JP6871059B2 - 摺動部材用樹脂材料及び摺動部材 - Google Patents
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Description
本発明は、摺動部材用樹脂材料及びこれを用いた摺動部材に関する。
摺動部材に用いる樹脂材料として、バインダー樹脂に黒鉛を添加した樹脂材料が知られている。例えば特許文献１には、球に近い形状を有する黒鉛粒子を含む樹脂材料が記載されている。
特許文献１に記載の技術においては、樹脂材料の耐疲労性に改善の余地があった。
これに対し本発明は、耐疲労性を改善した摺動部材用樹脂材料を提供する。
本発明は、ポリイミド樹脂と、前記ポリイミド樹脂中に分散された添加剤とを含み、前記添加剤が、黒鉛と、クレーとを含み、耐疲労強度が５５ＭＰａ以上である摺動部材用樹脂材料を提供する。
前記耐疲労強度が８０ＭＰａ以上であってもよい。
また、本発明は、上記いずれかの摺動部材用で形成された樹脂層を有する摺動部材を提供する。
本発明によれば、摺動部材用樹脂材料において耐疲労性を改善することができる。
１．構成
図１は、一実施形態に係る摺動部材１の断面構造を例示する図である。摺動部材１は、例えば燃料噴射ポンプにおけるブシュとして用いられる摺動部材である。摺動部材１は、基材１１、焼結層１２、及び樹脂層１３を有する。基材１１は摺動部材１の形状及び機械的強度を与えるための層である。基材１１は、例えば鋼で形成される。焼結層１２は、樹脂層１３と基材１１との密着性を向上させるための層であり、金属粉、例えば銅又は銅合金の粉末で形成される。
図１は、一実施形態に係る摺動部材１の断面構造を例示する図である。摺動部材１は、例えば燃料噴射ポンプにおけるブシュとして用いられる摺動部材である。摺動部材１は、基材１１、焼結層１２、及び樹脂層１３を有する。基材１１は摺動部材１の形状及び機械的強度を与えるための層である。基材１１は、例えば鋼で形成される。焼結層１２は、樹脂層１３と基材１１との密着性を向上させるための層であり、金属粉、例えば銅又は銅合金の粉末で形成される。
樹脂層１３は、摺動部材用樹脂材料で形成される。この樹脂材料は、バインダー樹脂１３１、及びバインダー樹脂１３１中に分散された添加剤１３２を含む。バインダー樹脂１３１としては、例えば熱硬化性樹脂、より具体的には、例えばポリイミド（ＰＩ）樹脂及びポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂の少なくとも一方が用いられる。なお、耐疲労性を向上させる観点から、ＰＡＩ樹脂よりもＰＩ樹脂を用いることが好ましく、ＰＩ樹脂の中でも高強度のもの（ここで「高強度」とは引張強度が１５０ＭＰａ以上のものをいう）が用いられることが好ましい。耐疲労性を向上させる観点からは、樹脂層１３におけるバインダー樹脂の含有量は多い方が好ましく、例えば８０体積％以上であることが好ましく、８３体積％以上であることがより好ましく、８５体積％以上であることがさらに好ましく、９０体積％以上であることがさらに好ましい。
添加剤１３２とは樹脂層１３の特性を改善するための物質であり、例えば、固体潤滑剤１３２１、硬質物（硬質粒子）１３２２、及びシランカップリング剤のうち少なくとも１つを含む（シランカップリング剤は図示略）。固体潤滑剤１３２１は樹脂層１３の摩擦係数を低減するための添加物であり、例えば、黒鉛（グラファイト）及びＭｏＳ2のうち少なくとも一方を含む。ＭｏＳ2は樹脂層において凝集しやすい場合があるので、固体潤滑剤１３２１としては黒鉛を用い、ＭｏＳ2を用いないことが好ましい。固体潤滑剤１３２１として黒鉛を用いる場合、摩擦係数を低減する観点からその黒鉛化度は高い方が好ましく、例えば９５％以上であることが好ましく、９９％以上であることがより好ましい。硬質物１３２２は樹脂層１３の耐焼付性及び耐摩耗性を向上させるための物質であり、例えば、クレー、ムライト、及びタルクのうち少なくとも１種を含む。シランカップリング剤はバインダー樹脂１３１と固体潤滑剤１３２１との結合を強化するための物質である。
