JP2020020393A - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動面の表面粗さなど摺動面の状態に関する値を向上することができる摺動部材を提供する。【解決手段】摺動部材１は、不織布からなる基材２と、この基材２に含浸されたベース樹脂３と、を有している。摺動部材１における摺動面の算術平均粗さＲａは、０．６〜４．０μｍの範囲である。さらに、摺動部材１の構成については、不織布は、ポリフェニレンサルファイド繊維からなり、ベース樹脂３は、フェノール樹脂からなることが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、滑り軸受の摺動層等に好適な摺動部材に関する。

従来、水車などの滑り軸受の摺動層に使用される摺動部材は、耐摩耗性、耐荷重性などが要求される。このような要求を満たす摺動部材として、布などの基材にベース樹脂を含浸した摺動部材が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の摺動部材は、ポリフェニレンサルファイド（以下、ＰＰＳという。）繊維の片撚り糸からなる双糸を経糸及び緯糸として形成した織布を基材とし、この基材に四ふっ化エチレン樹脂が分散含有されたレゾール型フェノール樹脂を含浸させたものである。

摺動部材は円筒状に形成され、軸受を軸に対して適切な寸法とするために摺動面が切削加工される。摺動部材を切削加工すると、織布の撚り糸が毛羽立ちを生じて表面粗さが大きくなる。例えば、水力発電用の水車の水潤滑軸受として適用した場合、表面粗さが大きいと流体潤滑状態を取りにくくなり、充分な摩擦損失の低減が得られずに、発電効率を悪化させる。このため、表面粗さを小さくするために、切削加工後、手作業での研磨などの対応が必要となり、工数の増加や製造コストアップにつながっていた。

特許第５８５９１８３号公報

そこで、滑り軸受の摺動部材における摺動面の表面粗さなどを向上させてさらなる滑性及び耐摩耗性などの性能が向上できればよい。

本発明の目的は、摺動面の表面粗さなど摺動面の状態に関する値を向上することで、さらなる滑性及び耐摩耗性などの性能が向上できる摺動部材を提供することにある。

［１］上記目的を達成するため、本発明の摺動部材は、
不織布からなる基材と、
前記基材に含浸されたベース樹脂と、を有する摺動部材であって、
前記摺動部材の算術平均粗さＲａは、０．６〜４．０（μｍ）であることを特徴とする。

かかる構成によれば、摺動部材は、不織布からなる基材を有するので、織布のように繊維から撚糸を作製して布地に織る必要がなく、不織布は繊維同士を接着あるいは絡合させることで作製させるため、織布に比べて製造コストが低くすることができる。さらに、摺動面を加工しても、織布からなる摺動部材のように撚り糸が毛羽立ちを生じないので、加工面であっても表面粗さを向上させることができる。さらに、摺動部材の算術平均粗さＲａは、０．６〜４．０（μｍ）であるので、織布からなる摺動部材の切削加工された加工面に比較して表面粗さを約１／１０程度に小さくすることができ、摺動面と回転軸との摩擦を低減することができる。結果、摺動面の表面粗さなど摺動面の状態に関する値を向上することで、さらなる滑性及び耐摩耗性などの性能が向上できる。

［２］また、本発明の摺動部材において、
前記不織布は、ポリフェニレンサルファイド繊維からなり、
前記ベース樹脂は、フェノール樹脂からなることが好ましい。

かかる構成によれば、不織布は、ポリフェニレンサルファイド（以下、ＰＰＳという。）繊維からなるので、耐熱性、耐酸化性、耐薬品性に優れ、吸湿性、吸水性が小さく水分率を低減することができる。ベース樹脂は、フェノール樹脂からなるので、ＰＰＳ繊維との親和性を向上させ、ＰＰＳ繊維からなる不織布に十分に含浸させて接着強度を向上させることができる。結果、摺動面を良好に保つことができる。

［３］また、本発明の摺動部材において、
前記摺動部材は円筒状に形成され、
前記摺動面としての内周面の算術平均粗さＲａは、０．６〜１．２（μｍ）の範囲に含まれていることが好ましい。

