JP2020097951A - 摺動部材 - Google Patents

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Abstract

【課題】樹脂被覆層において適度な耐摩耗性を実現できる技術を提供する。【解決手段】本発明の摺動部材は、基層と、前記基層上に形成された樹脂被覆層とを備える摺動部材であって、前記樹脂被覆層は、バインダーとしてのポリアミドイミド樹脂と、硫酸バリウム粒子と、二硫化モリブデン粒子と、不可避不純物と、からなり、重ね塗りされた複数の塗布層によって構成され、複数の塗布層ごとに硬質粒子の含有量が異なる。【選択図】図２

Description

本発明は、樹脂被覆層を有する摺動部材に関する。
樹脂バインダー中に調整粒子と板状固体潤滑剤を含有させたすべり軸受が知られている（特許文献１、参照。）。特許文献１において、調整粒子によってクラックをせき止めるとともに、板状固体潤滑剤によって耐焼付き性を向上させることが記載されている。
特開２０１３−７２５３５号公報
しかしながら、特許文献１において、耐摩耗性が不足するという問題があった。
本発明は、前記課題にかんがみてなされたもので、樹脂被覆層において適度な耐摩耗性を実現できる技術を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明の摺動部材は、基層と、基層上に形成された樹脂被覆層とを備える摺動部材であって、樹脂被覆層は、バインダーとしてのポリアミドイミド樹脂と、硫酸バリウム粒子と、二硫化モリブデン粒子と、硬質粒子と、不可避不純物と、からなるとともに、重ね塗りされた複数の塗布層によって構成され、複数の塗布層ごとに硬質粒子の含有量が異なるように構成される。
樹脂被覆層に硬質粒子が含まれるため、樹脂被覆層の耐摩耗性を向上させることができる。さらに、複数の塗布層ごとに硬質粒子の含有量が異なるようにすることにより、塗布層ごとになじみ性や耐摩耗性を調整することができる。例えば、最表層の硬質粒子の含有量を他の塗布層よりも小さくすることにより初期のなじみ性を向上させることができる。逆に、最表層の硬質粒子の含有量を他の塗布層よりも大きくすることにより初期の耐摩耗性を向上させることができる。
さらに、硫酸バリウム粒子の平均粒径は、０．３μｍ以上かつ０．７μｍ未満であってもよい。硫酸バリウム粒子の平均粒径を０．３μｍ以上かつ０．７μｍ未満とすることにより、相手軸との間の摩擦抵抗を低減できることが確認できた。また、硫酸バリウム粒子の平均粒径を０．３μｍ以上かつ０．７μｍ未満とすることにより、表面の平滑性を向上できることが確認できた。さらに、耐焼付き性向上の面において硫酸バリウム粒子の平均粒径を０．３μｍ以上かつ０．７μｍ未満とするのが最適であることが確認できた。
本発明の実施形態にかかる摺動部材の斜視図である。 図２Ａ，図２Ｂはオーバーレイの断面模式図である。
ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
（１）摺動部材の構成：
（２）摺動部材の製造方法：
（３）他の実施形態：
（１）摺動部材の構成：
