JP2014173675A

JP2014173675A - 摺動部材、軸受部材、シール部材、および、装置

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Publication number: JP2014173675A
Application number: JP2013047691A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Yamane; 正明山根; Kumiko Yoshihisa; 久美子義久
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2014-09-22
Anticipated expiration: 2033-03-11
Also published as: JP6155709B2

Abstract

【課題】樹脂で摺動部材を構成し、当該摺動部材の摺動面に配される物質を工夫することで、摺動部材と潤滑液との親和性を高くして、耐摩耗性を向上させる。
【解決手段】潤滑液２００が供給される摺動部材１００であって、樹脂製の本体部１１０を備え、本体部１１０の摺動面には、酸素を含む官能基１２０が付与されている。酸素を含む官能基１２０は、例えば、Ｃ−Ｏ、Ｃ＝Ｏ（カルボニル基）、Ｏ−Ｃ＝Ｏ（カルボキシル基）、ＳＯ_３Ｈ（スルホ基）である。
【選択図】図１

Description

本発明は、潤滑液で潤滑される摺動部材、ならびに、これを用いた、軸受部材、シール部材、および、装置に関する。

潤滑液が供給される摺動部材のうち、例えば、回転軸のスラスト荷重を受けるスラスト軸受の摺動面（すべり面）に、潤滑液が流通する溝が形成されているスラスト軸受が開発されている。また、スラスト軸受において、摺動面に凹凸を形成することで、動圧効果を向上させる技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

潤滑液が供給される軸受等の摺動部材として、ホワイトメタル（バビット・メタル）等の合金、セラミックス（例えば、特許文献１）、カーボン（例えば、特許文献２）、フェノール樹脂（例えば、特許文献３）で構成される例が示されている。

特開平１１−３５１２４２号公報特許第３９６３９９４号公報特開２００１−１２４０７０号公報

しかし、合金や、セラミックス、カーボンで摺動部材を構成すると、潤滑液との親和性が相対的に低いため、ストライベック曲線における境界潤滑領域や混合潤滑油領域において、摩擦係数が大きくなる。そうすると、摺動面に溝や凹凸が形成された上記軸受等の摺動部材では、摺動面が摩耗して、溝や凹凸がすり減ったり、摩耗粉が溝や凹部に堆積したりして、潤滑液の流通量が低下したり、動圧効果が得られなくなったりしてしまうおそれがある。

また、セラミックスやカーボンは、加工に高度な技術を要するため、製造コストが高いという問題もある。

そこで、加工が容易であるため、低コストで製造できる樹脂で、摺動部材を構成することも考えられるが、水酸基を有さない一般的な樹脂は、潤滑液との親和性が相対的に低い。水酸基を有するフェノール樹脂は、水を潤滑液として利用する場合、潤滑液との親和性が相対的に高いものの、水に曝されると未重合のものが膨潤してしまい、摺動部材が変形するおそれがある。

したがって、低コストで製造でき、かつ、潤滑液との親和性が高く耐摩耗性を向上させた摺動部材の開発が希求されている。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、樹脂で摺動部材を構成し、当該摺動部材の摺動面に配される物質を工夫することで、摺動部材と潤滑液との親和性を高くすることができ、耐摩耗性を向上させることが可能な摺動部材、軸受部材、シール部材、および、装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の摺動部材は、潤滑液が供給される摺動部材であって、樹脂製の本体部を備え、本体部の摺動面には、酸素を含む官能基が付与されていることを特徴とする。

また、本体部は、樹脂に加えて、炭素材料を含んで構成されるとしてもよい。

また、樹脂は、ポリフェニレンサルファイドであるとしてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の軸受部材は、上記摺動部材を含むことを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明のシール部材は、上記摺動部材を含むことを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明の装置は、上記摺動部材を含むことを特徴とする。

本発明によれば、樹脂で摺動部材を構成し、当該摺動部材の摺動面に配される物質を工夫することで、摺動部材と潤滑液との親和性を高くすることができ、耐摩耗性を向上させることが可能となる。

