JP2017031987A - 摺動部材および斜板式コンプレッサ - Google Patents

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Abstract

【課題】初期なじみによるコーティング層の摩滅の防止と耐焼付き性の向上とを両立させる。【解決手段】摺動部材である斜板３は、基材３１と、基材３１上に形成された、厚さ１０μｍ以上のコーティング層３２とを有し、コーティング層３２１は、バインダー樹脂３２１と、バインダー樹脂３２１中に分散された、ｃ軸配向性を有する固体潤滑剤３２２とを有し、コーティング層３２における固体潤滑剤３２１の相対ｃ軸強度比が８０％以上である。【選択図】図３

Description

本発明は、固体潤滑剤が分散された樹脂コーティング層を有する摺動部材に関する。
固体潤滑剤が分散された樹脂コーティング層を有する摺動部材が知られている。特許文献１には、摩擦係数の低減および耐焼付き性の向上を実現するため、厚さが３μｍ以下でありかつ固体潤滑剤の相対ｃ軸強度比が９０％である樹脂被膜層（樹脂コーティング層）が形成された摺動部材が記載されている。
特許第５３９１３２７号公報
例えば斜板式コンプレッサの斜板など、相対的に潤滑油の少ない環境で使用される摺動部材においては摩耗が進行しやすく、特許文献１に記載の技術では初期なじみによりコーティング層が摩滅してしまう可能性があった。
これに対し本発明は、初期なじみによるコーティング層の摩滅の防止と耐焼付き性の向上とを両立させる技術を提供する。
本発明は、基材と、前記基材上に形成された、厚さ１０μｍ以上のコーティング層とを有し、前記コーティング層は、バインダー樹脂と、前記バインダー樹脂中に分散された、ｃ軸配向性を有する固体潤滑剤とを有し、前記コーティング層における前記固体潤滑剤の相対ｃ軸強度比が８０％以上である摺動部材を提供する。
前記バインダー樹脂が、ポリアミドイミド、ポリアミド、およびポリイミドの少なくとも１種を含んでもよい。
前記固体潤滑剤材が、ＭｏＳ2、グラファイト、ＷＳ2、およびｈ−ＢＮの少なくとも１種を含んでもよい。
また、本発明は、上記いずれかの摺動部材を斜板として用いた斜板式コンプレッサを提供する。
本発明によれば、初期なじみによるコーティング層の摩滅の防止と耐焼付き性の向上とを両立させることができる。
一実施形態に係るコンプレッサ１の構造を示す断面模式図 斜板３の構造を例示する図 コーティング層３２の構造を例示する模式図 コーティング層３２における固体潤滑剤３２２の配向状態を示す模式図 斜板３の製造方法を例示するフローチャート 実験例１〜４における膜厚の測定結果を示す図 実験例１〜４における配向率の測定結果を示す図 実験例１〜４における焼付き面圧の測定結果を示す図
１．構造
図１は、一実施形態に係るコンプレッサ１の構造を示す断面模式図である。コンプレッサ１は、いわゆる斜板式コンプレッサである。コンプレッサ１は、シャフト２、斜板３、ピストン４、およびシュー５を有する。シャフト２は、ハウジング（図示略）に対して回転可能に支持されている。斜板３は、シャフト２の回転軸に対して斜めに固定されている。斜板３は、本発明の摺動部材の一例である。ピストン４は、ハウジングに設けられたシリンダボア（図示略）内を往復運動する。シュー５は、斜板３とピストン４との間に設けられており、斜板３およびピストン４とそれぞれ摺動する。シュー５において、斜板３と摺動する面はほぼ平坦であり、ピストン４と摺動する面はドーム状（半球状）の形状を有している。シャフト２の回転は、斜板３によりピストン４の往復運動に変換される。
図２は、斜板３の構造を例示する図である。図２は、シュー５との摺動面に垂直な断面における構造を示す模式図である。斜板３は、基材３１、コーティング層３２、およびコーティング層３３を有する。基材３１は、円板形状を有しており、要求される特性を満たす金属、例えば、鉄系、銅系、またはアルミニウム系の合金により形成される。シュー５との凝着を防ぐ観点から、斜板３はシュー５とは異なる材料で形成されることが好ましい。
