JP6300843B2 - 摺動部材 - Google Patents

Description

本発明は、摺動部材に関するものであり、詳細には、裏金層と、合成樹脂および黒鉛からなる摺動層とを備えた摺動部材に係るものである。

合成樹脂に固体潤滑剤として鱗片状の黒鉛を添加した樹脂組成物を有する摺動部材が、従来より用いられている（特許文献１）。天然黒鉛は、一般的に、その性状によって、鱗片状黒鉛、鱗状黒鉛、土壌黒鉛に分けられる。黒鉛化度は、鱗状黒鉛が１００％と最も高く、次いで鱗片状黒鉛の９９．９％であり、土壌黒鉛は２８％と低い。従来、摺動部材用の固体潤滑剤としての黒鉛は、黒鉛化度が高い鱗状黒鉛または鱗片状黒鉛の天然黒鉛を機械的に粉砕した鱗片状粒子が用いられてきた。

この鱗片形状の黒鉛は、炭素原子が規則正しく網目構造を形成して平面状に広がるＡＢ面（六角網面平面、ベーサル面）が多数積層し、ＡＢ面に垂直なＣ軸方向に厚みを有する結晶である。積層したＡＢ面相互間のファンデルワールス力による結合力がＡＢ面の面内方向の結合力に比べてはるかに小さいため、ＡＢ面間でせん断が起きやすい。そのため、この黒鉛は、ＡＢ面の広がりに対して積層の厚みが薄いため、全体としては薄板状を呈している。なお、鱗片状黒鉛粒子は、外力を受けた場合にＡＢ面間のせん断が起こることにより固体潤滑剤として機能すると考えられている。

近年、鱗片状黒鉛粒子を含有する樹脂組成物を用いた摺動部材では、鱗片状黒鉛粒子の形状が薄板状であり脆いことに起因して、摺動面となる樹脂組成物の表面を機械加工した際に鱗片状黒鉛粒子が割れて脱落してしまい、摺動層の表面の粗さが悪くなり、その結果として耐焼付性が悪くなるという問題が生じている。この問題を解決するため、合成樹脂に球状化天然黒鉛粒子を含有させ、機械加工後の表面粗さを小さくできるとする摺動材料が、たとえば特許文献２に提案されている。
ここで、球状化黒鉛粒子は、天然の鱗片状黒鉛粒子を原材料とし、鱗片状黒鉛粒子に小さな負荷を繰り返し加えて、折り曲げることにより球状に造粒したものである。（特許文献３、特許文献４）

特開２００５-８９５１４号公報 国際公開第２０１２０７４１０７号 国際公開第２０１２／１３７７７０号 特開２００８−２４５８８号公報

空調装置は長期間にわたって使用されないことがよくある。その場合には、空調装置に用いられる圧縮機も、長期間にわたって作動されない。このような圧縮機の長期停止後の始動時には、圧縮機の軸受部の摺動部材の摺動面と軸表面との間には油がなく、また、始動を開始してからしばらくの間は軸受部への油の供給が不十分であるため、摺動部材の摺動面と相手軸表面が直接、接触する摺動が起こる。
特許文献２のような天然黒鉛を球状化した黒鉛粒子を合成樹脂に含有させた樹脂組成物を用いた摺動部材は、空調装置の圧縮機等のように装置の始動時に油の供給が不十分になる軸受部に用いられると、相手軸の表面に傷がつき、摩耗が起きやすいという問題がある。
さらに、特許文献２の摺動部材は、空調装置の圧縮機等のように変動荷重を支承する軸受部に用いると、摺動時に摺動面に露出する黒鉛粒子に割れが生じて摺動面からの脱落がおこり摺動性能の低下が起こることが判明した。

したがって、本発明の目的は、従来技術の上記欠点を克服して、通常の使用時のみならず、摺動開始直後の油の供給が不十分な状況でも相手軸の表面に傷が発生し難い摺動部材を提供することである。

本発明の一観点によれば、裏金層と、この裏金層上に設けられた摺動層とを備える摺動部材が提供され、この摺動層は、合成樹脂と、この合成樹脂に分散された黒鉛粒子とからなり、この黒鉛粒子は、摺動層の５〜５０体積％を占める。黒鉛粒子は、長球状黒鉛粒子と、薄板形状の鱗片状黒鉛粒子とからなり、黒鉛粒子の全体積に対する鱗片状黒鉛粒子の体積の割合は１０〜４０％である。長球状黒鉛粒子の断面組織は、黒鉛結晶のＡＢ面が粒子表面から中心方向に向けて粒子表面の丸みに沿って曲線状に複数積層している。鱗片状黒鉛粒子の断面組織は、黒鉛結晶のＡＢ面が薄板形状の厚さ方向（黒鉛結晶のＡＢ面に対して垂直方向であるＣ軸方向）に複数積層している。長球状黒鉛粒子の平均粒径は３〜５０μｍであり、鱗片状黒鉛粒子の平均粒径は１〜２５μｍである。

本発明の摺動部材は、摺動面と相手軸の表面との間の隙間への油の供給が十分な通常の使用状況（すなわち軸受装置の常用運転時）では、主に、長球状黒鉛粒子が潤滑成分として作用する。
摺動層中に分散する長球状黒鉛粒子の断面（内部）組織は、黒鉛結晶のＡＢ面（六角網面平面）が粒子表面から中心方向に向けて粒子表面の丸みに沿って曲線状に複数積層しているために、摺動層の摺動面に露出する長球状黒鉛粒子の表面は、黒鉛結晶のＡＢ面で構成されることとなる。
上記の通り、黒鉛結晶は、ＡＢ面が多数積層し、ＡＢ面に垂直方向であるＣ軸方向に厚みを有する結晶であり、積層したＡＢ面相互間の結合力（ファンデルワールス力）は、ＡＢ面の面内方向の結合力に比べてはるかに小さいため、ＡＢ面間でせん断が起きやすい。摺動面に黒鉛結晶のＡＢ面からなる面が露出した場合、摺動面では相手軸に対してＡＢ面が接触するので、相手軸から負荷が小さい場合でも、ＡＢ面間でせん断が容易に起こり、その結果、摺動面と相手軸表面との摩擦力が小さくなり、摺動層の摩耗量が少なくなる。

