JP2017088741A - 摺動部材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の摺動部材は、裏金層と、該裏金層上に設けられた摺動層とを備える。摺動層は、合成樹脂と、合成樹脂中に分散された黒鉛粒子とからなり、黒鉛粒子の体積の合計は、摺動層の5〜50体積%を占め、黒鉛粒子の平均粒径は5〜50μmである。黒鉛粒子のうち、この平均粒径の50%以上の粒径を有する黒鉛粒子は、長軸と短軸との比の平均で表される平均アスペクト比が2〜7である長球状の粒子であり、かつその体積の合計は、摺動層内の黒鉛粒子の全体積に対して60体積%以上の比率を有する。長球状の黒鉛粒子の断面組織は、黒鉛結晶のAB面が粒子表面から中心方向に向けて粒子表面の丸みに沿って曲線状に複数積層しており、断面組織内には空隙が無い。
【選択図】図1
Description
ここで、球状化黒鉛粒子は、天然の鱗片状黒鉛粒子を原材料とし、鱗片状黒鉛粒子に小さな負荷を繰り返し加えて、折り曲げることにより球状に造粒したものである。(特許文献3、特許文献4)
この球状化天然黒鉛粒子は、摺動部材の合成樹脂に球形状が維持された状態で分散させた場合、黒鉛粒子内には空隙が存在するために、摺動面の露出する黒鉛粒子が負荷を受けると黒鉛粒子に割れが生じ、摺動面から脱落し、相手軸表面との間の隙間に侵入して摺動面に損傷が発生するという問題がある。
上記の通り、黒鉛結晶は、AB面(六角網面平面)が多数積層し、AB面に垂直方向であるC軸方向に厚みを有する結晶であり、積層したAB面相互間の結合力(ファンデルワールス力)は、AB面の面内方向の結合力に比べてはるかに小さいため、AB面間でせん断が起きやすい。摺動面に黒鉛結晶のAB面からなる面が露出した場合、摺動方向に相手軸と摺動面では相手軸に対してAB面が接触するので、相手軸から負荷が小さい場合でも、AB面間でせん断が容易に起こり、その結果、摺動面と相手軸表面との摩擦力が小さくなり、摺動層の摩耗量が少なくなる。
黒鉛粒子の平均粒径の50%以上の粒径を有する長球状の黒鉛粒子の平均アスペクト比(S1)が3以上であると、平均アスペクト比が2以上3未満である場合よりも、さらに、耐摩耗性が向上する。これは、長球状の黒鉛粒子の表面積が大きくなることにより、合成樹脂との黒鉛粒子の接触面積が大きくなり、合成樹脂との密着性が大きくなるためと考えられる。さらに、長球状の黒鉛粒子の平均アスペクト比(S1)は、3.5以上とすることが好ましい。
S2=X1/Y1
により定義される。ここで、X1は、摺動層の摺動面に対して垂直方向の断面組織における長球状の黒鉛粒子の摺動面に平行方向の長さであり、Y1は、摺動層の摺動面に対し垂直方向の断面組織における長球状の黒鉛粒子の摺動面に垂直方向の長さである。
平均粒径の50%以上の粒径を有する大きな長球状の黒鉛粒子は、上記の通り平均アスペクト比(S1)が2〜7であり粒子の形状は異方性を有するが、等方分散指数S2が、0.9〜1.1であれば、長球状の黒鉛粒子の長軸方向は、摺動層中で方向性を有さずに等方すなわち無配向に分散するので、摺動層の強度がさらに向上する。
この固体潤滑剤を含有することにより、摺動層の摺動特性を高めることができる。
多孔質金属層は、Cu、Cu合金、Fe、Fe合金等の金属粉末を金属板や条等の表面上に焼結することにより形成することができる。多孔質金属層の空孔率は20〜60%程度であればよい。多孔質金属層の厚さは50〜500mm程度とすればよい。この場合、多孔質金属層の表面上に被覆される摺動層の厚さは0.05〜0.4mm程度となるようにすればよい。ただし、ここで記載した寸法は一例であり、本発明がこの値の限定されるものではなく、異なる寸法に変更するも可能である。
なお、摺動層3と裏金層2との間に多孔質金属層6を設けてもよい。多孔質金属層6を設けた摺動部材の一例の断面を図3に概略的に示す。
