JP2017101602A

JP2017101602A - 摺動部材および斜板式コンプレッサ

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Publication number: JP2017101602A
Application number: JP2015235607A
Authority: JP
Inventors: 墾窪田; Kon Kubota
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2017-06-08
Anticipated expiration: 2035-12-02
Also published as: JP6468991B2

Abstract

【課題】油保持性が改善された摺動部材を提供する。【解決手段】摺動部材である斜板３は、基材３１と、基材３１上に形成されたコーティング層３２とを有する。コーティング層３２は、バインダー樹脂３２１と、バインダー樹脂３２１中に分散された固体潤滑剤３２２とを有する。コーティング層３２の摺動面における固体潤滑剤３２２の露出率は７％以上である。摺動部材【選択図】図７

Description

本発明は、固体潤滑剤が分散された樹脂コーティング層を有する摺動部材に関する。

固体潤滑剤が分散された樹脂コーティング層を有する摺動部材が知られている。特許文献１には、油膜破壊および焼付きを防止するため、摺動面の端部に複数の凹部を設けた摺動部材が記載されている。この凹部の開口面積は、摺動面の端に行くにしたがって大きくなる。

特開２００４−３４０２４８号公報

特許文献１においては、摺動面における固体潤滑材の量が制御されておらず、油保持性において改善の余地があった。

これに対し本発明は、油保持性が改善された摺動部材および斜板式コンプレッサを提供する。

本発明は、基材と、前記基材上に形成されたコーティング層とを有し、前記コーティング層は、バインダー樹脂と、前記バインダー樹脂中に分散された固体潤滑剤とを有し、前記コーティング層の摺動面における前記固体潤滑剤の露出率が７％以上である摺動部材を提供する。

前記コーティング層の摺動面における前記固体潤滑剤の露出率が１０％以上であってもよい。

前記固体潤滑剤がｃ軸配向性を有し、前記コーティング層における前記固体潤滑剤の相対ｃ軸強度比が８０％以上であってもよい。

負荷曲線において最大表面粗さに対し表面粗さからの深さの５０％の占有率が５０％以下であってもよい。

前記占有率が７０％以下であってもよい。

前記コーティング層の前記摺動面における表面粗さが１〜２０μｍであってもよい。

前記表面粗さが８〜１５μｍであってもよい。

また、本発明は、上記いずれかの摺動部材を斜板として用いた斜板式コンプレッサを提供する。

本発明によれば、摺動部材および斜板式コンプレッサにおいて油保持性および初期なじみ性を改善することができる。

一実施形態に係るコンプレッサ１の構造を示す断面模式図。斜板３の構造を例示する図。コーティング層３２の構造を例示する模式図。コーティング層３２における固体潤滑剤３２２の配向状態を示す模式図。図５は、コーティング層３２の負荷曲線の概要を示す模式図。斜板３の製造方法を例示するフローチャート。実験例１〜３における固体潤滑剤露出率を示す図。摩擦係数のＭｏＳ_２添加量依存性を示す図。実験例１および実験例２の負荷曲線を示す模式図。潤滑油の接触角の負荷長さ率Ｒｍｒ（５０）依存性を示す図。

１．構造
図１は、一実施形態に係るコンプレッサ１の構造を示す断面模式図である。コンプレッサ１は、いわゆる斜板式コンプレッサである。コンプレッサ１は、シャフト２、斜板３、ピストン４、およびシュー５を有する。シャフト２は、ハウジング（図示略）に対して回転可能に支持されている。斜板３は、シャフト２の回転軸に対して斜めに固定されている。斜板３は、本発明の摺動部材の一例である。ピストン４は、ハウジングに設けられたシリンダボア（図示略）内を往復運動する。シュー５は、斜板３とピストン４との間に設けられており、斜板３およびピストン４とそれぞれ摺動する。シュー５において、斜板３と摺動する面はほぼ平坦であり、ピストン４と摺動する面はドーム状（半球状）の形状を有している。シャフト２の回転は、斜板３によりピストン４の往復運動に変換される。

図２は、斜板３の構造を例示する図である。図２は、シュー５との摺動面に垂直な断面における構造を示す模式図である。斜板３は、基材３１、コーティング層３２、およびコーティング層３３を有する。コーティング層３２およびコーティング層３３はいずれもシュー５と摺動する。基材３１は、円板形状を有しており、要求される特性を満たす金属、例えば、鉄系、銅系、またはアルミニウム系の合金により形成される。シュー５との凝着を防ぐ観点から、斜板３はシュー５とは異なる材料で形成されることが好ましい。

