JP2011088967A - 摺動部材用樹脂組成物及び樹脂製摺動部材 - Google Patents
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Abstract
【課題】
従来の樹脂製摺動部材が有する耐熱性、寸法安定性及び機械的特性を維持し、潤滑性を有する流体が介在する環境下で従来の樹脂製摺動部材が使用困難な条件領域において、鋼、軟質金属両材に対する摩擦・摩耗特性をともに向上させ、更に軟質金属への損傷を最小限に抑制できるといった幅広い条件下で使用することができる射出成形可能な摺動部材用樹脂組成物及び樹脂製摺動部材を提供する。
【解決手段】
射出成形可能なノボラック型フェノール樹脂又はフェノールアラルキル樹脂を母材とし、これに必須充填材として、炭素繊維５〜２５容量％、鱗状黒鉛１０〜２５容量％、ガラス球３〜１０容量％を配合した。
【選択図】 図１
従来の樹脂製摺動部材が有する耐熱性、寸法安定性及び機械的特性を維持し、潤滑性を有する流体が介在する環境下で従来の樹脂製摺動部材が使用困難な条件領域において、鋼、軟質金属両材に対する摩擦・摩耗特性をともに向上させ、更に軟質金属への損傷を最小限に抑制できるといった幅広い条件下で使用することができる射出成形可能な摺動部材用樹脂組成物及び樹脂製摺動部材を提供する。
【解決手段】
射出成形可能なノボラック型フェノール樹脂又はフェノールアラルキル樹脂を母材とし、これに必須充填材として、炭素繊維５〜２５容量％、鱗状黒鉛１０〜２５容量％、ガラス球３〜１０容量％を配合した。
【選択図】 図１
Description
本発明は、摺動部材用樹脂組成物及び樹脂製摺動部材に係わり、更に詳しくは潤滑性を有する流体が介在する環境下で使用する射出成形可能な摺動部材用樹脂組成物及び樹脂製摺動部材に関するものである。
従来から機械機構部品において樹脂製の摺動部材は広く使用されている。潤滑性を有する流体が介在する環境下で使用される従来の樹脂製摺動部材は、摺動相手金属材質が鋼の場合、許容される面圧、すべり速度の範囲内において使用可能であったが、この許容値を超えた条件においては、摩擦熱による影響で摩擦特性及び摩耗特性が著しく悪化し、使用は困難であった。
また一方で、摺動相手金属材質が軟質金属の場合においては、従来の樹脂製摺動部材は耐摩耗性が不足しており、また配合充填材の硬度、形状及び充填量に起因する相手攻撃性のため、軟質金属が損傷する問題があり、条件的に狭い領域しか適応できず、使用が限定的であった。
特許文献１には、射出成形可能な樹脂組成物で成形したトランスミッション用スラストワッシャが開示されている。この樹脂組成物は、フェノール樹脂に、ガラス繊維、炭素繊維及び芳香族ポリアミド繊維から選ばれた少なくとも一つの繊維状配合材を樹脂組成物全体に対して３０〜８０重量％配合したものである。更に、樹脂組成物に、シリカ、炭酸カルシウム、マイカ、ウォラストナイト、ガラスフレーク及びクレーから選ばれた少なくとも一つの無機配合材を配合して剛性や耐摩耗性を向上させる点も記載されている。
本出願人の先願に係る特許文献２には、フェノール樹脂が３０〜５５重量％、ガラス繊維が３０〜５５重量％、ガラスビーズが５〜２５重量％であり、全体が１００％となるように調製した樹脂組成物を用いて一体成形したチェーンガイド及びチェーンテンショナアームが開示されている。この樹脂組成物に、更にアルミナ粒子を０．５〜２０重量％添加して摩擦係数を低下させることも開示されている。
