JP2014035070A

JP2014035070A - 摺動部材および摺動機構

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Publication number: JP2014035070A
Application number: JP2012178470A
Authority: JP
Inventors: Hirotsugu Tomita; 博嗣冨田
Original assignee: Oiles Industry Co Ltd
Current assignee: Oiles Industry Co Ltd
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2014-02-24

Abstract

【課題】相対する２つの摺動面間の低摩擦化を図る。
【解決手段】摺動機構１は、第一の摺動面２１が形成された金属平板２と、第一の摺動面２１と相対する第二の摺動面３１が一方の端面３２に形成された金属円筒３と、第一の摺動面２１と第二の摺動面３１との間に介在するイオン液体４と、を備える。ここで、金属平板２およびイオン液体４は、摺動部材５を構成している。金属平板２は、銅合金（例えば高力黄銅系合金）を用いて形成され、金属円筒３は、炭素鋼（例えばＳ４５Ｃ）を用いて形成される。また、イオン液体４には、ピロリジニウム塩からなるイオン液体（例えばＢＭＰ−ＴＦＳＩ、あるいは、広栄化学工業（株）製のＩＬ−Ｃ１）が用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸受等の摺動部材および摺動部材を用いた摺動機構に関し、特に、摺動機構の低摩擦化技術に関する。

近年、新たな材料としてイオン液体が注目されている。イオン液体は、有機カチオンとアニオンとがイオン結合して形成された化合物であり、ＮａＣｌ等のイオン結晶に比べてイオン間距離が長く、イオン同士の結合力が弱い。このため、融点が低く、常温下（１００〜１５０度以下）において、液体状態で存在する。イオン液体は、熱的、化学的、および電気化学的に安定性に優れ、低揮発性、難燃性、高熱伝導性、高通電性等の特徴を備えており、電気二重層キャパシタ、燃料電池等の電解質、リチウムイオン電池等の添加剤、有機および無機合成の反応溶媒、潤滑剤等の様々な用途への適用が期待されている。例えば、特許文献１には、摺動面の潤滑剤として、基油にイオン液体を含む潤滑油を用いた技術が開示されている。

国際公開第２００５／０３５７０２号

上述したように、特許文献１に記載の技術においては、摺動面の潤滑剤として、基油にイオン液体を含む潤滑油が用いられる。摺動面の潤滑剤としてイオン液体そのものを用いた場合に、どのような素材で摺動面を形成すると摺動面の低摩擦化を図れるか、また、その素材で形成された摺動面に対してどのような種類のイオン液体を用いると摺動面のさらなる低摩擦化を図れるかについて、特許文献１に記載の技術は何ら考慮していない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、イオン液体を用いて相対する２つの摺動面間の低摩擦化を図ることにある。

上記課題を解決するために、本発明の摺動部材は、相対する２つの摺動面を備えた摺動機構に用いられる摺動部材であって、前記２つの摺動面の一方の摺動面と、前記２つの摺動面間に介在するイオン液体と、を有し、前記一方の摺動面は、銅合金を用いて形成されている。ここで、イオン液体はピロリジニウム塩からなるものを用いることが好ましい。

また、本発明の摺動機構は、相対する２つの摺動面を備えた摺動機構であって、上述の摺動部材と、前記摺動部材が備えるイオン液体を介して、当該摺動部材が備える一方の摺動面と対面する他方の摺動面と、を有し、前記他方の摺動面は、炭素鋼を用いて形成されている。

