JPWO2019203108A1 - 摺動部品 - Google Patents
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Abstract
Description
<実施例1〜7および比較例1〜4>
まず、下記表1に関して、試験No.(1)〜(5)が、それぞれ、実施例1〜5である。表2に関して、試験No.(6)〜(9)が、それぞれ、比較例1〜4であり、試験No.(10)および(11)が、それぞれ、実施例6および7である。
(A)原料樹脂の準備
図3で示した構成の混練機48において、表1および表2に示す樹脂、強化繊維および添加剤を、表1および表2に示す配合割合(質量%)で混練し、原料樹脂ペレットを得た。なお、樹脂をメインフィーダ53に投入し、強化繊維および添加剤はサイドフィーダ57に投入した。また、原料樹脂の準備に先立って、使用される強化繊維(ガラス繊維)のビッカース硬さを求めた。より具体的には、ガラス繊維のナノインデンテーション硬さをナノインテンダーで測定し(ISO14577準拠 試験力:4000μN、試験力到達時間:5s、試験力保持時間:2s)、ISO 14577 AnnexFに記載の数式(ビッカース硬さHV=0.0945×ナノインデンテーション硬さ(N/mm2))を用いて、当該ナノインデンテーション硬さをビッカース硬さに換算した。結果を、表1および表2に示す。
(B)成形およびアニール処理
ファナック社製の100t電動式射出成形機(ROBOSHOT S−2000:100B)を用いて、(A)で得られた各原料樹脂ペレットから、鈴木式摩擦摩耗試験用リング片(以下、試験片)を成形した。試験No.(2)および(5)については、その試験片をアニーリング装置24にセットした。そして、アニーリング装置24の槽内を真空ポンプ25で減圧して真空(1Pa以下)にし、槽内温度を220℃として、試験片を10時間加熱した。
<評価試験>
(A)成形体の粘度数測定
ISO307に準拠して、ギ酸、硫酸、クレゾール等の溶媒に、濃度cが0.005g/mlとなるように試験No.(1)〜(11)の各原料樹脂を溶解させることによって、原料樹脂溶液を得た。そして、原料樹脂溶液の粘度と溶媒のみの粘度との動粘度比(マイクロウベローデ管における標線管落下時間の比)から相対粘度ηrelを算出し、その後、濃度cと相対粘度ηrelとの比から、粘度数VNを算出した。結果を、表1および表2に示す。
(B)摩擦摩耗試験
試験No.(1)〜(11)について、ビッカース硬さHV784のSUJ2製金属ころ(熱処理(焼入れ・焼戻し)有り)を用いて鈴木式摩擦摩耗試験を実施し、試験前後での樹脂の摩耗量(高さ減少量)を測定した。結果を、図5、表1および表2に示す。また、同様に、ビッカース硬さHV311のS45C製金属ころ(熱処理無し)を用いた試験も、同じ条件で実施した。なお、試験の条件は、次の通りとした。
・金属ころ:SUJ2/S45C製、φ3.5、4点ころ(固定)
・垂直荷重:220N
・摺動速度:1m/s
・試験温度:室温(RT)
・試験時間:4時間
・グリース潤滑(NOKクリューバ製TOPAS NB52)
・駆動−停止による断続接触(10秒駆動→20秒停止)
まず、実施例としての試験No.(1)〜(5)、(10)および(11)と、比較例としての試験No.(6)〜(9)との比較によって、成形体の粘度数VNが180ml/g以上であれば、高い耐摩耗性を発現できることが分かった。また、強化繊維の添加量のみが異なる試験No.(1)と(10)との比較、および試験No.(3)と(11)とに比較によって、強化繊維の添加量は20質量%以下が好ましいことが分かった。つまり、強化繊維の添加量が増えると、その分、樹脂の弾性率が高くなって発生面圧が増大し、異常摩耗が発生しやすくなると考えられる。
(C)相手金属材との関係について
