JP2022158708A - 摺動部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍機等の圧縮機に用いられる摺動部材の摺動面の端縁の耐焼付き性に変化を与えるべく簡易な方法を提供する。
【解決手段】青銅系合金からなる多孔質基材に樹脂材料を含浸させてなり、その摺動面には多孔質基材と樹脂材料とがともに露出する冷凍機用圧縮機の摺動部材の製造方法であって、
裏金層を準備するステップと、
裏金層の表面に青銅系合金の粒子を積層し、焼結することで多孔質基材を形成するステップと、
多孔質基材へ樹脂材料を含浸させるステップと、
該裏金層の端縁を摺動面から離れる方向に変形するステップと、
樹脂材料を含浸させた多孔質基材を切削して摺動面を形成するステップと、
を備えてなる摺動部材の製造方法。
【選択図】 図３

Description

本発明は冷凍機用圧縮機に用いられる摺動部材及びその製造方法の改良に関する。

冷凍機用圧縮機に用いられる摺動部材は裏金層と摺動層とを備える。摺動層は多孔質基材とそこに含浸される樹脂材料とからなる。多孔質基材は青銅系合金の粒子を積層してそれを焼結した構造である。樹脂材料は四フッ化エチレン系合成樹脂と潤滑剤との複合物質であり、塩素フリーである昨今の冷凍機用冷媒に対応している。
かかる摺動部材の摺動面には、青銅系合金からなる多孔質基材と樹脂材料がともに表出しており、多孔質基材の露出面積割合を５％以上かつ６０％以下とすることが特許文献１で提案されている。
また、特許文献２では、摺動部材の摺動面の端縁を青銅系合金からなる多孔質基材よりも耐焼付き性が高い材料で構成することが提案されている。摺動部材の摺動面の端縁を耐焼付き性の高い材料で形成することにより、片当たりに起因する焼付き等の不具合を未然に防止できる。

特開２００６－１３２５４０号公報 特開２０２０－１９３６２６号公報

摺動部材の摺動面の端縁を青銅系合金からなる多孔質基材よりも耐焼付き性が高い材料で構成するため、特許文献２に開示の技術では、摺動面の中央を構成する第１材料と端縁を構成する第２材料とを異なるものとしている。特許文献２に記載のように、摺動面の中央部とその端縁と別の材料で形成するためには、摺動面の中央部を第１材料で形成した後、第２材料でその端縁を形成するものと考えられる。
このような２色成形を実行することには手間がかかる。

そこで、本発明者らは摺動部材の摺動面の端縁の耐焼付き性を向上する方法を検討してきた。そして、青銅系合金の粒子を焼結してなる多孔質基材はその厚さ方向に密度が異なることを利用して、耐焼付性を向上する簡易な方法を検討した。即ち、多孔質基材はその表面において密度が最も小さく、深くなるにつれてその密度が大きくなることに気が付いた。
摺動部材の多孔質基材には樹脂材料が充填されているので、多孔質基材の密度が小さくなれば樹脂材料の密度が大きくなり、もってその耐焼付き性が向上する。かかる多孔質基材の特性に着目して、この発明に想到した。

青銅系合金からなる多孔質基材に樹脂材料を含浸させてなり、その摺動面には多孔質基材と樹脂材料とがともに露出する摺動部材を製造するに際し、まずは裏金層３を準備し、その後、裏金層３の端縁４を予め凹ませる（摺動面Ｓから離れる方向へ変形させておく）こととした（図１Ａ、図３Ｂ参照）。このように加工された裏金層３の全表面へ、予定された摺動層１０（図３Ｂ参照）より厚くなるように、均等に青銅系合金の粒子５を積層し、これを焼結させて多孔質基材７とする。（図１Ｂ参照）。その後、樹脂材料９を含浸させる（図２）。
次に、図３Ａに示すように、樹脂材料９を含浸させた多孔質基材７を面Ｋにおいて切断する。この面Ｋは、裏金層３の軸に対して等距離にある面である。
裏金層の変形は、多孔質基材へ樹脂材料を含浸させた後に行うことが好ましいが、多孔質基材を形成する前であっても、多孔質基材の形成と樹脂材料の含浸の間であってもよい。
また、図１の例では、端縁４を傾斜面としているが、端縁４と他の部分（中央部）との間に段差を設け、この段差から傾斜を設けて端縁４とすることができる。段差から先端までを平坦（中央部と平行）とすることもできる。

