JP2009068390A - 摺動部材被覆組成物、摺動部材及び内燃機関用ピストン - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の実施の形態に係る摺動部材被覆組成物は、樹脂被覆層を形成する被覆組成物であって、該樹脂被覆層を形成する成分が71〜78wt%の耐熱性樹脂からなる結合剤、3〜5wt%のポリテトラフルオロエチレンおよび19〜24wt%の二硫化モリブデンから成り、かつ、レーザー回折散乱式粒度分布測定法により測定した前記ポリテトラフルオロエチレンの平均粒子径が、0.1〜2.0μmの範囲であり、レーザー回折散乱式粒度分布測定法により測定した前記二硫化モリブデンの粒子径が、0.5〜3.0μmの範囲である。
【選択図】図4
Description
また、以下、単に「粒子径」とは、レーザー回折散乱式粒度分布測定法により測定した体積累積平均粒子径D50(メジアン径)を表すものであり、「表面粗さRa」または「下地粗さRa」は、JIS B0601−1994に準じて測定された中心平均粗さ(Ra)を表すものである。
本発明の実施の形態に係る摺動部材被覆組成物は、樹脂被覆層を形成する組成物であって、該樹脂被覆層を形成する成分がその重量百分率で71〜78wt%の耐熱性樹脂からなる結合剤、3〜5wt%のポリテトラフルオロエチレンおよび19〜24wt%の二硫化モリブデンからなり、前記ポリテトラフルオロエチレンの粒子径が、0.1〜2.0μmの範囲であり、前記二硫化モリブデンの粒子径が、0.5〜3.0μmの範囲であることを特徴とするものである。
ここで、前記の「樹脂被覆層を形成する成分」は、前記耐熱性樹脂からなる結合剤、ポリテトラフルオロエチレンおよび二硫化モリブデン等の不揮発性成分であって、硬化前にこれらの成分を分散させるための溶媒を含まない。
本実施の形態に係る樹脂被覆層を形成する条件は、100〜280℃で60〜240分間加熱処理することが好適であり、150〜200℃で加熱処理を行うことが好ましい。更に、本実施の形態に係る樹脂被覆層を形成する際に、60〜100℃で5〜120分間加熱処理して前記有機溶媒を除去した後、更に100〜280℃で60〜240分間加熱処理して樹脂被覆層を形成することができる。
図3は、本実施の形態に係る摺動部材被覆組成物を用いて形成される樹脂被覆層を有するピストンスカート部を示す概念図である。図4は、図3中のピストンスカート部に形成される樹脂被覆層の断面図である。
図5に示すように、前記ピストンスカート部12の少なくとも一部の下地粗さRaは、0.2〜1.5μmであることが好ましい。これは、前記ピストンスカート部12の少なくとも一部の下地粗さRaが、従来においては0.8〜1.0μmであったのに対し、本実施の形態に係る摺動部材被覆組成物では、前記ピストンスカート部12の少なくとも一部の下地粗さRaを0.2〜1.5μmとすることにより、密着性を向上させることができるためである。
図6に示すように、ピストン10は、前記ピストンスカート部12の面圧が大きいスラスト側の摺動面13aに、前記ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)と前記二硫化モリブデン(MoS2)との配合量を少なくした第一の固体潤滑剤を含有してなる前記摺動部材被覆組成物で形成される樹脂被覆層を設けてなると共に、前記ピストンスカート部12の面圧が小さい反スラスト側の摺動面13bに、前記ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)と前記二硫化モリブデン(MoS2)との配合量を多くした第二の固体潤滑剤を含有してなる前記摺動部材被覆組成物で形成される樹脂被覆層を設けてなるものである。また、図6中、符号14はピストンピン孔である。
図10中、左側図が行程中央の状態を示し、図10中、中央図が上死点近傍の状態を示し、図10中、右側図が下死点近傍の状態を示す。また、図10中、符号17はボア摺動面であり、符号18はピストンリングである。
また、図11は、図10に示す行程中央から下死点近傍までの状態におけるピストンのクランク角と摩擦係数との関係を示す図である。
レーザー回折散乱式粒度分布測定装置:「モデルLS‐230:商品名」(ベックマンコールター社製)
測定値:体積累積平均粒子径(D50)
測定方法:PIDS(偏光散乱強度差計測)
分散媒:キシレン
サンプル濃度:0.5wt%
[固体潤滑剤の平均粒子径の測定条件]
測定用サンプルとして、各個体潤滑剤のキシレン分散媒(0.5wt%濃度)を調製した。室温下、上記測定用サンプルをレーザー回折散乱式粒度分布測定装置:「モデルLS‐230:商品名」のフローセル内に循環させ、固体潤滑剤サンプルの体積累積平均粒子径(D50)を測定した。
