WO2022209007A1 - 摺動材及び流体機械 - Google Patents

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WO2022209007A1
WO2022209007A1 PCT/JP2021/044108 JP2021044108W WO2022209007A1 WO 2022209007 A1 WO2022209007 A1 WO 2022209007A1 JP 2021044108 W JP2021044108 W JP 2021044108W WO 2022209007 A1 WO2022209007 A1 WO 2022209007A1
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WO
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sliding member
sliding
fluororesin
base material
resin
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Application number
PCT/JP2021/044108
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English (en)
French (fr)
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颯 斎藤
伸之 成澤
Original Assignee
株式会社日立産機システム
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Publication date
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    • C08K7/02—Fibres or whiskers
    • C08K7/04—Fibres or whiskers inorganic
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    • C08K7/04—Fibres or whiskers inorganic
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/26—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction characterised by the use of particular materials

Definitions

  • the present disclosure relates to sliding materials and fluid machinery.
  • Reciprocating fluid machines generally include piston fluid machines and oscillating piston fluid machines.
  • the former fluid machine has a bearing at the end of the connecting rod on the side of the compression/expansion chamber, and a piston supported by the bearing so as to be able to swing.
  • the latter fluid machine has no bearing on the compression/expansion chamber side of the connecting rod and has a piston integrated with the connecting rod.
  • gas is compressed by reciprocating the piston while rocking it in a metal cylinder.
  • the piston includes a sliding member that slides on the inner peripheral surface of the cylinder. Examples of the sliding member include lip rings and piston rings.
  • Patent Document 1 describes "In a cylinder device consisting of a cylinder and a piston that engages with the inner peripheral surface of the cylinder via a piston ring, 60 to 80% by weight of polyphenylene sulfide (PPS) resin, Using a resin composition containing 10 to 30% by weight of fluororesin, 2 to 10% by weight of spherical filler, and 2 to 10% by weight of fibrous filler as essential components, the piston ring is formed on the outer peripheral portion of the piston by insert molding. A piston for a cylinder characterized by being formed.” is described.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • Patent Document 1 has room for improvement in the wear resistance of the sliding member.
  • the problem to be solved by the present disclosure is to provide a sliding member and a fluid machine having excellent wear resistance.
  • the sliding member of the present disclosure is a sliding member that contacts a sliding surface, and the sliding member includes a first base material resin made of a resin other than fluororesin, and a first member made of a first material containing fluororesin particles and rod-shaped particles dispersed in a first member; a second base material resin made of a fluororesin arranged adjacent to the first member; a second member constructed from a second material including a reinforcing agent dispersed in a second base resin.
  • a first base material resin made of a resin other than fluororesin
  • a first member made of a first material containing fluororesin particles and rod-shaped particles dispersed in a first member
  • a second base material resin made of a fluororesin arranged adjacent to the first member
  • a second member constructed from a second material including a reinforcing agent dispersed in a second base resin.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a transfer film formed during sliding; 1 is a schematic diagram of a fluid machine including a sliding member according to a first embodiment; FIG. It is a sectional view showing a sliding member of a 2nd embodiment. It is a figure explaining the test method of a friction test. It is an energy dispersive X-ray analysis image of the test piece surface after the friction test. It is a figure which shows the test result of the wear amount obtained by the friction test, and a coefficient of friction.
  • FIG. 4 is a diagram showing the correlation between the amount of wear and the coefficient of friction obtained in a friction test, and the content of fluororesin particles.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the sliding member 12 of the first embodiment.
  • the sliding member 12 is in contact with a sliding surface 13, which is an inner wall surface of the metal member 11, for example.
  • the sliding member 12 reciprocates (vertically moves) vertically while sliding on the sliding surface 13 as indicated by solid line arrows.
  • the sliding member 12 is configured, for example, as a piston 40 (FIG. 5).
  • the sliding member 12 includes a first member 12a and a second member 12b.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the first member 12a.
  • the first member 12a is composed of a first material, and the first material includes a first base material resin 21 composed of a resin other than fluororesin, fluororesin particles 22 dispersed in the first base material resin 21, and rod-shaped particles. and particles 23 .
  • the dispersion is preferably evenly distributed throughout the first base material resin 21, but may be unevenly distributed.
  • the first base material resin 21 forms the outer shell of the first member 12a.
  • the first base material resin 21 is composed of a resin other than a fluororesin, and is not particularly limited as long as it is a resin that can fulfill the function of the sliding member 12. Above all, it has excellent heat resistance and a low coefficient of thermal expansion. Resins are preferred. Specific examples include polyphenylene sulfide (PPS), polyetheretherketone (PEEK), polyethersulfone (PES), phenolic resin (PF), polyimide (PI), and modified products thereof.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PEEK polyetheretherketone
  • PES polyethersulfone
  • PF phenolic resin
  • PI polyimide
  • One of the first base material resins 21 may be used alone, or two or more of them may be used in an arbitrary ratio and combination.
  • the first base material resin 21 preferably contains at least one of polyphenylene sulfide and polyetheretherketone. By containing these polymers, the heat resistance of the first member 12a can be improved.
  • the fluororesin particles 22 form a transfer film 14 (FIG. 4) on the sliding surface 13 by transferring the fluororesin to the sliding surface 13 (FIG. 1) when sliding on the sliding surface 13 (FIG. 1). is.
  • the constituent material of the fluororesin particles 22 is not particularly limited as long as it is a fluororesin. polymer (ETFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), and the like.
  • the constituent materials of the fluororesin particles 22 may be used singly, or two or more may be used in any ratio and combination.
  • the fluororesin particles 22 preferably contain at least one of polytetrafluoroethylene and tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer. By using these polymers, the formation of the transfer film 14 on the sliding surface 13 (FIG. 1) caused by the fluororesin particles 22 can be promoted.
  • the form in which the fluororesin particles 22 are contained is not particularly limited as long as the effects of the present disclosure are not significantly impaired.
  • These particle sizes can be, for example, 5 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less.
  • the particle size can be measured, for example, as an average particle size measurable with a laser diffraction particle size distribution analyzer.
  • the content of the fluororesin particles 22 is not particularly limited as long as it does not significantly impair the effects of the present disclosure, but is preferably 15% by mass or more and 30% by mass or less with respect to the first material. By setting it within this range, excessive thermal expansion of the first member 12a caused by the fluororesin particles 22 can be suppressed, and the coefficient of friction of the first member 12a with respect to the sliding surface 13 (FIG. 1) can be reduced. Furthermore, peeling of the transfer film 14 (FIG. 4) caused by the fluororesin particles 22 can be suppressed. These can particularly improve the wear resistance of the sliding member 12 .
  • the rod-shaped particles 23 improve the strength of the first member 12a against stress such as tensile stress due to their rod-like shape.
  • the rod-shaped particles 23 can be made of any material as long as the effects of the present disclosure are not significantly impaired, but preferably contain at least one of carbon fiber and glass fiber. By using these fibers, the rod-shaped particles 23 can be constructed using readily available fibers.
  • the length and diameter of the rod-shaped particles 23 are not particularly limited as long as they do not significantly impair the effects of the present disclosure.
  • measured values in a cross-sectional micrograph of the first member 12a can be adopted.
  • the content of the rod-shaped particles 23 is not particularly limited as long as it does not significantly impair the effects of the present disclosure.
  • the content of the carbon fibers is preferably 5% by mass or more and 15% by mass or less with respect to the first material.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the second member 12b.
  • the second member 12 b is made of a second material, and the second material includes a second base material resin 31 made of fluorocarbon resin and a reinforcing agent 32 dispersed in the second base material resin 31 .
