WO2019124393A1

WO2019124393A1 - フォイル軸受、フォイル軸受ユニット、ターボ機械、フォイル軸受の製造方法

Info

Publication number: WO2019124393A1
Application number: PCT/JP2018/046621
Authority: WO
Inventors: 和慶原田; 慎治小松原; 孝洋奥野
Original assignee: Ntn株式会社
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2019-06-27

Abstract

フォイルホルダ１１と、フォイルホルダ１１に取り付けられたフォイル１３とを備え、軸６を相対回転自在に支持するフォイル軸受１０であって、フォイル１３の軸６を支持する軸受面Ｓに樹脂被膜１５を形成し、樹脂被膜１５は、マトリックス樹脂に少なくともフッ素樹脂と黒鉛とを含んで形成され、マトリックス樹脂１００重量部に対してフッ素樹脂を２５～７０重量部、黒鉛を１～２０重量部含み、樹脂被膜１５の引張せん断接着強さが２５ＭＰａ以上であることを特徴とする。

Description

フォイル軸受、フォイル軸受ユニット、ターボ機械、フォイル軸受の製造方法

　本発明は、フォイル軸受、フォイル軸受ユニット、フォイル軸受を備えたターボ機械、フォイル軸受の製造方法に関する。

　ガスタービンやターボチャージャ等のターボ機械の軸を支持する軸受として、フォイル軸受が着目されている。フォイル軸受は、可撓性を有する薄膜（フォイル）で軸受面を構成し、軸受面のたわみを許容しながら荷重を支持するものである。

　上記のフォイル軸受は、軸とフォイルとの間に媒介される流体（気体）によって軸を非接触支持しており、起動停止時には軸とフォイルとの間で接触が生じる。このため、フォイル表面の耐摩耗性や耐久性を向上させるために、フォイルの軸受面にＤＬＣや二硫化モリブデン、ニッケルメッキ等の被膜を形成するコーティング処理を施す発明が既になされている（例えば、特許文献１，２）。

特開２００３－２６２２２２号公報特開２０１５－１１３９２７号公報

　一般的に、摺動部材の摺動面に形成する被膜等のコーティングには、耐摩耗性や母材への密着性が求められる。そして、フォイルの軸受面に形成する被膜には、耐摩耗性や密着性に加えて、柔軟性が求められる。つまり、フォイル軸受においては、可撓性を有するフォイルが、回転運動中の軸に倣って変形することにより適切な軸受隙間を形成するため、被膜を形成することによってフォイルの可撓性が損なわれないことが重要になる。しかし、前述した特許文献１，２に記載の被膜では、これらの性能を全て備えることが難しく、例えばＤＬＣ等の硬質被膜では、被膜の柔軟性が十分でなく、繰り返しの使用によって被膜に割れが生じるという問題があった。また、軟質被膜でも、フォイルに対する密着性が十分でないため、フォイルからの剥離を生じる場合があった。

　このような事情から、本発明では、耐摩耗性とフォイルに対する密着性、および、柔軟性を兼ね備えた被膜をフォイルに形成することを目的とする。

　上記の課題を解決するため、本発明は、フォイルホルダと、前記フォイルホルダに取り付けられたフォイルとを備え、軸を相対回転自在に支持するフォイル軸受であって、前記フォイルの軸受面に樹脂被膜を形成し、前記樹脂被膜は、マトリックス樹脂に少なくともフッ素樹脂と黒鉛とを含んで形成され、前記マトリックス樹脂１００重量部に対して前記フッ素樹脂を２５～７０重量部、前記黒鉛を１～２０重量部含み、前記樹脂被膜の引張せん断接着強さが２５ＭＰａ以上であるフォイル軸受を特徴とする。

　上記構成の被膜により、耐摩耗性、フォイルに対する密着性、および、柔軟性を備えることができる。従って、フォイルの耐久性を向上させると共に、フォイルの可撓性を損なうことを防止できる。また、フォイル軸受の繰り返しの使用による樹脂被膜の割れや剥がれ等の破損を防止できる。

　上記の樹脂被膜におけるフッ素樹脂は、最大粒子径が１６μｍ以下で、５０％粒子径が３～５μｍであり、前記樹脂被膜の引っ張りせん断接着強さが３０ＭＰａ以上とすることができる。これにより、耐摩耗性や引張せん断強さ等の各強度に優れた樹脂被膜を形成することができる。

　上記の樹脂被膜におけるマトリックス樹脂として、ポリアミドイミド樹脂を用いることができる。これにより、耐熱性、柔軟性、耐摩耗特性およびフォイルとの密着性に優れた樹脂被膜を実現することができる。

