JP6826466B2 - 摺動部材 - Google Patents

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Description

本発明は、ジャーナル軸受用の摺動部材に関するものであり、詳細には、裏金層と、合成樹脂および繊維状粒子からなる摺動層とを備えた部分円筒形状の摺動部材に係るものである。本発明は、この摺動部材を備えたジャーナル軸受にも関するものである。
排気タービンや大型発電機等の回転軸用のジャーナル軸受として、円弧状の断面を有する軸受パッド形状の摺動部材を、回転軸の周囲に対向して複数個配置したラジアル軸受が用いられている（例えば特許文献１参照）。このようなラジアル軸受の摺動部材として、金属製の裏金層上に樹脂組成物からなる摺動層を被覆したものが知られており、樹脂組成物として、ガラス繊維粒子、炭素繊維粒子、金属間化合物繊維粒子等の繊維状粒子を合成樹脂中に分散させて摺動層の強度を高めるようにしたものが、特許文献２や特許文献３に記載されている。また、特許文献４には、繊維強化樹脂組成物が強度の異方性を有することを避けるために樹脂素地中に繊維状粒子を無配向、すなわち等方的に分散することが記載されている。
特開２００４-１５６６９０号公報 特開平１０-２０４２８２号公報 特開２０１６-０７９３９１号公報 特開２０１３-１９４２０４号公報
排気タービンや大型発電機等は、定常運転時には、軸部材の表面と摺動部材の摺動面との間に油等の流体潤滑膜が形成されるために、軸部材と摺動部材の表面どうしは直接接触することが防がれている。しかし、その起動時等においては、停止した状態から軸の回転が始まるために、軸部材表面と摺動部材の摺動面とが直接接触した状態の摺動が起こる。この様な状態で摺動が起こると、軸部材に接する摺動面付近の樹脂組成物は、軸部材に引きずられて、軸部材の回転方向への弾性変形が生じる。この場合に特許文献４のように、摺動層中に繊維状粒子を無配向すなわち等方的に分散させた場合は、摺動面付近の樹脂組成物の変形量が大きくなり、摺動層の表面に割れ等の損傷が起こる虞が大きくなる。これは、繊維状粒子の長軸方向を摺動面に垂直方向を向くものの割合が多くなるように分散させた場合も同様である。
他方、繊維状粒子を、その長軸方向が摺動層に略平行に配向するものの割合が多くなるように摺動層中に分散させた場合には、上記の軸部材の回転方向への樹脂組成物の弾性変形量が小さくなるが、それでも摺動層表面の損傷を完全に防ぐことはできないうえに、金属製の裏金層と摺動層との界面でせん断が起きやすいという別の問題も生じることが判明した。
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、軸受装置の起動時に摺動層の表面に割れ等の損傷が起き難く、かつ摺動層と裏金層とのせん断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、裏金層および裏金層上の摺動層とからなる、ジャーナル軸受用の摺動部材が提供される。この摺動部材は部分円筒形状を有する。摺動部材の摺動層は、合成樹脂および合成樹脂中に分散した繊維状粒子からなり、繊維状粒子は、摺動層の１０〜３５％の体積割合を有し、繊維状粒子の平均粒径が５〜２５μｍであり、摺動部材の周方向に平行であり且つ摺動層の摺動面に垂直である断面（以下、「周方向断面」という）でみた組織（以下、「周方向断面組織」という）において、繊維状粒子は、長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子を全繊維状粒子に対して１０％以上の体積割合で含む。
さらに、上記周方向断面組織において、摺動面から裏金層との界面に向かって摺動層の厚さの２５％の領域を摺動面側領域、摺動層の裏金層との界面から摺動面側に向かって摺動層の厚さの２５％までの領域を界面側領域、摺動面側領域と界面側領域との間の領域を中間領域としたとき、
摺動面側領域に分散する長軸長さが２０μｍ以上の繊維状粒子の分散指数が１．１以上６以下であり、
中間領域に分散する長軸長さが２０μｍ以上の繊維状粒子の分散指数が０．１以上１未満であり、
界面側領域に分散する長軸長さが２０μｍ以上の繊維状粒子の分散指数が１．１以上６以下である。
なお、分散指数は、各繊維状粒子についての比Ｘ１／Ｙ１の平均により表され、ここで
Ｘ１は、周方向断面組織での繊維状粒子の摺動面に対して平行方向の長さであり、
Ｙ１は、周方向断面組織での繊維状粒子の摺動面に対して垂直方向の長さである。

本発明の一具体例によれば、周方向断面組織において、長軸長さが２０μｍ以上の繊維状粒子は、平均アスペクト比１．５〜１０を有することが好ましく、平均アスペクト比５〜１０を有することがさらに好ましい。
本発明の一具体例によれば、周方向断面組織において、全繊維状粒子に対する、長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子の体積割合は３０％以上であることが好ましい。
本発明の一具体例によれば、繊維状粒子が、ガラス繊維粒子、セラミック繊維粒子、炭素繊維粒子、アラミド繊維粒子、アクリル繊維粒子、およびポリビニルアルコール繊維粒子のうちから選ばれる１種以上からなることが好ましい。
