JP2006226299A - 摺動材料およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のＰＴＦＥを含浸させた摺動材料は、過酷な条件で使用すると機械的強度に弱く、また油を使用した場合にはキャビテーションでPTFEが剥離することがあった。その原因は、ＰＴＦＥがささくれた結晶となっているためである。
【解決手段】本発明の摺動材料は、ＰＴＦＥが非晶質化されており、表面が滑らかであるため、機械的強度に強いばかりでなく耐キャビテーションにも優れている。
【選択図】図２

Description

本発明は、摺動材料、特に鋼板上の多孔質層に樹脂を含浸させた摺動材料に関する。

摺動材料としては、鋼板上にＣｕ−Ｓｎ系合金を貼り合わせたものが多く使用されていた。該摺動材料に用いるＣｕ−Ｓｎ系合金とは、古くはＣｕ−Ｓｎ−Ｐｂ合金（鉛青銅：ＬＢＣ）である。ＬＢＣは、硬いＣｕ−Ｓｎ合金のマトリクス中に軟らかいＰｂが分散しているもので、使用中に軟らかいＰｂが非摺動部の移動、例えば軸の回転にともなって摺動材料表面を覆うようになる。そのためＬＢＣでは、硬いＣｕ−Ｓｎ合金が高荷重を支え、Ｐｂが摺動性を良好にしている。ところで、近時、Ｐｂは人体に蓄積されると有害となることからＰｂの使用が規制されてきており、Ｐｂの代わりに同様の作用を有するＢｉが使用されるようになってきた。

該Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金を使用した摺動材料は、高荷重に対して優れた摺動性を有するため、建機のキャタピラを支える下転輪ブッシュ、コンプレッサーのシリンダー、ギヤーポンプのサイドプレート等、主に高荷重のかかる摺動部に使用されている。該合金を貼り合わせた摺動材料は、Biが固体潤滑剤としての役目をしているが、固体潤滑剤だけでは円滑な摺動性が得られないため、必ず油が使用されており、合金面には油を保持する油溝が形成されていた。しかしながら鋼板にＣｕ−Ｓｎ系合金を貼り合わせた摺動材料は、必ず油を必要とするため、構造上給油不可能な箇所には使用できない。そのため給油不可能な箇所には無給油でも使用可能な摺動性樹脂を用いた摺動材料が使用されている。

従来の摺動性樹脂を用いた摺動材料とは、鋼板上にＣｕ−Ｓｎ系合金の多孔質層を形成し、該多孔質層にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含浸させたものである。ＰＴＦＥを含浸させた摺動材料（以下、単に摺動材料という）は、比較的軽加重の摺動部品、例えば複写機の紙送り部、プリンターのヘッドのスライド部、自動車のオートミラー、等のように無給油で加重のかからない部分である。

従来の摺動材料の製造方法は、鋼板上にＣｕ−Ｓｎ系合金粉を散布し、これを焼結炉で加熱して鋼板上に多孔質層を形成し、該多孔質層にＰＴＦＥのディスパージョンを載置後、押圧ロールで押圧してＰＴＦＥを多孔質層に含浸させ、その後、それを４００℃以上に加熱してから空冷していたものである。（特許文献１）
特公昭３１−２４５２号公報

ところで従来の摺動材料は、前述のように軽荷重のところに使用する場合は問題ないが、使用条件が厳しい場合はＰＴＦＥが剥がれたり、強度的に弱かったりするものであった。

本発明者らは、従来の摺動材料が厳しい条件に使用する場合には適応できない原因について鋭意検討を加えた結果、ＰＴＦＥに問題のあることが分かった。つまり従来の摺動材料を電子顕微鏡で検鏡すると、図３に示すように表面に細い繊維状のものが形成されており、それがあたかもささくれたようになっているため、使用時に摺動材料を摺動する非摺動材、例えば軸受内で回転する軸が繊維状のものをむしり取るようにしてしまい、また油を使用した場合にはキャビテーションにより繊維状のＰＴＦＥが剥がれてしまうからである。そこで本発明者らは、ＰＴＦＥが繊維状を呈していなければ、即ち平滑状態となっていれば剥がれが起こらなくなることに着目して本発明を完成させた。

