JP2023006747A

JP2023006747A - ギヤ部材

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Publication number: JP2023006747A
Application number: JP2021109497A
Authority: JP
Inventors: 岳史眞壁; Takeshi Makabe; 太一赤岡; Taichi Akaoka
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2023-01-18

Abstract

【課題】ＰＥＥＫ成形体で構成され、歯元部における破壊が発生しにくいギヤ部材を提供する。【解決手段】ギヤ部材は、３重量％以上３５重量％以下の炭素繊維と、２重量％以上２０重量％以下のＰＴＦＥと、０．１重量％以上１０重量％以下のナノカーボンとを含有するＰＥＥＫ成形体で構成される。このギヤ部材では、歯元部における局所破壊と摺動破壊との両方の発生を効果的に抑制することができる。【選択図】図５

Description

本発明は、樹脂成形体からなるギヤ部材に関する。

自動車部品等に用いられるギヤ部材は、軽量化の観点などから金属部品から樹脂成形体への代替が求められている。このようなギヤ部材として、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）に代表される、特に優れた耐熱性及び機械的強度を有するスーパーエンジニアリングプラスチックが用いられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７－２０３５４７号公報

しかしながら、ＰＥＥＫを用いた従来のギヤ部材では、駆動時に応力が集中しやすい歯元部における機械的強度が充分に得られにくい。このため、このようなギヤ部材では、駆動時に歯元部で折れなどの破壊が生じやすい。したがって、ＰＥＥＫを用いたギヤ部材において機械的強度を向上させる技術が望まれる。

以上のような事情に鑑み、本発明は、ＰＥＥＫ成形体で構成され、歯元部における破壊が発生しにくいギヤ部材を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一実施形態に係るギヤ部材は、３重量％以上３５重量％以下の炭素繊維と、２重量％以上２０重量％以下のＰＴＦＥと、０．１重量％以上１０重量％以下のナノカーボンとを含有するＰＥＥＫ成形体で構成される。
このギヤ部材では、耐疲労特性の優れた高分子ＰＥＥＫ成形体で構成しつつも、歯元部における局所破壊と摺動破壊との両方の発生を効果的に抑制することができる。

上記ナノカーボンのアスペクト比が１００以上であってもよい。
上記ギヤ部材は、１０重量％以上３０重量％以下の炭素繊維を含有してもよい。
上記ギヤ部材では、最大ピーク分子量が５万以上の範囲に存在する分子量分布を有するＰＥＥＫ成形体で構成されてもよい。
上記ギヤ部材は、外周に沿って連接された複数の歯の各歯元部の径方向の断面において上記炭素繊維が上記複数の歯の表面に沿って配向していてもよい。
これらの構成では、歯元部における局所破壊及び摺動破壊の発生をより効果的に抑制することができる。

以上のように、本発明では、ＰＥＥＫ成形体で構成され、歯元部における破壊が発生しにくいギヤ部材を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るギヤ部材の例を示す平面図である。実施例及び比較例に係るギヤ部材の破壊トルク（％）を示すグラフである。実施例及び比較例に係るギヤ部材の時間経過によるトルク伝達効率の変化を示すグラフである。実施例及び比較例に係るギヤ部材の破壊トルク（％）を示すグラフである。実施例及び比較例に係るギヤ部材の炭素繊維の含有量（重量％）に対する破壊トルク（％）を示すグラフである。実施例に係るギヤ部材の蛍光顕微鏡画像（ａ）及び参考例に係る蛍光顕微鏡画像（ｂ）である。

