JP5018303B2 - Sliding member and sealing device - Google Patents

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Description

本発明は、流体圧機器、特に自動車用の油圧パワーステアリングのバルブ装置のような流体圧機器において、相対的に往復運動または回転運動する部材間の流体圧力をシールするためのシール装置を構成するのに適した摺動部材に関する。   The present invention constitutes a sealing device for sealing a fluid pressure between members that reciprocate or rotate relatively in a fluid pressure device, particularly a fluid pressure device such as a hydraulic power steering valve device for an automobile. The present invention relates to a sliding member suitable for the above.

本発明の摺動部材からなるシール装置は、シール装置の相対運動面(摺動相手材)がアルミニウム合金などの軽合金材料である場合でも、この比較的軟質な相手材を摩耗させ難く、かつ高温・高圧での実使用条件においても実用に十分な満足できる耐久性を示す。   The sealing device comprising the sliding member of the present invention is less likely to wear this relatively soft counterpart material even when the relative motion surface (sliding counterpart material) of the seal device is a light alloy material such as an aluminum alloy, and It is durable enough for practical use even under actual use conditions at high temperature and high pressure.

流体圧機器である自動車用のパワーステアリングのバルブ装置には、略矩形断面のシールリングがシール装置として使用されている。この種のバルブ装置は、ハウジングであるシリンダとその内周面に嵌合した回転または往復運動する運動体(例、回転体またはピストン)とから構成され、シールリングは通常は運動体に設けた環状溝に装着される。従って、シール装置は油圧作用下でハウジングに対して摺動しながらシール機能を果たす。   A sealing ring having a substantially rectangular cross section is used as a sealing device in a valve device for a power steering for an automobile which is a fluid pressure device. This type of valve device is composed of a cylinder that is a housing and a rotating or reciprocating moving body (for example, a rotating body or a piston) fitted to the inner peripheral surface thereof, and a seal ring is usually provided on the moving body. Mounted in the annular groove. Therefore, the sealing device performs a sealing function while sliding with respect to the housing under hydraulic action.

流体圧機器、特に使用条件が過酷になる自動車用のパワーステアリングのバルブ装置のシール装置としては、ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEと記す)または変性PTFEといったふっ素樹脂に各種の補強材や充填材を配合したふっ素樹脂系組成物からなる成形体から作製されたシールリングが一般に使用されている。ふっ素樹脂は、電気的性質、化学的性質(特に、作動流体である鉱物油などの油に対する耐性が良好)、非粘着性、耐熱性、低摩擦特性に優れているが、耐摩耗性、耐クリープ性などの物性が不十分であるので、それを改善するためにガラス繊維、炭素繊維、ブロンズ粉末、固体潤滑剤などが適量配合される。   As a sealing device for a fluid pressure device, particularly a power steering valve device for an automobile, which is used under severe conditions, various reinforcing materials and fillers such as polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as PTFE) or modified PTFE are used. In general, a seal ring made from a molded body made of a fluororesin composition blended with is used. Fluororesin has excellent electrical and chemical properties (especially good resistance to oils such as mineral oil, which is a working fluid), non-adhesiveness, heat resistance and low friction properties, but wear resistance, Since physical properties such as creep properties are insufficient, an appropriate amount of glass fiber, carbon fiber, bronze powder, solid lubricant or the like is blended in order to improve it.

一般的な流体圧機器のハウジングは鋼、鋳物など鉄系の材料が使われている。しかし、自動車用のパワーステアリングのバルブ装置といった流体圧機器の場合、軽合金材料の使用と作動流体の高圧化により機器の小型軽量化が図られる。そのため、ハウジング(シリンダ)は通常はアルミニウム合金製であり、シール装置は高い流体圧下でこのハウジングに対して摺動しながらシール性能を発揮することが求められる。   The housing of general fluid pressure equipment is made of iron-based materials such as steel and castings. However, in the case of a fluid pressure device such as a power steering valve device for an automobile, the device can be reduced in size and weight by using a light alloy material and increasing the pressure of the working fluid. Therefore, the housing (cylinder) is usually made of an aluminum alloy, and the sealing device is required to exhibit sealing performance while sliding against the housing under a high fluid pressure.

アルミニウム合金製のハウジングは比較的軟質であるため、例えば、PTFEにガラス繊維や炭素繊維のような補強用繊維を配合した材料からシール装置を作製すると、摺動相手材であるハウジングの摩耗が多くなり、漏れなどの不具合が早期に発生することが知られている。一方、PTFEに二硫化モリブデン、グラファイト、芳香族系耐熱樹脂などの充填材を配合した組成物から作製されたシール装置は、摺動相手材の摩耗は少ないものの、シール装置を構成するシールリング自体の摩耗が多くなると共に、はみ出し損傷が進行し、やはり早期に漏れなどの不具合が発生する。   Since the housing made of aluminum alloy is relatively soft, for example, when a sealing device is made from a material in which reinforcing fibers such as glass fiber and carbon fiber are blended with PTFE, the housing which is a sliding counterpart material is often worn. It is known that problems such as leakage occur early. On the other hand, a seal device made from a composition in which PTFE is mixed with a filler such as molybdenum disulfide, graphite, and aromatic heat-resistant resin has little wear on the sliding material, but the seal ring itself constituting the seal device As wear increases, protrusion damage progresses, and problems such as leakage also occur at an early stage.

本出願人は先に、特に自動車用パワーステアリングのバルブ装置に使用するのに適した耐圧性を改良したシール装置として、PTFEに炭素繊維と芳香族系合成樹脂粉末とを充填する技術(特公平1−13494号公報)、およびさらに高い圧力で使用できるように変性PTFEに炭素繊維と共にグラファイトを充填する技術(特許第2864848号)を提案した。   The present applicant has previously described a technique for filling PTFE with carbon fiber and aromatic synthetic resin powder as a sealing device with improved pressure resistance particularly suitable for use in a power steering valve device for automobiles. 1-13494) and a technique (Patent No. 2864848) in which modified PTFE is filled with carbon fiber together with graphite so that it can be used at higher pressure.

また、同様の目的に使用するシール装置として、変性PTFEに炭素繊維と金属粉のブロンズ粉末を充填する技術(特許第3674314号)や、変性PTFEに炭素繊維と硫酸カルシウムまたは酸化亜鉛のウィスカを充填する技術(特許第3660123号)が開示されている。さらに高圧化に対応した充填材入りふっ素樹脂組成物として、変性PTFEに炭素繊維とモース硬度4以下の粒状無機化合物(硫酸カルシウムまたは酸化亜鉛)を充填する技術(特許第3871506号)も開示されている。   Also, as a sealing device used for the same purpose, modified PTFE is filled with carbon fiber and bronze powder of metal powder (Patent No. 3673314), and modified PTFE is filled with carbon fiber and calcium sulfate or zinc oxide whisker. A technique (Japanese Patent No. 3660123) is disclosed. Further, as a fluororesin composition containing a filler corresponding to high pressure, a technique (Patent No. 3877506) is also disclosed in which modified PTFE is filled with carbon fiber and a granular inorganic compound (calcium sulfate or zinc oxide) having a Mohs hardness of 4 or less. Yes.

用途は異なるが、精密機器の軸受などの潤滑性、耐熱性、耐摩擦摩耗性および耐圧縮クリープ性が改良された摺動部材を、PTFEに酸化亜鉛ウィスカと炭素繊維、コークス粉、グラファイト粉、ブロンズ粉、銅粉、酸化亜鉛粉末、タルク、ガラス繊維などから選ばれた充填材とを配合した組成物から作製する提案もある(特開2004−2108395号)。
特公平1−13494号公報 特許第2864848号明細書 特許第3674314号明細書 特許第3660123号明細書 特許第3871506号明細書 特開2004−210839号公報
Although the use is different, sliding members with improved lubricity, heat resistance, friction wear resistance and compression creep resistance such as bearings for precision equipment, PTFE zinc oxide whisker and carbon fiber, coke powder, graphite powder, There is also a proposal to prepare a composition containing a filler selected from bronze powder, copper powder, zinc oxide powder, talc, glass fiber, and the like (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-2108395).
Japanese Examined Patent Publication No. 1-13494 Japanese Patent No. 2864848 Japanese Patent No. 3673314 Japanese Patent No. 3660123 Japanese Patent No. 3871506 JP 2004-210839 A

近年、大型車やオフロード車用のパワーステアリング装置における操舵力の高出力化と小型化に伴い、シール装置に対する温度・圧力の仕様が、従来の120℃×12MPaよりさらに高圧化および高温化された仕様、例えば135℃×13MPaが採用されるようになってきた。   In recent years, with the higher output and smaller size of the steering force in power steering devices for large vehicles and off-road vehicles, the temperature and pressure specifications for the seal device have become higher and higher than the conventional 120 ° C x 12 MPa. Specifications such as 135 ° C. × 13 MPa have been adopted.