本発明は、鋼板上にＣｕ−Ｓｎ系合金の多孔質層が形成され、該多孔質層にポリテトラフルオロエチレンが含浸された摺動材料において、ポリテトラフルオロエチレンが非晶質となっていることを特徴とする摺動材料である。

また別の発明は、
Ａ．鋼板上にＣｕ−Ｓｎ系合金粉を散布する工程；
Ｂ．Ｃｕ−Ｓｎ系合金粉が散布された鋼板を焼結炉で焼結して鋼板上にＣｕ−Ｓｎ系合金の多孔質層を形成する工程；
Ｃ．前記多孔質層上にポリテトラフルオロエチレンのディスパージョンを載置し、該ディスパージョンを押圧して多孔質層に含浸する工程；
Ｄ．多孔質層にディスパージョンが含浸されたものを焼成炉でポリテトラフルオロエチレンの融点以上に加熱してポリテトラフルオロエチレンを焼成する工程；
Ｅ．多孔質層に含浸させたポリテトラフルオロエチレンをその融点以上で焼成した直後、ポリテトラフルオロエチレンの融点以下まで５０℃／秒以上の冷却速度で冷却してポリテトラフルオロエチレンを非晶質化する工程；
からなることを特徴とする摺動材料の製造方法である。

従来のＰＴＦＥを含浸させた摺動材料は、ＰＴＦＥがささくれた繊維状の結晶となっていたため、該結晶が非摺動体からの摩擦で剥離したり、油使用ではキャビテーションの細かい振動が結晶間に侵入して剥離したりしてしまうものであったが、本発明の摺動材料は、ＰＴＦＥが非晶質、つまり切れ目のない状態となっているため、摩擦やキャビテーションの細かい振動では容易に剥離しない。またＰＴＦＥ表面にローレット溝を付しておくと、油を使用したときに該溝が油溜まりとなるため、油を摺動面全体にいきわたらせることができる。さらにまた本発明摺動材料の製造方法は、焼成後のＰＴＦＥを冷却装置で急冷できるようにしたため、ＰＴＦＥを非晶質化でき、従来の摺動材料にない優れた摺動特性を発揮できるものである。

一般に物質は、溶融状態から急冷されると、結晶化しないでガラス状態、即ち非晶質となるものである。本発明でＰＴＦＥが非晶質となっているということは、前述従来の摺動材料のＰＴＦＥのような繊維状の結晶が全く存在しないことであり、全体が滑らかな状態になっている。ここで全体が滑らかとは、凹凸のない平滑面をいうのではなく、図１に示すように凹凸があっても細かい結晶組織が存在しない状態である。

本発明の摺動材料は、油を使用しない摺動部に適したものであるが、ショックアブソーバーのような油を使用する摺動部においてはさらに優れた摺動特性を発揮する。この場合、油を保持するために油溝のような油溜まりを形成しておく。従来の合金だけの摺動材料では、合金層に油溝を切削加工やプレス加工で形成することができたが、ＰＴＦＥを含浸させた摺動材料は、これらの加工では油溜まりを形成するには問題があった。つまり多孔質層に含浸されたＰＴＦＥに切削加工を行うと多孔質層が現れてしまい、切削した部分からＰＴＦＥが容易に剥離してしまう。また焼成後のＰＴＦＥに油溜まりを付すために、プレス加工を施そうとしても焼成後のＰＴＦＥは弾性があるため打痕を付けることができない。ところがＰＴＦＥの焼成前に油溜まりを付しておき、その後に焼成を行うと油溜まりは、その形状を保ったままとなる。

図１は本発明摺動材料のPTFE表面を電子顕微鏡で検鏡した写真である。図１の写真ではPTFE表面（P)に多数の凹凸が見られるが、凹部が油溜まりとなるところである。図２は本発明摺動材料の断面組織図であり、鋼板（Ｋ）上にＣｕ−Ｓｎ系合金の多孔質層（Ｔ）が形成され、該多孔質層にＰＴＦＥ（Ｐ）が含浸されている。ＰＴＦＥ（Ｐ）の表面は凹凸が形成されており、凹部が油溜まり（Ｍ）である。