更に、特許文献３には、フェノール樹脂１００質量部に対し、無機補強繊維５０〜９０質量部、潤滑性付与材１０〜５０質量部及び金属水和物３０〜８０質量部を必須成分として配合した樹脂製摺動部材に適したフェノール樹脂成形材料が開示されている。前記無機補強繊維として、ガラス繊維、カーボン繊維、繊維状珪酸カルシウム、繊維状硫酸マグネシウム、グラスウール、ロックウール、スラグウール、セピオライト繊維およびワラストナイト繊維から選ばれる少なくとも一種類を含み、前記潤滑性付与材として、グラファイト、フッ素樹脂粉末および２硫化モリブデンから選ばれる少なくとも一種類を含有する。水酸化アルミニウムや水酸化マグネシウム等の金属水和物を配合することにより、熱伝導性を高める点が記載されているが、金属水和物を配合すると寸法安定性、機械的強度が低下する。
近年、自動車用の機械機構部品において、燃費向上のために構成部品総量の軽量化を図ることが大命題となっている。金属部材は、鋼からアルミ合金への材質変更と、小型化によって軽量化が図られている。そして、スラスト軸受にも金属から樹脂製への材質変更と、更に薄肉化のために転がり軸受から滑り軸受へと変更を強いられている。一方、潤滑油では、粘性抵抗を減らして燃費向上を図るため低粘度化の傾向にある。潤滑油の低粘度化によって潤滑性が低下し、温度が上昇する。そのため、摺動環境は益々厳しくなってきている。しかし、従来の樹脂製摺動部材は、この摺動環境の変化に十分に対応できていない。また、相手材質が鋼とアルミ合金の両方において、摺動特性と摩耗特性が共に許容できる範囲の特性を備えた摺動部材用樹脂組成物は提供されていなかった。
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、従来の樹脂製摺動部材が有する耐熱性、寸法安定性及び機械的特性を維持し、潤滑性を有する流体が介在する環境下で従来の樹脂製摺動部材が使用困難な条件領域において、鋼、軟質金属両材に対する摩擦・摩耗特性をともに向上させ、更に軟質金属への損傷を最小限に抑制できるといった幅広い条件下で使用することができる射出成形可能な摺動部材用樹脂組成物及び樹脂製摺動部材を提供する点にある。
本発明は、前述の課題解決のために、射出成形可能なノボラック型フェノール樹脂又はフェノールアラルキル樹脂を母材とし、これに必須充填材として、炭素繊維５〜２５容量％、鱗状黒鉛１０〜２５容量％、ガラス球３〜１０容量％を配合したことを特徴とする摺動部材用樹脂組成物を構成した。ここで、前記ガラス球として、アミノシラン処理ガラス球を用いることが好ましい。
更に、前記必須充填材に加えて、含油シリカ２〜８容量％を配合することがより好ましい。また、前記必須充填材に加えて、ウィスカ状炭酸カルシウム３〜１０容量％を配合することも好ましい。そして、含油シリカとウィスカ状炭酸カルシウムは、前記必須充填材に共に加えることも好ましい。
また、本発明は、前述の摺動部材用樹脂組成物を用いて成形した樹脂製摺動部材を構成した。この樹脂製摺動部材の機械的特性は、曲げ強さが１００〜３００ＭＰａ、曲げ弾性率が１０〜３０ＧＰａ、熱膨張係数が２×１０-5〜３×１０-5１／Ｋ、熱伝導率が１．０〜５．０Ｗ／ｍＫ、及び曲げ弾性率保持率（１００×[１５０℃での曲げ弾性率]／[２５℃での曲げ弾性率]）が８５〜９５％であり、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）に対する動摩擦係数が０．０７０以下、アルミ合金（ＡＤＣ１２）に対する動摩擦係数が０．０４０以下を共に満たすものである。