次に、相手金属材(金属ころ)の硬度によって、樹脂の摩耗量および金属の摩耗量がどのように変化するのかを評価した。より具体的には、前記(B)で記載したように、ビッカース硬さHV784のSUJ2製金属ころを使用した結果と、ビッカース硬さHV311のS45C製金属ころを使用した結果とを比較した。その結果を、図6〜図8に示す。なお、評価にあたっては、ガラス繊維(GF)が15質量%添加されたサンプルとして試験No.(1)および(6)を使用した。
まず、下記表3および表4に関して、試験No.(12)〜(14)、(18)、(20)〜(22)、(24)および(25)が、それぞれ、実施例8〜16であり、試験No.(15)〜(17)、(19)および(23)が、それぞれ、比較例6〜8である。
(A)原料樹脂の準備
図3で示した構成の混練機48において、表3および表4に示す樹脂および強化繊維を、表3および表4に示す配合割合(質量%)で混練し、原料樹脂ペレットを得た。なお、樹脂をメインフィーダ53に投入し、強化繊維はサイドフィーダ57に投入した。そして、この原料樹脂の粘度数VNを、前述の実施例1〜7および比較例1〜4と同様に測定した。また、原料樹脂の準備に先立って、使用される強化繊維(ガラス繊維)のビッカース硬さを求めた。より具体的には、ガラス繊維のナノインデンテーション硬さをナノインテンダーで測定し(ISO14577準拠 試験力:4000μN、試験力到達時間:5s、試験力保持時間:2s)、ISO 14577 AnnexFに記載の数式(ビッカース硬さHV=0.0945×ナノインデンテーション硬さ(N/mm2))を用いて、当該ナノインデンテーション硬さをビッカース硬さに換算した。結果を、表3および表4に示す。
(B)成形およびアニール処理
ファナック社製の100t電動式射出成形機(ROBOSHOT S−2000:100B)を用いて、(A)で得られた各原料樹脂ペレットから、鈴木式摩擦摩耗試験用リング片(以下、試験片)を成形した。
(C)相手金属材(金属ころ)の準備
相手金属材として、表3に示す条件にて熱処理(焼入れ、焼戻し)を行った金属ころを準備した。なお、表3の熱処理条件において、「O.Q.」は、加熱後の金属ころをオイルで冷却(Oil Quenching)していることを示し、「A.C.」は、加熱後の金属ころを空気で冷却(Air Cooling)していることを示している。そして、得られた各金属ころのビッカース硬さを、JIS Z 2244(2009)に準拠して測定した。結果を、表3に示す。また、表4で示した相手金属材としては、熱処理をしないでそのまま用いた。
<評価試験>
(A)摩擦摩耗試験
試験No.(12)〜(25)について、各金属ころを用いて鈴木式摩擦摩耗試験を実施し、試験前後での樹脂の摩耗量(高さ減少量)および金属の摩耗量を測定した。結果を、図9〜図10、表3および表4に示す。なお、試験の条件は、次の通りとした。
・金属ころ:φ3.5、4点ころ(固定)
・垂直荷重:220N(試験No.(12)〜(18))
・垂直荷重:350N(試験No.(19)〜(25))
・摺動速度:1m/s
・試験温度:室温(RT)
・試験時間:4時間
・グリース潤滑(協同油脂製マルテンプJS−P)
・駆動−停止による断続接触(10秒駆動→20秒停止)
(B)樹脂の摩耗量の評価
図9に示すように、試験No.(12)〜(14)および(18)の方が、試験No.(15)〜(17)に比べて、樹脂の摩耗量(高さ減少量)が少なく、高い耐摩耗性を発現している。つまり、表3に示すように、相手金属材(金属ころ)の硬度が250HV〜600HVであり、さらに、強化繊維が相手金属材(金属ころ)よりも高い硬度を有していることによって、高い耐摩耗性を発現できることが分かった。
(C)金属の摩耗量の評価
一方で、成形体の粘度数VNが180ml/g未満であり、強化繊維の硬度が530HVである場合、試験No.(13)および(14)のように、相手金属材(金属ころ)の硬度が400HV〜550HVであれば、樹脂の摩耗量を低減できるとともに、相手金属材の摩耗量も低減できることが分かった(図10参照)。これは、相対的に高い硬度を有する強化繊維を含有する樹脂の摩耗が抑制される一方で、相対的に低い硬度を有する金属は摩耗し、グリース中に金属摩耗粉が混入するが、強化繊維の硬度が金属よりも高いため、強化繊維を含有する樹脂の摩耗が抑制されるためであると考えられる。ただし、金属の摩耗量の低減を目的としないならば、試験No.(12)のように、相手金属材の熱処理を省略でき、製造効率を向上できるという効果が得られる。