本発明の摺動材料を油とともにに使用する場合は、油溜まりを形成しておくが、本発明で形成する油溜まりはローレット溝が適している。ローレット溝とは、表面に細かい凹凸のあるインデントロールでワークを押圧してワークの表面にインデントロールの凹凸と同一形状の溝を形成するものである。一般にローレット溝は平行状、或いは菱形であるが、本発明の摺動材料に付す溝は菱形が適している。該菱形のローレット溝のピッチ、即ち図２の（ｗ）は３００〜９００μｍであり、ローレット溝の深さ（ｄ）は５０〜２００μｍである。ローレット溝のピッチや深さがこの数値から離れると、油溜まりの効果がなくなったり、ＰＴＦＥが剥がれやすくなったりしてしまう。

ところで摺動材料の摺動表面は約２００℃まで昇温すると焼き付きが起こりやすくなる。そこで本発明では、PTFE中にBi-Sn合金粉を混合してこれを防止することもできる。つまりBi-Sn合金は共晶であり、Bi２０〜８０質量％、残部Snの合金は、液相線温度が２００℃以下となり、摺動材料が２００℃近辺になったときにBi-Sn合金が溶融して焼き付きを防止するようになる。またPTFEにBi-Sn合金粉を混合しておくと、固体潤滑剤としての効果もあり、さらに摺動特性が向上する。本発明では、Bi２０〜８０質量％、残部Sn合金粉をPTFEを含む樹脂成分中に１０〜２０体積％混合することもできる。Bi-Sn合金粉の混合量が１０体積％よりも少ないと焼き付き防止効果が現れず、しかるに２０体積％を超えるとPTFEの摺動特性を邪魔するようになってしまう。

本発明の摺動材料に使用するＣｕ−Ｓｎ系合金粉とは、Ｃｕ−Ｓｎ合金そのもの、或いはＣｕ−Ｓｎ合金に第三元素を一種以上添加したものも含まれる。該第三元素としては、添加することにより特性改善に効果のあるものであれば如何なる元素でもよい。該第三元素としてはＡｇ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｐ、Ｂｉ、Ｐｂ等がある。

また本発明摺動材料は、ＰＴＦＥを単体で使用する他、他の摺動性樹脂、例えばポリフェニレンサルファイドやポリイミドを混合したり、固体潤滑剤、例えば二硫化モリブデン、タングステンカーバイド、鉛粉を混合したりすることもできる。

本発明の摺動材料の製造方法において、PTFEの融点以上の焼成温度からPTFEの融点以下まで５０℃/秒以上の冷却速度で急冷するとしたのは、PTFEの融点が３２７℃であり、この温度以上でPTFEを溶融させてから急冷することによりPTFEを非晶質化するためである。このときの冷却速度が５０℃/秒よりも遅いとPTFEが非晶質化しない。

次に本発明の摺動材料の製造方法について図面を参照しながら説明する。
Ａ．Ｃｕ−Ｓｎ系合金粉の散布工程（図４）
長尺の鋼板１上にホッパー２でＣｕ−Ｓｎ系合金粉３を散布する。
Ｂ．焼結工程（図５）
Ｃｕ−Ｓｎ系合金粉３が散布された鋼板１を焼結炉４で焼結する。このときの焼結炉の温度は、Ｃｕ−Ｓｎ系合金粉の固相線温度よりも僅かに高く、当然液相線温度以下である。この温度でＣｕ−Ｓｎ系合金粉と鋼板の焼結を行うと、合金粉同士および合金粉と鋼板とが拡散して強固に接続されるとともに、合金粉が完全に溶融していないため合金粉間が多孔質層５になる。
Ｃ．ＰＴＦＥディスパージョンの含浸工程（図６）
多孔質層５上に粘土状となったＰＴＦＥのディスパージョン６をディスペンサー７で適量載置する。その後、該ディスパージョンを押圧ロール８で押圧して、多孔質層５に含浸する。押圧ロールとしてインデントロールを用いると、インデントロールにはローレット目が形成されているため、長尺材を滑らせることなく容易に押圧できるばかりでなく、多孔質層に含浸させたＰＴＦＥのディスパージョンに細かいローレット溝を付すことができる。
Ｄ．ＰＴＦＥの焼成工程（図７）
多孔質層５にＰＴＦＥのディスパージョン６が含浸されたものを焼成炉９で加熱することによりＰＴＦＥを焼成する。このときの焼成炉の温度はPTFEの融点以上である。即ちＰＴＦＥは３２７℃で溶融するものであり、ＰＴＦＥを溶融させることにより多孔質層５とアンカー効果で強固に接合する。
Ｅ．ＰＴＦＥの冷却工程（図８）
多孔質層５にＰＴＦＥが溶融状態で含浸された直後、冷却装置１０に通過させることにより急冷する。ＰＴＦＥの急冷には水が適しており、水１１はノズル１２でＰＴＦＥ上に散布する。このときの冷却速度は、PTFEの融点を通過するときに５０℃／秒以上である。溶融状態のＰＴＦＥは急冷されることにより非晶質となる。

