JP7075251B2 - 摺動部材 - Google Patents
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Description
特許文献1(特開2015-183799号公報)には、筒状の基材の内周面に設けられた撥油性の第1樹脂層と、第1樹脂層よりも弾性率の小さい材料で形成された親油性の第2樹脂層とを有し、第1樹脂層および第2樹脂層が面圧を受けた状態で、第2樹脂層が第1樹脂層よりも凹むことで摺動面に溝が形成される軸受が記載されている(特許文献1の請求項1、明細書の段落[0026]、図4参照)。特許文献1の技術は、軸が回転して油膜の圧力が上昇したときに親油性の第2樹脂層により形成される溝に潤滑油が保持され易く、軸が回転していないときには潤滑油が撥油性の第1樹脂層の第1接触面にも放出され易いという構成により、軸と軸受の摩耗や焼付を抑制することを意図している。
すなわち、本発明の第1の局面による摺動部材は、基材の表面に樹脂層を設けた摺動部材であって、樹脂層の表面粗化率が1.05以上である。
このような構成によれば、摺動面における潤滑油の濡れ性を向上させることができ、もって、摺動面の摺動特性が向上する。
また、本発明の第2の局面によれば、上記の摺動部材において、樹脂層の表面粗化率が1.07以上である。これによれば、摺動面の摺動特性をより向上させられる。
このような構成は摺動面における潤滑油の濡れ性の向上に寄与し、即ち、摺動面の摺動特性の向上に寄与する。
更に、本発明の第4の局面によれば、第1又は第2の局面に規定された摺動部材において、樹脂層の平均高さ(Rc)が0.5μm以上かつ5.0μm以下の範囲に含まれる。かかる構成も、摺動面における潤滑油の濡れ性の向上に寄与し、即ち、摺動面の摺動特性の向上に寄与する。
なお、第3及び第4の局面の各要件を兼ね備えるもの、即ち、樹脂層の局部山頂の平均間隔(s)が2μm以上かつ12μm以下の範囲に含まれ、かつ樹脂層の平均高さ(Rc)が0.5μm以上かつ5.0μm以下の範囲に含まれるもの(第5の局面)によれば、摺動面における潤滑油の濡れ性が更に向上し、もって、摺動面により高い摺動特性を確保できる。
このように規定される第6の局面に規定の摺動部材によれば、第5の局面に規定の摺動部材に比べて、摺動面における潤滑油の濡れ性がより一層向上し、もって摺動面の摺動特性もより一層向上する。
このような構成によれば、摩擦による高温環境下においても高耐熱性の第1固体潤滑剤により摺動部材と相手側摺動部材の間の良好な潤滑性が保たれるとともに、高潤滑性の第2固体潤滑剤により摺動部材と相手側摺動部材の摩擦が低減され、摩擦による温度上昇が抑制される。これにより、摩耗や焼付を効果的に防止できる。即ち、摺動特性が向上する。
また、本発明の第8の局面によれば、第7の局面に記載の摺動部材において、第1固体潤滑剤の第2固体潤滑剤に対する体積割合が0.5以上かつ2.6以下の範囲に含まれる。これによれば、その摺動面の摺動特性が更に向上する。
また、本発明の第10の局面によれば、上記の摺動部材において、第1固体潤滑剤はグラファイト、h-窒化ホウ素(h-BN)、三酸化モリブデンのうちの少なくとも一種を含む。
これらの構成により、上記した効果を好適に発揮できる。
図1(A)は、本発明の一実施形態による摺動部材1の摺動面21付近の断面を模式的に示す図である。摺動部材1は、基材層10の摺動面21側の表面に摺動用樹脂組成物からなる樹脂層20を積層した構成である。図1の上下方向が各層の厚さ方向である。基材層10は鋼板層11を備え、鋼板層11の表面(摺動面21側の表面)にアルミニウム(Al)、銅(Cu)、錫(Sn)等の合金からなる合金層12が設けられる。