  • the reinforcing agent 32 is preferably dispersed evenly throughout the second base material resin 31, but may be unevenly distributed.
  • the second base material resin 31 forms the outer shell of the second member 12b.
  • the second base material resin 31 is a fluororesin, it is not particularly limited as long as it does not significantly impair the effects of the present disclosure.
  • the second base material resin 31 may be used singly, or two or more of them may be used in an arbitrary ratio and combination.
  • the second base material resin 31 preferably contains polytetrafluoroethylene.
  • the transfer film 14 (FIG. 4) can be formed on the sliding surface 13 (FIG. 1) together with the fluororesin particles 22 (FIG. 2) in the first member 12a (FIG. 2). can promote.
  • the fluororesin particles 22 (FIG. 1) and the second base material resin 31 are preferably made of the same kind of fluororesin. By doing so, the transfer film 14 made of the same constituent material can be formed on the sliding surface 13 by the fluororesin particles 22 and the second base material resin 31, and the transfer can be promoted.
  • the reinforcing agent 32 improves the strength of the second member 12b (especially the second base material resin 31) against stress such as shear stress.
  • a specific material for the reinforcing agent 32 is not particularly limited as long as it does not significantly impair the effects of the present disclosure.
  • One of the reinforcing agents 32 may be used alone, or two or more thereof may be used in any ratio and combination.
  • the reinforcing agent 32 preferably contains at least one of copper, a copper alloy (an alloy containing copper as a main component, such as bronze, etc.), or carbon fiber.
  • the form in which the reinforcing agent 32 is contained is not particularly limited as long as it does not significantly impair the effects of the present disclosure, but it can be, for example, particulate. Also, the particle size of the reinforcing agent 32 is not particularly limited as long as it does not significantly impair the effects of the present disclosure, and is arbitrary.
  • the content of the reinforcing agent 32 is not particularly limited as long as it does not significantly impair the effects of the present disclosure.
  • the second material preferably further contains a solid lubricant 33.
  • a solid lubricant 33 By containing the solid lubricant, a lubricating film (not shown) is formed on the sliding surface 13 (FIG. 1), thereby reducing the friction between the second member 12b and the sliding surface 13, and increasing the durability of the sliding member 12. Abrasion resistance can be further improved.
  • One of the solid lubricants 33 may be used alone, or two or more of them may be used in any ratio and combination.
  • the solid lubricant 33 preferably contains at least one of molybdenum disulfide and spherical carbon.
  • molybdenum disulfide has a weak S—S bond, which causes delamination, thereby exhibiting solid lubricity.
  • the content of the solid lubricant 33 is not particularly limited as long as it does not significantly impair the effects of the present disclosure, but it can be, for example, 1% by mass or more and 15% by mass or less with respect to the second material.
  • the second member 12b is arranged along the sliding surface 13 so as to be adjacent to the first member 12a.
  • adjacent means that the first member 12a and the second member 12b do not need to be in contact with each other in the direction of the sliding surface 13 (sliding direction).
  • an arbitrary member can be arranged between and within a range that does not significantly impair the effects of the present disclosure.
  • the first member 12 a and the second member 12 b are in contact with each other in the direction of the sliding surface 13 .
  • the first member 12a and the second member 12b are arranged continuously in the circumferential motion of the sliding member 12 along the sliding surface 13 .
  • the first member 12a and the second member 12b are arranged so that the second member 12b is sandwiched between at least two first members 12a. By doing so, even if the second base material resin 31 (FIG. 3) in the second member 12b thermally expands, the second member 12b is sandwiched between the first members 12a. Overall deformation of member 12 can be kept within design tolerances. Along with this, the transfer film 14 (FIG. 4) can be formed on the sliding surface 13, and the abrasion resistance of the sliding member 12 can be improved. In the illustrated example, two first members 12a are provided, and when three or more first members 12a are provided, the second member 12b is arranged between any two first members 12a. Just do it.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the transfer film 14 formed during sliding. As the sliding member 12 slides on the sliding surface 13 , the transfer film 14 made of fluororesin is formed on the sliding surface 13 .
  • the coefficient of thermal expansion of the fluororesin forming the fluororesin particles 22 (FIG. 2) and the second base material resin 31 (FIG. 3) is relatively large. For this reason, if the sliding member 12 is composed of only the first member 12a or only the second member 12b, there is a possibility that deformation, uneven wear, and the like will occur especially in a high-temperature friction environment.
  • a specific example of the high-temperature friction environment is the vicinity of the compression/expansion chamber 44 (FIG. 5) in the fluid machine 100 (FIG. 5) such as an oscillating piston reciprocating gas compressor.
  • a member 12 is constructed.
  • the first base material resin 21 made of a resin other than fluororesin has a high coefficient of friction depending on the constituent material. obtain. Therefore, by dispersing the fluororesin particles 22 in the first base material resin 21, the friction coefficient of the first member 12a on the sliding surface 13 can be reduced, the peeling of the transfer film 14 is suppressed, and the wear resistance is improved. can improve.
  • the fluororesin capable of forming the transfer film 14 is derived only from the fluororesin particles 22, so there is still room for improvement in the degree of formation of the transfer film 14. Therefore, in addition to the first member 12a, by using the second member 12b including the second base material resin 31 made of fluororesin, the formation of the transfer film 14 can be promoted, the coefficient of friction can be reduced, and the wear resistance can be reduced. It is possible to improve the quality.
  • the first member 12a and the second member 12b mutually assist the formation of the transfer film 14 (FIG. 4) on the metal member 11, thereby suppressing wear.
  • materials other than the fluororesin contained in the first base material resin 21 and the second base material resin 31 (rod-shaped particles 23 (FIG. 2), reinforcing agent 32 (FIG. 3), and solid lubricant 33 (FIG. 3)) improves toughness or slipperiness. Thereby, the wear resistance of the first member 12a and the second member 12b can be improved.
  • the presence of the first material, the second material, the fluororesin particles 22 (FIG. 2), the rod-shaped particles 23, the reinforcing agent 32, and the solid lubricant 33 can be confirmed, for example, as follows. can run. That is, for example, surface observation and chemical analysis such as optical microscope, energy dispersive X-ray analysis (EDX), X-ray photoelectron spectroscopy, and infrared spectroscopy are performed on the surface or crushed material of the first member 12a or the second member 12b. It can be easily identified by doing.
  • EDX energy dispersive X-ray analysis
  • X-ray photoelectron spectroscopy X-ray photoelectron spectroscopy
  • infrared spectroscopy infrared spectroscopy
  • the metal member 11 can include, for example, transition metals such as iron, nickel, molybdenum, chromium, titanium, and copper, and light metals such as aluminum, silicon, and magnesium.
  • the metal member 11 includes, for example, aluminum-based materials such as aluminum and aluminum alloys, copper-based materials such as copper and copper alloys, titanium-based materials such as titanium and titanium alloys, and iron-based materials such as iron and iron-nickel alloys. It can be composed of materials.
  • the metal member 11 is, for example, a metal material with an untreated surface, but the surface of the metal material may be surface-treated. In that case, the sliding member 12 contacts and slides on the treated surface. That is, the surface of the metal member 11 may be formed of a metal element that constitutes the metal member 11 or may be formed by surface treatment on the metal member 11 .
  • the surface treatment formed on the surface of the metal member 11 is, for example, a surface coating artificially applied to the metal material, a natural oxide film, or the like.
  • the natural oxide film is, for example, aluminum oxide when the metal member 11 is aluminum, and iron oxide when it is iron.
