JP2019082216A - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】使用後にも樹脂コーティング層の表面に溝が残存する摺動部材を提供する。【解決手段】一実施形態に係る摺動部材は、相手材と対向する表面を有する基材と、前記表面において、前記相手材との摺動方向に沿って形成された溝と、前記表面に形成され、前記相手材との摺動面を形成する樹脂コーティング層と、前記樹脂コーティング層の表面に形成された溝とを有し、所定の条件における摩耗試験後において前記樹脂コーティング層の表面に深さ２μｍ以上の溝が存在する。【選択図】図４

Description

本発明は、摺動部材に関する。

基材上に樹脂コーティング層を形成した斜板において、樹脂コーティング層の表面に溝を形成する技術が知られている（例えば特許文献１及び２）。

特開２０１４−１５１４９９号公報 国際公開第２００２／０７５１７２号

特許文献１及び２に記載の技術においては、斜板の使用に伴って樹脂コーティング層表面の溝が摩耗して無くなってしまうという問題があった。

これに対し本発明は、使用後にも溝が存在する摺動部材を提供する。

本発明は、相手材と対向する表面を有する基材と、前記表面において、前記相手材との摺動方向に沿って形成された溝と、前記表面に形成され、前記相手材との摺動面を形成する樹脂コーティング層と、前記樹脂コーティング層の表面に形成された溝とを有し、下記の条件における摩耗試験後において前記樹脂コーティング層の表面に溝が存在する
潤滑方式：オイルミスト噴霧
潤滑量：０．２２ｍｇ／ｍｉｎ
周速：４．２ｍ／ｓ
面圧：３．２ＭＰａ
試験時間：２０ｍｉｎ
雰囲気：大気中
摺動部材。

前記基材に形成された溝は、当該基材の表面から見て同心円又は渦巻きの形状を有してもよい。

前記基材の溝に形成された溝の深さが、２〜８μｍであってもよい。

前記基材の溝に形成された溝の間隔が、４０〜２００μｍであってもよい。

本発明によれば、使用後にも溝が残存する摺動部材を提供することができる。

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の形状を例示する図。 斜板３の断面構造を例示する図。 基材３１の表面形状を例示する図。 溝３１２の形状を例示する図。 コーティング層３２の表面形状を例示する図。 斜板３の製造方法を例示するフローチャート。 実施例及び比較例における基材３１の表面形状を示す図。 摩耗試験後の表面状態を示す模式図。 溝の深さと摩耗との関係を例示する図。 溝の間隔と摩耗との関係を例示する図。

１．構成
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、及びシュー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及びピストン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の形状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３９を有する円板形状（ドーナツ形状）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が円弧状又は円状の軌跡を描く運動をいう。例えば圧縮室側の摺動面を考えたとき、ピストン４が最も引き出された位置（圧縮率最低）から最も押し込まれた位置（圧縮率最高）までは圧縮室に向かって力がかかるので、シュー５は斜板３と摺動している。しかし、ピストン４が最も押し込まれた位置から最も引き出された位置に向かうときには圧縮室と反対側に力がかかるので、シュー５が斜板３の摺動面から浮き上がる場合がある。軌跡を円弧状というのはこのためである。なお、孔３９はシャフト２を受けるための孔である。

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、及びコーティング層３３を有する。コーティング層３２及びコーティング層３３はいずれもシュー５と摺動する。コーティング層３２及びコーティング層３３は、いずれも、本発明に係る樹脂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、又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設けられている。コーティング層３２は、少なくともバインダー樹脂を含む。この点からコーティング層３２は樹脂コーティング層の一例である。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）、及びポリイミド（ＰＩ）、エポキシ、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、及びフェノール系樹脂の少なくとも１種が用いられる。コーティング層３２は、添加剤として固体潤滑剤を含んでもよい。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。コーティング層３２は、例えば、２０〜７０ｖｏｌ％の固体潤滑材を含む。固体潤滑剤としては、例えば、ＭｏＳ２、グラファイト（Ｇｒ）、カーボン、フッ素系樹脂（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等）、軟質金属（Ｓｎ，Ｂｉ等）、ＷＳ２、及びｈ−ＢＮの少なくとも１種が用いられる。コーティング層３２は、添加剤として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、及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。コーティング層３３の材料及び厚さについては、コーティング層３２と同様である。

図４は、基材３１の表面形状を例示する図である。基材３１の表面３１１には、複数の溝３１２が形成される。表面３１１は、シュー５（相手材の一例）と対向する面である。溝３１２は、シュー５との摺動方向に沿って形成される。この例において、溝３１２は、孔３９の中心から表面３１１に垂直な方向に移動した位置にある視点から見て、孔３９と中心Ｃｓを共通にする同心円の形状を有する。