また、長球状の黒鉛粒子5の組織内に「空隙がない」ことは、摺動層3の摺動面に垂直方向の断面において、複数個(例えば、20個)の黒鉛粒子を電子顕微鏡を用い倍率2000倍で電子像を撮影し、撮影画像中の長球状の黒鉛の粒子の断面組織内に空隙が形成されていないことを観察することにより確認できる。ただし、長球状の黒鉛の粒子の断面組織内に幅0.1μm以下の細線状の空隙の形成は許容されるが、この幅0.1μm以下の細線状の空隙は、その総面積が、黒鉛粒子の断面組織中での面積率が2%以下に限定される。
S2=X1/Y1
ここで、図2に示すように、X1は(摺動層の摺動面に対して垂直方向の断面組織での)長球状の黒鉛粒子の摺動面に対して平行方向の長さであり、Y1は(摺動層の摺動面に対して垂直方向の断面組織での)長球状の黒鉛粒子の摺動面に対して垂直方向の長さである。
さらに、等方分散指数(S2)は、0.9〜1.1とすることが好ましい。
また、平均粒径の50%以上の粒径を有する長球状の黒鉛粒子5以外に摺動層3に含有される黒鉛粒子5は、黒鉛粒子5の全体積に対して40体積%未満であり、それには、平均粒径の50%未満の粒径を有する長球状の黒鉛粒子(アスペクト比2〜7で、粒子の内部に空隙が無となっている)の他には、原材料である球状化黒鉛粒子に含まれる不可避の鱗片状黒鉛粒子と、この球状黒鉛粒子の内部の空隙をなくすための混合工程で発生する不可避の鱗片状黒鉛粒子等がある。この鱗片状黒鉛粒子は、摺動層3が含有する黒鉛粒子5の全体積に対する割合で最大20%が摺動層3に含有されることは許容される。なお、不可避の鱗片状黒鉛粒子は、粒径が2μm以下である。
(1)原材料黒鉛粒子の準備
黒鉛粒子の原材料として、鱗片状天然黒鉛を造粒した球状黒鉛粒子を用いることができる。この球状黒鉛粒子は、黒鉛結晶のAB面が粒の表面から内部に向かって粒子表面の丸みに沿って曲線状に複数積層した組織となっており、粒子の内部には空隙が形成されている。この原材料の球状黒鉛粒子は、レーザー回折式粒度測定装置により測定される平均粒径が7〜60μmで、円形度が0.92以上であるものを用いることが好ましい。ここで、円形度は、次式で表される。
円形度=(投影粒子形状と同一の面積を有する円の周囲長)/(投影粒子形状の周囲長)
投影粒子形状が真円をなす場合には円形度は1となる。投影粒子形状は、光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡などを用いて得られた撮影画像から求めることができる。
なお、原材料の球状黒鉛粒子の円形度が0.92未満のものを用いた場合、後述する混合工程での空隙を無くす処理の際に、黒鉛粒子の表面には不均質に負荷が加わりやすくなり、黒鉛粒子の表面が局部的に変形してせん断したり、内部に割れが生じて新たな空隙が形成されやすくなる。
原材料である合成樹脂粒子は、球状黒鉛粒子の平均径の50〜150%の平均粒径を有するものを用いることが好ましい。合成樹脂としては、PAI、PI、PBI、PA、フェノール、エポキシ、POM、PEEK、PE、PPSおよびPEIのうちから選ばれる1種または2種以上からなるものを用いることができる。
黒鉛成分が5〜50体積%となるように、準備した球状黒鉛粒子と合成樹脂粒子との割合を調整する。この球状黒鉛粒子および合成樹脂粒子を有機溶剤で希釈し、粘度が55000〜100000mPa・sとなる組成物を作製する。この希釈液をロールミルで混合することにより、混合時に、ほぼ球状であった黒鉛粒子に長球形状が付与され、同時に、黒鉛粒子の内部組織中の空隙が消滅する。
