JP2014035013A - 滑り軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】低摩擦係数を維持しつつ高ＰＶ値に対応可能であり、かつ生産性にも優れる滑り軸受を提供する。
【解決手段】金属製基材からなる軸受外周部２と、この摺動面となる表面に樹脂材料を用いて射出成形により一体に成形された樹脂層３とを有する滑り軸受１であって、上記樹脂材料が、射出成形可能なポリエチレン樹脂（Ａ）を主成分とし、非射出成形性の超高分子量ポリエチレン樹脂（Ｂ）を含む材料であり、上記樹脂材料において、上記超高分子量ポリエチレン樹脂（Ｂ）が、ポリエチレン樹脂（Ａ）と超高分子量ポリエチレン樹脂（Ｂ）との合計質量に対して５〜３０質量％含まれる。
【選択図】図１

Description

本発明は滑り軸受に関し、特に、金属製基材の摺動面にポリエチレン樹脂を主成分とする樹脂層が射出成形で形成された滑り軸受に関する。

事務機器、医療器具、食品機械、その他の一般機械に使用する滑り軸受として、焼結金属などの基材の摺動面に樹脂層を形成したものが提案されている。例えば、軸受外周部として焼結金属を用い、この軸受外周部の摺動部に樹脂材料をインサート成形して樹脂層を形成するとともに、この軸受外周部の表面のうち、少なくとも上記樹脂層と接触する軸受外周部の表面部分に細かい凹部を設け、上記樹脂層における（樹脂材料の線膨張係数）×（樹脂層の肉厚）を０．１５以下とし、上記凹部が占める見かけ面積の合計を、上記樹脂層と接触する軸受外周部の表面部分の面積の２５〜９５％とした高精度滑り軸受が知られている（特許文献１参照）。この高精度滑り軸受は、樹脂層の温度変化による寸法変化が抑えられるため、高精度を有しつつ潤滑性に優れる。また、摺動部に樹脂層を形成させるので、軟質相手材を攻撃することや、異音の発生を抑える。さらに、樹脂層が細かい凹部に入り込むので、アンカー効果によって、軸受外周部と樹脂層との密着性が向上するなどの特徴がある。

また、射出成形時のゲート痕による軸受性能の低下を防止するため、同様の構成を有する滑り軸受において、摺動面に複数の溝を有し、該溝の底部位置にゲート位置を設定したトンネルゲートにより樹脂層を形成した軸受が知られている（特許文献２参照）。

これらの滑り軸受は、主に転がり軸受の代替として開発されており、低摩擦係数とするために、使用温度条件が比較的低い部位に使用する場合、樹脂層のベース樹脂としてポリエチレン（以下、「ＰＥ」と記す）樹脂が用いられることが多い。ＰＥ樹脂は、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリテトラフルオロエチレン（以下、「ＰＴＦＥ」と記す）樹脂などをベース樹脂として採用する場合と比較して低摩擦係数を得ることができる。

特開２００３−２３９９７６号公報 特許第４５１５８２４号

上記の事務機器においては、近年において、高機能化、省エネルギー化、コンパクト化が求められているため、滑り軸受の仕様条件（面圧（荷重）や滑り速度）は更に厳しくなっている。また、滑り軸受を転がり軸受の代替として用いる場合、その代替可能範囲は、滑り軸受の対応し得るＰＶ値（面圧（Ｐ）と滑り速度（Ｖ）を乗じたもの）に大きく依存し、５ＭＰａ・ｍ／ｍｉｎ．をこえる程度で約２０％、１５ＭＰａ・ｍ／ｍｉｎ．以上で約８５％の代替が可能となる。

このような背景より、これら機器における転がり軸受代替の滑り軸受としては、低摩擦係数を維持しつつ、高ＰＶ値に対応し得ることが求められている。樹脂製滑り軸受の摩擦摩耗特性を改善する一般的な方法として、ＰＴＦＥ樹脂粉末、黒鉛粉末、二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤を配合する方法があるが、ベース樹脂をＰＥ樹脂以外とする場合では、動摩擦係数μを０．１程度以下にすることは困難である。

また、特許文献１や２の構造の滑り軸受において、樹脂層のベース樹脂として射出成形可能な高分子量ＰＥ樹脂を用いる場合、低摩擦係数の維持は図れるものの、高ＰＶ値（例えば、５ＭＰａ・ｍ／ｍｉｎ．をこえる場合）となる条件では、十分な耐摩耗性が得られないおそれがある。一方、平均分子量が１００万をこえるような非射出成形性の超高分子量ポリエチレン（以下、「ＵＨＭＷＰＥ」と記す）樹脂をベース樹脂として用いる場合、インサート射出成形ができず、生産性に劣る。

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、低摩擦係数を維持しつつ高ＰＶ値に対応可能であり、かつ生産性にも優れる滑り軸受を提供することを目的とする。