かかる構成によれば、ＰＰＳ不織布からなる摺動部材を例えば軸受の内周面としたときに、内周面の算術平均粗さＲａは、０．６〜１．２（μｍ）であるので、ＰＰＳ不織布からなる摺動部材の内周面（摺動面）の算術平均粗さを、ＰＰＳ織布からなる摺動部材の内周面（摺動面）の算術平均粗さの値よりも小さくなると共にばらつきも小さくなる。結果、摺動面の表面粗さなど摺動面の状態に関する値を向上することで、より滑性及び耐摩耗性などの性能が向上できる。

本発明の一実施形態に係る摺動部材を模式的に示す断面図である。 摺動部材の製造工程の一例を示す図である。 プリプレグを積層した摺動部材の斜視図である。 円筒状の摺動部材の斜視図である。 図５Ａは比較例の織布を基材にした摺動部材の摺動面を示す正面図である。図５Ｂは比較例の織布を基材にした摺動部材の摺動面を示す断面図である。図５Ｃは比較例の織布を基材にした摺動部材の摺動面のプロファイルを示す図である。 図６Ａは第１実施例の不織布を基材にした摺動部材の摺動面を示す正面図である。図６Ｂは第１実施例の不織布を基材にした摺動部材の摺動面を示す断面図である。図６Ｃは第１実施例の不織布を基材にした摺動部材の摺動面のプロファイルを示す図である。 図７Ａは第２実施例の不織布を基材にした摺動部材の摺動面を示す正面図である。図７Ｂは第２実施例の不織布を基材にした摺動部材の摺動面を示す断面図である。図７Ｃは第２実施例の不織布を基材にした摺動部材の摺動面のプロファイルを示す図である。 図８Ａは第３実施例の不織布を基材にした摺動部材の摺動面を示す正面図である。図８Ｂは第３実施例の不織布を基材にした摺動部材の摺動面を示す断面図である。図８Ｃは第３実施例の不織布を基材にした摺動部材の摺動面のプロファイルを示す図である。 吸水膨潤試験の結果を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。図１に示すように、本発明の実施形態に係る摺動部材１は、例えば滑り軸受において、軸に対して摺動する軸受の摺動面４（図６Ｂ参照）に用いられる。

摺動部材１は、ＰＰＳ繊維の不織布からなるシート状の基材２と、基材２に含浸されたベース樹脂３と、から構成されている。基材２に用いられる不織布は、ＰＰＳ繊維からなり、ベース樹脂３はフェノール樹脂からなる。

基材２に用いられる不織布は、ＰＰＳ繊維同士を熱で溶かして接着するサーマルボンド法で作製された、大きいテンションにも耐え得る強度を有するものであることが好ましい。サーマルボンド法で作製されたＰＰＳ繊維の不織布とすることで、基材２にベース樹脂３を含浸する樹脂含浸工程におけるライン張力に耐えられ、且つ、適度な含浸性を有することができる。

また、ＰＰＳ繊維同士をバインダ（ケミカルボンド）で接着するバインダ法でも、大きいテンションにも耐え得る強度を有する。サーマルボンド法やバインダ法で不織布を作製することで、繊維同士を高圧水流で絡合させるスパンレース法、繊維同士をニードルリングして絡合させるニードルパンチ法等で作製された絡合タイプの不織布よりも、摺動部材１の製造工程において与えられるテンションの大きさによって繊維同士の絡みがほどけることが低減される。

なお、基材２に用いられる不織布は、サーマルボンド法、バインダ法、スパンレース法、ニードルパンチ法で作製することに限定されず、不織布であれば他の方法で作製されていても差し支えない。

また、基材２としてサーマルボンド法で作製された不織布を用いる場合には、繊維同士の融着点がフィルム化していないものを用いることが好ましい。繊維同士の融着点がフィルム化していない不織布を基材２に用いることにより、基材２全体において繊維とベース樹脂３とのアンカー効果が発揮され、密着性が向上する。このため、基材２からベース樹脂３の剥離を防止することができる。