  • the surface coating is formed by, for example, a chemical vapor deposition (CVD) method, a physical vapor deposition (PVD) method, a plating process, a carburizing process, or the like, and is made of a material containing at least one of aluminum, chromium, iron, phosphorus, nickel, and zinc. Configured. Specific examples include alumite treatment, aluminum plating, chrome plating, iron plating, nickel plating, zinc plating, and the like.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a fluid machine 100 including the sliding member 12 of the first embodiment.
  • the fluid machine 100 is an oscillating piston type reciprocating gas compressor in the illustrated example.
  • the fluid machine 100 does not have enough lubricating oil or the like on the inner wall surface 411 (an example of the sliding surface 13 (FIG. 1)) and is used without oil, or does not have any lubricating oil and is oil-free. It is particularly effective when used in However, lubricating oil, grease, or the like may exist on the inner wall surface 411 .
  • the fluid machine 100 includes a cylinder 41 (an example of the metal member 11 (FIG. 1)) and a piston 40 that reciprocates (vertically moves in the illustrated example) inside the cylinder 41 .
  • the piston 40 includes a sliding member 12 that slides on an inner wall surface 411 of the cylinder 41.
  • the sliding member 12 includes a piston body 42 (an example of a first member 12a (FIG. 1)) and a piston ring 43 (second member). 12b (FIG. 1)).
  • the piston ring 43 has, for example, an annular shape, and is fitted into an annular groove (not shown) formed in the outer peripheral side surface of the disk-shaped piston body 42 .
  • a compression/expansion chamber 44 which is a working space for compressing or expanding gas, is provided in the space above the piston 40 in the cylinder 41.
  • the upper end of the cylinder 41 is closed by a partition plate 45, and the partition plate 45 is provided with a suction port 45a and a discharge port 45b.
  • the suction port 45a and the discharge port 45b are provided with a suction valve 45c and a discharge valve 45d, which are connected to pipes (not shown), respectively.
  • the piston 40 is constructed integrally with a connecting rod 46 .
  • gas is sucked into the compression/expansion chamber 44 through the suction port 45 a and compressed in the compression/expansion chamber 44 .
  • the compressed gas is discharged to the outside through the discharge port 45b and recovered by a pipe (not shown).
  • the piston 40 is a separate part from the connecting rod 46 that supports the piston 40 . As the piston 40 moves up and down, the piston 40 configured by the sliding member 12 in the illustrated example slides on the inner wall surface 411 of the cylinder 41 through point contact.
  • the connecting rod 46 may be made of metal or resin.
  • a film may be formed on the inner wall surface 411 of the cylinder 41 by surface treatment of the metal member 11 .
  • the inner peripheral surface of the cylinder 41 may be left with a natural oxide film, or may be subjected to alumite treatment or the like. Also, the inner peripheral surface of the cylinder 41 does not have to be coated.
  • the sliding member 12 may also be used in mechanical devices that require good slidability, such as analytical devices, vacuum devices, and space-related equipment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the sliding member 121 of the second embodiment.
  • the sliding member 121 is the same as the sliding member 12 (FIG. 1) except that the arrangement order of the first member 12a and the second member 12b is different.
  • the first member 12a and the second member 12b are arranged so that the first member 12a is sandwiched between at least two second members 12b.
  • the transfer film 14 (FIG. 4) can be formed starting from the plurality of second members 12b whose base material is fluororesin, and the formation of the transfer film 14 (FIG. 4) can be promoted.
  • the first member 12a (FIG. 2) is made of a first material containing PPS as the first base material resin 21 (FIG. 2), PTFE as the fluororesin particles 22 (FIG. 2), and carbon fiber as the rod-shaped particles 23 (FIG. 2). made.
  • the fluororesin particles 22 and rod-shaped particles 23 were dispersed throughout the first base material resin 21 .
  • the content of the fluororesin particles 22 was set to 15% by mass with respect to the first material.
  • the content of the rod-shaped particles 23 was set to 10% by mass with respect to the first material.
  • the length and diameter of the rod-shaped particles 23 were 100 ⁇ m in length and 8 ⁇ m in diameter as the average length and diameter measured by the above method.
  • the second member 12b (Fig. 3) is made of a second material including PTFE as the second base material resin 31 (Fig. 3), bronze as the reinforcing agent 32 (Fig. 3), molybdenum disulfide and spherical carbon as the solid lubricant 33 (Fig. 3). 3) was produced.
  • the reinforcing agent 32 and the solid lubricant 33 are dispersed throughout the second base material resin 31 .
  • the content of the reinforcing agent 32 was 10% by mass with respect to the second material.
  • the content of molybdenum disulfide was set to 5% by mass with respect to the second material.
  • the content of spherical carbon was set to 10% by mass with respect to the second material. Therefore, in Example 1, the total amount of the solid lubricant 33 composed of molybdenum disulfide and spherical carbon used was set to 15% by mass with respect to the second material.
  • FIG. 7 is a diagram explaining the test method of the friction test.
  • the sliding member 12 of Example 1 was produced such that the produced first member 12 a and second member 12 b were arranged on the sliding surface 13 .
  • the sliding member 12 was produced by surrounding the second member 12b with the first member 12a.
  • the first member 12a had a height H1 of 10 mm in the vertical direction of the paper surface, and a width W1 of 10 mm in the horizontal direction of the paper surface.
  • the height H2 of the second member 12b in the up-down direction of the paper surface was set to 5 mm, and the width W2 in the horizontal direction of the paper surface was set to 4 mm.
  • the lengths (not shown) of the first member 12a and the second member 12b in the front depth direction of the paper surface were both shorter than the vertical length of the test piece 15 described later.
  • the area ratio of the sliding surface 13 between the first member 12a and the second member 12b was set to 6:4.
  • the sliding member 12 was made of an aluminum alloy plate with an alumite-treated surface as the sliding surface 13 (vertical (front depth direction of the paper surface; not shown) 20 mm, horizontal W3 43 mm, thickness H3 3 mm). It was brought into contact with the piece 15 and reciprocated in the horizontal direction of the paper.
  • the contact surface pressure between the sliding member 12 and the test piece 15 is 3 MPa
  • the friction speed is 0.4 m/s
  • the distance of one reciprocation is 20 mm
  • the surface temperature of the test piece 15 temperature of the sliding surface 13
  • the temperature was set at 110°C.
  • the total amount of wear after sliding for a predetermined period of time and the coefficient of friction during sliding for a predetermined period of time were measured. The results of the friction tests are described below with reference to Figures 8-10.
  • Comparative Example 1 A sliding member of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the fluororesin particles 22 (FIG. 2) and the rod-shaped particles 23 (FIG. 2) were not included, and a friction test was conducted. The results of the friction tests are described below with reference to Figures 8-10.
  • Comparative Example 2 A sliding member of Comparative Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the second member 12b was not provided, and a friction test was conducted. The results of the friction tests are described below with reference to Figures 8-10.
  • the sliding member of Comparative Example 2 corresponds to the technique described in Patent Document 1 above.
  • Fig. 8 is an energy dispersive X-ray analysis image (EDX) of the test piece surface after the friction test.
  • the EDX-Al image shows the presence of aluminum on the specimen surface and the EDF-F image shows the presence of fluorine on the specimen surface.
  • the EDX-Al image of Example 1 has almost no white portions, indicating that aluminum is not present on the surface.
  • the EDX-F image of Example 1 has white portions, indicating the presence of fluorine on the surface. Therefore, it is considered that the transfer film 14 (FIG. 4) containing fluorine was formed on the surface of the test piece, and for this reason, almost no aluminum, which is the constituent material of the test piece, was detected.
