JP6624679B2 - 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、合成樹脂および鱗片状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。

特開２００５-８９５１４号公報

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では、圧縮機の運転開始直後のしばらくの間は軸部材の軸心の振れが生じる。この時、摺動部材の摺動面には、軸部材の表面からの衝撃負荷が繰り返し加えられる。特許文献１の摺動部材をこのような軸受部に用いると、圧縮機の運転開始直後の軸部材からの衝撃負荷によって、摺動部材の摺動面の樹脂に割れが生じて摺動面から脱落するという損傷が生じることがある。

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、摺動開始直後の強い衝撃負荷が加わる状況でも摺動面の樹脂に損傷が起き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る。この摺動層は、合成樹脂と、合成樹脂に分散された鱗片状黒鉛粒子からなり、鱗片状黒鉛粒子の体積の合計は、摺動層の体積の５〜５０体積％を占める。鱗片状黒鉛粒子は平板形状を有し、その断面組織は、黒鉛結晶のＡＢ面が平板形状の厚さ方向（すなわち、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。鱗片状黒鉛粒子の平均粒径は３〜２５μｍである。鱗片状黒鉛粒子は、組織内部に空隙を有する空隙含有鱗片状黒鉛粒子を含む。ここで、空隙含有鱗片状黒鉛粒子とは、鱗片状黒鉛粒子のうち、
長軸方向の長さが３μｍ以上であり、
断面組織内で鱗片状黒鉛粒子の長軸方向に伸長する空隙であって、鱗片状黒鉛粒子の長軸方向に平行な方向の空隙長さが、鱗片状黒鉛粒子の長軸方向の長さの５０％以上である空隙を有するものである。摺動層中の鱗片状黒鉛粒子の全体積に対する空隙含有鱗片状黒鉛粒子の体積割合は１０％以上である。

本発明の摺動部材では、鱗片状黒鉛粒子が潤滑成分として作用する。上記のとおり、摺動層中に分散する鱗片状黒鉛粒子は、ＡＢ面（六角網面平面）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、ＡＢ面間でせん断が起きやすく平板状を呈しており、摺動面に黒鉛結晶のＡＢ面からなる面が露出した場合、摺動方向に相手軸と摺動面では相手軸に対してＡＢ面が接触するので、相手軸から摺動面に対して略平行に負荷が加わると、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、摺動部材が用いられる装置の始動直後の軸部材の心振れ（軸心の振れ）により摺動層に衝撃負荷が加わる状況では、摺動層中に分散する、組織内部に空隙を有する空隙含有鱗片状黒鉛粒子によって、以下の理由により摺動面の樹脂の脱落が防がれる。

空隙含有鱗片状黒鉛粒子の組織内（内部組織）の空隙の長軸方向に垂直な方向の最大長さ（隙間）は、摺動層の摺動面に対して垂直方向の断面組織にて０．０１μｍ〜１μｍ程度である。摺動層に含まれる空隙含有鱗片状黒鉛粒子は、外力が加わると粒子の内部の隙間が小さくなるように弾性変形が起こる。すなわち、空隙の長軸方向と略垂直方向の空隙の長さが小さくなるように弾性変形する。
そのため、本発明の摺動部材では、装置の始動直後の衝撃負荷が加わる場合は、摺動層に含まれる空隙含有鱗片状黒鉛粒子は、空隙が小さくなるように弾性変形を起こすことにより、摺動層に加わる衝撃負荷が緩和させる。このような緩衝作用を有する空隙含有鱗片状黒鉛粒子が摺動層内に分散するため、摺動層の合成樹脂に加わる衝撃負荷が緩和され、この結果、摺動面の樹脂の脱落が防がれる。

長軸方向の長さが３μm未満の鱗片状黒鉛粒子は、組織内部に空隙を有していても、摺動層の摺動面に加わる衝撃負荷を緩和する効果が低い。長軸方向の長さが３μｍ以上であると、摺動層の摺動面に加わる衝撃負荷を緩和する効果を有するので、合成樹脂に長軸方向の長さが３μｍ以上である空隙含有鱗片状黒鉛粒子が分散することにより、摺動層の摺動面に衝撃負荷が加わった場合でも、摺動面の合成樹脂の割れや脱落が防がれる。

組織内部に空隙を有してない鱗片状黒鉛粒子を合成樹脂に分散させた摺動層を有する従来の摺動部材では、摺動部材が用いられる軸受装置の運転開始直後の軸部材の心振れ（軸心の振れ）による衝撃負荷によって摺動面の合成樹脂に割れが生じて脱落し、この合成樹脂の脱落部が起点となって、摺動層の摩耗が起きやすくなる。

