JP4504409B2

JP4504409B2 - すべり軸受

Info

Publication number: JP4504409B2
Application number: JP2007264326A
Authority: JP
Inventors: 竹行中曽根; 直久川上; 偉星仲; 拓也田中
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2027-10-10
Also published as: KR101000428B1; CN101408224A; KR20090037331A; CN101408224B; EP2048391A3; JP2009092157A; EP2048391A2

Description

本発明は、軸受合金の表面に、ポリアミドイミド樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、又はポリイミド樹脂のいずれか１種以上をベース樹脂とする樹脂層を被膜形成したすべり軸受に関する。

従来、内燃機関のすべり軸受において、例えば、特開２００２−２４２９３３号公報に示されるように、すべり軸受の軸受合金上になじみ層として樹脂摺動層を形成した軸受が用いられる。内燃機関では軸受部の雰囲気温度が高いことから耐熱性の高いポリアミドイミド樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、又はポリイミド樹脂が多く用いられている。
特開２００２−２４２９３３号公報（請求項１）

しかし、上記した特許文献１に示すような、ポリアミドイミド樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、ポリイミド樹脂等の耐熱性が高い樹脂は、強度も高く摺動層自身の耐摩耗性も高くなるが、内燃機関の初期摩耗時に樹脂摺動層が剥がれるという問題が発生するようになった。これは、内燃機関組み立て後の初の運転開始直後の数時間〜数十時間の間に樹脂摺動層の表面において、軸表面の形状に倣うように初期摩耗が起こる。この初期摩耗時は、樹脂摺動層に回転軸との接触による高いせん断力がかかるため、軸受合金層との接合界面で剥離が起こり易いからである。

上記のような問題は、樹脂強度以上に樹脂摺動層と軸受合金との接合強度を高めれば解決されるが、異種物質である樹脂と金属との接合は単に樹脂の金属に対する粘着であり接合強度を高めるにも限界がある。

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、初期稼働時における軸受合金に接合される樹脂層の剥離を抑制することができるすべり軸受を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１に係る発明においては、軸受合金の表面に、ポリアミドイミド樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、又はポリイミド樹脂のいずれか１種以上をベース樹脂とする樹脂層を被膜形成したすべり軸受において、前記樹脂層に、平均粒子径が０．０５〜０．７μｍの膜強度調整粒子を３〜１５体積％添加し、前記樹脂層内に発生するせん断応力を前記膜強度調整粒子同士が近接する断面積が小さい樹脂ネック部で破断して微小せん断片が発生する摩耗形態としたことを特徴とする。

請求項２に係る発明においては、請求項１記載のすべり軸受において、前記樹脂層に、二硫化モリブデン、グラファイト、ポリテトラフルオロエチレン樹脂のいずれか１種以上の固体潤滑剤を２５〜５５体積％添加することを特徴とする。

請求項１に係る発明において、ポリアミドイミド樹脂（以下、「ＰＡＩ樹脂」という。）、ポリベンゾイミダゾール樹脂（以下、「ＰＢＩ樹脂」という。）、又はポリイミド樹脂（以下、「ＰＩ樹脂」という。）のいずれか１種以上をベース樹脂とする樹脂層に、平均粒子径が０．０５〜０．７μｍの膜強度調整粒子を３〜１５体積％添加し、前記樹脂層内に発生するせん断応力を前記膜強度調整粒子同士が近接する断面積が小さい樹脂ネック部で破断して微小せん断片が発生する摩耗形態としたことにより、回転軸との接触によって樹脂層内に発生するせん断応力を緩和し、その結果、軸受合金との接合界面でのせん断応力を緩和することができる。さらに、膜強度調整粒子の添加によって樹脂層の強度低下により耐摩耗性の低下が予想されたが、膜強度調整粒子の表面積を制御し微小せん断片が発生する摩耗形態とすることにより、逆に摩耗量は少なくすることができる。この結果、耐熱性、耐摩耗性も十分で、初期稼働時に剥離も起こらない耐久性の高い樹脂層が得られた。なお、耐熱性に影響を与えない範囲で、ベース樹脂に他の熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂（例えば、ポリエーテルサルフォン（以下、「ＰＥＳ樹脂」という。））添加による物性調整をしても良い。

