JP4543742B2

JP4543742B2 - 固体潤滑剤及び摺動部材

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Publication number: JP4543742B2
Application number: JP2004142962A
Authority: JP
Inventors: 寛行大越; 敏博山根; 新治佐藤
Original assignee: Oiles Corp
Current assignee: Oiles Corp
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2024-05-12
Also published as: JP2005325182A

Description

本発明は、固体潤滑剤及び摺動部材に関し、詳しくは、摺動部材基体の摺動面に形成された孔又は溝に埋め込まれる固体潤滑剤及び摺動部材に関する。

特公昭４３−９４９８号公報特開昭５５−１０８４２７号公報

従来、この種の固体潤滑剤としては、層状構造を持つもの、中でもとくに黒鉛を主成分とするものが賞用されている。黒鉛はその組織が層状構造のため荷重方向に対しては大きい抵抗力を示すが、すべり方向に対しては抵抗力が小さく、しかも軟質であり、さらに常温からかなりの高温まで潤滑性能を保つことができるという利点を有している。軸受など摺動部材の摺動面に埋め込まれて使用されるこのような固体潤滑剤は、摺動面に適当な薄膜として形成されてはじめて有用なものであり、被膜形成の巧拙が摩擦摩耗特性及び被膜の寿命に大きな影響を及ぼす。

しかしながら、前述の黒鉛を主成分とした固体潤滑剤は、被膜の形成能がやや不足するとともに、繰り返し摩擦に対する被膜の寿命の点で充分でない。そのため、低速度、高荷重用途には不向きである。

他方、高荷重用途に使用される固体潤滑剤としては、四ふっ化エチレン樹脂と、インジウム、鉛、錫などの軟質金属と、炭化水素系ワックスなどのワックスとが配合された固体潤滑剤がある（特許文献１参照）。この固体潤滑剤は、高荷重条件下において摩擦係数がきわめて低く、また被膜の形成能に優れ、該被膜の寿命も長く、さらに被膜の自己補修性にも優れているという利点を有しているものである。

しかしながら、近年の機械装置の大型化、高性能化に伴い、このような固体潤滑剤を埋め込んだ摺動部材には、さらなる負荷能力、摩擦摩耗特性の向上などが要求されている。また、別の観点では、近年、材料開発の動向は環境問題への配慮から環境負荷物質である鉛を含有しない方向に進んでおり、この開発動向は上記固体潤滑剤においても例外ではない。しかしながら、固体潤滑剤において、摩擦摩耗等の摺動特性を満足させる上で鉛は重要な構成成分である。とくに、軸受などの摺動部材の摺動面に形成された孔又は溝に埋め込んで高荷重条件下で使用する場合は、被膜形成能の点からも鉛は重要である。

鉛を含有しない摺動部材として、メラミンとイソシアヌル酸との付加物を含有する樹脂を成形してなる摺動部材が例示されている（特許文献２参照）。しかしながら、このメラミンとイソシアヌル酸との付加物を含有する樹脂を成形してなる摺動部材組成物を固体潤滑剤として使用した場合、高荷重条件下における摩擦係数が充分とは言えない。このため、上記した環境問題を解決することができ、かつ鉛を含有することなく高荷重条件下で充分な摩擦摩耗等の摺動特性を発揮する固体潤滑剤の提供が望まれている。

本発明は前記諸点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高荷重条件下での使用においても、鉛を用いなくても従来の鉛を含有する固体潤滑剤よりも優れた摺動特性を発揮し得る固体潤滑剤及び該固体潤滑剤を埋め込んだ摺動部材を提供することにある。

本発明の第一の要旨は、摺動部材基体の摺動面に形成された孔又は溝に埋め込まれる固体潤滑剤であって、シリコーン油５〜３０重量％とシリコーンワックス２０〜４０重量％とメラミンシアヌレート２０〜４０重量％と四ふっ化エチレン樹脂２０〜５０重量％とから成ることを特徴とする固体潤滑剤に存する。

本発明の第二の要旨は、摺動部基体の摺動面に形成された孔又は溝に、上記固体潤滑剤を埋め込んで成る摺動部材に存する。

本発明によれば、環境負荷物質である鉛を用いなくてもよい固体潤滑剤であって、高荷重条件下で当該鉛を含有する固体潤滑剤よりも優れた摺動特性を発揮し、しかも摺動部材基体の摺動面に形成された孔又は溝に埋め込んで使用されるのに好適な固体潤滑剤が提供される。

