JP2009150518A - スラスト軸受用摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】コスト低減のために中間層を化成処理方法により形成せしめて、低コストで製造することができる、鉄基材上に、化成処理皮膜、並びに熱硬化性樹脂及び固体潤滑剤を含む樹脂皮膜を形成してなり、２００℃以上の高温に耐え得る高耐熱性のスラスト軸受用摺動部材を提供すること
【解決手段】ショットブラスト処理を行った鉄基材上に、リン酸亜鉛カルシウムの化成処理皮膜を形成し、さらに２００℃以上の温度での焼成が必要な熱硬化性樹脂及び固体潤滑剤を含む樹脂皮膜を形成してなることを特徴とするスラスト軸受用摺動部材。
【選択図】なし

Description

本発明は、スラスト軸受用摺動部材に関する。更に詳しくは、鉄基材上に、リン酸亜鉛カルシウムの化成処理皮膜、並びに熱硬化性樹脂及び固体潤滑剤を含む樹脂皮膜が形成されている、鉄基材と樹脂皮膜との密着性に優れ、耐熱性に優れたスラスト軸受用摺動部材に関する。

一般に、スラスト軸受は、ラジアル軸受とは異なり軸の回転に伴うくさび油膜が形成され難く、潤滑油を十分にすべり面（スラスト面）に供給することが難しく、所謂境界潤滑状態で使用される場合が多い。即ち、スラスト軸受は、ラジアル軸受に比べて過酷な摺動条件となるので、この過酷な摺動条件に耐えるために、スラスト軸受用摺動部材の基本構成としては、鉄などの金属性基材上に、熱硬化性樹脂及び固体潤滑剤を含む樹脂皮膜を形成してなるものなどがある。

そして、かかるスラスト軸受用摺動部材は、例えば、斜板式コンプレッサーの斜板に用いられている。斜板式コンプレッサーは、回転する斜板に追従してシリンダ内を往復動するピストンによってシリンダ内の気体を圧縮するものであり、斜板とピストンとの間に介在する相手材であるシューに対して、斜板が摺動するものである。この斜板式コンプレッサーの斜板は、高速で回転すると共に、シューから高い圧力を受けるものである。

したがって、斜板式コンプレッサーの斜板に用いられるスラスト軸受用摺動部材は、摺動時の温度が２００℃程度の高温になる場合があるため、高い耐熱性が要求される。このため、スラスト軸受用摺動部材に形成される樹脂皮膜は、２００℃程度の高温に耐え得る高い耐熱性が必要であり、樹脂成分としては一般に耐熱性の高い熱硬化性樹脂が用いられている。しかして、スラスト軸受用摺動部材の製造に当たっては、樹脂皮膜形成後の最終製造工程で、２００℃以上の温度での焼成が行われている。

また、樹脂皮膜付きのスラスト軸受用摺動部材においては、金属製基材と樹脂皮膜との密着性を向上させ、金属製基材の露出による焼付を防止する等の目的で、基材と樹脂皮膜の間に中間層を設けることが行われている。そして、この中間層として、金属溶射法や金属焼結法により、金属の中間層を形成することが一般的に行われていた。しかしながら、この金属溶射法や金属焼結法はコスト高であるため、より低コストの中間層の形成方法として、リン酸マンガンやリン酸亜鉛の溶液を用いた化成処理方法により、リン酸マンガンやリン酸亜鉛の化成処理皮膜を形成することが注目されている（例えば、特許文献１参照）。
特開昭５８−８１２２０号公報

上記従来のスラスト軸受用摺動部材においては、コスト高にはなるが金属溶射法や金属焼結法により中間層を形成した場合には、最終製造工程において２００℃以上の温度で樹脂皮膜を焼成しても膨れ等の発生がなく、２００℃以上の高温に耐え得る高耐熱性のものが容易に得られた。しかし、コスト低減のために化成処理方法により中間層を形成した場合には、最終製造工程の２００℃以上の温度での焼成において、化成処理皮膜が熱分解してガスを発生するため、樹脂皮膜の膨れ等が生じ、２００℃以上の高温に耐え得る高耐熱性のものが得られなかった。