フェノール樹脂からなるベース樹脂３には、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥという。）粉末が添加されている。ベース樹脂３にＰＴＦＥ粉末を添加することで、摺動部材１は、潤滑性が改善され、摩擦摩耗特性を向上することができる。

次に摺動部材１の製造工程の一例を説明する。図２に示すように、製造装置１０において、アンコイラ１１に巻かれたＰＰＳ繊維の不織布からなる基材２は、ローラ１２によって容器１３に送られる。容器１３には、ＰＴＦＥ粉末と、フェノール樹脂からなるベース樹脂３と、を含む混合液１４が貯留されている。

基材２は、容器１３内に設けられた案内ローラ１５、１６によって容器１３内に貯留された混合液１４内を通過させられ、不織布が混合液１４に浸される。基材２は、送りローラ１７により圧縮ローラ２１、２２に送られ、圧縮ローラ２１、２２によって、混合液１４が基材２（不織布）の内部まで含浸される。

混合液１４が含浸された基材２は、乾燥炉２３に送られ、乾燥炉２３内で溶剤が飛ばされることで、成形可能なプリプレグが作製され、ロール２４に巻き取られる。

図３に示すように、摺動部材１と裏金３１とからなる摺動体３０は、図２で得られた摺動部材１用の半製品であるプリプレグを矩形状に切断し、同様に切断された裏金３１用のプリプレグと共に必要枚数積層して型に入れて加熱加圧装置で例えば１４０〜１６０℃の温度で加熱し、４．９〜７ＭＰａの圧力で加圧成形して得られたものである。このように、摺動部材１用のプリプレグと裏金３１用のプリプレグとを積層し、加熱加圧成形することで、含有される熱硬化性樹脂を硬化させて摺動体３０が得られる。

裏金３１用のプリプレグは、摺動部材１用のプリプレグと同様の製造方法で得られるが、裏金３１用のプリプレグは、摺動部材１のようにＰＰＳ繊維からなる不織布とするのではなく、例えばＰＰＳ繊維からなる樹脂含浸織布が用いられる。なお、実施形態では、裏金３１用のプリプレグを樹脂含浸織布としたが、これに限定されず、裏金３１用のプリプレグを、摺動部材１と同様の不織布にしてもよく、すなわち、摺動体３０を摺動部材１のみで形成してもよく、ガラス繊維の織布または不織布、炭素繊維の織布または不織布などの無機繊維の織布または不織布にしてもよく、アラミド繊維の織布または不織布、ポリエステル繊維の織布または不織布などの有機繊維の織布または不織布にしてもよく、摺動体３０の用途や使用条件に応じて適宜選択されて使用される。

図４は、円筒状の摺動体３０であり、摺動部材１が内周面側となるように裏金３１と一体的に接合したものである。摺動体３０を円筒状とすることで軸受として使用することができる。

次に円筒状とした摺動体３０の内周側に設けられた摺動部材１について説明する。円筒状に成形した実施形態のＰＰＳ不織布からなる基材２を含む摺動部材１の４つの試験体Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４と、比較例のＰＰＳ織布からなる基材を含む摺動部材の試験体Ｃ１とを作製して比較し、それぞれの摺動部材の摺動面の状態について詳細に説明する。

実施形態の試験体Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４及び比較例の試験体Ｃ１の試験体寸法は、内径φ６０ｍｍ、外径φ７５ｍｍ、長さ５０ｍｍの円筒状である。ＰＰＳ不織布及びＰＰＳ織布は全て同一材料で、ベース樹脂の含浸率が約６０％となるように調製されている。

表１は、実施形態の試験体Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４と比較例の試験体Ｃ１の組成を示している。

試験体Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｃ１の内周面（摺動面４）は、ノーズＲが０．４ｍｍと０．８ｍｍの２種類の超硬合金の切削工具それぞれで、加工条件を回転数（速度）１８００ｒｐｍ（３４０ｍ／ｍｉｎ）、送り０．０６ｍｍ／ｒｅｖ、切込み深さ０．４ｍｍで加工されている。表２は、ノーズＲが０．４ｍｍの切削工具で加工した試験体Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｃ１の内周面（摺動面４）の算術平均粗さ（Ｒａ）の測定結果を示している。