以下、本発明を説明する。先ず、固体潤滑剤について述べる。シリコーンワックスは、主として摩擦係数を低減する作用を発揮するとともに、後述するシリコーン油を吸収保持する担体としての役割を果たす。シリコーンワックスとしては、ジメチルポリシロキサン、メチルフェニルポリシロキサン、長鎖アルキル変性ポリシロキサン、トリフルオロプロピルメチルシロキサンなどを好ましい例として挙げることができる。具体的には、例えば旭化成ワッカーシリコーン社製の「シリコーンワックスＷ２３（商品名）」が挙げられる。このシリコーンワックスの配合割合は、２０〜４０重量％、好ましくは２５〜３０重量％である。配合割合が２０重量％未満の場合は、所望の低摩擦特性が得られず、また、４０重量％を超えた場合は、成形性が悪くなるとともに、成形体（固体潤滑剤）の強度が低下する。

シリコーン油は、とくに高荷重条件下での使用において、上記シリコーンワックスと協働して低摩擦性を向上させる。シリコーン油は、ジメチルシリコーン油又はジメチルポリシロキサンのメチル基の一部をポリエーテル基、フェニル基、アルキル基、アラルキル基若しくはふっ素化アルキル基等で置換したシリコーン油が好ましく、粘度（２５℃）が１００〜５００００ｃＳｔ、好ましくは５００〜１００００ｃＳｔのものが使用されて好適である。具体的には、信越化学工業社製のジメチルシリコーン油「ＫＦ９６Ｈ（商品名）」、旭化成ワッカーシリコーン社製のジメチルシリコーン油「ＡＫシリーズ（商品名）」を挙げることができる。このシリコーン油は、前述したシリコーンワックスと混合されることにより、そのほとんどが該ワックスに吸収保持されるので、比較的多量の配合が可能である。そして、シリコーン油の配合割合は、５〜３０重量％、好ましくは１０〜２５重量％である。配合割合が５重量％未満の場合は、高荷重条件下での使用において、摺動面への供給量が少なく低摩擦性の向上に充分効果が発揮されず、また３０重量％を超えた場合は、成形時に流出（ブリードアウト）するとともに、成形体の保形性を低下させる虞がある。

メラミンシアヌレートは、メラミンとシアヌル酸又はイソシアヌル酸との付加化合物であり、６員環構造のメラミン分子とシアヌル酸（イソシアヌル酸）分子が水素結合により平面状に配列し、その平面が弱い結合力で層状に重なり合っており、二硫化モリブデンやグラファイトのような劈開性を有するものである。このメラミンシアヌレートは、固体潤滑剤の低摩擦性及び耐摩耗性を向上させる作用を有する。その配合割合は、通常２０〜４０重量％、好ましくは２５〜３５重量％である。配合割合が２０重量％未満では、低摩擦性及び耐摩耗性を向上させる作用が充分発揮されず、また４０重量％を超えた場合は、却って耐摩耗性を低下させる虞がある。

四ふっ化エチレン樹脂（以下、「ＰＴＦＥ」と略称する。）は、主として低摩擦性を付与する作用を発揮する。本発明で使用されるＰＴＦＥは、モールディングパウダー又はファインパウダーとして主に成形用に使用されるＰＴＦＥ（以下、「高分子量ＰＴＦＥ」と略称する。）と、放射線照射などにより高分子量ＰＴＦＥを分解又はＰＴＦＥの重合時に分子量を調節して、高分子量ＰＴＦＥに比べて分子量を低下させた、粉砕し易く、また分散性がよい、主に添加材料として使用されるＰＴＦＥ（以下、「低分子量ＰＴＦＥ」と略称する。）とに大別される。ＰＴＦＥとしては、高分子量ＰＴＦＥ単独又は高分子量ＰＴＦＥと低分子量ＰＴＦＥとの混合物を使用することができる。混合物としての高分子量ＰＴＦＥと低分子量ＰＴＦＥとの配合割合（重量）は、通常１：１〜３：１である。

モールディングパウダー用高分子量ＰＴＦＥとしては、三井・デュポンフロロケミカル社製の「テフロン（登録商標）７−Ｊ（商品名）」、「テフロン（登録商標）７Ａ−Ｊ（商品名）」、「テフロン（登録商標）７０−Ｊ（商品名）」等、ダイキン工業社製の「ポリフロンＭ−１２（商品名）」等、旭硝子社製の「フルオンＧ１６３（商品名）」、「フルオンＧ１９０（商品名）」等が挙げられる。ファインパウダー用高分子量ＰＴＦＥとしては、三井・デュポンフロロケミカル社製の「テフロン（登録商標）６ＣＪ（商品名）」等、ダイキン工業社製の「ポリフロンＦ２０１（商品名）」等、旭硝子社製の「フルオンＣＤ０７６（商品名）」、「フルオンＣＤ０９０（商品名）」等が挙げられる。