図５は、溝３１２の形状を例示する図である。図５は、溝３１２を表面３１１に垂直な方向から見た模式図である。この例において、溝３１２は、レーザー加工により形成される。レーザー加工とは、レーザー光のエネルギーを利用した加工技術をいう。具体的には、溝３１２は、基材３１に対し、レーザー光をパルス照射しつつ、照射位置を移動することにより形成される。パルス１回のレーザー光照射で基材３１の一部を溶融及び飛散させることにより、ほぼ円形の凹部（穴）が形成される。照射位置を同心円状に移動させることにより、同心円状の溝３１２が形成される。摺動方向に垂直な断面において、複数の溝３１２はほぼ円弧形状を有する。隣り合う溝３１２の底部の間隔ｐ１は例えば１０〜１００μｍであり、溝３１２の開口部の幅ｗ１は例えば１０〜１００μｍである。この例において、間隔ｐ１と幅ｗ１とはほぼ等しい。一例において、間隔ｐ１は４０〜８０μｍである。なお、間隔ｐ１は幅ｗ１よりも大きくてもよい。摺動方向に平行な断面において、溝３１２は平坦では無く、レーザー光のスポットに起因する微小の凹凸を有する。一例において、この凹凸の間隔ｐ２は、１０〜３０μｍである。

図６は、コーティング層３２の表面形状を例示する図である。コーティング層３２の表面３２１は、シュー５と摺動する摺動面となる。表面３２１には、複数の溝３２２が形成される。この例において、溝３２２は、孔３９の中心から表面３２１に垂直な方向に移動した位置にある視点から見て、孔３９と中心を共通にする同心円の形状を有する。複数の溝３２２において、隣り合う溝３２２の底部の間隔ｐ２及び溝３２２の幅ｗ２は、それぞれ間隔ｐ１及び幅ｗ１と同程度である。なお、間隔ｐ２及び幅ｗ２は、間隔ｐ１及び幅ｗ１と異なっていてもよい。

２．製造方法
図７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３１が準備される。基材３１の準備には、例えば、表面の研削及び洗浄液を用いた洗浄を含む。ステップＳ２において、基材３１の表面３１１に溝３１２が形成される。溝３１２は、例えばレーザー加工により形成される。ステップＳ３において、表面３１１の洗浄が行われる。この洗浄は、例えば、アルコール等の洗浄液を用いずにエアブローにより行われる。ステップＳ４において、基材３１上にコーティング層３２の前駆体物質が塗布される。前駆体物質の塗布は、例えば、ロールコート又はパッド印刷による行われる。ステップＳ５において、コーティング層３２が乾燥及び焼成される。ステップＳ６において、コーティング層３２の表面３２１に溝３２２が形成される。溝３２２は、例えば切削加工により形成される。

３．実施例
（１）試料の準備
図８は、実施例及び比較例における基材３１の表面形状を示す図である。実施例においては、レーザー加工を用いて同心円状の溝３１２が形成された。レーザー光のパルス照射により形成される凹部の、加工処理の進行方向（この場合、進行方向はほぼ摺動方向に等しい）における間隔は１０〜３０μｍであり、進行方向と垂直な方向における間隔は４０〜８０μｍであった。加工処理の進行方向における、加工後の表面粗さは約８μｍＲｚＪＩＳであった。比較例においては、ショットブラストによりランダムな凹凸が形成された。加工後の表面粗さは、６〜１５μｍＲｚＪＩＳであった。

上記の表面加工がされた基材３１の上に、樹脂コーティング層が形成された。バインダー樹脂としてはＰＡＩが用いられ、固体潤滑剤としてＭｏＳ２及びグラファイトが用いられた。

（２）摩耗試験
以下の条件（いわゆる貧潤滑条件）で摩耗試験を行った。
潤滑方式：オイルミスト噴霧
潤滑量：０．２２ｍｇ／ｍｉｎ
周速：４．２ｍ／ｓ
面圧：３．２ＭＰａ
試験時間：２０ｍｉｎ
雰囲気：大気中

（３）試験結果
図９は、摩耗試験後における樹脂コーティング層の表面状態を示す模式図である。図９（Ａ）は実施例の結果を、図９（Ｂ）は比較例の結果を、それぞれ示す。実施例においては、摺動方向に垂直な方向において、試料の表面（摺動面）に基材３１上の溝３１２と同等の間隔で、約２〜３μｍの深さの溝が存在した。一方で、比較例においては、試料の表面に溝は存在せずほぼ平坦（０．３μｍＲａ程度）であった。このように、実施例によれば、摩耗試験後にも樹脂コーティング層の表面（すなわち摺動面）に溝が存在する斜板を得ることができる。

実施例の試料において摩耗試験後に溝が存在した理由について、本願の発明者らは以下の仮説を立てた。実施例では、コーティング層３２において摺動方向の凹凸が少ないため、摺動方向に発生するせん断力に対抗する力が働きにくい。そのため、コーティング層３２の表面が摩耗しても、基材３１の表面３１１に形成された溝３１２にならって溝が形成される。一方、比較例では、摺動方向においても凹凸が形成されているため、摺動方向に発生するせん断力に対抗する力が働きやすい。そのため、コーティング層３２の表面は試験前に形成されていた溝３２２によらず、ほぼ平坦な状態となる。