本発明の滑り軸受は、金属製基材と、この基材の摺動面となる表面に樹脂材料を用いて射出成形により一体に成形された樹脂層とを有する滑り軸受であって、上記樹脂材料が、射出成形可能なＰＥ樹脂（Ａ）を主成分とし、非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）を含む材料であり、上記樹脂材料において、上記ＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）が、上記ＰＥ樹脂（Ａ）と上記ＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）との合計質量に対して５〜３０質量％含まれることを特徴とする。特に、上記滑り軸受は、面圧（Ｐ）と滑り速度（Ｖ）を乗じたＰＶ値が、５ＭＰａ・ｍ／ｍｉｎ．をこえる条件で使用される軸受であることを特徴とする。

上記ＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）の重量平均分子量が１００万〜４００万であることを特徴とする。また、上記射出成形可能なＰＥ樹脂（Ａ）は、ＪＩＳ Ｋ ７２１０に基づき、荷重１０ｋｇ、１９０℃で測定したときのＭＦＲが１〜３０ｇ／１０分であることを特徴とする。

上記樹脂材料において、上記ＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）は平均粒子径１０〜２００μｍの粉末状で配合されることを特徴とする。なお、この平均粒子径は、レーザ回析法による測定値である。

上記樹脂材料は、多孔質シリカとシリコーン油とを含み、上記多孔質シリカに予め上記シリコーン油を含浸した状態で配合されることを特徴とする。また、上記樹脂材料において、上記多孔質シリカおよび上記シリコーン油が、これらの合計質量で樹脂材料全体に対して２５〜５０質量％含まれる。

上記樹脂層の肉厚が、０．１〜０．５ｍｍであることを特徴とする。また、上記金属製基材が、焼結金属製基材であることを特徴とする。

上記滑り軸受は、８０℃以下の温度雰囲気で使用されることを特徴とする。

本発明の滑り軸受は、金属製基材と、この基材の摺動面となる表面に樹脂材料を用いて射出成形により一体に成形された樹脂層とを有し、上記樹脂材料が、射出成形可能なＰＥ樹脂（Ａ）を主成分とし、非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）を含む材料であり、該樹脂材料において、ＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）が、ＰＥ樹脂（Ａ）とＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）との合計質量に対して５〜３０質量％含まれるので、樹脂層をインサート射出成形可能であり、生産性に優れ、また、高ＰＶ値において低摩擦であり耐摩耗性にも優れる。さらに、上記樹脂材料は、多孔質シリカとシリコーン油とを含み、上記多孔質シリカに予めシリコーン油を含浸した状態で配合されるので、長期間にわたり低摩擦を維持できる。これらの結果、本発明の滑り軸受は、多くの用途における転がり軸受の代替品として好適に利用できる。

本発明の滑り軸受の一例を示す斜視図および断面図である。 軸受外周部に形成される樹脂層の構造の態様を示す断面図である。 ＰＶ値と摩耗係数との関係を示す図である。

本発明の滑り軸受は、金属製基材と、この基材の摺動面となる表面に樹脂材料を用いて射出成形により一体に成形（インサート成形）された樹脂層とを有するものであり、この樹脂層を形成する樹脂材料が、射出成形可能なＰＥ樹脂（Ａ）を主成分とし、非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）を所定量含む材料である。

樹脂材料の主成分となるＰＥ樹脂（Ａ）としては、射出成形可能なＰＥ樹脂あればよい。射出成形条件としては、例えば、成形温度２００℃〜２７０℃、射出圧力１００〜１６０ＭＰａで射出成形可能なものであればよい。また、耐摩耗性、自己潤滑性、耐衝撃性、耐薬品性、水の比重より軽いという軽量性、低吸水性による寸法安定性などの各諸特性に優れる高密度、高分子量化ＰＥ樹脂が好ましい。例えば、密度（ＡＳＴＭ Ｄ １５０５）が９４２ｋｇ／ｍ^３以上である高密度ＰＥ樹脂が好ましく、高密度ＰＥ樹脂の密度の上限値は１０００ｋｇ／ｍ^３未満、厳密には９８０ｋｇ／ｍ^３以下である。

ＰＥ樹脂（Ａ）のＭＦＲ（メルトフローレイト：ＪＩＳ Ｋ ７２１０（１９０℃、１０ｋｇｆ））としては、１〜３０ｇ／１０分が好ましく、１〜１５ｇ／１０分がより好ましく、２〜６ｇ／１０分が特に好ましい。重量平均分子量としては、１００万未満であり、好ましくは２５万〜９５万程度である。また、構造としては、直鎖状のものや、メチル基の分岐を含む分岐状のものであってもよい。なお、（Ａ）成分のＰＥ樹脂は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を混合して使用してもよい。

本発明に使用できるＰＥ樹脂（Ａ）の市販品としては、三井化学社製の商品名リュブマーＬ３０００（密度：９６９ｋｇ／ｍ^３、ＭＦＲ：１５ｇ／１０分）、同Ｌ４０００（密度：９６７ｋｇ／ｍ^３、ＭＦＲ：６ｇ／１０分）、同Ｌ５０００（密度：９６６ｋｇ／ｍ^３、ＭＦＲ：２ｇ／１０分）などが挙げられる。

