JP2007169426A - 樹脂組成物、摺動部材及び摺動装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ポリアミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂及びエポキシ樹脂から成る群より選ばれた少なくとも1種の母材樹脂と、表面エネルギーが200〜400μN/cmであり、且つ波長600nmにおける可視光透過率が10%以上であるフッ素樹脂と、モース硬度が1〜2である黒鉛と、を含有する樹脂組成物。
樹脂組成物を含有して成る被膜を基材の摺動部位の少なくとも一部に備える摺動部材。
摺動部材を備え、摺動部材が潤滑剤の存在下で摺動する摺動装置。
【選択図】なし
Description
このような要求を実現するためには、摺動部位においてはフリクション低減及び耐摩耗性・耐焼付き性の向上が必要となってきている。
このためフリクション低減効果には限界があり、更なるフリクション低減効果を得るのは困難な状況である。
このような摺動部材の具体的な一態様としては、例えば樹脂組成物を含有して成る被膜をピストンのスカート部に適用して成る自動車用ピストンなどを挙げることができる。
そして、かかる母材樹脂は、ポリアミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂又はエポキシ樹脂、及びこれらの任意の組合わせに係る母材樹脂を含有する。
また、かかるフッ素樹脂は、そのフッ素樹脂の表面エネルギーが200〜400μN/cmであり、且つフッ素樹脂の波長600nmにおける可視光透過率が10%以上である。
更に、かかる黒鉛は、その黒鉛のモース硬度が1〜2である。
例えば、自動車用内燃機関に適用する場合には、自動車用内燃機関の部品は、部品温度が150℃程度に上昇することから、150℃以上の耐熱性を有することが望ましい。
かかる150℃以上の耐熱性を有するか否かを測定するには、例えばISO75で規定される1.8MPa応力作用下での熱変形温度が非強化状態で150℃以上であるか否かを測定すればよい。
一方、数平均分子量が10000を越える場合は、ポリアミドイミド樹脂の母材樹脂としての摩擦係数が高くなり、その結果、樹脂組成物の摩擦係数が高くなることがある。また、樹脂組成物の基材との密着性が低下し、剥離が発生し易くなることがある。
そこで、本発明においては、フッ素樹脂の表面エネルギーを上記200〜400μN/cmの範囲へと改質することによって、好ましくは表面エネルギーを250〜350μN/cmの範囲へと改質することによって、油膜生成、及び油中添加剤の吸着等が阻害されることがなくなり、油膜と固体潤滑材の相乗効果を発揮することができる。
フッ素樹脂粒子の平均粒径が1μm未満の場合には、母材樹脂中に均一に分散させることが困難となり、一方で、平均粒径が50μmを超える場合には、粗大粒子となるために、母材樹脂の強度、特に衝撃強度及び疲労強度を低下させる可能性がある。
フッ素樹脂の含有量が5%未満の場合には、十分なフリクション低減効果が得られないことがあり、一方で、含有量が40%を越える場合には、これ以上フッ素樹脂を含有させてもフリクション低減効果が飽和するとともに、機械的強度が低いフッ素樹脂の含有量が増えるため、樹脂組成物の機械的特性が大幅に低下してしまうことがある。
そこで、本発明においては、低フリクションと耐摩耗性の確保を両立するため、母材樹脂中に上述のフッ素樹脂と共に上記のモース硬度1〜2である黒鉛を含有させることを要する。
また、黒鉛は母材樹脂に比較して高硬度であり、特定の結晶面におけるせん断強度が低いことから、一般的に低フリクションと耐摩耗性の確保の観点から充填材として添加されるケースが多いが、本発明においては黒鉛のモース硬度を1〜2と規定する。
黒鉛のモース硬度を1未満にした場合は、耐摩耗性の向上効果が殆どなく、一方で、モース硬度が2を超える場合には、黒鉛が摺動相手材へ食い込むためフリクションが増大するとともに、特に摺動相手材がアルミニウム合金等の軟質金属の場合には、相手材の磨耗を促進してしまうからである。