鱗片状黒鉛粒子（空隙含有鱗片状黒鉛粒子を含む全鱗片状黒鉛粒子）の平均粒径は、３〜２５μｍとすることが好ましい。鱗片黒鉛粒子の平均粒径が３μｍ未満であると、摺動層中に鱗片黒鉛粒子どうしの凝集部が形成されやすく、摺動層の強度が低くなる場合がある。鱗片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、摺動層の強度が低くなる場合がある。

本発明の一具体例によれば、摺動層中の鱗片状黒鉛粒子の全体積に対する空隙含有鱗片状黒鉛粒子の体積割合が２０％以上であることが好ましい。摺動層中の鱗片状黒鉛粒子の全体積に対する空隙含有鱗片状黒鉛粒子の体積割合が２０％以上である場合は、２０体積％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、摺動層中に分散する空隙含有鱗片状黒鉛粒子の体積割合が多くなることにより、摺動層が受ける軸部材からの衝撃負荷がより緩和されるために、摺動面から樹脂が脱落し難くなり、耐摩耗性が向上すると考えられる。さらに、空隙含有鱗片状黒鉛粒子の体積割合は２５体積％以上であることが好ましい。

本発明の一具体例によれば、鱗片状黒鉛粒子（空隙含有鱗片状黒鉛粒子を含む全鱗片黒鉛粒子）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、５〜１５であることが好ましい。鱗片状黒鉛粒子の平均アスペクト比が５以上であると、平均アスペクト比が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、鱗片状黒鉛粒子の表面積が大きくなることにより、合成樹脂との鱗片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、鱗片状黒鉛粒子の平均アスペクト比は、６以上とすることが好ましい。また、鱗片状黒鉛粒子の平均アスペクト比が１５以下であると、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難いが、鱗片状黒鉛粒子の平均アスペクト比が１５を超えると、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、鱗片状黒鉛粒子（空隙含有鱗片状黒鉛粒子を含む全鱗片黒鉛粒子）は、異方分散指数Ｓ１が３以上であることが好ましい。この異方分散指数Ｓ１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。
鱗片状黒鉛の長軸方向（ＡＢ面からなる表面の広がる方向）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Ｓ１の値が大きくなる。

鱗片状黒鉛粒子は、異方分散指数Ｓ１が３以上であり、長軸方向が摺動面に略平行に配向するものの割合が大きいと、摺動層の摺動面に露出する鱗片状黒鉛粒子のうちＡＢ面が摺動面に略平行の配向するものの割合が大きくなるので、摺動層の摺動面と軸部材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。鱗片状黒鉛粒子の異方分散指数は、４以上であることがさらに好ましい。

さらに、上記のとおり摺動部材が用いられる装置の始動直後の摺動部材の摺動面には軸部材からの衝撃負荷が加わる場合、異方分散指数Ｓ１が３以上であると、空隙含有鱗片状黒鉛粒子も、その長軸方向および粒子の内部組織の空隙の伸長方向が摺動面に略平行に配向するものの割合が大きくなるために、空隙含有鱗片状黒鉛粒子の空隙による摺動層に加わる衝撃負荷を緩和する効果がさらに高まる。

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、球状黒鉛、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。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。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。 空隙含有鱗片状黒鉛粒子の断面を示す図。 鱗片状黒鉛粒子のアスペクト比（Ａ１）および異方分散指数（Ｓ１）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％の鱗片状黒鉛粒子５とからなる。鱗片状黒鉛粒子５の断面組織は、黒鉛結晶のＡＢ面が平板形状の厚さ方向（黒鉛結晶のＣ軸方向）に複数積層している。鱗片状黒鉛粒子５の平均粒径は３〜２５μｍである。
鱗片状黒鉛粒子５は、摺動層３の摺動面に対して垂直方向の断面組織を観察すると、長軸および短軸を有する伸長形状を有している。鱗片状黒鉛粒子５の長軸は、黒鉛結晶のＡＢ面に平行な方向に伸長する。

鱗片状黒鉛粒子５は、空隙含有鱗片状黒鉛粒子５１およびそれ以外の非空隙含有鱗片状黒鉛粒子５２とからなる。なお、非空隙含有鱗片状黒鉛粒子５２には、内部組織に隙間を有さない鱗片状黒鉛粒子のみならず、空隙を有するものの上記に記載した空隙含有鱗片状黒鉛粒子の要件を満足しない鱗片状黒鉛粒子も含まれる。
摺動層３中の鱗片状黒鉛粒子５の全体積に対する空隙含有鱗片状黒鉛粒子５１の体積割合は１０％以上であり、好適には２０％以上であり、より好適には２５％以上である。
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。