樹脂材料に配合するＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）は、非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂である。ＵＨＭＷＰＥ樹脂は、ＰＥ樹脂の通常２万〜３０万の分子量を、５０万〜１１００万程度までに高めた樹脂であり、低摩擦特性を有する。また、ＵＨＭＷＰＥ樹脂は、高分子量であるため耐摩耗性が良好である。しかし、ＵＨＭＷＰＥ樹脂の中でも特に分子量が１００万以上のものは、溶融時の粘度が極めて高く、ほとんど流動しないため、これをベース樹脂として通常の射出成形法によって成形することはできず、通常、加熱圧縮成形やラム押出し成形によって素材を成形した後、機械加工によって所望の形状に加工される。このような非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）は、射出成形可能なＰＥ樹脂（Ａ）よりも低摩擦特性であり耐摩耗性にも優れている。この非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）は、ＰＥ樹脂（Ａ）よりも高分子量であることが好ましい。

非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）の重量平均分子量は、１００万〜４００万であることが好ましい。１００万未満のＵＨＭＷＰＥ樹脂粉末では、耐摩耗性の向上効果が乏しい。４００万をこえると、薄肉成形性を阻害する。

樹脂材料において、非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）が、ＰＥ樹脂（Ａ）と非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）との合計質量（Ａ＋Ｂ）に対して５〜３０質量％含まれる。５質量％未満であると、耐摩耗性の向上効果が乏しく、５ＭＰａ・ｍ／ｍｉｎ．をこえるようなＰＶ値での使用に際して、耐摩耗性に劣るおそれがある。一方、３０質量％をこえると、射出成形性を阻害するおそれがある。好ましくは８〜３０質量％であり、より好ましくは１４〜３０質量％である。

本発明では、ＵＨＭＷＰＥ樹脂の中でも、特に非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂を、樹脂層の主成分ではなく、耐摩耗性向上を図るための充填材として用いている。非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）とＰＥ樹脂（Ａ）とは、いずれも−ＣＨ_２−ＣＨ_２−単位を含む主鎖を有する同種の樹脂であり、相溶性に優れている。射出成形に際しての溶融混練により、ＰＥ樹脂（Ａ）の中に、非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）が完全または一部相溶した状態で分散している。

樹脂材料の射出成形に際しての溶融混練時において、非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）は平均粒子径１０〜２００μｍの粉末状で配合される。好ましくは、平均粒子径１０〜５０μｍの粉末状である。微細粉末状で配合することで、樹脂層の薄肉成形性を阻害せず、また、相溶性にも優れ耐摩耗性を向上させやすい。また、平均粒子径の異なる２種類以上のＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）の粉末を配合することもできる。さらに、非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）の粉末形状は、混練性に優れることから、球状が好ましい。なお、平均粒子径は、レーザ回析法による測定値である。

本発明に使用できる非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂粉末（Ｂ）の市販品としては、三井化学社製の商品名ミペロン（球状、重量平均分子量：２００万、密度：９４０ｋｇ／ｍ^３、平均粒子径２５〜３０μｍ）、三井化学社製の商品名ハイゼックスミリオン（重量平均分子量：１１５万〜４００万、密度：９３５〜９４０ｋｇ／ｍ^３、平均粒子径：１２０〜１６０μｍ）などが挙げられる。

滑り軸受の樹脂層を形成する樹脂材料は、射出成形可能なＰＥ樹脂（Ａ）、非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）に加えて、連通孔を有する充填材である多孔質シリカ（Ｃ）と、潤滑剤（Ｄ）とを配合することが好ましい。さらに、固体潤滑剤（Ｅ）を配合することもできる。

多孔質シリカ（Ｃ）としては、非晶質の二酸化ケイ素を主成分とする粉末が使用できる。例えば、一次粒子径が１５ｎｍ以上の微粒子の集合体である沈降性シリカや、アルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩を含有したケイ酸アルカリ水溶液を有機溶媒中で乳化し、二酸化炭素でゲル化させることにより得られる真球状多孔質シリカなどが挙げられる。本発明においては、粒子径が３〜８ｎｍの一次微粒子が集合して真球状シリカ粒子を形成した多孔質シリカが、連通孔を有しているため特に好ましい。この真球状シリカ粒子の平均粒子径は、０．５〜１００μｍが好ましく、取扱い易さや摺動性を考慮した場合は、１〜２０μｍが特に好ましい。このような真球状多孔質シリカとしては、ＡＧＣエスアイテック社製の商品名サンスフェアが挙げられる。

粒子径が３〜８ｎｍの一次微粒子が集合した真球状シリカ粒子は、比表面積が２００〜９００ｍ^２／ｇ、好ましくは３００〜８００ｍ^２／ｇ、細孔容積が１〜３．５ｍｌ／ｇ、細孔径が５〜３０ｎｍ、好ましくは２０〜３０ｎｍ、吸油量が１５０〜４００ｍｌ／１００ｇ、好ましくは３００〜４００ｍｌ／１００ｇの特性を有することが好ましい。また、水に浸漬した後に再度乾燥しても、上記細孔容積および吸油量が浸漬前の９０％以上を保つことが好ましい。なお、上記の比表面積および細孔容積は窒素吸着法により、吸油量はＪＩＳ Ｋ５１０１に準じて測定した値である。

