JP2023086313A - 摺動部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性および摺動性に優れ、高い強度を有する摺動部材およびその製造方法を提供する。【解決手段】本開示の摺動部材は、平坦部および複数の第１凹部を表面に有するセラミック基体と、前記表面を被覆しセラミック基体との対向面の反対側が摺動面である樹脂層とを有し、摺動面は、複数の第１凹部上のそれぞれに位置する部位に第２凹部を有し、平坦部上に位置する部位は平坦である。【選択図】図２

Description

本開示は、バルブ等の摺動部材およびその製造方法に関する。

従来から、各種機械部品の摺動部における摩耗損失を低減させるために種々の摺動部材が使用されている。
例えば、特許文献１には、セラミック材の摺動面に、固体潤滑材としての金属化合物の粉末粒子がポリマーに分散した複合材被膜を設けたセラミックス系摺動部材が記載されている。
特許文献２には、下地面に形成された微視的な凹凸を埋めるように、該下地面にふっ素系樹脂をコーティングして形成された摺接面を有するセラミックバルブが記載されている。
特許文献３には、開放気孔を有する多孔質体に潤滑材を充填した、多孔質複合体からなる弁体を備えたバルブが記載されている。

特開平７-１７９８７３号公報 特開平９-２６９０７３号公報 特開昭６３-３８７７２号公報

特許文献１で記載された摺動部材では、固体潤滑剤は膜の消耗とともに微細粒に粉砕されることにより摺動性能を向上させるものであるため、摺動性能の発現は膜の消耗を前提とする。そのため、耐摩耗性と摺動性とをともに向上させる（摩耗量と摩擦係数をともに小さくする）ことが困難である。また、固体潤滑剤が粉砕されずに脱粒すると膜剥がれの起点となる。
特許文献２で記載されたセラミックバルブでは、摺動面に潤滑剤等を保持する空間はないので、摺動性を向上させることは難しい。
特許文献３で記載された内部に連通する開放気孔を有する多孔質基体は、緻密な基体と比べると強度、剛性が低く、破損や変形しやすい。

本開示の課題は、耐摩耗性および摺動性に優れ、高い強度を有する摺動部材およびその製造方法を提供することである。

本開示の摺動部材は、平坦部および複数の第１凹部を表面に有するセラミック基体と、前記表面を被覆しセラミック基体との対向面の反対側が摺動面である樹脂層とを有し、摺動面は、複数の第１凹部上のそれぞれに位置する部位に第２凹部を有し、平坦部上に位置する部位は平坦である。

本開示の摺動部材の製造方法は、セラミック基体の表面に複数の第１凹部を形成する工程と、複数の第１凹部を残すように前記表面を研磨加工して平坦部を形成する工程と、平坦部と複数の第１凹部とを樹脂層で被覆して樹脂層の上記セラミック基体とは反対側の表面の複数の第１凹部上のそれぞれに位置する部位に第２凹部を形成する工程と、を具備する。

本開示の摺動部材は、相手側の摺動面と第２凹部との間の空間に、水等の流体（流体を使用しない装置では潤滑剤）を保持して摺動性（摩擦係数）向上させることができる。また、樹脂層は、第２凹部が第１凹部上にあり、他は平坦であるため、全体として樹脂層の厚みを確保して膜強度を維持することができるため、耐摩耗性も向上できる。さらに、樹脂層中に固体潤滑剤を添加する必要がなく、樹脂層の耐摩耗性を向上させることができる。

本開示の一実施形態に係る摺動部材を示す概略断面図である。 本開示の他の実施形態に係る摺動部材を示す概略断面図である。

以下、本開示の実施形態に係る摺動部材を図面に基づいて説明する。図１および図２はいずれも本開示の実施形態に係る摺動部材１、１０の断面を模式的に示している。
図１に示す摺動部材１は、セラミックスの緻密体であるセラミック基体２と、このセラミック基体２の表面２１を被覆した樹脂層３とを有する。樹脂層３において、セラミック基体２との対向面の反対側が摺動面３１である

