JP2006249187A

JP2006249187A - シールリング

Info

Publication number: JP2006249187A
Application number: JP2005065790A
Authority: JP
Inventors: Mika Saito; 美香斉藤
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2025-03-09
Also published as: JP4589154B2

Abstract

【課題】アルミ合金と摺接するAT用シールリングにおいて、PEEKを65重量％以下に減じても、優れた耐摩耗性及び低相手攻撃性を有し、合口部を拡げて軸に取り付ける際に合口部が許容弾性変形量を超えて折損することのないAT用シールリングを提供する。
【解決手段】ポリエーテルエーテルケトン樹脂65重量％以下、平均繊維径3〜10μmの炭素繊維10〜30重量％、平均粒径0.5〜5μmの炭酸カルシウム粉末と平均板径0.1〜5μmの板状タルク粉末を合計10〜35重量％含有する複合樹脂シールリング。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車のオートマチックトランスミッション（Automatic Transmission, 以下「AT」という。）のシールリングに関し、特に、金型鋳造したアルミニウム合金（以下「アルミ合金」という。）製回転軸に摺接し、オートマチックトランスミッション油（Automatic Transmission Fluid, 以下「ATF」という。）をシールする回転軸シールリングに関する。

自動車の燃費向上を目的に、自動車部品の小型化、薄肉化、あるいはアルミニウム等の軽金属の利用等、様々な試みが行われている。ATにおいても、回転軸及びハウジングにアルミ合金を用いる場合が多くなってきており、燃費の良い無段変速機（Continuously Variable Transmission）は従来の上位大型車だけでなく一般小型車にも実車搭載されるようになり、市場ではアルミ合金等の軟質系軽金属に対応可能な小径シールリングが求められている。従来の鉄系材料の回転軸やハウジングでは、シールリング材料としては鋳鉄又は特にポリテトラフルオロエチレン（Polytetrafluoroethylene, 以下「PTFE」という。）が便利に用いられてきた。特に、PTFEは優れた性能を発揮してきた。しかし、そのPTFEもアルミ合金製回転軸に対しては、高温且つ高速摺動条件下で相手攻撃性が強くなり、PTFEのシールリングもアルミ合金製回転軸も共に異常摩耗を引き起こすという問題を経験した。PTFEが相手金属と摺動するときの摩擦のメカニズムは、最初に摩耗したPTFEが相手金属面に移行してPTFE同士の摺動となって、摩擦係数が下がると共に摩耗量も減少すると言われている。相手金属が鉄系材料の場合はPTFEの相手金属面への移行定着がスムーズに行われるのに対し、相手金属が軟らかいアルミ合金の場合にはPTFEの移行定着が困難なため高速高面圧の摺動条件下ではアルミの凝着が起こり、上述のような異常摩耗を引き起こす。

このようなアルミ合金製回転軸に対するPTFEの問題点に対し、PTFEに代わって高温エンジニアリングポリマーとして代表的なポリエーテルエーテルケトン樹脂（Polyetheretherketon, 以下「PEEK」という。）を用いることによって対応が取られている。PEEKは、PTFEと比較して、引張強度、硬度が約4倍あるが引張伸びが1/10以下であり柔軟性に欠けるものの、アルミの凝着が起こりにくいという性質を持つ。アルミ合金に対し同様の性質を持つ樹脂として、ポリエーテルケトン（Polyetherketon, 以下「PEK」という。）、ポリエーテルニトリル（Polyethernitryl、以下「PEN」という。）、ポリフェニレンファルファイド（Polyphenylenesulfide, 以下「PPS」という。）があげられる。

一般に、PTFEやPEEK単体では、AT用シールリングとしての要求性能を満足しないので耐摩耗性、弾性率、耐クリープ性、耐熱性、耐圧性、熱伝導性、耐油性、潤滑性、成形性等の要求性能を満足させるために複合化して用いられるのが一般的である。具体的には、機械的特性や耐摩耗性を向上させるためには、ガラス繊維、炭素繊維、チタン酸カリウムウイスカー等の繊維状充填材又は黒鉛、マイカ、タルク等の鱗片状充填材が添加され、低摩擦特性を付与するためにPTFE、黒鉛、二硫化モリブデン等の固体潤滑材が添加されている。PEEK材料に関していえば、PEEKに炭素繊維、PTFE、タルク又は炭酸カルシウムを複合するもの（特開平5-262976号：特許文献１）、PEEKに炭素繊維、PTFE、モース硬度3以下の粒状又はウイスカー状の硫酸マグネシウム又は硫酸カルシウムを複合するもの（特開2001-49111号：特許文献２）等が提案されている。