　上記の樹脂被膜におけるフッ素樹脂が、ポリテトラフルオロエチレン樹脂であり、黒鉛の固定炭素の割合を９７．５％以上とすることができる。これにより、耐熱性に優れ、低温下でも優れた摩擦摩耗特性を示す樹脂被膜を実現することができる。

　上記のフォイル軸受として、フォイルの軸受面に加えて、その反対側の面に樹脂被膜を形成することができる。これにより、フォイルとフォイルホルダの内周面との接触によるフォイルの摩耗を抑制することができ、フォイルの耐久性を向上させることができる。

　上記のフォイルとして、ステンレス鋼を用いることができる。

　上記のフォイル軸受と、軸とを備えたフォイル軸受ユニットとすることができる。

　上記のフォイル軸受と、軸とを備えたターボ機械とすることができる。

　上記の軸のフォイル軸受に支持される被支持面に、上記樹脂被膜を形成することができる。

　また本発明は、フォイルホルダと、フォイルホルダに取り付けられたフォイルとを備え、フォイルの軸受面に樹脂被膜を形成し、樹脂被膜は、マトリックス樹脂に少なくともフッ素樹脂と黒鉛とを含んで形成され、マトリックス樹脂１００重量部に対してフッ素樹脂を２５～７０重量部、黒鉛を１～２０重量部を含み、軸を相対回転自在に支持するフォイル軸受の製造方法であって、シート材に樹脂被膜を形成する工程と、樹脂被膜を形成したシート材を型抜きして、樹脂被膜を軸受面に有するフォイルを形成する工程とを含むことを特徴とする。

　上記のフォイル軸受の製造方法により、樹脂被膜を軸受面に有するフォイルを形成することにより、樹脂被膜の各部における膜厚のばらつきを抑えることができる。これにより、樹脂被膜の強度などの品質が安定する。

上記のフォイル軸受の製造方法として、シート材は、金属箔によって構成される。

　樹脂被膜は、一枚のフォイル内における厚みの誤差が１０μｍ未満である。

　本発明では、フォイルの軸受面に形成する被膜に、耐摩耗性とフォイルに対する密着性、および、柔軟性を持たせることができ、フォイルの耐久性を向上させると共に、樹脂被膜の破損を抑制できる。また、樹脂被膜の形成により、フォイルの可撓性を損なうこともない。

ガスタービンの構成を概念的に示す図である。上記ガスタービンにおけるロータの支持構造を示す断面図である。上記支持構造に組み込まれたフォイル軸受ユニットの断面図である。ラジアルフォイル軸受のフォイルの斜視図である。３枚のフォイルを仮組みした状態の斜視図である。各被膜について、起動停止試験の結果を示す図である。曲げ試験の結果を示す図で、比較例１のＤＬＣ被膜の表面状態を示す図である。曲げ試験の結果を示す図で、比較例２のＰＴＦＥ被膜の表面状態を示す図である。曲げ試験の結果を示す図で、実施例１の被膜の表面状態をそれぞれ示す図である。上記実施形態のフォイルを製造する過程を示す斜視図である。上記実施形態のフォイルを製造する過程を示す斜視図である。上記実施形態のフォイルを製造する過程を示す斜視図である。

　図１に、ターボ機械の一例として、ガスタービン装置の構成を概念的に示す。このガスタービンは、翼列を形成したタービン１および圧縮機２と、発電機３と、燃焼器４と、再生器５とを主に備える。タービン１、圧縮機２、および発電機３には、水平方向に延びる共通の軸６が設けられ、この軸６と、タービン１および圧縮機２とで一体回転可能のロータが構成される。吸気口７から吸入された空気は、圧縮機２で圧縮され、再生器５で加熱された上で燃焼器４に送り込まれる。この圧縮空気に燃料を混合して燃焼させ、高温、高圧のガスでタービン１を回転させる。タービン１の回転力が軸６を介して発電機３に伝達され、発電機３が回転することにより発電し、この電力がインバータ８を介して出力される。タービン１を回転させた後のガスは比較的高温であるため、このガスを再生器５に送り込んで燃焼前の圧縮空気との間で熱交換を行うことで、燃焼後のガスの熱を再利用する。再生器５で熱交換を終えたガスは、排熱回収装置９を通ってから排ガスとして排出される。

　図２に、上記ガスタービンにおけるロータの支持構造の一例を示す。この支持構造では、軸方向の２箇所にラジアル軸受１０が配置され、軸６のフランジ部６ｂの軸方向両側にスラスト軸受２０、２０が配置される。このラジアル軸受１０およびスラスト軸受２０により、軸６がラジアル方向及び両スラスト方向に回転自在に支持されている。