また、真球状シリカ粒子の内部と外表面は、シラノール（Ｓｉ−ＯＨ）で覆われていることが、潤滑油などを内部に保持しやすくなるため好ましい。さらに、多孔質シリカは、母材に適した有機系、無機系の表面処理を行なうことができる。上記多孔質シリカは、粒子の形状は特に限定されず、平均粒子径、比表面積、吸油量などが上記真球状シリカ粒子の範囲内であれば、非球状多孔質シリカであっても使用できる。なお、相手材への攻撃性や混練性の観点から、球状、真球状の粒子がより好ましい。なお、ここで、球状とは、長径に対する短径の比が０．８〜１．０の球をいい、真球状とは、上記球状よりもっと真球に近い球をいう。

潤滑剤（Ｄ）としては、常温で液体の潤滑油、イオン性液体、あるいは潤滑油に増ちょう剤を含んだグリースなど、潤滑効果を有する物質であれば使用できる。

潤滑油としては、軸受用として汎用されているものであれば使用でき、例えば、スピンドル油、冷凍機油、タービン油、マシン油、ダイナモ油等の鉱油、ポリブテン、ポリ-α-オレフィン、アルキルナフタレン、脂環式化合物等の炭化水素系合成油、または、天然油脂とポリオールとのエステル油、リン酸エステル、ジエステル油、ポリグリコール油、シリコーン油、ポリフェニルエーテル油、アルキルジフェニルエーテル油、アルキルベンゼン、フッ素化油等の非炭化水素系合成油が挙げられる。また、グリースとしては、これらの潤滑油を基油とし、金属石けん、複合金属石けんなどの石けん系増ちょう剤、または、ベントン、シリカゲル、ウレア化合物、ウレア・ウレタン化合物などの非石けん系増ちょう剤を用いたグリースが挙げられる。その他、固体ワックスを配合してもよい。

本発明の滑り軸受では、低摩擦が求められることから、潤滑剤（Ｄ）として上記の中でもシリコーン油を用いることが好ましい。シリコーン油は、上述の多孔質シリカ表面に残存するシラノール基と親和性がある。シリコーン油としては、官能基を有さないシリコーン油、官能基を有するシリコーン油のいずれも使用できる。

樹脂材料に、多孔質シリカ（Ｃ）と潤滑剤（Ｄ）とを配合する場合、混練順序は特に限定しないが、多孔質シリカと潤滑剤とを予め混練し、多孔質シリカに潤滑剤を含浸させた後で他の材料と混練することが好ましい。なお、ベース樹脂と多孔質シリカを混練し成形体とした後、潤滑剤を含浸する方法も可能である。また、多孔質シリカは吸湿や吸水しやすいので、混練前に乾燥することが好ましい。乾燥手段としては特に制限なく、電気炉での乾燥、真空乾燥などを採用できる。潤滑油を十分に多孔質シリカ内に保持でき、混練性にも優れることから、多孔質シリカに予めシリコーン油などを含浸した含油多孔質シリカの状態で他の材料に配合することが好ましい。

樹脂材料において、多孔質シリカ（Ｃ）とシリコーン油などの潤滑剤（Ｄ）とは、合計質量（Ｃ＋Ｄ）で樹脂材料全体に対して２５〜５０質量％含まれることが好ましい。より好ましくは、２５〜４５質量％であり、さらに好ましくは、３０〜４０質量％、最も好ましくは３５〜４０質量％である。なお、内訳として、質量換算で（Ｃ）：（Ｄ）＝１：３程度とすることが好ましい。含油多孔質シリカを樹脂材料全体に対して２５〜５０質量％配合することで、潤滑油の供給性に優れ、優れた摩擦摩耗特性を持続できる。

また、上記潤滑油を焼結金属製基材からなる軸受外周部に含浸し、上記連通孔構造を有する樹脂層を介して摺動面に滲出させて潤滑させることも可能である。

固体潤滑剤（Ｅ）としては、ＰＴＦＥ樹脂、黒鉛、二硫化モリブデン、窒化硼素、二硫化タングステンなどが使用できる。

ＰＴＦＥ樹脂（粉末）は、懸濁重合法によるモールディングパウダー、乳化重合法によるファインパウダー、加熱焼成されたＰＴＦＥ樹脂粉末のいずれであってもよいが、加熱焼成されたＰＴＦＥ樹脂粉末を採用することが好ましい。これは、加熱焼成されていないモールディングパウダー、ファインパウダーは、低摩擦特性ではあるが、均一分散性、耐摩耗性に劣るからである。加熱焼成されたＰＴＦＥ樹脂粉末は、モールディングパウダーまたはファインパウダーを加熱焼成（素材成形、熱処理）後に粉砕した粉末、また、この粉末にさらにγ線または電子線などを照射した粉末であってもよい。なお、ＰＴＦＥ樹脂粉末の粒子径は特に限定しないが、安定した低摩擦特性を得るためには、平均粒子径が５〜３０μｍであることが好ましい。

