JP3679312B2

JP3679312B2 - 複層摺動材料

Info

Publication number: JP3679312B2
Application number: JP2000179780A
Authority: JP
Inventors: 貴裕丹羽; 英二加藤; 伸隆平松; 隆之柴山
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2000-06-15
Filing date: 2000-06-15
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2020-06-15
Also published as: US6607820B2; US20020015839A1; GB2363433A; JP2001355634A; GB0112247D0; GB2363433B

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリテトラフルオロエチレン樹脂を主成分とした複層摺動材料に係り、特に軸受材料として耐フレッチング性の向上を図るようにした複層摺動材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば無潤滑下で使用されるすべり軸受材料として、金属裏金の表面側に合成樹脂を主成分とした摺動材料を配したものがあり、この種の材料（摺動部材用組成物）としては、本出願人の出願に係る、特開昭６１−２６６４５１号公報に示されたものが知られている。この発明の材料は、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（以下「ＰＴＦＥ」と略す）を主成分とし、他のフッ素樹脂、合成樹脂、固体潤滑剤を配合したものであり、低摩擦性及び耐摩耗性に優れたものとなっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、表面（摺動層）を合成樹脂（フッ素樹脂）から構成したすべり軸受装置の用途として、エンジンのスロットルボディにおけるスロットルバルブのシャフトを受ける軸受（ブシュ）がある。このような用途においては、一般的な摩擦，摩耗とは異なるフレッチング摩耗（接触ニ面間に、微小な相対運動が周期的に繰り返される時に生じる表面損傷）を起こしやすい環境にさらされるものとなる。ところが、上記特開昭６１−２６６４５１号公報に示された発明では、このフレッチング摩耗に関しての考慮はなされておらず、耐フレッチング性に優れた配合を教えるものとはなっていなかった。
【０００４】
これに対し、例えば特開平５−３３９５９３号公報には、ＰＴＦＥ系のすべり軸受材料において、耐フレッチング性を向上させるために、ＰＴＦＥに、芳香族ポリエステル樹脂及び球状カーボンを配合した技術が開示されている。しかしながら、この特開平５−３３９５９３号公報に示されたものでは、球状カーボンの硬さが十分ではなく、また、球状カーボンの脱落も多くなるため、必ずしも良好な耐フレッチング性が得られるものとはなっていなかった。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、ポリテトラフルオロエチレン樹脂を主成分としたものにあって、耐フレッチング性の向上を図ることができる複層摺動材料を提供するにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）系の摺動材料は、低摩擦で耐食性（耐薬品性）に優れ、使用温度範囲が広く、無潤滑で用いるに好適である等のメリットがあるが、従来の組成のものでは、フレッチング摩耗を起こしやすい環境にさらされる場合に、十分な耐フレッチング性が得られない事情があった。この場合、耐フレッチング性を高めるには、粘り強くて硬く、微小相対運動に対する耐摩耗性に優れた組成物を得る必要がある。本発明者は、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）系の摺動材料にあって、耐フレッチング性を高めるべく様々な試験，研究を重ねた結果、本発明を成し遂げたのである。
【０００７】
即ち、本発明の複層摺動材料は、表面に樹脂コーティングがなされたシャフトを受ける軸受材料として用いられるものにあって、裏金層の表面側に配された摺動層を、ＰＴＦＥを主成分とし、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樹脂（以下「ＰＦＡ」と略す）を１〜２５体積％、オキシベンゾイルポリエステル樹脂（以下「ＰＯＢ」と略す）及び／又はポリイミド樹脂（以下「ＰＩ」と略す）を１〜２５体積％、モース硬度が６以上で平均粒径が１μｍ以下のセラミック系硬質粒子を０．１〜１０体積％含む構成とすることにより、耐フレッチング性を高めたところに特徴を有する（請求項１の発明）。