[樹脂被覆層の形成]
実施例または比較例に係る樹脂被覆層の形成は、アルカリ脱脂したアルミニウム基材(表面粗さRa 0.2μm)表面に各摺動部材被覆組成物(試料)をナイフコーティングし、80℃×30分にて乾燥した後、180℃×90分による条件で該アルミニウム基材上に樹脂被覆層を形成させることにより行なった(樹脂被覆層の厚さは、10〜13μm)。
以下、表面粗さRaは単位「下地粗さRa」「樹脂被覆層の表面粗さRa」ともいう。
[摩擦係数]
図13は、荷重往復動試験装置を示す概略図である。図13に示すように、荷重往復動試験装置20は、アルミニウム合金AC8Bの試験板21と、直径7mmのローラ22と、ロードセル23とからなる措置である。試験温度25度(室温)で、乾性被膜塗布アルミニウム合金AC8Bの試験板21を本発明の各摺動部材被覆組成物(試料)により被覆した樹脂被覆層24の表面にエンジンオイル「0W‐20:製品名」を1.0mg塗布し、直径7mmのローラ22で垂直荷重29.4Nを与え、ストローク100mm、速度120cpmの条件で、7200サイクルの荷重往復動を行なうことにより、樹脂被覆層24の摩擦係数μを測定した。
[摩耗量]
各摺動部材被覆組成物(試料)から形成される樹脂被覆層24を有するアルミニウム合金AC8Bの試験板21に対し、前記の摩擦係数測定(荷重往復動試験)の前後で、該樹脂被覆層24の表面粗さRaを上記の方法により測定した。更に、試験前後の表面粗さRaの差から該樹脂被覆層24の摩耗量(μm)を測定した。
本発明にかかる数値範囲の臨界的意義を明らかにすべく、以下の比較試験を行なった。
[試料の調製]
ポリアミドイミド樹脂(PAI樹脂)のn‐メチル‐2‐ピロリドン溶液(PAI樹脂分34wt%)に、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、二硫化モリブデン(MoS2)を加え、ニーダにて1時間の粉砕・攪拌を行い、n‐メチル‐2‐ピロリドンを更に添加して粘度:12,000mPa・s(25℃)の試料を得た。
そして、固体潤滑剤(ポリテトラフルオロエチレン、二硫化モリブデン)とポリアミドイミド樹脂(PAI樹脂)の配合量については、固体潤滑剤の配合量とポリアミドイミド樹脂との配合量が100wt%となるように調製した。
下記表1の通り、二硫化モリブデン(MoS2)粒子の粒子径、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の粒子径、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の配合量(wt%)を固定して、二硫化モリブデン(MoS2)の配合量(wt%)が樹脂被覆層の摩擦係数μに及ぼす影響を確認した。
得られた結果と、二硫化モリブデン(MoS2)の配合量(wt%)の臨界範囲の関係を表1に示す。
尚、表1中の「PS」は、レーザー回折散乱式粒度分布測定法で測定した体積累積平均粒子径を表す(以下、同じ)。
下記表2の通り、二硫化モリブデン(MoS2)粒子の粒子径、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の粒子径、二硫化モリブデン(MoS2)の配合量(wt%)を固定して、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の配合量(wt%)が樹脂被覆層の摩擦係数μに及ぼす影響を確認した。
得られた結果と、二硫化モリブデン(MoS2)の配合量(wt%)の臨界範囲の関係を表2に示す。
下記表3の通り、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の粒子径、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の配合量(wt%)及び二硫化モリブデン(MoS2)の配合量(wt%)を固定して、二硫化モリブデン(MoS2)粒子の粒子径が樹脂被覆層の密着性、摩擦係数μ、摩耗量(μm)に及ぼす影響を確認した。
得られた結果と、二硫化モリブデン(MoS2)の粒子の粒子径の臨界範囲の関係を図14、表3に示す。
下記表4の通り、二硫化モリブデン(MoS2)の粒子径、及び二硫化モリブデン(MoS2)の配合量(wt%)を固定して、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粒子の粒子径が樹脂被覆層の摩擦係数μに及ぼす影響を確認した。
得られた結果と、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の粒子の粒子径の臨界範囲の関係を図15、表4に示す。