実施例に係る斜板は、摩耗試験後もコーティング層３２の表面に溝が存在するだけでなく、基材３１の表面３１１の粗面化にショットブラストを用いないため、粗面化工程及びその後の洗浄工程を簡易にすることができる。

図１０は、樹脂コーティング層の表面に形成される溝の深さと摩耗との関係を例示する図である。これは、溝の深さ（及び隣の溝との間隔）を種々の値に変化させた試料を作成し、これらの試料に対して摩耗試験を行った結果を示している。
回転数：９５００ｒｐｍ
荷重：最大１７００Ｎ／個
潤滑：Ｒ１３４ａ＋ＰＡＧ Ｏｉｌ
相手材：ＳＵＪ２シュー
この結果から、樹脂コーティング層の表面に形成される溝が深すぎると摩耗が増え、また、浅すぎるとコーティング層３２の部分剥離が発生することが分かる。樹脂コーティング層の表面に形成される溝の深さは、１μｍ以上であることが好ましく、２μｍ以上であることがより好ましい。また、この溝の深さは、１０μｍ以下であることが好ましく、８μｍ以下であることがより好ましい。なお、「以上」及び「以下」は、それぞれ、「より大きい」及び「未満」と読み替えてもよい。

図１１は、樹脂コーティング層の表面に形成される溝の間隔と摩耗との関係を例示する図である。溝の間隔（ピッチ）とは、隣の溝との間隔をいう（例えば、図５の間隔ｐ１）。これは、所定の深さ（３〜８μｍ）の溝を、種々の間隔で形成した試料を作成し、これらの試料に対して摩耗試験を行った結果を示している。
回転数：９５００ｒｐｍ
荷重：最大１２．２ＭＰａ
潤滑：Ｒ１３４ａ＋ＰＡＧ Ｏｉｌ
相手材：ＳＵＪ２シュー
この結果から、樹脂コーティング層の表面に形成される溝の間隔が広すぎると摩耗が増え、また、狭すぎるとコーティング層３２の部分剥離が発生することが分かる。樹脂コーティング層の表面に形成される溝の間隔は、２０μｍ以上であることが好ましく、４０μｍ以上であることがより好ましい。また、この溝の間隔は、１ｍｍ以下であることが好ましく、２４０μｍ以下であることがより好ましく、２００μｍ以下であることがさらに好ましい。なお、「以上」及び「以下」は、それぞれ、「より大きい」及び「未満」と読み替えてもよい。

図１０及び図１１の結果は、基材３１の表面３１１に形成される溝３１２のサイズがこれらの範囲にあると好ましいことを示している。例えば、摩耗試験後に存在する溝の深さは２μｍ以上であることが好ましい。

４．変形例
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。以下、変形例をいくつか説明する。以下の変形例のうち２つ以上のものが組み合わせて用いられてもよい。

溝３２２は、溝３１２と同じ形状を有していなくてもよい。例えば、溝３１２が同心円の形状を有するのに対し、溝３２２が渦巻き、格子、放射形など、他の形状を有してもよい。また、溝３１２の形状は同心円状に限定されない。溝３１２は、渦巻き形状を有してもよい。

基材３１は単一の材料で形成されたものに限定されない。例えば、鋼製の裏金の上に銅合金のライニング層が形成された２層構造のもの、さらには３層以上の構造のものが用いられてもよい。

本発明に係る摺動部材は、斜板３に限定されない。半割軸受、ブシュ、スラスト軸受、ロータリーコンプレッサーのローター等、斜板以外の摺動部材であってもよい。

１…コンプレッサー、２…シャフト、３…斜板、４…ピストン、５…シュー、３１…基材、３２…コーティング層、３３…コーティング層、３９…孔、３１１…表面、３１２…溝、３２１…表面、３２２…溝

Claims (4)

1. 相手材と対向する表面を有する基材と、
   前記表面において、前記相手材との摺動方向に沿って形成された溝と、
   前記表面に形成され、前記相手材との摺動面を形成する樹脂コーティング層と、
   前記樹脂コーティング層の表面に形成された溝と
   を有し、
   下記の条件における摩耗試験後において前記樹脂コーティング層の表面に深さ２μｍ以上の溝が存在する
   潤滑方式：オイルミスト噴霧
   潤滑量：０．２２ｍｇ／ｍｉｎ
   周速：４．２ｍ／ｓ
   面圧：３．２ＭＰａ
   試験時間：２０ｍｉｎ
   雰囲気：大気中
   摺動部材。
2. 前記基材に形成された溝は、当該基材の表面から見て同心円又は渦巻きの形状を有する
   請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記基材の溝に形成された溝の深さが、２〜８μｍである
   請求項１又は２に記載の摺動部材。
4. 前記基材の溝に形成された溝の間隔が、４０〜２００μｍである
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の摺動部材。

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