JP2022152957A - 摺動材及び流体機械 - Google Patents
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Abstract
【課題】優れた耐摩耗性を有する摺動部材を提供する。【解決手段】摺動面１３に接触する摺動部材１２であって、摺動部材１２は、フッ素樹脂以外の樹脂で構成された第１母材樹脂と、前記第１母材樹脂中に分散したフッ素樹脂粒子及び棒状粒子とを含む第１材料により構成された第１部材１２ａと、摺動面１３に沿って第１部材１２ａと隣り合うように配置され、フッ素樹脂により構成された第２母材樹脂と、前記第２母材樹脂中に分散した強化剤とを含む第２材料により構成された第２部材１２ｂと、を含む。【選択図】図１
Description
本開示は、摺動材及び流体機械に関する。
気体を圧縮又は膨張可能な流体機械として、例えばレシプロ式の流体機械（気体圧縮機等）が知られている。レシプロ式の流体機械は、通常ピストン方式の流体機械と、揺動ピストン方式の流体機械とを含む。前者の流体機械は、コンロッドの圧縮膨張室側端部に軸受を備え、その軸受により首振り可能に支持されたピストンを備える。後者の流体機械は、コンロッドの圧縮膨張室側に軸受を備えず、コンロッドと一体になったピストンを有する。これらのうち、揺動ピストン方式の流体機械では、金属製のシリンダ内をピストンが揺動しながら往復動することで気体が圧縮される。ピストンは、シリンダの内周面を摺動する摺動部材を備え、摺動部材としては、例えばリップリング、ピストンリング等が挙げられる。
摺動部材に関する技術として、特許文献１には「シリンダーと、該シリンダーの内周面とピストンリングを介して係合するピストンよりなるシリンダー装置において、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂６０～８０重量％、フッ素樹脂１０～３０重量％、球状充填材２～１０重量％、繊維状充填材２～１０重量％を必須成分とする樹脂組成物を用いて、インサート成形により前記ピストンリングを前記ピストン外周部に形成させたことを特徴とするシリンダー用ピストン。」が記載されている。
詳細は実施例を参照しながら後記するが、特許文献１に記載の技術には、摺動部材の耐摩耗性に向上の余地がある。
本開示が解決しようとする課題は、優れた耐摩耗性を有する摺動部材及び流体機械の提供である。
本開示が解決しようとする課題は、優れた耐摩耗性を有する摺動部材及び流体機械の提供である。
本開示の摺動部材は、摺動面に接触する摺動部材であって、前記摺動部材は、フッ素樹脂以外の樹脂で構成された第１母材樹脂と、前記第１母材樹脂中に分散したフッ素樹脂粒子及び棒状粒子とを含む第１材料により構成された第１部材と、前記第１部材と隣り合うように配置され、フッ素樹脂により構成された第２母材樹脂と、前記第２母材樹脂中に分散した強化剤とを含む第２材料により構成された第２部材と、を含むことを特徴とする。その他の解決手段は発明を実施するための形態において後記する。
本開示によれば、優れた耐摩耗性を有する摺動部材及び流体機械を提供できる。
以下、図面を参照しながら本開示を実施するための形態（実施形態と称する）を説明する。以下の一の実施形態の説明の中で、適宜、一の実施形態に適用可能な別の実施形態の説明も行う。本開示は以下の一の実施形態に限られず、異なる実施形態同士を組み合わせたり、本開示の効果を著しく損なわない範囲で任意に変形したりできる。また、同じ部材については同じ符号を付すものとし、重複する説明は省略する。更に、同じ機能を有するものは同じ名称を付すものとする。図示の内容は、あくまで模式的なものであり、図示の都合上、本開示の効果を著しく損なわない範囲で実際の構成から変更したり、図面間で一部の部材の図示を省略したり変形したりすることがある。
図１は、第１実施形態の摺動部材１２を示す断面図である。摺動部材１２は、例えば金属部材１１の内壁面である摺動面１３に接触するものである。摺動部材１２は、図示の例では、摺動面１３を摺動しながら、実線矢印で示すように往復動（上下動）上下動する。摺動部材１２は、例えばピストン４０（図５）として構成される。摺動部材１２は、第１部材１２ａ及び第２部材１２ｂを含む。