表面粗化率とは一般に表面積率とも称され、指定した領域の面積と試料の表面形状によって生じる表面積の比率(表面積/面積)で表される。本実施形態においては、樹脂層20の摺動面21を、その表面粗化率が1.05以上、より好ましくは1.07以上となるように形成している。表面粗化率の上限値としては1.1が例示できる。1.1を超えると、充分な油膜厚さが確保できなくなる可能性がある。
後に複数の実施例と比較例に基づき説明するように、本発明の発明者らが行った試験により、樹脂層20の摺動面21の表面粗化率が1.05以上のとき、特に表面粗化率が1.07以上のときに、摺動面21上における潤滑油による濡れ性が向上することが判明した。これは、次の式1に示すWenzelの式によるものと考えられる。
上記の式1において、各記号の意味するところは次のとおりである。
r:表面粗化率
Φ:粗面上での接触角
θ:平滑面上での接触角
γLG:液体・気体界面にはたらく表面張力
γSL:固体・液体界面にはたらく表面張力
γSG:固体・気体界面にはたらく表面張力
上記の式1より、θ<90°のときφ<θであることから、濡れ易い面は粗面にすることでより濡れ易くなることが分かる。よって、濡れ易い摺動面21において表面粗化率が高くなるにつれて摺動面21の濡れ性は向上し、潤滑油が摺動面21全域に濡れ拡がり易くなることが分かる。
JIS B0601 1994によれば、局部山頂の平均間隔(s)は、粗さ曲線より基準長さ(L)だけ抜き取り、この抜き取り部分において、隣り合う局部山頂間に対応する平均線の長さを求め、この多数の局部山頂の間隔の算術平均値を表したものとして定義される。本実施形態の摺動部材1においては、樹脂層20の摺動面21は、摺動面21における局部山頂の平均間隔(s)が2μm以上かつ12μm以下の範囲、より好ましくは2μm以上かつ10μm以下の範囲に含まれるように形成される。このように局部山頂の平均間隔(s)が2μm以上かつ12μm以下の範囲、より好ましくは2μm以上かつ10μm以下の範囲に含まれる摺動面21の断面図を図3(A)に模式的に示す。これにより、潤滑油aの濡れの拡張が摺動面21上を伝って好適に生じている。図2(A)においては潤滑油aの濡れの拡張が発生している範囲を両矢印IIIAによって示している。このような潤滑油aの濡れの拡張は毛細管現象によるものと考えられ、摺動面21の局部山頂の平均間隔(s)が12μm以下の場合、局部山頂間の谷における毛細管現象によって生じ易くなる。局部山頂間の間隔が狭くなる程その効果がより顕著となる。
一方、図3(B)の比較例の樹脂層20’の摺動面のように局部山頂の間隔が大きい場合は、潤滑油aが局部山頂間の谷の中で留まってしまい、潤滑油aの濡れの拡張が効果的に生じない。
JIS B0601 2001によれば、平均高さ(Rc)とは基準長さにおける輪郭曲線要素の高さの平均値として定義される。本実施形態の樹脂層20の摺動面21は、平均高さ(Rc)が0.5μm以上かつ5.0μm以下の範囲、より好ましくは0.5μm以上かつ3.0μm以下の範囲に含まれるように形成される。図3(A)に示す摺動面21においては、平均高さ(Rc)が0.5μm以上かつ5.0μm以下の範囲、より好ましくは0.5μm以上かつ3.0μm以下の範囲に含まれるものとする。これにより、潤滑油aの濡れの拡張が摺動面21上を伝って好適に生じている。
一方、図3(C)の比較例の樹脂層20”の摺動面のように平均高さ(Rc)が大きいと山頂間の谷が油溜まりとしての効果を発揮するため、潤滑油aの濡れの拡張が生じ難くなる。
