JP3636326B1 - 複層摺動部材 - Google Patents
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Abstract
【課題】 鉛を添加しなくても高ＰＶ値条件下での摩擦摩耗特性に優れ、ドライ環境下において好適に用いることができる複層摺動部材を提供する。
【解決手段】 裏金上に形成された多孔質金属層と、該多孔質金属層に含浸被覆された摺動層とからなる複層摺動部材において、摺動層は、オキシベンゾイルポリエステル樹脂1〜２５体積％、リン酸塩1〜１５体積％、硫酸バリウム1〜２０体積％、及び残部がポリテトラフルオロエチレン樹脂からなることにより、オキシベンゾイルポリエステル樹脂（ＰＯＢ）が摺動材料の強度及び耐摩耗性を向上させると共に、リン酸塩と硫酸バリウムとの相乗効果により摺動時にＰＴＦＥの相手材への移着を助長して摩擦係数を低下させ耐摩耗性の向上を図ることができるという顕著な効果を奏する。
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Description
本発明は、裏金上に形成された多孔質金属層と、該多孔質金属層に含浸被覆された摺動層とからなる複層摺動部材に関するものである。
ポリテトラフルオロエチレン樹脂（以下、「ＰＴＦＥ」という。）は、摩擦係数が低く自己潤滑性に優れているため、軸受などの摺動部材に使用されている。しかしながら、耐摩耗性が十分でないために、鉛を添加したＰＴＦＥが摺動部材として用いられてきた。鉛は、耐摩耗性を向上させるとともに、摺動時、相手材へのＰＴＦＥの移着を助長する効果を有している。この効果により、摺動材料と相手材との摺動が、相互にＰＴＦＥを主体としたもの同士の摺動となり、摩擦係数及び耐摩耗性の点で、一層優れたものとなっていた。しかしながら、近年の環境問題対策により、鉛を使用しない摺動材料が要求されている。そのため、鉛の代わりに、合成樹脂、固体潤滑剤、無機化合物を添加した摺動材料が使用されている。この種のものとしては、特開２０００−３１９４７２号が公知である。
特開２０００−３１９４７２号公報
特開２０００−３１９４７２号では、ＰＴＦＥに硫酸バリウム、リン酸塩、ポリイミド樹脂が添加された摺動材料が開示されている。しかしながら、近年、各種用途において、使用条件の高ＰＶ値化（荷重Ｐと速度Ｖの積）がすすみ、さらなる摩擦摩耗特性の向上が要求されてきている。本発明は、上記した事情に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、鉛を添加しなくても高ＰＶ値条件下での摩擦摩耗特性に優れ、ドライ環境下において好適に用いることができる複層摺動部材を提供することにある。
請求項１に係る発明においては、裏金上に形成された多孔質金属層と、該多孔質金属層に含浸被覆された摺動層とからなる複層摺動部材において、前記摺動層は、平均粒子径が５〜２５μｍであるオキシベンゾイルポリエステル樹脂1０〜２０体積％、リン酸塩1〜１０体積％、硫酸バリウム５〜２０体積％、及び残部が最大リダクションレシオが１０００を越えるポリテトラフルオロエチレン樹脂からなることを特徴とする。
オキシベンゾイルポリエステル樹脂（以下、「ＰＯＢ」という。）は、一般に液晶ポリマーといわれる熱可塑性樹脂であり、摺動材料の強度及び耐摩耗性を向上させる効果を有する。含有率は１〜２５体積％とする必要があり、より好ましくは１０〜２０体積％とすることが良い。１体積％未満では、耐摩耗性を向上させる効果が発揮されず、また２５体積％を超えると、ベース樹脂であるＰＴＦＥの組織を脆化し、耐摩耗性が低下する。
