JP2011074938A - 摺動部品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】凸曲面状の摺動部を有し、摩擦係数が小さく、耐熱性、耐摩耗、耐衝撃性、耐剥離性にも優れる摺動部品、並びにこの優れた特性を有する摺動部品の製造方法を提供する。
【解決手段】凸曲面状の摺動部１を有する摺動部品であって、前記摺動部１が、基材２上にフッ素樹脂３をコーティングするとともに、前記フッ素樹脂３を架橋してなることを特徴とする摺動部品、及び、凸曲面状の先端部を有する基材２に、フッ素樹脂３をコーティングした後、前記フッ素樹脂３に電離放射線を照射して前記フッ素樹脂３を架橋させる工程を有することを特徴とする摺動部品の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、摺動部が凸曲面状であり、自動車のパワーウインドウモータの軸受け等として用いられる摺動部品、及び、その製造方法に関する。

自動車のパワーウインドウモータの軸受けとしては、図１や図２で表されるような凸曲面状の先端を有する摺動部品が用いられている。このような摺動部品の摺動部（摺動面）は、凸曲面状、好ましくは球面状であることが必須である。又摺動を容易にするために摩擦係数の小さい材料からなることが望まれる。さらにこの材料には、回転軸の摺動の際に生じる発熱、摩耗、衝撃に対する耐性、すなわち、耐熱性、耐摩耗、耐衝撃性に優れることが望まれる。

従来、パワーウインドウモータの軸受け等の球面状の摺動部の材料としては、耐熱性に優れる鉄やポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン等が用いられていた。又、基材を鉄等の金属で形成し、基材の摺動部をポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン等でコーティングした摺動部品も提案されている。

しかし、鉄は、近年の使用条件を考慮すると、摩擦係数が十分でないとの問題があった。又、近年の使用条件を考慮すると、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン等の樹脂を用いた場合も、耐衝撃性が十分でなく使用中に割れる等の問題があった。

摺動部品の基材を鉄等の金属で形成し、基材の摺動部をポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン等でコーティングした場合は、前記の割れる等の問題とともに、基材から剥離しやすいとの問題もあった。

摩擦係数の小さく摺動性に優れる樹脂としてはフッ素樹脂が知られている。しかし、フッ素樹脂、特にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）は、耐摩耗性に劣り、充填材の添加なしでは摩耗が著しく大きいため使用が困難であった。一方、ガラス繊維やカーボン繊維等の充填材を入れると、耐摩耗性は向上するが、摺動相手材を摩粍させる等の問題を生じた。ＰＴＦＥより耐摩粍性が優れるフッ素樹脂もあるが、これらは摩擦係数が十分でないとの問題があった。

本発明は、凸曲面状の摺動部を有する摺動部品であって、摩擦係数が小さく、耐熱性、耐摩耗、耐衝撃性、耐剥離性が優れる摺動部品、並びにこの優れた特性を有する摺動部品の製造方法を提供することを課題とする。

本発明者の検討の結果、先端部すなわち摺動部となる部分が凸曲面状の基材の、当該先端部をフッ素樹脂でコーティングするとともに、前記フッ素樹脂を架橋することにより、摩擦係数が小さく、耐熱性、耐摩耗、耐衝撃性、耐剥離性が優れる摺動部品が得られることを見出した。すなわち、前記の課題は、以下に示す構成からなる発明により解決される。

請求項１に記載の発明は、凸曲面状の摺動部を有する摺動部品であって、前記摺動部が、基材上にフッ素樹脂をコーティングするとともに、前記フッ素樹脂を架橋してなることを特徴とする摺動部品である。

ここで基材とは、摺動部品を構成し、摺動部品の形状に成形された材料を意味する。本発明では、この基材の、少なくとも摺動部となる部分が、フッ素樹脂でコーティングされている。ここで「少なくとも摺動部となる部分」とは、摺動部となる部分はフッ素樹脂でコーティングされている必要があるが、他の部分もコーティングされてもよいことを意味する。

基材としては、耐熱性、機械的強度、加工しやすさ等の観点から、金属基材が好ましく用いられる。請求項２の発明は、前記基材が、金属基材であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品である。金属基材とは、金属からなる基材であるが、この金属としては、安価で機械的強度が優れた鉄が好ましく用いられる。又、密着性の観点からは、フッ素樹脂を電子線照射により架橋した場合、密着性が高くなるアルミニウム又は鉄が好ましい。フッ素樹脂コーティング後の電子線照射により、フッ素樹脂が分解して酸が発生しアルミニウム又は鉄の表面をエッチングして密着性が向上すると考えられる。