また、高分子量ＰＴＦＥとしては、上記高分子量ＰＴＦＥ以外に、高分子量ＰＴＦＥをスチレン系、アクリル酸エステル系、メタクリル酸エステル系、アクリロニトリル系重合体などで変性したものも使用でき、具体的には、三菱レイヨン社製の「メタブレンＡ−３０００（商品名）」等が挙げられる。低分子量ＰＴＦＥとしては、三井・デュポンフロロケミカル社製の「ＴＬＰ−１０Ｆ（商品名）」等、ダイキン工業社製の「ルブロンＬ−５（商品名）」等、旭硝子社製の「フルオンＬ１６９Ｊ（商品名）」等、喜多村社製の「ＫＴＬ−８Ｎ（商品名）」等が挙げられる。

ＰＴＦＥの配合割合は、２０〜５０重量％、好ましくは２５〜４０重量％である。配合割合が２０重量％未満の場合は、所望の低摩擦性が得られず、また５０重量％を超えた場合は、耐摩耗性を悪化させるとともに、成形体としての保形性が悪化し、成形体の強度低下を来すことになる。

本発明の固体潤滑剤及び摺動部材は、つぎのようにして形成される。ヘンシェルミキサー、スーパーミキサー、ボールミル、タンブラー等の混合機によって上述の各成分の所定量を混合し、得られた混合物を成分中のワックスが溶融する温度で溶融混練したのち、この混練物を孔又は溝が形成された摺動部材基体に供給する。ついで、所定の圧力で圧縮して該混練物を摺動部材基体の孔又は溝に充填するとともに該基体の表面に薄膜として形成したのち所定時間放置することにより、固体潤滑剤を埋め込んだ摺動部材が形成される。

摺動部材基体としては、高力黄銅などの銅合金又は繊維織布強化熱硬化性合成樹脂の積層材が使用される。摺動部材基体に設けられる孔又は溝の開口面積の摺動面に占める割合は通常２０〜３５％が適当である。

以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。

〔相手材の作製〕
相手材：Ｉ
幅６２ｍｍ、長さ１７８ｍｍのステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４）を使用し、これを相手材Ｉとした。

相手材：ＩＩ
幅６２ｍｍ、長さ１７８ｍｍのステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４）を準備し、この鋼板の一方の表面をショットブラストにより粗面化すると共に脱脂処理を施した。四ふっ化エチレン樹脂粉末として、ダイキン工業社製の「ルブロンＬ５（商品名）」を３５重量％含有するポリアミドイミド樹脂粉末を有機溶剤に溶かして得た固形分が３０重量％の溶液を、上記鋼板の粗面化した面に吹付け手段により塗膜を形成し、熱風乾燥炉で３０分間予備乾燥を行って溶剤を逸散除去させたのち、２３０℃の温度で３０分間過熱焼成を行い、厚さ２３μｍの被複層を形成し、これを相手材ＩＩとした。

〔摺動部材基体の作製〕
摺動部材基体Ｉ
高力黄銅鋳物４種（ＪＩＳＨ５１２０）を準備し、機械加工により直径６０ｍｍ、厚さ１０．５ｍｍの円板に形成したのち、一方の表面に直径８ｍｍ、深さ３ｍｍの円形凹部を１２個形成（円板の表面の面積に占める凹部の開口部面積の割合は２１％）し、これを摺動部材基体Ｉとした。

摺動部材基体ＩＩ
強化繊維布として平織綿布を準備し、該綿布を送りローラにて、樹脂固形分６４．５重量％のフェノール樹脂ワニスを貯えた容器内を通過させて、該綿布の表面に樹脂ワニスを塗工し、圧縮ロールによって綿布の表面に塗工された樹脂ワニスを繊維組織間隙にまで含浸せしめたのち、乾燥炉内で溶剤を飛ばすと同時に樹脂の反応を進めプリプレグ（樹脂加工綿布）を得た。このプリプレグを直径６０ｍｍの円形状に切断し、これを８枚重ね合わせた。８枚重ね合わせたプリプレグに、厚さ方向に成形圧力７０ｋｇ／ｃｍ^２、成形温度１６０℃、成形時間１０分間の条件で圧縮成形し、積層体（積層体の厚さ１０．５ｍｍ）を得た。