本発明者等は、相対する２つの摺動面間にイオン液体を介在させるとともに、銅合金を用いて一方の摺動面を形成することにより、摺動面間の摩擦係数を低下させることができることを見出した。また、ピロリジニウム塩からなるイオン液体を用いることにより、摺動面間の摩擦係数を長期に亘って安定的に低下させることができることを見出した。また、炭素鋼を用いて他方の摺動面を形成することにより、摺動面間の摩擦係数をさらに低下させることができることを見出した。このため、本発明によれば、２つの摺動面間の低摩擦化を図ることができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る摺動部材５を用いた摺動機構１の概略構成図である。図２（Ａ）は、表１に示す条件において、金属円筒３の素材にＳＵＳ３０４を用いた場合における第一および第二の摺動面２１、３１間の摩擦係数の測定結果を示す図であり、図２（Ｂ）は、表１に示す条件において、金属円筒３の素材にＳ４５Ｃを用いた場合における第一および第二の摺動面２１、３１間の摩擦係数の測定結果を示す図である。図３（Ａ）は、表２に示す条件において、回転速度を１５０ｍｉｎ^−１とした場合における複数の荷重下での第一および第二の摺動面２１、３１間の摩擦係数の測定結果を示す図であり、図３（Ｂ）は、表２に示す条件において、回転速度を３００ｍｉｎ^−１とした場合における複数の荷重下での第一および第二の摺動面２１、３１間の摩擦係数の測定結果を示す図である。図４は、表３に示す条件において、各種のイオン液体４における第一および第二の摺動面２１、３１間の摩擦係数、および金属平板２、金属円筒３の比摩耗量の測定結果を示す図である。

以下に、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、本実施の形態に係る摺動部材５を用いた摺動機構１の概略構成図である。

図示するように、本実施の形態に係る摺動部材５を用いた摺動機構１は、第一の摺動面２１が形成された金属平板２と、第一の摺動面２１と相対する第二の摺動面３１が一方の端面３２に形成された金属円筒３と、第一の摺動面２１と第二の摺動面３１との間に介在するイオン液体４と、を備えている。ここで、第一の摺動面２１を備えた金属平板２、および第一の摺動面２１と第二の摺動面３１との間に介在するイオン液体４は、本実施の形態に係る摺動部材５を構成している。

金属円筒３は、軸心Ｏ回りに回転可能に取り付けられており、これにより、第二の摺動面３１が第一の摺動面２１に対して相対的に回転可能に配置される。

金属平板２の素材には銅合金が用いられ、金属円筒３の素材には炭素鋼が用いられる。銅合金の例としては、オイレス工業（株）製のオイレス＃５００ＳＰ１のベース金属部材に用いられる高力黄銅系合金がある。また、炭素鋼の例としては、Ｓ４５Ｃがある。

イオン液体４には、ピロリジニウム塩からなるイオン液体が用いられる。このようなイオン液体の例として、ＢＭＰ−ＴＦＳＩ、あるいは、広栄化学工業（株）製のＩＬ−Ｃ１等がある。

ＢＭＰ−ＴＦＳＩは、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムを有機カチオンとし、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）アミドをアニオンとするイオン液体であり、以下の化１に示す構造を有する。

また、ＩＬ−Ｃ１は、脂環式アミン系イオン液体であり、以下の化２に示す構造を有する。

なお、化２において、Ｘ⁻は、以下の化３に示す構造を有する。

本発明者等は、金属円筒３の素材ごとに、以下の表１に示す条件において、軸心Ｏ方向の荷重Ｎを金属円筒３の他方の端面３３上に加えて、イオン液体４を介して金属平板２に金属円筒３を押し当てながら、軸心Ｏ回りの回転方向Ｒに金属円筒３を回転させ、そのときの金属平板２の回転方向Ｒにおけるトルクを、図示していないロードセルで検出し、この検出トルクから、第一および第二の摺動面２１、３１間の摩擦係数を測定する試験を行った。

図２（Ａ）は、表１に示す条件において、金属円筒３の素材にＳＵＳ３０４を用いた場合における第一および第二の摺動面２１、３１間の摩擦係数の測定結果を示し、図２（Ｂ）は、表１に示す条件において、金属円筒３の素材にＳ４５Ｃを用いた場合における第一および第二の摺動面２１、３１間の摩擦係数の測定結果を示している。各図において、縦軸は摩擦係数、横軸は、第一および第二の摺動面２１、３１間の滑り距離である。また、実線２０１、２０３のグラフは、回転速度１５０ｍｉｎ^−１における試験結果を示しており、点線２０２、２０４のグラフは、回転速度３００ｍｉｎ^−１における試験結果を示している。

