JP2020051439A - Slide member, rolling bearing and holder - Google Patents

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晶美 多田
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Abstract

To provide a slide member comprising a slide surface improved in slidability even under a condition of a high PV value (a high sliding velocity or a high surface pressure) in a lubricant, a rolling bearing and a holder.SOLUTION: A slide member 1 is used under an oil lubrication condition and a condition that a PV value of a product of a surface pressure (P) and a sliding velocity (V) ranges from 10 to 20 Pa m/min. A slide layer 2 comprises a ground layer 4 containing a heat resistant resin and a first fluororesin on a surface of an iron-based metal substrate 3, and fluororesin layer 5 containing a second fluororesin on a surface of the ground layer 4. The heat resistant resin is a resin including at least one atom of an oxygen atom, a nitrogen atom and a sulfur atom in at least a principal chain of a polymer structure together with a carbon atom. The fluororesin layer 5 is a crosslinked fluororesin layer in which at least the vicinity of its surface is crosslinked. Push-in hardness of the slide layer 2 measured by an ISO-14577 method is 85 to 146 MPa, and a fusing point in the vicinity of the surface of the slide layer 2 is 221 to 281°C.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は高PV値の条件で使用される摺動部材、転がり軸受および保持器に関し、特に摺動部材表面の耐摩耗性に優れ、その優れた耐摩耗性を長期間維持できる摺動部材、例えば、転がり軸受用保持器、この保持器を用いた転がり軸受に関する。   The present invention relates to a sliding member, a rolling bearing, and a cage used under conditions of high PV value, and particularly to a sliding member having excellent wear resistance on the surface of the sliding member and capable of maintaining the excellent wear resistance for a long time. For example, the present invention relates to a cage for a rolling bearing and a rolling bearing using the cage.

転がり軸受や保持器などの摺動面は、潤滑油や潤滑グリースなどが供給されて転がり摩擦またはすべり摩擦を低減している。また、更に摺動性を向上させるための表面処理が摺動面になされている。表面処理の1つにフッ素系樹脂被膜を形成する方法がある。例えば、摺動部材の摺動部に形成したポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEという)被膜に50〜250kGyの線量の放射線を照射することにより、耐摩耗性および基材との密着性を高める方法が知られている(特許文献1)。   Lubricating oil, lubricating grease, and the like are supplied to sliding surfaces such as rolling bearings and cages to reduce rolling friction or sliding friction. Further, a surface treatment for further improving the slidability is performed on the sliding surface. One of the surface treatments is a method of forming a fluorine-based resin film. For example, a method of irradiating a polytetrafluoroethylene (hereinafter, referred to as PTFE) film formed on a sliding portion of a sliding member with radiation of a dose of 50 to 250 kGy to improve abrasion resistance and adhesion to a substrate. Is known (Patent Document 1).

ポリイミド樹脂、銅、アルミニウムおよびそれらの合金等の金属材料、セラミックス、およびガラスから選択された、耐熱性に優れた基材の表面にフッ素樹脂の被膜を形成し、フッ素樹脂の融点以上の温度で電離性放射線を照射した改質フッ素樹脂被覆材が知られている(特許文献2)。   Polyimide resin, metal materials such as copper, aluminum and their alloys, ceramics, and glass, selected from fluororesin coating on the surface of the substrate with excellent heat resistance, at a temperature above the melting point of the fluororesin A modified fluororesin coating material irradiated with ionizing radiation is known (Patent Document 2).

無潤滑軸受やダイナミックシール等に使用されるフッ素樹脂からなる摺動部材として、フッ素樹脂をその結晶融点以上に加熱し、酸素不在のもとで照射線量1kGy〜10MGyの範囲内において電離性放射線を照射したフッ素樹脂が知られている(特許文献3)。   As a sliding member made of fluororesin used for non-lubricated bearings and dynamic seals, etc., the fluororesin is heated above its crystal melting point, and ionizing radiation is irradiated in the range of 1 kGy to 10 MGy in the absence of oxygen. Irradiated fluororesins are known (Patent Document 3).

PTFEにより構成されるフィルムまたはシート状傾斜材料と、アルミニウム、鉄、ステンレス、ポリイミドおよびセラミックスからなる群より選択される基材とが積層されているフィルムまたはシート状製品であって、該材料の、基材と接していない一の面ならびにその近傍層に存在するポリマーが三次元構造を有し、該材料の基材と接している他の面ならびにその近傍層に存在するポリマーが二次元構造を有し、該一の面と該他の面との間に存在するポリマーの三次元構造の含率が連続的に変化しており、該材料の厚さが5〜500μmであるフィルムまたはシート状製品が知られている(特許文献4)。   A film or sheet-like product in which a film or sheet-like gradient material composed of PTFE and a substrate selected from the group consisting of aluminum, iron, stainless steel, polyimide and ceramics are laminated, The polymer present on one surface not in contact with the base material and the layer adjacent thereto has a three-dimensional structure, and the polymer present on the other surface in contact with the base material of the material and the adjacent layer has a two-dimensional structure. A film or sheet in which the content of the three-dimensional structure of the polymer present between the one side and the other side is continuously changing, and the thickness of the material is 5 to 500 μm A product is known (Patent Document 4).

また、フッ素系樹脂被膜として、鉄系金属材表面に耐熱性樹脂および第一のフッ素系樹脂を含む下地層を形成し、その下地層表面に第二のフッ素樹脂を含むフッ素樹脂層を形成したものが知られている(特許文献5)。このフッ素樹脂層は、少なくとも表面近傍が架橋されてなる架橋フッ素樹脂層であり、該フッ素樹脂層は、照射線量250〜800kGyの放射線を照射することで架橋されている。   Further, as a fluorine-based resin film, a base layer containing a heat-resistant resin and a first fluorine-based resin was formed on the surface of an iron-based metal material, and a fluorine-containing resin layer containing a second fluorine-containing resin was formed on the base layer surface. One is known (Patent Document 5). This fluororesin layer is a crosslinked fluororesin layer in which at least the vicinity of the surface is crosslinked, and the fluororesin layer is crosslinked by irradiating radiation having an irradiation dose of 250 to 800 kGy.

一方、自動車、バイク等のエンジンに用いられる転がり軸受、特に保持器付き針状ころ軸受があり、この保持器表面の焼付きを防止するために保持器表面に銀めっきがなされている。この保持器付き針状ころ軸受は、針状ころを等間隔に保持するプレス製金属保持器から構成され、この保持器の表面全体に銀めっきが施されている(特許文献6)。   On the other hand, there are rolling bearings used for engines of automobiles, motorcycles and the like, in particular, needle roller bearings with a cage, and the surface of the cage is silver-plated to prevent seizure on the surface of the cage. This needle roller bearing with a retainer is composed of a press-made metal retainer that holds the needle rollers at equal intervals, and the entire surface of the retainer is silver-plated (Patent Document 6).

特開2010−155443号公報JP 2010-155443 A 特開2002−225204号公報JP 2002-225204 A 特開平9−278907号公報JP-A-9-278907 特許第5454903号公報Japanese Patent No. 5454903 特開2017−32141号公報JP, 2017-32141, A 特許第5189427号公報Japanese Patent No. 5189427

しかしながら、特許文献1に示す方法は、無潤滑下、低面圧の条件下で使用するため、基材との密着性を高める方法であり、各種機械の摺動面に要求される潤滑油中、高PV値(高滑り速度または高面圧)の条件の場合は適用が困難である。
特許文献2に記載のフッ素樹脂被膜は、フッ素樹脂の架橋反応およびフッ素樹脂と基材表面との化学反応を同時に生じさせ、それによって両者の強固な接着を達成することを目的としており、転がり軸受や保持器などの鉄基材の場合、基材表面との化学反応を生成することが困難であり、強固な接着は達成できないという問題がある。
特許文献3に記載の摺動部材は、無潤滑軸受やダイナミックシール等に使用され、被膜の形状ではなくフッ素樹脂からなる摺動部材に関する。そのため、被覆材としての特性は不明であり、更に潤滑油中、高PV値(高滑り速度または高面圧)を要求される転がり軸受用途に適用が困難である。
特許文献4に記載の被膜も特許文献1に記載の方法で製造される被膜と同様、低面圧、低滑り速度、無潤滑での評価であり、高PV値(高滑り速度または高面圧)、油潤滑下で使用できるか否かは知られていない。
特許文献5に記載のフッ素系樹脂被膜を有する摺動部材は、油潤滑下で使用されるが、高PV値(高滑り速度または高面圧)の条件での耐摩耗性については検討されていない。
特許文献6に記載の銀めっきが施されている保持器においては、摺動面の摩耗量の経時変化がより少ない保持器が求められており、銀めっきに代わる摺動材が要求されている。また、銀めっきは、エンジンオイル中に含まれる硫黄成分によって硫化するという問題を有している。保持器表面に施された銀めっきが硫化すると、保持器から剥離や脱落が発生し、保持器の素地が露出する。
However, the method disclosed in Patent Document 1 is a method for increasing the adhesion to a substrate because it is used without lubrication and under low surface pressure. In the case of high PV value (high sliding speed or high surface pressure), it is difficult to apply.
The fluororesin coating described in Patent Document 2 is intended to simultaneously cause a cross-linking reaction of the fluororesin and a chemical reaction between the fluororesin and the surface of the base material, thereby achieving a strong adhesion between the two. In the case of iron base materials such as irons and cages, it is difficult to generate a chemical reaction with the base material surface, and there is a problem that strong adhesion cannot be achieved.
The sliding member described in Patent Literature 3 is used for a non-lubricated bearing, a dynamic seal, and the like, and relates to a sliding member made of a fluororesin instead of a film. Therefore, the properties of the coating material are unknown, and it is difficult to apply the composition to rolling bearings that require a high PV value (high sliding speed or high surface pressure) in lubricating oil.
Similarly to the film produced by the method described in Patent Document 1, the coating described in Patent Document 4 is evaluated at low surface pressure, low sliding speed, and no lubrication, and has a high PV value (high sliding speed or high surface pressure). ), It is not known whether it can be used under oil lubrication.
The sliding member having a fluororesin coating described in Patent Document 5 is used under oil lubrication, but its wear resistance under conditions of high PV value (high sliding speed or high surface pressure) has been studied. Absent.
In the cage with silver plating described in Patent Document 6, a cage with less change over time in the wear amount of the sliding surface is required, and a sliding material instead of silver plating is required. . In addition, silver plating has a problem that it is sulfurized by a sulfur component contained in engine oil. When the silver plating applied to the surface of the cage is sulfurized, peeling or falling off occurs from the cage, and the base material of the cage is exposed.

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、潤滑油中、高PV値(高滑り速度または高面圧)の条件下においても、摺動性に優れた摺動面を有する摺動部材、転がり軸受および保持器の提供を目的とする。   The present invention has been made in order to address such a problem, and provides a sliding surface having excellent slidability even under conditions of high PV value (high sliding speed or high surface pressure) in lubricating oil. It is an object of the present invention to provide a sliding member, a rolling bearing and a cage having the same.