従来の黒鉛粒子や他の充填材粒子を含有する樹脂組成物の希釈液の粘度は、通常は、最大でも15000mPa・s程度になされていた。しかし、ここでは、希釈した組成物の粘度を55000〜100000mPa・sと通常よりも大きくする。このことにより、ロールミルによる混合時に、黒鉛粒子と樹脂粒子とが同時にロールミルのロール間のギャップ(間隙)を通過する頻度が高くなる。黒鉛粒子と樹脂粒子とが同時にロールギャップを通過するときに、黒鉛粒子に負荷が加わることにより黒鉛粒が変形するが、ロールから黒鉛粒子へ加わる負荷は、黒鉛粒子に接した樹脂粒子が変形することにより緩和されることで、黒鉛粒子の表面に局部的に過度な負荷が加わることが防がれ、黒鉛粒子をせん断させることなく変形させられる。黒鉛粒子は、合成樹脂の粒子とともにロールミルのロールギャップを通過する毎に徐々に変形し長球形状が付与され、同時に、粒子の内部の空隙がなくなる。
しかし、組成物の粘度が100000mPa・sを超えると、溶剤の濃度が低すぎて、樹脂粒子と黒鉛粒子とを均質に分散させ難くなるため好ましくない。
裏金層としては、Fe合金、Cu、Cu合金等の金属板を用いることができる。裏金層表面、すなわち摺動層との界面となる側に多孔質金属層を形成してもよいが、多孔質金属層は裏金層と同じ組成を有することも、異なる組成または材料を用いることも可能である。
混合後の組成物は、裏金層の一方の表面、あるいは裏金層上の多孔質金属層に塗布され、組成物を塗布した裏金は、組成物の厚さを均一とするため、所定の一定の間隙を有するロール間に通される。
混合後の組成物の粘度は、摺動部材の摺動層中での長球状の黒鉛粒子の長軸方向の等方(無配向)分散にも密接に関係し、この長球状の黒鉛粒子の等方分散は、この被覆工程での条件設定が重要であることが判明した。
他方、組成物の粘度が55000mPa・s以上であると、被覆工程で長球状の黒鉛粒子が流動しにくいので、この長球状の黒鉛粒子は、その長軸の向く方向が、摺動部材の摺動層中において無配向すなわち等方に分散する。具体的には、組成物の粘度が55000mPa・s以上であると、摺動層の分散する長球状の黒鉛粒子は、等方分散指数(S2)が0.85〜1.15となり、さらに組成物に粘度が60000mPa・s以上であると等方分散指数が0.9〜1.1となり、摺動層の強度がより大きくなる。
組成物を被覆した裏金層(あるいは、裏金層および多孔質多孔質金属層)は、組成物中の有機溶剤を乾燥させるための加熱、組成物中の樹脂を焼成するための加熱を施して摺動部材が得られる。これらの加熱条件は、使用した樹脂に対して一般に用いられる条件を採用できる。
黒鉛粒子5の平均粒径は、摺動部材の摺動面に垂直方向の断面を、電子顕微鏡を用いて電子像を200倍で撮影し、黒鉛粒子5の平均粒径を測定した。具体的には、黒鉛粒子5の平均粒径は、得られた電子像を一般的な画像解析手法(解析ソフト:Image−Pro Plus(Version4.5);(株)プラネトロン製)を用いて、各黒鉛粒子5の面積を測定し、それを円と想定した場合の平均直径に換算して求める。
黒鉛粒子5の全体積に対して60%体積%以上のものが、平均粒径の50%以上であることは、上記の手法で得られた電子像を、上記の画像解手法を用い、電子像中の黒鉛粒子5の全面積に対する平均粒径の50%以上の径を有する黒鉛粒子5による面積の割合が60%以上となることで確認できた。なお、この面積割合の値は、体積割合の値に等しい。
原材料として球状化天然黒鉛粒子を用い、この黒鉛粒子を、上記の混合工程で黒鉛粒子の内部組織中の空隙を無くす処理を施しても、長球状の黒鉛粒子の一部は、上記の観察方法により内部に、幅(組織中の黒鉛結晶のAB面に垂直方向の幅)が0.1μm以下の細線状の空隙が、空隙の総面積が黒鉛粒子の断面組織中での面積率で2%以下で形成される場合があったが、このような細線状の空隙を有する長球状の黒鉛粒子であれば、完全に空隙の無い長球状の黒鉛粒子と同等の摺動性能を有する。
次に、組成物中の溶剤を乾燥する加熱、組成物の合成樹脂の焼成する加熱を施して摺動部材を作製した。作製された実施例1〜10および比較例11〜17の摺動部材の摺動層の厚さは0.3mmであり、裏金層の厚さは1.7mmであった。
