JP6606513B2 - 水潤滑式軸受材料 - Google Patents
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Description
そのような理由から従来は油潤滑式軸受が主流であったが、近年、軸受からの潤滑油流出による河川や海洋の環境の汚染を防止するために、水潤滑式軸受を採用したいというニーズが高まってきている。例えば、河川での水力発電用の水車などの水車の軸受として油潤滑式軸受を使用した場合には、その潤滑油の流出による河川汚染が問題になってきているし、また船舶の船尾管内のプロペラ軸又は多軸船における船尾管軸を支える船尾管軸受として油潤滑式軸受を使用した場合には、その潤滑油の流出による海洋汚染が問題になってきている。
また、無循環方式の複層系軸受材料における、ステンレス鋼表面に形成された多孔質の青銅粉末層用含浸被覆組成物として、PTFEを主成分とする樹脂材料に炭素繊維(CF)と共に、硫化モリブデン、平均粒子径1〜50μmの粒状無機充填剤、又はモース硬度4以下のウィスカを配合した樹脂組成物を用いることが報告されている(特許文献9〜11)。しかし、当該樹脂組成物は、硫化モリブデンなどの粒状の鉱物などの固体潤滑剤の配合を必須とするものである上に、複層系軸受の多孔質青銅粉末層の含浸用樹脂組成物として用いられたものであり、樹脂組成物単独で軸受摺動面を形成させることは想定されていない。
すなわち、本発明は、13重量%〜30重量%の PFA樹脂、18重量%〜35重量%の炭素繊維、及び残部がポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂および/または変性PTFE樹脂を含有してなる水潤滑式軸受材料に関する。
[1]12重量%〜25重量%のテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂(PFA樹脂)、18重量%〜33重量%の炭素繊維、及び残部がポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂および/または変性PTFE樹脂を含有してなる水潤滑式軸受材料。
[2]炭素繊維が、ピッチ系の炭素繊維である、前記[1]に記載の水潤滑式軸受材料。
[3]炭素繊維が、湾曲・ひねり状炭素繊維である、前記[1]又は[2]に記載の水潤滑式軸受材料。
[4]湾曲・ひねり状炭素繊維の曲率半径が、50〜1500μmの範囲である、前記[3]に記載の水潤滑式軸受材料。
[5]炭素繊維の長さが、70〜200μmである、前記[1]から[4]の何れか1項に記載の水潤滑式軸受材料。
[6]船舶用水循環式シールシステム用軸受に用いられてなる、前記[1]から[5]に記載の水潤滑式軸受材料。
[7]変性PTFEが、テトラフルオロエチレンと、フルオロアルキルトリフルオロエチレン、エチレン、及びプロピレンからなる群から選ばれる不飽和化合物との共重合体である、前記[1]から[6]に記載の水潤滑式軸受材料。
[8]PFAが、ASTMD3307に準拠したメルトフローレート値(MFR)が15g/10min未満のPFAである、前記[1]から[7]のいずれか1項に記載の水潤滑式軸受材料。
[9]金属部材の内側に設けられてなる前記[1]から[8]のいずれか1項に記載の水潤滑式軸受材料。
さらに、本発明の水潤滑式軸受材料は耐摩耗性に加えて耐水性にも優れており、水潤滑式軸受の軸受材料として特に適している。そして、舶用清水潤滑シールシステム用軸受材料として有用である。
本発明において、変性PTFE樹脂としては、2重量%以下の共重合可能な単量体、例えばパーフルオロアルキルエーテル基、フルオロアルキル基またはその他のフルオロアルキル基を有する側鎖基で変性されたPTFEの共重合体が用いられる。典型的な変性PTFE樹脂は、テトラフルオロエチレンと、フルオロアルキルトリフルオロエチレン、エチレン、及びプロピレンからなる群から選ばれる不飽和化合物との共重合体である、と表現することができる。変性PTFE樹脂は、一般に耐圧縮特性がPTFE樹脂より優れているため、好適に使用できる。なお、一般のPTFE樹脂と変性PTFE樹脂を併用してもよい。