図３は、コーティング層３２の構造を例示する模式図である。コーティング層３２は、斜板３の摺動面の特性を改善するために設けられている。コーティング層３２は、バインダー樹脂３２１および固体潤滑剤３２２を有する。コーティング層３２は、例えば、２０〜７０ｖｏｌ％の固体潤滑材を含む。残部はバインダー樹脂である。バインダー樹脂３２１は、例えば熱硬化性樹脂により形成される。熱硬化性樹脂としては、例えば、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、およびポリイミド（ＰＩ）の少なくとも１種が用いられる。固体潤滑剤３２２は、潤滑特性を改善するために添加される。固体潤滑剤３２２としては、ｃ軸配向性を有する結晶性物質、例えば、ＭｏＳ2、グラファイト（Ｇｒ）、ＷＳ2、およびｈ−ＢＮの少なくとも１種が用いられる。ｃ軸配向性を有する結晶性物質とは、六方晶系等、層状の結晶構造を有する物質をいう。なお、コーティング層３２は、固体潤滑剤３２２に加え、硬質粒子を含んでいてもよい。硬質粒子としては、例えば、酸化物、窒化物、炭化物、および硫化物の少なくとも１種が用いられる。
コーティング層３２の摩滅を防止する観点から、コーティング層３２の厚さは１０μｍ以上であることが好ましく、１５μｍ以上であることがより好ましく、２０μｍ以上であることがさらに好ましい。例えば、コーティング層３２の厚さが５μｍ未満であると、コーティング層３２が摩耗して基材３１が露出してしまう場合がある。基材３１が露出すると、摩擦係数が増大したり、シュー５と凝着したりする問題が発生する。また、コーティング層３２の膜厚が厚すぎるとかえって耐焼付き性が低下する場合があることから、５０μｍ以下であることが好ましい。
また、耐焼付き性を向上させる観点から、コーティング層３２における固体潤滑剤３２２の相対ｃ軸強度比は８０％以上であることが好ましく、８５％以上であることがより好ましい。ここで、相対ｃ軸強度比とは、Ｘ線回折における全回折ピーク強度に対する、劈開面からの回折ピーク強度の比をいう。より詳細には、相対ｃ軸強度比は、（００２）、（００４）、（１００）、（１０１）、（１０２）、（１０３）、（１０５）、（１１０）、および（００８）面からの回折ピーク強度の積算値に対する、（００２）、（００４）、および（００８）面からの回折ピーク強度の積算値の比として定義される。上記の９つの結晶面以外からの回折ピークが現れる場合もあるが、ピーク強度が弱いため相対ｃ軸強度比の算出においては無視する。
相対ｃ軸強度比が８０％以上である、すなわち相対ｃ軸強度比が高い状態とは、コーティング層３２において固体潤滑剤３２２の結晶方位が揃っている状態を意味する。結晶方位が揃っている度合いを示しているという意味において、相対ｃ軸強度比を以下では「配向率」という。一般に固体潤滑剤は、層構造を有する結晶における層間滑りにより低い摩擦係数を示す。結晶方位が揃っているということは、層間滑りが起こる方向が揃っているということである。
図４は、コーティング層３２における固体潤滑剤３２２の配向状態を示す模式図である。図４（Ａ）は配向率が低い状態を、図４（Ｂ）は配向率が高い状態を、それぞれ示している。これらの図では、固体潤滑剤３２２を六角形の薄片として表している。図４（Ｂ）の例では、固体潤滑剤３２２は、劈開面が摺動面にほぼ平行な方向に揃っている。図４（Ｂ）のようにコーティング層３２において固体潤滑剤３２２の配向率が高いと、摩擦係数が減少し、耐焼付き性が向上する。
固体潤滑剤３２２の平均粒径は、例えば１〜６μｍである。平均粒径は、例えばレーザー回折法により測定される。
コーティング層３３は、コーティング層３２と同様に形成される。
２．製造方法
図５は、斜板３の製造方法を例示するフローチャートである。ステップＳ１において、基材が準備される。ステップＳ２において、基材が所定の形状に成型される。この例では、基材が円板状に成型される。基材とコーティング層との密着性を高めるため、基材の表面が粗面化されてもよい。
ステップＳ３において、コーティング層を形成するための塗料が準備される。まず、バインダー樹脂および固体潤滑剤が公知の方法で混合される。これらの混合体は、希釈剤で希釈される。希釈剤としてはどのようなものが用いられてもよいが、例えば、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）が用いられる。希釈剤の配合比率は、固形分に対して例えば３０〜７０体積％である。
ステップＳ４において、基材の表面に塗料が塗布される。塗料は、例えば、パッド印刷、ロールコーティング、またはスプレーコーティングにより塗布される。１回で塗布できる塗料の厚さが制限される場合、２回以上の重ね塗りが行われてもよい。ステップＳ５において、塗布層は乾燥および焼成される。コーティング層の表面粗さは、例えば５μｍＲｚ以下であることが好ましい。
３．実験例
種々の条件で摺動部材の試験片を作製し、これらの特性を評価した。より詳細には、実験例１〜４の４つの区分において、それぞれ複数の試験片を作製した。実験例１〜４において、コーティング層３２の材料および組成は共通である。バインダー樹脂としてはＰＡＩを、固体潤滑材としてはＭｏＳ2およびグラファイトを用いた。実験例１〜４の基材としては、鋳鉄（ＦＣＤ７００）を用いた。
