JP2005036819A

JP2005036819A - 複層摺動部材

Info

Publication number: JP2005036819A
Application number: JP2003196917A
Authority: JP
Inventors: Hideki Iwata; 英樹岩田; Takahiro Niwa; 貴裕丹羽; Takeshi Shindo; 剛新藤; Tsunetaro Kashiyama; 恒太郎樫山
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2003-07-15
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【目的】嵌合力・機械的強度に優れ、厳しい使用条件下での使用が可能な優れた摺動特性を有する複層摺動部材を提供する。
【構成】基材２の表面に金属粉末を焼結させることにより設けられる多孔質金属層３と、該多孔質金属層３にフェノール系樹脂からなる摺動組成物を含浸被覆した後、６００〜９００℃の真空雰囲気下で炭化処理することにより得られたカーボンからなる摺動層４と、から構成される複層摺動部材１において、摺動層４には、高硬度及び非焼付性に優れたカーボン層が形成され、複層摺動部材１を厳しい使用条件下でも安定して使用することができる。また、ハウジングに円筒形の複層摺動部材１を嵌入した場合、基材２のスプリングバックにより複層摺動部材１の嵌合力が向上すると共に、一般的なカーボン軸受と比して肉厚が薄くても複層摺動部材１自体の機械的強度を確保することができる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基材の表面に金属粉末を焼結させることにより設けられる多孔質金属層と、該多孔質金属層にフェノール系樹脂からなる摺動組成物を含浸被覆させた摺動層と、から構成される複層摺動部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に水潤滑あるいは油潤滑において用いられる摺動部材として、すべての構成成分が炭素からなるカーボン軸受が知られている。このカーボン軸受の特徴として、カーボン軸受を構成する炭素の特性により、硬い、高温域での使用が可能、熱伝導率が高いこと等が挙げられる。したがって、粘性が低く、潤滑特性の劣る潤滑剤、例えば、水中ポンプ等の水潤滑あるいはエアコンのコンプレッサーで用いられる冷媒と潤滑油が混合されたもの等といった潤滑油膜が形成されにくい厳しい使用条件下では、高硬度，耐熱性及び熱伝導性に優れたカーボン軸受が適しているといえる。
【０００３】
上記したカーボン軸受は、様々な製造方法により作製されているが、例えば、炭素粉末の圧縮成形体を１０００〜２０００℃で焼成したもの（１０００℃付近では非晶質カーボン、１５００〜２０００℃付近では結晶性カーボンが形成される）、バインダーとして熱硬化性樹脂を用いて炭素粉末を圧縮成形したものがある。しかしながら、このようなカーボン軸受は、弾性体でないため嵌合力がなく、ハウジングから抜け出しやすい、また、カーボン軸受自体がもろく、機械的強度を確保するためにカーボン軸受の肉厚を厚くする必要があると共に、それがコストアップにつながる等の問題点が挙げられる。このため、カーボン軸受は、特殊な分野において適用される場合が多い。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−２２６７５２号公報
【０００５】
また、特開平１０−２２６７５２号に示されるように、前記のカーボン軸受とは構成が異なるが、グラファイト成分と樹脂成分とからなる摺動組成物を裏金の粗面化部に含浸させた摺動部材において、グラファイト成分が３０重量％を超え６０重量％以下であることを特徴としたものがある。このような摺動部材においては、構成成分にバインダーとして用いられた熱硬化性樹脂が含まれるため、上記したカーボン軸受よりも熱伝導性が劣ると共に、高温域での使用が不可能であるといった問題点があった。つまり、前記摺動部材の耐熱温度は、実質的に熱硬化性樹脂の耐熱温度に制限され、せいぜい３００℃であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した事情に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、嵌合力・機械的強度に優れ、厳しい使用条件下での使用が可能な優れた摺動特性を有する複層摺動部材を提供することである。
【０００７】
【課題を解決しようとする手段】
上記した目的を達成するために、請求項１に係る発明においては、基材の表面に金属粉末を焼結させることにより設けられる多孔質金属層と、該多孔質金属層にフェノール系樹脂からなる摺動組成物を含浸被覆した後、６００〜９００℃の真空雰囲気下で炭化処理することにより得られたカーボンからなる摺動層と、から構成される複層摺動部材であることを特徴とする。このように構成することにより、フェノール系樹脂が炭化された摺動層には、高硬度及び非焼付性に優れたカーボン層が形成され、複層摺動部材を厳しい使用条件下でも安定して使用することができる。また、摺動層と基材との間に熱伝導性に優れた多孔質金属層が設けられることで、摺動層部分に熱が蓄積せず、焼付きを防止することができる。更に、ハウジングに円筒形の複層摺動部材を嵌入した場合、基材のスプリングバックにより複層摺動部材の嵌合力が向上すると共に、一般的なカーボン軸受と比して肉厚が薄くても複層摺動部材自体の機械的強度を確保することができる。なお、摺動層は、多孔質金属層に含浸被覆することで設けられているが、基材にカーボン層を直接接合することは難しく、多孔質焼結体である多孔質金属層のアンカー効果により接合を可能とし、接合強度を強くしている。
【０００８】
摺動層のフェノール系樹脂は、真空雰囲気下で炭化処理することによって形成されているが、この炭化処理温度は、６００〜９００℃の範囲であり、好ましくは６５０〜８００℃の範囲である。このように炭化処理温度が６００℃未満では、摺動組成物の炭化が十分に進まず、摺動層は、十分な硬度及び非焼付性を得ることができない。一方、炭化処理温度が９００℃を超えると、多孔質金属層が変形し多孔度が減少する。その結果、摺動層との接合強度が低下する。