以上のような構成により、本実施形態の摺動部材1においては、潤滑油が摺動面21全体に拡張し易く、耐焼付性が向上する。
次に、本実施形態の摺動部材1の製造方法として、基材10の表面に樹脂層20を形成する際に、摺動面21の表面粗化率と、局部山頂の平均間隔(s)ならびに平均高さ(Rc)を調整する方法について説明する。
(表面粗化率の調整方法)
まず、図4(A)に示す様に、基材10の表面に、その表面形状に関わらず一定の高さで平滑になるように樹脂層20の材料の塗料を塗布する。このときの塗布方法は特に限定されず、基材10が変形しない程度であれば、樹脂層20の材料の塗料を塗布した後に所定の荷重を押しつけることで平滑にしてもよい。
次に、図4(B)に示す様に、図4(A)で形成した層の上に、比較的低粘度の塗料をスプレーコート法にて塗布する。スプレーコート法を採用する利点として、塗料が霧化状態になった後に塗布されるため表面粗化率が制御し易いことが挙げられる。塗料の粘度を下げることで霧化される塗料の粒が小さくなり、樹脂層20の最表面の表面粗化率を増大することができる。また、塗布から乾燥するまでの時間を長くなることで、塗膜が表面に倣うため、表面粗化率は小さくなる。そのため、乾燥時間を短くすることにより、表面粗化率を大きくすることができる。このように、本実施形態においては、任意の表面粗化率を達成するため、樹脂層20の材料の塗料の粘度を調整し、樹脂層20の最表層の形成にスプレーコート法を採用し、その乾燥時間を調整することで表面粗化率を調整している。
本実施形態においては、摺動面21の局部山頂の平均間隔(s)の調整は、塗料の粘度を調整することにより行われる。調整のメカニズムについては上述した表面粗化率の調整と基本的に同じである。すなわち、樹脂層20の材料の塗料の粘度を下げることで、霧化された塗料の粒が小さくなり、局部山頂の平均間隔(s)は小さくなる。反対に、樹脂層20の材料の塗料の粘度を上げることで、霧化された塗料の粒が大きくなり、局部山頂の平均間隔(s)は大きくなる。
本実施形態においては、摺動面21の平均高さ(Rc)の調整は、樹脂層20の最終塗布厚さを制御することにより行われる。任意の膜厚(例えば5μm)の樹脂層20を塗料の塗布により形成する場合、まずは図4(A)に示す様に4.5μmの膜厚の下層を塗料の塗布により形成した後で、その上に図4(B)に示す様に0.5μm以下の薄膜の最表層を塗料の塗布により形成する。このとき、樹脂層20の最表面の平均高さは最終塗布時の膜厚に依存するため、最終塗布時の膜厚を制御することで任意の平均高さ(Rc)を得ることができる。すなわち、樹脂層20を形成する際の最終塗布時の膜厚を薄くすることで平均高さ(Rc)は小さくなり、膜厚を厚くすることで平均高さ(Rc)は大きくなる。加えて、摺動部材1が円筒状のすべり軸受等で内周側に摺動面21を形成する場合には、塗膜が乾燥するまでの間に、遠心力を加えることにより、その力により塗膜が円周方向に引っ張られる。そのため、山頂が低くなり平均高さ(Rc)が小さくなる。これらの方法を適宜合わせることで平均高さ(Rc)を調整する。
本実施形態の樹脂層20は、固体潤滑剤として、耐熱性に優れた第1固体潤滑剤と、潤滑性に優れた第2固体潤滑剤とを含む。すなわち、樹脂層20に含まれる第1固体潤滑剤は第2固体潤滑剤よりも高い耐熱性を有し、第2固体潤滑剤は第1固体潤滑剤よりも高い潤滑性を有する。第2固体潤滑剤として例えば二硫化モリブデン(MoS2)、二硫化タングステン(WS2)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の一種以上を含むものとしてもよい。また、第1固体潤滑剤の第2固体潤滑剤に対する含有比率が体積比で0.1以上かつ4.0以下の範囲、より好ましくは0.5以上かつ2.6以下の範囲に含まれるようにしている。第1固体潤滑剤は例えばグラファイト(Gr)、h-窒化ホウ素(h-BN)、三酸化モリブデン(MoO3)のうちの一種以上を含むものとしてもよい。