  • FIG. 9 is a diagram showing the test results of the wear amount (bar graph) and friction coefficient (plot) obtained in the friction test.
  • FIG. 9 shows the total amount of wear when sliding for a predetermined time in the friction test shown in FIG. 7 and the average value of the coefficient of friction during sliding for the predetermined time.
  • the amount of wear was expressed as a relative value when the value of Comparative Example 2 was set to 100.
  • Example 1 Compared to Comparative Examples 1 and 2, Example 1 had a lower coefficient of friction. This can be attributed to the formation of the transfer film 14 (FIG. 4) as described with reference to FIG. Then, it is considered that the sliding member 12 becomes easier to slide due to the decrease in the coefficient of friction, and the amount of wear is reduced. Therefore, the sliding member 12 of the present disclosure exhibits excellent wear resistance.
  • Example 1 when comparing Example 1 with Comparative Examples 1 and 2, the wear amount and friction coefficient of Comparative Examples 1 and 2 were both higher than the wear amount and friction coefficient of Example 1. This is because In Comparative Example 1, which does not contain the fluororesin particles 22, even if the transfer film 14 was formed, it was peeled off by the first member 12a, and this is thought to be because the amount of wear and the coefficient of friction increased. Moreover, in Comparative Example 2, which does not include the second member 12b, it is considered that the transfer film 14 is difficult to form in the first place, and thus the amount of wear and the coefficient of friction are increased.
  • Comparative Examples 1 and 2 if the coefficient of friction is reduced, the slipperiness is improved. However, if, for example, a decrease in strength against shear stress of the material and excessive thermal expansion occur at the same time, the amount of wear increases as a result. Therefore, the wear coefficient is one factor for reducing the amount of wear, and simply reducing the coefficient of friction does not necessarily reduce the amount of wear. Therefore, although the coefficient of friction was smaller in Comparative Example 2, the amount of wear was greater in Comparative Example 2. Therefore, in Example 1, the coefficient of friction was reduced to make it easier to slide, and further, for example, the reduction in strength and excessive thermal expansion of the first member 12a and the second member 12b (both shown in FIG. 7) could be suppressed. , it is thought that the amount of wear could be reduced.
  • FIG. 10 is a diagram showing the correlation between the wear amount (circle plot) and the friction coefficient (rhombus plot) obtained in the friction test and the content of the fluororesin particles 22 (FIG. 2).
  • the results shown in FIG. 10 were obtained by simulating the friction test in FIG. 7 under the conditions of Example 1 except that the content of the fluororesin particles 22 (PTFE) in the first material was changed. It is a thing.
  • the amount of wear was expressed as a relative value when the value when the blending amount of the fluororesin particles 22 was 70% by mass was taken as 100.
  • the amount of wear showed a particularly low value when the content was in the range of 15% by mass to 30% by mass. Therefore, when the content is within this range, particularly high wear resistance is exhibited. On the other hand, when the content was less than 15% by mass and more than 30% by mass, the amount of wear tended to increase.
  • the coefficient of friction showed an almost constant value when the content was 15% by mass or more. Accordingly, it can be said that the transfer film 14 (FIG. 4) having good slipperiness is formed on the test piece when the content is 15% by mass or more. Therefore, it was found from the results of FIG. 10 that the content of the fluororesin particles 22 is preferably 15% by mass or more and 30% by mass or less with respect to the first material.