また、本発明の摺動部材は、装置の始動直後の摺動面と相手軸表面との間の隙間への油の供給が不十分な状況では、主に、鱗片状黒鉛粒子の作用により、相手軸の表面に傷が発生することが防がれる。

装置の始動直後の油の供給が不十分な状況での相手軸との摺動により、摺動面に露出する鱗片状黒鉛粒子は、摺動面から摩耗し脱落するが、鱗片状黒鉛粒子は、厚みが薄いので、摺動面と相手軸表面との間の隙間に侵入する。隙間に侵入した鱗片状黒鉛粒子は、摺動面と軸表面との間の隙間に油が無いか、あるいは、僅かな量の油しかない場合は、鱗片状黒鉛粒子の平板面（ＡＢ面）が、軸表面に対して平行となるように相手軸に移着する。移着した鱗片状黒鉛粒子は、軸表面に対して、僅かに摺動部材の摺動面側に突出する。このような移着部が、軸表面に多数形成される。軸表面の鱗片状黒鉛粒子の移着部が、摺動部材の摺動面と接するので、本来の軸表面が摺動部材の摺動面に露出する長球状黒鉛粒子と直接接触することが防がれるか、または、接触する頻度が緩和される。この結果、相手軸の表面に傷が発生することが抑制される。

軸表面に移着した鱗片状黒鉛粒子は、摺動部材の摺動面との摺動により軸表面からせん断されるが、油の供給が不十分である間は、摺動面と軸表面との間の隙間から外部に排出され難いので、再度、軸表面に移着すると考えられる。油の供給が十分に行われるようになると、軸表面に移着した鱗片状黒鉛粒子は、軸表面からせん断された後に油とともに、摺動面と相手軸表面との間の隙間の外部へ流される。
合成樹脂と球状黒鉛粒子とからなる摺動層を有する従来の摺動部材では、軸受装置の運転開始直後の摺動部材の摺動面と相手軸表面との間への油の供給が不十分な状況では、摩耗が起こりやすい。これは、表面に露出する球状黒鉛粒子と相手軸の表面が、直接、接触した状態で摺動すると相手軸の表面に傷がつき、その後、油の供給が十分になされても、摺動層の摩耗が起きやすくなるからである。

長球状黒鉛粒子の平均粒径は３〜５０μｍとすることが好ましい。摺動面に露出する長球状黒鉛粒子は、相手軸の表面からの負荷を支えるが、平均粒径が３μｍ未満であると、摺動時に、摺動面に露出する長球状黒鉛粒子の一部は、摺動面から脱落しやすくなり、摺動層が負荷を支える能力が低下することがある。長球状黒鉛粒子の平均粒径が５０μｍを超えると、無給油状態での摺動時に、相手軸の表面に傷が発生する場合がある。

鱗片状黒鉛粒子の平均粒径は、１〜２５μｍとすることが好ましい。鱗片状黒鉛粒子の平均粒径が１μｍ未満であると、摺動層中に鱗片状黒鉛粒子どうしの凝集部が形成されやすく、摺動層の強度が低下する場合がある。鱗片状黒鉛粒子の平均粒径が２５μｍを超えると、摺動時に摺動層に加わる負荷により摺動層中の鱗片状黒鉛粒子にせん断が起こり、摺動層の強度が小さくなる場合がある。

本発明の一具体例によれば、長球状黒鉛粒子の平均アスペクト比Ａ１は１．５〜４．５であることが好ましい。長球状黒鉛粒子の平均アスペクト比は、長球状黒鉛粒子の長軸と短軸との比の平均により表される。長球状黒鉛粒子の平均アスペクト比Ａ１が１．５以上であると、平均アスペクト比Ａ１が１．５未満である場合よりも、耐摩耗性がさらに向上する。これは、長球状黒鉛粒子の表面積が大きくなることにより、合成樹脂との長球状黒鉛粒子の接触面積が大きくなり、合成樹脂との密着性が大きくなるために摺動時に摺動面から脱落し難くなるからと考えられる。さらに、長球状黒鉛粒子の平均アスペクト比Ａ１は２以上が好ましい。

長球状黒鉛粒子の原材料である球状化黒鉛粒子は、天然の鱗片状黒鉛粒子に小さな負荷を繰り返し加えて、折り曲げることにより球状に造粒したものである。造粒時に天然の鱗片状黒鉛粒子に大きな負荷をかけると、ＡＢ面間でせん断がおこり小さい鱗片状に粉砕されてしまうので、印加する負荷は小さくせざるを得ない。このため、球状化粒子の内部で、造粒前の鱗片状黒鉛粒子の表面どうしの接触が不十分となる箇所が生じ、鱗片状黒鉛粒子の表面間に空隙が形成されやすい。（特許文献３の図５（Ｃ）や特許文献４の図３〜図６参照）
この球状化天然黒鉛粒子は、摺動部材の合成樹脂に球形状が維持された状態で分散させた場合、黒鉛粒子内には空隙が存在するために、摺動面の露出する黒鉛粒子が負荷を受けると黒鉛粒子に割れが生じ、摺動面から脱落し、相手軸表面との間の隙間に侵入して摺動面に損傷が発生するという問題がある。