図２は、第１部材１２ａの断面図である。第１部材１２ａは第１材料により構成され、第１材料は、フッ素樹脂以外の樹脂で構成された第１母材樹脂２１と、第１母材樹脂２１中に分散したフッ素樹脂粒子２２及び棒状粒子２３とを含む。分散は、第１母材樹脂２１の全体に万遍無く分散していることが好ましいが、一部に偏在していてもよい。
第１母材樹脂２１は、第１部材１２ａの外郭を形成するものである。第１母材樹脂２１は、フッ素樹脂以外の樹脂で構成され、摺動部材１２としての機能を果たすことができる樹脂であれば特に制限されないが、中でも、耐熱性に優れ、熱膨張率が低い樹脂が好ましい。具体的には例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、フェノール樹脂（ＰＦ）、ポリイミド（ＰＩ）等の他、これらの変性体が挙げられる。第１母材樹脂２１は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を任意の比率及び組み合わせで用いてもよい。
第１母材樹脂２１は、ポリフェニレンサルファイド、又は、ポリエーテルエーテルケトンの少なくとも一方を含むことが好ましい。これらのポリマーを含むことで、第１部材１２ａの耐熱性を向上できる。
フッ素樹脂粒子２２は、摺動面１３（図１）での摺動時、摺動面１３へのフッ素樹脂の移着により、摺動面１３に移着膜１４（図４）を形成するものである。フッ素樹脂粒子２２の構成材料は、フッ素樹脂であれば特に制限されず、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、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（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン－エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等が挙げられる。フッ素樹脂粒子２２の構成材料は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を任意の比率及び組み合わせで用いてもよい。
フッ素樹脂粒子２２は、ポリテトラフルオロエチレン、又は、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の少なくとも一方を含むことが好ましい。これらのポリマーを使用することで、フッ素樹脂粒子２２に起因する摺動面１３（図１）への移着膜１４の形成を促進できる。
フッ素樹脂粒子２２の含有形態としては、本開示の効果を著しく損なわない範囲で特に制限されないが、例えば、粒子状（粒状）にできる。これらの粒径は、例えば５μｍ以上２００μｍ以下にすることができる。粒径は、例えば、レーザー回折式粒度分布測定装置により測定可能な平均粒径として測定できる。
フッ素樹脂粒子２２の含有量は、本開示の効果を著しく損なわない限り特に制限されないが、第１材料に対して、１５質量％以上３０質量％以下であることが好ましい。この範囲にすることで、フッ素樹脂粒子２２に起因する第１部材１２ａの過度の熱膨張を抑制でき、摺動面１３（図１）に対する第１部材１２ａの摩擦係数を低減できる。更には、フッ素樹脂粒子２２に起因する移着膜１４（図４）の剥離を抑制できる。これらにより、摺動部材１２の耐摩耗性を特に向上できる。
棒状粒子２３は、棒状という形態により、例えば引っ張り応力等の応力に対する第１部材１２ａの強度を向上させるものである。棒状粒子２３は、本開示の効果を著しく損なわない限り任意の材料により構成できるが、炭素繊維、又は、ガラス繊維の少なくとも一方を含むことが好ましい。これらの繊維を使用することで、容易に入手可能な繊維を使用して棒状粒子２３を構成できる。
棒状粒子２３の長さ及び径は、本開示の効果を著しく損なわない限り特に制限されないが、例えば、長さは例えば１０μｍ以上３００μｍ以下、径は例えば１μｍ以上３０μｍ以下にすることができる。長さ及び径は、第１部材１２ａの断面顕微鏡写真における実測値を採用できる。
棒状粒子２３の含有量は、本開示の効果を著しく損なわない限り特に制限されないが、第１材料に対して、例えば５質量％以上２０質量％以下にすることができる。
ただし、棒状粒子２３が炭素繊維を含む場合、炭素繊維の含有量は、第１材料に対して、５質量％以上１５質量％以下であることが好ましい。このようにすることで、例えばせん断応力等の応力に対する第１部材１２ａの強度を向上できる。