以下では、強化繊維が添加されていない非強化樹脂による成形品と、各種強化繊維による強化樹脂による成形品との比較を行った。まず、下記表5に関して、試験No.(26)が、実施例17であり、試験No.(27)〜(30)が、それぞれ、比較例10〜12である。
(A)原料樹脂の準備
図3で示した構成の混練機48において、表5に示す樹脂および強化繊維を、表5に示す配合割合(質量%)で混練し、原料樹脂ペレットを得た。なお、樹脂をメインフィーダ53に投入し、強化繊維はサイドフィーダ57に投入した。そして、この原料樹脂の粘度数VNを、前述の実施例1〜7および比較例1〜4と同様に測定した。結果を、表5に示す。また、原料樹脂の準備に先立って、使用される強化繊維(ガラス繊維)のビッカース硬さを求めた。より具体的には、ガラス繊維のナノインデンテーション硬さをナノインテンダーで測定し(ISO14577準拠 試験力:4000μN、試験力到達時間:5s、試験力保持時間:2s)、ISO 14577 AnnexFに記載の数式(ビッカース硬さHV=0.0945×ナノインデンテーション硬さ(N/mm2))を用いて、当該ナノインデンテーション硬さをビッカース硬さに換算した。結果を、表5に示す。
(B)成形およびアニール処理
ファナック社製の100t電動式射出成形機(ROBOSHOT S−2000:100B)を用いて、(A)で得られた各原料樹脂ペレットから、鈴木式摩擦摩耗試験用リング片(以下、試験片)を成形した。
<評価試験>
(A)摩擦摩耗試験
試験No.(26)〜(29)について、ビッカース硬さHV784の金属ころ(熱処理(焼入れ・焼戻し)有り)を用いて鈴木式摩擦摩耗試験を実施し、試験前後での樹脂の摩耗量(高さ減少量)を測定した。結果を、表5に示す。なお、試験の条件は、次の通りとした。
・金属ころ:SUJ2製、φ8、3点ころ(固定)
・垂直荷重:300N
・摺動速度:1m/s
・試験温度:120℃
・試験時間:2時間
・グリース潤滑(協同油脂製マルテンプJS−P)
・駆動−停止による断続接触(10秒駆動→20秒停止)
表5に示すように、試験No.(26)の方が、試験No.(27)〜(29)に比べて、樹脂の摩耗量(高さ減少量)およびクリープ変形性が少なく、高い耐摩耗性および耐クリープ性を発現している。つまり、上記の試験温度(120℃)のように高温雰囲気下での摩耗量が少ないことから、試験No.(26)は、高温クリープ耐性に優れることが分かった。
(B)長期耐久寿命評価
上記で得られた試験No.(26)、(27)および(30)の原料樹脂を用いて樹脂製のウォームホイールを作製した。一方で、歯の形成後、熱処理を施していない、ビッカース硬さHV300のSCM435材製のウォームシャフトを準備した。このウォームホイールおよびウォームシャフトをウォーム減速機アセンブリに組み付け、90℃雰囲気およびグリース潤滑の条件下において所定のトルクを作用させ、破損するまでのサイクル数を測定した。結果を、図11に示す。
(C)ころ式試験
試験No.(26)および(30)のウォームギヤについて、金属ころを用いて鈴木式摩擦摩耗試験を実施し、試験前後での樹脂の摩耗量(高さ減少量)および金属の摩耗量を測定した。結果を、図12に示す。なお、試験の条件は、次の通りとした。
・金属ころ:SUJ2製、φ3.5、4点ころ(固定)
・垂直荷重:300N
・摺動速度:1m/s
・試験温度:90℃
・試験時間:24時間
・グリース潤滑(協同油脂製マルテンプJS−P)
・駆動−停止による断続接触(10秒駆動→20秒停止)
試験No.(26)の樹脂は、図12から、樹脂および相手金属材を互いに噛み合うギヤとして使用した場合でも、良好な耐摩耗性が得られることが分かった。
(D)引張破断伸びおよび引張破断エネルギー