  • the wear resistance of the piston 40 can be improved by applying the sliding member 12 according to the present disclosure to the piston 40, which is an oscillating piston type sliding portion in, for example, a reciprocating gas compressor. .
  • the life of the piston 40 can be extended, and for example, the maintenance cycle of a reciprocating gas compressor can be extended.

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Abstract

優れた耐摩耗性を有する摺動部材を提供する。この課題の解決のため、摺動面１３に接触する摺動部材１２であって、摺動部材１２は、フッ素樹脂以外の樹脂で構成された第１母材樹脂と、前記第１母材樹脂中に分散したフッ素樹脂粒子及び棒状粒子とを含む第１材料により構成された第１部材１２ａと、摺動面１３に沿って第１部材１２ａと隣り合うように配置され、フッ素樹脂により構成された第２母材樹脂と、前記第２母材樹脂中に分散した強化剤とを含む第２材料により構成された第２部材１２ｂと、を含む。

Description

摺動材及び流体機械
　本開示は、摺動材及び流体機械に関する。
　気体を圧縮又は膨張可能な流体機械として、例えばレシプロ式の流体機械（気体圧縮機等）が知られている。レシプロ式の流体機械は、通常ピストン方式の流体機械と、揺動ピストン方式の流体機械とを含む。前者の流体機械は、コンロッドの圧縮膨張室側端部に軸受を備え、その軸受により首振り可能に支持されたピストンを備える。後者の流体機械は、コンロッドの圧縮膨張室側に軸受を備えず、コンロッドと一体になったピストンを有する。これらのうち、揺動ピストン方式の流体機械では、金属製のシリンダ内をピストンが揺動しながら往復動することで気体が圧縮される。ピストンは、シリンダの内周面を摺動する摺動部材を備え、摺動部材としては、例えばリップリング、ピストンリング等が挙げられる。
　摺動部材に関する技術として、特許文献１には「シリンダーと、該シリンダーの内周面とピストンリングを介して係合するピストンよりなるシリンダー装置において、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂６０～８０重量％、フッ素樹脂１０～３０重量％、球状充填材２～１０重量％、繊維状充填材２～１０重量％を必須成分とする樹脂組成物を用いて、インサート成形により前記ピストンリングを前記ピストン外周部に形成させたことを特徴とするシリンダー用ピストン。」が記載されている。
特開平３－７４６８１号公報
　詳細は実施例を参照しながら後記するが、特許文献１に記載の技術には、摺動部材の耐摩耗性に向上の余地がある。
　本開示が解決しようとする課題は、優れた耐摩耗性を有する摺動部材及び流体機械の提供である。
　本開示の摺動部材は、摺動面に接触する摺動部材であって、前記摺動部材は、フッ素樹脂以外の樹脂で構成された第１母材樹脂と、前記第１母材樹脂中に分散したフッ素樹脂粒子及び棒状粒子とを含む第１材料により構成された第１部材と、前記第１部材と隣り合うように配置され、フッ素樹脂により構成された第２母材樹脂と、前記第２母材樹脂中に分散した強化剤とを含む第２材料により構成された第２部材と、を含むことを特徴とする。その他の解決手段は発明を実施するための形態において後記する。
　本開示によれば、優れた耐摩耗性を有する摺動部材及び流体機械を提供できる。
第１実施形態の摺動部材を示す断面図である。 第１部材の断面図である。 第２部材の断面図である。 摺動時に形成される移着膜を説明する図である。 第１実施形態の摺動部材を備える流体機械の模式図である。 第２実施形態の摺動部材を示す断面図である。 摩擦試験の試験方法を説明する図である。 摩擦試験後の試験片表面についてのエネルギ分散型Ｘ線分析像である。 摩擦試験で得た摩耗量及び摩擦係数の試験結果を示す図である。 摩擦試験で得た摩耗量及び摩擦係数と、フッ素樹脂粒子の含有量との相関を示す図である。
　以下、図面を参照しながら本開示を実施するための形態（実施形態と称する）を説明する。以下の一の実施形態の説明の中で、適宜、一の実施形態に適用可能な別の実施形態の説明も行う。本開示は以下の一の実施形態に限られず、異なる実施形態同士を組み合わせたり、本開示の効果を著しく損なわない範囲で任意に変形したりできる。また、同じ部材については同じ符号を付すものとし、重複する説明は省略する。更に、同じ機能を有するものは同じ名称を付すものとする。図示の内容は、あくまで模式的なものであり、図示の都合上、本開示の効果を著しく損なわない範囲で実際の構成から変更したり、図面間で一部の部材の図示を省略したり変形したりすることがある。
　図１は、第１実施形態の摺動部材１２を示す断面図である。摺動部材１２は、例えば金属部材１１の内壁面である摺動面１３に接触するものである。摺動部材１２は、図示の例では、摺動面１３を摺動しながら、実線矢印で示すように往復動（上下動）上下動する。摺動部材１２は、例えばピストン４０（図５）として構成される。摺動部材１２は、第１部材１２ａ及び第２部材１２ｂを含む。
　図２は、第１部材１２ａの断面図である。第１部材１２ａは第１材料により構成され、第１材料は、フッ素樹脂以外の樹脂で構成された第１母材樹脂２１と、第１母材樹脂２１中に分散したフッ素樹脂粒子２２及び棒状粒子２３とを含む。分散は、第１母材樹脂２１の全体に万遍無く分散していることが好ましいが、一部に偏在していてもよい。
　第１母材樹脂２１は、第１部材１２ａの外郭を形成するものである。第１母材樹脂２１は、フッ素樹脂以外の樹脂で構成され、摺動部材１２としての機能を果たすことができる樹脂であれば特に制限されないが、中でも、耐熱性に優れ、熱膨張率が低い樹脂が好ましい。具体的には例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、フェノール樹脂（ＰＦ）、ポリイミド（ＰＩ）等の他、これらの変性体が挙げられる。第１母材樹脂２１は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を任意の比率及び組み合わせで用いてもよい。
　第１母材樹脂２１は、ポリフェニレンサルファイド、又は、ポリエーテルエーテルケトンの少なくとも一方を含むことが好ましい。これらのポリマーを含むことで、第１部材１２ａの耐熱性を向上できる。
　フッ素樹脂粒子２２は、摺動面１３（図１）での摺動時、摺動面１３へのフッ素樹脂の移着により、摺動面１３に移着膜１４（図４）を形成するものである。フッ素樹脂粒子２２の構成材料は、フッ素樹脂であれば特に制限されず、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、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共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン－エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等が挙げられる。フッ素樹脂粒子２２の構成材料は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を任意の比率及び組み合わせで用いてもよい。
　フッ素樹脂粒子２２は、ポリテトラフルオロエチレン、又は、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共重合体の少なくとも一方を含むことが好ましい。これらのポリマーを使用することで、フッ素樹脂粒子２２に起因する摺動面１３（図１）への移着膜１４の形成を促進できる。
　フッ素樹脂粒子２２の含有形態としては、本開示の効果を著しく損なわない範囲で特に制限されないが、例えば、粒子状（粒状）にできる。これらの粒径は、例えば５μｍ以上２００μｍ以下にすることができる。粒径は、例えば、レーザー回折式粒度分布測定装置により測定可能な平均粒径として測定できる。