本実施形態にかかる摺動部材を説明するための図である。実施例と比較例とのＸＰＳ結果を示す図である。実施例と比較例とのＸＰＳ結果を示す図である。実施例と比較例とのＸＰＳ結果を示す図である。接触角を説明するための図である。水中ピンオンディスク試験の結果を説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本実施形態にかかる摺動部材１００を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態にかかる摺動部材１００は、例えば、図１中白抜き矢印で示す方向に、相手部材１５０に対して相対的に摺動する。摺動部材１００における相手部材１５０との摺動面には、液体の潤滑液２００が供給され、当該潤滑液２００によって摺動部材１００の摺動面における摩擦力や摩耗が低減される。図１に示すように、摺動部材１００は、樹脂製の本体部１１０を備え、本体部１１０の摺動面には、酸素を含む官能基１２０が付与されている。

酸素を含む官能基（以下、単に「官能基」と称する）１２０は、例えば、Ｃ−Ｏ、Ｃ＝Ｏ（カルボニル基）、Ｏ−Ｃ＝Ｏ（カルボキシル基）、ＳＯ_３Ｈ（スルホ基）であり、樹脂と比較して、潤滑液２００との親和性が相対的に高い。例えば、潤滑液２００を水とする場合、官能基１２０は、樹脂と比較して親水性が相対的に高い。したがって、本体部１１０の摺動面に官能基１２０を配することで、摺動面において潤滑液２００との親和性を高くすることができ、摺動面の摩擦を低減することが可能となる。これにより、摺動部材１００の耐摩耗性を向上させることができる。

本体部１１０を構成する樹脂は、ポリフェニレンサルファイド（以下、「ＰＰＳ」と称する）、ナイロン等のポリアミド系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチルメタクリレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニルの群から選択される１または複数であり、好ましくは、ＰＰＳ、ナイロン等のポリアミド系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂の群から選択される１または複数であり、より好ましくは、ＰＰＳである。

ＰＰＳ、ナイロン等のポリアミド系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂は、自己潤滑性や耐摩耗性が高く、機械的強度が大きいため、これらの樹脂で本体部１１０を構成することにより、本体部１１０の潤滑性、耐摩耗性、機械的強度を向上することができる。

ＰＰＳは、軸受の材料として一般的に利用されているホワイトメタルと実質的に同等の強度を有するため、ＰＰＳで本体部１１０（摺動部材１００）を形成することにより、摺動部材１００の耐久性を維持することが可能となる。また、ＰＰＳは、潤滑液２００として水を利用する場合であっても、フェノール樹脂と比較して膨潤率が低い。したがって、ＰＰＳで摺動部材１００を形成することにより、摺動部材１００が潤滑液２００によって膨潤し、変形してしまう事態を回避することが可能となる。

さらに、摺動部材１００の本体部１１０は、樹脂に加えて、炭素材料（例えば、炭素繊維）やガラス（ＳｉＯ_２）繊維を含んで構成されてもよい。炭素繊維やガラス繊維といった繊維状物質を含有する樹脂で本体部１１０を構成することにより、摺動部材１００の強度を向上させることができ、摺動部材１００の耐久性をさらに向上させることが可能となる。

また、炭素やシリコン（Ｓｉ）は、官能基１２０を形成しやすいため、炭素材料やシリコン材料（例えば、ＳｉＯ_２）を含有する樹脂で本体部１１０を構成することにより、本体部１１０の摺動面への官能基１２０の付与効率を向上させることが可能となる。

本体部１１０の摺動面への官能基１２０の付与は、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマ（例えば、特開２０１２−１０２２０５号公報に記載）等の真空プラズマや、大気圧プラズマを利用して遂行することができる。このようなプラズマを利用して、樹脂に官能基１２０を付与する場合、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンの群から選択された１または複数のガスでプラズマを発生させ、官能基１２０の付与のためのガスとして酸素、窒素、二酸化炭素の群から選択させる１または複数のガスを利用するとよい。

なお、ジャーナル軸受等の筒状の摺動部材１００であって、内周面に摺動面が配される摺動部材１００を製造する場合、大気圧プラズマを利用するとよい。

また、本体部１１０の摺動面への官能基１２０の付与は、プラズマに限らず、コロナ放電やグロー放電等の既存の技術を利用することも可能である。

（実施例）
樹脂として、ＰＰＳ単体、ＰＰＳに３０％炭素繊維を混合したもの（以下、「カーボン含有ＰＰＳ」と称する）、ＰＰＳに４０％ガラス繊維を混合したもの（以下、「ガラス含有ＰＰＳ」と称する）を用い、特開２０１２−１０２２０５号公報に記載された技術を利用して、ＥＣＲプラズマ処理を施した。具体的に説明すると、まず、前処理として、樹脂をアルゴンプラズマ雰囲気下に曝し、樹脂の表面にアルゴンイオンを作用させた。続いて、前処理を施した樹脂をアルゴンおよび酸素の混合気体のプラズマ雰囲気下に曝し、樹脂の表面に官能基１２０を付与した。

