JP4418499B2 - 極低温用耐摩耗性材料 - Google Patents
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Description
このPEEKに対して、ポリテトラフルオロエチレン(以下「PTFE」という。)および酸化亜鉛ウィスカを添加した静電気拡散性摺動部材用樹脂組成物が開示されている。
すなわち、本発明にかかる極低温用耐摩耗性材料は、金属材料に対して摺動摩擦する部分に用いられる極低温用耐摩耗性材料であって、主成分とされる40重量%以上のポリエーテルエーテルケトンと、5重量%以上25重量%以下のポリテトラフルオロエチレンと、5重量%以上25重量%以下の炭素繊維と、5重量%以上20重量%以下の酸化亜鉛ウィスカとを含むことを特徴とする極低温用耐摩耗性材料。
主成分となるPEEKに対して強度向上のために用いられるブロンズ粉を混合すると、適正な混合比でない場合には耐摩耗性が低下することがあるので、ブロンズ粉の代わりに炭素繊維を用いて強度向上を図る。
酸化亜鉛ウィスカは、炭素繊維が脱落するのを防止する機能を有する。また、酸化亜鉛ウィスカは、例えば液体水素温度(20K)といった極低温環境下であっても、ブロンズ粉よりもPTFEの金属材料に対する移着効果を促進させる機能を備えている。
PTFEは、5重量%を下回ると固体潤滑効果が発現しないので5重量%以上が好ましい。一方、PTFEは、25重量%を超えると、大幅な固体潤滑効果の向上が期待できないので、25重量%以下が好ましい。なお、PTFEは、20重量%程度が最も好ましい。
炭素繊維は、5重量%を下回ると強度の向上が得られないので5重量%以上が好ましい。一方、炭素繊維は、25重量%を超えると脱落が多くなり、脱落した炭素繊維が極低温用耐摩耗性材料を摩耗させることになるので、25重量%以下が好ましい。なお、炭素繊維は、20重量%程度が最も好ましい。
酸化亜鉛ウィスカは、5重量%を下回ると炭素繊維の脱落防止機能が得られないので、5重量%以上が好ましい。一方、酸化亜鉛ウィスカは、20重量%を超えても強度および移着効果について大幅な向上が期待できないので、20重量%以下が好ましい。なお、酸化亜鉛ウィスカは、10重量%程度が最も好ましい。
図1には、本実施形態にかかるシールリング(極低温用耐摩耗性材料)が好適に用いられる液体水素昇圧ポンプ1が示されている。
液体水素昇圧ポンプ1は、シリンダ5内に配置されたピストン7を備えている。シリンダ5は、低温環境での使用を考慮してSUS316Lが好適に用いられる。
ピストン7は、モータ9によって駆動され、シリンダ5内を往復動(矢印A参照)する。ピストン7の外周には、シールリング3が上下方向(往復動方向)に所定間隔を有して3つ設けられている。なお、シールリングの数は、2以下であっても良いし、4以上であってもよい(典型的には3〜5つ用いられる)。シールリング3は、C字状の円環形状とされている。シールリング3によって、ピストン7下方の圧縮空間10と、ピストン7上方の大気圧空間12とがシールされるようになっている。
シリンダ5の内周壁を形成するライナは、金属材料とされ、好ましくはステンレス(具体的にはSUS440C)、またはコバルトを主成分としクロム、タングステン等が添加された合金(例えばステライト(登録商標))が用いられる。このライナに対してシールリング3が往復摺動する。
シリンダ5内の圧縮空間10に連通するように、吸入通路14及び吐出通路15が形成されている。吸入通路14には、所定圧力差にて開閉動作する吸入弁17が設けられている。この吸入弁17は、吸入時に開となり液体水素を吸込み、圧縮時に閉となる。吐出通路15には、所定圧力差にて開閉動作する吐出弁18が設けられている。この吐出弁18は、吸入時に閉となり、圧縮時に開となり圧縮された液体水素を吐出する。
PEEKは固体潤滑機能を有しないため、固体潤滑機能を有するPTFEを添加することとした。
