JP3566805B2 - 摺動部材 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は無潤滑軸受やダイナミックシール等に使用されるフッ素樹脂からなる摺動部材に関し、特に、耐摩擦性、耐摩耗性及び耐荷重に優れた摺動部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フッ素樹脂は耐薬品性や耐熱性に優れており、産業用、民生用の各種用途に広く利用されている。
【０００３】
しかし、フッ素樹脂は摺動環境下では摩耗やクリープ変形等により使用できないケースがある。
【０００４】
このため、フッ素樹脂に充填剤を加えたことにより摩耗やクリープ変形を改善することが採用されてきている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、充填剤を加える方法では、充填剤がフッ素樹脂固有の優れた性質を低下させるため、その利用範囲が制限されることが多く、必ずしも満足の行くものではなかった。
【０００６】
従って、本発明の目的は、優れた耐摩擦性、耐摩耗性及び耐荷重性を有し、しかも、フッ素樹脂本来の良好な特性を有するフッ素樹脂系摺動部材を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、電離性放射線を照射したフッ素樹脂によって構成した摺動部材を提供するものである。
【０００８】
特定の条件下で、テトラフルオロエチレン重合体に電離性放射線を照射し、これによって破断伸びや破壊強度の劣化を抑制した改質テトラフルオロエチレン重合体を得るための方法が提案されているが（特開平６−１１６４２３号、特開平７−１１８４２３号、特開平７−１１８４２４号）、本発明はこの放射線によって改質されたフッ素樹脂を摺動部材として使用したところに、発明としての特異点を置くものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明においては、電離性放射線としては、γ線、電子線、Ｘ線、中性子線、あるいは高エネルギーイオン等が使用される。
【００１０】
また、本発明に使用されるフッ素樹脂としては、テトラフルオロエチレン重合体（以下ＰＴＦＥという）、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（以下ＰＦＡという）、あるいはテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（以下ＦＥＰという）が挙げられる。
【００１２】
また、上記共重合体形式のフッ素樹脂の場合、その分子構造の中に少量の第３成分を含むことは有り得る。
【００１３】
本発明摺動部材のベースとなるこれらフッ素樹脂の使用形態としては、それぞれ単独で使用する場合と、２種または２種以上の混合物の形で使用する場合の双方がある。
【００１４】
また、上記単一のフッ素樹脂または相互に混合したフッ素樹脂に対して、他の耐熱性材料を混合してもよい。この場合、電離性放射線照射は最終的な混合物に対して行ってもよく、フッ素樹脂に対して予め電離性放射線を照射してから他の耐熱性材料と混合してもよい。
【００１５】
他の耐熱性材料としては、酸素不在下において３００°Ｃ以上に耐えられるものであることが好ましく、具体的にはエチレン−テトラフルオロエチレン系共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン系共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン系共重合体、ビニリデンフロライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系共重合体等の含フッ素共重合体、あるいはポリイミド、芳香族ポリアミド、ポリアリーレンスルフィド、芳香族ポリエステル等の高分子材料が使用される。
【００１６】