本発明の一具体例によれば、合成樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール、ナイロン、フェノール、エポキシ、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレン、およびポリエーテルイミドのうちから選ばれる１種以上からなることが好ましい。
本発明の一具体例によれば、摺動層が、黒鉛、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化硼素、およびポリテトラフルオロエチレンのうちから選ばれる１種以上の固体潤滑剤を更に含むことが好ましい。
本発明の一具体例によれば、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、チタン酸カリウムおよびＭｏ２Ｃ（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％を更に含むことが好ましい。
本発明の一具体例によれば、裏金層は、摺動層との界面となる表面に多孔質金属部を有することが好ましい。
本発明の他の観点によれば、上記摺動部材を複数個備えたジャーナル軸受が提供される。
本発明の一例による摺動部材の周方向断面を示す図。 図１の摺動部材の摺動層の摺動面側領域の拡大図。 図１の摺動部材の摺動層の中央領域の拡大図。 図１の摺動部材の摺動層の界面側領域の拡大図。 繊維状粒子のアスペクト比（Ａ）を説明する図。 繊維状粒子の分散指数（Ｓ）を説明する図。 本発明の他の例による摺動部材の周方向断面を示す図。 樹脂の流れを説明する図。 本発明に係る摺動部材の一例の模式図。
図６に本発明に係る部分円筒形状の摺動部材１の一例を模式的に示す。この摺動部材１は、円筒形状をその中心軸線方向（Ｌ方向）に沿って分割したうちの一部分からなる形状、すなわち部分円筒形状を有しており、その内面側が、軸受として使用される際に相手軸部材と摺動することになる摺動面を形成する。そのため、摺動部材１は、裏金層２を外面側に有し、裏金層２の内面側に摺動層３を形成した構成になっている。このように、摺動層３の内面である摺動面３０は、凹面を形成しており、摺動面３０の曲率は、対向すべき軸部材の曲率に適合するように設計されている。
上記円筒形状の円周方向、すなわち部分円筒形状の摺動部材が最大曲率を有する方向を「周方向」（Ｃ方向）という。他方、上記円筒形状の中心軸線方向、すなわち部分円筒形状上に直線を形成できる方向を「長手方向」（Ｌ方向）という。軸受として用いた場合に軸部材は「周方向」に沿って摺動するために「周方向」が摺動方向となる。
図１に、本発明に係る摺動部材１の周方向断面を概略的に示す。周方向断面とは、上記のとおり、摺動層３の摺動面３０に垂直方向かつ摺動層３の周方向に沿った方向での断面である。
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に１０〜３５体積％の繊維状粒子５が分散されている。繊維状粒子５の平均粒径は５〜２５μｍであり、摺動部材１の周方向断面組織で観察したときに、長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子を全繊維状粒子に対して１０％以上の体積割合で含む。より好ましい体積割合は３０％以上である。ここで、「長軸長さ」とは、断面組織において、繊維状粒子の長さが最大となる方向に沿う長さをいう。
摺動部材１の繊維状粒子５の平均粒径を５〜２５μｍとする理由は、平均粒径が５μｍ未満の場合には、摺動層３の強度（変形抵抗）を高める効果が小さくなり、２５μｍを超えると、摺動層３が軸部材からの負荷を受けた場合に、繊維状粒子５自身にせん断が起こり易くなるからである。
摺動部材１の摺動層３中の繊維状粒子５の割合を１０〜３５体積％とする理由は、繊維状粒子５の割合が１０％未満であると、摺動層３の強度（変形抵抗）が小さくなり、反対に、繊維状粒子５の割合が３５％を超えると、摺動層３が脆くなり、摺動時に摩耗量が多くなりやすいからである。
合成樹脂４は、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール、ナイロン、フェノール、エポキシ、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンおよびポリエーテルイミドから選ばれる１種以上からなることが好ましい。繊維状粒子５は、ガラス繊維粒子、セラミック繊維粒子、炭素繊維粒子、アラミド繊維粒子、アクリル繊維粒子、ポリビニルアルコール繊維粒子から選ばれる１種以上からなることが好ましい。しかし、合成樹脂４および繊維状粒子５は、他の材質であってもよい。
摺動層３は、黒鉛、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化硼素、ポリテトラフルオロエチレンから選ばれる１種以上の固体潤滑剤をさらに含んでもよい。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。また、摺動層３は、ＣａＦ２、ＣａＣｏ３、タルク、マイカ、ムライト、酸化鉄、リン酸カルシウム、チタン酸カリウムおよびＭｏ２Ｃ（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％をさらに含んでもよい。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。