本発明の摺動部材は、鉄系金属基材の表面に摺動層を有する摺動部材であって、上記摺動部材が、油潤滑環境下で、かつ、面圧(P)と滑り速度(V)の積であるPV値が10〜20GPa・m/min.の条件で使用される摺動部材であり、上記摺動層は、上記鉄系金属基材の表面に耐熱性樹脂および第一のフッ素樹脂を含む下地層と、この下地層表面に第二のフッ素樹脂を含むフッ素樹脂層とを有し、上記耐熱性樹脂は、炭素原子と共に、酸素原子、窒素原子および硫黄原子の少なくとも1つの原子を高分子構造の少なくとも主鎖に含む樹脂であり、上記フッ素樹脂層は少なくともその表面近傍が架橋されてなる架橋フッ素樹脂層であり、上記摺動層のISO14577法により測定される押し込み硬さが85〜146MPaであり、かつ、前記摺動層の表面近傍の融点が221〜281℃であることを特徴とする。また、本発明におけるPV値とは摺動下での面圧(P)と滑り速度(V)の積であり、高PV値とは10〜20GPa・m/min.をいう。   The sliding member according to the present invention is a sliding member having a sliding layer on the surface of an iron-based metal substrate, wherein the sliding member has an oil lubricating environment, a surface pressure (P) and a sliding speed. (V) is 10 to 20 GPa · m / min. The sliding layer is used under the following conditions, wherein the sliding layer has a base layer containing a heat-resistant resin and a first fluororesin on the surface of the iron-based metal substrate, and a second layer on the base layer surface. A fluororesin layer containing a fluororesin, wherein the heat-resistant resin is a resin containing, together with carbon atoms, at least one atom of an oxygen atom, a nitrogen atom and a sulfur atom in at least a main chain of a polymer structure, The fluororesin layer is a crosslinked fluororesin layer formed by crosslinking at least the vicinity of the surface, the indentation hardness of the sliding layer measured by the ISO14577 method is 85 to 146 MPa, and the vicinity of the surface of the sliding layer is Has a melting point of 221 to 281 ° C. The PV value in the present invention is the product of the surface pressure (P) under sliding and the sliding speed (V), and the high PV value is 10 to 20 GPa · m / min. Say.

上記滑り速度(V)が、0.1〜1.0m/sであることを特徴とする。   The sliding speed (V) is 0.1 to 1.0 m / s.

上記鉄系金属基材、上記下地層および上記フッ素樹脂層は、接着剤層を設けることなく相互に密着していることを特徴とする。   The iron-based metal substrate, the underlayer, and the fluororesin layer are in close contact with each other without providing an adhesive layer.

上記摺動層は、上記フッ素樹脂層の表面より上記鉄系金属基材の表面に向かって、上記第一および第二のフッ素樹脂の架橋割合が少なくなることを特徴とする。   The sliding layer is characterized in that the cross-linking ratio of the first and second fluororesins decreases from the surface of the fluororesin layer toward the surface of the iron-based metal substrate.

上記第二のフッ素樹脂がPTFE樹脂であり、上記第二のフッ素樹脂の表面近傍は、未架橋PTFE樹脂に比較して、固体19F Magic angle Spinning(MAS)核磁気共鳴(NMR)チャートに出現する化学シフト値(δppm)が上記未架橋PTFE樹脂の−82ppm、−122ppm、−126ppmに加えて、−68ppm、−70ppm、−77ppm、−80ppm、−109ppm、−112ppm、−152ppm、および−186ppmから選ばれる少なくとも1つの化学シフト値が出現するか、または−82ppmに出現する化学シフト値のシグナル強度が、上記未架橋PTFE樹脂のシグナル強度に比較して、増加していることを特徴とする。 The second fluororesin is a PTFE resin, and the vicinity of the surface of the second fluororesin appears on a solid 19 F Magic angle Spinning (MAS) nuclear magnetic resonance (NMR) chart as compared with the uncrosslinked PTFE resin. The chemical shift values (δ ppm) of the non-crosslinked PTFE resin are −68 ppm, −70 ppm, −77 ppm, −80 ppm, −109 ppm, −112 ppm, −152 ppm, and −186 ppm in addition to −82 ppm, −122 ppm, and −126 ppm of the PTFE resin. Wherein at least one chemical shift value selected from the group consisting of: or a signal intensity of a chemical shift value appearing at -82 ppm is increased as compared with the signal intensity of the uncrosslinked PTFE resin. .

上記耐熱性樹脂は、芳香族アミドイミド樹脂および芳香族イミド樹脂から選ばれる少なくとも1つの芳香族樹脂であることを特徴とする。   The heat-resistant resin is at least one aromatic resin selected from an aromatic amide imide resin and an aromatic imide resin.

上記摺動層の層厚さが5μm以上40μm未満であることを特徴とする。   The sliding layer has a thickness of 5 μm or more and less than 40 μm.

本発明の鉄系金属製保持器は、転がり軸受の転動体を保持する鉄系金属製保持器であって、上記鉄系金属製保持器が本発明の摺動部材により形成されることを特徴とする。   The ferrous metal cage of the present invention is a ferrous metal cage for holding a rolling element of a rolling bearing, wherein the ferrous metal cage is formed by the sliding member of the present invention. And

本発明の転がり軸受は、本発明の鉄系金属製保持器を有する転がり軸受であり、上記転がり軸受がエンジンのコンロッド大端部用転がり軸受、コンロッド小端部用転がり軸受またはクランクシャフト支持軸用転がり軸受であることを特徴とする。   The rolling bearing of the present invention is a rolling bearing having the iron-based metal cage of the present invention, wherein the rolling bearing is a rolling bearing for a large end of a connecting rod of an engine, a rolling bearing for a small end of a connecting rod, or for a crankshaft support shaft. It is a rolling bearing.

本発明の摺動部材は、油潤滑環境下で、かつ、PV値が10〜20GPa・m/min.の高PV条件で使用され、鉄系金属基材の表面に摺動層を有し、この摺動層が下地層とフッ素樹脂層とからなり、このフッ素樹脂層の少なくともその表面近傍が架橋され、該摺動層のISO14577法により測定される押し込み硬さが85〜146MPaであり、かつ、摺動層の表面近傍の融点が221〜281℃であるので、潤滑油中、高PV値(高滑り速度または高面圧)の条件下においても摩耗を抑制でき、摺動部材の寿命を長期間にわたり維持できる。   The sliding member of the present invention has a PV value of 10 to 20 GPa · m / min. Used under high PV conditions, having a sliding layer on the surface of the iron-based metal substrate, the sliding layer consisting of an underlayer and a fluororesin layer, and at least the vicinity of the surface of the fluororesin layer being crosslinked. Since the indentation hardness of the sliding layer measured by the ISO 14577 method is 85 to 146 MPa and the melting point in the vicinity of the surface of the sliding layer is 221 to 281 ° C., the high PV value (high (Sliding speed or high surface pressure) can suppress abrasion and maintain the life of the sliding member for a long period of time.

本発明の鉄系金属製保持器は、本発明の摺動部材により形成されているので、銀めっき層を有する保持器に比較して、同等以上の摺動性を示す。また、本発明の転がり軸受は、本発明の鉄系金属製保持器を有し、該転がり軸受が、潤滑油中、高PV条件で使用されるコンロッド用転がり軸受などであるので、軸受の要求特性に適した摺動性を発揮できる。   Since the iron-based metal cage of the present invention is formed of the sliding member of the present invention, it exhibits the same or better slidability as compared with the cage having the silver plating layer. Further, the rolling bearing of the present invention has the iron-based metal cage of the present invention, and the rolling bearing is a connecting rod rolling bearing used in lubricating oil and under high PV conditions. The slidability suitable for the characteristics can be exhibited.

摺動部材の断面図である。It is sectional drawing of a sliding member. 照射線量0kGyのNMRチャートの拡大図である。It is an enlarged view of the NMR chart of the irradiation dose of 0 kGy. 照射線量500kGyのNMRチャートの拡大図である。It is an enlarged view of the NMR chart of an irradiation dose of 500 kGy. 照射線量1000kGyのNMRチャートの拡大図である。It is an enlarged view of the NMR chart of an irradiation dose of 1000 kGy. 架橋に伴なう−82ppmの規格化シグナル強度比である。It is a normalized signal intensity ratio of -82 ppm due to crosslinking. 押し込み硬さと照射線量との関係を表す図である。It is a figure showing the relationship between indentation hardness and irradiation dose. 融点と照射線量との関係を表す図である。It is a figure showing the relationship between a melting point and irradiation dose. 針状ころを転動体とする転がり軸受用保持器の斜視図である。It is a perspective view of a roller bearing retainer which uses a needle roller as a rolling element. 針状ころ軸受を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a needle roller bearing. 4サイクルエンジンの縦断面図である。FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a four-cycle engine.

本発明者らは、潤滑油中、高PV値の条件下でも耐摩耗性に優れた摺動層を有する摺動部材を得るべく鋭意検討したところ、摺動層が下地層とフッ素樹脂層とからなる摺動部材であって、このフッ素樹脂層の少なくとも表面近傍が架橋された架橋フッ素樹脂層であり、さらに、該摺動層の押し込み硬さを所定範囲とし、かつ、該摺動部材の表面近傍の融点を所定範囲とすることで、該摺動部材が高PV値の条件下でも優れた耐摩耗性を発揮することを見出した。また、照射線量が850〜2500kGy、好ましくは1000〜2000kGyの放射線照射を行うことで、上記摺動部材が得られることを見出した。本発明は、このような知見に基づくものである。   The present inventors have conducted intensive studies to obtain a sliding member having a sliding layer excellent in wear resistance even under conditions of high PV value in lubricating oil. A cross-linked fluororesin layer in which at least the vicinity of the surface of the fluororesin layer is crosslinked, and further, the indentation hardness of the slide layer is within a predetermined range, and It has been found that by setting the melting point near the surface within a predetermined range, the sliding member exhibits excellent wear resistance even under conditions of high PV value. In addition, it has been found that the above-mentioned sliding member can be obtained by irradiating an irradiation dose of 850 to 2500 kGy, preferably 1000 to 2000 kGy. The present invention is based on such findings.

本発明の摺動部材は、PV値が10〜20GPa・m/min.の高PV条件下で使用されるものである。PV値が上記範囲であれば、面圧(P)と滑り速度(V)は特に限定されないが、滑り速度(V)が0.1〜1.0m/sであることが好ましく、さらに面圧が0.17〜3.3GPaであることが好ましい。本発明の摺動部材の使用において、より適したPV値は15〜20GPa・m/min.である。   The sliding member of the present invention has a PV value of 10 to 20 GPa · m / min. Used under high PV conditions. As long as the PV value is within the above range, the surface pressure (P) and the sliding speed (V) are not particularly limited, but the sliding speed (V) is preferably 0.1 to 1.0 m / s, and the surface pressure Is preferably 0.17 to 3.3 GPa. In the use of the sliding member of the present invention, a more suitable PV value is 15 to 20 GPa · m / min. It is.

本発明の摺動部材は、鉄系金属基材上に形成された摺動層を有している。この摺動層は、下地層とこの下地層表面に形成され、かつ表面層近傍が架橋された架橋フッ素樹脂層とからなる。
鉄系金属基材は、転がり軸受などに使用される軸受鋼、浸炭鋼、機械構造用炭素鋼、冷間圧延鋼、または熱間圧延鋼等が挙げられる。鉄系金属基材は摺動部材の形状に加工後、焼入れ焼戻し処理することで所定の表面硬度に調整する。例えばクロムモリブデン鋼(SCM415)を用いた鉄系金属製保持器の場合、Hv値を484〜595に調整した鉄系金属基材を使用することが好ましい。
The sliding member of the present invention has a sliding layer formed on an iron-based metal substrate. The sliding layer includes an underlayer and a cross-linked fluororesin layer formed on the surface of the underlayer and having a cross-section in the vicinity of the surface layer.
Examples of the iron-based metal base material include bearing steel, carburized steel, carbon steel for machine structures, cold-rolled steel, and hot-rolled steel used for rolling bearings. The iron-based metal substrate is adjusted to a predetermined surface hardness by quenching and tempering after working into the shape of the sliding member. For example, in the case of an iron-based metal cage using chromium molybdenum steel (SCM415), it is preferable to use an iron-based metal base material whose Hv value is adjusted to 484 to 595.

