JP7372585B1 - 摺動部材および摺動部材を製造する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
円筒状の金属基材と、
前記金属基材の内周面に形成される多孔質層と、
前記多孔質層を被覆する摺動層を備え、
前記多孔質層は、金属単体または合金組成物で形成され、
前記摺動層は、樹脂組成物で形成され、
内周面の一部に前記樹脂組成物が存在せず、前記金属単体または合金組成物で形成された非多孔質な層が露出した領域を有する。
また、摺動部材の内周面の一部に樹脂組成物が存在せず、金属単体または合金組成物で形成された非多孔質な層が露出した領域が設けられており、摺動面に合わせ目による突起が現れないため、継目での摩擦時に発生するトルクが低減する。これにより、消費電力の低減に貢献し、エネルギーロスを削減する。したがって、カーボンニュートラルに貢献できる。
また、EVモータや電動コンプレッサ等の高回転環境下で使用される軸受について、従来の転がり軸受から本実施形態に係る摺動部材に置き換えることが可能となり、これにより、小型軽量化につながる。
さらに、摺動面に合わせ目のある従来の摺動部材をモータやコンプレッサに適用する際には、内径切削工程(すなわち、継目部分での内面の面合わせ)が必要であったが、本実施形態に係る摺動部材であれば、摺動部材の内周面の一部に樹脂組成物が存在せず、金属単体または合金組成物で形成された非多孔質な層が露出した領域が設けられており、摺動面には合わせ目による突起が現れないため、内径切削工程を削減できる。
前記領域は前記摺動部材の軸方向の一端から他端まで延びるように設けられている。
前記摺動層中には、Co、MoおよびSiの組成で構成されるラーベス相を含む硬質粒子粉末が分散されている。
前記摺動層中には、MoS2粉末と、ラーベス相を含まない青銅粉末のうちの少なくとも1つ以上がさらに分散されている。
前記樹脂組成物は、硫化銅、熱可塑性樹脂、二硫化モリブデン、黒鉛、アラミド繊維、残部がフッ素樹脂からなり、前記硫化銅を3質量%超40質量%未満、前記熱可塑性樹脂を0質量%以上4質量%未満、前記二硫化モリブデンを0質量%以上36質量%以下、前記黒鉛を0質量%以上10質量%以下、前記アラミド繊維を0質量%以上10質量%以下で含み、残部が前記フッ素樹脂である。
前記多孔質層は、
CuおよびSnを含むマトリックス相と、
前記マトリックス相中に分散している硬質粒子であって、Co、MoおよびSiの組成で構成されるラーベス相を含む硬質粒子と、を有する。
前記多孔質層は、
前記マトリックス相中に分散している化合物相であって、Co、Fe、Ni、SiおよびCrを含む化合物相をさらに有する。
前記多孔質層の厚みと前記摺動層の厚みの比率は、6:4~8:2である。
円筒状の金属基材と、
前記金属基材の内周面に形成される多孔質層と、
前記多孔質層を被覆する摺動層を備え、
前記多孔質層は、金属単体または合金組成物で形成され、
前記摺動層は、樹脂組成物で形成され、
内周面の一部に前記樹脂組成物が存在せず、前記金属単体または合金組成物で形成された非多孔質な層が露出した領域を有する。
金属基材の一の面に金属単体または合金組成物からなる多孔質層を形成するステップと、
前記多孔質層を内側として前記金属基材を巻いて円筒状に整形するステップと、
前記金属基材の外径側から継目部分を溶接するステップであって、前記継目部分の上の前記多孔質層が溶融して前記金属単体または合金組成物で形成された非多孔質な層が形成されるステップと、
前記多孔質層の表面に摺動層の原料樹脂を含浸させ、前記原料樹脂を焼成させることで、前記多孔質層を被覆する、樹脂組成物からなる摺動層を形成するステップであって、前記非多孔質な層の表面は前記原料樹脂が含浸された状態にならないため、前記摺動部材の内周面の一部に前記樹脂組成物が存在せず、前記非多孔質な層が露出した領域が形成されるステップと、
を含む。
金属基材の一の面に金属単体または合金組成物からなる多孔質層を形成するステップと、
前記多孔質層の表面に摺動層の原料樹脂を含浸させ、前記原料樹脂を焼成させることで、前記多孔質層を被覆する、樹脂組成物からなる摺動層を形成するステップと、
前記摺動層を内側として前記金属基材を巻いて円筒状に整形するステップと、
前記金属基材の外径側から継目部分を溶接するステップであって、前記継目部分の上の前記多孔質層が溶融して前記金属単体または合金組成物で形成された非多孔質な層が形成されるとともに、前記継目部分の上の前記摺動層が剥離することで、前記摺動部材の内周面の一部に前記樹脂組成物が存在せず、前記非多孔質な層が露出した領域が形成されるステップと、
を含む。
前記金属基材の外周面をダイスにより拘束しつつ前記摺動層の内側に円柱状の芯金を押し込むことにより、前記摺動層の内周面をバニシ仕上げ(burnishing)するステップ、