切断された面が摺動面Ｓとなる（図３Ｂ参照）。
この摺動面Ｓにおいて、裏金層３の端縁４に該当する端縁ＳＥと中央部ＳＣとでは、多孔質基材７の厚さが異なり、前者が後者より厚くなっている。
ここに、多孔質基材７は表面側になるにつれ密度が小さくなるので、摺動面Ｓの端縁ＳＥは中央部ＳＣに比べて、多孔質基材７の密度が小さくなる。
換言すれば、摺動面Ｓの中央部ＳＣに比べその端縁ＳＥにおける多孔質基材７の露出面積割合が小さくなる。
その結果、特に材料に変化を与えることなく、換言すれば、２色成形をすることなく、当該端縁ＳＥの耐焼付き性を中央部ＳＣのそれに比べて向上させられる。

以上より、この発明の第１局面は次のように規定できる。
青銅系合金からなる多孔質基材に樹脂材料を含浸させてなり、その摺動面には前記多孔質基材と前記樹脂材料とがともに露出する摺動部材の製造方法であって、
裏金層を準備するステップと、
前記裏金層の表面に前記青銅系合金の粒子を積層し、焼結することで前記多孔質基材を形成するステップと、
前記多孔質基材へ前記樹脂材料を含浸させるステップと、
該裏金層の端縁を前記摺動面から離れる方向に変形するステップと、
前記樹脂材料を含浸させた多孔質基材を切削して摺動面を形成するステップと、
を備えてなる摺動部材の製造方法。

このようにして製造される摺動部材は、その構造からみて次のように規定される。
青銅系合金からなる多孔質基材に樹脂材料を含浸させてなり、その摺動面には前記多孔質基材と前記樹脂材料とがともに露出する摺動部材であって、
前記摺動面の中央部に比べその端縁における前記多孔質基材の露出面積割合が小さい、摺動部材。
このように規定される摺動部材によれば、摺動面の端縁において多孔質基材の露出面積割合が小さくされ、摺動性が向上する。その結果、片当たりによる焼付き等を防止できることとなる。

なお、既述の第１局面の製造方法以外の製造方法によって、摺動面における多孔質基材の露出面積割合を制御可能である。例えば、摺動面の中央部に比べ端縁を構成する青銅系合金粒子の粒径を大きくすることで、端縁における多孔質基材の露出面積割合を小さくすることができる。

本発明者らの検討によれば、摺動面においてその多孔質基材の露出面積割合を小さくすべき端縁の幅は５ｍｍ以下とすることが好ましい。５ｍｍ以下とすることで片当たりによる焼付き等を効果的に防止できる。５ｍｍを超えると摺動面全体の耐久性が低下するおそれがある。
別の見方をすれば、端縁の幅は摺動全体の１０～９０％とすることができる。
端縁と中央部との境界は線引きできるように明確に現れるものではないが、例えば中央部に比べて、露出面積割合が５％以上少なくなった領域をもって端縁とすることができる。

図１はこの発明の摺動部材の製造方法において準備される裏金層（Ａ）と該裏金層の表面に形成された多孔質基材（B）を示す模式図である。 図２は同じく多孔質基材に樹脂材料を含浸させた状態を示す模式図である。 図３（Ａ）は多孔質基材に樹脂材料を含浸させたものに対する切断面Ｋ示し、切断後の構造を（Ｂ）に示す。 図４は多孔質基材の深さと露出面積割合を示すグラフである。

裏金層３は鋼材からなる部材である。その径、長さ及び厚さは適用される冷凍機用圧縮機に応じて適宜選択される。
この例では、裏金層３の両端縁４へいわゆるクラウニング加工が施されてそこが凹まされており、摺動面から離れる方向の傾斜面とされている。端縁４の長さは任意に設計可能であるが、５ｍｍ以下とすることが好ましい。
端縁４の賦形方法は後述する。