請求項３の発明は、前記フッ素樹脂が、ＰＴＦＥ、ポリテトラフルオロエチレン−パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン（ＦＥＰ）、ポリテトラフルオロエチレン−エチレン（ＥＴＦＥ）及びポリビニリデンフロライド（ＰＶｄＦ）からなる群より選ばれることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摺動部品である。基材上にコーティングされるフッ素樹脂としては、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ、ＥＴＦＥ及びＰＶｄＦ等を、好ましい例として挙げることができる

前記例示のフッ素樹脂の中では、耐熱性及び機械的強度の観点からは、ＰＴＦＥが好適である。ＰＴＦＥは、従来技術では、耐摩耗性に劣る問題があったが、本発明では、架橋されることによりこの問題は解決されている。

又、前記例示のフッ素樹脂を主体としながらもその分子中に他の成分（モノマー）を共重合させたフッ素樹脂共重合も用いることができる。ここで「主体とする」とは、「他の成分の含有量（共重合の割合）は、前記例示のフッ素樹脂の特性を損ねない範囲」との意味である。さらに、フッ素樹脂は、前記例示のフッ素樹脂を単独で用いてもよいが、２種以上のフッ素樹脂を混合して用いることもできる。さらに又、フッ素樹脂には、充填剤や後述の架橋助剤等の他の成分を、本発明の趣旨を損ねない範囲で混合することもできる。

請求項４の発明は、軸受けであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の摺動部品である。請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の摺動部品は、軸受け、例えば、自動車のパワーウインドウモータの軸受けとして好適に用いられる。

請求項５の発明は、凸曲面状の先端部を有する基材に、フッ素樹脂をコーティングした後、前記フッ素樹脂を架橋させる工程を有することを特徴とする摺動部品の製造方法である。前記本発明の摺動部品は、請求項５に記載の製造方法により製造することができる。基材の凸曲面状の先端部は、摺動部品の製造後は摺動部となる部分であり、この部分へのフッ素樹脂コーティングが施されるが、他の部分にフッ素樹脂コーティングが施されてもよい。

前記のように基材としては、金属基材が好ましく、フッ素樹脂コーティングとの密着性の観点から、電離性放射線を照射してフッ素樹脂を架橋させる場合はアルミニウムからなる基材が好ましいが、密着性の向上は、金属基材の表面を粗くすることによっても達成することができる。具体的には、表面粗度Ｒｚが１μｍの金属が好ましく用いられる。表面が粗い金属を作製するために、コーティング前に金属表面をブラスト処理する方法や酸等によりエッチングする方法も好ましく採用される。

融点の低いフッ素樹脂を用いる場合は、架橋助剤を用いることができる。架橋助剤としては、例えば、トリアリルイソシアネート（ＴＡＩＣ）、ジアリルイソシアネート、ジ（メタ）アクリルイソシアネート、トリ（メタ）アクリルイソシアヌレート、１，４−ブタンジオールジ（メタ）アクリレート、ポリエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ペンタエリスルトールジ（メタ）アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート、トリメチロールプロパンアクリレート、ジビニルベンゼン、トリビニルベンゼン、ヘキサメチルベンゼンなどが挙げられる。中でもＴＡＩＣが好ましい。

フッ素樹脂コーティングは、摺動により摩耗するので、フッ素樹脂コーティングが厚い程、摺動部品の寿命は長くなる。一方、フッ素樹脂コーティングが厚くなるとクラックの発生が起こりやすくなる。そこで、フッ素樹脂コーティングの厚さは、これらの問題を比較考量し、摺動部品の使用目的、使用条件に基づいた最適な範囲が選択され、具体的な範囲については特に制限はない。

請求項６の発明は、フッ素樹脂のコーティングが、基材の先端部をフッ素樹脂ディスパージョンに浸漬する工程、その後分散媒を除去して焼成する工程を有する方法により行われることを特徴とする請求項５に記載の摺動部品の製造方法である。

フッ素樹脂のコーティングを施す方法としては、
基材先端部にフッ素樹脂のフィルムを被せる方法、
基材先端部を粉体塗装する方法、例えばフッ素樹脂粉末を静電塗装する方法、フッ素樹脂粉末をスプレーする方法、
基材先端部にフッ素樹脂ディスパージョンを塗布し、分散媒を乾燥して除去する方法、
等を挙げることができる。

請求項６の発明は、このフッ素樹脂ディスパージョンの塗布を、基材の先端部をフッ素樹脂ディスパージョンに浸漬して行う方法であり、均一厚さのコーティングを容易に形成できる点で好ましい方法である。

フッ素樹脂ディスパージョンとは、０．１μｍ〜数μｍ程度の粒径のフッ素樹脂粒子（粉末）を水等の分散媒に分散させたものであり、フッ素樹脂の薄膜コーティングで一般に用いられているディスパージョン、すなわちサブミクロンオーダの粒径のフッ素樹脂を水を主体とする分散媒に分散させたものを用いることができる。なお、溶媒な可溶なフッ素樹脂の場合は、フッ素樹脂溶液を基材先端部にコートし、乾燥させる方法によってもフッ素樹脂のコーティングを形成することができる。