摺動層３の厚さ（すなわち、摺動面３０から摺動層３と裏金層２との界面７までの間の、摺動面３０に垂直方向の距離）は、０．５〜６ｍｍとすることが好ましい。
摺動部材１の周方向断面組織において、摺動層３の厚さをＴとして、
摺動層３の摺動面３０から界面７に向かって厚さＴの２５％までの距離にある領域を「摺動面側領域３１」、界面７から摺動面側に向かって厚さＴの２５％までの距離にある領域を「界面側領域３３」、「摺動面側領域３１」と「界面側領域３３」との間の領域を「中間領域３２」と区分すると、
摺動面側領域３１に分散する「長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子５」の分散指数Ｓが１．１以上６以下、
中間領域３２に分散する「長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子５」の分散指数Ｓが０．１以上１未満、好ましくは０．１以上０．９以下、
界面側領域３３に分散する「長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子５の分散指数Ｓが１．１以上６以下
となっている。
なお、分散指数Ｓは、各繊維状粒子５についての比Ｘ１／Ｙ１の平均により表され、
Ｘ１は、周方向断面組織での繊維状粒子の摺動面３０に対して平行方向の長さであり、
Ｙ１は、周方向断面組織での繊維状粒子５の摺動面３０に対して垂直方向の長さである。
図１Ａ〜図１Ｃに各領域の周方向断面を概略的に示す。
本発明に係る摺動部材１の摺動層３の樹脂中に分散する繊維状粒子５は、長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子を、全繊維状粒子に対して１０％以上の体積割合で含むが、「長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子」は、摺動層３の強度、すなわち変形抵抗を高める効果が大きい。摺動層は、全繊維粒子に対する「長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子」の体積割合が１０％以上であると、摺動面側領域３１、中間領域３２、界面側領域３３における「長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子」の長軸が配向する方向の強度、すなわち変形抵抗を高めることができる。
周方向断面組織において摺動層３の摺動面側領域３１で繊維状粒子５の分散指数Ｓが１．１以上６以下であることは、繊維状粒子５の長軸方向が摺動面３０に平行方向を向くものの割合が多くなるように分散することを示している。このため摺動面側領域３１は、物性が異方性を有することになり、とりわけ摺動面３１に対し平行方向の負荷に対する強度（変形抵抗）が大きく、摺動面３１に対し垂直方向の負荷に対する強度（変形抵抗）が小さくなる。
他方、摺動層３の中間領域３２では、繊維状粒子５の分散指数Ｓが０．１以上１未満、好ましくは０．１以上０．９以下であり、繊維状粒子５の長軸方向が、摺動面３０に略垂直に配向する粒子の割合が多くなる。このため中間領域３２では物性が摺動面側領域３１とは異なる方向に異方性を有する。すなわち、中間領域３２では、摺動面側領域３１に比べて摺動面３０に対して平行方向の負荷に対する強度（変形抵抗）が小さくなり、摺動面３０に対して垂直方向の負荷に対する強度（変形抵抗）が大きくなる。
摺動層３の界面側領域３３は、繊維状粒子５の分散指数Ｓが１．１以上６以下であり、摺動面側領域３１と同様に繊維状粒子５の長軸方向が摺動面３０に平行方向を向くものの割合が多くなるように分散する。したがって、摺動層３の界面側領域３３も、摺動面３０に対し平行方向の負荷に対する強度（変形抵抗）が大きく、摺動面３０に対し垂直方向の負荷に対する強度（変形抵抗）が小さくなる。
繊維状粒子５が上記の配向を有すると、摺動層３の摺動面側領域３１が摺動面３０に平行方向の負荷に対する変形抵抗が大きく、中間領域３２の変形抵抗が小さいために、軸受装置の起動時、軸部材の表面と摺動層３の表面３０とが直接に接触した状態で摺動が起こっても、中間領域３２が、摺動面３０に平行方向に弾性変形するようになり、摺動層３の摺動層側領域３１の摺動面付近の樹脂組成物が摺動方向すなわち周方向に過度に弾性変形することが抑制され、摺動面３０に割れが発生することが防がれる。
他方、摺動層３の界面側領域３３も、摺動面に平行方向の変形抵抗が中間領域よりも大きいために、摺動層３に加わる軸部材からの負荷は、中間領域の弾性変形を起こすことに費やされるので、摺動層３の界面側領域３３と裏金層２との界面付近には伝播しがたい。たとえ、僅かな負荷すなわち、応力が界面に伝播したとしても、界面側領域３３は、摺動面に平行方向の強度（変形抵抗）が大きいので、変形量が小さくなり、裏金層２と接する付近の樹脂組成物と裏金層２との弾性変形量の差によるせん断が発生し難い。
以上の機構により、本発明に係る摺動部材１は、その摺動部材１が用いられる装置の始動直後の、摺動面３０と相手軸表面とが直接接触した状況でも、摺動層３の表面に割れ等の損傷が発生することが防がれる。