本発明の摺動部材の断面図を図1に示す。摺動部材1を構成する摺動層2は、鉄系金属基材3の表面に形成された下地層4と、この下地層4の表面に形成されたフッ素樹脂層5からなる。下地層4は鉄系金属基材3の表面に形成され、図面上白丸で表される耐熱性樹脂と、同じく図面上黒丸で表される第一のフッ素樹脂との混合樹脂層である。フッ素樹脂層5は第二のフッ素樹脂を含んでおり、フッ素樹脂層5は少なくともその表面近傍が架橋されてなる架橋フッ素樹脂層である。摺動層2は表面層ならびにその近傍層に存在する第二のフッ素樹脂が三次元構造を有している。また、フッ素樹脂層5に含まれる第二のフッ素樹脂および下地層4に含まれる第一のフッ素樹脂は、フッ素樹脂層5の表面より鉄系金属基材3の表面に向かって架橋割合が少なくなる傾斜材料とすることができる。
なお、摺動層表面ならびにその近傍層に存在するフッ素樹脂が三次元構造を有するとは、フッ素樹脂層におけるこの部分全体が三次元構造のフッ素樹脂のみからなることに限定されず、この部分に二次元構造のフッ素樹脂が一部含まれていてもよい。
フッ素樹脂層5の層厚さt1は、下地層4の層厚さt2との合計厚さである摺動層の層厚さtに対して、10〜90%、好ましくは25〜75%である。
FIG. 1 shows a sectional view of the sliding member of the present invention. The sliding layer 2 constituting the sliding member 1 includes an underlayer 4 formed on the surface of the iron-based metal base material 3 and a fluororesin layer 5 formed on the surface of the underlayer 4. The underlayer 4 is formed on the surface of the iron-based metal base material 3 and is a mixed resin layer of a heat-resistant resin represented by a white circle in the drawing and a first fluororesin similarly represented by a black circle in the drawing. The fluororesin layer 5 contains a second fluororesin, and the fluororesin layer 5 is a crosslinked fluororesin layer in which at least the vicinity of the surface is crosslinked. The sliding layer 2 has a three-dimensional structure of the second fluororesin present in the surface layer and the layer near the surface layer. Further, the second fluororesin contained in the fluororesin layer 5 and the first fluororesin contained in the base layer 4 have a smaller crosslinking ratio from the surface of the fluororesin layer 5 toward the surface of the iron-based metal substrate 3. Graded material.
It should be noted that the fact that the fluororesin present on the surface of the sliding layer and its neighboring layers has a three-dimensional structure is not limited to that the entire part of the fluororesin layer is composed only of the fluororesin having the three-dimensional structure. A two-dimensional fluororesin may be partially contained.
The layer thickness t 1 of the fluororesin layer 5 is 10 to 90%, preferably 25 to 75%, of the layer thickness t of the sliding layer, which is the total thickness of the under layer 4 and the layer thickness t 2. %.

摺動層2の層厚さtは、5μm以上40μm未満、好ましくは15μm以上30μm未満である。層厚さが5μm未満であると、被膜の密着不良による剥離や初期摩耗の摩耗により、金属基材が露出するおそれがある。40μm以上であると、被膜形成時のクラック発生や運転中に剥離して潤滑状態が悪化するおそれがある。層厚さを5μm以上40μm未満の範囲とすることで、初期摩耗による金属基材の露出を防止でき、運転中における剥離を長期間にわたって防止できる。   The layer thickness t of the sliding layer 2 is 5 μm or more and less than 40 μm, preferably 15 μm or more and less than 30 μm. If the layer thickness is less than 5 μm, the metal substrate may be exposed due to peeling due to poor adhesion of the coating and abrasion at initial abrasion. When the thickness is 40 μm or more, cracks may occur during the formation of the coating, or the coating may peel off during operation to deteriorate the lubrication state. When the layer thickness is in the range of 5 μm or more and less than 40 μm, exposure of the metal substrate due to initial wear can be prevented, and peeling during operation can be prevented for a long time.

耐熱性樹脂は、炭素原子と共に、酸素原子、窒素原子および硫黄原子の少なくとも1つの原子を高分子構造の少なくとも主鎖に含む樹脂である。また、焼成して摺動層を形成する時に熱分解しない樹脂である。ここで熱分解しないとは、下地層およびフッ素樹脂層を焼成する温度および時間内において、熱分解を開始しない樹脂である。炭素原子と共に、酸素原子、窒素原子および硫黄原子の少なくとも1つの原子を高分子構造の主鎖に含む耐熱性樹脂であることにより、鉄系金属基材との密着性に優れた官能基および第一のフッ素樹脂とも反応する官能基を分子主鎖内または分子端部に有することができる。   The heat-resistant resin is a resin containing at least one atom of an oxygen atom, a nitrogen atom and a sulfur atom together with a carbon atom in at least a main chain of a polymer structure. It is a resin that does not thermally decompose when forming the sliding layer by firing. Here, “not thermally decomposed” means a resin that does not start thermal decomposition within the temperature and time for baking the underlayer and the fluororesin layer. By using a heat-resistant resin containing at least one atom of an oxygen atom, a nitrogen atom and a sulfur atom in a main chain of a polymer structure together with a carbon atom, a functional group having excellent adhesion to an iron-based metal substrate and A functional group that also reacts with one fluororesin can be provided in the molecular main chain or at the molecular end.

耐熱性樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、アミドイミド樹脂、イミド樹脂、エーテルイミド樹脂、イミダゾール樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。また、フッ素樹脂が塗膜形成時の収縮を防ぐウレタン樹脂、アクリル樹脂を併用することができる。
耐熱性樹脂の中でも芳香族環を主として含む樹脂が耐熱性に優れるため好ましい。好ましい耐熱性樹脂としては、芳香族アミドイミド樹脂、芳香族イミド樹脂が挙げられる。
Examples of the heat-resistant resin include an epoxy resin, a polyester resin, an amide imide resin, an imide resin, an ether imide resin, an imidazole resin, a polyether sulfone resin, a polysulfone resin, a polyether ether ketone resin, and a silicone resin. In addition, a urethane resin or an acrylic resin that prevents shrinkage of the fluororesin during the formation of the coating film can be used in combination.
Among heat-resistant resins, a resin mainly containing an aromatic ring is preferable because of its excellent heat resistance. Preferred heat-resistant resins include aromatic amide imide resins and aromatic imide resins.

第一のフッ素樹脂は、下地層を形成する水系塗布液に粒子状に分散できる樹脂であれば使用できる。第一のフッ素樹脂としては、PTFE粒子、テトラフルオロエチレン−パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体(以下、PFAという)粒子、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(以下、FEPという)粒子、またはこれらの2種以上が好ましく使用できる。   The first fluororesin can be used as long as it is a resin that can be dispersed in a particle form in an aqueous coating solution for forming an underlayer. Examples of the first fluororesin include PTFE particles, tetrafluoroethylene-perfluoro (alkyl vinyl ether) copolymer (hereinafter, referred to as PFA) particles, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (hereinafter, referred to as FEP) particles, Alternatively, two or more of these can be preferably used.

下地層を形成する水系塗布液には、耐熱性樹脂および第一のフッ素樹脂以外に、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなどの非イオン界面活性剤、カーボンブラックなどの無機顔料、N−メチル−2−ピロリドンなどの水に任意に混合する非プロトン系極性溶剤、主溶剤としての水が配合される。また、消泡剤、乾燥剤、増粘剤、レベリング剤、ハジキ防止剤などを配合できる。下地層を形成する水系塗布液としては、例えば、ダイキン工業株式会社製プライマー塗料EKシリーズ、EDシリーズが挙げられる。
また、水系塗布液に代わり、上記耐熱性樹脂を非プロトン極性溶媒に溶解させた樹脂溶液に、フッ素樹脂を溶解した溶液型塗布液、またはフッ素樹脂の微粒子を分散させた分散型塗布液を用いることができる。
In addition to the heat-resistant resin and the first fluororesin, non-ionic surfactants such as polyoxyethylene alkyl ether, inorganic pigments such as carbon black, and N-methyl-2-pyrrolidone Aprotic polar solvent arbitrarily mixed with water, and water as a main solvent. Further, an antifoaming agent, a desiccant, a thickener, a leveling agent, an anti-cissing agent and the like can be added. Examples of the water-based coating liquid for forming the undercoat layer include primer paints EK series and ED series manufactured by Daikin Industries, Ltd.
Instead of the aqueous coating solution, a solution type coating solution in which a fluororesin is dissolved in a resin solution in which the above heat-resistant resin is dissolved in an aprotic polar solvent, or a dispersion type coating solution in which fine particles of a fluororesin are dispersed is used. be able to.

フッ素樹脂層は、下地層の表面に形成され、放射線により架橋されたフッ素樹脂の層である。第一のフッ素樹脂と第二のフッ素樹脂とは同一であっても異なっていてもよいが、同一のフッ素樹脂を使用することが好ましい。第二のフッ素樹脂としては、PTFE、PFA、FEP、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)等が挙げられる。これらの樹脂は単独でも混合物としても使用できる。また、これらの中で、耐熱性および摺動性に優れるPTFEが好ましい。   The fluororesin layer is a fluororesin layer formed on the surface of the underlayer and crosslinked by radiation. The first fluororesin and the second fluororesin may be the same or different, but it is preferable to use the same fluororesin. Examples of the second fluororesin include PTFE, PFA, FEP, ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE) and the like. These resins can be used alone or as a mixture. Among these, PTFE having excellent heat resistance and slidability is preferable.

フッ素樹脂層は、PTFE樹脂粒子を分散させた水分散液を塗布乾燥することにより得られる。PTFE樹脂粒子を分散させた水分散液としては、例えば、ダイキン工業株式会社製ポリフロン=PTFEエナメルが挙げられる。   The fluororesin layer is obtained by applying and drying an aqueous dispersion in which PTFE resin particles are dispersed. As the aqueous dispersion in which the PTFE resin particles are dispersed, for example, polyflon = PTFE enamel manufactured by Daikin Industries, Ltd. can be mentioned.

本発明の摺動部材において、鉄系金属基材、下地層およびフッ素樹脂層は、接着剤層を設けることなく相互に密着している。鉄系金属基材表面への摺動層の形成方法において、相互に密着させるための方法について以下説明する。   In the sliding member of the present invention, the iron-based metal substrate, the underlayer, and the fluororesin layer are in close contact with each other without providing an adhesive layer. In the method of forming the sliding layer on the surface of the iron-based metal substrate, a method for making the sliding layers adhere to each other will be described below.

(1)鉄系金属基材の表面処理
鉄系金属基材は、摺動層形成前にショットブラスト等を用いて、予め金属基材表面の粗さ(Ra)を1.0〜2.0μmに調整し、その後、石油ベンジン等の有機溶剤内に浸漬させ、5分〜1時間程度超音波脱脂を行なうことが好ましい。
(2)下地層を形成する水系塗布液の塗装
下地層を形成する水系塗布液を塗布前に、水分散液の分散性を向上させるために、ボールミルを用いて、例えば40rpmで1時間回転させ再分散する。この再分散した水系塗布液を100メッシュの金網を用いて濾過し、スプレー法を用いて塗布する。
(3)下地層を形成する水系塗布液の乾燥
水系塗布液を塗布後乾燥する。乾燥条件としては、例えば90℃の恒温槽内で30分程度の乾燥が好ましい。乾燥後の下地層の層厚さは2.5〜20μm、好ましくは5〜20μm、より好ましくは10〜15μmの範囲内である。2.5μm以下であると、被膜の密着不良による剥離や初期摩耗により、金属基材が露出するおそれがある。20μm以上であると、被膜形成時のクラック発生や運転中に剥離して潤滑状態が悪化するおそれがある。層厚さを2.5〜20μmの範囲とすることで、初期摩耗による金属基材の露出を防止でき、運転中における剥離を長期間にわたって防止できる。
(1) Surface treatment of iron-based metal substrate The iron-based metal substrate has a surface roughness (Ra) of 1.0 to 2.0 μm using a shot blast or the like before forming a sliding layer. After that, it is preferable to immerse in an organic solvent such as petroleum benzine and to perform ultrasonic degreasing for about 5 minutes to 1 hour.
(2) Coating of an aqueous coating solution for forming an underlayer Before application of an aqueous coating solution for forming an underlayer, in order to improve the dispersibility of the aqueous dispersion, it is rotated for 1 hour at, for example, 40 rpm using a ball mill. Redistribute. The redispersed aqueous coating solution is filtered using a 100-mesh wire net and applied by a spray method.
(3) Drying of the aqueous coating liquid for forming the underlayer The aqueous coating liquid is dried after being applied. As the drying condition, for example, drying in a constant temperature bath at 90 ° C. for about 30 minutes is preferable. The thickness of the underlayer after drying is in the range of 2.5 to 20 μm, preferably 5 to 20 μm, more preferably 10 to 15 μm. When the thickness is 2.5 μm or less, the metal substrate may be exposed due to peeling or initial abrasion due to poor adhesion of the coating. If the thickness is 20 μm or more, cracks may occur during the formation of the coating, or the coating may peel off during operation to deteriorate the lubrication state. When the layer thickness is in the range of 2.5 to 20 μm, exposure of the metal substrate due to initial wear can be prevented, and peeling during operation can be prevented for a long period of time.