をさらに含む。
図1は、一実施の形態に係る摺動部材10の概略構成を示す斜視図である。図2は、摺動部材10の溶接部を外周側から撮影した写真画像であり、図3は、摺動部材10の溶接部に対応する領域を内周側から撮影した写真画像であり、図4は、摺動層形成(樹脂の含浸および焼成)前の溶接部に対応する領域の断面組織の光学顕微鏡写真である。図5は、一実施の形態に係る摺動部材の溶接部以外の領域の断面組織の反射電子組成像である。図4および図5では、紙面上側が摺動部材10の内周側、紙面下側が摺動部材10の外周側に対応している。
摺動層13を形成する樹脂組成物は、放熱特性及び強度を向上させるため、硫化銅を8質量%超40質量%未満で含むことが好ましい。硫化銅の添加量は、3質量%以下及び40質量%以上であれば放熱特性が悪化し、耐摩耗特性を阻害するようになる。なお、市販品としては、寺田薬泉工業社製の硫化第二銅(CuS)、関東化学社製の硫化第二銅(CuS)、高純度化学研究所社製の硫化第一銅(Cu2S)等を挙げることができる。
一変形例に係る摺動層13の樹脂組成物において、熱可塑性樹脂は必須の添加剤ではないが、添加する場合は、フッ素樹脂の欠点である耐摩耗性、耐クリープ特性が改善できるので添加することが好ましい。
一変形例に係る摺動層13の樹脂組成物において、黒鉛は必須の添加剤ではないが、自己潤滑性及び、耐熱性の向上、低摩擦特性と耐摩耗特性に寄与することが期待できる。黒鉛を添加する場合、10質量%を超えると低摩擦特性を阻害するようになる。なお、市販品としては、日本黒鉛工業社製のUCP、CPB、オリエンタル産業社製のATシリーズ等を挙げることができる。
一変形例に係る摺動層13の樹脂組成物において、二硫化モリブデン(MoS2)は必須の添加剤ではないが、添加することにより摩擦抵抗を低下させることが出来る。
一変形例に係る摺動層13の樹脂組成物において、アラミド繊維は必須の添加剤ではないが、機械的強度を得るために添加する。アラミド繊維を添加する場合、10質量%以上添加すると、均一な分散を阻害するようになるので、その結果、耐摩耗特性が低下する。なお、市販品としては、東レ・デュポン社製のケブラー(登録商標)、帝人のトワロン(登録商標)等を挙げることができる。
次に、このような構成を有する摺動部材10を製造する方法の一例について、図6、図8~図10を参照して説明する。図6は、摺動部材10を製造する方法の一例を示すフロー図である。図8は原料粉末散布工程および多孔質層焼結工程を説明するための図である。図9は、原料樹脂含浸工程を説明するための図であり、図10は、バニシ仕上げ工程を説明するための図である。
次に、本実施の形態に係る具体的な実施例について説明する。
まず、多孔質層12の原料粉末として、福田金属箔粉工業(株)製青銅粉末(不定形、銘柄;CP-301)において、粒度150μm以上の粗粉をカットした粉末を準備した。青銅粉末の化学成分はCu-10Snである。
次に、実施例および比較例1~3の摺動部材の性能を高速回転摩耗試験により比較した。図11に高速回転摩耗試験機を示す。本試験機は、供試材に相手軸を介して荷重と速度を与えたときの軸受背面温度を計測し、主に高速領域における摩耗量や発熱評価に適する。試験部にオイルバスを設け、油中と無潤滑双方の環境での評価を可能に設計してある。また高回転評価を実現するため、相手軸Φ6h7にコレクトチャックを介して進桜電機(株)製スピンドルモータ(型式S262B-SJ03、定格出力1.2kW、定格電圧200V、定格電流4.8A)を先端部に直結させた。これにより、軸振れ0.002mm以下の精度で最大60,000rpmまでの評価が可能な装置に設計した。スピンドルモータにはチラーを介して流量0.7L/minで水冷している。
E=P=2π・N・T/60=2π・N・F・R/60・・・式(1)
ここに、Rは回転半径(m)、Fは摩擦力(N)、Nは軸回転速度(rpm)、Tはトルク(N・m)、Eは電力(W)、Pは仕事率(W)である。
図14は、実施例および比較例1~3に係る摺動部材について、軸回転数N=15,000rpmの場合に計測された軸受背面温度の時間変化を示すグラフであり、図15は、軸回転数N=20,000rpmの場合に計測された軸受背面温度の時間変化を示すグラフであり、図16は、軸回転数N=25,000rpmの場合に計測された軸受背面温度の時間変化を示すグラフであり、図17は、軸回転数N=30,000rpmの場合に計測された軸受背面温度の時間変化を示すグラフであり、図18は、軸回転数N=35,000rpmの場合に計測された軸受背面温度の時間変化を示すグラフである。
11 金属基材
12 多孔質層
13 摺動層
14 非多孔質な層
15 樹脂組成物が存在しない領域
13a 硬質粒子粉末
20 軸
31 治具
32 回転軸
33 ワーク
41 ダイス
