KR101130026B1 - 고체 윤활제 및 접동 부재 - Google Patents

고체 윤활제 및 접동 부재

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KR101130026B1
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다꾸야 히라야마
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오이레스 고교 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명은 고하중 조건하에서, 납을 함유하는 고체 윤활제와 동등하거나 그 이상의 접동 특성을 발휘할 수 있는, 납을 함유하지 않는 고체 윤활제를 제공한다. 구체적으로, 접동 부재 기체의 접동면에 형성된 구멍 또는 홈에 매립되며, 탄화수소계 왁스, 고급 지방산, 고급 지방산 에스테르 및 고급 지방산 아미드로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 왁스류 20 내지 40 중량％, 멜라민시아누레이트 20 내지 40 중량％ 및 사불화에틸렌 수지 20 내지 50 중량％를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 윤활제가 제공된다.
고체 윤활제, 접동 부재.

Description

고체 윤활제 및 접동 부재 {SOLID LUBRICANT AND SLIDING MEMBER}
본 발명은 고체 윤활제 및 접동 부재(sliding member)에 관한 것이고, 구체적으로는 접동 부재 기체의 접동면에 형성된 구멍 또는 홈에 매립되는 고체 윤활제 및 접동 부재에 관한 것이다.
베어링(bearing) 등의 접동면에 매립하여 사용하는 고체 윤활제는, 접동면에 박막으로서 형성되어 접동 효과를 발휘한다. 그 때문에, 그 피막 형성 상태가 마찰 계수 및 피막의 수명에 큰 영향을 준다. 이러한 종류의 고체 윤활제로는, 층상 구조를 갖는 것, 특히 흑연을 주성분으로 하는 것을 들 수 있다. 흑연은 층상 구조로 인해 하중 방향에 대해서는 큰 저항력을 나타내지만, 접동 방향에 대해서는 저항력이 작다. 또한, 연질이고, 상온부터 고온까지의 범위에서 윤활 성능을 유지할 수 있는 특성을 갖는다.
그러나, 흑연을 주성분으로 한 고체 윤활제는 피막 형성능이 약간 부족함과 동시에 반복 마찰에 대한 피막 수명도 불충분하다. 그 때문에, 저속도?고하중 용도로는 부적합하다.
한편, 고하중 용도에 사용되는 고체 윤활제로는, 사불화에틸렌 수지에 인듐, 납, 주석 등의 연질 금속, 왁스를 배합한 고체 윤활제를 들 수 있다. 특히, 사불 화에틸렌 수지에 납 및 왁스를 배합한 고체 윤활제가 널리 사용되고 있다. 이 고체 윤활제는 고하중 조건하의 마찰 계수가 매우 낮으며, 피막 형성능이 우수하고, 상기 피막의 수명도 길며, 피막의 자기 보수성도 우수하다.
최근, 재료 개발 동향은, 환경 문제를 배려하여 납을 함유하지 않는 방향으로 진행하고 있다. 이 개발 동향은 상기 고체 윤활제에서도 예외가 아니다. 그러나, 납은 고체 윤활제에서 접동 특성을 만족시킬뿐만 아니라 중요한 구성 성분이다. 특히, 베어링 등의 접동면에 형성된 구멍 또는 홈에 매립하여 고하중 조건하에서 사용하는 경우, 납은 피막 형성능 면에서도 중요하다.
납을 함유하지 않는 접동 부재로서, 멜라민과 이소시아누르산과의 부가물을 함유하는 수지를 성형하여 얻은 접동 부재가 예시되어 있다 (특허 문헌 1 참조). 그러나, 멜라민과 이소시아누르산과의 부가물을 함유하는 수지를 포함하는 접동 부재 조성물을 고체 윤활제로서 사용한 경우, 고하중 조건하에서의 마찰 계수가 충분하다고는 할 수 없다. 이 때문에, 납을 함유하지 않고 고하중 조건하에서 충분한 접동 특성을 발휘하는 고체 윤활제의 제공이 요망되고 있다.
[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 (소)55-108427호 공보
본 발명은 상기 실정을 감안하여 이루어진 것이고, 본 발명의 목적은 고하중 조건하에서, 납을 함유하는 고체 윤활제와 동등하거나 그 이상의 접동 특성을 발휘할 수 있는, 납을 함유하지 않는 고체 윤활제를 제공하는 것이다.