【０００９】
また、請求項２に係る発明においては、前記摺動組成物に粒径が１μｍ以下のカーボンブラックを０．１〜５体積％添加したことを特徴とする。このように構成することにより、微細なカーボンブラックが粒径の大きいフェノール系樹脂の粒子間に生じる隙間を埋めることで高密度のカーボン層を形成し、摺動層に発生する摩擦熱を効率よく基材及び多孔質金属層に分散させ、摺動層部分の焼付きを防止することができる。また、添加されるカーボンブラックの粒径として、１μｍ以下が好ましい。これは、カーボンブラックの粒径が小さいほど、隙間を効率よく埋め、熱伝導性が向上されるためである。一方、カーボンブラックの粒径が１μｍよりも大きいと、隙間に入ることができず、良好な熱伝導性が得られない。
【００１０】
また、カーボンブラックの含有量は、摺動組成物１００体積％に対し、０．１〜５体積％である。０．１体積％未満では隙間を埋める効果が少なく、５体積％を超えると、嵩高いために良好なワニス（樹脂を溶媒に溶かしたもの）性状が得られず、多孔質金属層に含浸被覆できない。
【００１１】
また、請求項３に係る発明においては、前記摺動組成物に結晶性カーボンを１〜１０体積％添加したことを特徴とする。このように構成することにより、摺動層に摩擦特性の向上と親油性を付与することができる。ここで、結晶性カーボンとは、グラファイトのことであり、優れた摩擦特性を有すると共に、油等を吸着する作用がある。結晶性カーボンの含有量は、摺動組成物１００体積％に対し、１〜１０体積％である。１体積％未満では油吸着の効果が少なく、１０体積％を超えると、嵩高いために良好なワニス性状が得られず、多孔質金属層に含浸被覆できない。
【００１２】
また、請求項４に係る発明においては、前記摺動層には、前記摺動組成物に多孔質形成助剤を添加することで多孔質の摺動層が形成されたことを特徴とする。このように構成することにより、摺動層に形成された多孔質部が油だまり効果や毛細管現象を示し、摺動層に親油性を付与することができる。
【００１３】
また、請求項５に係る発明においては、前記フェノール系樹脂は、平均分子量が１０，０００以上であることを特徴とする。このように構成することにより、機械的強度の優れたカーボン層が得られる。また、炭化処理において、加熱によるフェノール系樹脂の分解反応を極力防ぎながら炭化を進行させることができる。なお、通常のレゾール型やノボラック型のフェノール系樹脂は、平均分子量１００〜８００であるため、炭化処理において分解してしまうので使用できない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、実施形態に係る炭化処理前及び処理後の複層摺動部材１の全体図であり、図２は、複層摺動部材１の拡大部分断面図である。
【００１５】
図１及び図２において、複層摺動部材１は、表面に銅メッキ層が施された鋼板からなる基材２の表面に銅合金粉末を焼結することにより設けられる多孔質金属層３と、該多孔質金属層３にフェノール系樹脂からなる摺動組成物を含浸被覆した摺動層４と、から構成されている。そして、このように構成される複層摺動部材１は、後述するように曲げ加工されることにより軸受として使用されるようになっている。
【００１６】
摺動層４は、多孔質金属層３に含浸被覆することで設けられているが、多孔質金属層３との接合によりアンカー効果が生じ、このアンカー効果によって基材２から剥離しにくくなるものである。本実施形態では、摺動層４は、多孔質金属層３に含浸被覆することで設けられているが、摺動層４と基材２とが接合されればよく、例えば、摺動組成物が含浸被覆される基材２の表面をサンドブラスト又は機械加工等により粗面化したものであってもよい。
【００１７】
また、本実施形態では、基材２として鋼板が用いられているが、ステンレス鋼、銅系合金、アルミ系合金、チタン系合金のうちいずれかでもよい。ステンレス鋼のような耐食性材料を用いれば、前記複層摺動部材１を水潤滑下においても使用することができる。
【００１８】
また、摺動組成物に粒径が１μｍ以下のカーボンブラック（以下、ＣＢと表示）を添加してもよい。カーボンブラックは、摺動層４の熱伝導性を向上させるために添加されるものであるが、その含有量は、摺動組成物１００体積％に対し、０．１〜５体積％の範囲である。
【００１９】
また、摺動組成物に結晶性カーボン（グラファイト，以下、Ｇｒと表示）を添加してもよい。結晶性カーボンは、摺動層４に親油性を付与させるために添加されるものであるが、その含有量は、摺動組成物１００体積％に対し、１〜１０体積％の範囲である。
【００２０】
次に、上記のように構成される摺動層４を有する複層摺動部材１の製造方法について説明する。まず、１．２ｍｍの厚さ寸法を有し、表面に銅メッキ層が施された鋼板の基材２上に、銅合金粉末を厚さ０．３ｍｍに散布し、次いで、還元雰囲気中で７５０〜９００℃の温度に加熱して銅合金粉末を焼結した。これにて、基材２の表面に銅合金からなる多孔質金属層３が得られた。
【００２１】
一方、摺動層４を構成する材料の混合物（摺動組成物）を得る工程が実行される。ここでは、各々の熱硬化性樹脂に所定量の充填材（ＣＢ，Ｇｒ等）を均一に混合させたワニスを得た。そして、ワニスを上記基材２の表面に設けられた多孔質金属層３に含浸被覆した後、溶媒を蒸発させ、更に、１５０〜２５０℃の温度で摺動組成物のキュアリングを行うことで摺動層４が含浸被覆された平板材料を得た。なお、摺動層４の成形は、ワニスによる多孔質金属層３に含浸被覆することに限らず、射出成形、圧縮成形、トランスファー成形によって摺動層を設けてもよい。
【００２２】
基材２上の多孔質金属層３に含浸被覆した平板材料を所要寸法に切断し、曲げ加工（巻き加工）を行うことにより、内径４０ｍｍ，幅１０ｍｍの円筒状の複層摺動部材１（図１）を作製した。そして、表１に示す炭化条件の処理ステップによって、複層摺動部材１を真空雰囲気中で加熱し、各任意の炭化処理温度まで昇温した後に、室温まで冷却して焼成炭化物を得た。なお、摺動層４の割れを防止するため、キュアリングと曲げ加工の順番を入れ替えて、溶媒蒸発後の柔軟な状態で複層摺動部材１を曲げ加工した後、キュアリング及び炭化処理を行ってもよい。
【００２３】
【表１】

