JP2006213013A - 複層樹脂摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 多孔質金属層に硬質粒子を添加して耐摩耗性を向上させることにより摺動面における多孔質金属層の割合を減少させて、樹脂層の割合を増加させることで非焼付性も向上させた複層樹脂摺動部材を提供する。
【解決手段】 複層樹脂摺動部材の多孔質金属層が硬質粒子を含有しているため、多孔質金属層の硬度を部分的に高めることができる。このため、複層樹脂摺動部材の摺動面の表面を切削加工し、多孔質金属層と樹脂層との双方を摺動面に共存させる場合、摺動面における多孔質金属層の割合を低くしても、多孔質金属層の耐摩耗性を向上させることができる。また、摺動面における多孔質金属層の割合を低くすることにより、摺動面における樹脂層の割合が高くなるため、非焼付性も向上させることができる。このように、多孔質金属層に硬質粒子を含有させることにより、耐摩耗性及び非焼付性ともに優れた複層樹脂摺動部材を構成することができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、裏金と、該裏金に焼結した多孔質金属からなる多孔質金属層と、該多孔質金属層中に樹脂を含浸被覆した樹脂層と、からなる複層樹脂摺動部材に関するものである。

従来、すべり軸受の材料に用いられる複層樹脂摺動部材として、裏金上に形成された多孔質金属層及び多孔質金属層に樹脂を含浸被覆した樹脂層により構成されるものが知られている。このような複層樹脂摺動部材として、例えば、特開平５−１８６７８５号公報（特許文献１）に示されるように、多孔質金属層に含浸被覆した樹脂層の表面を切削加工し、多孔質金属層と樹脂層との双方を摺動面に共存させることにより、金属の耐摩耗性及び樹脂の非焼付性の両方の特性を生かすものが提案されている。また、例えば、特開昭５９−１０３０２２号公報（特許文献２）に示されるように、樹脂層に金属酸化物やセラミックス等の硬質粒子を添加することにより、樹脂層の耐摩耗性を向上させるものが提案されている。
特開平５−１８６７８５号公報 特開昭５９−１０３０２２号公報

しかしながら、上記した特開平５−１８６７８５号公報に示される複層樹脂摺動部材は、摺動面における多孔質金属層の割合が多いときには耐摩耗性に優れるが、樹脂層の割合が少なくなってしまうため、非焼付性に劣ってしまう。逆に摺動面における樹脂層の割合が多いときには非焼付性に優れるが、多孔質金属層の割合が少なくなってしまうため、耐摩耗性に劣ってしまうという問題があった。一方、上記した特開昭５９−１０３０２２号公報に示される複層樹脂摺動部材は、樹脂層に添加された金属酸化物やセラミックス等の硬質粒子によって耐摩耗性が向上するものの、上記した特開平５−１８６７８５号で摺動面における多孔質金属層の割合が多い場合と同様に、非焼付性に劣ってしまうという問題があった。本発明は、上記した事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、多孔質金属層に硬質粒子を添加して耐摩耗性を向上させることにより摺動面に表出する多孔質金属層の割合を減少させて、樹脂層の割合を増加させることで非焼付性も向上させた複層樹脂摺動部材を提供することにある。

そこで、請求項１に係る発明は、裏金と、該裏金に焼結した多孔質金属からなる多孔質金属層と、該多孔質金属層中に樹脂を含浸被覆した樹脂層と、からなる複層樹脂摺動部材において、前記多孔質金属層は、硬質粒子を含有することを特徴とする複層樹脂摺動部材とした。

また、請求項２に係る発明は、前記多孔質金属層は、ベース金属としてＣｕにより構成され、前記多孔質金属層に含有される硬質粒子は、溶融状態のＣｕとの濡れ角が４５°以下となる化合物系硬質粒子及び金属系硬質粒子から選択される１種又は２種以上の硬質粒子であることを特徴とする複層樹脂摺動部材とした。

また、請求項３に係る発明は、前記多孔質金属層の空孔度は、１０〜５０％であることを特徴とする複層樹脂摺動部材とした。

また、請求項４に係る発明は、前記多孔質金属層に含有される硬質粒子は、Ｈｖ２００以上の硬さを有する化合物系硬質粒子及び金属系硬質粒子から選択される１種又は２種以上の硬質粒子であることを特徴とする複層樹脂摺動部材とした。