表３は、ノーズＲが０．８ｍｍの切削工具で加工した試験体Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｃ１の内周面（摺動面４）の算術平均粗さ（Ｒａ）の測定結果を示している。

これらの表２及び表３を参照すると分かるように、比較例１の試験体Ｃ１と、実施例１〜４の試験体Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４それぞれの算術平均粗さＲａを比較すると、ＰＰＳ不織布からなる試験体Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の算術平均粗さＲａは、ＰＰＳ織布からなる試験体Ｃ１の算術平均粗さＲａよりも小さい。すなわち、通常の同じ加工条件であっても、ＰＰＳ不織布からなる摺動部材１の摺動面（加工面）４は、ＰＰＳ織布からなる摺動部材の摺動面（加工面）よりも表面粗さが小さい。

また、実施例１〜４の試験体Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の摺動部材１の摺動面（加工面）４の算術平均粗さＲａは、０．６７〜１．１２９μｍ（おおよそ０．６〜１．２μｍ）であり、比較例１の摺動部材の摺動面（加工面）の算術平均粗さＲａは、１．５７〜４．４９７μｍである。ＰＰＳ不織布からなる摺動部材１の摺動面（加工面）４は、ＰＰＳ織布からなる摺動部材の摺動面（加工面）よりも表面粗さのばらつきが小さい。

次に切削加工面を観察するために、プリプレグを矩形状に切断するとともに板状に成形した実施形態のＰＰＳ不織布からなる基材２を含む摺動部材１の３つの試験体Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３と、比較例のＰＰＳ織布からなる基材を含む摺動部材の試験体Ｃ２とを作製して比較し、それぞれの摺動部材の摺動面の状態について詳細に説明する。

表４は、実施形態の試験体Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３と比較例の試験体Ｃ２の組成を示している。なお、摺動部材１の３つの試験体Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は、通気度が異なる３種類の基材２を用い、ベース樹脂の含浸率が約６０％となるように調製されている。

なお、ＰＴＦＥの一例として、喜多村社製の「ＫＴＬ−２Ｎ（商品名）」が挙げられる。また、比較例の摺動部材１００は、ＰＰＳの織布からなる基材に、ＰＴＦＥ粉末を添加材としたフェノール樹脂からなるベース樹脂を含浸したものである。

表４の試験体Ｃ２、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３のそれぞれに対して、同一条件で摺動面にフライス盤による切削加工を施した。詳細には、切削条件を、通常の超硬合金の切削工具で、切削速度を１００ｍ／ｍｉｍ、送りを１５０ｍｍ／ｍｉｎ、切込み深さを０．１ｍｍとして切削加工を施した。結果、表５に挙げる摺動面の状態を得られた。なお、実施形態では、切削条件を上記の値としたが、これに限定されず、摺動部材の算術平均粗さＲａは、０．６〜４．０μｍとなれば、切削条件が上記範囲外の値であってもよい。

表５は、試験体Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｃ２それぞれの摺動面における、算術平均粗さＲａ、最大高さＲｚ、十点平均粗さＲｚｊｉｓを示している。

この表５を参照すると分かるように、比較例２の試験体Ｃ２と、実施例１〜３の試験体Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３それぞれの算術平均粗さＲａは異なる。実施例１〜３の試験体Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３から、摺動部材１の算術平均粗さＲａは、０．６〜４．０μｍであり、摺動部材１の最大高さＲｚは、９．０〜４２．０μｍであり、摺動部材１の十点平均粗さＲｚｊｉｓは、７．０〜２９．０μｍである。この結果から、同様の切削条件で切削加工を施した場合であっても、実施例１〜３の試験体Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の算術平均粗さ（μｍ）、最大高さ（μｍ）及び十点平均粗さ（μｍ）が、比較例２の試験体Ｃ２の算術平均粗さ（μｍ）、最大高さ（μｍ）及び十点平均粗さ（μｍ）よりも値が小さく、実施例１〜３の試験体Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は比較例２の試験体Ｃ２よりも加工面の状態が良好である。このため、本発明では、摺動面（加工面）の滑性及び耐摩耗性などの性能が向上できる摺動部材を提供することができる。