上記で得られた試験No.(26)の原料樹脂と(30)の原料樹脂とのじん性を比較するため、これらの原料樹脂について、JIS K 7161に準拠して、室温および高温雰囲気下における引張破断伸びおよび引張破断エネルギーを測定した。結果を図13〜図14に示す。
まず、下記表6に関して、試験No.(31)〜(34)が、それぞれ、実施例18〜21である。
(A)原料樹脂の準備
図3で示した構成の混練機48において、表6に示す樹脂および強化繊維を、表6に示す配合割合(質量%)で混練し、原料樹脂ペレットを得た。なお、樹脂をメインフィーダ53に投入し、強化繊維はサイドフィーダ57に投入した。そして、この原料樹脂の粘度数VNを、前述の実施例1〜7および比較例1〜4と同様に測定した。また、原料樹脂の準備に先立って、使用される強化繊維(ガラス繊維)のビッカース硬さを求めた。より具体的には、ガラス繊維のナノインデンテーション硬さをナノインテンダーで測定し(ISO14577準拠 試験力:4000μN、試験力到達時間:5s、試験力保持時間:2s)、ISO 14577 AnnexFに記載の数式(ビッカース硬さHV=0.0945×ナノインデンテーション硬さ(N/mm2))を用いて、当該ナノインデンテーション硬さをビッカース硬さに換算した。結果を、表6に示す。
(B)成形およびアニール処理
ファナック社製の100t電動式射出成形機(ROBOSHOT S−2000:100B)を用いて、(A)で得られた各原料樹脂ペレットから、鈴木式摩擦摩耗試験用リング片(以下、試験片)を成形した。
(C)相手金属材(金属ころ)の準備
相手金属材として、表6の試験No.(32)〜(34)に示す条件にて熱処理(焼入れ、焼戻し)を行った金属ころを準備した。なお、表6の試験No.(32)〜(34)の熱処理条件において、「O.Q.」は、加熱後の金属ころをオイルで冷却(Oil Quenching)していることを示し、「A.C.」は、加熱後の金属ころを空気で冷却(Air Cooling)していることを示している。そして、得られた各金属ころのビッカース硬さを、JIS Z 2244(2009)に準拠して測定した。結果を、表6に示す。また、表6の試験No.(31)で示した相手金属材としては、熱処理をしないでそのまま用いた。
<評価試験>
(A)摩擦摩耗試験
試験No.(31)〜(34)について、各金属ころを用いて鈴木式摩擦摩耗試験を実施し、試験前後での樹脂の摩耗量(高さ減少量)を測定した。結果を、図15および表6に示す。なお、試験の条件は、次の通りとした。
・金属ころ:φ3.5、4点ころ(固定)
・垂直荷重:400N
・摺動速度:1m/s
・試験温度:室温(RT)
・試験時間:4時間
・グリース潤滑(協同油脂製マルテンプJS−P)
・駆動−停止による断続接触(10秒駆動→20秒停止)
(B)樹脂の摩耗量の評価
図15および表6に示すように、試験No.(31)〜(34)のいずれにおいても、樹脂の摩耗量(高さ減少量)が少なく、垂直荷重=400Nという高荷重に対して、高い耐摩耗性を発現できることが分かった。特に、試験No.(31)のように相手金属材の熱処理を省略できる場合には、製造効率を向上できるという効果も得られる。また、試験No.(31)および(32)の結果から、成形体の粘度数VNが180ml/g以上であり、強化繊維の硬度が530HVである場合、相手金属材(金属ころ)の硬度が250HV〜450HVの範囲が好ましいことも分かった。なお、試験No.(33)の樹脂の摩耗量が大きくなった要因は、相手金属材(金属ころ)の硬度やガラス繊維の硬度のばらつきであったためであると推定される。
まず、下記表7に関して、試験No.(35)が実施例22であり、試験No.(36)〜(38)が、それぞれ、比較例14〜16である。
(A)原料樹脂の準備