図２に、空隙含有鱗片状黒鉛粒子５１の概略図を示す。摺動層３内に分散する空隙含有鱗片状黒鉛粒子５１は、内部組織に空隙７を有し、空隙７は、空隙含有鱗片状黒鉛粒子５１の長軸方向と略平行な方向に伸長する。
空隙７は、空隙含有鱗片状黒鉛粒子５１の長軸方向に平行な方向の空隙の長さＬ１が、その鱗片状黒鉛粒子５１の長軸の長さＬの５０％以上である。空隙７は、空隙含有鱗片状黒鉛粒子５１の長軸方向に対して垂直な方向の最大長さが０．０１〜１μｍ程度である。
なお、図２では、内部組織に１つの空隙７を有する鱗片状黒鉛粒子５１を示したが、内部組織に複数の空隙を有してもよい。（この場合の空隙の長さＬ１は、各空隙の長さの合計から、長軸方向に平行な方向に重複する長さを引いた値になる。）

次に、摺動層３に含まれる鱗片黒鉛粒子５の全体積に対する空隙含有鱗片状黒鉛粒子５２の体積割合の測定方法について説明する。摺動層３の摺動面に垂直な方向の複数箇所の断面を電子顕微鏡を用い倍率１０００倍（他倍率も可）で電子像を撮影する。一般的な画像解析手法（例えば、解析ソフト：Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ（Ｖｅｒｓｉｏｎ４．５）；（株）プラネトロン製）を用いて、撮影画像中の鱗片黒鉛粒子５を、空隙含有鱗片状黒鉛粒子５１と、それ以外の非空隙含有鱗片状黒鉛粒子５２に区分する。撮影画像中の全鱗片状黒鉛粒子５の合計面積と全空隙含有鱗片状黒鉛粒子５１の合計面積を測定し、鱗片状黒鉛粒子５に対する空隙含有鱗片状黒鉛粒子５１の面積割合を算出する。この面積割合は、体積割合に相当する。

摺動層３内に分散する鱗片状黒鉛粒子５の長軸Ｌと短軸Ｓとの比の平均で表される平均アスペクト比Ａ１は５〜１５であることが好ましい。平均アスペクト比Ａ１は、６以上とすることがさらに好ましい。

摺動層３に分散する鱗片状黒鉛粒子５の異方分散指数Ｓ１は、３以上であることが好ましい。異方分散指数Ｓ１は、摺動層３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５の摺動面に対して平行方向の長さをＸ１、摺動層３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５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。異方分散指数Ｓ１は４以上とすることがさらに好ましい。

上記に説明した摺動部材について、製造工程に沿いながら以下に詳細に説明する。
（１）原材料黒鉛粒子の準備
鱗片状黒鉛粒子の原材料としては、平板形状を有する鱗片状黒鉛粒子を用いるが、天然鱗片状黒鉛粒子および人造鱗片状黒鉛粒子のいずれを用いてもよい。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（六角網面）に平行な方向の平均粒径が３〜３０μｍであり、また、粒子の平均厚さが０．２〜３．５μｍであるものを用いることが好ましい。なお、原材料である鱗片状黒鉛粒子は、内部組織に空隙を有していない。

（２）合成樹脂粒子の準備
原材料である合成樹脂粒子は、鱗片状黒鉛粒子の平均粒径の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
鱗片状黒鉛粒子の体積割合が５〜５０体積％となるように、準備した鱗片状黒鉛粒子と合成樹脂粒子との割合を調整する。この鱗片状黒鉛粒子および合成樹脂粒子を有機溶剤で希釈しロールミルを用いて混合して粘度が４００００〜１１００００ｍＰａ・ｓとなる組成物を作製する。

従来は、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程度とされていた。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。組成物の粘度が１１００００ｍＰａ・ｓを超えると、溶剤の濃度が低すぎて、樹脂粒子と鱗片状黒鉛粒子とを均質に分散させ難くなり、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がある。

ロールミルのロール間のギャップは、鱗片状黒鉛粒子の平均粒径の４００％程度に相当する間隔に設定して、有機溶剤中に樹脂粒子、鱗片状黒鉛粒子や他充填材粒子を均質分散させる。