図３は、コーティング層３２の構造を例示する模式図である。コーティング層３２は、斜板３の摺動面の特性を改善するために設けられている。コーティング層３２は、バインダー樹脂３２１および固体潤滑剤３２２を有する。コーティング層３２は、例えば、２０〜７０ｖｏｌ％の固体潤滑材を含む。残部はバインダー樹脂である。バインダー樹脂３２１は、例えば熱硬化性樹脂により形成される。熱硬化性樹脂としては、例えば、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、およびポリイミド（ＰＩ）、エポキシ、ポリエーテルエーテルケトン、フェノール、エラストマーの少なくとも１種が用いられる。固体潤滑剤３２２は、潤滑特性を改善するために添加される。固体潤滑剤３２２としては、ｃ軸配向性を有する結晶性物質、例えば、ＭｏＳ_２、グラファイト（Ｇｒ）、カーボン、フッ素系樹脂、軟質金属（Ｓｎ，Ｂｉ等）、ＷＳ_２、およびｈ−ＢＮの少なくとも１種が用いられる。ｃ軸配向性を有する結晶性物質とは、六方晶系等、層状の結晶構造を有する物質をいう。なお、コーティング層３２は、固体潤滑剤３２２に加え、硬質粒子等の他の添加物を含んでいてもよい。硬質粒子としては、例えば、酸化物、窒化物、炭化物、および硫化物の少なくとも１種が用いられる。

コーティング層３２の摩滅を防止する観点から、コーティング層３２の厚さは１０μｍ以上であることが好ましく、１５μｍ以上であることがより好ましく、２０μｍ以上であることがさらに好ましい。例えば、コーティング層３２の厚さが５μｍ未満であると、コーティング層３２が摩耗して基材３１が露出してしまう場合がある。基材３１が露出すると、摩擦係数が増大したり、シュー５と凝着したりする問題が発生する。また、コーティング層３２の膜厚が厚すぎるとかえって耐焼付き性が低下する場合があることから、５０μｍ以下であることが好ましい。

また、耐焼付き性を向上させる観点から、コーティング層３２における固体潤滑剤３２２の相対ｃ軸強度比は８０％以上であることが好ましく、８５％以上であることがより好ましい。ここで、相対ｃ軸強度比とは、Ｘ線回折における全回折ピーク強度に対する、劈開面からの回折ピーク強度の比をいう。より詳細には、相対ｃ軸強度比は、（００２）、（００４）、（１００）、（１０１）、（１０２）、（１０３）、（１０５）、（１１０）、および（００８）面からの回折ピーク強度の積算値に対する、（００２）、（００４）、および（００８）面からの回折ピーク強度の積算値の比として定義される。上記の９つの結晶面以外からの回折ピークが現れる場合もあるが、ピーク強度が弱いため相対ｃ軸強度比の算出においては無視する。

相対ｃ軸強度比が８０％以上である、すなわち相対ｃ軸強度比が高い状態とは、コーティング層３２において固体潤滑剤３２２の結晶方位が揃っている状態を意味する。結晶方位が揃っている度合いを示しているという意味において、相対ｃ軸強度比を以下では「配向率」という。一般に固体潤滑剤は、層構造を有する結晶における層間滑りにより低い摩擦係数を示す。結晶方位が揃っているということは、層間滑りが起こる方向が揃っているということである。

図４は、コーティング層３２における固体潤滑剤３２２の配向状態を示す模式図である。図４（Ａ）は配向率が低い状態を、図４（Ｂ）は配向率が高い状態を、それぞれ示している。これらの図では、固体潤滑剤３２２を六角形の薄片として表している。図４（Ｂ）の例では、固体潤滑剤３２２は、劈開面が摺動面にほぼ平行な方向に揃っている。図４（Ｂ）のようにコーティング層３２において固体潤滑剤３２２の配向率が高いと、摩擦係数が減少し、耐焼付き性が向上する。

固体潤滑剤３２２の平均粒径は、例えば１〜１０μｍである。平均粒径は、例えばレーザー回折法により測定される。

図５は、コーティング層３２の負荷曲線の概要を示す模式図である。負荷曲線とは、切断レベルの関数として表された輪郭曲線要素の負荷長さ率を表す。なお負荷曲線については、ＪＩＳＢ０６０１：２０１３に規定されている。切断レベルとは摺動面の基材の表面に平行な切断面を得るための輪郭曲線の最大山高さからの深さをいう。最大山高さを切断レベル０％とし、最大谷深さを切断レベル１００％とする。負荷長さ率Ｒｍｒ（ｃ）とは、切断レベルｃにおける輪郭曲線要素の負荷長さＭｌ（ｃ）の評価長さに対する比率を表す（次式（１））。なおｌｎは評価長さを、ｍは切断レベルｃにおける山の数を表す。