上記特許文献1〜5に提案されたような耐圧性、耐摩耗性、耐クリープ性が改良された充填材入りふっ素樹脂系材料からなる従来のシール装置は、120℃×12MPaの試験条件では十分な耐久性能を示すが、135℃×13MPaで試験した場合には耐久性能が不足し、漏れなしに20万回作動という目標を達成できないことが判明した。   The conventional sealing device made of a filled fluororesin-based material with improved pressure resistance, wear resistance, and creep resistance as proposed in the above Patent Documents 1 to 5 is sufficient for a test condition of 120 ° C. × 12 MPa. However, when it was tested at 135 ° C. × 13 MPa, it was found that the durability performance was insufficient and the target of operation 200,000 times without leakage could not be achieved.

本発明の目的は、上述した従来の充填材入りふっ素樹脂材料製のシール装置と同程度もしくはそれ以上に相手軽合金材料の摩耗とシール装置自体の摩耗を低減できるとともに、高温・高圧条件下で起こり易いシール装置のはみ出し損傷などの機能低下を防止することのできる、高温・高圧の条件下において耐久性に優れたシール装置と、このシール装置の製作に適した摺動部材を提供することにある。   The object of the present invention is to reduce the wear of the counterpart light alloy material and the wear of the sealing device itself to the same degree or more as the conventional sealing device made of fluororesin material with filler, and under high temperature and high pressure conditions. To provide a sealing device excellent in durability under high-temperature and high-pressure conditions that can prevent functional deterioration such as protrusion damage of the sealing device that easily occurs, and a sliding member suitable for manufacturing this sealing device. is there.

シール装置の「はみ出し損傷」とは、溝に装着されているシール装置(シールリング)が、高圧下で相対的に運動する2つの部材(例、シリンダと回転体)間の隙間に溝から押し出されてはみ出し、さらにはみ出した部分がむしり取られて損傷し、シール性能が発揮できなくなる現象を言い(図3を参照)、シール装置を構成するふっ素樹脂材料の耐クリープ性が影響すると考えられる。図3において、12は、環状溝26に嵌め込まれたシールリング、24はシリンダ、32はピストンである。36が隙間34にはみ出したシールリングの損傷部を示し、このはみ出し損傷の進行により図示のように流体の漏れを生ずる。   The “extrusion damage” of a sealing device means that the sealing device (seal ring) installed in the groove is pushed out of the groove into the gap between two members (eg, cylinder and rotating body) that move relatively under high pressure. This refers to a phenomenon in which the protruding portion and the protruding portion are peeled off and damaged, and the sealing performance cannot be exhibited (see FIG. 3). It is considered that the creep resistance of the fluororesin material constituting the sealing device is affected. In FIG. 3, 12 is a seal ring fitted in the annular groove 26, 24 is a cylinder, and 32 is a piston. Reference numeral 36 denotes a damaged portion of the seal ring that protrudes into the gap 34, and fluid leakage occurs as shown in the figure as the protrusion damage progresses.

前述したように、ふっ素樹脂に各種の充填材(繊維補強材を含む)を用途・目的に合わせ単独あるいは組み合わせて配合した摺動部材がシール装置に使用されてきた。これらの充填材は、ふっ素樹脂の融点である約330℃以上の融点を持つ、ガラス系、金属系、炭素系、硫化物、酸化物、窒化物、耐熱有機材料などから選ばれ、その形態も繊維状、粒子状、球状、片状、粉末状などが挙げられる。   As described above, sliding members in which various fillers (including fiber reinforcing materials) are blended alone or in combination in accordance with applications and purposes have been used for sealing devices. These fillers are selected from glass-based, metal-based, carbon-based, sulfide, oxide, nitride, heat-resistant organic material, etc. having a melting point of about 330 ° C. or higher, which is the melting point of fluororesin, and the form thereof Examples include fiber, particle, sphere, flake, and powder.

発明者らは、これら各種の充填材の中から、高圧・高温時におけるふっ素樹脂の耐摩耗性、耐はみ出し性を改質する効果が高く、自動車用パワーステアリングの軽合金製バルブ装置において135℃×13MPaの条件で20万回の作動に耐えられる充填材の組み合せを得るべく評価試験を行い、ある特定の組み合わせの充填材をPTFEまたは変性PTFEに配合することにより、上記目的を達成できることを見出した。   Among these various fillers, the inventors have a high effect of improving the wear resistance and protrusion resistance of fluororesin at high pressure and high temperature, and 135 ° C. in a light alloy valve device for automotive power steering. An evaluation test was conducted to obtain a combination of fillers that can withstand 200,000 operations under the condition of × 13 MPa, and it was found that the above object can be achieved by blending a specific combination of fillers with PTFE or modified PTFE. It was.

本発明は、1側面において、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)および1質量%以下のふっ素含有コモノマとのテトラフルオロエチレン共重合体(変性PTFE)から選ばれた少なくとも1種のふっ素樹脂50〜85質量%、炭素繊維5〜10質量%、銅−亜鉛系合金粉末5〜20質量%、ならびに三次元針状結晶構造を持つ酸化亜鉛ウィスカ5〜20質量%からなる組成物の成形体から製作された摺動部材である。   In one aspect, the present invention provides at least one fluorine resin 50 to 85 mass selected from polytetrafluoroethylene (PTFE) and a tetrafluoroethylene copolymer (modified PTFE) with 1 mass% or less of a fluorine-containing comonomer. %, Carbon fiber 5 to 10% by mass, copper-zinc alloy powder 5 to 20% by mass, and a zinc oxide whisker 5 to 20% by mass having a three-dimensional acicular crystal structure. It is a sliding member.

別の側面からは、本発明は、流体圧機器における相対的に往復運動および/または回転運動する部材間の流体圧力をシールするためのシール装置であって、上記摺動部材から構成されたことを特徴とするシール装置である。この流体圧機器は、好ましくは自動車用パワーステアリングのバルブ装置である。   From another aspect, the present invention is a sealing device for sealing a fluid pressure between relatively reciprocating and / or rotating members in a fluid pressure device, comprising the sliding member. It is the sealing device characterized by this. This fluid pressure device is preferably an automotive power steering valve device.

本発明の完成までに得られた知見について次に概説する。
摺動相手材(シリンダ)にアルミニウム合金を使用し、135℃×13MPaの条件で評価試験を実施したところ、特許文献2に提案された変性PTFEに炭素繊維とグラファイトを充填した材料では、摺動相手材であるシリンダの摩耗はさほど大きくなかったが、シール装置自体の摩耗およびはみ出し損傷による厚さ変化が大きく、耐久性は低く、漏れ量も多かった。一方、特許文献3に提案されたように、変性PTFEに炭素繊維とブロンズ粉を充填した材料では、摺動相手材であるシリンダの摩耗が大きくなり、漏れ量も多かった。
The findings obtained up to the completion of the present invention are outlined below.
When an aluminum alloy was used for the sliding material (cylinder) and an evaluation test was performed under the condition of 135 ° C. × 13 MPa, the material modified with carbon fiber and graphite in the modified PTFE proposed in Patent Document 2 is sliding. The wear of the counterpart cylinder was not so great, but the thickness of the seal device itself was greatly changed due to wear and protrusion damage, the durability was low, and the amount of leakage was large. On the other hand, as proposed in Patent Document 3, in the material in which the modified PTFE is filled with carbon fiber and bronze powder, wear of the cylinder, which is a sliding counterpart, is increased, and the amount of leakage is large.