【０００８】
ここで、ＰＦＡは、ＰＴＦＥと相溶して単一物質となり、ＰＴＦＥ単体の場合に比べて組成物の硬度を高める作用を呈する。この場合、ＰＦＡを選定した理由は、他のフッ素樹脂（例えば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樹脂；以下「ＦＥＰ」と略す）に比べて硬度が高く、しかも、その融点がＰＴＦＥの融点に近く、熱分解安定性に優れるからである。
【０００９】
ちなみに、デュロメーター硬度を比較して見ると、ＰＴＦＥがＤ５５であるのに対し、ＰＦＡがＤ６０、ＦＥＰがＤ５５となっており、ＰＦＡの相溶によって、硬度を上昇させることが可能となる。
【００１０】
また、ＰＴＦＥの融点は３２７℃であり、ＰＦＡの融点が３００〜３１０℃、ＦＥＰの融点は２５０〜２８０℃となっている。ＰＴＦＥと相溶させるためには、その融点である３２７℃以上に加熱する必要があり、融点の低いＦＥＰでは３２７℃以上で分解等が発生すると考えられる。これに対し、ＰＦＡの融点はＰＴＦＥに近く、分解することなくＰＴＦＥと相溶させることが可能となる。このＰＦＡの配合量は、１〜２５体積％とする必要があり、５〜２０体積％とすることがより望ましい。１体積％未満では硬度を高める効果が得られず、２５体積％を越えると摩擦特性が低下するからである。
【００１１】
次に、ＰＯＢ／ＰＩからなる有機粉末は、ＰＴＦＥよりも硬度が高く、またＰＴＦＥの融点以上でも分解しにくいものであり、摺動層に適量が分散することにより、フレッチング摩耗に対する耐摩耗性を向上させる作用を呈する。このとき、ＰＦＡとの組合わせにより、ＰＴＦＥのＰＯＢ／ＰＩ粉末に対するぬれ性は良好となり、全体としての剛性を向上させることができる。このＰＯＢ／ＰＩの配合量は、１〜２５体積％とする必要があり、５〜２０体積％とすることがより望ましい。１体積％未満では耐フレッチング性を高める効果が得られず、２５体積％を越えると逆に耐フレッチング性が低下するからである。
【００１２】
そして、セラミック系硬質粒子の添加により、より高い硬度の粒子が摺動面に分散することになるので、フレッチング摩耗に対する耐摩耗性を向上させる作用を呈する。また、摺動する相手材の表面を平滑化して、より低摩擦とさせる作用も呈する。このとき、ＰＦＡとの組合わせにより、ＰＴＦＥとのぬれ性が良好となり、硬質粒子の脱落を効果的に抑えることができるのである。このセラミック系硬質粒子としては、モース硬度が６以上で、且つ、平均粒径が１μｍ以下のものを採用することが望ましく、具体的には、モース硬度が９のＡｌ ₂ Ｏ ₃ や、同じくモース硬度が９のＳｉＣ、モース硬度が６のＦｅ ₃ Ｏ ₄ といったセラミック系硬質粒子を採用することができる。
【００１３】
この硬質粒子の配合量は、０．１〜１０体積％とする必要があり、０．５〜５体積％とすることがより望ましい。０．１体積％未満では耐フレッチング性を高める効果が小さく、１０体積％を越えると組織が脆化し、耐フレッチング性が低下する。さらに、本発明の複層摺動材料は、表面に樹脂コーティングがなされたシャフトを受ける軸受材料の用途に用いられることにより、更に耐フレッチング性に優れたものとなる。この樹脂コーティングとしては、例えば、ポリアミドイミド樹脂（以下「ＰＡＩ」と略す）とＰＴＦＥとの重量比で８：２の混合物等を採用することができ、さらには固体潤滑剤を含ませればより効果的となる。
【００１４】
尚、本発明の複層摺動材料は、ＰＴＦＥの配合量を、全体の５５体積％以上とすることが望ましく、言換えれば、ＰＦＡ＋ＰＯＢ／ＰＩ＋硬質粒子の合計量を４５体積％以下とすることが望ましい。さらには、裏金層の表面側に上記摺動材料層を設けるにあたっては、裏金層の表面に多孔質金属層を設け、溶剤中に上記配合の材料を混合した混合物を、その多孔質金属層に含浸被覆させ、ＰＴＦＥの融点以上の高温で焼成させるといった方法を採用することができる。上記多孔質層の代わりに、摺動層との接着力がある接着剤が設けられた裏金層、或いは裏金層の代わりに金網、エキスパンドメタルも使用できる。
【００１５】
また、上記した配合に加え、固体潤滑剤を、上記硬質粒子との合計で０．５〜２５体積％含有させるようにしても良い（請求項２の発明）。これによれば、固体潤滑剤の添加により、自己潤滑性を高めることができ、低摩擦性、耐摩耗性をより一層高めることができる。この場合、固体潤滑剤としては、グラファイトやＭｏＳ_２等を採用することができる。
