TW201627584A - 水潤滑式軸承材料 - Google Patents

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松本敬宣
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伊格爾工業股份有限公司
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Abstract

本發明之目的為提供一種軸承材料，其為水潤滑式軸承，具有優良的耐磨損性及滑動特性。本發明之水潤滑式軸承材料，係由12重量%~25重量%之四氟乙烯-全氟烷基乙烯醚共聚合樹脂(PFA樹脂)、18重量%~33重量%之碳纖維、及其餘部分之聚四氟乙烯(PTFE)樹脂及/或改性PTFE樹脂構成。

Description

水潤滑式軸承材料
本發明係關於滑動軸承材料，尤其關於船舶用船尾管之水潤滑式軸承材料，具體而言，係關於水潤滑式軸承材料，其由在由PTFE或改性PTFE樹脂與PFA樹脂構成之樹脂原料摻碳纖維而得之樹脂組成物構成。
滑動軸承依據其潤滑方式大致分成無潤滑方式、固體潤滑方式、及流體潤滑方式，流體潤滑方式再細分成水(海水或淡水)潤滑式軸承與油潤滑式軸承。油潤滑式軸承的情形，藉由以摻合了磨擦、黏度調整劑等之潤滑油而於軸承之滑動面形成安定的油膜，在某個程度可防止磨擦、磨損、括損(scuffing)。又，水潤滑式軸承的情形，作為潤滑劑之作用的水的動黏度遠比潤滑油低，故容易因和滑動面之對象材直接接觸導致劇烈磨損、括損。故對於水潤滑式軸承材料要求有更優良的耐磨損性等滑動特性。 因如此的理由，以往油潤滑式軸承為主流，但近年來，為了防止潤滑油從軸承流出導致河川、海洋環境之污染，希望採用水潤滑式軸承的需求正在升高。例如：使用油潤滑式軸承作為河川之水力發電用之水車等水車的軸承時，此潤滑油流出導致之河川污染成為問題，又，油潤滑式軸承作為支撐船舶之船尾管內之推進槳軸或多軸船之船尾管軸之船尾管軸承時，潤滑油流出導致之海洋污染會成為問題。
為了使用在如此之水潤滑式軸承之滑動面而開發的耐水性、自潤滑性及耐磨損性均優良的樹脂材料，可列舉已添加聚乙烯蠟之聚胺甲酸酯樹脂材料(專利文獻1)、聚醚醚酮樹脂等熱塑性樹脂材料(專利文獻2)、含碳纖維之聚苯硫醚(PPS)樹脂材料(專利文獻3~6)，此外可列舉腈系橡膠、超高分子聚乙烯(PE)、交聯PE、聚丙烯(PP)等樹脂材料(專利文獻7)。
另一方面，聚四氟乙烯(PTFE)樹脂的自潤滑性、耐熱性、耐腐蝕性高，加工特性也優良，故含有碳纖維(CF)而使耐磨損性提高之含CF之PTFE樹脂已作為各種軸承材料使用。
但是PTFE樹脂材料相較於上述各樹脂材料，耐磨損性較低，即使含有CF作為填充劑，就嚴苛的水潤滑式軸承用樹脂材料而言仍為不足。也有人報告使用了含有CF之PTFE樹脂之態樣(專利文獻8)，但是其係使用在成為對象材之固定構件滑動面係以氮化鈦(TiN)膜形成的特殊條件下。 又，據報告：無循環方式之複合層系軸承材料中，係使用在PTFE為主成分之樹脂材料摻合了碳纖維(CF)以及硫化鉬、平均粒徑1~50μm之粒狀無機填充劑、或莫氏硬度4以下之晶鬚而得之樹脂組成物作為形成於不銹鋼鋼表面之多孔質之青銅粉末層用含浸被覆組成物(專利文獻9~11)。但是該樹脂組成物必需摻合硫化鉬等粒狀礦物等固體潤滑劑，係作為複合層系軸承之多孔質青銅粉末層之含浸用樹脂組成物使用，並非設想以樹脂組成物單獨形成軸承滑動面。