(4)フッ素樹脂層を形成する水系塗布液の塗装
フッ素樹脂層を形成する水系塗布液を塗布する前に、水分散液の分散性を向上させるために、ボールミルを用いて、例えば40rpmで1時間回転させ再分散する。下地層を焼成することなく、乾燥された下地層表面に、この再分散した水系塗布液を100メッシュの金網を用いて濾過し、スプレー法を用いて塗装する。
(5)フッ素樹脂層を形成する水系塗布液の乾燥
水系塗布液を塗布後乾燥する。乾燥条件としては、例えば90℃の恒温槽内で30分程度の乾燥が好ましい。乾燥後のフッ素樹脂を含む樹脂層の層厚さは2.5〜20μm、好ましくは5〜20μm、より好ましくは10〜15μmの範囲内である。2.5μm以下であると、被膜の密着不良による剥離や初期摩耗の摩耗により、金属基材が露出するおそれがある。20μm以上であると、被膜形成時のクラック発生や運転中に剥離して潤滑状態が悪化するおそれがある。層厚さを2.5〜20μmの範囲とすることで、初期摩耗による金属基材の露出を防止でき、運転中における剥離を長期間にわたって防止できる。
(4) Coating of an aqueous coating solution for forming a fluororesin layer Before applying an aqueous coating solution for forming a fluororesin layer, in order to improve the dispersibility of the aqueous dispersion, use a ball mill at 1 rpm, for example, at 40 rpm. Rotate for time and redisperse. Without firing the underlayer, the redispersed water-based coating solution is filtered on a dried underlayer surface using a 100-mesh wire net, and coated by a spray method.
(5) Drying of an aqueous coating solution for forming a fluororesin layer An aqueous coating solution is applied and dried. As the drying condition, for example, drying in a constant temperature bath at 90 ° C. for about 30 minutes is preferable. The layer thickness of the resin layer containing the fluororesin after drying is in the range of 2.5 to 20 μm, preferably 5 to 20 μm, more preferably 10 to 15 μm. When the thickness is 2.5 μm or less, the metal substrate may be exposed due to peeling due to poor adhesion of the coating and abrasion at initial abrasion. If the thickness is 20 μm or more, cracks may occur during the formation of the coating, or the coating may peel off during operation to deteriorate the lubrication state. When the layer thickness is in the range of 2.5 to 20 μm, exposure of the metal substrate due to initial wear can be prevented, and peeling during operation can be prevented for a long period of time.

なお、下地層およびフッ素樹脂層の塗装方法としては、スプレー法以外にディッピング法、刷毛塗り法など被膜を形成できるものであれば使用できる。被膜の表面粗さ、塗布形状をできるだけ小さくし、層厚さの均一性を考慮するとスプレー法が好ましい。   As a method for coating the underlayer and the fluororesin layer, any method can be used as long as a film can be formed, such as a dipping method or a brush coating method, in addition to the spray method. The spraying method is preferred in view of making the surface roughness and coating shape of the coating as small as possible and considering the uniformity of the layer thickness.

(6)焼成
フッ素樹脂層を形成する水系塗布液の乾燥後、加熱炉内、空気中で第二のフッ素樹脂の融点以上の温度、好ましくは(融点(Tm)+30℃)〜(融点(Tm)+100℃)、5〜40分の範囲内で、下地層およびフッ素樹脂層を同時に焼成する。第一および第二のフッ素樹脂がPTFEの場合、好ましくは380℃の加熱炉内で30分間焼成する。第一および第二のフッ素樹脂を塗布・乾燥後それぞれ焼成するのではなく、両者を同時に焼成することで、下地層およびフッ素樹脂層が接着剤層を設けることなく相互に密着できる。
(6) Firing After drying the aqueous coating solution for forming the fluororesin layer, the temperature is higher than the melting point of the second fluororesin in the heating furnace and in air, preferably (melting point (Tm) + 30 ° C.) to (melting point (Tm) ) + 100 ° C.), and simultaneously baking the underlayer and the fluororesin layer within a range of 5 to 40 minutes. When the first and second fluororesins are PTFE, firing is preferably performed in a heating furnace at 380 ° C. for 30 minutes. By sintering both the first and second fluororesins simultaneously, rather than applying and drying them, the base layer and the fluororesin layer can adhere to each other without providing an adhesive layer.

(7)フッ素樹脂層の架橋(架橋工程)
焼成後の被膜に、照射温度が第二のフッ素樹脂の融点より30℃低い温度から該融点の50℃高い温度以下、好ましくは第二のフッ素樹脂の融点より20℃低い温度から該融点の30℃高い温度以下にて、また、照射線量が850〜2500kGy、好ましくは1000〜2000kGy、より好ましくは1000〜1500kGyで放射線を照射してフッ素樹脂層を架橋させる。放射線としては、α線(α崩壊を行なう放射性核種から放出されるヘリウム−4の原子核の粒子線)、β線(原子核から放出される陰電子および陽電子)、電子線(ほぼ一定の運動エネルギーを持つ電子ビーム;一般に、熱電子を真空中で加速してつくる)などの粒子線;γ線(原子核、素粒子のエネルギー準位間の遷移や素粒子の対消滅、対生成などによって放出・吸収される波長の短い電磁波)などの電離放射線を用いることができる。これらの放射線の中でも、架橋効率や操作性の観点から、電子線およびγ線が好ましく、電子線がより好ましい。特に電子線は、電子線照射装置が入手しやすいこと、照射操作が簡単であること、連続的な照射工程を採用することができることなどの利点を有している。
(7) Crosslinking of fluororesin layer (crosslinking step)
The coating film after baking has an irradiation temperature of 30 ° C. lower than the melting point of the second fluororesin to 50 ° C. higher than the melting point or lower, preferably 20 ° C. lower than the melting point of the second fluororesin to 30 ° C. of the melting point. The fluororesin layer is cross-linked by irradiating radiation at a temperature of not higher than ℃ and an irradiation dose of 850 to 2500 kGy, preferably 1000 to 2000 kGy, more preferably 1000 to 1500 kGy. The radiation includes α-rays (particle beams of helium-4 nuclei emitted from radionuclides that perform α-decay), β-rays (negative electrons and positrons emitted from nuclei), and electron beams (almost constant kinetic energy. Particle beam such as electron beam having; generally, thermal electrons are accelerated in vacuum); gamma rays (emission and absorption due to transition between energy levels of nuclei and elementary particles, pair annihilation and pair generation of elementary particles) Ionizing radiation such as a short wavelength electromagnetic wave). Among these radiations, from the viewpoint of crosslinking efficiency and operability, an electron beam and a γ-ray are preferable, and an electron beam is more preferable. In particular, an electron beam has advantages such as easy availability of an electron beam irradiation apparatus, simple irradiation operation, and a continuous irradiation step.

照射温度が第二のフッ素樹脂の融点より30℃低い温度から該融点の50℃高い温度以下の温度範囲以外ではフッ素樹脂層の架橋が十分に進まない。フッ素樹脂層の高硬度化が十分に進まない。また、照射雰囲気は架橋を効率的に行なうため、真空引きや不活性ガス注入により照射領域の酸素濃度を低くする必要がある。酸素濃度の範囲は0〜300ppmが好ましい。酸素濃度を以上のような濃度範囲に維持するには操作性やコスト面の観点から窒素ガス注入による不活性雰囲気が好ましい。
高PV値での摺動条件では、照射線量が850kGy未満であると架橋が不十分となり、摩耗量が大きく、金属基材が露出してしまう場合がある。また、照射線量が2500kGyより高い場合であると架橋が必要以上に進み、被膜の硬度が上昇することで、脆化し、剥離等の被膜損傷が起こりやすくなる場合がある。
If the irradiation temperature is outside the temperature range of 30 ° C. lower than the melting point of the second fluororesin to 50 ° C. higher than the melting point, crosslinking of the fluororesin layer does not proceed sufficiently. Hardening of the fluorine resin layer does not proceed sufficiently. Further, in the irradiation atmosphere, it is necessary to lower the oxygen concentration in the irradiation region by evacuation or injection of an inert gas in order to efficiently perform the crosslinking. The range of the oxygen concentration is preferably from 0 to 300 ppm. To maintain the oxygen concentration in the above concentration range, an inert atmosphere by nitrogen gas injection is preferable from the viewpoint of operability and cost.
Under the sliding condition with a high PV value, if the irradiation dose is less than 850 kGy, the crosslinking becomes insufficient, the abrasion amount is large, and the metal base material may be exposed. Further, when the irradiation dose is higher than 2500 kGy, crosslinking proceeds more than necessary, and the hardness of the coating increases, whereby the coating may become brittle and the coating may be easily damaged such as peeling.

照射温度が第二のフッ素樹脂の融点より30℃低い温度から該融点の50℃高い温度以下の温度範囲内、照射線量が850〜2500kGyの条件で放射線を照射してフッ素樹脂層を架橋させることにより、押し込み硬さで表される摺動層の表面硬度を85〜146MPaにできる。また、摺動層の表面の融点を221〜281℃に低融点化できる。   Irradiation is performed under the condition that the irradiation temperature is 30 ° C. lower than the melting point of the second fluororesin to 30 ° C. higher than the melting point of the second fluororesin and the irradiation dose is 850 to 2500 kGy to crosslink the fluororesin layer. Thereby, the surface hardness of the sliding layer represented by the indentation hardness can be made 85 to 146 MPa. Further, the melting point of the surface of the sliding layer can be lowered to 221 to 281 ° C.

照射するときの加速電圧は40kV以上500kV未満、好ましくは40kV以上300kV以下、より好ましくは50kV以上100kV未満である。40kV未満であるとフッ素樹脂層の表面層近傍への電子線の侵入が浅くなり、500kV以上であると下地層およびフッ素樹脂層全体に架橋が進む。放射線をフッ素樹脂を含む層に照射すると、フッ素樹脂内部で放射線の強度が減衰するため、放射線を照射した表面近傍には放射線が充分届くが、他の面には放射線が届かないことを利用してフッ素樹脂層の表面近傍を架橋できる。   The acceleration voltage at the time of irradiation is 40 kV or more and less than 500 kV, preferably 40 kV or more and 300 kV or less, more preferably 50 kV or more and less than 100 kV. If it is less than 40 kV, the penetration of the electron beam into the vicinity of the surface layer of the fluororesin layer becomes shallow, and if it is more than 500 kV, the crosslinking proceeds to the underlayer and the whole fluororesin layer. When radiation is applied to a layer containing fluororesin, the intensity of the radiation is attenuated inside the fluororesin, so that the radiation reaches the vicinity of the irradiated surface sufficiently but does not reach other surfaces. Can crosslink the vicinity of the surface of the fluororesin layer.