図１は、本発明の一実施形態にかかる摺動部材１の斜視図である。摺動部材１は、裏金１０とライニング１１とオーバーレイ１２とを含む。摺動部材１は、中空状の円筒を直径方向に２等分した半割形状の金属部材であり、断面が半円弧状となっている。２個の摺動部材１を円筒状になるように組み合わせることにより、すべり軸受Ａが形成される。すべり軸受Ａは内部に形成される中空部分にて円柱状の相手材２（エンジンのクランクシャフト）を軸受けする。相手材２の外径はすべり軸受Ａの内径よりもわずかに小さく形成されている。相手材２の外周面と、すべり軸受Ａの内周面との間に形成される隙間に潤滑油（エンジンオイル）が供給される。その際に、すべり軸受Ａの内周面上を相手材２の外周面が摺動する。
摺動部材１は、曲率中心から遠い順に、裏金１０とライニング１１とオーバーレイ１２とが順に積層された構造を有する。従って、裏金１０が摺動部材１の最外層を構成し、オーバーレイ１２が摺動部材１の最内層を構成する。裏金１０とライニング１１とオーバーレイ１２とは、それぞれ円周方向において一定の厚みを有している。例えば、裏金１０の厚みは１．１ｍｍ〜１．３ｍｍとされ、ライニング１１の厚みは０．２ｍｍ〜０．４ｍｍとされる。例えば、裏金１０は例えば鋼によって形成される。ライニング１１は、例えばＡｌ合金やＣｕ合金によって形成される。裏金１０は省略されてもよい。
オーバーレイ１２の厚みは、６μｍとなっている。なお、オーバーレイ１２の厚みは、２〜１５μｍであってもよく、３〜９μｍが望ましい。以下、内側とは摺動部材１の曲率中心側を意味し、外側とは摺動部材１の曲率中心と反対側を意味することとする。オーバーレイ１２の内側の表面は、相手材２の摺動面を構成する。
図２Ａは、オーバーレイ１２の断面模式図である。オーバーレイ１２は、ライニング１１の内側の表面上に積層された層であり、本発明の樹脂被覆層を構成する。オーバーレイ１２は、バインダー樹脂１２ａ（グレー）と二硫化モリブデン粒子１２ｂ（黒丸）と硫酸バリウム粒子１２ｃ（白丸）と硬質粒子としてのＳｉＣ粒子１２ｄ（二重丸）と不可避不純物とからなる。バインダー樹脂１２ａは、ポリアミドイミド樹脂である。
本実施形態において、オーバーレイ１２は、重ね塗りされた２層の塗布層（最表層Ｌ１，内層Ｌ２）によって構成され、最表層Ｌ１，内層Ｌ２の膜厚はそれぞれ３μｍとなっている。オーバーレイ１２の最表層Ｌ１における二硫化モリブデン粒子１２ｂの総体積の体積分率は３０体積％であり、硫酸バリウム粒子１２ｃの総体積の体積分率は１５体積％であり、ＳｉＣ粒子１２ｄの総体積の体積分率は０体積％である。二硫化モリブデン粒子１２ｂは、硫酸バリウム粒子１２ｃの総体積の０．５倍の総体積を有する。バインダー樹脂１２ａと二硫化モリブデン粒子１２ｂとの総体積と硫酸バリウム粒子１２ｃの総体積とＳｉＣ粒子１２ｄの総体積とは、混合する前に計測したバインダー樹脂１２ａと二硫化モリブデン粒子１２ｂと硫酸バリウム粒子１２ｃの質量と、これらの比重とに基づいて算出したものである。
オーバーレイ１２の内層Ｌ２における二硫化モリブデン粒子１２ｂの総体積の体積分率は３０体積％であり、硫酸バリウム粒子１２ｃの総体積の体積分率は１５体積％であり、ＳｉＣ粒子１２ｄの総体積の体積分率は０．３体積％を下限とし、１．３〜１．５体積％を上限とし、０．７±０．２体積％とするのが望ましい。二硫化モリブデン粒子１２ｂは、硫酸バリウム粒子１２ｃの総体積の０．５倍の総体積を有する。最表層Ｌ１におけるバインダー樹脂１２ａと二硫化モリブデン粒子１２ｂの総体積と硫酸バリウム粒子１２ｃの総体積とは、混合する前に計測したバインダー樹脂１２ａと二硫化モリブデン粒子１２ｂと硫酸バリウム粒子１２ｃの質量と、これらの比重とに基づいて算出したものである。