セラミック基体２の表面２１は、平坦部２１aと複数の第１凹部２１ｂとを有する。第１凹部２１ｂは、例えば、表面２１を機械的に比較的荒く研磨することによって形成することができる。摺動面３１は、第１凹部２１ｂ上に位置する部位に第２凹部３１ｂを有し、平坦部２１a上に位置する部位は平坦面３１aとなっている。

ここで、セラミック基体２の表面２１が平坦部２１aと複数の第１凹部２１ｂとを有するとは、後述する面粗さパラメータにおいて、突出山部高さＳｐｋが突出谷部深さＳｖｋよりも小さいことをいい、Ｓｐｋ、Ｓｖｋの測定ができない、または難しい場合は、最大山高さＳｐが最大谷深さＳｖよりも小さいことをいう。このとき、表面２の平均面よりも高い部分を平坦部２１a、低い部分を第１凹部２１ｂとする。よって、平坦部２１aは、凸部２１ｃを包含する。第１凹部２１ｂは、成形時の金型形状や成型後の切削加工で形成するような、断面曲線で表される比較的大きい凹部ではなく、砥粒による加工などで形成するような、粗さ曲線で表される比較的小さい凹部であることが好ましい。第１凹部２１ｂが粗さ曲線で表される場合、第１凹部２１ｂの深さは粗さ曲線の谷深さ（例えば、最大谷深さＳｖ）に相当する。
また、平坦部２１a上に位置する部位が平坦であるとは、平坦部２１a上に位置する部位（第２凹部３１ｂを除いた部位）の最大山高さＳｐが、第１凹部２１ｂ上に位置する部位の最大谷深さＳｖよりも小さい、ことをいう。

図２に示す摺動部材１０は、セラミックスの多孔質体であるセラミック基体１２と、このセラミック基体１２の表面１２１を被覆した樹脂層１３とを有する。樹脂層１３において、セラミック基体１２との対向面の反対側が摺動面１３１である。

セラミック基体１２の表面１２１は、平坦部１２１aと第１凹部１２１ｂとを有する。第１凹部１２１ｂは、多孔質体であるセラミック基体１２の表面１２１に形成された開気孔である。摺動面１３１は、第１凹部１２１ｂ上に位置する部位に第２凹部１３１ｂを有し、平坦部１２１a上に位置する部位は平坦面１３１aとなっている。
ここで、セラミック基体１２の表面１２１が平坦部１２１aと複数の第１凹部１２１ｂとを有することの定義、および平坦部１２１a上に位置する部位は平坦であることの定義は、図１に示したのと同様である。よって、平坦部１２１aは、凸部１２１ｃを包含する。
また、第１凹部２１ｂ、１２１ｂは、有底で連通孔を有していないものをいう。
なお、セラミック基体１２の表面１２１は、上記のような、上方の摺動面１３１に第２凹部が位置している第１凹部１２１ｂ以外に、上方の摺動面１３１に第２凹部が位置していない他の凹部を有していてもよい。

上記のように、樹脂層３、１３は、それぞれ第２凹部３１ｂ、１３１ｂを有しているので、摺動時には、相手側の摺動面と第２凹部３１ｂ、１３１ｂとの間に空間が形成される。例えばバルブに使用される摺動部材１、１０の場合、この空間に、バルブを流れる水等の流体を保持して摺動性（摩擦係数）を向上させることができる。流体を使用しない摺動装置では、潤滑剤が上記空間に保持される。
また、樹脂層３、１３は、第２凹部３１ｂ、１３１ｂが第１凹部２１ｂ、１２１ｂ上にあり、他は平坦部３１a、１３１aであるため、全体として樹脂層３、１３の厚みを確保することができるので、膜強度を維持することができ、耐摩耗性も向上する。

次に、面粗さ測定のパラメータを用いて、本実施形態の摺動部材１、１０を詳細に説明する。なお、以下の表面粗さパラメータは、ＩＳＯ２５１７８の定義による。また、表面粗さパラメータうち、最大山高さＳp、最大谷深さＳｖは、図１、２に示した。最大山高さＳp、最大谷深さＳｖの数値は、いずれも５点以上測定した平均値とする。

