JP7149252B2

JP7149252B2 - 摺動部材用樹脂材料および摺動部材

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Publication number: JP7149252B2
Application number: JP2019214708A
Authority: JP
Inventors: 弘明小林; 直樹堀部; 俊之千年
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2022-10-06
Anticipated expiration: 2039-11-27
Also published as: US20220403879A1; CN114746509A; DE112020004952T5; WO2021106274A1; JP2021084962A

Description

本発明は、摺動部材用樹脂材料および摺動部材に関する。

従来、摺動部材の樹脂層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、ポリイミド樹脂中に、９．５体積％以上２０体積％以下の黒鉛を分散した樹脂材料が開示されている。また、樹脂層中に、５体積％以上５０体積％以下の黒鉛粒子を分散させ、黒鉛粒子として長球状黒鉛粒子と鱗片状黒鉛粒子とを混合して用いた技術が開示されている。

特開２０１８－１９３５２１号公報特開２０１８－７１５８１号公報

しかしながら、従来技術では、ドライ耐焼付き性と、油中耐焼付き性と、の両立を図ることは困難であった。

本発明は、ドライ耐焼付き性の向上と油中耐焼付き性の向上との両立を図る事が可能な、摺動部材用樹脂材料および摺動部材を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の摺動部材用樹脂材料は、合成樹脂と、前記合成樹脂中に分散されたグラファイト粒子と、硬質物と、からなる摺動部材用樹脂材料であって、前記合成樹脂は、前記摺動部材用樹脂材料１００体積％に対して５体積％以上３０体積％以下のＰＴＦＥと、耐熱性のポリイミド樹脂と、を含み、前記グラファイト粒子は、平均粒径が０．５μｍ以上５．０μｍ未満であり、前記合成樹脂中の含有量が１体積％以上１５体積％未満である。

本発明によれば、ドライ耐焼付き性の向上と油中耐焼付き性の向上との両立を図ることができる。

図１は、実施の形態の摺動部材の一例を示す模式図である。図２は、実施の形態の摺動部材の一例を示す模式図である。図３は、摺動部材の適用形態の一例を示す模式図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る摺動部材用樹脂材料および摺動部材の実施の形態を詳細に説明する。

本実施の形態の摺動部材用樹脂材料は、合成樹脂と、合成樹脂中に分散されたグラファイト粒子と、硬質物と、からなる。合成樹脂は、５体積％以上３０体積％以下のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を含み、グラファイト粒子は、平均粒径が０．５μｍ以上５．０μｍ未満であり、合成樹脂中の体積が１体積％以上１５体積％未満である。

本実施の形態の摺動部材用樹脂材料からなる樹脂層は、上記含有量のＰＴＦＥと、上記含有量および上記平均粒径のグラファイト粒子と、を含むことによって、ドライ環境下の耐焼付き性および油中環境下の耐焼付き性の双方の向上を図ることができる。

上記効果が奏される理由は明らかとなっていないが、以下のように推測される。しかしながら下記推測によって本発明は限定されない。

上記含有量のＰＴＦＥを含むことで、摺動部材用樹脂材料からなる樹脂層の摩擦係数を下げることができると推測される。また、上記含有量および上記平均粒径のグラファイト粒子を含むことで、摺動部材用樹脂材料からなる樹脂層の親油性の向上を図ることができると推測される。また、上記含有量のＰＴＦＥと、上記含有量および上記平均粒径のグラファイト粒子を含むことによって、樹脂層の摩擦係数の低下、および樹脂層の親油性の向上、の双方を実現することができると推測される。このため、本実施の形態の摺動部材用樹脂材料を用いた樹脂層は、ドライ耐焼付き性の向上と油中耐焼付き性の向上との両立を図ることができると推測される。

なお、ドライ耐焼付き性とは、樹脂層と樹脂層の表面に接触しうる部材との間にオイルなどの潤滑剤を存在させないドライ環境下における、樹脂層表面の耐焼付き性を意味する。また、油中耐焼付き性とは、樹脂層と樹脂層の表面に接触しうる部材との間にオイルなどの潤滑材を存在させた油中環境下における、樹脂層表面の耐焼付き性を意味する。