本発明の上記平均アスペクト比Ａ１を有する長球状黒鉛粒子は、後述するように原材料である球状黒鉛粒子に長球形状を付与する処理により形成されるが、この処理により、同時に、球状黒鉛粒子の内部の空隙をなくすることができる。長球状黒鉛粒子の平均アスペクト比Ａ１が１．５であると、長球状黒鉛粒子の断面組織に空隙が少なくなり、さらに、平均アスペクト比Ａ１が２以上であると、長球状黒鉛粒子の断面組織に空隙が（ほぼ）存在しなくなり、摺動面に露出する長球状黒鉛粒子が相手軸から負荷を受けても、長球状黒鉛粒子には割れが生じることがない。そのため、長球状黒鉛粒子が摺動面から脱落したり、または長球状黒鉛粒子の割れに伴う破片が発生して、相手軸表面との間の隙間に侵入して摺動面に損傷が発生する問題がおこらない。

本発明の一具体例によれば、鱗片状黒鉛粒子は、平均アスペクト比Ａ２が５〜１０である。鱗片状黒鉛粒子の平均アスペクト比は、鱗片状黒鉛粒子の長軸と短軸との比の平均により表される。
さらに、鱗片状黒鉛粒子は、異方分散指数Ｓが３以上であることが好ましい。この異方分散指数Ｓは、各鱗片状黒鉛粒子についての比Ｘ１／Ｙ１の値の平均として定義される。ここで、Ｘ１は、摺動層の摺動面に対して垂直方向の断面組織における鱗片状黒鉛粒子の摺動面に平行方向の長さであり、Ｙ１は、摺動層の摺動面に対し垂直方向の断面組織における鱗片状黒鉛粒子の摺動面に垂直方向の長さである。

摺動層内の鱗片状黒鉛粒子の平板面（ＡＢ面の広がる方向）が摺動面に略平行に配向するものの割合が大きいほど、この異方分散指数Ｓの値が大きくなる。上記したように装置の始動直後の油の供給が不十分な状況での相手軸との摺動により、摺動面に露出する鱗片状黒鉛粒子は摺動面から脱落する。鱗片状黒鉛粒子は、上記の通り平均アスペクト比Ａ２が５〜１０の薄板形状を有し、さらに、異方分散指数Ｓが３以上であるために平板面が摺動面に略平行に配向するものの割合が大きい。そのため、脱落した直後から、鱗片状黒鉛粒子は、その平板面が、相手軸の表面に概ね平行になり、相手軸の表面に移着しやすくなる。鱗片状黒鉛粒子の異方分散指数Ｓは、４以上であることがさらに好ましい。

本発明の一具体例によれば、合成樹脂は、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＢＩ（ポリベンゾイミダゾール）、ＰＡ（ポリアミド）、フェノール、エポキシ、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）およびＰＥＩ（ポリエーテルイミド）のうちから選ばれる１種または２種以上からなることができる。

本発明の一具体例によれば、摺動層は、ＭｏＳ_２、ＷＳ_２、ｈ−ＢＮおよびＰＴＦＥから選ばれる１種または２種以上の固体潤滑剤１〜２０体積％をさらに含むことができる。
この固体潤滑剤を含有することにより、摺動層の摺動特性を高めることができる。

本発明の一具体例によれば、摺動層は、ＣａＦ_２、ＣａＣｏ_３、タルク、マイカ、ムライト、酸化鉄、リン酸カルシウムおよびＭｏ_２Ｃ（モリブデンカーバイト）のうちから選ばれる１種または２種以上の充填材を１〜１０体積％をさらに含むことができる。この充填材を含有することにより、摺動層の耐摩耗性を高めることが可能となる。

本発明の一具体例によれば、摺動部材は、裏金層と摺動層との間に多孔質金属層をさらに有することができる。裏金層の表面に多孔質金属層を設けることにより、摺動層と裏金層の接合強度を高めることができる。すなわち、多孔質金属層の空孔部に摺動層を構成する組成物が含浸されることによるアンカー効果により裏金層と摺動層との接合力の強化が可能になる。
多孔質金属層は、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｆｅ、Ｆｅ合金等の金属粉末を金属板や条等の表面上に焼結することにより形成することができる。多孔質金属層の空孔率は２０〜６０％程度であればよい。多孔質金属層の厚さは０．０５〜０．５ｍｍ程度とすればよい。この場合、多孔質金属層の表面上に被覆される摺動層の厚さは０．０５〜０．４ｍｍ程度となるようにすればよい。ただし、ここで記載した寸法は一例であり、本発明がこの値の限定されるものではなく、異なる寸法に変更するも可能である。

本発明の一例による摺動部材の断面を示す図。 長球状黒鉛粒子のアスペクト比（Ａ１）を説明する図。 鱗片状黒鉛粒子のアスペクト比（Ａ２）および異方分散指数（Ｓ）を説明する図。 本発明の他の例による摺動部材の断面を示す図。

図１に本発明による摺動部材１の一例の断面を概略的に示す。摺動部材１は、裏金層２上に、摺動層３が設けられている。摺動層３は、合成樹脂４と、５〜５０体積％の黒鉛粒子５とからなる。黒鉛粒子５は、長球状形状の長球状黒鉛粒子５１と薄片形状の鱗片状黒鉛粒子５２とからなる。黒鉛粒子５の全体積に対する鱗片状黒鉛粒子５２の体積割合は１０〜４０％である。長球状黒鉛粒子５１の断面（内部）組織は、黒鉛結晶のＡＢ面が粒子表面から中心方向に向けて粒子表面の丸みに沿って曲線状に複数積層しており、長球状黒鉛粒子５１の断面組織中には空隙が存在しない。鱗片状黒鉛粒子５２の断面組織は、黒鉛結晶のＡＢ面が薄板形状の厚さ方向（黒鉛結晶のＡＢ面に対して垂直方向であるＣ軸方向）に複数積層している。球状黒鉛粒子の平均粒径Ｄ１は３〜５０μｍであり、鱗片状黒鉛粒子の平均粒径Ｄ２は１〜２５μｍである。
なお、摺動層３と裏金層２との間に多孔質金属層６を設けてもよい。多孔質金属層６を設けた摺動部材の一例の断面を図４に概略的に示す。

