JP3973619B2

JP3973619B2 - 複層摺動部材

Info

Publication number: JP3973619B2
Application number: JP2003405598A
Authority: JP
Inventors: 英樹岩田
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2023-12-04
Also published as: US20060062503A1; JP2005163131A; US7192193B2

Description

本発明は、裏金上に形成された多孔質金属層と、該多孔質金属層中に含浸被覆された樹脂層とからなる複層摺動部材に関し、潤滑・無潤滑下での使用はもちろん、境界潤滑下での使用においても摩擦摩耗特性に優れた複層摺動部材に関するものである。

従来から、ポリテトラフルオロエチレン樹脂は、自己潤滑性に優れ摩擦係数が低く、さらに、耐熱性、耐薬品性をも有することから、軸受などの摺動部材に広く使用されている。

このポリテトラフルオロエチレン樹脂単体を被覆した摺動部材は、耐摩耗性に劣るため、摺動部材の使用用途に応じ、充填材として機械的特性に優れた他の樹脂や、展延性に優れた鉛、鉛合金などの低融点物質、潤滑性に優れた黒鉛や二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤が添加され、この欠点を補っている。しかし、鉛、鉛合金を含んだ摺動部材は、環境面から問題があるため、近年、鉛、鉛合金に代えて他の樹脂、固体潤滑剤、硬質粒子等を含む摺動部材が数多く提案されるようになってきた。例えば、本出願人が先に出願した特開２００１−３５５６３４号公報には、他の樹脂として、テトラフルオロエチレン−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）及びオキシベンゾイルポリエステル樹脂を含有し、硬質粒子としてセラミック系硬質粒子を含有した摺動部材が提案されている。同様に、特開２００１−１３２７５６号公報には、硬質粒子として酸化第二錫を含有する摺動部材が提案されている。
特開２００１−３５５６３４号公報特開２００１−１３２７５６号公報

しかしながら、上述した各種の摺動材は、通常の使用条件、例えば、無潤滑下・油潤滑条件下において、ある程度の摩擦摩耗特性を発揮するが、特に、高荷重時の境界潤滑下では、性能が十分とは言い難いという問題があった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、無潤滑下・油潤滑下だけではなく境界潤滑下においても摩擦摩耗特性の優れた摺動部材を提供することを目的とする。

そこで、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、該多孔質金属層中に含浸被覆された樹脂層とからなる複層摺動部材において、前記樹脂層は、１〜２５体積％のオキシベンゾイルポリエステル樹脂と、１〜１５体積％のテトラフルオロエチレン−フルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂と、０．１〜５体積％の酸化第二錫と、その比表面積が２ｍ ² ／ｇ以上である１〜５体積％の炭酸カルシウムと、残部がポリテトラフルオロエチレン樹脂と、からなることを特徴とする複層摺動部材とした。

また、請求項２に係る発明においては、前記樹脂層は、さらに、１〜１０体積％のグラファイト又は／及び二硫化モリブデンを有することを特徴とする複層摺動部材とした。

請求項１に係る発明においては、複層摺動部材の樹脂層が、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、１〜２５体積％のオキシベンゾイルポリエステル樹脂（以下、「ＰＯＢ」と略す）と、１〜１５体積％のテトラフルオロエチレン−フルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂と、０．１〜５体積％の酸化第二錫と、その比表面積が２ｍ ² ／ｇ以上である１〜５体積％の炭酸カルシウムと、からなるものであるが、ＰＯＢは、主成分の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、樹脂層に適量が分散することにより、耐摩耗性を向上させる作用を呈するものである。ＰＯＢの含有量は、１〜２５体積％とする必要があり、好ましくは５〜２０体積％が望ましい。１体積％未満では、十分な耐摩耗性を得ることができず、２５体積％を超えるとベース樹脂であるＰＴＦＥの組織が脆化し、耐摩耗性が低下するからである。