本発明の摺動部材用樹脂組成物は、量産に好適な射出成形が可能であり、製造コスト面での利点があるのに加え、従来の樹脂製摺動部材の有する耐熱性、寸法安定性及び機械的特性を維持し、その上、鋼、軟質金属両材にとの摺動性において優れる利点から、樹脂製摺動部材として使用域が広がるものである。また、本発明の樹脂製摺動部材は、熱伝導性にも優れているので、摩擦発熱を周辺金属へ熱伝導して局部蓄熱を抑制し、潤滑油が接触する最も高温である摺動界面温度を低下させ、潤滑油の粘度低下を抑制し、厳しい摺動環境下においても良好な潤滑状態を維持することができる。
更に、本発明の摺動部材用樹脂組成物の有する前記特性から従来の樹脂製摺動部材では実現困難であった金属製転がり軸受の代替及び金属製摺動部材の代替、即ち軽量化、省スペース化、低騒音化及び低コスト化へも期待できる。また、近年、環境への配慮から産業界において、注力、促進されている鋼製機構部品における小型軽量化検討及び鋼製機構部品から軟質金属製機構部品への軽量化検討に際し、貢献していくことができる樹脂製摺動部材となる。
本発明の摺動部材用樹脂組成物は、射出成形可能なフェノール系樹脂を母材とし、この母材に対し、充填材として、炭素繊維、鱗状黒鉛及びガラス球を必須成分に総量６０容量％を上限に配合、又はこの必須成分に加えて、種々の繊維状、ウィスカ状及び粒子状物質を添加し、母材との総計が１００容積％となるように配合させたものである。これにより、従来の樹脂製摺動部材の有する耐熱性、寸法安定性及び機械的特性を維持し、熱伝導特性（熱伝導率：１．０Ｗ／ｍＫ以上）及び鋼、軟質金属両材における摺動特性をバランスさせ、従来の樹脂製摺動部材との比較で、幅広い条件下で使用できる所望の摺動部材用樹脂組成物を完成させた。
そして、前記摺動部材用樹脂組成物を用いて、樹脂製摺動部材として図１に示すようなスラストワッシャを射出成形により作製した。スラストワッシャ１は、偏平な環状形状であり、摺動面２に半径方向へ連続した潤滑油の供給溝３を複数形成している。スラストワッシャ１は、その摺動面２が相手部材の摺動面に摺接して軸方向の荷重を支持するが、スラストワッシャと相手部材の一方が回転する場合と、両者が回転する場合がある。本実施形態では、樹脂製摺動部材としてスラストワッシャに基づいて説明するが、本発明はスラストワッシャに限定されるものではない。
具体的には、本発明の摺動部材用樹脂組成物は、射出成形可能なノボラック型フェノール樹脂又はフェノールアラルキル樹脂を母材とし、これに必須充填材として、炭素繊維５〜２５容量％、鱗状黒鉛１０〜２５容量％、ガラス球３〜１０容量％を配合したものである。
炭素繊維は、平均直径７μｍ、平均長さ６ｍｍのものを用いた。炭素繊維の充填量が多くなるにしたがい、熱伝導率と曲げ強さが高くなるが、逆に引張り強度が低下する傾向がある。一般にスラストワッシャでは引張り強度は１００ＭＰａ以上必要とされている。炭素繊維を入れ過ぎるとフェノールとの接着性が低下して充填が困難になり、また少ない場合には満足する機械特性が得られず、熱線膨張係数も高くなる。炭素繊維の充填量が５容量％より少ないと、十分な曲げ強さと熱伝導率が得られず、２５重量％より多いと、引張り強度が低くなり、成形性も悪くなるので、炭素繊維の充填量を５〜２５容量％とした。
鱗状黒鉛は、平均サイズ１００μｍのものを用いた。鱗状黒鉛の充填量が多くなるにしたがい、熱伝導率が高くなるが、逆に曲げ強さが低くなり、強度低下及び摩耗量が増大する傾向がある。鱗状黒鉛の充填量が１０容量％より少ないと、十分な熱伝導率を得られず、２５容量％より多いと、曲げ強さが低下して機械的強度が不足するので、鱗状黒鉛の充填量を１０〜２５容量％とした。
ガラス球は、平均粒径５０μｍのものを用いた。フェノールとの親和性を高めるために、アミノシラン処理ガラス球を用いた。ガラス球の充填量が多くなるにしたがい、摩擦係数は低下するが、逆に相手金属の摩耗量が増加する傾向がある。ガラス球の充填量が３容量％より少ないと、摩擦係数は高くなり、スラストワッシャとしての機能が果たせず、また１０容量％より多いと相手金属を抉ってしまうため、金属摩耗量が増大するので好ましくない。