以下、本実施の形態の摺動部材用樹脂材料および摺動部材について、詳細に説明する。

図１は、本実施の形態の摺動部材１０の一例を示す模式図である。図１には、摺動部材１０の断面構造の一例を模式的に示した。

摺動部材１０は、基材１２と、樹脂層１４と、を備える。摺動部材１０は、基材１２と、基材１２上に形成された樹脂層１４と、の積層体である。

基材１２は、摺動部材１０に機械的強度を与えるための層である。基材１２は、裏金、または、裏金層と称される場合がある。基材１２は、例えば、Ｆｅ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金などの金属板を用いることができる。

樹脂層１４は、摺動部材用樹脂材料１６から構成された層である。摺動部材用樹脂材料１６は、合成樹脂１８と、合成樹脂１８中に分散された添加剤と、からなる。

合成樹脂１８は、５体積％以上３０体積％以下のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を少なくとも含む。本実施の形態では、粒子状のＰＴＦＥであるＰＴＦＥ２２が、合成樹脂１８中に分散されている。

合成樹脂１８におけるＰＴＦＥ２２の含有量は、５体積％以上３０体積％以下であるが、１０体積％以上２５体積％以下が好ましく、１２体積％以上２０体積％以下が更に好ましい。

合成樹脂１８におけるＰＴＦＥ２２の含有量が上記範囲であると、摺動部材用樹脂材料１６からなる樹脂層１４の摩擦係数を下げることができる。また、ＰＴＦＥ２２は、耐熱性が高く、溶解及び分解し難い。このため、合成樹脂１８にＰＴＦＥ２２を含有した構成とすることで、樹脂層１４の摩擦係数を効果的に低下させることができ、ドライ耐焼付き性の向上を図ることができる。

また、ＰＴＦＥ２２は、油中耐焼付き性の低下に寄与する。このため、ＰＴＦＥ２２の含有量を、上記範囲とすることで、樹脂層１４の油中耐焼付き性を阻害することを抑制することができる。

ＰＴＦＥ２２の平均粒径は、限定されない。ＰＴＦＥ２２の平均粒径は、例えば、１μ以上２５μｍ以下が好ましく、１μｍ以上１５μｍ以下が更に好ましく、２μｍ以上８μｍ以下が特に好ましい。

ＰＴＦＥ２２の平均粒径が上記範囲であると、合成樹脂１８中に分散されているＰＴＦＥ２２の表面積の総面積が増大する。このため、ＰＴＦＥ２２の含有量が上記範囲内の中でより少ない含有量であっても、樹脂層１４のドライ耐焼付き性の効果的な向上を図ることができる。

なお、ＰＴＦＥ２２の平均粒径とは、ＰＴＦＥ２２の平均一次粒径を示す。平均一次粒径は、体積平均粒径の累積の５０％粒径を指す。ＰＴＦＥ２２の平均粒径の測定には走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いる事ができる。ＰＴＦＥ２２の粒子をＳＥＭ観察により適切な倍率（例えば、５０００倍程度）で観察し、一次粒子１００個のそれぞれの直径を測長してその体積を算出し、累積の５０％粒径を平均一次粒径とすることができる。なお、ＰＴＦＥ２２の粒子が球形でない場合には、長径と短径の平均値をその一次粒子の直径とみなす。

なお、ＰＴＦＥ２２の形状は限定されない。例えば、ＰＴＦＥ２２の形状は、球状、長球状、の何れであってもよい。また、ＰＴＦＥ２２の作製方法は限定されない。例えば、ＰＴＦＥ２２には、懸濁重合法により作製したＰＴＦＥ粒子、乳化重合法により作製したＰＴＦＥ粒子、および、再生ＰＴＦＥ粒子のいずれを用いてもよい。

合成樹脂１８は、更に、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、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種以上を更に含む構成であってもよい。

具体的には、合成樹脂１８は、高強度ポリイミド樹脂を５０体積％以上含むことが好ましい。

高強度とは、引張強度が１５０ＭＰａ以上であることを意味する。本実施の形態では、合成樹脂１８は、ポリイミド樹脂の中でも、高強度ポリイミド樹脂を含むことが好ましい。

また、合成樹脂１８に含まれる高強度ポリイミド樹脂は、ドライ耐焼付き性の向上を図る観点から、高耐熱性のポリイミド樹脂であることが好ましい。

合成樹脂１８における、高強度ポリイミド樹脂の含有量は、５０体積％以上９５体積％以下であることが好ましく、６０体積％以上９０体積％以下であることが更に好ましく、７０体積％以上８０体積％以下であることが特に好ましい。