図３は、第２部材１２ｂの断面図である。第２部材１２ｂは第２材料により構成され、第２材料は、フッ素樹脂により構成された第２母材樹脂３１と、第２母材樹脂３１中に分散した強化剤３２とを含む。強化剤３２の分散は、第２母材樹脂３１の全体に万遍無く分散していることが好ましいが、一部に偏在していてもよい。
第２母材樹脂３１は、第２部材１２ｂの外郭を形成するものである。第２母材樹脂３１は、フッ素樹脂であれば、本開示の効果を著しく損なわない範囲で特に制限されず、例えば、フッ素樹脂粒子２２（図２）の構成材料の上記例示物を採用できる。第２母材樹脂３１は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を任意の比率及び組み合わせで用いてもよい。
第２母材樹脂３１は、ポリテトラフルオロエチレンを含むことが好ましい。ポリテトラフルオロエチレンを含むことで、第１部材１２ａ（図２）中のフッ素樹脂粒子２２（図２）とともに、摺動面１３（図１）への移着膜１４（図４）の形成を促進できる。
上記のフッ素樹脂粒子２２（図１）と、第２母材樹脂３１とは、同種のフッ素樹脂により構成されることが好ましい。このようにすることで、フッ素樹脂粒子２２及び第２母材樹脂３１により、同じ構成材料の移着膜１４を摺動面１３に形成でき、移着を促進できる。
強化剤３２は、例えばせん断応力などの応力に対する第２部材１２ｂ（特に第２母材樹脂３１）の強度を向上させるものである。強化剤３２の具体的な材料は、本開示の効果を著しく損なわない限り特に制限されない。強化剤３２は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を任意の比率及び組み合わせで使用してもよい。
強化剤３２は、銅、銅合金（銅を主成分とする合金。例えば青銅等）、又は炭素繊維の少なくとも１つを含むことが好ましい。これらの材料を使用することで、第２部材１２ｂから仮に脱落して摺動面１３に入り込んでも、柔らかい材料であるため摺動面１３での傷の発生を抑制できる。
強化剤３２の含有形態としては、本開示の効果を著しく損なわない範囲で特に制限されないが、例えば、粒子状にできる。また、強化剤３２の粒径も、本開示の効果を著しく損なわない範囲で特に制限されず、任意である。
強化剤３２の含有量は、本開示の効果を著しく損なわない限り特に制限されないが、第２材料に対して、例えば５質量％以上３０質量％以下にすることができる。
第２材料は、更に、固体潤滑剤３３を含むことが好ましい。固体潤滑剤を含むことで、摺動面１３（図１）に潤滑膜（不図示）を形成することで第２部材１２ｂと摺動面１３との摩擦を低減でき、摺動部材１２の耐摩耗性を更に向上できる。固体潤滑剤３３は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を任意の比率及び組み合わせで使用してもよい。
固体潤滑剤３３は、二硫化モリブデン、又は、球状炭素の少なくとも一方を含むことが好ましい。これらの少なくとも一方を含むことで、第２部材１２ｂと摺動面１３との摩擦を低減でき耐摩耗性を向上できるとともに、例えばせん断応力等の応力に対する第２部材１２ｂの強度を向上できる。例えば二硫化モリブデンであれば、Ｓ－Ｓ結合が弱いため、層間剥離を生じ、これにより、固体潤滑性を示す。
固体潤滑剤３３の含有量は、本開示の効果を著しく損なわない限り特に制限されないが、第２材料に対して、例えば１質量％以上１５質量％以下にすることができる。
図１に戻って、第２部材１２ｂは、摺動面１３に沿って第１部材１２ａと隣り合うように配置される。ここでいう「隣り合う」は、摺動面１３の方向（摺動方向）において、第１部材１２ａと第２部材１２ｂとが接触している必要は無く、第１部材１２ａと第２部材１２ｂとの間に、本開示の効果を著しく損なわない範囲で任意の部材が配置されることを許容する意味である。図示の例では、第１部材１２ａと第２部材１２ｂとが摺動面１３の方向において接触している。第１部材１２ａと第２部材１２ｂとは、摺動面１３に沿って摺動部材１２の周動向に連続的に配置される。