　この支持構造において、タービン１と圧縮機２の間の領域は、高温、高圧のガスで回転されるタービン１に隣接しているために高温雰囲気となる。この高温雰囲気では、潤滑油やグリース等からなる潤滑剤が変質・蒸発してしまうため、これらの潤滑剤を使用する通常の軸受（転がり軸受等）を適用することは難しい。そのため、この種の支持構造で使用される軸受１０、２０としては、空気動圧軸受、特にフォイル軸受が適合する。

　以下、上記ガスタービン用のラジアル軸受に適合するフォイル軸受１０、および、フォイル軸受１０を備えたフォイル軸受ユニット３０の構成を図面に基づいて説明する。

　フォイル軸受１０は、図３に示すように、筒状（図示例では円筒状）のフォイルホルダ１１と、フォイルホルダ１１の内周面に取り付けられた複数（図示例では３枚）のフォイル１３とを有する。複数のフォイル１３は、フォイルホルダ１１の内周面に周方向に並べて配置される。また、フォイル軸受１０と、フォイル軸受１０の支持する軸６とによって、フォイル軸受ユニット３０が構成される。

　フォイルホルダ１１の内周面１１ａには、溝１１ｂが形成される。本実施形態では、フォイルホルダ１１の円周方向等間隔の複数箇所（図示例では３箇所）に、軸方向に沿って延びる溝１１ｂが設けられる。フォイルホルダ１１は金属で形成され、例えば溝１１ｂを含めて一体に型成形される。本実施形態のフォイルホルダ１１は、焼結金属で一体に型成形される。なお、フォイル軸受１０が比較的低温環境で使用される場合、フォイルホルダ１１を樹脂で型成形してもよい。

　各フォイル１３は、図４（ａ）に示すように、周方向一端に設けられた凸部１３ｃと、周方向他端に設けられた凹部１３ｄとを備える。各フォイル１３の凸部１３ｃと凹部１３ｄとは、軸方向で同じ位置に設けられる。図４（ｂ）に示すように、各フォイル１３の凸部１３ｃを、隣接するフォイル１３の凹部１３ｄに嵌め込むことで、３枚のフォイル１３を筒状に仮組みすることができる。この場合、図３に示す軸方向視において、各フォイル１３の周方向一端（凸部１３ｃ）と、隣接するフォイル１３の周方向他端（凹部１３ｄの軸方向両側の凸部１３ｅ）とが交差した状態となる。この状態で、各フォイル１３の周方向両端が、フォイルホルダ１１に保持される。具体的には、各フォイル１３の周方向他端の凸部１３ｅがフォイルホルダ１１の溝１１ｂに差し込まれ、各フォイル１３の周方向一端の凸部１３ｃが、隣接するフォイル１３の外径面１３ｂとフォイルホルダ１１の内周面１１ａとの間に配される。この場合、複数のフォイル１３の回転方向先行側への移動は、各フォイル１３の凸部１３ｅが溝１１ｂの角部に突き当たることで規制されるが、複数のフォイル１３の回転方向後方側への移動は規制されていない。これにより、複数のフォイル１３が、フォイルホルダ１１に対して周方向移動可能とされる。

　各フォイル１３の内径面１３ａは、ラジアル軸受面Ｓとして機能する（図３参照）。図示例では、３枚のフォイル１３で多円弧型のラジアル軸受面Ｓを形成している。フォイルホルダ１１の内周面１１ａと各フォイル１３との間には、フォイル１３に弾性力を付与するための部材（バックフォイル等）は設けられておらず、フォイル１３の外径面１３ｂとフォイルホルダ１１の内周面１１ａとが摺動可能とされる。各フォイル１３の凸部１３ｃは、隣接するフォイル１３のラジアル軸受面Ｓの外径側に配され、アンダーフォイル部として機能する。

　フォイル１３は、ばね性に富み、かつ、加工性のよい金属、例えば、ステンレスや鉄、鋼材料や銅合金からなる厚さ２０μｍ～２００μｍ程度の帯状フォイルで形成される。本実施形態のように流体膜として空気を用いる空気動圧軸受では、雰囲気に潤滑油が存在しないため、油による防錆効果は期待できない。鋼材料や銅合金の代表例として、炭素鋼や黄銅を挙げることができるが、一般的な炭素鋼では錆による腐食が発生し易く、黄銅では加工ひずみによる置き割れを生じることがある（黄銅中のＺｎの含有量が多いほどこの傾向が強まる）。そのため、帯状フォイルとしては、ステンレス鋼（ＳＵＳ）を用いることが好ましい。

　以上の構成において、軸６が円周方向一方（図３の矢印方向）に回転すると、フォイル１３のラジアル軸受面Ｓと軸６の外周面（被支持面）６ａとの間に軸受隙間が形成され、この軸受隙間に生じる空気膜の圧力により軸６がラジアル方向に支持される。