図3で示した構成の混練機48において、表7に示す樹脂および強化繊維を、表7に示す配合割合(質量%)で混練し、原料樹脂ペレットを得た。なお、樹脂をメインフィーダ53に投入し、強化繊維はサイドフィーダ57に投入した。そして、この原料樹脂の粘度数VNを、前述の実施例1〜7および比較例1〜4と同様に測定した。また、原料樹脂の準備に先立って、使用される強化繊維(炭素繊維)のビッカース硬さを求めた。より具体的には、炭素繊維のナノインデンテーション硬さをナノインテンダーで測定し(ISO14577準拠 試験力:4000μN、試験力到達時間:5s、試験力保持時間:2s)、ISO 14577 AnnexFに記載の数式(ビッカース硬さHV=0.0945×ナノインデンテーション硬さ(N/mm2))を用いて、当該ナノインデンテーション硬さをビッカース硬さに換算した。結果を、表7に示す。
(B)成形およびアニール処理
ファナック社製の100t電動式射出成形機(ROBOSHOT S−2000:100B)を用いて、(A)で得られた各原料樹脂ペレットから、鈴木式摩擦摩耗試験用リング片(以下、試験片)を成形した。
(C)相手金属材(金属ころ)の準備
相手金属材として、表7の試験No.(36)〜(38)に示す条件にて熱処理(焼入れ、焼戻し)を行った金属ころを準備した。なお、表7の試験No.(36)〜(38)の熱処理条件において、「O.Q.」は、加熱後の金属ころをオイルで冷却(Oil Quenching)していることを示し、「A.C.」は、加熱後の金属ころを空気で冷却(Air Cooling)していることを示している。そして、得られた各金属ころのビッカース硬さを、JIS Z 2244(2009)に準拠して測定した。結果を、表7に示す。また、表7の試験No.(35)で示した相手金属材としては、熱処理をしないでそのまま用いた。
<評価試験>
(A)摩擦摩耗試験
試験No.(35)〜(38)について、各金属ころを用いて鈴木式摩擦摩耗試験を実施し、試験前後での樹脂の摩耗量(高さ減少量)および金属の摩耗量を測定した。結果を、図16、図17および表7に示す。なお、試験の条件は、次の通りとした。
・金属ころ:φ3.5、4点ころ(固定)
・垂直荷重:220N
・摺動速度:1m/s
・試験温度:室温(RT)
・試験時間:4時間
・グリース潤滑(協同油脂製マルテンプJS−P)
・駆動−停止による断続接触(10秒駆動→20秒停止)
(B)樹脂の摩耗量の評価
図16および表7に示すように、試験No.(35)の方が、試験No.(36)〜(38)に比べて、樹脂の摩耗量(高さ減少量)が少なく、高い耐摩耗性を発現している。つまり、表7に示すように、強化繊維が炭素繊維で、かつ成形体粘度数が150(ml/g)で一定の場合、強化繊維が相手金属材(金属ころ)よりも高い硬度を有していることによって、高い耐摩耗性を発現できることが分かった。
(C)金属の摩耗量の評価
一方で、図17および表7に示すように、相手金属材の硬度が大きくなるに従って、相手金属材の摩耗量も低減できることが分かった。つまり、表7の例では、試験No.(35)の相手金属材の摩耗量が一番大きくなるが、試験No.(35)の金属摩耗量であっても実用上、全く問題のないレベルであるといえる。一方で、金属の摩耗量の低減を目的としないならば、試験No.(35)のように、相手金属材の熱処理を省略でき、製造効率を向上できるという効果が得られる。
まず、下記表8に関して、試験No.(39)〜(41)および(43)〜(44)が、それぞれ、実施例23〜25および26〜27であり、試験No.(42)が比較例17である。
(A)原料樹脂の準備
図3で示した構成の混練機48において、表8に示す樹脂および強化繊維を、表8に示す配合割合(質量%)で混練し、原料樹脂ペレットを得た。なお、樹脂をメインフィーダ53に投入し、強化繊維はサイドフィーダ57に投入した。そして、この原料樹脂の粘度数VNを、前述の実施例1〜7および比較例1〜4と同様に測定した。また、原料樹脂の準備に先立って、使用される強化繊維(炭素繊維)のビッカース硬さを求めた。より具体的には、炭素繊維のナノインデンテーション硬さをナノインテンダーで測定し(ISO14577準拠)、ISO 14577 Annex Fに記載の数式(ビッカース硬さHV=0.0945×ナノインデンテーション硬さ(N/mm2))を用いて、当該ナノインデンテーション硬さをビッカース硬さに換算した。結果を、表8に示す。