また、膜強度調整粒子の平均粒子径が０．７μｍ以下を選択することにより、膜強度調整粒子数が多く、樹脂単位体積当たりの膜強度調整粒子の表面積が極めて大きくなる。膜強度調整粒子と樹脂との接合も樹脂の粘着によるものであり、容易にせん断することができる状態となっている。そのような状態で回転軸と接触すると、その接触でのせん断応力による樹脂の弾性変形が膜強度調整粒子により阻止され応力集中が起こる。このため、粒子同士が近接する断面積が小さい樹脂ネック部で破断が起こるので、微小せん断片が発生する摩耗が起こる。また、内燃機関運転時の軸受内面と軸表面の間の潤滑油膜厚さは最小で１μｍ程度となるが、膜強度調整粒子を最小油膜厚に対して十分に小さい０．７μｍ以下としたことにより摩耗した膜強度調整粒子は潤滑油と一緒に軸受面外へ排出させ、摺動特性に影響を与えない。

膜強度調整粒子の平均粒子径は０．７μｍ以下とする必要がある。０．７μｍを超える平均粒子径の膜強度調整粒子を用いると、硬質物粒子として軸からの負荷を支えるので耐摩耗性は高まるが、樹脂ネック部が少なく微小せん断片が発生しにくくなり、樹脂層にかかるせん断応力の緩和がおこり難くなるので軸受合金と樹脂層との剥離がおこり易くなる。また、摩耗した膜強度調整粒子が樹脂面を転動し、ざらつき摩耗が起きやすくなる。一方、０．０５μmよりも小さい平均粒子径では工業的な価格が高くなってしまうばかりではなく、樹脂塗料中で膜強度調整粒子が凝集しやくなり、膜強度調整粒子が樹脂中に均一に分散しなくなる。

また、膜強度調整粒子の含有率が、３体積％を下回る場合、樹脂ネック部が少なくなり、微小せん断片が発生しにくくなる一方、１５体積％を超えて含有すると、樹脂ネック部が多くなりすぎて被膜強度が著しく下がり、耐摩耗性が低下する。

また、膜強度調整粒子としては、樹脂に対し相対的に強度が高い異種物質である各種の金属、金属間化合物、セラミックス粉等を用いることができる。特に、せん断片を微小にするには強度が高く、さらに、延性の低いセラミックスが好ましい。セラミックスとしてアルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、酸化イットリウム、酸化スカンジウムなどの酸化物、ＴｉＣ、ＳｉＣ等の炭化物を用いることができる。なお、膜強度調整粒子として、延性の高い軟質金属を選択した場合には、金属粉の弾性変形により応力集中が起こりにくいという欠点があり、また、自身が層状に破壊することにより摩擦係数を下げるグラファイト等の固体潤滑剤を選択した場合には、応力集中が起こりにくいので膜強度調整粒子としての効果が少ないため、いずれも好適ではない。

また、請求項２に係る発明のように、前記樹脂層に、二硫化モリブデン（以下、「ＭｏＳ₂」という。）、グラファイト（以下、「Ｇｒ」という。）、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（以下、「ＰＴＦＥ」という。）のいずれか１種以上の固体潤滑剤を２５〜５５体積％添加することにより、膜強度調整粒子を含む樹脂層の摺動特性を高めることができる。この場合、膜強度調整粒子は樹脂層中に分散して存在し、固体潤滑剤粒子中には分散しないので、微小せん断片が発生する摩耗形態は同じである。そして、膜強度調整粒子による樹脂層と軸受合金にかかるせん断力を緩和する効果と膜強度調整粒子を樹脂層中に微細に分散させたため固体潤滑剤と軸受合金との間に存在するようになるので固体潤滑剤と軸受合金との直接接触を防ぐ効果によって剥離が起こらない。

