力的影响导致径向(即中心轴线方向)成为该外力的最大作用方向。因此，中心轴线34附近的滑动层3的合成树脂4向径向J发生弹性变形。而且，由于轴构件高速旋转，流体膜变为高温，滑动构件1的滑动层3也随之变为高温。此时，在滑动层3的中心轴线34附近，若滑动层1的合成树脂4向部分圆环形状的滑动构件1的径向J的热膨胀量多，则合成树脂的分子链(直线状部分42)相互之间的间隙变大，由于流体膜的压力而来的外力容易导致断裂的发生，可能以该断裂部为起点在滑动层的表面产生大约周向上延伸的裂纹等损伤。
本发明的滑动构件1的滑动层3中，在滑动层3的中心线区域31中，滑动构件的“周向”(S方向)上的线膨胀系数KS为滑动构件1的“径向”(J方向)上的线膨胀系数KJ的1.1～2倍，并且与滑动面30“垂直方向”(T方向)上的线膨胀系数KT为滑动构件的“周向”(S方向)上的线膨胀系数KS和“径向”(J方向)上的线膨胀系数KJ的平均值的1.3～2.5倍。因此，滑动层3中，由于向周向(S方向)和垂直方向(T方向)的热膨胀变大且向径向(J方向)的热膨胀受到抑制，因此即使滑动面30受到来自流体膜的向中心轴线方向(径向、S方向)的外力，在滑动面30也不易产生大约周向上延伸的裂纹。
此外，滑动层3中，若滑动面30的面内方向(周向S和径向J)上的热膨胀量大，则在与金属制的里衬金属层2的界面可能产生由热膨胀量的差所导致的剪切应力，可能发生滑动层3与里衬金属层2的剪切。
本发明的滑动构件1的滑动层3中，与滑动面30“垂直方向”(T方向)上的线膨胀系数KT为滑动构件的“周向”(S方向)上的线膨胀系数KS和“径向”(J方向)上的线膨胀系数KJ的平均值的1.3～2.5倍。因为滑动层3变得向“垂直方向”(T方向)发生较多的热膨胀，而向与滑动面30平行的方向的热膨胀受到抑制，因此滑动层3和里衬金属层2的剪切不易发生。
认为滑动层3的热膨胀的各向异性是由于树脂分子的分子链的取向所导致的。如图4所示，滑动层3的合成树脂4内的树脂分子的分子链41具有多个直线状部分42且呈弯曲结构(弯曲结晶)，向直线状部分42的长边方向L1方向的热膨胀不易发生，而向与直线状部分42的长边方向正交的方向L2，由于直线状部分42相互之间形成间隙，因此热膨胀容易发生。认为本发明的滑动构件1的滑动层3的上述热膨胀的各向异性是由于，在滑动层3的中心线区域31中，滑动层3中树脂的分子链41的直线状部分42的长边方向L1朝向的比例在“径向”(J方向)侧、“周向”侧(S方向)和“垂直方向”侧(T方向)不同所导致的。该滑动层3的热膨胀的各向异性是在后述的树脂组合物脂片的制造时形成的。
若与以上的本发明的结构不同，则会产生以下的问题。
在滑动层3的中心线区域31中，滑动层的“周向”(S方向)上的线膨胀系数KS虽然比“径向”(J方向)上的线膨胀系数KJ大但是小于其1.1倍的情况下，抑制向滑动层的“径向”(J方向)的热膨胀的效果不充分，在滑动面容易产生裂纹。
此外，在滑动层3的中心线区域31中，滑动层的“周向”(S方向)上的线膨胀系数KS大到比“径向”(J方向)上的线膨胀系数KJ的2倍更大的情况下，向滑动层的“周向”(S方向)的热膨胀量变得过于大，在滑动面可能产生大约径向上延伸的裂纹。