なお、比較例11〜15の摺動層中の分散する黒鉛粒子は、発明の長球状の黒鉛粒子の構成を満足しないが、実施例と同様の方法で平均アスペクト比(S1)、等方分散指数(S2)を測定した結果を表1に示す。
また、長球状の黒鉛粒子5のアスペクト比(S1)が3以上である実施例1〜7、9は、アスペクト比(S1)が3未満である実施例8、10よりも摩耗量が少なくなる結果となったが、これは、上記で説明したように長球状の黒鉛粒子の表面積が大きくなることにより、合成樹脂との接触面積が増大して合成樹脂による保持が大きくなったためと考えられる。
また、上記のように実施例3、8、10では、長球状の黒鉛粒子5の一部において、断面組織内に幅0.1μm以下で黒鉛結晶の層状組織に沿った細線状の空隙が、この空隙を有する長球状の黒鉛粒子5の断面組織の全面積に対する面積率で2%以下確認されたものを含んだが、これら実施例では、摺動試験後の摺動面からの長球状の黒鉛粒子5の脱落は観察されなかった。
比較例17は、表1に示すように摺動層に含まれる黒鉛粒子の量が60体積%と多いため、摺動層の強度が低くなり、摺動層の摩耗量が多くなったと考えられる。
Claims (7)
- 裏金層と、該裏金層上に設けられた摺動層とを備える摺動部材であって
前記摺動層は、合成樹脂と、該合成樹脂中に分散された黒鉛粒子とからなり、前記黒鉛粒子の体積の合計は、前記摺動層の5〜50体積%を占め、前記黒鉛粒子の平均粒径は5〜50μmであり、
前記黒鉛粒子のうち、前記平均粒径の50%以上の粒径を有する黒鉛粒子は、長軸と短軸との比の平均で表される平均アスペクト比が2〜7である長球状の粒子であり、かつ前記平均粒径の50%以上の粒径を有する長球状の黒鉛粒子の体積の合計は、前記摺動層内の黒鉛粒子の全体積に対して60体積%以上の比率を有し、
前記長球状の黒鉛粒子の断面組織は、黒鉛結晶のAB面が粒子表面から中心方向に向けて粒子表面の丸みに沿って曲線状に複数積層しており、前記長球状の黒鉛粒子の断面組織内には空隙が無い、摺動部材。 - 前記平均粒径の50%以上の粒径を有する長球状の黒鉛粒子の平均アスペクト比が、3〜7である、請求項1に記載された摺動部材。
- 前記平均粒径の50%以上の粒径を有する長球状の黒鉛粒子は、等方分散指数S2が、0.9〜1.1であり、前記等方分散指数S2が
S2=X1/Y1
により表され、ここで
X1は、前記摺動層の摺動面に対して垂直方向の断面組織での、前記長球状の黒鉛粒子の前記摺動面に対して平行方向の長さであり、
Y1は、前記摺動層の摺動面に対して垂直方向の断面組織での、前記長球状の黒鉛粒子の前記摺動面に対して垂直方向の長さである、請求項1または請求項2に記載された摺動部材。 - 前記合成樹脂が、PAI、PI、PBI、PA、フェノール、エポキシ、POM、PEEK、PE、PPS、及びPEIから選ばれる1種または2種以上からなる、請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載された摺動部材。
- 前記摺動層が、MoS2、WS2、h−BN、及びPTFEから選ばれる1種または2種以上の固体潤滑剤を1〜20体積%をさらに含む、請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載された摺動部材。
- 前記摺動層が、CaF2、CaCo3、タルク、マイカ、ムライト、酸化鉄、リン酸カルシウム、及びMo2Cから選ばれる1種または2種以上の充填材を1〜10体積%さらに含む、請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載された摺動部材。
- 前記裏金層と前記摺動層との間に、多孔質金属層をさらに有する、請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載された摺動部材。
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