JP2007145894A - 複層摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】低摩擦性と優れた耐摩耗性を有する複層摺動部材を提供する。
【解決手段】金属製の板状の裏金とすべり層とを一体化して成る複層摺動部材において、前記すべり層がポリイミド系樹脂とフラーレンとから成る複層摺動部材。
【選択図】なし

Description

本発明は、複層摺動部材に関し、詳しくは、フラーレンを分散含有したポリイミド系樹脂組成物のすべり層を金属製の板状裏金の表面に被着形成した複層摺動部材に関する。

すべり層を有する軸受などの複層摺動部材として、合成樹脂組成物から成るすべり層を金属製の裏金の表面に一体成形した複層摺動部材が知られている。例えば、ポリイミド樹脂と四ふっ化エチレン樹脂と固体潤滑成分として鉛、一酸化鉛、酸化カドミウム、窒化ホウ素、黒鉛、二硫化モリブデン、二硫化タングステンとから成る合成樹脂被膜を有するすべり軸受が知られており（特許文献１参照）。また、合成樹脂組成物として、ポリイミド系樹脂と、必要に応じて四ふっ化エチレン樹脂、二硫化モリブデン及び／又はグラファイトとから成る組成物を使用する摺動部材が提案されている（特許文献２参照）。
特開昭５２−４４８７１号公報 特開昭５５−１０６２３０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された合成樹脂被膜を有するすべり軸受は、摩耗量が比較的大きく、耐摩耗性が不十分である。また、特許文献２に記載された合成樹脂組成物から成る摺動部材は、摩擦係数が十分低く、且つ、摩耗量も十分小さいものではない。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、低摩擦性と優れた耐摩耗性を有する複層摺動部材を提供することにある。

本発明者らは、種々検討を重ねた結果、次の様な知見を得た。すなわち、ポリイミド系樹脂にフラーレンを含有させることにより、すべり軸受などに使用される複層摺動部材として低摩擦性と優れた耐摩耗性を発揮することを見出した。

すなわち、本発明の要旨は、金属製の板状の裏金とすべり層とを一体化して成る複層摺動部材において、前記すべり層がポリイミド系樹脂とフラーレンとから成ることを特徴とする複層摺動部材に存する。

本発明によれば、低摩擦性を発揮すると共に優れた耐摩耗性を発揮する複層摺動部材が提供され、本発明の工業的価値は顕著である。

以下、本発明を詳細に説明する。本発明の複層摺動部材における金属製の板状裏金の表面に一体に被着形成されたすべり層は、ポリイミド系樹脂とフラーレンとから成る。

金属製の板状の裏金としては、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）、無酸素銅（ＪＩＳ−Ｈ−２１２３で規定されている無酸素形銅の１種又は２種）、タフピッチ銅（ＪＩＳ−Ｈ−２１２３で規定されているタフピッチ形銅）等から成る純銅板、リン青銅などから成る銅合金板、アルミニウム板、アルミニウム合金板などが用途によって適宜選択される。

ポリイミド系樹脂としては、分子内に少なくともイミド結合を有する樹脂であって、摺動部材の使用時に熱劣化することなく、板状の裏金の表面との接着性に優れた樹脂が使用出来る。具体的には、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエステルイミド樹脂、ポリエステルアミドイミド樹脂などが挙げられる。これらポリイミド系樹脂の中で、ポリイミド樹脂（以下、「ＰＩ」と略称することがある）及びポリアミドイミド樹脂（以下、「ＰＡＩ」と略称することがある）が好適である。

ポリイミド樹脂は、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）等の非プロトン系極性溶媒中で酸二無水物とジアミンとの開環重付加反応により得られるポリイミド前駆体のポリアミドカルボン酸を加熱脱水閉環することにより得られる樹脂であって、その樹脂成分がポリアミドカルボン酸の状態、ポリイミドの状態またはそれらが混在している状態で存在する樹脂である。