由以上情事，希望提供一種含有CF之PTFE樹脂組成物，當作為滑動軸承材料，尤其作為船尾管軸承材料等水潤滑式軸承材料時，能充分地防止自磨損，有優良的滑動特性。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2013-7006號公報 [專利文獻2]日本特開2001-124070號公報 [專利文獻3]日本特開2010-7805號公報 [專利文獻4]日本特開2009-257590號公報 [專利文獻5]日本特開2008-202649號公報 [專利文獻6]日本特開2007-247478 [專利文獻7]日本特開平5-131570號公報 [專利文獻8]日本特開平10-184692號公報 [專利文獻9]日本特開2010-159808號公報 [專利文獻10]日本特開2002-327750號公報 [專利文獻11]日本特開2000-55054號公報
[發明欲解決之課題]
本發明係為了因應如此的問題而生，目的在於提供一種水潤滑式軸承材料，係由能作為水潤滑式軸承材料，尤其能作為水潤滑用船尾管軸承材料之具有優良之耐磨損性等滑動特性之PTFE樹脂組成物構成。 [解決課題之方式]
本發明之水潤滑式軸承材料係由含有聚四氟乙烯(PTFE)樹脂或改性PTFE樹脂、碳纖維(CF)、及四氟乙烯-全氟烷基乙烯醚共聚合樹脂(PFA)而成之樹脂組成物構成之軸承材料，其特徵為：摻合較多量的PFA及碳纖維(CF)，藉由摻合較多量的PFA及碳纖維(CF)，可不摻合無機填充劑、硫化鉬等固體潤滑劑而獲得充分的耐磨損性。 亦即，本發明係關於含有13重量%~30重量%之PFA樹脂、18重量%~35重量%之碳纖維、及其餘部分之聚四氟乙烯(PTFE)樹脂及/或改性PTFE樹脂而成的水潤滑式軸承材料。
更詳言之，本發明包含以下態樣。 [1] 一種水潤滑式軸承材料，係含有12重量%~25重量%之四氟乙烯-全氟烷基乙烯醚共聚合樹脂(PFA樹脂)、18重量%~33重量%之碳纖維、及其餘部分之聚四氟乙烯(PTFE)樹脂及/或改性PTFE樹脂而成。 [2] 如[1]之水潤滑式軸承材料，其中，碳纖維為瀝青系之碳纖維。 [3] 如[1]或[2]之水潤滑式軸承材料，其中，碳纖維為彎曲・扭轉狀碳纖維。 [4] 如[3]之水潤滑式軸承材料，其中，彎曲・扭轉狀碳纖維之曲率半徑為50~1500μm之範圍。 [5] 如[1]至[4]中任一項之水潤滑式軸承材料，其中，碳纖維之長度為70~200μm。 [6] 如[1]至[5]中任一項之水潤滑式軸承材料，其係用於船舶用水循環式密封系統用軸承而成。 [7] 如[1]至[6]中任一項之水潤滑式軸承材料，其中，改性PTFE係四氟乙烯與選自於由氟烷基三氟乙烯、乙烯、及丙烯構成之群組中之不飽和化合物之共聚物。 [8] 如[1]至[7]中任一項之水潤滑式軸承材料，其中，PFA係依據ASTMD3307之熔體流動速率(melt flow rate)値(MFR)未達15g/10min之PFA。 [9] 如[1]至[8]中任一項之水潤滑式軸承材料，其係設於金屬構件之內側而成。 [發明之效果]
本發明之水潤滑式軸承材料藉由於PTFE或改性PTFE樹脂摻混13重量%~30重量%之PFA樹脂及18重量%~35重量%之碳纖維，具有優良的耐磨損性、低對象攻擊性且滑動發熱量也低之優良滑動特性。又，本發明之水潤滑式軸承材料藉由含有較多量PFA及碳纖維，即使不含有硫化鉬、無機填充劑等固體潤滑劑仍有優良的耐磨損性及優良的滑動特性，能以簡便組成作為優良的軸承材料使用。 再者，本發明之水潤滑式軸承材料除了耐磨損性，耐水性亦優良，尤適於作為水潤滑式軸承之軸承材料。且作為船舶用清水潤滑密封系統用軸承材料有用。