　このとき、フォイル１３が有する可撓性により、各フォイル１３の軸受面Ｓが、荷重や軸６の回転速度、周囲温度等の運転条件に応じて任意に変形するため、軸受隙間は運転条件に応じた適切幅に自動調整される。そのため、高温・高速回転といった過酷な条件下でも、軸受隙間を最適幅に管理することができ、軸６を安定して支持することが可能となる。

　また、軸６の停止直前や起動直後の低速回転時には、各フォイル１３の軸受面Ｓや軸６の外周面６ａに表面粗さ以上の厚さの空気膜を形成することが困難となる。そのため、各フォイル１３の軸受面Ｓと軸６の外周面６ａとの間で金属接触を生じ、トルクの増大を招く。このため、本実施形態では、各フォイル１３の軸受面Ｓ（内径面１３ａ）に表面を低摩擦化するための樹脂被膜１５を形成し、フォイル１３表面の摩耗を防止する。

　樹脂被膜１５は、マトリックス樹脂に少なくともフッ素樹脂と黒鉛とを含んで形成される。それぞれの樹脂被膜１５における割合は、マトリックス樹脂１００重量部に対してフッ素樹脂が２５～７０重量部、黒鉛が１～２０重量部に設定される。上記構成の樹脂被膜１５は、その引張せん断接着強さ（ＪＩＳ　Ｋ６８５０準拠）が２５ＭＰａ以上（好ましくは、３０ＭＰａ以上）であることを特徴とする。

　マトリックス樹脂としては、運転中の軸を支持する際に、熱劣化を最小限に留めることのできる耐熱性やフォイルの可撓性を損なわない柔軟性、そして、フッ素樹脂を結着させ、樹脂被膜をフォイル１３に強固に密着させることのできる密着性を有する樹脂であれば使用できる。マトリックス樹脂としては、例えば、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などが挙げられる。これらの中でも、耐熱性、柔軟性、耐摩耗特性およびフォイルとの密着性に優れることから、ポリアミドイミド樹脂を用いることが好ましい。

　フッ素樹脂としては、低摩擦で非粘着性を樹脂被膜に付与でき、かつ、軸の使用温度雰囲気に耐える耐熱性を有するものであれば使用できる。フッ素樹脂としては、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）樹脂、テトラフルオロエチレン－パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）共重合体樹脂、テトラフルオロエチレン－ヘキサフルオロプロピレン（ＦＥＰ）共重合体樹脂、テトラフルオロエチレン－エチレン（ＥＴＦＥ）共重合体樹脂などが挙げられる。これらの中でも、ＰＴＦＥ樹脂の粉末を用いることが好ましい。ＰＴＦＥ樹脂は、約３４０～３８０℃の溶融粘度が約１０10～１０11Ｐａ・ｓと高く、融点を越えても流動し難く、フッ素樹脂の中では最も耐熱性に優れ、低温下でも優れた摩擦摩耗特性を示す。

　上記ＰＴＦＥ樹脂などのフッ素樹脂の樹脂被膜における割合は、前述のように、マトリックス樹脂１００重量部に対して２５～７０重量部配合される。フッ素樹脂の配合量が２５重量部未満であると、低摩擦特性が劣化し、発熱による摩耗が促進するおそれがある。また、コーティング時の作業性も悪化する。一方、フッ素樹脂の配合量が７０重量部をこえると低摩擦特性は優れるが、被膜強度および耐摩耗特性が劣化し、フォイルが軸に摺接した際の極圧下において、異常摩耗のおそれがある。これに対して、フッ素樹脂の配合量を４０～５０重量部にした場合、引張せん断接着強さは３５ＭＰａ以上になり、極圧下条件への強度を十二分に確保でき、好ましい。なお、マトリックス樹脂１００重量部に対して、フッ素樹脂の配合量が７０重量部を超えるとは、樹脂被膜中に占めるフッ素樹脂の含有量に換算すると約４０重量％を超えるような場合である。

　ＰＴＦＥ樹脂粉末などのフッ素樹脂粉末の最大粒子径は１６μｍ以下に設定することが好ましい。最大粒子径が１６μｍを超えると、フォイルに曲げ方向の力が加わった際に、マトリックス樹脂とフッ素樹脂との界面に大きな応力集中が生じる。これにより、界面部分を起点にして、被膜に亀裂が生じ、被膜がフォイルから剥がれる原因となってしまう。また、最大粒子径が１６μｍを超えると、被膜の厚み方向に粉末が並んで配置され、フォイル表面においてマトリックス樹脂が配置されていない箇所が存在する可能性が高まり、被膜の密着強度を低下させてしまう。本実施形態では、フッ素樹脂粉末の最大粒子径を１６μｍ以下に設定することにより、被膜自身の強度やフォイルに対する密着強度を向上させることができる。