＜ギヤ部材の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るギヤ部材Ｇの平面図である。ギヤ部材Ｇには、外周に沿って連接された複数の歯Ｔが設けられている。複数の歯Ｔはそれぞれ、歯先部Ｔｔ及び歯元部Ｔｂで構成されている。ギヤ部材Ｇでは、歯Ｔが他の部材の歯と噛み合った状態で回転駆動する際に、他の部材の歯の歯先部Ｔｔから加わる外力によって歯元部Ｔｂに応力が集中しやすい。このため、ギヤ部材Ｇでは、特に歯元部Ｔｂにおいて折れなどの破壊が発生しやすい。また、高温高圧の過酷な動作環境下で使用されるギヤ部材Ｇの歯元部Ｔｂには、瞬間的に加わる局所的な外力による破壊（以下、「局所破壊」とも呼称する。）のみならず、摺動が繰り返されることによる破壊（以下、「摺動破壊」とも呼称する。）が発生しやすい。

これに対し、本実施形態に係るギヤ部材Ｇは、歯元部Ｔｂに対して局所破壊と摺動破壊とのいずれも生じにくくなるように構成されている。具体的に、本実施形態に係るギヤ部材Ｇは、主成分としてポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を含み、充填材として炭素繊維、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、及びナノカーボンを更に含むＰＥＥＫ複合材を成形して得られるＰＥＥＫ成形体として構成される。つまり、本実施形態に係るギヤ部材Ｇでは、耐熱性及び機械的強度が高いＰＥＥＫを主成分とすることに加え、上記の３種類の充填材を組み合わせて用いることで、歯元部Ｔｂにおいて局所破壊及び摺動破壊の両方が生じにくい構成を実現することができる。

炭素繊維は、材料強度の向上によってギヤ部材Ｇに局所破壊を生じにくくする作用を有する。また、ＰＴＦＥは、摺動性の向上によってギヤ部材Ｇに、温度上昇による強度低下が原因の摺動破壊を生じにくくする作用を有する。このため、ギヤ部材Ｇでは、充填材として炭素繊維及びＰＴＦＥを併用することで局所破壊及び摺動破壊を生じにくくする作用が得られる。しかしながら、ギヤ部材Ｇでは、炭素繊維及びＰＴＦＥによる作用のみでは、歯元部Ｔｂにおける局所破壊及び摺動破壊を充分に防止することが難しい。これに対し、本実施形態に係るギヤ部材Ｇでは、炭素繊維及びＰＴＦＥに加えてナノカーボンを用いることで、局所破壊及び摺動破壊を生じにくくする作用が更に高まり、歯元部Ｔｂにおける局所破壊及び摺動破壊を効果的に防止することができる。

本実施形態に係るナノカーボンは、炭素で構成されている直径がナノメートルオーダーの一次元構造物質（線状ナノカーボン）である。本実施形態に係るナノカーボンの直径は、例えば、０．４ｎｍ以上８００ｎｍ以下とすることができる。本実施形態に係るナノカーボンは、アスペクト比が１００以上であることが好ましく、内部に中空空間を有するカーボンナノチューブであっても、内部に中空空間を有さないカーボンナノワイヤであってもよい。また、ナノカーボンは、複数に分岐した分岐構造や、コイル状などの三次元構造などであってもよい。ナノカーボンは、ＮＣ７０００（Ｎａｎｏｃｙｌ社製）、ＣＮＴｓ４０（Sinotech New Materials社製）、ＨＣＮＴｓ１０（Sinotech New Materials社製）、等が挙げられる。

また、本実施形態に係るギヤ部材Ｇは、最大ピーク分子量が５万以上の範囲に存在する分子量分布を有するＰＥＥＫ成形体で構成されることが好ましい。つまり、本実施形態に係るギヤ部材Ｇでは、ギヤとしての疲労性を向上させるため高分子量の原料ＰＥＥＫを使用することが好ましい。原料ＰＥＥＫとしては、ＶｉｃｔｒｅｘＰＥＥＫ４５０（Ｖｉｃｔｒｅｘ社製）、ＶｉｃｔｒｅｘＰＥＥＫ６５０（Ｖｉｃｔｒｅｘ社製）、ベスタキープ４０００（ダイセル・エボニック製）、ベスタキープ５０００（ダイセル・エボニック製）等が挙げられる。一方、高い成形性を得るために原料ＰＥＥＫに各種充填材を加えたＰＥＥＫ複合材の粘度が上昇しすぎないように構成することが好ましい。また、ギヤ部材Ｇでは、ＰＥＥＫ複合材の粘度を低く抑えることで、成形の際に歯元部Ｔｂの径方向に沿った断面において炭素繊維が表面Ｓに沿って配向しやすくなる。このような炭素繊維の配向によって、ギヤ部材Ｇでは、歯元部Ｔｂを含む領域において歯Ｔの表面Ｓに沿って延びる炭素繊維によって歯元部Ｔｂが補強されることで、歯元部Ｔｂにおける局所破壊及び摺動破壊が更に生じにくくなる。