本發明之PTFE樹脂可使用-(CF2 -CF2 )n -表示之一般之PTFE樹脂(熔點327℃)。 本發明中，改性PTFE樹脂可使用經2重量%以下之可共聚合單體，例如經具全氟烷醚基、氟烷基或其他氟烷基之側鏈基改性而得之PTFE之共聚物。典型的改性PTFE樹脂可表達成四氟乙烯與選自於由氟烷基三氟乙烯、乙烯、及丙烯構成之群組中之不飽和化合物之共聚物。改性PTFE樹脂一般而言耐壓縮特性比起PTFE樹脂更優良，故可理想地使用。又，也可將一般的PTFE樹脂與改性PTFE樹脂併用。 該等PTFE樹脂及改性PTFE樹脂的數量平均分子量(Mn)宜為約500,000~10,0000,000，500,000~3,000,000又更佳。PTFE樹脂之市售品可使用特氟隆(註冊商標)7J(三井杜邦氟化學公司製)，改性PTFE樹脂之市售品可使用特氟隆(註冊商標)NXT70(三井杜邦氟化學公司製)，此外，可列舉特氟隆(註冊商標)TG70J(三井杜邦氟化學公司製)、Polyflon M111、Polyflon M112(大金工業公司製)、Hostaflon TFM1600、Hostaflon TFM1700(Hoechst公司製)等。
摻合於PTFE樹脂原料之熱塑性樹脂之PFA共聚合樹脂有分支結構，故和碳纖維之相溶性良好，有基質之補強效果，因為摻合，耐磨損性改善且對象攻擊性降低。 作為本發明之PFA共聚合樹脂，若MFR(熔體流動速率(melt flow rate))値(依據ASTMD3307測定)小(分子量大)則和碳纖維之相溶性較良好，宜為未達15g/10min之PFA樹脂較佳。4~8g/10min更佳，5~7g/10min尤佳。 具體的PFA樹脂市售品可列舉ACX21(大金工業製)等。 PFA共聚合樹脂之摻合量相對於全部樹脂原料(100重量%)為18~30重量%，尤其20~25重量%較佳。若為此範圍內，則可期待能製得滑動特性優異且對象攻擊性低之PTFE製品。PFA樹脂之摻合量若未達18重量%，無法獲得基質之補強效果，若使用量超過30重量%，滑動發熱增大，因而耐磨損性惡化。又，就全部樹脂組成物的理想摻合量而言，相對於全部樹脂組成物100重量%為13~30重量%，較佳為15~23重量%。
本發明使用之碳纖維係將碳纖維粉碎處理而短纖維化而得的粉碎纖維，平均纖維徑為5~20μm、平均纖維長為約70~200μm之瀝青系短纖維在樹脂組成物之分散性優良，為較理想。又，比起通常之約1000℃之煅燒品(碳化品)，更宜使用於2000℃以上之溫度的高溫煅燒品(石墨化品)。就碳纖維而言，係使用針對纖維徑或纖維長等，平均纖維徑為5~20μm、平均纖維長為約70~200μm之瀝青系碳纖維。較佳為使用高石墨化瀝青系碳纖維。瀝青系碳纖維依照製造原料區分成光學等向性瀝青與光學異向性瀝青(中間相瀝青)，就本發明之瀝青系碳纖維而言，光學異向性瀝青(中間相瀝青)在上漿(sizing)後之強度高、彈性力亦高，故較為理想。
又，針對形狀，係使用非筆直狀而是曲率半徑50~1500μm之範圍彎曲・扭轉狀者。曲率半徑若未達50μm，碳纖維在PTFE材料之壓縮成形過程中會折疊，無法維持理想的纖維長。曲率半徑1500μm以上時，和PTFE之交纏不足，無法充分地抑制碳纖維脱落。又，曲率半徑係將以電子顯微鏡(日本電子製品JSM-5900LV)拍攝的2次電子像利用影像解析軟體(MediaCybernetics製品、Image-Pro Plus version7.0)測定。 如此選出的彎曲・扭轉狀碳纖維即使軸承材因為滑動發熱軟化而造成碳纖維保持力降低，仍因彎曲・扭轉部分和PTFE交纏故不易脱落。 具體的彎曲・扭轉狀碳纖維之市售品，可列舉碳質等級之S-2404N、S249K、及S-241(大阪氣體化學公司製)等高石墨化等級之SG-249及SG-241(大阪氣體化學公司製)等。 又，碳纖維除了瀝青系碳纖維以外，泛用的尚有PAN系碳纖維，即使是PAN系只要是上述曲率半徑50~1500μm之彎曲・扭轉形狀之碳纖維即可同樣地使用。