　フッ素樹脂粒子２２の含有量は、本開示の効果を著しく損なわない限り特に制限されないが、第１材料に対して、１５質量％以上３０質量％以下であることが好ましい。この範囲にすることで、フッ素樹脂粒子２２に起因する第１部材１２ａの過度の熱膨張を抑制でき、摺動面１３（図１）に対する第１部材１２ａの摩擦係数を低減できる。更には、フッ素樹脂粒子２２に起因する移着膜１４（図４）の剥離を抑制できる。これらにより、摺動部材１２の耐摩耗性を特に向上できる。
　棒状粒子２３は、棒状という形態により、例えば引っ張り応力等の応力に対する第１部材１２ａの強度を向上させるものである。棒状粒子２３は、本開示の効果を著しく損なわない限り任意の材料により構成できるが、炭素繊維、又は、ガラス繊維の少なくとも一方を含むことが好ましい。これらの繊維を使用することで、容易に入手可能な繊維を使用して棒状粒子２３を構成できる。
　棒状粒子２３の長さ及び径は、本開示の効果を著しく損なわない限り特に制限されないが、例えば、長さは例えば１０μｍ以上３００μｍ以下、径は例えば１μｍ以上３０μｍ以下にすることができる。長さ及び径は、第１部材１２ａの断面顕微鏡写真における実測値を採用できる。
　棒状粒子２３の含有量は、本開示の効果を著しく損なわない限り特に制限されないが、第１材料に対して、例えば５質量％以上２０質量％以下にすることができる。
　ただし、棒状粒子２３が炭素繊維を含む場合、炭素繊維の含有量は、第１材料に対して、５質量％以上１５質量％以下であることが好ましい。このようにすることで、例えばせん断応力等の応力に対する第１部材１２ａの強度を向上できる。
　図３は、第２部材１２ｂの断面図である。第２部材１２ｂは第２材料により構成され、第２材料は、フッ素樹脂により構成された第２母材樹脂３１と、第２母材樹脂３１中に分散した強化剤３２とを含む。強化剤３２の分散は、第２母材樹脂３１の全体に万遍無く分散していることが好ましいが、一部に偏在していてもよい。
　第２母材樹脂３１は、第２部材１２ｂの外郭を形成するものである。第２母材樹脂３１は、フッ素樹脂であれば、本開示の効果を著しく損なわない範囲で特に制限されず、例えば、フッ素樹脂粒子２２（図２）の構成材料の上記例示物を採用できる。第２母材樹脂３１は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を任意の比率及び組み合わせで用いてもよい。
　第２母材樹脂３１は、ポリテトラフルオロエチレンを含むことが好ましい。ポリテトラフルオロエチレンを含むことで、第１部材１２ａ（図２）中のフッ素樹脂粒子２２（図２）とともに、摺動面１３（図１）への移着膜１４（図４）の形成を促進できる。
　上記のフッ素樹脂粒子２２（図１）と、第２母材樹脂３１とは、同種のフッ素樹脂により構成されることが好ましい。このようにすることで、フッ素樹脂粒子２２及び第２母材樹脂３１により、同じ構成材料の移着膜１４を摺動面１３に形成でき、移着を促進できる。
　強化剤３２は、例えばせん断応力などの応力に対する第２部材１２ｂ（特に第２母材樹脂３１）の強度を向上させるものである。強化剤３２の具体的な材料は、本開示の効果を著しく損なわない限り特に制限されない。強化剤３２は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を任意の比率及び組み合わせで使用してもよい。
　強化剤３２は、銅、銅合金（銅を主成分とする合金。例えば青銅等）、又は炭素繊維の少なくとも１つを含むことが好ましい。これらの材料を使用することで、第２部材１２ｂから仮に脱落して摺動面１３に入り込んでも、柔らかい材料であるため摺動面１３での傷の発生を抑制できる。
　強化剤３２の含有形態としては、本開示の効果を著しく損なわない範囲で特に制限されないが、例えば、粒子状にできる。また、強化剤３２の粒径も、本開示の効果を著しく損なわない範囲で特に制限されず、任意である。
　強化剤３２の含有量は、本開示の効果を著しく損なわない限り特に制限されないが、第２材料に対して、例えば５質量％以上３０質量％以下にすることができる。
　第２材料は、更に、固体潤滑剤３３を含むことが好ましい。固体潤滑剤を含むことで、摺動面１３（図１）に潤滑膜（不図示）を形成することで第２部材１２ｂと摺動面１３との摩擦を低減でき、摺動部材１２の耐摩耗性を更に向上できる。固体潤滑剤３３は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を任意の比率及び組み合わせで使用してもよい。
　固体潤滑剤３３は、二硫化モリブデン、又は、球状炭素の少なくとも一方を含むことが好ましい。これらの少なくとも一方を含むことで、第２部材１２ｂと摺動面１３との摩擦を低減でき耐摩耗性を向上できるとともに、例えばせん断応力等の応力に対する第２部材１２ｂの強度を向上できる。例えば二硫化モリブデンであれば、Ｓ－Ｓ結合が弱いため、層間剥離を生じ、これにより、固体潤滑性を示す。
　固体潤滑剤３３の含有量は、本開示の効果を著しく損なわない限り特に制限されないが、第２材料に対して、例えば１質量％以上１５質量％以下にすることができる。
　図１に戻って、第２部材１２ｂは、摺動面１３に沿って第１部材１２ａと隣り合うように配置される。ここでいう「隣り合う」は、摺動面１３の方向（摺動方向）において、第１部材１２ａと第２部材１２ｂとが接触している必要は無く、第１部材１２ａと第２部材１２ｂとの間に、本開示の効果を著しく損なわない範囲で任意の部材が配置されることを許容する意味である。図示の例では、第１部材１２ａと第２部材１２ｂとが摺動面１３の方向において接触している。第１部材１２ａと第２部材１２ｂとは、摺動面１３に沿って摺動部材１２の周動向に連続的に配置される。
　第１部材１２ａ及び第２部材１２ｂは、第２部材１２ｂを少なくとも２つの第１部材１２ａで挟むように配置される。このようにすることで、第２部材１２ｂ中の第２母材樹脂３１（図３）が熱膨張しても、第２部材１２ｂを第１部材１２ａで挟んでいるため、熱膨張による摺動部材１２全体の変形を、設計の許容範囲内に留めることができる。これとともに、摺動面１３に移着膜１４（図４）を形成でき、摺動部材１２の耐摩耗性を向上できる。なお、図示の例では、第１部材１２ａは２つ備えられ、第１部材１２ａが３つ以上備えられる場合には、何れか２つの第１部材１２ａの間に第２部材１２ｂが配置されればよい。
　図４は、摺動時に形成される移着膜１４を説明する図である。摺動部材１２が摺動面１３を摺動することで、摺動面１３にはフッ素樹脂により構成される移着膜１４が形成される。
　フッ素樹脂粒子２２（図２）及び第２母材樹脂３１（図３）を構成するフッ素樹脂の熱膨張率は比較的大きい。このため、仮に第１部材１２ａのみ、又は、第２部材１２ｂのみにより摺動部材１２を構成すれば、特に高温の摩擦環境で、変形、偏摩耗等の発生の可能性がある。なお、高温の摩擦環境の具体例としては、例えば揺動ピストン方式のレシプロ式気体圧縮機等の流体機械１００（図５）における圧縮膨張室４４（図５）の付近等が挙げられる。
　そこで、フッ素樹脂粒子２２を分散した第１母材樹脂２１（図２）を備える第１部材１２ａと、フッ素樹脂により構成された第２母材樹脂３１を備える第２部材１２ｂとにより、摺動部材１２が構成される。フッ素樹脂以外の樹脂で構成された第１母材樹脂２１は構成材料によっては摩擦係数が高く、第２母材樹脂３１に起因して摺動面１３に形成された移着膜１４が剥離され得る。そこで、第１母材樹脂２１にフッ素樹脂粒子２２を分散させることで摺動面１３での第１部材１２ａの摩擦係数を低減でき、移着膜１４の剥離を抑制して、耐摩耗性を向上できる。
　一方で、第１部材１２ａのみでは、移着膜１４を形成可能なフッ素樹脂がフッ素樹脂粒子２２のみに由来するため、移着膜１４の形成の程度に依然向上の余地がある。そこで、第１部材１２ａに加え、フッ素樹脂により構成された第２母材樹脂３１を備える第２部材１２ｂを併用することで、移着膜１４の形成を促進でき、摩擦係数の低減及び耐摩耗性の向上を図ることができる。
　また、摺動部材１２では、第１部材１２ａ及び第２部材１２ｂにより、金属部材１１への移着膜１４（図４）の形成を相互補助し、摩耗抑制が図られる。また、第１母材樹脂２１及び第２母材樹脂３１にそれぞれ含まれるフッ素樹脂以外の材料（棒状粒子２３（図２）、強化剤３２（図３）及び固体潤滑剤３３（図３））により、靭性又は滑り易さが向上する。これにより、第１部材１２ａ及び第２部材１２ｂの耐摩耗性を向上できる。
　なお、摺動部材１２において、第１材料、第２材料、フッ素樹脂粒子２２（図２）、棒状粒子２３、強化剤３２、及び固体潤滑剤３３の存在の確認は、例えば以下のようにして実行できる。即ち、例えば第１部材１２ａ又は第２部材１２ｂの表面又は破砕物について、光学顕微鏡、エネルギ分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）、Ｘ線光電子分光分析、赤外分光分析等の表面観察及び化学分析を行うことにより、容易に特定できる。