PTFEは、5重量%を下回ると固体潤滑効果が発現しないので5重量%以上が好ましい。一方、PTFEは、25重量%を超えると、大幅な固体潤滑効果の向上が期待できないので、25重量%以下が好ましい。なお、PTFEは、20重量%程度が最も好ましい。
炭素繊維としては、PAN系又はピッチ系が好適に用いられ、繊維長が10〜1000μm、好ましくは50〜200μm、繊維径が1〜50μm、好ましくは7〜15μmとされている。
酸化亜鉛ウィスカは、核部とこの核部から4軸方向に延びた針状結晶部からなるテトラポット形状とされ、特許文献1に開示されたものが好適に用いられる。酸化亜鉛ウィスカは、パナテトラという商品名の製品として入手することができる。針状結晶部の長さは3〜200μm、好ましくは5〜50μmとされ、核部の径は0.1〜10μm、好ましくは0.3〜3μmとされている。
ブロンズ粉の組成は、Snが2〜15重量%、好ましくは3〜12重量%、Cuが85〜98重量%、好ましくは88〜92重量%とされている。
金属部材22の材料は、ライナに相当する材料としてSUS440Cを用いた。
摩耗測定時間は18時間とし、摩耗測定距離は25kmとした。
以下に示す表1及び図3には、試験結果が示されている。
本発明である実施例1は、母材となるPEEKにPTFEを20重量%、PAN系の炭素繊維を20重量%、酸化亜鉛ウィスカを10重量%添加したものである。なお、実施例1では、ブロンズ粉は添加されていない。実施例1では、液体窒素中および液体水素中にて20MPaの面圧を加えた試験、並びに、液体窒素中および液体水素中にて40MPaの面圧を加えた試験を行った。
本発明である実施例2は、母材となるPEEKにPTFEを20重量%、PAN系の炭素繊維を20重量%、酸化亜鉛ウィスカを10重量%、ブロンズ粉を10重量%添加したものである。すなわち、実施例2は、実施例1に対してブロンズ粉をさらに加えた組成となっている。実施例2では、液体水素中にて10MPaの面圧を加えた試験のみを行った。
これに対して、実施例1では、ブロンズ粉の代わりに炭素繊維を補強材として用いることにより、低温でかつ高負荷の場合であっても良好な耐摩耗性を得ることができた。
また、実施例2では、PTFEの移着効果をねらいブロンズ粉を添加し、その量を10重量%に止めることによってPEEKに対する混合比を適正化することにより、液体水素中で20MPaの試験条件であっても十分な耐摩耗性を得ることができた。
3 シールリング(極低温用耐摩耗性材料)
5 シリンダ
7 ピストン
Claims (4)
- 金属材料に対して摺動摩擦する部分に用いられる極低温用耐摩耗性材料であって、
主成分とされる40重量%以上のポリエーテルエーテルケトンと、
5重量%以上25重量%以下のポリテトラフルオロエチレンと、
5重量%以上25重量%以下の炭素繊維と、
5重量%以上20重量%以下の酸化亜鉛ウィスカとを含み、
液体窒素温度以下で用いられることを特徴とする極低温用耐摩耗性材料。 - 金属材料に対して摺動摩擦する部分に用いられる極低温用耐摩耗性材料であって、
主成分とされる40重量%以上のポリエーテルエーテルケトンと、
5重量%以上25重量%以下のポリテトラフルオロエチレンと、
5重量%以上25重量%以下の炭素繊維と、
5重量%以上20重量%以下の酸化亜鉛ウィスカとを含み、
液体水素温度付近で用いられることを特徴とする極低温用耐摩耗性材料。 - 10重量%のブロンズ粉を含むことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の極低温用耐摩耗性材料。
- ピストンの外周に設けられ、前記金属材料とされたライナとの間で往復摺動するシールリングとして用いられることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の極低温用耐摩耗性材料。
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