セラミック基体２、１２の表面２１、１２１は、最大山高さＳｐが２μｍ以上または突出山部高さＳｐｋが０．２μｍ以上であるのがよい。最大山高さＳｐとは、凸部２１ｃ、１２１ｃの高さの最大値をいう。突出山部高さＳｐｋとは、コア部（突出した山と谷を除いた中間部分）の上にある突出山部の平均高さをいう。ＳｐおよびＳｐｋは、セラミック基体２、１２の平坦部２１ａ、１２１ａおよび第１凹部２１ｂ、１２１ｂを含めた表面全体での測定値をいう。
このように、粗さ(Ｓｐ、Ｓｐｋ)があることにより、セラミック基体２、１２への樹脂層３、１３の密着力が高くなる。

表面２１、１２１は、最大谷深さＳｖが最大山高さＳｐの２倍以上または突出谷部深さＳｖｋが突出山部高さＳｐｋの４倍以上であるのがよい。すなわち、２Ｓｐ≦Ｓｖ、および４Ｓｐｋ≦Ｓｖｋである。このように、平坦部２１ａ、１２１ａの山（凸部２１ｃ、１２１ｃ）に対し、第１凹部２１ｂ、１２１ｂの谷が深いと、樹脂層３、１３の表面に流体を保持する空間が形成されやすいので摺動特性が良好になる。また、粗さ(Ｓｖ、Ｓｖｋ)がある程度ある方がアンカー効果により樹脂の密着力が高くなる。
図２に示すような多孔質のセラミック基体１２の場合、５Ｓｐ≦Ｓｖ、１０Ｓｐｋ≦Ｓｖｋであるのが好ましい。

樹脂層３、１３は、平坦部２１ａ、１２１ａにおける厚みｔｐが、セラミック基体２、１２の表面２１、１２１のコア部のレベル差Ｓｋと該表面２１、１２１の突出山部高さＳｐｋとの和以上であるのがよい。すなわち、Ｓｋ＋Ｓｐｋ≦ｔｐである。これにより、平坦部２１ａ、１２１ａの凹凸を十分に被覆して摺動特性を高めることができる。好ましくはＳｐ≦ｔｐである。上記コア部のレベル差Ｓｋとは、コア部の上限レベルと下限レベルの差をいう。

樹脂層３、１３は、第２凹部３１ｂ、１３１ｂにおける厚みｔｖが、セラミック基体２、１２の表面２１、１２１の最大谷深さＳｖの３倍以下であるのがよい。すなわち、ｔｖ≦３Ｓｖである。これにより、樹脂層３、１３の表面に充分な空間を確保できるので、摺動特性が向上する。図２に示すような多孔質のセラミック基体１２の場合、ｔｖ≦２Ｓｖであるのが好ましい。

また、第２凹部３１ｂ、１３１ｂにおける厚みｔｖは、樹脂層３、１３の平坦部３１ａ、１３１ａにおける厚みｔｐ以上であるのがよい。すなわち、ｔｐ≦ｔｖである。これにより、セラミック基体２、１２の表面２１、１２１の深い谷部も十分に樹脂層３、１３で被覆することができる。好ましくはｔｐ-Ｓｐｋ≦ｔｖ-Ｓｖｋであるのがよい。

樹脂層３、１３の第２凹部３１ｂ、１３１ｂにおける厚みｔｖは、セラミック基体２、１２の表面２１、１２１の最大谷深さＳｖ以上であるのがよい。すなわち、Ｓｖ≦ｔvである。第２凹部３１ｂ、１３１ｂの底がセラミック基体２、１２の第１凹部２１ｂ、１２１ｂと平坦部２１ａ、１２１ａの接続部Ａよりも高いので、接続部Ａ付近の樹脂に応力が集中するのを抑制して、樹脂層３、１３が剥離するのを低減することができる。