　図１に戻って、金属部材１１は、例えば鉄、ニッケル、モリブデン、クロム、チタン、銅等の遷移金属、アルミニウム、ケイ素、マグネシウム等の軽金属を含んで構成できる。具体的には、金属部材１１は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金等のアルミニウム系材料、銅、銅合金等の銅系材料、チタン、チタン合金等のチタン系材料、鉄、鉄ーニッケル合金等の鉄系材料により構成できる。
　金属部材１１は、例えば表面が未処理の金属材であるが、金属材の表面に、表面処理が形成されていてもよい。その場合、摺動部材１２は、表面処理された表面に接触し、摺動する。即ち、金属部材１１の表面は、金属部材１１を構成する金属元素により形成されていてもよく、金属部材１１の上に形成された、表面処理により形成されていてもよい。
　金属部材１１の表面に形成される表面処理は、例えば、金属材に人工的に施した表面コーティング、自然酸化膜等である。自然酸化膜は、例えば金属部材１１がアルミニウムの場合には酸化アルミニウム、鉄の場合には酸化鉄である。表面コーティングは、例えば、化学蒸着（ＣＶＤ）法、物理蒸着（ＰＶＤ）法、めっき処理、浸炭処理等により形成され、アルミニウム、クロム、鉄、リン、ニッケル、亜鉛のうち少なくとも一つを含む材料により構成される。具体的には、例えば、アルマイト処理、アルミニウムめっき、クロムめっき、鉄めっき、ニッケルめっき、亜鉛めっき等が挙げられる。
　図５は、第１実施形態の摺動部材１２を備える流体機械１００の模式図である。流体機械１００は、図示の例では揺動ピストン方式のレシプロ式気体圧縮機である。流体機械１００は、内壁面４１１（摺動面１３（図１）の一例）に十分な潤滑油等が存在せず、オイルレスで使用したとき、又は、潤滑油が全く存在せず、オイルフリーで使用したときに、特に大きな効果を示す。ただし、内壁面４１１には、潤滑油、グリース等が存在してもよい。
　流体機械１００は、シリンダ４１（金属部材１１（図１）の一例）と、シリンダ４１の内部を往復動（図示の例では上下動）するピストン４０とを備える。ピストン４０は、シリンダ４１の内壁面４１１を摺動する摺動部材１２を備え、摺動部材１２は、ピストン本体４２（第１部材１２ａ（図１）の一例）及びピストンリング４３（第２部材１２ｂ（図１）の一例）により構成される。ピストンリング４３は、例えば円環状であり、円盤状のピストン本体４２の外周側面に形成された円環状の溝（不図示）に嵌められる。
　シリンダ４１内の、ピストン４０の上部の空間には、気体を圧縮又は膨張させる作動空間の圧縮膨張室４４が備えられる。シリンダ４１の上端は、仕切り板４５により閉鎖されており、仕切り板４５には、吸入口４５ａと吐出口４５ｂとが設けられている。吸入口４５ａ及び吐出口４５ｂには、吸入弁４５ｃ及び吐出弁４５ｄが設けられており、それぞれ配管（不図示）に接続されている。
　気体圧縮の作動原理について説明する。ピストン４０はコンロッド４６と一体で構成されている。クランクシャフト４７の回転に伴い、ピストン４０が上下動することで、吸入口４５ａから圧縮膨張室４４内に気体が吸入され、圧縮膨張室４４内で気体が圧縮される。圧縮気体は、吐出口４５ｂを通って外部に排出され、配管（不図示）により回収される。
　ピストン４０は、ピストン４０を支持するコンロッド４６とは別部品である。ピストン４０の上下動に伴い、図示の例では摺動部材１２により構成されるピストン４０がシリンダ４１の内壁面４１１と点接触により摺動する。コンロッド４６は、金属製であってもよいし、樹脂製であってもよい。
　シリンダ４１の内壁面４１１には、金属部材１１に対する表面処理により、被膜が形成されてもよい。例えば、シリンダ４１の内周面は自然酸化膜が生じたままでもよいし、アルマイト処理等を形成してもよい。また、シリンダ４１の内周面には、被膜を形成しなくてもよい。
　なお、摺動部材１２は、図５のような流体機械１００のほか、例えば分析装置、真空装置、宇宙関連機器等の、良好な摺動性が求められる機械装置に使用してもよい。
　図６は、第２実施形態の摺動部材１２１を示す断面図である。摺動部材１２１では、第１部材１２ａと第２部材１２ｂとの配置順が異なること以外は、摺動部材１２（図１）と同様である。
　摺動部材１２１では、第１部材１２ａ及び第２部材１２ｂは、第１部材１２ａを少なくとも２つの第２部材１２ｂで挟むように配置される。このように配置することで、フッ素樹脂を母材とする複数の第２部材１２ｂを起点として移着膜１４（図４）を形成でき、移着膜１４（図４）の形成を促進できる。
＜実施例１＞
　第１母材樹脂２１（図２）としてＰＰＳ、フッ素樹脂粒子２２（図２）としてＰＴＦＥ、及び棒状粒子２３（図２）として炭素繊維を含む第１材料により第１部材１２ａ（図２）を作製した。フッ素樹脂粒子２２及び棒状粒子２３は、第１母材樹脂２１の全体に分散させた。フッ素樹脂粒子２２の含有量は、第１材料に対して１５質量％にした。また、棒状粒子２３の含有量は、第１材料に対して１０質量％にした。棒状粒子２３の長さ及び径は、上記の方法により測定した平均長さ及び径として、長さ１００μｍ、径８μｍとした。
　第２母材樹脂３１（図３）としてＰＴＦＥ、強化剤３２（図３）として青銅、固体潤滑剤３３（図３）として二硫化モリブデン及び球状炭素を含む第２材料により第２部材１２ｂ（図３）を作製した。強化剤３２及び固体潤滑剤３３は、第２母材樹脂３１の全体に分散させた。強化剤３２の含有量は、第２材料に対して１０質量％にした。また、二硫化モリブデンの含有量は、第２材料に対して５質量％にした。球状炭素の含有量は、第２材料に対して１０質量％にした。従って、実施例１では二硫化モリブデン及び球状炭素により構成される固体潤滑剤３３の使用総量は、第２材料に対して１５質量％にした。
　図７は、摩擦試験の試験方法を説明する図である。作製した第１部材１２ａ及び第２部材１２ｂが摺動面１３に配置されるように実施例１の摺動部材１２を作製した。摺動部材１２は、第１部材１２ａによって第２部材１２ｂを囲うようにして作製した。第１部材１２ａの紙面上下方向である高さＨ１は１０ｍｍ、紙面横方向である幅Ｗ１は１０ｍｍとした。第２部材１２ｂの紙面上下方向である高さＨ２は５ｍｍ、紙面横方向である幅Ｗ２は４ｍｍとした。第１部材１２ａ及び第２部材１２ｂの紙面正面奥行方向の長さ（不図示）は、いずれも、後記の試験片１５の縦の長さよりも短くした。第１部材１２ａと第２部材１２ｂとの摺動面１３における面積割合は、６：４とした。
　摺動部材１２を、摺動面１３としての表面をアルマイト処理したアルミニウム合金製プレート（縦（紙面正面奥行方向。不図示）２０ｍｍ、横Ｗ３が４３ｍｍ、厚さＨ３が３ｍｍ）により構成された試験片１５に接触させ、紙面左右方向に往復動させた。摩擦試験の条件として、摺動部材１２と試験片１５との接触面圧３ＭＰａ、摩擦速度０．４ｍ／ｓ、１往復動の距離２０ｍｍ、試験片１５の表面温度（摺動面１３の温度）１１０℃とした。そして、摩擦試験において所定時間摺動させた場合の摩耗量の合計と、所定時間の摺動中の摩擦係数とを測定した。摩擦試験の結果は、図８～図１０を参照しながら後記する。
＜比較例１＞
　フッ素樹脂粒子２２（図２）及び棒状粒子２３（図２）を含まないこと以外は実施例１と同様にして、比較例１の摺動部材を作製し、摩擦試験を行った。摩擦試験の結果は、図８～図１０を参照しながら後記する。
＜比較例２＞
　第２部材１２ｂを備えないこと以外は実施例１と同様にして、比較例２の摺動部材を作製し、摩擦試験を行った。摩擦試験の結果は、図８～図１０を参照しながら後記する。なお、比較例２の摺動部材は、上記の特許文献１に記載の技術に相当する。
　下記表１に、実施例１、比較例１及び比較例２の摺動部材の構成材料を示す。「〇」は使用、「－」は不使用を示す
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
　図８は、摩擦試験後の試験片表面についてのエネルギ分散型Ｘ線分析像（ＥＤＸ）である。ＥＤＸ－Ａｌ像は、試験片表面でのアルミニウムの存在を示し、ＥＤＦ－Ｆ像は、試験片表面でのフッ素の存在を示す。実施例１のＥＤＸ－Ａｌ像には白色部分はほとんど存在せず、表面にアルミニウムが存在しないことがわかる。一方で、実施例１のＥＤＸ－Ｆ像には白色部分が存在し、表面にフッ素が存在することがわかる。従って、試験片の表面には、フッ素を含む移着膜１４（図４）が形成されており、これにより、試験片の構成材料であるアルミニウムが殆ど検出されなかったと考えられる。