そこで、本発明の目的は、コスト低減のために中間層を化成処理方法により形成せしめて、低コストで製造することができる、鉄基材上に、化成処理皮膜、並びに熱硬化性樹脂及び固体潤滑剤を含む樹脂皮膜を形成してなり、２００℃以上の高温に耐え得る高耐熱性のスラスト軸受用摺動部材を提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究した結果、リン酸亜鉛カルシウムの化成処理皮膜が、高耐熱性で、最終製造工程の２００℃以上の温度での焼成において熱分解してガスを発生せず、樹脂層の膨れ等を生じないこと、そして、鉄基材と樹脂層を該化成処理皮膜を介して強固に密着させ得ることを見い出して、本発明を完成した。

即ち、本発明は、上記目的を達成するために、次のスラスト軸受用摺動部材を提供する。
（１）ショットブラスト処理を行った鉄基材上に、リン酸亜鉛カルシウムの化成処理皮膜を形成し、さらに２００℃以上の温度での焼成が必要な熱硬化性樹脂及び固体潤滑剤を含む樹脂皮膜を形成してなることを特徴とするスラスト軸受用摺動部材。
（２）前記熱硬化性樹脂が、ポリイミド樹脂又はポリアミドイミド樹脂であることを特徴とする上記（１）に記載のスラスト軸受用摺動部材。
（３）前記固体潤滑剤が、フッ素系樹脂、黒鉛、及び二硫化モリブデンからなる群より選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のスラスト軸受用摺動部材。

本発明によれば、樹脂皮膜を２００℃以上の高温で焼成しても中間層の化成処理皮膜が熱分解してガスを発生することがなく、２００℃以上の高温に耐え得る優れた耐熱性を有するスラスト軸受用摺動部材が提供される。
また、化成処理前にショットブラスト処理をすることで基材の表面積が増大し、鉄基材と化成処理皮膜との密着性が向上する。
さらに、長時間使用により摺動時に下地が露出した場合であっても、化成処理皮膜と樹脂皮膜が混在しているため、相手材が主に鉄の場合に比べて焼付きが起こりにくい。すなわち、鉄基材のショットブラスト処理で生じた凹凸のある表面の凸部において、樹脂皮膜も化成処理皮膜も摩耗してしまって鉄基材が露出しても、凹凸のある表面の凹部には化成処理皮膜あるいは樹脂皮膜と化成処理皮膜の両方が残存しているため、ショットブラスト処理されてない平滑な鉄基材の表面が露出した場合に比べて、相手材との焼付きが起こりにくい。

本発明のスラスト軸受用摺動部材に用いる鉄基材としては、炭素鋼等の従来からスラスト軸受用摺動部材の鉄基材として用いられているものを適宜用いることができる。そして、本発明においては、鉄基材は、ショットブラスト処理をした後、その上に化成処理皮膜が形成される。このショットブラスト処理は、基材表面にショット材の微粒子を高圧で吹きつける周知のショットブラスト処理方法によって行うことができる。また、このショットブラスト処理により、鉄基材の表面粗さを１〜１５μｍＲｚとすることが好ましい。このショットブラスト処理により、鉄基材の表面積が大きくなり、その上に中間層として形成する化成処理皮膜との密着性が向上し、延いては、化成処理皮膜の表面積が大きくなって、化成処理皮膜と、その上に形成する樹脂皮膜との密着性が向上する。

本発明において、鉄基材上に中間層として形成するリン酸亜鉛カルシウムの化成処理皮膜は、亜鉛イオン、カルシウムイオン、及びリン酸イオンを含有する水溶液、即ちリン酸亜鉛カルシウムの化成処理皮膜形成用の水溶液を用いて形成される。そして、化成処理皮膜の形成は、その方法は特に制限されないが、上記の化成処理皮膜形成用の水溶液中に、ショットブラスト処理をした鉄基材を浸漬した後、それを乾燥すればよい。また、形成するリン酸亜鉛カルシウムの化成処理皮膜の膜厚は、必要に応じて適宜設定することができるが、１０μｍ以下（０μｍを除く）が好ましい。