次に、比較例２の試験体Ｃ２と、実施例１〜３の試験体Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３それぞれの摺動面の状態を図面で説明する。

まず、比較例２の試験体Ｃ２について説明する。
図５Ａに示すように、比較例２の試験体Ｃ２の摺動面は、基材１０２が織布であるため、ＰＰＳ繊維がまとまって点在しており、基材１０２とベース樹脂１０３とがムラがある状態となっている。このため、フライス盤で摺動面を加工すると、基材１０２であるＰＰＳ繊維のまとまった部分が局所的に毛羽立つ状態となっている。

図５Ｂに示すように、比較例２の試験体Ｃ２の加工を施した摺動面（加工面１０４）の断面図では、基材１０２であるＰＰＳ繊維のまとまった部分で凹凸が形成されている。
図５Ｃに示すように、比較例２の試験体Ｃ２の加工を施した摺動面のプロファイルは、平坦ではなく、１００μｍ程度の大きな凹凸が形成されている。

次いで、実施形態の試験体Ｔ１〜Ｔ３について説明する。
図６Ａに示すように、実施形態の試験体Ｔ１の摺動面は、基材２が不織布であるため、ＰＰＳ繊維が均一に分散しており、基材２とベース樹脂３とが均一に混じり合った状態となっている。このため、フライス盤で摺動面を加工しても、基材２であるＰＰＳ繊維が均一に分散しているため、局所的に毛羽立つ状態とならない。

図６Ｂに示すように、実施形態の試験体Ｔ１の加工を施した摺動面（加工面４）の断面図では、基材２とベース樹脂３とが均一に混じり合っていることから、摺動面（加工面４）が平坦である。

図６Ｃに示すように、実施形態の試験体Ｔ１の加工を施した摺動面のプロファイルは、比較例に比べて非常に平坦である。

図７Ａに示すように、実施形態の試験体Ｔ２の摺動面は、基材２が不織布であるため、ＰＰＳ繊維が均一に分散しており、基材２とベース樹脂３とが均一に混じり合った状態となっている。このため、フライス盤で摺動面を加工しても、基材２であるＰＰＳ繊維が均一に分散しているため、局所的に毛羽立つ状態とならない。

図７Ｂに示すように、実施形態の試験体Ｔ２の加工を施した摺動面（加工面４）の断面図では、基材２とベース樹脂３とが均一に混じり合っていることから、摺動面（加工面４）が平坦である。

図７Ｃに示すように、実施形態の試験体Ｔ２の加工を施した摺動面のプロファイルは、比較例に比べて非常に平坦である。

図８Ａに示すように、実施形態の試験体Ｔ３の摺動面は、基材２が不織布であるため、ＰＰＳ繊維が均一に分散しており、基材２とベース樹脂３とが均一に混じり合った状態となっている。このため、フライス盤で摺動面を加工しても、基材２であるＰＰＳ繊維が均一に分散しているため、局所的に毛羽立つ状態とならない。

図８Ｂに示すように、実施形態の試験体Ｔ３の加工を施した摺動面（加工面４）の断面図では、基材２とベース樹脂３とが均一に混じり合っていることから、摺動面（加工面４）が平坦である。

図８Ｃに示すように、実施形態の試験体Ｔ３の加工を施した摺動面のプロファイルは、比較例に比べて非常に平坦である。

以上に説明したように、摺動部材１は、不織布からなる基材２を有するので、織布のように繊維から撚糸を作製して布地に織る必要がなく、不織布は繊維同士を接着あるいは絡合させることで作製するため、織布に比べて製造コストを低くすることができる。さらに、摺動面を切削加工しても、織布からなる摺動部材のように撚り糸が毛羽立ちを生じないので、加工面４であっても表面粗さを向上（小さく）させることができる。