また、樹脂層20は二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ポリテトラフルオロエチレン等の潤滑性に特に優れた第2固体潤滑剤を含むため摺動特性が良好で、摺動面温度の上昇が抑制される。そのため、耐摩耗性、耐焼付性が向上する。
更に、第1固体潤滑剤の第2固体潤滑剤に対する含有体積比率が0.1以上かつ4.0以下の範囲、より好ましくは0.5以上かつ2.6以下の範囲に含まれるようにすることで、耐焼付性が向上する。これは第1固体潤滑剤の作用により高温環境下での摺動特性が優れ、第2固体潤滑剤により摺動面温度の上昇が抑制されるためである。
本発明の効果を検証するために、以下に記載する試験条件下で焼付試験を実施した。この試験は、摺動部材1としてすべり軸受を、相手側摺動部材として軸を準備し、両者を摺動させてトルクが一定以上となったときを焼付と判定し、そのときに計測される面圧を試験結果として得て、サンプルの耐焼付性を評価するものである。
試験に共通する条件は次のとおりである。なお、各実施例および比較例における樹脂層の材料の塗料の粘度(塗料粘度(mPa・s))、樹脂層を形成する際に塗料を乾燥させる温度(乾燥温度(℃))、樹脂層の最終塗布膜厚(μm)は、図5の表中に記載したとおりである。図5の表中における第1固体潤滑剤、第2固体潤滑剤の「体積%」は樹脂層20を形成する揮発成分を除いた塗料に含まれる第1固体潤滑剤、第2固体潤滑剤それぞれの体積割合を表す。
潤滑油:5W-30
回転数:3600rpm
給油圧力:0.4~0.5MPa
軸材質:S45C
軸受の摺動面の表面粗化率を計測するため、レーザ顕微鏡(キーエンス製VK-X200)にて700μm×500μmの視野で表面状態を測定し、付属の解析アプリケーション(VK-H1XA)にて解析を行った。解析アプリケーションの体積・面積計測より、表面粗化率(表面積率)を計算した。軸受形状の影響を除去するために解析時には高さスムージングを行っている。
(局部山頂の平均間隔(s)および平均高さ(Rc)の計測方法)
上記したレーザ顕微鏡ならびにアプリケーションにて測定ならびに解析を行うことで、摺動面の局部山頂の平均間隔(s)および平均高さ(Rc)を計測した。
条件I-1:摺動面の表面粗化率が1.05以上である。
条件I-2:摺動面の表面粗化率が1.07以上である。
条件II-1:摺動面の局部山頂の平均間隔(s)が2μm以上かつ12μm以下の範囲に含まれる。
条件II-2:摺動面の局部山頂の平均間隔(s)が2μm以上かつ10μm以下の範囲に含まれる。
条件III-1:摺動面の平均高さ(Rc)が0.5μm以上かつ5.0μm以下の範囲に含まれる。
条件III-2:摺動面の平均高さ(Rc)が0.5μm以上かつ3.0μm以下の範囲に含まれる。
条件IV-1:第1固体潤滑剤の第2固体潤滑剤に対する体積割合が0.1以上かつ4.0以下の範囲に含まれる。
条件IV-2:第1固体潤滑剤の第2固体潤滑剤に対する体積割合が0.5以上かつ2.6以下の範囲に含まれる。
実施例1と、条件I-2を満たす実施例2、3とを比較すると、実施例2、3の焼付時面圧は52.5MPaであり、耐焼付性の更なる向上が見られた。