以下、官能基１２０を付与する処理を施していないＰＰＳ単体を比較例１、カーボン含有ＰＰＳを比較例２、ガラス含有ＰＰＳを比較例３とし、官能基１２０を付与する処理を施したＰＰＳ単体を実施例Ａ、カーボン含有ＰＰＳを実施例Ｂ、ガラス含有ＰＰＳを実施例Ｃと称する。

（Ｘ線光電子分光分析）
上述した実施例Ａ〜Ｃ、比較例１〜３それぞれについて、Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）を行った。図２は実施例Ａと比較例１とのＸＰＳ結果を示す図であり、図３は実施例Ｂと比較例２とのＸＰＳ結果を示す図であり、図４は実施例Ｃと比較例３とのＸＰＳ結果を示す図である。なお、図２〜図４中、実施例Ａ〜ＣのＸＰＳ結果を実線で示し、比較例１〜３のＸＰＳ結果を破線で示す。また、図２〜図４中、縦軸は、ＸＰＳ装置で得られた光電子の強度を表す信号強度を示し、横軸は結合エネルギー（ｅＶ）を示す。

図２（ａ）〜図４（ａ）において矢印で示すように、比較例１〜３と比較して、実施例Ａ〜Ｃでは、２８８ｅＶ〜２９２ｅＶにかけて信号強度が大きくなっている（ピークが出現している）。つまり、Ｃ１ｓ軌道を示すピークが出現している。これらの結果から、官能基１２０を付与する処理を施すことにより、炭素および酸素を含む官能基１２０である、Ｃ−Ｏ、Ｃ＝Ｏ（カルボニル基）、Ｏ−Ｃ＝Ｏ（カルボキシル基）が樹脂の表面に付与できることが確認された。

さらに、図２（ａ）、図３（ａ）に示すように、実施例Ａよりも実施例Ｂの方が、Ｃ１ｓ軌道を示すピークのピーク面積が大きいことが分かった。これにより、ＰＰＳに炭素を混合することにより、樹脂の表面に官能基１２０を多く付与できることが確認できた。

また、図２（ｂ）〜図４（ｂ）において矢印で示すように、比較例１〜３と比較して、実施例Ａ〜Ｃでは、１６６ｅＶ〜１７２ｅＶにかけて信号強度が大きくなっている（ピークが出現している）。つまり、Ｓ２ｐ軌道を示すピークが出現している。これらの結果から、官能基１２０を付与する処理を施すことにより、硫黄および酸素を含む官能基１２０であるＳＯ_３Ｈ（スルホ基）が樹脂の表面に付与できることが確認された。

さらに、図２（ｂ）、図３（ｂ）に示すように、実施例Ａよりも実施例Ｂの方が、Ｓ２ｐ軌道ピークのピーク面積が大きいことが分かった。これは、実施例Ｂに含まれるカーボン（炭素材料）によって、酸化が促進されると推測される。この結果から、ＰＰＳに炭素材料を混合することにより、樹脂の表面に官能基１２０を多く付与できることが確認できた。

（接触角測定）
図５は、接触角を説明するための図である。図５に示すように、接触角は、固体表面上に液体が接している状態で、液体の縁の表面における接線と固体表面とが成す角θである。上述したＰＰＳ単体に官能基１２０を付与した実施例Ａと、何らの処理を施していないＰＰＳ単体である比較例１との表面に、それぞれ２μｍの水を滴下し、接触角θを測定した。

その結果、比較例１では、接触角θが９５°程度であったのに対し、実施例Ａでは、接触角θが２５°程度であった。つまり、官能基１２０を付与する処理を施すことで、樹脂の表面の接触角を小さくできることが確認された。接触角θを小さくできるということは、樹脂（固体）の表面エネルギーを大きくすることができるということと同義である。つまり、官能基１２０を付与する処理を施すことで、樹脂の表面エネルギーを大きくすることが可能となり、水等の液体（潤滑液２００）との親和性を高くすることができ、潤滑液２００を樹脂表面に広げることが可能となることが確認された。