本実施形態に係るギヤ部材Ｇを構成するＰＥＥＫ成形体における炭素繊維の含有量は、上記の効果を良好に得るために、３重量％以上３５重量％以下であることが必要であり、１０重量％以上３０重量％以下であることが好ましい。つまり、ギヤ部材Ｇでは、炭素繊維の含有量を３重量％以上、更に１０重量％以上とすることで、材料強度を向上でき、局所破壊を効果的に抑制することができる。また、ギヤ部材Ｇでは、炭素繊維の含有量を３５重量％以下、更に３０重量％以下とすることで、ＰＥＥＫ複合材の粘度の上昇が抑えられる。これにより、ギヤ部材Ｇでは、良好な成形性が得られ、上記のような歯元部Ｔｂの表面Ｓに沿った炭素繊維の配向が更に得られやすくなる。なお、本実施形態に係る炭素繊維は、少なくとも９０重量％以上の炭素から構成される直径がマイクロメートルオーダー以上の繊維状の物質を指すものとする。本実施形態に係る炭素繊維の直径は、例えば、３μｍ以上１５μｍ以下とすることができる。炭素繊維としては、ＨＴＣ４１３６ＭＭ（帝人製）、ＨＴＣ２２７６ＭＭ（帝人製）、ＩＭＣ７０２６ＭＭ（帝人製）、ＴＲ０６Ｕ（三菱ケミカル製）、Ｋ２２３ＳＥ（三菱ケミカル製）等が挙げられる。

本実施形態に係るギヤ部材Ｇを構成するＰＥＥＫ成形体におけるＰＴＦＥの含有量は、上記の効果を良好に得るために、２重量％以上２０重量％以下であることが必要であり、５重量％以上１０重量％以下であることが好ましい。つまり、ギヤ部材Ｇでは、ＰＴＦＥの含有量を２重量％以上、更に５重量％以上とすることで、温度上昇を抑制し摺動破壊を効果的に抑制することができる。また、ギヤ部材Ｇでは、ＰＴＦＥの含有量を２０重量％以下、更に１０重量％以下とすることで、強度低下が抑えられる。ＰＴＦＥは、ＫＴＬ－６２０（喜多村製）、ＫＴＬ－４５０Ａ（喜多村製）、ＫＴ－６００Ｍ（喜多村製）、ルブロンＬ－５（ダイキン工業製）、Ｌ－２（ダイキン工業製）、Ｌ１５０Ｊ（ＡＧＣ製）、Ｌ１６９Ｊ（ＡＧＣ製）、Ｌ１７０Ｊ（ＡＧＣ製）、Ｌ１７２Ｊ（ＡＧＣ製）、ＴＬＰ－１０Ｆ－１（三井・ケマーズ・フロロプロダクツ製）等が挙げられる。

本実施形態に係るギヤ部材Ｇを構成するＰＥＥＫ成形体におけるナノカーボンの含有量は、上記の効果を良好に得るために、０．１重量％以上１０重量％以下であることが必要であり、１重量％以上５重量％以下であることが好ましい。つまり、ギヤ部材Ｇでは、ナノカーボンの含有量を０．１重量％以上、更に１重量％以上とすることで、局所破壊及び摺動破壊を効果的に抑制することができる。また、ギヤ部材Ｇでは、ナノカーボンの含有量を１０重量％以下、更に５重量％以下とすることで、ＰＥＥＫ複合材の粘度の上昇が抑えられる。これにより、ギヤ部材Ｇでは、良好な成形性が得られ、上記のような歯元部Ｔｂの表面Ｓに沿った炭素繊維の配向が更に得られやすくなる。