請求項１に係る発明においては、複層樹脂摺動部材の多孔質金属層が硬質粒子を含有しているため、多孔質金属層の硬度を部分的に高めることができる。このため、複層樹脂摺動部材の摺動面の表面を切削加工し、多孔質金属層と樹脂層との双方を摺動面に共存させる場合、摺動面に表出する多孔質金属層の割合が低い場合であっても、多孔質金属層の耐摩耗性を向上させることができる。また、摺動面に表出する多孔質金属層の割合が低くなることにより、摺動面に表出する樹脂層の割合が高くなるため、非焼付性も向上させることができる。このように、多孔質金属層に硬質粒子を含有させることにより、耐摩耗性及び非焼付性ともに優れた複層樹脂摺動部材を構成することができる。

また、請求項２に係る発明においては、複層樹脂摺動部材の多孔質金属層がＣｕを主成分とし、溶融状態のＣｕとの濡れ角が４５°以下となる化合物系硬質粒子及び金属系硬質粒子から選択される１種又は２種以上の硬質粒子を含有するものであるが、硬質粒子を溶融状態のＣｕとの濡れ角が４５°以下のものとすることにより、硬質粒子が多孔質金属層中に強固に固着し、均一に分散されるため、耐摩耗性が向上する。溶融状態のＣｕとの濡れ角が４５°を超える硬質粒子である場合、多孔質金属に対する接着性が悪くなり、硬質粒子が多孔質金属層中に強固に固着せず、また、硬質粒子の均一分散ができなくなり、十分な耐摩耗性を得ることができない。なお、溶融状態でのＣｕとの濡れ角は、好ましくは２０°以下であることが望ましい。

ここで、上記濡れ角は、図１に示すようにＡｒ雰囲気下で硬質粒子組成の板もしくは、硬質粒子組成のコーティングを施した板を基板として、Ｃｕを載せて昇温し、溶融したＣｕと基板との接触角度θを濡れ角とし、測定を行った。

また、硬質粒子の添加量は、０．５〜１１重量％が好ましく、添加量が０．５重量％未満の場合、多孔質金属層中に固着する硬質粒子の量が少なすぎるため、耐摩耗性の効果が十分に得られず、また、添加量が１１重量％を超えると、多孔質金属層中に固着する硬質粒子の量が多すぎるため、相手軸への攻撃性が強くなるほか、多孔質金属層の焼結性が低下してしまう。
また、溶融状態のＣｕとの濡れ角が２０°未満である硬質粒子としては、Ｍｏ₂Ｃ、ＷＣ等の化合物系硬質粒子およびＭｏ、Ｗ等の金属系硬質粒子があり、溶融状態のＣｕとの濡れ角が２０°〜４５°である硬質粒子としては、ＮｂＣ、Ｃｒ₃Ｃ₂、ＣｒＢ₂、Ｃｒ₂Ｎ等の化合物系硬質粒子がある。

また、請求項３に係る発明においては、多孔質金属層の空孔度は、１０〜５０％であるため、複層樹脂摺動部材の摺動面の表面を切削加工し、多孔質金属層と樹脂層との双方を摺動面に共存させた場合に、摺動面に表出する多孔質金属層と樹脂層とを適切な割合とすることができるため、耐摩耗性及び非焼付性ともに向上させることができる。なお、空孔度が１０％未満の場合、摺動面において多孔質金属層の占める割合が高く、樹脂層の占める割合が低くなるため、十分な非焼付性を得ることができず、一方、空孔度が５０％を超える場合、摺動面において多孔質金属層の占める割合が低く、樹脂層の占める割合が高くなるため、十分な耐摩耗性を得ることができない。

ここで、空孔度とは、多孔質金属層において（金属のない部分の体積）／｛（金属のある部分の体積）＋（金属のない部分の体積）｝で表されるものであり、多孔質金属層全体の体積に対する、多孔質金属層に含浸させた樹脂の体積の割合を示している。

また、摺動面の全体の表面積に対する、摺動面に表出している多孔質金属の表出面積の割合を多孔質金属露出率といい、この多孔質金属露出率は、（多孔質金属の表出面積）／｛（多孔質金属の表出面積＋（樹脂の表出面積）｝で表される。

上記した空孔度と多孔質金属露出率の関係について説明すると、摺動面の表面を切削加工した場合、空孔度が小さいほど、切削量が少なくても多孔質金属露出率が高くなる。逆に空孔度が大きいほど、切削量が少ないときに多孔質金属露出率が低く、切削量が多いときに多孔質金属露出率が高くなる傾向にある。これは、多孔質金属層では、その下層部になるほど金属粉が自重によって緻密に分布されるため、上層部と下層部とで多孔質金属の嵩密度に差が生じるためである。このように、同じ空孔度の多孔質金属層であっても、切削量の違いにより多孔質金属露出率が異なる。