（実施例１）
（Ａ）Ｃｕ−Ｓｎ系合金粉の散布工程
Ｃｕ−１０Ｓｎ合金粉（固相線温度：約８５０℃、液相線温度：約１０２０℃、不定形粉、粒度１５０μｍアンダー）を巾１８０ｍｍ、厚さ１．３ｍｍの長尺の鋼板（ＳＰＣＣ）上にホッパーで厚さ約０．３ｍｍに散布した。
（Ｂ）焼結工程
Ｃｕ−１０Ｓｎ合金粉が散布された鋼板を焼結炉に通して焼結を行い、鋼板上に多孔質層を形成した。焼結炉はアンモニア分解ガスが供給された活性雰囲気であり、炉内の温度は約８８０℃である。
（Ｃ）ＰＴＦＥディスパージョンの含浸工程
鋼板の多孔質層上に粘土状となったＰＴＦＥのディスパージョンをディスペンサーで適量載置し、該ディスパージョンをインデントロールで多孔質層に含浸させた。ディスパージョンはポリフェニレンサルファイド５体積％、二硫化モリブデン２体積％、５８Bi-Sn合金粉１６体積％（４５μｍアンダー）、残部ＰＴＦＥが混合されている。インデントロールにはピッチ６００μｍ、深さ１００μｍの菱形の凸部が形成されており、該インデントロールでディスパージョンを押圧したところ、ディスパージョンが多孔質に含浸されるとともに表面にインデントロールと同一のローレット溝が付されていた。
（Ｄ）ＰＴＦＥの焼成工程
ＰＴＦＥのディスパージョンが含浸された鋼板を約４００℃の焼成炉に通してＰＴＦＥの焼成を行った。焼成後のＰＴＦＥ表面には、ローレット溝が残っていた。
（Ｅ）ＰＴＦＥの急冷工程
ＰＴＦＥ焼成直後に冷却装置で約２０℃の水をノズルから噴射してＰＴＦＥにかけ、ＰＴＦＥの急冷を行った。PTFEが約４００℃からPTFEの融点以下に下がるまでは○秒であり、冷却速度は５０℃/秒以上であった。該摺動材料の表面電顕写真が図１である。電顕写真にではローレット溝が付されているが、表面は滑らかな状態であることが分かる。

（比較例）
（a）Ｃｕ−Ｓｎ系合金粉の散布工程
Ｃｕ−１０Ｓｎ合金粉（固相線温度：約８５０℃、液相線温度：約１０２０℃、不定鶏糞、粒度１５０μｍアンダー）を巾１８０ｍｍ、厚さ１．３ｍｍの長尺の鋼板（ＳＰＣＣ）上にホッパーで厚さ約０．３ｍｍに散布した。
（b）焼結工程
Ｃｕ−１０Ｓｎ合金粉が散布された鋼板を焼結炉に通して焼結を行い、鋼板上に多孔質層を形成した。焼結炉はアンモニア分解ガスが供給された活性雰囲気であり、炉内の温度は約８８０℃である。
（c）ＰＴＦＥディスパージョンの含浸工程
鋼板の多孔質層上にディスペンサーで粘土状となったＰＴＦＥ単体のディスパージョンを適量載置し、該ディスパージョンを一般の押圧ロールで多孔質層に含浸させた。
（d）ＰＴＦＥの焼成工程
ＰＴＦＥのディスパージョンが含浸された鋼板を約４００℃の焼成炉に通してＰＴＦＥの焼成を行い、その後、そのまま空冷した。ＰＴＦＥが約４００℃からPTFEの融点以下まで下がるのに２分以上かかっていた。該摺動材料の表面電顕写真が図３であり、細い繊維状のものが存在していた。