此外，在滑动层3的中心线区域31中，与滑动面“垂直方向”(T方向)上的线膨胀系数KT虽然比滑动构件的“周向”(S方向)上的线膨胀系数KS和“径向”(J方向)上的线膨胀系数KJ的平均值大但是小于其1.3倍的情况下，抑制与滑动层的滑动面平行方向上的热膨胀的效果不充分，在滑动面容易产生裂纹，进一步，容易发生滑动层3与里衬金属层2的剪切。此外，滑动层3的与滑动面“垂直方向”(T方向)上的线膨胀系数KT大到比滑动构件的“周向”(S方向)上的线膨胀系数KS和“径向”(J方向)上的线膨胀系数KJ的平均值的2.5倍更大的情况下，向滑动层的“垂直方向”(T方向)的热膨胀量变得过于大，在滑动层的内部可能产生裂纹。
此外，在与本发明的结构不同的、通过滑动层整体各向同性地热膨胀的滑动构件的情况下，在轴承装置运转时，滑动构件的滑动层表面附近的树脂组合物以周向上和径向上相同的方式热膨胀，在受到来自流体膜的压力而向径向发生弹性变形时，滑动层的树脂的分子链相互之间产生裂纹，在滑动层的表面容易产生裂纹等损伤，此外，滑动层与里衬金属层的热膨胀量的差导致在其界面容易产生剪切等损伤。
另外，里衬金属层2可以在成为与滑动层3的界面的表面上具有多孔质金属部5。图2示意性显示使用具有多孔质金属部5的里衬金属层2的滑动构件1的一例的周向剖面。通过在里衬金属层2的表面设置多孔质金属部5，可以提高滑动层和里衬金属层的接合强度。这是因为，通过由在多孔质金属部的空孔部含浸构成滑动层的组合物产生的锚固效果，可以实现里衬金属层和滑动层的接合力的强化。
多孔质金属部可以通过将Cu、Cu合金、Fe、Fe合金等金属粉末烧结在金属板或条等的表面上来形成。多孔质金属部的空孔率为20～60％左右即可。多孔质金属部的厚度为50～500μm左右即可。该情况下，在多孔质金属部的表面上覆盖的滑动层的厚度为0.5～6mm左右即可。但是，这里记载的尺寸是一例，本发明并不限定于该值，可变更为不同的尺寸。
上述滑动构件1例如可用于推力轴承。例如，该轴承具备带圆环状凹部的壳体。在圆环状的凹部沿着周向配置多个上述滑动构件，通过这些滑动构件来支承为对象轴的轴构件的推力环面。上述滑动构件的部分圆环形状(曲率、尺寸等)以适合于圆环状凹部和轴构件的方式设计。但是，上述滑动构件可用于其他形态的轴承或其他的滑动用途。
本发明还包含具备这样的多个上述滑动构件的推力轴承。
以下沿着制造工序详细说明上述滑动构件。
(1)合成树脂原材料粒的准备
作为合成树脂的原材料，可以使用由选自聚醚醚酮、聚醚酮、聚醚砜、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺、聚苯并咪唑、尼龙、酚醛树脂、环氧树脂、聚缩醛、聚苯硫醚、聚乙烯和聚醚酰亚胺的1种以上构成的材料。任选地，可以将纤维状粒子、固体润滑剂、填充材料等分散于合成树脂中。
(2)合成树脂片的制造
由上述原材料等，使用熔融混炼机、供给模具、片成形模具和拉出辊来制作合成树脂片。
“熔融混炼机”
通过熔融混炼机，将合成树脂原材料粒和其他任意材料(纤维状粒子、固体润滑剂、填充材料等)的原材料一边以230℃～390℃的温度进行加热一边混合，制备熔融状态的树脂组合物。另外，合成树脂原材料粒，虽然具有弯曲结构的多个树脂分子以分子链具有多个直线状部分的方式呈交织状态，但是树脂分子的交织通过该熔融混炼被解开。该树脂组合物从熔融混炼机中以一定的压力被挤出。
“供给模具”
从熔融混炼机中被挤出的树脂组合物经由供给用模具总是以一定量供给至片成形模具。供给模具具有加热用加热器，将在供给模具内通过的树脂组合物加热至385℃～400℃的温度并维持在熔融状态。
“片成形模具”
树脂组合物利用片成形模具形成为片形状。从供给模具供给至片成形模具的熔融状态的树脂组合物被成形为片形状，一边将片成形模具内向出口侧移动一边慢慢地自然冷却，形成半熔融状态的片。