他の耐熱性材料として、無機系材料を使用してもよい。
【００１７】
本発明による摺動部材の用途としては、例えば無潤滑軸受、ダイナミックシール、複写機用ロール、あるいはベアリングパッドなどがあげられ、従来、フッ素樹脂の適用が困難であった用途での使用が期待される。
【００１８】
本発明の摺動部材を得るための具体的な方法としては、フッ素樹脂から所定形状に予備成型品を製造し、次にこれを焼成した後、電離性放射線を照射する方法が多くの場合に採用されるが、場合によっては予め電離性放射線を照射したフッ素樹脂粉末を他の耐熱性材料と混合し、これを摺動部材の形状に成型したり、あるいはフッ素樹脂シートに電離性放射線を照射した後にこれをシート状摺動部材の形状に打ち抜くなど色々な手段が採用できる。
【００１９】
電離性放射線の照射は酸素不在のもとで行うことが望ましく、また、その照射線量は１ＫＧｙ〜１０ＭＧｙの範囲内であることが望ましい。
【００２０】
そしてさらに、フッ素樹脂の低摩擦性、耐摩耗性および耐荷重特性を改善する観点からすると、この電離性放射線のより好ましい照射線量は、１０ＫＧｙ〜１５００ＫＧｙの範囲内が望ましい。
【００２１】
また、電離性放射線の照射を行うに際しては、フッ素樹脂をその結晶融点以上に加熱しておくことが望ましい。
【００２２】
すなわち、例えばフッ素樹脂としてＰＴＦＥを使用する場合には、この材料の結晶融点である３２７°Ｃよりも高い温度にフッ素樹脂を加熱した状態で電離性放射線を照射することが望ましく、あるいはまた、ＰＦＡやＦＥＰを適用する場合には、前者が３１０°Ｃ、後者が２７５°Ｃに特定される結晶融点よりも高い温度に加熱して、放射線を照射することが望ましい。
【００２３】
フッ素樹脂をその結晶融点以上に加熱することは、フッ素樹脂を構成する主鎖の分子運動を活発化させることになり、その結果、分子間の架橋反応を効率良く促進させることが可能となる。
【００２４】
但し、過度の加熱は、逆に分子主鎖の切断と分解を招くようになるので、このような解重合現象の発生を抑制する意味合いから、加熱温度はフッ素樹脂の結晶融点よりも１０〜３０°Ｃ高い範囲内に抑えるべきである。
【００２５】
【実施例】
【００２６】
［実施例１〜６］
厚さ０．５ｍｍの市販のＰＴＦＥシートに対して、０．０１トール以下の真空中（すなわち酸素不在下）で３４０°Ｃの加熱温度のもと、照射線量が５０ＫＧｙ（実施例１）、１００ＫＧｙ（実施例２）、３００ＫＧｙ（実施例３）、５００ＫＧｙ（実施例４）、１０００ＫＧｙ（実施例５）および１５００ＫＧｙ（実施例６）となるように電子線を照射し、各実施例それぞれのシート状摺動部材を得た。
【００２７】
表１にこれら実施例１〜６によって得られた摺動部材と、実施例１〜６で使用された市販のＰＴＦＥシート（比較例１。放射線照射なし）とを対象にして行った摩擦係数および摩耗係数測定試験結果を示す。
【００２８】
試験はスラスト型摩擦摩耗試験装置を使用し、ＳＵＳ３０４製の円筒状リング（外径φ２５．６ｍｍ、内径φ２０．６ｍｍ）により実施例１〜６および比較例１のそれぞれの被試験シートに対して２．５ｋｇ／ｃｍ２の圧力を加え、速度０．５ｍ／ｓｅｃの条件のもとに行った。
【００２９】
このときの圧力と速度の乗数値ＰＶ値は、１．２５ｋｇ・ｍ／ｃｍ２・ｓｅｃであった。
【００３０】
そして試験時間２時間後の被試験シートの重量減少を測定した後、この被試験シートの減少重量を減少容量に換算し、これを円筒状リングの接触面積で除して摩耗深さを算出した。
【００３１】
摩耗係数Ｋ（ｍ・ｓｅｃ／ＭＰａ／ｍ／ｈｒ×１０−６）は、Ｗ＝ＫＰＶＴの摩耗の関係式により求めた。
【００３２】
なお、式中Ｗは摩耗深さ（ｍ）、Ｐは荷重（ＭＰａ）、Ｖは速度（ｍ／ｓｅｃ）、Ｔは時間（ｈｒ）である。
【００３３】
【表１】
【００３４】
［実施例７〜９］ＳＵＳ３０４の板に融着固定した厚さ５０ミクロンのＰＦＡフィルム（商品名：アフロンＰ−６３Ｐ、旭硝子社製）を対象にそれぞれ所定線量の電子線を照射し、各実施例の摺動部材を得た。