黒鉛粒子の平均粒径が1μm未満の場合には、母材樹脂中に均一に分散させることが困難となり、一方で、平均粒径が30μmを超える場合には、粗大粒子となるために、母材樹脂の強度、特に衝撃強度及び疲労強度を低下させる可能性があり、また樹脂組成物の平滑性が低下してフリクションが悪化することがある。
鱗片状の黒鉛粒子を摺動方向と平行に配向させることにより、フリクション低減が可能になるだけでなく、黒鉛粒子のエッジが露出し難くなるために、相手材攻撃性が減少する。
なお、鱗片状の黒鉛粒子の場合には、レーザー回折式粒度分析計を用いて平均粒径を規定すればよい。
黒鉛の含有量が2%未満の場合には、耐摩耗性の改善効果が認められず、一方で、黒鉛の含有量が40%を越える場合には、樹脂組成物の平滑性が低下するために、フリクションが増大し、フッ素樹脂を含ませたことによるフリクション低減効果が消失することがある。
上述の如く、本発明の摺動部材は、上記本発明の樹脂組成物を含有して成る被膜を基材の摺動部位の少なくとも一部に備えるものである。
このような被膜を形成することにより、摺動させる際の摩擦係数を低減し、耐摩耗性を向上させることができる。また、摺動部位の全面に被膜を形成してもよい。
ここで、「基材」としては、特に限定されるものではないが、例えば鉄基合金やアルミニウム合金などの金属やポリエーテルエーテルケトンやポリフェニレンスルフィドなどの樹脂、カーボン繊維強化プラスチックなどの炭素材等を用いることができる。
上述したように、本発明の摺動部材は、その一態様として、例えばピストンのスカート部に適用して成る自動車用ピストンを挙げることができ、他の態様として、例えば軸受や人工関節の摺動部分などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
膜厚が2μm未満の場合には、十分な耐久性を保持することが困難である一方、膜厚が70μmを超える場合には、均質な被膜を作製することが困難となるからである。
摺動部位の表面粗さが、最大表面粗さRzで15μmを超える場合には、凸部頂点での接触面圧が高くなり、樹脂組成物の摩耗量が増大してしまうからである。
ここで、「潤滑剤」としては、例えば、従来公知の潤滑油や作動油を好適に用いることができ、グリース、水、アルコールなど添加して用いることができるが、特に摩擦調整剤を添加した潤滑油を用いることが望ましい。
<フッ素樹脂粉末の準備>
テトラフルオロエチレンのモールディングパウダー(旭硝子社製、G163)に、酸素分圧133Pa、窒素分圧106657Paの雰囲気、350℃加熱条件のもとで電子線(加圧電圧2MeV)を照射線量100kGyで照射し、テトラフルオロエチレンを改質し、その後、平均粒径が10μmとなるまでジェットミルで粉砕して、テトラフルオロエチレン改質粉末を得た。これをフッ素樹脂粉末1とした。
N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を溶媒とし、イソシアネート法で合成したポリアミドイミド樹脂材料(数平均分子量:6000)75質量部に対して、上記フッ素樹脂粉末1を20質量部、黒鉛粉末(人造黒鉛、モース硬度:2、平均粒径:4μm、形状:鱗片状)を5質量部添加し、ビーズミルで30分間撹拌して、樹脂組成物前駆体を得た。これを樹脂組成物前駆体1とした。
上記樹脂組成物前駆体1を、基材である脱脂済みのアルミニウム合金AC8A製プレート(25×75×15mm、長手方向の最大表面粗さRz=10μm)に膜厚が20±5μmとなるようにエアースプレーで塗布し、空気中、180℃で60分間焼成し、樹脂組成物の被膜を形成して、本例の摺動部材を得た。
なお、得られた樹脂組成物の被膜において、フッ素樹脂の表面エネルギーが280μN/cmであることを水とヨウ化メチレンの接触角測定により確認し、フッ素樹脂の波長600nmにおける可視光透過率が23%であることをJIS K7361の方法により確認し、黒鉛のモース硬度が2であることをモース硬度試験機により確認した。
<樹脂組成物前駆体の準備>
