JP2018080282A - 樹脂組成物および摺動部材 - Google Patents

樹脂組成物および摺動部材 Download PDF

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Abstract

【課題】潤滑油の供給が十分でない環境において高負荷荷重の条件で耐焼付性および耐摩耗性を向上させる。
【解決手段】本発明に係る樹脂組成物は、熱硬化性樹脂で形成されたバインダー樹脂と、前記バインダー樹脂中に分散された添加剤とを有し、前記添加剤が、ＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）と、グラファイトおよびＭｏＳ2の少なくとも一方とを含み、前記添加剤の各々の平均粒径が、いずれも１０μｍ未満であり、前記ＰＴＦＥの平均粒径が、グラファイトおよびＭｏＳ2の平均粒径よりも大きい。
【選択図】図５

Description

本発明は、摺動部材に関する。
摺動面の特性を改善するため、バインダー樹脂に、固体潤滑剤としてＰＴＦＥ、グラファイトおよびＭｏＳ2を添加した樹脂コーティング層を形成した摺動部材が知られている（特許文献１および２）。
特開２００２−３１０３４５号公報 特開２００８−５６７５０号公報
特許文献１または２に記載の技術においては、高負荷荷重の条件で固体潤滑剤の脱落または劈開が起こり、摺動面が荒れるという問題があった。摺動面が荒れると、特に潤滑油の供給が十分でない低油量またはドライの環境で油膜の形成が困難になり、耐焼付性および耐摩耗性が十分でない場合があった。
これに対し本発明は、潤滑油の供給が十分でない環境において高負荷荷重の条件で耐焼付性および耐摩耗性を向上させる技術を提供する。
本発明は、熱硬化性樹脂で形成されたバインダー樹脂と、前記バインダー樹脂中に分散された添加剤とを有し、前記添加剤が、ＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）と、グラファイトおよびＭｏＳ2の少なくとも一方とを含み、前記添加剤の各々の平均粒径が、いずれも１０μｍ未満であり、前記ＰＴＦＥの平均粒径が、グラファイトおよびＭｏＳ2の平均粒径よりも大きい樹脂組成物を提供する。
前記バインダー樹脂が、ポリアミドイミドおよびポリイミドの少なくとも一方を含んでもよい。
前記バインダー樹脂が、ポリアミドイミドであってもよい。
前記バインダー樹脂の含有量が、５０〜８０体積％であってもよい。
前記ＰＴＦＥの含有量が、前記ＭｏＳ2の含有量よりも多くてもよい。
前記ＭｏＳ2の含有量が、０〜１０体積％であってもよい。
前記添加剤が、硬質粒子を含んでもよい。
また、本発明は、基材と、前記基材の上に、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の樹脂組成物で形成されたコーティング層とを有する摺動部材を提供する。
本発明によれば、潤滑油の供給が十分でない環境において高負荷荷重の条件で耐焼付性および耐摩耗性を向上させることができる。
一実施形態に係るコンプレッサー１の構造を示す断面模式図。 斜板３とシュー５との位置関係を例示する図。 斜板３の断面構造を例示する図。 耐焼付き性試験において得られた焼付き面圧を示す図。 摺動試験前後の摺動面の状態を示す図。
１．構造
図１は、一実施形態に係るコンプレッサー１の構造を示す断面模式図である。コンプレッサー１は、いわゆる斜板式コンプレッサーである。コンプレッサー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、本発明に係る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。シュー５は、本発明に係る摺動部材と摺動する相手材の一例である。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とシュー５との位置関係を例示する図である。図２は、摺動面に垂直な方向から見た図である。斜板３は、全体として中央部に孔を有する円板形状を有する。斜板３から見ると、シュー５は、摺動面上を回転運動している。ここで回転運動とは、斜板３に対してシュー５が円状の軌跡を描く運動をいう。
図３は、斜板３の断面構造を例示する図である。図３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。コーティング層３２およびコーティング層３３はいずれもシュー５と摺動する。コーティング層３２およびコーティング層３３は、いずれも、本発明に係るコーティング層の一例である。基材３１は、中央部に孔を有する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。
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形成されている。コーティング層３２は、樹脂組成物で形成される。この樹脂組成物は、バインダー樹脂および添加剤を含む。バインダー樹脂は、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）、エポキシ、およびフェノールの少なくとも１種が用いられる。バインダー樹脂は、このうち特に、ＰＡＩおよびＰＩの少なくとも一方を含むことが好ましい。一例として、この樹脂組成物におけるバインダー樹脂の含有量は５０〜８０体積％であることが好ましい。含有量は６０体積％を超えることがより好ましく、上限は７５体積％であることがより好ましい。