これに対し、グラファイトとブロンズ粉末の両方を変性PTFEに配合すると、シリンダの摩耗は低減したが、シール装置の摩耗とはみ出し損傷はなお早く、耐久性は依然として不十分であった。ブロンズに代えて、より高強度の銅合金である真鍮(銅−亜鉛合金)の粉末を用いて同様の試験を行った結果、シール装置の摩耗とはみ出し損傷が低減し、漏れ量も少なくなったが、逆に軽合金製のシリンダの摩耗がやや大きくなり、目標とする耐久性は得られなかった。   In contrast, when both graphite and bronze powder were blended with the modified PTFE, the wear of the cylinder was reduced, but the wear and sticking damage of the seal device was still quick and the durability was still insufficient. The same test was conducted using brass (copper-zinc alloy) powder, which is a higher-strength copper alloy in place of bronze, and as a result, wear and protrusion damage of the sealing device was reduced and the amount of leakage was reduced. However, the wear of the light alloy cylinder was slightly increased, and the target durability could not be obtained.

この結果から、ブロンズに比べて熱伝導率が高い(約2倍)真鍮の粉末を使用することで、シール装置に発生した摩擦熱を熱伝導率の高いアルミニウム合金製のシリンダに効率よく逃がしてシール装置の蓄熱を低く抑えることにより、シール材の主成分であるふっ素樹脂の強度低下が抑制されるのではないかと推測された。   From this result, by using brass powder with higher thermal conductivity than bronze (about twice), the frictional heat generated in the sealing device can be efficiently released to the aluminum alloy cylinder with higher thermal conductivity. It was speculated that by suppressing the heat storage of the sealing device to be low, a decrease in strength of the fluororesin, which is the main component of the sealing material, could be suppressed.

理科年表(平成17年版401頁、国立天文台編集)によると、真鍮、ブロンズなどの合金は、温度上昇に伴って熱伝導率が高くなるが、銅、亜鉛、錫、ニッケル等の金属単体は、高温になると熱伝導率が低くなる。そこで、試みに、真鍮(錫−亜鉛合金)の原料であり、0℃での熱伝導率が真鍮よりやや高い亜鉛粉を真鍮粉の代わりに用いて、上記と同様の試験をしたところ、アルミニウム合金製シリンダとシール装置の両方の摩耗が共に多く(真鍮の場合の約1.5倍)、漏れ量も真鍮に劣る結果となった。このことからも、高温時の熱伝導率が高い粉末の配合がふっ素樹脂の配合材料として好適であることが推測される。   According to the science chronology (2005 edition, page 401, edited by National Astronomical Observatory), alloys such as brass and bronze increase in thermal conductivity as the temperature rises, but simple metals such as copper, zinc, tin, and nickel When the temperature is high, the thermal conductivity decreases. Therefore, when a test similar to the above was carried out using zinc powder, which is a raw material of brass (tin-zinc alloy) and has a thermal conductivity at 0 ° C. slightly higher than that of brass instead of brass powder, aluminum was used. The wear of both the alloy cylinder and the seal device was large (about 1.5 times that of brass), and the leakage amount was inferior to that of brass. Also from this, it is presumed that blending of powder having high thermal conductivity at high temperature is suitable as a blending material for fluororesin.

ふっ素樹脂の補強充填材(炭素繊維など)による相手軽合金製ハウジング材の摩耗防止には、固体潤滑剤あるいは同様の作用効果を奏する、耐熱合成樹脂、グラファイト、窒化物、硫化物、酸化物などを適量充填することで、相手面への攻撃は緩和されることが解っている。   Heat-resistant synthetic resins, graphite, nitrides, sulfides, oxides, etc. with solid lubricants or similar effects to prevent wear of mating light alloy housing materials with fluororesin reinforcing fillers (carbon fibers, etc.) It is known that attacking the opponent's face can be mitigated by filling the proper amount.

上記の評価試験では、そのような物質として、代表的な固体潤滑剤であるグラファイトを使用したが、上記のように、グラファイトでは、相手材の摩耗が十分に改善されないばかりか、逆にシール装置自体の摩耗、はみ出し損傷が増加する傾向も見られた。   In the above evaluation test, graphite, which is a typical solid lubricant, was used as such a material. However, as described above, not only the wear of the counterpart material is not sufficiently improved by graphite, but also the sealing device. There was also a tendency for the wear and protrusion damage to increase.

そこで、発明者らはさらに検討した結果、グラファイトの代わりに、三次元針状結晶構造を持つ酸化亜鉛ウィスカ(以下、「三次元酸化亜鉛ウィスカ」と言う)を適量配合すると、相手材とシール装置の両方の摩耗およびはみ出し損傷を著しく軽減できることを見出した。   As a result of further studies, the inventors have found that when an appropriate amount of zinc oxide whisker having a three-dimensional needle crystal structure (hereinafter referred to as “three-dimensional zinc oxide whisker”) is blended instead of graphite, the counterpart material and the sealing device are combined. It was found that both wear and protrusion damage can be significantly reduced.

三次元酸化亜鉛ウィスカは、テトラポットのように、正四面体の中心から各頂点に向かって針状結晶が四方に伸びた特異な三次元針状結晶構造を有する酸化亜鉛ウィスカである。通常のウィスカが一次元の線状であって、成形体に補強材として配合した場合に異方性を生じやすいのに対し、針状結晶がテトラポット状に伸びた三次元構造をとる三次元酸化亜鉛ウィスカは、異方性を付与せずに、針状の補強効果を発揮する。その上、結晶表面の平滑性による滑り性、良好な熱伝導性があり、かつモース硬度が4と比較的軟らかいことから、相手材やシール装置自体の摩耗を増加させずに、ふっ素樹脂の強度を高めることができるのではないかと推測される。   The three-dimensional zinc oxide whisker is a zinc oxide whisker having a unique three-dimensional needle-like crystal structure in which needle-like crystals extend in all directions from the center of a regular tetrahedron toward each vertex, like a tetrapot. Ordinary whiskers are one-dimensional linear and tend to cause anisotropy when compounded as a reinforcing material in a molded product, whereas needle crystals have a three-dimensional structure extending in a tetrapot shape. Zinc oxide whiskers exhibit a needle-like reinforcing effect without imparting anisotropy. In addition, since it has slipperiness due to the smoothness of the crystal surface, good thermal conductivity, and the Mohs hardness is relatively soft at 4, the strength of the fluororesin does not increase the wear of the mating material and the sealing device itself. It is speculated that it can be increased.

つまり、本発明の摺動部材では、ふっ素樹脂の充填材として、従来から使用されてきた、補強効果の高い炭素繊維に加え、高温での熱伝導率と強度が高い銅合金である真鍮の粉末と、三次元酸化亜鉛ウィスカとを組み合わせて配合することにより、高温・高圧での摺動時のふっ素樹脂の強度低下を防止し、かつ摺動相手材とシール装置の摩擦・摩耗を低減することができ、耐久性に優れたシール装置を実現することができる。   That is, in the sliding member of the present invention, brass powder, which is a copper alloy having high heat conductivity and high strength at high temperature, in addition to carbon fiber having a high reinforcing effect, which has been conventionally used as a filler for fluororesin. In combination with three-dimensional zinc oxide whisker, the strength of the fluororesin is prevented from lowering when sliding at high temperature and pressure, and the friction and wear between the sliding mating member and the seal device are reduced. Therefore, it is possible to realize a sealing device with excellent durability.