耐疲労性を向上させる観点から、添加剤の含有量は少ない方が好ましく、例えば合計で２０体積％以下であることが好ましく、１７体積％以下であることがより好ましく、１５体積％以下であることがさらに好ましく、１０体積％以下であることがさらに好ましい。摩擦係数を低減する観点からは固体潤滑剤の含有量は多い方が好ましく、例えば９体積％以上であることが好ましい。添加剤の総量を減らす観点から固体潤滑剤の含有量は少ない方が好ましく、例えば１８体積％以下であることが好ましい。耐焼付性及び耐摩耗性を向上させる観点からは硬質物の含有量は多い方が好ましく、例えば０．５体積％以上であることが好ましい。添加剤の総量を減らす観点から固体潤滑剤の含有量は少ない方が好ましく、例えば３体積％以下であることが好ましい。固体潤滑剤及び硬質物の双方を添加するためには、固体潤滑剤の含有量は９体積％以上１７体積％以下であることが好ましく、１４体積％以下であることがより好ましい。硬質物の含有量は０．５体積％以上３体積％以下であることが好ましい。シランカップリング剤の含有量は、バインダー樹脂に対して例えば０．１重量％以上であることが好ましく、０．２重量％以上であることがより好ましい。コスト削減の観点から、シランカップリング剤の含有量は、バインダー樹脂に対して例えば５重量％以下であることが好ましく、３重量％以下であることがより好ましい。
切削加工後における表面粗さを低減する観点から、材料として用いる添加剤１３２の粒径は小さいことが好ましく、例えば、添加剤１３２の平均粒径は、焼結層１２に用いられる金属粉の平均粒径よりも小さいことが好ましい。さらに、固体潤滑剤１３２１及び硬質物１３２２のいずれも、平均粒径が５μｍ以下又は５μｍ未満であることが好ましく、３μｍ以下又は３μｍ未満であることがより好ましい。
樹脂層１３を摺動部材に用いるため、耐疲労強度すなわち疲労面圧は５５ＭＰａ以上であることが好ましく、８０ＭＰａ以上であることがより好ましく、９０ＭＰａ以上であることがさらに好ましい。なお疲労面圧の測定方法は後述する。樹脂層１３の耐疲労性を向上させる観点から、材料として用いる固体潤滑剤１３２１の平均粒径は小さいことが好ましく、例えば、硬質物１３２２の平均粒径の２倍以下であることが好ましく、硬質物１３２２の平均粒径よりも小さいことがより好ましい。
樹脂層１３においては、添加剤１３２の含有量が増えると樹脂層１３の耐疲労性が低下すると考えられる。本実施形態においては、添加剤の含有量を抑えることにより耐疲労性を向上させる。
２．実施例
本願の発明者らは、種々の条件で摺動部材の試験片を作製し、これらの試験片について耐疲労性を評価した。
本願の発明者らは、種々の条件で摺動部材の試験片を作製し、これらの試験片について耐疲労性を評価した。
２−１．試験片作製
基材としては、厚さ１．５ｍｍの鋼板（ＳＰＣＣ（ＪＩＳ））を用いた。基材の上に銅合金粉（平均粒径１００μｍ）を厚さ１００μｍで散布した後、圧下せず、還元雰囲気で９３０℃に加熱して焼結した。表１の組成の樹脂層を形成するための前駆体溶液を調整し、この前駆体溶液を、焼結層の上にナイフコート法により塗布した。塗布後、室温〜約２００℃の範囲で６０〜９０分程度、乾燥した。その後、約３００℃まで昇温し、３０〜９０分程度焼成した。
基材としては、厚さ１．５ｍｍの鋼板（ＳＰＣＣ（ＪＩＳ））を用いた。基材の上に銅合金粉（平均粒径１００μｍ）を厚さ１００μｍで散布した後、圧下せず、還元雰囲気で９３０℃に加熱して焼結した。表１の組成の樹脂層を形成するための前駆体溶液を調整し、この前駆体溶液を、焼結層の上にナイフコート法により塗布した。塗布後、室温〜約２００℃の範囲で６０〜９０分程度、乾燥した。その後、約３００℃まで昇温し、３０〜９０分程度焼成した。