さらに、摺動部材１の算術平均粗さＲａは、０．６〜４．０μｍであるので、織布からなる摺動部材の切削加工された加工面１０４に比較して表面粗さを最大で１／１０程度に小さくすることができ、摺動面と回転軸との摩擦を低減することができる。このように、摺動面の表面粗さなど摺動面の状態に関する値を制御することで、さらなる滑性及び耐摩耗性などの性能が向上できる。

さらに、不織布は、ＰＰＳ繊維からなるので、耐熱性、耐酸化性、耐薬品性に優れ、吸湿性、吸水性が小さく水分率を低減することができる。ベース樹脂は、フェノール樹脂からなるので、ＰＰＳ繊維との親和性を向上させ、ＰＰＳ繊維からなる不織布に十分に含浸させて接着強度を向上させることができる。結果、摺動面を良好に保つことができる。

試験片形状を、縦幅２８ｍｍ、横幅２８ｍｍ、厚さ５ｍｍとし、基材１０２をＰＰＳ繊維からなる織布とした試験片Ｍ１〜Ｍ３と、基材２をＰＰＳ繊維からなる不織布とした試験片Ｎ１〜Ｎ３とを、水に浸漬して経過日数に対する肉厚増加率（厚さ５ｍｍの増加率）（％）を計測する吸水膨潤試験を行った結果を図９に示す。その結果から、基材１０２を織布とした試験片Ｍ１〜Ｍ３よりも、基材２を不織布とした試験片Ｎ１〜Ｎ３の方が、肉厚増加率が小さいことが分かる。

このように、ＰＰＳ繊維からなる不織布を基材２とした摺動部材１が、ＰＰＳ繊維からなる織布を基材１０２とした摺動部材１００よりも、水中での膨張も抑えられるといえる。

以上から、ＰＰＳ繊維をからなる織布と、ＰＰＳ繊維からなる不織布と、を採用した摺動部材１は、表６に挙げることが言える。なお、表６中、〇はかなり良好、△は良好、×はあまり良好ではない、として評価したものである。

表５から、加工性の表面粗さは、不織布の摺動部材（以下、不織布という。）が織布の摺動部材（以下、織布という。）より良好であり、不織布の算術平均粗さＲａは、織布の算術平均粗さＲａの約１／１０となる。

また、摺動面の切削加工後の毛羽立ちについても、不織布の場合は毛羽立ちがほどんど見られず、織布に比べ良好である。

さらに、織布の場合は所望の摺動面を得るために切削加工後の摺動面を手作業で研磨する必要があるが、不織布の場合は切削加工後の摺動面をそのまま使用できることから、不織布は織布よりも加工工数を低減することができる。

なお、実施形態では、不織布にＰＰＳ繊維を使用したが、これに限定されず、ガラス繊維不織布やアラミド樹脂繊維不織布、ＰＥＴ繊維不織布などでもよく、摺動部材の算術平均粗さＲａが、０．６〜４．０μｍであれば、他の材料からなる不織布を使用しても差し支えない。

また、実施形態では、ベース樹脂にフェノール樹脂を採用したが、これに限定されず、不織布に含浸でき、使用時に剥離することが抑えられれば他の樹脂であっても差し支えない。また、実施形態では、添加剤としてＰＴＦＥを使用したが、一般的な他の添加剤を使用しても差し支えない。

１…摺動部材
２…基材（ＰＰＳ）
３…ベース樹脂（フェノール樹脂）
４…加工面（摺動面）

Claims (3)

1. 不織布からなる基材と、
   前記基材に含浸されたベース樹脂と、を有する摺動部材であって、
   前記摺動部材の摺動面の算術平均粗さＲａは、０．６〜４．０（μｍ）の範囲に含まれていることを特徴とする摺動部材。
2. 請求項１記載の摺動部材であって、
   前記不織布は、ポリフェニレンサルファイド繊維からなり、
   前記ベース樹脂は、フェノール樹脂からなることを特徴とする摺動部材。
3. 請求項１又は請求項２記載の摺動部材であって、
   前記摺動部材は円筒状に形成され、
   前記摺動面としての内周面の算術平均粗さＲａは、０．６〜１．２（μｍ）の範囲に含まれていることを特徴とする摺動部材。