발명의 제1 요지는, 접동 부재 기체의 접동면에 형성된 구멍 또는 홈에 매립되며, 탄화수소계 왁스, 고급 지방산, 고급 지방산 에스테르 및 고급 지방산 아미드로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 왁스류 20 내지 40 중량％, 멜라민시아누레이트 20 내지 40 중량％ 및 사불화에틸렌 수지 20 내지 50 중량％를 포함하는 고체 윤활제이다.
본 발명의 제2 요지는, 접동 부재 기체의 접동면에 형성된 구멍 또는 홈에 상기 고체 윤활제를 매립하여 얻은 접동 부재이다.
본 발명에 따르면, 접동 부재 기체의 접동면에 형성된 구멍 또는 홈에 매립해서 사용하기에 바람직하며, 고하중 조건하에서, 납을 함유하는 고체 윤활제와 동등하거나 그 이상의 접동 특성을 발휘하는, 납을 함유하지 않는 고체 윤활제가 제공된다.
<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>
본 발명의 실시 형태에 관해서 설명한다. 우선, 고체 윤활제에 대해서 서술한다. 왁스류는 주로 마찰 계수를 저감시키는 작용을 한다. 사용되는 왁스류로는 탄화수소계 왁스, 고급 지방산, 고급 지방산 에스테르 및 고급 지방산 아미드로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상이 있다.
탄화수소계 왁스로는 탄소수 24 이상의 파라핀계 왁스, 탄소수 26 이상의 올레핀계 왁스, 탄소수 28 이상의 알킬벤젠, 결정질의 마이크로크리스탈린 왁스를 들 수 있다. 이들 탄화수소계 왁스는 단독 또는 2종 이상의 혼합물로서 사용할 수 있다.
고급 지방산으로는 탄소수 12 이상의 포화 또는 불포화 지방산을 들 수 있다. 구체적으로는, 라우르산, 미리스트산, 팔미트산, 스테아르산, 아라킨산, 베헨산, 세로틴산, 몬탄산, 멜리신산, 라우로레산, 미리스토레산, 올레산, 엘라이드산, 리놀산, 리놀레산, 아라키돈산, 가드레인산, 에루크산 등을 들 수 있다.
고급 지방산 에스테르는 상기 고급 지방산과 1가 또는 다가 알코올과의 에스테르이다. 1가 알코올로는 카프릴 알코올, 라우릴 알코올, 미리스틸 알코올, 팔미틸 알코올, 스테아릴 알코올, 베헤닐 알코올 등을 들 수 있고, 다가 알코올로는 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 부탄디올, 글리세린, 펜타에리트리톨, 소르비탄 등을 들 수 있다. 고급 지방산 에스테르의 구체예로는 스테아릴스테아레이트, 펜타에리트리톨테트라스테아레이트, 스테아르산모노글리세라이드, 베헨산모노글리세라이드 등을 들 수 있다.
고급 지방산 아미드는 상기 고급 지방산과 1가 또는 다가 아민과의 아미드이다. 1가 또는 다가 아민으로는 카프릴아민, 라우릴아민, 미리스틸아민, 팔미틸아민, 스테아릴아민, 메틸렌 디아민, 에틸렌 디아민, 헥사메틸렌 디아민 등을 들 수 있다. 고급 지방산 아미드의 구체예로는 팔미트산 아미드, 스테아르산 아미드, 올레산 아미드, 에루크산 아미드 등을 들 수 있다.
왁스류의 배합 비율은 통상 20 내지 40 중량％, 바람직하게는 20 내지 30 중량％이다. 배합 비율이 20 중량％ 미만인 경우에는 원하는 저마찰 특성이 얻어지지 않으며, 40 중량％를 초과하는 경우에는 성형성이 악화됨과 동시에 성형체의 강도가 저하된다.
멜라민시아누레이트는 멜라민과 시아누르산 또는 이소시아누르산과의 부가 화합물이고, 6원환 구조의 멜라민 분자와 시아누르산(이소시아누르산) 분자가 수소 결합에 의해 평면상으로 배열되고, 그 평면이 약한 결합력으로 층상으로 중첩되어 있으며, 이황화 몰리브덴이나 흑연과 같은 벽개성(劈開性)을 갖는 것으로 생각되고 있다. 이 멜라민시아누레이트는 내마모성, 내하중성을 향상시키는 작용을 하는데, 그 배합 비율은 통상 20 내지 40 중량％, 바람직하게는 30 내지 40 중량％이다. 배합 비율이 20 중량％ 미만인 경우에는 원하는 내마모성, 내하중성의 향상 효과가 얻어지지 않고, 40 중량％를 초과하는 경우에는 내마모성이 저하된다.