【００１７】
そして、本発明の複層摺動材料の用途としては、エンジンのスロットルボディにおけるスロットルバルブのシャフトを受ける軸受材料に好適となる（請求項３の発明）。この場合、スロットルバルブのシャフトを受ける軸受は、微小相対運動を受け、フレッチング摩耗を起こしやすい環境にさらされる事情があるが、軸受材料の耐フレッチング性を向上させることができる本発明の複層摺動材料の使用が極めて効果的となるものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、自動車用エンジンのスロットルボディにおけるスロットルバルブのシャフトを受けるすべり軸受（ブシュ）の材料に適用した実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
まず、図２は、自動車用エンジンのスロットルボディ１の要部構成を概略的に示しており、このスロットルボディ１は、エンジンに接続される吸気通路１ａ内に、その吸気通路１ａの開度を調整するスロットルバルブ（バタフライ弁）２を備えて構成されている。前記スロットルバルブ２は、その上下にシャフト３を有し、それらシャフト３が、各々円筒状のブシュ４によってスロットルボディ１に回動可能に支持されている。前記シャフト３（ひいてはスロットルバルブ２）は、アクセルペダルによって回動動作するようになっている。
【００２１】
このとき、前記ブシュ４は、潤滑油を用いない無給油（ドライ環境）で使用されるようになっている。また、前記シャフト３は、鋼材（Ｓ５５Ｃ）からなり、本実施形態においては、その表面に樹脂コーティング（例えばＰＡＩとＰＴＦＥとの重量比で８：２の混合物に固体潤滑剤を添加したもの）が、例えば２０μｍの厚みで施されている。
【００２２】
図１は、前記ブシュ４の断面構造を模式的に示している。このブシュ４は、金属鋼板（一般構造用低炭素鋼）からなる裏金層５の表面側（内周側）に、接合性を高めるための銅メッキ層６を介して、銅系合金からなる多孔質焼結金属層７を設け、更にその多孔質焼結金属層７の内部及び表面に、後述するような本実施形態に係る摺動材料（軸受材料）８を含浸被覆して構成されている。尚、この図１では、便宜上、摺動材料８についてのハッチングを省略している。
【００２３】
前記摺動材料８は、ＰＴＦＥ（フッ素樹脂）を主成分として構成され、後の表２に示す実施例１〜３の成分組成を備えるものである。このとき、硬質粒子は、モース硬度が９のＡｌ_２Ｏ_３あるいはＳｉＣが採用され、その平均粒径は、１μｍである。さらに、上記配合に加えて、グラファイト（表２はＧｒと略記）やＭｏＳ_２等の固体潤滑剤を添加した。この固体潤滑剤の平均粒径は、１０μｍである。
【００２４】
ここで、上記ブシュ４の製造方法について簡単に述べる。まず、０．８ｍｍの厚み寸法を有し、表面に銅メッキ６が施された鋼板（裏金層５）上に、銅合金粉末を厚さ０．３ｍｍで散布し、次いで、還元雰囲気中で８００〜８６０℃の温度に加熱して銅合金粉末を焼結した。これにて、裏金層５（銅メッキ層６）上に多孔質焼結金属層７が得られた。
【００２５】
一方、摺動材料８を構成する材料の液状混合物を得る工程が実行される。この場合、所定量のＰＴＦＥディスパージョンに、やはり所定量のＰＦＡパウダー、ＰＯＢもしくはＰＩ粉末、硬質粒子、微粒子状の固体潤滑剤を加え、均一に混合して混合物を得るようにする。そして、その混合物を、上記裏金層５上の多孔質焼結金属層７に含浸被覆させた後、３８０℃の温度で焼成を行ない、その後ロール圧延により厚みを均一化させる。これにて、裏金層５上の多孔質焼結金属層７に摺動材料８が含浸被覆された平板な材料が得られた。しかる後、その材料を所要寸法に切断し、曲げ加工（巻き加工）を行なうことにより、円筒状のブシュ４を作製した。
【００２６】
このように構成されたブシュ４は、上述したように、スロットルボディ１に組込まれ、その内周の摺動面（摺動材料８の面）においてシャフト３を受けるようになっている。
【００２７】
次に、上記摺動材料８の有効性を検証，確認するために、実施例１〜３の配合の摺動材料、及び、比較例１〜５の配合の摺動材料について、フレッチング試験を行ない、耐フレッチング性を調べた。フレッチング試験は、表１に示す条件で行なった。軸については、樹脂コーティングのあるものと、樹脂コーティングのないもの（表面粗さや硬度等は表に示す通り）との２種類について夫々試験を行なった。このフレッチング試験の結果を、成分組成と合せて表２に示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【表２】