基材先端部を粉体塗装する方法や基材先端部にフッ素樹脂ディスパージョンを塗布する方法では、粉体塗装後やディスパージョン塗布後に、フッ素樹脂の融点以上に加熱（焼成）して、フッ素樹脂粒子間を融着させてフッ素の膜を形成する工程が必要である。フッ素樹脂ディスパージョンの分散媒等の乾燥は、この焼成の工程において行ってもよい。

請求項７の発明は、フッ素樹脂を架橋させる工程が、フッ素樹脂のコーティングに電子線を照射して行われることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の摺動部品の製造方法である。

非架橋のフッ素樹脂のコーティングは、耐摩耗性やその他の機械的強度、耐熱性等が低く、又基材から剥離しやすいとの問題があるが、フッ素樹脂を架橋させることにより、これらの問題が解決される。

フッ素樹脂を架橋させる方法としては、制御が容易である点で、電離性放射線の照射による放射線架橋が好ましい。放射線としては、電子線、Ｘ線、γ線等が挙げられるが、電子線発生装置は比較的安価で、大出力の電子線が得られ、又制御が特に容易であるので、電子線が好ましい。

放射線架橋の条件は、特に限定されないが、放射線照射量が多すぎるときは、フッ素樹脂コーティングの弾力性が損なわれ、剥離しやすくなる場合があり、放射線照射量が少なすぎるときは、耐摩耗性やその他の機械的強度が不十分となる場合があるので、これらを比較考量しながら最適な範囲が選択される。

電離性放射線の照射を行なうに際しては、十分な架橋を達成するためには、フッ素樹脂をその結晶融点以上に加熱し、特に結晶融点よりも１０〜３０℃高い範囲内に抑えることが好ましい。又、雰囲気の酸素濃度は１００ｐｐｍ以下が好ましい。照射時に酸素が多量に存在すると架橋が抑制され、分解が進む場合がある。特に好ましくは５ｐｐｍ以下である。

本発明の摺動部品の摺動部は、凸曲面状であるので、電離性放射線の照射を一方向のみで行うと、照射方向に垂直なフッ素樹脂コーティング面とともに、照射方向に平行なフッ素樹脂コーティング面が生じ、照射方向に平行なフッ素樹脂コーティング面では十分な照射がされない。そこで、電離性放射線の照射は、全てのフッ素樹脂コーティング面に十分な照射がされるように、二以上の方向から行うことが好ましい。

なお、電離性放射線が電子線等の荷電粒子線の場合は、Ｃｉｒｃｕｌｉｃ−Ｍａｇｎｅｔｉｃの方法により、一方向のみの照射でも、凸曲面状のフッ素樹脂コーティング面の全面にわたり十分な照射を行うことができ、従って、生産性を向上させることができる。Ｃｉｒｃｕｌｉｃ−Ｍａｇｎｅｔｉｃとは、照射部分に磁界を存在させて荷電粒子線の流れを屈曲させて、凸曲面状の面全体にわたり均一な照射を行う方法である。

電離性放射線の照射量は、フッ素樹脂の種類や架橋助剤の量等により適する範囲は変動し、特にその範囲は具体的に限定されないが、電離性放射線の照射により耐摩耗が向上し、又基材との密着力が向上するので、耐摩耗性（スラスト摩耗）及び密着力が一定値以上となる照射量が採用される。

本発明の摺動部品は、凸曲面状の摺動部を有するものであるが、耐熱性、耐摩耗、耐衝撃性、耐剥離性が優れるとともに、摺動部の摩擦係数が小さく、又被摺動材の摩耗も小さいものである。この優れた摺動部品は、本発明の摺動部品の製造方法により容易に製造することができる。

本発明の摺動部品の一例を示す図である。 本発明の摺動部品の他の一例を示す図である。 本発明の摺動部品の製造方法の一工程の例を示す断面図である。

次に、本発明を実施するための形態を説明する。なお、本発明はこの形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない限り、他の形態へ変更することができる。

図１は、本発明の摺動部品の一例を示す図である。図中（ａ）は底面図であり、（ｂ）は側面図であり、（ｃ）は平面図である。図中の１は摺動部であり、基材２の先端部に設けられている。図１（ｂ）より明らかなように、摺動部１（先端部）は、球面状である。この例では、底面は四角形状であるが、底面の形状は使用条件等に応じて種々の形状とすることができる。しかし、摺動部１（先端部）の形状は、凸曲面状でなければならず、この例のような球面状が好ましい。