＜実施例及び比較例＞
［ギヤ部材の作製]
上記実施形態の実施例及び比較例について説明する。
実施例及び比較例では、各組成を有するＰＥＥＫ成形体から構成されるギヤ部材Ｇのサンプルを作製し、作製した各サンプルの評価を行った。
実施例及び比較例では、上記に挙げられる原料ＰＥＥＫ、炭素繊維、ＰＴＦＥを用いた。
また、実施例及び比較例では、ナノカーボンとして、以下の３種類を用いた。
・ナノカーボンＡ：直径３０～５０ｎｍ、長さ５０００～１２０００ｎｍ、アスペクト比１００～４００
・ナノカーボンＢ：直径１０～２０ｎｍ、長さ５０００～１２０００ｎｍ、アスペクト比２５０～１２００
・ナノカーボンＣ：直径２００～８００ｎｍ、長さ１０００～１５０００ｎｍ、アスペクト比１～７５

［評価方法］
（ｉ）局所破壊に対する強度
各サンプルについて局所破壊に対する強度を評価するために、歯元部Ｔｂに局所的に加わる荷重により歯元部Ｔｂが破壊されたときのトルク（以下、「一発破壊トルク」と呼称する。）を測定した。
具体的には、相手材としてギヤ部材（Ｓ４５Ｃ製）を用い、回転しないように固定された相手材と噛み合った状態の各サンプルに対してトルクレンチで加える荷重を増加させていき、各サンプルの歯元部Ｔｂが破壊したときのトルクを一発破壊トルクとした。

（ｉｉ）摺動破壊に対する強度
また、各サンプルについて摺動破壊に対する強度を評価するために、各サンプルの回転駆動時に歯元部Ｔｂに繰り返し加わる摺動摩擦により歯元部Ｔｂが破壊されたときのトルク（以下、「摺動破壊トルク」と呼称する。）を測定した。
具体的には、相手材としてギヤ部材（Ｓ４５Ｃ製）を用い、相手材と噛み合った状態で各サンプルを回転駆動させ、荷重を２Ｎ・ｍから３分毎に１Ｎ・ｍずつ増加させ、各サンプルが破壊したときのトルクを摺動破壊トルクとした。摺動破壊トルクの測定では、回転速度を１０００ｒｐｍとし、相手材としてギヤ部材（Ｓ４５Ｃ製）を用い、回転駆動時の各サンプルと相手材との間にグリース（スミテックＦ９３１-０１、住鉱潤滑剤株式会社製）を介在させた。

（ｉｉｉ）効率安定性評価
さらに、各サンプルの効率安定性を評価するために、時間経過によるトルク伝達効率の変化を測定し、トルク伝達効率の安定性（以下、「効率安定性」と呼称する。）を評価した。ここで、トルク伝達効率とは、入力トルクに対する出力トルクの比率を意味する。
具体的には、トルク伝達効率の測定では、５Ｎ・ｍのトルク（入力トルク）を加えたときの出力トルク（Ｎ・ｍ）を測定した。トルク伝達効率の測定では、回転速度を２０００ｒｐｍとし、相手材としてギヤ部材（Ｓ４５Ｃ製）を用い、回転駆動時の各サンプルと相手材との間の潤滑状態はグリース（スミテックＦ９３１-０１、住鉱潤滑剤株式会社製）を介在させた。
そして、時間経過によるトルク伝達効率の変化から、以下のＡ，Ｂの２段階で評価した。
Ａ：トルク伝達効率が一定時間経過後も一定に保たれ、安定であり、効率安定性が良好であった。
Ｂ：トルク伝達効率が一定時間経過とともに低下し、不安定であり、効率安定性が不良であった。