また、照射するときの加速電圧を40kV以上500kV未満にて、窒素ガス注入による不活性雰囲気にて電子線を照射することにより、電子線が照射面に対して垂直方向に照射される摺動部材表面の照射線量を高くすることができると共に、この摺動部材表面に隣接する電子線照射方向に平行な面にも電子線の散乱により電子線が照射される。平行な面への電子線照射は照射距離が遠くなるに従って少なくなる。例えば上記平行な面における電子線照射窓に近い部分の照射線量を2000kGyから離れるに従って1000kGy、500kGyに変化させることができる。   A sliding member in which an electron beam is irradiated in an inert atmosphere by nitrogen gas injection at an acceleration voltage of 40 kV or more and less than 500 kV during irradiation, whereby the electron beam is irradiated in a direction perpendicular to the irradiation surface. The irradiation dose on the surface can be increased, and a surface adjacent to the sliding member surface and parallel to the electron beam irradiation direction is also irradiated with the electron beam by scattering of the electron beam. The number of electron beam irradiations on parallel surfaces decreases as the irradiation distance increases. For example, the irradiation dose in a portion near the electron beam irradiation window on the parallel plane can be changed to 1000 kGy and 500 kGy as the distance from 2000 kGy increases.

上述した方法により得られた摺動層の油潤滑中での耐摩耗性を評価するため、サバン型摩擦摩耗試験にて比摩耗量を測定した。試験片、相手材などの試験条件を以下に示す。
(1)試験片の作成
試験片:SPCC製30mm×30mm、厚さ2mmの金属平板に摺動層を形成した。下地層にはダイキン社製プライマー塗料(型番:EK−1909S21R)、フッ素樹脂層にはダイキン社製トップ塗料(型番:EK−3700C21R)を用いた。乾燥時間はそれぞれ90℃の恒温槽内で30分間乾燥し、380℃の加熱炉内で30分間下地層およびフッ素樹脂層を同時に焼成した。
その後、以下の条件で試験片に摺動層表面側から電子線照射を行なった。
使用装置:浜松ホトニクス株式会社製EBエンジン
照射線量:実施例1が1000kGy、実施例2が2000kGy、比較例1が500kGy
加速電圧:70kV
照射時の被膜温度:340℃
照射時のチャンバー内雰囲気:加熱窒素
In order to evaluate the wear resistance of the sliding layer obtained by the above-described method during oil lubrication, the specific wear amount was measured by a Savan-type friction wear test. The test conditions, such as a test piece and a partner material, are shown below.
(1) Preparation of test piece Test piece: A sliding layer was formed on a 30 mm x 30 mm, 2 mm thick metal flat plate made by SPCC. A primer paint (model number: EK-1909S21R) manufactured by Daikin Co., Ltd. was used for the base layer, and a top paint (model number: EK-3700C21R) manufactured by Daikin Co., Ltd. was used for the fluororesin layer. The drying time was 30 minutes in a thermostat at 90 ° C., respectively, and the base layer and the fluororesin layer were simultaneously baked in a heating furnace at 380 ° C. for 30 minutes.
Thereafter, the test piece was irradiated with an electron beam from the sliding layer surface side under the following conditions.
Device used: EB engine manufactured by Hamamatsu Photonics KK Irradiation dose: 1000 kGy in Example 1, 2000 kGy in Example 2, and 500 kGy in Comparative Example 1.
Accelerating voltage: 70 kV
Film temperature during irradiation: 340 ° C
Atmosphere in chamber during irradiation: heated nitrogen

(2)比較例および実施例の試験片被膜
比較例1:PTFE被膜(照射線量:500kGy、層厚さ:20μm)
実験例1:PTFE被膜(照射線量:1000kGy、層厚さ:20μm)
実験例2:PTFE被膜(照射線量:2000kGy、層厚さ:20μm)
(2) Test piece coating of Comparative Example and Example Comparative Example 1: PTFE coating (irradiation dose: 500 kGy, layer thickness: 20 μm)
Experimental Example 1: PTFE coating (irradiation dose: 1000 kGy, layer thickness: 20 μm)
Experimental Example 2: PTFE coating (irradiation dose: 2000 kGy, layer thickness: 20 μm)

(3)サバン型摩擦摩耗試験の条件
相手材:焼入れ焼戻し処理したSUJ2製φ40mm×幅10mm×副曲率R60mmのリング(表面粗さRa=0.006〜0.013μm)
潤滑油:モービルベロシティオイルNo.3(VG2)潤滑
滑り速度:0.5m/s
荷重:50N(面圧0.5GPa)
PV値:15GPa・m/min
摺動時間:3000分(50時間)
(3) Conditions of Savan-type friction and wear test Counterpart material: Ring of SUJ2 φ40 mm × width 10 mm × sub-curvature R60 mm (surface roughness Ra = 0.006 to 0.013 μm) that has been quenched and tempered
Lubricating oil: Mobile velocity oil No. 3 (VG2) lubrication Sliding speed: 0.5 m / s
Load: 50N (0.5 GPa surface pressure)
PV value: 15 GPa · m / min
Sliding time: 3000 minutes (50 hours)

(4)試験結果
試験結果を表1に示す。比摩耗量は摩耗体積を摺動距離と荷重で除した値であり、形成された摩耗痕の短径、相手材の形状寸法(φ40mmおよびR60mm)から摩耗体積を算出した。なお、表1は、比較例1の比摩耗量を1.000とした場合の実験例1、2の比摩耗量を示した。
(4) Test results Table 1 shows the test results. The specific wear amount is a value obtained by dividing the wear volume by the sliding distance and the load, and the wear volume was calculated from the short diameter of the formed wear mark and the shape and dimension (φ40 mm and R60 mm) of the mating material. Table 1 shows the specific wear amounts of Experimental Examples 1 and 2 when the specific wear amount of Comparative Example 1 was 1.000.

Figure 2020051439
Figure 2020051439

表1に示すように、比較例1に比較して、実施例1、実施例2は高PV条件下において優れた比摩耗量を示した。実施例1、2の比摩耗量は、比較例1の比摩耗量に対して5%以下であった。例えば、同様のフッ素系樹脂被膜を有する従来技術(上記特許文献5)では、架橋工程における照射線量が250〜800kGyであったのに対して、本発明では照射線量を850kGy以上とすることで高PV条件下の使用に適した耐摩耗性が得られることが分かった。   As shown in Table 1, as compared to Comparative Example 1, Examples 1 and 2 exhibited excellent specific wear under high PV conditions. The specific wear of Examples 1 and 2 was 5% or less of the specific wear of Comparative Example 1. For example, in the related art having the same fluorine-based resin film (Patent Document 5), the irradiation dose in the crosslinking step was 250 to 800 kGy, whereas in the present invention, the irradiation dose was increased to 850 kGy or more. It has been found that abrasion resistance suitable for use under PV conditions is obtained.

次に本発明に用いる摺動部材のフッ素樹脂層の表面層近傍が架橋構造を有していることについて説明する。一般に、フッ素系樹脂、特にPTFE樹脂は化学的に非常に安定で、有機溶媒などに対しても極めて安定であるため、分子構造あるいは分子量などを同定することは困難である。しかしながら19F Magic angle Spinning(MAS)核磁気共鳴(NMR)法(High speed magic angle nuclear magnetic resonance)による測定ならびに解析により、本発明の摺動部材の架橋構造を同定することが可能となる。 Next, the fact that the vicinity of the surface layer of the fluororesin layer of the sliding member used in the present invention has a crosslinked structure will be described. In general, fluororesins, especially PTFE resins, are chemically very stable and extremely stable to organic solvents and the like, and it is difficult to identify the molecular structure or molecular weight. However, the crosslinked structure of the sliding member of the present invention can be identified by measurement and analysis by 19 F Magic angle Spinning (MAS) nuclear magnetic resonance (NMR) method (High speed magic angle nuclear magnetic resonance).

測定は、日本電子株式会社製NMR装置JNM−ECX400を用いて、好適な測定核種(19F)、共鳴周波数(376.2MHz)、MAS(Magic Angle Spinning)回転数(15および12kHz)、サンプル量(4mm固体NMR管に約70μL)、待ち時間(recycle delay time)(10秒)ならびに測定温度(約24℃)で行なった。結果を図2〜図5に示す。図2は照射線量0kGyの表面層のNMR、図3は照射線量500kGyのNMRチャートの拡大図をそれぞれ表す。また、照射線量1000kGyの表面層のNMRを図4に表す。図2〜図4において上段はMAS回転数15kHz、下段はMAS回転数12kHzをそれぞれ表す。図5は架橋に伴い強度が増加する−82ppmでのシグナル強度を主シグナルである−122ppmでのシグナル強度で規格化し、グラフにしたものである。図5において上段は測定値、下段はグラフを表す。このシグナル強度比が高いほど架橋度が進行しているものと考えられる。 The measurement was performed using NMR apparatus JNM-ECX400 manufactured by JEOL Ltd., using suitable measurement nuclide ( 19 F), resonance frequency (376.2 MHz), MAS (Magic Angle Spinning) rotation speed (15 and 12 kHz), sample amount. (Approximately 70 μL in a 4 mm solid NMR tube), recycle delay time (10 seconds) and measurement temperature (approximately 24 ° C.). The results are shown in FIGS. 2 shows an NMR of the surface layer at an irradiation dose of 0 kGy, and FIG. 3 shows an enlarged view of an NMR chart at an irradiation dose of 500 kGy. FIG. 4 shows the NMR of the surface layer at an irradiation dose of 1000 kGy. In FIG. 2 to FIG. 4, the upper part shows the MAS rotation speed of 15 kHz, and the lower part shows the MAS rotation speed of 12 kHz. FIG. 5 is a graph in which the signal intensity at −82 ppm, at which the intensity increases with crosslinking, is normalized by the signal intensity at −122 ppm, which is the main signal. In FIG. 5, the upper part shows measured values, and the lower part shows a graph. It is considered that the higher the signal intensity ratio, the more the degree of crosslinking has advanced.

放射線照射を行なっていないフッ素樹脂層(照射線量、0kGy)を上記の条件で測定すると、MAS回転数15kHzにおいて、−82ppm、−122ppm、−162ppmのシグナルが観測された(図2上段)。また、MAS回転数12kHzにおいて、同じく、−58ppm、−82ppm、−90ppm、−122ppm、−154ppm、−186ppmのシグナルが観測された(図2下段)。−122ppmは−CF2−CF2−結合におけるF原子のシグナルであり、−82ppmは−CF2−CF3結合における−CF3のF原子のシグナルであることが知られている。このことから、MAS回転数15kHzにおける−82ppmおよび−162ppm、MAS回転数12kHzにおける−58ppm、−90ppm、−154ppm、−186ppmのシグナルはスピニングサイドバンド(Spinning Side Band:SSB)である。なお、−122ppm〜−130ppmの領域で−122ppmのシグナルに隠れてブロードになっているシグナルが観測されている。このシグナルは−126ppmに観測されるはずの−CF2−CF3結合における−CF2−のF原子のシグナルである。従って、放射線照射を行なっていない未架橋のフッ素樹脂層は−CF2−CF2−結合に帰属する−122ppm、−CF2−CF3に帰属する−82ppmおよび−126ppmのシグナルを有するNMRチャートで表される。 When the fluororesin layer without irradiation (irradiation dose, 0 kGy) was measured under the above conditions, signals of -82 ppm, -122 ppm, and -162 ppm were observed at a MAS rotation speed of 15 kHz (the upper part of Fig. 2). At MAS rotation frequency of 12 kHz, signals of -58 ppm, -82 ppm, -90 ppm, -122 ppm, -154 ppm, and -186 ppm were also observed (lower part in FIG. 2). -122ppm is -CF 2 -CF 2 - is a signal of the F atoms in the binding, -82Ppm is known to be a signal of F atoms -CF 3 in -CF 2 -CF 3 binding. From this, the signals at −82 ppm and −162 ppm at a MAS rotation frequency of 15 kHz and at −58 ppm, −90 ppm, −154 ppm, and −186 ppm at a MAS rotation speed of 12 kHz are spinning side bands (SSB). Note that in the region of -122 ppm to -130 ppm, a signal which is hidden behind a signal of -122 ppm and is broad has been observed. This signal -CF 2 in -CF 2 -CF 3 binding should be observed -126Ppm - is a signal of the F atoms. Therefore, the fluororesin layer of uncrosslinked not performed Irradiation -CF 2 -CF 2 - -122ppm attributable to binding, by NMR chart having a signal of -82ppm and -126ppm attributable to -CF 2 -CF 3 expressed.