NMPを溶媒とし、イソシアネート法で合成したポリアミドイミド樹脂材料(数平均分子量:2000)69質量部に対して、上記フッ素樹脂粉末1を20質量部、黒鉛粉末(人造黒鉛、モース硬度:2、平均粒径:4μm、形状:鱗片状)を6質量部、ポリエーテルエーテルケトン樹脂粉末(ビクトレックスエムシー社製、450PF、平均粒径:3μm)5質量部添加し、ビーズミルで30分間撹拌して、樹脂組成物前駆体を得た。これを樹脂組成物前駆体2とした。
上記樹脂組成物前駆体2を用いた以外は、実施例1の摺動部材の作製と同じ操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。
なお、得られた樹脂組成物の被膜において、実施例1と同様の方法で、フッ素樹脂の表面エネルギーが280μN/cmであり、フッ素樹脂の波長600nmにおける可視光透過率が23%であり、黒鉛のモース硬度が2であることを確認した。
<樹脂組成物前駆体の準備>
NMPを溶媒とし、イソシアネート法で合成したポリアミドイミド樹脂材料(数平均分子量:2000)65質量部に対して、ポリテトラフルオロエチレン粉末(旭硝子社製、L150J(乳化重合タイプ)、平均粒径:10μm)を10質量部、二硫化モリブデン粉末(住鉱潤滑剤社製、平均粒径1.5μm)を20質量部、黒鉛粉末(人造黒鉛、モース硬度:2、平均粒径:4μm、形状:鱗片状)を5質量部添加し、ビーズミルで30分間撹拌して、樹脂組成物前駆体を得た。これを樹脂組成物前駆体3とした。
上記樹脂組成物前駆体3を用いた以外は、実施例1の摺動部材の作製と同じ操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。
なお、得られた樹脂組成物の被膜において、実施例1と同様の方法で、フッ素樹脂の表面エネルギーが190μN/cmであり、フッ素樹脂の波長600nmにおける可視光透過率が0%であり、黒鉛のモース硬度が2であることを確認した。
<樹脂組成物前駆体の準備>
NMPを溶媒とし、イソシアネート法で合成したポリアミドイミド樹脂材料(数平均分子量:2000)80質量部に対して、ポリテトラフルオロエチレン粉末(旭硝子社製、L150J(乳化重合タイプ)、平均粒径:10μm)を10質量部、アルミナ粉末(アドマテックス社製、A0−900H、平均粒径:5μm)を10質量部添加し、ビーズミルで1時間撹拌して、樹脂組成物前駆体を得た。これを樹脂組成物前駆体4とした。
上記樹脂組成物前駆体4を用いた以外は、実施例1の摺動部材の作製と同じ操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。
なお、得られた樹脂組成物の被膜において、実施例1と同様の方法で、フッ素樹脂の表面エネルギーが190μN/cmであり、フッ素樹脂の波長600nmにおける可視光透過率が0%であることを確認した。
<樹脂組成物前駆体の準備>
NMPを溶媒とし、イソシアネート法で合成したポリアミドイミド樹脂材料(数平均分子量:6000)80質量部に対して、上記フッ素樹脂粉末1を20質量部添加し、ビーズミルで30分間撹拌して、樹脂組成物前駆体を得た。これを樹脂組成物前駆体5とした。
上記樹脂組成物前駆体5を用いた以外は、実施例1の摺動部材の作製と同じ操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。
なお、得られた樹脂組成物の被膜において、実施例1と同様の方法で、フッ素樹脂の表面エネルギーが280μN/cmであり、フッ素樹脂の波長600nmにおける可視光透過率が23%であることを確認した。
(摩擦試験)
本発明の樹脂組成物の摩擦特性を把握するため、実施例1〜3並びに比較例1及び2の摺動部材の摩擦試験をエンジンオイル滴下条件下で実施した。
一方、摺動面に滴下するエンジンオイルには日産純正エンジンオイルのSJストロングセーブXMスペシャル 5W−30を用いた。
樹脂組成物で被覆したアルミニウム合金AC8A製プレートを設置したスライド台の移動量は50mmとし、移動速度は1.0m/secとした。摩擦試験は、合計18000サイクル実施し、試験開始から3000サイクル毎に1往復した際の摩擦係数の波形を測定器に取り込み、静摩擦係数及び動摩擦係数を求めた。静摩擦係数の経時変化を図2に示す。