彎曲・扭轉狀碳纖維之摻合量(填料比率)相對於全部樹脂組成物100重量%要求為18~35重量%，尤其20~30重量%較佳。碳纖維的作用是保護樹脂組成物免於滑動，故若摻合量少會增加柔軟的樹脂的露出，變得容易磨損，摻合量太多，樹脂不易將碳纖維連結固定。 CF摻合量未達20重量%的話，樹脂組成物之耐磨損性減低，CF摻合量若超過35重量%，會破裂，並不理想。
由以上情形，碳纖維在全部樹脂組成物中之摻合量，相對於全部樹脂組成物(100重量%)為18~35重量%，較佳為20~30重量%，PFA樹脂摻合量相對於全部樹脂組成物(100重量%)為12~25重量%，較佳為14~20重量%，其餘量為PTFE或改性PTFE摻合量。 又，其餘量部分也可以摻合不可避免的其他材料。
PTFE(改性PTFE)樹脂及PFA樹脂之混合、及碳纖維向樹脂原料之摻合，只要是能獲得2種樹脂原料及填料之碳纖維三者之良好分散狀態之方法即可，可以採用任意的摻混方法，一般係使用亨舍耳混合機、超級混合機等混合機進行摻混。摻合順序也可適當設定。
使用了本發明之樹脂組成物之軸承材之加工方法，可應用一般的利用含CF之PTFE(或改性PTFE)樹脂組成物製造軸承之方法。 具體而言，可藉由將上述摻混物以約70~80MPa之壓力成形，再於約360~390℃實施約3小時加熱處理後進行切削加工等方法進行。 [實施例]
以下依實施例對於本發明更詳細説明，但本發明不限於該等實施例。 本發明之其他用語、概念係基於該領域慣用的用語的含意，為了實施本發明而使用之各種技術除了特別明示其出處之技術，基於公知文獻等，只要是該技術領域中有通常知識者均可輕易且確實地實施。又，試驗例中之%均代表重量%。
(試驗例1) 因應填料比率之比磨損量(DRY)之測定 使用改性PTFE(三井杜邦氟化學製品NXT70)作為PTFE樹脂原料，使用瀝青系碳纖維、高石墨化碳纖維(CF)(大阪氣體化學製SG-249)作為碳纖維(CF)，並摻合成CF相對於PTFE樹脂之摻合比率(填料比率)為10%、15%、20%、25%、30%、35%及40%，使用亨舍耳混合機(型式FM20C/I)充分混合後，以60~70MPa進行壓縮成形。然後，以煅燒爐於360~390℃進行3小時煅燒，製得圓盤狀之試驗片(外徑40mm、厚度2mm)。 滑動特性(動磨擦係數)試驗係使用依循JISK7218A規格之環-盤對(Ring-on- disc)法測定比磨損量。對象材(環材)使用S45C(碳含有率0.45%碳鋼)(外徑25.6mm、內徑20mm、高度15mm)，於乾環境以壓力0.8Mpa、速度0.5m/s的條件使圓盤狀之試驗片旋轉24小時。 其結果可知：CF之摻合比率(填料比率)為約18~33%，尤其20~30%之範圍內時，比磨損量低，滑動特性優異(圖1)。
(試驗例2) 因應PFA摻混比率之比磨損量(DRY)之測定 依據試驗例1之結果，將CF相對於PTFE樹脂之填料比率固定為25%，改變PTFE樹脂原料中之改性PTFE與PFA之摻混比率而測定比磨損量之値，實施和試驗例1同樣的滑動特性試驗。 具體而言，當對於和試驗例1同樣之瀝青系、高石墨化CF 25%摻合75%之PTFE樹脂原料時，對於改性PTFE(NXT70)將PFA(大金工業製ACX21)以全部樹脂原料量之0%、10%、15%、20%、25%、30%及35%之摻混比率進行摻合，並以和試驗例1同樣的方法製造圓盤狀之試驗片。 然後，使用和試驗例1同樣的環-盤對法(JISK7218A規格)測定於乾環境下對於對象材S45C之比磨損量。 其結果得知：PFA相對於全部樹脂原料量之摻混比率若為約18~35%，尤其20~30%之範圍內，則比磨損量低，滑動特性優異(圖2)。