その他、滑り軸受の樹脂層を形成する樹脂材料には、摩擦摩耗特性を改善するために、また、線膨張係数を小さくするために、適当な充填材を添加することができる。例えば、ガラス繊維、カーボン繊維、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、ポリエステル繊維、ボロン繊維、炭化珪素繊維、窒化硼素繊維、窒化珪素繊維、金属繊維等の繊維類やこれらを布状に編んだもの、炭酸カルシウムやタルク、シリカ、クレー、マイカ等の鉱物類、硼酸アルミニウムウィスカー、チタン酸カリウムウィスカー等の無機ウィスカー類、ポリイミド樹脂やポリベンゾイミダゾール等の各種耐熱性樹脂等が挙げられる。なお、軟質相手材を攻撃するおそれがある場合には、繊維状充填材は配合しない。さらに、この発明の効果を阻害しない配合量で公知の添加剤を併用してもよい。例えば、帯電防止剤（カーボンナノ繊維、カーボンブラック、黒鉛など）、離型剤、難燃剤、耐候性改良剤、酸化防止剤、顔料などの添加剤を適宜添加してもよく、これらを添加する方法も特に限定されるものではない。

本発明の滑り軸受において、樹脂層を形成する樹脂材料として最も好ましい組成は、射出成形可能なＰＥ樹脂（Ａ）、非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）、多孔質シリカ（Ｃ）、シリコーン油などの潤滑剤（Ｄ）の実質的に４成分からなる組成である。この場合、多孔質シリカ（Ｃ）とシリコーン油などの潤滑剤（Ｄ）とを、合計質量（Ｃ＋Ｄ）で樹脂材料全体に対して２５〜５０質量％とする場合、ＰＥ樹脂（Ａ）とＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）との合計質量（Ａ＋Ｂ）は、樹脂材料全体に対して、５０〜７５質量％となる。

滑り軸受の樹脂層を形成する樹脂材料において、諸原材料を混合し、混練する手段は、特に限定するものではなく、ヘンシェルミキサー、ボールミキサー、リボンブレンダー、レディゲミキサーなどにて混合し、さらに二軸押出し機などの溶融押出し機にて溶融混練し、成形用ペレットを得ることができる。また、充填材の一部材料の投入は、二軸押出し機などで溶融混練する際にサイドフィードを採用してもよい。この成形用ペレットを用い、金属製基材に対して樹脂層をインサート成形により射出成形する。射出成形を採用することで、精密成形性および生産性などに優れる。また、物性改善のためにアニール処理などの処理を採用してもよい。

樹脂材料の樹脂母材としてＰＥ樹脂（Ａ）を用いるのみでは、シリコーン油を含浸した多孔質シリカを配合する場合でも、ＰＶ値が３ＭＰａ・ｍ／ｍｉｎ．程度までの条件で使用できるに留まり、これをこえるＰＶ値では大幅に耐摩耗性が悪化していくおそれがあった。これに対して、ＰＥ樹脂（Ａ）の一部を所定配合範囲で非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）に置換して配合することで、高ＰＶ値での耐摩耗性を著しく向上させることができた。特に、ＰＥ樹脂（Ａ）として三井化学社製の商品名リュブマーＬ５０００を、非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）として三井化学社製の商品名ミペロンＸＭ２２０を採用し、これらを所定配合範囲で含み、シリコーン油を含浸した多孔質シリカを配合することで、１５ＭＰａ・ｍ／ｍｉｎ．以上の高ＰＶ値でも優れた耐摩耗性を発揮し得る滑り軸受を得ることができた（後述の実施例参照）。この結果、本発明の滑り軸受は、多くの用途における転がり軸受の代替品として好適に利用できる。

本発明の滑り軸受を図１により説明する。図１（ａ）は滑り軸受の斜視図を、図１（ｂ）はＡ−Ａ断面図をそれぞれ示す。滑り軸受１は、軸受外周部２が焼結金属製基材で形成され、この軸受外周部２の摺動部となる内周側に、上述の樹脂材料（成形用ペレット）を用いて樹脂層３がトンネルゲートを経てインサート成形されている。この樹脂層３は、軸受摺動面に複数の溝４を有し、該溝４の底部位置にゲート痕５が形成されている。図１（ａ）において、この複数の溝４は円筒状軸受のラジアル摺動面に軸方向溝４Ａ、４Ｂとして形成され、軸方向溝４Ａの底部位置にゲート痕５が形成され、軸方向溝４Ｂにはゲート痕５が形成されていない。また、複数の溝４は、円筒状軸受のラジアル摺動面、スラスト摺動面、またはラジアル摺動面およびスラスト摺動面の両方に設けることができる。

トンネルゲートを経たインサート成形は、公知の金型構造を用いて行なうことができる。トンネルゲート痕が溝の底部位置に形成されるので、成形工程におけるゲート処理が必要なく、高精度を有しつつ、大量生産が可能となる。

複数の軸方向溝４は、トンネルゲート痕を有する溝４Ａと、トンネルゲート痕を有さない溝４Ｂとから構成される。また、溝４Ａの両側から溝４Ｂに至る軸受摺動面上の距離が等しくなるように配置されている。好ましくは溝Ａと溝Ｂとが等間隔で同数形成される。この配置とすることにより、射出成形時のウエルド部が溝Ｂ内に形成される。さらに、溝４に摩耗粉を捕捉し、異常摩耗の発生を抑制することができる。