添加剤としては、固体潤滑剤が用いられる。固体潤滑剤は、潤滑特性を改善するため、すなわち摩擦係数を低減するために添加される。一例として、この樹脂組成物は、総量で２０〜５０体積％の固体潤滑剤を含む。固体潤滑剤としては、ＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene、ポリテトラフルオロエチレン）が用いられる。さらに、この樹脂組成物は、ＰＴＦＥに加え、グラファイト（Ｇｒ）およびＭｏＳ2の少なくとも一方を含む。ＭｏＳ2の含有量は、ＰＴＦＥの含有量よりも少ないことが好ましい。一例として、ＰＴＦＥの含有量は、１０〜３０体積％であり、１５〜２５体積％であることがより好ましい。ＭｏＳ2の含有量は、０〜１０体積％であり、０〜４体積％であることが好ましい。グラファイトの含有量は、０〜２０体積％であることが好ましく（すなわちグラファイトは含有されていなくてもよい）、１０〜２０体積％であることがより好ましい。また、ＭｏＳ2の含有量は、グラファイトの含有量よりも少ないことが好ましい。
摺動面の平滑性を高め、油膜形成を助けるため、バインダー樹脂に添加される添加剤の平均粒径は１０μｍ未満であることが好ましく、５μｍ以下であることがより好ましい。ここで、平均粒径とは、バインダー樹脂と混合する前の原料の状態において、レーザー回折法により得られる球相当径の分布における５０％径（メディアン径）をいう。添加剤の平均粒径を１０μｍ未満とすることで、摺動面において添加剤の脱落または劈開が生じても、添加剤の平均粒径が１０μｍ以上である場合と比較して摺動面が滑らかなままであり油膜の形成が助けられる。そのため、境界潤滑から混合〜流体潤滑へ遷移しやすく、低油量かつ高負荷荷重という過酷な条件でも良好な潤滑状態が得られやすい。
ＰＴＦＥの平均粒径は、グラファイトの平均粒径およびＭｏＳ2の平均粒径のいずれよりも大きいことが好ましい。本願発明者らの仮説によれば、平均粒径がグラファイトおよびＭｏＳ2よりも大きいＰＴＦＥを用いることで、摺動面においてＰＴＦＥが引き延ばされてグラファイトまたはＭｏＳ2を覆い、摺動面の平滑性が保たれやすくなる。
この樹脂組成物は、添加剤としてさらに、硬質粒子を含んでもよい。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。硬質粒子の平均粒径は１０μｍ未満であることが好ましく、さらにＰＴＦＥの平均粒径よりも小さいことがより好ましい。
コーティング層３３も、コーティング層３２と同じ樹脂組成物を用いて形成される。なお、基材３１において、摺動面となる面、すなわちコーティング層３２が形成される面およびコーティング層３３が形成される面はいずれもほぼ平坦である。コーティング層３２との接着力を強化するため、基材３１の表面は粗面化されていてもよい。また、基材３１とコーティング層３２との間に中間層が形成されてもよい。
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。例えば、本実施形態に係る樹脂組成物を用いて形成されたコーティング層を有する摺動部材はコンプレッサー用の斜板に限られず、例えば、コンプレッサー用のシュー、エンジンにおいて用いられる半割軸受、ブシュ、またはスラストワッシャであってもよい。
２．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。摺動部材の基材としては鋳鉄を用い、これを図１のような斜板の形状に加工した。この基材の上に、表１に記載される樹脂組成物でコーティング層を形成した。バインダー樹脂としてはＰＡＩを用いた。なお、実験例３は、ＭｏＳ2の平均粒径がＰＴＦＥの平均粒径よりも大きい例であると言える。
上記の３つの実験例の試験片に対し、まず耐摩耗性試験を行った。耐摩耗性試験の試験条件は以下のとおりである。
試験装置：高圧雰囲気摩擦摩耗試験機
周速：４０ｍ／ｓｅｃ
面圧：４〜１２ＭＰａ（漸増：２ＭＰａ／３分）
時間：最大面圧時に１時間保持
雰囲気：冷媒貧潤滑雰囲気
相手材：軸受鋼
試験後の試験片の摺動面を目視で観察し、コーティング層の摩耗の有無を調べた。その結果、実験例３においては摩耗が発生していたが、実験例１および２においては摩耗が確認できなかった。すなわち、実験例３と比較して、実験例１および２は耐摩耗性が向上している。
さらに、本願の発明者らは、実験例１および２の試験片に対し、耐焼付性試験を行った。耐焼付性試験の試験条件は以下のとおりである。
試験装置：油噴霧式貧潤滑試験機
周速：６．３ｍ／ｓｅｃ
面圧：２〜２０ＭＰａ（漸増：２ＭＰａ／１分）
時間：最大１０分間
潤滑方法：噴霧
潤滑油：冷凍機油
相手材：軸受鋼
図４は、耐焼付性試験において得られた焼付き面圧を示す図である。実験例３の試験片では１０ＭＰａの面圧で焼付きが発生したところ、実験例１および２の試験片では、試験装置の最大面圧２０ＭＰａでも焼付きが発生しなかった。このように、実験例３と比較して、実験例１および２は耐焼付性が向上している。
さらに、本願の発明者らは、実験例１および２の試験片に対し摺動試験を行い、試験前後の摺動面の表面粗さを表面粗さ計（小坂研究所製ＳＰ８１Ｂ）で測定し、表面を電子顕微鏡で観察した。摺動試験の試験条件は前述の耐焼付性試験と同様である。
図５は、摺動試験前後の摺動面の状態を示す図である。図５（Ａ）は実験例１を、（Ｂ）は実験例２を、（Ｃ）は実験例３を示す。なお表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１における十点平均粗さＲｚＪＩＳを表している。実験例３においては、摺動試験により表面粗さが増加しているものの、実験例１および２においては、摺動試験において表面粗さが減少している。すなわち、実験例３では使用により表面が荒れているところ、実験例１および２では使用により表面がより滑らかになっている。
１…コンプレッサー
２…シャフト
３…斜板
３１…基材
３２…コーティング層
３３…コーティング層
４…ピストン