また、酸化第二錫の添加により、より高い硬度（モース硬度６以上）の粒子が摺動面に分散することになるので、耐摩耗性をさらに向上させる作用を呈するものである。酸化第二錫の含有量は、０．１〜５体積％とする必要があり、好ましくは０．５〜２．５体積％が望ましい。０．１体積％未満では、十分な耐摩耗性を得ることができず、５体積％を超えると相手軸を攻撃し、逆に耐摩耗性が低下するからである。特に、金属酸化物である酸化第二錫を採用した場合には、ＰＴＦＥの耐摩耗性を大幅に改善する機能があり、この場合、平均粒径が５μｍ以下、好ましくは１〜３μｍが望ましい。

また、炭酸カルシウムの添加により、本発明の最も特徴とする境界潤滑下における摩擦摩耗特性の改善を図ることができる。炭酸カルシウムの含有量は、１〜５体積％とする必要があり、好ましくは１．５〜４体積％が望ましい。１体積％未満では、無潤滑下や境界潤滑下で十分な摩擦摩耗性を得ることができず、５体積％を超えると油潤滑下で摩擦特性が低下するからである。特に、炭酸塩である炭酸カルシウムを採用した場合には、境界潤滑下での保油性を高めることができると考えられるので、境界潤滑下における摩擦摩耗特性の改善を著しく図ることができる。この場合、炭酸カルシウムの比表面積が２ｍ²／ｇ以上とすることにより、十分な保油性を有するので無潤滑下・油潤滑下だけではなく境界潤滑下においても摺動特性を得ることができる。

また、請求項１に係る発明においては、樹脂層に、さらに、１〜１５体積％のテトラフルオロエチレン−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）を有するものであるが、このＰＦＡは、ＰＴＦＥと相溶してポリマーアロイとなり、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。即ち、ＰＴＦＥの融点は、３２７℃であり、ＰＦＡの融点が３００〜３１０℃、ＦＥＰの融点が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。そして、ＰＦＡの含有量は、１〜１５体積％とする必要があり、１体積％未満では硬度を高める効果が得られず、１５体積％を超えると摩擦特性が低下する。

更に、請求項２に係る発明においては、樹脂層に、さらに、１〜１０体積％のグラファイト又は／及び二硫化モリブデンを有するものであるが、グラファイトや二硫化モリブデン等の固体潤滑剤を添加することにより、自己潤滑性を高めることができ、低摩擦性をより一層高めることができる。そして、固体潤滑剤の含有量は、１〜１０体積％とする必要があり、１体積％未満では摩擦特性を高める効果が得られず、１０体積％を超えるとベース樹脂であるＰＴＦＥの組織が脆化し、耐摩耗性が低下する。

以下、本発明をすべり軸受の材料に適用した実施の形態について説明する。この軸受は、所謂円筒形状のブシュといわれる軸受であり、金属鋼板（一般構造用低炭素鋼）からなる裏金層の表面側（内周側）に、接合性を高めるための銅メッキ層を介して、銅系合金からなる多孔質焼結金属層を設け、更にその多孔質焼結金属層の内部及び表面に、後述するような本実施形態に係る樹脂層を含浸被覆して構成されている。

樹脂層は、ＰＴＦＥを主成分として構成され、後の表２に示す実施例１〜４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７の酸化第二錫（ＳｎＯ₂）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、フッ素樹脂としてテトラフルオロエチレン−フルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂（表２では「ＰＦＡ」と略記）と固体潤滑剤としてグラファイト（表２では「Ｇｒ」と略記）を添加しても良い。この固体潤滑剤の平均粒径は、１０μｍである。

ここで、上記軸受の製造方法について簡単に述べる。まず、１．２ｍｍの厚み寸法を有し、表面に銅メッキが施された鋼板（裏金層）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７５０〜９００℃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（銅メッキ層）上に多孔質焼結金属層が得られた。

一方、樹脂層を構成する材料の混合物を得る工程が実行される。この場合、所定量のＰＴＦＥに、ＰＯＢ粉末、硬質粒子、無機化合物、必要に応じて所定量のＰＦＡパウダーと微粒子状の固体潤滑剤とを加え、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、上記裏金層上の多孔質焼結金属層に含浸被覆させた後、３５０〜４００℃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、裏金層上の多孔質焼結金属層に樹脂層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、円筒状の軸受（ブシュ）を作製した。