【００３５】
電子線照射はいずれも０．０１トール以下の真空下において行われ、その加熱温度と照射線量は、実施例７が３２０°Ｃと１００ＫＧｙ、実施例８が３２０°Ｃと１０００ＫＧｙ、実施例９が３３０°Ｃと５００ＫＧｙである。
【００３６】
これら実施例７〜９における摺動部材の摩擦と摩耗の特性を、比較例２との対比において表２に示す。
【００３７】
なお、比較例２としては、実施例７〜９において使用されたＰＦＡフィルム（電子線未照射物）を使用した。
【００３８】
また、摩擦と摩耗は、実施例７、８の場合が表１におけるのと同じスラスト型摩擦摩耗試験装置を使用して摩擦係数を測定し、実施例９についてはビンオンディスク型摩擦摩耗試験装置を用いて摩耗特性を測定した。
【００３９】
この場合の摩耗特性は、ボール直径φ１／４インチ（φ６．３５０ｍｍ）、荷重０．２ｋｇ、周速５ｍ／ｍｉｎ、時間１０ｈｒの条件のもとで測定し、そのときの摩耗深さをもって特性値とした。
【００４０】
なお、比較例２については、実施例７、８と同じくスラスト型摩擦摩耗試験装置を使用しての摩擦係数測定試験と、実施例９における摩耗特性試験の双方について試験をした。
【００４１】
【表２】
【００４２】
［実施例１１］
テトラフルオロエチレンとパーフルオロ（アルキルビニルエーテル）とから構成される重合単位比が９９．９対０．１モル比のＰＴＦＥのモールディングパウダー（商品名：テフロン７０Ｊ、三井・デュポンフロロケミカル社製。平均粒子径５０ミクロン）を予備成型し、これを焼成することによって径φ１００ｍｍ、高さ１００ｍｍのブロックを製作した。
【００４３】
次にこのブロックから０．５ｍｍ厚のシートを切り出し、これに電子線を照射することによってシート状の摺動部材を得た。
【００４４】
照射は０．０１トール以下の真空下、３４０°Ｃの加熱のもとに行われ、線量１００ＫＧｙの放射線が照射された。
【００４５】
［実施例１２］
平均粒子径４０ミクロンのＰＴＦＥモールディングパウダー（商品名：フルオンＧ１９０、旭硝子社製）に対し、０．０１トール以下の真空下、３５０°Ｃの加熱温度のもとで線量１００ＫＧｙの電子線を照射した。
【００４６】
次いでこの粉末を約２０ミクロンの平均粒子径になるまでジェットミルで粉砕した後、３００°Ｃで１２時間熱処理し、高温揮発成分（約０．１％）を除去した。
【００４７】
次にこのようにして得られた電子線処理粉末を電子線未照射のＰＴＦＥモールディングパウダーに対して１０重量％添加して混合粉末を作り、予備成型、焼成の工程を経て、厚さ２ｍｍの摺動部材シートを得た。
【００４８】
以上の実施例１１および１２によって得られたシートを対象にして行った摩擦係数と摩耗係数の測定試験結果を表３に示す。
【００４９】
なお、表中の比較例３は、実施例１１においてブロックから切り出されたシートを、電子線照射することなくそのまま試験試料として供したものである。
【００５０】
摩擦と摩耗の特性評価は、表１の場合と同じスラスト型摩擦摩耗試験装置を使用して行った。
【００５１】
【表３】
【００５２】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、表１〜３それぞれにおける実施例と比較例の対比からも明らかなように、比較例のいずれもが異常摩耗もしくは大きな摩耗深さを示しているのに対して、本発明による摺動部材の場合にはいずれも良好な潤滑性を裏付ける低い摩擦係数のもと、優れた耐摩耗性を有していることが認められる。このことは本発明がこの種摺動部材の応用範囲を広げるうえにおいて大きく貢献することを意味しているものである。
【発明の属する技術分野】
本発明は無潤滑軸受やダイナミックシール等に使用されるフッ素樹脂からなる摺動部材に関し、特に、耐摩擦性、耐摩耗性及び耐荷重に優れた摺動部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フッ素樹脂は耐薬品性や耐熱性に優れており、産業用、民生用の各種用途に広く利用されている。