これらのPTFE樹脂および変性PTFE樹脂は、数平均分子量(Mn)が約500,000〜10,0000,000が好ましく、500,000〜3,000,000がさらに好ましい。PTFE樹脂の市販品としては、テフロン(登録商標)7J(三井・デュポンフロロケミカル社製)を用いることができ、また変性PTFE樹脂の市販品としては、テフロン(登録商標)NXT70(三井・デュポンフロロケミカル社製)の他、テフロン(登録商標)TG70J(三井・デュポンフロロケミカル社製)、ポリフロンM111、ポリフロンM112(ダイキン工業社製)、ホスタフロンTFM1600、ホスタフロンTFM1700(ヘキスト社製)等を例示できる。
本発明のPFA共重合樹脂としては、MFR(メルトフローレート)値(ASTMD3307に準拠して測定)が小さい(分子量が大きい)方が炭素繊維との相溶性がよく、15g/10min未満のPFA樹脂であることが好ましい。4〜8g/10minがより好ましく、5〜7 g/10minのものが特に好ましい。
具体的なPFA樹脂市販品としては、ACX21(ダイキン工業製)などを例示することができる。
PFA共重合樹脂の配合量は、全樹脂原料(100重量%)に対して18〜30重量%、特に20〜25重量%であることが好ましい。この範囲内であれば、摺動特性に優れ、かつ相手攻撃性の低いPTFE製品が製造できることが期待できる。PFA樹脂の配合量が、18重量%未満ではマトリックスの補強効果が得られず、30重量%を超えて用いられると摺動発熱が大きくなることで耐摩耗性が悪化する。なお、全樹脂組成物あたりの好ましい配合量は、全樹脂組成物100重量%に対して13〜30重量%、好ましくは15〜23重量%となる。
こうして選択した湾曲・ひねり状の炭素繊維は、摺動発熱により軸受材が軟化して炭素繊維保持力が低下しても湾曲・ひねり部分がPTFEと絡み合っているため脱落しにくい。
具体的な湾曲・ひねり状の炭素繊維の市販品としては、炭素質グレードのS-2404N、S249K、及びS-241(大阪ガスケミカル社製)など、高黒鉛化グレードのSG-249及びSG-241(大阪ガスケミカル社製)等が例示できる。
なお、炭素繊維としては、ピッチ系炭素繊維以外にPAN系炭素繊維が汎用的に用いられているが、PAN系であっても、上記曲率半径50〜1500μmの湾曲・ひねり状の形状の炭素繊維であれば同様に用いることができる。
CF配合量が、20重量%未満では、樹脂組成物の耐摩耗性が低くなり、CF配合量が、35重量%を超えると割れが発生し好ましくない。
尚、残量部分は不可避の他の材料が配合されていてもよい。
具体的には、上記ブレンド物を約70〜80MPaの圧力で成形し、さらに約360〜390℃で3時間程度加熱処理した後、切削加工することなどの方法によって行われる。
本発明におけるその他の用語や概念は、当該分野において慣用的に使用される用語の意味に基づくものであり、本発明を実施するために使用する様々な技術は、特にその出典を明示した技術を除いては、公知の文献等に基づいて当業者であれば容易かつ確実に実施可能である。なお、試験例中の%は全て重量%を表す。
PTFE樹脂原料として変性PTFE(三井デュポンフロロケミカル製品NXT70)を、炭素繊維(CF)としてピッチ系、高黒鉛化炭素繊維(CF)(大阪ガスケミカル製SG-249)を用い、PTFE樹脂に対するCFの配合比率(フィラー比率)が10%、15%、20%、25%、30%、35%及び40%になるように配合し、ヘンシェルミキサー(型式FM20C/I)を用いて良く混合した後、60〜70MPaで圧縮成形した。次いで、焼成炉にて360〜390℃で3時間焼成して円盤状の試験片(外径40mm、厚さ2mm)を製造した。
摺動特性(動摩擦係数)試験は、JISK7218A規格に従ったリングオンディスク法を用いて比摩耗量を測定した。相手材(リング材)はS45C(炭素含有率0.45%炭素鋼)(外径25.6mm、内径20mm、高さ15mm)を用い、ドライ環境で圧力0.8Mpa、速度0.5m/sで24時間円盤状の試験片を回転させた。