本発明の実施例に係る摺動部材被覆組成物(試料)は下記方法により、表5に示す配合比で調製した。
<実施例1〜実施例3>
[試料の調製]
ポリアミドイミド樹脂(PAI樹脂)のn‐メチル‐2‐ピロリドン溶液(PAI樹脂分34wt%)に、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、二硫化モリブデン(MoS2)を加え、ニーダにて1時間の粉砕・攪拌を行い、n‐メチル‐2‐ピロリドンを更に添加して粘度:12,000mPa・s(25℃)の試料を得た。
そして、固体潤滑剤(ポリテトラフルオロエチレン、二硫化モリブデン)とポリアミドイミド樹脂(PAI樹脂)の配合量については、固体潤滑剤の配合量とポリアミドイミド樹脂との配合量が100wt%となるように調製した(表5参照)。
[各試料の配合量および固体潤滑剤の粒子径]
固体潤滑剤であるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、二硫化モリブデン(MoS2)の配合量の割合(wt%)と、結合剤であるポリアミドイミド樹脂(PAI樹脂)の配合量(wt%)と、固体潤滑剤と結合剤との配合量(wt%)の割合比と、二硫化モリブデン(MoS2)の粒子径と、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の粒子径とを表5に示す。
比較例に係る摺動部材被覆組成物(試料)は下記方法により、表6〜表8に示す配合比で調製した。
[試料の調製]
ポリアミドイミド樹脂(PAI樹脂)のn‐メチル‐2‐ピロリドン溶液(PAI樹脂分34wt%)に、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、二硫化モリブデン(MoS2)、グラファイトを加え、ニーダにて1時間の粉砕・攪拌を行い、n‐メチル‐2‐ピロリドンを更に添加して粘度:12,000mPa・s(25℃)の試料を得た。
また、固体潤滑剤(ポリテトラフルオロエチレン、二硫化モリブデン、グラファイト)とポリアミドイミド樹脂(PAI樹脂)の配合量については、固体潤滑剤の配合量とポリアミドイミド樹脂との配合量が100wt%となるように調製した(表6〜表8参照)。
[各試料の配合量および固体潤滑剤の粒子径]
固体潤滑剤であるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、二硫化モリブデン(MoS2)、グラファイトの配合量の割合(wt%)と、結合剤であるポリアミドイミド樹脂(PAI樹脂)の配合量(wt%)と、固体潤滑剤と結合剤との配合量(wt%)の割合比と、各固体潤滑剤の粒子径の関係を表6〜表8に示す。
実施例1〜実施例3で得られた摺動部材被覆組成物(試料)から形成される樹脂被覆層特性の評価結果を表5に示す。
表5〜表8に示すように、実施例1〜実施例3の樹脂被覆層の密着性は良好(表中、二重丸印)であった。これに対し、比較例1、3、4、11〜14の密着性は低め(○)であり、比較例5〜10の密着性は悪く(×)、比較例2の試料では点剥離した。
即ち、実施例に係る摺動部材被覆組成物から形成される樹脂被覆層は比較例の樹脂被覆層(従来品)に比して、部材への密着性が向上していた。
表5〜表8に示すように、実施例1〜実施例3の樹脂被覆層の摩擦係数μは0.020〜0.025であった。これに対し、比較例1〜14の摩擦係数μは0.030〜0.060であった。
即ち、本発明の実施例に係る摺動部材被覆組成物から形成される樹脂被覆層は、比較例の樹脂被覆層(従来品)に比して、摩擦係数μが低減されていた。
表5〜表8に示すように、実施例1〜実施例3の樹脂被覆層の摩耗量はいずれも0.1μm以下であった。一方、比較例2〜5、7、8、10〜13の樹脂被覆層の摩耗量は0.1μm以下であったが、比較例1の樹脂被覆層の摩耗量は0.8〜1.0μmであり、比較例6、9の樹脂被覆層の摩耗量は0.5μmであり、比較例14の樹脂被覆層の摩耗量は0.15μmであった。
よって、本発明の実施例に係る摺動部材被覆組成物から形成される樹脂被覆層は、比較例の樹脂被覆層(従来品)に比して、その摩耗量が同等あるいは低減されており、本発明の樹脂被覆層の摩耗耐久性は従来品と同等以上であることが確認できた。
表5〜表8に示すように、実施例1〜実施例3の樹脂被覆層の表面粗さRaは0.16〜0.21μmであった。これに対し、比較例5の表面粗さRaは0.15μmであり、比較例11の表面粗さRaは0.19μmであったが、比較例1〜4、6〜10、12〜14の表面粗さRaは0.22〜0.92μmであった。
即ち、本発明の実施例に係る摺動部材被覆組成物から形成される樹脂被覆層は、比較例の樹脂被覆層(従来品)に比して、表面粗さRaが低減されていた。
<実施例1−1〜実施例1−6、比較例1−1〜比較例1−6>