合成樹脂１８が、高強度ポリイミド樹脂を含むことで、合成樹脂１８に添加された添加剤によって。樹脂層１４の耐疲労性が低下することが抑制される。

なお、合成樹脂１８は、合成樹脂１８に含まれる高強度ポリイミド樹脂１００重量％に対して、シランカップリング剤を、１重量％以上４重量％以下含むことが好ましい。

合成樹脂１８がシランカップリング剤を含有することで、合成樹脂１８と後述するグラファイト粒子２０および硬質物２４などの添加剤との結合を強化させることができる。

次に、合成樹脂１８に添加される添加剤について説明する。

本実施の形態では、合成樹脂１８は、添加剤として、グラファイト粒子２０と、硬質物２４と、を含む。

グラファイト粒子２０は、合成樹脂１８に分散されてなる。

合成樹脂１８中のグラファイト粒子２０の含有量は、１体積％以上１５体積％未満であり、３体積％以上１２体積％以下が好ましく、５体積％以上９体積％未満が更に好ましい。

合成樹脂１８中のグラファイト粒子２０の含有量が上記範囲内であると、樹脂層１４の親油性を向上させ、油中耐焼付き性の向上を図ることができる。

また、グラファイト粒子２０の平均粒径は、０．１μｍ以上５．０μｍ未満であり、０．５μｍ以上４．０μｍ以下が好ましく、１．０μｍ以上３．０μｍ以下が更に好ましい。

グラファイト粒子２０の平均粒径が上記範囲であると、合成樹脂１８中に分散されているグラファイト粒子２０の表面積の総面積が増大する。このため、樹脂層１４の油中耐焼付き性の効果的な向上を図ることができる。

なお、合成樹脂１８に分散されているグラファイト粒子２０の全てが、鱗片状であることが好ましい。

鱗片状とは、形状が鱗片形状であることを意味する。鱗片形状のグラファイト粒子２０は、炭素原子が規則正しく網目構造を形成することで平面状に広がった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、鱗片状のグラファイト粒子２０は、ＡＢ面の広がりに対して積層方向の厚みが薄く、全体としては薄板状となっている。

鱗片状のグラファイト粒子２０は、外力を受けた場合にＡＢ面間のせん断が起こることで、固体潤滑剤として機能する。このため、合成樹脂１８に分散されるグラファイト粒子２０の全てを、鱗片状のグラファイト粒子２０とすることで、樹脂層１４の油中耐焼付き性の更なる向上を図ることができる。

また、グラファイト粒子２０の黒鉛化度は、摩擦係数低減の観点から、高い事が好まし。例えば、グラファイト粒子２０の黒鉛化度は、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。

なお、グラファイト粒子２０の平均粒径は、以下の方法で測定すればよい。詳細には、例えば、摺動部材１０の樹脂層１４の表面である摺動面に対して垂直方向の断面を、電子顕微鏡を用いて適切な倍率（例えば、１０００倍）で撮影して行なう。具体的には、グラファイト粒子２０の平均粒径は、得られた電子像に含まれるグラファイト粒子２０の面積を一般的な画像解析手法により測定し、それを円と想定した場合の平均直径に換算して求めればよい。

合成樹脂１８は、添加剤として、更に、硬質物２４を含む。なお、硬質物２４には、ＭｏＳ_２は含まれない事が好ましい。言い換えると、合成樹脂１８には、ＭｏＳ_２が含まれない事が好ましい。

硬質物２４は、クレー、ムライト、およびタルクのうち少なくとも１種を含む。これらの中でも、耐摩耗性を損なわない観点から、硬度のより低い硬質物２４として、クレーを用いる事が好ましい。硬質物２４としてクレーを含むことで、樹脂層１４の耐摩耗性の向上を図ることができる。

合成樹脂１８中の硬質物２４の含有量は、１体積％以上５体積％以下であることが好ましく、１体積％以上３体積％以下が更に好ましい。硬質物２４の含有量が上記範囲であると、樹脂層１４の耐摩耗性の向上と、耐疲労性の低下の抑制と、を図ることができる。

なお、硬質物２４の平均粒径は限定されない。但し、硬質物２４として、より小さい平均粒径の硬質物２４を用いるほど、表面積の増大により、より少ない添加量で樹脂層１４の耐摩耗性の向上を図ることができる。