ポリアミドイミド樹脂は、例えば、無水トリメリット酸と芳香族ジアミンとの反応によって得られる樹脂であって、分子内にイミド結合とアミド結合とを有する樹脂である。

フラーレンとしては、Ｃ_６０フラーレン、Ｃ_７０フラーレン、高次フラーレン及びそれらの混合物が挙げられる。

フラーレンは、グラファイトや炭化水素を原料とし、レーザー気化法、アーク放電法、燃焼法などによって製造される炭素６員環および５員環から構成される球殻状の炭素クラスターである。通常、６０個の炭素原子からなるサッカーボール状のＣ_６０フラーレン、７０個の炭素原子からなるラグビーボール状のＣ_７０フラーレン及びさらに多くの炭素原子からなる高次フラーレンの混合物として得られ、この混合物を精製することにより、Ｃ_６０フラーレン及びＣ_７０フラーレンが単離される。

フラーレンは、その球殻状分子構造により潤滑性を発揮し、且つ、その結晶構造が約１５００℃まで壊れないことから、３００℃以上の高温使用条件下で優れた潤滑特性を発揮する。特に、Ｃ_６０フラーレン及びＣ_７０フラーレンは、その直径が小さく、例えば、約０．７ｎｍであるため、樹脂に対する均一分散性に優れている。

すべり層中のフラーレンの量は、通常０．１〜１重量％、好ましくは０．３〜０．７重量％である。フラーレンの量が０．１重量％未満の場合は、フラーレンの潤滑性が発揮されないことがある。また、フラーレンの量が１重量％を超える場合は、すべり層の低摩擦性が劣化することがある。

Ｃ_６０フラーレンとＣ_７０フラーレンとを併用する場合、Ｃ_６０フラーレン１００重量部に対するＣ_７０フラーレンの配合量は、通常５〜１００重量部、好ましくは７〜９０重量部、さらに好ましくは１０〜７０重量部である。Ｃ_６０フラーレンとＣ_７０フラーレンとを上記の配合割合で使用すると、樹脂におけるＣ_６０フラーレン及びＣ_７０フラーレンの分散安定性が向上する。

次に、本発明の複層摺動部材の製造方法の一例について説明する。

複層摺動部材のすべり層は、金属製の板状の裏金の表面に上述の摺動部材組成物を公知の方法で被着することにより得られる。被着の方法としては、電着塗装法、ディッピング法（浸漬塗装法）、スプレーコート法（霧化塗装法）、刷毛塗り法、ロールコーター法などが挙げられる。

電着塗装法としては、例えば、ポリイミド系樹脂とフラーレンとから成る摺動部材組成物を含有する電着塗装溶液にイオン交換水を１：１の割合（重量比）で添加して希釈し、得られた溶液を電着塗装槽に導入し、陰極側に板状の裏金を貼付してカチオン電着塗装を行い、裏金の表面に摺動部材組成物を成膜する。成膜後、乾燥し、次いで、加熱処理して板状の裏金の表面にすべり層を一体に被着形成する方法が例示される。

ディッピング法、スプレーコーティング法、刷毛塗り法およびロールコーター法としては、例えば、ポリイミド系樹脂とフラーレンとから成る摺動部材組成物を溶剤に分散し、得られた分散液を板状の裏金の表面にディッピング法、スプレーコート法、刷毛塗り法またはロールコーター法で塗布・被覆し、得られた被覆層を乾燥した後、加熱処理する方法が例示される。

板状の裏金の表面に形成された層の乾燥は、通常５０℃〜１００℃の範囲に加熱された乾燥炉内に通常１０〜１２０分間に保持させて行う。乾燥処理により、形成された層の発泡などを抑制することが出来る。

ポリイミド樹脂の場合、加熱処理温度は、通常２００〜３５０℃、好ましくは２１０〜３００℃で、加熱処理時間は、通常２０〜１２０分間である。加熱処理温度が２００℃未満の場合は、ポリイミド樹脂の硬化反応が進行せず、形成された層の裏金の表面に対する密着性が劣ることがある。また、形成された層の裏金の表面に対する密着性は、３５０℃付近で平衡となるので、昇温に要するエネルギー消費量を考慮すると３５０℃以下で加熱処理することが好適である。

また、ポリアミドイミド樹脂の場合、加熱処理温度は、通常１７０〜２８０℃、好ましくは１８０〜２６０℃で、加熱処理時間は、通常２０〜１２０分間である。加熱処理温度が１７０℃未満の場合は、ポリアミドイミド樹脂の硬化反応が進行せず、形成された層の裏金の表面に対する密着性が劣ることがある。また、形成された層の裏金の表面に対する密着性は、２８０℃付近で平衡となるので、昇温に要するエネルギー消費量を考慮すると２８０℃以下で加熱処理することが好適である。