この例で、コーティング層３２においては、切断レベルｃが５０％の位置における負荷長さ率Ｒｍｒは７０％以下であることが好ましく、５０％以下であることがより好ましい。負荷長さ率が相対的に少ないということは、初期なじみによってコーティング層の表面が数μｍ摩耗してもまだ凹部が残っており、この凹部に潤滑油を保持することができるため潤滑特性に優れる。

また、この凹部は特許文献１の凹部のように不連続なものではなく、互いに連続している。したがって潤滑油に流れが生まれる。これによって摺動発熱の冷却が進み、摺動特性が損なわれない。

コーティング層３３は、コーティング層３２と同様に形成される。

２．製造方法
図６は、斜板３の製造方法を例示するフローチャートである。ステップＳ１において、基材が準備される。ステップＳ２において、基材が所定の形状に成型される。この例では、基材が円板状に成型される。基材とコーティング層との密着性を高めるため、基材の表面が粗面化されてもよい。

ステップＳ３において、コーティング層を形成するための塗料が準備される。まず、バインダー樹脂および固体潤滑剤が公知の方法で混合される。これらの混合体は、希釈剤で希釈される。希釈剤としてはどのようなものが用いられてもよいが、例えば、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）が用いられる。希釈剤の配合比率は、固形分に対して例えば３０〜７０体積％である。

ステップＳ４において、基材の表面に塗料が塗布される。塗料は、例えば、パッド印刷、ロールコーティング、またはスプレーコーティングにより塗布される。１回で塗布できる塗料の厚さが制限される場合、２回以上の重ね塗りが行われてもよい。ステップＳ５において、塗布層は乾燥および焼成される。コーティング層の表面粗さ（ＪＩＳＢ０６０１：２００１におけるＲｚｊｉｓ）は、例えば１〜２０μｍであることが好ましく、８〜１５μｍであることがより好ましい。塗料の塗布後、乾燥・焼成が行われる（ステップＳ５）。

３．実験例
種々の条件で摺動部材の試験片を作製し、これらの特性を評価した。より詳細には、実験例１〜４の４つの区分において、それぞれ複数の試験片を作製した。実験例１〜４において、コーティング層３２の材料および組成は共通である。バインダー樹脂としてはＰＡＩが、固体潤滑材としてはＭｏＳ_２およびグラファイトが用いられた。実験例１〜４では、バインダー樹脂６０ｖｏｌ％に対して固体潤滑剤を４０ｖｏｌ％を添加した。実験例１〜３において、グラファイトが１０ｖｏｌ％、ＭｏＳ_２が３０ｖｏｌ％であった。実験例４では固体潤滑剤としてグラファイトは用いずＭｏＳ_２のみを添加した。実験例１〜４において、ＭｏＳ_２の平均粒径は約２μｍであり、グラファイトの平均粒径は５〜１０μｍであった。基材としては、鋳鉄（ＦＣＤ７００）を用いた。

実験例１〜４においては、コーティング層を形成するための塗料の塗布方法およびコーティング層の膜厚が異なっている。より具体的には、実験例１および４は、パッド印刷によりコーティング層が形成されたのに対し、実験例２はロールコーティングにより、実験例３はスプレーコーティングによりコーティング層が形成された。これらの実験例１〜４に対して、配向率および表面粗さを測定した。また、実験例１および２に対して、最表面における固体潤滑剤露出率、負荷長さ率（ｃ＝５０％時）、摩擦係数、および潤滑油の接触角を測定した。

表１は、実験例１〜４における配向率および表面粗さの測定結果を示す。

コーティング層をパッド印刷で塗布した試料（実験例１および４）と他の方法（実験例２：ロールコーティング、実験例３：スプレーコーティング）とを対比すると、パッド印刷で塗布した試料の方が配向率が高い傾向が見られた。パッドコートでは薄い膜を積層して所望の膜厚を得ている。１層あたりの膜厚は添加剤のサイズと同等程度になり、添加剤を押しつける効果が得ら、高い配向率が得られる。一方で、ロールコーティングおよびスプレーコーティングでは１回で所望の厚さの膜を塗布している。そのため、添加剤のサイズを基準とすると膜厚は（パッドコートよりも）厚くなり、添加剤を押しつける効果が弱くなり、相対的に低い配向率が得られる。

表面粗さに関しては、塗料の塗布方法が同じである実験例１と実験例４とにおいて表面粗さが相違していることから、単に塗布方法のみに依存しているのではなく、固体潤滑剤の粒径にも依存していると考えられる。