【０００３】
しかし、フッ素樹脂は摺動環境下では摩耗やクリープ変形等により使用できないケースがある。
【０００４】
このため、フッ素樹脂に充填剤を加えたことにより摩耗やクリープ変形を改善することが採用されてきている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、充填剤を加える方法では、充填剤がフッ素樹脂固有の優れた性質を低下させるため、その利用範囲が制限されることが多く、必ずしも満足の行くものではなかった。
【０００６】
従って、本発明の目的は、優れた耐摩擦性、耐摩耗性及び耐荷重性を有し、しかも、フッ素樹脂本来の良好な特性を有するフッ素樹脂系摺動部材を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、電離性放射線を照射したフッ素樹脂によって構成した摺動部材を提供するものである。
【０００８】
特定の条件下で、テトラフルオロエチレン重合体に電離性放射線を照射し、これによって破断伸びや破壊強度の劣化を抑制した改質テトラフルオロエチレン重合体を得るための方法が提案されているが（特開平６−１１６４２３号、特開平７−１１８４２３号、特開平７−１１８４２４号）、本発明はこの放射線によって改質されたフッ素樹脂を摺動部材として使用したところに、発明としての特異点を置くものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明においては、電離性放射線としては、γ線、電子線、Ｘ線、中性子線、あるいは高エネルギーイオン等が使用される。
【００１０】
また、本発明に使用されるフッ素樹脂としては、テトラフルオロエチレン重合体（以下ＰＴＦＥという）、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（以下ＰＦＡという）、あるいはテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（以下ＦＥＰという）が挙げられる。
【００１２】
また、上記共重合体形式のフッ素樹脂の場合、その分子構造の中に少量の第３成分を含むことは有り得る。
【００１３】
本発明摺動部材のベースとなるこれらフッ素樹脂の使用形態としては、それぞれ単独で使用する場合と、２種または２種以上の混合物の形で使用する場合の双方がある。
【００１４】
また、上記単一のフッ素樹脂または相互に混合したフッ素樹脂に対して、他の耐熱性材料を混合してもよい。この場合、電離性放射線照射は最終的な混合物に対して行ってもよく、フッ素樹脂に対して予め電離性放射線を照射してから他の耐熱性材料と混合してもよい。
【００１５】
他の耐熱性材料としては、酸素不在下において３００°Ｃ以上に耐えられるものであることが好ましく、具体的にはエチレン−テトラフルオロエチレン系共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン系共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン系共重合体、ビニリデンフロライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系共重合体等の含フッ素共重合体、あるいはポリイミド、芳香族ポリアミド、ポリアリーレンスルフィド、芳香族ポリエステル等の高分子材料が使用される。
【００１６】
他の耐熱性材料として、無機系材料を使用してもよい。
【００１７】
本発明による摺動部材の用途としては、例えば無潤滑軸受、ダイナミックシール、複写機用ロール、あるいはベアリングパッドなどがあげられ、従来、フッ素樹脂の適用が困難であった用途での使用が期待される。
【００１８】