上記した合成樹脂粒子の平均粒径が、鱗片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鱗片黒鉛粒子に過度な負荷が加わりせん断が発生してしまうことを防ぐために好適である。摺動層に、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、鱗片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が好ましい。

合成樹脂粒子と鱗片状黒鉛粒子との混合方法は、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、他の混合機を使用するか、または、他の混合条件で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。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分散（配向）にも密接に関係するため、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高い（すなわち、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（黒鉛結晶のＡＢ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、被覆工程で鱗片状黒鉛粒子が有機溶剤とともに流動しやすいので、鱗片状黒鉛粒子は、その平板面の向く方向が、摺動部材の摺動層内で配向、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Ｓ１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）予備乾燥工程
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）に、有機溶剤が組成物中に５〜１５体積％残存するように予備乾燥を施す。従来の製造方法では予備乾燥工程を圧延工程前には行われていないが、予備乾燥工程により組成物中の有機溶剤の体積割合を５〜１５％程度に低くすることが、後述する圧延工程での空隙含有鱗片状黒鉛粒子の形成に密接に関係する。
なお、従来の摺動部材の製造では、圧延工程前に予備乾燥工程を設けることはなかった。

（７）圧延工程
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、予備乾燥後に、厚さを均一とするため所定の一定間隙を有するロール間に通される。予備乾燥工程後の組成物は、有機溶剤が５〜１５体積％しか残存しないため組成物中で鱗片状黒鉛粒子と合成樹脂粒子が接触する頻度が高くなっている。このため、圧延工程で組成物がロール間の間隙を通過する際、鱗片状黒鉛粒子と合成樹脂粒子が接した状態で、ロールから負荷が加えられることで、鱗片状黒鉛粒子の表面が局部的に高い負荷を受け内部に空隙が形成されると考えられる。

従来の組成物の粘度は最大でも１５０００ｍＰa・ｓ程度になされており組成物中の有機溶剤の割合が多く（４０〜５０体積％程度）、また、圧延工程前に有機溶剤の残存する体積割合を少なくするための予備乾燥も施されることがなかったので、圧延工程において組成物の有機溶剤の割合が多すぎて鱗片状黒鉛粒子に対し内部に空隙が形成される負荷が加わることがなかった。
なお、予備乾燥工程での組成物中の有機溶剤の残存割合が５％未満であると、圧延工程で組成物が流動し難く、摺動部材（摺動層）の厚さの均一化、摺動面の平滑化が困難になるばかりでなく、圧延工程時に鱗片状黒鉛粒子に過度の負荷が加わり鱗片状黒鉛粒子が複数の小粒子にせん断されやすくなる。

（８）乾燥焼成工程
圧延工程を終えた後、組成物中に残存する有機溶剤の乾燥および合成樹脂の焼成のための加熱を施して、摺動部材が得られる。

なお、上記の実施例の製造方法とは異なり、合成樹脂に空隙を有さない鱗片状黒鉛粒子のみが分散した摺動層を有する従来の摺動部材に対して圧延工程を施すことで、摺動層中の鱗片状黒鉛粒子の内部に空隙を形成する試みを行ったが、結果は、鱗片状黒鉛粒子の内部組織に空隙の形成は確認できなかった。これは、摺動部材の摺動層の鱗片状黒鉛粒子は、既に焼成により強度が高くなった合成樹脂により保持（拘束）されるので、圧延工程での負荷により鱗片状黒鉛粒子は周囲の合成樹脂とともに流動するだけで、鱗片状黒鉛粒子には組織内部に空隙が形成される程度の負荷が加えられないからと考えられる。

（９）測定
鱗片状黒鉛粒子の平均粒径の測定は、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１０００倍で撮影して行なう。具体的には、鱗片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（例えば、解析ソフト：Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ（Ｖｅｒｓｉｏｎ４．５）；（株）プラネトロン製）を用いて面積を測定し、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１０００倍に限定されず、他の倍率に変更することができる。

鱗片状黒鉛粒子は、断面組織が、黒鉛結晶のＡＢ面が平板形状の厚さ方向（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、平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を観察することにより確認できる。

上記の方法によって、摺動層に含まれる鱗片状黒鉛粒子の全体積に対する空隙含有鱗片状黒鉛粒子の体積割合が１０％以上であることも確認できる。

鱗片状黒鉛粒子のアスペクト比Ａ１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、上記の像解析手法を用い、各鱗片状黒鉛粒子の長軸の長さＬと短軸の長さＳの比（Ｌ／Ｓ）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Ｌは、上記電子画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Ｓは、この長軸の長さＬ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。