また、請求項４に係る発明においては、多孔質金属層に含有される硬質粒子は、Ｈｖ２００以上の硬さを有する化合物系硬質粒子及び金属系硬質粒子から選択される１種又は２種以上の硬質粒子であるため、多孔質金属層の硬度を部分的に高くすることができる。これにより、摺動面における多孔質金属層の割合を必要以上に高めることなく耐摩耗性を向上することができ、また、摺動面における多孔質金属層の割合が低くなることにより、摺動面における樹脂層の割合が高くなるため、非焼付性も向上させることができる。硬質粒子の硬さがＨｖ２００未満の場合には、摺動面における多孔質金属層の割合を高くしなければ耐摩耗性を得ることができず、十分な耐摩耗性を得るためには結果的に摺動面における樹脂層の割合が低くなってしまうため、必要な非焼付性を得ることができなくなる。なお、上記した硬質粒子の硬度は、Ｍｏ₂ＣがＨｖ１８００程度、ＷＣがＨｖ１８００〜２０００程度、ＭｏがＨｖ２５０〜３００程度、ＷがＨｖ２００〜４５０程度、ＮｂＣがＨｖ２４００程度、Ｃｒ₃Ｃ₂がＨｖ１３００程度、ＣｒＢ₂がＨｖ２１００程度、Ｃｒ₂ＮがＨｖ１２００程度である。

以下、発明をすべり軸受の材料に適用した実施の形態について説明する。この軸受は、金属鋼板（一般構造用低炭素鋼）からなる裏金層の表面側に（内周面）に、接合性を高めるためのＣｕメッキ層を介して、Ｃｕ系合金からなる多孔質金属層を設け、更にその多孔質金属層の内部及び表面に、後述するような樹脂を含浸被覆して構成されている。この軸受は、鋼材からなるシャフトを回転自在に支持するようになっている。

ここで、上記軸受の製造方法について簡単に述べる。まず、１．２ｍｍの厚み寸法を有し、表面にＣｕメッキが施された鋼板（裏金層）上に、予め硬質粒子と混合したＣｕ合金粉末を厚さ０．３ｍｍで散布し、次いで、還元雰囲気中で７５０〜９００℃の温度に加熱してＣｕ合金粉末を焼結した。これにて、裏金層（メッキ層）上に強固に硬質粒子と固着した多孔質金属層が得られる。

そして、樹脂層を構成するポリテトラフルオロエチレン（以下、「ＰＴＦＥ」と略す）を上記裏金層上の多孔質金属層に含浸被覆させた後、３５０〜４００℃の温度で焼成を行なう。これにて、裏金層上の多孔質金属層に樹脂が含浸被覆された平板な材料が得られる。

なお、耐摩耗性を向上させるために樹脂層に固体潤滑剤や硬質粒子等の充填剤を添加する場合には、まず、ＰＴＦＥに所定量の充填剤を均一に混合させた混合物を得るようにする。そして、その混合物を上記と同様に上記裏金層上の多孔質金属層に含浸被覆させた後、３５０〜４００℃の温度で焼成を行なう。

次に、上記のように作成された軸受の有効性を検証、確認するために、実施例１，２，３の配合の多孔質金属層及び樹脂層を有する軸受、及び、比較例１，２の配合の多孔質金属層及び樹脂層を有する軸受について焼付試験及び摩擦摩耗試験を行い、焼付面圧，摩耗量及び摩擦係数について調べた。焼付試験は、表１に示す試験条件１で、摩擦摩耗試験は、表２に示す試験条件２でそれぞれ行なった。そして、表３に示す試験結果を得た。また、表４乃至表６は、表３の試験結果のうち実施例１と比較例２の試験結果を対比してグラフ化したものであり、表７は、実施例１と比較例２に関する耐摩耗性と非焼付性との関係をグラフ化したものである。

焼付試験は、周速が２ｍ／ｓ、面圧が３０分毎に２．５ＭＰａの累積、潤滑条件は、潤滑油がＳＡＥ＃１０相当で潤滑方法がオイルバス、相手材である軸材料がＳ５５Ｃで表面粗さが０．３μｍ以下で行なった。焼付の判断時としては、試験片の背面温度が１５０℃又はトルクが４９０Ｎ・ｃｍに達した場合とした。