500kGyの線量の放射線を照射したフッ素樹脂の表面層(照射線量500kGy)の固体19F MAS NMRを未架橋のフッ素樹脂層と同じ条件で測定すると、スピニングサイドバンドを除いて、−68ppm、−70ppm、−80ppm、−82ppm、−109ppm、−112ppm、−122ppm、−126ppm、−152ppm、および−186ppmのシグナルが観測された(図3上段および図3下段)。−68ppm、−70ppm、−80ppm、−109ppm、−112ppm、−152ppm、および−186ppmのシグナルが放射線照射により新たに出現し、−82ppmのシグナルはその強度が未照射より増加していた。 When the solid-state 19 F MAS NMR of the surface layer (irradiation dose of 500 kGy) of the fluororesin irradiated with the radiation of 500 kGy under the same conditions as the uncrosslinked fluororesin layer, -68 ppm and -70 ppm excluding the spinning side band , -80 ppm, -82 ppm, -109 ppm, -112 ppm, -122 ppm, -126 ppm, -152 ppm, and -186 ppm (FIG. 3, upper part and FIG. 3, lower part). Signals at -68 ppm, -70 ppm, -80 ppm, -109 ppm, -112 ppm, -152 ppm, and -186 ppm newly appeared upon irradiation, and the intensity of the signal at -82 ppm was higher than that of non-irradiation.

1000kGyの線量の放射線を照射したフッ素樹脂の表面層(照射線量1000kGy)の固体19F MAS NMRを未架橋のフッ素樹脂層と同じ条件で測定すると、スピニングサイドバンドを除いて、−68ppm、−70ppm、−77ppm、−80ppm、−82ppm、−109ppm、−112ppm、−122ppm、−126ppm、−152ppm、および−186ppmのシグナルが観測された(図4上段および図4下段)。−68ppm、−70ppm、−77ppm、−80ppm、−109ppm、−112ppm、−152ppm、および−186ppmのシグナルが放射線照射により新たに出現し、−82ppmのシグナルはそのシグナル強度が500kGy照射時より増加していた。 When the solid-state 19 F MAS NMR of the surface layer (irradiation dose of 1000 kGy) of the fluororesin irradiated with a dose of 1000 kGy under the same conditions as that of the uncrosslinked fluororesin layer is -68 ppm, -70 ppm except for spinning side bands. , -77 ppm, -80 ppm, -82 ppm, -109 ppm, -112 ppm, -122 ppm, -126 ppm, -152 ppm, and -186 ppm (FIG. 4, upper row and FIG. 4, lower row). Signals at -68 ppm, -70 ppm, -77 ppm, -80 ppm, -109 ppm, -112 ppm, -152 ppm, and -186 ppm newly appear upon irradiation, and the signal intensity at -82 ppm increases from that at 500 kGy irradiation. I was

上記シグナルは、帰属するF原子を下線で表せば、例えば−70ppmは=CF−C 3、−109ppmは−C 2−CF(CF3)−C 2−、−152ppmは=C−C=、−186ppmは≡Cに帰属されることが知られている(Beate Fuchs and Ulrich Scheler., Branching and Cross−Linking in Radiation−Modified Poly(tetrafluoroethylene):A Solid−State NMR Investigation.Macromolecules,33,120−124.2000年)。 The above signals, if indicated imputed to F atom underlined, for example -70ppm is = CF-C F 3, -109ppm is -C F 2 -CF (CF 3) -C F 2 -, - 152ppm is = C F -C F =, - 186ppm is known to be attributed to ≡C F (Beate Fuchs and Ulrich Scheler , Branching and Cross-Linking in Radiation-Modified Poly (tetrafluoroethylene):. a Solid-State NMR Investigation. Macromolecules, 33, 120-124. 2000).

これらのシグナルは化学的に非等価なフッ素原子の存在を示すと同時にフッ素樹脂層の表面層が架橋による三次元構造を形成していることを示す。また、上記文献によれば、観測されるシグナルの強度は照射線量500kGyよりも照射線量1000kGyの方が強くなり、少なくとも照射線量3000kGyまでは、照射線量の増加に伴ってシグナルが強くなることが知られている。なお、上記文献に記載されていないシグナルについては、放射線の照射条件の違いによりフッ素樹脂層の構造が異なっていることが考えられるが、架橋構造が形成されていることは、=CF−C 3、−C 2−CF(CF3)−C 2−、=C−C=、≡C等の構造が存在することから明白である。 These signals indicate the presence of chemically non-equivalent fluorine atoms and also indicate that the surface layer of the fluororesin layer has formed a three-dimensional structure by crosslinking. Further, according to the above-mentioned literature, it is known that the intensity of the observed signal is stronger at an irradiation dose of 1000 kGy than at an irradiation dose of 500 kGy, and at least up to an irradiation dose of 3000 kGy, the signal becomes stronger as the irradiation dose increases. Have been. Note that signals that have not been described in the literature, it is conceivable to have different structures of the fluororesin layer due to the difference in irradiation conditions of radiation, the crosslinking structure is formed, = CF-C F 3, -C F 2 -CF (CF 3) -C F 2 -, = = C F -C F, it is apparent from the presence of structures such ≡C F.

図5に示すように、規格化シグナル強度比は、照射線量が増加するに従って増加している。照射線量が500kGyで明らかに架橋構造が出現していることが分かる。   As shown in FIG. 5, the normalized signal intensity ratio increases as the irradiation dose increases. It can be seen that a crosslinked structure clearly appears at an irradiation dose of 500 kGy.

上記実施例に用いたフッ素樹脂層を形成する水系塗布液を90℃の恒温槽内で30分程度の乾燥条件により塗布後乾燥後、空気中で380℃の加熱炉内で30分間焼成して、厚さ4μmの未架橋フッ素樹脂被膜を作製した。このフィルムを5枚密接して積層し、一方の面から、上記実験条件にて電子線照射を行なった。照射後、フッ素樹脂被膜を分離して、それぞれのフィルムについて、日本電子株式会社製NMR装置JNM−ECX400を用いて、上記実験例に従いNMR測定を行なった。測定の結果、照射面から照射と反対側の面に存在するフィルムに向かって架橋に伴うシグナル強度が低下し、傾斜構造を有していることが分かった。   The water-based coating solution for forming the fluororesin layer used in the above example was applied in a thermostat at 90 ° C. for about 30 minutes under a drying condition, dried and then baked in a heating furnace at 380 ° C. for 30 minutes in air. And an uncrosslinked fluororesin film having a thickness of 4 μm was prepared. Five such films were laminated closely, and one side was irradiated with an electron beam under the above experimental conditions. After the irradiation, the fluororesin coating was separated, and each film was subjected to NMR measurement using an NMR apparatus JNM-ECX400 manufactured by JEOL Ltd. in accordance with the above experimental example. As a result of the measurement, it was found that the signal intensity accompanying the crosslinking decreased from the irradiated surface toward the film present on the surface opposite to the irradiated surface, and that the film had an inclined structure.

放射線照射によりフッ素樹脂の表面が架橋して表面硬度が高くなる。ここで、照射線量0kGy、500kGy、1000kGyにおける表面硬度をそれぞれ測定した。表面硬度は、平板試験片の押し込み硬さをアジレントテクノロジー社製:ナノインデンタ(G200)を用いて、ISO14577に準拠した方法で測定した。なお、測定値は表面粗さおよび基材(SPCC)の影響を受けない深さ(硬さが安定している箇所)の平均値を示しており、各試験片10箇所ずつ測定した。測定条件は、圧子形状がバーコビッチ型であり、押し込み深さが荷重5mNとなる深さであり、荷重負荷速度が10mN/分であり、測定温度が25℃である。押し込み硬さは、押し込み荷重と変位(面積)から硬度を算出した。測定結果およびその結果をグラフ化したものを図6に示す。   Radiation irradiation crosslinks the surface of the fluororesin and increases the surface hardness. Here, the surface hardness at the irradiation dose of 0 kGy, 500 kGy, and 1000 kGy was measured, respectively. The surface hardness was determined by measuring the indentation hardness of a flat plate test piece using a nanoindenter (G200) manufactured by Agilent Technologies, Inc., according to a method based on ISO14577. In addition, the measured value shows the average value of the depth (the place where the hardness is stable) which is not affected by the surface roughness and the base material (SPCC), and was measured at 10 places for each test piece. The measurement conditions were as follows: the indenter shape was a Berkovich type, the indentation depth was a depth at which the load was 5 mN, the load application speed was 10 mN / min, and the measurement temperature was 25 ° C. The indentation hardness was calculated from the indentation load and the displacement (area). FIG. 6 shows the measurement results and graphs of the results.

図6のグラフは、押し込み硬さを縦軸に、照射線量を横軸に表している。押し込み硬さと照射線量とは良好な相関性を示していることから、両者の回帰直線を引くことが可能である。この回帰直線より照射線量が500kGy、850kGy、1000kGy、1500kGy、2000kGy、2500kGy時の押し込み硬さをそれぞれ算出した。結果を表2に示す。   In the graph of FIG. 6, the vertical axis indicates the indentation hardness and the horizontal axis indicates the irradiation dose. Since the indentation hardness and the irradiation dose show a good correlation, it is possible to draw a regression line between them. From the regression line, the indentation hardness was calculated when the irradiation dose was 500 kGy, 850 kGy, 1000 kGy, 1500 kGy, 2000 kGy, and 2500 kGy, respectively. Table 2 shows the results.

Figure 2020051439
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表2および図6に示すように、フッ素樹脂の表面を架橋することにより、また架橋度が高くなるに従って、押し込み硬さで表される表面硬度が高くなる。本発明の摺動部材が対象とする高PV条件下においては、摺動層の押し込み硬さが85〜146MPaであり、88〜126MPaであることが好ましく、92〜108MPaであることがより好ましい。上記数値範囲の押し込み硬さとなるように放射線を照射してフッ素樹脂層を高硬度化させる。照射線量は850〜2500kGyが好ましい。この照射線量の範囲内で摺動層の表面硬度を調整できる。
照射の結果、押し込み硬さが85MPa未満であると、高PV条件下において摩耗量が大きく、金属基材が露出してしまうおそれがある。また、押し込み硬さが146MPaよりも高いと、被膜の硬度が極度に上昇することで、脆化し、剥離等の被膜損傷が起こりやすくなる場合がある。
As shown in Table 2 and FIG. 6, by cross-linking the surface of the fluororesin, and as the degree of cross-linking increases, the surface hardness expressed by indentation hardness increases. Under the high PV conditions targeted by the sliding member of the present invention, the indentation hardness of the sliding layer is from 85 to 146 MPa, preferably from 88 to 126 MPa, and more preferably from 92 to 108 MPa. The fluororesin layer is hardened by irradiating radiation so as to have an indentation hardness in the above numerical range. The irradiation dose is preferably 850 to 2500 kGy. The surface hardness of the sliding layer can be adjusted within this irradiation dose range.
As a result of the irradiation, if the indentation hardness is less than 85 MPa, the amount of abrasion is large under high PV conditions, and the metal substrate may be exposed. Further, when the indentation hardness is higher than 146 MPa, the hardness of the coating is extremely increased, thereby embrittlement and the coating may be easily damaged such as peeling.