第１部材１２ａ及び第２部材１２ｂは、第２部材１２ｂを少なくとも２つの第１部材１２ａで挟むように配置される。このようにすることで、第２部材１２ｂ中の第２母材樹脂３１（図３）が熱膨張しても、第２部材１２ｂを第１部材１２ａで挟んでいるため、熱膨張による摺動部材１２全体の変形を、設計の許容範囲内に留めることができる。これとともに、摺動面１３に移着膜１４（図４）を形成でき、摺動部材１２の耐摩耗性を向上できる。なお、図示の例では、第１部材１２ａは２つ備えられ、第１部材１２ａが３つ以上備えられる場合には、何れか２つの第１部材１２ａの間に第２部材１２ｂが配置されればよい。
図４は、摺動時に形成される移着膜１４を説明する図である。摺動部材１２が摺動面１３を摺動することで、摺動面１３にはフッ素樹脂により構成される移着膜１４が形成される。
フッ素樹脂粒子２２（図２）及び第２母材樹脂３１（図３）を構成するフッ素樹脂の熱膨張率は比較的大きい。このため、仮に第１部材１２ａのみ、又は、第２部材１２ｂのみにより摺動部材１２を構成すれば、特に高温の摩擦環境で、変形、偏摩耗等の発生の可能性がある。なお、高温の摩擦環境の具体例としては、例えば揺動ピストン方式のレシプロ式気体圧縮機等の流体機械１００（図５）における圧縮膨張室４４（図５）の付近等が挙げられる。
そこで、フッ素樹脂粒子２２を分散した第１母材樹脂２１（図２）を備える第１部材１２ａと、フッ素樹脂により構成された第２母材樹脂３１を備える第２部材１２ｂとにより、摺動部材１２が構成される。フッ素樹脂以外の樹脂で構成された第１母材樹脂２１は構成材料によっては摩擦係数が高く、第２母材樹脂３１に起因して摺動面１３に形成された移着膜１４が剥離され得る。そこで、第１母材樹脂２１にフッ素樹脂粒子２２を分散させることで摺動面１３での第１部材１２ａの摩擦係数を低減でき、移着膜１４の剥離を抑制して、耐摩耗性を向上できる。
一方で、第１部材１２ａのみでは、移着膜１４を形成可能なフッ素樹脂がフッ素樹脂粒子２２のみに由来するため、移着膜１４の形成の程度に依然向上の余地がある。そこで、第１部材１２ａに加え、フッ素樹脂により構成された第２母材樹脂３１を備える第２部材１２ｂを併用することで、移着膜１４の形成を促進でき、摩擦係数の低減及び耐摩耗性の向上を図ることができる。
また、摺動部材１２では、第１部材１２ａ及び第２部材１２ｂにより、金属部材１１への移着膜１４（図４）の形成を相互補助し、摩耗抑制が図られる。また、第１母材樹脂２１及び第２母材樹脂３１にそれぞれ含まれるフッ素樹脂以外の材料（棒状粒子２３（図２）、強化剤３２（図３）及び固体潤滑剤３３（図３））により、靭性又は滑り易さが向上する。これにより、第１部材１２ａ及び第２部材１２ｂの耐摩耗性を向上できる。
なお、摺動部材１２において、第１材料、第２材料、フッ素樹脂粒子２２（図２）、棒状粒子２３、強化剤３２、及び固体潤滑剤３３の存在の確認は、例えば以下のようにして実行できる。即ち、例えば第１部材１２ａ又は第２部材１２ｂの表面又は破砕物について、光学顕微鏡、エネルギ分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）、Ｘ線光電子分光分析、赤外分光分析等の表面観察及び化学分析を行うことにより、容易に特定できる。
図１に戻って、金属部材１１は、例えば鉄、ニッケル、モリブデン、クロム、チタン、銅等の遷移金属、アルミニウム、ケイ素、マグネシウム等の軽金属を含んで構成できる。具体的には、金属部材１１は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金等のアルミニウム系材料、銅、銅合金等の銅系材料、チタン、チタン合金等のチタン系材料、鉄、鉄ーニッケル合金等の鉄系材料により構成できる。
金属部材１１は、例えば表面が未処理の金属材であるが、金属材の表面に、表面処理が形成されていてもよい。その場合、摺動部材１２は、表面処理された表面に接触し、摺動する。即ち、金属部材１１の表面は、金属部材１１を構成する金属元素により形成されていてもよく、金属部材１１の上に形成された、表面処理により形成されていてもよい。
金属部材１１の表面に形成される表面処理は、例えば、金属材に人工的に施した表面コーティング、自然酸化膜等である。自然酸化膜は、例えば金属部材１１がアルミニウムの場合には酸化アルミニウム、鉄の場合には酸化鉄である。表面コーティングは、例えば、化学蒸着（ＣＶＤ）法、物理蒸着（ＰＶＤ）法、めっき処理、浸炭処理等により形成され、アルミニウム、クロム、鉄、リン、ニッケル、亜鉛のうち少なくとも一つを含む材料により構成される。具体的には、例えば、アルマイト処理、アルミニウムめっき、クロムめっき、鉄めっき、ニッケルめっき、亜鉛めっき等が挙げられる。