なお、摺動層の摺動面側領域３１、中間領域３２および界面側領域３３で、繊維状粒子の含有量はほぼ同じでよく、「長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子」の含有量もほぼ同じでよい。
また、摺動層の摺動面側領域３１、中間領域３２および界面側領域３３に分散する「長軸長さが２０μｍ未満である繊維状粒子」の分散指数は、各領域中に分散する「長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子」の分散指数と、ほぼ同じ分散指数でよい。
以上の本発明の構成とは異なり、摺動層全体を通じて繊維状粒子を無配向となるように分散、すなわち等方分散させた従来の摺動部材では、軸受装置の運転開始直後に、摺動部材の摺動面と相手軸部材が直接接触するような状況では、軸部材に接する摺動層表面付近の樹脂組成物は、軸部材の表面に引きずられて、軸部材の回転方向への弾性変形量が大きくなり、摺動層の表面に割れ等の損傷が起こり、摩耗が起こりやすい。
また、摺動層の全体を通じて繊維状粒子の長軸方向を摺動面に対し略平行に配向するように分散させた摺動層を有する従来技術の摺動部材では、摺動面に平行方向の強度が摺動層全体を通じて大きいため、摺動層表面にかかる軸部材の負荷が、裏金層との界面まで伝播する。界面に負荷が伝播すると、金属製の裏金層と合成樹脂の摺動層との間での弾性変形量の違いによりせん断力が発生する。小さいせん断部が発生すると、ここを起点としてせん断が広がり剥離につながる。
本発明の摺動部材１において、周方向断面組織の「長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子」は、平均アスペクト比が１．５〜１０であることが好ましく、５〜１０であることがより好ましく、７〜１０が更に好ましい。平均アスペクト比が１．５未満であると、樹脂層の強度（変形抵抗）を高める効果は小さくなるため、「長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子」の配向を異ならせても、変形抵抗の異方性の差が不十分になりやすく、上記効果が得難い。他方、平均アスペクト比が１０を超えると、摺動層が軸部材からの負荷を受けた場合に繊維状粒子自身にせん断が起こる場合がある。
なお、裏金層２は、摺動層３との界面となる表面に多孔質金属部６を有してもよい。多孔質金属部６を有する裏金層２を用いた摺動部材１の一例の周方向断面を図４に概略的に示す。裏金層２の表面に多孔質金属部６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。多孔質金属部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からである。
多孔質金属部は、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。多孔質金属部の空孔率は２０〜６０％程度であればよい。多孔質金属部の厚さは５０〜５００μｍ程度とすればよい。この場合、多孔質金属部の表面上に被覆される摺動層の厚さは０．５〜６ｍｍ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。
上記摺動部材１は、例えばジャーナル軸受（ラジアル軸受）に使用できる。例えば、この軸受は、円柱状の内部空洞を形成するハウジングを有する。ハウジングは、１つ又は複数、通常は２つのハウジング要素からなる。内部空洞の内周面に、上記摺動部材を周方向に複数個配置し、これらの摺動部材により相手軸である軸部材を支承するようになっている。上記摺動部材の部分円筒形状（曲率、寸法等）は、内部空洞および軸部材に適合するように設計される。しかし、上記摺動部材は、他の形態の軸受或いはその他の摺動用途にも利用可能である。
本発明は、このような複数の上記摺動部材を備えたジャーナル軸受も包含している。
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）繊維状粒子原材料の準備
繊維状粒子の原材料としては、例えば人為的に造成した無機繊維粒子（ガラス繊維粒子、セラミック繊維粒子など）や有機繊維粒子（炭素繊維粒子、アラミド繊維、アクリル繊維粒子、ポリビニルアルコール繊維粒子など）を用いることができる。
（２）合成樹脂原材料粒の準備
合成樹脂の原材料としては、平均粒径７〜３０μｍ、アスペクト比５〜１００を有する粒を用いることが好ましい。合成樹脂としては、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール、ナイロン、フェノール、エポキシ、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンおよびポリエーテルイミドのうちから選ばれる１種以上からなるものを用いることができる。
（３）樹脂組成物シートの製造
樹脂組成物シートは、上記原材料等から、溶融混練機、供給金型、シート成形金型および引出ロールを用いて作製する。
「溶融混練機」
溶融混練機により、合成樹脂原材料粒、繊維状粒子原材料、およびその他の任意材料（固体潤滑剤、充填材等）の原材料を１８５℃〜３７０℃の温度で加熱しながら混合し、溶融状態の樹脂組成物を作製する。この樹脂組成物は、溶融混練機から一定の圧力で押し出される。
「供給金型」