本発明においては、上記の如くして鉄基材上に中間層として形成させたリン酸亜鉛カルシウムの化成処理皮膜の上に、２００℃以上の温度での焼成が必要な熱硬化性樹脂及び固体潤滑剤を含む樹脂皮膜を形成する。この際、樹脂皮膜の樹脂成分としては、従来からスラスト軸受用摺動部材に用いられているポリイミド樹脂や、ポリアミドイミド樹脂などの各種の耐熱性に優れた熱硬化性樹脂を用いることができ、中でも、ポリイミド樹脂とポリアミドイミド樹脂が好ましく用いられ、高温での摺動特性（特に低摩擦）の観点からポリイミド樹脂が特に好ましく用いられる。熱硬化性樹脂は、必要に応じて、一種の熱硬化性樹脂を単独で用いることも、複数種を混合して用いることもできる。また、熱硬化性樹脂は、例えば東レ製「トレニース（登録商標）」や宇部興産製「Ｕ−ワニス」などを好ましく用いることができる。樹脂皮膜中の樹脂成分の含有量は、必要に応じて適宜設定することができるが、一般に、３０〜８０容量％が好ましく、４０〜７０容量％が更に好ましい。

また、樹脂皮膜中の固体潤滑剤としては、従来からスラスト軸受用摺動部材に用いられているポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、黒鉛、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素等の各種の固体潤滑剤を用いることができ、中でも、フッ素系樹脂、黒鉛、及び二硫化モリブデンが好ましく用いられる。固体潤滑剤は、必要に応じて、一種の固体潤滑剤を単独で用いることも、複数種を混合して用いることもできる。また、用いる固体潤滑剤は、平均粒径が０．１〜４５μｍであることが好ましい。さらに、摩擦調整剤としての酸化チタン、酸化銅、アルミナ等の粒子を添加してもよい。これら摩擦調整剤の平均粒径は１ｎｍ〜１０μｍであることが好ましい。樹脂皮膜中の固体潤滑剤の含有量は、必要に応じて適宜設定することができるが、一般に、２０〜７０容量％が好ましく、３０〜６０容量％が更に好ましい。

樹脂皮膜の形成は、従来のスラスト軸受用摺動部材の製造における樹脂皮膜の形成方法に準じて行うことができる。一般に、まず、熱硬化性樹脂と固体潤滑剤の所定量と有機溶剤の適量とを、ヘンシェルミキサー、スーパーミキサー、ボールミル、タンブラーミキサー、ビーズミル、混練機等によって混合して、樹脂皮膜形成用塗料を調製する。この際、有機溶剤としては、用いる熱硬化性樹脂を溶解できるものを適宜用いることができ、熱硬化性樹脂の種類にもよるが、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、キシレン、アルコール等を用いることができる。また、有機溶剤の使用量は、得られる樹脂皮膜形成用塗料の所望の粘度に応じて適宜設定することができる。次いで、調製された樹脂皮膜形成用塗料を、鉄基材上に形成されている中間層のリン酸亜鉛カルシウムの化成処理皮膜の上に、スプレー法、ロールコート法、ディッピング法、スクリーン印刷、パッド印刷等により塗布し、その樹脂皮膜形成用塗料の塗膜を、乾燥、焼成して樹脂皮膜を形成することができる。この際、樹脂皮膜形成用塗料の塗膜の乾燥は、乾燥炉で行えばよく、焼成はイナート炉において２００℃以上かつ塗料の樹脂成分や固体潤滑成分が分解しない温度で行えばよい。また、形成する樹脂皮膜の膜厚は、必要に応じて適宜設定することができるが、２〜５０μｍが好ましい。焼成時間は、焼成温度にもよるが、１０分〜２時間が好ましい。この２００℃以上の温度での焼成を経たものが本発明に係るスラスト軸受用摺動部材である。

本発明のスラスト軸受用摺動部材は、斜板式コンプレッサーの斜板や、種々の機械類の摺動部に広く好適に適用することができ、例えばワッシャー等のスラストすべり軸受の摺動部に好適に適用することができる。