【００２４】
試験を行うための試験試料として、表２の実施例１〜４に示す摺動組成物及び炭化焼成温度の異なる試験試料を用い、比較する試験試料として、表２の比較例１〜４に示す摺動組成物及び炭化焼成温度の異なる試験試料をそれぞれ用いた。
【００２５】
【表２】

【００２６】
表２に示す試験試料のうち、摺動組成物のベースとなる熱硬化性樹脂として、比較例１についてポリアミドイミド（以下、「ＰＡＩ樹脂」と表示）を用い、比較例２について一般的なノボラック型のフェノール（以下、「ＰＦ樹脂」と表示）を用い、比較例３，４及び実施例１〜４について特殊な製造過程を経て作製されたＰＦ樹脂である鐘紡製「ベルパールＳ８９０（商品名、以下、「特殊ＰＦ樹脂」と表示）」を用いた。なお、この特殊ＰＦ樹脂は、平均分子量が１０，０００以上のＰＦ樹脂であり、一般的なレゾール型やノボラック型のＰＦ樹脂よりも熱安定性が高い。
【００２７】
また、比較例１，２では摺動層４に５０体積％のＧｒが添加され、実施例３では３体積％のＣＢが添加され、実施例４では５体積％のＧｒが添加されている。
【００２８】
また、摺動層４の炭化処理温度は、比較例１〜３が未処理、比較例４が５００℃、実施例１が６００℃、実施例２が８００℃、実施例３，４が７００℃となっている。
【００２９】
次に、本発明の実施例及び比較例に係る複層摺動部材１の試験片を用い、測定荷重１０ｇｆでマイクロビッカースにより摺動層４の硬度を測定した結果について表３を参照して説明する。
【００３０】
【表３】