溶融混練機から押し出された樹脂組成物は、供給用金型を介してシート成形金型に常に一定量を供給される。供給金型は、加熱用ヒータを有し、供給金型内を通る樹脂組成物を１７５℃〜３６０℃の温度に加熱して溶融状態に維持する。
「シート成形金型」
樹脂組成物はシート成形金型によりシート形状に形成される。シート成形金型の金型壁内部には、シート形状の樹脂組成物の冷却のために冷却流体通路が形成されている。供給金型からシート成形金型に供給された溶融状態の樹脂組成物は、シート形状に成形され、シート成形金型内を出口側へ移動しながら冷却されるので、次第に粘度が高くなって固化が始まり、成形金型内の出口から引き出される前に完全に固体状態のシートとなる。樹脂組成物シートの厚さの寸法の一例としては１〜７ｍｍである。
「引出ロール」
樹脂組成物シートは、引出ロールにて連続して「シート成形金型」から引き出される。引出ロールは、樹脂組成物シートを両側から押さえて移動させる少なくとも一対のロールからなる。引出ロールは、電動モータにより制御可能に回転駆動できるようになっている。
完成した樹脂組成物シートは、後述する被覆工程に用いられる裏金の寸法に適合する大きさに切断される。
（４）裏金
裏金層としては、亜共析鋼やステンレス鋼等の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部を形成してもよいが、多孔質金属部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）被覆及び成形工程
樹脂組成物シートを、裏金層の一方の表面、あるいは裏金の多孔質金属部上に接合する。その後、使用形状、例えば、部分円筒形状に加圧プレスにて成形した後、組成物の厚さを均一とするため、摺動層の表面および裏金を加工または切削する。なお、樹脂組成物シートのシート成形工程における引出方向が、部分円筒形状の周方向になるように成形する。
組織制御
次に、繊維状粒子を配向させる組織制御方法について説明する。組織制御は、上記の樹脂組成物シートの製造工程中に、引出ロールによる樹脂組成物シートの引出速度を周期的に変化させることにより行なう。この場合の最小の引出速度は、溶融混練機からの溶融状態の樹脂組成物を供給圧力（押出圧力）でシート成形金型の内部を充填するのに十分な速度とし、最大の引出速度は、シート成形金型の内部を充填するのに溶融状態の樹脂組成物の供給が僅かに不足する速度とする。例えば、最大の引出速度は、上記供給圧力によりシート成形金型の内部を丁度充填できる単位時間当たりの溶融状態の樹脂組成物の供給量体積を１００とした場合、金型から引き出される樹脂組成物シートの体積が１２０程度となる速度とすればよい。
引出速度が最小速度から最大速度となる周期は、シート成形金型の内容積（金型内の溶融樹脂の体積に相当する）により変える必要があるが、例えば、厚さ１〜７ｍｍ、幅１５０〜８００ｍｍの樹脂組成物シートである場合には、周期は５〜１０秒程度であればよい。
引出速度が小さい状態から大きい状態に変化すると、最大の引出速度付近では、樹脂組成物シートの固化した部分が、先にシート成形金型の出口側へ移動し、溶融または半溶融状態の樹脂組成物部分の引き出しが遅れて、固化部分と溶融または半溶融部分との間に僅かな空隙が形成される。その後に引出速度が大きい状態から小さい状態に変化する間に、溶融混練機からの一定の供給圧力により押された溶融または半溶融状態の樹脂組成物部分が遅れて出口側に流動し、先に移動した樹脂組成物の固化した部分に追いついて隙間がなくなる。この溶融または半溶融状態の樹脂組成物が、固化した樹脂組成物部分との間の隙間を流動し、固化した樹脂組成物部分と衝突することにより樹脂組成物の流れに乱れが生じる。
図５にこの様子を模式的に示す。樹脂組成物シートは、紙面の右側から左側に向かう方向に引き抜かれる（引き抜き方向１０）。溶融または半溶融状態の樹脂組成物１１の流れを矢印に示す。供給金型から流れてきた（紙面の右側から流れる）溶融または半溶融状態の樹脂組成物１１は、既に固化した樹脂組成物１２に当たり、乱れが生じながらも、固化した樹脂組成物１２に沿って樹脂組成物シートの表面方向に向かって流れる。表面付近では、溶融または半溶融状態の樹脂組成物は、シート成形金型１３の表面と接して流れながら固化することで、乱れが生じ難い。そのために、樹脂組成物シートの厚さ方向の中央部領域では、繊維状粒子は、長軸が樹脂組成物シートの表面に垂直な方向に配向しやすくなり、他方、表面付近では、繊維状粒子は、長軸が樹脂組成物シートの表面に平行な方向に配向しやすくなる。
従来技術では、引出ロールによる樹脂組成物シートの引出速度を一定としているが、この場合には、シート成形金型内で溶融状態の樹脂組成物は出口側へ向かって常に一方向に流れるため、樹脂組成物シートの厚さ方向の全域で、繊維状粒子は、長軸が樹脂組成物シートの表面に平行な方向に配向しやすくなる。
また、従来の一般的な射出成型法で樹脂組成物シートを製造した場合、シート成形金型の供給口から溶融状態の樹脂組成物を瞬時に充填させるので、金型内の各所で溶融状態の樹脂組成物どうしが衝突または合流する。そのため、金型内で溶融状態の樹脂組成物が一方向に流れた箇所と溶融状態の樹脂組成物どうしが衝突した箇所では繊維状粒子の配向方向が異なり、樹脂組成物シートは、表面からみると、繊維状粒子の長軸が表面に平行な方向を向いて配向している箇所と、繊維状粒子の長軸がランダムに配向した箇所（ウエルド部）が混在したものとなる。