二硫化モリブデン粒子１２ｂの平均粒径は１．４μｍであり、硫酸バリウム粒子１２ｃの平均粒径は０．６μｍであり、ＳｉＣ粒子１２ｄの平均粒径は０．２〜０．８μｍであり、望ましくは０．５μｍである。二硫化モリブデン粒子１２ｂは、硫酸バリウム粒子１２ｃの平均粒径の２．３３倍の平均粒径を有する硫酸バリウム粒子１２ｃと二硫化モリブデン粒子１２ｂの平均粒子径は、マイクロトラック・ベル社のＭＴ３３００ＩＩによって計測したものである。以下、二硫化モリブデン粒子１２ｂの平均粒径を硫酸バリウム粒子１２ｃの平均粒径で除算した値を平均粒径比と表記する。二硫化モリブデン粒子１２ｂは層状の粒子であり、硫酸バリウム粒子１２ｃは塊状の粒子である。
以上説明した本実施形態のオーバーレイ１２を平板上に被覆した試料を作成し、ＲｐｋとＲａと配向率と移着量と摩擦係数と摩擦抵抗低減率と焼付き面圧とを計測した。
ＲｐｋとＲａとは、それぞれＪＩＳ Ｂ０６７１−２００２とＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１の表面粗さであり、オーバーレイ１２の表面（摺動面）の表面粗さである。カットオフ値λｃを０．０８ｍｍとした場合のＲｐｋ（０．０８）は０．１６２μｍであり、カットオフ値λｃを０．８ｍｍとした場合のＲａ（０．８）は０．１５１μｍであった。ＲｐｋとＲａは、小坂研究所社のサーフコーダＳＥ−３４００によって計測した。カットオフ値λｃを０．０８ｍｍとすることにより、ライニング１１表面に形成した約０．０８ｍｍ周期の溝のうねりの影響を除去した粗さを示すＲｐｋ（０．０８）を得ることができる。
本実施形態のオーバーレイ１２における最表層Ｌ１の二硫化モリブデンの｛００２｝｛００４｝｛００８｝の配向率は８７％であった。また、本実施形態のオーバーレイ１２における最表層Ｌ１の二硫化モリブデンの｛００２｝｛００４｝｛００６｝｛００８｝の配向率は８９．９％であった。配向率とは、二硫化モリブデンの｛００２｝｛００４｝｛００８｝または｛００２｝｛００４｝｛００６｝｛００８｝の結晶面にて生じたＸ線の回折電子ビームの強度の合計を、すべての結晶面にて生じた回折電子ビームの強度の合計で除算した割合である。配向率は、オーバーレイ１２の表面の直交方向において｛００２｝｛００４｝｛００８｝または｛００２｝｛００４｝｛００６｝｛００８｝の結晶面がどの程度偏って配向しているかを示す指標である。回折電子ビームの強度は、リガク社のＳｍａｒｔＬａｂによって計測した。配向率が高いほど、二硫化モリブデン粒子１２ｂの層方向の摺動面に対する平行度が高くなる。
重ね塗りされた複数の塗布層のうちの最表層Ｌ１の膜厚を３μｍとすることにより、最表層Ｌ１の硬化時におけるバインダー樹脂１２ａの収縮量を抑制することができる。従って、二硫化モリブデン粒子１２ｂが存在する部位と、二硫化モリブデン粒子１２ｂが存在しない部位との間の凹凸を低減できる。さらに、最表層Ｌ１の膜厚を二硫化モリブデン粒子１２ｂの平均粒径の２倍以下、すなわち４μｍ以下（望ましくは１〜２．５μｍ）とすることにより、層状の二硫化モリブデン粒子１２ｂの層方向を塗布方向（摺動面の方向）に配向させることができる。
つまり、二硫化モリブデン粒子１２ｂの厚み方向を、塗布方向の直交方向、すなわち硬化時のバインダーの収縮方向に配向させることができる。結果として、バインダーの収縮方向における二硫化モリブデン粒子１２ｂの厚みを抑制することができ、二硫化モリブデン粒子１２ｂが存在する部位と、二硫化モリブデン粒子１２ｂが存在しない部位との間の凹凸を低減できた。