加熱処理した後、常温まで冷却する。冷却の方法としては、例えば、通常６０〜１８０分程度の時間をかけて徐冷する方法が挙げられる。徐冷することにより、すべり層と裏金の表面とが互いに均一に精度よく収縮し、精度の高い複層摺動部材を得ることが出来る。

使用する溶剤としては、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、酢酸メチル、酢酸エチル等のエステル類、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類、メチルクロロホルム、トリクロロエチレン、トリクロロトリフルオロエタン等の有機ハロゲン化化合物類、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、メチルイソピロリドン（ＭＩＰ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）等の非プロトン系極性溶剤類などが挙げられる。これらの溶剤類は、単独または混合物として使用する。

電着塗装法おける希釈液中のポリイミド系樹脂とフラーレンの固形分濃度は、摺動部材組成物溶液中のポリイミド系樹脂とフラーレンの固形分濃度として、通常５〜２５重量％、好ましくは５〜１５重量％である。

ディッピング法、スプレーコーティング法、刷毛塗り法およびロールコーター法における分散液中のポリイミド系樹脂とフラーレンの固形分濃度は、溶剤１００重量部に対して通常５〜１００重量部（摺動部材組成物溶液中のポリイミド系樹脂とフラーレンの固形分濃度として、通常４．８〜５０重量％）、好ましくは２５〜５０重量部（摺動部材組成物溶液中のポリイミド系樹脂とフラーレンの固形分濃度として、好ましくは２０〜３３重量％）である。

電着塗装法により形成された被覆層は、加熱処理後のすべり層の厚さが通常５〜１００μｍ、好ましくは１０〜７０μｍとなる様に形成される。すべり層の厚さが５μｍ未満の場合は、すべり層に片当たり等が生じることがあり、その結果、局部的な摩耗が発生する虞がある。また、すべり層の厚さが１００μｍを超える場合は、すべり層の剥離が発生することがある。

ディッピング法、スプレーコーティング法、刷毛塗り法またはロールコーター法の方法により塗布された被覆層は、加熱処理後のすべり層の厚さが通常１０〜１５０μｍ、好ましくは２０〜１００μｍとなる様に形成される。すべり層の厚さが１０μｍ未満の場合は、すべり層に片当たり等が生じることがあり、その結果、局部的な摩耗が発生する虞がある。また、すべり層の厚さが１５０μｍを超える場合は、すべり層の剥離が発生することがある。

スプレーコート法による塗装被覆方法では、塗布液が微小な粒子体となって裏金の表面に付着されるため、被覆層の厚みを精度よく形成することが出来る。

以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。

実施例１：
板状の裏金として、一辺が３０ｍｍ、厚さが３．２ｍｍの冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）を準備した。ポリイミド系樹脂としてＰＩ電着塗装溶液（シミズ社製）を使用し、Ｃ_６０フラーレン、Ｃ_７０フラーレン、高次フラーレン混合物（フロンティアカーボン社製「ナノムミックス（商品名））をすべり層のフラーレン量が０．５重量％となる様に配合したイオン交換水と前記ＰＩ電着塗装溶液とを１対１（重量比）の割合で混合・希釈し、得られた希釈液（固形分濃度：５重量％）を電着塗装槽としてのビーカーに投入した。電極にカーボンを使用し、その陰極側に冷間圧延鋼板を貼付して、電圧６０Ｖ、成膜時間５．５分間、電極間距離３０ｍｍの条件でカチオン型電着塗装を行い、フラーレン０．５重量％含有したポリイミド樹脂組成物を冷間圧延鋼板の表面に成膜した。電着塗装後、乾燥炉にて１００℃の温度で１０分間乾燥し、次いで、２１０℃の温度で３０分間加熱処理して該冷間圧延鋼板の表面に厚さ６５μｍのすべり層を形成し、複層摺動部材を作製した。