また、PEEKは極めて高価であり、コスト面で市場が満足して受け入れる状況に至っていないのも実情であって、使用するPEEKをできるだけ少なくして要求性能を満足させることも求められている。しかし、充填材を多量に配合することで脆性が増すので、シールリングにおいては合口部を拡げて軸に取り付ける際に、特に外径寸法が30mm以下の小型のシールリングにおいては、合口部が許容弾性変形量を超えて折損しやすくなる等の問題が生じる。

脆性を改善する方法として、PPS樹脂にエラストマーを配合することで柔軟性が付与されることは知られている（特開平5-239350号：特許文献３）。しかし、PEEKのような高温で成形する樹脂に耐熱性の低いエラストマーを添加すると、耐熱性の低下や成形時のガス発生等の問題がある。

また、耐衝撃性を改善するといわれている炭酸カルシウムと、弾性率を改善するといわれているタルク、マイカ、クレー等の板状フィラーとを高速撹拌によって均一に混合粉砕した凝集塊の無い複合フィラーが知られている（特開2002-80631号：特許文献４）。しかし、複合される合成樹脂としてはホモポリプロピレンやブロックポリプロピレンのポリオレフィン系樹脂、ナイロン６のポリアミド系樹脂、PETのポリエステル系樹脂であって、AT用シールリングを想定したPEEKをベースに炭酸カルシウムと板状フィラーの含有率を最適化していないため、耐折損性（脆性）は改善されても耐摩耗性が不十分な場合があり、これらの複合フィラーをAT用シールリングに適用しても、必ずしも耐折損性と耐摩耗性とのバランスがとれていない場合があった。

特開平5-262976号公報特開2001-49111号公報特開平5-239350号公報特開2002-80631号公報

従って、本発明の目的は、アルミ合金と摺接するAT用シールリングにおいて、特に外径寸法が30mm以下の小型のシールリングにおいて効果のあることを期待しているが、PEEKを65重量％以下に減じても、優れた耐摩耗性及び低相手攻撃性を有し、合口部を拡げて軸に取り付ける際に合口部が許容弾性変形量を超えて折損することのないAT用シールリングを提供することである。

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、PEEK材料への充填材として特定サイズの炭素繊維の他、主要な充填材として炭酸カルシウムとタルクを選択し、その充填粉末のサイズと量を最適化することにより、優れた耐摩耗性と低相手攻撃性に加え、耐折損性の著しく改善されたAT用シールリングが得られることを見いだし、本発明に想到した。

すなわち、本発明のシールリングは、PEEK 65重量％以下、平均繊維径3〜10μmの炭素繊維10〜30重量％、平均粒径0.5〜5μmの炭酸カルシウム粉末と平均板径0.1〜5μmの板状タルク粉末を合計10〜35重量％含有することを特徴とする。量的には、炭酸カルシウム粉末／板状タルク粉末の重量比率で0.2〜1.2の範囲内であることが好ましい。また、板状タルク粉末の一部を平均板径10μm以下の鱗片状黒鉛に替えても、特に耐摩耗性の観点で好適である。

炭酸カルシウム粉末は微細になると凝集塊を形成する傾向が強いので、凝集塊を粉砕するため、炭酸カルシウム粉末と板状タルク粉末を乾式で高速撹拌によって均一に混合粉砕することはなお好ましい。

本発明のシールリングは、PEEK 65重量％以下、平均繊維径3〜10μmの炭素繊維10〜30重量％、平均粒径0.5〜5μmの炭酸カルシウム粉末と平均板径0.1〜5μmの板状タルク粉末を合計10〜35重量％含有するので、高価なPEEKの使用量を減じ、且つ、炭素繊維、及び板状タルク粉末の複合により優れた強度及び耐摩耗性に加え、均一に分散した炭酸カルシウム粉末により改善された耐折損性を有する。このため、本発明のシールリングは、例え、外径寸法が30mm以下の小型のシールリングにおいても、合口部を拡げて軸に取り付ける際に合口部が許容弾性変形量を超えて折損することがなく容易に軸に取り付けできるものになる。

本発明に用いるPEEK並びにその一部又は全部を置き換えることのできるPEK、PEN及びPPSは、高い耐熱性に加え、優れた機械的性質、電気的性質、耐薬品性を有するものであるが、それぞれ市販されている周知の樹脂を使用することができる。いずれも高価な樹脂であるが、それらを65重量％以下に抑えることでコスト面での市場の要求に近づけることが可能となる。