この積層体の一方の表面に直径８ｍｍ、深さ３ｍｍの円形凹部を１２個形成（積層体の表面の面積に占める凹部の開口部面積の割合は２１％）し、これを摺動部材基体ＩＩとした。

〔固体潤滑剤Ｉの作製〕
シリコーン油としてジメチルシリコーン油〔信越化学工業社製の「ＫＦ９６Ｈ（商品名）」〕１０〜２５重量％と、シリコーンワックスとして５０℃での粘度が３００ｃＳｔを呈する旭化成ワッカーシリコーン社製の「シリコーンワックスＷ２３（商品名）」２５〜３０重量％と、メラミンシアヌレートとして三菱化学社製の「ＭＣＡ（商品名）」２５重量％と、ＰＴＦＥとして高分子量ＰＴＦＥ〔旭硝子社製の「フルオンＧ１６３（商品名）」〕２５〜４０重量％とをヘンシェルミキサーに投入して混合物を作製した。得られた混合物を成分中のシリコーンワックスの融点以上の８０℃の温度に加熱し、溶融混練して固体潤滑剤混練物を作製した。

〔固体潤滑剤ＩＩの作製〕
シリコーン油としてジメチルシリコーン油（上記と同じ）１０〜２５重量％と、シリコーンワックス（上記と同じ）２５重量％と、メラミンシアヌレート（上記と同じ）２５重量％と、ＰＴＦＥとして高分子量ＰＴＦＥ（上記と同じ）１２．５〜２０重量％と低分子量ＰＴＦＥ〔旭硝子社製の「フルオンＬ１６９Ｊ（商品名）」〕１０〜２０重量％とをヘンシェルミキサーに投入して混合物を作製した。得られた混合物を成分中のシリコーンワックスの融点以上の８０℃の温度に加熱し、溶融混練して固体潤滑剤混練物を作製した。

実施例１〜４
上記摺動部材基体Ｉ及び摺動部材基体ＩＩの一方の表面に固体潤滑剤Ｉの混練物の所定量を供給したのち、摺動部材基体Ｉ及び摺動部材基体ＩＩと該摺動部材基体Ｉ及び摺動部材基体ＩＩの凹部を含む表面に供給した固体潤滑剤混練物とを、８０℃の温度で１分間圧縮成形し、該摺動部材基体Ｉ及び摺動部材基体ＩＩの凹部に該混練物を充填すると共に該摺動部材基体Ｉ及び摺動部材基体ＩＩの表面に該混練物の被覆層を形成し、これらを摺動部材とした。

実施例５〜７
上記摺動部材基体Ｉ及び摺動部材基体ＩＩの一方の表面に固体潤滑剤ＩＩの混練物の所定量を供給したのち、摺動部材基体Ｉ及び摺動部材基体ＩＩと該摺動部材基体Ｉ及び摺動部材基体ＩＩの凹部を含む表面に供給した固体潤滑剤混練物とを、８０℃の温度で１分間圧縮成形し、該摺動部材基体Ｉ及び摺動部材基体ＩＩの凹部に該混練物を充填すると共に該摺動部材基体Ｉ及び摺動部材基体ＩＩの表面に該混練物の被覆層を形成し、これらを摺動部材とした。

比較例
四ふっ化エチレン樹脂粉末（三井・デュポンフロロケミカル社製の「テフロン（登録商標）７Ａ−Ｊ（商品名）」）５０体積％と、アトマイズ鉛粉末４０体積％とを混合撹拌して混合物を得た。この混合物をプレス成形機により加圧成形し、直径８ｍｍ、長さ３ｍｍの円柱状固体潤滑剤を作成した。ついで、この円柱状固体潤滑剤を潤滑油（モービル社製の「ＤＴＥエキストラヘビーオイル（商品名）」）の入った油槽に浸漬し、１０体積％の潤滑油を含浸させた（重量換算で四ふっ化エチレン樹脂１８．８重量％、鉛７９．６重量％、潤滑油１．６重量％）。この固体潤滑剤を前記と同様の積層体からなる摺動部材基体の表面に形成された孔に充填し、これを摺動部材とした。