その結果、CFの配合比率(フィラー比率)が18〜33%程度、特に20〜30%の範囲内の場合が比摩耗量が低く、摺動特性に優れていることがわかった(図1)。
試験例1の結果に基づき、PTFE樹脂に対するCFのフィラー比率を25%に固定し、PTFE樹脂原料中の変性PTFEとPFAとのブレンド比率を変えて比摩耗量の値を測定し、試験例1と同様の摺動特性試験を行った。
具体的には、試験例1と同様のピッチ系、高黒鉛化CF 25%に対して75%のPTFE樹脂原料を配合するに際して、変性PTFE (NXT70)に対して、PFA(ダイキン工業製ACX21)を全樹脂原料量の0%、10%、15%、20%、25%、30%及び35%のブレンド比率で配合し、試験例1と同様の方法で円盤状の試験片を製造した。
次いで、試験例1と同様のリングオンディスク法(JISK7218A規格)を用いてドライ環境下で相手材S45Cに対する比摩耗量を測定した。
その結果、全樹脂原料量に対するPFAのブレンド比率が18〜35%程度、特に20〜30%の範囲内であれば、比摩耗量が低く、摺動特性に優れていることがわかった(図2)。
試験例2と同様に、CFのフィラー比率を25%に固定し、PTFE原料中の変性PTFEとPFAとのブレンド比率を変えて相手攻撃性試験を行った。
具体的には、試験例2と同様に、全体の75%のPTFE樹脂原料中でのPFAの配合割合を、全樹脂原料量の0%、10%、15%、20%、25%及び30%のブレンド比率とし、試験例1と同様の方法で円盤状の試験片を製造した。
次いで、PFAブレンド比率の異なる試験片毎に、JIS0601-1976表面粗さの規格に準拠して、相手材のRz(十点平均粗さ)の変化率(%)をドライ環境下で測定することで、相手攻撃性試験を行った。
相手材としては、試験例1,2で用いたと同じ炭素鋼S45Cを用いた。試験前の表面粗さをJIS0601-1976触針式表面粗さ測定器により測定し、Rzを算出すると、Rz1.5μmであった。
試験は、試験例1,2と同様、ドライ環境で圧力0.8Mpa、速度0.5m/sで24時間円盤状の各試験片を回転させた後にRz値を測定し、試験前のRz1.5μmと比較した相手粗さ変化率(%)を測定した。
ここで、相手粗さ変化率(%)はマイナスで表示されるが、ゼロに近いほど低攻撃性であると評価される。
その結果、PFAブレンド比率が18〜30%程度、特に20〜25%の場合が低攻撃性であることがわかった(図3)。
試験例2及び試験例3の結果をあわせると、全PTFE原料中でのPFAのブレンド比率は、18〜30%程度、特に20〜25%であれば、摺動特性に優れ、かつ相手攻撃性の低いPTFE製品が製造できることが期待できる。試験例1からは、CFの最適フィラー比率が18〜33%、特に20〜30%であることが求められているので、摺動特性に優れ、かつ相手攻撃性の低いPTFE製品の全体でのPFAの配合比率は、12〜25%、好ましくは14〜20%となる。PTFEはPFA及びCFの残量となるので、PFA:CF:PTFE=12〜25:18〜33:残部であり、好ましい場合がPFA:CF:PTFE=14〜20:20〜30:残部となる。
本試験では、PTFE樹脂原料に配合するCFとして、より摺動発熱性の低いCFを選択するために、PTEF樹脂70%に対するCFのフィラー比率を30%に固定して、配合するCFの種類を変えた円盤状試験片を試験例1と同様の方法で製造した。
ここで、PTFE樹脂としてはPTFE(三井・デュポンフロロケミカル社製テフロン7J)を用い、配合する炭素繊維(CF)としては、ピッチ系CFのうちのストレート状CF(クレハ製M2007SA)、ひねり状CFの炭素質グレード(大阪ガスケミカル製S-2404N、S249K、及びS-241)、ひねり状高黒鉛化グレード(大阪ガスケミカル製SG-249及びSG-241)を用いた。
摺動発熱試験は、試験例1〜3と同様に、相手材としてS45C炭素鋼を用い、ドライ環境で圧力0.8Mpa、速度0.5m/sで24時間円盤状の試験片を回転させた後に、摺動部近傍温度を測定して行った(図4)。なお、摺動試験前の摺動部近傍温度は、室温(25℃)に調整して行われた。