仮に、図２Ｂのように、オーバーレイ１２を単一の塗布層によって形成すると、塗布時における二硫化モリブデン粒子１２ｂの回転自由度が増し、二硫化モリブデン粒子１２ｂの層方向が摺動面の直交方向に近い方向に配向し得ることとなる。これにより、摺動面の直交方向において二硫化モリブデン粒子１２ｂとバインダー樹脂１２ａとの間の収縮量の差により凹凸の高さが増大してしまう。
また、硫酸バリウム粒子１２ｃの平均粒径を小さくしておくことにより、図２Ａのように配向性を制御できない塊状または球状の硫酸バリウム粒子１２ｃを使用した場合でも、硫酸バリウム粒子１２ｃに起因する凹凸の量を低減できる。その結果、最表層Ｌ１の表面のＲｐｋを低減できた。また、ＳｉＣ粒子１２ｄを最表層Ｌ１に混合しないことにより、表面付近のＳｉＣ粒子１２ｄが原因となってオーバーレイ１２の表面に凹凸を生じさせる可能性を低減できる。また、ＳｉＣ粒子１２ｄを最表層Ｌ１に混合しないことにより、使用初期におけるなじみ性を確保できる。さらに、ＳｉＣ粒子１２ｄを内層Ｌ２に混合することにより、摩耗進行時における耐摩耗性を向上させることができる。
（２）摺動部材の製造方法：
摺動部材１を（ａ）半割基材形成工程と（ｂ）塗布前処理工程と（ｃ）第１塗布工程と（ｄ）第２塗布工程と（ｅ）乾燥工程と（ｆ）焼成工程とを順に行うことによって形成した。ただし、摺動部材１の製造方法は前記の工程に限定されるものではない。
（ａ）半割基材形成工程
半割基材形成工程は、裏金１０とライニング１１とが接合した基材を半割状に形成する工程である。例えば、裏金１０に相当する板材上においてライニング１１の材料を焼結することにより、裏金１０とライニング１１とが接合した基材が形成されてもよい。また、裏金１０とライニング１１に相当する板材を圧延によって接合することにより、裏金１０とライニング１１とが接合した基材が形成されてもよい。さらに、プレス加工や切削加工等の機械加工を行うことにより、裏金１０とライニング１１とが接合した基材を半割状に加工してもよい。
（ｂ）塗布前処理工程
塗布前処理工程は、ライニング１１の表面に対するオーバーレイ１２（樹脂被覆層）の密着性を向上させるための表面処理である。例えば、塗布前処理工程として、サンドブラスト等の粗面化処理を行ってもよいし、エッチングや化成処理などの化学処理を行ってもよい。なお、塗布前処理工程は、半割基材の油分を洗浄剤で脱脂した後に行うことが好ましい。
（ｃ）第１塗布工程
第１塗布工程は、ライニング１１にオーバーレイ１２の内層Ｌ２を塗布する工程である。第１塗布工程を行うにあたり、ポリアミドイミドのバインダー樹脂に二硫化モリブデン粒子１２ｂと硫酸バリウム粒子１２ｃとを混合した塗布液を調製する。また、二硫化モリブデン粒子１２ｂと硫酸バリウム粒子１２ｃの分散性を高めたり、塗布液の粘度を調整したりするために、必要に応じてＮ−メチル−２−ピロリドンやキシレン等の溶剤を用いてもよい。
オーバーレイ１２における二硫化モリブデン粒子１２ｂの総体積の体積比が３０体積％となり、硫酸バリウム粒子１２ｃの総体積の体積比が１５体積％となり、ＳｉＣ粒子１２ｄの総体積の体積分率は０体積％となるように、二硫化モリブデン粒子１２ｂと硫酸バリウム粒子１２ｃの塗布液に混合する。また、平均粒径が１．４μｍの二硫化モリブデン粒子１２ｂと平均粒径が０．６μｍの硫酸バリウム粒子１２ｃを第１塗布液に混合する。