上記の各表面粗さパラメータは、例えば、非接触式のレーザー顕微鏡で測定することができる。具体的には、各表面粗さパラメータは、例えば、キーエンス社製のレーザーマイクロスコープＶＫ－Ｘ１１００を用いて、測定モードをカラー超深度、測定倍率を１２００倍（対物５０倍、接眼２４倍）、測定範囲を約６０μｍ×８０μｍとして、測定ピッチ、カットオフフィルタλｓ、カットオフフィルタλｃを測定領域の表面形状に合わせて適宜設定して、複数箇所（５点以上）測定し、平均値を測定値とすればよい。
また、第２凹部３１ｂ、１３１ｂにおける厚みｔｖは、（平坦部３１ａ、１３１ａにおける樹脂層３、１３の厚みｔｐ）＋（セラミック基体２、１２のＳｖ）－（樹脂層３、１３のＳｖ）から求められる。厚みｔｖは、特に限定されるものではないが、５μｍ以上、１００μｍ以下であるのがよい。
平坦部３１ａ、１３１ａにおける樹脂層３、１３の厚みｔｐは、セラミック基体２、１２の表面２１、１２１の平均面と樹脂層３、１３の表面の平均面との距離で表され、平坦部２１ａと３１ａ、１２１ａと１３１ａにおける樹脂厚みの平均値に相当する。厚みｔｐは、特に限定されるものではないが、１μｍ以上、２０μｍ以下であるのがよい。厚みｔｐは光学顕微鏡などによる断面観察のほか、超音波や赤外光などを用いた測定など、公知の方法で測定できる。

次に、本開示に係る摺動部材の製造方法を説明する。この製造方法は、以下の第１～第３工程を含んでいる。
（第１工程）
セラミック基体２、１２の表面２１、１２１に複数の第１凹部２１ｂ、１２１ｂを形成する。セラミック基体２、１２としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素等が使用可能である。これらのセラミックスは、硬度が高く、耐腐食性、耐熱性にも優れる
セラミック基体２、１２の製造に際しては、まず、セラミックス原料を用意する。セラミックス原料とは主原料に焼結助剤およびバインダーを添加したものである。例えば、主原料がアルミナ粉末である時には、焼結助剤としてＭｇＯ、ＳｉＯ_２、ＣａＯなどのうち少なくとも一種を、ジルコニア粉末に対しては安定化剤として、Ｙ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＣｅＯ_２などのうち少なくとも一種を、炭化珪素粉末に対してはＣ、Ｂ、Ｂ_４Ｃ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３などのうち少なくとも一種を、さらに窒化珪素粉末に対しては、周期律表２Ａ、３Ａ族元素の酸化物や窒化物などのうち少なくとも一種をそれぞれ焼結助剤として添加する。

図１に示すセラミック基体２は、緻密質のセラミックスで構成されている。このような緻密質のセラミックスについては、上記のセラミック原料を金型に充填してメカプレスあるいはラバープレスなど公知の成形手段により所定形状に成形したあと、各セラミック原料を焼結させる通常の焼成温度で焼成して緻密質のセラミックスを形成する。具体的には、アルミナに対しては１６００～１７５０℃で、ジルコニアに対しては１１００～１４００℃で、炭化珪素に対しては１８００～２０００℃で、窒化珪素に対しては１８００～１９００℃の温度でそれぞれ焼成するのがよい。焼成して得られた表面２１に、ダイヤモンドなどの砥粒を用いたラッピング加工等の粗面化加工を施して２μｍから３０μｍ程度の深さの第１凹部２１ｂを形成するとよい。この加工で形成される比較的大きな凸部は後述の研磨加工で除去される。