摺動部材に使用するふっ素樹脂に配合する酸化亜鉛として、三次元酸化亜鉛ウィスカを使用することは、前記特許文献6にも記載されているが、特許文献6では、金属粉として銅粉とブロンズ粉しか記載されていない。しかし、真鍮粉ではなく、銅粉またはブロンズ粉を使用した場合には、高温・高圧の流体圧作用条件下では、本発明で達成されるような高い耐久性を得ることはできない。ちなみに、特許文献6に提案された、PTFEに炭素繊維と三次元酸化亜鉛ウィスカおよびブロンズ粉を充填した材料では、真鍮を使用したものに対し、耐久回数は違うものの、摺動相手材であるシリンダの摩耗、シール装置自体の摩耗、はみ出し損傷がいずれも大きくなり、漏れ量も多かった。   The use of a three-dimensional zinc oxide whisker as zinc oxide to be blended in a fluorine resin used for a sliding member is also described in Patent Document 6, but in Patent Document 6, copper powder and bronze are used as metal powder. Only the powder is listed. However, when copper powder or bronze powder is used instead of brass powder, high durability as achieved in the present invention cannot be obtained under high temperature and high pressure fluid pressure conditions. By the way, in the material proposed by Patent Document 6 in which PTFE is filled with carbon fiber, three-dimensional zinc oxide whisker and bronze powder, the durability is different from that using brass, but it is a cylinder that is a sliding counterpart. Wear, sealing device wear, and overhang damage were all large, and the amount of leakage was large.

本発明の摺動部材およびシール装置は、比較的軟質の軽合金製の相手材に対して摺動する場合でも、相手材への攻撃性(相手材の摩耗)が低く、シール装置自体の耐摩耗性に優れ、かつ高温・高圧流体圧条件下で摺動した時のふっ素樹脂のはみ出し損傷が抑制されるためパワーステアリングのバルブ装置に求められる性能を満たした、高い耐久性を示す。   The sliding member and the sealing device of the present invention have low aggression against the mating material (wear of the mating material) even when sliding against a mating material made of a relatively soft light alloy, and the sealing device itself is resistant to damage. It has excellent wear resistance and high durability that satisfies the performance required for a valve device of a power steering because it suppresses protrusion damage of fluororesin when sliding under high temperature and high pressure fluid pressure conditions.

本発明の摺動部材およびシール装置は、軟質な軽金属製だけでなく、一般の鉄系の材料からなる相手材料に対しても、より優れた耐圧性と、耐摩耗性を示すので、用途は高温・高圧使用の自動車用油圧パワーステアリングのバルブ装置に限られるものではなく、流体圧機器全般のシール装置及び軽金属材料の摺動部材として有用である。   Since the sliding member and the sealing device of the present invention show superior pressure resistance and wear resistance not only against soft light metal but also against other materials made of general iron-based materials, It is not limited to a valve device for hydraulic power steering for automobiles used at high temperatures and high pressures, but is useful as a sealing device for fluid pressure equipment in general and a sliding member for light metal materials.

また、本発明の摺動部材およびシール装置は、略矩形断面のシール装置に限らず、オイルシール等のリップ状断面のシール装置、また当接面のみをふっ素樹脂としたゴムリングと組み合わせたシール装置、さらには軽合金製を含む流体圧シリンダやその他の流体圧力装置類のシールリングや、軸受部材としても適用できる。本発明のシール装置は、回転用に限らず、往復運動、あるいは回転と往復が組み合わされた運動などにも適用できることは言うまでもない。   Further, the sliding member and the sealing device of the present invention are not limited to a sealing device having a substantially rectangular cross section, but a sealing device combined with a sealing device having a lip-shaped cross section such as an oil seal or a rubber ring having only a contact surface made of a fluororesin. The present invention can also be applied as a seal ring for a device, a fluid pressure cylinder including a light alloy or other fluid pressure devices, or a bearing member. Needless to say, the sealing device of the present invention can be applied not only to rotation but also to reciprocating motion or motion combining rotation and reciprocating motion.

本発明に係る摺動部材の主材料はふっ素樹脂である。ふっ素樹脂としては、テトラフルオロエチレンの単独重合体であるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)と、1質量%以下のふっ素含有コモノマとのテトラフルオロエチレン共重合体(変性PTFE)のいずれか一方、またはその両方を使用することができる。   The main material of the sliding member according to the present invention is a fluororesin. The fluororesin is either a tetrafluoroethylene copolymer (modified PTFE) of polytetrafluoroethylene (PTFE), which is a homopolymer of tetrafluoroethylene, and a fluorine-containing comonomer of 1% by mass or less, or its Both can be used.

変性PTFEの合成に用いられるふっ素含有コモノマは当然、テトラフルオロエチレンと共重合可能である。そのようなふっ素含有コモノマとしては、CFX=CF2なる一般式で示される化合物が挙げられる。ここで、Xは、好ましくは炭素数が6以下の、ふっ素含有アルキル基もしくはアルキルオキシ基であるか、またはふっ素以外のハロゲンである。このようなコモノマの例としては、炭素数3〜6のパーフルオロアルケン(例えば、ヘキサフルオロプロピレン)、炭素数1〜6のパーフルオロアルキル基を有するパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)[例えば、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)]ならびにクロロトリフルオロエチレンを挙げることができる。 The fluorine-containing comonomer used for the synthesis of the modified PTFE can naturally be copolymerized with tetrafluoroethylene. Examples of such a fluorine-containing comonomer include a compound represented by the general formula CFX═CF 2 . Here, X is preferably a fluorine-containing alkyl group or alkyloxy group having 6 or less carbon atoms, or a halogen other than fluorine. Examples of such comonomers include perfluoroalkenes having 3 to 6 carbon atoms (for example, hexafluoropropylene), perfluoro (alkyl vinyl ethers) having a perfluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms [for example, perfluoro ( Propyl vinyl ether)] and chlorotrifluoroethylene.

変性PTFEにおける上記コモノマの量は1質量%以下の少量である。そのため、変性PTFEは、PTFEの持つ基本的な性能をほぼ維持し、同様の熱的性質を有する。しかし、PTFEの分子構造から変性部分の分子構造が突き出すことにより、突出部が互いに引っかかりあうことによって、PTFEに比べて分子間の滑りが少なく、強度、弾性係数、および耐クリープ特性がよくなる。   The amount of the comonomer in the modified PTFE is a small amount of 1% by mass or less. Therefore, the modified PTFE substantially maintains the basic performance of PTFE and has similar thermal properties. However, when the molecular structure of the modified portion protrudes from the molecular structure of PTFE, the protrusions catch each other, so that there is less slip between molecules compared to PTFE, and the strength, elastic modulus, and creep resistance are improved.

コモノマの量が1質量%より多くなると、PTFEの持つ摺動性が著しく阻害されるとともに、融点以上の温度で流動性を帯びるため、後述する、PTFEと同様の圧縮成形した素材を融点以上に加熱焼成する、いわゆるフリーベーキング手法による素材の作製が困難となる。コモノマの量は好ましくは0.01〜0.5質量%である。このような変性PTFEは市販されている。市販品の1例は、三井・デュポンフロロケミカル社製のテフロン(登録商標)70Jである。   If the amount of comonomer exceeds 1% by mass, the slidability of PTFE is remarkably impaired and fluidity is obtained at a temperature higher than the melting point. Therefore, a compression-molded material similar to PTFE, which will be described later, exceeds the melting point. It becomes difficult to produce a material by a so-called free baking method that is heated and fired. The amount of comonomer is preferably 0.01 to 0.5% by weight. Such modified PTFE is commercially available. An example of a commercially available product is Teflon (registered trademark) 70J manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemicals.

PTFE及び変性PTFEはいずれも、型を用いて原料粉末を圧縮成形した後、330〜390℃程度に加熱して焼成する、いわゆるフリーベーキングを行った後に冷却して得られた成形体を素材として、切削加工などにより各種製品に加工される。PTFEおよび変性PTFEは、樹脂自体は熱可塑性であるが、上記温度に加熱しても流動性を持つ溶融体とはならないため、射出成形のような熱可塑性樹脂用の通常の成形法は適用できない。   Both PTFE and modified PTFE are formed by compression molding the raw material powder using a mold, and then heating and baking at about 330 to 390 ° C., so-called free baking and then cooling the molded body. It is processed into various products by cutting. In PTFE and modified PTFE, the resin itself is thermoplastic, but since it does not become a melt having fluidity even when heated to the above temperature, ordinary molding methods for thermoplastic resins such as injection molding cannot be applied. .