(B)成形およびアニール処理
ファナック社製の100t電動式射出成形機(ROBOSHOT S−2000:100B)を用いて、(A)で得られた各原料樹脂ペレットから、鈴木式摩擦摩耗試験用リング片(以下、試験片)を成形した。
(C)相手金属材(金属ころ)の準備
相手金属材として、表8の試験No.(42)〜(44)に示す条件にて熱処理(焼入れ、焼戻し)を行った金属ころを準備した。なお、表8の試験No.(42)〜(44)の熱処理条件において、「O.Q.」は、加熱後の金属ころをオイルで冷却(Oil Quenching)していることを示し、「A.C.」は、加熱後の金属ころを空気で冷却(Air Cooling)していることを示している。そして、得られた各金属ころのビッカース硬さを、JIS Z 2244(2009)に準拠して測定した。結果を、表8に示す。また、表8の試験No.(39)〜(41)で示した相手金属材としては、熱処理をしないでそのまま用いた。
<評価試験>
(A)摩擦摩耗試験
試験No.(39)〜(44)について、各金属ころを用いて鈴木式摩擦摩耗試験を実施し、試験前後での樹脂の摩耗量(高さ減少量)および金属の摩耗量を測定した。結果を、図18および表8に示す。なお、試験の条件は、次の通りとした。
・金属ころ:φ3.5、4点ころ(固定)
・垂直荷重:220N
・摺動速度:1m/s
・試験温度:室温(RT)
・試験時間:4時間
・グリース潤滑(協同油脂製マルテンプJS−P)
・駆動−停止による断続接触(10秒駆動→20秒停止)
(B)樹脂の摩耗量の評価
図18および表8に示すように、試験No.(39)〜(41)および(43)〜(44)の方が、試験No.(42)に比べて、樹脂の摩耗量(高さ減少量)が少なく、高い耐摩耗性を発現している。つまり、図18および表8に示すように、強化繊維が炭素繊維であり、相手金属材のビッカース硬さが311HVもしくは789HVで一定の場合、成形体の粘度数VNが180ml/g以上であることによって、高い耐摩耗性を発現できることが分かった。なお、試験No.(39)は、成形体の粘度数VNが150ml/gで、180ml/g未満であるが、摺動条件が垂直荷重=220Nという比較的低荷重であり、かつ強化繊維が相手金属材(金属ころ)よりも高い硬度を有していることによって、高い耐摩耗性を発現できたと考えられる。
Claims (8)
- 外面に樹脂部を有する第1摺動部材と、
前記樹脂部に対して摺動する金属部を有する第2摺動部材とを含み、
前記第1摺動部材の前記樹脂部は、強化フィラーを含有し、粘度数VNが180ml/g以上の樹脂からなり、
前記強化フィラーは、前記第2摺動部材の前記金属部の硬度よりも高い硬度を有している、摺動部品 - 前記強化フィラーのビッカース硬さが300HV〜800HVであり、前記金属部のビッカース硬さが250HV〜600HVである、請求項1に記載の摺動部品。
- 前記第1摺動部材の前記樹脂部の粘度数VNが、230ml/g〜400ml/gである、請求項1または2に記載の摺動部品。
- 前記第1摺動部材の前記樹脂部および前記第2摺動部材の前記金属部が、互いに噛み合うギヤを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の摺動部品。
- 前記第1摺動部材が、歯部が形成された前記樹脂部を有するウォームホイールを含み、
前記第2摺動部材が、前記ウォームホイールの前記歯部に噛み合うウォームを含む、請求項4に記載の摺動部品。 - 前記強化フィラーが、強化繊維を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の摺動部品。
- 前記強化繊維が、ガラス繊維である、請求項6に記載の摺動部品。
- 前記強化繊維が、炭素繊維である、請求項6に記載の摺動部品。
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