なお、摺動部材１０は、焼結層を更に備えた構成であってもよい。

図２は、焼結層２６を備えた摺動部材１１の一例を示す模式図である。摺動部材１１は、摺動部材１０の一例である。

摺動部材１１は、基材１２と樹脂層１４との間に、焼結層２６を備える。基材１２および樹脂層１４は、上記と同様である。

焼結層２６は、金属粉の焼結体であり、複数の孔を有する多孔質層である。焼結層２６を構成する金属粉は、基材１２と同じ金属であってもよいし、異なる金属または材料であってもよい。

焼結層２６を備えた構成とすることで、樹脂層１４と基材１２との密着性向上を図ることができる。

（摺動部材の作製方法）
本実施の形態の摺動部材１０は、例えば、下記工程によって作製される。

まず、基材１２上に、上記構成の摺動部材用樹脂材料１６の前駆体溶液を塗布する。そして、基材１２上に塗布された、摺動部材用樹脂材料１６の前駆体溶液による層を乾燥する。これらの工程により、基材１２上に樹脂層１４が積層された摺動部材１０を作製する。なお、塗布条件および乾燥条件には、公知の条件を用いればよい。

なお、基材１２と樹脂層１４との間に焼結層２６を設けた構成とする場合には、基材１２上に金属粉の層を形成した後に焼結させることで焼結層２６を形成する。そして、焼結層２６上に摺動部材用樹脂材料１６の前駆体溶液を塗布および含浸させた後に乾燥することで、樹脂層１４を形成すればよい。

（適用形態）
次に、摺動部材１０の適用形態の一例を説明する。

図３は、摺動部材１０の適用形態の一例を示す模式図である。摺動部材１０は、例えば燃料噴射ポンプにおけるブシュ、各種の軸受け、またはコンプレッサーなどとして用いられる。

具体的には、例えば、摺動装置は、軸部材３０および摺動部材１０を備える。軸部材３０は、円柱状の部材であり、シャフトとして機能する。摺動部材１０は、例えば、樹脂層１４を内側とした円環状とされ、内側に軸部材３０が配置されてなる。すなわち、摺動部材１０は、ブシュとして機能する。

なお、摺動装置は、図３に示す形態に限定されない。例えば、軸部材３０および摺動部材１０が平板状であってもよい。また、摺動部材１０に代えて、摺動部材１１を用いてもよい。

以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。

以下の樹脂層１４および比較樹脂層を有する試験片を作製し、これらの試験片について、ドライ耐焼付き性および油中耐焼付き性を評価した。

－試験片の作製－
基材１２として、厚さ１．５ｍｍの鋼板（ＳＰＣＣ（ＪＩＳ））を用意した。また、表１に示す組成の合成樹脂に、表１に示す添加物を添加した摺動部材用樹脂材料および比較摺動部材用樹脂材料からなる前駆体溶液を調整した。そして、この前駆体溶液を、基材１２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分～９０分乾燥した。その後、約３００℃まで昇温し、３０分～９０分焼成した。

これらの工程により、実施例１～実施例８の各々用の樹脂層１４、および、比較例１～比較例７の各々用の比較樹脂層を有する試験片を作製した。

なお、高強度ＰＩとして、引張強度１９５ＭＰａ、伸び９０％、弾性率３．８ＧＰａ、ガラス転移温度Ｔｇ２８５℃のものを用いた。また、ＰＩとしては、引張強度１１９ＭＰａ、伸び４７％、ガラス転移温度Ｔｇ３６０℃のものを用いた。ＰＡＩとして、引張強度１１２ＭＰａ、伸び１７％、弾性率２．７ＧＰａ、ガラス転移温度Ｔｇ２８８℃のものを用いた。

表１中、シランカップリング剤の含有量（重量％）は、高強度ポリイミド樹脂１００重量％に対する含有量を示す。シランカップリング剤としては、化学式３（Ｈ_３ＣＯ）ＳｉＣ_３Ｈ_６－ＮＨ－Ｃ_３Ｈ_６Ｓｉ（ＯＣＨ_３）_３で表されるシランカップリング剤を用いた。

クレーとしては、構造式がＡｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２であり、平均粒径が３μｍのものを用いた。