裏金層として例えば平板状の鋼板を準備し、その表面に青銅系合金粒子を積層する。青銅系合金粒子の積層が可能であれば、裏金層となる鋼板の形状は特に限定されない。
銅－スズ合金からなる青銅系合金粒子の粒径は軸受部材に要求される特性に応じて任意に選択可能であるが、その平均粒径は５０～２００μｍとすることができる。使用した粒子は真球状だけではなく、異なった形状でもよい。
積層の方法は裏金層３の材質や求める厚さに応じて任意に選択可能であるが、例えば青銅系合金を裏金層３の表面に散布し、その後、ヘラ等で厚さを均一にする。
青銅系合金粒子を積層した後、その粒子の形状を維持する条件で焼結する。これにより、粒子同士が融着して多孔質基材７が構成される。この多孔質基材７は裏金層３にも融着する。

このようにして形成される多孔質基材７は、図１（Ｂ）に模式的に示すように、裏金層３側から表面側に向かうにつれて漸次その密度が小さくなる。
図４は多孔質基材７の厚さと露出面積割合との関係を示す。グラフの横軸は樹脂材料９が含浸された多孔質基材７を表面から削った厚さ（μｍ）、縦軸はその削ったときの露出面積割合（％）を示す。図４において上側の線は裏金層３の中央部の値を示し、下側の線は端縁４の値を示す。露出面積割合（％）は削った深さにおける表面の画像を撮影し、多孔質基材７の部分と他の部分との明度の差を二値化処理し、その面積割合から求めることができる。
なお、図４の結果を得るため、鋼材製裏金層３の表面へ青銅系合金粒子を３００μｍの厚さまで散布し、ヘラ等で厚さを均一にした。その後、還元雰囲気で９００℃×２０分の条件で焼結した。その後、樹脂材料を含浸させた多孔質基材を各深さまで切削して得た表面を画像処理し、それぞれの深さにおける表出面積割合を算出した。

図１（Ｂ）に示した多孔質基材７の空隙を埋めるように含浸される樹脂材料９は摺動部材の用途に応じて任意に選択できる。
樹脂材料９の母材となる樹脂としてはフッ素樹脂等の耐久性に優れた合成樹脂を採用することが好ましい。この樹脂材料９には潤滑剤や耐摩耗剤を含有させることが好ましい。潤滑剤としては二硫化モリブデン等の固体潤滑剤を挙げられる。耐摩耗剤としては硫酸バリウムのような無機材料や金属材料等を挙げられる。

このように準備されたフッ素樹脂からなる樹脂材料９を多孔質基材７へ含浸させる。
含浸させたこの樹脂材料９を加熱等の方法で焼成する。
これにより、多孔質基材７の孔（空隙）を樹脂材料９が埋めた構造体（ハイブリッド体）が得られる（図２参照）。図４によれば、表面から１２０μｍ削ったとき、その表面における多孔質基材７の露出面積割合は６０％である。

このようにして平板状の裏金層の表面に多孔質基材７と樹脂材料９のハイブリッド体が積層される。これを製品幅に切断して第１中間体を形成する。ハイブリッド体が内周面側となるようにこの第１中間体を円筒形状に賦形する。円筒形状に賦形されたものの端縁を外周面側に、即ち摺動面から離れるように、変形させて端縁を賦形し、もって第２中間体とする。なお、第１中間体の端縁を予め変形させおくことで第２中間体を得ることもでききる。
かかる第２中間体を冷凍機等の圧縮機のハウジングに圧入する。そして、その内周面を図３（Ａ）に示す通り、Ｋ面でカットする。カットされた面が摺動面Ｓとなる。裏金層３の中央部における削り深さを６０μｍとなるようにＫ面を設定すると、図４の例に従えば、摺動面Ｓの中央部ＳＣにおける露出面積割合は３３％であるのに対し、摺動面Ｓの端縁ＳＥでは露出面積割合は２０％弱となる。
なお、摺動面における露出面積割合は、図４の結果をもとに、任意に選択できる。