図示するように、いずれの回転速度１５０ｍｉｎ^−１、３００ｍｉｎ^−１においても、ＳＵＳ３０４製の金属円筒３およびＳ４５Ｃ製の金属円筒３ともに、摺動機構１としての用途に十分な低い摩擦係数を示している。このことから、第一および第二の摺動面２１、３１間にイオン液体４を介在させ、銅合金製の金属平板２を用いることにより、第一および第二の摺動面２１、３１間の摩擦係数を低下させることができることが分かった。また、ＳＵＳ３０４製の金属円筒３では摩擦係数が０．０５〜０．１程度であるのに対し、Ｓ４５Ｃ製の金属円筒３では摩擦係数が０．０２〜０．０４程度まで低下している。このことから、銅合金製の金属平板２に対して炭素鋼製の金属円筒３を用いることにより（摺動面の組合せを銅合金と炭素鋼とすることにより）、第一および第二の摺動面２１、３１間の摩擦係数をさらに低下させることができることが分かった。

また、本発明者等は、以下の表２に示す条件において、軸心Ｏ方向の荷重Ｎを金属円筒３の他方の端面３３上に加えて、イオン液体４を介して金属平板２に金属円筒３を押し当てながら、軸心Ｏ回りの回転方向Ｒに金属円筒３を回転させ、そのときの金属平板２の回転方向Ｒにおけるトルクを、図示していないロードセルで検出し、この検出トルクから、第一および第二の摺動面２１、３１間の摩擦係数を測定する試験を、荷重Ｎを変えながら行った。

図３（Ａ）は、表２に示す条件において、回転速度を１５０ｍｉｎ^−１とした場合における複数の荷重下での第一および第二の摺動面２１、３１間の摩擦係数の測定結果を示し、図３（Ｂ）は、表２に示す条件において、回転速度を３００ｍｉｎ^−１とした場合における複数の荷重下での第一および第二の摺動面２１、３１間の摩擦係数の測定結果を示している。各図において、縦軸は摩擦係数、横軸は、第一および第二の摺動面２１、３１間の滑り距離である。また、実線２０５、２０８のグラフは、荷重Ｎが約３００Ｎ（第一および第二の摺動面２１、３１の面圧１．５Ｎ／ｍｍ^２）の場合における試験結果を示し、点線２０６、２０９のグラフは、荷重Ｎが約５００Ｎ（第一および第二の摺動面２１、３１の面圧２．５Ｎ／ｍｍ^２）の場合における試験結果を示し、一点鎖線２０７、２１０は、荷重Ｎが約７００Ｎ（第一および第二の摺動面２１、３１の面圧３．５Ｎ／ｍｍ^２）の場合における試験結果を示している。

図示するように、いずれの回転速度１５０ｍｉｎ^−１、３００ｍｉｎ^−１においても、荷重Ｎが約５００Ｎのときに摩擦係数が最も安定的に低下することが分かった（２０６、２０９）。荷重Ｎが約５００Ｎのときと比較して、荷重Ｎが約３００Ｎのときは、全体的に摩擦係数が高くなり（２０５、２０８）、荷重Ｎが約７００Ｎのときは、摩擦係数の変化が大きく不安定であった（２０７、２１０）。ここで、荷重Ｎが約３００Ｎのときの第一および第二の摺動面２１、３１の面圧は、約１．５Ｎ／ｍｍ^２であり、荷重Ｎが約７００Ｎのときの第一および第二の摺動面２１、３１の面圧は、約３．５Ｎ／ｍｍ^２である。したがって、第一および第二の摺動面２１、３１の面圧は、１．５Ｎ／ｍｍ^２より大きく、かつ３．５Ｎ／ｍｍ^２より小さくなるように設定することが好ましいことが分かった。

また、本発明者等は、複数のイオン液体４（ＩＬ−Ｃ１、ＥＭＩ−ＴＦＳＩ、ＢＭＩ−ＴＦＳＩ、ＢＭＰ−ＴＦＳＩ、ＢＭＩ−ＢＦ４、ＢＭＩ−ＰＦ６）について、以下の表３に示す条件において、軸心Ｏ方向の荷重Ｎを金属円筒３の他方の端面３３上に加えて、イオン液体４を介して金属平板２に金属円筒３を押し当てながら、軸心Ｏ回りの回転方向Ｒに金属円筒３を回転させ、そのときの金属平板２の回転方向Ｒにおけるトルクを、図示していないロードセルで検出し、この検出トルクから第一および第二の摺動面２１、３１間の摩擦係数を測定するとともに、金属平板２および金属円筒３の比摩耗量を測定する試験を行った。