ただし、固体潤滑剤として添加されるＭｏＳ₂、Ｇｒ、ＰＴＦＥは扁状であり、これらの固体潤滑剤は、軸受合金と全く接合せず、単に接触しているだけであるため、樹脂層に５５体積％を超えて添加すると、軸受合金との界面での固体潤滑剤との接触面積が増加し軸受合金と樹脂との接触面積が減少するため、全体的な剥離が起きやすくなる一方、２５体積％未満では、なじみ性が低下して摺動特性の向上をはかることができない。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態を模式的に示すすべり軸受の断面図である。すべり軸受は、裏金３の表面に接合された銅系合金又はアルミニウム系合金等の軸受合金１の表面に、樹脂層２を設けた構成である。本実施形態において、樹脂層２は、ＰＡＩ樹脂、ＰＢＩ樹脂、ＰＩ樹脂等の耐熱性樹脂をベース樹脂とし、平均粒径０．０５〜０．７μｍの膜強度調整粒子を３〜１５体積％含有する摺動層である。また、膜強度調整粒子としては、樹脂に対し相対的に強度が高い異種物質である各種の金属、金属間化合物、セラミックス粉等を用いることができる。特に、せん断片を微小にするには強度が高く、さらに、延性の低いセラミックスが好ましい。セラミックスとしてアルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、酸化イットリウム、酸化スカンジウムなどの酸化物、ＴｉＣ、ＳｉＣ等の炭化物を用いることができる。さらに必要に応じて、固体潤滑剤として、ＭｏＳ₂、Ｇr、ＰＴＦＥの一種以上を２５〜５５体積％添加することができる。なお、固体潤滑剤として、ＷＳ₂、ＢＮを用いることもできる。また、膜強度調整粒子の平均粒子径は、レーザー回折・散乱法によって計測した。

ところで、ＰＡＩ樹脂、ＰＢＩ樹脂、ＰＩ樹脂等の耐熱性樹脂に平均粒子径０．０５〜０．７μｍの膜強度調整粒子の３〜１５体積％を添加したときには、図２（Ａ）に示すように、回転軸との接触でのせん断応力σによる樹脂層２の弾性変形は膜強度調整粒子４により阻止され応力集中が起こる。粒子同士が近接する断面積が小さい樹脂ネック部５で破断が起こる。このために微小せん断片が発生する摩耗が起こるのに対し、膜強度調整粒子４が極めて少ない場合には、図２（Ｂ）に示すように、樹脂層２に応力集中によるせん断が起こる前に接合強度が弱い軸受合金１との界面での剥離（太い実線）が起こる。

また、０．７μｍを超える平均粒子径の膜強度調整粒子を用いると、図３（Ａ）に示すように、硬質物粒子として軸からの負荷を支えるので耐摩耗性は高まるが、樹脂ネック部５が少なくなるため、樹脂層２にかかるせん断応力の緩和がおこり難くなるので軸受合金１と樹脂層２との剥離がおこり易くなる。また、０．７μｍを超える平均粒子径の膜強度調整粒子４を用いると、膜強度調整粒子４が樹脂面を転動し、ざらつき摩耗が起きやすくなる。一方、０．０５μmよりも小さい平均粒子径の膜強度調整粒子４では、工業的な価格が高くなってしまうばかりではなく、図３（Ｃ）に示すように、樹脂塗料中で膜強度調整粒子４が凝集しやくなり、膜強度調整粒子４が樹脂中に均一に分散しなくなる。

また、膜強度調整粒子４の含有率が、３体積％を下回る場合、樹脂ネック部５が少なくなり、微小せん断片が発生しにくくなる一方、１５体積％を超えて含有すると、図３（Ｂ）に示すように、樹脂ネック部５が多くなりすぎて皮膜強度が著しく下がり、耐摩耗性が低下する。

また、図４（Ａ）に示すように、樹脂層２にＭｏＳ₂、Ｇｒ、ＰＴＦＥのいずれか１種以上の固体潤滑剤６を２５〜５５体積％添加することにより、膜強度調整粒子４を含む樹脂層２の摺動特性を高めることができる。この場合、膜強度調整粒子４は、樹脂層２中に分散して存在し、固体潤滑剤６粒子中には分散しないので、微小せん断片が発生する摩耗形態は固体潤滑剤６を含まない場合と同じである。そして、膜強度調整粒子４による樹脂層２と軸受合金１にかかるせん断力を緩和する効果と膜強度調整粒子４を樹脂層２中に微細に分散させたため固体潤滑剤６と軸受合金１との間に存在するようになるので固体潤滑剤６と軸受合金１との直接接触を防ぐ効果により剥離が起こらない。