“冷却辊”
半熔融状态的树脂组合物片一边连续地与冷却辊接触而被冷却一边从“片成形模具”中拉出。冷却辊包括从上面和下面的两侧挤压树脂组合物片并使其移动的至少一对辊(上侧辊和下侧辊)。半熔融状态的树脂组合物片在从冷却辊被拉出后，成为完全固体状态的片。另外，冷却辊利用安装在辊内的电动加热器能够控制温度，且能够利用电动加热器以可控制的方式旋转驱动。作为树脂组合物片的厚度的尺寸的一例，为1～7mm。变为固体状态的树脂组合物片被切割成适合于后述的覆盖工序中使用的里衬金属的尺寸的大小。
(4)里衬金属
作为里衬金属层，可以使用亚共析钢或不锈钢等Fe合金、Cu、Cu合金等的金属板。在里衬金属层表面、即成为与滑动层的界面的一侧，可以形成多孔质金属部，多孔质金属部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)覆盖和成形工序
将树脂组合物片接合在里衬金属层的一侧表面或里衬金属的多孔质金属部上。此时，片成形工序中的树脂组合物片的拉出方向为与最终产品的部分圆环形状的中心轴线平行。然后，利用加压压力机成形为使用形状，例如部分圆环形状后，为了使组合物的厚度均匀，对滑动层和里衬金属进行加工或切削。
接着，对线膨胀系数的各向异性的控制方法进行说明。上述树脂组合物片的制造工序中，通过控制冷却辊的旋转速度来实现线膨胀系数的各向异性。具体而言，设定冷却辊的旋转速度，使得半熔融状态的片从片成形模具挤出的速度(V1)与从冷却辊拉出而完全固化的状态下的片的速度(V2)的比(V2/V1)为0.8～0.9。该比0.8～0.9为通过来自供给模具的压力从片成形模具挤出向冷却辊供给的树脂组合物片的单位时间的体积v1与从冷却辊出来的树脂组合物片的单位时间的体积v2的比(v2/v1＝V2/V1＝0.8～0.9)。向冷却辊供给的树脂组合物片体积v1与从冷却辊出来的树脂组合物片体积v2的差导致在上侧冷却辊的入口形成半熔融树脂组合物的树脂积存15。
半熔融状态的树脂片与冷却辊接触而一边冷却一边固化，但是由于将冷却辊的速度设定为相对于半熔融状态的树脂组合物从模具挤出的速度而言较慢，因此未完全固化的半熔融状态的树脂组合物容易在上侧冷却辊的入口处积存(以下称为“树脂积存”)。图5示意性显示该情形。树脂组合物片20沿着纸面的右侧向左侧的方向被挤出(挤出方向10)。将半熔融树脂组合物的流动表示为箭头11。从片成形模具12(纸面的右侧)流入的半熔融树脂组合物11在上侧冷却辊13的入口侧形成一定量的树脂积存15。形成有树脂积存15的半熔融状态的树脂组合物11(以下称为“半熔融树脂组合物”)一边沿着与挤出方向相同的方向旋转而滞留一边被压入树脂组合物片的内部。被压入的半熔融树脂组合物11的一部分向树脂组合物片的宽度方向两端部广泛流动而开始固化(图6)。发现在熔融的树脂流动时，树脂的分子链的直线状部分的长边方向容易朝向流动方向。因此，树脂分子链的直线状部分的长边方向也容易向树脂组合物片的宽度方向(与挤出方向10垂直的方向)取向。
现有技术下将冷却辊的速度设定为与半熔融状态从模具被挤出的速度相同，但是该情况下，由于从片成形模具流过来的半熔融树脂组合物不会在冷却辊入口侧形成树脂积存，并向出口侧总是以一个方向流动，因此树脂分子链的直线状部分的长边方向主要在树脂组合物片的挤出方向上取向，不易在宽度方向上取向。