実験例１〜４においては、コーティング層を形成するための塗料の塗布方法およびコーティング層の膜厚が異なっている。より具体的には、実験例１、２、および４は、パッド印刷によりコーティング層が形成されたのに対し、実験例３はロールコーティングによりコーティング層が形成された。膜厚に関しては、パッド印刷で塗料を塗布した試験片については、膜厚を３〜１９μｍの範囲で変化させた。これらの実験例１〜４に対して、耐焼付き性の試験を行った。耐焼付き性は、以下の条件で斜板とシューとを摺動させて試験した。この試験条件は、コンプレッサ内の潤滑状態を想定したものである。また、以下の試験においてコーティング層の摩滅が発生したか否か、肉眼で確認した。
雰囲気：冷媒＋冷凍機油
回転数：７２００ｒｐｍ（斜板回転）
荷重：漸増（最大１４ＭＰａ）
表１は、実験例１〜４の特性、焼付き試験および摩滅試験の結果を示す。なお表１においては製造コストについても記載している。
Figure 2017031987
 ＊１：膜厚の詳細なデータは図６参照。
＊２：配向率の詳細なデータは図７参照。
＊３：焼付き面圧の詳細なデータは図８参照。
コーティング層をパッド印刷で塗布した試料（実験例１、２、および４）とロールコーティングで塗布した試料（実験例３）とを対比すると、パッド印刷で塗布した試料の方が配向率が高い傾向が見られた。パッドコートでは薄い膜を積層して所望の膜厚を得ている。１層あたりの膜厚は添加剤のサイズと同等程度になり、添加剤を押しつける効果が得ら、高い配向率が得られる。一方で、ロールコーティングでは１回で所望の厚さの膜を塗布している。そのため、添加剤のサイズを基準とすると膜厚は（パッドコートよりも）厚くなり、添加剤を押しつける効果が弱くなり、相対的に低い配向率が得られる。
実験例１〜３と実験例４とを対比すると、膜厚が薄い試験片（実験例４）は、膜厚が厚い試験片（実験例１〜３）と比較して耐焼付き性が低いという結果が得られた。なお、試験装置の制約から実験例１と実験例３に対しては耐焼付き性の差を評価することができなかったが、特許第４８２７６８０号の明細書に記載されているように、配向率（相対ｃ軸強度）の上昇に伴い焼付き面圧が上昇すると考えられる。
実験例１と実験例３とを比較すると、実験例３の方が製造コストが低い。これは以下の理由による。ロールコートでは、平面度および平行度という観点から、相対的に精度が低い。実験例３では、平面度および平行度を高くするため、焼成後に切削加工を行っている。そのため、加工しろとして塗料を厚めに塗っており、歩留まり低下の一因となっている。パッド印刷では十分な精度が出せるため切削加工が不要である。したがって、塗料の歩留まりがよく、また切削加工を省略できるので加工コストも低い。
なお、本発明に係る摺動部材は、コンプレッサ１の斜板３として用いられるものに限定されない。本発明に係る摺動部材は、半割軸受やブシュなど、斜板式コンプレッサ以外の摺動部材として用いられてもよい。実験例におけるコーティング層の材料、組成、膜厚等はあくまで例示である。本発明はこれに限定されるものではない。
１…コンプレッサ
２…シャフト
３…斜板
３１…基材
３２…コーティング層
３２１…バインダー樹脂
３２２…固体潤滑剤
３３…コーティング層
４…ピストン
５…シュー

Claims (4)

  1. 基材と、
    前記基材上に形成された、厚さ１０μｍ以上のコーティング層と
    を有し、
    前記コーティング層は、
    バインダー樹脂と、
    前記バインダー樹脂中に分散された、ｃ軸配向性を有する固体潤滑剤と
    を有し、
    前記コーティング層における前記固体潤滑剤の相対ｃ軸強度比が８０％以上である
    摺動部材。
  2. 前記バインダー樹脂が、ポリアミドイミド、ポリアミド、およびポリイミドの少なくとも１種を含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
  3. 前記固体潤滑剤が、ＭｏＳ2、グラファイト、ＷＳ2、およびｈ−ＢＮの少なくとも１種を含む
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材。
  4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の摺動部材を斜板として用いた斜板式コンプレッサ。
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