以下、実施例により更に具体的に本発明を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

〔示差熱分析〕
温度範囲２６〜３５０℃、昇温速度１５ｃｅｌ／ｍｉｎ、Ｎ_２雰囲気下にて、リン酸亜鉛カルシウム、リン酸マンガン、リン酸亜鉛について示差熱分析を行った。リン酸亜鉛カルシウムの示差熱分析結果のグラフを示せば図１のとおりであり、リン酸マンガンの示差熱分析結果のグラフを示せば図２のとおりであり、リン酸亜鉛の示差熱分析結果のグラフを示せば図３のとおりである。
これらの示差熱分析結果のグラフから明らかなように、リン酸亜鉛カルシウムでは３５０℃に達しても熱分解は起こらず、リン酸マンガンでは約２００℃で熱分解が起こり、リン酸亜鉛では約１７０℃で熱分解が起こることが分かった。

＜実施例１＞
ショットブラスト処理をした表面粗さ１〜１０μｍＲｚの鉄斜板基材を、リン酸亜鉛カルシウムの水溶液に浸漬し、その後乾燥炉にて乾燥し、該基材上に膜厚３μｍのリン酸亜鉛カルシウム化成処理皮膜の中間層を形成した。次いで、ポリアミドイミド樹脂（日立化成社製）６０容量％と、ポリテトラフルオロエチレン（喜多村社製）２０容量％と、グラファイト（日本黒鉛社製（平均粒径１μｍ））２０容量％を、適量の有機溶剤のＮ−メチル−２−ピロリドンと共に、混練機で混合して、樹脂皮膜形成用塗料を調製した。この樹脂皮膜形成用塗料を、上記鉄斜板基材のリン酸亜鉛カルシウム化成処理皮膜の中間層の上に、ロールコートにて塗布し、その樹脂皮膜形成用塗料の塗膜を、乾燥炉にて乾燥した。その後、イナート炉にて２７０℃、１時間焼成した。焼成完了後の樹脂皮膜に対して旋盤加工を施し、深さ１〜１０μｍ、ピッチ０．０５〜０．２０ｍｍの同心円状の連続する溝を樹脂皮膜表面に形成して、斜板式コンプレッサー用の斜板を作製した。
得られた斜板は、樹脂皮膜が鉄斜板基材にリン酸亜鉛カルシウム化成処理皮膜を介して強固に密着されていた。得られた斜板の外観の写真を図４に示した。また、得られた斜板について後記高圧雰囲気摩擦摩耗試験を行った。

＜比較例１＞
実施例１において、リン酸亜鉛カルシウムに代えてリン酸マンガンを用い、リン酸マンガン化成処理皮膜の中間層を形成したこと以外は、実施例１と同様にして斜板を作製した。
得られた斜板は、樹脂皮膜に膨れが生じていて、樹脂皮膜の鉄斜板基材への密着性が不良であった。得られた斜板の外観の写真を図５に示した。

＜比較例２＞
実施例１において、鉄斜板基材にリン酸亜鉛カルシウム化成処理皮膜の中間層を形成しなかったこと以外は、実施例１と同様にして斜板を作製した。
得られた斜板について後記の回転荷重試験を行った。

〔密着強度試験〕
ＳＨＩＭＡＤＺＵ製オートグラフを用い、実施例１及び比較例２で得られた斜板について、密着強度試験を行った。
試験条件：斜板の樹脂皮膜表面に、治具を接着剤で貼付し、この治具を斜板の半径方向外側に引っ張った。
〔試験結果〕
試験結果を表１に示す。

表１の結果から、本発明のスラスト軸受用摺動部材が密着力に優れたものであることは明らかである。

〔高圧雰囲気摩擦摩耗試験〕
図６に示す高圧雰囲気摩擦摩耗試験装置１を用い、実施例１及び比較例２で得られた斜板について、下記条件により高圧雰囲気摩擦摩耗試験を行った。この試験装置では、回転軸１の下部に斜板２を取付けるとともに、受治具４の上面に３個のシュー３を載置し、固定軸５より上向きに荷重を加えるようになっている。そして、回転軸１を回転させると、斜板２がシュー３に対して回転する仕組みとなっている。
試験条件：回転数を１０００ｒｐｍ一定とした。荷重は７．５ＭＰａで保持した。試験時間は３６０分間とした。
潤滑条件：冷媒雰囲気ドライ条件
〔評価基準と試験結果〕
評価基準：１０００ｒｐｍ、７．５ＭＰａ、３６０分完走で合格（クリア）
試験結果：実施例１＝クリア
比較例２＝６８分で焼付き