此外，专利文献6中记载了在成形模具内进行冷却且使得拉出辊的拉出速度周期性变化以制造树脂组合物片，但是这样制造树脂组合物片的情况下，树脂分子链的直线状部分的长边方向容易主要在树脂组合物片的厚度方向上取向。
接着，对滑动层的线膨胀系数的测定方法进行说明。对于滑动层3的中心线区域31中的、与滑动层的周向平行的方向上的线膨胀系数KS和与滑动层的径向平行的方向上的线膨胀系数KJ，由滑动层制作4mm×5mm(测定方向)×10mm的长方体的试验片，而对于与滑动层的滑动面垂直的方向上的线膨胀系数KT，由滑动层制作5mm×5mm×4mm(测定方向)的长方体的试验片，使用热膨胀测定装置(TMA/SS7100：SII制)，在表1所示的条件下，可以分别进行测定。这些线膨胀系数为试验温度范围下的平均线膨胀系数。
从中心线区域31内的任意位置采集上述试验片。
[表1]
表1
试验荷重(压缩荷重) 4k Pa
升温速度 5℃/分
测定气氛 氮气(100ml/分)
试验温度范围 23～100℃
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1～6和比较例11～14。实施例和比较例的各滑动构件的滑动层的组成如表2所示。
[表2]
Figure BDA0002934145510000131
实施例1～6和比较例11～14中，作为合成树脂的原材料，使用了PEEK(聚醚醚酮)粒子或PEK(聚醚酮)粒子。实施例6与比较例13含有陶瓷纤维。作为陶瓷纤维，使用了平均粒径约5μm的钛酸钾纤维状粒子。实施例5与比较例14含有碳纤维。作为碳纤维，使用了平均粒径为5μm的纤维状粒子。
实施例5和6以及比较例13和14中含有固体润滑剂(石墨、PTFE)，其原材料粒子使用了平均粒径为10μm的粒子，实施例6和比较例13的填充材料(CaF2)的原材料粒子使用了平均粒径为10μm的粒子。
以表2所示的组成比率称量上述原材料，将该组合物预先颗粒化。将该颗粒投入加热温度设定为350～390℃的熔融混炼机，依次通过供给模具、片成形模具和冷却辊，制作了树脂组合物片。设定冷却辊的旋转速度，使得半熔融状态的片从片成形模具挤出的速度(V1)与从冷却辊拉出的完全固化状态下的片的速度(V2)的比V2/V1在实施例1中为0.90，在实施例2和4～6中为0.85，在实施例3中为0.80，制作了树脂组合物片。设定冷却辊的旋转速度，使得比较例11中V2/V1为1，比较例12中V2/V1为0.75，比较例13中V2/V1为0.85，制作了树脂组合物片。比较例14按照专利文献6所记载的手法制作了树脂组合物片。
接着，在使树脂组合物片覆盖Fe合金制的里衬金属层的一侧表面之后，加工成部分圆环形状，然后进行了切削加工，使得里衬金属层上的组合物达到规定的厚度。另外，实施例1～5和比较例11～14的里衬金属层使用了Fe合金，而实施例6使用了在Fe合金的表面具有Cu合金的多孔质烧结部的材料。此外，对于实施例1～6和比较例11～12以及14的滑动构件，树脂组合物片在成形工序中的挤出方向与部分圆环形状的中心轴线方向平行。比较例13中，树脂组合物片在成形工程中的挤出方向与部分圆环形状的中心轴线方向垂直。
制作的实施例1～6和比较例11～14的滑动构件的滑动层的厚度为5mm，里衬金属层的厚度为10mm。
对于制作的实施例和比较例，通过上述说明的测定方法，测定了滑动层的中心线区域的滑动层的周向上的线膨胀系数KS、径向上的线膨胀系数KJ以及垂直方向上的线膨胀系数KT。这些线膨胀系数为23℃～100℃下的平均线膨胀系数。各实施例和比较例的滑动层的周向上的线膨胀系数KS的测定结果在表2的“KS”栏中显示，径向上的线膨胀系数KJ在“KJ”栏中显示，滑动层的垂直方向上的线膨胀系数KT在“KT”栏中显示。