鱗片状黒鉛粒子の異方分散指数Ｓ１は、上記の手法で得られた電子像を、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、それらの長さの比（Ｘ１／Ｙ１）の平均値を算出して求める（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１〜１１、および比較例１２〜１６を以下に示すとおり作製した。実施例１〜１１および比較例１２〜１６の摺動部材の摺動層の組成は、表１に示すとおりである。

実施例１〜１１および比較例１２〜１６の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（六角網面平面）が多数積層し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、内部組織内には空隙がなかった。

実施例１〜１１および比較例１２〜１６の原材料である合成樹脂（ＰＡＩ、ＰＩ）粒子は、平均粒径が、原材料である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（球状黒鉛、ＰＴＦＥ）は平均粒径が、原材料である鱗片状黒鉛粒子の平均粒径に対して１００％のものを用い、充填材（ＣａＣｏ_３）の粒子は、平均粒径が鱗片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を行った。なお、ロールミルのロール間のギャップは、実施例１〜１１および比較例１２〜１６では、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を４００％に設定した。

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１２〜１６の裏金層としてはＦｅ合金を用い、実施例１０、１１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、実施例１〜１１および比較例１３〜１６については、組成物中の溶剤を１０％残存するように予備乾燥工程を施した後に圧延工程を実施し、比較例１２については、予備乾燥工程を実施しない（有機溶剤の残存量は５０％）で圧延工程を実施し、その後組成物の有機溶剤の乾燥および合成樹脂の焼成を施して摺動部材を作製した。作製された実施例１〜１１および比較例１２〜１６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。

作製した各摺動部材について、上記に説明した測定方法による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、上記に説明した測定方法により、摺動層中の鱗片状黒鉛粒子の全体積に対する空隙含有鱗片状黒鉛粒子の体積割合の測定を行い、その結果を表１の「体積割合」欄に示した（比較例１６の括弧内の体積割合については後述する）。
また、上記に説明した鱗片状黒鉛粒子の平均アスペクト比（Ａ１）、異方分散指数（Ｓ１）の測定を行い、その結果を表１の「アスペクト比（Ａ１）」欄、「分散指数（Ｓ１）」欄に示した。

さらに、各実施例および各比較例を平板形状に形成し、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、摺動試験後の摺動面を、形状測定器（粗さ測定器）を用いて樹脂の脱落の有無を確認した。摺動面に深さ１０μｍ以上の樹脂の脱落部（凹部）が確認された場合には「有」、確認されなかった場合には「無」とし、表１の「樹脂脱落の有無」欄に結果を示した。

表１に示す結果から分かるとおり、実施例１〜１１では、摺動試験後の摺動層の摺動面には合成樹脂の脱落はなかったが、比較例１２〜１６では、摺動試験後の摺動層の摺動面には合成樹脂の脱落が発生した。実施例１〜１１の摺動部材は摺動層の摺動面の合成樹脂の脱落が防がれた理由は、上記のように、摺動層中の空隙含有鱗片状黒鉛粒子の空隙により軸部材から摺動層の摺動面の合成樹脂に加わる衝撃負荷が緩和された効果によると考えられる。また、実施例１〜１１では、比較例１２〜１６に対して、摺動試験後の摺動層の摩耗量が少なくなった。この理由は、上記のように実施例１〜１１は、摺動面に加わる衝撃負荷が緩和され、合成樹脂の脱落が防がれたため合成樹脂の脱落部を起点とした摩耗が起こらなかったことによると考えられる。

さらに、鱗片状黒鉛粒子のアスペクト比（Ａ１）が５以上である実施例４〜９は、アスペクト比（Ａ１）が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。これは、上記で説明したように鱗片状黒鉛粒子の表面積が大きくなることにより、合成樹脂との鱗片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り、しいては耐摩耗がよくなるからと考えられる。但し、実施例１０、１１の結果から、鱗片状黒鉛粒子の平均アスペクト比（Ａ１）は、１５以下であるほうが摩耗量が少なくなることが理解できる。
また、実施例４〜７は、異方分散指数（S１）が４未満である実施例８〜１１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鱗片状黒鉛粒子の長軸方向が摺動面に略平行に配向するものの割合が大きいために、摺動面に加わる衝撃負荷をより緩和しやすくなるからと考えられる。