(試驗例3) 因應PFA摻混比率之對象攻擊性之測定 和試驗例2同樣將CF之填料比率固定為25%，改變PTFE原料中之改性PTFE與PFA之摻混比率而實施對象攻擊性試驗。 具體而言，和試驗例2同樣設PFA在全體之75%之PTFE樹脂原料中之摻合比例為全部樹脂原料量之0%、10%、15%、20%、25%及30%之摻混比率，以和試驗例1同樣的方法製造圓盤狀之試驗片。 然後，對於每一PFA摻混比率不同的試驗片逐一依據JIS0601-1976表面粗糙度之規格，於乾環境下測定對象材之Rz(十點平均粗糙度)之變化率(%)，以實施對象攻擊性試驗。 就對象材而言，和試驗例1、2同樣使用碳鋼S45C。以JIS0601-1976觸針式表面粗糙度測定器測定試驗前之表面粗糙度，並計算Rz，獲得Rz1.5μm之值。 試驗係和試驗例1、2同樣於乾環境以壓力0.8Mpa、速度0.5m/s的條件使圓盤狀之各試驗片旋轉24小時後測定Rz値，測定和試驗前之Rz1.5μm比較而得之對象粗糙度變化率(%)。 在此，對象粗糙度變化率(%)係以負值表示，愈接近零評為攻擊性愈低。 其結果可知：PFA摻混比率為約18~30%，尤其20~25%時，攻擊性低(圖3)。 綜合試驗例2及試驗例3之結果，可期待若PFA在全部PTFE原料中之摻混比率為約18~30%，尤其20~25%，則可製造滑動特性優異且對象攻擊性低之PTFE製品。從試驗例1的結果，可求出CF之最適填料比率為18~33%，尤其20~30%，故PFA在滑動特性優異且對象攻擊性低之PTFE製品全體之摻合比率宜為12~25%，較佳為14~20%。PTFE係成為PFA及CF之其餘量，故PFA：CF：PTFE＝12~25：18~33：其餘部分，理想地為PFA：CF：PTFE＝14~20：20~30：其餘部分。
(試驗例4) 依碳纖維(CF)種類所致之滑動發熱之不同 本試驗中，作為於PTFE樹脂原料摻合之CF，為了選擇滑動發熱性較低之CF，以和試驗例1同樣的方法製造CF對於PTEF樹脂70%之填料比率固定為30%而改變摻合之CF之種類之圓盤狀試驗片。 在此，使用PTFE(三井杜邦氟化學公司製特氟隆7J)作為PTFE樹脂，使用瀝青系CF中之筆直狀CF(Kureha製M2007SA)、扭轉狀CF之碳質等級(大阪氣體化學製S-2404N、S249K、及S-241)、扭轉狀高石墨化等級(大阪氣體化學製SG-249及SG-241)作為摻合之碳纖維(CF)。 滑動發熱試驗，係和試驗例1~3同樣，使用S45C碳鋼作為對象材，於乾環境以壓力0.8Mpa、速度0.5m/s的條件使圓盤狀試驗片旋轉24小時後，測定滑動部附近溫度而進行(圖4)。又，滑動試驗前之滑動部附近溫度係調整為室溫(25℃)而進行。 其結果可知：瀝青系碳纖維(CF)之中為筆直狀的情形，滑動部附近溫度升高到約150℃，滑動發熱高而不耐使用，但若為扭轉狀之CF，滑動發熱均未達100℃，能充分使用。尤其可知：若使用高石墨化的CF，滑動發熱低，更為理想。
(實施例1) 使用亨舍耳混合機(型式FM20C/I)將改性PTFE(三井杜邦氟化學製品NXT70)55重量份、PFA(大金工業製品ACX21)20重量份及瀝青系彎曲・扭轉狀碳纖維(大阪氣體化學製品S-249；平均纖維徑13μm、平均纖維長90μm)25重量份混合後，利用壓製等於60~70MPa進行壓縮成形。然後以煅燒爐於360~390℃進行3小時煅燒。 之後利用切削加工製作試驗用NZ-7280型軸承，實施軸承運轉168小時，並實施軸承機能特性評價試驗，依以下之製品評價基準進行評價。