本明細書で用いる「長球状」の語は、幾何学的に厳密な長球形を意味するものではなく、広い意味で、一方向に長く延びており（すなわち下記のアスペクト比を有する）、角ばって不定形な形状を有さないことを表わす。
また、長球状黒鉛粒子５１の組織内に空隙がないことは、摺動層３の摺動面に垂直方向の断面において、複数個（例えば、２０個）の黒鉛粒子を電子顕微鏡を用いて倍率２０００倍で電子像を撮影し、撮影画像中の長球状黒鉛５１の粒子の断面組織内に空隙が形成されていないことを観察することにより確認できる。ただし、長球状黒鉛の粒子５１の断面組織内に幅０．１μｍ以下の細線状の空隙の形成は許容されるが、この幅０．１μｍ以下の細線状の空隙は、その総面積が、長球状黒鉛粒子５１の断面組織中での面積率が３％以下に限定される。

摺動層３内に分散する長球状黒鉛粒子５１の長軸と短軸との比の平均で表される平均アスペクト比Ａ１は１．５〜４．５であることが好ましい。
他方、鱗片状黒鉛粒子５２の長軸と短軸との比の平均で表される平均アスペクト比（Ａ２）は５〜１０であることが好ましい。

さらに、鱗片状黒鉛粒子５２は、異方分散指数Ｓが３以上となっていることが好ましい。異方分散指数Ｓは、摺動層の摺動面に対して垂直方向の断面組織での鱗片状黒鉛粒子５２の摺動面に対して平行方向の長さをＸ１、摺動層の摺動面に対して垂直方向の断面組織での鱗片状黒鉛粒子５２の摺動面に対して垂直方向の長さをＹ１としたとき（図３参照）、各鱗片状黒鉛粒子の比Ｘ１／Ｙ１の値を全鱗片状黒鉛粒子について平均したものとして表される。さらに、異方分散指数Ｓは４以上とすることが好ましい。

上記に説明した摺動部材について、製造工程に沿って以下に詳細に説明する。
（１）原材料黒鉛粒子の準備
長球状黒鉛粒子の原材料として、鱗片状天然黒鉛を造粒した球状黒鉛粒子を用いることができる。この球状黒鉛粒子は、黒鉛結晶のＡＢ面が粒の表面から内部に向かって粒子表面の丸みに沿って曲線状に複数積層した組織となっており、粒子の内部には空隙が形成されている。この原材料の球状黒鉛粒子は、レーザー回折式粒度測定装置により測定される平均粒径が２〜６０μｍで、円形度が０．９２以上であるものを用いることが好ましい。ここで、円形度は、次式で表される。
円形度＝（投影粒子形状と同一の面積を有する円の周囲長）／（投影粒子形状の周囲長）
投影粒子形状が真円をなす場合には円形度は１となる。投影粒子形状は、光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡などを用いて得られた撮影画像から求めることができる。
原材料の球状黒鉛粒子の円形度が０．９２未満のものを用いた場合、後述する混合工程での空隙を無くす処理の際に、黒鉛粒子の表面には不均質に負荷が加わりやすくなり、黒鉛粒子の表面が局部的に変形してせん断したり、内部に割れが生じて新たな空隙が形成されやすくなる。

鱗片状黒鉛粒子の原材料としては、薄板形状を有する天然の鱗片状黒鉛粒子を用いる。この鱗片状黒鉛粒子は、レーザー回折式粒度測定装置により測定されるＡＢ面に平行方向の平均粒径が１〜３０μｍであり、また、粒子の平均厚さが０．２〜３．５μｍである粒子を用いることが好ましい。

（２）合成樹脂粒子の準備
原材料である合成樹脂粒子は、球状黒鉛粒子の平均径の５０〜１５０％の平均粒径を有するものを用いることが好ましい。合成樹脂としては、ＰＡＩ、ＰＩ、ＰＢＩ、ＰＡ、フェノール、エポキシ、ＰＯＭ、ＰＥＥＫ、ＰＥ、ＰＰＳおよびＰＥＩのうちから選ばれる１種または２種以上からなるものを用いることができる。

（３）混合
球状黒鉛粒子および鱗片状黒鉛粒子を、鱗片状黒鉛粒子の体積割合が全黒鉛粒子体積の１０〜４０％となるように調整する。次に、この黒鉛成分が５〜５０体積％となるように、球状黒鉛粒子および鱗片状黒鉛粒子と合成樹脂粒子との割合を調整する。この球状黒鉛粒子および鱗片状黒鉛粒子並びに合成樹脂粒子を有機溶剤で希釈し、粘度が４００００〜１１００００ｍＰａ・ｓとなる組成物を作製する。この希釈液をロールミルで混合することにより、混合時に、ほぼ球状であった球状黒鉛粒子に長球形状が付与され、同時に、球状黒鉛粒子の内部組織中の空隙が減少あるいは消滅する。

この理由は、以下のように考えられる。
従来の黒鉛粒子や他の充填材粒子を含有する樹脂組成物の希釈液の粘度は、通常は、最大でも１５０００ｍＰａ・ｓ程度になされていた。しかし、ここでは、希釈した組成物の粘度を４００００〜１１００００ｍＰａ・ｓと通常よりも大きくする。このことにより、ロールミルによる混合時に、球状黒鉛粒子と樹脂粒子とが同時にロールミルのロール間のギャップ（間隙）を通過する頻度が高くなる。球状黒鉛粒子と樹脂粒子とが同時にロールギャップを通過するときに、球状黒鉛粒子に負荷が加わることにより黒鉛粒が変形するが、ロールから球状黒鉛粒子へ加わる負荷は、球状黒鉛粒子に接した樹脂粒子が変形することにより緩和されることで、球状黒鉛粒子の表面に局部的に過度な負荷が加わることが防がれ、黒鉛粒子をせん断させることなく変形させられる。黒鉛粒子は、合成樹脂の粒子とともにロールミルのロールギャップを通過する毎に徐々に変形し長球形状が付与され、同時に、粒子の内部の空隙が減少あるいは消失する。
組成物の粘度が１１００００ｍＰａ・ｓを超えると、溶剤の濃度が低すぎて、樹脂粒子と長球状黒鉛粒子と鱗片状黒鉛粒子とを均質に分散させ難くなるため好ましくない。さらに、ロールミルでの混合時に、鱗片状黒鉛粒子に割れが発生する場合ある。