軸受外周部２は、滑り軸受の外周部を構成する筒状の部材であり、摺動部を有する部材である。この摺動部とは、ラジアル方向の荷重を支持するための内径側摺動部をいい、また、スラスト方向にも荷重を支持する場合には、上記の内部摺動部だけでなく、端面摺動部も含む。

軸受外周部２を構成する焼結金属製基材の材質は、Ｆｅ系焼結金属、Ｃｕ系焼結金属、Ｆｅ−Ｃｕ系焼結金属が挙げられ、成分としてＣ、Ｚｎ、Ｓｎを含んでもよい。また、成形性や離型性を向上させるためバインダーを少量添加してもよい。さらに、アルミニウム系でＣｕ、Ｍｇ、Ｓｉを配合した材料や金属−合成樹脂で鉄粉をエポキシ系の合成樹脂で結合させた材料でもよい。さらにまた、樹脂層との密着性を向上させるため、成形を阻害しない程度であれば、表面処理を施す、または、接着剤を介在させることも可能である。

高い寸法精度および回転精度と共に、機械的強度および耐久性に優れた滑り軸受を得る場合にはＦｅ系焼結金属が好ましい。ここで、「Ｆｅ系」とはＦｅの含有量が質量比で９０％以上であることを意味する。この条件を満たす限り、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｃなどの他の成分を含有していてもよい。また、「Ｆｅ」にはステンレスも含まれる。Ｆｅ系焼結金属は、例えば、Ｆｅを上記の含有量配合した原料金属粉末（成形性や離型性を向上させるためバインダーを少量添加してもよい）を所定形状に成形し、脱脂し、焼成して得られた焼結体に、必要に応じてサイジングなどの後処理を施して形成できる。焼結金属の内部には多孔質組織による多数の内部細孔があり、また、その表面には内部細孔が外部に開口して形成された多数の表面開孔がある。内部細孔には、例えば真空含浸によって上述の潤滑油を含浸させることができる。

焼結金属製基材からなる軸受外周部２の摺動部には樹脂層３がインサート成形され、軸部材と摺動する軸受面を形成する。成形時、樹脂層を形成する溶融樹脂が表面開孔から表層部の内部細孔に入り込んで固化するため、樹脂層は一種のアンカー固化によって母体表面に強固に密着する。そのため、軸部材との摺動による樹脂層の剥離、脱落が生じにくく、高い耐久性が得られる。

焼結金属製基材からなる樹脂層が形成される表面の表面開孔率は２０〜５０％とするのが好ましい。表面開孔率が２０％未満であると、樹脂層に対するアンカー効果が十分に得られず、表面開孔率が５０％をこえると寸法精度および機械的強度を保持できなくなる場合がある。なお、「表面開孔率」とは表面の単位面積当りに占める表面開孔の総面積の割合（面積比）である。

また、軸受外周部２は、溶製金属製基材で形成してもよい。溶製金属材質としては、鉄、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、または銅合金であることが好ましい。鉄としては一般構造用炭素鋼（ＳＳ４００など）、軟鋼（ＳＰＣＣ、ＳＰＣＥなど）、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６など）などが挙げられ、これら鉄に亜鉛、ニッケル、銅などのめっきを施してもよい。アルミニウムとしてはＡ１１００、Ａ１０５０、アルミニウム合金としてはＡ２０１７、Ａ５０５２（アルマイト処理品も含む）、銅としてはＣ１１００、銅合金としてはＣ２７００、Ｃ２８０１などがそれぞれ挙げられる。

軸受外周部２を溶製金属製基材とする場合、インサート成形時の樹脂層との密着性を高めるために、接合面をショットブラスト、タンブラー、機械加工などにより、凹凸形状に荒らす（例えば、Ｒａ４μｍ以上）ことが好ましい。また、酸性溶液処理（硫酸、硝酸、塩酸など、もしくは他の溶液との混合）、アルカリ性溶液処理（水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなど、もしくは他の溶液との混合）などの化学表面処理を施し、接合面に微細凹凸形状を形成することが好ましい。化学表面処理により形成された微細凹凸形状は、多孔質のような複雑な立体構造となっているため、アンカー効果を発揮しやすく、強固な密着が可能となる。

樹脂層における、（樹脂材料の線膨張係数（単位：１／℃）×（樹脂層の肉厚（単位：μｍ））は、０．１５以下がよく、０．１３以下が好ましく、０．１０以下がさらに好ましい。上記値が０．１５より大きい場合、樹脂層の肉厚または膨張も大きくなる。このとき、樹脂層の外径側は金属製基材で拘束されていることから、金属の膨張分以上は膨張できず、内径側へ膨張し、内径寸法が小さくなる。その結果、軸との隙間が減少し、初期の隙間設定によっては、温度上昇により軸へのダキツキが発生する可能性がある。また、過度の隙間の変動は、トルク変動を引き起こすため好ましくなく、回転精度の点からは隙間は小さいほうが好ましい。また、吸水による寸法変化も大きくなり、過度の隙間の変動が生じる場合がある。