　また、ＰＴＦＥ樹脂粉末などのフッ素樹脂粉末は、５０％粒子径を３～５μｍの範囲に設定することが好ましい。これにより、マトリックス樹脂中にフッ素粉末樹脂を均質に分散することができ、応力集中を緩和して、樹脂被膜の密着強度を向上させることができる。一方、５０％粒子径が３μｍ未満であると、粒子の凝集性が高まって均質に分散させることが難しくなり、樹脂粉末の密着強度を低下させてしまう。

　なお、本実施形態では、上記の各粒子の粒子径は、レーザー回折法によって測定され、測定された粒子の直径の算術平均値として、粒子径が定義される。また、５０％粒子径は体積基準の粒度分布によって算出される。

　樹脂被膜１５に含有される黒鉛は、固体潤滑剤として優れた特性を有する。黒鉛は、天然黒鉛と人造黒鉛に大別される。樹脂被膜に含有される黒鉛としては、固定炭素９７．５％以上の黒鉛が好ましく、固定炭素９８．５％以上の人造黒鉛がさらに好ましい。これにより、優れた潤滑特性を発揮することができる。また、黒鉛の形状としては、りん片状、粒状、球状などがあるが、いずれも使用できる。

　上記黒鉛は、前述のように、樹脂被膜においてマトリックス樹脂１００重量部に対して１～２０重量部配合される。黒鉛の配合量が１重量部未満であると黒鉛を配合した場合の摩擦摩耗特性の改善効果が見られない。一方、黒鉛の配合量が２０重量部を超えると被膜の密着性を損ない、剥がれの原因となる。なお、マトリックス樹脂に対するフッ素樹脂や黒鉛などの添加剤の総量が１５重量部より少ないと樹脂被膜にムラが発生し、所要の寸法精度を得ることが難しくなる。

　樹脂被膜は、上記マトリックス樹脂、フッ素樹脂、黒鉛の他に、前述したフォイル１３に必要な特性を著しく低下させない範囲であれば、他の添加剤を含むことができる。なお、マトリックス樹脂とフッ素樹脂と黒鉛との３成分によって形成される場合には、樹脂被膜１５が、引張せん断接着強さ、柔軟性、低摩擦特性や耐摩耗特性、および、フォイル１３への密着性を最もバランスよく得ることができ、好ましい。

　また、樹脂被膜において、マトリックス樹脂をＰＡＩ樹脂とし、フッ素樹脂をＰＴＦＥ樹脂とし、黒鉛を固定炭素９７．５％以上の黒鉛とすることで、それぞれの入手が容易であるとともに比較的安価であり、フォイル軸受のコストダウンにつながる。

　以上の樹脂被膜１５をフォイル１３の軸受面Ｓに形成することにより、フォイル１３の耐摩耗性を向上させることができ、かつ、樹脂被膜１５の有する柔軟性により、フォイル１３の可撓性が損なわれることもない。また、樹脂被膜１５が、高い引張せん断接着強さや、フォイル１３に対する高い密着性を有することにより、繰り返しの軸の運転によって樹脂被膜１５の割れや剥がれ等の破損が生じにくくなる。

　以上の本実施形態の構成の樹脂被膜を備えたフォイルについて、具体的な製造方法を図７（ａ）～（ｃ）を用いて説明する。

　まず、図７（ａ）に示すように、上記のフォイルの材料となるシート材３１を用意する。シート材３１は、前述のように、ばね性に富み、かつ、加工性のよい金属箔、例えば、ステンレス箔や鉄箔が用いられる。なお、シート材３１は、形成するフォイルよりも大きな面積のものが用意される。なお図７（ａ）～（ｃ）では、シート材３１の厚みを、便宜上、誇張して表現している。

　次に、前述の樹脂被膜を形成するためのコーティング液で、シート材３１の表面を所定の膜厚で覆う。そして、１００℃以上の温度で加熱し、２０分以上乾燥させる。その後、コーティング液を十分に固化させるために、２３０℃以上の温度で６０分以上加熱し、焼成する。これにより、図７（ｂ）に示すように、シート材３１の表面に樹脂被膜１５が形成される。

　そして、図７（ｃ）に示すように、樹脂被膜１５を形成したシート材３１に対して、ポンチ３２により型抜きをする。ポンチ３２は押圧面３２ａが所望のフォイルの表面形状に形成されており、ポンチ３２によってシート材３１を打ち抜くことにより、樹脂被膜をその表面に有するフォイル１３を製造することができる。