【００３０】
このフレッチング試験結果によれば、実施例１〜３の全てについては、比較例１〜５と比べて、内径変化量（摩耗量）が顕著に小さく、耐フレッチング性の高いものが得られた。この場合、相手軸（シャフト）に樹脂コーティングを施したものは、樹脂コーティングのない場合に比べて摩耗量が少ない。このことから、本発明の摺動材料を、表面に樹脂コーティングがなされたシャフトを受ける軸受材料として用いることがより好ましいといえる。
【００３１】
この場合、ＰＦＡを含まないあるいはＰＦＡに代えてＦＥＰを採用した比較例２〜４については、いずれも実施例のものと比べて耐フレッチング性に劣っている。これは、適量のＰＦＡがＰＴＦＥに相溶して組成物の剛性及び硬度を高める作用を呈するためである。
【００３２】
また、ＰＯＢ，ＰＩを含まない比較例５では、実施例のものと比べて耐フレッチング性に劣っている。これは、ＰＴＦＥよりも硬度の高いＰＯＢ及び／又はＰＩを摺動面に適量分散させることが、全体としての剛性を向上させてフレッチング摩耗に対する耐摩耗性を向上させるのに寄与しているためである。このとき、ＰＦＡとの組合わせにより、ＰＴＦＥのＰＯＢ／ＰＩ粉末に対するぬれ性は良好となる。ところが、ＰＯＢの含有量が過多となった比較例４では、逆に耐フレッチング性が低下している。
【００３３】
そして、硬質粒子を含まない比較例１では、硬質粒子を含んだ実施例のものと比べて耐フレッチング性に劣っている。これは、硬質粒子の適量の添加により、より高い硬度の粒子が摺動面に分散することによって、フレッチング摩耗に対する耐摩耗性を向上させる作用を呈するためである。
【００３４】
このとき、表２には示されていないが、比較例２及び３については硬質粒子の脱落が多いものとなっていたが、各実施例のものでは、硬質粒子の脱落は極く少ないものであった。これは、ＰＦＡとの組合わせにより、ＰＴＦＥに対する硬質粒子のぬれ性が良好となり、硬質粒子の脱落を効果的に抑えることができるためである。
【００３５】
さらには、実施例のなかを見てみると、適量の固体潤滑剤を添加した実施例２及び３の方が、固体潤滑剤を添加しなかった実施例１よりも、より一層良好な結果が得られた。これは、固体潤滑剤の添加により、自己潤滑性が高められ、低摩擦性、耐摩耗性がより一層向上したことがわかる。
【００３６】
以上のように、本発明の成分組成を備える摺動材料８によれば、ＰＴＦＥを主成分としたものにあって、従来にない優れた耐フレッチング性を得ることができ、スロットルボディ１のスロットルバルブ２を受けるブシュ４のようなフレッチング摩耗を起こしやすい環境に使用するに好適となるものである。
【００３７】
尚、上記実施の形態では、本発明をスロットルバルブ２のシャフト３を受けるブシュ４に適用するようにしたが、フレッチング摩耗を受けやすい環境の様々な用途の摺動部材に使用することが可能であり、その際ブシュ（軸受）に限定されるものでもなく、スラストワッシャやスライドプレート等にも適用することができる。また、無潤滑環境に限らず、潤滑油中や水等の液体中で使用しても差支えない。
【００３８】
その他、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、例えば硬質粒子としては、Ｃｒ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２など他のセラミック系硬質粒子を採用しても良く、それらを複数種類組合せて使用しても良く、また、同様に固体潤滑剤としても、ＢＮやＷＳ_２等も採用することができ、さらには、裏金層や多孔質金属層の材質、相手材（シャフト）の材質、樹脂コーティングの材質等についても上記したものに限定されるものではない等、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変形して実施し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示すもので、ブシュの構造を概略的に示す拡大縦断面図
【図２】スロットルボディの構成を示す縦断面図
【符号の説明】
図面中、１はスロットルボディ、２はスロットルバルブ、３はシャフト、４はブシュ（すべり軸受）、５は裏金層、７は多孔質焼結金属層、８は摺動材料（軸受材料）を示す。

Claims

裏金層と、裏金層の表面側に配された摺動層から構成される摺動材料であって、表面に樹脂コーティングがなされたシャフトを受ける軸受材料として用いられる複層摺動材料において、
前記摺動層を、
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樹脂１〜２５体積％、オキシベンゾイルポリエステル樹脂及び／又はポリイミド樹脂１〜２５体積％、モース硬度が６以上で平均粒径が１μｍ以下のセラミック系硬質粒子０．１〜１０体積％並びに残部がポリテトラフルオロエチレン樹脂から構成することにより、耐フレッチング性を高めたことを特徴とする複層摺動材料。
固体潤滑剤を前記硬質粒子との合計で０．５〜２５体積％含むことを特徴とする請求項１記載の複層摺動材料。
エンジンのスロットルボディにおけるスロットルバルブのシャフトを受ける軸受材料として用いられることを特徴とする請求項１又は２記載の複層摺動材料。