また、成形が可能である樹脂層の肉厚は、５０μｍ程度であり、これより薄いと形成が困難となる。従って、樹脂膨張係数×肉厚は０．００３以上が必要であり、好ましくは０．０１以上、さらに好ましくは０．０１５以上必要である。

樹脂層の肉厚は、０.１〜０.５ｍｍ（１００〜５００μｍ）に設定することが好ましい。なお、本発明における「樹脂層の肉厚」は、金属製基材に入り込まない表面部分の厚さ（径方向の厚さ）である。樹脂層の肉厚が０.１ｍｍ未満では、長期使用時の耐久性に劣るおそれがある。一方、樹脂層の厚さが０．５ｍｍをこえると、ヒケが発生し寸法精度が低下するおそれがある。また、摩擦による熱が摩擦面から金属製基材に逃げ難く、摩擦面温度が高くなる。さらに、荷重による変形量が大きくなるとともに、摩擦面における真実接触面積も大きくなり、摩擦力、摩擦発熱が高くなるおそれがある。

本発明の滑り軸受の形状としては、ラジアル型、平板型、フランジ付きブッシュなど、摺動部の形状に合わせて最適な軸受形状を選択することができる。また、図１では、軸受摺動面に複数の溝を有する態様を説明したが、これに限定されず、該溝を形成しない態様であってもよい。

また、樹脂層の軸受外周部へインサート成形する箇所は、軸受外周部の摺動部であれば特に限定されない。例えば、図２（ａ）〜（ｅ）に示すような場合が挙げられる。図２（ａ）（ｅ）は、ラジアル方向への荷重を支持するため、軸受外周部２の内径側ラジアル摺動面に樹脂層３を形成したものである。図２（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、ラジアル方向およびスラスト方向への荷重を支持するため、軸受外周部２の内径側ラジアル摺動面およびスラスト摺動面に樹脂層３を形成したものである。なお、図示しないが、必要に応じて、軸受の外径部に樹脂層を付与することも可能である。なお、図２（ｃ）（ｅ）に示すように、軸受外周部と樹脂層とが剥がれないような引っ掛け部を有する樹脂層の形状を採用してもよい。

本発明の滑り軸受は、高精度であり、摺動特性（低摩擦、低摩耗）に優れており、アルミ軸などの軟質相手材を攻撃せず、さらに異音の発生も抑制できる。このため、複写機やプリンターなどの事務機器の現像部、感光部、転写部などにおける回転部品の回転軸を支持する軸受として使用できる。なお、ＰＥ樹脂を主成分とすることから、主に８０℃以下の温度雰囲気において好適に利用できる。

また、１５ＭＰａ・ｍ／ｍｉｎ．以上の高ＰＶ値での使用も可能であることから、従来は、転がり軸受で対応していた荷重、速度で使用される部位についても、該転がり軸受に置き換えて使用できる。

実施例および比較例の滑り軸受を、以下の材料および成形方法により製造し、樹脂層の成形が可能であったものについて所定の摩擦摩耗試験を行なった。

１．樹脂材料
ベース樹脂；
（Ａ）射出成形可能なＰＥ樹脂［三井化学社製の商品名リュブマーＬ５０００］（密度（ＡＳＴＭ Ｄ １５０５）：９６６ｋｇ／ｍ^３、ＭＦＲ（ＪＩＳ Ｋ ７２１０（１９０℃、１０ｋｇｆ））：２ｇ／１０分）
充填剤；
（Ｂ）非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂［三井化学社製の商品名ミペロンＸＭ２２０］（重量平均分子量：２００万、平均粒子径（レーザ回析法）：３０μｍ、嵩比重（ＡＳＴＭ Ｄ １８９５）：４００ｋｇ／ｍ^３、ショア硬度（ＡＳＴＭ Ｄ３４１８）：６５Ｄ、球状粒子）
（Ｃ）多孔質シリカ［ＡＧＣエスアイテック社製の商品名サンスフェアＨ５３］
（Ｄ）シリコーン油［信越化学工業社製の商品名ＫＦ−９６Ｈ］
多孔質シリカとシリコーン油との混合比を１：３（質量換算）とする混合物（含油多孔質シリカ）を得て、樹脂材料全体に対してこの混合物を３９質量％、射出成形可能なＰＥ樹脂をＸ質量％、非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂をＹ質量％配合したものを２軸押し出し装置で溶融混練し、成形用ペレットを作成した。ここで、（Ｘ質量％＋Ｙ質量％）＝６１質量％であり、詳細は表２による。

２．焼結金属製基材からなる外環（焼結外環）
サイズ：φ８．５ｍｍ（内径）、φ１６ｍｍ（外径）、５ｍｍ（高さ）
成分：銅（０．５〜２．５質量％）、その他（３質量％以下）、鉄（残量）
製造工程：材料粉末ブレンド、フォーミング、シンタリング、サイジング、防錆・乾燥