前述の必須充填材に加えて、含油シリカ２〜８容量％を配合することがより好ましい。また、前記必須充填材に加えて、ウィスカ状炭酸カルシウム３〜１０容量％を配合することも好ましい。
含油シリカは、多孔質シリカにシリコーン油等の潤滑油を保持させたものであり、含油シリカを充填すると、潤滑性能が高くなって低摩擦性に寄与するが、多くなると機械的特性が悪くなり、成形性にも悪影響を及ぼすため、充填量２〜８容量％とした。ウィスカ状炭酸カルシウムを充填すると、曲げ強さと曲げ弾性率を高めるとともに、引張り強度も改善するが、多くなると成形性が悪くなるため、充填量を３〜１０容量％とした。含油シリカとウィスカ状炭酸カルシウムは、それぞれ異質の機能を発揮させるものであり、必要に応じて組み合わせて使用する。
この摺動部材用樹脂組成物で成形した樹脂製摺動部材の機械的特性は、曲げ強さが１００〜３００ＭＰａ、曲げ弾性率が１０〜３０ＧＰａ、熱膨張係数が２×１０-5〜３×１０-5１／Ｋ、熱伝導率が１．０〜５．０Ｗ／ｍＫ、及び曲げ弾性率保持率（１００×[１５０℃での曲げ弾性率]／[２５℃での曲げ弾性率]）が８５〜９５％であり、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）に対する動摩擦係数が０．０７０以下、アルミ合金（ＡＤＣ１２）に対する動摩擦係数が０．０４０以下を共に満たしている。
実施例と比較例の試験体は、母材樹脂に各種充填材を配合して混練し、グラニュール状あるいはペレット状の射出成形材料を作製し、その射出成形材料を用いて所定形状に射出成形して作製する。以下に射出成形材料の製造方法と試験体の成形方法を具体的に説明する。
先ず、フェノール樹脂を母材とする場合（実施例１〜６及び比較例１〜８）の射出成形材料は、以下の製造方法で作製する。表１及び表２に示した割合でフェノール樹脂と各種充填材を配合し、ヘンシェルミキサーにて適度な時間、ミキシングした。その後、ミキシングした材料を２軸ロール混練機にて、十分に加熱混練してシート状にし、冷却後、粉砕機で粉砕し、グラニュール状の射出成形材料を得た。
この射出成形材料（母材：フェノール樹脂）をインライン式射出成形機にて、射出成形し、所定形状の成形品を得た。成形条件は、シリンダー温度：前部９０℃、後部６０℃、金型温度：１８５℃、硬化時間：４０秒である。
次に、熱可塑性樹脂を母材とする場合（比較例９〜１３）の射出成形材料は、以下の製造方法で作製する。表３に示した各種充填材を配合し、ヘンシェルミキサーにて適度な時間、ミキシングした。その後、ミキシングした材料を２軸混練押出機で十分に混練し、直径２．５ｍｍのダイを通し、ストランドとし、水冷した後、ストランドカッターを用いてペレット化し、射出成形材料を得た。
この射出成形材料（母材：熱可塑性樹脂）をインライン式射出成形機にて、射出成形し、所定形状の成形品を得た。成形条件は、一般的な成形条件であるため省略する。
このようにして得られた実施例１〜６と比較例１〜１３の試験体の各種特性、即ち曲げ強さと曲げ弾性率、熱膨張係数、熱伝導率及び摩擦摩耗特性を評価した。それらの測定結果は表１〜３に示している。
ここで、曲げ強さと曲げ弾性率は、島津製作所製のオートグラフ ＡＧＳ１０００にて、ＪＩＳ７２０３に準拠して測定した。熱膨張係数は、熱機械分析（エスアイアイ・ナノテクノロジー製、熱分析装置）にて、射出成形における流動方向（ＭＤ）と流動に対して垂直方向（ＴＤ）について各々測定した。熱伝導率は、細線加熱法を利用した熱伝導率計（京都電子工業製、迅速熱伝導率計 ＱＴＭ−５００）により、各々測定した。