図５は、第１実施形態の摺動部材１２を備える流体機械１００の模式図である。流体機械１００は、図示の例では揺動ピストン方式のレシプロ式気体圧縮機である。流体機械１００は、内壁面４１１（摺動面１３（図１）の一例）に十分な潤滑油等が存在せず、オイルレスで使用したとき、又は、潤滑油が全く存在せず、オイルフリーで使用したときに、特に大きな効果を示す。ただし、内壁面４１１には、潤滑油、グリース等が存在してもよい。
流体機械１００は、シリンダ４１（金属部材１１（図１）の一例）と、シリンダ４１の内部を往復動（図示の例では上下動）するピストン４０とを備える。ピストン４０は、シリンダ４１の内壁面４１１を摺動する摺動部材１２を備え、摺動部材１２は、ピストン本体４２（第１部材１２ａ（図１）の一例）及びピストンリング４３（第２部材１２ｂ（図１）の一例）により構成される。ピストンリング４３は、例えば円環状であり、円盤状のピストン本体４２の外周側面に形成された円環状の溝（不図示）に嵌められる。
シリンダ４１内の、ピストン４０の上部の空間には、気体を圧縮又は膨張させる作動空間の圧縮膨張室４４が備えられる。シリンダ４１の上端は、仕切り板４５により閉鎖されており、仕切り板４５には、吸入口４５ａと吐出口４５ｂとが設けられている。吸入口４５ａ及び吐出口４５ｂには、吸入弁４５ｃ及び吐出弁４５ｄが設けられており、それぞれ配管（不図示）に接続されている。
気体圧縮の作動原理について説明する。ピストン４０はコンロッド４６と一体で構成されている。クランクシャフト４７の回転に伴い、ピストン４０が上下動することで、吸入口４５ａから圧縮膨張室４４内に気体が吸入され、圧縮膨張室４４内で気体が圧縮される。圧縮気体は、吐出口４５ｂを通って外部に排出され、配管（不図示）により回収される。
ピストン４０は、ピストン４０を支持するコンロッド４６とは別部品である。ピストン４０の上下動に伴い、図示の例では摺動部材１２により構成されるピストン４０がシリンダ４１の内壁面４１１と点接触により摺動する。コンロッド４６は、金属製であってもよいし、樹脂製であってもよい。
シリンダ４１の内壁面４１１には、金属部材１１に対する表面処理により、被膜が形成されてもよい。例えば、シリンダ４１の内周面は自然酸化膜が生じたままでもよいし、アルマイト処理等を形成してもよい。また、シリンダ４１の内周面には、被膜を形成しなくてもよい。
なお、摺動部材１２は、図５のような流体機械１００のほか、例えば分析装置、真空装置、宇宙関連機器等の、良好な摺動性が求められる機械装置に使用してもよい。
図６は、第２実施形態の摺動部材１２１を示す断面図である。摺動部材１２１では、第１部材１２ａと第２部材１２ｂとの配置順が異なること以外は、摺動部材１２（図１）と同様である。
摺動部材１２１では、第１部材１２ａ及び第２部材１２ｂは、第１部材１２ａを少なくとも２つの第２部材１２ｂで挟むように配置される。このように配置することで、フッ素樹脂を母材とする複数の第２部材１２ｂを起点として移着膜１４（図４）を形成でき、移着膜１４（図４）の形成を促進できる。
＜実施例１＞
第１母材樹脂２１（図２）としてＰＰＳ、フッ素樹脂粒子２２（図２）としてＰＴＦＥ、及び棒状粒子２３（図２）として炭素繊維を含む第１材料により第１部材１２ａ（図２）を作製した。フッ素樹脂粒子２２及び棒状粒子２３は、第１母材樹脂２１の全体に分散させた。フッ素樹脂粒子２２の含有量は、第１材料に対して１５質量％にした。また、棒状粒子２３の含有量は、第１材料に対して１０質量％にした。棒状粒子２３の長さ及び径は、上記の方法により測定した平均長さ及び径として、長さ１００μｍ、径８μｍとした。
第１母材樹脂２１（図２）としてＰＰＳ、フッ素樹脂粒子２２（図２）としてＰＴＦＥ、及び棒状粒子２３（図２）として炭素繊維を含む第１材料により第１部材１２ａ（図２）を作製した。フッ素樹脂粒子２２及び棒状粒子２３は、第１母材樹脂２１の全体に分散させた。フッ素樹脂粒子２２の含有量は、第１材料に対して１５質量％にした。また、棒状粒子２３の含有量は、第１材料に対して１０質量％にした。棒状粒子２３の長さ及び径は、上記の方法により測定した平均長さ及び径として、長さ１００μｍ、径８μｍとした。
