JP4959609B2 - 極低温用耐摩耗性材料 - Google Patents

Description

本発明は、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に関し、特に液体窒素温度（７７Ｋ）以下、さらには液体水素温度（２０Ｋ）付近にて用いて好適なものである。

潤滑油の供給を行わずに無潤滑にて摺動部のシールを行うシール材として、樹脂材料であるポリテトラフルオロエチレン（以下「ＰＴＦＥ」という。）を用いたシール材が多用されている。
このＰＴＦＥに対して、ブロンズ粉および炭素繊維を添加して耐圧性、耐自己摩耗性および耐対金属摩耗性を向上した自動車の動力舵取り装置用オイルシールリングが下記特許文献１に開示されている。
同様に、下記特許文献２にも、ＰＴＦＥに対してブロンズ粉および炭素繊維を添加した圧縮機用チップシールが開示されている。
一方、下記特許文献３には、母材がポリエーテルエーテルケトンとされているが、ＰＴＦＥを添加した上で、酸化亜鉛ウィスカを添加する静電気拡散性摺動部材用樹脂組成物が開示されている。

特開２０００−１５８９号公報 特許第３５７２４８１号公報 特許第３０４１０７１号公報

しかし、上記特許文献１乃至３に開示されたものは、全て常温もしくは高温での使用が前提とされている。したがって、低温環境となる液体窒素温度以下、さらには液体水素温度付近にて用いられた場合に、十分な耐摩耗性を維持することができるかは不明である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、液体窒素温度以下さらには液体水素温度付近にて用いられた場合であっても十分な耐摩耗性を維持することができる極低温用耐摩耗性材料を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の極低温用耐摩耗性材料は以下の手段を採用する。
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３５重量％以上のポリテトラフルオロエチレンと、５重量％以上３０重量％以下のブロンズ粉と、５重量％以上１５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含むことを特徴とする。

固体潤滑剤としての機能を有するポリテトラフルオロエチレン（以下「ＰＴＦＥ」という。）にブロンズ粉を添加することによって必要強度を確保する。また、ブロンズ粉は、摺動摩擦する相手となる金属材料に対してＰＴＦＥの移着を促進させる。ＰＴＦＥが金属材料に移着されることによって、摩耗が低減される。
さらに、本発明では、炭素繊維を添加することにより、より大きな強度が実現される。
炭素繊維の脱落を防止するために、酸化亜鉛ウィスカを添加する。この酸化亜鉛ウィスカは、さらに、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。
ブロンズ粉は、５重量％を下回ると所望の強度が得られないので５重量％以上添加することが好ましい。一方、ブロンズ粉は、３０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、３０重量％以下が好ましい。なお、ブロンズ粉は、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、１５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、１５重量％以下が好ましい。なお、炭素繊維は、１０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。

さらに、本発明の極低温用耐摩耗性材料では、前記酸化亜鉛ウィスカに対する前記炭素繊維の重量比が、１．０以上１．５以下とされていることを特徴とする。

酸化亜鉛ウィスカは炭素繊維の脱落防止機能を有するので、酸化亜鉛ウィスカに対する炭素繊維の重量比が１．５を超えると炭素繊維の脱落が多くなり摩耗を増加させてしまうことから、酸化亜鉛ウィスカに対する炭素繊維の重量比は１．５以下が好ましい。
一方、炭素繊維による強度向上を考慮すると、少なくとも酸化亜鉛ウィスカと同等量の炭素繊維が添加されていることが好ましいので、酸化亜鉛ウィスカに対する炭素繊維の重量比は１．０以上が好ましい。

さらに、本発明の極低温用耐摩耗性材料では、液体窒素温度以下、好ましくは液体水素温度付近で用いられることを特徴とする。

液体窒素温度（７７Ｋ）以下、好ましくは液体水素温度（２０Ｋ）付近といった極低温の環境下にて用いられても、高い耐摩耗性を有する極低温用耐摩耗性材料を提供することができる。

さらに、本発明の極低温用耐摩耗性材料では、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。

金属材料とされたライナに対して往復摺動するシールリングに用いることによって、高い耐摩耗性が実現され、高いシール性を得ることができる。

本発明の極低温用耐摩耗性材料によれば、液体窒素温度以下さらには液体水素温度付近にて用いられた場合であっても十分な耐摩耗性を維持することができる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図１を参照して説明する。
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。

シールリング３は、主成分とされる３５重量％以上のＰＴＦＥと、５重量％以上３０重量％以下のブロンズ粉と、５重量％以上１５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。これらが基本的な組成とされ、それ以外は不可避的に混入する材料である。

固体潤滑剤としての機能を有するＰＴＦＥを主成分として用いてシールリング３の母材とする。このＰＴＦＥにブロンズ粉を添加することによって必要強度を確保する。また、ブロンズ粉は、摺動摩擦する相手となる金属材料に対してＰＴＦＥの移着を促進させる。ＰＴＦＥが金属材料に移着されることによって、摩耗が低減される。
さらに大きな強度を実現するため、炭素繊維を添加することとした。
また、炭素繊維の脱落を防止するために、酸化亜鉛ウィスカを添加する。この酸化亜鉛ウィスカは、さらに、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。

ブロンズ粉は、５重量％を下回ると所望の強度が得られないので５重量％以上添加することが好ましい。一方、ブロンズ粉は、３０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、３０重量％以下が好ましい。なお、ブロンズ粉は、２０重量％程度が最も好ましい。
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。

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、１５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、１５重量％以下が好ましい。なお、炭素繊維は、１０重量％程度が最も好ましい。
炭素繊維としては、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、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。
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３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。