　ところで、シート材３１の端面付近は樹脂被膜１５の膜厚が安定せず、所望の厚みを得にくい。このため、シート材３１のうち、フォイル１３として打ち抜きする部分は、シート材３１の端縁から３ｍｍ以上内側の部分とする。これにより、フォイル１３に均一な厚みの樹脂被膜１５を形成することができる。なお、図示例では、一枚のシート材３１から一枚のフォイル１３を型抜きする場合を示したが、一枚のシート材３１から複数のフォイル１３を型抜きしてもよい。

　例えば、スプレーコーティングによってフォイル１３の表面に樹脂被膜１５を形成する方法では、コーティング液の表面張力の影響によって樹脂被膜１５の厚みがばらつきやすく、特にフォイル１３の端縁付近や細線部（例えば、図４の凸部１３ｃの部分）で厚みにばらつきが生じやすく、均一な厚みの樹脂被膜１５を形成することが難しい。しかし、本実施形態のように、予めシート材３１に樹脂被膜１５を形成して型抜きする方法により、フォイル１３の表面に均一な厚みの樹脂被膜１５を形成することができる。一例として、本実施形態では、一枚のフォイル１３内における膜厚のばらつきを１０μｍ未満に抑えることができ、被膜の強度などの品質を安定させることができる。

　以上の構成の本実施形態の樹脂被膜について、その耐久性を確認するための試験を行った。試験方法としては、フォイルに被膜を形成し、フォイル軸受を作成する。そして、このフォイル軸受が軸を支持した状態で軸の起動停止を繰り返し行い、母材部分（フォイルの表面）が露出するまでの起動停止の回数（サイクル数）を計測した。フォイルに形成する被膜の種類としては、ＤＬＣ被膜（比較例１），ＰＴＦＥ被膜（比較例２）、ＰＡＩ樹脂をマトリックス樹脂として、ＰＴＦＥと酸化鉄を含んだ被膜（比較例３）、同じくＰＡＩ樹脂をマトリックス樹脂として、ＰＴＦＥと黒鉛を含む樹脂被膜（実施例１）のそれぞれが形成されたフォイルについて、上記起動停止試験を行って母材が露出するまでの回数を計測した。また、実施例１の被膜は、ＰＡＩ樹脂１００重量部に対して前記フッ素樹脂を２５～７０重量部、前記黒鉛を１～２０重量部の範囲内で含んでいる。

　以上の試験結果を図５に示す。図５に示すように、それぞれの被膜について、フォイルが露出するまでの回数は、ＤＬＣ被膜が約千回、ＰＴＦＥ被膜が数千回、比較例３の被膜が約一万回、実施例１のＰＡＩ樹脂にＰＴＦＥと黒鉛を含んだ被膜が十万回以上となった。このように、実施例１の構成の樹脂被膜は、比較例１～３の被膜に対してその耐久性が特に優れていることがわかる。

　また、実施例１の被膜と、比較例１のＤＬＣ被膜および比較例２のＰＴＦＥ被膜とについて、フォイルへの密着性や柔軟性を比較する試験を行った。具体的には、各被膜が形成されたフォイルに物理的な力を加えて湾曲させた後、各フォイルの表面状態を確認する試験を行った。

　上記試験後のフォイルの表面を撮影した図を図６（ａ）～（ｃ）に示す。（ａ）図は比較例１のＤＬＣ被膜、（ｂ）図は比較例２のＰＴＦＥ被膜、（ｃ）図は実施例１の樹脂被膜の表面状態をそれぞれ示す。ＤＬＣ被膜はフォイルの表面の屈曲部に割れ（図６ａの点線部参照）が生じ、ＰＴＦＥ被膜は屈曲部に被膜の剥離（図６ｂの点線部参照）が生じた。これに対して実施例１の被膜は割れや剥離等の損傷が確認されなかった。このように、フォイルに物理的な力が加わった場合でも、実施例１の樹脂被膜は、フォイルに対する密着性やフォイルの変形に追従できる柔軟性により、被膜の破損を生じることがなかった。

　次に、ＰＴＦＥ樹脂の粒子径が異なる複数の樹脂被膜について、摩耗試験等の強度試験を行い、その強度の違いを確認する試験を行ってその結果を比較し、ＰＴＦＥ樹脂の粒子径の違いによる、樹脂被膜の強度の変化について説明する。まず、以下に、それぞれの樹脂被膜の設定と、その試験方法を記載した上で、それぞれの樹脂被膜の試験結果を示す。

　樹脂被膜は、マトリックス樹脂としてＰＡＩ樹脂が用いられ、ＰＡＩ樹脂１００重量部に対して、ＰＴＦＥ樹脂６５重量部、黒鉛１１重量部が含んだ構成となっており、表1に示すように、ＰＴＦＥ樹脂の粒子径が異なる実施例２、および、比較例４～６がそれぞれ用意されている。