このように構成された軸受は、その内周の摺動面（樹脂層の面）において鋼材からなるシャフトを受けるようになっている。

次に、上記のように作製された軸受の有効性を検証，確認するために、実施例１〜４の配合の樹脂層を有する軸受、及び、比較例１，２の配合の樹脂層を有する軸受について、摩擦摩耗試験を行ない、摩耗量と摩擦係数について調べた。摩擦摩耗試験は、表１に示す条件で行なった。この試験条件は、低速・高荷重の条件であり、油膜が形成されにくく、また、用いた潤滑油も粘度が低いため、相手軸と軸受とが接触し易い、いわゆる境界潤滑下の状況を再現している。軸については、Ｓ５５Ｃ鋼材を焼入れしたもの（表面粗さや硬度等は表に示す通り）を使用した。この摩擦摩耗試験の結果を、成分組成と合せて表２に示す。なお、表１に示す条件で樹脂層の成分としてＰＴＦＥに１５体積％の鉛合金（鉛・錫合金）粉末を添加した軸受で実験したところ、焼付きが発生して摩耗量も摩擦係数も測定することができなかった。つまり、表１に示す条件は、境界潤滑下の厳しい試験条件を示すものである。

ここで、表２に示される比較例１，２及び実施例１〜４について簡単に説明すると、比較例１は、前述した特許文献２の請求項２に係る発明に包含される実施品であり、ＰＴＦＥに硬質粒子としての酸化第二錫（ＳｎＯ₂）３体積％と耐摩耗材としてのカーボンファイバー（ＣＦ）１０体積％とを混合して含浸被覆した樹脂層を有する軸受として構成されている。比較例２は、前述した特許文献１の請求項２に係る発明に包含される実施品であり、ＰＴＦＥにテトラフルオロエチレン−フルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂（ＰＦＡ）１５体積％と硬質粒子としてのアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）３体積％とオキシベンゾイルポリエステル樹脂（ＰＯＢ）１５体積％と固体潤滑剤としてのグラファイト（Ｇｒ）５体積％とを混合して含浸被覆した樹脂層を有する軸受として構成されている。

一方、実施例１は、本願の請求項１の発明に係る実施品に類似する実施品であり、ＰＴＦＥにＰＯＢ１０体積％と硬質粒子としてＳｎＯ₂１体積％と無機化合物として炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）３体積％とを混合して含浸被覆した樹脂層を有する軸受として構成されている。ただし、この場合は、テトラフルオロエチレン−フルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂（ＰＦＡ）を有していないが、ＣａＣＯ₃は、その比表面積が３ｍ²／ｇで平均粒径が１．１μｍのもの（丸尾カルシウム社製のナノックス♯３０）が使用されている。

また、実施例２は、本願の請求項１の発明に係る実施品であり、ＰＴＦＥにＰＯＢ１０体積％と硬質粒子としてＳｎＯ₂１体積％と無機化合物として炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）３体積％と、さらにＰＦＡ１０体積％とを混合して含浸被覆した樹脂層を有する軸受として構成されている。この場合も、ＣａＣＯ₃は、その比表面積が３ｍ²／ｇで平均粒径が１．１μｍのもの（丸尾カルシウム社製のナノックス♯３０）であって請求項６の発明の要件を満たすものが使用されている。

また、実施例３は、本願の請求項２の発明に係る実施品に類似する実施品であり、ＰＴＦＥにＰＯＢ１０体積％と硬質粒子としてＳｎＯ₂１体積％と無機化合物として炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）３体積％と、さらにＰＦＡ１０体積％と固体潤滑剤としてのグラファイト（Ｇｒ）５体積％とを混合して含浸被覆した樹脂層を有する軸受として構成されている。ただし、この場合は、ＣａＣＯ₃は、その比表面積が１．７ｍ²／ｇで平均粒径が１．３μｍのもの（丸尾カルシウム社製のスーパー♯１７００）であって請求項１の発明の要件を充足しないものが使用されている。

また、実施例４は、本願の請求項２の発明に係る実施品であり、ＰＴＦＥにＰＯＢ１０体積％と硬質粒子としてＳｎＯ₂１体積％と無機化合物として炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）３体積％と、さらにＰＦＡ１０体積％と固体潤滑剤としてのＧｒ５体積％とを混合して含浸被覆した樹脂層を有する軸受として構成されている。この場合は、ＣａＣＯ₃は、その比表面積が３ｍ²／ｇで平均粒径が１．１μｍのもの（丸尾カルシウム社製のナノックス♯３０）であって請求項１の発明の要件を満たすものが使用されている。