【００３１】
表３に示す硬度測定結果から次のことが判明した。まず、ＰＡＩ樹脂にＧｒが５０体積％添加された摺動組成物を炭化処理しない比較例１では、試験片が弾性体のため圧痕が残らず、マイクロビッカース硬度が測定できなかった。また、ノボラック型ＰＦ樹脂にＧｒが５０体積％添加された摺動組成物を炭化処理しない比較例２及び特殊ＰＦ樹脂を炭化処理しない比較例３では、マイクロビッカース硬度がそれぞれ４２，３５と低い値を示している。これは、比較例２，３ともに炭化処理が全く施されていないためである。また、特殊ＰＦ樹脂を５００℃で炭化処理した比較例４では、マイクロビッカース硬度が６９を示し、比較例３と比して若干硬くなっているものの、摺動組成物である特殊ＰＦ樹脂が十分に炭化されていないために低い値を示している。
【００３２】
また、特殊ＰＦ樹脂を６００，８００℃で炭化処理した実施例１，２では、マイクロビッカース硬度がそれぞれ１４４，２２６となり、炭化処理していない比較例１〜３及び５００℃で炭化処理した比較例４と比して高い値を示している。これは、６００℃以上の炭化処理により特殊ＰＦ樹脂が十分に炭化されたためである。なお、本実施例中では、８００℃で炭化処理された実施例２においてマイクロビッカース硬度が２２６と最高の値を示した。また、７００℃で炭化処理された実施例３，４については、摺動組成物に３体積％のＣＢ、５体積％のＧｒが添加されているが、マイクロビッカース硬度は、２０３，２０５と高い値を示している。
【００３３】
次に、本発明の実施例及び比較例に係る複層摺動部材１の試験片を用い、スラスト型試験機により行った複層摺動部材１の焼付面圧を評価するための試験について表４及び表５を参照して説明する。
【００３４】
表４は、焼付試験条件を示す表であり、表５は、摺動層４の組成成分が異なる実施例及び比較例に係る複層摺動部材について粘性が低く、潤滑特性の劣る潤滑油中で試験を行った場合の試験結果を示す表である。図３は、その試験パターンを示す図である。
【００３５】
【表４】