＜評價項目＞ 1.耐磨損性： 依ISK7214K規格測定試驗後之軸承滑動面之磨損量，比磨損量未達2.0×10-12 mm2 /N者評為◎，2.0~4.0×10-12 mm2 /N者評為○，4.0×10-12 mm2 /N以上者評為×。 2.製品之破裂： 以目視觀察軸承運轉後之試驗製品，確認有裂痕存在者評為「有破裂」。 該等評價結果如下(表1)所示。
(實施例2) 將實施例1之改性PTFE量改為65重量份，PFA改為20重量份、瀝青系彎曲・扭轉狀碳纖維量改為15重量份後使用。 該等評價結果如下(表1)所示。
(實施例3) 將實施例1之改性PTFE量改為60重量份，PFA改為15重量份，瀝青系彎曲・扭轉狀碳纖維量改為25重量份後使用。 該等評價結果如下(表1)所示。
(比較例1) 將實施例1之改性PTFE量改為45重量份，PFA改為20重量份，瀝青系彎曲・扭轉狀碳纖維量改為35重量份後使用。 該等評價結果如下(表1)所示。
(比較例2) 將實施例1之改性PTFE量改為45重量份，PFA改為30重量份，瀝青系彎曲・扭轉狀碳纖維量改為25重量份後使用。 該等評價結果如下(表1)所示。
(比較例3) 不摻合實施例1之PFA，將改性PTFE量改為75重量份，瀝青系彎曲・扭轉狀碳纖維量改為25重量份後使用。 該等評價結果如下(表1)所示。
【表1】
由以上之結果可確認：CF之摻合比例若超過全部組成物(100重量%)中之35重量%，會發生製品破裂，為不理想，PFA樹脂摻合比例若超過30重量%，耐磨損性變差。
無
圖1顯示因應填料比率之比磨損量(DRY)之測定結果。 圖2顯示因應樹脂原料中之摻合比率之比磨損量(DRY)之測定結果。 圖3顯示因應樹脂原料中之摻合比率之對象攻擊性之測定結果。 圖4顯應摻合之碳纖維形狀之不同所致滑動發熱之測定結果。
無

Claims (9)

  1. 一種水潤滑式軸承材料，係含有12重量%~25重量%之四氟乙烯-全氟烷基乙烯醚共聚合樹脂(PFA樹脂)、18重量%~33重量%之碳纖維、及其餘部分之聚四氟乙烯(PTFE)樹脂及/或改性PTFE樹脂而成。
  2. 如申請專利範圍第1項之水潤滑式軸承材料，其中，碳纖維為瀝青系之碳纖維。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之水潤滑式軸承材料，其中，碳纖維為彎曲・扭轉狀碳纖維。
  4. 如申請專利範圍第3項之水潤滑式軸承材料，其中，彎曲・扭轉狀碳纖維之曲率半徑為50~1500μm之範圍。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之水潤滑式軸承材料，其中，碳纖維之長度為70~200μm。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之水潤滑式軸承材料，其係用於船舶用水循環式密封系統用軸承而成。
  7. 如申請專利範圍第1或2項之水潤滑式軸承材料，其中，改性PTFE係四氟乙烯與選自於由氟烷基三氟乙烯、乙烯、及丙烯構成之群組中之不飽和化合物之共聚物。
  8. 如申請專利範圍第1或2項之水潤滑式軸承材料，其中，PFA係依據ASTMD3307之熔體流動速率(melt flow rate)値(MFR)未達15g/10min之PFA。
  9. 如申請專利範圍第1或2項之水潤滑式軸承材料，其係設於金屬構件之內側而成。
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