また、18000サイクル終了後に樹脂組成物で被覆したアルミニウム合金AC8A製プレートの摺動部位の両端部及び中央部において、移動方向に対し直角方向の表面粗さを測定し、樹脂組成物の摩耗深さを求めた。摩擦試験後の摩耗深さの測定結果を表1に示す。
特に、実施例2については更にポリエーテルエーテルケトン樹脂を含有させたため、実施例1に比較してフリクションを低減させつつ、耐摩耗性も向上させることが可能になっている。
10 スライド台
20 円柱状試験片
Claims (16)
- 母材樹脂とフッ素樹脂と黒鉛とを含有して成る樹脂組成物であって、
上記母材樹脂は、ポリアミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂及びエポキシ樹脂から成る群より選ばれた少なくとも1種を含有し、
上記フッ素樹脂は、該フッ素樹脂の表面エネルギーが200〜400μN/cmであり、且つ該フッ素樹脂の波長600nmにおける可視光透過率が10%以上であり、
上記黒鉛は、該黒鉛のモース硬度が1〜2である、ことを特徴とする樹脂組成物。 - 上記フッ素樹脂は平均粒径1〜50μmのフッ素樹脂粒子であることを特徴とする請求項1に記載の樹脂組成物。
- 上記フッ素樹脂は平均粒径1〜30μmのフッ素樹脂粒子であることを特徴とする請求項1に記載の樹脂組成物。
- 上記フッ素樹脂の含有量が、当該樹脂組成物全量を基準として5〜40%であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の樹脂組成物。
- 上記フッ素樹脂の含有量が、当該樹脂組成物全量を基準として10〜30%であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の樹脂組成物。
- 上記黒鉛は平均粒径1〜30μmの黒鉛粒子であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の樹脂組成物。
- 上記黒鉛は平均粒径1〜10μmの黒鉛粒子であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の樹脂組成物。
- 上記黒鉛は鱗片状の黒鉛粒子であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つの項に記載の樹脂組成物。
- 上記黒鉛の含有量が、当該樹脂組成物全量を基準として2〜40%であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つの項に記載の樹脂組成物。
- 上記黒鉛の含有量が、当該樹脂組成物全量を基準として2〜10%であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つの項に記載の樹脂組成物。
- 上記母材樹脂は、少なくともポリアミドイミド樹脂を含有し、該ポリアミドイミド樹脂は数平均分子量が1000〜10000であるポリアミドイミド樹脂材料を焼成して成るものに由来することを特徴とする請求項1〜10のいずれか1つの項に記載の樹脂組成物。
- 請求項1〜11のいずれか1つの項に記載の樹脂組成物を含有して成る被膜を基材の摺動部位の少なくとも一部に備えたことを特徴とする摺動部材。
- 上記被膜の厚みが2〜70μmであることを特徴とする請求項13に記載の摺動部材。
- 上記摺動部位の表面粗さが、最大表面粗さRzで15μm以下であることを特徴とする請求項13又は14に記載の摺動部材。
- 請求項13〜15のいずれか1つの項に記載の摺動部材を備える摺動装置であって、
上記摺動部材が潤滑剤の存在下で摺動することを特徴とする摺動装置。 - 請求項13〜15のいずれか1つの項に記載の摺動部材をピストンスカート部に適用して成ることを特徴とする自動車用ピストン。
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