此外，实施例和比较例的滑动层的周向上的线膨胀系数KS与径向上的线膨胀系数KJ的比(KS/KJ)在表1的“KS/KJ”栏中显示，滑动层的垂直方向上的线膨胀系数KT、与径向上的线膨胀系数KJ和周向上的线膨胀系数KS的平均值的比(KT/(KS+KJ)/2)在表2的“KT/((KS/KJ)/2)”栏中显示。
将多个成形为部分圆环形状的滑动构件组合作为推力轴承，在表3所示的条件2下进行了滑动试验。条件2与条件1相比轴构件的转速增大。这些条件再现了轴承装置的常规运转时的滑动状态。此外，各实施例和各比较例中，对于滑动试验后的中心线区域的滑动层的表面的多个部位，通过粗糙度测定器进行测定，评价了有无损伤的产生。在表2的“有无裂纹的产生”栏中，在滑动层的表面测得深度为5μm以上的损伤的情况下表示为“有”，未测得的情况下表示为“无”。此外，将滑动试验后的试验片沿着与滑动构件的中心轴线平行、且与滑动面垂直的方向切断，用光学显微镜确认在滑动层和里衬金属的界面有无发生“剪切”。在表2的“有无界面的剪切”栏中，将确认到界面的“剪切”的情况表示为“有”，将没有确认到界面的“剪切”的情况表示为“无”。
[表3]
条件1 条件2
试验机 推力试验机 推力试验机
负荷 30MPa 30MPa
转速 3000r/min 6000r/min
运转时间 24Hr 24Hr
油 VG46 VG46
运转时给油量 50L/min 50L/min
给油温度 50℃ 50℃
对象轴 SUJ2 SUJ2
轴粗糙度 0.2Ra 0.2Ra
由表2所示的结果可知，在实施例中，条件1的滑动试验后在滑动层的表面未产生裂纹和界面的剪切，正如上述所说明的，认为这是由于在滑动层的中心线区域中，在滑动层的周向、径向和垂直方向上满足上述式(1)和式(2)的具有热膨胀的各向异性所带来的作用。进一步，满足上述式(3)的热膨胀的各向异性的实施例2～6中，即使在对滑动层施加更高压力的条件2下，滑动试验后在滑动层的表面也没有产生裂纹。
与此相对，比较例11中，认为由于滑动层的周向上的线膨胀系数KS与径向上的线膨胀系数KJ的比(KS/KJ)大于2，因此向周向的热膨胀量变得过于大，而在滑动面产生了裂纹。
另一方面，比较例12中，认为由于滑动层的周向上的线膨胀系数KS与径向上的线膨胀系数KJ的比(KS/KJ)小于1.1，因此抑制向滑动层的径向的热膨胀的效果不充分，而在滑动面产生了裂纹。另外，比较例12中，由于滑动层的垂直方向上的线膨胀系数KT，与径向上的线膨胀系数KJ和周向上的线膨胀系数KS的平均值的比(KT/(KS+KJ)/2)大于2.5倍，因此在滑动层的内部也产生了裂纹。
比较例13中，认为由于滑动层的周向上的线膨胀系数KS与径向上的线膨胀系数KJ的比(KS/KJ)小于1.1，因此在滑动面产生了裂纹。
比较例14中，由于滑动层的周向上的线膨胀系数KS与径向上的线膨胀系数KJ的比(KS/KJ)小于1.1，因此在滑动面产生了裂纹。进一步，认为由于滑动层的垂直方向上的线膨胀系数KT、与径向上的线膨胀系数KJ和周向上的线膨胀系数KS的平均的比(KT/(KS+KJ)/2)小于1.3，因此抑制向与滑动面平行的方向的热膨胀的效果不充分，而在滑动层与里衬金属的界面产生了剪切。
符号说明