ただし、固体潤滑剤６として添加されるＭｏＳ₂、Ｇｒ、ＰＴＦＥは扁状であり、これらの固体潤滑剤６は、軸受合金１と全く接合せず、単に接触しているだけであるため、樹脂層２に５５体積％を超えて固体潤滑剤６を添加すると、図４（Ｂ）に示すように、軸受合金１との界面での固体潤滑剤６との接触面積が増加し軸受合金１と樹脂との接触面積が減少するため、全体的な剥離が起きやすくなる一方、２５体積％未満では、なじみ性が低下して摺動特性の向上をはかることができない。

次に、上記のように構成された樹脂層２を設けた実施例と従来の樹脂層を設けた比較例について摩耗試験を実施した結果について表１を参照しながら説明する。実施例は、裏金となる鋼板上に銅系軸受合金層を接合した平板を半割円筒形状の軸受に加工後、脱脂処理し、続いて軸受合金の表面をブラスト加工により粗面化する。さらに酸洗・湯洗、乾燥後、表１の実施例１〜１２に示す組成物を有機溶剤(Ｎ−メチル―２−ピロリドン)で希釈した組成物を上記軸受合金の表面にエアースプレーで吹付けて塗布した。その後、有機溶剤を乾燥除去し、２５０℃で６０分間焼成する。ここで樹脂層の厚さは、２５μｍとした。なお、実施例７〜１２の固体潤滑剤の体積率は、樹脂と膜強度調整粒子と固体潤滑剤の合計体積に対する体積率で示している。

比較例は、裏金となる鋼板上に銅系軸受合金層を接合した平板を半割円筒形状の軸受に加工後、脱脂処理し、続いて軸受合金層の表面をブラスト加工により粗面化する。さらに酸洗・湯洗、乾燥後、表１の比較例１〜１２に示す組成物を有機溶剤(Ｎ−メチル―２−ピロリドン)で希釈した組成物を上記軸受合金の表面にエアースプレーで吹付けて塗布した。その後、有機溶剤を乾燥除去し、２５０℃で６０分間焼成する。ここで摺動層の厚さは、２５μｍとした。なお、比較例７〜１２の固体潤滑剤の体積率は、樹脂と膜強度調整粒子と固体潤滑剤の合計体積に対する体積率で示している。

摩耗試験は、軸受試験機を用い、実施例及び比較例の半割軸受を一対とした円筒状態で表２に示す試験条件で行ない、摩耗量を測定した。また、摩耗試験後の目視外観観察による樹脂層の剥離有無の評価を行った。

実施例１〜３は、ベース樹脂としてＰＡＩ樹脂を用い、膜強度調整粒子として同一粒径（０．２０μｍ）のＴｉＯ₂を下限（３体積％）・中間（９体積％）・上限（１５体積％）添加したものであり、固体潤滑剤は添加していない。しかして、これらの３つの実施例においては、摩耗量も少なく剥離も見当たらなかった。実施例１〜３と同じＰＡＩ樹脂を用い、膜強度調整粒子として同一種類のＴｉＯ₂を中間（９体積％）添加した実施例４は、膜強度調整粒子の粒径を上限の０．７μｍとしたが、この場合も、摩耗量も少なく剥離も見当たらなかった。実施例５は、実施例２のベース樹脂と膜強度調整粒子をＰＢＩ樹脂とＡｌ₂Ｏ₃に置換したものであり、実施例６は、実施例２のベース樹脂だけをＰＩ樹脂に置換したものであるが、この実施例５，６も摩耗量が少なく剥離も見当たらなかった。