사불화에틸렌 수지(PTFE)는 주로 저마찰성을 부여하는 작용을 한다. 본 발명에서 사용되는 사불화에틸렌 수지는, 몰딩 파우더 또는 파인 파우더로서 주로 성형용으로 사용되는 사불화에틸렌 수지(이하, "고분자량 PTFE"라 약칭함)와, 방사선 조사 등에 의해 고분자량 PTFE를 분해하거나 또는 사불화에틸렌 수지의 중합시에 분자량을 조절하여 고분자량 PTFE에 비해 분자량을 저하시킨, 분쇄하기 쉽거나 분산성이 좋아 주로 첨가 재료로서 사용되는 사불화에틸렌 수지(이하, "저분자량 PTFE"라 약칭함)로 크게 구별된다. 사불화에틸렌 수지는 고분자량 PTFE 단독 또는 고분자량 PTFE와 저분자량 PTFE와의 혼합물로서 사용된다. 혼합물로서의 고분자량 PTFE와 저분자량 PTFE와의 배합 비율(중량)은 통상 1:1 내지 3:1이다.
몰딩 파우더용 고분자량 PTFE로는 미쯔이 듀퐁 플루오로사제의 "테프론(등록상표) 7-J", "테프론(등록상표) 7A-J", "테프론(등록상표)70-J" 등, 다이낀 고교사제의 "폴리프론 M-12(상품명)" 등, 아사히 글라스사제의 플루온 G163(상품명)", "플루온 G190(상품명)" 등을 들 수 있다. 파인 파우더용 고분자량 PTFE로는 미쯔이 듀퐁 플루오로사제의 "테프론(등록상표) 6CJ" 등, 다이낀 고교사제의 "폴리프론 F201(상품명)" 등, 아사히 글라스사제의 "플루온 CD076(상품명)", "플루온 CD090(상품명)" 등을 들 수 있다.
또한, 고분자량 PTFE로는, 상기 고분자량 PTFE 이외에, 고분자량 PTFE를 스티렌계, 아크릴산 에스테르계, 메타크릴산 에스테르계, 아크릴로니트릴계 중합체 등으로 변성한 것도 사용할 수 있고, 구체적으로는 미쯔비시레이온사제의 "메타블렌 A-3000" 등을 들 수 있다. 저분자량 PTFE로는 미쯔이 듀퐁 플루오로사제의 "TLP-10F(상품명)" 등, 다이낀 고교사제의 "루블론 L-5(상품명)" 등, 아사히 글라스사제의 "플루온 L169J(상품명)" 등, 기따무라사제의 "KTL-8N(상품명)" 등을 들 수 있다.
PTFE의 배합 비율은 통상 20 내지 50 중량％, 바람직하게는 20 내지 40 중량％이다. 배합 비율이 20 중량％ 미만인 경우에는 원하는 저마찰 특성이 얻어지지 않고, 50 중량％를 초과하는 경우에는 내마모성이 악화됨과 동시에 성형성이 악화되고 성형체의 강도가 저하된다.
본 발명의 고체 윤활제에는 추가 성분으로서 금속 비누 및(또는) 폴리에틸렌 수지 및(또는) 인산염을 첨가하여도 좋다.
금속 비누는 상기 고급 지방산과 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과의 염이다. 구체적으로는, 스테아르산리튬, 스테아르산칼슘 등을 들 수 있다. 이 금속 비누는 내마모성을 향상시키고, 마찰 계수를 저감시킴과 동시에 열안정성을 향상시키는 작용을 한다. 그 배합 비율은 통상 5 내지 20 중량％, 바람직하게는 10 내지 15 중량％이다. 배합 비율이 5 중량％ 미만인 경우에는 원하는 마찰 계수의 저감 및 내마모성과 열안정성 향상 효과가 얻어지지 않는 경우가 있고, 배합 비율이 20 중량％를 초과하는 경우에는 성형성이 악화되는 경우가 있다.
폴리에틸렌 수지는 내마모성을 향상시킴과 동시에 고체 윤활제를 형성하는 각 성분 조성의 결합력을 높이는 작용을 한다. 사용되는 폴리에틸렌 수지로는 고압법 저밀도 폴리에틸렌(HPLD), 직쇄상 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 초저밀도 폴리에틸렌(VLDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 초고분자량 폴리에틸렌과 저분자량 내지 고분자량 폴리에틸렌을 포함하는 고분자량 폴리에틸렌(HMWPE) 등을 들 수 있다.