第１塗布工程は、ライニング１１の内径よりも小径の円柱状の塗布ロールに第１塗布液を付着させ、ライニング１１の内側表面上において塗布ロールを回転させることにより行う。塗布ロールとライニング１１の内側表面との間のロールギャップや塗布液の粘度を調整することにより、後述する（ｇ）焼成工程後における膜厚が３μｍとなる厚みだけ第１塗布液をライニング１１の内側表面上に塗布してもよい。
（ｄ）第２塗布工程
その後、第２塗布工程において、第１塗布工程と同様に塗布液の塗布を行う。ただし、第２塗布工程においては、オーバーレイ１２における二硫化モリブデン粒子１２ｂの総体積の体積比が３０体積％となり、硫酸バリウム粒子１２ｃの総体積の体積比が１５体積％となり、ＳｉＣ粒子１２ｄの総体積の体積分率が０．７±０．２体積％となるように混合した塗布液を使用する。なお、第１塗布工程と第２塗布工程との間に後述する乾燥工程を行ってもよい。
（ｅ）乾燥工程
乾燥工程は、最表層Ｌ１と内層Ｌ２とを乾燥させる工程である。例えば、４０〜１２０℃で５〜６０分にわたって最表層Ｌ１と内層Ｌ２とを乾燥させる。
（ｆ）焼成工程
さらに例えば１５０〜３００℃で３０〜６０分にわたって最表層Ｌ１と内層Ｌ２とを焼成（硬化）させた。
以上の工程により摺動部材１が完成する。
（３）他の実施形態：
前記実施形態においては、内層Ｌ２にのみＳｉＣ粒子１２ｄを混合したが、最表層Ｌ１にもＳｉＣ粒子１２ｄを混合することにより、使用初期から耐摩耗性を向上させてもよい。この場合も、最表層Ｌ１におけるＳｉＣ粒子１２ｄの含有量を、最表層Ｌ１におけるＳｉＣ粒子１２ｄの含有量よりも小さくすることにより、使用初期におけるなじみ性を確保できる。反対に、最表層Ｌ１におけるＳｉＣ粒子１２ｄの含有量を、最表層Ｌ１におけるＳｉＣ粒子１２ｄの含有量よりも大きくすることにより、使用初期における耐摩耗性を向上させてもよい。また、塗布層の層数は３層以上であってもよい。
前記実施形態においては、エンジンのクランクシャフトを軸受けするすべり軸受Ａを構成する摺動部材１を例示したが、本発明の摺動部材１によって他の用途のすべり軸受Ａを形成してもよい。例えば、本発明の摺動部材１によってトランスミッション用のギヤブシュやピストンピンブシュ・ボスブシュ等のラジアル軸受を形成してもよい。さらに、本発明の摺動部材は、スラスト軸受であってもよく、各種ワッシャであってもよいし、カーエアコンコンプレッサ用の斜板であってもよい。
１…摺動部材，２…相手材，１０…裏金，１１…ライニング，１２…オーバーレイ，１２ａ…バインダー樹脂，１２ｂ…二硫化モリブデン粒子，１２ｃ…硫酸バリウム粒子，１２ｄ…ＳｉＣ粒子Ａ…軸受，Ｌ１…最表層，Ｌ２…内層

Claims (2)

  1. 基層と、前記基層上に形成された樹脂被覆層とを備える摺動部材であって、
    前記樹脂被覆層は、
    バインダーとしてのポリアミドイミド樹脂と、
    硫酸バリウム粒子と、
    二硫化モリブデン粒子と、
    不可避不純物と、からなり、
    重ね塗りされた複数の塗布層によって構成され、複数の塗布層ごとに硬質粒子の含有量が異なる、
    摺動部材。
  2. 前記硫酸バリウム粒子の平均粒径は、０．３μｍ以上かつ０．７μｍ未満である、
    請求項１に記載の摺動部材。
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