第２母材樹脂３１（図３）としてＰＴＦＥ、強化剤３２（図３）として青銅、固体潤滑剤３３（図３）として二硫化モリブデン及び球状炭素を含む第２材料により第２部材１２ｂ（図３）を作製した。強化剤３２及び固体潤滑剤３３は、第２母材樹脂３１の全体に分散させた。強化剤３２の含有量は、第２材料に対して１０質量％にした。また、二硫化モリブデンの含有量は、第２材料に対して５質量％にした。球状炭素の含有量は、第２材料に対して１０質量％にした。従って、実施例１では二硫化モリブデン及び球状炭素により構成される固体潤滑剤３３の使用総量は、第２材料に対して１５質量％にした。
図７は、摩擦試験の試験方法を説明する図である。作製した第１部材１２ａ及び第２部材１２ｂが摺動面１３に配置されるように実施例１の摺動部材１２を作製した。摺動部材１２は、第１部材１２ａによって第２部材１２ｂを囲うようにして作製した。第１部材１２ａの紙面上下方向である高さＨ１は１０ｍｍ、紙面横方向である幅Ｗ１は１０ｍｍとした。第２部材１２ｂの紙面上下方向である高さＨ２は５ｍｍ、紙面横方向である幅Ｗ２は４ｍｍとした。第１部材１２ａ及び第２部材１２ｂの紙面正面奥行方向の長さ（不図示）は、いずれも、後記の試験片１５の縦の長さよりも短くした。第１部材１２ａと第２部材１２ｂとの摺動面１３における面積割合は、６：４とした。
摺動部材１２を、摺動面１３としての表面をアルマイト処理したアルミニウム合金製プレート（縦（紙面正面奥行方向。不図示）２０ｍｍ、横Ｗ３が４３ｍｍ、厚さＨ３が３ｍｍ）により構成された試験片１５に接触させ、紙面左右方向に往復動させた。摩擦試験の条件として、摺動部材１２と試験片１５との接触面圧３ＭＰａ、摩擦速度０．４ｍ／ｓ、１往復動の距離２０ｍｍ、試験片１５の表面温度（摺動面１３の温度）１１０℃とした。そして、摩擦試験において所定時間摺動させた場合の摩耗量の合計と、所定時間の摺動中の摩擦係数とを測定した。摩擦試験の結果は、図８～図１０を参照しながら後記する。
＜比較例１＞
フッ素樹脂粒子２２（図２）及び棒状粒子２３（図２）を含まないこと以外は実施例１と同様にして、比較例１の摺動部材を作製し、摩擦試験を行った。摩擦試験の結果は、図８～図１０を参照しながら後記する。
フッ素樹脂粒子２２（図２）及び棒状粒子２３（図２）を含まないこと以外は実施例１と同様にして、比較例１の摺動部材を作製し、摩擦試験を行った。摩擦試験の結果は、図８～図１０を参照しながら後記する。
＜比較例２＞
第２部材１２ｂを備えないこと以外は実施例１と同様にして、比較例２の摺動部材を作製し、摩擦試験を行った。摩擦試験の結果は、図８～図１０を参照しながら後記する。なお、比較例２の摺動部材は、上記の特許文献１に記載の技術に相当する。
第２部材１２ｂを備えないこと以外は実施例１と同様にして、比較例２の摺動部材を作製し、摩擦試験を行った。摩擦試験の結果は、図８～図１０を参照しながら後記する。なお、比較例２の摺動部材は、上記の特許文献１に記載の技術に相当する。
下記表１に、実施例１、比較例１及び比較例２の摺動部材の構成材料を示す。「〇」は使用、「－」は不使用を示す
図８は、摩擦試験後の試験片表面についてのエネルギ分散型Ｘ線分析像（ＥＤＸ）である。ＥＤＸ－Ａｌ像は、試験片表面でのアルミニウムの存在を示し、ＥＤＦ－Ｆ像は、試験片表面でのフッ素の存在を示す。実施例１のＥＤＸ－Ａｌ像には白色部分はほとんど存在せず、表面にアルミニウムが存在しないことがわかる。一方で、実施例１のＥＤＸ－Ｆ像には白色部分が存在し、表面にフッ素が存在することがわかる。従って、試験片の表面には、フッ素を含む移着膜１４（図４）が形成されており、これにより、試験片の構成材料であるアルミニウムが殆ど検出されなかったと考えられる。
一方で、比較例１及び比較例２のＥＤＸ－Ａｌ像には、白色部分が存在し、試験片の表面にアルミニウムが存在することがわかる、一方で、比較例１及び２のＥＤＸ－Ｆ像には白色部分が存在せず、表面にはフッ素が存在しないことがわかる。従って、試験片の表面には、フッ素を含む移着膜１４（図４）が殆ど形成されず、試験片の構成材料であるアルミニウムの多くがそのまま露出していたと考えられる。