本発明でふっ素樹脂として使用するPTFEおよび/または変性PTFEの粉末は、配合する充填材との均一混合性の点から、平均粒径が100μm以下、好ましくは5〜100μm、より好ましくは10〜50μmのものがよい。樹脂粉末は、懸濁重合または乳化重合を採用することにより直接粉末状に合成したものでも、あるいは塊状重合物を粉砕したものであってもよい。   The PTFE and / or modified PTFE powder used as the fluororesin in the present invention has an average particle size of 100 μm or less, preferably 5 to 100 μm, more preferably 10 to 50 μm, from the viewpoint of uniform mixing with the filler to be blended. Good thing. The resin powder may be synthesized directly in powder form by employing suspension polymerization or emulsion polymerization, or may be obtained by pulverizing a bulk polymer.

炭素繊維は、ふっ素樹脂の耐摩耗性や圧縮クリープ特性の改良のために従来からふっ素樹脂系の摺動部材に配合されている。本発明では、ピッチ系とPAN系のいずれの炭素繊維も使用できる。焼成温度を2000℃以上に高めて少なくとも部分的に黒鉛化させた繊維より、1000℃程度で焼成された炭化繊維の方が、摺動相手材の摩耗が軽減されるので好ましい。   Carbon fiber has been conventionally blended in fluororesin-based sliding members in order to improve the wear resistance and compression creep characteristics of the fluororesin. In the present invention, both pitch-based and PAN-based carbon fibers can be used. Carbonized fibers fired at about 1000 ° C. are preferable to fibers that are at least partially graphitized by raising the firing temperature to 2000 ° C. or more because wear of the sliding counterpart material is reduced.

炭素繊維は径や長さが異なるが種々のものが市販されているが、平均径5〜15μm、平均長さ50〜1000μmのものが好ましく、平均径8〜12μm、平均長さ100〜500μmのものがより好ましい。   Although carbon fibers have different diameters and lengths, various types are commercially available, but those having an average diameter of 5 to 15 μm and an average length of 50 to 1000 μm are preferable, with an average diameter of 8 to 12 μm and an average length of 100 to 500 μm. More preferred.

本発明では、金属粉として、従来のブロンズ粉や銅粉ではなく、真鍮で代表される銅−亜鉛系合金の粉末を使用する。真鍮は、銅と亜鉛を主成分とし、亜鉛含有量が10〜40質量%の合金である。銅と亜鉛以外に、微量の鉄および鉛を含むことがある。一般には亜鉛含有量30〜40質量%の銅−亜鉛合金が、黄銅と呼ばれて広く使用されている。本発明では、例えば、亜鉛含有量が30質量%前後のものを有利に使用できる。   In the present invention, as a metal powder, a copper-zinc alloy powder represented by brass is used instead of a conventional bronze powder or copper powder. Brass is an alloy having copper and zinc as main components and a zinc content of 10 to 40% by mass. In addition to copper and zinc, trace amounts of iron and lead may be included. In general, a copper-zinc alloy having a zinc content of 30 to 40% by mass is called brass and is widely used. In the present invention, for example, a zinc content of around 30% by mass can be advantageously used.

また、質量%でNi:9〜19%、Cu:54〜75%、残部:亜鉛からなる洋銀と呼ばれる銅−亜鉛系合金の粉末を、真鍮粉末の代わりに、あるいは真鍮粉末と一緒に使用することもできる。   Further, a copper-zinc alloy powder called Western silver made of Ni: 9 to 19%, Cu: 54 to 75% in mass%, and zinc: used instead of brass powder or together with brass powder. You can also

真鍮その他の銅−亜鉛合金は粉末状で使用される。粉末は、アトマイズ法などにより形成された粉末の他、急冷ロール法などで形成された箔片状の粉末、あるいは粉砕により形成された粉末を使用できる。組成物中での均一分散性の点からは、ガスアトマイズ法で得られた実質的に球形の粉末が有利であるが、それ以外の粉末も使用できる。粉末は、タイラー篩で250メッシュパス、500メッシュオンに篩分けしたものを使用することが好ましい。   Brass and other copper-zinc alloys are used in powder form. As the powder, in addition to a powder formed by an atomizing method or the like, a foil piece powder formed by a quenching roll method or a powder formed by pulverization can be used. From the viewpoint of uniform dispersibility in the composition, a substantially spherical powder obtained by the gas atomization method is advantageous, but other powders can also be used. It is preferable to use powder that has been sieved to 250 mesh pass and 500 mesh on with a Tyler sieve.

三次元酸化亜鉛ウィスカは、前述したように、テトラポット状に正四面体の中心から各頂点に針状結晶が伸びた特異な立体形状を有する針状酸化亜鉛結晶である。三次元酸化亜鉛ウィスカは、特許文献6に記載されているように、例えば、表面に酸化膜が形成された金属亜鉛粉末を、酸素を含む雰囲気下で加熱処理することにより製造することができる。中心から四方に伸びた各針状部分の長さは好ましくは3〜200μmであり、先細の針状部分の径は、基部(中心部位置)で好ましくは0.1〜10μmである。   As described above, the three-dimensional zinc oxide whisker is a needle-like zinc oxide crystal having a unique three-dimensional shape in which a needle-like crystal extends from the center of a regular tetrahedron to each vertex in a tetrapot shape. As described in Patent Document 6, for example, the three-dimensional zinc oxide whisker can be manufactured by heat-treating metal zinc powder having an oxide film formed on the surface in an atmosphere containing oxygen. The length of each acicular portion extending in the four directions from the center is preferably 3 to 200 μm, and the diameter of the tapered acicular portion is preferably 0.1 to 10 μm at the base (center position).

三次元酸化亜鉛ウィスカは、PTFEのクリープ特性、耐摩耗性などを改善し、炭素繊維と併用した場合には摩擦特性を改善するなど、固体潤滑剤的な作用を発揮し、さらに表面平滑性にも寄与するため、炭素繊維や銅−亜鉛系合金粉末の相手ハウジング材への攻撃性を緩和する効果を有する。また、三次元酸化亜鉛ウィスカは、樹脂組成物の作製時や成形時の混合操作などで針状部分が破損しても、最終的な成形体の潤滑性、耐摩耗性、耐圧縮クリープ性等の物性への影響がほとんどないという特徴を有する。   Three-dimensional zinc oxide whisker improves the creep properties and wear resistance of PTFE, and when used in combination with carbon fiber, it exhibits the effect of a solid lubricant, and further improves surface smoothness. Contributes to the mitigation of the aggressiveness of carbon fiber or copper-zinc alloy powder to the mating housing material. In addition, 3D zinc oxide whiskers can be used for final molded body lubrication, wear resistance, compression creep resistance, etc. It has the feature that there is almost no influence on the physical properties of

三次元酸化亜鉛ウィスカは、その表面がシラン系、クロム、或いはチタン系カップリング剤によって処理されていてもよい。特にシラン系カップリング剤で表面処理された三次元酸化亜鉛ウィスカは、ふっ素樹脂中の分散性が向上するので好ましい。そのように表面処理された三次元酸化亜鉛ウィスカの市販品の例として、株式会社アムテック社製のパナテトラ(登録商標)が挙げられる。   The surface of the three-dimensional zinc oxide whisker may be treated with a silane-based, chromium, or titanium-based coupling agent. In particular, a three-dimensional zinc oxide whisker surface-treated with a silane coupling agent is preferable because dispersibility in a fluororesin is improved. As an example of a commercial product of the surface-treated three-dimensional zinc oxide whisker, Panatetra (registered trademark) manufactured by Amtec Corporation can be given.