次に、本発明に用いる炭素繊維は、平均繊維径3〜10μmとする。一般に炭素繊維は平均繊維径1〜30μｍ、平均長さ数10μｍ〜数ｍｍのものが市販されているが、特にポリアクリロニトリル（PAN）系炭素繊維で平均繊維径3〜10μmのものが好ましい。平均繊維径が3μm未満では繊維同士の絡みにより均一分散が困難であり、混練時に繊維が折れて短繊維となり、また10μmを越えるものでは逆に繊維強度も比較的低くなるので繊維強化による機械的性質の向上が十分望めない。このような炭素繊維の配合割合は10〜30重量％とする。10重量％未満では繊維強化による機械的性質の向上が十分でなく、また30重量％を越えると複合樹脂の溶融流動性を著しく低下させシールリングの射出成形が困難となる。

次に、本発明に用いる充填材としての炭酸カルシウム粉末は平均粒径0.5〜5μmとする。この範囲の平均粒径において、炭酸カルシウム粉末の均一分散により耐折損性が改善される。平均粒径が1μm未満の炭酸カルシウム粉末を通常に混合しただけでは、粒子間の凝集が起こって均一分散が困難となり、また5μmを越えるものでも耐折損性の向上が十分でなくなる。但し、炭酸カルシウム粉末と同時に添加される板状タルク粉末と一緒に高速撹拌による混合粉砕を行った場合には、平均粒径0.5〜1μmにおいても凝集塊が粉砕され均一分散が可能となる。また、同時に添加される板状タルク粉末は、平均板径0.1〜5μmとする。板状タルクは、主として弾性率の向上による機械的性質の改善のほかに、耐熱性、摺動性及び寸法安定性の向上並びに射出成形時のヒケやそりの防止に効果がある。板状タルクも、炭酸カルシウム粉末と同様に、通常、平均粒径が1μm未満の粉末を混合しただけでは、粒子間の凝集が起こって均一分散が困難となる。また5μmを越えると耐折損性が著しく低下する。高速撹拌による混合粉砕を行った場合、板状タルクは炭酸カルシウムに比べ、より微細に粉砕され、平均粒径0.1〜1μmにおいても凝集塊が粉砕され均一分散が可能となる。

これらの炭酸カルシウム粉末と板状タルク粉末の配合割合は、合計で10〜35重量％とする。10重量％未満では耐摩耗性が不足し、安価な充填材の量が少ないので高価なPEEK使用量の低減が十分でなく、また35重量％を越えると複合樹脂の溶融流動性を著しく低下させるとともに、炭酸カルシウム添加によりpHが上昇し、ベース樹脂がゲル化しやすくなるためシールリングの射出成形が困難となる。

本発明のシールリングは、耐欠損性と耐摩耗性の両特性において優れている必要があり、いずれか一方のみが改善されただけでは十分ではない。耐欠損性と耐摩耗性のバランスという観点で、複合する炭酸カルシウム粉末の配合割合と板状タルク粉末の配合割合の比率は重要である。本発明では、炭酸カルシウム粉末重量／板状タルク粉末重量比率が0.2〜1.2の範囲とする。重量比率0.2未満では炭酸カルシウムによる耐欠損性の改善が十分でなく、また重量比率1.2を越えると耐摩耗性が不十分となるとともに、炭酸カルシウムによるpH値の上昇が起こる。好ましくは0.3〜1.1の範囲とする。

さらに、本発明のシールリングにおいては、摺動特性を向上させ耐摩耗性をさらに改善させるため、板状タルク粉末の一部を平均板径10μm以下の鱗片状黒鉛に置き換えることができる。但し、鱗片状黒鉛の平均板径が10μmを越えるとシールリングの耐折損性を低下させる。また板状タルク粉末に置き換える鱗片状黒鉛の配合割合は7重量％未満が好ましい。

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。

実施例１〜４（J1〜4）及び比較例１〜３（H1〜3）
粉末状PEEK、平均繊維径6.5μmの炭素繊維、平均粒径1.4μmの炭酸カルシウム及び平均板径3.2μmの板状タルクを表１に示した各配合割合で、まず、押出機において温度400℃、スクリュウ回転数50rpm、粉体供給回転数65rpmの条件で混合し、約3mm径で長さ3〜4mmのペレットを所定量作製した。次に、摩耗試験用に呼径（外径）60.0mm、幅2.0mm、厚さ2.0mmの特殊ステップ合口形状の摩耗試験用テストピース、及び、呼径（外径）24.5mm、幅1.8mm、厚さ1.4mmの折損試験用テストピースに、金型温度170℃、成形温度340〜420℃、射出速度30mm/sec、成形圧力130MPaの条件にて前記ペレットを用いて射出成形した。