42 芯金
Claims (12)
- 円筒状の金属基材と、
前記金属基材の内周面に形成される多孔質層と、
前記多孔質層を被覆する摺動層を備え、
前記多孔質層は、金属単体または合金組成物で形成され、
前記摺動層は、樹脂組成物で形成され、
内周面の一部に前記樹脂組成物が存在せず、前記金属単体または合金組成物で形成された非多孔質な層が露出した領域を有する
ことを特徴とする摺動部材。 - 前記領域は前記摺動部材の軸方向の一端から他端まで延びるように設けられている
ことを特徴とする請求項1に記載の摺動部材。 - 前記摺動層中には、Co、MoおよびSiの組成で構成されるラーベス相を含む硬質粒子粉末が分散されている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の摺動部材。 - 前記摺動層中には、MoS2粉末と、ラーベス相を含まない青銅粉末のうちの少なくとも1つ以上がさらに分散されている
ことを特徴とする請求項3に記載の摺動部材。 - 前記樹脂組成物は、硫化銅、熱可塑性樹脂、二硫化モリブデン、黒鉛、アラミド繊維、残部がフッ素樹脂からなり、前記硫化銅を3質量%超40質量%未満、前記熱可塑性樹脂を0質量%以上4質量%未満、前記二硫化モリブデンを0質量%以上36質量%以下、前記黒鉛を0質量%以上10質量%以下、前記アラミド繊維を0質量%以上10質量%以下で含み、残部が前記フッ素樹脂である
ことを特徴とする請求項1または2に記載の摺動部材。 - 前記多孔質層は、
CuおよびSnを含むマトリックス相と、
前記マトリックス相中に分散している硬質粒子であって、Co、MoおよびSiの組成で構成されるラーベス相を含む硬質粒子と、を有する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の摺動部材。 - 前記多孔質層は、
前記マトリックス相中に分散している化合物相であって、Co、Fe、Ni、SiおよびCrを含む化合物相をさらに有する
ことを特徴とする請求項6に記載の摺動部材。 - 前記多孔質層の厚みと前記摺動層の厚みの比率は、6:4~8:2である、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の摺動部材。 - 円筒状の金属基材と、
前記金属基材の内周面に形成される多孔質層と、
前記多孔質層を被覆する摺動層を備え、
前記多孔質層は、金属単体または合金組成物で形成され、
前記摺動層は、樹脂組成物で形成され、
内周面の一部に前記樹脂組成物が存在せず、前記金属単体または合金組成物で形成された非多孔質な層が露出した領域を有する
ことを特徴とする軸受。 - 摺動部材を製造する方法であって、
金属基材の一の面に金属単体または合金組成物からなる多孔質層を形成するステップと、
前記多孔質層を内側として前記金属基材を巻いて円筒状に整形するステップと、
前記金属基材の外径側から継目部分を溶接するステップであって、前記継目部分の上の前記多孔質層が溶融して前記金属単体または合金組成物で形成された非多孔質な層が形成されるステップと、
前記多孔質層の表面に摺動層の原料樹脂を含浸させ、前記原料樹脂を焼成させることで、前記多孔質層を被覆する、樹脂組成物からなる摺動層を形成するステップであって、前記非多孔質な層の表面は前記原料樹脂が含浸された状態にならないため、前記摺動部材の内周面の一部に前記樹脂組成物が存在せず、前記非多孔質な層が露出した領域が形成されるステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 摺動部材を製造する方法であって、
金属基材の一の面に金属単体または合金組成物からなる多孔質層を形成するステップと、
前記多孔質層の表面に摺動層の原料樹脂を含浸させ、前記原料樹脂を焼成させることで、前記多孔質層を被覆する、樹脂組成物からなる摺動層を形成するステップと、
前記摺動層を内側として前記金属基材を巻いて円筒状に整形するステップと、
前記金属基材の外径側から継目部分を溶接するステップであって、前記継目部分の上の前記多孔質層が溶融して前記金属単体または合金組成物で形成された非多孔質な層が形成されるとともに、前記継目部分の上の前記摺動層が剥離することで、前記摺動部材の内周面の一部に前記樹脂組成物が存在せず、前記非多孔質な層が露出した領域が形成されるステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記金属基材の外周面をダイスにより拘束しつつ前記摺動層の内側に円柱状の芯金を押し込むことにより、前記摺動層の内周面をバニシ仕上げするステップ、
をさらに含むことを特徴とする請求項10または11に記載の方法。
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