本発明では、上記各成分を、質量%で、ふっ素樹脂(PTFEおよび/または変性PTFE)50〜85%、炭素繊維5〜10%、銅−亜鉛系合金粉末5〜20%、三次元酸化亜鉛ウィスカ5〜20%の割合で配合する。   In the present invention, each of the above components is, in mass%, fluorine resin (PTFE and / or modified PTFE) 50 to 85%, carbon fiber 5 to 10%, copper-zinc alloy powder 5 to 20%, three-dimensional zinc oxide. It mix | blends in the ratio of 5-20% of whisker.

炭素繊維が5質量%未満では、耐摩耗性が期待できず、10質量%を超えるとアルミニウム合金などの軟質な相手材への攻撃性(相手材の摩耗)が強くなる。真鍮などの銅−亜鉛系合金粉末の量が5質量%未満では、耐圧性、耐はみ出し損傷性が期待できず、20質量%を超えると、相手材の摩耗が大きくなってしまう。三次元酸化亜鉛ウィスカは、5質量%未満では潤滑効果が期待できず、20質量%を超えるとシール装置の摩耗が多くなり、他の充填材とのバランスが悪くなるため、伸びの低下が見られる。   If the carbon fiber content is less than 5% by mass, wear resistance cannot be expected. If the carbon fiber content exceeds 10% by mass, the aggressiveness to a soft mating material such as an aluminum alloy (abrasion of the mating material) increases. If the amount of the copper-zinc alloy powder such as brass is less than 5% by mass, pressure resistance and protrusion damage resistance cannot be expected, and if it exceeds 20% by mass, the wear of the mating material increases. If the three-dimensional zinc oxide whisker is less than 5% by mass, the lubrication effect cannot be expected, and if it exceeds 20% by mass, the wear of the sealing device increases and the balance with other fillers deteriorates. It is done.

好ましい配合割合は、質量%で、ふっ素樹脂85〜50質量%、炭素繊維6〜10%、銅−亜鉛系合金粉末5〜20%、三次元酸化亜鉛ウィスカ5〜20%である。また、三次元酸化亜鉛ウィスカは、その比重が約5.8と高いこともあり、炭素繊維や真鍮などの銅−亜鉛系合金粉末の相手材への攻撃を緩和する固体潤滑剤としての効果を十分に発揮させるには、他の充填材とのバランスから、三次元酸化亜鉛ウィスカの配合量を、炭素繊維と同量以上で、かつ炭素繊維と銅−亜鉛系合金粉末の合計量以内とすることが好ましい。   A preferable blending ratio is, by mass%, 85 to 50% by mass of a fluorine resin, 6 to 10% of carbon fibers, 5 to 20% of a copper-zinc alloy powder, and 5 to 20% of a three-dimensional zinc oxide whisker. In addition, the three-dimensional zinc oxide whisker has a high specific gravity of about 5.8, and is effective as a solid lubricant that mitigates the attack of the copper-zinc alloy powder such as carbon fiber and brass against the counterpart material. In order to make full use, from the balance with other fillers, the blending amount of the three-dimensional zinc oxide whisker is equal to or more than the carbon fiber and within the total amount of the carbon fiber and the copper-zinc alloy powder. It is preferable.

本発明では、前述した各充填材をバランスよく配合し、真鍮等の銅−亜鉛系合金粉末による圧縮強度・熱伝導性、炭素繊維による耐摩耗性・耐クリープ性、三次元酸化亜鉛ウィスカによる耐クリープ特性・熱伝導性・摩擦特性・潤滑効果などの特性が相互補完する形で、効果を発揮し、摺動部材、特にシール装置の高温・高圧下での耐久性を著しく高め、その実用を可能にしたものである。   In the present invention, the above-mentioned fillers are blended in a well-balanced manner, compressive strength / thermal conductivity by copper-zinc alloy powder such as brass, wear resistance / creep resistance by carbon fiber, and resistance by three-dimensional zinc oxide whisker. Creep characteristics, thermal conductivity, friction characteristics, lubrication effects, etc. complement each other, and the effect is demonstrated. The durability of sliding members, especially sealing devices, at high temperatures and high pressures is significantly improved, and their practical use is improved. It is possible.

粉末状のふっ素樹脂に各充填材を添加した後、ヘンシェルミキサーのような適当な混合器で均一に混合して、充填材入りふっ素樹脂材料組成物と呼べる粉末混合物を得る。この粉末混合物には、本発明の目的から逸脱しない範囲内で、固体潤滑剤、酸化安定剤、耐熱安定剤、耐候安定剤、難燃剤、顔料などの1種または2種以上の各種添加剤を含有していてもよい。   After each filler is added to the powdered fluororesin, it is uniformly mixed with a suitable mixer such as a Henschel mixer to obtain a powder mixture that can be called a filled fluororesin material composition. In the powder mixture, one or two or more kinds of additives such as a solid lubricant, an oxidation stabilizer, a heat stabilizer, a weather stabilizer, a flame retardant, and a pigment are added without departing from the object of the present invention. You may contain.

また、この粉末混合物の流動性を良くして、金型への充填性などの取扱い性を向上させるため、従来からふっ素樹脂で行われている造粒法により、ふっ素樹脂を平均粒径250〜800μmの造粒粉末としてもよもい。   Further, in order to improve the fluidity of this powder mixture and improve the handleability such as filling into the mold, the fluororesin has an average particle size of 250 to 250 by a granulation method conventionally performed with a fluororesin. It is also good as a granulated powder of 800 μm.

粉末混合物の成形は、従来のふっ素樹脂の成形と同様に、圧縮成形法や押出成形法により行うことができる。例えば、圧縮成形法により予備成形し、得られた予備成形体をふっ素樹脂の融点以上の温度(通常は330〜390℃)に加熱して焼成することにより、一次成形体を得る。冷却後、この一次成形体を加工素材として、切削加工などにより、所望の摺動部材またはシール装置の形状に加工する。   The powder mixture can be molded by a compression molding method or an extrusion molding method, similarly to the conventional molding of a fluororesin. For example, a primary molded body is obtained by preforming by compression molding and heating the resulting preform to a temperature not lower than the melting point of the fluororesin (usually 330 to 390 ° C.) and firing. After cooling, the primary molded body is processed into a desired sliding member or seal device shape by cutting or the like using the primary molded body as a processing material.

実施例においては、下記の材料を使用した。
PTFE:三井・デュポンフロロケミカル社製テフロン(登録商標)7−J(平均粒径35μm),
変性PTFE:同社製テフロン(登録商標)70−J(平均粒径35μm),
炭素繊維:呉羽化学工業社製タイプM−101S(平均繊維直径14.5μm、平均長さ120μm)、
グラファイト:オリエンタル産業社製合成黒鉛粉末(平均粒径18μm)、
真鍮粉:福田金属箔工業社製Bra−At−100(Cu70−Zn30)、
ブロンズ粉:同社製Bro−At−100(Cu90−Sn10)、
酸化亜鉛ウィスカ:株式会社アムテック社製のシランカップリング剤表面処理型三次元酸化亜鉛ウィスカ:パナテトラ(登録商標)(針状基部の径:0.2〜3μm、針状部の長さ:2〜50μm)。
In the examples, the following materials were used.
PTFE: Teflon (registered trademark) 7-J (average particle size: 35 μm) manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemical Co., Ltd.
Modified PTFE: Teflon (registered trademark) 70-J (average particle size 35 μm) manufactured by the same company,
Carbon fiber: Type M-101S (average fiber diameter 14.5 μm, average length 120 μm) manufactured by Kureha Chemical Industry Co., Ltd.
Graphite: Synthetic graphite powder (average particle size 18 μm) manufactured by Oriental Sangyo Co., Ltd.
Brass powder: Bra-At-100 (Cu70-Zn30) manufactured by Fukuda Metal Foil Industry Co., Ltd.
Bronze powder: Bro-At-100 (Cu90-Sn10) manufactured by the same company,
Zinc oxide whisker: Silane coupling agent surface treatment type three-dimensional zinc oxide whisker manufactured by Amtec Co., Ltd .: Panatetra (registered trademark) (needle base diameter: 0.2 to 3 μm, needle part length: 2 50 μm).