実施例4において、条件II-1をII-2にしたとき(実施例5)、条件III-1を条件III-2にしたとき(実施例6)には、耐焼付性の更なる向上はみられなかった。しかしながら、条件II-2と条件III-2とを両立させると、耐焼付性の一段の向上が見られた(実施例7、8)
条件I-1、II-2、III-2、IV-2を満たす実施例10、12~19の焼付時面圧は72.5MPaであり、実施例9、11と比べて耐焼付性の更なる向上が示された。
10 基材層
11 鋼板層
12 合金層
20 樹脂層
21 摺動面
a 潤滑油
Claims (13)
- 基材の表面に樹脂層を設けた摺動部材であって、
前記樹脂層の表面粗化率が1.05以上かつ1.1以下(ただし、1.1は除く)であり、
前記樹脂層は高耐熱性の第1固体潤滑剤と、高潤滑性の第2固体潤滑剤を含み、
前記第1固体潤滑剤の前記第2固体潤滑剤に対する体積割合が0.1以上かつ4.0以下の範囲に含まれる、摺動部材。 - 前記樹脂層の表面粗化率が1.07以上かつ1.1以下(ただし、1.1は除く)である、請求項1に記載の摺動部材。
- 前記樹脂層の局部山頂の平均間隔(s)が2μm以上かつ12μm以下の範囲に含まれる、請求項1または請求項2に記載の摺動部材。
- 前記樹脂層の平均高さ(Rc)が0.5μm以上かつ5.0μm以下の範囲に含まれる、請求項1または請求項2に記載の摺動部材。
- 前記樹脂層の局部山頂の平均間隔(s)が2μm以上かつ12μm以下の範囲に含まれ、前記樹脂層の平均高さ(Rc)が0.5μm以上かつ5.0μm以下の範囲に含まれる、請求項1又は請求項2に記載の摺動部材。
- 前記樹脂層の局部山頂の平均間隔(s)が2μm以上かつ10μm以下の範囲に含まれ、前記樹脂層の平均高さ(Rc)が0.5μm以上かつ3.0μm以下の範囲に含まれる、請求項5に記載の摺動部材。
- 前記第1固体潤滑剤の前記第2固体潤滑剤に対する体積割合が0.5以上かつ2.6以下の範囲に含まれる、請求項1~6のいずれか一項に記載の摺動部材。
- 前記第2固体潤滑剤は二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ポリテトラフルオロエチレンのうちの少なくとも一種を含む、請求項1~7のいずれか一項に記載の摺動部材。
- 前記第1固体潤滑剤はグラファイト、h-窒化ホウ素、三酸化モリブデンのうちの少なくとも一種を含む、請求項1~8のいずれか一項に記載の摺動部材。
- 基材の表面に樹脂層を設けた摺動部材であって、
前記樹脂層の表面粗化率が1.05以上であり、
前記樹脂層は高耐熱性の第1固体潤滑剤と、高潤滑性の第2固体潤滑剤を含み、
前記第1固体潤滑剤の前記第2固体潤滑剤に対する体積割合が0.1以上かつ4.0以下の範囲に含まれる、摺動部材。 - 基材の表面に樹脂層を設けた摺動部材であって、
前記樹脂層の表面粗化率が1.05以上であり、
前記樹脂層は高耐熱性の第1固体潤滑剤と、高潤滑性の第2固体潤滑剤を含み、
前記第1固体潤滑剤の前記第2固体潤滑剤に対する体積割合が0.5以上かつ2.6以下の範囲に含まれる、摺動部材。 - 前記第2固体潤滑剤は二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ポリテトラフルオロエチレンのうちの少なくとも一種を含む、請求項10または請求項11に記載の摺動部材。
- 前記第1固体潤滑剤はグラファイト、h-窒化ホウ素、三酸化モリブデンのうちの少なくとも一種を含む、請求項10~12のいずれか一項に記載の摺動部材。
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