比較例１２は、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、圧延工程前の組成物中の有機溶剤の残存量を少なくするための予備乾燥工程を実施しなかったため、組成物中の有機溶剤の割合が多く、圧延工程で組成物を被覆した裏金層がロール間を通るときに組成物中の鱗片状黒鉛粒子に対し内部に空隙が形成される負荷が加わらなかったため、内部組織に空隙が形成されなかったと考えられる。このため、比較例１２の摺動部材は、摺動層に空隙含有鱗片状黒鉛粒子を含まない。摺動試験において、比較例１２の摺動部材は、相手軸からの衝撃負荷が緩和されることなく摺動層の摺動面の合成樹脂に加わることにより、摺動面から合成樹脂が脱落し、摺動面の摩耗が促進されたと考えられる。

比較例１３は、摺動層に含まれる鱗片状黒鉛粒子の全体積に対する空隙含有鱗片状黒鉛粒子の体積割合が５．３％と低すぎるため、負荷の衝撃を緩和する働きが不十分となり、摺動層の表面の樹脂の脱落が発生し、摺動層の摩耗量が多くなったと考えられる。

比較例１４は、摺動層に含まれる鱗片状黒鉛粒子が３体積％と少ないため、摺動層と相手軸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１５は、摺動層に含まれる鱗片状黒鉛粒子が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。

比較例１６は、空隙含有鱗片状黒鉛粒子の長軸方向の長さ（Ｌ）の衝撃負荷を緩和する作用への影響を確認するための比較材である。具体的には、比較例１６では、実施例に対し原材料の鱗片状黒鉛粒子は、平均粒径が小さいものを用い、摺動層中に分散する鱗片状黒鉛粒子の平均粒径が１．５μｍとなるようにした。表１の「体積割合」に示す比較例１６の括弧付の値１０．５は、空隙含有鱗片状黒鉛粒子の体積割合ではなく、摺動層に分散する鱗片状黒鉛粒子のうち、
鱗片状黒鉛粒子の長軸方向の長さＬが１．５μｍ以上であり、
且つ、
内部組織に空隙を有し、空隙は、鱗片状黒鉛粒子の長軸方向に平行な方向の長さ（Ｌ１）が、鱗片状黒鉛粒子の長軸方向の長さ（Ｌ）の５０％以上である
鱗片状黒鉛粒子の体積割合を示す。
比較例１６の摺動部材においては、摺動試験後の摺動層の摺動面の合成樹脂の脱落が発生し、摩耗量も多くなった。実施例と、この比較例１５の結果から、長軸方向の長さが３μm未満の鱗片状黒鉛粒子は、組織内部に空隙を有していても、摺動層の摺動面に加わる衝撃負荷を緩和する効果が低いことがわかる。

１：摺動部材
２：裏金層
３：摺動層
４：合成樹脂
５：鱗片状黒鉛粒子
５１：空隙含有鱗片状黒鉛粒子
５２：非空隙含有鱗片状黒鉛粒子
６：多孔質金属層
７：空隙

Claims (8)

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鱗片状黒鉛粒子とからなり、
   前記鱗片状黒鉛粒子の体積の合計は、前記摺動層の体積の５〜５０体積％を占め、
   前記鱗片状黒鉛粒子は、平板形状を有し、前記鱗片状黒鉛粒子の断面組織は、黒鉛結晶のＡＢ面が前記平板形状の厚さ方向に複数積層しており、
   前記鱗片状黒鉛粒子の平均粒径は、３〜２５μmであり、
   前記鱗片状黒鉛粒子は、空隙含有鱗片状黒鉛粒子、すなわち
   長軸方向の長さが３μｍ以上であり、
   断面組織内で前記鱗片状黒鉛粒子の長軸方向に伸長する空隙であって、該空隙の前記鱗片状黒鉛粒子の長軸方向に平行な方向の長さが、前記鱗片状黒鉛粒子の長軸方向の長さの５０％以上である空隙を有する
   空隙含有鱗片状黒鉛粒子を含み、
   前記摺動層中の前記鱗片状黒鉛粒子の全体積に対する前記空隙含有鱗片状黒鉛粒子の体積割合が１０％以上である、摺動部材。
2. 前記摺動層中の前記鱗片状黒鉛粒子の全体積に対する前記空隙含有鱗片状黒鉛粒子の体積割合が２０％以上である、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長軸と短軸との比の平均で表される平均アスペクト比が５〜１５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、球状黒鉛、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５までのいずれか１項に記載された摺動部材。
7. 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６までのいずれか１項に記載された摺動部材。
8. 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７までのいずれか１項に記載された摺動部材。