上記から選んだ材料を表1に示す割合で配合し、ヘンシェルミキサにより均一に混合して、充填材入りふっ素樹脂組成物を得た。これを70MPaの加圧下で圧縮成形し、得られた予備成形体を370℃で2時間焼成し、外形45mm、内径30mm、高さ60mmのスリーブ状の成形体を得た。   The materials selected from the above were blended in the proportions shown in Table 1, and mixed uniformly with a Henschel mixer to obtain a filled fluororesin composition. This was compression molded under a pressure of 70 MPa, and the obtained preform was fired at 370 ° C. for 2 hours to obtain a sleeve-like molded body having an outer diameter of 45 mm, an inner diameter of 30 mm, and a height of 60 mm.

この成形体を加工素材として、切削加工により、図1(A)に示す略矩形断面形状のリング状本体12を得た。このシールリング12の寸法は、外径36.0mm、内径33.0mm、幅1.8mmである。図1(B)のシールリング15は、角部の面取り(R面取り又はC面取り)を設けないシールリングであると共に、シールリング12の面取り前の断面形状でもある。   A ring-shaped main body 12 having a substantially rectangular cross-sectional shape shown in FIG. The seal ring 12 has an outer diameter of 36.0 mm, an inner diameter of 33.0 mm, and a width of 1.8 mm. The seal ring 15 in FIG. 1B is a seal ring that does not have a chamfered corner (R chamfering or C chamfering), and has a cross-sectional shape before chamfering the seal ring 12.

こうして得られたシールリング12を、図2に示す、回転体22とシリンダ24とから構成された、パワーステアリング装置のバルブ装置を模した油圧作動試験装置20の回転体22の外周面に設けられた環状溝26に装着して、20万回の回転摺動試験を行った。シールリングの摺動相手であるシリンダ24の材質は、JISH5302アルミニウム合金ダイカストADC−5であった。装置外周の片側のAポートからシリンダ内に油温135℃、12.7MPaの圧力を加え、試験装置の温度を維持するため、試験装置の外周にバンドヒータを取付け、シリンダ部に埋設したセンサによりシリンダ内の温度を保持した。回転速度は60min-1であった。 The seal ring 12 obtained in this way is provided on the outer peripheral surface of the rotary body 22 of the hydraulic operation test apparatus 20 which is composed of the rotary body 22 and the cylinder 24 shown in FIG. The sample was mounted in the annular groove 26 and subjected to 200,000 rotation sliding tests. The material of the cylinder 24 that is the sliding partner of the seal ring was JISH5302 aluminum alloy die-cast ADC-5. To maintain the temperature of the test equipment by applying oil temperature of 135 ° C and pressure of 12.7 MPa from the A port on one side of the equipment circumference, a band heater is attached to the outer circumference of the test equipment, and a sensor embedded in the cylinder section is used. The temperature in the cylinder was maintained. The rotation speed was 60 min −1 .

充填材入りふっ素樹脂系材料の摩擦・摩耗特性は、一般にはドライ状態で評価されるため、ふっ素樹脂材料の相手面への転着によるPTFE−PTFE相対運動面による摩擦効果が得られる。しかし、油圧機器などの流体圧機器のシール装置においては、油などの流体によりPTFE転着皮膜が形成され難いため、本試験のように、実使用に近い運動条件下で試験を行わないと、シール性能を正しく評価できないと考えられる。   Since the friction / wear characteristics of the fluororesin-based material with filler are generally evaluated in a dry state, a friction effect is obtained by the relative motion surface of PTFE-PTFE by transfer of the fluororesin material to the mating surface. However, in a sealing device of a fluid pressure device such as a hydraulic device, a PTFE transfer film is difficult to be formed by a fluid such as oil. It is considered that the seal performance cannot be evaluated correctly.

この試験において、Aポートから加圧したパワーステアリング用の作動油は、リング状のシールリング12により密封(シール)されるが、回転回数が進むに従い、シールリング12は、それ自身の摩耗およびシリンダ24と回転体22との隙間34へのはみ出し(図3参照)とはみ出し部のむしれ(はみ出し損傷)を繰り返すことによる厚さの減少と、相手軽合金製シリンダ24の摩耗などにより密封性が低下し、シール装置10から隣接するBポート、Cポートに作動油が漏れる。その漏れた作動油を容器に集める。   In this test, the hydraulic oil for power steering pressurized from the A port is sealed (sealed) by the ring-shaped seal ring 12, but as the number of rotations increases, the seal ring 12 is subject to its own wear and cylinder. The thickness is reduced by repeated protrusion (see FIG. 3) of the gap 24 between the rotor 24 and the rotating body 22 (see FIG. 3) and peeling (protrusion damage) of the protruding portion, and wear due to the light alloy cylinder 24 and the like. The hydraulic oil leaks from the sealing device 10 to the adjacent B and C ports. Collect the leaked hydraulic fluid in a container.

一定期間ごとにB、Cポートからの漏れ量を測定し、目標回数の20万回より前に漏れ量が100ml/minを超えた場合は、使用限界としてその時点で試験を中断し、その時の回転回数を耐久回数とし、その時までの漏れ量を測定した。20万回の耐久回数を達成したものについては、その時点での漏れ量を測定した。また、試験を中断したものと、20万回を達成したもののいずれも、試験終了後のシールリング12の厚さ寸法と相手軽合金製のシリンダ24のシールリングとの摺動部位の摩耗量を測定した。シールリング12の摩耗量およびはみ出し損傷はシールリングの厚さ寸法の変化(%)で評価した。   Measure the amount of leakage from the B and C ports at regular intervals. If the amount of leakage exceeds 100 ml / min before the target number of 200,000, the test is interrupted at that point as the use limit. The number of rotations was regarded as the durability number, and the amount of leakage until that time was measured. About what achieved 200,000 endurance times, the leak amount at that time was measured. In addition, both the one where the test was interrupted and the one where 200,000 times were achieved showed the wear amount of the sliding portion between the thickness dimension of the seal ring 12 and the seal ring of the counterpart light alloy cylinder 24 after the test was completed. It was measured. The amount of wear and protrusion damage of the seal ring 12 was evaluated by the change (%) in the thickness dimension of the seal ring.

以下に示す、実施例、比較例及び従来例の配合の充填材入りふっ素樹脂から成形したシール装置について、同じ試験装置および条件で比較評価を行った。それらの比較評価も表1に併記した。以下の配合において、%はすべて質量%である。   About the sealing apparatus shape | molded from the fluorine resin with a filler of the mixing | blending of an Example shown in the following, an Example, a comparative example, and a prior art example, comparative evaluation was performed on the same test apparatus and conditions. These comparative evaluations are also shown in Table 1. In the following formulations, all percentages are% by mass.

(実施例1〜7)
実施例1〜3ではPTFEを、実施例4〜6では変性PTFEを使用し、下記配合組成の充填材入りふっ素樹脂組成物からシール装置を作製した。
(Examples 1-7)
In Examples 1 to 3, PTFE was used, and in Examples 4 to 6, modified PTFE was used, and a sealing device was produced from a filled fluororesin composition having the following composition.

実施例1:PTFE60%に、炭素繊維10%と真鍮粉末15%と酸化亜鉛ウィスカ15%とを配合した組成物;
実施例2:PTFE55%に、炭素繊維10%と真鍮粉末20%と酸化亜鉛ウィスカ15%とを配合した組成物;
実施例3:PTFE50%に、炭素繊維10%と真鍮粉末20%と酸化亜鉛ウィスカ20%とを配合した組成物;
実施例4:変性PTFE80%に、炭素繊維5%と真鍮粉末5%と酸化亜鉛ウィスカ10%とを配合した組成物;
実施例5:変性PTFE75%に、炭素繊維5%と真鍮粉末10%と酸化亜鉛ウィスカ10%とを配合した組成物;
実施例6:変性PTFE70%に、炭素繊維10%と真鍮粉末10%と酸化亜鉛ウィスカ10%とを配合した組成物;
実施例7:変性PTFE65%に、炭素繊維10%と真鍮粉末15%と酸化亜鉛ウィスカ10%とを配合した組成物。
Example 1: A composition comprising 60% PTFE and 10% carbon fiber, 15% brass powder and 15% zinc oxide whisker;
Example 2: A composition containing PTFE 55%, carbon fiber 10%, brass powder 20%, and zinc oxide whisker 15%;
Example 3: A composition containing 10% carbon fiber, 20% brass powder and 20% zinc oxide whisker in 50% PTFE;
Example 4: Composition obtained by blending 80% modified PTFE with 5% carbon fiber, 5% brass powder, and 10% zinc oxide whisker;
Example 5: A composition comprising 75% modified PTFE and 5% carbon fiber, 10% brass powder and 10% zinc oxide whisker;
Example 6: A composition in which 10% carbon fiber, 10% brass powder and 10% zinc oxide whisker are blended with 70% modified PTFE;
Example 7: A composition obtained by blending 10% carbon fiber, 15% brass powder and 10% zinc oxide whisker with 65% modified PTFE.