実施例２〜３：
板状の裏金として、一辺が３０ｍｍ、厚さが３．２ｍｍの冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）を準備した。ポリイミド系樹脂としてポリアミドイミド樹脂（トーロン社製、「トーロンＡＩ−１０」（商品名））を使用し、このポリアミドイミド樹脂をＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）に溶解し、得られた樹脂溶液にＣ_６０フラーレン、Ｃ_７０フラーレン、高次フラーレン混合物（フロンティアカーボン社製「ナノムミックス（商品名））をすべり層のフラーレン量が０．５重量％（実施例２）、１重量％（実施例３）となる様に配合して均一な組成物を得、ポリアミドイミド樹脂とフラーレンの固形分濃度が約２５重量％となる様に、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、キシレン及び酢酸エチルの混合溶媒を加えて希釈し、被覆溶液（固形分濃度（実施例２）：２５重量％および固形分濃度（実施例３）：２５重量％）を得た。この被覆溶液を冷間圧延鋼板の表面にスプレーコート法で吹き付け、被覆層を被着形成した。この被覆層を乾燥炉内で８０℃で１５分間乾燥させ、次いで、２４０℃の温度で３０分間加熱処理して該冷間圧延鋼板の表面に厚さ５０μｍのすべり層を形成し、複層摺動部材を作製した。

比較例１：
実施例１において、ＰＩ単体の電着塗装溶液（シミズ社製）にイオン交換水を１対１（重量比）の割合で添加した液（固形分濃度：５重量％）でカチオン型電着塗装を行うことを除いて、実施例１と同様の方法により、厚さ３９μｍのすべり層を有する複層摺動部材を作製した。

比較例２：
実施例１において、ＰＩ単体の電着塗装溶液（シミズ社製）に粒径５μｍの黒鉛をすべり層の黒鉛量が０．５重量となる様に配合したイオン交換水を１対１（重量比）の割合で添加した液（固形分濃度：５重量％）でカチオン型電着塗装を行うことを除いて、実施例１と同様の方法により、厚さ３３μｍの黒鉛０．５重量％含有したすべり層を有する複層摺動部材を作製した。

次に、上記実施例１〜３で得た複層摺動部材と比較例１及び２で得た複層摺動部材の摩擦摩耗特性を表１に示す試験条件の往復動摩擦摩耗試験方法により評価した。

＜試験方法＞
図１に示す試験装置により、上側試験片１としてＳＵＳ４４０Ｃの直径３ｍｍの鋼球を使用し、下側試験片２として該鋼板２１の表面に各すべり層２２を一体に被着形成した複層摺動部材を使用し、複層摺動部材のすべり層２２を上向きにして可動テーブル３に固定した。鋼球に荷重Ｐを負荷して該鋼球を複層摺動部材のすべり層２２に押し付け、その状態で可動テーブル３をＸ、Ｙ方向に往復運動させる。上側試験片（鋼球）１に変位センサー（図示せず）を取付け、往復摺動によりすべり層２２に摩耗が発生すると上側試験片（鋼球）１が下方に変位し、その変位量が出力される。この上側試験片１の変位量を摩耗量とした。また、摩擦力測定用のロードセル（図示せず）を取付け、摩擦力を計測して、その値から摩擦係数を算出した。

実施例１〜３で得た複層摺動部材と比較例１及び２で得た複層摺動部材の各すべり層の成分組成と上記往復動摩擦摩耗試験により得た摩擦摩耗特性の結果を表２示す。

上記した試験結果から、本発明の実施例の複層摺動部材は、試験時間中を通して低い摩擦係数で安定した摺動性能を発揮し、摩耗量も極めて低い値を示した。一方、比較例の複層摺動部材は、摩擦係数が高く、摩耗量も多く、摩擦摩耗特性に劣るものであった。従って、本発明の複層摺動部材は、優れた摩擦摩耗特性を発揮するものである。

本発明で使用した試験装置の説明図である。

符号の説明

１：上側試験片（鋼球）
２：下側試験片（複層摺動部材）
３：可動テーブル

Claims (4)

1. 金属製の板状の裏金とすべり層とを一体化して成る複層摺動部材において、前記すべり層がポリイミド系樹脂とフラーレンとから成ることを特徴とする複層摺動部材。
2. すべり層中のフラーレン量が０．１〜１重量％である請求項１に記載の複層摺動部材。
3. フラーレンがＣ_６０フラーレン、Ｃ_７０フラーレン、高次フラーレン又はその混合物である請求項１又は２に記載の複層摺動部材。
4. ポリイミド系樹脂がポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂又はその混合物である請求項１〜３の何れかに記載の複層摺動部材。

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