［評価結果］
（各充填材の有無について）
実施例１－１及び比較例１－１～１－３では、表１に示す組成（重量％）のサンプルを作製した。具体的に、実施例１－１では炭素繊維、ＰＴＦＥ、及びナノカーボンの全てを用いるのに対して、比較例１－１～１－３では炭素繊維、ＰＴＦＥ、及びナノカーボンのいずれか１つを用いない。実施例１－１及び比較例１－２，１－３では、ナノカーボンとして、ナノカーボンＡを用いた。
各サンプルについて評価を行った結果を表１に示す。表１中の「（１）一発破壊トルク（％）」、「（２）摺動破壊トルク（％）」は、比較例１－１を基準とした一発破壊トルク（Ｎ・ｍ）及び摺動破壊トルク（Ｎ・ｍ）の増減率（％）を示す。「破壊トルク（％）」は、（１）と（２）の合計値である。
図２は、実施例１－１及び比較例１－１～１－３の破壊トルク（％）の結果をグラフに示したものである。

表１に示されるように、炭素繊維、ＰＴＦＥ、及びナノカーボンのいずれも含む実施例１－１では、比較例１－１～１－３のいずれよりも（１）一発破壊トルク（％）及び（２）摺動破壊トルク（％）が高く、効率安定性が良好であった。
これに対して、炭素繊維及びＰＴＦＥを含むが、ナノカーボンを含まない比較例１－１、炭素繊維及びナノカーボンを含むが、ＰＴＦＥを含まない比較例１－２、ＰＴＦＥ及びナノカーボンを含むが、炭素繊維を含まない比較例１－３では、実施例１－１よりも（１）摺動破壊トルク（％）及び（２）一発破壊トルク（％）が低く、効率安定性が良好でなかった。
そして、図２に示されるように、炭素繊維、ＰＴＦＥ、及びナノカーボンのいずれも含む実施例１－１では、比較例１－１よりも２０％以上も破壊トルクが向上することがわかった。

さらに、実施例１－２及び比較例１－４として、実施例１－１及び比較例１－１について炭素繊維の含有量を１０重量％から３０重量％に増加させたサンプルを作製し、効率安定性評価を行った。尚、炭素繊維の含有量の増加分については、ＰＥＥＫの含有量を減少させ、全体で１００重量％とした。
図３は、実施例１－４及び比較例１－４における時間経過によるトルク伝達効率の変化を示すグラフである。図３では、横軸が時間を示し、縦軸が実施例１－１及び比較例１－４のトルク伝達効率を相対値として示す。
炭素繊維、ＰＴＦＥ、及びナノカーボンのいずれも含む実施例１－４では、トルク伝達効率が安定しており、６０分経過後もトルク伝達効率が維持された。これに対して、ナノカーボンが含まれていない比較例１－４では、トルク伝達効率が安定せず、時間経過とともにトルク伝達効率が徐々に減少した。
このように、実施例１－２では、炭素繊維、ＰＴＦＥ、及びナノカーボンを含むことで、高い効率安定性が得られることがわかった。

（カーボンの種類について）
実施例２－１～実施例２－３では、表２に示す組成のサンプルを作製した。実施例２－１ではナノカーボンＡを用い、実施例２－２ではナノカーボンＢを用い、実施例２－３では、ナノカーボンＣを用いた。
各サンプルについて評価を行った結果を表２に示す。表２中の「（１）発破壊トルク（％）」、「（２）摺動破壊トルク（％）」は、表１の比較例１－１を基準とした一発破壊トルク（Ｎ・ｍ）及び摺動破壊トルク（Ｎ・ｍ）の増減率（％）を示す。
図４は、実施例２－１～実施例２－３の破壊トルク（％）の結果をグラフ化したものである。