また、摩擦摩耗試験は、周速が０．１ｍ／ｓ、面圧が１０ＭＰａ、潤滑条件は、潤滑油が灯油で潤滑方法がオイルバス、相手材である軸材料がＳ５５Ｃで表面粗さが０．３μｍ以下で行なった。この摩擦摩耗試験は、上記のように面圧を１０ＭＰａ、潤滑油を灯油とすることにより、摩耗が促進される条件となっている。

また、両試験とも、多孔質金属露出率が比較例１については、０％，２５％，５０％，及び７５％の４種類、比較例２及び実施例１については、０％，２５％，５０％，７５％，及び１００％の５種類、実施例２及び実施例３については、０％，５０％，及び１００％の３種類のものについて試験を行なった。なお、表３における多孔質金属露出率とは、軸受の摺動面において多孔質金属が表出した割合を示しており、試験開始時における値が示されている。

ここで、摺動面に多孔質金属層を露出させるには、樹脂層を切削加工することにより行なうが、多孔質金属層の下部に近づくほど空孔度が低くなり多孔質金属の占める割合が高くなっているため、加工量が増加するに従って多孔質金属露出率が高くなる。

ここで、表３に示される比較例１，２及び実施例１，２，３について簡単に説明すると、比較例１は、前述した特許文献２に係る発明に包含される実施品であり、ＣｕにＳｎ１０重量％を添加した多孔質金属層と、ＰＴＦＥに硬質粒子としてのＡｌ₂Ｏ₃５重量％を混合して多孔質金属層に含浸被覆した樹脂層と、を有する軸受として構成されている。比較例２は、ＣｕにＳｎ１０重量％を添加した多孔質金属層と、ＰＴＦＥを多孔質金属層に含浸被覆した樹脂層と、を有する軸受として構成されている。

一方、実施例１は、本願の請求項１乃至請求項４の発明に係る実施品であり、ＣｕにＳｎ１０重量％及び化合物系硬質粒子としてのＭｏ₂Ｃ１重量％を添加した多孔質金属層と、ＰＴＦＥを多孔質金属層に含浸被覆した樹脂層と、を有する軸受として構成されている。

また、実施例２は、本願の請求項１乃至請求項４の発明に係る実施品であり、ＣｕにＳｎ１０重量％及び金属系硬質粒子としてのＷ２重量％を添加した多孔質金属層と、ＰＴＦＥを多孔質金属層に含浸被覆した樹脂層と、を有する軸受として構成されている。

また、実施例３は、本願の請求項１乃至請求項４の発明に係る実施品であり、ＣｕにＳｎ１０重量％及び金属系硬質粒子としてのＷ１０重量％を添加した多孔質金属層と、ＰＴＦＥを多孔質金属層に含浸被覆した樹脂層と、を有する軸受として構成されている。

まず、上記した焼付試験によれば、実施例１，２，３について、いずれの多孔質金属露出率においても比較例１，２よりも焼付面圧が高く、優れた非焼付性が得られた。これは、比較例１では、樹脂層に含有されているＡｌ₂Ｏ₃が樹脂層の非焼付性を低下させていると考えられるためである。また、比較例２では、多孔質金属層に含有されたＳｎだけでは十分な非焼付性が得られないが、実施例１，２，３のように、Ｓｎに加えてＭｏ₂Ｃ又はＷを含有することにより、非焼付性が向上している。

なお、実施例１，２，３と比較例２において、いずれも樹脂層はＰＴＦＥのみで構成されているため、多孔質金属露出率が０％の場合に焼付面圧は変化しないはずであるが、表中の多孔質金属露出率は、前述のように試験開始時における値であり、試験開始から摺動することにより樹脂層が摩耗し、焼付の判断時には、多孔質金属層が表出していたためである。