外径寸法が４０ｍｍ、厚さ２ｍｍ、長さ３５ｍｍの鋼材製の円筒を裏金層３として、その内周面の両端縁に軸方向に５ｍｍ幅のクラウニング加工が施されている。最端部における切削深さは２０μｍであった。
青銅系合金粒子を準備し、裏金層３の全域に積層した。
積層の厚さは３００μｍであった。
その後、還元雰囲気で９００℃×２０分の条件で焼結して、粒子同士の表面を融着させた。

樹脂材料９の樹脂マトリックスには旭硝子社製の「ＣＤ０９７」ＰＴＦＥを採用し、潤滑剤には二硫化モリブデンを採用した。両者の配合比は８５：１５である。
樹脂マトリックスへ潤滑剤を分散させ、これを多孔質基材に含浸した。その後、加熱処理して樹脂材料を焼成した。
焼成後、裏金層３の中央部において多孔質基材７の削り深さが６０μｍとなるように、多孔質基材７と樹脂材料９のハイブリッド体を切削し、摺動面Ｓを形成した。かかる摺動面Ｓの中央部ＳＣにおける多孔質基材の７の露出面積割合は３３％であった。他方、端縁ＳＥにおける露出面積割合は１８％であった。この例では端縁ＳＥの中央での露出面積割合を採用しているが、端縁ＳＥの全域の平均値を採用してもよい。

多孔質基材７の切削面Ｋは摺動部材の軸心を中心とした仮想円筒面に存在するものとし、切削後の面が摺動面Ｓとなる。なお、摺動面Ｓの端縁ＳＥを更にクラウニング加工することができる。かかるクラウニング加工により形成される傾斜面は、裏金層３に形成された端縁４の傾斜面より、その傾斜角を小さくすることが好ましい。当該端縁ＳＥにおける多孔質基材７の密度を中央部ＳＣのそれより確実に小さくするためである。

この発明は、上記発明の実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。本発明の摺動部材を用いた内燃機関等の軸受機構使用装置は、優れた摺動特性を発揮する。

３ 裏金層
４ 端縁
５ 青銅系合金粒子
７ 多孔質基材
９ 樹脂材料
Ｓ 摺動面
ＳＥ 端縁
ＳＣ 中央部

Claims (10)