上記高圧雰囲気摩擦摩耗試験における、斜板２に当接するシュー３背面の温度の経時変化、及び斜板２の摩擦係数の経時変化のグラフを図７に示した。図７のグラフから、シュー背面の温度の経時変化も、摩擦係数の経時変化も共に、実施例１で得られた斜板が、比較例２で得られた斜板に比べて、長期にわたり経時変化が少ないことは明らかであり、長期にわたり安定して使用することができることは明らかである。

また、図８に上記回転荷重試験の終了後の実施例１で得られた斜板の外観を示し、図９に上記回転荷重試験の終了後の比較例２で得られた斜板の外観を示した。図９において、（ａ）は外観の全体であり、（ｂ）は外観の拡大部分である。これらの図によれば、比較例２の斜板は鉄基材が露出しており、それによって焼付きが発生したことが分かる。したがって、実施例１で得られた斜板が、比較例２で得られた斜板に比べて、使用後における樹脂皮膜の損傷がはるかに少ないことは明らかであり、これらの図からも長期にわたり安定して使用することができることは明らかである。

更に、図１０に上記回転荷重試験の終了後の実施例１で得られた斜板の外観を示した、図１０において、（ａ）は図８と同じ外観の全体であり、（ｂ）は外観の走査電子顕微鏡による拡大倍率１００倍の拡大部分であり、（ｃ）は外観の走査電子顕微鏡による拡大倍率５００倍の拡大部分であり、（ｄ）はＥＤＸによる斜板のＣ成分の分析結果であり、（ｅ）はＥＤＸによる斜板のＺｎ成分の分析結果である。図１０から明らかなように、実施例１で得られた斜板はリン酸亜鉛カルシウムの化成処理層が露出しているが、鉄基材が露出した比較例２よりも摺動性能に大きな影響はないことが明らかである。

リン酸亜鉛カルシウムの示差熱分析結果のグラフである。 リン酸マンガンの示差熱分析結果のグラフである。 リン酸亜鉛の示差熱分析結果のグラフである。 実施例１で得られた斜板の外観である。 比較例１で得られた斜板の外観である。 実施例１及び比較例２で得られた斜板の高圧雰囲気摩擦摩耗試験に用いた高圧雰囲気摩擦摩耗試験装置の模式図である。 実施例１及び比較例２で得られた斜板の高圧雰囲気摩擦摩耗試験における、斜板に当接するシュー背面の温度の経時変化、及び斜板の摩擦係数の経時変化のグラフである。 高圧雰囲気摩擦摩耗試験の終了後の実施例１で得られた斜板の外観である。 高圧雰囲気摩擦摩耗試験の終了後の比較例２で得られた斜板の外観である。 図８と同様の高圧雰囲気摩擦摩耗試験の終了後の実施例１で得られた斜板の外観と、その走査電子顕微鏡による拡大部分である。

符号の説明

１ 回転軸
２ 斜板
３ シュー
４ 受治具
５ 固定軸

Claims (3)

1. ショットブラスト処理を行った鉄基材上に、リン酸亜鉛カルシウムの化成処理皮膜を形成し、さらに２００℃以上の温度での焼成が必要な熱硬化性樹脂及び固体潤滑剤を含む樹脂皮膜を形成してなることを特徴とするスラスト軸受用摺動部材。
2. 前記熱硬化性樹脂が、ポリイミド樹脂又はポリアミドイミド樹脂であることを特徴とする請求項１に記載のスラスト軸受用摺動部材。
3. 前記固体潤滑剤が、フッ素系樹脂、黒鉛、及び二硫化モリブデンからなる群より選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスラスト軸受用摺動部材。