一方、図２に示すセラミック基体１２は、多孔質のセラミックスで構成されている。このような多孔質のセラミックスを得るには、上記セラミックス原料１００質量部に対し１～７質量部の範囲で焼失材を添加混合する。
焼失材とは焼成時に燃えてなくなる材質のことであり、粉末ポリエチレン、ポリビニルアルコール、ポリプロピレン、酢酸ビニル、アクリル樹脂、セルロ－ス、炭化カルシウム、炭化マグネシウムなどが好適に用いることができる。なお、これらの材質以外にも同じ様な作用をなす材料であれば使用することができる。焼失材の形状は金型への充填性を高めるために球状のものがよく、好ましくは外径が４～１５０μｍ程度のものが好ましい。
これにより、第１凹部１２１ｂとなる適度な開気孔を有し、かつ成形性に優れた多孔質のセラミックスを得ることができる。

上記焼失材を添加したセラミック原料を金型に充填して、上記と同様にメカプレスあるいはラバープレスにより成形体を成形したあと、緻密質のセラミックスと同様に焼成することにより、平均気孔径１４～３６μｍ、平均気孔率０．２～３．４％の多孔質セラミックスからなるセラミック基体１２を形成することができる。具体的には、アルミナに対しては１６００～１７５０℃で、ジルコニアに対しては１１００～１４００℃で、炭化珪素に対しては１８００～２０００℃で、窒化珪素に対しては１８００～１９００℃でそれぞれ焼成するのがよい。

（第２工程）
得られたセラミック基体２、１２について、第１凹部２１ｂ、１２１ｂを残すように表面２１、１２１を研磨加工して平坦部２１ａ、１２１ａを形成する。研磨加工は、ダイヤモンドなどの砥粒を用いたラッピング加工で行うのがよい。研磨加工の砥粒は、第１工程での粗面化加工の砥粒よりも粒径が小さいものを使用するとよい。

（第３工程）
上記平坦部２１ａ、１２１ａと第１凹部２１ｂ、１２１ｂとを樹脂層３、１３で被覆して、樹脂層３、１３のセラミック基体２、１２とは反対側の表面の第１凹部２１ｂ、１２１ｂ上に位置する部位に第２凹部３１ｂ、１３１ｂを形成する。
樹脂層３、１３を形成する樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリアミド（ＰＡ）等が挙げられる。特にＰＴＦＥは摺動性、耐摩耗性に優れているので好ましい。

樹脂層３、１３は、液状またはペースト状の樹脂またはその前駆体をセラミック基体２、１２の表面２１、１２１上に塗布し加熱するなどして形成することができる。塗布時または焼成時に樹脂が第１凹部２１ｂ、１２１ｂに流れ込むので、第２凹部３１ｂ、１３１ｂにおける厚みｔｖは、樹脂層３、１３の平坦部３１ａ、１３１ａにおける厚みｔｐ以上になる。すなわち、ｔｐ≦ｔｖである。
また、化学気相成長（ＣＶＤ）法、物理気相成長（ＰＶＤ）法等によって樹脂層３、１３を形成してもよい。この場合、上記厚みｔｖとｔｐはほぼ等しくなる。

本開示の摺動部材１、１０は、摺動性（摩擦係数）および耐摩耗性が向上しているので、例えば、流量調整バルブ（湯水混合栓、ガス混合器、車載用のクーラント流調バルブ等）、メカニカルシール、すべり軸受等の摺動面を有する部材に使用するのに好適である。
また、バルブを流れる流体は、例えば水、水溶液、有機溶剤、不凍液、冷媒等の液体であるのがよい。

平坦部と複数の第１凹部とを有するアルミナ基体の表面に、ＰＴＦＥを含有する塗布液を塗布し、焼成してＰＴＦＥ樹脂層を作製した。アルミナ基体としては、緻密質なアルミナ基体と、多孔質なアルミナ基体とを用いた。得られたＰＴＦＥ樹脂層の表面（すなわち、セラミック基体との対向面の反対側の摺動面）には第２凹部が形成されていた。
得られたアルミナ基体の表面およびＰＴＦＥ樹脂層の表面の各表面粗さパラメータおよびＰＴＦＥ樹脂層の厚みｔｐ、ｔｖをそれぞれ測定した。その結果を表１および表２に示す。なお、数値はいずれも５点以上測定した平均値である。