酸化亜鉛ウィスカに対する炭素繊維の重量比は、１．０以上１．５以下とされている。酸化亜鉛ウィスカは炭素繊維の脱落防止機能を有するので、酸化亜鉛ウィスカに対する炭素繊維の重量比が１．５を超えると炭素繊維の脱落が多くなり摩耗を増加させてしまうことから、酸化亜鉛ウィスカに対する炭素繊維の重量比は１．５以下が好ましい。一方、炭素繊維による強度向上を考慮すると、少なくとも酸化亜鉛ウィスカと同等量の炭素繊維が添加されていることが好ましいので、酸化亜鉛ウィスカに対する炭素繊維の重量比は１．０以上が好ましい。

次に、本実施形態の実施例について説明する。図２には、往復摺動試験の概略が示されている。同図に示されているように、シールリング３の材料に相当する樹脂材料２０に対して金属部材２２を所定圧力にて接触させた上で往復動させた。往復摺動時の試験は、液体水素内または液体窒素内で行った。これにより、ピストンリングとして用いられるシールリング３の実際の使用環境を模擬した試験となっている。
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。

比較例１は、母材となるＰＴＦＥにブロンズ粉を６０重量％添加したものである。比較例１では、液体窒素中および液体水素中にて１０ＭＰａの面圧を加えた試験、並びに、液体窒素中にて２０ＭＰａの面圧を加えた試験を行った。この液体窒素中で２０ＭＰａの試験の比摩耗量が大きかったので、液体水素中にて２０ＭＰａの面圧を加えた試験は行わなかった。
比較例２は、母材となるＰＴＦＥにブロンズ粉を５０重量％、酸化亜鉛ウィスカを１０重量％添加したものである。比較例２では、液体窒素中および液体水素中にて１０ＭＰａの面圧を加えた試験を行った。液体窒素中の１０ＭＰａでの比摩耗量が比較例１とそれほど変わらなかったので、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は行わなかった。
比較例３は、母材となるＰＴＦＥにブロンズ粉を３０重量％、炭素繊維を１０重量％添加したものである。比較例３では、液体窒素中にて２０ＭＰａの面圧を加えた試験のみを行った。これは、比較例１よりも大きな比摩耗量となったので、それ以上の試験は不要と判断したためである。
比較例４は、母材となるＰＴＦＥにブロンズ粉を２０重量％、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。比較例４では、液体窒素中にて１０ＭＰａの面圧を加えた試験のみを行った。これは、比較例１よりも大きな比摩耗量となったので、それ以上の試験は不要と判断したためである。

本発明である実施例１は、母材となるＰＴＦＥにブロンズ粉を２０重量％、炭素繊維を１０重量％、酸化亜鉛ウィスカを１０重量％添加したものである。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２０ＭＰａの面圧を加えた試験を行った。

実施例１と比較例１とを比べると、実施例１は、全ての試験条件において優れていることが分かる。特に、液体水素温度での比摩耗量が大幅に低減されている。これは、酸化亜鉛ウィスカが、ブロンズ粉よりも、液体水素温度においてＰＴＦＥの金属材料（ＳＵＳ４４０Ｃ）への移着効果を発揮していることが理由の一つと考えられる。また、実施例１ではブロンズ粉が比較例１よりも減っているが、炭素繊維を添加することによって強度を補っている。これは、比較例１と比較例３とを比べれば分かるように、ブロンズ粉の減少による強度低下を炭素繊維によってある程度補うことができるという知見に基づくものである。
一方、炭素繊維は、脱落すると自己摩耗を引き起こすおそれがある。このため、実施例１では、炭素繊維を保持して脱落防止の機能を有すると考えられる酸化亜鉛ウィスカを添加することとした。ただし、比較例４のように、酸化亜鉛ウィスカに比べて炭素繊維の量が重量比で２倍程度まで多くなると、酸化亜鉛ウィスカによる脱落防止機能の限界を超えて炭素繊維が脱落してしまい、比摩耗量が多くなったものと考えられる。したがって、実施例１のように、炭素繊維と酸化亜鉛ウィスカとの重量比は同程度とするのが好ましいといえる。
また、比較例１と比較例２とを比べれば分かるように、ブロンズ粉の減少による強度低下を酸化亜鉛ウィスカによって補うことができる。

以上の通り、本実施形態によれば、液体窒素温度以下、さらには液体水素温度付近であっても高い耐摩耗性を有するシールリングを提供することができる。

なお、上記実施形態では、液体水素昇圧ポンプに用いられるシールリングについて説明したが、本発明の極低温用耐摩耗性材料はこれに限定されるものではなく、他の用途、例えば、ＬＮＧ基地に設置されたＢＯＧ（ボイル・オフ・ガス）コンプレッサ用ピストンリング、スターリングエンジン用ピストンリング、変速機用樹脂シール、オイルフリーコンプレッサ（例えばＣＮＧ用、高圧水素ガス用、又はＬＰＧ用）ピストンリング、内燃機関またはエンジン用ピストンリング、油圧ポンプまたは油圧モータの圧縮シール、遠心式といった回転式コンプレッサ用シールとしても用いることができる。

本発明の一実施形態にかかるシールリングを用いた液体水素昇圧ポンプを示した縦断面図である。 往復摺動試験の概略を示した図である。 試験結果を示したグラフである。

１ 液体水素昇圧ポンプ
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)

1. 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３５重量％以上のポリテトラフルオロエチレンと、
   ５重量％以上３０重量％以下のブロンズ粉と、
   ５重量％以上１５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。
2. 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３５重量％以上のポリテトラフルオロエチレンと、
   ５重量％以上３０重量％以下のブロンズ粉と、
   ５重量％以上１５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。
3. 前記酸化亜鉛ウィスカに対する前記炭素繊維の重量比が、１．０以上１．５以下とされている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。
4. 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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