ここで、ＥＭＩ−ＴＦＳＩは、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムを有機カチオンとし、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）アミドをアニオンとするイオン液体であり、以下の化４に示す構造を有する。

また、ＢＭＩ−ＴＦＳＩは、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムを有機カチオンとし、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）アミドをアニオンとするイオン液体であり、以下の化５に示す構造を有する。

また、ＢＭＩ−ＢＦ４は、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムを有機カチオンとし、テトラフルオロボレートをアニオンとするイオン液体であり、以下の化６に示す構造を有する。

また、ＢＭＩ−ＰＦ６は、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムを有機カチオンとし、ヘキサフルオロホスフェートをアニオンとするイオン液体であり、以下の化７に示す構造を有する。

図４は、表３に示す条件において、各種のイオン液体４における第一および第二の摺動面２１、３１間の摩擦係数の測定結果と、金属平板２、金属円筒３の比摩耗量の測定結果とを示している。ここで、左側の縦軸は摩擦係数、右側の縦軸は比摩耗量、そして、横軸はイオン液体４の種類である。

また、符号２１１は、第一および第二の摺動面２１、３１間の平均摩擦係数を示す棒グラフであり、符号２１２は、第一および第二の摺動面２１、３１間の最後の滑り距離１０００ｍにおける摩擦係数を示す俸グラフである。また、符号２１３は、金属平板２の比摩耗量を示す折れ線グラフ（実線）であり、符号２１４は、金属円筒３の比摩耗量を示す折れ線グラフ（破線）である。

図示するように、イオン液体４として、ＩＬ−Ｃ１、ＢＭＰ−ＴＦＳＩを用いた場合、つまりピロリジニウム塩からなるイオン液体を用いた場合、ＢＭＩ−ＢＦ４を除く他のイオン液体（ＥＭＩ−ＴＦＳＩ、ＢＭＩ−ＴＦＳＩ、ＢＭＩ−ＰＦ６）を用いた場合に比べて、第一および第二の摺動面２１、３１間の平均摩擦係数が劇的に低下するとともに（２１１）、第一および第二の摺動面２１、３１間の滑り距離が長くなるほど摩擦係数が低下し、長期の使用にわたって低摩擦係数が安定して得られることが分かった（２１２）。

なお、イオン液体４にＢＭＩ−ＢＦ４を用いた場合も、ピロリジニウム塩からなるイオン液体を用いた場合と同様に、摩擦係数が低くなる（２１１、２１２）。しかし、ピロリジニウム塩からなるイオン液体を用いた場合は、金属平板２が摩耗するのに対して、ＢＭＩ−ＢＦ４を用いた場合は、金属円筒３が摩耗する（２１３、２１４）。本実施の形態に係る摺動機構１をスラスト軸受に用いた場合、通常、固定された金属平板２の第一の摺動面２１が軸受面となり、回転する金属円筒３が、この軸受面によりスラスト方向に支持される相手部材（支持対象）となる。したがって、本実施の形態に係る摺動機構１をスラスト軸受に用いる場合、イオン液体４にＢＭＩ−ＢＦ４を用いると、相手部材が摩耗することになる。通常、摺動機構において、相手部材は、軸受に比べて加工精度の要求が高く、形状が複雑であったりして高価な場合が多い。また、相手部材は、軸受に比べて取付け、取外しが困難な場合が多い。このため、相手部材の方が軸受に比べて耐摩耗性に劣るような組合せは好ましくない。したがって、イオン液体には、ＢＭＩ−ＢＦ４よりもピロリジニウム塩からなるイオン液体を用いる方がより好ましい。