これらの結果は、第１部材１２ａ及び第２部材１２ｂの双方にフッ素樹脂を含むことで奏された結果と考えられる。即ち、本開示に係る摺動部材１２のように、第１部材１２ａ及び第２部材１２ｂを備えることで、移着膜１４を形成できたと考えられる。しかし、比較例１のように、例えばフッ素樹脂粒子２２を使用しない場合、上記のように、第２部材１２ｂにより形成された移着膜１４が第１部材１２ａによって剥離される結果、移着膜１４が残存し難いと考えられる。また、比較例２のように、フッ素樹脂である第２母材樹脂３１を使用しないため、移着膜１４の形成が行われ難く、移着膜１４の形成の程度に向上の余地があることがわかる。
図９は、摩擦試験で得た摩耗量（棒グラフ）及び摩擦係数（プロット）の試験結果を示す図である。図９は、図７に示す摩擦試験において所定時間摺動させた場合の摩耗量の合計と、所定時間の摺動中の摩擦係数の平均値とを示している。なお、結果を理解しやすくするため、摩耗量は比較例２を１００とした時の相対値で表した。
実施例１は、比較例１及び比較例２に比べて、摩擦係数が低下した。これは、図８を参照して説明したように、移着膜１４（図４）が形成されたことに起因すると考えらえる。そして、摩擦係数の低下により摺動部材１２が摺動し易くなり、摩耗量が低減したと考えられる。このため、本開示の摺動部材１２では、優れた耐摩耗性を示す。
一方で、実施例１と比較例１及び２とを比較すると、比較例１及び２の摩耗量及び摩擦係数は、いずれも実施例１の摩耗量及び摩擦係数よりも高くなった、これは、フッ素樹脂粒子２２を含まない比較例１では、移着膜１４が形成されても第１部材１２ａによって剥離されてしまい、摩耗量及び摩擦係数が大きくなったためと考えられる。また、第２部材１２ｂを備えない比較例２では、そもそも移着膜１４が形成され難いため、摩耗量及び摩擦係数が大きくなったためと考えられる。
また、比較例１及び２に関して、摩擦係数が小さくなれば、滑り性が向上する。しかし、例えば、材料のせん断応力等に対する強度低下、過剰な熱膨張等が例えば同時に生じてしまうと、結果として摩耗量は増大する。従って、摩耗係数は摩耗量低減のための一要素であり、単に摩擦係数を小さくしても、必ずしも摩耗量は低減しない。このため、摩擦係数は比較例２の方が小さかったものの、摩耗量は比較例２の方が多くなったと考えられる。従って、実施例１では、摩擦係数を小さくして滑り易くできたとともに、更には第１部材１２ａ及び第２部材１２ｂ（いずれも図７）の例えば強度低下及び過剰な熱膨張等を抑制できたため、摩耗量を低減できたと考えられる。
図１０は、摩擦試験で得た摩耗量（丸プロット）及び摩擦係数（菱形プロット）と、フッ素樹脂粒子２２（図２）の含有量との相関を示す図である。図１０に示す結果は、図７の摩擦試験をシミュレーションにより行って得たものであり、第１材料に対するフッ素樹脂粒子２２（ＰＴＦＥ）の含有量を変えたこと以外は実施例１の条件で行ったものである。なお、摩耗量は、フッ素樹脂粒子２２の配合量が７０質量％の値を１００とした時の相対値で表した。
摩耗量は、含有量が１５質量％以上３０質量％以下の範囲で、特に低い値を示した。従って、含有量がこの範囲で、特に高い耐摩耗性が示される。一方で、含有量が１５質量％未満及び３０質量％を超えると、摩耗量が増加する傾向であった。
摩擦係数は、含有量が１５質量％以上では、ほぼ一定値を示した。これにより、含有量が１５質量％以上であれば、試験片に滑り易さが良好な移着膜１４（図４）が形成されるといえる。従って、図１０の結果から、フッ素樹脂粒子２２の含有量は、第１材料に対して、１５質量％以上３０質量％以下であることが好ましいことがわかった。
以上のように、本開示に係る摺動部材１２を、例えばレシプロ式気体圧縮機における、揺動ピストン方式の摺動部であるピストン４０に適用することで、ピストン４０の耐摩耗性を向上できる。これにより、ピストン４０を長寿命化でき、例えばレシプロ式気体圧縮機のメンテナンスサイクルを延長できる。
１００ 流体機械
１１ 金属部材
１２ 摺動部材
１２ａ 第１部材
１２ｂ 第２部材
１３ 摺動面
１４ 移着膜
１５ 試験片
２１ 第１母材樹脂
２２ フッ素樹脂粒子
２３ 棒状粒子
３１ 第２母材樹脂
３２ 強化剤
３３ 固体潤滑剤
４０ ピストン
４１ シリンダ
４１１ 内壁面
４２ ピストン本体
４３ ピストンリング
４４ 圧縮膨張室
４５ 仕切り板
４５ａ 吸入口
４５ｂ 吐出口
４５ｃ 吸入弁
４５ｄ 吐出弁