その結果、ピッチ系炭素繊維(CF)のうちで、ストレート状の場合は、摺動部近傍温度が約150℃にまで上昇し、摺動発熱が高くて使用に耐えないが、ひねり状のCFであれば、いずれも摺動発熱は100℃未満に抑えられ十分に使用可能であることがわかった。特に、高黒鉛化されているCFを用いると摺動発熱が低く、より好ましいことがわかった。
変性PTFE(三井デュポンフロロケミカル製品NXT70)55重量部、PFA(ダイキン工業製品ACX21)20重量部およびピッチ系湾曲・ひねり状炭素繊維(大阪ガスケミカル製品S-249;平均繊維径13μm、平均繊維長90μm)25重量部を、ヘンシェルミキサー(型式FM20C/I)を用いて混合した後、プレス等によって60〜70MPaで圧縮成形した。次いで、焼成炉にて360〜390℃で3時間、焼成した。
その後切削加工により試験用NZ-7280型軸受を作製し、軸受運転を168h行い、軸受機能特性評価試験を実施し、以下の製品評価基準に従い評価した。
1.耐摩耗性:
試験後の軸受摺動面の摩耗量をISK7214K規格に従って測定し、比摩耗量が2.0×10-12mm2/N未満のものを◎、2.0〜4.0×10-12mm2/Nのものを○、4.0×10-12mm2/N以上のものを×とした。
2.製品の割れ:
軸受運転後の試験製品を目視により観察し、ひびの存在を確認したものを「割れあり」とした。
これらの評価結果を下記(表1)に示す。
実施例1において変性PTFE量が65重量部に、PFAが20重量部、ピッチ系湾曲・ひねり状炭素繊維量が15重量部にそれぞれ変更されて用いられた。
これらの評価結果を下記(表1)に示す。
実施例1において変性PTFE量が60重量部に、PFAが15重量部、ピッチ系湾曲・ひねり状炭素繊維量が25重量部にそれぞれ変更されて用いられた。
これらの評価結果を下記(表1)に示す。
実施例1において変性PTFE量が45重量部に、PFAが20重量部、ピッチ系湾曲・ひねり状炭素繊維量が35重量部にそれぞれ変更されて用いられた。
これらの評価結果を下記(表1)に示す。
実施例1において変性PTFE量が45重量部に、PFAが30重量部、ピッチ系湾曲・ひねり状炭素繊維量が25重量部にそれぞれ変更されて用いられた。
これらの評価結果を下記(表1)に示す。
実施例1においてPFAは配合せず、変性PTFE量が75重量部、ピッチ系湾曲・ひねり状炭素繊維量が25重量部にそれぞれ変更されて用いられた。
これらの評価結果を下記(表1)に示す。
Claims (8)
- 12重量%〜25重量%のテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂(PFA樹脂)、18重量%〜33重量%の炭素繊維、及び残部がポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂および/または変性PTFE樹脂を含有してなり、前記炭素繊維が、湾曲・ひねり状炭素繊維である水潤滑式軸受材料。
- 前記炭素繊維が、ピッチ系の炭素繊維である、請求項1に記載の水潤滑式軸受材料。
- 湾曲・ひねり状炭素繊維の曲率半径が、50〜1500μmの範囲である、請求項1又は2に記載の水潤滑式軸受材料。
- 前記炭素繊維の長さが、70〜200μmである、請求項1〜3の何れか1項に記載の水潤滑式軸受材料。
- 船舶用水循環式シールシステム用軸受に用いられてなる請求項1〜4の何れか1項に記載の水潤滑式軸受材料。
- 変性PTFEが、テトラフルオロエチレンと、フルオロアルキルトリフルオロエチレン、エチレン、及びプロピレンからなる群から選ばれる不飽和化合物との共重合体である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の水潤滑式軸受材料。
- PFAが、ASTMD3307に準拠したメルトフローレート値(MFR)が15g/10min未満のPFAである、請求項1〜6のいずれか1項に記載の水潤滑式軸受材料。
- 金属部材の内側に設けられてなる請求項1〜7のいずれか1項に記載の水潤滑式軸受材料。
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