ロールミルのロール間のギャップは、球状黒鉛粒子の平均粒径の１５０％〜２５０％に相当する間隔に設定する。従来技術においては、摺動部材である黒鉛粒子や他の充填材粒子を含有する樹脂組成物をロールミルを用いて混合する場合、混合は、単に有機溶剤中に樹脂粒子と黒鉛粒子や他充填材粒子を均質分散させることを目的としており、ロールミルのロール間のギャップは、原材料である樹脂粒子や黒鉛粒子の粒径よりもかなりに大きな間隔（例えば、黒鉛粒子の平均粒径の４００％程度）になされていた。

なお、球状黒鉛粒子のみを有機溶剤で希釈した組成物をロールミルに通しても、球状黒鉛粒子を変形させることはできない。この場合、球状黒鉛粒子にせん断や割れが発生してしまい変形は起こらない。これは、ロール間のギャップを球状黒鉛粒子が通過するとき、球状黒鉛粒子のロール表面との接触部や球状黒鉛粒子どうしの接触部に局部的に大きな負荷が加わりせん断や割れが生じるためと考えられる。

上記した合成樹脂粒子の平均粒径が、球状黒鉛粒子の平均粒径の５０〜１５０％である関係は、ロール間のギャップを通過するときに黒鉛粒子に過度な負荷が加わりせん断が発生することを防ぐために好適である。摺動層中に固体潤滑剤や充填材をさらに含有させる場合、これら固体潤滑剤や充填材の粒子は、球状黒鉛粒子の平均粒径の５０％以下の平均粒径を有するものを用いることが好ましい。

合成樹脂粒子、球状黒鉛粒子および鱗片状黒鉛粒子の混合方法は、上記実施形態で示したロールミルを用いた混合方法に限定されないで、他の混合機を用いたり、他の混合条件を調整することも可能である。

（４）裏金
裏金層としては、Ｆｅ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金等の金属板を用いることができる。裏金層表面、すなわち摺動層との界面となる側に多孔質金属層を形成してもよいが、多孔質金属層は裏金層と同じ組成を有することも、異なる組成または材料を用いることも可能である。

（５）被覆工程
混合後の組成物は、裏金層の一方の表面、あるいは裏金層上の多孔質金属層に塗布され、組成物を塗布した裏金は、組成物の厚さを均一とするため、所定の一定の間隙を有するロール間に通される。
混合後の組成物の粘度は、摺動部材の摺動層中での鱗片状黒鉛粒子の長軸方向の異方（配向）分散にも密接に関係し、この鱗片状黒鉛粒子の異方分散は、この被覆工程での条件設定が重要であることが判明した。

混合工程で組成物の粘度が大きい（有機溶剤の割合が少ない）場合、組成物を塗布した裏金層がロール間を通過するときに、組成物中の鱗片状黒鉛粒子が（その平板面が摺動面に対して平行な方向を向くように）流動しにくくなるからである。
他方、組成物の粘度が１１００００ｍＰａ・ｓ以下であると、被覆工程で長球状の黒鉛粒子が有機溶剤とともに流動しやすいので、この鱗片状黒鉛粒子は、その平板面の向く方向が、摺動部材の摺動層中において配向すなわち異方に分散する。具体的には、組成物の粘度が１１００００ｍＰａ・ｓ以下であると、摺動層に分散する鱗片状黒鉛粒子は、異方分散指数Ｓが２．５以上となる。さらに組成物の粘度が１０００００ｍＰａ・ｓ以下であると異方分散指数が３以上、８００００ｍＰａ・ｓ以下であると異方分散指数が４以上となる。

（６）乾燥・焼成工程
組成物を被覆した裏金層（あるいは、裏金層および多孔質多孔質金属層）は、組成物中の有機溶剤を乾燥させるための加熱、組成物中の樹脂を焼成するための加熱を施して摺動部材が得られる。これらの加熱条件は、使用した樹脂に対して一般に用いられる条件を採用できる。

（７）測定
長球状黒鉛粒子の平均粒径は、摺動部材の摺動面に垂直方向の断面を、電子顕微鏡を用いて電子像を２００倍で撮影し、長球状黒鉛粒子の平均粒径を測定した。具体的には、長球状黒鉛粒子の平均粒径は、得られた電子像を一般的な画像解析手法（解析ソフト：Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ（Ｖｅｒｓｉｏｎ４．５）；（株）プラネトロン製）を用いて、各長球状黒鉛粒子の面積を測定し、それを円と想定した場合の平均直径に換算して求める。

鱗片状黒鉛粒子の平均粒径も、上記の手法で得られた電子像を上記の像解析手法を用いて、各鱗片状黒鉛粒子の面積を測定し、それを円と想定した場合の平均直径に換算して求める。ただし、電子像の撮影倍率は、２００倍に限定されないで、他の倍率に変更することができる。

長球状黒鉛粒子のアスペクト比Ａ１は、上記の手法で得られた電子像を、上記の像解析手法を用い、各長球状黒鉛粒子の長軸の長さＬ１と短軸の長さＳ１の比（長軸の長さＬ１／短軸の長さＳ１）の平均として求める（図２参照）。なお、長球状黒鉛粒子の長軸の長さＬ１は、上記電子像中の長球状黒鉛粒子の長さが最大となる位置での長さを示し、長球状黒鉛粒子の短軸の長さＳ１は、この長軸の長さＬ１の方向に直交する方向での長さが最大となる位置での長さを示す。