また、先行技術文献４のように合成樹脂に架橋促進剤と繊維状粒子からなる樹脂組成物を射出成型法により樹脂組成物シートを製造した場合、繊維状粒子は無配向（等方）に分散する。
測定方法
繊維状粒子の平均粒径は、電子顕微鏡を用いて摺動部材の周方向断面の複数箇所の電子像を２００倍で撮影し、繊維状粒子の平均粒径を測定した。具体的には、繊維状粒子の平均粒径は、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、各繊維状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、他の倍率に変更してもよい。
次に、摺動層に含まれる繊維状粒子の全体積に対する長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子の体積割合の測定方法について説明する。上記の手法で得られた電子像の撮影画像を用い、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、撮影画像中の繊維状粒子を、長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子と、それ以外の繊維状粒子に区分する。撮影画像中の全繊維状粒子の合計面積と長軸長さが２０μｍ以上である全繊維状粒子の合計面積を測定し、全繊維状粒子に対する長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子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。
次に摺動層の摺動面側領域、中間領域、界面側領域の区分方法を説明する。上記の手法で得られた電子像の撮影画像を用い、摺動層の摺動面に垂直となる方向の厚さＴを求める。摺動面の任意の位置から裏金層側へ向かって厚さＴの２５％の長さ（１／４×Ｔ）となる位置に、摺動面に対し平行な仮想線ＵＬを描く。また、摺動層の裏金層との界面となる面の位置から摺動面側へ向かって厚さＴの２５％の長さ（１／４×Ｔ）となる位置に、摺動面に対して平行な仮想線ＬＬを描く。摺動層の摺動面から仮想線ＵＬまでの間を摺動面側領域、摺動層の裏金層との界面から仮想線ＬＬまでの間を界面側領域、仮想線ＵＬと仮想線ＬＬとの間を中間領域とする。仮想線ＵＬ、ＬＬを図１に点線で示す。
なお、裏金層の表面に多孔質部を有する場合には、裏金層の表面は凹凸状となる。この場合、摺動層と裏金層との界面は、撮影画像中で裏金層（多孔質部）の表面の最も摺動面側に近くに位置する凸部の頂部を通り摺動面に対し平行な仮想線とする。
平均アスペクト比Ａは、上記の手法で得られた電子像の撮影画像を用い、長軸長さが２０μｍ以上である各繊維状粒子の長軸長さＬと短軸長さＳの比（長軸長さＬ／短軸長さＳ）の平均として求める（図２参照）。なお、繊維状粒子の長軸長さＬは、上記のとおり電子像中の繊維状粒子の長さが最大となる位置での長さを示し、短軸長さＳは、長軸長さ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。
繊維状粒子の分散指数Ｓは、上記電子像の撮影画像を用い、長軸長さが２０μｍ以上である各繊維状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、それら各長さの比Ｘ１／Ｙ１の平均値を算出して求める（図３参照）。なお、繊維状粒子の分散指数Ｓが０に近いほど、繊維状粒子は長軸方向が摺動面に対し垂直方向に配向して分散し、分散指数Ｓが１．１を超えて大きくなるほど長軸方向が摺動面に対し平行に配向して分散する。
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。
表１に示す実施例１〜１０および比較例１１〜１７における繊維状粒子の原材料は、平均粒径が７〜３５μｍで、平均アスペクト比（長軸長さ／短軸長さ）が５〜１００の粒子を用いた。
実施例１〜１０および比較例１１〜１７における合成樹脂の原材料としてＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）粒子又はＰＦ（フェノール）粒子を用いた。これらの粒子は、平均粒径が、原材料である繊維状粒子の平均粒径に対して１２５％であるものを用いた。
実施例５〜９の固体潤滑剤（ＭｏＳ２、Ｇｒ）の原材料粒子は、平均粒径が繊維状粒子原材料の平均粒径に対して３０％の粒子を用い、充填材（ＣａＦ２）の原材料粒子は、平均粒径が繊維状粒子の平均粒径に対して２５％のものを用いた。比較例１７の架橋促進剤の原材料は、平均粒径が繊維状粒子の平均粒径に対して２５％の粒子を用いた。
上記の原材料を表１に示す組成比率で秤量し、この組成物を予めペレット化した。このペレットを溶融混練機に投入し、順に供給金型、シート成形金型、引出ロールを通して、樹脂組成物シートを作製した。なお、実施例１〜９および比較例１１〜１６では、溶融混練機の加熱温度を３５０〜３９０℃に設定し、実施例１０では加熱温度を２３０〜２５０℃に設定した。また、引出ロールによる樹脂組成物シートの引出速度は、実施例１〜１０および比較例１１〜１４、１６は、周期的（５〜１０秒）に変化させ、比較例１５は一定とした。また、比較例１７は、先行技術文献４にしたがって、射出成形にて樹脂組成物シートを作製した。