また、放射線照射によりフッ素樹脂が架橋して融点を低下させることができる。融点の測定は、示差走査熱量分析計(エスアイアイ・ナノテクノロジー社製、製品名「DSC6220」)を用いて行なった。照射表面層のみを削り取った測定試料は、フッ素樹脂被膜10〜15mgを同社製密封式アルミ製試料容器(以下、アルミパン)に封入したものを使用し、リファレンスにはフッ素樹脂被膜と同量の酸化アルミニウム(Al23)をアルミパンに封入したものを使用した。測定条件に関しては、窒素フロー(200mL/分)雰囲気下で、2℃/分の昇温速度にて30℃から370℃まで昇温し、その温度で20分間保持した後、2℃/分の降温速度にて370℃から40℃まで降温させたことにより測定した数値である。昇温時の吸熱ピークのピークトップを融解ピーク温度とし、融点とした。測定結果およびその結果をグラフ化したものを図7に示す。 In addition, the radiation resin can crosslink the fluororesin to lower the melting point. The measurement of the melting point was performed using a differential scanning calorimeter (product name "DSC6220", manufactured by SII Nanotechnology Inc.). For the measurement sample from which only the irradiation surface layer was scraped, a fluororesin coating 10 to 15 mg sealed in a sealed aluminum sample container (hereinafter referred to as an aluminum pan) was used. A material in which aluminum oxide (Al 2 O 3 ) was sealed in an aluminum pan was used. Regarding the measurement conditions, in a nitrogen flow (200 mL / min) atmosphere, the temperature was raised from 30 ° C. to 370 ° C. at a rate of 2 ° C./min, and held at that temperature for 20 minutes, followed by 2 ° C./min. It is a numerical value measured by lowering the temperature from 370 ° C. to 40 ° C. at a temperature lowering rate. The peak top of the endothermic peak at the time of temperature rise was defined as the melting peak temperature and the melting point. FIG. 7 shows the measurement results and graphs of the results.

図7のグラフは、融点を縦軸に、照射線量を横軸に表している。融点と照射線量とは良好な相関性を示していることから、両者の回帰直線を引くことが可能である。この回帰直線より照射線量が500kGy、850kGy、1000kGy、1500kGy、2000kGy、2500kGy時の融点をそれぞれ算出した。結果を表3に示す。   The graph of FIG. 7 shows the melting point on the vertical axis and the irradiation dose on the horizontal axis. Since a good correlation is shown between the melting point and the irradiation dose, it is possible to draw a regression line between the two. From the regression line, melting points were calculated when the irradiation dose was 500 kGy, 850 kGy, 1000 kGy, 1500 kGy, 2000 kGy, and 2500 kGy. Table 3 shows the results.

Figure 2020051439
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表3および図7に示すように、表面が架橋することにより、また架橋度が高くなるに従って表面の融点が低くなる。本発明にあっては、焼成後の被膜に、照射温度が第二のフッ素樹脂の放射線照射前の融点より30℃低い温度から該融点の50℃高い温度以下であり、被膜の融点が221〜281℃、好ましくは241〜281℃、より好ましくは260〜276℃となるように放射線を照射してフッ素樹脂層を低融点化させる。照射線量は850〜2500kGyとすることが好ましい。本発明の摺動部材が対象とする高PV条件下においては、融点が281℃よりも高いと、摩耗量が大きく、金属基材が露出してしまうおそれがある。また、融点が221℃よりも低いと、被膜の硬度が上昇することで、脆化し、剥離等の被膜損傷が起こりやすくなる場合がある。   As shown in Table 3 and FIG. 7, the surface is crosslinked, and the higher the degree of crosslinking, the lower the melting point of the surface. In the present invention, the coating film after firing, the irradiation temperature is from 30 ° C. lower than the melting point of the second fluororesin before irradiation to 50 ° C. or higher than the melting point, the melting point of the coating is 221 to Radiation is applied at 281 ° C., preferably 241-281 ° C., more preferably 260-276 ° C. to lower the melting point of the fluororesin layer. The irradiation dose is preferably 850 to 2500 kGy. Under the high PV conditions targeted by the sliding member of the present invention, if the melting point is higher than 281 ° C., the abrasion loss is large, and the metal base may be exposed. Further, when the melting point is lower than 221 ° C., the hardness of the coating increases, thereby embrittlement, and the coating may be easily damaged such as peeling.

上記摺動層を有する鉄系金属基材は、摺動層が鉄系金属基材との密着性に優れ、また摺動面が油中においても耐摩耗性に優れているので、鉄系金属製保持器、この保持器を有する転がり軸受に好適に用いることができる。特に油中かつ高PV条件下で使用され、針状ころを転動体とした転がり軸受であるエンジンのコンロッド大端部軸受、コンロッド小端部軸受またはクランクシャフト支持軸である場合に好適である。   The iron-based metal substrate having the above-mentioned sliding layer has the following characteristics: the sliding layer has excellent adhesion to the iron-based metal substrate, and the sliding surface has excellent wear resistance even in oil. It can be suitably used for a cage made and a rolling bearing having this cage. In particular, the present invention is suitable for a large connecting rod end bearing, a small connecting rod bearing, or a crankshaft support shaft of an engine which is used in oil and under high PV conditions and is a rolling bearing using a needle roller as a rolling element.

上記摺動層を有する転がり軸受用保持器の構造を図8に示す。図8は針状ころを転動体とする転がり軸受用鉄系金属製保持器の斜視図である。
保持器6は、針状ころを保持するためのポケット7が設けられ、各ポケットの間に位置する柱部8と、この柱部8を固定する両側円環部9、10とで、各針状ころの間隔を保持する。柱部8は針状ころを保持するため、柱部の中央部で山折・谷折に屈曲され、両側円環部9、10との結合部において平面視円形の膨らみを有する平板の複雑な形状とされている。本保持器の製法は、素形材より円環を削り出し、ポケット7をプレス加工により打抜きで形成する方法、平板をプレス加工した後、適当な長さに切断し、円環状に丸めて溶接により接合する方法などを採用することができる。この保持器6の表面部位にフッ素樹脂被膜の摺動層が形成されている。摺動層を形成する保持器の表面部位は潤滑油またはグリースと接触する部位であり、針状ころと接触するポケット7の表面を含めた保持器6の全表面に摺動層を形成することが好ましい。
FIG. 8 shows the structure of the rolling bearing cage having the sliding layer. FIG. 8 is a perspective view of an iron-based metal cage for a rolling bearing using needle rollers as rolling elements.
The cage 6 is provided with pockets 7 for holding the needle rollers. Each of the needles 8 includes a column portion 8 located between the pockets and both annular portions 9 and 10 for fixing the column portion 8. Maintain the roller spacing. The column portion 8 has a complicated shape of a flat plate which is bent at the center of the column portion into a mountain fold and a valley fold in order to hold the needle rollers, and has a circular bulge in a plan view at a joint portion with the annular portions 9 and 10 on both sides. It has been. The method of manufacturing this cage is to cut out an annular ring from the shaped material and form the pocket 7 by punching, press a flat plate, cut it to an appropriate length, then round it into an annular shape and weld it. Can be employed. A sliding layer of a fluororesin film is formed on the surface of the cage 6. The surface part of the cage forming the sliding layer is a part that comes into contact with the lubricating oil or grease, and the sliding layer is formed on the entire surface of the cage 6 including the surface of the pocket 7 that comes into contact with the needle rollers. Is preferred.

図9は転がり軸受の一実施例である針状ころ軸受を示す斜視図である。図9に示すように、針状ころ軸受11は複数の針状ころ12と、この針状ころ12を一定間隔、もしくは不等間隔で保持する保持器6とで構成される。エンジンのコンロッド部用軸受の場合、軸受内輪および軸受外輪は設けられず、直接に、保持器6の内径側にクランク軸やピストンピン等の軸が挿入され、保持器6の外径側がハウジングであるコンロッドの係合穴に嵌め込まれて使用される。内外輪を有さず、長さに比べて直径が小さい針状ころ12を転動体として用いるので、この針状ころ軸受11は、内外輪を有する一般の転がり軸受に比べて、コンパクトなものとなる。   FIG. 9 is a perspective view showing a needle roller bearing which is one embodiment of the rolling bearing. As shown in FIG. 9, the needle roller bearing 11 includes a plurality of needle rollers 12 and a retainer 6 that holds the needle rollers 12 at regular intervals or at irregular intervals. In the case of the bearing for the connecting rod portion of the engine, the bearing inner ring and the bearing outer ring are not provided, and a shaft such as a crankshaft or a piston pin is directly inserted into the inner diameter side of the retainer 6, and the outer diameter side of the retainer 6 is a housing. It is used by being fitted into an engagement hole of a certain connecting rod. Since the needle rollers 12 having no inner and outer rings and having a smaller diameter than the length are used as rolling elements, the needle roller bearing 11 is more compact than a general rolling bearing having inner and outer rings. Become.

上記針状ころ軸受を使用した4サイクルエンジンの縦断面図を図10に示す。
図10は本発明の転がり軸受の一例として針状ころ軸受を使用した4サイクルエンジンの縦断面図である。4サイクルエンジンは、吸気バルブ13aを開き、排気バルブ14aを閉じてガソリンと空気を混合した混合気を吸気管13を介して燃焼室15に吸入する吸入行程と、吸気バルブ13aを閉じてピストン16を押し上げて混合気を圧縮する圧縮行程と、圧縮された混合気を爆発させる爆発行程と、爆発した燃焼ガスを排気バルブ14aを開き排気管14を介して排気する排気行程とを有する。そして、これらの行程で燃焼により直線往復運動を行なうピストン16と、回転運動を出力するクランク軸17と、ピストン16とクランク軸17とを連結し、直線往復運動を回転運動に変換するコンロッド18とを有する。クランク軸17は、回転中心軸19を中心に回転し、バランスウェイト20によって回転のバランスをとっている。
FIG. 10 is a longitudinal sectional view of a four-cycle engine using the needle roller bearing.
FIG. 10 is a longitudinal sectional view of a four-cycle engine using a needle roller bearing as an example of the rolling bearing of the present invention. The four-stroke engine opens the intake valve 13a, closes the exhaust valve 14a, and inhales a mixture of gasoline and air into the combustion chamber 15 through the intake pipe 13, and the piston 16 closes the intake valve 13a. To compress the air-fuel mixture by expelling the air-fuel mixture, an explosion process to explode the compressed air-fuel mixture, and an exhaust process to exhaust the exploded combustion gas through the exhaust pipe 14 by opening the exhaust valve 14a. A piston 16 that performs a linear reciprocating motion by combustion in these strokes, a crankshaft 17 that outputs a rotary motion, a connecting rod 18 that connects the piston 16 and the crankshaft 17 and converts the linear reciprocating motion into a rotary motion, Having. The crankshaft 17 rotates about a rotation center axis 19, and the rotation is balanced by a balance weight 20.

コンロッド18は、直線状棒体の下方に大端部21を、上方に小端部22を設けたものからなる。クランク軸17は、コンロッド18の大端部21の係合穴に取り付けられた針状ころ軸受11aを介して回転自在に支持されている。また、ピストン16とコンロッド18とを連結するピストンピン23は、コンロッド18の小端部22の係合穴に取り付けられた針状ころ軸受11bを介して回転自在に支持されている。
摺動性に優れた針状ころ軸受を使用することにより、小型化あるいは高出力化された2サイクルエンジンや4サイクルエンジンであっても耐久性に優れる。
The connecting rod 18 has a large end 21 provided below the linear rod and a small end 22 provided above. The crankshaft 17 is rotatably supported via a needle roller bearing 11a attached to an engagement hole of the large end 21 of the connecting rod 18. A piston pin 23 connecting the piston 16 and the connecting rod 18 is rotatably supported via a needle roller bearing 11b attached to an engagement hole of the small end 22 of the connecting rod 18.
By using the needle roller bearing having excellent slidability, even a small-sized or high-output two-cycle engine or a four-cycle engine is excellent in durability.