　一方で、比較例１及び比較例２のＥＤＸ－Ａｌ像には、白色部分が存在し、試験片の表面にアルミニウムが存在することがわかる、一方で、比較例１及び２のＥＤＸ－Ｆ像には白色部分が存在せず、表面にはフッ素が存在しないことがわかる。従って、試験片の表面には、フッ素を含む移着膜１４（図４）が殆ど形成されず、試験片の構成材料であるアルミニウムの多くがそのまま露出していたと考えられる。
　これらの結果は、第１部材１２ａ及び第２部材１２ｂの双方にフッ素樹脂を含むことで奏された結果と考えられる。即ち、本開示に係る摺動部材１２のように、第１部材１２ａ及び第２部材１２ｂを備えることで、移着膜１４を形成できたと考えられる。しかし、比較例１のように、例えばフッ素樹脂粒子２２を使用しない場合、上記のように、第２部材１２ｂにより形成された移着膜１４が第１部材１２ａによって剥離される結果、移着膜１４が残存し難いと考えられる。また、比較例２のように、フッ素樹脂である第２母材樹脂３１を使用しないため、移着膜１４の形成が行われ難く、移着膜１４の形成の程度に向上の余地があることがわかる。
　図９は、摩擦試験で得た摩耗量（棒グラフ）及び摩擦係数（プロット）の試験結果を示す図である。図９は、図７に示す摩擦試験において所定時間摺動させた場合の摩耗量の合計と、所定時間の摺動中の摩擦係数の平均値とを示している。なお、結果を理解しやすくするため、摩耗量は比較例２を１００とした時の相対値で表した。
　実施例１は、比較例１及び比較例２に比べて、摩擦係数が低下した。これは、図８を参照して説明したように、移着膜１４（図４）が形成されたことに起因すると考えらえる。そして、摩擦係数の低下により摺動部材１２が摺動し易くなり、摩耗量が低減したと考えられる。このため、本開示の摺動部材１２では、優れた耐摩耗性を示す。
　一方で、実施例１と比較例１及び２とを比較すると、比較例１及び２の摩耗量及び摩擦係数は、いずれも実施例１の摩耗量及び摩擦係数よりも高くなった、これは、フッ素樹脂粒子２２を含まない比較例１では、移着膜１４が形成されても第１部材１２ａによって剥離されてしまい、摩耗量及び摩擦係数が大きくなったためと考えられる。また、第２部材１２ｂを備えない比較例２では、そもそも移着膜１４が形成され難いため、摩耗量及び摩擦係数が大きくなったためと考えられる。
　また、比較例１及び２に関して、摩擦係数が小さくなれば、滑り性が向上する。しかし、例えば、材料のせん断応力等に対する強度低下、過剰な熱膨張等が例えば同時に生じてしまうと、結果として摩耗量は増大する。従って、摩耗係数は摩耗量低減のための一要素であり、単に摩擦係数を小さくしても、必ずしも摩耗量は低減しない。このため、摩擦係数は比較例２の方が小さかったものの、摩耗量は比較例２の方が多くなったと考えられる。従って、実施例１では、摩擦係数を小さくして滑り易くできたとともに、更には第１部材１２ａ及び第２部材１２ｂ（いずれも図７）の例えば強度低下及び過剰な熱膨張等を抑制できたため、摩耗量を低減できたと考えられる。
　図１０は、摩擦試験で得た摩耗量（丸プロット）及び摩擦係数（菱形プロット）と、フッ素樹脂粒子２２（図２）の含有量との相関を示す図である。図１０に示す結果は、図７の摩擦試験をシミュレーションにより行って得たものであり、第１材料に対するフッ素樹脂粒子２２（ＰＴＦＥ）の含有量を変えたこと以外は実施例１の条件で行ったものである。なお、摩耗量は、フッ素樹脂粒子２２の配合量が７０質量％の値を１００とした時の相対値で表した。
　摩耗量は、含有量が１５質量％以上３０質量％以下の範囲で、特に低い値を示した。従って、含有量がこの範囲で、特に高い耐摩耗性が示される。一方で、含有量が１５質量％未満及び３０質量％を超えると、摩耗量が増加する傾向であった。
　摩擦係数は、含有量が１５質量％以上では、ほぼ一定値を示した。これにより、含有量が１５質量％以上であれば、試験片に滑り易さが良好な移着膜１４（図４）が形成されるといえる。従って、図１０の結果から、フッ素樹脂粒子２２の含有量は、第１材料に対して、１５質量％以上３０質量％以下であることが好ましいことがわかった。
　以上のように、本開示に係る摺動部材１２を、例えばレシプロ式気体圧縮機における、揺動ピストン方式の摺動部であるピストン４０に適用することで、ピストン４０の耐摩耗性を向上できる。これにより、ピストン４０を長寿命化でき、例えばレシプロ式気体圧縮機のメンテナンスサイクルを延長できる。
１００　流体機械
１１　金属部材
１２　摺動部材
１２ａ　第１部材
１２ｂ　第２部材
１３　摺動面
１４　移着膜
１５　試験片
２１　第１母材樹脂
２２　フッ素樹脂粒子
２３　棒状粒子
３１　第２母材樹脂
３２　強化剤
３３　固体潤滑剤
４０　ピストン
４１　シリンダ
４１１　内壁面
４２　ピストン本体
４３　ピストンリング
４４　圧縮膨張室
４５　仕切り板
４５ａ　吸入口
４５ｂ　吐出口
４５ｃ　吸入弁
４５ｄ　吐出弁
４６　コンロッド
４７　クランクシャフト

Claims (14)

  1. 　摺動面に接触する摺動部材であって、
    　前記摺動部材は、
    　　フッ素樹脂以外の樹脂で構成された第１母材樹脂と、前記第１母材樹脂中に分散したフッ素樹脂粒子及び棒状粒子とを含む第１材料により構成された第１部材と、
    　　前記摺動面に沿って前記第１部材と隣り合うように配置され、フッ素樹脂により構成された第２母材樹脂と、前記第２母材樹脂中に分散した強化剤とを含む第２材料により構成された第２部材と、を含む
    　ことを特徴とする摺動部材。
  2. 　前記第１母材樹脂は、ポリフェニレンサルファイド、又は、ポリエーテルエーテルケトンの少なくとも一方を含む
    　ことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
  3. 　前記フッ素樹脂粒子は、ポリテトラフルオロエチレン、又は、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共重合体の少なくとも一方を含む
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
  4. 　前記棒状粒子は、炭素繊維、又は、ガラス繊維の少なくとも一方を含む
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
  5. 　前記第２母材樹脂は、ポリテトラフルオロエチレンを含む
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
  6. 　前記強化剤は、銅、銅合金、又は炭素繊維の少なくとも１つを含む
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
  7. 　前記第２材料は、更に、固体潤滑剤を含む
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
  8. 　前記固体潤滑剤は、二硫化モリブデン、又は、球状炭素の少なくとも一方を含む
    　ことを特徴とする請求項７に記載の摺動部材。
  9. 　前記第１部材及び前記第２部材は、前記第２部材を少なくとも２つの前記第１部材で挟むように配置される
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
  10. 　前記第１部材及び前記第２部材は、前記第１部材を少なくとも２つの前記第２部材で挟むように配置される
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
  11. 　前記フッ素樹脂粒子と、前記第２母材樹脂とは、同種のフッ素樹脂により構成される
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
  12. 　前記フッ素樹脂粒子の含有量は、前記第１材料に対して、１５質量％以上３０質量％以下である
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
  13. 　前記棒状粒子は炭素繊維を含み、
    　前記炭素繊維の含有量は、前記第１材料に対して、５質量％以上１５質量％以下である
    　ことを特徴とする請求項１２に記載の摺動部材。
  14. 　シリンダと、
    　前記シリンダの内壁面を摺動する摺動部材を備えるピストンと、を備え、
    　前記摺動部材は、
    　　フッ素樹脂以外の樹脂で構成された第１母材樹脂と、前記第１母材樹脂中に分散したフッ素樹脂粒子及び棒状粒子とを含む第１材料により構成された第１部材と、
    　　前記内壁面に沿って前記第１部材と隣り合うように配置され、フッ素樹脂により構成された第２母材樹脂と、前記第２母材樹脂中に分散した強化剤とを含む第２材料により構成された第２部材と、を含む
    　ことを特徴とする流体機械。
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