次に樹脂組成物シートをＦｅ合金製の裏金層の一方の表面に被覆させたのち、部分円筒形状に加工し、次に、裏金層上の組成物が所定の厚さとなるように切削加工した。なお、実施例１〜９及び比較例１１〜１７の裏金層はＦｅ合金を用いたが、実施例１０はＦｅ合金の表面にＣｕ合金の多孔質焼結部を有するものを用いた。また、実施例１〜１０および比較例１１〜１６の摺動部材は、樹脂組成物シートの成形工程での引出ロールでの引出方向が部分円筒形状の周方向に平行となるようにした。
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厚さは３ｍｍであり、裏金層の厚さは１０ｍｍであった。
作製した実施例および比較例の摺動部材は、上記に説明した測定方法により、摺動層に分散する繊維状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「長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子」の平均アスぺクト比（Ａ）の測定行い、その結果を表１の「平均アスペクト比（Ａ）」欄に示した。また、上記に説明した測定方法により、摺動層中の摺動面側領域、中間領域および界面側領域に分散する「長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子」の分散指数（Ｓ）の測定行い、その結果を表１の「分散指数（Ｓ）」欄に示した。また、上記に説明した摺動層に分散する繊維状粒子の全体積に対する長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子の体積割合の測定を行い、その結果を「体積比率」欄に示した。
部分円筒形状に成形した摺動部材を複数個組み合わせて円筒形状にし、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（μｍ）」欄に示す。また、各実施例および各比較例は、摺動試験後の摺動層の表面の複数箇所を粗さ測定器を用いて傷の発生の有無を評価した。表１の「割れの発生有無」欄に、摺動層の表面に深さが５μｍ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」と示した。また、摺動試験後の試験片を摺動部材の周方向に平行、且つ、摺動面に対して垂直に切断し、摺動層と裏金との界面の「せん断」の発生の有無を光学顕微鏡で確認した。表１の「界面のせん断の有無」欄に、界面の「せん断」が確認された場合には「有」、確認されなかった場合は「無」と示した。
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、繊維状粒子５の平均アスペクト比（Ａ）が５〜１０となり、特に、摩耗量が少なくなった。「長軸長さが２０μｍ以上である」繊維状粒子５の平均アスペクト比が１．５〜１０であるものの体積割合が３０％以上である実施例４〜９は、体積割合が３０％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摺動層の強度（変形抵抗）が向上したためと考えられる。
さらに、実施例では、摺動試験後の摺動層の表面に割れの発生および界面のせん断の発生がなかったが、これも上記に説明したとおり、摺動層に含まれる繊維状粒子の摺動面側領域、中間領域、界面側領域の各領域における繊維状粒子の分散指数が異なることにより、摺動面に割れが発生することが防がれたと考えられる。
これに対し、比較例１５のように、摺動層に含まれる繊維状粒子が、摺動面側領域、中間領域、界面側領域の各領域で配向が同じ（摺動面に対して平行方向に配向）である場合、摺動面の表面に割れが発生し、且つ、摺動層と裏金との界面でせん断が発生しやすくなり、結果的に摺動層の摩耗が起きやすくなり、摩耗量が多くなる。
比較例１１は、摺動層に含まれる繊維状粒子の平均粒径が５μｍ未満のために、摺動層の強度（変形抵抗）を高める効果が小さくなったために、摺動層の表面に割れが発生して摩耗量が多くなったと考えられる。
比較例１２は、摺動層に含まれる繊維状粒子の平均粒径が３０μｍと大きいために、摺動層に軸部材からの負荷が加わった場合に、繊維状粒子自体にせん断が起こりやすくなり、摺動面の割れが発生し摩耗量が多くなり、また、摺動層と裏金との界面でのせん断が発生したと考えられる。
比較例１３は、摺動層に含まれる繊維状粒子の体積が１０％未満のために摺動層の強度（変形抵抗）が小さくなり、摺動面の割れが発生し摩耗量が多くなり、また、摺動層と裏金との界面でのせん断が発生したと考えられる。
比較例１４は、摺動層に含まれる繊維状粒子の体積が３５％を超えているために、摺動層が脆くなり、摺動面の割れが発生し摩耗量が多くなり、また、摺動層と裏金との界面でのせん断が発生したと考えられる。
比較例１５は、樹脂組成物シートの作製時における引出工程時の引出速度を一定に設定したために、摺動層に含まれる繊維状粒子が、摺動面側領域、中間領域、界面側領域の全体において、摺動層の摺動面に略平行な方向に配向した（分散指数が大きい）ために、摺動面の割れが発生し摩耗量が多くなり、また、摺動層と裏金との界面でのせん断が発生した。