1：滑动构件；2：里衬金属层；3：滑动层；4：合成树脂；5：多孔质金属部；30：滑动面；31：中心线区域；34：中心轴线

Claims (11)

1.一种滑动构件，其为由里衬金属层和该里衬金属层上的滑动层所构成的推力轴承用的滑动构件，其中，该滑动构件具有部分圆环形状，
所述滑动层由合成树脂构成，具有滑动面，
在所述滑动层的中心线区域中，将与所述滑动构件的周向平行的方向上的所述滑动层的线膨胀系数记为KS、与所述滑动构件的径向平行的方向上的所述滑动层的线膨胀系数记为KJ、与所述滑动面垂直的方向上的所述滑动层的线膨胀系数记为KT时，
满足以下的式(1)和式(2)：
式(1)：1.1≤KS/KJ≤2
式(2)：1.3≤KT/{(KS+KJ)/2}≤2.5。
2.如权利要求1所述的滑动构件，其中，所述滑动层满足以下的式(3)：
式(3)：1.1≤KS/KJ≤1.7。
3.如权利要求1或权利要求2所述的滑动构件，其中，所述合成树脂由选自聚醚醚酮、聚醚酮、聚醚砜、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺、聚苯并咪唑、尼龙、酚醛树脂、环氧树脂、聚缩醛、聚苯硫醚、聚乙烯和聚醚酰亚胺的1种以上构成。
4.如权利要求1或权利要求2所述的滑动构件，其中，所述滑动层进一步包含1～20体积％的选自石墨、二硫化钼、二硫化钨、氮化硼和聚四氟乙烯的1种以上的固体润滑剂。
5.如权利要求1或权利要求2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、滑石、云母、莫来石、氧化铁、磷酸钙、钛酸钾和Mo2C的1种或2种以上的填充材料。
6.如权利要求1或权利要求2所述的滑动构件，其中，所述滑动层进一步包含1～35体积％的选自玻璃纤维粒子、陶瓷纤维粒子、碳纤维粒子、芳族聚酰胺纤维粒子、丙烯酸纤维粒子和聚乙烯醇纤维粒子的1种以上的纤维状粒子。
7.如权利要求1或权利要求2所述的滑动构件，其中，
所述滑动层进一步包含
1～20体积％的选自石墨、二硫化钼、二硫化钨、氮化硼和聚四氟乙烯的1种以上的固体润滑剂、和
1～10体积％的选自CaF2、CaCO3、滑石、云母、莫来石、氧化铁、磷酸钙、钛酸钾和Mo2C的1种或2种以上的填充材料。
8.如权利要求1或权利要求2所述的滑动构件，其中，
所述滑动层进一步包含
1～20体积％的选自石墨、二硫化钼、二硫化钨、氮化硼和聚四氟乙烯的1种以上的固体润滑剂、和
1～35体积％的选自玻璃纤维粒子、陶瓷纤维粒子、碳纤维粒子、芳族聚酰胺纤维粒子、丙烯酸纤维粒子、和聚乙烯醇纤维粒子的1种以上的纤维状粒子。
9.如权利要求1或权利要求2所述的滑动构件，其中，
所述滑动层进一步包含
1～20体积％的选自石墨、二硫化钼、二硫化钨、氮化硼和聚四氟乙烯的1种以上的固体润滑剂、和
1～10体积％的选自CaF2、CaCO3、滑石、云母、莫来石、氧化铁、磷酸钙、钛酸钾和Mo2C的1种或2种以上的填充材料、和
1～35体积％的选自玻璃纤维粒子、陶瓷纤维粒子、碳纤维粒子、芳族聚酰胺纤维粒子、丙烯酸纤维粒子、和聚乙烯醇纤维粒子的1种以上的纤维状粒子。
10.如权利要求1或权利要求2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。
11.一种推力轴承，其具备多个权利要求1～10中任一项所述的滑动构件。
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