また、摩擦摩耗試験（スラスト試験）は、スラスト式摩擦摩耗試験機（高千穂精機製、摩擦摩耗試験機 ＴＲＩ−Ｓ５００Ｎ）を用いて、表４に示す試験条件にて行った。
実施例１〜６の試験体は、曲げ強さ及び曲げ弾性率において、十分な機械的強度を備え、曲げ弾性率保持率（100×[150℃での曲げ弾性率]／[25℃での曲げ弾性率]）も９０％前後を有し、且つ熱膨張係数も寸法安定性に優れているばかりでなく、熱伝導率が２．３〜２．７Ｗ／ｍＫと非常に高くなっている。そして、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）に対する動摩擦係数が０．０７０以下、アルミ合金（ＡＤＣ１２）に対する動摩擦係数が０．０４０以下を共に満たしており、樹脂製摺動部材と相手金属の摩耗量も少ないことがわかった。
それに対して、フェノール樹脂を母材とした比較例１〜８の試験体は、曲げ強さ及び曲げ弾性率、熱膨張係数は実施例１〜６と同等であるが、曲げ弾性率保持率がやや劣り、熱伝導率は大きく劣っている。また、比較例１，２は、炭素鋼に対する摩耗量は実施例１〜６と同程度であるが、アルミ合金に対する摩耗量が５倍以上と大きい。そして、比較例３〜８は、炭素鋼に対する摩耗量は実施例１〜６より３〜４倍と大きく、アルミ合金に対する摩耗量も３倍程度大きい。
また、熱可塑性樹脂を母材とした比較例９〜１３の試験体は、曲げ弾性率、曲げ弾性率保持率、熱膨張係数及び熱伝導率が実施例１〜６と比べて大きく劣り、機械的強度が乏しく、寸法安定性も実用に耐え得ない。しかも、比較例９〜１３は、炭素鋼とアルミ合金の両材に対して摩耗量が共に大きく、実用に耐え得ない。
本発明によれば、量産に好適な成形方法である射出成形が可能であり、耐熱性、寸法安定性、機械的特性及びオイル環境下、鋼及びアルミ合金双方に対して、摺動性に優れ、また熱伝導特性に優れることから、従来の樹脂製摺動部材と比較して、使用範囲が広がる利点があり、軽量化に向けた樹脂化促進が可能となる。
１ スラストワッシャ
２ 摺動面
３ 溝
２ 摺動面
３ 溝
Claims (6)
- 射出成形可能なノボラック型フェノール樹脂又はフェノールアラルキル樹脂を母材とし、これに必須充填材として、炭素繊維５〜２５容量％、鱗状黒鉛１０〜２５容量％、ガラス球３〜１０容量％を配合したことを特徴とする摺動部材用樹脂組成物。
- 前記ガラス球として、アミノシラン処理ガラス球を用いる請求項１記載の摺動部材用樹脂組成物。
- 前記必須充填材に加えて、含油シリカ２〜８容量％を配合する請求項１又は２記載の摺動部材用樹脂組成物。
- 前記必須充填材に加えて、ウィスカ状炭酸カルシウム３〜１０容量％を配合する請求項１〜３何れかに記載の摺動部材用樹脂組成物。
- 前記請求項１〜４何れかに記載の摺動部材用樹脂組成物を用いて成形した樹脂製摺動部材。
- 曲げ強さが１００〜３００ＭＰａ、曲げ弾性率が１０〜３０ＧＰａ、熱膨張係数が２×１０-5〜３×１０-5１／Ｋ、熱伝導率が１．０〜５．０Ｗ／ｍＫ、及び曲げ弾性率保持率（１００×[１５０℃での曲げ弾性率]／[２５℃での曲げ弾性率]）が８５〜９５％であり、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）に対する動摩擦係数が０．０７０以下、アルミ合金（ＡＤＣ１２）に対する動摩擦係数が０．０４０以下を共に満たす請求項５記載の樹脂製摺動部材。
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