　表１に示すように、実施例２は最大粒子径が１６μｍ、５０％粒子径が４μｍと設定されているのに対して、比較例４はその最大粒子径が２０μｍと大きく設定され、比較例５は５０％粒子径が２μｍと小さく設定され、比較例６は５０％粒子径が７μｍと大きく設定されている。

　各樹脂被膜を形成する樹脂塗料の固形分は以下のとおりである。まず、ＰＡＩ樹脂として、ＰＡＩ樹脂をＮ－メチルピロリドンに分散させたＰＡＩ樹脂ワニスを用い、これにＰＴＦＥ樹脂粉末と黒鉛粉末を配合して希釈して調整した。ＰＡＩ樹脂はガラス転移温度が２４５℃のものが用いられる。また、黒鉛粉末は、平均粒子径が１０μｍの人造黒鉛が用いられる。

　各樹脂被膜の試験片は、厚さ６ｍｍの鋼板基材にスプレーコート法で焼成後３０μｍとなるように塗布した後、２４０℃で焼成し、両頭研磨機で両面を研磨して、表面粗さ０．６～０．７μｍＲａになるように最終仕上げ加工を行って得た。

　以上の実施例２、および、比較例４～６の各試験片について、摩擦摩耗試験、限界面圧試験、引張せん断試験の各強度試験を行った。

（摩擦摩耗試験）
　摩擦摩耗試験では、各試験片に対して、３つの鋼製シュー（ＳＵＪ２,φ１３ｍｍ（有効すべり部位））を摺動させるスラスト型試験機（３シュー・オン・タイプ）を用いた摩擦摩耗試験を行い、６０分後の摩擦係数を測定した。試験条件は以下の通りである。
  荷重：４００Ｎ
  摺動速度：３２ｍ／ｍｉｎ
  潤滑条件：乾式
  試験時間：６０分間

（限界面圧試験）
  摩擦摩耗試験と同じスラスト型試験機（３シュー・オン・タイプ）を用いて限界面圧を確認した。試験条件は以下の通りである。急激な摩擦係数の変動、局部も含めた下地露出が発生した面圧の１つ手前の面圧を限界面圧（ＭＰａ）として定義した。摺接するシューの片あたりによる極圧下状態への耐力として判断する。
  面圧：８ＭＰａから１時間毎に１ＭＰａを付与
  摺動速度：２５ｍ／ｓｅｃ
  潤滑条件：冷凍機油中（１００℃、循環あり）

（引張せん断試験）
被膜強度を測定するため、各試験片のすべり面を表面処理剤（テトラＨ）にて表面処理し、ＳＰＣＣ鋼材とエポキシ系接着剤を用いて接着した。接着条件は、試験片を０．５ＭＰａで固定し、そのまま電気炉内に入れ、１１０℃×４５分間放置して硬化させた。接着面積は２ｃｍ2である。得られた各試験片について引張り試験機（島津製作所製オートグラフ）で５ｍｍ／分の速度で金属板を引っぱり、引張せん断接着強さ（ＭＰａ）を測定した。

　各試験片に対して、以上の試験を行った結果を表２に示す。

　表２に示すように、実施例２の試験片で摩擦係数、限界面圧、引張せん断接着強さのいずれの値も良い結果を示しており、摩擦や加圧、せん断に対する強度をバランスよく備えていることが分かる。各比較例の結果を実施例２と比較すると、比較例４は摩擦係数が高く、比較例５は限界面圧および引張せん断強さが低く、比較例６は限界面圧が低かった。以上のように、実施例２が最もバランスの良い結果が得られており、強度的に好ましいことがわかる。

　以上のように、本実施形態の樹脂被膜は、耐摩耗性、フォイルに対する密着性、柔軟性を兼ね備えたものである。

　本実施形態では、フォイル１３の側に樹脂被膜１５を形成するものとしたが、これに加えて、軸６の外周面６ａに上記樹脂被膜を形成してもよい。

　また、フォイル１３の軸受面Ｓに加えて、その反対側の面である外径面１３ｂに上記樹脂被膜を形成することもできる。これにより、フォイル１３とフォイルホルダ１１の内周面１１ａとの接触によるフォイル１３の摩耗を抑制することができ、フォイル１３の耐久性を向上させることができる。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。上記フォイル軸受の形状は一例であり、その形状に限定されないことはもちろんである。

　以上の実施形態では、ラジアルフォイル軸受１０に本発明の樹脂被膜１５を適用する場合を示したが、スラストフォイル軸受２０（図２参照）の軸受面（フランジ部６ｂに対向する面）に、本発明の樹脂被膜１５を設けてもよい。