(比較例1〜6)
比較例1:変性PTFE50%に、炭素繊維10%と真鍮粉末30%と酸化亜鉛ウィスカ10%とを配合した、真鍮粉を多く含む組成物;
比較例2:PTFE55%に、炭素繊維10%と真鍮粉末10%と酸化亜鉛ウィスカ25%とを配合した、酸化亜鉛ウィスカを多く含む組成物。
(Comparative Examples 1-6)
Comparative Example 1: A composition containing a large amount of brass powder in which 50% of modified PTFE is blended with 10% carbon fiber, 30% brass powder and 10% zinc oxide whisker;
Comparative Example 2: A composition containing a large amount of zinc oxide whisker in which PTFE 55% is blended with carbon fiber 10%, brass powder 10%, and zinc oxide whisker 25%.

比較例3:PTFE65%に、炭素繊維15%と真鍮粉末10%と酸化亜鉛ウィスカ10とを配合した、炭素繊維を多く含む組成物。
比較例4:変性PTFE75%に、炭素繊維5%とグラファイト10%と真鍮粉末10%とを配合した、従来からの組成物に真鍮粉末を加えた組成物。
Comparative Example 3: A composition containing a large amount of carbon fiber in which PTFE 65% is blended with 15% carbon fiber, 10% brass powder, and zinc oxide whisker 10.
Comparative Example 4: A composition in which brass powder is added to a conventional composition in which 5% carbon fiber, 10% graphite, and 10% brass powder are blended with 75% modified PTFE.

比較例5:変性PTFE75%に、炭素繊維5%とグラファイト10%とブロンズ粉末10%とを配合した、従来からの組成物にブロンズ粉末を加えた組成物。
比較例6:変性PTFE75%に、炭素繊維5%とグラファイト10%と亜鉛粉末10%とを配合した、従来からの組成物に亜鉛粉末を加えた組成物。
Comparative Example 5: A composition obtained by adding bronze powder to a conventional composition in which 5% carbon fiber, 10% graphite, and 10% bronze powder were blended with 75% modified PTFE.
Comparative Example 6: A composition in which zinc powder is added to a conventional composition in which 5% carbon fiber, 10% graphite, and 10% zinc powder are blended with 75% modified PTFE.

(従来例)
従来例1:変性PTFE85%に炭素繊維5%とグラファイト10%とを配合した、特許文献2に提案された組成物;。
従来例2:変性PTFE60%に炭素繊維10%とブロンズ粉末30%とを配合した、特許文献3に提案された組成物。
(Conventional example)
Conventional Example 1: A composition proposed in Patent Document 2 in which 85% modified PTFE is blended with 5% carbon fiber and 10% graphite.
Conventional Example 2: A composition proposed in Patent Document 3 in which 60% modified PTFE is blended with 10% carbon fiber and 30% bronze powder.

従来例3:PTFE60%に炭素繊維10%と酸化亜鉛ウィスカ15%とブロンズ粉末15%とを配合した、特許文献6に提案された組成物。   Conventional Example 3: A composition proposed in Patent Document 6 in which 60% PTFE is mixed with 10% carbon fiber, 15% zinc oxide whisker and 15% bronze powder.

Figure 0005018303
Figure 0005018303

表1からわかるように、本発明に係る充填材入りふっ素樹脂組成物から作製されたシール装置は、すべて20万回の回転摺動が可能で、試験終了後のシールリングの厚さ変化が45%以下とシール装置の摩耗、はみ出し損傷が少なく、かつシリンダ摩耗量が40μm以下と、シリンダに対する攻撃性も低い。そのため、20万回の回転摺動後の漏れ量も100cc/min以下と良好で、135℃×約13MPaという高温・高圧の流体圧条件下でも耐久性に非常に優れていた。   As can be seen from Table 1, all of the sealing devices produced from the filled fluororesin composition according to the present invention can be rotated and rotated 200,000 times, and the seal ring has a thickness change of 45 after the test. % Or less, the wear of the sealing device and the protrusion damage are small, and the cylinder wear amount is 40 μm or less, and the attacking property to the cylinder is low. Therefore, the amount of leakage after 200,000 rotations / sliding was as good as 100 cc / min or less, and the durability was very excellent even under high-temperature and high-pressure fluid pressure conditions of 135 ° C. × about 13 MPa.

一方、従来例や比較例に示す充填材入りふっ素樹脂組成物は、いずれも20万回の目標回数に達する前に漏れ量が100cc/min以上となり、高温・高圧の流体圧条件下では耐久性が不十分であった。   On the other hand, each of the filled fluororesin compositions shown in the conventional examples and comparative examples has a leak rate of 100 cc / min or more before reaching the target number of 200,000 times, and is durable under high-temperature and high-pressure fluid pressure conditions. Was insufficient.

図1(A)および(B)は、本発明に係るシール装置を構成するシールリングの断面図である。1A and 1B are cross-sectional views of a seal ring constituting a seal device according to the present invention. 本発明の実施例における回転摺動試験で用いた装置の説明図である。It is explanatory drawing of the apparatus used by the rotation sliding test in the Example of this invention. はみ出し損傷の状況を示す模式的説明図である。It is a typical explanatory view showing the situation of overhang damage.

符号の説明Explanation of symbols

10:シール装置、12,15:シールリング、20:バルブ装置、22:回転体、24:シリンダ、26:環状溝、32:ピストン、34:隙間、36:はみ出し状態、A:加圧ポート、B、C:漏れ確認ポート 10: sealing device, 12, 15: sealing ring, 20: valve device, 22: rotating body, 24: cylinder, 26: annular groove, 32: piston, 34: gap, 36: protruding state, A: pressure port, B, C: Leak check port

Claims (3)

ポリテトラフルオロエチレンおよび1質量%以下のふっ素含有コモノマとのテトラフルオロエチレン共重合体から選ばれた少なくとも1種のふっ素樹脂50〜85質量%、炭素繊維5〜10質量%、銅−亜鉛系合金粉末5〜20質量%、ならびに三次元針状結晶構造を持つ酸化亜鉛ウィスカ5〜20質量%からなる組成物の成形体から製作された摺動部材。   50 to 85% by mass of at least one fluorine resin selected from a tetrafluoroethylene copolymer with polytetrafluoroethylene and 1% by mass or less of a fluorine-containing comonomer, 5 to 10% by mass of carbon fiber, and a copper-zinc alloy A sliding member produced from a molded body of a composition comprising 5 to 20% by mass of powder and 5 to 20% by mass of zinc oxide whisker having a three-dimensional acicular crystal structure. 流体圧機器における相対的に往復運動および/または回転運動する部材間の流体圧力をシールするためのシール装置であって、請求項1記載の摺動部材から構成されたことを特徴とするシール装置。   A sealing device for sealing a fluid pressure between members that reciprocate and / or rotate relatively in a fluid pressure device, comprising the sliding member according to claim 1. . 前記流体圧機器が自動車用パワーステアリングのバルブ装置である、請求項2記載のシール装置。   The sealing device according to claim 2, wherein the fluid pressure device is a valve device of an automotive power steering.
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