1. 青銅系合金からなる多孔質基材に樹脂材料を含浸させてなり、その摺動面には前記多孔質基材と前記樹脂材料とがともに露出する摺動部材であって、
   前記摺動面の中央部に比べその端縁における前記多孔質基材の露出面積割合が小さい、摺動部材。
2. 前記端縁の幅は５ｍｍ以下である、請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記摺動面の前記端縁を構成する前記多孔質基材は、それ以外の部分より厚い、請求項１又は２に記載の摺動部材。
4. 前記多孔質基材は裏金層の表面に形成され、前記裏金層は前記端縁を支える部分において前記摺動面から離れる方向に変形されている、請求項３に記載の摺動部材。
5. 青銅系合金からなる多孔質基材に樹脂材料を含浸させてなり、その摺動面には前記多孔質基材と前記樹脂材料とがともに露出する摺動部材の製造方法であって、
   裏金層を準備するステップと、
   前記裏金層の表面に前記青銅系合金の粒子を積層し、焼結することで前記多孔質基材を形成するステップと、
   前記多孔質基材へ前記樹脂材料を含浸させるステップと、
   該裏金層の端縁を前記摺動面から離れる方向に変形するステップと、
   前記樹脂材料を含浸させた多孔質基材を切削して摺動面を形成するステップと、
   を備えてなる摺動部材の製造方法。
6. 青銅系合金からなる多孔質基材に樹脂材料を含浸させてなり、その摺動面には前記多孔質基材と前記樹脂材料とがともに露出する摺動部材の製造方法であって、
   裏金層を準備するステップと、
   前記裏金層の表面に前記青銅系合金の粒子を積層し、焼結することで前記多孔質基材を形成するステップと、
   前記多孔質基材へ前記樹脂材料を含浸させるステップと、
   前記樹脂材料を含浸させた前記多孔質基材を備えた前記裏金層を製品幅に切断して第1中間体を形成するステップと、
   前記第１中間体を所定の円筒形状に成形し、端縁を摺動面から離れる方向に変形して、第２中間体を形成するステップと、
   前記第２中間体において前記樹脂材料を含浸させた多孔質基材を切削して摺動面を形成するステップと、を備えてなる摺動部材の製造方法。
7. 青銅系合金からなる多孔質基材に樹脂材料を含浸させてなり、その摺動面には前記多孔質基材と前記樹脂材料とがともに露出する摺動部材の製造方法であって、
   裏金層を準備するステップと、
   前記裏金層の表面に前記青銅系合金の粒子を積層し、焼結することで前記多孔質基材を形成するステップと、
   前記多孔質基材へ前記樹脂材料を含浸させるステップと、
   前記樹脂材料を含浸させた前記多孔質基材を備えた前記裏金層を製品幅に切断して第1中間体を形成するステップと、
   前記第１中間体の端縁を摺動面から離れる方向に変形するステップと、
   該変形された第１中間体を所定の円筒形状に形成して第２中間体を形成するステップと、
   該第２中間体において前記樹脂材料を含浸させた多孔質基材を切削して摺動面を形成するステップと、を備えてなる摺動部材の製造方法。
8. 青銅系合金からなる多孔質基材に樹脂材料を含浸させてなり、その摺動面には前記多孔質基材と前記樹脂材料とがともに露出する摺動部材とハウジングとを備える摺動装置の製造方法であって、
   裏金層を準備するステップと、
   前記裏金層の表面に前記青銅系合金の粒子を積層し、焼結することで前記多孔質基材を形成するステップと、
   前記多孔質基材へ前記樹脂材料を含浸させるステップと、
   該裏金層の端縁を前記摺動面から離れる方向に変形するステップと、
   前記裏金層を前記ハウジングに圧入するステップと、
   前記樹脂材料を含浸させた多孔質基材を切削して摺動面を形成するステップと、
   を備えてなる摺動装置の製造方法。
9. 青銅系合金からなる多孔質基材に樹脂材料を含浸させてなり、その摺動面には前記多孔質基材と前記樹脂材料とがともに露出する摺動部材とハウジングとを備える摺動装置の製造方法であって、
   裏金層を準備するステップと、
   前記裏金層の表面に前記青銅系合金の粒子を積層し、焼結することで前記多孔質基材を形成するステップと、
   前記多孔質基材へ前記樹脂材料を含浸させるステップと、
   前記樹脂材料を含浸させた前記多孔質基材を備えた前記裏金層を製品幅に切断して第１中間体を形成するステップと、
   前記第１中間体を所定の円筒形状に成形し、端縁を摺動面から離れる方向に変形して、第２中間体を形成するステップと、
   該第２中間体を前記ハウジングに圧入するステップと、
   前記第２中間体において前記樹脂材料を含浸させた多孔質基材を切削して摺動面を形成するステップと、を備えてなる摺動装置の製造方法。
10. 青銅系合金からなる多孔質基材に樹脂材料を含浸させてなり、その摺動面には前記多孔質基材と前記樹脂材料とがともに露出する摺動部材とハウジングとを備える摺動装置の製造方法であって、
    裏金層を準備するステップと、
    前記裏金層の表面に前記青銅系合金の粒子を積層し、焼結することで前記多孔質基材を形成するステップと、
    前記多孔質基材へ前記樹脂材料を含浸させるステップと、
    前記樹脂材料を含浸させた前記多孔質基材を備えた裏金層を製品幅に切断して第１中間体を形成するステップと、
    前記第１中間体の端縁を摺動面から離れる方向に変形するステップと、
    該変形された第１中間体を所定の円筒形状に形成して第２中間体を形成するステップと、
    第２中間体を前記ハウジングに圧入して、前記樹脂材料を含浸させた多孔質基材を切削して摺動面を形成するステップと、を備えてなる摺動装置の製造方法。
    
    

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