実験例１〜４においては黒鉛として平均粒径（体積基準によるｄ５０）が１．５μｍであり、黒鉛化度が９９％のものを用いた。また、高強度ＰＩ樹脂として、引張強度が１９５ＭＰａ、伸びが９０％、弾性率が３．８ＧＰａ、ガラス転移温度Ｔｇが２８５℃のものを用いた。実験例５においては黒鉛として、平均粒径が１２．５μｍであり、黒鉛化度が９０％のものを用いた。ＭｏＳ2としては平均粒径が１．５μｍのものを用いた。さらに、ＰＩ樹脂としては、引張強度が１１９ＭＰａ、伸びが４７％、ガラス転移温度Ｔｇが３６０℃のものを、ＰＡＩ樹脂として、引張強度が１１２ＭＰａ、伸びが１７％、弾性率が２．７ＧＰａ、ガラス転移温度Ｔｇが２８８℃のものを用いた。実験例１〜４において、シランカップリング剤としては、化学式が3(H3CO)SiC3H6−NH−C3H6Si(OCH3)3のものを用いた。なお表１において、シランカップリング剤の含有量は、高強度ＰＩ樹脂に対する重量比で示されている。実験例１〜５において、クレーとしては、構造式がAl2O3・2SiO2であり、平均粒径が３μｍのものを用いた。
実験例１〜４において、固体潤滑剤としては黒鉛のみを用いた（すなわちＭｏＳ2は含まない）。添加剤は全て、平均粒径が３μｍ以下であった。
２−２．耐疲労性評価
実験例１及び実験例２の試験片に対し疲労試験を行った。疲労試験は以下の条件で行い、樹脂層に疲労が発生しなかった最大の面圧を疲労面圧とした。
・試験機：往復動荷重試験機
・回転速度：３０００ｒｐｍ
・試験温度（軸受背面温度）：１００℃
・相手材：Ｓ４５Ｃ
・潤滑油：パラフィン油
実験例１及び実験例２の試験片に対し疲労試験を行った。疲労試験は以下の条件で行い、樹脂層に疲労が発生しなかった最大の面圧を疲労面圧とした。
・試験機：往復動荷重試験機
・回転速度：３０００ｒｐｍ
・試験温度（軸受背面温度）：１００℃
・相手材：Ｓ４５Ｃ
・潤滑油：パラフィン油
表１は、実験例１〜６の組成及び疲労試験の結果を示す。
実験例１〜３の耐疲労面圧は９０ＭＰａ以上であったのに対し、実験例４及び５の耐疲労面圧は４０ＭＰａ以下であった。実験例４及び５を比較例とし、実験例１〜３を実施例とすると、比較例に係る樹脂材料は疲労面圧が５５ＭＰａに達しなかったが、本実施形態に係る樹脂材料は疲労面圧が５５ＭＰａ以上であった。
なお、上述の実施例において使用した各種の材料及びその組成はあくまで例示であり、本発明はこれに限定されるものではない。本発明に係る樹脂材料は不可避不純物を含んでもよい。また、摺動部材の具体的構造は図１で例示したものに限定されない。例えば、焼結層１２は省略され、基材１１の上に直接、樹脂層１３が形成されてもよい。また、摺動部材１の用途は燃料噴射ポンプにおけるブシュとして用いられるものに限定されず、各種の軸受、又はコンプレッサー等に用いられてもよい。
１…摺動部材
１１…基材
１２…焼結層
１３…樹脂層
１３１…バインダー樹脂
１３２…添加剤
１１…基材
１２…焼結層
１３…樹脂層
１３１…バインダー樹脂
１３２…添加剤
Claims (3)
- 引張強度１９５ＭＰａ以上のポリイミド樹脂と、
前記ポリイミド樹脂中に分散された添加剤と
を含み、
前記添加剤が、
黒鉛と、
クレーと
を含み、
耐疲労強度が５５ＭＰａ以上である
摺動部材用樹脂材料。 - 前記耐疲労強度が８０ＭＰａ以上である
請求項１に記載の摺動部材用樹脂材料。 - 請求項１又は２に記載の摺動部材用樹脂材料で形成された樹脂層を有する摺動部材。
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| JP2017100960A Active JP6871059B2 (ja) | 2017-05-22 | 2017-05-22 | 摺動部材用樹脂材料及び摺動部材 |
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