　フォイル１３の軸受面Ｓに樹脂被膜１５を設けることに加えて、軸６の外周面６ａに本発明の樹脂被膜を設けてもよい。また、フォイル１３の軸受面と反対側の面である、外径面１３ｂ（図３参照）に本発明の樹脂被膜を設けてもよい。これにより、フォイル１３とフォイルホルダ１１の間で生じる摩擦に対して、フォイルの耐摩耗性を向上させることができる。

　本発明にかかるフォイル軸受ユニット３０の適用対象は、上述したガスタービンに限られず、例えば過給機のロータを支持する軸受としても使用することができる。また、本発明にかかるフォイル軸受は、ガスタービンや過給機等のターボ機械に限らず、潤滑油などの液体による潤滑が困難である、エネルギー効率の観点から潤滑油循環系の補機を別途設けることが困難である、あるいは液体のせん断による抵抗が問題になる等の制限下で使用される自動車等の車両用軸受、さらには産業機器用の軸受として広く使用することが可能である。

　また、以上に説明した各フォイル軸受は、圧力発生流体として空気を使用した空気動圧軸受であるが、これに限らず、圧力発生流体としてその他のガスを使用することもでき、あるいは水や油などの液体を使用することもできる。

　　６　　　　軸
　　６ａ　　　外周面（被支持面）
　　１０　　　フォイル軸受
　　１１　　　フォイルホルダ
　　１３　　　フォイル
　　１３ａ　　内径面
　　１３ｂ　　外径面
　　１５　　　樹脂被膜
　　３０　　　フォイル軸受ユニット
　　３１　　　シート材
　　Ｓ　　　　軸受面

Claims

　フォイルホルダと、前記フォイルホルダに取り付けられたフォイルとを備え、軸を相対回転自在に支持するフォイル軸受であって、
　前記フォイルの軸受面に樹脂被膜を形成し、
　前記樹脂被膜は、マトリックス樹脂に少なくともフッ素樹脂と黒鉛とを含んで形成され、前記マトリックス樹脂１００重量部に対して前記フッ素樹脂を２５～７０重量部、前記黒鉛を１～２０重量部含み、
　前記樹脂被膜の引張せん断接着強さが２５ＭＰａ以上であることを特徴とするフォイル軸受。
　前記フッ素樹脂は、最大粒子径が１６μｍ以下で、５０％粒子径が３～５μｍであり、前記樹脂被膜の引っ張りせん断接着強さが３０ＭＰａ以上である請求項１記載のフォイル軸受。
　前記マトリックス樹脂として、ポリアミドイミド樹脂を用いる請求項１または２記載のフォイル軸受。
　前記フッ素樹脂としてポリテトラフルオロエチレン樹脂を用い、前記黒鉛の固定炭素の割合が９７．５％以上である請求項１から３いずれか記載のフォイル軸受。
　前記フォイルの軸受面に加えて、その反対側の面に前記樹脂被膜を形成する請求項１から4いずれか１項に記載のフォイル軸受。
　前記フォイルが、ステンレス鋼からなる請求項１から５いずれか１項に記載のフォイル軸受。
　請求項１から６いずれか１項に記載のフォイル軸受と、前記軸とを備えたフォイル軸受ユニット。
　前記軸の前記フォイル軸受に支持される被支持面に、前記樹脂被膜が形成される請求項７記載のフォイル軸受ユニット。
　請求項１から６いずれか１項に記載のフォイル軸受と、前記軸とを備えたターボ機械。
　前記軸の前記フォイル軸受に支持される被支持面に、前記樹脂被膜が形成される請求項９記載のターボ機械。
　フォイルホルダと、前記フォイルホルダに取り付けられたフォイルとを備え、前記フォイルの軸受面に樹脂被膜を形成し、前記樹脂被膜は、マトリックス樹脂に少なくともフッ素樹脂と黒鉛とを含んで形成され、前記マトリックス樹脂１００重量部に対して前記フッ素樹脂を２５～７０重量部、前記黒鉛を１～２０重量部を含み、軸を相対回転自在に支持するフォイル軸受の製造方法であって、
　シート材に前記樹脂被膜を形成する工程と、
　前記前記樹脂被膜を形成したシート材を型抜きして、前記樹脂被膜を軸受面に有するフォイルを形成する工程とを含むことを特徴とするフォイル軸受の製造方法。
前記シート材は、金属箔によって構成される請求項１１記載のフォイル軸受の製造方法。
　前記樹脂被膜は、一枚の前記フォイル内における厚みの誤差が１０μｍ未満である請求項１１または１２いずれか記載のフォイル軸受の製造方法。