また、ＰＯＢの平均粒子径が５〜３０μｍ、好ましくは５〜２５μｍであると、耐摩耗性が向上する。平均粒子径５μｍ未満では、耐摩耗性を向上させる効果がなく、３０μｍを超えると、摺動時に脱落等が発生し、摩耗を促進してしまう。
リン酸塩は、耐摩耗性を向上させる効果とともに、摺動時に、ＰＴＦＥの相手材への移着を助長する効果を有する。この効果により、摺動材料と相手材との摺動が、相互にＰＴＦＥを主体としたもの同士の摺動となり、摩擦係数及び耐摩耗性の点で、一層優れたものとなる。そして、リン酸塩としては、請求項２に係る発明で特定するように、リン酸カルシウム、ピロリン酸カルシウム、リン酸マグネシウム、ピロリン酸マグネシウムから選択することができるが、その含有率は、１〜１５体積％、好ましくは、１〜１０体積％である。１体積％未満では、効果が発揮されず、また１５体積％を超えると、ＰＴＦＥの相手材への移着が過度となり、摩擦摩耗特性が低下する。
さらに、硫酸バリウムをリン酸塩と同時に用いる事により、それらの相乗効果により、耐摩耗性は向上する。含有率は１〜２０体積％、好ましくは５〜２０体積％である。１体積％未満では、効果が発揮されず、２０体積%を超えると、ベース樹脂であるＰＴＦＥの組織を脆化し、耐摩耗性は低下する。
ベース樹脂であるＰＴＦＥは、最大リダクションレシオ（以下、「Ｒ.Ｒ.」という。）が１０００を越えることが好ましい。ここでＲ.Ｒ.とは、ＰＴＦＥに圧力等が負荷されるときに発生する繊維化の度合いを示すものであり、その数値が小さいほど、繊維化が発生しやすい。本発明においては、Ｒ.Ｒ.が１０００以下であるとき、この繊維化により、安定した構造体が得られない。この繊維化は、各種充填材と混合する工程、及び多孔質金属層に含浸被覆する工程において発生する。そのため、多孔質金属層に含浸被覆する工程において、未含浸や多孔質金属層のつぶれが発生し、アンカー効果による接着力の低下を招く。さらには、摺動時に生じる多孔質金属層の急激な露出を招き、摩擦摩耗特性が低下する。一方、Ｒ.Ｒ.が１０００を越えるとき、各種充填材と混合する工程、及び含浸被覆する工程において、繊維化は抑制され、安定した構造体が得られる。すなわち多孔質金属層への未含浸や多孔質金属層のつぶれがないため、アンカー効果による十分な接着力が得られる。従って、摺動時に生じる多孔質金属層の急激な露出がなく、優れた摩擦摩耗特性を示す。
更に、請求項３に係る発明で特定するように、摺動層に、さらにグラファイト及び/又は二硫化モリブデンを１０体積％以下含有させることにより、耐摩耗性は向上し、安定した低摩擦係数が得られる。１０体積％を超えると、ベース樹脂であるＰＴＦＥの組織を脆化し、耐摩耗性は低下する傾向にある。
本発明においては、ＰＯＢが摺動材料の強度及び耐摩耗性を向上させると共に、リン酸塩と硫酸バリウムとの相乗効果により摺動時にＰＴＦＥの相手材への移着を助長して摩擦係数を低下させ耐摩耗性の向上を図ることができるという顕著な効果を奏する。特に、ＰＯＢの平均粒子径を５〜２５μｍとし、ベース樹脂であるＰＴＦＥのＲ．Ｒ．を１０００越えることによって、摩擦摩耗特性のさらなる向上を図ることができる。また、グラファイト及び/又は二硫化モリブデンをさらに添加することにより、耐摩耗性が向上し、低摩擦係数の維持が発揮される。
以下、本発明の実施の形態について説明する。本実施形態に使用される複層摺動部材は、自動車部品やＯＡ機器等の回転機械の回転体を支持する軸受用摺動部材に用いられるものである。複層摺動部材は、周知のように裏金、多孔質金属層、及び摺動層を順に積層することにより形成されている。裏金は、鋼製のものであり、多孔質金属層は、この裏金の表面に銅合金粉末を散布焼結することにより形成されるものである。