また、上記した摩擦摩耗試験によれば、実施例１，２，３について、いずれの多孔質金属露出率においても比較例１，２よりも摩擦係数が低く、優れた摩擦特性が得られた。また、多孔質金属露出率０％，２５％における実施例１の摩耗量及び多孔質金属露出率０％における実施例２，３の摩耗量が、それぞれ多孔質金属露出率０％，２５％における比較例１の摩耗量よりも多いことを除き、実施例１，２，３は、比較例１，２よりも摩耗量が少なく優れた耐摩耗性が得られた。多孔質金属露出率０％，２５％における実施例１の摩耗量及び多孔質金属露出率０％における実施例２，３の摩耗量が、それぞれ多孔質金属露出率０％，２５％における比較例１の摩耗量よりも多いのは、多孔質金属露出率が低く樹脂層の表出割合が高い場合には、Ａｌ₂Ｏ₃を含有している比較例１の方が摩耗し難いためであり、多孔質金属露出率が高いほど、実施例１，２，３の多孔質金属層に含有されるＭｏ₂Ｃ、Ｗにより、実施例１，２，３の摩耗量は比較例１の摩耗量よりも少なくなる。

なお、実施例１，２，３と比較例２において、いずれも樹脂層はＰＴＦＥのみで構成されているため、多孔質金属露出率が０％の場合に摩耗量は変化しないはずであるが、上記の理由と同様に、表中の多孔質金属露出率は、試験開始時における値であり、試験開始から摺動することにより樹脂層が摩耗し、摩耗量の測定時には、多孔質金属層が表出していたためである。

また、実施例１と比較例２について、試験結果に基づいて、耐摩耗性を１／摩耗量、非焼付性を焼付面圧として値をプロットし、表７に示すようにグラフ化した。表７に示すグラフでは、グラフの上側にプロットされているほど耐摩耗性が高く、右側にプロットされているほど非焼付性が高いが、試験結果をプロットした場合、表７に示すような曲線となり、実施例１は比較例２と比較して耐摩耗性及び非焼付性のいずれも優れていることが分かる。

以上のように、本発明の成分組成を備える多孔質金属層を有する複層樹脂摺動部材によれば、従来にない優れた耐摩耗性及び非焼付性を得ることができる。

なお、上記実施の形態では、多孔質金属層に含有する硬質粒子としてＭｏ₂Ｃ又はＷを示したが、Ｍｏ₂ＣやＷ以外にも、化合物系硬質粒子としてＷＣ等、金属系硬質粒子としてＭｏ等でもよく、これらの硬質粒子から任意の１種又は２種以上のものを含有していればよい。

また、上記実施の形態では、裏金層として一般構造用低炭素鋼を用いたものを示したが、一般構造用低炭素鋼以外にも、例えば、ステンレス鋼又は青銅などのＣｕ系合金を裏金層として用いてもよい。

また、上記実施の形態では、裏金層の表面にＣｕメッキを施したものを示したが、Ｃｕ以外の他の金属メッキ又は合金メッキを施したものであってもよく、更に、裏金層の表面にメッキを施さないものであってもよい。

また、上記実施の形態では、多孔質金属層として、Ｃｕをベースとして用いたものを示したが、Ｃｕ以外にも、その他の金属をベースとして用いたものであってもよい。

また、上記実施の形態では、樹脂層としてＰＴＦＥを用いたものを示したが、ＰＴＦＥ以外にも、例えば、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＦ（フェノール）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）等でもよく、熱可塑性又は熱硬化性のいずれの合成樹脂も用いることができる。

更に、摩耗特性を向上させるために、樹脂層を構成する合成樹脂にＧｒ（グラファイト）やＭｏＳ₂等の固体潤滑剤や、非焼付性を阻害しない程度に金属酸化物、金属硫化物、セラミックス等の硬質粒子や強化繊維を添加してもよい。

溶融したＣｕの濡れ角を測定する状態を示す概略図である。

Claims (4)

1. 裏金と、該裏金に焼結した多孔質金属からなる多孔質金属層と、該多孔質金属層中に樹脂を含浸被覆した樹脂層と、からなる複層樹脂摺動部材において、
   前記多孔質金属層は、硬質粒子を含有することを特徴とする複層樹脂摺動部材。
2. 前記多孔質金属層は、ベース金属としてＣｕにより構成され、
   前記多孔質金属層に含有される硬質粒子は、溶融状態のＣｕとの濡れ角が４５°以下となる化合物系硬質粒子及び金属系硬質粒子から選択される１種又は２種以上の硬質粒子であることを特徴とする請求項１記載の複層樹脂摺動部材。
3. 前記多孔質金属層の空孔度は、１０〜５０％であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の複層樹脂摺動部材。
4. 前記多孔質金属層に含有される硬質粒子は、Ｈｖ２００以上の硬さを有する化合物系硬質粒子及び金属系硬質粒子から選択される１種又は２種以上の硬質粒子であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の複層樹脂摺動部材。