鱗片状黒鉛粒子のアスペクト比Ａ２は、上記の手法で得られた電子像を、上記の像解析手法を用い、各鱗片状黒鉛粒子の長軸の長さＬ２と短軸の長さＳ２の比（長軸の長さＬ２／短軸の長さＳ２）の平均として求める（図３参照）。なお、鱗片状黒鉛粒子の長軸の長さＬ２は、上記電子像中の鱗片状黒鉛粒子の長さが最大となる位置での長さを示し、鱗片状黒鉛粒子の短軸の長さＳ２は、この長軸の長さＬ２の方向に直交する方向での長さが最大となる位置での長さを示す。

長球状黒鉛粒子は、断面組織が、黒鉛結晶のＡＢ面が粒子表面から中心方向に向けて粒子表面の丸みに沿って曲線状に複数積層している組織となっていることは、摺動部材の摺動面に垂直方向の断面において、複数個（例えば２０個）の長球状黒鉛粒子を電子顕微鏡を用いて倍率２０００倍で電子像を撮影し、撮影画像中の長球状黒鉛粒子の断面組織が、粒子表面から中心方向に向けて粒子表面の丸みに沿った層状部が形成されていることが観察されることで確認できた。
原材料として球状化天然黒鉛粒子を用い、この黒鉛粒子を、上記の混合工程で黒鉛粒子の内部組織中の空隙を無くす処理を施しても、長球状黒鉛粒子の一部は、上記の観察方法により内部に、幅（組織中の黒鉛結晶のＡＢ面に垂直方向の幅）が０．１μｍ以下の細線状の空隙が、空隙の総面積が長球状黒鉛粒子の断面組織中での面積率で３％以下で形成される場合があったが、このような細線状の空隙を有する長球状黒鉛粒子であれば、完全に空隙の無い長球状黒鉛粒子と同等の摺動性能を有する。

鱗片状黒鉛粒子は、断面組織が、黒鉛結晶のＡＢ面が薄板形状の厚さ方向（黒鉛結晶のＡＢ面に対して垂直方向であるＣ軸方向）に複数積層している組織となっていることは、摺動部材の摺動面に垂直方向の断面において、複数個（例えば２０個）の鱗片状黒鉛粒子を電子顕微鏡を用いて倍率２０００倍で電子像を撮影し、撮影画像中の鱗片状黒鉛粒子の断面組織が、薄板形状の厚さ方向に複数積層している層状部が形成されていることが観察されることにより確認できた。

鱗片状黒鉛粒子５２の異方分散指数Ｓは、摺動部材の摺動面に対して垂直方向の断面を電子顕微鏡を用いて電子像を２００倍で撮影した画像を、上記画像解析手法を用い、摺動層中の各鱗片状黒鉛粒子５２の摺動面に対して平行方向の長さＸ１と、摺動面に対して垂直方向の長さＹ１を測定し、それら各長さの比Ｘ１／Ｙ１の平均値を算出して求めた（図３参照）。

本発明による裏金層および摺動層を有する摺動部材の実施例１〜１０および比較例１１〜１７を以下に示すとおり作製した。実施例１〜１０および比較例１１〜１７の摺動部材の摺動層の組成は、表１に示すとおりである。

原材料として用いた球状黒鉛粒子は、鱗片状天然黒鉛を球状に造粒したもので、粒子の内部組織は黒鉛結晶のＡＢ面が粒の表面から内部に向かって粒子表面の丸みに沿って曲線状に複数積層した組織となっており、粒の内部には約１０％程度の空隙が形成されていた。

また、原材料として用いた鱗片状黒鉛粒子は、平面状に広がるＡＢ面が多数積層しＡＢ面に垂直方向であるＣ軸方向に厚みを有する組織となっており、ＡＢ面の広がりに対して積層の厚みが薄いため、粒子の形状は薄板状を呈している。この鱗片状黒鉛粒子は、断面組織内には空隙がない。

また、原材料として用いた合成樹脂（ＰＡＩ、ＰＩ）粒子は、原材料が球状黒鉛粒子の場合は、球状黒鉛粒子の平均粒径に対して合成樹脂の平均粒径が１２５％であるものを用いた。原材料が鱗片状黒鉛粒子である比較例１２では、原材料の合成樹脂の粒径は、鱗片状黒鉛粒子の平均粒径に対して１２５％であるものを用いた。実施例５〜７の原材料として用いた固体潤滑剤（ＭｏＳ_２、ＰＴＦＥ）は粒子の平均粒径が、原材料である球状黒鉛粒子の平均粒径に対して３０％のものを用い、充填材（ＣａＣｏ_３）の粒子は、粒子の平均粒径が球状黒鉛粒子の平均粒径に対して２５％のものを用いた。

上記の原材料を用いた表１に示す組成物を有機溶剤で希釈し、表１の「粘度（ｍＰａ・ｓ）」欄に示す粘度の組成物を準備し、次に、ロールミルを用いて組成物の混合と球状黒鉛粒子の内部空隙を消滅させる処理（処理時間１時間）を同時に行った。なお、ロールミルのロール間のギャップは、実施例１〜１０および比較例１１、１３〜１７は、原材料として用いた球状黒鉛粒子の平均径に対する比率が２００％となるようにし、比較例１２は、原材料として用いた鱗片状黒鉛粒子の平均径に対する比率が４００％となるようにした。