表２に示されるように、実施例２－１～２－３では、（１）一発破壊トルク及び（２）摺動破壊トルクが向上していた。
また、アスペクト比が１００より小さいナノカーボンＣを用いた実施例２－３では、効率安定性が低下していたが、アスペクト比が１００以上のナノカーボンＡ，Ｂを用いた実施例２－１，２－２では、効率安定性が良好であった。
また、図４に示されるように、実施例２－３では、破壊トルクが比較例１－１の基準のギヤ部材Ｇと比べて３％程度の増加に留まったが、ナノカーボンＡ，Ｂを用いた実施例２－１，２－２では、破壊トルクが比較例１－１と比べて１５％以上も向上していた。
これは、アスペクト比が高いことで、ナノカーボンと樹脂基材とが十分に絡まり合い、より十分な補強効果が得られたことによるものと考えられる。

（炭素繊維の含有量について）
実施例１－１の組成に対して炭素繊維の含有量を０～４０重量％の範囲で変化させたサンプルを作製した。具体的に、比較例３－１、実施例３－１、実施例３－２、実施例３－３、及び比較例３－２として、炭素繊維の含有量がそれぞれ０，１０，２０，３０，４０重量％のサンプルを作製した。尚、炭素繊維の含有量の増減分については、ＰＥＥＫの含有量を増減させ、全体で１００重量％とした。また、実施例３－１は、実施例１－１と同じ組成である。
図５は、実施例３及び比較例３に係るギヤ部材Ｇの炭素繊維の含有量（重量％）に対する破壊トルク（％）のグラフである。「破壊トルク（％）」は、上記と同様に、比較例１－１を基準とした破壊トルクの増減率を示す。
炭素繊維の含有量が３重量％未満の比較例３－１では、破壊トルクを向上させることができなかったのに対して、炭素繊維の含有量が３～３５重量％の範囲にある実施例３－１～３－３では、破壊トルクが向上していた。また、炭素繊維の含有量が３５重量％を超える比較例３－２では、粘度が高すぎ成形することができなかった。

［蛍光顕微鏡による歯元部の炭素繊維及びナノカーボンの観察]
実施例１－１に係るサンプルの炭素繊維及びナノカーボンを蛍光顕微鏡により観察した。
図６は、実施例１－１に係るギヤ部材Ｇの蛍光顕微鏡画像（ａ）と、参考例に係るナノカーボンが含まれていないギヤ部材Ｇの蛍光顕微鏡画像（ｂ）を示す。
ここで、蛍光波長を吸収する炭素繊維は、蛍光観察された場合、例えば、図６（ｂ）に示されるように、黒色で示される。
実施例１－１に係るギヤ部材Ｇ（図６（ａ））では、黒い繊維状の物質がぼやけた状態で観察された。これは、ナノカーボンが炭素繊維の表面を覆っていることによるものと考えられる。これらにより、ナノカーボンの有無が判断できる。
尚、炭素繊維の含有量は、蛍光顕微鏡画像において炭素繊維が占有する面積に比例するため、本実施形態の炭素繊維の含有量は、蛍光顕微鏡画像の炭素繊維の面積比率から算出可能である。

Claims

３重量％以上３５重量％以下の炭素繊維と、２重量％以上２０重量％以下のＰＴＦＥと、０．１重量％以上１０重量％以下のナノカーボンとを含有するＰＥＥＫ成形体で構成される
ギヤ部材。
請求項１に記載のギヤ部材であって、
前記ナノカーボンのアスペクト比が１００以上である
ギヤ部材。
請求項１又は２に記載のギヤ部材であって、
１０重量％以上３０重量％以下の炭素繊維を含有する
ギヤ部材。
請求項１から３のいずれか１項に記載のギヤ部材であって、
最大ピーク分子量が５万以上の範囲に存在する分子量分布を有するＰＥＥＫ成形体で構成される
ギヤ部材。
請求項１から４のいずれか１項に記載のギヤ部材であって、
外周に沿って連接された複数の歯の各歯元部の径方向の断面において前記炭素繊維が前記複数の歯の表面に沿って配向している
ギヤ部材。