摺動層は、ＰＴＦＥにＰＯＢ1〜２５体積％、リン酸塩1〜１５体積％、硫酸バリウム1〜２０体積％が添加され、必要に応じてさらにグラファイト及び/又は二硫化モリブデンを１０体積％以下含有させたものから構成されている。ＰＯＢが摺動材料の強度及び耐摩耗性を向上させると共に、リン酸塩と硫酸バリウムとの相乗効果により摺動時にＰＴＦＥの相手材への移着を助長して摩擦係数を低下させ耐摩耗性の向上を図ることができる。特に、ＰＯＢの平均粒子径を５〜３０μｍとし、ベース樹脂であるＰＴＦＥのＲ．Ｒ．が１０００を越えることによって、摩擦摩耗特性のさらなる向上を図ることができる。また、固体潤滑剤としてのグラファイト及び/又は二硫化モリブデンをさらに添加することにより、耐摩耗性が向上し、低摩擦係数の維持が発揮される。なお、摺動層においては、ベース樹脂としてのＰＴＦＥが少なくとも５５体積％となるように他の添加材の含有量を選択することが望ましい。
上記のように構成される複層摺動部材の製造は、ＰＴＦＥファインパウダーに表２に記載された所定量の各種添加材と石油系助剤とを湿潤混合することによって、含浸被覆用摺動組成物を得る。これを前もって裏金上に形成された多孔質金属層に含浸被覆し、温度３４０〜４００℃でＰＴＦＥを焼成することにより行う。
次に、上記した組成の摺動層を形成した複層摺動部材を内径２０ｍｍで幅２０ｍｍのブシュの試験片を作成して実施した試験結果について、表１〜表２を参照して説明する。表１は、試験内容（試験条件）を示すものであり、軸回転速度が６ｍ／ｍｉｎ、荷重が１０ＭＰａ、潤滑環境がドライ、相手材である軸材料がＳ５５Ｃで硬さが７００〜８００Ｈｖで粗さがＲｍａｘ１．５μｍ以下、試験時間が１００時間で行った。
上記した内容で作成した実施例１〜１１とそれと類似した組成物とで作成した比較例１〜５とを表１に示す試験内容で試験し、その結果を表２に示す。
まず、本発明の請求の範囲に含まれる実施例１〜１１と、請求の範囲に含まれない比較例１〜５とを比較した場合に、実施例１〜１１においては、摩耗量及び摩擦係数が共に比較例１〜５よりも優れている。
より詳細に比較すると、実施例１と比較例１とを比較した場合に、相違する点が添加樹脂としてのＰＯＢの存在だけである。ＰＯＢが存在する実施例１と存在しない比較例１との試験結果から、摺動層に添加樹脂としてのＰＯＢを添加することにより、摩耗量及び摩擦係数が格段に優れたものとなることが理解できる。
また、実施例１と比較例２とを比較した場合に、相違する点が、実施例１では添加樹脂としてＰＯＢが添加されているのに対し、比較例２では添加樹脂としてＰＩが添加されている点で相違する。そして、添加樹脂を熱硬化性樹脂であるＰＩから液晶ポリマーといわれる熱可塑性樹脂であるＰＯＢに置換することにより、摩耗量及び摩擦係数が格段に優れたものとなることが理解できる。これは、ＰＩを添加した比較例２は、相手材への移着膜が形成されないのに対し、ＰＯＢを添加した実施例１は、相手材への移着膜が形成されるためである。
また、実施例１と比較例３とを比較した場合に、相違する点が添加樹脂としてのＰＯＢの含有量だけである。ＰＯＢの含有量が望ましい数値である１０〜２０体積％にある実施例１と上限値である２５体積％を超えた比較例３とでは、添加樹脂としてのＰＯＢの含有量が適正値を超えると摩耗量及び摩擦係数に悪影響を及ぼすことが理解できる。