図9では軸受として針状ころ軸受について例示したが、本発明の転がり軸受は、上記以外の円筒ころ軸受、円すいころ軸受、自動調心ころ軸受、針状ころ軸受、スラスト円筒ころ軸受、スラスト円すいころ軸受、スラスト針状ころ軸受、スラスト自動調心ころ軸受等としても使用できる。特に、油潤滑環境下かつ高PV条件下で使用され、鉄系金属製保持器を使用する転がり軸受に好適に使用できる。   In FIG. 9, needle roller bearings are exemplified as the bearings. However, the rolling bearings of the present invention include cylindrical roller bearings, tapered roller bearings, self-aligning roller bearings, needle roller bearings, thrust cylindrical roller bearings, and thrust tapered rollers other than those described above. It can also be used as roller bearings, thrust needle roller bearings, thrust self-aligning roller bearings, and the like. In particular, it is used in an oil lubricating environment and under high PV conditions, and can be suitably used for a rolling bearing using a ferrous metal cage.

また、上記摺動層を有する鉄系金属基材は、基油と増ちょう剤とから構成されるグリース潤滑下においても耐摩耗性に優れているので、鉄系金属製保持器、この保持器を有する転がり軸受に好適に用いることができる。グリースは、高速回転時の発熱による軸受の昇温や、鋼からなる転動体および保持器の摩擦により生じる金属摩耗粉が混入することに起因して劣化する。これに対して、本発明の摺動層を相互に摺動する鉄系金属基材の少なくとも一方に設けることで、鉄同士が相互に摺動する場合よりも、金属摩耗粉の経時的な増加量(グリースへの混入量)を抑えることができる。この結果、グリースの劣化を抑制でき、グリースの潤滑寿命を延伸できる。   Further, since the iron-based metal base material having the sliding layer is excellent in wear resistance even under grease lubrication composed of a base oil and a thickener, an iron-based metal cage, It can be suitably used for a rolling bearing having. The grease deteriorates due to a rise in the temperature of the bearing due to heat generated at the time of high-speed rotation, and the incorporation of metal wear powder generated by friction between the rolling elements made of steel and the retainer. On the other hand, by providing the sliding layer of the present invention on at least one of the iron-based metal base materials that slide with each other, the increase of the metal wear powder over time as compared with the case where iron slides with each other. The amount (the amount mixed into grease) can be suppressed. As a result, deterioration of the grease can be suppressed, and the lubrication life of the grease can be extended.

グリース潤滑される軸受の一例として、鉄道車両の主電動機用の軸受は、温度変化に起因した主軸の軸方向への膨張および収縮に対応するため、固定側の軸受として玉軸受が用いられる一方で、自由側の軸受としては主軸の膨張および収縮に対応可能な円筒ころ軸受が用いられる。固定側の玉軸受は、例えば深溝玉軸受であり、鋼球と鉄板波型保持器とを備えている。また、自由側の円筒ころ軸受は、鋼製の円筒ころと黄銅揉抜保持器とを備えている。これらの主電動機用軸受が高温、高速回転下で使用される場合には、例えば、リチウム石けんおよび鉱油を有するグリースが潤滑剤として用いられる。   As an example of a grease-lubricated bearing, a bearing for a main motor of a railway vehicle uses a ball bearing as a fixed-side bearing in order to cope with expansion and contraction of the main shaft in an axial direction due to a temperature change. As the free-side bearing, a cylindrical roller bearing capable of coping with expansion and contraction of the main shaft is used. The fixed-side ball bearing is, for example, a deep groove ball bearing, and includes a steel ball and an iron plate corrugated cage. The cylindrical roller bearing on the free side includes a steel cylindrical roller and a brass rubbing and holding device. When these main motor bearings are used under high temperature and high speed rotation, for example, grease containing lithium soap and mineral oil is used as a lubricant.

このような鉄道車両の主電動機用軸受におけるグリースの潤滑寿命は、軸受の転動疲労寿命に対して短いため、現状では所定の走行距離毎に実施される車両の分解検査においてグリースの詰め替え作業(メンテナンス)が行なわれる。また、現状のメンテナンス周期においても、上記の理由等により、グリースの劣化が進行している場合が多い。この軸受として本発明の転がり軸受を適用することで、グリースの潤滑寿命を延伸でき、上記メンテナンス周期を延伸できる。   Since the lubrication life of grease in such a main motor bearing of a railway vehicle is shorter than the rolling fatigue life of the bearing, at present, grease refilling work is performed in a disassembly inspection of a vehicle performed at a predetermined traveling distance. Maintenance) is performed. Also, even in the current maintenance cycle, the grease often deteriorates due to the above-described reasons. By applying the rolling bearing of the present invention as this bearing, the lubrication life of the grease can be extended, and the maintenance cycle can be extended.

本発明は、潤滑油中、高PV値(高滑り速度または高面圧)の条件下においても摩耗を抑制できる摺動材が得られるので、特に、鉄系金属製保持器を用いた潤滑油中で使用される保持器およびこの保持器を用いた転がり軸受の分野で使用できる。   The present invention can provide a sliding material which can suppress wear even under conditions of high PV value (high sliding speed or high surface pressure) in lubricating oil. Can be used in the field of cages used therein and rolling bearings using the cages.

1 摺動部材
2 摺動層
3 鉄系金属基材
4 下地層
5 フッ素樹脂層
6 保持器
7 ポケット
8 柱部
9 円環部
10 円環部
11 針状ころ軸受
12 針状ころ
13 吸気管
14 排気管
15 燃焼室
16 ピストン
17 クランク軸
18 コンロッド
19 回転中心軸
20 バランスウェイト
21 大端部
22 小端部
23 ピストンピン


DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sliding member 2 Sliding layer 3 Iron-based metal base material 4 Underlayer 5 Fluororesin layer 6 Cage 7 Pocket 8 Column part 9 Ring part 10 Ring part 11 Needle roller bearing 12 Needle roller 13 Intake pipe 14 Exhaust pipe 15 Combustion chamber 16 Piston 17 Crankshaft 18 Connecting rod 19 Rotation center axis 20 Balance weight 21 Large end 22 Small end 23 Piston pin


Claims (9)

鉄系金属基材の表面に摺動層を有する摺動部材であって、
前記摺動部材が、油潤滑環境下で、かつ、面圧(P)と滑り速度(V)の積であるPV値が10〜20GPa・m/min.の条件で使用される摺動部材であり、
前記摺動層は、前記鉄系金属基材の表面に耐熱性樹脂および第一のフッ素樹脂を含む下地層と、この下地層表面に第二のフッ素樹脂を含むフッ素樹脂層とを有し、
前記耐熱性樹脂は、炭素原子と共に、酸素原子、窒素原子および硫黄原子の少なくとも1つの原子を高分子構造の少なくとも主鎖に含む樹脂であり、
前記フッ素樹脂層は少なくともその表面近傍が架橋されてなる架橋フッ素樹脂層であり、
前記摺動層のISO14577法により測定される押し込み硬さが85〜146MPaであり、かつ、前記摺動層の表面近傍の融点が221〜281℃であることを特徴とする摺動部材。
A sliding member having a sliding layer on the surface of an iron-based metal substrate,
The sliding member has an oil lubricating environment and a PV value, which is a product of a surface pressure (P) and a sliding speed (V), of 10 to 20 GPa · m / min. A sliding member used under the following conditions:
The sliding layer has an underlayer containing a heat-resistant resin and a first fluororesin on the surface of the iron-based metal substrate, and a fluororesin layer containing a second fluororesin on the surface of the underlayer,
The heat-resistant resin is a resin containing at least one atom of an oxygen atom, a nitrogen atom, and a sulfur atom in at least a main chain of a polymer structure, together with a carbon atom,
The fluororesin layer is a crosslinked fluororesin layer formed by crosslinking at least the surface vicinity thereof,
A sliding member, wherein the sliding layer has an indentation hardness of 85 to 146 MPa as measured by an ISO 14577 method, and a melting point near the surface of the sliding layer is 221 to 281 ° C.
前記滑り速度(V)が、0.1〜1.0m/sであることを特徴とする請求項1記載の摺動部材。   The sliding member according to claim 1, wherein the sliding speed (V) is 0.1 to 1.0 m / s. 前記鉄系金属基材、前記下地層および前記フッ素樹脂層は、接着剤層を設けることなく相互に密着していることを特徴とする請求項1または請求項2記載の摺動部材。   The sliding member according to claim 1, wherein the iron-based metal substrate, the underlayer, and the fluororesin layer are in close contact with each other without providing an adhesive layer. 前記摺動層は、前記フッ素樹脂層の表面より前記鉄系金属基材の表面に向かって、前記第一および第二のフッ素樹脂の架橋割合が少なくなることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項記載の摺動部材。   The sliding layer according to claim 1, wherein a cross-linking ratio of the first and second fluororesins decreases from a surface of the fluororesin layer toward a surface of the iron-based metal substrate. Item 4. The sliding member according to any one of Items 3 to 3. 前記第二のフッ素樹脂がポリテトラフルオロエチレン樹脂であり、前記第二のフッ素樹脂の表面近傍は、未架橋ポリテトラフルオロエチレン樹脂に比較して、固体19F Magic angle Spinning(MAS)核磁気共鳴(NMR)チャートに出現する化学シフト値(δppm)が前記未架橋ポリテトラフルオロエチレン樹脂の−82ppm、−122ppm、−126ppmに加えて、−68ppm、−70ppm、−77ppm、−80ppm、−109ppm、−112ppm、−152ppm、および−186ppmから選ばれる少なくとも1つの化学シフト値が出現するか、または−82ppmに出現する化学シフト値のシグナル強度が、前記未架橋ポリテトラフルオロエチレン樹脂のシグナル強度に比較して、増加していることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項記載の摺動部材。 The second fluororesin is a polytetrafluoroethylene resin, and the vicinity of the surface of the second fluororesin is higher than that of an uncrosslinked polytetrafluoroethylene resin by solid-state 19 F Magic angle Spinning (MAS) nuclear magnetic resonance. (NMR) The chemical shift value (δ ppm) appearing in the chart is −68 ppm, −70 ppm, −77 ppm, −80 ppm, −109 ppm, in addition to −82 ppm, −122 ppm, and −126 ppm of the uncrosslinked polytetrafluoroethylene resin. At least one chemical shift value selected from -112 ppm, -152 ppm, and -186 ppm appears, or the signal intensity of the chemical shift value appearing at -82 ppm is compared to the signal intensity of the uncrosslinked polytetrafluoroethylene resin. And increase The sliding member according to any one of claims 1 to 4, characterized in that there. 前記耐熱性樹脂は、芳香族アミドイミド樹脂および芳香族イミド樹脂から選ばれる少なくとも1つの芳香族樹脂であることを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれか1項記載の摺動部材。   The sliding member according to any one of claims 1 to 5, wherein the heat-resistant resin is at least one aromatic resin selected from an aromatic amide imide resin and an aromatic imide resin. 前記摺動層の層厚さが5μm以上40μm未満であることを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか1項記載の摺動部材。   The sliding member according to claim 1, wherein a thickness of the sliding layer is 5 μm or more and less than 40 μm. 転がり軸受の転動体を保持する鉄系金属製保持器であって、
前記鉄系金属製保持器が請求項1から請求項7までのいずれか1項記載の摺動部材により形成されることを特徴とする鉄系金属製保持器。
A ferrous metal cage for holding a rolling element of a rolling bearing,
An iron-based metal cage, wherein the iron-based metal cage is formed by the sliding member according to any one of claims 1 to 7.
請求項8記載の鉄系金属製保持器を有する転がり軸受であり、
前記転がり軸受がエンジンのコンロッド大端部用転がり軸受、コンロッド小端部用転がり軸受またはクランクシャフト支持軸用転がり軸受であることを特徴とする転がり軸受。
A rolling bearing having the iron-based metal cage according to claim 8,
A rolling bearing, wherein the rolling bearing is a rolling bearing for a large end of a connecting rod of an engine, a rolling bearing for a small end of a connecting rod, or a rolling bearing for a crankshaft support shaft.
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