次に混合後の組成物をＦｅ合金製の裏金層の一方の表面に塗布したのち、ロールにて組成物が所定の厚さとなるように被覆した。なお、実施例１〜９及び比較例１１〜１７の裏金層はＦｅ合金を用い、実施例１０は表面にＣｕ合金の多孔質焼結部を有するＦｅ合金を用いた。
次に、組成物中の溶剤を乾燥する加熱、組成物の合成樹脂の焼成する加熱を施して摺動部材を作製した。作製された実施例１〜１０および比較例１１〜１７の摺動部材の摺動層の厚さは０．３ｍｍであり、裏金層の厚さは１．７ｍｍであった。

作製された実施例の摺動部材は、上記に説明した測定方法による摺動層中に分散する長球状黒鉛粒子の平均粒径の測定を行い、その結果を表１の「平均粒径」欄に示した。また、上記に説明した長球状黒鉛粒子の平均アスペクト比（Ａ１）の測定行い、その結果を表１の「アスペクト比（Ａ１）」欄に示した。比較例１１、１３〜１７は、実施例と同様の方法で平均粒径、平均アスペクト比（Ａ１）を測定した結果を表１に示した。

作製された実施例の摺動部材は、上記に説明した測定方法による摺動層中に分散する鱗片状黒鉛粒子の平均粒径の測定を行い、その結果を表１の「平均粒径」欄に示した。また、上記に説明した鱗片状黒鉛粒子５２の平均アスペクト比（Ａ２）、異方分散指数（Ｓ）の測定行い、その結果を表１の「アスペクト比（Ａ２）」欄、「異方分散指数（Ｓ）」欄に示した。比較例１２〜１７は、実施例と同様の方法で平均粒径、平均アスペクト比（Ａ２）、「異方分散指数（Ｓ）」を測定した結果を表１に示した。

各実施例および各比較例の部材を摺動層を内側にして円筒形状に形成し、表２に示す条件で摺動試験を行った。各実施例および各比較例の摺動試験後の摺動層の摩耗量を表１の「摩耗量」欄に示す。また、各実施例および各比較例は、摺動試験後の相手軸の表面の複数箇所を、粗さ測定器を用いて表面の傷の発生の有無を評価した。相手軸の表面に深さが２μｍ以上の傷が測定された場合には「有」、測定されなかった場合には「無」とし、表１の「傷有無」欄に示した。

表１に示す結果から分かるとおり、実施例１〜１０は、比較例１１〜１７に対して、摺動試験後の摺動層の摩耗量が少なくなった。さらに、実施例４〜９は、長球状黒鉛粒子５１の平均アスペクト比Ａ１が１．５〜４．５となり、且つ、鱗片状黒鉛粒子５２の平均アスペクト比Ａ２が５以上であり、異方分散指数Ｓが３以上となり、特に、摩耗量が少なくなった。長球状黒鉛粒子のアスペクト比Ａ１が１．５以上である実施例４〜９は、アスペクト比Ａ１が１．５未満である実施例１〜３よりも摩耗量が少なくなる結果となったが、これは、上記で説明したように長球状黒鉛粒子の表面積が大きくなることにより、合成樹脂との接触面積が増大して合成樹脂による保持が大きくなったためと考えられる。

さらに、実施例１〜１０は、摺動試験後の相手軸の表面に傷の発生がなかったが、これも摩耗量が少なくなる結果に関係する。実施例１〜１０が相手軸の表面の傷発生を抑制する理由は、既に説明したとおり、摺動層が、長球状黒鉛粒子と鱗片状黒鉛粒子とを含むことによる。

これに対し、比較例１１や比較例１７のように、摺動層が長球状黒鉛粒子のみを含む場合、無給油状態では、相手軸と摺動面に露出する長球状黒鉛粒子が、直接、接触し摺動が起こり相手軸の表面に傷が発生する。相手軸の表面に傷が発生すると、給油状態でも、摺動層の摩耗が起きやすくなり、摩耗量が多くなる。

なお、実施例１〜４では、長球状黒鉛粒子の一部において、断面組織内に幅０．１μｍ以下で黒鉛結晶の層状組織に沿った細線状の空隙が、この空隙を有する長球状黒鉛粒子の断面組織の全面積に対する面積率で３％以下確認されたものを含んだが、これら実施例では、摺動試験後の摺動面からの長球状黒鉛粒子の脱落や、相手軸の表面には傷の発生がなかった。

比較例１１は上記したように、無給油状態では、摺動面に露出する長球状黒鉛粒子と相手軸が直接、接触して摺動し相手軸の表面に傷が発生する。さらに、比較例１１は、原材料である黒鉛粒子として内部に空隙を有する球状化黒鉛粒子を用いたが、黒鉛粒子を含む組成物を有機溶剤で粘度が１５０００ｍＰａ・ｓとなるよう希釈したため、組成物中の有機溶剤の割合が多く、混合工程でロールミルのロール間のギャップを球状化黒鉛粒子が通るときに同時に合成樹脂の粒子が通過する頻度が低い。このため、混合工程で原材料である球状化黒鉛粒子の変形量が少なくなり、その結果、摺動層の分散する長球状黒鉛粒子は、平均アスペクト比（Ａ１）が小さくなり、断面組織内には、原材料である球状化黒鉛粒子の内部に形成されていた空隙が、ほぼそのまま残った。
このため、比較例１１の摺動部材は、摺動試験において、無給油状態、給油状態のいずれにおいても、摺動層の表面に露出する黒鉛粒子が相手軸の表面からの負荷を受けると、長球状黒鉛粒子に割れが生じたり、内部空隙が潰されて座屈が起こり、粒の表面積が小さくなり、長球状黒鉛粒子の合成樹脂による保持が十分でなくなることにより、長球状黒鉛粒子のせん断片が摺動面から脱落し、相手軸表面との間の空隙に侵入して摺動面の摩耗が促進されたと考えられる。