本発明の摺動部材を得るための具体的な方法としては、フッ素樹脂から所定形状に予備成型品を製造し、次にこれを焼成した後、電離性放射線を照射する方法が多くの場合に採用されるが、場合によっては予め電離性放射線を照射したフッ素樹脂粉末を他の耐熱性材料と混合し、これを摺動部材の形状に成型したり、あるいはフッ素樹脂シートに電離性放射線を照射した後にこれをシート状摺動部材の形状に打ち抜くなど色々な手段が採用できる。
【００１９】
電離性放射線の照射は酸素不在のもとで行うことが望ましく、また、その照射線量は１ＫＧｙ〜１０ＭＧｙの範囲内であることが望ましい。
【００２０】
そしてさらに、フッ素樹脂の低摩擦性、耐摩耗性および耐荷重特性を改善する観点からすると、この電離性放射線のより好ましい照射線量は、１０ＫＧｙ〜１５００ＫＧｙの範囲内が望ましい。
【００２１】
また、電離性放射線の照射を行うに際しては、フッ素樹脂をその結晶融点以上に加熱しておくことが望ましい。
【００２２】
すなわち、例えばフッ素樹脂としてＰＴＦＥを使用する場合には、この材料の結晶融点である３２７°Ｃよりも高い温度にフッ素樹脂を加熱した状態で電離性放射線を照射することが望ましく、あるいはまた、ＰＦＡやＦＥＰを適用する場合には、前者が３１０°Ｃ、後者が２７５°Ｃに特定される結晶融点よりも高い温度に加熱して、放射線を照射することが望ましい。
【００２３】
フッ素樹脂をその結晶融点以上に加熱することは、フッ素樹脂を構成する主鎖の分子運動を活発化させることになり、その結果、分子間の架橋反応を効率良く促進させることが可能となる。
【００２４】
但し、過度の加熱は、逆に分子主鎖の切断と分解を招くようになるので、このような解重合現象の発生を抑制する意味合いから、加熱温度はフッ素樹脂の結晶融点よりも１０〜３０°Ｃ高い範囲内に抑えるべきである。
【００２５】
【実施例】
【００２６】
［実施例１〜６］
厚さ０．５ｍｍの市販のＰＴＦＥシートに対して、０．０１トール以下の真空中（すなわち酸素不在下）で３４０°Ｃの加熱温度のもと、照射線量が５０ＫＧｙ（実施例１）、１００ＫＧｙ（実施例２）、３００ＫＧｙ（実施例３）、５００ＫＧｙ（実施例４）、１０００ＫＧｙ（実施例５）および１５００ＫＧｙ（実施例６）となるように電子線を照射し、各実施例それぞれのシート状摺動部材を得た。
【００２７】
表１にこれら実施例１〜６によって得られた摺動部材と、実施例１〜６で使用された市販のＰＴＦＥシート（比較例１。放射線照射なし）とを対象にして行った摩擦係数および摩耗係数測定試験結果を示す。
【００２８】
試験はスラスト型摩擦摩耗試験装置を使用し、ＳＵＳ３０４製の円筒状リング（外径φ２５．６ｍｍ、内径φ２０．６ｍｍ）により実施例１〜６および比較例１のそれぞれの被試験シートに対して２．５ｋｇ／ｃｍ２の圧力を加え、速度０．５ｍ／ｓｅｃの条件のもとに行った。
【００２９】
このときの圧力と速度の乗数値ＰＶ値は、１．２５ｋｇ・ｍ／ｃｍ２・ｓｅｃであった。
【００３０】
そして試験時間２時間後の被試験シートの重量減少を測定した後、この被試験シートの減少重量を減少容量に換算し、これを円筒状リングの接触面積で除して摩耗深さを算出した。
【００３１】
摩耗係数Ｋ（ｍ・ｓｅｃ／ＭＰａ／ｍ／ｈｒ×１０−６）は、Ｗ＝ＫＰＶＴの摩耗の関係式により求めた。
【００３２】
なお、式中Ｗは摩耗深さ（ｍ）、Ｐは荷重（ＭＰａ）、Ｖは速度（ｍ／ｓｅｃ）、Ｔは時間（ｈｒ）である。
【００３３】
【表１】
［実施例７〜９］ＳＵＳ３０４の板に融着固定した厚さ５０ミクロンのＰＦＡフィルム（商品名：アフロンＰ−６３Ｐ、旭硝子社製）を対象にそれぞれ所定線量の電子線を照射し、各実施例の摺動部材を得た。
【００３５】
電子線照射はいずれも０．０１トール以下の真空下において行われ、その加熱温度と照射線量は、実施例７が３２０°Ｃと１００ＫＧｙ、実施例８が３２０°Ｃと１０００ＫＧｙ、実施例９が３３０°Ｃと５００ＫＧｙである。
【００３６】
これら実施例７〜９における摺動部材の摩擦と摩耗の特性を、比較例２との対比において表２に示す。
【００３７】
なお、比較例２としては、実施例７〜９において使用されたＰＦＡフィルム（電子線未照射物）を使用した。