HPLD는 고압법에 의해 제조되는 에틸렌 단독 중합체이고, 에틸기 등의 단쇄 분지 이외에 장쇄 분지를 포함하며, 그 밀도는 통상 0.910 내지 0.940 g/㎤이다. LLDPE는 중?저압법에 의해 제조되는 에틸렌과 이것 이외의 α-올레핀(프로필렌, 부텐-1, 4-메틸펜텐-1, 옥텐-1 등)의 공중합체이고, 그 밀도는 통상 0.900 내지 0.940 g/㎤이다. 이 중, 밀도가 0.925 내지 0.940 g/㎤인 공중합체는 중밀도 폴리에틸렌(MDPE)이라 칭할 수 있다. VLDPE는 LLDPE를 더욱 저밀도화한 것으로, 그 밀도는 0.880 내지 0.910 g/㎤이다. HDPE는 중?저압법으로 제조되는 에틸렌 단독 중합체이고, 그 밀도는 통상 0.940 내지 0.970 g/㎤이다. UHMWPE는 저압법으로 제조되고, 분자량이 100만 이상이며, 그 밀도는 통상 O.940 g/㎤이다.
폴리에틸렌 수지의 배합 비율은 통상 5 내지 20 중량％, 바람직하게는 10 내지 15 중량％이다. 배합 비율이 5 중량％ 미만인 경우에는 결합재로서의 작용이 충분히 발휘되지 않는 경우가 있으며, 배합 비율이 20 중량％를 초과하는 경우에는 고체 윤활제를 형성하는 각 성분의 배합 비율이 적어지고, 양호한 윤활 성능을 얻기가 곤란해진다.
인산염으로는, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 제3 인산염, 제2 인산염, 피로인산염, 아인산염, 메타인산염 등을 들 수 있다. 구체적으로는, 인산삼리튬, 인산수소이리튬, 피로인산리튬, 인산삼칼슘, 인산일수소칼슘, 피로인산칼슘, 메타 인산리튬, 메타인산마그네슘, 메타인산칼슘 등을 들 수 있다. 인산염은, 그 자체로는 윤활성을 나타내지 않지만, 상대 재료와의 접동에서 상대 재료 표면에 윤활 피막 형성을 조장하는 효과를 발휘한다. 이에 따라, 상대 재료 표면에 항상 양호한 윤활 피막이 형성되어 유지되고, 양호한 접동 특성이 유지된다.
인산염의 배합 비율은 통상 5 내지 15 중량％, 바람직하게는 10 내지 15 중량％이다. 배합 비율이 5 중량％ 미만인 경우에는 상대 재료 표면에 윤활 피막 형성을 조장하는 효과가 발휘되지 않는 경우가 있고, 20 중량％를 초과하는 경우에는 상대 재료 표면에 윤활 피막의 이착(移着)량이 과다해져 내마모성이 저하되는 경우가 있다.
본 발명의 고체 윤활제는 헨쉘 믹서, 수퍼 믹서, 볼밀, 텀블러 등의 혼합기에 의해서 상술한 각 성분의 소정량을 혼합하고, 얻어진 혼합물을 성형하여 얻어진다. 성형 방법은 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 상기 혼합물을 압출기에 공급하고, 왁스류가 용융하는 온도에서 용융 혼련하여 펠릿을 제조하고, 이 펠릿을 사출 성형기에 공급하여 성형하는 방법이 채용된다.
본 발명의 접동 부재는, 금속 재료 또는 합성 수지 등을 포함하는 접동 부재 기체의 접동면에 형성된 구멍이나 홈에, 상기 제조 방법에 의해서 얻어진 고체 윤활제를 매립하여 얻어진다. 기재에 형성된 구멍 또는 홈에 고체 윤활제를 매립하는 방법으로는, 압입 고정하는 방법, 고체 윤활제에 접착제를 도포하고, 이것을 구멍 또는 홈에 고정하는 방법 등을 들 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명은 그 요지를 벗어나지 않는 한, 이하의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1:
사불화에틸렌 수지로서 고분자량 PTFE(아사히 글라스사제의 "플루온 G163(상품명)") 50 중량％와 왁스류로서 탄화수소계 왁스의 폴리에틸렌 왁스(클라이언트 재팬사제의 "리코 왁스 PE520(상품명)") 10 중량％ 및 파라핀 왁스(닛본 세이로사제의 "150(상품명)") 10 중량％와 멜라민시아누레이트(미쯔비시 가가꾸사제의 "MCA(상품명)") 30 중량％를 헨쉘 믹서에 투입하여 혼합물을 제조하였다. 얻어진 혼합물을 압출 성형기에 도입하여 끈 모양의 성형물을 제조한 후, 이 성형물을 정밀하게 절단하여 상기 혼합물을 포함하는 펠릿을 제조하였다. 이어서, 이 펠릿을 사출 성형기에 공급하고, 직경 6 mm, 길이 5 mm의 원주상 고체 윤활제를 제조하였다.