摺動部１（先端部）には、フッ素樹脂コーティング３がされている。フッ素樹脂コーティング３の厚さは、この例では１００μｍであるが、使用条件や樹脂の種類等により最適な値を採ることができる。フッ素樹脂コーティング３には、電子線照射が施されており、電子線照射によりフッ素樹脂コーティング３を構成するフッ素樹脂が架橋されている。さらに、基材２はアルミニウムからなり、電子線照射によりフッ素樹脂コーティング３と基材２の密着性が向上している。

図２は、本発明の摺動部品の他の一例を示す図である。図中（ａ）は底面図であり、（ｂ）は側面図であり、（ｃ）は平面図である。図１の例と同様に、図中の１は摺動部であり、２は基材であり、３はフッ素樹脂コーティングである。この例では、摺動部１（先端部）の形状は、図２（ｂ）で示されるような凸曲面状である。他の部分については、図１の例と同様であるので説明は割愛する。

図３は、本発明の摺動部品の製造方法の一工程であるフッ素樹脂コーティングの例を示す断面図である。この例では、摺動部１（先端部）をフッ素樹脂ディスパージョンに浸漬することによりフッ素樹脂コーティングがされるが、図３はその様子を模式的に示している。図中の符号４は、フッ素樹脂ディスパージョンであり、先端部、すなわち摺動部のみ浸漬されている。フッ素樹脂ディスパージョンとしては、コーティング中の垂れを防ぐことができる粘度範囲のものが好ましく採用される。

前記のようにしてフッ素樹脂コーティングがされた後、摺動部品を、フッ素樹脂の融点以上に加熱して、フッ素樹脂の焼成が行われる。この焼成の過程で、フッ素樹脂ディスパージョンの分散媒も除去され、フッ素樹脂粒子が融着されたコーティング層が形成される。

（参考例）
［サンプルの作製］
厚さ１．８ｍｍの金属板（アルミニウム）の上にフッ素樹脂ディスパージョン（ダイキン社製、Ｄ１０−ＦＥ）を塗布し、３８０℃で焼成し厚さ１０μｍのフッ素樹脂膜を形成した。その後、チャンバーとホットプレート付き日新電機社製、照射装置（出力１．１３ＭＥＶ）を準備し、窒素雰囲気下、かつ、ホットプレート温度４００℃の上に前記金属板を置き、３００ｋＧｙで電子線照射を行った。電子線照射後のサンプルについて、以下に示す方法で、耐剥離性及び耐摩耗性を測定した。

［耐剥離性測定方法］
碁盤目試験により、フッ素樹脂コーティングの耐剥離性を測定した。具体的には、サンプルのフッ素樹脂コーティングに１００個の碁盤目状の傷をつけ、その上にテープを貼り付けた後引き剥がす試験を繰り返し行い、引き剥がされずに残った碁盤目数をカウントした。その結果、５００回の繰り返し試験を行っても１００の碁盤目が残っていた。（１００／１００）

［耐摩耗性測定方法］
スラスト摩耗試験（リングオンディスク式摩耗評価）により、フッ素樹脂コーティングの耐摩耗性を評価した。具体的には、下記の条件で、サンプル上に置いたＳ４５Ｃ円筒を加圧しながら回転させ１０分間試験後のサンプル重量変化を測定した。その結果、重量変化が測定されず、耐摩耗性に優れることが示された。

面圧：５ＭＰａ
潤滑：ドライ（グリースレス）
速度：１８ｍ／分
時間：１０分
相手軸：Ｓ４５Ｃ円筒 外径／内径＝１１．５／７．４

１ 摺動部
２ 基材
３ フッ素樹脂コーティング
４ フッ素樹脂ディスパージョン

Claims (7)

1. 凸曲面状の摺動部を有する摺動部品であって、前記摺動部が、基材上にフッ素樹脂をコーティングするとともに、前記フッ素樹脂を架橋してなることを特徴とする摺動部品。
2. 前記基材が、金属基材であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
3. 前記フッ素樹脂が、ポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン−パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）、ポリテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロイレン、ポリテトラフルオロエチレン−エチレン及びポリビニリデンフロライドからなる群より選ばれることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摺動部品。
4. 軸受けであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の摺動部品。
5. 凸曲面状の先端部を有する基材に、フッ素樹脂をコーティングした後、前記フッ素樹脂を架橋させる工程を有することを特徴とする摺動部品の製造方法。
6. フッ素樹脂のコーティングが、基材の先端部をフッ素樹脂ディスパージョンに浸漬する工程、その後分散媒を除去して焼成する工程を有する方法により行われることを特徴とする請求項５に記載の摺動部品の製造方法。
7. フッ素樹脂を架橋させる工程が、フッ素樹脂のコーティングに電子線を照射して行われることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の摺動部品の製造方法。

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