下地粗さRaが異なる試験板上に形成される樹脂被覆層の表面粗さRaと摩擦係数μを以下に示す評価方法により測定した。
実施例1−1〜実施例1−6の検討に用いた試料は、表5に示す実施例1と同様の組成を有する摺動部材被覆組成物であり、比較例1−1〜比較例1−6の検討に用いた試料は、表6に示す比較例1と同様の組成を有する摺動部材被覆組成物である。
試験板の下地粗さRaが、0.2μm、0.8μm、1.6μmである3種類の試験板に、実施例1又は比較例1の摺動部材被覆組成物(試料)を塗布し、前記[樹脂被覆層の形成]に示す方法により形成された樹脂被覆層の表面粗さRaを測定した。
次に、該樹脂被覆層の表面に塗布するエンジンオイル「0W‐20:製品名」を下記の所定量とするほかは、前記摩擦係数μの測定方法と同様の条件で、図13に示す荷重往復動試験装置を用いて、1200サイクルの荷重往復運動を行なうことにより、樹脂被覆層の摩擦係数μを測定した。
<エンジンオイル0W‐20の塗布量>
実施例1−1、比較例1−1:1.0mg
実施例1−2、1−3、比較例1−2、1−3:2.0mg
実施例1−4〜1−6、比較例1−4〜1−6:5.0mg
また、試験板の下地粗さRa及び樹脂被覆層の表面粗さRaが小さくなるに従い、樹脂被覆層の摩擦係数μも小さくなることが確認された。
また、樹脂被覆層上のエンジンオイルの塗布量を変化させても摩擦係数μはほとんど変化しないことが確認された。
試験板の下地粗さRaが、0.2μm、0.8μm、1.6μmである3種類の試験板に、実施例1又は比較例1の摺動部材被覆組成物(試料)を塗布し、前記[樹脂被覆層の形成]に示す方法により形成された樹脂被覆層の表面粗さRaを測定した結果は、表9、10に示した通りである。
図16に、実施例1−1〜実施例1−6、比較例1−1〜比較例1−6の試験結果について、試料を塗布する前の試験板の下地粗さRaと該試験板上に形成させた樹脂被覆層の表面粗さRaとの関係を示す。
11、24 樹脂被覆層
12 ピストンスカート部
13a スラスト側の摺動面
13b 反スラスト側の摺動面
14 ピストンピン孔
15 シリンダボア壁面
16 シリンダボア
17 シリンダボア摺動面
18 ピストンリング
20 荷重往復動試験装置
21 試験板
22 ローラ
23 ロードセル
Ra 下地粗さ、表面粗さ
Claims (7)
- 樹脂被覆層を形成する被覆組成物であって、該樹脂被覆層を形成する成分が71〜78wt%の耐熱性樹脂からなる結合剤、3〜5wt%のポリテトラフルオロエチレンおよび19〜24wt%の二硫化モリブデンから成り、かつ、レーザー回折散乱式粒度分布測定法により測定した前記ポリテトラフルオロエチレンの平均粒子径が、0.1〜2.0μmの範囲であり、
レーザー回折散乱式粒度分布測定法により測定した前記二硫化モリブデンの粒子径が、0.5〜3.0μmの範囲であることを特徴とする摺動部材被覆組成物。 - 請求項1において、
前記耐熱性樹脂が、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、フェノール樹脂又はエポキシ樹脂からなる群から選択される耐熱性樹脂の1種類または2種類以上を含有することを特徴とする摺動部材被覆組成物。 - 請求項1又は2に記載の摺動部材被覆組成物から形成される樹脂被覆層を摺動部位の少なくとも一部に有することを特徴とする摺動部材。
- 請求項3において、
前記摺動部位の下地の中心線平均粗さ(Ra)が、0.2〜1.5μmであることを特徴とする摺動部材。 - 請求項3又は4に記載の摺動部材が内燃機関用ピストンであって、
前記摺動部位が、ピストンスカート部であることを特徴とする内燃機関用ピストン。 - 請求項5において、
前記ピストンスカート部の面圧が大きいスラスト側の摺動面に、前記ポリテトラフルオロエチレンと前記二硫化モリブデンとの配合量が少ない第一の固体潤滑剤からなる前記摺動部材被覆組成物から形成される樹脂被覆層が設けられてなると共に、
前記ピストンスカート部の面圧が小さい反スラスト側の摺動面に、前記ポリテトラフルオロエチレンと前記二硫化モリブデンとの配合量が多い第二の固体潤滑剤からなる前記摺動部材被覆組成物から形成される樹脂被覆層が設けられてなることを特徴とする内燃機関用ピストン。 - 請求項6において、
前記第一の固体潤滑剤が、3〜4wt%の前記ポリテトラフルオロエチレンと、19〜21wt%の前記二硫化モリブデンとからなると共に、
前記第二の固体潤滑剤が、4〜5wt%の前記ポリテトラフルオロエチレンと、21〜24wt%の前記二硫化モリブデンとからなることを特徴とする内燃機関用ピストン。
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