比較例１２は、表１に示すように実施例とは異なり、摺動層は鱗片状黒鉛粒子のみを含む。比較例１２において摺動層の摩耗量が増加した理由は以下のように考えられる。
比較例１２は、摺動層は、鱗片状黒鉛粒子のみを含むので、実施例に比べて摺動面に露出する鱗片状黒鉛粒子の量が多い。このため、比較例１２は、無給油状態での摺動時に、摺動面から相手軸表面と摺動面との間の隙間に脱落する鱗片状黒鉛粒子の量が多くなりすぎて、相手軸の表面に傷が発生し、この相手軸の傷の発生により摺動層の摩耗量が多くなった。
さらに、比較例１２は、摺動面に多量の鱗片状黒鉛粒子が露出するので、給油状態での摺動時においても、摺動面に露出する鱗片状黒鉛粒子のうちで脱落するものの量が多くなり、脱落した鱗片状黒鉛粒子の存在により、相手軸の表面と摺動面との間の油膜の形成が抑制されることで摺動層の摩耗量が増加した。

比較例１３は、摺動層は、長球状黒鉛粒子と鱗片状黒鉛粒子の両方を含むが、摺動層が含む黒鉛粒子の全体積に対する鱗片状黒鉛粒子の体積割合が５％と低すぎるため、無給油状態での摺動時の鱗片状黒鉛粒子の相手軸表面への移着部の形成が不十分となり、相手軸の表面に傷が発生した。このため、摺動層の摩耗量が多くなった。

比較例１４は、摺動層は、長球状黒鉛粒子と鱗片状黒鉛粒子の両方を含むが、摺動層が含む黒鉛粒子の全体積に対する鱗片状黒鉛粒子の体積割合が４５％と大きすぎるため、給油状態での摺動時に、摺動面に露出する鱗片状黒鉛粒子に割れが生じて脱落する量が多くなり、脱落した鱗片状黒鉛粒子によって相手軸の表面と摺動面との間の油膜の形成が抑制されることで摺動層の摩耗量が増加したと考えられる。

比較例１５は、摺動層に含まれる長球状黒鉛粒子と鱗片状黒鉛粒子とからなる黒鉛粒子の量が３体積％と少ないため、摺動層と相手軸表面との摩擦力を低くする効果が不十分となり、摺動層の摩耗量が多くなったと考えられる。

比較例１６は、摺動層に含まれる長球状黒鉛粒子と鱗片状黒鉛粒子とからなる黒鉛粒子の量が６０体積％と多いため、摺動層の強度が低くなり、摺動層の摩耗量が多くなったと考えられる。

１：摺動部材
２：裏金層
３：摺動層
４：合成樹脂
５：黒鉛粒子
５１：長球状黒鉛粒子
５２：鱗片状黒鉛粒子
６：多孔質金属層
Ｌ１：長球状黒鉛粒子の長軸
Ｓ１：長球状黒鉛粒子の短軸
Ｌ２：鱗片状黒鉛粒子の長軸
Ｓ２：鱗片状黒鉛粒子の短軸
Ｘ１：鱗片状黒鉛粒子の摺動面に平行方向の長さ
Ｙ１：鱗片状黒鉛粒子の摺動面に垂直方向の長さ

Claims (7)

1. 裏金層と、該裏金層上に設けられた摺動層とを備える摺動部材であって
   前記摺動層は、合成樹脂と、該合成樹脂中に分散された黒鉛粒子とからなり、該黒鉛粒子の体積は、前記摺動層の体積の５〜５０体積％であり、
   前記黒鉛粒子は、長球状黒鉛粒子と薄板形状の鱗片状黒鉛粒子とからなり、前記黒鉛粒子の全体積に対する前記鱗片状黒鉛粒子の体積の割合が１０〜４０％であり、
   前記長球状黒鉛粒子の断面組織は、黒鉛結晶のＡＢ面が粒子表面から中心方向に向けて粒子表面の丸みに沿って曲線状に複数積層しており、前記鱗片状黒鉛粒子の断面組織は、黒鉛結晶のＡＢ面が前記薄板形状の厚さ方向に複数積層しており、
   前記長球状黒鉛粒子の平均粒径が３〜５０μｍであり、前記鱗片状黒鉛粒子の平均粒径が１〜２５μｍである、摺動部材。
2. 前記長球状黒鉛粒子の平均アスペクト比が１．５〜４．５である、請求項１に記載された摺動部材。
3. 前記鱗片状黒鉛粒子の平均アスペクト比が５〜１０であり、
   前記鱗片状黒鉛粒子の異方分散指数が３以上であり、該異方分散指数は、各鱗片状黒鉛粒子についての比Ｘ１／Ｙ１の平均により表され、ここで
   Ｘ１は、前記摺動層の摺動面に対して垂直方向の断面組織での、前記鱗片状黒鉛粒子の前記摺動面に対して平行方向の長さであり、
   Ｙ１は、前記摺動層の摺動面に対して垂直方向の断面組織での、前記鱗片状黒鉛粒子の前記摺動面に対して垂直方向の長さである、請求項１または請求項２に記載された摺動部材。
4. 前記合成樹脂が、ＰＡＩ、ＰＩ、ＰＢＩ、ＰＡ、フェノール、エポキシ、ＰＯＭ、ＰＥＥＫ、ＰＥ、ＰＰＳ、及びＰＥＩから選ばれる１種または２種以上からなる、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された摺動部材。
5. 前記摺動層が、ＭｏＳ_２、ＷＳ_２、ｈ−ＢＮ、及びＰＴＦＥから選ばれる１種または２種以上の固体潤滑剤を１〜２０体積％をさらに含む、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された摺動部材。
6. 前記摺動層が、ＣａＦ_２、ＣａＣｏ_３、タルク、マイカ、ムライト、酸化鉄、リン酸カルシウム、及びＭｏ_２Ｃから選ばれる１種または２種以上の充填材を１〜１０体積％さらに含む、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された摺動部材。
7. 前記裏金層と前記摺動層との間に、多孔質金属層をさらに有する、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された摺動部材。