比較例１６は、摺動層の摺動面側領域および界面側領域に含まれる繊維状粒子の分散指数が６を超え、中間領域の分散指数も２を超えている。このために、軸部材から負荷が加わった場合、中間領域の摺動面に加わる負荷を緩和する効果が低くなり、摺動面の割れが発生し摩耗量が多くなり、また、摺動層と裏金との界面でのせん断が発生したと考えられる。
比較例１７は、射出成形にて樹脂組成物シートを作製したものであるが、摺動層に含まれる繊維状粒子の分散指数が、摺動層の全体を通じて無配向となるために、軸部材から負荷が加わった場合、摺動面の割れが発生し、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：繊維状粒子 ６：多孔質金属部、３０：摺動面、３１：摺動面側領域、３２：中間領域、３３：界面側領域

Claims (10)

  1. 裏金層および該裏金層上の摺動層とからなる、ジャーナル軸受用の摺動部材において、該摺動部材が部分円筒形状を有し、
    前記摺動層が、合成樹脂および該合成樹脂中に分散した繊維状粒子からなり、該繊維状粒子が、前記摺動層の１０〜３５％の体積割合を有し、前記繊維状粒子の平均粒径が５〜２５μｍであり、
    前記摺動部材の周方向に平行であり且つ前記摺動層の摺動面に垂直である周方向断面組織において、前記繊維状粒子は、長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子を全繊維状粒子に対して１０％以上の体積割合で含み、
    前記周方向断面組織において、前記摺動面から前記裏金層との界面に向かって、前記摺動層の厚さの２５％の領域を摺動面側領域、前記界面から前記摺動面に向かって前記摺動層の厚さの２５％までの領域を界面側領域、前記摺動面側領域と前記界面側領域との間の領域を中間領域としたとき、
    前記摺動面側領域に分散する、前記長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子の分散指数が１．１以上６以下であり、
    前記中間領域に分散する、前記長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子の分散指数が０．１以上１未満であり、
    前記界面側領域に分散する、長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子の分散指数が１．１以上６以下であり、
    ここで分散指数は、各繊維状粒子についての比Ｘ１／Ｙ１の平均により表され、Ｘ１は、前記周方向断面組織での前記繊維状粒子の前記摺動面に対して平行方向の長さであり、Ｙ１は、前記周方向断面組織での前記繊維状粒子の前記摺動面に対して垂直方向の長さである、摺動部材。
  2. 前記周方向断面組織において、前記長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子の平均アスペクト比が１．５〜１０である、請求項１に記載された摺動部材。
  3. 前記周方向断面組織において、前記長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子の平均アスペクト比が５〜１０である、請求項２に記載された摺動部材。
  4. 前記周方向断面組織において、全繊維状粒子に対する、前記長軸長さが２０μｍ以上である繊維状粒子の体積割合は３０％以上である、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. 前記繊維状粒子が、ガラス繊維粒子、セラミック繊維粒子、炭素繊維粒子、アラミド繊維粒子、アクリル繊維粒子、およびポリビニルアルコール繊維粒子のうちから選ばれる１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. 前記合成樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール、ナイロン、フェノール、エポキシ、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレン、およびポリエーテルイミドのうちから選ばれる１種以上からなる、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、黒鉛、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化硼素、およびポリテトラフルオロエチレンのうちから選ばれる１種以上の固体潤滑剤を更に含む、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、チタン酸カリウムおよびＭｏ２Ｃ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％を更に含む、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。
  9. 前記裏金層は、前記摺動層との界面となる表面に多孔質金属部を有する、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部材。
  10. 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部材を複数個備えた、ジャーナル軸受。

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