Claims (8)

  1. 熱硬化性樹脂で形成されたバインダー樹脂と、
    前記バインダー樹脂中に分散された添加剤と
    を有し、
    前記添加剤が、
    ＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）と、
    グラファイトおよびＭｏＳ2の少なくとも一方と
    を含み、
    前記添加剤の各々の平均粒径が、いずれも１０μｍ未満であり、
    前記ＰＴＦＥの平均粒径が、グラファイトおよびＭｏＳ2の平均粒径よりも大きい
    樹脂組成物。
  2. 前記バインダー樹脂が、ポリアミドイミドおよびポリイミドの少なくとも一方を含む
    請求項１に記載の樹脂組成物。
  3. 前記バインダー樹脂が、ポリアミドイミドである
    請求項２に記載の樹脂組成物。
  4. 前記バインダー樹脂の含有量が、５０〜８０体積％である
    請求項１ないし３のいずれか一項に記載の樹脂組成物。
  5. 前記ＰＴＦＥの含有量が、前記ＭｏＳ2の含有量よりも多い
    請求項１ないし４のいずれか一項に記載の樹脂組成物。
  6. 前記ＭｏＳ2の含有量が、０〜１０体積％である
    請求項５に記載の樹脂組成物。
  7. 前記添加剤が、硬質粒子を含む
    請求項１ないし６のいずれか一項に記載の樹脂組成物。
  8. 基材と、
    前記基材の上に、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の樹脂組成物で形成されたコーティング層と
    を有する摺動部材。
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