図７は、実験例１〜３における固体潤滑剤露出率を示す図である。固体潤滑材露出率は以下の手順で算出した。まずコーティング層表面の顕微鏡写真を撮影する。撮影した顕微鏡写真における色の濃淡から画像処理ソフトウェアを用いてＭｏＳ_２の領域を特定する。観察領域に対するＭｏＳ_２領域の面積率を算出し、固体潤滑材露出率とする。なお、この測定手順から明らかなように、ここでいう固体潤滑材露出率は、ＭｏＳ_２の露出率である。

実験例１の３片の試料において、固体潤滑材露出率は、７．９％、１２．３％、および７．７％であった。実験例２の３片の試料において、固体潤滑材露出率は、１．３％、０．８％、および０．５％であった。実験例３の３片の試料において、固体潤滑材露出率は、８．１％、９．２％、および１３．０％であった。実験例２においてはロールコーティングにより塗料を塗布した後で表面を仕上げ処理（研磨等）しているため、その際に固体潤滑剤が表面から脱落し、固体潤滑材露出率が低くなっていると考えられる。なお、実験例１と同じ方法で作成した試料では、固体潤滑剤露出率が１５％のものも得られている。

図８は、摩擦係数のＭｏＳ_２添加量依存性を示す図である。この図は、実験例２と同様にロールコーティングでコーティング層を形成した場合において、コーティング層へのＭｏＳ_２添加量を変えたときに摩擦係数がどう変化するかを示している。この図から、コーティング層全体のＭｏＳ_２添加量が増加すると摩擦係数が低下する傾向があることが分かる。この結果から、摺動面におけるＭｏＳ_２の露出量が増加すると摩擦係数が低減することが予測される。

実験例１および実験例２について潤滑油の接触角を測定すると、それぞれ、約２°および約４°であった。このように実験例１において潤滑油の接触角すなわち油保持性が異なっている理由を検討する。

図９は、実験例１および実験例２の負荷曲線を示す模式図である。図８（Ａ）は実験例１の負荷曲線を、図８（Ｂ）は実験例２の負荷曲線を、それぞれ示している。実験例１と実験例２とを対比すると、実験例１では負荷長さ率が相対的に一様に増加しているのに対し、実験例２では相対的に浅いところで負荷長さ率が急に増加し、深いところで負荷長さ率が緩やかに増加するという、２段階の変化を示している。詳細には、ｃ＝５０％において、実験例１では負荷長さ率が４０％、実験例２では約９０％であった。

図１０は、潤滑油の接触角の負荷長さ率Ｒｍｒ（５０）依存性を示す図である。Ｒｍｒ（５０）は、ｃ＝５０％における負荷長さ率を示す。負荷長さ率Ｒｍｒ（５０）が小さい方が、接触角が小さい、すなわち親油性が高い傾向が見られた。この結果から、実験例１および実験例２における接触角は負荷曲線の違いによるものであると考えられる。

なお、本発明に係る摺動部材は、コンプレッサ１の斜板３として用いられるものに限定されない。本発明に係る摺動部材は、半割軸受やブシュなど、斜板式コンプレッサ以外の摺動部材として用いられてもよい。実験例におけるコーティング層の材料、組成、膜厚等はあくまで例示である。本発明はこれに限定されるものではない。

１…コンプレッサ
２…シャフト
３…斜板
３１…基材
３２…コーティング層
３２１…バインダー樹脂
３２２…固体潤滑剤
３３…コーティング層
４…ピストン
５…シュー

Claims

基材と、
前記基材上に形成されたコーティング層と
を有し、
前記コーティング層は、
バインダー樹脂と、
前記バインダー樹脂中に分散された固体潤滑剤と
を有し、
前記コーティング層の摺動面における前記固体潤滑剤の露出率が７％以上である
摺動部材。
前記コーティング層の摺動面における前記固体潤滑剤の露出率が１０％以上である
ことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
前記固体潤滑剤がｃ軸配向性を有し、
前記コーティング層における前記固体潤滑剤の相対ｃ軸強度比が８０％以上である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材。
負荷曲線において最大表面粗さに対し表面粗さからの深さの５０％の占有率が７０％以下である
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の摺動部材。
前記占有率が５０％以下である
ことを特徴とする請求項４に記載の摺動部材。
前記コーティング層の前記摺動面における表面粗さが１〜２０μｍである
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の摺動部材。
前記表面粗さが８〜１５μｍである
ことを特徴とする請求項６に記載の摺動部材。
請求項１ないし７のいずれか一項に記載の摺動部材を斜板として用いた斜板式コンプレッサ。