つぎに、上記実施例１〜７の摺動部材及び比較例からなる摺動部材について、スラスト試験にて摩擦性能を試験した。試験条件を表１に示す。

（表１）
面圧：１７Ｎ／ｍｍ^２（１７３ｋｇｆ／ｃｍ^２）
速度：２００ｍｍ／ｓｅｃ
相手材：上記相手材Ｉ相手材ＩＩ
摺動距離：４００ｍ
潤滑：無潤滑
試験方法：二軸試験機の台上に相手材を固定し、該相手材に摺動部材の被覆層を摺動自
在に接触させると共に、該摺動部材に面圧が１７Ｎ／ｍｍ^２となるように荷
重を加え、相手材側に加振（±１００ｍｍ）を行った。
摩擦係数の測定：摺動距離８０ｍ、１６０ｍ、２４０ｍ、３２０ｍ、４００ｍにそれぞ
れ達した時点の摩擦係数を測定した。

上記試験条件で行った実施例１〜７及び比較例からなる摺動部材の試験結果を表２、表３及び表４に示す。なお、表２及び表３中、摺動部材Ａは摺動部材基体Ｉの摺動部材を、摺動部材Ｂは摺動部材基体ＩＩの摺動部材を示す。

（表２）
実施例１２３４
固体潤滑剤（重量％）
シリコーン油（ジメチルシリコーン油）１０１０２０２５
シリコーンワックス２５３０３０２５
メラミンシアヌレート２５２５２５２５
ＰＴＦＥ（高分子量）４０３５２５２５
摺動部材ＡＢＡＢ
相手材ＩＩＩＩＩＩＩ
摩擦係数（８０ｍ到達時） 0.062 0.048 0.042 0.040
（１６０ｍ到達時） 0.064 0.046 0.040 0.038
（２４０ｍ到達時） 0.064 0.046 0.040 0.038
（３２０ｍ到達時） 0.064 0.046 0.040 0.038
（４００ｍ到達時） 0.064 0.046 0.040 0.038

（表３）
実施例５６７
固体潤滑剤（重量％）
シリコーン油（ジメチルシリコーン油）１０２０２５
シリコーンワックス２５２５２５
メラミンシアヌレート２５２５２５
ＰＴＦＥ（高分子量）２０２０１２．５
ＰＴＦＥ（低分子量）２０１０１２．５
摺動部材ＢＡＢ
相手材ＩＩＩＩＩ
摩擦係数（８０ｍ到達時） 0.060 0.040 0.040
（１６０ｍ到達時） 0.056 0.036 0.034
（２４０ｍ到達時） 0.056 0.036 0.034
（３２０ｍ到達時） 0.056 0.036 0.034
（４００ｍ到達時） 0.056 0.036 0.034

（表４）
比較例
相手材ＩＩＩ
摩擦係数（８０ｍ到達時） 0.086 0.082
（１６０ｍ到達時） 0.092 0.086
（２４０ｍ到達時） 0.100 0.094
（３２０ｍ到達時） 0.112 0.100
（４００ｍ到達時） 0.120 0.116

以上の試験結果から明らかなように、本発明の固体潤滑剤を埋め込んで成る摺動部材は、低速度・高荷重条件下において、比較例に示す鉛を含有する固体潤滑剤を埋め込んで成る摺動部材に比して低い摩擦係数を示した。

Claims

摺動部材基体の摺動面に形成された孔又は溝に埋め込まれる固体潤滑剤であって、シリコーン油５〜３０重量％とシリコーンワックス２０〜４０重量％とメラミンシアヌレート２０〜４０重量％と四ふっ化エチレン樹脂２０〜５０重量％とから成ることを特徴とする固体潤滑剤。
シリコーン油は、ジメチルシリコーン油及びジメチルポリシロキサンのメチル基の一部をポリエーテル基、フェニル基、アルキル基、アラルキル基又はふっ素化アルキル基で置換したシリコーン油から選択される請求項１に記載の固体潤滑剤。
シリコーンワックスは、ジメチルポリシロキサン、メチルフェニルポリシロキサン、長鎖アルキル変性ポリシロキサン及びトリフルオロプロピルメチルポリシロキサンから選択される請求項１又は２に記載の固体潤滑剤。
四ふっ化エチレン樹脂は、高分子量四ふっ化エチレン樹脂である請求項１から３のいずれか一項に記載の固体潤滑剤。
四ふっ化エチレン樹脂は、高分子量四ふっ化エチレン樹脂と低分子量四ふっ化エチレン樹脂との混合物である請求項１から３のいずれか一項に記載の固体潤滑剤。
摺動部材基体の摺動面に形成された孔又は溝に、請求項１から５のいずれか一項に記載の固体潤滑剤を埋め込んで成る摺動部材。