また、実施例１～実施例８で用いた試験片のグラファイト粒子は、全て、鱗片状であり、黒鉛化度が９９％であった。

―評価―
―ドライ耐焼付き性―
実施例および比較例の試験片について、ドライ耐焼付き性を評価した。ドライ耐焼付き性の評価は、以下の条件で行った。

・試験機：摩擦摩耗試験機
・回転速度：１４５０ｒｐｍ
・試験温度（軸受背面温度）：常温
・相手材：Ｓ４５Ｃ
・潤滑油：無

上記条件で試験軸を回転させ、試験片の表面（樹脂層１４の表面）に焼付きが発生するまでの時間を計測した。計測結果を、表１に示した。表１中、ドライ焼付き時間が長いほど、ドライ耐焼付き性が高い事を示す。

―油中耐焼付き性―
実施例および比較例の試験片について、油中耐焼付き性を評価した。油中耐焼付き性の評価は、以下の条件で行った。

・試験機：静荷重焼付試験機
・回転速度：４５００ｒｐｍ
・試験温度（軸受背面温度）：５０℃
・相手材：Ｓ４５Ｃ
・潤滑油：パラフィン油

上記条件で試験軸を回転させ、樹脂層１４の表面に対する相手材（Ｓ４５Ｃ）の面圧を段階的に増加させ、樹脂層１４の表面に焼付きが発生しなかった最大の面圧を、油中焼付き面圧として測定した。計測結果を、表１に示した。表１中、油中焼付き面圧が大きいほど、油中耐焼付き性が高い事を示す。

表１に示すように、樹脂層１４を構成する摺動部材用樹脂材料１６が、合成樹脂１８中に５体積％以上３０体積％以下のＰＴＦＥと、平均粒径が０．５μｍ以上５．０μｍ未満のグラファイト粒子２０を１体積％以上１５体積％未満と、硬質物２４と、を含む構成である実施例では、ドライ耐焼付き性の向上と、油中耐焼付き性の向上と、の両立を図ることができた。

一方、比較樹脂層を構成する比較摺動部材用樹脂材料が、上記摺動部材用樹脂材料１６の条件の少なくとも１つを持たさない比較例では、ドライ耐焼付き性、および、油中耐焼付き性、の少なくとも一方が実施例に比べて低下していた。

このため、実施例に示す摺動部材用樹脂材料１６からなる樹脂層１４を用いた場合、比較例に比べて、ドライ耐焼付き性の向上と、油中耐焼付き性の向上と、の両立を図ることができる、という評価結果が得られた。

なお、上述の実施例において使用した各種の材料およ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。本発明に係る摺動部材用樹脂材料１６は、不可避不純物を含んでもよい。また、摺動部材１０の具体的構造は、図１および図２に例示したものに限定されない。

１０、１１摺動部材
１２基材
１４樹脂層
１６摺動部材用樹脂材料
１８合成樹脂
２０グラファイト粒子
２２ＰＴＦＥ
２４硬質物

Claims

合成樹脂と、前記合成樹脂中に分散されたグラファイト粒子と、硬質物と、からなる摺動部材用樹脂材料であって、
前記合成樹脂は、前記摺動部材用樹脂材料１００体積％に対して５体積％以上３０体積％以下のＰＴＦＥと、耐熱性のポリイミド樹脂と、を含み、
前記グラファイト粒子は、平均粒径が０．５μｍ以上５．０μｍ未満であり、前記合成樹脂中の含有量が１体積％以上１５体積％未満である、
摺動部材用樹脂材料。
前記グラファイト粒子は、鱗片状である、
請求項１に記載の摺動部材用樹脂材料。
前記合成樹脂は、
前記ポリイミド樹脂を５０体積％以上含む、
請求項１または請求項２に記載の摺動部材用樹脂材料。
前記合成樹脂は、
前記ポリイミド樹脂に対して１重量％以上４重量％以下のシランカップリング剤を含む、
請求項１～請求項３の何れか１項に記載の摺動部材用樹脂材料。
前記合成樹脂は、
１体積％以上５体積％以下の硬質物を含む、
請求項１～請求項４の何れか１項に記載の摺動部材用樹脂材料。
ＭｏＳ_２を含まない、請求項１～請求項５の何れか１項に記載の摺動部材用樹脂材料。
基材と、
前記基材上に形成された請求項１～請求項６の何れか１項に記載の摺動部材用樹脂材料からなる樹脂層と、
を有する摺動部材。