３．インサート成形条件
金型内に上記形状の焼結外環を挿入し、上記で得られた成形用ペレットを用いてトンネルゲートを経て、下記条件でインサート成形を行なった。なお、樹脂層の厚みは０．２５ｍｍである。
完成品サイズ：φ８ｍｍ（内径）、φ１６ｍｍ（外径）、５ｍｍ（高さ）
金型温度：１２０℃
成形温度：２５０℃
射出圧力：１００〜１４０ＭＰａ

４．摩擦摩耗試験
下記表１の条件で摩擦摩耗試験を行なった。相手材軸と滑り軸受の隙間は、２０μｍ（２０℃で測定）とした。また、摩耗係数は下記式により算出した。摩擦摩耗試験の結果を表２に示す。

摩耗係数
ｋ＝δ／（Ｆ×Ｄ）
ｋ：摩耗係数 ｍｍ／（Ｎ×ｍ） 定義：単位仕事量当たりの真円度増加量
Ｆ：ラジアル荷重 Ｎ
Ｄ：総滑り距離 ｍ
δ：摩耗量（真円度の増加量） ｍｍ δ＝δ１−δ０
δ０：試験前の供試軸受の内径２断面真円度（半径法）の平均値
δ１：試験後の供試軸受の内径２断面真円度（半径法）の平均値

表２に示すように、ＰＥ樹脂に非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂を所定範囲で含む各実施例は、射出成形可能であり、ＰＶ値５、１５ＭＰａ・ｍ／ｍｉｎのいずれにおいても、低摩擦係数であり、かつ、耐摩耗性にも優れることが分かる。

また、比較例３として、非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂（Ｂ）を含まず、射出成形可能なＰＥ樹脂（Ａ）を樹脂材料全体に対して６１質量％とする以外は、実施例１と同じ条件で滑り軸受を製造した。この比較例３と、実施例２について、上記摩擦摩耗試験を複数回行ない、ＰＶ値と上記摩耗係数との関係を調べた。結果を表３および図３に示す。なお、図３は、表３のデータについて、ＰＶ値を横軸に、摩耗係数を縦軸にしてプロットした図である。

表３および図３に示すように、非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂をまったく含まない比較例３は、ＰＶ値が３ＭＰａ・ｍ／ｍｉｎこえると、大幅に耐摩耗性が悪化していくことが分かる。また、高ＰＶ値では、測定毎の摩耗係数のバラつきも大きくなっている。これに対して、非射出成形性のＵＨＭＷＰＥ樹脂を一部含む実施例２では、ＰＶ値５、１０、１５ＭＰａ・ｍ／ｍｉｎのいずれにおいても、耐摩耗性に優れ、また、そのバラつきも小さいことが分かる。

本発明の滑り軸受は、低摩擦係数を維持しつつ高ＰＶ値に対応可能であり、かつ生産性にも優れるので、特に事務機器における転がり軸受の代替品として好適に利用できる。

１ 滑り軸受
２ 軸受外周部
３ 樹脂層
４ 溝
５ ゲート痕

Claims (10)

1. 金属製基材と、この基材の摺動面となる表面に樹脂材料を用いて射出成形により一体に成形された樹脂層とを有する滑り軸受であって、
   前記樹脂材料が、射出成形可能なポリエチレン樹脂（Ａ）を主成分とし、非射出成形性の超高分子量ポリエチレン樹脂（Ｂ）を含む材料であり、
   前記樹脂材料において、前記超高分子量ポリエチレン樹脂（Ｂ）が、前記ポリエチレン樹脂（Ａ）と前記超高分子量ポリエチレン樹脂（Ｂ）との合計質量に対して５〜３０質量％含まれることを特徴とする滑り軸受。
2. 前記滑り軸受は、面圧（Ｐ）と滑り速度（Ｖ）を乗じたＰＶ値が、５ＭＰａ・ｍ／ｍｉｎ．をこえる条件で使用される軸受であることを特徴とする請求項１記載の滑り軸受。
3. 前記超高分子量ポリエチレン樹脂（Ｂ）の重量平均分子量が１００万〜４００万であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の滑り軸受。
4. 前記射出成形可能なポリエチレン樹脂（Ａ）は、ＪＩＳ Ｋ ７２１０に基づき、荷重１０ｋｇ、１９０℃で測定したときのＭＦＲが１〜３０ｇ／１０分であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の滑り軸受。
5. 前記樹脂材料において、前記超高分子量ポリエチレン樹脂（Ｂ）は平均粒子径１０〜２００μｍの粉末状で配合されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の滑り軸受。
6. 前記樹脂材料は、多孔質シリカとシリコーン油とを含み、前記多孔質シリカに予め前記シリコーン油を含浸した状態で配合されることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の滑り軸受。
7. 前記樹脂材料において、前記多孔質シリカおよび前記シリコーン油が、これらの合計質量で樹脂材料全体に対して２５〜５０質量％含まれることを特徴とする請求項６記載の滑り軸受。
8. 前記樹脂層の肉厚が、０．１〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の滑り軸受。
9. 前記金属製基材が、焼結金属製基材であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項記載の滑り軸受。
10. 前記滑り軸受は、８０℃以下の温度雰囲気で使用される軸受であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項記載の滑り軸受。

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