なお、特開２０１２−１０２２０５号公報に記載された技術は、摺動部材や、摩擦、摩耗とは何ら関係のない、樹脂の接着性や印刷性を向上するために開発された技術である。しかし、本願発明者は、当該技術が樹脂の親水性を向上させることに着目し、水を潤滑液として利用する摺動部材への適用を見出した。また、特開２０１２−１０２２０５号公報に記載されている樹脂は、機械的強度が相対的に低く、また、使用温度範囲が低いため摺動部材１００として適用するのは困難である。

そこで、上述したように、特開２０１２−１０２２０５号公報に記載された技術等の真空プラズマを利用して、樹脂に官能基１２０を付与したところ、当該接触角θの測定結果からも確認できるように、樹脂自体の表面エネルギーを向上させることができることが分かった。これにより、樹脂に付与された官能基１２０による、樹脂の表面エネルギーの向上によって、水のみならず、他の液体を潤滑液として利用した場合であっても、潤滑液２００を樹脂表面に広げることができると推測される。したがって、本実施形態にかかる摺動部材１００は、潤滑液２００の種類に拘わらず、摺動部材１００と潤滑液２００との親和性を高くして、耐摩耗性を向上させることが可能となると考えられる。

（水中ピンオンディスク試験）
水中に試料を固定し、試料表面にピンを接触させながら、試料を回転させることで、試料とピンを回転摺動させて、試料の摩擦係数を測定した。試料として、実施例Ａ〜Ｃ、比較例１〜３をそれぞれ用いて、摩擦係数を測定した。

図６は、水中ピンオンディスク試験の結果を説明するための図である。なお、図６中、実施例Ａを実線で、実施例Ｂを破線で、実施例Ｃを点線で、比較例１を太線で、比較例２を一点鎖線で、比較例３を二点鎖線でそれぞれ示す。また、図６中、縦軸は摩擦係数（μ）を示し、横軸は摺動距離（ｍ）を示す。

図６に示すように、比較例１と比較して実施例Ａの方が、摩擦係数が低くなることが確認された。また、摺動距離が大きくなっても、すなわち、摺動時間が長くなっても、比較例１と比較して実施例Ａの方が、摩擦係数が低くなることが確認された。同様に、比較例２と比較して実施例Ｂの方が、比較例３と比較して実施例Ｃの方が、摩擦係数が低くなり、摺動距離が大きくなっても、摩擦係数が低くなることが確認された。

以上の結果から、官能基１２０を付与する処理を施すことで、樹脂の摩擦係数を低下できることが確認できた。これにより、摺動部材１００として樹脂を用い、かかる樹脂の摺動面に官能基１２０を付与することで、摺動部材１００の摺動面の摩擦係数を低減することができ、摺動部材１００の耐摩耗性を向上させることができることが分かった。

以上説明したように、本実施形態にかかる摺動部材１００によれば、摺動部材１００の本体部１１０を樹脂で構成し、本体部１１０の摺動面に酸素を含む官能基１２０を配することで、摺動面において、潤滑液２００との親和性を高くすることができ、摺動部材１００の耐摩耗性を向上させることが可能となる。

また、上述した摺動部材１００を、軸受部材（スラスト軸受や、ジャーナル軸受）、シール部材（リップシールやメカニカルシール）、水噴射式空気圧縮装置、水中ポンプ、燃料ポンプ等の装置に利用することで、軸受部材、シール部材、装置における摺動部材１００の耐摩耗性を向上させることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、摺動部材、軸受部材、シール部材、および、装置に利用することができる。

１００ …摺動部材
１１０ …本体部
１２０ …官能基
２００ …潤滑液

Claims

潤滑液が供給される摺動部材であって、
樹脂製の本体部を備え、
前記本体部の摺動面には、酸素を含む官能基が付与されていることを特徴とする摺動部材。
前記本体部は、前記樹脂に加えて、炭素材料を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
前記樹脂は、ポリフェニレンサルファイドであることを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材。
請求項１から３のいずれか１項に記載の摺動部材を含むことを特徴とする軸受部材。
請求項１から３のいずれか１項に記載の摺動部材を含むことを特徴とするシール部材。
請求項１から３のいずれか１項に記載の摺動部材を含むことを特徴とする装置。