【００３６】
【表５】

【００３７】
表５においては、試験を行うための複層摺動部材１として、本発明品に係る実施例１〜４の複層摺動部材１を用い、比較する複層摺動部材１として、比較例１〜４を用いた。そして、この実施例１〜４及び比較例１〜４の複層摺動部材１について、表４に示す焼付試験条件において試験を行った。試験条件は、潤滑油としての灯油中で面圧を５〜１０ＭＰａで一定としたときの焼付面圧を測定するものである。なお、この焼付きの判断は、試験片の背面温度２００℃又は摩擦力が５００Ｎに達したとき焼付きが発生したと判断した。
【００３８】
なお、図３に示すように、試験パターンは、５〜１０ＭＰａの一定面圧で起動５秒、停止５秒の計１０秒を１サイクルとし、３６０サイクルを繰り返したときの焼付面圧を測定するものである。
【００３９】
表５に示す焼付試験の結果において、キュアリングのみで炭化処理を行わない比較例１〜３では、焼付面圧が５〜７ＭＰａの低い値を示している。これは、摺動層４を構成している熱硬化性樹脂の熱伝導性及び耐熱性が劣っているため、摺動面に熱がこもり易くなり、低い焼付面圧で焼付きに至ったと考えられる。また、炭化処理温度が５００℃である比較例４では、炭化処理により特殊ＰＦ樹脂が十分に炭化されていないため、耐熱性及び熱伝導性がほとんど改善されておらず、比較例１〜３と同様に５ＭＰａという低い焼付面圧を示したと考えられる。
【００４０】
また、炭化処理温度が６００，８００℃である実施例１，２では、比較例１〜４と比較して高い焼付面圧を示した。これは、炭化処理温度を６００℃以上とすることで、特殊ＰＦ樹脂が炭化された摺動層４には、耐熱性及び熱伝導性が改善されたカーボン層が形成され、優れた非焼付性が得られたと考えられる。８００℃で炭化処理された実施例２においては、１０ＭＰａの焼付面圧であっても焼付くことはなかった。
【００４１】
また、実施例３，４では、ともに７００℃の炭化処理温度であるが、１０ＭＰａの焼付面圧であっても焼付くことがなく、実施例２と同様に良好な摺動特性が得られた。これは、炭化処理による耐熱性の向上に加えて、実施例３では、摺動組成物にＣＢを添加することにより、ＣＢが粒径の大きいフェノール系樹脂の粒子間に生じる隙間を埋めることで高密度のカーボン層を形成し、摺動層４に発生する摩擦熱を効率よく基材２及び多孔質金属層３に分散させ、摺動層４部分の焼付きを防止したと考えられる。一方、実施例４では、Ｇｒを添加することで、摺動層４に摩擦特性の向上と親油性が付与されることで焼付きを防止したと考えられる。
【００４２】
また、実施例３において、摺動層４の熱伝導性を向上させるためにＣＢを添加した複層摺動部材１を示したが、ＣＢが導電性であることから、この複層摺動部材１を導電性軸受として利用することができる。ここで、導電性軸受に利用できるものとして摺動層４にＣＢを添加したものを示したが、導電性カーボンであればよく、例えば、カーボンナノチューブ等を添加したものであってもよい。
【００４３】
また、摺動層４には、摺動組成物に多孔質形成助剤を添加することで多孔質の摺動層が形成される。ここで、多孔質形成助剤とは、低い温度での焼付性が高い材料であり、例えば、ポリビニルアルコールに代表される樹脂ビーズ、木屑やＲＢセラミックス（ＲｉｃｅＢｒａｎ）のように米糠や麩糠類等である。つまり、摺動組成物に多孔質形成助剤を充填し、炭化処理温度でゆっくり分解させると、多孔質形成助剤が蒸発してしまい、その部分の空洞が多孔質部を形成する。このように形成された多孔質部は、油だまり効果や毛細管現象を示し、摺動層４に親油性が付与されることとなる。また、これらの多孔質部は、賦活処理によっても形成可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上、説明したところから明らかなように、請求項１に係る発明においては、フェノール系樹脂が炭化された摺動層には、高硬度及び非焼付性に優れたカーボン層が形成され、複層摺動部材を厳しい使用条件下でも安定して使用することができる。また、摺動層と基材との間に熱伝導性に優れた多孔質金属層が設けられることで、摺動層部分に熱が蓄積せず、焼付きを防止することができる。更に、ハウジングに円筒形の複層摺動部材を嵌入した場合、基材のスプリングバックにより複層摺動部材の嵌合力が向上すると共に、一般的なカーボン軸受と比して肉厚が薄くても複層摺動部材自体の機械的強度を確保することができる。
【００４５】
また、請求項２に係る発明においては、微細なカーボンブラックが粒径の大きいフェノール系樹脂の粒子間に生じる隙間を埋めることで高密度のカーボン層を形成し、摺動層に発生する摩擦熱を効率よく基材及び多孔質金属層に分散させ、摺動層部分の焼付きを防止することができる。
【００４６】
また、請求項３に係る発明においては、油等を吸着する作用がある結晶性カーボンを添加することにより、摺動層に摩擦特性の向上と親油性を付与することができる。
【００４７】
また、請求項４に係る発明においては、摺動層に形成された多孔質部が油だまり効果や毛細管現象を示し、摺動層に親油性を付与することができる。
【００４８】
また、請求項５に係る発明においては、機械的強度の優れたカーボン層が得られる。また、炭化処理において、加熱によるフェノール系樹脂の分解反応を極力防ぎながら炭化を進行させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る炭化処理前及び処理後の複層摺動部材の全体図である。
【図２】複層摺動部材の拡大部分断面図である。
【図３】焼付試験における複層摺動部材の試験パターンである。
【符号の説明】
１複層摺動部材
２基材
３多孔質金属層
４摺動層

Claims

基材の表面に金属粉末を焼結することにより設けられる多孔質金属層と、該多孔質金属層にフェノール系樹脂からなる摺動組成物を含浸被覆した後、６００〜９００℃の真空雰囲気下で炭化処理することにより得られたカーボンからなる摺動層と、から構成されていることを特徴とする複層摺動部材。
前記摺動組成物に粒径が１μｍ以下のカーボンブラックを０．１〜５体積％添加したことを特徴とする請求項１記載の複層摺動部材。
前記摺動組成物に結晶性カーボンを１〜１０体積％添加したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の複層摺動部材。
前記摺動層には、前記摺動組成物に多孔質形成助剤を添加することで多孔質の摺動層が形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の複層摺動部材。
前記フェノール系樹脂は、平均分子量が１０，０００以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の複層摺動部材。