JP6649108B2 - 摺動装置 - Google Patents
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Description
軸部材は、強度を高めるために、合成樹脂にカーボン繊維、ガラス繊維、金属粒子、セラミックス粒子等の硬質粒子を含有させたものが、従来より知られている(特許文献1、特許文献2参照)。
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5、特許文献6参照)。
この摺動部材は、裏金層と、この裏金層上に設けられた摺動層とを備え、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。
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、摺動面では軸部材の表面に対してAB面が接触するので、軸部材からの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、摺動面と軸部材の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。
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、軸部材表面との間の隙間に侵入して摺動部材の摺動面や軸部材表面に損傷が発生するという問題がある。
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。
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。
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。
本発明の摺動装置1の具体的形態として、円柱形状の軸部材2を円筒形状の摺動部材3が支承する摺動装置とすることができる(図7参照)。この場合は、円筒形状の摺動部材3の内面に摺動層5が形成される。しかし、本発明による摺動装置はこの形態に限定されずに、軸部材2および摺動部材3が平板である形態、その他いずれの形態であってもよい。
なお、摺動層5と裏金層4との間に多孔質金属層8を設けてもよい。多孔質金属層8を設けた摺動部材の一例の断面を図6に概略的に示す。
また、長球状黒鉛粒子71の組織内に空隙がないことは、摺動層5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71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71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71の断面組織中での面積率が3%以下に限定される。
他方、鱗片状黒鉛粒子72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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
軸部材2の硬質粒子10は、CF(炭素繊維)、GF(ガラス繊維)、BN、Al2O3、SiC、SiO2、AlN、およびTiO2、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。硬質粒子10の平均粒径は、1〜50μm程度とすることができる。
次に、摺動部材の組成物中の溶剤を乾燥する加熱、摺動部材の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。
このため、比較例11の摺動部材は、摺動試験において、摺動層の表面に露出する黒鉛粒子が、軸部材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、軸部材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、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、摺動時に、摺動面から軸部材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、摺動層の表面に傷が発生し、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、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、摺動層の摩耗量が増加した。
2:軸部材
3:摺動部材
4:裏金層
5:摺動層
6:摺動部材の合成樹脂
7:黒鉛粒子
71:長球状黒鉛粒子
72:鱗片状黒鉛粒子
8:多孔質金属層
9:軸部材の合成樹脂
10:硬質粒子
Claims (10)
- 軸部材と、該軸部材を支承する摺動部材とを備える摺動装置であって、
前記軸部材は、合成樹脂と、該合成樹脂中に分散された硬質粒子からなり、前記硬質粒子の体積は、前記軸部材の体積の5〜50体積%であり、
前記摺動部材は、裏金層と、該裏金層上に設けられた摺動層とを備え、
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、摺動装置。 - 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に記載された摺動装置。
- 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に記載された摺動装置。 - 前記摺動層の合成樹脂が、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装置。
- 前記摺動層が、MoS2、WS2、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装置。
- 前記摺動層が、CaF2、CaCo3、タルク、マイカ、ムライト、酸化鉄、リン酸カルシウム、及びMo2C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装置。
- 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装置。
- 前記軸部材の前記合成樹脂が、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種以上である請求項1から請求項7までのいずれか1項に記載された摺動装置。
- 前記硬質粒子が、炭素繊維、ガラス繊維、BN、Al2O3、SiC、SiO2、AlN、およびTiO2のうちから選ばれる1種または2種以上からなる請求項1から請求項8までのいずれか1項に記載された摺動装置。
- 前記軸部材が、
CaF2、CaCo3、タルク、マイカ、ムライト、酸化鉄、リン酸カルシウムおよびMo2Cのうちから選ばれる1種または2種以上を1〜10体積%、及び/または
MoS2、WS2、h−BNおよびPTFEから選ばれる1種または2種以上を5体積%以下
をさらに含む請求項1から請求項9までのいずれか1項に記載された摺動装置。
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