ここで実施例と比較例で得られた摺動材料について耐キャビテーション試験と疲労強度試験を行った。
（耐キャビテーション試験）
○試験機：超音波試験機
○試験条件
合金厚：0.3mm
PTFE厚：0.03~0.05mm
周波数：19KHz
ホーン直径：35mm
クリアランス：1.0mm
介在液：水(10~20℃）
出力：600W
照射時間3min：
（疲労強度試験）
○試験機：動荷重疲労試験機
○試験条件
ブッシュ寸法：直径50mm、長さ30mm、厚さ2.5mm
軸受面圧：P=450Kg/cm²、軸回転数：1500rpm（周速3.9m/sec)
負荷繰り返し回数：N=5×10⁶回（両振り方式）
潤滑油：エンジンオイル＃30
油温：80℃
軸表面粗さ：Rmax=0.8s

キャビテーション試験の結果を図９に、そして疲労試験の結果を図１０に示す。図９から分かるように実施例の摺動材料は、比較例の摺動材料に比べて耐キャビテーションにおいては体積減量が半分以下であった。また図１０から分かるように疲労強度においては実施例の摺動材料は、比較例の摺動材料に比べて倍以上の疲労強度を有していた。

本発明の摺動材料は、円筒状の軸受の他、エアコンのスワッシュプレートやプレスのガイドブッシュ等にも適応できるものである。

本発明摺動材料のPTFE面の電子顕微鏡写真 本発明摺動材料の断面組織図 従来の摺動材料のPTFE面の電子顕微鏡写真 本発明摺動材料製造方法における合金粉散布工程 本発明摺動材料製造方法における焼結工程 本発明摺動材料製造方法における含浸工程 本発明摺動材料製造方法における焼成工程 本発明摺動材料製造方法における冷却工程 実施例と比較例の耐キャビテーション試験のグラフ 実施例と比較例の疲労強度試験のグラフ

符号の説明

Ｋ 鋼板
Ｔ 多孔質層
P PTFE
Ｍ ローレット溝

Claims (7)

1. 鋼板上にＣｕ−Ｓｎ系合金の多孔質層が形成され、該多孔質層にポリテトラフルオロエチレンが含浸された摺動材料において、ポリテトラフルオロエチレンが非晶質となっていることを特徴とする摺動材料。
2. 前記ポリテトラフルオロエチレンの表面にはローレット溝が形成されていることを特徴とする請求項１記載の摺動材料。
3. 前記ポリテトラフルオロエチレンには、Ｂｉが２０〜８０質量％、残部Ｓｎからなる合金粉が混合されていることを特徴とする請求項１記載の摺動材料。
4. 前記ポリテトラフルオロエチレンには、他の摺動性樹脂が混合されていることを特徴とする請求項１記載の摺動材料。
5. 前記ポリテトラフルオロエチレンには、固体潤滑剤が混合されていることを特徴とする請求項１記載の摺動材料。
6. Ａ．鋼板上にＣｕ−Ｓｎ系合金粉を散布する工程；
   Ｂ．Ｃｕ−Ｓｎ系合金粉が散布された鋼板を焼結炉で焼結して鋼板上にＣｕ−Ｓｎ系合金の多孔質層を形成する工程；
   Ｃ．前記多孔質層上にポリテトラフルオロエチレンのディスパージョンを載置し、該ディスパージョンを押圧して多孔質層に含浸する工程；
   Ｄ．多孔質層にディスパージョンが含浸されたものを焼成炉でポリテトラフルオロエチレンの融点以上に加熱してポリテトラフルオロエチレンを焼成する工程；
   Ｅ．多孔質層に含浸させたポリテトラフルオロエチレンをその融点以上で焼成した直後、ポリテトラフルオロエチレンの融点以下まで５０℃／秒以上の冷却速度で冷却してポリテトラフルオロエチレンを非晶質化する工程；
   からなることを特徴とする摺動材料の製造方法。
7. 前記ポリテトラフルオロエチレンのディスパージョンの押圧は、インデントロールで行うことを特徴とする請求項６記載の摺動材料の製造方法。