４６ コンロッド
４７ クランクシャフト
１１ 金属部材
１２ 摺動部材
１２ａ 第１部材
１２ｂ 第２部材
１３ 摺動面
１４ 移着膜
１５ 試験片
２１ 第１母材樹脂
２２ フッ素樹脂粒子
２３ 棒状粒子
３１ 第２母材樹脂
３２ 強化剤
３３ 固体潤滑剤
４０ ピストン
４１ シリンダ
４１１ 内壁面
４２ ピストン本体
４３ ピストンリング
４４ 圧縮膨張室
４５ 仕切り板
４５ａ 吸入口
４５ｂ 吐出口
４５ｃ 吸入弁
４５ｄ 吐出弁
４６ コンロッド
４７ クランクシャフト
Claims (14)
- 摺動面に接触する摺動部材であって、
前記摺動部材は、
フッ素樹脂以外の樹脂で構成された第１母材樹脂と、前記第１母材樹脂中に分散したフッ素樹脂粒子及び棒状粒子とを含む第１材料により構成された第１部材と、
前記摺動面に沿って前記第１部材と隣り合うように配置され、フッ素樹脂により構成された第２母材樹脂と、前記第２母材樹脂中に分散した強化剤とを含む第２材料により構成された第２部材と、を含む
ことを特徴とする摺動部材。 - 前記第１母材樹脂は、ポリフェニレンサルファイド、又は、ポリエーテルエーテルケトンの少なくとも一方を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。 - 前記フッ素樹脂粒子は、ポリテトラフルオロエチレン、又は、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の少なくとも一方を含む
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。 - 前記棒状粒子は、炭素繊維、又は、ガラス繊維の少なくとも一方を含む
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。 - 前記第２母材樹脂は、ポリテトラフルオロエチレンを含む
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。 - 前記強化剤は、銅、銅合金、又は炭素繊維の少なくとも１つを含む
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。 - 前記第２材料は、更に、固体潤滑剤を含む
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。 - 前記固体潤滑剤は、二硫化モリブデン、又は、球状炭素の少なくとも一方を含む
ことを特徴とする請求項７に記載の摺動部材。 - 前記第１部材及び前記第２部材は、前記第２部材を少なくとも２つの前記第１部材で挟むように配置される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。 - 前記第１部材及び前記第２部材は、前記第１部材を少なくとも２つの前記第２部材で挟むように配置される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。 - 前記フッ素樹脂粒子と、前記第２母材樹脂とは、同種のフッ素樹脂により構成される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。 - 前記フッ素樹脂粒子の含有量は、前記第１材料に対して、１５質量％以上３０質量％以下である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。 - 前記棒状粒子は炭素繊維を含み、
前記炭素繊維の含有量は、前記第１材料に対して、５質量％以上１５質量％以下である
ことを特徴とする請求項１２に記載の摺動部材。 - シリンダと、
前記シリンダの内壁面を摺動する摺動部材を備えるピストンと、を備え、
前記摺動部材は、
フッ素樹脂以外の樹脂で構成された第１母材樹脂と、前記第１母材樹脂中に分散したフッ素樹脂粒子及び棒状粒子とを含む第１材料により構成された第１部材と、
前記内壁面に沿って前記第１部材と隣り合うように配置され、フッ素樹脂により構成された第２母材樹脂と、前記第２母材樹脂中に分散した強化剤とを含む第２材料により構成された第２部材と、を含む
ことを特徴とする流体機械。
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