また、実施例１と比較例４とを比較した場合に、相違する点がリン酸塩の有無だけである。リン酸塩が存在する実施例１と存在しない比較例４との試験結果から、摺動層にリン酸塩を添加することにより、摩耗量及び摩擦係数が格段に優れたものとなることが理解できる。
更に、実施例１と比較例５とを比較した場合に、相違する点が硫酸バリウムの有無だけである。硫酸バリウムが存在する実施例１と存在しない比較例５との試験結果から、摺動層に硫酸バリウムを添加することにより、摩耗量及び摩擦係数が格段に優れたものとなることが理解できる。
一方、実施例１〜１１同士を比較した場合について説明すると、実施例１〜７は、Ｒ．Ｒ．の値が１０００以下の場合であり、実施例８〜１１は、Ｒ．Ｒ．の値が１０００を超える場合であり、両者の比較からＲ．Ｒ．の値が１０００以上を超える場合の方が摩耗量及び摩擦係数が共に若干優れていることが理解できる。
また、実施例１〜３の比較においては、添加樹脂としてのＰＯＢの含有量を変化させることにより、摩耗量及び摩擦係数も若干変化するが、高ＰＶ値条件下においても十分に使用に耐え得る範囲である。
また、実施例１と実施例４〜６との比較において、実施例１と実施例４とでは、リン酸塩の含有量が相違するものであるが、その相違によって摩耗量及び摩擦係数も若干変化するが、高ＰＶ値条件下において十分に使用に耐え得る範囲である。実施例４と実施例５，６とでは、リン酸塩の種類をリン酸カルシウム（実施例４）、ピロリン酸カルシウム（実施例５）、ピロリン酸マグネシウム（実施例６）として変えたものであるが、３者の間の摩耗量及び摩擦係数はほとんど同じであり、このことから、リン酸塩としてリン酸カルシウム、ピロリン酸カルシウム、ピロリン酸マグネシウムのいずれかを使用しても良いことが理解できる。もちろん、これらの複数種を混合したリン酸塩であっても良い。なお、他の実験では、リン酸塩として、リン酸マグネシウムを使用しても摩耗量及び摩擦係数はほとんど同じであることが確認されている。
実施例１と実施例７とを比較した場合、硫酸バリウムの含有量が異なるため、リン酸塩との相乗効果が若干薄れるものの、摩耗量及び摩擦係数はほとんど同じであることが確認されている。
実施例１，３と実施例８，９とをそれぞれ対応させて比較すると、ＰＴＦＥのＲ．Ｒ．が相違することにより、特に、摩擦係数の低下に影響を及ぼしていることが理解できる。
更に、実施例１と実施例１０，１１とを対比した場合に、固体潤滑剤としての二硫化モリブデン又はグラファイトを添加することにより、摩耗量及び摩擦係数がともに低下することが理解することができる。なお、二硫化モリブデンとグラファイトとを混合させて添加したものでも良い。
Claims (3)
- 裏金上に形成された多孔質金属層と、該多孔質金属層に含浸被覆された摺動層とからなる複層摺動部材において、
前記摺動層は、平均粒子径が５〜２５μｍであるオキシベンゾイルポリエステル樹脂1０〜２０体積％、リン酸塩1〜１０体積％、硫酸バリウム５〜２０体積％、及び残部が最大リダクションレシオが１０００を越えるポリテトラフルオロエチレン樹脂からなることを特徴とする複層摺動部材。 - 前記リン酸塩としては、リン酸カルシウム、ピロリン酸カルシウム、リン酸マグネシウム、ピロリン酸マグネシウムのうち少なくとも１種又は２種以上を用いたことを特徴とする請求項1記載の複層摺動部材。
- 前記摺動層には、さらに１０体積％以下のグラファイト又は/及び二硫化モリブデンを含有したことを特徴とする請求項1又は請求項２に記載の複層摺動部材。
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