また、緻密質のアルミナ基体の表面を、ラッピング加工等による粗面化（第１凹部形成）加工を実施せずに、研磨加工のみを実施することで、第１凹部のないアルミナ基体を用意した。そして、このアルミナ基体の表面に、上記と同様、ＰＴＦＥ樹脂層を作製することで、第２凹部のない比較例としての摺動部材を作製した。得られた比較例の基体表面のＳｐは２μｍ、Ｓｖは２μｍであり、樹脂表面のＳｖは０．３μｍであった。
得られた摺動部材の摺動面（ＰＴＦＥ樹脂層の表面）を同様に作製した同材質の摺動面と摺接させ、両摺動面間に流体として水を供給して摺動させた。具体的には、２つの摺動部材の一方（１２ｍｍφ）を固定し、他方（３０ｍｍ□）を、荷重が４Ｎ、周波数が１Ｈｚ、ストロークが１ｍｍ、試験時間が１２時間の条件で摺動させた。
その結果、比較例の摺動部材の摩擦係数を１としたときに、本発明の摺動部材の摩擦係数は、いずれも０．８以下であった。また、比較例の摺動部材の摩耗量を１としたときに、本発明の摺動部材の摩耗量は、いずれも０．８以下であった。
以上の結果より、比較例と比べて、本発明の摺動部材は、いずれも、摩擦係数、摩耗量が改善することを確認した。また、流体としてエチレングリコール系の冷媒を使用した場合も同様の結果が得られた。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、本開示の範囲内で種々の変更や改善が可能である。

１、１０ 摺動部材
２、１２ セラミック基体
２１、１２１ 表面
２１ａ、１２１ａ 平坦部
２１ｂ、１２１ｂ 第１凹部
２１ｃ、１２１ｃ 凸部
３、１３ 樹脂層
３１、１３１ 摺動面
３１ａ、１３１ａ 平坦部
３１ｂ、１３１ｂ 第２凹部

Claims (10)

1. 平坦部および複数の第１凹部を表面に有するセラミック基体と、
   前記表面を被覆し、前記セラミック基体との対向面の反対側が摺動面である樹脂層とを有し、
   前記摺動面は、前記複数の第１凹部上のそれぞれに位置する部位に第２凹部を有し、前記平坦部上に位置する部位は平坦である、摺動部材。
2. 前記表面は、最大山高さＳｐが２μｍ以上または突出山部高さＳｐｋが０．２μｍ以上である、請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記表面は、最大谷深さＳｖが最大山高さＳｐの２倍以上または突出谷部深さＳｖｋが突出山部高さＳｐｋの４倍以上である、請求項１または２に記載の摺動部材。
4. 前記樹脂層は、前記平坦部における厚みｔｐが、前記表面のコア部のレベル差Ｓｋと前記表面の突出山部高さＳｐｋとの和以上である、請求項１乃至３のいずれかに記載の摺動部材。
5. 前記樹脂層は、前記第２凹部における厚みｔｖが、前記表面の最大谷深さＳｖの３倍以下である、請求項１乃至４のいずれかに記載の摺動部材。
6. 前記樹脂層は、前記第２凹部における厚みｔｖが、前記樹脂層の前記平坦部における厚みｔｐ以上である、請求項１乃至５のいずれかに記載の摺動部材。
7. 前記樹脂層は、前記第２凹部における厚みｔｖが、前記表面の最大谷深さＳｖ以上である、請求項１乃至６のいずれかに記載の摺動部材。
8. セラミック基体の表面に複数の第１凹部を形成する工程と、
   前記複数の第１凹部を残すように前記表面を研磨加工して平坦部を形成する工程と、
   前記平坦部と前記複数の第１凹部とを樹脂層で被覆して、前記樹脂層の前記セラミック基体とは反対側の表面の前記複数の第１凹部上のそれぞれに位置する部位に第２凹部を形成する工程と、を具備する摺動部材の製造方法。
9. 請求項１～７のいずれかに記載の摺動部材を用いた摺動装置。
10. 請求項１～７のいずれかに記載の摺動部材同士を摺動させる、請求項９に記載の摺動装置。
    
    
    

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