この摩擦摩耗試験結果によれば、実施例１〜４の全てについて、特許文献２の実施品である比較例１と比べて、内径変化量（摩耗量）が半分以下であり、摩擦係数も同等以下となり、境界潤滑下での耐摩耗性が高く摩擦特性も優れたものが得られた。また、実施例１〜４の全てについて、特許文献１の実施品である比較例２と比べて、内径変化量（摩耗量）及び摩擦係数がいずれも同等未満であり、境界潤滑下での耐摩耗性が高く摩擦特性も優れたものが得られた。特に、実施例１〜４と比較例２との対比において、最も大きな組成上の相違点は、実施例１〜４が無機化合物であるＣａＣＯ₃を含んでいるのに対し、比較例２が無機化合物を含んでいない点である。このことから、樹脂層に無機化合物であるＣａＣＯ₃を含むことにより、境界潤滑下での摩擦摩耗特性の向上が見られるものである。これは、無機化合物であるＣａＣＯ₃が境界潤滑下での保油性を高める作用を呈するからであると考えられる。

一方、実施例同士を比べた場合には、実施例１と実施例２とを比較した場合、実施例２の摩耗量が著しく減少しているが、これは、実施例１には、ＰＦＡが包含されないが、実施例２にＰＦＡが包含されることにより、ＰＦＡがＰＴＦＥと相溶してポリマーアロイとなり、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ため、その耐摩耗性が大幅に改善されたと考えられるからである。また、実施例２と実施例３とを比較した場合、実施例３は実施例２に比べて摩耗量は同じであるが摩擦係数はやや低くなっている。これは、実施例３に含まれる固体潤滑剤であるＧｒによって自己潤滑性を高めることができ低摩擦性を高めることができたからであると考えられるからである。更に、実施例３と実施例４とを比較した場合に、実施例４は実施例３に比べて摩耗量もやや減少するが、それ以上に摩擦係数が大幅に減少している。これは、同量の無機化合物を添加したものであっても、その比表面積が大きな実施例４の方が十分な保油性を有するため、境界潤滑下において優れた摺動特性を得ることができると考えられるからである。なお、比表面積が２ｍ²／ｇ以上であるときに、その摺動特性が著しく向上することが実験によって確認された。また、比表面積が２ｍ²／ｇ以上であるが比表面積の上限をどの程度になるか測定しようとしたが、現状市場に出ている炭酸カルシウムの比表面積で最大のものは、３．５ｍ²／ｇであり、これを使用して実験をしたところ摺動特性の著しい向上を確認することができた。したがって、本発明において、炭酸カルシウムの比表面積の範囲を決め難いところであるが、現状では、２〜３．５ｍ²／ｇとなる。

以上のように、本発明の成分組成を備える樹脂層を有する摺動部材によれば、ＰＴＦＥを主成分としたものにあって、境界潤滑下において従来にない優れた摩擦摩耗特性を得ることができる。

なお、上記実施の形態では、本発明をシャフトを受けるブシュに適用するものを示したが、境界潤滑下で使用する用途の摺動部材に応用することが可能であり、その際ブシュ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、境界潤滑下に限らず、無潤滑下や油潤滑下や水等の液体中で使用しても差支えない。

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、Ｃｒ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂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ＷＳ₂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。

Claims

裏金上に形成された多孔質金属層と、該多孔質金属層中に含浸被覆された樹脂層とからなる複層摺動部材において、
前記樹脂層は、１〜２５体積％のオキシベンゾイルポリエステル樹脂と、１〜１５体積％のテトラフルオロエチレン−フルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂と、０．１〜５体積％の酸化第二錫と、その比表面積が２ｍ ² ／ｇ以上である１〜５体積％の炭酸カルシウムと、残部がポリテトラフルオロエチレン樹脂と、からなることを特徴とする複層摺動部材。
前記樹脂層は、さらに、１〜１０体積％のグラファイト又は／及び二硫化モリブデンを有することを特徴とする請求項１記載の複層摺動部材。