以上、本発明の実施の形態を説明した。

本実施の形態では、第一および第二の摺動面２１、３１間にイオン液体４を介在させるとともに、銅合金（例えば高力黄銅系合金）を用いて、第一の摺動面２１を構成する金属平板２を形成することにより、第一および第二の摺動面２１、３１間の摩擦係数を低下させた。また、炭素鋼（例えばＳ４５Ｃ）を用いて、第二の摺動面３１を構成する金属円筒３を形成することにより、第一および第二の摺動面２１、３１間の摩擦係数をさらに低下させた。また、ピロリジニウム塩からなるイオン液体を用いることにより、滑り距離の長短にかかわらず、第一および第二の摺動面２１、３１間の摩擦係数を安定的にさらに低下させた。これにより、摺動部材５および摺動機構１の低摩擦化を図ることができた。

また、本実施の形態では、第一および第二の摺動面２１、３１の面圧が１．５Ｎ／ｍｍ^２より大きく、かつ３．５Ｎ／ｍｍ^２より小さくなるように、軸心Ｏ方向の荷重Ｎを金属円筒３の他方の面３３上に加えて、イオン液体４を介して金属平板２に金属円筒３を押し当てることにより、第一および第二の摺動面２１、３１間の摩擦係数を、回転速度にかかわらず安定的に低下させた。これにより、摺動部材５および摺動機構１の性能安定性を高めることができた。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。

例えば、上記の実施の形態では、第一の摺動面２１を構成する金属平板２に銅合金を用いているが、本発明は、第一の摺動面２１および第二の摺動面３１の一方が銅合金を用いて形成されていればよい。また、銅合金は、例えばオイレス工業（株）製のオイレス＃５００ＳＰ１のように、固体潤滑剤が分散されているものでもよい。銅合金に固体潤滑剤が分散されているものを用いることにより、第一および第二の摺動面２１、３１間の摩擦係数をさらに低下させることができる。

また、上記の実施の形態では、金属円筒３の端面に形成された第二の摺動面３１を、イオン液体４を介して金属平板２の第一の摺動面２１で支持する構造を採用しているが、本発明はこれに限定されない。本発明は、相対的に運動する二面の対向面（２つの摺動面）間にイオン液体を介在させることが可能な摺動機構およびこの摺動機構に用いられる摺動部材であれば、用途、各部の形状を問わず様々な摺動機構およびこの摺動機構に用いられる摺動部材に適用可能である。

１：摺動機構、２：金属平板、２１：第一の摺動面、３：金属円筒、３１：第二の摺動面、４：イオン液体、５：摺動部材

Claims

相対する２つの摺動面を備えた摺動機構に用いられる摺動部材であって、
前記２つの摺動面のうちの一方の摺動面と、
前記２つの摺動面間に介在するイオン液体と、を有し、
前記一方の摺動面は、銅合金を用いて形成されている
ことを特徴とする摺動部材。
請求項１に記載の摺動部材であって、
前記銅合金は、高力黄銅系合金である
ことを特徴とする摺動部材。
請求項１または２に記載の摺動部材であって、
前記銅合金には、固体潤滑剤が分散している
ことを特徴とする摺動部材。
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の摺動部材であって、
前記イオン液体は、ピロリジニウム塩からなる
ことを特徴とする摺動部材。
請求項４に記載の摺動部材であって、
前記ピロリジニウム塩からなるイオン液体は、ＢＭＰ−ＴＦＳＩである
ことを特徴とする摺動部材。
相対する２つの摺動面を備えた摺動機構であって、
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の摺動部材と、
前記摺動部材が備えるイオン液体を介して、当該摺動部材が備える一方の摺動面と対面する他方の摺動面と、を有し、
前記他方の摺動面は、炭素鋼を用いて形成されている
ことを特徴とする摺動機構。
請求項６に記載の摺動機構であって、
前記炭素鋼は、Ｓ４５Ｃである
ことを特徴とする摺動機構。
請求項６または７に記載の摺動機構であって、
前記２つの摺動面は、
１．５Ｎ／ｍｍ^２より大きくかつ３．５Ｎ／ｍｍ^２より小さい面圧で、前記イオン液体を介して互いに押し当てられている
ことを特徴とする摺動機構。