摩耗試験は図１に模式的に示すスラスト型摩耗試験機を用いて行った。この試験機は、オイル中で、一定速度で回転するシールリングを固定するホルダと、それに対向し一定面圧で加圧するアルミ円板を固定するホルダから構成され、評価は所定の摩擦距離を運転した後のシールリングの摩耗量とアルミ円板の摩耗量を測定することによって行うものである。摩耗試験の条件としては、摩擦速度6.7m/sec、接触面圧1MPa、相手材は表面粗さ（Rz）1μm のJIS2024のアルミ合金円板、摩擦距離44km、摩擦方式ATF油滑りで油温は成り行きとした。なお、シールリングテストピースの摺動面は実機の状況に近い状況とするため射出成形した面のままとした。

また、折損試験は、図２に模式的に示す専用試験機を用いて行った。図２の円錐状の治具に沿ってシールリングを一定速度で押し広げてゆき、シールリングが折損する直前の最大内径を測定することによって耐折損性を評価するものである。本発明の目的とする耐折損性は、PEEK70重量％、炭素繊維20重量％、その他充填物10重量％からなる市販のシールリングの耐欠損性と同等の特性を有することとして、このシールリングの耐折損性を100として百分率表記した。

表１の実施例１〜４（J1〜4）、比較例１〜３（H1〜3）の摩耗試験結果及び折損試験結果を同表中に示した。本発明の範囲においては自己摩耗量が10μm以下で且つ耐折損性が100%以上であった。

実施例５〜７（J5〜7）及び比較例４〜６(H4〜6)
実施例２（J2）と同じ配合割合の組成にて、炭酸カルシウム粉末及び板状タルク粉末の粒径又は板径を表２に示す組み合わせにして摩耗試験用テストピース及び折損試験用テストピースを実施例２（J2）と同じ方法で作製した。実施例５、６（J5, 6）及び比較例４（H4）は、実施例２（J2）の粉末サイズの原料を用いてヘンシェルミキサーで高速撹拌により撹拌条件を変えて混合粉砕したものである。摩耗試験及び折損試験は実施例１と同様の方法にて実施し、その結果を同表中に示す。本発明の炭酸カルシウム粉末の平均粒径が0.5〜5μm、板状タルク粉末の平均板径が0.1〜5μmの範囲であれば、自己摩耗量10μm以下で且つ耐折損性が100%以上であった。

実施例８（J8）
実施例２（J2）の配合割合の組成で、板状タルクの1/2（5重量％）を平均板径7μmの鱗片状黒鉛に置き換えて、実施例２と同じ方法で摩耗試験用テストピースと折損試験用テストピースを作製した。摩耗試験及び折損試験は実施例１と同様の方法にて実施し、その結果、自己摩耗量4μ、相手材摩耗量7μm、耐折損性100%で、特に相手攻撃性が著しく改善された。

実施例９〜１２（J9〜12）
PEEK以外は実施例２（J2）と同じ配合割合の組成とし、実施例９（J9）ではPEEKの1/3（20重量％）をPENに置き換え、実施例１０〜１２（J10〜12）ではPEEKの全てをそれぞれPEＮ（J10）、PEK（J11）、PPS（J12）に置き換えて、実施例２と同じ方法で摩耗試験用テストピースと折損試験用テストピースを作製した。摩耗試験及び折損試験は実施例１と同様の方法にて実施し、その結果を表３に示す。その結果、選択された耐熱性エンジニアリングプラスチックはいずれもPEEKに置き換えても、本発明の目的を達成することができる。

松原式摩耗試験機の要部概略断面図である。シールリング専用折損試験機の概略図である。

符号の説明

１アルミ円板用ホルダー（固定）
２シールリング用ホルダー（固定）
３アルミ円板
４評価用シールリング
５オイルバス
６オイル
７オイル飛散防止カバー

Claims

ポリエーテルエーテルケトン樹脂65重量％以下、平均繊維径3〜10μmの炭素繊維10〜30重量％、平均粒径0.5〜5μmの炭酸カルシウム粉末と平均板径0.1〜5μmの板状タルク粉末を合計10〜35重量％含有することを特徴とする複合樹脂シールリング。
前記ポリエーテルエーテルケトンの一部又は全部をポリエーテルケトン、ポリエーテルニトリル、ポリフェニレンサルファイドからなる群から選ばれるいずれか一つの樹脂で置き換えることを特徴とする請求項１に記載の複合樹脂シールリング。
前記炭酸カルシウム粉末重量／前記板状タルク粉末重量比率が0.2〜1.2の範囲内にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の複合樹脂シールリング。
前記炭酸カルシウム粉末と前記板状タルク粉末を乾式で高速撹拌によって均一に混合粉砕したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の複合樹脂シールリング。
前記板状タルク粉末の一部を平均板径10μm以下の鱗片状黒鉛に置き換えることを特徴とする請求項４に記載の複合樹脂シールリング。
前記板状タルク粉末に置き換える前記鱗片状黒鉛が7重量％未満であることを特徴とする請求項５に記載の複合樹脂シールリング。