【００３８】
また、摩擦と摩耗は、実施例７、８の場合が表１におけるのと同じスラスト型摩擦摩耗試験装置を使用して摩擦係数を測定し、実施例９についてはビンオンディスク型摩擦摩耗試験装置を用いて摩耗特性を測定した。
【００３９】
この場合の摩耗特性は、ボール直径φ１／４インチ（φ６．３５０ｍｍ）、荷重０．２ｋｇ、周速５ｍ／ｍｉｎ、時間１０ｈｒの条件のもとで測定し、そのときの摩耗深さをもって特性値とした。
【００４０】
なお、比較例２については、実施例７、８と同じくスラスト型摩擦摩耗試験装置を使用しての摩擦係数測定試験と、実施例９における摩耗特性試験の双方について試験をした。
【００４１】
【表２】
［実施例１１］
テトラフルオロエチレンとパーフルオロ（アルキルビニルエーテル）とから構成される重合単位比が９９．９対０．１モル比のＰＴＦＥのモールディングパウダー（商品名：テフロン７０Ｊ、三井・デュポンフロロケミカル社製。平均粒子径５０ミクロン）を予備成型し、これを焼成することによって径φ１００ｍｍ、高さ１００ｍｍのブロックを製作した。
【００４３】
次にこのブロックから０．５ｍｍ厚のシートを切り出し、これに電子線を照射することによってシート状の摺動部材を得た。
【００４４】
照射は０．０１トール以下の真空下、３４０°Ｃの加熱のもとに行われ、線量１００ＫＧｙの放射線が照射された。
【００４５】
［実施例１２］
平均粒子径４０ミクロンのＰＴＦＥモールディングパウダー（商品名：フルオンＧ１９０、旭硝子社製）に対し、０．０１トール以下の真空下、３５０°Ｃの加熱温度のもとで線量１００ＫＧｙの電子線を照射した。
【００４６】
次いでこの粉末を約２０ミクロンの平均粒子径になるまでジェットミルで粉砕した後、３００°Ｃで１２時間熱処理し、高温揮発成分（約０．１％）を除去した。
【００４７】
次にこのようにして得られた電子線処理粉末を電子線未照射のＰＴＦＥモールディングパウダーに対して１０重量％添加して混合粉末を作り、予備成型、焼成の工程を経て、厚さ２ｍｍの摺動部材シートを得た。
【００４８】
以上の実施例１１および１２によって得られたシートを対象にして行った摩擦係数と摩耗係数の測定試験結果を表３に示す。
【００４９】
なお、表中の比較例３は、実施例１１においてブロックから切り出されたシートを、電子線照射することなくそのまま試験試料として供したものである。
【００５０】
摩擦と摩耗の特性評価は、表１の場合と同じスラスト型摩擦摩耗試験装置を使用して行った。
【００５１】
【表３】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、表１〜３それぞれにおける実施例と比較例の対比からも明らかなように、比較例のいずれもが異常摩耗もしくは大きな摩耗深さを示しているのに対して、本発明による摺動部材の場合にはいずれも良好な潤滑性を裏付ける低い摩擦係数のもと、優れた耐摩耗性を有していることが認められる。このことは本発明がこの種摺動部材の応用範囲を広げるうえにおいて大きく貢献することを意味しているものである。
Claims (1)
- γ線、電子線、Ｘ線、中性子線、あるいは高エネルギーイオンの電離性放射線を照射したフッ素樹脂によって構成された摺動部材であって、
前記フッ素樹脂が、テトラフルオロエチレン重合体、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、またはテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体であり、かつ、
前記フッ素樹脂が、酸素不在のもとで、その結晶融点以上で、かつその結晶融点よりも３０℃高い温度以下に加熱された状態において、照射線量１０ＫＧｙ〜１５００ＫＧｙの範囲内の前記電離性放射線を照射されたものであることを特徴とする摺動部材。
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