실시예 2 내지 23 및 비교예 1 및 3:
실시예 1에서, 하기 표 2 내지 표 8에 나타낸 바와 같이 조성을 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해 직경 6 mm, 길이 5 mm의 원주상 고체 윤활제를 제조하였다. 성분 조성을 표 2 내지 표 8에 나타낸다.
비교예 2:
PTFE 분말(미쯔이 듀퐁 플루오로사제의 "테프론(등록상표) 7A-J") 50 부피％와 분무 납 분말 40 부피％를 혼합 교반하여 혼합물을 얻었다. 이 혼합물을 가압 성형기에 의해 가압 성형하여 직경 6 mm, 길이 5 mm의 원주상 고체 윤활제를 제조하였다. 이어서, 이 원주상 고체 윤활제를 윤활유(모빌사제의 "DTE 엑스트라 헤비 오일(상품명)")가 들어 있는 유조에 침지시키고, 10 부피％의 윤활유를 함침시켰다 (중량 환산으로 PTFE 18.8 중량％, 납 79.6 중량％, 윤활유 1.6 중량％).
상술한 실시예 및 비교예에서 얻은 고체 윤활제를, 구리 합금을 포함하는 평판상 기체의 접동면에 형성된 구멍에 매립하여 접동 부재 시험편으로 하고, 이 접동 부재 시험편의 접동 성능을 트러스트(thrust) 시험에 의해 시험하였다. 시험 조건을 하기 표 1에 나타낸다. 접동 특성을 하기 표 2 내지 표 8에 나타낸다.
Figure 112005063730413-pct00001
Figure 112005063730413-pct00002
Figure 112005063730413-pct00003
Figure 112005063730413-pct00004
Figure 112005063730413-pct00005
Figure 112005063730413-pct00006
Figure 112005063730413-pct00007
Figure 112005063730413-pct00008
표 중, 저분자량 PTFE로서 다이낀 고교사의 "루블론 L-5(상품명)"을, 마이크로크리스탈린 왁스로서 닛본 세이로사제의 "Hi-Mic-1080(상품명)"을, HDPE로서 미쯔이 가가꾸사제 "하이젝스(상품명)"를, LDPE로서 스미또모 세이까사제의 "플로센 G701(상품명)"을, HMWPE로서 미쯔이 가가꾸사제의 "류브머(상품명)"를 사용하였다.
이상의 시험 결과로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 고체 윤활제를 접동면에 매립하여 얻은 접동 부재는 저속도?고하중 조건하에서 우수한 접동 특성을 나타내고, 비교예 1 및 비교예 2에 나타낸, 납을 함유하는 종래의 고체 윤활제를 매립한 접동 부재와 동등하거나 그 이상의 성능을 나타낸다. 한편, 멜라민시아누레이트를 함유하지 않는 비교예 3의 고체 윤활제를 접동면에 매립한 접동 부재는 마찰 계수가 높고, 마모량도 많으며, 접동 특성이 불량하였다.

Claims (5)

  1. 접동 부재(sliding member) 기체의 접동면에 형성된 구멍 또는 홈에 매립되며, 탄화수소계 왁스, 고급 지방산, 고급 지방산 에스테르 및 고급 지방산 아미드로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 왁스류 20 내지 40 중량％, 멜라민시아누레이트 20 내지 40 중량％ 및 사불화에틸렌 수지 20 내지 50 중량％를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 윤활제.
  2. 제1항에 있어서, 금속 비누를 5 내지 20 중량％ 함유하는 고체 윤활제.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 폴리에틸렌 수지를 5 내지 20 중량％ 함유하는 고체 윤활제.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 인산염을 5 내지 15 중량％ 함유하는 고체 윤활제.
  5. 접동 부재 기체의 접동면에 형성된 구멍 또는 홈에 제1항 또는 제2항에 기재된 고체 윤활제를 매립하여 얻은 접동 부재.
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