実施例７〜９は、ベース樹脂としてＰＡＩ樹脂を用い、膜強度調整粒子として同一粒径（０．２０μｍ）のＳｉＣ又はＴｉＯ₂を中間（９体積％）添加したものであり、固体潤滑剤としてＰＴＦＥを下限（２５体積％）・中間（４０体積％）・上限（５５体積％）添加したものである。この場合、摩耗量が実施例１〜６に比べ僅かに増加するが、剥離は見当たらなかった。実施例１０は、実施例８のベース樹脂と膜強度調整粒子と固体潤滑剤をＰＢＩ樹脂とＡｌ₂Ｏ₃とＭｏＳ₂に置換したものであり、実施例１１は、実施例８のベース樹脂と膜強度調整粒子と固体潤滑剤をＰＩ樹脂とＳｉＣとＧｒに置換したものであるが、この実施例１０，１１も摩耗量が少なく剥離も見当たらなかった。更に、実施例１２は、実施例８のベース樹脂としてＰＡＩ樹脂に２体積％のＰＥＳ樹脂と混合したものを用い、ＰＥＳ樹脂の増加した分だけ膜強度調整粒子であるＴｉＯ２を２体積％減少したものであり、この実施例１２も実施例８と同じように、摩耗量が少なく剥離も見当たらなかった。

一方、比較品１〜３は、ベース樹脂としてそれぞれＰＡＩ樹脂、ＰＢＩ樹脂、ＰＩ樹脂を使用しているが、膜強度調整粒子及び固体潤滑剤を一切含んでいないため、摩耗量も実施例１〜６に比較して増加し、何よりも剥離が発生した。また、比較例４〜６は、ベース樹脂としてＰＡＩ樹脂、ＰＢＩ樹脂、ＰＡＩ樹脂を使用し、膜強度調整粒子をそれぞれ下限より少なく（２．０体積％）、上限より多く（２０．０体積％）、粒径が上限より大きい（０．８μｍ）ものであるため、摩耗量も多く、比較例５を除いて剥離が観察された。比較例５は、剥離が観察されなかったものの摩耗量が多いという結果になった。更に、比較例７〜１２は、従来と同様に、ＰＡＩ樹脂（これに僅かなＰＥＳ樹脂を混合したものを含む）、ＰＢＩ樹脂、ＰＩ樹脂に固体潤滑剤のみを添加して膜強度調整粒子を添加していないものを示しているが、これらの比較例７〜１２は、摩耗量も多くなっているが、すべてに剥離が観察された結果となっている。

上記の実施例及び比較例の摩耗試験結果からも理解できるように、ＰＡＩ樹脂、ＰＢＩ樹脂、又はＰＩ樹脂のいずれか１種以上をベース樹脂とする樹脂層に、平均粒子径が０．０５〜０．７μｍの膜強度調整粒子を３〜１５体積％添加したことにより、耐熱性、耐摩耗性も十分で、初期稼働時に剥離も起こらない耐久性の高い樹脂層を得ることができる。また、樹脂層に、ＭｏＳ₂、Ｇｒ、ＰＴＦＥのいずれか１種以上の固体潤滑剤を２５〜５５体積％添加することにより、膜強度調整粒子を含む樹脂層の摺動特性を高めることができる。

本発明に係る実施形態におけるすべり軸受の断面図である。せん断応力を受けたときの樹脂層内における膜強度調整粒子と破壊との関係を示す概念図である。樹脂層内における膜強度調整粒子の粒径の大きさと含有量との関係を示す概念図である。樹脂層内における固体潤滑剤と膜強度調整粒子との関係を示す概念図である。

符号の説明

１軸受合金
２樹脂層
３裏金
４膜強度調整粒子
５樹脂ネック部
６固体潤滑剤

Claims

軸受合金の表面に、ポリアミドイミド樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、又はポリイミド樹脂のいずれか１種以上をベース樹脂とする樹脂層を被膜形成したすべり軸受において、
前記樹脂層に、平均粒子径が０．０５〜０．７μｍの膜強度調整粒子を３〜１５体積％添加し、前記樹脂層内に発生するせん断応力を前記膜強度調整粒子同士が近接する断面積が小さい樹脂ネック部で破断して微小せん断片が発生する摩耗形態としたことを特徴とするすべり軸受。
前記樹脂層に、二硫化モリブデン、グラファイト、ポリテトラフルオロエチレン樹脂のいずれか１種以上の固体潤滑剤を２５〜５５体積％添加することを特徴とする請求項１記載のすべり軸受。